光吸收夹层结构，光学器件及制备方法与流程

本发明涉及光学领域。本发明更具体地但不限于涉及一种光吸收夹层结构及应用该结构的光学器件。
背景技术：
：在光学MEMS器件应用中，往往需要使来自外部的光线选择性地进入光学传感器。现有技术中通常的办法是在器件部分表面形成具有光吸收能力的薄膜材料，从而在相应位置阻挡光线进入。为避免潜在的干扰，理想光吸收薄膜材料需要具有较高的光学吸收率，以及较低的透射率和反射率。常见的光吸收薄膜材料TiN在可见光部分具有较高的透射率，在近红外、红外区有较高反射率，在需要较好可见光透过性的场合具有应用价值，但是在某些对可见光、近红外波段之透射、反射有特殊限制的领域，传统单一TiN薄膜的应用则显示出一定局限性。技术实现要素：本发明考虑到现有技术中的一个或多个问题，提出了一种光吸收夹层结构，应用该光吸收夹层结构的光学器件以及相应的制备方法。本发明的第一方面，提出了一种光吸收夹层结构，包含：第一吸收层，用于进行光学吸收；反射层，形成与所述第一吸收层之上，用于进行光学反射；第二吸收层，形成于所述反射层之上，用于进行光学吸收。在一个实施例中，所述第一吸收层和所述第二吸收层的材料为TiNx，日常状态下为黑色，其中Ti与N的原子比大于1。本发明的第二方面，提出了一种光学器件，包含：光吸收夹层结构，包含衬底，所述衬底用于对上方结构提供支撑，附着，并用于光学透射；多个沟槽，位于所述光吸收夹层结构内，自所述光吸收夹层结构的顶部延伸到底部，与所述衬底上表面接触；光学传感器阵列，位于所述衬底下方，含有多个光传感单元，每个所述光传感单元对应位于一个沟槽下方，接收来自上方的入射光线，根据入射光线产生相应的电信号；其中，所述光吸收夹层结构还包含：第一吸收层，形成于所述衬底之上，用于光学吸收；反射层，形成与所述第一吸收层之上，用于光学反射；第二吸收层，形成于所述反射层之上，用于光学吸收。本发明的第三方面，提出了一种制作光吸收夹层结构的方法，包含：形成第一吸收层，所述第一吸收层用于光学吸收；在所述第一吸收层之上形成反射层，所述反射层用于光学反射；在所述反射层之上形成第二吸收层，所述第二吸收层用于光学吸收；本发明的第四方面，提出了一种制作光学器件的方法，包含：形成光吸收夹层结构,包含提供用于透光的衬底；在所述衬底之上形成第一吸收层，所述第一吸收层用于光学吸收；在所述第一吸收层之上形成反射层，所述反射层用于光学反射；在所述反射层之上形成第二吸收层，所述第二吸收层用于光学吸收；在所述光吸收夹层结构内形成延伸到衬底表面的沟槽结构；在所述衬底下方形成具有多个光传感单元的光传感器阵列。相比现有技术，本发明能够提高光吸收率，使应用光吸收结构的光学器件精度更高。附图说明图1所示为依据本发明一个实施例的光吸收夹层结构100的结构示意图。图2示出了根据本发明一个实施例的光吸收夹层结构200的结构示意图。图3示出了根据本发明一个实施例的光学器件300的结构示意图。图4A-4G示出了根据本发明一个实施例的一种制作光学器件300的方法的流程示意图。图5示出了根据本发明一替代实施例的一种制作光学器件300的方法的示意图。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同的部件或特征。具体实施方式在下文所述的特定实施例代表本发明的示例性实施例，并且本质上仅为示例说明而非限制。在说明书中，提及“一个实施例”或者“实施例”意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。术语“在一个实施例中”在说明书中各个位置出现并不全部涉及相同的实施例，也不是相互排除其他实施例或者可变实施例。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。下面将参考附图详细说明本发明的具体实施方式。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同的部件或特征。图1所示为依据本发明一个实施例的光吸收夹层结构100的结构示意图。如图1所示，光吸收夹层结构100可具有衬底101。衬底101用于对位于其上的结构提供支撑及附着。在图示实施例中，衬底101还用于光学透射，可由玻璃构成，材料成分为SiO2。在其它实施例中，衬底101也可以为其它合适材料。在衬底101之上，光吸收夹层结构100进一步由下至上包含第 一吸收层102，用于光学吸收，位于吸收层102之上的反射层103，用于光学反射，以及位于反射层之上的第二吸收层104，用于光学吸收。在一个实施例中，第一吸收层102和第二吸收层104的材料为TiNx，其中Ti与N的原子比大于1。该材料在日常状态下的颜色为黑色。本领域内技术人员应当理解，此处的TiNx表示Ti与N的原子比不相等的钛的氮化物，区别于现有技术中所常见的Ti与N的原子比为1：1，在日常状态下颜色为黄色的氮化钛化合物TiN。在本发明一个实施例中，Ti与N的原子比可在1.05-1.2之间，例如1.08，1.1或1.12。反射层103的材料可以为任何对特定波段的光具有良好反射能力，可用于反射的金属，例如Al。在某些实施例中，第一吸收层102和第二吸收层104的材料也可以不同，以针对不同波段的光进行吸收。例如第一吸收层102可以用于吸收具有第一波段的光,例如可见光波段,采用对可见光有较好吸收效果的材料，而第二吸收层104可以用于吸收具有第二波段的光,例如红外和近红外波段,采用对红外和近红外波段有较好吸收效果的材料。在一个实施例中，第一吸收层102和衬底101之间还具有一层第一亲和材料层105，以增强光吸收夹层结构100同衬底101之间的附着力。在图示实施例中，第一亲和材料层105为Ti金属层。在其它实施例中，可选用任何能够增加附着力且不改变其它性能的材料作为第一亲和层材料。在某些实施例中，第一吸收层102和反射层103之间还可具有一层第二亲和材料层106，例如图示实施例中的Ti金属层，用于缓和反射层103与第一吸收层102之间、由于赝晶生长所造成的应力，增强附着性。此外，在反射层103和第二吸收层104之间可具有第三亲和材料层107，以缓和由于反射层103与第二吸收层104之间由于赝晶生长所造成的应力。在图示实施例中，第三亲和材料层107同样为Ti金属层。当入射光L1由顶面入射时，如图1所示，首先由第二吸收 层104进行首次吸收。一小部分透射过的光线L2在到达反射层103上表面时，大部分受到反射层103的反射形成反射光线L3。透射过反射层103的光线L4到达第一吸收层102，进一步发生吸收，同时反射形成反射光线L5。反射光线L3和L5均在回到第二吸收层104之后，由第二吸收层104进行二次吸收。这样，入射光透射率得到了有效降低。此外，当采用Ti与N原子比大于1的TiNx材料形成第一吸收层102和第二吸收层104时，相比采用普通的TiN材料，会具有更高的吸收率和更低的透射率和反射率。下表为采用如图1所示的光吸收夹层结构100与现有技术中采用单层TiN薄膜的光吸收结构在可见光波段的平均性能对比。其中TiN薄膜厚度为光吸收夹层结构100中，第一吸收层厚度反射层厚度第二吸收层厚度光吸收夹层结构100TiN薄膜吸收率94.99％45％反射率5％25％透射率0.01％30％由表可见，经过多次反射和吸收，最终能够透射过光吸收夹层结构100的光线相比现有技术中单层的TiN薄膜大大减少，几乎已经为零。图2示出了根据本发明一个实施例的光吸收夹层结构200的结构示意图。如图2所示，对比光吸收夹层结构100，光吸收夹层结构200中，第一吸收层202形成于衬底101之上，第二吸收层204位于上表面暴露在外。多个反射层203和中间吸收层205纵向交替排列于第一吸收层202和第二吸收层204之间。在一个实施例中，中间吸收层205由TiNx材料形成，其中Ti与N的原子比大于1。该材料在日常状态下的颜色为黑色。在 本发明一个实施例中，Ti与N的原子比可在1.05-1.2之间，例如1.08，1.1或1.12。通过采用多层结构，能够更加有效地提高吸收率，降低反射率和透射率。在图示实施例中，在上下相邻的中间吸收层205和反射层203之间，还可形成亲和层206，从而减轻由于赝晶生长所造成的应力。第一吸收层202，第二吸收层204和多个中间吸收层205中的至少其中一层的材料可能与其余吸收层不同。例如，在一实施例中，多个中间吸收层205的材料可以不同于第一吸收层202和第二吸收层204。在又一实施例中，多个中间吸收层205中的至少一层可能采用与其余中间吸收层205不相同的吸收材料。图3示出了根据本发明一个实施例的光学器件300的结构示意图。如图3所示，光学器件结构300包含具有衬底101的光吸收夹层结构100。衬底101除能够对光吸收夹层结构100提供良好支撑与附着之外，还需要具有良好的光通透性。多个沟槽302位于光吸收夹层结构100内，自光吸收夹层结构100的顶部延伸到底部，与衬底101的上表面接触。光学传感器阵列303位于衬底101下方，含有多个光传感单元304，每个光传感单元304对应位于沟槽302下方，接收来自上方的入射光线LIN1，LIN2，LIN3…，根据入射光线LIN产生相应的电信号VOUT1，VOUT2，VOUT3….。在一个实施例中，光传感单元304可以由光敏电阻材料形成，例如硫化镉。在另一实施例中，光传感单元304可以由光电转换材料形成，例如多晶硅。本领域内普通技术人员能够理解，如上所述实施例中的所描述的光传感单元304是示例性的而非限制性的，在其它实施例中，光传感单元304可以由任何可输出电信号用于表征入射光线的结构或电路构成。在一个实施例中，光吸收夹层结构100可以被光吸收夹层 结构200代替。在一个实施例中，光学器件300还包括读出电路(ROIC)305，用于将光传感单元304所产生的电信号VOUT1，VOUT2，VOUT3…进行处理。例如，在一个实施例中，光传感单元304将电信号VOUT1，VOUT2，VOUT3…转换成数字信号。在光吸收夹层结构100的阻挡下，光传感单元304所接收到的入射光强度基本上完全取决于通过每个沟槽302中入射的入射光强度，这样，转换出的电信号的强弱或数字信号大小可反映对应的沟槽302上方入射光强。图4A-4G示出了根据本发明一个实施例的一种制作光学器件300的方法的流程示意图。其中，图4A-4D提供了一种制作光吸收夹层100的方法，图4E-4G示出了如何在制作光吸收夹层100的基础上，制作光学器件300。如图4A-4B所示，该方法首先包括提供一具有良好透光性能的衬底101，例如，可采用玻璃材料形成衬底。可选的，可在衬底101上方预先使用溅射方法形成第一亲和材料层105。在图示实施例中，亲和材料层由Ti金属构成。之后，在衬底101之上形成第一吸收层102。在图示实施例中，第一吸收层102的材料为TiNx，可采用化学气相淀积(CVD)生长或物理气相淀积(PVD)生长方法形成，其中Ti与N的原子比大于1。该材料在日常状态下的颜色为黑色。在本发明一个实施例中，Ti与N的原子比可在1.05-1.2之间，例如1.08，1.1或1.12。如图4C-4D所示，在形成第一吸收层102之后，继续在其上形成反射层103。在图示实施例中，反射层103的材料为Al金属，可通过溅射方式形成。可选的，在形成反射层103之前，可事先于第一吸收层102之上形成第二亲和材料层106。图示实施例中，第二亲和材料层包含Ti金属，通过溅射方式形成。之后，在反射层103上方形成第二吸收层104。在图示实施 例中，第二吸收层104的材料为TiNx，可采用化学气相淀积(CVD)生长或物理气相淀积(PVD)生长方法形成。可选的，在形成第二吸收层104之前，可事先于反射层103上形成第三亲和材料层107。在图示实施例中，第三亲和材料层107包含Ti金属，通过溅射方式形成。如图4E-4F所示，在形成由衬底101，第一吸收层102，反射层103和第二吸收层104所组成的光吸收夹层结构100之后，在光吸收夹层结构内形成延伸到衬底101表面的沟槽302。在一个实施例中，形成沟槽302可包含：1)在光吸收夹层结构100顶部形成具有刻蚀窗口402的掩蔽层401。2)对光吸收夹层结构进行刻蚀形成沟槽302，并除去掩蔽层401。其中，光吸收夹层结构的刻蚀可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀的方式完成。在一个实施例中，对光吸收夹层结构采用多步骤刻蚀，首先刻蚀第二吸收层104，然后刻蚀掉反射层103，最后对第一吸收层102进行刻蚀。在其它实施例中，如果构成光吸收夹层结构的具体材料允许，也可以使用单步骤刻蚀，一次性对第二吸收层104，反射层103和第一吸收层102完成刻蚀。在图示实施例中，光传感器阵列303可以完成沟槽302的刻蚀之后，形成于衬底101下方。例如，在一个实施例中，光传感器阵列303可通过键合形式，与光吸收夹层结构对接形成，如图4G所示。在另一替代实施例中，光学传感器阵列303可在提供衬底101时，预先在衬底101下方形成。在又一实施例中，制作光学器件400的方法进一步包含形成读出电路305，耦接到光学传感器阵列303中的各光传感单元304。在另一实施例中，制作光学器件300的方法中，可包含形成光吸收夹层结构200替代光吸收夹层结构100。如图5所示， 相比于图4A-4D所示的形成光吸收夹层结构100的方法，制作光吸收夹层结构200的方法进一步包含在第一吸收层202与第二吸收层204之间，制作多个在纵向上交替排列的反射层203和中间吸收层205，反射层203可通过溅射形成，中间吸收层205可通过CVD或PVD方式形成。在图示实施例中，第一吸收层202，第二吸收层204和中间吸收层205材料均为TiNx，日常状态下为黑色，其中Ti与N的原子比大于1。在一个实施例中，Ti与N的原子比可在1.05-1.2之间，例如1.08，1.1或1.12。反射层203材料为Al。图示实施例中，该方法还可包含在第一吸收层202和衬底101之间，第一和第二吸收层202，204和反射层203之间，以及每个中间吸收层205同反射层203之间分别形成亲和层105,106和206。亲和层材料可以为Ti。关于上述内容，显然本发明的很多其它改型和改动也是可行的。这里应该明白，在随附的权利要求书所涵盖的保护范围内，本发明可以应用此处没有具体描述的技术而实施。当然还应该明白，由于上述内容只涉及本发明的较佳具体实施例，所以还可以进行许多改型而不偏离随附的权利要求所涵盖的本发明的精神和保护范围。由于公开的仅是较佳实施例，本领域普通技术人员可以推断出不同的改型而不脱离由随附的权利要求所定义的本发明的精神和保护范围。当前第1页1 2 3