ПОЛЯРИЗАТОР НА ОСНОВЕ РЕШЕТКИ НАНОПРОВОДНИКОВ
POLARISER BASED ON ARRAY OF NANOCONDUCTORS

Родственные заявки
Эта заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США с порядковым №60/686495, поданной 1 июня 2005 г., и заявке на патент США №11/421384, поданной 31 мая 2006 г., обе из которых включены сюда посредством ссылки во всей их полноте.
Область изобретения
Изобретение относится к нелитографским способам изготовления таких устройств, как поляризатор, состоящий из решетки металлических проводников, расположенной на поверхности оптически прозрачной подложки или встроенной в эту подложку, при заполнении канавок на подложке металлом. Оно также в общем относится к способам и устройствам для формирования периодических решеток проводников с периодом 150 нм или менее.
Предпосылки изобретения
Поляризаторы с решеткой проводников широко используются в устройствах для графического отображения информации (например, см. патент США №6452724, включенный сюда посредством ссылки). Обычно используемая технология изготовления этих устройств основана на оптической или интерференционной литографии. Однако стоимость, связанная с использованием инструментов, предназначенных для этих применений, считается очень существенной. Существующий подход и инструменты делают трудным изменение масштаба производства от полупроводниковых пластин меньших размеров до подложек с большими площадями (таких как стеклянные или пластмассовые листы). Кроме того, существующий подход делает очень трудным создание структур-решеток проводников с периодом 150 нм или менее. И хотя различные применения имеют разные требования, структуры с меньшим размером элементов обычно связывают с более высокими эксплуатационными характеристиками.
Способ формирования нанорельефа на поверхности пленки, содержащий плазменную модификацию наноструктур размером порядка длины волны (от англ. wave ordered structure, WOS), сформированных на слое аморфного кремния, был раскрыт в российском патенте RU 2204179, включенном сюда посредством ссылки.
Этот подход схематично проиллюстрирован на Фигуре 1. Он содержит следующие этапы. Сначала поверх целевого тонкопленочного слоя 101 наносят слой аморфного кремния 102. Затем этот слой кремния распыляют потоком ионов азота так, чтобы создать массив наноструктур размером порядка длины волны. Получающаяся в результате наноструктура размером порядка длины волны содержит относительно толстые области аморфного нитрида кремния 103 и относительно тонкие области аморфного нитрида кремния 104, расположенные соответственно на передних и задних сторонах волновой структуры 104. Как показано, впадины волн отстоят от поверхности пленочного слоя 101 на расстояние D, равное приблизительно одной трети длины волны наноструктуры (λ). После того, как наноструктура размером порядка длины волны сформирована, ее плоский рисунок переносят в нижележащий пленочный слой 101 путем селективного травления слоя аморфного кремния 102, используя области 103 и 104 в качестве наномаски.
2
+
Однако эксперименты с использованием наноструктур, полученных наклонным распылением аморфного кремния ионами азота (система N -Si), показали, что эти структуры часто не обладают желательной степенью естественного порядка (т.е. высокой когерентностью). Фигура 2 показывает массив наноструктур, изготовленных с помощью этой технологии. Эта фигура показывает, что даже в относительно небольшой области этот массив имеет существенное число дефектов. Он может быть недостаточно когерентным для оптоэлектронных применений.
Сущность изобретения
Разнообразные оптоэлектронные применения могут выиграть от разработки эффективных способов формирования больших массивов нанопроводников с периодом 150 нм или менее.
Чтобы изготовить такие структуры, данное изобретение использует твердую наномаску, сформированную облучением слоя первого материала потоком ионов. Маска предназначена для использования при переносе по существу периодического рисунка на тонкую пленку. Эта наномаска содержит по существу периодический массив по существу параллельных удлиненных элементов, имеющих волнообразное поперечное сечение. По меньшей мере некоторые из этих элементов имеют следующее поперечное сечение: внутренняя область из первого материала, первая внешняя область из второго материала, покрывающая первую часть внутренней области, и вторая внешняя области из второго материала, покрывающая вторую часть внутренней области и соединяющаяся с первой внешней областью на гребне волны. Первая внешняя область предпочтительно является существенно более толстой, чем вторая внешняя область. Второй материал образован за счет модификации первого материала потоком ионов.
Краткое описание чертежей
2
+
Фигура 1 схематично иллюстрирует формирование нанорельефа на поверхности пленки в системе N -Si.
2
+
Фигура 2 показывает СЭМ-изображение одного варианта воплощения волнообразной наноструктуры, сформированной в системе N -Si без предварительной ориентирующей обработки.
Фигура 3 схематично иллюстрирует этапы в одном варианте воплощения способа формирования поляризатора с решеткой проводников.
Фигура 4 схематично иллюстрирует устройство для предварительной ориентирующей полировки.
2
+
Фигура 5 схематично иллюстрирует процесс формирования когерентной, низкоамплитудной волнообразной наноструктуры на поверхности арсенида галлия с помощью распыления ионами N и геометрию индивидуальной волны согласно предпочтительному варианту воплощения.
2
m
2
+
+
Фигура 6 показывает СЭМ-изображение волнообразной наноструктуры, сформированной в системе O -Si на глубину D после последующего дополнительного распыления ионами N согласно предпочтительному варианту воплощения.
2
+
Фигура 7 показывает СЭМ-изображение волнообразной наноструктуры, сформированной в системе N -Si.
Фигура 8 схематично иллюстрирует один вариант воплощения этапов изготовления поляризатора с решеткой проводников, расположенной внутри прозрачной подложки.
Фигура 9 схематично иллюстрирует производственную линию, осуществляющую один вариант воплощения данного изобретения на непрерывно перемещающейся подложке.
Фигура 10 схематично иллюстрирует основанную на плазме ионнолучевую систему для ионнолучевого распыления согласно одному варианту воплощения данного изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения
Здесь представлены подробные описания предпочтительных вариантов воплощения. Необходимо, однако, понимать, что предложенные изобретения могут быть воплощены в различных формах. Поэтому конкретные варианты осуществления, раскрытые здесь, не должны интерпретироваться как ограничивающие.
Предварительная обработка (обработка, примененная перед этапом распыления) слоя аморфного кремния, вызывающая однородное анизотропное напряжение в пределах этого слоя, значительно увеличивает степень ориентации рисунка наноструктуры (т.е. его когерентность).
Согласно этому подходу слой, в котором будет построена структура порядка длины волны (WOS), изготовляют так, что в нем имеется по существу однородное механическое анизотропное напряжение. Напряжение может быть вызвано («наведено») во время процесса осаждения за счет применения анизотропной поверхностной обработки или дополнительного облучения, или после осаждения, до ионной бомбардировки или одновременно с ионной бомбардировкой.
В одном предпочтительном варианте воплощения в качестве предварительного этапа перед формированием наноструктуры используют ориентированную полировку (полировку поверхности в одном предпочтительном направлении) в направлении гребней волн подлежащей формированию волнообразной наноструктуры, тем самым значительно увеличивая степень ориентации рисунка (т.е. его когерентность).
Фигура 3 иллюстрирует предпочтительный вариант воплощения данного изобретения, используемый для изготовления поляризатора с решеткой проводников на прозрачной стеклянной подложке. Здесь показана структура 310, содержащая подложку (например, из стекла) 301, пленку 302 металла (например, алюминия, меди, серебра или других проводящих металлов, толщиной приблизительно 70 нм) и слой 304 аморфного кремния (толщиной приблизительно 210 нм).
Слой 304 аморфного кремния осаждают магнетронным распылением кремниевой мишени, испарением кремниевой мишени электронным лучом в глубоком вакууме или другим способом, известным в данной области техники. Толщину слоя 304 выбирают так, чтобы позволить сформировать наноструктуру с длиной волны λ, приблизительно равной 70 нм.
Поверхность слоя 304 подвергают ориентирующей полировке (полировка поверхности в одном предпочтительном направлении) с суспензией или порошком, размер частиц которой(го) является не большим, чем значение, приблизительно равное двум длинам волны наноструктуры размером порядка длины волны, чтобы достигнуть достаточно анизотропной пластичной деформации поверхности кремния. В этом примере направление 305 обработки перпендикулярно плоскости чертежа на Фигуре 1. Структура 311 является результатом вышеупомянутой обработки.
2
3
В одном предпочтительном варианте воплощения суспензия является пастой ГОИ (GOI), содержащей частицы CrO. Было также продемонстрировано, что для ориентирующей обработки вместо пасты ГОИ могут быть использованы разнообразные суспензии на основе воды или толуола, содержащие маленькие частицы (типа оксида алюминия, оксида кремния или оксида хрома). Например, могут быть использованы разнообразные суспензионные системы, подобные коллоидному оксиду кремния Ultra-Sol 7H™, изготавливаемому Eminess Technologies, Inc. Этот класс суспензионных систем уже используется в разнообразных применениях промышленной полировки в полупроводниковом производстве.
Устройства для химико-механической полировки (ХМП) широко используются для полирования пластин в полупроводниковом производстве. Основным назначением этих устройств является уменьшение толщины подложки без придания такой полировке какой-либо ориентации. Пример этого устройства был раскрыт в публикации заявки на патент США №2002/0142704, включенной сюда посредством ссылки. Это устройство содержит держатель пластины для вращения пластины вокруг ее оси, постоянно движущуюся ленту, поддерживаемую опорой в том месте, где поверхность пластины контактирует с лентой, электродвигатели для обеспечения возможности вращения держателя пластины и движения ленты, устройства для подачи полировальной смеси на ленту и устройства для подачи воздуха через систему отверстий для обеспечения поддержки ленты и равномерного распределения давления пластины на ленту. Однако это устройство не предназначено использоваться для ориентированной полировки.
Путем устранения вращения держателя пластины вокруг его оси и фиксирования его в необходимом положении относительно направления движения движущейся ленты это устройство может быть модифицировано для ориентированной полировки. Фигура 4 схематично показывает устройство для ориентированной полировки. Оно состоит из держателя 401 пластины, показанного в нерабочем положении. Держатель используется для установки пластины. В рабочем положении 402 держатель прижимает пластину 403 к непрерывной ленте 404, приводимой в движение валиками 405. Держатель пластины обеспечивает неподвижное положение пластины 403 относительно направления движения ленты 404. Опора 406 поддерживает ленту 404 и держатель пластины в рабочем положении. Опора имеет систему отверстий для того, чтобы пропускать сквозь них поток сжатого воздуха, таким образом обеспечивая равномерное распределение давления пластины на ленту. Кроме того, на ленту подается полирующая абразивная суспензия (Фигура 4 не показывает устройство для подачи абразивной суспензии). Валики 405 и нижняя часть ленты 404 могут быть погружены в ванну с полирующей абразивной суспензией. Выбор соответствующего абразива (с частицами размером не большим, чем значение, приблизительно равное двум длинам волны наноструктуры размером порядка длины волны) для полирующей абразивной суспензии (например, для полировки в полупроводниковом производстве широко используются оксид кремния или оксид алюминия) приводит к лучшей когерентности волнообразной наноструктуры после последующего этапа ионного распыления.
2
F
+
После такой предварительной обработки формируют твердую наномаску с помощью модифицирования поверхностного слоя бомбардировкой ионами. Например, обращаясь к Фигуре 3, в одном предпочтительном варианте воплощения на этом этапе поверхность слоя 304 облучают по существу однородным потоком 306 молекулярных ионов азота N в течение примерно 2 минут. Чтобы получить длину волны наноструктуры, приблизительно равную 70 нм, угол бомбардировки ионами азота приблизительно равен 52°. Энергия ионов приблизительно равна 4 кэВ. Глубина формирования наноструктуры D приблизительно равна 70 нм. Облучение выполняют так, чтобы плоскость падения ионов (плоскость, которая задана нормалью к поверхности материала и вектором, ориентированным в направлении потока ионов) была перпендикулярна направлению предварительной ориентирующей обработки. Этот процесс приводит к формированию наномаски 307 размером порядка длины волны.
Как это схематично проиллюстрировано на Фигуре 3, наномаска 307 является по существу периодическим массивом твердых волнообразных асимметричных наноструктур. Эти структуры состоят из относительно толстых, толщиной 4-15 нм, областей 308 нитрида кремния на передней стороне (стороне, обращенной к потоку ионов), сопровождаемых относительно тонкими, толщиной 0,1-2 нм, областями 309 нитрида кремния на задней (относительно потока 306 ионов) стороне, покрывающими слой аморфного кремния 304. Толщина области определяется как средняя толщина слоя, измеренная вдоль локальной нормали к поверхности волнообразной структуры. Этот периодический массив твердых волнообразных структур является массивом по существу параллельных удлиненных элементов с длиной, которая является намного большей, чем их ширина. Расстояние D между впадинами наноструктуры и поверхностью пленки 302 приблизительно равно диапазону от одной до одной трети длины волны наноструктуры. Гребни волн наноструктуры сформированы под прямыми углами к плоскости ионной бомбардировки, совпадающей с плоскостью на Фигуре 3 и параллельной направлению ориентирующей обработки. Поскольку толщина нитрида кремния на передней стороне является намного большей, чем на задней стороне и поскольку нитрид кремния является твердым и стойким, эта наномаска особенно подходит для переноса рисунков в нижележащие слои, используя анизотропные способы травления.
2
m
2
2
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
В то время как описанные выше предпочтительные варианты воплощения иллюстрируют формирование наномаски с помощью модификации слоя аморфного кремния наклонным распылением ионами азота, подобные же результаты можно получить, используя различные материалы (например, нанокристаллический кремний, кристаллический кремний, кристаллический арсенид галлия и т.д.) и различные ионы (например, азота N , N, азота-кислорода NO, водорода-азота NH , кислорода О , аргона Ar, криптона Kr, ксенона Xe и смеси аргона Ar и азота N ).
2
2
F
+
+
В еще одном предпочтительном варианте воплощения, проиллюстрированном Фигурой 5, этап формирования наномаски выполняют, распыляя слой арсенида галлия ионами азота (система N -GaAs). Ионным лучом (пучком) сканируют в форме растра по поверхности материала, обеспечивая однородный поток ионов. Фигура 6 показывает представление, совпадающее с плоскостью ионной бомбардировки (т.е. плоскостью падения ионов), причем эта плоскость задана нормалью к поверхности материала и вектором, ориентированным в направлении ионного луча (т.е. потока ионов). Например, высоко когерентную волнообразную наноструктуру с длиной волны λ=130 нм формируют, выбирая угол бомбардировки ионами относительно нормали к поверхности GaAs в диапазоне, приблизительно равном θ=55-58°, с примерной энергией иона N  E=8 кэВ и глубиной распыления D примерно 1 мкм. Эта наноструктура не имеет почти никаких разрывов волн и очень небольшое число пересечений волн. Гребни волн ориентируются перпендикулярно к плоскости ионной бомбардировки. С увеличением дозы облучения вплоть до глубины распыления 35 мкм наноструктура не претерпевает каких-либо существенных преобразований. Наблюдение через сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) образца кристалла GaAs с волнообразной наноструктурой, полученной при E=8 кэВ и θ=56°, показало, что амплитуда волны составляла 13 нм при λ=130 нм. Склоны волны были наклонены на 8-9° относительно горизонтального направления. Следовательно, локальные углы бомбардировки склонов волн равны 47° и 65° и длительная бомбардировка не изменяет эти углы.
2
m
2
2
2
2
2
2
+
+
+
+
+
+
+
В еще одном предпочтительном варианте воплощения этап предварительной ориентирующей обработки выполняли, распыляя поверхностный слой аморфного кремния ионами кислорода, так, чтобы сначала в системе O -Si была сформирована волнообразная наноструктура с λ=130 нм при E=4 кэВ и θ=47° при глубине распыления D=1350 нм. Впоследствии, на второй стадии, была сформирована результирующая наноструктура с помощью распыления ионами азота. Параметры для этой второй стадии были выбраны так, чтобы достигнуть равных длин волн в системах O -Si и N -Si. На этой второй стадии волнообразную наноструктуру распыляли ионами N при E=8 кэВ и θ=43° вплоть до конечной глубины D=1670 нм. Глубина дополнительного распыления в системе N -Si равна 320 нм и достаточна для формирования волнообразной наноструктуры. Плоскости бомбардировки для ионов O и N  совпадали. Этот двухстадийный процесс привел к волнообразной наноструктуре с λ=140 нм, показанной на Фигуре 6.
2
2
2
+
2
2
+
+
Для целей сравнения, Фигура 7 показывает изображение волнообразной наноструктуры, сформированной в одностадийном процессе в системе N -Si при E=8 кэВ и θ=43°. Был выполнен статистический анализ СЭМ-изображений с размером 6,77×9 мкм путем подсчета числа волн в фреймах 1,3×6,5 мкм, ориентированных длинной стороной перпендикулярно гребням волн и содержавших каждый 50 волн. Было подсчитано число волн, проходящих от одного длинного края фрейма к другому без разрывов и пересечений (количество хороших волн), число волн, пересекающих один из этих краев, но не достигающих другого края (количество разрывов волн), и число волн, пересекающихся внутри фрейма. Результаты показали, что двухстадийный процесс формирования N -[O -Si] волнообразной наноструктуры уменьшает число разрывов волн в 5,4 раза, число пересечений волн - в 2,9 раза, и увеличивает количество хороших волн в 2,4 раза.
Хотя в описанном выше предпочтительном варианте воплощения этап предварительной ориентирующей обработки (распыления поверхностного слоя аморфного кремния ионами кислорода) был проведен после того, как этот поверхностный слой был осажден поверх слоя металла, подобные же результаты можно было бы получить, комбинируя этап предварительной ориентирующей обработки (например, предварительный этап, включающий в себя вызывание анизотропного напряжения путем применения облучения ионами) с этапом осаждения (например, с помощью предварительного напряжения поверхностного слоя в приборе стимулированного ионным пучком осаждения (от англ. «ion beam assisted deposition», IBAD) в течение процесса осаждения).
2
2
2
2
Обращаясь вновь к Фигуре 3, после того, как наномаска сформирована, структуру 312 модифицируют, применяя реактивно-ионную плазму (Cl, Cl-Ar или Cl-He-O или любой другой способ, известный в данной области техники) к слою 304 аморфного кремния с использованием первоначальной наномаски 307. В одном предпочтительном варианте воплощения этот процесс приводит к получению модифицированной наномаски, содержащей области 308 нитрида кремния, сформированные на вершине 75-нанометровых полосок аморфного кремния 304, как показано структурой 313 по Фигуре 3.
3
4
3
2
2
3
2
2
2
2
6
2
На следующем этапе анизотропное травление применяют к слою 302 металла. Если слой металла является слоем алюминия, то может использоваться, например, смесь BCl-CCl, BCl-Cl-О, BCl-Cl-N или HBr-Cl-He-O. Получающаяся в результате структура 314 содержит полоски металла с остатками аморфного кремния 304 на вершине. В структуре 315 остатки аморфной кремниевой маски могут быть удалены, используя плазму, такую как SF-O.
3
2
В зависимости от выбранной толщины модифицированного слоя на задней стороне волнообразной наноструктуры, этап предварительного травления разрывов можно было бы выполнить, используя распыление на основе аргона или плазму BCl-Cl в течение относительно короткого промежутка времени для того, чтобы удалить модифицированный слой с задней стороны.
В зависимости от свойств границы раздела между тем слоем в котором сформирована наномаска, и нижележащим целевым слоем, дополнительный этап травления разрывов мог бы использоваться для переноса рисунка через границу раздела. В случае определенной комбинации материалов оба слоя могли быть успешно протравлены в той же самой плазме.
Фигура 8 схематично иллюстрирует предпочтительный вариант воплощения данного изобретения, используемый для того, чтобы изготовить поляризатор-решетку проводников с решеткой проводников, расположенной внутри прозрачной подложки.
Сначала слой аморфного кремния с толщиной, приблизительно в 1,5-3 раза превышающей значение глубины наноструктуры, осаждают поверх оптически прозрачной подложки. Фигура 8 схематично иллюстрирует получающуюся в результате структуру 1020, содержащую подложку (например, из стекла) 1001 и слой 1004 аморфного кремния (приблизительно 400 нм толщиной). Этот слой 1004 аморфного кремния осаждают магнетронным распылением кремниевой мишени, испарением кремниевой мишени с использованием электронного луча в глубоком вакууме или другим способом, известным в данной области техники. В этом примере толщина слоя 1004 выбрана так, чтобы позволить формирование наноструктуры с длиной волны приблизительно 150 нм.
Затем поверхность аморфного кремния подвергают ориентирующей обработке и ионному распылению, этапу, подобному описанному в связи с Фигурой 3, что приводит к структурам 1021, 1022 и 1023. Длина волны наноструктуры выбирается в диапазоне от примерно 20 до 150 нм с тем, чтобы удовлетворить оптическим конструктивным требованиям для конкретного применения.
Наномаску модифицируют, частично удаляя материал наноструктуры так, что результирующая наномаска содержит полоски 1008 нитрида кремния и аморфный кремний 1004 поверх оптически прозрачной подложки. Рисунок наномаски переносят в подложку, удаляя части подложки, не покрытые наномаской.
4
2
3
Канавки 1006 в оптически прозрачной подложке (структуре 1024) сформированы анизотропным травлением. В зависимости от типа материала подложки могут использоваться различные типы плазмы (например, для кварцевой подложки может использоваться плазма на основе CF-H или CHF).
6
2
После того как в подложке сформированы канавки желательной глубины, остатки материала наномаски 1005 полностью удаляют с поверхности подложки плазмой на основе SF-O. Затем канавки 1006 в подложке заполняют металлом 1007 и остатки металла счищают с подложки. В случае необходимости поверхность структуры 1025 покрывают противоотражающим покрытием.
Во всех вышеописанных предпочтительных вариантах воплощения могут использоваться различные типы прозрачных подложек. В некоторых вариантах воплощения подложки являются прозрачными пленками, пригодными к наслаиванию на стекло.
-6
В некоторых вариантах воплощения все технологические этапы могут быть осуществлены на движущихся подложках. Поэтому полезно объединить все оборудование, необходимое для этих процессов, в конвейер. Схематично пример такого конвейера представлен на Фигуре 9. Вакуумные модули связаны в производственную линию для того, чтобы применять последовательные технологические этапы к поверхности непрерывно перемещающейся подложки. Подобный подход, как известно, используется в производстве фотогальванических солнечных элементов (см., Izu M. et al. "Method of p-doped silicon films" - патент США №4400409; Ozaki H. et al. "Method and apparatus for forming deposited film" - патент США №6667240, оба включены сюда посредством ссылки). Каждый модуль отделен от следующего изолирующими газовыми задвижками. Прежде, чем процесс начинается, всю линию вакуумируют до базового давления, приблизительно равного примерно 10 торр.
Однородность потока ионов в модуле формирования WOS можно обеспечить сотовым расположением широко-аппретурных источников ионов. В некоторых вариантах воплощения может использоваться система, основанная на многоострийных ионнолучевых источниках. Дополнительное преимущество таких систем состоит в высокой производительности вследствие того, что в этой конфигурации ионные лучи ортогональны к подложкам. В некоторых вариантах воплощения основанные на многоострийных ионнолучевых источниках системы могут использоваться без ориентирующей обработки, как показано на Фигуре 10.
Изобретение может использоваться для формирования массивов нанопроводников для устройств оптоэлектроники и наноэлектроники.