相關申請的交叉引用

本申請要求于2015年1月23日提交的美國臨時專利申請序列no.67/107,112的優(yōu)先權，其全部內(nèi)容通過引用全部并入本文。

以下公開內(nèi)容涉及光學領域、光濾波器領域和相關領域。

背景技術：

已知的透射干涉濾波器采用交替的硅層和二氧化硅(sio2)層的堆疊。已知這種器件用于低至約1100nm的短波和中波紅外，因為硅和sio2在該范圍內(nèi)都是透明的。通過硅的吸收的開始反應來控制較低的波長閾值(對應于上光子能量閾值)，其中硅的結晶形式具有約1.12ev的帶隙。這些器件中的硅的主要優(yōu)點是其折射率高。光學干涉濾波器的光譜分布尤其取決于照明的角度。隨著角度增加，濾波器轉移到較短的波長。這種角度偏移取決于所使用的材料和這些材料的分布。較高的折射率導致更少的角度偏移。對于窄頻帶濾波器，當將濾波器用于光學系統(tǒng)時，角度偏移的量限制了濾波器的有用帶寬。在具有大角度接收角的系統(tǒng)中，與由較低折射率的材料構成的濾波器相比，構造成產(chǎn)生低角度偏移的濾波器可以具有更窄的通頻帶，因此具有更大的噪聲抑制。

為了將器件操作擴展到近紅外，還已知將硅氫化以便采用氫化無定形硅(a-si:h)和sio2的交替層。通過將硅氫化，降低了材料損耗和折射率。通過這種方法，可以實現(xiàn)在800nm至1000nm范圍內(nèi)操作具有非常高性能的干涉濾波器。

本文公開了一些改進。

技術實現(xiàn)要素：

本公開涉及干涉濾波器，該干涉濾波器包括至少一層無定形氫化硅和至少一層一種或多種介電材料的多個層的堆疊，該一種或多種介電材料的折射率低于該無定形氫化硅的折射率，其中該一種或多種介電材料的層包括折射率在1.9至2.7的范圍內(nèi)的介電材料的層。

在一些實施方案中，干涉濾波器包括至少具有最佳添加的氮的無定形氫化硅(asi:h,n)的層以及一種或多種介電材料(例如sio2、siox、sioxny)的層的多個層的堆疊，該介電材料具有在1.9至2.7的范圍內(nèi)的高折射率。將干涉濾波器設計為通頻帶中心波長在750nm至1100nm的范圍內(nèi)。與使用sio2作為低折射率層的類似干涉濾波器相比，折射率在1.9至2.7的范圍內(nèi)的介電材料的層具有更小的角度偏移。

以下更具體地公開本公開的這些和其他非限制特征。

附圖說明

下面為附圖的簡要說明，這些說明是為了示出本文所披露的示例性實施方案，而并非是為了對其加以限制?，F(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案進行描述，其中：

圖1示意性地示出了用于制造如本文所公開的具有改進的透射率和/或減小的角度偏移的近紅外光學干涉濾波器的濺射沉積系統(tǒng)。

圖2示意性地示出了氫化對無定形氫化硅(a-si:h)的光學性質(zhì)(透射率和折射率)的影響。

圖3示意性地示出了氮添加劑對固定氫化水平的a-si:h的光學性質(zhì)(透射率和折射率)的影響。

圖4示意性地示出了使用圖1的濺射沉積系統(tǒng)適當制造的干涉濾波器。

具體實施方式

參照附圖可更完整地理解本文所公開的方法和裝置。為了便于和易于說明現(xiàn)有技術和/或本發(fā)明，這些附圖僅是示意性表示，因此并非旨在表示所述組件或其部件的相對大小和尺寸。

可以通過參考以下所期望的實施方案的詳細描述和其中包括的實施例來更容易地理解本公開。在以下說明書和權利要求書中，將提及被定義為具有以下含義的若干術語。

除非上下文中另有明確說明，否則單數(shù)形式的“一個”、“一種”和“所述”包括多個指代物的情況。

在本申請的說明書和權利要求書中的數(shù)值應被理解為：包括減少到相同有效數(shù)字位數(shù)時相同的數(shù)值、以及與所述值之間的差值小于本申請中所述類型的用以確定該值的常規(guī)測量技術的試驗誤差的數(shù)值。

本文中所披露的全部范圍均包括所列的端值，并且是可獨立組合的(例如，范圍“800nm至1100nm”包括端值800nm和1100nm，并且包括全部的中間值)。

如本文所使用的，可以應用近似用語(如“約”和“基本上”)來修飾可能變化的任何定量表征，而不導致與其相關的基本功能的改變。修飾語“約”還應被視為公開了由兩個端值的絕對值所確定的范圍。例如，“約2至約4”的表述還公開了范圍“2至4”。術語“約”可以指指定數(shù)目加或減10％。

本公開涉及具有改進的透射率的近紅外光學干涉濾波器。

如前所述，包括具有氫化硅(a-si:h)層的層單元的堆疊的干涉濾波器用于在近紅外(800nm至1250nm)中的操作，因為硅的氫化降低了吸收損耗(均來自本征硅和無序引發(fā))，足以在通頻帶中提供可接受的濾波器透射率特性。簡要參見圖2，公知的是這種用于近紅外線的方法具有顯著的缺點。如圖2所示，對于紅外中的固定波長(例如在800nm至1100nm的范圍內(nèi))，增加a-si:h的氫化(也就是說，增加a-si:h中的氫含量)確實會降低損耗，然而，如圖2所示，它也降低了a-si:h的折射率。

用于高數(shù)值孔徑光學系統(tǒng)的窄頻帶干涉濾波器的性能是在材料特性快速變化的近紅外區(qū)域中獲得高透射率與低角度偏移之間的折衷。高透射率對應于低消光系數(shù)(可用大量氫氣獲得)，而小的角度偏移通過高折射率來實現(xiàn)(可用少量氫氣獲得)。

簡要參見圖3，所公開的改進涉及將受控量的氮添加到用于近紅外(800±1100nm)的si基干涉濾波器的a-si:h層。換句話說，這種改進需要用a-si:h,n代替a-si:h。如圖3所示，對于紅外(例如在800nm至1100nm的范圍內(nèi))中的固定波長和對于給定(固定)的氫化水平，加入氮增加了透射率，并且伴隨著折射率的降低。加入氮對折射率的影響遠小于氫化的影響，特別是氮分數(shù)為10％氮以下的情況。因此，該修改使得能夠制造近紅外干涉濾波器，該近紅外干涉濾波器在800-1100nm范圍內(nèi)操作并具有改進的角度偏移、峰值透射率和濾波器帶寬的控制。

另一方面，對于給定的通頻帶寬，在通頻帶中用a-si:h,n代替a-si:h可以提供改進的透射率。在這種方法中，與等效的具有相同折射率步長的基于a-si:h的器件相比(因此，相同的光譜通頻帶寬)，在通頻帶中用a-si:h,n代替a-si:h能夠制造具有改進的透射率的近紅外干涉濾波器。實際上，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在這種設計范例中，這種濾波器的實際操作范圍可以延伸低至750nm。

本領域技術人員將認識到，所公開的基于a-si:h,n的干涉濾波器包括的光譜范圍包括技術上重要的通頻帶，例如850nm光學數(shù)據(jù)通信窗口。

在在該范圍內(nèi)操作的一些干涉濾波器應用中，另一考慮因素是通頻帶的角度偏移。在概念上，角度偏移來自通過層的光線路徑長度，其隨著角度偏離法向入射的增加而增加。這種路徑長度的增加對應于相位延遲的變化，這影響相長干涉/相消干涉，以便引入角度偏移。如果通過層的法向入射路徑長度為dl，那么在材料中以角度θl通過層的路徑長度(法線上測量，即法向入射的θl＝0)為d′l＝dl/cos(θl)。由于根據(jù)斯涅耳定律(snell’slaw)，θl與射向干涉濾波器上的光的入射角θ相關，并假設環(huán)境為空氣(n＝1)，由此得到下式：θl＝arcsin(θ/nl)，其中nl為層的折射率。使用標識可以將其寫為因此，可以看出，通過小的層的折射率nl使角度偏移效應變差。

在常規(guī)的干涉濾波器設計中，通常希望使高折射率層和低折射率層之間的折射率對比度最大化。在硅基干涉濾波器中，高折射率層是a-si:h(其可以由本文公開的a-si:h,n替代)，而二氧化硅(n為1.4-1.5的sio2)用作低折射率層。然而，本文公開了通過在干涉濾波器的一些或全部低折射率層中用較高折射率材料代替sio2，從而在750-1000nm范圍內(nèi)操作的干涉濾波器中獲得減小的角度偏移。在一些預期的實施方案中，替代層是折射率在1.9至2.7的范圍內(nèi)的介電層。提供這些值的一些合適的si兼容材料包括氮化硅(n為2.0-2.2的si3n4)、氮氧化硅(sioxny，其中y足夠大以提供1.9以上的折射率)、五氧化二鉭(n為2.1-2.2的ta2o5)、五氧化二鈮(n為2.3-2.4的nb2o5)或二氧化鈦(n為2.6的tio2)。在本文所示的示例性實施方案中，使用氮化硅(si3n4)。高折射率的a-si:h層或a-si:h,n層應具有足以提供與低折射率層形成所需的折射率對比度的氫(和任選的氮)含量。

此外，為了獲得期望的用于設計規(guī)格角度的低角度偏移，用較高折射率的介電材料(例如si3n4)僅替換堆疊中的一些sio2層可能是足夠的?？梢允褂霉鈱W設計軟件(例如光線跟蹤模擬器)來優(yōu)化具有已知折射率的材料的層位置和厚度，以便實現(xiàn)期望的中心頻帶、帶寬和角度偏移設計的基礎特征。

現(xiàn)在參見圖1，描述了合適的制造系統(tǒng)。示例性的系統(tǒng)采用濺射沉積，然而，也可以考慮其他沉積方法，例如真空蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)等。一般來說，可以使用交流或直流濺射。示例性濺射沉積系統(tǒng)包括處理室10，該處理室10包括濺射靶托12和基板圓盤傳送帶14。對于示例性沉積，將硅靶16(例如硅晶片16)安裝在濺射靶托12中。將一個或多個基板20裝載到基板圓盤傳送帶14中。合適的基板20是諸如玻璃、二氧化硅或氧化鋁之類的材料，該材料在目的波長范圍(例如800nm-1000nm或750nm-1000nm)內(nèi)是透明的。

在濺射沉積中，高能粒子被引導到靶16(在這種情況下是硅靶16)，其中粒子具有足夠的能量以從靶中去除(即“濺射”)材料，然后轉移(以彈道形式和/或在磁場或電場的影響下)到基板20的表面，以便用濺射的材料涂覆基板20。示例性濺射沉積系統(tǒng)采用來自示例性ar氣瓶22或來自另一氬源的氬(ar)氣作為高能粒子。通過向靶16施加負偏壓(-v)而產(chǎn)生電離電場，以便使氬原子電離，然后在由-v電壓偏置產(chǎn)生的電場的影響下轟擊負偏壓的靶16，以便產(chǎn)生濺射。另一方面，與靶16相比，基板20更加正向偏置，例如，在圖1的示例性濺射系統(tǒng)中，將基板20接地。在該示例性構造中，靶16是電路的陰極，并且處理室10(和/或基板20，例如在一些實施方案中，可以將基板圓盤傳送帶14接地)是電路的陽極。盡管在示例性實施方案中氬氣是濺射氣體，但也可以使用其他可以離子化的惰性氣體，例如氙氣。

為了沉積二氧化硅，提供氧氣(o2)瓶24或其他氧源。為了沉積具有氮添加劑的無定形氫化硅(a-si:h,n)，提供氫氣(h2)瓶26或其他氫源(例如氨、nh4或硅烷、sih4)和氮氣(n2)瓶30或其他氮源。提供(示例性示出)進氣歧管32，以便在濺射沉積過程期間使所需的氣體混合物進入處理室10?？梢苑謩e調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)器34以設定ar、o2、h2和n2的流量。處理室10還與合適的排氣裝置36(例如，具有洗滌器等的排氣裝置)連接，以從室10中排出氣體?？梢钥紤]用其他氣體源來代替示例性的o2瓶、h2瓶和n2瓶。其他合適的氮氣源包括氨(nh4)或肼(n2h4)。當使用諸如同時包含氮和氫的氨或肼之類的氣體源時，應進行校準以考慮將氮和氫相對摻入至a-si:h,n層中。諸如基板溫度、靶偏壓(v)、處理室壓力、總流速之類的工藝參數(shù)可能影響氮與氫的相對摻入。提供兩個閥va、vb以在沉積sio2和a-si:h,n之間進行切換。閥va控制來自氧源24的氧進入進氣歧管32，而閥vb控制來自氫源26和氮源30的氫/氮混合物的進入。為了能夠在sio2沉積和a-si:h,n沉積之間快速切換，閥va、vb是自動閥，其致動器根據(jù)濾波器方案(filterrecipe)42由電子濺射控制器40來控制。例如，濺射控制器40可以包括數(shù)模(d/a)轉換器、高電壓源和微處理器或微控制器，其被編程為操作d/a轉換器以產(chǎn)生電致動信號，從而根據(jù)濾波器方案42來打開或關閉相應的閥va、vb，并操作電壓源以將電壓-v施加到靶/陰極16。圖1所示的右下方插入表50總結了分別用于沉積sio2和a-si:h,n的閥va、vb的設置。為了沉積sio2，打開閥va以允許氧氣進入進氣歧管32，同時關閉閥vb以關閉氫源和氮源。所得工藝氣體是氬/氧混合物。為了沉積a-si:h,n，關閉閥va以阻擋氧氣并打開閥vb以允許包括氬/氫/氮混合物的工藝氣體進入進氣歧管32。注意，將氬源22連接至獨立于閥va、vb的進氣歧管32。通常為各氣體源22、24、26、30提供單獨的手動可操作的斷流閥(未示出)，以能夠手動切斷獨立于自動閥va、vb的各氣體源。

如果進一步期望用較高的折射率材料代替一些低折射率層，則可以提供另外的氣體源和合適的閥。在圖1的示例性系統(tǒng)中，為了沉積氮化硅(si3n4)層，提供了由閥vc控制的另外的氮氣(n2)瓶25或其他氮源。如表50中進一步所示，當打開閥vc并且關閉閥va和vb時，獲得si3n4的沉積物。與沉積sio2一樣，通過硅基濺射靶20來提供氮化硅的硅組分。使用合適的校準方法，通過氮氣瓶25上的流量調(diào)節(jié)器來設定所需的化學計量。盡管在圖1中未示出，但是應當理解，通過打開閥va、vc并關閉閥vb，可以使用類似的設置來沉積折射率為1.9以上的sioxny。為了替代不含硅的介電層(例如ta2o5、nb2o5或tio2)，靶托12可以具有多個裝載有硅靶的靶槽，并且還有用于沉積不含硅的介電層的其他裝載有合適靶的槽，所述合適靶包括(例如)鉭、鈮或鈦?；蛘撸梢酝ㄟ^氣體源或其他源來提供鉭、鈮、鈦等。

接下來描述使用圖1的制造系統(tǒng)適當進行的示例性干涉濾波器制造工藝。最初，手動關閉所有氣體源22、24、26、30，使處理室10達到大氣壓并打開，將靶16裝載到靶托12上，并且將基板20裝載到基板圓盤傳送帶14上。然后將處理室10關閉并向下拉至靶真空水平。作為進一步的設置，將流量調(diào)節(jié)器34手動設置為所需的流量。(或者，考慮將流量調(diào)節(jié)器處于濺射控制器40的自動控制下，在這種情況下，根據(jù)濾波器方案中提供的值來適當?shù)卦O定調(diào)節(jié)器)。

通過經(jīng)由進氣歧管32使合適的工藝氣體流動并將陰極偏壓-v施加到靶16以便使由電場驅動的ar原子電離來引發(fā)濺射沉積，從而將硅濺射離開硅靶16。具體的啟動順序取決于具體的濺射沉積系統(tǒng)和其他設計考慮：例如，在一種方法中，首先啟動工藝氣體流，然后施加陰極偏壓-v以引發(fā)濺射沉積；或者，可以在惰性氣體流下施加偏壓并且通過允許適當?shù)墓に嚉怏w來引發(fā)濺射沉積。

在濺射過程中，為了交替沉積sio2(和/或任選的si3n4)層和a-si:h,n層，根據(jù)濾波器方案42和表50的閥設置來打開和關閉閥va和閥vb(和任選的閥vc)?；诔练e時間和從校準沉積獲得的沉積速率的先驗知識，從而控制層厚度。基于通過流量調(diào)節(jié)器34的設置而控制的工藝氣體混合物來確定層組成，該流量調(diào)節(jié)器34的設置是基于校準沉積而設置的(這樣的校準沉積還應包括工藝參數(shù)，例如基板溫度、靶偏壓(-v)、室壓力和校準測試矩陣中的總流量，因為這些參數(shù)也可能影響層組成)。在完成了干涉濾波器層的堆疊的沉積之后，去除工藝氣流和偏置電壓-v(再次，具體的關斷順序取決于特定的沉積系統(tǒng)等)，使處理室10達到大氣壓并打開，然后卸載涂覆的基板20。

參見圖4，示出了如此制造的干涉濾波器100的示意圖。濾波器包括基板102(例如最初負載到基板圓盤傳送帶14上的玻璃、二氧化硅或氧化鋁基板)以及a-si:h,n104和sio2106和/或si3n4108的交替層。在示例性干涉濾波器100中，緊鄰基板102的層是a-si:h,n層104，但在其他實施方案中，介電層可以緊鄰基板。在示例性干涉濾波器100中，最上層是a-si:h,n層104，但在其他實施方案中，介電層可以是最上層。示例性堆疊包括緊鄰sio2/si3n4層的實例，如果符合設計，該實例可以包括在內(nèi)。示例性干涉濾波器100包括在基板102的相對側上的層堆疊110、112，以制造這樣的器件，可能需要打開濺射室并且基板在基板圓盤傳送帶14上“翻轉”。(或者，基板圓盤傳送帶14可以被構造為使得這種操縱能夠自動進行而無需打開處理室)。這種具有兩個濾波器側110、112的濾波器可以(例如)是通頻帶濾波器，其中在該濾波器一側上的堆疊是高通濾波器，而另一側上的堆疊是低通濾波器，然后通過高于高通濾波器截止點且低于低通濾波器截止點的波長范圍來限定通頻帶。

這種濾波器的已知應用是使用硅檢測器的應用。這些波長在存在光源以及檢測器的有源器件中特別有用。在該光譜區(qū)域中，容易獲得廉價、大量且高效的led和激光器。一些主要應用包括但不限于人機(例如計算機)交互的紅外手勢控制、用于汽車的紅外夜視、lidar、用于安全攝像機的紅外夜視和用于移動電話和其他地方的接近cmos傳感器。在這些應用中，有用的波長在700nm至1100nm之間。在這個范圍內(nèi)，a-si:h,n是適用于光學應用的高折射率材料。該范圍內(nèi)的典型折射率為3.3～3.5，而通過對比，tio2的折射率僅為約2.3～2.4。在一些合適的實施方案中，a-si:h,n層包含介于2％至8％之間的氫和介于3％至7％之間的氮，余量為si。通常，更多的氫和氮含量提供更短的波長操作。通常，預期氮濃度高達6％至12％。

在示例性實施方案中，a-si:h,n層104與sio2層106交替。sio2具有用于該目的的有利性質(zhì)，該性質(zhì)包括與a-si:h,n的良好化學相容性和低折射率(n為1.5)，該sio2與a-si:h,n的界面處提供大的折射率步長。然而，考慮將另一介電層替代為sio2層。例如，介電可能不具有精確的sio2化學計量，例如，sio2可以被siox代替，其中x不是精確的2(在本文中也稱為“低氧化硅”)。

作為另一實例，可以考慮將氧氮化硅(sioxny)層作為介電層來代替sio2。通常，當添加氮以從siox到sioxny時，折射率隨著氮含量的增加而增加：例如，化學計量的氮化硅(si3n4)的折射率為約2.0。然而，預期少量的氮(即，sioxny，其中x為2且x>>y)可以改善a-si:h,n層104和相鄰介電層之間的界面質(zhì)量。這些化合物提供折射率調(diào)整，允許構建新的材料組合并連續(xù)地改變折射率分布。

用于設計構成層厚度和構成層的給定折射率的一些合適的設計方法基于以下原理。通常，層中的波長λ由λ＝λ0/n給出，其中λ0是自由空間波長并且n是折射率。來自較高折射率表面的反射引入了180°的相位移，而通過來自較低折射率表面的反射沒有引入相位移。使用這些原理并給出構成層的折射率，選擇構成層的厚度，使得對于基于設計的通頻帶中心波長，通過各個層和的光路長度與其下一層的界面處反射的光路長度構成組合，即波長的整數(shù)倍。用于選擇構成層厚度的更精細的干涉濾波器設計技術(以及折射率，如果這些也是優(yōu)化參數(shù))在以下文獻中給出：h.angusmacleod，薄膜光濾波器(thin-filmopticalfilters)，第四版(seriesinopticsandoptoelectronics,crcpress2010)。

盡管示例性干涉濾波器包括兩層的重復單元，但是預期可以將三層或更多層結合到重復單元中，例如a-si:h,n層和兩個不同的電介電層，以實現(xiàn)期望的通頻帶性質(zhì)(例如，中心波長、fwhm、通頻帶的“平坦度”等)。

已經(jīng)參考示例性實施方案描述了本公開。顯然，在閱讀和理解前面的詳細描述后，其他人將會進行修改和更改。意圖是將本公開解釋為包括所有這些修改和更改，只要它們在所附權利要求或其等同物的范圍內(nèi)即可。

在作為專利權利要求書提出的以下一句話陳述中闡述了進一步的非限制性公開。