【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】透射型超表面透镜集成
本公开涉及超表面元件的光学装置、引入具有这种超表面元件的光源和/或检测器的集成系统、以及这种光学装置和集成系统的制造方法。
技术介绍
超表面元件是衍射光学器件，其中各个波导元件具有亚波长间隔并具有平面轮廓。最近已经开发了超表面元件，以用于UV-IR波段(300-10,000nm)。与传统的折射光学器件相比，超表面元件突然将相移引入光场。这使超表面元件的厚度约为其设计工作波长的波长级别，而传统的折射面的厚度比其设计工作所在的光的波长大10-100倍(或更多)。另外，超表面元件在组成元件中的厚度没有变化，因此能够如折射光学器件所要求的那样使光整形而没有任何曲率。与传统的衍射光学元件(DOE)(例如二元衍射光学元件)相比，超表面元件具有在入射光场上赋予一定范围的相移的能力，至少，超表面元件的相移至少可以在0之间-2π，且该范围内至少有5个不同的值，而二进制DOE只能提供两个不同的相移值，并且通常限于0或1π的相移。与多层DOE相比，超表面元件不需要沿光轴改变其组成元素的高度，而只需改变超表面元件特征的平面几何形状即可。专利技术概述本申请涉及超表面元件的光学装置、引入具有这种超表面元件的光源和/或检测器的集成系统、以及这种光学装置和集成系统的制造方法。许多实施方案涉及一种制造一个或多个超表面元件或系统的方法，包括：在基板的至少一个表面上沉积硬掩模材料层，其中所述基板对于在指定工作带宽上的光是透明的；在所述硬掩模材料层上沉积图案材料层；图案化所述图案...
【技术保护点】
1.一种制造一个或多个超表面元件或系统的方法，包括：/n在基板的至少一个表面上沉积硬掩模材料层，其中所述基板对于在指定工作带宽上的光是透明的；/n在所述硬掩模材料层上沉积图案材料层；/n图案化所述图案材料以在硬掩模层顶上形成阵列图案，所述阵列图案包括超表面特征阵列的正向或负向复制中的一种，所述超表面特征阵列包括多个超表面特征，具有的特征尺寸小于指定工作带宽内的光的波长，并且被配置为在所述多个超表面特征的平面内的撞击光上施加相移；/n使用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述硬掩模层，以形成与所述硬掩模中的阵列图案相对应的多个空隙和凸起特征；和/n从所述硬掩模层的顶部去除任何残留的图案材料。/n
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170831 US 62/552,4551.一种制造一个或多个超表面元件或系统的方法，包括：
在基板的至少一个表面上沉积硬掩模材料层，其中所述基板对于在指定工作带宽上的光是透明的；
在所述硬掩模材料层上沉积图案材料层；
图案化所述图案材料以在硬掩模层顶上形成阵列图案，所述阵列图案包括超表面特征阵列的正向或负向复制中的一种，所述超表面特征阵列包括多个超表面特征，具有的特征尺寸小于指定工作带宽内的光的波长，并且被配置为在所述多个超表面特征的平面内的撞击光上施加相移；
使用各向异性刻蚀工艺刻蚀所述硬掩模层，以形成与所述硬掩模中的阵列图案相对应的多个空隙和凸起特征；和
从所述硬掩模层的顶部去除任何残留的图案材料。
2.权利要求1所述的方法，其中:
所述基板由选自以下的材料形成：熔融石英、蓝宝石、硼硅酸盐玻璃和稀土氧化物玻璃；
所述硬掩模材料层由选自以下的材料形成：硅、各种化学计量的氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝，并使用选自以下的沉积工艺进行沉积：溅射、化学气相沉积和原子层沉积；
所述图案材料层由使用光刻工艺图案化的光致抗蚀剂或使用纳米压印工艺图案化的聚合物中的一种形成；
所述阵列图案使用选自以下的组的反应性离子蚀刻工艺来蚀刻：SF6、Cl2、BCl3、C4F8或其任何静态或多路混合的混合物；和
所述残留的图案材料使用选自化学溶剂、化学蚀刻剂和等离子体蚀刻剂的工艺去除。
3.权利要求1所述的方法，其中所述图案化的硬掩模材料是电介质，并且形成所述超表面元件的超表面特征。
4.权利要求1所述的方法，还包括：
在图案化的硬掩模材料层上沉积电介质超表面材料层，使得所述超表面材料层填充所述硬掩模材料层中的空隙并在所述硬掩模材料层的凸起特征上方延伸，从而在所述硬掩模层的顶部形成超表面材料的覆盖层；和
平面化所述覆盖层，使得所述超表面材料层和所述硬掩模层在所述基板上方的均匀高度处终止。
5.权利要求4所述的方法，其中:
所述超表面材料层由选自硅、各种化学计量的氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝的材料形成，并使用选自以下的共形工艺进行沉积：化学气相沉积和原子层沉积；和
平面化使用选自由湿法蚀刻和等离子体蚀刻组成的组的蚀刻工艺或化学机械平面化技术中的方法。
6.权利要求4所述的方法，其中设置在所述空隙中的超表面材料形成所述超表面元件的超表面特征，并且其中所述硬掩模材料被配置为在所述指定工作带宽处具有比所述超表面材料低的折射率的包埋材料。
7.权利要求6所述的方法，其中所述硬掩模材料在所述指定工作带宽上的吸收可忽略，并且在所述指定工作带宽处的折射率在大约1到大约2.4之间。
8.权利要求4所述的方法，还包括：
使用选择性蚀刻去除所述硬掩模材料层，使得在去除所述硬掩模材料层之后，设置在所述图案化的硬掩模的空隙中的超表面材料层保留在所述基板的表面上，以形成由多个气隙隔开的多个隔离的超表面特征。
9.权利要求8所述的方法，还包括在所述隔离的超表面特征上沉积包埋材料层，使得特征之间的气隙被填充，并且使得所述包埋材料层在所述超表面材料层的表面上方延伸，其中所述包埋材料层在所述指定工作带宽处的折射率比所述超表面材料低。
10.权利要求9所述的方法，其中所述包埋材料是选自聚(甲基丙烯酸甲酯)、SU8和苯并环丁烯的聚合物。
11.权利要求9所述的方法，其中所述包埋材料是选自二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氮化硅、氧化铪、氧化锌和旋涂玻璃的固态膜。
12.权利要求9所述的方法，还包括平面化所述包埋材料层，使得所述超表面材料层和所述包埋材料层在所述基板上方的均匀高度处终止。
13.权利要求12所述的方法，还包括在所述包埋材料层和与所述超表面元件相对设置的基板的侧面中的一者或两者顶部沉积抗反射涂层。
14.权利要求13所述的方法，其中所述抗反射涂层由选自二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氮化硅、氮化铝和无定形硅的材料的任意组合的交替层组成，其中每个交替层的厚度小于工作带宽内的光波长。
15.权利要求1所述的方法，其中所述基板是设置在照明器或传感器顶部的一种，或者本身是照明器或传感器。
16.权利要求1所述的方法，其中所述基板的基板厚度不适合与目标光学系统一起使用，并且还包括以下至少之一：
通过研磨或化学刻蚀中的一种或两种去除所述基板背面的至少一部分；和
将另外的基板对准并熔合到所述超表面元件的基板。
17.权利要求16所述的方法，其中所述另外的基板本身在其一个表面上设置超表面元件，并且其中所述基板和另外的基板沿着与设置相对的超表面元件的表面相对的表面熔合。
18.权利要求16所述的方法，其中熔合方法使用热预算低于600℃的粘合工艺。
19.权利要求18所述的方法，其中所述粘合工艺是使用的选自光学环氧树脂、苯并环丁烯、UV固化聚合物、SU8和等离子活化二氧化硅膜的粘合剂的晶片粘合工艺。
20.权利要求18所述的方法，还包括在熔合之前去除一个或两个基板的背面的至少一部分。
21.权利要求1所述的方法，还包括在第一基板的第一侧上形成至少第一超表面元件，以及在第二基板的第一侧上形成至少第二超表面元件，并且使用具有低于600℃的热预算的粘合工艺沿着与所述基板的第一侧相反的侧面将所述第一和第二基板熔合在一起。
22.权利要求1所述的方法，其中所述多个超表面特征是不均匀的。
23.权利要求1所述的方法，其中所述多个超表面特征基于所述超表面特征的尺寸从理想形状偏离预定的量。
24.一种形成多个超表面元件的方法，包括：在第一基板的第一侧上形成至少第一超表面元件，以及在第二基板的第一侧上形成至少第二超表面元件，并且使用具有低于600℃的热预算的粘合工艺沿着与所述基板的第一侧相反的侧面将所述第一和第二基板熔合在一起。
25.权利要求24所述的方法，其中所述粘合工艺是使用的选自光学环氧树脂、苯并环丁烯、UV固化聚合物、SU8和等离子活化二氧化硅膜的粘合剂的晶片粘合工艺。
26.权利要求24所述的方法，还包括在熔合之前去除一个或两个基板的背面的至少一部分。
27.权利要求24所述的方法，还包括：
嵌入和平面化所述第一和第二超表面元件中的至少一个；
在第三基板的第一侧上形成至少第三超表面元件；和
使用具有低于600℃的热预算的粘合工艺将与所述第一侧相对的第三基板的侧面熔合到平面化的第一或第二超表面。
28.权利要求27所述的方法，其中所述平面化还包括将所述第一和第二超表面元件中的至少一个嵌入聚合物或固态粘合剂中的一种中。
29.权利要求27所述的方法，包括迭代形成、嵌入和熔合的步骤，以形成四个或更多个超表面元件的分层堆叠。
30.权利要求29所述的方法，其中所述分层堆叠的一端的至少一层是照明器或传感器之一。
31.权利要求24所述的方法，还包括：
在与所述超表面元件相对的第一和第二基板的侧面之间插入间隔基板，所述间隔基板具有至少一个设置穿过其中的孔；和
使用具有低于600℃的热预算的粘合工艺将所述间隔基板熔合到所述第一和第二基板，使得所述至少一个孔在所述第一和第二基板之间形成气隙。
32.权利要求31所述的方法，其中所述间隔基板由选自聚合物、SiO2和玻璃的低折射率材料制成。
33.权利要求32所述的方法，其中间隔材料涂有黑色铬。
34.权利要求31所述的方法，还包括迭代形成、插入和熔合的步骤，以形成三个或更多个超表面元件的分层堆叠。
35.权利要求24所述的方法，其中所述分层堆叠的一端的至少一层是照明器或传感器之一。
36.权利要求24所述的方法，其中所述多个超表面特征是不均匀的。
37.权利要求24所述的方法，其中所述多个超表面特征基于所述超表面特征的尺寸从理想形状偏离预定的量。
38.权利要求1所述的方法，其中所述超表面元件被嵌入并被平面化，并且包括两层超表面特征，所述两层彼此偏移的距离小于或等于所述指定工作带宽内的光的波长，使得所述两层超表面特征一并操作以对撞击光施加相移。
39.一种形成复合超表面元件的方法，包括在基板的顶部形成两层超表面特征，其中所述两层彼此偏移的距离小于或等于所述指定工作带宽内的光的波长，使得所述两层超表面特征一并操作以对撞击光施加相移。
40.权利要求1所述的方法，其中所述多个超表面特征是不均匀的，并且基于所述超表面特征的尺寸从理想形状偏离预定的量，并且其中所述理想形状是正方形，并且其中所述理想正方形的侧面尺寸小于200nm，所述超表面特征形成为圆形，并且其中所述理想正方形的侧面尺寸小于300nm，所述超表面特征形成为具有圆形边缘的正方形。
41.权利要求1所述的方法，还包括：
形成多个相同或唯一的第一超表面元件；
提供设置在平面阵列中的多个相同或唯一的照明源，并将多个第一超表面元件中的至少一个与所述阵列中的多个照明源中的每个集成，使得来自所述多个照明源中的每个的光穿过所述第一超表面元件中的至少一个，并由此施加角偏转；
在照明源的平面阵列和所述第一超表面元件之间设置第一间隔层，所述第一间隔层被配置为在撞击相应的第一超表面元件之前，使从所述平面阵列的每个照明源发出的光产生发散；
在与所述多个第一超表面元件一定距离处设置第二超表面元件，所述第二超表面元件被配置为将远场照明图案压印在由所有多个照明源的发射形成的光场上；和
在所述第一和第二超表面元件之间设置第二间隔层，使得在它们之间形成偏移距离。
42.一种形成超表面元件的方法，包括：
形成多个相同或唯一的第一超表面元件；
提供设置在平面阵列中的多个相同或唯一的照明源，并将多个第一超表面元件中的至少一个与所述阵列中的多个照明源中的每个集成，使得来自所述多个照明源中的每个的光穿过所述第一超表面元件中的至少一个，并由此施加角偏转；
在照明源的平面阵列和所述第一超表面元件之间设置第一间隔层，所述第一间隔层被配置为在撞击相应的第一超表面元件之前，使从所述平面阵列的每个照明源发出的光产生发散；
在与所述多个第一超表面元件一定距离处设置第二超表面元件，所述第二超表面元件被配置为将远场照明图案压印在由所有多个照明源的发射形成的光场上；和
在所述第一和第二超表面元件之间设置第二间隔层，使得在它们之间形成偏移距离。
43.权利要求42所述的方法，其中至少所述第一间隔层包括固态材料。
44.权利要求42所述的方法，其中至少所述第二间隔层包括气隙。
45.权利要求42所述的方法，其中所述多个超表面特征是不均匀的。
46.权利要求42所述的方法，其中所述多个超表面特征基于所述超表面特征的尺寸从理想形状偏离预定的量。
47.权利要求1所述的方法，还包括：
形成多个相同或唯一的第一超表面元件；
提供设置在平面阵列中的多个相同或唯一的传感器元件，并将多个第一超表面元件中的至少一个与所述阵列中的多个传感器元件中的每个集成，使得入射到所述多个传感器元件中的每个上的光穿过所述第一超表面元件中的至少一个，并由此施加角偏转；
在传感器元件的平面阵列和所述第一超表面元件之间设置第一间隔层，所述第一间隔层被配置为在撞击所述平面阵列的相应传感器元件之前，使撞击到每个第一超表面元件上的光产生发散；
在与所述多个第一超表面元件一定距离处设置第二超表面元件，所述第二超表面元件被配置为将远场照明图案压印在撞击到其上的光场上；和
在所述第一和第二超表面元件之间设置第二间隔层，使得在它们之间形成偏移距离。
48.一种形成超表面元件的方法，包括：
形成多个相同或唯一的第一超表面元件；
提供设置在平面阵列中的多个相同或唯一的传感器元件，并将多个第一超表面元件中的至少一个与所述阵列中的多个传感器元件中的每个集成，使得入射到所述多个传感器元件中的每个上的光穿过所述第一超表面元件中的至少一个，并由此施加角偏转；
在传感器元件的平面阵列和所述第一超表面元件之间设置第一间隔层,所述第一间隔层被配置为在撞击所述平面阵列的相应传感器元件之前，使撞击到每个第一超表面元件上的光产生发散；
在与所述多个第一超...
【专利技术属性】
技术研发人员：G·N·J·莱丽，R·德芙琳，A·埃尔利赫，P·拉塔维茨，J·格拉夫，
申请(专利权)人：梅特兰兹股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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