CN112970145A - 使用灰调光刻和倾斜蚀刻的深度调节倾斜光栅 - Google Patents

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Abstract

披露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：使用灰阶抗蚀剂和光刻在光栅层中形成楔形结构。多个通道形成于所述光栅层中，以在所述光栅层中界定倾斜光栅结构。所述楔形结构和所述倾斜光栅结构是通过使用选择性蚀刻工艺形成的。

Description

使用灰调光刻和倾斜蚀刻的深度调节倾斜光栅
技术领域
本公开内容的实施方式大体涉及一种在显示设备中使用的方法和设备。更详细而言，本公开内容涉及用于波导件(waveguide)或其他应用中的光栅(grating)结构。
背景技术
虚拟实境(virtual reality)通常被视为是计算机生成的模拟环境，在其中使用者有明显的实体存在。能够以3D形式生成虚拟实境体验，并且使用头戴式显示器(HMD)进行观看，所述显示器诸如眼镜或其他可穿戴式显示装置，这些装置具有近眼显示面板作为透镜，以显示取代真实环境的虚拟实境环境。
然而，扩增实境(augmented reality)实现了这样的体验：使用者能够可以通过眼镜或其他HMD装置的显示透镜，以观看周围环境，而且还看见为了显示而生成的虚拟物体的影像，且所述影像显示成环境的一部分。扩增实境能够包括任何类型的输入，诸如声音和触觉输入，以及增强或扩增使用者所体验的环境的虚拟影像、图形、和影音。作为新兴的技术，扩增实境存在许多挑战和设计上的限制。
一项这样的挑战是显示叠加在周围环境上的虚拟影像，所述虚拟影像具有从各使用者的观看角度来看足够清晰的影像。例如，如果使用者的眼睛未与显示的虚拟影像精确对准，则该使用者可能会看到变形、不清楚的影像，或者可能无法完整观看该影像。再者，从非最佳视角来看，该影像可能模糊并且具有低于期望的分辨率。
因此，需要制造扩增实境显示装置的改善方法。
发明内容
本公开内容大体涉及用于显示设备或其他应用中的方法和设备。更详细而言，本公开内容涉及通过使用灰阶(grayscale)光刻产生的波导件中所用的光栅结构。本文的方法也可形成用作纳米压印光刻的母模(master)的波导件结构。
在一个实施方式中，提供一种波导件结构。所述结构具有基板，所述基板上具有光栅层，其中通过灰阶光刻在光栅层中形成楔形结构。所述楔形结构具有第一端、第二端、和深度，其中所述深度从第一端至第二端改变。所述波导件结构也具有形成在所述光栅层中的多个通道，每一通道部分地界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所述楔形结构的第一端至所述楔形结构的第二端改变。
在另一实施方式中，提供一种波导件结构。所述波导件结构包括基板，所述基板上有光栅层。所述波导件结构也包括楔形结构，所述楔形结构形成于所述光栅层中，其中所述楔形结构具有一深度，所述深度至少在第一方向和第二方向上改变而界定三维形状。所述波导件结构也包括形成在所述光栅层中的多个通道，每一通道部分地界定多个光栅结构的一部分，其中所述多个光栅结构的深度在所述第一方向和所述第二方向上改变，如由所述楔形结构所界定的。
在又一实施方式中，提供一种形成波导件结构的方法。所述方法包括，使用灰阶光刻在光栅层中形成楔形结构。所述方法也包括在所述光栅层之上形成硬掩模和光刻胶堆叠。所述方法进一步包括蚀刻所述光刻胶堆叠。所述方法也包括在所述光栅层中形成多个光栅结构。
附图说明
可以通过参照其中一些于附图中图解的实施方式来详细地理解本公开内容的上述特征以及上文简要概述的本公开内容的更具体的描述。然而，应注意，附图仅图解本公开内容的示例性实施方式，因此不应被认为是对本公开内容的范围的限制，因为本公开内容可以允许其他等效的实施方式。
图1是根据一个实施方式的波导件组合器的透视前视图。
图2是根据一个实施方式的深度调节倾斜光栅的说明图。
图3是根据一个实施方式的制造波导件结构的方法的流程图。
图4A至图4H是根据一个实施方式的波导件结构的一部分的示意性截面图。
图5A至图5C是楔形结构的形状的示例的截面放大图。
图6A至图6C是楔形结构的三维形状的示例的透视图。
为了便于理解，已尽可能地使用相同的附图标记来标示各图中共有的相同元件。预期一个实施方式的元件和特征可有益地并入其他实施方式，而无需进一步叙述。
具体实施方式
披露了一种具有光栅结构的设备和用于形成所述设备的方法。可通过改变光栅的高度而沿着所述光栅的长度改变所述光栅的强度。为了实现这一点，一种方法包括：使用灰调(gray-tone)光刻在光栅层中形成深度调节楔形结构。多个通道形成在光栅层中，以在所述光栅层中界定倾斜光栅结构。所述楔形结构和所述倾斜光栅结构是通过使用选择性蚀刻工艺形成的。本文所描述的方法也能够用于产生用作纳米压印光刻的母模的波导件结构。
图1是波导件组合器100的透视前视图。应理解，下文描述的波导件组合器100是示例性的波导件组合器。波导件组合器100包括由多个光栅108界定的输入耦合区域102、由多个光栅110界定的中间区域104、和由多个光栅112界定的输出耦合区域106。输入耦合区域102接收入射光束(虚拟影像)，所述光束具有来自微型显示器的强度。多个光栅108中的每一光栅将入射光束分成多个模式，每一光束具有一模式。零阶模式(T0)光束在波导件组合器100中折射回或丧失，正一阶模式(T1)光束通过波导件组合器100耦合到中间区域104，且负一阶模式(T-1)光束在波导件组合器100中以与T1光束相反的方向传播。理想地，入射光束分成具有入射光束的所有强度的T1光束，以将虚拟影像引导到中间区域104。将入射光束分成具有入射光束的所有强度的T1光束的方法是，最佳化多个光栅108中的每一光栅的倾斜角，以抑制T-1光束和T0光束。T1光束通过波导件组合器100进行全内反射(TIR)，直到T1光束与中间区域104中的多个光栅110接触为止。输入耦合区域102的一部分可具有光栅108，所述光栅108的倾斜角不同于所述输入耦合区域102的相邻部分的光栅108的倾斜角。
T1光束接触多个光栅110中的一光栅。所述T1光束被分成：在波导件组合器100中折射回或丧失的T0光束；T1光束，所述T1光束在中间区域104中经历TIR直到T1光束接触多个光栅110的另一光栅为止；以及通过波导件组合器100耦合到输出耦合区域106的T-1光束。在中间区域104中经历TIR的T1光束继续接触多个光栅110的各个光栅，直到通过波导件组合器100耦合到中间区域104的T1光束的强度耗尽为止，或是通过中间区域104传播的剩余的T1光束抵达中间区域104的末端为止。必须调整多个光栅110，以控制通过波导件组合器100耦合到中间区域104的T1光束，以控制耦合到输出耦合区域106的T-1光束的强度，从而调节从使用者的角度而言由微型显示器产生的虚拟影像的视场，并且增加使用者能够观看虚拟影像的视角。对通过波导件组合器100耦合到中间区域104的T1光束进行控制的一项方法是，最佳化多个光栅110的每一光栅的倾斜角，以控制耦合到输出耦合区域106的T-1光束的强度。中间区域104的一部分可具有光栅110，这些光栅110的倾斜角不同于所述中间区域104的相邻部分的光栅110的倾斜角。再者，这些光栅110的倾斜角可与光栅108的倾斜角不同。
T-1光束穿过波导件组合器100传递至输出耦合区域106，并且在波导件组合器100中经历TIR，直到T-1光束接触多个光栅112的一光栅为止，其中T-1光束分成：在波导件组合器100中折射回或丧失的T0光束；T1光束，所述T1光束在输出耦合区域106中经历TIR直到所述T1光束接触多个光栅112中的另一个光栅为止；或传递离开波导件组合器100的T-1光束。在输出耦合区域106中经历TIR的T1光束继续接触多个光栅112的各个光栅，直到通过波导件组合器100到达输出耦合区域106的T-1光束的强度耗尽为止，或是通过输出耦合区域106传播的剩余T1光束已到达输出耦合区域106的末端为止。必须调整多个光栅112，以控制通过波导件组合器100传递到输出耦合区域106的T-1光束，以控制传递离开波导件组合器100的T-1光束的强度，从而进一步调节从使用者的角度而言由微型显示器产生的虚拟影像的视场，并且进一步增加使用者能够观看虚拟影像的视角。对通过波导件组合器100传递到输出耦合区域106的T-1光束进行控制的一项方法是，最佳化多个光栅112的每一光栅的倾斜角，以进一步调节视场且增加观看角度。输出耦合区域106的一部分可具有光栅112，这些光栅112的倾斜角不同于所述输出耦合区域106的相邻部分的光栅112的倾斜角。再者，这些光栅112的倾斜角可与光栅108和光栅110的倾斜角不同。
在本文描述的实施方式中，光栅108、110或112的深度可遍及耦合或中间区域变化。在一些实施方式中，光栅的深度可以在光栅区域上平滑地变化。在一个示例性实施方式中，遍及光栅区域上的深度范围可从大约10nm到约400nm。在示例性实施方式中，于给定侧上，光栅区域范围可从约20mm到约50mm。因此，作为一个示例，光栅的深度变化的角度可以是约0.0005度。
在本文描述的实施方式中，可以使用灰调光刻(也称为灰阶光刻)产生深度调节光栅。灰阶光刻是一步(one-step)工艺，用于通过使用光学灰调(或灰阶)掩模在光刻胶层中产生三维微结构。灰阶掩模使不同量的光通过，从而产生深度调节光栅。相较于现有的方法，使用灰阶光刻产生深度调节光栅允许有更少的处理操作和更高的楔形分辨率。
本文描述的方法也可用在其他实施方式中，以产生用作纳米压印光刻的母模的波导件结构。在那些实施方式中，光栅材料不需要具有像是在波导件应用中使用的光栅结构那样的光学特性。在纳米压印光刻应用中，可针对材料的蚀刻特性和针对印模释放性能(而非光学性能)挑选堆叠材料。虽然本文描述的一些实施方式关于波导件，但这些方法和结构也可应用于纳米压印光刻。
图2是根据一实施方式的深度调节倾斜光栅200的说明图。由于光栅区域的长度与光栅202的高度相比的相对尺寸之故，无法以比例绘制。例如，如果光栅的长度为25mm，并且光栅深度从光栅区域的一端到另一端的变化为250nm，则光栅的角度
Figure BDA0003054064060000051
为arctan(y/x)，或者为0.000573°。因此，该结构在局部上显得是有效平坦的。
如图2中所见，在此实施方式中，光栅202在高度上变化，图的左侧是较高的光栅。随着光栅202移动到波导件的右边缘，所述光栅202在尺寸上变矮。在其他实施方式中，光栅高度可以任何适合的方式沿着波导件变化。例如，在另一实施方式中，较高的光栅可以在右边，而较矮的光栅可以在左边。在又一实施方式中，较矮的光栅可以存在于波导件的左侧和右侧，而较高的光栅位于中间。在又一实施方式中，较高的光栅可以存在于波导件的侧边上，而在中间有较矮的光栅。在其他实施方式中，光栅高度可以任何线性或非线性样式变化。另外，光栅高度可以沿着多个维度变化，而不仅仅是沿着波导件从左到右变化。任何一维或二维形状或图案都可以用于通过使用灰调光刻塑形波导件的光栅高度。作为一个示例，可以使用凹陷或凸起的图案。另外，光栅202中的每个倾斜光栅结构能够具有相对于垂直于蚀刻终止层的表面的平面所测量的角度θ。角度θ例如为约0度和约70度。
如图2所示，光栅202的一部分至少部分地由形成在波导件中的多个通道204所界定。能够使用灰调光刻形成多个通道204。在一些实施方式中，用于形成多个通道204的工艺与用于产生光栅202的工艺相同。
图3是用于形成如图4A至图4H所示的波导件结构400的方法300的流程图。图4A至图4H未按比例绘制。波导件结构通常形成在基板上。在一个示例中，所述基板是硅基玻璃基板，在所述基板上形成有视情况任选的蚀刻终止层和光栅层。在另一示例中，所述基板是不具有蚀刻终止层的玻璃基板。在此情况下，所述基板用作光栅层，并且所述光栅结构直接形成在基板中。
在操作302处，将蚀刻终止层和鳍材料层沉积在基板上。操作302的结果在图4A中说明。图4A是用于在波导件结构400中形成光栅结构的波导件结构400的截面的放大部分。在该示例中，波导件结构400具有基板402，所述基板402上形成有蚀刻终止层404。基板402由诸如硅、氮化钛、或铬之类的光学透明材料制成。蚀刻终止层404形成在基板402之上。所述蚀刻终止层404例如是通过化学气相沉积(CVD)工艺、物理气相沉积(PVD)工艺、或旋转涂布工艺形成的。蚀刻终止层404由耐蚀刻工艺的材料形成，所述材料尤其是诸如氮化钛或氮化钽。
在蚀刻终止层404之上形成光栅层406(即，鳍材料层)。所述光栅层406由光学透明材料形成。在一个示例中，光栅层406由诸如氮化硅或氧化硅之类的硅基材料形成或是由诸如氧化钛之类的钛基材料形成。光栅层406的材料具有高折射率，诸如大约1.3或更高，像是1.5，或甚至更高。一般来说，光栅层406的厚度通常是小于约1微米，诸如约150nm和700nm。
在操作304处，沉积灰阶抗蚀剂并且执行光刻。能够将灰阶抗蚀剂沉积成任何图案，从而产生波导件结构的期望深度和形状。图4B说明操作304的结果。示出了基板402、蚀刻终止层404、和光栅层406。灰阶抗蚀剂层408沉积在光栅层406上。在该示例中，已执行光刻，从而在长度L上产生波导件结构410的形状，在左侧的深度为D，在右侧的深度为D’。如前文所描述的，能够使用光刻在灰阶抗蚀剂中产生任何期望的一维、二维、或三维形状。
在操作306处，执行进入光栅材料中的转移蚀刻。操作306的结果在图4C中说明。在该示例性实施方式中，在执行光刻之后，转移蚀刻产生楔形结构401，镜像反映(mirror)灰阶抗蚀剂层408的结构。在一个能够与其他实施方式组合的实施方式中，将灰阶抗蚀剂层完全移除，并且在光栅层406中产生与波导件结构410类似的楔形结构401。
该示例性实施方式中的楔形结构401具有在第一端和第二端之间的长度L。所述楔形结构401的第一端具有深度F，且第二端具有深度F’。即，在该实施方式中，所述楔形结构401的深度在第一端最小，而在第二端最大。从F到F’的深度大致是在约0nm到约700nm的范围内。在该实施方式中，长度L与深度F和F’相比实质上较大。例如，长度L可以为约25mm，而在第一端的深度F为约0nm至大约50nm，且在第二端的深度F’为约250nm至约700nm。因此，楔形结构401具有实质上浅的斜率。在该示例中，倾斜角小于1度，诸如小于0.1度，像是约0.0005度。为了清楚起见，此处以夸张的角度说明楔形结构401的斜率。
在操作308处，将保形(conformal)硬掩模412沉积在光栅层406上。所述硬掩模412例如是通过使用CVD工艺或PVD工艺由氮化钛形成的。在一个示例中，硬掩模412具有约30nm和约50nm的厚度。操作308的结果在图4D中说明。能够沉积保形硬掩模412，使得硬掩模412的厚度实质上均匀。在其他实施方式中，能够沉积保形硬掩模412，使得厚度在光栅层406上的不同点处从约30nm至约50nm之间变化。保形硬掩模412以使得硬掩模412的斜率类似于楔形结构401的斜率的方式沉积。
在操作310处，在硬掩模412之上形成光学平坦化层414，并且在所述光学平坦化层414之上形成光刻胶层416。所述光刻胶层416是通过使用例如光刻工艺由聚合材料形成的。在一个示例中，通过使用旋转涂布、暴露光栅线、和显影光刻胶而形成光刻胶层416。操作310的结果在图4E中说明。
如图4E所示，光学平坦化层414在厚度上有所变化，使得形成实质上平坦的顶表面。光学平坦化层414在厚度上变化，使得倾斜的保形硬掩模412和光学平坦化层414的实质平坦的顶表面之间的空间被完全填充且在倾斜的楔形结构401上有变化的厚度。
在操作312处，执行光刻，然后蚀刻硬掩模412。操作312的结果在图4F中说明。对于光刻而言，可以使用干式扫描仪来界定光栅线420。在其他实施方式中可以使用其他解决方案。取决于目标应用，可以使用各种光刻工具或方法。可以使用蚀刻工具来蚀刻硬掩模412。蚀刻光刻胶堆叠使硬掩模412图案化。所述硬掩模412用作图案引导件，以用于形成倾斜的光栅结构。图4F中的光栅线420可以是垂直的或者可以是倾斜的(例如，相对于垂直呈角度)。在光刻工艺期间，可用变化的宽度和间隔制作光栅线，使得界定更多的光栅线420或界定更少的光栅线420。
在操作314处，剥离光学平坦化层414和光刻胶层416。操作314的结果在图4G中说明。剥离光学平坦化层414和光刻胶层416产生一组第一结构422，这些结构422类似于操作312的光栅线。
在操作316处，执行倾斜蚀刻，从而在光栅层406中产生光栅结构418。操作316的结果在图4H中说明。倾斜蚀刻产生了多个通道424，类似于图2中的通道204，这些通道424至少部分地界定多个光栅结构418的一部分。在操作314中产生的第一结构422是光栅结构418的顶部，而光栅结构418的底部是在操作316中产生且部分地由通道424所界定。在一个示例性实施方式中，使用带状(ribbon)束蚀刻器。可利用任何适合的蚀刻工艺。
在操作318处，可以执行视情况任选的操作以剥离硬掩模412。在一些实施方式中，可以执行湿式清洁。
本文所描述的蚀刻工艺有利地允许楔形结构在一或多个方向上有倾斜和/或曲率。图5A至图5C说明能够用于楔形结构的形状的其他示例。图5A说明波导件结构700的光栅层706中的楔形结构720。所述楔形结构720具有两个平坦的倾斜部分，这些部分从相应的周围区域720a、720b朝向中央区域720c延伸。图5B说明在波导件结构730的光栅层736中的楔形结构750。所述楔形结构750是弯曲结构，所述弯曲结构在周围区域750a、750b具有浅深度D并且在中央区域750c有增加的深度。在一个示例中，楔形结构750具有抛物线形状。深度D从周围区域750a、750b至中心区域750c非线性式增加。图5C说明在波导件结构760的光栅层766中的楔形结构780。所述楔形结构780具有从第一端780a至第二端780b振荡的深度D，而形成楔形结构780的周期性深度D的图案。图中显示楔形结构780具有深度D的线性、锯齿形振荡。然而，预期深度D能够非线性变化，如此所述楔形结构具有在深度D上的波浪状振荡。诸如楔形结构720、750、780之类的楔形结构的深度D能够从第一端(即720a、750a、780a)到第二端(即720b、750b、780b)遍及其长度L线性或非线性变化。利用本文所描述的灰阶光刻和技术，能够以单一行程(pass)而不是现有技术所要求的多次操作来图案化不同形状的楔形结构。
在另一个示例中，楔形结构具有三维形状。即，如图6A至图6C的示例中所说明的，深度在多个方向(即，第一方向X和第二方向Y)上改变。图6A说明具有鞍点形状的曲率(即，双曲线抛物面形状)的楔形结构820。图6B说明具有正曲率的椭圆抛物面形状的楔形结构850。图6C说明具有负曲率的椭圆抛物面形状的楔形结构880。楔形结构的三维形状不限于图6A至图6C的示例。也预期其他期望的形状，例如尤其是具有正曲率或负曲率的正方域(square domain)中的抛物面、椭圆形、和线性倾斜形状，且上述形状能够与本文所描述的实施方式一并使用。在这些情况下，楔形结构的深度在X和Y方向上都改变。因此，倾斜的光栅结构的上表面是弯曲的，如由楔形结构的曲率的形状所界定的。
通过利用本文所描述的实施方式，形成具有光栅结构的波导件结构，这些光栅结构包括任何图案，这些光栅结构诸如倾斜的光栅结构。在波导件实施方式中，倾斜的光栅结构通过更佳地收集和引导通过波导件的光，由此改善投影图像的清晰度，从而改善波导件的功能。倾斜的光栅结构提供对投射到期望影像平面的光的波长的增强控制。由波导件输出耦合的光功率的均匀性显著地更加均匀。本文所描述的实施方式通过消除诸如机械研磨之类的制造工艺而进一步改善波导件结构的制造，所述机械研磨会损坏用于形成波导件结构的层。此外，本文描述的实施方式利用灰阶光刻产生具有二维或三维形状的光栅，从而允许在增加的应用范围中使用波导件结构。例如，在其他实施方式中，本文所描述的方法用于产生用于纳米压印光刻的母模。
虽然前述内容是针对本公开内容的实施方式，但是在不背离本公开内容的基本范围的情况下，可设计本公开内容的其他和进一步的实施方式，且本公开内容的范围由所附的权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种波导件结构，包括：
基板，所述基板上具有光栅层，其中在所述光栅层中形成楔形结构，所述楔形结构具有：
第一端；
第二端；和
深度，其中所述深度从第一端至第二端改变；和
多个通道，所述多个通道形成在所述光栅层中，每一通道部分地界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所述楔形结构的所述第一端至所述楔形结构的所述第二端改变。
2.如权利要求1所述的结构，其中所述楔形结构的所述深度从所述第一端至所述第二端线性改变。
3.如权利要求1所述的结构，其中所述楔形结构的所述深度从所述第一端至所述第二端非线性改变。
4.如权利要求1所述的结构，其中所述楔形结构的所述深度从所述第一端至所述第二端振荡。
5.一种波导件结构，包括：
基板，所述基板上有光栅层；
楔形结构，所述楔形结构形成于所述光栅层中，其中所述楔形结构具有一深度，所述深度至少在第一方向和第二方向上改变而界定三维形状；和
多个通道，所述多个通道形成在所述光栅层中，每一通道部分地界定多个光栅结构的一部分，其中所述多个光栅结构的深度在所述第一方向和所述第二方向上改变，如由所述楔形结构所界定的。
6.如权利要求5所述的结构，其中所述楔形结构具有鞍点形状。
7.如权利要求5所述的结构，其中所述楔形结构具有正曲率的椭圆抛物面形状。
8.如权利要求5所述的结构，其中所述楔形结构具有负曲率的椭圆抛物面形状。
9.如权利要求1和5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大约1.3或更高的折射率。
10.一种形成波导件结构的方法，包括：
使用灰阶光刻在光栅层中形成楔形结构；
在所述光栅层之上形成硬掩模和光刻胶堆叠；
蚀刻所述光刻胶堆叠；和
在所述光栅层中形成多个光栅结构。
11.如权利要求11所述的方法，其中所述光刻胶堆叠包括：
光学平坦化层；和
光刻胶。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述楔形结构在深度上从第一端至第二端改变。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述楔形结构的所述深度从所述第一端至所述第二端线性改变。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述楔形结构的所述深度从所述第一端至所述第二端非线性改变。
15.如权利要求11所述的方法，其中所述楔形结构的所述深度从所述第一端至所述第二端振荡。
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