Демонстрация поколения равной интенсивности луча диэлектрическими метаповерхностями

Резюме

Представлен протокол изготовления и оптической характеристики диэлектрических метаповерхностей. Этот метод может быть применен к изготовлению не только пучковых сплиттеров, но и общих диэлектрических метаповерхностей, таких как линзы, голограммы и оптические плащи.

Аннотация

Демонстрируется протокол изготовления и характеристики сплиттера метаповерхностного луча, обеспечивающего выработку одинаковой интенсивности образования луча. Водородный аморфный кремний (a-Si:H) откладывается на срослом субстрате кремнезема с использованием плазменного химического осаждения паров (PECVD). Типичный аморфный кремний, отложенный путем испарения, вызывает серьезные оптические потери, посягая на работу на видимых частотах. Атомы водорода внутри аморфной кремниевой тонкой пленки могут уменьшить структурные дефекты, улучшая оптическую потерю. Для работы метаповерхностей на видимых частотах требуются наноструктуры в несколько сотен нанометров. Обычная фотолитография или прямое лазерное письмо непредставляется при изготовлении таких небольших структур из-за предела дифракции. Таким образом, электронная лучевая литография (EBL) используется для определения хромовой (Cr) маски на тонкой пленке. Во время этого процесса, подвергшееся сопротивлению разработан при холодной температуре, чтобы замедлить химическую реакцию и сделать края шаблона острее. Наконец, a-Si:H выгравируется вдоль маски, используя индуктивно соединенные плазмено-реактивные ионные травления (ICP-RIE). Продемонстрированный метод неосуществим для крупномасштабного изготовления из-за низкой пропускной записи EBL, но его можно улучшить, объединив его с литографией наноимпринта. Изготовленное устройство характеризуется настраиваемым оптическим устройством, состоящим из лазера, поляризатора, объектива, счетчика мощности и зарядного устройства (CCD). Изменяя длину волны и поляризацию лазерной волны, измеряются свойства дифракции. Измеренные диффратые лучи всегда равны, независимо от поляризации инцидента, а также длины волны.

Введение

Метаповерхности, состоящие из двухмерных подволяновых антенных массивов, продемонстрировалимножество перспективных оптических функций, таких как ахроматические линзы 1,², голограммы 3,^{4,5 ,6}, и оптические плащи⁷. Обычные громоздкие оптические компоненты могут быть заменены ультратонкими метаповерхностями, сохраняя при этом первоначальную функциональность. Например, сплиттер пучка является оптическим устройством, используемым для разделения лучей инцидента на два луча. Типичные сплиттеры пучка сделаны путем объединения двух треугольных призм. Поскольку их характеристики интерфейса определяют свойства расщепления луча, трудно уменьшить физический размер без функциональной деградации. С другой стороны, ультратонкие сплиттеры пучка могут быть реализованы с помощьюметаповерхностей, закодированных одномерным линейным градиентом фазы 8,⁹. Толщина метаповерхностей меньше, чем их рабочие длины волн, а свойства разделения могут контролироваться распределением фаз.

Мы разработали сплиттер метаповерхности, который может генерировать равноинтенсивные лучи независимо от состояния поляризации инцидента^10. Эта характеристика происходит от голограммы Фурье. Благодаря изображению двух белых пятен на черном фоне, сгенерированная голограмма с метаповерхности такая же, как и закодированное изображение. Голограмма Фурье не имеет определенного фокусного длины, поэтому закодированное изображение можно наблюдать во всем пространстве за метаповерхностью^11. Если за метаповерхностью генерируется одно и то же двухточечное изображение, оно также работает как сплиттер луча. Голограмма Фурье по метаповерхности создает перевернутое изображение, которое называется двойным изображением, по отношению к состояниям ортогонализации. Двойное изображение обычно рассматривается как шум. Тем не менее, двухместное изображение, закодированное в этой метаповерхности, является источником-симметричным, что приводит к идеальному перекрытию исходных и двойных изображений. В виду того что любые положения поляризации могут быть представлены линейной комбинацией right-handed (RCP) и left-handed (LCP) круговой поляризации, прибор описанный здесь показывает поляризацию-независимую функциональность.

Здесь мы представляем протокол для изготовления и оптической характеристики диэлектрических метаповерхностей, позволяющих одноимную генерацию пучка. Фазовое распределение этого устройства извлекается из алгоритма Герхберг-Сакстон (GS), который обычно используется для фазовых голограмм^12. a-Si:H толщиной 300 нм откладывается на срослом субстрате кремнезема с использованием PECVD. Маска Cr определяется на пленке a-Si:H с использованием EBL. Шаблон маски соответствует фазовому распределению, полученному из алгоритма GS. ICP-RIE используется для травления a-Si:H пленки вдоль маски Cr. Остальная часть маски Cr удаляется Cr etchant, завершающим изготовление образца. Оптическая функциональность изготовленного метаповерхности характеризуется с помощью индивидуальной оптической установки. Когда лазерный луч является инцидентом с метаповерхность, передаваемый луч делится на три части, а именно два диффравенных луча и один луч нулевого порядка. Диффраутированные лучи отклоняются от расширения пути луча инцидента, в то время как пучок нулевого порядка следует за ним. Чтобы проверить функциональность этого устройства, мы измерили силу луча, профиль луча и размножительный угол с помощью счетчика мощности, CCD и protractor, соответственно.

Все используемые процессы изготовления и материалы оптимизированы для целевой функциональности. Для видимых рабочих частот отдельные размеры антенны должны сосужаться в несколько сотен нанометров, а сам материал должен иметь низкую оптическую потерю на видимых длинах волн. При определении таких небольших структур применимы лишь несколько видов методов изготовления. Типичная фотолитография, а также прямое лазерное письмо, неспособны к изготовлению из-за предела дифракции. Сосредоточенный ионный луч фрезерования могут быть использованы, но Есть критические вопросы загрязнения галлия, шаблон дизайн зависимости, и медленная скорость процесса. Практически, EBL является единственным способом облегчить изготовление метаповерхностей, работающих на видимых частотах¹³.

Диэлектрики, как правило, предпочитают из-за неизбежной потери ohmic металлов. Оптическая потеря a-Si:H достаточно низка для нашей цели. Хотя оптическая потеря a-Si:H не так низко, как низкой потеридиэлектрики, такие как диоксид титана 1,⁴ и кристаллический кремний¹⁴, изготовление a-Si:H гораздо проще. Типичные процессы испарения и распыления не способны к осаждению пленки a-Si:H. PECVD обычно требуется. Во время процесса PECVD, некоторые атомы водорода из SiH₄ и H₂ газов оказались в ловушке среди атомов кремния, в результате чего a-Si:H пленки. Существует два способа определения шаблонов a-Si:H. Одним из них является осаждение a-Si:H на узорчатом фоторезистом, за которым следует процесс подъема, а другой – определение маски для травления на пленке a-Si:H, за которой следует процесс травления. Первый хорошо подходит для процессов испарения, но это не легко отойти на хранение a-Si:H пленки с помощью испарения. Таким образом, последний является оптимальным способом сделать a-Si:H шаблонов. Cr используется в качестве материала маски травления из-за его высокой селективности травления с кремнием.

протокол

1. Изготовление диэлектрической метаповерхности

1. Очистка сросленного субстрата кремнезема
   1. Приготовьте двусторонний полированный, сросшиеся ксилейкоподвора (длина: 2 см; ширина: 2 см; толщина: 500 мкм).
   2. Погрузите сросшиеся свилийного субстрата в 50 мл ацетона и проведите процесс соникации в течение 5 мин при 40 кГц.
   3. Погрузите субстрат в 50 мл 2-пропанола (IPA) и проведите процесс звукозаронации в течение 5 мин при 40 кГц.
   4. Промыть субстрат с АПИ и удар азота (N₂) газа для высыхания субстрата до испарения АПИ.
2. Депозиция a-Si:H по PECVD
   1. Найдите подготовленные субстраты на зигевнутри камеры блокировки нагрузки системы PECVD.
   2. На программном обеспечении PECVD установите температуру камеры до 300 градусов по Цельсию и установите радиочастотную мощность до 800 Вт.
   3. Установите скорость потока газа SiH₄ до 10 скм и скорость потока газа H₂ до 75 скм.
   4. Установите давление процесса до 25 mTorr. Нажмите кнопку «Пуск», чтобы начать процесс осаждения, который занимает 300 с.
3. Формирование маски для травления Cr
   1. Загрузите образец, полученный со ступени 1.2.4 на держатель образца спин-шуба. Выпустить поли (метил-метакрилат) (PMMA) A2 на образец с помощью фильтра установлен 5 мл шприца и начать процесс покрытия со скоростью вращения 2000 об/мин в течение 1 мин.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выпущенный PMMA должен охватывать весь субстрат; в противном случае пленка со спинным покрытием не будет однородной.
   2. Перенесите образец из подстаканника на горячую тарелку и выпекайте образец горячей пластиной при температуре 180 градусов по Цельсию в течение 5 мин. Затем охладите образец при комнатной температуре в течение 1 мин.
   3. Загрузите образец на образец держателя спин-шуба. Отпустите E-spacer на образец, используя пипетку 1 мл, и начните процесс покрытия со скоростью вращения 2000 об/мин в течение 1 мин.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Выпущенный E-spacer должен покрывать весь субстрат; в противном случае пленка со спинным покрытием не будет однородной.
   4. Загрузите и зафиксировать образец на зиг для EBL. Положите зиг в камеру EBL, а затем загрузите его в главную камеру.
   5. На консоли EBL нажмите кнопку Изоляция, а затем кнопку FC. Установите увеличение до максимального значения с помощью ручки увеличения.
   6. Включите кнопку проверки нулевой. Поверните ручку тока луча, чтобы установить значение тока луча до 50 pA. Выключите кнопку проверки нулевой.
   7. Нажмите кнопку Ссылка, чтобы переместить этап в положение отсчета. Выключите кнопку "Бланк".
   8. Установите значение увеличения до 100 000 с помощью ручки увеличения. Отрегулируйте фокус и ручки стигматизма, чтобы получить четкое изображение на дисплее EBL. Включите кнопку «Бланк».
   9. На компьютере, подключенном к консоли EBL, запустите терминал Linux. Переместите текущее местоположение в папку с файлом .gds с помощью команды CD.
   10. Введите gds2cel, чтобы преобразовать файл .gds в файл .cel и подождите, пока он закончит. Введите работу для запуска основного программного обеспечения.
   11. Нажмите в меню модификации размера чипа. Выберите 600 мкм х 600 мкм и 240 000 точек. Нажмите Сохранить, а затем выйти.
   12. Нажмите в меню создания данных Pattern. Введите ps в окне команды для загрузки шаблона .cel файл, генерируемый с шага 1.3.10. Введите i в окне команды и нажмите на шаблон, чтобы увеличить изображение шаблона.
   13. Введите sd в окне команды и 3, чтобы установить время дозы до 3 х. Введите sp в окне команды и 1,1, чтобы установить разоблачающий шаг в нормальном состоянии. Введите PC в окне команды и имя файла для создания файла .ccc. Нажмите на центр шаблона.
   14. Введите cp в окне команды и нажмите на шаблон, чтобы применить условия разоблачения с шага 1.3.13. Введите sv в окне команды и имя файла для создания файла .con. Введите q в окне команды, чтобы выйти из меню создания данных шаблона.
   15. Нажмите на меню Exposure. Введите i и имя файла .con с шага 1.3.14. Введите e и нажмите кнопку Exposure, чтобы начать процесс разоблачения.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Время разоблачения зависит от области шаблона и плотности. Общие метаповерхностные узоры площадью 300 мкм х 300 мкм занимают 3 ч.
   16. Когда процесс разоблачения завершается, выключите кнопку Изоляции. Нажмите кнопку EX, чтобы переместить сцену.
   17. Выгрузите образец из камеры после окончания экспозиции. Погрузите образец в 50 мл деионированной (DI) воды в течение 1 мин, чтобы удалить E-пространство.
   18. Приготовьте 10 мл метилизобутил кетона (MIBK): IPA no 1:3 раствор в стакане, окруженном льдом. Погрузите образец в раствор MIBK:IPA No 1:3 в течение 12 мин. Затем промыть образец с IPA и удар N₂ газа, чтобы высушить образец.
   19. Загрузите и зафиксите образец на держателе испарителя электронного луча. Установите держатель внутри камеры испарителя.
   20. Загрузите графит-тиглю-содержащий кусок типа Cr внутри испарения камеры.
   21. На программном обеспечении испарителя электронного луча нажмите кнопку накачки камеры, чтобы создать вакуум на внутренней стороне камеры, и снизить давление до 3 х 10^-6 mTorr.
   22. Выберите Chromium в разделе материала и нажмите кнопку Материал, чтобы применить его. Нажмите кнопку затвора E-beam, чтобы открыть затвор источника. В этом порядке нажмите кнопку высокого напряжения и кнопку «Источник».
   23. Нажмите кнопку восходящей стрелки, чтобы увеличить мощность электронного луча медленно, и повторяйте это до тех пор, пока скорость осаждения не достигнет 0,15 нм/с.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Один клик на 5 с достаточно медленно.
   24. Нажмите кнопку «Зеро», чтобы сбросить датчик толщины. Нажмите кнопку Основной затвора, чтобы открыть главный затвор. Когда толщина датчика достигает 30 нм, нажмите кнопку Основной затвора, чтобы закрыть основной затвор.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Время осаждения можно легко вычислить из скорости осаждения. Осаждение толщиной 30 нм занимает 200 с, в состоянии, используемом здесь.
   25. Нажмите кнопку затвора E-beam, чтобы закрыть исходный затвор. Нажмите кнопку нисходящей стрелки, чтобы уменьшить мощность электронного луча медленно, и повторить это, пока власть достигает 0.
       ПРИМЕЧАНИЕ: Один клик на 5 с достаточно медленно.
   26. Нажмите на источник, а затем кнопку высокого напряжения. Подождите 15 минут, чтобы охладить камеру. Нажмите кнопку Vent, чтобы выпустить камеру и выгрузить образец из держателя.
   27. Погрузите образец в 50 мл ацетона в течение 3 мин. Проведите процесс соникации в течение 1 мин при 40 кГц. Промыть образец с IPA и удар N₂ газа для высыхания образца.
4. Процесс офорта a-Si:H
   1. Распространение теплового клея в задней части образца. Прикрепите образец на зиг и загрузите зиг на систему травления.
   2. На программном обеспечении, установить хлора (Cl₂) скорость потока газа до 80 скм и скорость потока бромистого водорода (HBr) поток газа до 120 скм. Установите исходную мощность до 500 Вт и смещение до 100 В. Нажмите кнопку «Пуск», чтобы начать процесс травления на 100 с.
   3. Разгрузите образец и удалите тепловой клей с помощью стеклоочистителя.
   4. Погрузите образец в 20 мл Cr etchant в течение 2 мин и в 50 мл воды DI в течение 1 мин. Промыть образец с водой DI и удар N₂ газа для высыхания образца.
5. Получение сканирующего электронного микроскопа изображения сфабрикованной метаповерхности
   1. Загрузите образец на образец держателя спин-шуба, отпустите E-пространство на образец с помощью пипетки 1 мл, и начните процесс покрытия со скоростью вращения 2000 об/мин в течение 1 мин.
   2. Зафиксировать образец на держателе образца сканирующего электронного микроскопа (SEM), используя углеродную ленту. Поместите держатель в камеру блокировки нагрузки SEM и создайте вакуум в камере блокировки нагрузки.
   3. Перенесите держателя из камеры блокировки груза в главную камеру. Включите электронный луч с напряжением ускорения 15 кВ.
   4. Переместите сцену на рабочее расстояние в 1 см. Найти метаповерхность, перемещая сцену горизонтально. Отрегулируйте стигматизм и фокусное расстояние до тех пор, пока изображение не станет ясным.
   5. Захват изображений.
   6. Выключите электронный луч. Переместите сцену в положение добычи. Перенесите держатель из основной камеры в камеру блокировки груза.
   7. Вотим камеру блокировки нагрузки и выгрузите образец.
   8. Погрузите образец в 50 мл воды DI в течение 1 мин, чтобы удалить E-пространство. Удар N₂ газа, чтобы высушить образец.

2. Оптическая характеристика диэлектрического метаповерхности

ПРИМЕЧАНИЕ: Прямое излучение лазера может повредить глаза. Избегайте прямого воздействия глаз и носить соответствующие лазерные защитные очки.

1. Установите лазер длиной 635 нм на оптическом столе(рисунок 1а). Включите лазер и подождите 10 минут, чтобы стабилизировать мощность луча.
2. Отрегулируйте горизонтальное и вертикальное выравнивание лазера с помощью экрана выравнивания как вближнем, так и далеко от лазера.
3. Поместите фильтр нейтральной плотности перед лазером. Установите первый выпуклую линзу за фильтром нейтральной плотности. Поместите радужную оболочку на задней фокусной плоскости выпуклой линзы для удаления шума.
4. Установите второй выпуклой линзы с в двоебольшим фокусным расстоянием от первого выпуклого объектива. Поместите линейный поляризатор за второй выпуклостной линзой. Поместите правую круговую поляризатор за линейным поляризатором.
5. Установите третий выпуклую линзу за круговой поляризатор. Смонтировать изготовленную метаповерхность на держателе. Найдите метаповерхность на задней фокусной плоскости выпуклой линзы.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Лазерный луч должен быть инцидент от субстрата к узорной области.
6. Поместите толстый экран белой бумаги, который имеет отверстие диаметром 1 см в центре, за метаповерхность. Установите протрактор на оптическом столе, выравнивая происхождение с метаповерхность.
7. Измерьте мощность трех диффраваемых лучей, которые представляют собой три ярких пятна на экране, используя счетчик мощности.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Если мощность лазерного луча не поддерживается в постоянном состоянии, вычислите среднюю мощность луча в течение определенного периода времени.
8. Замените правую круговую поляризатор левой рукой круговой поляризатор. Измерьте три диффрапированные силы пучка, используя счетчик мощности.
9. Удалите левую круговую поляризатор. Измерьте три диффраваемые силы пучка, используя счетчик мощности.
10. Уменьшите мощность лазерного луча, используя фильтр нейтральной плотности, чтобы позволить измерения CCD. Поместите правую круглую поляризатор. Захват трех диффлоповых профилей пучка с помощью CCD.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Слабая мощность лазерного луча является предпочтительным, чтобы предотвратить повреждение CCD. В этой работе была использована балка мощностью 300 КВт.
11. Замените правую круговую поляризатор левой рукой круговой поляризатор. Захват трех диффлоповых профилей пучка, используя CCD.
12. Удалите левую круговую поляризатор. Захват трех диффлоповых профилей пучка, используя CCD.
13. Замените лазер длиной 635 нм длиной волны лазером длиной 532 нм.
14. Повторите шаги от 2,2 до 2,12.

Результаты

Результаты измерений показывают поляризацию-независимую функциональность устройства, представленного здесь(рисунок 1). Измеренные полномочия пучка дифракционных порядков м и 1 равны независимо от состояния поляризации инцидента (т.е. RCP, LCP и линейной поляризации). Поск...

Обсуждение

Некоторые этапы изготовления должны быть проведены тщательно, чтобы создать метаповерхность, которая такая же, как первоначальный дизайн. В процессе разработки сопротивления, низкотемпературное решение, как правило, предпочтительнее. Стандартным условием является комнатная темпера?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
Plasma enhanced chemical vapor deposition	BMR Technology	HiDep-SC
Electron beam lithography	Elionix	ELS-7800
E-beam evaporation system	Korea Vacuum Tech	KVE-E4000
Inductively-coupled plasma reactive ion etching	DMS	-
Ultrasonic cleaner	Honda	W-113
E-beam resist	MICROCHEM	495 PMMA A2
Resist developer	MICROCHEM	MIBK:IPA=1:3
Conducting polymer	Showa denko	E-spacer
Chromium etchant	KMG	CR-7
Acetone	J.T. Baker	925402
2-propanol	J.T. Baker	909502
Chromium evaporation source	Kurt J. Lesker	EVMCR35D
Collimated laser diode module	Thorlabs	CPS-635	wavelength: 635 nm
ND:YAG laser	GAM laser	GAM-2000	wavelength: 532 nm
power meter	Thorlabs	S120VC
CCD Camera	INFINITY	infinity2-2M
ND filter	Thorlabs	NCD-50C-4-A
Linear polarizer	Thorlabs	LPVISA100-MP2
Lens	Thorlabs	LB1676
Iris	Thorlabs	ID25
Circular polarizer	Edmund optics	88-096
sample holder	Thorlabs	XYFM1
PECVD software	BMR Technology	HIDEP