JP2019529985A - 回折格子の製造方法 - Google Patents

Abstract

ＤＯＥ、ＨＯＥおよび及びフレネル光学素子を製造するための製造方法が開示されている。これらの方法は低コストで高精度の製造を可能にする。方法は、リソグラフィ、ロールツーロールインプリントおよび及びＵＶキャスティングを含む。【選択図】図７

Description

［関連する出願］
本出願は、２０１６年９月９日に出願された米国仮特許出願第６２／４９５，２８６号の利益を主張する非仮出願である。出願第６２／４９５，２８６号は、２０１４年６月２７日に出願された特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０００１５３の一部継続出願（ＣＩＰ）であり、これは２０１３年６月２７日に出願された米国仮特許出願６１／９５７，２５８の非仮出願である。

本発明は、非等方性エッチングと等方性エッチングとを組み合わせたより正確な製造を可能にする回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ：ＤＯＥ）の製造方法に関する。より具体的には、本発明は、ＤＯＥの望ましくない壁及び鋭い縁を排除することに関する。

回折型光学素子は、ウェアラブルディスプレイ、メガネディスプレイ、近距離投影ディスプレイなどの新しいディスプレイにとって非常に重要になる。従来の光学システムは、球面レンズ及び非球面レンズまたはミラーに限定されており、それらは両方とも製造及び製作を容易にするために回転対称性を有している。しかしながら、これらの従来の光学系は、ウェアラブルディスプレイに非常に適しているシースルーディスプレイに必要な全ての光学素子を提供することはできない。ＤＯＥは非常にコンパクトでシースルーのディスプレイを可能にする。しかしながら、製造方法は必ずしも正確で経済的な方法で確立されているわけではない。特にリソグラフィの精度は、ＤＯＥの精度を制限する要因である。ＤＯＥは鋸歯状の表面を有し、その表面は多くの場合多段ステップで近似されるので、現在の半導体技術はリソグラフィ及びエッチングツールを用いたその製造を可能にする。

Ｓｗａｎｓｏｎの”Ｂｉｎａｒｙ Ｏｐｔｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”（１９８９）によれば、２ＮのマルチレベルステップはＮ個のマスクで作ることができる。製造方法の一例は、１）図１の（１００１）と図２の（２００１）のように２組のマスクを用意する。２）フォトレジストがコーティングされた（１００６）基板（１００５）を準備する。３）マスク（１００１、１００２、１００４）を基板上に重ねる。４）マスクのパターンがフォトレジストに転写されるように、マスクを通してＵＶ光（１００３）でフォトレジストを露光する。５）未露光領域が残るようにフォトレジストを現像する（１００８）。６）ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ／反応性イオンエッチング）などを使用して垂直にエッチングして、第１のレベル（３００３及び３００６）及び第３のレベル（３００５及び３００８）を作成する（２０１０）。７）２番目のマスクで同じプロセスを繰り返して、２番目（３００７）と４番目（３００９）のレベルを作成します。同じプロセスをＮ回繰り返すと、２Ｎレベルになる。

Ｓｗａｎｓｏｎ （１９８９），"Ｂｉｎａｒｙ Ｏｐｔｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ"

しかしながら、２つのマスク間の多少の位置合わせ不良は、フォトレジストが不要な領域（４００３、４００４、及び４００５）を覆い、フェンス（４００６及び４００８のような壁状の突起）を生じさせることになる。これらのフェンスは望ましくなく、回折性能に悪影響を及ぼす。

本発明は、ＤＯＥをより正確に製造することができるようにこれらの望ましくないフェンスを除去する方法を示す。

本発明の目的の１つは、図５に示すように、フェンスのないＤＯＥの製造方法を提供することである。半導体産業は、垂直エッチングにＲＩＥ（反応性イオンエッチング）ツールをしばしば使用する。しかしながら、これは、マスクがミスアライメントされるとフェンスを残す。例えば、基板がシリコンである場合、異方性（垂直）エッチングのためのエッチング剤としてしばしばＳＦ_６及び／またはＣＨ_４が使用され、これらはフェンスを残す。フェンスを除去するためには、水平方向にエッチングすることが必要であり、それはＣｌ_２＋ＨＢｒ＋Ｈｅ＋Ｏ_２のような等方性エッチング剤で達成することができる。

基板がＳｉＯ_２である場合、垂直エッチングのためのエッチング剤の例は、Ｃ_４Ｆ_８＋ＣＯ＋Ｏ_２＋Ａｒである。水平エッチングは、蒸気ＨＦまたは湿式ＨＦを用いて達成することができる。

本発明の別の例は、グレースケールの透過率または光の反射を有するアナログマスクを使用して、実質的により多くのレベルまたはほぼ滑らかな傾斜を有するＤＯＥを作製することである。前の例では、シングルビットマスク（白黒）と複数のマスクを組み込んでいます。グレースケールのこのアナログマスクは、より多くのビットの透過または反射レベルを持ち、鋸歯状の傾斜を実現するために使用されるマスクは１つだけである。等方性エッチング剤と異方性エッチング剤の組み合わせは、鋭い角を取り除き、傾斜をより滑らかにすることである。

本発明の他の例は、グレースケール能力を有するマスクレス露光システムを使用することである。アナログスケールでミラー傾斜角を制御する能力を有するマイクロミラー、またはアナログスケールで画素の反射率を制御することができるＬＣＯＳは、マスクレス露光システムとして機能することができる。

ＤＯＥ製造のプロセスフローの例を示す。１００１はフォトマスクの平面図、１００２はパターン付きフォトマスクの正面図（１００４）である。１００５はフォトレジスト（１００６）がコーティングされた基板である。１００３は露光光である。フォトレジスト（１００６）を光（１００３）で露光し、現像後にマスクパターン（１００４）をフォトレジスト（１００８）にコピーする。パターニングされたフォトレジストを有する基板（１００９）は、エッチング剤（１００７）の垂直流によってエッチングされる。エッチング後、基板は２つのレベルを有する。 ＤＯＥ製造の第２のリソグラフィ工程フローの一例を示している。２００１はフォトマスクの平面図、２００２はパターン付きフォトマスクの正面図（２００４）である。２００５は、２つのレベルを有し、フォトレジスト（２００６）がコーティングされた基板である。２００３は露光光である。フォトレジスト（２００６）を光（２００３）で露光し、現像後にマスクパターン（２００４）をフォトレジスト（２００８）にコピーする。パターニングされたフォトレジストを有する基板（２００９）は、エッチング剤（２００７）の垂直流によってエッチングされる。エッチング後、基板は４つのレベルを有する。 第１のマスクと第２のマスクとの間のマスクアライメントが完全である場合、基板はフェンスまたはトレンチなしで４つのレベルを有することを示す。 第１マスクと第２マスクとの間のマスク位置合わせが完全ではなく、フォトレジストが基板の側壁を覆っている場合、フェンス（４００６、４００８）及び突出部（４００７）があることを示している。これらは回折にとって有害であり、回折効率及び回折方向は設計値から変更されることがある。 水平エッチングを用いてフェンスを除去するための本発明の一例を示す。 マルチレベルのＤＯＥを作成するための製造方法の他の例を示す。アナロググレースケールパターン（６００１、６００２、及び６００３）を有するフォトマスクを使用して、フォトレジスト層（６００８）を露光する。ここで、６００１は黒色、６００２は灰色、及び６００３は白色である。フォトマスクは、透過型または反射型マスクとすることができる。アナログとは、各ピクセルの透過率または反射率を変えることによってグレースケールを作成することを意味する。マスクは、制御可能な光反射率または複数レベルのグレースケールでの透過率を有する表示装置とすることができる。フォトレジストを露光光で露光する（６００７）。現像によるレジストのエッチングの深さは露光された光の強度の関数であるか、または好ましくはそれに比例するので、多段階の段差が形成される（６００４、６００５及び６００６）。単一マスクのため、以前の方法よりもはるかに多くのレベルを持つことがより簡単になる。しかしながら、それでもなお鋭角コーナーは残り、それは回折効率に悪影響を及ぼす。勾配は、滑らかであるほど、効率は高くなる。 各画素のグレースケールがデジタル方式で作成されるＤＯＥ製造方法の他の例を示し、各画素は異なる割合の白黒領域を有することを意味する。 異方性エッチングの上に等方性エッチングによってステップ（８００４、８００５）の鋭い角がエッチング除去される本発明の一例を示す。

本発明の目的は、高品質のＤＯＥを製造することである。本発明の実施形態の例示的な方法は、１）ＤＯＥの位相シフト関数を決定することである。位相シフト関数は、図９に示すように、ＤＯＥへの入射光波とＤＯＥからの出射光波との間の光波の位相の差を表す関数として定義される。従来の光学系では、レンズの傾きやレンズの屈折率によって決まる屈折、ミラーによる対称反射など、一定量の位相シフトしかできない。ＤＯＥまたはＨＯＥ（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ／ホログラフィック光学素子）の場合、理論的にはいかなるシフトも可能である。これは途方もない自由を提供する。２）図１０に示すように、位相シフト関数から２π毎にスライスすることによりスライス位相シフト関数を計算する。ＤＯＥが透過性である場合、スライスされた位相関数の高さはλ／（ｎ−１）であり、ここでλは入射波の波長でありそしてｎは基板の屈折率である。ＤＯＥが反射性の場合、高さはλ／２である。３）ガラス（透過型）またはシリコン（反射型）などの基板を準備する。４）基板上にフォトレジストを塗布する。５）各位置における傾斜が前記スライスされた位相シフト関数の傾斜に対応する２Ｎレベルの段差を形成するＮ個のフォトマスクを準備する。６）フォトマスクのパターンをフォトレジスト上に露光する。７）露光されたフォトレジストを現像する。８）反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のような垂直エッチングを用いて、透過性の場合はλ／（ｎ−１）、反射性の場合はλ／２の深さでフォトレジストの開口部で基板をエッチングする。９）フォトレジストを剥離する。１０）Ｎ個のマスクのうちの１つを連続して使用して４）〜９）（Ｎ−１）回繰り返す。１１）図５に示すように、等方性または水平方向のエッチング剤で基板をエッチングしてフェンス及び突起を除去する。垂直エッチングによるエッチバックはコンフォーマルであるため、フェンス（５００５及び５００６）は垂直エッチング（５００７）によってエッチング除去することができない。フェンスを取り除くには水平方向のエッチングが必要である。水平エッチング（５００８）は、シリコン基板の場合はＨＢｒ、Ｈｅ及びＯ_２と組み合わせたＣｌ_２、及びＳｉＯ_２基板の場合は蒸気ＨＦまたは湿式ＨＦのような等方性エッチング剤で達成することができる。

本発明の実施形態の他の例を図６及び図８に示す。ステップは１）ＤＯＥの位相シフト関数を決定することである。位相シフト関数は、図６に示されるように、ＤＯＥへの入射光波とＤＯＥからの出射光波との間の光波の位相の差を表す関数として定義される。３）ガラス（透過型）またはシリコン（反射型）などの基板を準備する。４）基板上にフォトレジストを塗布する。５）スライスされた位相シフト関数をグレースケールパターンでアナログ的に表現する単一のフォトマスクを準備する。ここで、単一のピクセル全体の透過率または反射は比較的均一である。６）フォトマスクのパターンをフォトレジスト上に露光する。７）露光されたフォトレジストを現像する。８）反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のような垂直エッチングで、透過性の場合はＡ／（ｎ−１）の深さ、または反射性の場合はＡ／２の深さでスライス位相シフト関数の形状を形成するための基板をエッチングする。９）フォトレジストを剥離する。１０）図８に示すように、基板を等方性または水平方向のエッチング剤でエッチングして鋭い角及び突起を除去する。鋭い角と突起を取り除くには、水平方向のエッチングが必要である。水平エッチングは、シリコン基板の場合はＨＢｒ、Ｈｅ及びＯ_２と組み合わせたＣｌ_２、ＳｉＯ_２基板の場合は蒸気ＨＦ又は湿式ＨＦのような等方性エッチング剤により達成することができる。

本発明の実施形態の他の例を図７に示す。ステップは１）ＤＯＥの位相シフト関数を決定することである。位相シフト関数は、図６に示されるように、ＤＯＥへの入射光波とＤＯＥからの出射光波との間の光波の位相の差を表す関数として定義される。３）ガラス（透過型）またはシリコン（反射型）などの基板を準備する。４）基板上にフォトレジストを塗布する。５）スライスされた位相シフト関数をグレースケールパターンでデジタル的に表現する単一のフォトマスクを準備する。ここでは、微細サイズの白黒パターンが画素内に印刷され、グレースケールの強度及び解像度に基づいて黒の密度が決定される。露光システムの解像度は、精細な白黒パターンを解像するほど良くはないが、ピクセルサイズを解像するほどは良くない。６）フォトマスクのパターンをフォトレジスト上に露光する。７）露光されたフォトレジストを現像する。８）反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のような垂直エッチングで、透過性の場合はＡ／（ｎ−１）の深さ、または反射性の場合はＡ／２の深さでスライス位相シフト関数の形状を形成するための基板をエッチングする。９）フォトレジストを剥離する。１０）図８に示すように、基板を等方性または水平方向のエッチング剤でエッチングして鋭い角及び突起を除去する。鋭い角と突起を取り除くには、水平方向のエッチングが必要である。水平エッチングは、シリコン基板の場合はＨＢｒ、Ｈｅ及びＯ_２と組み合わせたＣｌ_２、ＳｉＯ_２基板の場合は蒸気ＨＦまたは湿式ＨＦのような等方性エッチング剤で達成することができる。

Claims (5)

1. ＤＯＥの位相シフト関数の計算工程と、
   鋸歯状のスライスされた位相シフト関数が各スライス内の前記位相シフト関数の勾配と同じ勾配を有するように、位相シフト関数を２πピッチにスライスされた位相シフト関数にスライスする工程と、
   各位置における傾斜が前記スライスされた位相シフト関数の傾斜に対応する２Ｎ段の段差を生成するＮ個のフォトマスクの準備工程と、
   前記フォトマスクでフォトレジストを露光可能な露光システムの準備工程と、
   フォトレジストで被覆された基板の準備工程と、
   前記フォトマスクでフォトレジストを露光する工程と、
   鋸歯状の隆起を作るための露光フォトレジストの現像工程と、
   鋸歯状の隆起部上部が異方性エッチング剤を用いて基板上に鋸歯状隆起部の比例した形状を形成する前記フォトレジスト上の前記基板のエッチング工程と、
   等方性エッチング剤を用いてフェンスと鋭い角を除去するための、フェンスと鋭い角を持つ基板のエッチング工程と、
   を備える回折格子の製造方法。
2. ＤＯＥの位相シフト関数の計算工程と、
   鋸歯状のスライスされた位相シフト関数が各スライス内の前記位相シフト関数の勾配と同じ勾配を有するように、位相シフト関数を２πピッチにスライスされた位相シフト関数にスライスする工程と、
   各位置における傾きが前記位相シフト関数の傾きに対応するように、グレースケールを有するパターンを有するフォトマスクをアナログ的に準備する工程と、
   前記フォトマスクでフォトレジストを露光可能な露光システムの準備工程と、
   フォトレジストで被覆された基板の準備工程と、
   前記フォトマスクでフォトレジストを露光する工程と、
   鋸歯状の隆起を作るための露光フォトレジストの現像工程と、
   鋸歯状の隆起部上部が異方性エッチング剤を用いて基板上に鋸歯状隆起部の比例した形状を形成する前記フォトレジスト上の前記基板のエッチング工程と、
   等方性エッチング剤を用いて鋭い角を除去するための、鋭い角を持つ基板のエッチング工程と、
   を備える回折格子の製造方法。
3. ＤＯＥの位相シフト関数の計算工程と、
   鋸歯状のスライスされた位相シフト関数が各スライス内の前記位相シフト関数の勾配と同じ勾配を有するように、位相シフト関数を２πピッチにスライスされた位相シフト関数にスライスする工程と、
   各位置における傾きが前記位相シフト関数の傾きに対応するように、グレースケールを有するパターンを有するフォトマスクをデジタル的に準備する工程と、
   前記フォトマスクでフォトレジストを露光可能な露光システムの準備工程と、
   フォトレジストで被覆された基板の準備工程と、
   露光光の強度分布がスライスされた位相関数に対応するように、前記露光システムでフォトレジストを露光する工程と、
   鋸歯状の隆起を作るための露光フォトレジストの現像工程と、
   鋸歯状の隆起部上部が異方性エッチング剤を用いて基板上に鋸歯状隆起部の比例した形状を形成する前記フォトレジスト上の前記基板のエッチング工程と、
   等方性エッチング剤を用いて鋭い角を除去するための、鋭い角を持つ基板のエッチング工程と、
   を備える回折格子の製造方法。
4. ＤＯＥの位相シフト関数の計算工程と、
   鋸歯状のスライスされた位相シフト関数が各スライス内の前記位相シフト関数の勾配と同じ勾配を有するように、位相シフト関数を２πピッチにスライスされた位相シフト関数にスライスする工程と、
   グレースケールで各ピクセルからの投射光の強度を制御することができるピクセルの２Ｄアレイを有する投射型ディスプレイを有する露光システムの準備工程と、
   計算されたパターンの強度でフォトレジストを露光する工程と
   鋸歯状の隆起を作るための露光フォトレジストの現像工程と、
   より硬い材料で作られた型にフォトレジストの形状をコピーする工程と、
   熱プレス、ＵＶキャスティング、ロールツーロール熱インプリント及びロールツーロールＵＶキャスティングのうち一の方法による、型からプラスチック材料への形状の複製する工程と、
   を備える回折格子の製造方法。
5. ＤＯＥの位相シフト関数の計算工程と、
   鋸歯状のスライスされた位相シフト関数が各スライス内の前記位相シフト関数の勾配と同じ勾配を有するように、位相シフト関数を２πピッチにスライスされた位相シフト関数にスライスする工程と、
   グレースケールで光の強度を制御することができる２Ｄ画素アレイを有する投影ディスプレイを有する露光システムの準備工程と、
   計算されたパターンの強度でフォトレジストを露光する工程と
   鋸歯状の隆起を作るための露光フォトレジストの現像工程と、
   より硬い材料で作られた型にフォトレジストの形状をコピーする工程と、
   熱プレス、ＵＶキャスティング、ロールツーロール熱インプリント及びロールツーロールＵＶキャスティングのうち一の方法による、型からプラスチック材料への形状の複製する工程と、
   を備える回折格子の製造方法。