JP2022530865A - ウエハから透明基板へのナノ構造の転写 - Google Patents

ウエハから透明基板へのナノ構造の転写 Download PDF

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Abstract

本開示の実施形態は、広くは、ナノ構造が透明基板上に配置された光学デバイスを形成する方法に関する。基板が、光学デバイスを形成するためのベースとして提供される。透明層が、基板の第１の表面上に配置され、構造層が、透明表面上に配置される。酸化物層が、第１の表面の反対側の基板の第２の表面上に配置され、基板の第２の表面の一部分を露出させるために、窓又は開口部が酸化物層内に形成される。次いで、複数のナノ構造が構造層内に形成され、窓から透明層まで延在する基板の一部分が除去される。次いで、ナノ構造がその上に配置された透明層の一部分を基板から取り外して、光学デバイスを形成する。【選択図】図２Ｆ

Description

[0001] 本開示の実施形態は、広くは、ナノ構造が透明基板上に配置された光学デバイスを形成する方法に関する。
[0002] 基板上に形成される光学デバイスの構造（例えば、形状、サイズ、配向）の空間的に変化する構造パラメータによって、光の伝搬を操作するために、光学システムが使用され得る。光学デバイスは、必要に応じて光波面を成形する空間的に変化する光応答を提供する。これらの光学デバイスは、局所化された位相不連続性（すなわち、光の波長よりも短い距離にわたる位相の急激な変化）を誘起することによって、光の伝搬を変化させる。そのような光学デバイスは、基板上の異なる種類の材料、形状、又は構成から構成されてよく、種々の物理的原理に基づいて動作し得る。
[0003] 可視及び近赤外スペクトルにおける平坦（flat）な光学デバイスは、典型的には、ナノ構造がその上に配置された透明基板を必要とする。しかし、光学デバイスを形成するために透明基板を処理することは、複雑且つ高価の両方である。例えば、光学デバイス用の異なるデバイス性能を満たそうとする試みにおいて、異なる材料、プロファイル、及び構成を有するナノ構造が必要とされるため、透明基板は、一般に、ナノ構造をその上に形成するためのチャレンジングなベース基板又は構造であると考えられる。意図された光学デバイスの適切な最大の光学性能及び特性を維持しながら、費用効果的に、所望のプロファイルを有する透明基板上のナノスケール構造を形成することは難しい。
[0004] したがって、ナノ構造が透明基板上に配置された光学デバイスを形成する方法が、当技術分野で必要とされている。
[0005] 本開示の実施形態は、広くは、ナノ構造が透明基板上に配置された光学デバイスを形成する方法に関する。基板は、光学デバイスを形成するためのベースとして提供される。透明層が、基板の第１の表面上に配置され、構造層が、透明表面上に配置される。酸化物層が、第１の表面の反対側の基板の第２の表面上に配置され、基板の第２の表面の一部分を露出させるために、酸化物層内に窓又は開口部が形成される。次いで、複数のナノ構造が構造層内に形成され、窓から透明層まで延在する基板の一部分が除去される。次いで、ナノ構造がその上に配置された透明層の一部分を基板から取り外して、光学デバイスを形成する。
[0006] 一実施形態では、光学デバイスを形成する方法が、基板の第１の表面上に酸化物層を堆積させること、基板の第１の表面の一部分を露出させるために、酸化物層内に開口部を形成すること、第１の表面の反対側の基板の第２の表面上に配置された透明層上に、構造層を堆積させること、構造層内に複数のナノ構造を形成すること、酸化物層内の開口部から透明層まで延在する基板の一部分をエッチングすること、及び、光学デバイスを形成するために、複数のナノ構造がその上に配置された透明層の一部分を、基板から取り外すことを含む。
[0007] 別の一実施形態では、光学デバイスを形成する方法が、シリコンオンインシュレータ基板をベースとして提供することであって、シリコンオンインシュレータ基板が、シリコン含有基板と、シリコン含有基板の第１の表面上に配置された透明層と、透明層上に配置されたシリコン含有層とを含む、シリコンオンインシュレータ基板をベースとして提供すること、第１の表面の反対側のシリコン含有基板の第２の表面上に、酸化物層を堆積させること、シリコン含有基板の第２の表面の一部分を露出させるために、酸化物層内に開口部を形成すること、シリコン含有層内に複数のナノ構造を形成すること、酸化物層内の開口部から透明層まで延在するシリコン含有基板の一部分をエッチングすること、及び、光学デバイスを形成するために、複数のナノ構造がその上に配置された透明層の一部分を、シリコン含有基板から取り外すことを含む。
[0008] 更に別の一実施形態では、光学デバイスを形成する方法が、シリコンを含む基板をベースとして提供すること、基板の第１の表面上に酸化物層を堆積させること、基板の第１の表面の一部分を露出させるために、酸化物層内に開口部を形成すること、第１の表面の反対側の基板の第２の表面上に、透明層を堆積させること、透明層上に約１．８より大きい屈折率及び約０．００１未満の吸収係数を有する材料を含む構造層を堆積させること、構造層内に複数のナノ構造を形成すること、酸化物層内の開口部から透明層まで延在する基板の一部分をエッチングすること、並びに、光学デバイスを形成するために、複数のナノ構造がその上に配置された透明層の一部分を、取り外すことを含む。
[0009] 本開示の上記の特徴を詳細に理解することができるように、上記で簡単に要約した本開示のより具体的な説明を、実施形態を参照することによって行うことができ、その幾つかを添付の図面に示す。しかし、添付図面は例示的な実施形態のみを示すものであり、したがって、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、その他の等しく有効な実施形態も許容され得ることに留意されたい。
[0010] 一実施形態による、光学デバイスを形成する方法のフローチャートを示す。 [0011] 図２Ａ～図２Ｇは、図１の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 図２Ａ～図２Ｇは、図１の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 ２Ａ～図２Ｇは、図１の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 ２Ａ～図２Ｇは、図１の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 ２Ａ～図２Ｇは、図１の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 ２Ａ～図２Ｇは、図１の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 図２Ａ～図２Ｇは、図１の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 [0012] 別の一実施形態による、光学デバイスを形成する方法のフローチャートを示す。 [0013] 図４Ａ～図４Ｆは、図３の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 図４Ａ～図４Ｆは、図３の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 図４Ａ～図４Ｆは、図３の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 図４Ａ～図４Ｆは、図３の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 図４Ａ～図４Ｆは、図３の方法に従って形成された光学デバイスの概略断面図を示す。 図４Ａ～図４Ｆは、図３の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 [0014] 更に別の一実施形態による、光学デバイスを形成する方法のフローチャートを示す。 [0015] 図６Ａ～図６Ｅは、図５の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 図６Ａ～図６Ｅは、図５の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 図６Ａ～図６Ｅは、図５の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 図６Ａ～図６Ｅは、図５の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。 図６Ａ～図６Ｅは、図５の方法に従って形成される光学デバイスの概略断面図を示す。
[0016] 理解を容易にするために、図に共通する同一の要素を指し示すために、可能な場合には、同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素及び特徴は、更なる記述がなくても、他の実施形態に有益に組み込むことができると考えられている。
[0017] 本開示の実施形態は、広くは、ナノ構造が透明基板上に配置された光学デバイスを形成する方法に関する。基板は、光学デバイスを形成するためのベースとして提供される。透明層が、基板の第１の表面上に配置され、構造層が、透明表面上に配置される。酸化物層が、第１の表面の反対側の基板の第２の表面上に配置され、基板の第２の表面の一部分を露出させるために、酸化物層内に窓又は開口部が形成される。次いで、複数のナノ構造が構造層内に形成され、窓から透明層まで延在する基板の一部分が除去される。次いで、ナノ構造がその上に配置された透明層の一部分を基板から取り外して、光学デバイスを形成する。
[0018] 図１は、図２Ａ～図２Ｇで示されているように、光学デバイス２００を形成する方法１００のフローチャートを示している。動作１１０では、図２Ａで示されているように、基板２０２又はウエハが、その上に形成されるべき光学デバイス又はナノデバイス用のベースとして作用するように提供される。基板２０２は、シリコンを含んでよい。
[0019] 動作１２０では、図２Ｂで示されているように、酸化物層２０４が、基板２０２の第１の表面２１４（例えば、裏側）上に堆積され、酸化物層２０４内に開口部２１２又は窓が基板２０２の厚さ２２４にまたがるように形成されて、第１の表面２１４の一部分が露出される。開口部２１２は、基板２０２の第１の表面２１４上に酸化物層２０４を堆積させ、酸化物層２０４の一部分をエッチングすることによって形成されてよく、開口部２１２内の基板２０２の第１の表面２１４の一部分を露出させる。酸化物層２０４は、任意の適切な方法又は工程を使用して堆積されてよく、二酸化ケイ素などの酸化物を含有する任意の適切な材料を含んでよい。開口部２１２は、第１の表面２１４の反対側の基板２０２の第２の表面２１６（例えば、表側）上に形成されるナノデバイス又は光学デバイス２００（図２Ｇで示されている）と整列するように形成される。開口部２１２の幅２３８が、光学デバイス２００の幅を規定し得る。開口部２１２を形成しながら、第２の表面２１６を保護するために、第１の表面２１４上に酸化物層２０４を堆積させる前に、窒化物層などの保護層（図示せず）が、第２の表面２１６上に堆積され得る。次いで、開口部２１２が形成されると、保護層は除去され得る。
[0020] 動作１３０では、図２Ｃで示されているように、透明層２０６が基板２０２の第２の表面２１６上に堆積される。一実施形態では、透明層２０６が、二酸化ケイ素などの酸化物材料を含む。透明層２０６は、液体材料注入キャスティング工程、スピンオンコーティング工程、液体スプレーコーティング工程、ドライパウダーコーティング工程、スクリーン印刷工程、ドクターブレーディング工程、物理的気相堆積（PVD）工程、化学気相堆積（CVD）工程、プラズマ化学気相堆積（PECVD）工程、流動性CVD（FCVD）工程、又は原子層堆積（ALD）工程を使用して、第２の表面２１６上に堆積させることができる。
[0021] 透明層２０６の材料は、赤外領域からUV領域（すなわち、約７００nmから約２５００nm）内の１以上の波長などの、所望の波長又は波長範囲の適切な量の光を透過させるように選択され得る。限定するものではないが、幾つかの実施形態では、透明層２０６が、光スペクトルのUV領域まで、約５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９９％以上を透過させるように構成される。透明層２０６は、所望の波長又は波長範囲の光を適切に透過させることができ、光学デバイス用の適切な支持体として働くことができるという条件で、任意の適切な材料から形成され得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る幾つかの実施形態では、透明層２０６の材料が、構造層２０８（動作１４０で説明され、図２Ｄで示されている）の屈折率と比較して、相対的に低い屈折率を有する。透明層２０６は、非晶質誘電体（amorphous dielectric）、結晶性誘電体（crystalline dielectric）、酸化ケイ素、ポリマー、及びそれらの組み合わせを含む、任意の適切な材料を含み得るが、これらに限定されない。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、透明層２０６が、０．００１未満の吸収係数を有する。適切な例には、酸化物、硫化物、リン化物、テルル化物、又はこれらの組み合わせが含まれ得る。
[0022] 動作１４０では、図２Ｄで示されているように、構造層２０８が透明層２０６上に堆積される。構造層２０８は、約１．８より大きい屈折率及び約０．００１未満の吸収係数を有する任意の適切な材料を含み得る。構造層２０８は、二酸化チタン（TiO2）、リン化ガリウム（GaP）、窒化ガリウム（GaN）、酸化亜鉛（ZnO）、二酸化スズ（SnO2）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（AZO）、結晶シリコン（c-Si）、窒化ケイ素（Si3N4）、フッ素ドープ酸化スズ（FTO）、スズ酸カドミウム（スズ酸化物）（CTO）、及びスズ酸亜鉛（スズ酸化物）（SnZnO3）から成る群から選択された材料を含み得る。構造層２０８は、液体材料注入キャスティング工程、スピンオンコーティング工程、液体スプレーコーティング工程、ドライパウダーコーティング工程、スクリーン印刷工程、ドクターブレーディング工程、PVD工程、CVD工程、PECVD工程、FCVD工程、又はALD工程を使用して、透明層２０６上に堆積され得る。
[0023] 動作１５０では、図２Ｅで示されているように、複数のナノ構造２１０が、構造層２０８内に形成される。ナノ構造２１０は、構造層２０８をパターニングして、構造層２０８の部分２３０を除去することによって形成される。ここで、各ナノ構造２１０は、構造層２０８の除去された一部分２３０によって、隣接するナノ構造２１０から間隔を空けられる。一実施形態では、ナノ構造２１０が、ナノインプリントスタンプで構造層２０８をスタンピングすることによって形成される。別の一実施形態では、ナノ構造２１０が、ドライエッチング工程、イオン注入、イオンエッチング、反応性イオンエッチング（RIE）、方向性RIE、マイクロブラスティング、ウォータージェット切断、レーザーエッチング、及び選択的湿式化学エッチングなどの、リソグラフィ工程又はエッチング工程を経て形成される。
[0024] ナノ構造２１０のうちの１以上は、構造層２０８の厚さ２２８と等しい高さを有し得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、複数のナノ構造２１０が、高さや幅などの同じ寸法を有し得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る別の一実施形態では、ナノ構造２１０のうちの少なくとも１つが、更なるナノ構造２１０の寸法から、高さや幅のうちの１つなどの少なくとも１つの異なる寸法を有し得る。一実施例では、ナノ構造２１０の寸法の各々が、約２０００nm未満、例えば、約５００nm未満、約４００nm未満、約２００nm未満、又は更には約４０nm未満の寸法を有する。
[0025] ４つのナノ構造２１０が図示されているが、必要に応じて任意の数のナノ構造２１０を構造層２０８内に形成することができ、含まれるナノ構造２１０の数は、限定されることを意図しない。ナノ構造２１０が形成された後で、構造層２０８の余剰な構造材料２１８が、ナノ構造２１０の両側に配置され得る。
[0026] 動作１６０では、図２Ｆで示されているように、基板２０２の一部分２２０が、開口部２１２を通して除去される。一部分２２０は、開口部２１２から透明層２０６まで延在する。一部分２２０は、更に、開口部２１２と同じ幅２３８を有する。基板２０２の一部分２２０は、ドライエッチング工程を介して除去され得る。基板２０２は、二フッ化キセノンを含むエッチャント（etchant）を使用してエッチングされ得る。基板２０２の一部分２２０を除去するために使用されるエッチャントは、二酸化ケイ素と比較してシリコンをエッチングするための高い選択性を有してよく、二酸化ケイ素を含む透明層２０６が、エッチング停止として作用することを可能にする。したがって、除去される基板２０２の一部分２２０は、透明層２０６がエッチング工程用のエッチング停止として作用するときに、透明層２０６まで延在する。
[0027] 動作１７０では、図２Ｇで示されているように、光学デバイス２００又はナノデバイスが、基板２０２から取り外される。光学デバイス２００は、任意の余剰な構造材料２１８から更に取り外される。光学デバイス２００は、ブレード又はレーザーなどを用いて、図２Ｆの線２２２に沿って切断することによって取り外すことができる。線２２２は、開口部２１２及び基板２０２の除去された一部分２２０と位置合わせされる。言い換えると、線２２２は、開口部２１２の幅２３８と等しい距離だけ、互いから離れるように配置される。したがって、線２２２の間に配置された透明層２０６の一部分及びナノ構造２１０が、光学デバイス２００を形成する。結果として生じる光学デバイス２００は、平坦であり、透明層２０６上に配置された複数のナノ構造２１０を含み、ナノ構造２１０は、高屈折率及び低吸収係数を有する材料から構成されている。
[0028] 図３は、図４Ａ～図４Ｆで示されているように、光学デバイス４００を形成する別の方法３００のフローチャートを示している。動作３１０では、図４Ａで示されているように、透明層４０６がその上に配置された基板４０２又はウエハが、ナノデバイスがその上に形成されるべきベースとして作用するように提供される。透明層４０６がその上に配置された基板４０２は、単一のユニットとして製造することができる。基板４０２は、シリコンを含んでよい。透明層４０６は、二酸化ケイ素などの酸化物材料を含んでよい。透明層４０６は、図２A～図２Ｇの透明層２０６であってよい。
[0029] 動作３２０では、図４Ｂで示されているように、酸化物層４０４が、基板４０２の第１の表面４１４（例えば、裏側）上に堆積され、酸化物層４０４内に開口部４１２又は窓が基板４０２の厚さ４２４にまたがるように形成されて、第１の表面４１４の一部分が露出される。基板４０２の第１の表面４１４は、透明層４０６の反対側に配置される。開口部４１２は、基板４０２の第１の表面４１４上に酸化物層４０４を堆積させ、酸化物層４０４の一部分をエッチングすることによって形成されてよく、開口部４１２内の基板４０２の第１の表面４１４の一部分を露出させる。酸化物層４０４は、任意の適切な方法又は工程を使用して堆積されてよく、二酸化ケイ素などの酸化物を含有する任意の適切な材料を含んでよい。開口部４１２は、基板４０２の第２の表面４１６上に形成されるナノデバイス又は光学デバイス４００（図４で示されている）と整列するように形成される。開口部４１２の幅４３８が、光学デバイス４００の幅を規定し得る。開口部４１２を形成しながら、第２の表面４１６を保護するために、第１の表面４１４上に酸化層４０４を堆積させる前に、窒化物層などの保護層（図示せず）が、第２の表面４１６上に堆積され得る。次いで、開口部４１２が形成されると、保護層は除去され得る。
[0030] 動作３３０では、図４Ｃで示されているように、構造層４０８が、透明層４０６上に堆積される。構造層４０８は、約１．８より大きい屈折率及び約０．００１未満の吸収係数を有する任意の適切な材料から構成され得る。構造層４０８は、二酸化チタン（TiO2）、リン化ガリウム（GaP）、窒化ガリウム（GaN）、酸化亜鉛（ZnO）、二酸化スズ（SnO2）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（AZO）、結晶シリコン（Si）、窒化ケイ素（Si3N4）、フッ素ドープ酸化スズ（FTO）、スズ酸カドミウム（スズ酸化物）（CTO）、及びスズ酸亜鉛（スズ酸化物）（SnZnO3）から成る群から選択された材料を含んでよい。構造層４０８は、液体材料注入キャスティング工程、スピンオンコーティング工程、液体スプレーコーティング工程、ドライパウダーコーティング工程、スクリーン印刷工程、ドクターブレーディング工程、PVD工程、CVD工程、PECVD工程、FCVD工程、又はALD工程を使用して、透明層４０６上に堆積され得る。
[0031] 動作３４０では、図４Ｄで示されているように、複数のナノ構造４１０が、構造層４０８内に形成される。ナノ構造４１０は、構造層４０８をパターニングして、構造層４０８の部分４３０を除去することによって形成される。ここで、各ナノ構造４１０は、構造層４０８の除去された一部分４３０によって、隣接するナノ構造４１０から間隔を空けられる。一実施形態では、ナノ構造４１０が、ナノインプリントスタンプで構造層４０８をスタンピングすることによって形成される。別の一実施形態では、ナノ構造４１０が、ドライエッチング工程、イオン注入、イオンエッチング、RIE、方向性RIE、マイクロブラスティング、ウォータージェット切断、レーザーエッチング、及び選択的湿式化学エッチングなどの、リソグラフィ工程又はエッチング工程を経て形成される。
[0032] ナノ構造４１０のうちの１以上は、構造層４０８の厚さ４２８と等しい高さを有し得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、複数のナノ構造４１０が、高さや幅などの同じ寸法を有し得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る別の一実施形態では、ナノ構造４１０のうちの少なくとも１つが、更なるナノ構造４１０の寸法から、高さや幅のうちの１つなどの少なくとも１つの異なる寸法を有し得る。一実施例では、ナノ構造４１０の寸法の各々が、約２０００nm未満、例えば、約５００nm未満、約４００nm未満、約２００nm未満、又は更に約４０nm未満の寸法を有する。
[0033] ４つのナノ構造４１０が図示されているが、必要に応じて任意の数のナノ構造４１０を構造層４０８内に形成することができ、含まれるナノ構造４１０の数は、限定されることを意図しない。ナノ構造４１０が形成された後に、構造層４０８の余剰な構造材料４１８が、ナノ構造４１０の両側に配置され得る。
[0034] 動作３５０では、図４Ｅで示されているように、基板４０２の一部分４２０が、開口部４１２を通して除去される。一部分４２０は、開口部４１２から透明層４０６まで延在する。一部分４２０は、更に、開口部４１２と同じ幅４３８を有する。基板４０２の一部分４２０は、ドライエッチング工程を介して除去され得る。基板４０２は、二フッ化キセノンを含むエッチャントを使用してエッチングされ得る。基板４０２の一部分４２０を除去するために使用されるエッチャントは、二酸化ケイ素と比較してシリコンをエッチングするための高い選択性を有してよく、二酸化ケイ素を含む透明層４０６が、エッチング停止として作用することを可能にする。したがって、除去される基板４０２の一部分４２０は、透明層４０６がエッチング工程用のエッチング停止として作用するときに、透明層４０６まで延在する。
[0035] 動作３６０では、図４Ｆで示されているように、光学デバイス４００又はナノデバイスが、基板４０２から取り外される。光学デバイス４００は、任意の余剰な構造材料４１８から更に取り外される。光学デバイス４００は、ブレード又はレーザーなどを用いて、図４Ｅの線４２２に沿って切断することによって取り外すことができる。線４２２は、開口部４１２及び基板４０２の除去された一部分４２０と位置合わせされる。言い換えると、線４２２は、開口部４１２の幅４３８と等しい距離だけ、互いから離れるように配置される。したがって、線４２２の間に配置された透明層４０６の一部分及びナノ構造４１０が、光学デバイス４００を形成する。結果として生じる光学デバイス４００は、平坦であり、透明層４０６上に配置された複数のナノ構造４１０を含み、ナノ構造４１０は、高屈折率及び低吸収係数を有する材料から構成されている。
[0036] 図５は、図６Ａ～図６Ｅで示されているように、光学デバイス６００を形成する更に別の方法５００のフローチャートを示している。動作５１０では、図６Ａで示されているように、シリコン・オン・インシュレータ（SOI）基板６５０が、その上に形成されるべきナノデバイス用のベースとして作用するように提供される。SOI基板６５０は、シリコン含有基板６０２又はウエハ、シリコン含有基板６０２の第１の表面６１６上に配置された透明層６０６、及び透明層６０６上に配置されたシリコン含有層６３２を含む。SOI基板６５０は、単一のユニットとして製造され得る。透明層６０６は、二酸化ケイ素などの酸化物材料を含んでよい。透明層６０６は、図２Ａ～図２Ｇの透明層２０６であってよい。シリコン含有層６３２は、結晶シリコン、窒化ケイ素（Si3N4）、又はアモルファスシリコン（a-Si）を含んでよい。
[0037] 動作５２０では、図６Ｂで示されているように、酸化物層６０４が、シリコン含有基板６０２の第２の表面６１４（例えば、裏側）上に堆積され、酸化物層６０４内に開口部６１２又は窓が形成されて、第２の表面６１４が露出される。シリコン含有基板６０２の第２の表面６１４は、第１の表面６１６の反対側にある。開口部６１２は、酸化物層６０４をシリコン含有基板６０２の第２の表面６１４上に堆積させ、酸化物層６０４の一部分をエッチングすることによって形成されてよく、開口部６１２内のシリコン含有基板６０２の第２の表面６１４の一部分を露出させる。酸化物層６０４は、任意の適切な方法又は工程を使用して堆積されてよく、二酸化ケイ素などの酸化物を含有する任意の適切な材料を含んでよい。開口部６１２は、基板６０２の第１の表面６１６上に形成されるナノデバイス又は光学デバイス６００（図６Ｅで示されている）と整列するように形成される。開口部６１２の幅６３８が、光学デバイス６００の幅を規定し得る。開口部６１２を形成しながら、第１の表面６１６を保護するために、第２の表面６１４上に酸化物層６０４を堆積させる前に、窒化物層などの保護層（図示せず）が、第１の表面６１６上に堆積され得る。次いで、開口部６１２が形成されると、保護層は除去され得る。
[0038] 動作５３０では、図６Ｃで示されているように、複数のナノ構造６１０が、シリコン含有層６３２内に形成される。ナノ構造６１０は、シリコン含有層６３２をパターニングして、シリコン含有層６３２の部分６３０を除去することによって形成される。ここで、各ナノ構造６１０は、シリコン含有層６３２の除去された一部分６３０によって、隣接するのナノ構造６１０から間隔を空けられる。一実施形態では、ナノ構造６１０が、ナノインプリントスタンプでシリコン含有層６３２をスタンピングすることによって形成される。別の一実施形態では、ナノ構造６１０が、ドライエッチング工程、イオン注入、イオンエッチング、RIE、方向性RIE、マイクロブラスティング、ウォータージェット切断、レーザーエッチング、及び選択的湿式化学エッチングなどの、リソグラフィ工程又はエッチング工程を経て形成される。幾つかの実施形態では、シリコン又はシリコン含有材料から形成されたナノ構造が、近赤外線デバイス用又は赤以上の波長（すなわち、約８５０nmから約９４０nm）用に所望のものであってよい。
[0039] ナノ構造６１０のうちの１以上は、シリコン含有層６３２の厚さ６２８と等しい高さを有し得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る一実施形態では、複数のナノ構造６１０が、高さや幅などの同じ寸法を有し得る。本明細書で説明される他の実施形態と組み合わされ得る別の一実施形態では、ナノ構造６１０のうちの少なくとも１つが、更なるナノ構造６１０の寸法から、高さや幅のうちの１つなどの少なくとも１つの異なる寸法を有し得る。一実施例では、ナノ構造６１０の寸法の各々が、約２０００nm未満、例えば、約５００nm未満、約４００nm未満、約２００nm未満、又は更には約４０nm未満の寸法を有する。
[0040] ４つのナノ構造６１０が図示されているが、必要に応じて任意の数のナノ構造６１０をシリコン含有層６３２内に形成することができ、含まれるナノ構造６１０の数は、限定されることを意図しない。ナノ構造６１０が形成された後で、シリコン含有層６３２の余剰な材料６３４が、ナノ構造６１０の両側に配置され得る。
[0041] 動作５４０では、図６Ｄで示されているように、シリコン含有基板６０２の一部分６２０が、開口部６１２を通して除去される。一部分６２０は、基板６０２の厚さ６２４にまたがって開口部６１２から透明層６０６まで延在する。一部分６２０は、更に、開口部６１２と同じ幅６３８を有する。シリコン含有基板６０２の一部分６２０は、ドライエッチング工程を介して除去され得る。シリコン含有基板６０２は、二フッ化キセノンを含むエッチャントを使用してエッチングされ得る。シリコン含有基板６０２の一部分６２０を除去するために使用されるエッチャントは、二酸化ケイ素と比較してシリコンをエッチングするための高い選択性を有してよく、二酸化ケイ素を含む透明層６０６がエッチング停止として作用することを可能にする。したがって、除去されるシリコン含有基板６０２の一部分６２０は、透明層６０６がエッチング工程用のエッチング停止として作用するときに、透明層６０６まで延在する。
[0042] 動作５５０では、図６Ｅで示されているように、光学デバイス６００又はナノデバイスが、シリコン含有基板６０２から取り外される。光学デバイス６００は、任意の余剰な材料６３４から更に取り外される。光学デバイス６００は、ブレード又はレーザーなどを用いて、図６Ｄの線６２２に沿って切断することによって取り外すことができる。線６２２は、開口部６１２及び基板６０２の除去された一部分６２０と位置合わせされる。言い換えると、線６２２は、開口部６１２の幅６３８と等しい距離だけ、互いから離れるように配置される。したがって、線６２２の間に配置された透明層６０６の一部分及びナノ構造６１０が、光学デバイス６００を形成する。結果として生じる光学デバイス６００は、平坦であり、透明層６０６上に配置された複数のナノ構造６１０を含む。
[0043] 上述された方法は、ナノ構造が、単に透明基板上ではなく、ベース基板上に配置された透明層上に形成されることを可能にする。次いで、ベース基板を除去して、複数のナノ構造が透明層上に配置された光学デバイスを形成する。透明基板又は層を処理することは、高価且つ困難であり得るため、上述の方法は、単純であり且つ費用効率に優れたやり方で光学デバイスを形成することを可能にする。更に、上述の方法は、透明層上に配置された高屈折率及び低吸収係数を有する材料から構成されるナノ構造を含む、可視波長及び近赤外波長において平坦な光学デバイスを形成する。
[0044] 以上の記述は、本開示の実施例を対象としているが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく、本開示の他の実施例及び更なる実施例が考案されてよく、本開示の範囲は、下記の特許請求の範囲によって規定される。

Claims (15)

  1. 光学デバイスを形成する方法であって、
    基板の第１の表面上に酸化物層を堆積させること、
    前記基板の前記第１の表面の一部分を露出させるために、前記酸化物層内に開口部を形成すること、
    前記第１の表面の反対側の前記基板の第２の表面上に配置された透明層上に、構造層を堆積させること、
    前記構造層内に複数のナノ構造を形成すること、
    前記酸化物層内の前記開口部から前記透明層まで延在する前記基板の一部分をエッチングすること、及び
    光学デバイスを形成するために、前記複数のナノ構造がその上に配置された前記透明層の一部分を、前記基板から取り外すことを含む、方法。
  2. 前記透明層は、前記構造層を堆積させる前に前記基板の前記第２の表面上に堆積され、前記複数のナノ構造は、ナノインプリントスタンプ又はリソグラフィ工程を使用して形成される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記酸化物層を堆積させる前に、前記透明層が前記第２の表面上に配置された前記基板をベースとして提供することを更に含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記構造層が、約１．８より大きい屈折率及び約０．００１未満の吸収係数を有する材料を含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記構造層は、二酸化チタン、リン化ガリウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛、二酸化スズ、アルミニウムドープ酸化亜鉛、結晶シリコン、及び窒化ケイ素から成る群から選択された材料を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記基板がシリコンを含み、前記透明層が酸化物材料を含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記酸化物層内の前記開口部から前記透明層まで延在する前記基板の前記一部分が、二フッ化キセノンを含むエッチャントを使用してエッチングされる、請求項１に記載の方法。
  8. 前記基板がシリコンを含み、前記透明層が二酸化ケイ素を含み、前記酸化物層内の前記開口部から前記透明層まで延在する前記基板の前記一部分が、二酸化ケイ素と比較してシリコンをエッチングするための高い選択性を有するエッチャントを使用してエッチングされる、請求項１に記載の方法。
  9. 光学デバイスを形成する方法であって、
    シリコンオンインシュレータ基板をベースとして提供することであって、前記シリコンオンインシュレータ基板が、シリコン含有基板と、前記シリコン含有基板の第１の表面上に配置された透明層と、前記透明層上に配置されたシリコン含有層とを含む、シリコンオンインシュレータ基板をベースとして提供すること、
    前記第１の表面の反対側の前記シリコン含有基板の第２の表面上に、酸化物層を堆積させること、
    前記シリコン含有基板の前記第２の表面の一部分を露出させるために、前記酸化物層内に開口部を形成すること、
    前記シリコン含有層内に複数のナノ構造を形成すること、
    前記酸化物層内の前記開口部から前記透明層まで延在する前記シリコン含有基板の一部分をエッチングすること、及び
    光学デバイスを形成するために、前記複数のナノ構造がその上に配置された前記透明層の一部分を、前記シリコン含有基板から取り外すことを含む、方法。
  10. 前記透明層が酸化物材料を含むか、又は、前記酸化物層内の前記開口部から前記透明層まで延在する前記シリコン含有基板の前記一部分が、二フッ化キセノンを含むエッチャントを使用してエッチングされる、請求項９に記載の方法。
  11. 前記シリコン含有基板がシリコンを含み、前記透明層が二酸化ケイ素を含み、前記酸化物層内の前記開口部から前記透明層まで延在する前記シリコン含有基板の前記一部分が、二酸化ケイ素と比較してシリコンをエッチングするための高い選択性を有するエッチャントを使用してエッチングされる、請求項９に記載の方法。
  12. 前記複数のナノ構造は、ナノインプリントスタンプ又はリソグラフィ工程を使用して形成され、前記シリコン含有層は、結晶シリコン、窒化ケイ素、及びアモルファスシリコンから成る群から選択される、請求項９に記載の方法。
  13. 光学デバイスを形成する方法であって、
    シリコンを含む基板をベースとして提供すること、
    前記基板の第１の表面上に酸化物層を堆積させること、
    前記基板の前記第１の表面の一部分を露出させるために、前記酸化物層内に開口部を形成すること、
    前記第１の表面の反対側の前記基板の第２の表面上に、透明層を堆積させること、
    前記透明層上に約１．８より大きい屈折率及び約０．００１未満の吸収係数を有する材料を含む構造層を堆積させること、
    前記構造層内に複数のナノ構造を形成すること、
    前記酸化物層内の前記開口部から前記透明層まで延在する前記基板の一部分をエッチングすること、並びに
    光学デバイスを形成するために、前記複数のナノ構造がその上に配置された前記透明層の一部分を、前記基板から取り外すことを含む、方法。
  14. 前記構造層は、二酸化チタン、リン化ガリウム、窒化ガリウム、酸化亜鉛、二酸化スズ、アルミニウムドープ酸化亜鉛、結晶シリコン、及び窒化ケイ素から成る群から選択された材料を含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記透明層が酸化物材料を含み、前記酸化物層内の前記開口部から前記透明層まで延在する前記基板の前記一部分が、二フッ化キセノンを含むエッチャントを使用してエッチングされる、請求項１３に記載の方法。
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