JP2023529425A

JP2023529425A - 光学素子の製造

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Publication number: JP2023529425A
Application number: JP2022575433A
Authority: JP
Inventors: シドルガタ・ブイ・スリーニヴァサン; デイヴィッド・チェ; パース・パンディヤ; シュラワン・シンハル
Original assignee: University of Texas System
Current assignee: University of Texas System
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2021-06-07
Publication date: 2023-07-10
Also published as: IL298845A; US20230314672A1; TW202207283A; EP4162303A1; KR20230021143A; WO2021252389A1

Abstract

基板上のナノスケールパターンに幾何学的パラメータのカスタマイズした変化を導入するための方法。ナノスケール精度プログラム可能プロファイリングプロセスが、ナノスケールパターンを有する基板の１つまたは複数の領域上で実施され、ここでナノスケール精度プログラム可能プロファイリングプロセスは、ナノスケールパターンにおける幾何学的パラメータのカスタマイズした変化の関数である厚みプロファイルを有するプロファイリング膜を堆積するために使用される。方法は、プロファイリング膜の厚みプロファイルをナノスケールパターンにおける幾何学的パラメータのカスタマイズした変化へと変換する、プロファイリング膜およびナノスケールパターンの材料のプラズマエッチングプロセスを実施するステップであって、カスタマイズした変化がプロファイリング膜の厚みプロファイルの関数である、ステップをさらに含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０２０年６月８日に出願し、「ＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔｓ」という題名の米国仮特許出願第６３／０３６，０８７号に対する優先権を主張する。

本発明は、一般的に光学製造に関し、より具体的には、ナノスケール精度プログラム可能プロファイリングプロセスを使用して基板上に光学素子を製造することに関する。

光学製造は、レンズ、プリズム、鏡、マイクロレンズ、屈折率分布型レンズ、回折光学素子、および導波路などといった光学構成要素の製造を含む。レンズ、プリズム、および鏡などといった光学構成要素を光学工場で製造するとき、切断、研削、粗研磨、および研磨などといった様々なプロセスを、高い品質を有する光学面を最終的に作成するために適用することができる。

しかし、マイクロレンズ、屈折率分布型レンズ、回折光学素子、および導波路などといったより特殊な光学構成要素については、より複雑な製造技法が利用される。そのような複雑な製造技法の例としては、磁性流体仕上げ、可変工具を使用する研磨、コンピュータ制御した研磨などが挙げられる。

残念ながら、そのような現在使用される光学製造技法では、処理精度が低い。たとえば、紫外線照射を利用する従来型光学製造では、光は、光の焦点だけでなく、光で照射される部分で吸収され、そこで硬化反応が生じる。結果として、処理精度が低い。

本発明の一実施形態では、基板上のナノスケールパターンにおける幾何学的パラメータのカスタマイズした変化を導入するための方法が、ナノスケールパターンを有する基板の１つまたは複数の領域上に、ナノスケール精度プログラム可能プロファイリングプロセスを実施するステップであって、ナノスケール精度プログラム可能プロファイリングプロセスが、ナノスケールパターンにおける幾何学的パラメータのカスタマイズした変化の関数である厚みプロファイルを有するプロファイリング膜を堆積するために使用される、ステップを含む。方法は、プロファイリング膜の厚みプロファイルをナノスケールパターンにおける幾何学的パラメータのカスタマイズした変化へと変換する、プロファイリング膜およびナノスケールパターンの材料のプラズマエッチングプロセスを実施するステップであって、カスタマイズした変化がプロファイリング膜の厚みプロファイルの関数である、ステップをさらに含む。

本発明の別の実施形態では、導波路基板中の１つまたは複数の収差を補正するための方法が、導波路基板中の１つまたは複数の収差を補正するために、導波路基板のパターン形成していない部分上にカスタマイズした変化を有するプロファイリング膜を堆積することによって、導波路基板のパターン形成していない部分上で、ナノスケール精度プログラム可能プロファイリングプロセスを実施するステップを含む。

さらに、本発明の一実施形態では、基板上のナノスケールパターンにおける幾何学的パラメータのカスタマイズした変化を導入するための装置がプロファイリングモジュールを備え、プロファイリングモジュールが、基板上のナノスケールパターンにおける幾何学的パラメータのカスタマイズした変化の関数である厚みプロファイルで、基板上にプロファイリング膜を堆積するためのインクジェットを有し、プロファイリング膜の厚みプロファイルを基板上のナノスケールパターンにおける幾何学的パラメータのカスタマイズした変化へと変換する、プラズマエッチングプロセスがプロファイリング膜およびナノスケールパターンの材料上に実施され、カスタマイズした変化がプロファイリング膜の厚みプロファイルの関数である。

加えて、本発明の一実施形態では、ＸＲデバイスが、以下すなわち、導波路上のナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入すること、基板平坦度または総合厚み変化誤差の補正、および画像歪みまたは光学収差の補正のうちの１つまたは複数について、ナノスケール精度プログラム可能プロファイリングを使用して製造された導波路を備える。

以下の本発明の詳細な説明がより良好に理解できるように、上記では、本発明の１つまたは複数の実施形態の特徴および技術的利点が多少概略的に概説されている。本発明の請求項の主題を形成することができる本発明のさらなる特徴および利点が以降で記載される。

本発明のより良好な理解は、以下の詳細な説明が以下の図面と一緒に考えられたときに得ることができる。

本発明の実施形態に従った、ｎＰ３装置の概略図である。本発明の実施形態に従った、ｎＰ３装置中のプロファイリングサブシステムの概略図である。本発明の実施形態に従った、ナノスケール精度プログラム可能プロファイリング（ｎＰ３）プロセスを使用する平坦な基板上に要素を製造するための方法のフローチャートである。本発明の実施形態に従い、図１に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図１に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図１に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図１に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図１に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図１に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図１に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図１に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従った、上板（ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ）と一緒にナノスケール精度プログラム可能プロファイリング（ｎＰ３）プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための方法のフローチャートである。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、内向きに結合する回折光学素子（ＤＯＥ）および外向きに結合するＤＯＥとしてのナノスケールパターン領域を示す導波路基板を描く図である。本発明の実施形態に従って、ナノスケールパターン領域がそれらの幾何学的パラメータ中でカスタマイズした変化をもって示されている、内向きに結合するＤＯＥおよび外向きに結合するＤＯＥとしてのナノスケールパターン領域を示す導波路基板を描く図である。本発明の実施形態に従った、同じ基板上に複数のナノスケールパターン領域を有する図である。本発明の実施形態に従った、収差を補正するため導波路基板のパターン形成していない部分上にｎＰ３プロセスを使用する様を図示する図である。本発明の実施形態に従った、プロファイリング材料とナノスケールパターン材料についてほぼ同じエッチング速度を使用する、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータ中にカスタマイズした変化を導入するための方法を図示する図である。本発明の実施形態に従い、図１１に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従い、図１１に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従い、図１１に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従い、図１１に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従った、プロファイリング材料とナノスケールパターン材料について異なるエッチング速度を使用する、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータ中にカスタマイズした変化を導入するための方法を図示する図である。本発明の実施形態に従い、図１３に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従い、図１３に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従い、図１３に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従い、図１３に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。

背景技術の欄で言及したように、現在使用される光学製造技法における処理精度は低い。たとえば、紫外線照射を利用する従来型光学製造では、光は、光の焦点だけでなく、光で照射される部分で吸収され、そこで硬化反応が生じる。結果として、処理精度が低い。

本発明の原理によって、「ナノスケール精度プログラム可能プロファイリング（ｎＰ３）」と本明細書で呼ばれるプロセスを利用することによって、光学素子を製造することにおける処理精度を改善するための手段が提供される。ｎＰ３プロセスは、拡張および複合現実用途の導波路、１つまたは複数の変化する幾何学特性（たとえば、深さ）を有する回折光学素子などといった、光学素子を製造する状況で使用することができる。１つの実施形態では、そのような回折光学素子は導波路の部分であり、プロジェクタからの光を内向きに結合すること、瞳の拡大、または目へと外向きに結合することのために使用することができる。一般的に、ｎＰ３プロセスは、存在するナノスケールパターンの幾何学的パラメータに所望のカスタマイズした変化を導入するために適用することができる。ｎＰ３プロセスに関する議論は、その全体が本明細書に参照によって両方が組み込まれる、２０１４年８月１８日に出願された「ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＴｈｉｎＦｉｌｍｓｏｆａＵｓｅｒ－ＤｅｆｉｎｅｄＰｒｏｆｉｌｅｗｉｔｈＮａｎｏｍｅｔｅｒＳｃａｌｅＡｃｃｕｒａｃｙ」という題名の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１４／５１５２６号および２０２１年２月２５日に出願された「ＮａｎｏｓｃａｌｅＴｈｉｎＦｉｌｍＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ」という題名の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２１／１９７３２号に記載される。

本プロセスの一実施形態では、ナノスケール精度プログラム可能プロファイリング（ｎＰ３）プロセスが平坦な基板上で実行される。これらの平坦な基板は、ナノスケールパターンを有する１つまたは複数の領域を含むことができ、そのようなナノスケールパターンは、１つの領域と別のものとの間で同様であってよく、またはかなり異なってよい。１つの実施形態では、平坦な基板は、仮想、拡張、または複合現実（集合的に、ＸＲ）用途で使用される導波路基板を表す。１つの実施形態では、ナノスケールパターンを有する領域は、導波路光結合目的で使用される回折光学素子を表し、回折光学素子は、プロジェクタからの光を内向きに結合すること、瞳の拡大、または目への光を外向きに結合することのために使用することができる。ｎＰ３プロセスによって、プロファイリング膜をナノスケールパターンで１つまたは複数の領域上に堆積することが可能になり、その結果、プロファイリング膜は所望のカスタマイズした厚み変化を有する。１つの実施形態では、プロファイリング膜は、ナノスケールパターンとほぼ一致する光学特性を有する。１つの実施形態では、プロファイリング材料は、ＵＶ硬化可能高分子レジスト（たとえば、ＭｉｃｒｏｒｅｓｉｓｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製のｍｒＵＶｃｕｒ２６ＳＦ）である。この厚み変化は、ナノスケールパターンの１つまたは複数の幾何学的パラメータにおける所望のカスタマイズした変化の関数であり、そのような幾何学的パラメータとしては、限定しないが、パターン中のフィーチャの高さ、パターン中のフィーチャの幅、およびパターン中のフィーチャの角度が挙げられる。幾何学的パラメータにおける所望のカスタマイズした変化は、ナノスケールパターンを有する基板の異なる領域間で異なる場合がある。たとえば、第１の領域が第２の領域と比較して異なる高さプロファイルを必要とする場合がある一方で、第３の領域は、第１の領域と同じ変化を有するが異なる方位を有する場合がある。ナノスケールパターンの１つまたは複数の幾何学的パラメータにおけるそのようなカスタマイズした変化の目的は、導波路に所望の機能特性または光学特性をレンダリングすることである。１つの実施形態では、この特性は、外向きに結合する光学素子または瞳拡大光学素子にわたって、ほぼ均一な結合強度を維持することを含む。さらに、１つの実施形態ではナノスケールパターンが基板上に存在する一方で、別の実施形態では、ナノスケールパターンは、機能性膜（たとえば、ＮｉｐｐｏｎＴｅｌｅｇｒａｐｈａｎｄＴｅｌｅｐｈｏｎｅ－ＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ製の材料＃１８１６５などといった高屈折率高分子材料）など、基板上の別の材料上に形成される。本明細書で使用する、ナノスケールパターン材料とは、ナノスケールパターンを形成するために使用される基板または基板の上の異なる材料のいずれかのことを呼ぶ。次いで、厚みプロファイルがプラズマエッチングプロセスを介してナノスケールパターン材料に転写され、その結果、基板上のナノスケールパターンにおける１つまたは複数の幾何学的パラメータに、所望のカスタマイズした変化が導入される。１つの実施形態では、プロファイリングステップまたはプラズマエッチングステップのいずれかの複数回の繰返しを使用して、カスタマイズした変化が導入される。平坦な基板上のｎＰ３プロセスの実施形態が下で記載される。

ここで、図を詳細に参照すると、図１は、本発明の実施形態に従った、ｎＰ３装置１００の概略図である。

ｎＰ３装置１００は、２つの主なサブシステム、すなわちプロファイリングサブシステム１０１および計測サブシステム１０２からなる。プロファイリングサブシステムは、巻戻しおよび巻返しローラ、インターリーフおよびデインターリーフ用ローラ、駆動ローラ、張力制御用ニップローラ、および平坦なゾーンを確保するための精密ローラからなるウェブ処理モジュールを含む。サイドレイが、横方向の誤差なく、ウェブが互いの上に巻かれることを確かにする（テレスコーピング）。位置合わせステージ上のインクジェットプリントヘッドが、プロファイリング材料の小滴を吐出する。ＵＶランプおよびＵＶ透過性（ＵＶＴ）チャックを使用して、プロファイリング材料を硬化し、気圧誘起湾曲を作り出す一方で上板を定位置に保持して、プロファイリング材料の小滴を広げる。示されるように、音声コイルモータ駆動のたわみ担持ステージが、上板の下に基板チャックを保持して、直線型水平ステージ１０３上に取り付けられる。計測サブシステムは、基板の真上に取り付けられる、表面トポグラフィ測定用センサ（シャックハルトマンセンサ、光学式プロフィルメータ、干渉計、反射率計、または分光光度計）を含む。自動化望遠システムを通し基板を通して透過するようにレーザ光線が案内され、センサ上に入射する。ある範囲の球面屈折力を有する曲がった基板を処理するときに、望遠システムが必要である。レーザ光線位置合わせシステムは、水平のレーザ光線を、基板を通して上向きに垂直に向ける転換鏡を含む。１つの実施形態では、ｎＰ３装置１００は、別のコンピュータと局所的に、または、離れて配置される別のデータセンタ／ワークステーション（たとえば、クラウドベースデータセンタ、クラウドベースワークステーション）とデータの送信および交換を可能にする通信モジュールをやはり有する。このデータは、計測データ、工具センサデータ、パターンデータなどを含むことができる。

図１を再び参照して、ｎＰ３装置１００は、グラニット基部および支持テーブル１０４をさらに含む。

ここで、図２を参照すると、図２は、本発明の実施形態に従った、ｎＰ３装置１００中のプロファイリングサブシステム２００の概略図である。

図２に示されるように、プロファイリングサブシステム２００は、電動インターリーフ／デインターリーフ用ローラ２０１、ニップローラ２１３、サイドレイモジュール２０２、精密アイドラ２０３、ＵＶ透過性真空チャック１１９、垂直、チップ、およびチルト動作用音声コイルモータ（ＶＣＭ）駆動ステージ２０４、電動供給巻取りローラ２０５、駆動ローラ２０６、硬化モジュール２０７、固定インクジェットプリントヘッド２０８、プロファイリング材料２０９、剛体基板２１０、真空ピンチャック２１１、ならびに大移動ステージ２１２を含む。１つの実施形態では、剛体基板２１０は、公称で平坦または公称で非平坦（たとえば、球面、非球面）のいずれかである。本明細書で使用する「剛体」基板とは、固定形状および形を有するもののことを呼ぶ。本明細書で使用する「公称で平坦」とは、明らかに接触する区域を有する面が非常に大きく、その結果、個々の接点が分散され、隣接する点を通して働く力が互いに影響を及ぼさないことを呼ぶ。本明細書で使用する「公称で非平坦」とは、公称で平坦でない面のことを呼ぶ。

図２に図示されるように、インクジェットプリントヘッド２０８は、大移動方向２１２に関して固定される。

さらに、図２は、除去および再塗布期間の、ウェブ経路とその後の上板およびインターリーフ膜を示す。図２では、ニップおよび駆動ローラ組立体（２１３および２０６参照）を通して、張力制御が達成される。１つの実施形態では、摩擦を改善し、モータ能力によって制限されるより高い張力を可能にするポリウレタンローラが使用されて、駆動ローラ２０６上に垂直の圧力を加える。１つの実施形態では、ニップローラ２１３が駆動ローラ２０６に対して軸方向に平行であることが確保される。プロファイリングゾーンの真上にＵＶランプが置かれる。ＵＶ透過性チャック１１９は、上板とＵＶランプの間に位置決めされる。精密アイドラ２０３は、それが上板を平坦にして面外誤差および面内剪断誤差を最小にするのを確実にする様が示される。音声コイルモータステージ２０４は、水平ＸＹステージに対して取り付けられる。基板は、ジェットステーションからプロファイリングステーション、次いで計測ステーションへとＸＹステージを使用して移動される。

図３は、本発明の実施形態に従った、ナノスケール精度プログラム可能プロファイリング（ｎＰ３）プロセスを使用する平坦な基板上に要素を製造するための方法３００のフローチャートである。図４Ａ～図４Ｈは、本発明の実施形態に従い、図３に記載されたステップを使用して平坦な基板上に要素を製造するための断面図を描く。

図４Ａ～図４Ｈと一緒に図３を参照して、図４Ａに示されるように、ステップ３０１において、プロファイリング材料４０１がインクジェット４０３を使用して基板４０２上に吐出される。１つの実施形態では、プロファイリング材料吐出位置は、以下の位置、すなわちローカルコンピュータ、リモートコンピュータ、およびクラウドベースコンピュータのうちの１つで走るアルゴリズムを使用して決定される。

ステップ３０２において、上板４０４が紫外線透過性（ＵＶＴ）チャック４０５の下方に位置決めされ、張力が図４Ｂに示されるように調整される。

ステップ３０３において、図４Ｃに示されるように、上板４０４がＵＶＴチャック４０５を使用してチャックされる。さらにステップ３０３において、図４Ｃに示されるように、接触（上板４０４と基板４０２間の接触）を始めるために空気圧が加えられる。

ステップ３０４において、図４Ｄに示されるように、すべての小滴が一体化するまで空気圧が徐々に増やされる。

ステップ３０５において、図４Ｅおよび図４Ｆに示されるように、連続膜４０７を形成するために、エアバーでの圧力がＵＶ（紫外線）の閃光４０６とともに連続して加えられる。

ステップ３０６において、基板４０２は、図４Ｆに示されるように、垂直チャック動作（ＶＣＭ）ステージ４０８を使用して上板４０４から分離される。

ステップ３０７において、基板４０２およびＶＣＭステージ４０８は、図４Ｇに示されるように、ｘステージ４１０を使用して計測ステーション４０９へと動かされる。

ステップ３０８において、ｘｙステージは、図４Ｈに示されるように、（最終的な基板プロファイルに対応して）レーザ光線４１１を介して基板４０２上のすべての点で光学測定を実施するようにスキャンされる。

図４Ａ～図４Ｈに関連して、方法３００のより詳細な記載が下で提供される。

図３および図４Ａ～図４Ｈを参照して、ｎＰ３を使用して平坦な基板４０２上に光学素子を製造するプロセス期間に、小滴パターン４０１が生成され、大きい区域にわたって、平坦な基板４０２上に吐出される。１つの実施形態では、基板４０２は、既存のナノスケールのフィーチャまたはパターンを有することができ、そのようなナノスケールのフィーチャは、回折効果を引き起こすために電磁放射と相互作用できるため光学素子または回折光学素子に対応することができる。インクジェット小滴または小滴パターン４０１は、基板４０２上に既存のフィーチャおよび、フィーチャの１つまたは複数の幾何学的パラメータのカスタマイズした空間的変化に基づいた、所望の膜厚プロファイルが存在する下で、広がること、一体化すること、および満たすことを考慮して生成される。これは、ジェットサイクルと同期した基板４０２のＸＹ動作を通して達成される。１つの実施形態では、基板４０２は、次いで、紫外線（ＵＶ）ランプおよびＵＶ透過性（ＵＶＴ）チャック４０５の下方でプロファイリングゾーンに移動される。

１つの実施形態では、上板４０４は、ＵＶＴチャック４０５の下方に位置決めされ、上板４０４の張力は、最終的な面プロファイルが必要とする所望のレベルに調整される。上板４０４は、テクスチャを付けたまたはパターンを付けたロールであってよく、テクスチャまたはパターンの横方向空間長のスケールは、所望のプロファイルの横方向空間長のスケールより少なくとも１桁低い。１つの実施形態では、ＵＶＴチャック４０５が使用され、次いで所定の場所に上板４０４を保持する。基板４０２がチャック上に取り付けられる音声コイルモータ駆動ステージが、水平ＸＹステージの助けをかりて、プロファイリングゾーンに運ばれる。垂直チャック動作（ＶＣＭ）ステージ４０８の垂直チップチルト動作によって、上板４０４と基板４０２の適切な位置合わせおよび間隙制御が可能になる。小滴が一体化して連続膜４０７を形成するのが可能になる、上板ウェブの湾曲を作り出すために、空洞中の空気圧が増やされる。このことによって、閉じ込められる空気の泡を低減することが可能になる。１つの実施形態では、ＵＶＴチャック４０５上に取り付けられるカメラを使用して、泡の閉じ込めを観察する。画像処理を使用して、泡が識別され、標的の位置の上板４０４に自動的に空気が送り込まれ、小滴４０１をそこで広げて、泡を確実に低減する。毛細管力が所望のトポグラフィを作り出すのに必要な指定された長さの時間の後で、プロファイリング材料がＵＶ硬化される。１つの実施形態では、ＶＣＭステージ４０８を使用して、その垂直の動作を通して、上板４０４から基板４０２を分離する。

１つの実施形態では、基板４０２ならびにＶＣＭステージ４０８が計測ステーション４０９に運ばれる。１つの実施形態では、ＶＣＭステージ４０８は、測定点で、プロフィルメータ、シャックハルトマン波面センサ、干渉計、反射率計などといった光学式計測機器の光軸に向けて基板４０２を位置合わせするのを助ける。１つの実施形態では、所望の厚みプロファイルを得るための機械の命令（たとえば、小滴パターン）が、自動化されたアルゴリズムを使用して決定される。

ｎＰ３プロセスで、プログラム可能な膜のためインクジェットを使用する代わりに、代替実施形態では、スピンコーティング、スロットダイコーティング、浸漬コーティングなどといった技法を使用して基板上に堆積されるほぼ均一なプロファイリング膜を使用することが含まれる。均一な膜は、基板上の既存のフィーチャを満たすとともに、カスタマイズしたプロファイルが得られた後に存在する必要がある最も厚い厚みとほぼ一致するのに十分な厚さである。この場合、カスタマイズしたプロファイルは、所望の波長（たとえば、３．３マイクロメートル）で輻射を放出するランプに接続される１つまたは複数の空間光変調器（たとえば、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）配列）などといったデバイスを使用して、プロファイリング膜を示差加熱することによって得られ、ここで、プロファイリング材料（たとえば、メチルメタクリレート）または基板は、基板チャック上にマイクロヒータの配列などを吸着する。１つの実施形態では、示差加熱によって、以下のメカニズム、すなわち、熱勾配、表面張力勾配に起因するマランゴニ流、蒸発、または組成勾配のうちの１つまたは複数を通して、コーティングした膜に流れを引き起こすことができる。１つの実施形態では、膜の流れのモデルを使用して、空間的時間的示差加熱特性を決定することができ、その結果、流れの過渡事象によって、所望の膜厚プロファイルが与えられる。次いで膜は、過渡状態を「凍結する」ために架橋される。この代替実施形態は、蒸発を制御する必要またはコーティングした膜の流れに対して追加の制御ノブを加える必要に基づいて、上板ありまたは上板なしで使用することができる。

図５は、本発明の実施形態に従った、上板と一緒にナノスケール精度プログラム可能プロファイリング（ｎＰ３）プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための方法５００のフローチャートである。図６Ａ～図６Ｈは、本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図を描く。

図６Ａ～図６Ｈと一緒に図５を参照して、図６Ａに示されるように、ステップ５０１において、プロファイリング材料６０１がインクジェット６０３を使用して基板６０２上に吐出される。１つの実施形態では、プロファイリング材料吐出位置は、以下の位置、すなわちローカルコンピュータ、リモートコンピュータ、およびクラウドベースコンピュータのうちの１つで走るアルゴリズムを使用して決定される。

ステップ５０２において、図６Ｂに示されるように、上板６０４が紫外線透過性（ＵＶＴ）チャック６０５の下方に位置決めされる。

ステップ５０３において、図６Ｃに示されるように、上板６０４がプロファイリング材料６０１と接触し始め、それによって、プロファイリング材料６０１が広がる。

ステップ５０４において、図６Ｄに示されるように、上板６０４がプロファイリング材料６０１と接触し続け、それによって、厚み変化（厚みプロファイル）を有する連続膜６０６を形成する。

オプションのステップ５０５において、図６Ｅに示されるように、連続膜６０６の厚みプロファイルは、可能な場合に、示差加熱６０７を使用してさらに調整される。

ステップ５０６において、図６Ｆに示されるように、連続膜６０６は、連続膜６０６を紫外線（ＵＶ）光６０８に露光させることによって硬化され、それによって、硬化した連続膜６０９を形成する。

ステップ５０７において、図６Ｇに示されるように、上板６０４は基板６０２から分離される。

ステップ５０８において、図６Ｈに示されるように、計測ステーション６１１からのレーザ光線６１０を介して、基板６０２上のすべての点で光学測定が実施される。

代替実施形態では、単純に、上で議論したステップ５０１および５０５～５０８を実施することによって、上板を使用することなく、ｎＰ３プロセスを使用して平坦な基板上に光学素子を製造することができる。そのような実施形態では、基板上にプロファイリング材料を吐出した後、プロファイリング材料の厚みプロファイルは、示差加熱を使用して調整される。

１つの実施形態では、ｎＰ３プロセスは、下で議論されるような精密光学系での用途に利用することができる。

精密光学素子は、種々多様な用途の鏡およびレンズを含む。用途に応じて、そのような要素は、異なる基板材料から製造する必要がある場合があり、平坦、自由形状、または公称で湾曲のいずれかであってよい。ｎＰ３プロセスは、所望のトポグラフィと一致するように基板上の既存のトポグラフィを補正するために使用することができ、または、開始基板から完全に異なるプロファイルを生成するために使用することができる。いくつかの用途では、ｎＰ３プロセスは、基板上に残される機能性膜を堆積する。たとえば、光学用途では、機能性材料は、基板のものと一致する屈折率を有する膜であってよい。たとえば、高屈折率の導波路基板（たとえば、ＳｃｈｏｔｔＲｅａｌｖｉｅｗ）上に、高屈折率の高分子レジスト（たとえば、ＮｉｐｐｏｎＴｅｌｅｇｒａｐｈａｎｄＴｅｌｅｐｈｏｎｅ－ＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ製の＃１８１６５）を使用することができる。１つの実施形態では、ｎＰ３プロセスは、高屈折率の導波路基板のパターン形成した側で実行される。いくつかの用途では、ｎＰ３プロセスは、犠牲膜（たとえば、ＭｉｃｒｏｒｅｓｉｓｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ製のｍｒＵＶｃｕｒ２６ＳＦ）を堆積する。これは、次いで、エッチングステップを使用して、膜のプロファイルを基板に、または、下にあるナノスケールパターン材料に転写するために使用することができる。これらの用途には、たとえば、高強度レーザ光線光学系では、高分子膜の存在が基板の機能性を低下させる可能性があり、したがって除去される必要がある場合が挙げられる。エッチングステップは、通常、犠牲プロファイリング材料と下にあるナノスケールパターン材料のエッチング速度間で所望の一致を得るように、プラズマチャンバ中で行われる。使用されるエッチングガスは、Ｏ_２、不活性ガス（たとえば、Ａｒ）、フッ素化ガス（ＣＨＦ_３、ＣＦ_４、ＳＦ_６など）、または他のハロゲンガス（Ｃｌ_２、ＨＢｒなど）の組合せであってよい。１つの実施形態では、プロファイリング膜とナノスケールパターン材料のエッチング速度の比率はほぼ一致する。１つの実施形態では、プロファイリング膜は、ナノスケールパターンとほぼ一致する光学特性を有し、そのような光学特性は、１つまたは複数の波長における屈折率を含む。１つの実施形態では、エッチング速度間での所望の一致を、０．０５：１と２０：１の間の比率であるように調整することができる。この調整は、物理的（Ｏ_２、不活性ガス）エッチング構成要素と化学的（フッ素化化学物質、他のハロゲン）エッチング構成要素間の相対的な流量を調節することによって行われる。たとえば、Ｏ_２およびＡｒの流量を増加させると、高分子材料のエッチング速度が増加する一方で、溶融石英などの材料のエッチング速度は、ほぼ影響を受けないように保たれる。１つの実施形態では、高分子レジストのエッチング速度は、１０～１０００ｎｍ／分の間である。１つの実施形態では、エッチングステップ自体は、複数回の粗いステップと微細なステップの繰返しへと分解することができ、かなりの量の材料を、高いスループットのための高いエッチング速度を有する粗いステップで除去し、微細なステップで所望のプロファイルでの誤差を補正することができる。粗いステップと微細なステップの間で、中間の計測を行うことができる。さらに、いくつかの用途では、ｎＰ３プロファイリング膜上に追加の均一な膜を堆積することができる。たとえば、ｎＰ３プロセスの後に均一な金属層を堆積することができ、その結果、それによって、基板に対して適切なプロファイルを有する光学的反射特性をレンダリングすることができる。精密光学面に対するｎＰ３プロセスのいくつかの例示的な応用が下で記載される。

拡張現実（ＡＲ）／複合現実（ＭＲ）、集合的に「ＸＲ」のヘッドセットは、ディスプレイから目の近くの瞳に光を伝播する高屈折率導波路の使用が必要である。この仮想画像は、目に知覚される実世界上に重ね合わされる。これらの導波路は、典型的には、マイクロディスプレイから格子に入射する光の少なくとも１つの波長を、光が導波路の中に内部全反射されるのを可能にする角度で導波路の中に結合する格子を有する。次いで光は、１つまたは複数の格子の助けをかりて導波路から外へと結合される。これらの導波路は、良好な平坦度および／または総合厚み変化（ＴＴＶ）を有する必要がある基板から製造される。これは、ゼロに近いＴＴＶを有する平坦な導波路からのかなりのずれが、所望の経路からの光線をシフトさせる、または、光線にその直径を変えさせ、それによって、実際の画像に対して仮想画像を歪ませるためである。さらに、これらのヘッドセットが複数の導波路を有し、各導波路が１つまたは複数の波長に対処してよい。したがって、各導波路がその光線を同じヘッドセット中の別の導波路と異なってシフトさせる場合、組み合わせた画像は色収差がもたらされる可能性がある。

導波路中の反射の数が増えると、導波路の出口の瞳における画像の歪みが増える。反射の数は、内向きに結合する格子と外向きに結合する格子または出口の瞳との間の距離を増やすことによって増える。したがって、導波路が不完全な場合、導波路の中へとさらに進行する光束は、所望のものより大きいずれを被る。反射の数は、導波路およびそれによるヘッドセット自体の重さを下げるために、基板の厚さが減らされると、やはり増える。

本発明の平坦な基板用のｎＰ３プロセスを使用して、基板における固有のＴＴＶおよび／または平坦度の誤差を補正する膜を堆積することによって、透過性導波路基板における平坦度およびＴＴＶを補正することができる。１つの実施形態では、開始基板は、平坦度／ＴＴＶの仕様を満たさないより低品質のものであってよい。１つの実施形態では、開始基板は、現在利用可能であるより低い厚さ（たとえば、１００マイクロメートル）を有する基板であってよい。１つの実施形態では、開始基板は、所望の仕様に合致し、ｎＰ３プロセス後にかなりの改善が得られる仕様を有する。導波路基板は、典型的には１．６以上の屈折率を有するため、プロファイルを堆積し次いでそれを基板に転写するために犠牲膜を使用することができる。あるいは、屈折率が基板のものと厳密に一致して界面からのスプリアス反射が光強度のかなりの損失をもたらさない場合、残される機能性膜として、Ｍｉｃｒｏｒｅｓｉｓｔ（登録商標）およびＮｉｐｐｏｎＴｅｌｅｇｒａｐｈａｎｄＴｅｌｅｐｈｏｎｅ－ＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙによって開発された高屈折率プロファイリング材料などの高屈折率プロファイリング材料を使用することもできる。１つの実施形態では、平坦度／ＴＴＶ補正は、反射防止特性のために、モスアイ構造のテクスチャ付けと組み合わせることができる。１つの実施形態では、基板の両側がプロファイリングされ、やはりテクスチャ付けされてよい。

上に加えて、ｎＰ３プロセスをやはり使用して、導波路基板のパターン形成していない部分をプロファイリングすることによって、仕上がった導波路のＴＴＶ／平坦度誤差を補正することができる。これらの誤差は、開始基板または以前の製造ステップにおける固有のＴＴＶ／平坦度誤差の結果であってよい。たとえば、ナノインプリントリソグラフィは残余層を残し、残余層中の不均一性が平坦度／ＴＴＶ誤差に加えられる場合がある。また、反射防止コーティングなどの膜の堆積は、それら固有の不均一性を有し、それによる平坦度／ＴＴＶ誤差への寄与がやはりあってよい。さらに、パッケージングなどの後続ステップからのＴＴＶ／平坦度中に予期される変化が、やはり、追加のＴＴＶ／平坦度誤差をもたらす可能性がある。プロファイルは、実際の収差の測定値、または、画像変換、拡大率、および仕上がった導波路中のＴＴＶ／平坦度からのずれについての他の歪みおよび収差の依存性を予測するモデルに基づいて、同じ仕上がった導波路に行われる測定に基づいて計算することができる。このパターン形成していない部分は、回折光学素子を作るナノスケールのフィーチャがない表面全体であってよい。１つの実施形態では、基板（たとえば、導波路基板）のパターン形成していない部分がナノスケールテクスチャを有する。さらに、プロファイリング膜の屈折率が対象の波長で基板の屈折率とほぼ一致する場合、プロファイリング材料が基板上に残される場合がある。屈折率が一致しない場合、界面からの寄生反射を減らすために、ナノテクスチャ付けしたモスアイ構造を使用することができる。

ＸＲ導波路基板は、いくつかの目的で回折光学素子を使用する。内向きに結合する回折光学素子を使用して、光をプロジェクタから導波路の中に結合する。この回折光学素子は、回折格子（たとえば、バイナリ格子、位相格子、表面レリーフ格子、ブラッグ格子、１次元（１Ｄ）格子、２次元（２Ｄ）格子、傾斜格子、マルチレベル格子、またはそれらのなんらかの組合せなど）、体積ホログラム、またはフォトニック結晶であってよい。この結合した光は、次いで導波路基板を通して内部全反射される。内部全反射の期間に、光が、その経路中でさらなる回折光学素子にさらされる場合がある。これらの回折光学素子は、やはり、回折格子（たとえば、バイナリ格子、位相格子、表面レリーフ格子、ブラッグ格子、１Ｄ格子、２Ｄ格子、マルチレベル格子、またはそれらのなんらかの組合せなど）、体積ホログラム、またはフォトニック結晶であってよい。これらの要素の目的は、画像を少なくとも１つの次元、好ましくは両方の次元に拡大し、光を目へと出すことを可能にし、アイボックスと呼ばれるものの中と異なる位置に画像が見えることを可能にすることである。拡大され外向きに結合された光は、プロジェクタから導波路に内向きに結合された画像の品質と比較したときに、画像の品質に著しい歪みを受けないはずである。いくつかの要因が画像の品質を決定する。回折光学素子は、回折する光を多くの次数で回折させ、１次は最高の強度を有し、これが撮像用に主に利用される。しかし、より低い強度のいくつかの他の次数がやはり存在し、光が回折光学素子と相互作用するたびに強度の損失を生じさせる場合がある。また、異なる波長では、回折特性および回折効率が異なり、異なる波長の光が異なる角度で回折することが暗示される。

さらに、所望の幾何形状からの回折光学素子（ＤＯＥ）の幾何形状中に望ましくないずれをもたらす製造誤差に起因して、１次で回折した光の波長がシフトする、または、望ましくない強度の変化を有する場合がある。たとえば、格子の高さまたは深さが、回折される光の強度を制御することが知られている。しかし、光の一部が１つの区域から外向きに結合されると、残りの部分は導波路の内側を伝播し続け、導波路の他の部分から外向きに結合される。格子の深さがどこでも均一である場合、入射強度が最大である導波路の開始部分から外向きに結合される光の強度は、光のかなりの部分が導波路の前の部分で外向きに結合されているので入射強度が指数関数的に低い導波路の終端部分から外向きに結合される光の強度よりも、指数関数的に高くなる。したがって、複数の瞳を有するアイボックスにわたって均一な光の強度を得るために、格子効率または外向きに結合される光の画分が、導波路の開始部分で低い状態から導波路の終端部分で高い状態に漸進的に変化するように、不均一な格子高さを有することが望ましい。１つの実施形態では、目の中にカラー画像を実現するため、３つの主な色の波長帯用にＤＯＥの３つの異なる設計が必要であり、その結果、それらを組み合わせて必要な画像を提供することができる。上述の要因のため、色スペクトルにおける分散が、画像中に望ましくない色収差を引き起こすことに留意されたい。

ここで、図７を参照すると、図７は、本発明の実施形態に従った、内向きに結合するＤＯＥおよび外向きに結合するＤＯＥとしてのナノスケールパターン領域を示す導波路基板を描く。

図７に示されるように、プロジェクタ７０１が、仮想画像を導波路７０２の中に投入し、そこでは内向きに結合するＤＯＥ７０３が光７０４を導波路７０２の中に結合する。次いで、実画像が導波路７０２を通して伝送される。

図７にさらに示されるように、外向きに結合するＤＯＥ７０５は、導波路７０２からの光７０６をアイボックス７０７の中に結合する。

さらに、図７に示されるように、実画像７０８が導波路７０２を通って伝送される。

ここで、図８を参照すると、図８は、本発明の実施形態に従って、ナノスケールパターン領域がそれらの幾何学的パラメータ中でカスタマイズした変化をもって示されている、内向きに結合するＤＯＥおよび外向きに結合するＤＯＥとしてのナノスケールパターン領域を示す導波路基板を描く。

図８に示されるように、プロジェクタ８０１が、仮想画像を導波路８０２の中に投入し、そこでは（その幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を有する）内向きに結合するＤＯＥ８０３が光８０４を導波路８０２の中に結合する。次いで、実画像が導波路８０２を通して伝送される。

図８にさらに示されるように、（その幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を有する）外向きに結合するＤＯＥ８０５は、導波路８０２からの光８０６をアイボックス８０７の中に結合する。

さらに、図８に示されるように、実画像８０８が導波路８０２を通って伝送される。

以前に議論したように、図７および図８は、本発明の実施形態に従った、内向きに結合するＤＯＥおよび外向きに結合するＤＯＥとしてのナノスケールパターン領域を示す導波路基板を描く。やはり以前に議論したように、本明細書で議論した基板は、ナノスケールパターンを有する１つまたは複数の領域を含むことができ、そのようなナノスケールパターンは、１つの領域と別のものとの間で同様であってよく、またはかなり異なってよい。たとえば、図９に示されるように、図９は、本発明の実施形態に従った、同じ基板９０２上に複数のナノスケールパターン領域９０１を有して図示される。

さらに、上で議論したように、ｎＰ３プロセスをやはり使用して、導波路基板のパターン形成していない部分をプロファイリングすることによって、仕上がった導波路のＴＴＶ／平坦度誤差を補正することができる。図１０は、本発明の実施形態に従った、収差を補正するため導波路基板のパターン形成していない部分上にｎＰ３プロセスを使用する様を図示する。特に、この場合には、ＴＴＶ誤差を補正するための、ｎＰ３プロセスの使用が示される。プロファイリング材料は、対象の波長で、基板とほぼ同様の屈折率を有し、基板上に残される。ＴＴＶおよび他の基板歪み誤差を補正することによって、（たとえば、実画像と仮想画像間の画像の位置ずれ、画像焦点のずれなど）光学収差および分散誤差が最小化される。

図１０に示されるように、プロジェクタ１００１が、仮想画像を導波路１００２の中に投入し、そこでは内向きに結合するＤＯＥ１００３が光１００４を導波路１００２の中に結合し、導波路１００２が基板１００５上にプロファイリング材料を含む。次いで、実画像が導波路１００２を通して伝送される。

図１０にさらに示されるように、外向きに結合するＤＯＥ１００６は、導波路１００２からの光１００７をアイボックス１００８の中に結合する。

さらに、図１０に示されるように、実画像１００９が導波路１００２を通って伝送される。

１つの実施形態では、本発明の原理は、ＤＯＥの１つまたは複数の幾何学的パラメータにおける制御されカスタマイズした変化を使用して、製造誤差を克服することによって回折特性および／もしくは効率中に所望の均一性を実現する、または、回折特性および／もしくは効率中に制御された変化を実現する。１Ｄ格子では、幾何学的パラメータは、格子のフィーチャの深さもしくは高さ、フィーチャの横幅、格子の向き、すなわち、格子上の線が導波路上の所与の軸に対してなす角度、フィーチャの幅、または、水平面に対するフィーチャの角度であってよい。１つの実施形態では、高さは、１０～４００ｎｍの間の範囲で変化する。多角形形状を有する２Ｄ格子では、制御された変化を有することができる幾何学的パラメータは、１つもしくは複数の方向における格子のフィーチャの深さ、導波路基板上の所与の軸に対する２Ｄ格子の向き、２Ｄ格子を含む２つの多角形間の相対的な間隔、または、多角形の側面が水平線に対してなす角度であってよい。１つの実施形態では、高さは、１０～４００ｎｍの間の範囲で変化する。この実施形態は、導波路基板用の回折光学素子における１つまたは複数の幾何学的パラメータの制御されカスタマイズした変化の使用を具体的に開示する一方で、その使用法は、ナノスケールパターンにおける１つまたは複数の幾何学的パラメータのカスタマイズされて制御された変化を導入する使用法に拡張することができる。１つの実施形態では、そのように制御された変化の使用は、前の製造ステップ中の誤差または後続の製造ステップ中の予期される誤差を補償するものとなる。

典型的な例では、回折格子は、マスターテンプレートの助けをかりて、ナノインプリントリソグラフィを使用して製造される。マスターテンプレートは、ｅビームリソグラフィ、フォトリソグラフィなどといった標準的なリソグラフィ技法を使用して製造することができる。マスターテンプレート自体の１つまたは複数の格子パラメータに制御された変化を導入することによって、上述のリソグラフィ技法を使用した、極めて費用のかかるテンプレートの製造を行うことができる。本発明の原理は、マスターテンプレートの１つまたは複数の回折格子パラメータに制御され、プログラム可能／カスタマイズ可能な変化を導入するためにｎＰ３プロセスを利用する。例として、格子の深さにおける制御された変化が議論される。この目的で、マスターテンプレートは、深さにおける所望のパラメータ変化なしに、標準的なリソグラフィ技法を使用して、シリコン、溶融石英、または他の基板上に最初に製造される。その後、ｎＰ３プロセスを使用して、格子をＵＶ効果可能な高分子で満たし、満たした格子の上に所望の厚みプロファイルを有する膜をやはり堆積する。このプロセスは、単一のステップで実行することができる。ここで、ｎＰ３小滴生成アルゴリズムが修正されて、制御されたプロファイルを作成するのに必要なものに加えて格子を満たすために使用される液体の体積を考慮し、そのようなプロファイルは、１つまたは複数の次元での線形型、放物型、または任意の他の多項式であってよい。

さらに、このプロファイルは、異なる向きを有することができる。たとえば、導波路上のＤＯＥの一部が１つの方向に変化する深さプロファイルを有することができる一方で、同じＤＯＥの別の部分または異なるＤＯＥは、異なる方向に変化する深さプロファイルを有することができる。さらに、１つの実施形態では、格子深さプロファイルの異なる向きを有する領域からの遷移は、５マイクロメートルから１０ミリメートル内で生じることができる。１つの実施形態では、そのようなプロセスは、複数の繰返しで行われ、最初の繰返しは、格子のフィーチャをほぼ平坦化するために使用することができ、１つまたは複数の後続の繰返しは、１つまたは複数の異なる向きで所望の膜厚プロファイルを得るために使用することができる。１つの実施形態では、平坦化ステップ後の格子構造上の膜厚はほぼ均一であり、平均膜厚は、高分子膜中に閉じ込められた泡に起因して引き起こされた欠陥を低減するように選択することができる。たとえば、１Ｄ格子構造中で一体化した個別の小滴は、優先的に、格子の線に平行な方向に流れる。これらの小滴の流れは、ｎＰ３プロセス期間に上板によって印加される圧力によって左右される。平均膜厚が準最適である場合、それによって膜中の圧力が減る場合があり、そのことによって、泡は、所望より長く残留することになる。したがって、ナノスケールパターンの幾何形状および所望のスループットに基づいて、規定された許容差の下に欠陥の数を保つように平均膜厚を選択することができる。これは、モデルの助けをかりて得ることもできる。さらに、このプロセスは、所望の仕様に合致させるため、製造される導波路基板の深さまたは他の幾何学的パラメータにおける不要な変化を補正するために使用することができる。たとえば、導波路基板を製造して、その性能を測定することができる。性能が望ましくない場合、堆積された膜厚プロファイルおよびその後のプラズマエッチング（下で記載される）によって、幾何学的パラメータの所望のプロファイルをもたらすことができるように、上のｎＰ３プロセスに導波路基板をかけることができる。

高分子膜中に所望のプロファイルを得た後、導波路基板がプラズマエッチングプロセスを受ける。エッチングプロセスにおいて、高分子膜および導波路基板は、高分子と下にある基板の両方にほぼ同じエッチング速度をもたらすプラズマ化学物質中でエッチングされる。ここで、下にある基板は、Ｓｉ、溶融石英、高屈折率ガラス（たとえば、ＳｃｈｏｔｔＲｅａｌｖｉｅｗ（登録商標））などであってよい。このことによって、堆積されるプロファイルを下にある基板に直接転写することが可能になり、その結果、回折格子の所望のパラメータ（深さなど）が、膜厚プロファイルで明らかな同じパラメータ変化を得られる。さらに、膜と基板の間の相対的なエッチング速度が、１に等しくない比率を有するように変調される場合、格子深さスケールの転写されるプロファイルは、エッチング深さの比率で拡大縮小する。１つの実施形態では、ｎＰ３プロセスおよびエッチングプロセスは、基板上でナノスケールパターンの領域にわたって同時に行われる。

エッチング速度比率のこの調整は、こうして、所望のプロファイルを得るための追加制御ノブであってよい。基板は、エッチングからのなんらかの残留レジストまたは汚染物を除去するために浄化することができる。プロセスの終わりに、ｎＰ３の前の値とほぼ同様の基板の表面粗さを保つこと、またはそれを１ｎｍを超えずに増やすことが望ましい。１つの実施形態では、カスタマイズした変化を有するナノスケールパターンの平均表面粗さは、カスタマイズした変化を有しないナノスケールパターンの平均表面粗さとほぼ等しい。

図１１を参照して、図１１は、本発明の実施形態に従った、プロファイリング材料とナノスケールパターン材料についてほぼ同じエッチング速度を使用する、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータ（たとえば、高さ）中にカスタマイズした変化を導入するための方法１１００を図示する。図１２Ａ～図１２Ｄは、本発明の実施形態に従い、図１１に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータ（たとえば、高さ）にカスタマイズした変化を導入するための断面図を描く。

下でさらに詳細に議論されるように、図１１および図１２Ａ～図１２Ｄは、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータ（たとえば、高さ）にカスタマイズした変化を導入するために、例示的な格子構造上にプラズマエッチングプロセスでｎＰ３プロセスを利用することを図示する。

図１２Ａ～図１２Ｄと一緒に図１１をここで参照して、ステップ１１０１において、図１２Ａ～図１２Ｂに示されるように、プログラム可能な厚み変化を有するプロファイリング膜１２０１が、ｎＰ３プロセスを使用して基板１２０３（例示的な格子構造）上で、開始ナノスケールパターン１２０２上に堆積される。

ステップ１１０２において、図１２Ｃに示されるように、プロファイリング膜１２０１およびナノスケールパターン１２０２の材料は、プロファイリング材料およびナノスケールパターン材料についてほぼ同じエッチング速度を使用して、プラズマエッチングプロセス中でエッチングされる。

ステップ１１０３では、残っているプロファイリング膜１２０１が、ウェットプロセス（たとえば、ピラニア洗浄）またはドライプロセス（たとえば、ＵＶオゾン洗浄、Ｏ_２アッシングなど）のいずれかを使用して除去され、図１２Ｄに示されるような構造を形成する。

図１２Ｃ～図１２Ｃに図示されるように、プロファイリング膜１２０１およびナノスケールパターン１２０２の材料は、同様のエッチング速度でプラズマエッチングプロセス中でエッチングされる。プロファイリング材料とナノスケールパターン材料についてのエッチング速度が実質的に異なるナノスケールパターンの幾何学的パラメータ（たとえば、高さ）にカスタマイズした変化を導入する説明が、図１３および図１４Ａ～図１４Ｄに関連して下で議論される。

図１３を参照して、図１３は、本発明の実施形態に従った、プロファイリング材料とナノスケールパターン材料について実質的に異なるエッチング速度を使用する、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータ（たとえば、高さ）中にカスタマイズした変化を導入するための方法１３００を図示する。図１４Ａ～図１４Ｄは、本発明の実施形態に従い、図１３に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータ（たとえば、高さ）にカスタマイズした変化を導入するための断面図を描く。

図１４Ａ～図１４Ｄと一緒に図１３をここで参照して、ステップ１３０１において、図１４Ａ～図１４Ｂに示されるように、プログラム可能な厚み変化を有するプロファイリング膜１４０１が、ｎＰ３プロセスを使用して基板１４０３（例示的な格子構造）上で、開始ナノスケールパターン１４０２上に堆積される。

ステップ１３０２において、図１４Ｃに示されるように、プロファイリング膜１４０１およびナノスケールパターン１４０２の材料は、プロファイリング材料およびナノスケールパターン材料について実質的に異なるエッチング速度を使用して、プラズマエッチングプロセス中でエッチングされる。

ステップ１３０３では、残っているプロファイリング膜１４０１が、ウェットプロセス（たとえば、ピラニア洗浄）またはドライプロセス（たとえば、ＵＶオゾン洗浄、Ｏ_２アッシングなど）のいずれかを使用して除去され、図１４Ｄに示されるような構造を形成する。

上で議論した本発明の原理を使用した結果として、光学素子の製造における処理精度が改善される。

本発明の様々な実施形態の記載が、説明のために提示されてきたが、網羅的であることまたは開示される実施形態に限定されることは意図していない。記載される実施形態の範囲および精神から逸脱することなく、多くの修正形態および変形形態が当業者に明らかになろう。本明細書で使用する用語は、本実施形態の原理、実際の用途、もしくは市場に見いだせる技術を超える技術的な改善を最も良好に説明するため、または、当業者が本明細書で議論した実施形態を理解することを可能にするために選択された。

１００ｎＰ３装置
１０１プロファイリングサブシステム
１０２計測サブシステム
１０３直線型水平ステージ
１０４支持テーブル
１１９ＵＶ透過性真空チャック
２００プロファイリングサブシステム
２０１電動インターリーフ／デインターリーフ用ローラ
２０２サイドレイモジュール
２０３精密アイドラ
２０４音声コイルモータ（ＶＣＭ）駆動ステージ
２０５電動供給巻取りローラ
２０６駆動ローラ
２０７硬化モジュール
２０８固定インクジェットプリントヘッド
２０９プロファイリング材料
２１０剛体基板
２１１真空ピンチャック
２１２大移動ステージ、大移動方向
２１３ニップローラ
４０１プロファイリング材料
４０２基板
４０３インクジェット
４０４上板
４０５紫外線透過性（ＵＶＴ）チャック
４０６閃光
４０７連続膜
４０８垂直チャック動作（ＶＣＭ）ステージ
４０９計測ステーション
４１０ｘステージ
４１１レーザ光線
６０１プロファイリング材料
６０２基板
６０３インクジェット
６０４上板
６０５紫外線透過性（ＵＶＴ）チャック
６０６連続膜
６０７示差加熱
６０８紫外線（ＵＶ）光
６０９硬化した連続膜
６１０レーザ光線
６１１計測ステーション
７０１プロジェクタ
７０２導波路
７０３内向きに結合するＤＯＥ
７０４光
７０５外向きに結合するＤＯＥ
７０６光
７０７アイボックス
７０８実画像
８０１プロジェクタ
８０２導波路
８０３内向きに結合するＤＯＥ
８０４光
８０５外向きに結合するＤＯＥ
８０６光
８０７アイボックス
８０８実画像
９０１ナノスケールパターン領域
９０２基板
１００１プロジェクタ
１００２導波路
１００３内向きに結合するＤＯＥ
１００４光
１００５基板
１００６外向きに結合するＤＯＥ
１００７光
１００８アイボックス
１００９実画像
１２０１プロファイリング膜
１２０２開始ナノスケールパターン
１２０３基板
１４０１プロファイリング膜
１４０２開始ナノスケールパターン
１４０３基板

本発明の実施形態に従った、ｎＰ３装置の概略図である。本発明の実施形態に従った、ｎＰ３装置中のプロファイリングサブシステムの概略図である。本発明の実施形態に従った、ナノスケール精度プログラム可能プロファイリング（ｎＰ３）プロセスを使用する平坦な基板上に要素を製造するための方法のフローチャートである。本発明の実施形態に従い、図３に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図３に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図３に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図３に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図３に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図３に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図３に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従い、図３に記載されたステップを使用した平坦な基板上に要素を製造するための、断面図である。本発明の実施形態に従った、上板（ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ）と一緒にナノスケール精度プログラム可能プロファイリング（ｎＰ３）プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための方法のフローチャートである。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、図５に記載されたステップを使用し、上板と一緒にｎＰ３プロセスを使用する、平坦な基板上に光学素子を製造するための断面図である。本発明の実施形態に従った、内向きに結合する回折光学素子（ＤＯＥ）および外向きに結合するＤＯＥとしてのナノスケールパターン領域を示す導波路基板を描く図である。本発明の実施形態に従って、ナノスケールパターン領域がそれらの幾何学的パラメータ中でカスタマイズした変化をもって示されている、内向きに結合するＤＯＥおよび外向きに結合するＤＯＥとしてのナノスケールパターン領域を示す導波路基板を描く図である。本発明の実施形態に従った、同じ基板上に複数のナノスケールパターン領域を有する図である。本発明の実施形態に従った、収差を補正するため導波路基板のパターン形成していない部分上にｎＰ３プロセスを使用する様を図示する図である。本発明の実施形態に従った、プロファイリング材料とナノスケールパターン材料についてほぼ同じエッチング速度を使用する、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータ中にカスタマイズした変化を導入するための方法を図示する図である。本発明の実施形態に従い、図１１に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従い、図１１に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従い、図１１に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従い、図１１に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従った、プロファイリング材料とナノスケールパターン材料について異なるエッチング速度を使用する、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータ中にカスタマイズした変化を導入するための方法を図示する図である。本発明の実施形態に従い、図１３に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従い、図１３に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従い、図１３に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。本発明の実施形態に従い、図１３に記載されるステップを使用して、ナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入するための断面図である。

さらに、図２は、除去および再塗布期間の、ウェブ経路とその後の上板およびインターリーフ膜を示す。図２では、ニップおよび駆動ローラ組立体（２１３および２０６参照）を通して、張力制御が達成される。１つの実施形態では、摩擦を改善し、モータ能力によって制限されるより高い張力を可能にするポリウレタンローラが使用されて、駆動ローラ２０６上に垂直の圧力を加える。１つの実施形態では、ニップローラ２１３が駆動ローラ２０６に対して軸方向に平行であることが確保される。プロファイリングゾーンの真上にＵＶランプが置かれる。ＵＶ透過性真空チャック１１９は、上板とＵＶランプの間に位置決めされる。精密アイドラ２０３は、それが上板を平坦にして面外誤差および面内剪断誤差を最小にするのを確実にする様が示される。音声コイルモータ駆動ステージ２０４は、水平ＸＹステージに対して取り付けられる。基板は、ジェットステーションからプロファイリングステーション、次いで計測ステーションへとＸＹステージを使用して移動される。

図３および図４Ａ～図４Ｈを参照して、ｎＰ３を使用して平坦な基板４０２上に光学素子を製造するプロセス期間に、プロファイリング材料４０１のパターンが生成され、大きい区域にわたって、平坦な基板４０２上に吐出される。１つの実施形態では、基板４０２は、既存のナノスケールのフィーチャまたはパターンを有することができ、そのようなナノスケールのフィーチャは、回折効果を引き起こすために電磁放射と相互作用できるため光学素子または回折光学素子に対応することができる。インクジェット小滴またはプロファイリング材料４０１のパターンは、基板４０２上に既存のフィーチャおよび、フィーチャの１つまたは複数の幾何学的パラメータのカスタマイズした空間的変化に基づいた、所望の膜厚プロファイルが存在する下で、広がること、一体化すること、および満たすことを考慮して生成される。これは、ジェットサイクルと同期した基板４０２のＸＹ動作を通して達成される。１つの実施形態では、基板４０２は、次いで、紫外線（ＵＶ）ランプおよびＵＶ透過性（ＵＶＴ）チャック４０５の下方でプロファイリングゾーンに移動される。

１つの実施形態では、上板４０４は、ＵＶＴチャック４０５の下方に位置決めされ、上板４０４の張力は、最終的な面プロファイルが必要とする所望のレベルに調整される。上板４０４は、テクスチャを付けたまたはパターンを付けたロールであってよく、テクスチャまたはパターンの横方向空間長のスケールは、所望のプロファイルの横方向空間長のスケールより少なくとも１桁低い。１つの実施形態では、ＵＶＴチャック４０５が使用され、次いで所定の場所に上板４０４を保持する。基板４０２がチャック上に取り付けられる音声コイルモータ駆動ステージが、水平ＸＹステージの助けをかりて、プロファイリングゾーンに運ばれる。垂直チャック動作（ＶＣＭ）ステージ４０８の垂直チップチルト動作によって、上板４０４と基板４０２の適切な位置合わせおよび間隙制御が可能になる。小滴が一体化して連続膜４０７を形成するのが可能になる、上板ウェブの湾曲を作り出すために、空洞中の空気圧が増やされる。このことによって、閉じ込められる空気の泡を低減することが可能になる。１つの実施形態では、ＵＶＴチャック４０５上に取り付けられるカメラを使用して、泡の閉じ込めを観察する。画像処理を使用して、泡が識別され、標的の位置の上板４０４に自動的に空気が送り込まれ、プロファイリング材料４０１の小滴をそこで広げて、泡を確実に低減する。毛細管力が所望のトポグラフィを作り出すのに必要な指定された長さの時間の後で、プロファイリング材料がＵＶ硬化される。１つの実施形態では、ＶＣＭステージ４０８を使用して、その垂直の動作を通して、上板４０４から基板４０２を分離する。

図１２Ｃ～図１２Ｄに図示されるように、プロファイリング膜１２０１およびナノスケールパターン１２０２の材料は、同様のエッチング速度でプラズマエッチングプロセス中でエッチングされる。プロファイリング材料とナノスケールパターン材料についてのエッチング速度が実質的に異なるナノスケールパターンの幾何学的パラメータ（たとえば、高さ）にカスタマイズした変化を導入する説明が、図１３および図１４Ａ～図１４Ｄに関連して下で議論される。

Claims

基板上のナノスケールパターンにおける幾何学的パラメータのカスタマイズした変化を導入するための方法であって、
前記ナノスケールパターンを有する前記基板の１つまたは複数の領域上に、ナノスケール精度プログラム可能プロファイリングプロセスを実行するステップであって、前記ナノスケール精度プログラム可能プロファイリングプロセスが、前記ナノスケールパターンにおける前記幾何学的パラメータの前記カスタマイズした変化の関数である厚みプロファイルを有するプロファイリング膜を堆積するために使用される、ステップと、
前記プロファイリング膜の前記厚みプロファイルを前記ナノスケールパターンにおける前記幾何学的パラメータの前記カスタマイズした変化へと変換する、前記プロファイリング膜および前記ナノスケールパターンの材料のプラズマエッチングプロセスを実行するステップであって、前記カスタマイズした変化が前記プロファイリング膜の前記厚みプロファイルの関数である、ステップと
を含む、方法。
前記ナノスケールパターンが、以下すなわち、１Ｄ回折格子、２Ｄ回折格子、マルチレベル格子、傾斜格子、表面レリーフ格子、ブラッグ格子、体積ホログラム、およびフォトニック結晶のうちの１つまたは複数である、請求項１に記載の方法。
前記基板が高屈折率導波路基板であり、前記方法が前記高屈折率導波路基板のパターン形成された側で実行され、前記ナノスケールパターンが回折光学素子を備える、請求項１に記載の方法。
前記幾何学的パラメータが、以下すなわち、フィーチャの深さまたは高さ、フィーチャの横幅、および水平面に対する１つの寸法の角度のうちの１つまたは複数を含む、請求項１に記載の方法。
前記カスタマイズした変化のうちの１つまたは複数の特性が、前記基板上の前記ナノスケールパターンの異なる領域では異なっている、請求項１に記載の方法。
前記ナノスケール精度プログラム可能プロファイリングプロセスの前記実行および前記プラズマエッチングプロセスの前記実行が、前記基板上の前記ナノスケールパターンの複数の領域にわたって同時に行われる、請求項１に記載の方法。
前記カスタマイズした変化が、前記ナノスケール精度プログラム可能プロファイリングプロセスの前記実行および前記プラズマエッチングプロセスの前記実行の複数回の繰返しで達成される、請求項１に記載の方法。
前記カスタマイズした変化を有する前記ナノスケールパターンの平均表面粗さが、前記カスタマイズした変化を有しない前記ナノスケールパターンの平均表面粗さとほぼ等しい、請求項１に記載の方法。
前記プロファイリング膜と前記ナノスケールパターン材料のエッチング速度の比率がほぼ一致する、請求項１に記載の方法。
前記プロファイリング膜と前記ナノスケールパターン材料のエッチング速度の比率が０．０５と２０の間で調整可能である、請求項１に記載の方法。
カスタマイズした空間的変化が、以下すなわち、インクジェット、上板ありの示差加熱、および上板なしの示差加熱のうちの１つまたは複数を使用して前記プロファイリング膜中で達成される、請求項１に記載の方法。
前記プロファイリング膜が、前記ナノスケールパターンとほぼ一致する光学特性を有する、請求項１に記載の方法。
導波路基板中の１つまたは複数の収差を補正するための方法であって、
前記導波路基板中の前記１つまたは複数の収差を補正するために、前記導波路基板のパターン形成していない部分上にカスタマイズした変化を用いてプロファイリング膜を堆積することによって、前記導波路基板の前記パターン形成していない部分上で、ナノスケール精度プログラム可能プロファイリングプロセスを実行するステップ
を含む、方法。
前記プロファイリング膜の下にある材料に所望のプロファイルを転写するため、前記プロファイリング膜のプラズマエッチングを実行するステップ
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
前記導波路基板の前記パターン形成していない部分が、回折光学素子を含まない前記導波路基板の表面上にある、請求項１３に記載の方法。
前記導波路基板の前記パターン形成していない部分がナノスケールテクスチャを有する、請求項１３に記載の方法。
前記１つまたは複数の収差が、以下すなわち、基板総合厚み変化（ＴＴＶ）誤差および膜の堆積のうちの１つまたは複数からもたらされる、請求項１３に記載の方法。
基板上のナノスケールパターンにおける幾何学的パラメータのカスタマイズした変化を導入するための装置であって、
プロファイリングモジュールを備え、前記プロファイリングモジュールが、前記基板上の前記ナノスケールパターンにおける前記幾何学的パラメータの前記カスタマイズした変化の関数である厚みプロファイルで、基板上にプロファイリング膜を堆積するためのインクジェットを有し、前記プロファイリング膜の前記厚みプロファイルを前記基板上の前記ナノスケールパターンにおける前記幾何学的パラメータの前記カスタマイズした変化へと変換するプラズマエッチングプロセスが、前記プロファイリング膜および前記ナノスケールパターンの材料上で行われ、前記カスタマイズした変化が前記プロファイリング膜の前記厚みプロファイルの関数である、装置。
前記基板が導波路基板を備え、前記基板が前記基板上の前記ナノスケールパターンにおける前記幾何学的パラメータの前記カスタマイズした変化を有する光学素子を有する領域を有する、請求項１８に記載の装置。
以下すなわち、導波路上のナノスケールパターンの幾何学的パラメータにカスタマイズした変化を導入すること、基板平坦度または総合厚み変化誤差の補正、および画像歪みまたは光学収差の補正、のうちの１つまたは複数について、ナノスケール精度プログラム可能プロファイリングを使用して製造された導波路
を備える、ＸＲデバイス。