JP2021500746A - インプリントリソグラフィプロセスにおける光学層の構成 - Google Patents

インプリントリソグラフィプロセスにおける光学層の構成 Download PDF

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Abstract

光学層を構成するインプリントリソグラフィ方法は、基板の有効屈折率を変化させるために基板に適用されるべきナノ層の1つ以上のパラメータを選択することと、基板を透過可能な相対的な光の量が選択された量だけ変化させられるように基板の有効屈折率を変化させるために、基板上にナノ層をインプリントすることとを含む。一実施形態において、インプリントリソグラフィ方法は、ナノ層の形状、寸法、および材料調合のうちの1つ以上のものを選択することをさらに含む。

Description

(関連出願の相互参照)
本願は、2017年10月20日に出願された米国仮出願第62/574,826号の出願日の利益を主張する。米国出願第62/574,826号の内容は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。
(技術分野)
本発明は、インプリントリソグラフィプロセスにおいて光学層を構成することに関し、より具体的には、基板を通した光透過を調整するために基板上に反射防止特徴を形成することに関する。
ナノ製作(例えば、ナノインプリントリソグラフィ)は、約100ナノメートル以下の特徴を有する非常に小さい構造の製作である。ナノ製作が有意な影響を及ぼしている1つの用途は、集積回路の処理にある。半導体処理産業は、基板の単位面積あたりの基板上に形成される回路の数を増加させながら、より大きい生産収率を得ようと努力し続けている。このために、ナノ製作は、半導体処理産業において所望の結果を達成することに対してますます重要になっている。ナノ製作は、基板上に形成される構造の最小特徴寸法の継続的な縮小を可能にしながら、さらなるプロセス制御を提供する。ナノ製作が採用されている他の開発分野は、バイオテクノロジ、光学技術、機械システム等を含む。いくつかの例では、ナノ製作は、光学デバイスを形成するために組み立てられる基板上に構造を製作することを含む。
本発明は、基板上にあるタイプのナノスケールの特徴をインプリントすることが、基板を通した光(例えば、光源光および世界側の光)の透過を大きく改良し得るという認識を伴う。例えば、反射防止(AR)パターンが、基板における光反射損失を低下させ、それによって、基板を通した光透過を増加させるナノスケールの柱、ナノスケールの孔、およびナノスケールの格子から形成されることができる。ナノスケールの特徴のサイズ、形状、縦横比、およびピッチに応じて、基板を通した光透過は、1.49から1.74まで変動する屈折率のパターン化ポリマーフィルムを使用して所望のレベルに調整されることができる。この点で、基板上に形成されるARパターンは、基板に新しい有効屈折率を提供することもできる。そのような特徴は、150nm厚さ未満の超薄フィルム内にインプリントされ、それによって、材料使用を節約し、さらに、ガラス基板の上に薄いインプリント層を使用してスタック導波管の使用を可能にすることができる。インプリントされているナノスケールの特徴は、ナノスケールの特徴が、光が多色導波管スタック内の各層を通して伝搬するときに不要な回折または光散乱を引き起こさないように、300nm未満の全体的ピッチおよび寸法を有する。そのようなインプリントされるナノスケールの特徴は、各層を通した世界側の光のより高い透過率も可能にし、それによって、ユーザの眼(例えば、瞳孔)を通して視認されるような世界側の物体を強調する。そのようなナノスケールの特徴は、導波管パターン幾何学形状の縁の周囲のダミーフィル領域としての機能も果たし、パターン化された領域からブランク非パターン化領域と対比して、パターン化された領域から別のパターン化された領域を通したレジスト流体の硬化に先立つ平滑な移動を可能にすることができる。これらのナノスケールの特徴は、100nm未満の非常に薄い残留層厚さを伴ってインプリントされ、それは、任意の下にある材料層の中への、または基板の中への直接のパターン転写を可能にし、その層またはベア基板自体のみの反射防止特性を強化する。
本発明の一側面は、光学層を構成するインプリントリソグラフィ方法を特徴とする。インプリントリソグラフィ方法は、基板の有効屈折率を変化させるために基板に適用されるべきナノ層の1つ以上のパラメータを選択することと、基板を透過可能な相対的な光の量が選択された量だけ変化させられるように基板の有効屈折率を変化させるために、基板上にナノ層をインプリントすることとを含む。
いくつかの実施形態では、相対的な光の量は、第1の相対的な光の量であり、基板の有効屈折率を変化させるために基板上にナノ層をインプリントすることは、基板の表面から反射される第2の相対的な光の量を変化させることを含む。
ある実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、ナノ層の形状、寸法、および材料調合のうちの1つ以上のものを選択することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、基板上に平坦なナノインプリントをインプリントすることをさらに含む。
ある実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、基板上に特徴付けられたナノインプリントをインプリントすることをさらに含む。
いくつかの実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、基板上に1つ以上の反射防止(AR)特徴をインプリントすることをさらに含む。
ある実施形態では、1つ以上のAR特徴は、約10nm〜約300nmの範囲内の高さを有する。
いくつかの実施形態では、1つ以上のAR特徴は、約10nm〜約150nmの範囲内の幅を有する。
ある実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、約20nm〜約200nmの範囲内のピッチで1つ以上のAR特徴を分配することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、基板上に柱を形成することをさらに含む。
ある実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、基板上に孔を形成することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、基板上に連続格子および不連続格子のうちの一方または両方を形成することをさらに含む。
ある実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、基板の第1の側に機能的パターンを形成することと、基板の第1の側および基板の第1の側と反対側の基板の第2の側のうちの一方または両方に沿ってナノ層をインプリントすることとをさらに含む。
いくつかの実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、機能的パターンに対する特定の方向に沿ってナノ層のAR特徴のアレイを形成することをさらに含む。
ある実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、基板を透過させられる光が選択された量だけ変化させられるように、光伝搬の方向に基づいて基板の有効屈折率を変化させるために、基板上にナノ層のAR特徴を形成することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、フィルムコーティングを基板に適用することと、フィルムコーティング上にナノ層をインプリントすることとをさらに含む。
ある実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、基板を透過可能な相対的な光の量を約0.5%〜約15%だけ変化させることをさらに含む。
いくつかの実施形態では、ナノ層は、第1のナノ層であり、インプリントリソグラフィ方法は、第1のナノ層上に第2のナノ層をインプリントすることをさらに含む。
ある実施形態では、インプリントリソグラフィ方法は、第1のナノ層に基づいて、有効屈折率を第1の値に変化させ、第2のナノ層に基づいて、有効屈折率を第2の値に変化させることをさらに含む。
本発明の別の側面は、基板と、基板上にインプリントされるナノ層であって、ナノ層は、ナノ層が基板を透過可能な相対的な光の量をもたらすように、基板の有効屈折率を決定する、ナノ層とを含む光学層を特徴とする。
本発明の別の側面は、第1の光学層と、第2の光学層とを含む光学デバイスを特徴とする。第1の光学層は、第1の基板と、第1の基板上にインプリントされたナノ層とを含む。第2の光学層は、第2の基板と、第2の基板に沿って配置された機能的パターンとを含む。第1の基板上にインプリントされるナノ層は、ナノ層が第1の基板を通して第2の光学層に透過可能な相対的な光の量を増加させるように、第1の基板の有効屈折率を決定する。
いくつかの実施形態では、第2の基板に沿って配置された機能的パターンは、第1の機能的パターンであり、光学デバイスは、第3の基板と、第3の基板に沿って配置された第2の機能的パターンとを含む第3の光学層をさらに含む。
ある実施形態では、第1の基板上にインプリントされるナノ層は、第1のナノ層であり、第1の基板の有効屈折率は、第1の屈折率であり、相対的な光の量は、第1の相対的な光の量であり、第2の光学層は、第2の基板上にインプリントされる第2のナノ層を含み、第2のナノ層は、第2のナノ層が第2の基板を通して第3の光学層に透過可能な第2の相対的な光の量を増加させるように、第2の基板の第2の有効屈折率を決定する。
いくつかの実施形態では、第1および第2のナノ層は、第1および第2の基板を通して第3の光学層に透過させられる最終の光の量が、源から第1のナノ層に向けられた光の量から、第1の基板から反射された第1の光の量を差し引き、第2の基板から反射された第2の光の量を差し引いたものにほぼ等しいように構成される。
本発明の1つ以上の実施形態の詳細が、付随の図面および下記の説明に記載される。本発明の他の特徴、側面、および利点が、説明、図面、ならびに請求項から明白となるであろう。
図1は、インプリントリソグラフィシステムの略図である。
図2は、図1のインプリントリソグラフィシステムによって形成されるパターン化された層の略図である。
図3は、光学層の上面図である。
図4は、図3の光学層の側面図である。
図5は、光学層の上面図である。
図6は、光学層の上面図である。
図7は、光学層の側面図である。
図8は、光学層の側面図である。
図9は、光学層の側面図である。
図10は、種々の反射防止(AR)特徴の側面図を図示するSEM画像(a)−(d)を提供する。
図11は、基板上に直接適用されるナノパターンの効果を図示する略図である。
図12は、基板上に特徴付けられたナノパターンをスタックする効果を図示する略図である。
図13は、種々の処理が基板に適用される基板を通した光透過のグラフである。
図14は、基板上の機能的パターンの回折格子の方向と比較して、同一の方向(a)および垂直方向(b)に適用されるナノインプリント格子を伴う基板を図示する略図である。
図15は、種々の処理が基板に適用される基板を透過させられる光のグラフである。
図16は、種々の処理がWGP基板に適用されるWGP基板を透過させられる光のグラフである。
図17は、種々の基板処理に関する屈折率のグラフである。
図18は、多層光学デバイスを通した光透過を図示する略図である。
図19は、インプリントされていないARフィルムを含む導波管接眼レンズの複数の層に向けられる光源を図示する略図である。
図20は、インプリントされたARナノ層を含む導波管接眼レンズの複数の層に向けられる光源を図示する略図である。
図21は、インプリントリソグラフィプロセスにおいて光学層を構成するための例示的プロセスのフローチャートである。
種々の図内の同様の参照記号は、同様の要素を示す。
いくつかの例では、図面に示される図示は、縮尺通りに描かれないこともある。
光学層を構成するためのインプリントリソグラフィプロセスが、下で説明される。インプリントリソグラフィプロセスは、基板上にナノスケールの表面起伏パターン反射防止(AR)インプリントを形成することを伴う。そのようなARインプリントは、ARインプリントの種々の幾何学特性に応じて、基板を通した光透過を様々な程度に増加させる役割を果たす。
図1は、基板101(例えば、ウエハ)の上面103上に起伏パターンを形成するために動作可能であるインプリントリソグラフィシステム100を図示する。インプリントリソグラフィシステム100は、基板101を支持および輸送する支持アセンブリ102と、基板101の上面103上に起伏パターンを形成するインプリントアセンブリ104と、基板101の上面103上に重合性物質を堆積させる流体分注器106と、支持アセンブリ102上に基板101を設置するロボット108とを含む。インプリントリソグラフィシステム100は、1つ以上のプロセッサ128も含み、プロセッサ128は、メモリ内に記憶されたコンピュータ読み取り可能なプログラムに基づいて動作可能であり、支持アセンブリ102、インプリントアセンブリ104、流体分注器106、およびロボット108と通信し、それらを制御するようにプログラムされている。
基板101は、実質的に平面状の薄いスライスであり、典型的に、シリコン、二酸化シリコン、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、サファイア、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム(GaAs)、シリコンおよびゲルマニウムの合金、リン化インジウム(InP)、または他の例示的材料を含む1つ以上の材料から作製される。基板101は、典型的に、実質的に円形または長方形の形状を有する。基板101は、典型的に、約50mm〜約200mm(例えば、約65mm、約150mm、または約200mm)の範囲内の直径、または、約50mm〜約200mm(例えば、約65mm、約150mm、または約200mm)の範囲内の長さおよび幅を有する。基板101は、典型的に、約0.2mm〜約1.0mmの範囲内の厚さを有する。基板101の厚さは、基板101にわたって実質的に均一(例えば、一定)である。起伏パターンは、下でより詳細に議論されるであろうように、基板101の上面103上に重合性物質における構造的特徴(例えば、突出部および陥凹)の組として形成される。
支持アセンブリ102は、基板101を支持し、固定するチャック110と、チャック110を支持する空気軸受112と、空気軸受112を支持する基部114とを含む。基部114は、固定位置に位置するが、空気軸受112は、最大3つの方向(例えば、x、y、およびz方向)において移動し、ロボット108、流体分注器106、およびインプリントアセンブリ104に、および、それらからチャック110を輸送する(例えば、いくつかの事例では、基板101を搬送する)ことができる。いくつかの実施形態では、チャック110は、真空チャック、ピンタイプチャック、溝タイプチャック、電磁チャック、または別のタイプのチャックである。
依然として図1を参照すると、インプリントアセンブリ104は、原パターンを画定するパターン化する面を伴う可撓性テンプレート116を含み、起伏パターンが、原パターンから、基板101の上面103上に相補的に形成される。故に、可撓性テンプレート116のパターン化する面は、突出部および陥凹等の構造的特徴を含む。インプリントアセンブリ104は、種々の直径の複数のローラ118、120、122を含み、それらは、可撓性テンプレート116の1つ以上の部分がインプリントリソグラフィシステム100の処理領域130内でx方向に移動させられることを可能にし、可撓性テンプレート116の選択された部分を処理領域130に沿って基板101と整列させられる(例えば、重ねられる)ように回転する。ローラ118、120、122のうちの1つ以上のものは、垂直方向(例えば、z方向)に、個々にまたは一緒に移動可能であり、インプリントアセンブリ104の処理領域130内の可撓性テンプレート116の垂直位置を変動させる。故に、可撓性テンプレート116は、処理領域130内で基板101上に押し下げられ、基板101上にインプリントを形成することができる。ローラ118、120、122の配列および数は、インプリントリソグラフィシステム100の種々の設計パラメータに応じて変動し得る。いくつかの実施形態では、可撓性テンプレート116は、真空チャック、ピンタイプチャック、溝タイプチャック、電磁チャック、または別のタイプのチャックに結合される(例えば、それによって支持または固定される)。
インプリントリソグラフィシステム100の動作時、可撓性テンプレート116および基板101の各々は、ローラ118、120、122および空気軸受112によって所望の垂直および側方位置において整列させられる。そのような位置付けは、可撓性テンプレート116と基板101との間の処理領域130内に容積124を画定する。容積124は、重合性物質が流体分注器106によって基板101の上面103上に堆積させられると、重合性物質によって充填されることができ、チャック110(例えば、基板101を搬送する)が、空気軸受112によって処理領域130にその後移動させられる。故に、可撓性テンプレート116および基板101の上面103の両方は、インプリントリソグラフィシステム100の処理領域130内の重合性物質と接触することができる。例示的重合性物質は、イソボルニルアクリレート、n−ヘキシルアクリレート、エチレングリコールジアクリレート、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−プロパン−1−オン、(2−メチル−2−エチル−1,3−ジオキソラン−4−イル)メチルアクリレート、ヘキサンジオールジアクリレート、2−メチル−1−[4−(メチルチオ)フェニル]−2−(4−モルホリニル)−1−プロパノン、ジフェニル(2,4,6−トリメチルベンゾイル)−ホスフィンオキシド、2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−1−プロパノン、および種々の界面活性剤等の1つ以上の物質から調合され得る。それによって重合性物質が流体分注器106によって基板101上に堆積させられ得る例示的技法は、滴下分注、スピンコーティング、浸漬コーティング、スロットダイ、ナイフエッジコーティング、マイクログラビア、スクリーン印刷、化学蒸着(CVD)、物理蒸着(PVD)、薄膜堆積、厚膜堆積、および他の技法を含む。いくつかの例では、重合性物質は、複数の液滴において基板101上に堆積させられる。
印刷システム104は、エネルギー(例えば、広帯域紫外線照射)を処理領域130内の基板101上の重合性物質に向けるエネルギー源126を含む。エネルギー源126から放出されるエネルギーは、重合性物質を固化および/または架橋結合させ、それによって、処理領域130内の重合性物質と接触する可撓性テンプレート116の部分の形状に一致したパターン化された層をもたらす。
図2は、インプリントリソグラフィシステム100によって基板101上に形成される例示的パターン化された層105を図示する。パターン化された層105は、残留層107と複数の特徴とを含み、複数の特徴は、残留層107から延びている突出部109と、隣接する突出部109および残留層107によって形成された陥凹111と複数の特徴を含む。
インプリントリソグラフィシステム100は、ロールツープレートまたはプレートツーロールシステムとして説明および例証されるが、異なる構成のインプリントリソグラフィシステムも、例示的パターン化された層105および下で議論される例示的パターンを生産するために使用されることができる。そのようなインプリントリソグラフィシステムは、ロールツーロールまたはプレートツープレート構成を有し得る。
いくつかの実施形態では、基板(例えば、インプリントリソグラフィシステム100の基板101)は、光学デバイスの光学層を形成するために処理される(例えば、一方または両方の側にインプリントされる追加の特徴を供給される、および/または、ある形状に切り抜かれる)。例えば、ナノ層が、ある波長の光に対する基板の透過率を増加または低減させるため等、基板の光学性能を強化するために、および/または、基板の複屈折を強化するために、基板上にインプリントされることができる。例示的光学デバイスは、高透過率(例えば、42%を上回る)および高消光比(ER)(例えば、1,000を上回る)の光学フィルム(例えば、ワイヤグリッド偏光子(WGP)フィルム)を含み、それは、ディスプレイ用途(例えば、液晶ディスプレイ(LCD)用途)、タッチスクリーンディスプレイ用途(例えば、タッチセンサ)において使用され、ウェアラブル接眼レンズ、光学センサ、または光学フィルム等において光学フィルムの両側から透過させられる光の強度を改良するために使用される。
図3および4の各々は、上側204および下側206を伴う基板202を含む光学層200の上面図および側面図を図示する。光学層200は、基板202の上側204にインプリントされる機能的パターン208と、基板202の上側204にインプリントされるARパターン210と、基板202の下側206に配置されるフィルムコーティング212と、フィルムコーティング212上にインプリントされるARパターン214とも含む。基板202は、より大きい基板(例えば、基板101)からレーザ切断され得、基板101に関して上で説明される種々の材料調合に従って、1つ以上の有機または無機材料から作製される透明または半透明プラスチック(例えば、可撓性材料)もしくはガラス(例えば、剛性材料)の層として提供される。基板202は、約10mm〜約150mm(例えば、約50mm)の長さ、約10mm〜約150mm(例えば、約50mm)の幅、および約0.1mm〜約10.0mm(例えば、約0.3mm)の厚さを有し得る。基板202は、約1.6〜約1.9(例えば、約1.8)の範囲内の比較的に高い屈折率を有する。基板202が空気(すなわち、n=1)によって包囲されていると仮定すると、基板202は、約80.00%〜約95.00%(例えば、約91.84%)の範囲内の透過率(例えば、基板202に衝突する光の基板202を通過する部分)を有し、故に、約5.00%〜約20.00%(例えば、約8.16%)の反射率(例えば、基板202に衝突する光の基板202から後方に反射される部分)を有する。
機能的パターン208は、基板202の内部領域216に沿って(例えば、インプリントリソグラフィシステム100を介して)インプリントされる。機能的パターン208は、光学層200の基本作用機能性を提供する複数の回折格子から形成される導波管パターンである。回折格子は、約10nm〜約600nmの範囲内の寸法を有する。回折格子は、特定の範囲内の波長の光を投影し、特定の深度面において仮想画像を集束させるように構成される。集束光は、近位光学層を通して投影された集束光と一緒に1つ以上の深度面にわたって多色仮想画像を形成する。透過光は、約560nm〜約640nm(例えば、約625nm)の範囲内の波長を伴う赤色光、約490nm〜約570nm(例えば、約530nm)の範囲内の波長を伴う緑色光、または約390nm〜約470nm(例えば、約455nm)の範囲内の波長を伴う青色光であり得る。回折格子は、所望の光学効果を一緒に提供する突出部および陥凹(例えば、突出部109および陥凹111等)の複数の組み合わせおよび配列を含むことができる。回折格子は、内部結合格子を含み、回折格子は、直交瞳エキスパンダ領域および射出瞳エキスパンダ領域を形成し得る。機能的パターン208は、約10mm〜約150mmの合計長さおよび約10mm〜約150mmの合計幅を有する。
フィルムコーティング212も、基板202の内部領域216に沿って配置される。フィルムコーティング212は、耐摩耗性、改良された表面疎水性、色濾過、および輝度強化等の種々の特性または能力を基板202に提供することができる。例示的フィルムコーティング212は、化学バリアコーティングおよび疎水性追加のための二酸化ジルコニウムベースのハードコード、および、耐摩耗性および無機ベースの反射防止フィルムとして使用するための二酸化チタンおよび二酸化ケイ素ハードコーティングを含む。フィルムコーティング212は、積層、スロットダイコーティング、物理蒸着、蒸発、スパッタリング、および化学蒸着等の技法を介して基板202に適用され得る。
ARパターン210は、基板202の内部領域212に沿って、機能的パターン208を包囲するように(例えば、インプリントリソグラフィシステム100を介して)インプリントされる。ARパターン210は、約0.5mm〜約150mmの長さおよび約0.5mm〜約150mmの幅を有する。ARパターン214は、フィルムコーティング212の上に(例えば、インプリントリソグラフィシステム100を介して)インプリントされる。ARパターン214は、約0.5mm〜約150mmの長さおよび約0.5mm〜約150mmの幅を有する。ARパターン210、214は、ARパターン210、214内の任意の場所で種々の量、配列、形状、サイズ、および向きにおいて分配され得るナノスケールのAR特徴を含む。ARパターン210内のAR特徴は、機能的パターン208の最も近い回折格子にシームレスに接触されるか、または機能的パターン208の最も近い回折格子から少なくとも約5μmに位置付けられるかのいずれかであり得る。AR特徴は、ARパターン210、214がインプリントされる基板202の側における光透過を増加させるように(例えば、表面反射を低減させるように)サイズ、配列、および形状を決定される。
図3および4は、光学層200のある実施形態を図示するが、光学層は、機能的パターン、ARパターン、およびフィルムコーティングの他の配列を含むことができる。例えば、図5は、光学層200の基板202および機能的パターン208およびARパターン510を含む光学層500の上面図を図示する。機能的パターン208は、光学層200におけるように、基板202の上側204にインプリントされる。ARパターン510も、基板202の上側204にインプリントされ、ARパターン510が内部領域216にわたって基板202の周辺縁218まで延びていることを除いて、ARパターン210と構造および機能において実質的に類似する。
別の例示的実施形態では、図6は、光学層200の基板202および機能的パターン208およびARパターン610を含む光学層600の上面図を図示する。機能的パターン208は、光学層200におけるように、基板202の上側204にインプリントされる。ARパターン610も、基板202の上側204にインプリントされ、ARパターン610が機能的パターン208の別個の部分を包囲する2つの別個の領域640、642として提供されることを除いて、ARパターン210と構造および機能において実質的に類似する。
別の例示的実施形態では、図7は、ARパターン210およびフィルムコーティング212を含むことなく、基板202と、光学層200の機能的パターン208と、光学層200のARパターン214とを含む光学層700の側面図を図示する。例示的光学層700では、ARパターン214は、基板202の下側206に直接インプリントされる。
別の例示的実施形態では、図8は、ARパターン214を含むことなく、基板202と、光学層200の機能的パターン208と、光学層200のARパターン210と、光学層200のフィルムコーティング212とを含む光学層800の側面図を図示する。
別の例示的実施形態では、図9は、フィルムコーティング212を含むことなく、基板202と、光学層200の機能的パターン208と、光学層200のARパターン210と、光学層200のARパターン214とを含む光学層900の側面図を図示する。例示的光学層900では、ARパターン214は、基板202の下側206に直接インプリントされる。他の実施形態では、光学層は、例示的光学層200、500、600、700、800、900に示されない異なる形状および/または配列を伴う機能的パターンおよびARパターンを含み得る。
図10は、ARパターン210、214を形成し得る例示的AR特徴の走査電子顕微鏡写真(SEM)画像(a)−(d)を提供する。例えば、SEM画像は、柱300等の自立式の分離された突出部として形成されるAR特徴を図示する。柱300は、形状において円筒形、多角柱、円錐形、四面体、または円錐台形であり得る。柱300は、約10nm〜約300nmの高さ、約10nm〜約150nmの幅、および約200nm未満のピッチ(例えば、隣接する同様の要素上の対応する点間の距離)を有する。SEM画像(b)は、孔302として形成されるAR特徴を図示する。孔302は、形状において円筒形、多角柱、円錐形、四面体、または円錐台形であり得る。孔302は、約10nm〜約300nmの深さ、約10nm〜約150nmの幅、および約200nm未満のピッチを有する。柱300および孔302は、六角形に閉じた充塞アレイまたは正方形充塞アレイにおいて分配され得る。SEM画像(c)は、格子304として形成されるAR特徴(例えば、最大幅および最大高さを上回る長さを有する細長い水平棒)を図示する。格子204は、格子304の方向に直交する平面における断面形状において長方形、円錐台形、楕円形、または三角形であり得る。格子304は、約10nm〜約300nmの高さ、約10nm〜約150nmの幅、および約200nm未満のピッチを有する。SEM画像(d)は、不連続または短い格子またはロッド306として形成されるAR特徴を図示する。これらの特徴は、より長い寸法軸の方向に直交する平面における断面形状において長方形、円錐台形、楕円形、または三角形であり得る。特徴306は、約10nm〜約300nmの高さ、約10nm〜約150nmの幅、約5μmを上回る長さ、および約200nm未満のピッチを有する。一般に、ARパターン210、214のAR特徴は、約30nm〜約300nmの範囲内の高さを有し得、約20nm〜約100nmの範囲内の幅を有し得、約50nm〜約200nmの範囲内のピッチで分配され得る。
図11は、ナノインプリントリソグラフィ、フォトリソグラフィ、乾式または湿式エッチング、コーティング、剥離、または積層等のプロセスに従って基板(例えば、基板202またはインプリントリソグラフィプロセスにおいて光学層を形成するために使用される別の基板)上に(例えば)直接適用されるARナノ層の効果を図示する。第1の屈折率nの第1の媒体から第2の屈折率nの第2の媒体に0度の入射において通過する光は、式1によって与えられる反射率Rに従って第1および第2の媒体の界面において反射され、式2によって与えられる透過率Tに従って第2の媒体を透過させられるであろう(吸収、散乱等に起因する損失は無視する)。第1および第2の媒体間の中間層の最適な屈折率nは、式3に従って第1および第2の媒体の屈折率から近似され、界面における低反射損失を生成することができる。例えば、式1は、所与の屈折率の単一の界面(例えば、平坦な界面)における反射損失に関する一般式である。そのような基板にエッチングされたナノ特徴は、表面の屈折率を変化させ、したがって、反射損失を変化させるであろう。したがって、一般的な推定では、反射損失を低減させるための平坦な表面の上の単一の層は、式3によって与えられる一般的屈折率を有する。
例えば、例証(a)に示されるように、空気(n=1.0)を通過し、基板(n=1.8)上に直接入射する光の約8.16%(Rs−0=0.0816)が、基板から反射される一方、入射光の約91.84%(T=0.9184)が、基板に透過させられる。空気を通過し、基板上に入射する光に関して、その界面における中間層に関する最適な屈折率nは、約1.34である。
例証(b)に示されるように、1.52(n=1.52)のバルク屈折率を伴う100nm未満の厚さを伴う平坦なナノインプリント316を基板に適用することは、入射光の第1の量(すなわち、4.26%)が空気と平坦なナノインプリント316との間の界面において反射され、入射光の第2の量(すなわち、0.71%)が平坦なナノインプリント316と基板との間の界面において反射されるようにする。反射された光の量は、合計され、4.97%の光反射損失の合計量を与えることができる。したがって、材料316を通過する光は、最初に、その空気−材料界面における屈折率が約1.23であることを要求し、平坦なナノインプリント316を基板に適用することは、反射率を低減させ、基板202の透過率を3.19%増加させた。例証(c)に示されるように、特徴付けられたナノインプリント318(例えば、n=1.25)を基板に適用することは、入射光の第1の量(すなわち、1.23%)が空気と特徴付けられたナノインプリント318との間の界面において反射され、入射光の第2の量(すなわち、0.65%)が特徴付けられたナノインプリント318と基板との間の界面において反射されるようにする。反射された光の量は、合計され、1.89%の光反射損失の合計量を与えることができる。したがって、特徴付けられたナノインプリント層318を基板に適用することは、反射率を低減させ、基板の透過率を約3%増加させた。一般に、特徴付けられたナノインプリント318のそれら等のAR特徴は、約1.24〜約1.34の範囲内の屈折率を有する空気との界面を有する。
表1は、590nmの波長における光の改良された透過率とともに、ナノ特徴ARパターンを含む種々のフィルムスタックアーキテクチャのフィルム−空気界面の測定された屈折率を説明する。例えば、屈折率1.78の透明ガラス基板上の1.52の材料屈折率を伴う100nm厚さのブランクフィルムは、ベアガラス表面−空気界面と比較すると、その界面を通して4.25%の改良された透過率を与える。1.52の屈折率の代わりに、より高い屈折率1.65のブランクフィルムが類似する100nm厚さで使用されるとき、反射損失は、より高く、正味改良は、1.78屈折率のベアガラスと比較すると、1.96%においてより低い。しかしながら、フィルムが、空気に面する上部で最も低い屈折率およびガラス1.78界面において最も高い屈折率1.65でスタックされると、反射損失は、より低く、透過率における改良は、ベアガラス−空気界面と対比して5.09%である。これは、有効屈折率をより最適なレベルに下げるためにナノ特徴がそのような材料屈折率を用いて製作される場合、はるかに改良されることができる。
非常に薄い(<50nm)残留層厚さ(同一の材料のナノ特徴のための相互接続材料フィルム)を伴う正方形アレイにおける50nmの幅、100nmの高さ、および100nmのピッチの柱等のナノ特徴で(屈折率1.52の)単一の材料をパターン化することは、ナノ特徴材料−空気界面における有効屈折率が、1.28になり、それは、ベアガラス−空気界面と比較すると、透過率を7.71%さらに改良する。同様に、材料屈折率が1.65であった場合、ナノ特徴材料−空気界面におけるこの有効屈折率は、1.32になり、したがって、ベアガラス−空気界面を上回って透過率を7.02%改良する。このタイプの実施形態は、図12に描写され、低屈折率材料(例えば、1.52)のARナノ特徴318aが、高屈折率ガラス1.78の表面と同一平面であるより高い屈折率材料(例えば、1.65)のARナノ特徴318bの上にインプリントされる。
表1:種々のフィルムスタックアーキテクチャのフィルム−空気界面の測定された屈折率
同一のナノパターンを有するこれらの2つのナノ特徴インプリントフィルムをさらに組み合わせることによって、ナノ特徴を伴うより低い屈折率の材料(1.52)が、空気にさらされ、ナノパターン化されたより高い屈折率の材料(1.65)の残留層が、ガラス表面(1.78)に接触し、それによって、より低い屈折率(1.52)のフィルムの残留層厚さが、より高い屈折率の材料(1.65)のナノ特徴を被覆し、材料−空気界面における有効屈折率は、1.28のままであるが、スタック全体は、光がガラス界面を通して伝搬するときの屈折率の漸進的変化に起因して、590nmの波長における光に対してより透過性である。例えば、可視波長スペクトルにわたる改良された透過度が、図13aに示される。図13b−13eは、数百ナノメートルの高および低屈折率フィルムコーティングであり得る標準的反射防止多層フィルム(図13f参照)と比較して、130nm未満のフィルム厚さを伴い、柱(図13b、13c、および13e参照)および孔トーン(図13d参照)幾何学形状を伴うほぼ最適にパターン化されたナノ特徴フィルム表面の例を示す。
図14は、基板上の機能的パターン(ワイヤグリッド偏光子)の回折格子404(灰色)と同一の方向に適用されるナノインプリント格子402(青色)を伴う基板400を示す略図(a)を図示する。ナノインプリント格子402と回折格子404とは、基板400の反対側に位置する。図14は、機能的パターンの回折格子404(灰色)にわたって(例えば、それに対して90度の角度において)適用されるナノインプリント格子402(青色)を伴う基板400を示す略図(b)を図示する。ナノインプリント格子402と回折格子404とは、基板400の反対側に位置する。
図15は、ARナノ特徴タイプフィルムを伴う場合、および伴わない場合の基板を透過させられる光をプロットするグラフを図示する。格子タイプARナノ特徴インプリントは、WGP基板の裏側に適用され、ARインプリントの格子は、ワイヤグリッド偏光子の格子方向に直交する。グラフに示されるように、回折格子の方向を横断する方向においてナノインプリント格子を適用することは、最大約650nmの波長まで光透過を増加させ、約650nmを上回る波長において光透過を減少させる。結果は、格子タイプARナノ特徴を使用し、光がAR格子に遭遇するようにWGPパターンを示す偏光に直交する方向にそのような特徴を適用するときの弱い複屈折特性を例証する。そのような特徴は、そのような用途においてより高い波長において透過させられる偏光を低減させることができる。このは、孔または柱タイプARナノ特徴を使用するときに起こらない。図16は、WGP機能的格子方向に沿って格子タイプARナノ特徴を適用する場合、および適用しない場合の効果を示す。光透過が、WGPに沿った格子タイプARナノ特徴インプリントによって、可視スペクトルにわたって全体的に増加することが示される。
格子タイプARナノ特徴フィルムによって示される弱い複屈折特性は、図17のグラフによっても図示される。グラフは、格子タイプARナノ特徴の有効表面屈折率が、屈折率測定中に(エリプソメータによって提供される)入射直線偏光に対する格子の向きに基づいて、1.25(格子を横断)から約1.32(光子に沿う)に変化することを示し、それは、そうでなければ、ブランクがインプリントされたなら、材料の屈折率を1.52として測定する。
図18は、多層ウェアラブル接眼レンズ1300に適用されるような光学層ARパターンの実施形態を示し、ARパターンは、光が接眼レンズの複数の層を通過するとき、より多くの光が投影システムから入力結合回折格子1302に通過することを可能にする。射出瞳回折格子1304の周囲のARパターンは、より多くの世界側の光がユーザの眼の中に入射することを可能にし、そうでなければ空気中の高屈折率ベアガラス表面の高反射率に起因する不要な反射またはグレアを低減させる。
図19および20の各々は、スタック1100、1200の一方の側に波長625nm(a)の赤色、波長530nm(b)の緑色、および波長455nm(c)の青色を伴う光源を使用する導波管接眼レンズの例示的スタック1100、1200を示す。スタック1100、1200は、光が進行する必要性がある異なる深さに位置する(例えば、赤色、青色、または緑色の)6つの層1101a−1101f、1201a−1201fを含む。スタック1100の層1101a−1101fの各々は、基板1102と、入力結合格子(ICG)の領域の周囲のブランクインプリント層1104(例えば、図6の例示的光学層600参照)と、インプリントされていないARナノ層1106とを含む。スタック1200の層1201a−1201fの各々は、基板1202と、ICGの領域の周囲のブランクインプリント層1204と、インプリントされたARナノ層1206とを含む。示されるように、光強度の約81.7%のみが、スタック1100(平坦なARナノ層1106を伴う)の最後の赤色層1101fに到達する一方、光強度の約95.6%が、スタック1200(インプリントされたARナノ層1206を伴う)の最後の赤色層1201fに到達し、したがって、インプリントされたARナノ層1206は、光強度における13.9%の絶対的改良を提供する。
図21は、インプリントリソグラフィプロセスにおいて光学層(例えば、光学層200、500、600、700、800、900)を構成するための例示的プロセス1000のフローチャートを表示する。基板の有効屈折率(例えば、基板上の材料−空気界面)を変化させるために基板(例えば、基板202、400)に適用されるべきナノ層(例えば、ナノインプリント210、214、316、318、510、610)の1つ以上のパラメータが、選択される(1002)。いくつかの例では、1つ以上のパラメータは、ナノ層の形状、寸法、および材料調合のうちの1つ以上のものを含む。ナノ層は、基板を透過可能な相対的な光の量が選択された量だけ変化させられるように、基板の有効屈折率を変化させるために、基板(例えば、基板202の上側204または下側206)上にインプリントされる(1004)。例えば、いかなるコーティングまたはナノインプリントも適用されないベア基板は、基板の実際のバルク屈折率に等しい有効屈折率を有し得る。いくつかの例では、ナノ層を適用することは、有効屈折率を実際のバルク屈折率から新しい有効屈折率に変化させる。いくつかの実施形態では、基板の有効屈折率を変化させるために基板上にナノ層をインプリントすることは、基板の表面から反射される第2の相対的な光の量を変化させることを含む。
いくつかの実施形態では、ナノ層は、平坦なナノインプリント(例えば、ナノインプリント316)である。いくつかの実施形態では、ナノ層は、特徴付けられたナノインプリント(例えば、ナノインプリント318)である。いくつかの実施形態では、ナノパターンは、AR特徴(例えば、柱、孔、および/または格子)を含む。いくつかの例では、AR特徴は、約10nm〜約300nmの範囲内の高さを有する。いくつかの例では、AR特徴は、約10nm〜約150nmの範囲内の幅を有する。いくつかの例では、AR特徴は、約20nm〜約200nmの範囲内のピッチで分配される。いくつかの実施形態では、ナノ層をインプリントすることは、基板上に柱(例えば、柱300、306、308)を形成することを含む。いくつかの実施形態では、ナノ層をインプリントすることは、基板上に孔302を形成することを含む。いくつかの実施形態では、ナノ層をインプリントすることは、基板上に連続格子および不連続格子(例えば、格子314、402)のうちの一方または両方を形成することを含む。
いくつかの実施形態では、プロセスは、基板の第1の側に機能的パターンを形成することと、基板の第1の側および基板の第1の側と反対側の基板の第2の側のうちの一方または両方に沿ってナノ層をインプリントすることとをさらに含む。いくつかの例では、ナノ層をインプリントすることは、機能的パターンに対する特定の方向に沿ってナノ層のAR特徴を形成することを含む。いくつかの例では、ナノ層をインプリントすることは、機能的パターンの回折格子に垂直な方向に沿ってAR特徴を形成することを含む。いくつかの実施形態では、プロセスは、フィルムコーティング(例えば、フィルムコーティング212)を基板に適用することと、フィルムコーティング上にナノ層をインプリントすることとをさらに含む。
いくつかの実施形態では、プロセスはさらに、基板を透過させられる相対的な光の量を約0.5%〜約15%だけ変化させることを含む。いくつかの実施形態では、ナノパターンは、第1のナノ層であり、プロセスはさらに、第1のナノ層上に第2のナノ層をインプリントすることを含む。いくつかの実施形態では、プロセスはさらに、第1のナノ層に基づいて、有効屈折率を第1の値に変化させ、第2のナノ層に基づいて、有効屈折率を第2の値に変化させることを含む。
有利なこととして、プロセス1000は、基板の表面反射を約1%〜約10%低減させ得るARパターンを生産するために使用されることができる。そのようなARパターンは、基板の透過率をプラスチック基板に関して約98%を上回って増加させ、ガラス基板に関して最大約99%増加させ得る。ARパターンは、基板を通した光の透過が増加させられるように、基板に約1.2〜約1.4の範囲内の新しい有効屈折率も提供し得る。さらに、本明細書に議論されるARパターンは、基板を透過させられるある光波長の屈折を減少させ、または強化するために複屈折を導入し得る。いくつかの実装では、弱い複屈折は、基板内で、それを通して伝搬する光の位相を変調する必要性が存在する場合に有利であり得る。加えて、ARナノパターン214および機能的回折パターン208の特定の寸法において、ARナノパターン214は、機能的回折パターン208のように光を回折しない。その結果、ARナノパターン214は、光学デバイスの回折光学系に干渉しない。さらに、ARナノパターン214は、互いに近接近する2つの基板層が互いに対して押されるであろう場合、ある所定の間隙を維持可能な付着防止表面を提供する。
本明細書に議論される基板は、約1.78〜約1.8の屈折率を有すると仮定されているが、本明細書に議論される光学デバイスにおいて使用され得る他の基板は、約1.45〜約2.4の範囲内の屈折率を有し得る。
いくつかの実施形態が例証目的のために説明されたが、前述の説明は、本発明の範囲を限定することを意図しておらず、それは、添付される請求項の範囲によって定義される。以下の請求項の範囲内の他の例、修正、および組み合わせが存在し、存在するであろう。

Claims (24)

  1. 光学層を構成するインプリントリソグラフィ方法であって、前記インプリントリソグラフィ方法は、
    基板の有効屈折率を変化させるために前記基板に適用されるべきナノ層の1つ以上のパラメータを選択することと、
    前記基板上に前記ナノ層をインプリントすることと
    を含み、
    前記ナノ層は、前記基板の前記有効屈折率を変化させ、それによって、前記基板を透過可能な相対的な光の量は、選択された量だけ変化させられる、インプリントリソグラフィ方法。
  2. 前記相対的な光の量は、第1の相対的な光の量であり、前記基板上に前記ナノ層をインプリントし、前記基板の前記有効屈折率を変化させることは、前記基板の表面から反射される第2の相対的な光の量を変化させることを含む、請求項1に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  3. 前記ナノ層の形状、寸法、および材料調合のうちの1つ以上のものを選択することをさらに含む、請求項1に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  4. 前記基板上に平坦なナノインプリントをインプリントすることをさらに含む、請求項1に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  5. 前記基板上に特徴付けられたナノインプリントをインプリントすることをさらに含む、請求項1に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  6. 前記基板上に1つ以上の反射防止(AR)特徴をインプリントすることをさらに含む、請求項1に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  7. 前記1つ以上のAR特徴は、約10nm〜約300nmの範囲内の高さを有する、請求項6に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  8. 前記1つ以上のAR特徴は、約10nm〜約150nmの範囲内の幅を有する、請求項7に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  9. 約20nm〜約200nmの範囲内のピッチで前記1つ以上のAR特徴を分配することをさらに含む、請求項7に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  10. 前記基板上に柱を形成することをさらに含む、請求項1に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  11. 前記基板上に孔を形成することをさらに含む、請求項1に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  12. 前記基板上に連続格子および不連続格子のうちの一方または両方を形成することをさらに含む、請求項1に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  13. 前記基板の第1の側に機能的パターンを形成することと、
    前記基板の前記第1の側および前記基板の前記第1の側と反対側の前記基板の第2の側のうちの一方または両方に沿って前記ナノ層をインプリントすることと
    をさらに含む、請求項1に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  14. 前記機能的パターンに対する特定の方向に沿って前記ナノ層のAR特徴のアレイを形成することをさらに含む、請求項13に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  15. 前記基板を透過させられる光が前記選択された量だけ変化させられるように、光伝搬の方向に基づいて前記基板の有効屈折率を変化させるために、前記基板上に前記ナノ層のAR特徴を形成することをさらに含む、請求項14に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  16. フィルムコーティングを前記基板に適用することと、
    前記フィルムコーティング上に前記ナノ層をインプリントすることと
    をさらに含む、請求項1に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  17. 前記基板を透過可能な前記相対的な光の量を約0.5%〜約15%だけ変化させることをさらに含む、請求項1に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  18. 前記ナノ層は、第1のナノ層であり、前記インプリントリソグラフィ方法は、前記第1のナノ層上に第2のナノ層をインプリントすることをさらに含む、請求項1に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  19. 前記第1のナノ層に基づいて、前記有効屈折率を第1の値に変化させることと、前記第2のナノ層に基づいて、前記有効屈折率を第2の値に変化させることとをさらに含む、請求項18に記載のインプリントリソグラフィ方法。
  20. 光学層であって、前記光学層は、
    基板と、
    前記基板上にインプリントされたナノ層と
    を備え、
    前記ナノ層は、前記基板の有効屈折率を決定し、それによって、前記ナノ層は、前記基板を透過可能な相対的な光の量をもたらす、光学層。
  21. 光学デバイスであって、前記光学デバイスは、
    第1の光学層であって、前記第1の光学層は、
    第1の基板と、
    前記第1の基板上にインプリントされたナノ層と
    を備えている、第1の光学層と、
    第2の光学層であって、前記第2の光学層は、
    第2の基板と、
    前記第2の基板に沿って配置された機能的パターンと
    を備えている、第2の光学層と
    を備え、
    前記第1の基板上にインプリントされた前記ナノ層は、前記第1の基板の有効屈折率を決定し、それによって、前記ナノ層は、前記第2の光学層まで前記第1の基板を透過可能な相対的な光の量を増加させる、光学デバイス。
  22. 前記第2の基板に沿って配置された前記機能的パターンは、第1の機能的パターンであり、前記光学デバイスは、第3の光学層をさらに備え、前記第3の光学層は、第3の基板と、前記第3の基板に沿って配置された第2の機能的パターンとを備えている、請求項21に記載の光学デバイス。
  23. 前記第1の基板上にインプリントされた前記ナノ層は、第1のナノ層であり、前記第1の基板の有効屈折率は、第1の屈折率であり、前記相対的な光の量は、第1の相対的な光の量であり、前記第2の光学層は、前記第2の基板上にインプリントされた第2のナノ層を備え、前記第2のナノ層は、前記第2の基板の第2の有効屈折率を決定し、それによって、前記第2のナノ層は、前記第3の光学層まで前記第2の基板を透過可能な第2の相対的な光の量を増加させる、請求項22に記載の光学デバイス。
  24. 前記第1および第2のナノ層は、前記第3の光学層まで前記第1および第2の基板を透過させられる最終の光の量が、源から前記第1のナノ層に向けられた光の量から、前記第1の基板から反射された第1の光の量を差し引き、前記第2の基板から反射された第2の光の量を差し引いた光の量にほぼ等しいように構成されている、請求項23に記載の光学デバイス。
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