JP4778958B2 - Manufacturing method of optical film - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、光学膜、ならびに関連する物品、システム、および方法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to optical films and related articles, systems, and methods.
背景
光学デバイスおよび光学系は、光の操作が望ましい場合に一般に使用されている。光学デバイスの例としては、レンズ、偏光子、光学フィルター、反射防止膜、リターダー(たとえば、四分の一波長板)、およびビームスプリッター(たとえば、偏光および非偏光ビームスプリッター)が挙げられる。
BACKGROUND Optical devices and optical systems are commonly used when light manipulation is desired. Examples of optical devices include lenses, polarizers, optical filters, anti-reflective coatings, retarders (eg, quarter wave plates), and beam splitters (eg, polarized and non-polarized beam splitters).
概要
本発明は、光学用途の膜、そのような膜を含む物品、そのような膜の製造方法、およびそのような膜を利用するシステムに関する。
SUMMARY The present invention relates to films for optical applications, articles comprising such films, methods for producing such films, and systems utilizing such films.
第1の態様において、本発明は、第1の材料の層を含む物品を提供するステップであって、この第1の材料の層は、少なくとも1つのトレンチを含み、この層は、特定の軸に沿って層内を伝播する波長λの光に対して複屈折性であり、λが150nm〜2,000nmの間であるステップと、該トレンチ内に第2の材料の複数の単層を逐次形成することによって、該トレンチの容積の少なくとも約50%を充填するステップとを含む方法を特徴とする。 In a first aspect, the invention provides an article comprising a first layer of material, the first layer of material comprising at least one trench, the layer comprising a particular axis. A step of being birefringent with respect to light of wavelength λ propagating in the layer along the λ, wherein λ is between 150 nm and 2,000 nm, and sequentially forming a plurality of single layers of the second material in the trench Filling with at least about 50% of the volume of the trench by forming.
別の態様において、本発明は、原子層堆積を使用して格子表面上に材料の層を形成するステップを含む方法を特徴とする。 In another aspect, the invention features a method that includes forming a layer of material on a lattice surface using atomic layer deposition.
別の態様において、本発明は、原子層堆積を使用して光学リターデーション膜を形成するステップを含む方法を特徴とする。 In another aspect, the invention features a method that includes forming an optical retardation film using atomic layer deposition.
別の態様において、本発明は、交互に配列した第1の材料の列とナノ積層材料の列とを含む連続層を含む物品であって、この連続層は、特定の軸に沿って連続層内を伝播する波長λの光に対して複屈折性であり、λが150nm〜2,000nmの間である物品を特徴とする。 In another aspect, the present invention is an article comprising a continuous layer comprising alternating rows of first materials and rows of nanolaminate materials, wherein the continuous layers are continuous layers along a particular axis. It is characterized by an article that is birefringent with respect to light of wavelength λ propagating through it and λ is between 150 nm and 2,000 nm.
別の態様において、本発明は、ナノ積層材料を含む複屈折性光学リターデーション膜を含む物品を特徴とする。 In another aspect, the invention features an article that includes a birefringent optical retardation film that includes a nanolaminate material.
本発明の実施形態は、以下の1つ以上の特徴を含むことができる。 Embodiments of the invention can include one or more of the following features.
この充填は、第3の材料の1つ以上の単層を該トレンチ内に形成するステップをさらに含むことができ、第2の材料と第3の材料とは異なる材料である。第2および第3の材料の単層は、ナノ積層材料を形成することができる。トレンチ内に第2の材料の複数の単層を逐次形成することによって、トレンチの容積の少なくとも約80%(たとえば、少なくとも約90%、少なくとも約99%)を充填することができる。第2の材料は、第1の材料とは異なっていてもよい。第1の材料および第2の材料の層は1つの連続層を形成することができる。この連続層は、特定の軸に沿って連続層内を伝播する波長λの光に対して複屈折性となることができ、λは150nm〜2,000nmの間である。該物品は、第1の材料の層の表面内に形成された追加のトレンチを含むことができる。本方法は、追加のトレンチ内に第2の材料の複数の単層を逐次形成することによって、追加のトレンチのそれぞれの容積の少なくとも約50%を充填するステップをさらに含むことができる。本方法は、追加のトレンチ内に第2の材料の複数の単層を逐次形成することによって、追加のトレンチのそれぞれの容積の少なくとも約80%(たとえば、少なくとも約90%、少なくとも約99%)を充填するステップをさらに含むことができる。これらのトレンチは、第1の材料の列によって分離することができる。第1の材料の層は表面レリーフ格子を形成することができる。この表面レリーフ格子は、約500nm以下(たとえば、約400nm以下、約300nm以下、約200nm以下、約100nm以下)の格子周期を有することができる。 This filling can further include forming one or more monolayers of a third material in the trench, wherein the second material and the third material are different materials. Single layers of the second and third materials can form a nanolaminate material. By sequentially forming a plurality of monolayers of the second material in the trench, at least about 80% (eg, at least about 90%, at least about 99%) of the volume of the trench can be filled. The second material may be different from the first material. The layers of the first material and the second material can form one continuous layer. This continuous layer can be birefringent for light of wavelength λ propagating in the continuous layer along a specific axis, where λ is between 150 nm and 2,000 nm. The article can include additional trenches formed in the surface of the first material layer. The method can further include filling at least about 50% of the respective volume of the additional trench by sequentially forming multiple monolayers of the second material in the additional trench. The method includes at least about 80% (eg, at least about 90%, at least about 99%) of the respective volume of the additional trench by sequentially forming a plurality of monolayers of the second material in the additional trench. The method may further include filling. These trenches can be separated by a first row of material. The layer of the first material can form a surface relief grating. The surface relief grating can have a grating period of about 500 nm or less (eg, about 400 nm or less, about 300 nm or less, about 200 nm or less, about 100 nm or less).
該トレンチは、第1の材料の連続層のエッチング(たとえば、反応性イオンエッチング)によって形成することができる。トレンチは、リソグラフィを使用して形成することができる。たとえば、トレンチは、ナノインプリントリソグラフィまたはホログラフィックリソグラフィを使用して形成することができる。ナノインプリントリソグラフィを使用してトレンチが形成される場合、そのナノインプリントリソグラフィは、熱可塑性材料中にパターンを形成するステップを含む。あるいは、またはこれに加えて、このナノインプリントリソグラフィは、UV硬化性材料中にパターンを形成するステップを含むことができる。 The trench can be formed by etching a continuous layer of a first material (eg, reactive ion etching). The trench can be formed using lithography. For example, the trench can be formed using nanoimprint lithography or holographic lithography. When the trench is formed using nanoimprint lithography, the nanoimprint lithography includes forming a pattern in the thermoplastic material. Alternatively or in addition, the nanoimprint lithography can include forming a pattern in the UV curable material.
本方法は、トレンチの上に第2の材料の単層を逐次形成することによって、充填されたトレンチの上に第2の材料の層を形成するステップをさらに含むことができる。第2の材料の層は、約50nm以下(たとえば、約40nm以下、約30nm以下、約20nm以下、約10nm以下)の相加平均粗さの表面を有する。 The method can further include forming a layer of the second material over the filled trench by sequentially forming a single layer of the second material over the trench. The layer of the second material has an arithmetic average roughness surface of about 50 nm or less (eg, about 40 nm or less, about 30 nm or less, about 20 nm or less, about 10 nm or less).
第2の材料は誘電材料であってよい。ある実施形態においては、第2の材料の複数の単層の形成は、前駆体の単層を積層し、その前駆体の単層を特定の試薬に曝露して、第2の材料の単層を形成することを含む。この試薬は、前駆体と化学的に反応して第2の材料を形成することができる。たとえば、この試薬は、前駆体を酸化して第2の材料を形成することができる。前駆体の単層の堆積は、物品を収容するチャンバー内に前駆体を含む第1のガスを導入するステップを含むことができる。前駆体の単層が堆積される間の、チャンバー内の第1のガスの圧力は約0.01〜約100Torrとすることができる。前駆体の単層の試薬への曝露は、試薬を含む第2のガスをチャンバー内に導入するステップを含むことができる。前駆体の単層を試薬に曝露する間の、チャンバー内の第2のガスの圧力は約0.01〜約100Torrとすることができる。第1のガスを導入した後および第2のガスを導入する前に、第3のガスをチャンバー内に導入することができる。この第3のガスは前駆体に対して不活性であってよい。第3のガスとしては、ヘリウム、アルゴン、窒素、ネオン、クリプトン、およびキセノンからなる群より選択される少なくとも1種類のガスを挙げることができる。該前駆体は、トリス(tert−ブトキシ)シラノール、(CH3)3Al、TiCl4、SiCl4、SiH2Cl2、TaCl3、AlCl3、Hf−エタオキシド、およびTa−エタオキシドからなる群より選択することができる。 The second material may be a dielectric material. In some embodiments, forming a plurality of monolayers of the second material includes laminating a monolayer of a precursor and exposing the monolayer of the precursor to a particular reagent to form a monolayer of the second material. Forming. This reagent can chemically react with the precursor to form a second material. For example, the reagent can oxidize the precursor to form the second material. The deposition of the precursor monolayer can include introducing a first gas containing the precursor into a chamber containing the article. During the deposition of the precursor monolayer, the pressure of the first gas in the chamber can be about 0.01 to about 100 Torr. Exposure of the precursor monolayer to the reagent can include introducing a second gas containing the reagent into the chamber. During the exposure of the precursor monolayer to the reagent, the pressure of the second gas in the chamber can be from about 0.01 to about 100 Torr. A third gas can be introduced into the chamber after introducing the first gas and before introducing the second gas. This third gas may be inert to the precursor. The third gas can include at least one gas selected from the group consisting of helium, argon, nitrogen, neon, krypton, and xenon. The precursor is selected from the group consisting of tris (tert-butoxy) silanol, (CH 3 ) 3 Al, TiCl 4 , SiCl 4 , SiH 2 Cl 2 , TaCl 3 , AlCl 3 , Hf-ethoxide, and Ta-ethoxide. can do.
該トレンチは、約1,000nm以下(たとえば、約900nm以下、約800nm以下、約700nm以下、約600nm以下、約500nm以下、約400nm以下、約300nm以下、約200nm以下)の幅を有することができる。トレンチは、約10nm以上(たとえば、約20nm以上、約30nm以上、約40nm以上、約50nm以上、約75nm以上、約100nm以上、約150nm以上、約200nm以上、約300nm以上、約400nm以上、約500nm以上、約1,000以上、約1,500nm以上、約2,000以上)の深さを有することができる。 The trench may have a width of about 1,000 nm or less (eg, about 900 nm or less, about 800 nm or less, about 700 nm or less, about 600 nm or less, about 500 nm or less, about 400 nm or less, about 300 nm or less, about 200 nm or less). it can. The trench is about 10 nm or more (e.g., about 20 nm or more, about 30 nm or more, about 40 nm or more, about 50 nm or more, about 75 nm or more, about 100 nm or more, about 150 nm or more, about 200 nm or more, about 300 nm or more, about 400 nm or more, about 500 nm or more, about 1,000 or more, about 1,500 nm or more, about 2,000 or more).
本方法は、トレンチを充填した後、第1の材料の層の上に第2の複屈折層を形成するステップをさらに含むことができる。第2の複屈折層は、複数のトレンチを含むことができ、第2の複屈折層の形成は、第2の複屈折層のトレンチ内に第3の材料の複数の単層を逐次形成することによって複数のトレンチを充填するステップを含む。本方法は、第2の複屈折層の上に追加の複屈折層を形成するステップを含むこともできる。 The method may further include forming a second birefringent layer on the first material layer after filling the trench. The second birefringent layer can include a plurality of trenches, and forming the second birefringent layer sequentially forms a plurality of single layers of the third material in the trenches of the second birefringent layer. Optionally filling the plurality of trenches. The method can also include forming an additional birefringent layer on the second birefringent layer.
特定の実施形態においては、格子は、表面レリーフ格子であってよい。格子は、約2,000nm以下(たとえば、約1,500nm以下、約1,000以下、約750nm以下、約500nm以下、約300nm以下、約200nm以下)の格子周期を有することができる。 In certain embodiments, the grating may be a surface relief grating. The grating can have a grating period of about 2,000 nm or less (eg, about 1,500 nm or less, about 1,000 or less, about 750 nm or less, about 500 nm or less, about 300 nm or less, about 200 nm or less).
該光学リターデーション膜は複屈折性であってよい。 The optical retardation film may be birefringent.
該物品は、少なくとも1つの反射防止膜をさらに含むことができ、この場合その物品の表面は反射防止膜の表面を含む。ある実施形態においては、該物品は、該連続層と隣接する第3の材料の層も含む。該物品は、該連続層と隣接するナノ積層材料の層を含むことができる。この連続層と隣接するナノ積層材料の層は、約50nm以下(たとえば、約40nm以下、約30nm以下、約20nm以下、約10nm以下)の相加平均粗さの表面を有することができる。ナノ積層材料は、λにおいて約1.3以上(たとえば、約1.4以上、約1.5以上、約1.6以上、約1.7以上、約1.8以上、約1.9以上、約2.0以上、約2.1以上)の屈折率を有することができる。第1の材料は、λにおいて約1.3以上(たとえば、約1.4以上、約1.5以上、約1.6以上、約1.7以上、約1.8以上、約1.9以上、約2.0以上、約2.1以上)の屈折率を有することができる。ナノ積層材料は、第2の材料の部分と、第3の材料の部分とを含むことができ、第2の材料と第3の材料とは異なる材料である。ある実施形態においては、第1の材料と第3の材料とが同じ材料である。 The article can further include at least one antireflective coating, wherein the surface of the article includes the surface of the antireflective coating. In certain embodiments, the article also includes a layer of a third material adjacent to the continuous layer. The article can include a layer of nanolaminate material adjacent to the continuous layer. The layer of nanolaminate material adjacent to the continuous layer can have an arithmetic average roughness surface of about 50 nm or less (eg, about 40 nm or less, about 30 nm or less, about 20 nm or less, about 10 nm or less). The nanolaminate material is about 1.3 or more at λ (eg, about 1.4 or more, about 1.5 or more, about 1.6 or more, about 1.7 or more, about 1.8 or more, about 1.9 or more. , About 2.0 or more, about 2.1 or more). The first material has a λ of about 1.3 or more (eg, about 1.4 or more, about 1.5 or more, about 1.6 or more, about 1.7 or more, about 1.8 or more, about 1.9). The refractive index can be about 2.0 or more and about 2.1 or more. The nanolaminate material can include a second material portion and a third material portion, wherein the second material and the third material are different materials. In some embodiments, the first material and the third material are the same material.
ナノ積層材料は、誘電材料、無機材料、および/または金属を含むことができる。ナノ積層材料は、SiO2、SiNx、Si、Al2O3、ZrO2、Ta2O5、TiO2、HfO2、Nb2O5、およびMgF2からなる群より選択される材料を含むことができる。 Nanolaminate materials can include dielectric materials, inorganic materials, and / or metals. The nanolaminate material includes a material selected from the group consisting of SiO 2 , SiN x , Si, Al 2 O 3 , ZrO 2 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , Nb 2 O 5 , and MgF 2. be able to.
第1の材料は、誘電材料、無機材料、ガラス、ポリマー、半導体、および/または金属であってよい。特定の実施形態においては、第1の材料は、SiO2、SiNx、Si、Al2O3、ZrO2、Ta2O5、TiO2、HfO2、Nb2O5、およびMgF2からなる群より選択される。 The first material may be a dielectric material, an inorganic material, glass, a polymer, a semiconductor, and / or a metal. In certain embodiments, the first material consists of SiO 2, SiN x, Si, Al 2 O 3, ZrO 2, Ta 2 O 5, TiO 2, HfO 2, Nb 2 O 5, and MgF 2 Selected from the group.
該連続層は、約500nm以下(たとえば、約200nm以下、約100nm以下、約50nm以下)の格子周期を有する格子を形成することができる。第1の材料の列は、約500nm以下(約200nm以下、約100nm以下、約50nm以下、約20nm以下、約10nm以下)の最小幅を有することができる。第1の材料の列は、ナノ積層材料の列の最小幅と同じまたは異なる最小幅を有することができる。第1の材料の列のそれぞれの最小幅は実質的に同じであってよい。あるいは、またはこれに加えて、ナノ積層材料の列のそれぞれの最小幅は実質的に同じである。 The continuous layer can form a lattice having a lattice period of about 500 nm or less (eg, about 200 nm or less, about 100 nm or less, about 50 nm or less). The first row of materials can have a minimum width of about 500 nm or less (about 200 nm or less, about 100 nm or less, about 50 nm or less, about 20 nm or less, about 10 nm or less). The first row of materials can have a minimum width that is the same as or different from the minimum width of the row of nanolaminate materials. The minimum width of each of the first material rows may be substantially the same. Alternatively, or in addition, the minimum width of each of the nanolaminate material rows is substantially the same.
該連続層は、約15nm以上(たとえば、約30nm以上、約50nm以上、約75nm以上、約100nm以上、約150以上、約200nm以上、約300nm以上、約500nm以上、約1,000nm以上、約1,500nm以上、約2,000以上)の厚さを有する。特定の実施形態においては、λが150nm〜2,000nmの間である場合、連続層は、特定の軸に沿って連続層内を伝播する波長λの光に対して、約1nm以上(たとえば、約2nm以上、約5nm以上、約10nm以上、約20nm以上、約50nm以上)の光学リターデーションを有する。λが200nm〜2,000nmである場合、連続層は、特定の軸に沿って複合層内を伝播する波長λの光に対して、約2,000nm以下の波長光学リターデーションを有することができる。ある実施形態においては、λは約400nm〜約700nmの間(たとえば約510nm〜約570nmの間)である。ある実施形態においては、連続層は、λが約400nm〜約700nmの間である場合、特定の軸に沿って連続層内を伝播する波長λの光に対して、約4nm以上の光学リターデーションを有する。 The continuous layer is about 15 nm or more (e.g., about 30 nm or more, about 50 nm or more, about 75 nm or more, about 100 nm or more, about 150 or more, about 200 nm or more, about 300 nm or more, about 500 nm or more, about 1,000 nm or more, about And a thickness of 1,500 nm or more, about 2,000 or more). In certain embodiments, when λ is between 150 nm and 2,000 nm, the continuous layer is about 1 nm or more (eg, for light of wavelength λ propagating in the continuous layer along a specific axis (eg, About 2 nm or more, about 5 nm or more, about 10 nm or more, about 20 nm or more, about 50 nm or more). When λ is 200 nm to 2,000 nm, the continuous layer can have a wavelength optical retardation of about 2,000 nm or less for light of wavelength λ propagating in the composite layer along a specific axis. . In some embodiments, λ is between about 400 nm and about 700 nm (eg, between about 510 nm and about 570 nm). In certain embodiments, the continuous layer has an optical retardation of about 4 nm or more for light of wavelength λ propagating in the continuous layer along a particular axis when λ is between about 400 nm and about 700 nm. Have
該物品は、交互に配列した第3の材料の列と第2のナノ積層材料の列とを含む第2の連続層を含むことができ、この第2の連続層は、該軸に沿って第2の連続層内を伝播する波長λの光に対して複屈折性である。該物品は、追加の複屈折性層をさらに含むことができ、それぞれの複屈折性層は、該軸に沿ってそれぞれの複屈折性層内を伝播する波長λの光に対して複屈折性である。 The article can include a second continuous layer comprising a third row of alternating materials and a second row of nanolaminate materials, wherein the second continuous layer is along the axis. Birefringent with respect to light of wavelength λ propagating in the second continuous layer. The article can further include an additional birefringent layer, each birefringent layer being birefringent with respect to light of wavelength λ propagating within the respective birefringent layer along the axis. It is.
本発明の実施形態は、以下の1つ以上の利点を有することができる。 Embodiments of the invention can have one or more of the following advantages.
ある実施形態においては、該物品は、対象の波長に対して高い透過率を有することができ、精密に制御可能なリターデーションを有する比較的堅牢な光学リターダーであってよい。光学リターダーは、1つ以上の複屈折性層を含むことができる。複屈折性は、媒体中のサブ波長構造によって得られ、これは、少なくとも2種類の異なる材料(たとえば、光学的に等方性の材料)を交互に配列することによって実現することができる。複屈折性は、その中の媒体がその屈折率において周期変調を有し、その周期が対象の波長よりも実質的に短くなるサブ波長格子構造によって得ることができる。この周期は対象の波長よりも短いため、実質的に0次のみの回折が起こり、すべてのより高次の回折は消失していく(たとえば、対象の波長のビームは実質的に透過する、および/または反射する)。複屈折性媒体を構成する材料は、光学的に等方性であってよい(すなわち、等方性の屈折率を有する)が、その媒体自体は複屈折を生じさせるために光学的に異方性である。 In certain embodiments, the article can be a relatively robust optical retarder that can have a high transmission for the wavelength of interest and has a precisely controllable retardation. The optical retarder can include one or more birefringent layers. Birefringence is obtained by a subwavelength structure in the medium, which can be achieved by alternating at least two different materials (eg, optically isotropic materials). Birefringence can be obtained by a subwavelength grating structure in which the medium has periodic modulation in its refractive index, the period of which is substantially shorter than the wavelength of interest. Since this period is shorter than the wavelength of interest, substantially zero order diffraction occurs, and all higher order diffraction disappears (eg, the beam of interest wavelength is substantially transmitted, and / Or reflect). The material comprising the birefringent medium may be optically isotropic (ie has an isotropic refractive index), but the medium itself is optically anisotropic to cause birefringence. It is sex.
ある実施形態においては、ガス(たとえば空気)が充填されたトレンチを有する場合などとは対照的に、光学リターダーは、連続材料で形成される1つ以上の複屈折性層を含むことができる。したがって、光学リターダーは、非連続層(たとえば、空気が充填された1つ以上のトレンチを含む層)を含む光学リターダーよりも機械的により堅牢となりうる。 In certain embodiments, the optical retarder can include one or more birefringent layers formed of a continuous material, as opposed to having a trench filled with a gas (eg, air). Thus, an optical retarder can be mechanically more robust than an optical retarder that includes a discontinuous layer (eg, a layer that includes one or more trenches filled with air).
特定の実施形態においては、層の一部の幅と厚さとの間で比較的高いアスペクト比を有する連続の複屈折性層を形成することができる。一例として、高アスペクト比のトレンチを層中にエッチングすることができ、次にコンフォーマルコーティング方法(たとえば、原子層堆積)を使用してそのトレンチを充填して、比較的高いアスペクト比を有する連続の複屈折性層を形成することができる。 In certain embodiments, a continuous birefringent layer having a relatively high aspect ratio between the width and thickness of a portion of the layer can be formed. As an example, a high aspect ratio trench can be etched into a layer, and then the conformal coating method (eg, atomic layer deposition) is used to fill the trench to provide a continuous with a relatively high aspect ratio. The birefringent layer can be formed.
光学リターダーの複屈折は、精密に制御することができる。これを実現するために、たとえば、光学リターダー中の複屈折性層の1つ以上の部分の屈折率が、その部分の組成を調整することによって所望の値に調整され、それによって複屈折を制御することができる。一例として、層の1つ以上の部分を、ナノ積層体から形成することができる。ナノ積層体の屈折率は、ナノ積層体中の2種類以上の異なる材料の比率を選択することによって調整することができ、これは、原子層堆積を使用してナノ積層体が形成される場合の単層を基準にして単層に対して制御を行うことができる。 The birefringence of the optical retarder can be precisely controlled. To achieve this, for example, the refractive index of one or more portions of a birefringent layer in an optical retarder is adjusted to a desired value by adjusting the composition of that portion, thereby controlling birefringence. can do. As an example, one or more portions of a layer can be formed from a nanolaminate. The refractive index of the nanolaminate can be tuned by selecting the ratio of two or more different materials in the nanolaminate, when the nanolaminate is formed using atomic layer deposition The single layer can be controlled on the basis of the single layer.
あるいは、またはこれに加えて、層の構造の精密な制御によって、複屈折性層の複屈折を精密に制御することができる。たとえば、複屈折性層の構造(たとえば、格子の深さ、幅、および断面)を画定するためにリソグラフィ技術(たとえば、電子ビームリソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィ、ホログラフィックリソグラフィ)を使用することによって、構造を精密に制御することができる。 Alternatively, or in addition, the birefringence of the birefringent layer can be precisely controlled by precise control of the layer structure. For example, by using lithographic techniques (eg, electron beam lithography, nanoimprint lithography, holographic lithography) to define the structure of the birefringent layer (eg, grating depth, width, and cross section) It can be controlled precisely.
特定の実施形態においては、光学リターダーのリターダンスを精密に制御することができる。たとえば、光学リターダー中の複屈折性層の複屈折および/または深さを精密に制御することで、所望のリターダンスを得ることができる。一例として、光学リターダーは、リターダー中の複屈折性層の一部の厚さを制御するために、1つ以上のエッチストップ層などの1つ以上の層を含むことができる。 In certain embodiments, the retardance of the optical retarder can be precisely controlled. For example, a desired retardance can be obtained by precisely controlling the birefringence and / or depth of the birefringent layer in the optical retarder. As an example, the optical retarder can include one or more layers, such as one or more etch stop layers, to control the thickness of a portion of the birefringent layer in the retarder.
ある実施形態においては、光学リターダーは、対象の波長において高い透過率を有する。たとえば、光学リターダーは、対象の波長の光の反射を軽減するために、1つ以上の界面上に1つ以上の反射防止膜を含むことができる。あるいは、またはこれに加えて、光学リターダーの層は、対象の波長における吸収が比較的少ない材料から形成することができる。 In some embodiments, the optical retarder has a high transmission at the wavelength of interest. For example, an optical retarder can include one or more anti-reflective coatings on one or more interfaces to reduce reflection of light of a wavelength of interest. Alternatively, or in addition, the optical retarder layer can be formed from a material that has relatively low absorption at the wavelength of interest.
本発明のその他の特徴および利点は、説明および図面、ならびに特許請求の範囲から明らかとなるであろう。 Other features and advantages of the invention will be apparent from the description and drawings, and from the claims.
種々の図面における類似の参照記号は類似の要素を示している。 Like reference symbols in the various drawings indicate like elements.
詳細な説明
図1を参照すると、一実施形態の光学リターダー100は、リターデーション層110と、2つの反射防止膜150および160とを含む。光学リターダー100は、基体140、エッチストップ層130、およびキャップ層120も含む。リターデーション層110は、格子の形態であり、第1の屈折率を有する部分111と、第2の屈折率を有する部分112とを含む。リターデーション層110は、図1に示されるデカルト座標系のz軸と平行な軸101に沿って伝播する波長λの光に対して複屈折性である。一般に、λは、約150nm〜約5,000nmの間である。特定の実施形態においては、λは、電磁スペクトルの可視部分の範囲内の波長に相当する(たとえば約400nm〜約700nm)。
DETAILED DESCRIPTION Referring to FIG. 1, an
部分111および112は、y軸に沿って延びており、異なる屈折率を有する一連の交互の列からなる周期構造を形成している。部分111に相当する列はx方向に幅Λ111を有し、一方部分112に相当する列はx方向に幅Λ112を有する。これらの列の幅はλよりも小さく、リターデーション層110は、有意の高次の回折と遭遇することなく、波長λの光に対して複屈折性となる。異なる偏光状態の光波は、リターデーション層110内を異なる位相変化で伝播し、これは、リターデーション層110の厚さ、部分111および112の屈折率、ならびにΛ111およびΛ112に依存する。したがって、これらのパラメーターは、λにおける偏光に対して希望する量のリターデーションが得られるように選択することができる。
リターデーション層110は複屈折Δnを有し、これはne−n0に相当しており、neおよびn0はそれぞれ、層110の実効異常光屈折率および実効常光線屈折率である。リターデーション層110の場合、neおよびn0は次式で与えられる。すなわち、
式(1)において、n111およびn112ならびにΛ111およびΛ112は、それぞれ部分111および112の屈折率および厚さ(x方向に沿った)を意味する。一般に、neおよびn0の値は、n111、n112、Λ111、およびΛ112に依存し、n111とn112との間にある。Λ111およびΛ112は、式(1)によって求められるneおよびn0の値に基づいて所望のΔnの値が得られるように選択することができる。さらに、部分111および112のそれぞれの組成に依存する屈折率n111およびn112は、所望のΔnの値が得られるように選択することができる。ある実施形態においては、Δnは比較的大きい(たとえば、約0.1以上、約0.15以上、約0.2以上、約0.3以上、約0.5以上、約1.0以上、約1.5以上、約2.0以上)。あるいは、別の実施形態においては、Δnは比較的小さい(たとえば、約0.05以下、約0.04以下、約0.03以下、約0.02以下、約0.01以下、約0.005以下、約0.002以下、0.001以下)。
In equation (1), n 111 and n 112 and Λ 111 and Λ 112 mean the refractive index and thickness (along the x direction) of the
一般に、部分111の屈折率は、約1.3以上(たとえば、約1.4以上、約1.5以上、約1.6以上、約1.7以上、約1.8以上、約1.9以上、約2.0以上、約2.1以上、約2.2以上)とすることができる。さらに、一般に、部分112の屈折率は、約1.3以上(たとえば、約1.4以上、約1.5以上、約1.6以上、約1.7以上、約1.8以上、約1.9以上、約2.0以上、約2.1以上、約2.2以上)とすることができる。
Generally, the refractive index of
一般に、Λ111は、約0.2λ以下(たとえば、約0.1λ以下、約0.05λ以下、約0.04λ以下、約0.03λ以下、約0.02λ以下、0.01λ以下)とすることができる。たとえば、ある実施形態においては、Λ111は約200nm以下(たとえば、約150nm以下、約100nm以下、約80nm以下、約70nm以下、約60nm以下、約50nm以下、約40nm以下、約30nm以下)である。同様に、Λ112は、約0.2λ以下(たとえば、約0.1λ以下、約0.05λ以下、約0.04λ以下、約0.03λ以下、約0.02λ以下、0.01λ以下)とすることができる。たとえば、ある実施形態においては、Λ112は、約200nm以下(たとえば、約150nm以下、約100nm以下、約80nm以下、約70nm以下、約60nm以下、約50nm以下、約40nm以下、約30nm以下)である。Λ111およびΛ112は、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。 Generally, Λ 111 is about 0.2λ or less (eg, about 0.1λ or less, about 0.05λ or less, about 0.04λ or less, about 0.03λ or less, about 0.02λ or less, 0.01λ or less). can do. For example, in some embodiments, Λ 111 is about 200 nm or less (eg, about 150 nm or less, about 100 nm or less, about 80 nm or less, about 70 nm or less, about 60 nm or less, about 50 nm or less, about 40 nm or less, about 30 nm or less). is there. Similarly, Λ 112 is about 0.2λ or less (eg, about 0.1λ or less, about 0.05λ or less, about 0.04λ or less, about 0.03λ or less, about 0.02λ or less, 0.01λ or less). It can be. For example, in some embodiments, Λ 112 is about 200 nm or less (eg, about 150 nm or less, about 100 nm or less, about 80 nm or less, about 70 nm or less, about 60 nm or less, about 50 nm or less, about 40 nm or less, about 30 nm or less). It is. Λ 111 and Λ 112 may be the same or different from each other.
x軸に沿って、リターデーション層110の屈折率は周期的であり、Λ111+Λ112に相当する周期Λを有する。一般に、Λはλ未満であり、たとえば約0.5λ以下(たとえば、約0.3λ以下、約0.2λ以下、約0.1λ以下、約0.08λ以下、約0.05λ以下、約0.04λ以下、約0.03λ以下、約0.02λ以下、0.01λ以下)である。ある実施形態においては、Λは約500nm以下(たとえば、約300nm以下、約200nm以下、約100nm以下、約80nm以下、約60nm以下、約50nm以下、約40nm以下)である。
Along the x-axis, the refractive index of
19個の部分を有するとしてリターデーション層110が示されているが、一般に、リターデーション層中の部分の数は希望通りに変化させることができる。部分の数は、周期Λ、およびリターダーの最終用途に必要な面積に依存する。ある実施形態においては、リターデーション層110は、約50個以上の部分(たとえば、約100個以上の部分、約500個以上の部分、約1,000個以上の部分、約5,000個以上の部分、約10,000個以上の部分、約50,000個以上の部分、約100,000個以上の部分、約500,000個以上の部分)を有することができる。
Although
z軸に沿って測定されるリターデーション層110の厚さdは、希望通りに変化させることができる。一般に、層110の厚さは、部分111および112の屈折率、ならびにλにおけるリターデーション層110の所望のリターデーションに基づいて選択される。ある実施形態においては、dは、約50nm以上(たとえば、約75nm以上、約100nm以上、約125nm以上、約150nm以上、約200nm以上、約250nm以上、約300nm以上、約400nm以上、約500nm以上、約1,000以上、たとえば約2,000nm)とすることができる。
The thickness d of the
リターデーション層厚さd対Λ111および/またはd対Λ112のアスペクト比は比較的大きい。たとえば、d:Λ111および/またはd:Λ112は、約2:1以上(たとえば、約3:1以上、約4:1以上、約5:1以上、約8:1以上、約10:1以上)とすることができる。 The aspect ratio of the retardation layer thickness d to Λ 111 and / or d to Λ 112 is relatively large. For example, d: Λ 111 and / or d: Λ 112 is about 2: 1 or more (eg, about 3: 1 or more, about 4: 1 or more, about 5: 1 or more, about 8: 1 or more, about 10: 1 or more).
リターデーション層110のリターデーションは、リターデーション層110の厚さdとΔnとの積に相当する。Δnおよび層厚さの値を適切に選択することで、リターデーションを希望通りに変化させることができる。ある実施形態においては、リターデーション層110のリターデーションは約50nm以上(たとえば、約75nm以上、約100nm以上、約125nm以上、約150nm以上、約200nm以上、約250nm以上、約300nm以上、約400nm以上、約500nm以上、約1,000以上、たとえば約2,000nm)である。あるいは、別の実施形態においては、リターデーションは約40nm以下(たとえば、約30nm以下、約20nm以下、約10nm以下、約5nm以下、約2nm以下)である。ある実施形態においては、リターデーションはλ/4またはλ/2に相当する。
The retardation of the
リターデーションは、位相リターデーションΓとして表すこともでき、ここで
たとえば、四分の一波長リターデーションはΓ=π/2に対応し、半波長リターデーションはΓ=πに対応する。一般に、位相リターデーションは希望通りに変化させることができる。ある実施形態においては、位相リターデーションは、2π以下(たとえば、約0.8π以下、約0.7π以下、約0.6π以下、約0.5π以下、約0.4π以下、約0.2π以下、0.2π以下、約0.1π以下、約0.05π以下、0.01π以下)であってよい。あるいは、別の実施形態においては、リターデーション層110の位相リターデーションは、2πを超えることができる(たとえば、約3π以上、約4π以上、約5π以上)。
Retardation can also be expressed as phase retardation Γ, where
For example, a quarter wavelength retardation corresponds to Γ = π / 2, and a half wavelength retardation corresponds to Γ = π. In general, the phase retardation can be varied as desired. In some embodiments, the phase retardation is 2π or less (eg, about 0.8π or less, about 0.7π or less, about 0.6π or less, about 0.5π or less, about 0.4π or less, about 0.2π or less). Hereinafter, it may be 0.2π or less, about 0.1π or less, about 0.05π or less, 0.01π or less). Alternatively, in another embodiment, the retardation retardation of
一般に、部分111および112の組成は希望通りに変化させることができる。部分111および/または112は無機および/または有機の材料を含むことができる。無機材料の例としては、金属半導体、および無機誘電材料(たとえばガラス)が挙げられる。有機材料の例としてはポリマーが挙げられる。
In general, the composition of
ある実施形態においては、部分111および/または部分112は、誘電性酸化物(たとえば金属酸化物)、フッ化物(たとえば、金属フッ化物)、硫化物、および/または窒化物(たとえば、金属窒化物)などの1種類以上の誘電材料を含む。酸化物の例としては、SiO2、Al2O3、Nb2O5、TiO2、ZrO2、HfO2、SnO2、ZnO、ErO2、Sc2O3、およびTa2O5が挙げられる。フッ化物の例としてはMgF2が挙げられる。他の例としては、ZnS、SiNx、SiOyNx、AlN、TiN、およびHfNが挙げられる。
In some embodiments,
部分111および112の組成は典型的には、それらの光学的性質、および光学リターダー100の製造に使用されるプロセスとのそれらの適合性、および光学リターダー100の他の層の形成に使用される材料とのそれらの適合性に基づいて選択される。部分111および/または部分112の組成は、λにおいて特定の屈折率を有するように選択することができる。一般に、λにおける部分111の屈折率は、屈折率または部分112とは異なる。ある実施形態においては、部分111または部分112は、632nmにおける屈折率が約2.35であるTiO2、または632nmにおける屈折率が2.15であるTa2O5などの比較的高屈折率の材料から形成される。あるいは、部分111または部分112は、比較的低屈折率の材料から形成することもできる。低屈折率材料の例としては、SiO2およびAl2O3が挙げられ、これらは632nmにおける屈折率がそれぞれ1.45および1.65である。
The composition of the
ある実施形態においては、部分111および/または部分112の組成は、λにおいて比較的低い吸収性を有し、そのためリターデーション層110が、λにおいて比較的低い吸収性を示す。たとえば、リターデーション層110は、軸101に沿って伝播するλにおける放射線を約5%以下(たとえば、約3%以下、約2%以下、約1%以下、約0.5%以下、約0.2%以下、約0.1%以下)吸収することができる。
In some embodiments, the composition of
部分111および/または部分112は、1種類の材料から形成することもできるし、複数の異なる材料から形成することもできる。ある実施形態においては、部分111および112の一方または両方がナノ積層材料から形成され、ナノ積層材料とは、少なくとも2種類の異なる材料の層で構成され、少なくとも1種類の材料の層が非常に薄い(たとえば、1〜約10の単層の厚さ)材料を意味する。場合により、ナノ積層材料は、その構成材料の屈折率に依存する局所的に均一な屈折率を有する。各構成材料の量を変化させることによって、ナノ積層体の屈折率を変化させることができる。ナノ積層部分の例としては、SiO2単層およびTiO2単層、SiO2単層およびTa2O5単層、あるいはAl2O3単層およびTiO2単層で構成される部分が挙げられる。
The
部分111および/または部分112は、結晶質、半結晶質、および/または非晶質の部分を含むことができる。典型的には、非晶質材料は、光学的に等方性であり、部分的または大部分が結晶質である部分よりもよく光を透過することができる。一例として、ある実施形態においては、部分111および112の両方が、非晶質誘電材料(たとえば、非晶質TiO2またはSiO2)などの非晶質材料で形成される。あるいは、特定の実施形態においては、部分111が結晶質または半結晶質の材料(たとえば、結晶質または半結晶質のSi)で形成され、部分112が非晶質材料(たとえば、TiO2またはSiO2などの非晶質誘電材料)で形成される。
これより光学リターダー100中の他の層について言及すると、一般に、基体140は、光学リターダー100を機械的に支持する。特定の実施形態においては、基体140は、波長λの光に対して透明であり、波長λであってこれに衝突する実質的にすべての光(たとえば、約90%以上、約95%以上、約97%以上、約99%以上、約99.5%以上)を透過する。
Referring now to other layers in the
一般に、基体140は、他の層を支持することができ、リターダー100の製造に使用される製造工程に適合するあらゆる材料から形成することができる。特定の実施形態においては、基体140は、BK7(アブリサ・コーポレーション(Abrisa Corporation)より入手可能)、ホウケイ酸ガラス(たとえば、コーニング(Corning)より入手可能なパイレックス(pyrex)(登録商標))、アルミノケイ酸ガラス(たとえば、コーニング(Corning)より入手可能なC1737)、または石英/溶融石英などのガラスから形成される。ある実施形態においては、基体140は、非線形光学結晶(たとえば、LiNbO3、またはガーネットなどの磁気光学回転体(magneto−optical rotator))または結晶質(または半結晶質)半導体(たとえば、Si、InP、またはGaAs)などの結晶質材料から形成することができる。基体140は、ポリマー(たとえばプラスチック)などの無機材料から形成することもできる。
In general, the
エッチストップ層130は、部分112が形成される材料のエッチングに使用されるエッチング方法に対して抵抗性である材料から形成される(後出の説明参照)。エッチストップ層130を形成する材料は、基体140、およびリターデーション層110を形成する材料に対して適合性であるべきである。エッチストップ層130を形成することができる材料の例としては、HfO2、SiO2、Ta2O5、TiO2、SiNx、または金属(たとえば、Cr、Ti、Ni)が挙げられる。
The
エッチストップ層130の厚さは希望通りに変化させることができる。典型的には、エッチストップ層130は、基体140の有意なエッチングを防止するのに十分な厚さであるが、光学リターダー100の光学的性能に悪影響を与えるほど厚くなるべきではない。ある実施形態においては、エッチストップ層は、約500nm以下(たとえば、約250nm以下、約100nm以下、約75nm以下、約50nm以下、約40nm以下、約30nm以下、約20nm以下)である。
The thickness of the
キャップ層120は、典型的にはリターデーション層110の部分111と同じ材料から形成され、これによって表面121が提供され、その上に反射防止膜150を形成する層などの追加の層を堆積することができる。表面121は実質的に平面であってよい。
The
反射防止膜150および160は、光学リターダー100に衝突し、これより出てくる波長λの光の反射率を低下させることができる。反射防止膜150および160は一般に、異なる屈折率の1つ以上の層を含む。一例として、反射防止膜150および160の一方または両方は、4つの交互に配列する高屈折率層および低屈折率層から形成することができる。高屈折率層はTiO2またはTa2O5から形成することができ、低屈折率層はSiO2またはMgF2から形成することができる。反射防止膜は広帯域反射防止膜であっても、狭帯域反射防止膜であってもよい。
The
ある実施形態においては、光学リターダー100は、波長λで衝突する光の約5%以下(たとえば、約3%以下、約2%以下、約1%以下、約0.5%以下、約0.2%以下)の反射率を有する。さらに、光学リターダー100は、波長λの光に対して高い透過率を有することができる。たとえば、光学リターダーは、波長λで衝突する光の約95%以上(たとえば、約98%以上、約99%以上、約99.5%以上)を透過することができる。
In some embodiments, the
一般に、光学リターダー100は希望通りに作製することができる。図2A〜2Jは、製造方法の一例の異なる段階を示している。最初に、図2Aに示されるように基体140が提供される。基体140の表面141は、研磨および/または洗浄を行うことができる(たとえば、基体を1種類以上の溶媒、酸に曝露する、および/または基体の焼き付けを行うことによって)。
In general, the
図2Bを参照すると、基体140の表面141の上にエッチストップ層130が堆積される。エッチストップ層130を形成する材料は、スパッタリング(たとえば、高周波スパッタリング)、蒸着(たとえば、電子ビーム蒸発、イオンアシスト蒸着(IAD)電子ビーム蒸着)、またはプラズマ強化CVD(PECVD)などの化学蒸着(CVD)、ALD、または酸化などの種々の技術の1つを使用して形成することができる。一例として、IAD電子ビーム蒸着によって基体140上にHfO2の層を堆積することができる。
Referring to FIG. 2B, an
図2Cを参照すると、次に、エッチストップ層130の表面131の上に中間層210が堆積される。中間層210から部分112がエッチングされるので、中間層210は部分112に使用される材料から形成される。中間層210を形成する材料は、スパッタリング(たとえば高周波スパッタリング)、蒸着(たとえば電子ビーム蒸発)、または化学蒸着(CVD)(たとえばプラズマ強化CVD)などの種々の技術の1つを使用して堆積することができる。一例として、スパッタリング(たとえば、高周波スパッタリング)、CVD(たとえばプラズマ強化CVD)、または電子ビーム蒸着(たとえばIAD電子ビーム蒸着)によって、エッチストップ層130の上にSiO2層を堆積することができる。中間層210の厚さは、希望するリターデーション層110の厚さに基づいて選択される。
Referring to FIG. 2C, an
リソグラフィ技術を使用して中間層210を加工することで、リターデーション層110の部分112が形成される。たとえば、電子ビームリソグラフィまたはフォトリソグラフィ(photolithograpy)(たとえば、フォトマスクの使用またはホログラフィ技術の使用)を使用して中間層210から部分112を形成することができる。ある実施形態においては、ナノインプリントリソグラフィを使用して部分112が形成される。図2Dを参照すると、ナノインプリントリソグラフィは、中間層210の表面211の上のレジスト層220の形成するステップを含む。このレジストは、たとえばポリメチルメタクリレート(PMMA)またはポリスチレン(PS)であってよい。図2Eを参照すると、型を使用してレジスト層220に特定のパターンが型押しされる。パターン形成されたレジスト層220は、薄い部分221と厚い部分222とを含む。パターン形成されたレジスト層220は次にエッチングされ(たとえば、酸素反応性イオンエッチング(RIE)によって)、薄い部分221が除去されて、図2Fに示されるように中間層210の表面211の部分224が露出する。厚い部分222もエッチングされるが、完全には除去されない。したがって、レジストの部分223は、エッチング後も表面211上に残留する。
The
図2Gを参照すると、中間層210の露出部分が続いてエッチングされて、中間層210内にトレンチ212が形成される。中間層210のエッチングされていない部分は、リターデーション層110の部分112に対応する。中間層210は、たとえば、反応性イオンエッチング、イオンビームエッチング、スパッタリングエッチング、化学強化イオンエッチング(CAIBE)、またはウェットエッチングを使用してエッチングすることができる。中間層210の露出部分は、エッチング方法に対して抵抗性の材料から形成されるエッチストップ層130に到達するまでエッチングされる。したがって、エッチングによって形成されるトレンチ212の深さは、部分112の厚さと同じである。トレンチ212のエッチング後、残留するレジスト223が部分112から除去される。レジストは、溶媒(たとえばアセトンまたはアルコールなどの有機溶媒中)での物品の洗浄、O2プラズマ灰化、O2RIE、またはオゾン洗浄によって除去することができる。
Referring to FIG. 2G, the exposed portion of the
図2Iを参照すると、残留するレジストが除去された後、物品上に材料が堆積され、トレンチ212が充填され、キャップ層120が形成される。充填されたトレンチは、リターデーション層110の部分111に対応する。スパッタリング、電子ビーム蒸着、CVD(たとえば、高密度CVD)、または原子層堆積(ALD)などの種々の方法によって物品上に材料を堆積することができる。キャップ層120が形成され、同じ堆積ステップでトレンチ212が充填される場合、部分111およびキャップ層120は材料の連続した部分から形成されることに留意されたい。
Referring to FIG. 2I, after the remaining resist is removed, material is deposited on the article, filling the
最後に、キャップ層120の表面121および基体140の表面142の上に、反射防止膜150および160がそれぞれ堆積される。反射防止膜を形成する材料は、たとえばスパッタリング、電子ビーム蒸着、またはALDによって物品上に堆積することができる。
Finally,
前述したように、ある実施形態においては、リターデーション層110の部分111、キャップ層120、および/または反射防止膜150と160との一方または両方が、原子層堆積(ALD)を使用して形成される。たとえば、図3を参照すると、ALDシステム300を使用して、中間物品301(基体140、キャップ層130、および部分112で構成される)のトレンチ212がナノ積層多層膜で充填されて、部分111およびキャップ層120が形成される。ナノ積層多層膜の堆積は、単層ごとに行われ、それによって膜の組成および厚さが実質的に制御される。単層の堆積中、前駆体の蒸気がチャンバー内に導入され、この蒸気は、部分112の露出面、エッチストップ層表面131、またはこれらの表面と隣接する先に堆積された単層の上に吸着される。続いて、吸着した前駆体と化学反応する反応物質をチャンバー内に導入することで、所望の材料の単層が形成される。表面上に化学反応が自己限定されるため、堆積される層の膜厚さおよび広い面積にわたる均一性を精密に制御することができる。さらに、各露出表面上に前駆体が向きを問わず吸着するので、チャンバー110に対する表面の方向とは無関係に、露出面上に材料が均一に堆積する。したがって、ナノ積層膜の層は、中間物品301のトレンチの形状に適合する。
As described above, in some embodiments, one or both of the
ALDシステム300は、供給源350、360、370、380、および390とマニホールド330を介して連結されている反応チャンバー310を含む。供給源350、360、370、380、および390は、それぞれ供給ライン351、361、371、381、および391を介してマニホールド330と連結されている。バルブ352、362、372、382、および392は、それぞれ供給源350、360、370、380、および390からのガスの流れを調節する。供給源350および380はそれぞれ第1および第2の前駆体を収容しており、供給源360および390はそれぞれ第1の試薬および第2の試薬を含んでいる。供給源370はキャリアガスを収容しており、このキャリアガスは、堆積プロセス中、チャンバー310内に常に流されることで、前駆体および試薬を物品301まで供給し、反応副生成物を基体から引き離す。前駆体および試薬は、マニホールド330内でキャリアガスと混合することによってチャンバー310内に導入される。チャンバー310から出口345を介してガスが排出される。ポンプ340によって、出口345を介してチャンバー310からガスが排出される。ポンプ340は、管346を介して出口345と連結される。
The
ALDシステム300は、チャンバー310の温度を制御する温度制御装置395を含む。堆積中、温度制御装置395は、物品301の温度を室温より高温に上昇させる。一般に、この温度は、前駆体と試薬との間の迅速な反応を促進するのに十分高異温度であるべきであるが、基体を損傷すべきではない。ある実施形態においては、物品301の温度を、約500℃以下(たとえば、約400℃以下、約300℃以下、約200℃以下、約150℃以下、約125℃以下、約100℃以下)とすることができる。
The
典型的には、この温度は、物品301の異なる部分の間で大きく変動すべきではない。温度のばらつきが大きいと、基体の異なる部分における前駆体と試薬との反応速度にばらつきが生じることがあり、これによって積層される層の厚さおよび/または形態にばらつきが生じうる。ある実施形態においては、堆積面の異なる部分の間の温度の変動は約40℃以下(たとえば、約30℃以下、約20℃以下、約10℃以下、約5℃以下)とすることができる。
Typically, this temperature should not vary significantly between different parts of the
堆積プロセスのパラメータは、電子制御装置399によって制御し同期させることができる。電子制御装置399は、温度制御装置395、ポンプ340、ならびにバルブ352、362、372、382、および392と連絡している。電子制御装置399は、ユーザーインターフェイスも備えており、これによって作業者は、堆積プロセスのパラメータを設定し、堆積プロセスを監視し、さらにはシステム300と対話することができる。
The parameters of the deposition process can be controlled and synchronized by an
図4を参照すると、供給源370からのキャリアガスと混合されることによって、システム300が供給源350から第1の前駆体をチャンバー310に導入する(420)ときにALDプロセスが開始する(410)。第1の前駆体単層が物品301の露出面上に吸着し、チャンバーへのキャリアガスの連続流によって、残留する前駆体はチャンバー310からパージされる(430)。次に、システムは、マニホールド330を介して供給源360から第1の試薬をチャンバー310内に導入する(440)。第1の試薬は、第1の前駆体の単層と反応して、第1の材料の単層を形成する。第1の前駆体の場合と同様に、キャリアガス流によって、残留する試薬がチャンバーからパージされる(450)。第1の材料の層が所望の厚さに到達する(460)まで、ステップ420〜460が繰り返される。
Referring to FIG. 4, the ALD process begins (410) when the
膜が1種類の材料の層である実施形態においては、第1の材料の層が所望の厚さに到達したときにプロセスが終了する(470)。しかし、ナノ積層膜の場合、システムは、マニホールド330を介して第2の前駆体をチャンバー310内に導入する(380)。第2の前駆体の単層は、堆積された第1の材料の層の露出面上に吸着し、およびキャリアガスが残留前駆体をチャンバーからパージする(490)。システムは、次に、マニホールド330を介して第2の試薬を供給源380からチャンバー310内に導入する。第2の試薬は、第2の前駆体の単層と反応して、第2の材料の単層を形成する(500)。チャンバー内を流れるキャリアガス流によって残留試薬がパージされる(510)。第2の材料の層が所望の厚さに到達する(520)までステップ580〜510が繰り返される。
In embodiments where the film is a layer of one material, the process ends when the first layer of material reaches the desired thickness (470). However, in the case of a nanolaminate film, the system introduces the second precursor into the
ステップ520〜530を繰り返すことによって第1および第2の材料の追加の層が堆積される。所望の数の層が形成されると(たとえば、トレンチが充填される、および/またはキャップ層が所望の厚さを有する)、このプロセスが終了し(540)、被覆された物品がチャンバー310から取り出される。
Additional layers of first and second materials are deposited by repeating steps 520-530. Once the desired number of layers has been formed (eg, the trench is filled and / or the cap layer has the desired thickness), the process ends (540) and the coated article is removed from
上記プロセスの各サイクル中で、試薬の前に前駆体がチャンバーに導入されているが、別の例においては、前駆体の前に試薬を導入することができる。前駆体および試薬が導入される順序は、それらの露出面との相互作用に基づいて選択することができる。たとえば、前駆体と表面との間の結合エネルギーが、試薬と表面との間の結合エネルギーよりも大きい場合は、試薬の前に前駆体を導入することができる。あるいは、試薬の結合エネルギーの方が大きい場合は、前駆体の前に試薬を導入することができる。 In each cycle of the above process, the precursor is introduced into the chamber before the reagent, but in another example, the reagent can be introduced before the precursor. The order in which precursors and reagents are introduced can be selected based on their interaction with the exposed surface. For example, if the binding energy between the precursor and the surface is greater than the binding energy between the reagent and the surface, the precursor can be introduced before the reagent. Alternatively, if the binding energy of the reagent is greater, the reagent can be introduced before the precursor.
各単層の厚さは、一般に多数の要因に依存する。たとえば、各単層の厚さは、堆積される材料の種類に依存する。より大きな分子で構成される材料は、より小さな分子で構成される材料よりも厚い単層が得られる場合がある。 The thickness of each monolayer generally depends on a number of factors. For example, the thickness of each monolayer depends on the type of material being deposited. A material composed of larger molecules may result in a thicker monolayer than a material composed of smaller molecules.
物品の温度も単層の厚さに影響しうる。たとえば、ある前駆体の場合、温度が高いと、堆積サイクル中に表面への前駆体の吸着が減少することがあり、それによって、基体温度が低い場合に形成されるものよりも薄い単層が得られる。 The temperature of the article can also affect the thickness of the monolayer. For example, for some precursors, higher temperatures may reduce the adsorption of the precursor to the surface during the deposition cycle, thereby creating a thinner monolayer than that formed when the substrate temperature is low. can get.
種類または前駆体、および試薬の種類、ならびに前駆体および試薬の投入量も単層の厚さに影響しうる。ある実施形態においては、特定の材料の単層は、特定の前駆体を使用して堆積することができるが、異なる試薬を使用すると、それぞれの組み合わせで異なる単層厚さとなりうる。同様に、異なる前駆体から形成される材料の単層は、前駆体が異なると単層厚さも異なる場合がある。 The type or precursor, and the type of reagent, and the amount of precursor and reagent input can also affect the thickness of the monolayer. In certain embodiments, a monolayer of a particular material can be deposited using a particular precursor, but using different reagents can result in different monolayer thicknesses in each combination. Similarly, monolayers of material formed from different precursors may have different monolayer thicknesses for different precursors.
単層の厚さに影響を与えうる他の要因の例としては、パージ時間、被覆される表面における前駆体の滞留時間、反応器中の圧力、反応器の物理的形状、および堆積される材料に対する副生成物の影響の可能性が挙げられる。副生成物が膜の厚さに影響を与える場合の一例は、副生成物が堆積した材料をエッチングする場合である。たとえば、TiCl4前駆体を使用し、試薬として水を使用してTiO2を堆積させる場合、HClが副生成物となる。HClは、排出される前に、堆積したTiO2をエッチングする場合がある。エッチングによって、堆積した単層の厚さが減少し、基体の特定の部分が他の部分よりも長時間HClに曝露した場合、基体全体で単層の厚さにばらつきが生じうる(たとえば、排気管に近い基体部分は、排気管から離れた基体部分よりも長時間副生成物に曝露されうる)。 Examples of other factors that can affect the thickness of the monolayer include purge time, precursor residence time on the surface to be coated, pressure in the reactor, physical shape of the reactor, and material being deposited Possible by-product effects on An example of when the by-product affects the film thickness is when etching the material on which the by-product is deposited. For example, if a TiCl 4 precursor is used and TiO 2 is deposited using water as a reagent, HCl is a byproduct. HCl may etch the deposited TiO 2 before it is exhausted. Etching reduces the thickness of the deposited monolayer, and if a particular portion of the substrate is exposed to HCl longer than other portions, the monolayer thickness can vary across the substrate (eg, exhaust The portion of the substrate close to the tube can be exposed to by-products for a longer time than the portion of the substrate away from the exhaust pipe).
典型的には、単層厚さは、約0.1nm〜約5nmの間である。たとえば、堆積された1つ以上の単層の厚さは、約0.2nm以上(たとえば、約0.3nm以上、約0.5nm以上)となりうる。ある実施形態においては、堆積された1つ以上の単層の厚さは、約3nm以下(たとえば、約2nm、約1nm以下、約0.8nm以下、約0.5nm以下)となりうる。 Typically, the monolayer thickness is between about 0.1 nm to about 5 nm. For example, the thickness of one or more deposited monolayers can be about 0.2 nm or more (eg, about 0.3 nm or more, about 0.5 nm or more). In certain embodiments, the thickness of one or more deposited monolayers can be about 3 nm or less (eg, about 2 nm, about 1 nm or less, about 0.8 nm or less, about 0.5 nm or less).
平均堆積単層厚さは、あらかじめ設定した数の単層を基体上に堆積して材料の層を形成することによって測定することができる。続いて堆積された層の厚さを(たとえば、楕円偏光法、電子顕微鏡検査、またはその他の方法によって)測定する。次に、測定した層の厚さを堆積サイクル数で割ることによって、平均堆積単層厚さを求めることができる。平均堆積単層厚さは、理論単層厚さに対応させることができる。理論単層厚さは、材料のかさ密度および分子の分子量から計算することが可能な、単層を構成する分子の特徴的な寸法を意味する。たとえば、SiO2の場合の単層厚さの推定値は約0.37nmである。この厚さは、2.0g/立方センチメートルの密度を有する非晶質SiO2の式量の立方根として概算される。 The average deposited monolayer thickness can be measured by depositing a predetermined number of monolayers on the substrate to form a layer of material. Subsequently, the thickness of the deposited layer is measured (eg, by ellipsometry, electron microscopy, or other methods). The average deposited monolayer thickness can then be determined by dividing the measured layer thickness by the number of deposition cycles. The average deposited monolayer thickness can correspond to the theoretical monolayer thickness. The theoretical monolayer thickness refers to the characteristic dimensions of the molecules making up the monolayer that can be calculated from the bulk density of the material and the molecular weight of the molecules. For example, the estimated single layer thickness for SiO 2 is about 0.37 nm. This thickness is estimated as the cubic root of the formula weight of amorphous SiO 2 with a density of 2.0 g / cubic centimeter.
ある実施形態においては、平均堆積単層厚さは、理論単層厚さの一部に対応する場合がある(たとえば、理論単層厚さの約0.2、理論単層厚さの約0.3、理論単層厚さの約0.4、理論単層厚さの約0.5、理論単層厚さの約0.6、理論単層厚さの約0.7、理論単層厚さの約0.8、理論単層厚さの約0.9)。あるいは、平均堆積単層厚さは、理論単層厚さの1倍を超え、理論単層厚さの約30倍までに対応する場合もある(たとえば、理論単層厚さの約2倍以上、理論単層厚さの約3倍以上、理論単層厚さの約5倍以上、理論単層厚さの約8倍以上、理論単層厚さの約10倍以上、理論単層厚さの約20倍以上)。 In certain embodiments, the average deposited monolayer thickness may correspond to a portion of the theoretical monolayer thickness (eg, about 0.2 of the theoretical monolayer thickness, about 0 of the theoretical monolayer thickness). .3, theoretical single layer thickness of about 0.4, theoretical single layer thickness of about 0.5, theoretical single layer thickness of about 0.6, theoretical single layer thickness of about 0.7, theoretical single layer thickness Thickness of about 0.8, theoretical monolayer thickness of about 0.9). Alternatively, the average deposited monolayer thickness may be greater than 1 times the theoretical monolayer thickness and may correspond to up to about 30 times the theoretical monolayer thickness (eg, more than about 2 times the theoretical monolayer thickness). Approx. 3 times the theoretical single layer thickness, Approx. 5 times the theoretical single layer thickness, Approx. 8 times the theoretical single layer thickness, Approx. 10 times the theoretical single layer thickness, The theoretical single layer thickness About 20 times more).
堆積プロセス中、チャンバー310内の圧力は、実質的に一定圧力に維持することができるし、変化させることもできる。一般に、チャンバーへのキャリアガスの流速を制御することによって圧力が制御される。一般に、この圧力は、前駆体によって表面を化学吸着した化学種で飽和させ、前駆体によって残された表面の化学種と試薬を反応させ、前駆体の次のサイクルのための反応性部位を残すのに十分高い圧力であるべきである。チャンバー圧力が低すぎると(前駆体および/または試薬の投入量が少なすぎる場合、および/またはポンプ速度が速すぎる場合に発生しうる)、表面が前駆体によって飽和しない場合があり、反応が自己限定的とならない場合がある。これによって、堆積した層の厚さが不均一となる場合がある。さらに、チャンバー圧力は、前駆体と試薬との反応によって生成する反応生成物の除去を妨害するほど高くなるべきではない。次の前駆体がチャンバー内に投入されるときに、残留副生成物が、表面の飽和を妨害することがある。ある実施形態においては、チャンバー圧力は約0.01Torr〜約100Torrの間(たとえば、約0.1Torr〜約20Torrの間、約0.5Torr〜10Torrの間、たとえば約1Torr)に維持される。
During the deposition process, the pressure in the
一般に、各サイクル中に導入される前駆体および/または試薬の量は、チャンバーの大きさ、基体露出面の面積、および/またはチャンバー圧力に従って選択することができる。各サイクル中に導入される前駆体および/または試薬の量は、実験的に求めることができる。 In general, the amount of precursor and / or reagent introduced during each cycle can be selected according to chamber size, substrate exposed surface area, and / or chamber pressure. The amount of precursor and / or reagent introduced during each cycle can be determined experimentally.
各サイクル中に導入される前駆体および/または試薬の量は、バルブ352、362、382、および392の開放および閉鎖のタイミングによって制御することができる。導入される前駆体および/または試薬の量は、各サイクルでバルブを開放する時間の長さに対応する。これらのバルブは、基体表面を適切に単層で被覆するのに十分な前駆体を導入するのに十分な長さで開放すべきである。同様に、各サイクル中に導入される試薬の量は、露出面上に堆積した実質的にすべての前駆体と反応するのに十分な量となるべきである。必要量よりも多い前駆体および/または試薬を導入すると、サイクル時間が延長され、および/または前駆体および/または試薬が無駄になる場合がある。ある実施形態においては、前駆体の投入量は、各サイクルで約0.1秒〜約5秒の間(たとえば、約0.2秒以上、約0.3秒以上、約0.4秒以上、約0.5秒以上、約0.6秒以上、約0.8秒以上、約1秒以上)適切なバルブを開放することに対応する。同様に、試薬投入量は、各サイクルで約0.1秒〜約5秒の間(たとえば、約0.2秒以上、約0.3秒以上、約0.4秒以上、約0.5秒以上、約0.6秒以上、約0.8秒以上、約1以上)適切なバルブを開放することに対応させることができる。
The amount of precursor and / or reagent introduced during each cycle can be controlled by the opening and closing timing of
前駆体および試薬の投入の間の時間は、パージに対応している。各パージの時間は、残留する前駆体または試薬をチャンバーから除去するのに十分長くするべきであるが、それよりも長い場合には、なんの利点もなしにサイクル時間が増加しうる。各サイクルにおける異なるパージの時間は、同じ場合もあるし、変化する場合もある。ある実施形態においては、パージ時間は約0.1秒以上(たとえば、約0.2秒以上、約0.3秒以上、約0.4秒以上、約0.5秒以上、約0.6秒以上、約0.8秒以上、約1秒以上、約1.5秒以上、約2秒以上)である。一般に、パージ時間は約10秒以下(たとえば、約8秒以下、約5秒以下、約4秒以下、約3秒以下)である。 The time between the precursor and reagent inputs corresponds to the purge. The time for each purge should be long enough to remove residual precursors or reagents from the chamber, but if longer, the cycle time can increase without any advantage. The different purge times in each cycle may be the same or may vary. In some embodiments, the purge time is about 0.1 seconds or more (eg, about 0.2 seconds or more, about 0.3 seconds or more, about 0.4 seconds or more, about 0.5 seconds or more, about 0.6 Seconds or more, about 0.8 seconds or more, about 1 second or more, about 1.5 seconds or more, about 2 seconds or more). Generally, the purge time is about 10 seconds or less (eg, about 8 seconds or less, about 5 seconds or less, about 4 seconds or less, about 3 seconds or less).
連続して前駆体を複数回導入する間の時間は、サイクル時間に対応している。このサイクル時間は、異なる材料の単層を積層するサイクルと同じ場合も異なる場合もある。さらに、このサイクル時間は、同じ材料の単層を積層するが、異なる前駆体および/または異なる試薬を使用するサイクルの場合と同じ場合も異なる場合もある。ある実施形態においては、このサイクル時間を、約20秒以下(たとえば、約15秒以下、約12秒以下、約10秒以下、約8秒以下、約7秒以下、約6秒以下、約5秒以下、約4秒以下、約3秒以下)とすることができる。サイクル時間を短縮すると、積層プロセスの時間を短縮することができる。 The time between successive introductions of the precursor multiple times corresponds to the cycle time. This cycle time may or may not be the same as the cycle of laminating single layers of different materials. Furthermore, the cycle time may be the same as or different from the cycle with a single layer of the same material, but using different precursors and / or different reagents. In some embodiments, the cycle time is about 20 seconds or less (eg, about 15 seconds or less, about 12 seconds or less, about 10 seconds or less, about 8 seconds or less, about 7 seconds or less, about 6 seconds or less, about 5 seconds or less. Second or less, about 4 seconds or less, or about 3 seconds or less). Reducing the cycle time can reduce the time of the lamination process.
一般に前駆体は、ALDプロセスに適合し、試薬との反応によって所望の堆積材料が得られるように選択される。さらに、前駆体および材料は、それらが堆積される材料(たとえば、基体材料、または先に積層された層の材料)に対して適合すべきである。前駆体の例としては、塩化物(たとえば、金属塩化物)、たとえば、TiCl4、SiCl4、SiH2Cl2、TaCl3、HfCl4、InCl3、およびAlCl3などが挙げられる。ある実施形態においては、有機化合物を前駆体として使用することができる(たとえば、Ti−エタオキシド、Ta−エタオキシド、Nb−エタオキシド)。有機化合物の前駆体の別の例は(CH3)3Alである。 Generally, the precursor is selected to be compatible with the ALD process and to obtain the desired deposition material by reaction with the reagent. Furthermore, the precursors and materials should be compatible with the material on which they are deposited (eg, substrate material, or material of previously deposited layers). Examples of precursors include chlorides (eg, metal chlorides), such as TiCl 4 , SiCl 4 , SiH 2 Cl 2 , TaCl 3 , HfCl 4 , InCl 3 , and AlCl 3 . In some embodiments, organic compounds can be used as precursors (eg, Ti-ethoxide, Ta-ethoxide, Nb-ethoxide). Another example of an organic compound precursor is (CH 3 ) 3 Al.
試薬も、一般にALDプロセスに適合するように選択され、前駆体および材料の化学的性質に基づいて選択される。たとえば、該材料が酸化物である場合、試薬は酸化剤であってよい。好適な酸化剤の例としては、水、過酸化水素、酸素、オゾン、(CH3)3Al、および種々のアルコール(たとえばエチルアルコール、CH3OH)が挙げられる。たとえば、TiO2を得るためのTiCl4、Al2O3を得るためのAlCl3、Ta2O5を得るためのTa−エタオキシド、Nb2O5を得るためのNb−エタオキシド、HfO2を得るためのHfCl4、ZrO2を得るためのZrCl4、およびIn2O3を得るためのInCl3などの前駆体を酸化するための試薬として水が好適である。各場合で、HClが副生成物として生成する。ある実施形態においては、(CH3)3Alを使用してシラノールを酸化してSiO2を得ることができる。 Reagents are also generally selected to be compatible with the ALD process and are selected based on the chemical nature of the precursors and materials. For example, if the material is an oxide, the reagent may be an oxidizing agent. Examples of suitable oxidants include water, hydrogen peroxide, oxygen, ozone, (CH 3 ) 3 Al, and various alcohols (eg, ethyl alcohol, CH 3 OH). For example, to obtain Ta- ethaoxide to obtain AlCl 3, Ta 2 O 5 to obtain a TiCl 4, Al 2 O 3 to obtain a TiO 2, Nb- ethaoxide for obtaining Nb 2 O 5, the HfO 2 HfCl 4, ZrCl 4 to obtain the ZrO 2, and as a reagent for oxidation of precursor such as InCl 3 for obtaining the in 2 O 3 water is suitable for. In each case, HCl is produced as a by-product. In some embodiments, (CH 3 ) 3 Al can be used to oxidize silanol to obtain SiO 2 .
特定の実施形態について説明してきたが、一般に本発明はこれらに限定されるものではない。たとえば、光学リターダー100(図1参照)は種々の層の特定の構成を示しているが、他の実施形態は、追加の層またはより少ない層を含むことができる。たとえば、特定の実施形態においては、光学リターダーは、反射防止膜150および160の一方および両方を含む必要がない。ある実施形態においては、光学リターダーは、追加の反射防止膜を含むことができる(たとえば基体層140とエッチストップ層130との間)。実施形態は、ハードコート層(たとえば、ハードコートポリマー)などの保護層を反射防止膜150および160の一方または両方の上に含むこともできる。特定の実施形態においては、光学リターダーがキャップ層を含む必要がない。たとえば、部分112の間のトレンチを充填するときに形成されるキャップ層は、部分111が形成された後に除去することができる。キャップ層は、たとえば、化学的機械的研磨またはエッチングなどによって除去することができる。
While specific embodiments have been described, the invention is generally not limited thereto. For example, while optical retarder 100 (see FIG. 1) shows specific configurations of various layers, other embodiments can include additional layers or fewer layers. For example, in certain embodiments, the optical retarder need not include one and both of the
図5を参照すると、ある実施形態においては、基体層中に直接トレンチを部分的にエッチングし、続いてそのトレンチを充填して、連続リターデーション層610を形成することによって、光学リターダー600が形成される。光学リターダー600は、キャップ層620、および元の基体層のエッチングされていない部分に対応するベース層630も含む。キャップ層602の表面621の上に反射防止膜640が堆積され、ベース層630の表面631の上に第2の反射防止膜650が堆積される。
Referring to FIG. 5, in one embodiment,
特定の実施形態においては、光学リターダーは、2つ以上のリターデーション層から形成することができる。たとえば、図6を参照すると、光学リターダー800は、4つのリターデーション層810、820、830、および840を含む。光学リターダー800は、基体層801、エッチストップ層805、ならびにキャップ層811、821、831、および841も含む。
In certain embodiments, the optical retarder can be formed from two or more retardation layers. For example, referring to FIG. 6, the
リターデーション層810、820、830、および840は、波長λを有する光のビームに対して同じリターデーションを有する場合もあるし、異なるリターデーションを有する場合もある。 Retardation layers 810, 820, 830, and 840 may have the same retardation or different retardations for a beam of light having a wavelength λ.
光学リターダー800は、本明細書において開示される方法を使用して作製することができる。たとえば、各リターデーション層およびその対応するキャップ層は、エッチストップ層805(たとえば、リターデーション層810の場合)または先に堆積したキャップ層(たとえば、リターデーション層820、830、および840の場合)のいずれかの上に中間層として堆積しエッチングして形成し、次にエッチングされたトレンチを充填するための材料を堆積して、キャップ層を形成することができる。
The
ある実施形態においては、追加のエッチストップ層を、キャップ層の上に積層してから、後のリターデーション層を形成することができる。当然ながら、たとえば反射防止膜などの他の層を含むこともできる。 In some embodiments, an additional etch stop layer can be deposited over the cap layer before forming a later retardation layer. Of course, other layers such as anti-reflective coatings can also be included.
一般に、z軸に沿ったリターデーション層810、820、830、および840の厚さ、それらの部分の幅(x軸に沿った)、ならびにそれらの形成に使用した材料は、希望通りに変化させることができる。ある実施形態においては、リターデーション層810、820、830、および840が同一であるが、別の実施形態においては、1つ以上のリターデーション層が異なっていてもよい(たとえば、他のリターデーション層とは異なる1種類以上の材料で構成される、異なる厚さを有する、および/または異なる複屈折を有する)。 In general, the thickness of the retardation layers 810, 820, 830, and 840 along the z-axis, the width of those portions (along the x-axis), and the materials used to form them vary as desired. be able to. In some embodiments, the retardation layers 810, 820, 830, and 840 are the same, but in other embodiments, one or more of the retardation layers may be different (eg, other retardations). Composed of one or more materials different from the layer, have different thicknesses and / or have different birefringence).
さらに、光学リターダー800が4つのリターデーション層を有するが、一般に、実施形態は4つを超えるまたは4つ未満のリターデーション層を含むことができる。光学リターダーは、2つのリターデーション層、3つのリターデーション層、または5つ以上のリターデーション層(たとえば、約10以上のリターデーション層、約20以上のリターデーション層、約30以上のリターデーション層、約100以上のリターデーション層、約1000以上のリターデーション層)を含むことができる。
Further, although the
2つ以上のリターデーション層を有する光学リターダー内を伝播する波長λの光に対する全体の位相リターデーションは、比較的大きくなりうる。たとえば、光学リターダーはλにおいて、約2π以上(たとえば、約3π以上、約4π以上、約5π以上、約8π以上、約10π以上、約12π以上、約15π、約20π以上、約30π以上)の位相リターデーションを有することができる。 The overall phase retardation for light of wavelength λ propagating in an optical retarder having two or more retardation layers can be relatively large. For example, the optical retarder at λ is about 2π or more (eg, about 3π or more, about 4π or more, about 5π or more, about 8π or more, about 10π or more, about 12π or more, about 15π, about 20π or more, about 30π or more). It can have a phase retardation.
2つ以上のリターデーション層を含む光学リターダーの全体の厚さ(z軸に沿った)は、約200μm以上(たとえば、約500μm以上、約800μm以上、約1,000μm以上、約1,500μm以上、約2,000μm以上、約5,000μm以上)であってよい。 The total thickness (along the z-axis) of the optical retarder including two or more retardation layers is about 200 μm or more (eg, about 500 μm or more, about 800 μm or more, about 1,000 μm or more, about 1,500 μm or more) , About 2,000 μm or more, about 5,000 μm or more).
特定の実施形態においては、光学リターダーは、非法線入射光(すなわち、z軸に沿っては伝播しない光)が常光線と異常光線とに分割され、異なる経路に沿ってリターダーから出て行く光学ウォークオフ結晶(optical walk−off crystal)として使用することができる。このような光学ウォークオフ結晶は、再切削して研磨してくさびにすることができる。ウォークオフ結晶は、電気通信のアイソレーター、サーキュレーター、またはインターリーバーなどの多数の用途、および/またはたとえば光学ローパスフィルターなどの消費者用途に使用することができる。 In certain embodiments, the optical retarder is an optical where non-normally incident light (ie, light that does not propagate along the z-axis) is split into ordinary and extraordinary rays and exits the retarder along different paths. It can be used as an optical walk-off crystal. Such optical walk-off crystals can be re-cut and polished to rust. The walk-off crystals can be used in a number of applications such as telecommunications isolators, circulators, or interleavers, and / or consumer applications such as optical low pass filters.
長方形の格子プロファイルを有する複屈折性層を含む光学リターダーの実施形態を説明してきたが、他の実施形態も可能である。たとえば、ある実施形態においては、複屈折性層の格子プロファイルは、正弦曲線を有するなど、湾曲していてもよい。別の例においては、格子は、三角形またはギザギザのプロファイルを有することができる。 While embodiments of optical retarders have been described that include a birefringent layer having a rectangular grating profile, other embodiments are possible. For example, in some embodiments, the grating profile of the birefringent layer may be curved, such as having a sinusoid. In another example, the grid can have a triangular or jagged profile.
さらに、光学リターダーの複屈折性層の格子周期が一定であるとして説明してきたが、特定の実施形態においてはこの格子周期が変動してもよい。ある実施形態においては、複屈折性層の部分を非周期的に配列することができる。 Furthermore, although the description has been given assuming that the grating period of the birefringent layer of the optical retarder is constant, in certain embodiments, this grating period may vary. In some embodiments, portions of the birefringent layer can be non-periodically arranged.
本明細書に記載されるような光学リターダーは、受動光学デバイス(たとえば偏光子)および能動光学デバイス(たとえば液晶ディスプレイ)などの光学デバイス中に組み込むことができる。光学リターダーは、デバイスと一体化して一体型デバイスを得ることができるし、デバイスの他の部品とは独立して配置することもできる。 Optical retarders as described herein can be incorporated into optical devices such as passive optical devices (eg, polarizers) and active optical devices (eg, liquid crystal displays). The optical retarder can be integrated with the device to obtain an integrated device, or it can be placed independently of other parts of the device.
図7を参照すると、光学リターダーが組み込まれる受動光学デバイスの一例が偏光子660である。偏光子660は、偏光膜670と光学リターダー680とを含む。偏光膜670は、シート偏光子(たとえば、ヨウ素で染色したポリビニルアルコール)、あるいは発明の名称「偏光およびビーム制御のための多層構造(MULTILAYER STRUCTRURES FOR POLARIZATION AND BEAM CONTROL)」の米国特許出願第10/644,643号明細書、および、発明の名称「ビームを偏光させるための方法およびシステム」(METHOD AND SYSTEM FOR PROVIDING BEAM FOR POLARIZATION)」のPCT特許出願第PCT/US03/26024号パンフレットに開示されるようなナノ構造偏光子であってよく、これら両方の記載内容全体が参照により本明細書に援用される。
Referring to FIG. 7, an example of a passive optical device that incorporates an optical retarder is a
偏光膜670は、軸661に沿って伝播して偏光子660に入射する光を直線偏光する。次に光学リターダー680は、この直線偏光の位相を遅らせ、所望の楕円率で偏光子660を通過した偏光が得られる。通過した光の楕円率は、所望のリターデーション量が得られるように、光学リターダー680のリターデーション層と関連するパラメータを選択することによって希望通りに変化させることができる。たとえば、通過した光は、円偏光または楕円偏光であってよい。
The
図8を参照すると、光学リターダーが組み込まれる能動光学デバイスの一例が液晶ディスプレイ700であり、これは、基体710(たとえば、シリコン基体)、反射電極720、液晶層730(たとえば、ネマチック液晶または強誘電性液晶)、透明電極740(たとえば酸化インジウムスズから形成される)、光学リターダー750、および偏光膜760を含む。光学リターダー750は、偏光膜760を透過した偏光の位相を遅らせる。この光は電極720から反射され、液晶層730内を2回伝播する。反射光は再び光学リターダー760によって位相が遅らされた後、再び偏光膜760に到達する。電極720および740にわたって加えられる電圧に依存して、反射光は、偏光膜760によって吸収されるか透過するかのいずれかとなり、それぞれ暗い画素または明るい画素に対応する。場合によりLCD700は、可視スペクトルの特定の波長を吸収するカラーフィルターを含み、これによってカラー画像が得られる。LCD700は反射ディスプレイであるが、本明細書において開示される光学リターダーは、透過型ディスプレイまたは半透過型ディスプレイなどの他の種類のディスプレイ中に使用することもできる。
Referring to FIG. 8, an example of an active optical device in which an optical retarder is incorporated is a
以下の実施例は例示的なものであり、限定を意図するものではない。 The following examples are illustrative and not intended to be limiting.
以下のように光学リターダーを作製した。アブリサ・コーポレーション(Abrisa Corporation)(カリフォルニア州サンタポーラ(Santa Paula,CA))より入手した厚さ0.5mmのBK7ウエハ(直径4インチ)を、H2O:H2O2:NH4OH溶液で不溶性有機汚染物質を除去し、イオン性および重金属原子の汚染物質をH2O:H2O2:HCl溶液で除去することで清浄にした。次に、このウエハをイソプロピルアルコールおよび脱イオン水で洗浄し、スピン乾燥した。 An optical retarder was produced as follows. A 0.5 mm thick BK7 wafer (4 inches in diameter) obtained from Abrisa Corporation (Santa Paula, Calif.) Was added to a H 2 O: H 2 O 2 : NH 4 OH solution. Insoluble organic pollutants were removed with and cleaned by removing ionic and heavy metal atom contaminants with H 2 O: H 2 O 2 : HCl solution. The wafer was then washed with isopropyl alcohol and deionized water and spin dried.
以下のようにしてBK7ウエハにサブ波長格子をエッチングした。このBK7ウエハに、PMMA(分子量15K、ミズーリ州セントルイスのシグマ−アルドリッチ(Sigma−Aldrich,St.Louis,MO)より購入)の薄層(約180nm)をスピンコーティングし、約115℃のホットプレートで約1時間焼き付けを行った。焼き付け後、レジストに、200nmの周期および約110nmの深さ、ならびに約100nmの格子線幅を有する格子型で型押しした。この型は、厚さ0.5mmのケイ素基体上にパターン形成されたSiO2層(厚さ約200nm)を含んだ。この型は、J.ワン(Wang)、Z.イ(Yu)、およびS.Y.チョウ(Chou)のJ.Vac.Sci.Technol.、B17、2957(1999年)に開示される方法を使用して作製した。型押し後、BK7基体側をUV光に曝露することで、変形したUV硬化性レジストを完全に硬化させた。次に型をレジストから取り外すと、型のプロファイルのネガパターンを有するマスクが残った。マスクのくぼんだ部分にBK7ウエハが露出するまで、このマスクをO2RIEでエッチングした。このエッチングは、プラズマ−サーモ(plasma−therm)790(フロリダ州のセントピーターズバーグのユナクシス・インコーポレイテッド(Unaxis,Inc.,St.Petersburg,FL)から入手可能)を使用して行った。エッチング中の圧力は4mtorrであった。出力は70Wに設定し、エッチング中の酸素流速は10sccmであった。BK7ウエハを露出させるためにエッチングしたレジストの全体の厚さは約120nmであった。 The subwavelength grating was etched into the BK7 wafer as follows. This BK7 wafer was spin coated with a thin layer (about 180 nm) of PMMA (molecular weight 15K, purchased from Sigma-Aldrich, St. Louis, Mo.), St. Louis, MO, on a hot plate at about 115 ° C. Baking was performed for about 1 hour. After baking, the resist was embossed with a lattice mold having a period of 200 nm, a depth of about 110 nm, and a lattice line width of about 100 nm. This mold included a SiO 2 layer (about 200 nm thick) patterned on a 0.5 mm thick silicon substrate. This type is described in J. Wang, Z. Yu and S. Y. Chou J.C. Vac. Sci. Technol. , B17, 2957 (1999). After the embossing, the deformed UV curable resist was completely cured by exposing the BK7 substrate side to UV light. The mold was then removed from the resist, leaving a mask with a negative pattern of the mold profile. The mask was etched with O 2 RIE until the BK7 wafer was exposed in the recessed portion of the mask. This etch was performed using a plasma-therm 790 (available from Unaxis, Inc., St. Petersburg, FL), St. Petersburg, Florida. The pressure during etching was 4 mtorr. The output was set to 70 W, and the oxygen flow rate during etching was 10 sccm. The total thickness of the resist etched to expose the BK7 wafer was about 120 nm.
マスクのエッチング後、高真空(すなわち、約5×10−6torr未満)において、ウエハの法線方向からある傾斜角でのe−ビーム蒸着によって、残りのレジスト/露出したBK7ウエハの上に約50nmのCrを堆積した。傾斜角は約65°であった。Crは、残りのマスクの線の上部および側壁上に堆積され、BK7のエッチングのための硬質のマスクが形成された。Cr堆積後、O2RIEを再び使用して、Crで覆われていないすべての露出レジストをエッチングした。次にCHF3RIEを使用して、BK7ウエハ表面の露出部分をエッチングして、ウエハ中にサブ波長格子を形成した。このBK7は、プラズマ−ターム(plasma−term)720を使用してエッチングした。チャンバー圧力は約5mtorrであり、出力は約100Wであり、CHF3およびO2の流速はそれぞれ10sccmおよび1sccmを使用した。約630nmの深さを有する幅100nmのトレンチを、BK7ウエハ中にエッチングした。BK7のエッチング後、CR−7Crエッチャント(カリフォルニア州フリーモントのシアンテック(Cyantek,Fremont,CA)より入手)にウエハを約30分間浸漬することによって、Crを除去した。続いて、O2RIEによって残留レジストを除去した。
After etching the mask, it is approximately on the remaining resist / exposed BK7 wafer by e-beam evaporation at a certain tilt angle from the normal direction of the wafer in high vacuum (ie, less than about 5 × 10 −6 torr). 50 nm of Cr was deposited. The tilt angle was about 65 °. Cr was deposited on top of the remaining mask lines and on the sidewalls to form a hard mask for etching BK7. After Cr deposition, O 2 RIE was again used to etch all exposed resist not covered by Cr. Next, using CHF 3 RIE, the exposed portion of the BK7 wafer surface was etched to form a subwavelength grating in the wafer. The BK7 was etched using a plasma-
トレンチに、TiO2およびSiO2で構成されるナノ積層材料を充填した。このナノ積層材料は、プラナー・システムズ・インコーポレイテッド(Planar Systems,Inc.)(オレゴン州ビーバートン(Beaverton,OR))より入手したP−400A ALD装置を使用して実施したALDによって堆積した。このナノ積層体を堆積する前に、エッチングしたウエハをALDチャンバー内で300℃に約3時間加熱した。チャンバーに窒素ガスを約2SLMで流してフラッシングし、チャンバー圧力を約0.75Torrに維持した。TiO2前駆体はTi−エタオキシドであり、これを約140℃まで加熱した。SiO2前駆体はシラノールであり、約110℃まで加熱した。両方の前駆体について、使用した試薬は水であり、これは約13℃に維持した。Ti−エタオキシドおよびシラノールは99.999%のグレードの純度であり、シグマ−アルドリッチ(Sigma−Aldrich)(ミズーリ州セントルイス(St.Louis,MO))より入手した。このナノ積層体は、TiO2の10の単層を堆積した後、SiO2の1つの単層を積層するサイクルを繰り返して形成した。TiO2の単層を堆積するために、チャンバーに2秒間水を導入し、続いて2秒間の窒素パージを行った。次に、Ti−エタオキシドをチャンバーに導入した後、さらに2秒間の窒素パージを行った。ALDチャンバーに1秒間水を導入してSiO2単層を堆積した後、2秒間の窒素パージを行った。次に、1秒間シラノールを導入した。次にチャンバーに3秒間窒素パージした後、次の試薬を導入した。平坦なガラス基体上に同様に形成したナノ積層膜の測定から求めると、このナノ積層体の屈折率は、632nmにおいて約1.88であると概算される。 The trench was filled with a nanolaminate material composed of TiO 2 and SiO 2 . The nanolaminate material was deposited by ALD performed using a P-400A ALD apparatus obtained from Planar Systems, Inc. (Beaverton, OR). Prior to depositing the nanolaminate, the etched wafer was heated to 300 ° C. for about 3 hours in an ALD chamber. The chamber was flushed with nitrogen gas at about 2 SLM and the chamber pressure was maintained at about 0.75 Torr. The TiO 2 precursor was Ti-ethoxide, which was heated to about 140 ° C. The SiO 2 precursor was silanol and was heated to about 110 ° C. For both precursors, the reagent used was water, which was maintained at about 13 ° C. Ti-ethoxide and silanol were 99.999% grade pure and were obtained from Sigma-Aldrich (St. Louis, Mo.). This nanolaminate was formed by repeating a cycle of depositing one monolayer of SiO 2 after depositing ten monolayers of TiO 2 . To deposit a single layer of TiO 2, was introduced for 2 seconds water chamber, it was followed by a nitrogen purge of 2 seconds. Next, after introducing Ti-ethoxide into the chamber, a nitrogen purge was further performed for 2 seconds. After introducing water into the ALD chamber for 1 second to deposit a SiO 2 monolayer, a 2 second nitrogen purge was performed. Next, silanol was introduced for 1 second. The chamber was then purged with nitrogen for 3 seconds before introducing the next reagent. When determined from the measurement of a nanolaminate film similarly formed on a flat glass substrate, the refractive index of the nanolaminate is estimated to be about 1.88 at 632 nm.
M−2000V(登録商標)分光楕円偏光計(Spectroscopic Ellipsometer)(ネブラスカ州リンカーンのJ.A.ウォーラム・カンパニー・インコーポレイテッド(J.A.Woollam Co.,Inc.,Lincoln、NE)より市販される)を使用して光学リターダーのリターデーションを測定すると、波長551nmにおいて23.85nmであった。 M-2000V® Spectroscopic Ellipsometer (commercially available from JA Woollam Co., Inc., Lincoln, NE), Lincoln, Nebraska. ) To measure the retardation of the optical retarder, it was 23.85 nm at a wavelength of 551 nm.
LEO熱放出(thermo−emission)走査型電子顕微鏡を使用して、走査型電子顕微鏡検査を使用した未充填および充填済みの格子の検査を行った。この検査を行うために、試料を劈開させ、Auの薄層でコーティングした。次に劈開した界面の断面を観察した。図9Aおよび9Bは、それぞれ、トレンチの充填前および充填後の格子のSEM顕微鏡写真を示している。 An LEO thermo-emission scanning electron microscope was used to examine unfilled and filled grids using scanning electron microscopy. To perform this test, the sample was cleaved and coated with a thin layer of Au. Next, the cross section of the cleaved interface was observed. 9A and 9B show SEM micrographs of the grating before and after filling the trench, respectively.
他の実施形態は冒頭の特許請求の範囲に示されている。 Other embodiments are set forth in the following claims.
Claims (40)
前記トレンチ内に第2の材料の複数の単層を逐次形成することによって、前記トレンチの容積の少なくとも50%を充填するステップとを含む方法。Providing an article including a layer of a first material, wherein the layer of the first material includes at least one trench, the layer propagating within the layer along a particular axis. Being birefringent with respect to light of wavelength λ, λ being between 150 nm and 2,000 nm;
By sequentially forming a plurality of monolayers of the second material in the trench, the method comprising the steps of filling a least 50% also of the volume of the trench.
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