基于介质超表面结构的窄带滤光片及其制作方法与流程

本发明属于微纳光子器件领域，更具体地，涉及一种基于介质超表面结构的窄带滤光片及其制作方法。

背景技术

滤光片是在塑料或玻璃基材中加入特种染料或在其表面蒸镀光学膜制成，用以衰减(吸收)光波中的某些光波段或以精确选择小范围波段光波通过，而反射(或吸收)掉其他不希望通过的波段。通过改变滤光片的结构和膜层的光学参数，可以获得各种光谱特性，使滤光片可以控制、调整和改变光波的透射、反射、偏振或相位状态。滤光片的分类方法一般是按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等特性进行分类。滤光片按照光谱特性分类可以分为带通滤光片、截止滤光片、二向分光滤光片(如半透半反镜)、中性密度滤光片、反射滤光片等；滤光片按照光谱波段分类可以分为紫外波段滤光片、可见光滤光片和红外波段滤光片；滤光片按照应用膜层材料分类可以分为软膜滤光片和硬膜滤光片；滤光片按照应用特点分类可以分为医用生化仪用滤光片、荧光显微镜用滤光片、激光滤光片等。

所谓窄带滤光片，是从带通滤光片中细分出来的，其定义与带通滤光相同，也就是这种滤光片在特定的波段允许光信号通过，而偏离这个波段以外的两侧光信号被阻止，窄带滤光片的通带相对来说比较窄，一般为中心波长值的5％以下。基于这种特性，窄带滤光片广泛应用于拉曼光谱研究分析、纳米材料结构的研究、生物医学以及固体激光器系统中。

传统的窄带滤光片的原理是基于多光束干涉，通过精确设计多层介质膜的厚度，构成一种多级串联法布里-珀罗干涉，来实现比较窄的带宽。然而以这种方法，即使在紫外波段，能够达到的最小带宽也有数个纳米；同时，带宽越小，需要的介质膜的层数越多，每一层介质薄膜的生长都需要极为精确的控制，制作难度不断加大，成本极高。而对于激光反射镜以及拉曼光谱分析等应用，带宽越小越好，而基于多光束干涉的传统窄带滤光片无法实现带宽的更进一步缩窄。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超表面结构的窄带滤光片及其制作方法，由此解决传统的多层膜窄带滤光片存在的工艺成本较高、带宽较宽及反射率较高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超表面结构的窄带滤光片，包括：衬底、位于所述衬底上的若干层介质薄膜以及位于所述介质薄膜上的介质超表面功能层；

其中，所述介质超表面功能层的表面为具有亚波长周期性结构的超表面结构，所述超表面结构上制备有若干个拼接的微纳图形阵列，每个所述微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成。

优选地，通过调控所述微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的反射波长，能够减小谐振的带宽，从而实现窄带滤波的特性。

优选地，垂直入射的光束能够激发所述超表面结构的内部光场的集群性相干振荡，所述内部光场的局域振荡与入射光相互作用能够改变光的透射和反射特性。

优选地，所述介质薄膜为高折射率介质层或者低折射率介质层。

优选地，所述窄带滤光片的工作方式为窄带透射或者窄带反射。

优选地，所述微纳图形阵列中的微纳图形排布为四方晶格、六方晶格或者准晶格。

优选地，所述微纳图形为纳米孔、纳米柱、纳米小球、纳米环或纳米棒。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于超表面结构的窄带滤光片的制作方法，包括：

清洗衬底后，在衬底上外延生长若干层介质薄膜，在生长介质薄膜后的基片上形成超表面图形阵列结构的抗蚀掩模；

将所述图形阵列结构转移到顶层介质薄膜上后进行去抗蚀掩模，清洗操作后得到基于介质超表面的窄带滤光片。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、仅需要生长若干层介质膜和介质超表面功能层，降低了滤光片的制作成本和工艺复杂度；

2、通过调控微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的反射波长，能够减小谐振的带宽，能实现更窄的带宽，带宽能够达到纳米以下。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于介质超表面结构的窄带滤光片的截面图；

图2为本发明实施例提供的另一种基于介质超表面结构的窄带滤光片的截面图；

图3为本发明实施例提供的一种制作工艺流程图；

图4为本发明实施例提供的一种介质超表面谐振模式示意图；

图5为本发明实施例提供的一种窄带滤光片的反射谱线示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-介质超表面功能层，2-低折射率间隔层，3-衬底，4-折射率小于1，与1共同构成介质超表面功能层，5-电子抗蚀剂。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于介质超表面的窄带滤光片及其制作方法，以在减少工艺步骤，降低工艺成本的前提下，进一步减小窄带滤光片的带宽。

介质超表面是一种亚波长周期性结构，在光束垂直入射的情况下，能够激发内部光场的集群性相干振荡，这种光场的局域振荡与入射光相互作用能够改变光的透射和反射特性。通过对于介质超表面结构单元和排布的设计，能够减小谐振的带宽，从而实现窄带滤波的特性。与传统的基于多光束干涉的窄带滤光片不同的是，介质超表面不仅性能优异，制作简单，还能与传统的互补金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor，cmos)工艺完全兼容。

图1为本发明实施例提供的一种基于介质超表面的窄带滤光片的截面图，即在衬底3上面外延若干层介质薄膜2，在介质薄膜上制备介质超表面1。

其中，介质超表面功能层的表面为具有亚波长周期性结构的超表面结构，超表面结构上制备有若干个拼接的微纳图形阵列，每个微纳图形阵列为多个相同的微纳图形周期排布构成，通过调控微纳图形阵列中微纳图形的尺寸和周期改变单个微纳图形阵列的反射波长，能够减小谐振的带宽，从而实现窄带滤波的特性。

在一个可选的实施方式中，衬底以及介质薄膜可以由任意介质材料构成，要求该介质材料对目标波段的光波具有较低的损耗或者完全透明即可，具体采用何种方式本发明实施例不做唯一性限定。

在一个可选的实施方式中，介质超表面功能层为亚波长周期性结构，垂直入射的光束能够激发介质超表面的内部光场的集群性相干振荡，内部光场的局域振荡与入射光相互作用能够改变光的透射和反射特性，从而能够通过对于介质超表面结构单元和排布的设计，减小谐振的带宽，从而实现窄带滤波的特性。

在一个可选的实施方式中，介质薄膜为高折射率介质层或者低折射率介质层。

在一个可选的实施方式中，介质薄膜可以为一层或者多层，可以根据实际需要进行确定，本发明实施例不做唯一性限定。

在一个可选的实施方式中，采用不同的介质薄膜设计，窄带滤光片的工作方式可以为窄带透射或者窄带反射。

在一个可选的实施方式中，亚波长周期性结构中的图形结构周期排布可以为四方晶格，六方晶格或者准晶格等，本发明实施例不做唯一性限定。

在一个可选的实施方式中，图形结构形貌可以为纳米孔洞，纳米柱，纳米小球，纳米环或纳米棒中的一种或者几种混合组成，本发明实施例不做唯一性限定。

图2为本发明实施例提供的另一种基于介质超表面的窄带滤光片的截面图，其中，层1和层4共同构成介质超表面的功能层，且层4的折射率低于层1，其与图1实例中的区别在于介质超表面的功能层可以由两层不同的材料构成，亚波长周期性结构既可以单独制备在4上，也可以同时制备在1和4上，以满足不同的材料和工艺需求。

本发明实施例还提供了一种基于超表面结构的窄带滤光片的制作方法，包括：

清洗衬底后，在衬底上外延生长若干层介质薄膜，在生长介质薄膜后的基片上形成超表面图形阵列结构的抗蚀掩模；

将图形阵列结构转移到顶层介质薄膜上后进行去抗蚀掩模，清洗操作后得到基于介质超表面的窄带滤光片。

在一个可选的实施方式中，可以通过外延、沉积、溅射或者其它任何方法以及这些方法的组合生长介质薄膜，本发明实施例不做唯一性限定。

在一个可选的实施方式中，抗蚀掩模可以是电子束抗蚀剂、光刻胶、金属或其他耐腐蚀材料，可以采用激光直写、全息曝光、电子束曝光、极紫外光刻、纳米压印以及聚焦离子束等方法来实现抗蚀掩模的图形化，本发明实施例不做唯一性限定。

在一个可选的实施方式中，采用的电子束抗蚀剂或光刻胶可以是正性或者负性。

在一个可选的实施方式中，可以使用干法刻蚀或湿法腐蚀及它们的组合等方法将图形结构转移到顶层介质薄膜上，本发明实施例不做唯一性限定。

在本发明实施例中，上述基于介质超表面结构的窄带滤光片的制作方法，仅作为实现该窄带滤光片的一种参考性制作方法，并不用于特别的限定和约束其他可行性的制作方法。

如图3中(a)所示，先按照标准的清洗步骤将硅衬底片清洗干净，以作外延生长的准备。

如图3中(b)所示，将清洗干净的硅衬底片放入等离子体增强化学气相沉积法(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，pecvd)外延生长系统中，然后在该系统中连续外延生长二氧化硅、氮化硅两层介质薄膜，其中二氧化硅的厚度1830nm，氮化硅的厚度为500nm。

如图3中(c)所示，在生长完成后的外延片上旋涂电子抗蚀剂5，在本发明实施例中可以选用正性电子抗蚀剂zep520，匀胶机的转速为400rpm，匀胶时间1min，并采用热板在180℃的条件下烘烤3min，此时zep520胶厚约为360nm。

如图3中(d)所示，通过电子束曝光和显影、定影在电子抗蚀剂中形成介质超表面的图形阵列。电子束曝光可以采用vistec公司的ebpg5000+电子束光刻系统，加速电压100kv，曝光zep520所需电子剂量为195c/cm²，选择电子束斑扫描步长为4nm，选用电子束流1na。曝光完成后将样品放入二甲苯溶液中显影70s，然后浸入异丙醇中定影30s，取出后用氮气吹干。

如图3中(e)所示，使用感应耦合等离子体(inductivelycoupledplasma，icp)刻蚀没有被电子抗蚀剂保护的氮化硅，将超表面图形结构转移到氮化硅上面。icp刻蚀机可以采用oxfordinstrumentsplasmalabsystem100系列电感耦合等离子(icp)刻蚀机。刻蚀选用气体sf6+c4f8。在刻蚀的过程中电子抗蚀剂不会完全消耗，确保对氮化硅表面的保护。

如图3中(f)所示，使用去胶液对刻蚀完成的样品进行超声清洗，至此基于介质超表面的窄带滤光片的制作就完成了。

图4是采用上述参数情况下的窄带滤光片在理论上的反射谱线，反射峰波长为1356.42nm，半高宽0.35nm。

图5中(a)是该实例下基于介质超表面的窄带滤光片的俯视图，图5中(b)是介质超表面的谐振模式示意图。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。