[发明专利]宽光谱范围的半导体工艺兼容高光谱成像芯片设计方法

说明书

本发明涉及一种易加工的宽光谱范围的半导体工艺兼容高光谱成像芯片设计方法，涉及半导体技术领域。本发明提供一种宽光谱范围、高光谱分辨率，高信噪比的FPI的腔镜设计，实现了一种宽光谱范围，高光谱分辨率，高信噪比的工艺兼容高光谱成像集成芯片。其中在设计半导体工艺的高光谱成像芯片时，考虑到高光谱需要涵盖更多的谱段数，通过对成像芯片结构的布拉格膜系的中心波长设计，并对布拉格镜膜系中心波长进行了优化设计，展宽了高光谱成像芯片的可用光谱范围，保证了FP腔长改变或调谐波长的过程中，滤波带宽的最优化，避免可用光谱范围变窄，边缘谱段的分辨率变差，信噪比变差，导致识别目标的特征谱段无法被区分等问题。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种易加工的宽光谱范围 的半导体工艺兼容高光谱成像芯片设计方法。

背景技术

高光谱成像技术是一种将传统的二维成像技术与光谱分析技术 有机结合在一起的新方法，其根据物质对不同波长电磁波的反应来实 现对于物质的识别和测量。高光谱成像系统(Hyper Spectral Imaging， 简称HSI)，可以获得二维空间图像信息与一维光谱信息构成的具有 “图谱合一”特性的三维光谱图像，它既可以观测到二维分布的空间 信息，又可以观测到每一个像素点上的光谱信息。

图像空间信息反映目标物的大小、形状和缺陷等外部特征，光谱 信息能够反映目标物体的物理和化学成分。因此可以通过分析处理光 谱信息来识别物质材料、材质和组份等理化信息，还可以通过图像的 空间信息快速地、直观地识别相关位置和范围。

光谱成像的检测功能使其在众多领域具有巨大的应用潜力，例 如，食品质量安全监控、精细农业、矿业勘探开采、地表地质分析、 天文学、环境分析及监控、医疗诊断、生化分析、安防和军事等。

1)传统高光成像系统的缺点

以经典空间扫描式的高光谱成像系统为代表的传统光谱成像系 统结构，在经典的HSI系统中，由于系统是基于单个分立器件的，为 了保证空间分辨率和光谱分辨率，必须引入物镜、光阑、准直器、各 类透镜等光学器件，同时必须考虑各种器件之间的聚焦、准直问题， 这就导致传统的HSI系统复杂度很高，体积较大，成本很高，应用范 围受到极大限制。同时，在传统架构中，由于分立的光学元器件的分 光性能对光波长较为敏感，当应用需求发生改变，比如不同波长及不 同分辨率的要求等，整个光学系统的架构需要重新设计以适应特定的 需求，这极大地增加了系统再设计的复杂度。

受限于传统HSI系统架构的上述局限性，特别是由于光谱分光单 元(如光栅或棱镜)的引入所引起的附加光学器件导致的系统复杂度 提升(系统本身结构复杂度及再设计的复杂度)，目前市场上主要 HSI系统多为面向科研及大型检测单位应用，应用范围及平台的选择 都十分受限。针对传统的HSI技术瓶颈，很多研究者开展了以光谱分 光单元为切入点的HSI系统小型化、轻型化和低成本研究工作。

2)集成化的趋势

近年来，随着集成电路技术的发展，微电子机械系统(MEMS)， 微光电子机械系统(MOEMS)也取得了长足的发展。利用微纳加工 技术，制备纳光学器件，甚至实现微纳光学器件与IC芯片上的集成， 从而实现传统光学系统的微型化、集成化。

高光谱成像由以前的系统级，现在已经微型化到芯片级，既可以 作为微光机电分光镜器件(MOEMS)搭在手机的镜头上使用，又可 以直接把分光镜单片集成到CMOS图像传感器之上。最常见微型化 的光谱过滤器件即为上文提及的法布里-珀罗干涉腔结构，光进入FPI 后，在两个反射平面进行反射，光波在FPI内发生多光束干涉现象， 只有满足其共振条件波长的光，才会透射出腔体。如果入射光是一个 宽谱光源，则出射光就是只有满足共振条件波长的光波，而且波长与 透明夹层厚度有一定的正比关系。但对于单个固定腔体厚度的法珀过 滤器来说，其可过滤波长有限，无法满足一些光谱图像需要多个光谱 波段信息的需要。因此，研究人员通常采用静电驱动的可调制腔体或 递变腔体厚度的法珀腔阵列这两种方案来解决。这也是目前业界最主 流的两大发展方向。