TW202348817A - 產生光學層系統的方法及由此方法產生的光學層系統 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種用於產生光學層系統的方法，並且關於該系統，其包含配置在基板上的多個層，其中該等層的一部分具有高折射率n
H及該等層的另一部分具有低折射率n
L並且該等層的再一部分具有中間折射率n
M，其中n
H＞ n
M≧ n
L，並且其中具有不同折射率的該等層具有交替堆疊配置。本發明的目的係明述一種方法，其特徵在於不具有在層沉積之間的長吹掃時間，其中該光學層系統可在短製程時間內以一致的品質及高數量簡單地實現，其中該光學層系統的層係藉由選定的塗佈方法自相同材料(其係氫化非晶矽(a-Si：H)或氫化鍺(Ge：H))沉積至基板上，其中該層系統之多個層之各個層的折射率及消光係數係藉由調節所選塗佈方法的製程參數來調整。
Description
本發明係關於一種產生由多個層組成之光學層系統的方法。
本發明同樣係關於一種光學層系統，其係藉由本發明之方法所產生並且包含配置在基板上的多個層，其中該等層的一部分具有高折射率n
H，且該等層的另一部分具有低折射率n
L，並且該等層的再一部分具有中間折射率n
M，其中n
H＞ n
M≧ n
L，並且其中具有不同折射率的該等層具有交替堆疊配置。
光學層系統，特定而言濾光器，例如用於臉部或手勢識別的飛行時間(ToF)光譜術用之帶通濾波器，或用於光學距離及速度測量，用於近紅外(NIR)或紅外(IR)範圍的光達(LIDAR)，通常由兩種不同的光學材料製成。此等材料，例如，係由作為高折射率材料的a-Si：H及作為低折射率材料的SiO
2所組成。
在典型的手勢識別系統中，光源向使用者發射近紅外光。影像感測器捕捉由使用者反射的發射光，從而提供使用者的3D影像。處理系統接著分析3D影像，從而識別使用者做出的手勢。
使用濾光器，明確而言帶通濾波器，來將發射光傳輸至影像感測器，同時實質上阻擋環境光。因此，濾光器可用於篩除環境光。因此，需要一種具有在近紅外波長範圍內之窄通帶(即，例如，從800 nm至1100 nm)的濾光器。此外，濾光器必須具有在通帶內之高透射水平/透射率及在通帶外之高阻擋水平或阻帶(stop band)，其中在阻帶內的透射理想上趨近於零。
習知濾光器包括配置在基板之相對表面上的兩個帶通濾波器。此處之帶通濾波器的通帶相互協調，以致基板背面上之帶通濾波器的通帶包圍基板正面上之濾波器的通帶。同時，濾波器的通帶相互協調，從而產生抗反射效應。因此，基板背面上的帶通濾波器阻擋基板正面上之帶通濾波器之通帶外的波長。各個濾波器係由交替堆疊的若干高折射率層及若干低折射率層組成。一般而言，將各種氧化物用於高折射率層及低折射率層，諸如二氧化鈦(TiO
2)、五氧化二鈮(Nb
2O
5)、五氧化二鉭(Ta
2O
5)或二氧化矽(SiO
2)。
US 9945995 B2揭示此種濾光器，其通帶至少部分與800 nm至1100 nm的波長範圍重疊。該濾光器包括由交替堆疊的作為高折射率層之氫化矽層及較低折射率層組成的濾波器堆疊。氫化矽層各具有在800 nm至1100 nm之波長範圍內大於3的折射率及在800 nm至1100 nm之波長範圍內小於0.0005的消光係數。具較低折射率的材料係介電材料，通常係氧化物。具較低折射率的合適材料係二氧化矽(SiO
2)、氧化鋁(Al
2O
3)、二氧化鈦(TiO
2)、五氧化二鈮(Nb
2O
5)、五氧化二鉭(Ta
2O
5)及其混合物，即混合氧化物。
同樣從US 9989684 B2知曉一種光學干涉濾波器，其在濾波器的通帶中具有改良的透射。所揭示的此干涉濾波器包括多個層的堆疊，其中至少一個層由具高折射率的氫化非晶矽組成及至少一個層由一或多種具較氫化非晶矽之折射率低之折射率的介電材料組成。
為改良濾光器於，例如，手勢識別系統中的能力，希望降低層數、整體塗層厚度、及波長隨入射角(AOI)變化的移位。此外，在通帶外之阻帶的區域中應有最小透射。在本發明意義中的波長移位係指濾波器之通帶的移位，並且此移位應盡可能地小，以致在濾波器上的不同視角處存在實質上相同的濾波器性質。在此方面之改良的一種方法係使用具有較習知氧化物在具高折射率之層之相關波長範圍內所具有者高之折射率的材料，例如，如在US 9945995 B2中所揭示。除了更高折射率外，材料還必須在相關波長範圍內具有較低消光係數，以便在通帶內提供高透射水平。然而，迄今為止，具有不同折射率的層始終係使用不同的材料。
針對這種濾光器使用不同材料的一實質缺點係此等材料一般係在相同塗佈單元內沉積於基板上。需要使用不同的塗佈源及塗佈製程，其中針對各個塗佈源使用不同的製程氣體。在切換塗佈源及因此切換製程氣體的情況中，此需要冗長的吹掃過程，從而導致非常長的製程時間。產生具有眾多不同層及層材料之高品質光學干涉濾波器及光學層系統的方法亦係複雜及冗長的。
因此，本發明的一目的係明述一種用於產生光學層系統的方法，該方法不具有先前技術的缺點，諸如，比方說，在層沉積之間的長吹掃時間。藉由該方法，應可簡單地產生光學層系統，且更特定而言製程時間應該短，以致可藉由該方法以一致的品質產生大量終端產品。
同樣地，本發明之一目的係明述一種光學層系統，該系統具有針對使用領域的最佳層性質並且可以高度可再現且有效率的方式產生。
該目的係藉由根據本專利之獨立請求項1之產生由多個層組成之光學層系統的方法來達成。
在用於產生由多個層組成之光學層系統的本發明方法中，光學層系統的層係藉由選定的塗佈方法自相同材料沉積至基板上，該材料係氫化非晶矽(a-Si：H)或氫化鍺(Ge：H)，其中藉由調節所選塗佈方法的製程參數來調整層系統中多個層之各個層的折射率及消光係數。
一特定優點係在本發明之光學層系統的產生方法中，無論塗佈方法為何，皆僅沉積單一材料，即a-Si：H：x或Ge：H：x，並且可僅藉由調節所選塗佈方法的一個典型製程參數或兩個或更多個典型製程參數來調整各層的光學性質，諸如折射率及消光係數。x可表示其他製程氣體諸如氮氣(N
2)或氯(Cl
2)。因此，產生方法非常簡單，由於不需要在不同層材料及製程氣體之間的吹掃過程而較先前技術短，且因此更具成本效益。
在本發明方法的一個具體例中，塗佈方法係濺射製程，其中濺射製程係藉由氬(Ar)及/或氪(Kr)及/或氦(He)及/或氙(Xe)及氫(H
2)的反應性氣體混合物再活化地進行，或矽濺射係藉由Ar、Kr、He及/或Xe進行並且層系統的層藉由電漿源及/或離子源氫化為a-Si：H或Ge：H，或者濺射製程係作為反應性濺射及所使用之電漿源及/或離子源的組合進行，其中層系統之各個別a-Si：H：x或Ge：H：x層的折射率及消光係數係藉由氫與Ar、Kr、He及/或Xe的比率進行調整。在方法的一個具體例中可存在，但非必需存在的其他層組分由x表示。此適用於所有可選的塗佈製程。
在選擇濺射技術作為塗佈方法的情況中，存在許多產生a-Si：H及/或Ge：H的產生變體。在一個變體中，濺射製程係反應性地進行，即使用反應性氣體混合物，較佳為氬氣及氫氣之氣體混合物。對於其他層組成，諸如，比方說，a-Si：H：N，亦可使用氮氣或氧氣作為濺射製程的反應性氣體。使用氮氣(N)或氧氣(O
2)的優點係，以此方式，可校正由於相對於氫之較大離子/原子半徑所引起之在壓縮應力之方向上之沉積層的層應力。結果，可降低或校正在a-Si：H及/或Ge：H層中的拉伸應力。
在另一變體中，濺射製程可利用氬氣及/或氪氣及/或氦氣及/或氙氣進行，以此方式藉由濺射僅沉積次奈米厚度的矽或鍺層，並在後處理步驟中利用離子源及/或電漿源進行氫化或氮化或氧化或氮氧化或氮氫化。反複重複此兩製程步驟，直至達到期望的層厚度。在後處理步驟中，使具有金屬濺射層的基板通過藉由電漿源及/或離子源所產生的電漿。該源可例如係ICP(電感耦合電漿)源。
第三變體呈現上述兩種變體的組合。反應性氣體不僅用於濺射製程中，用於沉積次奈米厚度的層，並且用於使用電漿源及/或離子源的後處理中。通過選擇氣體流量、濺射源或電漿源及/或離子源中例如氬氣對反應性氣體的比率、濺射源或電漿源及/或離子源的功率、以及待塗佈之表面/基板的溫度，確定a-Si：H：x或Ge：H：x層的最終化學計量及結構。其接著確定光學層系統之各個別層的光學相關變數，諸如折射率及消光係數。
在產生層之前藉由實驗確定具高、中及低折射率之層之光學性質與濺射製程之製程變數之間的關係。然後基於此等研究進行光學層系統之沉積中的個別製程步驟。於a-Si：H：x及Ge：H：x層之產生中的一關鍵調節變數係氫氣與反應性氣體(諸如氬氣)的比率，其中材料密度及因此折射率隨反應性氣體中的氫氣分率變高而下降。針對經調整的氬氣與氫氣之比率，確定1：2至5：1的值，更特定而言在1：3至4：1之範圍內。選擇氣體混合物彼此間的比率，使得藉此可建立在與濾波器相關之範圍內的折射率，以致對於待產生之濾波器的空腔，所實現的折射率可盡可能地高並且同時所實現的消光係數可盡可能地低。在此基礎上，將濾波器堆疊之高折射率層的折射率建立在較高水平，並且接受消光係數的相關減損。同樣地，對於濾波器堆疊的低折射率層，所建立的折射率係盡可能地小並且觀察到最小的消光係數。
a-Si：H：N之沉積係待沉積之濾波器堆疊層的一個實例。使用本發明之方法，同樣可生成a-Si：H：N：Cl、a-(Si, Ge)：H、a-(Si, Ge)：H：N及/或a-(Si, Ge)：H：N：Cl的層。氫化矽及/或鍺及反應性氣體的其他組合係可能的而不限於上述組合。
在本發明方法的另一具體例中，反應性氣體混合物係氬氣及氮氣N
2或氬氣及氧氣O
2。反應性氣體混合物的選擇取決於待沉積的層組成。如此具有可藉此校正由於相對於氫之較大離子或原子半徑所引起之在壓縮應力之方向上之層應力的優點。結果，可降低或校正在a-Si：H或Ge：H層中的拉伸應力。
在本發明方法的另一具體例中，塗佈方法係化學氣相沉積(CVD)製程，其中CVD製程係藉由蒸發器單元及電漿源藉由電漿增強或藉由催化方式或熱方式進行，其中層系統之各個a-Si：H或Ge：H層的折射率及消光係數係藉由氣體流量調節藉由矽烷或鍺烷與氫氣的比率或藉由蒸發器單元及電漿源的功率來調整。所謂氣體流量調節意指調整矽烷或鍺烷或氫氣的絕對氣體流量，或將該等氣體(矽烷或鍺烷或氫氣)中之一者保持恆定並調節其他各別氣體，或者製備兩種氣體的氣體混合物。因此，可藉由矽烷氣體或鍺烷氣體及氫氣的氣體流量以及其在電漿源之氣體混合物中彼此間的比率(部分氣體流量)及/或蒸發器單元及/或電漿源之功率來調整各別濾波器層的化學計量。
在選擇化學氣相沉積(CVD)作為塗佈製程的情況下，CVD技術存在可用於產生a-Si：H：x或Ge：H：x層的不同變體，諸如電漿增強型CVD(PECVD)、或催化或熱CVD。層系統中a-Si：H：x或Ge：H：x沉積層的光學性質係藉由反應性氣體彼此間的不同比率來調整。明確而言，藉由氣體流量調節來調整H
2與矽烷或鍺烷的比率，從而達成期望的光學性質。預先針對不同層及期望的層性質以實驗方式確定製程氣體比率、製程氣體流量、基板溫度(通常在160-200°C之間)、視情況電漿源的功率(其係藉由直流電壓或呈高頻率形式驅動)、與折射率及消光係數之間的關係。然後將此等製程變數用於生成光學層系統。
使用此塗佈方法，亦可藉由添加氮氣作為第三反應性氣體來產生a-Si：H：N層。亦可藉由添加其他製程氣體及/或經由使用鍺烷替代矽來生成a-Si：H：N：Cl、a-(Si, Ge)：H、a-(Si, Ge)：H：N及/或a-(Si, Ge)：H：N：Cl層。氫化矽及鍺烷及反應性氣體的其他組合係可能的而不限於上述組合。
為改良層性質，可使用此塗佈方法在減壓或氬氣氛圍下進行層或整個光學層系統的熱處理。後處理步驟(製程後退火)的典型溫度為100°C-370°C，較佳200°C-285°C，持續1分鐘至60分鐘，較佳10分鐘。
在熱CVD製程的情況中，光學層系統的a-Si：H：x或Ge：H：x層係以不同化學計量沉積及因此藉由蒸發器單元之矽的光學性質與電漿源(輔助源)組合，電漿源係利用氬氣及氫氣的混合物操作。為生成氮化物、氧化物、氮氧化物或氮氫化物，亦可在製程中混合相應的氣體。藉由熱CVD製程所沉積之光學層系統之層之折射率及消光係數的調整係通過調整絕對氣體流量及在沉積之前確定之離子源中各別氣體混合物中之部分氣體流量(諸如矽烷、鍺烷、氫氣等)之比率以及蒸發器單元及電漿源的功率來達成。因此，可針對各個層調整化學計量及因此控制光學行為。目標通常係沉積層的基板溫度為100°C-300°C，較佳為140°C-240°C。
在先前試驗中，針對蒸發器、待塗佈之基板及電漿源的各別配置，針對待沉積之具有高、低或中間折射率的層，確定最佳製程參數。使用此等已知資料，接著可沉積光學層系統的層。
在本發明方法的另一其他具體例中，塗佈方法係結合離子源的電子束蒸發製程，其中藉由建立絕對氣體流量及/或離子源之氣體混合物中之部分氣體流量之比率及蒸發器單元及/或離子源的功率來調整層系統之各個a-Si：H：x或Ge：H：x層的折射率及消光係數。所謂絕對氣體流量意指摻雜氣體(諸如氫氣(H
2)及/或氮氣(N
2)及/或氯(Cl
2))、及/或此等摻雜氣體之混合物之加總的氣體流量。亦可於部分氣體流量中調節個別的摻雜氣體。
在所選的塗佈方法係用來沉積具有不同化學計量及因此具有不同光學性質之a-Si：H：x或Ge：H：x層之蒸發製程的情況中，則需要分別用於矽或鍺之蒸發器單元與離子源(輔助源)的組合，該離子源係使用氬氣及氮氣的混合物進行操作。為生成氮化物、氧化物、氮氧化物或氮氫化物，亦可使用相應的氣體混合物。光學層系統之各個a-Si：H：x或Ge：H：x層的折射率及消光係數係藉由建立絕對氣體流量及/或離子源中之各別氣體混合物中之部分氣體流量之比率以及蒸發器及/或離子源的功率來調整。因此可針對各個層調整化學計量及因此控制光學行為。目標通常係100°C-300°C，較佳140°C-240°C的基板溫度。
在先前試驗中，針對具有高、低或中間折射率的層確定蒸發器、基板及離子源之各別配置的最佳製程參數。使用此等已知資料，接著可沉積光學層系統的層。
在本發明方法的一具體例中，藉由先前試驗或模擬以實驗方式確定用於調整層系統之各個a-Si：H：x或Ge：H：x層之經界定/期望折射率及消光係數之所選塗佈方法的最佳製程參數。
本發明的目的亦藉由根據本專利之獨立請求項8的光學層系統來達成。
在藉由如請求項1至7中任一項之方法所產生之本發明的光學層系統中，多個層係由相同材料形成，其中高、中及低折射率層的差異僅在於其摻雜氣體的化學計量，且其中高、中及低折射率層的光學性質可藉由製程控制器經摻雜氣體的化學計量來調整。
在本發明之光學層系統的一個變體中，該層系統具有兩個或更多個具有中間折射率n
My的層，其中y係大於零的整數並且其中n
H＞ n
M1≧ n
M2≧ … ≧n
My＞ n
L。換言之，層系統可包括兩個或更多個具有中間折射率的層，其中該等中折射率層具有與高及低折射率層不同的折射率，該等折射率介於高折射率與低折射率層之間。該等中折射率層可繼而具有彼此間部分相同及/或不同的折射率。
因此，本發明的層系統可不僅僅由僅具有高折射率或低折射率的層形成。層系統的層亦可具有高、中及低折射率，或層系統可由多個層形成，其特徵在於具高折射率的層、具中間折射率的多於一個層、及具低折射率的層，其中中折射率層的折射率可部分相同或不同。
在光學層系統的所有層中使用相同化學元素的優點係，由於不需要在不同塗佈材料之間切換，因此不需要在個別層沉積步驟之間的長吹掃過程。結果，亦大大地減少製程時間並可達成高數量。
在本發明之光學層系統的一較佳變體中，該相同材料係氫化非晶矽(a-Si：H)或氫化鍺(Ge：H)及該摻雜氣體係氫氣(H
2)。
氫化非晶矽具有取決於所納入氫之化學計量，可在寬廣範圍內調整折射率的顯著優點。Lairson等人在一篇題為「減少角度移位的紅外帶通濾波器塗層(Reduced Angle-shift Infrared Bandpass Filter Coatings)」(SPIE論文集，2007，第6545卷，65451C-1- 65451C-5頁)的文章及Gibbons等人在一篇題為「氫化a-Si反應性濺射沉積製程的開發及實施(Development and implementation of a hydrogenated a-Si reactive sputter deposition process)」(真空塗佈機學會年度技術會議論文集(Proceedings of the Annual Technical Conference, Society of Vacuum Coaters)，2007，第50卷，327-330頁)的文章中描述氫化矽(Si：H)在濾光器中之高折射率層的用途。
在本發明之光學層系統的一較佳變體中，光學層系統係經形成為帶通濾波器。
由高、中及/或低折射率層之層序列組成之帶通濾波器對於800 nm至1100 nm之波長範圍，較佳具有針對a-Si：H之高折射率層，折射率n
H=3.35至3.8及消光係數k ＜ 0.001；針對中折射率層，折射率n
M=3.0至3.6及k ＜ 0.001；及針對低折射率層，折射率n
L=2.5至3.3及k ＜ 0.001。
在另一較佳變體中，對於800 nm至1100 nm之波長範圍，由高、中及/或低折射率層之層序列組成之帶通濾波器具有針對a-Si：H：x之高折射率層，折射率n
H=3.6至3.8及消光係數k ＜ 0.0001；中折射率層具有折射率n
M=3.2至3.3及k ＜ 0.0001；及低折射率層具有折射率n
L=3.0至3.1及k ＜ 0.001。
在本發明之光學層系統係經形成為帶通濾波器的情況中，光學帶通濾波器較佳包括至少兩個具有折射率n
M或n
L及10 nm至3000 nm之各別厚度的中折射率或低折射率空腔層，以及至少五個層堆疊，各個層堆疊由交替堆疊之分別具有折射率n
L或n
H及5至200 nm之各別厚度的低折射率及高折射率層形成。
在各情況中，高、中或低折射率層在帶通濾波器中形成空腔，換言之，在出現入射輻射之建設性干涉的區域中，藉此產生濾光器的高透射區域。透過形成於濾光器中的空腔數量，可精確地確定濾波器的透射率及通帶寬度。透過選擇折射率與空腔之層厚度的組合，可降低光學帶通濾波器之通帶的波長移位。換言之，對於入射輻射的不同入射角度，呈現的濾波器性質實質上相同。
除了空腔外，層系統亦包括層堆疊，其充當反射鏡層並形成濾波器的阻帶。存在於光學帶通濾波器中具有相應厚度之層堆疊的數量越大，則入射輻射在此區域中藉由破壞性干涉的降低就越有效。
在光學層系統的再一變體中，光學層系統不僅包括a-Si：H：x或a-Ge：H：x的高折射率層及a-Si：H：x或a-Ge：H：x的低折射率層，並且亦包括Si
3N
4或SiO
2的另一層。此種層系統的優點係擴展可能折射率的範圍，特定而言為包括在SiO
2之情況中的低折射率；SiO
2在800 nm以上的波長範圍內具有1.4至1.47的折射率。在Si
3N
4(其與a-Si：H及SiO
2相比構成中折射率材料，Si
3N
4在800 nm以上的波長範圍內具有2至2.1的折射率)的情況中，存在更精確地調適濾波器之光學參數的可能性。
在光學層系統的一個變體中，光學層系統係經形成為梳狀濾波器(Rugate filter)，其中通過多個層可形成折射率梯度，該梯度可針對多個層的各個層通過一或多種摻雜氣體的化學計量藉由製程控制器來調整。
就製程而言，此較佳變體在個別的反射鏡系統中形成所謂的準梳狀濾波器，其中在本發明意義上的反射鏡系統係指由高、中及/或低折射率層及所形成空腔組成之干涉濾波器的構造。梳狀濾波器係一種介電反射鏡，其選擇性地反射一定波長範圍的光。此效應係通過折射率隨反射鏡厚度的週期性、恆定或準離散變化來達成。一定波長部分的光無法在梳狀濾波器中行進，並被反射。此處的一特定挑戰係實現恆定或準離散折射率分佈。此分佈係通過多個濾波器層之化學組成作為層厚度的函數來建立。此可通過在個別濾波器層的沉積製程期間連續改變氣體組成來達成，其中動態製程控制器調整進入至待沉積之濾波器材料中之摻雜氣體的化學計量及因此形成不同的折射率。
在光學層系統的另一變體中，光學層系統係經形成為光學干涉濾波器。
光學干涉濾波器較佳具有420 nm至2800 nm的透射範圍，更佳800 nm至1100 nm。通帶的寬度較佳為50%透射下的10至50 nm。10%與90%透射之間的邊緣陡度較佳在8至20 nm之間。阻帶的透射較佳小於1%透射，較佳小於0.1%透射，但更佳在400至910 nm範圍內及在970至1100 nm範圍內仍小於0.01%透射。
通帶及阻帶的此等波長範圍係由濾波器之個別層的厚度來決定。明確而言，通帶的寬度係由空腔的數量結合其之折射率及其之層厚度來調整。
濾光器的最終設計取決於需求，其係由例如在感測器內的後續用途來決定。在此對通帶及阻帶作出特定需求。此等目標值容許使用光學模型自光學層系統的多個層確定層堆疊序列。因此，個別層的厚度、反射鏡層及空腔的數量、配置及厚度決定濾波器的光學行為。
800至1100 nm之近紅外區域對於在使用飛行時間(ToF)方法來確定距離並因此生成三維影像資訊之感測器中的濾波器應用特別重要。此在現代未來取向技術中發揮重要作用，諸如自動駕駛所需的LIDAR(光檢測及測距)，或者在人機互動中，例如在藉由可攜式終端裝置識別手勢或臉中。
下文意欲使用例示性具體例來更詳細地說明本發明。
圖1顯示作為光學干涉濾波器之本發明光學層系統的具體例。光學干涉濾波器係沉積在基板1上。沉積可，例如，藉由濺射製程、CVD製程或蒸發製程(電子束)來進行。干涉濾波器一般係由具有不同折射率以及消光係數的多個層組成。多個層形成其中空腔及反射鏡系統交替的層堆疊。反射鏡系統繼而由不同的反射鏡層構成或堆疊，並且一般存在高、低及/或中折射率層的交替。空腔的光學厚度對應於λ/4，反射鏡層的光學厚度對應於λ/2。
圖la)顯示具有a-Si：H之兩個空腔3及反射鏡系統2的濾波器實例。兩個空腔3具有相同的折射率n
1，例如，n
1=3.1，並且反射鏡系統2具有兩個不同的折射率21、22，例如，n
1=3.1及n
2=3.6。
圖lb)顯示具有a-Si：H之兩個空腔3及反射鏡系統2的濾波器實例。兩個空腔3具有不同的折射率n
131及n
232，例如，n
1=3.1及n
2=3.6。反射鏡系統的反射鏡層21、22同樣具有不同的折射率，例如，n
1=3.1及n
2=3.6。
圖lc)顯示具有a-Si：H之三個空腔3及反射鏡系統2的濾波器實例。三個空腔3具有不同的折射率n
131、n
232及n
333，例如，n
1=3.6、n
2=3.2及n
3=3.1。反射鏡系統的反射鏡層21、22同樣具有相同的折射率，例如，n
1=3.1及n
2=3.6。
圖ld)顯示具有a-Si：H之三個空腔3及反射鏡系統2的濾波器實例。三個空腔3具有不同的折射率n
131、n
232及n
333，例如，n
1=3.6、n
2=3.2及n
3=3.1。反射鏡系統的反射鏡層21、22、23同樣具有不同的折射率，例如，n
1=3.6、n
2=3.2及n
3=3.1。
圖2顯示圖1之本發明干涉濾波器的例示性透射範圍。由於完全使用a-Si：H的結果，濾波器的有效折射率高於使用低折射率材料(諸如，比方說，SiO
2)的情況。透射帶的移位與有效折射率成反比。換言之，高有效折射率導致透射帶的較小移位。
圖3顯示用於產生本發明光學層系統之濺射製程的示意圖。
在濺射沉積過程中，高能粒子被引導至矽靶7上，此等粒子具有足夠的能量以自靶7濺射出矽原子，並且在磁場或電場的影響下，將其轉移至基板8的表面，從而將其塗佈。濺射氣體可係，例如，來自氬氣源的氬氣(Ar)。所使用的濺射氣體可替代地包括其他亦可經電離的惰性氣體，諸如，比方說，氙氣。
另一產生變體需要使用電漿源及/或離子源10來在非反應性或僅部分反應性濺射層內建立反應性氣體內容物6。在沉積次奈米厚度的薄層後，在各情況中藉由電漿源及/或離子源10回溯處理濺射層，以建立期望的化學計量。
為產生氫化非晶矽，在濺射沉積製程期間使氫氣經由氣體入口進入製程室。動態流量調節器可調整濺射氣體及氫氣或(若需要)其他摻雜氣體的氣體量。因此，可針對低、中及高折射率層的產生調整及調節摻雜氣體之期望的化學計量，來確保在低、中及高折射率層間的氣體流量變化期間產生相同的光學性質。藉由製程參數諸如基板溫度、靶偏電壓(-V)、製程室壓力、總流速等，同樣可影響及調節氫氣之納入至矽中。
如此生成的層材料以預先藉由光學模型確定的層厚度及順序沉積於基板上，以滿足例如濾光器的光學需求。個別層之光學性質(折射率及消光係數)與製程參數之間之依賴關係的精確知識係能夠利用先前使用的模型來模擬待產生之光學層系統而正確預測例如濾光器之性質的重要必要條件。針對各個高、低或中折射率層，精確地調整製程參數(製程壓力、氣體流量、氣體比率、濺射源/電漿源及/或離子源的功率、溫度)，因此可獲得可再現的層性質。
本發明之方法免除針對具有不同折射率之層在不同濺射材料(諸如，比方說，五氧化二鈮或二氧化矽)之間切換，或者允許不同的摻雜氣體(諸如，比方說，氧氣或氫氣)。此亦免除製程室中的長吹掃時間，從而容許提高生產率並改良層性質。當需要大量所產生之終端產品時，此點尤其重要。
圖4顯示本發明之光學層作為用於臉部識別之ToF感測器的用途實例。ToF感測器由光源11(通常係雷射)組成。此源發射光15，其經三維物體14反射。反射光16經光偵測器12檢測。可有利地將呈帶通濾波器形式的濾光器13配置在光偵測器12的前面。此濾波器確保僅具有由光源所發射之波長的輻射經檢測及處理。關於濾波器13的光學功能，其必須在通帶中具高透射及在通帶外具極低透射。此外，重要的係，濾波器相對於在不同光入射角下的波長移位具有高公差。此等需求必須形成濾波器設計製程的部分。
1:基板
2:反射鏡層
3:空腔
4:濺射氣體
5:濺射粒子
6:反應性氣體
7:濺射靶
8:基板
9:塗層
10:電漿源及/或離子源
11:光源
12:光偵測器
13:濾光器
14:三維物體
15:光源的發射光
16:光源的反射光
21:具折射率n
1的第一反射鏡層
22:具折射率n
2的第二反射鏡層
23:具折射率n
3的第三反射鏡層
31:具折射率n
1的第一空腔
32:具折射率n
2的第二空腔
33:具折射率n
3的第三空腔
在相關圖式中
圖1顯示作為光學干涉濾波器之本發明光學層系統的具體例，其中具有4個不同的濾波器實例(a-d)；
圖2顯示圖1之本發明干涉濾波器的例示性透射範圍；
圖3顯示用於產生本發明光學層系統之濺射製程的示意圖；
圖4顯示本發明之光學層系統作為用於臉部識別之ToF感測器的用途實例。
1:基板
2:反射鏡層
3:空腔
21:具折射率n1的第一反射鏡層
22:具折射率n2的第二反射鏡層
23:具折射率n3的第三反射鏡層
31:具折射率n1的第一空腔
32:具折射率n2的第二空腔
33:具折射率n3的第三空腔
Claims (15)
- 一種用於產生由多個層組成之光學層系統的方法，其中該光學層系統的該等層係藉由選定的塗佈方法自相同材料沉積至基板上，該相同材料係氫化非晶矽(a-Si：H)或氫化鍺(Ge：H)，且其中藉由調節所選塗佈方法的製程參數來調整該層系統之該等多個層之各個層的折射率及消光係數。
- 如請求項1之產生光學層系統的方法，其中，該相同材料係a-Si：H：x或Ge：H：x，其中x包含氮(N 2)或氯(Cl 2)。
- 如請求項1之產生光學層系統的方法，其中，該塗佈方法係濺射製程，其中該濺射製程係藉由氬(Ar)及/或氪(Kr)及/或氦(He)及/或氙(Xe)及氫(H)及/或氮及/或氯的反應性氣體混合物再活化地進行，或該濺射係藉由Ar、Kr、He及/或Xe進行並且藉由電漿源及/或離子源將層系統的層氫化為a-Si：H或Ge：H，或該濺射製程係作為反應性濺射及所使用之電漿源及/或離子源的組合進行，其中該層系統之各個別a-Si：H或Ge：H層的折射率及消光係數係藉由氫與Ar、Kr、He及/或Xe的比率進行調整。
- 如請求項1之產生光學層系統的方法，其中，該反應性氣體混合物係氬氣(Ar)及氮氣(N)、或氬氣(Ar)及氧氣(O 2)。
- 如請求項1之產生光學層系統的方法，其中，該塗佈方法係化學氣相沉積製程(CVD製程)，其中該CVD製程係藉由蒸發器單元及電漿源藉由電漿增強或藉由催化方式或熱方式進行，其中該層系統之各個a-Si：H：x或Ge：H：x層的折射率及消光係數係藉由氣體流量調節經由矽烷或鍺烷與氫氣的比率及/或蒸發器單元及電漿源的功率來調整。
- 如請求項1之產生光學層系統的方法，其中，該塗佈方法係結合離子源的電子束蒸發製程，其中藉由建立絕對氣體流量及/或離子源之氣體混合物中之部分氣體流量之比率及蒸發器單元及離子源的功率來調整層系統之各個a-Si：H：x或Ge：H：x層的折射率及消光係數。
- 如請求項2至6中任一項之產生光學層系統的方法，其中，藉由先前試驗或模擬以實驗方式確定用於調整層系統之各個a-Si：H或Ge：H層之經界定折射率及消光係數的最佳製程參數。
- 一種光學層系統，其係根據請求項1至7中任一項的方法來產生，其包含配置在基板上的多個層，其中該等層的一部分具有高折射率n H及該等層的另一部分具有低折射率n L並且該等層的再一部分具有中間折射率n M，其中n H＞ n M≧ n L，其中具有不同折射率的該等層具有交替堆疊配置，其特徵在於該等多個層係由相同材料形成，其中該等高、中及低折射率層的差異僅在於其摻雜氣體的化學計量，且其中該等高、中及低折射率層的光學性質可藉由製程控制器經由摻雜氣體的化學計量來調整。
- 如請求項8之光學層系統，其中，該層系統具有兩個或更多個具有中折射率n My的層，其中y係大於零的整數並且其中n H＞ n M1≧ n M2≧…≧n My＞ n L。
- 如請求項8或9之光學層系統，其中，該相同材料係氫化非晶矽(a-Si：H)或氫化鍺(Ge：H)，並且該摻雜氣體係氫(H)。
- 如請求項8至10中任一項之光學層系統，其中，該光學層系統係經形成為帶通濾波器。
- 如請求項11之光學層系統，其中，該帶通濾波器係由高、中及/或低折射率層之層序列組成，其中對於800 nm至1100 nm之波長範圍，a-Si：H之高折射率層具有折射率n H=3.35至3.8及消光係數k ＜ 0.001，中折射率層具有折射率n M=3.0至3.6及k ＜ 0.001，及低折射率層具有折射率n L=2.5至3.3及k ＜ 0.001。
- 如請求項10之光學層系統，其中，該帶通濾波器係由高、中及/或低折射率層之層序列組成，其中對於900 nm至980 nm之波長範圍，a-Si：H之高折射率層具有折射率n H=3.6至3.8及消光係數k ＜ 0.0001，中折射率層具有折射率n M=3.2至3.3及k ＜ 0.0001，及低折射率層具有折射率n L=3.0至3.1及k ＜ 0.0001。
- 如請求項8至10中任一項之光學層系統，其中，該光學層系統係經形成為梳狀濾波器(Rugate filter) ，其中通過該等多個層可形成折射率梯度，該梯度可針對該光學層系統之該等多個層的各個層藉由製程控制器經由摻雜氣體的化學計量來調整。
- 如請求項8至10中任一項之光學層系統，其中，該光學層系統係經形成為光學干涉濾波器。
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