CN112859225A - 中红外集成双通道滤光片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种中红外集成双通道滤光片的制备方法，其克服了现有技术中光谱仪微型化程度得不到保证以及不能实现任意光谱或者大范围光谱分光的问题，本发明能够完成任意光谱或大范围光谱的分光，微型化与集成化程度更高。本发明包括以下步骤：S1、基片清洗后，先在基片背表面镀制3‑5μm中红外增透膜；S2、在基片前表面进行第一次光刻构图；S3、沉积第一通道滤光片薄膜；S4、通过剥离工艺将光刻胶及胶上薄膜去除，得到单通道滤光片；S5、在基片前表面进行第二次对准光刻；S6、沉积第二通道滤光片薄膜；S7、进行第二次剥离工艺将光刻胶及胶上薄膜去除，得到中红外集成双通道滤光片。
Description
技术领域：
本发明属于光学薄膜与微纳制造技术领域，涉及一种中红外集成双通道滤光片的制备方法。
背景技术：
多光谱遥感技术广泛应用于气象观测、资源考察、地图测绘、环境监测与军事勘察等各个领域。受益于集成光学、电子技术与MEMS技术的发展，多光谱遥感技术正在向集成化、微型化与光谱通道更多的方向发展。而分光技术的发展直接影响着光谱仪的光谱范围、分辨率、体积与重量。传统的分光方式比如多相机分光、转轮式结构分光、光栅分光与棱镜分光，这些方法不仅扫描速率低，并且需要引入额外的机械装置，使光谱仪无法实现微型化。多通道滤光片是从上世纪80年代开始出现的一种遥感分光技术。这类分光技术将多通道滤光片放置在单一传感器的焦平面上，可以一次性获得多个波长范围的图像信息。基于这类多通道滤光片的光谱仪结构紧凑，读出效率特别高，可以大大提高光谱仪的稳定性与光学效率。
近年来苏州晶鼎鑫光电科技有限公司通过机械掩膜工艺和光学高真空蒸镀工艺在一块完整的基片上设置多处光学滤光片膜层，以形成多个光学通道(见专利CN107703574A)。该技术能使膜系完全独立的滤光片集成于同一基片，实现任意光谱的分光。但由于机械掩膜板厚度太厚，在薄膜镀制过程中会造成严重的阴影效应，使光学通道之间的接缝过大，微型化程度得不到保证。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所在多通道F-P滤光片制备过程中，采用聚焦离子束刻蚀的方法而达到仅需一次刻蚀就能集成多个通道(见专利CN109655955A)。该技术能够达到较高的接缝精度，集成化与微型化能够得到保证。但该技术通过刻蚀F-P腔层，得到不同厚度的F-P腔，进行光谱跨度较小的分光，因此利用该技术不能实现任意光谱或者大范围光谱分光。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种中红外集成双通道滤光片的制备方法，其克服了现有技术中光谱仪微型化程度得不到保证以及不能实现任意光谱或者大范围光谱分光的问题，本发明能够完成任意光谱或大范围光谱的分光，微型化与集成化程度更高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种中红外集成双通道滤光片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、基片清洗后，先在基片背表面镀制3-5μm中红外增透膜；
S2、在基片前表面进行第一次光刻构图；
S3、沉积第一通道滤光片薄膜；
S4、通过剥离工艺将光刻胶及胶上薄膜去除，得到单通道滤光片；
S5、在基片前表面进行第二次对准光刻；
S6、沉积第二通道滤光片薄膜；
S7、进行第二次剥离工艺将光刻胶及胶上薄膜去除，得到中红外集成双通道滤光片。
包括以下步骤：
S0：确定所述3-5μm增透膜、第一通道F-P滤光片、第二通道F-P滤光片所需的镀膜材料以及对应的膜系结构；
S1、3-5μm增透膜的镀制：基片清洗后，先在硅片背表面镀制3-5μm增透膜；
S2、第一次光刻：选择型号光刻胶，采用匀胶机在清洗好的基片上匀胶，获得一定厚度的光刻胶，前烘后使用Q-4000型光刻机进行曝光，然后依次经过后烘、显影、坚膜得到倒八字结构光刻胶；
S3、沉积第一通道F-P滤光片薄膜：使用镀膜机，配合APS辅助沉积和高精度的OMS5000光学透射直接监控方法，沉积出通道第一通道F-P滤光片薄膜；
S4、第一次剥离：使用RR9去胶液在超声条件下进行剥离，得到单通道滤光片；
S5、第二次光刻：第二次旋涂光刻胶，获得一定厚度的光刻胶，前烘后使用光刻机进行掩模对准与曝光，保证套刻精度在0.5μm范围内，然后依次经过后烘、显影、坚膜得到倒八字结构光刻胶；
S6、沉积第二通道F-P滤光片薄膜：使用镀膜机，配合APS辅助沉积和高精度的OMS5000光学透射直接监控方法，沉积出第二通道F-P滤光片薄膜；
S7、第二次剥离获得最终样品：使用RR9去胶液在超声条件下进行剥离，得到中红外集成双通道滤光片；
S8、对所制备的集成双通道滤光片的透射率及接缝精度进行检测。
使用双抛硅作为基底，所述第一通道滤光片、第二通道滤光片薄膜使用Ge与ZnS作为高低折射率材料，所述3-5μm增透膜使用ZnS与YF3作为高低折射率材料。
在3-5μm中红外光谱范围内，所述第一通道滤光片薄膜、第二通道滤光片薄膜仅在某一窄带有高透射率，其余光谱全部截止。
所述第一通道滤光片薄膜、第二通道滤光片薄膜为将单半波F-P滤光片耦合组成的多半波F-P滤光片。
所述滤光片膜系均采用仅优化膜系前两层、后两层与耦合层的局部优化的方式进行膜系优化。
步骤S1中，增透膜的镀制中执行蒸镀工艺的本底真空度为8*10-4Pa，基板温度为180℃；步骤S3、S6中，带通滤光片的镀制中执行蒸镀工艺的本底真空度为8*10-4Pa，基板温度为25℃。
Ge的沉积速率为0.4nm/s，ZnS的沉积速率为1.0nm/s，YF3的沉积速率为1.0nm/s；沉积Ge、ZnS、YF3时离子源所需的偏压分别为：120V、140V、60V；沉积Ge、ZnS、YF3时离子源所需的放电电流为50A。
步骤S2与步骤S5所述的光刻工艺中，光刻胶厚度大于滤光片薄膜的厚度。
步骤S4与步骤S7所述的剥离工艺参数为：超声温度80℃，超声功率50W，超声时间40min。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
本发明可以将膜系相互独立的滤光片集成于同一基片，完成任意光谱或大范围光谱的分光。并且该发明利用光刻胶掩膜代替机械掩膜，减小了镀膜过程中的震动与阴影效应，因此微型化与集成化程度更高。并且由于滤光片都集成于同一基板，所以还具有机械性能佳，稳定性高，装配调校易等优点。
附图说明：
图1是本发明实施例的中红外集成双通道滤光片的制备流程示意图；
图2是本发明实施例的膜系理论透射光谱图；其中，(a)表示3.55-3.75μm带通滤光片膜系理论投射光谱图；(b)表示4.85-4.95μm带通滤光片膜系理论投射光谱图；(c)表示3-5μm增透膜膜系理论透射光谱图。
图3是本发明实施例的中红外集成双通道滤光片实际透射光谱图；
图4是本发明实施例的中红外集成双通道滤光片实物图与显微镜放大图。其中，(a)实物图：(b)显微放大图。
具体实施方式：
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。这些实施例是用于说明本发明而不限于本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体实验环境做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
本发明依次包括以下步骤：
S0：确定所述3-5μm增透膜、第一通道F-P滤光片、第二通道F-P滤光片所需的镀膜材料以及对应的膜系结构。所述3-5μm增透膜由高折射率材料ZnS与低折射率材料YF3交替组成，所述通道3.55-3.75μm带通滤光片与通道4.85-4.95μm带通滤光片皆由高折射率材料Ge与低折射率材料ZnS交替组成。
S1、3-5μm增透膜的镀制：基片清洗后，先在硅片背表面镀制3-5μm增透膜以消除基片背面反射光的影响。
步骤S1中，增透膜的镀制中执行蒸镀工艺的本底真空度为8*10-4Pa，基板温度为180℃；步骤S3、S6带通滤光片的镀制中执行蒸镀工艺的本底真空度为8*10-4Pa，基板温度为25℃。Ge的沉积速率为0.4nm/s，ZnS的沉积速率为1.0nm/s，YF3的沉积速率为1.0nm/s。沉积Ge、ZnS、YF3时离子源所需的偏压分别为：120V、140V、60V；沉积Ge、ZnS、YF3时离子源所需的放电电流为50A。
S2、第一次光刻：选择型号NR7-6000PY光刻胶，采用KW-4A型匀胶机在清洗好的基片上匀胶，获得一定厚度的光刻胶，前烘后使用Q-4000型光刻机进行曝光，然后依次经过后烘、显影、坚膜得到倒八字结构光刻胶。光刻胶厚度需大于滤光片薄膜的厚度。
S3、沉积第一通道F-P滤光片薄膜：使用德国莱宝SYRUS C1110型镀膜机，配合APS辅助沉积和高精度的OMS5000光学透射直接监控技术，沉积出通道第一通道F-P滤光片薄膜。带通滤光片的镀制中执行蒸镀工艺的本底真空度为8*10-4Pa，基板温度为25℃。
S4、第一次剥离：使用RR9去胶液在超声条件下进行剥离，得到单通道滤光片。所述的剥离工艺参数为：超声温度80℃，超声功率50W，超声时间40min。
S5、第二次光刻：第二次旋涂光刻胶，获得一定厚度的光刻胶，前烘后使用光刻机进行掩模对准与曝光，保证套刻精度在0.5μm范围内。然后依次经过后烘、显影、坚膜得到倒八字结构光刻胶。光刻胶厚度需大于滤光片薄膜的厚度。
S6、沉积第二通道F-P滤光片薄膜：使用德国莱宝SYRUS C1110型镀膜机，配合APS辅助沉积和高精度的OMS5000光学透射直接监控技术，沉积出第二通道F-P滤光片薄膜。带通滤光片的镀制中执行蒸镀工艺的本底真空度为8*10-4Pa，基板温度为25℃。
S7、第二次剥离获得最终样品：使用RR9去胶液在超声条件下进行剥离，得到中红外集成双通道滤光片。所述的剥离工艺参数为：超声温度80℃，超声功率50W，超声时间40min。
S8、对所制备的集成双通道滤光片的透射率及接缝精度进行检测。
本发明使用双抛硅作为基底，第一通道滤光片、第二通道滤光片薄膜使用Ge与ZnS作为高低折射率材料，所述3-5μm增透膜使用ZnS与YF3作为高低折射率材料。在3-5μm中红外光谱范围内，第一通道滤光片薄膜、第二通道滤光片薄膜仅在某一窄带有高透射率，其余光谱全部截止。第一通道滤光片薄膜、第二通道滤光片薄膜为将单半波F-P滤光片耦合组成的多半波F-P滤光片。滤光片膜系均采用仅优化膜系前两层、后两层与耦合层的局部优化的方式进行膜系优化。
实施例：
图1示出了本发明实例的中红外双通道滤光片制备方法的流程图，请参阅图1，该制备方法包括如下步骤：
S0、确定所述3-5μm增透膜、第一通道F-P滤光片、第二通道F-P滤光片所需的镀膜材料以及对应的膜系结构。
S1、3-5μm增透膜的镀制：基片清洗后，先在硅片背表面镀制3-5μm增透膜以消除基片背反。
S2、第一次光刻：选择型号NR7-6000PY光刻胶，采用KW-4A型匀胶机在清洗好的基片上匀胶，获得一定厚度的光刻胶，前烘后使用Q-4000型光刻机进行曝光，然后依次经过后烘、显影、坚膜得到倒八字结构光刻胶。
S3、沉积第一通道F-P滤光片薄膜：使用德国莱宝SYRUS C1110型镀膜机，配合APS辅助沉积和高精度的OMS5000光学透射直接监控技术，沉积出通道第一通道F-P滤光片薄膜。
S4、第一次剥离：使用RR9去胶液在超声条件下进行剥离，得到单通道滤光片。
S5、第二次光刻：第二次旋涂光刻胶，获得一定厚度的光刻胶，前烘后使用光刻机进行掩模对准与曝光，保证套刻精度在0.5μm范围内。然后依次经过后烘、显影、坚膜得到倒八字结构光刻胶。
S6、沉积第二通道F-P滤光片薄膜：使用德国莱宝SYRUS C1110型镀膜机，配合APS辅助沉积和高精度的OMS5000光学透射直接监控方法，沉积出第二通道F-P滤光片薄膜。
S7、第二次剥离获得最终样品：使用RR9去胶液在超声条件下进行剥离，得到中红外集成双通道滤光片。
S8、对所制备的集成双通道滤光片的透射率及接缝精度进行检测。
本发明实施例将以3.55-3.75μm与4.85-4.95μm两个通道的中红外集成双通道滤光片的制备方法为例进行详细说明。
在步骤S0中，利用Ge和ZnS作为3.55-3.75μm F-P滤光片和4.85-4.95μm F-P滤光片的高低折射率材料，利用ZnS和YF3作为3-5μm增透膜的高低折射率材料。
上述3.55-3.75μm F-P滤光片膜系结构为“Si/(1.063H0.998L)2H(LH)1.485L(HL)2H(LH)L(HL)2H(LH)1.535L(HL)2H(1.162L1.323H)1.087L/Air”，膜系结构一共包含了24层薄膜，其设计的中心波长为3650nm，其中H代表高折射率膜层，这里是Ge层，其光学厚度为中心波长的1/4。L代表高折射率膜层，这里是ZnS层，其光学厚度为中心波长的1/4。优化层数为5层，理论透射曲线如图2(a)所示。4.85-4.95μm F-P滤光片膜系结构为：Si/(1.002H1.045L)2H(LH)0.601L(HL)4H(LH)1.050L(HL)4H(LH)0.624L(HL)2H(L1.913H)1.063L/Air“，膜系结构一共包含了24层薄膜，其设计的中心波长为4900nm，其中H代表高折射率膜层，这里是Ge层，其光学厚度为中心波长的1/4。L代表高折射率膜层，这里是ZnS层，其光学厚度为中心波长的1/4。优化层数为6层，理论透射曲线如图2(b)所示。上述3-5μm增透膜的膜系是2.45H0.809L，膜系结构一共包含了2层薄膜，其设计的中心波长为5200nm，其中H代表高折射率膜层，这里是ZnS层，其光学厚度为中心波长的1/4。L代表高折射率膜层，这里是YF3层，其光学厚度为中心波长的1/4。优化层数为2层，理论透射曲线如图2(c)所示。
在S1中，利用离子束辅助电子束蒸发镀膜的方式进行3-5μm增透膜的镀制，沉积本底真空度小于1*10-3Pa，膜料沉积工艺参数如表1所示。沉积过程中利用OMS5000光控对3-5μm增透膜厚度进行监测。
表1 3-5μm增透膜沉积工艺参数
在S2与S5中，光刻的最佳工艺参数为匀胶转速1500rpm、匀胶时间30s、前烘120℃10min、曝光72s、后烘100℃5min、显影55s、坚膜80℃5min，得到10μm左右的“倒八字“光刻胶。
在S3与S6中，利用离子束辅助电子束蒸发镀膜的方式进行3.55-3.75μm F-P滤光片和4.85-4.95μm F-P滤光片的镀制，沉积本底真空度小于1*10-3Pa，膜料沉积工艺参数如表2所示。沉积过程中利用OMS5000膜厚进行监测。
表2滤光片沉积工艺参数
在S4与S7中，利用超声波清洗机进行剥离工艺，超声温度为80℃，超声功率为50W，超声时间为40min。
在S8中，制备完成后利用傅里叶红外光谱仪测得如图3所示的透过率曲线，可以看到两个通道的透射率都大于80％，截止带的透过率小于0.5％。并利用光学显微镜观察集成双通道滤光片的接缝精度，如图4所示集成双通道滤光片接缝精度小于5μm。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种中红外集成双通道滤光片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、基片清洗后，先在基片背表面镀制3-5μm中红外增透膜；
S2、在基片前表面进行第一次光刻构图；
S3、沉积第一通道滤光片薄膜；
S4、通过剥离工艺将光刻胶及胶上薄膜去除，得到单通道滤光片；
S5、在基片前表面进行第二次对准光刻；
S6、沉积第二通道滤光片薄膜；
S7、进行第二次剥离工艺将光刻胶及胶上薄膜去除，得到中红外集成双通道滤光片。
2.根据权利要求1所述的中红外集成双通道滤光片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S0：确定所述3-5μm增透膜、第一通道F-P滤光片、第二通道F-P滤光片所需的镀膜材料以及对应的膜系结构；
S1、3-5μm增透膜的镀制：基片清洗后，先在硅片背表面镀制3-5μm增透膜；
S2、第一次光刻：选择型号光刻胶，采用匀胶机在清洗好的基片上匀胶，获得一定厚度的光刻胶，前烘后使用Q-4000型光刻机进行曝光，然后依次经过后烘、显影、坚膜得到倒八字结构光刻胶；
S3、沉积第一通道F-P滤光片薄膜：使用镀膜机，配合APS辅助沉积和高精度的OMS5000光学透射直接监控方法，沉积出通道第一通道F-P滤光片薄膜；
S4、第一次剥离：使用RR9去胶液在超声条件下进行剥离，得到单通道滤光片；
S5、第二次光刻：第二次旋涂光刻胶，获得一定厚度的光刻胶，前烘后使用光刻机进行掩模对准与曝光，保证套刻精度在0.5μm范围内，然后依次经过后烘、显影、坚膜得到倒八字结构光刻胶；
S6、沉积第二通道F-P滤光片薄膜：使用镀膜机，配合APS辅助沉积和高精度的OMS5000光学透射直接监控方法，沉积出第二通道F-P滤光片薄膜；
S7、第二次剥离获得最终样品：使用RR9去胶液在超声条件下进行剥离，得到中红外集成双通道滤光片；
S8、对所制备的集成双通道滤光片的透射率及接缝精度进行检测。
3.根据权利要求2所述的中红外集成双通道滤光片的制备方法，其特征在于：使用双抛硅作为基底，所述第一通道滤光片、第二通道滤光片薄膜使用Ge与ZnS作为高低折射率材料，所述3-5μm增透膜使用ZnS与YF3作为高低折射率材料。
4.根据权利要求2或3所述的中红外集成双通道滤光片的制备方法，其特征在于：在3-5μm中红外光谱范围内，所述第一通道滤光片薄膜、第二通道滤光片薄膜仅在某一窄带有高透射率，其余光谱全部截止。
5.根据权利要求4所述的中红外集成双通道滤光片的制备方法，其特征在于：所述第一通道滤光片薄膜、第二通道滤光片薄膜为将单半波F-P滤光片耦合组成的多半波F-P滤光片。
6.根据权利要求5所述的中红外集成双通道滤光片的制备方法，其特征在于：所述滤光片膜系均采用仅优化膜系前两层、后两层与耦合层的局部优化的方式进行膜系优化。
7.根据权利要求6所述的中红外集成双通道滤光片的制备方法，其特征在于：步骤S1中，增透膜的镀制中执行蒸镀工艺的本底真空度为8*10-4Pa，基板温度为180℃；步骤S3、S6中，带通滤光片的镀制中执行蒸镀工艺的本底真空度为8*10-4Pa，基板温度为25℃。
8.根据权利要求7所述的中红外集成双通道滤光片的制备方法，其特征在于：Ge的沉积速率为0.4nm/s，ZnS的沉积速率为1.0nm/s，YF3的沉积速率为1.0nm/s；沉积Ge、ZnS、YF3时离子源所需的偏压分别为：120V、140V、60V；沉积Ge、ZnS、YF3时离子源所需的放电电流为50A。
9.根据权利要求8所述的中红外集成双通道滤光片的制备方法，其特征在于：步骤S2与步骤S5所述的光刻工艺中，光刻胶厚度大于滤光片薄膜的厚度。
10.根据权利要求9所述的中红外集成双通道滤光片的制备方法，其特征在于：步骤S4与步骤S7所述的剥离工艺参数为：超声温度80℃，超声功率50W，超声时间40min。
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