JP7328264B2 - 光学部品のマイクロ／ナノ構造を間隙充填するための流動性ｃｖｄの使用 - Google Patents

光学部品のマイクロ／ナノ構造を間隙充填するための流動性ｃｖｄの使用 Download PDF

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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ディスプレイデバイスに関する。より具体的には、本明細書に記載される実施形態は、ディスプレイデバイスのための光学部品を形成するための方法を提供する。
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目に近いディスプレイパネルを有する眼鏡又は他の着用可能なディスプレイデバイスといった、ヘッド装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）で見ることができる。
［０００３］拡張現実は、ユーザが、周囲環境を見るために、眼鏡又は他のＨＭＤデバイスのディスプレイレンズを通してなおも見ることができ、更に表示目的で生成され環境の一部として現れる仮想物体の画像をも見ることができる体験を可能にする。拡張現実は、オーディオ入力及び触覚入力といった任意の種類の入力、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みうる。
［０００４］仮想現実ディスプレイデバイスと拡張現実ディスプレイデバイスの両方が、対照的な屈折率（ＲＩ）を有するマイクロ構造又はナノ構造を含む、導波器又は平坦なレンズ／メタ表面などの光学部品を利用する。従来、ＲＩがより低い層は、光、電子ビーム、又はナノインプリントリソグラフィ処理を使用してパターニングされ、ＲＩがより高い層は、原子層堆積（ＡＬＤ）処理を使用して、パターニングされたより低いＲＩ層上に形成される。しかしながら、ＡＬＤ処理の膜堆積速度は非常に遅い。
［０００５］従って、仮想現実又は拡張現実ディスプレイデバイス用の光学部品を形成するための改良された方法が必要とされる。
［０００６］本開示の実施形態は、概して、例えば、仮想現実又は拡張現実ディスプレイデバイスのための、光学部品を形成するための方法に関する。１つの実施形態では、方法は、基板の上にパターンを有する第１の層を形成することを含み、第１の層は第１の屈折率を有する。この方法は、流動性化学気相堆積処理によって第１の層上に第２の層を形成することを更に含む。第２の層は、第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する。
［０００７］別の実施形態では、方法は、基板の上にパターンを有する第１の層を形成することを含む。第１の層は、約１．７から約２．４の範囲の第１の屈折率を有する。この方法は、流動性化学気相堆積処理によって第１の層上に第２の層を形成することを更に含む。第２の層は、約１．１から約１．５の範囲の第２の屈折率を有する。
［０００８］別の実施形態では、方法は、基板の上に第１のパターンを有する第１の層を形成することを含む。第１の層は、第１の屈折率を有し、金属酸化物を含む。この方法は、流動性化学気相堆積処理によって第１の層の上に第２の層を形成することを更に含む。第２の層は、約１．１から約１．５の範囲の第２の屈折率を有する。
［０００９］本開示の上述の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約されている本開示のより詳細な説明が、実施形態を参照することによって得られ、それらの実施形態の一部が添付図面に示される。しかしながら、添付図面は例示的な実施形態を示しているにすぎず、従って、本開示の範囲を限定すると見なされるべきではなく、その他の等しく有効な実施形態を許容しうることに留意されたい。
［００１０］本明細書に記載の１つの実施形態による処理チャンバの概略断面図を示す。 ［００１１］Ａ‐Ｄ図は、本明細書に記載の１つの実施形態による、様々な段階中の光学部品の概略断面図を示す。 ［００１２］Ａ‐Ｄ図は、本明細書に記載の実施形態による光学部品の概略断面図を示す。
［００１３］理解を容易にするために、図に共通する同一の要素を指し示すために、可能な場合には、同一の参照番号を使用した。１つの実施形態の要素及び特徴は、更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。
［００１４］本開示の実施形態は、概して、例えば、仮想現実又は拡張現実ディスプレイデバイスのための、光学部品を形成するための方法に関する。１つの実施形態では、この方法は、基板の上にパターンを有する第１の層を形成することを含み、第１の層は第１の屈折率を有する。この方法は、流動性化学気相堆積（ＦＣＶＤ）処理によって第１の層の上に第２の層を形成することを更に含み、第２の層は、第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する。
［００１５］図１は、本明細書に記載の１つの実施形態による処理チャンバ１００の概略断面側面図である。処理チャンバ１００は、ＣＶＤチャンバなどの堆積チャンバでありうる。処理チャンバ１００は、少なくとも基板の上に流動性膜を堆積させるように構成されうる。処理チャンバ１００は、チャンバ壁１３５の上に配置されたリッド１１２と、リッド１１２とチャンバ壁１３５との間に配置された絶縁リング１２０とを含む。第１の遠隔プラズマ源（ＲＰＳ）１０１がリッド１１２上に配置され、第１のＲＰＳ１０１内で形成された前駆体ラジカルが、ラジカル入口アセンブリ１０５及びバッフル１０６を介して、処理チャンバ１００のプラズマゾーン１１５内に流入する。第１のＲＰＳ１０１は、リッド１１２に連結されるように示されているが、第１のＲＰＳ１０１は、リッド１１２から離間され、１つ又は複数の導管によってリッド１１２に流体連結されてもよいと企図される。前駆体ガス入口１０２は、１つ又は複数の前駆体ガスを第１のＲＰＳ１０１に流入させるために、第１のＲＰＳ１０１上に形成される。
［００１６］処理チャンバ１００は、デュアルゾーンシャワーヘッド１０３を更に含む。デュアルゾーンシャワーヘッド１０３は、第１の複数のチャネル１０４及び第２の複数のチャネル１０８を含む。第１の複数のチャネル１０４及び第２の複数のチャネル１０８は、流体連結していない。動作中に、プラズマゾーン１１５内のラジカルは、デュアルゾーンシャワーヘッド１０３の第１の複数のチャネル１０４を通って処理領域１３０に流入し、１つ又は複数の前駆体ガスは、第２の複数のチャネル１０８を通って処理領域１３０に流入する。デュアルゾーンシャワーヘッド１０３により、ラジカルと前駆体ガスとの間の早すぎる混合及び反応が回避される。
［００１７］処理チャンバ１００は、処理中に基板１５５を支持するための基板支持体１６５を含む。処理領域１３０は、デュアルゾーンシャワーヘッド１０３及び基板支持体１６５によって画定される。第２のＲＰＳ１１４は、処理チャンバ１００のチャンバ壁１３５を通して処理領域１３０に流体連結される。第２のＲＰＳ１１４は、チャンバ壁１３５に形成された入口１１８に連結されうる。前駆体ガス及び前駆体ラジカルは、デュアルゾーンシャワーヘッド１０３の下の処理領域１３０で混ざり反応するので、堆積は、いくつかの小さな逆拡散を除き、主にデュアルゾーンシャワーヘッド１０３の下で起こる。したがって、デュアルゾーンシャワーヘッド１０３の下に配置された処理チャンバ１００の部品は、定期的な処理の後に洗浄されうる。洗浄とは、チャンバ部品上に堆積した材料を除去することを指す。洗浄ラジカルは、デュアルゾーンシャワーヘッド１０３の下（下流）の位置で処理領域１３０に導入される。
［００１８］第１のＲＰＳ１０１は、シリコン含有ガス、酸素含有ガス、及び／又は窒素含有ガスなどの前駆体ガスを励起して、基板支持体１６５上に配置された基板１５５上に流動性膜を形成する前駆体ラジカルを形成するように構成される。第２のＲＰＳ１１４は、フッ素含有ガスなどの洗浄ガスを励起して、基板支持体１６５及びチャンバ壁１３５などの処理チャンバ１００の部品を洗浄する洗浄ラジカルを形成するように構成される。
［００１９］処理チャンバ１００は、底部１８０と、底部１８０内に形成されたスリットバルブ開口部１７５と、底部１８０に連結されたポンピングリング１５０とを更に含む。ポンピングリング１５０は、処理チャンバ１００から残留前駆体ガス及びラジカルを除去するために利用される。処理チャンバ１００は、基板支持体１６５から基板１５５を持ち上げるための複数のリフトピン１６０と、基板支持体１６５を支持するシャフト１７０とを更に含む。シャフト１７０は、シャフト１７０を回転させることができるモータ１７２に連結されており、このモータは、基板支持体１６５、及び基板支持体１６５上に配置された基板１５５を回転させる。処理又は洗浄中に基板支持体１６５を回転させることにより、改善された堆積の均一性に加え、洗浄の均一性も実現することができる。
［００２０］図２Ａから図２Ｄは、本明細書に記載の１つの実施形態による、異なる段階中の光学部品２００の概略断面図を示す。図２Ａに示すように、光学部品２００は、基板２０２の第１の表面２０３上に配置された第１のＲＩを有するパターニングされた第１の層２０４を含む。基板２０２は、図１に示す基板１５５でありうる。１つの実施形態では、基板２０２は、ガラスなどの視覚的に透明な材料から製造される。基板２０２は、約１．４から約２．０の範囲のＲＩを有する。パターニングされた第１の層２０４は、透明な材料から製造され、第１のＲＩは、約１．７から約２．４の範囲である。１つの実施形態では、基板２０２のＲＩは、パターニングされた第１の層２０４の第１のＲＩと同じである。別の実施形態では、基板２０２のＲＩは、パターニングされた第１の層２０４の第１のＲＩとは異なる。パターニングされた第１の層２０４は、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）、又は酸化ニオブ（ＮｂＯｘ）などの金属酸化物から製造される。パターニングされた第１の層２０４は、パターン２０６を含み、パターン２０６は、複数の突起２０８及び複数の間隙２１０を含む。隣接する突起２０８は、間隙２１０によって分離されている。図２Ａに示されるように、突起２０８は、長方形の形状を有する。突起２０８は、任意の他の適切な形状を有してもよい。異なる形状を有する突起２０８の例が、図３Ａから図３Ｄに示される。１つの実施形態では、突起２０８は格子である。格子は、光を異なる方向に進むいくつかのビームに分割及び回折する複数の平行な細長い構造である。格子は、正弦、正方形、三角形、又は鋸歯状の格子といった異なる形状を有しうる。パターニングされた第１の層２０４は、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、又はエッチングなどの任意の適切な方法によって形成されうる。
［００２１］次に、基板２０２及びその上に形成されたパターニングされた第１の層２０４が、図１に示す処理チャンバ１００などの処理チャンバ内に配置される。第２の層２１２は、ＦＣＶＤ処理によってパターニングされた第１の層２０４上に形成される。第２の層２１２の流動性により、第２の層２１２は、間隙２１０のような小さな間隙に流入可能となる。第２の層２１２は、第１のＲＩよりも小さい第２のＲＩを有する。１つの実施形態では、層２１２は、約１．１から約１．５の範囲のＲＩを有する。
［００２２］第２の層は、以下の処理ステップによって形成されうる。原子状酸素前駆体は、処理チャンバ１００の第１のＲＰＳ１０１などのＲＰＳ内で生成される。原子状酸素は、分子状酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、窒素－酸素化合物（例えば、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏなど）、水素－酸素化合物（例えば、Ｈ２Ｏ、Ｈ２Ｏ２など）、炭素－酸素化合物（例えば、ＣＯ、ＣＯ２など）、並びに他の酸素含有前駆体及び前駆体の組み合わせなどの酸素含有前駆体の解離によって生成されうる。次に、反応性原子状酸素は、図１に示す処理チャンバ１００の処理領域１３０などの処理領域に導入され、ここで、原子状酸素は、同様に処理領域に導入されるシリコン前駆体と初めて混合されうる。原子状酸素は、適温（例えば、１００℃未満の反応温度）及び圧力（例えば、約０．１Ｔｏｒｒから約１０Ｔｏｒｒ、０．５から６Ｔｏｒｒの全チャンバ圧力など）でシリコン前駆体（及び反応チャンバ内に存在しうる他の堆積前駆体）と反応して、二酸化ケイ素層などの第２の層２１２を形成する。１つの実施形態では、第２の層２１２は、石英層である。
［００２３］シリコン前駆体は、炭素を含まない有機シラン化合物及び／又はシリコン化合物を含みうる。炭素を含まないシリコン前駆体は、とりわけシラン（ＳｉＨ４）を含みうる。有機シラン化合物は、直接Ｓｉ－Ｃ結合を有する化合物及び／又はＳｉ－Ｏ－Ｃ結合を有する化合物を含みうる。有機シランシリコン前駆体の例は、とりわけ、ジメチルシラン、トリメチルシラン、テトラメチルシラン、ジエチルシラン、テトラメチルオルトシリケート（ＴＭＯＳ）、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）、オクタメチルトリシロキサン（ＯＭＴＳ）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（ＯＭＣＴＳ）、テトラメチルジメチルジメトキシジシラン、テトラメチルシクロテトラシロキサン（ＴＯＭＣＡＴＳ）、ＤＭＤＭＯＳ、ＤＥＭＳ、メチルトリエトキシシラン（ＭＴＥＳ）、フェニルジメチルシラン、及びフェニルシランを含みうる。
［００２４］原子状酸素及びシリコン前駆体は、処理領域に導入される前に混合されない。前駆体は、図１に示すデュアルゾーンシャワーヘッド１０３のようなデュアルゾーンシャワーヘッドを通って処理領域に進入しうる。原子状酸素及びシリコン前駆体が処理領域内で反応すると、第２の層２１２がパターニングされた第１の層２０４上に形成される。堆積された第２の層２１２は、優れた流動性を有し、間隙２１０のような間隙内に迅速に移動することができる。
［００２５］第２の層２１２の堆積後アニールが実行されうる。１つの実施形態では、第２の層２１２は、実質的に乾燥雰囲気（例えば、乾燥窒素、ヘリウム、アルゴンなど）中で、約３００℃から約１０００℃（例えば、約６００℃から約９００℃）に加熱される。アニールは、堆積された第２の層２１２から水分を除去する。
［００２６］いくつかの実施形態では、基板２０２の両側は、上部に異なるＲＩを有する層を形成するために利用することができる。図２Ｃに示すように、第３のＲＩを有するパターニングされた第３の層２１４が、基板２０２の第２の表面２０５上に形成される。パターニングされた第３の層２１４は、パターン２１６を有し、パターン２１６は、複数の突起２１８及び複数の間隙２２０を含む。パターニングされた第３の層２１４は、パターニングされた第１の層２０４と同じ材料から製造されうる。パターニングされた第３の層２１４は、パターニングされた第１の層２０４と同じプロセスによって形成されうる。１つの実施形態では、パターニングされた第３の層２１４は、パターニングされた第１の層２０４と同一である。別の実施形態では、パターニングされた第３の層２１４は、パターニングされた第１の層２０４とは異なるパターンを有する。
［００２７］次に、図２Ｄに示されるように、パターニングされた第３の層２１４の上に、第４の層２２２が形成される。第４の層２２２は、第２の層２１２と同じ材料から製造されうる。第４の層２２２は、第２の層２１２と同じプロセスによって形成されうる。光学部品２００は、任意の適切なディスプレイデバイスで使用されうる。例えば、１つの実施形態では、光学部品２００は、拡張現実ディスプレイデバイスにおいて導波器又は導波結合器として使用される。導波器は、光波を導く構造である。導波結合器は、実世界画像を虚像と結合する拡張現実ディスプレイデバイスで使用される。別の実施形態では、光学部品２００は、拡張及び仮想現実ディスプレイデバイス並びにフェースＩＤ及びＬＩＤＡＲのような３Ｄ感知デバイスにおける平坦レンズ／メタ表面として使用される。
［００２８］図３Ａから図３Ｄは、本明細書に記載の実施形態による光学部品３００の概略断面図を示す。図３Ａに示すように、光学部品３００は、基板２０２、基板２０２上に配置されたパターニングされた第１の層２０４、及びパターニングされた第１の層２０４上に配置された第２の層２１２を含む。パターニングされた第１の層２０４は、複数の突起３０２を含む。突起３０２の各々は、図３Ａに示されるように、平行四辺形の断面積を有する。突起３０２は、格子であってもよい。
［００２９］図３Ｂに示すように、光学部品３００は、基板２０２、基板２０２上に配置されたパターニングされた第１の層２０４、及びパターニングされた第１の層２０４上に配置された第２の層２１２を含む。パターニングされた第１の層２０４は、複数の突起３０４を含む。突起３０４の各々は、図３Ｂに示されるように、三角形の断面積を有する。突起３０４は、格子であってもよい。
［００３０］図３Ｃに示すように、光学部品３００は、基板２０２、基板２０２の第１の表面２０３上に配置されたパターニングされた第１の層２０４、及びパターニングされた第１の層２０４上に配置された第２の層２１２を含む。パターニングされた第１の層２０４は、複数の突起３０２を含む。光学部品３００は、基板２０２の第２の表面２０５上に配置されたパターニングされた第３の層２１４と、パターニングされた第３の層２１４上に配置された第４の層２２２とを更に含む。パターニングされた第３の層２１４は、複数の突起３０６を含む。１つの実施形態では、突起３０６は、突起３０２と同じでありうる。別の実施形態では、突起３０６は、突起３０２と同じでなくてもよい。突起３０２、３０６は格子であってもよい。
［００３１］図３Ｄに示すように、光学部品３００は、基板２０２、基板２０２の第１の表面２０３上に配置されたパターニングされた第１の層２０４、及びパターニングされた第１の層２０４上に配置された第２の層２１２を含む。パターニングされた第１の層２０４は、複数の突起３０４を含む。光学部品３００は、基板２０２の第２の表面２０５上に配置されたパターニングされた第３の層２１４と、パターニングされた第３の層２１４上に配置された第４の層２２２とを更に含む。パターニングされた第３の層２１４は、複数の突起３０８を含む。１つの実施形態では、突起３０８は、突起３０４と同じでありうる。別の実施形態では、突起３０８は、突起３０４と同じでなくてもよい。突起３０４、３０８は格子であってもよい。
［００３２］光学部品３００は、任意の適切なディスプレイデバイスで使用されうる。例えば、１つの実施形態では、光学部品３００は、拡張現実ディスプレイデバイスにおいて導波器又は導波結合器として使用される。別の実施形態では、光学部品３００は、拡張及び仮想現実ディスプレイデバイス並びにフェースＩＤ及びＬＩＤＡＲのような３Ｄ感知デバイスにおける平坦レンズ／メタ表面として使用される。
［００３３］異なるＲＩを有する層を含む光学部品を形成するための方法が開示される。ＲＩがより高いパターニングされた第１の層が基板の上に形成され、第２の層が、ＦＣＶＤ処理を用いてパターニングされた第１の層の上に形成される。光学部品の用途は、拡張及び仮想現実ディスプレイデバイス及び３Ｄセンシングデバイスに限定されない。光学部品は、任意の適切な用途で使用することができる。
［００３４］上記は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の他の実施形態及び更なる実施形態が、その基本的な範囲から逸脱することなく考案されてもよく、その範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (8)

  1. 拡張現実又は仮想現実ディスプレイデバイスの光学部品を形成するための方法であって、
    拡張現実または仮想現実ディスプレイデバイスの前記光学部品の導波器又は平坦レンズを形成することであって、前記導波器又は前記平坦レンズは、処理領域に配置された基板の上に、それぞれ高さ方向に細長い形状を有し、互いに平行であって規則的に並べられた複数の回折格子及び複数の間隙を有するパターンを有し、１．７から２．４の範囲の第１の屈折率を有し、かつ酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、又は酸化ニオブを含む、拡張現実または仮想現実ディスプレイデバイスの前記光学部品の導波器又は平坦レンズを形成することと、
    １００℃未満の温度で０．１Ｔｏｒｒと１０Ｔｏｒｒの間の圧力で流動性化学気相堆積処理によって、前記導波器又は前記平坦レンズの前記パターンの上に直接、層を形成することであって、前記層が、１．１から１．５の範囲の第２の屈折率を有し、多孔性二酸化ケイ素又は石英を含む層を形成すること、
    を含み、
    前記流動性化学気相堆積処理は、
    原子状酸素前駆体を生成することと、
    前記原子状酸素前駆体を前記処理領域に導入することであって、シリコン前駆体は、前記原子状酸素前駆体と前記シリコン前駆体が前記処理領域に導入される前に混合されないように、前記処理領域に配置される、前記原子状酸素前駆体を前記処理領域に導入すること、
    を含む、方法。
  2. 前記層をアニーリングすることを更に含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記層をアニーリングすることが、前記層を３００℃から１０００℃まで加熱することを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 拡張現実又は仮想現実ディスプレイデバイスの光学部品を形成するための方法であって、
    拡張現実または仮想現実ディスプレイデバイスの前記光学部品の導波器又は平坦レンズを形成することであって、前記導波器又は前記平坦レンズは、処理領域に配置された基板の第１の表面上に、それぞれ高さ方向に細長い形状を有し、互いに平行であって規則的に並べられた複数の回折格子及び複数の間隙を有する第１のパターンを有し、１．７から２．４の範囲の第１の屈折率を有し、かつ酸化チタン、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、又は酸化ニオブを含む、拡張現実または仮想現実ディスプレイデバイスの前記光学部品の導波器又は平坦レンズを形成することと、
    １００℃未満の温度で０．１Ｔｏｒｒと１０Ｔｏｒｒの間の圧力で流動性化学気相堆積処理によって、前記導波器又は前記平坦レンズの前記第１のパターンの上に直接、層を形成することであって、前記層が、１．１から１．５の範囲の第２の屈折率を有し、多孔性二酸化ケイ素又は石英を含む層を形成すること、
    を含み、
    前記流動性化学気相堆積処理は、
    原子状酸素前駆体を生成することと、
    前記原子状酸素前駆体を前記処理領域に導入することであって、シリコン前駆体は、前記原子状酸素前駆体と前記シリコン前駆体が前記処理領域に導入される前に混合されないように、前記処理領域に配置される、前記原子状酸素前駆体を前記処理領域に導入すること、を含む、方法。
  5. 前記導波器又は前記平坦レンズが、電子ビームリソグラフィ又はナノインプリントリソグラフィによって前記基板の前記第１の表面上に形成される、請求項４に記載の方法。
  6. 前記基板の第２の表面上に第３の屈折率を有する第２の層を形成することを更に含み、前記第２の層が第２のパターンを有する、請求項４に記載の方法。
  7. 前記流動性化学気相堆積処理によって前記第２の層の上に前記第３の屈折率よりも小さい第４の屈折率を有する第３の層を形成すること
    を更に含む、請求項６に記載の方法。
  8. 前記第２のパターンが、前記第１のパターンとは異なる、請求項７に記載の方法。
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