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CN113614580A - 超透镜部件、电子装置和方法 - Google Patents

超透镜部件、电子装置和方法 Download PDF

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CN113614580A
CN113614580A CN202080023256.8A CN202080023256A CN113614580A CN 113614580 A CN113614580 A CN 113614580A CN 202080023256 A CN202080023256 A CN 202080023256A CN 113614580 A CN113614580 A CN 113614580A
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Abstract

本公开总体上涉及在第一衬底中包括多个孔的超透镜部件，其中，多个孔中的至少两个孔的尺寸不同，并且其中，超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者限定，从而提供超透镜。

Description

超透镜部件、电子装置和方法
技术领域
本公开总体上涉及一种超透镜部件、一种电子装置和一种方法。
背景技术
近年来，超表面(metasurface)引起了人们的兴趣，因为该超表面可以实现光学波前的精确控制，并且易于用传统的微制造技术以平坦、薄且重量轻的形式制造。各种传统装置(例如，光栅和透镜)已经使用超表面进行了演示。这些光学元件通常由放置在二维晶格上的大量散射体或超原子组成，以局部成形光学波前。超透镜设计基本上是应用于衬底的纳米结构，其允许控制波前，以获得透镜功能。
通常，超透镜是已知的，并且用于在例如图像传感器上提供(微)透镜。超透镜可以包括小于1的折射率，并且该超透镜可以基于压印在衬底上的多个纳米柱。纳米柱可以包括TiO2材料，该纳米柱的示例性柱直径的范围为50至340nm且柱高度为600nm。然而，由于纳米柱的结构(小而薄)，已知的超透镜通常具有低的机械稳定性。
尽管存在用于制造超透镜的技术，但是通常希望提供一种超透镜部件、电子装置和方法以例如用于提供具有高机械稳定性的超透镜。
发明内容
根据第一方面，本公开提供了一种超透镜部件，该超透镜部件在第一衬底中包括多个孔，其中，多个孔中的至少两个孔的尺寸不同，并且其中，超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者限定，从而提供超透镜。
根据第二方面，本公开提供了一种电子装置，包括：第二衬底；以及超透镜部件，在衬底中包括多个孔，其中，多个孔中的至少两个孔的尺寸不同，并且其中，超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者来限定，从而提供超透镜。
根据第三方面，本公开提供了一种用于制造超透镜部件的方法，包括：在第一衬底中设置多个孔，其中，多个孔中的至少两个孔尺寸不同，并且其中，超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者限定，从而提供超透镜功能。
进一步的方面在从属权利要求、以下描述和附图中阐述。
附图说明
参考附图通过示例来解释实施例，其中：
图1示出众所周知的超透镜；
图2示出根据本公开的超透镜；
图3示出根据本公开的电子装置；
图4示出根据本公开的方法；
图5示出根据本公开的相机装置；以及
图6是用于将多个孔作为纳米孔设置的方法的流程图。
具体实施方式
在给出参考图1的实施例的详细描述之前，先进行一般性解释。
正如开头提到的，超透镜是众所周知的。已经认识到，已知的超透镜具有低的机械稳定性。
因此，一些实施例涉及在第一衬底中包括多个孔的超透镜部件，其中，多个孔中的至少两个孔的尺寸不同，并且其中，超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者限定，从而提供超透镜。
如上所述，超透镜可以包括纳米级或微米级的结构化布置(也可以被称为超材料)，并且超透镜因其结构可以具有小于1的折射率。原则上，超透镜可以提供透镜功能，这是众所周知的。更详细地，在一些实施例中，可以用于提供超透镜功能的超表面通常是薄的光学部件，其依赖于不同的光控制方法：亚波长谐振器的密集布置被设计为修改接口的光学响应。散射体的共振性质在入射波前中引入了突然的相移，使得能够随意模制散射波前，并实现了一类新的平面光子学组件——平面光学。超表面方法可以是不同的，因为提供具有二元结构(只有两层厚度)的相位轮廓的连续控制(即从0到2π)，在保持平面衍射光学装置的尺寸、重量和易于制造的优点的同时，避开了多个衍射级的基本限制。然而，到目前为止展示的基于超表面的光学装置可能会受到色差的影响，但是研究工作也表明可以实现相对宽带的光学超表面。
超透镜部件可以提供光学装置的透镜功能，其中，透镜功能通过衬底材料的纳米结构或微结构来实现，衬底材料适于透射特定波长(例如，红色、绿色、红外、430nm)或波长范围(例如，可见光、微波、450nm至500nm)的光。透镜可以透射所有入射光(即透射率100％)，或者仅透射入射光的一小部分(例如，50％)。
第一衬底可包括例如，硅、钛、铝等的金属，已知该金属可通过例如氧化、硝化、砷化等方法被加工成具有所需的超透镜性质(例如，致密的、可加工成纳米或微结构的透射性等)。
超透镜部件可以包括单个超透镜或者为了扩大光入射面积的并排布置的多个超透镜和/或串联布置的多个超透镜，如从(普通)透镜中已知的。
多个孔可以指适合于提供超透镜功能的任何数量的孔(例如，100个，在这方面不限制本公开)，其中，孔是指第一衬底材料中的通孔、凹坑、空腔等，如上所述。在本文中，纳米结构或微结构是指提供多个孔。
至少两个孔的尺寸可以不同。一般来说，每个孔的尺寸可以不同，或者至少一者子集可以具有第一公共尺寸，而另一子集可以具有第二公共尺寸等。
尺寸可以指孔的至少一种形状，例如，直径、高度、深度、几何形状等，并且通过提供不同尺寸的孔，可以局部实现不同的光学特性，例如，局部不同的折射率。
此外，透镜的(局部不同的)折射率可以由多个孔的布置图案(例如，环状布置、圆形布置、三角形布置、矩形布置等)限定。
由此，可以补偿透镜误差(例如，像差、畸变等)。
例如，多个孔可以是具有圆柱形状的通孔，并且布置在围绕超透镜中心的同心环上，其中，对于每个环上的孔，孔的半径是相同的，但是环之间的半径可以不同。因此每个同心环具有另一折射率。
在一些实施例中，第一衬底包括氧化物，如上所述，其中，氧化物可以包括钛和铝中的至少一种，如本文所述。
在一些实施例中，如本文所述，布置图案包括同心环。
在一些实施例中，如本文所述，孔的形状由高度和直径中的至少一者来限定。此外，根据孔的几何形状，孔可以具有一以上的高度或直径，或者可以使用其他参数来表征孔(例如，曲率等)。
在一些实施例中，超透镜部件还包括超透镜部件上的多个折射率，其中，折射率从超透镜部件的中央增加到距超透镜中央的预定距离。
例如，超透镜部件可以包括三种不同的折射率，在中央的第一(最小)折射率，在围绕中央的第一环上的第二最小折射率，在围绕中央的第二环上的最大折射率，其中，第二环的半径大于第一环的半径。然而，在半径最大的第三个环上，第一(最小)折射率可能再次被发现，因为孔的形状和大小与中央的相同。
一些实施例涉及电子装置(例如，图像传感器、相机、移动电话或任何其他类型的电子装置)，该电子装置包括第二衬底；以及超透镜部件，在第一衬底中包括多个孔，其中，多个孔中的至少两个孔的尺寸不同，并且其中，超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者限定，从而提供超透镜，如本文所述。
第二衬底可以是另一超透镜部件、光学装置，例如，图像传感器等。第二衬底可以是与第一衬底相同的衬底，但是在其他实施例中，第二衬底与第一衬底不同。
在一些实施例中，第二衬底和超透镜部件(每个也可以是晶圆)安装在彼此上面。安装可以用已知的技术(例如，包括超透镜部件的装置或衬底与第二衬底之间的结合)实现，其中，结合可以是以下中的一个：等离子激活结合、直接结合、粘合剂结合、阳极结合、共晶结合、玻璃熔块结合、热压结合、瞬时液相扩散结合、表面激活结合等。
在一些实施例中，电子装置包括被配置为处理在电子装置中产生的光电信号的电路(例如，光电二极管、光电转换单元、晶体管、浮动扩散等)以适于处理响应于透射通过透明光学部件的光而产生的信号。由此，可以实现成像装置或成像装置的一部件的功能。
在一些实施例中，第二衬底是半导体衬底，例如，硅、硅化合物或本领域已知的其他半导体衬底，由此可以利用已知的方法，其中，电路可以形成在第二衬底上，使得可以将第一衬底(超透镜部件)和第二衬底彼此独立地制造。
一些实施例涉及一种用于制造超透镜部件的方法，包括：在第一衬底中设置多个孔，其中，多个孔中的至少两个孔的尺寸不同，并且其中，超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者限定，从而提供超透镜功能，如本文所述。
在一些实施例中，多个孔的设置包括多个孔的模制，其中，多个孔在模具中模制。
可以通过任何已知的模制技术进行模制，例如，铸造、冷变形、热变形、喷射铸造、注射模制等。模具可以是超透镜部件的负面，其中，可以围绕多个突起(例如，纳米柱)等铸造第一衬底。
因此，在一些实施例中，模具包括多个突起，并且多个孔基于多个突起模制。因此，已知的提供纳米柱的技术可能是模具的基础。
多个孔还的设置可以基于化学蚀刻方法、纳米孔生成、电化学阳极氧化等。
因此，一些实施例提供了与上面讨论的基于“正常”柱的超表面相同的波前构建效率，由于仅整体中断的连续材料表面，机械稳定性可以提高，和/或通过光刻和化学蚀刻方法制造可以降低成本和制造复杂性，因为这种方法已经很成熟。
回到图1，示出众所周知的超透镜1。超透镜1包括多个包含氧化钛的纳米柱2。纳米柱2的尺寸不同，从而在超透镜上提供不同的折射率，如超透镜1的另一表示1’所示。超透镜1’描绘了折射率n1、n2、n3、n4的分布，其中，折射率基于相应纳米柱的尺寸，使得折射率n1超透镜的中央和超透镜的外环上被发现。此外，在超透镜1’中，折射率从透镜的中央向外变小(外环除外)，这用环的相应晕线的对应密度(即n1>n2>n3>n4)表示。此外，空气的折射率大于n1。
图2描绘了根据本公开实施例的超透镜3。超透镜包括含有氧化钛的衬底4和多个通孔，这些通孔用电化学阳极氧化制造。衬底的厚度为600纳米。此外，通孔在其相应的尺寸上不同，从而在超透镜上提供不同的折射率，如超透镜3的表示3’所示。超透镜3’描绘了折射率n1’、n2’、n3’、n4’的分布，类似于图1的折射率分布。然而，除了外环之外，折射率从中央向外变大，即n1’<n2’<n3’<n4’。
图3示出根据本公开的电子装置10的截面。电子装置10包括超透镜部件11，该超透镜部件11又包括穿过包含氧化钛的第一衬底13的多个孔12。
众所周知，超透镜部件11安装到半导体装置14(第二衬底)上，该半导体装置14包括硅，并且还包括处理光电信号的电路(未示出)。安装可以涉及例如在包括超透镜部件11的装置与半导体装置之间的结合处理。
图4示出根据本公开的用于设置多个孔以生产超透镜部件的方法20。
在21中，众所周知，通过纳米柱的光刻压印形成模具。
在22中，涂覆压印的纳米柱，以便与在23中铸造在模具上的衬底具有低粘附力。在该实施例中，衬底包括氧化钛，其中，衬底在铸造之前熔化。
在24中，衬底被平衡，即在这种情况下被冷却，使得处于可以从模具中取出的状态。
在25中，移除衬底，从而提供超透镜。
图5示出根据本公开的相机装置30，该相机装置30包括图3的电子装置10、处理电子装置中产生的光电信号的处理器31(电路)、以及聚焦然后透射到电子装置10的光的光学堆叠。相机装置30还可以包括对本领域技术人员来说显而易见的其他部件(例如，闪光灯、显示器等)。
图6是用于为超透镜部件的生产而设置多个孔的另一种方法40的流程图，其中，多个孔形成为纳米孔。
在41中，提供硅衬底。
在42中，在硅(Si)衬底上旋涂聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。
在43中，在PMMA层上设置阳极氧化铝(AAO)膜，作为蚀刻掩模。蚀刻掩模被配置为包括要形成的多个孔的图案。
在44中，执行接触印刷，以用于提供AAO膜掩模与硅衬底的共形接触。
在45中，进行CF4等离子体蚀刻，以用于通过PMMA层将纳米孔转移到硅衬底上，从而产生纳米孔。
应该认识到，实施例描述了具有示例性方法步骤顺序的方法。然而，给出方法步骤的具体顺序仅仅是为了说明的目的，不应该被解释为具有约束力。例如，图4的实施例中的21和22的顺序可以交换。对于本领域技术人员来说，方法步骤顺序的其他变化可能是显而易见的。
注意，将相机装置30划分为单元10、31和32仅仅是为了说明的目的，并且本公开不限于特定单元中的任何特定功能划分。例如，相机装置30可以由相应的编程处理器、现场可编程门阵列(FPGA)等来实现。
如果没有另外声明，在本说明书中描述并在所附权利要求中要求保护的所有单元和实体可以实现为集成电路逻辑，例如，在芯片上，并且如果没有另外声明，由这样的单元和实体提供的功能可以由软件实现。
注意，本技术也可以如下所述进行配置。
(1)一种超透镜部件，在第一衬底中包括多个孔，其中，
多个孔中的至少两个孔的尺寸不同，并且其中，
超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者限定，从而提供超透镜。
(2)根据(1)的超透镜部件，其中，第一衬底包括氧化物。
(3)根据(1)或(2)的超透镜部件，其中，氧化物包括钛和铝中的至少一种。
(4)根据(1)至(3)中任一项的超透镜部件，其中，布置图案包括同心环。
(5)根据(1)至(4)中任一项的超透镜部件，其中，孔的形状由高度和直径中的至少一者限定。
(6)根据(1)至(5)中任一项的超透镜部件，还包括超透镜部件上的多个折射率，其中，从超透镜部件的中央到距超透镜部件的中央的一预定距离，折射率增加。
(7)一种电子装置，包括：
第二衬底；以及
在衬底中包括多个孔的超透镜部件，其中，多个孔中的至少两个孔的尺寸不同，并且其中，超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者限定，从而提供超透镜。
(8)根据(7)的电子装置，其中，第二衬底和超透镜部件安装在彼此上面。
(9)根据(7)或(8)的电子装置，还包括电路，该电路被配置为处理在电子装置中生成的光电信号。
(10)根据(7)至(9)中任一项的电子装置，其中，第二衬底是半导体衬底。
(11)根据(7)至(10)中任一项的电子装置，其中，第二衬底包括硅。
(12)一种制造超透镜部件的方法，包括：
在第一衬底中
设置多个孔，其中，多个孔中的至少两个孔的尺寸不同，并且其中，超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者限定，从而提供超透镜功能。
(13)根据(12)的方法，其中，多个孔的设置包括模制多个孔，其中，多个孔在模具中模制。
(14)根据(12)或(13)的方法，其中，模制包括铸造第一衬底。
(15)根据(12)至(14)中任一项的方法，其中，模具包括多个突起，并且多个孔基于多个突起来模制。
(16)根据(12)至(15)中任一项的方法，其中，多个孔的设置包括化学蚀刻孔。
(17)根据(12)至(16)中任一项的方法，其中，多个孔的设置包括纳米孔生成。
(18)根据(12)至(17)中任一项的方法，其中，多个孔的设置包括电化学阳极氧化。

Claims (18)

1.一种超透镜部件，在第一衬底中包括多个孔，其中，
所述多个孔中的至少两个孔的尺寸不同，并且其中，
所述超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者限定，从而提供超透镜。
2.根据权利要求1所述的超透镜部件，其中，所述第一衬底包括氧化物。
3.根据权利要求2所述的超透镜部件，其中，所述氧化物包括钛和铝中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的超透镜部件，其中，所述布置图案包括同心环。
5.根据权利要求1所述的超透镜部件，其中，所述孔的形状由高度和直径中的至少一者限定。
6.根据权利要求1所述的超透镜部件，还包含所述超透镜部件的多个折射率，其中，从所述超透镜部件的中央到距所述超透镜部件的所述中央的一预定距离，所述折射率增加。
7.一种电子装置，包括：
第二衬底；以及
超透镜部件，在衬底中包括多个孔，其中，所述多个孔中的至少两个孔的尺寸不同，并且其中，所述超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者限定，从而提供超透镜。
8.根据权利要求7所述的电子装置，其中，所述第二衬底和所述超透镜部件安装在彼此上面。
9.根据权利要求7所述的电子装置，还包括电路，所述电路被配置为处理在所述电子装置中生成的光电信号。
10.根据权利要求7所述的电子装置，其中，所述第二衬底是半导体衬底。
11.根据权利要求10所述的电子装置，其中，所述第二衬底包括硅。
12.一种用于制造超透镜部件的方法，包括：
在第一衬底中设置多个孔，其中，所述多个孔中的至少两个孔的尺寸不同，并且其中，所述超透镜部件的折射率由孔的形状和孔的布置图案中的至少一者限定，从而提供超透镜功能。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，提供所述多个孔包括模制所述多个孔，其中，所述多个孔在模具中模制。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，该模制包括铸造所述第一衬底。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述模具包括多个突起，并且所述多个孔基于所述多个突起来模制。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个孔的设置包括孔的化学蚀刻。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个孔的设置包括纳米孔生成。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个孔的设置包括电化学阳极氧化。
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