CN112313547A - 高折射率材料上的类布拉格光栅 - Google Patents

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Abstract

公开了用于制造倾斜结构的技术。在一个实施例中，一种用于在材料层上制造倾斜结构的方法包括：在材料层上形成掩模层；以及使用离子束和掩模层，以大于零的倾斜角，将离子注入到材料层的多个区域中。相对于材料层的表面法线测量倾斜角。将离子注入到材料层的多个区域中改变了材料层的多个区域的折射率或蚀刻速率。在一些实施例中，方法还包括：使用蚀刻剂来湿法蚀刻材料层，以去除材料层的多个区域中的材料。在一些实施例中，方法包括：通过在进料气体中使用反应性蚀刻剂的干法蚀刻过程，与注入同时或在注入后蚀刻改性的材料。

Description

高折射率材料上的类布拉格光栅
背景技术
人工现实系统(诸如，头戴式显示器(HMD)或抬头显示器(HUD)系统)通常包括被配置成呈现示出虚拟环境中的对象的人工图像的显示器。如在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)应用中，显示器可以显示虚拟对象或者将真实对象的图像与虚拟对象组合。例如，在AR系统中，用户可以例如通过透过透明显示眼镜或透镜观看(通常被称为光学透视)或者通过观看由相机捕获的周围环境的显示图像(通常被称为视频透视)，来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(CGI))和周围环境。
一个示例光学透视AR系统可以使用基于波导的光学显示器，其中投影的图像的光可以耦合到波导(例如，衬底)中，在波导内传播，并且在不同位置处从波导耦合出去。在一些实施方式中，可以使用诸如倾斜光栅(例如，表面浮凸光栅或类布拉格光栅)的衍射光学元件，将投影的图像的光耦合到波导中或从波导耦合出去。在许多情况下，以期望的产量和产率制造具有期望轮廓的倾斜光栅可以是具有挑战性的。
发明内容
本公开总体上涉及用于制造倾斜结构的技术，并且更具体地，涉及用于在各种材料(诸如氮化硅、有机材料或无机金属氧化物等)上制造倾斜结构(例如，倾斜光栅)的技术。对于部分材料，可以使用倾斜离子注入技术来修改材料层(例如，衬底)的折射率以形成倾斜光栅，或者修改材料层的蚀刻速率，使得材料层可以被选择性蚀刻以去除离子注入区域以形成倾斜结构。对于部分材料，可以并发或顺序地将基于离子轰击的材料改性技术与反应气体结合使用，以同时改性和去除材料，从而形成由硬掩模定义的倾斜光栅。通过本文公开的过程和技术获得的倾斜结构对于脊的前缘和后缘可以具有大的倾斜角、高的深度和类似的倾斜角。
在一些实施例中，在离子注入期间，可以通过改变离子相对于衬底的入射角来改变倾斜结构(例如，倾斜光栅)的倾斜角。可以修改离子的能量来改变倾斜光栅的深度。此外，可以通过进料气体混合物、离子源和提取参数的适当选择来修改离子的成分。可以通过修改注入离子的浓度来修改注入区域的折射率。在一些实施例中，倾斜角、离子能量和/或离子浓度可以在倾斜光栅的不同区域上变化。在一些实施例中，类似的技术可以应用于倾斜光栅的外覆层。
在一些实施例中，一种在材料层上制造倾斜结构的方法可以包括：在材料层上形成掩模层；以及使用离子束和掩模层，以大于零的倾斜角将离子注入到材料层的多个区域中，其中相对于材料层的表面法线测量倾斜角。将离子注入到材料层的多个区域中可以改变材料层的多个区域的折射率或蚀刻速率。在一些实施例中，材料层可以包括以下中的一个或多个：透明衬底、半导体衬底、SiO2层、Si3N4材料层、氧化钛层、氧化铝层、SiC层、SiOxNy层、非晶硅层、旋涂碳(SOC)层、非晶碳层(ACL)、类金刚石碳(DLC)层、TiOx层、AlOx层、TaOx层和HFOx层。在一些实施例中，离子可以包括氢离子或氧离子。
在一些实施例中，制造倾斜结构的方法可以包括使用蚀刻剂湿法蚀刻材料层，以去除材料层的多个区域中的材料。在一些实施例中，材料层可以包括Si3N4材料层，离子可以包括氢离子，并且蚀刻剂可以包括经稀释的氢氟酸。在一些实施例中，方法还可以包括重复执行注入和湿法蚀刻，直到达到倾斜结构的预定深度。在一些实施例中，倾斜结构的预定深度大于100nm。
在一些实施例中，以大于零的倾斜角将离子注入到材料层的多个区域中可以包括以下中的至少一个：在注入期间旋转材料层，以变化针对多个区域的倾斜角；或者在注入期间改变离子的离子能量，以改变针对多个区域的注入深度。在一些实施例中，方法还可以包括：使用蚀刻剂湿法蚀刻材料层，以去除材料层的多个区域中的材料；去除掩模层；以及在材料层上形成外覆层。在一些实施例中，方法还可以包括：在外覆层上执行离子注入，以改变外覆层的部分区域中的折射率。外覆层可以包括例如氟化SiO2、多孔硅酸盐、SiOxNy、HFO2和Al2O3中的一种或多种。
在一些实施例中，将离子注入到材料层的多个区域中可以包括：当对多个区域中的不同区域进行注入时，通过使用离子束的不同离子流、不同的注入时间或二者，将不同数量的离子注入到多个区域中的不同区域中。在一些实施例中，材料层可以包括Si3N4材料层，并且离子可以包括氧离子。在一些实施例中，倾斜角可以大于45°。
在一些实施例中，用于在衬底上制造倾斜光学设备的离子注入系统可以包括：用于生成化学元素的离子的离子源，用于静电加速离子的加速器，以及包括支撑结构的目标腔室，其中支撑结构可以被配置成保持衬底并且相对于离子的移动方向可旋转。在一些实施例中，离子注入系统还可以包括控制器，控制器被配置成改变支撑结构的旋转角度，使得离子以预定的倾斜角撞击在衬底上。
在离子注入系统的一些实施例中，控制器可以被配置成控制以下中的至少一个：离子的速度；离子的通量；注入时间；支撑结构的旋转速度；或支撑结构的线性移动速度。在一些实施例中，控制器还可以被配置成：将支撑结构旋转到不同的旋转角度，以用于对衬底的不同区域进行注入；将离子加速到不同速度，以用于对衬底的不同区域进行注入；或将不同数量的离子注入到衬底的不同区域中。在一些实施例中，化学元素可以包括氢或氧，并且衬底可以包括Si3N4层。
在一些实施例中，可以通过一种过程获得倾斜表面浮凸光栅，其中该过程可以包括：在材料层上形成掩模层，使用离子束和掩模层，以大于30°的倾斜角(相对于材料层的表面法线测量)将离子注入到材料层的多个区域中，以及使用蚀刻剂湿法蚀刻材料层，以去除材料层的多个区域中的材料。在一些实施例中，材料层可以包括Si3N4材料层，离子可以包括氢离子，并且蚀刻剂可以包括经稀释的氢氟酸。在一些实施例中，过程还可以包括重复执行注入和湿法蚀刻，直到达到倾斜表面浮凸光栅的预定深度，其中该预定深度可以大于100nm。
该发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在单独用于确定所要求保护的主题的范围。应当参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解主题。前述内容连同其他特征和示例一起将在下面的说明书、权利要求和附图中被更详细地描述。
附图说明
下面参考以下附图详细描述说明性实施例。
图1是根据某些实施例的示例近眼显示器的简化图。
图2是根据某些实施例的示例近眼显示器的截面图。
图3是根据某些实施例的示例波导显示器的等轴视图。
图4是根据某些实施例的示例波导显示器的截面图。
图5是包括波导显示器的示例人工现实系统的简化框图。
图6图示了根据某些实施例的使用波导显示器的示例光学透视增强现实系统。
图7图示了显示光和外部光在示例波导显示器中的传播。
图8图示了根据某些实施例的示例波导显示器中的示例倾斜光栅耦合器。
图9A-图9C图示了根据某些实施例的用于制造倾斜表面浮凸结构的示例过程。
图10图示了根据某些实施例的示例倾斜表面浮凸结构。
图11A图示了根据某些实施例的示例衬底，可以使用掩模在该示例衬底上形成倾斜结构。
图11B图示了根据某些实施例的示例倾斜离子注入过程。
图11C图示了根据某些实施例的在离子注入和蚀刻过程之后，在衬底上形成的示例倾斜表面浮凸结构。
图12图示了根据某些实施例的用于在衬底上制造具有不同折射率的倾斜结构的示例过程。
图13图示了根据某些实施例的用于在衬底上制造具有不同深度的倾斜结构的示例过程。
图14图示了根据某些实施例的用于在衬底上制造具有不同倾斜角的倾斜结构的示例过程。
图15是根据某些实施例示出制造倾斜表面浮凸结构的示例方法的简化流程图。
附图仅出于说明的目的而描绘了本公开的实施例。本领域技术人员从下面的描述中将容易认识到，可以采用示出的结构和方法的备选实施例，而不偏离本公开的原理和所推崇的益处。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后用破折号和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的各种部件。如果说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。
具体实施方式
本文公开的技术总体上涉及微米结构或纳米结构制造。更具体地且不受限制地，本申请涉及用于制造微米倾斜结构或纳米倾斜结构的技术。在一些实施例中，发现期望制造用于操纵光的行为的倾斜结构。倾斜结构的一些优点可以包括高效率的光传输、变化很大的折射率等。还发现，具有恒定或可变倾斜参数的平行的倾斜(相对于被蚀刻的表面的平面)结构解决了某些应用所独有的问题。此外，已经发现，可能期望以不同类型的材料(例如，氮化硅、有机材料或无机金属氧化物等)形成这种类型的倾斜结构。然而，在这些材料中蚀刻出高对称的倾斜结构(例如，具有基本相等的前缘和后缘的脊)、深的倾斜结构或具有大倾斜角的倾斜结构通常可能具有挑战性。
根据某些实施例，倾斜光栅可以被用在一些光学设备(诸如人造现实系统中的波导显示器)中，以产生高折射率变化和高衍射效率。使用当前已知的可以被优化以蚀刻垂直于被蚀刻表面的特征的蚀刻过程(诸如，离子束蚀刻(IBE)、反应性离子束蚀刻(RIBE)或化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)过程)可能无法在某些材料上可靠地制造倾斜结构，诸如深的或平行的倾斜结构。根据某些实施例，可以结合地使用离子注入技术和湿法蚀刻技术来可靠地蚀刻倾斜结构。可以更精确地控制离子注入过程参数，例如，包括离子、离子通量、离子能量、注入角度和注入时间，以实现所需的蚀刻选择性、所需的蚀刻速率和所需的倾斜结构尺寸。在一些实施例中，离子注入技术还可以独立地用于通过修改注入区域的折射率来制造倾斜的类布拉格光栅。在一些实施例中，可以并发或顺序地将基于离子轰击的材料改性策略与反应气体通过对进料气体混合物、离子源和提取参数的合适选择而结合使用，来制造如由硬掩模限定的倾斜类布拉格光栅。
在以下的描述中，为了解释的目的，阐述了具体细节以便提供对公开的示例的透彻理解。然而，明显的是，各种示例可以在没有这些具体细节的情况下被实施。例如，设备、系统、结构、部件、方法和其他部件可以以框图形式被示出为部件，以避免在不必要的细节上模糊示例。在其他情况下，众所周知的设备、过程、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下被示出，以避免模糊示例。附图和描述不是旨在限制性。在本公开中使用的术语和表达被用作描述性术语而非限制性术语，并且这些术语和表达的使用不旨在排除所示出和描述的特征的任何等同物或其部分。
图1是根据某些实施例的示例近眼显示器100的简化图。近眼显示器100可以向用户呈现媒体。由近眼显示器100呈现的媒体的示例可以包括一个或多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器100、控制台或两者接收音频信息，并且基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器100通常被配置成操作为人工现实显示器。在一些实施例中，近眼显示器100可以操作为增强现实(AR)显示器或混合现实(MR)显示器。
近眼显示器100可以包括框架105和显示器110。框架105可以耦接到一个或多个光学元件。显示器110可以被配置成让用户看到由近眼显示器100呈现的内容。在一些实施例中，显示器110可以包括波导显示组件，用于将来自一个或多个图像的光引导至用户的眼睛。
图2是图1中图示的近眼显示器100的截面图200。显示器110可以包括至少一个波导显示组件210。当用户佩戴近眼显示器100时，出射光瞳230可以位于用户眼睛220所处的位置。出于说明的目的，图2示出了与用户眼睛220以及单个波导显示组件210相关联的横截面图200，但是在一些实施例中，第二波导显示器可以用于用户的第二只眼睛。
波导显示组件210可以被配置成将图像光(例如，显示光)导向位于出射光瞳230处的眼动范围(eyebox)，并且导向用户眼睛220。波导显示组件210可以包括具有一个或多个折射率的一种或多种材料(例如，塑料、玻璃等)。在一些实施例中，近眼显示器100可以包括在波导显示组件210和用户眼睛220之间的一个或多个光学元件。
在一些实施例中，波导显示组件210可以包括一个或多个波导显示器的堆叠，包括但不限于堆叠式波导显示器、变焦波导显示器、多焦点(或多平面)显示器等。堆叠式波导显示器是多色显示器(例如，红绿蓝(RGB)显示器)，其通过堆叠各自的单色源是不同颜色的波导显示器来被构建。堆叠式波导显示器也可以是可以被投影在多个平面上的多色显示器(例如，多平面彩色显示器)。在一些配置中，堆叠式波导显示器可以是可以被投影在多个平面上的单色显示器(例如，多平面单色显示器)。变焦波导显示器是可以调节从波导显示器发射的图像光的焦点位置的显示器。在备选实施例中，波导显示组件210可以包括堆叠式波导显示器和变焦波导显示器。
图3是波导显示器300的实施例的等轴视图。在一些实施例中，波导显示器300可以是近眼显示器100的部件(例如，波导显示组件210)。在一些实施例中，波导显示器300可以是可以将图像光导向特定位置的某些其他近眼显示器或其他系统的一部分。
波导显示器300可以包括源组件310、输出波导320和控制器330。出于说明的目的，图3示出了与用户眼睛390相关的波导显示器300，但在一些实施例中，与波导显示器300分离或部分地分离的另一个波导显示器可以提供图像光给用户的另一只眼睛。
源组件310可以生成用于显示给用户的图像光355。源组件310可以生成图像光355并且将其输出至位于输出波导320的第一侧370-1上的耦合元件350。在一些实施例中，耦合元件350可以将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。耦合元件350可以包括，例如，衍射光栅、全息光栅、一个或多个级联反射器、一个或多个棱柱面元件和/或全息反射器阵列。输出波导320可以是可以向用户眼睛390输出扩展图像光340的光波导。输出波导320可以在位于第一侧370-1上的一个或多个耦合元件350处接收图像光355，并且将所接收的图像光355引导至导向元件360。
导向元件360可以将所接收的输入图像光355重定向到去耦元件365，使得所接收的输入图像光355可以经由去耦元件365从输出波导320耦合出去。导向元件360可以是输出波导320的第一侧370-1的一部分或固定到其上。去耦元件365可以是输出波导320的第二侧370-2的一部分或固定到其上，使得导向元件360与去耦元件365相对。导向元件360和/或去耦元件365可以包括，例如，衍射光栅、全息光栅、表面浮凸光栅、一个或多个级联反射器、一个或多个棱柱面元件和/或全息反射器阵列。
输出波导320的第二侧370-2可以表示沿x方向和y方向的平面。输出波导320可以包括能够有助于图像光355的全内反射的一种或多种材料。例如，输出波导320可以包括硅、塑料、玻璃和/或聚合物。输出波导320可以具有相对较小的形状因子。例如，输出波导320可以沿x方向宽约50mm，沿y方向长约30mm，以及沿z维度厚约0.5mm至1mm。
控制器330可以控制源组件310的扫描操作。控制器330可以确定用于源组件310的扫描指令。在一些实施例中，输出波导320可以以大视场(FOV)将扩展的图像光340输出到用户眼睛390。例如，被提供给用户眼睛390的扩展的图像光340可以具有大约60度或者更大和/或大约150度或更小的对角FOV(沿x和y)。输出波导320可以被配置成提供眼动范围，该眼动范围具有大约20mm或更大和/或等于或小于大约50mm的长度，和/或大约10mm或更大和/或等于或小于大约50mm的宽度。
图4是波导显示器300的横截面图400。波导显示器300可以是单色或多色的。波导显示器300可以包括源组件310和输出波导320。源组件310可以根据来自控制器330的扫描指令生成图像光355(例如，显示光)。源组件310可以包括源410和光学系统415。源410可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，源410可以包括激光二极管、垂直腔表面发射激光器、发光二极管，或激光二极管、VCSEL或LED的1维或2维阵列(例如，μLED阵列)。
光学系统415可以包括可以调节来自源410的光的一个或多个光学部件。例如，调节来自源410的光可以包括根据来自控制器330的指令来扩展、准直和/或调节取向。一个或多个光学部件可以包括一个或多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。从光学系统415(并且还有从源组件310)发射的光可以被称为图像光355或显示光。
输出波导320可以接收来自源组件310的图像光355。耦合元件350可以将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。在耦合元件350包括衍射光栅的实施例中，衍射光栅可以被配置成使得可以在输出波导320内发生全内反射，并且因此耦合到输出波导320中的图像光355可以在输出波导320内(例如，通过全内反射)内部地传播朝向去耦元件365。
导向元件360可以将图像光355朝向去耦元件365重新定向，用于将图像光的至少一部分从输出波导320耦合出去。在导向元件360是衍射光栅的实施例中，衍射光栅可以被配置成使得入射图像光355以相对于去耦元件365的表面倾斜的角度离开输出波导320。在一些实施例中，导向元件360和/或去耦元件365可以在结构上类似。
离开输出波导320的扩展的图像光340可以沿着一个或多个方向被扩展(例如，沿着x方向被拉长)。在一些实施例中，波导显示器300可以包括多个源组件310和多个输出波导320。每个源组件310可以发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。每个输出波导320可以堆叠在一起，以输出可以是多色的经扩展的图像光340。
图5是包括波导显示组件210的示例人工现实系统500的简化框图。系统500可以包括近眼显示器100、成像设备535和输入/输出接口540，它们均耦合到控制台510。
如上所述，近眼显示器100可以是向用户呈现媒体的显示器。由近眼显示器100呈现的媒体的示例可以包括一个或多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)被呈现，该外部设备可以从近眼显示器100和/或控制台510接收音频信息，并基于音频信息来向用户呈现音频数据。在一些实施例中，近眼显示器100可以充当人工现实眼镜玻璃。例如在一些实施例中，近眼显示器100可以用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理真实世界的环境的视图。
近眼显示器100可以包括波导显示组件210、一个或多个位置传感器525和/或惯性测量单元(IMU)530。波导显示组件210可以包括诸如波导显示器300的波导显示器，波导显示器300包括如上所述的源组件310、输出波导320和控制器330。
IMU 530可以包括电子设备，该电子设备可以基于从一个或多个位置传感器525接收的测量信号生成快校准数据，该快校准数据指示相对于近眼显示器100的初始位置的近眼显示器100的估计位置。
成像设备535可以根据从控制台510接收的校准参数来生成慢校准数据。成像设备535可以包括一个或多个相机和/或一个或多个摄像机。
输入/输出接口540可以是允许用户向控制台510发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。
控制台510可以根据从成像设备535、近眼显示器100和输入/输出接口540中的一个或多个接收的信息，来向近眼显示器100提供媒体以呈现给用户。在图5所示的示例中，控制台510可以包括应用储存545、跟踪模块550和引擎555。
应用储存545可以存储用于由控制台510执行的一个或多个应用。应用可以包括一组指令，该组指令当由处理器执行时可以生成用于呈现给用户的内容。应用的示例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
跟踪模块550可以使用一个或多个校准参数来校准系统500，并且可以调整一个或多个校准参数来减小近眼显示器100的位置确定中的误差。跟踪模块550可以使用来自成像设备535的慢校准信息来跟踪近眼显示器100的移动。跟踪模块550还可以使用来自快校准信息的位置信息来确定近眼显示器100的基准点的位置。
引擎555可以执行系统500内的应用，并从跟踪模块550接收近眼显示器100的位置信息、加速度信息、速度信息和/或预测的未来位置。在一些实施例中，引擎555接收的信息可以用于产生信号(例如，显示指令)给波导显示组件210。信号可以确定要呈现给用户的内容的类型。
可以有许多不同的方式来实现波导显示器。例如，在一些实施方式中，输出波导320可以包括在第一侧370-1和第二侧370-2之间的倾斜表面，用于将图像光355耦合到输出波导320中。在一些实施方式中，倾斜表面可以涂覆有反射涂层，以朝向导向元件360反射光。在一些实施方式中，倾斜表面的角度可以被配置成使得图像光355可以由于全内反射而被倾斜表面反射。在一些实施方式中，可以不使用导向元件360，并且可以通过全内反射在输出波导320内引导光。在一些实施方式中，去耦元件365可以位于第一侧370-1附近。
在一些实施方式中，输出波导320和去耦元件365(以及导向元件360，如果使用)对于来自环境的光可以是透明的，并且可以充当光学组合器，以用于组合图像光355和来自近眼显示器100前面的物理的真实世界环境的光。如此，用户可以查看来自源组件310的人工对象的人工图像和物理的真实世界环境中的真实对象的真实图像，这可以被称为光学透视。
图6图示了根据某些实施例的使用波导显示器的示例光学透视增强现实系统600。增强现实系统600可以包括投影仪610和组合器615。投影仪610可以包括光源或图像源612和投影仪光学元件614。在一些实施例中，图像源612可以包括显示虚拟对象的多个像素，诸如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施例中，图像源612可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源612可以包括激光二极管、垂直腔表面发射激光器和/或发光二极管。在一些实施例中，图像源612可以包括多个光源，每个光源发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些实施例中，图像源612可以包括光学图案生成器，诸如空间光调制器。投影仪光学元件614可以包括一个或多个光学部件，光学部件可以调节来自图像源612的光，诸如对光进行扩展、准直、扫描或者将光从图像源612投影到组合器615。一个或多个光学部件可以包括例如一个或多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施例中，投影仪光学元件614可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，其允许扫描来自图像源612的光。
组合器615可以包括输入耦合器630，用于将来自投影仪610的光耦合到组合器615的衬底620中。输入耦合器630可以包括体全息光栅、衍射光学元件(DOE)(例如，表面浮凸光栅)，或折射耦合器(例如，光楔(wedge)或棱镜)。对于可见光，输入耦合器630可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。如本文所使用的，可见光可以指波长在大约380nm至大约750nm之间的光。耦合到衬底620中的光可以通过例如全内反射(TIR)在衬底620内传播。衬底620可以是一副眼镜的透镜的形式。衬底620可以具有平坦或弯曲的表面，并且可以包括一种或多种类型的介电质材料，诸如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、晶体或陶瓷。在一些实施例中，衬底620可以包括：半导体衬底、SiO2层、Si3N4材料层、氧化钛层、氧化铝层、SiC层、SiOxNy层、非晶硅层、旋涂碳(SOC)层、非晶碳层(ACL)、类金刚石碳(DLC)层、TiOx层、AlOx层、TaOx层和HFOx层等。衬底的厚度可以在例如，小于大约1mm至大约10mm或更大的范围内。衬底620对可见光可以是透明的。如果光束可以以高透射率(诸如，大于50％、60％、75％、80％、90％、95％或更高)穿过材料，其中光束的一小部分(例如少于50％、40％、25％、20％、10％、5％或更少)可以被材料散射、反射或吸收，则该材料对光束可以是“透明的”。例如，在一些实施例中，透明基板可以具有80％或更高的透射率。透射率(即，透射度)可以由波长范围内的视觉上的加权或未加权的平均透射率来表示，或者由波长范围(诸如可见波长范围)内的最低透射率来表示。
衬底620可以包括或者可以耦合到多个输出耦合器640，输出耦合器640被配置成从衬底620提取由衬底620引导并且在衬底620内传播的光的至少一部分，并且将所提取的光660导向增强现实系统600的用户的眼睛690。像输入耦合器630一样，输出耦合器640可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮凸光栅)、其他DOE、棱镜等。输出耦合器640在不同位置处可以具有不同的耦合(例如，衍射)效率。衬底620还可以允许来自组合器615前面的环境的光650以很少损失或没有损失的方式通过。输出耦合器640也可以允许光650以很少的损失通过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器640对于光650可以具有低衍射效率，使得光650可以被折射或者以其他方式以很少的损失通过输出耦合器640。在一些实施方式中，输出耦合器640对光650可以具有高衍射效率，并且可以以很少的损失将光650衍射到某些期望的方向(即，衍射角)。结果，用户可以观看组合器615前面的环境和由投影仪610投影的虚拟对象的组合图像。
图7图示了入射显示光740和外部光730在包括波导710和光栅耦合器720的示例的波导显示器700中的传播。波导710可以是平坦或弯曲的透明衬底，具有大于自由空间折射率n1(即，1.0)的折射率n2。例如，光栅耦合器720可以包括布拉格光栅(Bragg grating)或表面浮凸光栅。
例如，入射显示光740可以通过图6的输入耦合器630或上述的其他耦合器(例如，棱镜或倾斜表面)被耦合到波导710中。入射显示光740可以通过例如全内反射在波导710内传播。当入射显示光740到达光栅耦合器720时，入射显示光740可以被光栅耦合器720衍射成例如0阶衍射(即，反射)光742和-1阶衍射光744。0阶衍射可以继续在波导710内传播，并且可以在不同的位置处被波导710的底表面朝向光栅耦合器720反射。-1阶衍射光744可以朝向用户的眼睛从波导710耦合(例如，折射)出去，因为由于-1阶衍射光744的衍射角，在波导710的底表面处可能不满足全内反射条件。
外部光730也可以被光栅耦合器720衍射成例如0阶衍射光732或-1阶衍射光734。0阶衍射光732或-1阶衍射光734可以朝向用户的眼睛从波导710被折射出去。因此，光栅耦合器720可以充当输入耦合器，用于将外部光730耦合到波导710中，并且还可以充当输出耦合器，用于将入射显示光740从波导710耦合出去。如此，光栅耦合器720可以充当组合器，用于组合外部光730和入射显示光740，并且将组合的光发送到用户的眼睛。
为了在朝向用户眼睛的期望方向上衍射光，并且针对某些衍射阶获得期望的衍射效率，光栅耦合器720可以包括闪耀光栅或倾斜光栅，诸如倾斜的布拉格光栅或表面浮凸光栅，其中光栅脊和槽可以相对于光栅耦合器720或波导710的表面法线倾斜。在一些实施例中，为了优化用户体验，光栅耦合器720的一些参数可以沿着光在波导710内传播的方向变化，以使光栅耦合器720的衍射效率可以沿相同方向变化(例如增加)，以跨显示器实现基本均匀的强度。
图8图示了根据某些实施例的示例波导显示器800中的示例倾斜光栅820。波导显示器800可以包括波导810(例如衬底620)上的倾斜光栅820。倾斜光栅820可以充当光栅耦合器，用于将光耦合到波导810中或从波导810耦合出去。在一些实施例中，倾斜光栅820可以包括具有周期p的周期性结构。例如，倾斜光栅820可以包括多个脊822和脊822之间的槽824。倾斜光栅820的每个周期可以包括脊822和槽824，槽824可以是空气间隙或填充有折射率为ng2的材料的区域。脊822的宽度与光栅周期p之间的比率可以称为占空比。倾斜光栅820可以具有例如从大约10％到大约90％或更大的占空比范围。在一些实施例中，占空比可以每周期都变化，以用于在用户的眼睛处进行更准确的图像形成。在一些实施例中，倾斜光栅的周期p可以在倾斜光栅820上从一个区域到另一个区域变化，或者可以在倾斜光栅820上从一个周期到另一个周期变化(即，啁啾)。
脊822可以由折射率为ng1的材料制成，诸如含硅材料(例如，SiO2、Si3N4、SiC、SiOxNy或无定形硅)、有机材料(例如，旋涂碳(SOC)或无定形碳层(ACL)或类金刚石碳(DLC))，或无机金属氧化物层(例如，TiOx、AlOx、TaOx、HfOx等)。每个脊822可以包括具有倾斜角α的前缘830和具有倾斜角β的后缘840。在一些实施例中，每个脊822的前缘830和后缘840可以彼此平行。换句话说，倾斜角α近似等于倾斜角β。在一些实施例中，倾斜角α可以不同于倾斜角β。在一些实施例中，倾斜角α可以近似等于倾斜角β。例如，倾斜角α和倾斜角β之间的差可以小于20％、10％、5％、1％或更小。在一些实施例中，倾斜角α和倾斜角β的范围可以是例如，从大约30°或更小到大约70％或更大。
在一些实施方式中，脊822之间的槽824可以外覆或填充有具有高于或低于脊822材料的折射率的折射率ng2的材料。例如，在一些实施例中，诸如氧化铪、氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅和高折射率聚合物的高折射率材料可以用于填充槽824。在一些实施例中，诸如氧化硅、氟化镁、多孔硅或氟化的低折射率单体(或聚合物)的低折射率材料可以用于填充槽824。结果，脊的折射率和槽的折射率之间的差可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。
倾斜光栅可以使用许多不同的纳米制造技术来制造。纳米制造技术通常包括图案化过程和后图案化(例如，外覆)过程。图案化过程可以用于形成倾斜光栅的倾斜脊。可以有许多不同的用于形成倾斜脊的纳米制造技术。例如，在一些实施方式中，可以使用包括倾斜蚀刻的光刻技术来制造倾斜光栅。在一些实施方式中，可以使用纳米压印光刻(NIL)成型技术来制造倾斜光栅。后图案化过程可以用于外覆倾斜脊和/或用折射率不同于倾斜脊的材料填充倾斜脊之间的间隙。后图案化过程可以独立于图案化过程。因此，可以在使用任何图案化技术制造的倾斜光栅上使用相同的后图案化过程。
下面描述的用于制造倾斜光栅的技术和过程仅用于说明目的，并不旨在是限制性的。本领域技术人员将理解，可以对下面描述的技术进行各种修改。例如，在一些实施方式中，可以省略下面描述的一些操作。在一些实施方式中，可以执行附加的操作来制造倾斜光栅。本文公开的技术也可以用于在各种材料上制造其他倾斜结构。
图9A-图9C图示了根据某些实施例的通过倾斜蚀刻来制造倾斜的表面浮凸光栅的示例简化过程。图9A示出了光刻过程(诸如光刻工艺)之后的结构900。在一些实施例中，结构900也可以使用光刻工艺从中间层被转移。结构900可以包括可以用作上述波导显示器的波导的衬底910，诸如玻璃或石英衬底。结构900还可以包括光栅材料的层920，光栅材料是诸如含硅材料(例如，SiO2、Si3N4、SiC、SiOxNy或无定形硅)、有机材料(例如，旋涂碳(SOC)或无定形碳层(ACL)或类金刚石碳(DLC))，或无机金属氧化物层(例如，TiOx、AlOx、TaOx、HfOx等)。衬底910可以具有折射率nwg，并且光栅材料的层920可以具有折射率ng1。在一些实施例中，光栅材料的层920可以是衬底910的一部分。具有期望图案的掩模层930可以形成在光栅材料的层920上。掩模层930可以包括例如光致抗蚀剂材料、金属(例如，铜、铬、铝或钼)、金属间化合物(例如，MoSi2)或聚合物。可以通过例如光刻过程形成掩模层930。
图9B示出了在倾斜蚀刻过程(诸如，干法蚀刻过程(例如，反应离子蚀刻(RIE)、感应耦合等离子体(ICP)、深硅蚀刻(DSE)、离子束蚀刻(IBE)或IBE的变型))之后的结构940。倾斜蚀刻过程可以包括一个或多个子步骤。可以通过例如旋转结构900并且由蚀刻束基于期望的倾斜角蚀刻光栅材料的层920来执行倾斜蚀刻。在一些实施例中，可以通过在空间上变化窄(例如，点或线)蚀刻束的入射角来执行倾斜蚀刻，其中蚀刻束可以由叶片在空间上控制，该叶片可以调整投影蚀刻束的尺寸和位置。在蚀刻之后，可以在光栅材料的层920中形成倾斜光栅950。
图9C示出了去除掩模层930之后的结构970。结构970可以包括衬底910、光栅材料的层920和倾斜光栅950。倾斜光栅950可以包括多个脊952和槽954。诸如等离子体或湿法蚀刻的技术可以用于用适当的化学过程来剥离掩模层930。在一些实施方式中，掩模层930可以不被去除，并且可以被用作倾斜光栅的一部分。
随后，在一些实施方式中，可以执行后图案化(例如，外覆)过程，以用折射率高于或低于脊952材料的材料外覆倾斜光栅950。例如，如上所述，在一些实施例中，诸如氧化铪、氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅和高折射率聚合物的高折射率材料可以用于外覆。在一些实施例中，诸如氧化硅、氟化镁、多孔硅或氟化低折射率单体(或聚合物)的低折射率材料可以用于外覆。结果，脊的折射率和槽的折射率之间的差可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。在一些实施例中，外覆层可以是共形的(例如，使用ALD)或定向的(例如，使用溅射或PECVD)。
在不同的应用中，由于光与光栅相互作用和/或由于与光栅相互作用的光之间的干涉，导致在光反射、折射和/或衍射，在各种材料上的具有各种尺寸的倾斜结构(例如，光栅)可能被期望控制光的行为。例如，在一些应用中，可能期望光栅的脊的前缘和后缘基本平行。在一些应用中，可能期望光栅的脊的前缘和后缘具有不同的倾斜角。在一些应用中，可能期望光栅具有大于例如几百纳米(诸如，几微米)的深度。在一些应用中，可能期望光栅的脊具有大于例如30°、45°、50°或70°的倾斜角。
图10图示了衬底1010上的示例倾斜光栅1000。光栅1000可以包括多个脊1020。相邻脊1020的前缘或后缘之间的距离可以是p，其在整个光栅1000上可以是恒定值或变化值。每个脊1020可以具有高度H，其跨光栅1000可以是恒定值或变化值。每个脊1020可以具有规则或不规则的横截面形状，诸如四边形。四边形可以具有第一(前)边缘1030、第二(后)边缘1040和上边缘1050。四边形的底部可以具有长度A，该长度A跨光栅1000可以是恒定值或变化值。在一些实施例中，第一边缘1030和第二边缘1040可以彼此基本平行。在一些实施例中，上边缘1050可以平行于衬底1010的底表面1012。两个脊1020之间的区域1014可以具有或可以不具有平坦表面。由边缘形成的四边形的内角可以包括第一角度α1060、第二角度β1070和第三角度γ1080。在一些实施例中，第一角度α1060和第二角度β1070之和可以接近180°。在一些实施例中，第一角度α1060和第三角度γ1080之和可以接近180°。
对于许多材料(例如，氮化硅、有机材料或无机金属氧化物)和/或某些期望的倾斜结构(例如，具有基本相等的前缘和后缘的光栅脊、具有大倾斜角的倾斜光栅或深倾斜表面浮凸光栅)，许多已知技术(诸如，IBE过程、RIBE过程和CAIBE过程)可能无法用于可靠地制造倾斜结构。根据某些实施例，可以使用倾斜离子注入(例如，H+离子注入)、化学蚀刻(例如，稀释的HF蚀刻)和/或干法蚀刻(例如，诸如SF6的反应气体)过程来更精确地在各种材料(包括可能具有高折射率的材料)上制造具有所需尺寸的倾斜结构。
离子注入是用于将一种或多种元素的离子引入到目标材料中的低温过程。在离子注入中，掺杂剂原子可以被挥发、离子化、加速、以质荷比分离并且被导向诸如硅衬底的目标材料。掺杂原子可以进入目标材料，与主体原子碰撞，损失能量并且停留在目标材料内的一定深度。平均穿透深度可以由掺杂剂、衬底材料和加速能量确定。离子注入能量可以在例如大约几百电子伏特至大约数百万电子伏特的范围内，产生具有例如从大约<10nm至大约>10μm的平均深度的离子分布。每个离子可以包括单个原子或分子，并且被注入到目标中的离子的总数(剂量)是离子流在时间上的积分。可以精确控制离子注入的剂量和深度轮廓。可以在低温下执行离子注入，并且因此可以使用光致抗蚀剂作为掩模。其他材料也可以用于掩模，诸如氧化物、多晶硅、金属等。
离子注入可以改变目标材料的物理、化学和/或电特性。例如，当离子与目标材料的成分不同时，穿透到目标材料中的离子可以改变目标材料的元素成分和/或电导率。当具有高能量或高速度的离子撞击在目标材料上时，离子注入可以引起目标材料的化学和/或物理改变。例如，目标材料的晶体结构可以被高能碰撞改变或损坏。
离子注入装备通常包括：用于生成所需元素的离子的离子源、用于将离子静电加速至高速(并且因此高能量)的加速器以及目标腔室，在目标腔室中，离子可以撞击在被安装在支撑结构上的目标上。支撑结构可以线性地、旋转地或两者移动，使得可以通过控制保持目标的支撑结构的移动来改变注入角度、面积、剂量和时间。
图11A图示了根据某些实施例的示例衬底1110，可以使用掩模1120在其上形成倾斜结构。衬底1110可以包括一种或多种类型的介电质材料，诸如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、晶体或陶瓷。在一些实施例中，衬底1110中的介电质材料的成分(例如，层堆叠)可以被优化以使得衬底1110中化学和/或物理能够充分改变。在一些实施例中，衬底1110可以包括诸如Si的半导体材料。在一些实施例中，衬底1110可以包括在衬底上形成的材料的层，例如在Si或其他衬底上形成的Si3N4或SiO2层。在一些实施例中，衬底1110可以包括含硅材料(诸如，SiO2、Si3N4、SiC、SiOxNy或非晶硅)、有机材料(例如，旋涂碳(SOC)或非晶碳层(ACL)或类金刚石碳(DLC))或无机金属氧化物层(例如TiOx、AlOx、TaOx、HFOx等)。掩模1120可以包括例如光致抗蚀剂材料、金属(例如，铜、铬、铝或钼)、金属间化合物(例如，MoSi2)、多晶硅或聚合物。用于掩模1120的材料和掩模1120的厚度可以基于要注入的离子来选择。掩模1120可以足够厚，使得离子可以不穿透掩模并且到达掩模之下的衬底。通常，期望具有较低厚度的掩模，以便例如减少掩模层的散射或不阻挡离子到达要被注入的区域。较薄的掩模可以用于诸如H+离子的较轻的离子。掩模1120可以包括与倾斜结构的期望的横截面形状相对应的图案，并且可以通过例如光刻过程来形成。
图11B图示了根据某些实施例的示例倾斜离子注入过程。如图11B中所示，离子束1140可以以一定角度入射在衬底1110上。在一些实施例中，这可以通过将衬底支撑结构旋转到期望角度来实现。衬底1110上的掩模1120可以阻挡离子束1140中的离子的一部分，使得离子的该部分不会到达衬底1110。在未被掩模1120阻挡或仅被掩模1120部分阻挡的区域中，离子可以进入衬底1110，与衬底中的原子碰撞，损失能量，并且最终停留在衬底1110内的一定深度。在离子注入之后，多个注入区域1130可以被形成。注入区域1130的深度可以取决于穿透深度，穿透深度可以由离子元素、衬底材料和离子的能量来确定。被注入在每个注入区域1130中的离子的总量可以取决于离子流(通量)和注入时间。
如上所述，离子注入可以改变目标材料的物理、化学或电性质。例如，使用例如经稀释的氢氟酸(dHF)可能不容易蚀刻Si3N4材料层，其中在室温下蚀刻速率可能小于每分钟约
Figure BDA0002843370470000201
当氢离子被注入到Si3N4材料层中时，Si3N4材料层可以根据下式被修改：
Si3N4+H+→SiNxNy，
其中与Si3N4相比，SiHxNy可以相对容易地被dHF腐蚀。因此，氢离子注入可以改变Si3N4材料层的蚀刻速率。在使用dHF的情况下，与没有氢离子注入的区域相比，注入区域可以具有更高的蚀刻速率。因此，可以在选择性离子注入之后，实现对Si3N4材料层的各向异性蚀刻。在一些实施例中，可以将O2添加到Si3N4膜中以形成SixOyNz材料。
图11C图示了根据某些实施例的在一个或多个离子注入和湿法蚀刻过程之后，在衬底1110上形成的示例倾斜表面浮凸结构1150。如图11C中所示，图11B中所示的注入区域1130可以被蚀刻掉，以在衬底1110内形成倾斜槽。在一些实施例中，可以在离子注入之后执行退火以促进反应，并且因此促进折射率修改和/或蚀刻速率调整。
在一些实施例中，上述离子注入过程和湿法蚀刻过程(例如，使用dHF或其他蚀刻溶液)可以被重复执行，以在衬底层(例如，Si3N4材料层)中形成深倾斜结构。倾斜结构的深度可以取决于每个离子注入过程的穿透深度。以该方式，可以在衬底上制造具有高深宽比的倾斜结构。在一些实施例中，深倾斜结构可以通过同时或顺序的在适当地选择进料气体混合物、离子源和提取参数的情况下的基于离子轰击的改性和改性层的去除来实现。结构的深度可以通过蚀刻时间控制。
在衬底1110中形成倾斜表面浮凸结构1150之后，掩模1120可以被去除。在一些实施例中，如上所述，可以在倾斜表面浮凸结构1150上形成外覆层，以用折射率不同于衬底1110的折射率的材料填充倾斜的槽。
在一些实施例中，上面关于图11B描述的离子注入过程可以用于改变目标材料的光学性质，诸如目标材料的折射率。例如，Si3N4目标层可以具有在1.8和2.1之间(例如1.98)的折射率。在Si3N4目标层中的离子注入(例如，使用氧离子)可以将Si3N4目标层的注入区域改变成第二材料(例如，类二氧化硅材料)。第二材料可以具有与目标材料不同的折射率。在一些实施例中，第二材料的折射率可以低于目标材料的折射率。例如，第二材料(例如，类SiO2材料)的折射率可以在1.3与1.6之间，诸如1.46。因此，可以在目标内产生相对较高的折射率变化以形成类布拉格光栅。在一些实施例中，取决于用于注入的离子，第二材料的折射率可以高于目标材料的折射率。
在一些应用中，可能期望倾斜结构跨衬底是不一致的。例如，一些光栅结构可以针对特定波长范围内和/或特定视场内的光工作。对于不同波长和/或在不同视场内的光，可能需要不同的光栅结构。因此，在一些实施方式中，倾斜结构在不同区域可以包括不同结构，以便更有效地与在宽波长范围内和大视场内的光相互作用(例如，衍射)。例如，倾斜结构在衬底上的不同区域中可以具有不同的周期、不同的倾斜角、不同的深度、不同的折射率变化或其任意组合。如上所述的技术可以用于制造如下面详细描述的这种倾斜结构。
图12图示了根据某些实施例的在衬底1210上制造具有可变折射率的倾斜结构1230的示例过程。如上所述，可以通过离子注入来改变衬底的折射率。折射率改变的量可以取决于所使用的离子和离子注入的剂量。通过使用离子束1240和掩模1220(和/或快门)，在衬底1210(例如，Si3N4衬底)的不同区域选择性地应用离子注入(例如，改变离子的剂量)，可以在衬底1210上形成具有可变折射率的倾斜结构1230。可以通过控制离子流和/或注入时间来控制注入到衬底1210的区域中的离子的剂量。在一些实施方式中，注入时间可以由快门控制，或者可以通过控制保持衬底的衬底支撑结构的移动速度被控制。例如，如图12中所示，被注入到区域1232中的离子(例如，氧离子)的剂量可以比被注入到区域1234中的离子的剂量高，并且因此区域1232可以具有比区域1234低的折射率。类似地，被注入到区域1234中的离子的剂量可以比被注入到区域1236中的离子的剂量高，并且因此区域1234可以具有低于区域1236的折射率。因此，倾斜结构1230在区域1232、1234和1236处可以具有不同的折射率，并且因此具有不同的衍射性能(例如，衍射效率)。
图13图示了根据某些实施例的用于在衬底1310上制造具有可变深度的倾斜结构1330的示例过程。如上所述，倾斜结构1330的深度可以取决于离子渗透深度，其又可以取决于离子元素、衬底材料和离子的能量。因此，通过使用掩模1320，变化被施加到衬底1310的不同区域的离子束1340中的离子的能量，可以在衬底1310中形成在不同区域处具有不同深度的倾斜结构1330。在一些实施方式中，可以通过改变离子注入装备中的加速器的加速电压来改变离子能量。
图14图示了根据某些实施例的在衬底1410上制造具有可变倾斜角的倾斜结构1430的示例过程。倾斜结构1430的倾斜角可以通过改变离子束1440相对于衬底1410的表面法线的角度来改变。在一些实施方式中，可以通过改变离子注入装备中的衬底支撑结构的旋转角度，来改变离子束1440相对于衬底1410的表面法线的角度。
上面关于图12-图14描述的技术可以单独或以任何组合使用，来在衬底中制造具有变化的倾斜角、深度和/或折射率的倾斜结构。例如，在一些实施例中，可以利用具有不同能量的离子，以不同角度对衬底的不同区域进行注入，以形成具有不同倾斜角和深度的注入区域。由于衬底和注入区域之间的蚀刻速率差异，可以在衬底中形成具有变化的倾斜角和深度的倾斜表面浮凸结构。当在倾斜表面浮凸结构上形成外覆层时，填充在表面浮凸结构的间隙中的外覆层材料跨衬底可以具有变化的倾斜角和深度。在一些实施方式中，上述技术也可以用于修改外覆层的至少一些区域的折射率。在一些实施方式中，上述技术也可以应用于外覆层，以在外覆层中形成具有变化的倾斜角、深度或折射率的结构。
图15是图示根据某些实施例的制造倾斜结构的示例方法的简化流程图1500。在流程图1500中描述的操作仅用于说明目的，并不旨在进行限制。在各种实施方式中，可以对流程图1500进行修改以添加附加操作或省略一些操作。可以使用例如离子注入装备和/或湿法蚀刻装备来执行流程图1500中描述的操作。
框1510，可以在材料层上形成掩模层。材料层可以包括一种或多种类型的介电质材料，诸如玻璃、石英、塑料、聚合物、PMMA、晶体或陶瓷。在一些实施例中，材料层可以包括诸如Si的半导体材料。在一些实施例中，材料层可以包括含硅材料(例如，SiO2、Si3N4、SiC、SiOxNy或非晶硅)、有机材料(例如，旋涂碳(SOC)或非晶碳层(ACL)或类金刚石碳(DLC))，或无机金属氧化物层(例如TiOx、AlOx、TaOx、HFOx等)。掩模层可以包括例如光致抗蚀剂材料、金属(例如，铜、铬、铝或钼)、金属间化合物(例如，MoSi2)、多晶硅或聚合物。可以基于要注入的离子来选择用于掩模层的材料和掩模层的厚度。例如，针对较轻的离子(诸如H+离子)，可以使用较薄的掩模层。掩模层可以足够厚，以使离子不可以穿透掩模并到达掩模之下的材料层。掩模层可以包括与倾斜结构的期望横截面形状相对应的图案，并且可以通过例如光刻过程来形成。
框1520，可以使用掩模层，利用离子束以倾斜角对材料层进行注入。可以相对于材料层的表面法线测量倾斜角。在一些实施例中，倾斜角可以大于30°、45°、50°、70°或更大。在一些实施方式中，可以通过使用例如可以保持材料层的可旋转支撑结构，相对于离子束旋转材料层来控制倾斜角。材料层上的掩模层可以阻挡离子束中的离子的一部分，使得离子的该部分不会到达材料层。在未被掩模层阻挡或仅被掩模层部分阻挡的区域中，离子可以进入材料层，与材料层中的原子碰撞，并且停留在材料层内的一定深度。在离子注入之后，可以在材料层中形成多个注入区域。注入区域的深度可以取决于穿透深度，穿透深度可以取决于离子元素、衬底材料和离子的能量。被注入到每个注入区域中的离子的总量可以取决于离子流(通量)和注入时间。在一些实施例中，离子束中的离子可以包括氢离子或氧离子。在一些实施例中，在注入期间，材料层可以被旋转以针对跨倾斜结构的多个注入区域变化倾斜角。在一些实施例中，在注入期间，可以调整离子束中离子的离子能量，以改变跨倾斜结构的多个注入区域的深度。在一些实施例中，在注入期间，通过使用离子束的不同离子流、不同注入时间或两者，可以将不同量的离子注入到多个注入区域的不同区域中。将离子注入到材料层中可以改变注入区域的折射率、蚀刻速率或两者。例如，将氧离子注入到Si3N4材料层中可以在注入区域中形成类SiO2材料，这可以减小注入区域的折射率。因此，由于离子注入引起的折射率改变，在注入之后可以形成倾斜的类布拉格光栅。
可选地，框1530处，可以对材料层进行湿法蚀刻或干法蚀刻，以去除注入区域中的材料来形成倾斜表面浮凸结构。如上所述，将离子注入到材料层中可以改变注入区域的蚀刻速率。例如，在使用稀释的HF的情况下，相对于未注入氢离子的材料层的区域的蚀刻速率，将氢离子注入到Si3N4材料层中可以显著提高注入区域的蚀刻速率。因此，使用稀释的HF来湿法蚀刻选择性注入的材料层可以是高度各向异性的，并且可以去除注入区域中的材料，同时保持未被离子注入的区域中的材料。因此，可以形成倾斜表面浮凸结构。如上所述，倾斜表面浮凸结构的倾斜角可以对应于离子注入的倾斜角，并且倾斜的表面浮凸结构的深度可以取决于离子束中离子的离子能量。
可选地，框1540，如果达到了倾斜的表面浮凸结构的期望深度，则该过程可以进行到框1550的操作。如果倾斜的表面浮凸结构的期望深度尚未达到，则该过程可以进行到框1520的操作。例如，在一些实施例中，可能期望倾斜表面浮凸结构的深度大于200nm、500nm、1μm或2μm。因此，例如由于用于注入的离子的可实现的离子能量的限制和/或可以阻挡具有高离子能量的离子的掩模层的厚度的限制，单次离子注入过程和单次湿法蚀刻过程可能无法实现期望深度。因此，在一些实施方式中，可以执行框1520和框1530的操作的多个循环，以在每个循环中蚀刻材料层的一部分，使得可以在离子注入和湿法蚀刻的多个循环之后实现期望深度。
可选地，框1550，可以去除掩模层。如上所述，可以使用诸如等离子体或湿法蚀刻的技术，利用适当的化学反应来去除掩模层。
可选地，框1560，具有倾斜结构的材料层可以涂覆有折射率不同于该材料层的折射率的材料。例如，在一些实施例中，可以使用高折射率材料，诸如氧化铪、二氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅或高折射率聚合物，来涂覆倾斜光栅和/或填充倾斜表面浮凸结构中的间隙。在一些实施例中，可使用低折射率材料，诸如，氧化硅、氟化镁、多孔硅或氟化的低折射率单体(或聚合物)，来涂覆倾斜结构和/或填充倾斜表面浮凸结构中的间隙。结果，可以形成折射率变化大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高的倾斜光栅。
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施。人工现实是在呈现给用户之前以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/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，真实世界)内容组合的所生成内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈，或其某种组合，并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(诸如，向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。可以在各种平台(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，或者能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。
上面讨论的方法、系统和设备是示例。各种实施例可以视情况被省略、替换或添加各种过程或组件。例如，在备选配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来被执行，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其他实施例中被组合。实施例的不同方面和元素可以以相似的方式被组合。此外，技术不断发展，并且因此许多元素是示例，并不将本公开的范围限制于那些具体示例。
在描述中给出了具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施例。例如，为了避免模糊实施例，众所周知的电路、过程、系统、结构和技术被示出而没有不必要的细节。此描述仅提供示例实施例，并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。相反，实施例的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在元素的功能和布置方面进行各种改变。
此外，一些实施例被描述为过程，过程被描绘为流程图或框图。尽管每一个都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或并发地被执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的附加步骤。此外，可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任意组合来实现方法的实施例。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行相关联的任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。
对于本领域技术人员来说，将明显的是，可以根据特定的要求进行实质性的变化。例如，还可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，诸小程序(applet)等)或者两者来实现特定的元素。此外，可以采用到诸如网络输入/输出设备的其他计算设备的连接。
参考附图，可以包括存储器的组件可以包括非暂时性机器可读介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施例中，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其他设备提供指令/代码以供执行。附加地或备选地，机器可读介质可以用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这样的介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括例如磁和/或光学介质(诸如光盘(CD)或数字多功能盘(DVD))、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存-EPROM、任何其他存储器芯片或盒、下文所述的载波，或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、应用(App)、子例程、模块、软件包、类，或指令、数据结构或程序语句的任意组合。
本领域的技术人员将理解，用于传送本文描述的消息的信息和信号可以使用各种不同的技术和技艺中的任何一种来表示。例如，在上面所有的描述中引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和芯片(chip)可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子，或其任意组合来表示。
本文使用的术语“和”以及“或”可以包括多种含义，这些含义还被预期至少部分地取决于使用这些术语的上下文。通常地，“或”如果用于关联诸如A、B或C的列表，则旨在表示A、B和C(此处以包含的意义使用)以及A、B或C(此处以排他的意义使用)。此外，本文使用的术语“一个或更多个”可以用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅仅是说明性的示例，并且要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“...中的至少一个”如果用于关联列表，诸如A、B或C，则可以被解释为表示A、B和/或C的任意组合，诸如A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等。
此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施例，但是应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施例可以仅以硬件实现，或者仅以软件实现，或者使用它们的组合来实现。在一个示例中，可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现软件，所述计算机程序代码或指令可由一个或更多个处理器执行，用于执行在本公开中描述的任何或所有步骤、操作或过程，其中计算机程序可以存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在相同的处理器上或者以任何组合在不同的处理器上被实现。
在设备、系统、组件或模块被描述为配置为执行某些操作或功能的情况下，可以例如通过设计执行操作的电子电路、通过对可编程电子电路(诸如微处理器)进行编程以(诸如通过执行计算机指令或代码)执行操作，或者被编程为执行存储在非暂时性存储器介质上的代码或指令的处理器或核，或者它们的任意组合来完成这种配置。过程可以使用各种技术(包括但不限于用于过程间通信的传统技术)进行通信，并且不同的过程对可以使用不同的技术，或者相同的过程对可以在不同的时间使用不同的技术。
因此，说明书和附图应被视为说明性的而不是限制性的。然而，将明显的是，在不脱离在权利要求中阐述的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行添加、删减、删除以及其他修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施例，但是这些实施例并不旨在进行限制。各种修改和等同物在所附权利要求的范围内。

Claims (22)

1.一种在材料层上制造倾斜结构的方法，所述方法包括：
在所述材料层上形成掩模层；以及
使用离子束和所述掩模层，以大于零的倾斜角注入离子到所述材料层的多个区域中，其中相对于所述材料层的表面法线来测量所述倾斜角，
其中注入所述离子到所述材料层的所述多个区域中改变所述材料层的所述多个区域的折射率或蚀刻速率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料层包括以下中的一个或多个：透明衬底、半导体衬底、SiO2层、Si3N4材料层、氧化钛层、氧化铝层、SiC层、SiOxNy层、非晶硅层、旋涂碳(SOC)层、非晶碳层(ACL)、类金刚石碳(DLC)层、TiOx层、AlOx层、TaOx层和HFOx层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述离子包括氢离子或氧离子。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用蚀刻剂湿法蚀刻所述材料层，以去除所述材料层的所述多个区域中的材料。
5.根据权利要求4所述的方法，其中：
所述材料层包括Si3N4材料层；
所述离子包括氢离子；并且
所述蚀刻剂包括经稀释的氢氟酸。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括：
重复执行所述注入和所述湿法蚀刻，直到达到所述倾斜结构的预定深度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述倾斜结构的所述预定深度大于100nm。
8.根据权利要求1所述的方法，其中以大于零的倾斜角注入离子到所述材料层的所述多个区域中包括以下中的至少一个：
在所述注入期间旋转所述材料层，以变化针对所述多个区域的所述倾斜角；或者
在所述注入期间改变所述离子的离子能量，以改变针对所述多个区域的注入深度。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：
使用蚀刻剂湿法蚀刻所述材料层，以去除所述材料层的所述多个区域中的材料；
去除所述掩模层；以及
在所述材料层上形成外覆层。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
在所述外覆层上执行离子注入，以改变所述外覆层的一些区域中的折射率。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述外覆层包括氟化SiO2、多孔硅酸盐、SiOxNy、HFO2和Al2O3中的一种或多种。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在使用所述离子束注入离子到所述材料层的所述多个区域中的同时，使用反应气体蚀刻所述材料层。
13.根据权利要求1所述的方法，其中注入离子到所述材料层的所述多个区域中包括：
当对所述多个区域中的不同区域进行注入时，通过使用所述离子束的不同离子流、不同的注入时间或二者，注入不同数量的离子到所述多个区域中的不同区域中。
14.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述材料层包括Si3N4材料层；并且
所述离子包括氧离子。
15.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述倾斜角大于45°。
16.一种用于在衬底上制造倾斜光学设备的离子注入系统，所述离子注入系统包括：
离子源，用于生成化学元素的离子；
加速器，用于静电加速所述离子；
目标腔室，包括支撑结构，其中所述支撑结构被配置成保持所述衬底，并且相对于所述离子的移动方向能够旋转；以及
控制器，被配置成改变所述支撑结构的旋转角度，使得所述离子以预定的倾斜角撞击在所述衬底上。
17.根据权利要求16所述的离子注入系统，其中所述控制器还被配置成控制以下中的至少一个：
所述离子的速度；
所述离子的通量；
注入时间；
所述支撑结构的旋转速度；或者
所述支撑结构的线性移动速度。
18.根据权利要求16所述的离子注入系统，其中所述控制器还被配置成：
将所述支撑结构旋转到不同的旋转角度，以用于对所述衬底的不同区域进行注入；
将所述离子加速到不同速度，以用于对所述衬底的不同区域进行注入；或者
将不同数量的离子注入到所述衬底的不同区域中。
19.根据权利要求16所述的离子注入系统，其中：
所述化学元素包括氢或氧；并且
所述衬底包括Si3N4层。
20.一种通过过程获得的倾斜表面浮凸光栅，所述过程包括：
在材料层上形成掩模层；
使用离子束和所述掩模层，以大于30°的倾斜角注入离子到所述材料层的多个区域中，其中相对于所述材料层的表面法线来测量所述倾斜角；以及
使用蚀刻剂湿法蚀刻所述材料层，以去除所述材料层的所述多个区域中的材料。
21.根据权利要求20所述的倾斜表面浮凸光栅，其中：
所述材料层包括Si3N4材料层；
所述离子包括氢离子；并且
所述蚀刻剂包括经稀释的氢氟酸。
22.根据权利要求20所述的倾斜表面浮凸光栅，其中所述过程还包括：
重复执行所述注入和所述湿法蚀刻，直到达到所述倾斜表面浮凸光栅的预定深度，
其中所述预定深度大于100nm。
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