CN118786241A - 制造光学层系统的方法以及利用该方法制造的光学层系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于制作光学层系统的方法以及光学层系统，所述光学层系统包括布置在基板上的多个层，其中所述层的一部分具有高折射率nH，并且所述层的另一部分具有具有低折射率nL，且所述层的又一部分具有中折射率nM，其中nH＞nM＞nL，并且其中具有不同折射率的层交替堆叠布置。本发明的目的是提供一种方法，该方法使得各层沉积物之间不具有长冲洗时间，其中光学层系统能够通过以下方式简单、工艺时间较短、质量一致、数量大地实现：所述光学层系统的层借助选定的涂层方法由相同的材料沉积到基板上，所述材料是氢化非晶硅(a‑Si:H)或氢化锗(Ge:H)，其中通过控制选定的涂层方法的工艺参数来调节层系统的多个层中的每层的折射率和消光系数。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制造由多个层组成的光学层系统的方法。
本发明还涉及一种光学层系统，其通过根据本发明的方法制造并且包括布置在基板上的多个层，其中一部分层具有高折射率nH且另一部分层具有低折射率nL以及还有一部分层具有中折射率nM，其中nH＞nM＞nL，并且其中不同折射率的层交替堆叠布置。
背景技术
光学层系统，特别是光学滤光器，例如用于面部或手势识别的飞行时间(ToF)光谱或用于光学距离和速度测量的激光雷达的带通滤光器为了近红外(NIR)或红外(IR)范围而由两种不同的光学材料制成。它们例如由作为高折射率材料的a-Si:H和作为低折射率材料的SiO2组成。
在典型的手势识别系统中，光源向用户发射近红外光。图像传感器捕获从用户反射的发射光以提供用户的3D图像。然后，处理系统分析3D图像以识别用户做出的手势。
光学滤光器，特别是带通滤光器，用于将发射的光传输到图像传感器，同时基本上阻挡环境光。因此光学滤光器用于屏蔽环境光。因此，需要一种在近红外波长范围(即800nm至1100nm)内具有窄通带范围的光学滤光器。此外，光学滤光器必须在通带范围内具有高透射水平/度，并且在通带范围外具有高阻带或阻带，其中理想情况下阻带中的透射接近于零。
传统上，光学滤光器包括设置在基板的相对表面上的两个带通滤光器。在此带通滤光器的通带范围彼此协调为，使得基板背面上的带通滤光器的通带范围包络基板正面上的滤光器的通带范围。同时，滤光器的通带范围相互协调为，产生抗反射效果。因此，基板背面上的带通滤光器阻挡基板正面上的带通滤光器的通带范围之外的波长。每个滤光器由交替堆叠的高折射率层和低折射率层组成。通常，不同的氧化物用于高折射率层和低折射率层，例如二氧化钛(TiO2)、五氧化二铌(Nb2O5)、五氧化二钽(Ta2O5)或二氧化硅(SiO2)。
US 9945995 B2公开了这样一种光学滤光器，其通带范围至少部分地与800nm至1100nm的波长范围重叠。该光学滤光器包括滤光器叠堆，该滤光器叠堆由交替堆叠的作为高折射率层的氢化硅层和低折射率层组成。每个氢化硅层在800nm至1100nm的波长范围内具有大于3的折射率，并且在800nm至1100nm的波长范围内具有小于0.0005的消光系数。较低折射率材料是介电材料，通常是氧化物。合适的较低折射率材料是二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、五氧化二铌(Nb2O5)、五氧化二钽(Ta2O5)及其混合物，即混合氧化物。
从US 9989684 B2中还已知一种在滤光器的通带范围中具有改进的透射率的光学干涉滤光器。所公开的干涉滤光器包括多层的叠堆，其中至少一层由具有高折射率的氢化非晶硅组成，以及至少一层由一种或多种折射率低于氢化非晶硅的折射率的介电材料组成。
为了提高光学滤光器的性能，例如在手势识别系统中，需要减少层数、总涂层厚度以及随入射角变化的波长偏移(AOI-入射角)。此外，在通带范围之外的阻带区域中应该有最小的透射率。出于本发明的目的，波长偏移被理解为意味着滤光器的通带的偏移，其应当尽可能小，使得在滤光器的不同视角处呈现几乎相同的滤光器特性。改善这一点的一种方法是，使用在高折射率层感兴趣的波长范围内具有比常规氧化物更高的折射率的材料，例如在US 9945995 B2中所公开的。除了较高的折射率之外，材料还必须在感兴趣的波长范围内具有较低的消光系数，以在通带范围内提供高水平的透射。然而，迄今为止，不同的材料一直用于具有不同折射率的层。
对于此类光学滤光器使用不同材料的主要缺点是它们通常沉积在同一涂层系统内的基板上。需要使用不同的涂层源和涂层工艺，其中每个涂层源使用不同的工艺气体。当改变涂层源并因此改变工艺气体时，这需要长的冲洗过程，其导致非常长的处理时间。生产高质量光学干涉滤光器或具有许多不同层和层材料的光学层系统的方法也复杂且耗时。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种用于制造光学层系统的方法，该方法克服了现有技术的缺点，例如各层沉积物之间的长冲洗时间。通过该方法，能够简便地生产光学层系统，尤其是工艺时间应尽可能短，从而能够实现高数量且质量一致的最终产品。
本发明的另一个目的是提供一种光学层系统，该系统在其应用领域具有最佳的层特性并且可以以高度可再现且高效的方式生产。
所述目的通过根据独立权利要求1的用于制造由多个层组成的光学层系统的方法来实现。
在根据本发明的用于制造由多个层组成的光学层系统的方法中，光学层系统的层借助选定的涂层方法由相同的材料沉积到基板上，该材料是氢化非晶硅(a-Si:H)或氢化锗(Ge:H)，其中通过控制所选涂层方法的工艺参数来调节层系统的多个层中的每层的折射率和消光系数。
特别有利的是，在根据本发明的光学层系统的生产方法中，无论涂层方法如何，仅沉积单一材料，即a-Si:H:x或Ge:H:x，并且光学属性例如每层的折射率和消光系数只能通过控制所选涂层方法的典型工艺参数或多个典型工艺参数来设置，x可以代表其他工艺气体，例如氮气(N2)或氯气(Cl2)。这意味着制造方法非常简单，由于消除了不同层材料和工艺气体之间的冲洗工艺的需要，因此比现有技术更短，因此更具成本效益。
在根据本发明的方法的设计方案中，所述涂层方法是溅射工艺，其中所述溅射工艺是通过氩(Ar)和/或氪(Kr)和/或氦(He)和/或氙(Xe)以及氢气(H2)的反应性气体混合物进行，或者使用Ar、Kr、He和/或Xe进行硅的溅射，并且层系统的层借助等离子和/或离子源被氢化形成a-Si:H或Ge:H，或者溅射工艺作为反应溅射和所使用的等离子和/或离子源的组合来进行，其中层系统的每个单独的a-Si:H:x或Ge:H:x层的折射率和消光系数通过Ar、Kr、He和/或Xe与氢的比率调节，x表示能够存在于该方法的实施例中但不是必须存在的另一层组分。这适用于所有可选择的涂层工艺。
如果选择溅射技术作为涂层工艺，则有多种生产a-Si:H或Ge:H的生产方案。一种变型是溅射过程反应性地进行，即，使用反应性气体混合物，优选地由氩气和氢气组成。对于其他层组合物，例如a-Si:H:N，氮气或氧气也可以用作溅射工艺的反应气体。使用氮(N)或氧(O2)的优点在于，由于相对于氢具有较大的离子或原子半径，可以在压应力方向上校正沉积层的层应力。由此能够减小或校正a-Si:H或Ge:H层中的拉应力。
在另一变型中，可以用氩气和/或氪气和/或氦气和/或氙气进行溅射工艺，从而通过溅射仅沉积亚纳米厚的硅层或锗层，其在后处理步骤中用离子和/或等离子体源进行氢化或者硝化或氧化或氧硝化或氢硝化。迭代地重复这两个工艺步骤，直到达到所需的层厚度。在后处理步骤中，使具有金属溅射层的基板通过由等离子和/或离子源产生的等离子体。该源可以是例如ICP(感应耦合等离子体)源。
第三种变型代表了前面提到的两种变型的组合。反应气体既用于沉积亚纳米厚层的溅射工艺，也用于使用等离子体和/或离子源的后处理。通过选择气流、例如氩气加入到溅射源或等离子体和/或离子源中的反应气体中的比例、溅射源或等离子体和/或离子源的功率以及待涂覆的表面/基板的温度设置a-Si:H:x或Ge:H:x层的最终化学计量和结构。然后，这些确定了光学相关变量，例如光学层系统的每个单独层的折射率和消光系数。
在生产层之前，通过实验确定高、中、低折射率层的光学性能与溅射工艺的工艺变量之间的关系。光学层系统沉积中的各个工艺步骤与这些研究相关。a-Si:H:x或Ge:H:x层生产中的一个重要控制变量是氢气与反应气体例如氩气的比率，其中氢气在反应气体中的比例越高，材料密度以及因此折射率降低。氩气与氢气的设定比例设定为1:2至5:1的值，特别是在1:3至4:1的范围内。气体混合物彼此之间的比率选择为，使得折射率可以设置在与滤光器相关的范围内，从而对于要产生的滤光器的腔体来说折射率可以尽可能高同时消光系数可以尽可能低。基于此，滤光器叠堆的高折射率层的折射率被设置得较高，其中消光系数的相关损失在此是可以接受的。同样，滤光器叠堆的低折射率层的折射率设置得尽可能小，并观察到尽可能最小的消光系数。
a-Si:H:N的沉积是待沉积的滤光器叠堆层的示例。同样，使用根据本发明的方法可生成由a-Si:H:N:Cl、a-(Si,Ge):H、a-(Si,Ge):H:N和/或a-(Si,Ge):H:N:Cl形成的层。氢化硅或锗与反应气体的其他组合是可能的并且不限于前述组合。
在根据本发明的方法的另一实施例中，反应性气体混合物是氩气和氮气N2或氩气和氧气O2。反应性气体混合物的选择取决于待沉积的层的组成。其优点在于，由于相对于氢具有较大的离子或原子半径，可以在压应力方向上校正层应力。由此能够减小或校正a-Si:H或Ge:H层中的拉应力。
在根据本发明的方法的另一变型中，所述涂层方法是化学气相沉积工艺(化学气相沉积(CVD)工艺)，其中所述CVD工艺通过等离子辅助、通过催化或通过蒸发器单元和等离子体源热处理地进行，其中层系统的每个a-Si:H或Ge:H层的折射率和消光系数通过气流控制通过硅烷或甲锗烷与氢气的比例或蒸发器单元和等离子体源的功率调节。气流控制是指设定硅烷或甲锗烷气体或氢气的绝对气流，或者将硅烷或甲锗烷气体或氢气中的一种气体保持恒定而调节另一种气体，或者制备两种气体的气体混合物。因此，各个滤光器层的化学计量可以通过硅烷气体或甲锗烷气体和氢气的气流以及它们在等离子体源的气体混合物中彼此(部分气流)之间的比率或者蒸发器单元和/或等离子体源的功率来调节。
如果选择化学气相沉积(英语：化学气相沉积CVD)作为涂层工艺，则可以使用CVD技术的不同变型例如等离子体辅助CVD(PECVD)、催化或热CVD来生产a-Si:H:x或Ge:H:x层。层系统的沉积的a-Si:H:x或Ge:H:x层的光学性质通过反应气体彼此之间的不同比率来调节。具体地，通过气流控制来调节H2与硅烷或甲锗烷的比率，从而实现期望的光学性质。工艺气体比例、工艺气流、基板温度(通常在160-200℃之间)、可能由直流电压或高频控制的等离子体源的功率以及折射率和消光系数之间的联系在此预先通过实验针对不同层和期望的层特性确定。然后使用这些过程变量来创建光学层系统。
通过添加氮气作为第三种反应气体，该涂层方法还可用于生产a-Si:H:N层。它还可以通过添加更多工艺气体或使用锗代替硅来生成a-Si:H:N:Cl、a-(Si,Ge):H、a-(Si,Ge):H:N和/或a-(Si,Ge):H:N:Cl层。氢化硅或锗与反应气体的其他组合是可能的并且不限于前述组合。
为了改善层性能，可以在该涂层工艺中在真空或氩气气氛中对层或整个光学层系统进行热处理。后处理退火步骤的典型温度为100℃-370℃，优选200℃-285℃，持续1分钟至60分钟，优选10分钟。
在热CVD工艺中，使用硅蒸发器单元结合等离子体源(辅助源)沉积具有不同化学计量和光学特性的光学层系统的a-Si:H:x或Ge:H:x层，其中等离子体源使用氩气和氢气的混合物运行。为了生产氮化物、氧化物、氮氧化物或氢氮化物，也可以在该过程中混合相应的气体。使用热CVD工艺沉积的光学层系统的各层的折射率和消光系数是通过调节绝对气流和离子源中相应气体混合物部分气流(例如硅烷、甲锗烷、氢气等)的沉积之前确定的比例以及蒸发器单元和等离子体源的功率来调节的。这意味着可以为每层设置化学计量，从而可以控制光学行为。通常，在其上沉积层的基板的温度为100℃-300℃，优选140℃-240℃。
在初步测试中，针对蒸发器、待涂覆基板和等离子体源的相应布置，确定要沉积的具有高、低或中折射率的层的最佳工艺参数。然后可以使用该已知数据来沉积光学层系统的层。
在根据本发明的方法的另一进一步的设计方案中，所述涂层方法是结合离子源的电子束蒸发工艺，其中所述层系统的每个a-Si:H:x或Ge:H:x层的折射率和消光系数通过设置离子源的气体混合物中的绝对气流和/或部分气流的比率以及蒸发器单元和/或离子源的功率来调节。绝对气流被理解为是指掺杂气体例如氢气(H2)和/或氮气(N2)和/或氯气(Cl2)和/或这些掺杂气体的混合物的总气流。各个掺杂气体也可以在部分气流中进行调节。
如果选择蒸发工艺作为沉积具有不同化学计量和光学特性的a-Si:H:x或Ge:H:x层的涂层方法，则需要硅或锗蒸发器单元与离子源(辅助源)组合，其中离子源使用氩气和氢气的混合物进行操作。相应的气体混合物也可用于生产氮化物、氧化物、氮氧化物或氢氮化物。通过调节绝对气流和/或离子源中相应气体混合物中的部分气流的比率以及蒸发器和/或离子源的功率来调节光学层系统的每个a-Si:H:x或Ge:H:x层的折射率和消光系数。这意味着可以为每层设置化学计量，从而可以控制光学行为。通常目标基板温度为100℃-300℃，优选140℃-240℃。
在初步测试中，针对蒸发器、基板和离子源的相应布置，确定具有高、低或中折射率的层的最佳工艺参数。然后可以使用该已知数据来沉积光学层系统的层。
在根据本发明的方法的一个实施例中，用于设置层系统的每个a-Si:H:x或Ge:H:x层的限定/期望的折射率和消光系数的选择的涂层方法的最佳工艺参数通过初步测试或模拟来确定。
本发明的目的还通过根据独立权利要求8的光学层系统来实现。
在使用根据权利要求1至7中任一项所述的方法生产的根据本发明的光学层系统中，所述多个层由相同的材料形成，其中高、中和低折射率层仅在它们的掺杂气体的化学计量不同，并且其中高折射率层、中折射率层和低折射率层的光学性质可以使用过程控制装置调整掺杂气体的化学计量来进行调节。
在根据本发明的光学层系统的变型中，层系统具有中折射率为nMy的两个或更多个层，其中y是大于零的整数并且nH＞nM1≥nM2≥...≥nMy＞nL。即层系统可以包括具有中折射率的多个层，其中中折射率层相对于位于高折射率层和低折射率层具有高折射率层和低折射率层之间的不同的折射率。中折射率层之间又可具有部分相同和/或不同的折射率。
因此，根据本发明的层系统可以由仅具有高或低折射率的层形成。层系统的各层还可以具有高、中和低折射率，或者层系统可以由具有高折射率层、多于一层的中折射率层和低折射率层的层形成，其中中折射率层的折射率可以部分相同或不同。
在光学层系统的所有层中使用相同的化学元素具有以下优点：在各个层沉积步骤之间不需要长时间的冲洗过程，因为不需要在不同的涂层材料之间切换。这意味着工艺时间大大缩短，并且可以进行大批量生产。
在根据本发明的光学层系统的优选变型中，相同的材料是氢化非晶硅(a-Si:H)或氢化锗(Ge:H)并且掺杂气体是氢气(H2)。
氢化非晶硅具有显着的优点，即折射率可以根据掺入的氢的化学计量在很宽的范围内调节。在光学滤光器中使用氢化硅(Si:H)作为高折射率层由Lairson等人在题为“减小角位移红外带通滤光器涂层”的文章中(SPIE会议记录，2007年，第6545卷，第65451C-1-65451C-5页)以及由Gibbons等人在题为“氢化非晶硅反应溅射沉积工艺的开发和实施”的文章中(真空镀膜机学会年度技术会议记录，2007年，第50卷，第327-330页)描述。
在根据本发明的光学层系统的优选变型中，光学层系统被设计为带通滤光器。
优选地，由高、中和/或低折射率层的层序列组成的带通滤光器在波长范围800nm至1100nm：对于由a-Si:H制成的高折射率层的折射率为nH＝3.35至3.8，消光系数k＜0.001，中折射率层的折射率nM＝3.0至3.6，k＜0.001，低折射率层的折射率nL＝2.5至3.3，k＜0.001。
在另一优选的变型中，由高、中和/或低折射率层的层序列组成的带通滤光器在波长范围800nm至1100nm：对于由a-Si:H:x制成的高折射率层的折射率为nH＝3.6至3.8，消光系数k＜0.0001，中折射率层的折射率为nM＝3.2至3.3，k＜0.0001，低折射率层的折射率为nL＝3.0至3.1,k＜0.0001。
如果根据本发明的光学层系统被设计为带通滤光器，则光学带通滤光器优选地包括至少两个具有折射率nM或nL且相应厚度为10nm至3000nm的中折射率或低折射率腔体层，以及至少5个层叠堆，每个层叠堆由交替堆叠的低折射率和高折射率层组成，其折射率为nL或nH，厚度分别为5至200nm。
高、中或低折射率层各自形成带通滤光器中的腔体，即发生入射辐射的相长干涉的区域，从而创建光学滤光器的高透射区域。通过光学滤光器中形成的腔体的数量可以精确地调节滤光器的透射率和通带宽度。通过结合腔体的层厚度来选择折射率，可以减小光学带通滤光器的通带的波长偏移。即当入射辐射的入射角不同时，呈现出几乎相同的滤光器特性。
除了空腔之外，层系统中还有层叠堆，它们充当镜面层并形成所谓的滤光器阻带。光学带通滤光器中存在的具有适当厚度的层叠堆越多，通过相消干涉的方式减少该区域中的入射辐射就越好。
在光学层系统的另一变型中，除了由a-Si:H:x或a-Ge-H:x制成的高折射率层和由a-Si:H:x或a-Ge-H:x制成的低折射率层之外，光学层系统还包括由Si3N4或SiO2制成的另外的层。这种层系统具有的优点是，可能的折射率的光谱被扩展，特别是在SiO2的情况下扩展到低折射率，SiO2在高于800nm的波长范围内具有1.4至1.47的折射率。在Si3N4的情况下，与a-Si:H和SiO2相比，代表具有中等折射率的材料，Si3N4在800nm以上的波长范围内具有2至2.1的折射率，存在可以更精确地调整滤光器的光学参数的可能性。
在光学层系统的变型中，光学层系统被设计为梳状滤光器(Rugate filter)，其中能够在多个层上形成折射率梯度，该折射率梯度可以通过过程控制装置调整一种或多种掺杂气体的化学计量，对多个层中的每一层的进行调整。
由于该过程，该优选变型在各个镜面系统内形成所谓的准梳状滤光器(quasi-Rugate filter)，其中本发明意义上的镜面系统被理解为是指由高、中和/或低折射率层和所形成的腔体构成的干涉滤光器的构造。梳状滤光器是一种介电镜，其选择性地反射特定波长范围的光。这种效果是通过折射率根据镜的厚度进行周期性、连续或准离散的变化来实现的。梳状滤光器中无法传播的特定波长的光会被反射。一个特殊的挑战是在此实现连续或准离散的折射率分布。这是由多个滤光器层的化学成分作为层厚度的函数来设定的。这可以通过在各个过滤层的沉积过程期间连续改变气体成分来实现，由此使用动态过程控制装置来调整待沉积的过滤材料中的掺杂气体的化学计量，并且因此形成不同的折射率。
在光学层系统的另一变型中，光学层系统被设计为光学干涉滤光器。
光学干涉滤光器优选具有420nm至2800nm、优选800nm至1100nm的透射范围。通带的宽度在50％透射率下优选为10至50nm。10％和90％透射率之间的斜率优选地在8和20nm之间。在400至910nm的范围内以及在970至1100nm的范围内，阻带的透射率优选为小于1％透射率，优选为小于0.1％透射率，但更好为小于0.01％透射率。
通带范围和阻带的这些波长范围由滤光器各层的厚度决定。特别地，通带范围的宽度由腔体的数量连同它们的折射率和它们的层厚度来设定。
光学滤光器的最终设计取决于要求，而这些要求由后续应用(例如传感器内的应用)决定。这对通带范围和阻带提出了一定的要求。这些目标值可以使用光学模型从光学层系统的大量层中确定层堆叠序列。因此，各个层的厚度、镜层和腔的数量、布置和厚度决定了滤光器的光学行为。
800至1100nm的近红外范围对于传感器中的滤光器应用特别感兴趣，这些传感器使用飞行时间方法(飞行时间)来确定距离，从而生成三维图像信息。这在现代面向未来的技术中起着重要作用，例如自主驾驶所需的LIDAR(光探测和测距)技术，或在人机交互中，如便携终端设备对手势或面部的识别。
附图说明
下面将使用示例性实施例更详细地解释本发明。
相关附图中
图1示出了根据本发明的作为具有4个不同的滤光器示例(a-d)的光学干涉滤光器的光学层系统的实施例；
图2示出了根据图1的根据本发明的干涉滤光器的示例性透射区域；
图3示出了用于生产根据本发明的光学层系统的溅射工艺的示意图；
图4示出了根据本发明的光学层系统作为用于面部识别的TOF传感器的应用示例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的作为光学干涉滤光器的光学层系统的实施例。光学干涉滤光器沉积在基板1上。例如，可以使用溅射工艺、CVD工艺或蒸发工艺(电子束)来进行沉积。干涉滤光器通常由多个具有不同折射率和消光系数的层组成。多个层形成层叠堆，其中腔体和镜面系统交替设置。镜面系统依次由不同的镜面层构造或堆叠，其中高、低和/或中折射层通常交替。腔体的光学厚度对应于λ/4，镜面层的光学厚度对应于λ/2。
图1a)示出了具有两个腔体3和由a-Si:H制成的镜面系统2的滤光器示例。两个腔体3具有相同的折射率ni，例如n1＝3.1并且镜面系统2具有两个不同的折射率21、22例如n1＝3.1且n2＝3.6。
图1b)示出了具有两个腔体3和由a-Si:H制成的镜面系统2的滤光器示例。两个腔体3具有不同的折射率n1 31和n2 32，例如n1＝3.1且n2＝3.6。镜面系统的镜面层21、22也具有不同的折射率，例如n1＝3.1且n2＝3.6。
图1c)示出了具有三个腔体3和由a-Si:H制成的镜面系统2的滤光器示例。三个腔体3具有不同的折射率n1 31、n2 32和n3 33，例如n1＝3.6，n2＝3.2，n3＝3.1。镜面系统的镜面层21、22也具有不同的折射率，例如n1＝3.1且n3＝3.6。
图1d)示出了具有三个腔体3和由a-Si:H制成的镜面系统2的滤光器示例。三个腔体3具有不同的折射率n1 31、n2 32和n3 33，例如n1＝3.6，n2＝3.2，n3＝3.1。镜面系统的镜面层21、22、23也具有不同的折射率，例如n1＝3.6，n2＝3.2，n3＝3.1。
图2示出了图1中根据本发明的干涉滤光器的示例性透射范围。通过仅使用a-Si:H，滤光器的有效折射率高于使用低折射率材料(例如二氧化硅)时的滤光器的有效折射率。透射带偏移与有效折射率成反比。换句话说，有效折射率越大，透射带的偏移越小。
图3示出了用于生产根据本发明的光学层系统的溅射工艺的示意图。
在溅射沉积期间，高能粒子被引导到硅靶7上，其中这些粒子具有足够的能量，以将硅原子溅射出靶7并在磁场或电场的影响下将它们转移到基板1的表面，从而给它们涂上涂层。溅射气体可以是例如来自氩源的氩气(Ar)。或者，也可以使用其他可电离的惰性气体，例如氙气作为溅射气体。
另一生产变型涉及使用等离子体和/或离子源10来调节非反应性或仅部分反应性溅射层内的反应性气体含量6。在沉积亚纳米厚的层之后分别借助于等离子体和/或离子源10来处理溅射层，以便设定期望的化学计量。
为了生产氢化非晶硅，在溅射沉积过程中，氢气通过气体入口进入处理室。溅射气体和氢气或其他掺杂气体(如果需要)的量可以使用动态流量控制器进行调节。这允许设定和调节用于生产低、中和高折射率层的掺杂气体的所需化学计量，以确保在低、中和高折射率层之间的气流变化期间形成相同的光学性质。通过工艺参数来，例如基板温度、目标偏压(-V)、工艺室压力、总流速等，同样可以影响和控制氢在硅中的掺入的结构。
以这种方式生产的层材料按照借助光学模型预先确定的顺序和层厚度沉积在基板上，以满足光学要求，例如光学滤光器的光学要求。准确了解各层的光学特性(折射率和消光系数)与工艺参数之间的依赖性，是能够使用先前使用的模型来对要制造的光学层系统进行模拟的例如光学滤光器的特性做出正确的预测的重要先决条件。对于每个高、低或中折射率层，工艺参数(工艺压力、气流、气体比例、溅射源/等离子体和/或离子源的功率、温度)均精确设置，以便能够实现可再现的层特性。
通过根据本发明的方法消除了在不同溅射材料，例如五氧化二铌或二氧化硅，或用于具有不同折射率的层的各种掺杂气体，例如氧或氢的入口之间切换的需要。这也消除了在处理室中长时间冲洗的需要，从而可以提高生产率并改善层性能。当需要大量生产的最终产品时，这一点尤其重要。
图4示出了根据本发明的光学层系统作为用于面部识别的TOF传感器的应用示例。TOF传感器由光源11组成，通常是激光器。其发出光15，该光被三维物体14反射。反射光16由光电检测器12检测。如果带通滤光器形式的光学滤光器13布置在光电检测器12的前面，则是有利的。该滤光器确保仅检测和处理光源发出的具有一种波长的辐射。为了滤光器13的最佳功能，它必须在通带范围内具有高透射率并且在通带范围外具有非常低的透射率。此外，重要的是滤光器对于不同光入射角下的波长偏移具有较大的容差。这些要求必须在滤光器的设计中加以考虑。
附图标记列表
1 基板
2 镜面层
21折射率为n1的第一镜面层
22折射率为n2的第二镜面层
23折射率为n3的第三镜面层
3腔体
31折射率为n1的第一腔体
32折射率为n2的第二腔体
33折射率为n3的第三腔体
4 溅射气体
5 溅射粒子
6 反应性气体
7 溅射靶材
8 基板
9 涂层
10等离子体源和/或离子源
11 光源
12 光电探测器
13 光学滤光器
14 三维物体
15 光源发出的光
16 光源的反射光
Claims (15)
1.一种用于制作由多个层组成的光学层系统的方法，其中所述光学层系统的层借助选定的涂层方法由相同的材料沉积到基板上，所述材料是氢化非晶硅a-Si:H或氢化锗Ge:H，其中通过控制选定的涂层方法的工艺参数来调节层系统的多个层中的每层的折射率和消光系数。
2.根据权利要求1所述的用于制造光学层系统的方法，其中，相同的材料是a-Si:H:x或Ge:H:x，其中x包含氮气(N2)或氯气(Cl2)。
3.根据权利要求1所述的用于制造光学层系统的方法，其中，所述涂层方法是溅射工艺，其中所述溅射工艺是通过氩Ar和/或氪Kr和/或氦He和/或氙Xe以及氢H和/或氮和/或氯的反应性气体混合物进行反应的，或者使用Ar、Kr、He和/或Xe进行溅射，并且层系统的层借助等离子和/或离子源被氢化形成a-Si:H或Ge:H，或者溅射工艺作为反应溅射和所使用的等离子和/或离子源的组合来进行，其中层系统的每个单独的a-Si:H或Ge:H层的折射率和消光系数通过Ar、Kr、He和/或Xe与氢的比率调节。
4.根据权利要求1所述的用于制造光学层系统的方法，其中，所述反应性气体混合物是氩Ar和氮N，或者氩Ar和氧气O2。
5.根据权利要求1所述的用于制造光学层系统的方法，其中，所述涂层方法是化学气相沉积工艺、CVD工艺，其中所述CVD工艺通过等离子辅助、通过催化或通过蒸发器单元和等离子体源热处理进行，其中层系统的每个a-Si:H:x或Ge:H:x层的折射率和消光系数通过气流控制通过硅烷或甲锗烷与氢气的比例和/或蒸发器单元和等离子体源的功率调节。
6.根据权利要求1所述的用于制造光学层系统的方法，其中，所述涂层方法是结合离子源的电子束蒸发工艺，其中所述层系统的每个a-Si:H:x或Ge:H:x层的折射率和消光系数通过设置离子源的气体混合物中的绝对气流和/或部分气流的比率以及蒸发器单元和离子源的功率来调节。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的用于制造光学层系统的方法，其中，用于设置所述层系统的每个a-Si:H或Ge:H层的限定折射率和消光系数的最佳工艺参数通过实验通过初步测试或模拟确定。
8.一种根据权利要求1至7中任一项所述的方法制造的光学层系统，包括布置在基板上的多个层，其中所述层的一部分层具有高折射率nH，并且所述层的另一部分层具有低折射率nL，且所述层的又一部分层具有中折射率nM，其中nH＞nM≥nL，其中具有不同折射率的层交替堆叠布置，其特征在于，所述多个层由相同的材料形成，其中高折射率层、中折射率层和低折射率层的区别仅在于其掺杂气体的化学计量，并且其中高折射率层、中折射率层和低折射率层的光学性质能够通过过程控制装置调整掺杂气体的化学计量来调节。
9.根据权利要求8所述的光学层系统，其特征在于，所述层系统具有平均折射率为nMy的两个或更多个层，其中y是大于零的整数并且nH＞nM1≥nM2≥...≥nMy＞nL。
10.根据权利要求8或9所述的光学层系统，其特征在于，相同的材料是氢化非晶硅a-Si:H或氢化锗Ge:H，并且所述掺杂气体是氢H。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的光学层系统，其特征在于，所述光学层系统设计为带通滤光器。
12.根据权利要求11所述的光学层系统，其特征在于，所述带通滤光器由高折射率层、中折射率层和/或低折射率层的层序列组成，其中对于波长范围800nm至1100nm：由a-Si:H制成的高折射率层的折射率nH＝3.35至3.8，消光系数k＜0.001，中折射率层的折射率nM＝3.0至3.6，k＜0.001，低折射率层的折射率nL＝2.5至3.3，k＜0.001。
13.根据权利要求10所述的光学层系统，其特征在于，所述带通滤光器由高低折射率层、中低折射率层和/或低折射率层的层序列组成，其中对于波长范围900nm至980nm：由a-Si:H制成的高折射率层的折射率nH＝3.6至3.8，消光系数k＜0.0001，中折射率层的折射率nM＝3.2至3.3，k＜0.0001，低折射率层的折射率nL＝3.0至3.1，k＜0.0001。
14.根据权利要求8至10中任一项所述的光学层系统，其特征在于，所述光学层系统被设计为梳状滤光器，其中能够在所述多个层上形成折射率梯度，所述折射率梯度能够通过过程控制装置调整掺杂气体的化学计量，对光学层系统的多个层中的每一层进行调节。
15.根据权利要求8至10中任一项所述的光学层系统，其特征在于，所述光学层系统设计为光学干涉滤光器。
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