CN111033324B - 制造经高度调制的光学衍射光栅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造经高度调制的光学衍射光栅的方法。该方法包括：提供基板并且在该基板上制造第一材料的多个临时元件，这些元件被间隙分隔开并且被布置为包括具有不同元件高度的至少两个周期的周期性结构。第二材料的涂层被沉积在该多个临时元件上，使得该涂层填充所述间隙并覆盖所述临时元件。随后，一均匀的第二材料层被去除，以便暴露所述临时元件，并且第一材料被去除，以便在该基板上形成第二材料的经高度调制的图案作为光学衍射光栅。本发明在制造具有局部变化的衍射效率的光栅的情况下放宽了制造约束。

Description

制造经高度调制的光学衍射光栅的方法
发明领域
本发明涉及用于光学目的的微结构和纳米结构的制造。具体而言，本发明涉及制造光学衍射光栅，该光学衍射光栅可例如在显示应用(诸如近眼式显示器)中使用。
背景技术
近眼式显示器(NED)和平视显示器(HUD)通常包括衍射光栅以生成可视图像。所需光栅为内耦合光栅，其将图像从图像源耦合到波导；为外耦合光栅，其为用户生成最终的可视图像；以及为出瞳扩展器(EPE)，其增大显示器出瞳的大小。
光栅的质量和特性确定所得图像的质量。除了具有清晰一致的光栅线之外，在高级应用中，还期望能够局部控制光栅的衍射效率。这可以通过改变光栅内的光栅线高度或填充因子(即，使用高度或填充因子调制)来实现。为了实现最大可能效率调整范围，高度和填充因子两者应被调制。因此，需要用于衍射光栅的稳健且成本高效的制造方法，其中可自由地控制衍射效率，并且该方法适用于大规模生产。此外，在一些情形中，需要非聚合物材料，其与直接聚合物调制相比增加了工艺复杂性。
经高度调制元件的制造一般通过重复制造循环来完成，其中在一个循环内定义一个高度。具体而言，在同一基板上制造具有变化的高度的微结构和纳米结构是困难的，尤其是在难以加工的无机材料的情形中。这一般需要对齐的若干制造循环，其中每个元件高度在一个循环期间被分开定义。这也需要对材料进行高度优化且通常复杂的加工。为了在材料中获得垂直的侧壁，在当前可用的方法中需要高度各向异性的蚀刻。一种已知的加工方法在C.David的“Fabrication of stair-case profiles with high aspect ratios forblazed diffractive optical elements(针对闪耀衍射光学元件的具有高纵横比的阶梯轮廓的制造)”，Microelectronic Engineering(微电子工程),53(2000)中被讨论。由于该方法的复杂性，该工艺的产率较低。此外，覆盖曝光需要在纳米水平上的横向放置精度，并且离最佳的任何偏差都会导致光学性能的损失。当期望高度调制和填充因子调制两者以便实现最大效率调整范围时，面临特定的挑战。
因此，需要用于高度和/或填充因子调制以实现衍射效率控制的新颖的产业规模的技术。
发明内容
本发明的目的是克服以上提及的问题中的至少一些问题，并提供一种用于生成经高度调制的、以及可任选地经填充因子调制的光学衍射光栅的新颖方法。特定目的是提供一种方法，该方法需要较少数目的加工步骤，并且尤其不需要多循环高横向精度加工以便实现调制。目的还在于提供一种允许方便地组合高度和填充因子调制的方法。
本发明基于通过以下基本步骤来制造光栅的思想：首先通过提供牺牲结构(例如，通过压印)来限定光栅的高度以及可任选地填充因子特性。随后用过量的最终光栅材料覆盖整个结构。最后，过量的最终光栅材料和牺牲结构被去除以便提供该牺牲结构的负片。
更详细地，制造衍射结构的方法包括：
-提供基板，
-在该基板上制造第一材料的多个临时元件，这些元件被间隙分开并且被布置为包括具有不同元件高度的至少两个周期的周期性结构，
-在该多个临时元件上沉积第二材料的涂层，使得该涂层填充所述间隙并覆盖所述临时元件，
-去除一均匀的第二材料层，以便暴露所述临时元件，
-去除所述第一材料，以便在该基板上形成所述第二材料的经高度调制的图案作为所述光学衍射光栅。
更具体地，根据本发明的方法的特征在于权利要求1中所述的内容。
本发明提供了显著的益处。
首先，该方法允许高精度经调制光栅且尤其是经精确高度调制的光栅的产业规模生产。当在基板上提供牺牲层时，填充因子调制可与高度调制组合。这可使用可蚀刻牺牲材料的已知应用方法来执行。临时元件图案定义所得最终图案的特性，该特性基本上是临时图案的负片。可利用例如聚合物压印或聚合物光刻技术以足够的精度容易地生成包括例如不同高度的线的临时元件图案，并且其余步骤提供可预测的结果。
第二，最终光栅材料的沉积可通过众所周知的共形沉积(诸如原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD))来完成，以及使用不需要空间精度的众所周知的蚀刻工艺来去除材料。关于最终材料的沉积的精度，该方法取决于层厚度控制，这例如在所提到的沉积技术中固有地良好。因此，该方法包括确保高质量图案结构的自组装机制。
第三，该方法允许由难以加工的材料、尤其是具有高折射率的无机材料生成光栅。这是因为在加工最终光栅材料时不需要高精度的重新定位步骤，而仅需共形应用和大面积蚀刻步骤。存在适用于例如ALD、CVD或PVD方法且导致适用于光学衍射光栅的无机结构的许多可用的高折射率(n>1.7且甚至>2.0)前体材料。
因此，本发明允许由高折射率材料制造高质量的可变衍射效率光栅，这些高折射率材料被需要以制造例如其上具有衍射光栅的高质量波导，以确保从光栅到基板/从基板到光栅的光耦合。
从属权利要求涉及本发明的所选实施例。
在一些实施例中，临时元件是用于形成光学衍射线型光栅的线元件。线型光栅可被用作衍射显示器(诸如NED)中的内耦合光栅或外耦合光栅，或者用作此类元件之间的EPE。
在一些实施例中，临时元件被布置为包括具有不同元件宽度的至少两个周期的周期性结构，以便除了高度调制之外还提供填充因子调制。这使所得光栅的局部衍射效率的可实现调谐范围最大化。
在一些实施例中，最终光栅材料的涂层在沉积之后(即在去除其均匀层的步骤之前)在每个临时元件的顶部上具有基本恒定的厚度。这可通过将共形沉积方法用于施加涂层来实现。此后，可通过例如使用干法蚀刻或湿法蚀刻去除一均匀的第二材料层来暴露临时元件。同样，可通过在具有与第一蚀刻步骤不同的材料选择性的单独蚀刻步骤中进行蚀刻(诸如干法或湿法蚀刻)来去除临时元件。
在一些实施例中，在制造模具(即临时元件)之后，蚀刻停止层被沉积到基板上。蚀刻停止层可在该工艺的合适阶段中被至少部分地去除。使用蚀刻停止层确保蚀刻阶段中的高精度特征高度控制。
接下来，参考附图更详细地讨论本发明的所选实施例和优点。
附图简述
图1A–1D以横截面视图逐步解说了根据本发明的一个实施例生成的结构。
图2A示出了二元1D光栅的第一透射阶的衍射效率如何根据光栅高度而变化的示例。
图2B示出了1D光栅的第一透射阶的衍射效率如何根据光栅填充因子而变化的示例。
实施例的详细描述
定义
术语“元件”在本文中意味着任何固态微尺度或纳米尺度特征，其升起至基板表面上方并且在以周期性结构布置的情况下能够用作衍射图案或其中间产品的基本块。“临时元件”或“牺牲元件”是在工艺期间至少部分被去除的元件。
术语“线元件”或“线”在本文中是指形成或用作中间特征以形成本发明图案的细长元件。通常，在用于显示应用的衍射图案中，线是具有期望的横截面总体形状(诸如矩形或三角形)的直脊。线元件通常用于一维光栅(线性光栅)中。
术语“填充因子”是指在光栅周期内的光栅结构材料与周围材料(例如空气或其他固体材料)的比例。在矩形光栅线的典型情形中，这等于线宽度与周期宽度的比例。因此，“填充因子调制”是指在光栅的横向维度中(即在周期性结构的各周期之间)的填充因子的变化。
同样，“高度调制”是指元件高度沿光栅的法线方向的变化。例如，在线元件的情形中，元件高度是线的顶部(脊顶部)与相邻凹坑(谷底)之间的距离。
“共形沉积”是指能够生成共形材料层(即在底层结构的所有自由表面上具有均匀厚度的层)的沉积技术。
所选实施例的描述
本文详细描述的实施例提供了可行的手段，以将具有变化的结构高度和填充因子(例如，线宽度)的微结构和纳米结构制造到可通过物理或化学气相沉积方法来沉积的期望材料上。一般而言，该方法基于填充以牺牲材料制造的或被复制到牺牲材料的具有变化的结构高度的模具。通过干法或湿法蚀刻方法来去除模具顶部的多余材料，继之以去除牺牲材料。结构的高度由牺牲结构的高度限定，并且高度调制的精度可由中间蚀刻停止层在蚀刻工艺中增强。
牺牲层(模具)
在图1A所解说的第一步骤中，使用牺牲材料来将经高度调制的临时结构12制造在基板10上。在所解说的示例中，存在三个部分S1、S2和S3，每个部分中具有两个元件(矩形线)，其中各部分之间具有不同的元件高度。可例如通过光学光刻、电子束光刻、压花或纳米压印光刻来施加临时结构12。例如光刻胶或电子束抗蚀剂或旋涂碳可被使用。调制还可包括线宽度的调制。
在实际结构中，每个部分中的元件数或部分数可能会高得多。代替包括不同的部分，高度调制还可包括不同元件高度的连续梯度。通常，这些部分在单个基板上形成连续结构，尽管在此为了清楚的目的而分开解说。
最终材料沉积
接下来，如图1B所解说的，在由基板10和临时元件12形成的模具上施加涂层14A。涂层14A填充每个部分内的临时元件12之间以及各部分之间的间隙并且还覆盖临时元件12。共形沉积技术(诸如ALD、CVD或PVD)优选地被用于确保间隙的填充和在临时元件12顶部上的均匀覆盖。由于沉积共形性，任何高度均等地被填充。在每个部分S1、S2、S3内，表面被平坦化，而在各部分S1、S2、S3之间存在阶梯。
多余材料去除
接下来，如图1C所解说的，通过湿法或干法蚀刻来去除牺牲层顶部上的多余涂层，使得临时结构12从顶部方向暴露，并且保留经修改涂层14A’。由于在先前步骤中使用的共形沉积，在每个部分处去除相同的厚度足以暴露所有结构14A，而不论它们的高度如何。
最后，如图1D所示，使用干法或湿法蚀刻来去除牺牲层，即临时结构12。这导致图1A的模具的负副本，即由临时结构12的高度限定的不同高度的光栅元件16。如果在模具中除了高度变化之外还存在元件宽度变化，则这些元件宽度变化也在最终产品中被复制为负片。
一般考虑和变型
所描述的工艺极大地简化了可变效率经调制光栅的制造，因为可在一个制造循环内同时制造所有不同的高度变化。所得结构准备好用作衍射光栅。如果基板10是光学透明的，则在基板中横向传播的光波可被耦合至光栅，并且撞击该光栅的波可被耦合至基板中。在一些实施例中，基板10具有小于形成光栅元件16的涂层材料的折射率。
除了在抗蚀剂模具中定义特征和垂直轮廓的益处之外，还放宽了对涂层材料的加工要求，因为该加工仅用于多余材料去除(从图1B到图1C的步骤)，并且不需要高各向异性。由于在最终材料沉积阶段中模具的完全填充，最终结构的填充率完全由光栅的周期、临时线的宽度和间隙来限定。
在一些实施例中，为了确保在蚀刻步骤中的非常高精度的高度调制，在临时元件12和/或基板10与涂层14A之间施加附加的蚀刻停止层(未示出)，即在图1A的步骤之后。该层对要蚀刻的材料具有高蚀刻选择性。蚀刻停止层可最终通过湿法工艺来去除，尽管它可保留在光栅元件16与基板10之间。因此，蚀刻停止层优选地还具有高折射率，并且另外在光学上还适合用作光栅材料。组合可以是例如具有二氧化钛光栅层的HfO2蚀刻停止层。可例如通过ALD、CVD或PVD方法来施加蚀刻停止层。
最终材料可以是无机材料的化合物，尤其是形成光学透明材料的化合物，诸如氧化物或氮化物化合物。具体而言，最终材料可包括其折射率为2.0以上(诸如2.2或更高)的材料。该材料可以是例如TiO2、Si3N4或HfO2。
基板10优选地是光学透明的，诸如玻璃基板或聚合物基板。在此，透明是指透射率高于50％，尤其是高于95％。对于显示应用，优选的是，基板能够用作可见光波长的波导(即，用作光导)。基板可以是平面的或弯曲的。
在典型实施例中，最终材料的折射率等于或高于基板材料的折射率。这允许经由全内反射在基板中行进的光在光栅的位置处离开基板并发生衍射。例如，基板的折射率可小于2.0，而光栅材料的折射率可大于2.0。
本发明可被用于制造光栅以用于显示应用，诸如可穿戴显示应用，例如虚拟现实或增强现实眼镜。在这些应用中，所制造的图案的面积通常至少为1cm2，诸如2–500cm2。
衍射光栅可以是例如近眼式显示器(NED)或平视显示器(HUD)的外耦合光栅、内耦合光栅或出瞳扩展器(EPE)。
图案的周期通常为10μm或更小，尤其是1μm或更小，诸如200–800nm。应注意，除了恒定周期光栅之外，本发明还可被用于生成经周期调制的光栅。即，周期在光栅的横向维度上不必恒定。
如果需要，光栅可被嵌入光学结构中，即用一层或多层附加层覆盖或涂覆。
图2A和2B示出了可如何使用高度和填充因子调制来调制介电二元光栅的第一透射阶的衍射效率。使用傅立叶模态方法(也被称为严格耦合波分析)来获得数值结果。二元光栅驻留在空气与折射率为2.0的玻璃基板之间的界面上，该光栅周期为500nm，填充因子为0.5，并且该光栅由与该基板相同的材料制成。用法向入射的自由空间波长为450nm的平面波照射光栅。示出了横向电场(TE)和横向磁场(TM)偏振两者的结果。在图2A中，光栅填充因子为0.5，而在图2B中，光栅高度为250nm。
引用列表
非专利文献
C.David，“Fabrication of stair-case profiles with high aspect ratiosfor blazed diffractive optical elements(针对闪耀衍射光学元件的具有高纵横比的阶梯轮廓的制造)”，Microelectronic Engineering(微电子工程),53(2000)。

Claims (17)

1.一种制造经高度调制的光学衍射光栅的方法，包括：
-提供基板，
-在所述基板上制造第一材料的多个临时元件，所述临时元件被间隙分开并且被布置为包括具有不同元件高度的至少两个周期的周期性结构，
-在所述临时元件上沉积第二材料的涂层，使得所述涂层填充所述间隙并覆盖所述临时元件，所述涂层是共形层，
-去除一均匀的第二材料层，以便暴露所述临时元件，
-去除所述第一材料，以便在所述基板上形成所述第二材料的经高度调制的图案作为所述光学衍射光栅。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述临时元件是用于形成光学衍射线型光栅的线元件。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述临时元件被布置为包括具有不同元件宽度的至少两个周期的周期性结构，以便形成第二材料的经高度和填充因子调制的图案作为所述光学衍射光栅。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述涂层在去除其均匀层的步骤之前在每个临时元件的顶部上具有恒定的厚度。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述均匀的第二材料层的所述去除包括蚀刻，所述蚀刻为干法或湿法蚀刻。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一材料的所述去除包括蚀刻，所述蚀刻为干法或湿法蚀刻。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括在制造所述临时元件的步骤之后在所述基板上沉积蚀刻停止层，并且可任选地在去除所述第一材料之后去除所述蚀刻停止层。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述涂层使用原子层沉积ALD、化学气相沉积CVD或物理气相沉积PVD或其变体来沉积。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二材料是无机透明材料。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述无机透明材料为氧化物或氮化物化合物。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，氧化物或氮化物化合物为TiO2、Si3N4或HfO2。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二材料的折射率为1.7或更高。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二材料的折射率为2.0。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第二材料的折射率为2.2或更高。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基板是能够用作光导的平面的光学透明基板。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述基板是玻璃基板或聚合物基板。
17.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第二材料包括具有比所述基板材料的折射率高的折射率的光学透明材料。
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