CN113348386A - 增加波导组合器的占空比范围 - Google Patents

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Abstract

公开了用于制造倾斜结构的技术。在一种实施方案中，在材料层中制造倾斜的表面浮雕结构的方法包括：在中间掩模层的顶部上形成薄的硬掩模，使用该薄的硬掩模以倾斜角蚀刻中间掩模层以形成倾斜的中间掩模，以及使用该倾斜的中间掩模以倾斜角蚀刻材料层以在材料层中形成倾斜的表面浮雕结构。中间掩模层的特征在于大于材料层的蚀刻速率的蚀刻速率。

Description

增加波导组合器的占空比范围
背景
人工现实系统诸如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)系统通常包括被配置成呈现描绘虚拟环境中的对象的人工图像的显示器。显示器可以显示虚拟对象或者将现实对象的图像与虚拟对象组合，如在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)应用中。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(optical see-through)或者通过观看由照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))和周围环境两者。
一种示例性的光学透视AR系统可以使用基于波导的光学显示器，其中投影图像的光可以被耦合到波导(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，可以使用衍射光学元件诸如倾斜的表面浮雕光栅(surface-reliefgrating)将投影图像的光耦合到波导中或从波导耦合出去。为了获得期望的性能，诸如高效率、低伪像和角度选择性，可以使用具有大的倾斜角和宽范围的光栅占空比(dutycycle)的深表面浮雕光栅。然而，以高制造速度和高产量制造具有期望的轮廓(profile)的倾斜的表面浮雕光栅仍然是具有挑战性的任务。
概述
本公开内容总体上涉及用于制造倾斜结构的技术。更具体地而非限制性地，本文公开了用于在多种无机材料或有机材料上蚀刻具有宽范围占空比的深的倾斜结构的技术，所述无机材料或有机材料诸如二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、氧化铝、聚合物及类似物。本文描述了多种本发明的实施方案，包括方法、系统、装置及类似物。
在一些实施方案中，在材料层中制造倾斜的表面浮雕结构的方法可以包括：在中间掩模层的顶部上形成薄的硬掩模，使用该薄的硬掩模以倾斜角蚀刻中间掩模层以形成倾斜的中间掩模，以及使用倾斜的中间掩模以倾斜角蚀刻材料层以在材料层中形成倾斜的表面浮雕结构。中间掩模层的特征在于大于材料层的蚀刻速率的蚀刻速率。
在一些实施方案中，倾斜的表面浮雕结构的占空比可以小于30％。在一些实施方案中，倾斜的表面浮雕结构可以包括倾斜的表面浮雕光栅，其特征在于跨过倾斜的表面浮雕光栅的区域变化的占空比，并且倾斜的表面浮雕光栅的最小占空比可以小于约30％。在一些实施方案中，倾斜角相对于材料层的表面法线(surface normal)可以大于30°。在一些实施方案中，倾斜的表面浮雕结构的深度可以大于100nm。在一些实施方案中，倾斜的表面浮雕结构的最大占空比可以大于75％。
在一些实施方案中，材料层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、无定形硅层、旋涂碳(spin on carbon，SOC)层、无定形碳层(ACL)、类金刚石碳(DLC)层、TiOx层、AlOx层、TaOx层或HFOx层。在一些实施方案中，中间掩模层可以包括有机材料。在一些实施方案中，薄的硬掩模可以包括金属或金属化合物。在一些实施方案中，薄的硬掩模的厚度可以小于20nm。在一些实施方案中，在中间掩模层和薄的硬掩模之间的蚀刻选择性可以大于500:1。在一些实施方案中，中间掩模层的蚀刻速率可以大于材料层的蚀刻速率的三倍。在一些实施方案中，用于蚀刻中间掩模层的蚀刻参数不同于用于蚀刻材料层的蚀刻参数。
在一些实施方案中，该方法还包括：在材料层的顶部上包覆中间掩模层，在中间掩模层的顶部上形成薄的硬掩模层，以及蚀刻薄的硬掩模层以形成薄的硬掩模。
根据某些实施方案，在材料层中制造倾斜的表面浮雕结构的方法可以包括：在第一中间掩模层的顶部上形成薄的硬掩模，使用薄的硬掩模以倾斜角蚀刻第一中间掩模层以形成第一倾斜的中间掩模，使用第一倾斜的中间掩模以倾斜角蚀刻在第一中间掩模层下方的第二中间掩模层以形成第二倾斜的中间掩模，以及使用第二倾斜的中间掩模以倾斜角蚀刻材料层以在材料层中形成倾斜的表面浮雕结构。第一中间掩模层的特征可以在于大于材料层的蚀刻速率的第一蚀刻速率。第二中间掩模层的特征可以在于大于第一中间掩模层的第一蚀刻速率的第二蚀刻速率。
在一些实施方案中，倾斜的表面浮雕结构的最小占空比小于30％。在一些实施方案中，倾斜角相对于材料层的表面法线可以大于45°。在一些实施方案中，薄的硬掩模的厚度可以小于20nm。
在一些实施方案中，该方法还可以包括：在材料层的顶部上包覆第二中间掩模层，在第二中间掩模层的顶部上包覆第一中间掩模层，在第一中间掩模层的顶部上形成薄的硬掩模层，以及蚀刻薄的硬掩模层以形成薄的硬掩模。
根据某些实施方案，用于近眼显示系统中的波导显示器的倾斜的表面浮雕结构可以包括衬底和在衬底中形成的倾斜的表面浮雕光栅。倾斜的表面浮雕光栅的最小占空比可以小于30％。倾斜的表面浮雕光栅的倾斜角相对于衬底的表面法线可以大于45°。倾斜的表面浮雕光栅的深度可以大于100nm。
附图简述
下面参考以下附图详细地描述说明性的实施方案：
图1是根据某些实施方案的包括近眼显示器的人工现实系统环境的实例的简化框图。
图2是用于实现本文公开的一些实例的头戴式显示器(HMD)装置形式的近眼显示器的实例的透视图。
图3是用于实现本文公开的一些实例的一副眼镜形式的近眼显示器的简化实例的透视图。
图4图示了根据某些实施方案的使用波导显示器的光学透视增强现实系统的实例。
图5图示了显示光(display light)和外部光在示例性的波导显示器中的传播。
图6图示了根据某些实施方案的波导显示器中的倾斜光栅耦合器(slantedgrating coupler)的实例。
图7A-图7C图示了根据某些实施方案的用于通过倾斜蚀刻来制造倾斜的表面浮雕结构的工艺的实例。
图8A-图8C图示了根据某些实施方案的使用硬掩模来蚀刻深的倾斜的表面浮雕光栅的实例。
图9A-图9C图示了根据某些实施方案的用于在衬底的顶部上包覆掩模层以用于在衬底上蚀刻深的倾斜的表面浮雕光栅的工艺的实例。
图10A-图10C图示了根据某些实施方案的用于使用倾斜的中间掩模在衬底上蚀刻深的倾斜的表面浮雕光栅的工艺的实例。图10A图示了根据某些实施方案的图案化硬掩模层的实例。图10B图示了根据某些实施方案的使用图案化的硬掩模蚀刻中间掩模层的实例。图10C图示了根据某些实施方案的使用倾斜的中间掩模蚀刻衬底以在衬底上形成深的倾斜的表面浮雕光栅的实例。
图11A-图11P图示了根据某些实施方案的使用本文公开的技术制造的具有不同光栅占空比和深度的倾斜的表面浮雕光栅的实例。
图12图示了根据某些实施方案的使用本文公开的技术制造的倾斜的表面浮雕光栅的实例。
图13图示了根据某些实施方案的使用包括本文公开的技术的多种技术制造的具有不同光栅占空比的倾斜的表面浮雕光栅的实例的测量的占空比。
图14是图示了根据某些实施方案的制造倾斜的表面浮雕结构的方法的实例的流程图。
图15A图示了用于在衬底中蚀刻深的倾斜的表面浮雕光栅的厚的硬掩模的实例。
图15B图示了根据某些实施方案的用于在有机材料层中蚀刻具有小占空比的深的倾斜的表面浮雕光栅的薄的硬掩模的实例。
图16A是在石英衬底中蚀刻的倾斜的表面浮雕光栅的实例的显微图像。
图16B是根据某些实施方案的在有机材料层中蚀刻的倾斜的表面浮雕光栅的实例的显微图像。
图17是图示了根据某些实施方案的制造深的倾斜的表面浮雕结构的示例性方法的简化流程图。
图18是用于实现本文公开的一些实例的示例性近眼显示器的示例性电子系统的简化框图。
附图仅出于说明的目的描绘了本公开内容的实施方案。本领域技术人员将从下面的描述中容易地认识到，所示出的结构和方法的可选的实施方案可以被采用而不偏离本公开内容的原理或所推崇的益处。
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短划线和区分相似部件的第二标记来区分相同类型的多个部件。如果在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。
详细描述
本文公开的技术总体上涉及制造倾斜的表面浮雕结构。更具体地而非限制性地，本申请涉及用于制造用于基于波导的显示器的具有宽范围的占空比的深的、倾斜的表面浮雕结构的技术。本文公开的技术可以用于以高制造速度和高产量制造具有大的倾斜角、小的临界尺寸、宽范围的光栅占空比和/或高深度的倾斜的表面浮雕光栅。倾斜的表面浮雕光栅可以用作基于波导的显示器中的波导组合，以改善基于波导的显示器的视场、增加该基于波导的显示器的亮度或功率效率、以及减少该基于波导的显示器的显示伪像(例如，彩虹伪像)。
在一些实施方案中，发现期望制造用于操纵光和/或电的行为的倾斜结构。倾斜结构的一些益处可以包括光传输的高效率、折射率的大变化和/或其他。还发现平行的倾斜(相对于被蚀刻的表面的表面法线)的结构解决了某些应用特有的问题。因此，倾斜结构可以在许多光学装置或电子装置中使用，以用于操纵光和/或电的行为。例如，倾斜的光栅可以用作基于波导的人工现实(AR)显示装置中的波导组合器(waveguide combiner)。在一些应用中，为了选择性地将显示光和环境光耦合到波导中和/或耦合出波导并耦合到用户的眼睛中，改善视野，增加亮度效率，减少显示伪像(例如，彩虹伪像)，和/或改善波导显示器的其他性能，具有大范围的光栅占空比(例如，从约0.1至约0.9)、大的倾斜角(例如，大于30°、45°、60°或更大)和高深度(例如，大于100nm)的倾斜的表面浮雕光栅可能是期望的。
使用纳米压印技术或蚀刻技术以高生产速度以高制造精度和高产量制造这样的倾斜结构通常可能是具有挑战性的。例如，使用压印技术在不破裂或破坏模具、印模或压印的深的倾斜结构的至少一些光栅脊的情况下制造具有大范围占空比的这样的深的倾斜结构可能是困难的。为了蚀刻深的表面浮雕结构，可能需要厚的蚀刻掩模层来承受在长的蚀刻时间段内的高能离子。然而，在倾斜蚀刻中，其中蚀刻剂以相对于蚀刻掩模层和待蚀刻的材料层的表面法线大于0(例如，30°或更大)的倾斜角入射到蚀刻掩模层和待蚀刻的材料层(例如，在蚀刻掩模层下方的衬底)上，厚的蚀刻掩模层的遮蔽效应可以导致倾斜结构的线宽，以及因此的占空比(其可以被定义为光栅线宽和光栅周期之间的比率)远大于蚀刻掩模层上的图案的线宽(或占空比)。通常，蚀刻掩模层越厚并且倾斜角越大，遮蔽效应越高，并且因此光栅线宽或占空比的增加越大。例如，使用具有0.1的占空比的厚的蚀刻掩模蚀刻的倾斜结构的占空比可以是0.4或更高。
根据某些实施方案，为了增加蚀刻的深的倾斜结构的占空比的范围，可以使用一个或更多个中间掩模层以及薄的硬掩模层来制造深的倾斜结构。例如，包括有机材料的厚的中间掩模层可以在待蚀刻的衬底上形成。有机材料可以具有比光栅材料(例如，石英、Si或Si3N4)高得多的蚀刻速率(例如，3倍或更高)。有机材料还可以具有相对于薄的硬掩模层高得多的蚀刻选择性，诸如500:1或更高。薄的硬掩模层(例如，包括铬、铜、钛、铝或类似金属的金属层)可以在中间掩模层上形成。薄的硬掩模层可以首先被图案化以形成直的硬掩模(straight hard mask)，并且然后薄的直的硬掩模可以在倾斜蚀刻工艺中被用于图案化中间掩模层以形成倾斜的中间掩模。因为中间掩模层的有机材料相对于硬掩模层具有高的蚀刻速率和高的蚀刻选择性，所以蚀刻剂(例如，反应性离子)的能量可以较低，并且硬掩模层可以是薄的。因为硬掩模可以是薄的，所以由倾斜蚀刻中的硬掩模引起的遮蔽效应可以被减小，并且与薄的硬掩模相比，厚的倾斜的中间掩模可以具有占空比的非常小的增加。
在第二倾斜蚀刻步骤中，厚的倾斜的中间掩模可以用作蚀刻在厚的中间掩模层下方的下一个材料层的掩模，诸如将在其中制造倾斜结构的衬底或另一个中间掩模层。因为厚的中间掩模是倾斜的，所以厚的倾斜的中间掩模可以在随后的倾斜蚀刻中具有很少的遮蔽效应或不具有遮蔽效应。在一些实施方案中，因为厚的倾斜的中间掩模的边缘可以在随后的倾斜蚀刻中被蚀刻，所以厚的倾斜的中间掩模的占空比可以在蚀刻期间被减小，并且因此在衬底中形成的倾斜结构可以具有小于厚的倾斜的中间掩模的初始占空比的占空比(其可以类似于硬掩模的占空比)。以这种方式，可以实现具有低占空比(例如，约0.1或更低)和大的深度的倾斜结构。
在一些实施方案中，两种或更多种蚀刻工艺可以是不同的，例如，使用不同的蚀刻剂或其他蚀刻参数。例如，对于中间掩模层具有比硬掩模层高得多的蚀刻速率和高得多的蚀刻选择性的第一蚀刻工艺可以用于蚀刻倾斜的中间掩模。在下一个材料层(例如，将在其中制造倾斜结构的衬底)和中间掩模层之间具有相对高的蚀刻速率和蚀刻选择性的第二蚀刻工艺可以用于使用倾斜的中间掩模来蚀刻该下一个材料层。
在一些实施方案中，倾斜结构可以在与硬掩模层相比具有高得多的蚀刻速率和蚀刻选择性的材料层(例如，有机材料层而不是无机衬底)上被制造。这样，可以减小硬掩模层的厚度，从而减小由硬掩模层的遮蔽效应引起的蚀刻结构的占空比的增加。此外，因为有机材料层可以具有较高的蚀刻速率，所以有机材料层可以快得多地被蚀刻以形成深的倾斜结构。因此，可以提高制造深的倾斜结构的生产率或吞吐量。
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内容的实例的透彻理解。然而，将明显的是，在没有这些具体细节的情况下可以实施多种实例。例如，装置、系统、结构、组件、方法和其他部件可以以框图形式被示出为部件，以便避免在不必要的细节上模糊实例。在其他情况下，熟知的装置、工艺、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下被示出，以便避免模糊实例。附图和描述并不旨在是限制性的。在本公开内容中使用的术语和表达被用作描述性术语而非限制性术语，并且在使用这样的术语和表达时无意排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物。词语“实例”在本文中用于表示“用作实例、例子或说明”。本文描述为“实例”的任何实施方案或设计不一定被解释为相对于其他实施方案或设计是优选的或有利的。
图1是根据某些实施方案的包括近眼显示器120的人工现实系统环境100的实例的简化框图。图1中所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示器120、光学外部成像装置150和可选的输入/输出接口140，它们可以各自耦合到任选的控制台110。尽管图1示出了包括一个近眼显示器120、一个外部成像装置150和一个输入/输出接口140的示例性人工现实系统环境100，但在人工现实系统环境100中可以包括任何数量的这些部件，或者可以省略任何部件。例如，可以存在多个近眼显示器120，这些近眼显示器120由与控制台110通信的一个或更多个外部成像装置150监控。在一些配置中，人工现实系统环境100可以不包括外部成像装置150、任选的输入/输出接口140和任选的控制台110。在替代的配置中，在人工现实系统环境100中可以包括不同的或附加的部件。
近眼显示器120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。由近眼显示器120呈现的内容的实例包括图像、视频、音频或其某种组合中的一个或更多个。在一些实施方案中，音频可以经由外部装置(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部装置从近眼显示器120、控制台110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120可以包括一个或更多个刚性主体，该刚性主体可以刚性地或非刚性地彼此联接。刚性主体之间的刚性联接可以使所联接的刚性主体充当单个刚性实体。刚性主体之间的非刚性联接可以允许刚性主体相对于彼此移动。在多种实施方案中，近眼显示器120可以以任何合适的形状因子(包括一副眼镜)来实现。在下面参照例如图2-图4和图18进一步描述近眼显示器120的一些实施方案。此外，在多种实施方案中，本文描述的功能可以用于头戴式装置(headset)中，该头戴式装置组合近眼显示器120外部的环境的图像和人工现实内容(例如，计算机生成的图像)。因此，近眼显示器120可以用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)来增强近眼显示器120外部的物理、现实世界环境的图像，以向用户呈现增强现实。
在多种实施方案中，近眼显示器120可以包括显示电子器件122、显示光学器件124和眼睛跟踪单元130中的一个或更多个。在一些实施方案中，近眼显示器120还可以包括一个或更多个定位器126、一个或更多个位置传感器128和惯性测量单元(IMU)132。在多种实施方案中，近眼显示器120可以省略这些元件中的任何一个，或者可以包括附加的元件。此外，在一些实施方案中，近眼显示器120可以包括组合了结合图1描述的多种元件的功能的元件。
显示电子器件122可以根据从例如控制台110接收的数据向用户显示图像或促进图像的显示。在多种实施方案中，显示电子器件122可以包括一个或更多个显示面板，诸如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、无机发光二极管(ILED)显示器、微型发光二极管(mLED)显示器、有源矩阵OLED显示器(AMOLED)、透明OLED显示器(TOLED)或某种其他显示器。例如，在近眼显示器120的一种实施方式中，显示电子器件122可以包括前TOLED面板、后显示面板以及在前显示面板和后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器或者衍射膜或光谱膜)。显示电子器件122可以包括发射诸如红色、绿色、蓝色、白色或黄色的主导颜色的光的像素。在一些实施方式中，显示电子器件122可以通过由二维面板产生的立体效果来显示三维(3D)图像，以创建图像深度的主观感知。例如，显示电子器件122可以包括分别位于用户的左眼和右眼前方的左显示器和右显示器。左显示器和右显示器可以呈现相对于彼此水平偏移的图像的副本，以产生立体效果(即，观看图像的用户对图像深度的感知)。
在某些实施方案中，显示光学器件124可以光学地(例如，使用光学波导和耦合器)显示图像内容，或者放大从显示电子器件122接收的图像光，校正与图像光相关联的光学误差，并将经校正的图像光呈现给近眼显示器120的用户。在多种实施方案中，显示光学器件124可以包括一个或更多个光学元件，诸如例如衬底、光学波导、光圈(aperture)、费涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、输入/输出耦合器或者可以影响从显示电子器件122发射的图像光的任何其他合适的光学元件。显示光学器件124可以包括不同光学元件以及机械联接的组合，以保持组合中的光学元件的相对间距和定向。显示光学器件124中的一个或更多个光学元件可以具有光学涂层，诸如抗反射涂层、反射涂层、滤光涂层或不同光学涂层的组合。
显示光学器件124对图像光的放大可以允许显示电子器件122比更大的显示器在物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。此外，放大可以增加显示内容的视场。显示光学器件124对图像光的放大量可以通过从显示光学器件124调节、增加或移除光学元件来改变。在一些实施方案中，显示光学器件124可以将显示的图像投影到一个或更多个图像平面，所述图像平面可以比近眼显示器120更远离用户的眼睛。
显示光学器件124还可以被设计成校正一种或更多种类型的光学误差，诸如二维光学误差、三维光学误差或其组合。二维误差可以包括二维中出现的光学像差(opticalaberration)。二维误差的示例性类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括三维中出现的光学误差。三维误差的示例性类型可以包括球面像差(spherical aberration)、彗形像差(comatic aberration)、像场弯曲(field curvature)和像散(astigmatism)。
定位器126可以是相对于彼此并相对于近眼显示器120上的参考点位于近眼显示器120上的特定位置的对象。在一些实施方式中，控制台110可以识别由外部成像装置150捕获的图像中的定位器126，以确定人工现实头戴式装置的位置、定向或两者。定位器126可以是发光二极管(LED)、锥体棱镜(corner cube reflector)、反射标记、与近眼显示器120操作的环境形成对比的一种类型的光源或者它们的一些组合。在定位器126是有源部件(例如，LED或其他类型的发光器件)的实施方案中，定位器126可以发射可见光波段(例如，约380nm至750nm)中的光、红外(IR)波段(例如，约750nm至1mm)中的光、紫外波段(例如，约10nm至约380nm)中的光、电磁波谱的另一部分中的光或电磁波谱中各部分的任何组合中的光。
外部成像装置150可以基于从控制台110接收的校准参数生成慢速校准数据。慢速校准数据可以包括显示定位器126的观察位置的一个或更多个图像，这些图像可被外部成像装置150检测到。外部成像装置150可以包括一个或更多个照相机、一个或更多个摄像机、能够捕获包括一个或更多个定位器126的图像的任何其他装置、或者它们的一些组合。此外，外部成像装置150可以包括一个或更多个滤光器(例如，以提高信噪比)。外部成像装置150可以被配置成检测从外部成像装置150的视场中的定位器126发射或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，回射器(retroreflector))的实施方案中，外部成像装置150可以包括照亮一些或所有定位器126的光源，定位器126可以将光回射到外部成像装置150中的光源。可以将慢速校准数据从外部成像装置150传送到控制台110，并且外部成像装置150可以从控制台110接收一个或更多个校准参数，以调整一个或更多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、传感器温度、快门速度、孔径等)。
位置传感器128可以响应于近眼显示器120的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器128的实例可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、其他运动检测传感器或误差校正传感器或者它们的一些组合。例如，在一些实施方案中，位置传感器128可以包括测量平移运动(例如，向前/向后、向上/向下、或向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、或滚动)的多个陀螺仪。在一些实施方案中，多个位置传感器可以彼此正交定向。
IMU 132可以是基于从一个或更多个位置传感器128接收的测量信号生成快速校准数据的电子装置。位置传感器128可以位于IMU 132的外部、IMU 132的内部或它们的某种组合。基于来自一个或更多个位置传感器128的一个或更多个测量信号，IMU 132可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器120的初始位置的近眼显示器120的估计位置。例如，IMU 132可以对从加速度计接收的测量信号在时间上进行积分，以估计速度向量，并且对速度向量在时间上进行积分，以确定近眼显示器120上参考点的估计位置。替代地，IMU 132可以向控制台110提供采样的测量信号，控制台110可以确定快速校准数据。虽然参考点通常可以被定义为空间中的点，但是在多种实施方案中，参考点也可以被定义为近眼显示器120内的点(例如，IMU 132的中心)。
眼睛跟踪单元130可以包括一个或更多个眼睛跟踪系统。眼睛跟踪可以指确定眼睛相对于近眼显示器120的位置，包括眼睛的定向和定位。眼睛跟踪系统可以包括对一只或更多只眼睛进行成像的成像系统，并且可以任选地包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统捕获。例如，眼睛跟踪单元130可以包括发射可见光谱或红外光谱中的光的非相干光源或相干光源(例如，激光二极管)，以及捕获由用户的眼睛反射的光的照相机。作为另一个实例，眼睛跟踪单元130可以捕获由微型雷达单元发射的反射无线电波。眼睛跟踪单元130可以使用低功率光发射器，该低功率光发射器以不会伤害眼睛或不会引起身体不适的频率和强度发射光。眼睛跟踪单元130可以被布置成提高由眼睛跟踪单元130捕获的眼睛图像中的对比度，同时降低由眼睛跟踪单元130消耗的总功率(例如，降低由眼睛跟踪单元130中包括的光发射器和成像系统消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛跟踪单元130可以消耗小于100毫瓦的功率。
近眼显示器120可以使用眼睛的定向来例如，确定用户的瞳孔间距离(IPD)、确定凝视方向、引入深度线索(例如，模糊用户的主视线之外的图像)、收集关于VR媒体中的用户交互的启发信息(heuristics)(例如，作为暴露的刺激的函数在任何特定主体、对象或帧上花费的时间)、实现部分地基于至少一只用户眼睛的定向的一些其他功能、或者上述的一些组合。因为可以确定用户双眼的定向，所以眼睛跟踪单元130可以确定用户正在看哪里。例如，确定用户凝视的方向可以包括基于所确定的用户左眼和右眼的定向来确定会聚点(point of convergence)。会聚点可以是用户眼睛的两个视网膜中央凹轴相交的点。用户凝视的方向可以是穿过会聚点和用户眼睛瞳孔之间中点的线的方向。
输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110发送动作请求的装置。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。输入/输出接口140可以包括一个或更多个输入装置。示例性的输入装置可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏或用于接收动作请求并将所接收到的动作请求传送到控制台110的任何其他合适的装置。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被传送到控制台110，控制台110可以执行对应于所请求的动作的动作。在一些实施方案中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，或者当控制台110已经执行了所请求的动作并将指令传送给输入/输出接口140时，输入/输出接口140可以提供触觉反馈。
控制台110可以根据从外部成像装置150、近眼显示器120和输入/输出接口140中的一个或更多个接收的信息，向近眼显示器120提供内容以用于呈现给用户。在图1所示的实例中，控制台110可以包括应用储存器112、头戴式装置跟踪模块114、人工现实引擎116和眼睛跟踪模块118。控制台110的一些实施方案可以包括与结合图1描述的模块不同的或附加的模块。下面进一步描述的功能可以以不同于此处描述的方式被分布在控制台110的部件中。
在一些实施方案中，控制台110可以包括处理器和存储可由处理器执行的指令的非暂时性计算机可读存储介质。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。计算机可读存储介质可以是任何存储器，诸如硬盘驱动器、可移动存储器、或固态驱动器(例如，闪存或动态随机存取存储器(DRAM))。在多种实施方案中，结合图1描述的控制台110的模块可以被编码为非暂时性计算机可读存储介质中的指令，当由处理器执行时，这些指令使得处理器执行下面进一步描述的功能。
应用储存器112可以存储用于由控制台110执行的一个或更多个应用。应用可以包括一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以响应于经由用户眼睛的移动从用户接收的输入或者从输入/输出接口140接收的输入。应用的实例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
头戴式装置跟踪模块114可以使用来自外部成像装置150的慢速校准信息来跟踪近眼显示器120的移动。例如，头戴式装置跟踪模块114可以使用来自慢速校准信息的观察到的定位器和近眼显示器120的模型来确定近眼显示器120的参考点的位置。头戴式装置跟踪模块114还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器120的参考点的位置。此外，在一些实施方案中，头戴式装置跟踪模块114可以使用快速校准信息、慢速校准信息中的一部分或其某种组合来预测近眼显示器120的未来位置。头戴式装置跟踪模块114可以向人工现实引擎116提供近眼显示器120的估计的或预测的未来位置。
头戴式装置跟踪模块114可以使用一个或更多个校准参数来校准人工现实系统环境100，并且可以调整一个或更多个校准参数以降低确定近眼显示器120的位置时的误差。例如，头戴式装置跟踪模块114可以调整外部成像装置150的焦点，以获得在近眼显示器120上观察到的定位器的更准确的位置。此外，由头戴式装置跟踪模块114执行的校准也可以考虑从IMU 132接收的信息。此外，如果对近眼显示器120的跟踪丢失(例如，外部成像装置150失去至少阈值数量定位器126的视线)，头戴式装置跟踪模块114可以重新校准一些或所有校准参数。
人工现实引擎116可以在人工现实系统环境100内执行应用，并且从头戴式装置跟踪模块114接收近眼显示器120的位置信息、近眼显示器120的加速度信息、近眼显示器120的速度信息、近眼显示器120的预测的未来位置或者它们的某种组合。人工现实引擎116还可以从眼睛跟踪模块118接收估计的眼睛位置和定向信息。基于所接收到的信息，人工现实引擎116可以确定要提供给近眼显示器120用于显现给用户的内容。例如，如果所接收到的信息指示用户已经向左看，则人工现实引擎116可以为近眼显示器120生成反映用户的眼睛在虚拟环境中的移动的内容。此外，人工现实引擎116可以响应于从输入/输出接口140接收的动作请求来执行在控制台110上执行的应用内的动作，并且向用户提供指示动作已经被执行的反馈。反馈可以是经由近眼显示器120的视觉反馈或听觉反馈，或者经由输入/输出接口140的触觉反馈。
眼睛跟踪模块118可以从眼睛跟踪单元130接收眼睛跟踪数据，并且基于眼睛跟踪数据确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括相对于近眼显示器120或其任何元件的眼睛的定向、定位或两者。因为眼睛的旋转轴根据眼睛在其眼窝中的定位而改变，所以确定眼睛在其眼窝中的定位可以允许眼睛跟踪模块118更精确地确定眼睛的定向。
在一些实施方案中，眼睛跟踪模块118可以存储由眼睛跟踪单元130捕获的图像与眼睛位置之间的映射，以从由眼睛跟踪单元130捕获的图像确定参考眼睛位置。替代地或另外地，眼睛跟踪模块118可以通过比较从中确定参考眼睛位置的图像与从中确定更新的眼睛位置的图像来确定相对于参考眼睛位置的更新的眼睛位置。眼睛跟踪模块118可以使用来自不同成像装置或其他传感器的测量结果来确定眼睛位置。例如，眼睛跟踪模块118可以使用来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定参考眼睛位置，并且然后从快速眼睛跟踪系统确定相对于参考眼睛位置的更新的位置，直到基于来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定下一个参考眼睛位置。
眼睛跟踪模块118还可以确定眼睛校准参数，以提高眼睛跟踪的精度和准确度。眼睛校准参数可以包括每当用户佩戴或调整近眼显示器120时都可以改变的参数。示例性的眼睛校准参数可以包括眼睛跟踪单元130的部件和眼睛的一个或更多个部位(诸如，眼睛的中心、瞳孔、角膜边界或眼睛表面上的点)之间的估计的距离。其他示例性眼睛校准参数可以特定于特定用户，并且可以包括估计的平均眼睛半径、平均角膜半径、平均巩膜半径、眼睛表面上的特征图以及估计的眼睛表面轮廓。在来自近眼显示器120外部的光可以到达眼睛的实施方案中(如在一些增强现实应用中)，校准参数可以包括由于来自近眼显示器120外部的光的变化而导致的强度和色彩平衡的校正因子。眼睛跟踪模块118可以使用眼睛校准参数来确定由眼睛跟踪单元130捕获的测量值是否将允许眼睛跟踪模块118确定准确的眼睛位置(本文也被称为“有效测量值”)。眼睛跟踪模块118可能无法从中确定准确眼睛位置的无效测量值可能是由用户眨眼、调整头戴式装置或移除头戴式装置引起的，和/或可能是由近眼显示器120由于外部光而经历大于阈值的照明变化引起的。在一些实施方案中，眼睛跟踪模块118的至少一些功能可以由眼睛跟踪单元130来执行。
图2是用于实现本文公开的一些实例的头戴式显示器(HMD)装置200形式的近眼显示器的实例的透视图。HMD装置200可以是例如虚拟现实(VR)系统、增强现实(AR)系统、混合现实(MR)系统或其一些组合的一部分。HMD装置200可以包括主体220和头带(head strap)230。图2以透视图示出了主体220的顶侧223、前侧225和右侧227。头带230可以具有可调节的或可延伸的长度。在HMD装置200的主体220和头带230之间可以存在足够的空间，用于允许用户将HMD装置200安装到用户的头上。在多种实施方案中，HMD装置200可以包括附加的、更少的或不同的部件。例如，在一些实施方案中，HMD装置200可以包括眼镜镜腿(temple)和镜腿尖端，如例如图2所示的，而不是头带230。
HMD装置200可以向用户呈现包括具有计算机生成元素的物理、现实世界环境的虚拟视图和/或增强视图的媒体。由HMD装置200呈现的媒体的实例可以包括图像(例如，二维(2D)图像或三维(3D)图像)、视频(例如，2D视频或3D视频)、音频或其一些组合。图像和视频可以通过封装在HMD装置200的主体220中的一个或更多个显示组件(在图2中未示出)呈现给用户的每只眼睛。在多种实施方案中，一个或更多个显示组件可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，对于用户的每只眼睛一个显示面板)。电子显示面板的实例可以包括，例如，液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、无机发光二极管(ILED)显示器、微型发光二极管(mLED)显示器、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、透明有机发光二极管(TOLED)显示器、某种其他显示器或它们的一些组合。HMD装置200可以包括两个视窗(eye box)区域。
在一些实施方式中，HMD装置200可以包括多种传感器(未示出)，诸如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛跟踪传感器。这些传感器中的一些可以使用结构光图案用于感测。在一些实施方式中，HMD装置200可以包括用于与控制台通信的输入/输出接口。在一些实施方式中，HMD装置200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以在HMD装置200内执行应用，并且从多种传感器接收HMD装置200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其一些组合。在一些实施方式中，由虚拟现实引擎接收的信息可以用于向一个或更多个显示组件产生信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，HMD装置200可以包括定位器(未示出，诸如定位器126)，定位器相对于彼此和相对于参考点位于主体220上的固定位置。每个定位器可以发射可由外部成像装置检测的光。
图3是用于实现本文公开的一些实例的一副眼镜形式的近眼显示器300的实例的透视图。近眼显示器300可以是图1的近眼显示器120的特定实施方式，并且可以被配置为作为虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器来操作。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置为向用户呈现内容。在一些实施方案中，显示器310可以包括显示电子器件和/或显示光学器件。例如，如上文参照图1的近眼显示器120描述的，显示器310可以包括LCD显示面板、LED显示面板或光学显示面板(例如，波导显示组件)。
近眼显示器300还可以包括框架305上或框架305内的多种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施方案中，传感器350a-350e可以包括一个或更多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些实施方案中，传感器350a-350e可以包括一个或更多个图像传感器，其被配置为生成表示不同方向上的不同视场的图像数据。在一些实施方案中，传感器350a-350e可以用作输入装置来控制或影响近眼显示器300的显示内容，和/或向近眼显示器300的用户提供交互式VR/AR/MR体验。在一些实施方案中，传感器350a-350e也可以用于立体成像。
在一些实施方案中，近眼显示器300还可以包括一个或更多个照明器330，以将光投射到物理环境中。投射的光可以与不同的频带(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以服务于多种目的。例如，照明器330可以在黑暗环境中(或者在具有低强度的红外光、紫外光等的环境中)投射光，以帮助传感器350a-350e在黑暗环境内捕获不同对象的图像。在一些实施方案中，照明器330可以用于将某个光图案投射到环境中的对象上。在一些实施方案中，照明器330可以用作定位器，诸如上文参照图1描述的定位器126。
在一些实施方案中，近眼显示器300还可以包括高分辨率照相机340。照相机340可以捕获视场中的物理环境的图像。所捕获的图像可以例如由虚拟现实引擎(例如，图1的人工现实引擎116)处理，以将虚拟对象添加到所捕获的图像或者修改所捕获的图像中的物理对象，并且所处理的图像可以由用于AR应用或MR应用的显示器310显示给用户。
图4图示了根据某些实施方案的使用波导显示器的光学透视增强现实系统400的实例。增强现实系统400可以包括投影仪410和组合器415。投影仪410可以包括光源或图像源412和投影仪光学器件414。在一些实施方案中，图像源412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。在一些实施方案中，图像源412可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源412可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。在一些实施方案中，图像源412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。在一些实施方案中，图像源412可以包括光学图案生成器，诸如空间光调制器。投影仪光学器件414可以包括一个或更多个光学部件，光学部件可以调节来自图像源412的光，诸如对来自图像源412的光进行扩展、准直、扫描或者将来自图像源412的光投影到组合器415上。一个或更多个光学部件可以包括，例如，一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施方案中，投影仪光学器件414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412的光。
组合器415可以包括输入耦合器430，用于将来自投影仪410的光耦合到组合器415的衬底420中。输入耦合器430可以包括体全息光栅、衍射光学元件(DOE)(例如，表面浮雕光栅)、或折射耦合器(例如，光楔(wedge)或棱镜)。对于可见光，输入耦合器430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，可见光可以指的是具有在约380nm至约750nm之间的波长的光。耦合到衬底420中的光可以通过例如全内反射(TIR)在衬底420内传播。衬底420可以是一副眼镜的镜片的形式。衬底420可以具有平坦的表面或弯曲的表面，并且可以包括一种或更多种类型的介电材料，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。衬底的厚度可以在例如，小于约1mm至约10mm或更大的范围内。衬底420对可见光可以是透明的。如果光束可以以高透射率(transmission rate)(诸如大于50％、40％、75％、80％、90％、95％或更高)穿过材料，其中一小部分光束(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”。透射率(即，透射度(transmissivity))可以由波长范围内的适光加权的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420可以包括多于一个输出耦合器440或者可以被耦合到多于一个输出耦合器440，所述输出耦合器440被配置成从衬底420提取由衬底420引导并在衬底420内传播的光的至少一部分，并且将所提取的光460引导至增强现实系统400的用户的眼睛490。像输入耦合器430一样，输出耦合器440可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其他DOE、棱镜等。输出耦合器440在不同的位置处可以具有不同的耦合(例如，衍射)效率。衬底420还可以允许来自组合器415前面的环境的光450以很少的损失或没有损失地穿过。输出耦合器440还可以允许光450以很少的损失穿过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有低的衍射效率，使得光450可以被折射或者以其他方式以很少的损失穿过输出耦合器440，并且因此可以具有比所提取的光460更高的强度。在一些实施方式中，输出耦合器440对光450可以具有高的衍射效率，并且可以以很少的损失将光450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415前面的环境和由投影仪410投影的虚拟对象的组合图像。
图5图示了在包括波导510和光栅耦合器520的波导显示器500的实例中入射显示光540和外部光530的传播。波导显示器500可以包括例如图4的组合器415。波导510可以是平坦的或弯曲的透明衬底，其中折射率n2大于自由空间折射率n1(即，1.0)。光栅耦合器520可以包括，例如，布拉格光栅(Bragg grating)或表面浮雕光栅。
入射显示光540可以通过例如图4的输入耦合器430或上文描述的其他耦合器(例如，棱镜或倾斜的表面)被耦合到波导510中。入射显示光540可以通过例如全内反射在波导510内传播。当入射显示光540到达光栅耦合器520时，入射显示光540可以被光栅耦合器520衍射成例如，0阶衍射(即，反射)光542和-1阶衍射光544。0阶衍射可以继续在波导510内传播，并且可以在不同的位置处被波导510的底表面朝向光栅耦合器520反射。-1阶衍射光544可以朝向用户的眼睛从波导510耦合(例如，折射)出去，因为由于-1阶衍射光544的衍射角，在波导510的底表面处可能不满足全内反射条件。
外部光530也可以被光栅耦合器520衍射成例如0阶衍射光532或-1阶衍射光534。0阶衍射光532或-1阶衍射光534可以朝向用户的眼睛从波导510被折射出去。因此，光栅耦合器520可以充当输入耦合器，用于将外部光530耦合到波导510中，并且还可以充当输出耦合器，用于将入射显示光540从波导510耦合出去。这样，光栅耦合器520可以充当组合器，用于组合外部光530和入射显示光540，并将所组合的光发送到用户的眼睛。
为了在朝向用户的眼睛的期望的方向上衍射光，并且为了对于某些衍射阶获得期望的衍射效率，光栅耦合器520可以包括闪耀光栅(blazed grating)或倾斜光栅，诸如倾斜的布拉格光栅或表面浮雕光栅，其中光栅脊(ridge)和槽(groove)可以相对于光栅耦合器520或波导510的表面法线倾斜。
图6图示了根据某些实施方案的示例性波导显示器600中的示例性倾斜光栅620。倾斜光栅620可以是输出耦合器440或光栅耦合器520的实例。波导显示器600可以包括波导610(诸如衬底420)或波导510上的倾斜光栅620。倾斜光栅620可以充当光栅耦合器，用于将光耦合到波导610中或从波导610耦合出去。在一些实施方案中，倾斜光栅620可以包括具有周期p的周期性结构。例如，倾斜光栅620可以包括多于一个脊622和在脊622之间的槽624。倾斜光栅620的每个周期可以包括脊622和槽624，槽624可以是空气间隙或填充有折射率为ng2的材料的区域。脊622的宽度d与光栅周期p之间的比率可以被称为占空比。倾斜光栅620可以具有例如从约10％至约90％或更大的占空比范围。在一些实施方案中，占空比可以从周期到周期变化。在一些实施方案中，倾斜光栅的周期p可以在倾斜光栅620上从一个区域到另一个区域变化，或者可以在倾斜光栅620上从一个周期到另一个周期变化(即，啁啾(chirped))。
脊622可以由具有ng1的折射率的材料制成，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622可以包括具有倾斜角α的前缘630和具有倾斜角β的后缘640。在一些实施方案中，每个脊622的前缘630和后缘640可以彼此平行。换句话说，倾斜角α近似等于倾斜角β。在一些实施方案中，倾斜角α可以不同于倾斜角β。在一些实施方案中，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之间的差异可以小于20％、10％、5％、1％或更小。在一些实施方案中，倾斜角α和倾斜角β可以在例如从约30°或更小至约70％或更大的范围内。
在一些实施方式中，脊622之间的槽624可以外包覆(over-coat)或填充有具有折射率ng2的材料，所述折射率ng2高于或低于脊622的材料的折射率。例如，在一些实施方案中，高折射率材料，诸如氧化铪(Hafnia)、氧化钛(Titania)、氧化钽(Tantalum oxide)、氧化钨(Tungsten oxide)、氧化锆(Zirconium oxide)、硫化镓(Gallium sulfide)、氮化镓(Gallium nitride)、磷化镓(Gallium phosphide)、硅和高折射率聚合物，可以用于填充槽624。在一些实施方案中，低折射率材料，诸如氧化硅(silicon oxide)、氧化铝(alumina)、多孔二氧化硅(porous silica)或氟化低折射率单体(fluorinated low index monomer)(或聚合物)，可以用于填充槽624。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工艺和后图案化(例如，外包覆(over-coating))工艺。图案化工艺可以用于形成倾斜光栅的倾斜脊。可以存在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。后图案化工艺可以用于外包覆倾斜脊和/或用具有不同于倾斜脊的折射率的材料填充倾斜脊之间的间隙。后图案化工艺可以独立于图案化工艺。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工艺。
下面描述的用于制造倾斜光栅的技术和工艺仅用于说明的目的，并且不意图是限制性的。本领域技术人员将理解，可以对下面描述的技术进行多种修改。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多种材料上制造其他倾斜结构。
图7A-图7C图示了根据某些实施方案的用于通过倾斜蚀刻来制造倾斜的表面浮雕光栅的工艺的实例。图7A示出了在光刻工艺(lithography process)诸如光蚀刻工艺(photolithography process)或电子束光刻工艺之后的结构700。结构700可以包括可以用作上文描述的波导显示器的波导的衬底710，诸如玻璃或石英衬底。在一些实施方案中，结构700还可以包括光栅材料层720，诸如Si3N4、SiO2、氧化钛、氧化铝及类似物的层。衬底710可以具有折射率nwg，并且光栅材料层720可以具有折射率ng1。在一些实施方案中，光栅材料层720可以是衬底710的一部分。具有期望图案的掩模层730可以在光栅材料层720的顶部上形成。掩模层730可以包括，例如，光致抗蚀剂材料、金属(例如，铜、铬、钛、铝或钼)、金属间化合物(例如，MoSiON)或有机材料(例如，聚合物)。掩模层730可以被称为硬掩模层。可以通过例如，光学投影(使用光掩模)或电子束光刻工艺、纳米压印光刻(NIL)工艺、多光束干涉工艺及类似工艺来形成掩模层730。
图7B示出了在倾斜蚀刻工艺诸如干法蚀刻工艺(例如，反应性离子蚀刻(RIE)、感应耦合等离子体(ICP)蚀刻、深硅蚀刻(DSE)、离子束蚀刻(IBE)或IBE的变型)之后的结构740。倾斜蚀刻工艺可以包括一个或更多个子步骤。可以通过例如基于期望的倾斜角相对于蚀刻光束的方向旋转结构700并通过蚀刻光束蚀刻光栅材料层720来执行倾斜蚀刻。在蚀刻之后，可以在光栅材料层720中形成倾斜光栅750。
图7C示出了在移除掩模层730之后的结构770。结构770可以包括衬底710、光栅材料层720和倾斜光栅750。倾斜光栅750可以包括多于一个脊752和槽754。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730。在一些实施方式中，掩模层730可以不被移除，并且可以用作倾斜光栅的一部分。每个脊752的宽度可以被称为线宽。在一些实施方案中，可以使用该工艺可靠地制造的掩模层730的最小特征尺寸或脊752的最小线宽(其可以被称为工艺的临界尺寸(CD))可能由于例如在光蚀刻中使用的光的波长、光蚀刻系统的数值孔径和其他工艺相关因素(其可以被称为k1因素)而受到限制。
随后，在一些实施方式中，可以执行后图案化(例如，外包覆)工艺，以用具有高于或低于脊752的材料的折射率的材料外包覆倾斜光栅750。例如，如上文所描述的，在一些实施方案中，高折射率材料诸如氧化铪、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可以用于外包覆。在一些实施方案中，低折射率材料诸如氧化硅、氧化铝、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)可以用于外包覆。结果，脊752的折射率和槽754中外包覆材料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。
如上文所描述的，为了选择性地将显示光和/或环境光耦合到波导中和/或耦合出波导并耦合到用户的眼睛中，改善视野，增加亮度或功率效率，减少显示伪像(例如彩虹伪像)，和/或改善波导显示器的其他性能，具有大范围的光栅占空比(例如，从约0.1至约0.9)、大的倾斜角(例如，大于30°、45°、60°或更大)和高深度(例如，大于100nm)的倾斜的表面浮雕光栅可能是期望的。同样如上文所描述的，以高制造精度和高产量以高生产速度蚀刻这样的倾斜结构可能是具有挑战性的。例如，为了使用例如离子束或等离子体蚀刻深的表面浮雕结构，离子的能量和剂量可能需要是高的，并且蚀刻时间可能是长的。这样，可能需要厚的蚀刻掩模层，以便承受长蚀刻时间段内的高能离子。在倾斜蚀刻中，其中蚀刻剂以相对于蚀刻掩模层和待蚀刻的材料层的表面法线大于0(例如，30°或更大)的倾斜角入射到蚀刻掩模层和待蚀刻的材料层(例如，在蚀刻掩模层下方的衬底)上，厚的蚀刻掩模层的遮蔽效应可以导致倾斜结构的线宽，以及由此的占空比远大于蚀刻掩模层上的图案的线宽(或占空比)。
图8A图示了根据某些实施方案的使用硬掩模蚀刻倾斜的表面浮雕光栅的实例。如所图示的，结构800可以在例如光刻工艺诸如使用光掩模的光蚀刻工艺、电子束光刻工艺或NIL工艺之后被形成。结构800可以包括在其中可以形成表面浮雕结构的衬底810。可以通过光刻工艺在衬底810的顶部上沉积并图案化硬蚀刻掩模层，以形成硬蚀刻掩模820。如上文所描述的，硬蚀刻掩模层730可以包括，例如，光致抗蚀剂材料、金属(例如，铜、铬、钛、铝或钼)、金属间化合物(例如，MoSiON)或有机材料(例如，聚合物)。硬蚀刻掩模820可以包括光栅结构，其中光栅脊的宽度是d，光栅结构的周期是p(在图8A中未示出)，并且硬蚀刻掩模820的高度是H。
图8B图示了根据某些实施方案的使用硬蚀刻掩模蚀刻深的倾斜的表面浮雕光栅的实例。如图8B所示，为了蚀刻具有倾斜角α的表面浮雕光栅，离子束830可以相对于衬底810的表面法线以角度α轰击结构800。例如，在蚀刻系统中保持衬底810的板可以相对于离子束830的方向倾斜角度α。由于硬蚀刻掩模820的有限高度H和倾斜蚀刻，硬蚀刻掩模820可以阻挡离子到达在硬蚀刻掩模820下方具有尺寸d’的区域，其中被硬蚀刻掩模820遮蔽的区域的尺寸d’可以由以下表示：
Figure BDA0003166068910000251
这样，制造的倾斜的表面浮雕光栅的有效占空比可以是：
Figure BDA0003166068910000252
图8C图示了根据某些实施方案的使用硬掩模蚀刻深的倾斜的表面浮雕光栅的实例。在图8C中，离子束840可以相对于衬底810的表面法线以角度α’轰击结构800，其中α’大于α。由于硬蚀刻掩模的遮蔽效应，被硬蚀刻掩模820阻挡的衬底810的区域的尺寸d”可以大于图8B中所示的d’。
如上文所示并且如由上述等式所指示的，蚀刻掩模层越厚并且倾斜角越大，则遮蔽效应越高，并且因此光栅线宽或倾斜结构的占空比的增加越高。例如，使用具有0.1的占空比的厚的蚀刻掩模蚀刻的倾斜结构的占空比可以是0.4或更高。在一些情况下(例如，当光栅周期大时)，减小厚的蚀刻掩模的特征尺寸可以有助于减小倾斜结构的占空比。然而，如上文所描述的，可以使用工艺可靠地制造的厚的蚀刻掩模层的最小特征尺寸(或该工艺的CD)可能受到限制。因此，减小厚的蚀刻掩模的特征尺寸可能不足以实现低的占空比，诸如约0.1。
根据某些实施方案，为了增加蚀刻的深的倾斜结构的占空比的范围，可以使用一个或更多个中间掩模层以及薄的硬掩模层来制造深的倾斜结构。在一个实例中，包括有机材料的厚的中间掩模层可以在待蚀刻的衬底的顶部上形成。有机材料可以具有比光栅材料(例如，石英、Si或Si3N4)高得多的蚀刻速率(例如，3倍或更高)。有机材料还可以具有相对于薄的硬掩模层高得多的蚀刻选择性，诸如500:1或更高。薄的硬掩模层(例如，包括例如铬、铜、钛、铝及类似金属的金属层)可以在中间掩模层的顶部上形成。薄的硬掩模层可以首先使用光刻工艺，诸如光蚀刻或电子束光刻来图案化，以形成直的硬掩模。
在第一倾斜蚀刻工艺中，薄的直的硬掩模可以用于图案化中间掩模层以形成倾斜的中间掩模，其中离子束可以以基本上等于待制造的倾斜的表面浮雕结构的倾斜角的角度轰击薄的直的硬掩模和中间掩模层。因为中间掩模层的有机材料相对于硬掩模层具有高蚀刻速率和高蚀刻选择性，所以蚀刻剂(例如，反应离子)的能量可以较低，并且硬掩模层可以是薄的，诸如约10nm或更薄。因为硬掩模是薄的，所以由倾斜蚀刻期间的硬掩模引起的遮蔽效应可以被减小，并且与薄的硬掩模相比，厚的倾斜的中间掩模可以具有占空比的非常小的增加。
在第二倾斜蚀刻步骤中，厚的倾斜的中间掩模可以用作蚀刻在厚的中间掩模层下方的下一个材料层的掩模，诸如将在其中制造倾斜结构的衬底或另一个中间掩模层。因为厚的中间掩模是以期望的倾斜角倾斜的，所以厚的倾斜的中间掩模可能在随后的倾斜蚀刻中具有很少的遮蔽效应或不具有遮蔽效应。在一些实施方案中，因为厚的倾斜的中间掩模的边缘可以在随后的倾斜蚀刻期间被蚀刻，所以厚的倾斜的中间掩模的占空比可以被减小，并且因此在衬底中形成的倾斜结构可以具有小于厚的倾斜的中间掩模的初始占空比的占空比(其可以类似于硬掩模的占空比)。以这种方式，可以实现具有小的最小占空比(例如，约0.1或更低)和大的深度的倾斜结构。
图9A-图9C图示了根据某些实施方案的用于在衬底的顶部上包覆掩模层以用于在衬底上蚀刻深的倾斜的表面浮雕光栅的工艺的实例。图9A示出了将在其中制造深的倾斜的表面浮雕光栅的衬底910。如上文所描述的，衬底910可以包括，例如，二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、氧化铝、聚合物、PMMA、陶瓷、SiC、SiOxNy、无定形硅层、旋涂碳(SOC)层、无定形碳层(ACL)、类金刚石碳(DLC)层、TiOx、AlOx、TaOx、HfOx及类似物。在一个实例中，衬底910可以包括石英衬底，该石英衬底可以包括平坦的或弯曲的表面。
图9B图示了在衬底910的顶部上形成的中间掩模层920。如上文所描述的，中间掩模层920可以包括有机材料，该有机材料与硬掩模层(诸如包括金属或金属化合物的硬掩模层)相比具有高得多的蚀刻速率和蚀刻选择性。在一个实例中，中间掩模层920可以包括光学致密化有机材料层(optical densifying organic material layer)。在一些实施方案中，可以使用旋涂技术在衬底910的顶部上形成中间掩模层920。在一些实施方案中，中间掩模层920可以通过例如化学气相沉积(CVD)被沉积在衬底910的顶部上。
图9C图示了在中间掩模层920的顶部上形成的薄的硬掩模层930。如上文所描述的，薄的硬掩模层930可以包括例如金属(例如，铜、铬、钛、铝或钼)或金属间化合物(例如，MoSiON)。在一些实施方案中，薄的硬掩模层930可以具有小于例如20nm的厚度，诸如约10nm或更薄。具有一个或更多个中间掩模层920和薄的硬掩模层930的衬底910可以在如下文详细描述的两个或更多个步骤中被蚀刻，以制造深的倾斜的表面浮雕结构，诸如具有固定的光栅参数或变化的光栅参数的光栅，所述光栅参数包括例如线宽、光栅周期、占空比或深度。
图10A-图10C图示了根据某些实施方案的用于使用倾斜的中间掩模在衬底中蚀刻深的表面浮雕光栅的工艺的实例。参照图10A-图10C描述的工艺可以用于蚀刻包覆有两个或更多个掩模层的衬底，如图9C所示。
图10A图示了根据某些实施方案的图案化硬掩模层(例如，硬掩模层930)的实例。如上文所描述的，可以使用多种光刻技术来图案化硬掩模层930。例如，可以使用光蚀刻工艺来图案化硬掩模层930，其中可以在硬掩模层930上形成光致抗蚀剂层，并且可以通过光掩模将光致抗蚀剂层暴露于光。光致抗蚀剂层可以被显影以去除光致抗蚀剂层的曝光区域或未曝光区域(取决于光致抗蚀剂是正性光致抗蚀剂还是负性光致抗蚀剂)，并且可以被用作蚀刻硬掩模层930的掩模。在该工艺之后，可以在硬掩模层930中形成硬蚀刻掩模1010。在一些其他实施方案中，可以使用电子束光刻或NIL工艺来形成硬蚀刻掩模1010。如所示出的，硬蚀刻掩模1010可以包括具有特征尺寸d和周期p的图案。
图10B图示出了根据某些实施方案的使用图案化的硬蚀刻掩模1010蚀刻中间掩模层(例如，中间掩模层920)的实例。如图10B所示，离子束1005可以被加速以便以期望的倾斜角轰击硬蚀刻掩模1010和中间掩模层920，以蚀刻中间掩模层920中的倾斜的中间掩模1020。倾斜的中间掩模1020的周期可以近似等于硬蚀刻掩模1010的周期p。因为硬蚀刻掩模1010是薄的，诸如小于约20nm或10nm，所以由于硬蚀刻掩模1010的有限厚度和倾斜蚀刻，硬蚀刻掩模1010的遮蔽效应可能是小的。这样，倾斜的中间掩模1020的线宽d’可以近似等于硬蚀刻掩模1010的特征尺寸d。因此，倾斜的中间掩模1020的占空比可以近似等于硬蚀刻掩模1010的占空比。离子束1005可以包括例如氢离子、氦离子、氧离子和反应性气体(例如，CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、C4F8、C4F6、C2F6、C2F8、NF3、CLF3、N2O、N2、O2、SO2、COS、SF6、Cl2、BCl3、HBr、H2、Ar、He或Ne中的至少一种)。在多种实施方案中，与硬蚀刻掩模1010相比，用于蚀刻倾斜的中间掩模1020的蚀刻工艺对于中间掩模层920可以具有高得多的蚀刻速率和高得多的蚀刻选择性。例如，可以选择合适的离子和/或反应性气体(例如，O2、CO、CO2、N2O、N2、NH3，或类似物)以实现期望的蚀刻速率和选择性。
图10C图示了根据某些实施方案的使用倾斜的中间掩模1020蚀刻衬底(例如，衬底910)以在衬底910中形成深的倾斜的表面浮雕光栅1030的示实例。如图10C所示，离子束1015可以被加速以便以期望的倾斜角轰击倾斜的中间掩模1020和衬底910，以蚀刻衬底910中的深的倾斜的表面浮雕光栅1030。深的倾斜的表面浮雕光栅1030的周期可以近似等于硬蚀刻掩模1010的周期(p)和倾斜的中间掩模1020的周期(p)。因为倾斜的中间掩模1020以近似等于深的倾斜的表面浮雕光栅1030的期望的倾斜角的倾斜角倾斜，所以倾斜的中间掩模1020的遮蔽效应可能非常小。此外，在一些实施方案中，倾斜的中间掩模1020的边缘可以在衬底910的倾斜蚀刻期间被蚀刻，并且因此倾斜的中间掩模1020的占空比可以被减小。结果，在衬底910中形成的深的倾斜的表面浮雕光栅1030可以具有小于倾斜的中间掩模1020的初始占空比(其可以类似于或略大于硬蚀刻掩模1010的占空比)的占空比。这样，深的倾斜的表面浮雕光栅1030的线宽d”可以近似等于倾斜的中间掩模1020的线宽d'和硬蚀刻掩模1010的特征尺寸d’。因此，深的倾斜的表面浮雕光栅1030的占空比可以近似等于硬蚀刻掩模1010的占空比。离子束1015可以包括例如氢离子、氦离子、氧离子和反应性气体(例如，CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、C4F8、C4F6、C2F6、C2F8、NF3、CLF3、N2O、N2、O2、SO2、COS、SF6、Cl2、BCl3、HBr、H2、Ar、He或Ne中的至少一种)。在多种实施方案中，相对于倾斜的中间掩模1020，用于蚀刻衬底910的蚀刻工艺对于衬底910可以具有相对高的蚀刻速率和蚀刻选择性。例如，可以选择合适的离子和/或反应性气体(例如，O2、CO、CO2、N2O、N2、NH3，或类似物)以实现蚀刻速率和选择性。
图11A-图11P图示了根据某些实施方案的使用本文公开的技术制造的具有不同光栅占空比的倾斜的表面浮雕光栅的实例。图11A-图11P中所示的倾斜的表面浮雕光栅的实例的设计的占空比范围从约0.1至约0.8。例如，图11A所示的倾斜的表面浮雕光栅的设计的占空比是约0.1。
图12是显微图像1200，其描绘了根据某些实施方案的使用本文公开的技术在石英衬底1210中制造的倾斜的表面浮雕光栅1220的实例。从显微图像1200中可以测量倾斜的表面浮雕光栅1220的参数，诸如光栅周期p、光栅脊1222的线宽d、光栅脊1222的深度以及光栅脊1222的前缘和后缘的倾斜角。在一些情况下，线宽d在光栅脊1222的整个深度上可以不是均匀的。例如，光栅脊1222的顶部可以比光栅脊1222的底部窄。在图12所示的实例中，线宽d和/或光栅周期p可以在光栅脊1222的中间测量。
图13是示出了根据某些实施方案的使用包括本文公开的技术的多种技术制造的具有不同光栅占空比的倾斜的表面浮雕光栅的实例的测量的占空比的图1300。如上文所描述的，每个制造的倾斜的表面浮雕光栅的光栅周期和光栅脊的线宽可以在例如光栅脊的中间处从显微图像中测量。然后，可以基于所测量的光栅周期和线宽来计算制造的倾斜的表面浮雕光栅的占空比，并且可以与设计的占空比进行比较。对于使用倾斜的中间掩模的工艺，也可以从显微图像中测量每个倾斜的中间掩模的光栅周期和光栅脊的线宽，并且用于计算中间掩模的占空比。在图1300中，x轴对应于设计的占空比，其可以是硬蚀刻掩模的占空比，例如掩模层730、硬蚀刻掩模820或硬蚀刻掩模1010的占空比。y轴对应于制造的结构的测量的占空比，诸如倾斜的表面浮雕光栅或中间掩模的测量的占空比。
图1300包括曲线1310，其示出了在不使用中间掩模的情况下制造的倾斜的表面浮雕光栅的测量结果，诸如图7A-图7C和图8A-图8C中所示的工艺。如所示出的，对于具有0.1的占空比的硬蚀刻掩模，使用硬蚀刻掩模制造的倾斜的表面浮雕光栅可以具有约0.45的占空比，这至少部分地是由于硬蚀刻掩模的遮蔽效应(该硬蚀刻掩模可能需要是厚的，以便蚀刻深的倾斜的表面浮雕光栅)。对于具有0.7的占空比的硬蚀刻掩模，使用硬蚀刻掩模制造的倾斜的表面浮雕光栅可以具有约0.9的占空比。因此，在不使用中间掩模的情况下制造的倾斜的表面浮雕光栅的占空比可以在从约0.45至约0.9的范围内。
图1300还包括曲线1320，其示出了使用如上文关于图10B描述的薄的硬蚀刻掩模制造的倾斜的中间掩模的测量结果。图1300中的曲线1330示出了使用如上文关于图10C描述的倾斜的中间掩模制造的倾斜的表面浮雕光栅的测量结果。如所示出的，对于具有0.1的占空比的较薄的硬蚀刻掩模，使用硬蚀刻掩模制造的倾斜的中间掩模可以具有约0.28的占空比，并且使用倾斜的中间掩模制造的倾斜的表面浮雕光栅可以具有约0.16的占空比。对于具有0.8的占空比的硬蚀刻掩模，使用硬蚀刻掩模制造的倾斜的中间掩模可以具有接近1.0的占空比，并且使用倾斜的中间掩模制造的倾斜的表面浮雕光栅可以具有约0.88的占空比。倾斜的表面浮雕光栅的占空比从倾斜的中间掩模的减少可能是由在倾斜的表面浮雕光栅的蚀刻期间倾斜的中间掩模的边缘的蚀刻引起的。使用中间掩模制造的倾斜的表面浮雕光栅的占空比可以在从约0.16至约0.9的范围内，该范围从如由曲线1310所示的约0.45至0.9的范围显著扩展。
图14是示出了根据某些实施方案的制造倾斜的表面浮雕结构的方法的实例的流程图1400。在流程图1400中描述的操作仅仅是为了说明的目的，而不意图是限制性的。在多种实施方式中，可以对流程图1400进行修改以增加附加操作，合并一些操作，分开一些操作，重新排序一些操作或省略一些操作。
任选地，在框1410，可以在衬底的顶部上形成一个或更多个中间掩模层。一个或更多个中间掩模层可以各自包括有机材料，诸如光学致密化有机材料、聚合物材料及类似物。一个或更多个中间掩模层中的每一个的厚度可以大于在衬底中待蚀刻的倾斜的表面浮雕结构的期望深度。一个或更多个中间掩模层可以通过例如旋涂或沉积(例如，化学气相沉积(CVD))在衬底的顶部上形成。衬底可以包括例如半导体衬底、SiO2层、Si3N4材料层、氧化钛层、氧化铝层、SiC层、SiOxNy层、无定形硅层、旋涂碳(SOC)层、无定形碳层(ACL)、类金刚石碳(DLC)层、TiOx层、AlOx层、TaOx层或HFOx层。使用一些蚀刻技术，一个或更多个中间掩模层可以具有大于衬底的蚀刻速率的蚀刻速率。例如，一个或更多个中间掩模层可以具有大于衬底的蚀刻速率的三倍的蚀刻速率。
任选地，在框1420，可以在一个或更多个中间掩模层的顶部上形成硬掩模层。硬掩模层可以包括金属(例如，铜、铬、钛、铝或钼)或金属化合物(例如，MoSiON)。在一些实施方案中，硬掩模层的厚度可以小于约20nm或小于约10nm。在一些实施方案中，一个或更多个中间掩模层和硬掩模层之间的蚀刻选择性可以大于500:1。
在框1430，可以使用多种光刻技术来图案化硬掩模层，以形成硬掩模。例如，可以使用光蚀刻工艺来图案化硬掩模层，其中可以在硬掩模层上形成光致抗蚀剂层，并且可以通过光掩模将光致抗蚀剂层暴露于光。光致抗蚀剂层可以被显影以去除光致抗蚀剂层的曝光区域或未曝光区域(取决于光致抗蚀剂是正性光致抗蚀剂还是负性光致抗蚀剂)，并且可以被用作掩模，以蚀刻硬掩模层以形成硬掩模。在一些其他实施方案中，可以使用电子束光刻或NIL工艺来形成硬掩模。在一些实施方案中，硬掩模可以具有比倾斜的表面浮雕结构的期望占空比略低的占空比，以补偿随后的倾斜蚀刻中的遮蔽效应。
在框1440，可以在第一蚀刻工艺中使用硬掩模以倾斜角来蚀刻第一中间掩模层，以形成第一倾斜的中间掩模。第一蚀刻工艺可以使用例如RIE系统和多种化学品来执行，所述化学品诸如氢离子、氦离子、氧离子和反应性气体(例如，CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、C4F8、C4F6、C2F6、C2F8、NF3、CLF3、N2O、N2、O2、SO2、COS、SF6、Cl2、BCl3、HBr、H2、Ar、He或Ne中的至少一种)。在一些实施方案中，倾斜角可以大于30°、45°或60°。第一倾斜的中间掩模可以具有大于在衬底中待蚀刻的倾斜的表面浮雕结构的期望深度的深度。因为蚀刻的高选择性和第一中间掩模层的高蚀刻速率，具有较低能量的蚀刻剂(例如，离子)和较薄的硬掩模可能足以蚀刻第一倾斜的中间掩模。
任选地，在框1450，可以在第二蚀刻工艺中使用第一倾斜的中间掩模以倾斜角来蚀刻第二中间掩模层，以形成第二倾斜的中间掩模。第二蚀刻工艺可以使用例如RIE系统和多种化学品来执行，所述化学品诸如氢离子、氦离子、氧离子和反应性气体(例如，CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、C4F8、C4F6、C2F6、C2F8、NF3、CLF3、N2O、N2、O2、SO2、COS、SF6、Cl2、BCl3、HBr、H2、Ar、He或Ne中的至少一种)。使用第二蚀刻工艺，第二中间掩模层可以具有高于第一中间掩模层的蚀刻速率。与第一蚀刻工艺相比，第二蚀刻工艺可以具有不同的工艺参数(例如，化学品或离子束能量)。在一些实施方案中，由于在第二蚀刻工艺期间第一倾斜的中间掩模的边缘的蚀刻，第二倾斜的中间掩模的占空比可以略低于第一倾斜的中间掩模的占空比。在一些实施方案中，可以使用多于两个的中间掩模层以在多个步骤中将设计的图案从硬掩模转移到衬底。
在框1460，可以在第三蚀刻工艺中使用第一倾斜的中间掩模或第二倾斜的中间掩模以倾斜角来蚀刻衬底，以在衬底中形成倾斜的表面浮雕结构。第三蚀刻工艺可以使用例如RIE系统和多种化学品来执行，所述化学品诸如氢离子、氦离子、氧离子和反应性气体(例如，CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、C4F8、C4F6、C2F6、C2F8、NF3、CLF3、N2O、N2、O2、SO2、COS、SF6、Cl2、BCl3、HBr、H2、Ar、He或Ne中的至少一种)。
如上文所描述的，由于中间掩模层和硬掩模层之间的高蚀刻选择性和中间掩模层的高蚀刻速率，硬掩模层可以非常薄(例如，小于约20nm或10nm)，并且因此在倾斜蚀刻期间由硬掩模引起的遮蔽效应可以被最小化。此外，倾斜的中间掩模的边缘可以在随后的蚀刻过程期间被蚀刻。因此，衬底中倾斜的表面浮雕结构的占空比可以被减小，以实现较低的最小占空比，诸如小于约30％、小于约20％、约10％或更低。这样，衬底中倾斜的表面浮雕结构的占空比的范围可以是从约10％至约90％。
如上文所描述的，由于相对低的蚀刻速率，蚀刻无机衬底中的倾斜的表面浮雕结构可能是缓慢的过程，所述无机衬底诸如二氧化硅、氮化硅、二氧化钛、氧化铝、陶瓷、SiC、SiOxNy、无定形硅、旋涂碳、无定形碳、类金刚石碳、TiOx、AlOx、TaOx、HfOx及类似物。因此，用于蚀刻深的倾斜的表面浮雕结构的制造时间可能是长的，和/或离子的能量可能需要是高的。这样，由于衬底材料相对于掩模的相对低的蚀刻选择性，不仅可能需要厚的硬掩模或中间掩模，而且制造工艺的生产率也可能非常低，并且制造深的倾斜的表面浮雕结构的成本可能很高。
根据某些实施方案，为了增加深的倾斜的表面浮雕光栅的占空比的范围和制造工艺的生产率两者，可以使用相对于硬蚀刻掩模具有较高的蚀刻速率和较高的蚀刻选择性的有机材料作为光栅材料，所述有机材料诸如在上文描述的中间掩模层920中使用的有机材料。有机材料可以被调整为具有大于1.5的折射率，诸如在约1.5至约1.8之间的折射率。如上文所描述的，有机材料可以具有大于诸如石英的无机材料的蚀刻速率的3倍的蚀刻速率。因此，可以显著地提高蚀刻工艺的生产率。此外，相对于上文描述的硬掩模，诸如包括金属或金属化合物的硬掩模，有机材料可以具有高的蚀刻选择性(例如，大于500:1)。这样，硬掩模可以是薄的(诸如约10nm)，并且遮蔽效应可以被减小或最小化。
图15A图示了用于在衬底1510中蚀刻深的倾斜的表面浮雕光栅1512的厚的硬掩模1520的实例。衬底1510可以包括如上文所描述的无机材料，其中蚀刻速率可以相对较慢。例如，在用于在石英衬底中蚀刻深的倾斜的表面浮雕光栅的工艺的实例中，蚀刻速率可以是约12nm/分钟或更低。为了蚀刻具有深度D的深的倾斜的表面浮雕光栅1512，可能需要长的蚀刻时间，并且硬掩模1520可能如上文所描述的需要是厚的，并且因此可能具有高遮蔽效应，该高遮蔽效应可以显著地增加深的倾斜的表面浮雕光栅1512的光栅脊的最小线宽d并减小占空比的可实现范围。
图15B图示了根据某些实施方案的用于在有机材料层1550中蚀刻具有小占空比的深的倾斜的表面浮雕光栅1552的薄的硬掩模1560的实例。有机材料层1550可以被沉积在衬底1540上，衬底1540可以是上文描述的任何衬底。可以使用旋涂技术、CVD技术或其他薄膜包覆技术进行沉积。有机材料层1550可以具有高于约1.5的折射率，并且可以具有大于蚀刻的深的倾斜的表面浮雕光栅1552的期望深度D的深度。有机材料层1550可以具有比诸如石英或氮化硅的材料高得多的蚀刻速率。例如，在用于在有机材料层中蚀刻深的倾斜的表面浮雕光栅的工艺的实例中，蚀刻速率可以大于约40nm/分钟或更高。因此，深的倾斜的表面浮雕光栅1552可以在短得多的时间段内被蚀刻。此外，相对于可以包括金属(例如，Cr)或金属化合物的硬掩模1560，有机材料可以具有高的蚀刻选择性(例如，大于500:1)。这样，与硬掩模1520相比，硬掩模1560可以薄得多(诸如约10nm)，并且因此遮蔽效应和深的倾斜的表面浮雕光栅1552的光栅脊的最小线宽d'可以被显著减小或最小化。以这种方式，可以实现高的生产率和宽范围的占空比两者。
在一些实施方案中，有机材料层1550可以在蚀刻工艺之前或之后被硬化，诸如通过UV固化或热处理被硬化。在一些实施方案中，具有比有机材料层高的机械强度或刚度的薄的材料层可以使用例如原子层沉积工艺被基本上均匀地沉积在蚀刻的深的倾斜的表面浮雕光栅的表面上。
图16A是使用上文关于图15A描述的工艺在衬底1610中蚀刻的倾斜的表面浮雕光栅1620的实例的显微图像1600。在图16A所示的实例中，衬底1610可以包括石英衬底，并且使用该工艺的衬底1610的蚀刻速率可以是约12nm/分钟或更低。倾斜的表面浮雕光栅1620的深度被测量为约165nm。
图16B是根据某些实施方案的在有机材料层1640中蚀刻的倾斜的表面浮雕光栅1642的实例的显微图像1605。有机材料层1640可以在诸如石英衬底的衬底1630上形成。倾斜的表面浮雕光栅1642可以使用上文关于图15B描述的工艺在有机材料层1640中被蚀刻。在图16B所示的示例中，使用该工艺的有机材料层1640的蚀刻速率可以是约40nm/分钟或更高。倾斜的表面浮雕光栅1642的深度被测量为约510nm。
图17是示出了根据某些实施方案的制造深的倾斜的表面浮雕结构的示例性方法的简化流程图1700。流程图1700中描述的操作仅仅是为了说明的目的，而不意图是限制性的。在多种实施方式中，可以对流程图1700进行修改以增加附加操作，合并一些操作，分开一些操作，重新排序一些操作或省略一些操作。可以使用例如反应性离子刻蚀(RIE)系统来执行流程图1700中描述的操作。
在框1710，可以在衬底上形成有机材料层。在一些实施方案中，有机材料层可以包括例如掺杂有高折射率纳米颗粒(例如，TiO2、GaP、HfO2、GaAs等)的聚合物。在一些实施方案中，有机材料层的折射率可以大于1.5、1.6、1.7、1.8或更高。有机材料层可以通过例如旋涂工艺在衬底上形成。有机材料层的厚度可以大于几百纳米或几微米。有机材料层的蚀刻速率可以比诸如石英或氮化硅的无机衬底材料的蚀刻速率高得多。
在框1720，可以在有机材料层上形成硬掩模层。硬掩模层可以包括金属(例如，铜、铬、钛、铝或钼)或金属化合物(例如，MoSiON)。在一些实施方案中，硬掩模层的厚度可以小于约20nm或小于约10nm。在一些实施方案中，有机材料层和硬掩模层之间的蚀刻选择性可以大于500:1。
在框1730，可以使用多种光刻技术来图案化硬掩模层，以形成硬掩模。如上文所描述的，可以使用光蚀刻工艺来图案化硬掩模层，其中可以在硬掩模层上形成光致抗蚀剂层，并且可以通过光掩模将光致抗蚀剂层暴露于光。光致抗蚀剂层可以被显影以去除光致抗蚀剂层的曝光区域或未曝光区域(取决于光致抗蚀剂是正性光致抗蚀剂还是负性光致抗蚀剂)，并且可以被用作掩模，以蚀刻硬掩模层以形成硬掩模。在一些其他实施方案中，可以使用电子束光刻或NIL工艺来形成硬掩模。在一些实施方案中，硬掩模可以具有比倾斜的表面浮雕结构的期望占空比略低的占空比，以补偿由随后的倾斜蚀刻引起的遮蔽效应。
在框1740，可以在蚀刻工艺中使用硬掩模以倾斜角来蚀刻有机材料层，以在有机材料层中形成倾斜的表面浮雕结构。该蚀刻工艺可以使用例如RIE系统和多种化学品来执行，所述化学品诸如氢离子、氦离子、氧离子和反应性气体(例如，CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、C4F8、C4F6、C2F6、C2F8、NF3、CLF3、N2O、N2、O2、SO2、COS、SF6、Cl2、BCl3、HBr、H2、Ar、He或Ne中的至少一种)。在一些实施方案中，倾斜角可以大于30°、45°或60°。因为蚀刻的高选择性和有机材料层的高蚀刻速率，具有较低能量的蚀刻剂(例如，离子)和较薄的硬掩模可能足以蚀刻有机材料层中的倾斜的表面浮雕结构。这样，在倾斜蚀刻期间由硬掩模引起的遮蔽效应可以被最小化。此外，由于有机材料层的高蚀刻速率，可以实现较高的生产率。
任选地，在框1750，可以对有机材料层中的倾斜的表面浮雕结构应用后处理工艺。例如，在一些实施方案中，有机材料层可以在蚀刻工艺之后被硬化，诸如通过UV固化或热处理被硬化。在一些实施方案中，具有比有机材料层高的机械强度或刚度的薄的材料层可以使用例如原子层沉积工艺被基本上均匀地沉积在蚀刻的倾斜的表面浮雕光栅的表面上。
本发明的实施方案可以包括人工现实系统或者可以结合人工现实系统来实现。人工现实是在呈现给用户之前以某种方式已经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)内容组合地生成的内容。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，在一些实施方案中，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。提供人工现实内容的人工现实系统可以在多种平台上实现，这些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、移动装置或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
图18是用于实现本文公开的一些实例的示例性近眼显示器(例如，HMD装置)的示例性电子系统1800的简化框图。电子系统1800可以用作上文描述的HMD装置或其他近眼显示器的电子系统。在该实例中，电子系统1800可以包括一个或更多个处理器1810和存储器1820。处理器1810可以被配置成执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且可以是例如通用处理器或适合于在便携式电子装置内实现的微处理器。处理器1810可以与在电子系统1800内的多个部件通信地耦合。为了实现这种通信耦合，处理器1810可以跨过总线1840与其他示出的部件进行通信。总线1840可以是适于在电子系统1800内传输数据的任何子系统。总线1840可以包括多条计算机总线和附加电路以传输数据。
存储器1820可以被耦合到处理器1810。在一些实施方案中，存储器1820可以提供短期存储和长期存储两者，并且可以被分成若干个单元。存储器1820可以是易失性的(诸如静态随机存取存储器(SRAM)和/或动态随机存取存储器(DRAM))和/或非易失性的(诸如只读存储器(ROM)、闪存等)。此外，存储器1820可以包括可移动存储装置，诸如安全数字(SD)卡。存储器1820可以为电子系统1800提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。在一些实施方案中，存储器1820可以分布在不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以被存储在存储器1820上。指令可以采取可以由电子系统1800可执行的可执行代码的形式，和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，当在电子系统1800上(例如，使用多种通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何一种)编译和/或安装时，源代码和/或可安装代码可以采取可执行代码的形式。
在一些实施方案中，存储器1820可以存储多个应用模块1822至1824，应用模块422至424可以包括任何数量的应用。应用的实例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。这些应用可以包括深度感测功能或眼睛跟踪功能。应用模块1822-1824可以包括待由处理器1810执行的特定指令。在一些实施方案中，应用模块1822-1824中的某些应用或部分可以由其他硬件模块1880执行。在某些实施方案中，存储器1820可以另外包括安全存储器，该安全存储器可以包括附加的安全控件，以防止对安全信息的复制或其他未授权的访问。
在一些实施方案中，存储器1820可以包括加载在其中的操作系统1825。操作系统1825可以是可操作的以启动由应用模块1822-1824提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块1880以及与无线通信子系统1830的接口，无线通信子系统430可以包括一个或更多个无线收发器。操作系统1825可以适于跨过电子系统1800的组件执行其他操作，包括线程管理(threading management)、资源管理、数据存储控制和其他类似功能。
无线通信子系统1830可以包括例如红外通信装置、无线通信装置和/或芯片组(诸如
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装置、IEEE 802.11装置、Wi-Fi装置、WiMax装置、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统1800可以包括用于无线通信的、作为无线通信子系统1830的一部分或者作为耦合到系统的任何部分的单独部件的一根或更多根天线1834。根据期望的功能，无线通信子系统1830可以包括单独的收发器，以与基站收发信台和其他无线装置以及接入点进行通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型(诸如无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)或无线个域网(WPAN))进行通信。WWAN可以是例如WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其他类型的网络。本文描述的技术也可以用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合。无线通信子系统1830可以允许与网络、其他计算机系统和/或本文描述的任何其他装置交换数据。无线通信子系统1830可以包括用于使用天线1834和无线链路1832发送或接收数据(诸如HMD装置的标识符、位置数据、地理地图、热图、照片或视频)的装置。无线通信子系统1830、处理器1810和存储器1820可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的装置中的一个或更多个的至少一部分。
电子系统1800的实施方案还可以包括一个或更多个传感器1890。传感器1890可以包括，例如，图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近度传感器(proximitysensor)、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合了加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器、或者可操作以提供感测输出(sensory output)和/或接收感测输入的任何其他类似模块(诸如深度传感器或位置传感器)。例如，在一些实施方式中，传感器1890可以包括一个或更多个惯性测量单元(IMU)和/或一个或更多个位置传感器。IMU可以基于从一个或更多个位置传感器接收的测量信号来生成校准数据，该校准数据指示相对于HMD装置的初始位置的HMD装置的估计位置。位置传感器可以响应于HMD装置的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器的实例可以包括但不限于，一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU的误差校正的一种类型的传感器或者其某种组合。位置传感器可以位于IMU的外部、IMU的内部或者其某种组合。至少一些传感器可以使用结构光图案用于感测。
电子系统1800可以包括显示模块1860。显示模块1860可以是近眼显示器，并且可以向用户图形地呈现来自电子系统1800的信息(诸如图像、视频和多种指令)。这样的信息可以从一个或更多个应用模块1822-1824、虚拟现实引擎1826、一个或更多个其他硬件模块1880、它们的组合或者(例如，通过操作系统1825)用于为用户解析图形内容的任何其他合适的装置中得到。显示模块1860可以使用液晶显示(LCD)技术、发光二极管(LED)技术(包括例如，OLED、ILED、mLED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示(LPD)技术或某种其他显示技术。
电子系统1800可以包括用户输入/输出模块1870。用户输入/输出模块1870可以允许用户向电子系统1800发送动作请求。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。用户输入/输出模块1870可以包括一个或更多个输入装置。示例性的输入装置可以包括触摸屏、触摸板、麦克风、按钮、拨号盘、开关、键盘、鼠标、游戏控制器、或者用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送给电子系统1800的任何其他合适的装置。在一些实施方案中，用户输入/输出模块1870可以根据从电子系统1800接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到动作请求或者已经执行动作请求时提供触觉反馈。
电子系统1800可以包括照相机1850，照相机1850可以用于拍摄用户的照片或视频，例如，用于跟踪用户的眼睛位置。照相机1850也可以用于拍摄环境的照片或视频，例如，用于VR、AR或MR应用。照相机1850可以包括例如具有几百万或几千万像素的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，照相机1850可以包括两个或更多个照相机，它们可以用于捕获3D图像。
在一些实施方案中，电子系统1800可以包括多个其他硬件模块1880。其他硬件模块1880中的每一个可以是电子系统1800内的物理模块。虽然其他硬件模块1880中的每一个可以被永久地配置为结构，但是其他硬件模块1880中的一些可以被临时配置为执行特定功能或者被临时激活。其他硬件模块1880的实例可以包括，例如，音频输出和/或输入模块(例如，麦克风或扬声器)、近场通信(NFC)模块、可充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些实施方案中，其他硬件模块1880的一个或更多个功能可以用软件实现。
在一些实施方案中，电子系统1800的存储器1820还可以存储虚拟现实引擎1826。虚拟现实引擎1826可以执行电子系统1800内的应用，并从多种传感器接收HMD装置的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其某种组合。在一些实施方案中，由虚拟现实引擎1826接收的信息可以用于为显示模块1860产生信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则虚拟现实引擎1826可以为HMD装置生成反映用户在虚拟环境中的移动的内容。另外，虚拟现实引擎1826可以响应于从用户输入/输出模块1870接收的动作请求执行应用内的动作，并且向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈。在一些实施方式中，处理器1810可以包括可以执行虚拟现实引擎1826的一个或更多个GPU。
在多种实施方式中，上述硬件和模块可以在单个装置上实现，或者在可以使用有线连接或无线连接彼此通信的多个装置上实现。例如，在一些实施方式中，一些部件或模块，诸如GPU、虚拟现实引擎1826和应用(例如，跟踪应用)，可以在与头戴式显示器装置分离的控制台上实现。在一些实施方式中，一个控制台可以被连接到多于一个的HMD或支持多于一个的HMD。
在替代的配置中，不同的部件和/或附加的部件可以被包括在电子系统1800中。类似地，一个或更多个部件的功能可以以不同于上文描述的方式的方式被分布在部件中。例如，在一些实施方案中，电子系统1800可以被修改为包括其他系统环境，诸如AR系统环境和/或MR环境。
上面讨论的方法、系统和器件是示例性的。多种实施方案可以适当地省略、替换或添加多种过程或部件。例如，在替代的配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来执行，和/或可以添加、省略和/或组合多个阶段。此外，关于某些实施方案描述的特征可以在多种其他实施方案中被组合。实施方案的不同方面和要素可以以相似的方式被组合。此外，技术不断发展，并且因此许多要素是示例性的，它们不将本公开内容的范围限制于那些具体实例。
在描述中给出了具体细节，以提供对实施方案的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施方案。例如，为了避免模糊实施方案，熟知的电路、过程、系统、结构和技术已经被示出而没有不必要的细节。此描述仅提供示例性的实施方案，并不意图限制本发明的范围、适用性或配置。相反，实施方案的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现多种实施方案的使能描述(enabling description)。在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以在要素的功能和布置方面进行多种改变。
此外，一些实施方案被描述为过程，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。工艺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何组合来实现方法的实施方案。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被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，还可以使用定制的硬件或专用的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，诸如小程序(applet)等)或者两者来实现特定的要素。此外，可以采用到诸如网络输入/输出装置的其他计算装置的连接。
参考附图，可以包括存储器的部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。在上文提供的实施方案中，多种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其他装置提供指令/代码以供执行。另外地或替代地，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存储介质和/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介质和/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、如下文描述的载波、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何组合。
本领域技术人员将理解，用于传送本文描述的消息的信息和信号可以使用多种不同的技术和技艺中的任何一种来表示。例如，在整个上面的描述中可以引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片(chip)可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或其任何组合来表示。
如本文使用的术语“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，“或”如果用于关联列表，诸如A、B或C，则意在表示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，如本文使用的术语“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，这仅仅是说明性的实例，并且要求保护的主题不限于该实例。此外，术语“......中的至少一个(at least one of)”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的任何组合，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方案，但是应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施方案可以仅以硬件实现，或者仅以软件实现，或者使用它们的组合来实现。在一个实例中，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，用于执行在本公开内容中描述的任何或所有的步骤、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。本文描述的多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。
在装置、系统、部件或模块被描述为被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、或者它们的任何组合来完成这种配置。过程可以使用多种技术(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，或者同一对过程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，在不脱离如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方案，但是这些实施方案并不意图是限制性的。多种修改和等同物都在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种在材料层中制造倾斜的表面浮雕结构的方法，所述方法包括：
在中间掩模层的顶部上形成薄的硬掩模；
使用所述薄的硬掩模以倾斜角蚀刻所述中间掩模层，以形成倾斜的中间掩模，其中所述中间掩模层的特征在于大于所述材料层的蚀刻速率的蚀刻速率；和
使用所述倾斜的中间掩模以所述倾斜角蚀刻所述材料层，以在所述材料层中形成所述倾斜的表面浮雕结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述倾斜的表面浮雕结构的占空比小于30％。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述倾斜的表面浮雕结构包括倾斜的表面浮雕光栅，所述倾斜的表面浮雕光栅的特征在于跨过所述倾斜的表面浮雕光栅的区域变化的占空比；并且
所述倾斜的表面浮雕光栅的最小占空比小于30％。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述材料层包括半导体衬底、SiO2层、Si3N4材料层、氧化钛层、氧化铝层、SiC层、SiOxNy层、无定形硅层、旋涂碳(SOC)层、无定形碳层(ACL)、类金刚石碳(DLC)层、TiOx层、AlOx层、TaOx层或HfOx层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述中间掩模层包括有机材料。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述薄的硬掩模包括金属或金属化合物。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述薄的硬掩模的厚度小于20nm。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述中间掩模层和所述薄的硬掩模之间的蚀刻选择性大于500:1。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述中间掩模层的所述蚀刻速率大于所述材料层的所述蚀刻速率的三倍。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述材料层的顶部上包覆所述中间掩模层；
在所述中间掩模层的顶部上形成薄的硬掩模层；和
蚀刻所述薄的硬掩模层以形成所述薄的硬掩模。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述倾斜角相对于所述材料层的表面法线大于30°。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述倾斜的表面浮雕结构的深度大于100nm。
13.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述倾斜的表面浮雕结构的最大占空比大于75％。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，用于蚀刻所述中间掩模层的蚀刻参数不同于用于蚀刻所述材料层的蚀刻参数。
15.一种在材料层中制造倾斜的表面浮雕结构的方法，所述方法包括：
在第一中间掩模层的顶部上形成薄的硬掩模；
使用所述薄的硬掩模以倾斜角蚀刻所述第一中间掩模层，以形成第一倾斜的中间掩模，其中所述第一中间掩模层的特征在于大于所述材料层的蚀刻速率的第一蚀刻速率；和
使用所述第一倾斜的中间掩模以所述倾斜角蚀刻在所述第一中间掩模层下方的第二中间掩模层，以形成第二倾斜的中间掩模，其中所述第二中间掩模层的特征在于大于所述第一中间掩模层的所述第一蚀刻速率的第二蚀刻速率；和
使用所述第二倾斜的中间掩模以所述倾斜角蚀刻所述材料层，以在所述材料层中形成所述倾斜的表面浮雕结构。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述倾斜的表面浮雕结构的最小占空比小于30％。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述倾斜角相对于所述材料层的表面法线大于45°。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述薄的硬掩模的厚度小于20nm。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，还包括：
在所述材料层的顶部上包覆所述第二中间掩模层；
在所述第二中间掩模层的顶部上包覆所述第一中间掩模层；
在所述第一中间掩模层的顶部上形成薄的硬掩模层；和
蚀刻所述薄的硬掩模层以形成所述薄的硬掩模。
20.一种用于近眼显示系统中的波导显示器的倾斜的表面浮雕结构，所述倾斜的表面浮雕结构包括：
衬底；和
倾斜的表面浮雕光栅，所述倾斜的表面浮雕光栅在所述衬底中形成，
其中，所述倾斜的表面浮雕光栅的最小占空比小于30％；
其中，所述倾斜的表面浮雕光栅的倾斜角相对于所述衬底的表面法线大于45°；并且
其中，所述倾斜的表面浮雕光栅的深度大于100nm。
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