JP2020522025A - マスタープレートの製造方法及びマスタープレート - Google Patents

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Abstract

本発明は、回折構造を製造するためのマスタープレートの製造方法と、当該マスタープレートとに関する。この方法は、選択的なエッチ層の積層体を含む基板を提供することと、前記基板上にエッチマスク層を提供することとを含む。さらに、この方法は、前記マスク層の異なるマスクゾーンで前記基板をマスクゾーン毎に露出させることで多工程エッチングプロセスにより前記基板をエッチングし、前記選択的なエッチ層を用いて前記基板の横方向の寸法におけるマスクゾーン及び高さ方向の寸法における積層で規定された、高さ調整された表面プロファイルを前記基板に製造することと、最終的に、高さ調整が前記基板の前記表面プロファイルによって少なくとも部分的に規定される高さ調整されたマスター回折格子を、前記表面プロファイル上に提供することとを含む。【選択図】図1G

Description

本発明は光学目的のためのマイクロ及びナノ構造の製造に関する。特に、本発明は、ニアトゥアイディスプレイなどのディスプレイ用途で使用できる光学回折格子を製造するためのマスタープレートの製造に関する。
ニアトゥアイディスプレイ(NED)及びヘッドアップディスプレイ(HUD)は、通常、可視像を生成する回折格子を含む。回折格子は像源から得た像を光導波路に結合する入力結合回折格子として、ユーザのために最終的な可視像を生成する出力結合回折格子として、またディスプレイ射出瞳のサイズを増加させる射出瞳エクスパンダ(EPE)として必要である。
回折格子の品質及び特性が、結果として得られる像の品質を決定する。明確で一貫した回折格子ラインを有する上に、先進的な用途においては回折格子の回折効率を局所的に制御できる能力があることが望ましい。これは回折格子ラインの高さ又は回折格子内のフィルファクタ(fill factor)を変更することで、すなわち、高さ又はフィルファクタ調整を用いることで達成できる。最大の可能な効率調整範囲を達成するには、高さとフィルファクタの両方を調整すべきである。したがって、回折効率が自由に制御可能で大量生産に適用可能なロバストでコスト効率が高い回折格子の製造方法が必要である。
直接リソグラフィ及びエッチプロセスは、とりわけ回折格子の各フィーチャ、すなわち、リッジ及び溝が広い表面領域にわたっていくつかのアスペクト比と深さとを含む場合に、縦寸法での高い正確度を提供するように調整することが極めて困難である。これらの方法を高さ調整と組み合わせて使用してフィーチャの垂直の側壁を完璧に達成することも困難である。一方、スタンピング技法は高品質のマスタープレートと前記マスタープレートを用いて製造されたスタンプとを必要とし、そのことによって、主要な課題はマスターの製造である。
高さ調整された構造の製造は、一般的に、一つの高さが一つの周期内で定義される製造周期を繰り返すことで実行される。これは高精度のアライメントによる数回の露光を必要とする。例えば、C. David, “Fabrication of stair−case profiles with high aspect ratios for blazed diffractive optical elements”, Microelectronic Engineering, 53 (2000)を参照されたい。この方法は複雑であるため、歩留まりは低い。さらに、重ね合わせ露光は横方向の配置のナノメートルレベルでの正確度を必要とし、最適位置から少しでも逸脱していると光学性能の損失を引き起こす。
要約すると、回折格子の工業規模の大量生産において高品質の高さ調整及びフィルファクタ調整、とりわけ、それらの組み合わせを提供することは、目下の課題であり、この目的のための改良型ツール及び方法が必要である。
上記の問題の少なくともいくつかを解決し、高品質の光学回折格子の製造を支援するソリューションを提供することが本発明の目的である。具体的な目的は大量生産に適した方法ソリューションを提供することである。
本発明は、スタンピング技法で用いる、マスタープレートがその上に製造される基板の特性によって高さ調整が極めて高い正確度で制御されるマスタープレートを製造するという考え方に基づく。所望の表面プロファイル、すなわち、高さ調整パターンが達成されるようにエッチングプロセスを支援するための、選択的にエッチング可能な層構造とマスク層とを有する基板が提供される。マスタープレートの最終的な回折格子構造が、その高さ調整特性が表面プロファイルに基づくように、基板の表面プロファイル上に製造される。
したがって、本発明は、回折構造を製造するためのマスタープレートの製造方法であって、
選択的なエッチ層の積層体を含む基板を提供すること、
前記基板上にエッチマスク層を提供すること、
前記マスク層の異なるマスクゾーンで前記基板をマスクゾーン毎に露出させることで多工程エッチングプロセスにより前記基板をエッチングし、前記マスクゾーン及び前記選択的なエッチ層を用いて、前記マスクゾーン及び前記選択的なエッチ層に応じて、高さ調整された表面プロファイルを前記基板に製造すること、及び
高さ調整が前記基板の前記表面プロファイルによって最後に部分的に規定される高さ調整されたマスター回折格子を、前記表面プロファイル上に提供すること、を含む方法を提供する。
特に、多工程エッチングプロセスの結果として、基板の表面プロファイルはマスクゾーンの横方向特性及び選択的なエッチ層の高さ特性を採用する。すなわち、表面プロファイルは複数のマスクゾーンの横方向の配置によって横方向の寸法で規定される一方で、高さ方向の寸法において高さレベルは積層体、すなわち、選択的なエッチ層の厚さ特性によって決定される。
また、本発明は、回折構造を製造するためのマスタープレートを提供する。このプレートは基板と前記基板上に製造されるマスター回折格子とを含む。基板は選択的なエッチング可能な層の積層体を含み、高さ特性がエッチング可能な層ペアの厚さによって決定される表面プロファイルを備えている。さらに、マスター回折格子の高さ特性は少なくとも部分的に基板の表面プロファイルによって規定される。
より具体的には、本発明は独立請求項に記載の内容によって特徴付けられる。
本発明はいくつかの重要な利益を提供する。
まず、高さはナノメートルスケールの正確度で製造できる多層基板によって決定されるため、本発明を用いた調整高さ制御は極めて正確度が高い。市販されている、又は堆積によってプロセスの一部として製造されるエッチング可能な積層体を用いて、広い表面領域にわたって10nm以下の精度が達成可能である。これは、例えば、回折効率を制御する上で重要な側面である。
また、本発明は、極めてロバストである。基板上にマスク層を製造する処理又は基板のマスク層のマスクゾーンを除去することで基板を段階的に露出させる処理は例外的に高い高さ正確度を要するものではない。他方、マスク層のマスクゾーン及び結果として得られるインプリントマスターは、調整高さの範囲と比べて横方向に通常少なくとも二桁大きい寸法を有し、それによって横方向の高い正確度は必要とされない。
本発明はフィルファクタ調整と完全に両立する。結果として得られるマスター回折格子のフィルファクタは表面プロファイルを形成した基板上にマスター回折格子が製造されるまさに最後の工程で決定される。この目的のために、例えば、高精度基板と相まって極めて高品質の被調整プレートを提供するリソグラフィ製造方法が利用可能である。
要約すると、本発明は、回折効率制御のために回折格子のフィルファクタと構造高さとを同時に組み合わせることができ、インプリントマスター製造、したがって、スタンピング又は成型技法による回折格子の大量生産に適している。特に、本発明は、高さ調整を充分に確立した後に初めて回折格子構造が製造されるので、横方向の配置正確度の極めて高い要件を必要とすることなく垂直方向の回折格子調整を可能にするのに適している。
従属請求項は、本発明の選択された実施形態を対象とする。
いくつかの実施形態では、エッチマスク層は基板表面から測定された異なる厚さを有する複数のマスクゾーンを含む。この場合、マスク層は基板の各ゾーンがエッチングのために露出される順序を決定するだけである。最も低い高さが最初に消耗し、最も高い高さが最後に露出される。
いくつかの実施形態では、多工程エッチングプロセスは、基板の連続するエッチ層ペアごとに、選択的エッチングによって基板を露出させるマスク層の各領域での選択的エッチングによって上側エッチ層を除去することと、その後、上側エッチ層が除去された各領域で選択的エッチングによって下側エッチ層を除去することとを含む。マスク層は、マスク層の別の領域で基板が露出されるまで、均一に、又は局所的な処理によって薄くされる。マスク層の薄化は、下側エッチ層の除去と同時のエッチングによって実行できる。あるいは、これらの工程は、マスク層と積層体の下側エッチ層との間のエッチングの選択性が有利になる連続的な工程として実行できる。リソグラフィ薄化方法も可能であり、とりわけ、基板を局所的に露出させるためのマスク層の各セグメントに対するリソグラフィ工程を繰り返すリソグラフィ薄化方法が可能である。
いくつかの実施形態では、基板は、異なる選択性を備えた複数の層が積層体内で交互に入れ替わるように構成された複数の選択的なエッチ層ペアを含む。各対は、第一の厚さを有する下側調整層と、調整層上に配置され、第一の厚さより小さい第二の厚さを有する上側エッチストップ層とを含み、層の第一及び第二の厚さは、共に表面プロファイルの高さ調整を規定する。異なる対は、所望の調整に応じて、同じ又は異なる層の厚さを有していてもよい。
いくつかの実施形態では、積層体は、少なくとも三つのエッチ層ペアを含み、エッチマスク層は、異なる高さを有する少なくともそれに対応する数のマスクゾーンを含む。したがって、三工程の調整を生成できる。いくつかの実施形態では、少なくとも五つのエッチ層ペアがある。
いくつかの実施形態では、高さ調整されたマスター回折格子は、基板の表面プロファイルを平坦な被覆層で被覆することと、基板上に高さ調整されたマスター回折格子を製造するために周期的なパターンに従って被覆層のゾーンを除去することと、によって提供される。除去は、例えば、異方性エッチング、とりわけドライエッチングを含んでいてもよく、又はレジストへの直接リソグラフィ工程として実行される。
いくつかの実施形態では、基板の表面プロファイル作成によって高さ調整を提供することに加えて、この方法は、マスター回折格子をフィルファクタ調整することを含む。
いくつかの実施形態では、エッチマスク層は、基板をエッチング可能な均一のマスク層で被覆し、その上にマスクゾーンを微細加工法、例えば、エンボス加工又はグレースケールエッチングなどのエッチングによってパターン形成することによって提供される。あるいは、エッチマスク層は、エッチング可能な材料を例えば印刷により付与することによって、高さプロファイルを用いて直接製造することができる。
通常の光学用途、とりわけウェアラブルディスプレイの用途では、マスタープレートの所要面積は少なくとも1cm、例えば2〜500cmであり、本発明のプロセスで容易に達成可能である。マスター回折格子の周期は、通常、10μm以下、とりわけ1μm以下、例えば200〜800nmである。
次に、本発明の実施形態及びその利点を、添付図面を参照しながら説明する。
図1Aは本発明の一実施形態による例示的な製造工程の断面側面図である。 図1Bは本発明の一実施形態による例示的な製造工程の断面側面図である。 図1Cは本発明の一実施形態による例示的な製造工程の断面側面図である。 図1Dは本発明の一実施形態による例示的な製造工程の断面側面図である。 図1Eは本発明の一実施形態による例示的な製造工程の断面側面図である。 図1Fは本発明の一実施形態による例示的な製造工程の断面側面図である。 図1Gは本発明の一実施形態による例示的な製造工程の断面側面図である。 図2Aは、バイナリ1D回折格子の第一の透過次数の回折効率が回折格子高さの関数として変化する様子の例を示す図である。 図2Bは、1D回折格子の第一の透過次数の回折効率が回折格子フィルファクタの関数として変化する様子の例を示す図である。
本明細書で「横方向の」という用語は、基板表面の平面に平行な各寸法、すなわち基板表面に沿った各方向を指す。「高さ」及び「厚さ」は、横方向の各寸法を横断する寸法を指す。「表面プロファイル」は、一方又は両方の横方向の寸法における表面の高さの変化を意味する。一次元及び二次元の両方の表面プロファイル、したがって回折格子の一次又は二次回折効率調整は、本方法を用いて生成することができる。
「マスクゾーン」は、基板をマスクゾーン毎に露出させるために、本発明のプロセス中に処理されるマスク層の横方向領域である。マスクゾーンは、基板の異なる領域がエッチングされる次数、したがって、表面プロファイルを決定する。
図1Aは、ベース層11と、ベース層11上に重畳された積層体12とを含む基板10を示す図である。積層体12は、この例示的なケースでは、交互に配置されたエッチ層12A〜Cとエッチストップ層14A〜Cとの三つペアを含む。層ペアは、最終的な回折格子の所望の高さ調整特性に対応する厚さを有する。すなわち、以下に詳述するように、エッチ層及びエッチストップ層は、共に、可能な断面調整ステップ高さを規定する。当該対は等しいか又は異なる厚さを有していてもよい。
一般的に、積層体12は、層ごとに選択的にエッチングできる複数の異なる材料の層を含んでいてもよい。言い換えれば、積層体12は複数の異なる材料を含み、それらは後続のエッチプロセスで逆向きの選択性を有する。話を分かりやすくするために、本明細書では二層プロセスを図示して説明する。所望の数のそのような層ペアを積層体に組み込むことができる。
積層体12は、例えば、選択的エッチングに適した材料の組み合わせを用いて、化学気相成長法(CVD)、原子層堆積法(ALD)又は物理気相成長法(PVD)などの堆積技法によって製造できる。実際には、周知の層厚を備えた既製の積層体を使用することができる。あるいは、本発明のプロセスの準備部分として積層体を製造することができる。
積層体12の上には、複数の、この例では五つのマスクゾーンS1〜S5を有するエッチマスク層16がある。マスクゾーンS1〜S5の少なくとも一部は、互いに異なる高さhs2〜hs5を有する。以下に詳述するように、高さは多工程エッチングプロセスの要件に従って選択される。マスクゾーンS1〜S5の幅、又は高さ調整パターンで二次元セグメンテーションが望まれる場合、マスクゾーンS1〜S5の一般的な横方向形状が、最終製品の所望の横方向セグメンテーション特性に従って選択される。
マスク層16は、例えば、必要な高さ調整を提供することができるいずれかの被覆又は堆積方法を用いて提供されるグレースケールエッチマスクであってもよい。代替方法の例としては、光リソグラフィ、電子線リソグラフィ及びインプリンティングが挙げられる。マスクは、垂直、すなわち高さ分解能の比較的低いものであってもよい。
なお、実際には、マスクゾーンの横方向の寸法は垂直調整の寸法よりもはるかに大きいが、図面では見やすくするためにこれとは異なる寸法で示している。
図1Bに示すように、最上部のエッチストップ層14Cは、マスク層16によって露出される領域(本明細書ではマスクゾーンS4)が露出している。マスク層16が最初に積層体(12)のいずれの領域も露出させない場合、積層体12の表面が露出するまで、初めにマスク層16を均一にエッチングできる。
次に、図1Cに示すように、下層である調整層12Cは、マスク層16を同時にエッチングしながら次のエッチストップ層14Bのレベルまでエッチングされる。ここで注意すべきことは、エッチストップ層14A〜Cが存在するために、マスク層16の垂直解像度を非常に高い正確度で規定する必要はないという点である。これによって、各高さ面を確実に定着させるためのプロセス内の大きい安全マージンが確保される。1つのエッチ周期後の終了状態を図1Dに示す。
好ましい一実施形態では、マスク層16の次の1又は複数のマスクゾーン(本明細書ではゾーンS3)は、調整層12Cの底部に達する前に完全にエッチングされる。これで、プロセスの次工程が成功するようにそれぞれのマスクゾーンのエッチストップ層が正確に露出されることが確実になる。
所望のように全ての層がエッチングされるまで、二工程エッチサイクルが繰り返される。図1Eは、エッチマスク層16が「消費」され、その高さ調整が、その層構造によって規定される積層体12の表面プロファイルに転写された場合を示す図である。
次いで、図1Fに示すように、平坦化層18がプロファイルを充填するようにプロファイルを作成した基板上に追加される。平坦化層18は、例えばレジスト層、スピンオングラス層、又はスピンオンカーボン層であってもよい
最後に、平坦化層18は、光学回折スケールのフィーチャの横方向寸法を備えた周期的構造を生成できる適当なリソグラフィ法及び/又はエッチングによって、高さ調整された回折格子18’に変換される。これを図1Gに示す。この場合の例では、回折格子のフィルファクタは一定である。
いくつかの実施形態では、回折格子のフィルファクタもまたこの段階で調整される。したがって、溝及びリッジは、回折格子全体で同じ幅でなくてもよく、回折効率をさらに変化させるように異なっていてもよい。
いくつかの実施形態では、高さ調整、また所望によりフィルファクタ調整に加えて、回折格子の周期が調整される。
いくつかの可能性を挙げるならば、横方向調整の生成に好適なリソグラフィ方法は、光リソグラフィ、電子線リソグラフィ及びエッチングを含む。インプリントを使用することも可能で、それによって図1Fの被覆工程を省略できる。
上記の方法は、垂直な側壁を製造することが困難な直接グレースケールリソグラフィと比べて、高解像度垂直フィーチャ及び側壁プロファイルの制御を改善することができる。
本発明の方法はバイナリプロファイルに限定されないことに注意すべきである。したがって、プロファイルは、傾斜/バイナリ混合などであってもよい。そのようなプロファイルは、例えば、プロセスの適当な工程において適当な傾斜グレースケールエッチプロファイルを使用することによって達成できる。
また、最初の高さ調整は正であってもよく負であってもよい。
マスター回折格子の周期は、通常、マスクゾーンの最小の横方向の寸法の何分の一かである。例えば、最終製品中の回折効率セグメントを決定するマスクゾーンは0.5mm以上の寸法を有していてもよいが、回折格子周期は、通常、10μm以下、とりわけ1μm以下、例えば200〜800nmである。
本発明の構造の好適な材料の組み合わせの例を一つ挙げると、マスク層はフォトレジストからなっていてもよく、エッチストップ層はSiO(例えば、PVD又はCVDを用いて適用できる)からなり、調整層はアルミニウム(例えば、PVDを用いて適用できる)からなっていてもよく、平坦化層及び回折格子層は電子線リソグラフィレジストからなっていてもよく、基板はシリコン基板であってもよい。
本発明のマスタープレートは、様々なニーズに合わせて横方向に一定でない回折効率を有する回折光学素子を製造するために使用できる。特に、このプレートは、例えばNED又はHUD用の通常1cm以上の面積を有する大型素子を製造するために使用できる。可変回折効率は、スマートグラス、仮想現実及び拡張現実ディスプレイなどの回折光導波路ディスプレイの入力結合回折格子、射出瞳エクスパンダ及び/又は出力結合回折格子における利点を提供する。
本発明の方法を用いて製造されたマスタープレートは、回折格子の製造技術分野で本質的に周知のスタンピングプロセスに使用できる。
図2A及び図2Bは、高さ及びフィルファクタ調整を使用して、誘電体バイナリ回折格子の第一の透過次数の回折効率を調整する方法を示す図である。フーリエモード法(厳密結合波分析としても知られる)を用いて数値的結果が得られた。バイナリ回折格子は、空気と2.0の屈折率を有するガラス基板との界面に存在し、回折格子周期は500nm、フィルファクタは0.5であり、回折格子は基板と同一の材料で製造されている。回折格子は、法線入射時に450nmの自由空間波長を備えた平面波で照明される。横電界(TE)及び横磁界(TM)偏波の両方について結果が示されている。図2Aで回折格子フィルファクタは0.5であり、図2Bで回折格子高さは250nmである。
C. David, “Fabrication of stair−case profiles with high aspect ratios for blazed diffractive optical elements”, Microelectronic Engineering, 53 (2000)

Claims (15)

  1. 回折構造を製造するためのマスタープレートの製造方法であって、
    選択的なエッチ層の積層体を含む基板を提供すること、
    前記基板上にエッチマスク層を提供すること、
    前記マスク層の異なるマスクゾーンで前記基板をマスクゾーン毎に露出させることで多工程エッチングプロセスにより前記基板をエッチングし、前記選択的なエッチ層を用いて、前記基板の横方向の寸法におけるマスクゾーン及び高さ方向の寸法における積層で規定された、高さ調整された表面プロファイルを前記基板に製造すること、及び
    高さ調整が前記基板の前記表面プロファイルによって少なくとも部分的に規定される高さ調整されたマスター回折格子を、前記表面プロファイル上に提供すること、を含む方法。
  2. 前記エッチマスク層が前記基板の表面から測定された厚さが異なる複数のマスクゾーンを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記基板の前記段階的な露出が、前記基板が少なくとも一つのマスクゾーンで露出するまで前記マスク層を均一に薄くすることを含む、請求項2に記載の方法。
  4. 前記基板の前記段階的な露出が、前記基板が少なくとも一つのマスクゾーンで露出するまで、1又は複数の工程により前記マスク層を局所的に薄くすることを含む、請求項1又は請求項2に記載の方法。
  5. 前記基板の前記段階的な露出が、前記基板が少なくとも一つのマスクゾーンで露出するまで、前記マスク層の各領域についてのリソグラフィ工程を繰り返すことを含む、請求項4に記載の方法。
  6. 前記多工程エッチングプロセスが、前記基板の連続するエッチ層ペアそれぞれについて、
    前記基板が露出している前記マスク層の領域において選択的エッチングによって上側エッチ層を除去すること、
    前記上側エッチ層が除去された複数の領域において選択的エッチングによって下側エッチ層を除去すること、及び
    所望により、前記基板を別のマスクゾーンの領域で露出させること、を含む、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記下側エッチ層を除去することと前記マスク層を均一に薄くすることとが、単一のエッチング段階で少なくとも部分的に同時に実行される、請求項3及び請求項6に記載の方法。
  8. 選択的なエッチ層の前記積層体が、第一の厚さを有する下側調整層と前記調整層の上に配置された上側エッチストップ層とを含む選択的なエッチ層ペアの積層体を含み、これらの層の前記第一及び第二の厚さが共に前記表面プロファイルの高さ調整を規定する、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記第二の厚さが前記第一の厚さより小さい、請求項8に記載の方法。
  10. 前記積層体が少なくとも三つのエッチ層ペア、例えば、少なくとも五つのエッチ層ペアを含み、前記エッチマスク層が異なる高さを有する少なくともそれに対応する数のマスクゾーンを含む、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 高さ調整されたマスター回折格子を提供することが、
    前記表面プロファイルが覆われるように前記基板を平坦な被覆層で被覆すること、
    前記基板上に前記高さ調整されたマスター回折格子を生成するために、周期的なパターンに従って前記被覆層のゾーンを除去すること、例えば異方性エッチングによって除去すること、を含む、請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記マスター回折格子がさらにフィルファクタ(fill factor)調整される、請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記エッチマスク層が、
    前記基板をエッチング可能な均一のマスク層で被覆し、その上にマスクゾーンを微細加工法、例えば、エンボス加工又はグレースケールエッチングなどのエッチングによってパターン形成することによって、又は、
    エッチング可能な材料を例えば印刷により付与することで、前記基板上に前記マスクゾーンを設けることによって、設けられる、請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 1cm以上、例えば、2〜500cmの横方向面積を有するマスタープレートが製造され、前記マスター回折格子の周期が10μm以下、とりわけ1μm以下、例えば、200〜800nmである、請求項1から請求項13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 回折構造を製造するためのマスタープレートであって、
    基板と、
    前記基板上に製造されたマスター回折格子とを含み、
    前記基板が選択的にエッチング可能な層の積層体を含み、高さ特性が前記エッチング可能な層の厚さによって決定される表面プロファイルを備え、
    前記マスター回折格子の前記高さ特性が少なくとも部分的には前記基板の前記表面プロファイルによって規定される、マスタープレート。
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