CN114488365A - 一种远红外超透镜及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种远红外超透镜，其包括结构层和基底层，且在所述结构层和基底层之间设置有间隔层；其中，所述间隔层对刻蚀气体呈惰性；所述结构层设置有阵列排布的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成，所述纳米结构的高度一致。还涉及上述远红外超透镜的加工方法。本公开通过引入间隔层，使加工出来的微纳结构高度一致，即相位调制准确、成像清晰；并且，可以根据透过率的要求，选择相应的间隔层和结构层的材料和厚度，达到高透过率。
Description
技术领域
本公开涉及光学超透镜的技术领域，具体地，本公开涉及一种远红外超透镜及其加工方法。
背景技术
对于远红外超透镜加工，可以直接使用单个硅片对表面进行结构化，即基底和微纳结构全部是一致的，从而达到特定光学效果如聚焦。这种方案设计加工简单。
但是，在实际加工过程中，会出现纳米结构高度一致性较差，致使相位调制不准确，最终导致超透镜的光学性能不理想的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本公开提供了一种远红外超透镜及其加工方法，以提升相位调制的准确性，提高超透镜的光学性能。
本公开第一方面包括一种远红外超透镜的技术方案，其包括结构层和基底层，且在所述结构层和基底层之间设置有间隔层；
其中，所述间隔层对刻蚀介质呈惰性；
其中，所述结构层设置有阵列排布的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成，以及
所述纳米结构具有一致高度。
优选地，所述结构层与间隔层之间
和/或
所述间隔层与基底层之间，通过键合或胶合的方式连接。
优选地，所述结构层、所述基底层和所述间隔层分别由对于目标波段的辐射能透过的材料构成。
优选地，所述间隔层为如下中的一种：永久键合胶、硫系玻璃或氧化硅。
优选地，所述结构层为如下中的一种：晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅、锗、硫化锌、硫化硒或硫系玻璃。
优选地，所述基底层为如下中的一种：晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅、锗、硫化锌、硫化硒或硫系玻璃。
其中，为了能够保证对刻蚀的截止作用，结构层和间隔层需选用不同的材料，具体地，根据所选择的刻蚀介质，需要使结构层对刻蚀介质具有反应性或活性，而间隔层对刻蚀介质呈惰性。
优选地，所述结构层、间隔层、基底层中的至少一个为晶圆形式。
优选地，所述结构层厚度为7μm～15μm。
优选地，所述间隔层厚度为400nm～1500nm。
优选地，所述结构层的等效折射率neff(λ)、间隔层的折射率nst(λ)以及超透镜目标波段所需的透过率Ttar满足如下关系：
优选地，所述远红外超透镜具有对目标波段80％以上的透过率。
本申请第二方面涉及一种用于加工如前述技术方案中任一项所述的远红外超透镜的方法，该方法包括：
步骤S1：提供依次结合连接的结构层、间隔层及基底层；
步骤S2：对所述结构层减薄抛光；
步骤S3：在所述结构层表面均匀施加光刻胶层；
步骤S4：采用光刻和/或纳米印刷工艺通过所述光刻胶层形成参考结构；其中，所述参考结构用于在刻蚀步骤中形成满足设计相位的纳米结构进而由纳米结构组成结构单元；
步骤S5：基于所述参考结构，对所述结构层刻蚀，其中，通过间隔层对刻蚀的截止，使刻蚀形成的结构高度一致；
步骤S6：去除所述光刻胶层。
优选地，在所述步骤S1中，通过键合、沉积或胶合的方式，形成依次结合连接的结构层、间隔层及基底层。
优选地，所述设计相位满足下式：
其中，(x，y)为纳米结构的相对位置坐标，f为焦距，λ为工作波段波长。
优选地，所述步骤S2中，对所述结构层减薄抛光至其厚度为7μm～15μm。
上述超透镜、及其加工方法，使用带有纳米结构的结构层、作为基础的基底层，并在二者之间引入了间隔层。间隔层对于远红外有较高的透过率，并且对于刻蚀气体呈惰性，所以可以保证加工出来的微纳结构高度一致。具体地，刻蚀气体在不断向结构层内部刻蚀的过程中，刻蚀动作被间隔层所阻止，刻蚀形成的沟槽深度具有一致性，从而使纳米结构高度一致，相位调制准确，成像清晰。可以根据透过率的要求，选择相应的间隔层、结构层以及基底层的材料和厚度，达到高透过率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
图1为本公开各层结构示意图；
图2为加工流程示意图；
图3为加工方法流程图；
图4为实施例中的结构层在不同波长下的折射率曲线图；
图5为加工得到的超透镜部分表面的SEM图；
图6为加工得到的超透镜部分截面的SEM图；
图7为本公开技术方案与现有技术的成像效果对比。
图中标注：
1:结构层，2:间隔层，3:基底层。
具体实施方式
将在下文中参照附图更全面地描述本公开，在附图中示出了各实施方式。然而，本公开可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本公开将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本公开的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。
“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。
本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
本申请的发明人发现，在单个硅片表面结构化的加工过程中，由于表面纳米结构的尺寸不完全相同(例如纳米柱的直径变化)，导致每个结构单元的占空比不一，这在刻蚀过程中，就会出现台阶状结构，即纳米结构高度不同，最终导致相位调制不准确，超透镜的光学性能不理想。有鉴于此，本公开引入了间隔层，来解决以上问题。示例性的，在作为结构层的硅片和作为基底层的硅片之间插入对刻蚀介质呈惰性的间隔层，如硫系玻璃，并通过键合的方式将结构层、基底层分别与硫系玻璃连接。这样在刻蚀的过程中，硫系玻璃可以起到截止的作用，使得微纳结构的高度一致，同时间隔层，及其他层的厚度和材料选择，可起到增透作用，保证了高透过率，甚至超过单硅片方案的透过率。
如图1所示出的实施例，涉及一种远红外超透镜，其包括结构层和基底层，且在所述结构层和基底层之间设置有间隔层；应理解的是，上述各层均为对工作波段高透过性，示例性的，均为远红外透光材料。
其中，所述间隔层对刻蚀气体呈惰性，起到对刻蚀的深度截止作用。上述结构层设置有阵列排布的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成，以及，所述结构层设置有刻蚀形成的，用以形成纳米结构的沟槽，且至少存在部分沟槽贯穿所述结构层并与间隔层接触。示例性的，在理想状态下，结构层上的全部沟槽均被刻蚀至间隔层，那么全部纳米结构的高度是一致的，等于结构层的厚度，可以充分地解决现有技术中相位调制不准确，最终导致超透镜的光学性能不理想的问题。另一方面，由于采用各向异性刻蚀，使得所述沟槽相对于基底层垂直。
对上述实施例的补充说明如下：
超透镜是一种超表面的应用。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调制入射光。其中超表面结构单元包含全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。纳米结构之间可是空气填充或者其他工作波段透明或半透明的材料，需要注意的是，此材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5，在本申请的各实施例中，可在刻蚀形成的沟槽以及纳米结构的顶部表面填充保护材料。
其中，间隔层的厚度和材料能够选择成永久键合胶、硫系玻璃或氧化硅、硫化锌等，厚度为400nm～1500nm使得增加对于目标波段的辐射的透过率。
纳米结构可为偏振相关的结构，如纳米鳍和纳米椭圆柱等结构，此类结构对入射光施加一个几何相位；纳米结构也可以是偏振无关结构，如纳米圆柱和纳米方柱等结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。
所述结构单元为正六边形，所述正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，所述结构单元为正方形，所述正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，结构单元应为六边形定点及中心排布的纳米结构，或者为正方形定点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。所述结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个结构单元成阵列排布形成超表面结构。
示例性的，结构单元中包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着6个与其距离相等的周边纳米结构，各周边纳米结构圆周均布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。
示例性的，结构单元中包括一个中枢纳米结构，其周围环绕着4个与其距离相等的周边纳米结构，组成正方形。
优选实施例中，各层之间连接处的部分或全部，通过键合或胶合的方式连接，也可以通过沉积等类似工艺方式进行连接。
优选实施例中，所述间隔层为如下中的一种：永久键合胶、硫系玻璃或氧化硅。解释性的，间隔层所需材料特性为对刻蚀气体呈惰性，以及能够与两侧的结构层和基底层键合或胶合等方式连接，同时需要对工作波段具有高透过性。
优选实施例中，所述结构层为如下中的一种：晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅、锗、硫化锌、硫化硒或硫系玻璃。
优选实施例中，所述基底层为如下中的一种：晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅、锗、硫化锌、硫化硒或硫系玻璃。
其中，为了能够保证对刻蚀的截止作用，结构层和间隔层需选用不同的材料，具体地，根据所选择的刻蚀介质，需要使结构层对刻蚀介质具有反应性或活性，而间隔层对刻蚀介质呈惰性。
优选实施例中，所述结构层、间隔层、基底层中的至少一个为晶圆形式，示例性的，结构层和基底层均为单晶硅晶圆，二者之间通过硫系玻璃作为间隔，以键合工艺连接。
优选实施例中，所述结构层厚度为7μm～15μm。通过该厚度控制纳米结构高度也为该数值区间之内，具备较好的工作波段透过率及相位调制精度。
优选实施例中，所述间隔层厚度为400nm～1500nm。间隔层的厚度选择，可起到增透作用，保证了高透过率，甚至超过单硅片方案的透过率。间隔层增透的原理，在于其厚度为目标波长的四分之一，应当理解的是，这里不一定是四分之一，因为工作波长不是单波长。对于本公开所对应的产品，及其适用的波长范围，400nm～1500nm的厚度选择能够起到较好的增透效果。
其中，基底层的厚度不可太厚，保证超透镜整体透过率在目标透过率以上即可。
优选实施例中，所述结构层的等效折射率neff(λ)、间隔层的折射率nst(λ)以及超透镜目标波段所需的透过率Ttar满足如下关系：
优选实施例中，所述目标波段所需的透过率Ttar为80％。
如图2示出了上述超透镜的加工方法实施例，用于加工如前述的远红外超透镜，如图3的流程图所示，包括：
步骤S1：将结构层、间隔层及基底层连接形成三层结构，可以采用键合或者胶合的方式将三个层组合，也可以采用沉积的方式，依次在基底层上形成间隔层和结构层；上述各层选用对工作波段高透过性的材料，如均为远红外透光材料。以及间隔层的材质选择需对刻蚀气体呈惰性。
步骤S2：对所述结构层减薄抛光；优选地，抛光至其厚度为7μm～15μm。
步骤S3：在所述结构层表面均匀涂覆覆层，所述覆层包括光刻胶；
步骤S4：采用光刻和/或纳米印刷工艺在已涂覆的结构层形成参考结构；光刻曝光工艺包括但不限于紫外线曝光、深紫外线曝光和极深紫外线曝光。其中，所述参考结构用于在刻蚀步骤中形成满足设计相位的纳米结构，及由纳米结构组成的结构单元；
步骤S5：基于所述参考结构，对所述结构层刻蚀，其中，通过间隔层对刻蚀的截止，使刻蚀形成的沟槽深度一致；在该步骤中，优选采用各向异性刻蚀，如KOH溶液碱性刻蚀等，其作用在于保证刻蚀沟槽的垂直性，使得形成的纳米结构保持正直。
步骤S6：去除所述覆层，如光刻胶层。
在优选实施例中，在所述步骤S1中，通过键合、胶合或沉积的方式，将所述结构层、间隔层、基底层结合。
在优选实施例中，还包括在刻蚀沟槽中填充用来保护纳米结构的填充物的步骤，填充物的材料的折射率与纳米结构的折射率差值的绝对值需大于等于0.5。
本申请的实施例还提供一种远红外汇聚超透镜，其设计相位满足下式：
其中，(x，y)为纳米结构的相对位置坐标，f为焦距，λ为工作波段波长，为远红外会聚超透镜所适用的相位特征。
基于该实施例所拟定的设计需求，包括直径为20mm，焦距23mm，要求相位调制准确，对比单片硅直接设计加工的方式，成像清晰度有提升，且透过率高于80％。
为此选择结构层为本征硅晶圆，截止层为硫化锌晶圆、基底层为硅晶圆，其具有各自波长8-12um的折射率曲线，举例在10um波长下，结构层折射率为3.41@10um、截止层折射率为2.21@10um、非晶硅折射率为3.38@10um。微纳结构采用纳米柱，结构层的高度为8um，微纳结构单元周期为7.5um。根据设计得到的微纳结构总体排列，使用占空比法，得到结构层在不同波长下的等效折射率曲线，如图4所示出。
基于式：
计算得到该超透镜在8-12um波长范围内的平均透过率为84.3％，理论满足80％的要求。
本实施例还包括上述远红外汇聚超透镜的加工方式，具体为：采用阳极键合的方式将结构层、间隔层、基底层结合在一起，然后使用上述的加工流程进行加工。结构层的厚度为8.5um，间隔层厚度为1300nm，基底层的厚度为500um。加工得到的超透镜部分表面的SEM图如图5所示。
进行透过率测试实验，得到透过率的结果为82.3％，符合80％以上透过率的要求。
对于相位调制来说，当实际加工出的微纳结构的高度具有较好的一致性时，即可认为完成准确的相位调制。加工后的该远红外超透镜的截面SEM如图6所示。
从图6中可以看出，不同直径的纳米柱具有相同的高度。为从实验验证其相位调制准确性，设计成像实验，并将这种方式设计加工的超透镜与一般单硅片设计加工的超透镜进行成像对比，得到结果如图7所示。
基于上述实施例及各优选的实施例，本申请通过引入间隔层，间隔层对于远红外有较高的透过率，并且对于刻蚀气体呈惰性，所以可以保证加工出来的微纳结构高度一致，即相位调制准确、成像清晰；并且，可以根据透过率的要求，选择相应的间隔层和结构层的材料和厚度，达到高透过率。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (15)
1.一种远红外超透镜，包括结构层和基底层，且在所述结构层和基底层之间设置有间隔层；
其中，所述间隔层对刻蚀介质呈惰性；
其中，所述结构层设置有阵列排布的结构单元，所述结构单元由周期性排布的纳米结构组成，以及
所述纳米结构具有一致高度。
2.根据权利要求1所述的远红外超透镜，其特征在于，所述结构层与间隔层之间
和/或
所述间隔层与基底层之间，通过键合或胶合的方式连接。
3.根据权利要求1所述的远红外超透镜，其特征在于，所述结构层、所述基底层和所述间隔层分别由对于目标波段的辐射能透过的材料构成。
4.根据权利要求3所述的远红外超透镜，其特征在于，所述间隔层为如下中的一种构成：永久键合胶、硫系玻璃或氧化硅。
5.根据权利要求3所述的远红外超透镜，其特征在于，所述结构层为如下中的一种构成：晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅、锗、硫化锌、硫化硒或硫系玻璃。
6.根据权利要求3所述的远红外超透镜，其特征在于，所述基底层为如下中的一种构成：晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅、锗、硫化锌、硫化硒或硫系玻璃。
7.根据权利要求4至6任一项所述的远红外超透镜，其特征在于，所述结构层、间隔层、基底层中的至少一个为晶圆形式。
8.根据权利要求1所述的远红外超透镜，其特征在于，所述结构层厚度为7μm～15μm。
9.根据权利要求1所述的远红外超透镜，其特征在于，所述间隔层厚度为400nm～1500nm。
10.根据权利要求1所述的远红外超透镜，其特征在于，所述结构层的等效折射率neff(λ)、间隔层的折射率nst(λ)以及超透镜目标波段所需的透过率Ttar满足如下关系：
11.根据权利要求10所述的远红外超透镜，其特征在于，所述远红外超透镜具有对目标波段80％以上的透过率。
12.一种用于加工如权利要求1至11任一项所述的远红外超透镜的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：提供依次结合连接的结构层、间隔层及基底层；
步骤S2：对所述结构层减薄抛光；
步骤S3：在所述结构层表面均匀施加光刻胶层；
步骤S4：采用光刻和/或纳米印刷工艺通过所述光刻胶层形成参考结构；其中，所述参考结构用于在刻蚀步骤中形成满足设计相位的纳米结构进而由纳米结构组成结构单元；
步骤S5：基于所述参考结构，对所述结构层刻蚀，其中，通过间隔层对刻蚀的截止，使刻蚀形成的结构高度一致；
步骤S6：去除所述光刻胶层。
13.根据权利要求12所述的超透镜的加工方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过键合、沉积或胶合的方式，来提供依次结合连接的结构层、间隔层及基底层。
14.根据权利要求12所述的超透镜的加工方法，其特征在于，所述设计相位满足下式：
其中，(x，y)为纳米结构的相对位置坐标，f为焦距，λ为工作波段波长。
15.根据权利要求12所述的超透镜的加工方法，其特征在于，所述步骤S2中，对所述结构层减薄抛光至其厚度为7μm～15μm。
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