双折射消偏振薄膜的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种双折射消偏振薄膜，由于使用了倾斜沉积的各向异性高反射膜系，其利用了在不同沉积角度下薄膜的双折射特性，通过对高低折射率膜层折射率的组合，在45°倾斜入射条件下实现了TE和TM两种偏振态光波在中心工作波长范围内的消偏振，且该双折射消偏振薄膜的光学性能可由沉积薄膜材料以及薄膜沉积过程中倾斜角度的选择来调控，因而具有很高的设计灵活性和系统集成度。
【专利说明】双折射消偏振薄膜
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种双折射消偏振薄膜。
【背景技术】
[0002] 光学系统中大量使用光学薄膜器件以实现光波的高反、增透或光束的偏转、偏振 等功能。随着光学薄膜技术的发展，薄膜光学已经成为现代光学的一个重要分支，其应用已 经深入至航天遥感、空间通信等多个前沿科学领域。时至今日，光学薄膜已成为现代光学系 统中不可或缺的一部分，在国民经济和国家战略需求方面有着重大的应用潜力。消偏振薄 膜作为重要的光学薄膜之一，其优异的消偏振光调制性能对整个光学系统有着至关重要的 影响。
[0003] 常规光学薄膜的设计与制备基本上都是针对各向同性介质膜层，对于各向同性薄 膜，当光波倾斜入射时，根据入射光与薄膜界面法线构成的入射面，可将入射光波分解为垂 直偏振光及水平偏振光，即TE (s偏振光）和TM(P偏振光）两种偏振态光波。由于电场和磁 场的切向连续，TE波和TM波具有不同的等效折射率，因而不可避免得会产生偏振分离。光 波的斜入射在现代光学系统中很常见，利用倾斜入射下薄膜的这种偏振分离特性可以设计 出多种偏振分光薄膜。然而，在许多光学系统中，这种偏振分离又是不允许的，例如在空间 遥感领域就要求消除不同偏振态光波之间的分离以取得准确的目标辐射数据；在投影系统 中为了得到更好的演示效果，也需要消除偏振分离。在一些光学系统中偏振分离甚至会对 整个光束传输产生不利影响，因而必须要尽可能减少偏振分离。传统的消偏振设计大多是 利用四分之一波长的膜系胶合在玻璃棱镜中以实现消偏振，虽然此方法可以实现消偏振， 但需要多个光学部件组合在一起，系统结构较为复杂。
[0004] 因此，如何得到一种简易可行且集成度高又易于实现倾斜入射条件下的消偏振薄 膜是十分有必要的。
【发明内容】
[0005] 鉴于上述问题，本发明提供一种双折射消偏振薄膜。
[0006] 本发明解决技术问题所采用的技术方案为：
[0007] -种双折射消偏振薄膜，应用于45°倾斜的入射光环境中，其中，包括：
[0008] -基底和位于所述基底上的各向异性双折射膜系；
[0009] 所述各向异性双折射膜系包括交替叠置的高折射率膜层和低折射率膜层，且该各 向异性双折射膜系的最外层为高折射率膜层；
[0010] 其中，每层所述高折射率膜层和所述低折射率膜层均为各向异性的膜层，且每层 所述高折射率膜层和所述低折射率膜层的光学厚度均为所述入射光的波长的四分之一。
[0011] 所述的双折射消偏振薄膜，其中，所述各向异性双折射膜系由倾斜入射沉积工艺 进行制备。
[0012] 所述的双折射消偏振薄膜，其中，所述倾斜入射沉积工艺为倾斜入射的物理气相 沉积工艺。
[0013] 所述的双折射消偏振薄膜，其中，每层所述高折射率膜层均采用同一入射角度的 倾斜入射沉积工艺进行制备；每层所述低折射率膜层均采用同一入射角度的倾斜入射沉积 工艺进行制备。
[0014] 所述的的双折射消偏振薄膜，其中，制备所述高折射率膜层所采用的入射角度与 制备所述低折射率膜层所采用的入射角度相同。
[0015] 所述的的双折射消偏振薄膜，其中，制备所述高折射率膜层所采用的入射角度与 制备所述低折射率膜层所采用的入射角度相同。
[0016] 所述的的双折射消偏振薄膜，其中，制备所述高折射率膜层所采用的入射角度为 60°，且制备所述低折射率膜层所采用的入射角度为70°。
[0017] 所述的的双折射消偏振薄膜，其中，所述各向异性双折射膜系的材质为Ta20 5。
[0018] 所述的的双折射消偏振薄膜，其中，所述基底的材质包括K9玻璃和/或石英玻璃。
[0019] 所述的双折射消偏振薄膜，其中，所述高折射率薄膜的主轴与所述低折射率薄膜 的主轴垂直。
[0020] 上述技术方案具有如下优点或有益效果：
[0021] 本发明的双折射消偏振薄膜由于使用了倾斜沉积的各向异性高反射膜系，其利用 了在不同沉积角度下薄膜的双折射特性，通过对高低折射率膜层折射率的组合，在45°倾 斜入射条件下实现了 TE和TM两种偏振态光波在中心工作波长范围内的消偏振，且该双折 射消偏振薄膜的光学性能可由沉积薄膜材料以及薄膜沉积过程中倾斜角度的选择来调控， 因而具有很高的设计灵活性和系统集成度。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和 阐述，并不构成对本发明范围的限制。
[0023] 图1是本发明实施例中制备双折射消偏振薄膜的倾斜入射沉积装置的结构示意 图；
[0024] 图2是本发明实施例中45°倾斜入射双折射消偏振薄膜的结构示意图；
[0025] 图3是本发明实施例中双折射消偏振薄膜TE波和TM波的透过率光谱图。
【具体实施方式】
[0026] 本发明提供了一种双折射消偏振薄膜，可应用于45°倾斜的入射光环境中，可应 用于技术节点为9〇11111、65/5511111、45/4〇11111、32/2811111、大于等于13〇111]1以及小于等于22111]1的工 艺中；可应用于非偏振薄膜技术平台中。
[0027] 本发明的双折射消偏振薄膜主要包括：一基底和位于该基底之上的各向异性双折 射膜系；该各向异性双折射膜系包括交替叠置的高折射率膜层和低折射率膜层，且该各向 异性双折射膜系的最外层为高折射率膜层；其中，每层高折射率膜层和低折射率膜层均为 各向异性的膜层，并且，每层高折射率膜层和低折射率膜层的光学厚度均为入射光的波长 的四分之一。
[0028] 下面结合附图和具体实施例对本发明的双折射消偏振薄膜进行详细说明。
[0029] 如图2所示，本实施例中提供了一种双折射消偏振薄膜，其由一基底201，以及在 该基底201上镀制的各向异性双折射率膜系202构成，该各向异性双折射率膜系202由若 干交替叠置的高折射率膜层212和低折射率膜层222组成，且该各向异性双折射率膜系的 最外层为高折射率膜层，其中的高折射率膜层和低折射率膜层均为各向异性的薄膜。该各 向异性双折射率膜系的结构可用（HL)xH来表示，其中，H表示各向异性高折射率膜层，L表 示各向异性低折射率膜层，X为高折射率膜层和低折射率膜层周期性交替重复的次数。在 双折射率膜系中的每一层高折射率膜层和每一层低折射率膜层的厚度均为四分之一的入 射光203的波长。
[0030] 上述的各向异性双折射率膜系的制备方式为采用倾斜入射的物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition,简称：PVD)技术制备，并采用同一镀膜材料，在本实施例中 优选为Ta2O5，如图1所示，利用电子束蒸发的方式通过蒸发源101将薄膜材料加热预熔后 分别以不同的倾斜角度\和Q2周期性交替地沉积在由基片支架102固定的基底上，从而 分别形成高折射率膜层和低折射率膜层，上述的倾斜角度a ,和Ci2为基底法线相对于蒸发 源的倾斜沉积角度，其可通过步进电机103来控制。上述的各向异性双折射率膜系的材料 及倾斜沉积过程中的沉积角度的选择决定了双折射消偏振薄膜的光学性能。
[0031] 对于上述的基底可以采用K9玻璃和/或石英玻璃等，其中K9玻璃的组成如下： SiO2 = 69. 13 % ；B2〇3 = 10. 75 % ；BaO = 3. 07 % ；Na20 = 10. 40 % ；K20 = 6. 29 % ；As203 = 0? 36%。
[0032] 由于本实施例中的双折射消偏振薄膜中的向异性双折射率膜系在倾斜的条件 下，由电子束蒸发技术制备得到，因此该膜系呈明显的柱状结构，而其中每层的各向异 性的微结构导致了膜层各向异性的光学介电常数，所以双折射率消偏振薄膜的结构参 数与基底发现相对于蒸发源的倾斜角度密切相关。双折射膜层结构参数的提取可参见 H. J. Qi et al. , Optical properties and microstructure of Ta205biaxial film, AppI. Opt. 48(1)，127-133(2009)。
[0033] 与各向同性膜层只有一个折射率所不同的是，倾斜沉积的双折射率膜系具有三个 主轴折射率，并且沉积角度不同，薄膜的折射率也会不同，这样，s偏振态光波和p偏振态光 波的薄膜等效折射率也不同，在传输过程中将受到不同的调剂，因此，若采用两种不同倾斜 角度沉积薄膜，就可以利用同一种材料获得具有nsh、nph和nsl、n pl两组高低折射率的膜层， 其中nEih和nSl分别为S偏振光在_低折射率膜层中的折射率，11Ph和 11Pl分别为P偏振光在 高低折射率膜层中的折射率。为了使双折射特性更加显著，所沉积的高折射率膜层和低折 射率膜层的主轴因相互垂直，即高折射率膜层的光轴和低折射率膜层的光轴存在一个90° 的夹角，这样高折射率膜层的s偏振光在低折射率膜层中将以p偏振光的特性传播，而p偏 振光在低折射率膜层中则以s偏振光的特性传播。由于nsh>nsl，nph>n pl，这样在正入射条件 下，s偏振光在高低折射率膜层中的折射率差值较小，而P偏振光折射率差值较大，更容易 实现消偏振效果。
[0034] 无论是各向同性的材料还是各向异性的材料，对于由高折射率膜层和低折射率膜 层交替叠置的各向异性双折射率膜系（HL)xH,其反射率和反射带宽决定于高折射率与低折 射率的比值IihAi1，当膜层数一定使，比值越大，在中心波长处的反射率：
【权利要求】
1. 一种双折射消偏振薄膜，应用于45°倾斜的入射光环境中，其特征在于，包括： 一基底和位于所述基底上的各向异性双折射膜系； 所述各向异性双折射膜系包括交替叠置的高折射率膜层和低折射率膜层，且该各向异 性双折射膜系的最外层为高折射率膜层； 其中，每层所述高折射率膜层和所述低折射率膜层均为各向异性的膜层，且每层所述 高折射率膜层和所述低折射率膜层的光学厚度均为所述入射光的波长的四分之一。
2. 如权利要求1所述的双折射消偏振薄膜，其特征在于，所述各向异性双折射膜系由 倾斜入射沉积工艺进行制备。
3. 如权利要求1所述的双折射消偏振薄膜，其特征在于，所述倾斜入射沉积工艺为倾 斜入射的物理气相沉积工艺。
4. 如权利要求3所述的双折射消偏振薄膜，其特征在于，每层所述高折射率膜层均采 用同一入射角度的倾斜入射沉积工艺进行制备； 每层所述低折射率膜层均采用同一入射角度的倾斜入射沉积工艺进行制备。
5. 如权利要求4所述的的双折射消偏振薄膜，其特征在于，制备所述高折射率膜层所 采用的入射角度与制备所述低折射率膜层所采用的入射角度相同。
6. 如权利要求4所述的的双折射消偏振薄膜，其特征在于，制备所述高折射率膜层所 采用的入射角度与制备所述低折射率膜层所采用的入射角度相同。
7. 如权利要求6所述的的双折射消偏振薄膜，其特征在于，制备所述高折射率膜层所 采用的入射角度为60°，且制备所述低折射率膜层所采用的入射角度为70°。
8. 如权利要求1所述的的双折射消偏振薄膜，其特征在于，所述各向异性双折射膜系 的材质为Ta205。
9. 如权利要求1所述的的双折射消偏振薄膜，其特征在于，所述基底的材质包括K9玻 璃和/或石英玻璃。
10. 如权利要求1所述的双折射消偏振薄膜，其特征在于，所述高折射率薄膜的主轴与 所述低折射率薄膜的主轴垂直。
【文档编号】G02B5/30GK104407410SQ201410697324
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】侯永强, 阎江 申请人:上海华力微电子有限公司