一种对非理想刻蚀工艺制备介质超表面的补偿设计方法

1.本发明涉及微纳光学设计及制造领域，特别涉及一种对非理想刻蚀工艺制备介质超表面的补偿设计方法。该补偿设计方法适用于刻蚀深宽比或者侧壁陡直度达不到设计要求的刻蚀工艺制备出的介质超表面。


背景技术：

2.近年来，出于体积小，可控自由度高，损耗低等优点，全介质材料超表面受到了广泛的关注。目前制备出的高性能全介质超表面往往是使用刻蚀工艺比较成熟的tio2和si之类的光学材料，然而，一方面由于tio2和si材料在某些波段的吸收较大，不是某些波段的优选光学材料，另一方面由于将它们转移集成到不同材料的器件上应用时，会遇到较大的技术瓶颈，大大降低集成的可行性和成品率。基于以上两个方面，其它材料的全介质超表面的研发成为了一大需求。
3.对于其它材料全介质超表面的研发，目前主要集中在刻蚀工艺的开发和优化上，然而大部分材料的刻蚀的工艺不如si和tio2的成熟，刻蚀沟槽深宽比不达标，负载效应严重，以及侧壁倾斜是常见现象。另外，很多材料的刻蚀工艺参数关联复杂，优化困难，尤其是对极小线宽，高深宽比的刻蚀工艺进行优化时，优化的成本和周期会大幅增加。因此基于以上，在设计上对不理想的刻蚀工艺的介质超表面进行优化成为了降低成本和缩减开发周期的重要手段。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种对非理想刻蚀工艺制备介质超表面的补偿设计方法，从而在降低对工艺要求的同时保证制备出的介质超表面的性能不受大的影响，以此来减少介质超表面的开发周期和成本以及减小不理想的制备工艺带来的性能损失。
5.本发明设计方案如下：
6.第一步：确定工作波长λ，根据所需的光学功能，例如聚焦，偏折，发散等，计算出出射波前的相位分布；
7.第二步：首先确定设计结构，结构可以是光栅、圆柱，方柱，或者其它形状的柱子，单元周期长度p，其中p小于入射光的波长λ，刻蚀深度h，然后确定主要调控的结构参数k的范围，调控参数可以是一个或者多个，取决于元胞结构，然后对得到的单元结构进行电磁学仿真，扫描不同的结构参数k对波前相位的改变量φ，并且让φ的取值至少能覆盖一个2π；
8.第三步：计算调控参数k所对应理想单元结构的占空比sc，得到占空比sc和相位的对应关系；
9.第四步：把调控参数k在变化范围内等间隔取n个值k1—kn，n可以取值5-40根据所需要的精度来确定，设计出调控参数为k1—kn，周期长度为p，一系列周期阵列的版图；
10.第五步：根据试验版图，用光刻等一系列的工艺和现有的刻蚀工艺参数对样品进行加工，制备出调控参数为k1—kn对应的周期性样品结构；
11.第六步：标定出调控参数为k1—kn对应的周期性样品结构的实际占空比s1—sn，并重新拟合出调控参数k与实际占空比sr的关系，根据k与sr的关系以及sc和相位的关系，重新拟合出调控参数k和相位的关系；
12.第七步：根据第一步计算出的相位分布，以及重新拟合得到的k和的相位的对应关系，得到相应调控参数k的分布，从而设计出相应的超表面版图；
13.第八步：根据新版图，用光刻等一系列工艺和第五步中采用的刻蚀工艺参数制备出超表面。
14.本发明的优点在于：
15.1.本发明给出的对非理想刻蚀工艺制备的介质超表面的补偿设计方法在降低对工艺要求的同时保证介质超表面的性能不受大的影响，相比常规设计方法，该方法结合了实际工艺制备情况，能够减小实际工艺制备出的结构与理想结构的偏差带来的性能损失。
16.2.本发明能够在设计上降低对刻蚀工艺的要求，以此来减少工艺的开发周期和成本，从而降低制备介质超表面的开发周期和成本。
17.上述优点可以实现快速而高效地研发基于等效介质理论设计的介质超表面以及其加速其集成产品的研发，对于加速推广微纳光学在军事和民用上有非常积极的意义。
附图说明
18.本发明的示意图如下：
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作进一步详细的说明。
20.图1是介质超表面结构中的圆柱阵列结构示意图；
21.图2是介质超表面结构中的光栅结构示意图；
22.图3是光栅介质超表面结构的局部截面的理想形貌示意图；
23.图4是实际加工出的光栅介质超表面结构的局部截面的形貌示意图；
24.图5是经过补偿设计前的介质超表面通过电磁学仿真得到的相对于固定值p
0max
的中心光场强度分布；
25.图6是经过补偿设计后的介质超表面通过电磁学仿真得到的相对于固定值p
0max
的中心光场强度分布；
26.图7是本发明中设计方法的流程图。
具体实施方式
27.下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，但不局限于此，凡是对本发明技术方案以及提及的超表面的形状结构和功能进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
28.鉴于现有的一些材料的深刻蚀工艺技术达不到超表面的设计要求，本发明提出一种对非理想刻蚀工艺制备介质超表面的补偿设计方法。
29.本发明的目的在于提供一种对不理想的刻蚀工艺制备的介质超表面进行补偿的设计方法，从而在降低对工艺要求的同时保证介质超表面的性能不受大的影响，以此来减少介质超表面的开发周期和成本。(减小工艺带来的性能损失)
30.在本实施例中，介质超表面是由宽度大小不等，高度相同的光栅构成，见图2，其功能是把入射的单波长的平行光在空气中进行聚焦。其中，圆柱的高度为h，超表面的焦距为f，入射光波长为λ，圆柱的直径和高度大小小于或者接近工作波长。该超表面通过光刻和干法刻蚀制备而成，光栅截面的刻蚀实际形貌和理想形貌见图4和图3。
31.第一步：出射波前在超表面出射面上的相位分布满足如下公式：
[0032][0033]
其中，λ是入射光在空气中的波长，x是距离聚焦中心水平方向的距离，f是焦距。
[0034]
第二步：确定光栅的周期长度p(p《λ/2)，刻蚀深度h，对光栅的单元结构进行电磁学的仿真，对调控参数即光栅的宽度w(w《p)进行扫描，找到不同宽度的光栅单元对波前相位的改变量并且让的取值至少能覆盖一个2π。
[0035]
第三步：计算光栅单元不同宽度w对应的占空比sc，得到占空比sc和相位的对应关系。
[0036]
第四步：把光栅宽度w在变化范围内等间取n个值wi(i＝0,1,2,3,
…
,n)。设计出一系列周期长度为p,宽度为wi(i＝0,1,2,3,
…
,n)周期性的光栅的试验版图。
[0037]
第五步：用光刻把试验版图转移到待加工的材料上，然后用刻蚀工艺对样品进行加工，制备出宽度为wi(i＝0,1,2,3,
…
,n)的周期性光栅结构的试验样品。
[0038]
第六步：观测版图宽度为wi的光栅刻蚀后的截面，标定出宽度为wi(i＝0,1,2,3,
…
,n)的光栅版图用刻蚀工艺制备出的单元结构的实际占空比s
ri
(i＝0,1,2,3,
…
,n)，并重新拟合出宽度w与实际占空比sr的关系，根据w与sr的关系重新拟合出w和相位的关系。
[0039]
第七步：根据第一步计算出的相位分布，以及重新拟合得到的宽度w和的相位的对应关系，得到光栅单元宽度w的分布，从而设计出相应的超表面版图。
[0040]
第八步：根据新版图，用光刻和第五步中采用的刻蚀工艺参数制备出超表面。
[0041]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。