CN107209305B - 具有改进的透射率的近红外光学干涉滤波器 - Google Patents
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Abstract
干涉滤波器包括层堆叠，该层堆叠包括至少无定形氢化硅的层和一种或多种介电材料的层的多个层，该一种或多种介电材料的折射率在1.9至2.7的范围内并且例如为Si3N4、SiOxNy、Ta2O5、Nb2O5或TiO2。设计干涉滤波器以具有在750nm至1000nm的范围内的通频带中心波长。与使用SiO2作为低折射率层的类似干涉滤波器相比，折射率在1.9至2.7的范围内的介电材料的层提供更小的角度偏移。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年1月23日提交的美国临时专利申请序列No.67/107,112的优先权，其全部内容通过引用全部并入本文。
技术领域
以下公开内容涉及光学领域、光滤波器领域和相关领域。
背景技术
已知的透射干涉滤波器采用交替的硅层和二氧化硅(SiO2)层的堆叠。已知这种器件用于低至约1100nm的短波和中波红外，因为硅和SiO2在该范围内都是透明的。通过硅的吸收的开始反应来控制较低的波长阈值(对应于上光子能量阈值)，其中硅的结晶形式具有约1.12eV的带隙。这些器件中的硅的主要优点是其折射率高。光学干涉滤波器的光谱分布尤其取决于照明的角度。随着角度增加，滤波器转移到较短的波长。这种角度偏移取决于所使用的材料和这些材料的分布。较高的折射率导致更少的角度偏移。对于窄频带滤波器，当将滤波器用于光学系统时，角度偏移的量限制了滤波器的有用带宽。在具有大角度接收角的系统中，与由较低折射率的材料构成的滤波器相比，构造成产生低角度偏移的滤波器可以具有更窄的通频带，因此具有更大的噪声抑制。
为了将器件操作扩展到近红外，还已知将硅氢化以便采用氢化无定形硅(a-Si:H)和SiO2的交替层。通过将硅氢化，降低了材料损耗和折射率。通过这种方法，可以实现在800nm至1000nm范围内操作具有非常高性能的干涉滤波器。
本文公开了一些改进。
发明内容
本公开涉及干涉滤波器，该干涉滤波器包括至少一层无定形氢化硅和至少一层一种或多种介电材料的多个层的堆叠，该一种或多种介电材料的折射率低于该无定形氢化硅的折射率，其中该一种或多种介电材料的层包括折射率在1.9至2.7的范围内的介电材料的层。
在一些实施方案中，干涉滤波器包括至少具有最佳添加的氮的无定形氢化硅(aSi:H,N)的层以及一种或多种介电材料(例如SiO2、SiOx、SiOxNy)的层的多个层的堆叠，该介电材料具有在1.9至2.7的范围内的高折射率。将干涉滤波器设计为通频带中心波长在750nm至1100nm的范围内。与使用SiO2作为低折射率层的类似干涉滤波器相比，折射率在1.9至2.7的范围内的介电材料的层具有更小的角度偏移。
以下更具体地公开本公开的这些和其他非限制特征。
附图说明
下面为附图的简要说明，这些说明是为了示出本文所披露的示例性实施方案，而并非是为了对其加以限制。现在将参照附图对本发明的优选实施方案进行描述，其中：
图1示意性地示出了用于制造如本文所公开的具有改进的透射率和/或减小的角度偏移的近红外光学干涉滤波器的溅射沉积系统。
图2示意性地示出了氢化对无定形氢化硅(a-Si:H)的光学性质(透射率和折射率)的影响。
图3示意性地示出了氮添加剂对固定氢化水平的a-Si:H的光学性质(透射率和折射率)的影响。
图4示意性地示出了使用图1的溅射沉积系统适当制造的干涉滤波器。
具体实施方式
参照附图可更完整地理解本文所公开的方法和装置。为了便于和易于说明现有技术和/或本发明，这些附图仅是示意性表示，因此并非旨在表示所述组件或其部件的相对大小和尺寸。
可以通过参考以下所期望的实施方案的详细描述和其中包括的实施例来更容易地理解本公开。在以下说明书和权利要求书中，将提及被定义为具有以下含义的若干术语。
除非上下文中另有明确说明，否则单数形式的“一个”、“一种”和“所述”包括多个指代物的情况。
在本申请的说明书和权利要求书中的数值应被理解为：包括减少到相同有效数字位数时相同的数值、以及与所述值之间的差值小于本申请中所述类型的用以确定该值的常规测量技术的试验误差的数值。
本文中所披露的全部范围均包括所列的端值，并且是可独立组合的(例如，范围“800nm至1100nm”包括端值800nm和1100nm，并且包括全部的中间值)。
如本文所使用的，可以应用近似用语(如“约”和“基本上”)来修饰可能变化的任何定量表征，而不导致与其相关的基本功能的改变。修饰语“约”还应被视为公开了由两个端值的绝对值所确定的范围。例如，“约2至约4”的表述还公开了范围“2至4”。术语“约”可以指指定数目加或减10％。
本公开涉及具有改进的透射率的近红外光学干涉滤波器。
如前所述，包括具有氢化硅(a-Si:H)层的层单元的堆叠的干涉滤波器用于在近红外(800nm至1250nm)中的操作，因为硅的氢化降低了吸收损耗(均来自本征硅和无序引发)，足以在通频带中提供可接受的滤波器透射率特性。简要参见图2，公知的是这种用于近红外线的方法具有显著的缺点。如图2所示，对于红外中的固定波长(例如在800nm至1100nm的范围内)，增加a-Si:H的氢化(也就是说，增加a-Si:H中的氢含量)确实会降低损耗，然而，如图2所示，它也降低了a-Si:H的折射率。
用于高数值孔径光学系统的窄频带干涉滤波器的性能是在材料特性快速变化的近红外区域中获得高透射率与低角度偏移之间的折衷。高透射率对应于低消光系数(可用大量氢气获得)，而小的角度偏移通过高折射率来实现(可用少量氢气获得)。
简要参见图3，所公开的改进涉及将受控量的氮添加到用于近红外(800±1100nm)的Si基干涉滤波器的a-Si:H层。换句话说，这种改进需要用a-Si:H,N代替a-Si:H。如图3所示，对于红外(例如在800nm至1100nm的范围内)中的固定波长和对于给定(固定)的氢化水平，加入氮增加了透射率，并且伴随着折射率的降低。加入氮对折射率的影响远小于氢化的影响，特别是氮分数为10％氮以下的情况。因此，该修改使得能够制造近红外干涉滤波器，该近红外干涉滤波器在800-1100nm范围内操作并具有改进的角度偏移、峰值透射率和滤波器带宽的控制。
另一方面，对于给定的通频带宽，在通频带中用a-Si:H,N代替a-Si:H可以提供改进的透射率。在这种方法中，与等效的具有相同折射率步长的基于a-Si:H的器件相比(因此，相同的光谱通频带宽)，在通频带中用a-Si:H,N代替a-Si:H能够制造具有改进的透射率的近红外干涉滤波器。实际上，本发明人已经发现，在这种设计范例中，这种滤波器的实际操作范围可以延伸低至750nm。
本领域技术人员将认识到，所公开的基于a-Si:H,N的干涉滤波器包括的光谱范围包括技术上重要的通频带，例如850nm光学数据通信窗口。
在在该范围内操作的一些干涉滤波器应用中，另一考虑因素是通频带的角度偏移。在概念上，角度偏移来自通过层的光线路径长度，其随着角度偏离法向入射的增加而增加。这种路径长度的增加对应于相位延迟的变化，这影响相长干涉/相消干涉，以便引入角度偏移。如果通过层的法向入射路径长度为dL，那么在材料中以角度θL通过层的路径长度(法线上测量，即法向入射的θL＝0)为d′L＝dL/cos(θL)。由于根据斯涅耳定律(Snell’slaw)，θL与射向干涉滤波器上的光的入射角θ相关，并假设环境为空气(n＝1)，由此得到下式：θL＝arcsin(θ/nL)，其中nL为层的折射率。使用标识
可以将其写为
因此，可以看出，通过小的层的折射率nL使角度偏移效应变差。
在常规的干涉滤波器设计中，通常希望使高折射率层和低折射率层之间的折射率对比度最大化。在硅基干涉滤波器中，高折射率层是a-Si:H(其可以由本文公开的a-Si:H,N替代)，而二氧化硅(n为1.4-1.5的SiO2)用作低折射率层。然而，本文公开了通过在干涉滤波器的一些或全部低折射率层中用较高折射率材料代替SiO2，从而在750-1000nm范围内操作的干涉滤波器中获得减小的角度偏移。在一些预期的实施方案中，替代层是折射率在1.9至2.7的范围内的介电层。提供这些值的一些合适的Si兼容材料包括氮化硅(n为2.0-2.2的Si3N4)、氮氧化硅(SiOxNy，其中y足够大以提供1.9以上的折射率)、五氧化二钽(n为2.1-2.2的Ta2O5)、五氧化二铌(n为2.3-2.4的Nb2O5)或二氧化钛(n为2.6的TiO2)。在本文所示的示例性实施方案中，使用氮化硅(Si3N4)。高折射率的a-Si:H层或a-Si:H,N层应具有足以提供与低折射率层形成所需的折射率对比度的氢(和任选的氮)含量。
此外，为了获得期望的用于设计规格角度的低角度偏移，用较高折射率的介电材料(例如Si3N4)仅替换堆叠中的一些SiO2层可能是足够的。可以使用光学设计软件(例如光线跟踪模拟器)来优化具有已知折射率的材料的层位置和厚度，以便实现期望的中心频带、带宽和角度偏移设计的基础特征。
现在参见图1，描述了合适的制造系统。示例性的系统采用溅射沉积，然而，也可以考虑其他沉积方法，例如真空蒸发、电子束蒸发等。一般来说，可以使用交流或直流溅射。示例性溅射沉积系统包括处理室10，该处理室10包括溅射靶托12和基板圆盘传送带14。对于示例性沉积，将硅靶16(例如硅晶片16)安装在溅射靶托12中。将一个或多个基板20装载到基板圆盘传送带14中。合适的基板20是诸如玻璃、二氧化硅或氧化铝之类的材料，该材料在目的波长范围(例如800nm-1000nm或750nm-1000nm)内是透明的。
在溅射沉积中，高能粒子被引导到靶16(在这种情况下是硅靶16)，其中粒子具有足够的能量以从靶中去除(即“溅射”)材料，然后转移(以弹道形式和/或在磁场或电场的影响下)到基板20的表面，以便用溅射的材料涂覆基板20。示例性溅射沉积系统采用来自示例性Ar气瓶22或来自另一氩源的氩(Ar)气作为高能粒子。通过向靶16施加负偏压(-V)而产生电离电场，以便使氩原子电离，然后在由-V电压偏置产生的电场的影响下轰击负偏压的靶16，以便产生溅射。另一方面，与靶16相比，基板20更加正向偏置，例如，在图1的示例性溅射系统中，将基板20接地。在该示例性构造中，靶16是电路的阴极，并且处理室10(和/或基板20，例如在一些实施方案中，可以将基板圆盘传送带14接地)是电路的阳极。尽管在示例性实施方案中氩气是溅射气体，但也可以使用其他可以离子化的惰性气体，例如氙气。
为了沉积二氧化硅，提供氧气(O2)瓶24或其他氧源。为了沉积具有氮添加剂的无定形氢化硅(a-Si:H,N)，提供氢气(H2)瓶26或其他氢源(例如氨、NH4或硅烷、SiH4)和氮气(N2)瓶30或其他氮源。提供(示例性示出)进气歧管32，以便在溅射沉积过程期间使所需的气体混合物进入处理室10。可以分别调节流量调节器34以设定Ar、O2、H2和N2的流量。处理室10还与合适的排气装置36(例如，具有洗涤器等的排气装置)连接，以从室10中排出气体。可以考虑用其他气体源来代替示例性的O2瓶、H2瓶和N2瓶。其他合适的氮气源包括氨(NH4)或肼(N2H4)。当使用诸如同时包含氮和氢的氨或肼之类的气体源时，应进行校准以考虑将氮和氢相对掺入至a-Si:H,N层中。诸如基板温度、靶偏压(V)、处理室压力、总流速之类的工艺参数可能影响氮与氢的相对掺入。提供两个阀VA、VB以在沉积SiO2和a-Si:H,N之间进行切换。阀VA控制来自氧源24的氧进入进气歧管32，而阀VB控制来自氢源26和氮源30的氢/氮混合物的进入。为了能够在SiO2沉积和a-Si:H,N沉积之间快速切换，阀VA、VB是自动阀，其致动器根据滤波器方案(filter recipe)42由电子溅射控制器40来控制。例如，溅射控制器40可以包括数模(D/A)转换器、高电压源和微处理器或微控制器，其被编程为操作D/A转换器以产生电致动信号，从而根据滤波器方案42来打开或关闭相应的阀VA、VB，并操作电压源以将电压-V施加到靶/阴极16。图1所示的右下方插入表50总结了分别用于沉积SiO2和a-Si:H,N的阀VA、VB的设置。为了沉积SiO2，打开阀VA以允许氧气进入进气歧管32，同时关闭阀VB以关闭氢源和氮源。所得工艺气体是氩/氧混合物。为了沉积a-Si:H,N，关闭阀VA以阻挡氧气并打开阀VB以允许包括氩/氢/氮混合物的工艺气体进入进气歧管32。注意，将氩源22连接至独立于阀VA、VB的进气歧管32。通常为各气体源22、24、26、30提供单独的手动可操作的断流阀(未示出)，以能够手动切断独立于自动阀VA、VB的各气体源。
如果进一步期望用较高的折射率材料代替一些低折射率层，则可以提供另外的气体源和合适的阀。在图1的示例性系统中，为了沉积氮化硅(Si3N4)层，提供了由阀VC控制的另外的氮气(N2)瓶25或其他氮源。如表50中进一步所示，当打开阀VC并且关闭阀VA和VB时，获得Si3N4的沉积物。与沉积SiO2一样，通过硅基溅射靶20来提供氮化硅的硅组分。使用合适的校准方法，通过氮气瓶25上的流量调节器来设定所需的化学计量。尽管在图1中未示出，但是应当理解，通过打开阀VA、VC并关闭阀VB，可以使用类似的设置来沉积折射率为1.9以上的SiOxNy。为了替代不含硅的介电层(例如Ta2O5、Nb2O5或TiO2)，靶托12可以具有多个装载有硅靶的靶槽，并且还有用于沉积不含硅的介电层的其他装载有合适靶的槽，所述合适靶包括(例如)钽、铌或钛。或者，可以通过气体源或其他源来提供钽、铌、钛等。
接下来描述使用图1的制造系统适当进行的示例性干涉滤波器制造工艺。最初，手动关闭所有气体源22、24、26、30，使处理室10达到大气压并打开，将靶16装载到靶托12上，并且将基板20装载到基板圆盘传送带14上。然后将处理室10关闭并向下拉至靶真空水平。作为进一步的设置，将流量调节器34手动设置为所需的流量。(或者，考虑将流量调节器处于溅射控制器40的自动控制下，在这种情况下，根据滤波器方案中提供的值来适当地设定调节器)。
通过经由进气歧管32使合适的工艺气体流动并将阴极偏压-V施加到靶16以便使由电场驱动的Ar原子电离来引发溅射沉积，从而将硅溅射离开硅靶16。具体的启动顺序取决于具体的溅射沉积系统和其他设计考虑：例如，在一种方法中，首先启动工艺气体流，然后施加阴极偏压-V以引发溅射沉积；或者，可以在惰性气体流下施加偏压并且通过允许适当的工艺气体来引发溅射沉积。
在溅射过程中，为了交替沉积SiO2(和/或任选的Si3N4)层和a-Si:H,N层，根据滤波器方案42和表50的阀设置来打开和关闭阀VA和阀VB(和任选的阀VC)。基于沉积时间和从校准沉积获得的沉积速率的先验知识，从而控制层厚度。基于通过流量调节器34的设置而控制的工艺气体混合物来确定层组成，该流量调节器34的设置是基于校准沉积而设置的(这样的校准沉积还应包括工艺参数，例如基板温度、靶偏压(-V)、室压力和校准测试矩阵中的总流量，因为这些参数也可能影响层组成)。在完成了干涉滤波器层的堆叠的沉积之后，去除工艺气流和偏置电压-V(再次，具体的关断顺序取决于特定的沉积系统等)，使处理室10达到大气压并打开，然后卸载涂覆的基板20。
参见图4，示出了如此制造的干涉滤波器100的示意图。滤波器包括基板102(例如最初负载到基板圆盘传送带14上的玻璃、二氧化硅或氧化铝基板)以及a-Si:H,N 104和SiO2 106和/或Si3N4 108的交替层。在示例性干涉滤波器100中，紧邻基板102的层是a-Si:H,N层104，但在其他实施方案中，介电层可以紧邻基板。在示例性干涉滤波器100中，最上层是a-Si:H,N层104，但在其他实施方案中，介电层可以是最上层。示例性堆叠包括紧邻SiO2/Si3N4层的实例，如果符合设计，该实例可以包括在内。示例性干涉滤波器100包括在基板102的相对侧上的层堆叠110、112，以制造这样的器件，可能需要打开溅射室并且基板在基板圆盘传送带14上“翻转”。(或者，基板圆盘传送带14可以被构造为使得这种操纵能够自动进行而无需打开处理室)。这种具有两个滤波器侧110、112的滤波器可以(例如)是通频带滤波器，其中在该滤波器一侧上的堆叠是高通滤波器，而另一侧上的堆叠是低通滤波器，然后通过高于高通滤波器截止点且低于低通滤波器截止点的波长范围来限定通频带。
这种滤波器的已知应用是使用硅检测器的应用。这些波长在存在光源以及检测器的有源器件中特别有用。在该光谱区域中，容易获得廉价、大量且高效的LED和激光器。一些主要应用包括但不限于人机(例如计算机)交互的红外手势控制、用于汽车的红外夜视、LIDAR、用于安全摄像机的红外夜视和用于移动电话和其他地方的接近CMOS传感器。在这些应用中，有用的波长在700nm至1100nm之间。在这个范围内，a-Si:H,N是适用于光学应用的高折射率材料。该范围内的典型折射率为3.3～3.5，而通过对比，TiO2的折射率仅为约2.3～2.4。在一些合适的实施方案中，a-Si:H,N层包含介于2％至8％之间的氢和介于3％至7％之间的氮，余量为Si。通常，更多的氢和氮含量提供更短的波长操作。通常，预期氮浓度高达6％至12％。
在示例性实施方案中，a-Si:H,N层104与SiO2层106交替。SiO2具有用于该目的的有利性质，该性质包括与a-Si:H,N的良好化学相容性和低折射率(n为1.5)，该SiO2与a-Si:H,N的界面处提供大的折射率步长。然而，考虑将另一介电层替代为SiO2层。例如，介电可能不具有精确的SiO2化学计量，例如，SiO2可以被SiOx代替，其中x不是精确的2(在本文中也称为“低氧化硅”)。
作为另一实例，可以考虑将氧氮化硅(SiOxNy)层作为介电层来代替SiO2。通常，当添加氮以从SiOx到SiOxNy时，折射率随着氮含量的增加而增加：例如，化学计量的氮化硅(Si3N4)的折射率为约2.0。然而，预期少量的氮(即，SiOxNy，其中x为2且x>>y)可以改善a-Si:H,N层104和相邻介电层之间的界面质量。这些化合物提供折射率调整，允许构建新的材料组合并连续地改变折射率分布。
用于设计构成层厚度和构成层的给定折射率的一些合适的设计方法基于以下原理。通常，层中的波长λ由λ＝λ0/n给出，其中λ0是自由空间波长并且n是折射率。来自较高折射率表面的反射引入了180°的相位移，而通过来自较低折射率表面的反射没有引入相位移。使用这些原理并给出构成层的折射率，选择构成层的厚度，使得对于基于设计的通频带中心波长，通过各个层和的光路长度与其下一层的界面处反射的光路长度构成组合，即波长的整数倍。用于选择构成层厚度的更精细的干涉滤波器设计技术(以及折射率，如果这些也是优化参数)在以下文献中给出：H.Angus Macleod，薄膜光滤波器(THIN-FILM OPTICALFILTERS)，第四版(Series in Optics and Optoelectronics,CRC Press 2010)。
尽管示例性干涉滤波器包括两层的重复单元，但是预期可以将三层或更多层结合到重复单元中，例如a-Si:H,N层和两个不同的电介电层，以实现期望的通频带性质(例如，中心波长、FWHM、通频带的“平坦度”等)。
已经参考示例性实施方案描述了本公开。显然，在阅读和理解前面的详细描述后，其他人将会进行修改和更改。意图是将本公开解释为包括所有这些修改和更改，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内即可。
在作为专利权利要求书提出的以下一句话陈述中阐述了进一步的非限制性公开。
Claims (8)
1.一种干涉滤波器，包括：
层堆叠，所述层堆叠包括在透明基板的一侧上的第一层堆叠以及在透明基板的相对侧上的第二层堆叠；以及
用于支撑所述第一层堆叠和所述第二层堆叠的透明基板，
其中所述第一层堆叠和第二层堆叠各自包括至少以下层中的多个层：
无定形氢化硅的层；
折射率低于所述无定形氢化硅的折射率的一种或多种介电材料的层，其中该一种或多种介电材料的层包括折射率在1.9至2.7的范围内的介电材料的层；以及
SiO2层，
其中所述层堆叠包括两层或更多层的重复单元，所述重复单元被配置为实现期望的通频带性质，并且其中所述层堆叠包括至少一个紧邻介电材料的层的SiO2层，而没有无定形氢化硅的中间层，该介电材料的层的折射率在1.9至2.7的范围内。
2.权利要求1所述的干涉滤波器，其中所述折射率在1.9至2.7的范围内的介电材料的层包括一个或多个层，该一个或多个层包括Si3N4、SiOxNy、Ta2O5、Nb2O5或TiO2，在SiOxNy中，y足够大以提供1.9以上的折射率。
3.权利要求1至2中任一项所述的干涉滤波器，其中所述层堆叠被构造为通频带中心波长在800nm至1100nm的范围内。
4.权利要求1至2中任一项所述的干涉滤波器，其中所述层堆叠被构造为通频带中心波长在750nm至1100nm的范围内。
5.权利要求1至2中任一项所述的干涉滤波器，其中所述透明基板包括玻璃基板。
6.权利要求1至2中任一项所述的干涉滤波器，其中所述第一层堆叠限定具有低通截止波长的低通滤波器，所述第二层堆叠限定具有高通截止波长的高通滤波器，并且所述干涉滤波器具有在所述高通截止波长和所述低通截止波长之间限定的通频带。
7.一种制造根据权利要求1至6中任一项所述的干涉滤波器的方法，包括：
通过包括将所述层堆叠沉积在基板上的操作来制造所述的干涉滤波器。
8.权利要求7所述的方法，其中所述沉积包括使用至少硅基溅射靶的溅射。
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