用于中长波红外应用的纳米线栅偏振器

用于中长波红外应用的纳米线栅偏振器摘要  已经使用晶片级铝纳米线栅图案化能力开发了适用于中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）应用的硅上的高对比度线栅偏振器。144nm间距的MWIR偏振器通常从3.5-5.5微米透射优于95%的通过偏振态，同时保持优于37dB的对比度。在7微米和15微米之间，宽带LWIR偏振器通常透射通过状态的55%和90%，并且具有优于40dB的对比度。窄带10.6微偏振器在通过状态下显示出约85%的透射率和45dB的对比度。使用各种FTIR光谱仪进行透射和反射测量，并将其与抗反射涂层晶片上的线栅偏振器（WGP）性能的RCWA建模进行比较。激光损伤阈值（LDT）测试是使用连续波CO2激光器对宽带LWIR产品进行的，并且在阻断状态下显示110kW/cm2的损伤阈值，在通过状态下显示10kW/cm2的损伤阈值。MWIR LDT测试使用具有7ns脉冲的在4微米下操作的OPO，并且显示在阻断状态下LDT为650W/cm2并且在通过状态下优于14kW/cm2。关键词：线栅偏振器，纳米制造，亚波长光学，形状双折射，激光损伤阈值，MWIR，LWIR，热IR1. 简介线栅偏振器（WGP）仍然是该领域有用的光学组件之一，在从成像和显示器到通信和科学仪器的应用中很普遍。WGP通常由透明基底支撑的具有亚波长间距的金属线阵列组成。众所周知，线栅结构作为具有短光程和大接受角的红外偏振器是有效的。现有的为中波长红外和长波长热红外应用设计的WGP产品在通过和阻挡配置中的线偏振光传输之间通常存在低对比度，这是由于其相对较大的线栅间距（通常≥370nm）。Moxtek和其他人之前已经证明，通过减少沥青，在可见光和紫外波长下的inalumum WGP性能显著提高。因此，从典型的IR WGP产品中发现的沥青显著减少，应该会大大提高中长波IR对比度。因此，Moxtek在抗反射（AR）涂层的硅上开发了几种高对比度IR偏振器，这些偏振器适用于使用晶圆级铝纳米线图案化能力的中波长IR（MWIR）和长波长IR（LWIR）应用。MWIR偏振器在3.5微米和5.5微米之间传输优于95%的通过态，同时从3-7微米保持优于37dB的对比度，而宽带LWIR偏振剂在7微米和15微米之间传输55%和90%的通过态并且具有超过40dB的对比率。10.6微米的窄带偏振器也正在开发中，并且在扫描状态下显示85%的透射率和约45dB的对比度。图1描述了硅和玻璃基板上的Moxtek铝WGP产品，并展示了晶圆级处理能力。硅的红外AR涂层可以定制设计，为窄带或宽带应用提供增强的传输。细间距（144nm）和大肋长宽比（>3:1）提供了比竞争的WGP产品更好的传输和显著更高的对比度。MWIR和LWIR偏振器的潜在应用包括光谱测量系统、工业激光器的光学隔离器以及用于高光谱成像技术和前瞻性红外热成像的偏振敏感成像系统。随着激光在偏振敏感工业和科学应用中的日益使用，这些WGP产品也开始进行激光损伤再老化（LDT）测试。图1.Moxtek线栅偏振器。（a） 晶圆横截面示意图（不按比例）。（b） -（c）在（b）平面图和（c）横截面中的MWIR AR涂覆的硅上的铝纳米线的SEM图像。（d） 嵌入铂和聚焦离子束铣削以去除薄截面进行成像后，LWIR产品肋横截面的STEM图像。（e） 在200mm直径的玻璃晶片上交叉的144 nm间距的铝纳米线栅偏振器的照片，描绘了Moxtek晶片级的处理能力。2.方法论2.1概述在Moxtek完成了零件传输性能的傅立叶变换红外（FTIR）光谱分析，并在外部参考实验室进行了验证。使用开放式和封闭式光束配置以及硅参考标准来验证传输测量的仪器精度。结果在第三个实验室通过固定波长透射测量进行验证，该测量使用以10.6μm为中心的CO2激光器和以4μm为操作的OPO。在通过和阻挡偏振器方向上也完成了激光损伤阈值测量。零件反射率性能的FTIR分析是在内部和外部参考实验室使用绝对镜面反射附件完成的，但保持偏振纯度是一个挑战。使用严格耦合波分析（RCWA）对零件性能进行光学建模。使用扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束（FIB）研磨和扫描透射电子显微镜（STEM）进行样品分析。2.2 FTIR透射实验图2a描述了正入射透射测量的实验装置。Cary 670 FTIR光谱仪与固定的预分析仪一起使用，该预分析仪由硅上间隔几毫米的两个Moxtek偏振器组成，并包含与被测产品相同的双面AR涂层。在氮气吹扫5-10分钟后，在隔间中没有样品的情况下进行背景扫描，以建立100%透射率基线。然后将样品放置在旋转台上，并将宽带FTIR干涉图信号最小化以建立阻挡态偏振器取向。在吹扫和测量阻塞状态透射率后，将样品旋转90°并重新吹扫，然后记录通过状态透射率。然后去除样品，并重新测量吹扫的背景，以确保单束FTIR仪器中的基线漂移最小。用金属板堵住横梁，形成了噪音底。为了确保在中间透射范围内的纵坐标精度，还扫描裸（未涂覆）硅参考样品，并将其与J.a.Woolam公司进行的IR可变角度光谱椭圆偏振法（IR-VASE）分析产生的透射模型进行比较。在Ball Aerospace的光学测试设施中，使用Thermo Nicolet的Nexus 870 FT-IR ESP光谱仪也重复了透射实验，并在通过状态和阻断状态下显示出相同的标称行为。在阻挡偏振器配置中，每个光谱平均256次扫描以获得足够的动态范围来测量具有5:1的信噪比的10000的浓度比。2.3 FTIR反射实验反射率测量起初在Ball Aerospace的光学测试设施进行，使用前面描述的Thermo Nicolet FTIR光谱仪以及具有12°和45°绝对反射率级的Harrick镜面反射附件和KRS-5基板上的宽带WGP作为预分析仪。镜面反射附件对入射偏振态进行小的旋转，但对于12°绝对反射阶段，如果样品是各向同性的，则在第一次和第二次样品反射之间保持这种偏振态。对于像WGP这样的非各向同性介质，必须使用预分析仪旋转输入偏振态，以从样品中获得纯p型或s型反射，否则将存在p型、s型、通过态和阻挡态反射的更复杂卷积。在“W”配置中，45°反射率阶段无法在样品的两次反弹之间保持相同的偏振状态，因此需要对建模结果进行更复杂的加权，以便在测量和理论建模之间进行定量比较。在早期的测量中，输入偏振态的旋转没有得到适当补偿，因此在Moxtek使用Cary 670 FTIR光谱仪和相同的Harrick反射附件和载物台重复进行12°入射角（AOI）反射率测量。在旋转支架上使用传输测量中描述的相同预分析器来调谐输入偏振状态，这应该允许Rp2和Rs2的绝对测量。放置WGP样品时，使零件边缘紧靠反射台的底部参考边缘，从而使导线在实验室参考系中上下定向。该导线方向与入射平面正交，分别给出阻挡和通过偏振态的s-和p-反射。将载物台放置在“V”形配置中，使光束穿过样品两次，然后通过旋转预分析仪将输入偏振调节到阻挡状态，以最小化FTIR检测器信号。移除样品后，在“V”形束路径配置中获取N2吹扫基线。然后将样品放回反射台上，并翻转运动学支架以生成“W”光束路径配置（图2b），用于测量阻挡状态下的反射率平方（Rs2）。将预分析仪旋转90°以通过状态反射率测量（Rp2），并移除样品以获得“V”配置的最终校正基线。还测量了未涂覆的双面抛光硅片的反射率，以验证仪器的准确性。图2:FTIR光谱在（a）透射和（b）12°反射中的测量设置。预分析仪是一种双Moxtek AR涂层产品，可提供高纯度的宽带线性偏振光。旋转支架允许对WGP和预分析仪的相对方向进行精细的比例对准。在透射（a）中，记录参考扫描，然后通过使FTIR干涉图无效来添加和对准样品，以进行阻挡态透射测量。然后将部件旋转90°以测量通过状态的透射率。在反射（b）中，首先旋转预分析仪以V形配置（min）中12°VW台的干涉图（两次通过样品），然后在移除样品后进行参考扫描。在添加样品并将反射台旋转到W配置之后，进行阻挡状态Rs2测量。然后，将预分析仪旋转约90°以测量Rp2，并移除样品，以在V位置获得最终校正基线。用N2吹扫样品室进行所有测量。2.4激光损伤阈值测试对于宽带LWIR产品，使用Spica Technologies的连续波Synrad Firestar CO2激光器在10.6μm波长下进行激光损伤阈值测试。使用凸ZnSe透镜（1米焦距）将光束聚焦到360μm 1/e2光斑大小，Rayleigh长度约为2mm。使用校准孔径方法测量光束轮廓。使用10.6μm波长的薄膜偏振片，提高了激光束的偏振纯度。使用零相位反射镜来控制光束，并使用反射薄膜板偏振器和部分反射器来衰减激光功率。利用射频载波调制实现了激光输出功率的微调。在低功率下操作激光器导致瞬时激光功率的载波调制增加，并且LDT行为接近脉冲激光实验。因此，CO2激光器在高功率下工作，以减少光束通量中的尖峰，并更可靠地完全表征产品的连续波LDT。用面对入射激光束的铝肋对样品进行测试。使用Nomarski物镜的100倍反射显微镜在激光曝光前后记录样品表面的图像，并检查激光损伤的迹象。还通过使用带有激光探针Rk-570热释电功率头和集成斩波器的激光精密计Rk-5720功率比计监测通过LWIR偏振器的功率来识别损坏。使用具有sh-USBI接口的Ophir 150C sh热电堆探测器头测量入射激光功率和通过态透射率。使用相同的激光源和探测器验证了高LWIR偏振器对比度。对于MWIR产品，使用工作频率为25kHz的Spectra Physics 1064nm HIPPO激光器以4μm的波长泵浦PPLN OPO 7 ns脉冲。对于阻断态LDT测量，1/e2光束直径从370μm变化到通过态测量的95μm。2.5样品分析通过SEM在平面图和横截面图中对样品进行了表征。发现需要通过STEM对横截面进行进一步研究，以提高更精细尺度样品特征的分辨率。使用FEI Nova 200双束仪，通过聚焦离子束（FIB）原位提拉技术制备横截面STEM薄片。然后，使用Hitachi HD-2000 STEM仪器在200 kV下运行，在亮视场和暗场中观察样品。在FIB铣削之前进行铂渗透，以保护精细的线栅结构免受束损伤。2.6光学建模 严格耦合波分析（GSolver版本4.20b）用于硅红外产品的光学建模。该模型结合了J.A.Woolam从IR-VASE和一系列未涂覆硅部件的透射率分析中产生的硅IR光学常数。该模型还利用了基于通用振荡器模型的早期J.A.Woolam IR分析得出的铝光学常数。由Universal Thin Film LabCorp提供的AR涂层数据。也被输入到光学模型中以说明硅反射率的降低。为了建模的目的，假设一个简单的矩形导线横截面，金属占空比固定在导线栅间距（144nm）的27.8%（40nm）。将导线高度设置为165nm，得到约4.1比1的纵横比。除了实零阶传播模式外，还观察到RCWA解的收敛性，其中仅包括+/-12反射和+/-12透射的倏逝衍射阶。通过将两个不同模型的零阶透射率相乘来进行透射模拟。第一种使用半无限空气覆盖层，然后是WGP层、ARC层、0.62mm厚的硅层和半无限硅衬底。这些透射率结果包括所有正面晶片表面反射以及来自WGP、顶部ARC层和硅衬底的吸收。第二个模型使用了相同的半无限大超高速率和半无限大基片，中间有ARC层，并考虑了来自晶片背面的反射损失。忽略正面和背面晶片反射之间的相干效应。对于反射率建模，背面晶片反射率被忽略，因为它在ARC设计区域内很小。对于在变化AOI下的建模，选择s型反射，使得偏振方向与导线对准，而p型反射与导线正交，因此Rs是阻挡态反射率，而Rp是通过态反射率。这种命名不仅为法向入射反射提供了区别，而且该配置在偏振分束器应用中提供了改进的性能。2. 测量结果和讨论3.1概述Moxtek IR偏振器的FTIR透射分析显示出阻挡状态和通过状态之间的良好对比结果（在设计波长上>37dB）。对于MWIR产品，通过态透射在AR涂层设计区域上通常非常高（>95%）。AR涂层缺陷和硅红外吸收将宽带LWIR产品的通过态透射限制在7-15μm设计区域的55-90%范围内。10.6μm的窄带偏振器在通过状态下显示85%的透射率，对比度约为45dB。宽带MWIR和LWIR偏振器的法向入射透射和12°入射角反射率的RCWA建模结果与相应FTIR实验中观察到的总体趋势相匹配。对于宽带LWIR产品，初步LDT测试表明，损伤是在硅AR涂层过程中引入的缺陷处开始的。在阻挡状态下，LWIR产品可以承受110 kW/cm2的0.6μm波长的连续波CO2激光辐射，而零件在通过偏振状态下显示出较低的激光损伤阈值一个数量级。Moxtek MWIR偏振器具有改进的AR涂层，并且没有显示出相同的损伤机制。MWIR产物在4μm的波长下，在阻断状态下显示出650W/cm2的LDT，在通过状态下表现出优于14kW/cm2的LDT。3.2 FTIR透射实验图3描述了LWIR和MWIR产品的FTIR法向入射通过态透射测量结果以及通过态和阻断态之间的对比度计算结果。还绘制了第3.6节中描述的相应光学建模结果以进行比较。MWIR产物通过偏振态的透射率在3.5和5.5μm之间优于95%。性能最好的LWIR样品（标记为实验Tp）在AR涂层设计区域的透过率在73%和92%之间，尽管更典型的性能取决于波长而跨越57-75%的范围。为10.6μm波长的CO2激光应用设计的窄带偏振器在通过状态下具有85%以上的透射率。Moxtek LWIR偏振器在通过状态下的性能目前受到硅衬底厚度（由于IR吸收特性）和AR涂层性能的限制。FTIR仪器噪声本底限制了阻塞状态下的传输测量，但使用256扫描平均的Nexus 870的最大可测量对比度（5:1信噪比）在3和15微米之间仍优于40dB，而CARY 670的对比度略好。MWIR产品在3-7μm范围内保持了优于37dB的对比度，而最好的LWIR样品在7-15μm范围的平均对比度约为43.5dB。Spica Technologies使用激光源验证了宽带LWIR产品的高对比度，在10.6μm波长下显示出40.5至48.1dB的对比度，典型对比度约为45dB。用CARY 670 FTIR分析了10.6μm窄带偏振器，并显示出约45dB的对比度。图3.（a）MWIR和（b）LWIR宽带偏振器的法向入射透射率和对比度。点划线和数据点基于FTIR测量，而实线表示光学建模结果。黑色数据表示垂直于线栅方向（通过状态）偏振的光的透射率，并使用左侧的透射率刻度，而蓝色数据对应于通过/阻挡偏振片之间的对比度，并使用右侧的对数刻度纵坐标。典型的曲线是基于许多样品的通过和阻断状态透射率测量的最佳拟合，而实验数据点是针对性能好的样品。3.3 FTIR反射实验图4显示了使用CARY 670 FTIR和Harrick绝对镜面反射附件在12°入射角（AOI）下的偏振器反射率测量结果，以及第3.6节中讨论的建模结果。输入偏振态的适当调谐允许在12°AOI下直接测量Rp2和Rs2，如第2.3节所述。尽管建模和理论之间存在轻微分歧，但这很可能是分析仪前对准不当的结果。根据Harrick Scientific的说法，垂直偏振光通过镜面反射附件的旋转方式与水平偏振光不同。由于仅对Rs2测量进行了分析仪前方位的精细对准，因此Rp2测量的光束偏振明显从最佳方位略微旋转（约10°）。R2测量的“VW”方法还假设样品的光束在反射率上没有去偏振，只有当预分析仪正确对准并且光束具有高纯度时，这才是真的。尽管Harrick配件的铝光束操纵镜对偏振取向的依赖性很弱，但这种去偏振效应也会使第二样品反射进一步偏向s偏振态。这些因素有助于解释为什么Rp测量值略大于建模结果。与建模相比，Moxtek LWIR偏振器图4b中的Rs降低可能是由于AR涂层缺陷或样品安装不当造成的散射。MWIR和LWIR产品也进行了45°AOI下的反射率测量，但由于s型和p型以及阻挡态和通过态反射的样品和排列依赖性混合，没有进行建模和实验之间的定量比较。图4.（a）MWIR和（b）LWIR产品的FTIR 12°入射角反射率测量结果。实线和白线分别表示反射率建模和实验测量。黑线表示阻挡偏振器状态下的s型反射，灰线表示通过偏振器态下的p型反射（在p型测量情况下有轻微的错位）。3.4激光损伤阈值测试对于MWIR产品，在4μm波长下的初步脉冲激光损伤阈值测试表明，导线在阻断状态下可以承受650 W/cm2，在通过状态下可以更好地承受14 kW/cm2。对于宽带LWIR产品，10.6μm的初步连续波激光损伤阈值测试表明，硅AR涂层过程中引入的缺陷限制了性能。在阻断状态下，导线可以承受110kW/cm2的连续波CO2激光辐射，而零件显示出通过偏振状态（10kW/cm2）的激光损伤阈值低一个数量级。损伤似乎是由AR涂层中的缺陷引发和扩散的。这些样品是在铝线面对入射激光束的情况下进行测试的，因此在阻挡配置中，线栅应有助于保护AR涂层缺陷免受激光损伤，因为它们反射了95%以上的入射辐射。MWIR偏振器具有无缺陷的AR涂层，并且没有显示出相同的损伤引发机制。3.5样品分析从SEM和STEM图像（图1c和1d）可以明显看出，蚀刻的铝线不具有光学建模中假设的矩形横截面。根据宽带LWIR产品的STEM分析，导线宽度在横截面上从约30-60nm变化，导线高度为约190nm。MWIR产物的STEM分析显示，横截面上的线宽度在25-55 nm之间变化，线高度为160-165 nm。为了简单起见，所有建模都假设了40纳米的线宽和165纳米的高导线。薄的天然氧化铝在两种产品的电线外部也很明显，但没有建模。3.6光学建模为了验证光学建模的准确性，分别根据图3a-3b中宽带MWIR和LWIR产品的相应实验数据绘制了通过态透射率和通过和阻挡偏振器取向之间的计算对比度。MWIR产品在透射建模和测量之间显示出良好的一致性，除了在较短的波长处。在宽带LWIR产品建模中，干涉条纹（在显示范围内不明显）出现在略短的波长处。与最佳实验情况相比，LWIR模型在通过状态下也显示出更大的平均透射率。拟合中的错误可能是由于在红外中使用了不适当的光学常数数据，建模中遗漏了天然氧化物，或者对一个或多个模拟层使用了不合适的厚度。几何参数，如金属线宽度和形状，也在模型中用矩形横截面近似，这与SEM和STEM分析结果不一致。建模中使用的硅光学常数是基于J.A.Woolam使用耦合IR-VASE和透射测量对双面抛光硅进行的分析，其IR折射率值略低于Herzinger等人引用的分析推断的值。为了进行比较，宽带MWIR和LWIR产品的12°AOI反射率建模结果与图4a-4b中的实验测量结果一起绘制。如第3.3节所述，建模和理论之间的大部分轻微分歧可能是分析仪前对准不当的结果，但建模也忽略了背面反射，这解释了为什么这种分歧在AR涂层通带的极端处显得更加明显。图5显示了MWIR和LWIR宽带产品在不同AOI下的透射率（5a）和对比度（5b）建模结果，目前数据范围仅限于10μm的较长波长。结果表明，当远离正入射时，性能差异很小，尽管AR涂层的通带在较大的AOI下向较短的波长移动。透过态偏振的透射率仍然很高，即使在以大角度通过偏振器投影或成像IR源时，也应保持系统效率。在成像应用中，会聚或发散光束可以穿过这些线栅偏振器，对于MWIR产品来说，在较长波长下朝向光束边缘的强度仅略有降低。图5.在不同入射角（红色–0°，绿色–12°，蓝色–45°）下，MWIR（实线）和LWIR（虚线）宽带WGP产品的（a）透射率和（b）对比度的光学建模。3. 结论Moxtek利用晶圆级铝纳米线图案化能力，在硅上开发了几种适用于中波长和长波长热红外应用的高对比度红外偏振器。在7和15μm之间，宽带LWIR偏振器通常具有55%和90%的通过态透射率，并保持优于40dB的对比度。为10.6μm CO2激光波长设计的窄带产品具有优于85%的通过态透射率和约45dB的对比度。Moxtek还开发了一种宽带MWIR偏振器，该偏振器在阻挡和通过状态之间显示出高对比度（>37 dB），并具有极高的通过状态传输（在3.5和5.5μm之间>95%）。傅立叶变换红外光谱仪的透射和反射测量结果与严格耦合波分析包的光学建模结果在质量上一致。初步的LDT测试和样品分析表明，激光损伤是在LWIR产品的硅AR涂层中的缺陷处开始的。宽带LWIR产品的导线在阻挡状态下可以承受110 kW/cm2的10.6μm波长的连续波CO2激光辐射，而该产品在通过偏振状态下显示出低一个数量级的激光损伤阈值。去除AR涂层缺陷应提高热IR中的LDT性能，并且还可能导致通过配置中的透射率增加。Moxtek MWIR偏振器具有改进的AR涂层，并且没有显示出相同的LDT损伤引发机制。波长为4μm的脉冲激光损伤阈值测试表明，导线在阻塞状态下可承受650 W/cm2，在通过状态下可耐受14 kW/cm2。