МНОГОСЛОЙНОЕ ИЗДЕЛИЕ, СОДЕРЖАЩЕЕ СТОЙКИЙ К ИСТИРАНИЮ СЛОЙ, СОДЕРЖАЩЕЕ ЕГО УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА
MULTILAYER PRODUCT CONTAINING AN ABRASION-RESISTANT LAYER, DEVICE CONTAINING IT, AND THE METHOD OF ITS PRODUCTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к многослойному изделию, содержащему стойкий к истиранию слой, расположенный на поверхности оптически прозрачной подложки, а также к устройству, содержащему упомянутое многослойное изделие. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу производства многослойного изделия.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
-2
-2
В идеале оптические интерфейсы, такие как оконное стекло или сенсорный экран, должны одновременно быть стойкими к царапинам и иметь низкий коэффициент отражения. Стойкость к царапинам определяется способностью оптического интерфейса противостоять истиранию обычными материалами. Одним таким обычным материалом является кремнезем, который является обычной составной частью песка. Кремнезем имеет твердость по Кнупу (HK) 800-900 гс⋅мм, измеряемую согласно стандарту твердости по Кнупу ASTM E384. Таким образом, если оптический интерфейс был бы более твердым, чем кремнезем (то есть чтобы его твердость по Кнупу была, например, больше чем 1000 гс⋅мм), он был бы в состоянии противостоять истиранию песком.
-2
-2
Эта проблема может быть решена путем использования вместо стекла твердых, оптически прозрачных материалов, таких как сапфир, чтобы предотвратить обычные царапины, вызванные контактом с песком (кремнеземом), ключами (сталью) и т.д. Однако увеличенная твердость материалов имеет тенденцию сопровождаться увеличением показателя преломления, поскольку оба свойства связаны с плотностью материала, так что более твердые материалы имеют увеличенный коэффициент отражения (и таким образом более низкий коэффициент пропускания), что является нежелательным для приложений оптического интерфейса. Например, твердые материалы, такие как сапфир (HK=2000 гс⋅мм) и алмаз (HK=7000 гс⋅мм), имеют показатели преломления 1,78 и 2,4 соответственно. Более высокий показатель преломления сапфира, например, означает, что его коэффициент отражения почти в два раза больше, чем у стекла. Это особенно невыгодно в таких приложениях, как часовые стекла и сенсорные экраны, в которых свет проходит из воздуха через оптический интерфейс и обратно в воздух; отражение таким образом происходит как на входе, так и на выходе оптического интерфейса.
2
-2
Проблема увеличенного коэффициента отражения может быть решена путем нанесения антиотражающего покрытия на твердый материал (например, сапфир), но это может ухудшать стойкость к царапинам, поскольку такие покрытия (например, из MgF (HK=415 гс⋅мм) или полимерных слоев), как правило являются более мягкими, чем твердый материал, на который они наносятся.
Альтернативно более твердый защитный слой может быть нанесен на более мягкий материал (например, стекло), чтобы предохранить более мягкий материал от истирания. Защитный слой может наноситься, например, чтобы защитить поверхность оптического интерфейса, подвергающуюся воздействию окружающей среды. Однако при этом также возникает проблема, заключающаяся в том, что твердый материал может увеличивать коэффициент отражения (и таким образом уменьшать коэффициент пропускания) как на границе раздела воздух-защитный слой, так и на границе раздела защитный слой-мягкий материал. Кроме того, когда такой твердый слой наносится на более мягкий материал (например, на стекло), сопротивление истиранию не может быть значительно улучшено, поскольку твердый слой может треснуть при царапании из-за неадекватной поддержки более мягким материалом.
Было показано, что структурированные слои улучшают (то есть уменьшают) коэффициент отражения. В частности, такие структурированные слои могут быть наноструктурированными (то есть сформированными из особенностей с размерами порядка сотен нм или меньше), так что их коэффициент отражения может быть уменьшен, например, до величины меньше чем 1% на одну границу. Это уменьшение отражательной способности обусловлено наноструктурированным слоем, содержащий как материал, из которого сформированы особенности, так и воздух между этими особенностями, который помогает уменьшить полный показатель преломления структурированного слоя, так что коэффициент отражения на границе раздела воздух-структурированный слой может быть уменьшен. Однако такие наноструктурированные слои имеют тенденцию быть хрупкими, так что они подвержены повреждению. Такие слои также могут загрязняться, например, остатками кожи, которые могут попадать между наноразмерными особенностями, в ущерб оптическим свойствам структурированного слоя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение направлено многослойного изделия, содержащего стойкий к истиранию слой, расположенный на поверхности оптически прозрачной подложки, причем этот слой является более прочным и менее восприимчивым к загрязнителям, чем обычные структурированные слои.
Настоящее изобретение дополнительно направлено на обеспечение устройства, содержащего упомянутое многослойное изделие.
Настоящее изобретение также направлено на обеспечение способа производства многослойного изделия.
Настоящее изобретение определяется независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения предлагают выгодные варианты осуществления.
В соответствии с одним аспектом предлагается многослойное изделие, содержащее стойкий к истиранию слой, расположенный на поверхности оптически прозрачной подложки, причем упомянутый слой содержит рисунок из пространственно отделенных выступов материала, продолжающихся от упомянутой поверхности, причем упомянутый рисунок имеет период в диапазоне от 10 до 350 нм, и кремнезем, расположенный между упомянутыми выступами, причем упомянутый материал имеет твердость по Кнупу, измеряемую в соответствии со стандартом твердости по Кнупу ASTM E384, которая больше, чем у кремнезема.
Настоящее изобретение основано на понимании того, что слой, содержащий рисунок из пространственно отделенных выступов материала, может проявлять хорошие стойкость к истиранию и надежность, при условии, что кремнезем находится между упомянутыми выступами, а сам материал имеет твердость по Кнупу больше, чем у кремнезема.
Эффект кремнезема и материала, имеющего твердость по Кнупу больше, чем у кремнезема, состоит в том, что этот слой может быть в достаточной степени твердым, чтобы противостоять истиранию, например, песком (который может включать в себя кремнезем в форме кварца). Кроме того, что кремнезем способствует твердости слоя, кремнезем, расположенный между выступами, может делать слой более механически жестким по сравнению, например, со структурированными слоями, в которых между выступами находится только воздух. Присутствие кремнезема может также способствовать ограничению или предотвращению загрязнения слоя другими материалами, которые могут в противном случае собираться между выступами и вызывать появление следов/пятен на многослойном изделии.
С точки зрения антиотражающих свойств слоя кремнезем дополнительно уменьшает полный показатель преломления слоя, например, относительно неструктурированного слоя, состоящего только из материала. Причина этого заключается в том, что показатель преломления кремнезема будет иметь тенденцию быть ниже, чем у материала (поскольку материал тверже кремнезема, и большая твердость материала может совпадать с тем, что он имеет более высокий показатель преломления). Это понижение полного показателя преломления слоя может привести к более низкому коэффициенту отражения на границе воздух-слой (поскольку полный показатель преломления слоя понижается кремнеземом таким образом, что он становится ближе к показателю преломления воздуха). Для тех сценариев, в которых подложка имеет более низкий показатель преломления, чем материал, присутствие кремнезема и соответствующее понижение полного показателя преломления слоя (то есть так, что он становится ближе к показателю преломления подложки) может дополнительно уменьшать коэффициент отражения на границе слой-подложка.
Выступы могут содержать концы, которые выровнены с поверхностью кремнезема или выступают из нее.
В тех вариантах осуществления, в которых концы выступов выровнены с поверхностью кремнезема, могут быть улучшены механическая надежность слоя и способность слоя не допускать загрязнения любым материалом, который мог бы собираться между выступами.
С другой стороны, слой, в котором выступы выступают из поверхности кремнезема, может быть выгодным с точки зрения антиотражающих свойств слоя. В таких вариантах осуществления воздух может располагаться между частями выступов, которые выступают из поверхности кремнезема. Таким образом, воздух может располагаться между выступами между поверхностью кремнезема и концами выступов, и кремнезем может располагаться между выступами между поверхностью и открытой поверхностью кремнезема. С учетом содержания воздуха в слое можно добиться более постепенного изменения показателя преломления границы раздела такого слоя с воздухом, например, относительно слоя, в котором концы выступов выровнены с открытой поверхностью кремнезема, так что только кремнезем может располагаться между выступами (поскольку показатель преломления воздуха меньше, чем у кремнезема). Это более постепенное изменение показателя преломления слоя может привести к улучшенному антиотражающему поведению при сохранении хороших свойств стойкости к царапанию открытой поверхности слоя. Причина этого заключается в том, что удар твердого предмета, например, песчинки, металлических предметов, таких как ключ и т.п., будет вызывать упругую деформацию выступов, выступающих из открытой поверхности слоя, защищая тем самым кремнеземные части между такими выступами от повреждения этими твердыми предметами.
Выступы могут сужаться в направлении от поверхности подложки.
Сужающиеся выступы могут использоваться для настройки свойств слоя на его соответствующих границах. В частности, на границе раздела слой-подложка общая площадь, покрытая выступами, может быть выбрана таким образом, чтобы эффективный показатель преломления слоя на этой границе (близко) совпадал с показателем преломления подложки для достижения низкого коэффициента отражения на этой границе раздела, тогда как площадь таких более твердых материалов, которые обычно имеют высокий показатель преломления, как было объяснено ранее, может быть уменьшена на границе раздела слой-воздух, чтобы минимизировать отражательную способность на этой границе.
В тех вариантах осуществления, в которых выступы сужаются, они могут быть усеченными.
Усечение сужающихся выступов может улучшить свойства стойкости к истиранию/надежности слоя.
Сужение может быть таким, что самая малая ширина усеченного выступа может составлять от 5% до 60% от самой большой ширины выступа.
Когда сужение является таким, что самая малая ширина составляет от 5% до 60% от самой большой ширины, слой может иметь одновременно низкий коэффициент отражения и хорошую механическую надежность.
Выступы могут иметь по меньшей мере одну из форм конуса, усеченного конуса, гиперболоида, пирамиды, усеченной пирамиды, купола и усеченного купола.
Материал может содержать одно или более из сапфира, нитрида кремния, кубического нитрида бора и алмаза.
Такие материалы могут иметь высокую твердость по Кнупу и могут иметь высокую оптическую прозрачность (например, для длин волн видимого света).
Подложка может содержать материал, контактирующий со слоем, имеющий относительно высокую твердость по Кнупу, то есть твердость по Кнупу выше, чем у кремнезема. Примеры таких материалов подложки включают в себя сапфир и алмаз. Такие материалы могут быть использованы в качестве отдельных материалов подложки или в качестве части слоистой подложки, например, слоистой подложки, включающей в себя стеклянный слой и упомянутый материал между стеклянным слоем и антиотражающим слоем в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Такие твердые материалы подложки становятся все более и более популярными для улучшения антизадирных свойств подложки, но при этом они страдают неблагоприятным коэффициентом отражения, как было объяснено ранее.
Период рисунка составляет от 10 до 350 нм.
Период рисунка менее 350 нм может способствовать ограничению или предотвращению интерференционных явлений видимого света, таких как дифракция, улучшая таким образом пригодность слоя для защиты поверхности светопропускающих подложек. Период более 10 нм может гарантировать хорошие (то есть низкие) свойства коэффициента отражения, а также механическую надежность.
Высота выступов может составлять от 50 до 500 нм.
Высота в этом диапазоне может способствовать улучшению антиотражающих свойств слоя.
Этот слой может содержать первую область и вторую область; причем первая область имеет первый рисунок, а вторая область имеет второй рисунок, который отличается от первого рисунка, так что первая область и вторая область имеют разные показатели преломления и/или имеют разные оптические интерференционные свойства.
Различные показатели преломления и/или оптические интерференционные свойства соответствующих первой и второй областей могут позволить этим областям быть различимыми, например, для невооруженного глаза. По сути контраст между этими областями может использоваться для обеспечения некоторого узора, например, логотипа, знака защиты от подделки (например, типа голограммы), декоративного эффекта и т.д.
Первый рисунок и второй рисунок могут содержать выступы различной формы.
Форма выступов может влиять на коэффициент отражения (и таким образом на коэффициент пропускания) слоя. Эта форма может дополнительно влиять на коэффициент отражения в зависимости от длины волны. Соответственно, эти области могут быть различимыми, например, невооруженным глазом с точки зрения интенсивности и/или спектрального состава (то есть цвета) света, отраженного от них (или прошедшего через них).
В соответствии с другим аспектом предлагается устройство, содержащее оптически прозрачный компонент, содержащий многослойное изделие по любому из описанных в настоящем документе вариантов осуществления. Это устройство может быть, например, мобильным телефоном, планшетным компьютером, наручными часами, камерой, окном и т.д.
Оптически прозрачный компонент может быть оконным стеклом или экраном.
Оконное стекло может быть, например, закаленным или бронированным оконным стеклом; экран может быть, например, сенсорным экраном, экраном дисплея, такого как жидкокристаллический дисплей, часовым стеклом и т.д.
В соответствии с другим аспектом предлагается способ производства многослойного изделия, содержащего стойкий к истиранию слой, расположенный на поверхности оптически прозрачной подложки, причем этот способ содержит: обеспечение слоя материала на поверхности; структурирование этого слоя для того, чтобы сформировать рисунок пространственно отделенных выступов, продолжающихся от упомянутой поверхности, причем упомянутый рисунок имеет период в диапазоне от 10 до 350 нм; нанесение кремнезема на этот рисунок таким образом, чтобы кремнезем оказался между упомянутыми выступами; при этом материал имеет твердость по Кнупу, измеряемую в соответствии со стандартом твердости по Кнупу ASTM E384, больше чем у кремнезема.
Во избежание сомнений следует отметить, что обеспечение слоя необязательно должно включать в себя обеспечение слоя, содержащего другой материал по сравнению с материалом подложки. В тех вариантах осуществления, в которых, например, подложка и материал могут иметь один и тот же состав, обеспечение слоя может просто относиться к поверхностному слою подложки.
Структурирование может содержать: обеспечение маски травления с рисунком на слое, при этом в маске выполнен рисунок таким образом, что она покрывает части упомянутого слоя и оставляет другие части непокрытыми; и выборочное травление упомянутого слоя с использованием упомянутой маски травления с рисунком таким образом, что эти другие части по меньшей мере частично удаляются, формируя тем самым рисунок.
Обеспечение маски травления с рисунком может содержать: обеспечение слоя прекурсора рисунка на слое; печать на слое прекурсора рисунка с использованием штампа с рисунком; обработка слоя прекурсора рисунка до получения маски травления с рисунком; и удаление штампа с рисунком из маски травления с рисунком.
Нанесение может содержать: осаждение кремнезема таким образом, чтобы рисунок был погружен в него; частичное удаление кремнезема таким образом, чтобы концы выступов были выровнены с открытой поверхностью кремнезема или выступали из открытой поверхности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Варианты осуществления настоящего изобретения описываются более подробно и посредством неограничивающих примеров со ссылками на сопровождающие чертежи, в которых:
Фиг. 1 схематично изображает разрез многослойного изделия в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 схематично изображает разрез многослойного изделия в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 схематично изображает разрез многослойного изделия в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 схематично изображает разрез многослойного изделия в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 5А изображает смоделированный график зависимости коэффициента пропускания от длины волны для рисунка в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 5В изображает смоделированный график зависимости коэффициента отражения от длины волны для того же самого рисунка, что и на Фиг. 5А;
Фиг. 6А изображает смоделированный график зависимости коэффициента пропускания от длины волны для рисунка в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 6В изображает смоделированный график зависимости коэффициента отражения от длины волны для того же самого рисунка, что и на Фиг. 6А;
Фиг. 7-10 изображают смоделированные графики зависимости коэффициента отражения от длины волны для рисунков, содержащих сужающиеся выступы в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 11-14 изображают смоделированные графики зависимости коэффициента отражения от длины волны для рисунков, содержащих сужающиеся выступы в соответствии с дополнительными вариантами осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 15-17 изображают смоделированные графики зависимости коэффициента отражения от длины волны для рисунков, содержащих сужающиеся выступы в соответствии с другими вариантами осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 18-20 изображают смоделированные графики зависимости коэффициента отражения от длины волны для слоев в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 21 схематично изображает способ производства многослойного изделия в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 22 схематично изображает способ структурирования слоя в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 23 схематично изображает способ нанесения кремнезема в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 24A показывает полученное с помощью электронного микроскопа изображение рисунка исходной литейной формы, рассматриваемого сверху;
Фиг. 24B показывает полученное с помощью электронного микроскопа изображение рисунка, показанного на Фиг. 24A, рассматриваемого под углом приблизительно 45° к вертикали;
Фиг. 25A показывает полученное с помощью электронного микроскопа изображение другого рисунка исходной литейной формы, рассматриваемого сверху; и
Фиг. 25B показывает полученное с помощью электронного микроскопа изображение рисунка, показанного на Фиг. 25A, рассматриваемого под углом приблизительно 45° к вертикали.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на чертежи.
Следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, хотя они и показывают примерные варианты осуществления устройства, систем и способов, предназначены только для иллюстрации и не предназначены для ограничения области охвата настоящего изобретения. Эти и другие особенности, аспекты, и преимущества устройства, систем и способов настоящего изобретения станут более понятными из следующего описания, приложенной формулы изобретения и сопроводительных чертежей. Следует понимать, что чертежи являются схематичными и не предназначены для масштабирования. Также следует понимать, что одинаковые ссылочные цифры используются во всех чертежах для обозначения одинаковых или подобных деталей, если явно не указано иное.
Показатели преломления, указанные в настоящем документе, основаны на длине волны 589 нм, если явно не указано иное. Это, однако, не должно интерпретироваться как ограничение области охвата настоящего изобретения многослойными изделиями, пропускающими видимый свет.
Твердость по Кнупу измеряется в соответствии со стандартом твердости по Кнупу ASTM E384, если явно не указано иное.
В дополнение к этому, когда делается ссылка на стойкость к истиранию или царапанию стойких к истиранию слоев по настоящему изобретению, следует понимать, что такая стойкость к истиранию или царапанию может быть протестирована с использованием любой подходящей методики теста, например, с использованием алмазного индентора подходящего размера. В качестве неограничивающего примера, такая стойкость к истиранию может быть протестирована с использованием тестового метода стандарта ASTM G171-03 для определения твердости по царапанию материалов с использованием алмазного резца на микротрибометре, но следует понимать, что множество других тестовых методов для определения твердости по царапанию легкодоступны специалисту в данной области техники.
Период рисунка может быть определен как среднее расстояние между центрами ближайших друг к другу выступов в рисунке.
Настоящее изобретение основано на понимании того, что слой, содержащий рисунок из пространственно отделенных выступов материала, может проявлять хорошие свойства коэффициента отражения, а также хорошие стойкость к истиранию и надежность, при условии, что кремнезем находится между упомянутыми выступами, а сам материал имеет твердость по Кнупу больше, чем у кремнезема.
Фиг. 1 схематично изображает разрез многослойного изделия 100, содержащего такой слой 101, расположенный на поверхности 102 оптически прозрачной подложки 103. Слой 101 может содержать рисунок из пространственно отделенных выступов 104 из некоторого материала, которые продолжаются от поверхности 102. Кремнезем 105 может быть помещен между пространственно отделенными выступами 104; открытая поверхность 107 кремнезема 105 может находиться напротив поверхности 102.
-2
Кремнезем 105 может иметь, например, относительно высокую твердость по Кнупу, 800-900 гс⋅мм, и показатель преломления приблизительно 1,45. Кремнезем 105 может содержать, например, аморфные и/или кристаллические формы оксида кремния. Если они присутствуют, кристаллические формы могут включать в себя, например, кварц.
В одном варианте осуществления материал может содержать одно или более из сапфира, нитрида кремния, кубического нитрида бора и алмаза. Такие материалы обладают твердостью по Кнупу больше, чем у кремнезема 105. Также следует отметить, что каждый из этих материалов имеет более высокий показатель преломления, чем кремнезем 105.
m
sil
eff
eff
eff
-2
-2
Что касается стойкости к истиранию слоя 101, материал, имеющий твердость по Кнупу (HK) выше, чем у кремнезема 105 (HK), может гарантировать, что эффективная (то есть общая) твердость по Кнупу слоя 101 (HK) будет достаточно высокой, чтобы слой 101 мог противостоять истиранию кремнеземом (например, песком). Например, HK может варьироваться от 1000 до 5000 гс⋅мм, например от 1000 до 2000 гс⋅мм. Эффективная твердость по Кнупу (HK) слоя 101 на открытой поверхности 107, то есть на границе раздела слой-воздух, может быть определена по Уравнению 1.
eff
m
m
sil
sil
HK=A⋅HK+A⋅HK (Уравнение 1),
m
sil
где A определяется как: (площадь проекции материала на поверхность 106)/(полная площадь поверхности 106); а A определяется как: (площадь проекции кремнезема 105 на внешнюю поверхность слоя 101, противоположную поверхности 102)/(полная площадь внешней поверхности).
m
m
sil
eff
m
sil
-2
Путем изменения одного или более из HK, A и A значение HK может быть настроено в соответствии, например, с предполагаемым применением многослойного изделия 100. Например, подходящие значения для HK могут находиться в диапазоне от 1500 до 8000 гс⋅мм. Кроме того, следует отметить, что HK также может быть варьироваться путем регулировки некоторых особенностей кремнезема 105, например плотности кремнезема 105.
eff
eff
Таким образом, значение HK может быть, например, отрегулировано таким образом, чтобы оно было достаточно высоким для того, чтобы противостоять истиранию, например, кремнеземом (например, песком). В зависимости от предполагаемого применения значение HK может, например, быть в достаточной степени высоким для того, чтобы многослойное изделие 100 было стойким к истиранию материалами, которые могут быть более твердыми, чем кремнезем, адаптируя в то же самое время отражающие свойства открытого поверхностного слоя 107, то есть минимизируя коэффициент отражения, как будет более подробно объяснено ниже.
Помещение кремнезема 105 между выступами 104 может дополнительно делать слой 101 более механически жестким по сравнению, например, со структурированными слоями, в которых между выступами находится только воздух. Кремнезем 105 может дополнительно служить для создания сжимающего напряжения в слое 101. Это может происходить, например, в результате помещения кремнезема 105 между выступами 104 при повышенных температурах; коэффициент теплового расширения кремнезема 105 (0,5 частей на миллион/K) может быть ниже, чем, например, коэффициент теплового расширения подложки 103, так что охлаждение, которое может следовать за нанесением кремнезема, может привести к сжатию подложки 103 в большей степени, чем кремнезема 105. Получаемое сжимающее напряжение может делать слой 101 более жестким, так что он может стать, например, более стойким к растрескиванию. Это может также способствовать стойкости к истиранию слоя 101, поскольку сжимающее напряжение может служить для уменьшения прикладываемого растягивающего напряжения, так что слой 101 может лучше противостоять механическим напряжениям, прикладываемым во время истирания. Кроме того, присутствие кремнезема 105 может способствовать ограничению или предотвращению загрязнения слоя 101 другими материалами, которые могут в противном случае собираться между выступами 104и вызывать появление следов/пятен на многослойном изделии 100.
eff
Что касается оптических свойств слоя 101, известно, что более высокая твердость материала имеет тенденцию совпадать с более высоким показателем преломления. Соответственно, оптическая роль кремнезема 105 в слое 101 заключается в уменьшении полного показателя преломления (n) слоя 101. Более конкретно, как более подробно будет объяснено ниже, доля общей площади кремнезема на границе 107 раздела слой-воздух и на границе 102 раздела слой-подложка могут быть соответственно настроены так, чтобы достичь желаемых оптических свойств на этих соответствующих границах.
eff
med
Здесь следует отметить, что коэффициент отражения при нормальном падении (R) на границе раздела среда-слой зависит от показателя преломления слоя 101 (n) и показателя преломления среды (n), находящейся в контакте со слоем 101 (например, воздуха). Эта зависимость выражается Уравнением 2.
eff
med
eff
med
2
R=[(n - n)/(n+n)] (Уравнение 2)
eff
med
eff
med
Рассматривая Уравнение 2, можно сразу понять, что большая разница между n и n приведет к более высокому коэффициенту отражения на границе раздела среда-слой. Соответственно, эффект кремнезема 105 с точки зрения понижения полного показателя преломления (n) слоя 101 может привести к более низкому коэффициенту отражения на границе 107 раздела воздух-слой. Это, конечно, предполагает, что среда (например, воздух; n=1,00), имеет более низкий показатель преломления, чем слой 101, что может обычно иметь место для газообразных сред.
Аналогичным образом в тех вариантах осуществления, в которых подложка 103 может иметь более низкий показатель преломления, чем материал, присутствие кремнезема 105 и соответствующее уменьшение полного показателя преломления слоя 101 (то есть таким образом, что он становится более близким к показателю преломления подложки 103) может дополнительно уменьшить коэффициент отражения на границе раздела слой-подложка. Таким образом слой 101 может уменьшать коэффициент отражения как на границе раздела воздух-слой, так и на границе раздела слой-подложка.
Подложка 103 может иметь, например, более высокую твердость по Кнупу, чем кремнезем. Например, подложка 13 может состоять из таких материалов, как сапфир, алмаз, или альтернативно может включать в себя поверхностный слой из таких материалов, контактирующий со слоем 101 таким образом, чтобы подложка имела желаемые свойства твердости (стойкости к истиранию). Однако как было объяснено ранее, большая твердость таких подложек 103 (например, сапфира) может совпасть с более высокими показателями преломления и таким образом более низкими антиотражающими свойствами (например, по сравнению со стеклом). Соответственно, для многослойного изделия 100, содержащего такие твердые подложки 103, слой 101 может улучшать антиотражающие свойства многослойного изделия 100. Слой 101 может также быть твердым, механически жестким и может способствовать удалению загрязняющих веществ, как было описано ранее.
В варианте осуществления, показанном на Фиг. 1, выступы 104 могут сужаться в направлении от поверхности 102. Это имеет то преимущество, что оптические свойства слоя 101 на границе 102 раздела слой-подложка могут быть (близко) совпадающими с оптическими свойствами подложки 103, в частности при сравнении эффективного показателя преломления слоя 101 на этой границе раздела с показателем преломления подложки 103. Например, в варианте осуществления, в котором подложка 103 содержит тот же самый материал, который используется в качестве материала слоя 101, поверхность слоя 101 на границе 102 раздела слой-подложка может быть полностью сформирована из выступов 104, то есть выступы 104 контактируют друг с другом на этой границе раздела, так что эффективный показатель преломления слоя 101 на границе 102 равен показателю преломления подложки 103, минимизируя тем самым отражения на этой границе. Как будет понятно специалисту в данной области техники, общая площадь поверхности слоя 101 на границе 102 раздела слой-подложка, определяемой выступами 104, может быть настроена так, чтобы минимизировать разницу между эффективным показателем преломления слоя 101 на этой границе и показателем преломления подложки 103. Другими словами, путем настройки общей площади выступов 104 и частей 105 кремнезема на границе 102 эффективный показатель преломления слоя 101 может быть настроен так, чтобы согласовать его, например, минимизировать разницу между ним и показателем преломления подложки 103.
В то же самое время такое соответствие показателя преломления также желательно на границе 107 раздела воздух-слой, чтобы минимизировать отражения на этой границе. Очевидно, что показатель преломления воздуха намного ниже, чем показатель преломления подложки 103, так что для того, чтобы минимизировать разницу между показателем преломления воздуха и эффективным показателем преломления слоя 101 на границе 107 раздела, общая площадь открытой поверхности слоя 101, определяемой выступами 104, предпочтительно минимизируется до такой степени, чтобы разность в показателе преломления между открытой поверхностью слоя 101 и воздухом была минимальной при сохранении свойств сопротивления истиранию открытой поверхности слоя 101, что может быть достигнуто путем управления степенью сужения выступов 104, что будет понятно специалисту в данной области техники.
Следовательно, сужающиеся выступы 104 могут привести к улучшенным антиотражающим свойствам слоя 101. Сужение как правило выполняется в направлении от поверхности 102 таким образом, что слой 101 может иметь все больше материала (и меньше кремнезема 105) ближе к поверхности 102 подложки 103. Поскольку количество материала уменьшается при удалении от поверхности 102, количество кремнезема 105 между выступами 104 может прогрессивно увеличиваться. Следует еще раз отметить, что материал имеет большую твердость (по Кнупу), чем кремнезем 105, так что материал, как правило, будет иметь более высокий показатель преломления, чем кремнезем 105. Следовательно, сужение приводит к слою 101, в котором показатель преломления прогрессивно увеличивается при приближении к поверхности 102 подложки 103 по объясненным выше причинам.
В одном варианте осуществления (сужающиеся) выступы 104 могут иметь форму конуса, усеченного конуса, гиперболоида, пирамиды, усеченной пирамиды, купола и усеченного купола.
В альтернативных неограничивающих примерах выступы 104 могут не сужаться; такие несужающиеся выступы 104 имеют, например, цилиндрическую или многоугольную, например, кубическую, форму. В таких вариантах осуществления слой 101 может иметь относительно однородный показатель преломления в направлении от поверхности 102 к концам 106. Несужающаяся форма выступов 104 может, однако, приводить к слоям 101, содержащим такие выступы 104, которые имеют различные профили коэффициента отражения в зависимости от длины волны падающего света и/или угла падения относительно слоев 101, содержащих сужающиеся выступы 104. Кроме того, несужающиеся выступы 104 могут улучшать, например, сопротивление истиранию на концах 106 (поскольку отсутствие сужения может приводить к большему количеству материала на концах 106).
Фиг. 2 схематично изображает разрез многослойного изделия 100 в соответствии с одним вариантом осуществления, в котором выступы 104 могут быть усеченными. Усечение сужающихся выступов 104 может ограничивать степень, до которой выступы 104 становятся более узкими ближе к концам 106, ограничивая тем самым уменьшение количества материала (имеющего большую твердость по Кнупу, чем кремнезем 105) при удалении от поверхности 102. Соответственно, усеченные выступы 104 могут ограничивать степень, до которой слой 101 становится более мягким при удалении от поверхности 102, улучшая тем самым свойства сопротивления истиранию слоя 101. Степень усечения может быть выбрана на основе желаемых свойств показателя преломления на границе 107 раздела слой-воздух (то есть открытой поверхности), что специалист в данной области техники легко поймет из вышеизложенного.
Из Фиг. 1 и 2 видно, что концы 106 выступов 104 могут быть выровнены с открытой поверхностью 107 кремнезема 105. В таких вариантах осуществления механическая надежность слоя 101 может быть улучшена благодаря кремнезему 105 в слое 101, проходящему до концов 106 выступов 104. Кроме того, может быть улучшена способность слоя 101 исключать любое загрязнение, которое могло бы собраться между выступами 104.
С другой стороны, Фиг. 3 схематично изображает разрез многослойного изделия 100, в котором выступы 104 выступают из открытой поверхности 107, например, на 2-20 нм, и более предпочтительно на 5-10 нм. Такие выступы 104, выступающие из открытой поверхности 107, могут быть получены, в качестве неограничивающего примера, путем полировки открытой поверхности 107, например, с использованием механической полировки, химико-механической полировки и т.п., чтобы выровнять открытую поверхность 107, во время которого полируемые части кремнеземных частей 105 могут быть разрушены и удалены из промежутков между выступами 104 из твердого материала. Такой слой 101 может обладать улучшенными антиотражающими свойствами по сравнению со слоями 101, в которых концы 106 выровнены с открытой поверхностью 107. Это можно понять по более постепенному изменению эффективного показателя преломления слоя 101 на Фиг. 3, который по существу определяет двухслойную систему, содержащую первый слой, определяемый верхней частью выступов 104, где воздух присутствует между выступами, и вторым слоем между первым слоем и подложкой 103, где кремнезем 105 присутствует между выступами 104. Следовательно, первый слой имеет эффективный показатель преломления, более близко соответствующий показателю преломления воздуха по сравнению с первым слоем, в котором воздушные части между концами выступов 104 замещены кремнеземными частями 105, потенциально обеспечивая тем самым слой 101 улучшенным антиотражающим поведением, поскольку эффективный показатель преломления слоя 101 на границе раздела слой-воздух может более близко соответствовать показателю преломления воздуха.
В тех вариантах осуществления, в которых выступы 104 выступают из открытой поверхности 107, части, которые выступают из открытой поверхности 107, могут, например, иметь соотношение сторон меньше 0,5, так что концы 106 не располагаются слишком далеко от открытой поверхности 107. Таким образом, любое уменьшение механической надежности и менее эффективное исключение загрязняющих веществ, возникающие в результате того, что выступы 104 выступают из открытой поверхности 107, могут быть смягчены. В частности, при воздействии твердого предмета, такого как песчинка, или металлического предмета, например ключа, концы выступов 104 могут упруго деформироваться, тем самым по меньшей мере частично запечатывая заполненные воздухом зазоры между выступами, так что нижележащие части кремнезема 105 впоследствии также войдут в контакт с предметом, при этом эффективное давление на выступы 106 уменьшается и эффективная твердость увеличивается благодаря комбинации 106 и 105, что позволяет избежать повреждения слоя 101.
Следует отметить, что оптические свойства слоя 101 могут дополнительно регулироваться путем управления периодичностью выступов 104 и толщиной слоя 101. Например, выбирая периодичность относительно эффективной длины волны света, падающего на слой 101, можно управлять дифракционными свойствами слоя 101, тогда как выбирая толщину слоя 101 относительно эффективной длины волны света, падающего на слой 101, можно управлять интерференционными свойствами слоя 101, что будет легко понято специалистом в данной области техники.
Фиг. 4 схематично изображает один вариант осуществления, в котором слой 101 может содержать первую область 108A и вторую область 108B; причем первая область 108A имеет первый рисунок, а вторая область 108B имеет второй рисунок, который отличается от первого рисунка. Природа рисунка, включая, например, период рисунка, размеры выступов 104 и форму выступов 104, а также степень заполнения кремнеземом 105 пространства между выступами 104 (как было обсуждено ранее) и т.д., могут влиять на оптические свойства слоя 101. В таком варианте осуществления, в котором слой 101 содержит первую область 108A и вторую область 108B, которые имеют отличающиеся рисунки, различия в рисунках могут привести к тому, что эти две области 108A/B будут различимыми друг от друга благодаря их различающимся показателям преломления и/или оптическим интерференционным свойствам. Например, разница в коэффициенте отражения этих двух областей 108A/B может быть видна невооруженным глазом. Альтернативно или дополнительно к этому, период соответствующих рисунков может различаться таким образом, чтобы, например, одна область оказывала больший дифракционный эффект на видимый свет, чем другая область. Таким образом, области 108A/B могут показывать отличающиеся друг от друга дифракционные цвета/цвета интерференции в слое. Такая разница в интерференционном поведении также может быть различима невооруженным глазом.
В одном варианте осуществления первый рисунок и второй рисунок могут содержать выступы 104 различной формы. Форма выступов 104 может частично определять показатель преломления областей 108A/B или слоя 101, влияя тем самым на коэффициент отражения (и таким образом на коэффициент пропускания) областей 108A/B или слоя 101. Форма выступов 104 может дополнительно влиять на коэффициент отражения слоя 101 в зависимости от длины волны. Соответственно, обеспечение многослойного изделия 100 различными областями 108A/B может привести к тому, что соответствующие области 108A/B будут различимыми, например, невооруженным глазом, в плане интенсивности и/или спектрального состава (то есть цвета) света, отражающегося от соответствующих областей 108A/B (или проходящего через них).
Эти эффекты могут, например, использоваться для создания рисунка с использованием контраста, обеспечиваемого этими двумя областями 108A/B. Этот рисунок может использоваться, например, для обеспечения логотипа, знака защиты от подделки (например, типа голограммы), декоративного эффекта и т.д. В одном неограничивающем примере более сложный рисунок может быть создан путем использования более чем двух областей (то есть более чем двух узоров).
Влияние формы и размеров выступов 104 будет теперь описано более подробно со ссылками на Фиг. 5A/B, 6A/B, 7-20, которые изображают смоделированные графики зависимости коэффициента пропускания или коэффициента отражения от длины волны для рисунков на подложке 103 (Фиг. 5A/B, 6A/B, 7-17) и многослойного изделиях 100 (то есть содержащих слои 101, содержащие кремнезем 105; см. Фиг. 18-20). Эти смоделированные графики были построены с использованием электромагнитного моделирования в конечной временной области (FDTD). Подобные методики могут использоваться для определения коэффициента отражения/коэффициента пропускания рисунков или слоев 101 в зависимости от угла падения, но они не представлены в настоящем документе. Эти вычисления используют воздух как среду, внешнюю по отношению к рисунку/слою 101; в этих неограничивающих примерах материал является сапфиром (n=1,78), а подложка 103 является подложкой из сапфира. Эти рисунки были рассчитаны с воздухом, помещенным между выступами 104; слои 101 (Фиг. 18-20) были рассчитаны с кремнеземом 105, помещенным между выступами 104; концы 106 в этих конкретных неограничивающих примерах считались выровненными с открытой поверхностью 107.
Фиг. 5A и Фиг. 5B соответственно показывают зависимости коэффициента пропускания от длины волны и коэффициента отражения от длины волны для одного неограничивающего примера рисунка, содержащего куполообразные выступы 104 (см. врезку на Фиг. 5A/B). Период рисунка составляет 200 нм, а высота выступов 104 от поверхности 102 составляет 170 нм. Коэффициент пропускания рисунка обычно уменьшается с увеличением длины волны от приблизительно 0,985 (98,5%; 400 нм) до приблизительно 0,955 (95,5%; 700 нм). Как и следовало ожидать, коэффициент отражения рисунка обычно увеличивается с увеличением длины волны от приблизительно 0,015 (1,5%; 400 нм) до приблизительно 0,045 (4,5%; 700 нм).
Это можно сравнить с Фиг. 6A и Фиг. 6B, которые соответственно показывают зависимости коэффициента пропускания от длины волны и коэффициента отражения от длины волны для рисунка, содержащего кубические выступы 104 (см. врезку на Фиг. 6A/B). Период рисунка в этом неограничивающем примере также составляет 200 нм, а ширина выступов 104 составляет 50 нм. В отличие от случая, показанного на Фиг. 5A/B, коэффициент пропускания рисунка, показанного на Фиг. 6A/B, может в целом увеличиваться с увеличением длины волны (хотя и менее устойчиво, чем на Фиг. 5A/B). Это увеличение составляет от приблизительно 0,94 (94%; 400 нм) до приблизительно 0,955 (95,5%; 700 нм). Как и следовало ожидать, коэффициент отражения рисунка соответственно уменьшается с увеличением длины волны от приблизительно 0,06 (6%; 400 нм) до приблизительно 0,045 (4,5%; 700 нм). Таким образом, при сравнении рисунков Фиг. 5A/B и 6A/B видно, что сужающиеся выступы 104 могут привести к более низкому коэффициенту отражения (как было описано ранее). Кроме того, это моделирование показывает, что изменение коэффициента отражения в зависимости от длины волны может зависеть (по меньшей мере частично) от формы выступов 104. Это показывает, что изменение формы выступов 104 может обеспечить настройку интенсивности и спектрального состава света, отражаемого от слоя 101 (или проходящего через него). Для неограничивающих примеров, смоделированных на Фиг. 5A/B и 6A/B, первый рисунок может отражать большую долю более длинных волн света (то есть красной области спектра), в то время как последний рисунок может отражать большую долю более коротких волн (то есть синей области спектра). Спектральный состав (то есть цвет) отраженного от этих рисунков света может, поэтому, казаться различным. Это дополнительно демонстрирует, что эти две области 108A/B (например, как изображено на Фиг. 4), соответственно содержащие выступы 104 различной формы, могут различаться в плане спектрального состава света, отражаемого от соответствующих областей 108A/B (или проходящего через них), а также интенсивности отраженного (или проходящего) света.
Фиг. 7-10 показывают зависимости коэффициента отражения от длины волны для неограничивающих примеров рисунков, содержащих усеченные пирамидальные выступы 104 (см. врезки на Фиг. 7-10). Все эти рисунки имеют период 200 нм, высоту выступов 104, равную 200 нм, и минимальную ширину выступов 104, равную 50 нм. Эти рисунки различаются по максимальной ширине выступов 104: 100 нм (Фиг. 7), 150 нм (Фиг. 8), 170 нм (Фиг. 9), 180 нм (Фиг. 10). Таким образом минимальная ширина в этих неограничивающих примерах изменяется от приблизительно 15% до приблизительно 30% от максимальной ширины. Графики, показанные на Фиг. 7-10, имеют похожие профили, но можно заметить, что коэффициент отражения уменьшается по мере того, как максимальная ширина выступов 104 увеличивается: приблизительно 5-3,5% (Фиг. 7), приблизительно 1,8-1,2% (Фиг. 8), приблизительно 1-0,55% (Фиг. 9), приблизительно 0,70-0,35% (Фиг. 10). Таким образом это моделирование демонстрирует, что величина коэффициента отражения может настраиваться, например, путем изменения максимальной ширины выступов 104, сохраняя при этом минимальную ширину постоянной, то есть изменяя степень сужения.
Фиг. 11-14 показывают зависимости коэффициента отражения от длины волны для неограничивающих примеров рисунков, содержащих усеченные пирамидальные выступы 104 (см. врезки на Фиг. 11-14). Все эти рисунки имеют период 180 нм, высоту выступов 104, равную 200 нм, и максимальную ширину выступов 104, равную 190 нм. Эти рисунки различаются по минимальной ширине выступов 104: 20 нм (Фиг. 11), 30 нм (Фиг. 12), 50 нм (Фиг. 13) и 90 нм (Фиг. 14). Таким образом минимальная ширина изменяется от приблизительно 15% до приблизительно 50% от максимальной ширины. Профиль этих графиков показывает намного большую вариацию, чем на Фиг. 7-10. Однако можно заметить, что каждый из рисунков может показывать низкий коэффициент отражения: приблизительно 0,30-1,5% (Фиг. 11), приблизительно 0,35-1,2% (Фиг. 12), приблизительно 0,15-0,75% (Фиг. 13), приблизительно 0,20-1,8% (Фиг. 14). Таким образом, вариация коэффициента отражения при изменении минимальной ширины выступов 104 и сохранении максимальной ширины постоянной может, например, главным образом изменять то, как коэффициент отражения изменяется в зависимости от длины волны; величина коэффициента отражения может оставаться низкой, особенно в этом диапазоне размеров выступов 104.
В одном варианте осуществления сужение может быть таким, что минимальная ширина выступа 104 может составлять от 5% до 60% от максимальной ширины выступа 104. Вышеописанное моделирование (Фиг. 7-14) демонстрирует свойства низкого коэффициента отражения иллюстрируемых рисунков, когда минимальная ширина как процент от максимальной ширины конического выступа 104 находится в этом диапазоне. Этот диапазон может дополнительно гарантировать хорошую механическую надежность слоя 101: сужающиеся выступы 104 не могут стать настолько тонкими, чтобы они могли стать слишком хрупкими. В дополнение к этому, этот диапазон может, например, гарантировать, что твердость (по Кнупу) слоя 101 не станет слишком низкой в концах 106 в ущерб стойкости к истиранию.
Фиг. 15-17 показывают зависимости коэффициента отражения от длины волны для неограничивающих примеров рисунков, содержащих усеченные пирамидальные выступы 104 (см. врезки на Фиг. 15-17). Все эти рисунки имеют период 200 нм, максимальную ширину выступов 104, равную 190 нм, и минимальную ширину выступов 104, равную 30 нм. Эти рисунки различаются по высоте выступов 104: 100 нм (Фиг. 15), 150 нм (Фиг. 16), 200 нм (Фиг. 17). Графики, показанные на Фиг. 15-17, имеют подобные профили, в которых коэффициент отражения в целом увеличивается с длиной волны. Из этих примеров также можно видеть, что коэффициент отражения может уменьшаться при увеличении высоты выступов 104: приблизительно 2,0-4,5% (Фиг. 15), приблизительно 0,2-3,0% (Фиг. 16), приблизительно 0,2-1,2% (Фиг. 17). Это может быть приписано большей высоте сужающихся выступов 104, приводящей к более плавному градиенту показателя преломления (ниже к концам 106, выше к поверхности 102).
В одном варианте осуществления высота выступов 104 может составлять от 50 до 500 нм. Высота в этом диапазоне может гарантировать, что, например, градиент показателя преломления слоя 101 от поверхности 102 к концам 106 может быть в достаточной степени постепенным для того, чтобы способствовать уменьшению или устранению неоднородностей показателя преломления на границе раздела воздух-слой, а также, в некоторых вариантах осуществления, на границе раздела слой-подложка, тем самым дополнительно способствуя уменьшению коэффициента отражения.
Фиг. 18-20 показывают зависимость коэффициента отражения от длины волны для неограничивающих примеров многослойных изделий 100, содержащих усеченные пирамидальные выступы 104 с кремнеземом 105 между выступами 104. Концы 106 в этих неограничивающих примерах выровнены с открытой поверхностью 107 (см. врезки на Фиг. 18-20). Все слои 101 имеют рисунок с периодом 200 нм, максимальной шириной выступов 104, равной 190 нм, и минимальной шириной выступов 104, равной 30 нм. Эти слои 101 различаются по высоте выступов 104: 100 нм (Фиг. 15), 150 нм (Фиг. 16), 200 нм (Фиг. 17). Сравнивая эти графики с соответствующими рисунками, которые не содержат кремнезем 105 (Фиг. 15-17), можно заметить, что соответствующие профили очень сильно отличаются. Коэффициент отражения этих рисунков (Фиг. 15-17) также несколько меньше, чем наблюдаемый для слоев 101: приблизительно 2,2-3,6% (Фиг. 18), приблизительно 2,2-4,5% (Фиг. 19), приблизительно 3,0-4,5% (Фиг. 20). Это может быть просто приписано более высокому показателю преломления объединенного слоя сапфира и кремнезема 105, который имеет более высокий эффективный показатель преломления по сравнению с воздухом. Однако слои 101 имеют преимущества более высокого сопротивления истиранию, большей надежности и способности исключать загрязняющие вещества на рисунках, которые не имеют кремнезема 105 между выступами 104.
В то время как Фиг. 5A/B, 6A/B, 7-20 изображают графики зависимости коэффициента отражения/коэффициента пропускания от длины волны для рисунков с периодами 180 нм или 200 нм, это не является ограничением. В одном варианте осуществления период рисунка может составлять от 10 до 350 нм. Период рисунка менее 350 нм может способствовать ограничению или предотвращению интерференционных явлений видимого света, таких как дифракция, улучшая, таким образом, пригодность слоя 101 для защиты поверхности 102 светопропускающих подложек 103.
В альтернативных примерах многослойное изделие 100 может быть предназначено для пропускания в УФ или ИК областях спектра. Размеры выступов 104, а также период рисунка могут быть соответственно масштабированы. Например, УФ приложения могут потребовать меньших периодов, например, менее 100 нм, чтобы эффекты интерференции (например, дифракции) для УФ длин волн могли быть ограничены или устранены.
С другой стороны, в зависимости от предполагаемого применения многослойного изделия 100 период может быть отрегулирован таким образом, что это может быть, например, подобным или больше длины волны падающего света. В таких примерах слой 101 может показывать связанные с интерференцией оптические эффекты (например, дифракционные/интерференционные цвета). Как было описано ранее, в том варианте осуществления, в котором слой 101 может содержать две области 108A и 108B, эти две области 108A/B могут показывать различные дифракционные/интерференционные цвета. Эти эффекты могут, например, восприниматься невооруженным глазом, и таким образом слой 101, содержащий такие области 108A/B, может использоваться для обеспечения узора, такого как логотип, знак защиты от подделки (например, типа голограммы), декоративный эффект и т.д.
Далее со ссылкой на Фиг. 21 будет описан способ производства многослойного изделия 100 в соответствии с одним вариантом осуществления. На стадии (a) слой 20 материала может быть обеспечен на поверхности 102 подложки 103. Хотя на Фиг. 21 показан слой 20, представляющий собой отдельный слой по отношению к подложке 103, если подложка 103 содержит материал, который является более твердым, чем кремнезем 105 (например, сапфир), может не потребоваться формирование слоя другого материала на подложке 103. В таких примерах слой 20 может просто относиться к поверхностному слою подложки 103.
В тех неограничивающих примерах, где слой 20 и подложка 103 являются композиционно различными, слой 20 может быть нанесен на поверхность 102 любым подходящим способом, таким как химическое осаждение (например, химическое осаждение из паровой фазы) или физическое осаждение (например, разбрызгивание). Такие методы хорошо известны сами по себе, и поэтому не будут подробно описываться в настоящем документе из соображений краткости. На стадии (b) слой 20 может быть структурирован так, чтобы сформировать рисунок пространственно отделенных выступов 104, продолжающихся от упомянутой поверхности 102. На стадии (c) кремнезем 105 может быть нанесен на этот рисунок таким образом, чтобы кремнезем 105 поместился между выступами 104.
Следует отметить, что средства структурирования слоя 20 (стадия (b)) особенно не ограничиваются, и могут, например, использовать любой подходящий способ, такой как литографию. Такой литографский способ может, например, включать в себя импринт-литографию, интерференционную литографию, рентгеновскую литографию и т.д. В неограничивающих примерах, в которых подложка 103 и слой 20 могут иметь одинаковый состав, выбранная поверхность подложки 103 может быть структурирована на стадии (b).
В одном варианте осуществления структурирование на стадии (b) может содержать обеспечение маски травления с рисунком на слое 20, структурированной таким образом, что она покрывает одни части слоя 20 и оставляет другие части непокрытыми; и выборочное травление слоя 20 с использованием упомянутой маски травления с рисунком таким образом, что эти другие части по меньшей мере частично удаляются, формируя тем самым рисунок.
В одном неограничивающем примере структурирование может быть достигнуто с использованием методики импринт-литографии, например, соответствующей подложке импринт-литографии (SCIL), которая разрабатывается компанией Philips.
Фиг. 22 схематично изображает такой процесс импринт-литографии. На стадии (i) слой 30 прекурсора рисунка обеспечивается на слое 20, например, путем нанесения покрытия распылением, струйной печатью или покрытием с помощью создаваемого ультразвуком тумана и т.д. Слой 30 прекурсора рисунка может содержать любой подходящий материал, например, материал прекурсора органического или неорганического резиста. Поскольку такие материалы сами по себе хорошо известны и широко документированы, дальнейшее описание составов таких материалов опускается в целях краткости.
На стадии (ii) Фиг. 22 слой 30 прекурсора рисунка отпечатывается с помощью штампа 40 с рисунком. Штамп 40 с рисунком может быть, например, эластомерным штампом, имеющим главную поверхность с рисунком штампа, который может быть отпечатан на слое 30 прекурсора рисунка, перенося тем самым рисунок штампа, как показано на стадии (ii). Особенности рисунка штампа, как правило, могут иметь размеры (то есть ширины и высоты), например, порядка десятков или сотен нм, или вплоть до микрометров. Размеры особенностей рисунка штампа могут задавать (по меньшей мере частично) размеры выступов 104. Рисунок штампа может содержать два или более рисунков, которые отличаются друг от друга таким образом, чтобы могло быть изготовлено многослойное изделие 100, содержащее множество областей 108A/B. Рисунок штампа может быть сформирован любым подходящим образом, например, путем создания по меньшей мере главной поверхности штампа 40 с рисунком в исходной литейной форме, что само по себе хорошо известно. Штамп 40 с рисунком может быть, например, проницаемой и может быть сделана из любого подходящего эластомерного материала, например, полисилоксана, такого как PDMS или другой резиноподобный материал, имеющий низкий модуль Юнга, например, менее 80 МПа (определяемый стандартизированным испытанием на твердость согласно стандарту ASTM D1415-06(2012) путем проникновения через резиновый материал твердого шарика при условиях, определяемых стандартом). Штамп 40 с рисунком может быть сделана из монолитного материала или может состоять из слоев, отличающихся друг от друга по модулю Юнга. Такие штампы 40 с рисунком хорошо известны, и поэтому не будут подробно описываться в настоящем документе из соображений краткости.
На стадии (iii) Фиг. 22 слой 30 прекурсора рисунка может быть обработан до получения маски 50 травления с рисунком. Это показано на Фиг. 22 изменением штриховки, используемой для обозначения слоя 30 прекурсора рисунка. Это может быть достигнуто, например, путем вулканизации слоя 30 прекурсора рисунка. Эта вулканизация может происходить, например, в результате импринтинга слоя 30 прекурсора рисунка с помощью штампа 40 с рисунком. По выбору также для вулканизации может использоваться, например, стимул, такой как тепло и/или УФ излучение. Средства вулканизации таких слоев 30 прекурсора рисунка (например, содержащих органический или неорганический материал прекурсора резиста) хорошо известны, и поэтому не будут подробно описываться в настоящем документе из соображений краткости.
На стадии (iv) Фиг. 22 штамп 40 с рисунком может быть удален из маски 50 травления с рисунком.
На стадии (v) Фиг. 22 рисунок может быть сформирован путем выборочного травления слоя 20 с использованием маски 50 травления с рисунком таким образом, что дополнительные части (оставшиеся непокрытыми маской травления с рисунком) по меньшей мере частично удаляются, формируя тем самым рисунок. Средства травления слоя 20, например, реактивное ионное травление (которое может быть использовано для травления поверхностей твердых материалов, таких как сапфир), хорошо известны, и поэтому не будут подробно описываться в настоящем документе из соображений краткости.
Маска 50 травления с рисунком по выбору может быть удалена после травления (не показано на Фиг. 22). Это может быть сделано, например, путем растворения маски 50 травления с рисунком в подходящем растворителе, что является по сути известным.
sil
sil
Фиг. 23 схематично изображает нанесение кремнезема 105 в соответствии с одним вариантом осуществления. На стадии (i) Фиг. 22, кремнезем 105 может быть осажден таким образом, чтобы сформировался кремнеземный покрывающий слой 60, поглощающий рисунок. Средства осаждения кремнезема 105 особенно не ограничиваются и могут, например, содержать способы химического осаждения из паровой фазы (CVD), такие как плазменно улучшенное химическое осаждение из паровой фазы (PE-CVD) или химическое осаждение из паровой фазы (LP-CVD) низкого давления. Условия, используемые во время таких процессов осаждения, могут быть отрегулированы, чтобы настроить, например, плотность кремнезема 105, позволяя тем самым осуществлять определенную степень контроля, например, над HK и n. Условия осаждения могут требовать повышенных температур. Более низкий коэффициент теплового расширения кремнезема 105 (0,5 частей на миллион/K), например, относительно подложки 103 (например, из сапфира с коэффициентом теплового расширения 8 частей на миллион/K), может быть таким, что во время охлаждения (то есть после осаждения) подложка 103 может сжиматься в большей степени, чем кремнезем 105.
В особенно выгодном варианте осуществления слой 101 может быть отожжен после осаждения кремнезема до температуры по меньшей мере приблизительно 1150°C, при которой кремнезем приобретает текучие свойства, так что напряжение в кремнеземе ослабляется. Это приводит к плотному кремнезему без напряжений. Последующее охлаждение до комнатной температуры гарантирует, что кремнезему будет придано сжимающее напряжение. Получаемое сжимающее напряжение может делать слой 101 более жестким, например, более стойким к растрескиванию, и более стойким к истиранию. Учитывая, что такие подходящие способы осаждения известны по сути, они не будут подробно описываться в настоящем документе из соображений краткости.
Кремнеземное покрытие 60 может быть затем подвергнуто процессу утончения (например, травления), с помощью которого кремнезем 105 может быть частично удален. Это может быть достигнуто, например, путем использования одного или более способов влажной, сухой и механической полировки. Такие способы для удаления избыточного неорганического материала (например, кремнезема) являются хорошо известными. Частичное удаление кремнезема 105 может быть таким, чтобы концы 106 выступов 104 были выровнены с открытой поверхностью 107 кремнезема 105, противоположной поверхности 102, или выступали из открытой поверхности 107, как было описано ранее и как показано на Фиг. 23 посредством неограничивающего примера.
m
Из вышеизложенного будет ясно, что в тех вариантах осуществления, в которых структурирование выполняется с использованием маски 50 травления с рисунком, рисунок может быть создан штампом 40 с рисунком. Такой штамп с рисунком может быть изготовлен, например, из исходной литейной формы, в которой управляют трехмерной структурой, что является хорошо известным. Фиг. 24A/B и Фиг. 25 A/B изображают полученные с помощью электронного микроскопа изображения неограничивающих примеров таких исходных литейных форм. В этих примерах исходные литейные формы формируются из травленого кремния (начальная маска травления, используемая для формирования этих структур, все еще присутствует на этих изображениях); и рисунок имеет период 180 нм. Из различных рисунков, показанных на Фиг. 24B и 25B (рассматриваемых под углом приблизительно 45° к вертикали), можно видеть, что период, ширина и форма особенностей исходной литейной формы могут варьироваться. Таким образом период, форма/размеры выступов 104, и соответственно объемная доля материала (vf) слоя 101 могут (по меньшей мере частично) определяться исходной литейной формой.
Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы при осуществлении заявленного изобретения специалистами в данной области техники на основе изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слова «включающий в себя» не исключают других элементов или этапов, а неопределенный артикль «а» или «an» не исключает множественного числа. Тот факт, что некоторые меры приведены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для получения выгоды. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения.