CN112014915B - 10-14微米中心波长可调的多层对称二维透射光栅及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种10‑14微米中心波长可调的多层对称二维透射光栅及其制备方法，解决了在长波红外波段的FP腔滤光片因膜系复杂为加工带来的误差。本发明包括：光栅层、基底层和对称高反层；所述对称高反层自上而下共计8层，基底层为对称高反层的最底下一层；所述对称高反层通过金属材料和介质材料的交替设置；所述金属材料为高折射率材料锗，所述介质材料为低折射率材料氟化钇；所述光栅层采用高折射率材料锗，对称高反层中，所述折射率材料锗与低折射率材料氟化钇交替设置且高反层的厚度为四分之一波长；所述基底层的材料为锗；所述光栅层位于高反层中自上而下排布的第四层和第五层之间。

Description

10-14微米中心波长可调的多层对称二维透射光栅及其制备 方法

技术领域

本发明属于微纳器件设计技术领域，涉及一种10～14微米中心波长可调的多层对称二维透射光栅结构。

背景技术

基于滤光片的高光谱成像技术能够快速实时的获取高分辨率图像，因此在实时检测、分类中得到了广泛的应用。目前光谱成像的主要技术是像元芯片镀膜，且多应用于可见光、近红外及中红外波段。但长波红外波段大多通过改变FP腔的腔深或填充介质，透过特定波段的中心波长。通常膜系复杂且层数较多，在制备过程中膜层厚度的增加会导致应力变形，这给制备工艺带来了难度，最终导致误差增大。因此在长波红外波段设计一种结构简单的滤光片有着很重要的理论意义和实际意义。

近年来，亚波长光栅作为滤波膜在光谱分光中广泛应用，而导模共振亚波长滤光器件因其具有极窄的带宽、极高的衍射效率和低旁带效应等优点，近年来受到广泛的关注。导模共振效应在光栅结构参数和入射条件特定的情况下，使得光谱具有窄带宽、低旁带及高衍射率的特性，并且可以通过调整光栅周期、占空比及厚度调谐中心波长，增加了中心波长可调的自由度。

发明内容

本发明的目的是提供一种在10-14微米光栅占空比可在0-1之间自由调节的多层对称二维透射光栅，解决了在长波红外波段的FP腔滤光片因膜系复杂为加工带来的误差。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

10-14微米中心波长可调的多层对称二维透射光栅，包括：光栅层、基底层和对称高反层；所述对称高反层自上而下共计8层，基底层为高反层的最底下一层；。

所述对称高反层通过金属材料和介质材料的交替设置；所述金属材料为高折射率材料锗，所述介质材料为低折射率材料氟化钇；所述光栅层采用高折射率材料锗，对称高反层中，所述折射率材料锗与低折射率材料氟化钇交替设置且对称高反层的厚度为四分之一波长；

所述基底层的材料为锗；

所述光栅层位于对称高反层中自上而下排布的第四层和第五层之间。

作为本发明的一种优选实施方式：所述光栅层的厚度为0.58μm-2.4μm。

作为本发明的一种优选实施方式：所述光栅层包含均布的二维正方块，光栅层占空比分别是0.1、0.6、0.8、0.92，对应的二维正方块的大小分别为300nm×300nm，1.8μm×1.8μm，2.4μm×2.4μm，2.76μm×2.76μm。

作为本发明的一种优选实施方式：所述高折射率为折射率大于等于4；所述低折射率为折射率小于等于1.5。

本发明还公开了任一上述的光栅的制备方法，具体制备流程如下：

(1)镀膜：各层采用镀膜的方式，通过离子束溅射淀积技术制备光学薄膜；离子束溅射淀积技术是以一定能量的粒子轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺；淀积薄膜时，溅射源置于靶极，受氩离子轰击后发生溅射；如果靶材是单质的，则在衬底上生成靶极物质的单质薄膜；若在溅射室内有意识地引入反应气体，使之与溅出的靶材原子发生化学反应而淀积于衬底，便可形成靶极材料的化合物薄膜；所述粒子为离子或中性原子、分子；

(2)电子束曝光：电子束曝光是用低功率密度的电子束照射电致抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生图形的一种微细加工技术；对正性抗蚀剂，在显影后经电子束照射区域的抗蚀剂被溶解掉，而未经照射区域的抗蚀剂则保留下来；对负性抗蚀剂则情况相反；均匀的光刻胶涂层是得到高质量亚波长光栅必不可少的条件之一；涂覆好光刻胶后；用电子束曝光将掩膜版上的图形转换成衬底表面介质图形；

(3)感应耦合离子刻蚀技术：感应耦合离子刻蚀技术是一种半导体干法刻蚀技术，通入反应气体使用电感耦合等离子体辉光放电将其分解，产生的具有强化学活性的等离子体在电场的加速作用下移动到样品表面，对样品表面既进行化学反应生成挥发性气体，又有一定的物理刻蚀作用；利用感应耦合离子刻蚀技术，在基底上形成具有周期结构的刻槽。

本发明有益效果是：

本发明通过长波红外常用的金属材料锗和介质材料氟化钇的结合使用，采用全新的多层对称二维光栅结构，实现了在长波红外波段具有良好的带通特性及低旁带效应。同时，通过改变占空比可以实现对中心波长调谐的作用。

附图说明

图1-1为本发明的一种具体实施方式的结构示意图；

图1-2为对称高反层的结构示意图；

图1-3为光栅层的结构示意图；

图2长波红外10-14微米波段内中心波长及带宽随占空比的变化。

图3是长波红外10-14微米波段内中心波长及带宽随周期的变化。

图4是长波红外10-14微米波段内中心波长及带宽随高反层高折射率层厚度的变化。

图5是长波红外10-14微米波段内中心波长及带宽随高反层低折射率层厚度的变化。

图6-1～6-4分别是光源波长分别为10.26微米、11.2微米、12微米、13微米时，本发明的电场分布图。

附图标记说明：

1-锗，2-氟化钇，3-高反层，4-光栅层，5-基底层。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

如图所示，10-14微米中心波长可调的多层对称二维透射光栅，包括：光栅层4、基底层5和对称高反层3；所述对称高反层自上而下共计8层，基底层为高反层的最底下一层；

所述对称高反层通过金属材料和介质材料的交替设置；所述金属材料为高折射率材料锗，所述介质材料为低折射率材料氟化钇；所述光栅层采用高折射率材料锗，对称高反层中，所述折射率材料锗与低折射率材料氟化钇交替设置且高反层的厚度为四分之一波长；

所述基底层的材料为锗；

所述光栅层位于对称高反层中自上而下排布的第四层和第五层之间。

所述高折射率为折射率大于等于4；所述低折射率为折射率小于等于1.5。

如图所示，本发明的目的是提供一种在10-14微米光栅占空比可在0-1之间自由调节的多层对称二维透射光栅，解决了在长波红外波段的FP腔滤光片因膜系复杂为加工带来的误差。

本发明是一种由金属与介质材料组成的多层对称二维透射光栅结构。本发明的具体实施例中，其光栅结构包括：光栅层、基底层和对称高反层(8层)。

本发明通过长波红外常用的金属材料锗和介质材料氟化钇的结合使用，采用全新的多层对称二维光栅结构，实现了在长波红外波段具有良好的带通特性及低旁带效应。同时，通过改变占空比可以实现对中心波长调谐的作用。

本发明提供一种10-14微米中心波长可调谐的多层对称二维透射光栅结构，主要通过金属材料和介质材料的结合使用，使用全新的二维光栅结构，实现了长波红外10-14微米波段中心波长不仅能由高反层的厚度调节，还能通过二维结构的占空比调节。

考虑到一维亚波长光栅因具有偏振效应，所以透射率较低的问题，设计者采用了二维光栅结构。光栅层采用高折射率材料锗，对称高反层采用高折射率材料锗与低折射率材料氟化钇交替，厚度为四分之一波长。

选材方面：光栅层材料为锗；基底层选用金属材料锗；对称高反层材料为氟化钇|锗|氟化钇|锗交替设置。这些材料在长波红外波段均具有良好的透射性能，并且通过现有的技术手段都可制备得到。

本发明的制备方法是结合微纳加工技术制备，具体制备流程如下：

(1)镀膜：各层采用镀膜的方式，离子束溅射淀积技术是一种制备优质光学薄膜的重要方法。以一定能量的粒子(离子或中性原子、分子)轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺。溅射只能在一定的真空状态下进行。淀积薄膜时，溅射源置于靶极，受氩离子轰击后发生溅射。如果靶材是单质的，则在衬底上生成靶极物质的单质薄膜；若在溅射室内有意识地引入反应气体，使之与溅出的靶材原子发生化学反应而淀积于衬底，便可形成靶极材料的化合物薄膜。

(2)电子束曝光(EBL)：电子束曝光是用低功率密度的电子束照射电致抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生图形的一种微细加工技术。对正性抗蚀剂，在显影后经电子束照射区域的抗蚀剂被溶解掉，而未经照射区域的抗蚀剂则保留下来；对负性抗蚀剂则情况相反。均匀的光刻胶涂层是得到高质量亚波长光栅必不可少的条件之一。涂覆好光刻胶后，用电子束曝光将掩膜版上的图形转换成衬底表面介质图形。这种曝光方式分辨率高、掩膜版制作容易、工艺容限大，而且生产效率高，但由于电子束在光刻胶膜内的散射，使得图案的曝光剂量会受到临近图案曝光剂量的影响(即临近效应)，造成的结果是，显影后，线宽有所变化或图形畸变。

(3)感应耦合离子刻蚀技术(ICP)：ICP是一种非常重要的半导体干法刻蚀技术，通入反应气体使用电感耦合等离子体辉光放电将其分解，产生的具有强化学活性的等离子体在电场的加速作用下移动到样品表面，对样品表面既进行化学反应生成挥发性气体，又有一定的物理刻蚀作用。因为等离子体源与射频加速源分离，所以等离子体密度可以更高，加速能力也可以加强，以获得更高的刻蚀速率，以及更好的各向异性刻蚀。利用感应耦合离子刻蚀技术，在基底上形成具有周期结构的刻槽。

在以下讨论中，对以下名词进行定义：

占空比：高折射率材料锗的宽度与光栅周期的比值。

峰值半宽：光谱响应透射峰值效率一半时波形的宽度。

峰值透过率：光谱响应中心波长对应的光谱透过率。

旁带：若光谱响应为单峰，则取其峰值左右两侧三倍峰值半宽区域外的最大透射效率；若光谱响应为多峰，则取次峰透射效率。

图1-1～1-3是本发明提出的多层对称二维光栅结构示意图。图示中间层为光栅层，采用高折射率材料锗，通过导模共振机理设计光栅结构参数，使光栅具有窄带宽及高反射率的特性。图示八层膜系为对称高反层，其中高折射率材料为锗，低折射率材料为氟化钇，厚度分别为四分之一波长。通过对称高反层，将反射光栅优化为透射光栅，使得该结构在10-14微米波段内最终可以实现极高的透射效率、极低的旁带效应以及优良的带通特性。

图2是长波红外10μm-14μm波段内光栅占空比从0-1变化时对中心波长及带宽的影响图。从图中可以看出，当光栅占空比在0-1之间变化时，中心波长随着占空比的增大明显红移，带宽增大且透射率增加。但均具有极高峰值透射率、极低的旁带效应，良好的带通特性。

图3中，给出了当光栅周期变化时，光栅光谱响应的变化情况。从图中可以看出，当光栅周期变化时，光谱响应的中心波长、峰值半宽、旁带等主要评价参数均不会发生显著变化。实际加工制备过程中，过窄的槽系是难以得到的，故而本发明所提出的光栅结构采用了周期大的设计，降低了制备难度。同时加工过程中出现的周期误差不会对光栅性能产生明显的改变。

图4中，给出了对称高反层高折射率层厚度变化时光栅光谱响应的变化情况。由图可以看出，当光栅层厚度在0.58μm-1.4μm变化时，光栅在10μm-14μm具有良好的带通特性。随着厚度增加，透过率及峰值半宽增加，同时伴有其他峰值出现。

图5中，给出了对称高反层低折射率层厚度变化时光栅光谱响应的变化情况。由图可以看出，当厚度在1.58μm-2.4μm变化时，光谱响应的中心波长与厚度基本呈线性特性。随着厚度增加，峰值半宽增加，伴有明显红移现象。这一特性可用于滤光片设计过程中中心波长的设计和定位。

图6-1～-6-4给出了光源波长分别为10.26微米、11.2微米、12微米、13微米时，该结构的电场分布图。其中光栅层占空比分别是0.1、0.6、0.8、0.92，即二维正方块的大小分别为300nm×300nm，1.8μm×1.8μm，2.4μm×2.4μm，2.76μm×2.76μm；从图中看出当光源为指定光源时，该种二维结构可以很好的透过所需波段的光。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (4)

1.10-14微米中心波长可调的多层对称二维透射光栅，其特征在于：包括：光栅层和对称高反层；所述对称高反层自上而下共计8层，对称高反层的最底下一层为基底层；

所述对称高反层通过金属材料和介质材料的交替设置；所述金属材料为高折射率材料锗，所述介质材料为低折射率材料氟化钇；所述光栅层采用高折射率材料锗，对称高反层中，所述高折射率材料锗与低折射率材料氟化钇的厚度分别为四分之一波长；

所述基底层的材料为高折射率材料锗；

所述光栅层位于对称高反层中自上而下排布的第四层和第五层之间；

所述光栅层包含均布的二维正方块，光栅层占空比分别是0.1、0.6、0.8、0.92，对应的二维正方块的大小分别为300nm×300nm，1.8μm×1.8μm，2.4μm×2.4μm，2.76μm×2.76μm。

2.如权利要求1所述的10-14微米中心波长可调的多层对称二维透射光栅，其特征在于：所述光栅层的厚度为0.58μm-2.4μm。

3.如权利要求1所述的10-14微米中心波长可调的多层对称二维透射光栅，其特征在于：所述高折射率为折射率大于等于4；所述低折射率为折射率小于等于1.5。

4.如权利要求1-3任一所述的光栅的制备方法，其特征在于：具体制备流程如下：

(1)镀膜：各层采用镀膜的方式，通过离子束溅射淀积技术制备光学薄膜；离子束溅射淀积技术是以一定能量的粒子轰击固体表面，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而最终逸出固体表面的工艺；淀积薄膜时，溅射源置于靶极，受氩离子轰击后发生溅射；如果靶材是单质的，则在衬底上生成靶极物质的单质薄膜；若在溅射室内有意识地引入反应气体，使之与溅出的靶材原子发生化学反应而淀积于衬底，便可形成靶极材料的化合物薄膜；所述粒子为离子或中性原子、分子；

(2)电子束曝光：电子束曝光是用低功率密度的电子束照射电致抗蚀剂，经显影后在抗蚀剂中产生图形的一种微细加工技术；对正性抗蚀剂，在显影后经电子束照射区域的抗蚀剂被溶解掉，而未经照射区域的抗蚀剂则保留下来；对负性抗蚀剂则情况相反；均匀的光刻胶涂层是得到高质量亚波长光栅必不可少的条件之一；涂覆好光刻胶后；用电子束曝光将掩膜版上的图形转换成衬底表面介质图形；

(3)感应耦合离子刻蚀技术：感应耦合离子刻蚀技术是一种半导体干法刻蚀技术，通入反应气体使用电感耦合等离子体辉光放电将其分解，产生的具有强化学活性的等离子体在电场的加速作用下移动到样品表面，对样品表面既进行化学反应生成挥发性气体，又有一定的物理刻蚀作用；利用感应耦合离子刻蚀技术，在基底上形成具有周期结构的刻槽。

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