CN111095042B - 制造可变效率衍射光栅的方法以及衍射光栅 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造经调制光学衍射光栅的方法和对应光栅。该方法包括：提供基板并且在该基板上制造多个临时元件，这些临时元件以包括具有不同元件特性的至少两个周期的周期性图案被布置。接下来，第一沉积层被沉积，以便用第一沉积层至少部分地覆盖临时元件，并且这些临时元件从基板上被去除，以便在该基板上形成由第一沉积层制成的第一光栅元件的经调制衍射光栅，该图案在每个周期内包括多个第一光栅元件和这些第一光栅元件之间的一个或多个间隙。本发明允许生成具有局部变化的衍射效率的高质量光栅。

Description

制造可变效率衍射光栅的方法以及衍射光栅
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。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。
存在利用无机材料为光学目的而实现所需光栅图案分辨率的可用技术。例如，在半导体技术中，例如在US 7972959 B2中讨论的自对准双重图案化(SADP)是一种增强半导体组件的图案分辨率的公知技术。在X射线光学器件制造中，类似SADP概念的方法(区划倍频(zone frequency doubling))被用于采用电子束光刻来将区划片线分辨率推进到10nm以下(K.Jefimovs,“A zone doubling technique to produce ultra-high resolutionx-ray optics(生产超高分辨率x射线光学器件的区划倍增技术)”Physical ReviewLetters(物理评论快报),99(2007))。
经高度调制的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 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)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纳米或微元件的经调制图案的新颖方法。一个特定目的是提供一种用于生成经高度和/或填充因子调制的光学衍射光栅的方法。
一个目的是提供一种适合于具有高折射率的无机材料的方法。
目的还在于提供一种新颖的经调制光栅结构。
本发明基于如下思想：首先在基板上用临时元件尤其以线形成提供包括具有不同元件特性的部分的图案，这些不同元件特性定义所得图案的调制特性。在生成临时图案之后，在两个不同步骤中沉积最终光栅材料，在这两个步骤之间去除临时元件。
更详细地，本发明的方法包括通过如下方式来制造经调制光学衍射光栅：
-提供基板，
-在基板上制造多个临时元件，这些临时元件以包括具有不同元件特性的至少两个周期的周期性图案被布置，
-在基板上沉积第一沉积层，以便用第一沉积层至少部分地覆盖临时元件，
-从基板去除临时元件，以便在基板上形成由第一沉积层制成的第一光栅元件的经调制衍射光栅，该图案在每个周期内包括多个第一光栅元件和这些第一光栅元件之间的一个或多个间隙，以及
-可任选地，在基板上沉积第二沉积层，以便至少部分地填充每个周期内的所述间隙，并形成由第一和第二沉积层制成的第二光栅元件的经调制衍射光栅。
具体而言，临时元件可以是线元件，其从基板的表面突出并且导致生成一维线光栅。线元件可具有不同的线宽度和/或线数目，由此形成经光栅线填充因子调制的衍射图案。替换地或者除此之外，线元件可具有不同的线高度，由此形成经光栅线高度调制的衍射图案。代替线元件，临时元件可以是其他元件，诸如从基板的表面突出的点元件，由此可在二维上存在周期性。
本发明的经调制光学衍射光栅包括在基板上突出的多个光栅元件，这些光栅元件以周期性图案布置。该图案的每个周期包括彼此隔开且具有基本相同的尺寸特性的至少两个第一光栅元件。此外，该光栅包括至少两个毗邻周期，该至少两个毗邻周期包括具有不同尺寸特性的至少两个第一光栅元件。使用两个沉积层导致在每个周期内附加地包括至少三个第二光栅元件的光栅，其中至少一个第二光栅元件被布置在第一光栅元件之间，并且至少两个第二光栅元件被布置在第一光栅元件的相对横向侧上，第一和第二光栅元件在每个周期内形成单个统一的光栅元件。该光栅包括至少两个毗邻周期，该至少两个毗邻周期包括具有不同尺寸特性的统一光栅元件，从而产生经调制光栅。第一和第二光栅元件可由相同或不同的材料制成。
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，该方法允许高精度经调制光栅的产业规模生产，尤其是允许同时进行高度和填充因子调制，这在以前是困难的。这是因为可使用易于加工的牺牲材料容易地制造的临时元件图案定义了所得最终图案的特性。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。可利用例如聚合物压花或聚合物光刻技术(诸如纳米压印)以足够的精度容易地生成包括例如不同高度或宽度的直线的临时元件图案，并且其余步骤提供可预测的结果。
第二，该方法允许使用难以加工的材料，尤其是具有高折射率(例如，n>1.7，甚至n>2.0)的无机材料。示例包括氧化物或氮化物材料，诸如TiO2、Si3N4和HfO2。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前体材料。例如，在衍射显示应用中需要高n光栅以用于确保波导基板与光栅之间的光耦合。借助于本发明，使用较高折射率基板，诸如具有与例如聚合物基板相比更高光学性能的玻璃基板是可能的。
从属权利要求涉及本发明的所选实施例。
在一些实施例中，第一和第二沉积层中的至少一者、优选地两个层是共形层。这确保具有可预测光学性质的高质量最终产品。
在一些实施例中，该方法包括在第一沉积层的共形沉积之后各向异性地去除(诸如干法蚀刻)均匀厚度的第一沉积层，以便在去除临时元件之前使其暴露。
临时元件可由第一可蚀刻材料制成，并且一个或多个沉积层使用一个或多个第二材料，通过一个或多个第二材料可选择性蚀刻第一材料。因此，第一材料是牺牲材料，其在最终产品中不存在，但需要该第一材料来确定最终调制特性。第二材料或第二材料集通常包括形成最终光栅结构的光栅元件的一种或多种无机材料。光栅元件可在一个或两个沉积轮次中被形成。应注意，如果使用两个轮次，则在这些轮次中可使用相同或不同的材料。因此，尽管通常使用相同的材料并且光栅元件仅包括一种材料，但是它们还可包括材料的复合物。
在一些实施例中，第二沉积层的沉积包括完全填充通过第一沉积轮次和去除临时元件形成的第一光栅元件之间的间隙。这提供了在每个周期中具有单个统一或甚至整体式光栅元件的最终产品。在第二沉积之后，均匀厚度的第二沉积层可被去除，以便使基板暴露统一光栅元件之间的区域。
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–1F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。
实施例的详细描述
定义
术语“元件”在本文中意味着任何固体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。“元件特征”涵盖每个周期内的元件的几何形状，尤其是每个周期内的元件尺寸和子元件数。
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当前图案的细长元件。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。“线特性”涵盖线形状、线宽度、线高度、子线数及其组合。
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”是指填充因子在光栅的横向维度中(即在周期性结构的各周期之间)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(凹槽的底部)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
以下描述提供了根据本发明的所选实施例的关于如何通过自组装图案化来实现衍射光栅的衍射效率调制的示例。使用线元件来制造一维光栅被用作示例。然而，使用本发明的方法来制造具有其他种类的元件的二维光栅也是可能的，该二维光栅允许二维的周期性。
一般而言，本文详细描述的示例性方法提供了可行的手段，以使用符合所选沉积方法的任何期望材料来制造具有变化的元件高度和填充因子的微结构和纳米结构。该方法是基于在牺牲材料中制造或复制到其上的具有变化的元件高度和元件密度的模具上的共形涂层。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。为了进一步的填充因子调制，执行另一沉积-蚀刻循环。元件的高度和宽度直接由牺牲元件的高度定义。该方法允许同时组合光栅填充因子和元件高度调制以用于衍射效率控制。
接下来，参考图1A-1F详细描述该方法。
牺牲层
在图1A所解说的第一步骤中，多条临时线12被制造在基板10上。临时线12由牺牲材料制成，该临时线可在该工艺的后续阶段中通过蚀刻去除。在此示出了四条临时线或线对L1-L4，每个光栅周期d中一条线或线对。线或线对具有高度h和宽度w，其在此在不同周期之间全都不同，以便例示在不同情况下的线形成。即，例如线L1的高度hL1不同于线L4的高度hL4，并且线L2的宽度wL2不同于线L3的宽度wL3。一般而言，存在具有在该周期内在元件形状(线横截面、宽度和/或高度)和/或元件数方面的非类似元件配置的至少两个周期。
临时线可通过本身在本领域中已知的光刻技术(诸如纳米压印光刻、光电或电子束光刻)或者例如通过压花来制造。
作为该步骤的结果，在每个光栅周期d内具有一条或多条临时线的经调制图案被形成。
在实际应用中，可提供例如由在每个区划中具有不同临时元件特性的周期形成的两种或更多种、尤其是四种或更多种(诸如十种或更多种)不同种类的区划。这生成具有相应数目的不同分段的光栅，这些分段具有由每个区划内的元件特性确定的不同衍射效率。替换地，临时元件的特性以及因此最终光栅的调制可根据连续梯度(即连续调制而不是不同分段)而变化。
第一最终材料层沉积
在图1B所解说的下一步骤中，厚度为t1且为期望材料的共形层14A被沉积在临时线12上，该共形层14A成为最终光栅的一部分。共形涂层的益处是具有2t1或更小的宽度g的临时线之间的间隙(“第一间隙”)总是被填充，而不论间隙高度。在一些实施例中，在任何单个周期内的各线之间的任何间隙被完全填充，同时保持不同周期的元件之间的间隙。然而，在任何单个周期的各线之间留下具有2t2或更小的宽度的间隙，并随后在第二沉积轮次期间填充该间隙也是可能的。
共形沉积的合适技术包括ALD、CVD和PVD方法。
准备去除牺牲层
在图1C所解说的下一步骤中，线的顶部(“线帽”)和凹槽的底部被向下蚀刻，直到到达牺牲层和基板为止。在临时线12的侧面上的最终材料的中间元件14A’保持在原位。该步骤为下一步去除牺牲层的产品做准备。
适用于所选最终材料的任何各向异性蚀刻技术都可用于该步骤。通常，该技术相对于牺牲层和基板材料是选择性的，并且仅垂直地去除共形层14A的各部分。优选地使用干法蚀刻技术。
去除牺牲层
在图1D所解说的下一步骤中，去除牺牲层(即保留在中间线14A’之间的临时线12)，并形成宽度为G的对应间隙15(“第二间隙”)。此时，中间光栅结构的填充率由每周期的线数和所沉积的层厚度来定义。
去除可通过对所选材料具有所需选择性的合适的湿法或干法蚀刻工艺来执行。
第二最终材料层沉积
在图1E所解说的下一步骤中，通常与层14A相同的厚度为t2且为期望材料的共形层14B被沉积在中间线14A’上以便填充间隙15，该共形层14B成为最终光栅的一部分。共形沉积确保具有2t2或更小的宽度G的中间线14A’之间的所有间隙总是被填充，而不论间隙高度。该步骤进一步提高了产品的填充率。
在该步骤之后，具有在每个周期d内完全由中间线14A’和第二共形层14B形成的单一线的光栅被形成。该光栅可用作诸如衍射光栅，尽管在典型情形中，各线之间的凹槽底部的第二层的各部分被去除。应注意，如果相同的材料被用于两个沉积轮次，则最终结构的每条线仅由单一材料制成，尽管在图1E和1F中以不同的填充示出了对应层。
第二沉积轮次可使用与第一轮次中使用的方法相同的方法来执行。
光栅的定型
在图1F所解说的下一可任选步骤中，各线之间的凹槽底部的第二层14B的各部分被去除，以便生成不同的光栅线。这可再次通过各向异性蚀刻、优选地使用干法蚀刻工艺向下蚀刻第二层14B直到到达基板10来实现。作为结果，分开定位在基板10上的最终光栅线16被生成。
最终结构的填充率完全由临时线或线对的周期d、宽度w以及最终材料沉积的厚度t1和t2来定义。如果临时线具有不同的高度，则在最终线16上也生成相同的高度差。因此，牺牲层的调制确定最终光栅的调制。对涂层材料的加工要求被放宽，因为该加工仅用于去除多余材料，并且不需要高各向异性。
一般考虑和变型
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，最终材料具有比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。
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Claims (33)

1.一种制造用于近眼式显示器和平视显示器的经调制光学衍射光栅的方法，包括：
-提供基板，
-在所述基板上制造多个临时元件，所述临时元件以包括具有不同元件特性的至少两个周期的周期性图案被布置，
-在所述基板上沉积第一沉积层，以便用所述第一沉积层至少部分地覆盖所述临时元件，
-从所述基板去除所述临时元件，以便在所述基板上形成由所述第一沉积层制成的第一光栅元件的经调制衍射光栅，所述光栅在每个周期内包括多个第一光栅元件和所述第一光栅元件之间的一个或多个间隙，以及
-在去除所述临时元件之后在所述基板上沉积第二沉积层，以便至少部分地填充每个周期内的所述间隙。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一沉积层和第二沉积层使用相同的沉积材料来沉积。
3.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将线栅形成为所述衍射光栅的线元件。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有不同元件特性的至少两个周期包括具有不同宽度和/或数目的元件，由此经填充因子调制的衍射光栅被形成。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述具有不同元件特性的至少两个周期包括具有不同高度的元件，由此经高度调制的衍射光栅被形成。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一沉积层和/或所述第二沉积层是共形层。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在沉积所述第一沉积层之后从所述基板各向异性地去除一层均匀的所述第一沉积层以便暴露所述临时元件。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在沉积所述第二沉积层时，所述第一光栅元件之间的间隙被完全填充。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括在沉积所述第二沉积层之后从所述基板各向异性地去除一层均匀的所述第二沉积层。
10.根据权利要求7或9所述的方法，其特征在于，所述去除包括干法蚀刻。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一沉积层和所述第二沉积层使用原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)或其变体来沉积。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述临时元件通过压花或光刻来制造。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述压花或光刻包括光学、电子束或纳米压印光刻。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，临时元件通过选择性蚀刻被完全去除。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述蚀刻包括干法蚀刻或湿法蚀刻。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一沉积层和所述第二沉积层由无机透明材料制成。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述无机透明材料为金属氧化物或金属氮化物。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述无机透明材料具有1.7或更高的折射率。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述无机透明材料具有2.0或更高的折射率。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述无机透明材料具有2.2或更高的折射率。
21.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基板是光学透明基板。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述基板是能够用作光导的平面基板。
23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一沉积层和所述第二沉积层具有比所述基板材料的折射率高的折射率。
24.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所制造的衍射光栅的面积至少为1cm2，并且所述图案的周期为10μm或更小。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所制造的衍射光栅的面积为2–500cm2。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述图案的周期为1μm或更小。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，所述图案的周期为200–800nm。
28.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所制造的光栅包括具有所述光栅元件的不同平均填充率的多个区划。
29.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，针对近眼式显示器或平视显示器的外耦合光栅、内耦合光栅或出瞳扩展器的衍射光栅被制造。
30.一种经调制光学衍射光栅，包括：
-在基板上突出的多个光栅元件，所述光栅元件以周期性图案被布置，其中
-所述图案的每个周期包括彼此隔开且具有基本相同的尺寸特性的至少两个第一光栅元件，以及
-所述光栅包括至少两个毗邻周期，所述毗邻周期包括具有不同尺寸特性的至少两个第一光栅元件，其中所述光栅是使用根据权利要求1-29中任一项所述的方法来制造的。
31.根据权利要求30所述的光栅，其特征在于，所述不同尺寸特性包括不同的光栅元件宽度和/或高度。
32.根据权利要求30所述的光栅，其特征在于，在每个周期内进一步包括至少三个第二光栅元件，所述至少三个第二光栅元件中的至少一个第二光栅元件被布置在所述第一光栅元件之间，并且所述至少三个第二光栅元件中的至少两个第二光栅元件被布置在所述第一光栅元件的相对横向侧上，所述第一和第二光栅元件由相同或不同的材料制成并且在每个周期内形成单个统一的光栅元件，并且所述光栅包括至少两个毗邻周期，所述至少两个毗邻周期包括具有不同尺寸特性的统一的光栅元件。
33.根据权利要求30所述的光栅，其特征在于，所述光栅是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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