一种在硅圆片上单片集成微型光谱仪结构的制作方法

本实用新型涉及半导体技术领域，具体地说是一种在硅圆片上单片集成微型光谱仪结构。

背景技术：

光谱仪是测定可见光或其它波段电磁波的强度与波长关系的装置，光谱仪一般由色散系统、探测成像系统以及光路系统组成。光或者电磁辐射由入射狭缝进入光谱仪，经色散系统分离出所需要的波长或波长区域，通过成像系统测定选定的波长的强度。光谱仪具有多种不同的结构，按照光谱成像的方式可以分为四大类，第一类光谱成像方式是波长扫描式；第二类光谱成像方式是空间扫描式，通过光栅或者棱镜将不同波长的光分散到不同的空间进行成像；第三类是时间扫描式，主要为通过干涉的方法成像，根据干涉条纹计算，如傅里叶变换；第四类是以上成像方式的组合。光谱仪器光学系统结构的选择范围很大。光谱仪器经过了近一个世纪的发展，己经形成了许多典型结构，这些结构都是实践过程中不断改进、更新的结果，每一种结构的光谱仪器都会有自己的优点和缺点。光谱仪的发展，围绕着性能和成本，一个方向是向高性能方向发展，一个方向是向低成本小型化发展。对于小型化光谱仪，比较成功的方案是利用光栅和法布里-珀罗共振腔作为色散系统。可以制作硅基集成光子探测器用于探测可见光，制作热电探测器用于探测红外光。从简化技术的角度，通常不使用透镜系统，光谱分辨率足够中端应用。

折叠切尔尼-特纳(Czerny-Turner) 的光学系统是用两块相同的小凹面反射镜分别作准直物镜和成像物镜来代替一块大的凹面反射镜而构成的，两反射镜从中间分开，曲率中心重合，既可避免二次衍射与多次衍射，同时又方便反射镜加工与装调。小型化光谱仪的设计由于空间的限制，应尽可能采用较为简单的结构，这样可以使设计较为容易，同时也提高了仪器的使用可靠性。

文献Integrated silicon microspectrometers（IEEE Instrumentation Measurement Magazine, 4(3):34-38）公开了一种光栅型红外波段微型光谱仪，该光谱仪在两片硅圆片上分别制作透射光栅和反射面，将两片硅片键合，形成微型光谱仪。该光谱仪的问题是，体硅加工的表面的粗糙度的问题，会导致反射光散射。另外一方面，透射光栅形成的零级条纹为白光，不能用于光谱分析；且衍射条纹为多级，在入射光波长范围较大时，不同波长的光形成的衍射条纹容易相互干扰。以及，圆片键合工艺工艺复杂。

文献Integrated silicon microspectrometers（IEEE Instrumentation Measurement Magazine, 4(3):34-38）公开了一种光栅型红外波段微型光谱仪，该光谱仪在两片硅圆片上分别制作透射光栅和红外传感器，将两片硅片键合，形成微型光谱仪。该光谱仪的问题是，透射光栅形成的零级条纹为白光，不能用于光谱分析；且衍射条纹为多级，在入射光波长范围较大时，不同波长的光形成的衍射条纹容易相互干扰。以及，圆片键合工艺工艺复杂。

文献A miniature Fabry-Perot interferometer with a corrugated silicon diaphragm support.（Sensors and Actuators A (Physical), A29:151–8, Nov. 1991.）公开了一种法布里-珀罗共振腔微型光谱仪，该光谱仪使用体硅微加工两张圆片，然后键合两张圆片的工艺相同。该光谱仪的问题是，制造的镜面有足够的反射率和平整度，两个镜面需要调整平行以及圆片键合工艺工艺复杂。

滨松公司提出一种微型光谱仪，该光谱仪在圆片一上制作入射狭缝，在圆片二上采用纳米压印的方法制作光栅，最后键合在一起形成微型光谱仪结构。滨松的微型光谱仪整体结构较为复杂，工艺难度较大，尤其是光栅的加工，其传感器采用了CMOS传感器，而CMOS光电传感器能检测的波长不超过1100 nm。

目前，微型光谱仪存在的技术问题是：例如在硅片上集成光学结构受限于硅材料的种类有限，并且硅工艺加工的限制，其光学结构多为简单的透射光栅，透射光栅存在着零级条纹为白光不可用，并且条纹有多级，不同波段的条纹容易干扰结果分析，或者采用纳米压印的方法制作光栅，工艺控制难度大。

现有技术较多采用圆片键合的方法，键合工艺较为复杂，其光线入射方向为圆片法向方向垂直入射，存在的技术问题是光学路径受限于硅片本身的厚度，光学路径长度有限，会限制光学系统的性能，例如在分光时，当光学路径较长时，利于不同波长的光分开足够的长度，以利于光学探测器探测光强，提高光谱仪分辨波长的能力。另外，现有技术的微型光谱仪较多采用硅光传感器，其波长范围限制在1100纳米以内，无法有效探测包含丰富信息的红外部分。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足而设计的一种在硅圆片上单片集成微型光谱仪结构，采用硅片刻蚀及沉积金属工艺将色散系统和红外传感器集成在单片硅片上，实现光路与红外探测集成和兼容的光学结构，使入射光在硅圆片平面方向进入，经色散系统分光后到达红外传感器，进行可见光或红外光的探测，该光学结构光线沿硅片平面方向入射，避免了光线垂直入射，具有工艺简单，结构尺寸小的特点，较好的解决了光学路径受到硅片厚度限制的问题，光谱测试误差小，精度高，进一步拓宽了光谱的工作范围，尤其满足了光谱仪小型化、低成本的应用要求。

本实用新型的目的是这样实现的：一种在硅圆片上单片集成的微型光谱仪结构，其特点是单硅片上设有色散系统与红外传感器集成和兼容的光学结构，所述光学结构由表面沉积金层的硅柱与表面沉积氧化硅层、氮化硅层、钛层和铝层的传感器凹槽组成；所述金层沉积在硅柱的外表面上；所述传感器凹槽为“V”形槽，其槽壁上设有热隔离层，槽口两侧依次沉积氧化硅层和铝层；所述热隔离层上依次沉积氮化硅层和钛层；所述硅柱和传感器凹槽为刻蚀在单硅片上集成和兼容的光学结构；所述沉积金层的硅柱将硅圆片平面方向进入的入射光分光后到达传感器凹槽表面沉积的钛层和铝层上进行红外光的探测。

所述热隔离层由氧化硅层释放所形成的悬空结构。

本实用新型与现有技术相比具有光线沿硅片平面方向入射，避免了光线垂直入射，工艺简单，结构尺寸小的特点，较好的解决了光学路径受到硅片厚度限制的问题，光谱测试误差小，精度高，进一步拓宽了光谱的工作范围，尤其满足了光谱仪小型化、低成本的应用要求。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2 为本实用新型光路示意图。

具体实施方式

参阅附图1，本实用新型由设置在单硅片上的光学结构1组成，所述光学结构1由表面沉积金层3的硅柱2与表面沉积氧化硅层5、氮化硅层6、钛层7和铝层8的传感器凹槽4，组成色散系统与红外传感器集成和兼容的光学结构1；所述金层3沉积在硅柱2的外表面上；所述传感器凹槽4为“V”形槽，其槽壁上设有热隔离层9，槽口两侧依次沉积氧化硅层5和铝层8；所述热隔离层9上依次沉积氮化硅层6和钛层7；所述硅柱2和传感器凹槽4为刻蚀在单硅片上且左、右对称设置的光学结构；所述热隔离层9由氧化硅层在该区域腐蚀释放形成悬空结构。

参阅附图2，入射光在硅圆片平面方向进入， 经由入射狭缝、镜面、光栅、镜面组成的色散系统分光后到红外传感器阵列进行红外光的探测。其中，色散系统的横截面为表面沉积金层3的硅柱2；红外传感器阵列的横截面为传感器凹槽4上依次沉积的氧化硅层5、氮化硅层6、钛层7和铝层8以及由氧化硅层释放所形成的热隔离层9。

以上只是对本实用新型作进一步的说明，并非用以限制本专利的实施应用，凡为本实用新型等效实施，均应包含于本专利的权利要求范围之内。