CN118693109A - 光谱芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光谱芯片及其制造方法，其中所述光谱芯片包括图像传感器、被形成于所述图像传感器表面的结构层、被形成于所述结构层表面的光调制层以及被形成于所述光调制层表面的金属薄膜层，所述结构层包括多个依次叠加设置的高折射率层单元和低折射率层单元，所述金属薄膜层包括至少二金属膜层单元，所述金属薄膜层的下表面与所述结构层最上层的所述高折射率层的上表面之间形成一芯片腔体，其中所述芯片腔体存在至少两个不同的腔体高度。

Description

光谱芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及芯片制造技术领域，尤其涉及一光谱芯片及其制造方法。

背景技术

随着光学传感芯片的多样化，除传统的灰度、RGB传感器外，更加细致区分入射光波长的光谱传感芯片逐渐受到认可。现在的光谱仪基本采取传感器进行光信号获取，在进行数据处理获取对应光谱信息；需要借助滤光片、光栅等器件实现光谱恢复。

在计算重构型光谱装置中，光谱芯片是核心部件。应用于计算重构型光谱装置的光谱芯片包括光电探测层和位于所述光电探测层的感测路径上的光调制层，其中，所述光谱调制层用于对入射光进行光调制以得到调制后的光谱，所述光电探测层用于接收所调制后的光谱并对所述调制后的光谱进行处理以得到被测目标的原始光谱信息。随着计算光谱出现，通过算法和计算光谱芯片结合，可以避免传统光谱技术的分光空间光路设计，实现小型化；同时也可以取消滤光片、光栅等器件的限制，实现成本的降低。如何获取高性能的光谱芯片也成为亟需解决的问题。

发明内容

本发明的一个主要优势在于提供一光谱芯片及其制造方法，其中所述光谱芯片的金属薄膜下表面到所述第一结构层的最上方的高折射率层的上表面的距离定义为腔体高度，本发明存在至少两个腔体高度不同，以控制调制曲线(T线)的谐振峰位置，弥补单层金属下T线难以铺满整个平面的问题。

本发明的另一个优势在于提供一光谱芯片及其制造方法，其中所述光谱芯片的金属薄膜下表面到所述第一结构层的最上方的高折射率层的上表面的距离定义为腔体高度，本发明存在至少两个腔体高度不同，以解决不同波段算法上难以分辨的问题。

本发明的另一个优势在于提供一光谱芯片及其制造方法，其中所述光谱芯片的金属薄膜层包括第一膜层单元和第二膜层单元，其中所述第一膜层单元和所述第二膜层单元所处的膜层位置不同，以形成不同的腔体高度，有利于提高光谱芯片的光谱恢复和/或成像性能。

本发明的另一个优势在于提供一光谱芯片及其制造方法，其中所述光谱芯片的金属薄膜层的所述第一膜层单元和所述第二膜层单元的材料相同，有利于简化制造流程，提高生产效率。

本发明的另一个优势在于提供一光谱芯片及其制造方法，其中所述光谱芯片的金属薄膜层的所述第一膜层单元和所述第二膜层单元的材料不同，通过增加金属种类，能够拓宽主要调制的波段范围。

本发明的另一个优势在于提供一光谱芯片及其制造方法，其中所述光谱芯片的金属薄膜层的膜层数量大于等于3层，有利于增大谱线差异，进而减少中间结构层的工艺压力。

本发明的另一个优势在于提供一光谱芯片及其制造方法，其中所述光谱芯片增加了中间结构层层数，增加中间结构层，使得等效腔长变动范围增加，使得可操控的T线范围更大，有助于获得差异更大的T线簇。

依本发明的一个方面，能够实现前述目的和其他目的和优势的本发明的一种光谱芯片，包括：

图像传感器；

结构层，其中所述结构层位于所述图像传感器的表面，且所述结构层包括多个依次叠加设置的高折射率层单元和低折射率层单元；

光调制层，其中所述光调制层被形成在所述结构层的表面；以及

金属薄膜层，其中所述金属薄膜层形成于所述光调制层的上方，且所述金属薄膜层的下表面与所述结构层的上表面之间形成一芯片腔体。

根据本申请的一个实施例，所述金属薄膜层包括至少二金属膜层单元，所述芯片腔体存在至少两个不同的腔体高度。

根据本申请的一个实施例，所述金属薄膜层包括第一金属膜层单元和第二金属膜层单元，所述第一金属膜层单元和所述第二金属膜层单元形成于所述光调制成的上方。

根据本申请的一个实施例，所述第一金属膜层单元的所述第一膜层下表面到所述结构层的最上层的所述高折射率层的上表面距离为h1；所述第二金属膜层单元的所述第二膜层下表面到所述结构层的最上层的所述高折射率层的上表面距离为h2，其中h1的高度和h2的高度不同。

根据本申请的一个实施例，所述金属薄膜层选自铝、金、铜、铂、银组成的金属组合中的一种或多种。

根据本申请的一个实施例，所述第一金属膜层单元和所述第二金属膜层单元的金属材料相同。

根据本申请的一个实施例，所述第一金属膜层单元和所述第二金属膜层单元的金属材料不同。

根据本申请的一个实施例，所述金属薄膜层的所述金属膜层单元的数量n≥3，且存在至少两个所述金属膜层单元到所述结构层最上层的所述高折射率层的上表面的距离为腔体高度H不同。

根据本申请的一个实施例，所述光调制层包括第一光调制层和第二光调制层，所述第一光调制层位于所述第二光调制层的上方。

根据本申请的一个实施例，所述结构层由DBR结构构成，所述DBR结构具有多层层数，每一层所述DBR结构包括一层高折射率层和一层低折射率层，且所述结构层的所述DBR结构层数范围在1-10层之间。

根据本申请的一个实施例，所述光调制层由至少一微纳结构构成，所述微纳结构选自调制孔、调制柱、线组成的结构组合。

根据本申请的一个实施例，进一步包括至少一介质层，其中所述介质层被形成在所述金属薄膜层是上方。

根据本申请的另一方面，本申请进一步提供一种光谱芯片的制造方法，其中所述制造方法包括如下步骤：

步骤(1)依次将结构层和光调制层形成在图像传感器的表面，其中所述光调制层被形成在所述结构层的上表面；和

步骤(2)在所述结构层的表面沉积填充材料，以在所述结构层的表面形成填充层；在所述填充层内依次设置至少二金属膜层单元，其中所述至少二金属膜层单元在所述填充材料中的高度不同，以制得所述光谱芯片。

根据本申请的一个实施例，所述制造方法的所述步骤(2)进一步包括：

步骤(2.1)在所述光调制层的表面沉积填充材料，以形成至少一第一填充层，和将至少一所述金属膜层单元沉积在所述至少一第一填充层的表面；和

步骤(2.2)在所述第一填充层的表面沉积填充材料，以形成至少一第二填充层，和将至少一所述金属膜层单元沉积在所述至少一第二填充层的表面。

根据本申请的一个实施例，在所述制造方法的所述步骤(2.1)中，沉积所述填充材料，在达到一定厚度后进行平整化，以得到所述第一填充层。

根据本申请的一个实施例，在所述制造方法的所述步骤(2.2)中，在所述第一填充层的表面再次沉积所述填充材料，在达到一定厚度后进行平整化，以保证两层金属膜层单元的间距与设定值一致。

根据本申请的一个实施例，在所述制造方法的所述步骤(2.1)进一步包括：沉积保护所述金属膜层单元的介质层，以保护所述金属膜层单元不被氧化或破坏。

根据本申请的一个实施例，在所述制造方法的所述步骤(2.1)和步骤(2.2)之后进一步包括：通过光刻后刻蚀或剥离，FIB刻蚀或者纳米压印的方式获得第一金属膜层单元和第二金属膜层单元，并且使得所述第一金属膜层单元和所述第二金属膜层单元分别对准所述光调制层的微纳结构。

根据本申请的一个实施例，在所述制造方法的所述步骤(1)进一步包括：

步骤(1.1)根据DBR层数及厚度设计要求，在所述图像传感器的表面交替地沉积多层高折射率材料和低折射率材料，以在所述图像传感器的表面形成所述结构层。

根据本申请的一个实施例，在所述制造方法的所述步骤(1)进一步包括：

步骤(1.2)在所述结构层的表面沉积微纳结构所需的材料，以在所述结构层的表面形成所述光调整层。

根据本申请的一个实施例，在所述制造方法进一步包括：

步骤(3)沉积介质保护层，并在达到设定的厚度后进行平整化，以保护结构不被外界因素破坏。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明和附图得以充分体现。

附图说明

图1是根据本发明的第一较佳实施例的一种光谱芯片的结构示意图。

图2A是计算光谱芯片中间无结构及存在中间有结构且占空比为一时得到的两个T线之间峰位的间距示意图。

图2B是在控制改变腔体高度，重新计算中间无结构及中间有结构且占空比为一时，两个T线之间峰位间距及峰的位置示意图。

图3A是当两个T线排列较近时，不同波段得到的DN值相同，得到的T线示意图。

图3B是通过调整光谱芯片的腔体高度，针对不同波段两个T线DN值的相应情况不同得到的T线示意图。

图4是不同波段的光源对应的光强示意图。

图5A和图5B是根据本发明上述第一较佳实施例的所述光谱芯片的金属薄膜层不同结构对应的T线示意图。

图6是根据本发明上述第一较佳实施例的所述光谱芯片的光调制层的微纳结构变化对应的T线变化示意图。

图7是根据本发明第二较佳实施例的一种光谱芯片的结构示意图。

图8是根据本发明第三较佳实施例的一种光谱芯片的结构示意图。

图9是根据本发明第四较佳实施例的一种光谱芯片的结构示意图。

图10A至图10J是根据本发明上述任一较佳实施例的所述光谱芯片的制造流程示意图。

图11是根据本发明上述较佳实施例的所述光谱芯片的制造流程步骤示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

参照本申请说明书附图之图1至图6所示，依照本申请第一较佳实施例的一种光谱芯片在接下来的描述中被阐明。所述光谱芯片包括图像传感器10、被形成于所述图像传感器10表面的结构层20、被形成于所述结构层20表面的光调制层30以及被形成于所述光调制层30表面的金属薄膜层40，其中所述图像传感器10可以但不限于CMOS图像传感器(CIS)、CCD、阵列光探测器等。

所述结构层20是由高折射率材料和低折射率材料依次叠加形成的透光层，通过所述结构层20可以提高光的透过率。所述结构层20包括多个依次叠加设置的高折射率层单元21和低折射率层单元22，其中所述高折射率层单元21和所述低折射率层单元22依次间隔地堆叠设置，这种结构称作为DBR结构(distributed Bragg reflector，DBR)。即可以理解为所述结构层20由DBR结构构成，需要说明的是，在本申请的该优选实施例中，所述DBR结构可以由多层高折射率层和低折射率层构成，即所述DBR结构具有多层层数，每一层所述DBR结构包括一层高折射率层21和一层低折射率层22，优选地，高折射率层21位于低折射率层22的上方。

值得一提的是，在本申请的该优选实施例中，所述结构层20的所述DBR结构层数范围在1-10层之间。作为优选地，所述结构层20的所述DBR结构层数为4-8层，由于层数过少则禁带效果不明显，难以谐振形成具有优秀调制效果的T线，若层数过多，一是增加成本，二是禁带效应明显导致禁带以外区域谐振效果变差。作为示例的，当所述结构层20的所述DBR结构层数为四层时，则所述结构层20包括4层低折射率层22和4层高折射率层21。

所述光调制层30由至少一微纳结构构成，所述微纳结构可以为调制孔、调制柱、线等结构，所述光调制层30可以对入射光进行光谱调制。在本发明的该优选实施例中，所述光调制层30的层数可以是一层、两层或者多层，即所述光调制层的数量在此不做限制。作为示例的，在本申请的一个具体示例中，所述光调制层为两层结构，其中第一层光调制层和第二层光调制层共同作用，对入射光进行调制。需要说明的是，同一层所述光调制层30可以存在相同的微纳结构。

本申请该优选实施例的所述光调制层30的结构和微纳结构设计与中国发明专利CN115483233A中涉及的两层或多层光调制层结构方案和中国实用新型专利CN210376122U中的光调制层设计方案相同，即本申请将上述两个专利申请文件中的光调制层设计方案对应的内容全部引入本申请中。

所述金属薄膜层40为形成在所述光调制层30上方表面的一层金属薄膜，其中所述金属薄膜层40的所述金属薄膜的材料可以但不限于铝、金、铜、铂、银等金属。换言之，所述金属薄膜层40的所述金属薄膜的材料选自由铝、金、铜、铂、银组成的金属材料组。例如采取铝制作金属薄膜，则该金属薄膜的厚度优选为5-15nm，在该厚度下，铝膜在所需波段(350-1000nm)透过率与反射率较为合适，能够起到半透半反镜的作用。同样的，假如采取金或铜作为薄膜材料，则优选厚度为20-30nm。

所述金属薄膜层40覆盖所述光调制层30的上表面，即入射光经所述金属薄膜层40后到达所述光调制层30，其中所述入射光经所述光调制层30的调制后经所述结构层20到达所述图像传感器10。

本发明所述光谱芯片的所述金属薄膜可以设置为一层，即金属薄膜位于同一高度，但是首先光调制层所需的工艺要求将会非常高，难以制作，其次当金属薄膜位于同一高度时，不同结构T线对应不同波段之间难以区分，会增大算法恢复压力。因此，本发明继续提供一实施例，该实施例中所述金属薄膜层40包括至少二金属膜层单元41，其中所述金属薄膜层40的所述至少二金属膜层单元41共同形成于整个所述光调制层30上方。通过至少两层金属膜层单元41的设计，不仅可以降低对光调制层所需的工艺要求，还可以增加不同波段处不同结构对应T线之间的差异，减少算法压力。

所述金属薄膜层40的所述金属膜层单元41的数量可以是二、三或者多个。作为示例的，在本申请的该优选实施例中，所述金属薄膜层40包括第一金属膜层单元41a和第二金属膜层单元41b，其中所述第一金属膜层单元41a和所述第二金属膜层单元41b相邻接，且所述第一金属膜层单元41a和所述第二金属膜层单元41b共同形成于所述光调制成30的上表面。作为示例的，在本申请的该优选实施中，所述金属薄膜层40的所述至少二金属膜层单元(即所述第一金属膜层单元41a和所述第二金属膜层单元41b)所采用的金属材料相同，或者不同，对此不做限制。

所述第一金属膜层单元41a具有第一膜层上表面411a和与之背对的第一膜层下表面412a，其中所述第一膜层下表面412a朝向所述光调制层30；所述第二金属膜层单元41b具有第二膜层上表面411b和与之背对的第二膜层下表面412b，其中所述第二膜层下表面412b朝向所述光调制层30。所述光谱芯片进一步设有一芯片腔体401，其中所述芯片腔体401被形成在所述金属薄膜层40的下表面与所述结构层20最上层的上表面之间，优选地DBR结构最上层为高折射率层21，故可以理解为所述芯片腔体401被形成在所述金属薄膜层40的下表面与所述结构层20最上层的所述高折射率层21的上表面之间。设所述金属薄膜层40的下表面到所述结构层20最上层的所述高折射率层21的上表面的距离为腔体高度H，本申请中所述光谱芯片的所述芯片腔体401至少存在两个所述腔体高度H。

作为示例的，在本申请的该优选实施例中，所述第一金属膜层单元41a所在位置对应的所述芯片腔体401的所述腔体高度为h1,所述第二金属膜层单元41b所在位置对应的所述芯片腔体401的所述腔体高度为h2，其中h1的高度与所述h2的高度不同，以控制调制曲线(T线)的谐振峰位置，弥补单层金属下T线难以铺满整个平面的问题，和解决不同波段算法上难以分辨的问题。

详细地说，在本申请的该优选实施例中，所述第一金属膜层单元41a的所述第一膜层下表面412a到所述结构层20的最上层的所述高折射率层21的上表面距离为h1；所述第二金属膜层单元41b的所述第二膜层下表面412b到所述结构层20的最上层的所述高折射率层21的上表面距离为h2，其中h1的高度和h2的高度不同。

以下为进一步地说明所述光谱芯片具有至少二不同腔体高度得以解决上述技术问题，通过FDTD仿真的方式设计所述光谱芯片的所述芯片腔体401的所述腔体高度H。

请参考说明书2A至图3B，基于仿真的方式，计算金属薄膜层与DBR结构之间无微纳结构(可以称为中间无结构)时的T线，再通过改变腔体高度使得峰位在使用波段(产品工作波段)边界。如图2A所示，分别计算中间无结构及存在中间有结构且占空比为一时，得到的两个T线(其中中间有结构时为T2和中间无结构是为T1)之间峰位的间距，其中占空比为存在结构区域面积与总区域面积比值，占空比为一指的是金属薄膜层与DBR结构之间填充满微纳结构。如图2B所示，通过改变腔体高度，重新计算中间无结构及中间有结构且占空比为一时，两个T线(T3和T4)之间峰位间距及峰的位置，使得与未改变时结果互补。

需要说明的是，由于实际情况下，改变腔体高度能够改变同一T线不同谐振峰之间的间距，在光谱恢复过程中，能够协助算法分辨不同波段。如图3A所示，由于得到的信号为DN值(Digital Number)，当两个T线(图中T1和T2)排列时，不同波段得到的DN值相同，难以区分。而通过调整腔体高度，使得其中一条T线变成图3B中的形式，则针对不同波段，两个T线(右图T3和T4)DN值的相应情况不同，因此使得算法上得以区分。

进一步地解释，如图4所示，假设存在两束单色光光源A和B，在光源A入射时，光谱像素各个结构对应T线(T1和T2)与光源A的交叠积分分别为:S1、S2。当入射光光源变换成B时，由于T1 T2在光源B对应波段T线形状与光源A对应波段T线形状相同，且光源B谱型与光源A一致。因此，光谱像素各个结构对应T线(图3A中T1和T2)与光源B的交叠积分仍为S1、S2。接受信号上两个光源下光谱像素得到的DN值相同，因此无法区分光源A和B。

当两条T线频率间隔出现不同时，光源A与光源B，两者对应波段的T线不同，因此DN值在不同波段也出现不同，通过算法恢复，可区分光源所在的波段，进而区分光源A和B。

值得一提的是，在本申请的该优选实施例中，所述金属薄膜层40的所述金属膜层单元41为半透半反结构，其作如半透半反镜的作用，所述金属薄膜层40能够一定程度上在DBR禁带以外区域增大调制效果。如图5A和图5B所示，其中图5A所示的为金属情况下T线，图5B为所述金属薄膜层40也被设置为DBR结构，金属结构的峰的深宽比优于DBR的结构；当然本发明并不排除使用DBR结构代替金属薄膜层40的方案，即个别实施例对T线的要求没有这么高，可以在将金属薄膜层用DBR结构取代，所述光谱芯片由双DBR结构以及位于两层DBR结构之间的所述光调制层30及图像传感器构成。

在本申请的该优选实施例中，所述光调制层30的微纳结构通过控制等效折射率，起到了调控等效腔体高度的作用。如图6所示，随着微纳结构的变化，对应的T线会发生变化。

为了更好理解，以下进一步提供所述光谱芯片的工作原理，其中所述光谱芯片的所述金属薄膜层40、所述光调制层30以及所述结构层20共同形成了计算光谱的滤光结构，其中所述滤光结构被形成在所述图像传感器10的表面，且由所述滤光结构对入射光进行光谱调制。需要说明的是，所述滤光结构的所述光调制层30可以包含一种、两种或者多种微纳结构，即所述光谱调制层30的所述微纳结构的数量、形状以及尺寸在此不做限定。

所述光谱芯片进一步包括数据处理单元(图中未示出)，其中所述数据处理单元与所述图像传感器10相电连接，所述图像传感器10得到的光电转换数据被传输至所述数据处理单元，再由所述数据处理单元进行光谱恢复计算。

入射光进入到所述光谱芯片的所述滤光结构并被调制，所述滤光结构由所述金属薄膜层40、光调制层30以及所述结构层20构成，其中所述图像传感器10测得光谱响应后，传入数据处理单元进行恢复计算。该过程具体描述如下：

将入射光在不同波长λ下的强度信号记为x(λ)，滤光结构的透射谱曲线记为T(λ)(即调制曲线-T线)，滤光结构上具有m组的结构单元，每一组结构单元的透射谱基本互不相同，即m组由金属薄膜、光调制层和DBR结构构成的结构单元。整体来讲，滤光结构可记为Ti(λ)(i＝1,2,3,…,m)。每一组结构单元下方都有相应的物理像素，探测经过滤光结构调制的光强bi。在本申请的特定实施例中，以一个物理像素，即一个物理像素对应一组结构单元，但是不限定于此，在其它实施例中，也可以是多个物理像素为一组对应于一组结构单元。因此，在根据本申请实施例的计算光谱装置中，至少二组结构单元构成一个“光谱像素”(其可以理解为多组结构单元和对应的图像传感器构成光谱像素)。需要注意的是，所述滤光结构的有效的透射谱(用以光谱恢复的透射谱，叫做有效的透射谱)。需要说明的是，Ti(λ)数量与结构单元数量可以不一致，所述滤光结构的透射谱根据识别或恢复的需求人为的按照一定规则去设置、测试、或计算获得(例如上述每个结构单元通过测试出来的透射谱就为有效的透射谱)。

因此所述滤光结构的有效透射谱的数量可以比结构单元数量少，甚至也可能比结构单元数量多；该变形实施例中，某一个所述透射谱曲线并不一定是一组结构单元所决定。进一步地，本发明可以用至少一个光谱像素去还原图像。即本申请中光谱装置可以根据光谱响应，去恢复光谱曲线也可以进行光谱成像。

在本申请的该优选实施例中，例如以一个物理像素对应一个结构单元为例，其中入射光经过所述金属薄膜层40、所述光调制层30以及所述结构层20到达物理像素，其所经过的所述金属薄膜层40、所述光调制层30以及所述结构层20构成了本申请中的所述滤光结构，共同作用于入射光，使其被调制后再被图像传感器对应的物理像素接收。

入射光的频谱分布和图像传感器的测量值之间的关系可以由下式表示：

b_i＝∫x(λ)*T_i(λ)*R(λ)dλ

再进行离散化，得

b_i＝Σ(x(λ)*T_i(λ)*R(λ))

其中R(λ)为图像传感器的响应，记为：

A_i(λ)＝T_i(λ)*R(λ)，

则上式可以扩展为矩阵形式：

其中，bi(i＝1,2,3,…,m)是待测光透过滤光结构后图像传感器的响应，分别对应m个结构单元对应的图像传感器的光强测量值，当一个物理像素对应一个结构单元时，可以理解为m个“物理像素”对应的光强测量值，其是一个长度为m的向量。A是系统对于不同波长的光响应，由滤光结构透射率和图像传感器的量子效率两个因素决定。A是矩阵，每一个行向量对应一组结构单元对不同波长入射光的响应，这里对入射光进行离散、均匀的采样，共有n个采样点。A的列数与入射光的采样点数相同。这里，x(λ)即是入射光在不同波长λ的光强，也就是待测量的入射光光谱。

参照本申请说明书附图之图7所示，依照本申请第二较佳实施例的一种光谱芯片在接下来的描述中被阐明。所述光谱芯片包括图像传感器10、被形成于所述图像传感器10表面的结构层20、被形成于所述结构层20表面的光调制层30以及被形成于所述光调制层30表面的金属薄膜层40。所述金属薄膜层40包括第一金属膜层单元41a和第二金属膜层单元41b，其中所述第一金属膜层单元41a和所述第二金属膜层单元41b共同形成于所述光调制成30的上方。

与上述第一较佳实施例不同之处在于，所述第一金属膜层单元41a和所述第二金属膜层单元41b的金属材料不同。可以理解的是，由于所述第一金属膜层单元41a和所述第二金属膜层单元41b的金属本身的特性，不同金属调制性能最佳的波段有所不同，因此通过增加金属种类，能够拓宽主要调制的波段范围。

参照本申请说明书附图之图8所示，依照本申请第三较佳实施例的一种光谱芯片在接下来的描述中被阐明。所述光谱芯片包括图像传感器10、被形成于所述图像传感器10表面的结构层20、被形成于所述结构层20表面的光调制层30以及被形成于所述光调制层30表面的金属薄膜层40。所述金属薄膜层40包括多个金属膜层单元41，其中所述金属薄膜层40的所述多个金属膜层单元41形成于所述光调制层30的上方。

详细地说，在本申请的该优选实施例中，所述金属薄膜层40的所述金属膜层单元41的数量n≥3。作为示例的，在本申请的该优选实施例中，所述金属膜层单元40包括第一金属膜层单元41a、第二金属膜层单元41b、第三金属膜层单元41c以及第四金属膜层单元41d，且所述第一金属膜层单元41a、所述第二金属膜层单元41b、所述第三金属膜层单元41c以及所述第四金属膜层单元41d形成于所述光调制层30上方，且相邻两个所述金属膜层单元41到所述结构层20最上层的所述高折射率层21的上表面的距离为腔体高度H不同。

与上述较佳实施例不同之处在于，本申请的该优选实施例增加了所述金属膜层单元41的数量，由于增加了其他金属层数，增加的层数有助于增大谱线差异，减少所述光谱调制层30的工艺压力。即金属层数大于等于3层，即重复工艺制造，得到第一、第二、……第n层金属薄膜，n≥3。需要说明的是，本实施例中的所述金属膜层单元41为相同的金属构成，亦可以是存在至少二种不同的金属构成。

参照本申请说明书附图之图9所示，依照本申请第四较佳实施例的一种光谱芯片在接下来的描述中被阐明。所述光谱芯片包括图像传感器10、被形成于所述图像传感器10表面的结构层20、被形成于所述结构层20表面的光调制层30以及被形成于所述光调制层30表面的金属薄膜层40。所述金属薄膜层40包括至少一金属膜层单元41，其中所述金属薄膜层40的至少一所述金属膜层单元41形成于所述光调制层30上方。

与上述较佳实施例不同点在于，本申请该优选实施例的所述光调制层30的层数为二或以上，即所述光调制层30包括第一光调制层30a和第二光调制层30b，其中所述第一光调制层30a位于所述第二光调制层30b的上方。可以理解的是，在本申请的该优选实施例中，增加了所述光调制层30的层数，即增加了中间结构层，使得等效腔长变动范围增加，使得可操控的T线范围更大，有助于获得差异更大的T线簇。

需要说明的是，本发明金属薄膜层存在不同的金属膜层单元，对于不同的金属膜层单元优选可以理解为金属膜层单元的下表面到DBR结构的上表面的距离不同；个别实施例亦可以指的是，金属膜层单元的形成材料不同，即用不同的金属材料形成。其本质通过金属薄膜层的设置提高调制曲线的丰富度、复杂度。

进一步地，在本申请的该优选实施例中，所述光谱芯片进一步包括至少一介质层，其中所述介质层被形成在所述金属薄膜层40的上表面，用于隔绝所述金属薄膜层40上方的空气，保护下方的金属薄膜层不被氧化。作为示例的，在本申请的该优选实施例中，所述介质层为透光材料。

可选地，在本申请的另一可选实施方式中，所述介质层是由所述金属薄膜层40经氧化形成在所述金属薄膜层40表面的结构。在制造过程中，对形成金属薄膜层的金属厚度比设计值厚一些，通过空气氧化表面的金属形成金属氧化物，该金属氧化物可以等同于介质层，该变形实施例中，所述金属薄膜层40的厚度根据设计值来定，即氧化过程中应当控制被氧化的厚度，不影响金属薄膜层的厚度。参照本申请说明书附图之图10A至图11所示，依照本申请另一较佳实施例的一种光谱芯片的制造方法在接下来的描述中被阐明。所述光谱芯片的制造方法包括如下步骤：

步骤(1)，依次将结构层20和光调制层30形成在图像传感器10的上方，其中所述光调制层30被形成在所述结构层20的上表面；和

步骤(2)，在所述结构层20的表面沉积填充材料，以在所述结构层20的表面形成填充层；在所述填充层内依次设置至少二金属膜层单元金属膜层单元41，其中所述至少二金属膜层单元金属膜层单元41在所述填充材料中的高度不同，以制得所述光谱芯片。

在所述光谱芯片的制造方法中，其中所述制造方法的所述步骤(2)进一步包括：

步骤(2.1)在所述光调制层30的表面沉积填充材料，以形成至少一第一填充层，和将至少一所述金属膜层单元金属膜层单元41沉积在所述至少一第一填充层的表面；和

步骤(2.2)在所述第一填充层的表面沉积填充材料，以形成至少一第二填充层，和将至少一所述金属膜层单元41沉积在所述至少一第二填充层的表面。

在所述光谱芯片的制造方法中，其中在所述制造方法的所述步骤(2.1)中，沉积所述填充材料，在达到一定厚度后进行平整化，以得到所述第一填充层。值得一提的是，采取化学机械抛光工艺(Chemical Mechanical Polish：CMP)、机械研磨、腐蚀工艺等工艺进行平整化，以控制平整化后腔体高度与设计值一致。

在所述光谱芯片的制造方法中，其中在所述制造方法的所述步骤(2.2)中，在所述第一填充层的表面再次沉积所述填充材料，在达到一定厚度后进行平整化，以保证两层金属膜层单元41的间距与设定值一致。

在所述光谱芯片的制造方法中，其中在所述制造方法的所述步骤(2)中进一步包括：沉积保护所述金属膜层单元41的介质层，以保护所述金属膜层单元41不被氧化或破坏。

在所述光谱芯片的制造方法中，其中在所述制造方法的所述步骤(2.1)和步骤(2.2)之后进一步包括：通过光刻后刻蚀或剥离，FIB刻蚀或者纳米压印的方式获得第一金属膜层单元41a和第二金属膜层单元41b，并且使得所述第一金属膜层单元41a和所述第二金属膜层单元42b分别对准所述光调制层30的微纳结构。

在所述光谱芯片的制造方法中，其中在所述制造方法的所述步骤(1)进一步包括：

步骤(1.1)，根据DBR层数及厚度设计要求，在所述图像传感器10的表面交替地沉积多层高折射率材料和低折射率材料，以在所述图像传感器10的表面形成所述结构层20。

在所述光谱芯片的制造方法中，其中在所述制造方法的所述步骤(1)进一步包括：

步骤(1.2)在所述结构层20的表面沉积微纳结构所需的材料，以在所述结构层的表面形成所述光调制层30。

值得一提的是，沉积所述微纳结构所需的材料可以是硅或硅基化合物，并且沉积工艺可以是化学气相沉积法(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 EnhancedChemical Vapor Deposition),物理气相沉积(PVD,PhysicalVapor Deposition)等。

在所述光谱芯片的制造方法中，其中在所述制造方法进一步包括：

步骤(3)，沉积介质保护层，并在达到设定的厚度后进行平整化，以保护结构不被外界因素破坏。

需要说明的是，若存在不同金属材料构成的金属膜层单元，则腔体高度可能存在一致的，步骤(2)可以调整为，在所述结构层20的表面沉积填充材料，以在所述结构层20的表面形成填充层；在所述填充层内依次设置至少二金属膜层单元41，其中所述至少二金属膜层单元41在所述填充材料中的材料不同，以制得所述光谱芯片。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (21)

1.光谱芯片，其特征在于，包括：

图像传感器；

结构层，其中所述结构层位于所述图像传感器的表面，且所述结构层包括多个依次叠加设置的高折射率层单元和低折射率层单元；

光调制层，其中所述光调制层被形成在所述结构层的表面；以及

金属薄膜层，其中所述金属薄膜层形成于所述光调制层的上方，且所述金属薄膜层的下表面与所述结构层的上表面之间形成一芯片腔体。

2.根据权利要求1所述的光谱芯片，其中所述金属薄膜层包括至少二金属膜层单元，所述芯片腔体存在至少两个不同的腔体高度。

3.根据权利要求2所述的光谱芯片，其中所述金属薄膜层包括第一金属膜层单元和第二金属膜层单元，所述第一金属膜层单元和所述第二金属膜层单元形成于所述光调制成的上方。

4.根据权利要求3所述的光谱芯片，其中所述第一金属膜层单元的所述第一膜层下表面到所述结构层的最上层的所述高折射率层的上表面距离为h1；所述第二金属膜层单元的所述第二膜层下表面到所述结构层的最上层的所述高折射率层的上表面距离为h2，其中h1的高度和h2的高度不同。

5.根据权利要求3所述的光谱芯片，其中所述金属薄膜层选自铝、金、铜、铂、银组成的金属组合中的一种或多种。

6.根据权利要求3所述的光谱芯片，其中所述第一金属膜层单元和所述第二金属膜层单元的金属材料相同。

7.根据权利要求3所述的光谱芯片，其中所述第一金属膜层单元和所述第二金属膜层单元的金属材料不同。

8.根据权利要求2所述的光谱芯片，其中所述金属薄膜层的所述金属膜层单元的数量n≥3，且存在至少两个所述金属膜层单元到所述结构层最上层的所述高折射率层的上表面的距离为腔体高度H不同。

9.根据权利要求2至8任一所述的光谱芯片，其中所述光调制层包括第一光调制层和第二光调制层，所述第一光调制层位于所述第二光调制层的上方。

10.根据权利要求9所述的光谱芯片，其中所述结构层由DBR结构构成，所述DBR结构具有多层层数，每一层所述DBR结构包括一层高折射率层和一层低折射率层，且所述结构层的所述DBR结构层数范围在1-10层之间。

11.根据权利要求9所述的光谱芯片，其中所述光调制层由至少一微纳结构构成，所述微纳结构选自调制孔、调制柱、线组成的结构组合。

12.根据权利要求9所述的光谱芯片，进一步包括至少一介质层，其中所述介质层被形成在所述金属薄膜层是上方。

13.一种光谱芯片的制造方法，其特征在于，其中所述制造方法包括如下步骤：

步骤(1)依次将结构层和光调制层形成在图像传感器的表面，其中所述光调制层被形成在所述结构层的上表面；和

步骤(2)在所述结构层的表面沉积填充材料，以在所述结构层的表面形成填充层；在所述填充层内依次设置至少二金属膜层单元，其中所述至少二金属膜层单元在所述填充材料中的高度不同，以制得所述光谱芯片。

14.根据权利要求13所述的制造方法，其中所述制造方法的所述步骤(2)进一步包括：

步骤(2.1)在所述光调制层的表面沉积填充材料，以形成至少一第一填充层，和将至少一所述金属膜层单元沉积在所述至少一第一填充层的表面；和

步骤(2.2)在所述第一填充层的表面沉积填充材料，以形成至少一第二填充层，和将至少一所述金属膜层单元沉积在所述至少一第二填充层的表面。

15.根据权利要求14所述的制造方法，其中在所述制造方法的所述步骤(2.1)中，沉积所述填充材料，在达到一定厚度后进行平整化，以得到所述第一填充层。

16.根据权利要求15所述的制造方法，其中在所述制造方法的所述步骤(2.2)中，在所述第一填充层的表面再次沉积所述填充材料，在达到一定厚度后进行平整化，以保证两层金属膜层单元的间距与设定值一致。

17.根据权利要求16所述的制造方法，其中在所述制造方法的所述步骤(2)中进一步包括：沉积保护所述金属膜层单元的介质层，以保护所述金属膜层单元不被氧化或破坏。

18.根据权利要求17所述的制造方法，其中在所述制造方法的所述步骤(2.1)和步骤(2.2)之后进一步包括：通过光刻后刻蚀或剥离，FIB刻蚀或者纳米压印的方式获得第一金属膜层单元和第二金属膜层单元，并且使得所述第一金属膜层单元和所述第二金属膜层单元分别对准所述光调制层的微纳结构。

19.根据权利要求13所述的制造方法，其中在所述制造方法的所述步骤(1)进一步包括：

步骤(1.1)根据DBR层数及厚度设计要求，在所述图像传感器的表面交替地沉积多层高折射率材料和低折射率材料，以在所述图像传感器的表面形成所述结构层。

20.根据权利要求19所述的制造方法，其中在所述制造方法的所述步骤(1)进一步包括：

步骤(1.2)在所述结构层的表面沉积微纳结构所需的材料，以在所述结构层的表面形成所述光调整层。

21.根据权利要求11所述的制造方法，其中在所述制造方法进一步包括：

步骤(3)沉积介质保护层，并在达到设定的厚度后进行平整化，以保护结构不被外界因素破坏。