CN115718339A - 一种微腔滤光器阵列的实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种微腔滤光器阵列的实现方法，涉及滤光器。提供尤其是其中具有不同厚度腔内介质层的各个滤光器单元的设计和制备方法。所述微腔滤光器阵列的滤光器单元包括位于衬底上的第一反射层和第二反射层、以及位于它们中间具有不同厚度的腔内介质层。微腔滤光器阵列的实现方法为通过较少次数的光刻剥离工艺实现微腔滤光器阵列中较多数目滤光器单元的设计和制备方法，其中包括微腔滤光器阵列中的滤光器单元及其腔内介质层厚度的设计方法、微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层厚度的分配及每次光刻剥离工艺中镀膜区域选择的方法、以及微腔滤光器阵列中的滤光器单元的腔内介质层的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及滤光器，尤其是涉及一种微腔滤光器阵列的实现方法。
背景技术
滤光器是光学系统和光电器件中的一个重要组成部分。随着人们对高性能、智能化、便携化光电产品的需求，滤光器的微型化、集成化成为一个重要技术课题。尤其是制备在同一衬底基片上的滤光器阵列，在彩色显示、光谱成像和生物化学传感等方面都有重要用途。传统上，透射性滤光器的透射光谱特性一般表现为在一定的宽波段范围内具有窄波段通带、窄波段阻带、长波通短波阻或短波通长波阻等。近年来，随着数字和智能技术的发展、及其在相关光电系统中的运用，广义上的滤光器具有一般化的透射光谱特征；对于滤光器阵列，在一些应用(如光谱成像)中只需要其各个单元中的透射光谱具有一定的差异(即具有较低的相关性)即可，通过后端数据处理获取信息。
片上滤光器阵列结构有多种类型：
如滤光器阵列结构基于具有分立的不同腔长的垂直型Fabry-Perot(简称F-P)谐振腔阵列结构[S.-W.Wang,C.Xia,X.Chen,W.Lu,M.Li,H.Wang,W.Zheng,and T.Zhang,Opt.Lett.,32(6),632(2007)；温志渝，陈刚，王建国，光谱学与光谱分析，26(10),1955(2006)。]，或基于腔长连续线性变化的Fabry-Perot谐振腔的线性可变滤光器(LinearVariable Filter,LVF)结构[A.Emadi,H.Wu,G.de Graaf,and R.Wolffenbuttel,Opt.Express,20(1),489(2011)；中国发明专利CN 110873605 A]。
又如，滤光器阵列结构基于介质材料的光子晶体结构[N.K.Pervez,W.Cheng,Z.Jia,M.P.Cox,H.M.Edrees,and I.Kymissis,Opt.Express,18(8),8277(2010).]。
再如，滤光器阵列结构基于具有不同吸收谱的半导体量子点或量子线阵列结构[J.Bao and M.G.Bawendi,Nature,523,67(2015)；Z.Yang,T.Albrow-Owen,H.Cui,et al.,Science,365,1017(2019).]；等。
还有如滤光器阵列结构基于表面等离激元(surface plasmon，SP)谐振效应的金属微纳结构[中国发明专利CN 105092035B、CN 109642822A、CN 110873911 A、CN110243471 A、CN109564323A等；美国发明专利US 8542359 B2、US 7426040 B2等]。
上面所述F-P谐振腔结构是一种常见而且非常重要的可实现滤光功能的光学结构。基于F-P微腔的滤光器阵列结构，一般为制备在透明介质衬底上的垂直型F-P(Fabry-Perot)腔结构，其上下两端的反射镜可为金属薄膜或基于介质的分布式布拉格反射镜(distributed Bragg reflector,DBR)，中间腔体材料一般为透明介质。这种片上滤光器阵列一般可以通过多次镀膜工艺制备。但如使该滤光器阵列的不同单元具有不同的透射光谱特性，就需要不同的滤光器单元具有不同的腔体长度(即腔内介质层的厚度)。在许多应用中，往往需要较多数目的滤光器单元来提高系统的性能。对于较多单元数目的具有不同腔体长度的滤光器阵列结构一般难以基于量产化的平面工艺来制备。例如，但滤光器单元数目为几百时，只是腔体介质层的制备就需要至少上千道工艺，从而使其制备工艺困难而又成本昂贵。因而，需要有一种简单易行的方法来制备具有大量单元数目的微腔滤光器阵列中不同厚度的腔内介质层薄膜。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供具有很好的可行性、高效率、可控性和低成本的特点，有相同厚度的同厚介质层和具有不同厚度异厚介质层的一种微腔滤光器阵列的实现方法，尤其是其中具有不同厚度腔内介质层的各个滤光器单元的设计和制备方法。所述微腔滤光器阵列作为位于透光介质衬底上的一个独立的光学元件在光学系统中，或与其它光电材料和结构一起被集成于一个光电器件或微光学系统中应用。
一种微腔滤光器阵列的实现方法，所述微腔滤光器阵列由多个滤光器单元构成，微腔滤光器阵列位于衬底之上，各个滤光器单元分布于衬底平面之上、具有垂直于衬底面的方向上的F-P型谐振腔结构；所述谐振腔结构包括位于衬底上的第一反射层和第二反射层、以及位于它们中间的腔内介质层；
所述微腔滤光器阵列中的全部或大多数滤光器单元具有不同的腔内介质层厚度；所述微腔滤光器阵列的实现方法为通过较少次数光刻剥离(lift-off)工艺实现微腔滤光器阵列中较多数目滤光器单元的设计和制备方法，包括微腔滤光器阵列中的滤光器单元及其腔内介质层厚度的设计方法、微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层厚度的分配及每次镀膜区域选择的方法、以及微腔滤光器阵列中的滤光器单元的腔内介质层的制备方法。
所述第一反射层和第二反射层可为具有部分反射、部分透射光学特性的材料(如为超薄金属薄膜)或光学结构(如为由具有不同折射率的介质材料薄膜构成的具有周期性结构的分布式布拉格反射镜)。所述谐振腔结构也可只包括中间的腔内介质层，通过该介质层与位于其上面和下面(如为衬底)的具有不同折射率的介质所构成的界面对光波的反射而形成F-P型谐振腔。所述腔内介质层的材料为透光介质。
所述微腔滤光器阵列的各个滤光器单元的滤光特性基于光透射通过其F-P型谐振腔结构时的F-P谐振原理，即其透射峰对应于滤光器单元内谐振腔结构的某个谐振模式。对于确定了谐振腔结构及其各部分材料的所述滤光器单元，可以通过改变其腔内介质层厚度来改变其透射光谱(即其透射峰位置)。
所述微腔滤光器阵列中的全部或大多数滤光器单元具有不同的腔内介质层厚度；相邻的滤光器单元间相互连接或相互隔离；各个滤光器单元在微腔滤光器阵列面内具有规则或不规则形状、且以规则或不规则的方式排列。
所述微腔滤光器阵列可为位于透光介质衬底上的一个独立的光学元件在光学系统中被运用、或与其它光电材料和结构一起被集成于一个光电器件或微光学系统中发挥其功能。
所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层由具有相同厚度的同厚介质层和具有不同厚度的异厚介质层构成；同厚介质层和异厚介质层分别通过一次或多次镀膜堆叠形成，每次镀膜都只存在于选择性地设定的某些滤光器单元区域内。
设所述微腔滤光器阵列中有J个滤光器单元，各个滤光器单元的腔内介质层的厚度在一定的厚度范围(ΔTc＝Tc,max-Tc,min)内等间隔(δtc)分布，即使各个滤光器单元内异厚介质层厚度分别为序列[δtc,2δtc,3δtc,…,J·δtc]中的厚度值。设通过N次镀膜形成J个滤光器单元中的异厚介质层，其中J≤2N；在所述N次镀膜中，每次镀膜的厚度可从序列[δtc,2δtc,4δtc,8δtc,...,2(N-1)·δtc]中不重复地、依序或任意选择。根据应用需求、镀膜工艺条件和微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的布局等因素来确定滤光器单元数J、厚度间隔δtc和制备异厚介质层的镀膜次数N；并且，为了能够基于更少次数的镀膜工艺来制备包含有更多滤光器单元数目的微腔滤光器阵列，可使J更接近于2N。
确定滤光器单元数J、厚度间隔δtc和制备异厚介质层的镀膜次数N的一种方式：首先，根据相关应用对所述微腔滤光器阵列的要求来确定其中滤光器单元的数目J。且令δtc＝ΔTc/J。然后，根据J≤2N来确定镀膜次数N；且优先选取满足条件的最小N值，即N＝Integer[log2(J)]+1，其中integer[.]定义为取括号中数值的整数部分的函数。
确定滤光器单元数J、厚度间隔δtc和制备异厚介质层的镀膜次数N的一种方式：首先，根据镀膜的工艺条件和膜厚控制精度确定异厚介质层的厚度间隔δtc。令J＝Integer[ΔTc/δtc]或integer[ΔTc/δtc]+1。根据J≤2N来确定镀膜次数N；且优先选取满足条件的最小N值，即N＝Integer[log2(ΔTc/δtc)]+1。
根据应用需求、镀膜工艺误差和应用后端数据处理技术等因素和条件的宽容度，微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层的厚度差也可具有不相等间隔；从而可使其在设计中或实践中由于工艺误差而形成的厚度间隔在等间隔δtc基础上有所浮动。
对于所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层厚度，其中同厚介质层的厚度相同(为tc,0＝Tc,min-δtc)；对于各个滤光器单元内的异厚介质层的厚度Δtc,j，从序列[δtc,2δtc,3δtc,…,j·δtc,…,J·δtc]中的厚度值不重复地、按一定规则或任意方式分配。
制备所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元内异厚介质层的过程中，每次镀膜中滤光器单元区域的选择依赖于每次镀膜的厚度。若在异厚介质层的N次镀膜中，每次镀膜的厚度依序为[δtc,2δtc,4δtc,8δtc,...,2(N-1)·δtc](即第i次镀膜的厚度为2(i-1)·δtc)，则对于异厚介质层厚度Δtc,j为j·δtc的滤光器单元区域内在“j的二进制数从右向左的位数为‘1’的顺序数”的那些镀膜次数中被镀膜。
基于光刻剥离(lift-off)工艺流程中的光刻工艺在衬底面上形成光刻胶掩模层，以使制备腔内介质层的镀膜过程中所镀的介质薄膜只存在于设定的某些滤光器单元区域内。为此，设计和制备N+1块光刻版进行微腔滤光器阵列的各个滤光器单元的腔内介质层的制备。其中，1块光刻版用于各个滤光器单元内同厚介质层镀膜区域的限定，N块光刻版用于N次在每次设定的滤光器单元内镀膜区域的限定以最终形成在各个滤光器单元内具有不同厚度的异厚介质层。基于正性光刻胶正胶的N+1块光刻版中对应于每次设定需要镀膜的滤光器单元区域为透光区，每次设定的不需要镀膜的滤光器单元区域为不透光的挡光区；当相邻的各个滤光器单元之间设有间隔区时，间隔区也不透光。当在光刻工艺中采用负性光刻胶时，上面所述N+1块光刻版中透光和不透光的区域做相应的反置。
基于N+1次光刻剥离(lift-off)工艺及其流程中相应的N+1次镀膜来制备所述微腔滤光器阵列中J个滤光器单元的腔内介质层(J≤2N)。其中，各次光刻剥离工艺的流程大致为：首先，在衬底上旋涂光刻胶，并利用上述光刻版通过光刻工艺在对应于需要镀膜的滤光器单元区域内的光刻胶去除；然后，进行具有对应于各次镀膜厚度的腔内介质材料的镀膜；最后，通过化学腐蚀去除光刻胶及其上面所镀的介质材料，只保留对应于需要镀膜的滤光器单元区域内的介质层薄膜。各次光刻工艺中对应于各个滤光器单元的区域需要对准。
本发明所述微腔滤光器阵列的各个滤光器单元中具有不同厚度的腔内介质层的设计和制备方法，可利用较少的平面工艺步骤实现具有较多数目、单元尺寸很小、低相关性的具有不同厚度腔内介质层的滤光器阵列单元的微腔滤光器阵列；所述制备方法具有很好的可行性、高效率、可控性和低成本等特点；所制备腔内介质层可有较好的均匀性，从而使各个滤光器单元具有较好的透射特性。在具体实施例中：基于简易的设备和工艺条件用7次镀膜制备具有63个滤光器单元的微腔滤光器阵列；其中各个滤光器单元具有高度差异(即低相关性)的透射光谱特性，同时包含具有较大带宽的低阶谐振透射峰和较小带宽的高阶谐振透射峰的不同滤光器单元；不同滤光器单元中的透射峰以较小的间隔分布于所设计的光谱波段范围；在本发明展示及相关应用中各个滤光器单元的尺寸可为250μm×250μm，基于光刻工艺，事实上可以做的更小，如其边长可为几个微米。
附图说明
图1是根据本发明实施例的微腔滤光器阵列示范例的侧视结构示意图。
图2是根据本发明实施例的微腔滤光器阵列的横截面结构示意图。其中，(a)中相邻的滤光器单元间相互连接；(b)中相邻的滤光器单元间相互隔离。
图3是根据本发明实施例的微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的形状和排列方式示范例的平面示意图。其中，(a)中各个滤光器单元相互连接、具有规则形状、且以周期性规则方式排列；(b)中各个滤光器单元相互隔离、具有规则形状、且以周期性规则方式排列；(c)中各个滤光器单元相互连接、具有不规则形状、且以不规则方式排列；(d)中各个滤光器单元相互隔离、具有不规则形状、且以不规则方式排列。
图4是根据本发明实施例的微腔滤光器阵列、及其滤光器单元的平面示意图。
图5是根据本发明实施例的示范例中微腔滤光器阵列的平面示意图。其各个滤光器单元内标出用于制备腔内介质层的异厚介质层的厚度值，其厚度单位为纳米(nm)。
图6是根据本发明实施例的示范例中用于制备微腔滤光器阵列的各个滤光器单元中具有不同厚度的腔内介质层而选择性地在不同的滤光器单元区域内多次镀膜的光刻剥离(lift-off)工艺中光刻版的平面结构示意图。图中包括7块光刻版，分别标为Mask-1、Mask-2、…、Mask-7。其中Mask-1用以制备腔内介质层的同厚介质层部分，Mask-2～Mask-7用以制备如图5中所示的腔内介质层的异厚介质层部分。如图中所示，每块光刻版内对应于各个滤光器单元的区域为透光区(白色)或挡光区(黑色)，各个滤光器单元间可设不透光的间隔区(灰色)。
图7是根据本发明实施例制备微腔滤光器阵列过程中光刻剥离工艺的流程示意图。其中，(i)中示出在衬底和第一反射层上方已经通过一次或多次基于光刻剥离工艺的镀膜后形成的样品的横截面示意图；(ii)光刻工艺中对旋涂在样品表面的光刻胶在光刻版图案确定的区域内对准曝光的工艺示意图；(iii)示出经光刻曝光和显影等工艺后样品的横截面示意图；(iv)示出经镀膜(腔内介质材料)工艺后样品的横截面示意图；(v)示出经去胶工艺后样品的横截面示意图。
图8是根据本发明实施例的示范例中制备微腔滤光器阵列过程中各层存在于选择性区域的介质薄膜(Layer-1、Layer-2、…、Layer-7)的分解图。
图9是根据本发明实施例的示范例中制备的微腔滤光器阵列具有不同厚度腔内介质层的横截面示意图。图8和9中示范例所示的各层存在介质薄膜的区域对应于图6中各个光刻版的第5行的滤光器单元(即F29～F35)的分布。
图10是根据本发明实施例的示范例所制备的微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的透射光谱。其中，(a)为各个滤光器单元的透射光谱的灰度图，其横轴为表示各滤光器单元Fj(j＝1,2,...,J；J＝63)的编号j，纵轴为光波波长；(b)中分别示出其中滤光器单元F6、F11、F14、F35、F59和F61的透射光谱曲线。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例为示范性实施例，可以具有不同的形式或变型，而不应被解释为仅限于这里所给出的描述。在对本发明实施例的描述中，如“……上”的表述可以包括“以非接触方式在……上”和“以接触方式直接在……上”；如“……和(与)……间”的表述意指“以接触或非接触方式在……和……间”；如“包括……”的表述意指“包括但不限于仅有……”。
本发明所述微腔滤光器阵列中的滤光器单元的设计和制备方法的实施例，包括如下(1)～(3)三个方面。
(1)所述微腔滤光器阵列中的滤光器单元及其腔内介质层厚度的设计方法的实施例：
该实施例主要为确定所述微腔滤光器阵列中的滤光器单元数、用于制备不同厚度腔内介质层的镀膜次数和每次镀膜的厚度。
微腔滤光器阵列中各个滤光器单元在垂直衬底面方向上具有相同的F-P型谐振腔结构，且具有相同的第一反射层、第二反射层、和腔内介质材料。基于所述第一反射层、第二反射层、腔内介质材料和其它相邻区域内材料与结构的介电特性和光学特性，以及所述微腔滤光器阵列的工作光谱范围，可根据所述滤光器单元的谐振腔结构内光学谐振效应和透射原理，确定所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层厚度的范围，如最小厚度为Tc,min，最大厚度为Tc,max，并令其最大厚度差ΔTc＝Tc,max-Tc,min。
所述微腔滤光器阵列中滤光器单元的数目为J，且各个滤光器单元的腔内介质层厚度都各不相同；其中第j个滤光器单元(Fj)的腔内介质层厚度为tc,j(j＝1,2,…,J),Tc,min≤tc,j≤Tc,max。
各个滤光器单元的腔内介质层由具有相同厚度tc,0的同厚介质层和具有不同厚度的异厚介质层(其厚度在第j个滤光器单元内为Δtc,j)构成；即有tc,j＝tc,0+Δtc,j。一般地，可设tc,0≈Tc,min。其中，同厚介质层和异厚介质层可分别通过一次或多次镀膜堆叠形成。
所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层的厚度在ΔTc范围内等间隔(δtc)分布，即不同厚度的腔内介质层的厚度差为δtc的整数倍。如此，则各个滤光器单元内异厚介质层厚度(Δtc,j)分别为序列[δtc,2δtc,3δtc,…,J·δtc]中的厚度值。
各个滤光器单元中的异厚介质层通过堆叠式多次镀膜形成，每次所镀的介质膜最终都只存在于通过由光刻工艺形成的光刻胶掩模层选择性地设定的某些滤光器单元区域内。通过N次镀膜形成J个滤光器单元中的异厚介质层，J≤2N。在N次镀膜中，每次镀膜的厚度可从序列[δtc,2δtc,4δtc,8δtc,...,2(N-1)·δtc]中不重复地、依序或任意选择；最终形成等间隔的异厚介质层厚度[δtc,2δtc,3δtc,…,J·δtc]。
对于所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层厚度的设计，可由下面两种方式确定滤光器单元数J、形成异厚介质层的镀膜次数N、和异厚介质层的厚度间隔δtc。
第一种方式：首先，根据相关应用对所述微腔滤光器阵列的要求确定其中滤光器单元的数目J，且令δtc＝ΔTc/J；根据J≤2N来确定镀膜次数N；且优先选取满足条件的最小N值，即N＝Integer[log2(J)]+1，其中integer[.]定义为取括号中数值的整数部分的函数。
第二种方式：首先，根据镀膜的工艺条件和膜厚控制精度确定异厚介质层的厚度间隔δtc。令J＝Integer[ΔTc/δtc]或integer[ΔTc/δtc]+1。根据J≤2N确定镀膜次数N；且优先选取满足条件的最小N值，即N＝Integer[log2(ΔTc/δtc)]+1。
在给定的光谱波段范围(对应于ΔTc值的大小)内，期望有更高的波长分辨率(对应于更小的异厚基质层的厚度间隔δtc和更大的滤光器单元数J)。综合考虑应用需求、镀膜工艺条件和所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的布局等因素来确定J、δtc和N的值。为了能基于更少次数(N)的镀膜工艺来制备包含有更多滤光器单元数目(J)的微腔滤光器阵列，可使J更接近于2N。
根据应用需求、镀膜工艺误差和应用后端数据处理技术等因素和条件的宽容度，所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层的厚度差也可具有不相等间隔；使其在设计中或实践中由于工艺误差而形成的厚度间隔在上面所述等间隔δtc基础上有所浮动。
基于上面实施例所述方法，若用1次镀膜形成各个滤光器单元的腔内介质层的同厚介质层(厚度为tc,0)，用N次镀膜形成各个滤光器单元的腔内介质层的异厚介质层(在第j个滤光器单元中的总厚度为Δtc,j)，则总共需要N+1次镀膜来制备具有最多2N个数目为J(J≤2N)的具有不同腔内介质层厚度的滤光器单元。其中，对于通过1次镀膜形成的同厚介质层的镀膜厚度可设为tc,0＝Tc,min-δtc；对于通过N次镀膜形成的异厚介质层，每次镀膜的厚度可从序列[δtc,2δtc,4δtc,...,2(N-1)·δtc]中不重复地、依序或任意选择。例如，若N＝6，则制备异厚介质层的第1～6次镀膜的厚度可依序分别为δtc、2δtc、4δtc、8δtc、16δtc和32δtc。
(2)所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层厚度的分配及每次镀膜区域选择的方法的实施例：
对于微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层厚度，其中同厚介质层的厚度相同(为tc,0＝Tc,min-δtc)；对于各个滤光器单元内的异厚介质层的厚度，从序列[δtc,2δtc,3δtc,…,j·δtc,…,J·δtc]中的厚度值不重复地、按一定规则或任意方式分配。
制备微腔滤光器阵列中各个滤光器单元内异厚介质层的过程中，每次镀膜中滤光器单元区域的选择依赖于每次镀膜的厚度。
若在异厚介质层的N次镀膜中，每次镀膜的厚度依序为[δtc,2δtc,4δtc,8δtc,...,2(N-1)·δtc](即第i次镀膜的厚度为2(i-1)·δtc)，则对于异厚介质层厚度Δtc,j为j·δtc的滤光器单元区域内在“j的二进制数从右向左的位数为‘1’的顺序数”的那些镀膜次数中被镀膜。举例：如N＝7，j＝82，j的二进制数为“1010010”(其位数从右向左数的第2、5、7位为“1”)，则在第2次(镀膜厚度2δtc)、第5次(镀膜厚度16δtc)和第7次(镀膜厚度64δtc)镀膜中将相应厚度的介质薄膜镀在异厚介质层厚度为82δtc的滤光器单元区域内。
统筹考虑各个滤光器单元的腔内介质层厚度的分配方式、异厚介质层制备中每次镀膜的厚度与被镀膜的滤光器单元区域的选择，以使所述微腔滤光器阵列的制备和应用中有更好的效果。例如，可使每次镀膜中被镀膜的区域尽量在相邻的滤光器单元内(即减小其离散型)，以减小制备工艺误差和精度对所述微腔滤光器阵列的质量和性能的影响。
(3)所述微腔滤光器阵列中的滤光器单元的腔内介质层的制备方法的实施例：
该实施例通过采用光刻工艺在衬底面上形成光刻胶掩模层，以使制备腔内介质层的镀膜过程中所镀的介质薄膜只存在于设定的某些滤光器单元区域内。以光刻工艺中采用正性光刻胶为例说明，具体包括如下几个步骤：
第一步：光刻版的设计与制作。基于上面第(1)和(2)部分中所述方法及其实施例，可确定滤光器单元数J、同厚介质层厚度tc,0、形成异厚介质层的镀膜次数N、异厚介质层的厚度间隔δtc。各个滤光器单元的腔内介质层厚度的分配、以及每次镀膜的滤光器单元区域。
需要设计和制备N+1块光刻版来进行所述微腔滤光器阵列的各个滤光器单元的腔内介质层的制备。其中，1块光刻版用于各个滤光器单元内同厚介质层镀膜区域的限定，N块光刻版用于N次在每次设定的滤光器单元内镀膜区域的限定以最终形成在各个滤光器单元内具有不同厚度的异厚介质层。基于正性光刻胶正胶的N+1块光刻版中对应于每次设定需要镀膜的滤光器单元区域为透光区(即光刻曝光中允许紫外光透射)，每次设定的不需要镀膜的滤光器单元区域为不透光的挡光区(即光刻曝光中阻挡紫外光的透射)。当相邻的各个滤光器单元之间设计有间隔区时，在每块光刻版的对应区域为不透光的间隔区(在光刻曝光中阻挡紫外光的透射)。
当在光刻工艺中采用负性光刻胶时，上面所述N+1块光刻版中透光和不透光的区域做相应的反置。
第二步：各个滤光器单元的腔内介质层的制备。在衬底上制备所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的第一反射层后，制备其腔内介质层。其中腔内介质层的同厚介质层的制备可在异厚介质层的N次镀膜之前、之间或之后进行，但一般可选择在后者之前。
在制备腔内介质层的N+1次镀膜中可采用人们通常所用的光刻剥离工艺(即英文所称的lift-off工艺)，其工艺流程大致为：首先，在衬底上旋涂光刻胶，并利用光刻版通过光刻工艺在对应于需要镀膜的滤光器单元区域内的光刻胶去除；然后，进行具有对应于各次镀膜厚度的腔内介质材料的镀膜；最后，通过化学腐蚀去除光刻胶及其上面所镀的介质材料，只保留对应于需要镀膜的滤光器单元区域内的介质层薄膜。各次光刻工艺中对应于各个滤光器单元的区域需要对准。
在完成腔内介质层的制备后，在其上制备各个滤光器单元的第二反射层。
图1示出根据本发明实施例的微腔滤光器阵列。其中，微腔滤光器阵列100位于衬底010之上，衬底010可为透光介质或其它光电材料与器件；微腔滤光器阵列100包含多个滤光器单元110。图中F1,F2,...,Fj,...,FJ表示各个滤光器单元，J为微腔滤光器阵列100中滤光器单元110的数目。
图2是根据本发明实施例的微腔滤光器阵列100的横截面结构示意图。图中示出：微腔滤光器阵列100中各个滤光器单元110(F1,F2,...,Fj,...)包含有位于衬底010上的第一反射层111、腔内介质层112、和第二反射层113。图2中的图(a)中相邻的滤光器单元110之间相互连接；图2中的图(b)中相邻的滤光器单元110之间相互隔离，存在间隔区120。图2中的图(b)中所示的结构有益于减小相邻的滤光器单元110之间的杂散光串音。
第一反射层111和第二反射层113可为具有部分反射部分透射光学特性、厚度的金属薄膜，或者为由具有不同折射率的介质薄膜构成的具有周期性结构的分布式布拉格反射镜。
腔内介质层112的材料为应用光波波段范围内的透明介质，其在各个滤光器单元110中的厚度(tc(j),j＝1,2,…,J)决定于腔内介质层材料的折射率、对滤光器单元110中谐振模式、谐振特性和谐振品质因子等参数、以及应用光波波段范围的选择和设计。微腔滤光器阵列100中不同的滤光器单元110的腔内介质层112的厚度应为不同；如为相同，则视为等效的滤光器单元110。
图3示出根据本发明实施例的微腔滤光器阵列100中的滤光器单元110的形状和排列方式的特征。图中示出：微腔滤光器阵列100中的滤光器单元110之间可以相互连接或相互隔离；微腔滤光器阵列100中的滤光器单元110以规则方式排列或不规则方式排列；微腔滤光器阵列100中的滤光器单元110可以是具有规则形状的(如方形、圆形、多变形等)、具有不规则形状的；或者是兼具以上所述特征中其中若干特征的情况。
图4是根据本发明实施例的微腔滤光器阵列100中的各个滤光器单元110的平面示意图。图中示出，不同的滤光器单元110(Fj，j＝1,2,…,J)具有不同的腔内介质层112厚度(tc(j)，j＝1,2,…,J)，从而相应具有不同的透射光谱特征。
下面以特定的示范例简要说明根据本发明实施例的微腔滤光器阵列及其滤光器单元的设计和制备方法。
根据应用需求、镀膜工艺条件和微腔滤光器阵列100中滤光器单元110的布局等因素综合考虑，假设：微腔滤光器阵列100中各个滤光器单元110的腔内介质层112的厚度介于其最小厚度Tc,min＝224nm和最大厚度Tc,max＝472nm之间，且等间隔(δtc)分布；其中，同厚介质层的厚度设为tc,0＝220nm；异厚介质层的厚度间隔设为δtc＝4nm(受限于镀膜工艺中厚度控制的精度，在一些应用中，基于设计值δtc的实际镀膜厚度可有所浮动)；微腔滤光器阵列100中滤光器单元110的数目为J＝63个，按9行×7列的阵列方式排列。
图5示出根据本发明实施例在此处的示范例的微腔滤光器阵列100中滤光器单元110(Fj，j＝1,2,…,63)的排列方式。其中，各个滤光器单元110内标出相应的异厚介质层的厚度值，即为[4,8,12,16,...,248,252]nm；分配给各个滤光器单元110。
所述示范例的微腔滤光器阵列100的滤光器单元110中具有不同厚度的腔内介质层112可通过N+1＝7次镀膜堆叠形成。其中，第1次镀膜厚度为同厚介质层厚度tc,0＝220nm；用于形成各个滤光器单元110内异厚介质层的第2～7次镀膜的厚度依次为4nm、8nm、16nm、32nm、64nm和128nm。
图6示出了所述示范例中用以制备腔内介质层112的选择性地在不同的滤光器单元区域内多次(第1～7次)镀膜的光刻剥离工艺中采用的基于正性光刻胶的7块光刻版(Mask-1、Mask-2、…、Mask-7)。每块光刻版中包括对应于所述微腔滤光器阵列100的透光区、挡光区和间隔区。其中，透光区对应于该次光刻剥离工艺中设定需要镀膜的滤光器单元区域，在光刻曝光中允许曝光光源发出的光(一般为紫外光)透过；挡光区对应于该次光刻剥离工艺中设定不需要镀膜的滤光器单元区域，在光刻曝光中阻挡曝光光源发出的光透过；间隔区对应于所有相邻的滤光器单元区域之间的用以相互隔离的区域，在光刻曝光中阻挡曝光光源发出的光透过。
在所述示范例的第1～7次光刻剥离工艺中相应地分别采用Mask-1～Mask-7、在期间相应地分别进行厚度为220nm、4nm、8nm、16nm、32nm、64nm和128nm的镀膜，在各个滤光器单元110内形成如图5中所示厚度的腔内介质层。
图7示出根据本发明实施例制备微腔滤光器阵列过程中光刻剥离工艺的流程示意图。其中，图7中图(i)是在进行该次光刻剥离工艺前的样品的示意图，在衬底010上制备微腔滤光器阵列100的各个滤光器单元110内的第一反射层111、和经过一次或多次光刻剥离及镀膜工艺已经制备的部分的腔内介质层1121；图7中图(ii)示出在图(i)中所示样品表面旋涂了正性光刻胶、和利用对应次序的光刻版进行对准曝光的工艺示意图；图7中图(iii)示出经光刻曝光和显影等工艺后样品的横截面示意图，在该次光刻剥离工艺中设定需要镀膜的滤光器单元110区域的光刻胶被去除；图7中图(iv)示出经镀膜工艺后样品的横截面示意图，样品上所有区域都覆盖一层镀膜形成的腔内介质材料薄膜1122；图7中图(v)示出经去胶工艺后样品的横截面示意图，在图7中图(i)所示样品基础上选择性地在该次光刻剥离工艺中设定的滤光器单元110区域内新增一层堆叠的腔内介质材料薄膜1122。
图8和9示出根据本发明实施例的示范例中基于光刻剥离工艺进行多次镀膜形成具有不同厚度腔内介质层112的横截面示意图。其中，各次(即第1～7次)光刻剥离工艺中采用图6所示的光刻版；横截面示意图对应于该示范例的图6所示各个光刻版(Mask-1～Mask-7)的第5行的滤光器单元110(即F29～F35)。其中，图8示出其中各次光刻剥离工艺中在由各各对应的光刻版所设定的滤光器单元110(F29～F35)内的镀膜，共有7层(Layer-1～Layer-7)。其中，Layer-1为同厚介质层，其厚度为220nm；Layer-2～Layer-7的厚度分别为4nm、8nm、16nm、32nm、64nm和128nm，堆叠形成腔内介质层112的异厚介质层。在腔内介质层112镀膜完成后，在其上可制备微腔滤光器阵列100的第二反射层113。图9为图8中基于各次光刻剥离工艺的镀膜和第二反射层制备后堆叠形成的微腔滤光器阵列100中滤光器单元110(F29～F35)及包括其相邻滤光器单元100之间间隔区120的横截面示意图。
图10示出根据本发明实施例的上述示范例所制备的微腔滤光器阵列100中各个滤光器单元100(F1～F63)的透射光谱。其中，选用的第一反射层111和第二反射层113为通过热蒸发工艺制备的约30纳米厚的金属银薄膜，构成腔内介质层112的各次镀膜材料为通过热蒸发工艺制备的氟化镁薄膜。由于实验误差，各个滤光器单元110内腔内介质层112的实际厚度跟设计厚度相比会有所偏差；但对于不同的滤光器单元110，其内腔内介质层112的厚度仍会不同，这在实验测试所制备的微腔滤光器阵列100中各个滤光器单元110的透射光谱中会体现出来。图10中的图(a)即为各个滤光器单元100的透射光谱的灰度图；图10中的图(b)为其滤光器单元100中F6、F11、F14、F35、F59和F61的透射光谱曲线。从图10中可以看出:各个不同的滤光器单元100的透射光谱中各个谐振透射峰波长位置分布于设定的波长范围(450～750nm)，且具有较小的波长间隔(针对所有滤光器单元100的所有透射峰位置的分布)；随各个不同的滤光器单元100的腔内介质层112的厚度的不同，谐振透射峰位置发生偏移(不同的滤光器单元100具有不同的透射光谱)，谐振透射峰的带宽(即其透射峰的波长半高宽Δλ)也发生变化，其中包含有具有较大带宽的低阶谐振透射峰的透射光谱(如对于F59，带宽Δλ约为60～100nm；对于F11和F35，带宽Δλ约为15～25nm)，也包含具有较小带宽的高阶谐振透射峰的透射光谱(如对于F6、F14和F61，带宽Δλ约为5～10nm)。这种具有不同的、兼有较宽谐振透射峰滤光器单元和较窄谐振透射峰滤光器单元的微腔滤光器阵列有益于如在计算型光谱成像(Computational spectrum imaging)应用中对具有较窄和(或)较款光谱形貌特征的光谱信息都可以进行较为准确的重构获取。
图10中所制备微腔滤光器阵列100中各个滤光器单元100的大小为250μm×250μm。实际上，基于光刻工艺可实现的高精度，各个滤光器单元100的尺寸可根据需要设计在很大范围内；如对于可见-近红外光应用，滤光器单元100的边长尺寸可小至微米量级(很小时会受衍射效应的负面影响，且光通量更小，需要整体上综合考虑)。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种微腔滤光器阵列的实现方法，其特征在于：所述微腔滤光器阵列由多个滤光器单元构成，各个滤光器单元分布于衬底上平面且具有垂直于衬底面方向的F-P型谐振腔结构；所述谐振腔结构包括第一反射层和第二反射层、以及位于第一反射层和第二反射层中间的腔内介质层；所述腔内介质层由具有相同厚度的同厚介质层和具有不同厚度的异厚介质层构成；
同厚介质层和异厚介质层分别通过一次或多次镀膜堆叠形成；每次镀膜都只存在于选择性地设定的滤光器单元区域内；
各个滤光器单元的腔内介质层的厚度在一定的厚度范围ΔTc＝Tc,max-Tc,min内较以较小的间隔分布；所述微腔滤光器阵列中的全部或部分滤光器单元具有不同的腔内介质层厚度；
所述微腔滤光器阵列通过较少次数光刻剥离工艺实现微腔滤光器阵列中较多数目滤光器单元的设计和制备，包括微腔滤光器阵列中的滤光器单元及其腔内介质层厚度的设计方法、微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层厚度的分配及每次镀膜区域选择的方法、以及微腔滤光器阵列中的滤光器单元的腔内介质层的制备方法。
2.如权利要求1所述一种微腔滤光器阵列的实现方法，其特征在于：设所述微腔滤光器阵列中有J个滤光器单元，各个滤光器单元的腔内介质层的厚度在一定的厚度范围ΔTc＝Tc,max-Tc,min内等间隔δtc分布，即使各个滤光器单元内异厚介质层厚度分别为序列[δtc,2δtc,3δtc,…,J·δtc]中的厚度值；设通过N次镀膜形成J个滤光器单元中的异厚介质层，其中J≤2N；在所述N次镀膜中，每次镀膜的厚度从序列[δtc,2δtc,4δtc,8δtc,...,2(N-1)·δtc]中不重复地、依序或任意选择；根据应用需求、镀膜工艺条件和所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的布局等因素来确定滤光器单元数J、厚度间隔δtc和制备异厚介质层的镀膜次数N；为基于更少次数的镀膜工艺来制备包含有更多滤光器单元数目的微腔滤光器阵列，使滤光器单元数J更接近于2N。
3.如权利要求2所述一种微腔滤光器阵列的实现方法，其特征在于：确定滤光器单元数J、厚度间隔δtc和制备异厚介质层的镀膜次数N的一种方式：首先，根据相关应用对所述微腔滤光器阵列的要求来确定其中滤光器单元的数目J；且令δtc＝ΔTc/J；然后，根据J≤2N来确定镀膜次数N；且优先选取满足条件的最小N值，即N＝Integer[log2(J)]+1，其中integer[.]定义为取括号中数值的整数部分的函数。
4.如权利要求2所述一种微腔滤光器阵列的实现方法，其特征在于：确定滤光器单元数J、厚度间隔δtc和制备异厚介质层的镀膜次数N的一种方式：首先，根据镀膜的工艺条件和膜厚控制精度确定异厚介质层的厚度间隔δtc；令J＝Integer[ΔTc/δtc]或integer[ΔTc/δtc]+1；然后，根据J≤2N确定镀膜次数N；且优先选取满足条件的最小N值，即N＝Integer[log2(ΔTc/δtc)]+1；所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层的厚度差可根据应用需求、镀膜工艺误差、应用后端数据处理技术因素和条件的宽容度具有不相等间隔；以使其在设计中或实践中由于工艺误差而形成的厚度间隔在所述等间隔δtc基础上浮动。
5.如权利要求1所述一种微腔滤光器阵列的实现方法，其特征在于：对于所述微腔滤光器阵列中各个滤光器单元的腔内介质层厚度，其中同厚介质层的厚度相同(为tc,0＝Tc,min-δtc)；对于各个滤光器单元内的异厚介质层的厚度Δtc,j，从序列[δtc,2δtc,3δtc,…,j·δtc,…,J·δtc]中的厚度值不重复地、按一定规则或任意方式分配。
6.如权利要求1所述一种微腔滤光器阵列的实现方法，其特征在于：制备微腔滤光器阵列中各个滤光器单元内异厚介质层的过程中，每次镀膜中滤光器单元区域的选择依赖于每次镀膜的厚度；若在异厚介质层的N次镀膜中，每次镀膜的厚度依序为[δtc,2δtc,4δtc,8δtc,...,2(N-1)·δtc]，即第i次镀膜的厚度为2(i-1)·δtc，则对于异厚介质层厚度Δtc,j为j·δtc的滤光器单元区域内在“j的二进制数从右向左的位数为‘1’的顺序数”的那些镀膜次数中被镀膜。
7.如权利要求1所述一种微腔滤光器阵列的实现方法，其特征在于：光刻剥离工艺流程中的光刻工艺在衬底面上形成光刻胶掩模层，以使制备腔内介质层的镀膜过程中所镀的介质薄膜只存在于设定的某些滤光器单元区域内；设计和制备N+1块光刻版来进行微腔滤光器阵列的各个滤光器单元的腔内介质层的制备；其中，1块光刻版用于各个滤光器单元内同厚介质层镀膜区域的限定，N块光刻版用于N次在每次设定的滤光器单元内镀膜区域的限定以最终形成在各个滤光器单元内具有不同厚度的异厚介质层；基于正性光刻胶正胶的N+1块光刻版中对应于每次设定需要镀膜的滤光器单元区域为透光区，每次设定的不需要镀膜的滤光器单元区域为不透光的挡光区；当相邻的各个滤光器单元之间设有间隔区时，间隔区也不透光；当在光刻工艺中采用负性光刻胶时，上面N+1块光刻版中透光和不透光的区域做相应的反置。
8.如权利要求7所述一种微腔滤光器阵列的实现方法，其特征在于：基于N+1次光刻剥离工艺及其流程中相应的N+1次镀膜来制备所述微腔滤光器阵列中J个滤光器单元的腔内介质层，J≤2N,；其中，各次光刻剥离工艺的流程大致为：首先，在衬底上旋涂光刻胶，并利用权利要求7所述光刻版通过光刻工艺在对应于需要镀膜的滤光器单元区域内的光刻胶去除；然后，进行具有对应于各次镀膜厚度的腔内介质材料的镀膜；最后，通过化学腐蚀去除光刻胶及其上面所镀的介质材料，只保留对应于需要镀膜的滤光器单元区域内的介质层薄膜；各次光刻工艺中对应于各个滤光器单元的区域需要进行对准。
9.如权利要求1～8中任一所述一种微腔滤光器阵列的实现方法制备的微腔滤光器阵列。
10.如权利要求9所述一种微腔滤光器阵列作为位于透光介质衬底上的一个独立光学元件在光学系统中，或与其它光电材料和结构一起被集成于一个光电器件或微光学系统中应用。
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