CN114651198A - 制造具有可变蚀刻深度的斜光栅的方法 - Google Patents

Abstract

提供制造具有拥有可变高度的沟槽的光栅的方法。在一个实例中，一种形成衍射光学元件的方法可包括：在衬底之上提供光学光栅层；在所述光学光栅层之上图案化硬掩模；以及在所述硬掩模之上形成牺牲层，所述牺牲层具有从所述光学光栅层的顶表面测量的非均匀高度。所述方法还可包括在所述光学光栅层中蚀刻成角度的多个沟槽以形成光学光栅，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。

Description

制造具有可变蚀刻深度的斜光栅的方法

技术领域

本发明的实施例大体涉及制造光学光栅的方法。更具体来说，本发明涉及制造具有拥有可变深度的沟槽的斜光学光栅的方法。

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深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：在衬底之上提供光学光栅层；在所述光学光栅层之上图案化硬掩模；以及在所述硬掩模之上形成牺牲层，所述牺牲层具有从所述光学光栅层的顶表面测量的非均匀高度。所述方法还可包括在所述光学光栅层中蚀刻成角度的多个沟槽以形成光学光栅，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衍射光学元件的方法，所述方法包括：在衬底之上提供光学光栅层；在所述光学光栅层之上提供硬掩模，所述硬掩模包括一组开口；以及在所述硬掩模之上形成牺牲层。所述方法还可包括：在所述牺牲层中形成凹陷，其中所述凹陷使所述牺牲层具有从所述光学光栅层的顶表面测量的非均匀高度；以及穿过所述光学光栅层蚀刻成角度的多个沟槽以形成光学光栅，其中成角度的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衍射光学元件的方法，所述方法包括：在衬底之上提供光学光栅层；在所述光学光栅层之上图案化硬掩模；以及在所述硬掩模顶部沉积牺牲层。所述方法还可包括：移除所述牺牲层的部分以在所述牺牲层中形成沟槽，所述沟槽包括界定第一平面的斜坡底表面，所述第一平面与由所述光学光栅层的顶表面界定的第二平面不平行；以及在所述光学光栅层中蚀刻成角度的多个沟槽以形成光学光栅，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。

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2A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-4F是示出根据本发明实施例的成角度结构的形成的侧剖视图。

图5A-5H是示出根据本发明实施例的成角度结构的形成的侧剖视图。

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，以将所产生的虚拟图像的光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是高分辨率显示产生器，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可包括在斜光栅的一个或多个场(field)内，所述斜光栅一起形成“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之上的掩模或牺牲层而有所变化。

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产生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产生等离子体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可产生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207)的定向反应离子蚀刻(reactive ion etching，RIE)。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-4E展示根据本发明实施例的用于形成衍射光学元件400的工艺。如图4A中所示，可在衬底402之上形成光学光栅层407，且可在光学光栅层407之上形成硬掩模层410。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。除其他材料以外，蚀刻终止层是由例如氮化钛或氮化坦等耐受蚀刻工艺的材料形成。衬底402可由例如玻璃等透光材料制成。光学光栅层407和/或硬掩模410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。

光栅层407可由透光材料形成。在一个实例中，光栅层407是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1.3-2.4或更高。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。然而，本文中的实施例并不限于此上下文。

如图4B中所示，可图案化硬掩模410以在其中形成一组开口或间隙411。在一些实施例中，硬掩模410是由光致抗蚀剂(photoresist，PR)堆叠(未示出)形成，其中光栅层407之上共形地形成有硬掩模层。硬掩模410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412。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硬掩模元件412。在一些实施例中，硬掩模元件412具有相同的高度和/或宽度。在其他实施例中，硬掩模元件412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之上形成牺牲层420。在一些实施例中，牺牲层420是沉积在光学光栅层407及硬掩模410之上的掩模。在非限制性实施例中，牺牲层420可为例如使用三维(three-dimensional，3-D)印刷形成在衍射光学元件400之上的光致抗蚀剂型材料。在其他实施例中，牺牲层420可为例如硅等透光材料。在一个非限制性实施例中，牺牲层420可为在垂直蚀刻与成角度蚀刻二者期间有益地提供均匀性质的氮化硅。

如图4D中所示，可使用例如离子蚀刻(反应性或溅镀)等减性工艺(subtractiveprocess)425使牺牲层420凹陷。在所示实施例中，减性工艺425可为沿方向426横向进行的反应离子蚀刻(RIE)，以产生相对于光学光栅层407的顶表面413具有可变高度‘H’的牺牲层420。例如，可处理牺牲层420以形成具有斜坡底表面422的凹陷或沟槽421。如所示，斜坡底表面422可界定平面，所述平面与由光学光栅层407的顶表面413界定的平面不平行。尽管是非限制性的，然而斜坡底表面422可为大致平坦和/或弯曲的。此外，斜坡底表面422的坡面(ramp)的方向无需与减性工艺425的光栅向量对齐。

如图4E中所示，接着对衍射光学元件400进行蚀刻427，以穿过牺牲层420及光学光栅层407形成成角度的多个沟槽428。在一些实施例中，蚀刻427是成角度离子蚀刻，其中所述成角度离子蚀刻是由反应离子束执行。衬底402可被相对于反应离子束沿扫描方向扫描。如所示，蚀刻427可相对于由光学光栅层407的顶表面413界定的平面的垂线433以非零角度(θ)进行。在蚀刻工艺期间，硬掩模410及牺牲层420充当从光学光栅层407形成多个斜光栅结构430的图案引导件(pattern guide)。应理解，可通过首先形成非均匀牺牲层420且接着在蚀刻427期间运行附加选择性区处理(selective area processing，SAP)蚀刻循环来实现斜光栅结构430的更复杂和/或细微的形状。

接着可从斜光栅结构430中的每一者之上移除牺牲层420及硬掩模410，从而得到图4F中所示的光学光栅445。在一些实施例中，由于牺牲层420的可变高度，因此所述多个沟槽中的第一沟槽428A的第一深度不同于第二沟槽428B的第二深度。

图5A 5H展示根据本发明实施例的形成衍射光学元件500的工艺。如图5A中所示，可在衬底502之上形成光学光栅层507，且可在光学光栅层507之上形成硬掩模层510。衍射光学元件500还可包括提供在衬底502与光学光栅层507之间的蚀刻终止层505。衬底502可由例如硅等透光材料制成。在一些实施例中，蚀刻终止层505可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。除其他材料以外，蚀刻终止层505是由例如氮化钛或氮化坦等耐受蚀刻工艺的材料形成。

如图5B中所示，可图案化硬掩模510以在其中形成开口或间隙511。在一些实施例中，硬掩模510是由光致抗蚀剂堆叠(未示出)形成，其中光栅层507之上共形地形成有硬掩模层。硬掩模层510是例如使用化学气相沉积工艺由氮化钛形成。在一些实施例中，间隙511可使用对光学光栅层507的顶表面513具有选择性的蚀刻工艺形成。

如图5B中进一步所示，可在光学光栅层507及图案化硬掩模510之上形成牺牲层520。在一些实施例中，牺牲层520是沉积在光学光栅层507及硬掩模510之上的掩模。在非限制性实施例中，牺牲层520可为例如使用3-D印刷形成在衍射光学元件500之上的光致抗蚀剂型材料。在其他实施例中，牺牲层520可为例如硅系材料(例如，氮化硅或氧化硅)或钛系材料(例如氧化钛)等透光材料。

如图5C中所示，可使用例如离子蚀刻(反应性或溅镀)等减性工艺525使牺牲层520凹陷。在所示实施例中，减性工艺525可为沿方向526横向进行的RIE，以产生相对于光学光栅层507的顶表面513具有可变高度‘H’的牺牲层520。例如，可处理牺牲层420以形成具有斜坡底表面522的凹陷或沟槽521。如所示，斜坡底表面522可界定平面，所述平面与由光学光栅层507的顶表面513界定的平面不平行。尽管是非限制性的，然而斜坡底表面522可为大致平坦和/或弯曲的。

在一些实施例中，如图5D中所展示，可将包括沟槽521及斜坡底表面522的牺牲层520转移到光学光栅层507。在一些实施例中，可利用灰度屏幕(graytone screen)(未示出)使用垂直蚀刻形成可变蚀刻深度(variable etch depth，VED)轮廓(例如，二维(two-dimensional，2-D)楔形形状)，所述灰度屏幕是光学装置及对光致抗蚀剂进行可变曝光以实现可变深度的方法。更具体来说，灰度光刻是通过单个曝光工艺对抗蚀剂膜进行光雕刻以在光致抗蚀剂中形成3-D轮廓的技术。灰度光刻与RIE相结合使得抗蚀剂轮廓能够转变成3-D结构。

如所示，减性工艺561使沟槽521进一步延伸到光学光栅层507中，以形成光学光栅层507的斜坡底表面532。尽管是非限制性的，然而斜坡底表面532可为大致平坦和/或弯曲的。通过首先对牺牲层520进行造型，光学光栅层507中的精度可改善。

如图5E中所展示，可移除牺牲层520的任何其余部分，且在沟槽521内形成第二硬掩模534。如所示，在斜坡底表面532顶部沉积第二硬掩模534。

接下来，如图5F中所示，可在第一硬掩模510及第二硬掩模534之上形成光学平坦化层538(optical planarization layer，OPL)及光致抗蚀剂540(PR)。接着可穿过光学平坦化层538、光致抗蚀剂540及第二硬掩模534形成多个垂直沟槽544。在一些实施例中，通过对光学光栅层507的顶表面513具有选择性的垂直RIE来形成垂直沟槽544。可移除光学平坦化层538及光致抗蚀剂540，从而得到图5G中所示的衍射光学元件500。

如图5H中所示，接着对衍射光学元件500进行蚀刻527，以穿过光学光栅层507形成成角度的多个沟槽528A到528N。在一些实施例中，蚀刻527是成角度离子蚀刻，其中所述成角度离子蚀刻是由对蚀刻终止层505具有选择性的反应离子束执行。衬底502可被相对于反应离子束沿扫描方向扫描。如所示，蚀刻527可相对于由光学光栅层507的顶表面513界定的平面的垂线以非零角度进行。在蚀刻527期间，第二硬掩模534充当用于形成多个斜光栅结构530的图案引导件。如所示，由于蚀刻527，因此所述多个沟槽中的第一沟槽528A的第一深度不同于第二沟槽528B的第二深度。接着可移除第一硬掩模510及第二硬掩模534，从而得到与图4F中的装置400相似的结构。

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”、“侧向”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及500的层的数据集。例如，可创建数据集以产生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，形成了具有斜光学光栅结构的波导。本发明实施例的斜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。本发明实施例的斜光栅结构的第二个技术优势包括通过消除更耗时及困难的工艺而改善的波导制作效率。此外，本发明实施例的斜光栅结构的第三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 (18)

1.一种形成衍射光学元件的方法，包括：

在衬底之上提供光学光栅层；

在所述光学光栅层之上图案化硬掩模；

在所述硬掩模之上形成牺牲层，所述牺牲层具有从所述光学光栅层的顶表面测量的非均匀高度；以及

在所述光学光栅层中蚀刻成角度的多个沟槽以形成光学光栅，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，其中形成所述牺牲层包括：

在所述硬掩模顶部沉积所述牺牲层；以及

蚀刻所述牺牲层以形成具有斜坡底表面的沟槽。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括执行垂直蚀刻以形成所述沟槽。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括：

蚀刻所述光学光栅层，以使所述沟槽凹陷到所述光学光栅层中；

沿所述沟槽的所述斜坡底表面形成第二硬掩模；

在所述硬掩模及所述第二硬掩模之上形成光学平坦化层及光致抗蚀剂；

穿过所述光学平坦化层、所述光致抗蚀剂及所述第二硬掩模蚀刻多个垂直沟槽；以及

移除所述光学平坦化层及所述光致抗蚀剂，其中在移除所述光学平坦化层及所述光致抗蚀剂之后，所述多个沟槽被蚀刻到所述光学光栅层中。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻包括相对于由所述光学光栅层的所述顶表面界定的平面的垂线以非零角度执行成角度离子蚀刻。

6.根据权利要求5所述的方法，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。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述衬底之上形成蚀刻终止层，其中所述光学光栅层形成在所述蚀刻终止层顶部。

8.一种形成衍射光学元件的方法，包括：

在衬底之上提供光学光栅层；

在所述光学光栅层之上提供硬掩模，所述硬掩模包括一组开口；

在所述硬掩模之上形成牺牲层；

在所述牺牲层中形成凹陷，其中所述凹陷使所述牺牲层具有从所述光学光栅层的顶表面测量的非均匀高度；以及

穿过所述光学光栅层蚀刻成角度的多个沟槽以形成光学光栅，其中成角度的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。

9.根据权利要求8所述的方法，其中形成所述牺牲层包括：

在所述硬掩模顶部沉积所述牺牲层；以及

蚀刻所述牺牲层，以形成所述沟槽的斜坡底表面。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

蚀刻所述光学光栅层，以使所述沟槽凹陷到所述光学光栅层中；

沿所述沟槽的所述斜坡底表面形成第二硬掩模；

在所述硬掩模及所述第二硬掩模之上形成光学平坦化层及光致抗蚀剂；

穿过所述光学平坦化层、所述光致抗蚀剂及所述第二硬掩模蚀刻多个垂直沟槽；以及

移除所述光学平坦化层及所述光致抗蚀剂，其中在移除所述光学平坦化层及所述光致抗蚀剂之后，所述多个沟槽被蚀刻穿过所述光学光栅层。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述蚀刻包括相对于由所述光学光栅层的所述顶表面界定的平面的垂线以非零角度执行成角度离子蚀刻。

12.根据权利要求11所述的方法，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。

13.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述衬底之上形成蚀刻终止层，其中所述光学光栅层形成在所述蚀刻终止层顶部。

14.一种形成衍射光学元件的方法，包括：

在衬底之上提供光学光栅层；

在所述光学光栅层之上图案化硬掩模；

在所述硬掩模顶部沉积所述牺牲层；

移除所述牺牲层的部分以在所述牺牲层中形成沟槽，所述沟槽包括界定第一平面的斜坡底表面，所述第一平面与由所述光学光栅层的顶表面界定的第二平面不平行；以及

在所述光学光栅层中蚀刻成角度的多个沟槽以形成光学光栅，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。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括使所述牺牲层形成为具有从所述光学光栅层的所述顶表面测量的非均匀高度。

16.根据权利要求14所述的方法，还包括：

蚀刻所述光学光栅层，以使所述沟槽凹陷到所述光学光栅层中；

沿所述沟槽的所述斜坡底表面形成第二硬掩模；

在所述硬掩模及所述第二硬掩模之上形成光学平坦化层及光致抗蚀剂；

穿过所述光学平坦化层、所述光致抗蚀剂及所述第二硬掩模蚀刻多个垂直沟槽；以及

移除所述光学平坦化层及所述光致抗蚀剂，其中在移除所述光学平坦化层及所述光致抗蚀剂之后，所述多个沟槽被蚀刻到所述光学光栅层中。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述蚀刻包括相对于由所述光学光栅层的所述顶表面界定的所述第二平面的垂线以非零角度执行成角度离子蚀刻。

18.根据权利要求14所述的方法，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。

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