基底转移的堆叠光学涂层的制作方法

本技术涉及用于制造基底转移的堆叠光学涂层的方法。

背景技术：

1、高度反射的光学干涉涂层是现代科学和工业努力不可或缺的工具。具有超低光学损耗(即，百万分率(ppm)水平的散射和吸收)的系统最初是在1970年代后期为建造环形激光陀螺仪而开发的，参见美国专利号4,142,958。作为其结果，离子束溅射(ibs)已被确立为黄金标准工艺技术，用于产生在可见光和近红外(nir)内超低损耗反射器。典型地，此类多层由交替的无定形金属氧化物、最常见的是高折射率ta2o5(氧化钽)和低折射率sio2(二氧化硅)薄膜的层组成，可应用在用于光学原子钟、重力波检测器、腔qed和基础物理学测试的窄线宽激光系统中。这些无定形涂层的限制包括过量的布朗(brownian)噪声、对精密光学干涉仪的极限性能具有负面影响、导热性差(典型地低于1wm-1k-1)以及对超过2μm的波长有显著水平的光学吸收，影响了此类低损耗反射器在中红外(mir)内的工作。后者限制意味着性能最高的金属氧化物结构虽然在可见光和nir内展现出非凡的性能，但不能在这个重要的长波长区域中(对于显著长于2μm的波长)以低损耗工作，并且因此需要切换为开发得不太好的无定形ii-vi、iv族或iv-vi化合物。

2、ep 11010091公开了一种基于与弯曲载体基底结合的单晶布拉格反射镜的反射镜组件以及一种制造所述反射镜组件的方法。另外，ep 11010091描述了一种应用于光学精密测量系统的光学谐振器系统，所述系统包括一对形成光学腔的此类反射镜组件。其中公开的方法从制造的角度来看被证明是非常稳健的，并且与ibs沉积的无定形金属氧化物涂层相比已被证明产生许多改善的性能指标。基于基底转移的gaas/algaas多层的这些结晶涂层的经证明的优点包括与具有经证明的在室温下<4×10-5的损耗角和在接近10k的低温温度下约5×10-6的潜在值的典型介质反射镜系统相比时显著降低布朗噪声、与低光学损耗ta2o5/sio2多层的1wm-1k-1相比至少30wm-1k-1的优越热导率，以及最后是能够实现对于在1μm至10μm范围内的波长而言ppm水平的光学吸收损耗。

3、这些单晶涂层典型地通过分子束外延生长，其中由于技术限制，包括在如此长(>20小时)的晶体生长运行期间生长速率的显著漂移、由于晶格失配导致的固有应变累积以及在如此厚的结构中表面缺陷的积累，总厚度有效地限制为约15-20μm。作为这些问题的结果，非常厚的单晶涂层的品质和最终光学性能典型地降低。然而，厚度等于或超过20μm的较厚涂层对于超高反射率反射镜是必需的，特别是对于反射镜中心波长超过2μm而言的中红外光谱区域。

4、鉴于在这些长工作波长(主要在从2至10μm的区域内)下对此类低噪声和低光学损耗端反射镜的兴趣迅速扩大，最终的终端用户现在高度要求进一步改善这些基底转移的结晶涂层的光学性能，特别是光学散射损耗的位置依赖性。

技术实现思路

1、本技术提供了一种替代解决方案以克服上述限制，即降低总体光学损耗并且改善涂层光学特性的位置依赖性的手段。在使用高机械品质的结晶多层的情况下，它还用于显著降低反射镜材料的布朗噪声，同时展现出与ibs沉积的多层反射镜相当的光学性能，具有将这些性能指标扩展到中红外光谱范围内的益处。

2、在申请中，术语结晶、单晶(single crystal)或单晶(monocrystalline)是指如可以通过以下产生的低缺陷密度单晶膜：外延生长技术，诸如分子束外延，mbe；金属有机气相外延，movpe；液相外延，lpe；等。在本技术中，术语结晶和单晶可以互换使用。重要的是要注意，单晶(single crystal)或单晶(monocrystalline)材料结构仍将展现出有限数量的缺陷或位错。然而，单晶材料不含晶界和与所述晶界相关的缺陷，分离多晶样品中不同取向的相邻微晶。

3、在申请中，术语低吸收应理解为指示最大上限为100ppm的光学吸收水平。优选地，这可以降低至<10ppm或甚至在低于1ppm的范围内。

4、在申请中，术语“介质多层涂层”对应于“薄膜涂层”，其也可以称为“多层反射镜”。术语反射镜组件是指与基底一起的多层涂层。

5、在申请中，术语主体基底应理解为供体基底以及生长基底的同义词。

6、本技术提供了用于制造基底转移的光学涂层的方法，所述方法包括：a)在第一主体基底上提供第一光学涂层，作为基础涂层结构；b)在第二主体基底上提供第二光学涂层；c)将基础涂层结构的光学涂层与第二光学涂层直接结合，从而获得一个组合涂层；d)从组合涂层上脱离第一主体基底和/或第二主体基底中的其中一个主体基底。

7、在申请的方法中，涂层结构包括两个或更多个单独的多层，其组合在一起以形成单个转移的光学干涉涂层，称为组合涂层。因此，将至少两个单独的涂层结构在单独的处理步骤中堆叠，以便通过利用直接结合技术产生一个最终涂层结构。

8、通过应用这种堆叠程序，可以制造具有基本上任意厚度的单晶光学干涉涂层。此外，可以实现多材料涂层，允许作为组合涂层的组分的单晶和非晶涂层材料的任意混合物。在本文中，混合材料涂层被称为“混合”涂层。

9、结合或堆叠步骤也可以被视为如下。第一主体基底和第一涂层(具有有限厚度)均由两个表面构成，其中一个表面可以被鉴定为相应基底的顶面，另一个被鉴定为底面。对于第一主体基底和第一涂层两者，每个基底的两个表面中的其中一个表面将被选择作为在其上施加进一步工作的表面。然后该表面将被分别鉴定为主体基底和涂层的顶面。

10、第一光学涂层与第二光学涂层的结合也可以被视为翻转，由此将第一光学涂层或第二光学涂层中的其中一个光学涂层翻转180度，使得两个涂层面对面并且然后通过直接结合过程附接。

11、所采用的堆叠方法降低了可能由多层表面上的生长缺陷驱动的散射损耗的影响。堆叠后，此类缺陷将被掩埋在表面下方的结合界面处。生长缺陷不利于与光学基底的结合的品质。生长缺陷可能引起空隙并且因此对波前误差具有负面影响。掩埋的生长缺陷对堆叠光学涂层中的波前误差具有较小影响，因为可以用平面样品实现更高品质的结合界面，例如，可以为平面几何形状均匀施加高压力。

12、在如上所述的方法中，第一主体基底和第二主体基底可以基本上相似。

13、可替代地，在如上所述的方法中，第一主体基底和第二主体基底可以在厚度和/或材料上不同。

14、在如上所述的方法中，第一光学涂层和第二光学涂层可以基本上相似或甚至来自在多晶片沉积系统中的非常相同的生长运行。

15、在如上所述的方法中，至少一个第二光学涂层可以在厚度和/或材料上不同于第一光学涂层。

16、因此，可以使用相同的源晶片来实现任意厚度。可替代地，可以应用不同的源晶片，例如不同的主体基底、无定形/结晶、电有源/无源结构等，并且可以根据应用的需要使用不同的多层结构。

17、在如上所述的方法中，第一光学涂层和/或第二光学涂层可以是单晶光学涂层，其中在相应的第一主体基底或第二主体基底上形成第一光学涂层和/或第二光学涂层的步骤可以包括通过外延生长技术(例如，分子束外延(mbe)或有机金属气相外延)分别沉积第一光学涂层和/或第二光学涂层。

18、在如上所述的方法中，形成第一光学涂层和/或第二光学涂层的步骤可以进一步包括光刻限定第一光学涂层和/或第二光学涂层的横向几何形状。

19、在如上所述的方法中，形成第一光学涂层和/或第二光学涂层的步骤可以进一步包括借助化学蚀刻将第一光学涂层和/或第二光学涂层的限定横向几何形状挤出并且至少部分地挤出到相应的第一主体基底和/或第二主体基底中；或者形成第一光学涂层和/或第二光学涂层的步骤可以进一步包括使用机械切割和/或研磨方法将第一光学涂层和/或第二光学涂层单片化(singulating)，并且通过选择性化学蚀刻从相应的光学涂层上去除剩余的基底。

20、在如上所述的方法中，将光学基底与组合涂层直接结合的步骤可以进一步包括：使用压机压制组合涂层与光学基底表面直接接触，从而获得组合涂层与光学基底之间的结合，其中如果光学基底具有凹形表面，则使用曲率半径相等且相反或更小的凸形表面压机，否则如果光学基底是平面的，则使用平面压机；其中可以通过以受控的压力值将光学基底、光学涂层和压机夹持在一起来实现压制；并且任选地进一步包括例如在70℃-300℃之间的温度下并且在跨越1至24小时的时间内将结合的光学基底退火；并且任选地借助化学蚀刻在结合后去除任何剩余的主体基底。

21、在如上所述的方法中，光学基底可以是弯曲的，其曲率半径roc在0.1m与10m之间或在0.5km与10km之间。

22、在如上所述的方法中，第一主体基底可以包括gaas、ge或si；并且光学基底可以是透明的，特别是在1064nm或1550nm的波长下，或对于2与10μm之间的mir波长，并且其中可以将光学基底的顶面抛光。

23、在如上所述的方法中，光学基底可以包括sio2、蓝宝石、超低膨胀玻璃、ule、si、ge和znse。

24、在如上所述的方法中，光学涂层可以包括结晶半导体层，其为基于algaas三元合金的单晶外延层，其中第一类型和第二类型可以包括alxga1-xas，其中0<x<1；其中对于第一类型的层，x小于第二种类型的层。

25、在堆叠结构中，涂层的单独组分可以由以下组成：具有不同晶格常数的单晶材料，例如基于gaas、基于inp、基于gan的材料等或其组合；以及完全无定形材料；多晶材料；或各自的混合物。这种额外的自由度能够设计先进的无源和有源特征的结构以及光学涂层，这是用单一材料平台无法实现的。

26、本技术进一步提供通过如上所述制造方法获得的直接结合光学涂层。

27、当结合附图时从以下详细描述，本技术的以上和其他方面、特征和优点将变得更加明显。

28、总之，本技术涵盖单独堆叠的涂层的生产，用于后续的基底转移步骤，以便将先前堆叠的涂层转移到任意基底上。堆叠程序允许克服各种技术障碍，包括对于如用于生产超低损耗光学涂层的各种晶体生长技术的总厚度限制，以及可能使光学部件的最终性能降级的缺陷密度的降低。光学品质和表面品质两者对于基底转移涂层过程是必需的，或对于组合两种不同的涂层材料或结构(包括具有不同晶格常数的单晶材料、各种无定形和多晶材料、电光无源和有源结构或其中的组合)是必需的。

29、本技术的另一个实施方案提供了用于制造混合光学涂层或混合反射镜组件的方法，所述方法包括：a)通过外延生长技术在第一主体基底上提供第一光学涂层，所述第一光学涂层具有交替的高折射率和低折射率的结晶材料层；b)通过物理气相沉积(pvd)技术在第二主体基底上提供第二光学涂层，所述第二光学涂层具有交替的高折射率和低折射率的介质材料层；c)将所述第一光学涂层与所述第二光学涂层直接结合；以及d)去除所述第一主体基底。

30、本技术的另一个实施方案提供了使用替代技术制造混合涂层的方法，所述方法包括：a)通过外延生长技术在第一主体基底上提供第一光学涂层，所述第一光学涂层具有多个交替的高折射率和低折射率的结晶材料层；b)通过物理气相沉积(pvd)技术在所述第一光学涂层上提供第二光学涂层，所述第二光学涂层具有多个交替的高折射率和低折射率的介质材料层；c)将所述第二光学涂层与第二主体基底直接结合；以及d)去除所述第一主体基底。

31、本技术的另一个实施方案提供了混合光学涂层，所述混合光学涂层包括：基底；沉积在所述基底上的第一光学涂层；以及结合在第一光学涂层上的第二光学涂层；其中所述第一光学涂层包括多个交替的高折射率和低折射率的介质材料层；并且其中所述第二光学涂层包括多个交替的高折射率和低折射率的结晶材料层。