JP2021033282A - 有機部分が埋め込まれた光学デバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光学デバイスは、隣接するワイヤ１２の間にチャネル（複数可）１３を有する基板の表面上のワイヤ１２を備えることができる。各ワイヤ１２は、埋め込まれた有機部分を含むことができる。各ワイヤ１２は、複数のリブを含むことができる。ワイヤ１２、基板、又は両方の一部又はすべては、高い屈折率ｎ及び低い吸光係数ｋを有することができる。
【効果】光学デバイスは、屈曲及び温度変化の間の異なる材料の層の分離を低下することができる。光学デバイスは、製造可能性を向上するために設計された方法により製造されることができる。
【選択図】図１ａ
【効果】光学デバイスは、屈曲及び温度変化の間の異なる材料の層の分離を低下することができる。光学デバイスは、製造可能性を向上するために設計された方法により製造されることができる。
【選択図】図１ａ
Description
本願は、概してワイヤグリッド偏光子に関連する。
光学デバイスは、ともに結合される複数層の異なる材料を含むことができる。これら層は、異なる材料の異なる熱膨張係数に起因して光学デバイスの屈曲の間又は温度変化の間に分離することができる。そのような層の分離を最小化又は排除することは役立つであろう。
いくつかの光学材料の堆積は、難しく且つ遅い場合があり、追加の欠陥をもたらすことができる。いくつかの堆積技術は光学デバイスを加熱し、堆積材料の粒子構造及び科学量論に悪い影響を及ぼすことができる。いくつかの堆積技術は、層全体の密度の望ましくない変動をもたらすことができる。特定の材料をエッチングすることが困難であることができる。光学デバイスの製造可能性を改善するのに役立であろう。
屈曲の間及び温度変化の間の光学デバイスの異なる材料の層の分離を最小化又は排除することが有利であろうことは認識されている。光学デバイスの製造可能性を改善することが有利であろうことは認識されている。本発明は、これらのニーズを満たす光学デバイスの様々な実施形態及びその作成方法に関する。各実施形態は、これらのニーズの１つ、いくつか、又はすべてを満たしてよい。
光学デバイスは、隣接するワイヤの間にチャネル（複数可）を有する基板の表面上のワイヤを備えることができる。各ワイヤは、埋め込まれた有機部分を含むことができる。方法は、基板上に未硬化層を設けること、次に未硬化層を硬化して硬化層を形成することを含むことができる。基板、ワイヤ、ワイヤ内のリブ（複数可）、硬化層、又はそれらの組み合わせは、屈折率ｎ≧１．７及び吸光係数ｋ≦０．１を有することができる。
（図面はスケールどおりに描かれていない場合がある。）
定義。複数の同一を含む次の定義は、本特許出願全体に適用する。
本明細書で使用される場合、用語「上（ｏｎ）」は、いくつかの他の固体材料を間に挟んで直接上に配置される又は上方に配置されることを意味する。
本明細書で使用される場合、用語「細長い（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ）」は、ワイヤ１２の長さＬが、ワイヤ幅Ｗ又はワイヤ厚Ｔｈ１２より実質的に大きいことを意味する。例えば、Ｌは、ワイヤ幅Ｗ、ワイヤ厚Ｔｈ１２、又はその両方の１０倍以上、１００倍以上、１０００倍以上、又は１０，０００倍以上、より大きくすることができる。図２を参照せよ。
本明細書で使用される場合、用語「平行（ｐａｒａｌｌｅｌ）」は、厳密な平行、標準的な製造公差内の平行、又はほぼ平行を意味し、それにより、厳密な平行からのずれは、デバイスの通常の使用に対して無視可能な効果しか及ぼさないであろう。
本明細書で使用される場合、用語「から作られる（ｍａｄｅ ｏｆ）」は、意図しない不純物を除いて、材料が特定の材料組成を有することを意味する。
本明細書にリストされる金属酸化物は、非化学量論的組み合わせを含む、任意の比の金属と酸素の組み合わせを含む。
本明細書で使用される場合、用語「基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」という用語は、例えばガラスウェハなどの基材を意味する。特許請求の範囲において別段の特定がない限り、用語「基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）」は、ガラスウェハ及び偏光子のワイヤの間に挟まれた任意の薄膜（複数可）も含む。基板は、光学的な意味で厚くすることができ、これは、使用の波長範囲の光の最大波長より実質的に厚いことを意味する。例えば、基板の厚さＴｈ１１は、０．１ｍｍ以上、０．３５ｍｍ以上、又は０．６ｍｍ以上であることができる。
光学構造に使用される材料は、ある程度の光を吸収し、ある程度の光を反射し、またある程度の光を透過することができる。次の定義は、主に吸収性、主に反射性、又は主に透過性である材料の間を区別する。各材料は、紫外線スペクトルに亘って、可視スペクトルに亘って、赤外線スペクトルに亘って、又はそれらの組み合わせについて、使用目的の波長範囲で吸収性、反射性、又は透過性であると考えることができ、異なる波長範囲で異なる特性を有することができる。材料は、反射率Ｒ、屈折率ｎの実部、屈折率の虚部／吸光係数ｋに基づいて、吸収性、反射性、及び透過性に分類されます。式１は、標準的な入射での空気と材料の一様なスラブとの間のインタフェースの反射率Ｒを決定するのに使用される。
本明細書で別段の明示的な特定がない限り、波長範囲内でｋ≦０．１を有する材料は「透過性（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ）」な材料であり、特定の波長範囲でｋ＞０．１及びＲ≦０．６を有する材料は「吸収性（ａｂｓｏｒｐｔｉｖｅ）」材料であり、特定の波長範囲でｋ＞０．１及びＲ＞０．６の材料は、「反射性（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）」材料である。特許請求の範囲において明示的に記載されている場合、特定の波長範囲でｋ＞０．１及びＲ≧０．７、Ｒ≧０．８、又はＲ≧０．９を有する材料は、「反射性（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）」材料である。
本明細書で使用される場合、紫外線スペクトルは１０ｎｍ以上且つ４００ｎｍ未満を意味し、可視スペクトルは４００ｎｍ以上且つ７００ｎｍ未満を意味し、赤外線スペクトルは７００ｎｍ以上且つ１ｍｍ以下を意味する。
本明細書で別段、明示的に留意されない限り、全温度依存値は２５℃でのそのような値である。
図１ａ及び図１ｂに例示されるように、隣接するワイヤ１２の間のチャネル（複数可）１３とともに基板１１の表面上のワイヤ１２を備える光学デバイス１０ａ及び１０ｂが示される。チャネルは、空気、別の気体、真空、液体、固体材料、又はそれらの組み合わせを用いて充填されることができる。ワイヤ１２は、メタマテリアル偏光子のように、複数の方向に延在することができ、複数の厚さＴｈ１２を有することができる。代わりに、図２の光学デバイス２０に例示されるように、ワイヤ１２は、平行且つ細長くなることができる。
光学デバイス１０ａ、１０ｂ及び２０は、それぞれ、ワイヤグリッド偏光子（ＷＧＰ）、導波管、又は他の光学デバイスであることができる。光学デバイス１０ａ及び２０は、例示より多くのワイヤ１２及びチャネル１３を含むことができる。代わりに、光学デバイス１０ｂは、間に単一のチャネル１３を有する２つのワイヤ１２のみを含むことができる。光学デバイス１０ｂは、導波管であることができる。
各ワイヤ１２は、反射性リブ、透過性リブ、吸収性リブ、又はそれらの組み合わせを任意の順序で含むことができる。図３の光学デバイス３０に例示するように、各ワイヤ１２は２つのリブ３１を含むことができる。図４の光学デバイス４０に例示するように、各ワイヤ１２は３つのリブ３１を含むことができる。各リブ３１は、同じワイヤ１２内の他のリブ（複数可）とは異なる材料であることができる。基板の表面に平行な単一面内のリブ３１の各アレイＡは、単一材料であることができる。リブ３１の各アレイＡは、反射性リブ、透過性リブ、又は吸収性リブであることができる。
以下は、光学デバイス１０、２０、３０及び４０の一部に対する屈折率ｎの実部及び吸光係数ｋの例示的値である。本明細書におけるｎ及びｋ値は、紫外線スペクトルに亘って、可視スペクトルに亘って、赤外線スペクトルに亘って、又はそれらの組み合わせについてであることができる。
基板１１は、比較的低い屈折率の実部ｎＳを有する二酸化シリコンから作られることができる、又は光学デバイス１０又は２０の種類に応じてより高いｎＳを有することができる。基板１１は、低い吸光係数ｋＳを有することができる。基板１１は、ハフニウム、鉛、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、ジルコニウム、又はそれらの組み合わせの酸化物から作られることができる又は含むことができる。例えば、基板１１は、ｎＳ≧１．３、ｎＳ≧１．７、ｎＳ≧１．８、ｎＳ≧１．９、ｎＳ≧２．０、又はｎＳ≧２．２、ｎＳ≦１．５、ｎＳ≦２．０、又はｎＳ≦３．０、ｋＳ≦０．０００１、ｋＳ≦０．００１、ｋＳ≦０．０１、又はｋＳ≦０．１、又はそれらの組み合わせを有することができる。
１つの実施形態では、各ワイヤ１２は、透過性であることができる。各ワイヤ１２は、ｎＷ≧１．３、ｎＷ≧１．７、ｎＷ≧１．８、ｎＷ≧１．９、ｎＷ≧２．０、又はｎＷ≧２．２、ｎＷ≦１．５、ｎＷ≦２．０、又はｎＷ≦３．０、ｋＷ≦０．０００１、ｋＷ≦０．００１、ｋＷ≦０．０１、又はｋＷ≦０．１、又はそれらの組み合わせを有することができる。ｎＷはワイヤ１２の屈折率の実部であり、ｋＷは吸光係数である。
１つの実施形態では、透過性リブは、ｎＴ≧１．３、ｎＴ≧１．７、ｎＴ≧１．８、ｎＴ≧１．９、ｎＴ≧２．０、又はｎＴ≧２．２、ｎＴ≦１．５、ｎＴ≦２．０、又はｎＴ≦３．０、ｋＴ≦０．０００１、ｋＴ≦０．００１、ｋＴ≦０．０１、又はｋＴ≦０．１、又はそれらの組み合わせであることができる。ｎＴは透過性リブの屈折率の実部であり、ｋＴは吸光係数である。透過性リブの例示的材料は、ハフニウム、鉛、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、ジルコニウム、又はそれらの組み合わせを含む。透過性リブは、ハフニウム、鉛、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、ジルコニウム、又はそれらの組み合わせの酸化物を含むことができる。
各ワイヤ１２は、埋め込まれた有機部分を含むことができる。反射性リブ、透過性リブ、吸収性リブ、又はそれらの組み合わせは、埋め込まれた有機部分を含むことができる。有機部分の含有は、光学デバイスの柔軟性を改善することができる。最後のデバイスが、例えばレンズなどの別のデバイスに亘って曲げられる必要がある場合、そのような柔軟性は有用であることができる。そのような柔軟性は、熱膨張の間、接触を維持する光学デバイスの層に有用であることができる。この柔軟性は、熱膨張係数の比較的大きな差があるにも関わらず、接触を維持する異なる材料をもたらすことさえできる。
例えば、０．０１％以上、０．１％以上、１％以上、１０％以上、又は２５％以上の原子は、ワイヤ１２、反射性リブ、透過性リブ、吸収性リブ、又はそれらの組み合わせにおける有機部分の一部であることができる。例えば、７５％以下、５０％以下、２５％以下、１０％以下、又は５％以下の原子は、ワイヤ１２、反射性リブ、透過性リブ、吸収性リブ、又はそれらの組み合わせにおける有機部分の一部であることができる。そのようなリブのそれぞれの残りは、無機であることができる。
例えば、ワイヤ１２、反射性リブ、透過性リブ、吸収性リブ、又はそれらの組み合わせにおける有機部分の質量パーセントは、０．０１％以上、０．１％以上、１％以上、１０％以上、又は２５％以上、及び７５％以下、５０％以下、２５％以下、１０％以下、又は５％以下であることができる。そのようなリブのそれぞれの残りは、無機であることができる。
光学特性への悪い効果を回避し、柔軟性及び硬度のバランスを保ち、所望の密度を実現し、堆積を容易にするために、有機部分が小さい部分であることが役立つことができる。例えば、各有機部分は、−ＣＨ３，−ＣＨ２ＣＨ３，−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３，又はそれらの組み合わせを含むことができる又はそれらであることができる。別の例のように、全有機部分は、１つの炭素原子、２以下の炭素原子、３以下の炭素原子、５以下の炭素原子、又は１０以下の炭素原子を含むことができる。別の例のように、全有機部分は、１４グラム／モル以上、２５グラム／モル以上、又は５０グラム／モル以上、且つ１６グラム／モル以下、３０グラム／モル以下、４５グラム／モル以下、１００グラム／モル以下の分子量を有することができる。
方法。光学デバイスの作成方法は、基板１１上に未硬化層５１を設ける段階（図５のステップ５０を参照）、及び未硬化層５１を硬化して硬化層６１を形成する段階（図６にステップ６０を参照）を備えることができる。これらのステップ５０及び６０は、この順序又は同時に実行されることができる。光学デバイス及び光学デバイス自体の成分は、上述のような特性を有することができる。ステップ５０及び６０は、複数層に対して繰り返されることができる。ステップ５０及び６０のそれぞれの繰り返しは、異なる材料を用いて実行されることができる。各硬化層６１は、紫外線スペクトルに亘って、可視スペクトルに亘って、赤外線スペクトルに亘って、又はそれらの組み合わせについて反射性、透過性、又は吸収性であることができる。方法は、さらに、硬化層（複数可）をエッチングしてワイヤ１２を形成し、それにより、光学デバイス１０、２０、３０又は４０を作成する段階を備えることができる。
各硬化層６１は、独立に、ｎＣ≧１．３、ｎＣ≧１．７、ｎＣ≧１．８、ｎＣ≧１．９、ｎＣ≧２．０、又はｎＣ≧２．２、ｎＣ≦１．５、ｎＣ≦２．０、又はｎＣ≦３．０、ｋＣ≦０．０００１、ｋＣ≦０．００１、ｋＣ≦０．０１、又はｋＣ≦０．１、又はそれらの組み合わせを有することができる。ｎＣは硬化層６１の屈折率の実部であり、ｋＣは吸光係数である。硬化層６１は、上述のような割合で埋め込まれた有機部分を有することができる。基板１１は、上述のようなｎＳ及びｋＳを有することができる。
１つの実施形態では、未硬化層５１は、連続相全体に亘って分散された固体無機ナノ粒子を有する液体であることができる。未硬化層５１を硬化する段階又はその中で化学反応させる段階は、未硬化層５１を、硬化層６１を画定する無機ナノ粒子の固体相互接続ネットワークに形成する段階を含むことができる。別の実施形態において、未硬化層５１は、分散された相及び連続相を含むコロイド懸濁液であることができる。コロイド懸濁液を硬化する段階又はその中で化学反応させる段階は、連続相を除去して硬化層６１を画定する固体を形成する段階を含むことができる。固体は、無機であることができる。無機ナノ粒子、分散された相、それらの両方は、有機部分に結合した金属原子を含むことができる。１つの態様では、各金属原子は、１以下の有機部分に結合されることができる。有機部分の例は、−ＣＨ３及び−ＣＨ２ＣＨ３を含む。その結果として、硬化層６１は、埋め込まれた有機部分を含むことができる。これらの埋め込まれた有機部分は、その光学特性及び硬度を変化させるなど、硬化層６１の特性を変化させるのに有用であることができる。
別の実施形態において、未硬化層５１は、溶媒中の分子を含む溶液であることができ、硬化層６１は、分子を反応することにより、互いに連結される金属原子の固体を形成するよう形成されることができる。溶媒は、水及び有機液体を含むことができる。分子は、反応基Ｒ１と結合する金属原子を含むことができる。金属原子の例は、ハフニウム、鉛、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、及びジルコニウムを含む。各金属原子は、反応基への１以上のボンド又は２以上のボンド及び有機部分への直接の１以上のボンド又は２以上のボンドを含むことができる。
各反応基Ｒ１は、独立に、−Ｃｌ，−ＯＲ２，−ＯＣＯＲ２，又は−Ｎ（Ｒ２）２であることができる。各Ｒ２は、独立に、−ＣＨ３，−ＣＨ２ＣＨ３，−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３，又はアルキル基であることができる。アルキル基は、少なくとも１つの炭素原子を有することができるが、例えば２以下の炭素原子、３以下の炭素原子、５以下の炭素原子、又は１０以下の炭素原子のように小さいことができる。
各金属原子は、反応基への１以上のボンド又は２以上のボンド及び有機部分Ｒ３への直接の１以上のボンド又は２以上のボンドを含むことができる。有機部分の例は、−ＣＨ３，−ＣＨ２ＣＨ３，及び−ＣＨ２ＣＨ２ＣＨ３を含む。分子の例は、（Ｒ３）Ｈｆ（Ｒ１）３，（Ｒ３）Ｐｂ（Ｒ１），（Ｒ３）Ｎｂ（Ｒ１）４，（Ｒ３）Ｔａ（Ｒ１）４，（Ｒ３）Ｔｉ（Ｒ１）３，（Ｒ３）Ｗ（Ｒ１）５，（Ｒ３）Ｚｒ（Ｒ１）３を含む。
未硬化層５１を硬化層６１への形成する段階は、少なくともいくつかの液体を蒸発する段階を含むことができ、そのような蒸発は、上述の硬化ステップと組み合わされることができる。１つの実施形態では、最初に未硬化層５１にある全液体は、反応して固体（硬化層６１）を形成する又は蒸発される。未硬化層５１を硬化層６１へと形成する段階は、紫外線光、熱、又はそれらの両方の使用を含むことができる。硬化層６１のインテグリティは、例えば３０ｏＣ以上、５０ｏＣ以上、又は１００ｏＣ以上、及び１５０ｏＣ以下、２００ｏＣ以下、２５０ｏＣ以下、又は３００ｏＣ以下のような比較的低い温度での硬化により向上されることができる。
図７に例示されるように、上述の方法は、さらに、硬化層６１上への薄膜７１のスパッタ堆積を備えることができる。薄膜３７５は、所望の光学特性、偏光子の保護特性、又はそれらの両方を有する任意の材料であることができる。薄膜７１は、硬化層６１を用いてエッチングされることができるとともに、最後のワイヤ１２内でリブ３１になることができる、エッチングマスクとして使用されることができる、又は両方ができる。薄膜７１は、特許請求の範囲において特定されるように、紫外線スペクトルに亘って、可視スペクトルに亘って、赤外線スペクトルに亘って、又はそれらの組み合わせについて反射性、吸収性、又は透過性であることができる。薄膜７１のスパッタ堆積は、硬化層６１内のボイドを減らすことができる。
スピンコーティング、次にベーキング、スピンコーティング、次に再度ベーキング、及びことによるとさらに多くの回数繰り返されることにより未硬化層５１を形成する段階は、最後の硬化層６１の均一性を改善することができる。各スピンコートの時間は、所望の厚さ及びスピンコータに依存する。例示的な時間は、各スピンコートについて２秒以上、４秒以上、又は６秒以上、及び１０秒以下、２０秒以下、又は３０秒以下を含む。各スピンコートのスピードの例は、１００ｒｐｍ以上、５００ｒｐｍ以上、１０００ｒｐｍ以上、１５００ｒｐｍ以上、及び２５００ｒｐｍ以下、３０００ｒｐｍ以下、４０００ｒｐｍ以下、又は８０００ｒｐｍ以下を含む。各ベーキングの温度の例は、３０ｏＣ以上、５０ｏＣ以上、１００ｏＣ以上、又は１５０ｏＣ以上、及び２５０ｏＣ以下、３００ｏＣ以下、又は４００ｏＣ以下を含む。
未硬化層５１の厚さＴｈ５１、硬化層６１の厚さＴｈ６１、及び薄膜７１の厚さＴｈ７１の例は、１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以上、及び３００ｎｍ以下、６００ｎｍ以下、又は１０００ｎｍ以下を含む。そのような厚さＴｈ５１、Ｔｈ６１、及びＴｈ７１は、層の最大、最小、又は平均であることができる。
例えば酸化チタンなどのいくつか材料は、エッチングするのが非常に困難であることができる。上述の方法により形成される酸化チタンは、エッチングするのが容易であることができ、従って、光学デバイスの製造可能性を改善することができる。スパッタ堆積は難しく且つ遅い場合があり、光学デバイスを加熱することができ、これは堆積材料の粒子構造及び科学量論に悪い影響を及ぼすことができ、堆積層の全体の密度の望ましくない変動をもたらすことができる。対照的に、上述の方法は、低下した密度変動で、比較的低い温度で、よりすばやく実行されることができる。
Claims (10)
- 隣接するワイヤの間にチャネルを有する、基板の表面上のワイヤを備え、
各ワイヤは、反射性リブ及び透過性リブを含み、
前記透過性リブは、紫外線スペクトルに亘って、可視スペクトルに亘って、赤外線スペクトルに亘って、又はそれらの組み合わせについて屈折率の実部ｎＴ≧１．７及び吸光係数ｋT≦０．１を有し、
前記透過性リブ内の０．１％以上及び５０％以下の原子は、有機部分の一部である、
ワイヤグリッド偏光子（ＷＧＰ）。 - 前記透過性リブは、ハフニウム、鉛、ニオブ、タンタル、チタン、タングステン、ジルコニウム、又はそれらの組み合わせの酸化物を含む、請求項１に記載のＷＧＰ。
- 可視スペクトルに亘ってｎＴ≧２．０である、請求項１又は２に記載のＷＧＰ。
- 前記透過性リブ内の前記有機部分の質量パーセントは、０．１％以上及び２０％以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載のＷＧＰ。
- 前記有機部分は、−ＣＨ３、−ＣＨ２ＣＨ３、又はそれらの両方を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のＷＧＰ。
- 全有機部分は、３以下の炭素原子を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のＷＧＰ。
- 前記透過性リブ内の１％以上及び２５％以下の原子は、有機部分の一部である、請求項１から６のいずれか一項に記載のＷＧＰ。
- 前記反射性リブ内の０．１％以上及び５０％以下の原子は、有機部分の一部である、請求項１から７のいずれか一項に記載のＷＧＰ。
- 各ワイヤは、さらに、吸収性リブを含み、前記吸収性リブ内の０．１％以上及び５０％以下の原子は、有機部分の一部である、請求項１から８のいずれか一項に記載のＷＧＰ。
- 前記基板は、紫外線スペクトルに亘って、可視スペクトルに亘って、赤外線スペクトルに亘って、又はそれらの組み合わせについて屈折率の実部ｎｓ≧１．７及び吸光係数ｋＳ≦０．１を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載のＷＧＰ。
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