專利名稱：集成窄帶濾光片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)濾光片，具體是指一種可利用半導(dǎo)體成熟工藝制備的，非常有利于與傳感器件集成的窄帶濾光片。
背景技術(shù)：
多光譜信息獲取技術(shù)已在航空、航天領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。分光技術(shù)是多光譜信息獲取技術(shù)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的分光方法主要有旋轉(zhuǎn)光柵、棱鏡和濾光片轉(zhuǎn)輪的時(shí)間分解方法，以及光柵棱鏡和分束濾光片的空間分解方法。如果采用時(shí)間分解方法，則涉及機(jī)械傳動(dòng)裝置，當(dāng)用于空間時(shí)一旦機(jī)械裝置出現(xiàn)故障就很可能導(dǎo)致整個(gè)儀器失效。如果采用光柵、棱鏡等空間分解方法，則相應(yīng)的儀器將占據(jù)較大空間，使整個(gè)設(shè)備的有效載荷增大，飛行器的負(fù)荷沉重。因此，人們一直在尋找有效的解決途徑。濾光片列陣是二十世紀(jì)八十年代開始研究發(fā)展起來的一種微型空間濾光器，如果將它與探測(cè)器列陣結(jié)合則可以構(gòu)成可識(shí)別光譜的探測(cè)器，大大簡(jiǎn)化分光系統(tǒng)，提高儀器的可靠性、穩(wěn)定性和光學(xué)效率，并改善其信噪比。因此新一代光譜儀器的分光系統(tǒng)都趨于采用這種新型結(jié)構(gòu)來獲取光譜信息，見J.R.Tower et al.RCA Review 47，266(1986)；J.A.Hall et al.SPIE 345，145(1982)。而且，濾光片列陣的實(shí)現(xiàn)還將對(duì)相應(yīng)傳感器件集成度的提高和小型化，以及濾光片式微型光譜儀的研制提供有力的技術(shù)支持。
雖然濾光片列陣的應(yīng)用前景非?？捎^，但多年來一直沒有取得明顯進(jìn)展，極大地制約了濾光片列陣的應(yīng)用和發(fā)展。究其原因，制約濾光片列陣發(fā)展主要有兩個(gè)工藝難點(diǎn)，即濾光片的微型化和集成化。目前集成濾光片的實(shí)現(xiàn)方式主要有以下幾種1.拼接將各個(gè)濾光片分別制備好后，通過一定手段將這些具有不同光譜特性的濾光片拼接起來形成一體，這種方式對(duì)濾光片的鍍制沒有特殊要求，但拼接難度較大，難以精確拼為一體，而且對(duì)濾光片尺寸有所限制，難以做得很小，不利于小型化和集成化。
2.濾光片轉(zhuǎn)輪將一系列濾光片固定在一個(gè)圓盤上，通過旋轉(zhuǎn)圓盤對(duì)應(yīng)不同濾光片來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同光譜波段的選擇。這種方式雖然比較簡(jiǎn)單，但不能同時(shí)獲取各個(gè)波段的光譜信息，而且涉及機(jī)械傳動(dòng)裝置，可靠性得不到保障，集成度也很難提高。
3.可調(diào)諧濾光片這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，多以F-P干涉儀式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行窄帶濾光片的設(shè)計(jì)，通過電、聲、熱等方式對(duì)結(jié)構(gòu)中諧振腔層的厚度或折射率進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行選擇的作用。這種濾光片結(jié)構(gòu)可以做得很小，但相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，而且可調(diào)諧的范圍非常窄，一般只有30nm左右；另外，和濾光片轉(zhuǎn)輪一樣，這種方式也不能同時(shí)獲取不同波長(zhǎng)的光譜信息。
4.濾光片列陣是最有應(yīng)用前景的濾光片集成方式，具有不同光譜特性的濾光片可以集成到同一塊基片上，而且可以根據(jù)需要做到微米量級(jí)。目前主要采用掩模方法，分區(qū)域進(jìn)行鍍制，見“程實(shí)平，嚴(yán)義塤，張鳳山，許步云，朱翠媛，《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》13，401(1994)；程實(shí)平，張鳳山，嚴(yán)義塤，《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》13，110(1994)”。這種集成方法工藝相當(dāng)復(fù)雜，而且每增加一個(gè)波段的濾光片，成品率就會(huì)下降一半，因而從工藝上就限制了集成度的進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述已有集成濾光片存在的種種問題，本發(fā)明的目的是提出一種制作方法簡(jiǎn)單，可與半導(dǎo)體工藝兼容的集成窄帶濾光片。
本發(fā)明的集成窄帶濾光片是基于F-P干涉原理，通過半導(dǎo)體刻蝕工藝來獲取不同諧振腔層的厚度，達(dá)到控制窄帶濾光片的帶通峰位，從而實(shí)現(xiàn)不同透射波長(zhǎng)窄帶濾光片在同一塊基片上的集成。這種濾光片的結(jié)構(gòu)可適用于各個(gè)波段窄帶濾光片列陣的制備。
本發(fā)明的集成窄帶濾光片包括基片，在基片上有一與基片牢固結(jié)合的下層膜系，在下層膜系上有一與下層膜系牢固結(jié)合的厚度不等的諧振腔層列陣，列陣＝m×n，m＝1、2、3…，n＝1、2、3…。在厚度不等的諧振腔層列陣上有一與其牢固結(jié)合的上層膜系。
所說的基片材料為對(duì)所要集成的濾光片波段是透明的。所說的上、下層膜系相同，均為(LH)5，諧振腔層厚度≥2L，其中H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，數(shù)值5為高折射率膜層與低折射率膜層交替疊層的次數(shù)，膜層的光學(xué)厚度(nd)為λ0/4，λ0為設(shè)計(jì)初始窄帶濾光片膜系時(shí)的中心波長(zhǎng)。
上述濾光片列陣中每一相同厚度的諧振腔層與其的上、下層膜系構(gòu)成一個(gè)微型窄帶濾光片，m×n個(gè)厚度不等的諧振腔層與其的上、下層膜系構(gòu)成m×n個(gè)微型窄帶濾光片。
本發(fā)明的集成窄帶濾光片的優(yōu)點(diǎn)是1、制備工藝與半導(dǎo)體工藝相兼容，利用成熟的半導(dǎo)體刻蝕工藝，根據(jù)需要可制備出形狀和尺寸都與探測(cè)器列陣匹配的集成窄帶濾光片，共同構(gòu)成光譜可識(shí)別的探測(cè)器，大大簡(jiǎn)化多光譜探測(cè)器的結(jié)構(gòu)，有利于儀器的小型化和集成化。
2、工藝簡(jiǎn)單，只需設(shè)計(jì)一個(gè)膜系、通過鍍膜和刻蝕即可完成集成窄帶濾光片的制備，而且集成度可以做得很高。
3、所制備濾光片的各單元的半峰寬很窄，其相對(duì)半峰寬都小于0.36％，可以起到很好的波長(zhǎng)選擇作用。


圖1為集成窄帶濾光片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2a和圖2b分別為光譜波段在2.558～2.809μm和2.295～2.967μm之間的微型窄帶濾光片列陣的透射光譜圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明，如圖1所示，以m＝n＝4，即16元的濾光片為實(shí)施例，每個(gè)濾光片的面積為2×2mm，總面積為8×8mm。濾光片的面積可以根據(jù)需要做得更小或者更大，最小可以做到微米量級(jí)。根據(jù)所選擇的濾光片列陣的透射波段2.558～2.809μm和2.967μm-2.295μm，確定基片1為硅材料，濾光片的膜系結(jié)構(gòu)為(LH)5(6L)(HL)5，其中下層膜系2為(LH)5、諧振腔層3為6L、上層膜系4為(HL)5，與下層膜系形成鏡面對(duì)稱。H表示λ0/4鍺膜層，L表示λ0/4一氧化硅膜層，λ0為初始窄帶濾光片的中心波長(zhǎng)，波長(zhǎng)為2.300μm。
首先，在基片1上采用真空鍍膜或磁控反應(yīng)濺射等方法鍍制下層膜系2和諧振腔層3。然后中止鍍膜，將已經(jīng)鍍好下層膜系2和諧振腔層3的基片取出，采用半導(dǎo)體工藝中常規(guī)的離子刻蝕方法分區(qū)域進(jìn)行刻蝕，形成16個(gè)厚度不等的諧振腔列陣，本實(shí)施例的離子刻蝕速率為0.25nm/s，具體與所刻蝕的材料和離子刻蝕機(jī)本身所設(shè)參數(shù)有關(guān)，刻蝕時(shí)間可精確控制到0.1s。接著在此基礎(chǔ)上進(jìn)行上層膜系4的鍍制，雖然此時(shí)所鍍的片子上諧振腔層厚度各不相同，但鍍膜時(shí)各處沉積速率都一樣，因此在不同諧振腔層厚度的區(qū)域上所鍍的上層膜系都完全相同，于是在同一塊基片上就形成了只有諧振腔層厚度不同、其他膜系完全相同的窄帶濾光片列陣。這種結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單有效，無論集成多少個(gè)窄帶濾光片單元，都只需要設(shè)計(jì)一個(gè)膜系，兩次鍍膜即可完成整個(gè)濾光片列陣的制備，比通常采用的方法要簡(jiǎn)單很多，而且集成度可以做得很高。
由于濾光片的透射波長(zhǎng)與諧振腔層的厚度成正比，因此可以通過減薄諧振腔層的厚度來改變?yōu)V光片的透射波長(zhǎng)，諧振腔層厚度每減薄1nm，濾光片的透射波長(zhǎng)就藍(lán)移1.9nm。對(duì)于波長(zhǎng)范圍為2.967μm-2.295μm的濾光片列陣，當(dāng)諧振腔層厚度減薄到357.2nm時(shí)，濾光片透射波長(zhǎng)藍(lán)移672nm，即從2.967μm改變到2.295μm。
圖2a是波長(zhǎng)分布在2.558～2.809μm之間的16個(gè)濾光片單元的透射光譜曲線，各個(gè)濾光片的帶通都非常窄，半峰寬都小于0.01μm，相對(duì)半峰寬小于0.35％，其中最小半峰寬只有0.0043μm，相對(duì)半峰寬達(dá)到0.16％，可以起到很好的波長(zhǎng)選擇作用。圖2b是波長(zhǎng)分布于2.295～2.967μm之間的16個(gè)濾光片單元的透射光譜曲線，說明本發(fā)明的集成窄帶濾光片既可在窄的波段范圍內(nèi)均勻分布窄帶濾光片列陣，還可在寬波段范圍內(nèi)集成窄帶濾光片列陣，具體參數(shù)見表1。
表1 兩個(gè)波段集成窄帶濾光片各個(gè)單元的基本參數(shù)(波長(zhǎng)、透過率和半峰寬)

權(quán)利要求
1.一種集成窄帶濾光片，包括基片(1)，其特征在于在基片上有一與基片牢固結(jié)合的下層膜系(2)，在下層膜系上有一與下層膜系牢固結(jié)合的厚度不等的諧振腔層列陣(3)，在厚度不等的諧振腔層列陣上有一與其牢固結(jié)合的上層膜系(4)；所說的基片(1)材料為對(duì)所要集成的濾光片波段是透明的；所說的上、下層膜系(4、2)相同，均為(LH)5，諧振腔層厚度≥2L，其中H為高折射率膜層，L為低折射率膜層，數(shù)值5為高折射率膜層與低折射率膜層交替疊層的次數(shù)，膜層的光學(xué)厚度nd為λ0/4，λ0為設(shè)計(jì)初始窄帶濾光片膜系時(shí)的中心波長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集成窄帶濾光片，包括基片，在基片上依次有相互牢固結(jié)合的下層膜系，厚度不等的諧振腔層列陣和上層膜系。本發(fā)明的集成窄帶濾光片是基于F－P干涉原理，通過半導(dǎo)體刻蝕工藝來獲取不同諧振腔層的厚度，達(dá)到控制窄帶濾光片的帶通峰位，從而實(shí)現(xiàn)不同透射波長(zhǎng)窄帶濾光片在同一塊基片上的集成。這種濾光片可適用于各個(gè)波段窄帶濾光片列陣的制備。其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，只需設(shè)計(jì)一個(gè)膜系、通過鍍膜和刻蝕即可完成集成窄帶濾光片的制備，所制備的濾光片各單元的半峰寬很窄，其相對(duì)半峰寬都小于0.36％，可以起到很好的波長(zhǎng)選擇作用。
文檔編號(hào)G02F1/01GK1614451SQ20041006789
公開日2005年5月11日 申請(qǐng)日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月5日
發(fā)明者王少偉, 陸衛(wèi), 陳平平, 李寧, 張波, 李志鋒, 陳效雙 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所