CN111029351B - 台阶单片式光谱芯片制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱成像技术领域，具体涉及一种台阶单片式光谱芯片制备方法。与现有技术相比较，本发明在多层堆叠分布式布拉格镜结构模拟设计和制造的基础上，采用CMOS工艺兼容的材料，以高反射率的布拉格镜为FP腔镜，在CMOS图像传感器上直接设计生长FP分光薄膜结构，形成单芯片单谱段光谱成像微系统；前期主要是目标是完成单谱段和双谱段的光谱成像芯片，在此基础上，逐渐实现多谱段台阶式的光谱成像芯片。本发明提高了台阶式光谱芯片制备的制造效率，节省了加工时间，有效的降低了工艺中掩膜和光刻的工艺次数，降低了光谱芯片的制造成本，使之更加具有竞争力。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像技术领域，具体涉及一种台阶单片式光谱芯片制备方法。
背景技术
光谱成像是利用光谱成像技术获取目标物的三维光谱图像信息，包含了二维的图像信息和一维的光谱信息，具备“图谱合一”的特性，图像信息能够反映目标物体的大小、形状和缺陷等外部特征，光谱信息能够反映目标物体的内部物理、化学成分，利用光谱成像技术可以实现对物质的识别功能。
经典的光谱成像系统主要包括分光系统、光电探测系统和数据处理系统。由于在分光系统中需要引入诸如光栅和棱镜之类的光谱分光元器件，因此需要以分光元器件为核心设计较为复杂的分光系统，以传统光谱成像系统为例，一般需要物镜、光阑、准直器、分光元器件和聚焦透镜。这些光学元器件所组成的传统光学系统不仅在体积，重量和价格对光谱成像系统造成了限制，还对整个系统的光路稳定性提出了要求。综上所述，由于成本、重量、体积和系统兼容性的限制，光谱成像技术目前还主要还是为一些大型的科研院所或者大型的国家项目进行服务。而另一方面，由于光谱成像图谱合一、非接触、准确和快速测量的优点，在精细农业，食品安全和医疗卫生等众多的应用领域都有着急切的需求，尤其是低成本，微型化和高速的光谱成像系统。
从光谱成像技术诞生至今，光谱成像系统的轻型化和小型化工作就一直是各国科学家研究的重点，然而其针对方向仅仅是在传统的架构上将元器件，电路板或者是光程进行减小，因此不能从根本上解决成本和系统集成的问题。
其中，光谱成像芯片制造工艺技术，是利用现成的成熟的CMOS图像传感器，在封装之前，在半导体工艺线上利用标准工艺生长一层FP腔滤光薄膜，FP腔滤光薄膜可以透过特定波长的光，从而形成光谱成像系统。
针对低成本单芯片光谱成像的需求，完成光谱成像模块的芯片制造技术工作路线的规划论证，提出一种一体式单芯片光谱成像微系统传感器的设计和制备方法，在多层堆叠(高折射率和低折射率交叠)分布式布拉格镜结构模拟设计和制造的基础上，采用CMOS工艺兼容的材料，以高反射率的布拉格镜为FP腔镜，在CMOS图像传感器上直接设计生长FP分光薄膜结构，形成单芯片单谱段光谱成像微系统；
根据构建的基于FP腔的分光薄膜的物理模型模拟台阶式多级FP腔薄膜结构，研究设计高光谱成像系统的芯片架构，在图像传感晶圆上直接生长沉积台阶式多级FP分光薄膜，生长过程注重纵向厚度精度的控制。
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：(1)针对低成本单芯片光谱成像的需求，如何完成光谱成像模块的芯片制造技术工艺流程，提出一种一体式单芯片光谱成像微系统传感器制备方法；(2)解决如何在半导体工艺线中，改变原有的单方向式的台阶式的多谱段光谱成像芯片的方式，利用半导体中光刻工艺，实现FP腔长的变化，从而实现改变滤波的中心波长，实现多谱段滤波；(3)如何应用目前的半导体工艺技术在CMOS图像传感器上生长一层FP腔结构，能够实现FP腔长的变化，从而实现多谱段滤波，完成多谱段光谱芯片的制备。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种台阶单片式光谱芯片制备方法，所述方法为了制造1*2双层台阶式的单芯片光谱成像传感器芯片，所述方法包括掩膜版设计与制造流程和光刻工艺流程；
其中，掩膜版需要根据1*2双台阶结构设计，结构为图像传感器纵向像素一半区域为一层台阶，另外一半纵向像素为另外一层台阶，整体传感器呈现双层台阶的结构；设计过程中，首先，进行双台阶FP腔膜系的设计，设定好双台阶各自透过光的中心波长，根据中心波长设计两个台阶的各自的膜系结构，进行模拟和测试；根据双台阶FP腔结构设计掩膜版，然后制备加工掩膜版；
其次，加入CMOS图像传感器晶圆，根据双台阶FP腔的膜系设计要求，在该晶圆上利用半导体光刻工艺技术完成FP腔滤波器的生长与制备；随后，进行芯片的切割与封装，对芯片进行光学与电学参数的测试与验证；以该芯片为核心，进行双台阶单芯片光谱相机的集成。最后，进行该相机的测试及验证试验；
双台阶FP腔光谱成像传感器芯片制备过程中，首先获取图像传感器的晶圆，在其像元阵列上先生长一层布拉格镜结构，然后生长一层SIO2通光层，厚度为第二层FP腔薄膜结构的通光层厚度L2，然后涂抹一层光刻胶；利用设计好的掩膜版进行光刻工艺，曝光显影出第一层FP腔薄膜的图形，然后去除显影光刻胶，刻蚀SIO2层至厚度为第一层FP腔薄膜结构的通光层厚度L1；随后去除表面多余的光刻胶；在表面生长第二层布拉格镜结构，最后形成了双台阶FP腔结构，进行封装测试后即可完成芯片的制备。
其中，根据上述制备流程，生长成不同的腔长的FP腔结构，需要引入掩膜和光刻流程，而且掩膜版的设计与光刻工艺对FP腔腔长的制备具有重要作用；
通过上述制备流程可以看出来光刻的次数和光刻方法决定了不同腔长的生长；而线扫式台阶式的数会随着台阶式的增多，掩膜和光刻次数会增多，增加了制备成本；通过采用掩膜光刻生长方法，使用一次掩膜版，即通过一次刻蚀实现双层台阶的FP腔结构：
所述掩膜光刻生长方法具体为：假设所制备光谱芯片的图像传感器像素分辨率为a*b，a为大于零的整数，b为大于零的整数，则假设需要生成N层台阶，N为2的正整数倍，则设计掩膜版为一半显影一半阻挡，每次掩膜显影光刻之后，刻蚀深度为当前高度最小的台阶的一半高度，初始刻蚀高度为初始最大高度的一半；每完成一次刻蚀，掩膜版向x方向移动一次，移动步长为当前宽度最小的台阶宽度的一半；即可通过n次刻蚀完成2*n个台阶数的制备；
其中，所述掩膜光刻生长方法中，刻蚀沿着纵向方向进行刻蚀，则单台阶宽度约为b/l，刻蚀高度最大高度为最长波长计算所得设为y；
首次刻蚀高度为y/2，第二次为y/4，依次以2倍递减；
其中，所述掩膜光刻生长方法中，每次刻蚀完成后，掩膜版向x方向移动，x方向为图像传感器纵向方向，初始移动步长为b/2，第二次为b/4，依次以2倍递减。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明在多层堆叠(高折射率和低折射率交叠)分布式布拉格镜结构模拟设计和制造的基础上，采用CMOS工艺兼容的材料，以高反射率的布拉格镜为FP腔镜，在CMOS图像传感器上直接设计生长FP分光薄膜结构，形成单芯片单谱段光谱成像微系统；前期主要是目标是完成单谱段和双谱段的光谱成像芯片，在此基础上，逐渐实现多谱段台阶式的光谱成像芯片。
本发明提高了台阶式光谱芯片制备的制造效率，节省了加工时间，有效的降低了工艺中掩膜和光刻的工艺次数，降低了光谱芯片的制造成本，使之更加具有竞争力。
附图说明
图1为FP腔光谱芯片开发流程示意图。
图2为双台阶FP腔光谱芯片制备流程示意图。
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。
本发明采用先进的半导体制造工艺技术，将传统的分光系统直接加工在光电传感器之上，形成了将分光系统、光电探测系统、电路读出系统合三为以一的光谱成像微系统，与传统技术相比，光谱成像微系统的优势主要有：基于CMOS工艺技术，与传感器制造工艺兼容，批产时具有一个数量级以上的成本优势；由于紧密相连，减少了杂散光，光子利用率得到提升，因此速度可以达到百帧每秒，实现光谱视频功能；体积和重量与普通的RGB芯片没有区别，实现手指大小的成像系统；CMOS技术为该系统带来了无与伦比的集成度，可以与任何电路进行高集成度的连接，比如手机中嵌入。
首先解释相关关键技术：
高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。目前高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。可以应用在食品安全、医学诊断、航天领域等领域。
CMOS电路中既包含NMOS晶体管也包含PMOS晶体管，NMOS晶体管是做在P型硅衬底上的，而PMOS晶体管是做在N型硅衬底上的，要将两种晶体管都做在同一个硅衬底上，就需要在硅衬底上制作一块反型区域，该区域被称为“阱”。根据阱的不同，CMOS工艺分为P阱CMOS工艺、N阱CMOS工艺以及双阱CMOS工艺。其中N阱CMOS工艺由于工艺简单、电路性能较P阱CMOS工艺更优，从而获得广泛的应用。
集成电路(integrated circuit)是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。
掩膜制造是在半导体制造的整个流程中，其中一部分就是从版图到晶圆(wafer)制造中间的一个过程，由于采用多层台阶结构，其需要进行不同次生长才能加工得到。因此需要掩膜版，掩膜版形成需要三个步骤主要包括掩膜版图形设计，生产加工和品质检测及修正。掩膜版主要分为铬版，干版，菲林和凸版四种，铬版精度高、耐用和价格高；干版是精度适中，耐用性适中和价格适中；菲林精度较低，不耐用和价格低；凸版(APR版)主要用来转移PI液。
光刻工艺主要作用是将掩膜版的图像复制在硅片上，为下一步进行刻蚀或者离子注入工序做好准备，光刻成本占芯片制作成本较高，耗时较长。光刻要求较高的分辨率，光刻胶具有较高的光学敏感性，需要精确的对准工艺，较低的缺陷密度。
一般的光刻工艺需要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋转光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。
(1)硅片表面清洗烘干：除去表面的污染物，去除水蒸气。
(2)涂底：也就是气相成底膜，使表面具有疏水性，增强基底与光刻胶黏附性。
(3)旋转涂胶：旋转涂抹光刻胶，隔离和光刻的关键环节。
(4)软烘：去除溶剂，增强黏附性，去除边缘光刻胶。
(5)对准并曝光：光刻的最关键一步，将掩膜版上图形转移到涂胶的硅片上。
(6)后烘：减少驻波效应。
(7)显影：显影液溶解光刻胶可溶区域，目的是将掩膜版图形准确的复制到光刻胶中。
(8)硬烘：完全蒸发光刻胶溶剂，坚膜，提高光刻胶在离子注入和刻蚀中的保护能力。
(9)刻蚀：用化学或物理方法有选择的去除硅片表面不需要的材料。
(10)检测：查找缺陷等检测。
具体而言，本发明提供一种台阶单片式光谱芯片制备方法，所述方法在单谱段光谱成像芯片设计与制造的基础上，为后续多光谱成像芯片设计与制造提供技术基础，以双台阶FP腔光谱成像传感器的设计与制造流程为例，列举多谱段光谱成像传感器的制备流程；
为了制造1*2双层台阶式的单芯片光谱成像传感器芯片，所述方法包括掩膜版设计与制造流程和光刻工艺流程；
其中，掩膜版需要根据1*2双台阶结构设计，结构为图像传感器纵向像素一半区域为一层台阶，另外一半纵向像素为另外一层台阶，整体传感器呈现双层台阶的结构；如图1所示，设计过程中，首先，进行双台阶FP腔膜系的设计，设定好双台阶各自透过光的中心波长，根据中心波长设计两个台阶的各自的膜系结构，进行模拟和测试；根据双台阶FP腔结构设计掩膜版，然后制备加工掩膜版；
其次，加入CMOS图像传感器晶圆，根据双台阶FP腔的膜系设计要求，在该晶圆上利用半导体光刻工艺技术完成FP腔滤波器的生长与制备；随后，进行芯片的切割与封装，对芯片进行光学与电学参数的测试与验证；以该芯片为核心，进行双台阶单芯片光谱相机的集成。最后，进行该相机的测试及验证试验；
双台阶FP腔光谱成像传感器芯片制备与第一阶段不同之处在于双台阶FP腔的制备，其制备过程中，如下图2所示。首先获取图像传感器的晶圆，在其像元阵列上先生长一层布拉格镜结构，然后生长一层SIO2通光层，厚度为第二层FP腔薄膜结构的通光层厚度L2，然后涂抹一层光刻胶；利用设计好的掩膜版进行光刻工艺，曝光显影出第一层FP腔薄膜的图形，然后去除显影光刻胶，刻蚀SIO2层至厚度为第一层FP腔薄膜结构的通光层厚度L1；随后去除表面多余的光刻胶；在表面生长第二层布拉格镜结构，最后形成了双台阶FP腔结构，进行封装测试后即可完成芯片的制备。
其中，根据上述制备流程，生长成不同的腔长的FP腔结构，需要引入掩膜和光刻流程，而且掩膜版的设计与光刻工艺对FP腔腔长的制备具有至关重要的作用；
通过上述制备流程可以看出来光刻的次数和光刻方法决定了不同腔长的生长；而线扫式台阶式的数会随着台阶式的增多，掩膜和光刻次数会增多，增加了制备成本；通过采用掩膜光刻生长方法，使用一次掩膜版，即通过一次刻蚀实现双层台阶的FP腔结构，大大减小了光刻的次数，减少了制备时间和降低了制备成本：
所述掩膜光刻生长方法具体为：假设所制备光谱芯片的图像传感器像素分辨率为a*b，a为大于零的整数，b为大于零的整数，则假设需要生成N层台阶，N为2的正整数倍，则设计掩膜版为一半显影一半阻挡，每次掩膜显影光刻之后，刻蚀深度为当前高度最小的台阶的一半高度，初始刻蚀高度为初始最大高度的一半；每完成一次刻蚀，掩膜版向x方向移动一次，移动步长为当前宽度最小的台阶宽度的一半；即可通过n次刻蚀完成2*n个台阶数的制备；
其中，所述掩膜光刻生长方法中，刻蚀沿着纵向方向进行刻蚀，则单台阶宽度约为b/l，刻蚀高度最大高度为最长波长计算所得设为y；
首次刻蚀高度为y/2，第二次为y/4，依次以2倍递减。
其中，所述掩膜光刻生长方法中，每次刻蚀完成后，掩膜版向x方向移动，x方向为图像传感器纵向方向，初始移动步长为b/2，第二次为b/4，依次以2倍递减。
实施例1
本实施例中，以制备图像分辨率为2000*1000，谱段个数为8的台阶式光谱芯片为例，首先制备产生2000*1000分辨率的图像传感器晶圆，在传感器像素阵列上生长一层布拉格镜结构，然后再生长一层SIO2层，生长层高为最大中心波长计算所得的层高加上最小中心波长计算所得层高之和，即为u，则首次掩膜光刻的刻蚀深度为u/2；刻蚀完成后，掩膜版沿着图像传感器纵向方向移动500像素距离，然后再进行掩膜光刻，刻蚀深度为u/4；然后继续延纵向方向移动250像素距离，再进行掩膜光刻，刻蚀深度为u/8；最后继续延纵向方向移动125像素，再进行掩膜光刻，刻蚀深度为u/16；最后形成了8层台阶，单层台阶高度为u/16的台阶式SIO2层，即FP腔中间腔体，最后再生长一层布拉格镜，构成完整的FP腔结构图像芯片，形成8谱段的光谱芯片。
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 (2)
1.一种台阶单片式光谱芯片制备方法，其特征在于，所述方法制造1*2双层台阶式的单芯片光谱成像传感器芯片，所述方法包括掩膜版设计与制造流程和光刻工艺流程；
其中，掩膜版需要根据1*2双台阶结构设计，结构为图像传感器一半区域为一层台阶，另外一半为另外一层台阶，整体传感器呈现双层台阶的结构；设计过程中，首先，进行双台阶FP腔膜系的设计，设定好双台阶各自透过光的中心波长，根据中心波长设计两个台阶的各自的膜系结构，进行模拟和测试；根据双台阶FP腔结构设计掩膜版，然后制备加工掩膜版；
其次，加入CMOS图像传感器晶圆，根据双台阶FP腔的膜系设计要求，在该晶圆上利用半导体光刻工艺技术完成FP腔滤波器的生长与制备；随后，进行芯片的切割与封装，对芯片进行光学与电学参数的测试与验证；以该芯片为核心，进行双台阶单芯片光谱相机的集成；最后，进行该相机的测试及验证试验；
双台阶FP腔光谱成像传感器芯片制备过程中，首先获取CMOS图像传感器晶圆，在其像元阵列上先生长一层布拉格镜结构，然后生长一层SIO2通光层，厚度为第二层FP腔薄膜结构的通光层厚度L2，然后涂抹一层光刻胶；利用设计好的掩膜版进行光刻工艺，曝光显影出第一层FP腔薄膜的图形，然后去除显影光刻胶，刻蚀SIO2层至厚度为第一层FP腔薄膜结构的通光层厚度L1；随后去除表面多余的光刻胶；在表面生长第二层布拉格镜结构，最后形成了双台阶FP腔结构，进行封装测试后即可完成芯片的制备；
通过采用掩膜光刻生长方法，使用一次掩膜版，即通过一次刻蚀实现双层台阶的FP腔结构：
所述掩膜光刻生长方法具体为：假设所制备光谱芯片的图像传感器像素分辨率为a*b，a为大于零的整数，b为大于零的整数，则假设需要生成N层台阶，N为2的正整数倍，则设计掩膜版为一半显影一半阻挡，每次掩膜显影光刻之后，刻蚀深度为当前高度最小的台阶的一半高度，初始刻蚀高度为初始最大高度的一半；每完成一次刻蚀，掩膜版向x方向移动一次，移动步长为当前宽度最小的台阶宽度的一半；即可通过n次刻蚀完成2*n个台阶数的制备；
所述掩膜光刻生长方法中，刻蚀沿着深度方向进行刻蚀，则单台阶宽度为b/N，刻蚀高度初始最大高度为最长波长计算所得设为y；
首次刻蚀高度为y/2，第二次为y/4，依次以2倍递减。
2.如权利要求1所述的台阶单片式光谱芯片制备方法，其特征在于，所述掩膜光刻生长方法中，每次刻蚀完成后，掩膜版向x方向移动，x方向为图像传感器纵向方向，初始移动步长为b/2，第二次为b/4，依次以2倍递减。
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