CN112219165A - 用于波导显示器的具有可变深度的光栅 - Google Patents
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Abstract
一种制造系统，用于制造具有可变折射率的自对准的光栅元件，该制造系统包括图案化系统、沉积系统以及蚀刻系统。该制造系统对一种或更多种光刻抗蚀剂进行光刻图案化，以在衬底上产生叠层。制造系统执行保护性涂层在叠层上的共形沉积。制造系统执行第一折射率的第一光致抗蚀剂在保护性涂层上的沉积。制造系统执行对第一光致抗蚀剂的去除，以实现第一厚度阈值。制造系统执行第二折射率的第二光致抗蚀剂在第一光致抗蚀剂上的沉积。第二折射率大于第一折射率。制造系统执行对第二光致抗蚀剂的去除，以实现第二厚度阈值，以形成光栅的一部分。
Description
背景
本公开总体上涉及波导显示器，并且具体地涉及制造具有可变深度和占空比的光栅元件。
近眼光场显示器(包括近眼显示器(NED)和电子取景器)将图像直接投射到用户的眼睛中。传统的近眼显示器(NED)通常具有产生图像光的显示元件，该图像光在到达用户的眼睛之前穿过一个或更多个透镜。此外，在增强现实系统中的NED通常需要是紧凑的和重量轻的，并提供具有宽视场的大出射光瞳(exit pupil)以便于使用。然而，由于光栅元件的尺寸和形状的不匹配，用具有期望光学属性的材料来设计传统的NED经常导致用户眼睛接收的图像光的输出耦合率(out-coupling efficiency)非常低。虽然传统的光刻方法可以产生具有可变占空比的光栅元件，但是这种方法不能对光栅的高度进行调节。因此，缺乏一种制造系统来以高产量制造具有可变深度和占空比的光栅元件。
概述
实施例涉及一种制造用于光波导的光栅的方法。在一些实施例中，用于制造光栅的制造系统包括图案化系统、沉积系统和蚀刻系统。该制造系统对沉积在衬底上的一种或更多种光刻抗蚀剂进行光刻图案化(lithographic patterning)。制造系统执行以下至少一种的沉积：蚀刻相容膜(etch-compatible film)、金属、光致抗蚀剂或它们的某种组合。
制造系统对沉积在衬底上的第一光致抗蚀剂执行光刻图案化，以形成图案，并且制造系统将该图案转移到下面的硬掩模中。制造系统执行第二光致抗蚀剂在经图案化的硬掩模上的沉积。制造系统对第二光致抗蚀剂执行光刻图案化，以产生具有相对于衬底的多个高度的改性的第二光致抗蚀剂。制造系统基于在改性的第二光致抗蚀剂中的多个高度以及由硬掩模限定的图案，执行将图案转移到衬底上，以形成纳米压印模具，该纳米压印模具至少包括多个不同的蚀刻深度和一个或更多个占空比。在一些配置中，制造系统执行将纳米压印模具中的图案转移到光波导，以形成具有多个不同的蚀刻深度和一个或更多个占空比的光栅。在一些配置中，第二光致抗蚀剂是使用灰度掩模来被光刻图案化的灰度光致抗蚀剂。
在一些实施例中，第二光致抗蚀剂是使用灰度掩模来被光刻图案化的灰度光致抗蚀剂。通过执行金属层在第二衬底上的沉积并且基于采用在金属层上移动的1D离子束执行的侵蚀工艺，制造系统制造灰度掩模。在另一实施例中，制造系统采用阈值数量的第二材料层制造灰度掩模。制造系统执行将第三光致抗蚀剂沉积在衬底上。
在涉及方法、制造系统和光栅的所附权利要求中具体公开了根据本发明的实施例，其中，在一个权利要求类别(例如方法)中提到的任何特征也可以在另一个权利要求类别(例如制造系统、光栅、系统、存储介质和计算机程序产品)中被要求保护。在所附权利要求中的从属性或往回引用仅为了形式原因而被选择。然而，也可以要求保护由对任何前面权利要求的有意往回引用(特别是多项引用)而产生的任何主题，使得权利要求及其特征的任何组合被公开并可被要求保护，而不考虑在所附权利要求中选择的从属性。可以被要求保护的主题不仅包括如在所附权利要求中阐述的特征的组合，而且还包括在权利要求中的特征的任何其他组合，其中，在权利要求中提到的每个特征可以与在权利要求中的任何其他特征或其他特征的组合相结合。此外，本文描述或描绘的实施例和特征中的任一个可以在单独的权利要求中和/或以与本文描述或描绘的任何实施例或特征的任何组合或以与所附权利要求的任何特征的任何组合被要求保护。
在实施例中，一种方法可以包括：
对沉积在衬底上的第一光致抗蚀剂执行光刻图案化；
执行第二光致抗蚀剂在经图案化的第一光致抗蚀剂上的沉积；
对第二光致抗蚀剂执行光刻图案化，以产生具有相对于衬底的多个高度的改性的第二光致抗蚀剂；以及
基于在改性的第二光致抗蚀剂中的多个高度，执行对衬底的部分去除，以形成纳米压印模具，该纳米压印模具至少包括多个不同的蚀刻深度和一个或更多个占空比。
在实施例中，一种方法可以包括：
执行将纳米压印模具中的图案转移到光波导上，纳米压印模具中的图案的转移形成包括多个不同的蚀刻深度和一个或更多个占空比的光栅。
第二光致抗蚀剂可以是使用灰度掩模来被光刻图案化的灰度光致抗蚀剂。
在实施例中，一种方法可以包括：
执行金属层在第二衬底上的沉积；以及
基于通过激光扫描金属层所执行的侵蚀工艺，调整沉积的金属层的厚度，经调整厚度的沉积的金属层形成灰度掩模的一部分。
在实施例中，一种方法可以包括：
执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；
使用二元光掩模对第三光致抗蚀剂执行光刻图案化；
执行第二材料的沉积，第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过灰度掩模；以及
执行对经光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除，以在第二衬底上形成第二材料的一部分，第二材料的该部分形成具有阈值数量的第二材料层的灰度掩模的一部分。
在实施例中，一种方法可以包括：
执行第二材料的沉积，第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过灰度掩模；
执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；
使用二元光掩模对第三光致抗蚀剂执行光刻图案化；以及
执行对沉积在第二衬底上的第二材料的部分去除，经部分去除的第二材料形成具有阈值数量的第二材料层的灰度掩模的一部分。
在实施例中，一种方法可以包括：
执行硬掩模在第一光致抗蚀剂上的沉积；以及
对第一光致抗蚀剂和硬掩模执行光刻图案化。
在实施例中，制造系统可以包括：
第一图案化系统，第一图案化系统被配置成对沉积在衬底上的第一光致抗蚀剂执行第一光刻图案化；
第二图案化系统，第二图案化系统被配置成对沉积在经图案化的第一光致抗蚀剂上的第二光致抗蚀剂执行第二光刻图案化，第二光刻图案化产生具有相对于衬底的多个高度的改性的第二光致抗蚀剂；以及
蚀刻系统，蚀刻系统被配置成基于在改性的第二光致抗蚀剂中的多个高度，执行对衬底的部分去除，部分去除形成纳米压印模具，该纳米压印模具包括多个不同的蚀刻深度和一个或更多个占空比。
图案化系统可以被配置成：
执行将纳米压印模具中的图案转移到光波导上，该纳米压印模具中的图案的转移形成包括多个不同的蚀刻深度和一个或更多个占空比的光栅。
第二光致抗蚀剂可以是使用灰度掩模来被光刻图案化的灰度光致抗蚀剂。
在实施例中，制造系统可以包括：
沉积系统，该沉积系统被配置成执行金属层在第二衬底上的沉积；以及
其中，蚀刻系统基于通过1D离子束扫描金属层所执行的侵蚀工艺，调整沉积的金属层的厚度，并且经调整厚度的沉积的金属层形成灰度掩模的一部分。
在实施例中，制造系统可以包括：
沉积系统，该沉积系统被配置成执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；并且其中
图案化系统被配置成使用二元光掩模对第三光致抗蚀剂执行光刻图案化，
沉积系统被配置成执行第二材料的沉积，第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过灰度掩模，并且
蚀刻系统被配置成执行对经光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除，以在第二衬底上形成第二材料的一部分，对经光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除形成具有阈值数量的第二材料层的灰度掩模的一部分。
在实施例中，制造系统可以包括：
第一沉积系统，该第一沉积系统被配置成执行第二材料的沉积，第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过灰度掩模；
第二沉积系统，第二沉积系统被配置成执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；并且其中
图案化系统被配置成使用二元光掩模对第三光致抗蚀剂执行光刻图案化，并且
蚀刻系统被配置成执行对沉积在第二衬底上的第二材料的部分去除，经部分去除的第二材料形成具有阈值数量的第二材料层的灰度掩模的一部分。
在实施例中，制造系统可以包括：
沉积系统，沉积系统被配置成执行硬掩模在第一光致抗蚀剂上的沉积；并且其中
图案化系统被配置成对第一光致抗蚀剂和硬掩模执行光刻图案化。
在实施例中，一种可以通过根据上述实施例中任一项所述的方法或者通过包括以下步骤的工艺形成的光栅：
对沉积在衬底上的第一光致抗蚀剂执行光刻图案化；
执行第二光致抗蚀剂在经图案化的第一光致抗蚀剂上的沉积；
对第二光致抗蚀剂执行光刻图案化，以产生具有相对于衬底的多个高度的改性的第二光致抗蚀剂；以及
基于在改性的第二光致抗蚀剂中的多个高度，执行对衬底的部分去除，以形成纳米压印模具；以及
执行将纳米压印模具中的图案转移到光波导上，以形成光栅。
纳米压印模具可以包括多个不同的蚀刻深度以及一个或更多个占空比。
第二光致抗蚀剂可以是使用灰度掩模来被光刻图案化的灰度光致抗蚀剂。
该工艺可以包括下列步骤：
执行金属层在第二衬底上的沉积；以及
基于通过激光扫描金属层所执行的侵蚀工艺，调整沉积的金属层的厚度，经调整厚度的沉积的金属层形成灰度掩模的一部分。
该工艺可以包括下列步骤：
执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；
使用二元光掩模对第三光致抗蚀剂执行光刻图案化；
执行第二材料的沉积，第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过灰度掩模；以及
执行对经光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除，以在第二衬底上形成第二材料的一部分，第二材料的该部分形成灰度掩模的一部分。
该工艺可以包括下列步骤：
执行第二材料的沉积，第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过灰度掩模；
执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；
使用二元光掩模对第三光致抗蚀剂执行光刻图案化；以及
执行对沉积在第二衬底上的第二材料的部分去除，经部分去除的第二材料形成具有阈值数量的第二材料层的灰度掩模的一部分。
在实施例中，一个或更多个计算机可读非暂时性存储介质可以体现软件，该软件在被执行时可操作来执行方法或在任何上面提到的实施例中可操作。
在实施例中，一种系统可以包括：一个或更多个处理器；以及耦合到处理器并包括处理器可执行的指令的至少一个存储器，处理器当执行指令时可操作来执行方法或者在任何上面提到的实施例中可操作。
在实施例中，优选地包括计算机可读非暂时性存储介质的计算机程序产品当在数据处理系统上被执行时可操作来执行方法或者在任何上面提到的实施例中可操作。
附图简述
图1是根据一个或更多个实施例的制造系统的框图。
图2A是流程图，示出了根据一个或更多个实施例的、由图1的制造系统执行的、制造具有可变高度的光栅元件的过程。
图2B是流程图，示出了根据一个或更多个实施例的、由图1的制造系统执行的、制造具有可变高度和一个或更多个占空比的光栅元件的过程。
图2C是流程图，示出了根据一个或更多个实施例的、由图1的制造系统执行的、制造具有可变高度和一个或更多个占空比的光栅元件的过程。
图3A-3C示出了根据一个或更多个实施例的通过图1的制造系统产生具有可变高度的光栅元件的过程。
图4是根据一个或更多个实施例的、使用图1的制造系统制造灰度掩模(gray-scale mask)的激光烧蚀工艺的图示。
图5A是根据一个或更多个实施例的、使用图1的制造系统制造灰度掩模的逐层沉积工艺的图示。
图5B是根据一个或更多个实施例的、使用图1的制造系统制造灰度掩模的逐层沉积工艺的图示。
图6A是根据一个或更多个实施例的、使用图1的制造系统制造灰度掩模的逐层蚀刻工艺的图示。
图6B是根据一个或更多个实施例的、使用图1的制造系统制造灰度掩模的逐层蚀刻工艺的图示。
图7是根据一个或更多个实施例的、使用图1的制造系统产生具有可变高度和/或一个或更多个占空比的光栅的过程的图示。
图8是根据一个或更多个实施例的、使用图1的制造系统产生具有可变高度和/或一个或更多个占空比的光栅的过程的图示。
图9是根据一个或更多个实施例的、具有使用图1的制造系统制造的光栅的近眼显示器(NED)的框图。
附图仅出于说明的目的描绘了本发明的各种实施例。本领域中的技术人员从下面的讨论中将容易认识到，本文所示的结构和方法的替代实施例可以被采用而不偏离本文所述的本发明的原理。
详细描述
综述
一种用于在用于光波导显示器的光栅元件中产生可变蚀刻深度特征的制造系统。虽然传统的光刻技术(例如照相平版法(photolithography)、电子束光刻等)通过改变这种光栅的尺寸和/或间距来产生具有高度可定制的占空比的光栅，但是这些光刻技术不能在衬底的整个区域上调节光栅相对于衬底的垂直尺寸(即蚀刻深度)。可变蚀刻深度特征可以例如控制提供给例如衍射光栅中的各个衍射级的功率。制造系统使用在蚀刻相容膜(例如，石英)上的图案(例如，铬)，以在整个蚀刻相容膜上产生统一的蚀刻深度。灰度光掩模用于在整个蚀刻相容膜上产生经调整的光致抗蚀剂，该光致抗蚀剂在显影时产生可变的蚀刻深度特征。在替代的配置中，制造系统直接在玻璃上执行整个工艺，以形成经蚀刻的波导而不是产生纳米压印蚀刻相容膜。
在一些配置中，制造系统基于曝光工艺，使用扫描激光束和/或基于数字微反射镜的曝光中的至少一项来对第三光致抗蚀剂执行光刻图案化。制造系统执行第二材料的沉积，第二材料采用第三光致抗蚀剂作为剥离掩模来阻挡紫外线辐射。制造系统执行对已光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除，以形成灰度掩模，该灰度掩模具有量随着位置的特定而变化的、吸收UV光的第二材料。
本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混杂现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式使用(例如在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
图1是根据一个或更多个实施例的制造系统100的框图。制造系统100是产生在波导显示器中的具有可调高度和/或占空比的光栅元件的一组系统。在一个实施例中，制造系统100基于激光烧蚀工艺产生灰度光掩模，如下文参考图4所述。灰度光掩模用于制造具有不同蚀刻深度(例如几百纳米至几微米)、一个或更多个占空比(例如10％至90％)或其某种组合的光栅。这种光栅不能使用传统的光刻技术形成。在另一个实施例中，制造系统100基于逐层沉积工艺产生灰度光掩模，如下文参考图5A-5B所述。在又一个实施例中，制造系统100基于逐层蚀刻工艺产生灰度光掩模，如下文参考图6A-6B所述。制造系统100的一些实施例具有不同于这里描述的系统部件的系统部件。类似地，功能可以以不同于这里描述的方式分布在系统部件当中。制造系统100包括图案化系统110、沉积系统120、蚀刻系统130或它们的某种组合。制造系统100可以类似于制造用于形成集成电路的器件的系统，并且可以包括诸如蚀刻部件、薄膜制造部件、氧化部件等的部件。在一些实施例中，制造系统100包括控制器(这里未示出)，该控制器控制制造系统100中的一些或所有系统。
图案化系统110是对形成在衬底上的物质进行图案化的系统，该图案化产生了该物质的几何形状的变化。在一些实施例中，图案化系统110包括对流炉、热板、冷板、红外灯、晶片旋转器、掩模对准器、曝光系统、基于湿式工作台的显影剂系统或它们的某种组合。在一个示例中，图案化系统110包括一对对流炉、可编程晶片旋转器、接触型掩模对准器以及具有强度接近25mW/cm2的汞源的曝光系统，对流炉用于在150-200℃范围内的温度下为了脱水目的通过硬烘烤和软烘烤来处理批量晶片。
在另一个实施例中，图案化系统110包括执行以下至少一项的装备：激光烧蚀、电子束光刻、干涉光刻、多光子光刻、扫描探针光刻或它们的某种组合。在第一示例中，图案化系统110基于电子束光刻，其中聚焦的电子束在覆盖有电子敏感膜的表面上执行所需形状的扫描。聚焦的电子束改变了电子敏感膜的溶解度，导致通过浸入溶剂中而选择性地除去电子敏感膜的曝光或未曝光区域。在第二示例中，图案化系统110基于干涉光刻，其中在光敏材料中构建并记录由表示两个或更多相干光波之间的强度最小值和最大值的周期性条纹序列组成的干涉图案。在一些配置中，图案化系统110包括一个或更多个执行双光束干涉光刻、三光束干涉光刻、四光束干涉光刻、多波干涉光刻或其某种组合的设备。因此，图案化系统110可以执行具有六边形对称性、矩形对称性、具有限定空间频谱的非周期性图案或其某种组合的图案阵列的光刻图案化。在第三示例中，图案化系统110基于多光子光刻，其中负性或正性光致抗蚀剂(negative-tone or positive-tone photoresists)用来自具有定义明确的波长的激光的光照射，而不使用任何复杂的光学系统。多光子光刻工艺基于光敏材料中的多光子吸收过程，该光敏材料在用于产生光刻图案的激光的波长处是透明的。通过扫描和适当调制激光，在激光的焦点处发生化学变化，并且该化学变化可以被控制以产生任意的三维周期性或非周期性图案。在第四示例中，图案化系统110基于扫描探针光刻，其中扫描探针显微镜用于使用热、化学反应、扩散、氧化、电偏置、机械力或它们的某种组合在光敏材料上直接写上期望的光刻图案。在一些配置中，图案化系统110包括一个或更多个设备，该设备使用不同类型的扫描探针显微镜，以并行方式在不同位置对光敏材料同时执行光刻图案化，以用于大量制造。
在替代实施例中，图案化系统110包括压印系统，该压印系统在衬底上执行图案的机械冲压。在一个示例中，压印系统基于残留聚合物层的去除和压印到图案化衬底内的特征的随后去除，将图案转印到衬底上。图案化系统110包括热压印系统、紫外压印系统、喷射和闪光压印系统、反向压印系统或它们的某种组合。热压印系统是一种在预热的印模上对先前旋涂在衬底上的热塑性聚合物施加机械力的系统。紫外压印系统是这样一种系统：对低粘度、可UV固化的聚合物(例如PDMS、HSQ)施加紫外线辐射以交联聚合物，然后从衬底上释放蚀刻相容膜。与热压印系统和紫外压印系统相比，喷射和闪光压印系统是一种在低压和低温下通过一个或更多个喷墨将聚合物分配到衬底上的系统。反向压印系统是一种将聚合物直接涂覆到模板上，并通过调整模板和衬底的表面能(surface energy)来释放图案化衬底的系统。
沉积系统120是在衬底上添加由图案化系统110图案化的一个或更多个材料薄膜的系统。在一些实施例中，沉积系统120添加多个材料薄膜以形成叠层，其基于两个相邻材料层的折射率之间的差异，沿着任何方向具有折射率梯度。沉积系统120基于物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、旋涂系统或其某种组合，将材料薄膜添加到衬底上，如下文结合图5所述。在一些配置中，沉积系统120将选自由有机聚合物、电介质层或其某种组合组成的组中的材料薄膜沉积。例如，沉积系统120将二氧化硅、SSQ衍生物、有机聚合物、二氧化钛、二氧化铪、氮化硅或其某种组合的一层或更多层沉积。
沉积系统120可以包括电子束蒸发器、磁控溅射器、反应溅射器、低压化学气相沉积(LPCVD)反应器、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)反应器、原子层沉积(ALD)反应器或它们的某种组合。电子束蒸发器是基于物理气相沉积形式的，其中靶阳极在高真空下被带电钨丝发出的电子束轰击。电子束使靶中的原子转变成气相。来自靶的原子然后沉淀成固体形式，用阳极材料薄膜覆盖真空室中视线内的所有东西。磁控溅射器使用强电场和磁场将带电等离子体粒子限制在溅射靶表面附近。在磁场中，电子沿着绕着磁场线的螺旋路径，经历了与靶表面附近的气态中性粒子发生比其他情况下更多的电离碰撞。反应溅射是基于溅射的粒子在涂覆衬底之前经历化学反应。粒子经历的化学反应是与引入溅射室的反应气体(诸如氧气或氮气)的反应。低压化学气相沉积(LPCVD)反应器基于压力低于大气压的化学过程，其中衬底暴露于一种或更多种挥发性前体，该挥发性前体在衬底表面上反应和/或分解以产生期望的沉积物。等离子体增强化学气相沉积(PECVD)是基于一种化学工艺，该工艺利用等离子体来提高挥发性前体的化学反应速率，从而允许以较低温度沉积。在一些配置中，沉积系统120以相对低于室温的温度执行有机涂层(诸如等离子体聚合物)的沉积。原子层沉积(ALD)反应器是基于化学过程，其中通过在反应室中交替地对化学反应物施加脉冲(pulsing)，然后以饱和方式化学吸附在衬底表面上，形成化学吸附的单层，将两种元素的交替单层沉积到衬底上。在一些配置中，沉积系统120包括控制器(在此未示出)，该控制器控制将前体脉冲送入反应室的循环次数、每次脉冲的沉积时间以及每次脉冲后清理反应室的时间。
沉积系统120还可以将目标值厚度的蚀刻相容膜沉积在衬底上。蚀刻相容膜可以包含的材料包括但不限于金属或金属化合物(例如，TiOx、WC、W、Cr、TiN等)、含硅材料(例如SiO2、Si3N4、SiON、SiC)、含碳材料(例如无定形碳、类金刚石碳、旋涂碳)、环氧树脂(例如SU-8)、酚醛树脂等。
蚀刻系统130是去除沉积在衬底上的由图案化系统110图案化的一个或更多个材料薄膜的系统。蚀刻系统130基于物理过程、化学过程或它们的某种组合。蚀刻系统130以与沉积在衬底上的多层材料叠层中的第二组的一个或更多个材料薄膜相比不同的去除速率选择性地去除第一组的一个或更多个材料薄膜。蚀刻系统130包括湿式工作台、离子铣(ionmilling)模块、基于等离子体的反应离子蚀刻模块、化学机械抛光模块或其某种组合。在第一配置中，蚀刻系统130包括湿式工作台，其在一定温度和浓度范围内使用酸、碱和溶剂的组合来执行化学蚀刻。在第二配置中，蚀刻系统130包括离子铣模块，该离子铣模块以极低的压力并且使用高加速电势以便加速电子以足够的能量撞击中性气体原子以电离气体原子，来执行对沉积在衬底上的薄膜的一部分的物理去除。在第三配置中，蚀刻系统130包括基于低压化学反应等离子体和外部电磁场的基于等离子体的反应离子蚀刻(RIE)模块，以去除沉积在衬底上的一个或更多个材料薄膜。在第四配置中，蚀刻系统130包括化学机械抛光(CMP)模块，其基于化学和机械力的组合来执行使一个或更多个材料薄膜变平滑。在一些示例中，蚀刻系统130使用研磨性和腐蚀性化学浆料以及抛光垫和保持环来对沉积在衬底上的由图案化系统110图案化的一个或更多个薄膜进行化学机械抛光。
在一些实施例中，蚀刻系统130基于气体团簇离子束(GCIB)工艺，该工艺用高能纳米级团簇离子束轰击表面。在GCIS工艺中，喷嘴内部发生膨胀，这使气流成形，促进团簇的射流的形成。团簇的射流通过不同的泵送孔(pumping aperture)进入高真空区域，在这里，团簇通过与高能电子的碰撞而电离。已电离的团簇被静电加速到非常高的速度，并且它们被聚焦成紧密的波束。在一个示例中，通过用高能纳米级簇离子束轰击蚀刻相容膜的表面，来通过气体团簇离子束(GCIB)工艺部分地去除蚀刻相容膜。
图2A是流程图200，示出了根据一个或更多个实施例的、由图1的制造系统100执行的、制造具有可变高度的光栅元件的过程。其他实体可以在其他实施例中执行该过程的一些或所有步骤。同样，实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。
制造系统100对沉积在衬底上的第一光致抗蚀剂执行210光刻图案化，并将该图案转移到下面的硬掩模中。如以上参考图1所描述的，图案化系统110对由沉积系统120沉积在衬底上的第一光致抗蚀剂执行210光刻图案化，并将该图案转移到下面的硬掩模中。在一个示例中，图案化系统110包括用于在150-200℃下使衬底脱水的对流炉、用于将物质涂覆在衬底上的晶片旋转器、用于限定在衬底上的光刻图案的掩模对准器、以及用于将掩模中的光刻图案转移到衬底的曝光系统。在一些实施例中，在一个或更多个光致抗蚀剂的光刻图案化之前，图案化系统110对沉积在一个或更多个光致抗蚀剂上的硬掩模执行210光刻图案化。
制造系统100执行220第二光致抗蚀剂在图案化的硬掩模上的沉积。如以上参考图1所描述的，沉积系统120沉积第二光致抗蚀剂，该第二光致抗蚀剂包括一层或更多层SSQ衍生物、有机聚合物或它们的某种组合。沉积系统120沉积厚度范围从几百纳米到几微米的第二光刻抗蚀剂。
制造系统100对第二光致抗蚀剂执行230光刻图案化，以产生具有相对于衬底的多个高度的改性的第二光致抗蚀剂。如以上参考图1所描述的，图案化系统110对由沉积系统120沉积在图案化的第一光致抗蚀剂上的第二光致抗蚀剂执行230光刻图案化。在一些实施例中，制造系统100对第二光致抗蚀剂执行230光刻图案化，使得改性的第二光致抗蚀剂具有相对于衬底的在几百纳米至几微米范围内的多个高度。
基于第一光致抗蚀剂和改性的第二光致抗蚀剂中的高度，制造系统100执行240将图案转移到衬底中，以形成纳米压印模具。纳米压印模具是具有多个高度的结构，并且通过制造系统100形成在衬底上。如以下结合图3C所描述的，制造系统100将纳米压印模具上具有多个高度的结构转移到有机材料(例如纳米压印树脂)上，并且制造系统100在光波导上形成光栅。例如，该结构可以包括多个柱(或是在1D情况下的行)，每个柱具有从衬底开始测量的相应高度。并且至少一个(并且通常多于一个的)柱具有不同于该多个柱中的至少一个其他柱的高度。在一些配置中，蚀刻系统130使用具有每秒几埃(angstrom)的蚀刻速率的石英蚀刻配方对由石英制成的衬底执行240部分去除，以实现约300nm的目标高度。石英蚀刻配方可以包括单种或更多种含氟气体(例如CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、SF6、NF3、C4F8、C4F6、C3F8、F2、ClF3、HF等)和其他添加剂(例如Ar、He、Ne、Kr、O2、N2、N2O、CH4、SiCl4、SiF4、NH3等)。
注意，传统光刻技术(诸如照相平版法或电子束光刻)不能调节改性的第二光致抗蚀剂的高度，因此，使用这种传统光刻技术形成的光栅不能调节光栅相对于衬底的高度。相反，制造系统100对占空比(例如，10％至90％)、相对于衬底形成的光栅的高度或它们的某种组合进行调节。例如，光栅可以包括多个柱(或是在1D情况下的行)，每个柱具有从衬底开始测量的相应高度。并且至少一个(并且通常多于一个的)柱具有不同于该多个柱中的至少一个其他柱的高度。
图2B是流程图202，示出了根据一个或更多个实施例的、由图1的制造系统100执行的、制造具有可变高度和一个或更多个占空比的光栅元件的过程。其他实体可以在其他实施例中执行该过程的一些或所有步骤。同样，实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。
制造系统100执行210将蚀刻相容膜沉积在衬底上。如以上参考图1所描述的，沉积系统100将目标值厚度的蚀刻相容膜沉积在衬底上。蚀刻相容膜可以包含的材料包括但不限于金属或金属化合物(例如，TiOx、WC、W、Cr、TiN等)、含硅材料(例如SiO2、Si3N4、SiON、SiC)、含碳材料(例如无定形碳、类金刚石碳、旋涂碳)、环氧树脂(例如SU-8)、酚醛树脂等。例如，制造系统100执行210将300nm的Si3N4膜沉积在衬底上。
制造系统100执行220将蚀刻相容膜部分地去除，以产生具有相对于衬底的多个蚀刻高度的表面轮廓。如以下参考图7所描述的，制造系统100执行220将蚀刻相容膜部分地去除，以实现相对于衬底在几百纳米到几微米范围内的多个蚀刻高度。在一些配置中，制造系统100使用离子束辅助蚀刻工具来在一个或更多个位置部分地去除蚀刻相容膜。
制造系统100对沉积在蚀刻相容膜中所产生的轮廓上的光致抗蚀剂执行230光刻图案化，以获得对应于沉积在衬底上的蚀刻相容膜的以下至少一者：多个蚀刻高度，和一个或更多个占空比。在一个示例中，图案化系统110使用用于在150-200℃下使衬底脱水的对流炉、用于将物质涂覆在衬底上的晶片旋转器、用于限定在衬底上的光刻图案的掩模对准器、以及用于将掩模中的光刻图案转移到衬底的曝光系统，来执行230光刻图案化。
注意，传统光刻技术(诸如照相平版法或电子束光刻)不能调节沉积在蚀刻相容膜中所产生的轮廓上的光致抗蚀剂的蚀刻高度，因此，使用这种传统光刻技术形成的光栅不能调节光栅相对于衬底的蚀刻高度。相反，制造系统100对占空比(例如，10％至90％)、相对于衬底形成的光栅的蚀刻高度或它们的某种组合进行调节。例如，光栅可以包括蚀刻相容膜的多个柱(或是在1D情况下的行)，每个柱具有从衬底开始测量的相应高度。并且至少一个(并且通常多于一个的)柱具有不同于该多个柱中的至少一个其他柱的高度。
图2C是流程图204，示出了根据一个或更多个实施例的、由图1的制造系统100执行的、制造具有可变高度和一个或更多个占空比的光栅元件的过程。其他实体可以在其他实施例中执行该过程的一些或所有步骤。同样，实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。
制造系统100执行210将蚀刻相容膜沉积在衬底上。如以上参考图1所描述的，沉积系统100将目标值厚度的蚀刻相容膜沉积在衬底上。蚀刻相容膜可以包含的材料包括但不限于环氧树脂(例如SU-8)、酚醛树脂等。制造系统100执行220对蚀刻相容膜的部分去除，以产生具有相对于衬底的多个深度的表面轮廓。在一些配置中，制造系统100使用离子束辅助蚀刻工具来在一个或更多个位置部分地去除蚀刻相容膜。制造系统100执行230将第二材料沉积在蚀刻相容膜中所产生的轮廓上。如以上参考图1所描述的，沉积系统100将目标值厚度的第二材料沉积在蚀刻相容膜中产生的轮廓上。第二材料可以包含的材料包括但不限于环氧树脂(例如SU-8)、酚醛树脂、SSQ衍生物等。
制造系统100执行240第二材料的平坦化，以根据在蚀刻相容膜中产生的轮廓中的多个深度，获得第二材料的多个蚀刻高度。在一个示例中，制造系统100对沉积的第二材料进行化学机械抛光，以实现第二材料的目标值的厚度和表面粗糙度。制造系统100执行250对沉积在平坦化的第二材料上的光致抗蚀剂的光刻图案化和对第二材料的后续蚀刻(对第一材料具有高选择性)，以获得在第二材料中的多个蚀刻高度和一个或更多个占空比中的至少一者。在一个示例中，图案化系统110使用用于在150-200℃下使衬底脱水的对流炉、用于将物质涂覆在衬底上的晶片旋转器、用于限定在衬底上的光刻图案的掩模对准器、以及用于将掩模中的光刻图案转移到衬底的曝光系统，来执行250光刻图案化。
注意，传统光刻技术(诸如照相平版法或电子束光刻)不能调节沉积在平坦化的第二材料上的光致抗蚀剂的蚀刻高度，因此，使用这种传统光刻技术形成的光栅不能调节光栅相对于衬底的蚀刻高度。相反，制造系统100对占空比(例如，10％至90％)、形成的光栅的蚀刻高度或它们的某种组合进行调节。例如，光栅可以包括多个柱(或是在1D情况下的行)，每个柱具有从蚀刻相容膜开始测量的第二材料的相应高度。并且至少一个(并且通常多于一个的)柱具有不同于该多个柱中的至少一个其他柱的高度。
图3A-3C示出了根据一个或更多个实施例的、通过图1的制造系统产生具有可变高度的光栅元件的过程300。图3A-3C的过程300可以由制造系统100执行。其他实体可以在其他实施例中执行该过程的一些或所有步骤。同样，实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。
制造系统100执行310将一种或更多种光刻抗蚀剂沉积在衬底302上。例如，制造系统100执行将第一光致抗蚀剂304沉积在衬底302上。制造系统100执行310将硬掩模306沉积在第一光致抗蚀剂304上。第一光致抗蚀剂304包含有机材料，诸如压印抗蚀剂、遮蔽抗蚀剂等。在图3的示例中，第一光致抗蚀剂304是SSQ衍生物，而硬掩模306是金属层，诸如铬、镍和铝等。
制造系统100对沉积在衬底302上的光刻抗蚀剂执行315光刻图案化。在一个示例中，图案化系统110使用光刻曝光，以使第一光致抗蚀剂304图案化。蚀刻系统130选择性地去除已图案化的光刻抗蚀剂的光刻曝光区域。
制造系统100对沉积在衬底302上的硬掩模306执行320光刻图案化。在一个示例中，图案化系统110使用光刻曝光，以使硬掩模306图案化。蚀刻系统130选择性地去除已图案化的硬掩模306的光刻曝光区域。在替代实施例中，图案化系统110使用单次光刻曝光来对第一光致抗蚀剂304和硬掩模306进行图案化。
制造系统100执行325去除硬掩模306。制造系统100执行335将灰度光刻抗蚀剂332沉积。制造系统100使用灰度掩模342对灰度光致抗蚀剂332执行340光刻图案化。灰度掩模342是一种光学部件，其选择性地将不同强度等级的紫外线辐射透射到灰度掩模342下方的灰度光致抗蚀剂(例如AZ 9260)。灰度掩模342调节紫外线辐射的曝光量，使得灰度光致抗蚀剂在光刻期间的显影工艺之后形成相对于衬底的多个高度。灰度掩模342将显影的灰度光致抗蚀剂的高度调节到不同的水平，然后将其转移到有机材料(例如纳米压印树脂)上，以产生具有多个蚀刻深度的光栅。在一些配置中，在由制造系统100执行“N”次曝光和显影工艺的情况下，灰度掩模342形成灰度光致抗蚀剂的2N个不同高度。灰度掩模342由制造系统100使用包括但不限于激光烧蚀工艺、逐层沉积、逐层蚀刻工艺等的方法制造。关于灰度掩模342的制造的更多细节将在下面参考图4-6详细描述。
制造系统100执行345部分去除已图案化的灰度光致抗蚀剂332。制造系统100执行350部分去除衬底302。制造系统100执行355去除灰度光刻抗蚀剂332并且部分去除衬底302。制造系统100执行360去除硬掩模306以形成纳米压印模具358。如图3C所示，纳米压印模具358具有相对于衬底302的多个高度。
制造系统100执行365将纳米压印树脂362沉积在纳米压印模具358上。制造系统100执行365在光波导366上施加纳米压印树脂362。制造系统100将纳米压印模具358去除370，以便将纳米压印模具358中的图案转移到在光波导366上形成的光栅372上。如以下参考图9所描述的，光栅372是波导显示器中具有多个高度、一个或更多个占空比或其某种组合的光栅元件，该波导显示器用于包括但不限于近眼显示器(NED)、头戴式显示器(HMD)等的用途。注意，传统光刻技术(诸如光刻或电子束光刻)不能调节纳米压印模具358的高度，因此，使用这种传统光刻技术形成的光栅不能调节光栅相对于衬底的高度。相反，制造系统100对占空比(例如，10％至90％)、形成的光栅372的高度或它们的某种组合进行调节。
图4是根据至少一个实施例的、使用图1的制造系统100制造灰度掩模410的激光烧蚀工艺400的图示。图4的工艺400可以由制造系统100执行。其他实体可以在其他实施例中执行该工艺的一些或所有步骤。同样，实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。灰度掩模410是以上参考图3B所描述的灰度掩模342的实施例。灰度掩模410选择性地将不同强度等级的紫外线辐射透射到灰度掩模410下方的光致抗蚀剂。
如图4所示，制造系统100将目标值厚度的金属404沉积在UV透明衬底402上，以形成灰度掩模410。UV透明衬底402可以包含的材料包括但不限于钠钙石、石英、熔融石英等。金属404可以包含的材料包括但不限于铬、钼、银、金或任何其他能够阻挡紫外线辐射的材料。
激光406通过以不同的时间间隔在整个X-Y平面上以不同的速度(例如，沿着X-方向和Y-方向)移动到不同的位置，对金属404执行扫描操作。制造系统100包括控制器(在此未示出)，该控制器控制激光406的强度和移动速度，以在金属404的曝光区域上实现多个剂量的激光曝光，从而导致在整个曝光区域上去除不同量的金属404。激光406在不同位置对金属404执行部分腐蚀，以产生灰度掩模410的不同等级的不透明度。激光烧蚀工艺400实现在金属404上平滑的掩模轮廓，导致通过灰度掩模410透射的紫外线辐射的均匀变化。在替代实施例中，制造系统100通过改变沉积在UV透明衬底402上的金属404的厚度来改变灰度掩模410的不透明度。
图5A-5B是根据一个或更多个实施例的、使用图1的制造系统100产生灰度光掩模580的逐层沉积工艺500的图示。图5的工艺500可以由制造系统100执行。其他实体可以在其他实施例中执行该工艺的一些或所有步骤。同样，实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。制造系统100使用UV透明衬底502、光致抗蚀剂504、二元光掩模506和UV阻挡材料532以及若干其他部件来执行工艺500。重新参考图3，UV透明衬底502是衬底302的实施例，光致抗蚀剂504是第一光致抗蚀剂304的实施例，而二元光掩模506是硬掩模306的实施例。重新参考图4，UV阻挡材料532是金属404的实施例。
制造系统100使用二元光掩模506对沉积有光致抗蚀剂504的UV透明衬底502执行510光刻图案化。如以上参考图1所描述的，图案化系统110对由沉积系统120沉积在UV透明衬底502上的光致抗蚀剂504执行510光刻图案化。在一些实施例中，制造系统100对光致抗蚀剂504执行510光刻图案化，使得光致抗蚀剂504具有几百纳米至几微米范围内的厚度。
制造系统100执行520使光致抗蚀剂504显影。例如，图案化系统110对光致抗蚀剂504的曝光区域执行520湿法蚀刻，使得光致抗蚀剂504的一部分在显影工艺期间被去除。
制造系统100将UV阻挡材料532沉积530在显影的光刻抗蚀剂504上。如以上参考图1所描述的，沉积系统120沉积UV阻挡材料532。沉积系统120沉积厚度范围从几百纳米到几微米的UV阻挡材料532。
制造系统100执行540将已显影的光致抗蚀剂504剥离，导致UV阻挡材料532的部分去除。制造系统100执行540将已显影的光致抗蚀剂504剥离，以形成中间灰度光掩模。
制造系统100使用二元光掩模506在所形成的中间灰度光掩模上对光致抗蚀剂504执行550第二光刻图案化。如以上参考图1所描述的，图案化系统110使用二元光掩模506对光致抗蚀剂504执行550第二光刻图案化。在一些实施例中，制造系统100对光致抗蚀剂504执行550第二光刻图案化，使得光致抗蚀剂504具有几百纳米至几微米范围内的厚度。
制造系统100执行560使光致抗蚀剂504显影。例如，图案化系统110对光致抗蚀剂504的曝光区域执行560湿法蚀刻，使得光致抗蚀剂504的一部分在显影工艺期间被去除。
制造系统100将UV阻挡材料532沉积570在显影的光刻抗蚀剂504上。如以上参考图1所描述的，沉积系统120沉积UV阻挡材料532。沉积系统120沉积厚度范围从几百纳米到几微米的UV阻挡材料532。
制造系统100执行575将已显影的光致抗蚀剂504剥离，导致UV阻挡材料532的部分去除。制造系统100执行575将已显影的光致抗蚀剂504剥离，以形成灰度光掩模580。
在图5B的示例中，制造系统100通过两个光刻图案化步骤形成灰度光掩模580，导致灰度光掩模580的四个不同等级(显示为等级0、1、2和3)，其中每个等级对应于在工艺500期间沉积的UV阻挡材料532的厚度。注意，可以用多于两个的光刻图案化步骤重复工艺500，以根据灰度光掩模580的目标不透明度，形成具有目标数量的等级的灰度光掩模580。在图示的示例中，制造系统100形成具有四个不同高度的灰度光掩模580。在替代示例中，灰度光掩模580可以包括UV阻挡材料532的多个柱，每个柱具有从UV透明衬底502开始测量的相应高度。并且至少一个(并且通常多于一个的)柱具有不同于该多个柱中的至少另一列的高度。灰度光掩模580用于制造具有四个不同蚀刻深度(例如几百纳米至几微米)、一个或更多个占空比(例如10％至90％)或其某种组合的光栅。这种光栅不能使用传统的光刻技术形成。
图6A-6B是根据一个或更多个实施例的、使用图1的制造系统产生灰度光掩模680的逐层蚀刻工艺600的图示。图6的工艺600可以由制造系统100执行。其他实体可以在其他实施例中执行该工艺的一些或所有步骤。同样，实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。重新参考图5A，制造系统100使用UV透明衬底502、光致抗蚀剂504、二元光掩模506和UV阻挡材料532以及若干其他部件来执行工艺600。
制造系统100使用二元光掩模506对光致抗蚀剂504执行610光刻图案化，该光致抗蚀剂504是沉积在涂覆于UV透明衬底502上的UV阻挡材料532上的。注意，工艺600包括将光致抗蚀剂504直接沉积在UV阻挡材料532上，不同于上面参考图5A描述的工艺500。
制造系统100执行620使光致抗蚀剂504显影。例如，图案化系统110对光致抗蚀剂504的曝光区域执行620湿法蚀刻，使得光致抗蚀剂504的一部分在显影工艺期间被去除。
制造系统100使用作为蚀刻掩模的已显影的光致抗蚀剂504执行630对UV阻挡材料532的部分去除。在一个示例中，制造系统100基于干法蚀刻工艺(例如，反应离子蚀刻、离子铣等)执行630对UV阻挡材料532的部分去除。制造系统100执行630对UV阻挡材料532的部分去除，使得UV阻挡材料532的厚度在几百纳米到几微米的范围内。制造系统100执行640对已显影的光致抗蚀剂504的选择性去除，以形成中间灰度光掩模。在一个示例中，制造系统100基于对已显影的光致抗蚀剂504的湿法蚀刻，执行640对已显影的光致抗蚀剂504的选择性去除。
制造系统100使用二元光掩模506在所形成的中间灰度光掩模上对光致抗蚀剂504执行650第二光刻图案化。如以上参考图1所描述的，图案化系统110对由沉积系统120沉积的光致抗蚀剂504执行650光刻图案化。在一些实施例中，制造系统100使用二元光掩模506对光致抗蚀剂504执行650光刻图案化，使得光致抗蚀剂504具有在几百纳米至几微米范围内的厚度。
制造系统100执行660使光致抗蚀剂504显影。例如，图案化系统110对光致抗蚀剂504的曝光区域执行660湿法蚀刻，使得光致抗蚀剂504的一部分在显影工艺期间被去除。
制造系统100使用作为蚀刻掩模的已显影的光致抗蚀剂504执行670对UV阻挡材料532的部分去除。制造系统100执行675将已显影的光致抗蚀剂504剥离，以形成灰度光掩模680。
在图6B的示例中，制造系统100通过两个光刻图案化步骤形成灰度光掩模680，导致灰度光掩模680的四个不同等级(显示为等级0、1、2和3)，其中每个等级对应于在工艺600期间沉积的UV阻挡材料532的部分去除之后的厚度。注意，可以用多于两个的光刻图案化步骤重复工艺600，以根据灰度光掩模680的目标不透明度，形成具有目标数量的等级的灰度光掩模。制造系统100形成具有多个高度的灰度光掩模680，该灰度光掩模680用于制造具有多个高度、一个或更多个占空比(例如10％至90％)或其某种组合的光栅。这种光栅不能使用传统的光刻技术形成。在替代示例中，灰度光掩模680可以包括UV阻挡材料532的多个柱，每个柱具有从UV透明衬底502开始测量的相应高度。并且至少一个(并且通常多于一个的)列具有不同于该多个列中的至少另一列的高度。
图7是根据一个或更多个实施例的、使用图1的制造系统100产生具有可变高度和/或占空比的光栅的过程700的图示。图7的过程700可以由制造系统100执行。其他实体可以在其他实施例中执行该过程的一些或所有步骤。同样，实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。
制造系统100将蚀刻相容膜沉积705在衬底上。如以上参考图1所描述的，沉积系统100将目标值厚度的蚀刻相容膜沉积在衬底上。蚀刻相容膜可以包含的材料包括但不限于环氧树脂(例如SU-8)、酚醛树脂等。
制造系统100根据光栅的目标高度范围，执行710对蚀刻相容膜的特定位置部分去除。在一些配置中，制造系统100使用离子束辅助蚀刻工具来在一个或更多个位置部分地去除蚀刻相容膜。制造系统100还可以包括控制器(在此未示出)，该控制器根据光栅的目标设计而生成蚀刻指令，并将蚀刻指令提供给蚀刻系统130，以执行对蚀刻相容膜的部分去除。
制造系统100将光致抗蚀剂715沉积720在已蚀刻的蚀刻相容膜上。光致抗蚀剂715是图3A的第一光致抗蚀剂304的实施例。如以上参考图1所描述的，沉积系统120将光致抗蚀剂715沉积，该光致抗蚀剂715包括一层或更多层SSQ衍生物、有机聚合物或它们的某种组合。沉积系统120沉积厚度范围从几百纳米到几微米的光刻抗蚀剂715。
制造系统100对光致抗蚀剂715执行730光刻图案化。注意，制造系统100根据光栅占空比值的目标范围来对光致抗蚀剂715执行730光刻图案化。例如，占空比值的目标范围是从10％到90％。
制造系统100使用已光刻图案化的光致抗蚀剂715作为蚀刻掩模来执行740对蚀刻相容膜的选择性去除。在一个示例中，制造系统100基于干法蚀刻工艺(例如，离子铣、反应离子蚀刻)来执行740对蚀刻相容膜的选择性去除。
制造系统100选择性地去除750图案化的光致抗蚀剂715，以形成具有可变高度和/或一个或更多个占空比的光栅。在图7的示例中，制造系统100形成光栅，该光栅具有相对于衬底的蚀刻高度755、蚀刻高度760和蚀刻高度765。在一些实施例中，蚀刻高度755、760和765中的每一个都是光栅相对于衬底的高度的均方根(RMS)值，并且在几百纳米到几微米的范围内。在图7的示例中，光栅包括蚀刻相容膜的多个柱，每个柱具有从衬底开始测量的相应高度。并且至少一个(并且通常多于一个的)柱具有不同于该多个柱中的至少一个其他柱的高度。因此，过程700调整光栅的形状、折射率、高度和/或占空比，从而允许完全控制投射到用户眼睛的图像光的亮度、均匀性、视场和效率。
图8是根据一个或更多个实施例的、使用图1的制造系统产生具有可变高度和/或占空比的光栅的过程的图示。图8的过程800可以由制造系统100执行。其他实体可以在其他实施例中执行该过程的一些或所有步骤。同样，实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。
制造系统100将蚀刻相容膜沉积805在衬底上。如以上参考图1所描述的，沉积系统100将目标值厚度的蚀刻相容膜沉积在衬底上。蚀刻相容膜可以包含的材料包括但不限于环氧树脂(例如SU-8)、酚醛树脂等。
制造系统100根据光栅的目标高度范围，执行810对蚀刻相容膜的特定位置部分去除。在一些配置中，制造系统100使用离子束辅助蚀刻工具来在一个或更多个位置部分地去除蚀刻相容膜。制造系统100还可以包括控制器(在此未示出)，该控制器根据光栅的目标设计而生成蚀刻指令，并将蚀刻指令提供给蚀刻系统130，以执行对蚀刻相容膜的部分去除。
制造系统100将第二材料815沉积820在部分去除的蚀刻相容膜上，并执行对第二材料815的部分去除。在一个示例中，制造系统100对沉积的第二材料815进行化学机械抛光，以实现第二材料815的目标值的厚度和表面粗糙度。第二材料815可包含的材料包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂或其某种组合。
制造系统100将光刻抗蚀剂825沉积830在第二材料815的抛光表面上。光致抗蚀剂825是图3A的第一光致抗蚀剂304的实施例。如以上参考图1所描述的，沉积系统120将光致抗蚀剂825沉积，该光致抗蚀剂825包括一层或更多层SSQ衍生物、有机聚合物或它们的某种组合。沉积系统120沉积厚度范围从几百纳米到几微米的光刻抗蚀剂825。
制造系统100对光致抗蚀剂825执行835光刻图案化。注意，制造系统100根据光栅占空比值的目标范围来对光致抗蚀剂825执行835光刻图案化。例如，占空比的目标范围在10％到90％的范围中。
制造系统100使用已光刻图案化的光致抗蚀剂825作为蚀刻掩模来执行840对第二材料815的选择性去除。在一个示例中，制造系统100基于干法蚀刻工艺(例如，离子铣、反应离子蚀刻)来执行840对第二材料815的选择性去除。
制造系统100选择性地去除图案化的光致抗蚀剂825，以形成具有可变高度和/或一个或更多个占空比的光栅。在图8的示例中，制造系统100形成光栅，该光栅具有相对于沉积在衬底上的蚀刻相容膜的蚀刻高度822和蚀刻高度824。在一些实施例中，蚀刻高度822和824中的每一个都是第二材料815相对于蚀刻相容膜的高度的均方根(RMS)值，并且在几百纳米到几微米的范围内。在图8的示例中，光栅包括第二材料815的多个柱，每个柱具有从蚀刻相容膜开始测量的相应高度。并且至少一个(并且通常多于一个的)柱具有不同于该多个柱中的至少一个其他柱的高度。因此，过程800调整光栅的形状、折射率、高度和/或占空比，从而允许完全控制投射到用户眼睛的图像光的亮度、均匀性、视场和效率。
注意，在没有第二材料815的情况下，由过程800形成的光栅将在光栅与空气交界的区域850处具有不平表面。
图9是根据一个或更多个实施例的、包括使用图1的制造系统制造的部件的近眼显示器(NED)900的框图。根据实施例，NED包括一个或更多个显示器910，该显示器910包括使用制造系统100制造的具有可变高度和/或占空比的光栅。NED 900向用户呈现媒体。由NED900呈现的媒体的示例包括一个或更多个图像、视频、音频、或它们的某种组合。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从NED 900、控制台(未示出)或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。NED 900通常被配置成作为VR NED进行操作。然而，在一些实施例中，可以修改NED 900，从而也作为增强现实(AR)NED、混合现实(MR)NED、或它们的某种组合来进行操作。例如在一些实施例中，NED 900可以用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理现实世界环境的视图。
图9中所示的NED 900包括框架905和显示器910。框架905包括一个或更多个光学元件，该一个或更多个光学元件一起向用户显示媒体。显示器910被配置成让用户看到NED900呈现的内容。
图9只是人工现实系统的示例。然而，在替代实施例中，图9也可以称为头戴式显示器(HMD)。
附加的配置信息
本公开的实施例的前述描述为了说明的目的被提出；它并不意图为无遗漏的或将本公开限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。
本描述的一些部分从对信息的操作的算法和符号表示方面描述了本公开的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来向本领域的其他技术人员有效地传达他们工作的实质。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但应理解为将由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，将操作的这些布置称为模块有时候也被证明是方便的而不失一般性。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件、硬件或其任何组合中。
可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现本文描述的任何步骤、操作或过程。在一个实施例中，利用包括含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，计算机程序代码可以由计算机处理器执行，用于执行所描述的任何或全部步骤、操作或过程。
本公开的实施例也可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以被特别构造成用于所需的目的，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质中，或者在任何类型的适于存储电子指令的介质中，这些介质可以耦合到计算机系统总线。此外，说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计来提高计算能力的架构。
本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中信息被存储在非暂时性的、有形的计算机可读介质上且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。
最后，在说明书中使用的语言主要为了可读性和指导目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制发明主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开意图对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。
Claims (34)
1.一种方法，包括：
对沉积在衬底上的第一光致抗蚀剂执行光刻图案化；
执行第二光致抗蚀剂在经图案化的第一光致抗蚀剂上的沉积；
对所述第二光致抗蚀剂执行光刻图案化，以产生具有相对于所述衬底的多个高度的改性的第二光致抗蚀剂；以及
基于在所述改性的第二光致抗蚀剂中的所述多个高度，执行对所述衬底的部分去除，以形成纳米压印模具，所述纳米压印模具至少包括多个不同的蚀刻深度和一个或更多个占空比。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
执行将所述纳米压印模具中的图案转移到光波导上，所述纳米压印模具中的所述图案的转移形成包括所述多个不同的蚀刻深度和所述一个或更多个占空比的光栅。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二光致抗蚀剂是使用灰度掩模来被光刻图案化的灰度光致抗蚀剂。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：
执行金属层在第二衬底上的沉积；以及
基于通过激光扫描所述金属层所执行的侵蚀工艺，调整沉积的金属层的厚度，经调整厚度的所述沉积的金属层形成所述灰度掩模的一部分。
5.根据权利要求3所述的方法，还包括：
执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；
使用二元光掩模对所述第三光致抗蚀剂执行光刻图案化；
执行第二材料的沉积，所述第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过所述灰度掩模；以及
执行对经光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除，以在所述第二衬底上形成所述第二材料的一部分，所述第二材料的所述部分形成具有阈值数量的第二材料层的所述灰度掩模的一部分。
6.根据权利要求3所述的方法，还包括：
执行第二材料的沉积，所述第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过所述灰度掩模；
执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；
使用二元光掩模对所述第三光致抗蚀剂执行光刻图案化；以及
执行对沉积在所述第二衬底上的所述第二材料的部分去除，经部分去除的第二材料形成具有阈值数量的第二材料层的所述灰度掩模的一部分。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
执行硬掩模在所述第一光致抗蚀剂上的沉积；以及
对所述第一光致抗蚀剂和所述硬掩模执行光刻图案化。
8.一种制造系统，包括：
第一图案化系统，所述第一图案化系统被配置成对沉积在衬底上的第一光致抗蚀剂执行第一光刻图案化；
第二图案化系统，所述第二图案化系统被配置成对沉积在经图案化的第一光致抗蚀剂上的第二光致抗蚀剂执行第二光刻图案化，所述第二光刻图案化产生具有相对于所述衬底的多个高度的改性的第二光致抗蚀剂；以及
蚀刻系统，所述蚀刻系统被配置成基于在所述改性的第二光致抗蚀剂中的所述多个高度，执行对所述衬底的部分去除，所述部分去除形成纳米压印模具，所述纳米压印模具包括多个不同的蚀刻深度和一个或更多个占空比。
9.根据权利要求8所述的制造系统，其中，所述图案化系统被配置成：
执行将所述纳米压印模具中的图案转移到光波导上，所述纳米压印模具中的所述图案的转移形成包括所述多个不同的蚀刻深度和所述一个或更多个占空比的光栅。
10.根据权利要求8所述的制造系统，其中，所述第二光致抗蚀剂是使用灰度掩模来被光刻图案化的灰度光致抗蚀剂。
11.根据权利要求10所述的制造系统，还包括：
沉积系统，所述沉积系统被配置成执行金属层在第二衬底上的沉积；以及
其中，所述蚀刻系统基于通过1D离子束扫描所述金属层所执行的侵蚀工艺，调整沉积的金属层的厚度，并且经调整厚度的所述沉积的金属层形成所述灰度掩模的一部分。
12.根据权利要求10所述的制造系统，还包括：
沉积系统，所述沉积系统被配置成执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；并且其中
所述图案化系统被配置成使用二元光掩模对所述第三光致抗蚀剂执行光刻图案化，
所述沉积系统被配置成执行第二材料的沉积，所述第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过所述灰度掩模，并且
所述蚀刻系统被配置成执行对经光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除，以在所述第二衬底上形成所述第二材料的一部分，对所述经光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除形成具有阈值数量的第二材料层的所述灰度掩模的一部分。
13.根据权利要求10所述的制造系统，还包括：
第一沉积系统，所述第一沉积系统被配置成执行第二材料的沉积，所述第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过所述灰度掩模；
第二沉积系统，所述第二沉积系统被配置成执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；并且其中
所述图案化系统被配置成使用二元光掩模对所述第三光致抗蚀剂执行光刻图案化，并且
所述蚀刻系统被配置成执行对沉积在所述第二衬底上的所述第二材料的部分去除，经部分去除的第二材料形成具有阈值数量的第二材料层的所述灰度掩模的一部分。
14.根据权利要求8所述的制造系统，还包括：
沉积系统，所述沉积系统被配置成执行硬掩模在所述第一光致抗蚀剂上的沉积；并且其中
所述图案化系统被配置成对所述第一光致抗蚀剂和所述硬掩模执行光刻图案化。
15.一种光栅，通过包括以下步骤的工艺形成：
对沉积在衬底上的第一光致抗蚀剂执行光刻图案化；
执行第二光致抗蚀剂在经图案化的第一光致抗蚀剂上的沉积；
对所述第二光致抗蚀剂执行光刻图案化，以产生具有相对于所述衬底的多个高度的改性的第二光致抗蚀剂；以及
基于在所述改性的第二光致抗蚀剂中的所述多个高度，执行对所述衬底的部分去除，以形成纳米压印模具；以及
执行将所述纳米压印模具中的图案转移到光波导上，以形成所述光栅。
16.根据权利要求15所述的光栅，其中，所述纳米压印模具包括多个不同的蚀刻深度以及一个或更多个占空比。
17.根据权利要求15所述的光栅，其中，所述第二光致抗蚀剂是使用灰度掩模来被光刻图案化的灰度光致抗蚀剂。
18.根据权利要求17所述的光栅，其中，所述工艺还包括以下步骤：
执行金属层在第二衬底上的沉积；以及
基于通过激光扫描所述金属层所执行的侵蚀工艺，调整沉积的金属层的厚度，经调整厚度的所述沉积的金属层形成所述灰度掩模的一部分。
19.根据权利要求17所述的光栅，其中，所述工艺还包括以下步骤：
执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；
使用二元光掩模对所述第三光致抗蚀剂执行光刻图案化；
执行第二材料的沉积，所述第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过所述灰度掩模；以及
执行经光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除，以在所述第二衬底上形成所述第二材料的一部分，所述第二材料的所述部分形成所述灰度掩模的一部分。
20.根据权利要求17所述的光栅，其中，所述工艺还包括以下步骤：
执行第二材料的沉积，所述第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过所述灰度掩模；
执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；
使用二元光掩模对所述第三光致抗蚀剂执行光刻图案化；以及
执行对沉积在所述第二衬底上的所述第二材料的部分去除，经部分去除的第二材料形成具有阈值数量的第二材料层的所述灰度掩模的一部分。
21.一种方法，包括：
对沉积在衬底上的第一光致抗蚀剂执行光刻图案化；
执行第二光致抗蚀剂在图案化的第一光致抗蚀剂上的沉积；
对所述第二光致抗蚀剂执行光刻图案化，以产生具有相对于所述衬底的多个高度的改性的第二光致抗蚀剂；以及
基于在所述改性的第二光致抗蚀剂中的所述多个高度，执行对所述衬底的部分去除，以形成纳米压印模具，所述纳米压印模具至少包括多个不同的蚀刻深度和一个或更多个占空比。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
执行将所述纳米压印模具中的图案转移到光波导上，所述纳米压印模具中的所述图案的转移形成包括所述多个不同的蚀刻深度和所述一个或更多个占空比的光栅。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中，所述第二光致抗蚀剂是使用灰度掩模来被光刻图案化的灰度光致抗蚀剂。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：
执行金属层在第二衬底上的沉积；以及
基于通过激光扫描所述金属层所执行的侵蚀工艺，调整沉积的金属层的厚度，经调整厚度的所述沉积的金属层形成所述灰度掩模的一部分；和/或
所述方法还包括：
执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；
使用二元光掩模对所述第三光致抗蚀剂执行光刻图案化；
执行第二材料的沉积，所述第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过所述灰度掩模；以及
执行对经光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除，以在所述第二衬底上形成所述第二材料的一部分，所述第二材料的所述部分形成具有阈值数量的第二材料层的所述灰度掩模的一部分；和/或
所述方法还包括：
执行所述第二材料的沉积，所述第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过所述灰度掩模；
执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；
使用二元光掩模对所述第三光致抗蚀剂执行光刻图案化；以及
执行对沉积在所述第二衬底上的所述第二材料的部分去除，经部分去除的第二材料形成具有阈值数量的第二材料层的所述灰度掩模的一部分。
25.根据权利要求21至24中的任一项所述的方法，还包括：
执行硬掩模在所述第一光致抗蚀剂上的沉积；以及
对所述第一光致抗蚀剂和所述硬掩模执行光刻图案化。
26.一种制造系统，包括：
第一图案化系统，所述第一图案化系统被配置成对沉积在衬底上的第一光致抗蚀剂执行第一光刻图案化；
第二图案化系统，所述第二图案化系统被配置成对沉积在经图案化的第一光致抗蚀剂上的第二光致抗蚀剂执行第二光刻图案化，所述第二光刻图案化产生具有相对于所述衬底的多个高度的改性的第二光致抗蚀剂；以及
蚀刻系统，所述蚀刻系统被配置成基于在所述改性的第二光致抗蚀剂中的所述多个高度，执行对所述衬底的部分去除，所述部分去除形成纳米压印模具，所述纳米压印模具包括多个不同的蚀刻深度和一个或更多个占空比。
27.根据权利要求26所述的制造系统，其中，所述图案化系统被配置成：
执行将所述纳米压印模具中的图案转移到光波导上，所述纳米压印模具中的所述图案的转移形成包括所述多个不同的蚀刻深度和所述一个或更多个占空比的光栅。
28.根据权利要求26或27所述的制造系统，其中，所述第二光致抗蚀剂是使用灰度掩模来被光刻图案化的灰度光致抗蚀剂。
29.根据权利要求28所述的制造系统，还包括：
沉积系统，所述沉积系统被配置成执行金属层在第二衬底上的沉积；以及
其中，所述蚀刻系统基于通过1D离子束扫描所述金属层所执行的侵蚀工艺，调整沉积的金属层的厚度，并且经调整厚度的所述沉积的金属层形成所述灰度掩模的一部分；和/或
所述制造系统还包括：
沉积系统，所述沉积系统被配置成执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；并且其中
所述图案化系统被配置成使用二元光掩模对所述第三光致抗蚀剂执行光刻图案化，
所述沉积系统被配置成执行第二材料的沉积，所述第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过所述灰度掩模，并且
所述蚀刻系统被配置成执行对经光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除，以在所述第二衬底上形成所述第二材料的一部分，对所述经光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除形成具有阈值数量的第二材料层的所述灰度掩模的一部分；和/或
所述制造系统还包括：
第一沉积系统，所述第一沉积系统被配置成执行所述第二材料的沉积，所述第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过所述灰度掩模；
第二沉积系统，所述第二沉积系统被配置成执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；并且其中
所述图案化系统被配置成使用二元光掩模对所述第三光致抗蚀剂执行光刻图案化，并且
所述蚀刻系统被配置成执行对沉积在所述第二衬底上的所述第二材料的部分去除，经部分去除的第二材料形成具有阈值数量的第二材料层的所述灰度掩模的一部分。
30.根据权利要求26至29中任一项所述的制造系统，还包括：
沉积系统，所述沉积系统被配置成执行硬掩模在所述第一光致抗蚀剂上的沉积；并且其中
所述图案化系统被配置成对所述第一光致抗蚀剂和所述硬掩模执行光刻图案化。
31.一种光栅，其通过根据权利要求21至25中任一项所述的方法或者通过包括以下步骤的工艺形成：
对沉积在衬底上的第一光致抗蚀剂执行光刻图案化；
执行第二光致抗蚀剂在经图案化的第一光致抗蚀剂上的沉积；
对所述第二光致抗蚀剂执行光刻图案化，以产生具有相对于所述衬底的多个高度的改性的第二光致抗蚀剂；以及
基于在所述改性的第二光致抗蚀剂中的所述多个高度，执行对所述衬底的部分去除，以形成纳米压印模具；以及
执行将所述纳米压印模具中的图案转移到光波导上，以形成所述光栅。
32.根据权利要求31所述的光栅，其中，所述纳米压印模具包括多个不同的蚀刻深度以及一个或更多个占空比。
33.根据权利要求31或32所述的光栅，其中，所述第二光致抗蚀剂是使用灰度掩模来被光刻图案化的灰度光致抗蚀剂。
34.根据权利要求33所述的光栅，其中，所述工艺还包括以下步骤：
执行金属层在第二衬底上的沉积；以及
基于通过激光扫描所述金属层所执行的侵蚀工艺，调整沉积的金属层的厚度，经调整厚度的所述沉积的金属层形成所述灰度掩模的一部分；和/或
其中，所述工艺还包括下列步骤：
执行第三光致抗蚀剂在第二衬底上的沉积；
使用二元光掩模对所述第三光致抗蚀剂执行光刻图案化；
执行第二材料的沉积，所述第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过所述灰度掩模；以及
执行对经光刻图案化的第三光致抗蚀剂的去除，以在所述第二衬底上形成所述第二材料的一部分，所述第二材料的所述部分形成所述灰度掩模的一部分；和/或
其中，所述工艺还包括下列步骤：
执行所述第二材料的沉积，所述第二材料被配置成阻挡紫外线辐射通过所述灰度掩模；
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使用二元光掩模对所述第三光致抗蚀剂执行光刻图案化；以及
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