專利名稱：耐用的無機吸收式紫外柵偏振器的制作方法
耐用的無機吸收式紫外柵偏振器
本申請是申請日為2008年3月3日，發(fā)明名稱為“耐用的無機吸收式紫外柵偏振 器”的中國專利申請CN200880021401. 8 (PCT/US2008/055685進入中國國家階段的申請)的 分案申請，在此請求原案的相關優(yōu)先權權益。技術領域
本發(fā)明一般涉及無機的電介質吸收式柵偏振器，特別關注這樣的偏振器在電磁波 譜的紫外(UV)部分中的應用。
背景技術：
為了使光偏振，或者使光的正交偏振方向分離，已經(jīng)發(fā)展了各種類型的偏振器或 偏振分束器(PBS)。Macneille PBS是基于沿著高折射率立方體(該PBS被構造于其中)的 對角線在薄膜界面處實現(xiàn)Brewster角行為。這樣的Macneille PBS不產(chǎn)生散光,但具有窄 的接收角，并且成本和重量很高。這樣的器件可通過對玻璃和薄膜的合適選擇而被制造為 從電磁波譜的紅外范圍經(jīng)可見光范圍直至紫外范圍內(nèi)起作用。
其他類型的偏振器也常用于光譜的可見和紅外部分，包括長鏈聚合物偏振器、線 柵偏振器、Glan Thompson晶體偏振器等等。然而,不能類似地向光譜的紫外(UV)部分(特 別是小于約350nm的波長)提供可行的高性能偏振器。
與可見和紅外(IR)相比，這種可行的偏置器的缺乏限制了偏振的UV光在科學、技 術和工業(yè)中的應用。然而，為了支持UV輻射在諸如半導體制造、平板液晶顯示器(IXD)制 造等的工業(yè)加工中的增加的應用，對UV偏振器的需求日益劇烈。在一些UV輻射加工中所 需的偏振器類型必須具有適當?shù)慕邮战?，必須能夠給出大于約20:1的透射對比率和對所 希望偏振的大于約30%的透射效率，并且在高強度環(huán)境中經(jīng)歷有效的時間周期(至少1-2個 月)。還希望該偏振器具有這樣的方便的形狀因子(例如玻片形式)，其允許使用最有效的光 學幾何結構。雖然在可見光譜內(nèi)通過線柵偏振器技術或多種其他偏振技術可容易地滿足這 樣的性能水平，但出乎意料地，要在UV范圍內(nèi)滿足甚至該低的性能要求也證明是困難的。
對該需求的一種解決方案是使用“玻片堆”偏振器，其通過組裝一系列玻片且將該 堆設置在UV輻射的Brewster角的位置處而形成，以通過P偏振的透射和S偏振的反射而 產(chǎn)生偏振光束。該方法可給出希望的光學效率和對比率，但過于昂貴且笨重，并且尚未被證 明是實用的解決方案。
與在可見和IR中應用的那些商業(yè)可用偏振器類似的鋁線柵偏振器曾被認為可用 于滿足該需求。然而，經(jīng)驗表明，線柵技術的當前技術狀態(tài)是不能勝任的。已經(jīng)在240nm與 300nm波長之間的UV應用中測試了來自多個制造商的具有最低為約IOOnm的柵周期的線柵 偏振器，這些線柵偏振器不能滿足以上所有要求。特別地，它們不能給出在有效的時間周期 內(nèi)持續(xù)給出希望的對比度水平?；締栴}看起來在于與柵周期相比短的波長(在250nm下 比率僅為2. 5:1)以及對快速地(例如約幾個小時)將柵中的鋁金屬線轉變成氧化鋁線(此時 偏振器幾乎完全喪失其偏振功能)的工業(yè)UV環(huán)境的苛求，該短的波長消極地影響對比度和透射性能。
另一個提議是，在線柵偏振器附近簡單地添加分隔吸收層或者用吸收層涂覆線柵 偏振器。參見專利7，206，059。但這樣的偏振器使用線。
其他UV偏振器(例如Glan Thompson Alpha BB0)雖然滿足科學應用，但不能滿足 光學效率、接收角方面的要求，并且對于工業(yè)應用而言也過于昂貴。因此，當前不存在滿足 UV光的工業(yè)應用的需要的完全可接受的且實用的UV偏振器。發(fā)明內(nèi)容
已經(jīng)公認，發(fā)展這樣的偏振器或偏振分束器將是有利的，其具有大于約20:1的透 射和/或反射對比度，具有適當?shù)慕邮战牵稍谙喈旈L的時間段內(nèi)耐受高溫和UV光中固有 的較高能量的光子，具有合理的物理形式(例如玻片形式)，并且可以以適當?shù)某杀局圃煲?應用于工業(yè)加工。另外，已經(jīng)公認，發(fā)展無機的電介質的偏振器將是有利的，以避免由于強 的UV環(huán)境而氧化金屬(例如鋁)和破壞有機材料(例如聚合物)。
本發(fā)明提供一種紫外的吸收式無機的電介質柵偏振器器件。在基底上方設置至少 兩個層的疊層。所述至少兩個層中的每一個由無機的且為電介質的材料形成。所述至少兩 個層的相鄰層具有不同的折射率。所述至少兩個層中的至少一個是不連續(xù)的，從而形成形 序雙折射(form-birefringent)層,其具有周期小于約400nm的平行脊的陣列。所述至少 兩個層中的另一個與所述形序雙折射層不同，其由對紫外光譜光學吸收的材料形成，從而 限定吸收層。
在另一方面中，本發(fā)明提供一種紫外的吸收式無機的電介質柵偏振器器件，其具 有設置在基底上方的至少兩個層的疊層。所述至少兩個層中的每一個由無機的且為電介質 的材料形成。所述至少兩個層的相鄰層具有不同的折射率。所述至少兩個層中的至少一個 是不連續(xù)的，從而形成周期小于約400nm的平行脊的陣列。每個脊具有透射層，其由對紫 外光譜光學不吸收的材料形成；以及吸收層，其由對紫外光譜光學吸收的材料形成。
根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供一種紫外的吸收式無機的電介質柵偏振器器件，其具 有設置在基底上方的至少兩個層的疊層。所述疊層的每一個層由無機的且為電介質的材料 形成。所述疊層的相鄰層具有不同的折射率。所述疊層的所有層是不連續(xù)的，從而形成形 序雙折射層，其具有周期小于約400nm的平行脊的陣列。所述周期和不同的折射率使得所 述疊層將入射的紫外射束基本偏振為兩個正交偏振方向且透射或反射所述偏振中的一者。 所述疊層的至少一個層由對紫外光譜光學吸收的材料形成，從而基本吸收所述偏振方向中 的另一者。


通過結合附圖而在下面給出的詳細描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將顯而易見， 這些附圖通過實例而一起示例出本發(fā)明的特征；并且其中
圖1a是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的吸收式無機的電介質柵偏振器的示意性截面 側視圖1b是圖1a的偏振器的一個實例的掃描電子圖像；
圖1c是圖1a的偏振器的預期性能(理論計算)的圖
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圖1d是其脊由Nb205形成的圖1a的偏振器的預期性能(理論計算)的圖；Ie是其脊具有IOOnm的周期的圖1a的偏振器的預期性能(理論計算)的圖；If是圖1a的偏振器的實際性能的圖；2是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的另一吸收式無機的電介質柵偏振器的示意性 3a是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的另一吸收式無機的電介質柵偏振器的示意性 3b是圖3a的偏振器的預期性能(理論計算)的圖；4a是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的另一吸收式無機的電介質柵偏振器的示意性 4b是圖4a的偏振器的預期性能(理論計算)的圖；5a是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的另一吸收式無機的電介質柵偏振器的示意性 5b是圖5a的偏振器的一個實例的掃描電子圖像；5c是圖5a的偏振器的預期性能(理論計算)的圖；6是根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的另一吸收式無機的電介質柵偏振器的示意性7是制造圖1a的偏振器的方法的示意圖；以及8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例使用圖1a的偏振器的紫外曝光系統(tǒng)的示意圖。
為清楚起見夸大了附圖中的各種特征。
現(xiàn)在將參考并在此使用特定的語言描述所示例的示例性實施例。然而應該理解， 并不旨在由此限制本發(fā)明的范圍。
具體實施方式

定義
在此使用術語電介質表示非金屬光學材料，其典型地由金屬氧化物、金屬氮化物、 金屬氟化物或其他類似的材料構成。另外，認為各種形式的碳，例如石墨、金剛石、玻璃碳等，也是本發(fā)明的范圍內(nèi)的一種電介質。
描述
如上所述，已經(jīng)公認，存在對改進的偏振器，特別是用于紫外(UV)應用的偏振器的需求。由于即使是無機偏振器，例如線柵偏振器，也尚未成功地滿足在UV光譜中的該特殊需求，因此著眼于該應用要求是有用的，以發(fā)展獨特地工作在UV光譜中的偏振器，該偏振器不關注或不可用于電磁波譜的其他部分中。特別地，應注意，在一些UV應用中對對比率和透射效率的要求比在可見或紅外(IR)光譜中的應用所要考慮的可接受的性能水平低得多。這打開了使用更具有獨創(chuàng)性的途徑的可能性，或許甚至涉及吸收性材料，在可見或IR 應用中通常不考慮這些吸收性材料，因為它們對總體的光效率具有強的消極影響。
如圖1a和Ib中所示例的，根據(jù)本發(fā)明以示例性實施方式示出了一般由10表示的吸收式無機的電介質柵偏振器。可如此配置偏振器10，以便入射的UV光束(用“UV”表示) 基本偏振為基本分隔的正交偏振方向，并且基本吸收偏振中的一種。例如，偏振器可被配置為透射一種偏振方向(例如具有P偏振方向的UV光)且吸收另一種偏振方向(例如具有s偏振方向的UV光)，如圖1a中所示。如上所述，可將s偏振方向取向為與偏振器的脊平行，同時可將P偏振方向取向為與這些脊正交或垂直。這樣的偏振器10可用于半導體制造、平板液晶顯示器(IXD)制造等領域中。
偏振器10可包括設置在基底22上方的膜層18a和18b的疊層14，該基底22承載且支持這些層。疊層14包括至少兩個層，包括至少一個透射或非光學吸收層18a以及至少一個對于紫外光譜光學吸收的層18b。透射層18a可直接設置在基底上，或者設置在比吸收層18b更靠近基底的位置處，以使透射層設置在吸收層與基底之間。層18a和18b可由無機的電介質材料形成。偏振器的無機的電介質材料可抵制由UV射束引起的諸如氧化的劣化。另外，基底22可由無機的電介質材料形成，例如熔融硅石，以進一步避免由UV光引起的基底的劣化。由此，整個偏振器可為無機的電介質，或者僅由無機的電介質材料形成。
透射層18a也可由至少在UV光譜區(qū)中光學透射的材料形成。類似地，基底可由對 UV光譜區(qū)光學透射的材料形成。
至少透射層18a可為不連續(xù)的，從而形成形序雙折射層26，其具有限定柵32的平行脊30的陣列。脊30由諸如二氧化硅(Si02)的無機的電介質材料形成。在一個方面中， 脊30的周期P小于UV射束的波長，或者小于400nm。在另一方面中，脊30或柵32的周期 P小于UV射束的波長的一半，或者小于200nm。在另一方面中，脊或柵可具有小于160nm的周期P。脊30的該結構(周期、寬度、厚度、以及相鄰層的不同折射率)與UV射束相互作用， 以將UV射束基本偏振成兩個正交的偏振方向。在一個方面中，柵32基本透射偏振方向中的一者(例如P偏振方向)，同時基本吸收另一個偏振方向(例如s偏振方向),如下所述?；蛘?，該柵可基本反射s偏振方向，同時基本吸收P偏振方向。
吸收層18b包括對于UV光譜區(qū)光學吸收的材料，例如二氧化鈦(Ti02)。由此，吸收層18b基本吸收UV射束的偏振方向中的一者，例如s偏振方向。吸收層18b也可為不連續(xù)的，其具有形成柵32的一部分的平行脊30的陣列。如下面將更詳細描述的，通過允許一次蝕刻所有的層，將吸收層32形成為柵32可簡化制造。吸收層的光學吸收材料可包括碲化鎘、鍺、締化鉛、氧化娃、締、二氧化鈦、娃、硫化鎘、硒化鋅、硫化鋅、及其組合。
每個層或柵的材料具有折射率η或有效折射率。相鄰的層或柵具有不同的折射率 Cn1 Φ η2)或者不同的有效折射率。另外，第一層18a可具有與基底22的折射率\不同的折射率Ii1 (H1^ns)0層的疊層可具有這樣的兩個層的基本模式，其具有兩種折射率、兩種厚度(可以不同或相同)以及兩種不同的材料，其中一種材料在UV光譜中所關注的光譜區(qū)中顯示為光學吸收。該基本 模式可被重復，從而形成具有多于一個層對的結構。還應理解，可在該層對之下或在該層對之上添加連續(xù)的光學薄膜材料(未示出)的其他層，以提供其他光學益處。
另外，每一層的厚度可被設計為對于UV光譜中的希望的光譜范圍使光學性能(透射效率和對比率)最優(yōu)化。例如，如圖1a中所示，透射層18a的厚度h小于吸收層18b的厚度t2。
雖然疊層14被示出為具有兩個膜層18a_b，但應理解，疊層中的膜層的數(shù)目可以改變。在一個方面中，疊層可以具有三個至二十個層。相信小于二十個層可以實現(xiàn)希望的偏振。位于基底上方的疊層中的所有膜層的厚度可以小于2微米。
二層膜不連續(xù)，從而形成具有平行脊30的陣列的形序雙折射結構。這些脊的間距或周期P小于受處理的波長，并且在一個方面中小于受處理的波長的一半。對于UV光應用 (λ ^ 100-400nm)，這些脊的間距或周期P在一個方面中可小于400nm，在另一方面中可小于200nm,并且在又一方面中可小于160nm。由此,偏振器10將入射的UV光束分離成兩個正交偏振方向，其中具有s偏振方向(平行于脊長度取向的偏振方向)的光被吸收得最多,其中一些能量被反射，而具有P偏振方向(垂直于脊長度取向的偏振方向)的光被大量透射或通過，少量能量被吸收。(當然應理解，這兩種偏振的分離可以不是完全的，并且可以存在損耗或者不希望的偏振方向的量被反射和/或透射)。另外，應注意，其間距小于光波長一半的柵或脊陣列的作用不像衍射光柵(其間距大于光波長的約一半)。由此，柵偏振器可避免衍射。此外，相信這樣的周期還可避免共振效應或其他光學異常。
如圖1a中所示，所有的膜層都不連續(xù)且形成平行脊30的陣列。脊30可通過插入溝槽、間隙或凹槽34而被分隔。在這種情況下，溝槽34延伸穿過膜層18a-18b這兩層直到基底22。由此，每個脊30由兩個層形成。另外，所有的膜層為形序雙折射。如以下所討論的，這樣的配置可便于制造。
雖然脊30被示出為矩形的，但是當然應理解，這些脊和溝槽34可以呈現(xiàn)各種其他形狀，如圖1b中所示。例如，這些脊和凹槽可以為梯形的、圓形的、部分正弦曲線狀，等等。
可以不填充或用空氣(n=l)填充溝槽34?；蛘?，可用對入射的UV光光學透射的材料填充溝槽34。
在一個方面中，位于基底上方的疊層中的所有膜層的厚度小于I微米。由此，柵偏振器10可以很薄，以用于緊湊的應用中。
相信膜層的雙折射特征以及相鄰膜層的不同折射率會使得柵偏振器10基本分離入射光的偏振方向，基本吸收和反射s偏振方向的光,并且基本透射或通過P偏振方向的光 (其中有可接受量的吸收)。另外，相信可以調(diào)整膜層的數(shù)目、膜層的厚度以及膜層的折射率來改變柵偏振器的性能特征，只要這些層中的至少一個吸收入射的UV光。
參考圖lc，示出了具有120nm周期的圖1a和Ib的偏振器10的預測性能(具體地， 透射率和對比度)?？梢钥闯觯?50-350nm的光譜范圍內(nèi) ，偏振器10的透射率大于40%，其中當大于310nm時，透射率增加。另外，對比率的峰值(350)位于約270nm的波長處。參考圖le，示出了具有IOOnm周期的圖1a和Ib的偏振器10的預測性能。可以看出，透射率大于 30%，并且當大于300nm時，透射率增加。另外，對比度的峰值位于260nm處。參考圖ld，示出了其中脊由Nb205形成的圖1a和Ib的偏振器10的預測性能?？梢钥闯觯?50_350nm 的光譜范圍內(nèi)，偏振器的透射率大于30%，并且當大于290nm時，透射率增加。另外，對比率的峰值(400以上)位于約250nm的波長處。由此，可以看出，可選擇不同的材料來將偏振器調(diào)制至特定的波長。
參考圖2，根據(jù)本發(fā)明以示例性實施方式示出了總體由IOb表示的另一吸收式無機的電介質柵偏振器。上面的描述在此引入作為參考。與基底22b整體地形成偏振層18a、 脊30b和柵32b (例如，通過蝕刻超過吸收層18b而進入基底中)。由于需要沉積較少的層， 因此該偏振器IOb較容易制造。由此，偏振器包括多個脊，這些脊形成在基底22b本身中， 或從基底22b本身延伸。形成在膜層中或膜層的疊層14b中的脊可以沉積在基底的脊上方或者受到基底的脊的承載?；椎募箍梢韵薅ň娱g的溝槽或凹槽，這些凹槽可與膜層的溝槽對準。利用該配置，基底的一部分可形成形序雙折射層。可通過蝕刻基底，例如，通過過蝕刻上述各層，形成脊或溝槽。
參考圖3a，根據(jù)本發(fā)明以示例性實施方式示出了總體由IOc表示的另一吸收式無機的電介質柵偏振器或偏振分束器。上面的描述在此引入作為參考。偏振器IOc包括不連續(xù)層18a-c的疊層14c。頂部和底部層18c和18a可以為透射層，且可以為不連續(xù)的，從而形成具有限定柵26的脊30的陣列的形序雙折射層32。吸收層18b可以設置在這兩個偏振柵之間。
參考圖3b，示出了圖3a的偏振器IOc的預測性能?？梢钥闯觯衿鱅Oc類似于圖1a的偏振器10。
參考圖4a，根據(jù)本發(fā)明以示例性實施方式示出了總體由IOd表示的另一吸收式無機的電介質柵偏振器或者偏振分束器。上面的描述在此引入作為參考。偏振器IOd包括不連續(xù)層18a-18f的疊層14d，從而形成具有限定柵的脊30的陣列的形序雙折射層。這些層在非吸收層18a、18c和18e與吸收層18b、18d和18f之間交替。
參考圖4b，示出了圖4a的偏振器IOd的預測性能。可以看出，在250_350nm的范圍內(nèi)，透射率大于百分之三十。另外，對比度的峰值(120)位于270nm的波長處。
實例I
參考圖la，示出了吸收式無機的電介質柵偏振器10的第一非限制性實例。
柵偏振器10具有設置在基底22上方的兩個膜層18a和18b。這些膜層由無機的電介質材料形成，即，層18a由二氧化娃(SiO2)(在266nm下，n ^1. 6, k ^ O)形成,層 18b由二氧化鈦(TiO2)(在266nm下，n ^ 2. 7，k ^1. 3)形成。這兩個層分別具有20nm和 130nm的厚度(^和^)。由此，整個疊層具有約150nm的厚度(t總)。這兩個薄膜層都是不連續(xù)的，且形成平行脊30的陣 列26。由此，所有的層都是不連續(xù)的，且一起產(chǎn)生形序雙折射層。脊的間距或周期P為118nm，且占空比(周期與脊寬度的比率)為O. 48，或者脊寬度為 57nm。選擇氧化鈦(TiO2)材料的原因在于其光學指標及其對入射的UV輻射的光學吸收特性。形序雙折射結構將優(yōu)先反射和吸收s偏振而透射P偏振，其中可接受量的能量損失或被吸收。將在與法線成從約0°入射(或正入射)到約75°的角度的入射角范圍內(nèi)發(fā)生該希望的性能。
表I示出了在波長(λ )為266nm的入射UV光以0°、15°和30°的入射角入射的情況下圖1a的偏振器10的性能。
表I一實例I
權利要求
1.一種紫外的吸收式無機的電介質柵偏振器器件，包括 a)基底； b)設置在所述基底上方的至少兩個層的疊層； c)所述至少兩個層中的每一個由無機的且為電介質的材料形成； d)所述至少兩個層的相鄰層具有不同的折射率； e)所述至少兩個層是不連續(xù)的，從而形成形序雙折射層，其具有周期小于大約400nm的平行脊的陣列； f)所述至少兩個層中的至少一個由針對紫外光譜的光學吸收性材料形成，其限定吸收層； g)其中所述器件基本透射一個偏振方向且基本吸收另一個偏振方向。
2.根據(jù)權利要求1的器件，其中所述形序雙折射層之一包括二氧化硅；并且其中所述光學吸收性材料包括二氧化鈦。
3.根據(jù)權利要求1的器件，還包括至少三個層，該至少三個層中的兩個不連續(xù)，從而形成形序雙折射層，光學吸收性材料的吸收層設置在所述形序雙折射層之間。
4.根據(jù)權利要求1的器件，還包括所述形序雙折射層和光學吸收性材料的層的多個交替層。
5.根據(jù)權利要求1的器件，還包括第三平面化層，其設置在所述脊和在所述脊之間限定的間隙的上方。
6.根據(jù)權利要求1的器件，其中所述器件具有大于20:1的透射對比率和大于30%的透射效率。
7.根據(jù)權利要求1的器件，其中所述光學吸收性材料選自碲化鎘、鍺、碲化鉛、氧化娃、締、二氧化鈦、娃、硫化鎘、硒化鋅、硫化鋅、及其組合。
8.根據(jù)權利要求1的器件，其中由所述至少兩個層中的一個形成的脊與所述基底形成為整體，并包括所述基底中的脊。
全文摘要
本發(fā)明是耐用的無機吸收式紫外柵偏振器。無機的電介質柵偏振器器件(10，10b，10c，10d，10e，10f)包括設置在基底(22)上方的膜層(18a，18b)的疊層(14，14b，14c，14d，14e，14f)。每個膜層由無機的且為電介質的材料形成。每個相鄰膜層具有不同的折射率。所述膜層中的至少一個是不連續(xù)的，從而形成形序雙折射層(26)，其具有周期小于400nm的平行脊(30)的陣列。另一層不同于所述形序雙折射層，其由對紫外光譜光學吸收的材料形成。
文檔編號G02B5/30GK103033870SQ20121057455
公開日2013年4月10日 申請日期2008年3月3日 優(yōu)先權日2007年6月22日
發(fā)明者E·加德納, 汪斌, M·戴維斯, J·D·小格雷格 申請人:莫克斯泰克公司