專利名稱：有抗反射涂層的衍射光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及光學(xué)元件，更具體而言，涉及有抗反射涂層的衍射光學(xué)元件。
背景技術(shù)：
衍射光學(xué)元件是一種通過使入射光波的幅值、相位或者幅值和相位兩者發(fā)生變化而使光衍射的光學(xué)元件。有各種類型的衍射光學(xué)元件，包括衍射光柵和全息圖。衍射光學(xué)元件可在透射幾何體(例如透射光柵)以及反射幾何體(例如反射光柵)中采用，所述透射幾何體設(shè)計成允許光穿過該衍射光學(xué)元件，而所述反射幾何體設(shè)計成對光進(jìn)行反射。
衍射光學(xué)元件通常用半導(dǎo)體處理技術(shù)來制造，因此可方便地用例如硅或化合物半導(dǎo)體(例如砷化鎵)的材料來制造。但是，作為光學(xué)材料，半導(dǎo)體與空氣相比具有大的折射率，并且當(dāng)所述元件被照射時一般會產(chǎn)生十分強(qiáng)的反射信號(例如每個表面約30％)。為了減少因為反射而損失的光的量，可在衍射元件的表面上沉積抗反射(AR)涂層。沉積抗反射涂層的方法可能改變最終的晶片表面的幾何形狀，并改變所生成的衍射光學(xué)元件的操作。使用傳統(tǒng)的等離子體輔助沉積技術(shù)，涂上厚度與衍射元件表面特征的尺寸相當(dāng)?shù)耐繉樱瑫乖墓鈱W(xué)功能變差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一種形式提供了一種衍射光學(xué)元件，所述衍射光學(xué)元件包括具有在其第一側(cè)上形成的表面浮雕圖案的基體。所述衍射光學(xué)元件包括形成在表面浮雕圖案上的抗反射涂層，由此形成有涂層的表面浮雕圖案，其具有與在基體上形成的表面浮雕圖案基本相同的尺寸。


圖1是圖示現(xiàn)有技術(shù)中沒有抗反射涂層的衍射光學(xué)元件的側(cè)視圖的圖；圖2是圖示現(xiàn)有技術(shù)中有共形抗反射涂層的衍射光學(xué)元件的側(cè)視圖的圖；圖3是圖示根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的有僅在頂部抗反射涂層的衍射光學(xué)元件的側(cè)視圖的圖；圖4是圖示仿真得到的以下三種衍射光學(xué)元件的性能的圖形沒有抗反射涂層的、有共形抗反射涂層的以及根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的有僅在頂部抗反射涂層的的衍射光學(xué)元件。
具體實(shí)施例方式
在以下對優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述中，參考了形成為實(shí)施例描述的一部分的附圖，其中以示例方式示出了可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的特定實(shí)施例。應(yīng)該理解到可以利用其它實(shí)施例并可做出結(jié)構(gòu)或邏輯上的改變，而不會偏離本發(fā)明的范圍。因此，不要在限制的意義上理解以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求來定義。
圖1圖示了現(xiàn)有技術(shù)中沒有抗反射(AR)涂層的衍射光學(xué)元件100的側(cè)視圖。衍射光學(xué)元件100包括基體110，其中刻蝕有多個凹槽102A-102B(一起稱為凹槽102)。盡管圖1中為了簡化說明僅僅示出了兩個凹槽102，但在實(shí)際的實(shí)施中一般會使用多得多的凹槽102。在此例子中，凹槽102之間的間隔是不變的，使得基體110的上表面具有稱為表面浮雕圖案(surface relief pattern)的周期結(jié)構(gòu)。
基體110包括水平脊表面104A、104B和104C，它們一起稱為水平表面104。凹槽102A包括垂直的側(cè)壁表面106A和106B，以及水平凹槽表面108A。凹槽102B包括垂直的側(cè)壁表面106C和106D，以及水平凹槽表面108B。垂直表面106A-106D一起稱為垂直表面106，而水平表面108A和108B一起稱為水平表面108。每個凹槽102具有寬度W1和深度D1。寬度W1是表面浮雕圖案的橫向尺寸，而深度D1是表面浮雕圖案的垂直尺寸。W1和D1的值將根據(jù)具體的應(yīng)用以及用于該應(yīng)用的光波長而變化。
因為基體110不具有抗反射涂層，入射到基體110上表面上的光有很大一部分會被基體110反射。為減少被基體110反射的量，可加上抗反射涂層。圖2圖示現(xiàn)有技術(shù)中有共形抗反射涂層202的衍射光學(xué)元件200的側(cè)視圖的圖。衍射光學(xué)元件200包括基體110，其以與圖1中所示的以及上述內(nèi)容相同的方式來成形。
在晶片上涂敷涂層的傳統(tǒng)方法是使用等離子體輔助沉積。等離子體輔助沉積結(jié)束時在整個晶片表面上沉積了一層共形的涂層，這意味著均勻地涂覆了所有暴露的表面。如圖2所示，共形抗反射涂層202均勻地涂覆水平表面104和108，以及垂直表面106。對基體110的所有暴露表面的共形涂覆導(dǎo)致每個凹槽102的有效寬度被減小，而每個凹槽之間的脊的有效寬度被增大。如圖2所示，凹槽102的寬度從寬度W1減小到寬度W2。對于例如524納米的寬度W1和174納米的涂層厚度，寬度W2將約為176納米。這樣，對這一例子，凹槽102中空氣間隙的寬度減小了約66％。
從建模和實(shí)驗可見，雖然共形涂層(例如涂層202)確實(shí)減少了衍射光學(xué)元件(例如元件200)的反射，但共形涂層202也會降低元件200對透射光聚焦的能力。
圖3是圖示根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例，有僅在頂部(top-only)抗反射涂層302的衍射光學(xué)元件300的側(cè)視圖的圖。衍射光學(xué)元件300包括基體110，其以與圖1中所示的以及上述內(nèi)容相同的方式來成形。如圖3所示，抗反射涂層部分302A、302C和302E分別形成在水平表面104A-104C上，而抗反射涂層部分302B和302D分別形成在水平表面108A和108B上?？狗瓷渫繉硬糠?02A-302E一起稱為“僅在頂部”抗反射涂層302。涂層302被稱為“僅在頂部”涂層是因為僅僅涂覆了上表面或水平表面(例如表面104和108)，這與均勻涂敷到所有暴露表面的共形涂層相反。在一個實(shí)施例中，每個垂直表面106的一部分被僅在頂部抗反射涂層302部分覆蓋。如圖3所示，每個垂直表面106被涂層302從水平表面108向上直到涂層302的頂部而部分覆蓋。在本發(fā)明的一種形式中，每個垂直表面106的一部分304基本沒有任何抗反射涂層。
在另一個實(shí)施例中，抗反射涂層302的厚度大于凹槽102的深度D1。在此實(shí)施例中，每個垂直表面106被僅在頂部抗反射涂層302完全覆蓋，但保持了表面浮雕圖案的結(jié)構(gòu)。如圖3所示，在涂上涂層302之后元件300中每個凹槽102的寬度W3和在涂上涂層302之前凹槽102的寬度W1相同。同樣地，凹槽102之間脊的寬度未被涂層302改變。這樣，在本發(fā)明的一種形式中，增加僅在頂部涂層302并不改變表面浮雕圖案的尺寸。如圖2所示，有共形涂層202時則相反，增加涂層202改變了元件200的橫向尺寸。有共形涂層202時，凹槽102變得更窄，而凹槽102之間的脊則變得更寬，因此，元件200的上表面變得更平整。共形涂層202使得形成在基體110中的初始的表面浮雕圖案變模糊了。
在一個實(shí)施例中，衍射光學(xué)元件300是透射光柵，并且基體110由半導(dǎo)體材料制成，例如硅或砷化鎵。在另一個實(shí)施例中，基體110由例如玻璃、塑料或環(huán)氧樹脂的光學(xué)材料制成。在本發(fā)明的一種形式中，每個凹槽102的寬度W1在約0.2微米到100微米之間，而每個凹槽102的深度D1約0.5微米。在一個實(shí)施例中，每個凹槽102之間的脊的寬度基本和凹槽102的寬度W1相同。
在一個實(shí)施例中，僅在頂部涂層302是“四分之一波長層”，這是指涂層302的厚度是(λ/4)/NAR，其中“λ”代表該應(yīng)用中所使用的光波長，“NAR”代表涂層302的折射率。在本發(fā)明的一種形式中，涂層302是介電材料，例如氮化硅、二氧化鈦或二氧化硅。在一個實(shí)施例中，涂層302的折射率NAR為1.87。在一個實(shí)施例中，衍射光學(xué)元件300設(shè)計為用于紅外或近紅外光。在本發(fā)明的一種形式中，元件300設(shè)計為用于波長為1300納米的光，而在另一種形式中，元件300設(shè)計為用于波長為1550納米的光。這樣，在一個實(shí)施例中，對1300納米的波長涂層302厚度約為174納米，而對1550納米的波長則約為207納米(即(1550/4)/1.87)。
在一個實(shí)施例中，在晶片階段使用定向沉積技術(shù)來沉積僅在頂部抗反射涂層302。在一個實(shí)施例中，使用例如電子束蒸發(fā)的蒸發(fā)來定向沉積僅在頂部抗反射涂層302。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，使用濺射技術(shù)來定向沉積涂層302。例如，可以使用較小的源和非常小的磁控管濺射靶來定向沉積涂層302，所述靶位于類似于用于電子束蒸發(fā)的腔室構(gòu)造中，以通過距離來提供準(zhǔn)直。或者，可使用傳統(tǒng)的濺射靶，以及位于靶和基體之間的準(zhǔn)直器。對于使用傳統(tǒng)濺射靶和準(zhǔn)直器的技術(shù)，使用或不使用磁控管都可以進(jìn)行濺射，濺射可以是射頻(RF)或直流(DC)的，而工藝可以是反應(yīng)式或非反應(yīng)式的。
圖4是圖形400，其圖示了仿真得到的沒有抗反射涂層的衍射光學(xué)元件100(圖1)、有共形抗反射涂層202的衍射光學(xué)元件200(圖2)以及根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的有僅在頂部抗反射涂層302的衍射光學(xué)元件300(圖3)這三個元件的性能。在仿真中，使用了厚174納米、折射率為1.87的氮化硅抗反射涂層。在仿真中使用的基體110是折射率為3.4969的硅基體，并且凹槽102深度D1為262納米。在仿真中使用了1310納米的光波長。
圖形400的縱軸402表示范圍從0到90％的效率，而圖形400的橫軸404表示范圍從0度到約65度的入射角。0度的入射角表示垂直于衍射光學(xué)元件上表面的光線。
圖形400包括六條曲線406-416。曲線410圖示了對沒有抗反射涂層的衍射光學(xué)元件100的“聚焦”仿真結(jié)果?！熬劢埂狈抡娼Y(jié)果表明入射到衍射光學(xué)元件上的光被該元件正確地散射(即透射過該元件并沿所期望的方向散射)的百分比。從曲線410可見，對于0度的入射角，沒有抗反射涂層的元件100正確地聚焦了約55％的入射到元件100上的光。曲線412圖示了對沒有抗反射涂層的衍射光學(xué)元件100的反射仿真結(jié)果。從曲線412可見，對于0度的入射角，沒有抗反射涂層的元件100反射了約30％入射到元件100上的光。聚焦百分比(即55％)和反射百分比(即30％)合計并沒有達(dá)到100％。其余入射到元件100上的光(即15％)透射過元件100，但并未被聚焦(即，其余的光沿不期望的方向被散射了)。
曲線408圖示了對有共形抗反射涂層202的衍射光學(xué)元件200的聚焦仿真結(jié)果。從曲線408可見，對于0度的入射角，有共形抗反射涂層202的元件200正確地聚焦了約70％入射到元件200上的光。曲線416圖示了對有共形抗反射涂層202的衍射光學(xué)元件200的反射仿真結(jié)果。從曲線416可見，對于0度的入射角，有共形抗反射涂層202的元件200反射了很小的百分比(即接近于0)的入射到元件200上的光。
曲線406圖示了對根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的有僅在頂部抗反射涂層302的衍射光學(xué)元件300的聚焦仿真結(jié)果。從曲線406可見，對于0度的入射角，有僅在頂部抗反射涂層302的元件300正確地聚焦了80％以上入射到元件300上的光。曲線414圖示了對根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的有僅在頂部抗反射涂層302的衍射光學(xué)元件300的反射仿真結(jié)果。從曲線414可見，對于0度的入射角，有僅在頂部抗反射涂層302的元件300反射了很小的百分比(即接近于0)的入射到元件300上的光。
圖4中所示的仿真結(jié)果表明，共形涂層202和僅在頂部涂層302幾何構(gòu)形兩者都減少了表面的反射。但是，僅在頂部涂層302表現(xiàn)出更好的整體透鏡性能。由于有共形涂層202，衍射光學(xué)元件200的特征開始失去對光聚焦的效率。所以雖然大多數(shù)光確實(shí)透射過了元件200，但與使用元件300相比更小百分比的光沿著所期望的方向散射。
對有共形涂層202的元件與有僅在頂部涂層302的元件之間在透鏡性能上的差別，一種解釋是共形涂層202均勻地涂覆了表面浮雕特征的側(cè)面(例如垂直表面106)，并由此開始填充特征之間的空氣間隙，這樣實(shí)際上就減少了特征的存在并降低了特征影響光的能力。另一方面，根據(jù)本發(fā)明的一種形式，僅在頂部涂層302對表面浮雕特征沒有平滑效果，而能夠忠實(shí)地在其上表面處再現(xiàn)同樣的表面浮雕圖案。在圖4中可見，減小了從僅在頂部涂層302的反射，同時也沒有降低透鏡在透射方面的性能。比起有共形涂層202的元件200，有僅在頂部涂層302的元件300將更大部分的光偏折到所期望的方向中。因為這兩種涂層幾何構(gòu)形202和302之間的差別可用被填充而“丟失”的特征來解釋，所以由此可見由僅在頂部涂層302提供的改進(jìn)對于有更小橫向尺寸的設(shè)計而言更重要。
圖4中圖示的仿真結(jié)果已有實(shí)際的測試結(jié)果證實(shí)了。在測試中，使用蒸發(fā)器來在衍射光學(xué)元件上沉積僅在頂部抗反射涂層，然后與具有用等離子體輔助氣相沉積法涂敷的共形涂層的類似衍射光學(xué)元件比較。這兩種衍射光學(xué)元件的測量結(jié)果表明有僅在頂部涂層的衍射元件相對于有共形涂層的元件有優(yōu)勢。比起有共形涂層的元件，有僅在頂部涂層的元件沿著所期望的方向聚焦了更多的能量，這與圖4中示出的仿真結(jié)果是一致的。
本發(fā)明的一個實(shí)施例提供了一種具有有效的抗反射涂層的衍射光學(xué)元件。本發(fā)明的一種形式提供了在衍射光學(xué)元件上沉積抗反射涂層的一種方法，這樣就減少了該表面的反射同時又不會降低該元件對光進(jìn)行偏折的能力。當(dāng)衍射光學(xué)元件制作在半導(dǎo)體中時，根據(jù)一個實(shí)施例的抗反射涂層尤其有價值，因為半導(dǎo)體材料具有大量的自然反射，如果不采用該實(shí)施例這種自然反射將限制衍射元件的效率。
雖然圖1-3中示出的表面浮雕圖案實(shí)施例是方波類型的圖案，具有平行于基體的縱平面的水平或橫向表面104和108，以及垂直于縱平面的垂直表面106，但本發(fā)明另外的實(shí)施例使用了其它類型的表面浮雕圖案。各種類型的表面浮雕圖案對本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的。
雖然為了描述優(yōu)選實(shí)施例的目的在這里已經(jīng)說明并描述了具體的實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，對所示出和描述的具體實(shí)施例可以用許多不同的可替代和/或等同實(shí)現(xiàn)來替代，而不會偏離本發(fā)明的范圍。機(jī)械、機(jī)電、電學(xué)和計算機(jī)領(lǐng)域中的技術(shù)人員將容易認(rèn)識到，本發(fā)明可用許多不同的實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)。本申請意于覆蓋這里所討論的優(yōu)選實(shí)施例的任何改編或改變。因此，顯然本發(fā)明僅由權(quán)利要求及其等同物所限制。
權(quán)利要求
1.一種衍射光學(xué)元件，包括基體，具有在其第一側(cè)上形成的表面浮雕圖案；抗反射涂層，形成在所述表面浮雕圖案上，由此形成有涂層的表面浮雕圖案，其具有與在所述基體上形成的所述表面浮雕圖案基本相同的尺寸。
2.如權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其中所述基體是半導(dǎo)體材料。
3.如權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其中所述衍射光學(xué)元件是透射光柵。
4.如權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其中所述抗反射涂層是介電材料。
5.如權(quán)利要求4所述的衍射光學(xué)元件，其中所述抗反射涂層是從由氮化硅、二氧化鈦和二氧化硅所組成的組中選出的。
6.如權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其中所述抗反射涂層是用定向沉積技術(shù)涂敷的。
7.如權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其中形成在所述基體上的所述表面浮雕圖案包括第一組表面和第二組表面，所述第一組表面中的每個都基本平行于所述基體的縱平面，所述第二組表面中的每個都基本垂直于所述縱平面，并且其中所述第二組中的每個表面包括基本沒有所述抗反射涂層的表面部分。
8.如權(quán)利要求7所述的衍射光學(xué)元件，其中所述第一組中的每個表面基本被所述抗反射涂層覆蓋。
9.一種形成基本上抗反射的衍射光學(xué)元件的方法，包括提供基體；在所述基體的第一側(cè)上形成表面浮雕圖案；以及在所述表面浮雕圖案上定向沉積抗反射涂層，由此基本保持所述表面浮雕圖案的尺寸。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述基體是半導(dǎo)體材料。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述抗反射涂層是介電材料。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述抗反射涂層是從由氮化硅、二氧化鈦和二氧化硅所組成的組中選出的。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述抗反射涂層是通過蒸發(fā)沉積的。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述抗反射涂層是通過電子束蒸發(fā)沉積的。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述抗反射涂層是通過濺射沉積的。
16.一種衍射光學(xué)元件，包括基體，具有有著多個光衍射特征的第一側(cè)，所述光衍射特征中的每個都具有平行于所述基體的縱平面的寬度尺寸；抗反射涂層，形成在所述基體的第一側(cè)上，由此形成多個有涂層的光衍射特征，所述有涂層的特征中的每個都具有與所述基體的一個相應(yīng)光衍射特征的寬度尺寸基本相同的寬度尺寸。
17.如權(quán)利要求16所述的衍射光學(xué)元件，其中所述基體是半導(dǎo)體材料。
18.如權(quán)利要求16所述的衍射光學(xué)元件，其中所述抗反射涂層是介電材料。
19.如權(quán)利要求16所述的衍射光學(xué)元件，其中所述抗反射涂層是用定向沉積技術(shù)涂敷的。
20.如權(quán)利要求16所述的衍射光學(xué)元件，其中所述基體的所述多個光衍射特征包括第一組表面和第二組表面，所述第一組表面中的每個都基本平行于所述基體的縱平面，所述第二組表面中的每個都基本垂直于所述縱平面，并且其中所述第二組中的每個表面包括基本沒有所述抗反射涂層的表面部分。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種衍射光學(xué)元件，所述衍射光學(xué)元件包括基體，所述基體具有在其第一側(cè)上形成的表面浮雕圖案。所述衍射光學(xué)元件包括形成在表面浮雕圖案上的抗反射涂層，由此形成有涂層的表面浮雕圖案，其具有與在基體上形成的表面浮雕圖案基本相同的尺寸。
文檔編號G02B1/10GK1576891SQ20041000102
公開日2005年2月9日 申請日期2004年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月27日
發(fā)明者克里斯托弗·L·科爾曼 申請人:安捷倫科技有限公司