CN110488406A - 一种多波段滤光片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波段滤光片，包括透明的基底层，基底层上设置光敏器件层，在光敏器件层上设置滤光结构层，所述滤光结构层上设置聚焦结构层；所述滤光结构层由纳米盘阵列组成，所述纳米盘阵列包括多个子阵列，每个子阵列包括多个纳米盘，所述每个子阵列内的纳米盘具有相同的直径、高度和周期，不同子阵列内的纳米盘的直径、高度和周期不同。本发明实现了多波段的聚焦以及滤光功能，从而替代传统的聚焦光学系统和滤光片，实现多波段成像装置的小型化和便携化，制备工艺简单，聚焦结构层和滤光结构层都是在同一基底电路层上进行，成本低，容易实现批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及多波段传感技术领域，具体是一种多波段滤光片及其制备方法。
背景技术
传统多波段成像装置为实现多种光谱的检测，需要使用不同的滤光片，然后通过转轮控制实现对多波段的滤光，从而导致体积较大且使用不便；另一方面为实现多波段的聚焦，减轻像差，多波段成像还需要连续减轻像差的大且复杂的光学部件，传统多波段成像装置体积较大，成像系统复杂，不方便使用。因此，如何实现多波段成像系统的小型化便携化仍是亟需解决的问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多波段滤光片及其制备方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种多波段滤光片，包括透明的基底层，基底层上设置滤光结构层，所述滤光结构层上设置聚焦结构层；所述滤光结构层由纳米盘阵列组成，所述纳米盘阵列包括多个子阵列，每个子阵列包括多个纳米盘，所述每个子阵列内的纳米盘具有相同的直径和周期，不同子阵列内的纳米盘的直径、高度和周期不同。
优选地，所述纳米盘阵列的纵横比为1:10-1:1，纳米盘的高度为50-200nm，周期为100-400nm。
优选地，所述滤光结构层为非晶硅纳米盘、铝纳米盘阵列或银纳米盘阵列。
优选地，所述聚焦结构层包括多个周期性排列的纳米柱，多个纳米柱能够在可见光范围内产生0-2π的相移。
优选地，所述聚焦结构层的厚度等于波长，周期等于0.7倍的波长。
优选地，所述各个纳米柱为圆柱形或者椭圆柱形。
优选地，所述多个纳米柱排列成了多个同心圆，同一圆环内的纳米柱直径相同，不同圆环之间纳米柱自外向内逐渐增大。
优选地，所述纳米柱为氮化硅纳米柱、金纳米柱或氮化镓纳米柱。
优选地，所述纳米盘阵列包括至少四个子阵列。
本发明还提供一种多波段滤光片的制备方法，包括以下步骤：
S1：在基底层上沉积滤光结构层薄膜；
S2：对滤光结构层薄膜进行一次光刻和刻蚀后形成纳米盘阵列，构成滤光结构层；
S3：在纳米盘阵列上沉积平坦层使表面平坦化；
S4：在平坦层上沉积聚焦结构层薄膜；
S5：对聚焦结构层薄膜进行一次光刻和刻蚀后形成周期性排列的氮化硅纳米柱，构成聚焦结构层。
有益效果：本发明具有以下有益效果：
1、实现了多波段的聚焦以及滤光功能，从而替代传统的聚焦光学系统和滤光片，实现多波段成像装置的小型化和便携化。
2、制备工艺简单，聚焦结构层和滤光结构层都是在同一基底电路层上进行，成本低，容易实现批量生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为滤光结构层的纳米盘阵列结构示意图；
图3为滤光结构层的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明的一种多波段滤光片，包括透明的基底层1，基底层1上设置滤光结构层2，所述滤光结构层2上设置聚焦结构层4；所述滤光结构层2由纳米盘阵列组成，所述纳米盘阵列包括至少四个子阵列21，每个子阵列21包括多个纳米盘，所述每个子阵列21内的纳米盘具有相同的直径、高度和周期，不同子阵列21内的纳米盘的直径、高度和周期不同。所述纳米盘的高度为50-200nm，周期为100-400nm，纳米盘阵列的纵横比在1:10-1:1之间。所述滤光结构层2为非晶硅纳米盘，所述聚焦结构层4包括多个周期性排列的纳米柱41，多个纳米柱41能够在可见光范围内产生0-2π的相移，所述滤光结构层2和聚焦结构层4之间设置有平坦层3。
如图3所示，所述聚焦结构层4的厚度等于波长，周期等于0.7倍的波长，所述各个纳米柱41为圆柱形。多个纳米柱41排列成了多个同心圆，同一圆环内的纳米柱41直径相同，不同圆环之间纳米柱41直径自外向内逐渐增大。
具体地，本发明的基底层1为透明材料，可以为玻璃或透明的聚合物材料。滤光结构层2设置在基底层1上方，是由纳米盘阵列组成，纳米盘的高度是一致的，在50nm-200nm之间；纳米盘阵列包括多个子阵列21，每个子阵列21包括多个纳米盘，每个子阵列21内的纳米盘具有相同直径和周期，每个子阵列21可以选择一种波长透过，同时对应的CMOS上的光敏器件层的像素点可以检测对应波长的光，作为一种示例，如图2所示，一个纳米盘阵列可包括九个子阵列21，不同子阵列21之间的纳米盘直径和周期不一样，通过设置不同的直径和周期，从而可以选择不同的九种波长的光透过。本发明中纳米盘的高度在50-200nm之间，周期在100-400nm，纳米盘纵横比在1:10-1:1之间。本发明中滤光结构层2为非晶硅纳米盘，优选为氢化非晶硅，其相对非晶硅内部缺陷较少，可以降低光子的吸收，提高光的透过率。非晶硅薄膜可以在低温下不同衬底上生长，经过一次光刻就可以形成所需要的结构，同时其相对纳米线结构纵横比较小，制备过程中稳定性高，工艺简单，兼容CMOS工艺。非晶硅纳米盘在可见光区域具有高吸收，透过率低的特点，而本发明中的非晶硅纳米盘实质是一种超薄电介质超曲面，纳米盘结构散射截面积大，当周期小于所需要透射的波长时，利用阵列型的纳米盘结构可以产生由米氏散射引发的电偶极子和磁偶极子共振，通过阵列型纳米盘结构的散射截面诱发共振增强特定波长，可以增强特定波长的入射光透射，而非特定波长波段的入射光无法透射，通过改变纳米盘周期和直径可以控制共振条件，改变可增强透射的入射光中心波长，从而实现滤光特性。在本申请另一实施例中，滤光结构层也可以为铝纳米盘或者银纳米盘，其中铝纳米盘不易氧化，在可见光范围内均可滤光；银纳米盘对波长选择性好，颜色饱和度好。
本发明中纳米盘阵列之间的间隙可以通过聚合物材料进行填充，构成平坦层3，聚合物材料可以作为折射率匹配层，从而为纳米盘建立一个均匀的光学环境，有利于提高光的透射；同时进行填充后可以提供一个相对平坦的表面，从而有利于后续其它器件的集成。聚合物材料可以为PMMA或其它透明材料。在另一实施例中，也可以利用二氧化硅薄膜进行填充，沉积高于纳米盘厚度的二氧化硅薄膜后再进行研磨实现平坦化，二氧化硅作为平坦层3有利于后续工艺，二氧化硅与氮化硅的粘附性更强，不容易出现薄膜脱落的现象。
本发明的聚焦结构层4为透明的低折射率材料，对可见光范围内的波长具有较大的透过率，可以为透明导电氧化物、有机聚合物、氮化硅等，本发明中聚焦结构层4包括具有周期性排列的多个氮化硅纳米柱，且同一圆环内纳米柱周期相同。通过改变不同圆环内氮化硅纳米柱51的直径，可以在可见光范围内对入射光波产生0到2π的相移，获得所需的任意的相位轮廓，同时保持大的传输幅度，根据透镜面内不同位置所需相移并设计相应的纳米柱直径，从而可以实现在400nm-700nm可见光范围内特定波段实现恒定的焦距，本申请中使用氮化硅纳米柱结构制备的高质量的表面透镜实现了高达90％的传输效率和40％的聚焦效率，数值孔径达到0.75。本发明中氮化硅纳米柱的形状为圆柱形或椭圆柱形，纳米柱的周期p、直径(d)和厚度(t)都影响聚焦效果。周期和厚度会影响传输幅度，不同的厚度和周期会出现不同的谐振，谐振产生的宽共振会导致强烈变化的传输幅度，当t＝1.2λ和p＝0.4λ(λ为设计波长)，相位延迟和传输幅度对于所有模拟的柱直径都是连续的，传输幅度只有很小的变化，但此时纵横比较大，不适合制造；在确保适当的制造纵横比，同时保持整个相位范围的近似传输幅度，本申请优选参数t＝λ和p＝0.7λ，设计波长为633nm，通过改变纳米柱直径可以实现需要的相位轮廓，为实现0到2π的相移，本申请中对应六个不同的纳米柱直径，分别为192nm,242nm，292nm,342nm，392nm，442nm。在本申请另一实施例中，聚焦结构层为金纳米柱或者砷化镓纳米柱，其中金纳米柱利用金属等离子激元共振，从而具有较高的传输效率。本申请中的聚焦结构层4结构简单，可以代替传统复杂的光学器件，实现在可见光谱范围内的所有波长的聚焦。
传统的光学元件主要是依靠折射来控制光传播，折射很大程度上依赖与表面精确曲率，以实现逐渐的相位累积，而本申请中氮化硅纳米柱是一种平面透镜，其不是依靠光传播逐渐积累相位，而是在入射光的相位上产生离散的突变，从而通过扁平和紧凑的方式替换现有的复杂光学部件。同时滤光结构层2使用的是非晶硅纳米盘结构，通过米氏散射产生的电偶极子和磁偶极子共振可以实现特定波长的滤光；本申请中多波段滤光片集成有滤光结构层2和聚焦结构层4，并且都是在同一基底电路层上，整个滤光片的厚度在100um-150um之间，实现了多波段滤光片的小型化和集成化，本申请中的多波段滤光片可以直接与现有的CMOS传感芯片直接集成在一起，从而可以实现多波段成像装置的小型化和集成化。
本发明还提供一种多波段滤光片的制备方法，包括以下步骤：
S1：在基底层1上沉积滤光结构层薄膜；
S2：对滤光结构层薄膜进行一次光刻和刻蚀后形成纳米盘阵列，构成滤光结构层2；
S3：在纳米盘阵列上沉积平坦层3使表面平坦化；
S4：在平坦层3上沉积聚焦结构层薄膜；
S5：对聚焦结构层薄膜进行一次光刻和刻蚀后形成周期性排列的纳米柱，构成聚焦结构层4。
Claims (10)
1.一种多波段滤光片，其特征在于：包括透明的基底层(1)，基底层(1)上设置滤光结构层(2)，所述滤光结构层(2)上设置聚焦结构层(4)；所述滤光结构层(2)由纳米盘阵列组成，所述纳米盘阵列包括多个子阵列(21)，每个子阵列(21)包括多个纳米盘，所述每个子阵列(21)内的纳米盘具有相同的直径、高度和周期，不同子阵列(21)内的纳米盘的直径和周期不同。
2.根据权利要求1所述的一种多波段滤光片，其特征在于：所述纳米盘阵列的纵横比为1:10-1:1，纳米盘的高度为50-200nm，周期为100-400nm。
3.根据权利要求1所述的一种多波段滤光片，其特征在于：所述滤光结构层(2)为非晶硅纳米盘、铝纳米盘阵列或银纳米盘阵列。
4.根据权利要求1所述的一种多波段滤光片，其特征在于：所述聚焦结构层(4)包括多个周期性排列的纳米柱(41)，多个纳米柱(41)能够在可见光范围内产生0-2π的相移。
5.根据权利要求4所述的一种多波段滤光片，其特征在于：所述聚焦结构层(4)的厚度等于波长，周期等于0.7倍的波长。
6.根据权利要求4所述的一种多波段滤光片，其特征在于：所述各个纳米柱(41)为圆柱形或者椭圆柱形。
7.根据权利要求4所述的一种多波段滤光片，其特征在于：所述多个纳米柱(41)排列成了多个同心圆，同一圆环内的纳米柱(41)直径相同，不同圆环之间纳米柱(41)自外向内逐渐增大。
8.根据权利要求4-7任意一项所述的一种多波段滤光片，其特征在于，所述纳米柱为氮化硅纳米柱、金纳米柱或氮化镓纳米柱。
9.根据权利要求1所述的一种多波段滤光片，其特征在于：所述纳米盘阵列包括至少四个子阵列(21)。
10.一种权利要求1-9任一项所述的多波段滤光片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在基底层(1)上沉积滤光结构层薄膜；
S2：对滤光结构层薄膜进行一次光刻和刻蚀后形成纳米盘阵列，构成滤光结构层(2)；
S3：在纳米盘阵列上沉积平坦层(3)使表面平坦化；
S4：在平坦层(3)上沉积聚焦结构层薄膜；
S5：对聚焦结构层薄膜进行一次光刻和刻蚀后形成周期性排列的纳米柱(41)，构成聚焦结构层(4)。
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