在硅核心侧面带有二氧化硅肋的偏振器线的制作方法

1.本技术涉及线栅偏振器。


背景技术：

2.线栅偏振器可以将光分成两种不同的偏振态。一种偏振态可以主要通过线栅偏振器，而另一种偏振态可以主要被吸收或反射。线栅偏振器的有效性或性能基于主要透射偏振态的高透射率(有时称为tp)和相反偏振态的最小透射率(有时称为ts)。
3.具有高对比度(tp/ts)可以是有益的。可以通过增加主要透射偏振态的透射率(例如增加tp)和减少相反偏振态的透射率(例如降低ts)来提高对比度。


技术实现要素：

4.线栅偏振器可以包括基板上的线阵列。每根线可以包括核心和一对肋。核心可以包括≥90质量百分比的硅。每条肋可以包括≥90质量百分比的二氧化硅。所述核心可以夹在所述一对肋之间。肋宽度可以是≥4nm。
5.附图说明(附图并不一定是按照比例绘制的)
6.图1是在基板11上具有线15的阵列的线栅偏振器10的横截面侧视图。每根线15可以具有夹在一对肋13之间的核心12，和位于核心12的远端12d处的盖14。核心12可以由硅制成。基板11、一对肋13和盖14可以由二氧化硅制成，在核心12周围形成二氧化硅环17。
7.图2是图1的线栅偏振器10的透视图。
8.图3是在基板11上具有线15的阵列的线栅偏振器30的横截面侧视图。每根线15可以具有夹在一对肋13之间的核心12。核心12可以由硅制成。一对肋13可以由二氧化硅制成。核心12的远端12d可以没有肋13。
9.图4是说明制造线栅偏振器的方法中的步骤的横截面侧视图，包括(a)在基板11上施加硅层45；(b)在硅层45上施加低折射率层46；(c)在硅层45上或在低折射率层46上(如果使用的话)施加二氧化硅层42；和(d)在二氧化硅层42上施加未固化层43。
10.图5是说明制造线栅偏振器的方法中的步骤的横截面侧视图，包括压印上肋54的阵列和固化未固化层43以形成固化层53。
11.图6是说明制造线栅偏振器的方法中的步骤的横截面侧视图，包括使用上肋54的阵列在二氧化硅层42蚀刻掩模肋62的阵列。
12.图7是说明制造线栅偏振器的方法中的步骤的横截面侧视图，包括使用掩模肋62的阵列将低折射率层46蚀刻成低折射率肋76的阵列，和/或将硅层45蚀刻成硅线75的阵列。
13.图8是说明制造线栅偏振器的方法中的步骤的横截面侧视图，包括在烘箱81中烘烤硅线75的阵列。
14.定义
15.下列定义(包括其复数形式)在本专利申请全文中适用。
16.如本文所用，术语“细长的”意指线长度l显著大于线宽度w15和线厚度t15。例如，
线长度l可以是线宽度w15、线厚度t15或两者的≥5倍、≥10倍、≥100倍或≥1000倍。参见图2。
17.如本文所用，“在”、“位于”和“位于上方”意指直接位于或位于其间具有一些其他固体材料的上方。术语“直接位于”和“邻接”意指直接和紧邻的接触。
18.如本文所用，术语“平行”是指完全平行、在正常制造公差内平行或几乎完全平行，因此与完全平行的任何偏差对于设备的常规使用的影响都可以忽略不计。
19.如本文所用，术语“纯硅”意指纯度≥99.9％、在正常制造公差范围内是纯的、或几乎完全纯，因此任何与完全纯的偏差对设备的正常使用的影响都可以忽略不计。
具体实施方式
20.本文描述的线栅偏振器10和30以及通过本文描述的方法制造的线栅偏振器可以(a)在宽紫外光谱范围内具有高性能，(b)在宽射角内具有高性能，和(c)耐用(耐热、防潮、抗紫外线和抗氧化)。
21.如图1和3所示，图中示出的线栅偏振器10和30包括设置在基板11上的线15的阵列。基板11可以是在紫外光谱中具有低吸收率的材料。基板11可以是熔融石英或其他类型的玻璃。基板11可以包括二氧化硅，如下所述。
22.线15的阵列可以是平行的并且是细长的。线15的间距p可以小于期望的偏振范围(例如紫外光谱)的最低波长的1/2。
23.在每对相邻的线15之间可以有通道16。通道16可以填充有空气或其他气体、真空、液体、固体或其组合。通道16中的任何固体都可透过所期望的偏振光，例如紫外光谱。
24.每根线15可以具有主要由硅构成的核心12和一对主要由二氧化硅构成的肋13。核心12可以夹在所述一对肋13之间。
25.核心12可以具有最靠近基板11的近端12p、最远离基板11的远端12d、以及一对在近端12p和远端12d之间延伸的侧壁12s。每个侧壁12s面向通道16。
26.每条肋13可以与核心12的侧壁12s相邻或邻接。一对肋13可以从核心12的近端12p延伸到远端12d。
27.如图1所示，线15还可以包括位于核心12的远端12d处的盖14。盖14可以连接所述一对肋13。盖14和肋13可以具有相同质量百分比的二氧化硅。
28.或者，盖14可以由另一种材料制成，并且可以具有与肋13不同的材料成分。盖14可以具有低折射率以获得更好的线栅偏振器性能。例如，盖14可以包括在紫外光谱或可见光谱中的100nm、200nm或300nm的波长范围内具有≤1.5或≤1.6的折射率n的材料。盖可以包含氟化镁、氧化铪、二氧化硅、氧化锗或其组合。盖可以包含≥90质量百分比的任何这些材料。
29.如果盖14包含二氧化硅，则一对肋13、盖14和基板11可以围绕核心12形成环17。环17的整体可以具有≥50质量百分比、≥80质量百分比、≥90质量百分比、≥95质量百分比、≥99质量百分比或≥99.9质量百分比的二氧化硅。
30.核心12可以填充环17。核心12可以是环17内部的唯一物质。在本段落中，具有介于核心12和环17之间的化学成分的任何过渡区域都被认为是核心12的一部分。
31.在图3中示出了没有盖14的线15。每根线15中的一对肋13可以彼此分开，并且与核
心12的远端12d的二氧化硅不连接。核心12的远端12d可以邻接空气。
32.肋13和盖14可以在线栅偏振器的烘烤过程中同时形成。然后，额外的制造步骤可以去除盖14。线栅偏振器10和30的性能相似，因此两种设计都是有用的。然而，线栅偏振器10是优选的，以避免去除盖14的额外制造步骤。
33.每根线15的所有侧面可以邻接基板11或空气。每根线15可以包括≥90质量百分比、≥95质量百分比、≥99质量百分比或≥99.9质量百分比的硅和氧。
34.核心12可以主要由硅构成。例如，核心12可以具有≥80质量百分比、≥90质量百分比、≥95质量百分比、≥99质量百分比或≥99.9质量百分比的硅。核心还可以包括其他元素，例如锗。
35.具有硅核心12的线15可以在宽范围的紫外光谱内具有高性能。它们可以在宽入射角内偏振。它们可以是耐用的(耐热、防潮且防紫外线)。
36.肋13、盖14、基板11或其组合可以包含二氧化硅。肋13可以具有≥80质量百分比、≥90质量百分比、≥95质量百分比、≥99质量百分比或≥99.9质量百分比的二氧化硅。盖14可以具有≥80质量百分比、≥90质量百分比、≥95质量百分比、≥99质量百分比或≥99.9质量百分比的二氧化硅。基板11可以具有≥80质量百分比、≥90质量百分比、≥95质量百分比、≥99质量百分比或≥99.9质量百分比的二氧化硅。基板11、肋13、盖14或其组合可以具有37至57质量百分比的硅和63至43质量百分比的氧(硅+氧+其他化学元素的总质量百分比＝100％)。
37.基板11可以具有与肋13、盖14或两者不同的材料成分。这种差异可由下面描述的制造方法造成的。这种差异对于线栅偏振器的性能是优选的。例如，肋13、盖14或两者的密度可以小于基板11的密度。作为另一个示例，肋13、盖14或两者可以具有比基板11更高的质量百分比的二氧化硅。
38.所述一对肋13和盖14可以彼此邻接。该一对肋13和盖14可以一体化地一起形成。这一对肋13和盖14可以是单一的整体结构。这一对肋13和盖14可以具有相同的二氧化硅百分比、相同的密度或两者。将肋13和盖14一体形成在一起可以提高线栅偏振器的性能。这种提高是由于肋13和盖14的材料成分相同以及肋13和盖14之间有更好的连接。
39.可以选择肋宽度w13、核心宽度w12、肋纵横比ar13、核心纵横比ar12和盖厚度t14以提高线栅偏振器的性能。肋纵横比ar13等于肋厚度t13除以肋宽度w13。核心纵横比ar12等于核心厚度t12除以核心宽度w12。
40.肋宽度w13和核心宽度w12是垂直于核心12的轴线18被测量的(参见图1和图3)。轴线18沿着核心12的中心从核心12的近端12p延伸到核心12的远端12d。肋宽度w13和核心宽度w12是在近端和远端之间的中间被测量的。肋厚度t13、核心厚度t12和盖厚度t14平行于核心12的轴线18被测量。
41.例如，肋宽度w13可以是》3nm、≥4nm、≥5nm或≥7nm。这些肋宽度w13可以是所有肋宽度w13中的最小值。作为另一个示例，肋宽度w13可以是≤7nm、≤10nm、≤12nm或≤15nm。这些肋宽度w13可以是所有肋宽度w13中的最大值。肋宽度w13可以通过烘烤时间和温度来控制。优选的是在600℃下烘烤8小时，以获得更好的线栅偏振器性能。
42.肋宽度w13和核心宽度w12之间的示例关系包括下列：0.2≤w12/w13、1≤w12/w13、2≤w12/w13或4≤w12/w13；并且w12/w13≤4、w12/w13≤8、w12/w13≤12。示例的核心纵横比
ar12包括下列：4≤ar12、10≤ar12或20≤ar12；并且ar12≤30、ar12≤50或ar12≤60。示例的肋纵横比ar13包括下列：8≤ar13、10≤ar13或20≤ar13；并且ar13≤30、ar13≤50或ar13≤60。盖厚度t14和肋宽度w13之间的示例关系包括t14/w13≥1.5、t14/w13≥2或t14/w13≥4。
43.高核心纵横比ar12可以提高线栅偏振器性能，但也会导致薄弱的线13。一对肋13可以加强具有高核心纵横比ar12的核心12。
44.线15的阵列的示例间距包括下列：p≥20nm、p≥40nm或p≥55nm；并且p≤55nm、p≤80nm、p≤110nm或p≤150nm。
45.制造线栅偏振器的方法可以包括以下步骤中的一些或全部。这些步骤可以按以下顺序执行，或者如果指明的话，按其他顺序执行。除非权利要求中另有明确说明，否则一些步骤可以同时执行。线栅偏振器的组件可以具有如上所述的特性。上文未描述的下文方法中线栅偏振器特性的任何附加描述均适用于上述线栅偏振器。
46.制造线栅偏振器的第一种方法可以包括以下步骤中的一些或全部：
47.(a)在基板11上施加硅层45；
48.(b)在硅层45上施加低折射率层46(可选的步骤)；
49.(c)在硅层45上或在低折射率层46上(如果使用的话)施加二氧化硅层42；
50.(d)在二氧化硅层42上施加未固化层43；
51.(e)压印上肋54的阵列并固化未固化层43以将未固化层43形成固体固化层53；
52.(f)使用上肋54的阵列蚀刻二氧化硅层42以形成掩模肋62的阵列；
53.(g)使用掩模肋62的阵列，(i)将低折射率层46(如果使用的话)蚀刻成低折射率肋76的阵列，和/或(ii)将硅层45蚀刻成硅线75的阵列；和
54.(h)增加硅线75外表面上的氧化物厚度，将每根硅线75形成被夹持在一对肋13之间的核心12，以及位于核心12的最远离基板11的远端12d处的盖14。
55.步骤(a)到(d)如图4所示。步骤(e)如图5所示。步骤(f)如图6所示。步骤(g)如图7所示。步骤(h)在图8中显示，图中示出了烘箱81。步骤(h)也如图1和图3所示。
56.硅层45可以是纯硅。步骤(a)中的硅层45可以通过溅射沉积或蒸发沉积来施加。优选的是溅射沉积。优选使用硅原子百分比≥99.999的靶材。由于溅射沉积产生的硅核心12的纯度和密度，可以提高线栅性能。硅层45可以邻接基板11。
57.在该第一种方法中，施加低折射率层46的步骤(b)和将低折射率层46蚀刻成低折射率肋76的阵列的步骤(g)(i)是可选的。如果执行这些步骤(b)和(g)(i)，则低折射率肋76可以是盖14。低折射率层46和低折射率肋76可以具有如上文的盖14所述的材料组成。
58.步骤(b)中的低折射率层46和步骤(c)中的二氧化硅层42可以通过溅射沉积来施加。二氧化硅层42可以邻接低折射率层46或硅层45。
59.步骤(d)中的未固化层43可以是液体，掺合有分散在整个连续相中的固体无机纳米颗粒，例如二氧化硅纳米颗粒。
60.步骤(e)中的固化可以包括连续相的蒸发。无机纳米粒子可以包括与有机部分键合的二氧化硅。有机部分的实例包括-sh、-roh(r＝烷基)、-ch3和-ch2ch3。固化层53的完整性可以通过在相对低的温度下固化来提高，例如在125℃左右。
61.在步骤(d)中，上肋54的阵列的固化和压印可以是同时的或依次的。通常，压印将
首先进行，或部分与固化同时进行。
62.如果不使用低折射率层46，则硅层45可以是掩模肋62的阵列与基板11之间的唯一固体层。如果使用低折射率层46，则硅层45和低折射率层46可以是掩模肋62的阵列与基板11之间的唯一固体层。
63.对于步骤(h)，核心12可以具有≥90质量百分比的硅，并且肋13和盖14可以具有≥90质量百分比的二氧化硅。
64.在步骤(h)中，增加硅线外表面上的氧化物的厚度可以包括按以下一种或多种方法对硅线进行处理：快速热退火、电磁加热(例如微波)、氧等离子体、水等离子体、烘烤、阳极氧化或其组合。这些方法中的任何一种都可以在空气或氧气中进行。增加硅线外表面上的氧化物厚度的其他可行方法包括化学氧化、暴露于紫外线和臭氧、或两者兼而有之。
65.在步骤(h)中，如果使用烘烤来增加氧化物的厚度，示例温度包括≥400℃、≥500℃或≥550℃；并且≤650℃、≤700℃或≤800℃。烘烤时间可以包括≥3小时、≥5小时或≥7小时；并且≤9小时、≤12小时或≤15小时。
66.用硅制造线15，然后烘烤以形成二氧化硅的肋13，可以产生更高的核心纵横比ar12。这种较高的核心纵横比ar12可以提高线栅偏振器的性能。
67.制造线栅偏振器的第二种方法可以包括以下步骤中的一些或全部：
68.(a)在基板11上施加硅层45；
69.(b)图案化和蚀刻硅层45以形成硅线75的阵列；和
70.(c)增加硅线75外表面上的氧化物的厚度，将每条硅线75形成夹在一对肋13之间的核心12，以及位于核心12的最远离基板11的远端12d处的盖14。
71.步骤(a)和(b)如图4-7所示。图案化和蚀刻可以通过激光干涉光刻来完成。层46、42和43是可选的。步骤(c)示于图8(图中示出烘箱81)以及图1和图3所示。第一种方法的步骤(b)和(g)(i)可以施加到第二种方法中。上面对第一种方法的附加描述也可以适用于第二种方法。第一种方法中步骤(a)的描述可以适用于第二种方法中的步骤(a)。第一种方法中步骤(h)的描述可以适用于第二种方法中的步骤(c)。