JP2020522021A - 回折格子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は回折格子を製造するための方法に関する。当該方法は第一の基板を提供すること、前記第一の基板上に、一時的な格子材料を用いて第一の表面プロファイルを製造することを含む。次に、前記第一の表面プロファイル全体を、最終的な格子材料の層によって被覆され、第二の基板が、前記最終的な格子材料の層の上に接合される。最後に、前記第一の基板及び前記一時的な格子材料が除去されて、前記第一の表面プロファイルのネガである第二の表面プロファイルが前記最終的な格子材料上に作製される。本発明は例えば無機光学材料などを用いて高品質の格子を簡便に作成すること、また回折効率調節のための高さ及び／又はフィルファクタの調整を可能とする。
Description
本発明は、光学的用途のためのマイクロ構造及びナノ構造の製造に関する。詳細には、本発明は、ニア・ツー・アイディスプレイなどのディスプレイ用途に例えば用いられ得る光学的回折格子の製造に関する。
ニア・ツー・アイディスプレイ（ＮＥＤ）及びヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）は、典型的には、視認可能な画像を生成するための回折格子を含む。格子は、画像源からの画像を導波路に繋ぐインカップリング格子として、ユーザーのための最終的な視認可能な画像を生成するアウトカップリング格子として、及びディスプレイの射出瞳のサイズを拡大する射出瞳拡大素子（exit pupil expander：ＥＰＥ）として、必要とされる。
格子の品質及び特性は、得られる画像の質を決定する。明確で均一な格子線を有することに加えて、先進的な用途では、格子の回折効率が局所的に制御可能であることが望ましい。このことは、格子の中で格子線の高さ（height）又はフィルファクタ（fill factor）を変動させることによって、すなわち、高さ又はフィルファクタの要素の調整を用いて、実現することができる。可能な限り最大の効率調節範囲を実現するためには、高さ及びフィルファクタの両方が調整されるべきである。したがって、回折効率を自由に制御することができ、大量生産に適用可能である回折格子のための安定で費用対効果の高い製造方法が求められている。さらに、非ポリマー材料が必要とされる場合もあり、このことは、直接ポリマーを調整することと比較して、プロセスの複雑性を増加させる。
高さが調整される素子の製造は、一般的に、１サイクル内で１回分の高さが定められる製造サイクルを繰り返すことによって行われる。特に、同じ基板上で高さを変動させたマイクロ構造及びナノ構造を製造することは難しく、加工が困難である無機材料の場合は特に難しい。このため、一般的には、アラインメントを行いながらの複数の製造サイクルが必要であり、この場合、各素子の高さが、１サイクルの間に別々に定められる。
また、このことにより、前記材料の、高度に最適化され且つ多くの場合複雑である加工も必要となる。前記材料中に垂直な側壁を得るためには、現在利用可能な方法では、異方性の高いエッチングが必要である。１つの公知の加工方法は、C. David, "Fabrication of stair-case profiles with high aspect ratios for blazed diffractive optical elements", Microelectronic Engineering, 53 (2000)において考察されている。前記方法が複雑であるために、このプロセスの収率は低い。さらに、重ね合わせ露光では、ナノメートルレベルでの横方向の位置精度が求められ、最適値からのいかなるずれも、光学性能の低下を引き起こす。最大の効率調節範囲を実現するために高さ調整及びフィルファクタ調整の両方が所望される場合には、著しい課題に直面する。
したがって、回折パターンを製造するための新規な工業スケールの技術が求められており、詳細には、回折効率制御のための高さ及び／又はフィルファクタの調整をチャレンジングな材料を用いて可能とするような方法が求められている。
本発明の目的は、既知技術の欠点の少なくとも一部を克服し、回折格子を製造するための新規な方法を提供することである。
本発明は、一時的な材料を基板上で用い、その上に最終的な格子材料を成長させることで最終的な格子（final grating）を画定することによって、最終的な格子材料をマイクロスケール又はナノスケールで加工することを回避することに基づいている。前記一時的な材料は、構造の反対側に新たな支持体を積層し、前記元の基板を剥離した後に、除去される。前記一時的な材料の表面プロファイルは、前記最終的な格子材料に対するネガとして複製されている。
より詳細には、本発明の回折格子を製造する方法は、
第一の基板を提供すること、
前記第一の基板上に、一時的な格子材料を用いて第一の表面プロファイルを製造すること、
前記第一の表面プロファイル全体を、最終的な格子材料の層によって被覆すること、
第二の基板を、前記最終的な格子材料の層の上に接合すること、
前記第一の基板を除去すること、及び
前記一時的な格子材料を除去して、前記第一の表面プロファイルのネガである第二の表面プロファイルを前記最終的な格子材料上に作製すること、
を含む。
第一の基板を提供すること、
前記第一の基板上に、一時的な格子材料を用いて第一の表面プロファイルを製造すること、
前記第一の表面プロファイル全体を、最終的な格子材料の層によって被覆すること、
第二の基板を、前記最終的な格子材料の層の上に接合すること、
前記第一の基板を除去すること、及び
前記一時的な格子材料を除去して、前記第一の表面プロファイルのネガである第二の表面プロファイルを前記最終的な格子材料上に作製すること、
を含む。
特に、本発明は、請求項１に記載される内容を特徴とする。
本発明は、顕著な有益性を提供する。
本発明の方法において、最終的な格子材料又は材料一式は、さらなる加工の必要がないことから、自由に選択することができる。特に、前記材料は、無機化合物を含んでよい。これは、最終プロファイルが、犠牲層（sacrificial layer）の表面プロファイルを作製する際に、レジスト又はポリマー材料などのより容易に加工可能である材料を加工することのみによって決定されるからである。したがって、最終的な格子材料は、空間的な精度又は制御を必要としない堆積法を用いた１つのプロセス工程で付与することができ、犠牲層の表面プロファイルは、最終的な格子層に対するネガとして複製される。
前記方法により、例えば１．７以上、特に２．０以上、例えば２．２以上のような、高い屈折率を有する無機光学材料などの光学材料を用いて、回折効率調節のための構造高さとフィルファクタとの調整を同時に組み合わせて行うことが可能となる。したがって、格子の効率を、高い光学的品質を維持しながら、空間的に変動させることができる。
本発明の方法は、回折ディスプレイの製造プロセスと良好に組み合わせることができる。特に、前記方法の過程で積層体に取り付けられる第二の基板は、ディスプレイの導波路であってよく、製造される格子は、ディスプレイのインカップリング格子もしくはアウトカップリング格子であるか、又は、回折射出瞳拡大素子である。格子と基板との光学的連繋は、接合プロセス及び材料選択によって確実なものとすることができる。
本発明は、ニア・ツー・アイディスプレイの導波路ディスプレイ素子上に格子を製造するのに特に適している。
従属請求項は、本発明の選択された実施形態に関する。
一時的な層のフィーチャ（feature）は、一次元格子の作製に適する線構造であってよく、又は二次元格子の作製に適する、例えばドット構造であってもよい。
表面プロファイルには、フィーチャ（線）幅の変動、すなわち、フィルファクタ調整（fill factor modulation）があってよく、及び／又はフィーチャ（線）高さの変動、すなわち、高さ調整（height modulation）があってもよい。両方の調整技術を用いることにより、回折効率の調節範囲が最大となる。
第一の表面プロファイルは、ナノインプリントリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、光学リソグラフィ、又はエンボス加工を用いて製造することができ、一方最終的な格子材料は、原子層堆積、化学蒸着、物理蒸着、又はこれらの変形法を用いて付与することができる。高屈折率ポリマー材料は、スピンコート法、スプレー法、又はインクジェット印刷によって付与することができる。典型的には、これらの材料は、ＵＶ光又は熱によって硬化され、無機化合物を含有していてよい。
いくつかの実施形態によると、格子材料の層は、配置された後、平らな開放表面（free surface）を有し、最終製品の一部として残る第二の基板は、当該平らな表面に接合される。
いくつかの実施形態では、最終的な格子材料層の表面には、第二の基板をその上に付与する前に、研磨又はさもなければ平滑化など、加工が施される。表面の平滑性を高めることにより、層間の良好な接触及び接合が確保される。別の選択肢として、又はこれに加えて、加工は、次の層を付与する目的での表面の何らかの他の種類の処理を含んでもよい。
最終的な格子材料は、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２などの無機材料を含んでよい。
いくつかの実施形態では、最終的な格子材料の屈折率の、第二の基板の屈折率からの差は、第二の基板の屈折率の１０％以下である。いくつかの実施形態では、最終的な格子材料の屈折率は、第二の基板の屈折率よりも１０％超高く、例えば１０〜３０％高い。
いくつかの実施形態では、第二の基板は、接着層を用いて格子材料と接合される。第二の基板及び最終的な格子材料が、典型的には、剛性材料であることから、接着層により、基板と格子との物理的及び光学的連繋が確保される。いくつかの実施形態では、接着層の屈折率の、第二の基板の屈折率からの差は、第二の基板の屈折率の１０％以下であり、また場合によっては、接着層の屈折率の、最終的な格子材料の屈折率からの差も、最終的な格子材料の屈折率の１０％以下である（the adhesive layer has an index of refraction, which deviates not more than 10 % from the index of refraction of the second substrate, and, sometimes, also of the final grating material）。最終的な格子材料の屈折率は、接着層の屈折率よりも１０％超高くてもよく、例えば１０〜３０％高い。
いくつかの実施形態では、第二の基板の格子材料への接合は、物理的接合又は化学的接合を用いて行われる。
次に、本発明の実施形態及びその利点について、添付の図面を参照してより詳細に考察する。
選択された堆積方法に対応するいずれかの所望される材料を用いて、様々な構造高さ（及び線幅又はフィルファクタ）のマイクロ構造及びナノ構造を製造するための実行可能な手段を提供する例示的な方法が、本明細書で記載される。簡潔に述べると、前記方法は、犠牲材料で製造された（fabricated in）又は犠牲材料に対して（replicated to）複製された、場合によっては構造高さ及び線幅を変動させたモールドを充填することを含む。この犠牲モールドは、典型的には、支持ウェハ又はプレートなどの第一の基板上に存在する。充填は、１又は複数の所望される材料を用いた蒸着によって行われる。第一の基板を有する構造は、例えば接着接合、物理的接合、又は化学的接合によって、支持プレートなどの第二の基板に積層される。次に、元の支持プレートが剥離されて、犠牲層が露出される。犠牲層は、次に、ウェット又はドライエッチング法によって除去される。この結果、元の構造のネガコピーが所望される材料で得られる。
より詳細には、図１Ａは、構造に対して不均一な表面プロファイルを形成する異なる高さ及び／又は幅のフィーチャを備えた、パターン形成された犠牲層１２を備えた第一の基板１０を示す。本明細書において、フィーチャは長方形の断面であるが、直角ではない角度を有するプロファイルも、本発明の方法を用いて製造することができる。例えば、一次元格子が所望される場合、フィーチャは、線の長さ方向に対して直角である面内の断面が長方形又は三角形である直線であってよい。
基板は、犠牲層を載せることができ、また前記方法の後工程で上層から分離することができるウェハ又はフィルム構造を有するその他の何らかのプレートであってよい。
犠牲層１２は、一時的な格子材料を用いて製造され、これも前記方法の後工程で除去される。当該材料は、例えば、レジスト、ポリマー、又は他のパターン形成可能であり除去可能である薄フィルム材料であってよい。パターン形成は、いくつかの例を挙げると、ナノインプリントリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、光学リソグラフィ、又はエンボス加工を用いて行うことができる。
図示した例では、第一の基板１０は、犠牲層１２の突出したフィーチャの間に視認可能であり、すなわち、フィーチャ間のギャップの底を形成している。しかしながら、犠牲層の付与及びパターン形成は、基板１０全体が被覆されるように行われてもよい。
図１Ｂで示される次の工程では、図１Ａの表面プロファイルが、無機透明材料などの所望される最終的な格子材料の層１４で被覆される。例としては、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、及びＨｆＯ２が挙げられる。被覆は、好ましくは、プロファイルの溝を、最も高いフィーチャのレベルまで少なくとも充填することを含む。典型的には、プロファイルは、プロファイルのすべてのフィーチャが最終的な格子材料の層に完全に埋め込まれるように、過剰に充填される。好ましくは、当該層の最上部表面は、この工程の後、本質的に平らである。
原子層堆積（atomic layer deposition：ＡＬＤ）、化学蒸着（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）、又は物理蒸着（physical vapor deposition：ＰＶＤ）は、すべて最終的な格子材料の付与に適する方法である。ＵＶ硬化性又は熱硬化性の高屈折率ポリマー材料は、スピンコート法、スプレー法、又はインクジェット印刷によって付与することができる。
一時的な格子構造を最終的な格子材料層１４で充填した後、表面に残された平らでない部分があれば、機械研磨、又は化学研磨、又はこれらの組み合わせを用いて研磨除去することができる。このことにより、次の工程で提供される第二の基板への格子層の良好な接合が確保される。
次に、図１Ｃに示されるように、第二の基板１８が、最終的な格子層１４の開放表面に接着される。層の接合を確保するために、接着層又は他の中間層１６が用いられてよい。しかしながら、材料特性に応じて、層は、例えば熱及び／又は圧力及び／又は放射線を用いることによる適切な物理的又は化学的な接合方法を用いて、直接接合されてもよい。
格子層１４の最上部表面が平らであることにより、それに対する第二の基板１８の良好な接合、及び層の光学的連繋が確保される。
したがって、第二の基板１８及び所望に応じて接着層１６は、好ましくは、透明材料から成る。
接着剤が用いられる場合、接着材料は、好ましくは、光学的性能を高めるために、導波路と同じ屈折率を有することには留意されたい。ニア・ツー・アイの用途では、第二の基板は、高屈折率材料であってよく、導波路層として作用し得る。最終的な格子材料が、導波路層として作用する第二の基板と同じ屈折率を有するように選択されてもよく、それによって、いかなるバイアス層厚さがあっても、すなわち、導波路層と調整格子層との間のいずれの未調整層の厚さがあっても、関係なく、導波路層からの入射光と調整層との相互作用が可能とされることにも留意されたい。
図１Ｄに示されるように、次に、第一の基板１０が、積層体から除去される、すなわち、剥離される。その結果、一時的な格子層１２が、また所望に応じて犠牲材料フィーチャ間の最終的な格子層１４も、露出される。材料特性及び層間の接合に応じて、除去は、機械的除去、物理的除去、又は化学的材料除去を含み得る。
最後に、犠牲材料が、第一の基板が除去された側から除去される。この結果、第二の基板１８上の最終的な格子材料層１４において、元の表面プロファイルのネガコピーが得られる。犠牲材料に対する選択性を有する化学エッチング法又は物理エッチング法が用いられてよい。
一般的考慮事項及び変型例
最終的な材料は、無機透明材料であってよく、特に、金属酸化物又は金属窒化物などの金属化合物であってよい。特に、最終的な材料は、屈折率が２．０以上、例えば２．２以上である材料を含んでよい。当該材料は、例えば、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、又はＨｆＯ２であってよい。
最終的な材料は、無機透明材料であってよく、特に、金属酸化物又は金属窒化物などの金属化合物であってよい。特に、最終的な材料は、屈折率が２．０以上、例えば２．２以上である材料を含んでよい。当該材料は、例えば、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、又はＨｆＯ２であってよい。
第二の基板１８は、所望に応じて存在しうる接着層１６もそうであるように、好ましくは、光学的に透明であり、ガラス基板又はポリマー基板などである。本明細書において、透明とは、透過率が５０％超、特に９５％超であることを意味する。ディスプレイ用途の場合、基板は、可視光波長のための導波路として（すなわち、導光体として）作用可能であることが好ましい。基板は、平面であっても、又は曲面であってもよい。
典型的な実施形態では、最終的な格子材料は、第二の基板材料の屈折率よりも高い屈折率を有する。このことにより、光は、基板中を全内反射で進行し、格子が存在して回折が発生する地点で基板から出ることが可能となる。例えば、基板の屈折率は、２．０未満であってよく、格子材料の屈折率は、２．０超であってよい。
本発明は、仮想現実メガネ又は拡張現実メガネを例とするウェアラブルディスプレイ用途などのディスプレイ用途のための格子を製造するために用いることができる。これらの用途では、製造される格子の面積は、典型的には、少なくとも１ｃｍ２であり、例えば２〜５００ｃｍ２である。
前記回折格子は、例えば、ニア・ツー・アイディスプレイ（ＮＥＤ）又はヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の、アウトカップリング格子、インカップリング格子、又は射出瞳拡大素子（ＥＰＥ）であってよい。
パターンの周期は、典型的には、１０μｍ以下、特に１μｍ以下であり、例えば２００〜８００ｎｍである。一定周期の格子に加えて、本発明は、周期が調整された格子の作製にも用いることができることには留意されたい。すなわち、周期は、格子の横寸法の方向に対して一定である必要はない。
必要であれば、格子は、光学構造中に埋め込まれていてもよく、すなわち、１又は複数の追加的層で被覆又はコーティングされていてもよい。
図２Ａ及び図２Ｂは、誘電体バイナリ格子の一次透過オーダーの回折効率が、高さ及びフィルファクタの調整を用いて調整可能である様子を示す。数値結果は、フーリエモード法（厳密結合波解析としても知られる）を用いて得た。バイナリ格子は、空気と屈折率が２．０であるガラス基板との間の界面に位置し、格子の周期は５００ｎｍ、フィルファクタは０．５であり、格子は、基板と同じ材料から成る。格子を、４５０ｎｍの自由空間波長を有する平面波による垂直入射で照射する。結果を、電界成分が横向き（ＴＥ）の偏光及び磁界成分が横向き（ＴＭ）の偏光の両方に対して示す。図２Ａでは、フィルファクタは０．５であり、図２Ｂでは、格子高さは２５０ｎｍである。
先行技術文献リスト
非特許文献
C. David, "Fabrication of stair-case profiles with high aspect ratios for blazed diffractive optical elements", Microelectronic Engineering, 53 (2000)
非特許文献
C. David, "Fabrication of stair-case profiles with high aspect ratios for blazed diffractive optical elements", Microelectronic Engineering, 53 (2000)
Claims (15)
- 第一の基板を提供すること、
前記第一の基板上に、一時的な格子材料を用いて第一の表面プロファイルを製造すること、
前記第一の表面プロファイル全体を、最終的な格子材料の層によって被覆すること、
第二の基板を、前記最終的な格子材料の層の上に接合すること、
前記第一の基板を除去すること、及び
前記一時的な格子材料を除去して、前記第一の表面プロファイルのネガである第二の表面プロファイルを前記最終的な格子材料上に作製すること、
を含む、回折格子を製造する方法。 - 前記第一の表面プロファイル及び前記第二の表面プロファイルは、高さが調整された回折格子を製造するための、高さの異なるフィーチャを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記第一の表面プロファイル及び前記第二の表面プロファイルは、フィルファクタ（fill factor）が調整された回折格子を製造するための、幅の異なるフィーチャを含む、請求項１又は請求項２に記載の方法。
- ナノインプリントリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、又は光学リソグラフィを用いて前記第一の表面プロファイルを製造することを含む、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の方法。
- 原子層堆積、化学蒸着、物理蒸着、スピンコート法、スプレー法、インクジェット印刷、又はこれらの変形法によって前記格子材料を付与することを含む、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記格子材料の層が配置後に平らな開放表面（even free surface）を有し、その上に前記第二の基板が接合される、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記格子材料が無機材料、例えばＳｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、又はＨｆＯ２を含む、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の方法。
- 接着層を用いて前記第二の基板を前記格子材料と接合することを含む、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の方法。
- 前記接着層の屈折率の、前記第二の基板の屈折率からの差は、前記第二の基板の屈折率の１０％以下である、請求項８に記載の方法。
- 物理的接合又は化学的接合を用いて前記第二の基板を前記格子材料に接合することを含む、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記最終的な格子材料の屈折率の、前記第二の基板の屈折率からの差は、前記第二の基板の屈折率の１０％以下である、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記最終的な格子材料の屈折率は、前記第二の基板の屈折率よりも１０％以上高く、例えば１０〜３０％高い、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第二の基板が導波路であるか、又は、さらに前記第二の基板を導波路に接合することを含む、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
- 前記導波路がニア・ツー・アイディスプレイの導波路ディスプレイ素子である、請求項１３に記載の方法。
- 回折導波路ディスプレイのインカップリング格子、射出瞳拡大素子格子（exit pupil expander grating）、又はアウトカップリング格子を製造するための、請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載の方法の使用。
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