CN110534536B - 一种基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法，采用紫外光刻、扩散、电子束蒸发镀膜、刻蚀等工艺在InP/InGaAs/InP材料上制备宽波段InGaAs光敏元，采用纳米压印、反应离子刻蚀、低压化学沉积等工艺片上集成制备像素级微滤光面阵，微滤光单元与光敏元一一对应，最后采用倒装互联焊接工艺将读出电路与宽波段InGaAs光敏元集成微滤光面阵精准对接互联。本发明的有益效果：适用于光谱成像仪小型化需求，实现精细的图谱信息采集，根据不同观测物特征波长设计制备多通道窄带滤光片，实现对不同被测目标的光谱成像，兼容MEMS工艺制备，其次采用纳米压印工艺使批量制备成本低，有利于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及技术属于微纳光子学器件制备领域，尤其涉及片上光谱芯片集成制备技术，具体为一种基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法。
背景技术
成像光谱仪是光谱成像技术的核心，传统的光谱仪采用棱镜或者光栅等色散型元件完成光谱波段分割，不同波段的光谱成像于不同的探测器上。由于分光元件对光的色散本领以及探测器像元大小的限制，在传统的光谱仪中，探测器需要距分光元件一定距离才能对光谱进行有效的分辨和接收，从而导致光谱仪的整体尺寸相对较大。此外，由于分光及探测元件的分立布局方式，对光谱仪的装调以及系统的稳定性等方面提出了一定的精度要求，以保证其在各种环境下工作的系统稳定性。
目前，片上光谱分光技术主要有片上光学薄膜滤光与片上集成F-P腔滤光等。片上镀膜光谱成像技术主要采用半导体工艺技术进行制备，相对于传统的光栅分光、棱镜分光，具有高集成度和微小尺寸的优势，片上镀膜光谱成像技术的缺点是滤波通道越多，工艺越复杂，与COMS像元对应的窄带滤波单元的边缘容易受到工序的影响，无法与像元实现完全匹配，性能难以保障。随着光学薄膜滤光片朝着小尺寸而且高度集成化的方向发展，光学薄膜滤光片的制备在工艺上面临新的挑战。
片上集成F-P腔滤光器件，由于其工作原理、结构设计以及工艺制备的局限性，滤波器的尺寸与红外焦平面阵列的像元相比还是很大、滤波器的通光孔径只占整个器件大小的很小一部分，体积仍较大、质量仍较重，不符合小型化的光谱成像仪的要求。虽然通过近几年的研究在红外探测器上基本能实现与像元对应，但是在可见光波长的图像传感器仍无法实现与像元一一对应，而且单一的F-P腔只能实现单色图谱采集，而可调谐F-P腔在图像采集过程中局限于微机电系统调节F-P的腔长变化来实现分光，工作波段范围比较窄，只能在特定的波长范围内工作，其次F-P腔滤波通过运动部件调谐腔长的来实现，整体器件集成制备工艺复杂。
超构表面结构是一种具有横向亚波长尺度的微纳光学结构，可以在亚波长的纳米结构层上实现全相位的精确控制，从而实现对光波长选通、电磁波相位、偏振方式、传播模式等特性的灵活有效调控。基于超构材料的二维表面结构光学滤波器件可在百纳米厚度的微纳结构上实现窄带分光，与宽波段焦平面探测器像元实现精准的一一对应，实现对物质光谱更精细探测，进而克服传统光谱仪分光部件系统体积大、不便于光电子器件大规模集成等缺点，制备兼容半导体工艺，易于图像传感器片上集成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一种基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法，包括以下步骤：
S1：在InP/InGaAs/InP材料的帽层InP采用Zn扩散工艺、紫外光刻工艺和电子束蒸发工艺制备探测器的像元、P型金属电极和套刻标记；
S2：在InP/InGaAs/InP材料的帽层InP采用湿法刻蚀工艺和电子束蒸发工艺中制备N型金属电极；
S3：在InP/InGaAs/InP材料的衬底InP进行减薄和抛光工艺，在抛光后的InP表面采用等离子体化学增强气相沉积钝化一层介质层，采用低压化学沉积的方式在介质层表面生长单晶硅；
S4：采用紫外光刻双面对准、电子束蒸发工艺在单晶硅表面制备套刻标记。该标记与帽层InP的像元金属标记一一对应；
S5：采用纳米压印和反应离子刻蚀制备像素级滤波阵列面阵；
S6：采用等离子体化学增强气相沉积工艺钝化二氧化硅介质在像素滤波阵列面阵表面，在二氧化硅表面采用等离子体化学增强气相沉积工艺制备增透膜；
S7：热蒸发镀膜工艺在P型和N型金属电极上制备In柱；
S8：将上述制备的宽波段InGaAs光敏元集成微滤光面阵器件采用倒装焊工艺与读出电路进行倒装互联焊接。
优选的，所述S5中像素级滤波像素阵列由不同中心波长的周期性微滤光单元组成；微滤光单元是依托于介质衬底的亚波长周期性纳米硅柱结构，采用局域光场增强透射达到滤光的目的。
优选的，根据读出电路的像元大小和像素多少，设计制备该周期性微滤光单元，根据实际需求确定滤光通道数目，结合适当的数据处理算法，获取光谱图像。
优选的，可以根据目标光谱特征，合理设计不同特征波长的周期性超构表面滤波结构，制备单点、线阵和面阵或其他多通道的具有不同光学特性的滤光结构。
优选的，采用OptiFDTD软件设计特定光学特性的亚波长周期纳米柱超构表面结构。
优选的，采用L-edit设计宽波段InGaAs光敏元面阵在工艺过程中的光学掩膜，设计像素级微滤光面阵纳米压印掩膜。
优选的，利用传统MEMS半导体工艺以及纳米压印工艺加工制备宽波段InGaAs光敏元片上集成像素级微滤光面阵。
优选的，利用倒装焊工艺装配读出电路与宽波段InGaAs光敏元片上集成像素级微滤光面阵。
有益效果
本发明适用于光谱成像仪小型化需求，可实现精细的图谱信息采集，设计灵活，可满足单点、线阵和面阵等不同探测器的片上集成制备，根据不同观测物特征波长设计制备多通道窄带滤光片，实现对不同被测目标的光谱成像，工艺易于实现，兼容MEMS工艺制备，其次采用纳米压印工艺使批量制备成本低，有利于推广应用。
附图说明
图1为本发明宽波段InGaAs探测器片上光谱芯片结构示意图；
图2为本发明光谱芯片层次结构说明示意图。
附图标记
1-增透膜，2-像素级纳米柱阵列以及二氧化硅包层，3-二氧化硅，4-InP衬底，5-InGaAs，6-InP帽层以及N/P接触层，7-In柱，8-读出电路。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例
如图1-2所示，一种基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在InP/InGaAs/InP材料的帽层InP采用Zn扩散工艺、紫外光刻工艺和电子束蒸发工艺制备探测器的像元、P型金属电极和套刻标记；
S2：在InP/InGaAs/InP材料的帽层InP采用湿法刻蚀工艺和电子束蒸发工艺中制备N型金属电极；
S3：在InP/InGaAs/InP材料的衬底InP进行减薄和抛光工艺，在抛光后的InP表面采用等离子体化学增强气相沉积钝化一层介质层，采用低压化学沉积的方式在介质层表面生长单晶硅；
S4：采用紫外光刻双面对准、电子束蒸发工艺在单晶硅表面制备套刻标记。该标记与帽层InP的像元金属标记一一对应；
S5：采用纳米压印和反应离子刻蚀制备像素级滤波阵列面阵；
S6：采用等离子体化学增强气相沉积工艺钝化二氧化硅介质在像素滤波阵列面阵表面，在二氧化硅表面采用等离子体化学增强气相沉积工艺制备增透膜；
S7：热蒸发镀膜工艺在P型和N型金属电极上制备In柱；
S8：将上述制备的宽波段InGaAs光敏元集成微滤光面阵器件采用倒装焊工艺与读出电路进行倒装互联焊接。
优选的，S5中像素级滤波像素阵列由不同中心波长的周期性微滤光单元组成；微滤光单元是依托于介质衬底的亚波长周期性纳米硅柱结构，采用局域光场增强透射达到滤光的目的。
优选的，根据读出电路的像元大小和像素多少，设计制备该周期性微滤光单元，根据实际需求确定滤光通道数目，结合适当的数据处理算法，获取光谱图像。
优选的，可以根据目标光谱特征，合理设计不同特征波长的周期性超构表面滤波结构，制备单点、线阵和面阵或其他多通道的具有不同光学特性的滤光结构。
优选的，采用OptiFDTD软件设计特定光学特性的亚波长周期纳米柱超构表面结构。
优选的，采用L-edit设计宽波段InGaAs光敏元面阵在工艺过程中的光学掩膜，设计像素级微滤光面阵纳米压印掩膜。
优选的，利用传统MEMS半导体工艺以及纳米压印工艺加工制备宽波段InGaAs光敏元片上集成像素级微滤光面阵。
优选的，利用倒装焊工艺装配读出电路与宽波段InGaAs光敏元片上集成像素级微滤光面阵。
本发明提出了一种基于超构表面结构的片上光谱芯片工艺制备方法，采用紫外光刻、扩散、电子束蒸发镀膜、刻蚀等工艺在InP/InGaAs/InP材料上制备宽波段InGaAs光敏元，采用纳米压印、反应离子刻蚀、低压化学沉积等工艺片上集成制备像素级微滤光面阵，微滤光单元与光敏元一一对应，最后采用倒装互联焊接工艺将读出电路与宽波段InGaAs光敏元集成微滤光面阵精准对接互联。
为了实现片上光谱芯片工艺制备，采取如下措施：
1.仿真设计，采用OptiFDTD软件设计特定光学特性的亚波长周期纳米柱超构表面结构，采用L-edit设计宽波段InGaAs光敏元面阵在工艺过程中的光学掩膜，设计像素级微滤光面阵纳米压印掩膜。
2.利用传统MEMS半导体工艺以及纳米压印工艺加工制备宽波段InGaAs光敏元片上集成像素级微滤光面阵。
利用倒装焊工艺装配读出电路与宽波段InGaAs光敏元片上集成像素级微滤光面阵。
以下通过工艺制备的具体实施过程结合附图对本发明工艺制备流程做进一步的描述：
一：在InP/InGaAs/InP的帽层InP采用紫外光刻、Zn扩散、电子束蒸发镀膜、剥离工艺、湿法刻蚀工艺制备宽波段InGaAs光敏元面阵以及P型接触电极、N型接触电极。
1.扩散工艺：
首先在帽层InP采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜、剥离工艺制备工艺过程中的套刻标记钛金，其次帽层InP钝化一层氮化硅，紫外光刻和反应离子刻蚀制备光敏元像元扩散孔，采用等离子去胶机去除掩膜，利用扩散炉进行Zn扩散工艺；
2.P型接触电极制备：
在扩散后的帽层采用紫外光刻、电子束蒸发镀膜、剥离工艺制备钯锌钯金P型接触电极，对P型接触电极进行快速退火工艺；
3.N型接触电极制备：
根据读出电路N型接触电极的分布，先采用紫外光刻制备湿法刻蚀掩膜，随后利用湿法刻蚀完全腐蚀帽层InP和吸收层的InGaAs,至衬底InP。采用等离子去胶机去除掩膜，利用紫外光刻、电子束蒸发镀膜和剥离工艺制备钛铂金N型接触电极。对N型接触电极进行快速退火工艺；
4.在P型和N型接触电极表面钝化一层氧化硅，然后利用紫外光刻和反应离子刻蚀制备倒装焊时In柱需要的像元孔；
5.衬底InP减薄抛光：
首先对帽层已制备好的P型和N型接触电极旋涂光刻胶进行保护，其次采用减薄工艺对衬底InP进行减薄，随后进行研磨抛光。
二：采用纳米压印反应离子刻蚀等离子体化学等工艺进行超构表面结构像素级滤波器件制备；
1.在抛光后的InP表面采用等离子体化学增强气相沉积钝化一层二氧化硅，随后用低压化学沉积的方式在二氧化硅表面生长单晶硅；
2.在单晶硅表面采用双面对准光刻、电子束蒸发镀膜和剥离工艺制备纳米压印套刻标记钛金；
3.采用纳米压印工艺制备亚波长纳米柱刻蚀掩膜，利用反应离子刻蚀工艺制备亚波长纳米柱结构，等离子去胶机去掉刻蚀后的残余掩膜，利用等离子体化学增强气相沉积钝化介质二氧化硅在纳米柱表面；
4.在二氧化硅表面采用等离子体化学增强气相沉积制备增透膜。
三：芯片与读出电路像元一一对应装配；
1.采用丙酮溶液浸泡和等离子体去胶工艺去除帽层的保护胶，利用紫外光刻和热蒸发镀膜、剥离工艺制备In柱；
2.利用FC150倒装焊设备将读出电路与光敏元芯片按对准标记进行精准定位，像元一一对应，随后采用原位回流冷压工艺进行压焊互联。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明性的保护范围之内的发明内容。
Claims (7)
1.一种基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在InP/InGaAs/InP材料的帽层InP采用Zn扩散工艺、紫外光刻工艺和电子束蒸发工艺制备探测器的像元、P型金属电极和套刻标记；
S2：在InP/InGaAs/InP材料的帽层InP采用湿法刻蚀工艺和电子束蒸发工艺中制备N型金属电极；
S3：在InP/InGaAs/InP材料的衬底InP进行减薄和抛光工艺，在抛光后的InP表面采用等离子体化学增强气相沉积钝化一层介质层，采用低压化学沉积的方式在介质层表面生长单晶硅；
S4：采用紫外光刻双面对准、电子束蒸发工艺在单晶硅表面制备套刻标记，该标记与帽层InP的像元金属标记一一对应；
S5：采用纳米压印和反应离子刻蚀制备像素级滤波阵列面阵；
S6：采用等离子体化学增强气相沉积工艺钝化二氧化硅介质在像素滤波阵列面阵表面，在二氧化硅表面采用等离子体化学增强气相沉积工艺制备增透膜；
S7：热蒸发镀膜工艺在P型和N型金属电极上制备In柱；
S8：将上述制备的宽波段InGaAs光敏元集成微滤光面阵器件采用倒装焊工艺与读出电路进行倒装互联焊接。
2.根据权利要求1所述的基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法，其特征在于：所述S5中像素级滤波像素阵列由不同中心波长的周期性微滤光单元组成；微滤光单元是依托于介质衬底的亚波长周期性纳米硅柱结构，采用局域光场增强透射达到滤光的目的。
3.根据权利要求2所述的基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法，其特征在于：根据读出电路的像元大小和像素多少，设计制备所述周期性微滤光单元，根据实际需求确定滤光通道数目，结合适当的数据处理算法，获取光谱图像。
4.根据权利要求1所述的基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法，其特征在于：可以根据目标光谱特征，合理设计不同特征波长的周期性超构表面滤波结构，制备单点、线阵和面阵或其他多通道的具有不同光学特性的滤光结构。
5.根据权利要求1所述的基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法，其特征在于：采用OptiFDTD软件设计特定光学特性的亚波长周期纳米柱超构表面结构。
6.根据权利要求1所述的基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法，其特征在于：采用L-edit设计宽波段InGaAs光敏元面阵在工艺过程中的光学掩膜，设计像素级微滤光面阵纳米压印掩膜。
7.根据权利要求1所述的基于超构表面结构的像素级片上光谱芯片工艺制备方法，其特征在于：利用传统MEMS半导体工艺以及纳米压印工艺加工制备宽波段InGaAs光敏元片上集成像素级微滤光面阵。
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