制造针对可见光谱波长的电介质超颖表面的原子层沉积处理制造技术

一种制造可见光谱光学部件的方法，包括：提供基板；在基板的表面上形成抗蚀剂层；对抗蚀剂层形成图案以形成限定暴露基板表面的若干部分的开口的带有图案的抗蚀剂层；执行沉积以在带有图案的抗蚀剂层上和在基板表面的暴露部分上形成电介质膜，其中电介质膜的顶表面高于带有图案的抗蚀剂层的顶表面；去除电介质膜的顶部部分以暴露带有图案的抗蚀剂层的顶表面和带有图案的抗蚀剂层的开口内的电介质单元的顶表面；以及去除带有图案的抗蚀剂层以保留电介质单元在基板上。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造针对可见光谱波长的电介质超颖表面的原子层沉积处理相关申请的交叉引用本申请要求于2015年11月24日提交的美国临时专利申请62/259,243号的权益和优先权，通过引用将其全部内容合并至此。关于联邦资助或研究发展的声明本专利技术在由空军科学研究处(MURI)授予的准许号FA9550-14-1-0389下由政府支持进行。政府具有本专利技术中某些权利。
技术介绍
超颖表面(metasurface)可以用来形成光学部件。然而，超颖表面在可见光谱中低效。期望制造在可见光谱中具有提高的效率的超颖表面。针对这一背景，出现开发在本公开内容中描述的实施例的需求。
技术实现思路
根据一些实施例在一方面，制造可见光谱光学部件的方法包括：1)提供基板；2)在基板表面上形成抗蚀剂层；3)对抗蚀剂层形成图案以形成限定暴露基板表面的若干部分的开口的带有图案的抗蚀剂层；4)执行沉积以在带有图案的抗蚀剂层上以及在基板表面的暴露部分上形成电介质膜，其中电介质膜的顶表面高于带有图案的抗蚀剂层的顶表面；5)去除电介质膜的顶部部分以暴露带有图案的抗蚀剂层的顶表面和带有图案的抗蚀剂层的开口内电介质单元的顶表面；以及6)去除带有图案的抗蚀剂层以保留电介质单元在基板上。在一些实施例中，执行沉积包括执行原子层沉积。在一些实施例中，基板是玻璃基板。在一些实施例中，带有图案的抗蚀剂层的开口的侧壁基本上垂直于基板的表面。在一些实施例中，带有图案的抗蚀剂层的开口具有不显著大于或者小于入射光的设计波长的宽度，诸如不大于400nm。在一些实施例中，带有图案的抗蚀剂层的开口具有最大宽度wmax，执行沉积包括沉积电介质膜至厚度tfilm并且填充带有图案的抗蚀剂层的开口，并且tfilm≥wmax/2。在一些实施例中，执行沉积在低于115℃的温度下实行。在一些实施例中，电介质膜包括氧化物。在一些实施例中，去除电介质膜的顶部部分包括执行反应离子蚀刻。在一些实施例中，电介质单元中的至少一个具有100nm或者更大的高度。在一些实施例中，电介质单元中的至少一个具有不大于100nm的宽度。根据一些实施例在另一方面，制造超颖表面的方法包括：1)提供基板以及在基板上提供带有图案的层，带有图案的层限定开口；2)执行原子层沉积以在带有图案的层上沉积共形膜并且延伸到带有图案的层的开口中；3)去除共形膜的顶部部分以暴露带有图案的层的开口内的超颖表面单元的顶表面；以及4)去除带有图案的层以保留超颖表面单元在基板上。在一些实施例中，执行原子层沉积包括沉积在可见光谱上折射率的虚部不大于0.1的电介质材料。在一些实施例中，执行原子层沉积包括沉积在可见光谱上折射率的实部至少为2的电介质材料。在一些实施例中，带有图案的层包括具有玻璃转变温度的抗蚀剂，并且执行原子层沉积在低于抗蚀剂的玻璃转变温度的温度下实行。在一些实施例中，超颖表面单元中的至少一个具有至少2:1的纵横比。根据一些实施例在再一方面，可见光谱光学部件包括：1)包括表面的透明基板；以及2)透明基板表面上的电介质单元，其中电介质单元中的至少一个具有沿着短轴的维度，不同于沿着短轴的维度的沿着长轴的维度，以及不大于5nm的表面粗糙度。在一些实施例中，沿着短轴的维度不大于200nm，沿着长轴的维度基本上垂直于透明基板的表面并且是沿着短轴的维度的至少两倍。在一些实施例中，沿着长轴的维度与沿着短轴的维度的比例是至少5:1。在一些实施例中，电介质单元中的至少一个具有基本上垂直于透明基板表面的侧壁。在一些实施例中，表面粗糙度不大于2nm。在一些实施例中，电介质单元包括非晶或单晶的电介质材料。在一些实施例中，电介质单元包括在可见光谱上透光率为至少50％的电介质材料。在一些实施例中，电介质单元包括在可见光谱上折射率的虚部不大于0.1，并且可见光谱上折射率的实部至少为2的电介质材料。在一些实施例中，光学部件被配置为在入射光上引入任意的或者可调整的相位剖面(phaseprofile)。在一些实施例中，光学部件是透镜、准直器、偏光器或者全息图(hologram)。在一些实施例中，电介质单元中的至少一个具有圆形截面或者基本上均匀旋转对称的其他截面。在一些实施例中，光学部件的功能取决于入射光的偏振。在一些实施例中，光学部件的功能基本上独立于入射光的偏振。同样考虑本公开内容的其他方面和实施例。前面的概述和下面的详细描述不打算将本公开内容局限于任何特定的实施例，而是仅打算描述本公开内容的一些实施例。附图说明为了更好地理解本公开内容的一些实施例的本质和目的，应当参考下面连同附随附图进行的详细描述。图1是基于原子层沉积(ALD)形成可见光谱电介质超颖表面的制造处理。图2是所制造的结构的扫描电子显微图像。(A)电介质单元的顶视图。(B)电介质单元的倾斜视图。图3是可见光谱中的宽带高效元光栅。(A)元光栅的示意图。(B)元光栅的模拟结果。图4是非晶二氧化钛材料性质。(A)作为波长的函数测量的折射率的实部(正方形)和虚部(圆形)(n和k)。获得这些光学函数时使用的椭圆测量数据的全集包括在示例章节中。(B)经由ALD沉积的典型TiO2膜的原子力显微图像。膜是均方根(RMS)粗糙度为大约0.738nm的原子级平滑表面。图5是电介质超颖表面的制造处理。(A)熔融石英(或者其他透明基板)上厚度为tresist的电子束抗蚀剂(EBR)，这根本设置最终结构的高度(透视图)。(B)通过电子束光刻以及图案的随后显影压印到EBR中的最终超颖表面图案的逆。加框区域是最大特征宽度w的展开截面。(C)经由ALD的初始TiO2沉积共形地覆盖EBR的侧壁和顶部以及暴露的基板(侧视图)。同样示出用于ALD的四次二甲基胺基钛(TDMAT)分子。(D)完成的TiO2沉积产生大于最大特征尺寸的半宽度的膜厚度，tfilm≥w/2。(E)使用Cl2和BCl3离子的混合物进行反应离子蚀刻之后TiO2超颖表面和残余EBR的暴露顶部(顶视图和侧视图)。(F)去除剩余的EBR之后最终的电介质超颖表面(顶视图和侧视图)。图6是所制造的结构的扫描电子显微图像。(A)由TiO2纳米鳍组成的所制造的超颖表面全息图的大规模视图。(B)示出个体纳米鳍的超颖表面的放大顶视图。所制造的纳米鳍基本上没有残余的抗蚀剂并且维度为设计维度250nm×85nm的±10nm。同样可以看出，使用该制造技术，可以实现小至大约6nm的结构之间的间隙。(C)横向维度为大约40nm的结构的顶视图。(D)表现出高度为大约600nm的垂直侧壁的纳米鳍的截面(侧视图)。纳米鳍之间对比度的振荡由用来防止对样本成像时充电的金属膜的沉积期间的遮蔽效应导致。图7是测量的绝对效率和全息图像。(A-C)测量的(正方形标记)和模拟的(实线)全息效率。绝对效率指定为全息图的总体光学功率与透射通过与全息图相同大小(大约300×300μm2)的孔径的总体光学功率的比例。垂直的虚线标记每个设备的设计波长，并且设备维度为(A)大约200nm×大约90nm，(B)大约250nm×大约85nm，以及(C)大约410nm×大约85nm。(D-I)涵盖可见光谱的全息图像。输入波长是(D)大约480nm，(E)大约520nm，(F)大约540nm，(G)大约600nm，(H)大约620nm以及(I)大约640本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造可见光谱光学部件的方法，包括：提供基板；在所述基板的表面上形成抗蚀剂层；对所述抗蚀剂层形成图案以形成限定暴露所述基板的所述表面的多个部分的开口的带有图案的抗蚀剂层；执行沉积以在所述带有图案的抗蚀剂层上以及在所述基板的所述表面的所暴露的部分上形成电介质膜，其中所述电介质膜的顶表面高于所述带有图案的抗蚀剂层的顶表面；去除所述电介质膜的顶部部分以暴露所述带有图案的抗蚀剂层的所述顶表面以及所述带有图案的抗蚀剂层的所述开口内的电介质单元的顶表面；以及去除所述带有图案的抗蚀剂层以保留所述电介质单元在所述基板上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.24 US 62/259,2431.一种制造可见光谱光学部件的方法，包括：提供基板；在所述基板的表面上形成抗蚀剂层；对所述抗蚀剂层形成图案以形成限定暴露所述基板的所述表面的多个部分的开口的带有图案的抗蚀剂层；执行沉积以在所述带有图案的抗蚀剂层上以及在所述基板的所述表面的所暴露的部分上形成电介质膜，其中所述电介质膜的顶表面高于所述带有图案的抗蚀剂层的顶表面；去除所述电介质膜的顶部部分以暴露所述带有图案的抗蚀剂层的所述顶表面以及所述带有图案的抗蚀剂层的所述开口内的电介质单元的顶表面；以及去除所述带有图案的抗蚀剂层以保留所述电介质单元在所述基板上。2.根据权利要求1所述的方法，其中执行沉积包括执行原子层沉积。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板是玻璃基板。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述带有图案的抗蚀剂层的所述开口的侧壁基本上垂直于所述基板的所述表面。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述带有图案的抗蚀剂层的所述开口具有不大于400nm的宽度。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述带有图案的抗蚀剂层的所述开口具有最大宽度wmax，执行沉积包括：沉积所述电介质膜至厚度tfilm并且填充所述带有图案的抗蚀剂层的所述开口，并且tfilm≥wmax/2。7.根据权利要求1所述的方法，其中执行沉积在低于115℃的温度下实行。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述电介质膜包括氧化物。9.根据权利要求1所述的方法，其中去除所述电介质膜的所述顶部部分包括执行反应离子蚀刻。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述电介质单元中的至少一个具有100nm或者更大的高度。11.根据权利要求1所述的方法，其中所述电介质单元中的至少一个具有不大于100nm的宽度。12.一种制造超颖表面的方法，包括：提供基板以及在所述基板上带有图案的层，所述带有图案的层限定开口；执行原子层沉积以沉积在所述带有图案的层上且延伸到所述带有图案的层的所述开口中的共形膜；去除所述共形膜的顶部部分以暴露所述带有图案的层的所述开口内的超颖表...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·C·德夫林，M·科拉沙尼内加德，F·卡帕索，H·帕克，A·A·海伊，
申请(专利权)人：哈佛学院院长及董事，
类型：发明
国别省市：美国,US