CN117545711A - 超声处理纳米几何形状控制过程和方法 - Google Patents

Abstract

本文公开了用于制造衬底上的纳米结构的系统和方法，其可用于显示器的目镜，例如，用于头戴式设备中的目镜。制造和/或蚀刻这样的衬底可以包括将衬底浸入浴中并在第一时间段内对该浴应用超声处理。应用到第一浴的超声处理可以搅动流体以跨衬底表面而提供基本一致的第一反应环境。可以将衬底浸入第二浴中并在第二时间段内对第二浴应用超声处理。应用到第二浴的超声处理可以搅动流体以跨衬底表面而提供基本一致的第二反应环境。在第二时间段期间，可以从衬底表面去除预定量的材料以制造蚀刻衬底。

Description

超声处理纳米几何形状控制过程和方法

相关申请的交叉引用

本申请主张2021年4月20日提交的美国临时专利申请号63/177,294的优先权，该申请的全部内容在此纳入作为参考。

技术领域

本公开一般地涉及用于显示视觉信息的系统和方法，具体地说，涉及用于显示增强现实或混合现实环境中的视觉信息的目镜。更具体地说，本公开涉及制造在用于显示增强现实或混合现实环境中的视觉信息的目镜中使用的光栅的系统和方法。

背景技术

虚拟环境在计算环境中无处不在，在视频游戏(其中，虚拟环境可以表示游戏世界)；地图(其中，虚拟环境可以表示要导航的地形)；模拟(其中，虚拟环境可以模拟真实环境)；数字讲故事(其中，虚拟角色可以在虚拟环境中相互交互)；以及许多其他应用中得到了应用。现代计算机用户通常可以舒适地感知虚拟环境并与之交互。然而，用户对虚拟环境的体验可能会受到虚拟环境呈现技术的限制。例如，传统的显示器(例如，2D显示屏)和音频系统(例如，固定扬声器)可能无法以创造引人注目、逼真和身临其境的体验的方式来实现虚拟环境。

虚拟现实(“VR”)、增强现实(“AR”)、混合现实(“MR”)和相关技术(统称为“XR”)共享向XR系统用户呈现与计算机系统中的数据表示的虚拟环境相对应的感官信息的能力。本公开考虑了VR、AR和MR系统之间的区别(尽管一些系统可以在一个方面(例如，视觉方面)被分类为VR，同时在另一方面(例如，音频方面)被分类为AR或MR)。如本文所用，VR系统在至少一方面呈现替代用户的真实环境的虚拟环境；例如，VR系统可以向用户呈现虚拟环境的视图，同时针对他或她遮挡真实环境的视图(例如，用挡光头戴式显示器)。类似地，VR系统可以向用户呈现对应于虚拟环境的音频，同时阻止(衰减)来自真实环境的音频。

VR系统可能经历由用虚拟环境代替用户的真实环境所导致的各种缺点。一个缺点是，当用户在虚拟环境中的视场不再与他或她的内耳状态(检测一个人在真实环境(而不是虚拟环境)中的平衡和取向)相对应时，可能会出现晕动感。类似地，用户在VR环境中可能会感到迷失方向，因为无法直接看到他们自己的身体和四肢(在真实环境中，用户看到自己的身体和四肢才会感觉“着地”)。另一缺点是，给特别是在寻求让用户沉浸在虚拟环境中的实时应用中必须呈现完整的3D虚拟环境的VR系统造成计算负担(例如，存储、处理能力)。类似地，这种环境可能需要达到非常高的真实感标准才能被视为身临其境，因为用户往往对虚拟环境中的哪怕是微小瑕疵都很敏感—任何瑕疵都可能破坏用户在虚拟环境中的沉浸感。此外，VR系统的另一缺点是，此类系统应用无法利用真实环境中的广泛感官数据，例如人们在真实世界中体验到的各种景象和声音。一个相关的缺点是，VR系统难以创建其中多个用户可以交互的共享环境，因为在真实环境中共享物理空间的用户无法在虚拟环境中直接看到彼此或相互交互。

如本文所用，AR系统在至少一方面呈现与真实环境重叠或覆盖真实环境的虚拟环境。例如，AR系统可以向用户呈现覆盖在用户的真实环境视图上的虚拟环境视图，例如通过在呈现显示图像的同时允许光穿过显示器进入用户眼睛的透射型头戴式显示器。类似地，AR系统可以向用户呈现对应于虚拟环境的音频，同时混合来自真实环境的音频。类似地，如本文所用，MR系统像AR系统那样在至少一方面呈现与真实环境重叠或覆盖真实环境的虚拟环境，并且可以另外在至少一方面允许MR系统中的虚拟环境可以与真实环境交互。例如，虚拟环境中的虚拟角色可能会拨动真实环境中的电灯开关，使得真实环境中相应的灯泡打开或关闭。另一例子是，虚拟角色可以对真实环境中音频信号做出反应(例如，面部表情)。通过保持真实环境的呈现，AR和MR系统可以避免VR系统的上述一些缺点；例如，减少用户的晕动症，因为来自真实环境(包括用户自己的身体)的视觉提示可以保持可见，并且，此类系统无需向用户呈现完全实现的3D环境以产生沉浸感。此外，AR和MR系统可以利用真实世界的感官输入(例如，风景、物体和其他用户的视图和声音)来创建增强该输入的新应用。

以逼真的方式呈现虚拟环境，从而以鲁棒且经济高效的方式为用户创建身临其境的体验可能是困难的。例如，头戴式显示器可以包括具有一个或多个多层目镜的光学系统，该目镜是一种昂贵且易碎的部件。例如，每一层都通过复杂的工艺来制造，该工艺包括多个步骤来实现衍射光栅和相关薄膜，以有效地向用户投射数字图像。例如，衍射光栅可以包括以纳米级形成的多层结构。这些多层结构可以使用光刻工艺制造，但这样的工艺很昂贵，并且在纳米级上实现所需的几何形状很困难。例如，以高保真度(无断线、具有平滑的线边缘)制造小于50nm的纳米结构可以使用昂贵的光刻技术，例如电子束光刻，以实现所需的纳米结构分辨率。即使使用这样的光刻技术，对准部件以制造纳米级的光刻母版和/或最终产品也可能是困难的，并且所得的纳米结构有容易出现不均匀的线边缘粗糙度(LER)。因此，需要一种用于制造多层纳米级结构的廉价工艺。

为了解决与用于制造纳米结构的昂贵光刻技术相关的问题，根据本公开的实施例的系统和方法依赖于超声处理来在衬底上蚀刻和形成期望的纳米结构。例如，根据本公开的实施例可以使用超声处理序列工艺来实现沉积在衬底上的不同材料层的期望蚀刻选择性。超声处理序列工艺可以包括将衬底浸入碱溶液浴(bath)、酸溶液浴和/或水浴中，并对该浴应用超声处理。根据本公开实施例的系统和方法例如可以蚀刻包含具有高保真度、平滑LER和跨批次一致对准的多层纳米结构的硅基结构，例如Si、SiO₂、Si₃N₄等。

发明内容

本文公开了用于制造衬底上的纳米结构的系统和方法。所述衬底包括可用于显示器的目镜(例如，用于头戴式设备的目镜)中的多个纳米结构。制造和/或蚀刻用于目镜的包括多个纳米结构的衬底的示例方法可以包括将所述衬底浸入浴中并在第一时间段内对所述浴所述应用超声处理。应用到所述第一浴的所述超声处理可以搅动流体以跨所述衬底的表面而提供基本一致的第一反应环境。可以将所述衬底浸入第二浴中并在第二时间段内对所述第二浴应用超声处理。应用到所述第二浴的所述超声处理可以搅动所述流体以跨所述衬底的所述表面而提供基本一致的第二反应环境。在一些示例中，在所述第二时间段期间，可以从所述衬底的所述表面去除预定量的材料以制造所述蚀刻衬底。在一些示例中，去除的所述预定量的材料可以基于所述第一时间段的长度，并且进一步基于所述第二时间段的长度。本文的实施例提供了以高保真度(无断线、平滑的线边缘)低成本地制造小于50nm的纳米结构，以实现所需的纳米结构分辨率的系统和方法。此外，本文的实施例提供了在具有平滑线边缘粗糙度(LER)的纳米结构的多层之间实现对准的系统和方法。

附图说明

图1A-1C示出了根据本公开的一个或多个实施例的示例混合现实环境。

图2A-2D示出了根据本公开的一个或多个实施例的可用于生成混合现实环境并与之交互的示例混合现实系统的组件。

图3A示出了根据本公开的一个或多个实施例的可用于向混合现实环境提供输入的示例混合现实手持控制器。

图3B示出了根据本公开的一个或多个实施例的可以与示例混合现实系统一起使用的示例辅助单元。

图4示出了根据本公开的一个或多个实施例的示例混合现实系统的示例功能框图。

图5示出了根据本公开的一个或多个实施例的示例超声处理装置。

图6A-6B示出了根据本公开的一个或多个实施例制造的示例混合现实系统的示例纳米结构。

图7A-7C示出了根据本公开的一个或多个实施例制造的示例混合现实系统的示例纳米结构。

图8A-8B示出了根据本公开的一个或多个实施例制造的示例混合现实系统的示例纳米结构。

图9A-9B示出了根据本公开的一个或多个实施例制造的示例混合现实系统的示例纳米结构。

图10A-10B示出了根据本公开的一个或多个实施例制造的示例混合现实系统的示例纳米结构。

图11A-11C示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于示例混合现实系统的示例纳米结构。

图12A-12C示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于示例混合现实系统的示例纳米结构。

图13A-13E示出了根据本公开的一个或多个实施例的用于示例混合现实系统的示例纳米结构。

图14示出了根据本公开的一个或多个实施例的制造用于示例混合现实系统的纳米结构的过程的示例框图。

图15示出了根据本公开的一个或多个实施例的制造用于示例混合现实系统的纳米结构的过程的示例框图。

图16示出了根据本公开的一个或多个实施例的制造用于示例混合现实系统的纳米结构的过程的示例框图。

具体实施方式

在下面对示例的描述时，将参考形成其一部分的附图，其中，以说明的方式示出了可以实践的特定实施例。将理解，也可以使用其他示例，并且在不偏离所公开示例的范围的情况下，可以做出结构方面的修改。

混合现实环境

和所有人一样，混合现实系统的用户存在于真实环境中，也就是说，可被用户感知的“真实世界”的三维部分及其所有内容。例如，用户使用普通的人类感官(视觉、声音、触觉、味觉、嗅觉)来感知真实环境，并通过在真实环境中移动自己的身体与真实环境互动。真实环境中的位置可以被描述为坐标空间中的坐标；例如，坐标可以包括纬度、经度和相对于海平面的高程；在三个正交维度上与参考点的距离；或其他合适的值。同样，矢量可以描述在坐标空间中具有方向和大小的量。

例如，计算设备可以在与该设备相关联的存储器中维护虚拟环境的表示。如本文所用，虚拟环境是三维空间的计算表示。虚拟环境可以包括与该空间相关联的任何对象、动作、信号、参数、坐标、矢量或其他特性的表示。在一些示例中，计算设备的电路(例如，处理器)可以维护和更新虚拟环境的状态；也就是说，处理器可以基于与虚拟环境相关联的数据和/或用户提供的输入，在第一时间t0确定虚拟环境在第二时间t1的状态。例如，如果虚拟环境中的对象在时间t0位于第一坐标处，并且具有某些编程的物理参数(例如，质量、摩擦系数)；以及从用户处接收的指示应在方向矢量上向对象施加力的输入；则处理器可以应用运动学定律来使用基本力学确定对象在时间t1的位置。处理器可以使用已知的关于虚拟环境的任何合适的信息和/或任何合适的输入来确定虚拟环境在时间t1的状态。在维护和更新虚拟环境的状态时，处理器可以执行任何合适的软件，包括与在虚拟环境中创建和删除虚拟对象有关的软件；用于定义虚拟环境中的虚拟对象或角色的行为的软件(例如，脚本)；用于定义虚拟环境中的信号(例如，音频信号)的行为的软件；用于创建和更新与所述虚拟环境相关联的参数的软件；用于在所述虚拟环境中生成音频信号的软件；用于处理输入和输出的软件；用于实现网络操作的软件；用于应用资产数据(例如，在一段时间内移动虚拟对象的动画数据)的软件；或许多其他可能性。

输出设备，如显示器或扬声器，可以向用户呈现虚拟环境的任何或所有方面。例如，虚拟环境可以包括能够呈现给用户的虚拟对象(可以包括无生命对象、人、动物、光等的表示)。处理器可以确定虚拟环境的视图(例如，对应于具有原点坐标、视图轴和截头体的“相机”)；以及向显示器渲染对应于该视图的可视虚拟环境场景。可以使用任何合适的渲染技术来实现此目的。在一些示例中，可视场景可以仅包括虚拟环境中的一些虚拟对象，并且不包括某些其他虚拟对象。类似地，虚拟环境可以包括作为一个或多个音频信号呈现给用户的音频方面。例如，虚拟环境中的虚拟对象可以生成源自对象位置坐标的声音(例如，虚拟角色可以说话或引起声音效果)；或者，虚拟环境可以与音乐提示或环境声音相关联，这些音乐提示或环境声音可能与，也可能不与特定位置相关联。处理器可以确定对应于“听众”坐标的音频信号，例如，对应于虚拟环境中声音合成的音频信号，并进行混音和处理，以模拟听众在听众坐标处听到的音频信号，并经由一个或多个扬声器将音频信号呈现给用户。

由于虚拟环境仅作为计算结构存在，因此，用户无法使用普通感官直接感知虚拟环境。相反，用户只能间接地感知虚拟环境，例如，通过显示器、扬声器、触觉输出设备等呈现给用户的虚拟环境。类似地，用户不能直接触摸、操纵或以其他方式与虚拟环境交互；但是可以经由输入设备或传感器向处理器提供输入数据，处理器可以使用该设备或传感器数据来更新虚拟环境。例如，相机传感器可以提供指示用户正试图在虚拟环境中移动对象的光学数据，并且处理器可以使用该数据来使对象在虚拟环境下相应地做出响应。

混合现实系统例如可以使用透射型显示器和/或一个或多个扬声器(例如，可以集成到可穿戴头部装置中)向用户呈现结合了真实环境和虚拟环境的各方面的混合现实环境(“MRE”)。在一些实施例中，一个或多个扬声器可以位于头戴式可穿戴装置的外部。如本文所用，MRE是真实环境和相应虚拟环境的同时表示。在一些示例中，对应的真实环境和虚拟环境共享单个坐标空间；在一些示例中，真实坐标空间和对应的虚拟坐标空间通过变换矩阵(或其他合适的表示)彼此相关。因此，单个坐标(在一些示例中，连同变换矩阵)可以定义真实环境中的第一位置，以及虚拟环境中的第二对应位置；反之亦然。

在MRE中，虚拟对象(例如，在与MRE相关联的虚拟环境中)可以对应于真实对象(例如，在与MRE相关联的真实环境中)。例如，如果MRE的真实环境包括位于位置坐标处的真实灯柱(真实对象)，则MRE的虚拟环境可以包括位于对应位置坐标处的虚拟灯柱(虚拟对象)。如本文所用，真实对象与其对应的虚拟对象组合在一起构成“混合现实对象”。虚拟对象不必与对应的真实对象完美匹配或对准。在一些示例中，虚拟对象可以是对应的真实对象的简化版本。例如，如果真实环境包括真实灯柱，则对应的虚拟对象可以包括与真实灯柱的高度和半径大致相同的圆柱体(反映出灯柱的形状可以大致为圆柱形)。以这种方式简化虚拟对象可以提升计算效率，并且可以简化对此类虚拟对象执行的计算。此外，在MRE的一些示例中，并非真实环境中的所有真实对象都可以与对应的虚拟对象相关联。同样，在MRE的一些示例中，并非虚拟环境中的所有虚拟对象都可以与对应的真实对象相关联。也就是说，一些虚拟对象可能仅存在于MRE的虚拟环境中，而没有任何真实世界的对应物。

在某些示例中，虚拟对象可能具有与对应的真实对象不同的特性，有时甚至截然不同。例如，尽管MRE中的真实环境可能包括绿色的双臂仙人掌(多刺的无生命对象)，但MRE中对应的虚拟对象可能具有绿色的双臂虚拟角色的特征，该虚拟角色具有人类的面部特征和粗暴的举止。在该示例中，虚拟对象在某些特征(臂的颜色、数量)方面类似于其对应的真实对象；但是在其他特征(面部特征、个性)方面与真实对象不同。以这种方式，虚拟对象有可能以创造性、抽象、夸张或幻想的方式表示真实对象；或者将行为(例如，人类个性)赋予其他无生命的真实对象。在一些示例中，虚拟对象可能是纯粹的幻想创造，没有真实世界中的对应物(例如，虚拟环境中的虚拟怪物，可能位于对应于真实环境中的空白空间的位置)。

与在遮蔽真实环境的同时向用户呈现虚拟环境的VR系统相比，呈现MRE的混合现实系统提供的优点是，在呈现虚拟环境时，真实环境仍然是可感知的。因此，混合现实系统的用户能够使用与真实环境相关联的视觉和音频提示来体验相应的虚拟环境并与之交互。例如，尽管VR系统的用户难以感知在虚拟环境中显示的虚拟对象并与之交互(因为如上所述，用户无法直接感知虚拟环境或与之交互)，但MR系统的用户可以发现，通过看、听和触摸他或她自己的真实环境中对应的真实对象，可以直观、自然地与虚拟对象交互。这种互动水平可以增强用户对虚拟环境的沉浸感、连接感和参与感。类似地，通过同时呈现真实环境和虚拟环境，混合现实系统可以减少与VR系统相关的负面心理感受(例如，认知失调)和负面身体感受(例如，晕动病)。混合现实系统进一步为应用提供了许多可以增强或改变我们对真实世界的体验的可能性。

图1A示出了示例真实环境100，其中，用户110使用混合现实系统112。混合现实系统112可以包括显示器(例如，透射型显示器)和一个或多个扬声器，以及一个或多个传感器(例如，相机)，例如下文所述。所示的真实环境100包括矩形房间104A，用户110站在其中；以及对象122A(灯)、124A(桌子)、126A(沙发)和128A(油画)。房间104A还包括位置坐标106，该坐标可被视为真实环境100的原点。如图1A所示，以点106为原点(世界坐标)的环境/世界坐标系108(包括x轴108X、y轴108Y和z轴108Z)可以定义真实环境100的坐标空间。在一些实施例中，环境/世界坐标系108的原点106可以对应于混合现实系统112通电的位置。在一些实施例中，环境/世界坐标系108的原点106可以在操作期间重置。在一些示例中，用户110可以被视为真实环境100中的真实对象；类似地，用户110的身体部位(例如，手、脚)可以被视为真实环境100中的真实对象。在一些示例中，以点115为原点(例如，用户/听众/头部坐标)的用户/听众/头部坐标系114(包括x轴114X、y轴114Y和z轴114Z)可以为混合现实系统112所处的用户/听众/头部定义坐标空间。用户/听众/头部坐标系114的原点115可以相对于混合现实系统112的一个或多个组件来定义。例如，用户/听众/头部坐标系114的原点115可以相对于混合现实系统112的显示器来定义，例如在混合现实系统112的初始校准期间定义。矩阵(可以包括平移矩阵和四元数矩阵或其他旋转矩阵)或其他合适的表示可以表征用户/听众/头部坐标系114空间与环境/世界坐标系108空间之间的变换。在一些实施例中，左耳坐标116和右耳坐标117可以相对于用户/听众/头部坐标系114的原点115来定义。矩阵(可以包括平移矩阵和四元数矩阵或其他旋转矩阵)或其他合适的表示可以表征左耳坐标116和右耳坐标117与用户/听众/头部坐标系114空间之间的变换。用户/听众/头部坐标系114可以简化相对于用户头部或相对于头戴式装置(例如，相对于环境/世界坐标系108)的位置的表示。使用即时定位与地图构建(SLAM)、视觉里程计或其他技术，可以实时确定和更新用户坐标系114与环境坐标系108之间的变换。

图1B示出了对应于真实环境100的示例虚拟环境130。所示的虚拟环境130包括对应于真实矩形房间104A的虚拟矩形房间104B；对应于真实对象122A的虚拟对象122B；对应于真实对象124A的虚拟对象124B；以及对应于真实对象126A的虚拟对象126B。与虚拟对象122B、124B、126B相关联的元数据(metadata)可以包括从对应的真实对象122A、124A和126A导出的信息。虚拟环境130另外包括虚拟怪物132，其不对应于真实环境100中的任何真实对象。真实环境100中的真实对象128A不对应于虚拟环境130中的任何虚拟对象。以点134为原点(持久坐标)的持久坐标系133(包括x轴133X、y轴133Y和z轴133Z)可以定义虚拟内容的坐标空间。持久坐标系133的原点134可以相对于/关于(诸如真实对象126A之类的)一个或多个真实对象来定义。矩阵(可以包括平移矩阵和四元数矩阵或其他旋转矩阵)或其他合适的表示可以表征持久坐标系133空间与环境/世界坐标系108空间之间的变换。在一些实施例中，虚拟对象122B、124B、126B和132中的每一个可以相对于持久坐标系133的原点134具有它们自己的持久坐标点。在一些实施例中，可以存在多个持久坐标系，并且虚拟对象122B、124B、126B和132中的每一个可以相对于一个或多个持持久坐标系具有它们自己的持久坐标点。

持久坐标数据可以是相对于物理环境持久存在的坐标数据。MR系统(例如，MR系统112、200)可以使用持久坐标数据来放置持久虚拟内容，该持久虚拟内容可以不与显示虚拟对象的显示器的移动绑定。例如，二维屏幕可以仅显示相对于屏幕上的位置的虚拟对象。随着二维屏幕的移动，虚拟内容可以随着屏幕移动。在一些实施例中，持久虚拟内容可以显示在房间的角落中。MR用户可以看向角落、看到虚拟内容、将视线从角落移开(其中，虚拟内容不再可见，因为虚拟内容因用户头部的运动而从用户视场内移动到用户视场外的位置)，返回看到角落里的虚拟内容(类似于真实对象的行为)。

在一些实施例中，持久坐标数据(例如，持久坐标系和/或持久坐标系)可以包括原点和三个轴。例如，可以通过MR系统将持久坐标系分配给房间的中心。在一些实施例中，用户可以在房间周围移动、离开房间、重新进入房间等，并且，持久坐标系可以保持在房间的中心(例如，因为它相对于物理环境持久)。在一些实施例中，可以使用到持久坐标数据的变换来显示虚拟对象，这可以使得能够显示持久虚拟内容。在一些实施例中，MR系统可以使用即时定位与地图构建来生成持久坐标数据(例如，MR系统可将持久坐标系分配给空间中的点)。在一些实施例中，MR系统可以通过以规则间隔生成持久坐标数据来绘制环境(例如，MR系统可在网格中分配持久坐标系，其中持久坐标系可以至少位于另一持久坐标系的五英尺内)。

在一些实施例中，持久坐标数据可以由MR系统生成并传输到远程服务器。在一些实施例中，远程服务器可以被构造为接收持久坐标数据。在一些实施例中，远程服务器可以被构造为同步来自多个观测实例的持久坐标数据。例如，多个MR系统可以用持久坐标数据绘制同一房间，并将该数据传输到远程服务器。在一些实施例中，远程服务器可以使用该观测数据来生成规范持久坐标数据，该数据可以基于一个或多个观测。在一些实施例中，规范持久坐标数据可以比持久坐标数据的单个观测更准确和/或更可靠。在一些实施例中，规范持久坐标数据可以被传输到一个或多个MR系统。例如，MR系统可以使用图像识别和/或位置数据来识别其位于具有对应的规范持久坐标数据的房间中(例如，因为其他MR系统先前已经绘制了房间)。在一些实施例中，MR系统可以从远程服务器接收对应于其位置的规范持久坐标数据。

关于图1A和1B，环境/世界坐标系108为真实环境100和虚拟环境130定义了共享坐标空间。在所示的示例中，坐标空间以点106为原点。此外，坐标空间由相同的三个正交轴(108X、108Y、108Z)定义。因此，可以关于同一坐标空间来描述真实环境100中的第一位置和虚拟环境130中的第二对应位置。这简化了在真实环境和虚拟环境中识别和显示相应位置的过程，因为相同的坐标可用于识别这两个位置。然而，在一些示例中，对应的真实环境和虚拟环境不需要使用共享坐标空间。例如，在一些示例(未示出)中，矩阵(其可以包括平移矩阵和四元数矩阵或其他旋转矩阵)或其他合适的表示可以表征真实环境坐标空间与虚拟环境坐标空间之间的变换。

图1C示出了经由混合现实系统112向用户110同时呈现真实环境100和虚拟环境130的各方面的示例MRE 150。在所示的示例中，MRE 150同时向用户110呈现来自真实环境100的真实对象122A、124A、126A和128A(例如，经由混合现实系统112的显示器的透射部分)；以及来自虚拟环境130的虚拟对象122B、124B、126B和132(例如，经由混合现实系统112的显示器的活动显示部分)。如上所述，原点106充当对应于MRE 150的坐标空间的原点，并且，坐标系108定义坐标空间的x轴、y轴和z轴。

在所示的示例中，混合现实对象包括占据坐标空间108中的对应位置的相应的真实对象和虚拟对象对(即，122A/122B、124A/124B、126A/126B)。在一些示例中，真实对象和虚拟对象可以同时对用户110可见。例如，在虚拟对象呈现被设计为增强对应真实对象的视图的信息的情况下(例如，在博物馆应用中，虚拟对象呈现古代受损雕塑的缺失部分)，这可能是合乎需要的。在一些示例中，虚拟对象(122B、124B和/或126B)可以被显示(例如，经由使用像素化遮挡快门的主动像素化遮挡)，以便遮挡对应的真实对象(122A、124A和/或126)。例如，在虚拟对象充当对应的真实对象的视觉替代品的情况下(例如，在交互式讲故事应用中，无生命的真实对象变成了“有生命”的角色)，这可能是合乎需要的。

在一些示例中，真实对象(例如，122A、124A、126A)可以与不一定构成虚拟对象的虚拟内容或辅助数据相关联。虚拟内容或辅助数据可以促进在混合现实环境中对虚拟对象的处理或操作。例如，此类虚拟内容可以包括对应的真实对象的二维表示；与对应的真实对象相关联的自定义资产类型；或者与对应的真实对象相关联的统计数据。该信息可以实现或促进涉及真实对象的计算，而不会产生不必要的计算开销。

在一些示例中，上述呈现还可以包含音频方面。例如，在MRE 150中，虚拟怪物132可以与一个或多个音频信号相关联，例如当怪物在MRE 150中到处行走时产生的足迹音效。如下面进一步描述的，混合现实系统112的处理器可以计算对应于MRE 150中的所有此类声音的混音和处理的合成的音频信号，并且经由包括在混合现实系统112中的一个或多个扬声器和/或一个或多个外部扬声器而将音频信号呈现给用户110。

示例混合现实系统

示例混合现实系统112可以包括可穿戴头部装置(例如，可穿戴增强现实或混合现实头部装置)，其包括显示器(其可以包括左和右透射型显示器，其可以是近眼显示器，以及用于将来自显示器的光耦合到用户眼睛的相关组件)；左扬声器和右扬声器(例如，分别位于用户的左耳和右耳附近)；惯性测量单元(IMU)(例如，安装到头部装置的镜腿(templearm)上)；正交线圈电磁接收器(例如，安装到左镜腿部件上)；远离用户取向的左右相机(例如，深度(飞行时间)相机)；以及朝向用户取向的左右眼相机(例如，用于检测用户的眼球运动)。然而，混合现实系统112可以结合任何合适的显示技术和任何合适的传感器(例如，光学、红外、声学、LIDAR、EOG、GPS、磁性传感器)。此外，混合现实系统112可以结合联网特征(例如，Wi-Fi能力)来与包括其他混合现实系统的其他设备和系统通信。混合现实系统112还可以包括电池(其可以安装在辅助单元中，例如设计为穿戴在用户腰部的腰包)、处理器和存储器。混合现实系统112的可穿戴头部装置可以包括跟踪组件，例如IMU或其他合适的传感器，其被构造为输出可穿戴头部装置相对于用户环境的一组坐标。在一些示例中，跟踪组件可以向执行同步定位与地图构建(SLAM)和/或视觉里程计算法的处理器提供输入。在一些示例中，混合现实系统112还可以包括手持控制器300和/或辅助单元320，其可以是可穿戴的腰包，如下面进一步描述的。

图2A-2D示出了可用于向用户呈现MRE(其可以对应于MRE 150)或其他虚拟环境的示例混合现实系统200(其可以对应于混合现实系统112)的组件。图2A示出了包括在示例混合现实系统200中的可穿戴头部装置2102的透视图。图2B示出了穿戴在用户头部2202上的可穿戴头部装置2102的俯视图。图2C示出了可穿戴头部装置2102的前视图。图2D示出了可穿戴头部装置2102的示例目镜2110的边缘视图。如图2A-2C所示，示例可穿戴头部装置2102包括示例左目镜(例如，左透明波导组目镜)2108和示例右目镜(例如，右透明波导组目镜)2110。每个目镜2108和2110可以包括透射元件，通过该透射元件可以看到真实环境，以及包括用于呈现与真实环境重叠的显示(例如，经由图像调制(imagewise modulated)光)的显示元件。在一些示例中，此类显示元件可以包括用于控制图像调制光流动的表面衍射光学元件。例如，左目镜2108可以包括左耦入光栅组2112、左正交光瞳扩展(OPE)光栅组2120、以及左出射(输出)光瞳扩展(EPE)光栅组2122。如本文所用，光瞳可以指来自光学元件(如光栅组或反射器)的光的出射。类似地，右目镜2110可以包括右耦入光栅组2118、右OPE光栅组2114和右EPE光栅组2116。图像调制光可以经由耦入光栅2112和2118、OPE 2114和2120以及EPE 2116和2122传输到用户的眼睛。每个耦入光栅组2112、2118都可以被构造为使光朝向其对应的OPE光栅组2120、2114偏转。每个OPE光栅组2120、2114可以被设计成向下朝着其关联的EPE 2122、2116逐渐地偏转光，从而水平地延伸正在形成的出射光瞳。每个EPE 2122、2116可以被构造为逐渐地将从其对应的OPE光栅组2120、2114接收的光的至少一部分向外重定向到在目镜2108、2110后面限定的适眼区(eyebox)位置(未示出)，从而垂直地延伸在适眼区处形成的出射光瞳。替代地，代替耦入光栅组2112和2118、OPE光栅组2114和2120以及EPE光栅组2116和2122，目镜2108和2110可以包括光栅和/或折射和反射特征的其他布置，用于控制图像调制光到用户眼睛的耦合。

在一些示例中，可穿戴头部装置2102可以包括左镜腿2130和右镜腿2132，其中，左镜腿2130包括左扬声器2134，右镜腿2132包括右扬声器2136。正交线圈电磁接收器2138可以位于左镜腿部件中，或者位于可穿戴头部装置2102中的另一合适位置。惯性测量单元(IMU)2140可以位于右镜腿2132中，或者位于可穿戴头部装置2102中的另一合适位置。可穿戴头部装置2102还可以包括左深度(例如，飞行时间)相机2142和右深度相机2144。深度相机2142、2144可以在不同的方向上适当地取向，以便共同覆盖更宽的视场。

在图2A-2D所示的示例中，左图像调制光源2124可以通过左耦入光栅组2112光学耦合到左目镜2108中，并且，右图像调制光源2126可以通过右耦入光栅组2118光学耦合到右目镜2110中。图像调制光源2124、2126例如可以包括光纤扫描仪；投影仪，包括诸如数字光处理(DLP)芯片或硅上液晶(LCoS)调制器之类的电子光调制器；或发射型显示器，例如每侧使用一个或多个透镜耦合到耦入光栅组2112、2118中的微型发光二极管(μLED)或微型有机发光二极管(μOLED)面板。耦入光栅组2112、2118可以使来自图像调制光源2124、2126的光偏转到高于目镜2108、2110的全内反射(TIR)的临界角的角度。OPE光栅组2114、2120将向下朝着EPE光栅组2116、2122逐渐地偏转通过TIR传播的光。EPE光栅组2116、2122朝着用户的面部(包括用户眼睛的瞳孔)逐渐地耦合光。

在一些示例中，如图2D所示，左目镜2108和右目镜2110中的每一个包括多个波导2402。例如，每个目镜2108、2110可以包括多个单独的波导，每个波导专用于相应的颜色通道(例如，红色、蓝色和绿色)。在一些示例中，每个目镜2108、2110可以包括多组这样的波导，每组波导被构造为向被发射的光赋予不同的波前曲率。波前曲率可以相对于用户的眼睛凸起，例如，以呈现位于用户前方一定距离处的虚拟对象(例如，对应于波前曲率倒数的距离)。在一些示例中，EPE光栅组2116、2122可以包括弯曲的光栅槽，以通过改变穿过每个EPE的出射光的坡印廷矢量来影响凸波前曲率。

在一些示例中，为了创建显示内容是三维的感知，可以通过图像光调制器2124、2126和目镜2108、2110向用户呈现立体调整的左右眼图像。三维虚拟对象的呈现的感知真实性可以通过选择波导(并因此对应于波前曲率)来增强，使得虚拟对象在接近由立体的左右图像指示的距离的距离处显示。该技术还可以减少一些用户所经历的晕动病，晕动病可能是由立体的左右眼图像提供的深度感知提示与人眼的自主调节(例如，取决于对象距离的焦点)之间的差异引起的。

图2D示出了从示例可穿戴头部装置2102的右目镜2110的顶部看去的面向边缘的视图。如图2D所示，多个波导2402可以包括由三个波导构成的第一子集2404和由三个波导构成的第二子集2406。两个波导子集2404、2406可以通过具有不同光栅线曲率以赋予出射光不同的波前曲率的不同EPE光栅来区分。在波导子集2404、2406中的每一个内，每个波导可用于将不同的光谱通道(例如，红色、绿色和蓝色光谱通道之一)耦合到用户的右眼2206。(尽管在图2D中未示出，但是左目镜2108的结构类似于右目镜2110的结构)。

图3A示出了混合现实系统200的示例手持控制器组件300。在一些示例中，手持控制器300包括抓握部分346和沿着顶表面348设置的一个或多个按钮350。在一些示例中，按钮350可以被构造为用作光学跟踪目标，例如，用于结合相机或其他光学传感器(其可以安装在混合现实系统200的头部单元(例如，可穿戴头部装置2102)中)来跟踪手持控制器300的六自由度(6DOF)运动。在一些示例中，手持控制器300包括用于检测诸如相对于可穿戴头部装置2102的位置或取向之类的位置或取向的跟踪组件(例如，IMU或其他合适的传感器)。在一些示例中，此类跟踪组件可以定位在手持控制器300的手柄中，和/或可以机械地耦合到手持控制器。手持控制器300可以被构造为提供对应于一个或多个按钮按下状态的一个或多个输出信号；或者手持控制器300的位置、取向和/或运动(例如，经由IMU)。此类输出信号可用作混合现实系统200的处理器的输入。此类输入可以对应于手持控制器的位置、取向和/或运动(并且，通过扩展，对应于握持控制器的用户的手的位置、取向和/或运动)。此类输入也可以对应于用户按下按钮350。

图3B示出了混合现实系统200的示例辅助单元320。辅助单元320可以包括提供能量来操作系统200的电池，并且可以包括用于执行程序以操作系统200的处理器。如图所示，示例辅助单元320包括夹子2128，例如用于将辅助单元320附接到用户的腰带。其他形状因子也适用于辅助单元320并且将是显而易见的，包括不涉及将单元安装到用户腰带的形状因子。在一些示例中，辅助单元320通过多导管(multiconduit)电缆耦合到可穿戴头部装置2102，该多导管电缆例如可以包括电线和光纤。还可以使用辅助单元320与可穿戴头部装置2102之间的无线连接。

在一些示例中，混合现实系统200可以包括一个或多个麦克风，以检测声音并向混合现实系统提供相应的信号。在一些示例中，麦克风可以附接到可穿戴头部装置2102上或与可穿戴头部装置2102集成，并且可以被构造为检测用户的语音。在一些示例中，麦克风可以附接到手持控制器300和/或辅助单元320上，或者与手持控制器300或辅助单元320集成。此类麦克风可以被构造为检测环境声音、环境噪声、用户或第三方的声音或其他声音。

图4示出了可以对应于诸如例如上述混合现实系统200(其可以对应于关于图1的混合现实系统112)之类的示例混合现实系统的示例功能框图。如图4所示，示例手持控制器400B(其可对应于手持控制器300(“图腾(totem)”))包括图腾到可穿戴头部装置六自由度(6DOF)图腾子系统404A，并且，示例可穿戴头部装置400A(其可对应于可穿戴头部装置2102)包括图腾到可穿戴头部装置6DOF子系统404B。在该示例中，6DOF图腾子系统404A和6DOF子系统404B协作以确定手持控制器400B相对于可穿戴头部装置400A的六个坐标(例如，在三个平移方向上的偏移和沿着三个轴的旋转)。六个自由度可以相对于可穿戴头部装置400A的坐标系来表示。这三个平移偏移可以在此类坐标系中表示为X、Y和Z偏移，表示为平移矩阵，或者表示为一些其他表示。旋转自由度可以表示为偏航、俯仰和滚转旋转的序列，表示为旋转矩阵，表示为四元数，或者表示为某些其他表示。在一些示例中，可穿戴头部装置400A；包括在可穿戴头部装置400A中的一个或多个深度相机444(和/或一个或多个非深度相机)；和/或一个或多个光学目标(例如，如上所述的手持控制器400B的按钮350、或包括在手持控制器400B中的专用光学目标)可用于6DOF跟踪。在一些示例中，手持控制器400B可以包括如上所述的相机；并且，可穿戴头部装置400A可以包括用于与相机结合进行光学跟踪的光学目标。在一些示例中，可穿戴头部装置400A和手持控制器400B各自包括一组三个正交取向的螺线管，用于无线地发送和接收三个可区分的信号。通过测量在用于接收的每个线圈中接收的三个可区分信号的相对幅度，可以确定可穿戴头部装置400A相对于手持控制器400B的6DOF。此外，6DOF图腾子系统404A可以包括惯性测量单元(IMU)，用于提供关于手持控制器400B的快速运动的改进的精度和/或更及时的信息。

在一些实施例中，可穿戴系统400可以包括麦克风阵列407，麦克风阵列407可以包括布置在头带装置400A上的一个或多个麦克风。在一些实施例中，麦克风阵列407可以包括四个麦克风。两个麦克风可以被放置在头带装置400A的前面，并且，两个麦克风可被放置在头带装置400A的后面(例如，一个在左后，一个位于右后)。在一些实施例中，由麦克风阵列407接收的信号可以被发送到DSP 408。DSP 408可以被构造为对从麦克风阵列407接收到的信号执行信号处理。例如，DSP 408可以被构造为对从麦克风阵列407接收到的信号执行降噪、回声消除和/或波束成形。DSP 408可以被构造为向处理器416发送信号。

在一些示例中，可能需要将坐标从局部坐标空间(例如，相对于可穿戴头部装置400A固定的坐标空间)变换为惯性坐标空间(如，相对于真实环境固定的坐标空间)，例如，以便补偿可穿戴头部装置400A相对于坐标系108的移动。例如，对于可穿戴头部装置400A的显示器来说，需要这样的变换，以呈现相对于真实环境的预期位置和取向上，而不是显示器上固定位置和取向(例如，在显示器右下角的相同位置)上的虚拟对象(例如，坐在真实椅子上，面朝前的虚拟人，不考虑可穿戴头部装置的位置和取向)，以保持虚拟对象存在于真实环境中的错觉(并且例如，当可穿戴头部装置400A移动和旋转时，虚拟对象在真实环境中不会显得不自然地定位)。在一些示例中，可以通过使用SLAM和/或视觉里程计程序处理来自深度相机444的图像来确定坐标空间之间的补偿变换，以便确定可穿戴头部装置400A相对于坐标系108的变换。在图4所示的示例中，深度相机444耦合到SLAM/视觉里程计块406，并且可以向块406提供图像。SLAM/视觉里程计块406的实现可以包括处理器，该处理器被构造为处理该图像并确定用户头部的位置和取向，然后使用该位置和取向来识别头部坐标空间与另一坐标空间(例如，惯性坐标空间)之间的变换。类似地，在一些示例中，从IMU 409获得关于用户头部姿势和位置的附加信息源。来自IMU 409的信息可以与来自SLAM/视觉里程计块406的信息结合，以提供关于用户头部姿势和位置的快速调整的改进的准确性和/或更及时的信息。

在一些示例中，深度相机444可以向手势跟踪器411提供3D图像，手势跟踪器411可以在可穿戴头部装置400A的处理器中实现。手势跟踪器411可以识别用户的手势，例如通过将从深度相机444接收的3D图像与表示手势的存储图案进行匹配。识别用户手势的其他合适的技术将是显而易见的。

在一些示例中，一个或多个处理器416可以被构造为从可穿戴头部装置的6DOF头带子系统404B、IMU 409、SLAM/视觉里程计块406、深度相机444和/或手势跟踪器411接收数据。处理器416还可以发送和接收来自6DOF图腾系统404A的控制信号。处理器416可以无线地耦合到6DOF图腾系统404A，例如在手持控制器400B不受其约束的示例中。处理器416还可以与附加组件通信，例如视听内容存储器418、图形处理单元(GPU)420和/或数字信号处理器(DSP)音频空间化器422。DSP音频空间化器422可以耦合到头部相关传递函数(HRTF)存储器425。GPU 420可以包括耦合到左图像调制光源424的左通道输出和耦合到右图像调制光源426的右通道输出。GPU 420可以将立体图像数据输出到图像调制光源424、426，例如，如以上关于图2A-2D所描述的。DSP音频空间化器422可以向左扬声器412和/或右扬声器414输出音频。DSP音频空间化器422可以从处理器419接收指示从用户到虚拟声源(其可以由用户例如经由手持控制器320移动)的方向矢量的输入。基于方向矢量，DSP音频空间化器422可以确定对应的HRTF(例如，通过访问HRTF，或者通过内插多个HRTF)。DSP音频空间化器422然后可以将所确定的HRTF应用于音频信号，例如对应于由虚拟对象生成的虚拟声音的音频信号。这可以通过在混合现实环境中结合用户相对于虚拟声音的相对位置和取向(也就是说，通过呈现与用户的期望相匹配的虚拟声音，其中该虚拟声音听起来如同真实环境中的真实声音)来增强虚拟声音的可信度和真实性。

在一些示例中，例如图4所示，处理器416、GPU 420、DSP音频空间化器422、HRTF存储器425和音频/视频内容存储器418中的一个或多个可以包括在辅助单元400C(其可以对应于上述辅助单元320)中。辅助单元400C可以包括电池427，以向其组件供电和/或向可穿戴头部装置400A或手持控制器400B供电。在可安装到用户腰部的辅助单元中包括此类组件可以限制可穿戴头部装置400A的尺寸和重量，这反过来可以减少用户头部和颈部的疲劳。

尽管图4显示了对应于示例混合现实系统的各种组件的元件，但这些组件的各种其他适当布置对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，图4中显示的与辅助单元400C相关联的元件可以改为与可穿戴头部装置400A或手持控制器400B相关联。此外，一些混合现实系统可以完全放弃手持控制器400B或辅助单元400C。这些改变和修改应被理解为包括在所公开的实例的范围内。

纳米结构制造的超声处理

示例混合现实系统(例如，混合现实系统200)的可穿戴头部装置或头戴式显示器可以包括具有目镜的光学系统，以经由显示器向用户呈现图像。目镜可以包括一个或多个光栅(例如，耦入光栅组2112、左正交光瞳扩展(OPE)光栅组2120和左出射(输出)光瞳扩展(EPE)光栅组2122，右目镜2110可以包括右耦入光栅组2128、右OPE光栅组2114和右EPE光栅组2116)。所述一个或多个光栅可用于将成图像光传输到用户的眼睛。

如上所述，形成光栅的纳米结构可以通过光刻工艺制造。纳米结构可以是多层对称和/或不对称的。然而，使用光刻技术制造纳米结构可能是昂贵且复杂的。例如，以高保真度(无断线、具有平滑线边缘)制造小于50nm的纳米结构使用昂贵的光刻技术，例如电子束光刻，以实现所需的纳米结构分辨率。即使使用这样的光刻技术，对准部件以制造纳米级的光刻母版和/或最终产品也可能是困难的，并且所得的纳米结构有容易出现不均匀的线边缘粗糙度(LER)。

为了解决与用于制造纳米结构的昂贵光刻技术相关的问题，根据本公开实施例的系统和方法依赖于超声处理来在衬底上蚀刻和形成期望的纳米结构。例如，根据本公开的实施例可以使用超声处理序列工艺来实现沉积在衬底上的不同材料层的期望蚀刻选择性。超声处理序列工艺可以包括将衬底浸入碱溶液浴、酸溶液浴和/或水浴中，并对该浴应用超声处理。根据本公开实施例的系统和方法例如可以蚀刻包含具有高保真度、平滑LER和跨批次一致对准的多层纳米结构的硅基结构，例如Si、SiO₂、Si₃N₄等。

如本文所用，超声处理是指使用换能器将声能和搅拌应用于含有流体作为介质的容器上的过程，以提供反应性蚀刻物种和/或去除反应物种、残留物、颗粒、碎屑等。图5示出了根据本公开的实施例的示例性超声处理装置500的示例。示例性装置500可以包括至少一个换能器502、容器504和液浴506。可以提供换能器502以将声波施加到容器504。例如，换能器可以提供20-200KHz的波。液浴(例如，流体)可以是碱溶液、酸溶液和/或水。在一些实施例中，酸溶液可以包括硫酸、柠檬酸等。在一些实施例中，碱溶液可以包括氢氧化钾和/或过氧化氢。在一些示例中，酸溶液和碱溶液可以具有约1-20％的化学浓度，pH范围为约3-11。在一些实施例中，来自换能器的能量可以以特定的间隔被脉冲化，而不是连续地被脉冲化。

如图所示，待蚀刻的衬底508可以放置在容器504中。在一个或多个示例中，衬底可以由硅、二氧化硅、氮化硅和/或其他硅基衬底材料形成。在一些实施例中，超声处理装置500的液浴可以在超声处理过程中处于室温下。在一些实施例中，超声处理装置的液浴可以处于升高的温度，例如高于约40-80C的室温。例如，加热器(未示出)可以连接到容器504以达到液浴506的期望温度。

在一个或多个示例中，衬底508可依次被置于碱溶液浴、酸溶液浴和/或水的浴中。当衬底508浸入液浴506中时，换能器502可以向容器504施加声波。波可以搅动容器504中的流体。以这种方式，超声处理可以帮助实现流体和衬底之间的反应，以及反应物质(例如，蚀刻材料)和反应溶液从衬底表面的去除速率，并用新的反应环境(例如，未反应溶液)补充衬底表面，以使反应继续。在一些示例中，酸溶液和/或碱溶液可以基于其与基底材料的反应性来选择。例如，酸溶液和/或碱溶液可以基于它们与衬底材料的表面的反应以及从衬底508的表面去除(例如，蚀刻掉)材料的能力来选择。

在一些示例中，在衬底508的表面处发生的多个水解反应可以逐渐去除硅材料。例如，由于存在于酸溶液和/或碱溶液中的水合氢离子(H3O+)、氢氧化物(OH-)和/或氢键复合分子的质子转移，二氧化硅键的水解可发生在衬底508的表面上。例如，在固体-液体(例如，二氧化硅-溶液)界面处，可以形成硅醇(SI-OH)键，从而降低二氧化硅和硅醇键的能垒。由于破坏分子间键所需的能量较小，这可能导致质子化反应的增加。能垒降低也可能是由于水溶液中存在氢键复合物，这有助于质子转移。在给出以下方程1和2的情况下，提供了控制硅与衬底表面上存在的至溶液界面的硅烷醇的酸和碱质子化反应的方程。

表1示出了根据本公开的实施例的使用超声处理过程的硅和二氧化硅纳米结构的示例性蚀刻速率。如本文所用，蚀刻速率可用于指示从衬底表面去除材料的速率。在一些实施例中，将衬底浸入液体浴中并对浴应用超声处理可以跨衬底表面而提供基本一致的反应环境，从而跨衬底表面而提供基本均匀的蚀刻和材料去除。表1所示的实施例可对应于用碱溶液(在水中pH为11的2％碱溶液)在约60C下处理衬底约8分钟，并用酸溶液(在水中pH为3的2％酸溶液)在约60C下处理衬底约20分钟。碱溶液和酸溶液的浓度是示例性的，并非旨在限制本公开的范围。此外，表1中所示的蚀刻速率是示例性的，并且可以随着不同的超声处理条件(例如，温度、酸溶液和/或碱溶液浓度以及超声处理过程的时间长度)而变化。在一些实施例中，可以调节超声处理条件以提供稳定和/或一致的蚀刻速率。

处理序列	Si	SiO2
			碱、水	0nm/min	0nm/min
酸、水	0nm/min	0nm/min
			碱、酸、水	1nm/min～4nm/min	0.2～0.7nm/min
碱、水、酸、水	1nm/min～4nm/min	＜0nm/min

表1

如表中所示，用碱水工艺序列处理硅衬底和/或二氧化硅衬底(例如，将衬底浸入碱溶液浴中并应用超声处理，然后将衬底浸入水浴中并应用超声处理)可能不会导致从衬底表面明显地去除材料。类似地，用酸水工艺序列处理硅衬底和二氧化硅衬底(例如，将衬底浸入碱溶液酸中并应用超声处理，然后将衬底浸入水浴中并应用超声处理)可能不会导致从衬底表面明显地去除材料。

然而，碱-酸-水和碱-水-酸-水工艺序列可导致明显的蚀刻速率。如表1所示，对于不同的工艺序列，硅和二氧化硅分别与不同的蚀刻速率相关联。蚀刻速率的这种差异可归因于与硅氧键相比，与硅键相关联的能垒较弱。例如，O-Si-O键在二氧化硅中更强，并导致较慢的水解反应(参见例如方程1和2)以及材料去除。例如，用碱-酸-水工艺序列处理硅衬底可以提供约1-4nm/min的蚀刻速率，而用相同的碱-酸-水工艺(例如，相同的溶液强度、时间和温度)处理二氧化硅衬底导致约0.2-0.7nm/min的蚀刻速率。类似地，用碱-水-酸-水工艺序列处理硅衬底提供约1-4nm/min的蚀刻速率，而用相同的碱-水-酸-水工艺(例如，相同的溶液强度、时间和温度)处理二氧化硅衬底导致约±5nm/min的蚀刻速率。

上面讨论的应用超声处理工艺序列可以为衬底材料提供可预测的蚀刻速率。因此，超声处理可用于以可控和有意的方式减小纳米结构的尺寸。由于反应环境基本一致，与常规光刻技术相比，线边缘粗糙度(LER)可以是平滑的，并且可以通过调节一个或多个超声处理条件来实现精确的尺寸。例如，通过调节超声处理浴的时间长度、温度和/或溶液强度，可以调节去除的材料量。此外，因为硅和二氧化硅与一致和/或可预测的蚀刻速率相关联，所以可以利用这两种材料之间蚀刻速率差异，以可选择的和可控的方式制造多层结构。

图6A-6B、7A-7B、8A-8B、9A-9B和10A-10B示出了可以根据本公开的实施例制造的具有多个纳米结构的衬底的示例。根据本公开的实施例制造的纳米结构例如可用于能够在可穿戴头部装置(例如，可穿戴头部装置2102)中使用的目镜的一个或多个光栅。

图6A示出了根据本公开的实施例的示例性衬底600A。如图所示，衬底600A可以包括基底602A和多个纳米结构604A。示例性衬底600A可以是硅衬底。多个纳米结构604A可以在基底602A的表面上形成图案。如图所示，多个纳米结构604A可以呈现线条和空间图案，使得纳米结构可以从基底602A的表面突出。图案几何形状不旨在限制本公开的范围，并且在不脱离本公开范围的情况下，可以使用任何合适的纳米图案，包括但不限于例如柱状图案、不连续的线、曲线、孔、圆柱体等。多个纳米结构604A可以与第一高度(600h1)和第一宽度(600d1)相关联。在一个或多个示例中，纳米结构604A可以具有在约100-250nm范围内的宽度(600d1)和约70-150nm的高度(600h1)。例如，604A可以具有196nm的宽度600d1和79nm的高度600h1。这些示例性尺寸是为了说明的目的而提供的，并非旨在限制本公开的范围。

图6B示出了根据本公开的一个或多个实施例的已经被蚀刻的示例性蚀刻衬底600B。例如，根据本公开的一个或多个示例，可以通过使用碱-酸-水超声处理工艺序列蚀刻硅衬底600A来制造衬底600B。如上所讨论的，使用碱-酸-水序列，硅衬底可以具有约1-4nm/min的蚀刻速率。如图所示，与线宽600d1相比，蚀刻的纳米结构604B可以具有减小的线宽600d2。例如，纳米结构604B可以具有145nm的宽度600d2和77nm的高度600h2。这些示例性尺寸是为了说明的目的而提供的，并非旨在限制本公开的范围。此外，如图所示，纳米结构604B的线边缘粗糙度(LER)可以是平滑的，特别是当与纳米级的常规光刻工艺的关联LER相比时。比较纳米结构604A和纳米结构604B的尺寸，600d1和600d2之间的宽度变化(600Δd)为-51nm，同时，600h1和600h2之间的高度变化(600Δh)约为-2nm。以这种方式，可以减小线宽尺寸d以实现期望的纳米结构几何形状，同时纳米结构的高度可以保持相对一致。

图7A示出了根据本公开的实施例的示例性衬底700A。如图所示，衬底700A可以包括基底702A和多个纳米结构704A。示例性衬底700A可以是二氧化硅衬底。多个纳米结构704A可以在基底702A的表面上形成图案。如图所示，多个纳米结构704A可以是线条和空间图案，使得纳米结构704A可以从基底702A的表面突出。图案的几何形状不旨在限制本公开的范围，并且如上讨论的，可以使用任何合适的纳米图案，而不脱离本公开的范围。多个纳米结构704A可以与第一高度(700h1)和第一宽度(700d1)相关联。在一个或多个示例中，纳米结构704A可以具有在约100-250nm范围内的宽度(600d1)和约70-150nm的高度(600h1)。例如，704A可以具有157nm的宽度700d1和122nm的高度700h1。这些示例性尺寸是为了说明的目的而提供的，并非旨在限制本公开的范围。

图7B示出了根据本公开的一个或多个实施例的可以被蚀刻的示例性蚀刻衬底700B。例如，根据本公开的一个或多个示例，可以通过使用碱-酸-水超声处理工艺序列蚀刻二氧化硅衬底700A来制造衬底700B。如上所讨论的，使用碱-酸-水序列，二氧化硅衬底可以具有约0.2-0.8nm/min的蚀刻速率。如图所示，蚀刻的纳米结构704B可以具有与线宽700d1相比减小的线宽700d2，以及与高度700h1相比增加的高度700h2。例如，纳米结构704B可以具有141nm的宽度700d2和125nm的高度700h2。比较纳米结构704A和纳米结构704B的尺寸，700d1和700d2之间的宽度变化(700Δd1)约为-16nm，同时，700h1和700h2之间的高度变化(700Δh1)约为+3nm。这些示例性尺寸是为了说明的目的而提供的，并非旨在限制本公开的范围。类似于上面讨论的示例，可以减小线宽尺寸d以实现期望的纳米结构几何形状，同时纳米结构704B的高度可以保持相对一致。此外，纳米结构704B的LER可以是平滑的，特别是当与纳米级的常规光刻工艺的关联LER相比时。

图7C示出了根据本公开的一个或多个实施例的可以被蚀刻的示例性蚀刻衬底700C。例如，根据本公开的一个或多个示例，可以通过使用碱-酸-水超声处理工艺序列蚀刻二氧化硅衬底700B来制造衬底700C。因此，可以执行多个顺序的超声处理工艺以实现期望的纳米结构几何形状。如图所示，蚀刻衬底700C可以具有与线宽700d2相比减小的线宽700d3，以及与高度700h2相比增加的高度700h3。例如，704C可以具有125nm的宽度700d3和124nm的高度700h3。比较纳米结构704B和纳米结构704C的尺寸，700d2和700d3之间的宽度变化(700Δd2)约为-16nm，同时，700h1和700h2之间的高度变化(700Δh2)约为-1nm。这些示例性尺寸是为了说明的目的而提供的，并非旨在限制本公开的范围。类似于上面讨论的示例，可以减小线宽尺寸d以实现期望的纳米结构几何形状，同时纳米结构的高度可以保持相对一致。此外，纳米结构704C的LER可以是平滑的，特别是当与纳米级的常规光刻工艺的关联LER相比时。

图8A示出了根据本公开的实施例的示例性衬底800A。如图所示，衬底800A可以包括基底802A和多个纳米结构804A。示例性衬底800A可以是硅衬底。多个纳米结构804A可以在基底802A的表面上形成图案。如图所示，多个纳米结构804A可以是能够从基底802A的表面突出的线条和空间图案。图案的几何形状不旨在限制本公开的范围，并且如上讨论的，可以使用任何合适的纳米图案，而不脱离本公开的范围。多个纳米结构804A可以与第一高度(800h1)和第一宽度(800d1)相关联。在一个或多个示例中，纳米结构804A可以具有在约100-250nm范围内的宽度800d1和约70-150nm的高度800h1。例如，804A可以具有约219nm的宽度800d1和约115nm的高度800h1。这些示例性尺寸是为了说明的目的而提供的，并非旨在限制本公开的范围。

图8B示出了根据本公开的一个或多个实施例的可以被蚀刻的示例性蚀刻衬底800B。例如，根据本公开的一个或多个示例，可以通过使用碱-水-酸-水超声处理工艺序列蚀刻硅衬底800A来制造衬底800B。如上所讨论的，使用碱-水-酸-水序列，硅衬底可以具有约1-4nm/min的蚀刻速率。如图所示，蚀刻的纳米结构804B可以具有与线宽800d1相比减小的线宽800d2，以及与高度800h1相比增加的高度800h2。例如，纳米结构804B可以具有约114nm的宽度800d2和约114nm的高度800h2。比较纳米结构804A和纳米结构804B的尺寸，800d1和800d2之间的宽度变化(800Δd)约为-105nm，同时，800h1和800h2之间的高度变化(800Δh)约为-1nm。这些示例性尺寸是为了说明的目的而提供的，并非旨在限制本公开的范围。类似于上面讨论的示例，可以减小线宽尺寸d以实现期望的纳米结构几何形状，同时纳米结构的高度可以保持相对一致。此外，如图所示，纳米结构804B的LER可以是平滑的，特别是当与纳米级的常规光刻工艺的关联LER相比时。

图9A示出了根据本公开的实施例的示例性衬底900A。如图所示，衬底600A可以包括基底902A和多个纳米结构904A。示例性衬底900A可以是二氧化硅衬底。多个纳米结构904A可以在基底902A的表面上形成图案。如图所示，多个纳米结构904A可以是能够从基底902A的表面突出的线条和空间图案。图案的几何形状不旨在限制本公开的范围，并且如上讨论的，可以使用任何合适的纳米图案，而不脱离本公开的范围。多个纳米结构904A可以与第一高度(900h1)和第一宽度(900d1)相关联。在一个或多个示例中，纳米结构904A可以具有在约100-250nm范围内的宽度(900d1)和约70-150nm的高度(900h1)。例如，904A可以具有约125nm的宽度900d1和约123nm的高度900h1。这些示例性尺寸是为了说明的目的而提供的，并非旨在限制本公开的范围。

图9B示出了根据本公开的一个或多个实施例的可以被蚀刻的示例性蚀刻衬底900B。例如，根据本公开的一个或多个示例，可以通过使用碱-酸-水超声处理工艺序列蚀刻二氧化硅衬底900A来制造衬底900B。如上所讨论的，使用碱-水-酸-水序列，二氧化硅衬底可以具有约0nm/min的蚀刻速率。如图所示，蚀刻的纳米结构904B可以具有与纳米结构904A大致相同的尺寸。例如，纳米结构904B可以具有约125nm的宽度900d2和约123nm的高度900h2。比较纳米结构604A和纳米结构604B的尺寸，900d1和900d2之间的宽度变化(900Δd)约为0nm，同时，900h1和900h2之间的高度变化(900Δh)约为0nm。这些示例性尺寸是为了说明的目的而提供的，并非旨在限制本公开的范围。在一些示例中，纳米结构904B的LER可以比纳米结构904A的LER更平滑。

图10A示出了根据本公开的实施例的示例性衬底1000A。如图所示，衬底600A可以包括基底1002A和多个纳米结构1004A。示例性衬底1000A可以是硅衬底。多个纳米结构1004A可以在基底1002A的表面上形成图案。如图所示，多个纳米结构1004A可以是能够从基底1002A的表面突出的线条和空间图案。图案的几何形状不旨在限制本公开的范围，并且如上讨论的，可以使用任何合适的纳米图案，而不脱离本公开的范围。多个纳米结构1004A可以与第一高度1000h1和第一宽度1000d1相关联。在一个或多个示例中，纳米结构1004A可以具有在约100-250nm范围内的宽度1000d1和在约70-150nm范围内的高度1000h1。例如，1004A可以具有约126nm的宽度1000d1和约130nm的高度1000h1。这些示例性尺寸是为了说明的目的而提供的，并非旨在限制本公开的范围。

图10B示出了根据本公开的一个或多个实施例的可以被蚀刻的示例性蚀刻衬底1000B。例如，根据本公开的一个或多个示例，可以通过使用碱-水-酸-水超声处理工艺序列蚀刻硅衬底1000A来制造衬底1000B。如上所讨论的，使用碱-酸-水序列，硅衬底可以具有约1-4nm/min的蚀刻速率。如图所示，蚀刻的衬底1000B可以具有与线宽1000d1相比减小的线宽1000d2，而高度可以保持大致相同(例如，±5nm)。例如，1004B可以具有约47nm的宽度1000d2和约125nm的高度1000h2。比较纳米结构1004A和纳米结构1004B的尺寸，1000d1和1000d2之间的宽度变化约为-79nm，同时，1000h1和1000h2之间的高度变化约为-5nm。这些示例性尺寸是为了说明的目的而提供的，并非旨在限制本公开的范围。类似于上面讨论的示例，可以减小线宽尺寸d以实现期望的纳米结构几何形状，同时纳米结构的高度可以保持相对一致。此外，纳米结构1004B的LER可以是平滑的，特别是当与纳米级的常规光刻工艺的关联LER相比时。虽然衬底1000B是使用与衬底800B类似的工艺序列制造的，但在一些示例中，衬底1000B的较薄线宽可能是由一个或多个超声处理条件(例如，暴露于超声处理的时间长度、液浴温度、酸溶液和/或碱溶液的浓度等)的变化引起的。

示例性多层次纳米图案

如上所讨论的，不同的衬底材料(例如，硅和二氧化硅)可以与一致和/或可预测的蚀刻速率相关联。此外，改变超声处理工艺序列(例如，碱-酸-水(B-A-W)、碱-水-酸-水(B-W-A-W))可以在衬底材料之间提供不同的相对蚀刻速率。因此，可以利用这两种材料之间蚀刻速率差异，以可选择和可控的方式制造多层结构。例如，通过调节超声处理条件(例如，超声处理浴的时间长度、温度、溶液强度和/或工艺序列)，可以预先确定和/或控制去除的材料量。因此，通过将衬底暴露于单组超声处理条件，可以实现具有变化横截面几何形状的多层纳米结构。在一些实施例中，可以使用根据本公开的实施例的制造工艺来实现各种几何形状，包括但不限于阶梯几何形状、凹入几何形状和闪耀几何形状。

图11A-11C、12A-12C和13A-13E示出了根据本公开的实施例的超声制造工艺的各个阶段的示例性多层衬底。例如，图11B和11C示出了根据本公开的实施例制造的具有阶梯几何形状的示例性衬底。图12B和12C示出了根据本公开的实施例制造的具有凹入几何形状的示例性衬底。图13E示出了根据本公开的实施例制造的具有闪耀几何形状的示例性衬底。示例性多层结构可以由一层或多层硅基材料形成，包括但不限于硅、二氧化硅、氮化硅和/或其他硅基材料。如图所示，并在下面更详细讨论的，光栅几何形状(例如，阶梯几何形状、凹入几何形状和闪耀几何形状)可以通过利用不同材料的不同蚀刻速率来实现。

图11A-11C示出了根据本公开的实施例的超声制造工艺的各个阶段的示例性多层衬底。例如，图11A示出了超声处理工艺之前的多层衬底1100A。如图所示，多层衬底1100A可以包括基底1102A和多个纳米结构1104A。多个纳米结构1104A中的每一个可以包括设置在基底1102A上的第一层1106A和设置在第一层1106A上的第二层1108A。如图所示，第一层1106A和第二层1108A两者可以具有相同的宽度。在一些实施例中，基底1102A和第一层1106A可以由二氧化硅形成，第二层1108A可以由硅形成。在一些实施例中，可以使用光刻技术沉积第一层和第二层。

如上所讨论的，硅和二氧化硅可以与不同的蚀刻速率相关联。例如，与硅相关联的蚀刻速率可以大于与二氧化硅相关联的蚀刻速率。例如，如上所讨论的，碱-水-酸-水工艺序列可以为硅提供约1-4nm的蚀刻速率，为二氧化硅提供约0nm的蚀刻速率。因此，参考衬底1100A，使用二氧化硅作为基底1102A和第一层1106A以及使用硅作为第二层1108A可以产生阶梯几何形状，因为硅与二氧化硅相比具有相对高的蚀刻速率。

图11B示出了根据本公开的实施例通过例如对衬底1100A应用碱-水-酸-水工艺序列而制造的阶梯衬底1100B。如图所示，阶梯衬底1100B可以包括基底1102B和多个纳米结构1104B。每个纳米结构1104B可以包括二氧化硅的第一层1106B和硅的第二层1108B。如图所示，衬底1100B可以具有阶梯几何形状，其中，第二层1108B的宽度或直径不同于第一层1106B的宽度或直径。第一层1106B和第二层1108B之间的这种宽度差异可归因于超声处理工艺序列期间硅和二氧化硅的蚀刻速率的相对差异。例如，如上所讨论的，碱-水-酸-水工艺序列可以为硅提供约1-4nm的蚀刻速率，为二氧化硅提供约0nm的蚀刻速率。与衬底1100A相比，这些示例性蚀刻速率与衬底1100B的几何形状一致，其中，第二层1108B具有比第二层110A更小的宽度；并且基底1102B和第一层1106B具有与基底1102A和第一层1106A大致相同的尺寸。

图11C示出了根据本公开的实施例通过例如对衬底1100A应用碱-酸-水工艺序列而制造的阶梯衬底1100C。如图11C所示，衬底1100C可以包括二氧化硅的基底1102C和一个或多个纳米结构1104C。每个纳米结构1104C可以包括二氧化硅的第一层1106C和硅的第二层1108B。如图所示，衬底1100C可以具有阶梯几何形状，其中，第二层1108C的宽度或直径可以不同于第一层1106C的宽度。第一层1106B和第二层1108C之间的这种宽度差异可归因于超声处理工艺序列期间硅和二氧化硅的蚀刻速率的相对差异。例如，如上所讨论的，碱-酸-水工艺序列可以为硅提供约1-4nm的蚀刻速率，为二氧化硅提供约0.2-0.7nm的蚀刻速率。与衬底1100A相比，这些示例性蚀刻速率与衬底1100C的几何形状一致，其中，第二层1108C具有比第二层1108A更小的宽度；基底1102C具有比基底1102A更小的高度；并且，第一层1106C具有比第一层1106A更小的宽度。

此外，参考衬底1100B和1100C，因为超声处理跨衬底表面而提供了基本一致的反应环境，所以阶梯纳米结构1104C可以居中，例如，使得每个纳米结构1104C可以具有对称的横截面。相比之下，由于结构的纳米尺度，使用常规光刻技术的纳米结构的这种对准可能难以实现并且昂贵。

如上所讨论的，衬底1100B和1100C说明了对模板衬底应用不同工艺序列的影响。示例性衬底1100B和1100C的比较说明了这种差异。例如，用于对衬底1100C应用碱-酸-水工艺序列的与二氧化硅相关联的蚀刻速率大于用于对衬底1100B应用碱-水-酸-水工艺序列的与二氧化硅相关联的蚀刻速率。因此，如图所示，第一层1106C可以具有比第一层1106B更小的宽度。类似地，与基底1102C相关联的高度可以比与基底1102B相关联的高度短。因此，可以使用不同的工艺序列来实现不同的蚀刻衬底几何形状和尺寸。

图12A-12C示出了根据本公开的实施例的超声制造工艺的各个阶段的示例性多层衬底。图12A示出了超声处理工艺之前的多层衬底1100A。如图所示，多层衬底1200A可以包括基底1202A和多个纳米结构1204A。多个纳米结构1104A中的每一个可以包括设置在基底1202A上的第一层1206A和设置在第一层1206A上的第二层1208A。如图所示，第一层1206A和第二层1208A两者可以具有相同的宽度。在一些实施例中，基底1202A和第二层1208A可以由硅形成，第一层1106A可以由二氧化硅形成。

如上所讨论的，硅和二氧化硅可以与不同的蚀刻速率相关联。例如，与硅相关联的蚀刻速率可以大于与二氧化硅相关联的蚀刻速率。因此，参考衬底1200A，使用硅作为基底1202A和第二层1208A以及使用二氧化硅作为第一层1206A可以产生凹入几何形状，因为硅与二氧化硅相比具有相对高的蚀刻速率。具有凹入几何形状的纳米结构可用于光捕获应用，例如在颜色选择波导和/或太阳能电池中。

图12B示出了根据本公开的实施例通过例如对衬底1200A应用碱-水-酸-水工艺序列而制造的凹入衬底1200B。如图所示，阶梯衬底1200B可以包括基底1202B和多个纳米结构1204B。每个纳米结构1204B可以包括硅的第一层1206B、二氧化硅的第二层1208B和硅的第三层1210B。如图所示，第三层1210B可以设置在基底1202B上，第一层1206B可以设置在第三层1210B上，第二层1208B可以设置在第一层上。如图所示，衬底1200B可以具有凹入几何形状，其中，每一层(例如，第一层1206B、第二层1208B和第三层1210B)的宽度可以不同。例如，第一层1206B可以比第二层1208B和第三层1210B更宽。在一些示例中，第三层1210B可以比第二层1208B更宽。

第一层1206B、第二层1208B和第三层1210B的之间的宽度差异可归因于超声处理工艺序列期间硅和二氧化硅的蚀刻速率的相对差异。例如，如上所讨论的，碱-水-酸-水工艺序列可以为硅提供约1-4nm的蚀刻速率，为二氧化硅提供约0nm的蚀刻速率。与衬底1200A相比，这些示例性蚀刻速率与衬底1200B的几何形状一致。例如，二氧化硅的第一层1206B可以具有与第一层1206A大致相同的尺寸。相反，硅的第二层1208A可以具有比第二层1208A更小的宽度。此外，可以从基底1202A蚀刻硅的第三层1210B。例如，在蚀刻工艺序列期间，可以从硅基底1202A去除材料，并在第一层1206A下方形成第三层1210B。因此，基底1202B可以比基底1202A更短。

图12C示出了根据本公开的实施例通过例如对衬底1200A应用碱-酸-水工艺序列而制造的凹入衬底1200C。如图12C所示，衬底1200C可以包括硅的基底1202C和一个或多个纳米结构1204C。每个纳米结构1204C可以包括硅的第一层1206C、二氧化硅的第二层1208C和硅的第三层1210C。如图所示，第三层1210C可以设置在基底1202C上，第一层1206C可以设置在第三层1210C上，第二层1208C可以设置在第一层上。如图所示，衬底1200C可以具有凹入几何形状，其中，每一层(例如，第一层1206C、第二层1208C和第三层1210C)的宽度可以不同。例如，第一层1206C可以比第二层1208C和第三层1210C更宽。在一些示例中，第三层1210C可以比第二层1208C更宽。

第一层1206C、第二层1208C和第三层1210C之间的宽度差异可归因于超声处理工艺序列期间硅和二氧化硅的蚀刻速率的相对差异。例如，如上所讨论的，碱-酸-水工艺序列可以为硅提供约1-4nm的蚀刻速率，为二氧化硅提供约0.2-0.7nm的蚀刻速率。与衬底1200A和1200C相比，这些示例性蚀刻速率与衬底1200C的几何形状一致。例如，第一层1206C和第二层1208C中的每一个可以具有比第一层1206A和第二层1208A更小的宽度。此外，二氧化硅的第一层1206C可以具有比第一层1206B更小的尺寸(例如，宽度和高度)。如以上关于第三层1210B所讨论的，可以从基底1202A蚀刻硅的第三层1210C。例如，在蚀刻工艺序列期间，可以从硅基底1202A去除材料，并在第一层1206A下方形成第三层1210C。因此，基底1202C可以比基底1202A更短。

此外，同时参考衬底1200B和1200C，因为超声处理跨衬底的表面而提供基本一致的反应环境，所以阶梯纳米结构1204C可以居中，例如，使得每个纳米结构1204C可以具有对称的横截面。相比之下，由于结构的尺度，使用常规光刻技术对纳米结构的这种居中化可能是困难和昂贵的。此外，与常规光刻技术相比，超声处理可以提供平滑的LER并减少断线的发生。

如上所讨论的，衬底1200B和1200C说明了对模板衬底应用不同工艺序列的影响。例如，用于对衬底1200C应用碱-酸-水工艺序列的与二氧化硅相关联的蚀刻速率大于用于对衬底1200B应用碱-水-酸-水工艺序列的与二氧化硅相关联的蚀刻速率。因此，如图所示，第一层1206C可以具有比第一层1206B更小的宽度。类似地，与基底1202C相关联的高度可以比与基底1202B相关联的高度短。因此，可以使用不同的工艺序列来实现不同的蚀刻衬底几何形状和尺寸。

图13A-13E示出了根据本公开的实施例的超声制造工艺期间的各个阶段的示例性多层衬底。图13A示出了超声处理工艺之前的多层衬底1300A。如图所示，多层衬底1300A可以包括基底1302A和多个纳米结构1304A。多个纳米结构1304A中的每一个可以包括设置在基底1302A上的第一层1306A和设置在第一层1306A上的第二层1308A。如图所示，第一层1306A和第二层1308A两者可以具有相同的宽度。在一些实施例中，基底1302A和第一层1306A可以由二氧化硅形成，第二层1108A可以由硅形成。如上所讨论的，硅和二氧化硅可以与不同的蚀刻速率相关联。例如，与硅相关联的蚀刻速率可以大于与二氧化硅相关联的蚀刻速率。因此，参考衬底1300A，使用二氧化硅作为基底1302A和第一层1306A以及使用硅作为第二层1308A可以产生具有蚀刻速率低于第二层的第一层。

图13E示出了根据本公开的实施例制造的具有闪耀几何形状的示例性衬底1300E。在一个或多个实施例中，衬底1300E可以用根据本公开的示例的超声处理序列工艺制造，例如，碱-水-酸-水序列工艺和/或碱-酸-水序列工艺。如图所示，闪耀几何形状可以包括设置在基底1302E上的第一层1306E和设置在第一层1306E上的第二层1308E。例如，第一层可以由二氧化硅形成，第二层可以由硅形成。如图所示，虽然第一层1306E可以比第二层1308E更宽，但是第一层1306E和第二层13018E的至少一侧可以对准以形成不对称的闪耀结构。

图13B-13D示出了示例性衬底1300B-1300D，展示了衬底1300E的制造过程中的中间步骤。如这些附图所示，掩模1312B-1312D可以设置在衬底的一个或多个表面上。掩模1312B-1312D可以由不与超声处理序列工艺期间使用的酸溶液和碱溶液发生反应的材料形成。在一些实施例中，掩模可以是铬掩模，但是在不脱离本公开的范围的情况下，也可以使用其他材料。因此，在超声处理期间，可以不蚀刻被掩蔽的衬底表面，而蚀刻被掩蔽的衬底表面以产生不对称的闪耀几何形状。

示例性超声处理工艺序列

图14示出了根据本公开的实施例的涉及用于制造多层结构的工艺1400的示例框图。例如，工艺1400涉及使用碱-水-酸-水工艺序列制造多层衬底(例如，衬底1100B、1200B和1300D)的步骤。虽然可以参考图11A-11B描述与工艺1400相关联的以下步骤，但这并非旨在是限制性的，并且该工艺可以与其他衬底(例如，600B、700B、700C)相关联。

在一个或多个实施例中，可以沉积衬底(例如，衬底1100A)，并将其浸入碱溶液浴(例如，液浴506)中，然后对该浴施加声波以执行超声处理(步骤1402)。例如，可以将换能器(例如，502)应用于浴(例如，506)以执行超声处理。如上所讨论的，碱溶液可以与衬底表面发生反应。此外，施加的声波可以搅动碱溶液，使得反应的分子可以被连续地去除，并且衬底表面可以被连续地补充未反应的碱溶液。在一个或多个示例中，将衬底浸入碱溶液中可以使衬底表面准备好与随后的溶液(例如，酸溶液)发生反应，但不会导致材料的去除，例如一种或多种纳米结构的尺寸减小。例如，碱溶液可以降低能垒并削弱位于衬底表面处或附近的分子之间的键。在一些实施例中，在预定时间量之后，可以将衬底从碱溶液浴中移除(步骤1404)。该时间量例如可以基于所制造的结构的期望几何形状，以及给定超声处理条件(例如，温度、碱溶液浓度等)下衬底材料的蚀刻速率。

在一些实施例中，可以将衬底浸入水浴中并对该浴应用超声处理(步骤1406)。如上所讨论的，水可以与存在于衬底表面的硅和二氧化硅发生反应。如上所讨论的，水浴的超声处理可以在衬底表面上连续地提供反应环境。在一些实施例中，在预定时间量之后，可以将衬底从水浴中移除(步骤1408)。在一些实施例中，该时间量例如可以基于所制造的结构的期望几何形状，以及给定超声处理条件(例如，温度、酸溶液和碱溶液浓度等)下衬底材料的蚀刻速率。

在一些实施例中，可以将衬底浸入酸溶液浴中并对该浴应用超声处理(步骤1410)。在一些实施例中，酸溶液可以与存在于衬底表面的硅和二氧化硅发生反应，使得可以基于对衬底应用超声处理的时间长度来去除预定体积的材料。如上所讨论的，水浴的超声处理可以在衬底表面上连续地提供反应环境。在一些实施例中，在预定时间量之后，可以将衬底从酸溶液浴中移除(步骤1412)。在一些实施例中，去除的材料体积可以基于一个或多个超声处理条件，包括但不限于温度、酸溶液和碱溶液浓度以及暴露于溶液的时间。在一些实施例中，该时间量例如可以基于所制造的结构的期望几何形状，以及给定超声处理条件(例如，温度、酸溶液浓度等)下衬底材料的蚀刻速率。

在一些实施例中，可以将衬底浸入水浴中并对该浴应用超声处理(步骤1414)。在一些示例中，水可从衬底表面移除反应物、残留物和/或碎屑。在一些示例中，水可以提供不含反应物的清洁表面。如所讨论的，水浴的超声处理可以在衬底表面上连续地提供反应环境。在一些实施例中，在预定时间量之后，可以将衬底从水浴中移除(步骤1416)。在一些实施例中，在步骤1416从浴中移除的衬底可以对应于衬底600B、700B、700C、1100B、1200B和/或衬底1300D。

图15示出了根据本公开的实施例的涉及用于制造多层结构的工艺1500的示例框图。例如，工艺1500可以涉及使用碱-酸-水工艺序列制造多层衬底(例如，衬底1100C、1200C和1300D)的步骤。虽然可以参考图11A和11C描述与工艺1500相关联的以下步骤，但这并非旨在是限制性的，并且该工艺可以与其他衬底(例如，800B、900B、1000B、1200C和1300D)相关联。

在一个或多个实施例中，可以将衬底(例如，衬底1100A)浸入碱溶液浴(例如，液浴506)中并对该浴施加声波以执行超声处理(步骤1502)。步骤1502可以类似于上述步骤1402。在一些实施例中，在预定时间量之后，可以将衬底从碱溶液浴中移除(步骤1504)。该时间量例如可以基于所制造的结构的期望几何形状，以及给定超声处理条件(例如，温度、碱溶液浓度等)下衬底材料的蚀刻速率。

在一些实施例中，可以将衬底浸入酸溶液浴中并对该浴应用超声处理(步骤1506)。步骤1506可以类似于上述步骤1410。在一些实施例中，在预定时间量之后，可以将衬底从酸溶液浴中移除(步骤1508)。在一些实施例中，该时间量例如可以基于所制造的结构的期望几何形状，以及给定超声处理条件(例如，温度、酸溶液浓度等)下衬底材料的蚀刻速率。

在一些实施例中，可以将衬底浸入水浴中并对该浴应用超声处理(步骤1510)。步骤1510可以类似于上述步骤1414。在一些实施例中，在预定时间量之后，可以将衬底从水浴中移除(步骤1512)。在一些实施例中，在步骤1412从浴中移除的衬底可以对应于衬底1100C、衬底1200C和/或衬底1300D。

因此，根据本公开的实施例，超声处理工艺序列可用于蚀刻衬底以形成适用于光栅的纳米结构。这样的超声处理技术能够以可控的方式减小初始衬底的一个或多个尺寸(例如，基于不同材料的已知蚀刻速率)以实现一个或多个纳米结构的期望几何形状和/或尺寸。此外，因为超声处理可以跨衬底表面而提供基本一致的反应环境，所以阶梯纳米结构1104C可以居中，例如，使得每个纳米结构1104C可以具有对称的横截面。相比之下，由于结构的尺度，使用常规光刻技术对纳米结构的这种对准可能是困难和昂贵的。最后，根据本公开的实施例的超声处理序列工艺可以提供平滑的LER且没有断线。

根据本公开的实施例还可以提供用于制造具有不对称横截面几何形状的衬底的方法。例如，图16示出了根据本公开的实施例的涉及用于制造多层结构(例如，多层闪耀结构)的工艺1600的示例框图。例如，工艺1600可以涉及用于制造闪耀多层衬底(例如，1300E)的步骤。

在一个或多个实施例中，可以将掩模施加到衬底的一个或多个表面上(步骤1602)。例如，图13B示出了示例性衬底1300B，其中，掩模1312B已经被施加到衬底表面。如图所示，可以以一定角度施加掩模，使得衬底1300B的一个或多个表面(但不是所有表面)上面设置有掩模1312B。在一些示例中，掩模可以包括掠角沉积(GLAD)掩模和/或使用物理气相沉积(例如，电子束)的保护材料。电子束工艺可以蒸镀一种或多种金属或无机材料，例如铬(Cr)、钛(Ti)、镍(Ni)、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、氧化铝(Al2O3)等，以确保沉积材料与涂覆表面的可稳定粘附。在GLAD工艺期间，衬底可以相对于掩模材料源而倾斜，从而在衬底表面上的纳米图案上方的沉积路径中产生阴影。在一个或多个实施例中，掩模可以是铬掩模。在一个或多个实施例中，掩模可以由对在上述超声处理工艺序列期间使用的选定酸溶液和碱溶液具有抗性的材料形成。

在一个或多个实施例中，可以去除掩模的一个或多个部分(步骤1604)。例如，图13C示出了示例性衬底1300C，其中，掩模的一个或多个部分已经被去除，使得掩模1312C保留在衬底的表面上。掩模(例如，掩模1312B)的一个或多个部分可以通过干法蚀刻工艺去除。例如，可以使用等离子体和/或反应性气体(例如，碳氟化合物、氧气、氯和/或三氯化硼)来去除掩模的各部分。在一些示例中，干法蚀刻是各向异性的，使得设置在水平衬底表面上的掩模部分被去除，而垂直衬底表面上的掩模部分被保留。在一些示例中，可以使用其他各向异性掩模去除工艺。如图所示，在步骤1604之后，剩余的掩模1312C可以沿着纳米结构1304C的右垂直侧设置。

在一个或多个实施例中，上述超声处理工艺(例如，超声处理工艺1400和/或超声处理工艺1500)可以应用于衬底(步骤1606)。例如，可以向衬底(例如，衬底1300C)应用碱-水-酸-水超声处理工艺和/或碱-酸-水超声处理工艺。图13D示出了应用超声处理工艺之后的示例性衬底1300D。如图所示，超声处理可以从纳米结构1304D的一个或多个层去除材料。例如，可以从硅的第二层1308D去除材料。如图所示，沿着纳米结构1304D的右边缘设置的掩模1312D可以防止在超声处理期间从纳米结构1304D的右边缘去除材料。因此，掩模1312D的使用可以防止在超声处理期间从衬底的掩蔽表面去除材料以产生不对称闪耀结构。

在一个或多个实施例中，可以从衬底(例如，1300D)去除剩余的掩模(例如，掩模1312D)(步骤1608)。在一些实施例中，可以使用湿法蚀刻工艺去除掩模。例如，可以将衬底(例如，衬底1300D)浸入被配置为蚀刻掩模(例如，1312D)的溶液中，而不发生反应和/或去除衬底材料(例如，硅和二氧化硅)。图13E示出了可以通过工艺1600制造的示例性闪耀衬底1300E。

本文公开了用于制造衬底上的纳米结构的系统和方法。包括多个纳米结构的衬底可用于显示器的目镜，例如用于可穿戴头部装置的目镜。用于制造和/或蚀刻用于目镜的含多个纳米结构的衬底的示例方法可以包括将衬底浸入浴中并在第一时间段内对浴应用超声处理。应用于第一浴的超声处理可以搅动流体以跨衬底表面而提供基本一致的第一反应环境。本文公开的实施例可以提供一种鲁棒且易于制造的显示系统，该显示系统可以在使用期间提供一致的数字图像质量。可以将衬底浸入第二浴中并在第二时间段内对第二浴应用超声处理。应用于第二浴的超声处理可以搅动流体以跨衬底表面而提供基本一致的第二反应环境。在一些示例中，可以在第二时间段期间从衬底表面去除预定量的材料以制造蚀刻衬底。在一些示例中，去除的预定量的材料可以基于第一时间段的长度，并且进一步基于第二时间段的长度。

在一个或多个示例中，用于在衬底上制造纳米结构的工艺可以包括将掩模沉积到衬底的一个或多个表面上，并从衬底去除掩模的一个或多个部分。在一些示例中，在蚀刻期间，掩蔽衬底表面的至少一部分。

在一个或多个示例中，可以从衬底表面均匀地去除预定量的材料，使得蚀刻衬底的多个纳米结构的横截面可以是对称的。在一个或多个示例中，从表面去除的预定量材料的厚度可以在约5-50nm范围内。

在一个或多个示例中，衬底可以包括含有第一材料的基底。多个纳米结构中的纳米结构可以设置在基底上，纳米结构可以包括第一层。在一些示例中，第一层可以包括不同于第一材料的第二材料。在一些示例中，纳米结构可以具有基本一致的宽度。在一些示例中，对于第一组超声处理条件，基底可以与第一蚀刻速率相关联；并且对于第一组超声处理条件，第一层可以与第二蚀刻速率相关联。在一个或多个示例中，衬底可以由选自硅、二氧化硅和氮化硅中的至少一种形成。在一个或多个示例中，酸溶液在水中包含约2％浓度的硫酸。在一个或多个示例中，碱溶液在水中包含约2％浓度的过氧化氢或氢氧化钾。

在一个或多个示例中，多个纳米结构中的每个纳米结构可以具有对应于从阶梯几何形状、凹入几何形状和闪耀几何形状中选择的一个几何形状的几何形状。在一个或多个示例中，超声处理条件可以包括以下一项或多项：与第一浴和第二浴中的一个或多个相关联的温度、与第一时间段相关联的时间长度、与第二时间段相关联的时间长度、酸溶液的浓度和碱溶液的浓度。

根据本公开的实施例的化合物可以包括衬底，该衬底包括具有第一表面的基底和设置在第一表面上的多个纳米结构。在一些示例中，可以将衬底配置为通过对衬底应用超声处理工艺序列来蚀刻以形成蚀刻衬底。在一些示例中，蚀刻衬底可以包括多个蚀刻的纳米结构，其中可通过从第一表面去除第一预定量的材料，并且进一步从多个纳米结构的一个或多个表面去除第二预定量的材料来制造多个蚀刻的纳米结构。

在一个或多个示例中，从衬底表面去除的预定量材料的厚度可以在大约5-50nm范围内。在一个或多个示例中，可以从第一表面和多个纳米结构的一个或多个表面均匀地去除预定量的材料，使得蚀刻衬底的多个蚀刻的纳米结构的横截面可以是对称的。

在一个或多个示例中，超声处理工艺序列可以包括将衬底浸入第一浴中，其中，第一浴包括第一流体，并在第一时间段内对第一浴应用超声处理，其中，应用超声处理搅拌第一流体以跨衬底表面而提供基本一致的第一反应环境。在一些示例中，超声处理工艺序列可以包括将衬底浸入第二浴中，其中，第二浴包括第二流体，并在第二时间段内对第二浴应用超声处理，其中，应用超声处理搅拌第二流体以在衬底表面上提供基本一致的第二反应环境。在一个或多个示例中，可以在第二时间段期间去除预定量的材料以制造蚀刻衬底。在一个或多个示例中，预定量的材料的量可以基于第一时间段的长度，并且进一步基于第二时间段的长度。在一个或多个示例中，超声处理条件可以包括以下一项或多项：与第一浴和第二浴中的一个或多个相关联的温度、与第一时间段相关联的时间长度、与第二时间段相关联的时间长度、酸溶液的浓度和碱溶液的浓度。

在一个或多个示例中，衬底的基底可以包括第一材料，并且多个纳米结构中的纳米结构可以形成第一层，其中，第一层包括不同于第一材料的第二材料。在一个或多个示例中，针对第一组超声处理条件，基底可以与第一蚀刻速率相关联，并且针对第一组超声处理条件，第一层可以与第二蚀刻速率相关联。在一个或多个示例中，衬底可以由选自硅、二氧化硅和氮化硅中的至少一种形成。在一个或多个示例中，酸溶液可以在水中包含约2％浓度的硫酸。在一个或多个示例中，碱溶液可以在水中包含约2％浓度的过氧化氢或氢氧化钾。

在一个或多个示例中，多个纳米结构中的每个纳米结构具有基本一致的宽度。在一个或多个示例中，多个纳米结构中的每个蚀刻的纳米结构可以具有对应于从阶梯几何形状、凹入几何形状和闪耀几何形状中选择的一个几何形状的几何形状。

尽管已参考附图对所公开的示例进行了充分描述，但应注意的是，各种变化和修改对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，附图中所示的元件和/或组件可能不是按比例绘制的，和/或可以出于解释目的而被强调。作为另一示例，一个或多个实现的元素可以被组合、删除、修改或补充以形成进一步的实现。其他组合和修改应被理解为包括在所附权利要求所定义的公开示例的范围内。

Claims (20)

1.一种蚀刻包括多个纳米结构的衬底的方法，所述方法包括：

将所述衬底浸入第一浴中，所述第一浴包括第一流体；

在第一时间段内对所述第一浴应用超声处理，其中，应用超声处理搅动所述第一流体以跨所述衬底的表面而提供基本一致的第一反应环境；

将所述衬底浸入第二浴中，所述第二浴包括第二流体；以及

在第二时间段内对所述第二浴应用超声处理，其中，应用超声处理搅动所述第二流体以跨所述衬底的所述表面而提供基本一致的第二反应环境，并且其中，在所述第二时间段期间从所述衬底的所述表面去除预定量的材料以制成蚀刻衬底，

其中，所述材料的量基于所述第一时间段的长度，并且进一步基于所述第二时间段的长度而预先确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述表面去除的所述预定量的材料的厚度在5-50nm的范围内。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述衬底的所述表面均匀地去除所述预定量的材料，使得所述蚀刻衬底的所述多个纳米结构的横截面是对称的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述衬底包括基底，所述基底包括第一材料；

所述多个纳米结构中的所述纳米结构设置在所述基底上，所述纳米构造包括第一层，所述第一层包括不同于所述第一材料的第二材料，

所述多个纳米结构中的所述纳米结构具有基本一致的宽度，并且

对于第一组超声处理条件，所述基底与第一蚀刻速率相关联，并且对于所述第一组超声处理条件，所述第一层与第二蚀刻速率相关联。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述多个纳米结构中的每个纳米结构具有对应于阶梯几何形状、凹入几何形状和闪耀几何形状之一的几何形状。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一组超声处理条件中的所述超声处理条件包括以下一项或多项：

与所述第一浴和所述第二浴中的一个或多个相关联的温度，

与所述第一时间段相关联的时间长度，

与所述第二时间段相关联的时间长度，

所述酸溶液的浓度，以及

所述碱溶液的浓度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底由硅、二氧化硅和氮化硅中的至少一种形成。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述酸溶液在水中包含约2％浓度的硫酸。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碱溶液在水中包含约2％浓度的过氧化氢或氢氧化钾。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将掩模沉积到所述衬底的一个或多个表面上；以及

从所述衬底去除所述掩模的一个或多个部分，

其中，所述衬底的所述表面的至少一部分在所述第二时间段期间被掩蔽。

11.一种化合物，包括：

衬底，其包括：

基底，所述基底包括第一表面；以及

多个纳米结构，其设置在所述第一表面上，

其中，所述衬底被配置为通过对所述衬底应用超声处理工艺序列来蚀刻以形成蚀刻衬底，所述蚀刻衬底包括多个蚀刻的纳米结构，以及

其中，通过从所述第一表面去除第一预定量的材料，并且进一步通过从所述多个纳米结构的一个或多个表面去除第二预定量的材料来制造所述蚀刻的纳米结构。

12.根据权利要求11所述的化合物，其中，从所述第一表面去除的所述预定量的材料的厚度在5-50nm的范围内。

13.根据权利要求11所述的化合物，其中，所述预定量的材料从所述第一表面均匀地去除，并且进一步从所述多个纳米结构的所述一个或多个表面均匀地去除，使得所述蚀刻衬底的所述多个蚀刻的纳米结构的横截面是对称的。

14.根据权利要求11所述的化合物，其中，所述超声处理工艺序列包括：

将所述衬底浸入第一浴中，所述第一浴包括第一流体；

在第一时间段内对所述第一浴应用超声处理，其中，应用超声处理搅动所述第一流体以跨所述衬底的所述第一表面而提供基本一致的第一反应环境；

将所述衬底浸入第二浴中，所述第二浴包括第二流体；以及

在第二时间段内对所述第二浴应用超声处理，其中，应用超声处理搅动所述第二流体以跨所述衬底的所述第一表面而提供基本一致的第二反应环境，并且其中，在所述第二时间段期间去除预定量的材料以制成蚀刻衬底，

其中，所述材料的量基于所述第一时间段的长度，并且进一步基于所述第二时间段的长度而预先确定。

15.根据权利要求14所述的化合物，其中：

所述基底包括第一材料，

所述多个纳米结构中的所述纳米结构包括第一层，所述第一层包括不同于所述第一材料的第二材料，

对于第一组超声处理条件，所述基底与第一蚀刻速率相关联，以及

对于所述第一组超声处理条件，所述第一层与第二蚀刻速率相关联。

16.根据权利要求15所述的化合物，其中，所述多个纳米结构中的每个纳米结构具有基本一致的宽度，并且

其中，所述多个纳米结构中的每个蚀刻的纳米结构具有对应于阶梯几何形状、凹入几何形状和闪耀几何形状之一的几何形状。

17.根据权利要求15所述的化合物，其中，所述第一组超声处理条件中的所述超声处理条件包括以下一项或多项：

与所述第一浴和所述第二浴中的一个或多个相关联的温度，

与所述第一时间段相关联的时间长度，

与所述第二时间段相关联的时间长度，

所述酸溶液的浓度，以及

所述碱溶液的浓度。

18.根据权利要求14所述的化合物，其中，所述酸溶液在水中包含约2％浓度的硫酸。

19.根据权利要求14所述的化合物，其中，所述碱溶液在水中包含约2％浓度的过氧化氢或氢氧化钾。

20.根据权利要求11所述的化合物，其中，所述衬底由硅、二氧化硅和氮化硅中的至少一种形成。