多層結構及其製造方法
2023-05-10 07:19:46 2
專利名稱：多層結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於一種偏振光學元件或光學領域的光子學晶體(photonic crystal)的多維周期性結構(multi-dimensional periodic structure)，還特別涉及一種使用多層膜的多層結構。
背景技術：
光子學晶體具有隨接近光波長的周期而改變其折射率的組織結構(texture)。光子學晶體的獨特性質有望用於獲得迄今為止尚未得到的光學應用。偏振性質是這些獨特性質中的一種。光子學晶體的偏振性質有望應用於一種偏振光學元件中，該偏振光學元件是在與光通訊、顯示、光記錄、光測量等相關的廣闊技術領域中的基本光學元件。
對於光子學晶體，它需要製造出具有非常精細組織結構的周期性結構。作為用於製造該結構的方法，已有的方法是將具有不同折射率的材料薄膜相層壓的方法(如參見日本專利公開號JP-2000-56133A和JP-2000-131522A)。該方法通過預先在基體表面上形成非常精細的不規則組織結構以及在基體表面形成薄膜以使薄膜反映出基體表面的形狀，從而相對容易地形成一種二維或三維的周期性組織結構。
在基體上通過蝕刻而形成凹部的方法用作在基體表面形成周期性不規則組織結構的方法。在該方法中，在玻璃或矽基體表面通過光刻形成具有周期性圖形的掩模，而在玻璃或矽基體上通過氣相蝕刻如穿過掩膜的離子束蝕刻形成凹部(參見JP-2000-56133A)。
這方法具有如下的不足。即周期性組織結構只能通過形成薄膜而形成。相反，光刻和蝕刻都需要處理基體。因此，處理成本增加，並且處理時間也長，這成為整個生產過程的瓶頸。
作為該問題的解決方法，已知的有其中將樹脂材料用作基體並且在基體上通過模製形成周期性不規則組織結構的方法(參見JP-2000-131522A)。具有流動性的樹脂由模製器具模製，然後固化。這樣就形成了一種不規則的結構。該方法具有如下的優點。即只要模製器具能夠精確生產，模製器具就可以重複使用。因此，具有固定形狀的不規則組織結構可以大量生產。
樹脂通常耐熱性能低。當這樣的樹脂用作基體材料時，在基體上形成薄膜的溫度限制妨礙了高質量薄膜的形成。而且，即使元件形成後，也在耐候性上存在問題。即，使用該樹脂的元件容易受熱、溼度、光等而降解/劣化。
發明內容
本發明的開發是為了解決上述問題。本發明的目的是提供一種易於大量生產以及有優異耐候性的多層結構。
本發明的多層結構具有基於下列假設的組織結構x-和y-軸定義為平行於平板基體的表面並且彼此垂直，而z-軸定義為垂直於該基體表面。在該結構中，在至少部分的基體表面中提供了如下所述的層其中形成多個線性突起或凹槽以在x-軸方向具有恆定周期並在平行於y軸的方向延伸。至少兩種具有不同折射率的材料的多個層在基體上並在z-軸方向上層壓。每個層壓的層在其周期與基體表面上的突起或凹槽的周期相同的x-軸方向上具有不規則性。在本發明中，含金屬烷氧化物的固化凝膠材料層用作該多層結構的含突起或凹槽的層。
當使用含金屬烷氧化物的凝膠材料時，突起或凹槽可以通過模製而精確生成。此外，由固化凝膠材料形成的層主要由無機組分組成。因而，可以提供一種有優異的耐熱性和耐候性的多層結構。
含有各種金屬如矽(Si)，鍺(Ge)，鈦(Ti)，等的混合物可以用作金屬烷氧化物。在本發明中，優選金屬烷氧化物至少含有矽(Si)。含有矽(Si)的金屬烷氧化物的代表實例為包括四乙氧基矽烷和甲基三乙氧基矽烷。由於含Si的金屬烷氧化物在模製時的固化速率能夠容易控制，而且含Si的金屬烷氧化物在轉移性能上很優異，因而可以形成高精確性的模製製品。
優選與y-軸平行的每個突起或凹槽的每個側壁表面相對於平板基體表面具有10～85°範圍的最大角度。當突起或凹槽通過模製形成時，如果側壁表面的角度大於85°則難於進行脫模。另一方面，如果側壁表面的角度小於10°，則突起或凹槽不能充分地起作用。
此外，優選在含突起或凹槽的層中的每個突起或凹槽的x-z斷面形狀為梯形或三角形。
優選，平板基體的熱膨脹係數的絕對值為不高於100×10-7℃-1。鹼石灰基矽酸鹽玻璃具有這樣的一種正的熱膨脹係數。硼矽酸鹽玻璃或石英玻璃的熱膨脹係數小於鹼石灰基矽酸鹽玻璃。當調整結晶玻璃的結晶時，可以提供一種熱膨脹係數為零或負值的基體。當基體的熱膨脹係數較低時，可以防止在基體表面上含突起或凹槽的層脫離或開裂，因而可以改善多層結構的耐熱性能。
此外，在多層結構中，可以提供給多個彼此平行的線性突起或凹槽以恆定的周期，以使在預定角度與y-軸方向的突起或凹槽交叉。此時，每個層壓層可以不僅具有x-軸方向的不規則性，而且具有與y-軸方向的突起或凹槽交叉的突起或凹槽周期相同的周期的不規則性。
由於使用含有金屬烷氧化物的凝膠材料，因而可以通過模製精確生產出複雜的不規則組織結構。這樣，就可以提供一種具有所需組織結構的很多種多層結構。
多層結構被設計成具有對以與z-軸平行的方向或以與z-軸不垂直但成傾斜方向的方向射入到多層結構上的光起偏振作用。因此，可以形成具有優異耐候性的偏振光學元件。
用於製造本發明多層結構的方法包括如下步驟(1)將含有金屬烷氧化物的溶膠溶液應用到平板基體表面；(2)使模製器具壓靠由溶膠溶液變成並具有彈性的凝膠膜，所述模製器具具有多個彼此平行和周期地的線性凹或凸部；(3)在保持模製器具壓靠住凝膠膜的同時，加熱凝膠膜。
(4)從模製器具釋放固化凝膠膜；(5)加熱和烘烤固化的凝膠膜；和(6)將至少兩種具有不同折光率的材料的多個層層壓到含有多個線性突起或凹槽的已形成的基體上。
通過模製含有金屬烷氧化物的凝膠材料的步驟很容易大量生產出具有所需組織結構的多層結構。因此，可以容易地製造出具有優異的耐熱和耐候性的偏振光學元件。
優選加熱和烘培固化凝膠膜的溫度不低於150℃。當烘培在低於150℃的溫度進行時，由於膜形成時的溫度增加，突起或凹槽將會變形或破裂。順便提及，加熱和烘培溫度的上限取決於底塗層基體的熱膨脹係數和基體的軟化或變形溫度。
根據本發明，可以提供一種高耐熱性和優異耐候性的多層結構。因而，可以容易地製造出使用該多層結構的偏振光學元件。
圖1A～1C是表示含有突起或凹槽的層和用於製造本發明層的模製器具的示意剖面圖；圖2A～2E是表示用於製造在本發明的多層結構中使用的基體的工藝流程圖；圖3示出本發明多層結構的示意剖面圖；和圖4A～4C是示出本發明多層結構基體的示意平面圖。
具體實施例方式
下面詳述本發明的一個具體實施方案。
在該具體實施方案的多層結構中使用的含突起或凹槽的層用模製方法製造。此處「突起」表示在平面上形成的線性凸起部分，而「凹槽」表示類似方式形成的線性凹部。圖1A～1C是示出這些層和用於製造所述層的模製器具的表面形狀的示意剖面圖。圖1A示出含有由模製器具11a形成的突起16a的凝膠層14a。圖1B示出含有由模製器具11b形成的凹槽19b的凝膠層14b。圖1C示出包括由模製器具11c形成的突起16c的凝膠層14c。
根據實施例，在圖1A～1C的每個中示出的每個突起或凹槽的剖面形狀為梯形或三角形。突起或凹槽的剖面形狀並不限於這些。例如突起或凹槽的每個側壁表面可以是彎曲的，或者可以是由多個面組成。優選突起或凹槽的側壁表面相對於平板基體表面的角度φ的最大值為不大於85°。當側壁表面由圖1A～1C所示的平表面組成時，角度φ是恆定的。然而，當側壁表面由彎曲表面或多個面構成時，角度φ在傾斜面內改變。在此種情況下，就要關注角度φ的最大值。如果角度φ的最大值大於85°並接近90°，則釋放模製器具變得困難。如果角度φ的最大值大於90°，則釋放模製器具幾乎不可能。
另一方面，如果角度φ小，突起的高度或凹槽的深度將是很小，以至突起或凹槽不能用作凸或凹部。優選角度φ的最大值為最小10°。
雖然圖1A到1C的每一個示出梯形或三角形的兩個傾斜邊的長度彼此相等的實例，但是兩個斜邊的長度也可以彼此不同。尤其在三角形的情況下，突起或凹槽可以在斷面成型為類似所謂的銳齒。
順便提及，在圖1A或1B的實例中，與平板基體表面平行的平表面14p或14q出現在每兩個相鄰的突起16a或凹槽19b之間。在沒有平面14p或14q的情況下，兩個相鄰的傾斜表面可以直接交叉。雖然在圖1c的實施例中，這些突起16c彼此連續地形成並且在其間沒有平面部分，但是平行於基體表面的平面可以被提供於每兩個相鄰突起之間。
實施例1圖2A～2E是示出製造在表面具有不規則組織結構的基體的工藝流程圖。由樹脂形成的含有凹槽的基體用作模製器具11。每個凹槽寬0.2μm，深0.2μm，平行凹槽排列的周期(period)為0.4μm。
玻璃基體12被由添加聚乙二醇到含有作為主要組分的四乙氧矽烷和酸溶液的溶膠溶液中製備的模製試劑13的溶液所塗敷(圖2A)。被塗敷的玻璃基體12連接真空壓制設備15，以便朝向模製器具11(圖2B)。模子釋放材料在模製器具表面預先作為膜形成。壓制設備被完全抽空，當凝膠層14a柔軟時使模製器具壓靠在基體12上的凝膠層14a上(圖2C)。在該狀態下，基體12保持在60℃，以使凝膠層固化。在壓制設備的內部恢復成所述氣氛後，模製器具11脫離固化凝膠層14(圖2D)。
通過轉移模製器具11的凹槽10而形成的突起16在凝膠膜表面上形成。在凝膠膜上進行350℃的熱處理。這樣就形成了用於膜形成的不規則組織結構基體20(圖2E)。
在凝膠膜固化後，每個突起寬0.2μm，高0.1μm，而且突起陣列的周期(period)為0.4μm。
膜形成通過其中DC偏壓被用來疊加在高頻電壓上的偏壓濺射方法進行。該成膜方法適用於上層以反映出基體的不規則性。使用兩種不同的材料，即SiO2和Si靶子，以便十個SiO2層與10個無定形Si層在氬氣氣氛中採用0.32μm的層壓周期(period)交替形成。作為對比，聚醯亞胺樹脂膜也以同樣方式在模製的基體上形成。
雖然該工藝中的基體溫度達到差不多200℃的最大溫度，但是在突起形成的底塗層中沒有觀察到任何改變如裂紋。
圖3示出這樣形成的多層結構的X-z斷面的示意圖。X-軸定義為在不規則組織結構基體20的表面上周期形成的突起16的周期方向，y-軸定義為突起16的長度方向(垂直於紙面的方向)，而z-軸定義為垂直於基體表面的多層薄膜30的層壓方向。基體表面由平行於x-y平面的平面表示。SiO2膜32和無定形Si膜34在不規則組織結構基體20上交替形成，而且每個膜的表面都具有與基體不規則性的周期相同的在x-軸方向的周期的不規則性。在y-軸方向幾乎不能觀察到任何周期。
具有這樣一種周期不規則組織結構的多層結構稱為光子學晶體。已知的是光子學晶體具有對入射光能量的能帶結構(光子學能帶)。當非-偏振光或橢圓偏振光以z-軸方向入射到這樣一種光子學晶體上時，分別根據平行於凹槽的y-軸方向的偏振波以及垂直於y-軸方向的偏振波的x-軸方向的偏振波，TE-模式的光束和TM-模式光束分別引入到該多層結構中。如果光的頻率在光子能帶隙之內，該模式的光不能在多層結構中傳播，以至入射光被反射或散射。另一方面，如果光的頻率在光子學能帶之內，則入射光通過多層結構傳輸。即，多層結構用作偏振光學元件。
在本發明的多層結構中，其中出現對於TE-模式和TM-模式光子能帶隙的頻率範圍可以通過控制在x-軸方向的周期(period)(即在基體表面形成的突起的周期)，以及在z-軸方向的周期(period)(即多層膜的層壓的周期)而進行控制。
每個具有1μm波長的TE波和TM波單獨z-軸方向入射到這樣製造出的多層結構上，然後測定在多層結構中的傳輸光的強度。結果，TE波難於傳輸而TM波的傳輸光可以觀察到。當評價使用聚醯亞胺時的偏振性質時，可以得到與上述多層結構相似的性質。
實施例2玻璃基體被用作模製試劑的溶液並含有作為主要組分的四乙氧基矽烷，甲基三乙氧基矽烷和酸水溶液的溶膠溶液塗敷。被塗敷的基體連接壓制設備，以使面向如實施例1的同樣方式形成的模製器具，然後進行脫模處理。在凝膠膜柔軟時，模製器具在該氣氛中壓靠在基體上的凝膠膜上。在這種情況下，基體在60℃下保持以使凝膠膜固化。然後，基體從壓制設備中取出，模製器具和固化凝膠層彼此脫離。
在凝膠膜表面形成通過轉移模製器具的凹槽形成的突起。在凝膠膜上進行350℃的熱處理。這樣就形成了用於膜形成的不規則組織結構的基體。在凝膠膜固化後，每個突起寬0.2μm，高0.1μm，而且突起陣列的周期(period)為0.4μm。
膜形成以與實施例1相同的方式進行，以使形成其中10個SiO2層和10個無定形Si層以0.32μm的層壓周期(period)交替形成的多層膜。
雖然在該工藝中的基體溫度達到差不多200℃的最大溫度，但是在突起形成的底塗層中沒有觀察到任何的變化，如裂紋。
這樣形成的多層結構的組織結構基本上與實施例1相同。
每個具有1μm波長的TE波和TM波都單獨以z-軸方向入射到這樣製造的多層結構上，然後測定在多層結構中的傳輸光的強度。結果，TE波難於傳輸而TM波的傳輸光可以觀察到。當評價使用聚醯亞胺時的偏振性質時，可以得到與上述多層結構相似的性質。
根據實施例1和2的多層結構在85℃的高溫和85％的高溼度下保持1000小時後，多層結構重複進行溫度循環測試。溫度循環測試在20個溫度變化循環中重複進行，而且每個溫度變化循環包括在-20℃下保持20分鐘，升高到80℃並在80℃溫度保持20分鐘，然後再冷卻到-20℃。測試後，再次測定每個多層結構的偏振性質。沒有識別到測試之前的多層結構和測試之後的多層結構之間的性質改變。另一方面，使用聚醯亞胺基體的多層結構的偏振性質由於基體與多層膜之間的部分脫落而降低。
從結果看，證明了本發明的多層結構和使用該多層結構的偏振光學元件都具有優異的耐溼性和耐熱性，而且可以充分地忍受劇烈的溫度改變。即，證明了當含有金屬烷氧化物的凝膠材料被模製和固化以使在基體上形成突起或凹槽時，可以容易製造出耐熱性和耐候性優異的偏振光學元件。
順便提及，該具體實施方案已經舉例描述了在基體上的突起只在一個方向(x-方向)是周期性的情形。圖4A示出了基體表面的平面圖。通過該模製方法可以製造出任意的複雜結構，只要製備出轉移的模子即可。該周期並不限制於如在圖4A的實施例的簡單周期。例如，可以形成該周期性組織結構以具有每個都有多個帶有周期的突起或凹槽的單元，或者該周期性組織結構可以包括具有不規則性的部分。
圖4B示出不僅具有在x-軸方向的周期，而且還具有在y-方向的周期的基體的一個實施例。在該實施例中，在兩個方向的突起16和17彼此垂直，而且兩組突起的周期(period)彼此相等。周期並不限制於這些。例如，在兩個方向的突起16和18可以以圖4C所示的角度θ彼此交叉，或者，在這兩個方向的突起的周期可以不同。
當在基體上提供這種在兩個方向具有周期的不規則性時，層壓在表面的層也反映底塗層，以使得在兩個方向上具有周期性的不規則性。因而，光子學能帶可以二維形成。
四乙氧基矽烷用作用於獲得含突起或凹槽的基體的模製材料。然而，例如，可以使用任意其它金屬烷氧化物如甲基三乙氧基矽烷。除SiO2外，MgF2等也可以用作成膜材料的低折射率材料。除無定形Si外，電介質材料如TiO2，Ta2O5，Nb2O5等也可以用作成膜材料的高折射率材料。
工業應用具有偏振功能的多層結構可以在光通訊領域中的光頻隔離器，光學循環器等中用作偏振器。該多層結構也可以用作廣泛用於在光學測量領域的偏振器。該多層領域也可以應用於廣闊的各種領域中如用於液晶顯示器的偏振器。
權利要求
1.一種多層結構，包括具有垂直於z-軸，平行於x-軸和y-軸的表面的平板基體，其中x-軸和y-軸彼此垂直；在所述平板基體的至少部分所述表面上設置的基礎層，所述層具有多個線性突起或凹槽，所述突起或凹槽在所述x-軸方向以恆定周期與所述y-軸平行放置；和由至少兩種具有不同折射率的材料構成的多個層壓層，所述層壓層層壓在所述z-軸方向上，並且是在具有所述突起或凹槽的所述基礎層上進行層壓的，每個所述層壓層在所述x-軸方向具有其周期與所述突起或凹槽的所述周期相同的不規則性；其中具有所述突起或凹槽的所述層由含有金屬烷氧化物的固化凝膠材料構成。
2.如權利要求1所述的多層結構，其中所述金屬烷氧化物至少含有矽。
3.如權利要求2所述的多層結構，其中平行於所述y-軸的每個所述突起或凹槽的每個側壁表面相對於所述平板基體的所述表面具有在10～85°範圍的最大角。
4.如權利要求3所述的多層結構，其中在具有所述突起或凹槽的所述層中的每個所述突起或凹槽的x-z剖面形狀為梯形或三角形。
5.如權利要求1所述的多層結構，其中所述平板基體的熱膨脹係數的絕對值不高於100×10-7℃-1。
6.如權利要求1所述的多層結構，其中以恆定周期設置了彼此平行的另外多個線性突起或凹槽，以使所述另外多個線性突起或凹槽與所述y-軸方向的突起或凹槽以預定角度交叉，並且每個所述層壓層不僅具有在所述x-軸方向的不規則性，而且還具有帶有與所述和y-軸方向的突起或凹槽相交叉的所述突起或凹槽的所述周期相同的周期的不規則性。
7.如權利要求1所述的多層結構，其中所述多層結構具有對以平行於所述z-軸方向或不垂直於所述z-軸但傾斜於所述z-軸方向的方向入射到所述多層結構上的光起作用的偏振功能。
8.一種製造多層結構的方法，包括如下步驟將含有金屬烷氧化物的溶膠溶液應用到平板基體的表面上；將模製器具壓靠在由所述溶膠溶液變化而來並具有彈性的凝膠膜上，所述模製器具有多個彼此平行並具有恆定周期的線性凹或凸部；在使所述模製器具壓靠在所述凝膠膜上的同時加熱所述凝膠膜；將所述固化的凝膠膜從所述模製器具脫模；加熱和烘烤所述固化的凝膠膜；和在包括所述多個線性突起或凹槽的所述已形成的基體上層壓多個層，所述層由至少兩種具有不同折射率的材料構成。
9.如權利要求8所述的製造多層結構的方法，其中用於加熱和烘烤所述固化的凝膠膜的溫度不低於150℃。
全文摘要
一種基體表面塗覆有含有金屬烷氧化物的溶膠溶液。在凝膠化材料保持柔軟時，所述溶膠的凝膠化材料被壓靠在模製器具上。這樣，凝膠化材料被模製。因此，固化凝膠層14的突起在基體上形成，以形成不規則組織結構基體。通過至少兩種具有不同折射率的材料的多個層構成的多層薄膜被層壓在不規則組織結構基體表面上。
文檔編號G02B5/30GK1621868SQ200410097348
公開日2005年6月1日 申請日期2004年11月29日 優先權日2003年11月28日
發明者新毛勝秀, 佐佐木康二, 及川正尋, 常友啟司 申請人:日本板硝子株式會社