JP7470196B2 - トポグラフィック基板を製造するためのマスクレスリソグラフィ方法 - Google Patents

トポグラフィック基板を製造するためのマスクレスリソグラフィ方法 Download PDF

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Description

[0001]本開示の実施形態は、概して、光学デバイス及び光子デバイスに関する。より具体的には、本明細書に記載の実施形態は、マスクレスリソグラフィプロセスによってトポグラフィック基板を形成する方法に関する。
関連技術の記載
[0002]光学デバイス及び光子デバイスは、基板上に形成された光学デバイス又は光子デバイスの空間的に変化する構造パターンによって、光の伝搬を操作するために使用され得る。幾つかの光学デバイス及び光子デバイスでは、理想的な光学性能を達成するために、所望のパターン領域は異なる高さを有することになる。かかるデバイスは、拡張現実(AR)デバイス又は仮想現実(VR)デバイスを含む。
[0003]異なる高さを有する所望のパターン領域を取得するために、対応するマスクを用いる種々のリソグラフィプロセスが、異なる高さを有する各パターン領域に対して利用される。想像しやすいように、パターン領域が多いほど、リソグラフィプロセスが多く発生し、より多くのマスクが利用される。より多くのリソグラフィプロセスが実行され、したがって、より多くのマスクが利用されるにつれて、プロセスはより長くかかる傾向がある。例えば、異なる高さを有する2つの異なるフィーチャは、2つの異なるマスクを用いる2つの異なるリソグラフィプロセスを必要とする。第3のフィーチャを追加することは、3つの異なるフィーチャを生産するために処理時間を50%増加させる。
[0004]したがって、当技術分野では、フィーチャごとに独立したリソグラフィプロセスを必要とせずに、異なる高さを有する複数のフィーチャを基板上に生み出す方法が必要とされている。
[0005]マスクレスリソグラフィプロセスを利用して、複数のトポグラフィックフィーチャを有する基板を、各フィーチャに対する独立したリソグラフィプロセスを必要とせずに生産することができる。
[0006]一実施形態では、高さが異なる少なくとも2つのフィーチャを有するデバイスを製造する方法は、基板の上にレジストを堆積させることと、デバイスの少なくとも2つのフィーチャについて、トポグラフィパターンを決定することであって、2つのフィーチャが異なるトポグラフィを有する、トポグラフィパターンを決定することと、デバイスの少なくとも2つのフィーチャについて、露光パターンを決定することと、レジストの第1の領域を、第1の光量で露光することであって、第1の領域が、少なくとも2つのフィーチャの第1のフィーチャに対応する、第1の領域を露光することと、レジストの第2の領域を、第1の光量とは異なる第2の光量で露光することであって、第2の領域が少なくとも2つのフィーチャの第2のフィーチャに対応する、第2の領域を露光することと、レジストを現像することとを含む。
[0007]別の実施形態では、高さが異なる少なくとも2つのフィーチャを有するデバイスを製造する方法は、基板の上にレジストを堆積させることと、デバイスの少なくとも2つのフィーチャについて、トポグラフィパターンを決定することであって、2つのフィーチャが異なるトポグラフィを有する、トポグラフィパターンを決定することと、少なくとも2つのフィーチャの第1のフィーチャに対応する第1の露光領域を生み出すために、露光装置の複数のブレードを調整することと、レジストの第1の領域を、第1の光量で露光することであって、基板の第1の領域が、第1の露光領域に対応する、第1の領域を露光することと、少なくとも2つのフィーチャの第2のフィーチャに対応する第2の露光領域を生み出すために、複数のブレードを調整することと、レジストの第2の領域を、第1の光量とは異なる第2の光量で露光することであって、基板の第2の領域が第2の露光領域に対応する、第2の領域を露光することと、レジストを現像することとを含む。
[0008]別の実施形態では、高さが異なる少なくとも2つのフィーチャを有するデバイスを製造する方法は、光学デバイス層の上にレジストを堆積させることであって、光学デバイス層が基板の上に配置される、レジストを堆積させることと、デバイスの少なくとも2つのフィーチャについて、トポグラフィパターンを決定することであって、2つのフィーチャが異なるトポグラフィを有する、トポグラフィパターンを決定することと、デバイスの少なくとも2つのフィーチャについて、露光パターンを決定することと、レジストの第1の領域を、第1の光量で露光することであって、第1の領域が、少なくとも2つのフィーチャの第1のフィーチャに対応する、第1の領域を露光することと、レジストの第2の領域を、第1の光量とは異なる第2の光量で露光することであって、第2の領域が、少なくとも2つのフィーチャの第2のフィーチャに対応する、第2の領域を露光することと、レジストを現像することと、レジスト及び光学デバイス層をエッチングすることとを含む。
[0009]上述の本開示の特徴を詳細に理解し得るように、上記で簡単に要約された本開示のより具体的な記載が、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、添付の図面に例示されている。しかし、添付の図面は、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し得ることに、留意されたい。
[0010]一実施形態に係る、処理装置の概略図である。 [0011]一実施形態に係る、図1の処理装置に用いられるレチクルの概略図である。 一実施形態に係る、図1の処理装置に用いられるレチクルの概略図である。 [0012]一実施形態に係る、所望の露光パターンを有する基板の概略図である。 [0013]本明細書に開示の露光法から得られる製品である。 [0014]本明細書に開示の露光法から得られる中間品である。 [0015]図5Aの中間品を使用して得られる製品である。 [0016]本明細書に開示の方法を使用する様々な製造段階における製品の概略図である。 [0017]一実施形態に係る、製品の製造法を示すフロー図である。
[0018]理解を促進するために、可能な場合には、複数の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、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得ると想定される。
[0019]本開示の実施形態は、概して、トポグラフィック基板を製造するための装置及び方法に関する。マスクレスリソグラフィプロセスを利用して、複数のトポグラフィックフィーチャを有する基板を、各フィーチャに対する独立したリソグラフィプロセスを必要とせずに生産することができる。
[0020]図1は、一実施形態による基板を処理するための処理装置100の概略図である。装置100は、光源102及びレチクル104を備える。図1に示されるように、基板106は、処理のために装置100内に配置される。装置100は、光源102からの光110を、レチクル104を介して基板106の特定の領域上に送達することによって動作する。光110は、レチクルを通過すると、光112に露光されることになる基板106の特定の位置上の集束光112である。
[0021]図2A及び2Bは、一実施形態による図1の処理装置100に用いられるレチクル104の概略図である。レチクル104は、上側ブレード202、下側ブレード204、左側ブレード206、及び右側ブレード208を含む。上側ブレード202は、矢印「A」によって表されるレチクル本体250の幅に少なくとも等しい幅を有する。同様に、下側ブレード204は、レチクル本体250の幅に少なくとも等しい幅を有する。上側ブレード202は、矢印「B」によって表される高さを有し、これは、矢印「C」によって表されるレチクル本体250の高さよりも小さい。下側ブレード204は、矢印「D」によって表される高さを有し、これは、矢印「C」によって表されるレチクル本体250の高さよりも小さい。左側ブレード206は、矢印「E」によって表される幅を有し、これは、矢印「A」によって表されるレチクル本体250の幅よりも小さい。左側ブレード206は、また、矢印「C」によって表されるレチクル本体の高さに少なくとも等しい高さを有する。右側ブレード208は、矢印「F」によって表される幅を有し、これは、矢印「A」によって表されるレチクル本体250の幅よりも小さい。左側ブレード206は、また、矢印「C」によって表されるレチクル本体の高さに少なくとも等しい高さを有する。ここで、レチクルは、単に、物理的にツール上に存在しないダミーであってもよいし、マスクレスであってもよい。
[0022]図2Aは、レチクル200の上面図である。一実施形態では、レチクル200は、概して、幅26ミリメートル(矢印「A」で示す)及び長さ33ミリメートル(矢印「C」で示す)である。ブレード202、204、206、及び208は、露光窓210を生み出す。露光窓210の領域のサイズは、露光される基板上の領域によって画定される。ブレード202、204、206、及び208は、露光窓210の縁部218を画定する。上側ブレード202及び下側ブレード204は、露光窓210の高さ214を画定する。左側ブレード206及び右側ブレード208は、露光窓210の幅216を画定する。ブレード202、204、206、208は、露光窓210を変更又は画定するために拡張するように可動である。例えば、上側ブレード202は、露光窓210の高さ214を増減するために、下側ブレード204に近づけるか、又は遠ざけるか、又はその逆に移動させられ得る。同様に、左側ブレード206は、露光窓の幅216を増減するために、右側ブレード208に近づけるか、又は遠ざけるか、又はその逆に移動させられ得る。
[0023]図2Bは、ブレード202、204、206、及び208を備えたレチクル200を、より大きな露光窓218が存在するように(すなわち、高さ214が図2Aに対して図2Bでより大きく、幅216が図2Aに対して図2Bでより大きい)、図2Aに示された位置とは異なる位置に示す。
[0024]動作中、光源102は、スリット212の形態の開口部を有する。スリット212は、上側ブレード202から下側ブレード204まで露光窓210を走査する。光源102からの光110は、基板上にデバイスパターンを形成する露光窓210を通過する。図2A及び2Bに示されるように、スリット212は、露光窓210全体が露光されるように、レチクル104に対して移動する。
[0025]図3は、一実施形態による、所望の露光パターン306、308、及び310を有する基板302の概略図である。この実施形態では、パターン306、308、及び310はそれぞれ、異なるサイズ及び/又は高さを有する。各露光パターン306、308、310は、ダイ304内の異なるサイズ及び位置で唯一である。ダイサイズに対するパターン位置の正確さが望まれる。一実施形態では、各露光パターン306、308、310は、1ナノメートル未満の正確さでダイ304内の特定の位置に設置され得る。
[0026]動作中、光源102からの光は、スリット212の形態のレチクル104に送達される。光源102からの光110は、レジスト312内にパターン306、308、及び310などのデバイスパターンを形成する露光窓210を通過する。スリット212は、露光窓210を走査し、下方のレジスト312のデバイスパターン306、308、及び310を露光する。一実施形態では、スリット212は、幅26mm、長さ約5mm~7mmである。スリット212は、上側ブレード202から下側ブレード204まで露光窓210を走査する。
[0027]上記で開示された方法は、任意の基板サイズ上の任意のデバイスサイズに適用可能である。露光窓210は、最大26mmの幅及び33mmの長さの露光される領域を生み出し得る。パターン306、308、及び310などのデバイスパターンサイズは、26mm×33mmよりも大きくすることができる。デバイスパターンサイズが26mm×33mmよりも大きい場合、各26mm×33mm以下の2枚の露光窓を順次利用するスティッチング法が用いられる。露光窓は、互いに直接隣り合って設置され、パターン306、308、及び310などのより大きなパターンサイズを生み出す。
[0028]トポグラフィックフィーチャの異なる高さは、異なる光量によって生み出される。光量は、レジスト312の露光時間によって変化する。より多くの光量は、より長い露光時間に等しい。露光時間が長くなるにつれて架橋結合が増加するため、露光時間が長くなると、レジスト312のより高い高さを生み出すことになる。より短い露光時間の間のより少ない架橋結合により、より短い露光時間は、より薄い層を生み出すことになる。
[0029]図4は、本明細書に開示の露光法から得られる製品400である。光学デバイス層404は、基板402上に堆積される。一実施形態では、光学デバイス層404は、金属酸化物材料を含む。一実施形態では、金属酸化物材料は、TiOx、NbOx、SbOx、ZrOx、AlOx、HfOx、WOx、ZnOx、又はそれらの組み合わせから成る群から選択される材料を含む。レジスト406内の金属酸化物内容物の濃度は、所望の膜屈折率に基づいて設計される。金属酸化物材料の濃度を変化させることは、フィーチャの屈折率の操作を可能にする。一実施形態では、全屈折率範囲は、光学可視光下で約1.3及び2.5である。
[0030]得られる製品400は、その上に配置された光学デバイス層404を有する基板402を含む。レジスト406は、本明細書に開示の方法を使用して光学デバイス層404上に堆積される。レジスト406は、ネガ型レジストである。レジスト406は、露光及び現像後に基板402上に残ることになる。少なくとも2つのトポグラフィックフィーチャ408、410、及び412が、それらの対応する露光パターンにしたがってレジスト406内に生み出される。基板402は、露光及び現像の直後に使用され得る。
[0031]図5Aは、本明細書に開示の露光法から得られる中間品500である。図5Bは、図5Aの中間品を使用して得られる製品550である。中間品500は、その上に配置された光学デバイス層504を有する基板502を包含する。一実施形態では、光学デバイス層504は、金属酸化物材料を含む。一実施形態では、金属酸化物材料は、TiOx、NbOx、SbOx、ZrOx、AlOx、HfOx、WOx、ZnOx、又はそれらの組み合わせから成る群から選択される材料を含む。レジスト406内の金属酸化物内容物の濃度は、所望の膜屈折率に基づいて設計される。金属酸化物材料の濃度を変化させることは、フィーチャの屈折率の操作を可能にする。
[0032]レジスト506は、本明細書に開示の方法を使用して光学デバイス層504上に堆積される。レジスト506は、ネガ型レジストである。少なくとも2つのトポグラフィックフィーチャ508、510、及び512が、それらの対応する露光パターンにしたがってレジスト506内に生み出される。一実施形態では、レジスト506は、トポグラフィックフィーチャ508、510、及び512内に形成された構造を有する光学デバイスを形成するように更に処理される。トポグラフィックフィーチャ508、510、及び512のうちの少なくとも1つに形成される構造は、異なる。トポグラフィックフィーチャ508、510、及び512に形成される可変高さを有する構造は、1μm未満の寸法を有するナノ構造であってもよい。一実施形態では、光学デバイスは、拡張現実導波路コンバイナなどの導波路コンバイナである。別の実施形態では、光学デバイスは、メタサーフェスなどの平坦な光学デバイスである。
[0033]得られる製品550は、中間製品500をエッチングした後に生み出される。材料のエッチングレートは、約1対1となる。製品500をエッチングすることにより、光学デバイス層504内に現像されるトポグラフィックフィーチャ514、516、及び518を有する製品550がもたらされる。一実施形態では、光学デバイス層504は、トポグラフィックフィーチャ514、516、及び518内に形成された構造を有する光学デバイスを形成するように更に処理される。トポグラフィックフィーチャ514、516、及び518のうちの少なくとも1つに形成される構造は、異なる。トポグラフィックフィーチャ514、516、及び518に形成される可変高さを有する構造は、1μm未満の寸法を有するナノ構造であってもよい。一実施形態では、光学デバイスは、拡張現実導波路コンバイナなどの導波路コンバイナである。別の実施形態では、光学デバイスは、メタサーフェスなどの平坦な光学デバイスである。
[0034]図6A~6Cは、本明細書に開示の方法を使用する様々な製造段階における製品600の概略図である。製品600は、基板602と、光学デバイス層604と、レジスト層606から成る。一実施形態では、基板602は、シリコン材料から成る。別の実施形態では、基板602はガラスで作られる。一実施形態では、光学デバイス層604は、金属酸化物材料を含む。一実施形態では、金属酸化物材料は、TiOx、NbOx、SbOx、ZrOx、AlOx、HfOx、WOx、ZnOx、又はそれらの組み合わせから成る群から選択される材料を含む。一実施形態では、レジスト層606は、金属酸化物材料を含む。一実施形態では、金属酸化物材料は、TiOx、NbOx、SbOx、ZrOx、AlOx、HfOx、WOx、ZnOx、又はそれらの組み合わせから成る群から選択される材料を含む。図6Aは、露光前の製品の蓄積を示す。図6Bは、露光後及び現像前の製品600を示す。図6Bは、露光後の様々なフィーチャ608、610、及び612を示す。図6Cは、現像されたフィーチャ614、616、及び618を有する現像後の得られる製品を示す。
[0035]図7は、複数のトポグラフィックフィーチャを有する最終製品の製造方法700を示すフロー図である。工程702において、レジスト606などのネガ型レジストが、基板602などの基板上に塗布される。工程704において、レジストのためのトポグラフィックパターンが、それらの所望の露光パターンにしたがって決定される。工程704で決定されたトポグラフィックパターンは、デバイスパターン306、308、及び310などのデバイスパターンのサイズを決定することになる。工程706において、露光パターンは、決定されたトポグラフィックパターンにしたがって、トポグラフィパターンに対して決定される。工程706で決定された露光パターンは、レジスト内に現像されるトポグラフィックフィーチャの高さを決定することになる。工程708において、レジスト606などのレジストは、光源102からの光110に露光される。工程710において、レジストが現像される。基板は、工程708及び710で記載したように、露光及び現像の直後に使用され得る。
[0036]レジストの異なる領域に対して異なる露光レベルを利用することによって、異なるトポグラフィを有する得られる製品を、マスクを使用せずに生産することができる。
[0037]上記の説明は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲を逸脱しなければ、本開示の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されてよく、本開示の範囲は以下の特許請求の範囲によって決まる。

Claims (20)

  1. 高さが異なる少なくとも2つのフィーチャを有するデバイスを製造する方法であって、
    光学デバイス層の表面にレジストを堆積させることであって、前記光学デバイス層が基板の上配置される、レジストを堆積させることと、
    前記デバイスの前記少なくとも2つのフィーチャについて、トポグラフィパターンを決定することであって、前記2つのフィーチャが異なるトポグラフィを有する、トポグラフィパターンを決定することと、
    前記デバイスの前記少なくとも2つのフィーチャについて、露光パターンを決定することと、
    前記レジストの第1の領域を、第1の光量で露光することであって、前記第1の領域が、前記少なくとも2つのフィーチャの第1のフィーチャに対応する、第1の領域を露光することと、
    前記レジストの第2の領域を、前記第1の光量とは異なる第2の光量で露光することであって、前記第2の領域が、前記少なくとも2つのフィーチャの第2のフィーチャに対応する、第2の領域を露光することと、
    前記レジストを現像することと
    を含む、方法。
  2. 前記第1の光量が、前記第2の光量よりも大きい、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1のフィーチャの高さが、前記第2のフィーチャの高さよりも高い、請求項1に記載の方法。
  4. 前記レジストが、金属酸化物材料を含む、請求項1に記載の方法。
  5. 前記金属酸化物材料が、TiOx、NbOx、SbOx、ZrOx、AlOx、HfOx、WOx、ZnOx、又はそれらの組み合わせから成る群から選択される材料を含む、請求項4に記載の方法。
  6. 前記レジストが、ネガ型レジストである、請求項1に記載の方法。
  7. 前記レジストが、1.3から2.5の屈折率を有する、請求項1に記載の方法。
  8. 前記第1の領域を露光すること及び前記第2の領域を露光することが、マスクなしで実行される、請求項1に記載の方法。
  9. 高さが異なる少なくとも2つのフィーチャを有するデバイスを製造する方法であって、
    光学デバイス層の表面にレジストを堆積させることであって、前記光学デバイス層が基板の上配置される、レジストを堆積させることと、
    前記デバイスの前記少なくとも2つのフィーチャについて、トポグラフィパターンを決定することであって、前記2つのフィーチャが異なるトポグラフィを有する、トポグラフィパターンを決定することと、
    前記少なくとも2つのフィーチャの第1のフィーチャに対応する第1の露光を生み出すために、露光装置の複数のブレードを調整することと、
    前記レジストの第1の領域を、第1の光量で露光することであって、前記基板の前記第1の領域が、前記第1の露光に対応する、第1の領域を露光することと、
    前記少なくとも2つのフィーチャの第2のフィーチャに対応する第2の露光を生み出すために、前記複数のブレードを調整することと、
    前記レジストの第2の領域を、前記第1の光量とは異なる第2の光量で露光することであって、前記基板の前記第2の領域が、前記第2の露光に対応する、第2の領域を露光することと、
    前記レジストを現像することと
    を含む、方法。
  10. 前記第1の光量が、前記第2の光量よりも大きい、請求項9に記載の方法。
  11. 前記第1のフィーチャの高さが、前記第2のフィーチャの高さよりも高い、請求項9に記載の方法。
  12. 前記レジストが、金属酸化物材料を含む、請求項9に記載の方法。
  13. 前記金属酸化物材料が、TiOx、NbOx、SbOx、ZrOx、AlOx、HfOx、WOx、ZnOx、又はそれらの組み合わせから成る群から選択される材料を含む、請求項12に記載の方法。
  14. 前記レジストが、ネガ型レジストである、請求項9に記載の方法。
  15. 前記レジストが、1.3から2.5の屈折率を有する、請求項9に記載の方法。
  16. 前記第1の領域を露光すること及び前記第2の領域を露光することが、マスクなしで実行される、請求項9に記載の方法。
  17. 高さが異なる少なくとも2つのフィーチャを有するデバイスを製造する方法であって、
    光学デバイス層の表面にレジストを堆積させることであって、前記光学デバイス層が基板の上に配置される、レジストを堆積させることと、
    前記デバイスの前記少なくとも2つのフィーチャについて、トポグラフィパターンを決定することであって、前記2つのフィーチャが異なるトポグラフィを有する、トポグラフィパターンを決定することと、
    前記デバイスの前記少なくとも2つのフィーチャについて、露光パターンを決定することと、
    前記レジストの第1の領域を、第1の光量で露光することであって、前記第1の領域が、前記少なくとも2つのフィーチャの第1のフィーチャに対応する、第1の領域を露光することと、
    前記レジストの第2の領域を、前記第1の光量とは異なる第2の光量で露光することであって、前記第2の領域が、前記少なくとも2つのフィーチャの第2のフィーチャに対応する、第2の領域を露光することと、
    前記レジストを現像することと、
    前記レジスト及び前記光学デバイス層をエッチングすることと
    を含む、方法。
  18. 前記光学デバイス層が、TiOx、NbOx、SbOx、ZrOx、AlOx、HfOx、WOx、ZnOx、又はそれらの組み合わせから成る群から選択される材料を含む、請求項17に記載の方法。
  19. 前記レジストが、TiOx、NbOx、SbOx、ZrOx、AlOx、HfOx、WOx、ZnOx、又はそれらの組み合わせから成る群から選択される材料を含む、請求項17に記載の方法。
  20. 前記レジストが、ネガ型レジストである、請求項17に記載の方法。
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