從空中和太空對地球進行光學遙感通常利用從可見光  (VIS)、近紅外  (NIR)  到短波紅外  (SWIR)  光譜區(qū)域的多個通道。應(yīng)用薄膜濾光片來選擇這些通道。濾光輪和離散條帶濾光片陣列是標準配置。為了實現(xiàn)緊湊和輕量化的相機設(shè)計，多通道濾光板或組件可以安裝在靠近電子探測器的位置。

Optics  Balzers  已在同一基材上實施了基于一系列多重涂層和光刻的微結(jié)構(gòu)化工藝。高性能帶通濾波器采用等離子體輔助蒸發(fā)（等離子體IAD）以及先進的等離子體源（APS）技術(shù)和光學寬帶監(jiān)測（BBM）。該技術(shù)已被證明可用于熔融石英、藍寶石和其他遙感應(yīng)用基板上的各種多光譜成像儀  (MSI)  配置。

Optics  Balzers  已在同一基材上實施了基于一系列多重涂層和光刻的微結(jié)構(gòu)化工藝。高性能帶通濾波器采用等離子體輔助蒸發(fā)（等離子體IAD）以及先進的等離子體源（APS）技術(shù)和光學寬帶監(jiān)測（BBM）。該技術(shù)已被證明可用于熔融石英、藍寶石和其他遙感應(yīng)用基板上的各種多光譜成像儀  (MSI)  配置。

濾光片的設(shè)計和性能受到光刻剝離工藝可微結(jié)構(gòu)化的最大涂層厚度以及工藝過程中光刻膠掩模上的熱和輻射負載的限制圖像分辨率和傳感器選擇性的最新進展需要改進濾光片性能。紫外和近紅外區(qū)域以及光譜通道之間的阻擋、帶內(nèi)傳輸和濾光片邊緣陡度是當前開發(fā)的主題。  IAD  涂層精度的技術(shù)限制可以通過更精確的涂層技術(shù)來克服，例如等離子體輔助反應(yīng)磁控濺射  (PARMS)  以及與光學寬帶監(jiān)控  (BBM)  的結(jié)合。

我們概述了用于多光譜成像的帶通濾波器陣列的概念和技術(shù)。將介紹通過微結(jié)構(gòu)制造的濾波器陣列的最新性能改進。

關(guān)鍵詞：遙感、濾光片、光刻、離子輔助沉積、多光譜帶狀濾光片組件

我們提供定制鍍膜服務(wù)(紫外（13.5nmMo/Si平面反射鏡（反射率63%）193nm 266nm 355nm 405nm平面反射鏡和增透膜），可見光（二，三，四通道濾光片），近紅外，金屬反射膜（金銀銅鋁），窄帶（近紅外帶寬0.3nm,可見光帶寬2-3nm）)，也擁有大量的濾光片標品庫存，請聯(lián)系我的微信獲取庫存列表。

1.  簡介

關(guān)鍵詞：遙感、濾光片、光刻、離子輔助沉積、多光譜帶狀濾光片組件

圖像分辨率和傳感器選擇性的最新進展需要改進濾光片性能。紫外和近紅外區(qū)域以及光譜通道之間的阻擋、帶內(nèi)傳輸和濾光片邊緣陡度是當前開發(fā)的主題。  IAD  涂層精度的技術(shù)限制可以通過更精確的涂層技術(shù)來克服，例如等離子體輔助反應(yīng)磁控濺射  (PARMS)  以及與光學寬帶監(jiān)控  (BBM)  的結(jié)合。

從空中和太空對地球進行光學多光譜遙感使用可見光和紅外星載傳感器來測量從地球及其上覆大氣層反射或發(fā)射回的輻射量。

多光譜成像系統(tǒng)依賴于將光學信號分散到多個成像傳感器或傳感器區(qū)域的不同區(qū)域的成像技術(shù)，或者使用濾光輪對聚焦在單個成像傳感器上的圖像進行光譜區(qū)分。這些系統(tǒng)包括放置在光路中的分束器、透鏡、鏡子和帶通濾波器，以將圖像聚焦到響應(yīng)不同光譜帶的單獨傳感器或傳感器區(qū)域上。

各種遠程傳感器使用掃描系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)。具有窄視場的傳感器掃過地面并建立二維圖像。收集各種不同波長范圍數(shù)據(jù)的掃描系統(tǒng)是多光譜掃描儀  (MSS)。獲取多光譜圖像的常見掃描方法是跨軌（ACT）和沿軌（ALT）掃描。

ACT  掃描儀使用旋轉(zhuǎn)鏡以垂直于運動方向（跨條帶）的一系列線掃描表面。向前移動，掃描儀會生成地球表面的二維圖像。一組內(nèi)部探測器，每個探測器對特定的波長范圍敏感，探測并測量每個光譜帶的能量。

ALT  掃描儀使用位于圖像焦平面上的線性探測器陣列代替掃描鏡，這些探測器由沿著飛行軌跡方向移動的透鏡系統(tǒng)形成（也稱為推掃式掃描儀）。需要單獨的線性陣列來測量每個光譜帶或通道。

具有線性陣列的沿軌掃描儀具有一些優(yōu)點。探測器陣列與推掃式運動相結(jié)合，使每個探測器能夠測量更長的時間。這提高了輻射分辨率，允許更小的  IFOV  和更窄的帶寬。可以獲得更精細的空間和光譜分辨率。探測器變得更小、更輕、需要更少的功率，并且由于沒有移動部件而更加可靠。

緊湊型推掃式成像系統(tǒng)通常使用直接安裝在傳感器上方的多光譜濾光片組件。多光譜濾光片由條形線性切片濾光片組成，每個濾光片對應(yīng)一個光譜帶。這些條狀過濾條可以并排粘合在一起或安裝在支撐框架中。另一種可能性是通過在同一基板上進行一系列微結(jié)構(gòu)化和涂層來在聯(lián)合基板上制造濾波器陣列。

多光譜濾光片是具有優(yōu)化傳輸和帶寬選擇性的電介質(zhì)多層干涉濾光片。要求平均帶內(nèi)傳輸率超過  90%，而帶外傳輸率通常遠低于  1%。現(xiàn)代  CCD  和  CMOS  制造技術(shù)（例如多分段線性傳感器）與先進的二向色濾光片陣列相結(jié)合，可實現(xiàn)經(jīng)濟高效的傳感器設(shè)計。通過將濾光板直接粘合到成像路徑中的蓋玻璃上，單個設(shè)備可以對大量可見光和紅外帶寬進行成像。

2.  概念

圖1顯示了  Optics  Balzers  制造的多光譜濾光片陣列的兩種基本方法。

安裝在框架上的過濾板由單個過濾帶組成。這些條紋是通過空白玻璃條涂層制成的，通過精密光學制造或從涂層板或晶圓上進行條紋分離來加工。然后將這些條帶安裝到帶有支撐框架、孔板和通道分隔箔的板上。

圖1.  框架安裝條帶組件（左）和整體式過濾板（右）概念

安裝過程需要復雜的調(diào)節(jié)技術(shù)和框架結(jié)構(gòu)的完美加工，這決定了系統(tǒng)的精度。鈦金屬框架、硅酮填料、黑色陽極氧化金屬孔和濾光玻璃等多種材料必須在空間系統(tǒng)的環(huán)境條件（如溫度變化、輻射負載和真空條件）下匹配并保持機械穩(wěn)定性。否則涂層設(shè)計涂層技術(shù)獨立于裝配過程。

2.1 整體式過濾板

作為基底，可以使用由光學玻璃、熔融石英、藍寶石、CaF  2  或其他材料制成的任何晶片。晶圓尺寸取決于可用設(shè)備、過濾器尺寸、基板成本和所需數(shù)量。典型尺寸為  4  至  8  英寸。出于可追溯性和定向的原因，晶圓在加工前會刻上序列號。

整體式過濾板由一個基板組成，兩側(cè)都有不同的涂層區(qū)域。這些可以是介電光學涂層，如帶通、長通和短通濾光片、光譜阻擋和抗反射涂層，與由低反射鉻  (LRC)  制成的金屬掩模相結(jié)合，用于孔徑定義和雜散光抑制。所有這些涂層均通過微結(jié)構(gòu)涂層依次加工到同一晶圓基材上（圖  2）。

圖  2.  微結(jié)構(gòu)涂層  ?  原理工藝流程

原則上，該工藝的位置精度由光刻掩模、商用掩模對準器工具和光刻膠剝離所進行的幾微米范圍內(nèi)的常見光刻處理來定義。將集成用于過濾器通道彼此精確定位以及最終分離和安裝到傳感器的對準標記。通過背面對準設(shè)備也可以實現(xiàn)雙面結(jié)構(gòu)化涂層。Optics  Balzers  已成功實現(xiàn)了用于各種星載遙感應(yīng)用的濾波器組件。?  接觸曝光、抗蝕劑顯影過程、顯影后處理（穩(wěn)定化、檢查）

下面我們介紹了通過光刻圖案化作為單片濾光板的帶通濾光片陣列的制造  薄層涂層（LRC、介質(zhì)濾光片或抗反射  (AR)  涂層）更詳細地說。

3.  制造

作為基底，可以使用由光學玻璃、熔融石英、藍寶石、CaF  2  或其他材料制成的任何晶片。晶圓尺寸取決于可用設(shè)備、過濾器尺寸、基板成本和所需數(shù)量。典型尺寸為  4  至  8  英寸。出于可追溯性和定向的原因，晶圓在加工前會刻上序列號。

3.1  順序處理

微結(jié)構(gòu)涂層意味著使用通道特定光掩模在同一基板上對每個濾光片通道進行重復的工藝序列，步驟如下：

--晶圓清潔和準備(例如附著力促進劑)

--光致抗蝕劑的應(yīng)用和處理(烘烤程序)

--接觸曝光、抗蝕劑顯影過程、顯影后處理(穩(wěn)定化、檢查)

--薄層涂層(LRC、介質(zhì)濾光片或抗反射(AR)涂層)

--抗剝離、清潔、光譜和表面檢查

圖3顯示了典型的初始流程步驟。通過光刻技術(shù),對物理氣相沉積制造的低反射饹(LRC)進行涂層和結(jié)構(gòu)化。該第一涂層形成后續(xù)過濾涂層的孔。

通道由自由孔徑之間的屏蔽區(qū)域分隔開。必須在傳感器陣列的使用(遮蔽的傳感器像素)和濾光片涂層重疊覆蓋的需要之間進行權(quán)衡。根據(jù)涂層復雜性(涂層厚度)和濾光片陣列尺寸,該區(qū)域通常選擇在 50 到 150 的范圍內(nèi)微米。

過濾掩模和背面調(diào)整以及最終切制和成形的注釋、對準標記在第一步中以最高精度設(shè)置,并確定后續(xù)序列的精度。

圖  3.  低反射鉻  (LRC)  掩模的結(jié)構(gòu)化涂層的孔徑定義

緊接在該步驟之后或者可選地在稍后的處理階段中，可以以相同的方式將類似的結(jié)構(gòu)完全重疊地應(yīng)用于背面。這種雙面黑色掩模減少了跨通道雜散光，并防止通道之間以及一側(cè)出現(xiàn)缺陷孔導致的漏光。

圖  4  示意性地顯示了下一個制造步驟  ?  這里是紅色濾光片通道。與厚度在  1  至  2  微米范圍內(nèi)的  LRC  不同，濾光片涂層需要更厚的層堆疊，因此需要更長的涂層工藝。因此，在濾光片涂層過程中必須特別注意光刻膠的穩(wěn)定性。

圖  4.  通過結(jié)構(gòu)化光刻膠掩模、濾光片涂層  (RED)  和剝離來制造濾光片通道

采用化學附著力改進和某些曝光前和曝光后烘烤步驟來穩(wěn)定光刻膠，以用于后續(xù)的涂層工藝。必須在抗蝕劑穩(wěn)定性、預處理造成的結(jié)構(gòu)邊緣涂抹、等離子體處理過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及保持足夠的剝離能力之間實現(xiàn)權(quán)衡（見圖5）。

圖  5.  可能的缺陷：不完全剝離造成的涂層殘留物（左）、熱致抗蝕劑起皺和污點，盡管用于遙感的常見光刻光學帶通濾波器需要幾微米范圍內(nèi)的層堆疊厚度。表  1  比較了中心波長  (CWL)  為  560  nm、帶寬  (BW)  為  75  nm  的綠色通道濾光片的示例性設(shè)計。

很明顯，厚度隨著所需的阻擋水平而變化。對于其他光譜帶，該涂層堆疊厚度與濾光片的波長區(qū)域成比例地變化，并且選擇具有較低折射率的其他高折射率材料也需要更厚的堆疊。

對于  Optics  Balzers  目前建立的光刻工藝，常規(guī)處理的光致抗蝕劑厚度可達約  10  μm，并允許采用相同尺寸的厚度進行層堆疊設(shè)計。這限制了這種濾光片制造方法對可見光到近紅外光譜范圍的適用性。620?900nm二氧化鈦

圖  6  顯示了  9  μm  濾光片設(shè)計中，在掩模穩(wěn)定處理過程中，光致抗蝕劑的結(jié)構(gòu)孔徑在邊緣圓化過程中尺寸變換到剝離后涂層濾光片區(qū)域的最終形狀的示例。

特定的轉(zhuǎn)變?nèi)Q于（除其他外）總尺寸、基材導熱性、周圍結(jié)構(gòu)、涂層設(shè)計和工藝條件。因此，在這種濾波器陣列的機械和光學設(shè)計期間，必須考慮微結(jié)構(gòu)化工藝限制。

圖 6 .  ~9μm  光刻膠/涂層系統(tǒng)從光刻膠（左）、經(jīng)過處理的光刻膠（中）到涂層和剝離后的最終過濾器（右）

3.2  帶有光學寬帶監(jiān)測（BBM）的離子輔助沉積（IAD）

對中心波長、帶寬和邊緣陡度有高精度要求的濾光片的生產(chǎn)需要最新的沉積技術(shù)。O ptics  Balzers 使 用配備先進等離子源 ( APS)  的 S yrusPro  盒式鍍膜機通過離子輔助沉積制造結(jié)構(gòu)化濾光板。自上世紀末以來，這項技術(shù)已被證明可以實現(xiàn)穩(wěn)定的薄膜光學濾光片與傳統(tǒng)的電子束蒸發(fā)  PVD  相比，等離子體輔助允許在較低的工藝溫度下進行涂層，并導致涂層的壓實。這些涂層在真空處理后不會因濕氣滲透和溫度變化（真空/空氣轉(zhuǎn)移）而改變其在環(huán)境中的光學特性。

相對較低的工藝溫度（<90°C）允許對光致抗蝕劑覆蓋的基材進行數(shù)小時的涂覆。在極端條件下（非常厚的層堆疊、高折射率材料含量高），必須中斷涂層以進行冷卻。

通過石英晶體監(jiān)測進行標準層厚度控制可達到約  1?2%  的最大精度。對于生產(chǎn)對波長、帶寬和邊緣陡度有高要求的濾光片來說，這種不確定性是不能容忍的。

通過順序微結(jié)構(gòu)涂層制造過濾板需要一系列涂層運行，而沒有機會用于優(yōu)化或重復某些運行。每當一個步驟失敗時，整個序列就必須從頭開始。

等離子體輔助電子束蒸發(fā)與寬帶光譜光度厚度監(jiān)測的結(jié)合是一種有用的技術(shù)，可實現(xiàn)產(chǎn)量可承受的制造。沉積過程中的層厚度控制是通過  420 至   1020  nm 波 長范圍內(nèi)的光學寬帶監(jiān)測 ( BBM)  來完成的。利用這種監(jiān)測技術(shù)，可以直接在靠近基板位置的罩蓋上進行多層堆疊的光學厚度控制。測量是在監(jiān)控玻璃上每旋轉(zhuǎn)一次（0.5Hz）間歇進行的。通過比較建模光譜與測量光譜來計算生長層厚度。

在穩(wěn)定條件下的整個沉積過程中，厚度控制的精度絕對值約為 0 .5  nm。當然，難以生成的涂層需要準確了解光學材料常數(shù)。涂層的設(shè)計基于實驗確定的材料數(shù)據(jù)。在實際生產(chǎn)情況下，該值會因不同的操作條件（涂層參數(shù)）、腔室維護狀態(tài)甚至沉積過程而變化。現(xiàn)場監(jiān)控與薄膜設(shè)計軟件相結(jié)合，可以在涂層運行期間進行重新優(yōu)化。借助 B BM，可以直接根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)進行制造，無需進行驗證運行。

此外，濾光片通道的光譜精度由具有相同微結(jié)構(gòu)的可比腔室位置上的測試晶片進行監(jiān)控。因此，每個濾光片位置都可以在鍍膜過程中通過中間光譜測量進行監(jiān)控。

完成過濾器涂層序列后，必須通過切割步驟對晶圓進行單片化（圖  7）。在第一個光刻步驟中施加的對準標記可以實現(xiàn)精確定位。可以應(yīng)用倒角來防止邊緣在進一步加工過程中受到損壞。

圖7.  最終封裝：晶圓切割、濾板倒角和檢查

一個重要的步驟是對多光譜濾光片的最終檢查。  Optics  Balzers  具有背面增透膜的  4  通道濾光板的典型產(chǎn)量可能會從  40%  到  80%  不等，具體取決于涂層的復雜性和生產(chǎn)數(shù)量。

4.  結(jié)果

在過去的十年中，Optics B alzers  已經(jīng)實現(xiàn)了幾種基于微結(jié)構(gòu)的帶通濾波器陣列，用于遙感應(yīng)用。

圖  8  顯示了  IAD 技 術(shù)制造的熔融石英上  5  通道  MSI  的測量濾波器通道傳輸數(shù)據(jù)。

圖 8 .  測量的五通道 M SI  濾光板的光譜特性

圖  9  顯示了綠色通道濾光片  (BP510)  的 4   英寸晶圓上的涂層均勻性與設(shè)計數(shù)據(jù)的比較。

圖 9 .  4”  測試晶圓上綠色通道濾光片的涂層均勻性（設(shè)計數(shù)據(jù)為紅色）

5.  展望

為了滿足帶通濾波器改進的塊帶性能（OD4  及以上）的需求，需要越來越厚的多層涂層。因此，需要克服現(xiàn)有微結(jié)構(gòu)技術(shù)中的厚度限制。這些是厚涂層工藝過程中光刻膠上增強的熱應(yīng)力和輻射應(yīng)力，導致熱致變形和剝離工藝的復雜化（見圖  5）。

目前正在評估具有改進的熱穩(wěn)定性和剝離行為的替代抗蝕劑系統(tǒng)。可以在低應(yīng)力工藝中沉積用于減少熱應(yīng)力和輻射應(yīng)力的介電保護層。此外，還要求在沉積過程中直接監(jiān)測樣品溫度，以受控方式中斷沉積過程。

邊緣陡度和拖尾在很大程度上取決于條紋幾何形狀，并且需要對每個單獨的濾光片陣列和涂層設(shè)計進行工藝修改和試驗。將更系統(tǒng)地研究這些影響，以改進預測并縮短開發(fā)時間和成本。

最近，OBJ  交付了第一個基于替代設(shè)計方法的  MSI 過 濾器組件。該技術(shù)將涂層設(shè)計和技術(shù)的自由度（厚度限制）以及所安裝的濾波器陣列的通道間分離的機會與單片多通道濾波器板的精度和小特征尺寸結(jié)合在一起。

對于這種半整體式方法，基本涂層條邊對邊粘合以形成單個基材（如屠宰塊）。不透明材料可用作通道之間的光屏障，以改善濾光板內(nèi)部的跨通道圖像抑制。

隨后，通過采用適當?shù)奈⒐饪毯屯繉庸に嚕谠搲K的兩側(cè)應(yīng)用了  LRC 孔 徑掩模。除了將（最初僅晶圓形狀匹配）微光刻設(shè)備應(yīng)用于矩形濾光板之外，主要挑戰(zhàn)是處理塊內(nèi)（不可避免的）濾光片條紋位移公差。盡管通道之間的高度差可以達到抗蝕劑厚度本身的規(guī)模，但已經(jīng)成功地實現(xiàn)了雙面孔徑掩模的微結(jié)構(gòu)化。孔徑掩模用作最終切割和倒角步驟的參考，并帶有用于組裝到傳感器的參考標記。

圖 1 0.  主要方法和實現(xiàn)的客戶特定  5  通道濾波器陣列（約 1 5mmx80mm）

5. 結(jié)論

在本文中，我們展示了  Optics  Balzers 通 過微結(jié)構(gòu)化工藝實現(xiàn)高性能帶通濾波器陣列。應(yīng)用等離子  IAD  技術(shù)和寬帶監(jiān)控可以直接根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)進行制造，并以可承受的產(chǎn)量在同一基材上對多個涂層進行可靠的順序處理。