用于平坦光学装置的电介质填充的纳米结构化二氧化硅基板的制作方法

用于平坦光学装置的电介质填充的纳米结构化二氧化硅基板
1.背景
2.领域
3.本公开内容的实施方式总体涉及光学装置。更具体而言，本公开内容的方面涉及用于平坦光学装置的电介质填充的纳米结构化二氧化硅基板。
4.相关技术的说明
5.对于平坦光学装置，介电膜以小于操作波长的特征结构化。举例而言，对于可见和近ir光谱，纳米结构的最小特征常常变得如30纳米那样小，而为能用于大规模装置制作的大多数光刻方法所不能及。
6.平坦光学装置在运行(service)期间通常经受苛刻的条件。常规平坦光学设计具有限制常规平坦光学设计的使用的结构，因为这些设计可能对于运行条件而言不足够坚固。需要提供能够承受愈加苛刻的运行条件的平坦光学装置。
7.常规制造方法和设备的另一缺点是常规制造方法在所生产特征的尺寸方面受到限制，因为能够使用的光刻方法受到限制。
8.需要提供一种方法和设备，用于生产合乎平坦光学装置所欲目的的平坦光学装置。
9.进一步需要提供一种方法，用于生产对大规模制作而言经济的平坦光学装置。
10.进一步需要提供一种方法，用于生产可包括小尺寸的纳米结构的平坦光学装置。
11.概述
12.概述的方面仅出于说明的目的而呈现，并且不意图限制权利要求或本公开内容的范围。
13.在一个非限制实施方式中，公开一种用于建立平坦光学结构的方法，包含以下步骤：提供基板；在基板中蚀刻至少一个纳米沟道；将介电材料放置于基板中的至少一个纳米沟道中；和以膜封装基板的顶部。
14.在另一范例实施方式中，公开一种用于建立平坦光学结构的方法，包含以下步骤：提供基板；将材料沉积到基板的第一面上；在沉积于基板的第一面上的材料中蚀刻至少一个沟道；和以封装材料封装沉积于基板的第一面上的材料的顶部。
15.在另一范例实施方式中，公开一种用于建立平坦光学结构的方法，包含以下步骤：提供基板；将材料沉积到基板的第一面上；在沉积于基板的第一面上的材料中蚀刻至少一个沟道；和以封装材料封装沉积于基板的第一面上的材料的顶部。
16.在另一范例实施方式中，公开一种用于建立平坦光学结构的方法，包含以下步骤：提供具有至少一个平坦表面的二氧化硅基板；在二氧化硅基板的至少一个平坦表面中蚀刻至少一个沟道；将介电材料放置于二氧化硅基板的至少一个平坦表面中的至少一个沟道中；和以膜封装在二氧化硅基板的至少一个平坦表面中的至少一个沟道中所放置的介电材料。
17.附图简要说明
18.为了能够详细理解本公开内容上述特征所用方式，可通过参考实施方式获得以上
简要概述的本公开内容的更具体说明，一些实施方式图示于附图中。然而，应注意，附图仅图示范例实施方式，并且因此不应视为对本公开内容的范围的限制，而可认可其他等效的实施方式。
19.图1a、图1b和图1c根据所述方面的一个非限制范例实施方式，公开介电纳米沟道的俯视图、侧视图和立体图。
20.图2a、图2b和图2c公开具有密封物(encapsulant)和基板的介电纳米柱的俯视图、侧视图和立体图。
21.图3a、图3b和图3c图根据所述方面的一个非限制性范例实施方式，公开蚀刻、填充和封装一个布置的所计划的理想方法。
22.图4a和图4b是图3的蚀刻、填充和封装所述布置的理想方法的实际结果。
23.图5a、图5b和图5c根据所述方面的另一非限制性范例实施方式，图示用于纳米沟道建立、填充和处理的工艺流程。
24.图6a、图6b和图6c图根据所述方面的另一非限制性范例实施方式，图示用于纳米沟道建立、填充和处理的第二工艺流程。
25.图7是针对正和负的圆形和方形配置，介电膜中柱和沟道布置直径的相位改变相对于直径测量结果的图。
26.图8是针对正和负的圆形和方形配置，介电膜中柱和沟道布置直径的振幅相对于直径测量结果的图。
27.图9为相位改变相对于膜厚度的图。
28.图10是用于柱设计的纳米柱高度和最大与最小尺寸及间距的图表。
29.为了促进理解，已尽可能地使用相同的参考数字代表图所共有的相同的元件。应考量一个实施方式的元件和特征可有益地并入其他实施方式中而无须进一步说明。
30.具体说明
31.在以下所述的范例实施方式中，公开布置和方法，以提供平坦光学装置的生产。在所述的实施方式中，与生产平坦光学装置的常规方法和材料相比，使用不同的方法和材料。所提供的方法和设备允许平坦光学装置的优越制造，而与常规制作的对应物相比更加适合。设备的方面提供使用不同材料，例如具有低折射率(ri)和k值的二氧化硅(sio2)。设备的其他部件使用具有较高折射率和低k值的二氧化钛(tio2)。功能性材料可称为“电介质”，而具有高折射率(ri)和低k，并且不同于基板、内部结构空间和密封物(encapsulant)。在图示和描述的实施方式中，使用术语沟道和柱。沟道和柱的横向尺寸为大约操作波长的一半。
32.在实施方式中，取代使用柱，本公开内容的方面寻求在介电材料中使用沟道，以实现类似的结果。在制造中，一些实施方式使用开沟道(trenching)技术来建立比使用柱来建立更具成本效益。
33.为了增加整体设计的耐久性，一些布置经受密封物的放置。密封物可覆盖布置的一个分区，并且不仅提供所需的介电特性，而且提供磨耗能力，以使得所得的配置更适合用于所欲目的。
34.在一些非限制方面中，使用二氧化硅材料作为装置密封物，生产更快、更便宜并且整体优越的操作装置。在实施方式中，结构化二氧化硅膜与具有所期望的纳米结构的二氧化硅基板结合使用。纳米结构可为柱或孔，并且可具有不同的横截面，例如方形(square)、
圆形、椭圆或任意形状。晶格也可以方形、六角形或任意位置配置。在建立的纳米结构中的间隙可如所期望地被填充。间隙可以旋涂的(spin
‑
on)介电材料(二氧化钛、sin、zno等等)填充，或以可与化学气相沉积一起使用而可流动的材料填充。
35.在替代的纳米结构设计中，与建立的介电纳米柱相比较，孔和沟道可放置于介电膜中。在一个非限制实施方式中，平坦光学装置可从二氧化硅基板开始，并且接着在结构化的二氧化硅基板上方沉积介电薄膜和任何间隙填充材料而制成。在实施方式中，所建立的布置中的间隙被填充并且接着被封装。在一个范例实施方式中，建立二氧化硅基板，使得二氧化硅基板以某个轮廓结构化。此轮廓接着通过使用旋涂电介质而填充，以便容易地并且具成本效益地在结构化基板中填充以构筑纳米结构。在实施方式中，介电膜中的沟道(孔)可取代柱而存在，提供可与柱构造实施方式相比较的光学性能。
36.在所公开的实施方式中，与在介电膜上制作隔绝的柱的常规方法作比较，在介电膜上或在基板中制作沟道是优越的工艺。纳米沟道可与结构化二氧化硅方法一起使用，或与在平面二氧化硅基板上沉积介电膜并且使产物纳米结构化的方法一起使用。
37.参照图1a，图示介电纳米沟道的俯视图。在图示的实施方式中，值d和g是这样的：这些值小于一个所测量的波长。在介电纳米沟道的俯视图中，作为非限制性实施方式，通过值g测量的结构为tio2。针对值g可使用高ri值与低吸收电介质(例如，tio2、gap、asi、csi、sin等等)。通过距离d指定的结构为sio2，具有低ri并且为低吸收电介质。在图1b中所建立的沟道的高度“h”可以是可变的，因为介于基板100与密封物102之间的距离可变化。呈现的立体图图1c指示sio2和tio2的层。为了更加清楚，二氧化钛tio2以主题标签(hashtag)或井号形状(即，“#”)形成，其中二氧化硅形成基板的其余部分、密封物和介于形状的组成凸缘之间的空间。
38.参照图2a，图示介电纳米柱布置的俯视图。在图示的实施方式中，值d和g是这样的：这些值小于一个所测量的波长。在介电纳米柱的俯视图中，作为非限制性实施方式，通过值g测量的结构为sio2。d的值测量由tio2制成的纳米柱结构的部分。可使用高ri值与低吸收电介质，例如(tio2、gap、asi、csi、sin等等)。所建立的沟道的高度“h”可以是可变的，因为介于基板200与密封物202之间的距离可变化。所呈现立体图图2c指示sio2和tio2的层。
39.参照图3a、图3b和图3c，图示用于纳米柱或纳米沟道设计的工艺流程。在图3a中，提供基板300，其中提供所蚀刻的柱/沟道302。在图3b中，使用旋涂高ri低k电介质填充柱/沟道302。时间上进一步进展，在图3c中，以sio2封装来自图3b的布置，表示理想配置。
40.参照图4a和图4b，呈现从图3得到的所建构的布置。尽管图3a、图3b和图3c图示从所描述的方法得到的理想构造，图4a和图4b呈现在图3b中填充的沟道实际上存在而使得沟道被填充超过顶部，其中呈现过量填充的介电层400的顶层。接着，将密封物402放置于介电层400上方，以建构最终布置。
41.参照图5a、图5b和图5c，在另一实施方式中图示第二工艺流程。在图5a中，在sio2基板上蚀刻sio2柱。在图5b中，以旋涂高n、低k介电材料填充在sio2中蚀刻的纳米沟道。在图5c中，从图5b得到的布置以低ri低k材料封装。
42.参照图6a、图6b和图6c，图示图5a、图5b和图5c中所描述的工艺流程的替代工艺流程。在图6a中，提供sio2基板600，并且高ri低k电介质602放置在基板600表面(例如sio2)上。在图6b中，纳米沟道604放置于高ri低k介电层602中。进行至图6c，以低ri低k材料填充沟
道，以提供完成的布置。
43.因为“所建构的”实施方式可不同于理想的设计，针对顺应性(compliance)而对以上所述的实施方式的不同变化进行测试，以确保这样的“所建构的”实施方式满足设计目标。因为图示的实施方式使用沟道而非柱布置，执行测试以确定两种类型的布置(柱和沟道)在测试中是否提供类似的结果。
44.参照图7，图示相位改变相对于直径的图。在图示的图中，实心圆圈代表具有圆形横截面的柱。空心圆圈提供具有圆形横截面的沟道。实心方形代表具有方形横截面的柱。空心方形代表具有方形横截面的沟道。在图示的图中，圆形柱和方形柱两者的传输相位(transmission phase)从值0开始，并且在整个图中增加至1。在沟道配置中，传输相位的值从1开始，并且在整个图中减少至0。因此，如从图8可见，对于正配置和负配置两者发生相位改变。因为纳米柱(沟道)的横向直径单调地变化，在一个实施方式中，在0与1之间选取传输相位的所有可能值(归一化)是重要的。同时，不论纳米结构的尺寸的改变，传输振幅应维持尽可能靠近1(即，最大)。
45.参照图8，图示振幅相对于直径的图。在图示的图中，实心圆圈代表正的圆形配置。空心圆圈提供负的圆形配置。实心方形代表正的方形配置。空心方形代表负的方形配置。如图8中呈现的，正的圆形配置和正的方形配置具有大约1的值直到值180nm，并且接着缓慢减少。负的圆形和负的方形值具有大约.7的略微较低的振幅，并且接着针对其余的直径值增加至大约1的值。在所显示的实施方式中，柱比沟道传输更大的振幅。
46.参照图9，图示相位改变相对于方形侧(side)尺寸的图。对方形柱配置两者，随着侧测量结果的增加，相位改变增加。如图示，针对特定配置的柱越高，介于两个相邻柱之间的最小(最近)间隙将越大。为了将膜厚度从600nm增加至850nm，增加整体传输振幅，以及将最小间隙需求从40nm改进至600nm。图10呈现在一个非限制实施方式中波长、电介质类型和定尺寸(sizing)的特征。在所显示的实施方式中，公开的方面表示方形柱形状比方形沟道更理想，方形沟道比圆形柱更理想，圆形柱比圆形沟道更理想。
47.通过在理想和“所建构的”类型的布置的各种改造上执行的测试，测试指示方形沟道的圆角可通过增加在不同实施方式中所使用的介电膜的厚度而补偿。对于“所建构的”布置具有残留顶层的的实施方式，发生对相位改变和信号振幅的最小改变。用于顶表面的封装材料可影响所使用的沟道的深度。降低封装材料的折射率，深宽比(h：d)越低，并且因此在蚀刻纳米结构方面制作限制越宽松。
48.在图示的实施方式中，从制造观点来看，方形配置比圆形配置更易于生产，因此方形比圆形的生产更便宜。
49.在图示的实施方式中，所描述的布置可具有小于30纳米的配置，从而超过常规设备的分辨率限制。
50.处理平坦光学装置，使得部件被封装。这样的封装允许装置更耐久而更适合用于所欲的目的。
51.本公开内容的方面提供对大规模制作具经济效益的用于生产平坦光学装置的方法。
52.在一个范例实施方式中，公开一种用于建立平坦光学结构的方法，包含以下步骤：提供基板；在基板中蚀刻至少一个沟道；在基板中的至少一个沟道中放置介电材料；和以膜
封装基板的顶部。
53.在另一范例实施方式中，提供方法，其中基板由二氧化硅制成。
54.在另一范例实施方式中，提供方法，其中在基板中的至少一个沟道中放置介电材料是通过甩胶(spinning)工艺。
55.在另一范例实施方式中，提供方法，其中以膜封装基板的顶部是通过使用sio2膜。
56.在另一范例实施方式中，提供方法，其中在基板中的至少一个沟道中放置介电材料包括以下步骤：提供过量填充的介电层。
57.在另一范例实施方式中，一种用于建立平坦光学结构的方法，包含以下步骤：提供基板；将材料沉积到基板的第一面上；在沉积于基板的第一面上的材料中蚀刻至少一个沟道；和以封装材料封装沉积于基板的第一面上的材料的顶部。
58.在另一范例实施方式中，可执行方法，其中基板由sio2制成。
59.在另一范例实施方式中，可执行方法，其中封装材料具有低的折射率并且是低k材料。
60.在另一范例实施方式中，公开一种布置，包含基板，所述基板具有至少一个沟道；经甩胶材料(spun material)，放置于至少一个纳米沟道中；和封装材料，与基板和经甩胶材料接触而放置。
61.在另一范例实施方式中，放置于至少一个沟道中的经甩胶材料进一步包含过量填充层。
62.在另一范例实施方式中，放置于至少一个沟道中的经甩胶材料为二氧化钛。
63.在另一范例实施方式中，具有至少一个沟道的基板由二氧化硅制成。
64.在另一范例实施方式中，经甩胶材料为以下项中的一者：gap、asi、csi和sin。
65.在另一范例实施方式中，公开一种用于建立平坦光学结构的方法，包含以下步骤：提供具有至少一个平坦表面的二氧化硅基板；在二氧化硅基板的至少一个平坦表面中蚀刻至少一个沟道；将介电材料放置于二氧化硅基板的至少一个平坦表面中的至少一个沟道中；和以膜封装在二氧化硅基板的至少一个平坦表面中的至少一个沟道中所放置的介电材料。
66.在另一非限制实施方式中，可执行方法，其中介电材料通过甩胶工艺而沉积。
67.在另一非限制实施方式中，可执行方法，其中材料为gap。
68.在另一非限制实施方式中，可执行方法，其中材料为asi和sin中的一者。
69.尽管前述内容涉及本公开内容的实施方式，在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，可设计本公开内容的其他和进一步的实施方式，并且本公开内容的范围通过所附的权利要求书确定。