CN115552296A - 多级结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了用于制备多级结构的技术。例如，根据一些实现，本发明描述了用于制备多级母模的技术，其中可以直接地或通过子母模从该多级母模复制光学元件。本发明还描述了多级光学元件和用于制作这些多级光学元件的过程。

Description

多级结构及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年5月8日提交的美国临时专利申请63/022,005的优先权的权益，其内容通过引用而被全部并入本文。

技术领域

本发明涉及多级结构，诸如光学元件和用于这些光学元件的制造的母模(例如，工具或模具)等。

背景技术

原则上，可以例如从在设计波长处具有高衍射效率的衍射结构来产生任意波前。这种衍射结构通常具有在每2π相位间隔上连续变化的表面浮雕深度。具有连续深度的该相位剖面不容易制备。然而，多级相位结构可以提供导致相对较高的衍射效率和易于制备的折衷。此外，具有多级结构(即，三级或多于三级)的光学元件可以在一些情况下提供比单级或双级结构更佳的功能。例如，由三级构成的衍射光学元件(DOE)可以在一些情况下表现出比具有仅一级或两级的衍射光学元件更好的光学性能。

整个制备过程中的第一任务包括生成包含相位剖面信息的一个或多于一个掩模的集合。第二任务是将相位剖面信息从掩模传送到由光学元件的设计指定的元件的表面中。在一些制造方法中，母模(例如，工具或模具)或子母模用于通过复制来形成多个光学元件，该复制是指再现给定结构所利用的技术。

附图说明

图1至图7描绘用于产生具有多级结构的母模或光学元件的示例方法中的操作。

图8和图9分别示出包括具有多级结构的光学元件的单通道模块和多通道模块的示例。

图10至图12示出使用具有多级结构的母模的复制过程中的操作的示例。

发明内容

本发明描述了用于制备多级结构的技术。例如，根据一些实现，本发明描述了用于制备多级母模(例如，工具或模具)的技术，其中可以直接地或借助于子母模从该多级母模复制光学元件(例如，衍射光学元件)。本发明还描述了多级光学元件和用于制作这些多级光学元件的过程。

例如，在一个方面，本发明描述了一种用于制造具有多级结构的光学元件或母模的方法。所述方法包括：提供包括第一基板部和第二基板部的基板。所述第一基板部在所述第二基板部上，并且具有与所述第二基板部的组成不同的组成。所述方法包括：穿过所述基板的表面形成第一沟槽和第二沟槽，其中所述第一沟槽延伸穿过所述第二基板部并部分地延伸到所述第一基板部中，以及其中所述第一沟槽的深度不同于所述第二沟槽的深度。形成所述第二沟槽包括：蚀刻穿过所述第二基板部，其中所述第一基板部用作所述第二沟槽的形成期间的蚀刻停止层。

一些实现包括以下特征中的一个或多于一个。例如，在一些实现中，所述方法还包括：提供钝化材料，所述钝化材料至少部分地填充所述第一沟槽并且覆盖所述基板的表面；以及在所述钝化材料的部分上沉积掩模。在一些情况下，提供至少部分地填充所述第一沟槽的钝化材料包括：用所述钝化材料共形地涂覆所述第一沟槽的底表面和侧表面。在一些情况下，在沉积所述掩模之后，形成所述第二沟槽，其中所述第二沟槽布置在所述基板的不存在所述掩模的部分中。此外，在一些情况下，在形成所述第二沟槽之前，去除所述钝化材料的未被所述掩模覆盖的部分。在一些实现中，在形成所述第二沟槽之后：去除所述掩模和所述钝化材料。

在一些实现中，在形成所述第一沟槽之后，在所述基板的表面的部分上沉积掩模；以及随后形成所述第二沟槽，其中所述第二沟槽布置在所述基板的不存在所述掩模的部分中。

在一些实现中，所述第一基板部至少部分地由铬构成，并且所述第二基板部至少部分地由硅构成。所述掩模可以例如至少部分地由聚合物材料构成。在一些情况下，所述聚合物材料是抗蚀剂。所述钝化材料可以例如至少部分地由氧化铝构成。在一些实例中，用钝化材料至少部分地填充所述第一沟槽包括：通过原子层沉积来沉积所述钝化材料。

本发明还描述了一种母模，用于复制子母模或光学元件。所述母模包括具有第一基板部和第二基板部的基板。所述第一基板部在所述第二基板部上，并且具有与所述第二基板部的组成不同的组成。所述基板具有包括至少三个不同级的多级结构。所述第二基板部的上表面限定所述级中的第一级。与所述第一基板部和所述第二基板部之间的边界相同的平面中的表面限定所述级中的第二级。所述第一基板部的上表面和下表面之间的平面中的表面限定所述级中的第三级。在一些实现中，所述第一基板部至少部分地由铬构成，并且所述第二基板部至少部分地由硅构成。

本发明还描述了光学元件。例如，光学元件可以包括具有第一基板部和第二基板部的基板。所述第一基板部在所述第二基板部上，具有与所述第二基板部的组成不同的组成。所述基板具有包括至少三个不同级的多级结构。所述第二基板部的上表面限定所述级中的第一级。与所述第一基板部和所述第二基板部之间的边界相同的平面中的表面限定所述级中的第二级。所述第一基板部的上表面和下表面之间的平面中的表面限定所述级中的第三级。所述第一级、所述第二级和所述第三级相对于彼此的深度和位置例如可以被配置为提供预定义的光学功能。

本发明还描述了一种光电模块，包括光学元件，所述光学元件具有多级结构并且与有源光电组件对准。

通过以下详细的描述、附图以及权利要求书，其他方面、特征和优点将变得明显。

具体实施方式

本发明描述了用于制备多级结构的技术。例如，根据一些实现，本发明描述了用于制备多级母模(例如，工具或模具)的技术，其中可以直接地或借助于子母模从该多级母模复制光学元件(例如，衍射光学元件)。本发明还描述了多级光学元件和用于制作这些多级光学元件的过程。

如图1所示，基板10具有第一基板部12和第二基板部14。布置在第二基板部14上的第一基板部12具有厚度t。第一基板部12可以例如至少部分地由铬构成。在一些实现中，第一基板部12可以由其他材料构成。第二基板部14可以例如由硅构成。然而，在一些实现中，第二基板部14可以由其他材料(例如，熔融或多晶二氧化硅、或者一个或多于一个电介质或金属材料)构成。在一些情况下，基板10是横向尺寸基本上大于其厚度的晶圆。基板10具有基板表面，其建立多级结构的第一级L1。

如图2所示，所示方法包括：在基板10中创建第一沟槽16。第一沟槽16相对于基板表面具有第一深度D1，并且延伸穿过第一基板部12的厚度并部分地延伸到第二基板部14中。第一沟槽16的底部建立多级结构的另一级。该级可以被称为第三级L3。第一沟槽16可以例如通过电子束光刻和蚀刻来创建，但在一些实现中可以使用其他技术。对于一些实现，第一沟槽16的宽度可以在从几纳米到几微米的范围内。在一些实例中，第一沟槽16的尺寸及其相应的布置可以与诸如衍射光学功能等的预定光学功能有关。

接着，如图3所示，所示方法包括：用钝化材料18部分填充第一沟槽16(即，共形地涂覆第一沟槽的底表面和侧表面)，并且同时用钝化材料覆盖级L1处的基板表面的至少一部分。在一些实现中，钝化材料18至少部分地由氧化铝构成。在一些实现中，其他材料可用于钝化材料18。钝化材料18可以例如通过原子层沉积而沉积在第一沟槽16中和基板表面的顶部上，但在一些实现中可以使用其他技术。

如图3进一步所示，所示方法还包括：在基板表面上的钝化材料18的部分上以及共形地涂覆第一沟槽18的钝化材料的部分上选择性地提供掩模20。掩模20可以例如至少部分地由诸如抗蚀剂(例如，光致抗蚀剂)等的聚合物材料构成。在一些情况下，(例如，通过旋涂)将掩模材料涂覆到基板表面上，然后(例如，经由标准光刻技术)进行图案化以形成掩模20。

如图4所示，所示方法包括：去除基板表面上的未被掩模20覆盖的钝化材料18。同样地，去除涂覆第一沟槽16的底表面和侧表面并且未被掩模20覆盖的钝化材料18。去除钝化材料18可以包括例如氩溅射。在图4的示例中，未被掩模20覆盖的钝化材料被完全去除。在一些实例中，去除钝化材料可以通过湿法蚀刻来进行。

如图5所示，所示方法包括：创建穿过基板表面的第二沟槽22，使得第二沟槽相对于基板表面(即，相对于级L1)具有第二深度D2。深度D2可以等于(或基本上等于)基板10的第一基板部12的厚度t1。第二沟槽22是在基板的不存在掩模20的区域中创建的。第二沟槽22延伸到基板10的第二基板部14的上表面，使得第二沟槽22的底部建立多级结构的又一级。该又一级可以被称为第二级L2。在所示方法中，第一沟槽16比第二沟槽22深。也就是说，D1>D2，并且第二级L2比第三级L3更靠近第一级L1。

第二沟槽22可以例如通过蚀刻来创建。优选地，用于创建第二沟槽22的蚀刻不会(或不会显著地)导致基板的第二基板部14的蚀刻。也就是说，第二基板部14优选用作蚀刻停止层。结果，可以精确地控制第二沟槽22的深度。此外，通过允许第二基板部14用作相对于在形成第二沟槽22期间使用的蚀刻的蚀刻停止层，在形成第二沟槽22期间使用的蚀刻将不会改变第一沟槽16的深度，这也可以帮助维持对第一沟槽16的最终深度的精确控制。

接着，如图6所示，所示方法包括：例如通过剥离技术去除掩模20的材料。此外，如图7所示，所示方法包括：例如通过剥离技术去除其余的钝化材料18。

在一些实现中提供钝化材料18的层的优点在于可以帮助消除或减少在后续光刻步骤期间对高精度对准的需要。此外，在第二沟槽22的蚀刻期间存在钝化材料18可以帮助防止横向蚀刻到第一基板部12中(参见图5)。然而，在一些实现中，不需要提供钝化材料18，并且掩模20可以直接沉积到基板10上。

如图7的示例所示，如此得到的结构30具有L1、L2、L3这三个不同级，其中第二级L2在基板中比第一级L1更深，并且其中第三级L3在基板中比第二级L2更深(即，离第一级L1更远)。如此得到的多级结构30形成在由以一个在另一个之上的方式布置的两个或多于两个部12、14构成的基板中，其中各部由与其他部不同的材料构成。多级结构30中的级中的至少一个(即，所示示例中的第二级L2)在与基板的第一部12和第二部14之间的边界相同的平面中，其中第一部12和第二部14具有彼此不同的组成。

在一些实现中，如此得到的多级结构30可以用作光学元件(例如，DOE)，也就是说，具有多级结构的光学元件，其中级的数量为至少三个。根据多级结构的材料，光学元件可以被配置为可操作地用于例如红外(IR)或可见辐射。各个级相对于彼此的深度和位置可以根据预定义的光学功能来配置。

在一些实现中，具有如上所述的多级结构的光学元件可以集成到容纳一个或多于一个光电器件(例如，发光和/或光感测器件)的模块中。光学元件可用于在发射或入射的光波穿过光学元件时修改或重定向该发射或入射的光波。

例如，如图8所示，在一些实现中，光感测模块(例如，环境光传感器模块)800包括安装在基板803上的有源光电器件802。光电器件802例如可以是光传感器(例如，光电二极管、像素或图像传感器)或光发射器(例如，诸如垂直腔面发射激光器等的激光器、或者发光二极管)。模块壳体例如可以包括将光电器件802和/或基板803与具有如上所述的多级结构的光学元件804分开的间隔件810。

在图8的单通道模块中，光学元件804可以布置成与入射光的路径相交或与出射光的路径相交。光学元件可以与有源光电组件802对准并且可以安装到壳体。在一些情况下(例如，在光电组件是光传感器的情况下)，入射在模块800上的光由光学元件804修改或重定向。例如，在一些情况下，光学元件804在照射在光学元件上的光由光电组件802接收和感测之前修改该光的一个或多于一个特性。在一些实例中，例如，光学元件804可以将图案化的光会聚到光电组件802上。在一些情况下，光学元件804可以在光由光电组件802接收和感测之前对该光进行分离、漫射和/或偏振。

在一些情况下(例如，在光电组件802是光发射器的情况下)，由光电组件802生成的光穿过光学元件804并离开模块。在图8的单通道模块中，光学元件804可以被布置成与出射光806的路径相交。光学元件804可以修改或重定向该光。例如，在一些情况下，在照射在光学元件上的光离开模块800之前修改该光的一个或多于一个特性。在一些情况下，模块800可操作以产生例如结构化光、漫射光和图案化光中的一个或多于一个。

多通道模块也可以并入具有如上所述的多级结构的至少一个光学元件。如图9所示，这种多通道模块900例如可以包括光传感器902A和光发射器902B，这两者都可以安装在同一印刷电路板(PCB)或其他基板903上。在所示示例中，具有如上所述的多级结构的光学元件904安装到光发射器902B上方的壳体。多通道模块可以包括光发射通道和光检测通道，这两者可以通过形成模块壳体的一部分的壁彼此光学隔离。透镜905可以设置在光传感器902A上方。

在一些情况下，上述模块中的一个或多于一个例如可以集成到移动电话、膝上型计算机、电视、可穿戴装置或机动运载工具中。

在一些实现中，图7的如此得到的多级结构30可以用作母模(例如，工具或模具)，其可以用于制作子母模或用于复制具有与母模的多级结构相对应的多级结构的光学元件。例如，在一些实现中，复制的光学元件具有与母模相同的多级结构，而在另一实现中，复制的光学元件具有母模的多级结构的反向(即，负片(negative))。图10至图13示出可以进行以直接从(例如，具有诸如以上结合图7所述的多级结构的)多级母模复制光学元件的操作。在该上下文中，复制是指再现给定结构所利用的技术。特别地，可以将结构化表面压印到液体或可塑性变形的材料(“复制材料”)中，然后可以例如通过使用紫外线(UV)辐射或加热进行固化来使材料硬化，然后可以去除结构化表面，使得获得结构化表面的负片(复制品)。

图10示出具有如上所述的多级结构的母模1000的示例。多级母模1000可以例如通过结合图1至图7所述的方法来获得。然后，如图11所示，将聚合物复制材料(例如，未固化的环氧树脂)1010沉积在多级母模1000和复制品基板1012之间。使多级母模1000和复制品基板1012紧密接近，使得母模1000的多级结构被压入复制材料1010中。聚合物复制材料1010可以(例如，通过紫外线辐射暴露和/或以热方式)被固化。图12描绘在固化的复制材料中形成的多级母模1000的复制品1014。复制品1014包括多个多级元件(例如，诸如DOE等的光学元件)。如图13所示，复制品1014(例如，通过沿着切割线1016切割)被分离，以创建多个单独的多级光学元件。单一化后的光学元件中的一个或多于一个(各自具有与母模1000的多级结构相对应的多级结构)例如可以被并入诸如以上结合图8和图9所述等的单通道或多通道光电模块中。

在一些实现中，母模1000可用于复制子母模，然后子母模用于复制多级光学元件。

尽管前述示例描述了具有三级的多级结构，但可以使用类似技术来创建具有多于三级的多级结构。例如，通过适当选择基板的部分的材料以及通过适当选择蚀刻剂，起始基板可以包括可以有选择地蚀刻的附加层，其中这些层中的一个或多于一个用作(一个或多于一个)其他层的蚀刻期间的蚀刻停止层。

尽管已经详细描述了特定实现，但可以进行各种修改。因此，其他实现也在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种用于制造具有多级结构的光学元件或母模的方法，所述方法包括：

提供包括第一基板部和第二基板部的基板，所述第一基板部在所述第二基板部上，并且所述第一基板部具有与所述第二基板部的组成不同的组成；以及

穿过所述基板的表面形成第一沟槽和第二沟槽，其中所述第一沟槽延伸穿过所述第二基板部并部分地延伸到所述第一基板部中，其中所述第一沟槽的深度不同于所述第二沟槽的深度，

其中，形成所述第二沟槽包括蚀刻穿过所述第二基板部，其中所述第一基板部用作所述第二沟槽的形成期间的蚀刻停止层。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

提供钝化材料，所述钝化材料至少部分地填充所述第一沟槽并且覆盖所述基板的表面；以及

在所述钝化材料的部分上沉积掩模。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，提供至少部分地填充所述第一沟槽的钝化材料包括：用所述钝化材料共形地涂覆所述第一沟槽的底表面和侧表面。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括：

在沉积所述掩模之后，形成所述第二沟槽，其中所述第二沟槽布置在所述基板的不存在所述掩模的部分中。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

在形成所述第二沟槽之前，去除所述钝化材料的未被所述掩模覆盖的部分。

6.根据权利要求4或5所述的方法，还包括：

在形成所述第二沟槽之后：

去除所述掩模；以及

去除所述钝化材料。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在形成所述第一沟槽之后，在所述基板的表面的部分上沉积掩模；以及

随后形成所述第二沟槽，其中所述第二沟槽布置在所述基板的不存在所述掩模的部分中。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述第一基板部至少部分地由铬构成，以及所述第二基板部至少部分地由硅构成。

9.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其中，所述掩模至少部分地由聚合物材料构成。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述聚合物材料是抗蚀剂。

11.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其中，所述钝化材料至少部分地由氧化铝构成。

12.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其中，用钝化材料至少部分地填充所述第一沟槽包括：通过原子层沉积来沉积所述钝化材料。

13.一种母模，用于复制子母模或光学元件，所述母模包括：

基板，其具有第一基板部和第二基板部，所述第一基板部在所述第二基板部上，并且所述第一基板部具有与所述第二基板部的组成不同的组成，

其中，所述基板具有包括至少三个不同级的多级结构，其中所述第二基板部的上表面限定了所述级中的第一级，与所述第一基板部和所述第二基板部之间的边界相同的平面中的表面限定了所述级中的第二级，以及所述第一基板部的上表面和下表面之间的平面中的表面限定了所述级中的第三级。

14.根据权利要求13所述的母模，其中，所述第一基板部至少部分地由铬构成，以及所述第二基板部至少部分地由硅构成。

15.一种用于制备光学元件的方法，所述方法包括：

使用根据权利要求13或14所述的母模来复制所述光学元件。

16.根据权利要求15所述的方法，包括：在聚合物材料中复制所述光学元件。

17.一种方法，包括：

使用根据权利要求13或14所述的母模来复制至少一个子母模。

18.一种光学元件，包括：

基板，其具有第一基板部和第二基板部，所述第一基板部在所述第二基板部上，并且所述第一基板部具有与所述第二基板部的组成不同的组成，

其中，所述基板具有包括至少三个不同级的多级结构，其中所述第二基板部的上表面限定了所述级中的第一级，与所述第一基板部和所述第二基板部之间的边界相同的平面中的表面了限定所述级中的第二级，以及所述第一基板部的上表面和下表面之间的平面中的表面限定了所述级中的第三级。

19.根据权利要求18所述的光学元件，其中，所述第一级、所述第二级和所述第三级相对于彼此的深度和位置被配置为提供预定义的光学功能。

20.一种模块，包括：

有源光电组件；

壳体；以及

根据权利要求18或19所述的光学元件，

其中，所述光学元件与所述有源光电组件对准并且安装到所述壳体。

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