一种高对比度光栅偏振片的制作方法

1.本公开一般涉及光电器件技术领域，具体涉及一种高对比度光栅偏振片。


背景技术：

2.偏振片是一种滤光器，其允许特定偏振方向的光波通过，同时阻挡其它偏振方向的光波。根据工作原理的不同，商用偏振片可以分为薄膜偏振片和线栅偏振片两类。薄膜偏振片是将有机化合物的分子链沿特定方向排列，而线栅偏振片是在玻璃上周期地刻蚀金属光栅，并利用麦克斯韦方程组来求解结构的边界条件。相较于薄膜偏振片，线栅偏振片具有更高的透射率、更高的消光比以及更大的工作温度范围。
3.然而，相关技术中线栅偏振片的制作工艺困难，价格昂贵，这严重影响了大规模量产。并且根据金属对电磁波的作用原理，电磁波只能在金属表面与之相互作用，对于大多数金属而言这个穿透深度约为10nm，但目前为了支撑光栅的特定结构，金属光栅的厚度一般在100nm～300nm，使得位于内部的金属没有任何光电作用，材料浪费很大，同时也极大地增加了制作难度。


技术实现要素：

4.鉴于相关技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种高对比度光栅偏振片，结构简单，同时成本低廉。
5.本公开提供一种高对比度光栅偏振片，所述偏振片包括：
6.衬底；
7.位于所述衬底上的高对比度光栅以及与所述高对比度光栅交错设置的等离子体金属天线结构，所述高对比度光栅包括半导体光栅或者电介质光栅；所述高对比度光栅用于透射第一偏振方向的光，所述等离子体金属天线结构用于反射第二偏振方向的光，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向相反。
8.可选地，在本公开一些实施例中，所述等离子体金属天线结构位于高对比度光栅间隙的底部、左侧壁和右侧壁中的至少一个位置。
9.可选地，在本公开一些实施例中，所述等离子体金属天线结构位于每个高对比度光栅条的顶部、左侧壁和右侧壁；或者，所述等离子体金属天线结构位于每个高对比度光栅条的顶部。
10.可选地，在本公开一些实施例中，所述衬底与所述高对比度光栅之间，和/或，所述衬底与所述等离子体金属天线结构之间还分别设置有第一粘结层。
11.可选地，在本公开一些实施例中，所述第一粘结层包括sin层、al2o3层和sio2层中的任意一种。
12.可选地，在本公开一些实施例中，所述等离子体金属天线结构与所述高对比度光栅之间，和/或，所述等离子体金属天线结构与所述第一粘结层之间还分别设置有第二粘结层。
13.可选地，在本公开一些实施例中，所述第二粘结层包括ti层、ge层和al层中的任意一种。
14.可选地，在本公开一些实施例中，所述高对比度光栅的外表面以及所述等离子体金属天线结构的外表面覆盖有保护层。
15.可选地，在本公开一些实施例中，所述等离子体金属天线结构的凹槽内，和/或，所述等离子体金属天线结构与高对比度光栅间隙所围成的凹槽内还分别填充有所述保护层。
16.可选地，在本公开一些实施例中，所述保护层包括sin层、al2o3层和sio2层中的任意一种。
17.从以上技术方案可以看出，本公开实施例具有以下优点：
18.本公开实施例提供了一种高对比度光栅偏振片，该偏振片中高对比度光栅采用半导体材料或者电介质材料制成，由此可以替代大部分金属材料，能够大幅降低生产成本；并且设置有与高对比度光栅交错分布的等离子体金属天线结构，还能够减小光栅厚度，结构简单，便于制造，同时性能仍然非常接近于传统的线栅偏振片。
附图说明
19.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本公开的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
20.图1为本公开实施例提供的一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
21.图2为本公开实施例提供的一种s偏振光入射到高对比度光栅偏振片上的示意图；
22.图3为本公开实施例提供的一种θ等于0度且φ等于90度的s偏振光的电场模拟示意图；
23.图4为本公开实施例提供的一种p偏振光入射到高对比度光栅偏振片上的示意图；
24.图5为本公开实施例提供的一种θ等于0度且φ等于90度的p偏振光的电场模拟示意图；
25.图6为本公开实施例提供的一种偏振片的电子显微镜图像；
26.图7为本公开实施例提供的再一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
27.图8为本公开实施例提供的再一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
28.图9为本公开实施例提供的再一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
29.图10为本公开实施例提供的另一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
30.图11为本公开实施例提供的另一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
31.图12为本公开实施例提供的另一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
32.图13为本公开实施例提供的又一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
33.图14为本公开实施例提供的又一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
34.图15为本公开另一实施例提供的一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
35.图16为本公开另一实施例提供的再一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
36.图17为本公开另一实施例提供的再一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
37.图18为本公开另一实施例提供的又一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
38.图19为本公开再一实施例提供的一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
39.图20为本公开再一实施例提供的另一种高对比度光栅偏振片的结构示意图；
40.图21为本公开再一实施例提供的又一种高对比度光栅偏振片的结构示意图。
41.附图标记：
42.100-高对比度光栅偏振片，101-衬底，102-高对比度光栅，103-等离子体金属天线结构，104-第一粘结层，105-第二粘结层，106-保护层，107-缝隙，108-气孔。
具体实施方式
43.为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。
44.本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便描述的本公开的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
45.此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
46.为了便于理解和说明，下面通过图1至图21详细地阐述本公开实施例提供的高对比度光栅偏振片。
47.请参考图1，其为本公开实施例提供的一种高对比度光栅偏振片的结构示意图。该高对比度光栅偏振片100包括衬底101、位于衬底101上的高对比度光栅(high contrast grating，hcg)102以及与高对比度光栅102交错设置的等离子体金属天线结构103，其中高对比度光栅102能够透射第一偏振方向的光，等离子体金属天线结构103能够反射第二偏振方向的光，而第一偏振方向与第二偏振方向相反，例如偏振光包括但不限于s偏振光、p偏振光、圆偏振光或者椭圆偏振光等，以及透射光主要是平行于高对比度光栅条的线性偏振，而反射光主要是垂直于高对比度光栅条的偏振。
48.进一步地，如图2所示，其为本公开实施例提供的一种s偏振光入射到高对比度光栅偏振片上的示意图，偏振光以θ角入射到光栅上，φ为90度，其中φ等于90度的s偏振光意味着光的电场方向平行于光栅。在这种情况下，当光与高对比度光栅102相互作用时，通过设计特定的周期、占空比和光栅厚度，使得来自光栅顶部的反射相位与来自光栅底部的反射相位不同，因此能够实现抑制光反射的功能，并且由于光的电场方向平行于光栅，而光栅之间充满空气，因此金属对光的影响很小，大部分φ等于90度的s偏振光可以穿过该结构。如图3所示，其为本公开实施例提供的一种θ等于0度且φ等于90度的s偏振光的电场模拟示意图，从图3可看出光穿过光栅。
49.如图4所示，其为本公开实施例提供的一种p偏振光入射到高对比度光栅偏振片上的示意图，偏振光以θ角入射到光栅上，φ为90度，其中φ等于90度的p偏振光意味着光的电场方向垂直于光栅。在这种情况下，光将与金属特别是两个侧壁的金属产生很大的相互作用，使得电场不能穿透金属而被反射，由于两个侧壁都反射了电场，因此这两个电场将会发
生干涉现象，空腔作为天线谐振器工作，最终光被反射出去，不能穿过该结构。如图5所示，其为本公开实施例提供的一种θ等于0度且φ等于90度的p偏振光的电场模拟示意图，从图5可看出光无法穿过光栅。
50.需要说明的是，本公开实施例中衬底101可以由一种或多种在偏振片工作波长下基本透明的材料制成，例如工作波长包括但不限于euv(极紫外)、duv(深紫外)、uv(紫外)、vis(可见)、nir(近红外)、mir(中红外)、fir(远红外)或者thz(太赫兹)等，材料包括但不限于sio2(二氧化硅)、al2o3(氧化铝)或者si(硅)等，或者衬底101也可以为各种类型的玻璃衬底、非晶衬底、多晶衬底或者晶体衬底等；高对比度光栅102包括但不限于半导体光栅或者电介质光栅，例如采用si(硅)、sin(氮化硅)、al2o3(氧化铝)或者任何其它种类的非导电材料制成；等离子体金属天线结构103可以是任何种类的金属，例如au(金)、ag(银)、al(铝)、fe(铁)、合金或者其它导电材料。
51.可选地，本公开实施例中高对比度光栅偏振片100可以是周期结构或者非周期结构。以及，本公开另一些实施例中高对比度光栅偏振片100可以是一维结构或者二维结构。
52.示例性地，下面对本公开实施例中等离子体金属天线结构103进行详细说明。例如，等离子体金属天线结构103位于高对比度光栅间隙的底部、左侧壁和右侧壁中的至少一个位置。比如图1所示，等离子体金属天线结构103位于高对比度光栅间隙的底部、左侧壁和右侧壁，其中图6为本公开实施例提供的偏振片的电子显微镜图像，暗区表示高对比度光栅102，亮区表示等离子体金属天线结构103；再如图7所示，等离子体金属天线结构103位于高对比度光栅间隙的底部和左侧壁；再如图8所示，等离子体金属天线结构103位于高对比度光栅间隙的底部和右侧壁；再如图9所示，等离子体金属天线结构103位于高对比度光栅间隙的底部；另如图10所示，等离子体金属天线结构103位于高对比度光栅间隙的左侧壁和右侧壁；另如图11所示，等离子体金属天线结构103位于高对比度光栅间隙的左侧壁；另如图12所示，等离子体金属天线结构103位于高对比度光栅间隙的右侧壁。
53.再例如，图13所示的等离子体金属天线结构103位于每个高对比度光栅条的顶部、左侧壁和右侧壁。或者，图14所示的等离子体金属天线结构103位于每个高对比度光栅条的顶部。
54.可选地，本公开实施例中衬底101与高对比度光栅102之间，和/或，衬底101与等离子体金属天线结构103之间还分别设置有第一粘结层104，由此能够增强高对比度光栅102的粘附力。例如图15所示，衬底101与高对比度光栅102之间以及衬底101与等离子体金属天线结构103之间均设置有第一粘结层104，该第一粘结层104可以包括sin层、al2o3层和sio2层中的任意一种。实际生产过程中，第一粘结层104可以通过ald(atomic layer deposition，原子层沉积法)，pecvd(plasma enhanced chemical vapor deposition，等离子体增强化学气相沉积法)，cvd(chemical vapor deposition，化学气相沉积法)或者pvd(physical vapor deposition，物理气相沉积法)等方式进行沉积。
55.可选地，本公开实施例中等离子体金属天线结构103与高对比度光栅102之间，和/或，等离子体金属天线结构103与第一粘结层104之间还分别设置有第二粘结层105，由此能够增强金属表面的粘附力。例如图16所示，等离子体金属天线结构103与第一粘结层104之间设置有第二粘结层105，该第二粘结层105可以包括ti(钛)层、ge(锗)层和al(铝)层中的任意一种。实际生产过程中，第二粘结层105可以通过ald、pecvd、cvd、pvd或者溅射等方式
进行沉积。
56.可选地，如图17所示，本公开实施例中高对比度光栅102的外表面以及等离子体金属天线结构103的外表面覆盖有保护层106，而本公开另一些实施例中等离子体金属天线结构103的凹槽内，和/或，如图18所示，等离子体金属天线结构103与高对比度光栅间隙所围成的凹槽内还分别填充有保护层106，由此能够保护整个偏振片表面，延长使用寿命，可靠性强。例如，保护层可以包括sin层、al2o3层和sio2层中的任意一种，其可以通过ald、pecvd、cvd或者pvd等方式进行沉积。
57.另外需要说明的是，如图19所示，本公开实施例中与一个光栅侧壁相邻的金属、与另一个光栅侧壁相邻的金属、光栅间隙底部的金属和光栅顶部的金属可以具有不同的厚度。在等离子体金属天线结构103位于高对比度光栅间隙的底部、左侧壁和右侧壁的偏振片中，侧壁金属厚度除以底部金属厚度的比值可以大于0.2且小于3。如图20所示，在金属与高对比度光栅102之间，和/或，金属与衬底101之间可以有缝隙107，该缝隙107应小于30nm。以及如图21所示，金属层中可能有不连续的地方，即存在气孔108，而这种不连续的尺寸应小于两个光栅之间的距离。
58.本公开实施例提供的高对比度光栅偏振片，该偏振片中高对比度光栅采用半导体材料或者电介质材料制成，由此可以替代大部分金属材料，能够大幅降低生产成本；并且设置有与高对比度光栅交错分布的等离子体金属天线结构，还能够减小光栅厚度，结构简单，便于制造，同时性能仍然非常接近于传统的线栅偏振片。
59.需要说明的是，以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种高对比度光栅偏振片，其特征在于，所述偏振片包括：衬底；位于所述衬底上的高对比度光栅以及与所述高对比度光栅交错设置的等离子体金属天线结构，所述高对比度光栅包括半导体光栅或者电介质光栅；所述高对比度光栅用于透射第一偏振方向的光，所述等离子体金属天线结构用于反射第二偏振方向的光，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向相反。2.根据权利要求1所述的偏振片，其特征在于，所述等离子体金属天线结构位于高对比度光栅间隙的底部、左侧壁和右侧壁中的至少一个位置。3.根据权利要求1所述的偏振片，其特征在于，所述等离子体金属天线结构位于每个高对比度光栅条的顶部、左侧壁和右侧壁；或者，所述等离子体金属天线结构位于每个高对比度光栅条的顶部。4.根据权利要求1至3中任意一项所述的偏振片，其特征在于，所述衬底与所述高对比度光栅之间，和/或，所述衬底与所述等离子体金属天线结构之间还分别设置有第一粘结层。5.根据权利要求4所述的偏振片，其特征在于，所述第一粘结层包括sin层、al2o3层和sio2层中的任意一种。6.根据权利要求4所述的偏振片，其特征在于，所述等离子体金属天线结构与所述高对比度光栅之间，和/或，所述等离子体金属天线结构与所述第一粘结层之间还分别设置有第二粘结层。7.根据权利要求6所述的偏振片，其特征在于，所述第二粘结层包括ti层、ge层和al层中的任意一种。8.根据权利要求6所述的偏振片，其特征在于，所述高对比度光栅的外表面以及所述等离子体金属天线结构的外表面覆盖有保护层。9.根据权利要求8所述的偏振片，其特征在于，所述等离子体金属天线结构的凹槽内，和/或，所述等离子体金属天线结构与高对比度光栅间隙所围成的凹槽内还分别填充有所述保护层。10.根据权利要求8所述的偏振片，其特征在于，所述保护层包括sin层、al2o3层和sio2层中的任意一种。

技术总结
本公开提供了一种高对比度光栅偏振片，涉及光电器件技术领域。该偏振片包括衬底；位于所述衬底上的高对比度光栅以及与所述高对比度光栅交错设置的等离子体金属天线结构，所述高对比度光栅包括半导体光栅或者电介质光栅；所述高对比度光栅用于透射第一偏振方向的光，所述等离子体金属天线结构用于反射第二偏振方向的光，所述第一偏振方向与所述第二偏振方向相反。本公开的偏振片中高对比度光栅采用半导体材料或者电介质材料制成，由此可以替代大部分金属材料，能够大幅降低生产成本；并且设置有与高对比度光栅交错分布的等离子体金属天线结构，还能够减小光栅厚度，结构简单，便于制造，同时性能仍然非常接近于传统的线栅偏振片。片。片。


技术研发人员：崔尧 常瑞华 邵宥楠 纪一鹏
受保护的技术使用者：浙江博升光电科技有限公司
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/28