CN110333567A - 利用非对称结构实现高性能的f-p薄膜滤波器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用非对称结构实现高性能的F‑P薄膜滤波器及制备方法。改结构是在腔层上方沉积3个周期的高低折射率材料，下方沉积3个周期高低折射率材料，最后再表面沉积一层低折射率材料，起到提升滤波器性能(提升半峰宽和反射抑制比)。以L代表低折射率材料，H代表高折射率材料，2H代表腔层材料，Sub代表衬底，即整体的滤波器结构表示为LHLHLH‑2H‑LHLHLH‑Sub，腔层上下3个周期的高低折射率层组合(HL)。高折射率材料选用了非晶硅(a‑Si)，低折射率材料选用了氮化硅(SiNx)，衬底选用硅衬底，制备手段主要是利用RF‑PECVD。本发明的非对称F‑P薄膜滤波器的机构，具有高反射滤波性能、设备要求低，工艺制作简单等优点。

Description

利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器及制备方法

技术领域

本发明涉及光探测、光传感、光通信等领域，特别是利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器及制备方法。

背景技术

F-P滤波器的概念在18世纪就已经提出了，两端高反膜加上中间腔层使其有优异的波长选择性能。如今半导体工艺和光电技术的迅猛发展使得F-P薄膜滤波器受到了更多人的关注，而其在激光系统，光栅传感、光纤通信和红外探测领域都有着巨大的应用前景。光纤通信领域的波分复用(WDM)系统利用滤波器的波长选择性实现光信号的分离(解复用)，实现单光纤的多信号传输和分离；F-P滤波器在红外探测领域中利用光读出方式，因光刻工艺少，制造简单、材料成本低廉、集成度高使其有广阔的市场前景。

多领域的应用，对薄膜滤波器的性能提出了更高的要求，以及更低的成本。例如中国专利201010191816.9“一种红外-可见光波长转换器”、中国专利201710979412.8“能够适应高温的薄膜滤波器制造方法”等提到薄膜滤波器。但是，因为衬底的存在，这些对称型F-P薄膜滤波器滤波性能(抑制比，半峰宽等)一般，而且存在制备过程中的多次光刻和腐蚀等工序大大提高了工艺制备难度和成本。

因此，通过一种廉价简便的方法制作一种高性能的非对称F-P薄膜滤波器，对于很多领域特别是红外探测领域的广泛应用具有很重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的利用非对称结构的高性能F-P薄膜滤波器，利用非晶硅和氮化硅的高低折射率薄膜材料制备。

本发明主要利用传输矩阵理论，多层膜组合结构可以用一个等效界面替代等效界面的导纳Y＝H0/E0，利用单层膜的界面电磁波传播效应可以得到传输方程。膜系的特征矩阵为

其中η_j＝n_j*cos(θ_j)/m，m为本征阻抗，λ为光波长，n_j为第j层折射率，d_j为第j层厚度，θ_j为第j层入射角。那么整体反射率和透射率为：

本发明的所有仿真是基于上述的传输矩阵理论，整体滤波器的反射率和透射率，在MATLAB的环境中实现的。

本发明提供一种非对称高性能F-P薄膜滤波器的基本结构，即关于腔层上下相同周期数的非晶硅/淡化硅组合，并最后在表面沉积一层淡化硅薄膜形成非对称结构，然后采用等离子加强化学气象法(PECVD)沉积制备，包括以下步骤：

(a)采用低阻抛光硅片，在RF-PECVD外部腔体预热；

(b)将RF-PECVD内部加热到指定温度；

(c)在反应腔体内按制定结构交替沉积非晶硅和氮化硅薄膜，并对腔体沉积不同的厚度；

(d)将RF-PECVD放真空，并取出硅片冷却。

具体地，本技术方案步骤(a)中的低阻抛光硅片厚度为300-675微米，100晶向，硅片在外部腔室预热时间为8-30分钟。

具体地，本技术方案中步骤(b)将RF-PECVD放真空，把预热完的硅片放入反应腔体抽真空，并加热到240-320℃。

具体地，本技术方案中步骤(c)非晶硅的沉积时间为100-500s，沉积压强为300-680mTorr。，硅烷SiH4流量为20-400sccm，射频功率为20-200Watt。

具体地，本技术方案中步骤(c)氮化硅沉积反应压强为300-680mTorr，气体流量比硅烷(SiH4)：氨气(NH3)＝20-100：150-300sccm，功率为20-200Watt。

具体地，本技术方案中步骤(d)放真空去除实验片后，先放外部腔室冷却8-30分钟，在取出方式冷却至室温。

本发明的有益效果是:本发明利用等离子加强化学气象沉积(PECVD)在硅衬底上，以非晶硅和氮化硅为高低折射率材料，非晶硅为腔层，表面氮化硅起一个增透作用，实现了一个非对称的F-P薄膜滤波器结构。本发明相比现在常用的对称结构F-P薄膜滤波器极大地提高滤波性能(半峰宽和抑制比)，并且表面的氮化硅可以用作一个保护层，隔绝空气。这些在红外探测等领域有极大的作用和应用前景。

附图说明

图1为本发明的基本F-P薄膜滤波器的结构示意图

图2关于腔层上下2、3个周期对称结构(2-2,3-3)，以及在增加增透层的3周期(SiNx_3-3)非对称结构仿真图

图3关于腔层上下2、3个周期对称结构(2-2,3-3)，以及在增加增透层的3周期(SiNx_3-3)非对称结构实验结果图

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。下面结合具体的实施例进一步说明本发明。

实施例:

利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器及制备方法，如图1的结构示意图，制作了对称结构的F-P薄膜滤波器(2-2,3-3)和非对称结构的F-P薄膜滤波器(SiNx_3-3)。其中的制备方法，具体包括以下步骤:

步骤(a):

选取单晶硅片厚度为675微米，100晶向，将硅片置于RF-PECVD外部腔室预热10分钟。

步骤(b):

将仪器放真空2分钟，把步骤(a)中预热过的硅片放入反应腔室，然后抽真空4分钟，并将反应腔室加热至320℃。

步骤(c):

首先设置非晶硅(a-Si)的沉积时间为176s，SiH4流量100sccm，压强370mTorr，射频功率80Watt；氮化硅(SiNx)的沉积时间为288s，气体流量比SiH4:NH3＝50:225sccm，压强480mTorr，功率140Watt。在步骤(b)交替沉积3个周期的非晶硅(a-Si)和氮化硅(SiNx)。然后将a-Si的沉积时间改为363s，沉积中间腔层非晶硅。再次改变非晶硅沉积时间为176s，沉积3个周期顶层氮化硅/非晶硅。最后在顶层沉积增透膜氮化硅。

步骤(d)：

将PECVD放真空2分钟，取出成品硅片先在外部腔室冷却10分钟，再冷却到室温。

上述具体实施例仅仅是示意性的，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围内，均可对上述实施例进行修饰或改变，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器，其特征在于：基于腔层两端利用增透膜实现非对称的F-P薄膜滤波器结构，可以有效地提高滤波器的滤波性能，包括半峰宽和反射抑制比。

2.根据权利要求1所述的利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器，其特征在于：腔层材料为非晶硅，厚度为1/2波长。

3.根据权利要求1所述的利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器，其特征在于：腔层底部3个周期非晶硅(a-Si)/氮化硅(SiNx)组合，厚度均为1/4波长。

4.根据权利要求1所述的利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器，其特征在于：腔层顶部3个周期氮化硅(SiNx)/非晶硅(a-Si)组合，厚度均为1/4波长。

5.根据权利要求1所述的利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器，其特征在于：顶部增透膜为氮化硅(SiNx)，厚度为1/4波长。

6.利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器的制备方法，具体步骤，其特征在于：

(a)采用低阻抛光硅片，在RF-PECVD外部腔体预热，然后在RF-PECVD内部加热到指定温度；

(b)在反应腔体内按制定结构交替沉积非晶硅和氮化硅薄膜，沉积不同的厚度；

(c)将RF-PECVD放真空，并取出硅片冷却。

7.根据权利要求6步骤(a)所述的利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器的制备方法，其特征在于：衬底硅片厚度为300-675μm，100晶向。

8.根据权利要求6步骤(b)所述的利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器的制备方法，其特征在于：非晶硅沉积温度240-320℃，沉积时间100-500s，沉积压强300-680mTorr，硅烷SiH4流量20-400sccm，射频功率20-200Watt。

9.根据权利要求6步骤(b)所述的利用非对称结构实现高性能的F-P薄膜滤波器的制备方法，其特征在于：氮化硅的沉积温度240-320℃，沉积时间100-500s，沉积压强300-680mTorr，气体流量比率硅烷SiH4：氨气NH3＝20-100：150-300sccm，射频功率20-200Watt。