用于平坦光学装置的孔的制作方法

用于平坦光学装置的孔
1.背景
2.领域
3.本公开内容的多个实施方式一般涉及光学装置。更具体地，本文描述的多个实施方式提供了一个或多个光学装置的制造，该一个或多个光学装置具有围绕每个光学装置的孔(aperture)。


背景技术：

4.光学系统可用于通过结构的空间上变化的结构参数(例如，形状、尺寸、定向)来操纵光的传播。光学装置的一个范例是平坦光学装置。可见光谱和近红外光谱中的平坦光学装置可能需要透明的基板，这些基板具有诸如纳米结构的结构，该结构设置在基板上。然而，作为新兴技术，处理透明基板以形成光学装置是既复杂又具挑战性的。举例来说，入射光学系统的一个或多个光学装置中的一个光学装置的束可在直径上大于所需光学装置或不与所需光学装置完全对准。来自在直径上大于光学装置的入射束的杂散光可能会降低光学系统的功能和效率，并且可能与基板和不需要的相邻光学装置发生光学交互作用。
5.因此，本领域需要能够在基板上制造一个或多个光学装置的方法，该基板具有围绕每个光学装置的孔。


技术实现要素：

6.在一个实施方式中，提供了一种方法。该方法包括：在基板的表面上设置孔材料层，图案化孔材料层，以在与以下中的一个相对应的基板的表面的区域之上形成孔：由相邻的光学装置界定的第一空间和由相邻的光学装置中的一个光学装置和基板的外周界定的第二空间，在孔和基板的表面之上设置结构材料层，在孔和结构材料层之上设置硬模，将图案化的光刻胶设置在硬模之上，图案化的光刻胶界定暴露的硬模部分，去除这些暴露的硬模部分以暴露结构材料层的结构部分，和去除结构部分以在基板的表面的区域之上的孔之间形成多个结构。
7.在另一个实施方式中，提供了一种方法。该方法包括：在基板的表面上设置结构材料层，在结构材料层之上设置孔材料层，图案化孔材料层，以在与以下中的一个相对应的基板的表面的区域之上形成孔：由相邻的光学装置界定的第一空间，和由相邻的光学装置中的一个光学装置和基板的外周界定的第二空间，在孔和结构材料层之上设置有机平坦化层(opl)，将图案化的光刻胶设置在opl之上，图案化的光刻胶界定暴露的opl部分，去除暴露的opl部分以暴露结构材料层的结构部分，和去除结构部分以在基板的表面的区域之上的孔之间形成多个结构。
8.在又另一个实施方式中，提供了一种方法。该方法包括：在基板的表面上设置结构材料层，结构材料层设置在与以下中的一个相对应的基板的表面的区域之间：由相邻的光学装置界定的第一空间，和由相邻的光学装置中的一个光学装置和基板的外周界定的第二空间，在结构材料层之上设置硬模，将图案化的光刻胶设置在硬模之上，图案化的光刻胶界
定暴露的硬模部分，去除暴露的硬模部分以暴露结构材料层的结构部分，去除结构部分以在基板的表面的区域之间形成多个结构，和在区域之上形成孔。
附图说明
9.因此，为了能详细理解本公开内容的上述特征的方式，可参照多个实施方式(其中一些实施方式示出在附图中)来得到简要概述于上的本公开内容的更具体的描述。然而，应当注意，附图仅示出本公开内容的多个典型实施方式，并且因此不应将附图视为本公开内容范围的限制，因为本公开内容可承认其他多个等效的实施方式。
10.图1a是根据一个实施方式的基板的俯视图，基板具有一个或多个光学装置，一个或多个光学装置形成在基板上。
11.图1b是根据一个实施方式的光学装置中的一个光学装置的截面图。
12.图2是根据一个实施方式的示出用于制造光学装置的方法的操作的流程图。
13.图3a至图3f是根据一个实施方式的光学装置的示意性截面图。
14.图4是根据一个实施方式的示出用于制造光学装置的方法的操作的流程图。
15.图5a至图5e是根据一个实施方式的光学装置的示意性截面图。
16.图6是根据一个实施方式的示出用于制造光学装置的方法的操作的流程图。
17.图7a至图7g是根据一个实施方式的光学装置的示意性截面图。
18.图8a至图8c是根据一个实施方式的示出用于制造光学装置的方法的操作的流程图。
19.图9a至图9m是根据一个实施方式的光学装置的示意性截面图。
20.为了便于理解，在可能的情况下，已使用相同的附图标记来表示图中共同的相同元件。可设想，在一个实施方式中公开的元件可以有利地利用于其他多个实施方式，而无需特别叙述。
具体实施方式
21.本文描述的多个实施方式涉及用于制造诸如超颖表面(metasurfaces)的光学装置的方法。本文描述的方法使得能够在基板上制造一个或多个光学装置，该基板具有围绕每个光学装置的孔，光学装置具有在基板上形成的多个结构，诸如纳米结构。本文描述的方法的一个实施方式包括：在基板的表面上设置孔材料层，在孔和基板的表面之上设置结构材料层，在孔和结构材料层之上设置硬模，在硬模之上设置图案化的光刻胶，图案化的光刻胶界定暴露的硬模部分，去除暴露的硬模部分以暴露结构材料层的结构部分，并且去除结构部分以在基板表面的区域之上的孔之间形成多个结构。
22.图1a是基板101的俯视图，该基板具有一个或多个光学装置102a、102b，一个或多个光学装置102a、102b形成在基板上。图1b是光学装置102a的截面图。光学装置102a、102b中的每一个包括设置在基板101上的多个结构104。在能与本文描述的其他多个实施方式结合的一些实施方式中，光学装置102a、102b是具有结构104的超颖表面，结构104是形成在(例如，直接或间接地)基板101的表面103上或与基板101的表面103成一体的纳米级特征形式的纳米结构。纳米结构可以是基本上结晶的、单晶的、多晶的、非晶的、或它们的组合。在一个范例中，纳米结构的每个尺寸具有小于约1000nm的尺寸，例如，小于约500nm、小于约
200nm、小于约100nm、或甚至小于约20nm。尽管图1a和图1b以格状布置示出了结构104，但是其他布置也是可能的。格状布置并不意欲限制本文所提供的公开内容的范围。
23.也可选择基板101以透射(transmit)适当量的期望波长或波长范围的光，诸如从约100到约300纳米的一个或多个波长。在非限制的情况下，在一些实施方式中，基板101被构造为使得基板101透射大于或等于约50％、60％、70％、80％、90％、95％、99％的ir至光谱的uv区域。基板101可以由任何合适的材料形成，只要基板101能适当地透射期望的波长或波长范围内的光并且能用作光学装置的适当支承即可。在能与本文描述的其他多个实施方式结合的一些实施方式中，与结构104的折射率相比，基板101的材料具有相对较低的折射率。基板选择可以包括任何合适材料的基板，包括但不限于，非晶电介质、非-非晶电介质、晶体电介质、氧化硅、聚合物、和它们的组合。在能与本文描述的其他多个实施方式结合的一些实施方式中，基板101包括透明材料。在能与本文描述的其他多个实施方式结合的一个实施方式中，基板101是透明的，具有小于0.001的吸收系数。合适的范例可包括氧化物、硫化物、磷化物、碲化物、或它们的组合。在一个范例中，基板101包括硅(si)、二氧化硅(sio2)、蓝宝石、和包含材料的高折射率(high-index)透明材料。
24.一个或多个光学装置102a、102b中的每一个具有形成在基板101的表面103上或与基板101的表面103成一体的一个或多个结构104。在能与本文描述的其他多个实施方式结合的一个实施方式中，结构104可以具有相同的尺寸，诸如高度和宽度。在能与本文描述的其他多个实施方式结合的另一个实施方式中，结构104中的至少一个结构可以具有至少一个与附加的结构104的尺寸不同的尺寸，诸如高度和宽度中的一个。在能与本文描述的其他多个实施方式结合的一个实施方式中，结构104可具有相同的折射率。在能与本文描述的其他多个实施方式结合的另一个实施方式中，结构104中的至少一个可以具有与附加的结构104的折射率不同的折射率。
25.在能与本文描述的其他多个实施方式结合的一个实施方式中，结构材料，即结构104的材料，包括含金属的介电材料，介电材料不限于含二氧化钛(tio2)、氧化锌(zno)、二氧化锡(sno2)、掺铝的氧化锌(azo)、掺氟的氧化锡(fto)、锡酸镉(cadmium stannate)(氧化锡)(cto)、和锡酸锌(zinc stannate)(氧化锡)(snzno3)的材料。在可以与本文描述的其他多个实施方式结合的另一个实施方式中，结构材料包括非导电非晶材料，诸如介电材料。介电材料可包括非晶电介质，非-非晶电介质、和晶体电介质。介电材料的范例包括，但不限于，含a-si的材料，诸如氮化硅(si3n4)和非晶硅(a-si)。
26.本文描述的制造一个或多个光学装置102a、102b的方法包括孔105的形成(如图3b至图3f、图5b至图5e、图7b至图7g、和图9e、图9h、图9i、图9l、和图9m所示)，孔105与结构104的每个外周结构106相邻。在本文所述的多个实施方式中，孔设置在区域108之上，区域108与由相邻光学装置102a、102b界定的空间和由光学装置102a、102b中的一个与基板101的外周界定的空间中的一个对应。在能与本文描述的其他多个实施方式结合的一些实施方式中，孔是不透明的，使得不透射在约100至约3000纳米范围内的一个或多个波长。孔防止杂散光(即，入射束的光大于由结构104的每个外周结构106界定的表面积)降低光学装置102a、102b的功能和效率。孔材料，即孔的材料，包括，但不限于，含铬(cr)、氮化钛(tin)、a-si、钛(ti)、和铝(al)的材料。
27.图2是示出用于制造如图3a至图3f所示的光学装置300的方法200的操作的流程
图。在操作201处，如图3a所示，在基板101的表面103上设置孔材料层302。可以使用液体材料模铸造(pour casting)处理、旋转涂布处理、液体喷涂处理、干粉涂布处理、丝网印刷(screen printing)处理、刮刀涂布处理、物理气相沉积(pvd)处理、化学气相沉积(cvd)处理、等离子体增强(pecvd)处理、可流动cvd(fcvd)处理、原子层沉积(ald)处理、蒸发处理、或溅射处理来将孔材料层302设置在表面103上。
28.在操作202处，如图3b所示，对孔材料层302进行图案化。图案化孔材料层302在区域108之上形成孔105，区域108与由相邻光学装置102a、102b界定的空间和由光学装置102a、102b中的一个与基板101的外周界定的空间中的一个对应。图案化孔材料层302可包括光刻处理或蚀刻处理，诸如离子注入、离子蚀刻、反应离子蚀刻(rie)、定向rie、微喷砂(microblasting)、喷水切割、激光蚀刻、和选择性湿法化学蚀刻。光刻处理可包括基板101的表面103上的对准标记和/或特征的利用。
29.在操作203处，如图3c所示，将结构材料层304设置在孔105和基板101的表面103之上。可使用液体材料模铸造处理、旋转涂布处理、液体喷涂处理、干粉涂布处理、丝网印刷处理、刮刀涂布处理、pvd处理、cvd处理、pecvd处理、fcvd处理、ald处理、蒸发处理、或溅射处理来将结构材料层304设置在孔105和表面103之上。
30.在操作204处，如图3d所示，将硬模306设置在结构材料层304之上。可使用液体材料模铸造处理、旋转涂布处理、液体喷涂处理、干粉涂布处理、丝网印刷处理、刮刀涂布处理、pvd处理、cvd处理、pecvd处理、fcvd处理、ald处理、蒸发处理、或溅射处理来将硬模306设置在结构材料层304之上。在能与本文描述的其他多个实施方式结合的一个实施方式中，硬模306是不透明的硬模，该硬模在形成光学装置300之后被去除。在另一个实施方式中，硬模306是透明的硬模。硬模306包括，但不限于，铬(cr)、银(ag)、si3n4、sio2、tin、和含碳(c)材料。
31.在操作205处，如图3d所示，将图案化的光刻胶308设置在硬模306之上。通过将光刻胶材料设置在硬模306上并且实行光刻处理来形成图案化的光刻胶308。图案化的光刻胶308界定硬模306的硬模部分312(即，硬模306的开口)。硬模部分312对应于结构图案310，以导致结构104的形成。可以使用旋转涂布处理将图案化的光刻胶308设置在硬模306上。光刻胶材料308可包括，但不限于，包含光敏聚合物的材料。
32.在操作206处，如图3e所示，去除硬模306的硬模部分312。去除硬模部分312使结构材料层304的负结构部分314暴露。负结构部分314对应于结构图案310，以导致结构104的形成。在操作207处，如图3e所示，去除结构材料层304的负结构部分314以形成结构104。在能与本文描述的其他多个实施方式结合的一个实施方式中，硬模306的蚀刻速率低于结构材料层304的结构材料。可以通过离子蚀刻、rie、或选择性湿法化学蚀刻来去除硬模部分312和负结构部分314。
33.在操作208处，如图3f所示，去除硬模306和图案化的光刻胶308。去除硬模306可包括离子蚀刻、rie、或选择性湿法化学蚀刻。去除图案化的光刻胶308可包括本文描述的光刻处理或蚀刻处理。方法200形成具有设置在与结构104的每个外周结构106相邻的区域108之上的孔105的光学装置300。
34.图4是示出如图5a至图5e所示用于制造光学装置500的方法400的操作的流程图。在操作401处，如图5a所示，在基板101的表面103之上设置结构材料层304。可以使用方法
200的操作203中提供的一种或多种处理来将结构材料层304设置在基板101的表面103之上。在操作402处，如图5a所示，将孔材料层302设置在基板101的表面103之上。可以使用方法200的操作201中提供的一种或多种处理来将孔材料层302设置在结构材料层304之上。在操作403处，如图5b所示，对孔材料层302进行图案化。图案化孔材料层302在区域108之上形成孔105，区域108与由相邻光学装置102a、102b界定的空间和由光学装置102a、102b中的一个与基板101的外周界定的空间中的一个对应。图案化孔材料层302可包括方法200的操作202中提供的一种或多种处理。
35.在操作404处，如图5c所示，将有机平坦化层(organic planarization layer，opl)502设置在结构材料层304和孔105之上。opl 502可包括光敏有机聚合物，光敏有机聚合物包括光敏材料，光敏材料在暴露于电磁(electromagnetic，em)辐射时会发生化学变化，因此被构造为使用显影溶剂去除。例如，光敏有机聚合物可以是聚丙烯酸酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂、聚苯醚树脂(polyphenylenether resin)、聚苯硫醚树脂、或苯并环丁烯(bcb)。更一般地，例如，opl 502可包括任何有机聚合物和具有能附接到有机聚合物的分子结构的分子结构的光敏化合物。可以使用旋转涂布处理来设置opl 502。
36.在操作405处，如图5c所示，将图案化的光刻胶308设置在opl 502之上。通过将光刻胶材料设置在opl 502上并且实行光刻处理来形成图案化的光刻胶308。图案化的光刻胶308界定opl 502的opl部分504(即，opl 502的开口)。opl部分504对应于结构图案310，以导致结构104的形成。可以使用旋转涂布处理将图案化的光刻胶308设置在opl 502上。图案化的光刻胶308可以包括，但不限于，包含光敏聚合物的材料。
37.在操作406处，如图5d所示，去除opl 502的opl部分504。去除opl部分504使结构材料层304的负结构部分314暴露。负结构部分314对应于结构图案310，以导致结构104的形成。可以通过rie、湿法蚀刻、和光刻来去除opl部分504。在操作407处，如图5d所示，去除结构材料层304的负结构部分314以形成结构104。可以通过离子蚀刻、rie、或选择性湿法化学蚀刻来去除负结构部分314。
38.在操作408处，如图5e所示，去除opl 502和图案化的光刻胶308。去除图案化的光刻胶308可包括本文描述的光刻处理或蚀刻处理。方法200形成具有设置在与结构104的每个外周结构106相邻的区域108之上的孔105的光学装置500。
39.图6是示出如图7a至图7g所示用于制造光学装置700的方法600的操作的流程图。在操作601处，如图7a所示，在基板101的表面103之上设置结构材料层304。可以使用方法200的操作203中提供的一种或多种处理来将结构材料层304设置在基板101的表面103之上。在操作602处，如图7a所示，将硬模306设置在结构材料层304之上。可以使用方法200的操作204中提供的一种或多种处理来将硬模306设置在结构材料层304之上。
40.在操作603处，如图7a所示，在硬模306之上设置孔材料层302。可以使用方法200的操作201中提供的一种或多种处理来将孔材料层302设置在硬模306之上。在能与本文描述的其他多个实施方式结合的一个实施方式中，结构材料层304是具有约450nm至约1000nm的厚度的含a-si的层，硬模306是具有约10nm至约150nm的厚度的含si3n4的层，并且孔材料层302是具有约10nm至约200nm的厚度的含cr层。在操作604处，如图7b所示，对孔材料层302进行图案化。图案化孔材料层302在区域108之上形成孔105，区域108与由相邻光学装置102a、
102b界定的空间和由光学装置102a、102b中的一个与基板101的外周界定的空间中的一个对应。图案化孔材料层302可包括方法200的操作202中提供的一种或多种处理。
41.在操作605处，如图7c所示，将opl 502设置在硬模306和孔105之上。在操作606处，如图7d所示，将图案化的光刻胶308设置在opl 502之上。通过将光刻胶材料设置在opl 502上并且实行光刻处理来形成图案化的光刻胶308。图案化的光刻胶308界定opl 502的opl部分504。opl部分504对应于结构图案310，以导致结构104的形成。
42.在操作607处，如图7d所示，去除opl 502的opl部分504。去除opl部分504使硬模306的硬模部分312暴露。在操作608处，如图7d所示，去除硬模306的硬模部分312。去除硬模部分312使结构材料层304的负结构部分314暴露。负结构部分314对应于结构图案310，以导致结构104的形成。在操作609处，如图7e所示，去除opl 502和图案化的光刻胶308。去除图案化的光刻胶308可包括本文描述的光刻处理或蚀刻处理。
43.在操作610处，如图7f所示，去除结构材料层304的负结构部分314以形成结构104。在操作611处，如图7g所示，去除硬模306。去除硬模306可包括使用方法200的操作204中提供的一种或多种处理。方法200形成具有设置在与结构104的每个外周结构106相邻的区域108之上的孔105的光学装置700。
44.图8a是示出如图9a至图9e所示用于制造光学装置900a的方法800a的操作的流程图。在操作801处，如图9a所示，在基板101的表面103之上设置结构材料层304。可以使用方法200的操作203中提供的一种或多种处理来将结构材料层304设置在基板101的表面103之上。
45.在操作802处，如图9a所示，将硬模306设置在结构材料层304之上。可以使用方法200的操作204中提供的一种或多种处理来将硬模306设置在结构材料层304之上。在操作803处，如图9c所示，将图案化的光刻胶308设置在硬模306之上。通过将光刻胶材料设置在硬模306上并且实行光刻处理来形成图案化的光刻胶308。图案化的光刻胶308界定硬模306的硬模部分312。硬模部分312对应于结构图案310，以导致结构104的形成。
46.在操作804处，如图9d所示，去除硬模306的硬模部分312。在操作805处，如图9d所示，去除结构材料层304的负结构部分314以形成结构104。在操作806处，如图9e所示，去除硬模306和图案化的光刻胶308。
47.在操作807处，遮盖基板101以暴露与结构104的每个外周结构106相邻的区域108。遮盖基板101可包括在结构104之上放置阴影掩模(shadow mask)以暴露区域108。在操作808处，如图9f所示，将孔105设置在与结构104的每个外周结构106相邻的区域108之上。
48.图8b是示出如图9a至图9d和图9f至图9i所示用于制造光学装置900b的方法800b的操作的流程图。方法800b包括操作801-806。在操作809处，如图9f所示，将间隙填充材料902设置在结构104之上。间隙填充材料902包括，但不限于，含聚合物、opl、和旋转涂布材料。在操作810处，如图9g所示，在间隙填充材料902和区域108之上设置孔材料层302。可以使用方法200的操作201中提供的一种或多种处理来将孔材料层302设置在间隙填充材料902和区域108之上。在操作811处，如图9h所示，去除间隙填充材料902之上的孔材料层302以在区域108之上形成孔105。在操作812处，如图9i所示，去除间隙填充材料902。间隙填充材料902可以通过溶剂、湿法蚀刻、灰化、和rie来去除。方法800a和800b形成具有设置在与结构104的每个外周结构106相邻的区域108之上的孔105的光学装置900a、900b。
49.图8c是示出如图9a至图9d和图9j至图9n所示用于制造光学装置900c的方法800c的操作的流程图。方法800c包括操作801-806。在操作813处，如图9j所示，将封装层904设置在结构104和区域108之上。封装层904包括，但不限于，si3n4、sio2、低折射率含氟聚合物(fluoropolymers)、水凝胶、和包含光刻胶的材料。可以通过pvd、cvd、fcvd、和旋转涂布中的一个或多个来设置封装层904。在操作814处，如图9k所示，将孔材料层302设置在封装层904之上。可以使用方法200的操作201中提供的一种或多种处理来将孔材料层302设置在封装层904之上。在操作815处，如图9l所示，将图案化的蚀刻层906设置在与区域108相对应的孔材料层302之上，并且在结构104之上暴露孔材料层302的一部分908。在操作816处，如图9m所示，去除结构104之上的孔材料层302的部分908以在区域108之上形成孔105。在操作817处，如图9n所示，去除图案化的蚀刻层906。方法800c形成具有设置在与结构104的每个外周结构106相邻的区域108之上的孔105的光学装置900c。
50.总结来说，本文所述的多个实施方式涉及用于制造光学装置的方法。本文描述的方法使得能够在基板上制造一个或多个光学装置，该基板具有围绕每个光学装置的孔，光学装置具有多个结构。孔设置在区域之上，该区域与由相邻光学装置界定的空间和由光学装置中的一个与基板外周界定的空间中的一个对应。孔是不透明的，使得不透射一个或多个波长。孔防止杂散光(即，入射束的光大于由结构的每个外周结构界定的表面积)降低光学装置的功能和效率。
51.尽管前述内容是针对本公开内容的多个实施方式，但可在不脱离本公开内容的基本范围的情况下设计本公开内容的其他和进一步的多个实施方式，并且本公开内容的范围由随附的权利要求范围来确定。