DE10320131A1

DE10320131A1 - Optische Beugungselemente und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE10320131A1
Application number: DE10320131A
Authority: DE
Inventors: James Albert Milpitas Matthews; Wayne H. Cupertino Grubbs
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Broadcom International Pte Ltd
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2023-05-07
Also published as: GB2393267A; DE10320131B4; JP2004062200A; GB2393267B; GB0604376D0; US6905618B2; GB0317739D0; DE10362217B4; GB2421805B; US20040020892A1; GB2421805A

Abstract

Optische Beugungselemente und Verfahren zur Herstellung derselben sind beschrieben. Bei einem Aspekt wird ein optisches Beugungselement durch ein Bilden einer Mehrschichtstruktur gebildet, die mehrere amorphe Siliziumphasenverschiebungsschichten aufweist, die jeweilige Dicken aufweisen, die so ausgewählt sind, daß das optische Beugungselement betreibbar ist, um eine Phasenverschiebung von Infrarotlicht innerhalb eines wirksamen Wellenlängenbereichs durchzuführen. Die amorphen Siliziumphasenverschiebungsschichten sind durch jeweilige Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten getrennt, die jeweilige Dicken von etwa 5 nm oder weniger aufweisen. Schichten der Mehrschichtstruktur werden seriell maskiert und geätzt, um eine optische Mehrstufenstruktur zu bilden. Bei einem anderen Aspekt wird ein optisches Beugungselement durch ein Bilden einer Mehrschichtstruktur hergestellt, die mehrere Ätzschichten aufweist, die durch jeweilige Ätzstopp-Schichten getrennt sind, die selektiv hinsichtlich der Ätzschichten ätzbar sind. Eine oder mehrere der Ätz- und Ätzstopp-Schichten sind im wesentlichen undurchlässig für Licht innerhalb eines wirksamen Wellenlängenbereichs. Undurchlässige Schichten werden in Substanzen umgewandelt, die im wesentlichen durchlässig für Licht innerhalb des wirksamen Wellenlängenbereichs sind. Schichten der Mehrschichtstruktur werden seriell maskiert und geätzt, um eine optische Mehrstufenstruktur zu bilden.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf optische Beugungselemente.

Optische Beugungselemente können in einer breiten Vielzahl unterschiedlicher Formen implementiert sein, wie z. B. Fresnel-Zonenplatten, Diffusoren, Kinoformen, Phasengittern und Hologrammen, und können in einer breiten Vielzahl unterschiedlicher optischer Anwendungen verwendet werden, einschließlich Hochauflösungsbilderzeugungssystemen und Faseroptikkopplerverbindungssystemen. In jüngerer Zeit wurden optische Beugungselemente entwickelt, um komplizierte Phasentransformationen einfallender Strahlung, wie z. B. eine Wellenfrontumwandlung, durchzuführen. Optische Beugungselemente können optische Beugungselemente vom Reflexionstyp sein oder dieselben können optische Beugungselemente vom Durchlaßtyp sein.

Allgemein sollten optische Beugungselemente hohe Beugungswirkungsgrade aufweisen. Um einen 100% Beugungswirkungsgrad zu erzielen, wird ein kontinuierliches Phasenprofil innerhalb einer bestimmten Periode benötigt, wobei Vorrichtungsstrukturen, die derartige kontinuierliche Phasenprofile liefern, jedoch schwierig herzustellen sind. Einem kontinuierlichen Phasenprofil kann man sich jedoch durch ein optisches Mehrebenenbeugungselement, das einen Satz diskreter Phasenpegel aufweist, annähern. Je größer die Anzahl diskreter Phasenpegel ist, desto besser ist die Annäherung an das entsprechende kontinuierliche Phasenprofil. Derartige optische Beugungselemente können mit relativ hohen Wirkungsgraden aufgebaut werden und sind leichter herzustellen als optische Beugungselemente, die kontinuierliche Phasenprofile liefern. Ein optisches Mehrebenenbeugungselement wird üblicherweise durch ein Erzeugen eines Satzes von Bi näramplitudenätzmasken und ein serielles Maskieren und Ätzen mehrerer Ebenen einer Materialstruktur erzeugt. Die Stufenhöhen der Ebenen eines optischen Mehrebenenbeugungselementes können die gleichen sein oder dieselben können unterschiedlich sein (z. B. können die Stufenhöhen binär gewichtet sein).

Die Mehrebenenoberflächenprofile gestufter optischer Beugungselemente können unter Verwendung von standardmäßigen Halbleiterintegrationsschaltungsherstellungstechniken hergestellt werden. Ätzprozesse sollten jedoch optimiert sein, um genaue und wiederholbare Ätztiefen für die unterschiedlichen Phasenpegel zu erzielen. Allgemein sind Ätzprozesse, die auf einer Steuerung einer Ätzrate und Ätzzeit beruhen, schwierig zu implementieren und leiden oft an Mikroladungsnäheeffekten, bei denen die lokale Ätzrate mit der Lokalstrukturdichte variiert, derart, daß die resultierende Phasenverschiebung jeder Ebene mit der Strukturdichte variiert. Das U.S.-Patent Nr. 6,392,792 hat ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Mehrebenenbeugungselementes vom Reflexionstyp aus einem Ätzstapel, der aus abwechselnden Schichten zweier unterschiedlicher Materialen besteht, die gute Ätzselektivitätseigenschaften aufweisen, derart, daß benachbarte Stapelschichten eine natürliche Ätzsperre füreinander bilden, vorgeschlagen. Das '792-Patent beschreibt einen Ätzstapel mit abwechselnden Schichten aus Silizium und Siliziumdioxid, die im wesentlichen gleiche Höhen aufweisen. Nachdem die Ätzstapelschicht geätzt wurde, wird ein Überzug eines Mehrschichtreflexionsstapels über der geätzten Struktur gebildet, um die Vorrichtung fertigzustellen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren oder ein optisches Beugungselement zu schaffen, mit denen hohe Beugungswirkungsgrade ohne großen Aufwand erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 14 oder ein optisches Beugungselement gemäß Anspruch 13 gelöst.

Die Erfindung weist erfindungsgemäße optische Beugungselemente und erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung derselben auf.

Bei einem Aspekt der Erfindung wird ein optisches Beugungselement durch ein Bilden einer Mehrschichtstruktur hergestellt, die mehrere amorphe Siliziumphasenverschiebungsschichten aufweist, die jeweilige Dicken aufweisen, die so ausgewählt sind, daß das optische Beugungselement betreibbar ist, um eine Phasenverschiebung von Infrarotlicht innerhalb eines wirksamen Wellenlängenbereichs durchzuführen. Die amorphen Siliziumphasenverschiebungsschichten sind durch jeweilige Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten getrennt, die jeweilige Dicken von etwa 5 nm oder weniger aufweisen. Schichten der Mehrschichtstruktur werden seriell maskiert und geätzt, um eine optische Mehrstufenstruktur zu bilden.

Bei einem anderen Aspekt weist die Erfindung ein optisches Beugungselement auf, das eine Mehrstufenstruktur aufweist, die mehrere amorphe Siliziumphasenverschiebungsschichten umfaßt, die jeweilige Dicken aufweisen, die ausgewählt sind, um eine Phasenverschiebung von Infrarotlicht innerhalb eines wirksamen Wellenlängenbereichs durchzuführen. Die amorphen Siliziumphasenverschiebungsschichten sind durch jeweilige Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten getrennt, die jeweilige Dicken von etwa 5 nm oder weniger aufweisen.

Bei einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein optisches Beugungselement durch ein Bilden einer Mehrschichtstruktur hergestellt, die mehrere Ätzschichten aufweist, die durch jeweilige Ätzstopp-Schichten getrennt sind, die selektiv hinsichtlich der Ätzschichten ätzbar sind. Eine oder mehrere der Ätz- und Ätzstopp-Schichten sind im wesentlichen undurchlässig für Licht innerhalb eines wirksamen Wellenlän genbereichs. Undurchlässige Schichten werden in Substanzen umgewandelt, die im wesentlichen durchlässig für Licht innerhalb des wirksamen Wellenlängenbereichs sind. Schichten der Mehrschichtstruktur werden seriell maskiert und geätzt, um eine optische Mehrstufenstruktur zu bilden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, einschließlich der Zeichnungen und der Ansprüche, ersichtlich.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsseitenansicht einer Mehrschichtstruktur, die mehrere Phasenverschiebungsschichten umfaßt, die durch jeweilige Ätzstopp-Schichten getrennt sind;
2A eine schematische Querschnittsseitenansicht der Mehrschichtstruktur aus 1, nachdem eine obere Oxidschicht entfernt wurde, und nachdem eine strukturierte Schicht eines Photoresists auf einer oberen Phasenverschiebungsschicht gebildet wurde;
2B eine schematische Querschnittsseitenansicht der Mehrschichtstruktur aus 2A, nachdem die obere Phasenverschiebungsschicht geätzt wurde;
2C eine schematische Querschnittsseitenansicht der Mehrschichtstruktur aus 2B, nachdem eine obere Ätzstopp-Schicht geätzt wurde;
3A eine schematische Querschnittsseitenansicht der Mehrschichtstruktur aus 2C mit einer darüberliegenden strukturierten Schicht eines Photoresists;
3B eine schematische Querschnittsseitenansicht der Mehrschichtstruktur aus 3A, nachdem eine zweite Phasenverschiebungsschicht geätzt wurde;
3C eine schematische Querschnittsseitenansicht der Mehrschichtstruktur aus 3B, nachdem eine zweite Ätzstopp-Schicht geätzt wurde;
4 eine schematische Querschnittsseitenansicht einer optischen Mehrstufenstruktur, die durch ein serielles Maskieren und Ätzen der Mehrebenenstruktur aus 1 gebildet ist;
5 eine schematische Querschnittsseitenansicht der optischen Mehrstufenstruktur aus 4, nachdem undurchlässige Schichten in Substanzen umgewandelt wurden, die im wesentlichen durchlässig für Licht innerhalb eines wirksamen Wellenlängenbereichs sind;
6A eine schematische Querschnittsseitenansicht einer umwandelbaren Schicht, die auf einem Substrat angeordnet ist;
6B eine schematische Querschnittsseitenansicht der umwandelbaren Schicht aus 6A, nachdem ein oberer Abdeckungsabschnitt oxidiert wurde;
6C eine schematische Querschnittsseitenansicht der umwandelbaren Schicht aus 6B, nachdem ein oberer Abschnitt oxidiert wurde, um eine Ätzschicht über einer Ätzstopp-Schicht zu bilden;
7 eine schematische Querschnittsseitenansicht einer Mehrschichtstruktur, die mehrere Ätz- und Ätzstopp-Schichten umfaßt, die über der Struktur aus 6C gebildet sind;
8 eine schematische Querschnittsseitenansicht einer optischen Mehrstufenstruktur, die durch ein serielles Maskieren und Ätzen der Mehrebenenstruktur aus 7 gebildet ist; und
9 eine schematische Querschnittsseitenansicht der optischen Mehrstufenstruktur aus 8, nachdem undurchlässige Schichten in Substanzen umgewandelt wurden, die im wesentlichen transparent für Licht innerhalb eines wirksamen Wellenlängenbereichs sind.
In der folgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Elemente zu identifizieren. Ferner sollen die Zeichnungen Hauptmerkmale exemplarischer Ausführungsbeispiele auf eine schematische Weise darstellen. Die Zeichnungen sollen weder jedes Merkmal tatsächlicher Ausführungsbeispiele noch relative Abmessungen der dargestellten Elemente darstellen und sind nicht maßstabsgetreu.
Bezug nehmend auf die 1, 2A, 2B, 2C, 3A, 3B, 3C und 4 und zu Beginn Bezug nehmend auf 1 kann bei einigen Ausführungsbeispielen das optische Beugungselement wie folgt gebildet werden. Zu Beginn wird eine Mehrschichtstruktur 10 auf einem Substrat 12 gebildet. Die Mehrschichtstruktur 10 umfaßt mehrere Phasenverschiebungsschichten 14, 16, 18, 20, die durch jeweilige Ätzstopp-Schichten 22, 24, 26 getrennt sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Mehrschichtstruktur 10 vier Phasenverschiebungsschichten. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Mehrschichtstruktur 10 mehr oder weniger Phasenverschiebungsschichten umfassen. Die Phasenverschiebungsschichten 14 bis 20 weisen jeweilige Dicken auf, die ausgewählt sind, um eine Phasenverschiebung bei Licht innerhalb eines wirksamen Wellenlängenbereichs (z. B. Infrarotlicht) durchzuführen. Bei Durchlaßtyp-Ausführungsbeispielen sind die Phasenverschiebungsschichten 14 bis 20, die Ätzstopp-Schichten 22 bis 26 und das Substrat 12 im wesentlichen durchlässig für Licht innerhalb des wirksamen Wellenlängenbereichs. Bei einigen dieser Ausführungsbeispiele sind die Ätzstopp-Schichten 22 bis 26 im wesentlichen an die Phasenverschiebungsschichten 14 bis 20 indexangepaßt, um die Bildung eines Interferenzfilters in Serie mit dem optischen Beugungselement zu vermeiden. Bei anderen Ausführungsbeispielen weisen die Ätzstopp-Schichten 22 bis 26 jeweilige Dicken auf, die wesentlich kleiner als die Lichtwellenlängen innerhalb des wirksamen Wellenlängenbereichs sind, um die Erzeugung eines derartigen Interferenzfilters zu vermeiden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Mehrschichtstruktur 10 außerdem eine Oxidabdeckungsschicht 28.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel, das zum Erzeugen eines optischen Beugungselementes vom Durchlaßtyp entworfen ist, das innerhalb des Infrarotwellenlängenbereichs betreibbar ist, kann das Substrat 12 aus einem Material (z. B. Silizium, Quarz, Saphir und Borosilikat-Glas) gebildet sein, das im wesentlich durchlässig für Infrarotlicht ist. Die Phasenverschiebungsschichten 14 bis 20 sind aus amorphem Silizium gebildet. Die amorphen Siliziumphasenverschiebungsschichten können durch ein chemisches Aufdampfungsverfahren (z. B. chemische Niederdruckaufdampfung (LPCVD) oder plasmagestützte chemische Aufdampfung (PECVD)) bei einer Temperatur von vorzugsweise unter etwa 600°C und noch bevorzugter bei etwa 550°C aufgebracht werden. Eine LPCVD-Aufbringung bei 550°C wird bevorzugt, da die resultierenden Phasenverschiebungsschichten genau gesteuerte Dicken aufweisen und im wesentlichen glatt und merkmalslos sind. Bei diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist jede Phasenverschiebungsschicht eine Dicke auf, die gleich einem Bruchteil der wirksamen Zielwellenlänge ist. Diese Dicke kann in dem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 500 nm liegen. Die Ätzstopp-Schichten 22 bis 26 sind aus Siliziumdioxid gebildet, das thermisch aufgewachsen oder durch ein chemisches Aufdampfungsverfahren (z. B. PECVD) aufgebracht werden kann. Nachdem jede Phasenverschiebungsschicht gebildet ist, können Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten thermisch auf die freiliegenden Oberflächen jeweiliger Phasenverschiebungsschichten durch ein Erwärmen auf eine Temperatur von vorzugsweise unter etwa 600°C und noch bevorzugter bei etwa 550°C aufgewachsen werden. Ein Beibehalten der thermischen Oxidationstemperatur unter etwa 600°C vermeidet die Bildung von Rohsiliziumunebenheiten auf den oberen Oberflächen jeder der amorphen Siliziumphasenverschiebungsschichten. Um die Bildung eines Interferenzfilters in Serie mit dem optischen Beugungselement zu vermeiden, betragen die Dicken der Ätzstopp-Schichten 22 bis 26 vorzugsweise weniger als etwa 5 nm und noch bevorzugter etwa 2 nm oder weniger.
Bezugnehmen auf die 2A – 2C und 3A – 3C kann, nachdem die Mehrschichtstruktur 10 auf dem Substrat 12 gebildet wurde, eine optische Mehrstufenstruktur, die dem letztendlichen optischen Beugungselement entspricht, durch ein serielles Maskieren und Ätzen durch die Schichten der Mehrschichtstruktur 10, wie folgt gebildet werden. Dieses Verfahren wird hinsichtlich des oben beschrieben exemplarischen Ausführungsbeispiels beschrieben.
Zu Beginn kann die Oxidabdeckungsschicht 28 (falls vorhanden) durch ein Tauchen der Struktur in eine verdünnte (z. B. 50:1) Wasser:Fluorwasserstoffsäure-(HF-)Lösung entfernt werden. Als nächstes wird ein Photoresist auf die obere Oberfläche der freiliegenden Phasenverschiebungsschicht 14 aufgeschleudert, vorgebacken, mit der ersten Maskenschicht belichtet und entwickelt, um eine strukturierte Photoresistschicht 30 auf der Oberfläche der freiliegenden Phasenverschiebungsschicht 14 zu bilden ( 2A). Ein vorteilhaftes Merkmal des amorphen Silizium/Siliziumdioxid-Material-Systems des exemplarischen Ausführungsbeispiels besteht darin, daß es stark absorbierend für das ultraviolette Licht ist, das üblicherweise verwendet wird, um die strukturierte Photoresistschicht 30 zu bilden, und deshalb Rückreflexionen vermeidet, die andernfalls die Genauigkeit der Photoresiststruktur verschlechtern könnten. Die Phasenverschiebungsschicht 14 kann geätzt werden, um die obere Schicht des letztendlichen optischen Beugungselementes zu bilden (2B). In dem Fall des exemplarischen Ausführungsbeispiels wird die Phasenverschiebungsschicht 14 unter Verwendung eines herkömmlichen Plasmaätzers geätzt, der konfiguriert ist, um Polysilizium zu ätzen (z. B. ein herkömmlicher CMOS-Gatter-Ätzer). Ein derartiges Plasmaätzen weist eine hohe (z. B. 50:1 oder mehr) Ätzselektivität zwischen Silizium und Siliziumdioxid auf und behält vertikale Seitenwände zwischen den geätzten und den nichtgeätzten Regionen bei. Die Phasenverschiebungsschicht 14 wird geätzt, bis das Ätzverfahren wirksam an der Ätzstopp-Schicht 22 gestoppt wird. Freiliegende Regionen der Ätzstopp-Schicht 22 werden durch ein Tauchen der Mehrschichtstruktur in eine verdünnte (50:1) Wasser:Fluorwasserstoffsäure-(HF-)Lösung entfernt (2C). Die Mehrschichtstruktur wird dann in Vorbereitung zur Verarbeitung der nächsten Phasenverschiebungsschicht 16 getrocknet.
Bezug nehmend auf die 3A – 3C wird ein Photoresist über die strukturierte Phasenverschiebungsschicht 14 und die freiliegende Oberfläche der Phasenverschiebungsschicht 16 aufgeschleudert. Das Photoresist wird dann vorgebacken, mir der zweiten Maskenschicht belichtet und entwickelt, um eine strukturierte Photoresistschicht 32 zu bilden ( 3A). Wie bei der oberen Phasenverschiebungsschicht 14 kann die Phasenverschiebungsschicht 16 geätzt werden, um die zweite Schicht des letztendlichen optischen Beugungselementes zu bilden (3B). In dem Fall des exemplarischen Ausführungsbeispiels wird die Phasenverschiebungsschicht 16 unter Verwendung eines herkömmlichen Plasmaätzers geätzt, der konfiguriert ist, um Polysilizium zu ätzen (z. B. ein herkömmlicher CMOS-Gatter-Ätzer). Freiliegende Regionen der Ätzstopp-Schicht 24 werden durch ein Tauchen der Mehrschichtstruktur in eine verdünnte (z. B. 50:1) Wasser:Fluorwasserstoffsäure-(HF-)Lösung entfernt (3C).
Die Mehrschichtstruktur wird dann in Vorbereitung zur Verarbeitung der nächsten Phasenverschiebungsschicht 18 getrocknet.
Bezug nehmend auf 4 werden die verbleibenden Phasenverschiebungsschichten 18 und 20 unter Verwendung einer Photolithographie und von Ätzschritten verarbeitet, die denjenigen ähneln, die verwendet werden, um die Phasenverschiebungsschichten 14 und 16 zu verarbeiteten, bis eine letztendliche optische Mehrstufenstruktur 34 gebildet ist. Diese Struktur kann direkt als ein optisches Beugungselement für Infrarotstrahlung in dem Fall des exemplarischen Ausführungsbeispiels verwendet werden. Antireflexionsbeschichtungen oder Schutzbeschichtungen können auf die optische Mehrstufenstruktur 34 aufgebracht werden. Alternativ kann eine Ein- oder Mehrschicht-Reflexionsbeschichtung (z. B. Aluminium oder eine Kombination aus Chrom und Gold) über den freiliegenden Oberflächen der optischen Mehrstufenstruktur 34 aufgebracht werden, um ein optisches Beugungselement vom Reflexionstyp zu bilden.
Bezug nehmend auf 5 kann die Mehrstufenstruktur 34 aus 4 bei einigen Ausführungsbeispielen oxidiert werden, um Regionen, die undurchlässig hinsichtlich Licht in einem unterschiedlichen wirksamen Wellenlängenbereich (z. B. Nahinfrarot- und Sichtbar-Wellenlängenbereich) sind, umzuwandeln und dadurch den wirksamen Wellenlängenbereich des resultierenden optischen Beugungselementes vom Durchlaßtyp zu erweitern. Hinsichtlich des exemplarischen Ausführungsbeispiels kann die optische Mehrstufenstruktur 34 z. B.:in Dampf auf eine Temperatur von etwa 1.000°C erwärmt werden, um die amorphen Siliziumphasenverschiebungsschichten 14 bis 20 in Siliziumdioxid (amorphes Quarz) umzuwandeln, das einen Durchlaßwellenlängenbereich aufweist, der sich in kürzere Wellenlängen (z. B. 850 nm) als den Durchlaßwellenlängenbereich von Silizium erstreckt. Die resultierende Struktur 36 ist eine mehrschichtige monolithische reine Siliziumdioxidstruktur. Diese Struktur kann in dem Fall des exem plarischen Ausführungsbeispiels direkt als ein optisches Beugungselement für einen breiten Bereich von Strahlungswellenlängen verwendet werden. Antireflexionsbeschichtungen oder Schutzbeschichtungen können auf die optische Mehrstufenstruktur 36 aufgebracht werden. Alternativ kann eine Ein- oder eine Mehrschichtreflexionsbeschichtung (z. B. Aluminium oder eine Kombination aus Chrom und Gold) über der freiliegenden Oberfläche der optischen Mehrstufenstruktur aufgebracht werden, um ein optisches Beugungselement vom Reflexionstyp zu bilden.
Bezug nehmend auf die 6A, 6B, 6C, 7, 8 und 9 und zu Beginn Bezug nehmend auf die 6A – 6C kann bei anderen Ausführungsbeispielen ein optisches Beugungselement wie folgt gebildet werden. Zu Beginn wird eine amorphe Siliziumschicht 40 auf einem Substrat 42 gebildet (6A). Die amorphe Siliziumschicht kann durch ein chemisches Aufdampfungsverfahren (z. B. chemische Niederdruckaufdampfung (LPCVD) oder plasmagestützte chemische Aufdampfung (PECVD)) bei einer Temperatur von vorzugsweise unter etwas 600°C und noch bevorzugter bei etwa 550°C aufgebracht werden. Die amorphe Siliziumschicht 40 weist eine Dicke auf, derart, daß die resultierende Schicht, nachdem sie in Siliziumdioxid umgewandelt wurde, betreibbar ist, um eine Phasenverschiebung bei Licht innerhalb des ausgewählten wirksamen Wellenlängenbereichs (z. B. Infrarot- oder sichtbares Licht) durchzuführen. Für optische Beugungselemente vom Durchlaßtyp kann das Substrat 42 aus einem Material (z. B. Silizium, Quarz, Saphir und Borosilikat-Glas für Infrarotund sichtbares Licht) gebildet sein, das im wesentlichen durchlässig für Licht innerhalb eines ausgewählten wirksamen optischen Wellenlängenbereichs ist. Als nächstes wird die amorphe Siliziumschicht 40 oxidiert, um eine dünne Abdeckungsschicht 44 mit einer Dicke in der Größenordnung von etwa 2 – 5 nm zu bilden. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Abdeckungsschicht 44 thermisch in Dampf bei einer Temperatur von vorzugsweise unter etwa 600°C und noch bevorzugter bei einer Temperatur von etwa 550°C aufgewachsen werden. Das Aufwachsen der Abdeckungsschicht 44 bei einer Temperatur unter etwa 600°C ermöglicht es, daß die Abdekkungsschicht 44 mit der gleichen glatten merkmalslosen Oberfläche der ursprünglichen amorphen Siliziumschicht 40 gebildet wird. Zusätzlich vermeidet das Bilden der Abdekkungsschicht 44 auf diese Weise die Bildung von Rohsiliziumunebenheiten, die sich andernfalls bilden könnten, wenn die amorphe Siliziumschicht 40 direkt auf eine Temperatur oberhalb etwa 600°C erwärmt würde. Nachdem die Abdeckungsschicht 44 gebildet ist, kann die amorphe Siliziumschicht 40 auf eine höhere Temperatur (z. B. etwa 1.000°C) im Dampf erwärmt werden, um eine Siliziumdioxid-Ätzschicht 46 zu bilden. Während dieses thermischen Oxidationsprozesses bei hoher Temperatur wird der verbleibende Teil der ursprünglichen amorphen Siliziumschicht 40 in Polysilizium umgewandelt. Diese Polysiliziumschicht entspricht einer Ätzstopp-Schicht 48 mit einer Dicke, die in der Größenordnung von etwa 10 nm ist. Der anfängliche Oxidationsprozeß bei niedriger Temperatur, der verwendet wird, um die Abdeckungsschicht 44 zu bilden, unterdrückt die Bildung von Siliziumunebenheiten, die andernfalls während der Umwandlung von amorphem Silizium in Polysilizium erzeugt werden könnten.
Bezug nehmend auf 7 wird der Prozeß des Aufbringens von amorphem Silizium, gefolgt durch eine sequentielle thermische Oxidation bei niedriger Temperatur und eine thermische Oxidation bei hoher Temperatur, wiederholt, bis eine Mehrschichtstruktur 50, die eine erwünschte Anzahl von Phasenverschiebungsebenen (z. B. 4 Ebenen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel) aufweist, gebildet ist.
Bezug nehmend auf 8 kann, nachdem die Mehrschichtstruktur 50 gebildet wurde, eine optische Mehrstufenstruktur 52, die einem letztendlichen optischen Beugungselement entspricht, durch ein serielles Maskieren und Ätzen durch die Schichten der Mehrschichtstruktur 50 wie folgt gebildet werden. Zu Beginn wird ein Photoresist auf die obere Oberfläche der freiliegenden Ätzschicht aufgeschleudert, vorge backen, mit der ersten Maskenschicht belichtet und entwikkelt, um eine strukturierte Photoresistschicht auf der Oberfläche der freiliegenden Ätzschicht zu bilden. Ein vorteilhaftes Merkmal des Polysilizium/Silziumdioxid-Material-Systems des exemplarischen Ausführungsbeispiels besteht darin, daß es stark absorbierend für das ultraviolette Licht ist, das üblicherweise verwendet wird, um die strukturierte Resistschicht zu bilden, und deshalb Rückreflexionen vermeidet, die andernfalls die Genauigkeit der Photoresiststruktur verschlechtern könnten. Die Ätzschicht kann geätzt sein, um die obere Schicht des letztendlichen optischen Beugungselementes zu bilden. In dem Fall des exemplarischen Ausführungsbeispiels wird die Ätzschicht unter Verwendung eines herkömmlichen Plasmaätzers geätzt, der konfiguriert ist, um Siliziumdioxid zu ätzen und bei Silizium zu stoppen (z. B. ein herkömmlicher CMOS-Kontaktätzer). Ein derartiges Plasmaätzen weist eine hohe (z. B. 20:1 oder mehr) Ätzselektivität zwischen Siliziumdioxid und Silizium auf und behält vertikale Seitenwände zwischen den geätzten und den ungeätzten Regionen bei. Die Ätzschicht wird geätzt, bis das Ätzverfahren wirksam bei der darunterliegenden Ätzstopp-Schicht stoppt. Die Ätzstopp-Schicht wird dann unter Verwendung eines herkömmlichen Plasmaätzers entfernt, der konfiguriert ist, um Polysilizium zu ätzen (z. B. ein herkömmlicher CMOS-Gatter-Ätzer). Ein derartiges Plasmaätzen weist eine hohe (z. B. 50:1 oder mehr) Ätzselektivität zwischen Silizium und Siliziumdioxid auf und behält vertikale Seitenwände zwischen den geätzten und den nichtgeätzten Regionen bei. Die Mehrschichtstruktur wird dann in Vorbereitung zur Verarbeitung der nächsten Ätzschicht getrocknet. Die verbleibenden Schichten der Mehrschichtstruktur 50 werden unter Verwendung einer Photolithographie und von Ätzschritten verarbeitet, die denjenigen ähneln, die verwendet werden, um die obere Ätz- und Ätzstopp-Schicht zu verarbeiten, bis die letztendliche optische Mehrstufenstruktur 52 gebildet ist.
Bezug nehmend auf 9 wird nach der Bildung die Mehrstufenstruktur 52 aus 8 oxidiert, um Regionen, die undurchlässig hinsichtlich Licht in einem erwünschten wirksamen Wellenlängenbereich (z. B. Nahinfrarot- und Sichtbar-Wellenlängenbereich) sind, umzuwandeln, um ein optisches Beugungselement vom Durchlaßtyp mit erweiterter Wellenlänge zu erhalten. Die optische Mehrstufenstruktur 52 kann z. B. auf eine Temperatur von etwa 1.000°C in Dampf erwärmt werden, um die Polysilizium-Ätzstopp-Schichten in Siliziumdioxid (amorphes Quarz) umzuwandeln, das einen Durchlaßwellenlängenbereich aufweist, der sich zu kürzeren Wellenlängen (z. B. 850 nm oder kürzer) als der Durchlaßwellenlängenbereich von Silizium erstreckt. Die resultierende Struktur 54 ist eine mehrschichtige, monolithische, reine Siliziumdioxidstruktur. Diese Struktur kann direkt als ein optisches Beugungselement für einen breiten Bereich von Strahlungswellenlängen verwendet werden. Antireflexionsbeschichtungen oder Schutzbeschichtungen können auf die optische Mehrstufenstruktur 54 aufgebracht werden. Alternativ kann eine Ein- oder Mehrschicht-Reflexionsbeschichtung (z. B. Aluminium oder eine Kombination von Chrom und Gold) über der freiliegenden Oberfläche der optischen Mehrstufenstruktur 54 aufgebracht werden, um ein optisches Beugungselement vom Reflexionstyp zu bilden.
Andere Ausführungsbeispiele liegen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das oben beschriebene Herstellungsverfahren für das optische Beugungselement z. B. verwendet werden, um Preßoriginale herzustellen, die verwendet werden können, um Beugungsoptiken in weichen Materialien zu erzeugen, wie z. B. Polymeren und Sol-Gel-Materialien. Bei diesen Ausführungsbeispielen wird ein Stück des Substrates, das die optische Mehrstufenstruktur trägt, verwendet, um die Oberfläche des weicheren Materials einzudrücken, wodurch eine komplexe Beugungsstruktur auf das weichere Material übertragen wird. Allgemein ist die resultierende Replik eine Umkehrung des Preßoriginals (die hohen Stellen auf der Replik entsprechen den niedrigen Stellen auf dem Original) und das Preßoriginal sollte entsprechend entworfen sein.

Claims

Verfahren zum Bilden eines optischen Beugungselementes, mit folgenden Schritten: Bilden einer Mehrschichtstruktur (10), die mehrere amorphe Siliziumphasenverschiebungsschichten (14 – 20) aufweist, die jeweilige Dicken aufweisen, die so ausgewählt sind, daß das optische Beugungselement betreibbar ist, um eine Phasenverschiebung von Infrarotlicht innerhalb eines wirksamen Wellenlängenbereichs durchzuführen, und die durch jeweilige Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten (22 – 26) getrennt sind, die jeweilige Dicken von etwa 5 nm oder weniger aufweisen; und serielles Maskieren und Ätzen von Schichten der Mehrschichtstruktur (10), um eine optische Mehrstufenstruktur (34) zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem jede Ätzstopp-Schicht (22 – 26, 48) eine Dicke von etwa 2 nm oder weniger aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Bilden der Mehrschichtstruktur (10) ein Aufbringen amorpher Siliziumphasenverschiebungsschichten (14 – 20) durch eine chemische Aufdampfung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem die amorphen Siliziumphasenverschiebungsschichten durch eine chemische Niederdruckaufdampfung aufgebracht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem die amorphen Siliziumphasenverschiebungsschichten (14 – 20) bei einer Temperatur unter etwa 600°C aufgebracht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Bilden der Mehrschichtstruktur (10) ein thermisches Aufwachsen von Silizium-Ätzstopp-Schichten (22 – 26) auf jeweilige Phasenverschiebungsschichten (14 – 20) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten (22 – 26) thermisch in Dampf bei einer Temperatur unter etwa 600°C aufgewachsen werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Bilden der Mehrschichtstruktur (10) ein Aufbringen von Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten (22 – 26) auf jeweilige Phasenverschiebungsschichten (14 – 20) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten (22 – 26) durch eine chemische Aufdampfung aufgebracht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, das ferner ein Umwandeln amorpher Siliziumphasenverschiebungsschichten (14 – 20) in der optischen Mehrstufenstruktur in Siliziumdioxid-Phasenverschiebungsschichten aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, das ferner ein Bilden, über der optischen Mehrstufenstruktur, einer Schicht, die im wesentlichen reflektierend für eine Strahlung innerhalb des wirksamen Wellenlängenbereichs ist, aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, das ferner ein Eindrücken der optischen Mehrstufenstruktur in ein relativ weiches Material aufweist, um eine Beugungsstruktur in das relativ weiche Material zu übertragen.
Optisches Beugungselement, das eine Mehrstufenstruktur (34) aufweist, die mehrere amorphe Siliziumphasenverschiebungsschichten (14 – 20) umfaßt, die jeweilige Dicken aufweisen, die ausgewählt sind, um eine Phasenverschiebung von Infrarotlicht innerhalb eines wirksamen Wellenlängenbereichs durchzuführen, und die durch jeweilige Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten (22 – 26) getrennt sind, die jeweilige Dicken von etwa 5 nm oder weniger aufweisen.
Verfahren zum Bilden eines optischen Beugungselementes, mit folgenden Schritten: Bilden einer Mehrschichtstruktur (10, 50), die mehrere Ätzschichten (14 – 20, 46) aufweist, die durch jeweilige Ätzstopp-Schichten (22 – 26, 48) getrennt sind, die selektiv hinsichtlich der Ätzschichten (14 – 20, 46) ätzbar sind, wobei eine oder mehrere der Ätz- und Ätzstopp-Schichten (14 – 26, 46, 48) im wesentlichen undurchlässig für Licht innerhalb eines wirksamen Wellenlängenbereichs sind; Umwandeln von undurchlässigen Schichten in Substanzen, die im wesentlichen durchlässig für Licht innerhalb des wirksamen Wellenlängenbereichs sind; und serielles Maskieren und Ätzen von Schichten der Mehrschichtstruktur (10, 50), um eine optische Mehrstufenstruktur (34, 52) zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem Ätzschichten (14 – 20, 46) und Ätzstopp-Schichten (22 – 26, 48) durch eine gegenseitige Ätzselektivität gekennzeichnet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem jede Ätzstopp-Schicht (22 – 26, 48) eine Dicke von etwa 5 nm oder weniger aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem Ätzschichten (14 – 20, 46) aus amorphem Silizium gebildet sind und Ätzstopp-Schichten (22 – 26, 48) aus Siliziumdioxid gebildet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem das Bilden der Mehrschichtstruktur (10, 50) ein Aufbringen amorpher Siliziumätzschichten durch eine chemische Aufdampfung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem die amorphen Siliziumätzschichten durch eine chemische Niederdruckaufdampfung aufgebracht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem die amorphen Siliziumätzschichten bei einer Temperatur unter etwa 600°C aufgebracht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem das Bilden der Mehrschichtstruktur (10, 50) ein thermisches Aufwachsen von Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten auf jeweilige amorphe Siliziumätzschichten aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem die Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten thermisch in Dampf bei einer Temperatur unter etwa 600°C aufgewachsen werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, bei dem das Bilden der Mehrschichtstruktur (10, 50) ein Aufbringen von Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten auf jeweilige amorphe Silizium-Ätzschichten aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 23, bei dem die Siliziumdioxid-Ätzstopp-Schichten durch eine chemische Aufdampfung aufgebracht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, bei dem das Umwandeln undurchlässiger Schichten ein Umwandeln amorpher Siliziumätzschichten in der optischen Mehrstufenstruktur (34, 52) in Siliziumdioxid-Schichten aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem Ätzschichten aus Siliziumdioxid gebildet sind und Ätzstopp-Schichten aus Silizium gebildet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 26, bei dem das Bilden der Mehrschichtstruktur (10, 50) ein Oxidieren eines oberen Teils einer amorphen Siliziumschicht aufweist, um eine Siliziumdioxid-Ätzschicht und eine darunterliegende Silizium-Ätzstopp-Schicht zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem das Oxidieren des oberen Teils der amorphen Siliziumschicht ein thermisches Aufwachsen einer Siliziumdioxid-Abdeckungsschicht auf einem oberen Teil der amorphen Siliziumschicht und ein darauffolgendes thermisches Oxidieren des verbleibenden oberen Teils der amorphen Siliziumschicht aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 28, bei dem die Abdeckungsschicht bei einer Temperatur unter etwa 600°C thermisch aufgewachsen wird und der verbleibende obere Teil thermisch bei einer Temperatur über etwa 600°C oxidiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 29, bei dem das Umwandeln undurchlässiger Schichten ein thermisches Oxidieren von Silizium-Ätzstopp-Schichten in der optischen Mehrstufenstruktur (34, 52) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 30, das ferner ein Bilden, über der optischen Mehrstufenstruktur (34, 52), einer Schicht, die im wesentlichen re flektierend für Strahlung innerhalb des wirksamen Wellenlängenbereichs ist, aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 31, das ferner ein Eindrücken der optischen Mehrstufenstruktur in ein relativ weiches Material aufweist, um eine Beugungsstruktur in das relativ weiche Material zu übertragen.