CN110941107A - 多层薄膜结构和使用多层薄膜结构的相移器件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种多层薄膜结构和使用多层薄膜结构的相移器件。多层薄膜结构包括交替堆叠的至少一个结晶防止层和至少一个电介质层。至少一个结晶防止层包括非晶材料，并且至少一个结晶防止层的厚度小于至少一个电介质层的厚度。

Description

多层薄膜结构和使用多层薄膜结构的相移器件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年9月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2018-0114373的优先权，并在此通过引用完整地并入其公开内容。
技术领域
本公开的示例实施例涉及多层薄膜结构和使用多层薄膜结构的相移器件，更具体地，涉及一种多层薄膜结构和相移器件，在多层薄膜结构中堆叠对于可见光具有高折射率和低消光系数的材料而不结晶，相移器件使用多层薄膜结构在可见光波段中操作。
背景技术
可以通过使用尺寸小于光波长的电介质结构的阵列来制造具有在自然界中找不到的独特电学和光学性质的光学器件(例如，超颖材料(metamaterial))。为了制造这种光学器件，使用在对应光的波长下具有高折射率和低吸收率(即，低消光系数)的材料。例如，折射率至少为3.5且消光系数为1x10-5或更小的硅(Si)主要用于波长为1550nm的红外波段。然而，在用于可见光的光学器件中难以使用Si，这是因为在可见光波段中的短波长下Si的光吸收很大。
另一方面，在可见光波段中具有低消光系数和高折射率的材料中，具有大表面粗糙度的结晶相比非晶相更加热力学稳定，因此当沉积的膜的厚度变厚时有助于结晶。结晶的结果是，材料的表面粗糙度变大，并且使用包括曝光和蚀刻工艺的传统半导体工艺进行图案化变得困难。
发明内容
根据示例实施例的一个方面，一种多层薄膜结构，包括：结晶防止层；以及在所述结晶防止层上的电介质层，其中，所述结晶防止层包括非晶材料，所述结晶防止层的厚度小于所述电介质层的厚度，并且所述结晶防止层和所述电介质层重复地堆叠至少一次。
所述多层薄膜结构还可以包括：非晶衬底，其中，所述电介质层可以在所述非晶衬底上，并且所述结晶防止层和所述电介质层可以交替地堆叠在所述电介质层上。
所述多层薄膜结构还可以包括：结晶衬底，其中，所述结晶防止层和所述电介质层可以交替地堆叠在所述结晶衬底上。
所述电介质层在可见光波段中的折射率可以为2.4或更大，并且所述电介质层的消光系数可以为1×10-5或更小。
所述结晶防止层在可见光波段中的消光系数可以为1×10-5或更小。
所述电介质层可以包括非晶材料或者晶粒尺寸为100nm或更小的结晶材料。
所述电介质层的厚度可以在50nm至500nm的范围内，并且所述结晶防止层的厚度可以大于0nm且小于或等于10nm。
结晶防止层的厚度总和可以为电介质层和结晶防止层的总厚度的5％或更小。
所述结晶防止层包括非晶氧化硅(SiO2)、非晶氮化硅(Si3N4)或非晶氧化铝(Al2O3)。
所述电介质层可以包括非晶氧化钛(TiO2)、非晶磷化镓(GaP)、非晶氮化镓(GaN)或非晶砷化铝(AlAs)。
所述多层薄膜结构的最上表面的表面粗糙度的均方根RMS值为2.5nm或更小。
根据示例实施例的一个方面，一种相移器件，包括：多个相移图案，所述多个相移图案的尺寸小于可见光的波长，其中，所述相移图案中的每个相移图案包括重复地堆叠至少一次的结晶防止层和电介质层，其中，所述结晶防止层包括非晶材料，并且所述结晶防止层的厚度小于所述电介质层的厚度。
所述相移图案中的每个相移图案可以具有在第一方向上延伸的条或狭缝的形式，并且所述多个相移图案可以沿着与所述第一方向垂直的第二方向一维地布置。
所述多个相移图案可以是二维布置的，并且所述相移图案中的每个相移图案可以具有正方形、矩形、圆形或椭圆形形状。
所述相移器件可以被应用于可见光波段或近红外波段中的平面透镜、平面滤色器、平面波束偏转器或平面分光镜。
根据示例实施例的一个方面，一种多层薄膜结构，包括：至少一个结晶防止层；以及至少一个电介质层，其中，所述至少一个结晶防止层包括非晶材料，其中，所述至少一个结晶防止层的厚度小于所述至少一个电介质层的厚度，并且其中，所述至少一个结晶防止层和所述至少一个电介质层交替地堆叠。
所述多层薄膜结构还可以包括非晶衬底，其中，所述至少一个电介质层中的最下电介质层设置在所述非晶衬底上。
所述多层薄膜结构还可以包括结晶衬底，其中，所述至少一个结晶防止层和所述至少一个电介质层交替地堆叠在所述结晶衬底上。
所述至少一个电介质层在可见光波段中的折射率可以大于或等于2.4，并且所述至少一个电介质层在可见光波段中的消光系数小于或等于1×10-5。
所述至少一个结晶防止层在可见光波段中的消光系数可以小于或等于1×10-5。
所述至少一个电介质层可以包括晶粒尺寸小于或等于100nm的晶体材料或者包括非晶材料。
所述至少一个电介质层的厚度可以在50nm至500nm的范围内，并且所述至少一个结晶防止层的厚度可以小于或等于10nm。
全部的所述至少一个结晶防止层的厚度的总和可以小于或等于全部的所述至少一个电介质层和全部的所述至少一个结晶防止层的总厚度的5％。
所述至少一个结晶防止层可以包括非晶氧化硅(SiO2)、非晶氮化硅(Si3N4)或非晶氧化铝(Al2O3)。
所述至少一个电介质层可以包括非晶氧化钛(TiO2)、非晶磷化镓(GaP)、非晶氮化镓(GaN)或非晶砷化铝(AlAs)。
所述多层薄膜结构的最上表面的表面粗糙度的均方根值可以小于或等于2.5nm。
根据示例实施例的一个方面，一种相移器件，包括：多个相移图案，所述多个相移图案中的每个相移图案的至少一个维度小于可见光的波长，其中，所述多个相移图案中的每个相移图案包括交替堆叠的至少一个结晶防止层和至少一个电介质层，其中，所述至少一个结晶防止层包括非晶材料，并且其中，所述至少一个结晶防止层的厚度小于所述至少一个电介质层的厚度。
所述相移器件还可以包括非晶衬底，其中，所述多个相移图案中的每个相移图案包括所述至少一个电介质层中的最下电介质层，所述最下电介质层堆叠在所述非晶衬底上。
所述相移器件还可以包括结晶衬底，并且所述多个相移图案中的每个相移图案包括交替堆叠在所述结晶衬底上的所述至少一个结晶防止层和所述至少一个电介质层。
所述至少一个电介质层在可见光波段中的折射率可以大于或等于2.4，并且所述至少一个电介质层在可见光波段中的消光系数可以小于或等于1×10-5。
所述至少一个结晶防止层在可见光波段中的消光系数可以小于或等于1×10-5。
所述至少一个电介质层可以包括晶粒尺寸小于或等于100nm的晶体材料或者包括非晶材料。
所述至少一个电介质层的厚度可以在50nm至500nm的范围内，并且所述至少一个结晶防止层的厚度可以小于或等于10nm。
所述多个相移图案中的每个相移图案中存在的全部的所述至少一个结晶防止层的厚度的总和可以小于或等于所述多个相移图案中的每个相移图案中存在的全部的所述至少一个电介质层和全部的所述至少一个结晶防止层的总厚度的5％。
所述至少一个结晶防止层可以包括非晶氧化硅(SiO2)、非晶氮化硅(Si3N4)或非晶氧化铝(Al2O3)，所述至少一个电介质层可以包括非晶氧化钛(TiO2)、非晶磷化镓(GaP)、非晶氮化镓(GaN)或非晶砷化铝(AlAs)。
所述多个相移图案中的每个相移图案的最上表面的表面粗糙度的均方根值可以小于或等于2.5nm。
所述多个相移图案中的每个相移图案可以包括在第一方向上延伸的条或狭缝，并且所述多个相移图案可以沿着与所述第一方向垂直的第二方向布置。
所述多个相移图案可以是二维布置的，并且所述多个相移图案中的每个相移图案可以具有正方形、矩形、圆形或椭圆形形状。
所述相移器件可以被应用于平面透镜、平面滤色器、平面波束偏转器或平面分光镜，并且所述相移器件可以被配置为使可见光波段或近红外波段中的入射光的相位移位。
根据示例实施例的一个方面，一种薄膜材料，包括：交替堆叠的电介质非晶层和结晶防止非晶层，其中，所述电介质非晶层中的每个电介质非晶层的厚度小于使所述电介质非晶层发生结晶时的厚度。
所述结晶防止非晶层中的每个结晶防止非晶层的厚度可以小于所述电介质非晶层中的每个电介质非晶层的厚度。
所述结晶防止非晶层中的每个结晶防止非晶层的厚度可以小于或等于10nm，并且所述电介质非晶层中的每个电介质非晶层的厚度可以在50nm至500nm的范围内。
所述电介质非晶层在可见光波段中的折射率可以大于或等于2.4，并且所述电介质非晶层在可见光波段中的消光系数可以小于或等于1×10-5。
所述结晶防止非晶层在可见光波段中的消光系数可以小于或等于1×10-5。
所述薄膜材料的最上层可以是电介质非晶层，并且所述最上层的表面粗糙度的均方根值可以小于或等于2.5nm。
所述薄膜材料还可以包括形成在衬底上的多个结构，所述多个结构中的每个结构包括交替堆叠的电介质非晶层和结晶防止非晶层。
所述多个结构中的每个结构的宽度可以小于可见光的波长。
所述多个结构中的每个结构之间的间隔可以小于可见光的波长。
附图说明
从结合附图对示例实施例的以下描述中，上述和/或其他方面将变得清楚明白并且更容易理解，其中：
图1是根据示例实施例的多层薄膜结构的配置的截面图；
图2是根据示例实施例的多层薄膜结构的配置的截面图；
图3是图1中所示的多层薄膜结构的制造示例的截面图；
图4是示出了根据图3中所示的多层薄膜结构中的结晶防止层的厚度的反射率变化的图；
图5是实际制造的多层薄膜结构的截面照片；
图6是示出了图5中所示的多层薄膜结构的上表面的照片；
图7是示出了根据比较例的薄膜结构的截面和上表面的照片；
图8是示出了在增大薄膜结构的厚度之后图7中所示的薄膜结构的截面和上表面的照片；
图9是示出了根据示例实施例的多层薄膜结构的折射率的图；
图10是示出了根据示例实施例的相移器件的结构的截面图；
图11是根据示例实施例的相移器件的示例性相移图案形式的透视图；
图12是根据示例实施例的相移器件的示例性相移图案形式的透视图；
图13是根据示例实施例的相移器件的示例性相移图案形式的透视图；
图14是根据示例实施例的相移器件的示例性相移图案形式的透视图；
图15是实际制造的具有纳米晶格相移图案的相移器件的表面的照片；
图16是实际制造的具有纳米柱相移图案的相移器件的表面的照片；
图17是示出了根据图15和图16中所示的相移器件中相移图案的宽度变化的相移的图；
图18是根据示例实施例的平面透镜的纳米柱相移图案的布置的视图；
图19是根据图18中所示的平面透镜的位置的相移示例的图；
图20是图18中所示的平面透镜的操作示例的截面图；
图21是根据示例实施例的平面波束偏转器的纳米柱相移图案的布置的视图；
图22是根据图21中所示的平面波束偏转器的位置的相移示例的图；以及
图23是图21中所示的平面波束偏转器的操作示例的截面图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述多层薄膜结构和使用多层薄膜结构的相移器件。相同的附图标记始终表示相同的元件。在附图中，为了清楚起见，可以放大构成元件的尺寸。以下描述的实施例是仅仅是示例，并且可以进行各种修改。在下面描述的层结构中，诸如“上方”或“上”之类的表述不仅可以包括“以接触方式直接在上/下/左/右”的含义，而且还包括“以非接触方式在上/下/左/右”的含义。
图1是根据示例实施例的多层薄膜结构10的配置的截面图。参照图1，根据示例实施例的多层薄膜结构10包括其中交替地堆叠结晶防止层13(即，结晶防止非晶层)和透明电介质层12(即，电介质非晶层)的结构。透明电介质层12可以具有高折射率。在本示例实施例中，高折射率可以定义为约2.4或更高的折射率，该折射率比可见光波段(450nm至750nm)或近红外波段(750nm至1000nm)中空气的折射率高约1.4或更多。术语“透明”可以表示在可见红外波段或近红外波段中消光系数为1x10-5或更小。满足这些条件的高折射率透明电介质层12的材料可以包括例如氧化钛(TiO2)、磷化镓(GaP)、氮化镓(GaN)或砷化铝(AlAs)。所有这些材料在550nm的波长下具有1×10-5或更小的消光系数。另外，TiO2的折射率在550nm的波长下约为2.453，GaP的折射率在550nm的波长下约为3.450，GaN的折射率在550nm的波长下约为2.408，并且AlAs的折射率在550nm的波长下约为3.248。
当诸如TiO2、GaP、GaN、AlAs等的材料的厚度增加时，由于结晶，表面粗糙度的均方根(RMS)值也增大。因此，难以制造临界尺寸为100nm或更小的纳米结构。可以通过在电介质层12之间插入结晶防止层13来抑制电介质层12的结晶。结晶防止层13可以包括材料，该材料在可见光波段或近红外波段中具有1×10-5或更小的消光系数，同时稳定地保持非晶态而不是晶态。例如，满足这些条件的结晶防止层13的材料可以包括非晶氧化硅(SiO2)、非晶氮化硅(Si3N4)或非晶氧化铝(Al2O3)。
备选地，可以通过在电介质层12的表面上执行离子注入来形成结晶防止层13。例如，在形成电介质层12之后，将诸如氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氖(Ne)等的贵重元素、诸如硅(Si)、锗(Ge)等的IV族元素、诸如硼(B)、镓(Ga)、铟(In)等的III族元素、或者诸如氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等的V族元素离子注入到电介质层12的表面中。然后，上述离子密集分布在电介质层12的表面上，以形成结晶防止层13。接下来，可以在前一电介质层12的离子注入表面上沉积另一电介质层12。
多层薄膜结构10还可以包括非晶衬底11。例如，衬底11可以包括玻璃、石英、熔融二氧化硅或非晶Al2O3。
当衬底11包括非晶材料时，可以首先在衬底11上沉积电介质层12。结晶防止层13可以沉积在电介质层12上，并且电介质层12可以再次沉积在结晶防止层13上。以这种方式，可以交替地堆叠电介质层12和结晶防止层13。电介质层12和结晶防止层13的沉积方法可以包括例如溅射、电子束蒸发、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、金属有机气相外延溅射(MOCVD)、原子层沉积(ALD)等。备选地，可以在通过上述气相沉积方法沉积电介质层12之后，通过离子注入将离子注入到电介质层12的表面中来形成结晶防止层13。
尽管图1说明性地示出了四个电介质层12和三个结晶防止层13堆叠在衬底11上，但这仅是示例。例如，多层薄膜结构10可以仅包括两个电介质层12和仅一个结晶防止层13，或者可以仅包括三个电介质层12和仅两个结晶防止层13。另外，可以堆叠比图1中所示的更多数量的电介质层12和结晶防止层13。例如，电介质层12和结晶防止层13的总厚度可以在约200nm至约2000nm的范围内，并且可以考虑每个电介质层12的厚度和每个结晶防止层13的厚度来确定电介质层12的数量和结晶防止层13的数量。
如果电介质层12的厚度太大，在堆叠过程中电介质层12可能结晶。因此，电介质层12可以只堆叠到电介质层12未结晶的程度，然后可以在其上堆叠结晶防止层13。例如，一个电介质层12的厚度可以在约50nm至约500nm的范围内。一个电介质层12的厚度可以小于使电介质层发生结晶时的厚度。
图2是根据另一示例实施例的多层薄膜结构10a的配置的截面图。参照图2，多层薄膜结构10a可以包括由结晶材料形成的衬底11。在这种情况下，当电介质层12直接堆叠在衬底11上时，电介质层12本身也可能会结晶。因此，确定在衬底11上是直接堆叠结晶防止层13还是电介质层12可以依据衬底11的类型。当衬底11是结晶状时，如图2所示，首先将结晶防止层13沉积在衬底11上，并在结晶防止层13上沉积电介质层12。
无论衬底11的类型如何，电介质层12总是位于图1中所示的多层薄膜结构10和图2中所示的多层薄膜结构10a的顶部。因此，当衬底11是非晶形的时，电介质层12的数量比结晶防止层13的数量多一个。当衬底11是结晶状时，电介质层12的数量与结晶防止层13的数量相同。
由于结晶防止层13的折射率小于电介质层12的折射率，所以当多层薄膜结构10和10a中结晶防止层13的比例增大时，多层薄膜结构10和10a可能会失去高折射率特性。模拟多层薄膜结构10以便检查电介质层12的影响。例如，图3是图1中所示的多层薄膜结构10的制造示例的截面图。参照图3，三个电介质层12和两个结晶防止层13交替地堆叠在玻璃衬底11上。这里，假设电介质层12具有200nm的厚度并且包括TiO2，并且结晶防止层13包括SiO2。
图4是示出了根据图3中所示的多层薄膜结构中的结晶防止层13的厚度的反射率变化的图。参照图4，当没有结晶防止层13时，即当结晶防止层13的厚度为0nm时，多层薄膜结构10的反射率为约4％。当结晶防止层13的厚度为5nm时，多层薄膜结构10的反射率保持在约4％。然而，随着结晶防止层13的厚度进一步增加，多层薄膜结构10的反射率逐渐增加。特别地，可以看出，当结晶防止层13的厚度从10nm增加到20nm时，多层薄膜结构10的反射率从约8％大幅增加到38％。结果，当多层薄膜结构10和10a中的结晶防止层13的比例增加时，不仅多层薄膜结构10和10a失去高折射率特性，而且多层薄膜结构10和10a的光透射率也降低。
考虑到这些结果，结晶防止层13的厚度可以比一个电介质层12的厚度小得多。例如，结晶防止层13的厚度可以大于0nm且不大于约10nm。另外，结构中所有结晶防止层13的厚度总和可以被限制为结构中所有电介质层12和所有结晶防止层13的总厚度的5％或更小。
图5是实际制造的多层薄膜结构10的截面照片。参照图5，TiO2作为电介质层12被沉积在玻璃衬底11上至约200nm的厚度，SiO2作为结晶防止层13被沉积至约5nm的厚度，并且另一层TiO2作为电介质层12被沉积在其上至约200nm的厚度。
此外，图6是示出了图5中所示的多层薄膜结构10的上表面的照片。图6中所示的照片示出了以相对于表面法线约50°的角度倾斜地拍摄的多层薄膜结构10的最上表面。参见图6，可以看出多层薄膜结构10的最上表面非常光滑。
图7是示出了根据比较例的薄膜结构的截面和上表面两者的照片，该照片是以约50°的角度倾斜地拍摄的。在图7中所示的照片中，TiO2被沉积在玻璃衬底上至约210nm的厚度，以形成根据比较例的薄膜结构。参照图7，可以看出TiO2一直到210nm的厚度都未结晶，并且薄膜结构的上表面是光滑的。
图8是示出了在增大薄膜结构的厚度之后图7中所示的薄膜结构的截面和上表面两者的照片，该照片是以约50°的角度倾斜地拍摄的。参照图8，当连续地沉积TiO2并且厚度变为约415nm时，由于TiO2的厚度增加而引起TiO2部分地结晶，所以在TiO2的上表面上看到粗晶粒。
如上所述，通过在电介质层12之间插入结晶防止层13，可以在保持多层薄膜结构10和10a的厚度的同时，防止电介质层12的材料结晶。因此，根据本示例实施例的多层薄膜结构10和10a中的电介质层12的材料可以保持非晶态。备选地，电介质层12的材料可以部分地结晶，但是晶粒的尺寸可以被抑制到100nm或更小。于是，多层薄膜结构10和10a的最上表面的表面粗糙度的RMS值可以保持在2.5nm或更小。
图9是示出了根据示例实施例的多层薄膜结构10的折射率的图。多层薄膜结构10具有这样的结构，其中在TiO2之间插入5nm厚的SiO2，具有400nm的总厚度。图9一起示出了都不包括结晶防止层13的Si3N4、Al2O3、SiO2和TiO2的折射率以用于比较。参照图9的图，可以看出多层薄膜结构10的折射率远大于Si3N4、Al2O3和SiO2的折射率，并且基本上类似于不包括结晶防止层13的TiO2的折射率。例如，多层薄膜结构10在550nm的波长下的折射率仅比TiO2的折射率小0.013。因此，即使当结晶防止层13插入在电介质层12之间时，可以看出，当结晶防止层13的厚度小时，保持高折射率特性。
如上所述，多层薄膜结构10和10a可以在可见光波段或近红外波段中具有足够高的折射率和足够低的消光系数。此外，由于电介质层12完全或几乎完全是非晶的，所以多层薄膜结构10和10a的上表面的表面粗糙度可以足够低。因此，可以使用包括曝光和蚀刻的传统半导体工艺将多层薄膜结构10和10a图案化成纳米级图案。通过将多层薄膜结构10和10a图案化成纳米级图案，可以制造在可见光波段或近红外波段中操作的各种光学器件。
例如，图10是示出了根据示例实施例的相移器件20的结构的截面图。参照图10，相移器件20可以包括至少一个维度小于可见光的波长的多个相移图案15(即，结构)。这里，可以通过图案化多层薄膜结构10和10a来形成多个相移图案15。因此，每个相移图案15可以包括被重复堆叠至少一次的高折射率的透明电介质层12和结晶防止层13。
如上所述，当衬底11是非晶衬底时，每个相移图案15包括多层薄膜结构，在该多层薄膜结构中电介质层12和结晶防止层13按此顺序重复地堆叠在衬底11上，并且电介质层12布置在顶表面上。当衬底11是结晶衬底时，每个相移图案15包括多层薄膜结构，在该多层薄膜结构中结晶防止层13和电介质层12按此顺序重复地堆叠在衬底11上。另外，相移图案15的结构可以与包括电介质层12和结晶防止层13的多层薄膜结构10和10a的结构相同。
每个相移图案15的宽度W、每两个相邻相移图案15之间的间隔S和每个相移图案15的高度H可以根据相移器件20的应用和入射光的波长而不同地确定。每个相移图案15的宽度W和两个相邻相移图案15之间的间隔S中的一者或两者可以小于可见光的波长，以便在可见光波段或近红外波段中操作。例如，每个相移图案15的宽度W和两个相邻相移图案15之间的间隔S可以在100nm至700nm的范围内。另外，每个相移图案15的高度H可以在200nm至约2000nm的范围内。
取决于要形成的相移器件20的期望的光学特性，多个相移图案15可以具有各种形状和布置。每个相移图案15的宽度W或两个相邻相移图案15之间的间隔S可以根据在相移器件20上的位置而局部地变化。例如，每个相移图案15的宽度W或两个相邻相移图案15之间的间隔S可以逐渐增大或减小，或者可以不规则地变化。多个相移图案15可以非周期性地布置在相移器件20的整个区域内，或者局部周期性地布置在相移器件20上的特定区域内。
例如，图11是根据示例实施例的相移器件20a的示例性相移图案15的形式的透视图。参照图11，每个相移图案15可以具有在第一方向上延伸的条的形式。多个相移图案15可以在垂直于第一方向的第二方向上布置。多个相移图案15可以具有不同的宽度W。图11示出了相移图案15的宽度W在第二方向上逐渐减小，但是这仅是示例。取决于其他设计，相移图案15的宽度W可以周期性地或不规则地改变。而且，多个相移图案15可以具有相同的宽度W，并且相移图案15之间的间隔S也可以不同。
图12是根据另一示例实施例的相移器件20b的示例性相移图案15的形式的透视图。参照图12，与图11中所示的条形式不同的是，每个相移图案15可以具有在第一方向上延伸的狭缝的形式。多个相移图案15可以布置在垂直于第一方向的第二方向上。例如，可以通过通常的半导体工艺在多层薄膜结构10和10a中形成笔直的槽来制造图12中所示的相移器件20b。
此外，图13是根据另一示例实施例的相移器件20c的示例性相移图案15的形式的透视图。参考图13，每个相移图案15可以具有正方形或矩形形状。于是，可以二维地布置多个相移图案15。多个相移图案15的宽度W或多个相移图案15之间的间隔S中的一者或两者可以根据在相移器件20c上的位置而局部地变化。可以通过通常的半导体工艺图案化多层薄膜结构10和10a来制造相移器件20c。
此外，图14是根据另一实施例的相移器件20d的示例性相移图案15的形式的透视图。参照图14，每个相移图案15可以具有圆形或椭圆形形状，并且多个相移图案15可以二维地布置。
另外，每个相移图案15可以具有各种形状。例如，每个相移图案15可以具有其他多边形形状，例如六边形。另外，每个相移图案15可以是具有圆形、椭圆形或多边形形状的孔。
图15是实际制造的具有纳米晶格相移图案15的相移器件的表面的照片。通过使用TiO2和SiO2将多层薄膜结构10形成到400nm的高度，然后通过曝光和蚀刻工艺对多层薄膜结构10进行图案化来形成相移图案15。
图16是实际制造的具有纳米柱相移图案15的相移器件的表面的照片。每个相移图案15具有圆柱形状。通过使用TiO2和SiO2将多层薄膜结构10形成到200nm的高度，然后通过曝光和蚀刻工艺对多层薄膜结构10进行图案化来形成相移图案15。
图17是示出了根据图15和图16中所示的相移器件中相移图案15的宽度变化或直径变化的相移的图。在图17中，G1、G2、G3和G4表示具有纳米晶格相移图案15的相移器件，P1、P2、P3和P4表示具有纳米柱相移图案15的相移器件，纳米晶格相移图案15具有不同宽度，纳米柱相移图案15具有不同直径。
参照图17，具有纳米晶格相移图案15的相移器件中宽度为120nm、180nm、240nm和300nm的相移图案15的每个宽度的相位延迟分别为126°、81°、31°和-8°。因此，随着相移图案15的宽度增加，相位延迟减小。具有所示纳米晶格相移图案15的相移器件中的最大相位延迟和最小相位延迟之间的差值是134°。
此外，对于具有纳米柱相移图案15的相移器件，相移器件中直径为120nm、180nm、240nm和300nm的相移图案15的每个直径的相位延迟分别为167°、147°、101°和93°。因此，随着相移图案15的直径增加，相位延迟减小。具有所示纳米柱相移图案15的相移器件中的最大相位延迟和最小相位延迟之间的差值是74°。
利用这种相移器件，可以会聚入射光，在特定方向上散射或反射入射光，改变入射光的行进方向，或者仅透射或反射入射光中特定波长的光。特别地，通过使用在可见光波段或近红外波段中具有高折射率和低消光系数的材料实现1/4光波长或更小光波长的线宽，可以制造在可见光波段或近红外波段中超过衍射现象的物理极限的光学器件。可以根据由相移图案15的布置引起的相移分布来确定光学器件的操作特性。
例如，图18是根据示例实施例的平面透镜30的纳米柱相移图案15的布置的视图。参照图18，具有圆柱形状的多个相移图案15以同心圆的形式布置在衬底11上。相移图案15的直径根据在平面透镜30上的位置而变化，并且布置在距平面透镜30的中心相同径向位置处的相移图案15可以具有相同直径。换言之，相移图案15的每个同心圆具有统一的直径。
图19是根据图18中所示的平面透镜30的位置而得到的相移示例的图。在图19中，横轴表示在穿过平面透镜30的中心的截面中的位置，纵轴表示相位延迟。相移图案15的直径可以自平面透镜30的中心在径向方向上变化，以便具有图19中所示的相位延迟。
图20是图18中所示的平面透镜30的操作示例的截面图。如图20所示，具有如图19中所示的相位延迟分布的平面透镜30可以用作用于会聚入射光的透镜。平面透镜30可以制造成1μm或更小的非常小的厚度，因此可以用在小型光学器件或小型电子器件中。
图21示意性地示出了根据示例实施例的平面波束偏转器40的纳米柱相移图案15的布置。参照图21，具有直条形状的多个相移图案15布置在衬底11上。相移图案15的宽度朝向右侧减小，并且相移图案15之间的间隔朝向右侧增加。
图22是根据图21中所示的平面波束偏转器40的位置而得到的相移示例的图。参考图22，相位延迟朝向平面波束偏转器40的右侧增加。
图23是图21中所示的平面波束偏转器40的操作示例的截面图。如图23所示，具有如图22中所示的相位延迟分布的平面波束偏转器40可以将入射光的行进方向改变到特定方向。
除了图18至图23中所示的平面透镜30和平面波束偏转器40之外，还可以有各种应用。例如，相移器件可以应用于在可见光波段或近红外波段中操作的平面滤色器、平面分光镜等。另外，相移器件可以以片上形式形成在半导体电路结构上，例如图像传感器、显示器件、空间光调制器等。
尽管上面已经参考附图中所示的实施例描述了多层薄膜结构和使用多层薄膜结构的相移器件，但是它们仅是示例。应当理解，本文所描述的示例实施例应当被认为仅是描述性的，而不是为了限制目的。在权利要求中而不是在以上描述中指出权利范围，并且在等同物的范围内的所有差异应被解释为包括在该权利范围内。

Claims (33)

1.一种多层薄膜结构，包括：
至少一个结晶防止层；以及
至少一个电介质层，
其中，所述至少一个结晶防止层包括非晶材料，
其中，所述至少一个结晶防止层的厚度小于所述至少一个电介质层的厚度，并且
其中，所述至少一个结晶防止层和所述至少一个电介质层交替地堆叠。
2.根据权利要求1所述的多层薄膜结构，还包括：
非晶衬底，
其中，所述至少一个电介质层中的最下电介质层设置在所述非晶衬底上。
3.根据权利要求1所述的多层薄膜结构，还包括：
结晶衬底，
其中，所述至少一个结晶防止层和所述至少一个电介质层交替地堆叠在所述结晶衬底上。
4.根据权利要求1所述的多层薄膜结构，其中，所述至少一个电介质层在可见光波段中的折射率大于或等于2.4，并且所述至少一个电介质层在可见光波段中的消光系数小于或等于1×10-5。
5.根据权利要求4所述的多层薄膜结构，其中，所述至少一个结晶防止层在可见光波段中的消光系数小于或等于1×10-5。
6.根据权利要求1所述的多层薄膜结构，其中，所述至少一个电介质层包括晶粒尺寸小于或等于100nm的晶体材料或者包括非晶材料。
7.根据权利要求1所述的多层薄膜结构，其中，所述至少一个电介质层的厚度在50nm至500nm的范围内，并且所述至少一个结晶防止层的厚度小于或等于10nm。
8.根据权利要求7所述的多层薄膜结构，其中，全部的所述至少一个结晶防止层的厚度的总和小于或等于全部的所述至少一个电介质层和全部的所述至少一个结晶防止层的总厚度的5％。
9.根据权利要求1所述的多层薄膜结构，其中，所述至少一个结晶防止层包括非晶氧化硅SiO2、非晶氮化硅Si3N4或非晶氧化铝Al2O3。
10.根据权利要求1所述的多层薄膜结构，其中，所述至少一个电介质层包括非晶氧化钛TiO2、非晶磷化镓GaP、非晶氮化镓GaN或非晶砷化铝AlAs。
11.根据权利要求1所述的多层薄膜结构，其中，所述多层薄膜结构的最上表面的表面粗糙度的均方根值小于或等于2.5nm。
12.一种相移器件，包括：
多个相移图案，所述多个相移图案中的每个相移图案的至少一个维度小于可见光的波长，
其中，所述多个相移图案中的每个相移图案包括交替堆叠的至少一个结晶防止层和至少一个电介质层，
其中，所述至少一个结晶防止层包括非晶材料，并且
其中，所述至少一个结晶防止层的厚度小于所述至少一个电介质层的厚度。
13.根据权利要求12所述的相移器件，还包括：
非晶衬底，
其中，所述多个相移图案中的每个相移图案包括所述至少一个电介质层中的最下电介质层，所述最下电介质层堆叠在所述非晶衬底上。
14.根据权利要求12所述的相移器件，还包括：
结晶衬底，并且
所述多个相移图案中的每个相移图案包括交替堆叠在所述结晶衬底上的所述至少一个结晶防止层和所述至少一个电介质层。
15.根据权利要求14所述的相移器件，其中，所述至少一个电介质层在可见光波段中的折射率大于或等于2.4，并且所述至少一个电介质层在可见光波段中的消光系数小于或等于1×10-5。
16.根据权利要求15所述的相移器件，其中，所述至少一个结晶防止层在可见光波段中的消光系数小于或等于1×10-5。
17.根据权利要求12所述的相移器件，其中，所述至少一个电介质层包括晶粒尺寸小于或等于100nm的晶体材料或者包括非晶材料。
18.根据权利要求12所述的相移器件，其中，所述至少一个电介质层的厚度在50nm至500nm的范围内，并且所述至少一个结晶防止层的厚度小于或等于10nm。
19.根据权利要求18所述的相移器件，其中，所述多个相移图案中的每个相移图案中存在的全部的所述至少一个结晶防止层的厚度的总和小于或等于所述多个相移图案中的每个相移图案中存在的全部的所述至少一个电介质层和全部的所述至少一个结晶防止层的总厚度的5％。
20.根据权利要求12所述的相移器件，其中，所述至少一个结晶防止层包括非晶氧化硅SiO2、非晶氮化硅Si3N4或非晶氧化铝Al2O3，并且
其中，所述至少一个电介质层包括非晶氧化钛TiO2、非晶磷化镓GaP、非晶氮化镓GaN或非晶砷化铝AlAs。
21.根据权利要求12所述的相移器件，其中，所述多个相移图案中的每个相移图案的最上表面的表面粗糙度的均方根值小于或等于2.5nm。
22.根据权利要求12所述的相移器件，其中，所述多个相移图案中的每个相移图案包括在第一方向上延伸的条或狭缝，并且所述多个相移图案沿着与所述第一方向垂直的第二方向布置。
23.根据权利要求12所述的相移器件，其中，所述多个相移图案是二维布置的，并且所述多个相移图案中的每个相移图案具有正方形、矩形、圆形或椭圆形形状。
24.根据权利要求12所述的相移器件，其中，所述相移器件被应用于平面透镜、平面滤色器、平面波束偏转器或平面分光镜，并且
其中，所述相移器件被配置为使可见光波段或近红外波段中的入射光的相位移位。
25.一种薄膜材料，包括：
交替堆叠的电介质非晶层和结晶防止非晶层，
其中，所述电介质非晶层中的每个电介质非晶层的厚度小于使所述电介质非晶层发生结晶时的厚度。
26.根据权利要求25所述的薄膜材料，其中，所述结晶防止非晶层中的每个结晶防止非晶层的厚度小于所述电介质非晶层中的每个电介质非晶层的厚度。
27.根据权利要求26所述的薄膜材料，其中，所述结晶防止非晶层中的每个结晶防止非晶层的厚度小于或等于10nm，并且
其中，所述电介质非晶层中的每个电介质非晶层的厚度在50nm至500nm的范围内。
28.根据权利要求25所述的薄膜材料，其中，所述电介质非晶层在可见光波段中的折射率大于或等于2.4，并且所述电介质非晶层在可见光波段中的消光系数小于或等于1×10-5。
29.根据权利要求28所述的薄膜材料，其中，所述结晶防止非晶层在可见光波段中的消光系数小于或等于1×10-5。
30.根据权利要求25所述的薄膜材料，其中，所述薄膜材料的最上层是电介质非晶层，并且
其中，所述最上层的表面粗糙度的均方根值小于或等于2.5nm。
31.根据权利要求25所述的薄膜材料，还包括形成在衬底上的多个结构，所述多个结构中的每个结构包括交替堆叠的电介质非晶层和结晶防止非晶层。
32.根据权利要求31所述的薄膜材料，其中，所述多个结构中的每个结构的宽度小于可见光的波长。
33.根据权利要求31所述的薄膜材料，其中，所述多个结构中的每个结构之间的间隔小于可见光的波长。
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