微结构窄带滤光片设计及制备工艺研究

微结构窄带滤光片设计及制备工艺研究
潘永强;陈佳
【摘要】为了提升微结构窄带滤光片的光谱透过率,增大微结构单元的制备精度,提出一种新的膜系镀制方法和微结构单元的制备方法.基于法布里-珀罗(F-P)多光束干涉仪原理设计了3种不同中心波长的窄带滤光片,采用光化学掩模分离法和PECVD 技术相结合,制备出3种中心波长分别为480 nm、 520 nm和 590 nm,峰值透过率均大于80%,半宽度30 nm~50 nm,微结构单元的通道面积为50 μm×50 μm 的窄带滤光片.光谱透过率得到了提升的同时微结构单元边缘整齐、分界线清晰,精度也得到了有效地增加,达到μm量级.%In order to improve transmittance of microstructure narrowband filters and increase precision of microstructure unit, new fabrication method of film deposition and microstructure unit are proposed in this paper.Three different center wavelength filters are design based on concepts of Fabry-Perot principle.Three different center wavelength of narrowband filters are fabricated by combining photochemical mask separation and PECVD technology.Center wavelength of narrowband filters are λ1=480 nm、λ2=520 nm and λ3=590 nm respectively, transmittance are all above 80%, with bandwidth between 30 nm to 50 nm and an area for each microstructure unit 50×50
μm2.Transmittance is improved, while precision of microstr ucture unit are increased to reach micron order effectively with neat edge and clear dividing line.
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2017(038)001
【总页数】5页(P78-82)
【关键词】微结构;窄带滤光片;光化学掩模分离;PECVD
【作者】潘永强;陈佳
【作者单位】西安工业大学光电工程学院,陕西西安 710021;西安工业大学光电
工程学院,陕西西安 710021
【正文语种】中文
【中图分类】TN205;O484.1
多光谱成像技术是利用多个光谱通道进行图像采集、显示、处理和分析的技术[1-2]，其中多个光谱通道的实现就是通过在照相系统中添加滤光片来实现分光的效果。

目前，国内外多光谱成像光谱技术正在向光谱通道更多、集成度更高、体积小和质量更轻的方向发展[3-4]。

常见的小型化光谱仪采用光栅作为分光器件，这导致无
法真正实现微型化和集成化，最小体积在厘米量级，然而利用微结构滤光片技术就可以方便实现，并能大大减小整个系统的体积并提高其性能和可靠性[5]。

基于F-P滤光膜原理设计并制备了可实现透过可见光波段3个不同中心波长的微
结构窄带滤光片。

微结构单元的制备过程采用光化学掩膜分离的方法，滤光片的镀制过程利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术沉积得到。

膜系基本结构为F-P干涉仪滤光膜，是根据法布里-珀罗多光束干涉仪制成的干涉膜系。

选用的微结构窄带滤光片制备方法为光化学掩模分离法，该方法适合选取单一间隔层的滤光片膜系结构，并通过改变间隔层的厚度来改变中心波长的位置。

金属膜具有较大的吸收，一定程度上限制了滤光片性能，所以膜系结构类型为“全介
质单半波”型。

设计的中心波长λ2=520 nm的窄带滤光片膜系是
G/(HL)24H(LH)2/A，其中H是SiN2，L是SiO2，A是空气，G是基底K9玻璃。

通过改变间隔层的厚度，设计得到的中心波长λ1=480 nm和λ3=590 nm的膜系分别是G/(HL)23.44H(LH)2/A和G/(HL)24.98H(LH)2/A。

图1给出了TFCalc软件透射率理论曲线。

微结构滤光片的制备方法主要是掩模分离法[6]，也就是在沉积薄膜之前在基片上
制作出可分离掩模，用可分离掩模限定薄膜沉积的区域，从而得到所需的图形膜层。

其中可分离掩模主要有机械掩模和光化学掩模。

现阶段中科院上海技术物理研究所提出的组合刻蚀法[7-8]和组合镀膜法[9-10]，同样是利用掩模分离的原理，采用
离子束刻蚀和薄膜沉积相结合的方法进行微结构滤光片的制备。

薄膜沉积选取PECVD技术，PECVD技术是通过将反应气体离子化，可实现低温
下沉积薄膜，具有较高的沉积速率，膜层厚度均匀性好，可用于生长界面陡峭的多层薄膜结构，复形性优异，可配套光刻工艺制备出各种微结构薄膜。

又因其操作方法灵活，工艺重复性好等特点，已被广泛应用于半导体光电子器件、太阳能电池及集成电路制造工艺中[11]。

薄膜沉积的反应气体为SiH4、NH3和N2O，以日本SAMCO公司生产的PD-220型等离子体增强化学气相沉积系统薄膜沉积设备。

基底选用K9玻璃，反应方程式如下：
SiH4+NH3→SiN2+H2
SiH4+N2O→SiO2+H2+N2
SiO2薄膜的最佳工艺参数：SiH4流量为50 cm3/min，N2O流量为70
cm3/min，射频功率为150 W，工作温度为250 ℃，反应压强为120 Pa。

SiN2薄膜的工艺参数:SiH4流量为115 cm3/min，NH3流量为20 cm3/min，射频功率为200 W，工作温度为250 ℃，反应压强为120 Pa。

2.1 单层膜稳定性对膜系的影响
由单层SiO2薄膜和SiN2薄膜的制备实验得到膜层厚度相对误差的绝对值小于3.3%，膜层材料折射率相对误差的绝对值小于1%。

分别给3个膜系每个膜层的折射率均加上1%相对折射率误差的同时，再分别给其厚度均加上3.3%相对厚度误差，则对应的透射率曲线如图2所示。

可以看出，给各膜层分别加上1%相对折射率误差和3.3%相对厚度误差后，中心波长λ0的位置并没有发生明显的偏移，但是最大峰值透过率不能完全满足设计要求，中心波长为520 nm和590 nm的滤光片的下限峰值透过率仅为72.77%和76.60%，中心波长为480 nm的下限峰值透过率为80.90%，基本满足要求。

图3分别给出了中心波长为520 nm的滤光片的每个膜层均加上1%相对折射率误差或3.3%相对厚度误差后，得到的透射率曲线。

结合图2可以看出，影响透过率的主要是膜层厚度误差，折射率误差的影响相对较小。

所以，在后期进行多层膜沉积时，要精确把握膜层厚度，控制膜层误差，保证滤光片的峰值透过率，才能制备出符合要求的3种不同中心波长的滤光片。

2.2 微结构窄带滤光片的制备
使用EPG533正型光刻胶，在中科院微电子研究所生产的KW-5台式匀胶机上调节低转速为800 r/min，时间为12 s，高转速为3 000 r/min，时间为40 s，得到该转速下旋涂的光刻胶厚度为1.3 μm，经过实验探究当前烘温度105℃、前烘时间18 min，曝光时间40 s，显影时间45 s，后烘温度105 ℃、后烘时间10 min可以得到最佳光刻图形化结果，其中光刻部分使用的是上海学泽光学机械有限公司生产的JKG-2A型光刻机。

具体制备过程：
1) 在腔室内放入3个K9玻璃陪镀片，分别编号1、2和3(见表1)，以及利用光刻技术复制了图4(a)所示的掩模图形的基底，沉积表2中所示的1～4层和厚度为
218.15 nm的单层SiN2薄膜；
2) 取出基片组，利用光刻技术将图4(b)所示的掩模图形对准基底上的图形并复制
到基底上。

在腔室内放入陪镀片1和2以及基底，沉积厚度35.49 nm(即中心波
长520n m和480 nm膜系的间隔层厚度差)的单层SiN2薄膜；
3) 取出基片组，在剥离液中将不需要薄膜的地方剥离掉，继续利用光刻技术将图
4(c)所示的掩模图形对准复制到基底上。

在腔室内放入陪镀片1和基底，沉积厚度为62.16 nm(即中心波长590 nm和520 nm膜系的间隔层厚度差)的单层SiN2
薄膜；
4) 取出基片组，剥离不需要的薄膜。

将陪镀片1、2和3以及基底放入腔室，沉积表2所示的6～9层，即完成微结构窄带滤光片镀制。

采用日立公司生产的U-3501型紫外-可见分光光度计，对3个陪镀片的透过率进行测试，图5是透射率实测曲线。

图6是制备的微结构滤光片的偏光显微镜照片。

从透射率实测曲线与理论曲线的对比可以看出，3个样片在各自中心波长的位置均有稍微偏移，偏移后的中心波长为分别是478 nm、519 nm和585 nm，但峰值透过率均在80%以上，对应的透射率分别为83.85%、83.49%和90.38%，半宽
度分别对应33 nm、50 nm和49 nm。

中心波长处峰值透过率相对于设计的理论透过率都有所降低，其原因是多层膜在镀制过程中存在误差累计，每一层都存在折射率误差和厚度误差，单独考虑时对整个膜系的影响较小，当每一层的误差累积到一起时，就会对整个膜系造成较大的影响。

镀制过程中多次充气取出基片，再放入真空室镀制的过程，这也很大程度上对膜系的消光系数造成了影响，进而影响膜层的透射率。

从图6的微结构滤光片的显微照片可以看出，微结构滤光片边缘整齐、分界线清晰，说明PECVD技术可很好地用于生长界面陡峭的多层薄膜结构，生长的薄膜具有较好的复形性。

从实验测试结果可以看出，采用膜系设计和制备工艺相结合制备得到的微结构窄带
滤光片是可行的，所制备出的微结构单元的通道面积为50 μm×50 μm的窄带滤光片的3种中心波长的偏移量都在5 nm以内，且峰值透过率均达到了80%，甚至90%，半宽度30 nm～50 nm。

光化学掩模分离法在实际制备微米量级的微结构滤光片时，边缘整齐、分界线清晰，说明具有较高的精度，此外，通过显微照片分析结果表明，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在制备微结构滤光片时，具有较佳的复形性，便于微结构的实现。

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【相关文献】
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