宽自由光谱范围多光谱成像芯片结构的制备方法与流程

本发明涉及光谱分析，涉及一种宽自由光谱范围多光谱成像芯片结构的制备方法，尤其涉及一种将分光薄膜、光电探测和读出电路利用与cmos兼容的半导体工艺实现集成的单片式宽自由谱宽范围的多光谱成像微型芯片结构的制备方法。

背景技术：

1、普通的rgb彩色图像上的每个像素点包含了用于识别色彩的数据信息。然而，普通的rgb彩色图像的感光三谱段的范围太宽，导致许多光谱信息相近的目标无法被识别区分。为了实现光谱信息相近的目标的区分，需要对rgb三个宽谱段进行窄带滤波，完成目标特征谱段的滤出，实现目标的区分。由于各种待识别目标的特征谱段不同，需要在不同的像素点上实现不同波长的窄带滤波。

2、递变腔体式法布里-珀罗(fp)光谱滤波器可集成在cmos图像传感器上，实现成像传感器的一体化，递变腔体式fp滤波器制作材料是与cmos传感器相兼容的半导体材料。递变腔体式fp滤波器的光腔包括通光层，上反射镜和下反射镜。由半导体材料制成(si3n4和sio2)的布拉格镜，通过交叠生长制备，反射率高达99％以上，可用作fp腔体反射镜。

3、fp滤波器的三个关键参数分别为其自由光谱范围(fsr)、腔体精细度以及腔体滤波器带宽，三个参数全部依赖于有效光腔长度以及腔镜的有效反射率。

4、在fp滤波器中，最大传输的波长周期性出现，并且相邻极大值之间的间隔(模间隔)称为自由光谱范围，符号δλfsr表示。对于设计波长λ，fp滤波器的fsr由通光层的有效光程leff确定，其表示为：

5、

6、fp滤波器的精细度由fp腔的有效反射率reff确定：

7、

8、有效反射率则通过fp腔的上反射镜和下反射镜的反射率来确定。

9、fp滤波器的带宽δλfp则是自由光谱范围(fsr)和精细度的比值，并且由下式给出：

10、

11、可以看出，实现窄带滤波器带宽的要求较高的fp腔反射镜的反射率。可以通过改变滤波腔长度，来将fp腔滤波器的滤波中心波长至选定的波长。fp滤波器的中心波长可变范围δλ由下式给出：

12、

13、其中δl为fp腔的腔长变化。为了覆盖更多的待识别目标的特征谱段，滤波器的中心波长变化范围要达到100nm及以上。

14、通过递变腔体结构改变fp腔的腔长实现滤波器的中线波长的变化，但是由于兼容cmos工艺的半导体材料的限制，自由光谱范围不超过350nm，无法满足一种结构设计覆盖可见光谱段(490～1000nm)，此外，对于硅基探测器响应光谱范围在400nm以上(500～900nm)，自由光谱范围外的漏光会严重影响范围多光谱成像微型传感器的性能，因此提高自由光谱范围、抑制自由光谱范围外的泄露光谱是多光谱成像微型传感器的难点。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

2、为此，本发明提供了一种宽自由光谱范围的多光谱成像芯片结构。

3、本发明的技术解决方案如下：本发明提供一种宽自由光谱范围多光谱成像芯片结构的制备方法，该制备方法包括：

4、步骤一、将像素感光单元沿其其中一个像素方向a依次划分为多个像素区域，另一个像素方向b不做区分；

5、步骤二、在所述多个像素区域上依次分别一体式沉积生长多个分光结构，所述分光结构用于实现窄带滤波，多个分光结构分别覆盖不同的光谱范围。

6、进一步地，沿像素方向a，设计多个分光结构覆盖的光谱范围从短波向长波过渡。

7、进一步地，所述步骤二包括：

8、2.1、在像素感光单元的整个像素区域上沉积去除层；

9、2.2、制备沿像素方向a的第一个分光结构，包括：

10、2.21、将与第一个分光结构对应的第一个像素区域上的去除层去除；

11、2.22、基于第一个分光结构的原材料在步骤2.21得到的结构上制备第一个分光结构；

12、2.3、去除多余去除层，在步骤2.2得到的结构上整体沉积去除层；

13、2.4、制备沿像素方向a的第二个分光结构，包括：

14、2.41、将与第二个分光结构对应的第二个像素区域上的去除层去除；

15、2.42、基于第二个分光结构的原材料在步骤2.41得到的结构上制备第二个分光结构；

16、2.5、以此类推，采用与步骤2.3～2.4相同的工艺，依次制备其余分光结构。

17、进一步地，所述步骤2.21中，通过光刻、刻蚀把第一个像素区域上的去除层去除。

18、进一步地，在制备第二个分光结构时，通过去除层反版光刻、刻蚀把第二个像素区域上的去除层去除，以及在制备步骤2.5中的其余分光结构时，采用相同的方法去除对应区域的去除层。

19、进一步地，所述分光结构采用线扫式fp滤波结构，包括多个fp腔，任意分光结构的多个fp腔的高度沿像素方向a递变，所述fp腔包括上反射镜、通光层和下反射镜，任意基于分光结构的原材料在相应结构上制备分光结构的过程，包括：

20、进行多个fp腔的下反射镜的沉积；

21、在所述下反射镜上进行通光层的沉积；

22、对所述分光结构对应像素区域上的通光层部分进行m次光刻、刻蚀，得到台阶结构的通光层，其中，分光结构的谱段数等于2m；

23、在所述台阶结构的通光层上或整个结构上沉积多个fp腔的上反射镜。

24、进一步地，多个分光结构沿像素方向a依次包括第一分光结构和第二分光结构，所述像素感光单元沿其其中一个像素方向a依次划分为第一像素区域和第二像素区域，所述第一分光结构和第二分光结构的制备方法包括：

25、3.1、在像素感光单元的整个像素区域上沉积去除层；

26、3.2、通过光刻、刻蚀去除第一像素区域上的去除层；

27、3.3、在步骤3.2得到的整个结构上进行第一分光结构的多个fp腔的下反射镜的沉积；在所述下反射镜上进行多个fp腔的通光层的沉积；对第一像素区域上的通光层部分进行m1次光刻得到台阶结构的通光层；在所述台阶结构的通光层上沉积多个fp腔的上反射镜或在整个结构上沉积多个fp腔的上反射镜；

28、3.4、去除第二像素区域的去除层，完成第一分光结构的制备；

29、3.5、在步骤3.4得到的整个结构上沉积去除层；

30、3.6、通过去除层反版光刻、刻蚀去除第二像素区域上的去除层；

31、3.7、在步骤3.6得到的整个结构上进行第二分光结构多个fp腔的下反射镜的沉积；在所述下反射镜上进行多个fp腔的通光层的沉积；对第二像素区域上的通光层进行m2次光刻得到台阶结构的通光层；在所述台阶结构的通光层上沉积多个fp腔的上反射镜或在整个结构上沉积多个fp腔的上反射镜；

32、3.8、去除去除层。

33、进一步地，所述第一分光结构覆盖的光谱范围为490nm～620nm，所述第二分光结构覆盖的光谱范围为650nm～1000nm。

34、进一步地，第一分光结构中，下反射镜采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替沉积制备，上反射镜和所述下反射镜结构相同，所述通光层由低反射率物质沉积生长而成，其中，所述高反射率物质包括si3n4，所述低反射率物质包括sio2；第二分光结构中，下反射镜采用多层高反射率物质和多层低反射率物质交替沉积制备，上反射镜和所述下反射镜结构相同，所述通光层由低反射率物质沉积生长而成，其中，所述高反射率物质包括α-si，所述低反射率物质包括sio2。

35、进一步地，所述步骤二包括：

36、2.6、在制备得到的多个分光结构上一体式沉积截止滤波膜。

37、应用上述技术方案，通过将像素感光单元沿划分为多个像素区域，并在多个像素区域上依次分别一体式沉积生长多个分光结构，分光结构覆盖不同的光谱范围，突破了由于材料折射率差对自由光谱范围的限制，展宽了单片式图像传感器的窄带滤波的自由光谱范围，得到了能够在可见光光谱范围(490～900nm)内高消光比窄带分光特性的微型光电图像芯片结构。

38、本发明制备方法得到的芯片结构为单片式宽自由谱宽范围的多光谱成像芯片结构，相比单独结构芯片靠拼接来实现光谱范围展宽的方案，采用本发明的芯片结构不需要改变后续图像传感器的读出电路，只是在感光区域上沉积几种分光结构，即可实现自由光谱的展宽覆盖；不需要开发后读出高速拼接算法，同时不需要高速fpga板级硬件系统，并且在体积重量和成本上都具有较大优势，是真正的单芯片soc(system on chip)。