JP2022537546A - 平面光学装置用のエアスペースカプセル化誘電体ナノピラー - Google Patents
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Abstract
ここに記載の実施形態は、平坦な光学装置及び平坦な光学装置を形成する方法に関する。一実施形態は、その上に形成された第１の複数のピラーの第１の構成を有する基板を含む。第１の複数のピラーの第１の構成は、高さｈ及び横方向の距離ｄを有するピラーと、第１の複数のピラーの隣接するピラーとの間の距離に対応する間隙ｇとを含む。高さｈに対する間隙ｇのアスペクト比は、約１：１と約１：２０との間である。第１のカプセル化層は、第１の複数のピラーの第１の構成の上に配置される。第１のカプセル化層は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。第１のカプセル化層、基板、及び第１の構成のピラーの各々は、それらの間の第１の空間を画定する。第１の空間の屈折率は約１．０～約１．５である。【選択図】図１Ａ
Description
背景
分野
本開示の実施形態は、概して、光学装置に関する。より詳細には、ここに記載の実施形態は、平坦な光学装置及び平坦な光学装置を形成する方法に関する。
分野
本開示の実施形態は、概して、光学装置に関する。より詳細には、ここに記載の実施形態は、平坦な光学装置及び平坦な光学装置を形成する方法に関する。
関連技術の説明
平坦な光学装置には、光の設計波長の半分よりも小さい面内寸法、及び設計波長のオーダー以上の面外寸法を有するピラーの構成を含む。平坦な光学装置は、ナノ構造の、単一又は複数のピラーの層で構成され得る。平坦な光学装置のピラーは、保護層として機能するだけでなく、多層構成の連続する層の間のスペーサ層として機能するためにカプセル化する必要がある。しかしながら、ナノ構造の平坦な光学装置の場合、高アスペクト比の開口部を埋めることはしばしば困難であり、不均一な間隙充填部が生ずる結果を招く。さらに、ピラーのカプセル化は、ピラーの高さを増加させ、したがって、平坦な光学装置の全体の厚さを増加させる。平坦な光学装置の総厚が増加すると、伝送効率が低下し、製造の複雑さとコストが増加する。したがって、当技術分野で必要とされるのは、改良された平坦な光学装置及び平坦な光学装置を形成する方法である。
平坦な光学装置には、光の設計波長の半分よりも小さい面内寸法、及び設計波長のオーダー以上の面外寸法を有するピラーの構成を含む。平坦な光学装置は、ナノ構造の、単一又は複数のピラーの層で構成され得る。平坦な光学装置のピラーは、保護層として機能するだけでなく、多層構成の連続する層の間のスペーサ層として機能するためにカプセル化する必要がある。しかしながら、ナノ構造の平坦な光学装置の場合、高アスペクト比の開口部を埋めることはしばしば困難であり、不均一な間隙充填部が生ずる結果を招く。さらに、ピラーのカプセル化は、ピラーの高さを増加させ、したがって、平坦な光学装置の全体の厚さを増加させる。平坦な光学装置の総厚が増加すると、伝送効率が低下し、製造の複雑さとコストが増加する。したがって、当技術分野で必要とされるのは、改良された平坦な光学装置及び平坦な光学装置を形成する方法である。
概要
一実施形態では、装置が提供される。装置は基板を含む。基板は、その上に形成された第１の複数のピラーの第１の構成を有する。第１の複数のピラーの第１の構成は、高さｈ及び横方向の距離ｄを有するピラーと、第１の複数のピラーの隣接するピラーとの間の距離に対応する間隙ｇとを含む。高さｈに対する間隙ｇのアスペクト比は、約１：１と約１：２０との間である。第１のカプセル化層は、第１の複数のピラーの第１の構成の上に配置されている。第１のカプセル化層は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。第１のカプセル化層、基板、及び第１の構成の各ピラーは、それらの間の第１の空間を画定する。第１の空間は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。
一実施形態では、装置が提供される。装置は基板を含む。基板は、その上に形成された第１の複数のピラーの第１の構成を有する。第１の複数のピラーの第１の構成は、高さｈ及び横方向の距離ｄを有するピラーと、第１の複数のピラーの隣接するピラーとの間の距離に対応する間隙ｇとを含む。高さｈに対する間隙ｇのアスペクト比は、約１：１と約１：２０との間である。第１のカプセル化層は、第１の複数のピラーの第１の構成の上に配置されている。第１のカプセル化層は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。第１のカプセル化層、基板、及び第１の構成の各ピラーは、それらの間の第１の空間を画定する。第１の空間は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。
一実施形態では、装置が提供される。装置は基板を含む。基板は、その上に形成された第１の複数のピラーの第１の構成を有する。第１の複数のピラーの第１の構成は、高さｈ及び横方向の距離ｄを有するピラーと、第１の複数のピラーの隣接するピラーとの間の距離に対応する間隙ｇとを含む。高さｈに対するギャップｇのアスペクト比は、約１：１と約１：２０との間であり、間隙ｇは、シリカ含有材料内にナノスケールの多孔性を有するシリカ含有エアロゲル材料で構成されており、シリカ含有エアロゲル材料は、該アスペクト比を有する間隙ｇ内に配置されたギャップ充填部分を有する。第１のカプセル化層は、第１の複数のピラーの第１の構成の上に配置されている。第１のカプセル化層は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。第１のカプセル化層、基板、及び第１の構成の各ピラーは、それらの間の第１の空間を画定する。第１の空間は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。
さらに別の実施形態では、方法が提供される。第１の複数のピラーの第１の構成は、高さｈ及び横方向の距離ｄを有するピラーと、第１の複数のピラーの隣接するピラーとの間の距離に対応する間隙ｇとを含む。高さｈに対する間隙ｇのアスペクト比は、約１：１と約１：２０との間である。シリカ含有エアロゲル材料が堆積される。シリカ含有エアロゲル材料の堆積は、シリカ含有エアロゲル材料にナノスケールの多孔性を形成するためのシリカ含有エアロゲル材料形成プロセスを含む。シリカ含有エアロゲル材料は、アスペクト比を有する間隙ｇ内に配置された間隙充填部と、間隙充填部上に配置されたカプセル部分と、第１の複数のピラーの第１の構成とを有する。
図面の簡単な説明
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、そのいくつかを添付の図面に示す。しかしながら、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うることに留意されたい。
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、そのいくつかを添付の図面に示す。しかしながら、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うることに留意されたい。
理解を容易にするために、可能な場合には、複数の図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。一実施形態の構成要素及び特徴は、さらなる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれ得ると想定されている。
詳細な説明
ここに記載の実施形態は、平坦な光学装置及び平坦な光学装置を形成する方法に関する。一実施形態は、その上に形成された第１の複数のピラーの第１の構成を有する基板を含む。第１の複数のピラーの第１の構成は、高さｈ及び横方向の距離ｄを有するピラーと、第１の複数のピラーの隣接するピラーとの間の距離に対応する間隙ｇとを含む。高さｈに対する間隙ｇのアスペクト比は、約１：１と約１：２０との間である。第１のカプセル化層は、第１の複数のピラーの第１の構成の上に配置されている。第１のカプセル化層は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。第１のカプセル化層、基板、及び第１の構成のピラーの各々は、それらの間の第１の空間を画定する。第１の空間は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。
ここに記載の実施形態は、平坦な光学装置及び平坦な光学装置を形成する方法に関する。一実施形態は、その上に形成された第１の複数のピラーの第１の構成を有する基板を含む。第１の複数のピラーの第１の構成は、高さｈ及び横方向の距離ｄを有するピラーと、第１の複数のピラーの隣接するピラーとの間の距離に対応する間隙ｇとを含む。高さｈに対する間隙ｇのアスペクト比は、約１：１と約１：２０との間である。第１のカプセル化層は、第１の複数のピラーの第１の構成の上に配置されている。第１のカプセル化層は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。第１のカプセル化層、基板、及び第１の構成のピラーの各々は、それらの間の第１の空間を画定する。第１の空間は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。
図１Ａは、少なくとも１つの層スタック１０１Ａ、１０１Ｂを有する平坦な光学装置１００の概略斜視図である。図１Ｂは、層スタック１０１Ａの概略断面図である。図１Ｃは、層スタック１０１Ａのピラー１０４の構成の概略上面図である。平坦な光学装置１００は、少なくとも１つの層スタック１０１Ａ、１０１Ｂを含む。ここに記載の装置及び方法の態様は、層スタック１０１Ａを参照して説明することができるが、ここに記載の装置及び方法の態様は、層スタック１０１Ｂにも同様に適用可能であることを理解されたい。本明細書で提供される図を明確にするために、層スタック１０１Ｂの構成のために参照番号を省略してもよい。
ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、平坦光学装置１００は、層スタック１０１Ａを含む単層スタックの平坦な光学装置である。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、平坦な光学装置１００は、１つ又は複数の層スタック１０１Ａ及び層スタック１０１Ｂを含む多層スタックの光学装置である。層スタック１０１Ａは、基板１０２の表面上に配置された複数のピラー１０４Ａの構成、及びカプセル化層１０６Ａを含む。多層スタックの光学装置の実施形態では、１つ又は複数の層スタック１０１Ｂの第１の層スタックは、層スタック１０１Ａの上に配置される。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、層スタック１０１Ｂの第１の層スタックは、カプセル化層１０６Ａ上に配置された複数のピラー１０４Ｂの構成を含む。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、層スタック１０１Ｂの第１の層スタックの複数のピラー１０４Ｂの構成は、カプセル化層１０６Ａ上に配置されたスペーサ層（図示せず）上に配置されている。スペーサ層を含む実施形態では、スペーサ層は、複数のピラー１０４Ｂの構成のための支持を提供するように作用可能であり、平坦な光学装置１００の光学機能に従う特定の厚さのものである。
複数のピラー１０４Ａ、１０４Ｂの構成は、高さｈ及び横方向距離ｄを有するピラー１０４Ａ、１０４Ｂを含む。ピラー１０４Ａの高さｈは、基板１０２の表面からカプセル化層１０６Ａまでの距離として定義される。ピラー１０４Ｂの高さｈは、カプセル化層１０６Ａ及びカプセル化層１０６Ａ上に配置されたスペーサ層（図示せず）からカプセル化層１０６Ｂまでの距離として定義される。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、ピラー１０４Ａ、１０４Ｂの断面は正方形及び／又は矩形であり、ピラー１０４Ａ、１０４Ｂの横方向距離ｄは、ピラー１０４Ａ、１０４Ｂの幅に対応する。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、ピラー１０４Ａ、１０４Ｂの断面は円形であり、ピラー１０４Ａ、１０４Ｂの横方向距離ｄは、ピラー１０４Ａ、１０４Ｂの直径に対応する。間隙ｇは、ピラー１０４Ａ、１０４Ｂの隣接するピラー間の距離である。一実施形態では、複数のピラー１０４Ａ、１０４Ｂの構成のそれぞれは、約１：１．５と約１：１０との間のアスペクト比（ｇ：ｈ）を有する。別の実施形態では、複数のピラー１０４Ａ、１０４Ｂの構成のそれぞれは、約１：１．５と約１：２．５との間のアスペクト比（ｇ：ｈ）を有する。さらに別の実施形態では、複数のピラー１０４Ａ、１０４Ｂの構成のそれぞれは、約１：１と約１：２０との間のアスペクト比（ｇ：ｈ）を有する。
横方向の距離ｄと間隙ｇは、作動の波長の半分未満である。作動の波長は、波長又は波長範囲に対応する。一例では、波長又は波長範囲は、ＵＶ領域から近赤外領域（すなわち、約３００ｎｍ～約１５００ｎｍ）の１つ又は複数の波長を含む。したがって、例えば、波長７００ｎｍでは、距離ｄと間隙ｇは３５０ｎｍ未満である。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、複数のピラー１０４Ａの各ピラーの横方向距離ｄは実質的に同じである。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、少なくとも１つのピラーの横方向距離ｄは、複数のピラー１０４Ａの追加のピラーの横方向距離ｄとは異なる。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、複数のピラー１０４Ａの隣接するピラーの各々の間隙ｇは実質的に同じである。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、少なくとも１組の隣接するピラーの間隙ｇは、追加の組の複数のピラー１０４Ａの間隙ｇとは異なる。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、複数のピラー１０４Ｂの構成は、複数のピラー１０４Ａの構成に対応する（すなわち、一致する）。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる他の実施形態では、複数のピラー１０４Ｂの構成は、複数のピラー１０４Ａの構成に対応していない。
基板１０２は、作動の波長で光を透過するように選択することができる。限定されないが、いくつかの実施形態では、基板１０２は、基板１０２が光スペクトルのＵＶ領域の約５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９９％以上を透過するように構成される。基板１０２は、作動の波長の光を適切に透過することができ、少なくとも複数のピラー１０４Ａ及びカプセル化層１０６Ａの配置のための適切な支持体として機能することができるという条件で、任意の適切な材料から形成することができる。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、基板１０２の材料は、ピラー１０４Ａ、１０４Ｂのそれぞれで使用される材料の屈折率と比較して、比較的低い屈折率を有する。基板の選択には、半導体、ドープされた半導体、アモルファス誘電体、非アモルファス誘電体、結晶性誘電体、酸化ケイ素、ポリマー、及びそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない、任意の適切な材料の基板が含まれ得る。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、基板１０２は、透明な材料を含む。基板１０２は、０．００１未満の吸収係数で透明である。例としては、酸化物、硫化物、リン化物、テルライド、及びそれらの組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。一例では、基板１０２は、シリカ（ＳｉＯ２）含有材料を含む。
ピラー１０４Ａ、１０４Ｂは、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、アルミニウムドープ酸化スズ（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、スズ酸カドミウム、（酸化スズ）（ＣＴＯ）、スズ酸亜鉛（酸化スズ）（ＳｎＺｎＯ３）、及びシリコン含有材料に限定されない材料を含む。シリコン含有材料は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）又はアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）含有材料のうちの少なくとも１つを含み得る。ピラー１０４Ａ、１０４Ｂは、約１．８以上の屈折、及び０．００１未満の吸収係数を有し得る。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、カプセル化層１０６Ａ、１０６Ｂの屈折率は、約１．０～約１．５である。カプセル化層１０６Ａ、１０６Ｂは、０．００１未満の吸収係数を有する。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、カプセル化層１０６Ａ、１０６Ｂ及び基板１０２は、実質的に同じ材料を含む。一実施形態では、共形性のカプセル化層３０６Ａは、約２ｎｍ～約１００ｎｍの厚さを有する。別の実施形態では、カプセル化層１０６Ａは、５０μｍ未満の厚さを有する。別の実施形態では、カプセル化層３０６Ａは、約１μｍ～約２μｍの厚さを有する。
カプセル化層１０６Ａ、１０６Ｂの材料及び寸法は、ここで提供される方法でさらに説明される。カプセル化層１０６Ａ、１０６Ｂのここに記載の材料、寸法、及びプロセスの利用、及び間隙ｇに対応する空間１０８の組成物は、約１５００ｎｍ以下のピラー１０４Ａ、１０４Ｂの高さｈを提供する。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、ピラー１０４Ａ、１０４Ｂの高さｈは、約５００ｎｍ以下である。ピラー１０４Ａ、１０４Ｂの高さｈは、層スタック１０１Ａ、１０１Ｂの厚さ１１０Ａ、１１０Ｂ、及び平坦な光学装置１００の総厚さを減少させる。平坦な光学装置１００の全体の厚さが減少することにより、剥き出しの光学装置と比較して、インピーダンス整合及び装置の対称性により、より高い伝送効率が提供され、製造の複雑さ及びコストが低減される。
間隙ｇに対応する空間１０８の組成は、１．０で吸収係数が０の屈折率を有する空気、又は ０．００１未満の吸収係数を有する透明な材料１０７（図１Ｄ－１Ｆに示されている。）ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、空間１０８の組成物の透明材料１０７の屈折率は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、透明材料１０７は、ポリマー含有材料、例えば、フルオロポリマー材料などのシリカ含有材料又は非シリカ含有材料のうちの１つを含む。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、透明材料１０７は、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）及びフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）などのフッ素含有材料を含む。
図１Ｄに示すように、ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、層スタック１０１Ａのカプセル化層１０６Ａは透明材料１０７を含み、空間１０８の組成物は空気（屈折率１．０）を含む。図１Ｄの実施形態のいくつかの実施形態では、透明材料１０７は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。ピラー１０４Ａの高さｈは、透明材料１０７の屈折率が低下するにつれて低下する。図１Ｄの実施形態の一例は、図３Ｃ、図５Ｄ、及び図５Ｆの層スタック１０１Ａを含む。
図１Ｅに示すように、ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、層スタック１０１Ａのカプセル化層１０６Ａは透明材料１０７を含み、空間１０８の組成物は透明材料１０７を含む。図１Ｅの実施形態のいくつかの実施形態では、透明材料１０７は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。ピラー１０４Ａの高さｈは、透明材料１０７の屈折率が低下するにつれて低下する。例えば、いくつかの実施形態では、空気を含む空間１０８の組成物を有する図１Ｄの実施形態は、より低い高さｈをもたらす。図１Ｅの実施形態の一例は、図７Ｂの層スタック１０１Ａを含む。
図１Ｆに示されるように、ここに記載される他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、共形性のカプセル化層１０６Ａが複数のピラー１０４Ａ上に配置される。いくつかの実施形態では、共形性のカプセル化層１０６Ａは、空間１０８を充填する。他の実施形態では、共形性のカプセル化層１０６Ａは、空間１０８の組成物が透明な材料１０７及び空気を含むように、空間１０８を満たさない。他の実施形態では、共形性のカプセル化層１０６Ａは、空間１０８の組成物が透明な材料１０７及び空気を含むように、空間１０８を満たさない。図１Ｄの実施形態のいくつかの実施形態では、透明材料１０７は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。ピラー１０４Ａの高さｈは、透明材料１０７の屈折率が低下するにつれて低下する。図１Ｄの実施形態の一例は、図９Ｂの層スタック１０１Ａを含む。
ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、図１Ｄ～図１Ｅの実施形態の透明材料１０７は、シリカ含有材料又は非シリカ含有材料、例えばポリマー含有材料、例えばフルオロポリマー材料のうちの１つを含む。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、図１Ｄ～図１Ｅの実施形態の透明材料１０７は、シリカ含有エアロゲル材料を含む。シリカ含有エアロゲル材料は、空間１０８に空隙を提供するためにナノスケールの多孔性を含む。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、シリカ含有エアロゲル材料は、ナノスケールの空隙に対応して、約９５％以上の多孔性を有する。シリカ含有エアロゲル材料のナノスケールの多孔性は、シリカの屈折率を低下させる。屈折率が低下すると、高さｈが低下する。シリカ含有エアロゲル材料は、ピラー１０４Ａを外的要因から保護するために疎水性である。
図２は、図３Ａ～図３Ｄに示されるように、平坦な光学装置１００を形成する方法２００のフロー図である。操作２０１において、複数のピラー１０４Ａの構成が基板１０２の表面上に形成される。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、複数のピラー１０４Ａの構成を形成することは、基板１０２の表面上にピラー材料３１０を配置し、ピラー材料３１０の一部を除去してトレンチ３０２を形成することを含む。トレンチ３０２は、ピラー１０４Ａの間隙ｇ（平坦な光学装置１００の空間１０８を含む）に対応し、トレンチの残りの部分は、横方向距離ｄに対応し、ピラー材料３１０の厚さは、高さｈに対応する。
ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、ピラー材料３１０は酸化物を含む。任意選択の操作２０２において、ライナー３０４は、酸化物を含まないピラー１０４Ａ上に配置される。ライナー３０４は、シリカなどの酸化物含有材料を含むカプセル化層３０６Ａを配置することに由来する酸化からピラー１０４Ａを保護する。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、ライナー３０４は、約１．０～約１．５の屈折率を有する。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、ライナー３０４は、約１ｎｍ～約１００ｎｍの厚さを有する。ライナー３０４は、ラピッドＡＬＤなどの原子層堆積（ＡＬＤ）によって配置することができる。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、シリカ含有ライナー３０４は、ＴＭＡ（ＡｌＭｅ３）及び（ｔＢｕｔＯ）３ＳｉＯＨの交互の流れを含むＡＬＤプロセスによってピラー１０４Ａ上に一致して配置される。各ＴＭＡ（ＡｌＭｅ３）及び（ｔＢｕｔＯ）３ＳｉＯＨフローサイクルは、約１２ｎｍの厚さ（３２を超える単分子層）のサブ層を形成する。
操作２０３において、カプセル化層１０６Ａに対応するカプセル化層３０６Ａが、ピラー１０４Ａ上に配置される。カプセル化層３０６Ａの配置には、化学気相堆積（ＣＳＤ）、プラズマＣＶＤ（ＰＥ ＣＶＤ）、ＡＬＤ、ラピッドＡＬＤ、スプレーコーティング、又はスピンコーティングが含まれ得るが、これらに限定されない。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、カプセル化層３０６Ａは、約１μｍ～約１０μｍの厚さを有する。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、カプセル化層３０６Ａは、約１μｍ～約２μｍの厚さを有する。操作２０１～２０３は、層スタック１０１Ａを含む単層スタックの平坦な光学装置１００を形成する。操作２０４において、少なくとも操作２０１～２０３が少なくとも１回繰り返されて、層スタック１０１Ａ及び少なくとも１つの層スタック１０１Ｂを有する多層スタックの光学装置を形成する。層スタック１０１Ｂは、少なくともカプセル化層３０６Ａ、複数のピラー１０４Ｂの構成、及びカプセル化層３０６Ｂを含む。操作２０１を介して形成された複数のピラー１０４Ｂの構成は、カプセル化層３０６Ａの１つに配置され、スペーサ層（図示せず）がカプセル化層３０６Ａに配置される。
図４Ａは、図５Ａ～図５Ｅに示されるように、平坦な光学装置１００を形成する方法４００Ａのフロー図である。図４Ｂは、図５Ａ～図５Ｅに示されるように、平坦な光学装置１００を形成する方法４００Ｂのフロー図である。方法４００Ａ及び方法４００Ｂの操作４０１Ａ、４０１Ｂでは、方法２００の操作２０１に記載されているように、複数のピラー１０４Ａの構成が基板１０２の表面上に形成される。操作４０２Ａにおいて、除去される犠牲材料５０４Ａは、トレンチ３０２内に堆積される。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、犠牲材料５０４Ａは、熱線ＣＶＤ（ＨＷＣＶＤ）、ＰＥ ＣＶＤ、又は誘導結合（ＩＣＰＣＶＤ）によって堆積される。操作４０２Ｂにおいて、面積を減少させる間隙充填材料５０４Ｂがトレンチ３０２内に堆積される。
操作４０３Ａ、４０３Ｂにおいて、カプセル化層１０６Ａに対応するカプセル化層３０６Ａは、ピラー１０４Ａと、犠牲材料５０４Ａ及び間隙充填材料５０４Ｂのうちの１つとの上に配置される。カプセル化層３０６Ａの配置には、これらに限定されないが、ノーフロー化学気相堆積（ＣＶＤ）、ＡＬＤ、ラピッドＡＬＤ、ＰＥＣＶＤ、スプレーコーティング、又はスピンコーティングが含まれ得る。操作４０４Ａで、犠牲材料５０４Ａが除去される。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、犠牲材料は、熱アニーリングによって除去される。操作４０４Ｂにおいて、間隙充填材料５０４Ｂは、空間１０８内の領域５０６によって縮小され、その結果、間隙ｇは、領域５０６に配置された中央空隙５０３を備えた間隙充填材料５０４Ｂを含む。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、間隙充填材料５０４Ｂは、熱硬化などの熱硬化、化学的還元、及びＵＶ硬化などのＵＶ処理によって還元される。操作４０１Ａ～４０４Ａ、４０１Ｂ～４０４Ｂは、層スタック１０１Ａを含む単層スタックの平坦な光学装置１００を形成する。操作４０５Ａ、４０５Ｂにおいて、操作４０１Ａ～４０４Ａ、４０１Ｂ～４０４Ｂは、少なくとも１回繰り返されて、層スタック１０１Ａ及び少なくとも１つの層スタック１０１Ｂを有する多層スタックの光学装置を形成する。層スタック１０１Ｂは、少なくともカプセル化層３０６Ａ、複数のピラー１０４Ｂの構成、及びカプセル化層３０６Ｂを含む。
図６は、図７Ａ～図７Ｃに示されるように、平坦な光学装置１００を形成する方法６００のフロー図である。操作６０１において、方法２００の操作２０１に記載されるように、複数のピラー１０４Ａの構成が基板１０２の表面上に形成される。操作６０２において、シリカ含有エアロゲル材料７０２Ａは、複数のピラー１０４Ａ上に配置される。操作６０１及び６０２は、層スタック１０１Ａを含む単層スタックの平坦な光学装置１００を形成する。シリカ含有エアロゲル材料７０２Ａの間隙充填部７０４Ａは、ピラー１０４Ａ（平坦な光学装置１００の空間１０８を含む）の間隙ｇに対応するトレンチ３０２内に配置される。シリカ含有エアロゲル材料７０２Ａのカプセル化部分７０６Ａは、複数のピラー１０４Ａ及び間隙充填部７０４Ａの上に配置される。カプセル化部分７０６Ｂは、カプセル化層３０６Ｂに対応する。
操作６０３において、操作６０１及び６０２は、少なくとも１回繰り返されて、層スタック１０１Ａ及び少なくとも１つの層スタック１０１Ｂを有する多層スタックの光学装置を形成する。層スタック１０１Ｂは、少なくともカプセル化層３０６Ａ、複数のピラー１０４Ｂの構成、及びカプセル化層３０６Ｂを含む。操作６０１を介して形成された複数のピラー１０４Ｂの構成は、カプセル化層３０６Ａの１つに配置され、スペーサ層（図示せず）がカプセル化層３０６Ａに配置される。シリカ含有エアロゲル材料７０２Ｂのカプセル化部分７０６Ｂは、カプセル化層３０６Ｂに対応する。シリカ含有エアロゲル材料７０２Ｂのギャップ充填部分７０４Ｂは、トレンチ３０２内に配置される。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、カプセル化層３０６Ａ、３０６Ｂ（すなわち、カプセル化部分７０６Ａ、７０６Ｂ）は、約１μｍ～約２μｍの厚さを有する。シリカ含有エアロゲルは、約１．０～約１．１０の屈折率、及び０．００１未満の透過係数を有する。シリカ含有エアロゲル材料は、空間１０８に空隙を提供するためにナノスケールの多孔性を含む。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、シリカ含有エアロゲル材料は、ナノスケールの空隙に対応して、約９５％以上の多孔性を有する。シリカ含有エアロゲル材料のナノスケールの多孔性は、固体シリカの屈折率を低下させる。
シリカ含有エアロゲル材料は、シリカ含有エアロゲル材料形成プロセスから形成される。形成プロセスには、前駆体調製プロセス、堆積プロセス、又は超臨界乾燥プロセスが含まれる。前駆体調製プロセスには、シリカゾルゲルの調製が含まれる。ゾル（すなわち、溶液）は、溶媒中のシリカ前駆体溶液に触媒を添加することによって調製される。シリカ前駆体の例には、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、テトラメチルオルトシリケート（ＴＭＯＳ）、メチルトリメトキシシラン（ＭＴＭＳ）、メチルトリエトキシシラン（ＭＴＭＳ）、メチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）、シルボンドＨ－５、又はポリエトキシジシロキサン（ＰＥＤＳ）が含まれるが、これらに限定されない。触媒の例には、塩酸（ＨＦ）、塩化水素（ＨＣｌ）、硝酸（ＨＮＯ３）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、シュウ酸（Ｃ２Ｈ２Ｏ４）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、トリフルオロ酢酸（ＴＦＡ）、又は水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）が含まれるが、これらに限定されない。溶媒前駆体の例には、メタノール、エタノール、及びイソプロパノールが含まれるが、これらに限定されない。ゲルは、溶液をエージングすることによって調製され、これは、架橋によって溶液をゾルゲルに強化する。ゾルゲルのエージングは、超臨界乾燥プロセスへの乾燥中の収縮を維持する。
堆積プロセスは、スピンコーティング、ディップコーティング、又はスプレーコーティングのいずれかを介してゾルゲルを配置することを含む。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、堆積プロセス中に、基板１０２は、基板の中心軸１０３を中心に回転（すなわち、回転）させる。基板１０２は、複数のピラー１０４Ａ、１０４Ｂの配置のアスペクト比が約１：１．５と約１：１０との間、１：１．５と１：２．５との間、又は約１：１．１と約１：２０との間であるように中心軸１０３を中心に回転される。トレンチ３０２は、配置されるシリカ含有エアロゲル材料７０２Ａ、７０２Ｂの間隙充填部７０４Ａ、７０４Ｂによって充填される。回転速度は、堆積プロセス中に変化する可能性があります。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、カプセル化部分７０６Ａ、７０６Ｂの形成中の回転速度は、間隙充填部７０４Ａ、７０４Ｂの回転速度よりも低い。乾燥プロセスは、溶媒を除去して、空間１０８に空隙を提供するナノスケールの多孔性を有するシリカ含有エアロゲル材料を形成する。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、乾燥プロセスは、超臨界ＣＯ２乾燥、凍結乾燥、及び周囲圧力乾燥などの圧力乾燥のうちの１つ又は複数を含むが、これらに限定されない。
図８は、図９Ａ及び図９Ｂに示されるように、平坦な光学装置１００を形成する方法８００のフロー図である。操作８０１において、方法２００の操作２０１に記載されるように、複数のピラー１０４Ａの構成が基板１０２の表面上に形成される。操作８０２において、共形性のカプセル化層３０６Ａは、複数のピラー１０４Ａ上に配置される。共形性のカプセル化層３０６Ａを配置することは、ＣＶＤ、ＰＥ ＣＶＤ、ＡＬＤ、ラピッドＡＬＤ、及び熱酸化を含み得るが、これらに限定されない。一実施形態では、共形性のカプセル化層３０６Ａは、約２ｎｍ～約１００ｎｍの厚さを有する。別の実施形態では、カプセル化層３０６Ａは、５０μｍ未満の厚さを有する。別の実施形態では、カプセル化層３０６Ａは、約１μｍ～約２μｍの厚さを有する。ここに記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、共形性のカプセル化層３０６Ａの屈折率は、約１．０～約１．５である。
要約すると、ここに記載の実施形態は、平坦な光学装置及び平坦な光学装置を形成する方法を提供する。光学装置の一実施形態は、１つの層スタックを含む単層スタックの平坦な光学装置である。層スタックは、基板及び第１のカプセル化層の表面上に配置された第１の複数のピラーの第１の構成を含む。光学装置の別の実施形態は、第１の層スタック及びその上に形成された第２の層スタックを含む多層スタックの光学装置である。１つ又は複数の層スタックの第２の層スタックは、第１の層スタックの上に配置される。第２層スタックは、第１のカプセル化層及び第１のカプセル化層上に配置されたスペーサ層のうちの１つの上に配置された第２の複数のピラーの第２の構成を含む。ここに記載されているカプセル化層、及び間隙ｇに対応する空間の組成物は、約１５００ｎｍ以下、及びいくつかの実施形態では５００ｎｍ以下のピラーの高さｈを提供する。ピラーの高さｈは、層スタックの厚さ、及び平坦な光学装置の総厚を低減する。平坦な光学装置の総厚が薄くなると、剥き出しの光学装置と比較して、インピーダンス整合と装置の対称性により、高い伝送効率が得られ、製造の複雑さとコストが削減される。
上記の説明は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲から逸脱しなければ、本開示の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されてよく、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
Claims (20)
- その上に形成されている第１の複数のピラーの第１の構成を有する基板であって；
高さｈ及び横方向距離ｄを有するピラー；及び
前記第１の複数のピラーの隣接する前記ピラー間の距離に対応する間隙ｇを含み、前記間隙ｇと前記高さｈとのアスペクト比は、約１：１と約１：２０との間である、前記基板と；
前記第１の複数のピラーの前記第１の構成上に配置されている、約１．０～約１．５の屈折率を有する第１のカプセル化層と
を含み、前記第１のカプセル化層、前記基板、及び前記第１の構成の前記ピラーの各々は、それらの間に約１．０～約１．５の屈折率を有する第１の空間を画定している、装置。 - 隣接する前記ピラー間の前記間隙ｇが、前記第１のカプセル化層、前記基板、及び前記隣接する前記ピラーによって画定されている前記空間において、空気又は０．００１未満の吸収係数を有する透明材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
- 前記透明材料が、その中に形成されたナノスケールの多孔性を有するシリカ含有エアロゲル材料を含む、請求項２に記載の装置。
- 前記透明材料及び前記第１のカプセル化層が実質的に同じ材料からなる、請求項３に記載の装置。
- 前記透明材料が、フッ素含有材料又はシリカ含有材料を含む、請求項２に記載の装置。
- 前記間隙ｇが、前記透明材料の中央開口部に配置されている空隙を有する、請求項２に記載の装置。
- ライナーが前記ピラー上に配置されている、請求項１に記載の装置。
- 前記ライナーが約１ナノメートル（ｎｍ）～約２００ｎｍの厚さを有する、請求項７に記載の装置。
- 前記第１のカプセル化層上に形成されている第２の複数のピラーの第２の構成であって：
前記高さｈ及び前記横方向距離ｄを有するピラー；及び
前記第２の複数のピラーの隣接する前記ピラー間の距離に対応する間隙ｇを含み、前記間隙ｇと前記高さｈとのアスペクト比は、約１：１と約１：２０との間である、前記第２の複数のピラーの前記第２の構成と；
前記第２の複数のピラーの前記第２の構成上に配置されている、約１．０～約１．５の屈折率を有する第２のカプセル化層と
をさらに含み、前記第２のカプセル化層、前記第１のカプセル化層、及び前記第２の構成の前記ピラーの各々は、それらの間に約１．０～約１．５の屈折率を有する第２の空間を画定している、請求項１に記載の装置。 - 前記ピラーが、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素がドープされた酸化スズ（ＦＴＯ）、スズ酸カドミウム（酸化スズ）（ＣＴＯ）、スズ酸亜鉛（酸化スズ）（ＳｎＺｎＯ３）、又はシリコン含有材料のうちの１つ又は複数を含む、請求項１に記載の装置。
- その上に形成されている第１の複数のピラーの第１の構成を有する基板であって；
高さｈ及び横方向距離ｄを有するピラー；及び
前記第１の複数のピラーの隣接する前記ピラー間の距離に対応する間隙ｇを含み、前記間隙ｇと前記高さｈとのアスペクト比は約１：１と約１：２０との間であり、前記間隙ｇは、シリカ含有材料内にナノスケールの多孔性を有するシリカ含有エアロゲル材料から構成されており、前記シリカ含有エアロゲル材料は：
前記アスペクト比を有する前記間隙ｇに配置されている間隙充填部を有する、前記基板と；
前記第１の複数のピラーの前記第１の構成上に配置されている、約１．０～約１．５の屈折率を有する第１のカプセル化層と
を含み、前記第１のカプセル化層、前記基板、及び前記第１の構成の前記ピラーの各々は、それらの間に約１．０～約１．５の屈折率を有する第１の空間を画定している、装置。 - 前記間隙が３５０ナノメートル（ｎｍ）未満である、請求項１１に記載の装置。
- 前記高さｈが約１５００ｎｍ以下である、請求項１１に記載の装置。
- 前記第１のカプセル化層が５０マイクロメートル（μｍ）未満の厚さを有する、請求項１１に記載の装置。
- 前記第１のカプセル化層上に形成されている第２の複数のピラーの第２の構成であって：
前記高さｈ及び前記横方向距離ｄを有するピラー；及び
前記第２の複数のピラーの隣接する前記ピラー間の距離に対応する間隙ｇを含み、前記間隙ｇと前記高さｈとのアスペクト比は、約１：１と約１：２０との間である、前記第２の複数のピラーの前記第２の構成と；
前記第２の複数のピラーの前記第２の構成上に配置されている、約１．０～約１．５の屈折率を有する第２のカプセル化層と
をさらに含み、前記第２のカプセル化層、前記第１のカプセル化層、及び前記第２の構成の前記ピラーの各々は、それらの間に約１．０～約１．５の屈折率を有する第２の空間を画定している、請求項１１に記載の装置。 - 前記ピラーが、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素がドープされた酸化スズ（ＦＴＯ）、スズ酸カドミウム（酸化スズ）（ＣＴＯ）、スズ酸亜鉛（酸化スズ）（ＳｎＺｎＯ３）、又はシリコン含有材料のうちの１つ又は複数を含む、請求項１１に記載の装置。
- 第１の複数のピラーの第１の構成を基板の表面上に形成することであって、前記第１の複数のピラーの前記第１の構成が：
高さｈ及び横方向距離ｄを有するピラー；及び
前記第１の複数のピラーの隣接する前記ピラー間の距離に対応する間隙ｇを含み、前記間隙ｇと前記高さｈとのアスペクト比は、約１：１と約１：２０との間である、前記形成することと；
シリカ含有エアロゲル材料にナノスケールの多孔性を形成するための前記シリカ含有エアロゲル材料形成プロセスを含む、前記シリカ含有エアロゲル材料を堆積することであって、前記シリカ含有エアロゲル材料は、
前記アスペクト比を有する前記間隙ｇに配置されている間隙充填部；及び
前記間隙充填部及び前記第１の複数のピラーの前記第１の構成の上に配置されているカプセル化部分を含む、前記シリカ含有エアロゲル材料を堆積することと
を含む方法。 - 前記ピラーが、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、二酸化スズ（ＳｎＯ２）、アルミニウムがドープされた酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素がドープされた酸化スズ（ＦＴＯ）、スズ酸カドミウム（酸化スズ）（ＣＴＯ）、スズ酸亜鉛（酸化スズ）（ＳｎＺｎＯ３）、又はシリコン含有材料のうちの１つ又は複数を含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記シリカ含有エアロゲル材料形成プロセスが：
溶媒中のシリカ前駆体溶液に触媒を加えることによってシリカゾルゲルを調製することと；
前記溶液をエージングすることと；
前記ゾルゲルを配置することと；
前記溶媒を除去して、前記シリカ含有エアロゲル材料を形成することと
を含む、請求項１７に記載の方法。 - 前記シリカ前駆体が、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、テトラメチルオルトシリケート（ＴＭＯＳ）、メチルトリメトキシシラン（ＭＴＭＳ）、メチルトリエトキシシラン（ＭＴＭＳ）、メチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）、ポリエトキシジシロキサン（ＰＥＤＳ）、フッ化水素酸（ＨＦ）、塩化水素（ＨＣｌ）、硝酸（ＨＮＯ３）、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）、シュウ酸（Ｃ２Ｈ２Ｏ４）、酢酸（ＣＨ３ＣＯＯＨ）、トリフルオロ酢酸（ＴＦＡ）、又は水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）のうちの１つ又は複数を含む、請求項１９に記載の方法。
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