CN109798979B - 宽光谱范围的半导体工艺兼容高光谱成像芯片设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种易加工的宽光谱范围的半导体工艺兼容高光谱成像芯片设计方法，涉及半导体技术领域。本发明提供一种宽光谱范围、高光谱分辨率，高信噪比的FPI的腔镜设计，实现了一种宽光谱范围，高光谱分辨率，高信噪比的工艺兼容高光谱成像集成芯片。其中在设计半导体工艺的高光谱成像芯片时，考虑到高光谱需要涵盖更多的谱段数，通过对成像芯片结构的布拉格膜系的中心波长设计，并对布拉格镜膜系中心波长进行了优化设计，展宽了高光谱成像芯片的可用光谱范围，保证了FP腔长改变或调谐波长的过程中，滤波带宽的最优化，避免可用光谱范围变窄，边缘谱段的分辨率变差，信噪比变差，导致识别目标的特征谱段无法被区分等问题。

Description

宽光谱范围的半导体工艺兼容高光谱成像芯片设计方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种易加工的宽光谱范围 的半导体工艺兼容高光谱成像芯片设计方法。

背景技术

高光谱成像技术是一种将传统的二维成像技术与光谱分析技术 有机结合在一起的新方法，其根据物质对不同波长电磁波的反应来实 现对于物质的识别和测量。高光谱成像系统(Hyper Spectral Imaging， 简称HSI)，可以获得二维空间图像信息与一维光谱信息构成的具有 “图谱合一”特性的三维光谱图像，它既可以观测到二维分布的空间 信息，又可以观测到每一个像素点上的光谱信息。

图像空间信息反映目标物的大小、形状和缺陷等外部特征，光谱 信息能够反映目标物体的物理和化学成分。因此可以通过分析处理光 谱信息来识别物质材料、材质和组份等理化信息，还可以通过图像的 空间信息快速地、直观地识别相关位置和范围。

光谱成像的检测功能使其在众多领域具有巨大的应用潜力，例 如，食品质量安全监控、精细农业、矿业勘探开采、地表地质分析、 天文学、环境分析及监控、医疗诊断、生化分析、安防和军事等。

1)传统高光成像系统的缺点

以经典空间扫描式的高光谱成像系统为代表的传统光谱成像系 统结构，在经典的HSI系统中，由于系统是基于单个分立器件的，为 了保证空间分辨率和光谱分辨率，必须引入物镜、光阑、准直器、各 类透镜等光学器件，同时必须考虑各种器件之间的聚焦、准直问题， 这就导致传统的HSI系统复杂度很高，体积较大，成本很高，应用范 围受到极大限制。同时，在传统架构中，由于分立的光学元器件的分 光性能对光波长较为敏感，当应用需求发生改变，比如不同波长及不 同分辨率的要求等，整个光学系统的架构需要重新设计以适应特定的 需求，这极大地增加了系统再设计的复杂度。

受限于传统HSI系统架构的上述局限性，特别是由于光谱分光单 元(如光栅或棱镜)的引入所引起的附加光学器件导致的系统复杂度 提升(系统本身结构复杂度及再设计的复杂度)，目前市场上主要 HSI系统多为面向科研及大型检测单位应用，应用范围及平台的选择 都十分受限。针对传统的HSI技术瓶颈，很多研究者开展了以光谱分 光单元为切入点的HSI系统小型化、轻型化和低成本研究工作。

2)集成化的趋势

近年来，随着集成电路技术的发展，微电子机械系统(MEMS)， 微光电子机械系统(MOEMS)也取得了长足的发展。利用微纳加工 技术，制备纳光学器件，甚至实现微纳光学器件与IC芯片上的集成， 从而实现传统光学系统的微型化、集成化。

高光谱成像由以前的系统级，现在已经微型化到芯片级，既可以 作为微光机电分光镜器件(MOEMS)搭在手机的镜头上使用，又可 以直接把分光镜单片集成到CMOS图像传感器之上。最常见微型化 的光谱过滤器件即为上文提及的法布里-珀罗干涉腔结构，光进入FPI 后，在两个反射平面进行反射，光波在FPI内发生多光束干涉现象， 只有满足其共振条件波长的光，才会透射出腔体。如果入射光是一个 宽谱光源，则出射光就是只有满足共振条件波长的光波，而且波长与 透明夹层厚度有一定的正比关系。但对于单个固定腔体厚度的法珀过 滤器来说，其可过滤波长有限，无法满足一些光谱图像需要多个光谱 波段信息的需要。因此，研究人员通常采用静电驱动的可调制腔体或 递变腔体厚度的法珀腔阵列这两种方案来解决。这也是目前业界最主 流的两大发展方向。

传统的高光谱成像系统一般采用棱镜作为光谱分光器件 (dispersive)，或采用液晶光学滤波(LCTF)、声光调制滤波器(AOTF) 等可调制光谱滤波器件(tunable opticalfilter)。但是这些分立式的光 学器件本身占有一定的空间体积且需要与其他光学元器件之间的相 互聚焦和准直，造成高光谱成像系统的体积大、结构复杂、维护成本 高、集成化程度低的限制因素。

一种可实现微型化的滤波方法是薄膜滤波器件，包括吸收滤波和 干涉滤波。前者是利用染色玻璃、漆明胶或者化合物来支撑吸收滤波 片，其特点是成本低廉，但其光谱分辨率和透过率均较低，分别为 30-250nm左右及20％-30％左右，而HSI由于谱带带宽窄(10nm以 下)和较高的光强要求，因此吸收滤波技术在HSI系统中的应用十分 有限。而干涉滤波技术具有很好的波长分辨率和透过性，可以应用在 高性能、微型化HSI系统中。法布里-珀罗干涉仪(Fabry–Pérot Interferometer，简称FPI)是一种典型的干涉膜，由两层高反射低吸 收的反射层和透明中间夹层(可以是介质、真空等)组成。光进入 FPI后，在两个反射平面进行反射，光波在FPI内发生多光束干涉现 象，只有满足其共振条件波长的光，才会透射出腔体，如果入射光是 一个宽谱光源，则出射光就是只有满足共振条件波长的光波，即光学 滤波。美国的Wang等人制备了一种基于硅基底的微型FPI滤波器， 并将该滤波器和图像传感器封装在一起，在微观尺度上实现了HSI， 但是由于FPI和传感器不是一体集成的，两者之间存在较大空隙，大 大降低了系统的效率，也同时为系统的准直和光学校正增加了负担。 同时，上述这些基于分立光学元器件小型化HSI系统，一定程度上 依然存在着传统HSI系统中固有的光学准直、色散校正以及杂散光等 问题。

制作FPI的两边高反射率腔镜一般是布拉格反射镜，布拉格反射 镜(也称为分布布拉格反射器)是一种反射镜结构，包含了两种光学 材料组成的可调节的多层结构。最常用的是四分之一反射镜，其中每 一层的厚度都对应四分之一的波长。制作布拉格反射镜需要选择折射 率大和折射率小的两种材料分别作为交错生长的膜层，它们对入射光 是透明的。对于半导体材料，还要求它们与衬底以及它们之间晶格匹 配以减少应力。实际中多采用1/4λ膜系(λ为入射波长)。就是在村 底上交替地生长低折射率膜和高折射率膜。每层膜的光学厚度均为 1/4λ，通常需要生长十几对才可以获得高于95％以上的反射率。两 种材料的折射率差越大，布拉格反射镜的反射带宽越宽，达到一定反 射率所需要生长的对数也越少。

国外在静电驱动式的法珀腔芯片方面的研究包括：以芬兰VTT 代表的基于MOEMS技术的分立式分光镜器件，用静电控制的方式， 控制顶反射镜与底反射镜之间的距离，即透明夹层距离来控制让特定 波长的光透射出去。因为顶反射镜是一个运动部件，所以VTT的法 珀腔透明夹层是真空或者是常压工作环境。VTT商业化的产品已实 现可视区至近红外的成像，光谱分辨率达5-10nm.类似的静电驱动式 光谱芯片的研究也被报道于澳大利亚University of Western Australia (UWA)Lorenzo Faraone教授小组的工作中，其设计了各种可与图 像传感器接合、光学性能稳定的MEMS静电法珀腔芯片，应用于红 外波段。

FPI分光模式，通过MOEMS改变FP的通光层的厚度来滤波， 可实现多谱段的调谐滤波，MOEMS只能调谐FP腔腔长，改变滤波 中心波长，但是FP腔镜的厚度不会随着MOEMS驱动而发生改变， 布拉格镜的厚度

(λ₀为未调谐的初始设计波长)与调谐的FP 腔长不匹配，从而导致高光谱成像芯片的光谱范围变窄，边缘谱段的 分辨率变差，信噪比变差。

国外在递变腔体厚度的法珀腔阵列方面的研究，主要以比利时 IMEC的“一体式”器件为代表，他们将多阶式法珀腔分光镜与CMOS 图像传感器的芯片单片集成到一起。考虑到与CMOS后端工艺的兼 容，使用氧化硅、氮化硅两种介质交替组成顶、底布拉格镜，使用氧化硅作为FP腔夹层，可以通过“空间－光谱同步扫描”和快照式的 成像方案实现快速的光谱成像。

FPI分光模式，通过生长台阶式通光层实现FP腔长的变化，可 实现多谱段的调谐滤波，MOEMS只能调谐FP腔腔长，但是同样FP 腔的腔镜的厚度不会随着台阶的厚度变化而改变，布拉格镜的厚度

(λ₀为初始设计波长)与台阶变化的FP腔长不匹配，从而导 致高光谱成像芯片的光谱范围变窄，边缘谱段的分辨率变差，信噪比 变差。

可见，现有两项高光谱成像芯片集成技术都是只解决了FP腔的 腔长变化问题，但是FP腔两边腔镜布拉格镜并没有进行优化，从而 导致高光谱成像芯片的光谱范围变窄，边缘谱段的分辨率变差，信噪 比变差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种宽光谱范围，高光谱 分辨率，高信噪比的工艺兼容高光谱成像集成芯片的设计方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种易加工的宽光谱范围 的半导体工艺兼容高光谱成像芯片设计方法，该方法将所述芯片设计 为：所述成像芯片的每一个像素都由上反射镜、通光层、下反射镜和 像素感光部位构成，上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位均 采用半导体工艺相兼容的材料，采用半导体工艺进行生长；

所述上反射镜采用多层高反射率物质Si₃N₄多层低反射率物质 SiO₂交替制备，形成布拉格反射镜，当交叠次数达到10次以上，作 为FP腔的腔镜，上反射镜位于芯片保护玻璃之下，通光层之上；

所述通光层材料是由SIO₂材料制备，厚度变化为台阶式生长，或 由MOEMS电致驱动；

所述下反射镜具有和上反射层相同的结构和材料，位置在通光层 与像素感光部位之间；

所述上反射镜，通光层和下反射镜构成法珀腔。

优选地，所述像素感光部位是CMOS传感器的像素感光部位。

优选地，其中在所述下反射层和上反射镜之间形成FP光腔。

优选地，所述下反射镜和像素感光部位采用一体化制备方法，没 有空隙，像素感光部位后是完整的读出电路。

优选地，在组成FP腔的上反射镜和下反射镜的布拉格结构的膜 系生长厚度的中心波长选择上，选择的波长窗口在可见光至近红外范 围，其设计的优化公式为：

其中，λ₁和λ₂是成像芯片可调谐波长的下限和上限，λ₀是优 化设计的布拉格反射镜的中心波长。

优选地，所述高光谱成像芯片采用半导体工艺进行一次成型。

优选地，所述上反射镜，通光层，下反射镜和像素感光部位纵向 对齐整。

本发明还提供了一种易加工的宽光谱范围的半导体工艺兼容高 光谱成像芯片，所述芯片的每一个像素都由上反射镜、通光层、下反 射镜和像素感光部位构成，上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光 部位均采用半导体工艺相兼容的材料，采用半导体工艺进行生长；

所述上反射镜采用多层高反射率物质Si₃N₄多层低反射率物质 SiO₂交替制备，形成布拉格反射镜，当交叠次数达到10次以上，作 为FP腔的腔镜，上反射镜位于芯片保护玻璃之下，通光层之上；

所述通光层材料是由SIO2材料制备，厚度变化为台阶式生长， 或由MOEMS电致驱动；

所述下反射镜具有和上反射层相同的结构和材料，位置在通光层 与像素感光部位之间；

所述上反射镜，通光层和下反射镜构成法珀腔。

优选地，在所述下反射层和上反射镜之间形成FP光腔。

优选地，在组成FP腔的上反射镜和下反射镜的布拉格结构的膜 系生长厚度的中心波长选择上，选择的波长窗口在可见光至近红外范 围，其设计的优化公式为：

其中，λ₁和λ₂是成像芯片可调谐波长的下限和上限，λ₀是优 化设计的布拉格反射镜的中心波长。

(三)有益效果

本发明提供一种宽光谱范围、高光谱分辨率，高信噪比的FPI的 腔镜设计，实现了一种宽光谱范围，高光谱分辨率，高信噪比的工艺 兼容高光谱成像集成芯片。其中在设计半导体工艺的高光谱成像芯片 时，考虑到高光谱需要涵盖更多的谱段数，通过对成像芯片结构的布 拉格膜系的中心波长设计，并对布拉格镜膜系中心波长进行了优化设 计，展宽了高光谱成像芯片的可用光谱范围，保证了FP腔长改变或 调谐波长的过程中，滤波带宽的最优化，避免可用光谱范围变窄，边 缘谱段的分辨率变差，信噪比变差，导致识别目标的特征谱段无法被 区分等问题。

附图说明

图1为本发明的芯片纵切结构示意图；

图2为中心波长750nm时所得滤波效果波形图；

图3为中心波长为742.6nm时模拟所得滤波效果波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实 施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供一种宽光谱范围，高光谱分辨率，高信噪比的工艺兼 容高光谱成像集成芯片的设计方法，如图1所示，该方法将所述集成 芯片设计为：所述芯片的每一个像素都由上反射镜、通光层、下反射 镜和像素感光部位构成，上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部 位均采用半导体工艺相兼容的材料，采用半导体工艺进行生长。

所述上反射镜采用多层高反射率物质Si₃N₄多层低反射率物质 SiO₂交替制备，形成布拉格反射镜(布拉格反射镜是一种反射镜结构， 也称为分布布拉格反射器，包含了两种光学材料组成的可调节的多层 结构，最常用的是四分之一反射镜，其中每一层的厚度都对应四分之 一的波长。)当交叠次数达到10次以上(一层高折射率物质配合一层 低折射率物质定义为一次交叠)，上反射镜的反射率高达99％，具有 高反光效果(达到法珀腔镜的要求)，作为FP腔的腔镜，上反射镜 位于芯片保护玻璃之下，通光层之上；

所述通光层材料是由SIO₂材料制备，厚度变化即可以台阶式生 长，也可由MOEMS电致驱动；

所述下反射镜具有和上反射层相同的结构和材料，位置在通光层 与感光像素之间，同样具有高反效果；

所述上反射镜，通光层和下反射镜构成了典型的法珀腔，其下反 射层下面是CMOS传感器的像素感光部位。

其中在所述下反射层和上反射镜之间形成FP光腔；FP光腔长度 变化可由台阶式生长或MOEMS电致驱动改变；所述下反射镜和像素感 光部位采用一体化制备方法，没有空隙，像素感光部位后是完整的读 出电路。

在组成FP腔的上反射镜和下反射镜的布拉格结构的膜系生长厚 度的中心波长选择上，选择的波长窗口在可见光-近红外范围，其设 计优化公式为：

其中，λ₁和λ₂分别是高光谱成像芯片的宽光谱范围的可调谐波 长的下限和上限，λ₀是优化设计的布拉格镜的中心波长。

所述高光谱成像芯片采用半导体工艺进行一次成型，其上反射 镜，通光层，下反射镜和像素感光部位均采用半导体工艺相兼容的材 料，且纵向严格对齐整，没有后期贴合的部分。

本发明创新性的提出了高光谱集成成像芯片的结构，即每一个像 素都由上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位构成，芯片的结 构全部采用半导体工艺相兼容的材料。全半导体工艺兼容的高光谱成 像芯片，可实现全半导体工艺流片，当大批量生产时，大大降低高光 谱成像系统的成本，解决了传统高光谱成像系统的价格高昂，同时芯 片化解决了体积大、重量重等问题，大大推广了高光谱成像系统应用 范围，带来巨大的经济效益。

在设计半导体工艺的高光谱成像芯片时，考虑到高光谱需要涵盖 更多的谱段数，通过对成像芯片结构的布拉格膜系的中心波长设计， 并对布拉格镜膜系中心波长进行了优化设计，展宽了高光谱成像芯片 的可用光谱范围，保证了FP腔长改变或调谐波长的过程中，滤波带 宽的最优化，避免可用光谱范围变窄，边缘谱段的分辨率变差，信噪 比变差，导致识别目标的特征谱段无法被区分等问题。

以675nm～825nm波段为例，优选中心波长，以常规方案选择为谱 段的中心波长750nm作为膜系生产厚度的中心波长，此时通过MEMS 改变FP腔长使滤波波长在675nm～825nm范围内调谐，其滤波效果如 下图2所示。

MEMS调谐FP腔腔长从153.52nm到344.73nm，滤波中心波长从 675nm调谐到825nm，从模拟的滤波效果可以看出当滤波中心波长和 布拉格镜的中心波长匹配时，滤波带宽最窄，为10nm；当滤波的中 心波长往长波或者短波调谐时，滤波带宽都会加宽；当滤波波长调谐 到675nm和825nm时，其滤波带宽都展宽，分别为20nm和15nm；并 且当中心波长往短波调谐时，滤波带宽恶化明显，存在短波滤波“翘 尾”现象。因此，必须要对布拉格镜的中心波长匹配进行优化设计， 由于短波调谐滤波带宽恶化更为明显，所以布拉格镜的中心波长往短波方向上靠近，其设计优化公式为：

其中，λ₁和λ₂是滤波器可调谐波长的下限和上限，λ₀是优化 设计的布拉格镜的中心波长。根据优化后设计，当选择675nm～825nm 可调谐范围，其优化设计的布拉格镜的中心波长为742.6nm，完成优 化后，其模拟滤波效果如下图3所示。

布拉格镜膜系中心波长经过优化设计后，FP滤波器的短波调谐 滤波效果有明显提升，在675nm和825nm滤波带宽都优化到15nm， 此时按照优化后的布拉格镜设计完成的宽可调谐光谱图像传感器的 分辨率优化到15nm；当调谐范围越宽时，(比如300nm～900nm，常规 设计为600nm，优化设计为450nm)，越需要对布拉格镜中心波长进 行优化，达到可调谐光谱图像传感器的分辨率的最优化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领 域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以 做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种易加工的宽光谱范围的半导体工艺兼容高光谱成像芯片设计方法，其特征在于，该方法将所述芯片设计为：所述成像芯片的每一个像素都由上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位构成，所述上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位均采用半导体工艺相兼容的材料，采用半导体工艺进行生长；

所述上反射镜采用多层高反射率物质Si₃N₄与多层低反射率物质SiO₂交替制备，形成布拉格反射镜，当交叠次数达到10次以上，作为FP腔的腔镜，上反射镜位于一芯片保护玻璃之下，所述通光层之上；

所述通光层由SIO₂材料制备，厚度变化为台阶式生长或由微光机电系统MOEMS电致驱动；

所述下反射镜具有与上反射镜 相同的结构和材料，位置在通光层与像素感光部位之间；

所述上反射镜，通光层和下反射镜三者构成法珀腔；

其中在所述下反射镜 和上反射镜之间形成FP光腔；

在组成FP腔的上反射镜和下反射镜的布拉格结构的膜系生长厚度的中心波长选择上，选择的波长窗口在可见光至近红外范围，所述中心波长的优化公式为：

其中，λ₁和λ₂是成像芯片可调谐波长的下限和上限，λ₀是优化设计的布拉格反射镜的中心波长。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述像素感光部位为CMOS传感器的像素感光部位。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下反射镜和像素感光部位采用一体化制备方法，没有空隙，像素感光部位后是完整的读出电路。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高光谱成像芯片采用半导体工艺进行一次成型。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上反射镜，通光层，下反射镜和像素感光部位纵向对齐整。

6.一种易加工的宽光谱范围的半导体工艺兼容高光谱成像芯片，其特征在于，所述芯片的每一个像素都由上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位构成，上反射镜、通光层、下反射镜和像素感光部位均采用半导体工艺相兼容的材料，采用半导体工艺进行生长；

所述上反射镜采用多层高反射率物质Si3N4与多层低反射率物质SiO2交替制备，形成布拉格反射镜，当交叠次数达到10次以上，作为FP腔的腔镜，上反射镜位于芯片保护玻璃之下，通光层之上；

所述通光层材料是由SIO2材料制备，厚度变化为台阶式生长，或由MOEMS电致驱动；

所述下反射镜具有和上反射镜 相同的结构和材料，位置在通光层与像素感光部位之间；

所述上反射镜，通光层和下反射镜构成法珀腔；

在所述下反射镜 和上反射镜之间形成FP光腔；

在组成FP腔的上反射镜和下反射镜的布拉格结构的膜系生长厚度的中心波长选择上，选择的波长窗口在可见光至近红外范围，所述中心波长的优化公式为：

其中，λ₁和λ₂是成像芯片可调谐波长的下限和上限，λ₀是优化设计的布拉格反射镜的中心波长。

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