摘要：芯片实验室(lab-on-a-chip)是近年来国际科学界的一个热点探讨方向。其探讨目标是在一个芯片上实现传统生化实验室中由复杂贵重的设备所完成的对各种样品的浅析检测功能,以实现样品浅析的便携化,高效化,低成本化。对样品进行光谱浅析是检测样品组分和浓度的重要策略,由此,将光谱仪芯片化是芯片实验室探讨的重要内容。芯片光谱仪的结构选择多种多样,其中,随着波分复用技术的进展而逐渐成熟的平面集成波导光栅(包括阵列波导光栅和刻蚀衍射光栅)由于具有插入损耗低,波长通道间隔小,易于实现大通道数目,制作成本低等优点,成为了一种极具潜力的光谱浅析结构。本论文中,我们利用刻蚀衍射光栅,基于氮氧化硅波导平台,对与CMOS工艺相兼容,工作于硅吸收边1100nm波长以下光波段的亚纳米高分辨率光谱仪进行了设计、制作以及测试等整个工程系统的探讨。文章首先介绍了平面集成光波导的论述基础,包括对二维平板波导方式进行浅析的射线论述与电磁波论述,用于波导内部或波导之间方式耦合的耦合模论述。此外,介绍了用于精确计算光在波导中的模场分布和传播历程的数值仿真策略,包括有限差分法,有限元法和束传播策略、接着,文章介绍了用于设计刻蚀衍射光栅光栅结构的一点法,二点法和三点法,对光场在光栅中传播历程进行模拟的标量衍射论述以及用于计算光场耦合效率的重叠积分策略。同时,详细讨论了光栅结构参数与光谱仪性能参数之间的联系,提供了对光栅结构进行优化设计的思路和策略。此外,针对常用刻蚀衍射光栅基光谱仪要取得大光谱浅析范围的困难,提出了一种利用光栅的频谱周期性,工作于跨衍射级次的分立波长区间高分辨率芯片光谱仪,使得刻蚀衍射光栅在保持自由光谱范围不变的情况下,扩大了光谱浅析的范围,与此同时依然维持有高分辨率以及不变的输出波导或者光电探测器阵列的个数。并以植物监控领域的运用为例,设计了一种工作波长区间分别为680nm-690nm和735nm-745nm,且波长通道间隔为0.2nm的刻蚀衍射光栅芯片光谱仪。然后,针对可见光波段光谱浅析的需求,文章采取氮氧化硅材料,基于刻蚀衍射光栅,详细探讨了工作于小于硅材料吸收带1100nm波段的小尺寸高分辨率芯片光谱仪。将高折射率差刻蚀衍射光栅芯片光谱仪的探讨视野以SOI材料转到了氮氧化硅材料,以常用红外通信波段,转到了可见光波段和近红外波段。对刻蚀衍射光栅的结构参数设计进行了仿真和优化,探讨优化出一套完整的氮氧化硅基芯片光谱仪制作工艺流程,特别是对氮氧化硅生长和氮氧化硅二氧化硅深刻蚀工艺进行了探讨和优化革新,提出了双掩膜深刻蚀氮氧化硅二氧化硅的策略,提升了刻蚀的垂直度和光滑度。此外,还开发出一套芯片光谱仪的测试装置。最终研制出拥有121个通道,工作于以830nm到855nm,通道间隔为0.25nm的芯片光谱仪。紧接着,在氮氧化硅基刻蚀衍射光栅芯片光谱仪的基础上,提出了一种利用SOI基底,在刻蚀衍射光栅输出面直接集成M探测器阵列的光电子集成芯片光谱仪。探讨了M光电探测器的原理以及其与波导进行耦合的策略,设计优化了M探测器阵列的参数,开发出一整套有源无源集成且CMOS工艺兼容的芯片光谱仪的制作工艺,包括硅刻蚀,平坦化等,搭建了一套有源无源集成芯片的测试平台。所制得的光电子集成芯片光谱仪在以838nm到853nm的波长范围内,获得了波长通道间隔为0.494nm的29个通道输出,通道非均匀性小于1.5dB。最后,文章进行了总结并对下一步芯片光谱仪的探讨工作作了展望。关键词：芯片光谱仪论文光电子集成论文刻蚀衍射光栅论文金属半导体金属探测器论文半导体工艺论文芯片实验室论文
致谢5-6
摘要6-8
Abstract8-10
目次10-12
1. 绪论12-26
1.1 引言12-13
1.2 基于微机电系统技术(MEMS)的芯片光谱仪13-15
1.3 基于平面集成光学技术的芯片光谱仪15-23
1.3.1 引言15-16
1.3.2 基于平面集成波导光栅的芯片光谱仪16-18
1.3.3 基于微腔的芯片光谱仪18-21
1.3.4 基于光子晶体的芯片光谱仪21-23
1.4 本论文章节安排23-25
1.5 本论文主要革新点25-26
2. 集成光波导基本论述及其数值模拟策略26-42
2.1 引言26
2.2 剖析策略浅析平板波导26-30
2.2.1 射线论述27-28
2.2.2 电磁波论述28-30
2.3 耦合模论述30-32
2.4 数值模拟策略32-42
2.4.1 有限元策略33-35
2.4.2 有限差分法35-38
2.4.3 束传播策略38-42
3. 刻蚀衍射光栅的原理和设计仿真策略42-56
3.1 刻蚀衍射光栅的基本结构和工作原理42-44
3.2 一点法设计刻蚀衍射光栅44-46
3.3 刻蚀衍射光栅光谱仪主要性能指标及其与光栅结构参数之间的联系46-49
3.3.1 自由光谱范围46-47
3.3.2 光栅波长分辨率47
3.3.3 衍射级次47-48
3.3.4 角色散和线色散48
3.3.5 罗兰圆半径48-49
3.4 两点法设计刻蚀衍射光栅49-50
3.5 三点法设计刻蚀衍射光栅50-52
3.6 刻蚀衍射光栅数值仿真策略52-53
3.7 刻蚀衍射光栅基分立波长区间高分辨率芯片光谱仪设计举例53-56
4. 氮氧化硅基刻蚀衍射光栅芯片光谱仪的设计、制作和测试56-95
4.1 引言56-57
4.2 氮氧化硅基刻蚀衍射光栅芯片光谱仪的设计57-63
4.3 氮氧化硅基刻蚀衍射光栅芯片光谱仪的关键制作工艺探讨63-86
4.3.1 光刻工艺63-67
4.3.2 氮氧化硅二氧化硅薄膜PECVD沉积生长工艺67-72
4.3.3 氮氧化硅二氧化硅波导深刻蚀工艺72-86
4.4 氮氧化硅基刻蚀衍射光栅芯片光谱仪的工艺流程86-90
4.5 氮氧化硅基刻蚀衍射光栅芯片光谱仪测试与结果浅析90-95
4.5.1 氮氧化硅基刻蚀衍射光栅光谱仪测试策略与装置90-91
4.5.2 氮氧化硅基刻蚀衍射光栅光谱仪测试结果与浅析91-95
5. 光电探测器集成刻蚀衍射光栅光谱仪95-117
5.1 前言95-96
5.2 M结构光电探测器原理96-100
5.3 光波导与光电探测器耦合结构100-103
5.4 光电探测器集成刻蚀衍射光栅芯片光谱仪设计103-105
5.5 光电探测器集成刻蚀衍射光栅芯片光谱仪制作工艺105-114
5.5.1 硅刻蚀105-108
5.5.2 平坦化108-110
5.5.3 探测器制作110-112
5.5.4 多步光刻112-114
5.6 光电探测器集成刻蚀衍射光栅芯片光谱仪性能测试与浅析114-117
6. 总结与展望117-119
6.1 总结117-118
6.2 展望118-119
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