CN111065941A - 制造衍射光栅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造衍射光栅的方法。该方法包括提供第一基板，并使用临时光栅材料在第一基板上制造第一表面轮廓。接下来，第一表面轮廓被最终光栅材料层完全覆盖，并且第二基板被接合到最终光栅材料上。最后，去除第一基板和临时光栅材料以用于在最终光栅材料上产生第二表面轮廓，该第二表面轮廓是第一表面轮廓的负片。本发明允许使用例如无机材料来方便地产生高质量光栅以及用于衍射效率控制的高度和/或填充因子调制。

Description

制造衍射光栅的方法
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。
高度调制元件的制造一般通过重复制造周期来完成，其中在一个周期内定义一个高度。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周期，其中每个元素高度在一个周期期间被分开定义。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，需要用于制造衍射图案的新颖的产业规模的技术，尤其是需要允许使用挑战性材料来进行高度和/或填充因子调制以实现衍射效率控制的方法。
发明内容
本发明的目的是克服已知技术的至少一些缺点，并提供一种用于制造衍射光栅的新颖方法。
本发明基于通过在基板上使用临时材料限定最终光栅且在其上使最终光栅材料过度生长来避免最终光栅材料的微米级或纳米级工艺。在结构的另一侧层压新的支撑物并剥离原始基板之后，该临时材料被去除。临时材料的表面轮廓被复制为最终光栅材料的负片。
更详细地，本方法包括制造衍射光栅，该方法包括：
-提供第一基板，
-使用临时光栅材料在第一基板上制造第一表面轮廓，
-用最终光栅材料层完全覆盖第一表面轮廓，
-将第二基板接合到最终光栅材料上，
-去除第一基板，以及
-去除临时光栅材料以用于在最终光栅材料上产生第二表面轮廓，该第二表面轮廓是第一表面轮廓的负片。
具体而言，本发明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。
在本方法中，最终光栅材料或材料集可被自由选择，因为它不需要进一步加工。具体而言，该材料可包括无机化合物。这是因为最终轮廓是在准备牺牲层的表面轮廓的情况下通过加工更容易加工的材料(诸如抗蚀剂或聚合物材料)来完全确定的。因此，可在一个工艺步骤中使用不需要空间精度或控制的沉积方法来应用最终光栅材料，并且牺牲层的表面轮廓被复制为最终光栅层的负片。
所描述的方法允许使用具有高折射率(诸如1.7或更高，尤其是2.0或更高，诸如2.2或更高)的光学材料(诸如无机光学材料)来同时组合结构高度和填充因子调制以用于衍射效率调整。因此，可在空间上改变光栅的效率，同时维持高光学质量。
本方法可以很好地与衍射显示器的制造过程结合。具体而言，在该工艺期间附连到叠层的第二基板可以是显示器的波导，并且所制造的光栅是该显示器的内耦合或外耦合光栅，或者替换地是衍射出瞳扩展器。光栅和基板的光学耦合可通过接合工艺和材料选择来得到确保。
本发明尤其适合于制造在近眼式显示器的波导显示元件上的光栅。
从属权利要求涉及本发明的所选实施例。
临时层的特征可以是适合于产生一维光栅的线结构、或者例如适合于产生二维光栅的点结构。
表面轮廓可包含特征(线)宽度的变化(即填充因子调制)和/或特征(线)高度的变化(即高度调制)。使用这两种调制技术提供了衍射效率的最大调整范围。
第一表面轮廓可使用纳米压印光刻、电子束光刻、光学光刻或压花来制造，而最终光栅材料可使用原子层沉积、化学气相沉积或物理气相沉积或其变体来施加。可通过旋涂、喷涂或喷墨印刷来施加高折射率聚合物材料。通常，这些材料通过UV光或热来固化，并且它们可包含无机化合物。
根据一些实施例，光栅材料层在沉积之后具有平坦的自由表面，并且作为最终产品的一部分的第二基板被接合到该平坦表面。
在一些实施例中，最终光栅材料层的表面在将第二基板施加于其上之前被加工，诸如被抛光或以其他方式被平滑。改善表面的平滑度确保了各层之间的良好接触和接合。作为替换或补充，出于施加下一层的目的，工艺可包括某种其他类型的表面准备。
最终光栅材料可包括无机材料，诸如Si3N4、TiO2、SiO2、HfO2。
在一些实施例中，最终光栅材料具有与第二基板的折射率偏差不超过10％的折射率。在一些实施例中，最终光栅材料的折射率比第二基板的折射率高10％以上，诸如10–30％。
在一些实施例中，第二基板使用粘合层来接合到光栅材料。由于第二基板和最终光栅材料通常是刚性材料，因此粘合层确保了基板和光栅的物理和光学耦合。在一些实施例中，粘合层具有与第二基板的折射率(有时也与最终光栅材料的折射率)偏差不超过10％的折射率。最终光栅材料也可具有比粘合层的折射率高10％以上(诸如10–30％)的折射率。
在一些实施例中，第二基板到光栅材料的接合是使用物理或化学接合来执行的。
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–1E以横截面视图逐步解说了根据本发明的一个实施例的用示例性方法生成的结构。
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。
具体实施方式
本文描述了一种示例性方法，该方法提供了可行的手段，以使用符合所选沉积方法的任何所需材料来制造具有变化的结构高度(以及线宽或填充因子)的微结构和纳米结构。总而言之，该方法包括填充具有在牺牲材料中制造或复制到牺牲材料中的可能变化的结构高度和线宽的模具。该牺牲模具通常在第一基板上，诸如在支撑晶片或板上。使用一种或多种所需材料通过气相沉积来执行填充。具有第一基板的结构通过例如粘合剂接合、物理或化学接合被层压至第二基板，诸如支撑板。接下来，原始支撑板被剥离，从而露出牺牲层。牺牲层随后通过湿法或干法蚀刻方法被去除。这在所需材料中得到原始结构的负副本。
更详细地，图1A示出了包括图案化牺牲层12的第一基板10，该牺牲层12包括形成该结构的非平坦表面轮廓的不同高度和/或宽度的特征。在此，这些特征的横截面是矩形的，但是还可使用本方法来制造具有非矩形角的轮廓。例如，如果需要一维光栅，则这些特征可以是在垂直于线长的平面上具有矩形或三角形横截面的直线。
基板可以是能够承载牺牲层并在该工艺的后续阶段与顶层分开的晶片或任何其他膜结构的板。
牺牲层12使用临时光栅材料来制造，该临时光栅材料在该工艺的后续阶段中也被去除。该材料可以是例如抗蚀剂、聚合物或其他可图案化和可去除的薄膜材料。图案化可使用纳米压印光刻、电子束光刻、光学光刻或压花来执行，这里仅给出一些示例。
在所解说的示例中，第一基板10在牺牲层12的各突出特征之间可见，即形成各特征之间的间隙的底部。然而，还可执行牺牲层的施加和图案化，使得整个基板10被覆盖。
在图1B所解说的下一步骤中，图1A的表面轮廓覆盖有所需的最终光栅材料(诸如无机透明材料)层14。示例包括Si3N4、TiO2、SiO2和HfO2。覆盖优选地包括至少填充该轮廓的凹槽直到最高特征的水平。通常，该轮廓被过度填充，使得该轮廓的所有特征被完全嵌入最终光栅材料层中。优选地，在该阶段之后，该层的顶表面基本上是平坦的。
原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)都是施加最终光栅材料的合适方法。可通过旋涂、喷涂或喷墨印刷来施加可UV或热固化的高折射率聚合物材料。
在用最终光栅材料层14填充临时光栅结构之后，可使用机械或化学抛光或其组合来抛光掉表面的任何剩余的不平坦。这确保了光栅层与下一步骤中提供的第二基板的良好接合。
接下来，如图1C所解说的，第二基板18被附连到最终光栅层14的自由表面。粘合层或其他中间层16可被用来确保各层的接合。但是，取决于材料性质，还可使用合适的物理或化学接合方法(例如使用热和/或压力和/或辐射)来直接接合各层。
光栅层14的顶表面的平坦性确保了第二基板18与该光栅层14的良好接合以及各层的光学耦合。
因此，第二基板18以及可任选地粘合层16优选地由透明材料制成。
应注意，如果使用粘合剂，则粘合剂材料优选地具有与波导相同的折射率以改善光学性能。在近眼式应用中，第二基板可以是高折射率材料，并且可充当波导层。还应注意，可选择最终光栅材料，使得其与充当波导层的第二基板具有相同的折射率，从而使从波导层入射的光与经调制层交互，而不管任何偏置层厚度，即在波导层与经调制光栅层之间的任何未经调制层的厚度。
如图1D所示，第一基板10随后从叠层中被去除，即被剥离。因此，露出临时光栅层12、以及可任选地在牺牲材料特征之间的最终光栅层14。取决于材料性质和各层之间的接合，去除可包括机械的、物理的或化学的材料去除。
最后，从所去除的第一基板的一侧去除牺牲材料。这导致在第二基板18上的最终光栅材料层14中的原始表面轮廓的负副本。可针对牺牲材料来选择的化学或物理蚀刻方法可被使用。
一般考虑和变型
最终材料可以是无机透明材料，尤其是金属化合物，诸如金属氧化物或金属氮化物。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、SiO2、Si3N4或HfO2。
第二基板18，也像可任选的粘合层16一样，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，最终光栅材料具有比第二基板材料的折射率高的折射率。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，所制造的光栅的面积通常至少为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，本发明还可被用于产生周期调制光栅。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 (15)

1.一种制造衍射光栅的方法，包括：
提供第一基板，
使用临时光栅材料在所述第一基板上制造第一表面轮廓，
用最终光栅材料层完全覆盖所述第一表面轮廓，
将第二基板接合到所述最终光栅材料层上，
去除所述第一基板，以及
去除所述临时光栅材料以用于在所述最终光栅材料上产生第二表面轮廓，所述第二表面轮廓是所述第一表面轮廓的负片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二表面轮廓包括不同高度的特征以用于制造经高度调制的衍射光栅。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一和第二表面轮廓包括不同宽度的特征以用于制造经填充因子调制的衍射光栅。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括使用纳米压印光刻、电子束光刻或光学光刻来制造所述第一表面轮廓。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括使用原子层沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、旋涂、喷涂或喷墨印刷或其变体来施加所述光栅材料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述光栅材料层在沉积之后具有平坦的自由表面，所述第二基板被接合到所述自由表面上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述光栅材料包括无机材料，诸如Si3N4、TiO2、SiO2、HfO2。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括使用粘合层将所述第二基板接合到所述光栅材料。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述粘合层具有与所述第二基板的折射率偏差不超过10％的折射率。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括使用物理或化学接合将所述第二基板接合到所述光栅材料。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述最终光栅材料具有与所述第二基板的折射率偏差不超过10％的折射率。
12.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述最终光栅材料具有比所述第二基板的折射率高至少10％，诸如10–30％的折射率。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二基板是波导，或者所述方法进一步包括将所述第二基板接合到波导上。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述波导是近眼式显示器的波导显示元件。
15.一种根据前述权利要求中任一项所述的方法的用途，用于衍射波导显示器的内耦合光栅、出瞳扩展器光栅或外耦合光栅。
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