CN118192162A - 由多个母印模制造具有组合图案的纳米压印工作印模 - Google Patents

Abstract

本公开涉及由多个母印模制造具有组合图案的纳米压印工作印模。一种用于制造用于在波导工件中形成表面光栅的工作印模的方法包括使用一系列母印模执行一系列步进式光刻过程，以便形成具有第一表面的工作印模，该第一表面具有形成在其中的多个表面光栅。每个步进式光刻过程包括将一系列母印模中的母印模在材料层的对应区域处压入工作印模工件的材料层中，该母印模具有形成在其上的多个表面光栅图案。每个步进式光刻过程进一步包括将紫外光施加到对应区域以在对应区域处局部固化材料层，并且在施加紫外光之后将母印模与工作印模的材料分离。

Description

由多个母印模制造具有组合图案的纳米压印工作印模

技术领域

本公开涉及由多个母印模制造具有组合图案的纳米压印工作印模。

背景技术

头戴式设备(HMD)、平视显示器(HUD)和其他近眼显示系统通常采用波导，该波导利用表面光栅或全息光栅用于各种光操纵目的，诸如将显示光耦入波导或将显示光从波导朝向用户眼睛的方向耦出。制造具有表面光栅的波导的常见方法依赖于使用具有表面光栅的预期图案的负向图案或相反图案的工作印模。将工作印模压入波导工件的表面上的适当位置，以在波导工件的该表面处形成对应的表面光栅图案。在从波导工件中取出工作印模之后，然后可以将固化过程应用于形成表面光栅的区域，以便固化和硬化表面光栅。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种用于形成工作印模的方法，该方法包括：使用一系列母印模执行一系列步进式光刻过程，以便形成具有第一表面的所述工作印模，所述第一表面具有形成在其中的多个表面光栅，每个步进式光刻过程包括：将所述一系列母印模中的母印模在工作印模工件的材料层的对应区域处压入到所述材料层中，所述母印模具有形成在其上的多个表面光栅图案；将紫外光施加到所述对应区域以在所述对应区域处局部固化所述材料层；以及在施加所述紫外光之后，将所述母印模与所述工作印模工件的材料层分离。

本公开的另一个方面涉及一种用于形成工作印模的方法，该方法包括：将第一母印模的第一面压入工作印模工件的材料层中，所述第一面具有形成在其上的第一多个表面光栅图案，以及所述第一母印模具有相对的第二面，所述第二面具有形成在其上的图案化金属层，并且所述第一母印模的主体由对紫外光至少部分透明的材料构成；将紫外光施加到所述第一母印模的所述第二面上，以选择性地固化所述工作印模工件的所述材料层；以及在施加所述紫外光之后，将第一母印模与所述工作印模工件的材料层分离。

本公开还涉及使用以上两种方法形成的工作印模来制造的波导、以及包含这样的波导的一组增强现实眼镜。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本公开，并且使其许多特征和优点对于本领域技术人员显而易见。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。

图1和图2是一起图示根据实施方式的使用步进式纳米压印光刻过程制造用于在波导工件中形成表面光栅的工作印模的方法的框图。

图3是图示根据实施方式的使用图1和图2的步进式纳米压印光刻过程的一系列母印模和所得工作印模的俯视平面图的图。

图4和图5是一起图示了根据实施方式的使用上覆纳米压印光刻过程制造用于在波导工件中形成表面光栅的工作印模的方法的框图。

图6是图示根据实施方式的使用图4和图5的上覆纳米压印光刻过程的一系列母印模和所得工作印模的俯视平面图的图。

图7是图示根据实施方式的使用混合纳米压印光刻过程制造用于在波导工件中形成表面光栅的工作印模的方法的框图。

图8是图示根据实施方式的使用工作压模在波导工件中制造表面光栅的方法的图。

图9图示了根据实施方式的具有带有倾斜光栅的至少一个波导的AR眼镜的透视后视图。

具体实施方式

用于在波导工件或类似的较大光学工件的不同位置处形成不同表面光栅的常规纳米压印过程通常需要在单个母晶片中实现所有光栅图案，然后将图案从单个母晶片压印到一组工作印模，并且然后将图案从工作印模转移到复制晶片。常规母版-印模-复制过程中的这种复杂性随着需要在同一母晶片上产生具有大的结构或尺寸差异的各种图案的设计而增加。为了说明，与制造具有单深度倾斜光栅图案的母版和具有不同深度的2D光栅图案的另一母版相比，制造具有倾斜光栅和具有不同区域光栅深度的大面积二维(2D)光栅两者的单个母版相当困难和昂贵。因此，本文中公开了用于通过将来自多个母版的光栅图案压印到单个工作印模上来组合来自多个母版的光栅图案的技术。特别地，这些方法包括：(1)使用一系列步进式母印模的步进纳米压印光刻过程(参见图1-3)，(2)使用一系列上覆母印模的上覆纳米压印光刻过程(参见图4-6)，以及(3)组合(1)和(2)的混合过程(参见图7)。这些方法提供了生产具有复杂图案的工作印模的灵活性。此外，能够针对一种类型的图案或一组类似的图案调整和更好地优化过程，并且从而便于制造具有更好质量、更高产量和更短周转时间的母印模。

本文中使用的是各种基于位置或基于定向的术语，诸如“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”等。应当意识到，这些术语仅参考对应附图的视图的定向来使用，并且不旨在具体描述相对于重力参考的特定定向，除非另有说明。

图1和图2一起图示了根据一些实施例的用于制造工作印模的方法100的初始阶段102(图1)和最终阶段202(图2)，该工作印模用于使用步进式纳米压印光刻过程在波导工件中制造不同图案的不同光栅。初始阶段102在框105处开始，其中形成上覆合适的衬底106(诸如石英或硅衬底)的软印模层104，从而产生印模工件108。软印模层104可以由各种合适的软材料中的任何一种组成，该软材料随后能够被固化或以其他方式转变成更硬的状态，诸如未固化的聚合物。在框110处，通过将第一母印模112与工作印模工件108的对应的第一位置114对准(诸如通过使用对准标记或其他类似的对准工具)，并且然后通过将第一母印模112在对应的对准的第一位置114处压入软印模层104中、将第一图案116从第一母印模112压印到软印模层104中，启动第一步进式光刻过程。在所图示的示例中，第一母印模112被配置为借助于第一母印模112中的负向的或互补的倾斜光栅122在工作印模工件中形成倾斜光栅118。

在框115处，通过将UV光126施加到第一母印模112下面的区域，在所得工件124上执行局部紫外(UV)固化过程，同时第一母印模112保持嵌入在软印模层104中。在实施方式中，这通过使用对UV光透明或半透明的聚合物或其他印模材料形成第一母印模112来实现，从而允许施加到第一母印模112的顶面128的UV光126传输穿过第一母印模112到达软印模层104的下面的材料。上覆工件124并且具有与第一位置114对准的开口的掩模可以被用于防止UV光过早地固化软印模层104的其他区域。在框120处，将第一母印模112从软印模层104分离，从而产生具有利用软印模层104的局部固化材料在第一位置114中形成的倾斜光栅118的第一图案116的工件132。

参考图2，方法100在框125处继续，其中通过从第二母印模136对准并压印第二图案134来启动第二步进式光刻过程，使得第二母印模136在对应的对准的第二位置138处被压入印模层104中。在所图示的示例中，第二母印模136被配置为在工件中形成二元光栅142。在框135处，通过将UV光144穿过第二母印模136施加到第二母印模下面的区域来执行局部UV固化过程，第二母印模136由对UV光透明或半透明的材料构成，以便许可UV光144传输穿过第二母印模136，从而照射在软印模层104的下面的材料上。与第一局部固化过程一样，可以利用掩模来确保软印模层104的其他区域不会同时无意地被固化。在框135处，将第二母印模136与工作印模工件132分离，从而产生具有在第一对准位置114处的倾斜光栅118的图案116和在第二对准位置138处的二元光栅142的图案134两者的工件146。如框140所示，可以对一个或多个附加的母印模(例如，第三母印模148)重复该对准-压印-固化-分离过程，以在对应的位置(例如，对准位置152)处形成对应的表面光栅特征/图案，从而产生工作印模工件154，该工作印模工件154在经由该步进式过程形成的不同区域中具有不同的光栅图案。然后可以使工作印模工件154经受一个或多个广域UV固化过程以进一步固化/硬化整个印模层104，并且然后可以将所得的固化印模层与衬底106分离，从而产生工作印模(参见例如工作印模812，图8)。

图3图示了根据实施方式的第一母印模112、第二母印模136、第三母印模148和工作印模154的俯视图。如图所示，母印模112、136、148中的每一个可以由基本上UV透明的材料组成，该材料实现被压入软印模层104中的特征，以便形成共形表面光栅特征，以及上覆掩模层，该上覆掩模层被配置为防止UV光的透射，除了在形成印模特征的区域中。例如，母印模112具有形成在对应的掩模层304中的孔302，以便许可UV光透射穿过母印模112，从而局部固化孔302下面的软印模层104的材料。母印模136和148同样在它们相应的掩模层310和312中具有相应的孔306和308，以便于当对应的母印模被压入软印模层104时，在其中形成对应的光栅图案的区域的局部的UV固化。图3中的工作印模工件154的俯视图图示了使用如图1-3所图示的母印模112、136和148，通过方法100形成的表面光栅特征的图案116、134和152。这些俯视图还图示了在工作印模工件154的制造期间使用对准标记(例如，所描绘的十字)以有助于母印模与软印模层104的对准。例如，母印模112的对准标记314与软印模层104的对准标记316对准、母印模136的对准标记318与软印模层104的对准标记320对准、并且母印模148的对准标记322与软印模层104的对准标记324对准。

下面的图4和图5图示了根据一些实施例的用于制造工作印模的方法400的初始阶段402(图4)和最终阶段502(图5)，该工作印模用于使用上覆纳米压印光刻过程在波导工件中制造不同图案的不同光栅。初始阶段402在框405处开始，其中形成上覆印模工件408的合适衬底406(诸如石英或硅衬底)的软印模层404(例如，未固化的聚合物)。在框410处，通过将第一母印模412与工作印模工件408对准(使用对准标记或其他类似的对准工具)，并且然后通过将第一工作印模412压入软印模层404中，从第一工作印模412压印一组图案414-1和414-2来启动第一上覆光刻过程。在所图示的实施例中，第一母印模412被配置为在工作印模工件408中形成倾斜光栅。此外，在该过程中，第一母印模412的尺寸与下面的工作印模工件408相同，并且主要由对UV光透明或半透明的材料组成。然而，与图1-3的步进式纳米压印光刻技术不同，该技术中通过仅在工作印模工件的特定区域中施加UV光来执行局部UV固化，如下面参考框415所述，在上覆光刻过程中，在整个上覆母工作印模412上施加UV光，并且因此在整个(或大部分)工作印模工件408上施加UV光。因此，为了防止来自软印模层404的材料在尚未被第一母印模412图案化的位置中固化，在第一母印模412的背面上图案化金属或其他UV不透明材料的涂层417，以屏蔽工作印模层的未图案化区域免于暴露于UV光。因此，在框415处，通过将UV光416通过第一母印模412施加到第一母印模412下面的软印模层404的图案化区域来执行局部紫外(UV)固化过程(其中第一母印模412对UV光是透明的或半透明的)，同时未图案化区域被图案化涂层417屏蔽UV光，并且因此通过第一母印模412的金属/UV屏蔽区域保持未固化。在框420处，将第一母印模412与工作印模工件408分离。尽管图4和图5图示了在后表面上使用预沉积的金属/UV不透明材料以在固化过程期间选择性地阻挡UV光的实施例，但是在其他实施例中，用于UV光源的预图案化遮光器反而能够与每个上覆母印模412一起使用以提供位置特定的UV固化。

转到图5的最终阶段502，在框425处，通过将第二母印模418与工作印模工件408对准、并且然后通过将第二母印模418压入软印模层404中来从第二母印模418压印一组第二图案422-1和422-2来启动第二上覆光刻过程。在所图示的实施方式中，第二母印模418被配置为在工作印模工件408中形成二元光栅。与第一母印模412一样，第二母印模418的尺寸与下面的工作印模工件408相同、主要由对UV光透明或半透明的材料组成，并且包括在第二母印模418的背面上的金属或其他UV不透明材料的图案化涂层424，以屏蔽软印模层404的未图案化区域以免暴露于UV光。因此，在框430处，通过将UV光426通过第二母印模418施加到第二母印模418下面的图案化区域来执行局部UV固化过程，同时未图案化区域被第二母印模418的金属/UV屏蔽区域屏蔽UV光，并因此保持未固化。在框435处，将第二母印模418与工作印模工件408分离。如框440所示，可以对一个或多个附加的上覆母印模重复该上覆-压印-固化-分离过程，以在工作印模工件408的对应位置处形成对应的表面光栅特征/图案。在移除最终母印模之后，软印模层404可以经受最终固化过程以完成固化过程，并且然后与衬底406分离，从而产生工作印模432。

图6图示了图4和图5中所图示的两个母印模412和418的俯视图以及通过该过程形成的所得工作印模432的俯视图。如图示，第一母印模412能够包括上覆的018金属图案化涂层417，其完全涂覆第一母印模412的顶部表面，除了对应于由第一母印模412形成的表面光栅的图案414-1和414-2的区域中的孔604、606之外，以便许可UV光透射穿过这些孔，以在第一母印模412在原位时至少部分地固化下面的软印模材料。在该示例中，第二母印模418是用于制造工作印模432的最终上覆母印模，并且因此不是形成具有孔的完全上覆金属涂层。相反，第二母印模418可以以两个金属涂层贴片606-1和606-2的形式提供金属图案化涂层424，这两个金属涂层贴片606-1和606-2被定尺寸和对准以便覆盖区域604和606，使得图案414-1和414-2在与第二母印模418一起使用的UV固化过程期间不经受第二UV固化过程，同时第二母印模418的其余部分许可UV光透射，从而允许软印模层404在对应于图案422-1和422-2的区域中的局部固化，以及软印模层404的除了金属涂覆贴片606-1和606-2下面的两个区域之外的其余部分的局部固化。此外，如图6所示，对准标记(例如，对准标记608、610和612)可以被用于促进上覆母印模412和418与工件的适当对准。

下面的图7图示了根据一些实施例的用于制造工作印模的方法700，该工作印模用于使用混合过程在波导工件中制造不同图案的不同光栅，该混合过程利用图1-3的步进式纳米压印光刻过程和图4-6的上覆纳米压印光刻过程两者。在框705处，使用如上参考图4-6所述的上覆光刻过程从第一工作印模工件704制造第一工作印模702。在框710处，形成具有上覆合适的衬底712的软印模层708的第二工作印模工件706。在框715处，使用第一工作印模在第二工作印模工件706上执行第一步进式光刻过程，以在第二工作印模工件706中形成第一组光栅图案714。在框715处，使用单独的母印模716在第二工作印模工件706上执行如上参考图4-6所述的第二步进式光刻过程，以在第二工作印模工件706中形成第二组光栅图案718。可以对一个或多个其他步进式母印模重复该过程，并且将所得第二工作印模工件进一步加工(例如，最终UV固化)以形成第二工作印模，然后能够使用该第二工作印模将所得光栅图案压印在波导工件或其他工件中。

图8图示了用于使用根据上述步进式光刻过程、上覆光刻过程或混合光刻过程中的任一个形成的工作印模在波导工件中形成表面光栅的示例方法800。如图所示，提供了由形成在刚性支撑载体806上的软波导材料层804组成的波导工件802。工作印模808(例如，工作印模154、工作印模423或706的一个实施例)被定向成使得表面光栅810(表示要在波导工件802中形成的负向或反向光栅图案)面向软波导材料层804并且被定位成上覆要形成光栅的区域。工作印模808被涂覆有防粘材料，并且然后压入软波导材料层804的面对表面，从而使软波导材料层804符合工作印模808，特别是在软波导材料层804中形成所示的光栅。然后从波导材料层804移除工作印模808，并且至少固化波导材料层的受影响区域以保持光栅图案，从而产生具有图案化波导材料层814的波导工件812。在一些实施方式中，当工作印模808就位时，能够部分地固化波导材料层804，以便部分地硬化形成表面光栅的波导材料，并且然后在取出工作印模之后，该区域经受第二固化过程以完全固化该区域。在其他实施例中，首先取出工作印模808，并且然后执行完全固化过程。然后可以将图案化的波导材料层814与载体806分离，从而产生具有图案化的表面光栅的工作印模。

图9图示了实现波导的一组AR眼镜，该波导具有通过使用经由上述一个或多个过程形成的工作印模形成的各种表面光栅。如图所示，AR眼镜900包括一组透镜，包括结合波导904的透镜902。波导904能够结合如上所述制造的表面光栅，诸如用于入耦器、出耦器、出射光瞳扩展器或波导的一些其他光学组件。

在一些实施例中，上述技术的某些方面可以由执行软件的处理系统的一个或多个处理器来实现。软件包括存储或以其他方式有形地体现在非暂时性计算机可读存储介质上的一个或多个可执行指令集。软件能够包括指令和某些数据，当由一个或多个处理器执行时，这些指令和某些数据操纵一个或多个处理器以执行上述技术的一个或多个方面。非暂时性计算机可读存储介质能够包括例如磁盘或光盘存储设备、固态存储设备(诸如闪存、高速缓存、随机存取存储器(RAM)或一个或多个其他非易失性存储器设备)等。存储在非暂时性计算机可读存储介质上的可执行指令可以是源代码、汇编语言代码、目标代码或由一个或多个处理器解释或以其他方式可执行的其他指令格式。

计算机可读存储介质可以包括在使用期间可由计算机系统访问以向计算机系统提供指令和/或数据的任何存储介质或存储介质的组合。这样的存储介质能够包括但不限于光学介质(例如，光盘(CD)、数字通用光盘(DVD)、蓝光光盘)、磁介质(例如，软盘、磁带或磁性硬盘驱动器)、易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM)或高速缓存)、非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)或闪存)或基于微机电系统(MEMS)的存储介质。计算机可读存储介质可以嵌入在计算系统(例如，系统RAM或ROM)中、固定地附接到计算系统(例如，磁性硬盘驱动器)、可移动地附接到计算系统(例如，光盘或基于通用串行总线(USB)的闪存)，或者经由有线或无线网络耦合到计算机系统(例如，网络可访问存储(NAS))。

注意，并非需要上文在一般描述中描述的所有活动或元件，可能不需要特定活动或设备的一部分，并且可以执行一个或多个另外的活动，或者除了所描述的那些之外还包括一个或多个另外的元件。此外，列出活动的顺序不一定是执行它们的顺序。此外，已经参考具体实施例描述了概念。然而，本领域普通技术人员意识到，在不脱离如所附权利要求中阐述的本公开的范围的情况下，能够进行各种修改和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这些修改旨在包括在本公开的范围内。

上面已经参考具体实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更明显的任何(多个)特征不应被解释为任何或所有权利要求的关键、必需或必要特征。此外，上面公开的特定实施例仅是说明性的，因为所公开的主题可以以受益于本文教导的本领域技术人员显而易见的不同但等同的方式进行修改和实践。除了在下面的权利要求中描述的之外，不旨在限制本文中所示的构造或设计的细节。因此，显而易见的是，可以改变或修改上面公开的具体实施例，并且所有这些变化都被认为在所公开的主题的范围内。因此，本文寻求的保护如下面的权利要求中所述。

Claims (18)

1.一种用于形成工作印模的方法，所述方法包括：

使用一系列母印模执行一系列步进式光刻过程，以便形成具有第一表面的所述工作印模，所述第一表面具有形成在其中的多个表面光栅，每个步进式光刻过程包括：

将所述一系列母印模中的母印模在工作印模工件的材料层的对应区域处压入到所述材料层中，所述母印模具有形成在其上的多个表面光栅图案；

将紫外光施加到所述对应区域以在所述对应区域处局部固化所述材料层；以及

在施加所述紫外光之后，将所述母印模与所述工作印模工件的材料层分离。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述母印模对所述紫外光至少部分透明；以及

将紫外光施加到所述对应区域包括通过所述母印模将紫外光施加到所述对应区域。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括：

在执行所述一系列步进式光刻过程之后将紫外光施加到所述材料层。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一系列母印模中的每个母印模被配置为形成不同的表面光栅图案。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，每个表面光栅图案在尺寸、类型和定向中的至少一项上相异。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述工作印模上的至少一个对准标记和所述工作印模工件上的至少一个对准标记将所述工作印模对准到所述对应区域。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，对紫外光至少部分透明的所述母印模的材料由聚合物构成。

8.一种波导，所述波导是使用根据权利要求1-7中任一项所述的方法形成的工作印模来制造的。

9.一组增强现实眼镜，所述一组增强现实眼镜具有根据权利要求8所述的波导。

10.一种用于形成工作印模的方法，所述方法包括：

将第一母印模的第一面压入工作印模工件的材料层中，所述第一面具有形成在其上的第一多个表面光栅图案，以及所述第一母印模具有相对的第二面，所述第二面具有形成在其上的图案化金属层，并且所述第一母印模的主体由对紫外光至少部分透明的材料构成；

将紫外光施加到所述第一母印模的所述第二面上，以选择性地固化所述工作印模工件的所述材料层；以及

在施加所述紫外光之后，将第一母印模与所述工作印模工件的材料层分离。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述图案化金属层包括与所述第一多个表面光栅图案中的所述表面光栅图案的位置相对应的孔。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述第一母印模的第一面压入所述材料层包括：使用所述第一母印模上的至少一个对准标记和所述工作印模工件上的至少一个对准标记，将所述第一母印模对准到所述工作印模工件。

13.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：

在分离所述第一母印模之后，将第二母印模的第一面压入所述工作印模工件的材料层中，所述第二母印模的第一面具有形成在其上的第二多个表面光栅图案，以及所述第二母印模具有相对第二面，所述相对第二面具有形成在其上的图案化金属层，并且所述第二母印模的主体由对紫外光至少部分透明的材料构成；

将紫外光施加到所述第二母印模的所述第二面上，以选择性地固化所述工作印模工件的所述材料层；以及

在施加所述紫外光之后，将所述第二母印模与所述工作印模工件的材料层分离。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述第一母印模的第一面压入所述材料层包括：使用所述第一母印模上的至少一个对准标记和所述工作印模工件上的至少一个对准标记，将所述第一母印模对准到所述工作印模工件。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第二母印模的所述第二面上的所述图案化金属层在与所述第一母印模的形成有所述第一多个表面光栅图案的区域相对应的区域中包含金属涂层、并且在所述第二母印模的形成有所述第二多个表面光栅图案的区域中不存在金属涂层。

16.根据权利要求10所述的方法，其中，对紫外光至少部分透明的所述材料由聚合物构成。

17.一种波导，所述波导是使用根据权利要求10-16中任一项所述的方法形成的工作印模来制造的。

18.一组增强现实眼镜，所述一组增强现实眼镜具有根据权利要求17所述的波导。