CN111913243A - 用于制造一个或多个纳米滤光超表面元件或***的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于制造一个或多个纳米滤光超表面元件或***的方法。还提供了用于将透射纳米滤光材料与其他半导体器件或额外的纳米滤光超表面元件集成的***和方法，更具体地，涉及这种纳米滤光材料与衬底、照明源和传感器集成。所提供的纳米滤光超表面元件可用于成形来自照明源的输出光或收集从场景反射的光，以利用光的极化形成两种独特的图案。在这样的实施例中，成形发射和收集可以组合成单个共同设计的探测和感测光学***。

Description

用于制造一个或多个纳米滤光超表面元件或***的方法

技术领域

本公开涉及光学领域，具体涉及制造一个或多个纳米滤光超表面元件或***的方法。

背景技术

纳米滤光超表面元件是衍射光学器件，其中，单个波导元件具有亚波长间隔并具有平面轮廓。纳米滤光超表面元件最近开发用于紫外-红外波段(300-10,000nm)。与传统折射光学器件相比，纳米滤光超表面元件在光场上突然引入相移。这使得纳米滤光超表面元件的厚度具有它们被设计用来工作的光的波长的数量级，而传统折射表面的厚度比它们被设计用来工作的光的波长大10-100倍(或更多)。此外，纳米滤光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无任何曲率地成形光。与传统衍射光学元件(DOE)相比(例如，二元衍射光学器件)，纳米滤光超表面元件具有在入射光场上赋予一定范围相移的能力，至少纳米滤光超表面元件可以具有在0-2π之间的相移，其中，该相移具有该范围的至少5个不同的值，而二元DOE仅能够赋予两个不同的相移值，并且通常限于0或1π的相移。与多级DOE相比，纳米滤光超表面元件不需要其组成元件沿光轴具有高度变化，只有纳米滤光超表面元件特征的面内几何形状变化。

发明内容

本申请涉及制造一个或多个纳米滤光超表面元件或***的方法。

许多实施例涉及一种用于制造一个或多个纳米滤光超表面元件或***的方法，包括：

在衬底的至少一个表面上沉积硬掩模材料层，其中，衬底对于指定操作带宽上的光是透明的；

在硬掩模材料层上沉积图案材料层；

图案化图案材料，以在硬掩模材料层顶部形成阵列图案，该阵列图案包括纳米滤光超表面特征阵列的正再现(positive reproduction)或负再现(negativereproduction)中的一个，该纳米滤光超表面特征阵列包括多个纳米滤光超表面特征，其特征尺寸小于指定操作带宽内的光波长，并且被配置为对多个纳米滤光超表面特征的平面内的入射光施加相移；

使用各向异性蚀刻工艺蚀刻硬掩模材料层，以形成对应于硬掩模中的阵列图案的多个空隙和凸起特征；以及

从硬掩模材料层顶部移除任何残留图案材料。

在许多其他实施例中，衬底由选自由熔融石英、蓝宝石、硼硅酸盐玻璃和稀土氧化物玻璃组成的组中的材料形成。

在许多其他实施例中，硬掩模材料层由选自由硅、各种化学计量的氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝组成的组中的材料形成，并且使用选自由溅射、化学气相沉积和原子层沉积组成的组中的沉积工艺来设置。

在许多其他实施例中，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个形成。

在许多其他实施例中，使用选自由SF6、Cl2、BCl3、C4F8或其任何静态或多重混合物组成的组中的反应离子蚀刻工艺蚀刻阵列图案。

在许多其他实施例中，使用选自由化学溶剂、化学蚀刻剂和等离子蚀刻剂组成的组中的工艺去除残留图案材料。

在许多其他实施例中，图案化的硬掩模材料是电介质，并且形成纳米滤光超表面元件的纳米滤光超表面特征。

在许多其他实施例中，该方法还包括：

在图案化的硬掩模材料层上沉积介电纳米滤光超表面材料层，使得纳米滤光超表面材料层填充硬掩模材料层中的空隙，并在硬掩模材料层的凸起特征的上方延伸，从而在硬掩模材料层顶部形成纳米滤光超表面材料的覆盖层；以及

平坦化该覆盖层，使得纳米滤光超表面材料层和硬掩模材料层终止于衬底上方的统一高度。

在许多其他实施例中，所述纳米滤光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，并且使用选自化学气相沉积和原子层沉积的组中的保形工艺来沉积。

在许多其他实施例中，平坦化使用选自蚀刻工艺或化学机械平坦化技术的工艺，该蚀刻工艺选自由湿法蚀刻和等离子体蚀刻组成的组。

在许多其他实施例中，设置在空隙中的纳米滤光超表面材料形成纳米滤光超表面元件的纳米滤光超表面特征，并且其中，硬掩模材料被配置为嵌入材料，该嵌入材料在指定操作带宽下具有比纳米滤光超表面材料更低的折射率。

在许多其他实施例中，该方法还包括在隔离的纳米滤光超表面特征上沉积嵌入材料层，使得填充特征之间的气隙，并且使得嵌入材料层在纳米滤光超表面材料层的表面上方延伸，其中，嵌入材料层在指定操作带宽下具有比纳米滤光超表面材料更低的折射率。

在许多其他实施例中，嵌入材料是选自由聚甲基丙烯酸甲酯、SU8和苯并环丁烯组成的组中的聚合物。

在许多其他实施例中，嵌入材料是选自由二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氮化硅、氧化铪、氧化锌和旋涂玻璃组成的组中的固态膜。

在许多其他实施例中，该方法还包括平坦化该嵌入材料层，使得纳米滤光超表面材料层和嵌入材料层终止于衬底上方的统一高度。

在许多其他实施例中，该方法还包括在嵌入材料层顶部和/或衬底与纳米滤光超表面元件相对设置的一侧顶部沉积抗反射涂层。

在许多其他实施例中，抗反射涂层由选自由二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氮化硅、氮化铝和无定形硅组成的组中的任何材料组合的交替层组成，其中，每个交替层的厚度小于操作带宽内的光波长。

在许多其他实施例中，衬底设置在照明器或传感器顶部或者其本身是照明器或传感器。

在许多其他实施例中，衬底具有不适合与目标光学***一起使用的衬底厚度，并且方法还包括以下项中的至少一个：

通过研磨和/或化学蚀刻来移除衬底背面的至少一部分；并且

将其他衬底与纳米滤光超表面元件的衬底对准并熔合。

在许多其他实施例中，其他衬底本身具有设置在其一个表面上的纳米滤光超表面元件，并且其中，衬底和其他衬底沿着与设置相关纳米滤光超表面元件的表面相对的表面熔合。

在许多其他实施例中，该熔合方法使用热预算低于600℃的结合工艺。

在许多其他实施例中，该结合工艺是使用选自光学环氧树脂、苯并环丁烯、紫外固化聚合物、SU8和等离子体活化二氧化硅膜的组中的粘合剂的晶片结合工艺。

在许多其他实施例中，该方法还包括在熔合之前移除至少一个衬底的背面的至少一部分。

在许多其他实施例中，该方法还包括在第一衬底的第一侧上至少形成第一纳米滤光超表面元件，并且在第二衬底的第一侧上至少形成第二纳米滤光超表面元件，并且使用热预算低于600℃的结合工艺将第一衬底和第二衬底沿着与所述衬底的第一侧相对的侧熔合在一起。

在许多其他实施例中，多个纳米滤光超表面特征是不一致的。

在许多其他实施例中，多个纳米滤光超表面特征基于纳米滤光超表面特征的尺寸与理想形状偏离预定量。

在许多其他实施例中，该纳米滤光超表面元件被嵌入和平坦化，并且包括两层纳米滤光超表面特征，两层纳米滤光超表面特征彼此偏移的距离小于指定操作带宽内的光波长或者与指定操作带宽内的光波长具有相同数量级，使得两层纳米滤光超表面特征协同操作，以对入射光施加相移。

各种实施例涉及形成多纳米滤光超表面元件的方法，包括在第一衬底的第一侧上至少形成至少第一纳米滤光超表面元件，并且在第二衬底的第一侧上至少形成至少第二纳米滤光超表面元件，并且使用热预算低于600℃的结合工艺将第一衬底和第二衬底沿着与所述衬底第一侧的相对侧熔合在一起。

在各种其他实施例中，该结合工艺是使用选自光学环氧树脂、苯并环丁烯、紫外固化聚合物、SU8和等离子体活化二氧化硅膜的组中的粘合剂的晶片结合工艺。

在各种其他实施例中，该方法还包括在熔合之前移除一个或两个衬底的至少一部分背面。

在各种其他实施例中，该方法还包括：

嵌入和平坦化第一和第二纳米滤光超表面元件中的至少一个；

在第三衬底的第一侧上至少形成第三纳米滤光超表面元件；并且

使用热预算低于600℃的结合工艺将第三衬底的第一侧的相对侧与平坦化的第一或第二纳米滤光材料熔合。

在各种其他实施例中，平面化还包括将第一和第二纳米滤光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个中。

在各种其他实施例中，该方法还包括重复形成、嵌入和熔合的步骤，以形成四个或更多纳米滤光超表面元件的分层堆叠。

在各种其他实施例中，该方法还包括：

在第一和第二衬底的与纳米滤光超表面元件相对的一侧之间***间隔衬底，该间隔衬底具有至少一个穿过其设置的孔；并且

使用热预算低于600℃的结合工艺将间隔衬底熔合到第一和第二衬底，使得至少一个孔在第一和第二衬底之间形成气隙。

在各种其他实施例中，间隔衬底由选自聚合物、二氧化硅和玻璃的组中的低折射率材料形成。

在各种其他实施例中，间隔材料涂覆有黑色铬。

在各种其他实施例中，该方法还包括重复形成、***和熔合步骤，以形成三个或更多纳米滤光超表面元件的分层堆叠。

在各种其他实施例中，多个纳米滤光超表面特征是不一致的。

在各种其他实施例中，多个纳米滤光超表面特征根据纳米滤光超表面特征的尺寸与理想形状偏离预定量。

进一步的实施例涉及形成复合纳米滤光超表面元件的方法，包括在衬底顶部形成两层纳米滤光超表面特征，其中，这两层彼此偏移的距离小于指定操作带宽内的光波长或者与指定操作带宽内的光波长具有相同数量级，使得这两层纳米滤光超表面特征协同操作，以对入射光施加相移。

额外实施例涉及形成纳米滤光超表面元件的方法，包括：

几个实施例涉及纳米滤光超表面元件，包括：

设置于衬底顶部的纳米滤光超表面特征的阵列，该衬底对于指定操作带宽上的光是透明的，该阵列包括多个纳米滤光超表面特征，其特征尺寸小于指定操作带宽内的光波长，并且被配置为对多个纳米滤光超表面特征的平面内的入射光施加相移；

其中，多个纳米滤光超表面特征是不一致的，并且基于纳米滤光超表面特征的尺寸与理想形状偏离预定量。

在几个其他实施例中，理想形状是正方形，并且其中，理想正方形具有小于200nm的边长，纳米滤光超表面特征形成为圆形，并且其中，理想正方形具有小于300nm的边长，纳米滤光超表面特征形成为具有倒圆边缘的正方形。

在其他许多实施例中，至少在第一或第二纳米滤光超表面元件上的多个纳米滤光超表面特征被配置为具有不对称的横截面，并且被以至少两个不同的旋转角度设置，使得纳米滤光超表面元件被配置为在照明源上压印具有正交极化并且彼此线性偏移的至少两个图案，或者在照明传感器元件之前从入射光检测这种图案，该阵列被配置为使得阵列在单次拍摄中从场景获得三维信息。

在许多其他实施例中，照明源是偏振或非偏振的，并且选自由VCSEL、固态激光器、量子级联激光器、LED和超发光LED组成的组。

在许多其他实施例中，这两种图案是独特的。

在许多其他实施例中，这两种图案具有至少50,000个组合点。

在许多其他实施例中，至少第一图案被配置为获得场景前景的测量，并且其中，至少第二图案被配置为获得场景背景的测量。

在许多其他实施例中，这两种图案相对于激光偏振是对角极化的。

在许多其他实施例中，使用具有两种以上不同极化的两种以上图案。

各种实施例涉及支持纳米滤光超表面元件的传感器，包括：

至少一个传感器元件；

至少一个第一纳米滤光超表面元件和至少一个第二纳米滤光超表面元件，其设置在至少一个传感器元件上方的偏移距离处，并且具有设置在其间的第一间隔层；

其中，至少一个第一纳米滤光超表面元件和第二纳米滤光超表面元件中的每一个都包括设置在至少一个衬底顶部的纳米滤光超表面特征的阵列，该衬底对于指定操作带宽上的光是透明的，该阵列包括多个纳米滤光超表面特征，其特征尺寸小于指定操作带宽内的光波长，并被配置为对多个纳米滤光超表面特征的平面内的入射光施加相移；并且

其中，至少一个第一纳米滤光超表面元件和第二纳米滤光超表面元件中的每一个上的纳米滤光超表面特征的阵列被配置为在特定视场上聚集指定操作带宽的光并且移动入射光，使得其以零度或接近零度的临界光线角度照射传感器元件。

在各种其他实施例中，第一间隔层是固态间隔材料或气隙中的一个。

在各种其他实施例中，视场是±44度。

在各种其他实施例中，传感器还包括设置在纳米滤光超表面元件和传感器元件之间的窄带宽滤光器。

在各种其他实施例中，窄带宽滤光器由选自由二氧化硅、二氧化钛、无定形硅、氮化硅和氧化铝组成的组中的具有低折射率和高折射率的交替层组成。

在各种其他实施例中，传感器还包括设置在纳米滤光超表面元件和传感器元件之间的多个相同的微透镜。

在各种其他实施例中，至少一个第一纳米滤光超表面元件和至少一个第二纳米滤光超表面元件设置在同一衬底的相对侧，并且其中，衬底包括第一间隔层。

在各种其他实施例中，在衬底任一侧的两个纳米滤光超表面元件具有相同的高度。

在各种其他实施例中，两个纳米滤光超表面元件由使用选自压力化学气相沉积和原子层沉积的保形沉积工艺同时沉积在同一衬底的前表面和后表面上的膜形成。

在各种其他实施例中，至少一个第一纳米滤光超表面元件和至少一个第二纳米滤光超表面元件被设置成在由气隙形成的衬底上内向地彼此面对。

在各种其他实施例中，传感器还包括集成到至少一个第二纳米滤光材料的衬底的面向外的表面中的光学带通滤光器。

在各种其他实施例中，传感器还包括至少第三纳米滤光超表面元件，其设置在第一和第二纳米滤光超表面元件与传感器之间，并且被配置为有角度地发散入射光的路径，使得照射在传感器上的光具有非零主光束角。

在各种其他实施例中，至少三种纳米滤光材料被配置为在指定的视场上将网格失真最小化到小于5％。

在各种其他实施例中，传感器元件是传感器。

许多实施例涉及用于制造纳米滤光超表面元件的方法，该纳米滤光超表面元件用于在照明源上压印期望的远场强度，方法包括：

计算照明源远场；

计算目标远场，所述目标为纳米滤光超表面元件；

计算适合于目标远场的最小二乘，以获得伪远场，使得伪远场和照明源远场的卷积产生目标远场；

将初始纳米滤光超表面特征阵列网格和相位设置为初始条件；

确定一个或多个目标成本函数代价函数，并为针对纳米滤光超表面元件的多个像素中的每一个像素计算一个或多个成本函数代价函数中的每一个代价函数的梯度函数；

将来自一个或多个代价函数和梯度函数的结果输入到优化算法中；

更新纳米滤光超表面元件的多个像素的每一个的相位，并重复梯度计算和优化，直到目标代价函数收敛；并且

输出计算的纳米滤光超表面元件相位轮廓。

在许多其他实施例中，代价函数选自距离目标的平方距离、最近邻距离、纳米滤光超表面元件在照明下的远场投影的平方误差以及计算的远场的平滑度。

在许多其他实施例中，优化算法是共轭梯度或L-Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shannon中的一个。

几个实施例还涉及在衬底上形成纳米滤光超表面元件的方法，该衬底包括多个纳米滤光超表面特征，多个纳米滤光超表面特征具有小于指定操作带宽内的光波长的特征尺寸，并且被配置为对多个纳米滤光超表面特征的平面内的入射光施加相移，其中，衬底具有不适合与目标光学***一起使用的衬底厚度，并且还包括以下至少一个：

通过研磨和/或化学蚀刻来移除衬底背面的至少一部分；并且

将其他衬底与纳米滤光超表面元件的衬底对准并熔合。

在几个其他实施例中，其他衬底本身具有设置在其一个表面上的纳米滤光超表面元件，并且其中，衬底和其他衬底沿着与设置相关纳米滤光超表面元件的表面相对的表面熔合。

在几个其他实施例中，该熔合方法使用热预算低于600℃的结合工艺。

在几个其他实施例中，该结合工艺是使用选自光学环氧树脂、苯并环丁烯、紫外固化聚合物、SU8和等离子体活化二氧化硅膜的组中的粘合剂的晶片结合工艺。

在几个其他实施例中，该方法还包括在熔合之前移除一个或两个衬底的背面的至少一部分。

在几个其他实施例中，该方法还包括在第一衬底的第一侧上形成至少第一纳米滤光超表面元件，并且在第二衬底的第一侧上形成至少第二纳米滤光超表面元件，并且使用热预算低于600℃的结合工艺将第一衬底和第二衬底沿着与所述衬底的第一侧相对的一侧熔合在一起。

在几个其他实施例中，多个纳米滤光超表面特征是不一致的。

在几个其他实施例中，多个纳米滤光超表面特征基于纳米滤光超表面特征的尺寸与理想形状偏离预定量。

在几个其他实施例中，该方法还包括：

嵌入和平坦化第一和第二纳米滤光超表面元件中的至少一个；

在第三衬底的第一侧上至少形成第三纳米滤光超表面元件；并且

使用热预算低于600℃的结合工艺将第三衬底的第一侧的相对侧与平坦化的第一或第二纳米滤光材料熔合。

在几个其他实施例中，平面化还包括将第一和第二纳米滤光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个中。

在几个其他实施例中，该方法还包括重复形成、嵌入和熔合步骤，以形成四个或更多纳米滤光超表面元件的分层堆叠。

在几个其他实施例中，在分层堆叠一端的至少一层是照明器或传感器中的一个。

在几个其他实施例中，该方法还包括：

在与纳米滤光超表面元件相对的第一和第二衬底的侧面之间***间隔衬底，该间隔衬底具有至少一个穿过其而设置的孔；并且

使用热预算低于600℃的结合工艺将间隔衬底熔合到第一和第二衬底，使得至少一个孔在第一和第二衬底之间形成气隙。

在下面的描述中部分地阐述额外的实施例和特征，并且在检查说明书时，部分地对于本领域的技术人员变得显而易见，或者可以通过本公开的实践来了解。通过参考构成本公开的一部分的说明书和附图的剩余部分，可以实现对本公开的性质和优点的进一步理解。

附图说明

参考以下附图，将更全面地理解该描述，这些附图作为本发明的示例性实施例呈现，并且不应当被解释为对本发明范围的完整叙述，其中：

图1A至图1G提供了示出根据本发明的实施例的纳米滤光超表面元件的制造工艺的示图；

图2A提供了示出根据本发明的实施例的具有抗反射涂层的嵌入式纳米滤光超表面元件的示图；

图2B提供了示出根据本发明的实施例的具有抗反射涂层的平面化嵌入式纳米滤光超表面元件的示图；

图3A至图3C提供了示出根据本发明的实施例的制造纳米滤光超表面元件的工艺的示意性实施例；

图4A至4C提供了示出根据本发明实施例的具有变化横截面特征的纳米滤光超表面元件的示意图；

图5提供了示出根据本发明实施例的具有纳米滤光超表面元件的多个衬底的组合的示意图；

图6提供了示出根据本发明实施例的具有多个纳米滤光超表面元件的多个衬底的组合的示意图；

图7提供了示出根据本发明实施例的具有多个纳米滤光超表面元件的多个衬底的组合的示意图，其中所述纳米滤光超表面元件包含气隙；

图8A提供了示出根据本发明实施例的包含间隔物的超表面元件的示意图，该间隔物集成有传感器/发光器部件；

图8B提供了示出根据本发明实施例的包含间隔物的超表面元件的示意图；

图9提供了示出根据本发明实施例的多纳米滤光超表面元件衬底的示意图；

图10A提供了根据本发明实施例，使用超表面元件从VCSEL或VCSEL阵列产生任意辐射图案加上预期结果的示意图；

图10B和10C提供了示出根据本发明的实施例，使用图10A的工艺获得的相位(10B)和强度(10C)的示意图；

图11提供了示出根据本发明实施例的阵列纳米滤光超表面元件的示意图，其与一组像素化传感器元件或照明源组合，该像素化传感器元件或照明源与第二纳米滤光超表面结合到集成封装中；

图12A至12C提供了示出根据本发明的实施例的极化分离纳米滤光超表面元件的示意图，其从VCSEL阵列产生两个独特的辐射图案；

图13提供了示出根据本发明实施例的两个纳米滤光超表面元件的示意图，该两个纳米滤光超表面元件与诸如截止滤光器的第二元件组合，其中聚焦光的主光线角度相对于滤光器平面为0度；以及

图14提供了示出根据本发明实施例的两个纳米滤光超表面元件***的示意图，其中每个纳米滤光超表面元件形成在独特的衬底上。

具体实施方式

现在转向附图，提供了纳米滤光超表面元件、将这种纳米滤光超表面元件与光源和/或检测器结合的集成***、以及这种光学布置和集成***的制造和操作方法。许多实施例涉及用于将透射纳米滤光超表面元件与其他半导体器件或其他的纳米滤光超表面元件集成的***和方法，更具体地，涉及这种纳米滤光材料与衬底、照明源和传感器的集成。在一些实施例中，纳米滤光超表面元件可用于成形来自照明源的输出光或收集从场景反射的光，以使用光的偏振形成两个独特的图案。在这样的实施例中，成形发射和收集可以组合成单个共同设计的探测和感测光学***。

在许多实施例中，纳米滤光超表面元件可以包含多层纳米滤光超表面元件，所述多层纳米滤光超表面元件包括两个或多个纳米滤光超表面光学元件的组合。在各种这样的实施例中，多层纳米滤光超表面元件可以是独立的(即，不直接与特定的照明器或传感器集成到***中)。在一些这样的实施例中，光学***可以由单个物理部件或衬底组成，该物理部件或衬底具有设置在其任一侧的纳米滤光超表面元件。在一些实施例中，具有多个纳米滤光超表面元件的多个衬底可以组合，以制造更复杂的***。在这样的实施例中，衬底的厚度可以由光学***的要求、制造限制和两种纳米滤光材料的具体设计来确定。在各种实施例中，多层纳米滤光超表面元件可以通过在独特的衬底上图案化每个单独的纳米滤光超表面元件，然后通过合适的技术(例如，晶片结合、光学粘合剂)将衬底熔合在一起而形成。然而，一般来说，根据实施例，可以使用CMOS或相关工艺通过任意数量的步骤来组合任意数量的纳米滤光超表面元件。

在许多实施例中，纳米滤光超表面元件可以是独立的或者可以嵌入在另一种材料中。在各种这样的实施例中，嵌入材料的选择包括折射率和吸收特性的适当选择。在许多这样的实施例中，嵌入材料可以提供机械稳定性和保护以及额外的设计自由度，这使得纳米滤光材料能够执行期望的光学功能。

在各种实施例中，纳米滤光超表面元件可以直接安装或制造在阵列中的LED、VCSEL面或VCSEL的每个面上，以最小化器件厚度并优化纳米滤光材料-照明器/传感器对准。在一些这样的实施例中，所得***可用于将自然朗伯光分布或某些任意的光分布转换成宽范围且基本上任意的光分布，包括例如所谓的顶帽(top hat)、所谓的蝙蝠翼轮廓(bat-wing frofile)或任何其他期望的结构光图案。

在一些实施例中，限定厚度(例如，工作距离)的间隔层可以沉积在CMOS图像传感器、LED、VCSEL等之上，以实现适合于期望的相机设计、照明器设计或最佳***性能的光学距离。在各种这样的实施例中，间隔层材料可以是有机的或无机的，并且可以具有比包括纳米滤光超表面材料的介电元件更低的折射率。在一些这样的实施例中，可以修改间隔层的厚度，以便为特定的光学***提供合适的光学间隔。

各种实施方案还涉及制造纳米滤光超表面元件的方法。在一些这样的实施例中，方法涉及在包含其他装置(例如传感器或发光器)的晶片上制造超表面元件，从而在一些实施例中避免昂贵的制造工艺(例如小尺寸元件的机械组装或者将光学元件与传感器主动对准)。在一些这样的实施例中，纳米滤光超表面元件可以在半导体工厂的一系列操作中与传感器(或发光器)集成。

用于制造纳米滤光超表面元件的实施例

目前，纳米滤光超表面元件的制造需要使用与大规模制造不兼容的专门工艺和***，从而限制了在CMOS器件中实施和采用这种纳米滤光超表面元件。通过标准半导体工艺生产纳米滤光超表面的能力，将使纳米滤光超表面光学元件与功能元件直接集成，如发光二极管(LED)，垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，微机电(MEMs)器件等，其中直接集成意味着使用与用于制造功能CMOS元件的单元工艺相同或相似的单元工艺将纳米滤光超表面元件和传感器/发光器组合。

因此，许多实施例涉及制造纳米滤光超表面元件和***的方法，更具体地涉及能够在常规半导体制造厂中实现的方法。在各种实施例中，适于制造纳米滤光超表面元件的常规工艺可包括光刻、纳米压印、各种化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)和该应用物理气相沉积(PVD)质量传递工艺、化学和等离子体蚀刻(和CMC)等。转到附图，在图1至图1G的示意图中呈现了针对纳米滤光超表面元件的实施例的各个方面的制造而定制的一组示例性制造工艺。

纳米滤光超表面光学元件由具有从10纳米到微米级的特征尺寸的电介质组成，或者通常小于纳米滤光超表面的使用对象的光的波长。参见图1A至图1C，在许多实施例中，制造纳米滤光超表面元件的初始步骤包括图案化并形成纳米滤光超表面特征阵列。在许多这样的实施例中，如图1A所示，通过在厚度为t的适当硬掩模材料12的顶部上沉积图案化材料14来实现该超表面特征形成工艺(t为膜的厚度和最终纳米滤光超表面的高度)，其中硬掩模材料12本身设置在合适的衬底10的顶上。可以使用任何合适的沉积技术来形成这些层，包括例如溅射，化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)。

尽管贯穿本公开内容将关于具体实施例讨论示例性材料，但应理解，图案化材料，硬掩模材料和衬底的任何合适组合可用于这些目的。例如，在各种实施例中，选择衬底材料以提供合适的结构支撑并且在期望的带宽上对光透明。使用实施方案中描述的方法成功实施的示例性衬底材料包括例如熔融二氧化硅，蓝宝石，硼硅酸盐玻璃和稀土氧化物玻璃。类似地，硬掩模材料可以选自适用于半导体制造厂的任何容易获得的材料。示例性硬掩模材料包括例如硅，各种化学计量的氮化硅，二氧化硅，二氧化钛，氧化铝等。

特别地，如图1B所示，一旦衬底10、硬掩模材料12和图案化材料14(如上图1A所述层就位，图案化材料图案化，以再现特征阵列图案16，该特征阵列图案16对应于最终预期的纳米滤光超表面特征阵列结构的负再现或正再现。产生这种特征阵列图案的工艺可以采取任何适于产生所需特征尺寸的形式。例如，在用于可见或近红外应用的纳米滤光超表面元件的实施例中，可以使用紫外线光刻(例如，紫外线光刻步骤的操作波长低于193nm)。在其他实施例中，图案可以在纳米压印光刻工艺中通过母版印模物理压印。

如图1C所示，一旦期望的特征阵列图案16(如上图1B所述)就位，使用各向异性蚀刻工艺将期望的特征图案转移到硬掩模材料层12中。根据实施例使用的示例性各向异性蚀刻工艺是反应离子蚀刻工艺。应当理解，在反应离子蚀刻工艺中可以使用许多可能的化学物质，包括例如SF6气体、Cl2气体、BCl3气体、C4F8或这些气体的任何混合物。

如图1D所示，在最终的纳米滤光超表面元件中使用特定的纳米滤光超表面材料的情况下，在蚀刻的硬掩模材料12中形成的特征阵列图案16(如上图1C所述)可以用作最终纳米滤光超表面结构的模板。在这样的实施例中，使用合适的保形涂层方法(例如，化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)等)，来沉积分开的纳米滤光超表面材料18，以填充掩模底片，并且产生纳米滤光超表面元件。如图所示，纳米滤光超表面材料18过度填充由在硬掩模材料12中蚀刻的特征阵列图案16形成的空间，以完全填充空隙。除了填充空隙20之外，该工艺在剩余的硬掩模上方留下纳米滤光超表面材料的覆盖层。同样，尽管将贯穿全文讨论特定的纳米滤光超表面材料，但是应当理解，根据实施例的纳米滤光超表面材料可以从任何容易获得的具有期望折射率并适用于半导体制造厂的介电材料中选择。

参考图1E，一旦沉积了过填充的纳米滤光超表面材料18，根据实施例，可以执行蚀刻或化学机械平坦化，以去除过填充层，从而为图案化的硬掩模12和纳米滤光超表面材料12提供一致的高度。在需要嵌入纳米滤光超表面材料并且已经选择合适的硬涂层材料作为嵌入材料(如前所述)的实施例中，可以停止该工艺，并且嵌入硬涂层材料结构的所得纳米滤光超表面材料用作最终纳米滤光超表面元件。然后，该纳米滤光超表面元件可以可选地涂覆有合适的AR涂层或机械保护层，如下所述。

在各种实施例中，如图1E所示，去除硬掩模材料12，留下后面独立的纳米滤光超表面元件20。在这样的实施例中，可以使用选择性蚀刻化学物质去除硬掩模，该化学物质以比纳米滤光超表面材料18高得多的速率(例如，100∶1或1000∶1或更高)蚀刻硬掩模材料12)。如本领域技术人员将理解的，这种工艺取决于纳米滤光超表面材料和硬掩模材料的具体选择。

最后，如前所述，在希望纳米滤光超表面材料具有AR涂层或机械保护层的某些实施例中，需要额外的步骤来完成最终的纳米滤光超表面元件。参考图1G，在各种实施例中，还可以沉积AR涂层或机械保护或平坦化层24，以在纳米滤光超表面特征20之间填充空隙22，并在纳米滤光超表面材料层18的表面上方延伸。应当理解，在该工艺中可以使用任何具有适合于特定光学***设计的光学特性的材料，例如，合适的折射率和在期望波长或兴趣带宽上的最小光吸收(平坦化层可以允许用于复杂光学***的多级纳米滤光超表面元件)。如上所述，为了保护纳米滤光超表面并提供改进的功能，在许多实施例中，纳米滤光超表面的组成元件和衬底表面涂覆在一种或多种材料或材料层中。参考图2A，示出了嵌入式纳米滤光超表面的示图。另外，如上所述，嵌入介质本身可以潜在地用作抗反射涂层。

尽管上文描述了某些嵌入的纳米滤光超表面实施例，但是在各种其他实施例中，可以嵌入和平坦化纳米滤光超表面，如图2B所示。在这些实施例中，纳米滤光超表面元件可以嵌入合适的低折射率材料内(如上所述)，并且在额外步骤中，然后蚀刻或平坦化嵌入介质24，使得其高度与纳米滤光超表面元件20相称。可选的抗反射涂层也可以包括在裸露的衬底表面26上或图案化的纳米滤光超表面侧上(未示出)。

在传统衬底上制造纳米滤光超表面元件的实施例

尽管上面的讨论已经详细描述了能够使用传统的制造技术形成各种独立的或嵌入的纳米滤光超表面元件的制造工艺，但是在实践中，不可能采用传统的纳米滤光超表面元件来允许使用制造厂中现有的设备经济地生产纳米滤光超表面元件。

因此，许多实施例涉及根据特定衬底厚度定制纳米滤光超表面元件或***的制造的工艺，在该厚度上正在生产纳米滤光材料或纳米滤光材料***。

参考图3A至图3C，提供了根据使用标准衬底厚度生产纳米滤光超表面的示例性工艺。如图所示，在沉积纳米滤光超表面材料以及光刻图案化和蚀刻之后(如上面的图1A至图1G所示)，如果纳米滤光超表面材料层被设计用于标准衬底厚度，则在被递送至进一步的后端处理之前，可以在纳米滤光超表面材料层上设置额外的保护层或AR涂层。在许多这样的实施例中，后端处理可以包括使用切割工艺分割在衬底上形成的数以千计的纳米滤光超表面。

制造具有非理想特征的纳米滤光超表面元件的实施例。

在用于设计超表面的传统工艺中，从设计的纳米滤光超表面到制造的纳米滤光超表面的形状保真度通常假设为一一对应或者保持在某个误差范围内。这种方法导致纳米滤光超表面阵列通常由单一的一组形状组成，其中，该组形状的一个特征发生变化(例如，在纳米滤光超表面为圆形，并且纳米滤波超表面的直径不同)。然而，用于潜在的大规模生产纳米滤光材料的制造技术通常不能执行某些几何形状的忠实再现。

例如，图4A提供了纳米滤光超表面的示例性截面的横截面示意图，其中不一致的一组形状在纳米滤光超表面的范围内分布。在该具体实施方案中，期望方柱形。然而，在制造之后，在给定的纳米滤光超表面实际形成的是以下形状的阵列：具有不同边长(例如，s)的正方形、具有变化半径r的圆角的正方形和具有变化半径r或ry的圆形。具体来说，这里较大的特征是圆角正方形或正方形；然而，随着正方形的边长减小到某个最小边长以下时，正方形变成圆形。在根据实施例的工艺中，在每个期望的纳米滤光超表面特征形状上模拟制造限制，然后使用这些非理想或不一致的特征元件来确定最终的纳米滤光超表面元件阵列结构。

例如，图4B和4C提供了说明来自纳米滤光超表面元件掩模掩模版的印刷和设计图案的变化图。如图所示，在所设计的边长为200nm和周期为450nm的形特征的实施例中，印刷制造技术实际上将复制直径为200nm的圆(图4B)。相反，对于边长为296nm和周期为450nm的正方形特征，制造的特征是具有圆角的正方形(图4C)。因此，设计了方形纳米滤光超表面特征的纳米滤光超表面元件的许多实施例可以用～300nm以下的圆角方形和～200nm以下的圆形代替，以允许使用工业标准CMOS复制技术。

用于制造多个纳米滤光超表面元件的实施例

如前所述，各种实施例涉及用于将两个包含纳米滤光超表面元件的衬底以晶片键合的方式结合在一起的方法。可以修改这样的实施例以允许容易地制造多个纳米滤光超表面元件，例如，双层和三层结构(例如，包括两个或三个单独的纳米滤光超表面特征阵列的纳米滤光超表面元件)。特别是，尽管存在许多晶片键合工艺，但每个晶片键合工艺都在被连接的衬底上施加特定的热预算。由于纳米滤光超表面元件的许多实施例使用非晶Si作为纳米滤光超表面材料，因此衬底的过度加热可导致Si的结晶。因此，提出了允许使用低温工艺形成纳米滤光超表面的双层和三层结构的实施例，例如，使用UV固化聚合物(例如苯并环丁烷(BCB)等)或等离子体活化的SiO，以便允许在低温下晶片键合两个或多个纳米滤光超表面元件。

参照图5，显示了根据实施方案形成纳米滤光超表面双层结构的示意图。如图所示，在许多这样的实施例中，在两个不同的衬底34和36上制造多个独特的纳米滤光超表面元件30和32。然后通过熔合每个单独衬底的底部(例如，衬底的没有任何纳米滤光超表面元件的表面部分)，将纳米滤光超表面元件制成组合***。如上所述，衬底可以通过晶片键合技术，光学环氧树脂或任何合适的方法熔合。

尽管到目前为止的公开内容具有仅包含两个纳米滤光超表面元件的详细实施例，但是该工艺可以推广到任何数量的超表面元件。例如，某些应用可能需要将三个或更多纳米滤光超表面组合成单片单元。在这种情况下，包括分开的纳米滤光超表面元件的两个衬底可以形成初始的未组合单元。

在包含这种间隔衬底的实施例中，可以使用任何合适的衬底材料。例如，在许多实施例中，间隔衬底可以是任何低折射率材料，例如聚合物，SiO，玻璃等。此外，在其他实施例中，间隔材料可以涂有黑铬。超表面元件也可以由针对特定带宽优化的任何材料形成，例如硅、TiO、氧化铝以及金属等。纳米滤光超表面元件也可以使用诸如图1A至图1G中所述的方法制造或使用普通的半导体制造工艺。

上述实施例描述了用于组合两个和三个纳米滤光超表面的工艺；然而，该实施例可以扩展为不仅仅组合两个或三个纳米滤光超表面。例如，参考图5至图7，通过迭代上面所述的步骤，实施例允许堆叠任何数量的纳米滤光超表面元件。参考图8A，在各种实施例中，一组纳米滤光超表面80、82以及84等和间隔层86和88等可以直接与照明器或传感器集成。在这样的实施例中，首先通过合适的沉积工艺(氧化铝，金属等)在传感器/发光器92上形成可选的间隔层90。纳米滤光超表面元件可以使用如图1A至图1G中所述的方法制造或使用其他合适的普通的半导体制造工艺。

尽管以上描述假定与传感器或发光器92集成，但是也可以在衬底90上迭代地制造一组纳米滤光超表面元件和间隔层，如图8B所示，在这样的实施方案中，该工艺关于本申请图8A所描述的那样，但是不是将纳米滤光超表面/间隔物堆叠集成到传感器/发光器92上，而是在独立衬底90上产生堆叠。然后，根据这些实施例的组合衬底和叠层可以集成到光学***中或者用作独立的光学部件。

多层纳米滤光元件表面元件及其制造方法

虽然在先前详细的实施例中，每个纳米滤光超表面元件被设计为在更大的光学***中执行独特的光学功能，并且超表面元件通常由宏观距离(10个或更多波长的距离)分开，在各种实施例中，多个两层图案化材料可以彼此相距微观距离(例如，彼此之间的距离小于光的波长或者与光的波长相同的数量级)提供，使得该层组合形成单个纳米滤光超表面元件，执行单一光学功能。可以使用关于图1至图8阐述的制造步骤的任何合适组合来形成和组合这些特征层。

图9提供了示出根据本发明实施例的多纳米滤光超表面元件衬底的示意图。

图10A提供了根据本发明实施例，使用纳米滤光超表面元件从VCSEL或VCSEL阵列产生任意辐射图案的示意图。

图10B和10C提供了示出根据本发明的实施例，使用图10A的工艺获得的相位10B和强度10C的示意图。

图11提供了示出根据本发明实施例的阵列纳米滤光超表面元件的示意图，其与一组像素化传感器元件或照明源组合，该像素化传感器元件或照明源与第二纳米滤光超表面结合到集成封装中。

图12A至12C提供了示出根据本发明的实施例的极化分离纳米滤光超表面元件的示意图，其从VCSEL阵列产生两个独特的辐射图案。

图13提供了示出根据本发明实施例的两个纳米滤光超表面元件的示意图，该两个纳米滤光超表面元件与诸如截止滤光器的第二元件组合，其中聚焦光的主光线角度相对于滤光器平面为0度。

图14提供了示出根据本发明实施例的两个纳米滤光超表面元件***的示意图，其中每个纳米滤光超表面元件形成在独特的衬底上。

Claims (10)

1.一种用于制造一个或多个纳米滤光超表面元件或***的方法，包括：

在衬底的至少一个表面上沉积硬掩模材料层，其中，所述衬底对于指定操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，以在所述硬掩模材料层顶部形成阵列图案，所述阵列图案包括纳米滤光超表面特征阵列的正再现或负再现中的一个，所述纳米滤光超表面特征阵列包括多个纳米滤光超表面特征，所述纳米滤光超表面特征的特征尺寸小于所述指定操作带宽内的光波长，并且被配置为对所述多个纳米滤光超表面特征的平面内的入射光施加相移；

使用各向异性蚀刻工艺蚀刻所述硬掩模材料层，以形成对应于所述硬掩模中的所述阵列图案的多个空隙和凸起特征；以及

从所述硬掩模材料层顶部移除残留图案材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述衬底由选自由熔融石英、蓝宝石、硼硅酸盐玻璃和稀土氧化物玻璃组成的组中的材料形成；

所述硬掩模材料层由选自由硅、各种化学计量的氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝组成的组中的材料形成，并且使用选自由溅射、化学气相沉积和原子层沉积组成的组中的沉积工艺来设置；

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个形成；

所述阵列图案使用选自由SF6、Cl2、BCl3、C4F8或其任何静态或多重混合物组成的组中的反应离子蚀刻工艺蚀刻；并且

所述残留图案材料使用选自由化学溶剂、化学蚀刻剂和等离子蚀刻剂组成的组中的工艺去除。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所图案化的硬掩模材料是电介质，并且形成所述纳米滤光超表面元件的所述纳米滤光超表面特征。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所图案化的硬掩模材料层上沉积介电纳米滤光超表面材料层，使得所述纳米滤光超表面材料层填充硬掩模材料层中的所述空隙，并在所述硬掩模材料层的所述凸起特征的上方延伸，在所述硬掩模材料层顶部形成纳米滤光超表面材料的覆盖层；以及

平坦化所述覆盖层，使得所述纳米滤光超表面材料层和所述硬掩模材料层终止于所述衬底上方的统一高度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中：所述纳米滤光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，并且使用选自化学气相沉积和原子层沉积的组中的保形工艺来沉积；并且所述平坦化使用选自蚀刻工艺或化学机械平坦化技术的工艺，所述蚀刻工艺选自由湿法蚀刻和等离子体蚀刻组成的组。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，设置在所述空隙中的所述纳米滤光超表面材料形成所述纳米滤光超表面元件的所述纳米滤光超表面特征，并且其中，所述硬掩模材料被配置为嵌入材料，所述嵌入材料在所述指定操作带宽下具有比所述纳米滤光超表面材料更低的折射率。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述硬掩模材料在所述指定操作带宽上具有可忽略的吸收，并且在所述指定操作带宽上具有介于1至2.4之间的折射率。

8.根据权利要求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，设置在所图案化的硬掩模的所述空隙中的所述纳米滤光超表面材料层保留在所述衬底的表面上，以形成由多个气隙形成的多个隔离的纳米滤光超表面特征。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述隔离的纳米滤光超表面特征上沉积嵌入材料层，使得填充所述特征之间的气隙，并且使得所述嵌入材料层在所述纳米滤光超表面材料层的表面上方延伸，其中，所述嵌入材料层在所述指定操作带宽下具有比所述纳米滤光超表面材料更低的折射率。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述嵌入材料是聚甲基丙烯酸甲酯。

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