具有复合材料的偏振器

技术领域

本发明一般而言涉及偏振器。

背景技术

偏振器材料具有许多所需的特性。这些特性包括窄范围的光学属性，例如反射率R、折射率n、消光系数k和电阻率。纳米尺寸的偏振结构通常通过蚀刻形成，因此可蚀刻性可以是另一个所需的特性。

偏振器用于图像投影机。更明亮和更小的投影机导致偏振器温度升高，并导致偏振器组件变形或熔化。因此，偏振器能够承受更高的温度也是有帮助的。

偏振结构可以是小巧精致，具有纳米尺寸的节距、线宽和线高。偏振器用于高性能要求的系统(例如图像投影机、半导体检查工具等)。偏振器中的小缺陷，例如腐蚀的肋或塌陷的肋，可以显著降低系统性能(例如，来自计算机投影机的图像失真)。肋的氧化不利地影响对比度而降低系统性能。因此，保护肋或其他偏振结构免受腐蚀和氧化可以是有帮助的。

发明内容

已经公认的是，改善偏振器的光学属性、可蚀刻性、抗高温性、抗腐蚀性和抗氧化性将是有利的。本发明针对满足这些需求的偏振器的各种实施例。每个实施例可满足这些需求中的一个、一些或全部。偏振器可以包括反射肋、吸收肋、透明层或所述前三者的组合，组合中的每一个都是两种不同元素的复合材料。

图1是根据本发明的实施例的偏振器10的示意性剖面侧视图，偏振器10包括被构造成用于使光偏振的偏振结构12。

图2是根据本发明的实施例的偏振器10的示意性立体图。

图3是根据本发明的实施例的偏振器30的示意性剖面侧视图，偏振器30包括被构造成用于使光偏振的偏振结构12、在偏振结构12与基板11之间的薄膜32、以及在与偏振结构12相对的基板11的另一侧11

图4是根据本发明的实施例的偏振器40的示意性剖面侧视图，偏振器40包括被构造成用于使光偏振的偏振结构12。

图5是根据本发明的实施例的偏振器40的示意性俯视图；

图6是根据本发明的实施例的偏振器60的示意性剖面侧视图，偏振器60包括被构造成用于使光偏振的偏振结构12、在偏振结构12与基板11之间的薄膜32、以及在与偏振结构12相对的基板11的另一侧11

图7a是根据本发明的实施例的偏振器70a的示意性剖面侧视图，偏振器70a包括：被构造成用于使光偏振的偏振结构12、位于相邻的偏振结构12之间的通道13、以及在偏振结构12的远端12d的薄膜71，该薄膜71跨越通道13并且使所述通道充满空气。

图7b是根据本发明的实施例的偏振器70b的示意性剖面侧视图，偏振器70b包括被构造成用于使光偏振的偏振结构12、位于相邻的偏振结构12之间的通道13、以及在偏振结构12的远端12

图7c是根据本发明的实施例的偏振器70c的示意性剖面侧视图，偏振器70c包括被构造成用于使光偏振的偏振结构12、以及在偏振结构12的远端12

图7d是根据本发明的实施例的偏振器70d的示意性剖面侧视图，偏振器70d包括被构造成用于使光偏振的偏振结构12、以及沿着偏振结构12的侧面12

图8是根据本发明实施例的连续薄膜31的示意性剖面侧视图，所述连续薄膜31包括重复的薄膜对83。

图9a是根据本发明的实施例的偏振器90a的示意性剖面侧视图，偏振器90a包括被构造成用于使光偏振的偏振结构12，偏振结构12包括反射肋91。

图9b是根据本发明的实施例的偏振器90b的示意性剖面侧视图，偏振器90b包括被构造成用于使光偏振的偏振结构12，偏振结构12包括介电肋92。

图9c是根据本发明的实施例的偏振器90c的示意性剖面侧视图，偏振器90c包括被构造成用于使光偏振的偏振结构12，偏振结构12包括多个介电肋92。

图9d是根据本发明的实施例的偏振器90d的示意性剖面侧视图，偏振器90d包括被构造成用于使光偏振的偏振结构12，偏振结构12包括反射肋91和介电肋92。

图9e是根据本发明的实施例的偏振器90e的示意性剖面侧视图，偏振器90e包括被构造成用于使光偏振的偏振结构12，偏振结构12包括被夹在一对介电肋92之间的反射肋91。

如本说明书中所使用的“Al”是铝，“Ag”是银，“Au”是金，“B”是硼，“C”是碳，“Ce”是铈，“Cr”是铬，“Ge”是锗，“Hf”是铪，“Mg”是镁，“Mo”是钼，“Nb”是铌，“Nd”是钕，“Ni”是镍，“Pt”是铂，“Sc”是指鈧，“Si”是硅，“Ta”是钽，“Th”是釷，“Ti”是钛，以及“W”是钨。

本说明书列出的金属和准金属的氧化物、氮化物和氟化物包括常见的化学计量组合，以及包括非化学计量组合的其他组合。

本说明书中的术语“复合材料”是指混合物、合金或多种元素或材料的化合物。

本说明书中的术语“连续的”是指薄膜不被分成分开的栅格或线，如在“连续薄膜”中所述。

本说明书中的术语“长形的”是指偏振结构12的长度L

本说明书中关于材料混合物的术语“均匀”是指甚至在正常制造公差内，是完全均匀的，或者几乎是均匀的，使得对于装置的正常使用而言，与完全均匀的任何偏差将具有可忽略的影响性。

本说明书中关于材料的混合物的术语“填充通道”是指在正常制造公差内是完全地填充的，或者几乎是完全地填充的，使得对于装置的正常使用而言，与完全地填充的任何偏差将具有可忽略的影响性。

本说明书中的术语“金属”不包括准金属。

本说明书中的术语“在...上”和“位于...上”是指直接位于其上或在其间有一些其他固体材料的情况下位于其上方。

本说明书中的术语“mm”是指毫米，而术语“nm”是指纳米。

本说明书中的术语“ohm*m”是指欧姆乘以米，是电阻率的单位。

光学结构中使用的材料可以吸收一些光，反射一些光并传输一些光。以下定义区分了主要是吸收性、主要是反射性或主要是透明的材料。可把每种材料看作成在预定使用的波长范围内覆盖紫外光谱(≥10nm及<400nm)、可见光谱(≥400nm及<700nm)、红外光谱(≥700nm及≤1mm)或前述三者的组合，并且所述材料在不同的波长范围内可具有不同的属性。因此，材料是吸收性、反射性还是透明的取决于预定的使用波长范围。根据反射率R、折射率n的实部和折射率/消光系数k的虚部，将材料分为吸收性、反射性和透明性。

等式1用于确定法向入射时空气与材料的均厚板之间的接口的反射率R：

等式1：

除非本说明书另有明确说明，否则在指定波长范围内k≤0.1的材料是“透明性”材料，在指定波长范围内k>0.1且R≤0.6的材料是“吸收性”材料，以及在指定波长范围内k>0.1和R>0.6的材料是“反射性”材料。如果在权利要求书中明确说明，则在指定的波长范围内k>0.1且≥R 0.7、R≥0.8或R≥0.9的材料是“反射性”材料。

除非本说明书另有明确说明，否则所有与温度相关的所述值均为25℃。

具体实施方式

偏振结构12

如图1-6中所示，偏振器10、30、40和60被示出为包括偏振结构12。偏振结构12可以位于基板11上。偏振结构12可经构造成用于光的偏振。

如图1-3中所示，偏振结构12可以是由线组成的阵列(线阵列)，相邻的线之间具有通道13。线阵列可以是平行并且是长形的。

如图4-6中所示，偏振结构12可以是以超材料偏振器。对于偏振器40和60，若干偏振结构12的纵向尺寸可以向第一方向D1延伸，其他偏振结构12的纵向尺寸可以向第二方向D2延伸，而第一方向D1可以是与第二方向D2不同的方向。第一方向D1可以垂直于第二方向D2。偏振器40和60的偏振结构12可以具有多个厚度Th

连续透明层

如图3和6中所示，基板11可以是连续结构(不间断以形成栅格)，并且可以是具有如下所述属性的复合透明层。基板11的示例性最小厚度Th

如图3和图6-8所示，所述偏振器可以具有与上述偏振器10和40类似的属性，但还包括连续薄膜31。连续薄膜31可以是具有以下所述属性的透明层。如图3和图6所示，连续薄膜31可以是在偏振结构12和基板11之间的薄膜32、在离开偏振结构12的基板11的相对侧面11

如图7a所示，薄膜71可以跨越通道13并且可以使通道充满空气。如图7b所示，薄膜72可以填充通道13。如图7c所示，薄膜73可以部分地填充通道13，并且通道13的其余部分可以充满空气。

在图7c中也示出，在偏振结构12的远端12

薄膜71-74可以为偏振结构12提供结构支撑，可以保护偏振结构12不受处理、灰尘或腐蚀，可以用作散热器以从偏振结构12中吸走热量，可以改善偏振器性能，或上述功能的组合。可基于通道所需的折射率以及是否须保护通道13中的偏振结构12以在偏振器70a-70c之间进行选择。薄膜71、72、73和74的各自的示例性厚度Th

如图7d所示，薄膜75可以是沿着偏振结构12的侧面12

如图8所示，连续薄膜31可以是重复的薄膜对83(例如≥2对、≥3对或≥4对)。薄膜对83的每一对可以包括高折射率层81和低折射率层82。高折射率层81或低折射率层82可位于最接近基板11的位置。然而，优选的是，将高折射率层81置于最靠近基板11处，低折射率层82作为最外层(即高折射率层81和低折射率层82的最外层)，或同时采取，以保护高折射率层81。

如下所述，高折射率层81、低折射率层82或两者皆可为两种不同元素的复合材料。高折射率层81可具有折射率n≥1.8、n≥.9、n≥2、n≥2.2或n≥2.4以及消光系数k≤0.1。低折射率层82可具有折射率n≤1.4、n≤1.5、n≤1.6，n≤1.7或n≤1.8以及消光系数k≤0.1。本段落的折射率和消光系数是在紫外光谱、可见光谱、红外光谱或前述三者的组合。

反射肋91和介电肋92

如下所述，在图9a-9e中示出的是偏振结构12的特性示例。这些特性可以应用于本文中描述的任何偏振器实施例。偏振结构12可以包括一个或多个反射肋91、一个或多个介电肋92或前述两者的组合。每个反射肋91可以是如下所述的复合材料。每个介电肋92可以是吸收肋或透明肋，并且可以是如下所述的复合材料。

图9a中的偏振器90a的偏振结构12包括反射肋91。图9a中仅示出了单个反射肋91，但是偏振器90a在每个偏振结构12中可以包括附加的反射肋91。图9b中的偏振器90b的偏振结构12包括介电肋92，其可以是吸收肋或透明肋。

图9c中的偏振器90c的偏振结构12包括两个介电肋92，两个介电肋92的每一个可以是吸收肋或透明肋。因此，偏振器90c可包括两个吸收肋、两个透明肋、或一个吸收肋和一个透明肋。在图9c中仅示出了两个介电肋92，但是偏振器90c可在每个偏振结构12中包括附加的吸收肋、附加的透明肋、反射肋91或前述三者的组合。

图9d中的偏振器90d的偏振结构12的每一个均包括反射肋91和介电肋92。介电肋92可以是吸收肋或透明肋。尽管在图9d中将反射肋91示出为更靠近基板11，但是相反的构造也在本发明的范围内，其中介电肋92更靠近基板11。

图9e中的偏振器90e的偏振结构12包括夹在一对介电肋92之间的反射肋91。每个介电肋92可以是吸收肋或透明肋。因此，偏振器90e可包括两个吸收肋、两个透明肋、或一个吸收肋和一个透明肋。如果图9e中的两个介电肋92是一个吸收肋和一个透明肋，吸收性肋和透明肋的其中一个可以是最靠近基板11的介电肋92，而另一个则距离基板11最远。

可以基于偏振器的应用和光偏振的波长范围在图9a-9e的实施例之中进行选择。

复合反射肋

反射肋91可以是至少两种不同元素的复合材料，限定反射肋元素。反射肋91的材料在整个反射肋91中是均一的。反射肋元素可在整个反射肋91中均匀分布。使用复合材料可以改善偏振器的抗高温性、抗腐蚀性、抗氧化性或前述三种性质的组合。

例如，传统上已使用铝作为线栅偏振器中的反射肋。这些偏振器通常用于投影机中。幼细的铝肋/线在约400℃的温度下会变形，并在660℃熔化。图像投影机中的线栅偏振器因这情况而故障。尽管铝被认为是耐腐蚀的，但它其实会出现少量腐蚀，并且如果铝线的宽度约为60nm，任何少量的腐蚀都可破坏铝线。作为另一个示例，铝线可以由于在外表面的氧化而改变尺寸，从而使反射性铝转化成具有极为相异的光学属性的透明氧化铝。

铝、银或两者可以与其他元素结合组成化合物以改善上述属性。或者，可以用不同的化学元素完全替代铝、银或两者。易受腐蚀或氧化的元素(例如Al或Ag)可以与更抗腐蚀或抗氧化的化学元素(例如Au、Cr、Mo、Nd、Ni、Pt、Ti、W)结合以形成反射肋91。因此，例如，反射肋91可以比纯铝或纯银更抗腐蚀(例如水腐蚀)、抗氧化或同时更抗腐蚀和氧化。

反射肋91可以是Ti和W的复合材料。反射肋91中的Ti和W的总重量百分比可以≥25％、≥50％、≥75％、≥90％或≥99％。如果Ti和W不构成反射肋91总重量的100％，剩余部分可以是Al、Ag、Au、Cr、Mo、Nd、Ni、Pt、或前述元素的组合、或任何其他元素。

反射肋91可以是Al和Cr的复合材料。反射肋91中的Al和Cr的总重量百分比可以≥25％、≥50％、≥75％、≥90％或≥99％。如果Al和Cr不构成反射肋91总重量的100％，剩余部分可以是Ag、Au、Mo、Nd、Ni、Pt、Ti、W、或前述元素的组合、或任何其他元素。

反射肋91可以是Al和Ti的复合材料。反射肋91中的Al和Ti的总重量百分比可以≥25％、≥50％、≥75％，≥90％或≥99％。如果Al和Ti不构成反射肋91总重量的100％，剩余部分可以是Ag、Au、Cr、Mo、Nd、Ni、Pt、W、或前述元素的组合、或任何其他元素。

反射肋91可以是Al和Mo的复合材料。反射肋91中的Al和Mo的总重量百分比可以≥25％、≥50％、≥75％、≥90％或≥99％。如果Al和Mo不构成反射肋91总重量的100％，剩余部分可以是Ag、Au、Cr、Nd、Ni、Pt、Ti、W、或前述元素的组合、或任何其他元素。

具有较低熔点的化学元素(例如Al)的反射肋91可以通过添加具较高熔点的化学元素(例如Ag、Ce、Cr、Mo、Nb、Nd、Pt、Sc、Ta、Th、Ti、W)以承受更高的温度。作为复合材料的反射肋91可具有较高的熔点，例如≥700℃、≥800℃、≥900℃或≥1000℃。

以下是反射肋91的复合材料成分的例子。反射肋的元素可以包括Al、Ag、Au、B、Ce、Cr、Mo、Nb、Nd、Ni、Pt、Sc、Ta、Th、Ti，W的任何组合。氧、氮、氟或前述三者的组合可不视为反射肋的元素中的一个。每种反射肋元素的原子数可≥12。反射肋元素可以包括金属、准金属或两者。反射肋元素可以包括在反射肋91中Al或Ag，其质量百分比为≤85％、≤90％、≤95％、≤98％、≤99％或≤99.9％；或≥0.1％、≥5％、≥10％、≥50％、≥80％或≥85％。

反射肋元素可以包括Al，并加上Al以外的一种、两种或多于两种的元素。非铝化学元素的质量百分比的例子包括≥0.1％、≥0.5％、≥1％、或≥5％；以及≤5％、≤10％、≤20％、≤50％、≤70％、≤90％或≤99.9％。注意，铝反射肋91的外边缘是自然氧化的氧化铝(Al

反射肋元素可以包括Ag，并加上Ag以外的一种、两种或多于两种的元素。非银化学元素的质量百分比的例子包括≥0.1％、≥0.5％、≥1％、或≥5％；以及≤5％、≤10％、≤20％、≤50％、≤70％、≤90％或≤99.9％。

在选择反射肋元素时，加入考虑的因素包括折射率n、消光系数k、可蚀刻性以及电阻率。覆盖整个紫外光谱、可见光谱、红外光谱或前述三者的组合中预期使用的波长范围内，铝反射肋91可具有消光系数k>0.1以及反射率R>0.6。用于计算R的公式已于上面的定义部分列出。如果所有反射肋元素都是反射材料，可能会有所帮助。在紫外光谱、可见光谱、红外光谱或前述三者的组合中，每种反射肋元素的波长可以具有k>0.1和R>0.6。反射肋91可具有导电性。例如，反射肋91可具有≤10

吸收肋中所有元素的总质量百分比为100％。

复合吸收肋

吸收肋可各自独立地是至少两种不同元素的复合材料，限定吸收肋元素。

所有吸收肋元素都可以是吸收性的。或者，吸收肋元素可以包括一种元素，所述元素如果单独使用，通常会形成反射结构，但是当与吸收性元素组合时会形成吸收肋。例如，吸收肋可以包括C、Ge、Si、Ta或前述元素的组合(吸收性元素)，并与Al、Ag、Au、B、Ce、Cr、Mo、Nb、Nd、Ni、Pt、Sc、Ta、Th、Ti、W或前述元素(反射性元素)的组合。通常，吸收肋包括一个小百分比的反射性元素和大百分比的吸收性元素。例如，吸收肋可以包括：

≥0.01％质量百分比、≥0.1％质量百分比或≥1％质量百分比的反射性元素，以及

≤1％质量百分比、≤10％质量百分比或≤25％质量百分比的反射性元素；

≥75％质量百分比、≥90％质量百分比、≥95％质量百分比或≥99％质量百分比的吸收性元素，以及≤90％质量百分比、≤95％质量百分比或≤100％质量百分比的吸收性元素；以及反射性元素的质量百分比加上吸收性元素的质量百分比是

≤100％。

氧、氮、氟或述前述三者的组合可不视为吸收肋的元素之一。每种吸收肋元素的原子数可以原子数≥14。吸收肋的元素可以是金属、准金属或两者。吸收肋的元素可以包括C、Ge、Si和Ta的任何组合。整个介电肋92可以是均质的。介电肋的元素可在整个介电肋92中均匀分布。

复合吸收肋的使用可以改善抗腐蚀性和偏振器性能。例如，吸收性偏振器的一种理想特性是经减少的初次吸收的偏振的反射(例如减小的Rs)。锗因其较低的Rs(比硅更好)而有帮助，但也容易受腐蚀。锗硅复合材料可以具有良好的性能(如锗)，但具有改良的抗腐蚀性。作为另一个示例，每种吸收性材料在特定的窄波长范围内可以具有最佳性能。多种吸收性元素的复合材料的使用可以增加最佳性能的范围(即改良的宽带性能)。

以下是吸收肋复合材料的例子。吸收肋中的每个吸收肋元素的质量百分比可以≥1％。吸收肋元素可包括Ge，其在吸收肋中的质量百分比为≤30％、≤50％、≤80％、≤99％或≤99.9％；以及≥0.1％、≥10％、≥20％或≥30％。吸收肋元素可以包括Si，其在吸收肋中的质量百分比为≤30％、≤50％、≤80％、≤99％或≤99.9％；以及≥0.1％、≥10％、≥20％或≥30％。吸收肋中的Ge的质量百分比可以大于吸收肋中的Si的质量百分比。

在选择吸收肋元素时，加入考虑的因素包括折射率n、消光系数k和可蚀刻性。覆盖紫外光谱、可见光谱、红外光谱或前述三者的组合中预期使用的波长范围内，吸收肋71可具有消光系数k>0.1以及反射率R≤0.6。前述的定义部分列出了用于计算R的公式。如果所有吸收肋元素都是吸收性材料，则可能会有所帮助。覆盖紫外光谱、可见光谱、红外光谱或前述三者的组合中预期使用的波长范围内，吸收肋71可具有消光系数k>0.1以及反射率R≤0.6。

吸收肋中所有元素的总质量百分比为100％。

复合透明层

本文中所述的透明层可以是基底11、连续薄膜31、透明肋或前述三者的组合，可以是≥2、≥3或≥4种不同元素的复合材料，限定透明层元素。

氧、氟、碳、氮或前述四者的组合可不视为透明层元素。尽管氧、氟和氮可不视为透明层元素，但可包括在透明层中。例如，透明层可包括氧化铝、氧化铪、氟化镁、氧化镁、氧化铌、蓝宝石、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化钛和氧化锆的组合。每种透明层元素可以是金属或准金属。每种透明层元素的原子数可以原子数≥12。透明层元素的例子包括Al、Hf、Mg、Nb、Si、Ti、Zr、过渡金属和镧系元素金属。

透明层中每种透明层元素的最小质量百分比例子包括≥0.01％、≥1％、≥10％或≥25％。透明层中的每种透明层元素的最大质量百分比示例包括≤99.5％、≤99％、≤90％或≤70％。透明层中所有元素的总质量百分比为100％。

覆盖紫外光谱、可见光谱、红外光谱或前述三者的组合中预期使用的波长范围内，透明层可具有k≤0.1、k≤0.01或k≤0.001。k是消光系数。

透明层材料在整个透明层中可以是均一的。透明层元素在整个透明层中均匀分布。

将复合材料用作透明层可以改善偏振器的抗腐蚀性、性能、耐久性和抗高温性。可以通过使用复合材料来改善的透明层的其他有用特征包括宽波长范围的透明性、增加的导热率、增加的电阻率、韧性和抛光能力。

例如，由于其低折射率n，二氧化硅是有帮助的。由于其高导热系数，氧化铝是有帮助的。这两种材料的复合材料具有改善的总体属性。为了提高导热性，透明层中的氧化铝的质量百分比可以大于透明层中的二氧化硅的质量百分比。

如何制造

上述复合材料可以藉由溅射沉积制造。可以选择具有所需比例的所需化学元素的溅射靶。或者，可以将所需的化学元素混合在胶状悬浮体中。固化胶状悬浮体或在胶状悬浮体中引起的化学反应可包括蒸发或使溶剂发生反应。