具有改进的透射率的近红外光学干涉滤波器

本申请是申请号为201680008448.5的中国专利申请的分案申请。申请号为201680008448.5的中国专利申请是国际申请PCT/US2016/018429的中国国家阶段申请，其要求于2015年2月18日提交的题为“NEAR INFRARED OPTICAL INTERFERENCE FILTERS WITHIMPROVED TRANSMISSION(具有改进的透射率的近红外光学干涉滤波器)”的美国临时申请62/117,598的权益。2015年2月18日提交的美国临时申请62/117,598的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

以下涉及光学领域、光学滤波器领域和相关领域。

背景技术

已知的透射型干涉滤波器采用交替的硅和二氧化硅(SiO

为了将器件操作扩展到近红外，还已知使硅氢化，以便使用氢化非晶硅(a-Si:H)和SiO

本文公开了一些改进。

发明内容

在本文公开的一个示例性方面中，公开了一种干涉滤波器，其包括层堆叠，层堆叠包括多个层，多个层至少有：添加了氮的非晶氢化硅(a-Si:H,N)层和一个或多个介电材料层，介电材料层的折射率低于a-Si:H,N的折射率。作为非限制性的实例，一个或多个介电材料可以包括SiO

在本文公开的另一个示例性的方面中，干涉滤波器包括层堆叠，堆叠包括交替的a-Si:H,N和硅基介电层，其中干涉滤波器具有至少一个中心波长在750-1100nm的范围内(含端点)，或更优选在800-1100nm的范围内(含端点)的至少一个通带。作为非限制性实例，硅基介电层可以包括氧化硅(SiO

在本文公开的另一示例性方面中，公开了一种制造包括交替的a-Si:H,N层和SiO

在本文公开的另一示例性方面中，干涉滤波器包括层堆叠，层堆叠包括多个层，该多个层中至少有非晶氢化硅层，以及具有低于非晶氢化硅的折射率的折射率的一个或多个介电材料层，包括折射率在1.9至2.7的范围内(含端点)的介电材料层。在一些实施例中，折射率在1.9至2.7的范围内(含端点)的介电材料层包括一层或多层，包括Si

附图说明

图1示意性地示出了用于制造如本文所公开的具有改进的透射率和/或减小的角偏移的近红外光学干涉滤波器的溅射沉积系统。

图2示意性地示出了氢化对于非晶氢化硅(a-Si:H)的光学性质(透射率和折射率)的影响。

图3示意性地示出了氮添加剂对于固定氢化水平的a-Si:H的光学性质(透射率和折射率)的影响。

图4示意性地示出了适于使用图1的溅射沉积系统制造的干涉滤波器。

具体实施方式

如前所述，包括具有氢化硅(a-Si:H)层的层单元堆叠的干涉滤波器用于在近红外(800-1250nm)中操作，这是因为硅的氢化将吸收损耗(既来自本征硅，又来自无序诱导)降低到足以在通带中提供可接受的滤波器透射特性。简要参考图2，这里认识到，用于近红外的这种方法具有显著的缺点。如示意图2所示，对于红外中的固定波长(例如在800-1100nm的范围内)，增加a-Si:H的氢化(也就是说，增加a-Si:H的氢含量)确实会降低损耗，但是如图2中示意性地所示，它也降低了a-Si:H的折射率。

用于高数值孔径光学系统的窄带干涉滤波器的性能是在材料特性快速变化的近红外区域获得高透射率与低角偏移之间的折衷。高透射率对应于低消光系数(可用大量氢获得)，而小角偏移通过高折射率实现(可用少量氢获得)。

简要参考图3，所公开的改进涉及将受控量的氮添加到用于近红外(800-1100nm)的硅基干涉滤波器的a-Si:H层中。换句话说，这种改进需要用a-Si:H,N代替a-Si:H。如图3中示意性地所示，对于红外中(例如在800-1100nm范围内)的固定波长和对于给定(固定)的氢化水平，加入氮增加了透射率，伴随着折射率较小的降低。加入氮对折射率的影响远小于氢化的影响，特别是对于10％的氮或更低的范围内的氮百分率而言。因此，该修改使得能够在制造在800-1100nm的范围内工作同时具有角偏移、峰值透射率和滤波器带宽的改进控制的近红外干涉滤波器。

另一方面，对于给定的通带宽度，用a-Si:H,N代替a-Si:H可以提供在通带中改进的透射率。在这种方法中，与具有相同折射率步阶(因此，相同的光谱通带宽度)的等效的基于a-Si:H的器件相比，用a-Si:H,N代替a-Si:H能够制造在通带中具有改进的透射率的近红外干涉滤波器。实际上，本发明人已经发现，在这种设计范例中，这种滤波器的实际工作范围可以向下扩展到750nm。

本领域技术人员将认识到，所披露的基于a-Si:H,N的干涉滤波器所涵盖的光谱范围包括技术上重要的通带，例如850nm的光学数据通信窗口。

在该范围内工作的一些干涉滤波器应用中，另一个考虑因素是通带的角偏移。在概念上，角偏移是由通过层的光线路径长度随着偏离正入射的角度偏离增加而增加所导致的。路径长度的这种增加对应于相位延迟的变化，其影响相长/相消干涉从而引入角偏移。如果通过层的正入射路径长度为d

在常规的干涉滤波器设计中，通常希望使高折射率层与低折射率层之间的折射率对比度最大化。在硅基干涉滤波器中，高折射率层是a-Si:H(其可以由本文公开的a-Si:H,N替代)，而二氧化硅(具有n～1.4-1.5的SiO

此外，为了获得对于设计规格角的所期望的低角偏移，仅用折射率较高的介电材料(例如Si

现在参考图1，描述了合适的制造系统。示例性的系统采用溅射沉积，然而，也可以设想到其它沉积方法，例如真空蒸发、电子束蒸发等。一般来说，可以使用a.c.(交流)溅射或d.c.(直流)溅射。示例性溅射沉积系统包括处理室10，其包含溅射靶保持器12和衬底转盘14。对于示例性的沉积，将硅靶16(例如硅晶片16)安装在溅射靶保持器12中。一个或多个衬底20被装载到衬底转盘14中。衬底20适当地由诸如玻璃、二氧化硅或氧化铝的材料制成，其在重点关注的波长范围内(例如800-1000nm或750-1000nm)是透明的。

在溅射沉积中，高能粒子被引向到靶16(在这种情况下是硅靶16)，这些粒子具有足够的能量来从靶上去除(即“溅射”)材料，然后转移(沿弹道和/或在磁场或电场的影响下)到衬底20的表面，以便用溅射的材料涂覆衬底20。示例性的溅射沉积系统使用来自示例性的氩(Ar)气瓶22或来自另一氩源的氩(Ar)气作为高能粒子。通过向靶16施加负偏压(-V)而产生电离电场以电离氩原子，然后氩原子在由-V电压偏置产生的电场的影响下轰击负偏压的靶16，以便产生溅射。另一方面，与靶16相比，衬底20被更加正向偏置，例如衬底20在图1的示例性的溅射系统中接地。在该示例性配置中，靶16是电路的阴极，并且室10(和/或衬底20，例如在一些实施例中衬底转盘14可以接地)是电路的阳极。尽管在示例性的实施例中氩气是溅射气体，但可以替代地使用能被电离的其它惰性气体，例如氙气。

为了沉积二氧化硅，提供氧气(O

如果进一步希望用较高折射率材料代替一些低折射率层，则可以连同合适的阀门装置一起提供附加气体源。在图1的示例性的系统中，为了沉积氮化硅(Si

接下来描述适于使用图1的制造系统执行的示例性干涉滤波器的制造过程。初始，所有气体源22，24，26，30被手动关闭，使处理室10达到大气压并打开，靶16被装载到靶保持器12上，并且将衬底20装载到衬底转盘14上。然后将处理室10关闭并抽低至目标真空水平。作为进一步的设置，流量调节器34被手动设置为期望的流速。(可替代地，考虑到流量调节器在溅射控制器40的自动控制下，在这种情况下，调节器根据滤波器配方中提供的值来适当地设定)。

溅射沉积如此开始：通过使合适的工艺气体流经气体入口歧管32，并将阴极偏压-V施加到靶16，以便电离由电场驱动的Ar原子以将硅从硅靶16溅射出去。特定的启动顺序取决于特定的溅射沉积系统和其他设计考虑：例如，在一种方法中，首先启动工艺气体流，然后施加阴极偏压-V以开始溅射沉积；可替代地，可以在惰性气体流下施加偏压并且通过允许适当的工艺气体进入来开始溅射沉积。

在溅射期间，根据滤波器配方42和表50的阀设置，阀VA和VB(和可选的VC)被打开和关闭，以便在沉积SiO

参考图4，示出了如此制造的干涉滤波器100的概略示图。滤波器包括衬底102(例如最初装载到衬底转盘14上的玻璃、二氧化硅或氧化铝衬底)以及a-Si:H,N 104和SiO

这种滤波器的已知应用是在使用硅检测器的应用中。这些波长在存在光源以及检测器的有源器件中特别有用。在该光谱区域中，LED和激光器容易获得，其便宜，量大且高效。一些主要应用包括但不限于人机(例如计算机)交互的红外姿势控制，用于汽车的红外夜视，LIDAR，用于安全摄像机的红外夜视和用于移动电话和其他地方的接近CMOS传感器。在这些应用中，有用的波长在700与1100nm之间。在这个范围内，a-Si:H,N是适用于光学应用的高折射率材料。该范围中的典型折射率为3.3～3.5，而作为比较的TiO

在示例性的实施例中，a-Si:H,N层104与SiO

作为另一个实例，可以考虑将氧氮化硅(SiO

用于设计构成层的构成层厚度和给定折射率的一些合适的设计方法基于以下。通常，层中的波长λ由λ＝λ

尽管示例性的干涉滤波器包括两层的重复单元，但是可设想将三层或更多层结合到重复单元中，例如a-Si:H,N层和两个不同的介电层，以实现所期望的通带性质(例如通带的中心波长、FWHM、“平坦度”等)。

应当理解，上述公开的各种特征和功能和其他特征和功能或其替代方案可以如所需地组合到许多其它不同的系统或应用中。将进一步理解，其后本领域技术人员可以做出其中的各种当前未预见的或非预期的替代、修改、变化或改进，这些替代、修改、变化或改进也意在被所附权利要求所涵盖。

以下内容对应于母案申请中的原始权利要求书，现作为说明书的一部分并入此处：

1、一种干涉滤波器，包括：

层堆叠，包括多个层，所述多个层至少有：

加入氮的非晶氢化硅(a-Si:H,N)层；和

一个或多个介电材料层，其具有低于a-Si:H,N的折射率的折射率。

2、项1所述的干涉滤波器，其中所述一个或多个介电材料包括SiO

3、项1所述的干涉滤波器，其中所述一个或多个介电材料包括低氧化硅(SiO

4、项1所述的干涉滤波器，其中所述一个或多个介电层包括氮氧化硅(SiO

5、项1所述的干涉滤波器，其中所述一个或多个介电材料层包括折射率在1.9至2.7的含端点范围内的介电材料层。

6、项5所述的干涉滤波器，其中折射率在1.9至2.7的含端点范围内的介电材料层包括一层或多层，包括Si

7、项6所述的干涉滤波器，其中一个或多个介电材料层还包括SiO

8、项1-7中任一项所述的干涉滤波器，其中所述层堆叠被配置为具有在800-1100nm的含端点范围内的通带中心波长。

9、项1-7中任一项所述的干涉滤波器，其中所述层堆叠被配置为具有在750-1100nm的含端点范围内的通带中心波长。

10、项1-9中任一项所述的干涉滤波器，其中所述a-Si:H,N具有1％与4％之间的氢和2％与6％之间的氮的原子浓度。

11、项1-10中任一项所述的干涉滤波器，还包括：

支撑所述层堆叠的透明衬底。

12、项11所述的干涉滤波器，其中所述透明衬底包括玻璃衬底。

13、项11-12中任一项所述的干涉滤波器，其中所述层堆叠包括在透明衬底的一侧上的第一层堆叠和在所述透明衬底的相对侧上的第二层堆叠。

14、项13所述的干涉滤波器，其中所述第一层限定具有低通截止波长的低通滤波器，所述第二层堆叠限定具有高通截止波长的高通滤波器，并且所述干涉滤波器具有限定在所述高通截止波长与所述低通截止波长之间的通带。

15、一种干涉滤波器，包括：

层堆叠，包括交替的a-Si:H,N和硅基介电层；

其中所述干涉滤波器具有中心波长在750-1100nm的含端点范围内的至少一个通带。

16、项15所述的干涉滤波器，具有中心波长在800-1100nm的含端点范围内的至少一个通带。

17、项15所述的干涉滤波器，其中所述通带中心波长为850nm。

18、项15-17中任一项所述的干涉滤波器，其中所述硅基介电层包括氧化硅(SiO

19、项18所述的干涉滤波器，其中所述氧化硅(SiO

20、项15-17中任一项所述的干涉滤波器，其中所述硅基介电层包括氧氮化硅(SiO

21、项15-20中任一项所述的干涉滤波器，其中所述a-Si:H,N具有4％与8％之间的氢和2％与12％之间的氮的原子浓度。

22、项15-21中任一项所述的干涉滤波器，还包括：

支撑所述层堆叠的透明衬底。

23、项22所述的干涉滤波器，其中所述透明衬底包括玻璃衬底。

24、一种制造干涉滤波器的方法，所述干涉滤波器包括交替的a-Si:H,N和SiO

将硅从硅靶溅射到滤波器衬底上；和

在所述溅射期间，在(i)工艺气体包括氢气和氮气从而沉积a-Si:H,N和(ii)工艺气体包含氧气从而沉积SiO

25、项24所述的方法，其中所述溅射包括：

对所述硅靶施加负偏压；和

在(i)包括氢气和氮气的工艺气体和(ii)包括氧气的工艺气体中都包括惰性气体组分。

26、项25所述的方法，其中所述惰性气体是氩气。

27、项24-26中任一项所述的方法，其中所述溅射和所述交替被配置为制造具有在800-1000nm的含端点范围内的通带中心波长的干涉滤波器。

28、项24-26中任一项所述的方法，其中所述溅射和所述交替被配置为制造具有在750-1000nm的含端点范围内的通带中心波长的干涉滤波器。

29、一种干涉滤波器，包括：

层堆叠，包括多个层，所述多个层至少有：

非晶氢化硅层；和

一个或多个介电材料层，具有低于非晶氢化硅的折射率的折射率，包括折射率在1.9至2.7的含端点范围内的介电材料层。

30、项29所述的干涉滤波器，其中折射率在1.9至2.7的含端点范围内的介电材料层包括一层或多层，包括Si

31、项29-30中任一项所述的干涉滤波器，其中一个或多个介电材料层还包括SiO

32、项31所述的干涉滤波器，其中所述层堆叠包括紧邻介电材料层的至少一个SiO

33、项29-32中任一项所述的干涉滤波器，其中所述非晶氢化硅包括氮。

34、项33所述的干涉滤波器，其中包括氮的所述非晶氢化硅具有在1％与4％之间的氢和2％与6％之间的氮的原子浓度。