专利名称：微型集成窄带滤光片阵列及其制备方法
技术领域：
本发明涉及光学薄膜及光学滤光片，具体是指一种用于焦平面器件的多通道微型集成窄带滤光片阵列。
背景技术：
随着焦平面探测器的发展，为仪器的小型化和模块化提供了基础。为了能够得到更多的信息，就需要多通道探测。获得多通道探测的方法很多，有光栅分光、滤光片分光、棱镜分光等，而多通道滤光片阵列和探测器阵列的组合，可以大大简化光学系统，减小仪器的体积和重量。所以，微型集成窄带滤光片阵列的研究对航天遥感技术的发展具有重要意义。近年来光学薄膜技术有了突飞猛进的发展，从镀膜的手段如电子枪、离子源、磁控溅射等技术的成熟，到监控手段的不断丰富，镀膜的可靠性和稳定性有很大的发展，控制精度也有很大的提高，能够得到很理想的滤光片，研制微型集成窄带滤光片阵列的条件已经成熟。将滤光片阵列和探测器阵列组合成一个组件，作为多通道焦平面探测器阵列，可以大大减少光学系统的体积和重量，对空间用的仪器具有非常重要的意义。同时，由于探测器和滤光片成为一个组件，可以使探测系统模块化，小型化，提高卫星系统的灵活性，和有效载荷的使用效率。
目前集成滤光片的实现方式主要有以下几种1.胶合集成将各个通道的窄带滤光片分别用光学镀膜PVD的方法制备好后，通过切割成要求的尺寸后，在公共托片上将这些具有不同光谱通道的窄带滤光片胶合在一起，这种方式对窄带滤光片的镀制没有特殊要求，但组合的难度较大，难以精确组合为一体。滤光片尺寸有所限制，难以做得很小，不利于小型化和集成化。而且通道间的串绕较大，对光学传递函数影响较大。
2.可调谐滤光片这种结构比较简单，多以F-P干涉仪式的结构进行窄带滤光片的设计，通过电、声、热等方式对结构中谐振腔层的厚度或折射率进行控制，从而达到对波长进行选择的作用。这种滤光片结构可以做得很小，但相应的控制机构比较复杂，而且可调谐的范围非常窄，一般只有30nm左右，这种方式也不能同时获取不同波长的光谱信息。
3.集成窄带滤光片这种滤光片是基于F-P干涉原理，通过半导体刻蚀工艺来在不同位置上获取不同谐振腔膜层的厚度，达到控制窄带滤光片的带通的中心波长，从而实现不同透射波长窄带滤光片集成在同一块基片上。这种滤光片的通道波长范围很小，只适合很小光谱范围滤光片的制备，而且波形系数差和透过率低。不能适用于宽光谱范围的波形要求高透过率高的滤光片阵列的使用。
4、渐变滤光片阵列一种能同时快速探测不同波段的微型集成窄带滤光片。它采用遮蔽板方式，利用真空镀膜制作而成。在基板的一端只透过短波波长的光谱，另一端只透过长波波长的光谱；在基板的中间只透过在两段波长范围内的一种特定波长的光谱，光谱分辨率达到0.2μm，并且所透过的光波长与它对应的透过位置从基板一端向另一端线性变化。其缺点是光谱连续，不能在指定位置得到指定的光谱，而且单个通道的光谱性能和透过率由于线性渐变而变差。
5.微型集成滤光片阵列一种最有应用前景的滤光片集成方式，它是采用半导体器件制作工艺与基本PVD方法结合而成的分区域进行镀制的掩模分离法，将具有不同光谱特性的滤光片可以集成到同一块基片上，而且可以根据需要做到微米量级。见“程实平，严义埙，张凤山，许步云，朱翠媛，红外与毫米波学报》13，401(1994)；程实平，张凤山，严义埙，红外与毫米波学报》13，110(1994)”。由于这种集成方法工艺步骤复杂，每增加一个通道，滤光片的成品率就会下降一半，而且各个通道的滤光片很微小，很难在制备过程中对单通道滤光片进行测量，从而作出筛选。另外目前这种集成方式各通道之间还存在串音。
发明内容
基于上述已有各种集成滤光片阵列存在的种种问题，本发明的目的是提出一种可防止各滤光片通道之间串音和节约成本的微型集成窄带滤光片阵列及其制备方法。
本发明的微型集成窄带滤光片阵列，包括基片1，在基片的一面置有与基片牢固结合的多个通道微型窄带滤光膜层2，在基片的另一面镀制有公共截次峰膜层3，其特征在于各通道微型窄带滤光膜层之间有一间隔，间隔内置有防止光串扰的不透光的金属层4，该金属层从间隔内延伸到滤光膜层的侧面，即各个通道滤光膜层侧面都有金属层包覆，彻底解决了各个通道之间的光串。
本发明的微型集成窄带滤光片阵列的制备方法是利用半导体器件制作工艺与基本PVD方法结合而成的掩模分离法，其具体制备方法步骤如下A.首先在基片上利用光刻和镀膜工艺制备为后续各通道镀制膜系用的光刻对准标记5及多通道光阑7，通道数根据焦平面探测器要求而定，该光阑就是微型集成窄带滤光片各滤光膜层之间防止光串扰的不透光的金属层，两金属线条之间是单通道滤光膜层的镀膜窗口；B.利用光刻工艺冷镀金属掩模，只留第一个通道作为镀膜窗口，以及在多通道光阑旁边开出对应的测量镀膜窗口6，根据第一个通道主膜系的设计，对第一个通道的镀膜窗口及测量镀膜窗口同时进行真空主膜系镀制，主膜系镀制好后，对测量镀膜窗口形成的单通道膜系进行测量，看其是否符合设计要求；C.如符合设计要求，再通过化学腐蚀的方法剥离通道外的掩模和介质膜层，重复B步骤，得到第二个通道窄带滤光片。如此反复多次可以得到所要求的通道数阵列；D.再通过光刻工艺在通道间冷镀金属层，将各通道膜层侧面用金属层包覆；E.最后在基片的背面真空镀制公共截次峰膜层，完成微型集成窄带滤光片阵列的制备。
本发明的微型集成窄带滤光片阵列的优点在于1、通道间有不透光的金属层隔离和各通道膜层侧面有金属层包覆，可以有效消除通道间光的串绕，提高光学系统的传递函数；2、采用金属掩模，有效地解决了光刻胶不能耐高温的问题，及其机械掩模所带来的变形和边缘效应，解决了通道图案精细化的问题；3、采用金属掩模，有效的提高了基片温度的一致性，大大提高了镀膜的均匀性；4、掩模采用光刻技术制作，大大提高了通道的对准精度；5、多通道滤光片的带宽和透过率都能够得到很好的控制，而且波段可以根据需要设置；6、将多通道的主膜系镀制在一个面上，公共截次峰膜系镀制在基片的另一面，大大降低了滤光片的设计镀制难度；7、测量镀膜窗口的设置降低了成本，提高了测量精度，成品率和效率。
说明书附1为七通道滤光片的剖面结构示意图。
图2为七通道滤光片的防光串金属光阑。
图3为在大片上镀制好的七个七通道滤光片及对应的测量窗口。
图4为七通道滤光片的公共截次峰膜系的实测曲线。
图5(a)为第一通道412nm的实测曲线；图5(b)为第二通道443nm的实测曲线；图5(c)为第三通道470nm的实测曲线；图5(d)为第四通道490nm的实测曲线；图5(e)为第五通道520nm的实测曲线；图5(f)为第六通道550nm的实测曲线；图5(g)为第七通道565nm的实测曲线。
具体实施例方式
下面以可见光七通道微型集成滤光片阵列为例，结合附图
对本发明的具体实施方式
作详细说明。表1是七通道滤光片的中心波长和带宽及透过率设计要求，次峰截止范围从400nm到1100nm，截止区透过率小于1％。由于在一片基片上镀制七个通道的窄带滤光片，难度很大，膜系设计将600nm到1100nm的次峰采用公共截次峰膜系，这样每个通道的截次峰膜系的范围大大减小为400-600nm，给主峰膜系的设计和镀制的难度大大降低。本发明的膜系可以是用规整膜系设计的，也可以是非规整膜系设计的，一般采用非规整膜系设计，膜层厚度可以减少，提高镀膜的成品率和膜层的牢固度。
七通道的非规整膜系如下第一通道412nm膜系1.033L.879H.824L.824H.875L 2.211H 1.001L.99H.897L.97H 1.013L 1.07H 1.089L 1.846H1.215L.936H.773L.977H 1.121L 1.183H 1.219L 1.272H 1.296L 1.303H 1.257L 1.248H 1.275L1.67H 1.549L 1.22H 1.238L 1.316H 1.373L 1.506H 1.359L 1.495H 1.451L 1.51H 2.415Lλ＝412nm H-Nb2O5，L-SiO2。
第二通道443nm膜系1L.964H.991L.976H 4.018L 1.004H 1.007L 1H.999L.989H 1.001L.999H 3.986L 1.011H1.01L 1.016H 1.006L 1.005H 1.001L.972H 3.977L 1.013H 1.027L 1.059H 1.05L 1.966H 1.087L1.435H 1.356L 1.44H 1.13L 1.299H 1.195L 1.487H 1.321L 1.454H 1.192L 1.492H 1.337L 1.312H1.114L 1.547H.562Lλ＝443nm H-Nb2O5，L-SiO2。
第三通道470nm膜系.999L.974H.741L.396H.841L2.802H.834L.763H.88L.958H.862L.37H.679L.985H 1.032L1.003H 1.047L 1.016H 1.849L 1.101H 1.082L 1.028H 1.055L 1.139H 1.517L 1.303H 1.157L 1.131H1.158L 1.206H 1.271L 1.57H 1.173L 1.19H 1.059Lλ＝470nm H-Nb2O5，L-SiO2。
第四通道490nm膜系1.052L 2.004H 2.057L 1.097H 1.393L 1.093H 1.27L 1.005H 1.523L 1.025H 1.303L 1.226H1.012L.979H 1.019L.98H 1.457L 1.107H.95L 1.909H.99L.871H1.004L.99H.969L.757H.809L.68H.915L.905H.938L.644H.496L 1.057H.843L 1.067H2.726L.22H.598Lλ＝490nm H-Nb2O5，L-SiO2。
第五通道520nm膜系1.24L 2.533H 1.296L 1.266H.958L 1.568H 1.365L.755H 1.451L 1.094H 1.012L 1.073H.99L1.031H 1.587L.735H.511L2.159H.964L 1.019H 1.175L1.219H.95L.954H.923L.888H.84L.683H.668L.727H.857L.885H.913L.911H.926L.931H.927L2.48H.732L.628H 1.962Lλ＝520nm H-Nb2O5，L-SiO2。
第六通道550nm膜系2.112L.699H.664L.641H.749L.791H.831L.877H.842L.75H.81L.743H.802L.79H.815L.766H.824L.773H.874L 1.268H 3.1L.126H.748L.861H.958L 1.299H 1.002L.732H 1.676L 1.295H1.277L 1.15H.971L 1.237H 1.04L 1.288H 1.833L 2.482H 1.371L.799H 1.246L 1.269H 1.394L1.377H.775L 1.344H 1.146L 1.663H λ＝550nm H-Nb2O5，L-SiO2。
第七通道565nm膜系918L 1.006H 1.067L.826H.671L 2.294H.995L.988H.99L.992H 1.006L 1.014H.978L.961H1.012L 2.101H.987L.848H.924L 1.041H.977L.946H.943L.997H 1.03L 2.174H.82L.507H.95L1.205H2.27L.591H.775L.794H.839L.792H.822L.642H.575L.499H.761L.813H.825L.761H.742L.625H.651L.635H.29L λ＝565nm H-Nb2O5，L-SiO2。
公共截次峰膜系1.214L 1.103H.989L 1.071H.891L 1.1H.795L 1.213H.493L 1.205H.83L 1.074H.859L1.034H.93L.972H 1.006L.921H 1.067L.976H 1.284L 1.406H 1.267L.968H 1.111L.978H 1.137L1.144H 1.377L 1.369H 1.93L 1.319H 1.384L 1.397H 1.478L 1.442H 1.494L 1.454H 1.465L 1.416H1.357L 1.14H.566L λ＝700nm，H-Nb2O5.L-SiO2基片采用在使用波段内透明的石英或K9材料。
本发明中所指的防止光串扰的不透光的金属可以是金属黑铬，也可以是其它金属材料，只要能够遮光且耐腐蚀即可。
本实施例中所指的金属掩模是由三层金属膜复合而成的，第一层是金属铝，厚度为0.5微米，第二层是金属铜，厚度为1.0微米，第三层也是金属层铝，厚度0.5微米。
按上述的制备步骤在一大的基片上同时制备六个七通道的滤光片，七通道滤光片的性能实测曲线如图5(a-g)中的实线。可见本发明方法达到了预期的目的。
表1
权利要求
1.一种微型集成窄带滤光片阵列，包括基片(1)，在基片的一面镀制有与基片牢固结合的多个通道微型窄带滤光膜层(2)，在基片的另一面镀制有公共截次峰膜层(3)，其特征在于各通道微型窄带滤光膜层之间有一间隔，间隔内置有防止光串扰的不透光的金属层(4)，该金属层从间隔内延伸到滤光膜层的侧面，即各个通道滤光膜层侧面都有金属层包覆。
2.一种微型集成窄带滤光片阵列的制备方法，其特征在于具体制备步骤如下A.首先在基片上利用光刻和镀膜工艺制备为后续各通道镀制膜系用的光刻对准标记(5)及多通道光阑(7)，通道数根据焦平面探测器要求而定，该光阑就是微型集成窄带滤光片各滤光膜层之间防止光串扰的不透光的金属层，两金属线条之间是单通道滤光膜层的镀膜窗口；B.利用光刻工艺冷镀金属掩模，只留第一个通道作为镀膜窗口，以及在多通道光阑旁边开出对应的测量镀膜窗口(6)，根据第一个通道主膜系的设计，对第一个通道的镀膜窗口及测量镀膜窗口同时进行真空主膜系镀制，主膜系镀制好后，对测量镀膜窗口形成的单通道膜系进行测量，看其是否符合设计要求；C.如符合设计要求，再通过化学腐蚀的方法剥离通道外的掩模和介质膜层，重复B步骤，得到第二个通道窄带滤光片。如此反复多次可以得到所要求的通道数阵列；D.再通过光刻工艺在通道间冷镀金属层，将各通道膜层侧面用金属层包覆；E.最后在基片的背面真空镀制公共截次峰膜层，完成微型集成窄带滤光片阵列的制备。
全文摘要
本发明公开了一种微型集成窄带滤光片阵列及其制备方法，该滤光片阵列包括基片，在基片的一面置有与基片牢固结合的多个通道微型窄带滤光膜层，在基片的另一面镀制有公共截次峰膜层，其特征在于各通道微型窄带滤光膜层之间有一间隔，间隔内置有防止光串扰的不透光的金属层，该金属层从间隔内延伸到滤光膜层的侧面，即各个通道滤光膜层侧面都有金属层包覆，彻底解决了各个通道之间的光串。该制备方法的特征是在滤光片的制备过程中，增设测量镀膜窗口，与对应的通道同时镀制，解决了制备过程中对单通道膜系进行测量的难度；采用金属掩模，有效地解决了光刻胶不能耐高温的问题，及其机械掩模所带来的变形和边缘效应，解决了通道图案精细化的问题。
文档编号G03F7/00GK1862296SQ200610027388
公开日2006年11月15日 申请日期2006年6月8日 优先权日2006年6月8日
发明者周东平, 沈家麟 申请人:上海欧菲尔光电技术有限公司, 中国科学院上海技术物理研究所, 苏州市光电元件厂