CN110703375A

CN110703375A - 一种像元级多光谱滤光片的制备方法

Info

Publication number: CN110703375A
Application number: CN201910962992.9A
Authority: CN
Inventors: 杨海贵; 张建; 王笑夷; 杨飞; 张卓; 高劲松
Original assignee: Changchun Changguang Chenpu Technology Co ltd; Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Changguang Chenpu Technology Co ltd; Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2020-01-17
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: CN110703375B

Abstract

本发明提供了一种像元级多光谱滤光片的制备方法，包括：在基底上沉积具有良好光谱通带特性的较厚宽带通滤光膜堆；在带通滤光膜堆上制备图形化的金属薄膜；在图形化的金属薄膜上干法刻蚀带滤光膜堆，制备出一个陡峭的台阶状光谱通道单元；重复以上步骤制备出其它数个光谱通道单元；最后去掉所有光谱通道单元上的金属膜。本发明提供的像元级多光谱滤光片的制备方法，可以形成厚度为5‑15微米较厚阵列式周期性排列的带通滤光膜堆，有利于提高像元级多光谱滤光片光谱通道的通带特性，利用了图形化的金属薄膜作为掩膜层和刻蚀停止层，阻止已形成的光谱通道单元免于刻蚀，降低制备过程中的阴影遮蔽效应以保证通道单元外形尺寸完整性。

Description

一种像元级多光谱滤光片的制备方法

技术领域

本发明涉及光学薄膜技术领域，具体涉及一种像元级多光谱滤光片的制备方法。

背景技术

以分光技术为核心的成像光谱仪将成像技术和光谱技术结合在一起，不仅能够对探测目标进行成像，同时还能够获取其丰富的光谱信息，在精准农业林业监控、环境监控、自然灾害评估、矿物勘探、生物医学检测、安防监控以及军事目标预警、识别等领域正在得到广泛而深入的应用。目前成像光谱仪往往以航空、航天以及无人机载荷形式进行遥感工作，其体积、重量十分关键，特别是作为航天载荷，难以压缩的体积和重量极大的增加了其发射成本。因此成像光谱仪的小型化、轻量化研究具有十分迫切的需求。

传统的分光方法有棱镜分光、光栅分光等方式，但是这些分光方式无法满足成像光谱仪的小型化、轻量化的要求。多光谱滤光片的出现，极大优化了成像光谱仪分光系统的结构，将其作为分光元件用于成像光谱仪中，能够实现成像光谱仪的小型化、轻量化。多光谱滤光片有两种类型，一种是线条状的多光谱滤光片，其光谱通道只能沿一个方向变化，通道尺寸较大，尺寸精度较低，可以通过镀膜和拼接相结合获得，也可以通过镀膜和Lift-off光刻工艺获得，这种线条状的多光谱滤光片只能使成像光谱仪工作于推扫成像模式；另外一种是像元级多光谱滤光片，其光谱通道呈阵列式周期排列，与探测器芯片的像元一一对应，通道尺寸为微米量级(5-30微米)，尺寸精度非常高，像元级多光谱滤光片能使成像光谱仪工作于视频成像模式，可以对快速移动目标进行高帧频成像。

目前像元级多光谱滤光片大概有两种制备方法，一种方法是基于法珀腔膜系结构，首先在基底上镀制第一个反射膜堆和中间腔层，然后通过多次选择性刻蚀中间腔层形成不同厚度的微米量级台阶，以调控光谱峰位，最后镀制第二个反射膜堆形成阵列式周期排列的像元级多光谱滤光片，这种方法制备的滤光片光谱通道透过率较低，通道半峰宽较窄，谱段范围也很受限。另外一种是基于宽带通的膜系结构，首先利用Lift-off光刻工艺在基底上图形化出微米量级的光谱通道单元，然后镀制宽带通的膜堆，最后去掉光刻胶形成一种光谱通道，重复以上步骤形成阵列式周期排列的像元级多光谱滤光片，这种方法由于镀膜时阴影遮蔽效应导致光谱通道单元尺寸变差，镀制的宽带通膜堆厚度受到限制，所制备的滤光片光谱通带特性较差。

因此，急需研究一种像元级多光谱滤光片的制备方法，解决像元级多光谱滤光片光谱通带以及通道单元尺寸方面的问题，提高了像元级多光谱滤光片光谱通道的通带特性，降低了制备过程中的阴影遮蔽效应，保证了通道单元外形尺寸完整性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种像元级多光谱滤光片的制备方法，解决像元级多光谱滤光片光谱通带以及通道单元尺寸方面的问题，提高了像元级多光谱滤光片光谱通道的通带特性，降低了制备过程中的阴影遮蔽效应，保证了通道单元外形尺寸完整性。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种像元级多光谱滤光片的制备方法，包括以下步骤：

S1：利用膜系设计软件设计宽带通滤光膜堆的结构，设计的通带平均透过率优于85％，阻带平均透过率小于5％；

S2：清洁基底，在所述基底上镀制第一宽带通滤光膜堆；

S3：在所述第一宽带通滤光膜堆上沉积金属薄膜，并图形化金属薄膜，图形化的金属薄膜为阵列式周期性排列的金属薄膜单元结构，每个金属薄膜单元结构的尺寸为5-30微米，与探测器芯片像元一一对应；

S4：以所述图形化的金属薄膜作为掩膜层，利用干法刻蚀方法刻蚀金属掩膜层以外的所述第一宽带通滤光膜堆，形成第一个阵列式周期性排列的光谱通道单元；

S5：重复步骤S1-S4，重复(N-1)次，在步骤S2中镀制第二宽带通滤光膜堆、第三宽带通滤光膜堆…第N宽带通滤光膜堆，对应依次形成第二个、第三个…第N个阵列式周期性排列的光谱通道单元；

S6：去除所有阵列式周期性排列的光谱通道单元表面的金属薄膜，得到像元级多光谱滤光片。

进一步地，所述第一、第二…第N宽带通滤光膜堆具有相应设计的光谱特性，由高折射率、低折射率薄膜交替组成，厚度为5-15微米。

进一步地，所述高折射率薄膜的材质为TiO₂、Ta₂O₅、HfO₂、Si、Ge、ZnSe中的任意一种；所述低折射率薄膜的材质为SiO₂、Al₂O₃、MgF₂、YF₃、YbF₃中的任意一种。

进一步地，在步骤S2中镀制第二宽带通滤光膜堆、第三宽带通滤光膜堆…第N宽带通滤光膜堆的制备工艺为离子束辅助的电子束蒸发、磁控溅射、离子束溅射、等离子体增强化学气相沉积中的任意一种。

进一步地，在步骤S3中沉积的金属薄膜的厚度为300-1000纳米，金属薄膜的材质为铝、铜、铬、镍中的任意一种；图形化金属薄膜采用的工艺为光刻和干法刻蚀工艺，或者为Lift-off工艺和镀膜工艺。

进一步地，在步骤S4中刻蚀金属掩膜层以外的宽带通滤光膜堆的干法刻蚀方法采用电感耦合等离子体刻蚀；刻蚀气体为CHF₃、C₃F₈、CF₄中的任意一种，或者为BCl₃、Cl₂中的任意一种；刻蚀速率为50-300纳米/分。

进一步地，步骤S6中所有阵列式周期性排列的光谱通道单元表面的金属薄膜的去除方法为湿法腐蚀或者干法刻蚀。

进一步地，所述湿法腐蚀中的腐蚀液采用酸或碱腐蚀液。

进一步地，所述干法刻蚀为电感耦合等离子体刻蚀，刻蚀气体为BCl₃、Cl₂中的任意一种，刻蚀速率为50-100纳米/分。

进一步地，所述基底为K9玻璃基底。

本发明的像元级多光谱滤光片的制备方法，形成厚度为5-15微米较厚阵列式周期性排列的宽带通滤光膜堆，有利于提高像元级多光谱滤光片光谱通道的通带特性。并且，本发明像元级多光谱滤光片的制备方法还利用了图形化的金属薄膜作为掩膜层和刻蚀停止层，阻止已形成的光谱通道单元免于刻蚀，能够降低制备过程中的阴影遮蔽效应，有效保证通道单元外形尺寸完整性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的一实施例的可见近红外4通道像元级多光谱滤光片的制备流程示意图；

图2是图1中制备的可见近红外4通道像元级多光谱滤光片的透过率特性曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

S2：清洁基底，在所述基底上镀制第一宽带通滤光膜堆；

其中，所述第一、第二…第N宽带通滤光膜堆具有相应设计的光谱特性，由高折射率、低折射率薄膜交替组成，为了保证良好的光谱通带特性，宽带通滤光膜堆的厚度控制为5-15微米。所述高折射率薄膜的材质可以为TiO₂、Ta₂O₅、HfO₂、Si、Ge、ZnSe等中的任意一种；所述低折射率薄膜的材质可以为SiO₂、Al₂O₃、MgF₂、YF₃、YbF₃等中的任意一种。

其中，在步骤S2中镀制第二宽带通滤光膜堆、第三宽带通滤光膜堆…第N宽带通滤光膜堆的制备工艺为离子束辅助的电子束蒸发、磁控溅射、离子束溅射、等离子体增强化学气相沉积等工艺中的任意一种。

其中，在步骤S3中沉积的金属薄膜的厚度为300-1000纳米，金属薄膜的材质为铝、铜、铬、镍等中的任意一种；图形化金属薄膜采用的工艺为光刻和干法刻蚀工艺，或者为Lift-off工艺和镀膜工艺。

其中，在步骤S4中刻蚀金属掩膜层以外的宽带通滤光膜堆的干法刻蚀方法优选采用电感耦合等离子体刻蚀；刻蚀气体优选为CHF₃、C₃F₈、CF₄等氟基气体中的任意一种，或者为BCl₃、Cl₂等氯基气体中的任意一种；刻蚀速率优选为50-300纳米/分。

其中，步骤S6中所有阵列式周期性排列的光谱通道单元表面的金属薄膜的去除方法优选为湿法腐蚀或者干法刻蚀。所述湿法腐蚀中的腐蚀液优选为酸或碱腐蚀液。所述干法刻蚀优选电感耦合等离子体刻蚀，刻蚀气体优选为BCl₃、Cl₂等氯基气体中的任意一种，刻蚀速率优选为50-100纳米/分。

另外，所述基底优选为K9玻璃基底，适用于光学元件的制备。

实施例1

可见近红外4通道像元级多光谱滤光片的制备

如图1所示，为可见近红外4通道像元级多光谱滤光片的制备流程示意图，包括以下步骤：

S1：利用Macleod膜系设计软件设计工作范围从400纳米到900纳米、共计4个光谱通道的宽带通滤光膜堆结构，膜堆结构由高折射率材料TiO₂和低折射率材料SiO₂交替组成，光谱通道的通带中心波长分别为500纳米、600纳米、700纳米、800纳米，每个通道的半峰宽为50纳米，通带透过率优于95％，阻带平均透过率小于1％。

S2：利用离子束辅助的电子束蒸发镀膜设备在清洁的K9玻璃基底上镀制设计的第一宽带通滤光膜堆，即中心波长为500纳米的膜堆。沉积薄膜时真空度高于1×10^-1Pa，SiO₂沉积速率为TiO₂沉积速率为

S3：利用电子束蒸发镀膜设备在膜堆上沉积厚度为300纳米的金属铝膜，沉积薄膜时真空度高于5×10^-4Pa，然后利用光刻和干法刻蚀工艺图形化金属薄膜。图形化后金属薄膜为边长为5微米、周期为20微米阵列式周期性排列的正方形图案。

S4：以图形化的金属薄膜作为掩膜层，利用电感耦合等离子体刻蚀金属掩膜层以外的膜堆，刻蚀气体利用CHF₃，刻蚀速率调整为50纳米/分，刻蚀10分钟直到基底表面为止，形成边长为5微米、周期为20微米阵列式周期性排列的正方形光谱通道单元，其光谱通道中心波长为500纳米。

S5：重复步骤S2至步骤S4，分别制备其它3个光谱通道中心波长为600纳米、700纳米、800纳米的阵列式周期性排列的正方形光谱通道单元，通道单元尺寸为5微米，周期为20微米。

S6：将上述样品浸入浓度为50％的碱腐蚀液中，去掉所有光谱通道单元表面的金属铝膜，即可制备出通道数为4个，通道单元尺寸为5微米的像元级多光谱滤光片。

如图2所示，为上述方法制备出的可见近红外4通道像元级多光谱滤光片的透过率特性曲线，从图中可见，光谱通道的通带中心波长分别为500纳米、600纳米、700纳米、800纳米，每个通道的半峰宽为50纳米，通带透过率优于95％，符合初始设计。

实施例2：

短波红外6通道像元级多光谱滤光片的制备

S1：利用Macleod膜系设计软件设计工作范围从1.2微米到2.5微米、共计6个光谱通道的宽带通滤光膜堆结构，膜堆结构由高折射率材料Si和低折射率材料Al₂O₃组成，光谱通道的通带中心波长分别为1.4微米、1.6微米、1.8微米、2.0微米、2.2微米、2.4微米，每个通道的半峰宽为100纳米，通带透过率优于90％，阻带平均透过率小于5％。

S2：利用磁控溅射镀膜设备在清洁的K9玻璃基底上镀制设计的第一宽带通滤光膜堆，即中心波长为1.4微米的膜堆。沉积薄膜时真空度为5×10^-1Pa，Al₂O₃沉积速率为

Si沉积速率为

S3：利用磁控溅射镀膜设备在膜堆上沉积厚度为800纳米的金属铬膜，沉积薄膜时真空度为5×10^-1Pa，然后利用光刻和干法刻蚀工艺图形化金属薄膜。图形化后金属薄膜为边长为15微米、周期为90微米阵列式周期性排列的正方形图案。

S4：以图形化的金属薄膜作为掩膜层，利用电感耦合等离子体刻蚀金属掩膜层以外的膜堆，刻蚀气体采用CF₄，刻蚀速率调整为150纳米/分，刻蚀直到基底表面为止，形成边长为15微米、周期为90微米阵列式周期性排列的正方形光谱通道单元，其光谱通道中心波长为1.4微米。

S5：重复步骤S2至步骤S4，分别制备其它5个光谱通道中心波长为1.6微米、1.8微米、2.0微米、2.2微米、2.4微米的阵列式周期性排列的正方形光谱通道单元，通道单元尺寸为15微米，周期为90微米。

S6：将上述样品放入电感耦合等离子体刻蚀设备中，利用BCl₃氯基气体刻蚀掉所有光谱通道单元表面的金属铬膜，刻蚀速率50纳米/分即可制备出通道数为6个，通道单元尺寸为15微米的工作于短波红外波段的像元级多光谱滤光片。

实施例3：

中波红外8通道像元级多光谱滤光片的制备

S1：利用Macleod膜系设计软件设计工作范围从3微米到5微米、共计8个光谱通道的宽带通滤光膜堆结构，膜堆结构由高折射率材料ZnSe和低折射率材料YF₃组成，光谱通道的通带中心波长分别为3.2微米、3.4微米、3.6微米、3.8微米、4.0微米、4.2微米、4.4微米、4.6微米，每个通道的半峰宽为150纳米，通带透过率优于85％，阻带平均透过率小于5％。

S2：利用电子束蒸发镀膜设备在清洁的硅基底上镀制设计的第一宽带通滤光膜堆，即中心波长为3.2微米的膜堆。沉积薄膜时真空度高于1×10^-1Pa，YF₃沉积速率为

ZnSe沉积速率为

S3：利用磁控溅射镀膜设备在膜堆上沉积厚度为1000纳米的金属铜膜，沉积薄膜时真空度为5×10^-1Pa，然后利用光刻和干法刻蚀工艺图形化金属薄膜。图形化后金属薄膜为边长为30微米、周期为240微米阵列式周期性排列的正方形图案。

S4：以图形化的金属薄膜作为掩膜层，利用电感耦合等离子体刻蚀金属掩膜层以外的膜堆，刻蚀气体利用BCl₃，刻蚀速率调整为300纳米/分，刻蚀直到基底表面为止，形成边长为30微米、周期为240微米阵列式周期性排列的正方形光谱通道单元，其光谱通道中心波长为3.2微米。

S5：重复步骤S2至步骤S4，分别制备其它3个光谱通道中心波长为3.4微米、3.6微米、3.8微米、4.0微米、4.2微米、4.4微米、4.6微米的阵列式周期性排列的正方形光谱通道单元，通道单元尺寸为30微米，周期为240微米。

S6：将上述样品放入电感耦合等离子体刻蚀设备中，利用Cl₂氯基气体刻蚀掉所有光谱通道单元表面的金属铜膜，刻蚀速率100纳米/分即可制备出通道数为8个，通道单元尺寸为30微米的工作于中波红外波段的像元级多光谱滤光片。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种像元级多光谱滤光片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2：清洁基底，在所述基底上镀制第一宽带通滤光膜堆；

2.根据权利要求1所述的像元级多光谱滤光片的制备方法，其特征在于，所述第一、第二…第N宽带通滤光膜堆具有相应设计的光谱特性，由高折射率、低折射率薄膜交替组成，厚度为5-15微米。

3.根据权利要求2所述的像元级多光谱滤光片的制备方法，其特征在于，所述高折射率薄膜的材质为TiO₂、Ta₂O₅、HfO₂、Si、Ge、ZnSe中的任意一种；所述低折射率薄膜的材质为SiO₂、Al₂O₃、MgF₂、YF₃、YbF₃中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的像元级多光谱滤光片的制备方法，其特征在于，在步骤S2中镀制第二宽带通滤光膜堆、第三宽带通滤光膜堆…第N宽带通滤光膜堆的制备工艺为离子束辅助的电子束蒸发、磁控溅射、离子束溅射、等离子体增强化学气相沉积中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的像元级多光谱滤光片的制备方法，其特征在于，在步骤S3中沉积的金属薄膜的厚度为300-1000纳米，金属薄膜的材质为铝、铜、铬、镍中的任意一种；图形化金属薄膜采用的工艺为光刻和干法刻蚀工艺，或者为Lift-off工艺和镀膜工艺。

6.根据权利要求1所述的像元级多光谱滤光片的制备方法，其特征在于，在步骤S4中刻蚀金属掩膜层以外的宽带通滤光膜堆的干法刻蚀方法采用电感耦合等离子体刻蚀；刻蚀气体为CHF₃、C₃F₈、CF₄中的任意一种，或者为BCl₃、Cl₂中的任意一种；刻蚀速率为50-300纳米/分。

7.根据权利要求1所述的像元级多光谱滤光片的制备方法，其特征在于，步骤S6中所有阵列式周期性排列的光谱通道单元表面的金属薄膜的去除方法为湿法腐蚀或者干法刻蚀。

8.根据权利要求7所述的像元级多光谱滤光片的制备方法，其特征在于，所述湿法腐蚀中的腐蚀液采用酸或碱腐蚀液。

9.根据权利要求7所述的像元级多光谱滤光片的制备方法，其特征在于，所述干法刻蚀为电感耦合等离子体刻蚀，刻蚀气体为BCl₃、Cl₂中的任意一种，刻蚀速率为50-100纳米/分。

10.根据权利要求1所述的像元级多光谱滤光片的制备方法，其特征在于，所述基底为K9玻璃基底。