本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及一種集成式帶通濾波器和光譜儀。

背景技術(shù)：

物質(zhì)的光譜含有物質(zhì)的大量化學(xué)信息，每一種物質(zhì)均有對(duì)應(yīng)的特征光譜，因此探測(cè)物質(zhì)的光譜可以分析物質(zhì)的化學(xué)組分，在地理遙感、污染遙感監(jiān)測(cè)、無創(chuàng)醫(yī)療診斷以及軍事目標(biāo)的識(shí)別等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，目前的光譜分析技術(shù)主要依賴光柵分光或者多個(gè)分立帶通濾波片進(jìn)行分光，前者體積龐大，速度慢，不能滿足小型化、快速化的應(yīng)用要求；而后者只能探測(cè)少數(shù)幾個(gè)波長上的信息。本實(shí)用新型提出通過制備垂直納米或微米柱體并進(jìn)一步形成垂直的金屬孔，研究結(jié)果表明：不同直徑的金屬孔透過的波長也不同，即金屬孔的直徑與透過該金屬孔的光的波長之間存在相應(yīng)的關(guān)系。本實(shí)用新型通過一次性大規(guī)模形成直徑不同的金屬孔陣列，因而可以對(duì)入射光在大量波長上進(jìn)行分光，從而實(shí)現(xiàn)微型的高精度的光譜分光。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)上述技術(shù)問題，提出了一種集成式帶通濾波器和光譜儀，其可以將大量選通波長不同的微型帶通濾波器，通過一次加工大規(guī)模集成在很小的芯片上，具有高集成度的優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)用新型的一個(gè)方面是提供了一種集成式帶通濾波器，包括：包括一金屬層，金屬層中形成貫通的微米或納米孔陣列，通過金屬微米或納米孔的光的特征波長λ近似滿足以下公式：λ≈nD，這里，n是金屬孔中填充材料的折射系數(shù)，D是金屬孔的直徑或?qū)挾取?/p>

本實(shí)用新型的又一個(gè)方面是提供了一種光譜儀，包括：前述的集成式帶通濾波器，以及設(shè)置在所述帶通濾波器下方的光電探測(cè)器，其中，所述集成式帶通濾波器的每個(gè)金屬孔底部均設(shè)有一個(gè)探測(cè)器以將不同波長的光轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)。

本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本實(shí)用新型的集成式帶通濾波器中每個(gè)金屬孔都是一個(gè)帶通濾波器，通過改變金屬孔的大小，可以將大量選通波長不同的微型帶通濾波器，通過一次加工的辦法大規(guī)模集成在很小的芯片上；

2、本實(shí)用新型的工藝與CMOS工藝兼容，成本低。

3、本實(shí)用新型的濾波器陣列對(duì)不同波長的光進(jìn)行同時(shí)分光，具有速度快的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的集成式帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型的集成式帶通濾波器的一種制造方法的示意圖。

圖3為以鍺為填充材料的不同直徑的金屬微米孔陣列在中紅外區(qū)域的透射峰的示意圖。

圖4為本實(shí)用新型的集成式帶通濾波器的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本實(shí)用新型的光譜儀的一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

在下列說明中，為了提供對(duì)本實(shí)用新型的徹底了解而提出許多具體細(xì)節(jié)。本實(shí)用新型可在不具有部分或所有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。在其他情況下，為了不對(duì)本實(shí)用新型造成不必要的混淆，不詳述眾所周知的過程操作。雖然本實(shí)用新型將結(jié)合具體實(shí)施例來進(jìn)行說明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，這并非旨在將本實(shí)用新型限制于這些實(shí)施例。

圖1為本實(shí)用新型的集成式帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實(shí)用新型的集成式帶通濾波器包括一金屬層1，該金屬層1中形成貫通的微米或納米孔陣列即金屬微米或納米孔陣列2，通過該金屬微米或納米孔(金屬孔)2的光的特征波長λ近似滿足以下公式：

λ≈nD (1)

這里，n是金屬孔2中填充材料5的折射系數(shù)，D是金屬孔的直徑或?qū)挾取?/p>

本實(shí)用新型中，所述金屬層1中的金屬可以為任意金屬，比如可以是常見的鋁或金。

本實(shí)用新型中，金屬孔2的高度(深度，從金屬層的一面貫通至另一面的距離)至少大于所需選通的波長，既可以保證對(duì)光的過濾效果，也不至于造成過多的損耗。

本實(shí)施例中，所述金屬孔2為圓柱體。在另外的實(shí)施例中，金屬孔也可以為方柱體或者橫截面為六邊形的柱體。

所述金屬孔2中的填充材料5為不吸收所需要選通的波長的光的材料。例如，所需要選通的波長的光是中紅外波段的光，則該材料可以是鍺。最近的研究結(jié)果表明，相較于其他常用材料，中紅外波段光穿透鍺材料時(shí)的損耗小。

在其他實(shí)施例中，如果所需要選通的波長的光是可見光，則該材料可以是SiO2等介電材料。另外，所述金屬孔2中可以不具有填充材料(即去除填充材料)，則金屬孔2中的折射系數(shù)為1。

另外，而金屬微米或納米孔陣列2與透過孔的光強(qiáng)有關(guān)，陣列越密，光強(qiáng)越大。金屬孔2的排布方式可以正方形，也可以是蜂窩型。

上述金屬微米或納米孔2的物理尺寸及排布方式等可以通過仿真軟件設(shè)計(jì)來確定。仿真軟件例如可采用流行商業(yè)Lumerical的FDTD Solution模塊。通過FDTD Solution模塊設(shè)計(jì)金屬納米或微米孔的物理尺寸以及排布方式，可以使其吸收光譜位于所需波長范圍之內(nèi)。具體地，選定仿真區(qū)域并設(shè)置X、Y方向?yàn)橹芷谛赃吔鐥l件，光源由X、Y方向線偏振光相疊加，以模擬平行光并沿Z方向傳播，即可模擬納米或微米孔的濾波效果并得到透射譜圖(如圖3)。通過仿真軟件，可獲得金屬孔2選通的具體波長取決于單個(gè)金屬孔2的直徑，即近似滿足前述公式(1)。

圖3為以鍺為填充物的不同直徑微米孔陣列在中紅外區(qū)域的透射峰的示意圖。圖3中，橫軸為波長，縱軸為透過率。不同形式的曲線代表不同波長的光。圖中左上角的標(biāo)識(shí)D標(biāo)識(shí)微米線的直徑，后面數(shù)字的單位是納米。例如，實(shí)線代表的是波長為1200納米的光。從圖中可知，通過調(diào)整納米或微米金屬孔的直徑，就可以使透射峰有效地覆蓋需要的波段。

另外，本實(shí)用新型中，為了在較高集成度的基礎(chǔ)上盡量減弱同一陣列當(dāng)中納米或微米柱體之間的相互影響，較佳地，干法蝕刻的情況下，所述金屬孔陣列的占空比為大約1:3，所述占空比表示在柱體陣列的俯視圖中XY平面(水平面)的孔內(nèi)面積與孔外面積之比。

圖2為本實(shí)用新型的集成式帶通濾波器的一種制造方法的示意圖。如圖2(a)～(d)所示，制造方法包括以下步驟a～d。

步驟a、在襯底基板上形成規(guī)定形狀的掩膜版3，所述襯底基板4為不吸收特定波長的光的材料，如圖2(a)所示。襯底基板的材料可根據(jù)需要選通的波長而定，例如需要選通中紅外波長的光，則不吸收特定波長的光的材料可以為鍺，其不吸收中紅外波段的光。

掩膜版3例如采用金屬圓片，金屬圓片3是通過光刻在鍺片表面形成的包含不同直徑的微米圓點(diǎn)的多個(gè)點(diǎn)陣，熱蒸金屬并浸入丙酮?jiǎng)冸x，剩余下來的金屬圓片圖案用作掩膜，以用于下一步驟的蝕刻來形成微米或納米柱體陣列。

這里舉例的金屬圓片掩膜版是干法刻蝕時(shí)需要金屬作為刻蝕的掩模版。金屬材料需要與干法刻蝕工藝兼容，一般選用鋁或鉻。另外，對(duì)于干法刻蝕法，掩模版也可以是其它材料，比如光刻膠。

另外，掩膜版的規(guī)定形狀決定后面步驟中形成的金屬孔的形狀，可以是圓形或方形或六邊形。

步驟b、利用蝕刻技術(shù)形成多個(gè)微米或納米柱體即微米或納米柱體陣列5，如圖2(b)所示。步驟b中所述蝕刻技術(shù)為干法蝕刻或濕法化學(xué)蝕刻。為了保證側(cè)壁較高的垂直度，例如，蝕刻可以采用Non-bosch process慢速工藝，通過優(yōu)化兩種反應(yīng)氣體SF6，C4F8的比例以及偏壓和功率等參數(shù)，可以取得最佳的蝕刻結(jié)果。蝕刻完成后，可以通過掃描電子顯微鏡觀察測(cè)量納米線的直徑及高度，以驗(yàn)證所得到的微米或納米柱體陣列是否滿足要求。這里，納米或微米柱體的目的是為了方便制造金屬納米或微米孔，對(duì)金屬納米或微米孔起支撐作用。

步驟c、在所述整個(gè)微米或納米柱體陣列上和柱體側(cè)壁表面以及柱體底部的襯底表面各向同性地沉積一層金屬薄層1，為了達(dá)到各向同性的效果，金屬的沉積辦法可以是離子濺射工藝或者原子層沉積工藝，如圖2(c)所示。這里的金屬可以是任意金屬，比如常見的鋁、銅或金，金屬的厚度例如為200納米，此時(shí)需要將微米或納米柱體之間的空隙填充其它介電材料(比如氧化硅或氮化硅，未圖示)，以在下面的拋光工藝中對(duì)微米或納米柱體起支撐作用。

或者，本步驟也可以在所述整個(gè)微米或納米柱體陣列上各向同性地沉積金屬1，直至整個(gè)陣列填滿。同樣，如前所述，為了達(dá)到各向同性的效果，金屬的沉積辦法可以是離子濺射工藝或者原子層沉積工藝并結(jié)合電鍍工藝。金屬1可以是任意金屬，比如常見的鋁、銅或金。

步驟d、對(duì)步驟c中形成的填充結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行拋光，直至暴露出所述微米或納米柱體部分5，如圖2(d)所示。

在另外的實(shí)施例中，步驟d之后可選地包括步驟e：去除所述微米或納米柱體內(nèi)的填充材料5(也可以包括去除所有襯底基板)，形成中空柱體，即金屬孔2中不具有任何填充材料，如圖4所示。中空的金屬孔2同樣有濾波的效果，只是波長位置發(fā)生了變化，因?yàn)榻饘倏?中的介質(zhì)常數(shù)變成了1。

本實(shí)用新型還提供了上述集成式帶通濾波器的另一種制造方法。本方法與前述的制造方法中相同的部分不再贅述，這里只對(duì)不同之處進(jìn)行詳細(xì)說明。具體地，該制造方法包括如下步驟：

步驟a.在目標(biāo)襯底上沉積適當(dāng)厚度的介電材料，并在所述介電材料的表面形成暴露規(guī)定形狀的掩模版；該規(guī)定形狀為圓形或方形或六角形。也就是說，通過該掩膜版，可在下一蝕刻步驟中形成規(guī)定形狀的微米或納米孔。

步驟b.利用刻蝕技術(shù)在所述介電材料中形成多個(gè)微米或納米孔；即多個(gè)微米或納米孔的橫截面形狀為前述規(guī)定的形狀。

步驟c.在所述多個(gè)微米或納米孔的側(cè)壁和介電材料的上表面各向同性地沉積一層金屬薄膜，但在所述多個(gè)微米或納米孔的底部不沉積金屬，從而形成多個(gè)金屬微米或納米孔。

步驟d.向所述多個(gè)金屬微米或納米孔中填充適當(dāng)?shù)牟牧匣蛘卟幌蛩龆鄠€(gè)金屬微米或納米孔中填充任何材料，填充的材料為不吸收特定波長的光的材料。

本實(shí)用新型還提供了一種光譜儀設(shè)計(jì)，如圖5所示，通過適當(dāng)?shù)墓に嚕梢詫⑸鲜黾墒綆V波器(金屬孔陣列濾波器)與光電探測(cè)器陣列集成在一起，每個(gè)金屬孔底部均設(shè)有一個(gè)探測(cè)器6。該光譜儀可以將不同波長的光轉(zhuǎn)同時(shí)換成電學(xué)信號(hào)。在其它實(shí)施例中，也可以在直徑相同的金屬孔下面只設(shè)置一個(gè)面積很大的光電探測(cè)器，這樣光電探測(cè)器接收到的光(同一波長附近的光)的強(qiáng)度會(huì)更大，因而也會(huì)更靈敏。

本實(shí)用新型通過利用集成電路加工技術(shù)，可一次性大規(guī)模形成直徑不同的金屬孔陣列，因而可以對(duì)入射光在大量波長上進(jìn)行分光，最終實(shí)現(xiàn)微型的高精度的光譜分光芯片。進(jìn)一步地，基于本實(shí)用新型的微型的光譜分光芯片可制造微型便攜式的光譜儀，其突破了現(xiàn)有技術(shù)的限制，具有重大的商業(yè)價(jià)值。

需要指出的是，由于技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)的更新，具有相同功能的部件往往具有多個(gè)不同的稱呼。本實(shí)用新型專利申請(qǐng)書中所使用的技術(shù)名詞是為了解釋和演示本實(shí)用新型的技術(shù)方案，應(yīng)以其本領(lǐng)域內(nèi)所共識(shí)的功能為準(zhǔn)，而不能僅以名稱的異同任意解讀。

本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點(diǎn)已揭示如上，然而熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可能基于本實(shí)用新型的教示及揭示而作種種不背離本實(shí)用新型精神的替換及修飾。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)不限于實(shí)施例所揭示的內(nèi)容，而應(yīng)包括各種不背離本實(shí)用新型的替換及修飾，并為本專利申請(qǐng)權(quán)利要求書所涵蓋。