JP2020522027A - 可変効率回折格子を製造する方法及び回折格子 - Google Patents
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Abstract
Description
基板を提供すること、
複数の一時的要素を前記基板上に製造すること、ここで前記一時的要素は異なる要素特性を有する2つ以上の周期を含む周期的パターンで配置される、
第1の堆積層で一時的要素を少なくとも部分的に覆うように、前記基板上に第1の堆積層を堆積すること、
前記第1の堆積層で作られる第1の格子要素からなる調整された回折格子を基板上に形成するために、前記基板から前記一時的要素を除去すること、ここで前記パターンは複数の第1の格子要素及び前記第1の格子要素間の1つ以上のギャップを各周期内に含む、及び
所望により、各周期内の前記ギャップを少なくとも部分的に埋めるため、また前記第1の堆積層及び第2の堆積層で作られる第2の格子要素からなる調整された回折格子を形成するために、基板上に第2の堆積層を堆積させること、
によって、調整された光回折格子を製造することを含む。
本明細書において用語「要素」は、基板表面上に隆起しており、周期構造に配置される場合に回折パターン又はその中間生成物の基本ブロックとして役立つことができる、固体のマイクロスケール又はナノスケールのフィーチャ(feature)を意味する。「一時的要素」又は「犠牲要素」は、プロセス中に、少なくとも部分的に、除去される要素である。「要素特性(element characteristics)」は、各周期内の要素の幾何学的形状、特に各周期内の要素寸法及びサブ要素の数を包含する。
以下の説明は、本発明の選択された実施形態によるセルフアセンブリパターニングによって回折格子の回折効率の調整を達成する方法の実施例を提供する。線要素を用いた1次元格子の製造が、例として使用される。しかしながら、本方法を用いれば、2次元の周期性を可能にする他の種類の要素を有する2次元格子を製造することもできる。
図1Aによって示される第1の工程においては、複数の一時的な線12が基板10上に製作される。一時的な線12は、プロセスの後段階でエッチングによって除去され得る犠牲材料で作られる。本明細書においては、4つの一時的な線又は線対であるL1〜L4が示され、ここで各格子周期dには1つの線又は線対がある。線又は線対は、高さh及び幅wを有し、これらは、本明細書においては、異なる状況での線形成を例示するために、異なる周期の間ですべて異なっている。すなわち、たとえば、線L1の高さhL1は、線L4の高さhL4とは異なり、線L2の幅wL2は、線L3の幅wL3とは異なる。概して言えば、要素形状(線の断面、幅及び/又は高さ)及び/又は周期内の要素の数に関して、非類似の要素構成を有する2つ以上の周期がある。
図1Bによって示される次の工程においては、厚さがt1であり所望の材料からなる、最終格子の一部となるコンフォーマル層14Aが、一時的な線12上に堆積される。コンフォーマルコーティングの利益は、2t1以下の幅gを有する一時的な線の間のギャップ(「第1のギャップ」)が、ギャップ高さに関係なく常に埋められることである。いくつかの実施形態においては、異なる周期の要素同士の間のギャップを維持しながら、任意の単一周期内の線の間の任意のギャップが完全に埋められる。しかしながら、2t2以下の幅を有するギャップが任意の単一周期の線の間に残され、次いでそのギャップが第2堆積ラウンド中に埋められることもまた可能である。
図1Cによって示される次の工程においては、線の頂部(「ラインキャップ」)及び溝の底部が、犠牲層及び基板に達するまでエッチングされる。
図1Dによって示される次の工程においては、犠牲層、すなわち中間線14A’の間に残っている一時的な線12が除去され、幅がGである対応するギャップ15(「第2のギャップ」)が形成される。この時点で、中間格子構造のフィルファクタが、周期毎の線の数及び堆積された層厚さによって規定される。
図1Eによって示される次の工程においては、典型的には層14Aのコンフォーマル層と同じであるが、厚さt2であり所望の材料からなる、最終格子の一部となるコンフォーマル層14Bが、ギャップ15を埋めるために中間線14A’上に堆積される。コンフォーマル堆積により、2t2以下の幅Gを有する中間線14A’の間のすべてのギャップがギャップ高さに関係なく常に埋められることが確保される。この工程は、生成物のフィルファクタをさらに上昇させる。
図1Fによって示される次の任意選択の工程においては、線の間の溝の底部にある第2の層14Bの一部が、別個の格子線を生成するために除去される。これは、再び、好ましくはドライエッチングプロセスを用いて基板10に達するまで第2の層14Bまで異方性エッチングすることによって達成され得る。結果として、基板10上に別々に配置される最終格子線16が生成される。
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。
特許文献
米国特許公報第7972959B2号
非特許文献
K. Jefimovs, “A zone doubling technique to produce ultra-high resolution x-ray optics” Physical Review Letters, 99 (2007)
C. David, "Fabrication of stair-case profiles with high aspect ratios for blazed diffractive optical elements", Microelectronic Engineering, 53 (2000)
Claims (24)
- 基板を提供すること、
複数の一時的要素を前記基板上に製造すること、ここで前記一時的要素は異なる要素特性を有する2つ以上の周期を含む周期的パターンで配置される、
第1の堆積層で前記一時的要素を少なくとも部分的に覆うように、前記基板上に前記第1の堆積層を堆積すること、
前記第1の堆積層で作られる第1の格子要素からなる調整された回折格子を前記基板上に形成するために、前記基板から前記一時的要素を除去すること、ここで前記格子は複数の第1の格子要素と前記第1の格子要素間の1つ以上のギャップとを各周期内に含む、
を含む、調整された光回折格子を製造する方法。 - 各周期内の前記ギャップを少なくとも部分的に埋めるために、前記基板上に第2の堆積層を堆積することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の堆積層及び前記第2の堆積層が、同じ堆積材料を用いて堆積される、請求項2に記載の方法。
- 前記一時的要素が、前記回折格子としてライン格子を形成するための線要素である、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の方法。
- 異なる要素特性を有する前記2つ以上の周期が、異なる幅及び/又は数を有する要素を含み、それによって、フィルファクタが調整された回折格子が形成される、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の方法。
- 異なる要素特性を有する前記2つ以上の周期が、異なる高さを有する要素を含み、それによって、高さが調整された回折格子が形成される、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の堆積層、及び任意で前記第2の堆積層が、コンフォーマル層である、請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記一時的要素を露出させるために、前記第1の堆積層を堆積した後の前記基板から、前記第1の堆積層の均一な層を、ドライエッチングなどで、異方的に除去することを含む、請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2の堆積層を堆積するときに、前記第1の格子要素間の前記ギャップが完全に埋められる、請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第2の堆積層を堆積した後の前記基板から、前記第2の堆積層の均一な層を、ドライエッチングなどで、異方的に除去することを含む、請求項1〜請求項9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の堆積層、及び任意で前記第2の堆積層が、原子層堆積(ALD)、化学蒸着(CVD)、物理蒸着(PVD)、又はこれらの変形法によって堆積される、請求項1〜請求項10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記一時的要素は、エンボス加工、又は、光学リソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィなどのリソグラフィによって製造される、請求項1〜請求項11のいずれか一項に記載の方法。
- 一時的要素は、ウェットエッチングプロセス又はドライエッチングプロセスなど、選択的エッチングによって完全に除去される、請求項1〜請求項12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の堆積層、及び任意で前記第2の堆積層が、例えばTiO2、Si3N4、又はHfO2のような、金属酸化物又は金属窒化物などの無機透明材料で形成され、前記材料は好ましくは1.7以上、特に2.0以上、例えば2.2以上の屈折率を有する、請求項1〜請求項13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記基板がガラス基板又はポリマー基板など、光学的に透明な基板であり、特に導光体として働くことが可能な平坦基板である、請求項1〜請求項14のいずれか一項に記載の方法。
- 前記第1の堆積層、及び任意で前記第2の堆積層が、前記基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する、請求項1〜請求項15のいずれか一項に記載の方法。
- 製造された前記回折格子の面積が1cm2以上であり、2cm2〜500cm2などであり、前記パターンの前記周期が10μm以下であり、特に1μm以下であり、200nm〜800nmなどである、請求項1〜請求項16のいずれか一項に記載の方法。
- 製造された前記格子は、前記格子要素の平均フィルファクタが異なる複数のゾーンを含む、請求項1〜請求項17のいずれか一項に記載の方法。
- ニア・ツー・アイディスプレイ又はヘッドアップディスプレイのアウトカップリング格子(out-coupling grating)、インカップリング格子(in-coupling grating)又は射出瞳拡大素子(exit pupil expander)のための回折格子が製造される、請求項1〜請求項18のいずれか一項に記載の方法。
- 周期的なパターンで配置され、基板上に突出する、複数の格子要素を含み、
前記パターンの各周期が、互いに間隔を置いて配置され、実質的に同じ寸法特性を有する、2つ以上の第1の格子要素を含み、
異なる寸法特性を有する2つ以上の第1の格子要素を含む2つ以上の隣接する周期を含む、調整された光回折格子。 - 前記異なる寸法特性が、異なる格子要素の幅及び/又は高さを含む、請求項20に記載の格子。
- 少なくとも3つの第2の格子要素を各周期内にさらに含み、前記少なくとも3つの第2の格子要素のうち少なくとも1つは前記第1の格子要素同士の間に配置され、前記少なくとも3つの第2の格子要素のうち少なくとも2つは前記第1の格子要素の互いに反対の側面上(on opposite lateral sides of the first two elements)に配置され、
前記第1の格子要素及び前記第2の格子要素は、同じ材料又は異なる材料で作られ、かつ各周期内で単一の一体化格子要素を形成し、
前記格子は、異なる寸法特性を有する一体化格子要素をそれぞれ含む2つ以上の隣接する周期を含む、請求項20又は請求項21に記載の格子。 - 請求項1〜請求項19のいずれか一項に記載の方法で製造された格子である、請求項20〜請求項22のいずれか一項に記載の格子。
- 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(exit pupil expander)格子、又はアウトカップリング格子である、請求項20〜請求項23のいずれか一項に記載の格子。
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