CN112513688A - 可变高度的斜向光栅方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种具有光栅结构的设备和用于形成所述设备的方法。所述光栅结构包括在光栅层中形成凹部。在所述光栅层中形成多个通道，以在所述光栅层中限定斜向光栅结构。所述凹部和斜向光栅结构是使用选择性蚀刻工艺形成的。

Description

可变高度的斜向光栅方法
背景
领域
本公开内容的实施方式总体涉及用于在显示设备中使用的方法和设备。更具体而言，本公开内容涉及用于在波导(waveguide)中使用的光栅(grating)结构。
相关技术的说明
虚拟现实一般认为是计算机生成的模拟环境，其中使用者具有明显的物理存在。虚拟现实体验能以3D生成，并且利用头戴式显示器(HMD)(诸如眼镜，或具有作为透镜的近眼显示面板的其他可穿戴显示装置)来观看，以显示取代真实环境的虚拟环境。
然而，增强现实实现了一种体验，在所述体验中，使用者仍然能够透过眼镜或其他HMD装置的显示透镜观看，以观察真实的周围环境，还能够看见为显示器而生成、并且作为真实环境的一部分显现的虚拟物体的图像。增强现实能够包括任何类型的输入，例如声音的和触觉的输入，以及虚拟图像和视频，而加强或增强使用者所体验的环境。作为新兴技术，增强现实存在许多挑战和设计限制。
一项这样的挑战是，要显示覆盖在周围环境上的虚拟图像，同时也要具有来自各种使用者观看视角的足够清晰度(clarity)。例如，如果使用者的眼睛并未与正在显示的虚拟图像精确对准，则使用者可能会看见变形的、不清晰的图像，或者可能无法完整地观看图像。此外，图像可能是模糊的，并且从非最佳视角具有低于期望的分辨率。
因此，需要制造增强现实显示装置的改良方法。
发明内容
本公开内容总体涉及用于在显示设备中使用的方法和设备。更具体而言，本公开内容涉及用于在波导中使用的光栅结构。
在一个实施方式中，提供一种用于在波导中使用的结构。所述结构具有基板，在所述基板上有光栅层。在所述光栅层中形成具有第一端和第二端的凹部。所述凹部的深度从第一端到第二端变化。在光栅层中形成多个通道。每个通道部分地限定多个光栅结构的一部分。所述多个光栅结构还具有由凹部限定的第一端到第二端的深度变化。
在另一实施方式中，提供一种用于在波导中使用的结构。所述结构包括基板，在所述基板上有光栅层。在第一方向和第二方向上在光栅层中形成凹部。所述凹部具有深度，所述深度在第一方向和第二方向上变化，而限定三维形状。在所述光栅层中形成多个通道。每个通道部分地限定多个光栅结构的一部分。所述多个光栅结构还具有如凹部所限定的在第一方向和第二方向上变化的深度。
在又一实施方式中，提供一种形成光栅结构的方法。所述方法包括，在光栅层中形成凹部，在光栅层上方形成硬模和光刻胶堆叠结构(stack)，蚀刻所述光刻胶堆叠结构，和在所述光栅层中形成多个光栅结构。
附图简要说明
可以通过参考实施方式(其中一些在附图中图示)而获得上文简要概述的本公开内容的更特定的描述，如此可详细理解本公开内容的上述特征的方式。然而，应注意，附图仅图示示例性实施方式，因此不应视为限制实施方式的范围，因为本公开内容可允许其他等效实施方式。
图1是根据本文描述的一个实施方式的显示设备的示意性横截面图。
图2是根据本文描述的一个实施方式的波导的一部分的截面放大图，所述波导具有形成在所述波导中的楔形凹陷结构。
图3是图2的波导的横截面放大图，在所述波导上形成有光刻胶堆叠结构。
图4是图3的波导的横截面放大图，在所述波导上形成有图案化的硬模。
图5是图4的波导的横截面放大图，在所述波导中形成有光栅结构。
图6是根据本文描述的一个实施方式的制造波导的方法的流程图。
图7A至图7C是根据本文描述的实施方式的凹陷结构的形状的范例的横截面放大图。
图8A至图8C是根据本文描述的实施方式的凹陷结构的三维形状的范例的透视图。
为有助理解，已经尽可能使用相同的附图标记指定图中共有的相同元件。考虑一个实施方式的元件和特征可以有利地并入其他实施方式中而无需赘述。
具体实施方式
公开一种具有光栅结构的设备和用于形成所述设备的方法。所述光栅结构包括光栅层中的凹部。在所述光栅层中形成多个通道，以在所述光栅层中限定斜向的(slanted)光栅结构。使用选择性蚀刻工艺形成所述凹部和所述斜向的光栅结构。
图1是在显示设备100中实行的波导104的的示意性横截面图。显示设备100配置成用于增强现实应用、虚拟现实应用、和混合或合并现实应用以及诸如手持显示装置的其他显示应用。
显示设备100利用波导104以通过所述波导104透视观看周围环境130，例如供使用者从使用者的视角101观看周围环境130。当在显示设备100中实行时，波导104的第一表面122邻近并且面向使用者的眼睛111而设置。波导104的第二表面124与第一表面122相对、并且邻近而面向周围环境130地设置。尽管将波导104图示成平面的，但取决于期望的应用，考虑波导104可以是弯曲的或成角度的。
显示设备100进一步包括图像微显示器128，以将生成的虚拟图像的光束120引导到波导104中。虚拟图像的光束120在波导104中传播。大体上，波导104包括输入耦合区域106、波导区域108、和输出耦合区域110。输入耦合区域106接收来自图像微显示器128的光束120(虚拟图像)，并且所述光束120行进通过波导区域108至输出耦合区域110，在输出耦合区域110，使用者的视角101和视场(field of view)使得能够实现覆盖在周围环境130上的虚拟图像的可视化。图像微显示器128是高分辨率显示产生器，诸如硅微显示器上的液晶，所述产生器将虚拟图像的光束120投射至波导104中。
波导104包括输入光栅结构112和输出光栅结构114。输入光栅结构112形成于波导104上，位于对应于输入耦合区域106的区域中。输出光栅结构114形成在波导104上，位于对应输出耦合区域110的区域中。输入光栅结构112和输出光栅结构114影响波导104内的光传播。举例而言，输入光栅结构112耦合接入来自图像微显示器128的光(诸如光束120)，而输出光栅结构将光向外耦合至使用者的眼睛111。
例如，输入光栅结构112影响在使用者眼睛111处显示的虚拟图像的的视场。输出光栅结构114影响从波导104收集和向外耦合(outcouple)的光束120的量。此外，输出光栅结构114调制来自使用者的视角101的虚拟图像的视场，并且增加使用者能够观看来自图像微显示器128的虚拟图像的观看角度(viewing angle)。在另一范例中，光栅结构(未示出)也形成在介于输入耦合区域106和输出耦合区域110的间的波导区域108中。此外，可以使用多个波导104(每个波导104中形成有期望的光栅结构)来形成显示设备100。
图2是波导200的横截面中的放大部分，所述波导200用于在所述波导中形成光栅结构280(图5)。在此范例中，波导200具有基板202，所述基板202上形成有蚀刻终止层204。所述基板202由光学透明的材料制成，诸如硅。所述蚀刻终止层204形成在基板202上方。所述蚀刻终止层204例如通过化学气相沉积(CVD)工艺、物理气相沉积(PVD)工艺、或旋涂工艺形成。所述蚀刻终止层204由诸如氮化钛或氮化钽等等材料形成，所述材料能抗蚀刻工艺。
在蚀刻终止层204上方形成光栅层206。所述光栅层206由光学透明的材料形成。一个范例中，光栅层206由基于硅的材料(诸如氮化硅或氧化硅)或基于钛的材料(诸如氧化钛)形成。所述光栅层206的材料具有高折射率，诸如约1.3或更高，例如1.5，或甚至更高。一般而言，光栅层206的厚度小于约1微米，诸如介于约150nm和约700nm之间。例如，所述光栅层206的厚度介于约200nm和约600nm之间，诸如在约300nm和约500nm之间，诸如约400nm。
在形成光栅层206之后，在所述光栅层206中形成凹部220。所述凹部220可为任何合适的凹陷结构和形状，包括但不限于：楔形形状、截头锥体状(frustum-like)形状、圆锥形状或类似形状。如图2中所描绘的，凹部220具有平面的并且不规则三角形(scalene)的楔状结构，并且具有在第一端230和第二端232之间的长度L。凹部220的深度D从第一端230到第二端232增加。也就是说，凹部220的深度D在第一端230处最小并且在第二端232处最大。所述深度D在约0nm至约700nm的范围内，诸如介于约100nm至约600nm之间，诸如介于约200nm和约500nm之间。例如，深度D介于约300nm和约400nm之间，诸如约350nm。在图2的实施方式中，长度L与深度D相比显著较大。例如，长度L约为25mm，而第一端230处的深度D在约0nm至约50nm之间，并且第二端232处的深度D在约250nm至约700nm之间。因此，凹部220具有实质上浅的斜面(显示为角度Θ)，所述角度Θ是在凹部220的表面和由光栅层206的表面206a限定的平面之间测量。在此范例中，角度Θ小于1度，诸如小于0.1度，如约0.0005度。为清楚起见，凹部220的斜面在此以夸大的角度Θ示出。
在一个范例中，通过选择性蚀刻光栅层206的区域，而形成凹部220。例如，通过以低蚀刻速率和/或低功率蚀刻光栅层206，而形成凹部220的第一部分220a。通过以比部分220a增加的蚀刻速率和/或功率蚀刻光栅层206，而形成第二部分220b。类似地，通过以比部分220a、220b更高的蚀刻速率和/或功率蚀刻光栅层206，而形成第三部分220c。在此，使用三个部分以进行说明。然而，可使用任何期望数量的部分来形成凹部220，并且在单个操作步骤或在多个步骤中蚀刻任何期望数量的部分。另外，蚀刻可以以平稳增加的间隔(interval)(即，蚀刻速率和/或功率)发生，使得凹部220具有光滑的表面。在一个范例中，在形成凹部220之前，限定用于光栅结构280的区域，这是诸如通过使用掩模(例如，光刻掩模或接近掩模(proximity mask))或蚀刻束而达成。与粗糙(rough)(即，阶梯式或类似形式)结构相比，通过更好地控制光束的衍射和投射，形成具有光滑轮廓的凹部220改善了图像品质。因此，跨光栅结构280向外耦合的光的功率明显更均匀。
图3是波导200的截面，在所述波导200上形成有光刻胶堆叠结构250。在光栅层206上方形成保形的硬模208。所述硬模208例如使用化学气相沉积工艺由氮化钛形成。在一个范例中，硬模208的厚度在约30nm和约50nm之间，诸如在约35nm和约45nm之间。光刻胶堆叠结构250包括背抗反射涂层(back anti-reflective coating；BARC)210、硅抗反射涂层(SiARC)212、和光刻胶214。使用旋涂工艺形成BARC 210，使得BARC 210的上表面210a大体上是平面的(即，平行于基板202的表面202a)。通过使用旋涂工艺形成BARC 210，不需要蚀刻工艺或抛光工艺以平面化BARC 210，这消除了过度蚀刻或损坏薄BARC 210和/或下方的光栅层206的可能性。
接着，在BARC 210上方形成SiARC 212。使用例如化学气相沉积工艺或旋涂工艺由基于硅的材料形成SiARC 212。在SiARC 212上方形成光刻胶214。使用例如平版印刷术工艺由聚合物材料形成光刻胶214。在一个范例中，所述光刻胶214是通过下述方式形成：使用旋转涂布形成光刻胶214，曝光一个或多个光栅线，并且使光刻胶214显影。在形成光刻胶214之后，使用蚀刻工艺图案化光刻胶堆叠结构250。应理解，具有BARC 210和SiARC 212的图案化是示例性方法。可一并使用其他图案化方法。大致上关于待图案化的结构的尺寸和形状选择图案化方法。
图4是在蚀刻和移除图3的光刻胶堆叠结构250之后的波导200的横截面。蚀刻光刻胶堆叠结构250使硬模208图案化，如图4中所示。硬模208用作图案的导引，以形成图5中所示的斜向光栅结构280。所述斜向光栅结构280限定于形成在所述光栅层206内的一个或多个通道270之间。为了形成所述通道270，使用选择性蚀刻工艺再次蚀刻光栅层206。在一个范例中，所述斜向光栅结构280是使用与用于形成楔形凹部220的工艺类似的工艺(但顺序相反)形成。例如，以低蚀刻速率和/或低功率蚀刻对应于第三部分220c的区域。以比第三部分220c更高的蚀刻速率和/或功率蚀刻对应于第二部分220b的区域。以比部分220b、220c更高的蚀刻速率和/或功率蚀刻对应于第一部分220a的区域。在一个范例中，蚀刻所述蚀刻终止层204，以改善斜向光栅结构280的限定。在形成斜向光栅结构280之后，可选地使用蚀刻工艺移除硬模208。
将每个斜向光栅结构280形成为具有深度d。例如，所述斜向光栅结构280可具有介于约5nm与约700nm之间的深度d，诸如介于约100nm与约600nm之间，诸如约500nm。取决于用于将图像投射到使用者的期望波长(即，颜色)而选择斜向光栅结构280的深度。在图5的实施方式中，斜向光栅结构的深度d从凹部220(以虚线示出)的第一端230至第二端232减小。每个斜向光栅结构280的上表面280a限定呈角度的平面290，所述平面290对应于凹部220的斜面。此外，每个斜向的光栅结构280可具有相对于垂直于蚀刻终止层204的表面204a的平面测量的角度Φ。所述角度Φ例如为介于约0度和约70度之间，诸如介于约25度和约45度之间，诸如约35度。通过形成如本文所述的斜向光栅结构280，因光朝向期望图像平面的衍射和投射得到改善，所以显著地改善波导200所投射的图像的清晰度。通过控制斜向光栅结构280的形状，控制不同波长(即，不同颜色)的衍射的变化，而改善图像品质。由于斜向光栅结构280所提供的控制增加，所以光学效率(即，向使用者的视角的期望的波长投射)大幅地改善。再者，减少了不期望的波长的投射，从而增加投射图像的清晰度和品质。
在图2至图5中，显示凹部220为具有平面并且不规则三角形的楔状形状。然而，本文描述的蚀刻工艺有利地使凹部220得以在一个或多个方向上具有斜率和/或曲率。因此，凹部220可具有任何适合的形状，如上文所述。图7A至图7C图示可用于凹部220的形状的其他范例。例如，图7A图示波导700的光栅层706中的大体上等腰三角状的凹部720。所述凹部720具有两个平面的倾斜部分，这些倾斜部分从相应的周围区域720a、720b朝向中央区域720c延伸。图7B图示波导730的光栅层736中的另一凹部750。所述凹部750具有弯曲并且凹的结构，在周围区域750a、750b处有浅的深度D，并且在中央区域750c处有增加的深度。在一个范例中，凹部750具有拋物线形状。例如，深度D从周围区域750a、750b至中央区域750c非线性地增加。图7C图示波导760的光栅层766中的另一凹部780。凹部780具有从第一端780a到第二端780b振荡的深度D，从而形成凹部780的循环式深度D的图案。显示凹部780为具有深度D的线性、锯齿振荡。然而，考虑深度D可以非线性地变化，使得凹部220具有深度D的波浪状振荡。凹部(诸如凹部720、750和780)的深度D可以跨所述凹部的长度L从第一端(即，720a、750a、780a)至第二端(即，720b、750b、780b)线性或非线性地变化。
在另一范例中，凹部220具有三维形状。也就是说，所述深度在多于一个方向上变化，诸如在两个方向(即，第一方向X和第二方向Y)上变化，如在图8A-8C的范例中图示的。图8A图示具有鞍点形状的曲线(即，双曲抛物面形状)的凹部820。图8B图示具有正曲率的椭圆抛物面形状的凹部850。图8C图示具有负曲率的椭圆抛物面形状的凹部880。凹部的三维形状不限于图8A至图8C的范例。也考虑并且能够一并使用其他期望的形状，例如，有正曲率或负曲率的方形域(square domain)中的抛物面、椭球面、和线性倾斜的形状等等。在这些情况下，凹部的深度在X和Y两方向上皆有所变化。因此，斜向光栅结构的上表面(诸如图5的上表面280a)如由凹部的曲率的形状所限定地是弯曲的。凹部的形状和/或深度不限于X方向和Y方向的变化。例如，凹部的深度可以在三个方向上、在四个方向上、或甚至在更多个方向上变化。另外，虽然本文使用笛卡尔坐标进行图示，但是楔形结构可使用其他坐标系形成，诸如极坐标系、圆柱坐标系、或球坐标系。本文的实施方式可有利地用于形成凹部的任何期望形状。
图6是图示用于在波导中形成光栅结构的方法600的流程图，诸如形成斜向光栅结构280。波导通常形成在基板上。在一个范例中，基板是基于硅的玻璃基板，在所述基板上具有可选的蚀刻终止层和光栅层。在另一个范例中，基板是没有蚀刻终止层的玻璃基板。在这样的情况下，所述基板用作光栅层，并且光栅结构直接形成在基板中。在操作602，在可选的蚀刻终止层上方的光栅层中形成凹部。在一个范例中，使用蚀刻工艺形成凹部，所述蚀刻工艺选择性处理基板的区域，如前文所述。在操作604中，将保形硬模沉积于光栅层上。在硬模上方形成光刻胶堆叠结构，所述光刻胶堆叠结构包括背抗反射涂层(BARC)、硅抗反射涂层(SiARC)和光刻胶。使用旋涂技术形成背抗反射涂层，使得层的上表面大体上是平面的。
在操作606，蚀刻所述光刻胶堆叠结构，以在硬模上形成期望的图案。在操作608，使用选择性蚀刻工艺蚀刻硬模和光栅层，以在光栅层中形成光栅结构，如前文所述。在操作610，蚀刻终止层(当存在时)可选地受到蚀刻，以改善光栅结构的形状的限定。在操作612，可选地移除硬模，例如使用蚀刻工艺移除硬模。
通过利用本文描述的实施方式，形成具有斜向光栅结构的波导。斜向光栅结构通过更好地收集和引导穿过波导的光，而改善波导的功能，从而改善投射图像的清晰度。斜向光栅结构提供对投射到期望图像平面的光波长的增加的控制。由波导向外耦合的光的功率的均匀性显著地更均匀。本文描述的实施方式通过消除诸如机械抛光的制造工艺(所述工艺会损坏用于形成波导的层)，而进一步改善波导的制造。再者，本文描述的实施方式允许光栅具有二维或三维形状，这允许在应用的增大范围中使用波导。
虽然前述内容针对本公开内容的实施方式，但是可以在不脱离本案公开内容的基本范围的情况下设计本公开内容的其他和进一步的实施方式，并且本公开内容的范围由所附的权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种用于在波导使用的结构，包括：
基板，具有在所述基板上的光栅层，其中凹陷结构形成于所述光栅层中，所述凹陷结构包括：
第一端；
第二端；和
深度，其中所述深度从所述第一端至所述第二端变化；和
多个通道，形成于所述光栅层中，每个通道部分地限定多个光栅结构的一部分，其中所述多个光栅结构的深度从由所述凹陷结构限定的所述第一端至所述第二端变化。
2.如权利要求1所述的结构，其中所述多个光栅结构的深度从所述第一端至所述第二端线性变化。
3.如权利要求1所述的结构，其中所述多个光栅结构的深度从所述第一端至所述第二端非线性变化。
4.如权利要求1所述的结构，其中所述多个光栅结构的深度从所述第一端至所述第二端振荡。
5.如权利要求1所述的结构，其中每个光栅结构具有介于约5nm与约700nm之间的深度。
6.如权利要求1所述的结构，其中每个光栅结构以介于约0度与约70度之间的角度倾斜。
7.如权利要求1所述的结构，其中所述光栅结构由光学透明材料形成，所述光学透明材料具有约1.3或更高的折射率。
8.一种用于在波导中使用的结构，包括：
基板，具有在所述基板上的光栅层；
凹部，在第一方向和第二方向上形成于所述光栅层中，其中所述凹部具有深度，所述深度在所述第一方向和所述第二方向上变化，以限定三维形状；和
多个通道，形成于所述光栅层中，每个通道部分地限定多个光栅结构的一部分，其中所述多个光栅结构的深度如由所述凹部限定地在所述第一方向和所述第二方向上变化。
9.如权利要求8所述的结构，其中所述凹部具有鞍点形状。
10.如权利要求8所述的结构，其中所述凹部具有正曲率。
11.如权利要求8所述的结构，其中所述凹部具有负曲率。
12.如权利要求8所述的结构，其中所述光栅层由光学透明材料形成，所述光学透明材料具有约1.3或更高的折射率。
13.如权利要求8所述的结构，其中每个光栅结构具有介于约5nm与约700nm之间的深度。
14.如权利要求8所述的结构，其中每个光栅结构以介于约0度与约70度之间的角度倾斜。
15.一种形成光栅结构的方法，包括：
在光栅层中形成凹部，所述凹部在深度方面从所述凹部的第一端到第二端变化；
在所述光栅层上方形成硬模和光刻胶堆叠结构，所述光刻胶堆叠结构包括：
背抗反射涂层，使用旋涂工艺形成所述背抗反射涂层；
硅抗反射涂层；和
光刻胶；
蚀刻所述光刻胶堆叠结构；和
在所述光栅层中形成多个光栅结构。
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