CN110036317A - 制作非均匀衍射光栅 - Google Patents

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Abstract

一种制造非均匀光栅的方法包括：将不同密度的离子注入到基底的对应区域中；例如通过光刻来图案化位于基底上的抗蚀剂层；使用图案化的抗蚀剂层蚀刻基底；然后从基底去除抗蚀剂层，留下具有至少一个光栅的基底，该至少一个光栅具有与注入到所述区域中的不同离子密度相关的非均匀特性。该方法还可以包括使用具有光栅的基底作为模具来例如通过纳米压印光刻制造具有对应非均匀特性的对应光栅。

Description

制作非均匀衍射光栅
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年10月5日提交的申请号为No.62/404,555的美国临时申请的优先权。申请号为No.62/404,555的美国申请的内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开一般涉及微/纳米结构制造，尤其涉及衍射光栅的制造。
背景技术
衍射光栅是具有周期性结构的光学部件，其可以将光分裂并衍射成行进到不同方向的若干光束。这些光束的方向取决于光栅的间隔、光的波长以及光栅和基底的折射率。在一些示例中，衍射光栅由一组狭缝构成，该组狭缝具有比光的波长宽的间隔，以引起衍射。在光与光栅相互作用之后，衍射光由从光栅中的每个狭缝发出的干涉波的总和组成。狭缝的深度影响到每个狭缝的波的路径长度，这相应地影响来自每个狭缝的波的相位并因此影响狭缝的衍射效率。如果狭缝具有均匀的深度，则光栅中的狭缝可能具有均匀的衍射效率。如果狭缝具有非均匀的深度，则光栅中的狭缝可能具有非均匀的衍射效率。
已经使用各种方法制造衍射光栅，包括光掩模、电子束光刻、蚀刻技术和全息干涉。然而，通过上述方法制造的衍射光栅通常是具有均匀的衍射效率的均匀的光栅。较少的方法被开发来制造具有非均匀的衍射效率的衍射光栅，特别是具有高分辨率和大面积的衍射光栅。
发明内容
本公开的一方面的特征在于一种制造非均匀结构的方法。方法包括：将不同密度的离子注入到基底的对应区域中；图案化位于基底上的抗蚀剂层；然后使用图案化的抗蚀剂层蚀刻基底，留下具有至少一个非均匀结构的基底，至少一个非均匀结构具有与注入到区域中的不同离子密度相关的非均匀特性。
该方法可以包括从基底去除抗蚀剂层。该方法还可以包括使用具有非均匀结构的基底作为模具通过纳米压印光刻来制造对应的非均匀结构。蚀刻基底可以包括使用反应离子蚀刻。
非均匀结构可以包括非均匀光栅。在一些示例中，光栅包括二元光栅，二元光栅具有与不同离子密度对应的非均匀深度。在一些示例中，光栅包括闪耀光栅，闪耀光栅具有与不同离子密度对应的非均匀深度。
在一些实现方式中，将不同密度的离子注入到基底的对应区域中包括：沿第一方向将第一密度的离子注入到至少一个目标区域中；以及沿着第二不同的方向将第二密度的离子注入到目标区域中，其中第一方向与第二方向之间的角度大于0度且小于180度。
在一些实现方式中，将不同密度的离子注入到基底的对应区域中包括：沿着方向在离子源与基底之间移动光闸(shutter)，其中具有不同离子密度的被注入的区域沿着方向。可以根据与不同密度对应的离子曝光分布来移动光闸。在一些示例中，光闸是被配置为阻挡离子通过的固体面板。
在一些示例中，光闸限定多个通孔，多个通孔允许离子从离子源传播到基底。在一些情况下，移动光闸包括：以第一速度将光闸移动穿过基底中的第一目标区域之上的第一位置，以允许离子穿过通孔到第一目标区域上；以第二速度将光闸从第一位置移动到第二连续位置，第二连续位置位于基底中的第二目标区域之上，第二速度比第一速度快；以及以第一速度将光闸移动穿过第二连续位置，以允许离子穿过通孔到第二目标区域上。在一些情况下，移动光闸包括：将光闸移动到基底中的第一目标区域之上的第一位置；在第一位置使光闸停止持续时间段，以允许一定量的离子穿过通孔到第一目标区域上；然后将光闸移动到基底中的第二目标区域之上的第二连续位置。
在一些实现方式中，将不同密度的离子注入到基底的对应区域中包括：在离子源与基板之间放置光闸，光闸包括具有不同离子透射率的多个部分。多个部分可以包括多个膜，多个膜具有与不同离子透射率对应的不同厚度。
在一些实现方式中，将不同密度的离子注入到基底的对应区域中包括：使用聚焦离子束将不同密度的离子局部地注入到基底的对应区域中。
抗蚀剂层可以包括光致抗蚀剂，并且其中图案化位于基底上的抗蚀剂层可以包括：在包括区域中的基底上沉积光致抗蚀剂层；使用光刻法用图案化的光来曝光光致抗蚀剂层；以及蚀刻沉积的光致抗蚀剂层中的被曝光的光致抗蚀剂层和未被曝光的光致抗蚀剂中的一者，以在基底上显影图案化的抗蚀剂层。
没有离子注入的区域可以具有第一蚀刻敏感度，以及具有离子注入的区域可以具有第二蚀刻敏感度，以及第一蚀刻敏感度与第二蚀刻敏感度之间的比率可以大于2。基底可以是硅基底，以及离子可以包括镓离子。非均匀结构可以具有不大于5000nm的横向分辨率。非均匀结构可以具有至少1mm的总尺寸。
在一些实现方式中，将不同密度的离子注入到基底的对应区域中包括：沿第一方向将第一不同密度的离子注入到基底的第一区域中；以及沿第二方向将第二不同密度的离子注入到基底的第二区域中，在基底中第二区域与第一区域邻近。该方法可以还包括从基底去除抗蚀剂层，使基底具有：位于第一区域中的第一光栅，第一光栅沿第一方向具有增加的衍射效率；以及位于第二区域中的第二光栅，第二光栅沿第二方向具有增加的衍射效率。在一些情况下，将不同密度的离子注入到基底的对应区域中包括：沿不同于第一方向的第三方向将第三不同密度的离子注入到第一区域中，其中第一方向与第三方向之间的角度大于0度且小于180度，并且其中第三不同离子密度小于第一不同离子密度。在一些情况下，将不同密度的离子注入到基底的对应区域中包括：沿不同于第二方向的第四方向将第四不同密度的离子注入到第二区域中，其中第二方向与第四方向之间的角度大于0度且小于180度，并且其中第四不同离子密度小于第二不同离子密度。
本公开的另一方面的特征在于一种装置，其包括位于基底上的具有一个或多个层的衍射光学元件(DOE)，每个层包括正交瞳孔扩大(OPE)衍射元件和出射瞳孔扩大(EPE)衍射元件，其中OPE衍射元件包括第一非均匀光栅，第一非均匀光栅被配置为将在基底中传播的输入光束的部分偏转到基底中的EPE衍射元件中，以及其中EPE衍射元件包括第二非均匀光栅，第二非均匀光栅被配置为将来自OPE衍射元件的被偏转的光束的部分偏转出基底。该装置可以包括内耦合元件(ICO)，该内耦合元件(ICO)被集成在基底中且被配置为接收来自基底的外部的输入光束并将输入光束传输到基底中的DOE。
第一非均匀光栅可以具有沿第一方向变化的第一特性，第二非均匀光栅可以具有沿与第一方向不同的第二方向变化的第二特性，以及第一非均匀光栅可以沿第一方向具有增加的衍射效率，第二非均匀光栅可以沿第二方向具有增加的衍射效率。在一些示例中，第一方向与第二方向之间的角度在45度与90度之间。
在一些实现方式中，第一非均匀光栅具有沿不同于第一方向的第三方向变化的第三特性，以及其中第一方向与第三方向之间的角度大于0度且小于180度。在一些实现方式中，第二非均匀光栅具有沿不同于第二方向的第四方向变化的第四特性，以及其中第二方向与第四方向之间的角度大于0度且小于180度。
在附图和以下描述中阐述了一个或多个公开的实现方式的细节。根据说明书、附图和权利要求，其他特征、方面和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是在基底中制造非均匀衍射光栅的示例过程的流程图。
图2示出了在图1的制造过程中的不同步骤之后的基底的示例性横截面图。
图3A是使用具有固体面板的移动光闸将变化密度的离子注入到基底中的第一示例方法的示意图。
图3B是使用具有通孔的移动光闸将变化密度的离子注入到基底中的第二示例方法的示意图。
图3C是使用具有变化的透射的部分的光闸将变化密度的离子注入到基底中的第三示例方法的示意图。
图3D是使用聚焦离子束(FIB)将变化密度的离子注入到基底中的第四示例方法的示意图。
图4A示出了小区域非均匀离子注入和蚀刻到硅基底中的实验结果。
图4B示出了具有大区域非均匀离子注入和蚀刻到硅基底中的实验结果。
图5示出了根据示例实现例的利用离子注入和光刻制造的非均匀衍射光栅的实验结果。
图6示出了使用非均匀衍射光栅的示例光学系统。
具体实现方式
本公开描述了用于微/纳米结构制造的方法、装置和系统，特别是用于制造例如衍射光栅的非均匀微/纳米结构以及非均匀微/纳米结构例如在光学系统中的应用。该技术采用在空间上将不同密度的离子注入到基底的对应区域中。离子注入可以改变基底的蚀刻敏感度，使得离子注入区域和未注入(或非掺杂)区域的蚀刻敏感度不同。然后，通过与例如光刻或纳米压印的图案化技术组合，以选择性地对基底上的保护性抗蚀剂层进行图案化，该技术可以使基底在离子注入区域和非注入区域中具有不同的蚀刻深度/高度，从而获得非均匀的微/纳米结构。结果，基底中的离子密度或浓度的梯度或调制导致具有调制高度/深度分布的结构(例如，光栅)。这里可以使用任何光刻技术(包括任何类型的光刻或电子束光刻)或任何类型的抗蚀剂图案化技术。此外，具有非均匀结构的基底可以例如在纳米压印光刻中用作模具，以批量生产具有可变高度/深度图案的对应非均匀结构。离子注入可以在空间上受到控制，例如，在一维、二维或三维中受到控制。还将空间控制的离子注入与抗蚀剂图案化(例如，光刻)和蚀刻相结合，该技术允许比标准光刻或离子注入技术更灵活地设计和制造微/纳米结构。该技术可应用于具有例如尺寸大于1mm的大区域和/或具有高速度的基底，并且实现具有例如从5nm到1000nm的大深度范围的例如约5至10nm的高深度分辨率。
该技术可应用于使用例如硅、玻璃或聚合物的任何合适的材料和例如镓离子或氩的任何合适的离子物质进行的例如光栅的任何合适的微/纳米结构的制造。仅出于示例目的，以下描述主要涉及利用镓离子注入在硅基底中制造非均匀衍射光栅。
图1是在基底中制造非均匀衍射光栅的示例过程100的流程图，以及图2示出了在制造过程100的不同处理步骤之后的基底的示例性横截面图200。
可以任选地准备用于离子注入的基底(101)。可以例如通过清洁基底的表面来对基底进行预处理。在一些情况下，例如基于溶液的RCA清洁程序的湿化学处理可用于去除存在于基底上的任何有机或无机污染物。溶液可包括过氧化氢、三氯乙烯、丙酮或甲醇。
使用变化密度的离子(102)注入基底。如上所述，基底可以是硅基底，例如硅晶片。硅晶片的尺寸可以是2英寸、4英寸、6英寸或任何其他期望的尺寸。离子可以是镓离子。
如在图3A-3D中进一步详细讨论的那样，可以在空间上控制离子注入以局部调制基底中的离子密度。可以实现基底中任何合适的离子密度分布，例如，线性或正弦分布。该分布可以是一维的(例如，对于线性光栅)、二维的(例如，对于圆形光栅或任何二维纳米结构)或三维的(例如，对于具有棱锥形状的纳米结构)。图2中的(I)示出了在离子注入之后具有线性分布的离子密度204的基底202，其中注入到基底202中的离子204沿着基底202的方向(例如，纵向)从基底202的表面具有线性增加的密度(或深度)。可以基于基底中期望的离子密度分布预先确定离子注入的分布。基于预先确定的离子注入分布，可以以改变基底不同区域相对于离子源的曝光时间的速率在例如一维、二维或三维上移动光闸，以实现基底中期望的离子密度分布。
注入的离子可以改变基底的蚀刻敏感度，这可能由于几种机制而在蚀刻中引起蚀刻延迟行为(或掩蔽效应)。第一个是通过杂质原子对注入区域进行物理修改，这会改变晶格常数、引起相关的应变效应并最终减慢蚀刻。第二个是离子注入和非注入区域与蚀刻化学(chemistry)的不同化学反应。因此，蚀刻化学也会影响被离子注入的基底的蚀刻敏感度。在特定示例中，未被注入的硅和被镓离子注入的硅的蚀刻敏感度(或蚀刻速率比)的比率大于1:1，例如2:1、3:1、5:1、10:1、100:1或1000:1。
在一些情况下，可能存在用于离子注入的最大曝光剂量，其中在该最大曝光剂量以下，最终结构高度或深度表示相对于离子注入的曝光剂量的大致线性依赖性。超过最大曝光剂量，离子的溅射可能变得非常广泛并且使掩蔽效应过重。也就是说，蚀刻速率比可能随着离子剂量的进一步增加而降低。在特定示例中，用于硅的镓离子的最大曝光剂量为约1.5×1016ions/cm2。
在基底(104)上图案化抗蚀剂层。可以通过包括光刻或纳米压印的任何合适的图案化技术来图案化抗蚀剂层。在一些实现方式中，抗蚀剂层是光致抗蚀剂层，且所用的光刻技术是光刻法。抗蚀剂层可以是正性光致抗蚀剂层或负性光致抗蚀剂层。抗蚀剂层可以是保护性抗蚀剂层，以保护抗蚀剂层下方的基底免受蚀刻。
在一些示例中，在基底上图案化抗蚀剂层包括：在包括离子注入区域的基底上沉积光致抗蚀剂层；使用光刻法利用图案化的光来曝光光致抗蚀剂层；以及对沉积的光致抗蚀剂层的被曝光的光致抗蚀剂层(例如，用于正性光致抗蚀剂层)或未被曝光的光致抗蚀剂(例如，用于负性光致抗蚀剂层)进行蚀刻以在基底上显影图案化的抗蚀剂层。图2中的(II)示出了具有图案化的保护性抗蚀剂层206的基底。
通过抗蚀剂图案化和蚀刻，可以将图案化的抗蚀剂层的图案分布转移到基底中。在一些示例中，可以基于期望的光栅的分布和基底中变化离子密度的分布来预先确定或预先设计图案化的保护性抗蚀剂层的分布。光栅的横向分辨率可以通过图案化的保护性抗蚀剂层的分辨率由此通过光刻技术的分辨率来确定。光栅可以具有不超过5000nm的横向分辨率，特别是小于1000nm、500nm、200nm或100nm的横向分辨率。
蚀刻具有图案化的抗蚀剂层的基底(106)。如上所述，离子注入改变了基底的蚀刻敏感度，并且蚀刻化学物质也可以影响基底的蚀刻敏感度。可以通过干法蚀刻、湿法蚀刻或任何合适的蚀刻方法来蚀刻基底。在一些实例中，通过反应离子蚀刻(RIE)蚀刻基底，例如，室温下的RIE或深低温RIE。例如，具有镓离子注入的硅基底可以通过含有氧的RIE(例如，SF6/O2等离子体)或在没有氧的情况下通过具有基于氟的化学的RIE(例如，CF4)来蚀刻。
基底的蚀刻敏感度随着注入基底的对应区域中的变化的(或不同的)离子密度而变化。在相同的蚀刻时间的情况下，可以蚀刻具有变化的(或不同的)离子密度的区域，以具有与变化的(或不同的)离子密度对应的变化的(或不同的)深度。例如，具有较高离子密度的区域具有比具有较低离子密度的区域小的蚀刻深度。未被注入的区域具有最高的蚀刻深度。图2中的(III)示出了从左到右的与注入到基底中的增加的离子密度对应的具有减小的蚀刻深度208的基底。具有变化蚀刻深度的基底具有与基底上的图案化的保护性抗蚀剂层对应的图案。
在一些情况下，可以实现约5～10nm的蚀刻深度分辨率。蚀刻深度可以处于大范围内，例如，5nm至200nm。在离子注入期间离子的横向扩散可能限制所制造的光栅的特征尺寸的横向分辨率，该特征尺寸例如为光栅周期。横向扩散取决于加速电压。在一些示例中，对于30KeV的加速电压，扩散半径是12nm，对于100KeV的加速电压，扩散半径是45nm。
从基底去除抗蚀剂层以获得至少一个非均匀光栅(108)。在不再需要保护性抗蚀剂层之后，可以将其从基底上去除。在一些情况下，通过化学地更改抗蚀剂的液体抗蚀剂剥离剂去除抗蚀剂层，使得抗蚀剂不再粘附到基底。在一些情况下，通过含氧的等离子体去除抗蚀剂层。
非均匀光栅可具有与区域中的变化的离子密度相关联的分布。作为示例，图2中的(IV)示出了沿光栅的方向具有线性变化的深度208的衍射光栅。深度对应于沿着该方向的变化的离子密度，并且光栅可以沿着该方向具有变化的衍射效率。在一些示例中，非均匀光栅是二元光栅，如图2中的(IV)所示，具有与变化的离子密度对应的非均匀深度。
在一些示例中，非均匀光栅是具有与变化的离子密度对应的非均匀深度的闪耀光栅。例如，离子曝光剂量中的锯齿形分布可能在蚀刻后导致闪耀的分布。可以用以下概念图案化该结构：顶部闪耀部分接收最大剂量，并且通过改变每个周期内的剂量梯度的斜率来执行闪耀角度的调制。
可选地，具有非均匀光栅的基底可以用作例如通过纳米压印光刻制造对应光栅(110)的模具，该纳米压印光刻包括热塑纳米压印光刻、光纳米压印光刻或无抗蚀剂直接热纳米压印光刻。该步骤可以在新基底上批量生产对应的光栅。新基底可包括硅、玻璃或聚合物。
以上描述是制造非均匀衍射光栅的示例过程。该过程使用变化的离子注入密度以在基底中实现不同的蚀刻敏感度，从而获得非均匀的衍射光栅。所公开的过程可以适于在基底中制造任何非均匀的微/纳米结构。例如，在一些实现方式中，在图1的步骤106中，蚀刻基底以具有至少一个非均匀结构，该结构具有与注入到区域中的不同离子密度相关的非均匀特性。剩余的抗蚀剂层可以保持在基底上，例如，作为用于在基底中形成的非均匀结构的保护层或具有其他功能的层。在一些示例中，通过例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)的化学气相沉积(CVD)将抗蚀剂层基本均匀地沉积在基底上。在一些示例中，可以在基底和抗蚀剂层上进一步沉积附加层。
图3A-3D示出了将变化密度的离子注入到基底中的不同示例方法，其可以在图1的过程100的步骤102中执行。
参见图3A，第一示例方法300使用具有固体面板304的移动光闸在离子源302与基底306之间移动，以改变基底306的不同部分的曝光剂量。光闸304被配置为完全阻挡离子通过。例如，光闸304可以由例如钢的固体面板制成。光闸304被控制或被机动化以移动。
图3A中的图(I)、(II)和(III)示意性地示出了在不同时隙处的离子源302、移动光闸304和基底306。图3A中的图(I)示出了在离子注入之前移动光闸304位于离子源302与基底306之间，以完全阻挡离子从离子源302传播到基底306。然后，如图3A中的图(II)所示，当例如沿着诸如从右到左的方向移动移动光闸304时，基底306开始接收来自离子源302的离子照射。基底306的右部分经历比基底的左部分更长的离子曝光剂量，因此基底的右部分具有注入到基底中的更高密度的离子。因此，基底306沿着该方向具有变化的离子密度。可以基于分布来移动光闸304，该分布例如为基于基底中期望的离子密度分布而预先确定的分布。图3a中的图(III)示出，当移动光闸304被移出离子源302与基底306之间的空间时，基底306沿着该方向具有变化的离子密度，例如，具有从左到右的伴随着增加的离子暴露剂量的增加的离子密度。在一些情况下，基底306进一步被暴露于离子源302而其间没有移动光闸304，直到横跨基底实现期望的离子密度分布。
图3B是使用具有通孔354的移动光闸352将变化密度的离子注入到基底中的第二示例方法350的示意图。通孔354允许来自离子源(这里未示出)的离子通过并撞击基底356。移动光闸352的其他部分可以由诸如钢的固体材料制成，以阻挡离子通过。移动光闸352中通孔354的例如宽度和/或周期的性质可以基于例如光栅的结构的期望分布来确定。
图3B中的图(I)、(II)和(III)示意性地示出了在不同时隙处的移动光闸352和基底356。这示出当移动光闸352沿着从右到左的方向移动时，以较高剂量曝光的区域具有较高的离子密度。在一些实现方式中，光闸352恒定地沿着该方向移动。当光闸352移动穿过与要被离子注入的第一目标区域对应的第一位置(spot)时，光闸352可以以较慢的速度移动，使得一定量的离子可以穿过通孔354到达第一目标区域。当光闸从第一位置移动到与要被离子注入的第二目标区域对应的第二连续位置时，光闸可以以较快的速度移动，例如，速度可以足够快以忽略当在两个位置之间移动时在基底上的离子曝光。当光闸移过第二位置时，光闸的速度从较快的速度调整到较慢的速度。在一些实现方式中，光闸352沿着该方向离散地移动。当光闸352移动到第一位置时，光闸352停止以允许一定量的离子穿过通孔354到达第一目标区域。然后，光闸352移动到第二位置并停止以在第二目标区域上进行离子注入。在一些情况下，当光闸352在两个位置之间移动时，离子源被关闭。在一些情况下，光闸352在两个位置之间以快的速度移动，并且离子源保持打开。
与图3A的横跨基底306具有变化离子密度的基底306相比，基底356具有横跨基底356的离子注入的图案化分布。也就是，沿着该方向以变化的密度周期性地将离子注入到基底中。在一些情况下，可以在不使用附加的图案化技术的情况下直接蚀刻具有图案化和变化的离子注入的基底356，来获得具有变化的深度/高度的光栅。在一些情况下，还可以通过结合例如光刻技术的图案化技术来蚀刻基底356，以产生任何期望的蚀刻图案。在一些实现方式中，移动光闸352的长度小于基底356的长度，如图3B中所示。在一些实现方式中，移动光闸352的长度大于或等于基底356的长度。移动光闸352可以被定位成在初始位置完全覆盖基底356，然后被离散地移动以允许基底356的不同部分具有不同的离子注入曝光时间。
图3C是使用具有变化的透射的部分374的光闸372将变化密度的离子注入到基底376中的第三示例方法370的示意图。需要注意，光闸372可以被静态地定位在离子源(这里未示出)与基底376之间(或在离子源与基底376之间移动)。部分374可以在光闸372中具有变化的透射，这可以允许不同百分比的离子传播通过。在一些实现方式中，部分374由例如硅膜的膜制成，具有与不同离子透射率对应的不同厚度。
在特定示例中，光闸372被配置为具有五个部分，该五个部分具有一系列透射率，例如，在图3C中从10％、30％、50％、70％到90％(从左到右)变化。光闸372的其余部分具有0％的透射率，即，完全阻挡离子通过。以这种方式，在相同的曝光时间下，基底的不同区域可以经历不同的离子曝光剂量，因此具有不同的离子密度。结果，与图3B类似，基底376还可以具有横跨基底具有变化密度的图案化的离子注入。还可以使用或不使用光刻技术来蚀刻基底376。
图3A-3C中示出的方法可以通过具有不同类型的光闸的标准离子注入系统来执行，其可以以高速度使能例如尺寸大于1mm的大注入区域。
图3D是使用聚焦离子束(FIB)将不同密度的离子注入到基底中的第四示例方法390的示意图。曲线392示出了FIB曝光剂量的分布，该分布可以由基底396中的期望的离子密度分布来确定。FIB方法能够实现高分辨率，尽管对例如尺寸大于1mm的大区域进行图案化可能具有挑战性。
以上描述示出了将变化密度的离子注入到基底中的示例方法。其他方法也可用于实现此目的。仅出于示例目的，图3A-3D示出了沿一个维度注入到基底中的变化的离子密度。应注意，该方法可被应用于以例如线性、正弦或圆形的任何期望的分布在二维中实现注入的变化的离子密度。
示例实验结果
图4A示出了在硅基底中用镓离子注入制造的小区域非均匀衍射光栅的实验结果。首先使用聚焦离子束(FIB)将镓离子局部地注入硅基底中，其中以10种不同剂量(从1015到1016ions/cm2线性变化)注入到10个线(line)(具有100nm宽度和50μm长)。然后基于SF6/O2低温工艺蚀刻基底。图410示出了制造的光栅的扫描电子显微镜(SEM)图像，图420示出了制造的光栅的对应的原子力显微镜(AFM)图像。光栅具有从60到90nm范围的高度变化。
与图4A相比，图4B示出了使用相同的FIB和蚀刻方法在硅基底中用镓离子注入制造的大区域非均匀衍射光栅的实验结果。图430示出了制造的光栅的AFM图像，其中不同的离子剂量被注入到10微米宽的带中，而图440示出了制造的光栅的对应的高度分布。
图5示出了根据示例实现方式的利用离子注入制造的非均匀衍射光栅的实验结果。与图4A和4B相比，通过将FIB离子注入、光学光刻图案化和蚀刻结合在一起来制造衍射光栅。
首先，通过FIB修改基底510，以将不同密度的离子注入到基底510的区域514的不同部分中。然后通过光刻法使用保护性光致抗蚀剂层来图案化基底510。图5中的(A)示出了图案化之后的基底的SEM图像，其包括光致抗蚀剂线512和离子注入区域。光致抗蚀剂线512具有5微米的宽度。最后，蚀刻基底510并去除保护性光致抗蚀剂层。图5中的(B)示出了具有不同深度的制造的光栅的AFM图像520，而图5中的(C)示出了制造的光栅的对应高度分布530。实验结果表明，将离子注入与光刻和蚀刻技术相结合，制作出具有各种深度的衍射光栅是可行的。
示例系统
图6示出了使用非均匀衍射光栅的示例光学系统600。光学系统600可用于虚拟和增强现实应用。在一些实现方式中，光学系统600具有目镜，该目镜包括内耦合光学(ICO)元件602和衍射光学元件(DOE)604。目镜可以如2015年5月29日提交的名称为“Method andsystem for generating virtual content display with a virtual or augmentedreality apparatus(用于利用虚拟或增强现实装置生成虚拟内容显示的方法和系统)”的申请号为14/726,424的美国专利申请中所描述的那样实现，该美国专利申请的内容通过引用整体并入本文。
ICO 602和DOE 604可以在基底610中实现。基底610可以是透明的，例如是玻璃。DOE 604可以具有一个或多个层，并且每个层可以包括正交瞳孔扩大(OPE)衍射元件606和出射瞳孔扩大(EPE)衍射元件608。
ICO元件602被配置为例如从投射器接收输入光束，并将输入光束传输到基底610中的DOE 604。例如，基底610包括波导(这里未示出)，ICO元件602将输入光束传输至耦合到DOE 604的波导中。输入光束通过全内反射(TIR)在波导中行进。位于层上的OPE衍射元件606被配置为使输入光束中的一些偏转到EPE衍射元件608，该EPE衍射元件608被配置为进而将被偏转的光束中的一些例如朝向用户的眼睛而偏转出基底610。
OPE衍射元件606和EPE衍射元件608可以在同一层上共面或并排布置。为了使光束离开基底，DOE 604被配置为例如通过选择性衍射分布将光束衍射穿过DOE 604。在一些实现方式中，衍射光的分布基本上是均匀的。在一些实施例中，衍射光的量在DOE 604的分布上是例如以增加的梯度或随机化的方式可变的。例如，由于当光束在DOE 604中传播并且被OPE衍射元件606和EPE衍射元件608逐渐偏转时光束的强度减小，因此DOE 604的衍射效率可以被配置为沿着光束的传播路径逐渐增加。
在一些实现方式中，OPE衍射元件606包含沿第一方向(例如，从下到上)定位的第一非均匀光栅，如图6所示。EPE衍射元件608包括沿第二方向(例如，从左到右)定位的第二非均匀光栅，如图6所示。第一方向和第二方向之间的角度可以在0到90度的范围内。在一些情况下，角度在45度和90度之间。在一些情况下，角度在80度和90度之间。在特定示例中，第二方向垂直于第一方向。第一非均匀光栅可以是沿第一方向具有线性变化深度的衍射光栅，因此第一非均匀光栅可以沿第一方向具有逐渐增加的衍射效率。第二非均匀光栅可以是沿第二方向具有线性变化深度的衍射光栅，因此第二非均匀光栅可以沿第二方向具有逐渐增加的衍射效率。
在一些实现方式中，OPE衍射元件606和EPE衍射元件608包括线性衍射结构、圆形衍射结构、径向对称衍射结构或其的任何组合。OPE衍射元件606和EPE衍射元件608可以包括线性光栅结构和圆形或径向对称衍射元件，以使光束偏转和聚焦。
可以通过类似于图3的过程300的过程来制造第一和第二非均匀光栅。该过程开始于沿第一方向将第一变化密度的离子注入到例如基底610的基底的第一区域，并且沿第二方向将第二变化密度的离子注入到基底的第二区域，其中在基底中，第二区域与第一区域邻近。例如图2A的光闸204的光闸可以在二维中移动以实现到第一和第二区域中的离子注入。然后将保护性抗蚀剂层沉积在基底上并例如通过光刻来图案化该保护性抗蚀剂层。该过程继续以蚀刻具有图案化的保护性抗蚀剂层的基底，以在第一区域和第二区域中形成变化的深度。最后，去除图案化的保护性抗蚀剂层，并获得在第一区域中具有第一非均匀光栅和在第二区域中具有第二非均匀光栅的基底。第一非均匀光栅沿第一方向具有非均匀的深度，因此沿第一方向具有非均匀的衍射效率。第二非均匀光栅沿第二方向具有非均匀的深度，因此沿第二方向具有非均匀的衍射效率。在一些实现方式中，具有第一和第二非均匀光栅的基底用作掩模以通过纳米压印光刻在其他基底中大规模地产生对应的非均匀光栅。
在一些实现方式中，DOE 604沿其衍射结构包括至少一个抖动特征，例如，沿着OPE衍射元件606的第一非均匀光栅和/或EPE衍射元件608的第二非均匀光栅。例如，沿着第一非均匀光栅的抖动特征可以通过沿着不同于第一方向的第三方向执行附加的离子注入来实现，其中沿着第一方向基底中的第一区域被离子注入。附加的离子注入可以少于先前在第一区域上的离子注入。这些第一和第三方向之间的角度可以大于0度且小于180度，例如为90度。沿着第二非均匀光栅的抖动特征可以通过沿着不同于第二方向的第四方向执行附加的离子注入来实现，其中沿着第二方向基底中的第二区域被离子注入。附加的离子注入可以少于先前在第二区域上的离子注入。这些第二和第四方向之间的角度可以大于0度且小于180度，例如为90度。
以上描述是包括非均匀衍射光栅的示例系统。该系统采用沿光传播路径具有非均匀衍射效率的衍射光栅，使得当光传播并沿着路径逐渐偏转时可以实现均匀的衍射光。所公开的实现方式可以用于需要变化的衍射效率的任何系统。
已经描述了许多实现方式。然而，应该理解，在不脱离本文描述的技术和装置的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。在每个实现方式中示出的特征可以独立使用或彼此组合使用。附加特征和变化也可以被包括在实现方式中。因此，其他实现方式位于以下权利要求的范围内。

Claims (32)

1.一种制造非均匀结构的方法，所述方法包括：
将不同密度的离子注入到基底的对应区域中；
图案化位于所述基底上的抗蚀剂层；然后
使用所述图案化的抗蚀剂层蚀刻所述基底，留下具有至少一个非均匀结构的所述基底，所述至少一个非均匀结构具有与注入到所述区域中的所述不同离子密度相关的非均匀特性。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
从所述基底去除所述抗蚀剂层。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：
使用具有所述非均匀结构的基底作为模具通过纳米压印光刻来制造对应的非均匀结构。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述非均匀结构包括非均匀光栅。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述光栅包括二元光栅，所述二元光栅具有与所述不同离子密度对应的非均匀深度。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述光栅包括闪耀光栅，所述闪耀光栅具有与所述不同离子密度对应的非均匀深度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中将不同密度的离子注入到基底的对应区域中包括：
沿第一方向将第一密度的离子注入到至少一个目标区域中；以及
沿着第二不同的方向将第二密度的离子注入到所述目标区域中，其中所述第一方向与所述第二方向之间的角度大于0度且小于180度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中将不同密度的离子注入到所述基底的对应区域中包括：
沿着方向在离子源与所述基底之间移动光闸，其中具有所述不同离子密度的所述被注入的区域沿着所述方向。
9.根据权利要求8所述的方法，其中根据与所述不同密度对应的离子曝光分布来移动所述光闸。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述光闸是被配置为阻挡离子通过的固体面板。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述光闸限定多个通孔，所述多个通孔允许离子从所述离子源传播到所述基底。
12.根据权利要求11所述的方法，其中移动所述光闸包括：
以第一速度将所述光闸移动穿过所述基底中的第一目标区域之上的第一位置，以允许离子穿过所述通孔到所述第一目标区域上；
以第二速度将所述光闸从所述第一位置移动到第二连续位置，所述第二连续位置位于所述基底中的第二目标区域之上，所述第二速度比所述第一速度快；以及
以所述第一速度将所述光闸移动穿过所述第二连续位置，以允许离子穿过所述通孔到所述第二目标区域上。
13.根据权利要求11所述的方法，其中移动所述光闸包括：
将所述光闸移动到所述基底中的第一目标区域之上的第一位置；
在所述第一位置使所述光闸停止持续时间段，以允许一定量的离子穿过所述通孔到所述第一目标区域上；然后
将所述光闸移动到所述基底中的第二目标区域之上的第二连续位置。
14.根据权利要求1所述的方法，其中将不同密度的离子注入到所述基底的对应区域中包括：
在离子源与所述基板之间放置光闸，所述光闸包括具有不同离子透射率的多个部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个部分包括多个膜，所述多个膜具有与所述不同离子透射率对应的不同厚度。
16.根据权利要求1所述的方法，其中将不同密度的离子注入到所述基底的对应区域中包括：
使用聚焦离子束将所述不同密度的离子局部地注入到所述基底的所述对应区域中。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述抗蚀剂层包括光致抗蚀剂，并且其中图案化位于所述基底上的所述抗蚀剂层包括：
在包括所述区域中的所述基底上沉积光致抗蚀剂层；
使用光刻法用图案化的光来曝光所述光致抗蚀剂层；以及
蚀刻所述沉积的光致抗蚀剂层中的所述被曝光的光致抗蚀剂层和未被曝光的光致抗蚀剂中的一者，以在所述基底上显影所述图案化的抗蚀剂层。
18.根据权利要求1所述的方法，其中蚀刻所述基底包括使用反应离子蚀刻。
19.根据权利要求1所述的方法，其中没有离子注入的区域具有第一蚀刻敏感度，以及具有离子注入的区域具有第二蚀刻敏感度，以及其中所述第一蚀刻敏感度与所述第二蚀刻敏感度之间的比率大于2。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述基底是硅基底，以及所述离子包括镓离子。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述非均匀结构具有不大于5000nm的横向分辨率。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述非均匀结构具有至少1mm的总尺寸。
23.根据权利要求1所述的方法，其中将不同密度的离子注入到所述基底的对应区域中包括：
沿第一方向将第一不同密度的离子注入到所述基底的第一区域中；以及
沿第二方向将第二不同密度的离子注入到所述基底的第二区域中，在所述基底中所述第二区域与所述第一区域邻近。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括从所述基底去除所述抗蚀剂层，使所述基底具有：
位于所述第一区域中的第一光栅，所述第一光栅沿所述第一方向具有增加的衍射效率；以及
位于所述第二区域中的第二光栅，所述第二光栅沿所述第二方向具有增加的衍射效率。
25.根据权利要求23所述的方法，其中将不同密度的离子注入到所述基底的对应区域中包括：
沿不同于所述第一方向的第三方向将第三不同密度的离子注入到所述第一区域中，其中所述第一方向与所述第三方向之间的角度大于0度且小于180度，并且其中所述第三不同离子密度小于所述第一不同离子密度。
26.根据权利要求23所述的方法，其中将不同密度的离子注入到所述基底的对应区域中包括：
沿不同于所述第二方向的第四方向将第四不同密度的离子注入到所述第二区域中，其中所述第二方向与所述第四方向之间的角度大于0度且小于180度，并且其中所述第四不同离子密度小于所述第二不同离子密度。
27.一种装置，包括：
位于基底上的具有一个或多个层的衍射光学元件(DOE)，每个层包括正交瞳孔扩大(OPE)衍射元件和出射瞳孔扩大(EPE)衍射元件，
其中所述OPE衍射元件包括第一非均匀光栅，所述第一非均匀光栅被配置为将在所述基底中传播的输入光束的部分偏转到所述基底中的所述EPE衍射元件中，以及
其中所述EPE衍射元件包括第二非均匀光栅，所述第二非均匀光栅被配置为将来自所述OPE衍射元件的所述被偏转的光束的部分偏转出所述基底。
28.根据权利要求27所述的装置，其中所述第一非均匀光栅具有沿第一方向变化的第一特性，所述第二非均匀光栅具有沿与所述第一方向不同的第二方向变化的第二特性，以及
其中所述第一非均匀光栅沿所述第一方向具有增加的衍射效率，所述第二非均匀光栅沿所述第二方向具有增加的衍射效率。
29.根据权利要求28所述的装置，其中所述第一方向与所述第二方向之间的角度在45度与90度之间。
30.根据权利要求28所述的装置，其中所述第一非均匀光栅具有沿不同于所述第一方向的第三方向变化的第三特性，以及其中所述第一方向与所述第三方向之间的角度大于0度且小于180度。
31.根据权利要求28所述的装置，其中所述第二非均匀光栅具有沿不同于所述第二方向的第四方向变化的第四特性，以及其中所述第二方向与所述第四方向之间的角度大于0度且小于180度。
32.根据权利要求27所述的装置，还包括内耦合元件(ICO)，其被集成在所述基底中且被配置为接收来自所述基底的外部的所述输入光束并将所述输入光束传输到所述基底中的所述DOE。
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