CN115280192A - 以激光烧蚀形成深度可变结构 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于形成器件结构的方法。该形成器件结构的方法包括使用激光烧蚀在器件材料层中形成深度可变结构。在深度可变结构中形成多个器件结构以在其中限定倾斜的器件结构。使用蚀刻处理形成深度可变结构和倾斜的器件结构。

Description

以激光烧蚀形成深度可变结构
技术领域
本公开内容的实施方式一般涉及用于增强现实、虚拟现实和混合现实的光学器件。更具体地，本文描述的实施方式提供了光学器件的形成深度调制的器件结构。
背景技术
虚拟现实通常被认为是一种电脑生成的模拟环境，在该模拟环境中用户具有明显的实体存在。可以以3D形式生成虚拟现实体验，并使用头戴式显示器(HMD)进行查看，例如眼镜或其他具有作为镜头的近眼显示面板的可穿戴式显示设备，来显示代替实际环境的虚拟现实环境。
然而，增强现实使得用户仍然可以获得一种体验，在该体验中透过眼镜或其他HMD设备或手持设备的显示透镜会看到周围环境，还可以看到在显示器上生成并显示为环境的一部分的虚拟对象的图像。增强现实可以包括任何类型的输入，例如音频和触觉输入，以及可以提高或增强用户体验环境的虚拟图像、图形和影像。作为新兴技术，增强现实存在许多挑战和设计约束。
这样的挑战之一是显示覆盖在周围环境上的虚拟图像。光学器件用于协助叠加图像。产生的光通过波导传播，直到光离开波导并覆盖在周围环境上。由于光学器件趋于具有不均匀的特性，因此制造光学器件可能具有挑战性。因此，在本领域需要改良的制造光学器件的方法。
发明内容
本公开内容一般涉及一种用来形成用于显示装置或其他应用中的器件结构的方法。更具体地，本公开内容涉及一种深度可变结构，该深度可变结构用于通过激光烧蚀产生的器件结构的使用。本文的方法还可以形成用作纳米压印光刻(nano-imprintlithography)的母版(master)的器件结构。
在一个实施方式中，提供了一种形成器件结构的方法。该方法包括使用激光烧蚀在器件材料层中形成深度可变结构。该方法还包括在器件材料层之上形成硬模和光刻胶堆叠物。该方法还包括蚀刻光刻胶堆叠物。该方法还包括在器件材料层中形成多个器件结构。
在另一个实施方式中，提供了一种形成器件结构的方法。该方法包括在基板上形成器件材料层，并使用激光烧蚀在器件材料层中形成深度可变结构。该方法还包括在器件材料层之上形成硬模和光刻胶堆叠物。该方法还包括蚀刻光刻胶堆叠物并在器件材料层中形成多个器件结构。
在又一个实施方式中，提供了一种形成器件结构的方法。该方法包括在基板上形成器件材料层，并在器件材料层上形成牺牲层。该方法还包括使用激光烧蚀在牺牲层中形成深度可变结构。该方法还包括在器件材料层之上形成硬模和光刻胶堆叠物。该方法还包括蚀刻光刻胶堆叠物并在器件材料层中形成多个器件结构。
附图说明
为了可以详细地理解本公开内容的上述特征的方式，可以通过参考实施方式来对本公开内容进行更详细的描述，本公开内容的详细描述如上简要概述，该实施方式中的一些会在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了示例性实施方式，因此不应被认为是对本公开内容范围的限制，并且可以允许其他等效实施方式。
图1是根据一个实施方式的光学器件的前视图。
图2是根据一个实施方式的用于形成器件结构的方法的流程图。
图3A-3H是根据一个实施方式的深度可变结构的一部分的示意性截面视图。
图4A-4C是深度可变结构的形状的示例的截面放大。
图5A-5C是深度可变结构的三维形状的示例的透视图。
为了便于理解，在可能的情况下使用了相同的参考标记来表示图中共有的相同元素。可以预期的是，一个实施方式的元素和特征可以被有益地结合到其他实施方式中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
本文描述的实施方式涉及形成具有可变深度倾斜的器件结构的器件结构的方法。为此，一种方法包括使用激光烧蚀在器件材料层中形成深度可变结构。在深度可变结构中形成多个通道以在其中限定倾斜的器件结构。使用激光烧蚀形成深度可变结构，并且使用选择性蚀刻处理形成倾斜的器件结构。本文描述的方法还可用于产生用作纳米压印光刻的母版的器件结构。
图1是光学器件100的前视图。应当理解，以下描述的光学器件100是示例性光学器件。在一个实施方式中，光学器件100是波导合路器(waveguide combiner)，诸如增强现实波导合路器。在另一个实施方式中，光学器件100是平面光学器件，例如超表面(metasurface)。光学器件100包括多个器件结构104。器件结构104可以是具有亚微米尺寸的纳米结构，例如，纳米尺寸，例如小于1μm的临界尺寸。在一个实施方式中，器件结构104的区域对应于一个或多个光栅102，例如光栅区域102a和102b。在一个实施方式中，光学器件100包括第一光栅区域102a和第二光栅区域102b，并且第一光栅区域102a和第二光栅区域102b中的每一个均包含多个器件结构104。
在本文所述的实施方式中，光栅102的深度可以在整个光栅区域102a和102b上变化。在一些实施方式中，光栅102的深度可以在第一光栅区域102a上和在第二光栅区域102b上平滑地变化。在一个示例实施方式中，在光栅区域之一上的深度可以在大约10nm至大约400nm的范围内。在一个示例实施方式中，光栅区域102a在给定侧上的范围可以从大约20mm到大约50mm。因此，作为一个示例，光栅102的深度的变化的角度可以在0.0005度的数量级上。
在本文描述的实施方式中，可以使用激光烧蚀来产生器件结构104。如本文所使用的，激光烧蚀用于在器件材料中产生三维微结构，或可选地在覆盖器件材料的牺牲层中产生深度可变结构，以作为深度可变结构处理的一部分。与现有方法相比，使用激光烧蚀来产生器件结构104允许更少的处理操作和更高的可变深度分辨率。
图2是用于形成图3A-3H中所示的具有深度可变结构的光学器件300的一部分的方法200的流程图，该部分对应于光栅区域102a或102b。在操作201，将器件材料层306设置在基板302的表面上，如图3A所示。基板302可以由任何合适的材料形成，只要基板302可以适当地发射在期望的波长或波长范围内的光并且可以用作光学器件300的一部分的适当支撑即可。在可以与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式中，基板302的材料包括但不限于一种或多种硅(Si)、二氧化硅(SiO2)或含蓝宝石的材料。在可以与本文描述的其他实施方式结合的其他实施方式中，基板302的材料包括但不限于折射率在大约1.7与大约2.0之间的材料。
器件材料层306可以通过以下一种或多种(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强(PECVD)、可流动CVD(FCVD)、原子层沉积(ALD)或旋涂处理而设置在基板302的表面上。在可以与本文描述的其他实施方式结合的一个实施方式中，器件材料层306的器件材料基于基板302的折射率以及光学器件300的部分的多个器件结构104中的每一个的调制深度和倾斜角来选择。在可以与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式中，器件材料层306包括但不限于：一种或多种氮化硅(SiN)、碳氧化硅(SiOC)、二氧化钛(TiO2)、二氧化硅(SiO2)、氧化钒(IV)(VOx)、氧化铝(Al2O3)、氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)、五氧化钽(Ta2O5)、氮化硅(Si3N4)、二氧化锆(ZrO2)或包含碳氮化硅(SiCN)的材料。在可以与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式中，器件材料层306的器件材料可以具有在大约1.5和大约2.65之间的折射率。在可以与本文描述的其他实施方式结合的其他实施方式中，器件材料层306的器件材料可以具有在大约3.5和大约4.0之间的折射率。
在可以与本文描述的其他实施方式组合的一些实施方式中，蚀刻停止层304可以可选地设置在基板302的表面上而在基板302和器件材料层306之间。可以通过一种或多种PVD、CVD、PECVD、FCVD、ALD或旋涂处理来设置蚀刻停止层304。蚀刻停止层304可以由任何合适的材料形成，例如氮化钛(TiN)或氮化钽(TaN)等，只要蚀刻停止层304能够抵抗本文所述的蚀刻处理即可。在可以与本文描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，蚀刻停止层304是不透明的蚀刻停止层，该蚀刻停止层在形成器件结构104之后被去除。在另一个实施方式中，蚀刻停止层304是透明的蚀刻停止层。
在操作202处，在器件材料层306之上形成牺牲层308，如图3B所示。在一个实施方式中，牺牲层308是SiN层、SiOx层或光刻胶层。在一个实施方式中，形成牺牲层308包括在器件材料层306之上设置抗蚀剂材料，并利用平版印刷处理显影抗蚀剂材料。抗蚀剂材料可以包括但不限于含感光聚合物的材料。显影抗蚀剂材料可以包括执行平版印刷处理，例如光刻、数字光刻和/或激光烧蚀。在该实施方式中，在牺牲层308上执行激光烧蚀，以在牺牲层308内而在长度L上形成深度可变结构301的形状，该形状具有在左侧的深度D和在右侧的深度D’。如上所述，可以使用激光烧蚀在牺牲层308中产生任何期望的一维、二维或三维形状。激光烧蚀使用在待烧蚀区域上扫描的激光束的可变脉冲重复。激光烧蚀相对于诸如灰阶抗蚀剂处理之类的其他可变深度处理的一个好处是，与可能具有有限的保存期限的使用灰阶抗蚀剂的化学处理相比，激光烧蚀是物理处理。激光烧蚀还可以实现更快的生产量和对深度可变结构的更快速更改，而无需使用掩模。与典型的蚀刻处理相比，激光烧蚀还可以增加空间保真度或分辨率。
在该实施方式中，在操作203，接着在牺牲层308的深度可变结构301上执行转移蚀刻处理，以在器件材料层306内形成深度可变结构301。操作203的结果在图3C中示出。在该实施方式中，转移蚀刻处理去除牺牲层308并蚀刻下面的器件材料层306以在器件材料层306内产生深度可变结构301。
在该实施方式中，深度可变结构301在第一端和第二端之间具有长度L。深度可变结构301的第一端具有深度F，第二端具有深度F'。即，在该实施方式中，深度可变结构301的深度在第一端最小，而在第二端最大。从F到F'的深度通常在约0nm至约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可以是大约25mm，而在第一端的深度F是大约0nm至大约50nm，而在第二端的深度F'是大约250nm至大约700nm。因此，深度可变结构301具有大致浅的斜率。在该示例中，倾斜角度小于1度，例如小于0.1度，例如大约0.0005度。为了清楚起见，这里以放大的角度示出了深度可变结构301的斜率。
在可以与其他实施方式结合的一个实施方式中，在器件设计处理不需要如上所述的牺牲层308的沉积的情况下，可以直接在器件材料层306上进行激光烧蚀以形成深度可变结构301。进行激光烧蚀以在长度L上产生深度可变结构301的形状，该形状具有在左侧的深度F和在右侧的深度F'。在一个实施方式中，深度可变结构301在长度L上的形状是具有变化的深度水平的楔形。如图3H所示，深度可变结构301的形状确定器件结构104在基板302上的深度D的调制。
在操作204中，将硬模312设置在器件材料层306和深度可变结构301之上。操作204的结果在图3D中示出。可以通过一种或多种液体材料的浇铸、旋涂镀膜、液体镀膜、干粉镀膜、丝网印刷、刮涂(doctor blading)、PVD、CVD、PECVD、FCVD、ALD、蒸发或溅射处理。在可与本文描述的其他实施方式结合的一个实施方式中，硬模312是不透明的，并且在形成光学器件300的一部分之后被去除。在另一个实施方式中，硬模312是透明的。在可以与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式中，硬模312包括但不限于：铬(Cr)、银(Ag)、Si3N4、SiO2、TiN或含碳(C)的材料。可以沉积硬模312，使得硬模312的厚度是基本均匀的。在其他实施方式中，可以沉积硬模312，使得厚度在器件材料层306上的不同点处从约30nm到约50nm变化。用使得硬模312的斜率类似于深度可变结构301的斜率的方式来沉积硬模312。
在操作205，将有机平面化层314设置在硬模312上。操作205的结果在图3E中示出。有机平面化层314可以包括包含感光材料的感光有机聚合物，该感光材料在暴露于电磁(EM)辐射时被化学变化并且因此被配置为使用显影溶剂去除。有机平面化层314可以包括任何有机聚合物和具有可以附接到有机聚合物的分子结构的分子结构的感光化合物。在可以与本文描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，可以使用旋涂处理来设置有机平面化层314。在可以与本文描述的其他实施方式结合的另一个实施方式中，有机平面化层314可以包括但不限于：聚丙烯酸酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂、聚苯醚树脂、聚苯硫醚树脂或苯并环丁烯(BCB)中的一种或多种。
如图3E所示，有机平面化层314的厚度会变化，从而形成了基本上平坦的顶表面。有机平面化层314的厚度会变化，使得倾斜的保形硬模312和有机平面化层314的基本平坦的顶表面之间的空间被完全填充并且在倾斜的楔形结构301上具有变化的厚度。
参照图3E-3H，在操作206，将经图案化的光刻胶316设置在有机平面化层314之上。通过将光刻胶材料设置在有机平面化层314上并显影光刻胶材料来形成经图案化的光刻胶316。经图案化的光刻胶316限定硬模图案315，如图3E所示，该硬模图案对应于器件材料层306的暴露段321，如图3G所示。硬模图案315用作用于形成倾斜的器件结构104的图案引导。如图3G所示，待蚀刻的器件材料层306的暴露段321对应于器件结构104之间的间隙324，如图3H所示。在可以与本文描述的其他实施方式结合的一个实施方式中，可以使用旋涂处理将光刻胶材料设置在有机平面化层314上。在可以与本文描述的其他实施方式结合的另一个实施方式中，经图案化的光刻胶316可以包括但不限于含感光聚合物的材料。显影光刻胶材料可以包括执行平版印刷处理，例如光刻和/或数字光刻。
在操作207，去除由抗蚀剂硬模图案315暴露的有机平面化层314的有机平面化层部分317。去除有机平面化层部分317会暴露出与器件结构104之间的间隙324所相对应的硬模图案315的负(negative)硬模部分319。可以通过IBE、RIE、定向RIE、等离子体刻蚀、湿式刻蚀和/或光刻来去除有机平面化层部分317。操作207的结果在图3F中示出。
在操作208，蚀刻硬模图案315的负硬模部分319。操作208的结果在图3F中示出。蚀刻负硬模部分319以暴露与硬模图案315所相对应的器件材料层306的暴露段321。在可以与本文描述的其他实施方式结合的一个实施方式中，蚀刻负硬模部分319可以包括但不限于IBE、RIE、定向RIE或等离子体蚀刻中的至少一种。
在操作209，去除经图案化的光刻胶316和有机平面化层314。操作208的结果在图3G中示出。剥离有机平面化层314和经图案化的光刻胶层316会产生一组负硬模部分319。
在操作210，执行蚀刻处理。在可以与本文描述的其他实施方式结合的一个实施方式中，执行成角度的蚀刻处理(angled etching process)。成角度的蚀刻处理可以包括但不限于IBE、RIE或定向RIE中的至少一种。由IBE产生的离子束可以包括但不限于带状束、点状束或全基板尺寸的束中的至少一种。执行成角度的蚀刻处理蚀刻器件材料层306的暴露的段321，以形成多个器件结构104。如图3H所示，成角度的蚀刻处理形成多个器件结构104，使得器件结构104相对于基板302的表面具有倾斜角θ。在可以与本文描述的其他实施方式结合的一个实施方式中，每个器件结构104的倾斜角θ基本相同。在可以与本文描述的其他实施方式组合的另一个实施方式中，多个器件结构104中的至少一个器件结构的倾斜角θ是不同的。
器件结构图案310提供了器件结构104的深度D以在整个基板302上进行梯度调制。例如，如图3H所示，器件结构104的深度D在整个基板302上沿X方向减小。在可以与本文描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，器件结构104的深度D的梯度是连续的。在可以与本文描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，器件结构104的深度D的梯度是阶梯式的。如上所述，调制器件结构104的深度D提供了对光学器件100的光栅102的光的内耦合(in-coupling)和外耦合(out-coupling)的控制。
在操作211，可执行可选的操作以剥离硬模312。在一些实施方式中，可以执行湿式清洁。
本文所描述的激光烧蚀处理有利地允许深度可变结构在一个或多个方向上具有斜率和/或曲率。图4A-4C示出了可用于深度可变结构的形状的其他示例。图4A示出了光学器件400的一部分的器件材料层406中的深度可变结构420。深度可变结构420具有两个平坦的倾斜部分，这两部分从相应的外围区域420a、420b朝着中央区域420c延伸。图4B示出了光学器件430的一部分的器件材料层436中的深度可变结构450。深度可变结构450是弯曲的结构，其在外围区域450a，450b处具有浅深度D，而在中央区域450c处具有增大的深度。在一个示例中，深度可变结构450具有拋物线形状。深度D从外围区域450a、450b到中央区域450c非线性地增加。图4C示出了光学器件460的一部分的器件材料层466中的深度可变结构480。深度可变结构480具有从第一端480a振荡到第二端480b的深度D，这形成了用于深度可变结构480的循环深度D的图案。深度可变结构480被示出具有深度D的线性、锯齿状的振荡。然而，可以想到深度D可以非线性地变化，使得深度可变结构在深度D中具有波状的振荡。诸如楔形深度可变结构420、450、480之类的深度可变结构的深度D可以在其从第一端(即420a、450a、480a)到第二端(即420b、450b、480b)的整个长度L上线性或非线性地变化。利用灰度光刻、激光烧蚀和本文所述的技术，可以通过单次而不是现有技术所要求的多次操作来图案化具有各种形状的深度可变结构。
在另一个示例中，深度可变结构具有三维形状。即，如图5A-5C的示例所示，深度在多个方向(即，第一方向X和第二方向Y)上变化。图5A示出了具有鞍点形状的曲率(即，双曲线抛物面形状)的深度可变结构520。图5B示出了具有带正曲率的椭圆抛物面形状的深度可变结构550。图5C示出了具有负曲率的椭圆抛物面形状的深度可变结构580。深度可变结构的三维形状不限于图5A-5C的示例。其他期望的形状，例如具有正曲率或负曲率的正方形区域中的抛物面、椭圆形以及线性倾斜形状等等，也可以被考虑并可以与之一起使用。在这些情况下，深度可变结构的深度在X和Y方向上均发生变化。因此，倾斜的器件结构的上表面是弯曲的，如由深度可变结构的曲率的形状所限定的。
总之，本文描述了用于形成具有可变深度倾斜的器件结构的器件结构的方法。该方法包括使用激光烧蚀在器件材料层中形成深度调制的深度可变结构。多个器件结构形成在深度可变结构中，以在深度可变结构中限定倾斜的器件结构。使用激光烧蚀形成深度可变结构，并且使用蚀刻处理形成倾斜的器件结构。本文描述的方法还可用于产生用作纳米压印光刻的母版的器件结构。

Claims (20)

1.一种形成器件结构的方法，包括以下步骤：
使用激光烧蚀在器件材料层中形成深度可变结构；
在所述器件材料层之上形成硬模和光刻胶堆叠物；
蚀刻所述光刻胶堆叠物；和
在所述器件材料层中形成多个器件结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述光刻胶堆叠物包括：
光学平面化层；和
光刻胶。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述深度可变结构的深度从第一端到第二端变化。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述深度可变结构的所述深度从所述第一端到所述第二端线性地变化。
5.如权利要求3所述的方法，其中，所述深度可变结构的所述深度从所述第一端到所述第二端非线性地变化。
6.如权利要求3所述的方法，其中，所述深度可变结构的所述深度从所述第一端到所述第二端振荡。
7.一种形成器件结构的方法，包括以下步骤：
在基板上形成器件材料层；
使用激光烧蚀在所述器件材料层中形成深度可变结构；
在所述器件材料层之上形成硬模和光刻胶堆叠物；
蚀刻所述光刻胶堆叠物；和
在所述器件材料层中形成多个器件结构。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述光刻胶堆叠物包括：
光学平面化层；和
光刻胶。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述深度可变结构的深度从第一端到第二端变化。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述深度可变结构的所述深度从所述第一端到所述第二端线性地变化。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述深度可变结构的所述深度从所述第一端到所述第二端非线性地变化。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述深度可变结构的深度从所述第一端到所述第二端振荡。
13.一种形成器件结构的方法，包括以下步骤：
在基板上形成器件材料层；
在所述器件材料层上形成牺牲层；
使用激光烧蚀在所述牺牲层中形成深度可变结构；
在所述牺牲层上形成硬模和光刻胶堆叠物；
蚀刻所述光刻胶堆叠物；和
在所述器件材料层中形成多个器件结构。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述光刻胶堆叠物包括：
光学平面化层；和
光刻胶。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述深度可变结构的深度从第一端到第二端变化。
16.如权利要求13所述的方法，其中，所述深度可变结构的所述深度从所述第一端到所述第二端线性地变化。
17.如权利要求13所述的方法，其中，所述深度可变结构的所述深度从所述第一端到所述第二端非线性地变化。
18.如权利要求13所述的方法，其中，所述深度可变结构的所述深度从所述第一端到所述第二端振荡。
19.如权利要求13所述的方法，还包括；
蚀刻所述牺牲层和所述器件材料层。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述牺牲层和所述器件材料层的蚀刻导致所述深度可变结构转移至所述器件材料层中。
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