CN116520468A - 一种基于微结构阵列的截止滤光片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微结构阵列的截止滤光片，包括基底，其上依次设有介质薄膜和二维光栅阵列结构；所述的基底材料为高折射率材料；所述的介质薄膜材料为低折射率材料；所述的二维光栅材料为高折射率材料。本发明还提供了一种基于微结构阵列的截止滤光片的制备方法。本发明基于微结构阵列的截止滤光片的制备方法，制备简单，成本低，便于大规模、批量化生产。因此该发明有望在测绘遥感、环境监测、传感探测和临床影像分析等领域广泛应用。

Description

一种基于微结构阵列的截止滤光片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件，具体涉及一种基于微结构阵列的截止滤光片及其制备方法，可应用于测绘遥感、环境监测、传感探测和临床影像分析等领域。

背景技术

滤光片作为最常用的光学元件，正面临着小型化、集成化的需求。人们逐渐开始尝试将多个滤光片集成在一起，使其尺寸大小与传统的滤光片相比拟，让滤光片的不同区域能够调制出不同效果的光谱。

成像光谱仪中采用的滤光片分光技术主要包括可调谐滤光片、渐变滤光片和滤光片阵列。可调谐滤光片指的是通带中心波长、透射光带宽等一系列参数可调的滤光片。这类滤光片的种类有很多，常用的有法布里-珀罗可调谐滤光片、声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片、双折射可调谐滤光片和电光可调谐滤光片。这类滤光片或是利用声光衍射、或是利用电光效应、或是利用液晶光阀实现对入射光的调制。渐变滤光片是一种渐变带通滤光片。线性渐变滤光片是在一维方向上光学特性变化的滤光片，它可以代替传统的光栅和棱镜色散元件，构成紧凑、轻便型多色成像仪，这在光学制导和空间探测上特别有用。与可调谐滤光片不同，渐变滤光片不需要驱动电路，特别适合于推扫式遥感成像。多通道滤光片是一种光学特性在二维平面内沿某一方向分布的滤光片。这种滤光片的应用范围覆盖了从紫外到红外的广阔波段。多通道滤光片与传统的带通滤光片相比，其通带数量不止一个，因此其携带的信息量更多，所以在运载相同信息量时滤光片的数量就更少，这样就节省了空间，更有利于光谱仪微型化的发展。

由于多通道滤光片能同时获取目标不同波长处空间图像信息，通过这项技术使得探测、成像的灵敏度和准确性得到了大大地提升，因此国内外开始了对多通道阵列滤光片的研究浪潮。随着多通道阵列滤光片的研究不断深入，主流的制备工艺主要有两种：拼接法和掩膜法。所谓拼接法就是事先制作出不同光学特性规格的带通滤光片，然后进行切割、胶合，从而将不同的带通滤光片区块拼接成一个滤光片。与金属掩膜法相比，这种制备方法涉及复杂繁琐的切割、粘贴过程，难以避免通道间的串扰问题，并且各通道无法做到微米尺寸，难以满足当下滤光片集成化的需求。掩膜法分为金属掩模法和光刻胶掩模法，金属掩模法是在镀膜的时候用金属掩模版来遮挡住不需要镀膜的地方，再反复镀膜。这种方法导致不同区块的交界处出现阴影效应的问题。光刻胶掩模则是用光刻胶图形选择镀膜区域，可实现微米级区块大小的滤光片阵列，这是拼接法和金属掩模法所无法实现的。但是光刻胶掩膜法制备的阵列滤光片仍旧会受到阴影效应的限制。一般光刻胶的厚度应不小于镀膜厚度的三倍，这就很容易使得大角度入射的蒸汽分子无法进入光刻胶孔洞，从而造成光刻胶剥离后膜层厚度边缘与中心不均匀，影响光谱成像、探测的效果。

发明内容

为解决上述通道串扰和镀膜阴影的问题，本发明提出了一种基于微结构阵列的截止滤光片及其制备方法。基于微纳结构的滤光片有着良好的光学特性、较好的工艺兼容性和突出的可集成性，这些新特性为各种各样的研究领域提供了巨大的潜力，例如用于测绘遥感、环境监测、传感探测和临床影像分析等。

本发明提供了一种基于微结构阵列的截止滤光片，该滤光片结构简单，采用二维光栅阵列结构，制备工艺简单，且性能稳定。

本发明还提供了一种基于微结构阵列的截止滤光片的制备方法，该方法涉及光刻技术、沉积法图形转移技术、刻蚀技术等制备微结构阵列滤光片。

本发明提供了如下技术方案：

一种基于微结构阵列的截止滤光片，包括基底，其上依次设有介质薄膜和二维光栅阵列结构；所述的基底材料为高折射率材料；所述的介质薄膜材料为低折射率材料；所述的二维光栅材料为高折射率材料。

作为优选，所述二维光栅阵列结构由两种或两种以上不同结构的滤光片区块交替排布组成；其中每种滤光片区块由阵列布置的光栅结构单元组成。

采用多个滤光片区块时，多个滤光片区块整体大小可以相等，也可以不等，一般选择相等的尺寸，方便加工和设计，单个滤光片区块的尺寸为5～500微米，作为优选，单个滤光片区块的尺寸为10～30微米。每个滤光片区块内，光栅结构单元结构完全相同。不同滤光片区块，光栅结构单元尺寸不同，以满足不同的滤光要求。

作为优选，所述高折射率材料的折射率大于等于1.9；所述低折射率材料的折射率小于等于1.65。

基底材料为高折射率材料，所述高折射率材料选自硅、锗等单元素半导体材料，二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽等氧化物，硫化锌、硒化锌等Ⅱ-Ⅵ族半导体材料及碲镉汞等Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体固溶体。所述基底材料优选为硅。

所述的介质薄膜材料为低折射率材料，所述低折射率材料选自二氧化硅、三氧化二铝等氧化物，氟化镁、氟化钇、氟化镱等氟化物，低折射率有机材料。二维光栅材料为高折射率材料，所述高折射率材料选自硅、锗等单元素半导体材料，二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽等氧化物，硫化锌、硒化锌等Ⅱ-Ⅵ族半导体材料及碲镉汞等Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体固溶体。所述介质薄膜材料优选为氟化镱，所述光栅材料优选为锗。

作为优选，滤光片区块为周期排布的阵列结构，不同种类的滤光片区块内，光栅结构单元的结构参数不同；单个滤光片区块的尺寸由实际需求确定。作为优选，光栅结构单元排列方式选自正六边形排列、正方形排列等，作为优选，所述光栅以正方形排列。所述二维光栅形状选自圆柱、圆锥、圆台、棱柱、棱锥、棱台等形状。所述光栅形状优选为正四棱柱形。

作为进一步优选，所述光栅结构单元为正四棱柱形；所述基底材料为硅；所述介质薄膜材料为氟化镱；所述光栅材料为锗。

作为优选，介质薄膜层厚度为0.05～5微米；进一步的，介质薄膜层厚度为0.1～1微米，更进一步，介质薄膜层厚度为0.2～0.7微米。

本发明的滤光片根据需要的中心波长，可设计应用于不同波段的截止滤光片，作为优选，所述光栅垂直于介质薄膜设置；光栅结构单元尺寸(长、宽等)为100～3000nm，优选为200～1000nm；光栅结构单元高度为100～3000nm，优选为200～1000nm；光栅结构单元周期为200～4000nm，优选为300～1500nm。

作为一种具体的实施方案，滤光片区块有两种，且交替布置；一种滤光片区块由9*9阵列结构的光栅结构单元组成，另外一种滤光片区块由9*8阵列结构的光栅结构单元组成。阵列区块为边长15微米的正方形。光栅结构单元为正四棱柱，尺寸为：边长为0.5～1微米，高度为0.5～1.5微米。

一种基于微结构阵列的截止滤光片，所述的阵列排布要求同一结构参数的光栅排布组成一个滤光单元，对应一个截止滤光片区块；所述不同的截止滤光片区块交替排布，共同组成一个阵列滤光片。

设计时，截止滤光片区块的数量由实际探测需求确定；作为已知值参与优化过程。同样，滤光片区块的尺寸也可以人为确定，根据优化的光栅结构单元的尺寸以及周期，确定每个滤光片区块内光栅结构单元的数量。

考虑到探测器与滤光片阵列一一对应，要提高光谱仪的分辨率，我们就需要在单位体积内有足够多的探测器，相应地需要在单位体积内有足够多的滤光片，然而阵列区块过小会造成结构单元数过少，无法有效滤波。作为优选，我们将阵列边长定为15微米。

光刻胶掩膜法是一种制作阵列滤光片的方法，它是在镀膜的时候使用光刻胶掩模图形来遮挡不需要镀膜的地方，然后再反复镀膜，直到做出需要的滤光片阵列。然而这种方法也有一些问题，在镀膜后脱胶的这一环节上，为了能够顺利脱胶，我们常常需要确保光刻胶的厚度是所需镀膜厚度的三倍，因此光刻胶图形厚度取决于滤光片的膜系厚度，这样就带来了一个问题，在区块和区块相邻的地方，由于光刻胶的存在使得交界处存在镀膜“阴影”，这些阴影不但会大大影响滤光片的分光效果，还会占据一定空间，不符合我们微型化的需求。

为了便于加工，以消除制备过程中带来的阴影效应，作为优选，在结构设计优化阶段，我们将两种截止滤光片阵列中的介质膜厚度和二维光栅厚度保持一致(即两个或多个区块的介质膜厚度一致，光栅厚度一致)，在样品制备阶段，我们采用刻蚀技术(所选刻蚀技术是一种各向异性很强、选择性高的干法腐蚀技术，它是在真空系统中利用分子气体等离子来进行刻蚀的，可利用了离子诱导化学反应来实现各向异性刻蚀)，而不是传统的溶脱剥离法，以消除在制备过程中镀膜阶段产生的阴影效应。

本发明还提供了制备上述基于微结构阵列的截止滤光片的制备方法，包括如下步骤：

(1)根据需要制作的滤光片的中心波长，优化得到介质薄膜层材料和厚度、光栅材料和厚度、光栅的尺寸和光栅的排布周期；其中的优化过程可选用现有的方法进行；优化过程中确保不同截止滤光片区块的介质薄膜层厚度、二维光栅厚度一致。

(2)在基底上沉积一层介质薄膜，厚度与(1)设计得到的介质薄膜层厚度一致；

(3)再在介质薄膜上沉积一层光栅层，厚度与(1)设计得到的光栅厚度一致；

(4)在镀膜完成的基底上旋涂一层光刻胶或电子抗蚀剂或压印胶；

(5)对(4)旋涂的胶进行图案化处理；其中光刻处理即对光刻胶进行曝光，再通过显影过程将不需要的光刻胶洗掉。然后再通过定影、干燥过程，基片上就形成了所需要的光刻胶图案。

(6)图形化完成后，将样品送入刻蚀机中进行刻蚀；

(7)去除残留的胶，得到所述基于微结构阵列的截止滤光片；即刻蚀完成后，将样品放入丙酮溶液中清洗，去除残留的胶。

作为优选，步骤(1)采用粒子群优化算法对待优化参数进行优化，优化过程中采用时域有限差分法进行滤光性能的仿真计算，根据计算结果确定是否继续优化，当满足要求时，停止优化，所的参数为最佳参数用于后续步骤的加工；同时不同截止滤光片区块的介质薄膜层厚度、光栅结构单元厚度一致。

本发明的基于微结构阵列的截止滤光片，与传统的阵列滤光片不同，它采用二维光栅结构，结合低折射率介质薄膜层，能够实现对应波段截止的效果。

本发明的有益效果体现在：

本发明制备的基于微结构阵列的截止滤光片，在前期设计优化阶段，优化过程使用粒子群优化算法进行，模拟选用时域有限差分法进行仿真，过程中将不同区块同时进行仿真优化，最大程度上减小单独对不同区块优化所带来的通道之间的串扰；在样品制备过程中，采用刻蚀技术而不是传统的溶脱剥离法，消除了结构单元与结构单元之间、阵列与阵列之间的镀膜阴影，提升光学器件的空间利用率和探测、成像的准确性，更有利于高集成度和高精度的滤光片制备，有着更广阔的应用前景。

本发明基于微结构阵列的截止滤光片的制备方法，制备简单，成本低，便于大规模、批量化生产。因此该发明有望在测绘遥感、环境监测、传感探测和临床影像分析等领域广泛应用。

附图说明

图1为本发明单个截止滤光片的结构示意图。

图2(a)、(b)为本发明基于微结构阵列的截止滤光片的阵列排布示意图。

图3为图2(a)、(b)所示区块Ⅰ和区块Ⅱ中结构单元结构示意图。

图4为本发明基于微结构阵列的截止滤光片的制备方法流程图。

图5(a)、(b)为本发明实施例区块Ⅰ(长波通阵列)、区块Ⅱ(短波通阵列)的透射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地详细说明。

如图1所示，一种基于微结构阵列的截止滤光片由基底1、固定在基底1上的低折射率介质薄膜2以及垂直设置在介质薄膜2上的二维光栅阵列结构3组成，作为优选，光栅材料选用锗，低折射率薄膜2材料选用氟化镱，基底材料选用硅。

如图2(a)、(b)所示，其中二维光栅阵列结构由截止滤光片区块Ⅰ和截止滤光片区块Ⅱ在基板平面上交替平铺组成。

如图3所示，对应于图2(a)、(b)，截止滤光片区块Ⅰ由9*9阵列布置的光栅结构单元组成；截止滤光片区块Ⅱ由9*8阵列布置的光栅结构单元组成。同一截止滤光片区块内的光栅结构单元结构参数相同，呈周期性阵列布置，组成一个滤光单元；不同的截止滤光片区块交替排布，共同组成一个阵列滤光片。

本发明的基于微结构阵列的截止滤光片，与传统的阵列滤光片不同，它采用二维光栅的结构，结合低折射率薄膜层，实现对应波段截止的效果。

如图4所示：一种基于微结构阵列的截止滤光片制备方法，包括以下步骤：

(1)根据需要制作的滤光片的中心波长，优化得到基底材料、介质薄膜层厚度、介质薄膜采用的材料、光栅材料、光栅厚度、光栅的底边长和光栅的周期；其中的优化过程使用粒子群优化算法进行，模拟选用时域有限差分法进行仿真，利用仿真结果指导优化过程，优化过程中将不同区块同时进行仿真优化，以消除单独对不同区块优化而造成的通道串扰问题；优化过程中确保不同截止滤光片区块的介质薄膜层厚度和光栅结构单元的高度一致。

其中截止滤光片区块的种类、截止滤光片区块整体大小、截止滤光片区块间的布置方式等，可以根据经验和需要确定。其中截止滤光片区块间的布置方式可以为多种，也可以通过优化确定采用最优的布置方式；当然也可以根据经验选择特定的布置方式，比如可以采用图2(a)、(b)的周期性交替布置方式，然后再进行所述的优化过程。

通过步骤(1)可以获得基底选用的材料、介质薄膜层的厚度、介质薄膜采用的材料、光栅选择的材料、光栅的厚度、光栅的底边长和光栅的周期等参数值。

(2)在基底上沉积一层介质薄膜。

(3)再在介质薄膜上沉积一层高折射率光栅层材料。由于多种区块采用相同的介质薄膜层厚度和光栅高度，所以不需要区分多个区块，进行整体一次性加工即可。

(4)在镀膜完成的基底上旋涂一层光刻胶或电子抗蚀剂或压印胶，胶厚度需要满足后续最低刻蚀厚度需要，即满足抗刻蚀比要求。

(4)通过曝光或压印的方式将设计的图形转移到光刻胶/电子抗蚀剂或压印胶上，再通过显影过程将不需要的胶洗掉。然后再通过定影、干燥过程，基片上就形成了所需要的胶图形。

(5)图形化完成后，将样品送入刻蚀机中进行刻蚀(反应离子刻蚀)。

(6)刻蚀完成后，将样品放入丙酮溶液中清洗，去除残留的胶。

实施例：预期中心波长为λ＝4.25μm的截止滤光片，阵列区块边长为15μm，设计两种阵列(两种滤光片区块)，要求其中一种阵列实现3.7μm～4.0μm高透射，4.5μm～4.8μm透射截止的短波通效果，另一种阵列实现3.7μm～4.0μm透射截止，4.5μm～4.8μm高透射的长波通效果，具体方法同具体实施方式中的基于微结构阵列的截止滤光片的制备方法。

利用步骤(1)提到的优化方法，最终得到的具体参数为：硅基底；介质薄膜采用氟化镱，氟化镱薄膜层厚度为0.44μm；光栅材料选择锗，锗光栅高度为1.15μm；长波通阵列光栅间隔为0.55μm，光栅周期为1.35μm；短波通阵列光栅间隔为0.3μm，光栅周期为1.4μm。这个结构的光谱如图5(a)、图5(b)所示。该结构的两个阵列都体现出良好的截止效果，长波通阵列在3.7μm～4μm波段的平均透过率仅有7.15％，在4.5μm～4.8μm波段的平均透过率有80.79％；短波通阵列在3.7μm～4μm波段的平均透过率有64.90％，在4.5μm～4.8μm波段的平均透过率仅有11.46％。

Claims (9)

1.一种基于微结构阵列的截止滤光片，其特征在于，包括基底，其上依次设有介质薄膜和二维光栅阵列结构；所述的基底材料为高折射率材料；所述的介质薄膜材料为低折射率材料；所述的二维光栅材料为高折射率材料。

2.根据权利要求1所述的基于微结构阵列的截止滤光片，其特征在于，所述二维光栅阵列结构由两种或两种以上不同结构的滤光片区块交替排布组成；其中每种滤光片区块由阵列布置的光栅结构单元组成。

3.根据权利要求1所述的基于微结构阵列的截止滤光片，其特征在于，所述高折射率材料的折射率大于等于1.9；所述低折射率材料的折射率小于等于1.65。

4.根据权利要求1所述的基于微结构阵列的截止滤光片，其特征在于，所述高折射率材料选自硅、锗、二氧化钛、二氧化铪、五氧化二钽、硫化锌、硒化锌、碲镉汞中的一种或多种；所述低折射率材料选自二氧化硅、三氧化二铝、氟化镁、氟化钇、氟化镱、低折射率有机材料中的一种或多种。

5.根据权利要求2所述的基于微结构阵列的截止滤光片，其特征在于，滤光片区块为周期排布的阵列结构，不同种类的滤光片区块内，光栅结构单元的结构参数不同；单个滤光片区块的尺寸为5～500微米，具体由实际需求确定。

6.根据权利要求2所述的基于微结构阵列的截止滤光片，其特征在于，所述光栅结构单元为圆柱、圆锥、圆台、棱柱、棱锥、棱台；所述基底材料为硅；所述介质薄膜材料为氟化镱；所述光栅材料为锗。

7.根据权利要求6所述的基于微结构阵列的截止滤光片，其特征在于，所述光栅结构单元垂直于介质薄膜设置；光栅结构单元尺寸为100～3000nm；光栅结构单元高度为100～3000nm；光栅结构单元周期为200～4000nm；介质薄膜层厚度为0.05～5微米。

8.一种权利要求1～7任一项所述的基于微结构阵列的截止滤光片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据需要制作的滤光片的中心波长，优化得到介质薄膜层材料和厚度、光栅材料和厚度、光栅的尺寸和光栅的排布周期；

(2)在基底上沉积一层介质薄膜，厚度与(1)设计得到的介质薄膜层厚度一致；

(3)再在介质薄膜上沉积一层光栅层，厚度与(1)设计得到的光栅厚度一致；

(4)在镀膜完成的基底上旋涂一层光刻胶或电子抗蚀剂或压印胶；

(5)对步骤(4)旋涂的胶进行图形化处理；；

(6)图形化完成后，将样品送入刻蚀机中进行刻蚀；

(7)去除残留的胶，得到所述基于微结构阵列的截止滤光片。

9.根据权利要求8所述的基于微结构阵列的截止滤光片的制备方法，其特征在于，步骤(1)采用粒子群优化算法对待优化参数进行优化，优化过程中采用时域有限差分法进行滤光性能的仿真计算；同时不同截止滤光片区块的介质薄膜层厚度维光栅厚度一致。