CN114843292A - 光谱芯片及其制备方法、光谱分析装置 - Google Patents

光谱芯片及其制备方法、光谱分析装置 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种光谱芯片及其制备方法、光谱分析设备，其中，所述光谱芯片的制备方法包括：在一衬底上形成至少一光调制结构以获得一调制单元；以及，将调制单元耦接于一传感单元，以使得所述调制单元被保持于所述传感单元的感光路径上以获得光谱芯片。这样，将形成光调制结构的工艺转移到衬底上，以一方面摆脱现有的光谱芯片制造工艺受限于晶圆厂的局限，且另一方面可以确保制备过程中不会对制造场地造成污染。

Description

光谱芯片及其制备方法、光谱分析装置
技术领域
本申请涉及光谱芯片技术领域，更为具体地说，涉及一种光谱芯片及其制备方法、光谱分析装置，其中，所述光谱芯片的制备方法将形成光调制结构的工艺转移到衬底上，以一方面摆脱现有的光谱芯片制造工艺受限于晶圆厂的局限，且另一方面可以确保制备过程中不会对所述光谱芯片造成污染。
背景技术
光与物质发生相互作用，如吸收、散射、荧光、拉曼等，会产生特定光谱，而每种物质的光谱，都是独一无二的。因此，光谱信息可以说是万物的“指纹”。
光谱仪能够直接检测物质的光谱信息，得到被测目标的存在状态与物质成分，是材料表征、化学分析等领域重要的测试仪器之一。从技术发展来看，微型光谱仪可分为四类：色散型、窄带滤波型、傅里叶变换型和计算重构型。
随着计算机技术的发展，计算重构型光谱仪作为近些年新兴光谱仪类型得到蓬勃发展，其原因是通过计算来近似或者说重构入射光的光谱。计算重构型光谱仪可以相对较佳地解决因小型化而导致检测性能下降的问题。
由于计算重构型光谱仪属于新兴技术，在实际应用中，计算重构型光谱仪遇到诸多技术问题和难题。发现并解决这些技术问题和难题，是推进计算重构型光谱仪成熟化的必经之路。当然，该计算重构原理也可以用于光谱成像装置。
在计算重构型光谱仪或光谱成像装置中，光谱芯片是绝对的核心部件。如何生产具有高性能的光谱芯片，尤其是实现大规模量产是亟需解决的产业难题。
发明内容
为了解决上述技术问题，提出了本申请。本申请的实施例提供了一种光谱芯片及其制备方法、光谱分析装置，其形成光调制结构的工艺转移到衬底上，以一方面摆脱现有的光谱芯片制造工艺受限于晶圆厂的局限，且另一方面可以确保制备过程中不会对所述光谱芯片造成污染。
根据本申请的一方面，提供了一种光谱芯片的制备方法，包括：
在一衬底上形成至少一光调制结构以获得一调制单元；以及
将调制单元耦接于一传感单元，以使得所述调制单元被保持于所述传感单元的感光路径上以获得光谱芯片。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，所述衬底的制成材料选自二氧化硅、氧化铝、亚克力、锗、或塑料。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，所述至少一光调制结构，包括第一光调制结构和第二光调制结构；其中，在所述衬底上形成至少一光调制结构以获得一调制单元，包括：在所述衬底上形成第一光调制层；对所述第一光调制层进行蚀刻以形成具有至少一第一调制单元的第一光调制结构；在所述第一光调制结构上形成第二光调制层；以及，对所述第二光调制层进行蚀刻以形成具有至少一第二调制单元的第二光调制结构。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，所述至少一调制单元，包括第一光调制结构；其中，在所述衬底上形成至少一光调制结构以获得一调制单元，包括：在所述衬底上形成第一光调制层；以及，对所述第一光调制层进行蚀刻以形成具有至少一第一调制单元的第一光调制结构。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，在所述衬底上形成第一光调制层，包括：通过沉积工艺在所述衬底上沉积所述第一光调制层。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，在所述衬底上形成第一光调制层，包括：提供所述第一光调制层；以及，将所述光调制层叠置于所述衬底。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，在所述第一光调制结构上形成第二光调制层，包括：在所述第一光调制层上形成一连接层；以及，在所述连接层上形成所述第二光调制层。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，将调制单元耦接于所述传感单元，以使得所述调制单元被保持于所述传感单元的感光路径上以获得光谱芯片，包括：以倒装的方式将所述调制单元耦接于所述传感单元，其中，所述调制单元的至少一光调制结构叠置于所述传感器。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，以倒装的方式将所述调制单元耦接于所述传感单元，包括：在所述传感单元上形成一介质层；以及，将所述调制单元耦接于所述介质层。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，将所述调制单元耦接于所述介质层，包括：在所述调制单元的至少一光调制结构上形成一结合层；以及，以所述结合层结合于所述介质层的方式，将所述调制单元耦接于所述介质层。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，所述介质层和所述结合层由相同的材料制成。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，所述至少一光调制结构中邻近于所述传感单元的所述光调制结构的下表面与所述介质层的上表面之间的距离小于等于10um。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，所述至少一光调制结构中邻近于所述传感单元的所述光调制结构的下表面与所述介质层的上表面之间的距离超过预设阈值的比例小于等于10％。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，所述至少一光调制结构中邻近于所述传感单元的所述光调制结构的下表面与所述介质层的上表面之间各个对应位置的距离之差低于±5-10um。
在根据本申请的光谱芯片的制备方法中，所述传感单元包括至少一像素和电连接于所述至少一像素的逻辑电路层。
根据本申请的另一方面，还提供了一种光谱芯片的制备方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成光调制结构阵列以获得一调制单元拼版，所述光调制单元阵列包括至少二光调制结构；
提供一传感单元拼版，所述传感单元拼版包括至少二传感单元；
将所述调制单元拼版耦接于所述传感单元拼版以获得光谱芯片拼版；及
分割所述光谱芯片拼版，以获得至少二光谱芯片。
根据本申请的又一方面，还提供了一种光谱芯片，其中，所述光谱芯片由如上所述的光谱芯片的制备方法制备而得。
根据本申请的又一方面，还提供了一种光谱分析装置，其包括：
线路板；以及
由如上所述的光谱芯片的制备方法制备而得的光谱芯片，所述光谱芯片电连接于所述线路板。
在根据本申请实施例的所述光谱分析装置中，所述光谱分析装置进一步包括：被保持于所述光谱芯片的感光路径上的光学组件。
在根据本申请实施例的所述光谱分析装置中，所述光谱分析装置进一步包括设置于所述线路板的封装体，其中，所述封装体一体成型于所述线路板且包覆所述光谱芯片的外表面的至少一部分。
在根据本申请实施例的所述光谱分析装置中，所述封装体由不透光的材料制成。
本申请提供的光谱芯片及其制备方法和光谱分析装置，其将形成光调制结构的工艺转移到衬底上，以一方面摆脱现有的光谱芯片制造工艺受限于晶圆厂的局限，且另一方面可以确保制备过程中不会对所述光谱芯片造成污染。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本申请各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
图1图示了根据本申请实施例的光谱芯片的示意图。
图2图示了根据本申请实施例的所述光谱芯片的框图。
图3图示了根据本申请实施例的所述光谱芯片的一个变形实施的框图。
图4图示了根据本申请实施例的所述光谱芯片的另一变形实施的框图。
图5图示了根据本申请实施例的所述光谱芯片的又一变形实施的框图。
图6A至图6C图示了根据本申请实施例的所述光谱芯片的制备方法的示意图。
图7A至图7C图示了根据本申请实施例的所述光谱芯片的拼版制备方法的示意图。
图8图示了根据本申请实施例的光谱分析装置的框图。
图9图示了根据本申请实施例的所述光谱芯片的一个变形实施的示意图。
图10图示了根据本申请实施例的感光组件的示意图。
图11图示了根据本申请实施例的所述感光组件的一个变形实施的示意图。
具体实施方式
下面，将参考附图详细地描述根据本申请的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。
申请概述
如前所述，由于计算重构型光谱仪属于新兴技术，在实际应用中，计算重构型光谱仪遇到诸多技术问题和难题。发现并解决这些技术问题和难题，是推进计算重构型光谱仪成熟化的必经之路。当然，该计算重构原理也可以用于光谱成像装置。
在计算重构型光谱仪或光谱成像装置中，光谱芯片是绝对的核心部件。如何生产具有高性能的光谱芯片，尤其是实现大规模量产是亟需解决的产业难题
为了实现量产，光谱芯片采用如下制备工艺制备：首先，在已有的图像传感器(例如，CMOS图像传感器、CCD传感器)上沉积一层光调制层材料；接着，对该光调制层材料进行刻蚀、纳米压印等以形成光调制层。然而，该制备工艺在实际产业实施中可能会遇到问题。
具体地，该工艺需要在芯片晶圆上加工，因此，需要提供与晶圆级别加工相匹配的产品线和生产团队，这一方面会导致成本的上升，另一方面，也会受限于晶圆加工技术的垄断而难以产业落地。此外，根据材料的特性沉积光调制层结构的工序需在特定的高温条件下进行，但是高温可能会导致晶圆受到损害。反过来说，考虑到晶圆的耐热性，在光调制层材料的选材方面必须做出让步，这就会导致光调制层由于材料选择而无法达到最佳性能。还有，由于图像传感器包含逻辑电路，在一定情况下逻辑电路中金属粉末会掉落对整个产线造成金属粉末的污染。
针对上述技术难题，本申请发明人尝试将形成光调制结构的工艺转移到衬底上，以一方面摆脱现有的光谱芯片制造工艺受限于晶圆厂的局限，且另一方面可以确保制备过程中不会产生金属粉末污染。也就是，先将所述光谱芯片的调制单元在衬底上单独成型而后再耦接于传感器上，通过这样的方式，解决了目前光谱芯片制造工艺受限于晶圆厂的问题，且，由于调制单元不包含逻辑电路，因此在制备过程中不会产生诸如金属粉末的污染并进一步地可以确保加工过程中不会对产生污染，同时，还可以避免高温影响传感器的性能。为了避免歧义，本申请进一步对晶圆进行说明，所述晶圆可以理解为晶圆(wafer)或晶片晶圆体(die)，即可以通过在所述晶圆上进行加工得到CMOS传感器或CCD传感器等传感器。
基于此，本申请提出了一种光谱芯片的制备方法，其包括步骤：提供一衬底；在所述衬底上形成至少一光调制结构以获得一调制单元；提供一传感单元；以及，将调制单元耦接于所述传感单元，以使得所述调制单元被保持于所述传感单元的感光路径上以获得光谱芯片。相应地，本申请还提出了一种光谱芯片，其由如上所述的特殊制备工艺制备而成。
在介绍本申请的基本原理之后，下面将参考附图来具体介绍本申请的各种非限制性实施例。
示意性光谱芯片
根据本申请实施例的光谱芯片被阐明，其中，所述光谱芯片一般应用于计算光谱装置。所述计算光谱装置可以是光谱仪也可以是光谱成像装置。以光谱仪为例，计算光谱仪与传统光谱仪之间最显著的区别在于滤光的不同。在传统的光谱仪中，用于进行波长选择的滤光片为带通滤光片。光谱分辨率越高，就必须使用通带越窄和越多的滤光片，这增加了整个系统的体积和复杂度。同时，当光谱响应曲线变窄时，光通量下降，导致信噪比降低。
而对于特定计算光谱仪，每个滤光片一般采用宽谱滤光片，这使得计算光谱仪系统探测到的原始数据与原始光谱差异较大。然而，通过应用计算重建算法，原始光谱可以通过计算恢复。由于宽带滤光片比窄带滤光片有更多的光通过，即光损失的能量较少，因此，这类计算光谱仪可以从较暗的场景中检测光谱。此外，根据压缩感知理论，可以适当地设计滤光片的光谱曲线来高概率地恢复稀疏光谱，且滤光片的数量远小于期望的光谱通道数(从较低维向量恢复较高维向量)，这无疑是非常有利于小型化的。另一方面，通过使用更多数量的滤光片，可以使用正则化算法(由更高维向量获得降噪后的较低维向量)来降低噪声，这增加了信噪比并使得整个系统有更高的鲁棒性。
相对来讲，传统的光谱仪在设计的时候需要根据需要的波长去设计滤波器，使得特定波长的光可以透过。也就是，传统的光谱仪在设计过程中需要重点控制光调制结构的尺寸和位置精度，同时需要想办法提高其特定波长的透过率。而对于计算光谱仪，可以接收较大范围的波段(例如，350nm至1000nm)的入射光，入射光被滤波器所调制后被传感器接收，当所述滤波器对应的透射谱越复杂，则对应入射光的恢复效果会越好。
如前所述，根据本申请实施例的所述光谱芯片以特定的制备方法制备而得。在论述所述光谱芯片的制备方法之前，先对所述光谱芯片的结构和工作原理做说明。
所述光谱芯片包括传感单元和被保持于所述传感单元的感光路径上的调制单元，其中，特别地，所述调制单元包括衬底和形成于所述衬底的至少一光调制结构，所述光调制结构包括至少一光调制单元，所述光调制单元可以为调制孔、调制柱、调制线等，用于对进入所述传感单元的入射光信号进行调制以生成调制信号。
在本申请的一些示例中，为了便于将所述传感单元结合于所述传感单元，所述光谱芯片进一步包括形成于所述传感单元的介质层。在该示例中，所述介质层形成于所述传感单元的表面，所述调制单元被贴附于所述介质层的上表面。相应地，优选地，所述介质层的上表面中用于贴附所述调制单元的部分为平整表面。优选地，所述介质层、所述光调制结构和所述衬底中相邻两层之间的折射率差别较大，例如，所述介质层的折射率低，所述光调制结构的折射率高，所述衬底的折射率低。值得注意的是，本发明涉及的介质层可以为一体形成于所述传感单元的结构，即原本就是传感单元的固有一部分；当然所述介质层也可以是通过后续加工形成于所述传感单元。
下面对所述光谱芯片的工作原理进行简单的介绍：
设定入射的光信号为向量X＝[X1,X2,……XN]T，而所述传感单元的接收的信号为向量Y＝[Y1,Y2,……YM]T，相应地，Y＝DX+W，其中，所述转化矩阵D由所述光调制结构决定，而向量W则为噪声。在所述光谱芯片的实际应用中，需先对所述光谱芯片进行标定以获得所述转化矩阵D，再以标定完成的所述光谱芯片去测量被测目标的光谱信息，也就是，利用已知的转化矩阵D和所述像素结构获取的向量Y，求解被测目标的光谱信号X。传统的光谱仪，其实现方式包括利用分光原件进行频谱分光，或者是使用窄带滤波器进行滤波。这些方式下，所能够实现的光谱精度与物理分光的精细程度直接相关，因此对于物理器件的光路长度、机械加工的鲁棒性等方面造成了很大的要求，进而使得高精度光谱仪体积较大、造价较为昂贵且难以实现大规模的量产。而对于计算重构型光谱仪，则通过物理器件获取丰富频谱信息之后，通过算法将其解析。这一方法有望在体积、造价、量产性与精确度多个方面同时达到较高的水平。为获取待测光的频谱信息，光谱仪设计时需要对入射光有显著的调制作用，因此在各结构层的折射率匹配上显得尤为重要。
本发明采取计算光谱可以有效做小光谱分析装置结构，进一步提供光谱分析装置的光谱芯片制作工艺及对应结构，使得整个光谱分析装置可实现量产化。
实施例一
在实施例1中，如图1和图2所示，所述光谱芯片200包括至少一传感单元100和被保持于所述至少一传感单元100的感光路径上的至少一调制单元110，其中，所述调制单元110包括衬底111和形成于所述衬底111上的至少一光调制结构112。所述光调制结构112可以对进入所述光谱芯片200的光进行调制以生成调制光信号而后被所述传感单元100所接收。
在具体实施中，为了便于工艺实施且确保所述光谱芯片200的性能，所述衬底111由可透光材料制成，例如，由透明材料制成，其具体地包括但不限于二氧化硅、氧化铝等。在具体实施中，所述光调制结构112可通过沉积或贴附或键合(还需要配合蚀刻等工艺)形成于所述衬底111，其中，所述光调制结构112的制成材料可被实施为硅、硅基化合物、二氧化钛、氧化钽、氧化铝、氮化铝等高折射率材料或者说与所述衬底111的材料具有较大折射率差异的材料。
在该实施例的具体示例中，所述光调制结构112和所述衬底111具有一体式结构，其可先通过沉积、贴附、键合等工艺在衬底111上形成一光调制层，而后再通过纳米印压、刻蚀等工艺对所述光调制层进行蚀刻以形成具有至少一光调制单元的所述光调制结构112。然后，再将由所述衬底111和所述至少一光调制结构112所形成的一体式调制单元110贴合于所述传感单元100的表面，例如，所述传感单元100的上表面，以使得所述调制单元110被保持于所述传感单元100的感光路径上。在具体实施中，可通过键合、粘接、贴附等工艺将所述调制单元110结合于所述传感单元100的上表面。
在该实施例中，所述传感单元100包括被至少一像素单元101、电连接于所述像素单元101的逻辑电路层和电连接于所述逻辑电路层的存储器。值得一提的是，在一些具体示例中，所述传感单元100也可以不包括所述存储器，而仅包括所述至少一像素单元101和所述逻辑电路层。
应注意到，如图1和图2所示，在该实施例中，所述调制单元110还可以包括形成于所述光调制结构112的下表面的结合层113，其中，优选地所述结合层113具有平整的下表面，以避免所述光调制结构112的下表面不平整引起与所述传感单元100的结合不良(例如，配合精度不高等)而使得所述光谱芯片200的性能受到影响。
并且，所述传感单元100的表面可能会不平整进而也会影响贴合效果，而使得所述光谱芯片200的性能受到影响。相应地，在该实施例中，所述光谱芯片200还包括形成于所述传感单元100的表面的介质层120，例如，所述介质层120可通过沉积等工艺集成于所述传感单元100的表面而后再将所述介质层120的上表面平整化。而后再以所述调制单元110的结合层113结合于所述介质层120的方式将所述调制单元110转移到所述介质层120上以获得所述光谱芯片200，其中，转移的结合工艺包括但不限于键合、贴附、粘接等。值得一提的是，所述介质层120也可以一体形成于所述传感单元100，即所述介质层120实施为所述传感单元100上表面。
值得一提的是，在该实施例中，对所述光调制结构112的下表面与所述介质层120的上表面之间的间距a进行限定，其原因在于当间距过大时容易引起光线串扰，即经过光调制结构112的调制后的光具有一定的发散角，如果间距a过大该调制后的光会进入相邻光调制结构112对应的像素单元101，从而导致像素单元101接收到的信息不准确，从而导致恢复精度变差。进一步，优选地所述间距小于等于2倍光调制结构112的边长b，即a≤2b，其中所述光调制结构112有多个微纳结构构成，每个微纳结构都有对应的周期，根据所述微纳结构的周期可以限定所述调制单元110的形状及尺寸，例如为正方形或长方形，所述间距小于等于2倍长方形的短边或2倍正方形的边长。再精度要求高的情况下，所述间距a可以小于等于边长b，即a≤b。进一步，间距a过大还容易导致两者之间的间隙均一性变差。优选地，所述间隙a小于等于10um，可理解地，由于制造误差等引起的部分间隙大于10um也在本申请所保护的范围内，也就是，所述光调制结构112的下表面与所述介质层120的上表面之间的间距小于等于10um并不要求所述光调制结构112和所述介质层120任一位置对应的间隙都满足此要求，可以是部分位置满足要求，但优选地至少要确保90％的区域满足此要求。更优选地，所述光调制结构112的下表面与所述介质层120的上表面之间的间距小于等于5um，例如2.5um。进一步，为了确保所述光谱芯片200的性能，进一步，任意两区域的所述光调制结构112的下表面与所述介质层120上表面的所述间距差值小于等于10um，优选地小于等于5um，从而可以确保均一性。还值得一提的是，在该实施例中，优选地，所述结合层113和所述介质层120的折射率相近，更优选地两者由相同的材料制成(例如，同时由二氧化硅制成)。同时，所述结合层113的引入还可以确保所述传感单元100与所述调制单元110之间的间隙的均一性，从而有利于抑制干涉条纹及其影响。为了预防表面附着大于等于2微米的颗粒物，优选将所述传感单元100和所述调制单元110进行清洗，再将所述传感单元100和所述调制单元110进行结合。
进一步地对等厚干涉的问题进行说明。本领域普通技术人员应知晓，对于一般的图像传感装置，其探测光的光谱范围通常覆盖较大范围(通常大于50nm)，例如，可见光范围或者近红外范围。此时，等厚条纹由于不同波长分布位置不同，相互叠加之后明暗将会抵消，因此，等厚干涉问题在一般的图像传感装置中并不明显。但是，对于光谱仪装置，其需要有较高的频谱分辨率，要求对单色光进行探测，此时若某一结构层厚度不均一，将会出现显著的等厚干涉条纹，也就是，对于计算光谱仪或光谱成像装置而言，则会进一步地影响其探测精度。进一步地，对于可见光领域，波长为百纳米级别，因此少量的失配或不均一会引起较大的误差。相应地，本申请提出的所述光谱芯片200能够有效的控制整体结构的光程一致性，以消除等厚干涉所带来的影响。
还需要说明的是，所述传感单元100的至少一像素单元101与所述光调制结构112的至少一光调制单元相对应以形成一调制单元像素，多个调制单元像素构成光谱像素。在不考虑可重构光谱像素的基础上(通过需求利用算法重新挑选调制单元像素构建光谱像素)，在一个所述光谱像素中如果存在两个调制单元像素，两个所述调制单元像素所包含的光调制单元通常是不同的，原则上可以理解为相邻所述调制单元像素对应的光调制单元的结构是不同。
图3图示了根据本申请实施例的所述光谱芯片200的一个变形实施的框图。如图3所示，在该变形实施例中，没有在所述传感单元100的表面设置所述介质层120，而是将所述调制单元110直接结合于所述传感单元100，或者可以理解为所述介质层120为所述传感单元100的上表面。图4图示了根据本申请实施例的所述光谱芯片200的另一变形实施的框图。在该变形实施例中，没有在所述光调制结构112的下表面至少所述结合层113，而是将所述调制单元110直接结合于所述传感单元100。
图5图示了根据本申请实施例的所述光谱芯片200的又一变形实施的框图。如图5所示，在该变形实施例中，所述调制单元110包括两层或多层光调制结构112，以通过至少两层所述光调制结构112之间的配合使得透射谱更加复杂，也就是，两层或多层光调制结构112可以在通过简单的光调制结构112组合形成复杂的透射谱，从而降低对所述光调制结构112的加工精度要求。优选地，至少存在两层所述光调制结构112且两层所述光调制结构112是不同的，即，两层光调制层对应区域对同一入射光的调制效果不同。
例如，在如图5所示意的示例中，所述调制单元110包括两层光调制结构112：第一光调制结构114和第二光调制结构115。特别地，在该变形实施例中，所述第一光调制结构114的光调制单元和/或所述第二光调制结构115的光调制单元具有填充物。
如图5所示，在该示例中，也可以在所述第一光调制结构114和所述第二光调制结构115之间设置连接层116，优选地，所述连接层116由低折射率材料制成(其原因在于所述第一光调制结构114和所述第二光调制结构115由高折射率的材料制成)。相应地，所述衬底111、所述第一光调制结构114、所述连接层116、所述第二光调制结构115、所述结合层113和所述介质层120之间相互作用共同对入射光进行调制以生成调制信号。
进一步，如图8所示，本发明提供一种光谱分析装置，例如光谱仪、光谱成像装置，所述光谱分析装置包括所述光谱芯片200和一线路板310，所述光谱芯片200电导通的连接于所述线路板310，从而实现信号传输等。进一步，可选地，所述光谱分析装置还可以包括一光学组件320，例如透镜组件等，所述光学组件320位于所述光谱芯片200的通光路径上，入射光通过光学组件320后，再进入所述光谱芯片200的光调制层被调制，在由所述传感单元100所接收，并转化为电信号。所述光谱分析装置进一步包括一封装体(例如，塑料支架、金属支架)，所述光谱芯片200被所述封装体所收容。进一步地，在本申请一些示例中，所述光谱分析装置还可以包括处理单元330，用于对电信号进行处理，以生成光谱或图像等。
根据本申请的另一方面，还提供了一种光谱芯片200的制备方法，其用于制备如上所述的光谱芯片200。如前所述，为了实现量产，目前的光谱芯片200采用如下制备工艺制备：首先，在已有的图像传感器(例如，CMOS图像传感器、CCD传感器)上沉积一层光调制层材料；接着，对该光调制层材料进行刻蚀以形成光调制层，即通过对所述光调制层进行处理以获得所述光调制结构112。然而，该制备工艺在实际产业实施中却遇到诸多问题。
具体地，若该光谱芯片200制造工艺需要在芯片晶圆上加工，因此，需要提供与晶圆级别加工相匹配的产品线和生产团队，这一方面会导致成本的上升，另一方面，也会受限于晶圆加工技术的垄断而难以产业落地。此外，根据材料的特性沉积光调制层结构的工序需在特定的高温条件下进行，但是高温可能会导致晶圆受到损害。反过来说，考虑到晶圆的耐热性，在光调制层材料的选材方面必须做出让步，这就会导致光调制层由于材料选择而无法达到最佳性能。还有，由于图像传感器包含逻辑电路，在可能会产生金属粉末对制造环境污染。
针对上述技术难题，本申请发明人尝试将形成光调制结构112的工艺转移到衬底111上，以一方面摆脱现有的光谱芯片200制造工艺受限于晶圆厂的局限，且另一方面可以确保制备过程中不会对所述光谱芯片200造成污染。也就是，先将所述光谱芯片200的调制单元110在衬底111上单独成型而后再耦接于传感器上，通过这样的方式，解决了目前光谱芯片200制造工艺受限于晶圆厂的问题，且，由于调制单元110不包含逻辑电路，因此在制备过程中不会产生诸如金属粉末的污染并进一步地可以确保加工过程中不会对产生污染，同时，还可以避免高温影响传感器的性能。
如图6A至6C图示了根据本申请实施例的所述光谱芯片200的制备方法的示意图。如图6A至图6C所示，根据本申请实施例的所述光谱芯片200的制备过程，包括：首先提供一衬底111，其中，所述衬底111的制成材料选自二氧化硅或氧化铝等透明材料，例如石英、蓝宝石等，或者透明的有机材料，例如塑料、亚克力等，也可以是金属材料，例如锗等。
然后，在所述衬底111上形成至少一光调制结构112以获得一调制单元110。相应地，在所述至少一调制单元110仅包括一层所述光调制结构112时，例如，仅包括第一光调制结构114时，在所述衬底111上形成至少一光调制结构112以获得一调制单元110的过程，包括：首先在所述衬底111上形成第一光调制层，例如，通过沉积工艺在所述衬底111上形成所述第一光调制层，所述沉积工艺可以为化学气相沉积法(CVD，Chemical VaporDeposition)、原子层沉积法(ALD，Atomic Layer Deposition)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition),物理气相沉积(PVD,PhysicalVapor Deposition)等；接着，对所述第一光调制层进行蚀刻以形成具有至少一第一调制单元110的第一光调制结构114，例如，以纳米压印、刻蚀等工艺在对所述第一光调制层进行蚀刻以形成具有至少一第一调制单元110的第一光调制结构114。
当然，也可以通过其他工艺在所述衬底111上形成所述第一光调制层，例如，先预制所述第一光调制层，然后，通过贴装工艺将所述第一光调制层叠置于所述衬底111上。
相应地，当所述至少一光调制结构112，包括至少两层光调制结构112时，例如，包括第一光调制结构114和第二光调制结构115时，在所述衬底111上形成至少一光调制结构112以获得一调制单元110的过程，包括：首先在所述衬底111上形成第一光调制层，例如，通过沉积工艺在所述衬底111上沉积所述第一光调制层；然后，对所述第一光调制层进行蚀刻以形成具有至少一第一调制单元110的第一光调制结构114，例如，以纳米压印、刻蚀等工艺在对所述第一光调制层进行蚀刻以形成具有至少一第一调制单元110的第一光调制结构114；接着，在所述第一光调制结构114上形成第二光调制层，例如，同样通过沉积工艺在所述第一光调制结构114上形成所述第二光调制层；接着，对所述第二光调制层进行蚀刻以形成具有至少一第二调制单元110的第二光调制结构115。优选地，在所述第二光调制层进行沉积之前，对所述第一光调制结构114进行填充，即所述第一光调制结构114具有填充物。
进一步，在个别实施例种，所述调制单元110可以直接有SOI衬底111(Silicon-On-Insulator衬底111)或SOS衬底111(silicon on sapphire衬底111)加工形成。以SOS衬底111为例，SOS衬底111一般由蓝宝石和硅单晶组成，通过对硅单晶加工形成具有至少一调制单元110的光调制结构112。
值得一提的是，在本申请一些示例中，还可以在所述第一光调制结构114上设置连接层116，优选地，所述连接层116由低折射率的材料制成，以通过所述连接层116来结合所述第一光调制结构114和所述第二光调制结构115。相应地，在该示例中，在所述第一光调制结构114上形成第二光调制层，包括：首先，在所述第一光调制层上形成一连接层116；然后，在所述连接层116上形成所述第二光调制层。
然后，提供一传感单元100。所述传感单元100包括被至少一像素单元101、电连接于所述像素单元101的逻辑电路层和电连接于所述逻辑电路层的存储器。值得一提的是，在一些具体示例中，所述传感单元100也可以不包括所述存储器，而仅包括所述至少一像素单元101和所述逻辑电路层。
接着，将调制单元110耦接于所述传感单元100，以使得所述调制单元110被保持于所述传感单元100的感光路径上以获得光谱芯片200。在该示例中，以倒装的方式将所述调制单元110耦接于所述传感单元100，其中，所述调制单元110的至少一光调制结构112叠置于所述传感单元100。在一个具体的示例中，以倒装的方式将所述调制单元110耦接于所述传感单元100的过程，包括：首先，在所述传感单元100上形成一介质层120，优选地，所述介质层120由低折射率的材料制成；接着，将所述调制单元110耦接于所述介质层120。可选地，在耦接之前，可以对所述调制单元110和/或所述传感单元100进行清洗，去除表面颗粒。
为了避免所述光调制结构112的下表面不平整引起与所述传感单元100的结合不良(例如，配合精度不高等)而使得所述光谱芯片200的性能受到影响，在本申请一些示例中，还可以在所述调制单元110的至少一光调制结构112上形成一结合层113；然后，以所述结合层113结合于所述介质层120的方式，将所述调制单元110耦接于所述介质层120。优选地，所述结合层113和所述介质层120的折射率相近，更优选地两者由相同的材料制成(例如，同时由二氧化硅制成)。
值得一提的是，在该实施例中，对所述光调制结构112的下表面与所述介质层120的上表面之间的间距a进行限定，其原因在于当间距过大时容易引起光线串扰，即经过光调制结构112的调制后的光具有一定的发散角，如果间距a过大该调制后的光会进入相邻光调制结构112对应的像素单元101，从而导致像素单元101接收到的信息不准确，从而导致恢复精度变差。进一步，优选地所述间距小于等于2倍光调制结构112的边长b，即a≤2b，其中所述光调制结构112有多个微纳结构构成，每个微纳结构都有对应的周期，根据所述微纳结构的周期可以限定所述调制单元110的形状及尺寸，例如为正方形或长方形，所述间距小于等于2倍长方形的短边或2倍正方形的边长。再精度要求高的情况下，所述间距a可以小于等于边长b，即a≤b。进一步，间距a过大还容易导致两者之间的间隙均一性变差。优选地，所述间隙a小于等于10um，可理解地，由于制造误差等引起的部分间隙大于10um也在本申请所保护的范围内，也就是，所述光调制结构112的下表面与所述介质层120的上表面之间的间距小于等于10um并不要求所述光调制结构112和所述介质层120任一位置对应的间隙都满足此要求，可以是部分位置满足要求，但优选地至少要确保90％的区域满足此要求。更优选地，所述光调制结构112的下表面与所述介质层120的上表面之间的间距小于等于5um，例如2.5um。进一步，为了确保所述光谱芯片200的性能，进一步，任意两区域的所述光调制结构112的下表面与所述介质层120上表面的所述间距差值小于等于20um，优选地小于等于10um或5um，从而可以确保均一性。还值得一提的是，在该实施例中，优选地，所述结合层113和所述介质层120的折射率相近，更优选地两者由相同的材料制成(例如，同时由二氧化硅制成)。同时，所述结合层113的引入还可以确保所述传感单元100与所述调制单元110之间的间隙的均一性，从而有利于抑制干涉条纹及其影响。
为了使得量产得以进行，所述传感单元100可以实施拼版工艺，即所述传感单元拼版1000具有至少二传感单元100，其中所述传感单元100可以为CMOS、CCD、铟镓砷传感器，以及上表面具有量子点或纳米线等滤光结构的调制传感器；再通过沉积等工艺在所述传感单元100表面形成介质层120并对所述介质层120的上表面进行平整化。相对应地，所述衬底111上形成至少二光调制结构112从而构成一调制单元拼版1100，再将调制单元拼版1100贴敷于所述传单单元拼版的平整介质层120上，得到一光谱芯片半成品2000，其中所述调制单元110的所述光调制结构112与对应的所述传感单元100对准，再对所述光谱芯片半成品2000进行切割得到所述光谱芯片200。
这里，所述衬底111可以被实施为石英、蓝宝石等，所述衬底111其可以作为衬底111在其表面沉积所述光调制层材料，在经过纳米压印、刻蚀等形成光调制结构112，在所述调制单元拼版1100中可以理解为在一个衬底111上形成多个相同的调制单元110，每个调制单元110都与对应的传感单元100构成调制单元像素。
也就是，在该本申请实施例中，所述光谱芯片200的制备方法，包括步骤：首先，提供一衬底111；接着，在所述衬底111上形成光调制结构112阵列以获得一调制单元拼版1100，所述光调制单元阵列包括至少二光调制结构112；然后，提供一传感单元拼版1000，所述传感单元拼版1000包括至少二传感单元100；继而，将所述调制单元拼版1100耦接于所述传感单元拼版1000以获得光谱芯片200拼版；可选地，在耦接之前，对所述调制单元拼版1100和/或所述传感单元拼版进行清洗，去除表面颗粒；最后，分割所述光谱芯片200拼版，以获得至少二光谱芯片200。
实施例二
与实施例一不同之处在于所述传感单元100与所述调制单元110之间仅仅实施为简单的贴合在一起，两者之间形成范德华力；优选地，再形成所述光谱芯片200后，将所述光谱芯片200贴附于所述线路板310后，再在所述线路板310表面和所述光谱芯片200的侧面和/或表面形成一封装体130，通过封装体130使得所述线路板310、所述光谱芯片200和所述封装体130为一体结构，如图9所示。个别实施例，所述封装体130无需与线路板配合，即所述封装体130与所述传感单元100和所述调制单元110贴合，从而通过所述封装体130固定住所述传感单元100和所述调制单元110。
进一步，所述封装体130在本实施例中起到固定所述光谱芯片200的所述传感单元100和所述调制单元110。该实施例由于将所述传感单元100和调制单元110直接贴合，并且由所述封装体130实现对所述调制单元110和传感单元100的固定，即该实施例中所述传感单元100和所述调制单元110无需键合或通过粘接剂进行粘合，确保两者之间间隙小于等于2.5μm，同时一定程度可以避免粘接剂带来的折射率变化、以及键合可能带来的温度过高等问题。值得一提的是，所述封装体130在所述光谱分析装置等同于支架，可以用来支撑光学组件320等。
进一步，所述封装体130可以采取模塑工艺形成，即将所述线路板310拼版和所述光谱芯片200进行组装并实现电导通后放置于一模具中，再注入模塑材料，固化后开模，切割得到所述光谱芯片200。也可以采取在所述光谱芯片200与所述线路板310设置一模具，再将粘合剂注入到模具，粘合剂固化后形成所述封装体130。
当然亦可以采取，将已经加工得到的封装体130采取胶粘等方式，直接将光谱芯片200固定住。值得一提，本实施例对于封装体130如何设置、形成并不构成限制，只需要实现所述封装体130可以使得所述光谱芯片200、线路板310和封装体130形成一体，提高所述光谱分析装置的可靠性，进一步封装体130还可以起到固定所述传感单元100和所述调制单元110的作用。
进一步地，在该实施例中，所述封装体130包括主体和一体地从主体向内延伸的固定部，所述粘接剂被设置于所述固定部和所述封装体130的所述主体的底部，使得所述固定部与所述调制单元110的所述衬底111的上表面粘接，所述主体的底部则通过所述粘接剂与所述线路板310实现粘接，从而通过所述封装体130将所述光谱芯片200、所述线路板310和所述封装体130形成一体。
值得一提的是，优选地所述主体的侧壁与所述光谱芯片200的侧壁紧贴，从而可以预防水平方向滑动。优选地，所述封装体130采取不透光材料构成，从而所述封装体130还可以预防杂光从所述调制单元110的侧边进入到所述光谱芯片200，使得精度降低。
实施例三
如图10所示，本申请还提供了一种感光组件，其包括线路板310和电连接于所述线路的光谱芯片200。所述感光组件包括一封装体130，所述封装体130形成于所述线路板310表面，并包绕所述光谱芯片200的所述传感单元100。
优选地，所述感光组件采取先将所述光谱芯片200的传感单元100贴附于所述线路板310并实现电导通(COB、CSP都可以)，优选地所述传感单元100的表面具有一层上表面平整的介质层120，再通过模塑、贴附等工艺在所述传感单元100的非感光区域及线路板310表面形成所述封装体130，即可以理解为所述传感单元100、所述线路板310和所述封装体130为一体结构，再将所述调制单元110贴附于所述传感单元100表面，从而得到所述感光组件，进一步所述调制单元110的所述光调制结构112的下表面与所述传感单元100的所述介质层120的上表面间距小于等于2.5μm。优选地，所述调制单元110与所述封装体130通过粘接剂进行粘接固定。值得一说是，所述粘接剂的厚度小于等于2.5μm，优选地所述粘接剂的折射率可以与介质层120或光调制层一致，从而预防等厚干涉产生。
优选地，本实施例也可以拼版工艺进行，即提供一线路板310拼版，分别将传感单元100贴附于线路板310，优选地所述传感单元100表面具有一上表面平整的介质层120，再通过模塑工艺、粘贴等在所述线路板310和所述传感单元100的非感光区域上形成封装体130；再将所述调制单元拼版1100贴附于所述线路板310拼版，所述调制单元110与所述传感单元100对准形成多个所述调制单元110像素，可选地在所述调制单元110和所述传感单元100结合前可以先对其进行清洗去除表面颗粒；值得一提的是，所述封装体130的表面一般较为平整，可以在所述封装体130表面涂上粘接剂，由于所述调制单元拼版1100上的每个调制单元110之间具有一定的间距，即所述调制单元110之间具有一贴附区，所述调制单元拼版1100被贴附于所述线路板310拼版后，所述封装体130上的所述粘接剂使得所述调制单元拼版1100的所述贴附区与所述封装体130实现粘接，从而使得固定住所述线路板310拼版和所述调制单元拼版1100，得到所述感光组件拼版，再进行切割得到感光组件。
可选地，所述感光组件还包括一遮光件，所述遮光件形成于所述衬底111的侧面和表面边缘，预防杂光进入所述传感单元100。
实施例四
与实施例三不同之处在于，如图11所示，在该实施例中，所述封装体130不包裹所述传感单元100，即所述封装体130先形成于所述线路板310，所述封装体130具有一通光口(前面实施例也都有)，再通过通光口将所述传感单元100贴附于所述线路板310，并实现导通；再将所述调制单元拼版1100贴附于所述线路板310拼版，所述封装体130的上表面设置粘合剂用以粘接所述调制单元拼版1100的贴附区。然后，对感光组件拼版进行切割获取感光组件。此时，所述调制单元110与所述传感单元100之间可以施加粘接剂。
针对实施例三及其实施例四，所述调制单元110也可以单个贴附于每个所述传感单元100表面。另外需要注意的是，所述调制单元110的介质层120上表面与所述调制单元110的光调制结构112下表面间距小于等于2.5μm，因此在设计时，需要考虑所述封装体130上表面到所述介质层120上表面的距离a，以及设置于所述封装体130上表面粘接剂的厚度b，根据距离a和厚度b设置所述光调制结构112的高度c，即a+b-c≤2μm。
以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

Claims (24)

1.一种光谱芯片的制备方法，其特征在于，包括：
在一衬底上形成至少一光调制结构以获得一调制单元；以及
将所述调制单元耦接于一传感单元，以使得所述调制单元被保持于所述传感单元的感光路径上以获得光谱芯片。
2.根据权利要求1所述的光谱芯片的制备方法，其中，所述衬底的制成材料选自二氧化硅、氧化铝、亚克力、锗、或塑料。
3.根据权利要求2所述的光谱芯片的制备方法，其中，所述至少一光调制结构，包括第一光调制结构和第二光调制结构；
其中，在所述衬底上形成至少一光调制结构以获得一调制单元，包括：
在所述衬底上形成第一光调制层；
对所述第一光调制层进行蚀刻或纳米压印以形成具有至少一第一调制单元的第一光调制结构；
在所述第一光调制结构上形成第二光调制层；以及
对所述第二光调制层进行蚀刻或纳米压印以形成具有至少一第二调制单元的第二光调制结构。
4.根据权利要求2所述的光谱芯片的制备方法，其中，所述至少一调制单元，包括第一光调制结构；
其中，在所述衬底上形成至少一光调制结构以获得一调制单元，包括：
在所述衬底上形成第一光调制层；以及
对所述第一光调制层进行蚀刻或纳米压印以形成具有至少一第一调制单元的第一光调制结构。
5.根据权利要求3或4所述的光谱芯片的制备方法，其中，在所述衬底上形成第一光调制层，包括：
通过沉积工艺在所述衬底上沉积所述第一光调制层。
6.根据权利要求3或4所述的光谱芯片的制备方法，其中，在所述衬底上形成第一光调制层，包括：
提供所述第一光调制层；以及
将所述光调制层叠置于所述衬底。
7.根据权利要求3所述的光谱芯片的制备方法，其中，在所述第一光调制结构上形成第二光调制层，包括：
在所述第一光调制层上形成一连接层；以及
在所述连接层上形成所述第二光调制层。
8.根据权利要求1所述的光谱芯片的制备方法，其中，将所述调制单元耦接于一传感单元，以使得所述调制单元被保持于所述传感单元的感光路径上以获得光谱芯片，包括：
以倒装的方式将所述调制单元耦接于所述传感单元，其中，所述调制单元的至少一光调制结构叠置于所述传感器。
9.根据权利要求8所述的光谱芯片的制备方法，其中，以倒装的方式将所述调制单元耦接于所述传感单元，包括：
在所述传感单元上形成一介质层；以及
将所述调制单元耦接于所述介质层。
10.根据权利要求9所述的光谱芯片的制备方法，其中，将所述调制单元耦接于所述介质层，包括：
在所述调制单元的至少一光调制结构上形成一结合层；
以所述结合层结合于所述介质层的方式，将所述调制单元耦接于所述介质层。
11.根据权利要求10所述的光谱芯片的制备方法，其中，所述介质层和所述结合层由相同的材料制成。
12.根据权利要求1所述的光谱芯片的制备方法，其中，将所述调制单元耦接于一传感单元，以使得所述调制单元被保持于所述传感单元的感光路径上以获得光谱芯片，包括：
通过范德华力将所述调制单元附着于所述传感单元；或
通过粘接剂将所述调制单元附着于所述传感单元；或
通过键合工艺将所述调制单元附着于所述传感单元。
13.根据权利要求9所述的光谱芯片的制备方法，其中，所述至少一光调制结构中邻近于所述传感单元的所述光调制结构的下表面与所述介质层的上表面之间的距离小于等于10um。
14.根据权利要求13所述的光谱芯片的制备方法，其中，所述至少一光调制结构中邻近于所述传感单元的所述光调制结构的下表面与所述介质层的上表面之间的距离超过预设阈值的比例小于等于10％。
15.根据权利要求14所述的光谱芯片的制备方法，其中，所述至少一光调制结构中邻近于所述传感单元的所述光调制结构的下表面与所述介质层的上表面之间各个对应位置的距离之差低于10um。
16.根据权利要求9所述的光谱芯片的制备方法，其中，所述光调制结构包括至少一光调制单元，其中，所述至少一光调制结构中邻近于所述传感单元的所述光调制结构的下表面与所述介质层的上表面之间的距离小于等于所述光调制单元的边长。
17.根据权利要求9所述的光谱芯片的制备方法，其中，所述至少一光调制结构中邻近于所述传感单元的所述光调制结构的下表面中任意两个区域与所述介质层的上表面中对应两个区域之间的距离的差值小于等于10um。
18.根据权利要求1所述的光谱芯片的制备方法，其中，所述传感单元包括至少一像素和电连接于所述至少一像素的逻辑电路层。
19.一种光谱芯片的制备方法，其特征在于，包括：
在一衬底上形成光调制结构阵列以获得一调制单元拼版，所述光调制单元阵列包括至少二光调制结构；
提供一传感单元拼版，所述传感单元拼版包括至少二传感单元；
将所述调制单元拼版耦接于所述传感单元拼版以获得光谱芯片拼版；及
分割所述光谱芯片拼版，以获得至少二光谱芯片。
20.一种光谱芯片，其特征在于，由如权利要求1至19任一所述的光谱芯片的制备方法制备而得。
21.一种光谱分析装置，其特征在于，包括：
线路板；以及
由如权利要求1至19任一所述的光谱芯片的制备方法制备而得的光谱芯片，所述光谱芯片电连接于所述线路板。
22.根据权利要求21所述的光谱分析装置，进一步包括：被保持于所述光谱芯片的感光路径上的光学组件。
23.根据权利要求21所述的光谱分析装置，进一步包括设置于所述线路板的封装体，其中，所述封装体一体成型于所述线路板且包覆所述光谱芯片的外表面的至少一部分。
24.根据权利要求23所述的光谱分析装置，其中，所述封装体由不透光的材料制成。
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