JP2022505873A - テーパー状の傾斜したフィンを作製するための制御されたハードマスク成形 - Google Patents
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Abstract
本明細書に記載の実施形態は、光学デバイス構造を形成する方法に関する。この方法の一実施形態は、基板の表面の表面法線に対してイオン角度で基板をイオンに曝露して、複数の深さのうちの最初の深さを形成することを含む。パターニングされたマスクが、基板上に配置され、基板または基板上に配置されたデバイス層の露出部分を画定する２つ以上の突起を含む。各突起は、デバイス層と接触する底面における後縁、各突起の上面における前縁、および上面からデバイス層までの高さを有する。基板をイオン角度でイオンに曝露することを繰り返して、複数の深さのうちの少なくとも１つの後続の深さを形成する。
【選択図】図３Ｆ
【選択図】図３Ｆ
Description
関連出願への相互参照
［０００１］本出願は、参照により本明細書に組み込まれる２０１８年１０月３１日に出願された米国仮特許出願第６２／７５３，８４７号の優先権を主張する。
［０００１］本出願は、参照により本明細書に組み込まれる２０１８年１０月３１日に出願された米国仮特許出願第６２／７５３，８４７号の優先権を主張する。
［０００２］本開示の実施形態は、概して、拡張現実、仮想現実、および複合現実のための光学デバイスに関する。より具体的には、本明細書に記載の実施形態は、テーパーフィンを備えた光学デバイスの製造を提供する。
［０００３］一般に、仮想現実は、ユーザーが物理的に存在するように見えるコンピュータ生成のシミュレートされた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、実際の環境を置き換える仮想現実環境を表示するためのレンズとしてニアアイディスプレイパネルを備えたメガネやその他のウェアラブルディスプレイデバイス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。
［０００４］しかしながら、拡張現実は、ユーザーがメガネや他のＨＭＤデバイスのディスプレイレンズを通して周囲の環境を見ることができるが、ディスプレイ用に生成され環境の一部として現れる仮想オブジェクトのイメージも見ることができる体験を可能にする。拡張現実には、ユーザーが体験する環境を強化または拡張する仮想イメージ、グラフィック、ビデオだけでなく、音声入力や触覚入力など、あらゆるタイプの入力を含めることができる。新たに出現した技術として、拡張現実には多くの課題と設計上の制約がある。
［０００５］そのような課題の１つは、周囲環境にオーバーレイされた仮想イメージを表示することである。導波管などの光学デバイスが、イメージのオーバーレイを支援するために使用される。生成された光は、光学デバイスを通って伝搬し、光学デバイスを出て周囲環境にオーバーレイされる。光学デバイスの特性は不均一になる傾向があるので、光学デバイスの製造は困難であり得る。したがって、当技術分野で必要とされているのは、改良された光学デバイスおよび製造方法である。
［０００６］一実施形態で、方法が提供される。この方法は、基板の表面の表面法線に対してイオン角度で基板をイオンに曝露して、複数の深さのうちの最初の深さを形成することを含む。パターニングされた多層マスクが、基板上に配置され、基板または基板上に配置されたデバイス層の露出部分を画定する２つ以上の最初の突起を有する、基板上に配置された最初のパターニングされたマスクを含む。各最初の突起は、基板上に配置された底面における後縁を有する。２つ以上の後続の突起を有する少なくとも１つの後続のパターニングされたマスクが、最初のパターニングされたマスクの各最初の突起上に配置される。各後続の突起は、各後続の突起の上面における前縁と、上面から各最初の突起までの高さを含む。イオン角度で基板をイオンに曝露することを繰り返して、複数の深さのうちの少なくとも１つの後続の深さを形成する。
［０００７］別の実施形態で、方法が提供される。この方法は、基板の表面の表面法線に対してイオン角度で基板をイオンに曝露して、複数の深さのうちの最初の深さを形成することを含み、パターニングされたマスクが、基板上に配置され、基板または基板上に配置されたデバイス層の露出部分を画定する２つ以上の突起を含む。各突起は、デバイス層と接触する底面における後縁、各突起の上面における前縁、および上面からデバイス層までの高さを有する。イオン角度で基板をイオンに曝露することを繰り返して、複数の深さのうちの少なくとも１つの後続の深さを形成する。
［０００８］さらに別の実施形態で、方法が提供される。この方法は、基板上に配置されたデバイス層を、基板の表面の表面法線に対してイオン角度でデバイス層と接触するイオンに曝露して、複数の深さのうちの最初の深さを形成することを含む。パターニングされた多層マスクが、デバイス層上に配置され、デバイス層の露出部分を画定する２つ以上の最初の突起を有する、デバイス層上に配置された最初のパターニングされたマスクを含む。各最初の突起は、デバイス層と接触する底面における後縁を有する。最初のパターニングされたマスクは、第１の侵食速度を有する第１の材料を含む。２つ以上の後続の突起を有する少なくとも１つの後続のパターニングされたマスクが、最初のパターニングされたマスクの各最初の突起上に配置される。各後続の突起は、各後続の突起の上面における前縁と、上面から各最初の突起までの高さを含む。イオン角度のイオンに基板を曝露することを繰り返して、複数の深さのうちの少なくとも１つの後続の深さを形成する。
［０００９］本開示の上記の特徴が詳細に理解されるように、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、そのいくつかは、添付の図面に示されている。しかしながら、添付の図面は、例示的な実施形態のみを例示し、したがって、その範囲を限定すると見なされるべきではなく、他の同等に有効な実施形態を認めることができることに留意されたい。
［００１５］理解を容易にするために、可能な場合は、図に共通する同一の要素を示すために、同一の参照番号が使用されている。ある実施形態の要素および特徴は、さらに詳説することなく、他の実施形態に有益に組み込まれ得ることが企図されている。
［００１６］本明細書に記載の実施形態は、テーパーフィンを備えた光学デバイス構造を形成する方法に関する。この方法は、基板の表面の表面法線に対してイオン角度で、基板または基板上に配置されたデバイス層と接触するイオンに、基板を曝露することを含む。ハードマスク成形の利用、つまり、パターニングされたマスクの前縁によって規定される前縁平面とパターニングされたマスクの後縁によって規定される後縁平面との間の距離を制御することにより、各フィンの線幅とフィンの深さが増加し、光学デバイス構造の基板またはデバイス層にテーパーフィンを形成することを可能にする。
［００１７］図１は、光学デバイス１００の正面図である。以下に説明する光学デバイス１００は、光学デバイスの一例である。光学デバイス１００は、複数のフィン１０８によって規定される入力結合領域１０２、光学デバイス領域１０４、および複数のフィン１１０によって規定される出力結合領域１０６を含む。
［００１８］入力結合領域１０２は、マイクロディスプレイから、ある強度を有する入射光ビーム（仮想イメージ）を受け取る。複数のフィン１０８の各フィンが、各ビームがモードを有する入射ビームを、複数のモードに分割する。ゼロ次モード（Ｔ０）ビームは、光学デバイス１００内で屈折して戻るか、または失われ、正の１次モード（Ｔ１）ビームは、光学デバイス領域１０４を横切って出力結合領域１０６まで光学デバイス１００を通って全内部反射（ＴＩＲ）を行い、負の１次モード（Ｔ－１）ビームは、光学デバイス１００内をＴ１ビームとは反対の方向に伝搬する。Ｔ１ビームは、出力結合領域１０６内の複数のフィン１１０と接触するまで、光学デバイス１００を通って全内部反射（ＴＩＲ）を行う。Ｔ１ビームは、複数のフィン１１０のうちのフィンと接触し、そこで、Ｔ１ビームは、光学デバイス１００内で屈折して戻るかまたは失われるＴ０ビーム、複数のフィン１１０のうちの別のフィンと接触するまで出力結合領域１０６でＴＩＲを行うＴ１ビーム、および光学デバイス１００から出て結合するＴ－１ビームに分割される。光学デバイス１００を通って出力結合領域１０６に結合するＴ１ビームを制御し、光学デバイス１００から出て結合するＴ－１ビームを制御する１つのアプローチは、複数のフィン１０８および複数のフィン１１０の各フィンの形状を制御することである。複数のフィン１０８および複数のフィン１１０の各フィンのテーパー形状は、視野の調節および光学帯域幅の増大を提供する。
［００１９］図２は、図３Ａ～図３Ｇに示される光学デバイス構造３００を形成するための方法２００の流れ図である。一実施形態では、光学デバイス構造３００は、光学デバイス１００の入力結合領域１０２および／または出力結合領域１０６に対応する。工程２０１において、基板３０２が、イオンビームなどのイオン３０１に曝露される。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、イオン３０１は、基板３０２の表面３０４の表面法線３０３に対してイオン角度θで基板３０２と接触する。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、イオン３０１が、基板３０２の表面３０４の表面法線３０３に対してイオン角度θでデバイス層３０８と接触するように、デバイス層３０８が、基板３０２上に配置される。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができるさらに別の実施形態では、エッチング停止層３０６が、デバイス層３０８と基板３０２の表面３０４との間に配置される。図３Ｆに示すように、デバイス層３０８が基板３０２上に配置されるとき、光学デバイス構造３００は、デバイス層３０８に形成された少なくとも１つのフィン３２６を含む。そうでなければ、図３Ｇに示すように、光学デバイス構造３００は、基板３０２に形成された少なくとも１つのフィン３２６を含む。デバイス層３０８内に少なくとも１つのフィン３２６を形成する態様が議論されるが、基板３０２内の少なくとも１つのフィン３２６が、デバイス層３０８がその上に配置されることなく、同様に形成されることを理解されたい。
［００２０］基板３０２の１つをイオン角度θでイオン３０１に曝露することは、イオン３０１を基板３０２に加速する傾斜イオンエッチングおよび指向性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのエッチングプロセスを含むことができる。傾斜イオンエッチングは、リボンビーム、スポットビーム、またはフル基板サイズビームなどのイオンビームを生成すること、およびイオンビームをイオン角度θでデバイス層３０８に向けることを含む。イオンビームは、イオンビームを生成するために活性化されたガスまたはガス混合物に対応するエッチング化学物質を有する。傾斜イオンエッチングシステムの一例は、カリフォルニア州サンタクララにあるＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＶａｒｉａｎ ＶＩＩＳｔａ（登録商標）システムである。指向性ＲＩＥは、ガスまたはガス混合物に高周波（ＲＦ）電力を印加することによって、エッチング化学物質としても知られるガスまたはガス混合物をプラズマへ励起することと、プラズマのイオンをイオン角度θで基板３０２に向けることとを含む。
［００２１］本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、デバイス層３０８は、オキシ炭化ケイ素（ＳｉＯＣ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化バナジウム（ＩＶ）（ＶＯｘ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化チタン（ＴｉＮ）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、および炭窒化ケイ素（ＳｉＣＮ）を含む材料のうちの少なくとも１つを含むが、これらに限定されない。基板３０２は、アモルファス誘電体、非アモルファス誘電体、結晶誘電体、酸化ケイ素、ポリマー、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むが、これらに限定されない。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、基板３０２は、酸化物、硫化物、リン化物、テルル化物、およびそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むが、これらに限定されない。一例では、基板３０２は、ケイ素（Ｓｉ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、サファイア、および高屈折率透明材料を含む材料のうちの少なくとも１つを含む。
［００２２］図３Ａに示すように、工程２０１の前に、パターニングされた多層マスクが、デバイス層３０８と基板３０２のうちの一方に配置される。パターニングされた多層マスクは、最初のパターニングされたマスク３１０および少なくとも１つの後続のパターニングされたマスク３１２を含む。最初のパターニングされたマスク３１０は、デバイス層３０８と基板３０２のうちの一方に配置される。最初のパターニングされたマスク３１０は、デバイス層３０８（または基板３０２）の露出部分を画定する２つ以上の最初の突起３１１を含む。２つ以上の突起３１３を有する少なくとも１つの後続のパターニングされたマスク３１２が、最初のパターニングされたマスク３１０上に配置される。２つ以上の突起３１３は、２つ以上の突起３１１と実質的に整列している。各突起３１３は、各突起３１３の上面３２０に前縁３１５を含む。各突起３１１は、デバイス層３０８（または基板３０２）と接触する底面３１８に後縁３１７を有する。最初のパターニングされたマスク３１０は、隣接する後縁３１７間のピッチ３２２を含む。各突起３１１は、底面３１８から後続のパターニングされたマスク３１２までの第１の高さ３１４を有する。各突起３１３は、最初のパターニングされたマスク３１０から上面３２０までの第２の高さ３１６を有する。工程２０１の前において、第１の高さ３１４と第２の高さ３１６は、実質的に同じである。
［００２３］図３Ｂは、工程２０１における基板３０２の概略断面図である。図３Ｂに示すように、イオン３０１が、基板３０２の表面３０４の表面法線３０３に対してイオン角度θでデバイス層３０８（または基板３０２）と接触する。イオン３０１は、少なくとも１つのキャビティ３６８の複数の深さ３２７（図３Ｄ～図３Ｆに示される）のうちの最初の深さ３２５をデバイス層３０８または基板３０２（図３Ｇ）にエッチングする。図３Ｄ～図３Ｇに示すように、各キャビティ３６８は、２つの隣接するフィン３２６の間にある。工程２０１の後、最初の深さ３２５に加えて、少なくとも１つのキャビティ３６８は、前側壁３５９（図３Ｆおよび図３Ｇに示される）の最初の前側壁部分３５７、後側壁３６４（図３Ｆおよび図３Ｇに示される）の最初の後側壁部分３６１、および最初の前側壁部分３５７から最初の後側壁部分３６１までの最初の線幅３６３を含む。最初の前側壁部分３５７は、表面法線３０３に対するイオン角度θに対応する最初の前角度αｉを有する。最初の後側壁部分３６１は、表面法線３０３に対するイオン角度θに対応する最初の後角度βｉを有する。最初の線幅３６３は、各突起３１３の上面３２０における前縁３１５によって規定される前縁平面３３４と、デバイス層３０８（または基板３０２）と接触する底面３１８における後縁３１７によって規定される後縁平面３３６との間の距離３３２によって制御される。イオン角度θのイオン３０１は、距離３３２の外側でデバイス層３０８（または基板３０２）と接触しないので、距離３３２は、最初の線幅３６３に対応する。距離３３２が、少なくとも１つの後続の線幅３６５（図３Ｄ～図３Ｇに示される）について増加するように、第２の高さ３１６が制御される、すなわち低減される。
［００２４］図３Ｃに示すように、工程２０１の後、第２の高さ３１６は減少する。後続のパターニングされたマスク３１２は、第２の侵食速度を有する第２の材料を含み、最初のパターニングされたマスク３１０は、第１の侵食速度を有する第１の材料を含む。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、第１の材料は、ＴｉＮ、窒化タンタル（ＴａＮ）、およびクロム（Ｃｒ）含有材料のうちの少なくとも１つを含む。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、第２の材料は、酸化ケイ素（ＳｉＯｘ）およびＳｉＣＮのうちの少なくとも１つを含む。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができるさらに別の実施形態では、第２の材料は、スピンオンカーボン（ＳＯＣ）、フォトレジスト、および底部反射防止コーティング材料のうちの少なくとも１つを含む。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、デバイス層３０８がイオン３０１に曝露されるとき、イオン３０１のエッチング化学物質により、第２の侵食速度は、第１の侵食速度よりも大きい。例えば、第１の材料はＴｉＮを含み、第２の材料はＳｉＯｘを含み、イオン３０１のエッチング化学物質は、フルオロメタン（ＣＨ３Ｆ）、二原子酸素（Ｏ２）、およびアルゴン（Ａｒ）などのキャリアガスを含む。ＣＨ３Ｆ、Ｏ２、およびＡｒのエッチング化学物質によって生成されたイオン３０１に曝露されるとき、ＳｉＯｘを含む第２の材料は、ＴｉＮを含む第１の材料よりも大きい速度で侵食される。したがって、デバイス層３０８（または基板３０２）がイオン３０１に曝露されると、距離３３２が減少する。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、第２の侵食速度は、Ｏ２などのエッチングプロセスのエッチング化学物質に依存して、第１の侵食速度よりも大きい。Ｏ２のエッチング化学物質によって生成されたイオンに曝露されるとき、第２の材料は、第１の材料よりも大きい速度で侵食される。任意選択の工程２０２は、エッチングプロセスを実行して、第２の高さ３１６を減少させることを含む。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、エッチングプロセスは、等方性エッチングプロセスである。
［００２５］工程２０３では、工程２０１が繰り返されて、少なくとも１つのキャビティ３６８の複数の深さ３２７のうちの少なくとも１つの後続の深さ３２８が、デバイス層３０８（または基板３０２）にエッチングされる。図３Ｄに示されるように、後続の深さ３２８に加えて、キャビティ３６８は、前側壁３５９の後続の前側壁部分３５８、後側壁３６４の後続の後側壁部分３６２、および後続の前側壁部分３５８から後続の後側壁部分３６２までの後続の線幅３６５を含む。後続の前側壁部分３５８は、表面法線３０３に対するイオン角度θに対応する後続の前角度αｓを有する。後続の後側壁部分３６２は、表面法線３０３に対するイオン角度θに対応する後続の後前角度βｓを有する。後続の線幅３６５は、第２の高さ３１６を減少させることによって増加した前縁平面３３４と後縁平面３３６との間の距離３３２によって制御される。イオン角度θのイオン３０１は、距離３３２の外側でデバイス層３０８（または基板３０２）と接触しないので、距離３３２は、後続の線幅３６５に対応する。図３Ｅに示すように、任意選択の工程２０４は、少なくとも１つのキャビティ３６８の各後続の深さ３２８がエッチングされた後に、任意選択の工程２０２を繰り返すことを含む。
［００２６］図３Ｆおよび図３Ｇは、光学デバイス構造３００の概略断面図である。少なくとも１つのキャビティ３６８が、フィンの深さに対応する最初の深さ３２５および少なくとも１つの後続の深さ３２８を含む複数の深さ３２７を有する、光学デバイス構造３００が、形成されるまで、工程２０１および任意選択の工程２０２が繰り返される。少なくとも１つのキャビティ３６８は、クリティカルディメンション３６６を有する。クリティカルディメンション３６６は、隣接する残りの突起３１３および突起３１１によって画定される露出部分の半値全幅（ＦＷＨＭ）である。最初の深さ３２５および各後続の深さ３２８を減少させると、少なくとも１つのキャビティ３６８のより滑らかな前側壁３５９が得られる。表面法線３０３に対して測定された前側壁３５９の平面３７６の前角度αは、約１５°から約７０°である。表面法線３０３に対して測定された後側壁３６４の後角度βは、約２０°から約７５°である。
［００２７］本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、最初のパターニングされたマスク３１０および少なくとも１つの後続のパターニングされたマスク３１２は、不透明材料を含み、光学デバイス構造３００が形成された後に除去される。例えば、最初のパターニングされたマスク３１０および少なくとも１つの後続のパターニングされたマスク３１２は、Ｃｒまたは銀（Ａｇ）などの反射性材料を含む。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、光学デバイス構造３００が形成された後に、最初のパターニングされたマスク３１０および少なくとも１つの後続のパターニングされたマスク３１２が残るように、最初のパターニングされたマスク３１０および少なくとも１つの後続のパターニングされたマスク３１２は、透明材料を含む。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、エッチング停止層３０６は、光学デバイス構造３００が形成された後に除去される不透明なエッチング停止層である。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、エッチング停止層３０６は、光学デバイス構造３００が形成された後に残る透明なエッチング停止層である。
［００２８］図４は、図５Ａ～図５Ｇに示される光学デバイス構造５００を形成するための方法４００の流れ図である。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、光学デバイス構造５００は、光学デバイス１００の入力結合領域１０２および／または出力結合領域１０６に対応する。工程４０１では、基板３０２が、イオン３０１に曝露される。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、イオン３０１は、基板３０２の表面３０４の表面法線３０３に対してイオン角度θで基板３０２と接触する。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、イオン３０１が、基板３０２の表面３０４の表面法線３０３に対してイオン角度θでデバイス層３０８と接触するように、デバイス層３０８が、基板３０２上に配置される。一実施形態では、エッチング停止層３０６が、デバイス層３０８と基板３０２の表面３０４との間に配置される。デバイス層３０８をイオン角度θでイオン３０１に曝露することは、イオン３０１をデバイス層３０８（または基板３０２）に加速する傾斜イオンエッチングおよび指向性ＲＩＥなどのエッチングプロセスを含むことができる。図５Ｆに示すように、デバイス層３０８が基板３０２上に配置されるとき、光学デバイス構造５００は、デバイス層３０８に形成された少なくとも１つのフィン５２６を含む。そうでなければ、図５Ｇに示すように、光学デバイス構造５００は、基板３０２に形成された少なくとも１つのフィン５２６を含む。デバイス層３０８内に少なくとも１つのフィン５２６を形成する態様が議論されるが、基板３０２内の少なくとも１つのフィン５２６が、デバイス層３０８がその上に配置されることなく、同様に形成されることを理解されたい。
［００２９］図５Ａに示すように、パターニングされたマスク５１０が、デバイス層３０８（または基板３０２）上に配置される。パターニングされたマスク５１０は、デバイス層３０８（または基板３０２）の露出部分を画定する２つ以上の突起５１１を含む。各突起５１１は、上面５２０における前縁５１５およびデバイス層３０８（または基板３０２）と接触する底面５１８における後縁５１７を含む。パターニングされたマスク５１０は、ピッチ５２２を含む。ピッチ５２２は、隣接する後縁５１７間または隣接する前縁５１５間で測定することができる。各突起５１１は、底面５１８から上面５２０までの高さ５１４を有する。
［００３０］図５Ｂに示すように、イオン３０１は、基板３０２の表面３０４の表面法線３０３に対してイオン角度θでデバイス層３０８（または基板３０２）と接触する。イオン３０１は、少なくとも１つのキャビティ５６８の複数の深さ５２７（図５Ｄ～図５Ｇに示される）のうちの最初の深さ５２５をデバイス層３０８（または基板３０２）にエッチングする。図５Ｄ～図５Ｇに示すように、各キャビティ５６８は、２つの隣接するフィン５２６の間にある。工程４０１の後、最初の深さ５２５に加えて、キャビティ５６８は、前側壁５５９の最初の前側壁部分５５７、後側壁３６４の最初の後側壁部分５６１、および最初の前側壁部分５５７から最初の後側壁部分５６１までの最初の線幅５６３を含む。最初の前側壁部分５５７は、表面法線３０３に対するイオン角度θに対応する最初の前角度αｉを有する。後側壁部分５６１は、表面法線３０３に対するイオン角度θに対応する最初の後角度βｉを有する。最初の線幅５６３は、上面５２０における前縁５１５によって規定される前縁平面５３４と、底面５１８における後縁５１７によって規定される後縁平面５３６との間の距離５３２によって制御される。イオン角度θのイオン３０１は、距離５３２の外側でデバイス層３０８と接触しないので、距離５３２は、最初の線幅５６３に対応する。距離５３２が、少なくとも１つの後続の線幅３６５について増加するように、各突起５１１の高さ５１４および突起幅５１６が制御される、すなわち低減される。図５Ｃに示すように、工程４０２は、異方性エッチングプロセスを実行して、高さ５１４および突起幅５１６を減少させることを含む。
［００３１］図５Ｄ～図５Ｇに示すように、工程４０３では、工程４０１および４０２が繰り返され、フィンの深さに対応する最初の深さ３２５および少なくとも１つの後続の深さ５２８を含む複数の深さ５２７を有する少なくとも１つのキャビティ５６８を有する光学デバイス構造５００が形成されるまで、少なくとも１つのキャビティ５６８の複数の深さ５２７のうちの少なくとも１つの後続の深さ５２８をデバイス層３０８（または基板３０２）にエッチングする。キャビティ５６８は、前側壁５５９の少なくとも１つの後続の前側壁部分５５８、後側壁５６４の少なくとも１つの後続の後側壁部分５６２、および後続の前側壁部分５５８から後続の後側壁部分５６２への少なくとも１つの後続の線幅５６５を含む。後続の前側壁部分５５８は、表面法線３０３に対するイオン角度θに対応する後続の前角度αｓを有する。後側壁部分５６１は、表面法線３０３に対するイオン角度θに対応する後続の後角度βｓを有する。後続の線幅５６５は、異方性エッチングプロセスを実行することにより高さ５１４および突起幅５１６を減少させることによって増加する前縁平面５３４と後縁平面５３６との間の距離５３２によって制御される。イオン角度θのイオン３０１は、距離５３２の外側でデバイス層３０８（または基板３０２）と接触しないので、距離５３２は、後続の線幅３６５に対応する。
［００３２］図５Ｆおよび図５Ｇに示すように、少なくとも１つのキャビティ５６８は、クリティカルディメンション５６６を有する。クリティカルディメンション５６６は、隣接する残りの突起５１１によって画定される露出部分のＦＷＨＭである。最初の深さ５２５および各後続の深さ５２８を減少させると、少なくとも１つのキャビティ５６８のより滑らかな前側壁５５９およびより滑らかな後側壁５６４が得られる。表面法線３０３に対して測定された前側壁５５９の平面５７６の前角度αは、約１５°から約７０°である。表面法線３０３に対して測定された後側壁５６４の平面５７７の後角度βは、約２０°から約７５°である。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、パターニングされたマスク５１０は、不透明材料を含む。したがって、パターニングされたマスク５１０は、光学デバイス構造５００が形成された後に除去される。例えば、パターニングされたマスク５１０は、Ｃｒまたは銀（Ａｇ）などの反射性材料を含む。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、光学デバイス構造５００が形成された後に、パターニングされたマスク５１０が残るように、パターニングされたマスク５１０は、透明材料を含む。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、エッチング停止層３０６は、光学デバイス構造５００が形成された後に除去される不透明なエッチング停止層である。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、エッチング停止層３０６は、光学デバイス構造５００が形成された後に残る透明なエッチング停止層である。
［００３３］要約すると、テーパーフィンを有する光学デバイス構造を形成する方法が、本明細書に記載されている。ハードマスク成形の利用、つまり、パターニングされたマスクの前縁によって規定される前縁平面とパターニングされたマスクの後縁によって規定される後縁平面との間の距離を制御することにより、各フィンの線幅とフィンの深さが増加し、光学デバイス構造のデバイス層にテーパーフィンを形成することを可能にする。
［００３４］上記は、本開示の実施例に向けられているが、本開示の他のさらなる実施例が、その基本的な範囲から逸脱することなく考案されることができ、その範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
［００２０］基板３０２をイオン角度θでイオン３０１に曝露することは、イオン３０１を基板３０２に加速する傾斜イオンエッチングおよび指向性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのエッチングプロセスを含むことができる。傾斜イオンエッチングは、リボンビーム、スポットビーム、またはフル基板サイズビームなどのイオンビームを生成すること、およびイオンビームをイオン角度θでデバイス層３０８に向けることを含む。イオンビームは、イオンビームを生成するために活性化されたガスまたはガス混合物に対応するエッチング化学物質を有する。傾斜イオンエッチングシステムの一例は、カリフォルニア州サンタクララにあるＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＶａｒｉａｎ ＶＩＩＳｔａ（登録商標）システムである。指向性ＲＩＥは、ガスまたはガス混合物に高周波（ＲＦ）電力を印加することによって、エッチング化学物質としても知られるガスまたはガス混合物をプラズマへ励起することと、プラズマのイオンをイオン角度θで基板３０２に向けることとを含む。
［００２５］工程２０３では、工程２０１が繰り返されて、少なくとも１つのキャビティ３６８の複数の深さ３２７のうちの少なくとも１つの後続の深さ３２８が、デバイス層３０８（または基板３０２）にエッチングされる。図３Ｄに示されるように、後続の深さ３２８に加えて、キャビティ３６８は、前側壁３５９の後続の前側壁部分３５８、後側壁３６４の後続の後側壁部分３６２、および後続の前側壁部分３５８から後続の後側壁部分３６２までの後続の線幅３６５を含む。後続の前側壁部分３５８は、表面法線３０３に対するイオン角度θに対応する後続の前角度αｓを有する。後続の後側壁部分３６２は、表面法線３０３に対するイオン角度θに対応する後続の後角度βｓを有する。後続の線幅３６５は、第２の高さ３１６を減少させることによって増加した前縁平面３３４と後縁平面３３６との間の距離３３２によって制御される。イオン角度θのイオン３０１は、距離３３２の外側でデバイス層３０８（または基板３０２）と接触しないので、距離３３２は、後続の線幅３６５に対応する。図３Ｅに示すように、任意選択の工程２０４は、少なくとも１つのキャビティ３６８の各後続の深さ３２８がエッチングされた後に、任意選択の工程２０２を繰り返すことを含む。
［００３２］図５Ｆおよび図５Ｇに示すように、少なくとも１つのキャビティ５６８は、クリティカルディメンション５６６を有する。クリティカルディメンション５６６は、隣接する残りの突起５１１によって画定される露出部分のＦＷＨＭである。最初の深さ５２５および各後続の深さ５２８を減少させると、少なくとも１つのキャビティ５６８のより滑らかな前側壁５５９およびより滑らかな後側壁５６４が得られる。表面法線３０３に対して測定された前側壁５５９の平面５７６の前角度αは、約１５°から約７０°である。表面法線３０３に対して測定された後側壁５６４の平面５７７の後角度βは、約２０°から約７５°である。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、パターニングされたマスク５１０は、不透明材料を含む。したがって、パターニングされたマスク５１０は、光学デバイス構造５００が形成された後に除去される。例えば、パターニングされたマスク５１０は、Ｃｒまたは銀などの反射性材料を含む。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、光学デバイス構造５００が形成された後に、パターニングされたマスク５１０が残るように、パターニングされたマスク５１０は、透明材料を含む。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、エッチング停止層３０６は、光学デバイス構造５００が形成された後に除去される不透明なエッチング停止層である。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、エッチング停止層３０６は、光学デバイス構造５００が形成された後に残る透明なエッチング停止層である。
Claims (15)
- 基板であって、パターニングされた多層マスクが、前記基板上に配置され、前記パターニングされた多層マスクが、
前記基板または前記基板上に配置されたデバイス層の露出部分を画定する２つ以上の最初の突起であって、各最初の突起が、前記基板上に配置された底面における後縁を有する、最初の突起を有する、前記基板上に配置された最初のパターニングされたマスクと、
前記最初のパターニングされたマスクの各最初の突起上に配置された２つ以上の後続の突起であって、各後続の突起が、各後続の突起の上面における前縁と、前記上面から各最初の突起までの高さとを含む、後続の突起を有する少なくとも１つの後続のパターニングされたマスクと、
を含む、基板を、前記基板の表面の表面法線に対してイオン角度のイオンに曝露して、複数の深さのうちの最初の深さを形成することと、
前記基板を前記イオン角度のイオンに曝露することを繰り返して、前記複数の深さのうちの少なくとも１つの後続の深さを形成することと、
を含む方法。 - 前記最初のパターニングされたマスクが、第１の侵食速度を有する第１の材料を含み、前記少なくとも１つの後続のパターニングされたマスクが、第２の侵食速度を有する第２の材料を含む、請求項１に記載の方法。
- 前記基板を前記イオン角度のイオンに曝露した後に、エッチングプロセスを実行することを、さらに含む、請求項２に記載の方法。
- 前記エッチングプロセスのエッチング化学物質に基づいて、前記第２の侵食速度が、前記第１の侵食速度よりも大きい、請求項３に記載の方法。
- 前記基板が前記イオンに曝露されたとき、前記第２の侵食速度が、前記第１の侵食速度よりも大きい、請求項２に記載の方法。
- 前記少なくとも１つの後続の深さの後続の線幅が、前記高さを減少させることにより前記前縁の前縁平面と前記後縁の後縁平面との間の距離によって制御される、請求項２に記載の方法。
- 前記基板をイオンに曝露することが、傾斜イオンエッチングまたは指向性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記最初のパターニングされたマスクが、前記デバイス層と接触する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
- 基板であって、パターニングされたマスクが、前記基板上に配置され、前記パターニングされたマスクが、前記基板または前記基板上に配置されたデバイス層の露出部分を画定する２つ以上の突起を備え、各突起が、前記デバイス層と接触する底面における後縁、各突起の上面における前縁、および前記上面から前記デバイス層までの高さを有する、基板を、前記基板の表面の表面法線に対してイオン角度のイオンに曝露して、複数の深さのうちの最初の深さを形成することと、
前記基板を前記イオン角度のイオンに曝露することを繰り返して、前記複数の深さのうちの少なくとも１つの後続の深さを形成することと、
を含む方法。 - 前記デバイス層をイオンに曝露することが、傾斜イオンエッチングまたは指向性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を含む、請求項９に記載の方法。
- 傾斜イオンエッチングが、イオンビームを生成することと、前記イオンビームを前記イオン角度で前記基板に向けることとを含む、請求項１０に記載の方法。
- 前記イオンビームが、リボンビーム、スポットビーム、またはフル基板サイズビームである、請求項１１に記載の方法。
- 前記基板を前記イオン角度のイオンに曝露した後、異方性エッチングプロセスを実行することを、さらに含む、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
- 前記少なくとも１つの後続の深さの後続の線幅が、各突起の前記高さおよび突起幅を減少させることにより前記前縁の前縁平面と前記後縁の後縁平面との間の距離によって制御される、請求項１３に記載の方法。
- 基板上に配置されたデバイス層であって、パターニングされた多層マスクが、前記デバイス層上に配置され、前記パターニングされた多層マスクが、
前記デバイス層の露出部分を画定する２つ以上の最初の突起であって、各最初の突起が、前記デバイス層と接触する底面における後縁を有する、最初の突起を有する、前記デバイス層上に配置された最初のパターニングされたマスクであって、第１の侵食速度を有する第１の材料を含む最初のパターニングされたマスクと、
前記最初のパターニングされたマスクの各最初の突起上に配置された２つ以上の後続の突起であって、各後続の突起が、各後続の突起の上面における前縁と、前記上面から各最初の突起までの高さとを含む、後続の突起を有する少なくとも１つの後続のパターニングされたマスクであって、前記第１の侵食速度よりも大きい第２の侵食速度を有する第２の材料を含む少なくとも１つの後続のパターニングされたマスクと、
を含む、デバイス層を、前記基板の表面の表面法線に対してイオン角度で前記デバイス層と接触するイオンに曝露して、複数の深さのうちの最初の深さを形成することと、
前記デバイス層を、前記イオン角度で前記デバイス層と接触するイオンに曝露することを繰り返して、前記複数の深さのうちの少なくとも１つの後続の深さを形成することと、
を含む方法。
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