CN112888986A - 具有深度调制的角度光栅的光学元件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成光栅元件的方法。所述方法可包括：提供基板，所述基板包括下伏层及设置于所述下伏层上的硬遮罩层。所述方法可包括：将所述硬遮罩层图案化以界定光栅场；以及在所述光栅场内蚀刻所述下伏层，以沿第一方向界定所述下伏层的可变高度，所述第一方向平行于所述基板的平面。所述方法可包括使用成角离子蚀刻在所述光栅场内形成光栅，所述光栅包括多个成角结构，所述多个成角结构相对于所述基板的平面的垂直线以非零度的倾角设置，其中所述多个成角结构基于所述下伏层的所述可变高度沿所述第一方向界定可变深度。

Description

具有深度调制的角度光栅的光学元件及其形成方法
技术领域
本发明涉及光学组件，且更具体而言涉及在光学透镜中形成可变光栅的方式。
背景技术
光学透镜因具有各种优点而长期以来用于操纵光。近来，微绕射光栅(micro-diffraction)已用于全像装置以及强化实境/虚拟实境(augmented/virtual reality，AR&VR)装置中。
一种特定的AR&VR装置是例如头戴装置等可穿戴显示系统，所述头戴装置被布置成在距人眼的短距离内显示图像。此种可穿戴头戴装置有时被称为头戴式显示器，且设置有在距用户的眼睛的若干厘米内显示图像的框架。所述图像可为在显示器(例如微显示器)上的由电脑生成的图像。光学元件被布置成将所期望图像的光(其中所述光是在显示器上产生)传输至用户的眼睛，以使图像对所述用户而言为可见。产生图像的显示器可形成光引擎的一部分，其中图像自身产生准直光束，所述光束可由光学元件引导以提供对用户而言可见的图像。
已使用不同种类的光学元件将图像自显示器传送至人眼。为在强化实境透镜中恰当地起作用，光栅的高度(厚度)被设计成随着光横跨透镜传播的距离而变化。在已知的装置中，在透镜的表面上形成多个不同的区(例如两个或三个不同的区)，其中在一个区中的光栅高度与在其他区中的光栅高度不同。为提供该些不同的区，在不同的区中使用不同的蚀刻对光栅进行蚀刻，以使光栅的高度在不同的区中可不同。在给定区内，光栅高度为均匀的，而在一个区与相邻区之间的边界处，光栅高度则突然变化。除增加处理复杂度以外，所得强化实境透镜在透镜的不同区之上提供块效应(blockiness)，其中光栅的高度在一个区与相邻区之间以不连续的方式增大。此种块效应可能导致图像清晰度及解析度降低。
因此，针对至少以上考量提供了本发明。
发明内容
在一个实施例中，提供一种形成光栅元件的方法。所述方法可包括提供基板，所述基板包括下伏层及设置于所述下伏层上的硬遮罩层。所述方法可包括：将所述硬遮罩层图案化以界定光栅场；以及在所述光栅场内蚀刻所述下伏层，以沿第一方向界定所述下伏层的可变高度，所述第一方向平行于所述基板的平面。所述方法可包括使用成角离子蚀刻(angled ion etch)在所述光栅场内形成光栅，所述光栅包括多个成角结构(angledstructure)，所述多个成角结构相对于所述基板的平面的垂直线以非零度的倾角设置，其中所述多个成角结构基于所述下伏层的所述可变高度沿所述第一方向界定可变深度。
在另一实施例中，提供一种光栅元件。所述光栅元件可包括：基板基底；以及光栅层，设置于所述基板基底上。所述光栅层可包括光栅场，其中所述光栅场包括成角结构阵列。所述多个成角结构可具有小于一微米的节距，并相对于所述基板基底的平面的垂直线以非零度的倾角设置，且具有沿所述第一方向的可变深度并且界定平行于所述基板基底的平面的光栅表面。
在另一实施例中，一种形成光栅元件的方法可包括提供基板，所述基板包括氮化硅下伏层及设置于所述氮化硅下伏层上的硬遮罩层。所述方法可包括将所述硬遮罩层图案化以界定光栅场；以及在所述光栅场内蚀刻所述氮化硅下伏层，以沿第一方向界定所述下伏层的可变高度，所述第一方向平行于所述基板的平面。所述方法可包括使用成角离子蚀刻在所述光栅场内形成光栅。所述光栅可包括多个成角结构，所述多个成角结构相对于所述基板的平面的垂直线以非零度的倾角设置，其中所述多个成角结构基于所述下伏层的所述可变高度沿所述第一方向界定可变深度。
附图说明
所附附图示出本发明的示例性方式，包括本发明的原理的实际应用，所附附图如下所示：
图1A示出根据本发明实施例的光栅元件的侧面剖视图。
图1B示出图1A所示光栅元件的俯视平面图。
图1C示出根据本发明实施例的光栅元件的侧面剖视图的几何结构的细节。
图2A示出根据本发明实施例的以示意性形式示出的处理设备。
图2B根据本发明实施例在俯视平面图中示出提取板元件及基板。
图3A至图3J示出根据本发明一些实施例的光栅元件的制作中的各种阶段。
图4A至图4J示出根据本发明一些实施例的另一光栅元件的制作中的各种阶段。
图5A至图5C示出根据本发明一些实施例的另一光栅元件的制作中的各种阶段。
图6A至图6D示出根据本发明又一些实施例的另一光栅元件的制作中的各种阶段。
图7A至图7C示出根据本发明其他实施例的又一光栅元件的制作中的各种阶段。
图8A至图8D示出根据本发明又一些实施例的又一光栅元件的制作中的各种阶段。
图9A至图9D示出根据本发明又一些实施例的再一光栅元件的制作中的各种阶段。
图10示出根据本发明实施例的制程流程。
附图未必按比例绘制。附图仅为表示形式，而非旨在描绘本发明的具体参数。附图旨在示出本发明的示例性实施例，且因此不应被理解为对范围进行限制。在附图中，相同的编号表示相同的组件。
具体实施方式
现在将在下文中参照所附附图来更充分地阐述本发明实施例，在所附附图中示出了一些实施例。本发明的标的可实施为诸多不同形式而不应被视为仅限于本文所说明的实施例。提供该些实施例是为了使此公开内容将透彻及完整，且将向本领域技术人员充分传达所述标的范围。在所有附图中，相同的数字指代相同的组件。
除非另外指明，否则如本文中所使用的以单数陈述且前面带有词语“一(a或an)”的组件或操作被理解为可能包括多个组件或操作。此外，本发明所提及的“一个实施例”或“一些实施例”可被解释为包括同样包含所陈述特征的附加实施例的存在。
本文中的实施例提供新颖光学元件及系统以及形成光学元件的方法。各种实施例与光栅元件相关，其中用语“光栅元件(optical grating component)”指代包括光栅的装置或部件，包括AR&VR头戴装置、用于AR&VR的目镜或者用于形成用于目镜(例如眼镜)的光栅的母版(master)。
图1A示出根据本发明实施例的光栅元件100的侧面剖视图。图1B示出光栅元件100的俯视平面图。根据本发明的各种实施例，光栅元件100可用作欲放置于眼镜上或者一体地形成于眼镜中的光栅。光栅元件100包括基板102及设置于基板102上的光栅106。在一些实施例中，基板102是光学透明材料，例如已知的玻璃。所述实施例在此上下文中不受限制。如下文所进一步阐述，光栅106可设置于光栅层107中。在图1A及图1B所示实施例中，光栅元件100还包括设置于基板102与光栅层107之间的蚀刻终止层104。根据本发明的一些实施例，光栅层107可为光学透明材料，例如氧化硅、氮化硅、玻璃或其他材料。
根据本发明的一些实施例，光栅106可包括在100纳米(nm)至1000纳米范围内的光栅高度H。由此，光栅106可适宜用于AR&VR设备的目镜中。所述实施例在此上下文中不受限制。根据一些实施例，蚀刻终止层104可为光学透明材料且可具有10纳米至100纳米的厚度。所述实施例在此上下文中不受限制。用于蚀刻终止层104的合适材料的实例包括SiN、SiO2、TiN、SiC、TiCN及其他材料。在其中光栅106欲应用于或包含于眼镜的目镜中的实施例中，特别适宜的材料是光学透明材料，包括折射率与其他层匹配以减小最小化反射的材料。在其中光栅元件100形成用于制作用于目镜的光栅的母版的实施例中，蚀刻终止层104不需要为光学透明的。此外，在一些实施例中可省略蚀刻终止层104。
如图1A中所进一步示出，光栅106可包括被示出为成角结构110的多个成角结构，所述多个成角结构相对于基板102的平面的垂直线226以非零度的倾角(θ)设置，其中成角结构110被布置成沿第一方向界定可变高度。在图1A所示实例中，成角结构110通过沟槽114分隔开，并沿平行于所示笛卡尔坐标系(Cartesian coordinate system)的Y轴的方向界定可变高度，其中第一方向(Y轴)平行于基板102的平面(在此种情形中为X-Y平面)。光栅106的标志(hallmark)是沿第一方向(即沿“Y方向”)的光栅高度H的平滑变化。在各种实施例中，光栅高度H的变化或光栅深度d的变化在图1A中自左至右的宽度方向(Y方向)上可为约10％、20％、或30％、50％、或70％、90％或者100％。值得注意，光栅106沿Y方向的宽度可为约数毫米至数厘米，而光栅高度H可为约1微米或小于1微米。因此，光栅高度H的变化的范围可在约数百纳米或小于数百纳米。所述实施例在此上下文中不受限制。
光栅高度H的平滑变化的一个效果是通过改善来自光源的光横跨目镜表面的引导来改善强化实境眼镜的效能，其中光栅高度H的平滑变化产生更佳的光分布及更佳的强化实境图像。
重新回到图1B，在俯视平面图中示出光栅106的二维表示形式，其中光栅106可具有约几平方厘米的面积。如所示，成角结构110可沿第二方向(X方向)(例如垂直于Y方向)延伸。根据一些实施例，对于给定的成角结构110，光栅高度H可沿X方向为均匀，此意味着光栅高度H可沿Y方向平滑地变化，同时沿X方向为恒定。就此方面而言，光栅106中的成角结构110的节距可为约可见光波长，此意味着光栅106可包括数万个成角结构110。因此，可忽略在单一成角结构(意指成角结构110)内沿Y方向的高度变化。
图1C示出根据本发明实施例的光栅元件100的侧面剖视图的几何结构的细节。在各种实施例中，成角结构110可在一些区域中具有100纳米至500纳米的最大高度或最大深度。所述实施例在此上下文中不受限制。最大深度的一个实例是250纳米。成角结构可具有沿Y轴的约100纳米至500纳米的宽度及约200纳米至750纳米的节距p。所述实施例在此上下文中不受限制。如图1C中所示，成角结构110的深度D可横跨光栅106(例如，在25毫米(mm)的距离内)逐渐变化(出于说明目的，图1C中所示尺寸仅为示例性的)。图1C所示的图示出彼此分隔开数毫米或大于数毫米的光栅106的4个不同段(segment)。因此，可在图1C中所示的不同段之间设置数千个各别的成角结构。在一个实例中，深度D可横跨光栅106自250纳米减小至80纳米。在线性减小的实例中，假定节距p为325纳米，且沿Y轴的光栅106的宽度为25毫米。相邻结构之间的总深度变化(假定光栅端部处为零高度)可为0.00325纳米或3.3皮米(picometer)，即基本上无可量测的变化。因此，因沿光栅的高度变化而形成的角
Figure BDA0003031596470000041
可小于0.01度，此部分地意味着，光栅106有效地横跨成角结构的宽度为平坦或者有效地在相邻成角结构之间为平坦。
现在转至图2A，其示出以示意性形式示出的处理设备200。处理设备200表示用于蚀刻基板的部分或在基板上进行沉积以产生例如本发明实施例的光栅的处理设备。处理设备200可为等离子体式处理系统，所述等离子体式处理系统具有用于通过如此项技术中已知的任何方便方法在其中产生等离子体204的等离子体室202。可如所示般提供具有提取开孔208的提取板206，其中可执行非均匀蚀刻或非均匀沉积以反应性地蚀刻或沉积光栅层107。包括例如前述光栅结构的基板102设置于处理室224中。基板102的基板平面由所示笛卡尔坐标系的X-Y平面表示，而基板102的平面的垂直线沿着Z轴(Z方向)。
如图2A中进一步所示，如在已知系统中一样，当使用偏压电源(bias supply)220在等离子体室202与基板102或基板平台(substrate platen)214之间施加电压差时，可提取离子束210。偏压电源220可耦合至处理室224，例如，其中处理室224与基板102保持于相同的位处(potential)。
根据各种实施例，离子束210可沿垂直线226提取，或可相对于垂直线226以被示出为θ的非零入射角提取。
离子束210内的离子轨迹可彼此相互平行或可位于窄的角范围内，例如彼此相距10度以内或小于10度。因此，θ的值可表示入射角的平均值，其中各别轨迹相对于平均值变化多达数度。在各种实施例中，离子束210可如在已知系统中一样被提取为连续束或脉冲离子束。举例而言，偏压电源220可被配置为在等离子体室202与处理室224之间供应电压差作为脉冲直流(direct current，DC)电压，其中脉冲电压的电压、脉冲频率及负载循环(dutycycle)可彼此独立地调节。
在各种实施例中，例如化学反应性气体等气体可由源222供应至等离子体室202。等离子体204可产生取决于提供至等离子体室202的物质的确切组成的各种蚀刻物质或沉积物质。
在各种实施例中，离子束210可被提供为具有沿图2B中所示笛卡尔坐标系的X方向延伸的长轴的带状离子束。通过沿扫描方向230相对于提取开孔208且因此相对于离子束210扫描包括基板102的基板平台214，离子束210可蚀刻基板102或沉积于基板102上。离子束210可由包括惰性气体、反应性气体的任何方便气体混合物构成，且在一些实施例中可结合其他气态物质一起提供。在特定实施例中，离子束210及其他反应性物质可作为蚀刻配方提供至基板102，以便执行对层(例如光栅层107)的定向反应性离子蚀刻(reactive ionetching，RIE)。此种蚀刻配方可使用如在此项技术中已知用于蚀刻例如氧化物或其他材料等材料的已知反应性离子蚀刻化学品。在其他实施例中，离子束210可由惰性物质形成，其中提供离子束210以在相对于离子束210扫描基板102时通过物理溅镀来蚀刻基板102，或更具体而言，通过物理溅镀来蚀刻光栅层107。
在图2B所示的此实例中，离子束210被提供作为沿X方向延伸至束宽度的带状离子束，其中束宽度足以暴露出基板102的整个宽度，甚至在沿X方向的最宽部分处亦如此。示例性束宽度可介于10厘米、20厘米、30厘米或大于30厘米范围内，而沿Y方向的示例性束长度可介于2毫米、3毫米、5毫米、10毫米或20毫米范围内。所述实施例在此上下文中不受限制。
值得注意，扫描方向230可表示沿Y方向在两个相反(180度)方向上对基板102的扫描，或者仅为朝左的扫描或者朝右的扫描。如图2B中所示，离子束210的长轴沿X方向垂直于扫描方向230延伸。因此，如图2B中所示，当沿扫描方向230自基板102的左侧至右侧进行对基板102的扫描达足够长度时，基板102的整体可暴露于离子束310。
在各种实施例中，如下文所详述，处理设备200可用于形成如以上针对图1A所示具有可变光栅高度的非均匀光栅层。可通过使用选区处理(selected area processing，SAP)配方相对于离子束210扫描基板102来达成此可变光栅高度。简言之，SAP扫描配方可能需要在对基板102的扫描期间改变一组制程参数中的至少一个制程参数。选区处理的可能影响包括根据基板102上的不同位置改变由离子束210引起的蚀刻速率、沉积速率、植入剂量或非晶化程度。具体而言，“选区处理”或“SAP”可指相对于离子束扫描基板以将基板的不同部分以顺序方式暴露于离子束的操作，其中例如基板的扫描速率或脉冲离子束的负载循环等至少一个参数会在扫描基板的同时改变。
此种制程参数可包括基板102的扫描速率、离子束210的离子能量、被作为脉冲离子束提供时的离子束210的负载循环以及基板102的旋转位置。所述实施例在此上下文中不受限制。由于由离子束210所引起的沉积速率或蚀刻速率在对基板102的扫描期间变化，因此光栅层107的厚度或高度可沿扫描方向(Y轴)变化，从而产生(在下文所详述的进一步的处理操作之后)如图1A中所示的所得结构。
在随后的图中，示出用于形成光栅元件的各种实施例。该些实施例的共同特征是使用涂布至硬遮罩层及下伏层以界定光栅的图案化及非均匀蚀刻。具体而言，在其中欲形成光栅的基板中界定光栅场，并以沿平行于基板平面的给定方向在下伏层内界定可变高度的方式蚀刻所述下伏层。光栅是使用成角反应性离子蚀刻(或成角RIE(angled RIE，ARIE))来界定多个成角结构而形成。如下文所详述，成角结构又会仿效下伏层的可变高度界定可变深度。如以下图中所示，在一些实例中，光栅的成角结构直接形成于下伏层内，而在其他实例中，成角结构形成于在下伏层之上形成的平坦化层中。
现在转至图3A-3J，其示出根据本发明实施例的在制作期间的不同情形下的光栅元件的侧面剖视图。图3I示出一种变型，即光栅元件300A，而图3J示出另一种变型，即光栅元件300B。根据一些实施例，光栅元件可用作母版以形成欲应用于AR&VR硬体中的透镜的光栅。在其他实施例中，光栅元件可直接应用于透镜。因此，如本领域技术人员将容易理解，用于基板基底及光栅层的确切材料可视光栅元件的应用而变化。
在图3A处，提供基板，基板包括基板基底302、设置于基板基底302上的下伏层304及设置于下伏层304上的硬遮罩层306。在各种非限制性实施例中，下伏层304可为氮化硅，例如Si3N4，而硬遮罩层306为二氧化硅(SiO2)。值得注意，硬遮罩层306的材料可不同于下伏层304的材料，从而便于在硬遮罩层306的图案化期间使用下伏层304作为蚀刻终止件。
视欲形成的光栅的高度而定，下伏层304的示例性厚度的范围介于100纳米至1000纳米之间。硬遮罩层306的示例性厚度可为任何合适的厚度，只要硬遮罩层306的至少部分在蚀刻下伏层304之后保留下来即可。因此，在一些实施例中，就下伏层304可经历蚀刻下伏层304较蚀刻硬遮罩层306快的选择性蚀刻而言，硬遮罩层306的厚度可小于或等于下伏层304的厚度。
转至图3B，其示出在将硬遮罩层306图案化以界定光栅场310之后的后续情形。由此，下伏层304暴露于光栅场310中。图案化可通过包括接触列印、微影或其他方法在内的已知方法达成。举例而言，可涂布光阻层，随后进行接触微影制程以界定光栅场310、进行蚀刻操作以蚀刻硬遮罩层306以及进行剥除操作以移除光阻。
光栅场310可具有在所示笛卡尔坐标系的X-Y平面内的光栅的设计形状。举例而言，光栅场310可具有矩形形状、梯形形状或其他形状，例如用于AR&VR硬件中的光栅的已知形状。由此，沿X轴或Y轴的光栅场310的尺寸可为毫米或厘米级别。
在图3C中，示出其中使用蚀刻离子308使下伏层304经历选区处理的后续情形。蚀刻离子308可作为已知的反应性离子蚀刻(RIE)配方的一部分来提供，其适宜于相对于硬遮罩层306选择性地蚀刻下伏层304。
如以上所论述，蚀刻离子308可作为带状束提供，其中带状束沿X轴伸长，同时基板基底302被沿Y轴(相当于扫描方向230)扫描。根据本发明实施例，通过改变上述参数的任意组合，可沿扫描方向230改变由蚀刻离子308所引起的对下伏层304的蚀刻的程度。举例而言，当在含有蚀刻离子308的离子束下扫描基板基底102时，可改变基板平台214的扫描速率。在其中离子束沿Y轴的宽度为1毫米至3毫米的一些实施例中，举例而言，光栅106沿Y轴的宽度可为2厘米。因此，通过在跨越光栅106的2厘米宽度进行扫描期间调节窄(1毫米宽)离子束的扫描速率，可将非均匀蚀刻轮廓引入至光栅层107中。
在另一实施例中，可在脉冲离子束中提供蚀刻离子308，其中在沿Y轴扫描基板基底102的同时改变脉冲离子束的负载循环。值得注意，已知的脉冲电源可以千赫(kHz)范围内的频率对离子束进行脉冲，此意味着可在毫秒或更少的周期内调节负载循环。因此，对于基板102的每秒毫米级的扫描速率，例如，可在横跨2厘米光栅进行扫描期间调节负载循环数千次。因此，可沿Y轴精细地订制蚀刻离子308的有效蚀刻速率。
根据本发明的一些实施例，可计算给定光栅的设计光栅高度轮廓或理论光栅高度轮廓，以最佳化光栅的效能。此光栅高度轮廓然后可用于程式及SAP配方，以便处理设备200使用蚀刻离子308在下伏层304中产生轮廓。为清晰起见，图3C示出其中蚀刻下伏层304以产生自左至右线性减小的厚度的实例。蚀刻离子308可或可不朝最深部分蚀刻穿过下伏层304的整体。因此，蚀刻的相对强度随着基板基底302被扫描而线性增加，因此更多的蚀刻发生于图中右侧的区中。因此，下伏层304的上表面312向右朝下倾斜。值得注意，图3C所示附图并非按比例绘制。因此，如针对图1C所论述，上表面312可相对于X-Y平面界定小于0.01度的角，且在一些情形中小于0.001度。
在图3D处，示出其中将蚀刻终止层314涂布至下伏层304的后续操作。可使用化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)、原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)或其他技术进行涂布。在其中下伏层304是氮化硅的实例中，蚀刻终止层314可为TiN、TaN或氧化硅。所述实施例在此上下文中不受限制。
在图3E处，在蚀刻终止层314上沉积回填层320。回填层320可以毯式沉积(blanketdeposition)的形式沉积，从而覆盖位于光栅场310外部的区上的基板。在一些实施例中，回填层320可为氮化硅。
在图3E处，在蚀刻终止层314上沉积回填层320。回填层320可以毯式沉积(blanketdeposition)的形式沉积，从而覆盖位于光栅场310外部的区上的基板。在一些实施例中，回填层320可为氮化硅。
在图3F处，将回填层320平坦化。由此，可自硬遮罩层306之上的区移除回填层320，且可界定平行于X-Y平面的平坦表面。在一些情形中，可使用选区处理来进行平坦化，其中在扫描基板基底的同时将离子束引导至基板。
在图3G处，沉积另一硬遮罩层(示出为硬遮罩层322)。然后在光栅场310中将硬遮罩层322图案化以界定用作光栅遮罩的光栅结构324。如以上所论述，可通过已知技术将硬遮罩层322图案化。由此，光栅结构324可界定欲在回填层320中形成的光栅中的结构的大小及形状(在X-Y平面内)。在其中欲形成的成角结构的宽度小于500纳米的各种实施例中，可使用深紫外线微影在硬遮罩层322中界定光栅结构324。
在图3H处，执行成角离子蚀刻以将成角离子325引导至光栅结构324。成角离子325可作为成角离子束提供于RIE蚀刻配方中，以相对于硬遮罩层322选择性地蚀刻回填层320。此选择性蚀刻导致在回填层320中形成成角结构326。可以设计入射角提供成角离子325，以在成角结构326中产生适宜的倾斜角。
根据各种实施例，由成角离子325表示的定向成角反应性离子蚀刻(包括特定位置的强度变化)可包括其他非离子物质，且可根据已知的反应性离子蚀刻组成物来选择，以选择性地蚀刻回填层320。举例而言，在一个实例中，可选择蚀刻化学品(例如CH3F或CHF3)以相对于SiO2选择性地蚀刻Si3N4。返回至图2A及图2B，成角离子325可作为带状离子束提供，带状离子束的离子轨迹如所示界定相对于垂直线226(图3H所示Z轴)的非零度的倾角θ。非零入射角可根据已知技术产生，例如使用相邻于提取开孔208的束阻挡器(未示出)、调节沿Y轴的提取开孔宽度以及调节等离子体204内的包括气体压力在内的等离子体条件，以便改变近接于提取开孔208的等离子体鞘边界(plasma sheath boundary)228的曲率。值得注意，蚀刻终止层314防止对下伏层304的蚀刻。举例而言，通过使用已知的RIE化学品，回填层320可相较于蚀刻终止层314而言以快10倍至100倍的速度进行蚀刻。因此，可在不移除蚀刻终止层314的同时在光栅场310的不同区处将回填层320蚀刻至不同深度。尽管在一些实施例中，回填层320的蚀刻可为均匀的，然而在其他实施例中，可应用选区处理操作来执行图3H所示操作，其中如以上大体所述，扫描速率或负载循环在相对于成角离子325扫描基板的同时改变。通过此种方式，可减少在回填层320的较浅部分中暴露于蚀刻离子，确保不移除蚀刻终止层314，且因此产生成角结构326的设计深度。
在图3I处，选择性地移除硬遮罩层，留下光栅元件300A。由此，光栅元件300A可包括数千或数万个成角结构326，其中成角结构326沿给定方向界定可变深度，在此种情形中沿平行于Y轴的第一方向界定可变深度。值得注意，成角结构326的可变深度D是下伏层304的可变高度的直接结果。换言之，成角结构326的深度随下伏层的高度沿Y轴减小而增加。光栅元件300A的相关特征是上表面330，其中上表面平行于X-Y平面，且因此在光栅场310中，光栅结构326大体在横截面上与下伏层304形成镜像。
在图3J中，示出其中执行沉积例如氧化物涂层等涂层的可选操作。此操作导致形成经涂布成角结构328，从而形成光栅元件300B。此操作可有助于达成纳米压印微影(nano-imprint lithography)，其中光栅元件300B用作母版以形成光栅。在其他应用中，当层320的材料为聚合物或其他软材料时，此操作可合适于对层320中的材料进行化学稳定化(气密密封)。
现在转至图4A-4J，其示出根据本发明又一些实施例的在制作期间的不同情形下的光栅元件的侧面剖视图。相较于图3A-3J所示序列，此方式不采用图3F所示的额外的平坦化操作，同时需要附加的微影操作。
在图4A处，提供基板，基板包括基板基底302以及设置于基板基底302上方的下伏层304及设置于下伏层304上的硬遮罩层306。在此实施例中，在下伏层304与基板基底302之间设置蚀刻终止层402。在各种非限制性实施例中，蚀刻终止层402的材料可不同于下伏层304的材料，从而便于在将下伏层304图案化期间使用蚀刻终止层402作为蚀刻终止件。在一些实施例中，蚀刻终止层402可为例如TiN或TaN，且可通过化学气相沉积来沉积。
转至图4B，其示出在如以上参照图3B大体所述沉积硬遮罩层306且随后将硬遮罩层306图案化以界定光栅场310之后的后续情形。由此，下伏层304暴露于光栅场310中。
在图4C中，示出其中如以上参照图3C所述使用蚀刻离子308使下伏层304经历选区处理的后续情形。蚀刻离子308可或可不朝最深部分蚀刻穿过下伏层304的整体。
在图4D处，示出其中将被示为蚀刻终止层404的另一蚀刻终止层涂布至下伏层304的后续操作。可使用化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或其他技术进行涂布。在其中下伏层304是氮化硅的实例中，蚀刻终止层404可为TiN、TaN或氧化硅。所述实施例在此上下文中不受限制。如下文所详述，可采用图4D所示配置，其中蚀刻终止层402用作下部蚀刻终止层，且蚀刻终止层404用作上部蚀刻终止层。
在图4E处，在蚀刻终止层404上沉积光学近接层406。光学近接层406可以毯式沉积的形式沉积，从而覆盖位于光栅场310外部的区上的基板。在一些实施例中，光学近接层406可为氮化硅。
在图4F处，在图4E所示结构上沉积光阻层408。在图4G处，在后续操作中，在光栅场310中，在光阻层408中形成光栅图案410。可使用已知微影技术(例如深紫外线微影)来形成光栅图案410。
在图4H中所示阶段处，在后续的一系列操作中，光栅图案410被转移至光学近接层406中而形成光栅图案412，且然后被转移至蚀刻终止层404中而形成光栅结构414。形成光栅结构414的转移操作可涉及定向蚀刻，例如已知的反应性离子蚀刻制程。
在图4I处，示出在已执行对光学近接层406及光阻层408的剥除之后的后续情形。该些层的剥除可根据已知制程以选择性的方式执行，以选择性地移除光学近接层406及光阻层408，而不蚀刻光栅结构414。由此，光栅结构414可相似于上述光栅结构324。光栅结构414中的显著不同之处在于，光栅结构414沿上表面312设置，且因此设置于其中在光栅结构414下方设置的下伏层304的高度在光栅场310内变化的表面上。
在图4J处，执行成角离子蚀刻以将成角离子325引导至光栅结构414。可如以上参照图3H所示各种实施例所述般提供成角离子325。此种选择性蚀刻导致在下伏层304中形成成角结构416。可以设计入射角提供成角离子325，以在成角结构416中产生适宜的倾斜角。尽管未示出，然而可选择性地移除光栅结构414，留下由成角结构416形成的光栅。
作为比较，当在图3C及图4C所示操作中使用相同的选区处理操作时，可将成角结构416视为成角结构326的镜像，其中X-Y平面用作镜平面。
在本发明的附加实施例中，可根据较短的操作序列来形成与图4J所示结构相似的结构。现在转至图5A，其示出根据在图3A-3D中所示出操作之后进行的不同序列的初始操作。在此变型中，将蚀刻终止层314图案化以形成光栅结构502，其中光栅结构502沿着上表面312。由于光栅结构502可为与下伏层304不同的材料，因此光栅结构502可用作遮罩以在下伏层304中形成光栅，如上所述。值得注意，在进行图案化以形成光栅结构502时，可自光栅场310外部的区移除硬遮罩层306。
在图5B处，使用成角离子325执行成角离子蚀刻，从而形成成角结构504。在图5C处，可选择性地移除光栅结构502。
值得注意，基板基底302可为与下伏层304不同的材料，其中基板基底302的蚀刻速率小于下伏层304的蚀刻速率。保护下伏层304的蚀刻。因此，可在不实质上蚀刻基板基底302的同时在光栅场310的不同区处将下伏层304蚀刻至不同深度。在其他实施例中，可应用选区处理操作来执行图5B所示操作，其中如以上大体所述，扫描速率或负载循环在相对于成角离子325扫描基板的同时改变。通过此种方式，可减少在下伏层304的较低高度部分(图5C中向右)中暴露于蚀刻离子，确保基板基底302不被蚀刻至较其中下伏层304较高的左侧区中更大的程度。所得光栅可除省去下伏层304以外相似于在图4J所示操作之后形成于光栅场310外部的光栅。
在本发明的附加实施例中，可在光栅中产生可变深度或可变高度之前产生成角结构。相较于首先产生可变高度的方式，在该些附加实施例中，可更好地界定成角结构的底部，而成角结构的顶部则可能无法被很好地造型。
转至图6A，其示出与图3A所示结构相似或相同的结构。在图6B中，蚀刻图6A所示结构以形成平面光栅结构，同时亦界定光栅场310。被示为光栅结构602的平面光栅结构可界定与例如光栅结构324或光栅结构414或光栅结构502相似的图案。在图6C处，根据上述操作，将成角离子325引导到光栅结构602，从而形成成角结构604。值得注意，在此阶段处的成角结构604横跨光栅场310界定均匀深度或均匀厚度。在图6D处，使用蚀刻离子308执行如上所述的非均匀蚀刻。因此，形成沿Y轴具有可变高度或可变深度的光栅606。
在图5A-5D所示实施例的一个变型中，在图5C所示操作之后，可如图7A中所示在成角结构604之间填充回填材料702。随后可如图7B中所示在回填材料702置位的情况下执行非均匀蚀刻操作，从而形成光栅结构704。在一些实施例中，可移除回填材料702，从而得到图7C中所示的光栅706。
在本发明的再一些实施例中，可达成形成光栅，其中蚀刻下伏层与形成光栅是在一个操作中同时执行。转至图8A及图8B，其示出形成与图6A及6B所示结构相似或相同的结构。在图8C中，将成角离子802引导至光栅结构602，其中成角离子802是相对于垂直线(Z轴)以非零入射角被引导。由此，形成相对于垂直线以非零度的倾角设置的光栅结构804。同时，将成角离子802引导至光栅结构602，以便例如在上述选区处理操作中以非均匀的方式蚀刻下伏层304。因此，在移除图8D中的光栅结构602之后，被示为光栅806的所得光栅展现出与图6D或图7C所示结构相似的可变高度。
尽管上述实施例可能需要使用例如氮化硅等下伏层来形成光栅，然而在本发明的其他实施例中，可在例如单晶硅或多晶硅等硅层内形成光栅。转至图9A，其示出其中将硬遮罩层306设置于硅层902上的结构。在一些实施例中，硅层902可设置于基板基底上。在图9B处，在硅层902上形成光栅结构602，其中光栅结构602可相似于上述结构。为确保高选择性，在硬遮罩层306为氧化硅的情形中，当设置于硅层902之上时用于蚀刻硬遮罩层306的蚀刻化学品可不同于当设置于氮化硅之上时用于蚀刻硬遮罩层306的蚀刻化学品。
在图9C处，将成角离子903引导至光栅结构602，其中成角离子903是相对于垂直线(Z轴)以非零入射角被引导。由此，形成相对于垂直线以非零度的倾角设置的光栅结构904。同时，将成角离子903引导至光栅结构602，以便例如在上述选区处理操作中以非均匀的方式蚀刻硅层902。如与图9B所示操作一样，可在反应性离子蚀刻操作中提供成角离子903，其中反应性离子蚀刻制程的化学品可不同于例如用于在氮化硅中形成成角结构的RIE化学品。在移除图9D中的光栅结构602之后，被示为光栅906的所得光栅展现出与图6D或图7C所示结构相似的可变高度，而光栅结构904在材料(硅)上可不同于前面的实施例。
转至图10，其示出根据本发明各种实施例的制程流程1000。在方块1002处，在设置于基板上的下伏层之上形成硬遮罩。硬遮罩的材料与下伏层的材料可彼此不同。在一个实例中，下伏层是例如氮化硅等材料，而硬遮罩是氧化硅材料。基板可包括合适于在光栅应用中使用的基板基底。举例而言，当用作欲直接应用于目镜的光栅元件时，基板可为光学透明的。当用作用于形成欲涂布至目镜的光栅的母版时，基板不需要为光学透明的。
在方块1004处，将硬遮罩层图案化以形成光栅场。光栅场可在基板的平面内具有与欲形成的光栅的大小及形状对应的尺寸。举例而言，光栅场可在X方向及Y方向上具有约数毫米至几厘米的尺寸。在一些实施例中，光栅场可为硬遮罩层内的孤立窗口，而在其他实施例中，光栅场可形成有以总尺寸为毫米至厘米级别的阵列布置的亚微米线图案。
在方块1006处，在光栅场内蚀刻下伏层，以在基板的平面内沿第一方向在下伏层中形成可变高度。举例而言，下伏层可被蚀刻成使得下伏层的高度沿平行于Y轴的一个方向单调减小，而下伏层的高度沿X轴保持均匀。根据不同的实施例，下伏层可被蚀刻成其中高度沿Y轴随着距离线性变化，或者可以非线性方式变化。在一些实施例中，通过利用带状离子束扫描光栅，可在离子曝光中以非均匀方式蚀刻下伏层，其中离子曝光根据选区处理配方来布置。选区处理配方可控制包括基板扫描速度、离子流、脉冲离子束的负载循环或参数的组合在内的参数，以在利用带状离子束扫描基板时改变在光栅场中递送至下伏层的不同区的总离子剂量。在各种实施例中，在离子暴露之后，下伏层的高度可在1微米或小于1微米的最大高度与零微米的最小高度之间变化。由此，在蚀刻下伏层之后，由下伏层的表面相对于水平面(X-Y平面)界定的局部角可小于0.01度，且在一些情形中小于0.001度。
在方块1008处，使用成角离子蚀刻在光栅场内形成光栅。在各种实施例中，可使用合适的离子束(包括带状离子束)来执行成角离子蚀刻。在成角离子蚀刻之后，光栅可包括多个成角结构，所述多个成角结构相对于基板的平面(X-Y平面)的垂直线(例如Z轴)以非零度的倾角设置。在一些实施例中，此非零度的倾角的范围可高达75度，例如10度、20度、30度、45度、60度。所述实施例在此上下文中不受限制。在各种实施例中，可使用在硬遮罩层中界定的光栅图案来施行成角离子蚀刻，其中所述光栅图案延伸遍及所述光栅场。可通过在带状离子束下(通过带状离子束)扫描光栅图案来施行成角离子蚀刻。在一些实施例中，亦可根据选区处理配方来控制成角离子蚀刻，以改变涂布至光栅图案的不同部分的离子剂量，以匹配正被蚀刻的光栅层(例如下伏层)的局部高度。光栅图案可被布置成产生作为线的阵列的成角结构，其中所述线界定亚微米节距，且其中各别的线可横跨光栅场的长度(例如，沿X轴)延伸达毫米或厘米级别。
在各种实施例中，线的高度及光栅沿X轴的局部深度可为均匀的，而所述多个成角结构沿第一方向(例如，Y轴)界定可变高度。成角结构的高度或深度的变化可为平滑的，其中连续的成角结构之间的深度变化小于一纳米，且在一些情形中小于1皮米，而横跨光栅场的成角结构的深度总变化的范围可高达1微米。由此，横跨光栅场的成角结构的可变深度可基于通过在方块1006处蚀刻下伏层产生的下伏层的可变高度。
在一些实施例中，可通过直接在可变高度下伏层内形成成角结构来界定成角结构的可变深度。在其他实施例中，成角结构的可变深度可通过在形成于可变高度下伏层上方的平坦化回填层中形成成角结构来界定，其中由于形成于可变高度下伏层上方而使可变深度涂布至平坦化回填层中。
根据不同的实施例，可以任何合适的次序执行操作及方块1006及方块1008，包括首先执行方块1006、首先执行方块1008或者在一个操作中同时执行方块1006与方块1008。
综上所述，本文中所述的各种实施例提供形成光栅元件的方式，所述光栅元件包括用于AR&VR的目镜或者用于形成用于AR&VR目镜的光栅的母版。本发明实施例的一个优点是能够执行非均匀蚀刻操作以产生光栅的可变高度以及执行成角蚀刻操作以在共用工具内形成光栅的成角结构。相关优点是由各种实施例提供的灵活性，以便以任何合适的顺序执行成角蚀刻操作及非均匀蚀刻操作。
本发明的范围不受限于本文所述具体实施例。实际上，通过阅读前述说明及所附附图，除本文中所述者外，本发明的其他各种实施例及对本发明的润饰亦将对此项技术中技术人员显而易见。因此，此种其他实施例及润饰旨在落于本发明的范围内。此外，本文中已在特定实施方案的上下文中在特定环境下出于特定目的阐述了本发明。本领域技术人员将认识到有用性并非仅限于此，且本发明可在任何数目的环境下出于任何数目的目的有利地实施。因此，以下所说明的权利要求要以本文所述本发明的全部广度及精神进行解释。

Claims (15)

1.一种形成光栅元件的方法，包括：
提供基板，所述基板包括下伏层及设置于所述下伏层上的硬遮罩层；
图案化所述硬遮罩层以界定光栅场；
在所述光栅场内蚀刻所述下伏层，以沿第一方向界定所述下伏层的可变高度，所述第一方向平行于所述基板的平面；以及
使用成角离子蚀刻在所述光栅场内形成光栅，所述光栅包括多个成角结构，所述多个成角结构相对于所述基板的平面的垂直线以非零度的倾角设置，其中所述多个成角结构基于所述下伏层的所述可变高度沿所述第一方向界定可变深度。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中图案化所述硬遮罩层包括：
在所述硬遮罩层中蚀刻开口，所述开口界定所述光栅场的边界。
3.根据权利要求1所述的方法，其中蚀刻所述下伏层包括：
将带状离子束引导至所述下伏层，其中使用选区处理配方相对于所述带状离子束沿所述第一方向扫描所述基板，其中蚀刻产生所述下伏层的所述可变高度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述光栅包括：
在所述光栅场中界定光栅遮罩；以及
在存在所述光栅遮罩的情况下，将成角离子束引导至所述光栅场。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在蚀刻所述下伏层之后，将蚀刻终止层涂布至所述下伏层；
在所述蚀刻终止层上沉积回填层；以及
将所述回填层平坦化，其中在平坦化之后，在所述回填层中形成所述光栅，且其中所述光栅界定平行于所述基板的所述平面的光栅表面。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述回填层包含氮化硅，所述方法还包括：在所述成角离子蚀刻之后，在所述多个成角结构上沉积氧化物涂层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板还包括在所述下伏层之下设置的下部蚀刻终止层，所述方法还包括：
在蚀刻所述下伏层之后，将上部蚀刻终止层涂布至所述光栅场中的所述下伏层；
在所述上部蚀刻终止层上方涂布光学近接层；以及
使用所述光学近接层在所述上部蚀刻终止层中形成光栅图案。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述光栅形成于所述下伏层内，并界定光栅表面，所述光栅表面由所述下伏层的上表面界定，所述下伏层的所述上表面通过蚀刻所述下伏层而形成。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在蚀刻所述下伏层之后，将蚀刻终止层涂布至所述光栅场中的所述下伏层；以及
在所述蚀刻终止层中形成光栅图案，其中通过在存在所述光栅图案的情况下，将成角离子束引导至所述光栅场来执行所述成角蚀刻。
10.根据权利要求1所述的方法，其中在蚀刻所述下伏层之前，执行形成所述光栅，其中在蚀刻所述下伏层之前，所述光栅的所述多个成角结构界定均匀深度，且其中蚀刻所述下伏层产生所述多个成角结构的所述可变深度。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括：
在蚀刻所述下伏层之前，将填充材料沉积于所述光栅内；以及
在蚀刻所述下伏层之后，移除所述填充材料。
12.一种光栅元件，包括：
基板基底；以及
光栅层，设置于所述基板基底上，所述光栅层包括：
光栅场，其中所述光栅场包括成角结构阵列，所述成角结构阵列具有小于一微米的节距，并相对于所述基板基底的平面的垂直线以非零度的倾角设置，且沿第一方向具有可变深度并且界定平行于所述基板基底的平面的光栅表面。
13.根据权利要求12所述的光栅元件，其中所述非零度的倾角在10度与75度之间。
14.一种形成光栅元件的方法，包括：
提供基板，所述基板包括氮化硅下伏层及设置于所述氮化硅下伏层上的硬遮罩层；
图案化所述硬遮罩层以界定光栅场；
在所述光栅场内蚀刻所述氮化硅下伏层，以沿第一方向界定所述氮化硅下伏层的可变高度，所述第一方向平行于所述基板的平面；以及
使用成角离子蚀刻在所述光栅场内形成光栅，所述光栅包括多个成角结构，所述多个成角结构相对于所述基板的平面的垂直线以非零度的倾角设置，其中所述多个成角结构基于所述下伏层的所述可变高度沿所述第一方向界定可变深度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述硬遮罩层包含二氧化硅。
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