CN111936902A - 金属光学超表面的制造 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于制造具有全息元件阵列的金属光学超表面的方法。该方法包括通过镶嵌工艺在背板结构上形成由导电阻挡层或电介质阻挡层保护的第一铜层。第一铜层包括从所述背板结构垂直延伸的多个纳米间隙。所述多个纳米间隙填充有电介质材料。该方法还包括去除电介质材料和一部分导电阻挡层或电介质阻挡层，以暴露第一铜层的纳米间隙中的部分。该方法可以进一步包括在第一铜层的顶部和暴露的侧面部分上方沉积电介质涂层，以形成受保护的第一铜层；以及用具有电可调谐折射率的电可调谐电介质材料填充所述间隙。

Description

金属光学超表面的制造
优先权申请的所有主题均通过引用并入本文，只要该主题与本文不矛盾即可。
技术领域
本公开涉及用于制造金属光学超表面(optical metasurface)的方法。特别地，本公开针对用于制造铜全息超表面的镶嵌工艺(damascene process)，所述铜全息超表面包括铜柱的阵列，在铜柱之间具有纳米级间隙。该制造方法还包括制造作为反射器(reflectors)的背板结构，并用折射率可调谐芯材料填充纳米级间隙。
背景技术
诸如尤其是车辆，无人机，机器人，安保，制图之类的自主系统和应用需要以3D视角观察世界。扫描光探测和测距(Scanning Light Detection and Ranging，LiDAR(激光雷达))是当前自动驾驶汽车中使用的3D传感器。LiDAR还可以用于制作高分辨率地图，并提供动态视野。通常，LiDAR基于激光束的机械扫描来创建密集的点云。
近来，人们非常关注用固态LiDAR代替机械扫描的激光雷达，该固态LiDAR使用电子方式控制光束，因此非常可靠，并具有某些性能优势。固态LiDAR也可以是低功耗，紧凑型，并且可以采用低成本CMOS制造技术。目前，最著名的固态光束扫描方法是光学相控阵。该专利描述了用于制造基于全息超表面的固态扫描装置的方法。
发明概述
在一实施方案中，本公开提供了一种用于制造具有可调谐元件阵列的金属光学超表面的方法。该方法可以包括通过镶嵌工艺在背板结构上方形成具有导电阻挡层或电介质阻挡层的第一铜层。第一铜层包括从背板结构垂直延伸的多个纳米间隙。多个纳米间隙填充有电介质材料。导电阻挡层或电介质阻挡层在第一铜层和背板结构之间，并且也在第一铜层和电介质材料之间。该方法还可包括去除电介质材料和一部分导电阻挡层或电介质阻挡层，以暴露第一铜层的纳米间隙中的部分。该方法可以进一步包括在第一铜层的顶部和暴露的侧面部分上方沉积电介质涂层，以形成受保护的第一铜层；以及用具有电可调谐折射率的电可调谐电介质材料填充间隙。
在一实施方案中，提供了一种通过铜镶嵌工艺来制造光学超表面的方法。该方法可以包括在背板结构上沉积多个电介质层，并且蚀刻所述电介质层以在电介质层中形成多个沟槽。该方法还可包括：沉积电介质阻挡层或导电阻挡层以防止铜扩散或腐蚀；在电介质阻挡层或导电阻挡层上方溅射籽晶铜层；在电介质阻挡层或导电阻挡层上方电镀第一铜层以填充沟槽；通过化学机械抛光(CMP)去除第一铜层的顶部，以暴露电介质层的顶面，以形成多个铜柱。该方法可以进一步包括：蚀刻电介质层和阻挡层以在铜柱之间形成多个纳米间隙；在铜柱的顶部和侧壁上沉积电介质涂层；以及用具有电可调谐折射率的电可调谐电介质材料填充多个纳米间隙。
在一实施方案中，提供了一种用于制造光学超表面的方法。该方法可以包括通过镶嵌工艺在背板结构上方形成具有导电阻挡层的多个铜柱。多个铜柱之间的多个纳米间隙填充有电介质材料。导电阻挡层在第一铜层和背板结构之间，并且也在第一铜层和电介质材料之间。背板结构包括电介质层或铜层的堆叠(stack)。该方法还可以包括去除纳米间隙中的电介质材料，电介质层的堆叠的至少顶层以及导电阻挡层，以暴露出多个铜柱中的每一个的所有四个侧面。该方法可以进一步包括在每个铜柱的四个侧面上沉积电介质涂层，并用具有电可调谐折射率的电可调谐电介质材料填充纳米间隙和铜柱下方的空间。
另外的实施方案和特征部分地在随后的描述中阐述，并且对于本领域技术人员而言，在阅读说明书后将变得显而易见，或者可以通过实践本公开的主题来获悉。通过参考形成本公开的一部分的说明书和附图的其余部分，可以实现对本公开的本质和优点的进一步理解。
附图简要说明
通过参考以下附图和数据图，将更充分地理解本说明书，这些附图和数据图被作为本公开的各种实施方案呈现，并且不应被解释为对本公开的范围的完整叙述，其中：
图1A示出了根据本公开的实施方案的金属全息超表面装置的俯视图。
图1B是根据本公开的实施方案的1D金属全息超表面装置的横截面视图。
图2示出了根据本公开实施方案的图1B的阵列中的包括一对铜柱和完整背板结构的一个亚波长全息元件的横截面视图。
图3示出了根据本公开的实施方案的图1B的阵列中的包括一对铜柱和部分背板结构的一个亚波长全息元件的横截面视图。
图4示出了根据本公开的实施方案的图1B的阵列中的包括一对铜柱和凹口设计背板结构的一个亚波长全息元件的横截面视图。
图5示出了根据本公开的实施方案的图1B的阵列中的包括一对铜柱和布拉格反射器背板结构的一个亚波长全息元件的横截面视图。
图6A示出了根据本公开的实施方案的在晶片衬底上方沉积多个电介质层的横截面视图。
图6B示出了根据本公开实施方案的蚀刻图6A的顶部电介质层以形成沟槽的横截面视图。
图6C示出了根据本公开的实施方案的在图6B的沟槽以及顶部电介质层上方沉积衬垫层(liner)和铜层的横截面视图。
图6D示出了根据本公开实施方案的图6C的铜层的化学机械平坦化(CMP)以暴露顶部电介质层的横截面视图。
图6E示出了根据本公开实施方案的在图6D的铜层和顶部电介质层上方沉积电介质层的横截面视图。
图6F示出了根据本公开的实施方案的使用镶嵌工艺图案化在图6E的电介质层上方的铜层的横截面视图。
图6G示出了根据本公开的实施方案的化学蚀刻图6F的顶部电介质层以在铜柱之间形成纳米间隙的横截面视图。
图6H示出了根据本公开的实施方案的将电介质涂层施加到图6G的铜柱的横截面视图。
图6I示出了根据本公开的实施方案的在铜柱上方布置电可调谐材料并且填充图6H的铜柱之间的纳米间隙的横截面视图。
图7A示出了根据本公开的实施方案的使用镶嵌工艺形成图案化的铜柱和铜贴片的横截面视图。
图7B示出了根据本公开的实施方案的化学蚀刻图7A的电介质层以去除顶部电介质层和导电阻挡层以在铜柱之间形成纳米间隙的横截面视图。
图7C示出了根据本公开实施方案的将电介质涂层施加到图7B的铜柱上的横截面视图。
图7D示出了根据本公开实施方案的在铜柱上方布置电可调谐材料并且填充图7C的铜柱之间的纳米间隙的横截面视图。
图8A示出了根据本公开的实施方案的使用镶嵌工艺形成图案化的铜柱和铜贴片的横截面视图。
图8B示出了根据本公开的实施方案化学蚀刻图8A的顶部电介质层以去除顶部电介质层，围绕铜柱的导电阻挡层以及在铜柱下方的电介质层以在铜柱之间形成纳米间隙的横截面视图。
图8C示出了根据本公开实施方案的将电介质涂层施加到图8B的铜柱上的横截面视图。
图8D示出了根据本公开的实施方案的在铜柱上方布置电可调谐材料并且填充在铜柱之间的纳米间隙以及图8C的铜柱下方的横截面视图。
图9示出了根据本公开实施方案的来自图7D的修改结构的横截面视图。
发明详细说明
可以通过参考结合如下文描述的附图的以下详细描述来理解本公开。注意，出于说明清楚的目的，各个附图中的某些元件可能未按比例绘制。
本专利申请涉及于2018年2月22日提交的标题为“Control Circuitry andFabrication Techniques for Optical Metasurfaces”的PCT申请PCT/US18/19269，该申请的全部内容通过引用并入本文。
本专利申请还涉及于2018年3月19日提交的标题为“PLASMONIC SURFACE-SCATTERING ELEMENTS AND METASURFACES FOR OPTICAL BEAM STEERING”的美国专利申请号15/924,744，其全部内容通过引用并入本文。
总览
本公开提供了用于制造金属全息超表面装置的方法，该金属全息超表面装置可在更高的频率，特别是在红外或可见光频率下操作。当将工作频率放大到光学(红外/可见光)频率时，单个散射元件的大小和相邻散射元件之间的间距将按比例缩小，以保留该技术的亚波长/超材料方面。在光频率下操作的相关长度标度通常为微米或更小量级，小于常规印刷电路板(PCB)工艺的典型长度标度。
金属全息超表面装置包括全息元件(hologram element)的阵列，其可以是一维(1D)阵列或二维(2D)阵列。每个全息元件都包括一对金属柱，电可调谐材料以及作为反射器的背板结构。
与PCT申请PCT/US18/19269中公开的光学超表面相比，金属光学超表面包括金属柱(例如铜柱)，而不是全息元件中的电介质柱。使用金属柱代替电介质柱有很多好处。
在光学上，金属柱减少了金属全息超表面的全息元件之间的耦合。金属柱不允许光场从电可调谐材料穿透，使得光场基本上被限制在电可调谐材料内。结果，金属柱将阵列中的全息元件彼此隔离，并减小了全息元件之间的光学耦合。相反，电介质柱(例如非晶硅柱)允许光场从电可调谐材料穿透到柱中，使得全息元件耦合在一起。
在电学上，金属柱是比非晶硅柱更好的导体。因此，金属光学超表面具有比具有电介质柱的光学超表面小的欧姆损耗。金属柱可以尤其包括铜，金，银，铝。
本公开内容涉及用于制造铜全息超表面的镶嵌工艺，其包括铜柱阵列，所述铜柱阵列具有填充在铜柱之间的纳米级间隙中的电可调谐材料。
本公开提供使用镶嵌工艺来图案化铜柱的方法。已经开发出镶嵌工艺来制造半导体集成电路，该半导体集成电路使用铜来互连金属化层中的晶体管。
本公开提供了用于添加电介质阻挡层以保护铜免于扩散的方法。阻挡层还可以防止铜腐蚀。这与电子设备或半导体集成电路完全不同。在电子器件中，包括Ta和/或TaN的导电阻挡层用于防止铜扩散到绝缘体中。包括Ta和/或TaN的导电阻挡层有助于保护铜免于扩散到绝缘体中，并且还电连接至两个铜层。另一方面，用于铜的电介质阻挡层将不起作用，因为电介质层阻止了两个铜层的电连接。
本公开还提供了用于向铜添加包括Ta和/或TaN的导电阻挡层，但是然后去除一部分导电阻挡层以减少由于导电阻挡层引起的光学损失并用电介质阻挡层重新涂覆铜的方法。除去Ta和/或TaN的原因是，Ta和TaN在感兴趣的频率范围内对光的吸收能力非常强。Ta和TaN的存在将影响金属光学超表面的光学性能，但是不影响电路的电性能。
一种方法还可以包括用电可调谐材料填充铜柱之间的纳米间隙以形成金属光学超表面装置。电可调谐材料尤其可以包括液晶，电光(EO)聚合物材料或硫系化物玻璃。该电可调谐材料的折射率可以通过施加电压来调整。
金属光学超表面
图1A示出了根据本公开的实施方案的金属全息超表面装置的俯视图。如图1A所示，金属全息超表面装置100具有金属全息超表面区域102，其包括在基底108的第一部分上的全息元件的阵列，这在图1B中可以看到。金属全息超表面区域102包括全息元件的阵列。每个全息元件包括一对金属柱和在该对金属柱之间的折射率可调谐芯材料(即，电可调谐材料)。
全息超表面装置100还可在芯片的第二部分上具有包括CMOS晶体管的互连区域103，互连区域103中的CMOS晶体管可以控制施加到每个全息元件的金属柱的电压。CMOS晶体管具有低的静态功耗和高的抗干扰度。全息元件阵列和电气控制电路是解耦的(decoupled)。在一些实施方案中，互连区域103可以包括没有有源元件的导线的复杂布线。
在一些实施方案中，互连区域可以至少部分地混合在全息超表面(未示出)内。例如，金属全息超表面可以具有主动控制，其中电路部分在全息表面下方。
图1B是根据本公开的实施方案的1D金属全息超表面装置的横截面视图。如图1B所示，阵列102包括线性排列在晶片上的多列金属全息元件106。金属全息元件或谐振器106包括一对金属柱110A-110B和在金属柱之间的电可调谐材料112。金属柱沉积在背板结构104上。在一些实施方案中，背板结构104可以尤其包括完整背板(full backplane)，部分背板，凹口设计或布拉格反射器中的一种。
入射波的掠入射(例如图1B中所示的激光输入)以较高的Q因子激发金属柱之间的间隙中的共振，从而实现了相位的动态调制。另外，金属柱沉积在背板结构上，这使得该结构用作反射阵列，因此可以与控制电子器件集成。谐振器包括两个金属柱，它们由具有可调谐折射率的电可调谐材料分隔开。谐振器产生如图1B所示的全息输出。
金属柱的反射相位对芯材料的折射率敏感，可能具有接近2π的相位调制，其中Δn/n的折射率调制约为7％。共振的高Q(例如Q为20)可实现对芯材料折射率的高灵敏度。反射相位对所述芯的折射率的高灵敏度可使折射率可调谐芯材料集成到金属柱之间的间隙中，以创建动态的超表面。
由于可调谐(tunable)电介质材料的折射率调制范围可能很小，因此设计可调谐辐射或散射元件阵列的一个挑战是创建高Q因子，低损耗的亚波长谐振器。Q因子是一个无因次参数，用于表征谐振器相对于其中心频率的带宽。高Q因子表示相对于谐振器存储的能量而言，能量损失率较低。具有高Q因子的谐振器具有较低的阻尼。
背板结构104沉积在基底108上，用于支撑金属柱。在一些实施方案中，基底108可以包括晶片衬底，其尤其是可以是晶体硅晶片。在一些实施方案中，基底108可包括晶片衬底以及用于导线的多个层。
背板结构104反射光波。在两个金属柱202上施加控制电压以在全息元件106A上产生静电场。电场和磁场都很好地限制于在两个金属柱110A-110B之间的纳米间隙中的电可调谐材料112。
图2示出了根据本公开的实施方案的图1B的阵列中具有谐振器的亚波长全息元件106A之一的横截面视图，该谐振器包括一对金属柱和完整的背板结构。如图所示，金属全息元件106A(例如亚波长金属全息元件)包括谐振器，该谐振器具有在背板结构104A上方的两个金属柱202之间的电可调谐材料或折射率可调谐材料204，背板结构104A位于基底108和金属柱202A-B之间。完整背板结构104A可以包括在金属层208上方的电介质层206，如图2所示。电介质间隔物206可以包括至少一个薄的耐化学腐蚀层和至少一个厚的电介质层。
电场和磁场都被很好地限制在两个金属柱202A-202B之间的纳米间隙中的电可调谐材料204中。电场和磁场主要限制在谐振器的顶端和底端之间。
图3示出了根据本公开的实施方案的图1B的阵列中具有谐振器的亚波长全息元件106B之一的横截面视图，该谐振器包括一对金属柱和部分背板结构。如图所示，金属全息元件106B(例如是亚波长金属全息元件)包括谐振器，该谐振器具有在背板结构104B上方的两个金属柱302之间的折射率可调谐材料304，背板结构104B位于基底108和金属柱302A-B之间。部分背板结构104B可以包括嵌入在电介质层306中的金属贴片308。金属贴片308可以是矩形的，其具有标记为H_m的高度和标记为W_m的宽度。金属贴片308位于电可调谐材料304下方。金属贴片308的宽度可以从零变化到接近节距(pitch)。当金属贴片的宽度等于节距时，部分背板结构变为完整背板结构。
当金属贴片由铜形成时，可以通过考虑宽度对制造和光学性能的影响来设计铜贴片的宽度。一方面，更容易制造具有减小的铜贴片宽度的铜贴片。另一方面，当铜贴片的宽度增加时，光学性能变得更好。
再次，电场和磁场都很好地限制于在两个金属柱302A-B之间的纳米间隙中的电可调谐材料304。电场和磁场都主要限制在谐振器的顶端和底端之间。
图4示出了根据本公开的实施方案的在图1B的阵列中具有谐振器的亚波长全息元件106C之一的横截面视图，该谐振器包括一对金属柱和凹口设计背板结构。如图所示，金属全息元件106C(例如亚波长金属全息元件)包括谐振器，该谐振器具有在背板结构上方的两个金属柱402之间的折射率可调谐材料404，背板结构位于基底108和金属柱402A-B之间。
凹口设计背板结构104C可以包括电介质层406，电介质层406具有在金属层408上方的凹口410。凹口410位于纳米间隙中的电可调谐材料404之下。凹口410连接到电介质层406并突出到金属层408中。该凹口可以通过在电介质间隔物的位置处的磁场中施加节点来防止单位晶格(unit cell)之间的耦合。
同样，电场和磁场都很好地限制于在两个金属柱402A-B之间的纳米间隙中的电可调谐材料404中。电场和磁场主要限制在谐振器的顶端和底端之间。
图5示出了在根据本公开的实施方案的图1B的阵列中具有谐振器的亚波长全息元件106D之一的横截面视图，该谐振器包括一对金属柱和布拉格反射器背板结构。如图所示，金属全息元件106D(例如亚波长金属全息元件)包括谐振器，该谐振器具有在背板结构上方的两个金属柱502A-B之间的折射率可调谐材料504，背板结构位于基底108和金属柱502A-B之间。
布拉格反射器背板结构104D可以包括多个电介质层，多个电介质层交错地具有具有低电介质指数的电介质层506A和具有高电介质指数的电介质层506B。布拉格反射器背板结构104D是非金属反射器。
同样，电场和磁场都很好地限制于在两个金属柱502A-B之间的纳米间隙中的电可调谐材料504中。电场和磁场大多被限制在谐振器106D的顶端和底端之间。
在上述金属全息元件106A-D的谐振器中，节点或腹点(anti-node)的数量可以随着金属柱的高度而变化。例如，对于金属柱的高度，在电场中存在两个节点或两个腹点，且在磁场中存在两个节点或两个腹点。当包括金属柱和电可调谐材料的谐振器的高度减小时，谐振器可以仅具有一个谐振。当谐振器的高度增加时，谐振器可以具有三个，四个或更多节点。
在制造期间完成高度的调整。一旦谐振器的高度固定，就可以围绕谐振调整背板结构。然后，可以调整可调谐材料的折射率。
作为示例，表1列出了如图3所示的谐振器和部分背板结构的节距，高度和宽度的尺寸。作为示例，电介质层306是SiO2。
表1：金属全息元件的尺寸
尺寸范围(nm)
H_slot 400-600
W_slot 100-200
节距(Pitch) 350-500
H_SiO<sub>2</sub> 50-200
W_m 200-500
H_m 50-500
表1中的特定尺寸适用于905nm的工作波长。这些尺寸可能随波长而变化。例如，在1550nm的波长下，参数应乘以等于两个波长之比的系数，即1550/905。
对于完整的背板结构104A和布拉格反射器背板结构104D，节距是宽度(W_m)。
对于凹口设计背板结构104C，凹口具有W_slot的宽度，并且在905nm的波长处的深度是在100nm至150nm的范围内。
本领域技术人员将意识到，高度，宽度和节距的尺寸可以变化。
镶嵌工艺
已经开发出镶嵌工艺以制造半导体集成电路，该半导体集成电路使用铜来互连金属化层中的晶体管。在半导体芯片的制造中，通过镶嵌工艺对铜进行图案化。这是因为不能通过已经成功地与铝一起使用的光致抗蚀剂掩模和等离子体蚀刻的已知技术来对铜进行图案化。在本领域中已知铜是比铝更好的导体。因此，使用铜基芯片的半导体芯片可以具有较小的金属组件，并使用较少的电能，并可以得到性能更高的处理器。由于具有优于铝的这些优点，因此在镶嵌工艺中已进行了巨大的开发工作。
在镶嵌工艺中，利用在其中填充导体的沟槽对下面的电介质绝缘层(例如，氧化硅)进行图案化。厚的铜层涂层填充满沟槽并沉积在绝缘层上。然后，使用化学机械平坦化(CMP)去除在绝缘层的顶表面上方延伸的铜以进行平坦化。电介质绝缘层的沟槽内的铜成为图案化导体。
镶嵌工艺可以是单镶嵌工艺或双镶嵌工艺。在一些实施方案中，单镶嵌工艺可以包括两个单独的镶嵌步骤，其可以用于分别形成沟槽和通孔。此单镶嵌工艺可用于形成不存在通孔的器件。
在一些实施方案中，双镶嵌工艺组合形成两个特征以减少工艺步骤的数量。双镶嵌工艺通常同时形成并填充两个特征，例如使用单个铜沉积形成覆盖通孔的沟槽。利用绝缘体和铜的连续层，创建了多层互连结构。
除了对步骤数量的简化之外，双镶嵌工艺和单镶嵌工艺在很大程度上是相同的。本领域技术人员将知道，在单镶嵌工艺中任何可能的事情都可能在双镶嵌工艺中实现。
在镶嵌工艺中，导电阻挡层完全包围所有铜互连。导电阻挡层防止铜扩散到任何周围的材料中，这会降低周围材料的性能。例如，硅在掺杂铜后会形成深能级陷阱。导电阻挡层可充分降低铜的扩散率，因此将铜与电介质绝缘体(例如，氧化硅)化学隔离，同时仍具有高导电率以维持良好的电子接触。
导电阻挡层或膜可以不太厚，使得两个导电阻挡膜和铜导体的堆叠的总电阻可以超过铝互连的电阻。在一些实施方案中，将导电阻挡层添加在铜导体的所有四个侧面部分上以减少扩散。在一些实施方案中，导电阻挡层被施加到侧面部分和底部，以及顶表面通常是电介质阻挡层而不是Ta/TaN阻挡层。典型的阻挡金属尤其包括Ta和TaN。
金属光学超表面的制造
实施例1
图6A-6I提供了使用镶嵌工艺形成金属光学超表面的步骤。如图2所示，金属光学超表面包括作为反射器的部分背板结构。该方法包括制造包括铜贴片的部分背板结构。该方法还包括形成具有电介质阻挡层(例如，氮化物层)的图案化铜柱。该方法用用于铜全息超表面的电介质阻挡层代替了常规镶嵌工艺中通常使用的导电阻挡层(例如，Ta和/或钽氮化物)。该方法还包括用电介质涂层(例如，氮化物层)重新涂覆铜柱，以防止铜迁移到电介质绝缘体层(例如，氧化硅)中。该方法还包括用电可调谐材料填充铜柱之间的纳米间隙。
图6A示出根据本发明的实施方案的在晶片衬底上方沉积多个电介质层的横截面视图。如图6A所示，将电介质层604、606、608和610的堆叠沉积在晶片衬底602上方。电介质层尤其可以包括电介质材料，例如氮化硅(SiN)，硅碳氮(SiCN)，碳化硅(SiC)，氧化铝(Al2O3)，二氧化铪(HfO2)，氧化硅(SiO2)。沉积技术尤其可以包括物理气相沉积(PVD)，化学气相沉积(CVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
图6B-6D示出了形成包括铜贴片的部分背板结构的步骤。图6B示出了根据本公开实施方案的蚀刻图6A的顶部电介质层以形成沟槽的横截面视图。如图6B所示，通过干法蚀刻或等离子蚀刻在顶部电介质层610中形成沟槽609。干蚀刻或等离子蚀刻可以在垂直方向上蚀刻，使得可以在电介质层中形成垂直沟槽。
图6C示出了根据本公开实施方案的在图6B的沟槽以及顶部电介质层上方沉积衬垫层和铜层的横截面视图。如图所示，铜沉积在衬垫层612上。铜层614被衬垫层612保护。衬垫层612尤其可以是导电阻挡材料，例如Ta和/或TaN。
可以将铜层电镀到涂覆有衬垫层612的沟槽中。电镀沉积可以是两步过程。可以首先使用物理气相沉积(PVD)沉积籽晶层，然后将铜电镀在籽晶层上。
图6D示出了根据本公开实施方案的图6C的铜层的化学机械平坦化(CMP)以暴露顶部电介质层的横截面视图。如图6D所示，通过使用CMP来平坦化铜层来形成铜贴片614。铜贴片嵌入顶部电介质层610内。
图6E示出了根据本公开的实施方案的在图6D的铜层和顶部电介质层上方沉积电介质层的横截面视图。如图所示，电介质间隔物618沉积在平坦化的铜贴片614和电介质层610上方。
电介质间隔物可以包括多个电介质层。作为示例，电介质间隔物可以包括顶部氮化物层，底部氮化物层以及在顶部氮化物层和底部氮化物层之间的氧化物层。电介质间隔物可以包括电介质材料，例如SiN,SiCN,SiC,Al2O3,HfO2,SiO2等。沉积技术可以包括PVD，CVD或PECVD等。本领域技术人员将理解，电介质间隔物的材料和厚度可以变化。
图6F示出了根据本公开的实施方案的使用镶嵌工艺图案化图6E的电介质层上方的铜层的横截面视图。如图所示，铜柱622之间形成有纳米间隙。电介质阻挡层620覆盖铜柱622的侧壁和底部。电介质层624填充铜柱之间的纳米间隙中的空间。电介质阻挡层620是光学透明的，并且可以包括电介质材料，例如氮化硅(SiN)，硅碳氮(SiCN)，碳化硅(SiC)，氧化铝(Al2O3)，二氧化铪(HfO2)，氧化硅(SiO2)和阻挡铜扩散的光学透明材料等。
在一些实施方案中，镶嵌工艺可以是双镶嵌工艺，其可以包括在铜柱622和铜贴片614中的元件之间进行电通孔连接。如果将电介质衬垫层用于电介质阻挡层620，则这些连接是不可能的，并且可以与IC区域中的另一层中的铜柱622的顶侧进行电接触。
在一些实施方案中，由于只有一个蚀刻步骤，因此6A-F的顺序描绘了单镶嵌工艺。如果该工艺是双镶嵌工艺，则可能会进行另一次如图6B所示操作的蚀刻，蚀刻进行到不同的深度。而且，对于双镶嵌工艺，在图6B和图6C之间可能会有湿法蚀刻步骤，以暴露出下面的Cu。
该方法包括在电介质层624中形成沟槽和通孔(未示出)。通孔连接到铜柱，以向铜柱施加电压。
该方法包括在沟槽上方沉积电介质阻挡层620，如图6F所示。该方法不同于常规的用于半导体集成电路芯片的制造方法，其中，通常将导电阻挡层(例如Ta/TaN)施加到沟槽上，例如如图6C所示。
该方法还包括通过电镀在沟槽上方沉积铜层，然后进行CMP以形成铜贴片622。
在一些实施方案中，通孔可以不存在于金属光学超表面的全息表面中，例如如图1A所示。在替代实施方案中，通孔可以存在于有源金属光学超表面(未示出)中，或者存在于金属光学超表面的互连区域103中。使用双镶嵌工艺形成通孔和沟槽。在单个沉积操作中，铜同时沉积在通孔和沟槽中。
图6G示出了根据本公开的实施方案的化学蚀刻图6F的顶部电介质层以在铜柱之间形成纳米间隙的横截面视图。如图所示，使用例如缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)之类的蚀刻剂通过化学蚀刻来去除铜柱622之间的电介质层624。与等离子体蚀刻不同，化学蚀刻可以在所有方向上进行蚀刻。蚀刻剂可以蚀刻一种电介质材料，例如氧化物，但是可以不蚀刻另一相邻的电介质材料，例如氮化物。
另外，如图6G所示，蚀刻剂除去铜柱622的垂直侧壁上的电介质阻挡层620，而底部电介质阻挡层620保留在铜柱622和铜柱622下方的电介质层618之间。
图6H示出了根据本公开实施方案的将电介质涂层施加至图6G的铜柱的横截面视图。如图6H所示，电介质涂层625沉积在平坦化的铜柱622的顶部和侧面部分上。电介质涂层625也沉积在铜柱622之间的电介质层618的暴露的顶部上。
可以通过使用原子层沉积(ALD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来施加电介质涂层625。电介质涂层625是光学透明的，并且可以包括电介质材料，例如SiN，SiCN，SiC，Al2O3，HfO2，SiO2以及阻挡铜扩散的光学透明材料等。可以非常快速地施加电介质涂层625，以在没有任何保护层的情况下使铜的暴露最小。
图6I示出了根据本公开的实施方案在图6H的铜柱上方布置电可调谐材料并且填充的铜柱之间的纳米间隙的横截面视图。如图所示，电可调谐材料626填充铜柱622之间的纳米间隙623。在该实施方案中，电可调谐材料626覆盖电介质涂层625的顶部。
在替代实施方案中，电可调谐材料626可以不覆盖电介质涂层626的顶部。电可调谐材料可以包括液晶。可以将电可调谐材料旋涂到纳米间隙中。
该方法进一步包括用诸如玻璃和聚合物之类的光学透明材料包封(encapsulating)电可调谐材料。聚合物可以包括聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或聚碳酸酯(PC)等。
实施例2
本公开内容还提供了在镶嵌工艺中去除导电阻挡层(例如，Ta和/或TaN)的至少一部分并且为铜全息超表面施加电介质涂层的方法。Ta和/或TaN阻挡材料在全息超表面的频率范围内对光的吸收能力非常强。由于存在Ta和TaN阻挡层，铜光学超表面的效率非常低或几乎为零。本公开内容确定了该问题并且提供了通过去除Ta和TaN阻挡层来解决该问题的解决方案。
图7A示出了根据本公开的实施方案使用镶嵌工艺形成图案化的铜柱和铜贴片的横截面视图。如图所示，在部分背板结构上形成具有导电阻挡层720(例如Ta和/或TaN)的铜柱718，该部分背板结构包括电介质间隔物，电介质间隔物具有在基底702上方的各自的底部电介质层712，中间电介质层714和顶部电介质层716，铜贴片704，导电阻挡层706(例如Ta和/或TaN)。顶部电介质层722填充涂覆的铜柱718之间的纳米间隙。铜贴片704与电介质层708和710一起嵌入电介质层712下方。导电阻挡层(例如，Ta和/或TaN)沉积在铜上，以密封铜防止其扩散。Ta和TaN层可以通过溅射沉积。
图7B示出了根据本公开的实施方案化学蚀刻图7A的电介质层以去除顶部电介质层和导电阻挡层以在铜柱之间形成纳米间隙的横截面视图。如图7B所示，根据要蚀刻的电介质材料，通过使用诸如BOE之类的蚀刻剂化学蚀刻掉电介质层722。而且，铜柱718的侧壁上的导电阻挡层被化学蚀刻掉，例如用与用于蚀刻电介质层722相同的蚀刻剂化学蚀刻掉。
图7C示出了根据本公开实施方案将电介质涂层施加到图7B的铜柱上的横截面视图。如图7C所示，电介质涂层726沉积在铜柱718上以保护铜柱免于扩散和/或腐蚀。该步骤也可以称为钝化操作。在涂覆的铜柱718之间形成纳米间隙728。
图7D示出了根据本公开实施方案在图7C铜柱上方布置电可调谐材料并且填充铜柱之间的纳米间隙的横截面视图。如图7D所示，电可调谐材料730填充纳米间隙728并且还覆盖铜柱718的顶部。光学透明层732设置在电可调谐材料730上方。光学透明层732可以包括玻璃，聚合物。等等。例如，一块坚固的玻璃或玻璃盖可以覆盖电可调谐材料730作为保护层。
在替代实施方案中，电可调谐材料仅填充铜柱之间的纳米间隙，而不存在于铜柱的顶部。因此，光学透明层直接设置在涂覆的铜柱和电可调谐材料上方。
实施例3
本公开还提供了替代实施方案，其中金属光学超表面还去除了铜柱下方的导电阻挡层720，这减小了铜柱下方的导电阻挡层720的光吸收，如图7D所示。
图8A-8D示出了形成替代的金属光学超表面的步骤。图8A示出了根据本公开的实施方案使用镶嵌工艺形成图案化的铜柱和铜贴片的横截面视图。如图所示，在部分背板结构上形成具有导电阻挡层820(例如Ta和/或TaN)的铜柱818，该部分背板结构包括电介质间隔物，电介质间隔物具有在基底802上方的各自的电介质层812、814和816，铜贴片804，导电阻挡层806(例如Ta和/或TaN)。该基底可以包括晶片衬底等等。顶部电介质层822填充涂覆的铜柱818之间的纳米间隙。铜贴片804与电介质层808和810一起嵌入电介质层812下方。导电阻挡层(例如Ta和/或TaN)可以是通过溅射沉积在铜上。
图8B示出了根据本公开实施方案化学蚀刻图8A的顶部电介质层以去除顶部电介质层，围绕铜柱的导电阻挡层和铜柱下方的电介质层，以在铜柱之间形成纳米间隙的横截面视图。如图8B所示，通过使用蚀刻剂的化学蚀刻去除顶部电介质层822。铜柱下面的两个电介质层814和816也通过化学蚀刻去除。而且，从铜柱818的侧壁和底部完全去除了导电阻挡层820。
铜柱可以通过其他机械方式支撑。例如，可以通过规则间隔的通孔连接来提供机械支撑。这些通孔连接到接地层(ground plane layer)中的锚固特征，该锚固特征与反射器特征电气隔离。
图8C示出了根据本公开实施方案将电介质涂层施加到图8B的铜柱上的横截面视图。如图所示，电介质涂层826沉积在每个铜柱的四个侧面部分周围，包括铜柱818的顶部，侧壁和底部。
图8D示出了根据本公开的实施方案在图8C的铜柱上方布置电可调谐材料并且填充在铜柱之间的以及在铜柱下方的纳米间隙的横截面视图。如图8D所示，电可调谐材料828填充涂覆的铜柱818下面的空间以及铜柱818之间的纳米间隙。光学透明层830设置在电可调谐材料828上。光学透明层830可以包括玻璃或聚合物。
实施例4
本公开内容还提供了替代性实施方案，其中金属光学超表面是从图7D所示的修改而来的。在替代的实施方案中，包封层可以旋涂或沉积在涂覆的铜柱和纳米间隙中的电可调谐材料上。
图9示出了根据本公开实施方案的来自图7D的修改结构的横截面视图。如图所示，金属光学超表面包括设置在铜柱918上方的光学透明层930和位于铜柱918之间的纳米间隙中的电可调谐材料928。光学透明层930可包括玻璃或聚合物。铜柱的顶部和侧壁涂覆有电介质涂层926。铜柱918的底部由导电阻挡层920(例如Ta和/或TaN)保护。铜柱918设置在部分背板结构上，部分背板结构包括电介质间隔物912、914和916以及嵌入电介质层910和908内的铜贴片904。铜贴片904的侧壁和底部由导电阻挡层906(例如Ta和/或TaN)保护。所述部分背板结构设置在晶片衬底902上方。所述晶片衬底可以包括硅晶片等等。
如以上实施例中所示，可以形成金属光学超表面。本领域技术人员将认识到，以上过程可以用于制造其他金属光学超表面，所述其他金属光学超表面包括完整背板结构，凹口设计背板结构或布拉格反射器背板结构。
本文引用的任何范围是包括端值的。在整个说明书中使用的术语“基本上”和“大约”用于描述和解释小的波动。例如，它们可以指小于或等于±5％，例如小于或等于±2％，例如小于或等于±1％，例如小于或等于±0.5％，例如小于或等于±0.2％，例如小于或等于±0.1％，例如小于或等于±0.05％。
已经描述了若干个实施方案，本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神的情况下，可以使用各种修改，替代构造和等同形式。另外，为了避免不必要地使本发明晦涩难懂，没有描述许多众所周知的过程和元件。因此，以上描述不应视为限制本发明的范围。
本领域技术人员将理解，当前公开的实施方案通过示例而非限制的方式进行教导。因此，以上描述中包含的或附图中示出的内容应被解释为说明性的而不是限制性的。所附权利要求书旨在涵盖本文所述的所有通用和特定特征，以及本发明方法和系统的范围的所有陈述，就语言而言，可以认为介于它们之间。

Claims (41)

1.一种用于制造具有全息元件阵列的金属光学超表面的方法，其包括：
通过镶嵌工艺在背板结构上形成具有导电阻挡层或电介质阻挡层的第一铜层，其中所述第一铜层包括从所述背板结构垂直延伸的多个纳米间隙，其中所述多个纳米间隙填充有电介质材料，其中所述导电阻挡层或电介质阻挡层在所述第一铜层和所述背板结构之间，并且也在所述第一铜层和所述电介质材料之间；
去除所述电介质材料和部分所述导电阻挡层或电介质阻挡层，以暴露在所述第一铜层的所述纳米间隙中的所述部分；
在所述第一铜层的所述顶部和暴露的侧面部分上沉积电介质涂层，以形成受保护的第一铜层；和
用具有电可调谐折射率的电可调谐电介质材料填充所述间隙。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电介质阻挡层或所述电介质涂层包括选自由SiN，SiC，SiCN，Al2O3，HfO2，SiO2和阻挡铜扩散的光学透明材料组成的组中的材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导电阻挡层包括钽，氮化钽及其组合中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一铜层包括从所述背板结构垂直延伸的多个铜柱。
5.根据权利要求4所述的方法，所述去除所述电介质材料的步骤还包括：
通过化学蚀刻剂以第一蚀刻速率蚀刻所述电介质材料以在相邻的铜柱之间形成所述纳米间隙，和
通过所述化学蚀刻剂以第二蚀刻速率进行蚀刻，以去除所述纳米间隙中的所述导电阻挡层或电介质阻挡层的部分以及所述第一铜层的所述顶部。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述化学蚀刻剂是缓冲氧化物蚀刻剂。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可调谐电介质材料是液晶材料，电光(EO)聚合物材料或硫系化物玻璃中的一种。
8.如权利要求1所述的方法，还包括用光学透明材料包封所述可调谐电介质材料。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述光学透明材料包括玻璃或聚合物。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：去除所述电可调谐电介质材料以暴露所述受保护的第一铜层的所述顶部；和
用光学透明材料包封所述电可调谐电介质材料和所述受保护的第一铜层的所述顶部。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述光学透明材料包括玻璃或聚合物。
12.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在衬底上方形成所述背板结构。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述背板结构包括在所述第一铜层和第二铜层之间的电介质间隔物。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电介质间隔物包括在所述第一铜层和所述第二铜层之间的至少一个薄的耐化学腐蚀层和至少一个厚的低k电介质层。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述背板结构选自由完整背板结构，部分背板结构，凹口背板结构和布拉格反射器背板结构组成的组。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述部分背板结构包括在所述第一铜层和第二铜层之间的电介质间隔物，所述第二铜层在每对相邻的铜柱下方具有铜贴片。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述铜贴片的宽度等于在所述完整背板结构中所述金属全息图元件的节距。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述凹口背板结构包括在所述第一铜层和第二铜层之间的具有凹口的电介质间隔物，其中所述凹口在相邻铜柱之间的间隙下方。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述布拉格反射器背板结构包括具有交替的第一和第二电介质指数的多个电介质层。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电介质材料选自由SiN，SiCN，SiC，Al2O3，HfO2和SiO2组成的组。
21.一种通过铜镶嵌工艺制造光学超表面的方法，其包括：
在背板结构上沉积多个电介质层；
蚀刻所述电介质层以在所述电介质层中形成多个沟槽；
沉积电介质阻挡层或导电阻挡层以防止铜扩散或腐蚀；
在电介质阻挡层或导电阻挡层上方溅射籽晶铜层；
在所述电介质阻挡层或导电阻挡层上电镀第一铜层以填充所述沟槽；
通过化学机械抛光(CMP)去除所述第一铜层的顶部，以暴露所述电介质层的所述顶表面，以形成多个铜柱；
蚀刻所述电介质层以在所述铜柱之间形成多个纳米间隙；
在所述铜柱的所述顶部和侧壁上沉积电介质涂层；和
用具有电可调谐折射率的电可调谐电介质材料填充所述多个纳米间隙。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述电可调谐电介质材料包括液晶，电光(EO)聚合物材料或硫系化物玻璃中的一种。
23.根据权利要求21所述的方法，还包括用光学透明材料包封所述电可调谐电介质材料。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述光学透明材料包括玻璃或聚合物中的一种。
25.根据权利要求21所述的方法，还包括：去除所述电可调谐电介质材料以暴露所述第一铜层的所述顶部；和用光学透明材料包封所述可调谐电介质材料和所述第一铜层的所述顶部。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述光学透明材料包括玻璃或聚合物中的一种。
27.根据权利要求21所述的方法，其进一步包含在衬底上方形成所述背板结构。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述背板结构包括在所述第一铜层和第二铜层之间的电介质间隔物。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述电介质间隔物包括一个或多个光学透明的电介质层。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述光学透明电介质层包括选自由SiN，SiCN，SiC，Al2O3，HfO2，SiO2，以及阻挡铜扩散并且保护铜免受腐蚀的光学透明材料组成的组的材料。
31.根据权利要求21所述的方法，其中，所述背板结构选自由完整背板结构，部分背板结构，凹口背板结构和布拉格反射器背板结构组成的组。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述部分背板结构包括在所述第一铜层和第二铜层之间的电介质间隔物，所述第二铜层在每对相邻的铜柱下方具有铜贴片。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述铜贴片的宽度等于在完整背板结构中的所述金属全息元件的节距。
34.根据权利要求31所述的方法，其中，所述凹口背板结构包括在所述第一铜层和第二铜层之间的具有凹口的电介质隔离物，其中所述凹口在一对相邻的铜柱的每一个下方。
35.根据权利要求31所述的方法，其中，所述布拉格反射器背板结构包括具有交替的第一和第二电介质指数的多个电介质层。
36.根据权利要求21所述的方法，其中，所述电介质阻挡层或电介质涂层包括选自由SiN,SiC,SiNC,Al2O3,HfO2,SiO2和阻挡铜扩散的光学透明材料组成的组的材料。
37.根据权利要求21所述的方法，其中，所述导电阻挡层包括钽，氮化钽及其组合中的一种或多种。
38.一种用于制造光学超表面的方法，其包括：
通过镶嵌工艺在背板结构上形成具有导电阻挡层的多个铜柱，其中，在多个铜柱之间的多个纳米间隙填充有电介质材料，其中，所述导电阻挡层位于所述第一铜层和所述背板结构之间以及也位于所述第一铜层和所述电介质材料之间，其中所述背板结构包括电介质层的堆叠；
去除所述纳米间隙中的所述电介质材料、至少所述电介质层的所述堆叠的所述顶层和所述导电阻挡层，以暴露所述多个铜柱中的每一个的所有四个侧面；
在每个所述铜柱的所述四个侧面上沉积电介质涂层；和
用具有电可调谐折射率的电可调谐电介质材料填充所述纳米间隙和所述铜柱下方的所述空间。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述电介质涂层包括选自由SiN,SiC,SiCN,Al2O3,HfO2,SiO2以及阻挡铜扩散的光学透明材料组成的组的材料。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述导电阻挡层包括Ta和/或TaN。
41.一种通过根据权利要求1-40中任一项所述的方法制造的设备。
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