一种衍射光学器件表面增透膜的镀膜方法技术

本发明专利技术公开了一种衍射光学器件表面增透膜的镀膜方法，通过优化原子层沉积镀膜参数，获得衍射光学器件微结构表面共形生长的膜层镀膜工艺；以优化的镀膜参数，在光学抛光的测试基板上分别镀制高折射率膜层和低折射率膜层，利用椭圆偏振光谱方法确定膜层的光学常数和厚度，确定膜层厚度和原子层沉积镀膜周期的关系；根据膜层的光学常数设计增透膜，计算增透膜中每个膜层的原子层沉积镀膜周期数；根据增透膜的结构优化设计衍射光学器件微结构，并制备衍射光学器件基板；按照增透膜中膜层从基板到空气的排列顺序，依次在衍射光学器件表面镀制各个膜层，制备增透膜。本发明专利技术提出的镀膜方法，可以有效提高衍射光学器件的光学透过率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种衍射光学器件表面增透膜的镀膜方法


[0001]本专利技术涉及微纳光学元件的加工领域，特别涉及用于提高衍射光学器件光透过率的一种衍射光学器件表面增透膜的镀膜方法。

技术介绍

[0002]衍射光学是通过微细加工工艺，在片基、薄膜、以及传统光学器件表面刻蚀产生多个台阶甚至连续形状的浮雕结构调控光学相位，实现极高衍射效率和新颖光学功能的一种器件。衍射光学器件是实现计算机全息成像方法检测非球面面形、超分辨成像等新颖成像光学功能的必须器件，也是实现光学系统微小型化、集成化的重要途径，近年来，微结构加工能力的发展推动了微纳光学器件加工水平的快速发展以及微纳光学器件在光学系统的大规模应用。和传统光学器件类似，衍射光学器件表面的剩余反射会导致系统的透过率偏低，需要在表面镀制增透膜才能有效提高器件的光利用效率。传统的光学薄膜镀膜方式主要为离子束溅射、热蒸发以及离子束辅助沉积等物理气相沉积方式，镀膜过程中，从蒸发源到基板蒸发分子以接近直线的路线传播，沉积的薄膜厚度和分子的入射角度等参数密切相关，在分子传输路径上存在遮挡时，即可限制遮挡区域后薄膜的生长。由于微结构的遮挡效应，利用物理气相沉积在微结构上镀膜时，微结构上面向分子束流入射方向的位置沉积薄膜更大，而背向分子束流方向无法沉积薄膜，因此不能镀制厚度均匀、性能可控的光学薄膜，所制备的薄膜缺陷多。更严重的，薄膜的不均匀会破坏衍射光学器件的微结构特征。

技术实现思路

[0003]为了解决衍射光学器件表面增透膜镀膜的技术问题，本专利技术提出采用原子层沉积镀膜方法，在衍射光学器件的不同表面同时制备具有相同薄膜堆积顺序和沉积厚度的多层介质膜，以提高衍射光学器件的透过率。具体的，本专利技术公开了一种衍射光学器件表面增透膜的镀膜方法，包括如下步骤：
[0004]步骤1，选择组成增透膜的高折射率膜层材料和低折射率膜层材料，并分别确定原子层沉积生长所述高折射率膜层材料和低折射率膜层材料的化学反应源材料；
[0005]步骤2，在测试基板上利用原子层沉积方法分别镀制高折射率膜层和低折射率膜层，分别确定高折射率膜层和低折射率膜层的镀膜厚度与镀膜周期的关系，以及各膜层的折射率色散；
[0006]步骤3，根据所述高折射率膜层和低折射率膜层的折射率色散，设计增透膜的膜系结构，使衍射光学器件在工作波长具有目标透过率；所述膜系结构包括膜层的总层数，以及从基板到空气之间的各个膜层的材料以及各个膜层的厚度；
[0007]步骤4，根据所述膜系结构中每个膜层的厚度，以及所述镀膜厚度和镀膜周期的关系，计算所述膜系结构中每个膜层的镀膜周期；
[0008]步骤5，根据所述膜系结构，优化调整衍射光学器件的微结构参数，并在衍射光学器件基板上制备衍射光学器件微结构；
[0009]步骤6，使用所述化学反应源材料在衍射光学器件基板的多个表面同时镀制薄膜，膜层的制备顺序和步骤3所确定的从基板到空气之间的膜层排列顺序一致，每个膜层的镀膜周期由步骤4确定。
[0010]可选的，步骤2包括以下步骤：
[0011]步骤21，优化原子层沉积镀膜工艺参数，使原子层沉积镀制的薄膜在微结构表面均匀覆盖生长；
[0012]步骤22，选择光学常数和薄膜的光学常数差异大于设定阈值的基板作为测试基板，且测试基板为单面抛光；
[0013]步骤23，利用优化的镀膜工艺参数，在测试基板的抛光表面制备不同原子层沉积镀膜周期的薄膜膜层；
[0014]步骤24，利用椭圆偏振光谱仪分别测量不同原子层沉积周期制备的膜层的椭圆偏振光谱；
[0015]步骤25，建立膜层的物理模型，反演计算椭圆偏振光谱，计算膜层的厚度和折射率色散关系，根据不同原子层沉积周期制备的膜层的厚度，建立膜层的镀膜厚度和镀膜周期的关系。
[0016]可选的，所述步骤21包括对原子层沉积镀膜效果的检测和判断，并通过以下步骤实现：在深刻蚀微结构上进行原子层沉积镀制薄膜，利用扫描电子显微镜或透射电子显微镜测量镀膜后深刻蚀微结构表面生长的薄膜结构，判断使用的镀膜工艺参数是否能够实现薄膜在微结构表面共形生长；如果能，则说明该镀膜工艺参数达到要求；如果不能，则继续优化该镀膜工艺参数。
[0017]可选的，步骤25中，根据不同原子层沉积周期制备的膜层的厚度，通过线性拟合膜层厚度和原子层沉积周期的关系，建立膜层的镀膜厚度和镀膜周期的关系。
[0018]可选的，所述微结构参数包括微结构中凹凸位置的横向尺寸。
[0019]可选的，所述步骤6中所述的镀制薄膜为利用交替进入镀膜真空室的两种反应气体分子在衍射光学器件基板表面不同区域上饱和化学吸附，并发生化学反应，生成对应的膜层。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0021](1)本专利技术通过原子层沉积方法，可以实现微结构表面多层薄膜的高均匀性制备，提高微结构器件的透过率；
[0022](2)本专利技术的提出的镀膜方法镀制的增透膜，薄膜结构精确可控，从而可以作为微结构器件的一部分，在微结构的设计过程中进行优化，进一步提高衍射光学器件的性能；
[0023](3)本专利技术的衍射光学器件表面增透膜的镀膜方法，可以实现有机器件表面同时具有保护作用和增透作用的多层膜制备，隔绝水汽、原子氧等的影响，提高以有机材料作为基板的衍射光学器件的使用范围。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这
些附图获得其他相关的附图。
[0025]图1为镀制增透膜的衍射光学器件结构示意图。
[0026]图2为衍射光学元件表面原子层沉积镀膜过程示意图。
[0027]图3为利用优化参数镀制的Al2O3薄膜在深刻蚀硅微结构表面的单层膜结构示意图。
[0028]图4为原子层沉积Al2O3和TiO2单层膜厚度和镀膜周期的关系示意图。
[0029]其中：101
‑
衍射光学器件基板，102
‑
微结构表面的增透膜，103
‑
平面表面的增透膜，104
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高折射率膜层，105
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低折射率膜层，106
‑
增透膜的总厚度，201
‑
三甲基铝分子，202
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该原子层沉积镀膜周期以前生长的Al2O3薄膜，203
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化学吸附的三甲基铝分子单分子层，204
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水分子，205
‑
一个原子层沉积镀膜周期共形生长的Al2O3单层；301
‑
单晶硅基板，302
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硅基板上刻蚀的沟道微结构，303
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微结构台阶顶部生长的Al2O3单层膜，304
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微结构台阶侧面生长的Al2O3单层膜，30本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种衍射光学器件表面增透膜的镀膜方法，其特征在于，采用原子层沉积镀膜方法，在衍射光学器件不同表面制备具有相同薄膜堆积顺序和薄膜沉积厚度的多层膜，具体包括如下步骤：步骤1，选择组成增透膜的高折射率膜层材料和低折射率膜层材料，并分别确定原子层沉积生长所述高折射率膜层材料和低折射率膜层材料的化学反应源材料；步骤2，在测试基板上利用原子层沉积方法分别镀制高折射率膜层和低折射率膜层，分别确定高折射率膜层和低折射率膜层的镀膜厚度与镀膜周期的关系，以及各膜层的折射率色散；步骤3，根据所述高折射率膜层和低折射率膜层的折射率色散，设计增透膜的膜系结构，使衍射光学器件在工作波长具有目标透过率；所述膜系结构包括膜层的总层数，以及从基板到空气之间的各个膜层的材料以及各个膜层的厚度；步骤4，根据所述膜系结构中每个膜层的厚度，以及所述镀膜厚度和镀膜周期的关系，计算所述膜系结构中每个膜层的镀膜周期；步骤5，根据所述膜系结构，优化调整衍射光学器件的微结构参数，并在衍射光学器件基板上制备衍射光学器件微结构；步骤6，使用所述化学反应源材料在衍射光学器件基板的多个表面同时镀制薄膜，膜层的制备顺序和步骤3所确定的从基板到空气之间的膜层排列顺序一致，每个膜层的镀膜周期由步骤4确定。2.根据权利要求1所述的一种衍射光学器件表面增透膜的镀膜方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：步骤21，优化原子层沉积镀膜工艺参数，使原子层沉积镀制的薄膜在微结构表面均匀覆盖生长；步骤22，选择光学常数和薄膜的光学常数差异大于设定阈值的基板作为测试基板，...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳存定，黎明，杨伟，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：