TW202422131A - 反射型相位差構造體及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明的課題是提供在寬波帶具有均勻特性的反射型相位差構造體。
解決手段的反射型相位差構造體(200)具有金屬反射層(210)、介電質間隔層(220)、異向結構層(230)的層積構造。異向結構層(230)包含以鋁系金屬作為材料的複數金屬結構要素(232)。
Description
本公開涉及反射型相位差構造體。
於光學領域中，光的相位控制是重要的技術。作為控制光的相位的光學構件，廣泛使用1/4波長板及1/2波長板等的波長板。
可藉由在物體表面，利用細微加工形成異向性的構造，實現相位差板的功能。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2015-210479號公報
[發明所欲解決之課題]
先前，反射型的相位差構造體根據使用的材料而決定波長特性，故有難以在寬波帶獲得均勻特性的問題。
本公開為有鑑於相關課題所發明者，其某樣態例示的目的之一是提供在寬波帶具有均勻特性的反射型相位差構造體。
[用以解決課題之手段]
本公開的某樣態涉及反射型相位差構造體。反射型相位差構造體，具備：金屬反射層、包含以鋁系金屬作為材料的複數金屬結構要素的異向結構層及被挾持於金屬反射層與異向結構層之間的介電質間隔層。
本公開的其他樣態，具備：形成金屬反射層的工程、在金屬反射層上，形成介電質間隔層的工程、在間隔層上，形成包含以鋁系金屬作為材料之複數金屬結構要素的異向結構層的工程及在異向結構層的上層，藉由原子層沉積法形成介電質保護層的工程。
再者，將任意組合以上之結構要素者、本公開的結構要素及表現，在方法、裝置、系統等之間相互置換者也可有效作為本公開的樣態。
[發明的效果]
依據本公開的某樣態，可提供在寬波帶具有均勻特性的反射型相位差構造體。
(實施方式的概要)
說明本發明之幾種例示的實施形態的概要。此概要係作為後述之詳細說明的前提，目的為實施形態的基本理解，將1或複數實施形態的幾種概念簡略化來進行說明者，並不是限定發明或揭示的範圍者。又，此概要並不是可思及之所有實施形態的包括性概要，不是限定實施形態不可或缺的結構要素者。為了便利說明，「一實施形態」有作為指本說明書所揭示之一實施形態(實施例及變形例)或複數實施形態(實施例及變形例)使用之狀況。
一實施形態的反射型相位差構造體具備：金屬反射層、包含以鋁系金屬作為材料的複數金屬結構要素的異向結構層及被挾持於金屬反射層與異向結構層之間的介電質間隔層。
在以接觸金屬反射層之方式形成異向結構層的構造，亦即沒有介電質間隔層的構造中，難以涵蓋廣波長區域而獲得均勻的特性。相對於此，在金屬反射層與異向結構層之間插入介電質間隔層，藉由最佳化其材料及厚度，可涵蓋寬波帶而讓特性均勻化。
進而，作為異向結構層的結構要素的材料，不是一般的超穎介面材料(metasurface)材料即Au或Ag，而藉由使用鋁系金屬，可涵蓋可視域的廣波長帶，獲得均勻的特性。
再者，相位差構造體可根據相位差特性和反射率特性來評鑑，理想上，均勻的相位差特性與均勻的反射率特性為佳，但根據用途，有時也會優先要求任一方的均勻性。
在一實施形態中，異向結構層更包含填補複數金屬結構要素之間隙的介電質填充構件亦可。藉由追加介電質填充構件，可縮小相位差的分散。
在一實施形態中，介電質間隔層與介電質填充構件為相同材料亦可。
在一實施形態中，反射型相位差構造體更具備形成在異向結構層的上層的介電質保護層亦可。藉由追加介電質保護層，讓其厚度最佳化，調整相位差的分散，可獲得更均勻的特性。
在一實施形態中，介電質填充構件與介電質保護層為相同材料亦可。
(實施方式)
以下，針對理想的實施形態，一邊參照圖式一邊進行說明。對各圖式所示的相同或同等的結構要素、構件、處理附加相同符號，適切省略重複的說明。又，實施形態並不是限定公開或發明者，僅為例示，實施形態所記述之所有特徵及其組合並不一定是公開及發明的實質者。
又，圖式所記載之各構件的尺寸(厚度、長度、寬度等)有時為了容易理解而適當放大縮小。進而，複數構件的尺寸並不一定表示該等的大小關係，在圖式上，即使某構件A描繪的比其他構件B還厚，也可能有構件A比構件B薄之狀況。
圖1是關於實施形態的反射型相位差構造體200的立體圖。反射型相位差構造體200是包含金屬反射層210、介電質間隔層220、異向結構層230、介電質保護層240的層積構造。
作為金屬反射層210的材料，在可視域中Ag或Al等為理想。在假設近紅外線而進行設計的狀況下，可使用Au、Cu等。在沒被要求高反射率時，使用Cr、Ni、Fe等亦可。金屬反射層210形成在未圖示之基材的表面、欲使其具有作為相位差板的功能之其他構件的表面。
異向結構層230在反射型相位差構造體200的面內(x-y)之相互垂直的第1方向(x方向)與第2方向(y方向)，具有不同的構造。異向結構層230包含複數金屬結構要素232。在本實施形態中，異向結構層230具有線柵構造(線與間隙構造)，複數金屬結構要素232是延伸於y方向，鄰接於x方向的複數線柵。
異向結構層230的金屬結構要素232以鋁系金屬(Al)作為材料。鋁系金屬代表至少含有鋁的金屬，純鋁當然不用說，也可包含不純物混入的鋁、以鋁作為主成分的鋁合金等。簡而言之，鋁系金屬以鋁作為主成分，在不損及純鋁的光學特性，或可獲得與其同等的光學特性的範圍中，可包含其他材料。
異向結構層230更包含填補複數金屬結構要素232之間隙的介電質填充構件234。
介電質間隔層220被挾持於金屬反射層210與異向結構層230之間。在異向結構層230的上層，形成介電質保護層240。亦即，反射型相位差構造體200具有金屬反射層210、介電質間隔層220、異向結構層230、介電質保護層240依序積累的層積構造。
介電質間隔層220、介電質填充構件234、介電質保護層240為相同材料亦可，不同材料亦可。作為介電質間隔層220、介電質填充構件234、介電質保護層240的材料，能夠使用SiO
2、TiO
2、MgF
2、Al
2O
3、MgO、Y
2O
3、HfO
2、ZrO
2、Ta
2O
5等。
圖2是圖1的反射型相位差構造體200的剖面圖。反射型相位差構造體200可將介電質間隔層220的厚度d
1及材料、異向結構層230的金屬結構要素232的構造及尺寸(高度d
2及線寬Wl、間隔寬Ws)、介電質填充構件234的材料、介電質保護層240的厚度d
3及材料作為參數，設計光學特性。
圖3是揭示圖1的反射型相位差構造體200之反射率及相位差特性(模擬結果)的圖。模擬是對於入射角0˚的光進行，將沿著光柵的偏振光成分作為S偏振光，將與其垂直的偏振光作為P偏振光。金屬反射層210的厚度設為100nm，將介電質間隔層220的厚度d
1設為50nm，將異向結構層230的高度d
2設為30nm，將介電質保護層240的厚度d
3設為60nm。又，異向結構層230的線寬設為20nm，間隔寬設為70nm。介電質間隔層220的材料設為SiO
2，介電質填充構件234的材料設為SiO
2，介電質保護層240的材料設為SiO
2，金屬反射層210的材料設為Al。
圖4是揭示比較例1的反射型相位差構造體之反射率及相位差特性(模擬結果)的圖。比較例1的反射型相位差構造體具有與實施形態相同的構造，但是，作為異向結構層230的金屬結構要素232，採用作為可視域的超穎介面材料一般使用的Ag。
如圖4所示，可知將金屬結構要素232設為Ag時，在短波長側中反射率降低，又，相位差特性會惡化。相對於此，依據實施形態的反射型相位差構造體200，如圖3所示，涵蓋整個可視域，可獲得均勻的相位差特性。
圖5是揭示各種金屬材料的反射率的圖。作為一般在可視域使用的超穎介面材料，根據導電性、反射特性、穩定性等的觀點，大多狀況是將Au或Ag使用於結構要素的材料。關於Al處處可見彩色濾光片等的適用事例，但是，反射特性在近紅外線比Au差，在可視域中比Ag差，故在被要求高功能時難成為候補材料。在可視域的反射型相位差構造的用途中，包含其構造而發現Al最理想這點上，本案發明可說是有創意獨創性。
接下來，說明反射型相位差構造體200的變形例。
(變形例1)
圖6是變形例1的反射型相位差構造體200A的剖面圖。反射型相位差構造體200A和圖2的反射型相位差構造體200的相異點是省略介電質保護層240之處。
圖7是揭示圖6的反射型相位差構造體200A之反射率及相位差特性(模擬結果)的圖。模擬的參數與實施形態相同。
圖8是揭示比較例2的反射型相位差構造體之反射率及相位差特性(模擬結果)的圖。比較例2具有與變形例1相同的構造，將金屬結構要素232的材料變更成Ag。
將變形例1(圖7)和比較例2(圖8)比較的話，在金屬結構要素232為Ag的狀況下，在短波長側中反射率降低，又，相位差特性會惡化，相對於此，在金屬結構要素232為Al的狀況下，可改善短波長側之反射率特性及相位差特性。
又，將實施形態(圖3)和變形例1(圖7)比較的話，可知實施形態更可抑制相位差特性的分散。亦即，可介電質保護層240控制相位差特性的分散。
(變形例2)
圖9是變形例2的反射型相位差構造體200B的剖面圖。反射型相位差構造體200B和圖2的反射型相位差構造體200的相異點是省略介電質保護層240，進而省略異向結構層230的介電質填充構件234之處。
圖10是揭示圖9的反射型相位差構造體200B之反射率及相位差特性(模擬結果)的圖。模擬的參數與實施形態相同。
圖11是揭示比較例3的反射型相位差構造體之反射率及相位差特性(模擬結果)的圖。比較例3具有與變形例2相同的構造，將金屬結構要素232的材料變更成Ag。
將變形例2(圖10)和比較例3(圖11)比較的話，可知在金屬結構要素232為Ag的狀況下，在短波長側中反射率降低，又，相位差特性會惡化，相對於此，在金屬結構要素232為Al的狀況下，可改善短波長側之反射率特性及相位差特性。
又，將變形例1(圖7)和變形例2(圖10)比較的話，可知變形例1更可抑制相位差特性的分散。亦即，異向結構層230的介電質填充構件234具有抑制相位差特性的分散之功能。
接下來，說明對於反射型相位差構造體200的光學特性之介電質間隔層220的貢獻。為了調查介電質間隔層220的貢獻，在變形例2的反射型相位差構造體200B中，讓介電質間隔層220的厚度d
1變化。
圖12是揭示反射型相位差構造體200B的TE波之反射率R
TE、TM波之反射率R
TM及相位差特性之介電質間隔層220的厚度d
1的依存性的圖。圖中，箭頭表示可視域。縱軸揭示介電質間隔層220的厚度d
1，橫軸揭示波長。d
1=0表示不存在介電質間隔層220。d
1小的話(d
1＜ 30nm)，則TM波的反射率R
TE低。又，相位差的分散也變大。
可知持續增大介電質間隔層220的厚度d
1的話，TM波的反射率R
TE會持續改善，又，相位差特性的分散也會持續改善。在此範例中，可知在d
1=60nm附近，可涵蓋整個可視域，獲得均勻的反射率與相位差特性。
接下來，說明對於反射型相位差構造體200的光學特性之介電質填充構件234及介電質保護層240的貢獻。
圖13是揭示反射型相位差構造體200的TE波之反射率R
TE、TM波的反射率R
TM及相位差特性的圖。圖中，箭頭表示可視域。縱軸h揭示從介電質間隔層220的表面到介電質填充構件234或介電質保護層240的表面為止的高度。金屬結構要素232的高度d
2為30nm。
h=0nm對應變形例2(圖9)的狀態。
h＜30nm的範圍對應不存在介電質保護層240，僅介電質填充構件234填充到異向結構層230的途中為止的狀態。
h=30nm如變形例1(圖6)般，對應異向結構層230被介電質填充構件234填滿的狀態。
h＞30nm如實施形態(圖2)般，對應存在介電質保護層240的狀態。介電質保護層240的厚度d
3為d
3=h-30nm。
由圖13可知在h＞30nm的範圍，因應高度h而控制相位差的分散特性。尤其，可知在h=80nm亦即d
3= 50nm中，可涵蓋整個可視域，獲得平坦的相位差特性。
接下來，說明異向結構層230的變形例。
在實施形態中，異向結構層230的金屬結構要素232的剖面為矩形，但並不限定於其。金屬結構要素232的剖面作為三角形或作為台形亦可。
又，異向結構層230具有接近x方向的2條線柵的一對重複形成於x方向的雙重圖案化構造亦可。
此外，異向結構層230並不限定於線柵的集合。
圖14是變形例3的反射型相位差構造體200F的立體圖。在此變形例中，複數金屬結構要素232F為鄰接於x方向及y方向的複數區塊的集合。異向結構層230F包含介電質填充構件234亦可，在異向結構層230F上，形成介電質保護層240亦可。
圖15是說明變形例3的異向結構層230F之設計參數的俯視圖。異向結構層230F可將金屬結構要素232F的x方向的長度Δx、y方向的長度Δy、x方向的間隔d
x、y方向的間隔d
y作為參數而進行設計。對於為了讓異向結構層230F可稱為異向構造來說，只要滿足Δx≠Δy、d
x≠d
y的至少一方即可。
(製造方法)
在圖2及圖6的反射型相位差構造體200、200A中，在細微構造即金屬結構要素232上，形成介電質填充構件234及介電質保護層240。以下，將介電質填充構件234及介電質保護層240總稱為介電質膜。
圖16是說明圖2的反射型相位差構造體200之製造工程的圖。在工程S100中，在金屬反射層210上，形成介電質間隔層220。金屬反射層210在基材(未圖示)上，例如可藉由蒸鍍形成。
在工程S110中，在介電質間隔層220上，形成排列了金屬結構要素232的異向結構層230。例如，在介電質間隔層220的整個面形成金屬層，在其上，藉由曝光工程形成被圖案化的遮罩構造。然後，使用遮罩構造，藉由乾式蝕刻對金屬層進行圖案化，形成金屬結構要素232。
在接下來的工程S120中，在異向結構層230上，形成介電質膜，在金屬結構要素232的間隙之間，填充介電質填充構件234。
進而在工程S130中，在異向結構層230上，形成介電質保護層240。在異向結構層230和介電質保護層240的材料相同的狀況中，可連續進行工程S120與S130。
一般來說，作為介電質膜的成膜方法，可使用濺鍍法、化學氣相沉積(CVD：Chemical Vapor Deposition)法、蒸鍍法、原子層沉積(ALD：Atomic Layer Deposition)法。本實施形態的介電質填充構件234及介電質保護層240也相同，在工程S120、S130中，可使用該等任一的方法。
會有因為氧化膜即介電質填充構件234、介電體保護層240的成膜工程中產生的氧電漿，導致金屬即Al氧化的情況。此狀況下，會損及異向結構層230的相位差賦予功能，變成無法取得作為相位差構造體的功能。
又，不填充金屬結構要素232的間隙部分而發生空隙的話，在空隙的部分中，有折射率會急遽變化，導致相位特性惡化的問題。具體而言，可賦予的相位差變小，又，有損及寬波帶特性的可能性。該等問題例如在作為介電質膜的成膜法而採用濺鍍法的狀況下可能發生。
再者，此說明並不是否定或排除濺鍍法所致之介電質膜的成膜者。一般來說就算是濺鍍法，根據使用的裝置、成膜條件，也有可獲得良好的特性的狀況。又，使用濺鍍法而形成介電質膜的反射型相位差構造體200，根據被要求的規格也有充分實用性。
圖17是藉由ALD法形成之反射型相位差構造體200的剖面的SEM圖像。於圖17揭示形成在晶圓上的不同3地點D～F的反射型相位差構造體200的剖面構造。
圖18是揭示對應圖17之反射型相位差構造體200的相位差特性的圖。藉由使用ALD法，可防止氧電漿所致之Al的氧化。又，在ALD法中，在金屬結構要素232之間，緊密填充介電質填充構件234，故空隙難以發生。藉此，也可抑制空隙所致之折射率的急遽變化。
觀察圖18的話，關於相位特性，可知在寬廣的區域中，可獲得接近設計值180˚之值。
200:反射型相位差構造體
200A:反射型相位差構造體
200B:反射型相位差構造體
200F:反射型相位差構造體
210:金屬反射層
220:介電質間隔層
230:異向結構層
230F:異向結構層
232:金屬結構要素
232F:金屬結構要素
234:介電質填充構件
240:介電質保護層
d
1:介電質間隔層的厚度
d
2:金屬結構要素的高度
d
3:介電質保護層的厚度
Wl:金屬結構要素的線寬
Ws:金屬結構要素的間隔寬
Δx:金屬結構要素的x方向的長度
Δy:金屬結構要素的y方向的長度
d
x:金屬結構要素的x方向的間隔
d
y:金屬結構要素的y方向的間隔
[圖1]關於實施形態的反射型相位差構造體的立體圖。
[圖2]圖1的反射型相位差構造體的剖面圖。
[圖3]揭示圖1的反射型相位差構造體之反射率及相位差特性(模擬結果)的圖。
[圖4]揭示比較例1的反射型相位差構造體之反射率及相位差特性(模擬結果)的圖。
[圖5]揭示各種金屬材料的反射率的圖。
[圖6]變形例1的反射型相位差構造體的剖面圖。
[圖7]揭示圖6的反射型相位差構造體之反射率及相位差特性(模擬結果)的圖。
[圖8]揭示比較例2的反射型相位差構造體之反射率及相位差特性(模擬結果)的圖。
[圖9]變形例2的反射型相位差構造體的剖面圖。
[圖10]揭示圖9的反射型相位差構造體之反射率及相位差特性(模擬結果)的圖。
[圖11]揭示比較例3的反射型相位差構造體之反射率及相位差特性(模擬結果)的圖。
[圖12]揭示反射型相位差構造體的TE波之反射率R
TE、TM波之反射率R
TM及相位差特性之介電質間隔層的厚度的依存性的圖。
[圖13]揭示反射型相位差構造體的TE波之反射率R
TE、TM波的反射率R
TM及相位差特性的圖。
[圖14]變形例3的反射型相位差構造體的剖面圖。
[圖15]說明變形例3的異向結構層之設計參數的俯視圖。
[圖16]說明圖2的反射型相位差構造體之製造工程的圖。
[圖17]藉由ALD法形成之反射型相位差構造體的剖面的SEM圖像。
[圖18]揭示對應圖17之反射型相位差構造體的相位差特性的圖。
200:反射型相位差構造體
210:金屬反射層
220:介電質間隔層
230:異向結構層
232:金屬結構要素
234:介電質填充構件
240:介電質保護層
Claims (8)
- 一種反射型相位差構造體，其特徵為具備： 金屬反射層； 異向結構層，係包含以鋁系金屬作為材料的複數金屬結構要素；及 介電質間隔層，係被挾持於前述金屬反射層與前述異向結構層之間。
- 如請求項1所記載之反射型相位差構造體，其中， 前述異向結構層更包含填補前述複數金屬結構要素之間隙的介電質填充構件。
- 如請求項2所記載之反射型相位差構造體，其中， 前述介電質間隔層與前述介電質填充構件為相同材料。
- 如請求項2或3所記載之反射型相位差構造體，其中，更具備： 介電質保護層，係形成在前述異向結構層的上層。
- 如請求項4所記載之反射型相位差構造體，其中， 前述介電質填充構件與前述介電質保護層為相同材料。
- 如請求項2所記載之反射型相位差構造體的製造方法，其中，具備： 藉由原子層沉積法形成前述介電質填充構件的工程。
- 一種反射型相位差構造體的製造方法，其特徵為具備： 形成金屬反射層的工程； 在前述金屬反射層上，形成介電質間隔層的工程； 在前述間隔層上，形成包含以鋁系金屬作為材料之複數金屬結構要素的異向結構層的工程；及 在前述異向結構層的上層，藉由原子層沉積法形成介電質保護層的工程。
- 如請求項7所記載之反射型相位差構造體的製造方法，其中， 形成前述異向結構層的工程包含： 在前述介電質間隔層上，形成金屬層的工程； 在前述金屬層的上側，藉由曝光工程形成乾式蝕刻用的遮罩構造的工程；及 使用前述遮罩構造，藉由乾式蝕刻對前述金屬層進行圖案化的工程。
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