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CN100551686C - 用于微光学元件的保形涂层 - Google Patents

用于微光学元件的保形涂层 Download PDF

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CN100551686C
CN100551686C CNB2004800113678A CN200480011367A CN100551686C CN 100551686 C CN100551686 C CN 100551686C CN B2004800113678 A CNB2004800113678 A CN B2004800113678A CN 200480011367 A CN200480011367 A CN 200480011367A CN 100551686 C CN100551686 C CN 100551686C
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optical element
nitride
carbide
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Abstract

通过蒸气沉积技术，例如原子层沉积来制造微光学元件。具有不平结构表面的光学结构(90)暴露于一种或多种前体蒸气中，在光学结构的表面上产生自限制的薄膜生长。通过随后的暴露可以增加并控制膜厚。所得薄膜(92)与具有变化的复杂尺寸的表面结构一致。

Description

用于微光学元件的保形涂层
技术领域
本发明涉及制造光学元件的技术，更具体地说涉及在具有表面不平结构的光学元件上沉积薄膜的技术。
背景技术
微米级加工已经能够开发在各种光电子应用中使用的微光学元件。微光学元件(MOE)提供了使用低成本复制技术可以大量制造的小型重量轻的光学组件。在微型化的趋势下，这些特征是高度吸引人的。MOEs可以是折射型的，例如微透镜和微透镜阵列，并且根据几何光学弯曲或聚焦光线。MOEs可以是衍射型的，例如相位片、衍射光栅、衍射透镜等等，并且根据傅立叶光学改变光线。MOEs还可以是混合的折射/衍射透镜，典型地涉及表面结构具有衍射图案的折射透镜。
MOEs包括典型地基于复杂数学模型的三维表面结构。尺寸的精确和制造成本是制造中的重要因素。MOEs可以分成两个基本的家族：连续浮雕(continuous relief)和二元或多级微光学元件。连续浮雕微结构在多个台阶之间具有平滑变化的剖面(profile)。连续浮雕微光学元件的制造方法包括直写，例如通过激光束或电子束直写，直接机加工，光刻胶回流，以及灰度色剂平版印刷。二元光学元件具有含多个台阶的相位级(phase level)以及台阶之间恒高的平坦表面。二元MOEs的常用制造方法是高分辨掩模光刻和刻蚀方法。
MOEs仍是一种还没有发展成普遍接受命名的新兴技术。下面的部件是微光学元件的子族(subgroup)并且包括衍射型光学元件(DOE)、二元光学元件(BOE)、二元光学、微结构光学、光栅、红外光栅、菲涅耳(fresnel)元件、微浮雕元件、纳米周期表面结构、折射型微光学元件、次波长结构(subwavelength structure)，以及次波长结构表面。可以预期每个子族具有该族特定的某种特征。此处使用的术语MOE表示所述上面列出的组件。还预期将具有在检测光和发光器件及集成电路上面集成MOEs方面的应用。
DOEs是一类广泛的光学组件。与使用折射和/或反射的传统光学组件不同，DOEs利用光的波动性并且依赖于光的振幅、相位和偏振状态。在衍射光学的情况下，可以使用纳米/微米结构来修改所有这些性质。表面上的衍射结构可以具有几种原理，包括二元、多级、连续剖面、折射率调制及全息。
所有的MOEs，包括折射型或者衍射型，通常将光的波动性用于其设计和性能及公差模拟(tolerance modelling)。此处使用的所有MOEs具有尺寸为约0.01微米至约10微米的三维表面结构。
为了用于各种目的，MOE可以使用沉积在其表面结构上的薄膜或涂层。薄膜或涂层可以是半导体层、绝缘体、金属接触、钝化层、抗反射涂层、滤光层、波导或其它涂层。薄膜或涂层优选具有MOE的表面图案。否则，功能性可能会严重降低，或者元件会离开规定的范围。特别地，具有尺寸小于光波长结构的MOEs是难于在其上面施用均匀厚度保形涂层的结构。这种结构此处通常称作次波长结构。在这种结构具有高长宽比的情况下制造是更加复杂的。
存在大量的技术来提供薄膜和涂层。这些技术包括溅射、蒸发、脉冲激光烧蚀、氧化、化学气相沉积、电镀，以及其它本领域公知的技术。但是，这些传统的技术对于次波长结构不能提供厚度均匀的保形涂层。
参照图1，表示了衬底10的剖视图，其中通过物理气相沉积(PVD)沉积薄膜12。PVD技术使用高温(蒸发)从靶上除去涂层材料和/或用高能粒子(溅射)轰击表面。除去的材料粒子具有动能并且使用所述动能将涂层材料转移到衬底10上。在原子级别上，溅射的原子趋向于以直线从阴极运动到样品上而不会在飞行中相撞。
当涂层材料到达衬底上时，其能量不允许其在衬底表面上作进一步的运动。如图所示，薄膜12会延伸到阴影区14并且不会提供台阶覆盖(step coverage)。这个问题在使用次波长结构时更加明显。阴影区14可能是由衬底10的阴影或者甚至是由生长薄膜12引起的。
改进一致性的方法包括旋转衬底10或加热衬底10来增加原子的可动性。但是，并不能完全消除阴影区。此外，因为PVD是基于飞行材料的，总是具有“视线”的问题，从而很难涂覆壁的侧面。在高长宽比的情况下，不可能获得良好的台阶覆盖。
参照图2，表示了具有沟槽22的结构20的剖视图。通过化学气相沉积(CVD)沉积薄膜24。CVD技术使用连续的前体流在放置结构的反应室中混合前体。向结构施用能量，并且前体蒸气蒸发，形成所需组成的层。
CVD方法很难施用非常薄的膜，薄膜并不总是相符。如图2所示，薄膜24的生长并不总是均匀的，并且不能精确地贴近下面的表面。当填充沟槽22时，在膜26的下方产生空隙26。因此，CVD方法形成薄膜的可靠性经常有问题。
参照图3，表示了相似的问题，其中结构30包括窄的沟槽32。为了完全填充沟槽32，通过例如CVD的技术沉积薄膜34。在沟槽32完全填充之前，薄膜34在沟槽32的开口36处夹断(pinch off)。这就在沟槽32内产生会破坏结构30功能的空隙38。
参照图4，表示了具有多台阶面的另一个结构40。通过溅射沉积薄膜42。溅射的方向由箭头44表示。方向性可以通过长距离的起点(origination)和掩模和/或使用离子束溅射来实现。存在薄膜42厚度小于台阶高度的没有侧壁涂层的地方。
参照图5，表示了与图4相似的结构50。通过增加膜54的厚度，完全覆盖侧壁52。但是，实际上这只在具有阴影台阶并且长宽比低的应用中是实用的。
参照图6，表示了长宽比较高的具有沟槽62的结构60。使用例如CVD的传统技术很难使膜64符合深的沟槽62。如图所示，当膜64不能完全符合沟槽62时引起空隙66。
参照图7，表示了通过CVD或溅射沉积了薄膜72的结构70。膜72与结构70符合不好，并且提供了不好的结构尺寸。
本发明人已经认识到图1至7显示的薄膜沉积问题在次波长结构中甚至变得更加明显。克服形成空隙并且提供控制的保形涂层的技术将极大地提高微光学元件的性能。这种技术对于包括抗反射涂层的透光光学器件具有特别的应用利益。
发明内容
本发明使用蒸气沉积技术为微光学元件提供了保形膜。在光学结构上沉积薄膜，其适用于各种应用，例如束成形器(beam shaper)、分束器、微透镜、微透镜阵列、扩散器、激光二极管校正器、图形发生器、准直器、光栅器件、DNA芯片、生物芯片、滤光器、波导、光学衰减器、增益整平滤波器(gain flattening filter)、灰影(grayshade)滤波器，以及抗反射膜结构。可以通过大量任何传统的加工技术来形成光学结构。
在制造中，将光学结构放置在反应室中并且暴露于前体蒸气下。暴露产生了在光学结构表面上化学吸附一部分第一种化学物质。在一个实施方案中，将清洗气通入反应室中，除去过量的第一种化学物质和副产物。再将与第一种化学物质不同的第二种化学物质引入反应室中，它与吸附的第一种化学物质反应，形成与光学结构表面一致的膜。
通过沉积次数来控制最终的膜厚。自限制(self-limiting)的生长提供了优异的表面一致性并且允许在高长宽比的结构和次波长结构上涂覆。本发明提供了足够薄并且对于MOEs的实际应用精确的薄膜。此外，所得薄膜是无针孔的，这对于特定应用中的功能性是必需的。
参照附图，从下面优选实施方案的详细说明中，本发明的其它方面和优点将变得明显。
附图说明
参照附图说明本发明的非详尽的实施方案，附图中：
图1是一种MOE的剖视图；
图2是一种MOE的剖视图；
图3是一种MOE的剖视图；
图4是一种MOE的剖视图；
图5是一种MOE的剖视图；
图6是一种MOE的剖视图；
图7是一种MOE的剖视图；
图8是一种根据本发明为沉积而配置的衬底反应室的剖视图；
图9是一种微光学元件的剖视图；
图10是一种微光学元件的剖视图；
图11是说明通过本发明技术制造的薄膜透射谱的图；
图12是说明通过本发明技术制造的另一个薄膜透射谱的图；
图13是说明通过本发明技术制造的另一个薄膜透射谱的图；且
图14是显示通过本发明技术制造的另一个薄膜透射谱的图。
具体实施方式
现在参照附图，附图中相同的附图标记指相同的元件。为了清晰起见，附图标记的前面的数字表示第一次使用的相应元件的附图号。
在整个说明书中，提及“一个实施方案”或“实施方案”意指具体说明的特征、结构，或者特性包括在至少一个本发明的实施方案中。因此，整个说明书各个地方中的短语表达“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定都是指相同的实施方案。
此外，在一个或多个实施方案中可以按照适当任何的方式结合所述特征、结构，或者特性。本领域技术人员将认识可以在没有一个或多个具体细节下，或者使用其它方法、部件、材料等来实践本发明。在其它情况下，为了避免模糊本发明的说明，没有表示或详细说明公知的结构、材料或操作。
顺序蒸气沉积(SVD)是此处使用的一个术语，包括使表面暴露于顺序脉冲的化学蒸气下，从而在表面上形成膜的各种技术。SVD的特征是因为每个施用的反应不用干预就会终止，所以过程是自限制的。在SVD情况下，将衬底或者其它结构放置在反应室中，其中蒸气形式的第一种化学物质与其表面反应并且至少一部分第一种化学物质被吸附到表面上。从反应室中带出过量的化学物质和任何反应副产物，并且引入也可以是蒸气形式的第二种化学物质。第二种化学物质与吸附的第一种化学物质反应并且在表面上形成另外的物质。沉积材料的量由反应来限制。因此，暴露的次数决定了材料的厚度。可以继续所述过程，直至实现所需的层厚和均匀度。当在次波长结构，尤其是那些具有狭窄开口和/或高长宽比的次波长结构中使用薄膜层时，SVD是特别有利的。
尽管SVD与CVD相似，但是因为SVD是自限制的并且依靠暴露的顺序脉冲来产生所需厚度的膜，所以是显著不同的。CVD也包括各种更具体的过程，包括但不局限于有机金属CVD、等离子体增强CVD和其它。CVD通常用来非选择性地在衬底上形成完全沉积的材料。CVD使用在反应室中同时存在的多种物质，反应并形成沉积的材料。
在CVD的情况下，薄膜的生长主要通过控制撞击衬底的原材料的进入流速来调节。这与SVD不同，在SVD中衬底与可以化学吸附到衬底上单一沉积物质或者事先沉积的物质接触，从而允许改变衬底的质量而不是原材料的浓度来控制沉积速率和膜的质量。
原子层沉积(ALD)是SVD的一种形式，并且已经用于制造电致发光显示器20多年。ALD也称作原子层外延，但是这种称谓只更适用于外延薄膜。各种ALD技术在美国专利第4,058,430、4,413,022、5,711,811和6,015,590号中公开，所有这些专利引起本文作参考。最近，ALD在半导体和数据存储工业中已经获得显著兴趣。该技术制造的膜具有独特的特征，例如是无针孔的并且具有优异的均匀性和台阶覆盖度，甚至是在非常高的长宽比结构中上。ALD技术也非常适于精确地调节材料组成。
在实施ALD时，调节工艺条件，包括温度、压力、气体流速和循环时间以满足工艺化学和衬底材料的要求。控制反应室内的温度和压力。典型的温度约为20至600℃，压力在从约10至10,000帕的范围内。一旦反应空间达到稳定的温度和压力，将第一种前体蒸气导入衬底上方。在某些情况下，可能需要额外的加热时间或者原位清洁，从而从衬底上除去任何有害的污染物。
对于真实的ALD，第一种前体蒸气只与表面反应，并且自身不会反应，因此过程是自限制的。在实际应用中，第一种前体蒸气可能附着有限量的相同类型分子，但是生长仍然是自限制的。延长前体蒸气的暴露时间不会增加附着到表面上的膜的量。
引入惰性清洗气体，除去任何过量的第一种蒸气和任何挥发性的反应产物。此处描述的沉积过程的实施方案涉及用惰性气体清洗。术语“清洗”是广义上的，不仅包括通过引入惰性气体或其它材料流来冲洗反应室，而且更一般性说包括从反应室中除去或清洗掉过量的化学物质和反应副产物。举例来说，可以通过泵抽反应室和/或降低反应室内的压力而从反应室中除去过量的化学物质和反应副产物。与术语“清洗”的广泛定义一致，从反应室中除去过量化学物质不需要完全有效，而是典型地在反应室内留下表面键合的化学物质和可能的一些少量非表面键合的化学物质或残余物质。
另外，当使用清洗气体从反应室中除去化学物质时，可以使用各种惰性和非惰性的清洗气体。优选的清洗气体包括氮气(N2)、氦气(He)、氖气(Ne)、氩气(Ar)、二氧化碳(CO2)，及其混合物。还可以使用一种或多种这些气体的稳态或脉冲气流将第一种化学物质和第二种化学物质送入反应室中和/或调节反应室内的压力。
将第二种前体蒸气引入反应室中并且与吸附的第一种前体蒸气反应，产生与光学结构一致的膜。与第一种前体蒸气一样，第二种前体蒸气自身不会反应，或者只附着少量的蒸气。因此，延长第二种前体蒸气的暴露时间不会增加膜的厚度。该膜可以用于任何大量的应用，包括抗反射涂层、光学低通滤光器、光学高通滤光器、光学带通滤光器、光学带阻滤光器、波导、光学衰减器、增益整平滤光器、灰阶滤波器或者钝化层。
每种引入的前体蒸气所经历的生长典型地是一个单层或更少。但是，在某些技术中，可以增加生长至稍高于单层的量。
通入第二种前体蒸气，除去过量的前体蒸气以及任何挥发性的反应产物。这就完成了一个循环。重复所述程序直至实现所需的膜厚。
成功的ALD生长需要前体蒸气被交替地脉冲通入反应室内而没有重叠。ALD也需要每种原材料对于在衬底区域上形成薄膜具有足够的浓度。足够的材料还保证了在薄膜形成中不会发生大量的前体分解。
SVD的另一种形式是此处称作快速蒸气沉积的技术。ALD因为每个循环只能沉积一个单层而局限于较慢的沉积速率。快速蒸气沉积可以在更快的沉积速率下提供高度均匀且保形的涂层。在快速蒸气沉积情况中，将衬底交替暴露于两种不同类型的前体蒸气下，在一次循环中形成增加的生长速率。
第一种前体蒸气与表面反应，提供与表面一致的膜的自限制生长。延长第一种前体蒸气的暴露时间不会增加膜厚。例如通过引入惰性气体清洗气从反应室中除去第一种前体蒸气和副产物。
将第二种前体蒸气引入反应室中，并且使用第一种前体膜作为活化剂。膜的生长取决于可获得的第二种前体蒸气分子的量。因为生长最终饱和并且需要第一种前体蒸气的另一次活化脉冲，所以第二种前体蒸气的膜生长是自限制的。快速蒸气沉积和CVD之间的区别在于在活化剂脉冲后只需要一次前体蒸气脉冲。快速蒸气沉积还因为第一种和第二种蒸气的膜生长都是自限制的而与CVD不同。
在Dennis Hausmann等在Rapid Vapor Deposition of HighlyConformal Silica Nanolaminates，SCIENCE杂志，2002年10月11日，第402页中公开的一个实施方案中，两种不同的前体蒸气是三甲基铝(Me3Al)和三(叔丁氧基)硅醇(BuO)3SiOH。以交替的脉冲将两种前体蒸气施用到加热的衬底上，形成二氧化硅纳米层叠层。每个循环的层厚取决于蒸气剂量的大小和衬底的温度。两种不同前体蒸气的表面反应是自限制的，这一点由每种反应物在高剂量下生长速率饱和的事实所证明。最终的结果是获得与ALD相似的均匀保形涂层。
在文献的实施方案中，快速蒸气沉积的一次循环制造出每次循环32层单层以上，而不是ALD的单层。在另一个实施方案中，生长速率可以从每次循环2至10到20个单层。因此，尽管快速蒸气沉积提供了自限制的反应，但是生长基本上超过每次循环一个单层。
SVD技术为MOEs提供了优异的膜沉积。根据本发明，制造MOEs用于大量的应用，包括无源(non-active)元件，例如束成形器(beam shaper)、分束器、微透镜、微透镜阵列、扩散器、激光二极管校正器、图形发生器、准直器、光栅器件、DNA芯片、生物芯片、抗反射涂层结构、滤光器、波导、光学衰减器、增益整平滤波器(gainflattening filter)、灰影(grayshade)滤波器，以及其它应用。
MOEs还用于有源发光元件，例如激光、VCSEL激光、LEDs、RC-LEDs等。MOEs和MOEs上方的一致性膜典型地在类似LEDs的有源元件晶片上形成。然后，将晶片切割成最终尺寸。另外，MOEs可以用于有源光检测元件，例如发光二极管、太阳能电池、CCD器件、CMOS器件和集成电路。
SVD技术能够可靠地提供均匀的保形涂层，用于表面具有不平结构且尺寸小于外部光源波长100倍的光学结构。次波长微光学元件具有一个或多个尺寸小于外部光源波长的不平结构。次波长结构可能具有外部光源可以操纵的最小的尺寸。次波长结构和高长宽比的结构很难实现薄膜的一致性、本发明克服了使用涂层微光学元件先前经历的限制。
本发明的MOEs可以用于紫外光、可见光和红外光。如本文中定义，外部光源包括紫外、可见和红外光。次波长结构的尺寸与外部光源有关。
参照图8，该图表示用于SVD技术的反应室80。反应室80是一般的表示，并且仅用于示例性的目的。本文公开的技术可以在任何大量的反应室中实践，例如ASM International制造的PulsarTM 2000
Figure C20048001136700191
反应器。本领域技术人员可以根据衬底材料、前体气体和所需的膜厚来调节工艺参数，例如温度、压力、气体流速和循环时间。这些参数对于ALD和快速蒸气沉积技术的技术人员是公知的。
反应室80可以保持介于约150℃至约600℃之间的温度下。预期沉积工艺的某些实施方案可以在约150℃以下和约600℃以上的温度下实施。取决于待沉积的薄膜的材料，一些操作温度可能不是优选的。相信较低的温度有助于在有机金属化学物质的沉积期间避免分解。对于某些薄膜，例如TiO2、Al2O3、ZnO、SiO2、Ta2O5、Nb2O5及其组合，操作温度可以从低于150℃至大约室温的范围内变化。
气体通过一个或多个气体入口82流入反应室80中。引入反应室80的气体包括那些常用于ALD和快速蒸气沉积技术的气体，例如反应物前体气体、氧化性气体和载气/清洗气。反应物前体气体可以是任何类型的适于自终止化学吸附的气体，例如卤化物、含有金属、Si或Ge的有机化合物，以及许多其它本领域公知的适于所需涂层和工艺参数，包括衬底温度的气体。
根据目的用途，许多涂层适于MOE制造。在一些应用中，可以使用所述涂层作为抗反射涂层、光学低通滤光器、光学高通滤光器、光学带通滤光器、光学带阻滤光器、波导、光学衰减器、增益整平滤光器、灰影滤波器或者钝化层。
涂层包括元素：Al、Ti、Si、Ge、Ta、Nb、Zr、Hf、Mo、W、V、Cr、Cu、Mo、Pt、Pd和Ir。涂层还包括氮化物，例如AlN、TiN、TaN、Ta3N5、NbN、MoN、Si氮化物、Ge氮化物、Zr氮化物、Hf氮化物、W氮化物、V氮化物、Cr氮化物、Y氮化物、Ce氮化物、Mg氮化和Ba氮化物。涂层进一步包括碳化物，例如TiC、SiC、TaC、HfC、Al碳化物、Ge碳化物、Nb碳化物、Zr碳化物、Mo碳化物、W碳化物、V碳化物、Cr碳化物、Y碳化物、Ce碳化物、Mg碳化物和Ba碳化物。涂层包括硫化物，例如ZnS、CaS、SrS、BaS、CdS、PbS。涂层包括氟化物，例如CaF2、SrF2和ZnF2。涂层包括透明导体，例如In2O3、InSnO、ZnO、ZnO:Al和Sn氧化物。涂层包括氧化物，例如Al2O3、TiO2、ZrO2、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、Y2O3、MgO、CeO2、SiO2、La2O3、SrTiO3、BaTiO3、Ge氧化物、Mo氧化物、W氧化物、V氧化物和Cr氧化物。
在一个应用中，例如抗反射涂层，则涂层是TiO2和Al2O3的层状结构。上面列出的涂层材料只是出于举例说明的目的，并且不应该认为是详尽的。本领域的技术人员应当领会存在大量的方法，使用先前不考虑使用的涂层来改善目前的MOE。
用于光学目的，透明的氧化物可以用于抗反射涂层、波导和滤光涂层。使用类似氮化物和碳化物的吸光涂层可以产生灰影滤波器、
载气可以是任何适于传输蒸气相反应物气体通过反应室80、并且还可以用来在反应物气体脉冲之间清洗反应室80的惰性的气体，例如氮气、氦气或氩气。
配置入口82来使反应物气体分开，直至引入反应室80中，从而避免不可取的CVD型反应及随后的颗粒形成或厚度的不均匀性。反应物气体通过光学结构84的上方，在此处发生SVD。光学结构84代表了单个结构或者一批结构。
光学结构84是MOE的基本组件，并且可以是大量光学结构中的任何一种。同样，可以配置光学结构84用于衍射、折射、反射、光栅、波导或其它光成形或导光功能。光学结构可以放在光检测器件上，例如光二极管、太阳能电池、CCD器件、CMOS器件或集成电路。光学结构84还可以是产生光的有源元件上，例如激光、LED等。光学结构可以放在发光器件上，例如激光器件、VCSEL激光器件、发光二极管、RC-LED或集成电路。
光学结构84包括在其上面放置了光学结构84的另一个元件的衬底。在特定的实施方案中，光学结构84的其它元件可以与衬底集成。光学结构84可以包括各种材料，包括玻璃、熔融氧化硅、硅、SiO2、SiON、Si3N4、金属、锗、锗砷化物、III-V族化合物、硒化锌、硫化锌、II-VI族化合物、丙烯酸、环氧、氟代聚合物、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚烯烃、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、苯乙烯丙烯腈、OrmocerTM，一种由Fraunhofer-Institute for Silicate Research(Fhh-ISC)制造的有机化合物改性的陶瓷复合聚合物、EPON SU-8负胶(Negative)，可由光限定的环氧树脂、ormosils(有机改性的硅酸盐)、nanomers(纳米粒子和含有聚合物型材料的有机组分)、塑料和有机玻璃(plexi-glass)。
光学结构84可以具有是次波长结构的不平结构。次波长结构的尺寸小于外部光源，例如紫外光、可见光或红外光的波长。可选地，不平结构的尺寸小于外部光源波长的100倍或10倍。尺寸定义为表面的水平长度、台阶的垂直高度、沟槽、剖面的深度、沟槽的宽度，以及本领域公知的其它尺寸。光学结构84可以是长宽比变化，例如大于1∶1且甚至大于10∶1的结构，例如沟槽或阱(well)。
光学结构84可以通过塑料加工技术，例如压模、注模或高压压模来制造。其它的加工方法包括压印、紫外光固化压印复形、浇铸、压模印/模压、对连续面形单点金刚石车削，以及直写平版印刷。还可以使用半导体加工常用的光刻工艺来形成光学结构84。光刻工艺通过将所需表面浮雕结构曝光和显影到涂覆在承载衬底上的光敏材料中，然后通过等离子体反应离子刻蚀或化学刻蚀将表面浮雕结构转移入衬底中而形成光学结构84。可以直接在衬底材料上形成表面图案。
光学结构84的一个具体应用是被动接收、传导或通过光的无源元件。如本文中定义，无源元件不产生或发射光。作为无源元件，光学结构84可以是反射结构或DOE。光学结构84可以形成适于用作以下应用的无源MOE的一部分：束成形器(beam shaper)、分束器、微透镜、微透镜阵列、扩散器、激光二极管校正器、图形发生器、准直器、光栅器件、滤光器、波导、光学衰减器、增益整平滤光器、灰影滤光器、抗反射涂层结构、图像传感器、照相机镜头，以及大量其它应用。微透镜和微透镜阵列特别可以用作光学读取器、激光二极管和光纤的界面、散射屏、全景摄影术和照相机。所有此处指出的应用都特别需要基于其目的应用的薄膜涂层。
光学结构84还可以形成连接到有源组分上的无源MOE的一部分。无源MOE可以连接到有源元件，例如产生光的半导体器件的表面上。如此，无源MOE可以用来衍射发射的光而自身不产生光。与发光元件，例如激光和发光二极管(LEDs)的光路连接的衍射结构在本领域中是常见的应用。
无源MOE在本领域中另一个常见的应用是用于接收并检测光。这些应用包括发光二极管、太阳能电池、CCD器件、CMOS器件和各种光和图像传感器。此处认为被动接收光的元件也是无源的。
加热器88尽管并不是在所有的应用中都需要，但是可以向光学结构84施加热量，并且根据工艺参数加工气体。未使用的气体、反应产物和载气通过气体出口86离开反应室80。
参照图9，示出了具有通过SVD沉积的薄膜92的带台阶的光学结构90。SVD技术提供了台阶覆盖优异的高度一致性的薄膜92。SVD技术是可靠的并且高度可重复的。
参照图10，示出具有高长宽比的分离沟槽102和涂层104的光学结构100。该结构100可以是沟槽102的长度尺寸小于外部光源波长的次波长结构。同样，SVD技术提供了优异的薄膜覆盖，从而消除了空隙。尽管SVD可以涂覆高长宽比的结构，但是SVD不能复制下面的结构。SVD生长是各向同性的并且SVD膜的生长在整个表面上发生。因此，SVD生长最终将使结构平面化。SVD提供了优异的一致性和台阶覆盖，并且除了由于成批加工而提供了低的制造成本外，还在控制膜厚方面实现了了次纳米级的精度。
SVD用于MOEs应用比传统技术提供了许多优点。SVD通过ALD或者快速蒸气沉积技术提供了自限制的生长。通过沉积循环的次数来控制膜厚。在要求非常高的应用中，来自实时监控系统，例如光学监控系统的反馈还可以用于精细调节沉积次数的数量。自限制的生长提供了优异的表面一致性，并允许在高长宽比的结构和次波长结构上涂覆。自限制的生长能够无空隙地填充沟槽并且因为厚度直接与实施的循环次数相关而可以控制层厚。
SVD技术允许大面积涂覆比其它方法可用的更大的衬底。这就允许使用提供制造成本利益的批量设备。SVD技术进一步提供了良好的高产率可重复性，因而提供了另一种制造成本好处。
SVD技术允许原子级地控制材料的组成。这就能够制造具有明显界面和点阵的涂层及薄膜。SVD技术进一步允许表面改性，例如用于疏水、生物相容的薄膜，或者增加硬度。SVD通过无空隙地填充沟槽而适于使三维MOEs平面化。
SVD依靠反应物的单独暴露，从而化学暴露在空间上和时间上是分开的。这样，在SVD下没有气相反应，并且同CVD一样不会产生气相颗粒。SVD允许使用彼此高度反应性的前体，从而可以有效地使用材料。SVD提供了足够的时间来完成每个反应步骤，从而允许在低的加工温度下获得高质量的材料。
SVD技术具有宽的加工温度窗口。这就允许在连续的过程中制备多层结构。低温涂层的实例包括可以在室温下涂覆的TiO2及在50℃或甚至更低的温度下生长的Al2O3。因为玻璃在某些环境中是不可接受的，所以对于关心和个性化医学应用，尤其优选有机材料。
ALD具有精确性但生长速率慢。为了弥补生长慢的问题，可以使用批量加工来增加制造量。ALD非常适于制造大的均匀面积。因此，ALD由于批量加工的一致性和大面积均匀性而提供了低成本的MOE涂层。ALD可以用来涂覆尺寸从300毫米至几米的大面积衬底。此外，快速蒸气沉积允许明显更快的生长速率。
SVD允许同时涂覆衬底的所有表面或者表面。在一次施用中涂覆衬底的所有侧面在某些情况下是有用的。举例来说，在某些应用中在元件的所有面上需要抗反射和钝化涂层。使用一些传统方法进行双面或多面涂覆是非常困难的。
通过SVD制造的膜是无针孔的，这一点对于使用电场(无击穿)的应用中或者对原子/离子/分子、生物物质或辐射能量的保护应用中是非常重要的。在这些保护性应用中，因为薄层没有MOE的功能，通常需要薄膜层(＜20纳米)。SVD能够制造无针孔的薄膜层。
SVD可以制造常见的低成本材料，例如Al2O3、SiO2和TiO2的薄膜。对于Al2O3，可以使用SVD来制造折射率小于1.7的用于MOEs的薄膜。对于SiO2涂层，SVD可以制造折射率小于1.5的薄膜。对于TiO2，SVD可以制造折射率大于2和2.5的薄膜。高和低的折射率可以使涂层用于如下应用：例如抗反射涂层、滤光涂层，例如高通、低通或带通滤光器及带阻滤光器、波导、光学衰减器、增益整平滤光器、灰影滤波器和其它需要大的折射率差异的光学涂层。
因为每次脉冲的材料组合可以是不同，所以SVD提供了一种调节MOE上膜结构的容易的方法。SVD可以为光学元件提供梯度折射率涂层。对薄膜结构的调节还可以产生天然中不存在的折射率并且可以灵活地设计多层光学膜。
SVD技术能够制造足够薄而不会抑制MOE功能性的层。所述薄膜可以被施加到MOEs作为环境保护的阻挡涂层，例如防止化学物质腐蚀的TiO2和Ta2O5。薄膜还可以提供生物相容的表面涂层，例如TiO2和Ta2O5。通过使用氮化物或碳化物，例如TiN、AIN和TiC，该薄膜也可以用作灰影滤光器。
尽管SVD产生的薄膜与其它方法相比是不坚硬的，但是它们比大多数其它的有机涂层更坚硬。因此，通过使用氧化物、氮化物或碳化物，例如TiO2、TiN、AlN、TiC，SVD可以为MOE提供涂层以抗机械能(抗刮擦性)。
尽管薄膜可以根据目的应用而具有不同的折射率，但是折射率可以在1.2至大于3的范围内。
为了工艺控制的目的，直接光学测量MOE结构是非常困难的。因此，SVD工艺组典型地包括附加的监控玻璃衬底用于间接的工艺控制。
在操作上，已经证明本发明的SVD技术在提供符合薄膜方面优于传统的方法。在第一个实施例中，在室温下向MOE施用光学低通高折射率涂层。将155毫米×265毫米的玻璃工艺监控衬底(硼硅酸盐玻璃OA-2(NEG))和带有MOE结构的衬底放入流式ALD批反应器的反应室中。为了只将玻璃衬底表面的一面暴露于气流中，将衬底放在平整的衬底座平面上。
在将衬底放入反应器中后，用N2气(99.99％纯度，AGA)清洗反应器。流速为2.75SLM，并且调节泵速，维持反应空间内的压力大约为120Pa。使反应室稳定8小时而不加热，在此期间玻璃衬底达到约22℃的温度。
向反应室中顺序引入化学物质脉冲，接触衬底表面。第一种化学物质是TiCl4(99.9％纯度，Sigma-Aldrich)，过渡金属化学物质和金属源。第二种化学物质是去离子水H2O、氧源。第一种和第二种化学物质从外部源容器蒸发。TiCl4原材料为室温，大约21℃，并且H2O原材料为14℃。在脉冲之间，用N2气清洗反应室。
脉冲循环如下：TiCl4脉冲，接着N2清洗，接着H2O脉冲并且接着N2清洗。脉冲长度如下：
  脉冲源   脉冲长度(秒)
  TiCl<sub>4</sub>   0.2
  N<sub>2</sub>清洗   10.0
  H<sub>2</sub>O   0.6
  N<sub>2</sub>清洗   10.0
重复脉冲循环6000次。确定TiO2膜与衬底粘附性的胶带试验是优异的。参照图11，该图显示了TiO2膜的透射谱。
透光度的数据给出下面的折射率值：
波长[纳米] 透光度   近似折射率(使用固定的衬底n＝1.54@589.3纳米)
  1385   80.37％   2.12
  846   79.85％   2.13
  617   78.36％   2.17
  497   76.10％   2.23
  424   73.03％   2.33
  379   67.20％   2.50
TiO2膜的平均厚度为507纳米，并且平均生长速率为0.0845纳米/循环。透光度数据表明500纳米以上的光学损失低于0.3％，1000纳米以上低于0.1％。在工艺没有任何特殊优化的情况下，所得值是比较均匀的，表明衬底区域上的厚度不均匀度低于5％。
在第二个实施例中，840纳米，在较低的温度下向光学结构施用两层抗反射涂层。两层薄膜的抗反射设计需要高和低的折射率薄膜。在本实施例中，TiO2是高折射率的膜，Al2O3是低折射率的膜。监控衬底是硼硅酸盐玻璃OA-2(NEG)。
在相同的工艺成批操作中，将两片195毫米×265毫米玻璃工艺监控衬底装入具有MOE结构衬底的流式ALD批反应器的反应室中。一个衬底躺在平面的衬底座框架上，从而将玻璃衬底的两侧暴露于气流中。这就允许在衬底的两侧产生抗反射涂层。另一片衬底对着平整表面放置，从而防止背面生长，因此仅在玻璃衬底的一侧上具有抗反射涂层。
在将衬底装入反应器中后，用N2气(纯度99.99％，AGA)清洗反应器。流速为2.75SLM，并且调节泵速，维持反应空间内的压力大约为120Pa。使反应室稳定8小时而不加热，在此期间玻璃衬底达到约82℃的温度。
向反应室中顺序引入化学物质脉冲，接触衬底表面。第一种化学物质是TiCl4(99.9％纯度，Sigma-Aldrich)、过渡金属化学物质和金属源。第二种化学物质是去离子水H2O、氧源。第一种和第二种化学物质从外部源容器蒸发。TiCl4原材料为室温，约21℃，并且H2O原材料为14℃。在脉冲之间，用N2气清洗反应室。因此，脉冲循环如下：TiCl4脉冲，接着N2清洗，接着H2O脉冲并且接着N2清洗。脉冲长度如下：
  脉冲源   脉冲长度(秒)
  TiCl<sub>4</sub>   0.4
  N<sub>2</sub>清洗   10.0
  H<sub>2</sub>O   0.6
  N<sub>2</sub>清洗   10.0
该循环生长速率为约0.056纳米/循环。循环重复700次。所得膜的折射率为大约2.28。
第二个抗反射涂层包括温度为21℃的TMA(99.9％纯度，Crompton)，有机金属化学试剂和铝源。第二个涂层还包括温度为14℃的去离子水H2O脉冲、氧源。两种化学物质都从外部源容器蒸发，并且引入反应室中，使其顺序接触衬底的表面。在脉冲之间，用N2气清洗反应室。因此，脉冲循环如下：TMA脉冲，接着N2清洗，接着H2O脉冲并且接着N2清洗。脉冲长度如下：
  脉冲源   脉冲长度(秒)
  TMA   0.4
  N<sub>2</sub>清洗   7.0
  H<sub>2</sub>O   0.6
  N<sub>2</sub>清洗   10.0
该循环给出生长速率为约0.081纳米/次。循环重复2130次。折射率为大约1.60。
在完成第二层循环后，在玻璃衬底上存在抗反射膜。抗反射膜完全覆盖了玻璃衬底的暴露表面。从反应室中除去所得的玻璃衬底。实施胶带试验，确定抗反射膜与衬底的粘附性，发现其是优异的。
参照图12，该图显示了所得抗反射薄膜的透射谱。使用分光光度计分析抗反射薄膜，描绘出相对透光度。
在所述过程没有任何特殊优化的情况下，峰波长值比较均匀。在衬底区域上方，一侧具有涂层的衬底的平均峰波长为838纳米，标准偏差为2.6纳米。两侧具有涂层的衬底的平均峰波长为837纳米，标准偏差为2.6纳米。通过改变循环次数可以容易地调节滤波器。
在第三个实施例中，使用RVD技术向衬底施用SiO2:Al2O3涂层。将155毫米×265毫米的玻璃工艺监控衬底(硼硅酸OA-2(NEG))和具有MOE结构的衬底装入流式ALD批反应器的反应室中。衬底躺在平整的衬底座平面上，从而只将玻璃衬底的一侧暴露于气流中。
在将衬底装入反应器中后，用N2气(纯度99.99％，AGA)清洗反应器。流速为3SLM，并且调节泵速，维持反应空间内的压力大约为90Pa。使反应空间稳定5小时，在此期间玻璃衬底达到约300℃的温度。
然后，向反应空间中交替引入第一种和第二种化学物质的脉冲。第一种化学物质是包含硅和TMA(三甲基铝Al(CH3)3，99.9％纯度，Crompton)、有机金属化学试剂和铝源。第二种化学物质是AldrichChemical Company，Inc制造的“三(叔丁氧基)甲硅烷醇”(99.999％纯度)。化学物质都从外部源容器蒸发，并且引入反应空间中，使其顺序接触衬底的表面。TMA原材料为室温(约21℃)并且“三(叔丁氧基)甲硅烷醇”原材料为85℃。在脉冲之间，用N2气清洗反应室。因此，脉冲循环如下：TMA脉冲，接着N2清洗，接着“三(叔丁氧基)甲硅烷醇”脉冲并且接着N2清洗。脉冲长度如下：
  脉冲源   脉冲长度(秒)
  TMA   0.6
  N<sub>2</sub>清洗   2.0
  “三(叔丁氧基)甲硅烷醇”   10.0
  N<sub>2</sub>清洗   4.0
重复所述循环200次。一次循环导致大约具有一层Al2O3和3层SiO2的低折射率膜。
实施胶带试验，确定SiO2膜与衬底的粘附性，发现其是优异的。SiO2膜的平均厚度为223纳米，并且平均生长速率为1.12纳米/循环。折射率大约为1.474。在所述过程没有任何特殊优化的情况下，该值是比较均匀的，表明衬底区域上方厚度的不均匀性低于2％。
在第四个实施例中，在相对适度的温度下向衬底施用低光学损失的高折射率Ta2O5涂层。将195毫米×265毫米的玻璃工艺监控衬底(硼硅酸OA-2(NEG))和具有MOE结构的衬底装入流式ALD批反应器的反应室中。衬底躺在平面的衬底座平面上，从而只将玻璃衬底的一侧暴露于气流中。
在将衬底装入反应器中后，用N2气(纯度99.99％，AGA)清洗反应器。流速为2.75SLM，并且调节泵速，维持反应空间内的压力大约为120Pa。使反应空间稳定3小时，在此期间玻璃衬底达到约250℃的温度。
向反应室中顺序交替引入化学物质的脉冲。第一种化学物质是乙氧基钽(V)[Ta(OEt)5]2(99.9％纯度，Inorgtech)、有机金属化学试剂和钽金属源。第二种化学物质是去离子水H2O、氧源。第一种和第二种化学物质都从外部源容器蒸发，并且引入反应空间中，使其顺序接触衬底的表面。[Ta(Oet)5]2原材料为140℃的温度并且H2O原材料为20℃。在脉冲之间，用N2气清洗反应室。因此，脉冲循环如下：[Ta(Oet)5]2脉冲，接着N2清洗，接着H2O脉冲并且接着N2清洗。脉冲长度如下：
  脉冲源   脉冲长度(秒)
  [Ta(Oet)<sub>5</sub>]<sub>2</sub>   0.6
  N<sub>2</sub>清洗   0.6
  H<sub>2</sub>O   0.5
  N<sub>2</sub>清洗   1.7
重复所述循环11605次。实施胶带试验，确定[Ta(Oet)5]2膜与衬底的粘附性，发现其是优异的。
参照图13，该图显示了所得薄膜的透射谱。使用分光光度计分析抗反射薄膜，描绘出相对透光度。
Ta2O5膜的平均厚度为470纳米，并且平均生长速率为0.0405纳米/循环。Ta2O5的典型吸收小于0.1％。在所述过程没有任何特殊优化的情况下，该值是比较均匀的，表明衬底区域上方厚度的不均匀性低于3％。
在第五个实施例中，在适度的温度下形成具有低光学损失和低折射率的较厚薄膜。将195毫米×265毫米的玻璃工艺监控衬底(玻璃1737F，Corning)装入流式ALD批反应器的反应室中。衬底躺在平面的衬底座平面上，从而只将玻璃衬底的一侧暴露于气流中。
在将衬底装入反应器中后，用N2气(纯度99.99％，AGA)清洗反应器。流速为3SLM，并且调节泵速，维持反应空间内的压力大约为120Pa。使反应空间稳定5小时而不加热，在此期间玻璃衬底达到约280℃的温度。
然后，向反应室中交替引入第一种和第二种化学物质的脉冲。第一种化学物质是温度为21℃的TMA(99.9％纯度，Crompton)、有机金属化学试剂和铝源。第二种化学物质是温度为14℃的去离子水H2O、氧源。前体都从外部源容器蒸发，并且用N2气引入反应空间中，使其顺序接触衬底的表面。在脉冲之间，用N2气清洗反应室。因此，脉冲循环如下：TMA脉冲，接着N2清洗，接着H2O脉冲并且接着N2清洗。脉冲长度如下：
  脉冲源   脉冲长度(秒)
  TMA   1.0
  N<sub>2</sub>清洗   1.0
  H<sub>2</sub>O   0.4
  N<sub>2</sub>清洗   1.0
实施胶带试验，确定Al2O3膜与衬底的粘附性，发现其是优异的。所述循环给出约0.10纳米/循环的制造速率。重复所述循环9927次。所得膜的折射率约为1.6。
参照图14，该图显示了所得薄膜的透射谱。使用分光光度计分析抗反射薄膜，描绘出相对透光度。
本领域技术人员明显可以对上述实施方案的细节做出许多改变而不会背离本发明的基本原理。因此，本发明的范围应该仅由下面的权利要求来确定。

Claims (100)

1.一种制造微光学元件的方法，其包括：
提供一种光学结构，所述光学结构具有不平结构的表面，该不平结构具有小于红外光波长的尺寸；
将所述光学结构放入反应空间中；
向所述反应空间中引入第一化学物质，使一部分第一化学物质吸附在所述光学结构上；
在引入第一化学物质后，清洗所述反应空间；
向所述反应空间中引入第二化学物质，使一部分第二化学物质与吸附的第一化学物质反应，形成与光学结构一致的自限制的膜；以及
在引入第二化学物质后，清洗所述反应空间。
2.权利要求1的方法，其中所述吸附在所述光学结构上的第一化学物质形成单层。
3.权利要求1的方法，其中所述吸附在所述光学结构上的第一化学物质形成少于单层。
4.权利要求1的方法，其中所述光学结构是衍射型光学结构。
5.权利要求1的方法，其中所述光学结构是折射型光学结构。
6.权利要求1的方法，其中形成所述光学结构的方法选自由注模、压模、压印、浇铸和光刻工艺组成的组。
7.权利要求1的方法，其中所述光学结构是无源元件。
8.权利要求7的方法，其中所述光学结构选自以下组：束成形器、分束器、微透镜、微透镜阵列、扩散器、激光二极管校正器、图形发生器、准直器、光栅器件、DNA芯片、生物芯片、滤光器、波导、光学衰减器、增益整平滤光器、灰影滤光器、图像传感器以及抗反射涂层结构。
9.权利要求7的方法，其中所述光学结构布置在集成电路上。
10.权利要求7的方法，其中所述光学结构布置在光检测器件上。
11.权利要求10的方法，其中所述光检测器件选自由发光二极管、太阳能电池、CCD器件、CMOS器件和集成电路组成的组。
12.权利要求7的方法，其中所述光学结构布置在发光器件上。
13.权利要求12的方法，其中所述发光器件选自由激光器件、VCSEL激光器件、发光二极管、RC-LED和集成电路组成的组。
14.权利要求1的方法，其中所述自限制的膜选自以下组：抗反射涂层、光学低通滤光器、光学高通滤光器、光学带通滤光器、光学带阻滤光器、波导、光学衰减器、增益整平滤光器、灰阶滤光器或钝化层。
15.权利要求1的方法，其中所述光学结构包括选自由玻璃、硅、Si-氧化物、Si-氮化物、Si-氧氮化物和Ge组成的组的材料。
16.权利要求1的方法，其中所述光学结构包括熔融氧化硅。
17.权利要求1的方法，其中所述光学结构包括选自由以下材料组成的组的材料：氟代聚合物、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、OrmocerTM复合聚合物、EPON SU-8环氧树脂、有机改性的硅酸盐Ormosils和nanomers。
18.权利要求1的方法，其中所述自限制的膜包括选自由Al、Ti、Si、Ge、Ta、Nb、Zr、Hf、Mo、W、V、Cr、Cu、Mo、Pt、Pd和Ir组成的组的金属。
19.权利要求1的方法，其中所述自限制的膜包括氧化物，所述氧化物选自由Al-氧化物、Ti-氧化物、Si-氧化物、Ge-氧化物、Ta-氧化物、Nb-氧化物、Zr-氧化物、Hf-氧化物、Mo-氧化物、W-氧化物、V-氧化物、Cr-氧化物、Y-氧化物、Ce-氧化物、Mg-氧化物和Ba-氧化物组成的组。
20.权利要求1的方法，其中所述自限制的膜包括氮化物，所述氮化物选自由Al-氮化物、Ti-氮化物、Si-氮化物、Ge-氮化物、Ta-氮化物、Nb-氮化物、Zr-氮化物、Hf-氮化物、Mo-氮化物、W-氮化物、V-氮化物、Cr-氮化物、Y-氮化物、Ce-氮化物、Mg-氮化物和Ba-氮化物组成的组。
21.权利要求1的方法，其中所述自限制的膜包括碳化物，所述碳化物选自由Al-碳化物、Ti-碳化物、Si-碳化物、Ge-碳化物、Ta-碳化物、Nb-碳化物、Zr-碳化物、Hf-碳化物、Mo-碳化物、W-碳化物、V-碳化物、Cr-碳化物、Y-碳化物、Ce-碳化物、Mg-碳化物和Ba-碳化物组成的组。
22.权利要求1的方法，其中所述自限制的膜包括氧化物和氮化物。
23.权利要求1的方法，其中所述自限制的膜包括氧化物和碳化物。
24.权利要求1的方法，其中所述自限制的膜包括氮化物和碳化物。
25.权利要求1的方法，其中所述自限制的膜包括硫化物，所述硫化物选自由Zn-硫化物、Ca-硫化物、Sr-硫化物、Ba-硫化物、Cd-硫化物和Pb-硫化物组成的组。
26.权利要求1的方法，其中所述自限制的膜包括选自由Ca-氟化物、Sr-氟化物和Zn-氟化物组成的组的氟化物。
27.权利要求1的方法，其中所述自限制的膜包括透明导体，所述透明导体选自由In-氧化物、Sn-氧化物、InSn-氧化物、Zn-氧化物和掺Al的Zn-氧化物组成的组。
28.权利要求1的方法，其中所述自限制的膜的折射率为约1.2至约3。
29.权利要求1的方法，其中所述光学结构是DNA芯片。
30.权利要求1的方法，其中所述光学结构是生物芯片。
31.权利要求1的方法，其中在低于150℃的温度下将所述光学结构暴露于第一和第二化学物质中。
32.权利要求31的方法，其中在低于90℃的温度下将所述光学结构暴露于第一和第二化学物质中。
33.权利要求32的方法，其中在低于60℃的温度下将所述光学结构暴露于第一和第二化学物质中。
34.权利要求33的方法，其中在大约室温下将所述光学结构暴露于第一和第二化学物质中。
35.权利要求31的方法，其中所述自限制的膜包括选自TiO2、Al2O3、ZnO、SiO2、Ta2O5、和Nb2O5组中的材料。
36.权利要求35的方法，其中所述自限制的膜包括TiO2和Al2O3的层状结构。
37.权利要求36的方法，其中所述自限制的膜是抗反射涂层。
38.权利要求1的方法，其中所述不平结构的长宽比约为1∶1。
39.权利要求1的方法，其中所述不平结构的长宽比约为1∶10。
40.权利要求1的方法，其进一步包括在大气压下操作所述反应空间。
41.权利要求1的方法，其进一步包括在低于大气压下操作所述反应空间。
42.权利要求1的方法，其进一步包括在从0.1毫巴至约50毫巴的压力下操作所述反应空间。
43.权利要求1的方法，其进一步包括加热所述反应空间。
44.权利要求43的方法，其进一步包括在从约150℃至约600℃的温度下操作所述反应空间。
45.权利要求43的方法，其进一步包括在从约250℃至约550℃的温度下操作所述反应空间。
46.权利要求1的方法，其中所述反应空间包括在原子层沉积反应器内。
47.权利要求1的方法，其中将所述第一和第二化学物质引入所述反应空间中包括使用选自由氮气、氦气、氖气、氩气和二氧化碳组成的组的惰性载气。
48.权利要求1的方法，其中所述第一和第二化学物质都是蒸气形态。
49.权利要求1的方法，其进一步包括使惰性气体流过所述反应空间。
50.权利要求1的方法，其中一次循环包括引入所述第一化学物质、清洗所述反应空间、引入所述第二化学物质并且清洗所述反应空间，并且进一步包括重复所述循环，以增加自限制的膜的厚度。
51.权利要求50的方法，其进一步包括重复所述循环1至100,000次。
52.一种微光学元件，其包括：
一种光学结构，所述光学结构具有不平结构的表面，该不平结构具有小于红外光波长的尺寸；
设置在至少一部分表面上并且与所述表面一致的自限制的膜，所述自限制的膜如下形成：
将所述光学结构放入反应空间中；
向所述反应空间中引入第一化学物质，使一部分第一化学物质吸附在所述光学结构上；
在引入第一化学物质后，清洗所述反应空间；
向所述反应空间中引入第二化学物质，使一部分第二化学物质与吸附的第一化学物质反应，以形成与光学结构一致的自限制的膜；
在引入第二化学物质后，清洗所述反应空间。
53.权利要求52的微光学元件，其中所述光学结构是衍射型光学结构。
54.权利要求52的微光学元件，其中所述光学结构是折射型光学结构。
55.权利要求52的微光学元件，其中形成所述光学结构选自由注模、压模、压印、浇铸和光刻工艺组成的组。
56.权利要求52的微光学元件，其中所述光学结构是无源元件。
57.权利要求56的微光学元件，其中所述光学结构选自以下组：束成形器、分束器、微透镜、微透镜阵列、扩散器、激光二极管校正器、图形发生器、准直器、光栅器件、DNA芯片、生物芯片、滤光器、波导、光学衰减器、增益整平滤光器、灰影滤光器、图像传感器以及抗反射涂层结构。
58.权利要求56的微光学元件，其中所述光学结构布置在集成电路上。
59.权利要求56的微光学元件，其中所述光学结构布置在光检测器件上。
60.权利要求59的微光学元件，其中所述光检测器件选自由发光二极管、太阳能电池、CCD器件、CMOS器件和集成电路组成的组。
61.权利要求56的微光学元件，其中所述光学结构布置在发光器件上。
62.权利要求61的微光学元件，其中所述发光器件选自由激光器件、VCSEL激光器件、发光二极管、RC-LED和集成电路组成的组。
63.权利要求57的微光学元件，其中所述自限制的膜选自以下组：抗反射涂层、光学低通滤光器、光学高通滤光器、光学带通滤光器、光学带阻滤光器、波导、光学衰减器、增益整平滤光器、灰阶滤光器和钝化层。
64.权利要求52的微光学元件，其中所述光学结构包括选自由玻璃、硅、Si-氧化物、Si-氮化物、Si-氧氮化物和Ge组成的组的材料。
65.权利要求52的微光学元件，其中所述光学结构包括熔融氧化硅。
66.权利要求52的微光学元件，其中所述光学结构包括选自由以下材料组成的组的材料：氟代聚合物、聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、OrmocerTM复合聚合物、EPON SU-8环氧树脂以及有机改性的硅酸盐Ormosils和nanomers。
67.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜包括选自由Al、Ti、Si、Ge、Ta、Nb、Zr、Hf、Mo、W、V、Cr、Cu、Mo、Pt、Pd和Ir组成的组的金属。
68.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜包括氧化物，所述氧化物选自由Al-氧化物、Ti-氧化物、Si-氧化物、Ge-氧化物、Ta-氧化物、Nb-氧化物、Zr-氧化物、Hf-氧化物、Mo-氧化物、W-氧化物、V-氧化物、Cr-氧化物、Y-氧化物、Ce-氧化物、Mg-氧化物和Ba-氧化物组成的组。
69.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜包括氮化物，所述氮化物选自由Al-氮化物、Ti-氮化物、Si-氮化物、Ge-氮化物、Ta-氮化物、Nb-氮化物、Zr-氮化物、Hf-氮化物、Mo-氮化物、W-氮化物、V-氮化物、Cr-氮化物、Y-氮化物、Ce-氮化物、Mg-氮化物和Ba-氮化物组成的组。
70.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜包括碳化物，所述碳化物选自由Al-碳化物、Ti-碳化物、Si-碳化物、Ge-碳化物、Ta-碳化物、Nb-碳化物、Zr-碳化物、Hf-碳化物、Mo-碳化物、W-碳化物、V-碳化物、Cr-碳化物、Y-碳化物、Ce-碳化物、Mg-碳化物和Ba-碳化物组成的组。
71.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜包括氧化物和氮化物。
72.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜包括氧化物和碳化物。
73.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜包括氮化物和碳化物。
74.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜包括硫化物，所述硫化物选自由Zn-硫化物、Ca-硫化物、Sr-硫化物、Ba-硫化物、Cd-硫化物和Pb-硫化物组成的组。
75.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜包括选自由Ca-氟化物、Sr-氟化物和Zn-氟化物组成的组的氟化物。
76.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜包括透明导体，所述透明导体选自由In-氧化物、Sn-氧化物、InSn-氧化物、Zn-氧化物和掺Al的Zn-氧化物组成的组。
77.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜的折射率为约1.2至约3。
78.权利要求52的微光学元件，其中所述光学结构是DNA芯片。
79.权利要求52的微光学元件，其中所述光学结构是生物芯片。
80.权利要求52的微光学元件，其中在低于150℃的温度下吸附第一化学物质和与所吸附的第一化学物质反应的第二化学物质。
81.权利要求80的微光学元件，其中在低于90℃的温度下吸附第一化学物质和与所吸附的第一化学物质反应的第二化学物质。
82.权利要求81的微光学元件，其中在低于60℃的温度下吸附第一化学物质和与所吸附的第一化学物质反应的第二化学物质。
83.权利要求82的微光学元件，其中在大约室温下吸附第一化学物质和与所吸附的第一化学物质反应的第二化学物质。
84.权利要求80的微光学元件，其中所述自限制的膜包括选自TiO2、Al2O3、ZnO、SiO2、Ta2O5、和Nb2O5组的材料。
85.权利要求80的微光学元件，其中所述自限制的膜包括TiO2和Al2O3的层状结构。
86.权利要求80的微光学元件，其中所述自限制的膜是抗反射涂层。
87.权利要求52的微光学元件，其中所述不平结构的长宽比约为1∶1。
88.权利要求52的微光学元件，其中所述不平结构的长宽比约为1∶10。
89.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜进一步通过在大气压下操作所述反应空间来形成。
90.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜进一步通过在低于大气压下操作所述反应空间来形成。
91.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜进一步通过在从0.1毫巴至约50毫巴的压力下操作所述反应空间来形成。
92.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜进一步通过加热所述反应空间来形成。
93.权利要求92的微光学元件，其中所述自限制的膜进一步通过在从约150℃至约600℃下操作所述反应空间来形成。
94.权利要求92的微光学元件，其中所述自限制的膜进一步通过在从约250℃至约550℃的温度下操作所述反应空间来形成。
95.权利要求52的微光学元件，其中所述反应空间包括在原子层沉积反应器内。
96.权利要求52的微光学元件，其中将所述第一和第二化学物质引入所述反应空间中包括使用选自由氮气、氦气、氖气、氩气和二氧化碳组成的组的惰性载气。
97.权利要求52的微光学元件，其中所述引入的第一和第二化学物质都是蒸气形态。
98.权利要求52的微光学元件，其中所述自限制的膜进一步通过使惰性气体流过所述反应空间而形成。
99.权利要求52的微光学元件，其中一次循环包括引入所述第一化学物质、清洗所述反应空间、引入所述第二化学物质并且清洗所述反应空间，并且进一步通过重复所述循环以增加自限制的膜的厚度而形成所述自限制的膜。
100.权利要求99的微光学元件，其进一步包括重复所述循环1至100,000次。
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