耐用的无机吸收式紫外栅偏振器的制作方法

专利名称：耐用的无机吸收式紫外栅偏振器的制作方法
耐用的无机吸收式紫外栅偏振器
本申请是申请日为2008年3月3日，发明名称为“耐用的无机吸收式紫外栅偏振 器”的中国专利申请CN200880021401. 8 (PCT/US2008/055685进入中国国家阶段的申请)的 分案申请，在此请求原案的相关优先权权益。技术领域
本发明一般涉及无机的电介质吸收式栅偏振器，特别关注这样的偏振器在电磁波 谱的紫外(UV)部分中的应用。
背景技术：
为了使光偏振，或者使光的正交偏振方向分离，已经发展了各种类型的偏振器或 偏振分束器(PBS)。Macneille PBS是基于沿着高折射率立方体(该PBS被构造于其中)的 对角线在薄膜界面处实现Brewster角行为。这样的Macneille PBS不产生散光,但具有窄 的接收角，并且成本和重量很高。这样的器件可通过对玻璃和薄膜的合适选择而被制造为 从电磁波谱的红外范围经可见光范围直至紫外范围内起作用。
其他类型的偏振器也常用于光谱的可见和红外部分，包括长链聚合物偏振器、线 栅偏振器、Glan Thompson晶体偏振器等等。然而,不能类似地向光谱的紫外(UV)部分(特 别是小于约350nm的波长)提供可行的高性能偏振器。
与可见和红外(IR)相比，这种可行的偏置器的缺乏限制了偏振的UV光在科学、技 术和工业中的应用。然而，为了支持UV辐射在诸如半导体制造、平板液晶显示器(IXD)制 造等的工业加工中的增加的应用，对UV偏振器的需求日益剧烈。在一些UV辐射加工中所 需的偏振器类型必须具有适当的接收角，必须能够给出大于约20:1的透射对比率和对所 希望偏振的大于约30%的透射效率，并且在高强度环境中经历有效的时间周期(至少1-2个 月)。还希望该偏振器具有这样的方便的形状因子(例如玻片形式)，其允许使用最有效的光 学几何结构。虽然在可见光谱内通过线栅偏振器技术或多种其他偏振技术可容易地满足这 样的性能水平，但出乎意料地，要在UV范围内满足甚至该低的性能要求也证明是困难的。
对该需求的一种解决方案是使用“玻片堆”偏振器，其通过组装一系列玻片且将该 堆设置在UV辐射的Brewster角的位置处而形成，以通过P偏振的透射和S偏振的反射而 产生偏振光束。该方法可给出希望的光学效率和对比率，但过于昂贵且笨重，并且尚未被证 明是实用的解决方案。
与在可见和IR中应用的那些商业可用偏振器类似的铝线栅偏振器曾被认为可用 于满足该需求。然而，经验表明，线栅技术的当前技术状态是不能胜任的。已经在240nm与 300nm波长之间的UV应用中测试了来自多个制造商的具有最低为约IOOnm的栅周期的线栅 偏振器，这些线栅偏振器不能满足以上所有要求。特别地，它们不能给出在有效的时间周期 内持续给出希望的对比度水平。基本问题看起来在于与栅周期相比短的波长(在250nm下 比率仅为2. 5:1)以及对快速地(例如约几个小时)将栅中的铝金属线转变成氧化铝线(此时 偏振器几乎完全丧失其偏振功能)的工业UV环境的苛求，该短的波长消极地影响对比度和透射性能。
另一个提议是，在线栅偏振器附近简单地添加分隔吸收层或者用吸收层涂覆线栅 偏振器。参见专利7，206，059。但这样的偏振器使用线。
其他UV偏振器(例如Glan Thompson Alpha BB0)虽然满足科学应用，但不能满足 光学效率、接收角方面的要求，并且对于工业应用而言也过于昂贵。因此，当前不存在满足 UV光的工业应用的需要的完全可接受的且实用的UV偏振器。发明内容
已经公认，发展这样的偏振器或偏振分束器将是有利的，其具有大于约20:1的透 射和/或反射对比度，具有适当的接收角，可在相当长的时间段内耐受高温和UV光中固有 的较高能量的光子，具有合理的物理形式(例如玻片形式)，并且可以以适当的成本制造以 应用于工业加工。另外，已经公认，发展无机的电介质的偏振器将是有利的，以避免由于强 的UV环境而氧化金属(例如铝)和破坏有机材料(例如聚合物)。
本发明提供一种紫外的吸收式无机的电介质栅偏振器器件。在基底上方设置至少 两个层的叠层。所述至少两个层中的每一个由无机的且为电介质的材料形成。所述至少两 个层的相邻层具有不同的折射率。所述至少两个层中的至少一个是不连续的，从而形成形 序双折射(form-birefringent)层,其具有周期小于约400nm的平行脊的阵列。所述至少 两个层中的另一个与所述形序双折射层不同，其由对紫外光谱光学吸收的材料形成，从而 限定吸收层。
在另一方面中，本发明提供一种紫外的吸收式无机的电介质栅偏振器器件，其具 有设置在基底上方的至少两个层的叠层。所述至少两个层中的每一个由无机的且为电介质 的材料形成。所述至少两个层的相邻层具有不同的折射率。所述至少两个层中的至少一个 是不连续的，从而形成周期小于约400nm的平行脊的阵列。每个脊具有透射层，其由对紫 外光谱光学不吸收的材料形成；以及吸收层，其由对紫外光谱光学吸收的材料形成。
根据另一方面，本发明提供一种紫外的吸收式无机的电介质栅偏振器器件，其具 有设置在基底上方的至少两个层的叠层。所述叠层的每一个层由无机的且为电介质的材料 形成。所述叠层的相邻层具有不同的折射率。所述叠层的所有层是不连续的，从而形成形 序双折射层，其具有周期小于约400nm的平行脊的阵列。所述周期和不同的折射率使得所 述叠层将入射的紫外射束基本偏振为两个正交偏振方向且透射或反射所述偏振中的一者。 所述叠层的至少一个层由对紫外光谱光学吸收的材料形成，从而基本吸收所述偏振方向中 的另一者。


通过结合附图而在下面给出的详细描述，本发明的其他特征和优点将显而易见， 这些附图通过实例而一起示例出本发明的特征；并且其中
图1a是根据本发明的一个实施例的吸收式无机的电介质栅偏振器的示意性截面 侧视图1b是图1a的偏振器的一个实例的扫描电子图像；
图1c是图1a的偏振器的预期性能(理论计算)的图
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图1d是其脊由Nb205形成的图1a的偏振器的预期性能(理论计算)的图；Ie是其脊具有IOOnm的周期的图1a的偏振器的预期性能(理论计算)的图；If是图1a的偏振器的实际性能的图；2是根据本发明的另一实施例的另一吸收式无机的电介质栅偏振器的示意性 3a是根据本发明的另一实施例的另一吸收式无机的电介质栅偏振器的示意性 3b是图3a的偏振器的预期性能(理论计算)的图；4a是根据本发明的另一实施例的另一吸收式无机的电介质栅偏振器的示意性 4b是图4a的偏振器的预期性能(理论计算)的图；5a是根据本发明的另一实施例的另一吸收式无机的电介质栅偏振器的示意性 5b是图5a的偏振器的一个实例的扫描电子图像；5c是图5a的偏振器的预期性能(理论计算)的图；6是根据本发明的另一实施例的另一吸收式无机的电介质栅偏振器的示意性7是制造图1a的偏振器的方法的示意图；以及8是根据本发明的一个实施例使用图1a的偏振器的紫外曝光系统的示意图。
为清楚起见夸大了附图中的各种特征。
现在将参考并在此使用特定的语言描述所示例的示例性实施例。然而应该理解， 并不旨在由此限制本发明的范围。
具体实施方式

定义
在此使用术语电介质表示非金属光学材料，其典型地由金属氧化物、金属氮化物、 金属氟化物或其他类似的材料构成。另外，认为各种形式的碳，例如石墨、金刚石、玻璃碳等，也是本发明的范围内的一种电介质。
描述
如上所述，已经公认，存在对改进的偏振器，特别是用于紫外(UV)应用的偏振器的需求。由于即使是无机偏振器，例如线栅偏振器，也尚未成功地满足在UV光谱中的该特殊需求，因此着眼于该应用要求是有用的，以发展独特地工作在UV光谱中的偏振器，该偏振器不关注或不可用于电磁波谱的其他部分中。特别地，应注意，在一些UV应用中对对比率和透射效率的要求比在可见或红外(IR)光谱中的应用所要考虑的可接受的性能水平低得多。这打开了使用更具有独创性的途径的可能性，或许甚至涉及吸收性材料，在可见或IR 应用中通常不考虑这些吸收性材料，因为它们对总体的光效率具有强的消极影响。
如图1a和Ib中所示例的，根据本发明以示例性实施方式示出了一般由10表示的吸收式无机的电介质栅偏振器。可如此配置偏振器10，以便入射的UV光束(用“UV”表示) 基本偏振为基本分隔的正交偏振方向，并且基本吸收偏振中的一种。例如，偏振器可被配置为透射一种偏振方向(例如具有P偏振方向的UV光)且吸收另一种偏振方向(例如具有s偏振方向的UV光)，如图1a中所示。如上所述，可将s偏振方向取向为与偏振器的脊平行，同时可将P偏振方向取向为与这些脊正交或垂直。这样的偏振器10可用于半导体制造、平板液晶显示器(IXD)制造等领域中。
偏振器10可包括设置在基底22上方的膜层18a和18b的叠层14，该基底22承载且支持这些层。叠层14包括至少两个层，包括至少一个透射或非光学吸收层18a以及至少一个对于紫外光谱光学吸收的层18b。透射层18a可直接设置在基底上，或者设置在比吸收层18b更靠近基底的位置处，以使透射层设置在吸收层与基底之间。层18a和18b可由无机的电介质材料形成。偏振器的无机的电介质材料可抵制由UV射束引起的诸如氧化的劣化。另外，基底22可由无机的电介质材料形成，例如熔融硅石，以进一步避免由UV光引起的基底的劣化。由此，整个偏振器可为无机的电介质，或者仅由无机的电介质材料形成。
透射层18a也可由至少在UV光谱区中光学透射的材料形成。类似地，基底可由对 UV光谱区光学透射的材料形成。
至少透射层18a可为不连续的，从而形成形序双折射层26，其具有限定栅32的平行脊30的阵列。脊30由诸如二氧化硅(Si02)的无机的电介质材料形成。在一个方面中， 脊30的周期P小于UV射束的波长，或者小于400nm。在另一方面中，脊30或栅32的周期 P小于UV射束的波长的一半，或者小于200nm。在另一方面中，脊或栅可具有小于160nm的周期P。脊30的该结构(周期、宽度、厚度、以及相邻层的不同折射率)与UV射束相互作用， 以将UV射束基本偏振成两个正交的偏振方向。在一个方面中，栅32基本透射偏振方向中的一者(例如P偏振方向)，同时基本吸收另一个偏振方向(例如s偏振方向),如下所述。或者，该栅可基本反射s偏振方向，同时基本吸收P偏振方向。
吸收层18b包括对于UV光谱区光学吸收的材料，例如二氧化钛(Ti02)。由此，吸收层18b基本吸收UV射束的偏振方向中的一者，例如s偏振方向。吸收层18b也可为不连续的，其具有形成栅32的一部分的平行脊30的阵列。如下面将更详细描述的，通过允许一次蚀刻所有的层，将吸收层32形成为栅32可简化制造。吸收层的光学吸收材料可包括碲化镉、锗、締化铅、氧化娃、締、二氧化钛、娃、硫化镉、硒化锌、硫化锌、及其组合。
每个层或栅的材料具有折射率η或有效折射率。相邻的层或栅具有不同的折射率 Cn1 Φ η2)或者不同的有效折射率。另外，第一层18a可具有与基底22的折射率\不同的折射率Ii1 (H1^ns)0层的叠层可具有这样的两个层的基本模式，其具有两种折射率、两种厚度(可以不同或相同)以及两种不同的材料，其中一种材料在UV光谱中所关注的光谱区中显示为光学吸收。该基本 模式可被重复，从而形成具有多于一个层对的结构。还应理解，可在该层对之下或在该层对之上添加连续的光学薄膜材料(未示出)的其他层，以提供其他光学益处。
另外，每一层的厚度可被设计为对于UV光谱中的希望的光谱范围使光学性能(透射效率和对比率)最优化。例如，如图1a中所示，透射层18a的厚度h小于吸收层18b的厚度t2。
虽然叠层14被示出为具有两个膜层18a_b，但应理解，叠层中的膜层的数目可以改变。在一个方面中，叠层可以具有三个至二十个层。相信小于二十个层可以实现希望的偏振。位于基底上方的叠层中的所有膜层的厚度可以小于2微米。
二层膜不连续，从而形成具有平行脊30的阵列的形序双折射结构。这些脊的间距或周期P小于受处理的波长，并且在一个方面中小于受处理的波长的一半。对于UV光应用 (λ ^ 100-400nm)，这些脊的间距或周期P在一个方面中可小于400nm，在另一方面中可小于200nm,并且在又一方面中可小于160nm。由此,偏振器10将入射的UV光束分离成两个正交偏振方向，其中具有s偏振方向(平行于脊长度取向的偏振方向)的光被吸收得最多,其中一些能量被反射，而具有P偏振方向(垂直于脊长度取向的偏振方向)的光被大量透射或通过，少量能量被吸收。(当然应理解，这两种偏振的分离可以不是完全的，并且可以存在损耗或者不希望的偏振方向的量被反射和/或透射)。另外，应注意，其间距小于光波长一半的栅或脊阵列的作用不像衍射光栅(其间距大于光波长的约一半)。由此，栅偏振器可避免衍射。此外，相信这样的周期还可避免共振效应或其他光学异常。
如图1a中所示，所有的膜层都不连续且形成平行脊30的阵列。脊30可通过插入沟槽、间隙或凹槽34而被分隔。在这种情况下，沟槽34延伸穿过膜层18a-18b这两层直到基底22。由此，每个脊30由两个层形成。另外，所有的膜层为形序双折射。如以下所讨论的，这样的配置可便于制造。
虽然脊30被示出为矩形的，但是当然应理解，这些脊和沟槽34可以呈现各种其他形状，如图1b中所示。例如，这些脊和凹槽可以为梯形的、圆形的、部分正弦曲线状，等等。
可以不填充或用空气(n=l)填充沟槽34。或者，可用对入射的UV光光学透射的材料填充沟槽34。
在一个方面中，位于基底上方的叠层中的所有膜层的厚度小于I微米。由此，栅偏振器10可以很薄，以用于紧凑的应用中。
相信膜层的双折射特征以及相邻膜层的不同折射率会使得栅偏振器10基本分离入射光的偏振方向，基本吸收和反射s偏振方向的光,并且基本透射或通过P偏振方向的光 (其中有可接受量的吸收)。另外，相信可以调整膜层的数目、膜层的厚度以及膜层的折射率来改变栅偏振器的性能特征，只要这些层中的至少一个吸收入射的UV光。
参考图lc，示出了具有120nm周期的图1a和Ib的偏振器10的预测性能(具体地， 透射率和对比度)。可以看出，在250-350nm的光谱范围内 ，偏振器10的透射率大于40%，其中当大于310nm时，透射率增加。另外，对比率的峰值(350)位于约270nm的波长处。参考图le，示出了具有IOOnm周期的图1a和Ib的偏振器10的预测性能。可以看出，透射率大于 30%，并且当大于300nm时，透射率增加。另外，对比度的峰值位于260nm处。参考图ld，示出了其中脊由Nb205形成的图1a和Ib的偏振器10的预测性能。可以看出，在250_350nm 的光谱范围内，偏振器的透射率大于30%，并且当大于290nm时，透射率增加。另外，对比率的峰值(400以上)位于约250nm的波长处。由此，可以看出，可选择不同的材料来将偏振器调制至特定的波长。
参考图2，根据本发明以示例性实施方式示出了总体由IOb表示的另一吸收式无机的电介质栅偏振器。上面的描述在此引入作为参考。与基底22b整体地形成偏振层18a、 脊30b和栅32b (例如，通过蚀刻超过吸收层18b而进入基底中)。由于需要沉积较少的层， 因此该偏振器IOb较容易制造。由此，偏振器包括多个脊，这些脊形成在基底22b本身中， 或从基底22b本身延伸。形成在膜层中或膜层的叠层14b中的脊可以沉积在基底的脊上方或者受到基底的脊的承载。基底的脊可以限定居间的沟槽或凹槽，这些凹槽可与膜层的沟槽对准。利用该配置，基底的一部分可形成形序双折射层。可通过蚀刻基底，例如，通过过蚀刻上述各层，形成脊或沟槽。
参考图3a，根据本发明以示例性实施方式示出了总体由IOc表示的另一吸收式无机的电介质栅偏振器或偏振分束器。上面的描述在此引入作为参考。偏振器IOc包括不连续层18a-c的叠层14c。顶部和底部层18c和18a可以为透射层，且可以为不连续的，从而形成具有限定栅26的脊30的阵列的形序双折射层32。吸收层18b可以设置在这两个偏振栅之间。
参考图3b，示出了图3a的偏振器IOc的预测性能。可以看出，偏振器IOc类似于图1a的偏振器10。
参考图4a，根据本发明以示例性实施方式示出了总体由IOd表示的另一吸收式无机的电介质栅偏振器或者偏振分束器。上面的描述在此引入作为参考。偏振器IOd包括不连续层18a-18f的叠层14d，从而形成具有限定栅的脊30的阵列的形序双折射层。这些层在非吸收层18a、18c和18e与吸收层18b、18d和18f之间交替。
参考图4b，示出了图4a的偏振器IOd的预测性能。可以看出，在250_350nm的范围内，透射率大于百分之三十。另外，对比度的峰值(120)位于270nm的波长处。
实例I
参考图la，示出了吸收式无机的电介质栅偏振器10的第一非限制性实例。
栅偏振器10具有设置在基底22上方的两个膜层18a和18b。这些膜层由无机的电介质材料形成，即，层18a由二氧化娃(SiO2)(在266nm下，n ^1. 6, k ^ O)形成,层 18b由二氧化钛(TiO2)(在266nm下，n ^ 2. 7，k ^1. 3)形成。这两个层分别具有20nm和 130nm的厚度(^和^)。由此，整个叠层具有约150nm的厚度(t总)。这两个薄膜层都是不连续的，且形成平行脊30的阵 列26。由此，所有的层都是不连续的，且一起产生形序双折射层。脊的间距或周期P为118nm，且占空比(周期与脊宽度的比率)为O. 48，或者脊宽度为 57nm。选择氧化钛(TiO2)材料的原因在于其光学指标及其对入射的UV辐射的光学吸收特性。形序双折射结构将优先反射和吸收s偏振而透射P偏振，其中可接受量的能量损失或被吸收。将在与法线成从约0°入射(或正入射)到约75°的角度的入射角范围内发生该希望的性能。
表I示出了在波长(λ )为266nm的入射UV光以0°、15°和30°的入射角入射的情况下图1a的偏振器10的性能。
表I一实例I
权利要求
1.一种紫外的吸收式无机的电介质栅偏振器器件，包括 a)基底； b)设置在所述基底上方的至少两个层的叠层； c)所述至少两个层中的每一个由无机的且为电介质的材料形成； d)所述至少两个层的相邻层具有不同的折射率； e)所述至少两个层是不连续的，从而形成形序双折射层，其具有周期小于大约400nm的平行脊的阵列； f)所述至少两个层中的至少一个由针对紫外光谱的光学吸收性材料形成，其限定吸收层； g)其中所述器件基本透射一个偏振方向且基本吸收另一个偏振方向。
2.根据权利要求1的器件，其中所述形序双折射层之一包括二氧化硅；并且其中所述光学吸收性材料包括二氧化钛。
3.根据权利要求1的器件，还包括至少三个层，该至少三个层中的两个不连续，从而形成形序双折射层，光学吸收性材料的吸收层设置在所述形序双折射层之间。
4.根据权利要求1的器件，还包括所述形序双折射层和光学吸收性材料的层的多个交替层。
5.根据权利要求1的器件，还包括第三平面化层，其设置在所述脊和在所述脊之间限定的间隙的上方。
6.根据权利要求1的器件，其中所述器件具有大于20:1的透射对比率和大于30%的透射效率。
7.根据权利要求1的器件，其中所述光学吸收性材料选自碲化镉、锗、碲化铅、氧化娃、締、二氧化钛、娃、硫化镉、硒化锌、硫化锌、及其组合。
8.根据权利要求1的器件，其中由所述至少两个层中的一个形成的脊与所述基底形成为整体，并包括所述基底中的脊。
全文摘要
本发明是耐用的无机吸收式紫外栅偏振器。无机的电介质栅偏振器器件(10，10b，10c，10d，10e，10f)包括设置在基底(22)上方的膜层(18a，18b)的叠层(14，14b，14c，14d，14e，14f)。每个膜层由无机的且为电介质的材料形成。每个相邻膜层具有不同的折射率。所述膜层中的至少一个是不连续的，从而形成形序双折射层(26)，其具有周期小于400nm的平行脊(30)的阵列。另一层不同于所述形序双折射层，其由对紫外光谱光学吸收的材料形成。
文档编号G02B5/30GK103033870SQ20121057455
公开日2013年4月10日 申请日期2008年3月3日 优先权日2007年6月22日
发明者E·加德纳, 汪斌, M·戴维斯, J·D·小格雷格 申请人:莫克斯泰克公司