一种超表面光学元件的制作方法与流程

1.本技术实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种超表面光学元件的制作方法。背景技术：2.超表面光学元件由衬底和设置在衬底表面之上的分立纳米柱结构组成，通过分立纳米柱结构之间不同的材料、不同的结构、和/或不同的排列方式，能够实现多种不同的光学功能，例如实现光学聚焦，成像，偏振调控，像差调控和光谱调控等功能，因此，超表面器件经常被用于显示器件和光学计算设备等。3.由于在使用超表面光学元件的过程中，会发生磕碰超表面光学元件的情况，而纳米柱自身机械稳定性可能较差，或者因纳米柱与衬底的材料不同导致纳米柱与衬底结合不紧密等现象，使得衬底表面的纳米柱易受到损坏或者倒伏，影响超表面器件的光学性能和使用寿命。基于此，通常采用在纳米柱的周围镀一层保护材料的方法，保护纳米柱以及增加纳米柱的机械稳定性。4.但是，由于保护材料的折射率和纳米材料的折射率的差值相对较小，导致超表面光学元件的相对折射率较小，增加了超表面光学元件的设计难度，影响超表面光学元件的使用效果。基于此，如何在增强超表面光学元件中纳米柱稳定性的同时，保证超表面光学元件与工作环境的相对折射率，是本领域亟待解决的问题。技术实现要素：5.本技术实施例提供了一种超表面光学元件的制作方法，能够增强纳米柱的机械稳定性的同时，保证超表面光学元件与工作环境的相对折射率。6.第一方面，本技术实施例提供了一种超表面光学元件的制作方法，所述方法包括：7.在衬底的端面之上镀纳米材料，使得所述纳米材料覆盖所述衬底的完整端面；8.刻蚀部分所述纳米材料至所述衬底的端面，保留另一部分所述纳米材料，得到分立纳米柱结构；9.利用镀膜生长工艺在所述分立纳米柱结构的间隙填充保护材料；10.采用干法选择性刻蚀工艺去除部分所述分立纳米柱结构间隙的保护材料，使得所有间隙的保护材料的高度均匀并小于所述分立纳米柱结构高度，得到所述超表面光学元件。11.在一种可选的设计中，在刻蚀所述分立纳米柱结构间隙的保护材料之后，还包括：12.在所述分立纳米柱结构的顶部键合玻璃晶圆，以保护所述分立纳米柱结构。13.在一种可选的设计中，在衬底的端面之上镀纳米材料之后，还包括：14.在所述纳米材料的端面之上镀支撑材料，使得所述支撑材料覆盖所述纳米材料的完整端面；15.刻蚀部分所述支撑材料至所述纳米材料端面，保留另一部分所述支撑材料。16.在一种可选的设计中，所述保留另一部分所述支撑材料，包括：17.将所述分立纳米柱结构中的至少一个纳米柱作为所述超表面光学元件的框架；18.保留所述框架的端面之上的支撑材料。19.在一种可选的设计中，还包括：20.在所述支撑材料的顶部键合玻璃晶圆，得到所述超表面光学元件。21.在一种可选的设计中，在衬底的端面之上镀纳米材料之前，还包括：22.在所述衬底的端面之上镀阻止材料，所述阻止材料用于终止刻蚀；23.在所述阻止材料端面之上镀第二纳米材料，以得到覆盖所述阻止材料完整端面的第二纳米材料；24.刻蚀部分所述第二纳米材料；25.在刻蚀后裸露的所述阻止材料端面之上镀第一层纳米材料，得到所述衬底。26.在一种可选的设计中，所述刻蚀部分所述第二纳米材料，包括：27.刻蚀部分所述第二纳米材料至所述阻止材料，保留另一部分所述第二纳米材料；28.将所述分立纳米柱结构的间隙在所述衬底端面上的投影作为第一投影；29.将保留的所述第二纳米材料在所述衬底端面上的投影作为第二投影；30.所述第二投影位于所述第一投影之中，且所述第二投影的面积小于所述第一投影的面积。31.在一种可选的设计中，用作所述保护材料的材料包括：二氧化硅、塑胶、二氧化钛、硅、锗、氮化硅、氮化镓。32.在一种可选的设计中，用作所述纳米材料的材料包括：二氧化硅、晶态硅、无定形硅、锗、二氧化钛、氮化硅、氮化镓、光学透明有机物。33.本技术提供的一种超表面光学元件的制作方法，通过在衬底的端面之上镀纳米材料，使得所述纳米材料覆盖所述衬底的完整端面；刻蚀部分所述纳米材料至所述衬底的端面，保留另一部分所述纳米材料，得到分立纳米柱结构；在所述分立纳米柱结构的间隙镀保护材料；刻蚀所述分立纳米柱结构间隙的保护材料，使得每个间隙的保护材料的高度一致并小于所述分立纳米柱结构的高度，得到所述超表面光学元件。通过在纳米柱的间隙镀保护材料，对纳米柱起到支撑作用，增强纳米柱的机械稳定性，同时，保护材料的高度小于纳米柱的高度，保证了上半部分裸露的纳米柱与工作环境的相对折射率。附图说明34.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。35.图1为本技术实施例提供的一种超表面光学元件的制作方法流程图；36.图2为本技术实施例提供的第一种示例性实施方式流程图；37.图3为本技术实施例提供的第二种示例性实施方式流程图；38.图4为本技术实施例提供的第三种示例性实施方式流程图；39.图5为本技术实施例提供的第四种示例性实施方式流程图；40.图6为本技术实施例提供的第五种示例性实施方式流程图。41.图2至图6中的标号指示的部件为：1衬底，2纳米材料，3光刻胶，4保护材料，5玻璃晶圆，6支撑材料，7阻止材料，8第二纳米材料。具体实施方式42.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例的技术方案进行描述。43.本技术以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本技术的限制。如在本技术的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括复数表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，尽管在以下实施例中可能采用术语第一、第二等来描述某一类对象，但所述对象不应限于这些术语。这些术语仅用来将该类对象的具体对象进行区分。例如，以下实施例中可能采用术语第一、第二等来描述材料，但材料不应限于这些术语。这些术语仅用来将不同的材料进行区分。以下实施例中可能采用术语第一、第二等来描述的其他类对象同理，此处不再赘述。44.本技术实施例提供了一种超表面光学元件的制作方法，该方法能够在增强纳米柱机械稳定性的同时，保证超表面光学元件与工作环境的相对折射率。45.以下通过几种实施方式介绍本技术实施例涉及的一种超表面光学元件的制作方法。46.如图1所示，图1示意了一种超表面光学元件的制作方法100(以下简称方法100)，方法100包括以下步骤：47.步骤s101，在衬底1的端面之上镀纳米材料2，使得所述纳米材料2覆盖所述衬底1的完整端面。48.步骤s102，刻蚀部分所述纳米材料2至所述衬底1的端面，保留另一部分所述纳米材料2，得到分立纳米柱结构。49.步骤s103，在所述分立纳米柱结构的间隙填充保护材料4。50.步骤s104，刻蚀所述分立纳米柱结构间隙的保护材料4，使得所述分立纳米柱结构间隙的保护材料4的高度均匀并小于所述分立纳米柱结构的高度，得到所述超表面光学元件。51.为了便于理解，以下结合示例对方法100进行展开描述。52.如图2所示，图2示意了方法100的一种具体实施方式，该实施例中，先在衬底1上镀一层纳米材料2，使得纳米材料2覆盖衬底1的完整端面，在纳米材料2之上再镀一层光刻胶3，根据纳米柱的预设位置信息进行刻蚀，保留的纳米材料2即为构成超表面光学元件的分立纳米柱结构；之后，在分立纳米柱结构的间隙镀保护材料4，为了使保护材料4完全填充所述纳米柱的间隙，在镀保护材料4的时候可以使保护材料4溢出，也就是镀保护材料4的高度大于分立纳米柱结构的高度，确保保护材料4可以完全填充分立纳米柱结构之间的间隙。最后，使用化学机械研磨找平并选择性刻蚀纳米柱间隙的保护材料4，使得保护材料4的高度均匀并小于分立纳米柱的高度，得到超表面光学元件。53.该实施例中，通过在分立纳米柱结构之间的间隙中填充保护材料4，起到支撑纳米柱的作用，有效防止了纳米柱倒伏，增加了纳米柱的机械稳定性。此外，保护材料4的高度小于纳米柱的高度，由于纳米材料2与保护材料4的折射率相差较小，而纳米材料2与空气或者其他工作环境的折射率反差较大，使得在纳米柱的上半部分是纳米材料2与空气交替排列，从而保证了超表面光学元件与工作环境的相对折射率。54.图2所示的实施方式，仅是本发明实施例的一种可选的实施方式，不构成对本技术实施例制作方法的限制，在其他实施例方式中，本发明的技术方案还提供了其他实施方式。例如，纳米结构的制备可以采用自上而下的刻蚀工艺得到，包括在纳米材料2之上涂覆光刻胶3或其他光敏材料，之后利用电子束直写或者无掩膜光刻工艺或者掩膜接触曝光或者掩膜投影曝光等技术形成结构图形，再利用干法或者湿法刻蚀工艺制作出所述纳米结构；纳米结构的制备也可以采用自下而上的生长工艺得到，在光刻胶3或者硬掩模上制作与分立柱状结构相反的孔洞结构，利用生长工艺在孔洞中填充纳米材料2，之后剥离光刻胶3或硬掩模获得所述纳米柱结构。55.在本发明的一些实施方式中，用作所述保护材料4的材料包括但不限于：二氧化硅、塑胶、二氧化钛、硅，锗，氮化硅，氮化镓等。56.在本发明的所有实施方式中，用作所述纳米材料2的材料包括但不限于：二氧化硅、晶态硅、无定形硅、锗、二氧化钛、氮化硅、氮化镓、光学透明有机物等具有较高折射率和较低损耗的光学材料。57.该实施例中，用作保护材料4的材料可以是常规的保护材料，包括但不限于二氧化硅、塑胶等，但是也可以是其他的保护材料4。同时，用作保护材料4的材料也可以是纳米材料2，包括但不限于二氧化钛、硅等。当保护材料4和纳米柱的纳米材料2相同时，由于同种材料不同分子间的键合力更大，从而保护材料4对纳米柱的支撑效果更强，使得纳米柱的机械稳定性更强，因为是同种材料，温度稳定性更好。58.如图3所示的实施方式中，保护材料4与纳米材料2相同。该实施例中，先在衬底1端面之上镀纳米材料2薄膜；刻蚀部分纳米材料2，使得被刻蚀的部分纳米材料2的高度小于所镀纳米的厚度，得到超表面光学元件。通过使保护材料4和纳米材料2相同，不仅简化了制作步骤，同时增强了纳米柱的机械稳定性和温度稳定性。59.为了便于区分，在本发明的其他实施方式中，保护材料4均与纳米材料2不同。60.在本发明的一些实施方式中，在刻蚀所述保护材料4之后，还包括：61.在所述分立纳米柱结构的顶部键合玻璃晶圆5，以保护所述分立纳米柱结构。62.如图4所示，先在衬底1的端面之上镀一层纳米材料2，之后进行刻蚀纳米材料2，得到分立纳米柱结构，此处省略了在分立纳米柱结构的间隙镀保护材料4并刻蚀的步骤，前文已经详细介绍过，此处不在赘述。最后，在分立纳米柱结构的顶部键合玻璃晶圆5，以保护纳米柱。63.该实施例中，通过在分立纳米柱结构的顶部键合玻璃晶圆5，可以保护纳米柱不受到外部损坏，有效避免了由于超表面光学元件在使用过程中发生磕碰而导致的纳米柱损坏，延长了使用寿命。64.在本发明的一些实施方式中，在衬底1的端面之上镀纳米材料2之后，还包括：65.在所述纳米材料2的端面之上镀支撑材料6，使得所述支撑材料6覆盖所述纳米材料2的完整端面；66.刻蚀部分所述支撑材料6至所述纳米材料2端面，保留另一部分所述支撑材料6。67.在本发明的一些实施方式中，所述保留另一部分所述支撑材料6，包括：68.将所述分立纳米柱结构中的至少一个纳米柱或更大范围结构作为所述超表面光学元件的框架；69.保留所述框架的端面之上的支撑材料6。70.在本发明的一些实施方式中，还包括：71.在所述支撑材料6的顶部键合玻璃晶圆5，得到所述超表面光学元件。72.如图5所示，先在衬底1端面之上镀纳米材料2，之后在纳米材料2的端面之上镀支撑材料6，刻蚀部分支撑材料6，刻蚀部分纳米材料2，得到分立纳米柱结构以及在框架之上的支撑材料6。在超表面光学元件的分立纳米柱结构之中，选定至少一个纳米柱作为超表面光学元件的框架，框架主要起到支撑的作用，且保留框架之上的支撑材料6。接下来在分立纳米柱结构的间隙中镀保护材料4，并刻蚀。最后，在支撑材料6的顶部键合玻璃晶圆5，得到超表面光学元件。73.该实施例中，将前述几种实施方式进行了结合，通过镀保护材料4以支撑纳米柱不易倒伏，且保护材料4的高度小于纳米柱的高度，增加了超表面光学元件的相对折射率，此外，在框架之上有支撑材料6，并在支撑材料6之上键合玻璃晶圆5，通过支撑材料6避免了玻璃晶圆5和纳米柱的直接接触，可以降低由于玻璃晶圆5和纳米柱接触导致的损坏程度，而玻璃晶圆5可以防止外部的碰撞对纳米柱的损坏。74.在上述实施例图5中，支撑材料6可以作为硬掩模帮助纳米柱成型，也可以先光刻刻蚀把支撑柱子上的支撑材料6保留，其余部分支撑材料6去除，然后进行上述图2，3，4中的工艺流程，获得纳米柱，最后再键合玻璃或其它光学透明材料晶圆。75.在本发明的一些实施方式中，在衬底1的端面之上镀纳米材料2之前，还包括：76.在所述衬底1的端面之上镀阻止材料7，所述阻止材料7用于终止刻蚀；77.在所述阻止材料7端面之上镀第二纳米材料，以得到覆盖所述阻止材料7完整端面的第二纳米材料8；78.刻蚀部分所述第二纳米材料8；79.在刻蚀后裸露的所述阻止材料7端面之上镀第一层纳米材料2。80.在本发明的一些实施方式中，所述刻蚀部分所述第二纳米材料8，包括：81.刻蚀部分所述第二纳米材料8至所述阻止材料7，保留另一部分所述第二纳米材料8；82.将所述分立纳米柱结构的间隙在所述衬底1端面上的投影作为第一投影；83.将保留的所述第二纳米材料8在所述衬底1端面上的投影作为第二投影；84.所述第二投影位于所述第一投影之中，且所述第二投影的面积小于所述第一投影的面积。85.如图6所示，先在衬底1的端面之上镀一层阻止材料7，由于用作阻止材料7的材料不会被刻蚀，所以当刻蚀进行到阻止材料7会自动停止。之后在阻止材料7的端面之上镀第二纳米材料8，得到一层第二纳米材料8。之后根据分立纳米柱结构的预设位置，刻蚀第二纳米材料8，使得保留的多个第二纳米材料8柱的位置位于分立纳米柱结构间隙的位置当中，且多个第二纳米材料8柱的宽度小于分立纳米柱结构间隙的宽度。之后在裸露的阻止材料7端面之上镀第一纳米材料2，厚度高于第二纳米材料8柱并具有平整表面。在所得新的衬底1之上涂敷光刻胶3，进行结构直写、刻蚀以及之后的步骤，得到超表面光学元件。86.该实施例中，通过构建一层第二纳米材料8以及第一层纳米材料2的方式加固纳米柱，由于纳米柱的底部与衬底1接触的地方为第一层纳米材料2，纳米柱和第一层纳米材料2的材料相同，与材料不同的情况相比，键合力更大，从而增强了纳米柱的机械稳定性。87.综上，本技术实施例的超表面光学元件的制作方法，通过在分立纳米柱结构的间隙镀保护材料4，以支撑纳米柱不易倒伏，增强纳米柱的机械稳定性；保护材料4的高度小于纳米柱的高度，保证超表面光学器件与工作环境的相对折射率；键合玻璃晶圆5来保护纳米柱不受到外界的损坏；用支撑材料6支撑玻璃晶圆5防止玻璃晶圆和纳米柱接触进行磨损；构建第一层第二纳米材料8以及第一层纳米材料2，通过增加纳米柱与衬底1之间的键合力增强机械稳定性。88.尽管已描述了本技术的可选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。89.以上所述的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。