一种异构集成的芯片级光谱调谐微系统的制作方法

1.本发明属于微光机电系统（moems）领域，具体是一种异构集成的芯片级光谱调谐微系统。

背景技术：

2.微光机电系统（moems）是近些年在微机电系统（mems）中发展起来的一支极具活力的新技术系统，它是由微光学、微电子、微机械相结合而产生的一种新型的微光学结构系统。微光机电系统是一种可控的微光学系统，该系统中的微光学元件在微电子和微机械结构的作用下能够对光束进行汇聚、衍射、反射、滤光等控制。
3.随着光电探测系统向智能化、小型化、集成化方向发展，成像光谱技术的应用越来越广泛，已经从航天航空探测、目标反伪装等军事方面，向民用应用延伸。
4.高级的红外成像系统要求光谱分辨率越来越高，并将经历多光谱、高光谱和超光谱的发展过程。目前，传统分光方式通常都采用在红外光学系统上进行棱镜、光栅等对红外辐射进行分光，以实现红外多光谱、高光谱成像，采用该分光方式会导致光电探测系统体积大，光路复杂，功耗大，无法满足微小型平台使用要求。
5.基于法布里珀罗干涉原理的的光谱调谐微系统，通过asic芯片给像素级moems滤光阵列结构提供输入电压来控制每个像元上入射红外辐射的波段。这种芯片级光谱调谐微系统可有效简化光谱成像的光学系统，大幅降低整机系统体积与功耗，其高的光谱选择灵活性和分光精确性推动了光谱成像技术的深入发展。

技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种异构集成的芯片级光谱调谐微系统，涉及微光学、微电子、微机械，具有驱动信号反馈、大驱动力、阻尼可控、高占空比、易于后续与探测器集成等优点。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种异构集成的芯片级光谱调谐微系统，其特征在于：从下至上依次由：固定滤光结构层、可动滤光结构层、盖帽层以及asic驱动电路构成，所述固定滤光结构层采用soi硅片制备，在soi硅片的顶层硅上光刻制作图形化的驱动电极、驱动检测电极、下支撑柱、信号输入端至埋氧层，在驱动电极和驱动检测电极上均制备有高反射复合薄膜，在信号输入端上设有导电键合层，驱动电极和驱动检测电极分别通过顶层硅互联线与对应的信号输入端连接；所述的可动滤光结构层采用soi硅片制备，包括经光刻工艺制作的图形化的与驱动电极和驱动检测电极对应的可动结构和与下支撑柱对应的上支撑柱，在可动滤光结构下面制备有高反射复合薄膜，将上支撑柱与下支撑柱经晶圆级键合对应键合连接，驱动电极和上面高反射复合薄膜形成法布里珀罗腔的固定滤光结构，可动结构与下面高反射复合薄膜形成法布里珀罗腔的可动滤光结构，由上述固定滤光结构和可动滤光结构共同构成法布
里珀罗干涉腔；所述盖帽层采用双抛硅片制备，盖帽层中部背面设有与可动滤光结构层配合的空腔，盖帽层周边设有与信号输入端相对应的垂直导电柱，垂直导电柱外周设有绝缘的介质隔离层，垂直导电柱的内端设有导电金属、外端设有pad点，盖帽层空腔底面以及与该底面对应的外面分别制有增透复合膜；将制备完成的盖帽层经晶圆级对准键合在可动滤光结构层上方，其中，垂直导电柱通过导电金属与固定滤光结构层的导电键合层形成电连接；驱动电路芯片采用标准集成电路工艺制备，包含用于倒装工艺的pad点，采用倒装工艺将驱动电路芯片的pad点与盖帽的pad点对准键合。
8.本发明可动滤光结构层与固定滤光结构层形成法布里珀罗干涉腔，该干涉腔可以是单元式，可以是阵列式。在可动滤光结构层与固定滤光结构层之间通过asic驱动电路施加驱动电压调节干涉腔长，控制透光光谱，从而达到光谱调谐的目的。
9.本发明的有益效果是：该光谱调谐微系统将静电驱动电极与复合光学薄膜结构结合于一体，提高了光学占空比，增加了驱动力；采用晶圆级真空阻尼可调封装，实现可动滤光结构阻尼可控，提高光谱调谐的稳定性；驱动芯片采用tsv异构集成，降低了芯片级光谱调谐微系统面积；将静电驱动和静电驱动检测集成于一起，提高了滤光系统运行精度及稳定性；易于探测器芯片集成，从而有效减小光电探测系统体积，简化光电探测系统结构。
附图说明
10.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：图1是本发明的结构示意图；图2是本发明固定滤光结构层的俯视图。
11.具体的实施方式结合图1所示，本发明提供一种异构集成的芯片级光谱调谐微系统共四层，从上至下依次为：asic驱动电路、盖帽层、可动滤光结构层以及固定滤光结构层。
12.所述固定滤光结构层采用soi硅片制备，包括衬底硅17a、埋氧层17和顶层硅17b，在soi硅片的顶层硅17上光刻制作图形化的驱动电极13、驱动检测电极12、下支撑柱14、信号输入端18至埋氧层17，在驱动电极13和驱动检测电极12上均制备有高反射复合薄膜15，可以采用蒸发硅和二氧化硅或其他材料制作，在信号输入端18上设有导电键合层16，驱动电极13和驱动检测电极12分别通过顶层硅互联线与对应的信号输入端18连接；如图2所示，固定滤光结构层在示意图2中采用了阵列结构作为示意，可根据设计需要对阵列做调整，形成的阵列，其中驱动电极13和驱动检测电极12分别通过顶层硅互联线12a、13a与对应的信号输入端18连接。
13.如1所示，可动滤光结构层采用soi硅片制备，包括可动结构22、键合支撑柱23，在可动滤光结构下面制备有高反射复合薄膜21，将键合支撑柱23与固定滤光结构层支撑柱14经晶圆级键合连接于一起。驱动电极13和上面高反射复合薄膜15形成法布里珀罗腔的固定滤光结构，可动结构22与下面的高反射复合薄膜21形成法布里珀罗腔的可动滤光结构，由上述固定滤光结构和可动滤光结构共同构成法布里珀罗干涉腔。在本发明中，固定滤光结
构既可以作为驱动电极极板，又可以作为光通道，相比较一般采用的驱动极板和光通道分离结构，在相同芯片面积情况下，提高了光学占空比和静电驱动力。
14.所述盖帽层30采用双抛硅片制备，盖帽层中部背面设有与可动滤光结构层配合的空腔34，盖帽层周边设有与信号输入端18相对应的垂直导电柱31，垂直导电柱外周设有绝缘的介质隔离层32，垂直导电柱的内端设有导电金属35、外端设有flip-chip工艺的pad点33，盖帽层空腔34底面以及与该底面对应的外面分别制有增透复合膜36；将制备完成的盖帽经晶圆级对准键合在可动滤光结构层上方，其中，垂直导电柱31通过导电金属35与固定滤光结构层的键合层16形成电连接。
15.驱动电路芯片40采用标准集成电路工艺制备，包含用于倒装工艺的pad点41，采用倒装工艺将驱动电路芯片的pad点41与盖帽3的pad点33对准键合，并形成良好的电连接。驱动电压信号通过盖帽的垂直导电柱31传递到固定滤光结构层驱动电极13和可动滤光结构22，使可动滤光结构22可以上下平移，从而调节可动滤光结构22与驱动电极13形成的间隙（腔长）19，达到调谐透射光谱的目的。

技术特征：

1.一种异构集成的芯片级光谱调谐微系统，其特征在于：从下至上依次由：固定滤光结构层、可动滤光结构层、盖帽层以及asic驱动电路构成，所述固定滤光结构层采用soi硅片制备，在soi硅片的顶层硅上光刻制作图形化的驱动电极（13）、驱动检测电极（12）、下支撑柱（14）、信号输入端（18）至埋氧层（17），在驱动电极（13）和驱动检测电极（12）上均制备有高反射复合薄膜（15），在信号输入端（18）上设有导电键合层（16），驱动电极（13）和驱动检测电极（12）分别通过顶层硅互联线与对应的信号输入端（18）连接；所述的可动滤光结构层采用soi硅片制备，包括经光刻工艺制作的图形化的与驱动电极（13）和驱动检测电极（12）对应的可动结构（22）和与下支撑柱（14）对应的上支撑柱（23），在可动滤光结构下面制备有高反射复合薄膜（21），将上支撑柱（23）与下支撑柱（14）经晶圆级键合对应键合连接，驱动电极（13）和上面高反射复合薄膜（15）形成法布里珀罗腔的固定滤光结构，可动结构（22）与下面高反射复合薄膜（21）形成法布里珀罗腔的可动滤光结构，由上述固定滤光结构和可动滤光结构共同构成法布里珀罗干涉腔；所述盖帽层（30）采用双抛硅片制备，盖帽层中部背面设有与可动滤光结构层配合的空腔（34），盖帽层周边设有与信号输入端（18）相对应的垂直导电柱（31），垂直导电柱外周设有绝缘的介质隔离层（32），垂直导电柱的内端设有导电金属（35）、外端设有pad点（33），盖帽层空腔（34）底面以及与该底面对应的外面分别制有增透复合膜（36）；将制备完成的盖帽层经晶圆级对准键合在可动滤光结构层上方，其中，垂直导电柱（31）通过导电金属（35）与固定滤光结构层的导电键合层（16）形成电连接；驱动电路芯片（40）采用标准集成电路工艺制备，包含用于倒装工艺的pad点（41），采用倒装工艺将驱动电路芯片的pad点（41）与盖帽（3）的pad点（33）对准键合。

技术总结

本发明涉及一种异构集成的芯片级光谱调谐微系统，包括：固定滤光结构层，在SOI硅片顶层硅上制作驱动电极（13）、驱动检测电极（12）、下支撑柱（14）、信号输入端（18），在信号输入端上设有导电键合层（16）；可动滤光结构层光刻可动结构（22）、上支撑柱（23），将上支撑柱、下支撑柱键合连接，由上述固定滤光结构和可动滤光结构构成法布里珀罗干涉腔；盖帽层（30）设有垂直导电柱（31）、导电金属（35）和PAD点（33）；驱动电路芯片（40）联于PAD点（41）。本发明有益效果：将静电驱动电极与复合光学薄膜结构结合于一体，提高了光学占空比，增加了驱动力，提高了滤光系统运行精度及稳定性。系统运行精度及稳定性。系统运行精度及稳定性。