CN113167947A - 制造倾斜式光栅的方法 - Google Patents

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Abstract

提供制造具有拥有可变高度及宽度的沟槽的光栅的方法。在一个实例中，一种方法包括在衬底顶部提供光学光栅层以及在所述光学光栅层之上提供图案化硬掩模。所述方法可包括仅在所述光学光栅层的部分以及所述图案化硬掩模之上形成掩模，且将多个沟槽蚀刻入所述光学光栅层中以形成光学光栅。在沟槽形成之后，以下光栅特性中的至少一者在所述多个沟槽中的一个或多个沟槽之间变化：沟槽深度及沟槽宽度。

Description

制造倾斜式光栅的方法
相关申请的交叉参考
本申请主张2018年12月14日提出申请、序列号为62/780,138的美国临时专利申请的优先权，所述美国临时专利申请的全部内容并入本文供参考。
技术领域
本发明的实施例大体涉及制造光栅的方法。更具体来说，本发明涉及制造具有拥有可变高度及宽度的沟槽的光栅的方法。
背景技术
出于各种优势，一直以来使用例如光学透镜等光学元件来操纵光。近来，已在全息及增强/虚拟现实(augmented/virtual reality，AR及VR)装置中使用微衍射光栅。一种特定的AR及VR装置是一种穿戴式显示系统，例如被排列成在距离人眼的短距离内显示图像的头戴装置。此种穿戴式头戴装置有时被称为头戴式显示器，且设置有在距用户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)上由计算机产生的图像。对光学组件进行排列以将期望图像的光(其中所述光是在显示器上产生)输送至用户眼睛，使得所述图像对所述用户来说为可见。产生图像的显示器可形成光引擎的一部分，使得图像产生准直光束，所述光束由光学组件引导以提供对用户来说可见的图像。
已使用不同种类的光学组件来将图像自显示器传递到人眼。为在增强现实透镜或组合器中恰当地发挥作用，光学光栅的几何形状可被设计成达成各种效果。在一些装置中，在透镜的表面上形成多个不同的区域(例如两个或更多个不同的区域)，其中一个区域中的光栅几何形状不同于其他区域中的光栅几何形状。
可通过在衬底或衬底上的膜堆叠中直接蚀刻成角度沟槽来制造成角度表面浮雕光学光栅(angled surface relief optical grating)。控制光学光栅的效率的参数中的一者是沟槽深度。遗憾的是，目前在衍射及视场中形成具有不同高度、宽度和/或形状的光学光栅的方式已经证明是具有挑战性的。
因此，需要改进的制造具有拥有可变高度及宽度的沟槽的光栅的方法。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化的形式介绍以下在具体实施方式中进一步阐述的一系列概念。本发明内容不旨在识别所主张主题的关键特征或本质特征，也不旨在帮助确定所主张主题的范围。
本发明的实施例提供一种形成衍射光学元件的方法，所述方法包括：在衬底顶部提供光学光栅层；在所述光学光栅层之上提供图案化硬掩模；以及仅在所述光学光栅层的部分以及所述图案化硬掩模之上形成掩模。所述方法还可包括将多个沟槽蚀刻入所述光学光栅层中以形成光学光栅，其中所述多个沟槽中的第一沟槽的第一深度不同于所述多个沟槽中的第二沟槽的第二深度。
本发明的实施例还提供一种形成光学光栅组件的方法，所述方法包括在衬底顶部提供光学光栅层以及在所述光学光栅层之上提供图案化硬掩模。所述方法还可包括仅在所述光学光栅层的部分以及所述图案化硬掩模之上形成掩模。所述方法还可包括将多个沟槽蚀刻入所述光学光栅层中以形成光学光栅，其中以下光栅特性中的至少一者在所述多个沟槽中的一个或多个沟槽之间变化：沟槽深度及沟槽宽度。
本发明的实施例还提供一种形成光学光栅组件的方法，所述方法包括：在衬底顶部提供光学光栅层以及在所述光学光栅层之上提供图案化硬掩模。所述方法还可包括仅在所述光学光栅层的部分以及所述图案化硬掩模之上形成掩模。所述方法还可包括通过蚀刻所述光学光栅层、所述图案化硬掩模及所述掩模在所述光学光栅层中形成多个沟槽，其中以下光栅特性中的至少一者在所述多个沟槽中的一个或多个沟槽之间变化：沟槽深度及沟槽宽度。
附图说明
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，附图如下所示：
图1是根据本发明实施例的显示设备的示意性剖视图。
图2A示出根据本发明实施例的光学光栅组件的侧剖视图。
图2B示出根据本发明实施例的图1A所示光学光栅组件的俯视平面图。
图3A示出根据本发明实施例的以示意形式示出的处理设备。
图3B根据本发明实施例在俯视平面图中示出提取板组件及衬底。
图4A-D是根据本发明实施例的在光学光栅层中形成的成角度结构的侧剖视图。
图5示出根据本发明实施例的形成光学光栅的蚀刻工艺。
图6示出根据本发明实施例的形成光学光栅的蚀刻工艺。
图7示出根据本发明实施例的工艺流程。
图8示出根据本发明实施例的一系列蚀刻循环中的衍射光学元件。
图9示出根据本发明实施例的一系列蚀刻循环中的衍射光学元件。
附图未必是按比例绘制。附图仅为代表图，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，且因此不被视为在范围上具有限制性。在附图中，相同的编号表示相同的元件。
此外，为说明清晰起见，一些图中的某些元件可被省略或不按比例示出。为说明清晰起见，剖视图可呈“切片(slices)”或“近视(near-sighted)”剖视图的形式，且省略在“真实(true)”剖视图中以其他方式可见的某些背景线。此外，为清晰起见，可在某些附图中省略一些参考编号。
具体实施方式
现在将在下文中参照附图更充分地阐述根据本发明的方法，附图中示出所述方法的实施例。所述方法可以许多不同的形式实施，且不会被解释为限于本文中所阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使公开内容将彻底及完整，并将向所属领域中的技术人员充分传达所述系统及方法的范围。
图1是在显示设备100中实施的波导104的示意性剖视图。显示设备100可被配置用于增强现实应用、虚拟现实应用及混合或融合现实应用以及例如手持式显示装置等其他显示应用。
显示设备100使用波导104来通过波导104透明地观察周围环境130，例如让用户从用户视角101观察环境130。当在显示设备100中实施时，波导104的第一表面122被设置成相邻于且面对用户眼睛111。波导104的第二表面124被设置成与第一表面122相对，且相邻于且面对周围环境130。尽管被示为平面的，然而视所期望的应用而定，波导104可为弯曲的。
显示设备100还包括图像微显示器128，以将所生成的虚拟图像的光120定向到波导104中。虚拟图像的光120在波导104中传播。一般来说，波导104包括输入耦合区域106、波导区域108及输出耦合区域110。输入耦合区域106从图像微显示器128接收光120(虚拟图像)，且光120通过波导区域108行进到输出耦合区域110，在输出耦合区域110中，用户视角101及视场(field of view)能够使上覆在周围环境130上的虚拟图像可视化。图像微显示器128是高分辨率显示生成器，例如可操作以将虚拟图像的光投影到波导104中的硅上液晶微显示器(liquid crystal on silicon microdisplay)。
波导104包括输入光栅结构112及输出光栅结构114。输入光栅结构112形成在波导104上与输入耦合区域106对应的区中。输出光栅结构114形成在波导104上与输出耦合区域110对应的区中。输入光栅结构112及输出光栅结构114影响光在波导104内的传播。例如，输入光栅结构112耦合来自图像微显示器128的传入光(in light)，且输出光栅结构将传出光(out light)耦合到用户眼睛111。
例如，输入光栅结构112影响显示在用户眼睛111处的虚拟图像的视场。输出光栅结构114影响从波导104收集并向外耦合的光120的量。此外，输出光栅结构114从用户视角101调制虚拟图像的视场，并增加用户可从图像微显示器128观察虚拟图像的观察角度视角。在另一个实例中，在输入耦合区域106与输出耦合区域110之间的波导区域108中还形成有光栅结构(未示出)。此外，可使用多个波导104来形成显示设备100，所述多个波导104中各自形成有所期望的光栅结构。
图2A示出根据本发明实施例的光学光栅组件200的侧剖视图。图2B示出光学光栅组件200的俯视平面图。根据本发明的各种实施例，光学光栅组件200可用作待被放置在眼镜上或与眼镜一体形成的光学光栅。光学光栅组件200包括衬底202以及设置在衬底202上的光学光栅206。光学光栅206可相同于或相似于图1所示输入光栅结构112和/或输出光栅结构114。在一些实施例中，衬底202是透光材料，例如已知的玻璃。在一些实施例中，衬底202是硅。在后一种情形中，衬底202是硅，且使用另一工艺将光栅图案转移到另一光学衬底(例如玻璃或石英)的表面上的膜。所述实施例并不限于此上下文。如以下进一步阐述，光学光栅206可设置在光学光栅层207中。在图2A及图2B所示的非限制性实施例中，光学光栅组件200还包括设置在衬底202与光学光栅层207之间的蚀刻终止层204。根据本发明的一些实施例，光学光栅层207可为透光材料，例如氧化硅、氮化硅、玻璃、TiO2或其他材料。
根据本发明的一些实施例，光学光栅206可包括处于100纳米(nm)到1000nm范围内的光栅高度H。因此，光学光栅206可适宜用于AR及VR设备的目镜中。本文中的实施例并不限于此上下文。根据一些实施例，蚀刻终止层204可为透光材料且可具有10nm到100nm的厚度。所述实施例并不限于此上下文。用于蚀刻终止层204的合适材料的实例包括SiN、SiO2、TiN、SiC以及其他材料。在其中光学光栅206将被应用于或包括于眼镜的目镜中的实施例中，尤其适宜的材料是透光材料。在其中光学光栅组件200形成用于构造目镜用光学光栅的母版(master)的实施例中，蚀刻终止层204无需为透光的。此外，在一些实施例中可省略蚀刻终止层204。
如在图2A中进一步所示，光学光栅206可包括被示出为成角度组件或结构212的多个成角度结构，所述多个成角度结构相对于衬底202的平面(例如，x-y平面)的垂线以非零倾斜角设置。成角度结构212可包括在倾斜式光栅的一个或多个场(field)内，所述倾斜式光栅一起形成“微透镜”。在图2A所示实例中，沿平行于所示笛卡尔坐标系的Y轴的方向界定均匀的高度，其中第一方向(y轴)平行于衬底102的平面，在此种情形中即x-y平面。在其他实施例中，成角度结构212可沿平行于y轴的方向界定可变高度。多个沟槽214可相对于例如衬底202的顶表面或光学光栅层207的顶表面等平面的垂线以非零倾斜角设置。如以下将更详细地阐述，所述多个沟槽214中的一个或多个沟槽的深度‘d’和/或宽度‘w’可由于在蚀刻之前存在提供在光学光栅206之上的掩模层而有所变化。
在一些实施例中，光学光栅206沿Y方向的宽度可为大约数毫米到数厘米，而光栅高度H可为大约1微米或小于1微米。因此，光栅高度H的变化可介于大约数百纳米或小于数百纳米。光栅高度H或深度d的平滑变化的实例是：相邻光栅线之间的光栅高度H或深度d的变化小于10％、小于5％或小于1％。所述实施例并不限于此上下文。因此，在目镜中，光栅高度H可在给定方向上沿目镜的表面在例如数毫米到数厘米的距离上连续地且以不骤然变化的方式变化。更具体来说，在5mm距离上光栅高度H变化50％可引起在具有一微米节距(pitch)的近似5×103条线上连续地改变光栅高度H。所述变化引起相邻线的相对高度的0.5/5×104或近似0.01％的平均变化。
现在参照图3A，图3A示出以示意形式示出的处理设备300。处理设备300代表用于蚀刻衬底的部分或在衬底上进行沉积以生成例如本发明实施例的光学光栅的处理设备。处理设备300可为等离子体类的处理系统，所述等离子体类的处理系统具有等离子体腔室302以用于通过所属领域中已知的任意方便方法在其中生成等离子体304。可如所示提供具有提取孔隙308的提取板306，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学光栅层207(图2A-2B)。包括例如上述光学光栅结构的衬底202设置在处理腔室324中。衬底202的衬底平面由所示笛卡尔坐标系的X-Y平面表示，而衬底202的平面的垂线沿Z轴(Z方向)放置。
如在图3A中进一步所示，如在已知的系统中一样，当利用偏压电源220在等离子体腔室302与衬底202(或衬底台板314)之间施加电压差时可提取出离子束310。偏压电源320可耦合到处理腔室324，例如其中处理腔室324与衬底202保持在相同的电势。
根据各种实施例，可沿垂线326提取离子束310，或可相对于垂线326以非零入射角(被示出为φ)提取离子束310。
离子束310内离子的轨迹可彼此互相平行或可位于窄的角展度范围(angularspread range)内，例如，彼此位于10度或小于10度的角展度范围内。在其他实施例中，如以下将论述，离子束310内离子的轨迹可彼此例如以扇形收敛或发散。因此，φ的值可表示入射角的平均值，其中轨迹个别地相对于平均值变化达若干度。在各种实施例中，如在已知的系统中一样，可提取离子束310作为连续的束或作为脉冲离子束。例如，偏压电源320可被配置成在等离子体腔室302与处理腔室324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(duty cycle)可彼此独立地进行调整。
在各种实施例中，源322可向等离子体腔室302供应例如反应气体等气体。依据被提供到等离子体腔室302的物质的具体组成，等离子体304可生成各种蚀刻物质或沉积物质。
在各种实施例中，离子束310可被提供为带状反应离子束，所述带状反应离子束具有沿图3B中所示笛卡尔坐标系的X方向延伸的长轴。通过沿扫描方向330相对于提取孔隙308(且因此相对于离子束310)扫描包括衬底202的衬底台板314，离子束310可蚀刻衬底202或在衬底202上沉积。离子束310可由任意方便的气体混合物(包括惰性气体、反应气体)构成，且在一些实施例中可结合其他气体物质被提供。在特定实施例中，离子束210及其他反应物质可作为蚀刻配方(etch recipe)被提供到衬底202以执行对层(例如，光学光栅层307)的定向反应离子蚀刻(directed reactive ion etching)。如在所属领域中已知，此种蚀刻配方可使用已知的反应离子蚀刻化学物质用于对例如氧化物等材料或其他材料进行蚀刻。在其他实施例中，离子束310可由惰性物质形成，其中提供离子束310以在相对于离子束310扫描衬底202时通过物理溅射(physical sputtering)蚀刻衬底202(或更具体来说，光学光栅层207)。
在图3B所示实例中，离子束310被提供为带状反应离子束，所述带状反应离子束沿X方向延伸到束宽度，其中所述束宽度即使在沿X方向的最宽部分处仍足以暴露出衬底202的整个宽度。示例性束宽度可介于10cm、20cm、30cm或大于30cm范围内，而沿Y方向的示例性束长度可介于2mm、3mm、5mm、10mm或20mm范围内。所述实施例并不限于此上下文。
注意，扫描方向330可表示沿Y方向在两个相对(180度)的方向上扫描衬底202，或仅朝左扫描或仅朝右扫描。如在图3B中所示，离子束310的长轴沿X方向垂直于扫描方向330延伸。因此，当沿扫描方向330对衬底202进行扫描直到从衬底202的左侧到右侧的充分长度时，整个衬底202可被暴露到离子束310。
例如图2A-2B所示成角度结构212等光栅特征可通过使用处理配方相对于离子束310扫描衬底202来实现。简单地说，处理配方可使得改变一组工艺参数中的至少一个工艺参数，从而具有改变例如在扫描衬底202期间由离子束310引起的蚀刻速率或沉积速率的效果。此种工艺参数可包括衬底202的扫描速率、离子束310的离子能量、当作为脉冲离子束提供时离子束310的负载循环、离子束310的扩展角(spread angle)以及衬底202的旋转位置。在本文中的至少一些实施例中，处理配方还可包括光学光栅层207的材料及离子束310的蚀刻离子的化学性质。在又一些其他实施例中，处理配方可包括光学光栅层207的起始几何形状，包括尺寸及纵横比。所述实施例并不限于此上下文。
图4A-4D展示根据本发明实施例的用于形成衍射光学元件400的方法。如图4A中所示，可在衬底402之上形成光学光栅层407。尽管未示出，然而在一些实施例中，可在衬底402与光学光栅层407之间提供蚀刻终止层。衬底402可由例如硅等透光材料制成。当存在时，蚀刻终止层可例如通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)工艺、物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)工艺或旋涂工艺(spin-on process)形成。除其他材料以外，蚀刻终止层也由例如氮化钛或氮化钽等对蚀刻工艺具有抗性的材料形成。
光栅层407可由透光材料形成。在一个实例中，光栅层407由例如氮化硅或氧化硅等硅系材料形成，或者由例如氧化钛等钛系材料形成。光栅层407的材料具有高折射率，例如近似1.3或高于1.3，如1.5或甚至更高。一般来说，光栅层407具有小于近似1微米(例如在近似150nm到700nm之间)的厚度。
如图4B中所示，可在光学光栅层407之上形成图案化硬掩模410。在一些实施例中，图案化硬掩模(在下文中称为“硬掩模”)410由光致抗蚀剂堆叠(未示出)形成，其中硬掩模层共形地形成在光栅层407之上。硬掩模层是例如使用化学气相沉积工艺由氮化钛形成。如所示，硬掩模410被形成为通过间隙411彼此分开的多个硬掩模元件410A到410F。可使用对光学光栅层407的顶表面413具有选择性的蚀刻工艺来形成间隙411中的每一者。在一些实施例中，通过蚀刻光致抗蚀剂堆叠形成所述多个硬掩模元件410A到410F。在一些实施例中，所述多个硬掩模元件410A到410F中的每一者具有相同的高度“hmh”和/或宽度“hmw”。在其他实施例中，所述多个硬掩模元件410A到410F中的一者或多者具有不同或非均匀的高度和/或厚度。
如图4C中所示，可接着在光学光栅层407及硬掩模410之上形成掩模420。在一些实施例中，掩模420是仅在光学光栅层407的部分以及硬掩模410之上形成的“软”掩模。例如，掩模420可形成在硬掩模元件410A到410C之上，而硬掩模元件410D到410F保持未被覆盖且被暴露出。在非限制性实施例中，掩模420可为使用三维打印(3-D printing)在衍射光学元件400之上形成的光致抗蚀剂型材料。图11中示出对掩模420使用感光性材料的示例性实施例。在其他实施例中，掩模420可在光刻(photolithography)期间“成像”，或者通过例如反应离子蚀刻或溅射离子蚀刻以及激光献祭(laser oblation)等减性方法形成。例如，整个蚀刻深度分布或其一部分可通过图案化掩模工艺来实现。在此种情形中，成角度蚀刻可为均匀的工艺。掩模420可具有均匀的高度‘h1’或可变的高度。例如，掩模420可包括一个或多个斜坡段(sloped section)422。如以下将更详细地阐述，掩模420中的斜坡段422的形状可转移到沟槽的底部的形状。
在一些实施例中，可通过首先使掩模420成形且接着将所述形状转移到衍射光学元件400来在光学光栅层407及硬掩模410之上形成掩模420。通过使掩模420成形，可提高精度。此外，在一些实施例中，可接着例如使用例如蚀刻等减性技术来图案化掩模420。
如图4D中所示，接着对衍射光学元件400进行蚀刻425。在一些实施例中，蚀刻425是成角度离子蚀刻，其中成角度离子蚀刻由反应离子束执行。可相对于反应离子束沿扫描方向扫描衬底。在蚀刻工艺期间，硬掩模410充当图案引导件(pattern guide)以形成倾斜式光栅结构。在掩模420也已被图案化的实例中，掩模420也用作图案引导件以形成倾斜式光栅结构。
现在转到图5，将阐述根据本发明实施例的一系列蚀刻循环中的衍射光学元件500。在工艺点(process point，PP)1处，掩模520仅形成在光学光栅层507的第一部分505以及硬掩模510之上。如所示，位于光学光栅层507的第二部分506上方的硬掩模元件510E到510G保持被暴露出。此外，间隙511A及511B未被掩模520覆盖。在PP 2处，蚀刻工艺开始，从而使得在光学光栅层507的第二部分506中形成第一组沟槽514A。由于间隙511A及511B未被掩模520覆盖，因此允许蚀刻更快地影响这些区中的光学光栅层507。尽管在PP 2处在光学光栅层507的被掩模520覆盖的这些区中尚未开始形成沟槽。尽管不是限制性的，然而衬底502、硬掩模510及掩模520之间的蚀刻选择性比率为近似1:20:2。
如PP 3处所示，随着蚀刻工艺的继续，第一组沟槽514A在光学光栅层507的第二部分506中加深，而掩模520在位于光学光栅层507的第一部分505上方的区中凹陷。在PP 4处，在所述多个硬掩模元件510A到510D中的每一者之间、光学光栅层507的第一部分505中形成第二组沟槽514B。蚀刻在PP5处继续进行，直到第一组沟槽514A到达衬底502，从而相对于光学光栅层507形成所述多个成角度结构512中的每一者。如所示，第二组沟槽514B不延伸到衬底502。换句话说，第一组沟槽514A中的一个或多个沟槽的第一深度‘d1’可大于第二组沟槽514B中的一个或多个沟槽的第二深度‘d2’。此外，第一组沟槽514A中的一个或多个沟槽的第一宽度‘w1’可大于第二组沟槽514B中的一个或多个沟槽的第二宽度‘w2’。PP1到PP3中存在掩模520会导致蚀刻工艺在影响光学光栅层的第一部分505之前影响光学光栅层507的第二部分506，从而在第一部分505中形成浅和/或窄的沟槽。
通过控制成角度结构512中的每一者的形状，可控制不同波长(即，不同颜色)衍射的变化，以提高图像质量。由于成角度结构512提供增强的控制，因此光学效率(即，所期望的波长到用户视角的投影)大大提高。此外，非期望的波长的投影减少，从而提高所投影图像的清晰度及质量。
现在转到图6，将阐述根据本发明实施例的一系列蚀刻循环中的衍射光学元件600。衍射光学元件600相似于图5所示衍射光学元件500。因此，为简洁起见，将不再阐述衍射光学元件600的所有细节。在PP 1处，硬掩模610包括硬掩模元件的第一子集610A，硬掩模元件的第一子集610A被形成为与硬掩模元件的第二子集610B相邻。掩模620仅形成在光学光栅层607的第一部分605之上，且仅形成在硬掩模元件的第二子集610B之上。如所示，硬掩模元件的第一子集610A中的每一者具有第一硬掩模宽度“hmw1”，且硬掩模元件的第二子集610B中的每一者具有第二硬掩模宽度“hmw2”。在此实施例中，hmw1大于hmw2。在其他实施例中，可存在多于两种不同的硬掩模宽度。如由PP 6处的衍射光学元件600所示，通过使hmw1>hmw2，第一组沟槽614A中的一个或多个沟槽的第一宽度‘w1’可近似等于第二组沟槽614B中的一个或多个沟槽的第二宽度‘w2’。换句话说，所述多个成角度结构612的宽度及形状可更均匀。可变硬掩模610宽度会补偿光栅宽度的损失。
现在转到图7，将更详细地阐述根据本发明实施例的用于形成光学光栅组件的方法700。如所示，在方块701处，方法700可包括在衬底顶部提供光学光栅层。在方块703处，方法700可包括在光学光栅层之上提供图案化硬掩模。在一些实施例中，图案化硬掩模是各自通过间隙彼此分开的多个硬掩模元件，其中所述多个硬掩模元件中的第一硬掩模元件具有与所述多个硬掩模元件中的第二硬掩模元件的宽度不同的宽度。在一些实施例中，所述方法包括形成所述多个硬掩模元件的第一子集，所述多个硬掩模元件的第一子集与所述多个硬掩模元件的第二子集相邻，其中所述多个硬掩模元件的第一子集中的每一者具有第一宽度。此外，所述多个硬掩模元件的第二子集中的每一者可具有第二宽度，其中第一宽度大于第二宽度。
在方块705处，方法700可包括仅在光学光栅层的部分以及图案化硬掩模之上形成掩模。在一些实施例中，掩模是比硬掩模更容易蚀刻的软掩模。在一些实施例中，掩模可仅形成在硬掩模元件的子集之上，而硬掩模元件的另一子集保持未被覆盖且被暴露出。在非限制性实施例中，掩模可为使用3-D打印在衍射光学元件之上形成的光致抗蚀剂型材料。在一些实施例中，可接着图案化掩模以形成各自通过间隙彼此分开的多个硬掩模元件。
在方块707处，方法700可包括在光学光栅层中蚀刻多个沟槽以形成光学光栅，其中以下光栅特性中的至少一者在所述多个沟槽中的一个或多个沟槽之间变化：沟槽深度及沟槽宽度。在一些实施例中，所述多个沟槽中的第一沟槽的第一宽度不同于所述多个沟槽中的第二沟槽的第二宽度。在一些实施例中，可蚀刻所述多个沟槽以形成具有与以下的宽度不同的宽度的第三沟槽：第一沟槽或第二沟槽。在一些实施例中，可在蚀刻工艺之前图案化或部分地图案化掩模层。在其他实施例中，被暴露出的硬掩模元件中的每一者之间的掩模和光学光栅层可同时开始凹陷。
现在转到图8，将阐述根据本发明实施例的一系列蚀刻循环中的衍射光学元件800。衍射光学元件800相似于图5所示衍射光学元件500及图6中的衍射光学元件600。因此，为简洁起见，将不再阐述衍射光学元件800的所有细节。在所示实施例中，在PP 1处，硬掩模810包括硬掩模元件的第一子集810A，硬掩模元件的第一子集810A被形成为与硬掩模元件的第二子集810B相邻。掩模820仅形成在光学光栅层807的第一部分805之上，且仅形成在硬掩模元件的第二子集810B之上。如所示，掩模820可具有斜坡表面轮廓822，例如，如PP2中所示，斜坡表面轮廓822随后转移(示为822’)到沟槽814的底部的形状。
现在转到图9，将阐述根据本发明实施例的一系列蚀刻循环中的衍射光学元件900。衍射光学元件900相似于上述衍射光学元件500、600及800。因此，为简洁起见，将不再阐述衍射光学元件900的所有细节。在所示实施例中，在PP 1处，掩模920仅被提供在光学光栅层907的第一部分905之上，且仅被提供在硬掩模元件910的第一子集910A及第二子集910B之上。掩模920可不形成在硬掩模元件910的第三子集910C之上。尽管在其他实施例中，掩模920可在光学光栅层907的第一部分905和第二部分906二者之上延伸。
如所示，如从光学光栅层907的顶表面测量，掩模920可具有一种或多种水平高度或高度，即H1及H2。此外，硬掩模元件910的第一子集910A可各自具有第一宽度w1，硬掩模元件910的第二子集910B可各自具有第二宽度w2，且硬掩模元件910的第三子集910C可各自具有第三宽度w3。如所示，w3>w2>w1，其中硬掩模元件910的宽度一般与掩模920的高度成比例。在处理开始时改变硬掩模元件910的宽度(例如，PP 1)导致在处理结束时(例如在PP 4处)形成更均匀的成角度结构912。
在此实施例中，掩模920也可比光学光栅层907软。使掩模920比光学光栅层907及硬掩模元件910软能够使掩模920的层更高，进而使得能够有更多的方法来使掩模920成形，例如3D打印。在其他实施例中，光学光栅层907可比掩模920软。
在PP 2处，蚀刻工艺开始，从而导致在硬掩模元件910的第二子集910B之间、光学光栅层907的第二部分906中形成一个或多个第一组沟槽914A。由于光学光栅层907的第二部分906未被掩模520覆盖，因此允许蚀刻更快地影响第二部分906中的光学光栅层907。尽管在PP 2处在光学光栅层907的被掩模920覆盖的这些区中尚未开始形成沟槽。
如PP 3处所示，随着蚀刻工艺的继续，第一组沟槽914A在光学光栅层907的第二部分906中加深，而掩模920在位于光学光栅层907的第一部分905上方的区中凹陷。在PP 4处，在硬掩模元件910的子集910A中的每一者之间、光学光栅层907的第一部分905中形成第二组沟槽914B。蚀刻可继续进行，直到第一组沟槽914A到达衬底902，从而相对于光学光栅层907形成所述多个成角度结构912中的每一者。如所示，第二组沟槽914B可不延伸到衬底902。通过控制成角度结构912中的每一者的形状，可控制不同波长(即，不同颜色)衍射的变化，以提高图像质量。由于成角度结构912提供增强的控制，因此光学效率(即，所期望的波长到用户视角的投影)大大提高。此外，非期望的波长的投影减少，从而提高所投影图像的清晰度及质量。
为方便及清晰起见，本文中将使用例如“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“垂直”、“水平”、“横向”及“纵向”等用语来阐述出现在图中的组件及其构成部件的相对放置及取向。术语将包括特别提到的词、其派生词及相似含义的词。
除非明确陈述不包括复数元件或操作，否则如本文中所使用的以单数形式陈述且前面带有词“一(a或an)”的元件或操作要被理解为包括复数元件或操作。此外，提及本发明的“一个实施例”时并不旨在进行限制。附加实施例也可包括所陈述特征。
此外，在一些实施例中，用语“实质的”或“实质上”以及用语“近似的”或“近似地”可互换使用，且可使用所属领域中的普通技术人员可接受的任何相对度量来阐述。例如，这些用语可用作与参考参数的比较，以指示能够提供预期功能的偏差。尽管为非限制性的，然而与参考参数的偏差可为例如小于1％、小于3％、小于5％、小于10％、小于15％、小于20％等等的量。
再者，普通技术人员将理解，当例如层、区域或衬底等元件被称为形成在、沉积在或设置在另一元件“上”、“之上”或“顶部”时，所述元件可直接位于所述另一元件上，或者也可存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接”位于另一元件“上”、“直接”位于另一元件“之上”或“直接”位于另一元件“顶部”时，则不存在中间元件。
如本文中所使用的“沉积”和/或“沉积式”可包括任何现在已知的或以后开发的适宜于待沉积材料的技术，包括但不限于例如：化学气相沉积(CVD)、低压化学气相沉积(low-pressure CVD，LPCVD)及等离子体增强型化学气相沉积(plasma-enhanced CVD，PECVD)。“沉积”和/或“沉积式”还可包括半大气压化学气相沉积(semi-atmosphere CVD，SACVD)及高密度等离子体化学气相沉积(high-density plasma CVD，HDPCVD)、快热化学气相沉积(rapid thermal CVD，RTCVD)、超高真空化学气相沉积(ultra-high vacuum CVD，UHVCVD)、有限反应处理化学气相沉积(limited reaction processing CVD，LRPCVD)及金属有机化学气相沉积(metal-organic CVD，MOCVD)。“沉积”和/或“沉积式”还可包括溅射沉积、离子束沉积、电子束沉积、激光辅助沉积、热氧化、热氮化、旋涂方法及物理气相沉积(PVD)。“沉积”和/或“沉积式”还可包括原子层沉积(atomic layer deposition，ALD)、化学氧化、分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)、镀覆、蒸镀(evaporation)。
在各种实施例中，可提供和配置设计工具来创建用于图案化例如本文中所述衍射光学元件400、500、600、800及900的层的数据集。例如，可创建数据集以生成光刻操作期间所使用的光掩模，以图案化如本文中所述结构的层。此种设计工具可包括一个或多个模块的集合，也可包括硬件、软件或其组合。因此，例如，工具可为一个或多个软件模块、硬件模块、软件/硬件模块或其任意组合或排列的集合。作为另一个实例，工具可为运行软件者以硬件实施的计算装置或其他器具。
如本文中所使用的模块可利用任何形式的硬件、软件或其组合来实施。例如，可实施一个或多个处理器、控制器、应用专用集成电路(application specific integratedcircuit，ASIC)、可编辑逻辑阵列(programmable logic array，PLA)、逻辑组件、软件例程或其他机制来构成模块。在实施方案中，本文中所阐述的各种模块可实施为分立的模块，或者一个或多个模块之间可部分或全部共享所阐述的功能及特征。换句话说，对于所属领域中的普通技术人员来说，在阅读本说明之后将显而易见的是，本文中所阐述的各种特征及功能可在任何给定的应用中实施。此外，各种特征及功能可以各种组合及排列在一个或多个单独的或共享的模块中实施。尽管功能的各种特征或元素可被各别地阐述或宣称为单独的模块，然而所属领域中的普通技术人员将理解，这些特征及功能可在一个或多个共用软件及硬件要素之间共享。
通过利用本文中所阐述的实施例，形成了具有倾斜式光栅结构的波导。本发明实施例的倾斜式光栅结构的第一个技术优势包括通过更好地对穿过波导的光进行收集及导向来改善波导的功能，从而改善所投影图像的清晰度。本发明实施例的倾斜式光栅结构的第二个技术优势包括增加对投影到所期望图像平面的光波长的控制。由波导向外耦合的光的功率的均匀性明显更均匀。本发明实施例的倾斜式光栅结构的第三个技术优势包括通过消除制作工艺(例如机械抛光)来改进波导的制作，从而减少对用于形成波导的层的损坏。此外，本发明实施例的倾斜式光栅结构的第四个技术优势包括提供二维或三维形状，使得波导能够在更大的应用范围内使用。
本发明的范围不受本文中所述的具体实施例的限制。事实上，通过以上说明及附图，除本文中所述的实施例以外，本发明的其他各种实施例以及修改形式对所属领域中的普通技术人员来说也将显而易见。因此，此种其他实施例及修改形式旨在落于本发明的范围内。此外，已在本文中在特定实施方式的上下文中在特定环境下出于特定目的阐述了本发明。所属领域中的普通技术人员将认识到有用性并不仅限于此，且本发明可在任意数目的环境下出于任意数目的目的有利地实施。因此，以上阐述的权利要求将根据如在本文中阐述的本发明的整个宽度及精神进行解释。

Claims (15)

1.一种形成衍射光学元件的方法，包括：
在衬底顶部提供光学光栅层；
在所述光学光栅层之上提供图案化硬掩模；
仅在所述光学光栅层的部分以及所述图案化硬掩模之上形成掩模；以及
将多个沟槽蚀刻入所述光学光栅层中以形成光学光栅，其中所述多个沟槽中的第一沟槽的第一深度不同于所述多个沟槽中的第二沟槽的第二深度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个沟槽中的所述第一沟槽的第一宽度不同于所述多个沟槽中的所述第二沟槽的第二宽度。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括在将所述多个沟槽蚀刻入所述光学光栅层中之前图案化所述掩模。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻包括执行成角度离子蚀刻，其中所述成角度离子蚀刻是由反应离子束执行，且其中所述衬底被相对于所述反应离子束沿扫描方向扫描。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述图案化硬掩模形成为各自通过间隙彼此分开的多个硬掩模元件，其中所述多个硬掩模元件的第一子集与所述多个硬掩模元件的第二子集相邻，其中所述多个硬掩模元件的所述第一子集中的每一者具有第一宽度，其中所述多个硬掩模元件的所述第二子集中的每一者具有第二宽度，且其中所述第一宽度大于所述第二宽度。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括将所述掩模形成为相对于所述光学光栅层的顶表面包括两种或更多种高度。
7.根据权利要求5所述的方法，还包括仅在所述多个硬掩模元件的所述第二子集之上形成所述掩模。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述多个沟槽中的所述第一沟槽的所述第一宽度近似等于所述多个沟槽中的所述第二沟槽的所述第二宽度。
9.一种形成光学光栅组件的方法，包括：
在衬底顶部提供光学光栅层；
在所述光学光栅层之上提供图案化硬掩模；
仅在所述光学光栅层的部分以及所述图案化硬掩模之上形成掩模，其中所述掩模具有比所述图案化硬掩模低的耐蚀刻性；以及
将多个沟槽蚀刻入所述光学光栅层中以形成光学光栅，其中沟槽深度在所述多个沟槽中的一个或多个沟槽之间变化。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述蚀刻包括执行成角度离子蚀刻，且其中所述成角度离子蚀刻被施加至以下中的每一者：所述光学光栅层、所述图案化硬掩模及所述掩模。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述多个沟槽中形成在所述光学光栅层的所述部分中的第一沟槽具有第一深度，其中所述多个沟槽中形成在所述光学光栅层的第二部分中的第二沟槽具有第二深度，且其中所述第二深度大于所述第一深度。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括在将所述多个沟槽蚀刻入所述光学光栅层中之前图案化所述掩模。
13.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述图案化硬掩模形成为各自通过间隙彼此分开的多个硬掩模元件，其中所述多个硬掩模元件中的第一硬掩模元件具有与所述多个硬掩模元件中的第二硬掩模元件的宽度不同的宽度。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括形成所述多个硬掩模元件的第一子集，所述多个硬掩模元件的所述第一子集与所述多个硬掩模元件的第二子集相邻，其中所述多个硬掩模元件的所述第一子集中的每一者具有第一宽度，其中所述多个硬掩模元件的所述第二子集中的每一者具有第二宽度，其中所述第一宽度大于所述第二宽度，其中所述多个沟槽中的每一者具有近似均匀的宽度。
15.一种形成光学光栅组件的方法，包括：
在衬底顶部提供光学光栅层；
在所述光学光栅层之上提供图案化硬掩模；
仅在所述光学光栅层的部分以及所述图案化硬掩模之上形成掩模；以及
通过蚀刻所述光学光栅层、所述图案化硬掩模及所述掩模在所述光学光栅层中形成多个沟槽，其中以下光栅特性中的至少一者在所述多个沟槽中的一个或多个沟槽之间变化：沟槽深度及沟槽宽度。
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