CN100449336C - 光学元件及制造光学元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有三维结构的光学元件以及一种制造该光学元件的方法，该光学元件可以在可见范围内工作，并且可以提高该元件的结构界面处的粘附力。包括衬底以及该衬底上的至少第一层和第二层的光学元件被制造为使得第一层和第二层中的每一个都具有空间和结构部件的重复结构，该重复结构的节距小于或等于可见光的波长，并且在第一层和第二层的界面处，提供重叠结构，其中第一层的重复结构和第二层的重复结构在这些层的堆叠方向上重叠。

Description

光学元件及制造光学元件的方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件及制造该光学元件的方法。具体说来，本发明涉及一种具有三维中空结构的光学元件，例如偏振分束器、相位差板或带通滤波器，在其表面上具有面内周期比可见光的波长短的结构，还涉及制造这种光学元件的方法。

背景技术

近年来，积极地提出了具有三维中空结构的光学组件。将来，获得这样的三维中空结构将是改善光学组件的功能所必需的。然而，该光学组件的结构处于纳米量级，尚未制定其制造方法，还有很多关于该元件的强度等的实际问题。为了获得这样的三维中空结构，存在一种使用牺牲层来在微米量级上制造中空结构的方法，即所谓的MEMS(微电机系统)(见美国专利No.4,662,746)。

这样的MEMS结构提供了数字反射镜器件。该数字反射镜器件具有用于容纳工作反射镜的铰链、用于接收在铰链上形成的外力的轭、以及用于偏转轭上形成的外来光的反射镜。这种结构的尺寸为几微米到几百微米，上层和下层之间的粘附力足够强，没有导致实际问题。

此外，日本专利申请公开No.2001-074955公开了一种光子晶体波导的结构及其制造方法。期望光子晶体波导通过在具有线和空间(line-and-space)结构的多个层中形成结构缺陷，并沿着彼此垂直的方向将它们堆叠起来，以获得三维波导。根据这里公开的制造方法，使用半导体材料来在高温下进行半导体元素的团块传输，以形成结。在这样的材料结处，可能有金属键或共价键，并且上层和下层可以很强地彼此粘附在一起。

半导体材料在红外线范围内是透明的，而在可见范围内是不透明的，因此，这样的半导体材料不能用于在可见范围内工作的光学元件。所以，需要使用介电材料。然而，当将介电材料加热到高温时，有时难以进行元素在介电材料之间的团块传输以形成结。通过这种方式，根据材料，有时难以通过加热形成结。此外，当尝试使用牺牲层工艺获得堆叠的自底向上结构时，在波长小于或等于可见光波长的纳米结构的情况下，上层和下层之间的接触面积变得极其小。所以，导致各层之间的界面处的粘附力极小，并且该元件非常易损坏。

鉴于上述问题，提出了本发明。本发明的目的是提供一种具有三维结构的光学元件及该制造光学元件的方法，该光学元件可以在可见范围内工作，并且可以提高该元件的结构界面处的粘附力。

发明内容

为了解决上述问题，根据本发明，提供了一种具有如下所述形成的三维结构的光学元件以及制造该光学元件的方法。

根据本发明的第一个方面，提供了一种光学元件，包括：衬底；以及该衬底上形成的第一层和第二层，其中第一层和第二层中的每一个都包括空间和结构部件在与所述层的堆叠方向垂直的方向上的重复结构，所述重复结构的节距小于或等于可见光的波长，并且其中第一层的重复结构和第二层的重复结构在第一层和第二层之间的界面处在所述层的堆叠方向上重叠。

根据本发明的第一个方面的光学元件还可以包括在衬底和第一层之间的多个层，在该光学元件中，从衬底数起，第一层可以由第i层形成，并且第二层可以由第(i+1)层形成。

在根据本发明的第一个方面的光学元件中，在重叠结构中，第一层的重复结构和第二层的重复结构可以在大于或等于3nm且小于或等于20nm的范围内重叠。

在根据本发明的第一个方面的光学元件中，第一层和第二层中每一个的重复结构都可以包括线和空间结构、具有孔的结构、以及具有点的结构中的任何一种。

在根据本发明的第一个方面的光学元件中，第一层和第二层中所述小于或等于可见光的波长的节距可以大于或等于10nm且小于或等于200nm。

在根据本发明的第一个方面的光学元件中，第一层的重复结构和第二层的重复结构可以由相同的材料形成。

在根据本发明的第一个方面的光学元件中，第一层的重复结构和第二层的重复结构可以由介电材料形成。

根据本发明的第二个方面，提供了一种制造光学元件的方法，该光学元件包括衬底、以及该衬底上形成的第一层和第二层，该方法包括以下步骤：在该衬底上形成第一层；在第一层中加工包括空间和结构部件的重复结构，该重复结构的节距小于或等于可见光的波长；用牺牲层的材料填充该重复结构中的空间；蚀刻该牺牲层以从该牺牲层暴露该重复结构的上部；在该重复结构和该牺牲层上形成第二层；在第二层中加工包括空间和结构部件的重复结构，该重复结构的节距小于或等于可见光的波长；以及去除所述牺牲层。

在根据本发明的第二个方面的制造光学元件的方法中，在从牺牲层暴露重复结构的上部的步骤中，所述重复结构的侧表面可以暴露从所述重复结构的上表面起大于或等于3nm且小于或等于20nm的范围。

根据本发明，可以提高衬底上的上层和下层之间的粘附力，可以防止不良粘附。此外，在制造过程等中，例如当外力起作用时，可以避免微观结构所特有的问题如图案塌缩。

根据下面结合附图进行的描述，本发明的其它特征和优点将变得明显。

附图说明

图1A、1B和1C是用于图解根据本发明实施例的具有三维结构的光学元件的结构的示意图。

图2是图解根据本发明示例1的衬底和图案布置的图。

图3A和3B是图解根据本发明示例1的光学元件的三维结构的第一层和第二层的图案形状的图。

图4A、4B、4C、4D、4E、4F、4G、4H以及4I是用于图解根据本发明示例1的具有三维结构的光学元件的制造过程的示意性横截面视图。

图5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G、5H以及5I是用于图解根据本发明示例3的具有三维结构的光学元件的制造过程的示意性横截面视图。

图6是用于比较本发明的示例3的相位差板的相位差特性和用石英制造的相位差板的相位差特性的图。

图7是图解根据本发明示例3的相位差板的平均透射率和根据比较示例2的相位差板的平均透射率的图。

图8A、8B、8C以及8D是图解根据本发明的示例4用于将衬底粘到棱镜上的过程的示意图。

图9是图解根据本发明示例4的偏振分束器的S偏振光和P偏振光的光谱透射率的图。

图10是图解根据本发明示例4的光学元件的另一个例子的图。

图11是图解线和空间结构的示例性图案的图。

具体实施方式

下面将描述本发明的实施例。图1A至1C是用于图解根据本实施例的具有三维结构的光学元件的结构的示意图。图1A是透视图，图1B是从箭头i所指示的方向看到的横截面视图，而图1C是从箭头ii所指示的方向看到的横截面视图。在本实施例中，如图1A至1C所示，光学元件包括在衬底1上堆叠了第一层(第一结构)2中空间(气隙)201和结构部件202的重复结构以及第二层(第二结构)3中空间(气隙)301和结构部件302的重复结构的堆叠结构。在这种情况下，可以在衬底1和第一结构2之间设置多个层，并且可以作为从衬底数第i层来设置结构2。此外，可以在第二结构3上设置多个层作为上层。

这里，当由从衬底数第i层形成衬底2时，第i层和第(i+1)层中的每一层被处理为空间和结构部件在垂直于该多个层的堆叠方向的方向上的重复结构，其节距小于或等于可见光的波长。在这些层之间的界面上，该图案结构在其堆叠方向上重叠。更具体地说，在第i层(第一结构2)和第(i+1)层(第二结构3)之间的界面上，第i层的节距小于或等于可见光的波长的重复结构和第(i+1)层的节距小于或等于可见光的波长的重复结构在其堆叠方向上重叠。换句话说，重复结构彼此啮合(engage)。下文中将重复结构彼此啮合的状态称为“重叠状态”，并且下文中将彼此啮合的结构称为“重叠结构”。此外，下文中将这些结构彼此啮合的部分4称为“重叠部分”。

根据本实施例，重叠结构可以使第i层和第(i+1)层之间的接触面积更大，这使得可以提高层间的粘附力。此外，这样的重叠部分的存在可以防止诸如图案塌缩(pattern collapse)的微细结构缺陷。这里，在上述第i层(第一结构2)和第(i+1)层(第二结构3)之间的界面上，重叠状态程度最高的重叠部分4优选在大于或等于3nm且小于或等于20nm的范围内。在最大重叠部分小于3nm的情况下，当制造中面内分布不均匀时，有可能局部引起不良的粘附。此外，在最大重叠部分小于3nm的情况下，上下层之间的接触面积小，不能获得足够的粘附强度。另一方面，当最大重叠部分大于20nm时，第(i+1)层的平面性不够，会产生诸如光散射的光学不良影响。此外，因为重叠部分的折射率的值在第i层和第(i+1)层的折射率之间，所以在光学厚的重叠部分不能获得期望的特性。

此外，在该实施例中，可以作为线和空间结构、具有孔的结构、具有点的结构中任何一种，形成上述第i层和第(i+1)层的重复结构，其节距小于或等于可见光的波长。在线和空间结构的情况下，图案相对于光的偏振分量是各向异性的，因此，在获得诸如偏振光束分光器或低通滤波器的结构时是有效的结构。此外，线和空间结构的线可以按小于或等于可见光的波长的节距分隔开(参见图11)。通过这样分隔，可以防止由于层应力而导致图案剥落。此外，在图案为柱状的具有点的结构或图案为孔状的具有孔的结构的情况下，图案相对于光的偏振分量是各向同性的，因此其作为多层干涉膜或带通滤波器的防反射膜是有效的。

这里，通过使重复结构的节距小于或等于可见光的波长，可以防止光学元件所用的波长下的衍射现象，因此可以获得光学稳定的特性。这里，重复结构的节距大于或等于10nm且小于或等于200nm是可取的。具体说来，当节距小于或等于150nm时，在波长大于或等于400nm的可见光区域中工作的光学元件中使用45°的入射角不产生衍射光，因此该光学元件有效地工作。如果节距小于10nm，则难以将结构维持为这样。此外，由空间(下文中成为“气隙”)和结构部件形成的层的效用具体在于可以获得期望的折射率。一般说来，每种材料具有其自己的折射率，难以获得任意的折射率。然而，当由气隙和结构部件形成层时，可以通过控制气隙和结构部件的比例来获得任意的折射率。

更具体地说，理论上，可以将折射率控制在从该结构的材料的折射率到大于空气的折射率即大于1的值的范围内。具体说来，可以稳定地用作具有低折射率的层的氟化镁的折射率为1.38。然而，当使用氧化硅(折射率：1.46)作为结构，气隙的比例为90％，且形成具有孔的结构时，折射率为1.146，因此，可以获得具有用电介质不能达到的非常低的折射率的层。此外，当同样以90％的气隙比例形成线和空间结构时，折射率变得更小，并且出现折射率各向异性。相对于电场(平行于线的方向的光振动分量)的折射率为1.055，而相对于磁场(垂直于线的方向的光振动分量)的折射率为1.028。

此外，在本实施例中，第i层和第(i+1)层的结构材料可以相同。当以这种方式，第i层和第(i+1)层的结构材料相同时，因为上述各层之间的折射率的影响可以忽略，所以更容易获得期望的特性。此外，在本实施例中，可以用电介质作结构材料。在可见光范围内工作的光学元件的材料不吸收可见光范围内的光是可取的。许多电介质在可见光范围内是透明的，并且作为根据本发明的光学元件的结构材料是有效的。具体说来，氧化硅、氧化钛、五氧化二钽、氧化锆等是有效的材料，因为其容易在蚀刻工艺中被蚀刻。

接下来，描述制造根据本实施例的具有三维结构的光学元件的方法。首先，在形成第i层的节距小于或等于可见光的波长的重复结构的过程中，在使用光刻技术执行图案化之后执行蚀刻。在光刻技术中，可以通过任何方法执行曝光，对所述方法没有特别的限制，只要其可以获得期望的节距，例如步进器(stepper)、电子束制图仪、X射线曝光设备或干涉曝光设备。此外，由于蚀刻的结构极细微，所以使用干法蚀刻是可取的。可以通过任何方法执行该干法蚀刻，对该方法没有特别的限制，只要其可以获得期望的节距，并且该干法蚀刻可以是例如活性离子蚀刻(RIE)、感应耦合等离子体(ICP)或中性环路放电(NLD，NeutralLoop Discharge)。也可以执行湿法蚀刻，只要可以获得期望的节距。当使用抗蚀剂作为掩模蚀刻电介质时，有时选择性是个问题。在这种情况下，用于蚀刻该结构的掩模是多层掩模以使得可以获得选择性是可取的。

接下来，可以通过应用常用的涂敷技术来执行向该空间填充牺牲层的材料的过程。例如，可以使用旋涂、喷涂或狭缝涂敷。此外，牺牲层的材料可以是任何可以被氧气灰化的材料，如光致抗蚀剂材料、底部防反射涂层(BARC，Bottom Anti-Reflection Coating)材料、丙烯酸树脂或聚苯乙烯树脂。此外，为了改善牺牲层表面的平面性，从该结构的上表面起的厚度较大是可取的。另一方面，为了使平面化处理所需的时间更短，厚度较小是可取的。所以，从该结构的上表面起的牺牲层厚度大于或等于50nm且小于或等于200nm是可取的。为了改善牺牲层的平面性，多次应用牺牲层是有效的。

接下来，在蚀刻(回蚀(etch back))牺牲层的整个表面以从牺牲层暴露第i个重复结构的上部的过程中采用常用的干法蚀刻是可取的。例如，可以使用平行板型RIE设备。从牺牲层暴露重复结构的从该重复结构的上表面起3nm或更多至20nm或更少的范围内的侧表面。可以通过蚀刻时间来控制蚀刻量。这里，使用氧气作为蚀刻气体。当氧气是纯氧时，因为蚀刻速率高，所以蚀刻量的可控性不好。通过将CF₄或CHF₃Cl气体与氧气混合，可以降低蚀刻速率以改善蚀刻量的可控性。

接下来，可以通过使用常用的膜形成技术来执行在第i层上形成第(i+1)层的过程。例如，可以使用汽相淀积、溅射或CVD。要注意的是，为了不使牺牲层变形或质量劣化，必须控制加工温度。接下来，以与第i层的情况类似的方式执行形成第(i+1)层的节距小于或等于可见光的波长的重复结构的过程。因为执行蚀刻直到暴露牺牲层，所以第i层图案的上部被蚀刻到等于重叠部分的高度的范围的深度(参见图1C中的附图标记4)。或者，只要光学特性允许，可以在重叠部分的高度或更大的范围内蚀刻第i层图案的上部。这形成了第i层图案和第(i+1)层图案之间的高度差，因此更容易去除牺牲层。最终，可以通过干法蚀刻来执行去除填充第i层中的空间的牺牲层的过程。例如，可以使用由RIE设备用纯氧进行的常用蚀刻。或者，可以使用只用于抗蚀剂的灰化设备。这一过程也可以通过时间来控制。通过上述方法，可以获得具有三维结构的光学元件。

如上所述，根据该实施例，可以提高衬底上的上层和下层之间的粘附力，可以防止不良粘附。此外，在制造过程等中，例如当外力起作用时，可以避免微观结构所特有的问题如图案塌缩。此外，当同时加工直径为6英寸、8英寸等的大区域时，因为可以有效地使用整个表面，所以可以从该区域获得的元件个数变大，这允许了高效的生产。此外，尽管厚重叠部分影响光学特性，但是，通过使重叠部分在20nm或更小的范围内，可以容易地获得期望的光学特性。

下面描述本发明的示例。

(示例1)

首先，参考图2和图3A、3B描述本示例的光学元件的三维结构的衬底和图案布置。在衬底5(6英寸石英晶片)上构图九个图案6，每个图案6的尺寸都是25mm×25mm。这里，如图3A所示，第一层的图案的节距为0.26μm，孔图案7的直径为0.13μm，并且孔图案7布置在等边三角形的顶点上。如图3B所示，第二层的图案的节距为0.26μm，孔图案8的直径为0.2μm，并且孔图案8布置在等边三角形的顶点上。尽管在本示例中，使用相同的掩模来形成孔，并通过曝光量来控制孔直径，但是也可以改变掩模。

接下来，描述具有三维结构的光学元件的制造过程。图4A至4I图解了根据本示例的光学元件的制造过程。首先，描述对第一层的构图。在将6英寸石英晶片衬底9弄干净并使其变干之后，通过溅射形成100nm厚的氧化硅膜，以形成氧化硅层10。结果，获得用于形成第一层的结构的层(图4A)。然后，执行用于对氧化硅层10构图的光刻步骤。这里，作为用于构图的光致抗蚀剂，使用Clariant AX6850P。通过旋涂来涂敷该抗蚀剂，并且执行涂敷使得膜厚度为300nm。在涂敷之后，在110℃下执行预烘焙两分钟。然后，用佳能公司制造的步进器FPA-5000-ES4b执行曝光。就曝光图案而言，在25mm×25mm区域内使用节距为0.26μm的孔图案。孔的直径为0.13μm，并且孔图案布置在等边三角形的顶点上。在这种情况下曝光量为32mJ/cm²。在该6英寸衬底上九个点处执行曝光。在曝光之后，在120℃下执行PEB(曝光后烘焙)两分钟。

然后，在含有2.38％的TMAH(四甲基氢氧化铵)的显影剂中将具有第一层的结构的衬底浸泡一分钟，并通过纯净水喷射器将显影剂冲洗干净，以获得抗蚀剂的孔图案11(图4B)。然后蚀刻氧化硅层。由平行板型RIE设备用CHF₃作为蚀刻气体在2.7Pa的气压下以100W(0.3W/cm²)的RF功率执行4.3分钟的蚀刻。此外，为了去除残余的抗蚀剂，用氧气作为蚀刻气体在2.7Pa的气压下以100W的RF功率执行一分钟的灰化。以这种方式，获得孔深度为100nm的氧化硅孔图案12(图4C)。

接下来，描述填充和平面化步骤。作为填充材料，使用Clariant公司制造的AZ Exp.KrF-17C8。通过旋涂执行填充。以2500rpm旋涂三十秒之后，在180℃下执行预烘焙一分钟。重复上述操作两次，以完成填充(图4D)。结果，在氧化硅孔图案的上表面14之上50nm的位置处获得填充层的平面化界面13。由与用于蚀刻的设备相似的设备执行平面化。用氧气(17vol％)和CHF₃(83vol％)的混合作为蚀刻气体在3Pa的气压下以20W(0.06W/cm²)的RF功率执行5.5分钟的灰化。通过AFM的测量表明，以氧化硅的结构的3nm的曝光量(从牺牲层的上表面到氧化硅图案的上表面14，氧化硅图案的侧表面141被暴露的高度，如图4E中的附图标记A所指示)获得平面化衬底(图4E)。

接下来，描述对第二层的构图。在对第二层构图时，通过溅射形成10nm厚的氧化硅膜，作为用于该衬底的第二层。结果，能够获得具有足够的平面性的连续且均匀的氧化硅层15(图4F)。然后，执行用于对第二氧化硅层进行构图的光刻步骤。这是与第一氧化硅层的情况类似地执行的，只是曝光量为50mJ/cm²。显影后的图案的节距为0.26μm，且孔的直径为0.2μm。然后，与第一氧化硅层的情况类似地蚀刻第二氧化硅层，只是蚀刻时间为0.5分钟。此外，为了去除残余的抗蚀剂，用氧气作为蚀刻气体在2.7Pa的气压下以100W的RF功率执行一分钟的灰化。以这种方式，获得孔深度为10nm的氧化硅孔图案16(图4G)。图4G示出了沿图4I中的线a-a′截取的横截面示意图。

接下来，描述牺牲层的灰化。使用RIE设备利用氧气在3Pa的气压下以100W的功率执行对牺牲层的灰化三分钟。去除填充第一层中的孔的牺牲层，以获得中空结构17(图4H)。牺牲层通过等离子体汽化，并从非常微小的缝隙18中去除(图4I)。要求牺牲层的材料具有以下材料特性。即，该材料需要在常温下为固态，当溶解在有机溶剂中时，该材料需要是可以通过旋涂或喷涂制成薄膜的材料。基本上，任何可以通过使用氧等离子体分解为具有高蒸汽压的气体的材料都可以使用。以这种方式，获得氧化硅的两层三维结构。关于6英寸表面中的所有九个图案，形成图案的25mm×25mm区域看上去是均匀的，并且，即使在执行0.5MPa的氮气吹风之后，外观也不改变，并且是令人满意的结构。此外，用FE-SEM对沿该图案的中心截取的截面的观测证实：在第一层和第二层之间的界面上，这两层彼此非常强地粘附在一起。

(示例2)

在示例2中，平面化步骤执行六分钟。在平面化之后，氧化硅结构的上部暴露20nm。第二氧化硅层的厚度为70nm，并且第二氧化硅层被蚀刻3.5分钟。在除上述之外与示例1中相同的条件下，获得氧化硅的两层三维结构。在形成第二氧化硅层的过程之后，观测截面。结果是，尽管该表面的凹凸高度为大约5nm，但是形成连续的膜，并且能够类似地进行后面的过程。关于6英寸表面中所有九个图案，形成图案的25mm×25mm区域看上去是均匀的，并且，即使在执行0.5MPa的氮气吹风之后，外观也不改变，并且是令人满意的结构。此外，用FE-SEM对沿该图案的中心截取的截面的观测证实：在第一层和第二层之间的界面上，这两层彼此非常强地粘附在一起。

(示例3)

在示例3中，与示例1的情况类似，用光学玻璃衬底(6英寸晶片)来在九个点处执行曝光。图5A至5I是用于图解根据本示例的光学元件的三维结构的制造过程的视图。首先，将Ohara公司制造的S-TIH53光学玻璃衬底19弄干净，然后，执行五氧化二钽层20的汽相淀积，使得膜厚度为960nm(图5A)。然后，作为用于蚀刻五氧化二钽的掩模材料，通过溅射形成WSi层21。然后，作为用于蚀刻WSi层21的掩模材料，形成氧化硅层22。当在下面描述的蚀刻步骤中在光致抗蚀剂和要蚀刻的层之间不能保证适当的选择性时，这样的多层掩模层是有效的。WSi层的厚度和氧化硅层的厚度分别为200nm和120nm。

然后，作为用于蚀刻氧化硅层的掩模，形成光致抗蚀剂图案。使用干涉曝光方法执行对光致抗蚀剂图案的曝光步骤。这里，因为在多层掩模中使用了WSi，所以曝光时由后表面返回的光变强。因此，返回光和入射光彼此干涉，从而产生曝光和显影后光致抗蚀剂的截面形状不是矩形的问题。所以，设置BARC层23来吸收后表面返回的光，使得曝光和显影后光致抗蚀剂的截面形状成为矩形。这里使用的光致抗蚀剂是由Shipley公司制造的UV-170。这里使用的BARC是Clariant公司制造的AZ Exp.KrF-17C8。将各材料旋涂在其上形成了多层掩模材料的衬底上。在180℃下预烘焙BARC一分钟，这里膜厚度为115nm。在100℃下预烘焙光致抗蚀剂两分钟，这里膜厚度为140nm。

然后，通过使用双光束干涉曝光方法将该衬底曝光。使用波长为266nm(Nd-YAG(Nedymium：钇铝石榴石)的第四谐波)的光源。衬底上的入射角为56°。由光束扩展器将激光束扩展100倍。曝光量为30mJ/cm²。在三光束干涉曝光的情况下，可以形成示例1中的孔图案。在曝光之后，在120℃下执行PEB(曝光后烘焙)1.5分钟。然后，在将衬底在含有2.38％的TMAH(四甲基氢氧化铵)的溶液中浸泡30秒，用纯净水喷射器将该溶液冲洗干净，以获得光致抗蚀剂图案24(图5B)。这里，能够保证35mm×35mm的图案有效区域。

然后，蚀刻BARC、氧化硅、WSi、以及五氧化二钽层。使用ICP设备执行蚀刻。使用与示例1类似的蚀刻气体在类似的蚀刻条件下蚀刻BARC和氧化硅层。用SF₆和氯气按1∶2的比例混合的气体在2.7Pa的气压下以1.5W/cm²的RF功率将WSi层蚀刻40秒。此后，用SF₆作为蚀刻气体、在对衬底侧施加20W的偏压的情况下、在6Pa的气压下、以1.2W/cm²的功率将五氧化二钽层蚀刻50秒，以获得五氧化二钽的线和空间结构25(图5C)。这里，线、空间、以及线和空间结构的节距分别为130nm、30nm和160nm。然后，执行填充和平面化步骤。与示例1的情况类似地执行填充步骤。结果，获得在五氧化二钽图案的上表面以上50nm的位置处获得了填充层的平面化界面26的已填充衬底(图5D)。然后，以与示例1类似的方式执行平面化处理5.6分钟。结果，获得平面化的衬底，其中从牺牲层的上表面到五氧化二钽结构的上表面27，五氧化二钽结构的侧表面271在高度方向上暴露5nm。然后，形成第二层和第三层(图5E)。在执行真空汽相淀积以蒸镀五氧化二钽层28从而具有24nm的厚度之后，蒸镀氧化硅层29以具有10nm的厚度(图5F)。

此后，形成多层掩模，并且通过使用干涉曝光方法，以与第一层的情况类似的方式形成光致抗蚀剂图案。这里，曝光量为25mJ/cm²。此后，以与第一层的情况类似的方式，蚀刻多层掩模、氧化硅层、五氧化二钽层。对氧化硅层和五氧化二钽层的蚀刻是在与蚀刻第一层的五氧化二钽的条件类似的条件下同时执行的。蚀刻时间为1.5分钟。图5G示出了此时的横截面示意图。该横截面示意图是从图5F的箭头i所指示的方向看的横截面视图。这图解了第一层中的图案和第二层中的图案是彼此垂直的。这里，线、空间、以及线和空间结构30的节距分别是96nm、64nm和160nm。

然后，与示例1的情况类似，灰化牺牲层，以获得具有中空结构31的三维光学元件(图5H)。图5H的横截面示意图是从图5G的箭头ii所指示的方向看的视图。就6英寸表面中的所有九个图案而言，形成图案的35mm×35mm区域看上去是均匀的，并且，即使在执行0.5MPa的氮气吹风之后，外观也不改变，并且是令人满意的结构。此外，用FE-SEM(场致发射扫描电子显微镜)对沿该图案的中心截取的截面的观测证实：在第一层和第二层之间的界面上，这两层彼此非常强地粘附在一起。

根据该示例的光学元件用作相位差板。图6是用于比较根据本示例的相位差板的相位差特性和用石英制成的常用相位差板的相位差特性的图。图6中的实心黑正方形图解传统石英相位差板的相位差特性，而实心黑圆圈图解具有图5I所示结构的相位差板的相位差特性。结果表明，根据本示例的相位差板的相位差在可见范围内的改变小于石英制成的相位差板的相位差在可见范围内的改变，因此，根据本示例的相位差板的光学特性是卓越的。图7示出了在可见范围内平均透射率的测量结果。图7示出可见范围内的平均透射率接近100％，因此可以同时获得防反射效果。防反射效果被认为在最后一层中设置的氧化硅的结构用作具有低折射率的层时有效地展现出来。

(示例4)

在示例4中，使用与上面在示例3中描述的光学玻璃衬底类似的光学玻璃衬底，并且通过溅射形成厚度为360nm的氧化钛层。然后，与示例3的情况类似，通过溅射在其上形成多层掩模。该多层掩模由50nm厚的铬和80nm厚的氧化硅构成。然后，与示例3的情况类似，在涂敷BARC和光致抗蚀剂之后，执行构图和蚀刻，以获得第一层的结构，其中干涉曝光时衬底上的入射角为72°，曝光量为35mJ/cm²，用氯气和氧气按1∶3的比例混合的气体作为蚀刻气体、在衬底侧施加120W的偏压的情况下、在6Pa的气压下、以50W的RF功率将铬蚀刻一分四十秒。将氧化钛层蚀刻25分钟。以这种方式，获得第一层的结构。这里，第一层的线、空间、以及线和空间结构的节距分别为30nm、110nm和140nm。

然后，与示例3的情况类似地执行填充和平面化步骤。在填充步骤中，使用类似的材料，以1000rpm执行旋涂30秒后，在180℃下执行预烘焙一分钟。将上述处理重复两次以完成填充。结果，在氧化钛图案的上表面以上200nm的位置处获得填充层的平面化界面。以与示例3的情况类似的方式执行平面化，并且执行灰化22分钟。由AFM对图2所示的6英寸光学玻璃衬底上的九个图案各自中心的氧化钛的曝光量的测量结果是：对于图案6-1、6-3、6-7和6-9为20nm；对于图案6-2、6-4、6-6、6-8为15nm；而对于图案6-5为10nm。

然后，形成第二层。与第一层的情况类似，使用溅射方法通过形成70nm厚的氧化钛膜、并形成由50nm厚的铬层和80nm厚的氧化硅层构成的多层掩模，来形成第二层。然后，形成抗蚀剂图案。曝光量为18mJ/cm²。第二层的结构是在与第一层的形成条件类似的条件下形成的，只是对氧化钛的蚀刻时间为五分钟。第二层的线、空间、以及线和空间结构的节距分别为120nm、20nm和140nm。

然后，与示例3的情况类似，将牺牲层灰化以形成第一层的中空结构。此外，进行与第一层的情况类似的填充和平面化过程。通过溅射在衬底上形成360nm厚的氧化钛层。与第一层的情况类似地对第三氧化钛层进行构图。与第一层的情况类似，线、空间、以及线和空间结构的节距分别为30nm、110nm和140nm。最后，与第一层的情况类似，将牺牲层灰化以形成第二层的中空结构。即使在不使用形成牺牲层的过程而直接形成第三个膜时，因为第二层的空间小，所以可以执行形成第三层的过程，以在其上形成连续的膜。

就6英寸表面中的所有九个图案而言，形成图案的35mm×35mm区域看上去是均匀的，并且即使在执行0.5MPa的氮气吹风之后，外观也不改变，并且是令人满意的结构。此外，用FE-SEM对沿该图案的中心截取的截面的观测证实：在第一层和第二层之间的界面上，这两层彼此非常强地粘附在一起；并且在第二层和第三层之间的界面上，这两层彼此非常强地粘附在一起。然后，将所获得的三层结构的衬底划片以划出28.3×20mm的矩形，并且形成九个具有三维结构的衬底。这九个衬底中的每一个粘在S-TIH53衬底上。

图8A至8D是用于图解接合衬底的过程的示意图。首先，将S-TIH53衬底32弄干净(图8A)。然后，旋涂粘附层并执行临时固化。作为粘合剂，使用PLENACT KR-55，其是由Ajinomoto-Fine-Techno公司制造的钛酸酯偶联剂，并用异丙醇稀释了60倍。以5000rpm执行旋涂30秒，并且在180℃下执行临时固化两分钟以获得具有粘附层33的衬底(图8B)。然后，将上述已划片的具有三维结构的衬底34覆盖在粘附层上，使得具有结构部分的部分与粘附层接触。然后，在2kg的负荷、200℃下将所覆盖的衬底留在加热板上五分钟(图8C)。在衬底冷却之后，将该衬底粘附到由S-TIH53制成的45°棱镜35，以将其夹在其间，获得棱镜(图8D)。

根据本示例的光学元件用作偏振光束分光器。图9图解就根据本示例的棱镜45°±10°的入射角而言S偏振光和P偏振光的光谱透射率。如图9所示，除了在入射角35°时S偏振光的透射率增大且在入射角为55°时P偏振光的透射率减小之外，没有问题。具体说来，当入射角为45°±5°时，特性几乎不改变，并且可以看到，根据本示例的光学元件的光学特性卓越(因为40°和50°的入射角下的特性与45°的入射角下的特性相同，所以在图9中省略了40°和50°的入射角下的特性的图形显示)。尽管图8中该三维结构形成到衬底端部，但是在衬底端部和结构之间可以有空间，如图10所示。因为这样的构造可以确保元件开口处的空间，所以可以减轻由于温度突然改变而导致的热损伤，并且可以抑制气体从接合部释放。这使得能够获得就周围环境而言更稳定的投影图像。

(比较示例1)

在比较示例1中，在平面化第一层的填充层的过程中，执行灰化20分钟。这里，由AFM对图2所示的6英寸光学玻璃衬底上的九个图案各自中心的氧化钛的曝光量的测量结果是：对于图案6-1、6-3、6-7和6-9为1nm；对于图案6-2、6-4、6-6、6-8为-4nm；而对于图案6-5为-9nm。这里，负值表示氧化钛未被曝光，而牺牲层保留在其表面上。此后，执行与示例4类似的过程。在图案6-2、6-4、6-6、6-8和6-5中，在灰化牺牲层之后引起光散射。作为用FE-SEM测量缺陷部分截面的结果，第二层的氧化钛层在微小区域的整个表面上具有缺陷。此外，因为就外观而言没有什么不方便，所以，图案6-1、6-3、6-7和6-9夹在棱镜之间。在后烘焙粘合剂的步骤中保持在200℃的期间，观测到从界面的剥落。

(比较示例2)

在比较示例2中，执行6.1分钟的平面化。在这种情况下，五氧化二钽的曝光量为25nm。在除上述之外与示例3类似的条件下获得相位差板。结果，该相位差板明显处于不清晰状态。此外，当测量光谱透射率时证实：如图7中的实心黑三角所示，透射率降低。

尽管参考示例实施例描述了本发明，但是应该明白，本发明不限于所公开的示例实施例。所附权利要求的范围应当被赋予最宽的解释，以便涵盖所有这样的变型和等同结构及功能。

Claims (8)

1.一种光学元件，包括：

衬底；

该衬底上形成的第一层；以及

该第一层上形成的第二层，

其中第一层和第二层中的每一个都包括空间和结构部件在与所述层的堆叠方向垂直的方向上的重复结构，所述重复结构的节距大于或等于10nm且小于或等于200nm，并且

其中第一层的重复结构和第二层的重复结构在第一层和第二层之间的界面处在所述层的堆叠方向上重叠。

2.根据权利要求1的光学元件，还包括在衬底和第一层之间的多个层，其中，从衬底数起，第一层由第i层形成，并且第二层由第(i+1)层形成。

3.根据权利要求1的光学元件，其中，第一层的重复结构和第二层的重复结构在大于或等于3nm且小于或等于20nm的范围内重叠。

4.根据权利要求1的光学元件，其中，第一层和第二层中的每一个重复结构都包括线和空间结构、具有孔的结构、以及具有点的结构中的任何一种。

5.根据权利要求1的光学元件，其中，第一层的重复结构和第二层的重复结构由相同的材料形成。

6.根据权利要求1的光学元件，其中，第一层的重复结构和第二层的重复结构由介电材料形成。

7.一种制造光学元件的方法，该光学元件包括衬底、以及该衬底上形成的第一层和第二层，该方法包括以下步骤：

在该衬底上形成第一层；

在第一层中加工包括空间和结构部件的重复结构，该重复结构的节距大于或等于10nm且小于或等于200nm；

用牺牲层的材料填充该重复结构中的空间；

蚀刻该牺牲层以从该牺牲层暴露该重复结构的上部；

在该重复结构和该牺牲层上形成第二层；

在第二层中加工包括空间和结构部件的重复结构，该重复结构的节距大于或等于10nm且小于或等于200nm；以及

去除所述牺牲层。

8.根据权利要求7所述的制造光学元件的方法，其中，在从牺牲层暴露所述重复结构的上部的步骤中，所述重复结构的侧表面暴露从所述重复结构的上表面起大于或等于3nm且小于或等于20nm的范围。

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