CN112241038A - 高指数、弯帽线栅偏振器 - Google Patents

Abstract

线栅偏振器(WGP)的每根导线可包括从基板向外移动的以下层：高指数层、低指数层、以及反射层。每根导线可具有离基板最远、具有凸形形状的远端。这些层和凸形形状可被组合用于更稳定和改进的Rs。

Description

高指数、弯帽线栅偏振器

发明领域

本申请一般涉及线栅偏振器。

背景技术

线栅偏振器(WGP)可将光分为两种不同的偏振状态。一种偏振状态可以主要通过WGP，而另一种偏振状态可以主要被吸收或反射。WGP的有效性或性能基于主导透射偏振(有时称为Tp)的高透射、相反偏振的最小透射(有时称为Ts)和相反偏振的期望反射(有时称为Rs)。对比度(Tp/Ts)是WGP性能的有用指示符。

如果将使用所反射的光束，则具有相反偏振的高反射率(例如，高Rs)是有帮助的。对于反射型WGP而言，高Rs是期望的，而效率(Tp*Rs)是WGP性能的有用指示符。如果不使用所反射的光束，并且如果所反射的光会干扰光学系统，则这有助于具有较低的Rs。由于难以制造纳米大小的导线，晶片之间甚至每个晶片内的Rs可能会有过度的变化。减少这种变化将是有益的。

发明内容

已经认识到，改进线栅偏振器(WGP)的性能和减少Rs的变化将是有利的。本发明针对满足这些需求的WGP的各种实施例。

WGP可包括在基板的表面上具有毗邻导线之间的通道的导线阵列。每根导线可包括从基板向外移动的以下层：高指数层、低指数层和反射层。

附图的简要说明(附图可能未按比例绘制)

图1是根据本发明的实施例的包括基板11的面11_F上的导线阵列12的线栅偏振器(WGP)10的示意性横截面侧视图；每根导线12包括高指数层HL、低指数层LL和反射层RL。

图2是根据本发明实施例的与WGP 10类似的WGP 20的示意性横截面侧视图，但是WGP 20进一步包括每根导线12的具有凸形形状的远端12_D。

图3是根据本发明的实施例的与WGP 10和20类似的WGP 30的示意性横截面侧视图，除了WGP 20的反射层RL位于每根导线12的远端12_D处并且反射层RL具有凸形形状之外。

图4是根据本发明的实施例的使用WGP 40使光偏振的方法的示意图，该方法包括从光源41向WGP 40(WGP 40的面向光源41的基板11)发射光束42。

定义。以下定义(包括其复数形式)贯穿本专利申请适用。

本文所列出的金属氧化物包括金属与氧以任何比率的组合，包括非化学计量的组合。

除非本文另有明确说明，否则所有n和k的值(折射率的实部n和消光系数k)是跨从450nm到700nm的波长范围的此种值。

如本文中所使用的，短语“本质上包括”和关于线结构的相关短语意指导线包括所提及的(诸)薄膜，但不包括用于光学性能的其他(诸)薄膜。然而，导线还可包括杂质，或用于防止诸如腐蚀或氧化的涂层。出于本定义的目的，导线12下的基板肋部不包括在该导线中。

如本文中所使用的，术语“细长的”意指导线12的长度L(进入附图的版面中并垂直于导线宽度W₁₂或导线厚度Th₁₂)实质上大于导线宽度W₁₂或导线厚度Th₁₂(例如，L可以是导线宽度W₁₂和/或导线厚度Th₁₂的≥10倍、≥100倍、≥1000倍，或≥10000倍)。见图1。

如本文中所使用的，术语“nm”意指(几)纳米。

如本文中所使用的，术语“在…上”、“位于…上”、“位于…处”和“位于…之上”意指直接位于之上或与中间的某种其他固体材料一起位于之上。术语“直接位于…上”、“邻接”、“邻接”和“毗邻”是指直接和立即的接触。

如本文中所使用的，术语“平行”意指完全平行、在正常制造公差内平行或几乎平行，使得任何偏离完全平行的偏差对设备的正常使用将具有可忽略不计的影响。

如本文中所使用的，术语“基板”意指基底材料，诸如玻璃晶片。如果在权利要求书中如此明确说明，则基板在光学意义上可能是厚的，这意味着在使用的波长范围中实质上比光的最大波长更厚。例如，基板的厚度Th₁₁可以是≥0.1mm、≥0.35mm或≥0.6mm。

如本文中所使用的，术语“紫外光谱”意指≥10nm并且<400nm，术语“可见光谱”意指≥400nm并且<700nm，而术语“红外光谱”意指≥700nm并且≤1mm。

如本文中所使用的，术语“折射率”意指折射率的实部(n)，而术语“消光系数”意指折射率的虚部(k)。

光学结构中使用的材料可以吸收一些光，反射一些光，并透射一些光。以下定义将主要吸收型、主要反射型或主要透明的材料进行了区分。每种材料可被认为在预期使用的波长范围中、跨紫外光谱、跨可见光谱、跨红外光谱或其组合是吸收型、反射型的或透明的，并且可以在不同波长范围中具有不同的特性。因此，一种材料是吸收型、反射型还是透明的取决于预期的使用波长范围。基于反射率R、折射率的实部n和折射率的虚部/消光系数k，将材料分为吸收型、反射型和透明的。等式1被用于确定正常入射下空气与均匀材料板之间分界的反射率R：

等式1：

除非本文中另有明确规定，波长范围中k≤0.1的材料为“透明的”材料，在规定波长范围内k>0.1且R≤0.6的材料为“吸收型”材料，而在规定波长范围内k>0.1且R>0.6的材料为“反射型”材料。如果在权利要求中如此明确说明，则在规定波长范围中，k>0.1且R≥0.7、R≥0.8或R≥0.9的材料为“反射型”材料。

除非本文中另有明确说明，否则所有与温度相关的值均为25℃时的此种值。

具体实施方式

如图1中所解说的，示出了一种线栅偏振器(WGP)10，该线栅偏振器(WGP)10包括基板11的面11_F上的导线阵列12，毗邻导线12之间具有通道13。导线阵列12可以是平行的和细长的。各导线12的间距P可以小于期望偏振范围的最低波长的1/2(例如，对于可见光的偏振，P<200nm)。每根导线12可包括或基本上包括从基板11向外移动的以下层：高指数层HL、低指数层LL和反射层RL。与低指数层LL的较低折射率n_L相比，高指数层HL可以具有高折射率n_H。

以下是示例折射率和消光系数值和关系，其可以是跨紫外光谱、跨红外光谱、跨可见光谱或其组合的此类值或关系。以下折射率和消光系数值和关系可以是跨可见光谱的一部分(诸如，跨至少50nm、至少100nm或至少150nm的可见光谱的部分)的此类值或关系。

高指数层HL的折射率n_H可以高于低指数层LL的折射率n_L(n_H>n_L)；高指数层HL的消光系数k_H可以高于低指数层LL的消光系数k_L(k_H>k_L)；或者两者都如此。低指数层LL的折射率n_L可以低于高指数层HL的折射率n_H(n_L<n_H)；低指数层LL的消光系数k_L可以低于高指数层HL的消光系数k_H(k_L<k_H)；或者两者都如此。对于反射型WGP而言，高指数层HL的消光系数k_H和低指数层LL的消光系数k_L两者可以都很小，诸如举例而言，k_H≤0.01且k_L≤0.01。

高指数层HL的折射率n_H可以高于导线中任何其他层的折射率。例如，高指数层HL的折射率n_H可以是：n_H≥2、n_H≥3或n_H≥4。在一个实施例中，除了高指数层HL之外，导线中的所有层可以具有<2或<3的折射率。

对于反射型WGP而言，高指数层HL的消光系数k_H可以≤0.01，或者对于吸收型WGP而言，可以≥0.1。低指数层LL的消光系数k_L可以≤0.01。

反射层RL的消光系数k_R可以高于导线中任何其他层的消光系数。反射层RL的消光系数k_R可以高于高指数层HL的消光系数k_H、高于低指数层LL的消光系数k_L，或者两者皆有(k_R>k_H，k_R>k_L，或两者皆有)。

以下是用于这些层的每一层的示例材料，无论它们在可见光谱中被分类为反射型(R)、吸收型(A)还是透明的(T)，以及它们的折射率(n)和消光系数(k)的值：

	层	R,A,T	N,k 400nm	N,k 550nm	N,k 700nm
						氧化钛	HL	T	2.3,0	2.2,0	2.1,0
硅	HL	A	5.6,0.39	4.1,0.04	3.8,0.01
						锗	HL	A	4.7,2.21	5.2,2.20	5.0,0.47
二氧化硅	LL	T	1.5,0	1.5,0	1.5,0
						铝	RL	R	0.31,3.8	0.59,5.27	1.2,6.64

列出的折射率值来自https://refractiveindex.info/。

WGP 10可如下制作：可按以下顺序在基板11上施加以下层，每层的厚度在括号中：二氧化钛薄膜(80nm)、二氧化硅薄膜(80nm)、铝薄膜(80nm)、二氧化硅硬掩模(290nm)、铝硬掩模(150nm)，然后是抗蚀剂层。抗蚀剂层的厚度可根据抗蚀剂的类型和光刻方法而变化。

抗蚀剂层可以用氟蚀刻，铝硬掩膜可以用氯或溴蚀刻，二氧化硅硬掩膜可以用氟蚀刻，铝薄膜可用氯或溴蚀刻以形成反射层RL，二氧化硅薄膜可用氟蚀刻以形成低指数层LL，并且二氧化钛薄膜可用氯或溴蚀刻以形成高指数层HL。在蚀刻过程的这一阶段处，应消耗抗蚀剂和铝硬掩模，但可能仍会有一些剩余的二氧化硅硬掩模。任何剩余的二氧化硅硬掩模可随后用氟去除。除上述之外，聚合物膜或氧气可被用于钝化导线12的侧壁。

如图2－3中所解说的，WGP 20和30类似于WGP 10，但WGPs 20和30进一步包括具有凸形形状的每条导线12的远端12_D。如图2中所解说的，反射层RL上的顶层24可以具有凸形形状。如图3中所解说的，反射层RL可以位于每根导线12的远端12_D处，并且反射层RL可以具有凸形形状。WGP 20和30类似于WGP 10来制作，除了可以减少或跳过去除剩余二氧化硅的最终氟蚀刻之外，从而消除或减少一个蚀刻步骤并降低制造成本。

凸形形状可以是半圆形或半椭圆形。椭圆形状的另一半在图2-3中用线25来示出。如图2中所解说的，半椭圆形状的长轴27可平行于基板11的面11_F延伸，或垂直于基板11的面11_F延伸，如图3中所解说的。

半椭圆形状可具有>0、≥0.1、≥0.25、≥0.5、≥0.75或≥0.9；以及≤0.6、≤0.75、≤0.9、≤0.95、≤0.97、≤0.98或<1的偏心率。例如，图2中的WGP 20具有平行于基板11的面11_F的半椭圆形状的长轴27并且偏心率约为0.91；而图3中的WGP 30具有垂直于基板11的面11_F的半椭圆形状的长轴27并且偏心率约为0.76。

如果顶层24具有凸形形状，如图2中所解说的，则反射层RL具有矩形形状(例如，对反射层RL的侧面进行最小或无蚀刻)是优选的。这可以通过使用各向异性蚀刻、在顶层24上方使用较厚的顶层24或硬掩膜、减少的蚀刻时间、更高的蚀刻偏压功率、更低的蚀刻室压力或其组合来实现。此外，顶层24与反射层RL之间较高的蚀刻选择性可有助于实现这一点。

此外，如果顶层24是透明的，并且具有凸形形状，则可以沿着顶层24的厚度来调整此种凸形形状以改进WGP性能，尤其是增加的期望偏振的透射(例如，增加的Tp)和减少的相反偏振的反射(例如Rs)的变化。顶层24的凸形形状的优选形状取决于整体WGP结构和波长范围；然而，如图2中所解说的，如果可以在不蚀刻到反射层RL的侧面的情况下制造，凸形形状的半椭圆形状的长轴27平行于基板11的面11_F延伸通常是优选的。一般来说，与顶层24与反射层RL之间较高的蚀刻选择性结合，更多的各向异性蚀刻可被用于实现这一点。顶层24可以是硬掩模的其余部分，或者顶层24的材料可以夹在硬掩模与反射层RL之间。

取决于WGP的使用以及顶层24的材料和厚度，顶层24的凸形形状具有半圆形状，或者顶层24的凸形形状的半椭圆形状的长轴27垂直于基板11的面11_F延伸可能是优选的。这种形状可以为高指数层HL、低指数层LL和反射层RL提供更好的保护。为了形成这样的结构，可以连同使用具有较少各向异性特征的蚀刻来应用用于顶层24的较厚的材料层。

如果反射层RL具有凸形形状，如图3中所解说的，如果凸形形状的半椭圆形状的长轴27垂直于基板11的面11_F延伸，则可以实现期望偏振的透射(例如，增加的Tp)。这可以通过使用更薄的硬掩模、偏压功率的降低、增加的腔室压力以及更少的硬掩膜与反射层RL材料之间的蚀刻化学的选择性来实现。

如果反射层RL具有凸形形状，但是相对于高Tp，相反偏振的低透射(例如，低Ts)和高对比度(例如，高Tp/Ts)是优选的，则凸形形状的半椭圆形状的长轴27可以平行于基板11的面11_F延伸。相对于上一段的蚀刻，这可以通过以下来实现：更厚的硬掩模、增加的偏压功率、减少的腔室压力、以及增加的硬掩模与反射层RL的材料之间的蚀刻化学的选择性。

因此，在其中反射层RL具有凸形形状的WGP 30中，在高Tp(垂直于面11_F的长轴27)和低Ts(平行于面11_F的长轴27)之间存在折衷。因此，取决于哪个对特定应用最有用，每个WGP可被调整为增加的Tp或减少的Ts。WGP 30可比WGP 10和20具有更高的Tp；但WGP 10和20比WGP 30具有更高的对比度(Tp/Ts)。WGP 10可以比WGP 20和30具有改进的Rs。WGP 20和30可比WGP 10更容易制造。对于每个WGP应用而言，Tp、Ts、Rs和成本的不同组合是优选的。

如果高指数层HL是透明的(例如，二氧化钛)，则WGP 10、20和30可具有高Rs，或者如果高指数层HL是吸收型的(例如，硅或锗)，则可以具有低Rs。此外，这样的Rs可以在晶片之间或晶片内部的Rs变化最小的情况下稳定。Rs的这种改进是由以下多个因素的组合造成的：导线12中的层的顺序、各层的特定材料、各层的特定折射率、各层的特定消光系数，对每根导线12中仅几个这样的层的限定(例如，三层、四层或五层)，每根导线12的远端12_D处的凸形形状，以及高指数层HL和低指数层LL的矩形横截面形状。正是这些因素的协同组合提供了改进和一致的Rs。

高指数层HL和低指数层LL可各自具有矩形横截面形状，如图1－3中所解说的。具有有矩形横截面形状的高指数层HL和低指数层LL的WGP的制造对于减少所制造的晶片之间、或者甚至每个晶片内部的Rs的变化特别有用。这可以通过将高指数层HL和低指数层LL夹在基板11与反射层RL之间来实现，从而在蚀刻期间保护高指数层HL和低指数层LL，然后定位光源41使其面向基板11而不是面向导线12，如以下段落中所述。

图4中解说的是使用WGP 40的方法，包括从光源41向WGP 40发射光束42，其中WGP40的基板11面向光源41。WGP 40可以是本文中描述的WGP中的任何一个。尽管在现有技术的WGP中，导线通常面向光源，但是为了使Rs的变化最小，使用本文中的具有面向光源41的基板11的WGP是优选的。

Claims (10)

1.一种线栅偏振器(WGP)，包括：

在基板的表面上具有毗邻导线之间的通道的导线阵列；

每根导线具有离所述基板最远的远端，所述远端具有凸形形状；

每根导线包括从所述基板向外移动的以下层：高指数层、低指数层、以及反射层；

跨可见光谱，所述高指数层的折射率高于所述低指数层的折射率；以及

跨所述可见光谱，所述高指数层的折射率高于所述导线中的任何其它层的折射率。

2.如权利要求1所述的WGP，其特征在于，所述高指数层和所述低指数层各自具有矩形横截面形状。

3.如权利要求1所述的WGP，其特征在于，跨所述可见光谱，所述高指数层和所述低指数层各自具有矩形横截面形状kR>kH且kR>kL，其中kR是所述反射层的消光系数，kH是所述高指数层的消光系数，而kL是所述低指数层的消光系数。

4.如权利要求1所述的WGP，其特征在于，跨所述可见光谱：所述高指数层的所述折射率为≥2，所述高指数层的所述消光系数为≤0.01，且所述低指数层的所述消光系数为≤0.01。

5.如权利要求1所述的WGP，其特征在于，跨所述可见光谱的至少50nm：所述高指数层的所述折射率为≥3，所述高指数层的所述消光系数为≥0.1，且所述低指数层的所述消光系数为≤0.01。

6.如权利要求1所述的WGP，其特征在于，每根导线的所述远端的凸形形状具有半椭圆形状或半圆形状。

7.如权利要求1所述的WGP，其特征在于，每根导线的所述远端的凸形形状具有半圆形，或半椭圆形，其中所述半椭圆形的长轴垂直于所述基板的面延伸并且偏心率≥0且≤0.6。

8.如权利要求1所述的WGP，其特征在于，每根导线的所述远端的凸形形状具有半椭圆形，其中所述半椭圆形的长轴垂直于所述基板的面延伸并且偏心率≥0.6且≤0.98。

9.如权利要求1所述的WGP，其特征在于，每根导线的所述远端的凸形形状具有半圆形，或半椭圆形，其中所述半椭圆形的长轴平行于所述基板的面延伸。

10.一种使用如权利要求1所述的WGP来偏振光的方法，所述方法包括从光源向所述WGP发射光束，所述基板面向所述光源。

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