CN111279023A - 单晶金刚石衍射光学元件及其制造方法 - Google Patents
单晶金刚石衍射光学元件及其制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111279023A CN111279023A CN201880065981.4A CN201880065981A CN111279023A CN 111279023 A CN111279023 A CN 111279023A CN 201880065981 A CN201880065981 A CN 201880065981A CN 111279023 A CN111279023 A CN 111279023A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- single crystal
- crystal diamond
- layer
- optical element
- diamond substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 206
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 206
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 175
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 98
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 76
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 124
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 54
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 21
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 16
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims description 15
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 13
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 13
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 6
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 5
- -1 or Co Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910021193 La 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- KHYBPSFKEHXSLX-UHFFFAOYSA-N iminotitanium Chemical compound [Ti]=N KHYBPSFKEHXSLX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001000 nickel titanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 8
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 4
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 4
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 3
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000411998 Gliricidia Species 0.000 description 2
- 235000009664 Gliricidia sepium Nutrition 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 230000005596 ionic collisions Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- KFZUDNZQQCWGKF-UHFFFAOYSA-M sodium;4-methylbenzenesulfinate Chemical compound [Na+].CC1=CC=C(S([O-])=O)C=C1 KFZUDNZQQCWGKF-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M tetramethylammonium hydroxide Chemical compound [OH-].C[N+](C)(C)C WGTYBPLFGIVFAS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- GNFTZDOKVXKIBK-UHFFFAOYSA-N 3-(2-methoxyethoxy)benzohydrazide Chemical compound COCCOC1=CC=CC(C(=O)NN)=C1 GNFTZDOKVXKIBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910015844 BCl3 Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FGUUSXIOTUKUDN-IBGZPJMESA-N C1(=CC=CC=C1)N1C2=C(NC([C@H](C1)NC=1OC(=NN=1)C1=CC=CC=C1)=O)C=CC=C2 Chemical compound C1(=CC=CC=C1)N1C2=C(NC([C@H](C1)NC=1OC(=NN=1)C1=CC=CC=C1)=O)C=CC=C2 FGUUSXIOTUKUDN-IBGZPJMESA-N 0.000 description 1
- 241000252506 Characiformes Species 0.000 description 1
- KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N Chlorine Chemical compound ClCl KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- YTAHJIFKAKIKAV-XNMGPUDCSA-N [(1R)-3-morpholin-4-yl-1-phenylpropyl] N-[(3S)-2-oxo-5-phenyl-1,3-dihydro-1,4-benzodiazepin-3-yl]carbamate Chemical compound O=C1[C@H](N=C(C2=C(N1)C=CC=C2)C1=CC=CC=C1)NC(O[C@H](CCN1CCOCC1)C1=CC=CC=C1)=O YTAHJIFKAKIKAV-XNMGPUDCSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001680 brushing effect Effects 0.000 description 1
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000708 deep reactive-ion etching Methods 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 1
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FFUAGWLWBBFQJT-UHFFFAOYSA-N hexamethyldisilazane Chemical compound C[Si](C)(C)N[Si](C)(C)C FFUAGWLWBBFQJT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000010297 mechanical methods and process Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000007788 roughening Methods 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 235000011149 sulphuric acid Nutrition 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N trichloroborane Chemical compound ClB(Cl)Cl FAQYAMRNWDIXMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1847—Manufacturing methods
- G02B5/1857—Manufacturing methods using exposure or etching means, e.g. holography, photolithography, exposure to electron or ion beams
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/04—Diamond
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
- C30B33/08—Etching
- C30B33/12—Etching in gas atmosphere or plasma
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
- G02B1/02—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/10—Beam splitting or combining systems
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/10—Beam splitting or combining systems
- G02B27/1073—Beam splitting or combining systems characterized by manufacturing or alignment methods
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Surface Treatment Of Optical Elements (AREA)
Abstract
本发明涉及一种单晶金刚石光学元件生产方法。该方法包括以下步骤：‑提供单晶金刚石基板或层；‑将掩模层涂敷到单晶金刚石基板或层；‑穿过掩模层形成至少一个或多个凹陷或凹口，以露出单晶金刚石基板或层的一个或多个部分；以及‑蚀刻单晶金刚石基板或层的露出的一个或多个部分。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年8月30日提交的国际专利申请PCT/IB2017/055208的优先权，在此通过引用将该申请的整个内容并入。
技术领域
本发明涉及一种用于在单晶金刚石中制造光学部件的方法。本发明涉及一种用于在单晶金刚石中制造光学部件的方法，这些光学部件沿着明确限定的晶面展示原子级光滑表面。本发明还涉及仅由单晶金刚石零件或产品构成的光学衍射部件，包括但不限于光栅或分束器。
背景技术
随着近来可以利用工业高纯度化学气相沉积(CVD)单晶金刚石，已经广泛报道利用其独特的光学和机械特性的应用。
已经示例了诸如纳米机械谐振器、纳米线尖端以及悬臂的机械结构。
在光学领域中，微透镜、光栅以及微腔是单晶金刚石是理想材料的应用。
微结构晶体块状材料展现晶面的能力是微制造中的已知现象。已经使用各种湿式蚀刻剂(KOH、TMAH等)(还利用具有对某些晶面具有选择性的蚀刻剂的效果)来在硅中制造三角形或矩形轮廓的光栅结构。如果基板切割错误，即，基板表面被故意相对于主晶面以明确限定的角度偏移对齐，则可以制造闪耀(或不对称或小阶梯)光栅。光栅也可以与棱镜结合使用，作为浸入式元件，或者与MEMS结构结合使用，以便实现可调谐性。
还可以利用各向异性蚀刻方法来产生光学部件，诸如具有垂直或接近垂直侧壁的衍射光栅。先前已经在单晶金刚石中论证了这种光栅。类似地，已经论证了由飞秒激光或其他激光进行的结构化可以用于在单晶金刚石中产生垂直图案。
已经论证了用于使用离子注入在单晶金刚石中产生光栅图案的又一种制造方法。
然而，迄今论证的通过上述方法生产的元件在表面质量以及它们对侧壁或光栅角度的控制方面受到限制。
发明内容
因此，本公开的一个方面是提供一种克服上述挑战的单晶金刚石衍射光学元件的制造方法。由此，本发明涉及一种根据权利要求1的方法。
该方法优选包括以下步骤：
-提供单晶金刚石基板或层；
-将掩模层涂敷到单晶金刚石基板或层；
-穿过掩模层形成至少一个或多个凹陷或凹口，以露出单晶金刚石基板或层的一个或多个部分；以及
-蚀刻单晶金刚石基板或层的露出的一个或多个部分。
该方法有利地允许在单晶金刚石中生产诸如光学衍射光栅的光学部件，这些光学衍射光栅具有由晶面限定的凹槽(例如，V形凹槽或矩形凹槽)。该方法有利地提供了具有精确限定的侧壁角度和高度或原子级光滑的光学表面的光学结构。
本公开的另一个方面是提供一种通过该方法生产的单晶金刚石衍射光学部件或衍射光栅或产品。
本公开的又一个方面是提供一种单晶金刚石光学元件，其中，光学元件是独立的反应离子蚀刻的合成单晶金刚石光学元件。
本发明的上述和其他目的、特征和优点以及实现它们的方式将变得更加明显，并且本发明本身将从参照附图进行的以下描述的研究来更佳地理解，这些附图示出了本发明的一些优选实施方式。
附图说明
本发明的上述目的、特征以及其他优点将结合附图从以下详细描述来最佳地理解，附图中：
图1A示出了光学衍射光栅的实施方式，该光学衍射光栅在单晶金刚石基板或层的表面上展现例如V形凹槽。
图1B示出了在本公开的方法中使用的示例性单晶金刚石基板或层。所指示的尺寸值是非限制性的示例性值。
图2示出了用本公开的方法获得的单晶金刚石中的制造的三角形或V形凹槽光栅的示例。光栅展示V形凹槽，该V形凹槽相对于表面具有例如54.7°、或接近或约54.7°的特性角α。通过添加到图像的条纹突出晶面。
图3示出了示例性的单晶金刚石衍射光栅制造方法以及可以在该方法中使用的示例性材料。
图4示出了金刚石光栅的照片，该照片示出了衍射光栅的效果。该照片是具有不同密度的三个光栅区域的单晶金刚石板的照片，如图4指示。入射的白光在透射中被分离，这导致颜色渐变。
图5示出了本公开的衍射光栅的实验光学衍射测量。示出了作为角度的函数的、本公开的单晶金刚石光栅在透射中测量的光谱响应(100g/mm)。
图6示出了获得闪耀(或不对称或小阶梯)光栅以及可以使用的示例性材料的制造工艺的变体的可能步骤。角度α可以是例如54.7°或约54.7°，但不限于该角度。
图7示出了用以获得闪耀光栅的单晶金刚石基板晶体取向的布置。角度α可以是例如54.7°或约54.7°，但不限于该角度。
图8(a)示出了根据本公开的方法生产的包括V形凹槽的光栅的SEM图像；图8(b)示出了AFM表面轮廓；图8(c)示出了在<110>方向上跨凹槽的提取轮廓；图8(d)示出了根据本公开的方法生产的包括具有垂直侧壁的矩形凹槽的光栅的SEM图像；图8(e)示出了垂直侧壁AFM轮廓；并且图8(e)示出了沿<010>方向跨凹槽的提取轮廓。
此处，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图共同的相同元件。
具体实施方式
图3示出了用于生产光学元件或部件的单晶金刚石生产方法的示例性实施方式。图2和图8示出了示例性金刚石光学部件(例如，通过该方法生产的金刚石光栅)的图像。
本公开的方法例如用于在单晶金刚石中制造光学部件或元件。
该过程使用单晶金刚石基板或层1。
单晶金刚石基板或层的尺寸例如可以是2.6mm(长度(x方向))×2.6mm(宽度(y方向))×0.3mm(厚度t(z方向))，如例如图1B所示。然而，本公开的方法不限于这种尺寸，并且单晶金刚石基板或层1的长度和宽度可以更长或更短，并且还可以具有更大或更小的厚度。
例如，可以生产包括高度在1μm与10μm之间的凹槽的光学金刚石部件。
单晶金刚石基板或层1优选是非天然或合成的单晶金刚石，例如，化学气相沉积CVD单晶金刚石或通过HPHT(高压高温)合成的合成金刚石。
单晶金刚石基板或层1可以是例如(100)取向(米勒(Miller)指数)的单晶金刚石基板或层1，图1B中示出了其示例。
准各向异性或“晶体”反应离子蚀刻工艺可以用于选择性蚀刻金刚石基板或层1的晶面。
平面的不同蚀刻速率可以产生三角形的微观结构(如例如图2中看到的)，该微观结构展现块状材料的晶面。
可以使用光刻和硬掩模蚀刻来限定诸如光栅图案的光学结构。图1A示出了通过本公开的方法产生的示例性衍射光栅的概念图，并且图2示出了实际制造的光栅的图像，在插图中指示了晶面(米勒指数)。
该方法包括以下步骤：提供单晶金刚石基板或层1。在单晶金刚石基板或层1上涂敷或沉积掩模层3。穿过掩模层3形成至少一个或多个凹陷、凹口或凹坑15B。这露出了单晶金刚石基板或层1的至少一部分或多个部分或表面17B，这些部分然后可以经受蚀刻，以限定单晶金刚石基板或层1中的光学结构。
在图3所示的方法的示例性实施方式中，不必进行所有步骤，并且可以按与图3所示的详细处理流程所示的顺序不同的顺序来进行这些步骤。而且，图3中指示的材料涉及示例性材料，并且该方法不限于使用这些材料。
在该示例性过程中，可以首先进行使用例如清洁溶液，诸如食人鱼溶液(H2SO4(96％)：H2O2(30％)(3:1))，清洁尺寸为约2.6mm×2.6mm×0.3mm的(100)单晶金刚石基板或层1(步骤a)。另选或另外地，清洁可以使用丙酮和/或IPA来进行。
使用例如溅射在基板1的正面FS上沉积薄的(例如，100nm)硬掩模层3(例如，氧化硅或氮化硅，或者优选地为氧化铝)(步骤b)。对于氧化铝，沉积条件为例如700W RF功率，50sccm Ar流量。硬掩模层3的厚度取决于凹坑或凹槽5的期望深度，该深度是光学元件或光栅栅距的函数。
掩模层3包括比暴露于蚀刻的单晶金刚石更慢蚀刻的材料或仅由其构成。
如所提及的，掩模层3可以包括氧化硅、或氮化硅、或氧化铝，或仅由其构成。
掩模层3可以包括Al、或Si、或Au、或Ti、或Si3N4、或Ni、或Ni-Ti合金、或W；或Ag、或Cu、或Fe、或Cr、或Co、或Ga、或Ge、或In、或Mo、或NiFe、或NiCr、或Nb、或Pd、或Pt、或Si、或Sn、或Ta、或Y；或MgO、或铟锡氧化物(ITO、In2O3-SnO2)、或钛氧化物TiO2、或Ti2O3、或Ti3O5、或ZrO2、或HfO2、或La2O3、或Y2O3、或SiC；或以上的任意组合，或仅由其构成。
掩模层3优选地具有在10nm与1μm之间的厚度。
通过例如用粘合剂或固定蜡(例如，Quickstick 135)胶合而将基板1贴附在支撑构件7(例如，硅处理晶片)上(步骤c)。例如，这之后可选地可以是在130℃下进行六甲基二硅氮烷(HMDS)气相沉积，以便改善随后沉积的光刻胶的附着物。然而，应当注意，步骤c在该过程中可以更早或更晚地进行。优选地，在掩模层3中形成凹陷15B之前和/或在光刻胶层9中的光刻限定该结构之前，进行将单晶金刚石基板或层1贴附到支架的步骤。
在掩模层3上设置轮廓形成层9，以便在掩模层3中形成至少一个凹陷或多个凹陷15B(步骤d)。
穿过轮廓形成层9形成至少一个或多个凹陷或凹口15A，以露出掩模层3的一个或多个部分17A(步骤e)。
轮廓形成层9可以包括光刻胶或仅由光刻胶构成。穿过轮廓形成层9形成至少一个或多个凹陷或凹口15A，以露出掩模层3的至少一个或多个部分17A。这通过将光刻胶显影剂涂敷到轮廓形成层9中的至少一个或多个光刻露出的凹陷或凹口来进行。
例如，通过例如5000rpm的旋涂然后在例如100℃进行软烘烤来沉积光刻胶9，例如，约0.4μm厚的AZ ECI 3007光刻胶层9(步骤d)。
当基板1为矩形形状并且可以在处理基板7与金刚石基板1的正面FS之间形成光刻胶台阶时，可能形成大量的边珠(未例示)。边珠也形成在其他形状(诸如圆形形状)的基板上，而且形成在更大的基板上。为了获得良好的光刻分辨率(最小化掩模到光刻胶的距离)，优选去除边珠。
为了去除该边珠，在受边珠影响的区域(例如，从基板1的边缘朝向基板1的中心到距边缘预定内距离，例如，在基板内部约0.3mm)上进行光刻胶9的(光学或电子束)曝光(例如，170mJ/cm2)，然后在AZ 726MIF显影剂中进行标准显影例如27秒。对于光学光刻而言，该去除是优选的，但不是强制的。
对基板1的中心区域CS执行(光学或电子束)曝光(例如，85mJ/cm2)，图案为要在金刚石层或基板1中制造的零件或形成的结构的图案或与之对应(例如，沿<110>或<100>方向的图案)，然后在显影剂AZ 726MIF中显影例如27秒(步骤e)，以产生结构、凹陷或凹口15A。
进行光刻胶9的曝光，以在光刻胶9中光刻地限定期望的结构、凹陷或凹口，这些结构、凹陷或凹口在已经进行蚀刻之后，将在金刚石层或基板1中被转移或在其中产生对应的结构。
结构(例如，凹槽或细长凹坑)被光刻地限定并在单晶金刚石基板或层1的预定方向上对齐，例如，在单晶金刚石基板或层1的<110>或<100>方向上对齐。
在单晶金刚石基板或层1的<110>方向上的对齐允许在单晶金刚石基板或层1中产生V形结构，诸如V形沟槽或凹槽。V形凹槽的形成是由于展现了(111)晶面，这些晶面展示与(110)和(100)平面相比更低的蚀刻速率。蚀刻在这些(111)平面上减速，这导致V形。沟槽与表面的角度将近似于晶面之间的角度(54.7°)，确切值取决于蚀刻速率的比率。
在单晶金刚石基板或层1的<100>方向上的对齐允许在单晶金刚石基板或层1中产生U形或矩形结构，诸如沟槽或凹槽。U形凹槽的形成是由于展现了(100)晶面，这些晶面展示与(110)平面相比更低的蚀刻速率，这导致蚀刻在(100)平面上变慢，这导致U形。沟槽与表面的角度将近似于晶面之间的角度(90°)，确切值取决于蚀刻速率的比率。
通过使图案与具有已知晶向的金刚石基板的边缘对齐来进行图案与晶向的对齐。当执行例如光学曝光时，使基板相对于掩模上的凹陷旋转，直到凹陷(例如由细长矩形组成)的方向对应于期望的晶向，该方向是从基板边缘的已知晶向推断。金刚石基板的晶体取向是已知的。晶体取向可以例如在基材制备过程期间通过X射线衍射法确定。由此，金刚石基板(板)相对于板的边缘和板的表面具有明确限定的晶体取向。
在例如电子束曝光期间，例如通过软件旋转曝光的图案。作为示例，如果掩模上的凹陷与基板边缘形成45°角，则具有(100)表面和<100>边缘的基板将产生V形凹槽，因为凹陷现在对齐到基板的<110>晶向。
蚀刻掩模层3，例如，氧化铝。蚀刻在掩模层3的露出的部分17A上进行，以穿过掩模层3形成多个凹陷或凹口15B，以露出单晶金刚石基板或层1的一个或多个部分17B。
蚀刻可以例如在使用氯化学(STS Multiplex)的深反应离子蚀刻机中进行，或者例如在基于Cl2/BCl3/Ar的等离子体中进行例如3分钟的持续时间(步骤f)。
可以例如使用丙酮从结构剥离光刻胶9(步骤g)。
在O2等离子体中蚀刻(例如，以2000W ICP功率、0W偏置功率、100sccm O2流量、15mTorr室压力产生)单晶金刚石基板(即，单晶金刚石基板或层1的露出的一个部分或多个部分17B)。单晶金刚石基板或层1的蚀刻可以仅使用O2等离子体蚀刻来进行。
进行化学等离子体蚀刻。
可以使用深反应离子蚀刻(SPTS APS)来进行蚀刻，该深反应离子蚀刻凭借使用高ICP功率(例如，2000W ICP)且无偏置功率的氧等离子体进行。
另选地，化学等离子体蚀刻可以在使用以下气体中的一种产生的等离子体中进行：H2、CH4、氟气(SF6、CxFy)、氯气(BCl3、Cl2)。
掩模层3优选地包括比暴露于基于氧的等离子体蚀刻或暴露于涉及上述气体中的一种的化学等离子体蚀刻的单晶金刚石更慢蚀刻的材料，或仅由该材料构成。
另选地，单晶金刚石基板或层(1)的蚀刻可以在富氧环境中在升高的温度下且作为非等离子体蚀刻进行。例如，可以通过在氧气环境中将单晶金刚石基板1加热至高温(例如600至1200℃)来进行蚀刻(步骤h)。
用于图2和图8所示的光学部件的金刚石基板或层1蚀刻的RIE机是SPTS APS电介质蚀刻机。
无离子加速地进行单晶金刚石基板或层1的等离子体蚀刻。即，使用等离子体蚀刻(例如，基于氧的等离子体蚀刻)，不进行等离子体产生的离子的加速(或低加速)，以避免或最小化来自上面的离子碰撞或轰击的、暴露的单晶金刚石基板或层1的物理蚀刻。单晶金刚石基板或层1主要或仅通过化学反应来蚀刻。
优选地执行无离子碰撞或无轰击的物理蚀刻，或者等离子体产生的离子的加速水平使得沿着一个或多个晶面的晶体蚀刻或各向异性蚀刻是有利或占优势的。
例如，图8(a)所示的光栅的蚀刻时间为70分钟，并且图8(d)所示的光栅的蚀刻时间为35分钟。
对于在<110>方向上光刻限定的结构或凹槽，首先主要在<100>方向上进行蚀刻，例如以大约6nm/min的蚀刻速率进行。之后，蚀刻前部遇到<111>平面，并且蚀刻减速(步骤i)。沿着晶面的晶体蚀刻或各向异性蚀刻发生。继续蚀刻，直到各个结构或凹槽变为三角形或V形为止(步骤j)或直到达到期望的凹槽深度为止(在这种情况下，不需要机械去除顶部金刚石部分19B)。
蚀刻可以定时，使得顶部金刚石部分19B(以及贴附到其的任意掩模层19A)完全分离，或者仅保留可以机械地裂开的一个小连接区域(例如，通过使用胶带、PDMS压模或类似物)，从而去除顶部金刚石部分(步骤k)。
剩余的顶部结构的去除也可以通过类似的机械方法(诸如刷涂)或者通过吹入加压空气(或惰性气体或气体混合物)来进行。
图8(a)示出了具有V形凹槽的制造的光栅的图像。光栅的栅距为5μm。在图8(c)中看到的凹槽形状蚀刻的不对称性是由于光栅与<110>方向的错位而产生，该错位导致掩模的蚀刻不足。测得的角度(约)为57°。凹槽侧壁是光滑的，并且粗糙度Ra为5nm(经由AFM测量)。
对于在<100>方向上光刻限定的结构或凹槽，蚀刻主要在<100>方向上进行，这导致(大致)矩形的结构或凹槽(如例如可以在图8(d)至图8(f)中看到的)。继续蚀刻，直到达到期望的蚀刻深度为止。
图8(d)示出了具有矩形凹槽的制造的光栅的图像。光栅具有4μm的栅距、1.37μm的深度以及角度为(约)87°的(大致)垂直的侧壁。侧壁非常光滑，并且测得的粗糙度Ra小于5nm。矩形结构的底板上的粗糙化是由于掩模层的不充分过度蚀刻而引起，这导致蚀刻过程期间的微掩蔽。
本公开的方法可以有利地提供具有精确限定的侧壁角度和原子级光滑的光学表面或侧壁的光学结构。
可以通过在加热板上加热而从载体晶片7去除芯片或产生的单晶金刚石光学部件或元件(步骤l)。
可以使用丙酮清洁或去除QuickStick残留物。
可以在浓氢氟酸或HF(50％)槽液中剥离掩膜层或氧化铝(步骤m)。
可以对产生结构的两侧进行O2等离子清洁，例如5分钟，以去除所有剩余的残留物。
<110>或V形光栅的角度为α，其中，50°≤α≤65°或54.7°≤α≤57°，例如，在图2中，α＝54.7°，并且在图8(a)中，α＝57°。<100>或矩形光栅的角度为α，其中，85°≤α≤95°，例如在图8(d)中，α＝87°。它们的密度仅受光刻分辨率的限制。对于更细栅距的光栅，可以使用电子束光刻。
进行光栅在透射中的初步表征，该表征示出了在功能角和波长上的透射衍射级。图4示出了照片，该照片示出了由图2的光栅将白光源分解成其光谱分量。图5示出了作为角度的函数的、所制造的单晶金刚石光栅在透射中的光谱响应的实验测量结果。
如果光栅旨在用于反射中，则可以在正面FS上沉积反射金属层(例如，铝、银或金金属层)，以改善反射。
可以向正面FS和背面BS这两者涂敷抗反射涂层，以减少透射模式下的反射。
蚀刻工艺也可以在步骤h处终止，该步骤产生梯形轮廓的光栅，该光栅可以用作具有由蚀刻轮廓限定的分光比的分束器元件。
据发明人所知，这是首次在单晶金刚石中报道这种光栅。
所公开的方法在创建光学部件方面具有潜在的应用，这些光学部件先前不能使用由常规材料制造的光栅来获得。
以下是利用金刚石卓越的材料特性之一结合所实现的光学特性的可能途径：
·用于高功率激光应用的光栅(高热导率)
○激光窗、分束器、可调谐激光光栅
·宽带光谱仪光栅(宽带透明度)
·用于腐蚀性环境的光栅(化学惰性)
·用于恶劣环境的光栅(机械硬度)
除了制造对称光栅之外，还可以通过将所公开的制造工艺应用于单晶金刚石基板1A来制造闪耀(或不对称或小阶梯)光栅，其中，相对于(100)金刚石晶面以具体且明确限定的角度θ切割或对齐基板或层的表面。
图6中示出了制造过程的简化轮廓。令α表示在未切割错误的基板上获得的凹槽角度。蚀刻过程展现了准(111)平面，在切割错误的基板的情况下，该平面关于基板表面分别以(α减θ)或(α加θ)的角度对齐。两个准(111)平面之间的V形凹槽角度保持相同(180°-2*α)。图6中示出了切割错误的基板的角度配置。
由此，所提供的单晶金刚石基板或层1是切割错误的单晶金刚石基板或层1A，该基板或层包括单晶金刚石基板或层的表面，该表面相对于晶体金刚石基板或层1的晶向(例如，相对于结晶金刚石基板或层1的<100>方向)限定了预定角度θ，以产生不对称的光学结构或闪耀光栅。
通过所公开的方法生产的单晶金刚石光学元件或光学结构或三角形或矩形凹槽结构例如是光栅或分束器元件。光栅或分束器元件有利地包括原子级光滑的光学表面。
本公开还涉及一种根据所公开的方法生产的单晶金刚石光学元件。单晶金刚石光学元件例如是光栅或分束器元件。单晶金刚石光学元件可以包括抗反射涂层或反射涂层。光学元件可以包括原子级光滑的光学表面。光学元件可以包括蚀刻的光栅光学表面，该表面与单晶金刚石基板或层的平面限定角度α，其中，50°≤α≤65°或54.7°≤α≤57°，或者其中，85°≤α≤95°或α＝87°。
本公开还涉及一种单晶金刚石光学元件，该光学元件是独立的反应离子蚀刻的合成单晶金刚石光学元件。该单晶金刚石光学元件可以包括限定三角形或矩形凹槽的至少一个或多个反应离子蚀刻壁。单晶金刚石光学元件可以仅由独立的反应离子蚀刻的合成单晶金刚石基板或层和限定光栅表面的至少一个或多个反应离子蚀刻壁构成，或包括所述基板或层以及所述至少一个或多个反应离子蚀刻壁。至少一个或多个反应离子蚀刻壁可以包括限定金刚石零件或产品的外边界的至少一个或多个外部侧壁。至少一个或多个反应离子蚀刻壁可以是氧等离子体蚀刻的壁。至少一个或多个反应离子蚀刻壁可以是氧等离子体蚀刻的或是由化学反应蚀刻的壁。至少一个或多个反应离子蚀刻壁可以包括原子级光滑的表面。至少一个或多个反应离子蚀刻壁具有5nm或小于5nm、或1nm或小于1nm的RMS粗糙度。单晶金刚石光学元件可以包括蚀刻的光栅光学表面，该表面与单晶金刚石基板或层的平面限定角度α，其中，50°≤α≤65°或54.7°≤α≤57°，或者其中，85°≤α≤95°或α＝87°。合成单晶金刚石是化学气相沉积(CVD)或高压高温(HPHT)单晶金刚石。
本公开还涉及一种单晶金刚石光学元件，其中，该单晶金刚石光学元件根据以下过程来获得，该过程包括以下步骤：
-设置单晶金刚石基板或层(1)；
-将掩模层(3)涂敷到单晶金刚石基板或层(1)；
-穿过掩模层(3)形成至少一个或多个凹陷或凹口(15B)，以露出单晶金刚石基板或层(1)的一个或多个部分(17B)；以及
-反应离子蚀刻单晶金刚石基板或层(1)的一个或多个露出部分(17B)。
虽然已经参考某些优选实施方式公开了本发明，但在不脱离本发明的领域和范围的情况下，可以对所述实施方式及其等同物进行大量修改、变更和改变。
所述实施方式中的任意一个的特征可以被包括在所述实施方式中的任意其他实施方式中。
方法步骤不是必须按上面呈现的确切顺序进行，并且可以按不同顺序进行。
因此，预期的是本发明不限于所述的实施方式，而是根据所附权利要求的语言给出最广泛的合理解释。
参考文献
-Ge J.…Bally J.Silicon immersion gratings and their spectroscopicapplications(2012).Proc.SPIE 8450，Modern Technologies in Space-and Ground-based Telescopes and Instrumentation II,84502U doi:10.1117/12.925803.
-Forsberg,P.,&Karlsson,M.(2013).High aspect ratio optical gratings indiamond.Diamond and Related Materials,34,19–24.https://doi.org/10.1016/j.diamond.2013.01.009
-Frühauf,J.and Kronert，S.,Wet etching of silicon gratings withtriangular profiles,Microsystem Technologies,2005,vol 11,no 12,pp1287-1291,https://link.springer.com/article/10.1007/s00542-005-0612-7
-Fu,J.,Wang,F.,Zhu,T.,Wang,W.,Liu,Z.,Li,F.,…Hou,X.(2017).Singlecrystal diamond cantilever for micro-electromechanical systems.Diamond andRelated Materials，73，267–272.https://doi.org/10.1016/j.diamond.2016.10.011
-Fujii Y.,Aoyama K.,Minowa J-I.,(1980)Optical Demultiplexer Using aSilicon Echelette Grating.IEEE Journal of Quantum Electronics,QE-16(2)
-Hausmann,B.J.M.,Khan,M.,Zhang,Y.,Babinec,T.M.,Martinick,K.,McCutcheon,M.,…
M.(2010).Fabrication of diamond nanowires for quantuminformation processing applications.
-Diamond and Related Materials，19(5–6),621–629.https://doi.org/10.1016/j.diamond.2010.01.011 Khanaliloo,B.,Mitchell,M.,Hryciw,A.C.,&Barclay,P.E.(2015).High-Q/V Monolithic Diamond
-Microdisks Fabricated with Quasi-isotropic Etching.Nano Letters，15(8)，5131–5136.https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b01346
-Lee，C.L.，Gu，E.，Dawson，M.D.，Friel，I.，&Scarsbrook，G.A.(2008).Etchingand micro-optics fabrication in diamond using chlorine-based inductively-coupled plasma.Diamond and Related Materials，17(7–10)，1292–1296.https://doi.org/10.1016/j.diamond.2008.01.011
-Lee C.L.，…Murphy H.，Fabrication and characterization of diamondmicro-optics，Diamond and Related Materials，Volume 15，Issue 4，2006，Pages 725-728，http://dx.doi.org/10.1016/j.diamond.2005.09.033.
-Liu，H.，Reilly，S.，Herrnsdorf，J.，Xie，E.，Savitski，V.G.，Kemp，A.J.，…Dawson，M.D.(2016).Large radius of curvature micro-lenses on single crystaldiamond for application in monolithic diamond Raman lasers.Diamond andRelated Materials，65，37–41.https://doi.org/10.1016/j.diamond.2016.01.016
-Makita M.，…David C.(2017),Fabrication of diamond diffractiongratings for experiments with intense hard x-rays,MicroelectronicEngineering,176,75-78，http://dx.doi.org/10.1016/j.mee.2017.02.002
-Mar D.J.，Marsh P.J，Deen C.P.，Ling H.，Choo H.，and Jaffe D.T.(2009)，Micromachined silicon grisms for infrared optics，Appl.Opt.48，1016-1029
-Nie Q.，Wen Z.，Huang J.(2015)A high-performance scanning gratingbased on tilted(111)silicon wafer for near infrared micro spectrometerapplication.Microsyst Technol 21:1749–1755https://doi.org/10.1007/s00542-014-2354-x
-Polikarpov，M.，Polikarpov，V.，Snigireva，I.，&Snigirev，A.(2016).DiamondX-ray Refractive Lenses with High Acceptance.Physics Procedia，84,213–220.https://doi.org/10.1016/j.phpro.2016.11.037
-Schaich T.J.,..Spaaij P.G.,(2005)High NA Diamond Lenses for Near-Field Optical Storage,International Symposium on Optical Memory and OpticalData Storage,OSA Technical Digest Series
-Stepanov,A.L.et al.,(2017)A diffraction grating created in diamondsubstrate by boron ion implantation，Technical Physics Letters，43，104–106,https://doi.org/10.1134/S1063785017010266
-Tao,Y.,Boss,J.M.,Moores,B.A.,&Degen,C.L.(2014).Single-crystaldiamond nanomechanical resonators with quality factors exceeding onemillion.Nature Communications,5.https://doi.org/10.1038/ncomms4638
-Tao,Y.,&Degen,C.L.(2015).Single-Crystal Diamond Nanowire Tips forUltrasensitive Force Microscopy.Nano Letters,15(12),7893–7897.https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b02885
-Tsang,W-T.,Wang S.(1975).Preferentially etched diffraction gratingsin silicon Journal of Applied Physics 46:5，2163-2166.http://dx.doi.org/10.1063/1.321859
-E.Woerner，C.Wild，W.Mueller-Sebert，P.Koidl，CVD-diamond opticallenses，Diamond and Related Materials，Volume 10，Issue 3，2001，Pages 557-560，ISSN 0925-9635，http://dx.doi.org/10.1016/S0925-9635(00)00393-9.
-Zhu,T.-F.,Fu，J.，Wang,W.,Wen，F.,Zhang，J.,Bu，R.，…Wang，H.-X.(2017).Fabrication of diamond microlenses by chemical reflow method.Optics Express,25(2),1185.https://doi.org/10.1364/OE.25.001185
Claims (49)
1.一种单晶金刚石光学元件的生产方法，该单晶金刚石光学元件的生产方法包括以下步骤：
-提供单晶金刚石基板或层(1)；
-将掩模层(3)涂敷到所述单晶金刚石基板或层(1)；
-穿过所述掩模层(3)形成至少一个或多个凹陷或凹口(15B)，以露出所述单晶金刚石基板或层(1)的一个或多个部分(17B)；以及
-蚀刻所述单晶金刚石基板或层(1)的露出的一个或多个部分(17B)。
2.根据前一权利要求所述的方法，其中，使用基于氧的等离子体蚀刻来进行所述单晶金刚石基板或层(1)的所述露出的一个或多个部分(17B)的所述蚀刻；或者其中，在富氧环境中在升高的温度下进行所述单晶金刚石基板或层(1)的所述露出的一个或多个部分(17B)的所述蚀刻，并且所述蚀刻是非等离子体蚀刻。
3.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述单晶金刚石基板或层(1)的所述露出的一个或多个部分(17B)的所述蚀刻使用基于氧的等离子体蚀刻且在没有物理蚀刻的情况下，经由等离子体产生的离子针对所述单晶金刚石基板或层(1)的所述露出的一个或多个部分的加速或以所述等离子体产生的离子的加速水平来进行，该加速水平允许发生沿着一个或多个晶面的晶体蚀刻或各向异性蚀刻。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，仅使用O2等离子体蚀刻进行所述单晶金刚石基板或层(1)的所述露出的一个或多个部分(17B)的所述蚀刻。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，进行所述蚀刻，以沿所述单晶金刚石基板或层(1)的<100>晶向蚀刻，以产生梯形轮廓的光学结构或梯形结构的光栅。
6.根据前述权利要求1至4中任意一项所述的方法，其中，进行所述蚀刻，以沿所述单晶金刚石基板或层(1)的所述<100>晶向蚀刻，以展现至少一个晶面，并且蚀刻所述单晶金刚石基板或层(1)的所述至少一个展现的晶面或所述晶面的表面，以在所述单晶金刚石基板或层(1)中产生三角形凹槽结构。
7.根据前一权利要求所述的方法，其中，进行所述蚀刻，以使蚀刻前部遇到所述单晶金刚石基板或层(1)的(111)平面，并且继续所述蚀刻，以在所述单晶金刚石基板或层中产生所述三角形凹槽结构。
8.根据前述权利要求1至4中任意一项所述的方法，其中，进行所述蚀刻，以沿所述单晶金刚石基板或层(1)的所述<100>晶向蚀刻，以在所述单晶金刚石基板或层(1)中产生矩形凹槽结构。
9.根据前一权利要求所述的方法，其中，进行所述蚀刻，以使蚀刻前部遇到所述单晶金刚石基板或层(1)的(100)平面，并且继续所述蚀刻，以在所述单晶金刚石基板或层中产生所述矩形凹槽结构。
10.根据前述权利要求5至9中任意一项所述的方法，还包括以下步骤：去除包括顶部金刚石部分(19B)和掩模层材料(19A)的上段(19)，以露出三角形或矩形凹槽表面(21)。
11.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述单晶金刚石基板或层(1)贴附到基板(7)，或者该方法还包括以下步骤：在形成所述至少一个凹陷或多个凹陷(15B)之前，将所述单晶金刚石基板或层(1)贴附到支架。
12.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述掩模层(3)包括或仅包括：比露出到基于氧的等离子体蚀刻的单晶金刚石更慢蚀刻的材料。
13.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述掩模层(3)包括或仅包括：氧化硅、或氮化硅、或氧化铝。
14.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述掩模层(3)包括或仅包括：Al、或Si、或Au、或Ti、或Si3N4、或Ni、或Ni-Ti合金、或W；或Ag、或Cu、或Fe、或Cr、或Co、或Ga、或Ge、或In、或Mo、或NiFe、或NiCr、或Nb、或Pd、或Pt、或Si、或Sn、或Ta、或Y；或MgO、或铟锡氧化物(ITO、In2O3-SnO2)、或钛氧化物TiO2、或Ti2O3、或Ti3O5、或ZrO2、或HfO2、或La2O3、或Y2O3、或SiC；或以上的任意组合。
15.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述掩模层(3)的厚度在10nm与1μm之间。
16.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所提供的单晶金刚石基板或层(1)是切割错误的单晶金刚石基板或层(1A)，该基板或层包括所述单晶金刚石基板或层的表面，该表面相对于晶体金刚石基板或层的晶向限定了预定角度(θ)。
17.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所提供的单晶金刚石基板或层(1)是切割错误的单晶金刚石基板或层(1A)，该基板或层包括所述单晶金刚石基板或层的表面，该表面相对于晶体金刚石基板或层的<100>方向限定了预定角度(θ)，以便产生不对称光学结构或闪耀光栅。
18.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，还包括以下步骤：在所述掩模层(3)上提供轮廓形成层(9)，以便在所述掩模层(3)中形成所述至少一个凹陷或所述多个凹陷(15B)。
19.根据前一权利要求所述的方法，还包括以下步骤：穿过所述轮廓形成层(9)形成至少一个或多个凹陷或凹口(15A)，以露出所述掩模层(3)的一个或多个部分(17A)。
20.根据前述权利要求18至20中任意一项所述的方法，还包括以下步骤：在所述轮廓形成层(9)中光刻地限定至少一个或多个凹陷或凹口。
21.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述光刻限定的至少一个或多个凹陷或凹口沿所述单晶金刚石基板或层(1)的预定方向对齐。
22.根据前述权利要求20或21所述的方法，其中，所述光刻限定的至少一个或多个凹陷或凹口沿所述单晶金刚石基板或层(1)的所述<100>或<110>方向对齐。
23.根据前述权利要求18至22中任意一项所述的方法，其中，所述轮廓形成层(9)包括光刻胶或仅由光刻胶构成，并且通过向所述轮廓形成层(9)中的至少一个或多个光刻露出的凹陷或凹口涂敷光刻胶显影剂，来穿过所述轮廓形成层(9)形成至少一个或多个凹陷或凹口(15A)，以露出所述掩模层(3)的至少一个部分或多个部分(17A)。
24.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述至少一个或所述多个凹陷或凹口包括或仅包括：凹槽或细长凹坑。
25.根据前一权利要求所述的方法，还包括以下步骤：去除所述轮廓形成层(9)的外段，使得所述轮廓形成层(9)的中心段(CS)保留在所述掩模层(3)上，以便在所述掩模层(3)的内区域中形成所述至少一个凹陷或所述多个凹陷(15)。
26.根据前述权利要求18至25所述的方法，其中，所述轮廓形成层(9)包括光刻胶或仅由光刻胶构成。
27.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述单晶金刚石光学元件或所述光学结构或所述三角形或矩形凹槽结构是光栅或分束器元件。
28.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述光学元件、或所述光学结构、或所述三角形或矩形凹槽结构是包括原子级光滑的光学表面的光栅或分束器元件。
29.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述单晶金刚石基板或层(1)仅包括或包括：合成单晶金刚石基板或层。
30.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述单晶金刚石基板或层(1)仅包括或包括：化学气相沉积(CVD)单晶金刚石基板或层。
31.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中，所述光学元件或所述光学结构或所述三角形或矩形凹槽结构是凹槽光栅、或闪耀光栅、或梯形轮廓的光栅。
32.一种根据前述权利要求中任意一项所述的方法生产的单晶金刚石光学元件。
33.根据前一权利要求所述的单晶金刚石光学元件，其中，所述单晶金刚石光学元件是光栅或分束器元件。
34.根据权利要求32或33所述的单晶金刚石光学元件，还包括抗反射涂层或反射涂层。
35.根据前述权利要求32至34中任意一项所述的单晶金刚石光学元件，其中，所述光学元件包括原子级光滑的光学表面。
36.根据前述权利要求32至35中任意一项所述的单晶金刚石光学元件，其中，所述光学元件包括蚀刻的光栅光学表面，该表面与所述单晶金刚石基板或层(1)的平面限定角度α，其中，50°≤α≤65°或54.7°≤α≤57°。
37.根据前述权利要求32至36中任意一项所述的单晶金刚石光学元件，其中，所述光学元件包括蚀刻的光栅光学表面，该表面与所述单晶金刚石基板或层(1)的平面限定角度α，其中，85°≤α≤95°或α＝87°。
38.一种单晶金刚石光学元件，其中，所述光学元件是独立的反应离子蚀刻的合成单晶金刚石光学元件。
39.根据前一权利要求所述的单晶金刚石光学元件，包括限定三角形或矩形凹槽的至少一个或多个反应离子蚀刻壁。
40.根据权利要求38至39中任意一项所述的单晶金刚石光学元件，仅包括或包括：
-独立的反应离子蚀刻的合成单晶金刚石基板或层；和
-至少一个或多个反应离子蚀刻壁，所述壁限定光栅表面。
41.根据前一权利要求所述的单晶金刚石光学元件，其中，所述至少一个或多个反应离子蚀刻壁包括限定所述金刚石零件或产品的外边界的至少一个或多个外部侧壁。
42.根据权利要求39至41中任意一项所述的单晶金刚石光学元件，其中，所述至少一个或多个反应离子蚀刻壁是氧等离子体蚀刻的壁。
43.根据权利要求39至42中任意一项所述的单晶金刚石光学元件，其中，所述至少一个或多个反应离子蚀刻壁是氧等离子体蚀刻的且是优选由化学反应蚀刻的壁。
44.根据权利要求39至43中任意一项所述的单晶金刚石光学元件，其中，所述至少一个或多个反应离子蚀刻壁包括原子级光滑的表面。
45.根据权利要求39至44中任意一项所述的单晶金刚石光学元件，其中，所述至少一个或多个反应离子蚀刻壁的RMS粗糙度小于5nm或1nm，或者小于1nm。
46.根据权利要求38至45中任意一项所述的单晶金刚石光学元件，其中，所述光学元件包括蚀刻的光栅光学表面，该表面与所述单晶金刚石基板或层的平面限定角度α，其中，50°≤α≤65°或54.7°≤α≤57°。
47.根据权利要求38至46中任意一项所述的单晶金刚石光学元件，其中，所述光学元件包括蚀刻的光栅光学表面，该表面与所述单晶金刚石基板或层的平面限定角度α，其中，85°≤α≤95°或α＝87°。
48.根据权利要求38至47中任意一项所述的单晶金刚石光学元件，其中，所述合成单晶金刚石是化学气相沉积(CVD)单晶金刚石。
49.一种单晶金刚石光学元件，其中，所述单晶金刚石光学元件根据包括以下步骤的过程来获得：
-提供单晶金刚石基板或层(1)；
-将掩模层(3)涂敷到所述单晶金刚石基板或层(1)；
-穿过所述掩模层(3)形成至少一个或多个凹陷或凹口(15B)，以露出所述单晶金刚石基板或层(1)的一个或多个部分(17B)；以及
-反应离子蚀刻所述单晶金刚石基板或层(1)的露出的一个或多个部分(17B)。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IB2017055208 | 2017-08-30 | ||
| IBPCT/IB2017/055208 | 2017-08-30 | ||
| PCT/IB2018/056547 WO2019043570A1 (en) | 2017-08-30 | 2018-08-28 | MONOCRYSTALIN DIAMOND DIFFRACTION OPTICAL ELEMENTS AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111279023A true CN111279023A (zh) | 2020-06-12 |
Family
ID=63713927
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201880065981.4A Pending CN111279023A (zh) | 2017-08-30 | 2018-08-28 | 单晶金刚石衍射光学元件及其制造方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20200355857A1 (zh) |
| EP (1) | EP3676427A1 (zh) |
| JP (1) | JP2020531921A (zh) |
| CN (1) | CN111279023A (zh) |
| WO (1) | WO2019043570A1 (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10893727B2 (en) * | 2018-08-27 | 2021-01-19 | Diffraction Grating Services Llc | Faceted gemstone with enhanced color dispersion and diminished haze |
| US11001535B2 (en) | 2019-04-26 | 2021-05-11 | Applied Materials, Inc. | Transferring nanostructures from wafers to transparent substrates |
| WO2020261209A1 (en) | 2019-06-27 | 2020-12-30 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | Optical element |
| EP3795724B1 (en) * | 2019-09-20 | 2024-11-20 | Universität des Saarlandes | Micro and nano structuring of a diamond substrate |
| US11886122B2 (en) * | 2021-06-24 | 2024-01-30 | Fraunhofer Usa, Inc. | Deep etching substrates using a bi-layer etch mask |
| CN116926494B (zh) * | 2023-08-07 | 2024-11-08 | 深圳市博源碳晶科技有限公司 | 一种金刚石铜基复合材料及其制备方法 |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06275575A (ja) * | 1993-03-22 | 1994-09-30 | Fuji Electric Co Ltd | ダイヤモンド薄膜のパターン形成方法 |
| CN1224077A (zh) * | 1998-12-17 | 1999-07-28 | 中国科学院上海冶金研究所 | 反应离子束刻蚀金刚石薄膜图形工艺 |
| KR20000052286A (ko) * | 1999-01-26 | 2000-08-16 | 송자 | 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 및 그 제조방법 |
| US20020064496A1 (en) * | 2000-11-29 | 2002-05-30 | Yoshiki Nishibayashi | Method of making diamond product and diamond product |
| CN1392451A (zh) * | 2001-06-15 | 2003-01-22 | 夏普株式会社 | 微隅角棱镜阵列、制造它的方法以及反射型显示装置 |
| CN1662681A (zh) * | 2002-06-18 | 2005-08-31 | 住友电气工业株式会社 | n型半导体金刚石的制造方法及半导体金刚石 |
| US20050248905A1 (en) * | 2004-05-03 | 2005-11-10 | Jaakko Ruohio | Method for the manufacturing of a capacitive pressure sensor, and a capacitive pressure sensor |
| CN101361154A (zh) * | 2006-09-19 | 2009-02-04 | 住友电气工业株式会社 | 金刚石电子源及制造其的方法 |
| WO2009073576A2 (en) * | 2007-11-30 | 2009-06-11 | California Institute Of Technology | Gemstones and methods for controlling the appearance thereof |
| JP4596451B2 (ja) * | 2004-04-19 | 2010-12-08 | 住友電気工業株式会社 | 突起構造の形成方法、突起構造、および電子放出素子 |
| CN105372726A (zh) * | 2015-12-14 | 2016-03-02 | 中山大学 | 一种金刚石微透镜阵列及其制备方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3020155B2 (ja) * | 1998-06-12 | 2000-03-15 | 東京大学長 | 針状ダイヤモンド配列構造体の作製方法 |
-
2018
- 2018-08-28 CN CN201880065981.4A patent/CN111279023A/zh active Pending
- 2018-08-28 US US16/642,239 patent/US20200355857A1/en not_active Abandoned
- 2018-08-28 JP JP2020512440A patent/JP2020531921A/ja active Pending
- 2018-08-28 EP EP18779762.6A patent/EP3676427A1/en not_active Withdrawn
- 2018-08-28 WO PCT/IB2018/056547 patent/WO2019043570A1/en unknown
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06275575A (ja) * | 1993-03-22 | 1994-09-30 | Fuji Electric Co Ltd | ダイヤモンド薄膜のパターン形成方法 |
| CN1224077A (zh) * | 1998-12-17 | 1999-07-28 | 中国科学院上海冶金研究所 | 反应离子束刻蚀金刚石薄膜图形工艺 |
| KR20000052286A (ko) * | 1999-01-26 | 2000-08-16 | 송자 | 냉전자 전계방출용 다이아몬드 팁 및 그 제조방법 |
| US20020064496A1 (en) * | 2000-11-29 | 2002-05-30 | Yoshiki Nishibayashi | Method of making diamond product and diamond product |
| CN1392451A (zh) * | 2001-06-15 | 2003-01-22 | 夏普株式会社 | 微隅角棱镜阵列、制造它的方法以及反射型显示装置 |
| CN1662681A (zh) * | 2002-06-18 | 2005-08-31 | 住友电气工业株式会社 | n型半导体金刚石的制造方法及半导体金刚石 |
| JP4596451B2 (ja) * | 2004-04-19 | 2010-12-08 | 住友電気工業株式会社 | 突起構造の形成方法、突起構造、および電子放出素子 |
| US20050248905A1 (en) * | 2004-05-03 | 2005-11-10 | Jaakko Ruohio | Method for the manufacturing of a capacitive pressure sensor, and a capacitive pressure sensor |
| CN101361154A (zh) * | 2006-09-19 | 2009-02-04 | 住友电气工业株式会社 | 金刚石电子源及制造其的方法 |
| WO2009073576A2 (en) * | 2007-11-30 | 2009-06-11 | California Institute Of Technology | Gemstones and methods for controlling the appearance thereof |
| CN105372726A (zh) * | 2015-12-14 | 2016-03-02 | 中山大学 | 一种金刚石微透镜阵列及其制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| J. FRUHAUF等: "Wet etching of silicon gratings with triangular profiles", 《MICROSYSTEM TECHNOLOGIES》 * |
| KARLSSON等: "Transfer of micro-optical structures into GaAs and diamond", 《PROCEEDINGS OF SPIE》 * |
| PONTUS FORSBERG等: "High aspect ratio optical gratings in diamond"，Pontus Forsberg等，Diamond & Related Materials", 《DIAMOND & RELATED MATERIALS》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3676427A1 (en) | 2020-07-08 |
| US20200355857A1 (en) | 2020-11-12 |
| JP2020531921A (ja) | 2020-11-05 |
| WO2019043570A1 (en) | 2019-03-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111279023A (zh) | 单晶金刚石衍射光学元件及其制造方法 | |
| CN112368639B (zh) | 衍射光栅的制造 | |
| JP2000089011A (ja) | 回折格子とその製造方法 | |
| JP3986048B2 (ja) | 裏面に金属被覆を備える、マイクロメカニカルおよびマイクロオプトメカニカルな構造物を製造するための方法 | |
| JP7130272B2 (ja) | 単独型の単結晶機械および光学構成要素の生成のための単結晶ダイヤモンド部材の生成方法 | |
| Toros et al. | Precision micro-mechanical components in single crystal diamond by deep reactive ion etching | |
| US9529127B2 (en) | Method for producing a refractive or diffractive optical device | |
| JP5895427B2 (ja) | 低反射構造を成型するための原版の製造方法 | |
| US20170363785A1 (en) | Grating element | |
| JP2004141360A (ja) | 単結晶材料刃、単結晶材料刃を備えた刃物および単結晶材料刃の製造方法 | |
| JP2007320246A (ja) | モールド及びモールドの作製方法 | |
| KR100913634B1 (ko) | 45°반사 거울의 제조방법 | |
| US20070128875A1 (en) | Dry etch release method for micro-electro-mechanical systems (MEMS) | |
| EP0467746B1 (fr) | Procédé de réalisation de composants optiques intégrés | |
| JP2011526841A (ja) | 改善された均一性を有する微小ポストおよびそれを製作する方法 | |
| JP2007316270A (ja) | 光学部品の製造方法、位相差素子および偏光子 | |
| KR100820023B1 (ko) | 경사 거울의 제조방법 | |
| JP2010052398A (ja) | モールド、その製造方法、及び、光学素子の製造方法 | |
| EP1241703B1 (en) | Method for masking silicon during anisotropic wet etching | |
| US10955596B1 (en) | Nanofabricated volume gratings | |
| JP5810577B2 (ja) | 低反射構造を成型するための原版の製造方法 | |
| Dunare et al. | Microstructured optical arrays for smart x-ray optics | |
| Kiss et al. | Characterization of crystallographically etched single crystal diamond diffraction gratings | |
| WO2025033058A1 (ja) | 透過型回折格子およびその製造方法 | |
| Ju et al. | Blazed silicon grating made of (111) silicon wafer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: DE Ref document number: 40031702 Country of ref document: HK |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200612 |