JP7378392B2 - シャドウマスクを使用した調整可能勾配パターン化のための方法およびシステム - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、その開示が、あらゆる目的のために、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２０１７年１１月６日に出願された米国仮特許出願第６２／５８２，０８２号の利益および優先権を主張する。

現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える様式、またはそのように知覚され得る様式でユーザに提示される、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進している。仮想現実、または、「ＶＲ」シナリオは、典型的に、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実、または、「ＡＲ」シナリオは、典型的に、ユーザの周囲の実際の世界の可視化の拡張として、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。

これらのディスプレイ技術において成された進歩にもかかわらず、当技術分野において、拡張現実システム、特に、ディスプレイシステムに関連する改良された方法およびシステムの必要がある。

本開示は、仮想現実および拡張現実結像、および可視化システムに関する。本開示は、概して、回折要素が位置の関数として可変深度を有する回折構造の製作に関連する方法およびシステムに関する。本明細書に説明される実施形態は、接眼ディスプレイのために使用される回折格子ベースの導波管ディスプレイの状況において適用されることができる。特定の実施形態では、ある勾配深度プロファイルを伴う格子が、視野均一性を改良し、光外部結合効率を増加させるために利用される。本明細書に説明されるように、いくつかの実施形態は、シャドウマスクおよびドライエッチングプロセスを利用して、基板表面へのプラズマ密度を制御することによって達成されるある勾配深度プロファイルを伴う格子を製作する。本開示は、コンピュータビジョンおよび画像ディスプレイシステムにおける種々の用途に適用可能である。

本発明のある実施形態によると、可変回折要素深度を伴う回折構造を製作する方法が、提供される。方法は、第１の開口周期性に対する開口寸法の比率を伴う第１の領域と、第１の開口周期性に対する開口寸法の比率より小さい第２の開口周期性に対する開口寸法の比率を伴う第２の領域とを有するシャドウマスクを提供することと、シャドウマスクを基板に隣接して位置付けることであって、基板は、回折構造に対応しているエッチングマスクを備えている、こととを含む。方法は、基板をエッチング液にさらすことと、基板をエッチングし、第１の深度を有する回折要素を第１の領域に隣接して形成することと、基板をエッチングし、第１の深度より小さい第２の深度を有する回折要素を第２の領域に隣接して形成することとも含む。

本発明の別の実施形態によると、マスタ基板を製作する方法が、提供される。方法は、少なくとも第１の方向における第１の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられる第１の領域と、少なくとも第２の方向における第２の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられる第２の領域とを有するシャドウマスクを提供することを含む。方法は、回折特徴によって特徴付けられるエッチングマスクと、第１の露出領域と、第２の露出領域とを有する基板を提供することをも含む。方法は、シャドウマスクを基板に隣接して位置付けることをさらに含む。第１の領域は、最初に、露出領域と整列させられ、第２の領域は、第２の露出領域と整列させられる。加えて、方法は、基板をプラズマエッチングプロセスにさらすことと、第１の回折要素を第１の領域に隣接してエッチングすることとを含む。第１の回折要素は、少なくとも第１の方向における第１の勾配深度プロファイルによって特徴付けられる。さらに、方法は、第２の回折要素を第２の領域に隣接してエッチングすることを含む。第２の回折要素は、少なくとも第２の方向における第２の勾配深度プロファイルによって特徴付けられる。

本発明の具体的実施形態によると、可変厚材料を堆積させる方法が、提供される。方法は、基板を提供することと、第１の開口周期性に対する開口寸法の比率を伴う第１の領域と、第１の開口周期性に対する開口寸法の比率より小さい第２の開口周期性に対する開口寸法の比率を伴う第２の領域とを有するシャドウマスクを提供することとを含む。方法は、シャドウマスクを基板に隣接して位置付けることと、プラズマ堆積プロセスを基板に対して実施し、可変厚材料を堆積させることとも含む。第１の領域に隣接した層厚は、第２の領域に隣接した層厚より大きい。

ある実施形態では、基板は、回折格子を含み得る回折構造を含む成長表面を備えている。可変厚材料は、形状適合層を含むことができる。別の実施形態では、シャドウマスクは、複数の開口と、複数の開口と平行な表面とを備え、基板は、堆積表面を備え、シャドウマスクを基板に隣接して位置付けることは、シャドウマスクの表面を堆積表面と平行に設置することを含む。シャドウマスクは、２つの方向における開口周期性に対する開口寸法の可変比率によって特徴付けられることができる。さらに、ある実施形態では、基板は、複数の回折要素を含む均一回折構造を備え、可変厚材料は、第１の領域における１の回折要素深度と、第２の領域における１の回折要素深度より小さい第２の回折要素深度とによって特徴付けられる。さらに、別の実施形態では、基板は、複数の回折要素を含む均一回折構造を備え、可変厚材料は、第１の領域における１の回折要素幅と、第２の領域における１の回折要素幅より小さい第２の回折要素幅とによって特徴付けられる。

本発明の別の具体的実施形態によると、マスタ基板を製作する方法が、提供される。方法は、少なくとも第１の方向における第１の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられる第１の領域と、少なくとも第２の方向における第２の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられる第２の領域とを有するシャドウマスクを提供することを含む。方法は、回折特徴によって特徴付けられるマスクと、第１の露出領域と、第２の露出領域とを有する基板を提供することも含む。方法は、シャドウマスクを基板に隣接して位置付けることも含む。第１の領域は、第１の露出領域と整列させられ、第２の領域は、第２の露出領域と整列させられる。さらに、方法は、基板をプラズマコーティングまたは堆積プロセスのうちの少なくとも１つにさらすことと、第１の回折要素を第１の領域に隣接してコーティングすることとを含む。第１の回折要素は、少なくとも第１の方向における第１の勾配深度および第１の線幅プロファイルによって特徴付けられる。方法は、第２の回折要素を第２の領域に隣接してコーティングすることも含む。第２の回折要素は、少なくとも第２の方向における第２の勾配深度および第２の線幅プロファイルによって特徴付けられる。

ある実施形態では、第１の勾配深度は、第２の勾配深度より大きい。別の実施形態では、第１の線幅プロファイルは、第１の幅によって特徴付けられ、第２の線幅プロファイルは、第１の幅より小さい第２の幅によって特徴付けられる。

多数の利点が、従来の技法に優る本開示の方法によって達成される。例えば、本発明の実施形態は、エッチングおよび／または堆積システムのために現在利用されているプラズマベースのシステムおよびツール類を、標的表面の近傍におけるプラズマ密度／エネルギーの制御された変動を含むプラズマ密度／エネルギーの改良された制御を達成するように適合させる方法およびシステムを提供する。加えて、実施形態は、プラズマ密度、ガスフロー等に起因して、可変レベルの非均一性を有するシステムを含む現在のシステムのためのプラズマ増強エッチングまたは堆積の均一性を改良する。さらに、本発明の実施形態は、低減させられたシステム複雑性によって特徴付けられ、接触ベースのナノリソグラフィおよびマイクロリソグラフィプロセスのための段階的なパターンテンプレートを製作するより低いコストを提供する。容易に利用可能な材料およびシステムを利用することによって、本発明の実施形態は、プラズマ密度／エネルギーを制御された方式において変動させるために使用され得るマスク／テンプレートおよび材料の製作を可能にする。加えて、実施形態は、段階的に変化する深度を伴うナノ／マイクロ構造を生産することができる。本明細書に説明されるシャドウマスクを利用することによって、可変深度構造が、単一エッチングステップを用いて達成され、複数のリソグラフィ－エッチングプロセスを回避し、それによって、時間およびコストの両方を節約することができる。本開示のこれらおよび他の実施形態は、その利点および特徴の多くとともに、以下の文章および添付の図と併せてより詳細に説明される。
例えば、本発明は、以下を提供する、
（項目１）
可変回折要素深度を伴う回折構造を製作する方法であって、前記方法は、
第１の開口周期性に対する開口寸法の比率を伴う第１の領域と、前記第１の開口周期性に対する開口寸法の比率より小さい第２の開口周期性に対する開口寸法の比率を伴う第２の領域とを有するシャドウマスクを提供することと、
前記シャドウマスクを基板に隣接して位置付けることであって、前記基板は、前記回折構造に対応しているエッチングマスクを備えている、ことと、
前記基板をエッチング液にさらすことと、
前記基板をエッチングし、第１の深度を有する回折要素を前記第１の領域に隣接して形成することと、
前記基板をエッチングし、前記第１の深度より小さい第２の深度を有する回折要素を前記第２の領域に隣接して形成することと
を含む、方法。
（項目２）
前記第１の開口周期性に対する開口寸法の比率および前記第２の開口周期性に対する開口寸法の比率は、前記第２の領域における２の開口寸法より大きい前記第１の領域における１の開口寸法と、開口の一定中心間間隔とによって定義される、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記第１の開口周期性に対する開口寸法の比率および前記第２の開口周期性に対する開口寸法の比率は、前記第１の領域における開口の第１の中心間間隔および前記第２の領域における開口の第２の中心間間隔と、一定開口寸法とによって定義される、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記シャドウマスクは、前記シャドウマスクにわたって線形に変動する開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられる、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記回折構造は、回折格子を備え、前記回折要素は、格子歯を備えている、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記基板をエッチング液にさらすことは、プラズマエッチングプロセスを実施することを含む、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記第１の領域における回折要素をエッチングし、前記第２の領域における回折要素をエッチングした後、前記エッチングマスクを除去することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目８）
プラズマ増強コーティングプロセスを前記基板に対して実施することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記基板は、シリコン基板を備えている、項目１に記載の方法。
（項目１０）
前記第１の深度および前記第２の深度は、約１０ｎｍ～約１５０ｎｍに及ぶ、項目１に記載の方法。
（項目１１）
前記回折要素は、非線形に変動する、項目１に記載の方法。
（項目１２）
マスタ基板を製作する方法であって、前記方法は、
シャドウマスクを提供することであって、前記シャドウマスクは、
少なくとも第１の方向における第１の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられる第１の領域と、
少なくとも第２の方向における第２の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられる第２の領域と
を有する、ことと、
基板を提供することであって、前記基板は、
回折特徴によって特徴付けられるエッチングマスクと、
第１の露出領域と、
第２の露出領域と
を有する、ことと、
前記シャドウマスクを前記基板に隣接して位置付けることであって、前記第１の領域は、前記第１の露出領域と整列させられ、前記第２の領域は、前記第２の露出領域と整列させられる、ことと、
前記基板をプラズマエッチングプロセスにさらすことと、
第１の回折要素を前記第１の領域に隣接してエッチングすることであって、前記第１の回折要素は、前記少なくとも第１の方向における第１の勾配深度プロファイルによって特徴付けられる、ことと、
第２の回折要素を前記第２の領域に隣接してエッチングすることであって、前記第２の回折要素は、前記少なくとも第２の方向における第２の勾配深度プロファイルによって特徴付けられる、ことと
を含む、方法。
（項目１３）
前記第１の領域は、少なくとも前記第１の方向に直交する方向における第３の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によってさらに特徴付けられ、
前記第２の領域は、少なくとも前記第２の方向に直交する方向における第４の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によってさらに特徴付けられ、
前記第１の回折要素は、前記第１の方向に直交する前記方向における第３の勾配深度プロファイルによってさらに特徴付けられ、
前記第２の回折要素は、前記第２の方向に直交する前記方向における第４の勾配深度プロファイルによってさらに特徴付けられる、
項目１２に記載の方法。
（項目１４）
前記第１の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率は、前記第２の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率と等しく、
前記第１の方向および前記第２の方向は、同一方向である、項目１２に記載の方法。
（項目１５）
前記第１の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率は、開口の一定中心間間隔と、前記第１の方向に沿った段階的な開口寸法とによって定義され、
前記第２の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率は、開口の一定中心間間隔と、前記第２の方向に沿った段階的な開口寸法とによって定義される、項目１２に記載の方法。
（項目１６）
前記第１の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率は、前記第１の方向に沿った一定開口寸法と、開口の段階的な中心間間隔とによって定義され、
前記第２の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率は、前記第２の方向に沿った一定開口寸法と、開口の段階的な中心間間隔とによって定義される、項目１２に記載の方法。
（項目１７）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、格子歯を備えている、項目１２に記載の方法。
（項目１８）
前記第１の回折要素を前記第１の領域に隣接してエッチングし、前記第２の回折要素を前記第２の領域に隣接してエッチングした後、前記エッチングマスクを除去することをさらに含む、項目１２に記載の方法。
（項目１９）
前記基板は、シリコン基板を備えている、項目１２に記載の方法。
（項目２０）
前記第１の勾配深度プロファイルは、深度において約５ｎｍ～約１５０ｎｍに及び、
前記第２の勾配深度プロファイルは、深度において約５ｎｍ～約１５０ｎｍ及ぶ、項目１２に記載の方法。

図１Ａは、本明細書に説明されるある実施形態によるデジタルまたは仮想画像を視認者に提示するために使用され得る視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）内の光経路を図式的に図示する。

図１Ｂは、本発明のある実施形態による回折構造の簡略化された断面図である。

図２は、本発明のある実施形態によるシャドウマスクを使用する可変深度エッチングを図示する簡略化された断面略図である。

図３Ａは、本発明のある実施形態による基板および例示的シャドウマスク特徴の簡略化された平面図である。

図３Ｂは、本発明のある実施形態による図３Ａに図示される領域の一部の拡大図である。

図３Ｃは、本発明の別の実施形態における図３Ａに図示される領域の一部の拡大図である。

図４Ａは、本発明のある実施形態による可変高格子構造を含む接眼レンズの一部を示す画像である。

図４Ｂ－４Ｄは、図４Ａに示される３つの測定場所における格子歯のＳＥＭ断面の例証である。 図４Ｂ－４Ｄは、図４Ａに示される３つの測定場所における格子歯のＳＥＭ断面の例証である。 図４Ｂ－４Ｄは、図４Ａに示される３つの測定場所における格子歯のＳＥＭ断面の例証である。

図４Ｅは、図４Ａに図示される接眼レンズの縁からの距離の関数として格子エッチング深度を図示するプロットである。

図５Ａ－５Ｃは、従来の技法を使用して製作される回折構造を図示する平面略図である。 図５Ａ－５Ｃは、従来の技法を使用して製作される回折構造を図示する平面略図である。 図５Ａ－５Ｃは、従来の技法を使用して製作される回折構造を図示する平面略図である。

図５Ｄ－５Ｆは、本発明の実施形態に従って製作される１次元または２次元輪郭を伴う回折構造を図示する平面略図である。 図５Ｄ－５Ｆは、本発明の実施形態に従って製作される１次元または２次元輪郭を伴う回折構造を図示する平面略図である。 図５Ｄ－５Ｆは、本発明の実施形態に従って製作される１次元または２次元輪郭を伴う回折構造を図示する平面略図である。

図６Ａは、本発明のある実施形態による格子高勾配を伴う回折構造の簡略化された断面図である。

図６Ｂは、本発明のある実施形態による可変分注体積を伴うデジタル分注パターンを図示する簡略化された平面図である。

図６Ｃは、本発明のある実施形態による混成された界面領域を伴う図６Ａに図示される回折構造の簡略化された断面図である。

図７は、本発明のある実施形態によるシャドウマスクを製作する方法を図示する簡略化されたプロセスフロー図を図示する。

図８は、本発明のある実施形態による可変深度回折要素を伴う基板を生産するためのシャドウマスクマスタの使用を図示する簡略化された略図である。

図９は、本発明のある実施形態による可変厚堆積層を図示する簡略化された断面略図である。

図１０は、本発明のある実施形態による可変回折要素深度を伴う回折構造を製作する方法を例証するフローチャートである。

図１１は、本発明のある実施形態によるマスタ基板を製作する方法を例証するフローチャートである。

図１２は、本発明のある実施形態による可変厚材料を堆積させる方法を例証するフローチャートである。

図１３は、本発明のある実施形態によるマスタ基板を製作する方法を例証するフローチャートである。

いくつかの従来の回折ベースの導波管光学ディスプレイでは、固定高のナノ／マイクロ格子パターンが、利用される。しかしながら、光が格子パターンと相互作用するときの光の入射角に応じて、ユーザの眼に向かって外部結合される光強度は、大きく変動し得る。例えば、光強度は、近視野および／または遠視野画像内でユーザの視野にわたって測定されるとき、非均一であり得る。

本発明の実施形態は、位置の関数として変動する回折要素深度（例えば、格子深度）、例えば、徐々に変動する回折要素深度を伴う導波管構造の利用を通して、画像強度における非均一性を減少させることによって、ユーザ体験を改良する。これらのナノスケール調節は、回折効率を効果的に調整し、より均一なビューをユーザのために提供する。

図１Ａは、一実施形態によるデジタルまたは仮想画像を視認者に提示するために使用され得る視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）における光経路を図式的に図示する。ＶＯＡは、視認者によって装着され得るプロジェクタ１０１と、接眼レンズ１００とを含む。いくつかの実施形態では、プロジェクタ１０１は、赤色ＬＥＤのグループと、緑色ＬＥＤのグループと、青色ＬＥＤのグループとを含み得る。例えば、プロジェクタ１０１は、２つの赤色ＬＥＤと、２つの緑色ＬＥＤと、２つの青色ＬＥＤとを含み得る。接眼レンズ１００は、１つ以上の接眼レンズ層を含み得る。一実施形態では、接眼レンズ１００は、３つの接眼レンズ層を含み、１つの接眼レンズ層が、３つの原色、赤色、緑色、および青色の各々のためである。別の実施形態では、接眼レンズ１００は、６つの接眼レンズ層を含み得、１つの接眼レンズ層の組が、仮想画像を１つの深度平面に形成するために構成された３つの原色の各々のためであり、別の接眼レンズ層の組が、仮想画像を別の深度平面に形成するために構成された３つの原色の各々のためである。さらに別の実施形態では、接眼レンズ１００は、３つ以上の異なる深度平面のための３つの原色の各々のための３つ以上の接眼レンズ層を含み得る。各接眼レンズ層は、平面導波管を含み、内部結合格子（ＩＣＧ）１０７と、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域１０８と、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域１０９とを含む。

プロジェクタ１０１は、画像光を接眼レンズ１００内のＩＣＧ１０７上に投影する。ＩＣＧ１０７は、プロジェクタ１０１からの画像光を平面導波管の中に結合し、それをＯＰＥ領域１０８に向かう方向に伝搬する。導波管は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、画像光を水平方向に伝搬する。ＯＰＥ領域１０８は、導波管内を伝搬するＩＣＧ１０７からの画像光を増大させ、ＥＰＥ領域１０９に向け直す回折要素を含む。言い換えると、ＯＰＥ領域１０８は、ビームレットをＥＰＥの異なる部分に送達される直交方向に増大させる。ＥＰＥ領域１０９は、導波管内を伝搬する画像光の一部を外部結合し、視認者の眼１０２に向ける回折要素を含む。この方式で、プロジェクタ１０１によって投影された画像は、視認者の眼１０２によって視認され得る。

上で説明されるように、プロジェクタ１０１によって生成された画像光は、３つの原色、すなわち、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、および赤色（Ｒ）の光を含み得る。そのような画像光は、各構成色における画像光が、接眼レンズ内のそれぞれの導波管に結合され得るように、構成色に分離されることができる。本開示の実施形態は、図示されるプロジェクタの使用に限定されず、他のタイプのプロジェクタも、本開示の種々の実施形態において利用されることができる。

プロジェクタ１０１は、ＬＥＤ光源１０３と、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）空間光変調器（ＳＬＭ）１０４とを含むが、本開示の実施形態は、このプロジェクタ技術に限定されず、ファイバ走査プロジェクタ、変形可能ミラーデバイス、微小機械スキャナ、ＬＥＤではなくレーザ光源の使用、正面照明型設計を含む光学系、導波管、およびビームスプリッタの他の配列等を含む他のプロジェクタ技術も含むことができる。

いくつかの接眼レンズ層では、格子構造は、空間的に均質な回折効率および光学位相を格子構造の全表面に有することができる。図１Ａに図示されるようなＯＰＥの場合、この不変性は、基板が実質的に平坦である場合、コヒーレントアーチファクトにつながり得る。これらのコヒーレントアーチファクトは、光がＯＰＥ格子領域内で辿り得る複数の伝搬経路に関連する干渉効果から生じ、それは、格子領域の出口において強く変調された出力強度として現れ得る。これらの変調は、多くの場合、「条線」と称される暗い帯域を接眼レンズによって生産された出力画像内に生産し、それは、観察位置が変化させられるにつれて、異なる角度に関して生じる。加えて、回折効率における不変性は、格子構造の中への伝搬距離の関数として、出力強度を指数関数的に減少させる結果をもたらし得る。

故に、本発明の実施形態は、回折効率を位置の関数として変動させ、これらの干渉効果を低減または排除することによって、これらおよび他の画像アーチファクトを低減させる。本明細書に説明されるように、結合効率とも称される回折効率の変動は、格子高を位置の関数として修正することによって達成されることができ、それは、所望されるような回折効率の変動をもたらす。例えば、ＯＰＥ内の格子高の可変分布は、光学位相を乱し、ＯＰＥ内の全ての可能な光学経路間のコヒーレンスが低減させられるので、出力画像の干渉ベースの画像アーチファクトを低減させるであろう。さらに、ＥＰＥ内の格子の高さの段階的な変動は、出力画像内の視野にわたる増加させられた明度均一性および異なる眼位置にわたる明度均一性をもたらし、それによって、光が格子を通して伝搬するときの位置の関数としての強度低下（均一回折効率構造の特性である）を防止するであろう。

図１Ｂは、本発明のある実施形態による回折構造の簡略化された断面図である。図１Ｂに図示されるように、回折要素（すなわち、格子歯）は、ｘ－軸に沿って測定された位置の関数としての可変深度／高によって特徴付けられる。上で議論されるように、図１Ｂに図示されるような回折構造が、図１Ａに図示される接眼レンズのＥＰＥ区分において利用される場合、従来の格子を使用すると、位置に伴って低下し得る位置の関数として外部結合される光の強度は、増加させられた均一性によって特徴付けられ、ユーザの体験を改良することができる。

格子構造が、テンプレートを使用して製作される場合、図１Ｂに図示される格子深度のグラデーションは、テンプレートエッチングプロセス中、インプリントされた導波管のためにテンプレートにおいて選択的に調整されることができる。格子構造が、直接製作される場合、格子深度のグラデーションは、本明細書に説明される方法およびシステムを使用して、製作中（例えば、エッチング中）、選択的に調整されることができる。ある実施形態では、可変格子深度を伴う構造（すなわち、深度は、基板の平面表面１６０に対して測定される）は、可変高を伴う格子を含むであろうコピーをインプリントするためのマスタとして使用される。当然ながら、マスタが可変格子高を有する他の設計（すなわち、高さが、格子歯の底部と整列させられた傾けられた平面に対して測定される）も、利用されることができる。

本発明の実施形態は、近視野および遠視野画像均一性の両方に対処しない従来のアプローチにおいて観察される問題を克服する。加えて、マルチステップエッチングまたは電子ビームリソグラフィ後にエッチングを使用して製作され得るステップベースの（すなわち、デジタル）変動アプローチを含む従来のアプローチでは、ステップベースの変動は、異なるサイズのステップ間のデジタルステップおよび／または鮮明な境界の結果、散乱をもたらす。本発明の実施形態を使用することによって、位置の関数としての回折要素の深度の所定のアナログ変動が、格子深度における従来のステップベースの変動から利用可能ではない利点とともに達成される。上で説明されるように、本明細書に説明される方法およびシステムは、格子結合係数が位置の関数として変動し、明度均一性およびユーザ体験を改良することを可能にする。

図２は、本発明のある実施形態によるシャドウマスクを使用した可変深度エッチングを図示する簡略化された断面略図である。図２では、シャドウマスク２１０が、基板２０５に近接して設置され、基板２０５上で、エッチングマスク２０７は、パターン化されている。エッチングマスク２０７は、ハードマスクと称され得る。いくつかの実施形態では、開口があるシャドウマスクの平面は、基板の上部表面と平行に位置付けられ、シャドウマスクとエッチングマスクの上部表面との間の距離Ｄは、約１００μｍ～数センチメートル、例えば、約１ｍｍに及ぶことができる。プラズマ２２０が、シャドウマスク２１０を通過し、基板２０５のエッチングが、エッチングマスク２０７によって被覆されない基板の部分に生じる。エッチングマスク２０７の寸法は、典型的に、約サブミクロンの幾何学形状であろうことを理解されたい。故に、図２は、開口間の中心間隔および開口寸法が、エッチングマスク寸法より数桁大きいので、正確な縮尺で描かれていない。

シャドウマスク２１０は、ｘ－方向の関数として寸法が変動する開口２１２、２１４、２１６、および２１８を有するように製作されている。図２に示される例に図示されるように、開口２１２は、３０μｍの幅を有し、開口２１４は、６０μｍの幅を有し、開口２１６は、９０μｍの幅を有し、開口２１８は、１２０μｍの幅を有する。この例では、開口の中心間間隔２１５は、１５０μｍであるが、それは、本発明によって要求されず、開口と開口幅との間の他の間隔も、利用されることができる。可変開口寸法の結果、基板表面に到達するプラズマ密度は、基板にわたって変動し、より高いプラズマ密度は、より広い開口２１８に隣接し、より低いプラズマ密度は、より狭い開口２１２に隣接する。プラズマ密度は、拡散プロセスによって影響されるであろう。その結果、開口は、異なる寸法を有するが、ｘ－方向およびｙ－方向におけるプラズマの拡散は、基板表面にわたる位置の関数としてのプラズマ密度のほぼ連続した変動をもたらすであろう。４つの開口２１２－２１８が、位置の関数としての可変サイズ開口を例示するために図示されるが、本発明は、この少数の開口に限定されないことが当業者に明白であろう。むしろ、それぞれ小量ずつ変動する多数の開口が、幅の増加に伴って、一連の開口を提供するために使用され、例えば、１５０μｍ中心の約６５個の開口が、開口を幅３０μｍ～１２０μｍで変動させるために使用され得、それは、約ミクロンの開口間幅の増加を有し得る。図２では、マスク周期性に関連した開口サイズの変動は、位置の関数として（すなわち、ｘ－方向に）線形であるが、それは、本発明によって要求されない。他の実装では、位置に伴う変動は、非線形である。エッチング表面におけるプラズマの密度は、シャドウマスクにおける開口のサイズおよび間隔の関数であるので、開口間の等間隔を伴う可変サイズの開口を利用することに加え、他の実施形態は、等サイズ開口を伴う開口間の間隔を変動させることができる。さらに、開口サイズおよび間隔の両方が、マスク面積に対する開口の所望の比率、および基板表面における結果として生じる所望のプラズマ密度を達成するために変動させられることができる。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

当業者に明白であろうように、格子深度に影響を及ぼす、化学／物理エッチングレートは、基板表面に到達するプラズマ密度の関数である。したがって、図２に図示されるように、より広い開口２１８に隣接した格子深度Ｈ_２は、より狭い開口２１２に隣接した格子深度Ｈ_１より大きい。故に、本発明の実施形態は、シャドウマスクを利用して、位置の関数として可変プラズマ密度を生成し、それは、基板にわたる位置の関数として回折要素深度／高の段階的またはアナログ変動であり得る変動をもたらす。回折要素（例えば、格子歯）のエッチングした後、エッチングマスク２０７は、除去されることができる。

単一方向（すなわち、ｘ－方向）における変動が、図２に図示されるが、本発明の実施形態は、この例に限定されず、２次元（例えば、ｘ－方向およびｙ－方向の両方）における変動が、本発明の範囲内に含まれる。さらに、図２は、左から右に略線形に増加する格子深度を示すが、格子深度が、別の所定の様式で変動し、所望の深度プロファイルを達成することも可能である。例えば、格子深度は、線形減少、線形増加、非線形に、正弦曲線状に、可変深度（例えば、深い格子の後に、より浅い格子が続き、その後に、より深い格子が続く、または任意の特定のパターン）を伴って等において変動し得る。いくつかの実施形態では、これらの可変格子深度プロファイルは、格子を作成するために使用されるシャドウマスクの開口の間隔によって、および／または格子を作成するために使用されるエッチング液のエッチングレートによって制御され得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

さらに、図２は、回折要素のためのハードマスクが、パターン化され、次いで、シャドウマスクが、利用され、可変深度の回折要素を形成する構造を図示するが、それは、本発明によって要求されない。他の実施形態は、回折要素（例えば、均一格子パターン）が、形成され、ハードマスクが、除去され、シャドウマスクが、次いで、回折要素の一部を選択的に除去し、可変高を伴う回折構造を形成するために使用されるプロセスフローを利用することができる。エッチングマスクは、可変深度が所望される実施形態において利用されることができる。加えて、周期的回折格子構造が、図２では、例証的例として、エッチングマスク２０７によって画定されるが、これは、本発明によって要求されず、（円形、多角形等を含む異なる断面形状の）柱または孔、断続格子、正弦波状線および空間、線分等を含む他のナノ構造も、本発明の範囲内に含まれる。

シャドウマスクは、プラズマエッチング環境において耐エッチング性であり、機械的剛性を提供する種々の材料を使用して製作されることができる。例えば、シャドウマスクは、フォトリソグラフィを使用してパターン化され、次いで、エッチングされ、ウエハ表面にわたって可変サイズ開口部を提供するシリコンウエハを使用して製作されることができる。シリコンウエハの一部のレーザアブレーションも、シャドウマスクを製作するために使用されることができる。ステンレス鋼メッシュまたは陽極酸化アルミニウムメッシュも、形成され、シャドウマスクとして使用されることができる。加えて、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｎＯ、ＴｉＯ_２、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｉｒ等を含む保護コーティングが、メッシュ（例えば、シリコン）の上に形成され、エッチングに好ましくない材料を保護することができる。

本発明のいくつかの実施形態は、ドライエッチングプロセス中の使用に関連して議論されるが、本発明の実施形態は、他のプラズマエッチングプロセスを含むエッチング／成長環境の拡散制御が、利用され、製作プロセスを位置の関数として変動させる、様々な半導体製作プロセスに適用可能である。さらなる例として、本発明の実施形態は、可変高の特徴を形成するプラズマ堆積（例えば、スパッタ、化学蒸着（ＣＶＤ）、低圧ＣＶＤ（ＬＰ－ＣＶＤ）、プラズマ増強ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）等）、金属支援化学エッチングを含むウェットエッチングプロセス、表面における前駆体濃度または化学種の濃度が堆積／エッチングレートに影響を及ぼす他の製作プロセス等に適用可能である。

図３Ａは、本発明のある実施形態による基板および例示的シャドウマスク特徴の簡略化された平面図である。図３Ａに図示される例示的シャドウマスク３１０は、ｘ、ｙ位置の関数としての異なる開口サイズがエッチング深度を変動させるために使用され得る方法を図示し、図示される具体的開口は、本発明の実施形態を限定するものではない。図３Ａでは、シャドウマスク３１０の３つの異なる領域、小開口を伴う第１の領域３１２、中間開口を伴う第２の領域３１４、および大開口を伴う第３の領域３１６が、図示される。

図３Ａに図示される例示的シャドウマスク３１０では、開口周期性とも称される開口間の中心間間隔は、１５０μｍであるが、それは、単に、例示的である。シャドウマスクにおける開口が正方形として図示されるが、これは、単に、例示的であり、長方形、多角形、円形、卵形等を含む他の開口幾何学形状も、利用されることができる。開口は、数ミクロン（例えば、１０μｍ）～数ミリメートルの寸法の範囲であることができ、シャドウマスクの厚さは、１μｍ～数ミリメートルに及ぶことができる。図３Ａを参照すると、図示されるシャドウマスクは、８０μｍ厚であり、１５０μｍの開口間の中心間間隔（すなわち、開口周期性）と、３０μｍ～１２０μｍ内のサイズに及ぶ開口寸法とを有する。シャドウマスクの異なる領域は、直交瞳エクスパンダ３２２および射出瞳エクスパンダ３２４を含む異なる光学構造に関連付けられることができる。例えば、シャドウマスクの１つ以上の領域は、１つ以上の光学構造に関連付けられることができる。

図３Ａを参照すると、シャドウマスクの各領域は、開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられることができる。ｘ－方向およびｙ－方向における等寸法を有する開口（すなわち、正方形または円形開口）に関して、開口周期性に対する開口寸法の比率は、ｘ－方向およびｙ－方向の両方において等しくあり得るが、それは、本発明によって要求されず、比率は、異なる方向において異なり得る。領域３１２は、小開口サイズであるので、開口周期性に対する開口寸法の低比率を有する一方、対照的に、領域３１６は、領域３１２と３１６との間の一定開口周期性（すなわち、開口間の一定中心間間隔）を前提として、開口周期性に対する開口寸法のより高い比率を有する。開口周期性に対する開口寸法の比率は、領域３１２、３１４、および３１６の各々において均一として図示されるが、それは、単に、例示的であり、比率は、例えば、サイズが徐々に変化させられるにつれて、各領域内および領域間で変動し得ることを理解されたい。

図３Ｂは、本発明のある実施形態による領域３１２および３１６の一部の拡大図である。いくつかの実施形態では、例えば、図３Ｂに示されるように、１つの領域における開口寸法（例えば、領域３１６ａ内のｘ_１）は、第２の領域における開口寸法（例えば、領域３１２ａ内のｘ_２）より大きく、開口の中心間間隔（例えば、領域３１６ａおよび３１２ａ内のｐ_１）は、一定であり、それによって、比率の変動（例えば、領域３１６ａ内のＲ_１および領域３１２ａ内のＲ_２）を提供する。図３Ｃは、本発明の別の実施形態における領域３１２および３１６の一部の拡大図である。図３Ｃに図示される実施形態では、第１の領域における開口の中心間間隔（例えば、領域３１６ｂ内のｐ_１）は、第２の領域における開口の中心間間隔（例えば、領域３１２ｂ内のｐ_２）より小さく、領域の両方内の開口寸法（例えば、領域３１６ｂおよび３１２ｂ内のｘ_１）は、一定であり、それによって、比率の変動（例えば、領域３１６ｂ内のＲ１および領域３１２ｂ内のＲ_２）を提供する。接眼レンズの異なる部分では、比率は、特定の用途の必要に応じて変動し得る。例として、図３では、直交瞳エクスパンダ３２２は、開口寸法または周期性における変動を殆どまたは全く有しておらず、したがって、ｙ－方向に一定比率を有するが、負のｘ－方向における開口寸法と開口間隔の比率を増加させる。他方では、射出瞳エクスパンダ３２４は、実質的に線形な変動をｙ－方向に有するが、ｘ－方向における変動を殆どまたは全く有していない。

図３Ａは、シャドウマスクの領域を別々の要素として図示するが、これらの別々の領域は、サイズにおいて領域３１２から領域３１６に徐々に増加する開口を有する連続的に変動するシャドウマスクの区分を示すためのみに使用されていることを理解されたい。開口サイズが、増大するとき、それは、シャドウマスク製作中に制御され、シャドウマスク３１０の領域３１２に対応する基板表面におけるプラズマ密度は、シャドウマスク３１０の領域３１６に対応するエリアにおける基板表面におけるプラズマ密度より小さいであろう。故に、領域３１６に対応する基板エリアのエッチングレートは、領域３１２に対応する基板エリアのエッチングレートより高く、位置の関数としての可変格子深度および可変結合係数を伴う回折要素の形成を可能にするであろう。したがって、プラズマ密度が位置の関数として調整されることを可能にする、可変サイズ開口を伴うシャドウマスクは、位置の関数としてのエッチング深度の調整をもたらす。したがって、別々の領域３１２、３１４、および３１６の図３Ａにおける例証は、単に、開口サイズが、シャドウマスクにわたって変動し（例えば、徐々に）、位置の関数としての可変プラズマ密度の結果、基板上の位置の関数としてのエッチングレートおよび格子深度の変動を可能にすることを図示するためのものである。

図４Ａは、本発明のある実施形態による可変高格子構造を含む接眼レンズの一部を示す画像である。図４Ａに図示されるように、３つの測定場所、４１０、４１２、および４１４が、示される。図４Ｂ－４Ｄは、それぞれ、図４Ａに示される３つの測定場所４１０、４１２、および４１４における格子歯のＳＥＭ断面の例証である。図４Ｅは、図４Ａに図示される接眼レンズの縁４０５からの距離の関数として、格子エッチング深度を図示するプロットである。

図４Ｂ－４Ｄを参照すると、格子エッチング深度が、接眼レンズにわたって３つの場所において測定される。本明細書に説明されるシャドウマスク技法を使用することによって、アナログの段階的勾配回折構造が、製作される。エッチング深度における勾配は、図４Ａ－４Ｅでは、１つの次元勾配を伴うシリコンウエハに関して図示されるが、それは、単に、例であり、２次元構造を含む他の勾配構造が、他の材料において製作されることができることを理解されたい。

図４Ａ－４Ｄに図示される構造を製作するために、シリコンウエハ上に熱的に成長させられたＳｉＯ_２のエッチングマスクが、最初に、格子歯を製作するためのシャドウマスクを伴わずに、エッチングされた。次いで、開口寸法における１次元変動を伴うシャドウマスクが、シリコンウエハ表面から２ｍｍに位置付けられ、シリコンウエハが、エッチングされた。格子エッチングの深度は、接眼レンズの縁４０５からの距離に対して測定された。場所４１０では、約６０ｎｍの格子深度ｄ_１が、図４Ｂに図示されるように生産され、場所４１２では、約７８ｎｍの格子深度ｄ_２が、図４Ｃに図示されるように生産され、場所４１４では、約１００ｎｍの格子深度ｄ_１が、図４Ｄに図示されるように生産された。距離に伴った格子エッチング深度の変動は、図４Ｅに図示され、格子深度は、接眼レンズの３５ｍｍサイズにわたって、約６０ｎｍ～約１１０ｎｍに及ぶ。本発明の実施形態は、概して、接眼レンズにわたって可視のステップまたは線を生産する、従来の技法とは対照的に、位置に伴って実質的に段階的な格子深度変動を提供する。したがって、本発明の実施形態は、ユーザの眼に表示される仮想画像内の平滑近視野および遠視野画像を可能にする。

図１に図示される１次元変動に加え、本発明の実施形態は、２次元変動を伴うシャドウマスクを利用して、２Ｄ輪郭のための格子深度／高の混成された段階的変化によって特徴付けられる構造を製作することができる。図５Ａ－５Ｃは、従来の技法を使用して製作される回折構造を図示する平面略図である。図５Ｄ－５Ｆは、本発明の実施形態に従って製作される１次元または２次元輪郭を伴う回折構造を図示する平面略図である。シャドウマスクにおける開口のサイズ、デューティーサイクル（すなわち、ピッチ）を制御することによって、１次元または２次元のいずれかのパターンが、所定のエッチング深度勾配を伴って製作されることができる。１次元ステップ輪郭等の従来の技法と比較して、困難である２次元輪郭が、本発明の実施形態によって可能にされる。したがって、本明細書に説明されるシャドウマスク技法は、２次元輪郭またはシャドウマスク開口分布に基づく具体的設計への調整のみを可能にするだけではなく、従来の技法を使用して利用不可能である所定の勾配プロファイルを達成するために境界を混成することができる。

図５Ａ－５Ｃを参照すると、マルチステップリソグラフィ／エッチングを含む従来の技法を使用して製作される１次元（図５Ａ）、２次元（図５Ｂ）、および円形（図５Ｃ）輪郭が、図示される。より暗いグレーエリアは、より深いエッチングプロファイルに関連付けられ、より明るいグレーエリアは、より浅いエッチングプロファイルに関連付けられる。隣接する区分間のステップまたは境界は、明確に現れている。使用中、これらの明確に異なる境界を伴う回折構造は、遠視野および／または近視野画像強度における散乱または変動を境界において生産し、それによって、画質およびユーザ体験に悪影響を及ぼすであろう。これらの従来の結果とは対照的に、本発明の実施形態は、段階的様式において変動し、位置の関数として連続しているように見える勾配を提供する１次元（図５Ｄ）、２次元（図５Ｅ）、および円形（図５Ｆ）輪郭を提供する。

図６Ａは、本発明のある実施形態による格子高勾配を伴う回折構造の簡略化された断面図である。図６Ｂは、本発明のある実施形態による可変分注体積を伴うデジタル分注パターンを図示する簡略化された平面図である。図６Ｃは、本発明のある実施形態による混成された界面領域を伴う図６Ａに図示される回折構造の簡略化された断面図である。

図６Ａを参照すると、回折構造は、本明細書に説明されるように、可変深度を伴う格子歯を含む。第２の次元における変動も含み得るこの構造は、本明細書に説明される技法を使用して、製作されることができる。いくつかの実施形態では、回折構造は、シリコン、ＳｉＯ_２等において製作され、ナノインプリントリソグラフィプロセス、例えば、ジェットおよびフラッシュインプリントリソグラフィ（Ｊ－ＦＩＬ）プロセスにおけるテンプレートとして使用されるであろう。図６Ｂに図示されるように、レジストパターンまたは他の好適な液体が、印刷ヘッドを介した液滴パターンを用いて、分注されることができ、それは、数百個のノズルを利用することができる。故に、分注パターンは、調整可能有限体積を伴う液滴を含むことができる。しかしながら、いくつかの実装では、液滴体積は、連続的に調節されることができない。図６Ｂでは、液体体積は、デジタル分注パターンにおいて分注され、所定の体積を区分６２０、６２２、６２４、および６２６の各々に伴う。例えば、液滴体積が、１ｐＬである場合、区分６２０は、９ｐＬの液体を有し、区分６２２は、１６ｐＬの液体を有し、区分６２４は、２５ｐＬの液体を有し、区分６２６は、３６ｐＬの液体を有するであろう。故に、各区分は、区分あたりの液滴体積および液滴の数の関数である所定の残留層厚（ＲＬＴ）を有するであろう。初期分注が、完了された後、各区分内の異なる体積が、隣接する区分間にステップ６３０をたらすであろう。

図６Ｃを参照すると、図６Ａに示されるそれ等のアナログ勾配テンプレートを使用して、図６Ｂに示されるそれ等のパターン化された液滴の体積をインプリントすることによって形成され得る回折格子の断面が、示される。インプリント中、液体が、各区分内に拡散し、拡散によって区分を横断するので、区分縁の近傍のＲＬＴは、断続的ではなく、図６Ｃに図示されるように、平滑に変動するであろう。故に、区分境界、例えば、境界６３２の縁における液体（例えば、レジスト）の拡散は、区分間の界面領域におけるＲＬＴの混成をもたらすであろう。区分境界における平滑遷移の結果、境界における光学散乱は、別々の境界を伴う構造と比較して、低減させられるであろう。基板の基部に対して測定されるより浅いものからより深いものへの格子歯高の変動は、区分６２０から区分６２６に増加させられた液体体積に関係するであろう。

図７は、本発明のある実施形態によるシャドウマスクを製作する方法を図示する簡略化されたプロセスフロー図を図示する。プロセスは、絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）基板から開始し、その上にクロムエッチングマスク層７３８が、堆積させられる（７１０）。ＳＯＩ基板は、シリコンハンドルウエハ７３０と、埋設酸化物層７３２と、単結晶シリコン層７３４と、背面酸化物層７３６とを含む。シリコンシャドウマスクが、このプロセスフローに図示されるが、これは、本発明によって要求されず、ＳｉＯ_２、金属、他の誘電性材料等を含む他の材料も、シャドウマスクとしての使用のために好適である。

パターン化する層７４０が、クロム層７３８上に形成され、パターン化する層（例えば、フォトレジスト）は、所定の開口サイズを伴ってパターン化される（７１２）。下で説明されるように、位置の関数としてサイズにおいて変動する開口が、このプロセスステップにおいて画定される。パターン化されたパターン化する層を使用して、クロム層７３８が、例えば、ドライエッチングプロセスを使用して、エッチングされ、パターン化する層内のパターンをクロム層の中に転写し（７１４）、クロム層は、後続エッチングプロセスにおけるハードマスクとして使用されるであろう。

単結晶シリコン層７３４のエッチングのために、パターン化されたクロム層７４２は、例えば、プラズマエッチング中、ハードマスクとしての役割を果たし、クロム層内のパターンは、単結晶シリコン層の中へのエッチング中、転写されるであろう（７１６）。プロセスステップ７１６に図示されるように、シリコンエッチングプロセスは、埋設酸化物層７３２に到達すると、終了される。

シャドウマスクの側方寸法を画定するために、背面酸化物層７３６が、パターン化される（７１８）。この開口部は、次いで、埋設酸化物層７３２において終端する、深層エッチング（例えば、ドライエッチング）を使用して、シリコンハンドルウエハ７３０をエッチングするために使用される（７２０）。シリコンハンドルウエハの厚さ（例えば、約８０μｍ～８００μｍ、例えば、５００μｍ）は、機械的強度および剛性をシャドウマスクに提供する。埋設酸化物層７３２は、次いで、除去され、グリッドまたはメッシュパターンを単結晶シリコン層７３４内に残す（７２２）。製作プロセスは、クロムハードマスクおよびパターン化する層の残りの部分を除去することによって完了される（７２４）。差込図７５０は、平面図において、プロセスステップ７２４に図示されるグリッドパターン内の開口を図示する。当業者に明白であろうように、開口の寸法は、シャドウマスクにわたって変動し、差込図７５０に図示される開口サイズの均一性は、開口サイズが、例えば、構造にわたってゆっくりと変化し得るので、シャドウマスクの一部を単に図示するためのものである。加えて、ＳＯＩ基板が、図７に図示される例示的プロセスフローにおいて使用されるが、他の材料およびプロセスも、使用されることができ、本発明の範囲内に含まれる。

例えば、ドライエッチングが、図７に図示されるが、他の実装は、シリコンが、ＫＯＨを使用して異方的にエッチングされ、孔をウエハ／シート上に生成シ得るウェットエッチングプロセスを利用する。他の金属および誘電性材料も、異方的または等方的にのいずれにおいても、ウェットエッチングされることができる。さらに、レーザ穿孔／アブレーションも、使用されることができ、例えば、レーザが、ミクロンより大きい桁の開口に適正なサブミクロン精度を伴って、孔をシリコン、金属、ガラス、または他の誘電性材料内に穿孔するために使用されることができる。加えて、金属支援化学ウェットエッチング（ＭａＣｅ）プロセスも、使用されることができ、例えば、金（Ａｕ）が、シリコンウェットエッチングを補助し、異方性エッチングを生産するために使用されることができる。

図８は、本発明のある実施形態による可変深度回折要素を伴う基板を生産するためのシャドウマスクマスタの使用を図示する簡略化された略図である。図８では、勾配デューティサイクル開口を伴うシャドウマスクマスタ８０５が、基板８２０に隣接して設置される。シャドウマスクマスタ８０５は、この例では、４つの領域８１２、８１４、８１６、および８１８を含み、それらの各々は、可変開口サイズを有し、勾配デューティサイクル開口を生産し、より明るい色は、図３Ａに図示される領域３１６に類似するより大きいデューティサイクルを表し、より暗い色は、図３Ａに図示される領域３１２に類似するより小さいデューティサイクルを表す。一例では、４つの異なる接眼レンズが、シャドウマスクマスタを使用してパターン化されることができる。

基板８２０が、エッチングされ、マスタ基板８３０を形成する。図８に図示されるように、シャドウマスクマスタ８０５は、基板８２０に隣接して（例えば、その上部に）整列させられ、基板８２０は、レジストで概して保護され、シャドウマスクマスタ８０５における領域８１２、８１４、８１６、および８１８に対応する４つの領域８２２、８２４、８２６、および８２８において露出させられている。図８では、マスタ基板８３０上のより暗い領域は、より深いエッチング深度を表す。特定の開口サイズに調整し、シャドウマスクマスタ上のデューティサイクルを変動させることによって、標的エッチング深度勾配が、基板８２０の中にエッチングされ、多重場マスタ基板８３０を形成することができる。マスタ基板８３０は、次いで、高屈折率基板の上にインプリントするための、接触ベースのナノリソグラフィプロセス（例えば、Ｊ－ＦＩＬ）のためのマスタテンプレートとして使用され、したがって、導波管として、または光学導波管として使用されるべき高屈折率層または基板を直接エッチングすることにおけるシャドウマスクとして使用されることができる。

図９は、本発明のある実施形態による可変厚堆積層を図示する簡略化された断面略図である。図９では、シャドウマスク（図示せず）が、堆積プロセスに適用され、第１の領域における１の厚さｔ_１および第２の領域における２の厚さｔ_２を伴う徐々に変動する堆積層９１０を製作している。図９に図示されるように、より高い開口周期性に対する開口寸法の比率を伴うシャドウマスクの部分に隣接した領域内に堆積させられた層は、より低い開口周期性に対する開口寸法の比率を伴うシャドウマスクの部分に隣接した領域内に堆積させられた層より大きい厚さを有する。したがって、均一高の格子要素から開始して、本明細書に説明されるシャドウマスク技法は、位置の関数としての堆積層厚の変動の結果として、第１の領域における１の勾配深度および第２の領域における２の勾配深度によって特徴付けられる回折要素を形成するために有用である。さらに、図９に図示されるように、第１の領域における回折要素は、第２の領域内の線幅プロファイルｗ_２より広い、ｘ－方向に測定された線幅プロファイルｗ_１によって特徴付けられる。その結果、本発明の実施形態によって提供される回折要素は、シャドウマスクの開口周期性に対する開口寸法の比率に関連する位置の関数としての深度および幅の両方の変動を含むことができる。

例えば、大気プラズマ増強ＣＶＤ（ＡＰＰＥＣＶＤ）、スパッタ堆積および蒸発等の従来の物理的堆積プロセスを含む多数のプラズマ支援堆積プロセスが、本発明の実施形態を使用して、実装されることができる。その上に堆積させられる層が形成される基板に隣接するようなシャドウマスクの設置は、コーティング／堆積厚の変動をもたらし、類似開口ピッチに関して、より大きい開口を有するエリアは、より厚いコーティングでコーティングされる一方、より小さい開口を有するエリアは、より薄いコーティングでコーティングされる。故に、従来の堆積技法を使用して容易に生産されない、コーティング厚における勾配が、生産される。図９では、ＡＰＰＥＣＶＤまたはスパッタプロセスを使用して生産された形状適合コーティングが、回折格子または他の好適な回折構造であり得るナノパターンにわたって図示される。

図１０は、本発明のある実施形態による可変回折要素深度を伴う回折構造を製作する方法を例証するフローチャートである。方法は、ステップ１００５において、シャドウマスクを提供することを含む。シャドウマスクは、第１の開口周期性に対する開口寸法の比率を伴う第１の領域と、第２の開口周期性に対する開口寸法の比率を伴う第２の領域とを有し得る。第２の開口周期性に対する開口寸法の比率は、第１の開口周期性に対する開口寸法の比率より小さくあり得る。いくつかの実施形態では、第１の開口周期性に対する開口寸法の比率および第２の開口周期性に対する開口寸法の比率は、第２の領域における２の開口寸法より大きい第１の領域における１の開口寸法と、開口の一定中心間間隔とによって定義される。いくつかの実施形態では、第１の開口周期性に対する開口寸法の比率および第２の開口周期性に対する開口寸法の比率は、第１の領域における開口の第１の中心間間隔および第２の領域における開口の第２の中心間間隔と、一定開口寸法とによって定義される。本明細書で使用されるように、開口周期性は、中心間開口間隔とも称され得る。

方法は、ステップ１０１０において、シャドウマスクを基板に隣接して位置付けることをさらに含む。いくつかの実施形態では、シャドウマスクは、シャドウマスクにわたって線形に変動する開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられる。シャドウマスクは、耐エッチング性材料を使用して製作され得、保護コーティングを含み、エッチングに好ましくない材料を保護し得る。

いくつかの実施形態では、基板は、シリコン基板を備え得る。他の実施形態では、基板は、エッチングされ得る任意の好適な材料を備え得る。基板は、回折構造に対応しているエッチングマスクを備え得る。エッチングマスクは、本明細書では、ハードマスクとも称され得る。いくつかの実施形態では、回折構造は、回折格子を備え得、回折要素は、格子歯を備えている。

方法は、ステップ１０１５において、基板をエッチング液にさらすことをさらに含む。いくつかの実施形態では、基板をエッチング液にさらすことは、プラズマエッチングプロセスを実施することを含み得る。例えば、プラズマは、シャドウマスクを通過し、エッチングマスクによって被覆されていない部分において、基板をエッチングし得る。他の実施形態では、基板のために選択された材料をエッチングすることが可能な任意の好適なエッチング液が、使用され得る。

方法は、ステップ１０２０において、第１の領域に隣接して、基板をエッチングし、第１の深度を有するに回折要素を形成することをさらに含む。方法は、ステップ１０２５において、第２の領域に隣接して、基板をエッチングし、第１の深度より小さい第２の深度を有する回折要素を形成することをさらに含む。いくつかの実施形態では、回折要素は、非線形に変動する。いくつかの実施形態では、第１の深度および第２の深度は、約１０ｎｍ～約１５０ｎｍに及び得る。第１および第２の深度は、シャドウマスクにおける可変サイズの開口に起因して変動し、より多いまたはより少ない量のエッチング液が基板と接触することを可能にし得る。

いくつかの実施形態では、方法は、第１の領域における回折要素をエッチングし、第２の領域における回折要素をエッチングした後、エッチングマスクを除去することをさらに含む。いくつかの実施形態では、方法は、プラズマ増強コーティングプロセスを基板に対して実施することをさらに含む。

図１０に図示される具体的ステップは、本発明の別の実施形態による可変回折要素深度を伴う回折構造を製作する特定の方法を提供することを理解されたい。他の一続きのステップも、代替実施形態に従って実施され得る。例えば、本発明の代替実施形態は、上で概略されたステップを異なる順序で実施し得る。さらに、図１０に図示される個々のステップは、個々のステップに適切な種々の一続きで実施され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、追加のステップが、特定の用途に応じて、追加または除去され得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図１１は、本発明のある実施形態によるマスタ基板を製作する方法を例証するフローチャートである。方法は、ステップ１１０５において、第１の領域と、第２の領域とを有するシャドウマスクを提供することを含む。第１の領域は、少なくとも第１の方向における第１の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられ得る。第２の領域は、少なくとも第２の方向における第２の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられ得る。シャドウマスクは、任意の好適な耐エッチング性材料を備え得る。開口周期性は、本明細書では、中心間開口間隔とも称され得る。

いくつかの実施形態では、第１の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率は、第２の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率と等しく、第１の方向および第２の方向は、同一方向である。いくつかの実施形態では、第１の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率は、開口の一定中心間間隔と、第１の方向に沿った段階的な開口寸法とによって定義され得、第２の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率は、開口の一定中心間間隔と、第２の方向に沿った段階的な開口寸法とによって定義され得る。いくつかの実施形態では、第１の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率は、第１の方向に沿った一定開口寸法と、開口の段階的な中心間間隔とによって定義され得、第２の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率は、第２の方向に沿った一定開口寸法と、開口の段階的な中心間間隔とによって定義される。

方法は、ステップ１１１０において、基板を提供することをさらに含む。基板は、回折特徴によって特徴付けられるエッチングマスクと、第１の露出領域と、第２の露出領域とを有し得る。エッチングマスクは、本明細書では、ハードマスクとも称され得る。いくつかの実施形態では、基板は、シリコン基板を備え得る。いくつかの実施形態では、基板は、任意の好適なエッチング可能材料を備え得る。

方法は、ステップ１１１５において、シャドウマスクを基板に隣接して位置付けることをさらに含む。第１の領域は、第１の露出領域と整列させられ、第２の領域は、第２の露出領域と整列させられ得る。方法は、ステップ１１２０において、基板をプラズマエッチングプロセスにさらすことをさらに含む。このプロセスにより、プラズマは、エッチングマスクによって被覆されていない基板の部分において、シャドウマスクを通過し得る。

方法は、ステップ１１２５において、第１の回折要素を第１の領域に隣接してエッチングすることをさらに含む。第１の回折要素は、少なくとも第１の方向における第１の勾配深度プロファイルによって特徴付けられ得る。方法は、ステップ１１３０において、第２の回折要素を第２の領域に隣接してエッチングすることをさらに含む。第２の回折要素は、少なくとも第２の方向における第２の勾配深度プロファイルによって特徴付けられ得る。第１の回折要素と第２の回折要素との間の異なる深度プロファイルは、プラズマエッチングプロセスにおいて使用されるシャドウマスクにおける可変サイズの開口から生じ得る。例えば、より大きい開口は、より多くのプラズマが基板と接触することを可能にし得る一方、より小さい開口は、より少ないプラズマが基板と接触することを可能にし得る。これは、可変プラズマ密度が表面に到達し、可変サイズおよび深度の回折要素を作成する結果をもたらし得る。

いくつかの実施形態では、第１の回折要素および第２の回折要素は、格子歯を備え得る。いくつかの実施形態では、方法は、第１の回折要素を第１の領域に隣接してエッチングし、第２の回折要素を第２の領域に隣接してエッチングした後、エッチングマスクを除去することをさらに含む。

いくつかの実施形態では、第１の領域は、少なくとも第１の方向に直交する方向における第３の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によってさらに特徴付けられ得、第２の領域は、少なくとも第２の方向に直交する方向における第４の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によってさらに特徴付けられ得、第１の回折要素は、少なくとも第１の方向に直交する方向における第３の勾配深度プロファイルによってさらに特徴付けられ、第２の回折要素は、少なくとも第２の方向に直交する方向における第４の勾配深度プロファイルによってさらに特徴付けられる。

図１１に図示される具体的ステップは、本発明の別の実施形態によるマスタ基板を製作する特定の方法を提供することを理解されたい。他の一続きのステップも、代替実施形態に従って実施され得る。例えば、本発明の代替実施形態は、上で概略されたステップを異なる順序で実施し得る。さらに、図１１に図示される個々のステップは、個々のステップに適切な種々の一続きで実施され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、追加のステップが、特定の用途に応じて、追加または除去され得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図１２は、本発明のある実施形態による可変厚材料を堆積させる方法を例証するフローチャートである。方法は、ステップ１２０５において、基板を提供することを含む。いくつかの実施形態では、基板は、回折構造を含む成長表面を備え得る。回折構造は、回折格子を備え得る。

いくつかの実施形態では、基板は、複数の回折要素を含む均一回折構造を備え得、可変厚材料は、第１の領域における１の回折要素深度と、第２の領域における１の回折要素深度より小さい第２の回折要素深度とによって特徴付けられ得る。いくつかの実施形態では、基板は、複数の回折要素を含む均一回折構造を備え得、可変厚材料は、第１の領域における１の回折要素幅と、第２の領域における１の回折要素幅より小さい第２の回折要素幅とによって特徴付けられ得る。

方法は、ステップ１２１０において、シャドウマスクを提供することをさらに含む。シャドウマスクは、第１の開口周期性に対する開口寸法の比率を伴う第１の領域と、第１の開口周期性に対する開口寸法の比率より小さい第２の開口周期性に対する開口寸法の比率を伴う第２の領域とを有し得る。いくつかの実施形態では、シャドウマスクは、２つの方向における開口周期性に対する開口寸法の可変比率によって特徴付けられ得る。

方法は、ステップ１２１５において、シャドウマスクを基板に隣接して位置付けることをさらに含む。方法は、ステップ１２２０において、プラズマ堆積プロセスを基板に対して実施し、可変厚材料を堆積させることをさらに含む。第１の領域に隣接した層厚は、第２の領域に隣接した層厚より大きくあり得る。いくつかの実施形態では、可変厚材料は、形状適合層を備え得る。

いくつかの実施形態では、シャドウマスクは、複数の開口と、複数の開口と平行な表面とを備え得る。基板は、堆積表面を備え得る。いくつかの実施形態では、シャドウマスクを基板に隣接して位置付けることは、シャドウマスクの表面を堆積表面と平行に設置することを含み得る。

図１２に図示される具体的ステップは、本発明の別の実施形態による可変厚材料を堆積させる特定の方法を提供することを理解されたい。他の一続きのステップも、代替実施形態に従って実施され得る。例えば、本発明の代替実施形態は、上で概略されたステップを異なる順序で実施し得る。さらに、図１２に図示される個々のステップは、個々のステップに適切な種々の一続きで実施され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、追加のステップが、特定の用途に応じて、追加または除去され得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

図１３は、本発明のある実施形態によるマスタ基板を製作する方法を例証するフローチャートである。方法は、ステップ１３０５において、シャドウマスクを提供することを含む。シャドウマスクは、少なくとも第１の方向における第１の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられる第１の領域を有し得る。シャドウマスクはさらに、少なくとも第２の方向における第２の勾配開口周期性に対する開口寸法の比率によって特徴付けられる第２の領域を有し得る。

方法は、ステップ１３１０において、基板を提供することをさらに含む。基板は、回折特徴によって特徴付けられるマスクと、第１の露出領域と、第２の露出領域とを有し得る。方法は、ステップ１３１５において、シャドウマスクを基板に隣接して位置付けることをさらに含む。第１の領域は、第１の露出領域と整列させられ得、第２の領域は、第２の露出領域と整列させられ得る。方法は、ステップ１３２０において、基板をプラズマコーティングまたは堆積プロセスのうちの少なくとも１つにさらすことをさらに含む。

方法は、ステップ１３２５において、第１の回折要素を第１の領域に隣接してコーティングすることをさらに含む。第１の回折要素は、少なくとも第１の方向における第１の勾配深度および第１の線幅プロファイルによって特徴付けられ得る。方法は、ステップ１３３０において、第２の回折要素を第２の領域に隣接してコーティングすることをさらに含む。第２の回折要素は、少なくとも第２の方向における第２の勾配深度および第２の線幅プロファイルによって特徴付けられ得る。いくつかの実施形態では、第１の勾配深度は、第２の勾配深度より大きくあり得る。いくつかの実施形態では、第１の線幅プロファイルは、第１の幅によって特徴付けられ得、第２の線幅プロファイルは、第１の幅より小さい第２の幅によって特徴付けられ得る。したがって、本発明のいくつかの実施形態によって提供される回折要素は、シャドウマスクの開口周期性に対する開口寸法の比率に関連する位置の関数としての深度および幅の両方の変動を含み得る。

図１３に図示される具体的ステップは、本発明の別の実施形態によるマスタ基板を製作する特定の方法を提供することを理解されたい。他の一続きのステップも、代替実施形態に従って実施され得る。例えば、本発明の代替実施形態は、上で概略されたステップを異なる順序で実施し得る。さらに、図１３に図示される個々のステップは、個々のステップに適切な種々の一続きで実施され得る複数のサブステップを含み得る。さらに、追加のステップが、特定の用途に応じて、追加または除去され得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替を認識するであろう。

また、本明細書に説明される例および実施形態は、例証的目的のためだけのものであり、それに照らして、種々の修正または変更が、当業者に示唆され、本願の精神および権限ならびに添付の請求項の範囲内に含まれるべきであることを理解されたい。

Claims (10)

1. 可変回折要素深度を有する回折構造を製作する方法であって、前記方法は、
   シャドウマスクを提供することであって、前記シャドウマスクは、第１の領域と第２の領域とを有し、前記第１の領域は、開口の中心間間隔に対する開口寸法の第１の比率を有し、前記第２の領域は、開口の中心間間隔に対する開口寸法の第２の比率を有し、前記第２の比率は、前記第１の比率よりも小さい、ことと、
   前記シャドウマスクを基板に隣接するように位置付けることであって、前記基板は、前記回折構造に対応しているエッチングマスクを備える、ことと、
   前記基板をエッチング液にさらすことと、
   前記基板をエッチングすることにより、第１の深度を有する回折要素を前記第１の領域に隣接するように形成することと、
   前記基板をエッチングすることにより、前記第１の深度より小さい第２の深度を有する回折要素を前記第２の領域に隣接するように形成することと
   を含み、
   前記第１の深度および前記第２の深度は、干渉効果を低減するように前記回折要素の位置に応答して変動する、方法。
2. 前記第１の比率および前記第２の比率は、前記第２の領域における第２の開口寸法より大きい前記第１の領域における第１の開口寸法と、前記第１の領域および前記第２の領域における開口の一定の中心間間隔とによって定義される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の比率および前記第２の比率は、前記第１の領域における開口の第１の中心間間隔および前記第２の領域における開口の第２の中心間間隔と、前記第１の領域および前記第２の領域における一定の開口寸法とによって定義される、請求項１に記載の方法。
4. 前記シャドウマスクは、前記シャドウマスクにわたって線形に変動する開口の中心間間隔に対する開口寸法の比率によって特徴付けられる、請求項１に記載の方法。
5. 前記回折構造は、回折格子を備え、前記回折要素は、格子歯を備える、請求項１に記載の方法。
6. 前記基板をエッチング液にさらすことは、プラズマエッチングプロセスを実行することを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記方法は、前記エッチングマスクを除去することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記基板は、シリコン基板を備える、請求項１に記載の方法。
9. 前記第１の深度および前記第２の深度は、１０ｎｍ～１５０ｎｍに及ぶ、請求項１に記載の方法。
10. 前記回折要素の深度は、非線形に変動する、請求項１に記載の方法。

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