JP2021504744A - 導波結合器のダイレクトエッチング製造の方法 - Google Patents

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Abstract

本明細書に記載の実施形態は、基板を利用して導波構造を製造するための方法に関する。導波構造は、基板から形成される、入力カップリング領域、導波領域、及び出力カップリング領域を有するように形成される。この領域は、凸型導波パターンを形成するため、基板の表面に形成されたハードマスク上に配置されたレジストにスタンプを刻印することによって形成される。凸型導波パターンの一部及びその部分の下に形成されたハードマスクが除去される。入力カップリング領域および出力カップリング領域に回折格子を形成するため、基板はマスクされ、エッチングされる。基板から形成された入力カップリング領域、導波領域、及び出力カップリング領域を有する導波構造を形成するため、残留部分の下に配置された凸型導波パターン及びハードマスクの残留部分は除去される。【選択図】図６Ｅ

Description

［０００１］ 本開示の実施形態は、概して、拡張現実、仮想現実、及び混合現実のための導波器に関する。より具体的には、本明細書に記載の実施形態は、基板から導波器を製造する方法を提示する。
関連技術の説明
［０００２］ 仮想現実は、概して、ユーザが見かけ上の物理的存在を有する、コンピュータが生成したシミュレート環境であると考えられている。仮想現実体験は、３Ｄで生成され、実際の環境に取って代わる仮想現実環境を表示するためのレンズとしての接眼ディスプレイパネルを有する眼鏡又は他のウェアラブルディスプレイ装置などのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）で見ることができる。
［０００３］ しかしながら、拡張現実は、ユーザが眼鏡又は他のＨＭＤ装置のディスプレイレンズを通して周囲環境を見ることができるが、表示のために生成され、環境の一部として現れる仮想物体の画像も見ることができる体験を可能にする。拡張現実は、音声入力及び触覚入力のような任意のタイプの入力、並びにユーザが経験する環境を強化又は拡張する仮想画像、グラフィック及びビデオを含むことができる。新たな技術として、拡張現実には多くの課題及び設計上の制約が存在する。
［０００４］ そのような課題の１つは、周囲環境に重ね合わされた仮想画像を表示することである。導波器は、画像の重ね合わせを補助するために使用される。生成された光は、光が導波器から出て周囲環境に重ね合わされるまで、導波器を通って伝搬される。導波器は不均一な特性を有する傾向があるため、導波器の製造は困難になりうる。そのため、当該技術分野で必要とされているのは、改良された拡張導波器とその製造方法である。
［０００５］ 一実施形態では、導波構造を形成するための方法が提示される。この方法は、凸型導波パターンを形成するために、レジストにスタンプを刻印（インプリント）することを含む。レジストは、基板の一部の表面に形成されたハードマスク上に配置される。凸型導波パターンは、第１の複数の回折格子パターン、導波パターン、及び第２の複数の回折格子パターンのうちの少なくとも１つを含むパターンを含む。第１の複数の回折格子パターン及び第２の複数の回折格子パターンの各々は、残留層及び上部パターン面を有する。凸型導波パターンを硬化させるため、硬化処理が実行される。スタンプは取り外される。残留層及び残留層の下に配置されたハードマスクを除去し、基板の表面を曝露するために、第１のエッチング処理が実行される。基板の表面の第１の非保護領域を曝露するため、基板はマスクされる。第２のエッチング処理は、第１の所定の時間だけ実行され、第１の深度を有する第１の複数の回折格子を形成する。基板の表面の第２の非保護領域を曝露するため、基板はマスクされる。第２の深度を有する第２の複数の回折格子を形成するため、第２のエッチング処理は第２の所定の時間だけ実行される。入力カップリング領域、導波領域、及び出力カップリング領域のうちの少なくとも１つを含む導波構造を形成するため、上部パターン面、導波パターン、並びに上部パターン面及び導波パターンの下に配置されたハードマスクは除去される。
［０００６］ 別の実施形態では、導波構造を形成するための方法が提示される。この方法は、凸型導波パターンを形成するため、レジストにスタンプを刻印することを含む。レジストは、基板の一部の表面に形成されたハードマスク上に配置される。凸型導波パターンは、第１の複数の回折格子パターン、導波パターン、及び第２の複数の回折格子パターンのうちの少なくとも１つを含むパターンを含む。第１の複数の回折格子パターン及び第２の複数の回折格子パターンの各々は、基板の表面に対して傾斜した残留層、上部パターン面、及び側壁パターン面を有する。硬化処理は、凸型導波パターンを硬化させるために実行される。スタンプは取り外される。残留層及び残留層の下に配置されたハードマスクを除去し、基板の表面を曝露するため、第１のエッチング処理が実行される。基板の表面の第１の非保護領域を曝露するため、基板はマスクされる。第１の所定の時間だけ所定の角度でエッチングすることにより、第１の深度を有する第１の複数の角度付き回折格子が形成される。基板の表面の第２の非保護領域を曝露するため、基板はマスクされる。第２の所定の時間だけ所定の角度でエッチングすることにより、第２の深度を有する第２の複数の角度付き回折格子が形成される。入力カップリング領域、導波領域、及び出力カップリング領域のうちの少なくとも１つを含む導波構造を形成するため、上部パターン面、導波パターン、並びに上部パターン面及び導波パターンの下に配置されたハードマスクは、除去される。
［０００７］ さらに別の実施形態では、導波構造を形成する方法が提示される。本方法は、スタンプをレジストに刻印して凸型導波パターンを形成することを含み、レジストは、基板の表面に形成されたハードマスク上に配置され、凸型導波パターンは、第１の複数の回折格子パターン、導波パターン、及び第２の複数の回折格子パターンのうちの少なくとも１つを含むパターンを含む。第１の複数の回折格子パターン及び第２の複数の回折格子パターンの各々は、基板の表面に対して傾斜した残留層、上部パターン面、及び側壁パターン面を有する。凸型導波パターンは、電磁放射線硬化によって硬化される。スタンプは取り外される。残留層はプラズマ灰化によって除去される。基板の表面を曝露するため、残留層の下に配置されたハードマスクは反応性イオンエッチングされる。基板の表面の第１の非保護領域を曝露するため、基板はマスクされる。第１の所定の時間だけ所定の角度で方向性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うと、第１の深度を有する第１の複数の角度付き回折格子が形成される。基板の表面の第２の非保護領域を曝露するため、基板はマスクされる。第２の所定の時間だけ所定の角度で方向性ＲＩＥを行うと、第２の複数の角度付き回折格子が形成される。基板の表面の第３の非保護領域を曝露するため、基板はマスクされる。第３の所定の時間だけ所定の角度で方向性ＲＩＥを行うと、第３の深度を有する第３の複数の角度付き回折格子が形成される。上部パターン面と導波パターンはプラズマ灰化によって除去される。上部パターン面及び導波パターンの下に配置されたハードマスクに反応性イオンエッチングを行うと、入力カップリング領域、導波領域、及び出力カップリング領域のうちの少なくとも１つを含む導波構造が形成される。
［０００８］ 上述の本開示の特徴を詳細に理解しうるように、上記で簡単に要約された本開示のより具体的な説明が、実施形態を参照することによって得られ、一部の実施形態は、付随する図面に例示されている。しかし、添付図面は例示的な実施形態のみを示すものであり、したがって、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、その他の等しく有効な実施形態も許容され得ることに留意されたい。
一実施形態による導波結合器の斜視正面図である。 一実施形態による導波構造を形成するための方法の工程を示すフロー図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、導波構造を形成するための方法の工程を概略的に示すフロー図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。 一実施形態による、製造中の導波器の概略断面図である。
［００１５］ 理解を容易にするために、可能な場合には、図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素及び特徴は、さらなる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれうると、想定される。
［００１６］ 本明細書に記載の実施形態は、基板から導波構造を製造するための方法に関する。導波構造は、基板から形成される、入力カップリング領域、導波領域、及び出力カップリング領域を有するように形成される。この領域は、基板の表面に形成されたハードマスク上に配置されたレジストにスタンプを刻印して凸型導波パターンを形成することによって形成される。凸型導波パターンの一部及びその部分の下に配置されたハードマスクは除去される。基板はマスクされ、エッチングされて、入力カップリング領域および出力カップリング領域に回折格子が形成される。基板から形成された入力カップリング領域、導波領域、及び出力カップリング領域を有する導波構造を形成するため、凸型導波パターンの残留部分及びその残留部分の下に配置されたハードマスクは除去される。一実施形態では、基板は、ガラス材料およびプラスチック材料のうちの少なくとも１つを含む。別の実施形態では、基板は、約１．５から約２．５の間の屈折率を有する。
［００１７］ 図１は、導波結合器１００の斜視正面図である。後述する導波結合器１００は、例示的な導波結合器であることを理解されたい。導波結合器１００は、複数の回折格子１０８によって画定される入力カップリング領域１０２と、導波領域１０４と、複数の回折格子１１０によって画定される出力カップリング領域１０６とを含む。
［００１８］ 入力カップリング領域１０２は、マイクロディスプレイから強い光（仮想画像）の入射ビームを受け取る。複数の回折格子１０８の各回折格子は、入射ビームを各ビームがモードを有する複数のモードに分割する。ゼロ次モード（Ｔ０）ビームは、導波結合器１００内で屈折して戻されるか、又は失われ、正の１次モード（Ｔ１）ビームは、導波結合器１００を通って導波領域１０４から出力カップリング領域１０６まで内部全反射（ＴＩＲ）を受け、また、負の１次モード（Ｔ−１）ビームは、導波結合器１００内をＴ１ビームとは反対の方向に伝播する。Ｔ１ビームは、Ｔ１ビームが出力カップリング領域１０６内の複数の回折格子１１０に接触するまで、導波結合器１００を通って内部全反射（ＴＩＲ）を受ける。Ｔ１ビームは、複数の回折格子１１０の格子に接触し、そこでＴ１ビームは、導波結合器１００内で屈折して戻されるか又は失われるＴ０ビームと、Ｔ１ビームが複数の回折格子１１０の別の格子に接触するまで出力カップリング領域１０６内でＴＩＲを受けるＴ１ビームと、導波結合器１００からカップリングされるＴ−１ビームとに分割される。
［００１９］ 図２は、導波構造を形成する方法２００の工程を示すフロー図である。一実施形態では、導波構造３００は、導波結合器１００の入力カップリング領域１０２、導波領域１０４、及び出力カップリング領域１０６のうちの少なくとも１つに対応する。工程２０１では、凹型導波パターンを有するスタンプが、基板の一部の表面に形成されたハードマスク上に配置されたレジストに刻印され、凸型導波パターンが形成される。凸型導波パターンは、パターンを含む。パターンは、入力カップリング部、導波器部、及び出力カップリング部のうちの少なくとも１つを含み、その結果、導波器結合器１００の入力カップリング領域１０２、導波領域１０４、及び出力カップリング領域１０６のうちの少なくとも１つが形成される。パターンは、残留層及び上部パターン面を含む複数の回折格子パターンを含む。一実施形態では、パターンは、複数の回折格子パターン及び導波パターンを含む。
［００２０］ 工程２０２では、凸型導波パターンを硬化するため、硬化処理が実行される。工程２０３では、スタンプがレジストから取り外される。工程２０４では、残留層及び残留層の下に配置されたハードマスクは、基板の一部の表面を曝露するために、第１のエッチング処理を実行することによって除去される。工程２０５では、基板の表面の第１の非保護領域を曝露するため、基板はマスクされる。工程２０６では、第１の所定の時間だけ第２のエッチング処理を実行することによって、第１の深度を有する第１の複数の回折格子が形成される。一実施形態では、第１の複数の回折格子は、入力カップリング領域１０２の複数の回折格子１０８及び出力カップリング領域１０６の複数の回折格子１１０のうちの少なくとも１つの第１の部分である。別の実施形態では、第１の複数の回折格子は、入力カップリング領域１０２の複数の回折格子１０８及び出力カップリング領域１０６の複数の回折格子１１０のうちの少なくとも１つである。
［００２１］ 工程２０７では、基板の表面の第２の非保護領域を曝露するため、基板はマスクされる。工程２０８では、第２の所定の時間だけ第２のエッチング処理を実行することによって、第２の深度を有する第２の複数の回折格子が形成される。一実施形態では、第２の複数の回折格子は、入力カップリング領域１０２の複数の回折格子１０８及び出力カップリング領域１０６の複数の回折格子１１０のうちの少なくとも１つの第２の部分である。別の実施形態では、第２の複数の回折格子は、入力カップリング領域１０２の複数の回折格子１０８及び出力カップリング領域１０６の複数の回折格子１１０のうちの少なくとも１つである。工程２０９では、上部パターン面、導波パターン、並びに上部パターン面及び導波パターンの下に配置されたハードマスクが除去されて、導波構造が形成される。導波構造は、導波結合器１００の入力カップリング領域１０２、導波領域１０４、及び出力カップリング領域１０６のうちの少なくとも１つを含む。
［００２２］ 図３Ａ〜図３Ｅを参照し、導波構造３００の製造に関して、スタンプの刻印、硬化処理の実施、スタンプの取り外し、第１のエッチング処理の実施、第２のエッチング処理の実施、並びに上部パターン面、導波パターン、及びハードマスクの除去をさらに詳細に説明する。
［００２３］ 図３Ａに示したように、凸型導波パターン３１３を形成するため、スタンプ３２６は、基板３０１の一部３３０の表面３０２上に形成されたハードマスク３０３上に配置されたレジスト３２５に刻印される。スタンプ３２６は、逆パターン３３１を含む凹型導波パターン３１２を有する。逆パターン３３１は、入力カップリング部３１４、逆導波器部３１６、及び逆出力カップリング部３１８のうちの少なくとも１つを含む。スタンプ３２６は、マスタパターンを有する導波器マスタから製造される。一実施形態では、マスタパターンは、マスタ入力カップリング部、マスタ導波器部、およびマスタ出力カップリング部のうちの少なくとも１つを含む。スタンプ３２６は、導波器マスタから成形される。
［００２４］ スタンプ３２６は、溶融シリカ又はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの半透明材料を含み、工程２０２では、赤外線（ＩＲ）放射又は紫外線（ＵＶ）放射などの放射に曝露することによって凸型導波パターン３１３を硬化させることができる。一実施形態では、レジスト３２５は、ＰＤＭＳを含むスタンプ３２６によってナノ刻印可能なＵＶ硬化性材料（Ｍｉｃｒｏ Ｒｅｓｉｓｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社から入手可能なｍｒ−Ｎ２１０など）を含む。凸型導波パターン３１３は代替的に、工程２０２で熱硬化されてもよい。一実施形態では、基板３０１の表面３０２は、ＵＶオゾン処理、酸素（Ｏ２）プラズマ処理、又はプライマー（Ｍｉｃｒｏ Ｒｅｓｉｓｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社から入手可能なｍｒ−ＡＰＳ１など）の適用によって、ＵＶ硬化性材料のスピンコーティングのために準備される。別の実施形態では、レジスト３２５は、溶媒蒸発硬化処理によって硬化されうる熱硬化性材料を含む。溶媒蒸発硬化処理は、熱加熱または赤外線照射加熱を含みうる。レジスト３２５は、液体材料注入キャスティング処理、スピンオンコーティング処理、液体スプレーコーティング処理、ドライパウダーコーティング処理、スクリーン印刷処理、ドクターブレーディング処理、物理気相堆積（ＰＶＤ）処理、化学気相堆積（ＣＶＤ）処理、流動性ＣＶＤ （ＦＣＶＤ）処理、または原子層堆積（ＡＬＤ）処理を使用して、表面３０２上に配置することができる。
［００２５］ 凸型導波パターン３１３は、パターン３２２を含む。パターン３２２は、入力カップリング部３１５、導波器部３１７、及び出力カップリング部３１９のうちの少なくとも１つを含む。パターン３２２は、第１の複数の回折格子パターン３０５、導波パターン３３３、及び第２の複数の回折格子パターン３２７のうちの少なくとも１つを含む。第１の複数の回折格子パターン３０５及び第２の複数の回折格子パターン３２７の各々は、しばしば底部パターン面と称される残留層３１１と、基板３０１の表面３０２に平行な上部パターン面３０７と、基板３０１の表面３０２に垂直に配向された側壁パターン面３０９とを有する。
［００２６］ 図３Ｂは、スタンプ３２３が工程２０３で取り外された後の概略的な断面図を示す。一実施形態では、スタンプ３２６は、フッ素コーティングなどの粘着防止表面処理コーティングを単層でコーティングすることができるので、スタンプ３２６は、工作機械によって、又は手で剥離することによって機械的に除去することができる。別の実施形態では、スタンプ３２６を水に溶かして除去するように、スタンプ３２６は水溶性のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）材料で構成されてもよい。さらに別の実施形態では、スタンプ３２６は、機械的強度を高めるため、ガラスシートなどの硬い裏打ちシートを含む。
［００２７］ 図３Ｃは、残留層３１１の下に配置された残留層３１１及びハードマスク３０３を除去し、工程２０４で基板３０１の表面３０２を曝露する、第１のエッチング処理後の概略的な断面図である。残留層３１１は、酸素ガス（Ｏ２）含有プラズマ、フッ素ガス（Ｆ２）含有プラズマ、塩素ガス（Ｃｌ２）含有プラズマ、及び／又はメタン（ＣＨ４）含有プラズマを使用して、プラズマ灰化（しばしばプラズマデスカム処理と称される）によって除去することができる。一実施形態では、残留層３１１が除去されるまで、第１の高周波（ＲＦ）電力がＯ２及びアルゴン（Ａｒ）又は窒素（Ｎ）などの不活性ガスに印加される。残留層３１１の下に配置されたハードマスク３０３は、イオンエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、又は高選択性湿式化学エッチングによって除去されうる。例えば、ハードマスク３０３は、第１の材料を含む第１の層と、第２の材料を含む第２の層とを有してよく、第２の層は、基板３０１の表面３０２上に配置された第１の層上に形成される。第２の層は、第１の材料及び基板３０１の材料に対する第２の材料の高いエッチング選択性を利用することによって除去されうる。第１の層は、基板３０１の材料に対する第１の材料の高いエッチング選択性を利用することによって除去されうる。一実施形態では、ハードマスク３０３は、炭素含有層（Ｂｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ社から入手可能なＯｐｔｉＳｔａｃｋ（登録商標）ＳＯＣ１１０Ｄなど）上に配置されたシリコン含有層（Ｂｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅから入手可能なＯｐｔｉＳｔａｃｋ（登録商標）ＨＭ８２５−３０２．６など）を含む。残留層３１１の下に配置されたシリコン含有層は、Ｆ２含有プラズマを用いたＲＩＥによって除去され、残留層３１１の下に配置された炭素含有層は、Ｏ２含有プラズマを用いたＲＩＥによって除去される。別の実施形態では、ハードマスク３０３は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）含有層上に配置されたクロム含有層を含む。残留層３１１の下に配置されたクロム含有層は、ＢＣｌ３などのＣｌ２含有プラズマを使用するＲＩＥによって除去され、二酸化ケイ素含有層は、Ｆ２含有プラズマ又はＣＨ４含有プラズマを使用するＲＩＥによって除去される。
［００２８］ 図３Ｄは、工程２０５〜２０８後の概略断面図である。工程２０５〜２０８では、基板３０１の表面３０２の第１の非保護領域を曝露するため、基板３０１がマスクされた後、第２のエッチング処理が第１の所定の時間だけ実行され、基板３０１の表面３０２の第２の非保護領域を曝露するため、基板３０１がマスクされた後、第２のエッチング処理が第２の所定の時間だけ実行される。一実施形態では、チャンバに取り付けられたエッチング終点検出システムが使用される。基板３０１をマスキングすることは、シャドウマスクを基板３０１の表面３０２と物理的に接触させて配置すること、又はフォトマスクを基板３０１上に位置合わせして第１の非保護領域を露光することを含みうる。一実施形態では、シャドウマスクは金属であり、反復使用することができる。
［００２９］ 一実施形態では、第１の非保護領域は、第１の領域に対応し、第２の非保護領域は、結果として生じる導波構造３００の第２の領域に対応する。別の実施形態では、第１の非保護領域は、第１の領域及び第２の領域に対応し、第２の非保護領域は、第２の領域に対応する。一実施形態では、図示のように、第１の領域は入力カップリング領域１０２であり、第２の領域は出力カップリング領域１０６である。図示されていない別の実施形態では、第１の領域及び第２の領域は、入力カップリング領域１０２又は出力カップリング領域１０６の領域である。第２のエッチング処理は、第１の深度３２１を有する第１の複数の回折格子３０４を形成するために、イオン注入、イオンエッチング、ＲＩＥ、有向リボンビームイオンエッチング（ｄｉｒｅｃｔｅｄ ｒｉｂｂｏｎ−ｂｅａｍ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）などの方向性ＲＩＥ、マイクロブラスティング、ウォータージェット切断、及びレーザエッチングなどのエッチング処理を、第１の所定の時間だけ含みうる。イオン注入装置の一例は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．から入手可能なＶａｒｉａｎ ＶＩＩＳＴＡ（登録商標）Ｔｒｉｄｅｎｔである。イオンエッチングは、イオンエッチング速度を改善するために、エッチングガスの存在下であってもよい。
［００３０］ 第１の複数の回折格子３０４は、基板３０１の表面３０２に対応する上面３０６と底面３２８と、基板３０１の表面３０２に垂直に配向された側壁面３０８とをさらに含む。第２の非保護領域を曝露するために、シャドウマスクは再配置されてもよく、或いはフォトマスクは再調整されてもよい。第２の所定の時間だけ第２のエッチング処理を行うことで、第２の深度３２３を有する第２の複数の回折格子３１０を形成する。第２の複数の回折格子３１０は、上面３０６と、底面３２８と、側壁面３０８とをさらに含む。
［００３１］ 図３Ｅは、工程２０９後に形成された導波構造３００の概略断面図である。導波結合器１００の入力カップリング領域１０２、導波領域１０４、及び出力カップリング領域１０６のうちの少なくとも１つを含む導波構造３００を形成するため、工程２０９では、上部パターン面３０７と、導波パターン３３３とが、工程２０７では、上部パターン面３０７及び導波パターン３３３の下に配置されたハードマスク３０３が除去される。上部パターン面３０７及び導波パターン３３３は、Ｏ２含有プラズマ、Ｆ２含有プラズマ、Ｃｌ２含有プラズマ、及び／又はＣＨ４含有プラズマを使用するプラズマ灰化によって除去されうる。一実施形態では、上部パターン面３０７及び導波パターン３３３が除去されるまで、Ｏ２及びアルゴン（Ａｒ）又は窒素（Ｎ）などの不活性ガスに第２の高周波（ＲＦ）電力が印加される。上部パターン面３０７及び導波パターン３３３の下に配置されたハードマスク３０３は、イオンエッチング、ＲＩＥ、又は高選択性湿式化学エッチングによって除去されうる。一実施形態では、ハードマスク３０３は、炭素含有層上に配置されたシリコン含有層を含む。シリコン含有層はＦ２含有プラズマを用いたＲＩＥにより除去され、炭素含有層はＯ２含有プラズマを用いたＲＩＥにより除去される。別の実施形態では、ハードマスク３０３は、ＳｉＯ２含有層上に配置されたクロム含有層を含む。クロム含有層は、Ｃｌ２含有プラズマを用いたＲＩＥによって除去され、二酸化ケイ素含有層は、Ｆ２含有プラズマ又はＣＨ４含有プラズマを使用するＲＩＥによって除去される。別の実施形態では、ハードマスク３０３は除去されず、ハードマスク３０３は、約１．５〜約２．５の間の制御された屈折率を有するＳｉＯ２および二酸化チタン（ＴｉＯ２）などの材料を含む。
［００３２］ 方法２００から生じる導波構造３００は、実質的に均一な屈折率を有する。空気の屈折率（１．０）と比較して、約１．５から約２．５までの屈折率を有する材料を基板３０１に利用することにより、内部全反射、又は少なくともその高次の反射が達成され、導波構造３００を通る光の伝播が容易になる。
［００３３］ 図４Ａ〜図４Ｅを参照し、導波構造４００の作製に関して、スタンプの刻印、硬化処理の実施、スタンプの取り外し、第１のエッチング処理の実施、第２のエッチング処理の実施、及び上部パターン面、導波パターン、及びハードマスクの除去をさらに詳細に説明する。
［００３４］ 工程２０１では、凸型導波パターン４１３を形成するため、スタンプ４２６は、基板４０１の部分４３０の表面４０２上に形成されたハードマスク４０３の上に配置されたレジスト４２５に刻印される。図４Ａに示したように、スタンプ４２６は、逆パターン４３１を含む凹型導波パターン４１２を有する。逆パターン４３１は、逆入力カップリング部４１４、逆導波器部４１６、及び逆出力カップリング部４１８のうちの少なくとも１つを含む。工程２０２では、凸型導波パターン４１３が硬化される。
［００３５］ 凸型導波パターン４１３は、パターン４２２を含む。パターン４２２は、入力カップリング部４１５、導波器部４１７、及び出力カップリング部４１９のうちの少なくとも１つを含む。パターン４２２は、第１の複数の回折格子パターン４０５、導波パターン４３３、及び第２の複数の回折格子パターン４２７のうちの少なくとも１つを含む。第１の複数の回折格子パターン４０５及び第２の複数の回折格子パターン４２７の各々は、しばしば底部パターン面と称される残留層４１１と、基板４０１の表面４０２に平行な上部パターン面４０７と、基板４０１の表面４０２に対してある量だけ傾斜した側壁パターン面４０９とを有する。
［００３６］ 工程２０３では、スタンプ４２６はレジスト４２５から取り外される。工程２０４では、残留層４１１及び残留層４１１の下に配置されたハードマスク４０３は、基板４０１の表面４０２を曝露するために第１のエッチング処理を実行することによって除去される。
［００３７］ 工程２０５では、基板４０１の表面４０２の第１の非保護領域を曝露するために、基板４０１はマスクされる。基板４０１をマスクすることは、シャドウマスクを基板４０１の表面４０２と物理的に接触させて配置すること、又はフォトマスクを基板４０１上に位置合わせして第１の非保護領域を曝露することを含みうる。一実施形態では、第１の非保護領域は、第１の領域に対応し、第２の非保護領域は、結果として生じる導波構造４００の第２の領域に対応する。別の実施形態では、第１の非保護領域は、第１の領域及び第２の領域に対応し、第２の非保護領域は、第２の領域に対応する。一実施形態では、図示のように、第１の領域は入力カップリング領域１０２であり、第２の領域は出力カップリング領域１０６である。図示されていない別の実施形態では、第１の領域及び第２の領域は、入力カップリング領域１０２又は出力カップリング領域１０６の領域である。工程２０６では、第１の所定時間だけ第１の所定の角度で第２のエッチング処理を実行することによって、第１の深度４２１および側壁面４０８が基板４０１の表面４０２に対してある量だけ傾斜した第１の複数の回折格子４０４が形成される。所定の角度は、導波構造４００の光結合効率を最大にするために、コンピュータシミュレーションによって決定されてもよく、所定の角度は、約１５度から約７５度の範囲内であってもよい。第１の複数の回折格子４０４はさらに、表面に平行な上面４０６と、表面３０２に対応する底面３２８とを含む。
［００３８］ 所定の角度でのエッチングは、角度付きイオン注入、角度付きイオンエッチング、及び指向性リボンビームイオンエッチングなどの指向性ＲＩＥなどのエッチング処理を含みうる。角度付きイオン注入は、基板４０１の表面４０２に対して所定の角度で基板４０１の表面４０２に向かってイオンを加速すること、所定の角度で基板４０１にイオンを衝突させて、材料を選択的に除去して第１の複数の回折格子４０４を形成することを含む。一実施形態では、イオン発生源の近くにエッチングガスを導入すると、イオンエッチング速度が向上する。角度付きイオン注入装置の一例は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．から入手可能なＶａｒｉａｎ ＶＩＩＳＴＡ（登録商標）Ｔｒｉｄｅｎｔである。
［００３９］ 工程２０７では、基板４０１の表面４０２の第２の非保護領域を曝露するため、基板４０１はマスクされる。第２の非保護領域を曝露するために、シャドウマスクは再配置されてもよく、或いはフォトマスクは再調整されてもよい。工程２０８では、第２の所定の時間だけ所定の角度でエッチングすることによって、第２の深度４２３を有する第２の複数の角度付き回折格子４１０が形成される。第２の複数の角度付き回折格子４１０は、基板４０１の表面４０２に対してある量だけ傾斜した上面４０６と底面４２８と側壁面４０８とをさらに含む。
［００４０］ 工程２０９では、入力カップリング領域１０２、導波領域１０４、及び出力カップリング領域１０６を有する導波構造４００を形成するため、上部パターン面４０７、導波パターン４３３、並びに上部パターン面４０７及び導波パターン４３３の下に配置されたハードマスク４０３が除去される。上部パターン面４０７及び導波パターン４３３は、導波結合器１００の入力カップリング領域１０２、導波領域１０４、及び出力カップリング領域１０６のうちの少なくとも１つを含む導波構造４００を形成するために除去されうる。別の実施形態では、ハードマスク４０３は除去されず、ハードマスク４０３は、約１．５から約２．５の間の制御された屈折率を有する材料を含む。方法２００から得られる導波構造４００は、実質的に均一な屈折率を有する。
［００４１］ 図５は、図６Ａ〜図６Ｅに示されたように、導波構造６００を形成するための方法５００の工程を示すフロー図である。一実施形態では、導波構造６００は、導波結合器１００の入力カップリング領域１０２、導波領域１０４、及び出力カップリング領域１０６のうちの少なくとも１つに対応する。工程５０１では、凸型導波パターン６１３を形成するため、基板６０１の一部６３０の表面６０２上に形成されたハードマスク６０３上に配置されたレジスト６２５に、スタンプ６２６が刻印される。図６Ａに示したように、スタンプ６２６は、逆パターン６３１である凹型導波パターン６１２を有する。逆パターン６３１は、逆入力カップリング部６１４、逆導波器部６１６、及び逆出力カップリング部６１８のうちの少なくとも１つを含む。
［００４２］ 凸型導波パターン６１３は、パターン６２２を含む。パターン６２２は、入力カップリング部６１５、導波器部６１７、及び出力カップリング部６１９のうちの少なくとも１つを含む。パターン６２２は、第１の複数の回折格子パターン６０５、導波パターン６３３、及び第２の複数の回折格子パターン６２７のうちの少なくとも１つを含む。第１の複数の回折格子パターン６０５及び第２の複数の回折格子パターン６２７の各々は、しばしば底部パターン面と称される残留層６１１と、基板６０１の表面６０２に平行な上部パターン面６０７と、基板６０１の表面６０２に対してある量だけ傾斜した側壁パターン面６０９とを有する。
［００４３］ 工程５０２では、凸型導波パターン６１３は、赤外線（ＩＲ）放射および紫外線（ＵＶ）放射などの電磁放射への曝露によって硬化される。工程５０３では、スタンプ６２６はレジスト６２５から取り外される。工程５０４では、残留層６１１が除去されるまで、残留層６１１がプラズマ灰化によって除去される。工程５０５では、残留層６１１の下に配置されたハードマスク６０３は、イオンエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、及び高選択性湿式化学エッチングによって除去される。
［００４４］ 工程５０６では、基板６０１の表面６０２の第１の非保護領域を曝露するために、基板６０１はマスクされる。基板６０１をマスクすることは、シャドウマスクを基板６０１の表面６０２と物理的に接触させて配置すること、又はフォトマスクを基板６０１上に位置合わせして第１の非保護領域を曝露することを含みうる。一実施形態では、第１の非保護領域は第１の領域に対応し、第２の非保護領域は第２の領域に対応し、第３の非保護領域は結果として生じる導波構造６００の第３の領域に対応する。別の実施形態では、第１の非保護領域は、第１の領域、第２の領域、及び第３の領域に対応し、第２の非保護領域は、第２の領域及び第３の領域に対応し、第３の非保護領域は、第３の領域に対応する。一実施形態では、図示のように、第１の領域は入力カップリング領域１０２であり、第２の領域及び第３の領域は出力カップリング領域１０６である。図示していない別の実施形態では、第１の領域、第２の領域、及び第３の領域は、入力カップリング領域１０２又は出力カップリング領域１０６の領域である。
［００４５］ 工程５０７では、一実施形態では、第１の深度６２１を有する第１の複数の回折格子６０４が、第１の所定の時間だけ、所定の角度で方向性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって、第１のエッチング深度まで形成される。第１の複数の回折格子６０４はさらに、基板６０１の表面６０２に平行な上面６０６と、基板６０１の表面６０２に対応する底面６２８と、基板６０１の表面６０２に対してある量だけ傾斜した側壁面６０８とを含む。
［００４６］ 工程５０８では、基板６０１の表面６０２の第２の非保護領域を曝露するため、基板６０１はマスクされる。第２の非保護領域を曝露するために、シャドウマスクは再配置されてもよく、或いはフォトマスクは再調整されてもよい。一実施形態では、第２の非保護領域は、出力カップリング領域１０６の第１の部分６３４に対応する。別の実施形態では、第２の非保護部分は、出力カップリング領域１０６の第１の部分６３４及び第２の部分６３５に対応する。一実施形態では、工程５０９で、第１の部分６３４内に第２の深度６２３を有する第２の複数の角度付き回折格子６１０が、方向性ＲＩＥによって第２の所定の時間に所定の角度で形成される。第２の複数の角度付き回折格子６１０は、基板６０１の表面６０２に対してある量だけ傾斜した上面６０６、下面６２８、及び側壁面６０８をさらに含む。
［００４７］ 工程５１０では、基板６０１の表面６０２の第３の非保護領域を曝露するため、基板６０１はマスクされる。シャドウマスクは、第３の非保護領域を曝露するために、再配置されてよく、或いはフォトマスクは、再調整されてもよい。一実施形態では、第３の非保護領域は、出力カップリング領域１０６の第２の部分６３５に対応する。工程５１１では、第３の所定の時間に、第３の深度６２９を有する第３の複数の角度付き回折格子６３２が、方向性ＲＩＥによって所定の角度で形成される。第３の複数の角度付き回折格子６３２はさらに、基板６０１の表面６０２に平行な上面６０６及び底面６２８と、基板６０１の表面６０２に対してある量だけ傾斜した側壁面６０８とを含む。
［００４８］ 工程５１２では、上部パターン面６０７、導波パターン６３３、並びに上部パターン面６０７及び導波パターン６３３の下に配置されたハードマスク６０３は、プラズマ灰化によって除去される。工程５１３では、上部パターン面６０７及び導波パターン６３３の下に配置されたハードマスク６０３は、イオンエッチング、ＲＩＥ、又は高選択性湿式化学エッチングによって除去され、入力カップリング領域１０２、導波領域１０４、及び出力カップリング領域１０６を有する導波構造６００を形成する。別の実施形態では、ハードマスク６０３は除去されず、ハードマスク６０３は、約１．５から約２．５の間の制御された屈折率を有する材料を含む。方法５００から得られる導波構造６００は、実質的に均一な屈折率を有する。
［００４９］ 要約すると、基板を利用して導波構造を製造する方法が本明細書に記載されている。基板の利用は、実質的に均一な屈折率を有する入力カップリング領域、導波領域、及び出力カップリング領域を有する導波構造をもたらす。空気の屈折率（１．０）と比較して、約１．５〜約２．５の間の屈折率を有する材料を基板に利用することにより、内部全反射、又は少なくともその高次の反射が達成され、拡張された構造を通る光伝播が容易になる。
［００５０］ 上記は、本開示の実施例を対象としているが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく、本開示の他の実施例及びさらなる実施例が考案されてよく、本開示の範囲は、下記の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

  1. 導波構造を形成する方法であって、
    凸型導波パターンを形成するため、スタンプをレジストに刻印することであって、前記レジストは基板の一部の表面に形成されたハードマスク上に配置され、前記凸型導波パターンは、第１の複数の回折格子パターン、導波パターン、及び第２の複数の回折格子パターンのうちの少なくとも１つを含むパターンを含み、前記第１の複数の回折格子パターン及び前記第２の複数の回折格子パターンの各々は、残留層及び上部パターン面を有する、スタンプをレジストに刻印することと、
    前記凸型導波パターンを硬化させるための硬化プロセスを実行することと、
    前記スタンプを取り外すことと、
    前記残留層及び前記残留層の下に配置された前記ハードマスクを除去し、前記基板の前記表面を曝露するため、第１のエッチング処理を実行することと、
    前記基板の前記表面の第１の非保護領域を曝露するため、前記基板をマスクすることと、
    第１の深度を有する第１の複数の回折格子を形成するため、第１の所定の時間だけ、第２のエッチング処理を実行することと、
    前記基板の前記表面の第２の非保護領域を曝露するため、前記基板をマスクすることと、
    第２の深度を有する第２の複数の回折格子を形成するため、第２の所定の時間だけ前記第２のエッチング処理を実行することと、
    入力カップリング領域、導波領域、及び出力カップリング領域のうちの少なくとも１つを含む導波構造を形成するため、前記上部パターン面、前記導波パターン、並びに前記上部パターン面及び前記導波パターンの下に配置された前記ハードマスクを除去することと、
    を含む方法。
  2. 前記上部パターン面及び前記残留層は、前記基板の前記表面に平行である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１の複数の回折格子パターン及び前記第２の複数の回折格子パターンは、前記基板の前記表面に垂直に配向された側壁パターン面を更に含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記第１の複数の回折格子パターン及び前記第２の複数の回折格子パターンは、前記基板の前記表面に対してある量だけ傾斜した側壁パターン面をさらに含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記第１のエッチング処理は、
    前記残留層が除去されるまで、酸素ガス（Ｏ２）含有プラズマ、フッ素ガス（Ｆ２）含有プラズマ、塩素ガス（Ｃｌ２）含有プラズマ、及びメタン（ＣＨ４）含有プラズマのうちの少なくとも１つを使用するプラズマ灰化することと、
    前記残留層の下に配置された前記ハードマスクをイオンエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、又は高選択性湿式化学エッチングすることと、
    を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記第２のエッチング処理は、角度付きイオンエッチングを含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記レジストが、液体材料注入キャスティング処理、スピンオンコーティング処理、液体スプレーコーティング処理、ドライパウダーコーティング処理、スクリーン印刷処理、ドクターブレーディング処理、物理気相堆積（ＰＶＤ）処理、化学気相堆積（ＣＶＤ）処理、流動性ＣＶＤ（ＦＣＶＤ）処理、又は原子層堆積（ＡＬＤ）処理によって、前記基板の一部の前記表面に堆積される、請求項６に記載の方法。
  8. 導波構造を形成する方法であって、
    凸型導波パターンを形成するため、スタンプをレジストに刻印することであって、前記レジストは基板の一部の表面に形成されたハードマスク上に配置され、前記凸型導波パターンは、第１の複数の回折格子パターン、導波パターン、及び第２の複数の回折格子パターンのうちの少なくとも１つを含むパターンを含み、前記第１の複数の回折格子パターン及び前記第２の複数の回折格子パターンの各々は、残留層、上部パターン面、及び前記基板の前記表面に対して傾斜した側壁パターン面を有する、スタンプをレジストに刻印することと、
    前記凸型導波パターンを硬化させるための硬化処理を実行することと、
    前記スタンプを取り外すことと、
    前記残留層及び前記残留層の下に配置された前記ハードマスクを除去し、前記基板の前記表面を曝露するため、第１のエッチング処理を実行することと、
    前記基板の前記表面の第１の非保護領域を曝露するため、前記基板をマスクすることと、
    第１の深度を有する第１の複数の角度付き回折格子を形成するため、第１の所定の時間だけ所定の角度でのエッチングすることと、
    前記基板の前記表面の第２の非保護領域を曝露するため、前記基板をマスクすることと、
    第２の深度を有する第２の複数の角度付き回折格子を形成するため、第２の所定の時間だけ、前記所定の角度でエッチングすることと、
    入力カップリング領域、導波領域、及び出力カップリング領域のうちの少なくとも１つを含む導波構造を形成するため、前記上部パターン面、前記導波パターン、並びに前記上部パターン面及び前記導波パターンの下に配置された前記ハードマスクを除去することと、
    を含む方法。
  9. 前記基板の前記表面の第３の非保護領域を曝露するため、前記基板をマスクすることと、
    第３の深度を有する第３の複数の角度付き回折格子を形成するため、第３の所定の時間だけ、前記所定の角度でエッチングすることと、
    をさらに含む、請求項８に記載の方法。
  10. 前記第１の深度を有する前記第１の複数の角度付き回折格子、前記第２の深度を有する前記第２の複数の角度付き回折格子、及び前記第３の深度を有する前記第３の複数の角度付き回折格子の各々は、
    前記基板の前記表面に平行な上面と、
    前記基板の前記表面に対してある量だけ傾斜した側壁面と、
    前記基板の前記表面に対応する底面と、
    を含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記所定の角度でエッチングすることは、方向性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記第１のエッチング処理は、
    前記残留層が除去されるまで、酸素ガス（Ｏ２）含有プラズマ、フッ素ガス（Ｆ２）含有プラズマ、塩素ガス（Ｃｌ２）含有プラズマ、及びメタン（ＣＨ４）含有プラズマのうちの少なくとも１つを使用するプラズマ灰化することと、
    前記残留層の下に配置された前記ハードマスクをイオンエッチング、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、又は高選択性湿式化学エッチングすることと、
    を含む、請求項８に記載の方法。
  13. 前記硬化処理は、紫外線（ＵＶ）硬化、赤外線（ＩＲ）硬化、溶媒蒸発硬化、又は熱硬化を含む、請求項８に記載の方法。
  14. 前記レジストは、液体材料注入キャスティング処理、スピンオンコーティング処理、液体スプレーコーティング処理、ドライパウダーコーティング処理、スクリーン印刷処理、ドクターブレーディング処理、物理気相成長（ＰＶＤ）処理、化学気相成長（ＣＶＤ）処理、流動性ＣＶＤ（ＦＣＶＤ）処理、又は原子層堆積（ＡＬＤ）処理によって、前記基板の一部の前記表面に堆積される、請求項８に記載の方法。
  15. 導波構造を形成する方法であって、
    凸型導波パターンを形成するため、スタンプをレジストに刻印することであって、前記レジストは基板の表面に形成されたハードマスク上に配置され、前記凸型導波パターンは、第１の複数の回折格子パターン、導波パターン、及び第２の複数の回折格子パターンのうちの少なくとも１つを含むパターンを備え、前記第１の複数の回折格子パターン及び前記第２の複数の回折格子パターンの各々は、残留層、上部パターン面、及び前記基板の前記表面に対して傾斜した側壁パターン面を有する、スタンプをレジストに刻印することと、
    前記凸型導波パターンを電磁放射で硬化することと、
    前記スタンプを取り外すことと、
    前記残留層が除去されるまでプラズマ灰化することと、
    前記基板の前記表面を曝露するため、前記残留層の下に配置された前記ハードマスクを反応性イオンエッチングすることと、
    前記基板の前記表面の第１の非保護領域を曝露するため、前記基板をマスクすることと、
    第１の深度を有する第１の複数の角度付き回折格子を形成するため、第１の所定の時間だけ、所定の角度での方向性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うことと、
    前記基板の前記表面の第２の非保護領域を曝露するため、前記基板をマスクすることと、
    第２の複数の角度付き回折格子を形成するため、第２の所定の時間だけ、前記所定の角度で方向性ＲＩＥを行うことと、
    前記基板の前記表面の第３の非保護領域を曝露するため、前記基板をマスクすることと、
    第３の深度を有する第３の複数の角度付き回折格子を形成するため、第３の所定の時間だけ、前記所定の角度で方向性ＲＩＥを行うことと、
    前記上部パターン面及び前記導波パターンが除去されるまでプラズマ灰化することと、
    入力カップリング領域、導波領域、及び出力カップリング領域のうちの少なくとも１つを含む導波構造を形成するため、前記上部パターン面及び前記導波パターンの下に配置された前記ハードマスクを反応性イオンエッチングすることと、
    を含む方法。
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