CN111033325B - 经高度调制的衍射母板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造用于生成衍射结构的母板的方法以及由此获得的母板。该方法包括：提供具有周期性表面轮廓的基板；至少部分地用填充材料(16A、16B)均匀地填充该表面轮廓，以及部分地去除该填充材料(16A、16B)，以便生成具有由所述基板和所述填充材料(16A’、16B”)形成的周期性的经高度调制的表面轮廓的母板。本发明允许生成能够进一步生成具有可变衍射效率的光栅的母板。
Description
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，本发明涉及制造用于生成可例如在显示应用(诸如近眼式显示器)中使用的衍射光栅的母板。
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产生可视图像。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。
灰度光刻提供了一种制造具有变化的结构高度的结构的方法。然而，由于该工艺的较低对比度，侧壁通常是圆形的而不是完全垂直的。灰度光刻工艺的控制也具有挑战性。另外，直接光刻和蚀刻工艺很难调谐以提供垂直维度上的高精度，尤其是在光栅的特征(即脊和凹槽)在较大表面积上包含若干纵横比和深度时。使用这些方法结合高度调制也难以完美地实现特征的垂直侧壁。另一方面，冲压技术需要高质量的母板和使用该母板制造的印模，由此主要挑战在于母板的制造。
经高度调制结构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。这需要具有高精度对齐的若干曝光，参见例如C.David的“Fabrication of stair-case profiles with high aspect ratios for 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)”，MicroelectronicEngineering(微电子工程)，53(2000)。由于该方法的复杂性，产率较低。该方法提供了对垂直侧壁的良好控制，但受到复杂性和所需精度的挑战。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。
总而言之，在衍射光栅的产业规模的大规模生产中提供高质量的高度和填充因子调制、尤其是它们的组合目前是一种挑战，并且为此目的而存在改进的工具和方法的需要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的至少一些缺点，并提供一种用于生成衍射结构的新颖解决方案。具体而言，目的是提供一种生成要在冲压技术中使用的高质量的经高度调制母板的方法以及对应的母板。
目的还在于提供一种可组合高度调制和填充因子调制的解决方案。
本发明基于以下思想：使用具有周期性结构的基板，该周期性结构具有在光学衍射范围中的周期，并且用随后例如通过蚀刻去除的填充材料来填充该结构，使得所得表面轮廓包含高度调制。例如光学或物理掩模层类型的不均匀掩模可在去除工艺中被用来确定该板的最终调制特性。
根据本发明的方法包括通过如下方式来制造用于生成衍射结构的母板：
-提供具有周期性初始表面轮廓的基板，
-至少部分地用填充材料均匀地填充该初始表面轮廓，以及
-部分地去除填充材料，以便生成具有由所述基板和所述填充材料形成的周期性的经高度调制的表面轮廓的母板。
去除步骤可包括例如在填充物的顶部使用灰度光刻或使用物理掩模层，如以下更详细解释的。
本发明的用于生成衍射结构的母板包括：
-包括特征的周期性图案以及这些特征之间的间隙的基板，
-在所述间隙中以不均匀的量提供以使得母板包括经高度调制的表面轮廓的填充材料。
因此，经高度调制的轮廓由原始表面轮廓结合填充材料来限定。
初始表面轮廓可以是二元的(即两个高度的)轮廓，或具有周期性重复的单一形状特征图案的任何其他轮廓，诸如由类似的三角形特征或类似的倾斜特征而不是矩形特征形成的轮廓。
更具体地，本发明的特征在于独立权利要求中所述的内容。
本发明提供了显著的益处。
首先，本发明解决了涉及高度调制的直接光刻方法由于低对比度和所导致的圆形侧壁而产生的低质量结构的问题。在本发明的方法中，侧壁由基板限定，该基板例如通过二元加工来制造，从而导致非常良好限定的垂直侧壁。二元加工是众所周知的，并且易于控制。以下不均匀材料去除步骤被引入以实现高度调制。因此，各特征的垂直侧壁由二元结构限定，并且各特征的高度差由填充层限定。这两者的组合导致可精确控制轮廓形状和高度，而其他方法难以实现。类似的优点适用于例如三角形初始表面轮廓。
本发明允许生成能够进一步生成具有可变衍射效率的光栅的母板。具体而言，本发明的方法允许与高质量衍射结构相结合地使用高度调制、以及可任选地还使用填充因子调制来实现衍射效率的横向变化。
从属权利要求涉及本发明的所选实施例。
在一些实施例中，填充层的不均匀部分去除包括灰度光刻去除。这涵盖了不同曝光剂量导致所曝光的填充材料的不同溶解速率并因此导致填充层中的不同高度的任何方法。因此，该术语涵盖了所谓的直接写入方法以及使用具有基本均匀的亮度且通常横向较宽曝光的光学掩模和光源的方法两者，在所谓的直接写入方法中，材料的曝光以及因此所去除材料的厚度直接由所使用的曝光源(诸如激光、电子或X射线源)来控制。可使用光子(光)或电子(分别为光学或电子束曝光)来执行曝光。直接写入和光学掩模方法的组合或变型也是可能的。
填充层的部分去除可例如在将合适的抗蚀剂层应用为填充层之后直接使用光刻蚀刻方法来执行。这使得该工艺非常快速且稳健。基板和抗蚀剂层的材料以及蚀刻方法被选择成具有选择性，使得仅抗蚀剂层被变形，并且尤其是二元特征的垂直侧壁保持完整。
在一些实施例中，抗蚀剂层中的调制通过干法蚀刻被传递到基板材料。
在一些实施例中，不均匀掩模包括施加在填充材料上的掩模层形式的物理掩模。掩模层具有横向变化的高度，其高度轮廓对应于该板的期望调制。随后，应用横向均匀的蚀刻工艺或其他合适的去除工艺导致将高度轮廓复制到填充材料。掩模层可包括与填充层相同的材料、或者可与填充层一起蚀刻的任何其他材料。
一般而言，使用物理掩模层的去除涵盖在填充层的顶部上利用附加的牺牲掩模层的任何去除方法，其中该牺牲掩模层对剩余填充层的局部厚度有影响。
灰度光刻和物理掩模技术的组合也是可能的。
在一些实施例中，如上所解释的在填充层上施加抗蚀剂层，并且通过使用直接写入或具有变化的透射强度的光学掩模来应用灰度曝光。抗蚀剂层中的这种高度变化随后通过干法蚀刻或湿法蚀刻被传递到填充层。
在一些实施例中，去除工艺导致具有不同调制高度的至少两个不同分段的表面轮廓。这些分段的边界可以是不同的，由此在各分段之间存在逐步的高度差。光栅可包括例如具有不同高度特性的2-500个分段。另一方面，可存在横向高度梯度，由此无法看到清晰的区域边界，并且衍射效率平滑地变化。使用这些方案中的任一者或它们的组合，可以形成具有不同轮廓高度以及因此具有不同衍射效率的经高度调制的表面轮廓区域。
横向高度梯度可通过光刻(例如使用直接写入、光学梯度掩模或物理梯度掩模)来生成。该梯度可以是线性梯度或非线性梯度。
在一些实施例中，在发起去除之前，用填充材料完全填充表面轮廓。这允许将轮廓的整个高度用于调制，并且还确保了轮廓的完全填充。具体而言，可以用填充材料来使基板平坦化。
在一些实施例中，表面轮廓包括具有矩形或三角形横截面和细长形式的多个特征的周期性图案。例如，图案可以是能够生成一维线性光栅的线型光栅图案。另一方面，具有例如点特征的二维阵列的二维光栅的生成也是可能的，由此基板的初始表面轮廓和母板的最终表面轮廓是双重周期性的。这些的组合也是可能的。
在一些实施例中，二元表面轮廓包括填充因子调制，使用本发明方法的该填充因子调制被保持并复制到该板的所得表面轮廓。
在一些实施例中，通过提供基底板并例如通过电子束光刻从基底板去除材料或例如通过纳米压印向该板添加材料以在其上生成二元表面轮廓来制造基板。
在一些实施例中，经高度调制的表面轮廓包括完全由基板限定的垂直侧壁和特征顶部、以及完全由填充材料限定的间隙底部。
在典型的光学应用、尤其是可穿戴显示应用中，母板的所需面积至少为1cm2，诸如2–500cm2，这可利用本发明的工艺来容易地实现。母光栅的周期通常为10μm或更小，尤其是1μm或更小，诸如200–800nm。
接下来，参考附图更详细地讨论本发明的实施例及其优点。
附图简述
图1A-1C以横截面视图解说了根据本发明的方法的一个实施例的在制造的不同阶段中的母板的制造。
图2A-2C以横截面视图解说了根据本发明的方法的另一实施例的在制造的不同阶段中的母板的制造。
图3示出了用抗蚀剂材料平坦化(a)并随后使用图1A-C所解说的方法蚀刻到两个不同高度(b和c)的二元结构的扫描电子显微照片。
图4A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4B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“二元表面轮廓”在本文中基本上意味着具有包括两个高度的浮雕结构的表面。在线型光栅中，可能的高度由脊的顶部以及毗邻于脊的凹槽的底部来限定。因此，轮廓包括横截面基本为矩形的表面特征(具有完全垂直的侧壁)。二元表面轮廓在以下讨论和附图中被用作示例，尽管其他轮廓也是可能的，如以上所讨论的。
除非另外提及，否则用填充材料填充涵盖完全填充和部分填充。“平坦化”意味着完全填充，使得在表面轮廓上提供足够的填充材料以嵌入该轮廓的二元特征，从而形成由填充材料制成的平坦表面。
填充材料的“部分去除”意味着至少某个厚度的填充材料留在基板的至少某个位置上。
“高度调制”是指光栅特征的尺寸沿基板的法线方向的变化。例如，在线型光栅的情形中，从毗邻于脊的凹槽的底部向脊的顶部测量高度。因此，经高度调制的母板包括在一个或两个维度上的至少两个横向分段，该至少两个横向分段在各区域之间具有不同的特征高度。
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。
所选实施例的描述
在其优选实施例中，本发明的方法将对基板的高度各向异性高分辨率二元加工与通过对所添加的填充材料的较低横向分辨率灰度光刻来进行的高度调制结合。因此，与难以实现垂直侧壁的直接灰度光刻相比，它使得更好地控制高分辨率垂直特征和侧壁轮廓成为可能。以下描述了两个基本实施例。
图1A-1C解说了第一基本实施例，其使用灰度光刻步骤来在二元基板上生成高度调制。
在图1A所解说的第一步骤中，使用例如光学、电子束光刻、压花或纳米压印光刻来制造具有可能的填充因子调制的二元结构(在此未示出)。该结构包括底板12A和从底板12A延伸的二元元件14A。此时，所有元件14A具有相同的高度。取决于制造方法，底板12A和二元元件14A可包括单一材料的整体件或由不同材料制成。例如，元件14A可包括添加在无机或聚合物底板12A上的聚合物。替换地，基板可以是通过光刻方法将特征加工到其中的聚合物的或无机的整体式实体。还可包括填充因子调制，其包括线宽调制、间隙宽度调制或两者。该层被称为光栅层。
接下来，如图1B所解说的，二元结构12A、14A被涂覆有电子束或光学光刻抗蚀剂材料，以至少部分地填充元件14A之间的间隙，并且通常使得光栅层被抗蚀剂材料完全覆盖，并且该结构的表面用填充层16A来平坦化。例如旋涂、喷涂、浇铸或浸涂方法可被使用。
接下来，如图1C所解说的，对填充层16A执行灰度光刻。这种叠加灰度曝光导致不同的显影速度，这是由不同的曝光剂量和表面产生的不同高度引起的。作为结果，分别形成不同元件高度h1、h2、h3的若干区域S1、S2、S3，其高度由填充层16A’在每个区域的厚度限定。
如以上所提及的，可例如根据与期望调制相对应的曝光方案使用激光直接写入或使用生成照明图案的光学掩模来执行灰度光刻，该照明图案同时具有与期望调制相对应的不同强度的多个不同区域。代替不同区域或除了不同区域之外，可形成连续的梯度。
图2A-2C解说了第二基本实施例，其使用物理掩模来生成高度调制。
在图2A所解说的第一步骤中，以与以上参照第一基本实施例所述的方式类似的方式来制造二元结构12B。
接下来，如图2B所示，如上所述用填充层16B来使二元结构平坦化。
在填充层16B的顶部上，通过任何光刻方法来施加高度可变的掩模层18B。在此，与光栅层分辨率相比，需要明显更低的横向分辨率。
接下来，如图2C所解说的，干法或湿法蚀刻方法被用来将掩模层18B的调制传递到填充层16B’中。同样，由于填充层16B、16B’和光栅层12B之间的高度选择性，对光栅轮廓的高度控制被保留。
在该示例中，梯度掩模被使用，但如在先前的示例中一样，掩模可包括不同高度的不同区域。这些办法的组合也可被使用，这取决于所得母板的期望高度特性。
所描述的两个基本实施例均允许单个高质量衍射结构中的不同的衍射效率，因为该结构的垂直侧壁特性由基板限定并且高度特性由掩模蚀刻工艺限定。由于填充层16A、16B和光栅层12A-B、14A-B之间的高度选择性，即使蚀刻工艺是各向同性的，也保留对光栅线轮廓的完全控制。
应注意，基板的二元表面轮廓也可以是抗蚀剂结构，或者该结构可通过湿法或干法蚀刻被转移到基板上。
该结构随后通常被涂覆有相对于二元结构具有选择性的电子束或光学光刻抗蚀剂。
如果生成经分段的板，则光栅的周期通常是掩模区域的最小横向尺寸的一部分，即，这些分段相对于该周期具有显著更高的大小。例如，确定最终产品中衍射效率分段的掩模区域可具有10μm或更大的尺寸，通常为1mm或更大，而光栅周期通常为10μm或更小，尤其是1μm或更小。
在所有实施例中的基板可以是例如标准硅晶片或SiO2晶片。而且，可在光学或电子束光刻中应用的任何其他刚性或柔性基板可被使用。
二元表面轮廓(即浮雕结构)可被蚀刻到上述基板上，或者其可被加工成沉积在该基板上的薄膜。在蚀刻的情形中，该层可以是可用干法或湿法蚀刻方法加工的任何薄膜。
替换地，可使用光学或电子束抗蚀剂来形成表面轮廓，在该情形中，可通过光学或电子束曝光来制造二元结构并将其显影到该层上。抗蚀剂材料也可被蚀刻以便制造二元结构。
填充层可以是光学或电子束抗蚀剂。它可通过旋涂、喷涂或浸涂来施加，这里仅给出一些示例。
替换地，填充层可通过使用物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)来沉积。这可以是例如金属氧化物，诸如Al2O3或TiO2或其他。它还可以是SiO2。
考虑到所使用的去除方法(例如，高蚀刻选择性)，填充层相对于二元表面轮廓材料优选地具有高度选择性。换言之，填充材料必须被选择成使得原始的二元结构在该层的部分去除期间保持完整。
本发明的高度调制可在表面轮廓的周期性维度上发生，如在附图中所解说的。然而，不排除它附加地或替换地在光栅的垂直维度上发生，诸如沿线梯度的光栅线发生。本发明方法也同样适用于在两个不同方向上具有周期性的二维光栅。
本发明母板可被用于生成具有横向非恒定衍射效率的衍射光学元件以用于各种需求。具体而言，该板可被用于生成通常具有1cm2或更大的面积的大型元件，例如用于NED或HUD的大型元件。可变衍射效率在衍射波导显示器(诸如智能眼镜、以及虚拟现实和增强现实显示器)的内耦合光栅、出瞳扩展器和/或外耦合光栅中提供了优点。
使用本发明方法生成的母板可被用于冲压工艺中，该工艺本身在制造衍射光栅的领域中是已知的。
图4A和4B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4A中，光栅填充因子为0.5，而在图4B中，光栅高度为250nm。
引用列表
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Claims (19)
1.一种制造用于生成衍射结构的母板的方法，所述方法包括：
-提供具有周期性初始表面轮廓的基板，
-至少部分地用填充材料(16A、16B)均匀地填充所述初始表面轮廓，以及
-部分地去除所述填充材料(16A、16B)，以便生成具有由所述基板和所述填充材料(16A'、16B')形成的周期性的经高度调制的表面轮廓的母板，
其特征在于，
-所述初始表面轮廓包括填充因子调制，所述填充因子调制被持久保持在所述经高度调制的表面轮廓中，并且其中
ο所述部分地去除所述填充材料(16B)包括：
-在所述填充材料上施加具有不均匀高度轮廓的物理掩模层(18B)，以及
-在每个位置处去除所述物理掩模层(18B)和底层填充材料(16B)，以便将所述物理掩模层(18B)的高度轮廓复制到所述填充材料(16B')的对应部分，以便生成所述经高度调制的表面轮廓。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部分地去除所述填充材料(16A)包括：使用灰度光刻去除所述填充材料(16A)，以便生成所述经高度调制的表面轮廓。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经高度调制的表面轮廓包括具有不同轮廓高度的至少两个不同分段(S1-S3)。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经高度调制的表面轮廓包括横向高度梯度轮廓。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述经高度调制的表面轮廓包括线性轮廓。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经高度调制的表面轮廓的所述高度调制至少发生在所述表面轮廓的周期性维度上。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始表面轮廓用所述填充材料(16A、16B)来完全填充，以便在所述去除之前使所述基板平坦化。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：通过提供基底板并例如通过电子束光刻从所述基底板去除材料或例如通过纳米压印向所述基底板添加材料来向所述基板提供所述周期性初始表面轮廓。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始表面轮廓是二元轮廓。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始表面轮廓是非二元轮廓。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述初始表面轮廓是三角形轮廓或倾斜轮廓。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充材料仅在一个维度上在不同横向分段内被去除不同量，以便生成一维经高度调制的表面轮廓。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述填充材料在两个横向维度上在不同横向分段内被去除不同量，以便生成二维经高度调制的表面轮廓。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始表面轮廓在一个维度或两个维度上是周期性的。
15.一种用于生成衍射结构的母板，包括：
-包括特征(14A、14B)的周期性图案以及所述特征(14A、14B)之间的间隙的基板，
-在所述间隙中以不均匀的量被提供的填充材料(16A'、16B')，以使得所述母板包括经高度调制的表面轮廓，
其特征在于，
所述特征(14A、14B)的周期性图案是经填充因子调制的，并且所述母板是使用根据权利要求1–12中任一项所述的方法来制造的。
16.根据权利要求15所述的母板，其特征在于，所述经高度调制的表面轮廓包括具有由在所述间隙中的所述填充材料(16A')的量限定的不同轮廓高度的至少两个不同的横向分段(S1-S3)。
17.根据权利要求15所述的母板，其特征在于，所述经高度调制的表面轮廓包括由在所述间隙中的所述填充材料(16B')的量限定的横向高度梯度。
18.根据权利要求15所述的母板，其特征在于，所述经高度调制的表面轮廓包括完全由所述基板限定的垂直侧壁和特征顶部、以及完全由所述填充材料(16A'、16B')限定的间隙底部。
19.根据权利要求15所述的母板，其特征在于，所述特征(14A、14B)是二元特征、三角形特征或倾斜特征。
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