KR20170037980A

KR20170037980A - 점진적으로 변화하는 그루브 특성을 갖는 회절 격자를 포함하는 광학 컴포넌트

Info

Publication number: KR20170037980A
Application number: KR1020177003768A
Authority: KR
Inventors: 타파니 레볼라; 라우리 사이니에미; 파시 사아릭코
Original assignee: 마이크로소프트 테크놀로지 라이센싱, 엘엘씨
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2017-04-05
Also published as: WO2016018739A1; EP3152603B1; US20160033784A1; EP3152603A1; CN106662684A

Abstract

광학 컴포넌트들의 외측 표면들의 적어도 일부분들의 변조들에 의해 형성된 회절 격자들을 가지는, 다양한 광학 컴포넌트들이 본원에 개시되어 있다. 격자들은, 입사 광이 표면 부분 상의 상이한 지점들에서 회절되는 방식을 점진적으로 변화시키기 위해 표면 부분 상에서 변화하는, 점진적으로 변화하는 특성들을 나타낸다. 이러한 광학 컴포넌트들을 포함하는 디스플레이 시스템들이 또한 개시되어 있다.

Description

점진적으로 변화하는 그루브 특성을 갖는 회절 격자를 포함하는 광학 컴포넌트{OPTICAL COMPONENTS COMPRISING A DIFFRACTION GRATING WITH GRADUALLY CHANGING GROOVE CHARACTERISTICS}

예를 들어, 디스플레이 시스템들에서 원하는 이미지를 사용자에게 보이게 하기 위해, 예측가능하고 원하는 방식으로 가시 광의 상태를 변경하기 위해 광학 시스템들에서 광학 컴포넌트들이 사용될 수 있다. 광학 컴포넌트들은 반사(reflection), 굴절(refraction), 회절(diffraction) 등에 의해 광과 상호작용할 수 있다. 진행하는 파가, 장애물 또는 슬릿과 같은, 구조물과 상호작용할 때 회절이 일어난다. 회절은 파들의 간섭으로서 기술될 수 있고, 그 구조물이 크기가 파의 파장과 비슷할 때 가장 두드러진다. 가시 광의 광학 회절은 광의 파동성(wave nature)으로 인한 것이고, 광파들의 간섭으로서 기술될 수 있다. 가시 광은 대략 390 내지 700 나노미터(nm)의 파장들을 가지며, 가시 광의 회절은 진행하는 광이, 예컨대, 규모가 100 또는 1000 nm 정도의 비슷한 규모인 구조물들을 만날 때 가장 두드러진다.

회절 구조물의 일 예는 주기적 구조물이다. 주기적 구조물들은 주기적 구조물이 광의 파장과 비슷한 크기의 공간 주기(spatial period)를 가질 때 전형적으로 가장 두드러진 광의 회절을 야기할 수 있다. 주기적 구조물의 유형들은, 예를 들면, 광학 컴포넌트의 표면 상의 표면 변조(modulation), 굴절률 변조, 홀로그램 등을 포함한다. 진행하는 광이 주기적 구조물을 만날 때, 회절은 광을 상이한 방향들로의 다수의 빔들로 분할시킨다. 이 방향들은 광의 파장에 의존하고, 따라서 회절 격자(grating)들은 다색(polychromatic)(예컨대, 백색) 광의 분산을 야기하며, 그로써 다색 광이 상이한 방향들로 진행하는 상이한 색의 빔들로 분할된다.

주기적 구조물이 광학 컴포넌트의 표면 상에 있을 때, 이는 표면 격자(surface grating)라고 지칭된다. 주기적 구조물이 표면 자체의 변조로 인한 것일 때, 이는 표면 요철 격자(surface relief grating)(SRG)라고 지칭된다. SRG의 일 예는 균일한 똑바른 그루브 간격 영역(straight groove spacing region)들에 의해 분리되어 있는, 광학 컴포넌트의 표면에 있는 균일한 똑바른 그루브들이다. 그루브 간격 영역들은 본원에서 "라인", "격자 라인", 및 "채움 영역(filling region)"이라고 지칭된다. SRG에 의한 회절의 성질은 격자에 입사하는 광의 파장과, 라인 간격, 그루브 깊이 및 그루브 경사각(groove slant angle)과 같은, SRG의 다양한 광학적 특성들 둘 다에 의존한다. SRG는, 기판 상에 원하는 주기적 미세구조물을 제조하기 위해 기판을 에칭하는 것 및/또는 기판 상에 퇴적하는 것을 포함할 수 있는, 적당한 미세가공 공정에 의해 제조될 수 있다. 기판은 광학 컴포넌트 자체 또는 광학 컴포넌트들을 제조하기 위한 몰드(mould)와 같은 제조 마스터(production master)일 수 있다.

SRG들은 많은 유용한 응용분야들을 갖는다. 일 예는 SRG 도광체(light guide) 응용분야이다. 도광체(본원에서 "도파관(waveguide)"이라고도 지칭됨)는 도광체 내에서의 내부 반사(예컨대, 내부 전반사)에 의해 광을 전달하는 데 사용되는 광학 컴포넌트이다. 도광체는, 예를 들어, 원하는 이미지의 광을 광 엔진으로부터 사람의 눈으로 전달하여 이미지가 눈에 보이게 하기 위해 도광체 기반 디스플레이 시스템에서 사용될 수 있다. 도광체의 표면(들) 상의 SRG들을 인커플링(incoupling) 및 아웃커플링(outcoupling)하는 것은, 각각, 도광체에 광을 입력하고 그로부터 광을 출력하는 데 사용될 수 있다.

이 발명의 내용은 이하에서 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 추가로 기술되는 선택된 개념들을 간략화된 형태로 소개하기 위해 제공된다. 이 발명의 내용은 청구된 발명 요지의 핵심적인 특징들 또는 필수적인 특징들을 언급하려고 의도되어 있지도 않고, 청구된 발명 요지의 범주를 제한하기 위해 사용되는 것으로 의도되어 있지도 않다. 청구된 발명 요지가 배경 기술 섹션에서 살펴본 단점들 중 일부 또는 그 전부를 해결하는 구현들로 제한되지도 않는다.

제1 양태에서, 광학 시스템에서 사용하기 위한 광학 컴포넌트는 외측 표면(outer surface)을 가지며, 회절 격자는 외측 표면의 적어도 일부분에 있는 일련의 그루브들에 의해 형성된다. 그루브들은 서로 실질적으로 평행하고, 폭보다 길이가 실질적으로 더 크다. 회절 격자는 표면 부분 상의 각각의 지점에서 적어도 제1 그루브 특성과 제2 그루브 특성을 나타내며, 그 둘 다는 회절 격자에 입사하는 광이 그 지점에서 회절되는 방식에 영향을 미친다. 제1 그루브 특성과 제2 그루브 특성은 표면 부분 상의 상이한 지점들에서 입사 광이 회절되는 방식을 점진적으로 변화시키기 위해 표면 부분에 걸쳐 점진적으로 변화하고, 표면 부분 상의 적어도 일부 지점들에서 서로 상이한 방향들로 있는 각각의 그래디언트(gradient)들로 점진적으로 변화한다.

제2 양태에서, 광학 시스템에서 사용하기 위한 광학 컴포넌트는 외측 표면을 가지며, 회절 격자는 외측 표면의 적어도 일부분의 변조들에 의해 형성된다. 회절 격자는 표면 부분 상의 각각의 지점에서 적어도 제1 변조 특성과 제2 변조 특성을 나타내며, 그 둘 다는 표면 부분에 입사하는 광이 그 지점에서 회절되는 방식에 영향을 미친다. 제1 변조 특성과 제2 변조 특성은 입사 광이 표면 부분 상의 상이한 지점들에서 회절되는 방식을 점진적으로 변화시키기 위해 표면 부분에 걸쳐 점진적으로 변화한다. 제1 변조 특성은 제1 방향으로 제1 그래디언트로 변화한다. 제1 방향은 표면 부분에 걸쳐 실질적으로 불변(invariant)이다. 제2 변조 특성은 제2 방향으로 제2 그래디언트로 변화한다. 제2 방향은 표면 부분에 걸쳐 실질적으로 불변이고 제1 방향과 상이하다.

제3 양태에서, 광학 시스템에서 사용하기 위한 광학 컴포넌트는 외측 표면을 가지며, 회절 격자는 외측 표면의 적어도 일부분에 있는 일련의 그루브들에 의해 형성된다. 그루브들은 서로 실질적으로 평행하고, 폭보다 길이가 실질적으로 더 크다. 회절 격자는 표면 부분 상의 각각의 지점에서 격자 깊이와 격자 경사(slant)를 나타내며, 그 둘 다는 회절 격자에 입사하는 광이 그 지점에서 회절되는 방식에 영향을 미친다. 깊이 및/또는 경사는 입사 광이 표면 부분 상의 상이한 지점들에서 회절되는 방식을 점진적으로 변화시키기 위해 표면 부분에 걸쳐 점진적으로 변화한다.

본원에 개시되는 광학 컴포넌트들은 디스플레이 시스템에서 도파관으로서 사용하도록 구성될 수 있거나 그렇지 않을 수 있고, 이러한 디스플레이 시스템에 포함될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 제4 양태에서, 디스플레이 시스템은 도파관으로서 사용하도록 그렇게 구성된 임의의 이러한 광학 컴포넌트와, 그 광학 컴포넌트에 커플링되는 광 엔진을 포함한다. 광 엔진은 원하는 이미지를 발생시키도록 구성된다. 광학 컴포넌트는 이미지의 광을 광 엔진으로부터 사용자의 눈으로 전달하여 이미지가 사용자에게 보이게 하도록 배열되어 있다.

발명 요지의 이해를 돕기 위해, 이제부터 단지 예로서 이하의 도면들이 참조될 것이다.
도 1a는 광학 컴포넌트의 개략 평면도;
도 1b는 측면에서 본, 입사 광과 상호작용하는 것을 나타낸, 광학 컴포넌트의 개략도;
도 2a는 측면에서 본, 입사 광과 상호작용하는 것을 나타낸, 똑바른 이진 격자(straight binary grating)의 개략도;
도 2b는 측면에서 본, 입사 광과 상호작용하는 것을 나타낸, 경사진 이진 격자(slanted binary grating)의 개략도;
도 2c는 측면에서 본, 입사 광과 상호작용하는 것을 나타낸, 오버행잉 삼각형 격자(overhanging triangular grating)의 개략도;
도 3은 제1 미세가공 시스템(microfabrication system)을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4a는 제1 미세가공 공정(microfabrication process)의 침적 단계(immersions step) 동안 제1 미세가공 시스템의 개략도.
도 4b 및 도 4c는, 각각, 도 4a의 침적 단계 전후의 기판의 단면을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5a는 제2 미세가공 공정의 침적 단계 동안 제1 미세가공 시스템의 개략도.
도 5b 및 도 5c는, 각각, 도 5a의 침적 단계 전후의 기판의 단면을 개략적으로 나타낸 도면.
도 5d는 추가의 에칭 후의 도 5c의 기판의 단면을 개략적으로 나타낸 도면.
도 6a는 제3 미세가공 공정의 침적 단계 동안 제1 미세가공 시스템의 개략도.
도 6b 및 도 6c는 도 6a의 침적 단계 이전의 상이한 스테이지들에서 기판의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 6d는 그 침적 단계 이후의 그 기판의 단면을 개략적으로 나타낸 도면;
도 7은 제1 미세가공 장치(microfabrication apparatus)의 개략 블록도;
도 8a는 측면에서 본, 제2 미세가공 시스템의 개략도;
도 8b는 제2 미세가공 시스템의 일부의 개략 평면도;
도 9는 제2 미세가공 시스템의 예시적인 동작을 나타낸 개략도;
도 10은 제2 미세가공 장치의 개략 블록도;
도 11a 및 도 11b는 일부 예시적인 격자 프로파일들의 특정의 특성들을 나타낸 개략 평면도.
달리 언급하지 않는 한, 도면들이 꼭 축척대로 되어 있지 않다는 것에 유의한다. 그 대신에 특정의 실시예들의 원리들을 설명하는 데 중점을 두고 있다.

도 1a 및 도 1b는, 각각, 상부에서 그리고 측면에서 본, 외측 표면(S)을 가지는, 도파관과 같은, 실질적으로 투명한 광학 컴포넌트(2)를 나타내고 있다. 표면(S)의 적어도 일부분은, 미세구조물의 일 예인, SRG 패턴(4)을 구성하는 표면 변조들을 나타낸다. 이러한 부분은 "격자 영역(grating area)"이라고 지칭된다. 표면(S)은 실질적으로 도 1a에 도시된 바와 같이 x 축과 y 축에 의해 정의되는 평면에 있다. z-축은 그 평면에 수직인 방향 그리고 따라서 표면(S)에 실질적으로 수직인 방향(표면(S)에 대한 "법선"이라고 지칭됨)을 나타낸다.

도 1b는 SRG(4)에 안쪽으로 입사하는 들어오는 조명 광 빔(I)과 상호작용하는, 광학 컴포넌트(2), 그리고 특히 격자(4)를 나타내고 있다. 광(I)은, 이 예에서, 백색광이고, 따라서 다수의 색 성분들을 가진다. 광(I)은 광을 광학 컴포넌트(2) 내로 안쪽으로 지향되는 몇 개의 빔들로 분할하는 격자(4)와 상호작용한다. 광(I)의 일부는 또한 표면(S)으로부터 반사 빔(R0)으로서 반사될 수 있다. 보통의 회절 원리들은 물론 다른 비-0차(±n차) 모드들(파동 간섭으로서 설명될 수 있음)에 따라 0차 모드 내부 빔(zero-order mode inward beam)(T0)과 임의의 반사(R0)가 생성된다. 도 1b는 1차 내부 빔들(T1, T-1)을 나타내고 있고; 광학 컴포넌트(2)의 구성에 따라 고차 빔들이 또한 생성될 수 있거나 그렇지 않을 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 회절의 성질이 파장에 의존하기 때문에, 고차 모드들에 대해서는, 입사 광(I)의 상이한 색 성분들(즉, 파장 성분들)은, 존재할 때, 도 1b에 예시된 바와 같이 서로 상이한 전파 각도(angle of propagation)들로 상이한 색들의 빔들로 분할된다.

도 2a 내지 도 2c는 (이 도면들에서 측면에서 본) 광학 컴포넌트(2)의 표면(S)의 변조에 의해 형성될 수 있는 상이한 예시적인 SRG 패턴들(4a 내지 4c)(모두 합하여 본원에서 4라고 지칭됨)의 확대 개략 단면도이다. 광 빔들은 화살표들로 표시되어 있고, 그의 두께들은 대략적인 상대 세기(보다 높은 세기의 빔들은 보다 두꺼운 화살표들로서 도시됨)를 나타낸다.

도 2a는 "똑바른 이진 격자" 패턴(4a)의 일 예를 나타내고 있다. 똑바른 이진 격자(4a)는 본원에서 "채움 영역", "격자 라인" 또는 간단히 "라인"이라고도 지칭되는 돌출하는 그루브 간격 영역들(9a)에 의해 분리된, 표면(S)에 있는 일련의 그루브들(7a)로 형성된다. 패턴(4a)은, 변조들의 형상이 반복되는 거리인, d의 공간 주기("격자 주기"라고 지칭됨)를 가진다. 그루브들(7a)은 깊이(h)를 가지며, 실질적으로 똑바른 벽들과 실질적으로 편평한 베이스(base)들을 갖는다. 이에 따라, 채움 영역들은 높이(h)와 채움 영역들의 높이(h)에 걸쳐 실질적으로 균일한 폭 - 도 2a에서 "w"라고 부기되어 있음 - (w는 주기의 몇분(f)의 1임: w=f*d)을 가진다.

똑바른 이진 격자의 경우, 벽들은 표면(S)에 실질적으로 수직이다. 이 때문에, 격자(4a)는, 패턴(4a)에 의해 생성된 각각의 +n차 모드 빔(예컨대, T1)이 대응하는 -n차 모드 빔(예컨대, T-1)과 실질적으로 동일한 세기, 전형적으로 입사 빔(I)의 세기의 약 1/5(0.2) 미만을 갖는다는 점에서, 표면에 수직으로 들어오는 입사 광(I)의 대칭 회절을 야기한다.

도 2b는 "경사진 이진 격자" 패턴(4b)의 일 예를 나타내고 있다. 경사진 패턴(4b)도 폭(w)의 라인들(9b)에 의해 분리된 실질적으로 똑바른 벽들과 실질적으로 편평한 베이스들을 가지는, 표면(S)에 있는 그루브들 - 7b라고 부기됨 - 로 형성된다. 그렇지만, 똑바른 패턴(4a)과 달리, 벽들이 법선에 대해 도 2b에 각도(α)로 표시된 양만큼 경사져 있다. 그루브들(7a)은 법선을 따라 측정된 깊이(h)를 갖는다. 영이 아닌 경사에 의해 유입되는 비대칭으로 인해, 경사 방향으로부터 멀어지는 쪽으로 진행하는 ±n차 모드 내부 빔들은 그들의

n차 모드 대응물들보다 더 큰 세기를 가지며(예컨대, 도 2b의 예에서, T1 빔은 경사 방향으로부터 멀어지는 쪽으로 지향되고 T-1 빔보다 보통 더 큰 세기를 갖지만, 이것은, 예컨대, 격자 주기(d)에 의존함); 경사를 충분한 양만큼 증가시키는 것에 의해, 그

n차 대응물들이 실질적으로 제거될 수 있다(즉, 실질적으로 0인 세기를 가짐). 도 2b의 예에서, 1차 빔(T1)이 전형적으로 입사 빔(I)의 세기의 최대 약 4/5(0.8)의 세기를 갖도록, T0 빔의 세기는 전형적으로 또한 경사진 이진 격자에 의해 아주 많이 감소된다.

이진 패턴들(4a 및 4b)은 실질적으로 구형파 형상(square wave shape)(주기(d)를 가짐)을 가지는 표면(S)에 매립된 공간 파형(spatial waveform)들로 볼 수 있다. 패턴(4b)의 경우에, 형상은 α만큼 기울어져 있는 기울어진 구형파 형상(skewed square wave shape)이다.

도 2c는 오버행잉 "사다리꼴 격자" 패턴의 특별한 경우인 "오버행잉 삼각형 격자" 패턴(4c)의 일 예를 나타내고 있다. 삼각형 패턴(4c)은 형상이 삼각형이고(따라서 분별가능한 선단부(tip)들을 가짐) 법선을 따라 측정되는 바와 같은 깊이(h)를 가지는, 표면(S)에 있는 그루브들(7a)로 형성된다. 채움 영역들(9c)은 법선과 각도(α)(α는 패턴(4c)의 경사각임)를 이루는 중선(median)들을 가지는, 삼각형의 이빨 모양의 돌출부들(치형부(tooth)들)의 형태를 갖는다. 치형부들은 d(패턴(4c)의 격자 주기임)만큼 분리되어 있는 선단부들을 갖고, 치형부들의 베이스에서 w이고 치형부들의 선단부들에서 실질적으로 0으로 좁아지는 폭을 갖는다. 도면의 패턴(4c)의 경우, w

d이지만, 일반적으로 w<d일 수 있다. 패턴은 치형부들의 선단부들이 그루브들의 선단부들 위로 연장되어 있다는 점에서 오버행잉이다. 전송 모드 T0 빔과

n 모드 빔들 둘 다를 실질적으로 제거하여, ±n차 모드 빔들만(예컨대, T1만)을 남기는 오버행잉 삼각형 격자 패턴들을 구성하는 것이 가능하다. 그루브들은 중선에 대해 각도(γ)(벽 각도)로 있는 벽들을 갖는다. 패턴(4c)은 α만큼 기울어져 있는, 실질적으로 삼각파 형상을 가지는, S에 매립된 공간 파형으로 볼 수 있다.

패턴들(4a 내지 4c)을 형성하는 그루브들과 간격 영역들은 표면(S)에 걸쳐 표면 변조들을 구성한다.

일반적으로, 표면에 걸친 표면 변조들은 표면 돌출부들을 생기게 하고, 그 표면 변조들의 표면을 따른 특성 척도(characteristic scale)이고 일반적으로 그 표면에 걸친 변조로부터 생기는 그 돌출부들의 특성 폭(characteristic width)과 관련하여 정의될 수 있는 "변조 폭(modulation width)"이라고 본원에서 지칭되는 것을 나타낸다. 일반적으로, 표면에 걸친 변조들은 적어도 그 표면 상에 퇴적된 외인성 재료(extraneous material)로부터, 그 표면 자체의 변조들로부터, 또는 둘의 조합으로 생길 수 있다. 변조들이 회절 격자 패턴을 형성할 때 "변조 폭"은 본원에서 "격자 라인폭(grating linewidth)"이라고 동등하게 지칭된다(격자 라인폭은 격자 라인들의 폭임).

이러한 변조들은 또한, 그 표면 변조들의 표면에 수직인 특성 척도이고 일반적으로 돌출부들의 특성 깊이와 관련하여 정의될 수 있는 "변조 깊이(modulation depth)"(격자 패턴들에 대한 "그루브 깊이")와, 표면에 대한 그 돌출부들의 특성 경사각(characteristic slant angle)인 "변조 경사(modulation slant)"(격자 패턴들에 대한 "그루브 깊이")라고 본원에서 지칭되는 것을 갖는다.

패턴들(4a 내지 4c)의 경우에, 패턴들(4a 내지 4c)을 형성하는 그루브들(7a 내지 7c)(모두 합하여 7이라고 지칭됨)과 간격 영역들(9a 내지 9c)(모두 합하여 9라고 지칭됨)은, 돌출하는 채움 영역들(9)의 특성 폭으로서 정의될 수 있는 변조 폭을 나타내는, 표면(S) 자체의 변조들을 구성한다. 패턴들(4a 및 4b)의 경우에, 돌출하는 채움 영역들은 그들의 높이(h)에 걸쳐 실질적으로 균일하고 w인 폭을 가지며, 변조 폭은 w로서 정의될 수 있다. 패턴(4c)의 경우에, 돌출하는 채움 영역들은 돌출부들의 베이스에서 폭(w)을 가지며, 변조 폭은 유용하게도, 예를 들어, 베이스 폭(w)으로서 정의될 수 있다(그렇지만 또한 어떤 다른 고도에서의 채움 영역 폭으로서도 정의될 수 있음). 패턴들(4)은 또한 h와 α로서, 각각, 정의될 수 있는 변조 깊이와 경사를 갖는다.

다른 격자들, 예를 들어, 다른 유형들의 사다리꼴 격자 패턴들(폭이 0에 이르기까지 좁아지지 않을 수 있음), 사인파형 격자 패턴들 등이 또한 가능하고, 적당한 방식으로 용이하게 정의될 수 있는 변조 폭을 갖는다. 이러한 다른 패턴들도, 도 2a 내지 도 2c와 유사한 방식으로 정의될 수 있는, 깊이(h), 라인폭(w), 경사각(α) 및 벽 각도들(γ)을 나타낸다.

도광체 기반 디스플레이 응용분야들(예컨대, 디스플레이 시스템의 도광체 내부로의 그리고 그 외부로의 광의 커플링을 위해 SRG들이 사용됨)에서, d는 전형적으로 약 250 내지 500 nm이고, h는 약 30 내지 400 nm이다. 경사각(α)은 전형적으로 약 -45 내지 45도이고, 격자 라인들에 수직인 격자 벡터(grating vector)의 방향으로 측정된다.

SRG는 조명 빔(I)의 세기에 대한 원하는 회절 빔(들)(예컨대, T1)의 세기로 정의되는 회절 효율을 가지며, 그 세기들의 비(η)로서 표현될 수 있다. 이상으로부터 명백할 것인 바와 같이, 경사진 이진 격자들(예컨대, 4b - T1이 원하는 빔인 경우 최대 η

0.8)은 경사지지 않은 격자(예컨대, 4a - T1이 원하는 빔인 경우 단지 최대 약 η

0.2)보다 더 높은 효율을 달성할 수 있다. 오버행잉 사다리꼴 격자들 - 삼각형 격자는 그의 일 예임 - 의 경우, 하나의 모드에 대해 η

1의 균등한 효율들을 달성하는 것이 가능하다.

SRG 도광체 기반 디스플레이의 성능은 격자들의 효율 및 들어오는 광의 입사 각도에 대한 그의 의존성에 크게 의존한다.

이하에서 기술되는 다양한 제조 기법들은 격자들(예를 들어, 이진, 사다리꼴(예컨대, 삼각형) 및 사인파형 격자들을 포함함)이 가변적인 w로 제조될 수 있게 한다. 즉, 변조 폭들이 표면(S) 상의 위치의 함수 w(x,y)로서 변화한다. 이하에서 기술되는 기법들은 또한 이러한 격자들이 가변적인 h 및/또는 α로 제조될 수 있게 한다. 즉, 깊이들 및/또는 경사들이 표면(S) 상의 위치의 각각의 함수들 h(x,y)와 α(x,y)로서 변화한다.

표면 요철 격자들을 갖는 광학 컴포넌트들이, 본원에 개시되는 기법들 중 임의의 것에 따라, 디스플레이 시스템에서의 도파관들로서 사용하기에 적당하게 되는 방식으로 제조될 수 있다. 디스플레이 시스템의 광 엔진이 따라서 광학 컴포넌트에 커플링될 수 있다. 광학 컴포넌트는 광 엔진에 의해 발생될 때 원하는 이미지의 광을 사용자의 눈으로 전달하여 이미지가 사용자에게 보이게 하도록 시스템에 배열되어 있다. 일부 응용분야들에서, 디스플레이 시스템은 사용자에 의해 착용가능할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 시스템은 착용자에 의해 착용될 때 착용자의 눈의 전방에 도파관을 갖는 웨어러블 헤드셋에 구현될 수 있고, 시스템은 광 엔진으로부터 전달된 광을 눈으로 출력하도록 배열되어 있다. 본원에서 논의되는 기법들 중 임의의 것을 사용하여 제조되는 도파관 상의 표면 요철 격자들은, 이와 관련하여, 예를 들어, 광 엔진으로부터 광을 수광하기 위한 인커플링 격자(incoupling grating), 전달된 광을 눈으로 출력하기 위한 아웃커플링 격자(outcoupling grating), 또는 전달 중인 이미지를 보존하는 데 도움을 주기 위해 이미지 광의 방해받지 않는 전달을 용이하게 하기 위한 도광체 상의 다른 곳에 있는 중간 격자(intermediate grating)로서 기능할 수 있다.

이하에서 기술되는 기법들은 미세가공 기법들이다. 미세가공은 마이크로미터 스케일 및 그 이하의 원하는 구조물들의 제조를 지칭한다. 미세가공은 기판(또는 기판 상의 막) 상에 원하는 미세구조물을 생성하기 위해 기판을 에칭하는 것 및/또는 기판 상에 퇴적시키는 것(그리고 어쩌면 기판 상에 퇴적된 막을 에칭하는 것 및/또는 막을 퇴적시키는 것)을 수반할 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "기판을 패터닝하는 것" 또는 유사한 것은 모든 이러한 기판 또는 기판 막의 에칭/기판 또는 기판 막 상에의 퇴적을 포괄한다.

습식 에칭은 기판의 표면 상에 퇴적된 막의 부분들 및/또는 기판 자체의 표면의 부분들을 선택적으로 제거(dislodge)하기 위해 액체 에칭제를 사용하는 것을 수반한다. 에칭제는 에칭제에 노출되는 기판/막의 부분들을 제거하기 위해 기판/막과 화학적으로 반응한다. 선택적 에칭은 기판/막의 부분들만을 에칭제의 화학적 효과들에 노출시키고 남아 있는 부분들을 에칭제의 화학적 효과들로부터 보호하는 적당한 보호 층을 기판/막 상에 퇴적시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 보호 층은 포토레지스트 또는 다른 보호 마스크 층으로 형성될 수 있다. 원하는 "이미지"를 생성하기 위해 포토레지스트 또는 다른 마스크가 에칭 표면 영역 전체 상에 퇴적되고, 이어서 노출되며 현상될 수 있고, 그 이미지는 이어서 3차원 구조물을 형성하기 위해 에칭제에 의해 기판/막에 새겨진다.

건식 에칭은 입자들에 노출되는 기판/막의 부분들을 제거하기 위해 기판/막을 (예컨대, 유사한 포토레지스트 마스크를 사용하여) 고에너지 입자(energetic particle)들의 충격(bombardment)에 선택적으로 노출시키는 것(때때로 "스퍼터링"이라고 지칭됨)을 수반한다. 일 예는 부분들이 이온들의 빔에 노출되는 이온 빔 에칭이다. 그 노출된 부분들은 이온들이 그 부분들을 제거하기 위해 그 부분들과 화학적으로 반응하는 것(때때로 "화학적 스퍼터링"이라고 지칭됨) 및/또는 이온들의 운동 에너지로 인해 그 부분들을 물리적으로 제거하는 것(때때로 "물리적 스퍼터링"이라고 지칭됨)의 결과로서 제거될 수 있다.

에칭과 달리, 퇴적 - 이온 빔 퇴적 또는 침적 기반 퇴적 등 - 은 재료를 기판/막으로부터 제거하기보다는 기판/막에 재료를 도포하는 것을 수반한다.

이하의 예들에서, 기판(5 - 도 3)은 미세가공에 의해 패터닝되는 외측 표면(S')을 갖는다. 최종적인 패터닝된 기판 자체는 광학 시스템(예컨대, 디스플레이 시스템)에서 광학 컴포넌트(예컨대, 도파관)로서 사용하기 위한 것일 수 있거나, 이러한 컴포넌트들을 제조하기 위한 제조 마스터, 예컨대, 중합체로부터 이러한 컴포넌트들을 몰딩하기 위한 몰드로서 사용하기 위한 것일 수 있다. 기판(5)이 광학 컴포넌트인 경우, 기판의 표면(S')은 도 2a 내지 도 2c에 도시된 표면(S)과 동일하다. 기판(5)이 마스터(예컨대, 몰드)일 때, 제조(예컨대, 몰딩) 공정의 일부로서 S'의 구조가 S로 전사(즉, 복사)된다는 점에서 S'은 여전히 S에 대응한다. 표면(S')은 실질적으로 표면(S)과 관련하여 도 1a에 도시된 것들과 동등한, 본원에서 x 좌표와 y 좌표를 가지는 xy-평면이라고 지칭되는 평면에 있으며, xy-평면에서의(그리고 따라서 표면(S') 상의) 지점들은 (x,y)로 표시된다.

기판이, 해당되는 경우 나중에 다른 컴포넌트들로 전사될 수 있는, 격자를 형성하기 위해 그의 표면의 적어도 일부분(격자 영역)에 걸쳐 패터닝된다. 격자 영역의 차원 크기(dimensional size)(예컨대, mm, cm 또는 그 이상 정도임)는 격자 주기보다 상당히 더 크다 - 전형적으로, 예컨대, 격자의 mm당 수천개의 라인들/그루브들이 있음 -. 이에 따라, 격자 영역에 이산 수(discrete number)의 라인들/그루브들이 있더라도, 이 수는 격자 특성들이 기하학적 점들의 실질적으로 연속적인 영역에 걸친 수학 함수 r = (x, y)(굵은 글씨체는 xy- 벡터들을 나타냄)로서 볼 수 있을 정도로 충분히 크다. 이 때문에, 이후부터 격자 특성들에 대해 일반적인 표기법 c(x,y)(또는 유사한 것)이 채택된다. 해당되는 경우, 표면 부분 상의 "지점들"(또는 유사한 것)에 대한 언급은, 이하의 청구항들에서를 비롯하여, 그에 따라 해석되어야 한다.

라인폭 w(x,y), 격자 깊이 h(x,y) 및 경사 α(x,y)는 이러한 격자 특성들의 예들이다. 이하의 기법들은 표면 부분에 걸쳐 변화하는, 그리고 더욱이 점진적으로, 즉 점들의 상기 실질적으로 연속적인 영역에 걸쳐 실질적으로 연속적인 수학 함수들로서 표면 부분에 걸쳐 변화하는 라인폭 w(x,y), 깊이 h(x,y) 및 경사 α(x,y)를 갖는 격자 패턴들이 그 표면 부분 상에 제조될 수 있게 한다.

격자 특성 c(r)이, C = max |c(r)|과 같은, 격자 특성 c(r) 자체의 특성 척도 C와 비교하여 상당하게 되는 전체 양 ΔC = max c(r) - min c(r)만큼 변화하기만 한다면, 격자 특성 c(r) = c(x, y)는 이와 관련하여 표면 부분에 걸쳐 공간적으로 변화하는 것으로 생각된다. 상당한 변화들의 예들은 AC가 C와 동일한 자릿수이거나 그보다 한 자릿수 더 작을 때를 포함한다. 예를 들어, 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 앞서 언급된 격자 패턴들에 대해, 적어도 라인폭이 주기(d)의 5% 이상 정도의 전체 양 ΔW만큼 변할 때 라인폭이 이와 관련하여 공간적으로 변화하는 것으로 간주될 것이고; 적어도 깊이가 10nm 이상 정도의 전체 양 ΔH만큼 변할 때 깊이가 이와 관련하여 공간적으로 변화하는 것으로 간주될 것이며; 적어도 경사가 5도 이상 정도의 전체 양 ΔA만큼 변할 때 경사가 이와 관련하여 공간적으로 변화하는 것으로 간주될 것이다. 격자 특성이, 원하지 않는 제조 부정확 또는 비정밀로 인해 발생되는 작은, 의도되지 않은 변동들 및/또는 유사한 스케일로 제한되는 다른 변동들과 같은, 작은, 의도되지 않은 변동들만을 나타내는 경우, 그 특성은 본 개시내용과 관련하여 공간적으로 변화하는 것으로 간주되지 않는다.

d 정도의 작은 거리들에 걸친 격자 특성 c(r)의 변화들이 항상 모든 지점들 r에서 ΔC보다 적어도 3 자릿수 더 작도록, 즉 표면 부분 상의 모든 r에 대해

이하이도록, 격자 특성의 공간 그래디언트

- 여기서

는 xy-평면에 대한 그래디언트 함수임 - 가 표면 부분 상의 모든 지점들 r = (x, y)에서 충분히 작기만 하다면, 공간적 변동들이 점진적(실질적으로 연속적)인 것으로 간주된다.

예를 들어, 개시된 기법들은, 라인폭 그래디언트

가 - 표면 부분 상의 임의의 지점에서 - 10^-4 또는 10^-5정도의 양을 초과하지 않도록, 단일의 격자 주기(d)에 걸쳐 10^-2nm 정도 초과, 10² 또는 10³nm 정도 자체만큼 변화하지 않는, 점진적으로 변화하는 라인폭 w(x,y)를 갖는 격자들이 제조될 수 있게 한다. 깊이 그래디언트

가 - 표면 부분 상의 임의의 지점에서 - 10^-4 또는 10^-5 정도의 양을 초과하지 않도록, 단일의 격자 주기에 걸쳐 10^-2nm 정도 초과만큼 변화하지 않는, 점진적으로 변화하는 깊이 h(x,y)를 갖는 격자들이 또한 제조될 수 있다. 경사 그래디언트

가 - 표면 부분 상의 임의의 지점에서 - 10^-5 또는 10^-6 정도의 양을 초과하지 않도록, 단일의 격자 주기에 걸쳐 약 10^-3도 초과만큼 변화하지 않는, 점진적으로 변화하는 경사 α(x,y)를 갖는 격자들이 또한 제조될 수 있다.

제1 유형의 공정: 가변적인 라인폭 w(x,y)를 갖는 격자들을 제조하기 위한 것.

가변적인 라인폭 w(x,y)를 갖는 격자들을 제조하기 위한 제1 유형의 미세가공 공정이 이제부터 기술될 것이다.

도 3은 제1 미세가공 시스템(3)의 컴포넌트들을 나타낸 개략도이다. 미세가공 시스템(3)은 기판(5) 상에 미세구조물들을 제조하기 위한 미세가공 공정에서 사용될 수 있다. 시스템(3)은 기판 홀더(42) 및 유체(액체)(46)를 포함하는 액체 용기(44)를 포함한다. 기판 홀더는 기판(5)을 지지한다. 유체(46)는 기판(5)을 패터닝하기 위한 것이고, 이하의 예들에서, 기판 자체의 기판 재료 또는 도 3에 도시되지 않았지만 해당되는 경우 나중의 도면들에 도시되는 표면(S') 상에 퇴적되는 어떤 다른 재료일 수 있는 표면(S')의 적어도 일부분으로부터 재료를 선택적으로 제거하기 위한 액체 에칭제이다. 이러한 성질의 다른 재료는 본원에서 S' 상의 "외인성 퇴적물(extraneous deposit)"이라고 지칭된다.

기판(5)은 홀더(42)에 의해 지지되고, 홀더(42)와 용기(44)는, 미세가공 공정의 침적 단계에서 기판(5)을 유체(44)에 침적시키고 그리고/또는 기판(5)을 유체(46)로부터 꺼내도록, 기판(5)이, 지지될 때, 수직 속도(v)로 유체(44) 내로 하강되고 그리고/또는 유체(46) 밖으로 상승될 수 있게 하는 방식으로 배열되어 있다. 어느 경우든지, 유체(46)에서의 기판(5)의 침적 깊이 D(t)는

으로서 시간(t)에 걸쳐 변화되고, 여기서

는 D(t)의 변화율이다. 침적 깊이 D(t)는 도 3에서 홀더(42)로부터의 기판(5)의 원단과 유체(46)의 표면 사이의 거리로서 도시되어 있지만, 기판(5)이 패터닝 액체(46)에 현재 침적되어 있는 현재 범위(current extent)를 전달하는 임의의 거리 척도(distance measure)로서 정의될 수 있다. 기판이 액체에 침적될 때 액체(46)는 유체(46)의 성질에 따라 표면(S')으로부터 재료를 제거하거나 표면(S') 상에 재료를 퇴적시키기 위해 기판과 또는 기판 상의 외인성 퇴적물들과 반응하는 것에 의해 기판을 패터닝한다. 제거된 재료는 기판 자체의 기판 재료 또는 기판 상에 퇴적된 외인성 재료일 수 있다.

침적 단계 이전에, 기판(5)은 기판의 표면(S')의 적어도 일부분에 걸쳐 초기(현재) 표면 변조들을 갖는다. 이 표면 변조들은 표면 부분에 걸쳐 실질적으로 균일한, 그 표면 부분 상의 모든 지점들 (x,y)에서 실질적으로 동일한 변조 폭을 나타낸다. 이 변조 폭은, S' 상에 퇴적된 외인성 재료를 돌출시키는 것에 의해 그리고/또는 기판 자체의 기판 재료를 돌출시키는 것에 의해 형성될 수 있는, 이 현재 변조들로부터 생기는 표면 돌출부들의 특성 폭(예컨대, 베이스 폭)이다. 이 표면 변조들은 표면 부분에 걸쳐 격자 라인들의 실질적으로 균일한 라인폭을 나타내는(즉, 표면 부분 상의 모든 xy-위치들에서 실질적으로 동일한) 현재 회절 격자 패턴을 구성한다.

표면(S') 상의 지점 (x,y)가 액체(46)에 침적된 채로 있는 총 시간량은 그 지점의 침적 시간이라고 지칭된다. 그 지점이 침적되어 있는 동안, 패터닝 유체는 그 지점에 있는 임의의 표면 돌출부들 상의 퇴적 재료로부터 재료를 제거하는 기능을 하고 따라서 그 지점에서의 변조 폭을 변경한다. 그 지점에서 제거/퇴적되는 재료의 양은 그 지점의 침적 시간에 의존한다. 패터닝 유체(46)에서의 기판의 침적 깊이 D(t)를 변경하는 것의 결과로서, 변조 폭이 S' 상의 상이한 지점들에서 상이한 양들만큼 변경되도록 표면(S') 상의 상이한 지점들이 상이한 양들의 시간 동안 유체(46)에 침적된다. 환언하면, 초기 표면 변조들이 S'에 걸쳐 변화하는, 즉 xy-위치의 함수로서 변화하는 공간적으로 변화하는 변조 폭 w(x,y)을 나타내는 새로운 표면 변조들로 변경된다. 이것은 현재 회절 패턴이 그에 대응하여 S'에 걸쳐 격자 라인들의 공간적으로 변화하는 라인폭들을 나타내는, 즉 또한 xy-위치의 함수로서 표면(S')에 걸쳐 변화하는 새로운 회절 격자 패턴으로 변경되게 한다.

기판의 침적/제거는 유체(46)에서의 기판(5)의 침적 깊이 D(t)가 시간에 따라 점진적으로 변경된다(즉,

가 느리다)는 점에서 점진적이다. 본원에서, "침적 깊이의 점진적 변화" 또는 유사한 것은 보다 많은 시간 동안 액체에 침적된 채로 있는 기판의 표면 상의 지점들에서의 변조 폭에 대한 액체의 효과들(예컨대, 에칭 효과)이 보다 적은 시간 동안 액체에 침적된 채로 있는 그 표면 상의 지점들에서의 변조 폭에 대한 액체의 효과들보다 측정가능할 정도로 더 크도록 충분히 느리게 패터닝 액체(예컨대, 에칭제)에 기판을 침적시키고 그리고/또는 그로부터 기판을 상승시키는 것을 지칭한다. 특정의 움직임이 문맥상 점진적인 것으로 간주되는지는 액체의 특성 패터닝(예컨대, 에칭) 속도와 같은 인자들에 의존한다.

도 3의 구성에서, 기판의 움직임(v)은 실질적으로 선형적이고, 즉 기판 홀더(42)가 실질적으로 중력의 방향으로 위쪽으로 또는 아래쪽으로 이동된다.

다양한 구성들에서 미세가공 시스템(3)을 사용하는 예시적인 미세가공 공정들이 이제부터 도 4a 내지 도 6d를 참조하여 기술될 것이다. 용융 실리카 조성물을 가지는 기판들이 이 예들에서 사용되지만, 이것은 예시적인 기판 재료에 불과하고, 기법들이 상이한 재료들로 제조된 기판들에 적용될 수 있다. 유의할 점은, 이 도면들이 축척대로 되어 있지 않고 특히 다양한 표면 변조들의 거리 스케일들이 설명을 돕기 위해 크게 확대되어 있다는 것이다, 실제로는, 이웃하는 라인들 사이의 라인폭들의 차이가 거의 보이지 않도록 라인폭들의 변화들이 점진적이다(그렇지만 광이 회절되는 방식으로부터 효과들이 관찰될 수 있다). 예를 들어, 예시적인 패턴은 500nm의 주기를 가질 수 있고 표면을 따라 1mm 거리에서 50nm의 라인폭의 변화를 가질 수 있다. 1 mm에 2000개의 라인들이 있고, 따라서 이 경우에 이웃하는 라인들 사이의 라인폭들의 차이는 0.025nm에 불과하다.

도 4a는, 제1 기판(5a) 자체가 에칭되는 제1 침지 에칭 공정(dip etching process)인, 제1 미세가공 공정의 침적 단계 동안의 시스템(3)의 개략도이다. 즉, 기판(5a) 자체의 기판 재료를 제거하기 위해 기판(5a) 자체와 반응하는 제1 에칭제(46a)인 제1 유형의 패터닝 액체가 사용되는 제1 공정. 이 예에서, 에칭제(46a)는 기판(5a)을 이루고 있는 용융 실리카와 반응하지만, 이것은 일 예에 불과하고 동일한 유형의 공정이 상이한 재료들로 제조된 기판들에 적용될 수 있다.

기판(5a)은, 표면 부분(11)에 있는 그루브들과 간격 영역들에 의해 형성된 표면 부분(11) 자체의 표면 변조들인, 기판의 표면(S')의 부분(11)에 걸친 표면 변조들을 갖는다. 이 표면 변조들은, 이진 격자 패턴으로서 도시되어 있지만 상이한 격자 패턴(예컨대, 삼각형)일 수 있는, 제1 격자 패턴(4'a)을 구성한다.

기판(5a)이 홀더(42)에 의해 지지되고, 침지 에칭 동안 에칭제(46a) 내로 점진적으로 하강된다. 보호 마스크(20a)가 표면 부분(11)만을 노출시키기 위해 기판의 표면(S') 상에 선택적으로 퇴적되고, 이는 표면 부분(11a)만이 에칭되도록 (침지 에칭을 하도록 의도되지 않은) 표면(S')의 남아 있는 부분을 에칭제(46a)의 효과들로부터 보호한다. 기판(5a)의 다른 표면들이 또한 이와 유사하게 보호될 수 있다(도 4a에 도시되지 않음).

도 4b는 도 4a의 침적 단계 이전의 기판(5a)의 단면을 나타내고 있다. 이 시점에서, 그루브들과 채움 영역들은, 표면 부분(11)에 있는 라인들이 서로 실질적으로 동일한 폭 w_전류 - 기판(5a)의 침적 이전의 라인폭임 - 을 갖는다는 점에서 실질적으로 균일한, 표면 부분(S')의 초기 표면 변조들을 구성한다. 균일한 채움 영역들은 초기 격자 패턴(4'a(i))을 구성한다. 초기 표면 변조들이, 예를 들어, 공지된 에칭 기법들, 즉 기판(5a)의 이온 빔 에칭을 사용하여 형성될 수 있다.

도 4c는 도 4a의 침적 단계가 완료된 이후의 기판(5a)의 단면을 나타내고 있다. 도 4c에서, 기판(5a)의 좌측면은 도 4a에 도시된 바와 같이 홀더(42)로부터의 기판(5a)의 원단에 대응하고, 즉 기판의 좌측 단부는 에칭제(46a)에 맨먼저 침적되고 따라서 가장 긴 침적 시간을 거친 단부이다.

에칭제(46a)는 에칭제에 노출된 모든 용융 실리카 표면들을 침범한다. 에칭제(46a)에 의한 에칭은 실질적으로 등방성(즉, 모든 방향들에서 에칭 속도가 동일함)이고, 이는 도 4c에 도시된 바와 같이 채움 영역들에 영향을 미친다(도 4c에서의 점선들은 에칭 이전의 채움 영역들의 원래의 범위를 나타내는 역할을 함). 각각의 채움 영역에 대해, 기판 재료의 폭 w2, w4는, 각각, 그 채움 영역의 좌측면과 우측면으로부터 제거되고; w3에 의해 표시된 기판 재료의 양은 그 영역의 상부로부터 제거되며 재료의 양 w1은 그 영역의 좌측에 인접한 그루브로부터 제거된다. 양 w1 내지 양 w4는 그 영역이 에칭제(46a)에 침적되어 있는 총 시간에 의존하며, 총 시간은 xy-위치의 함수로서 변화한다. 따라서, 비록 그 자체로서 명시적으로 표시되어 있지는 않지만, w1 내지 w4가 xy-위치의 함수로서 변화한다는 것을 잘 알 것이다. 지점 (x,y)에서의 임의의 주어진 채움 영역에 대해, 근사화 w1

w2

w3

w4

Δw(x,y)가 행해질 수 있고, 여기서 Δw(x,y)는 그 지점 (x,y)에서의 에칭 속도와 침적 시간에 의해 결정된다. 따라서, 그 채움 영역의 폭이 약 w_전류 -2*Δw(x,y)로 감소된다. 따라서, 침적 단계의 효과가 초기 표면 변조들을 표면 부분(11)에 걸쳐, 즉 xy-위치의 함수로서 변화하는, 공간적으로 변화하는 변조 폭 w(x,y)

w_전류 - 2*Δw(x,y)를 나타내는 새로운 표면 변조들로 변경하는 것임을 알 수 있다. 각각의 채움 영역의 폭이 약간 상이한 양만큼 변경되기 때문에, 도 4c에 예시된 바와 같이, 이것은 초기 격자 패턴(4'a(i))을 표면 부분(11)에 걸쳐, 즉 xy-위치의 함수로서 변화하는, 공간적으로 변화하는 격자 라인폭 w(x,y)를 나타내는 새로운 격자 패턴(4'a(ii))으로 변경한다.

도 5a는, (기판(5b) 자체보다는) 제2 기판(5b) 상에 퇴적된 외인성 재료(20b)가 에칭되는 제2 침지 에칭 공정인, 제2 미세가공 공정의 침적 단계 동안의 시스템(3)의 개략도이다. 즉, 이 외인성 재료의 일부를 제거하기 위해 그 재료와 반응하는 제2 에칭제(46b)인 제2 유형의 패터닝 액체가 사용되는 제2 공정. 이 예에서, 외인성 재료는 크롬(Cr)이지만, 이것은 일 예에 불과하고, 동일한 유형의 공정이, 상이한 금속들과 같은, 상이한 외인성 퇴적물들을 갖는 기판들에 적용될 수 있다.

기판(5b)은 기판의 표면(S') 상에 퇴적된 크롬 라인들(20b)의 형태의 간헐적인 크롬 퇴적물들에 의해 형성되는 표면 변조들을 갖는다. 크롬 라인들(20b) 자체는 포토레지스트(21)에 의해 덮여 있다. 크롬 라인들은 기판의 표면(S')의 영역들을 노출된 채로 남겨두고 다른 영역들을 덮여 있는 채로 남겨두는 부분 막을 형성한다. 이 표면 변조들은 제2 격자 패턴(4'b)을 구성한다.

기판(5b)이 홀더(42)에 의해 지지되고, 침지 에칭 동안 에칭제(46b) 내로 점진적으로 하강된다.

도 5b는 도 5a의 침적 단계 이전의 기판(5b)의 단면을 나타내고 있다. 이 시점에서, 크롬 퇴적물들(20b)은 개개의 크롬 라인들이 서로 실질적으로 동일한 폭 w_전류 - 이는 기판(5b)의 침적 이전의 변조 폭임 - 를 가지는 표면(S')에 걸쳐 초기의, 실질적으로 균일한 표면 변조들을 구성한다.

초기 표면 변조들은 공지된 에칭 기법들을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 이것을 달성하는 하나의 방식은 먼저 마스크 층 - 이 예에서, 크롬 층일 것임 - 에 있는 표면(S') 전체(또는 대부분)를 코팅하는 것을 수반한다. 마스크 층이 이어서 포토레지스트로 덮여진다. 원하는 격자 패턴의 2차원 이미지가 이어서 종래의 기법들을 사용하여 포토레지스트 상으로 투사된다. (포토레지스트의 조성물에 따라) 노출된 부분들 또는 비노출된 부분들을 제거하여, 마스크 층의 선택적 부분들을 보이는 채로(즉, 선택적 부분들만을 보이게 함) 그리고 남아 있는 부분들을 남아 있는 포토레지스트에 의해 덮여진 채로 남겨두기 위해 포토레지스트가 이어서 현상된다. 마스크 층의 덮여지지 않은 부분들은 이어서 종래의 에칭 기법들, 예컨대, 포토레지스트에 의해 덮여 있는 부분들이 아니라 마스크의 덮여지지 않은 부분을 제거하고 기판 자체에는 실질적으로 영향을 미치지 않는 RIE(Reactive Ion Etching) 공정을 사용하여 제거될 수 있다.

크롬 라인들은 표면(S')에 걸쳐 실질적으로 균일한 격자 라인폭 w_전류 - 즉, 표면(S') 상의 모든 지점들 (x,y)에서 실질적으로 동일함 - 를 나타내는 초기 회절 격자 패턴(4'b(i))을 구성한다.

에칭제(46b)는 (포토레지스트(21)에 의해 보호되지 않는) 모든 비보호된 크롬 표면들을 침범한다. 포토레지스트(21)는 크롬 라인들의 상부 부분들을 보호하고, 용융 실리카(즉, 기판(5b) 자체)는 크롬 라인들의 하부 부분을 보호한다. 이와 같이, 도 5a의 침적 단계 동안 크롬 라인들의 측면들만이 에칭제(46b)에 노출된다.

도 5c는 도 5a의 침적 단계가 완료된 이후의 기판(5b)의 단면을 나타내고 있다. 도 5c에서, 기판(5b)의 좌측면은 도 5a에 도시된 바와 같이 홀더(42)로부터의 기판(5b)의 원단에 대응하고, 즉 기판의 좌측 단부는 에칭제(46b)에 맨먼저 침적되고 따라서 가장 긴 침적 시간을 거친 단부이다.

각각의 양의 크롬이 각각의 크롬 라인의 측면들로부터 제거된다. 양은 그 라인이 에칭제(46b)에 침적되어 있는 총 시간에 의존하며, 총 시간은 xy-위치의 함수로서 변화한다. 따라서, 상기 양이 xy-위치의 함수로서 변화한다는 것을 잘 알 것이다. 따라서, 침적 단계의 효과가 초기 표면 변조들을 표면(S')에 걸쳐, 즉 xy-위치의 함수로서 변화하는, 공간적으로 변화하는 변조 폭 w(x,y)를 나타내는 새로운 표면 변조들로 변경하는 것임을 알 수 있다. 각각의 크롬 라인의 폭이 약간 상이한 양만큼 변경되기 때문에, 도 5c에 예시된 바와 같이, 이것은 초기 격자 패턴(4'b(i))을 표면(S')에 걸쳐, 즉 xy-위치의 함수로서 변화하는, 공간적으로 변화하는 격자 라인폭 w(x,y)를 나타내는 새로운 격자 패턴(4'b(ii))으로 변경한다.

도 5a의 침적 단계의 완료 후에, 기판은 이어서 남아 있는 크롬이 에칭 마스크로서 역할하는 추가의 에칭 공정을 거칠 수 있다. 이것은, 예를 들어, 남아 있는 크롬이 기판의 덮여 있는 영역들(그리고 그 영역들만)을 기판(5b) 자체의 이온 빔 또는 추가의 침지 에칭의 효과들로부터 보호하는, 기판(5b)의 이온 빔 에칭일 수 있고, 여기서 크롬은 덮여 있는 영역들(그리고 그 영역들만)을 기판 자체(도 4a의 에칭제(4a)와 동일한 조성물을 가질 수 있음)와 반응하는 액체 에칭제의 효과로부터 보호한다. 이러한 방식으로, 이러한 추가의 에칭 공정 이후의 기판(5b)의 단면인 도 5d에 예시된 바와 같이, 회절 패턴(4'b(ii))이 기판(5b)으로 전사될 수 있다.

도 6a는, (기판(5c) 자체보다는) 제3 기판(5c) 상에 퇴적된 다른 외인성 재료가 에칭되는 제3 침지 에칭 공정인, 제3 미세가공 공정의 침적 단계 동안의 시스템(3)의 개략도이다. 즉, 이 외인성 재료의 일부를 제거하기 위해 그 재료와 반응하는 제3 에칭제(46c)인 제3 유형의 패터닝 액체가 사용되는 제3 공정. 이 예에서, 외인성 재료는 에칭제(46c)와 반응하는 실리콘 이산화물(SiO₂)이지만, 이것은 일 예에 불과하고 동일한 유형의 공정이 상이한 외인성 재료들을 갖는 기판들에 적용될 수 있다.

기판(5c)은 기판의 표면(S') 자체의 변조들의 조합에 의해 형성되는 표면 변조들과 변조된 표면(S') 상에 퇴적된 실리콘 이산화물의 층(23)을 갖는다. 이 표면 변조들은 제3 격자 패턴(4'c)을 구성한다.

기판(5c)이 홀더(42)에 의해 지지되고, 침지 에칭 동안 에칭제(46c) 내로 점진적으로 하강된다.

도 6b 및 도 6c는 도 6a의 침적 단계 이전의 상이한 스테이지들에서 기판(5c)의 단면을 나타내고 있다.

도 6b는 실리콘 이산화물 층(23)이 도포되기 이전의 기판(5c)을 나타내고 있다. 예비 격자 패턴(4'c(0))이 표면(S') 자체의 변조들만에 의해, 구체적으로는, 예컨대, 공지된 에칭 기법들을 사용하여, 생성될 수 있는 실질적으로 균일한 그루브들과 채움 영역들에 의해 형성된다.

도 6c는 실리콘 이산화물 층(23)이 변조된 표면(S')에 도포된 이후의 기판(5c)을 나타내고 있다. 실리콘 이산화물 층은 ALD(atomic layer deposition)를 사용하여 도포되는 실질적으로 평평한 층이다. 이것은 사실상 채움 영역들을 확대시키는 것에 의해 표면(S')에서의 변조들의 필 팩터(fill factor)를 증가시킨다. 이것은, 도 6c에 예시된 바와 같이, 사실상 표면(S')에만 있는 변조들의 변조 폭보다 더 넓은 변조 폭 w_전류를 가지는, 표면(S')과 퇴적된 실리콘 이산화물에 있는 변조들의 조합에 의해 형성되는, 표면 변조들을 생성한다. 조합된 변조들은 폭 w_전류가 표면(S')에 걸쳐 실질적으로 일정하다는 점에서 실질적으로 균일한 변조들이고, 초기(즉, 에칭전) 회절 격자 패턴(4'c(i))을 구성한다.

에칭제(46c)는 기판(5c) 자체의 용융 실리카가 아니라 실리콘 이산화물(23) 퇴적물들을 침범한다. 도 6d는 도 6a의 침적 단계가 완료된 이후의 기판(5c)의 단면을 나타내고 있다. 도 6c에서, 기판(5c)의 좌측면은 도 6a에 도시된 바와 같이 홀더(42)로부터의 기판(5c)의 원단에 대응하고, 즉 기판의 좌측 단부는 에칭제(46c)에 맨먼저 침적되고 따라서 가장 긴 침적 시간을 거친 단부이다.

실리콘 이산화물(23)의 각각의 양이 각각의 침적된 지점 (x,y)에서 제거된다. 그 양은 그 지점이 에칭제(46c)에 침적되어 있는 총 시간에 의존하며, 총 시간은 xy-위치의 함수로서 변화한다. 따라서, 각각의 확대된 채움 영역의 폭이 그 채움 영역의 xy-위치에 의존하는 양만큼 감소되고, 이는 그 지점에서의 필 팩터의 감소에 해당된다는 것을 잘 알 것이다. 따라서, 침적 단계의 효과가 초기 표면 변조들을 표면(S')에 걸쳐, 즉 xy-위치의 함수로서 변화하는, 공간적으로 변화하는 변조 폭 w(x,y)(또는 동등하게 공간적으로 변화하는, 변조된 필 팩터)를 나타내는 새로운 표면 변조들로 변경하는 것임을 알 수 있다. 각각의 확대된 채움 영역의 폭이 약간 상이한 양만큼 변경되기 때문에, 도 6c에 예시된 바와 같이, 이것은 초기 격자 패턴(4'c(i))을 표면(S')에 걸쳐, 즉 xy-위치의 함수로서 변화하는, 공간적으로 변화하는 격자 라인폭 w(x,y)를 나타내는 새로운 격자 패턴(4'c(ii))으로 변경한다.

기판의 침적 깊이를 점진적으로 변경하는 것의 결과, 라인폭 프로파일이 그에 대응하여 점진적으로(즉, 격자 주기(d)보다 상당히 더 큰 거리 스케일에 걸쳐 실질적으로 연속적으로 - 앞서 살펴보았음 -) 변화한다. 라인폭 w(x,y)가 xy-평면의 관련 부분에 있는 모든 지점 (x,y)에서 정의되는 xy-위치의 실질적으로 연속적인 수학 함수로서 사실상 간주될 수 있을 정도로 라인폭 w(x,y)가 변화하는 스케일이 격자 주기(d)에 비해 충분히 크다(즉, 라인폭 w(x,y)의 공간적 변동들이 기판의 표면에 걸쳐 충분히 점진적임).

명백할 것인 바와 같이, 앞서 기술된 공정들의 결과, xy-위치의 함수로서 변화하고 따라서 적어도 일부 xy-위치들에서 영이 아닌 그래디언트들

(여기서

는 xy-평면에 대한 그래디언트 함수임)을 가지는 격자 라인폭들 w(x,y)를 가지는 새로운 격자 패턴들이 생성된다.

이상에서, 침적 깊이 D(t)를 변화시키는 실질적으로 선형인 기판 움직임이 생각된다. 잘 알 것인 바와 같이, 이 결과, 표면(S')에 대해 선형 움직임의 방향과 실질적으로 정렬된 그래디언트들

를 가지는 격자 라인폭 프로파일들 w(x,y)가 얻어진다. 대안의 미세가공 장치 구성들에서, 선형 움직임에 부가하여 기판(5)의 회전 움직임을 도입하는 것에 의해, xy-평면에서의 상이한 지점들에서 방향이 변할 수 있는 격자 라인폭 그래디언트들

를 가지는 보다 복잡한 격자 프로파일들이 생성될 수 있다.

유의할 점은, 앞서 기술된 침적 방법들이 이 방법들이 적용되는 패턴들의 격자 주기(d)를 변경하지 않는다는 것이다. 일부 격자 패턴들에 대해, 주기는 표면 상의 모든 곳에서 실질적으로 일정하고(이 경우에 침적 이후에 일정한 채로 있음); 다른 경우에, 주기가 처음에는 일정하지 않다(그리고 다시 말하지만 침적에 의해 변경되지 않음).

도 4a 내지 도 6d의 상기 예들에서, 기판이 패터닝 액체에 점진적으로 침적되지만, 대안적으로 또는 그에 부가하여 기판이 이미 침적되었던 패터닝 액체 밖으로 기판을 점진적으로 상승시키는 것에 의해 유사한 효과들이 달성될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

더욱이, 이상에서, 에칭제 형태의 패터닝 액체가 격자 패턴의 변조 폭을 변경하기 위해 재료를 제거하는 데 사용되지만, 대안적으로, 퇴적제(depositant) 형태의 패터닝 액체가 그 대신에 사용될 수 있고, 이 퇴적제는 재료를 표면 부분 상에 퇴적시키는 것에 의해, 특히 재료를 그 표면에 걸친 변조들로부터 생기는 표면 돌출부들 상에 퇴적시켜 그 돌출부들의 폭을 증가시키는 것에 의해 변조 폭을 변경시킨다.

도 7은 미세가공 시스템(3)을 포함하는 제2 미세가공 장치(50)의 블록도이다. 본 시스템은 원하는 격자 프로파일을 정의하는, 즉 격자 라인폭 w(x,y)가 표면 상의 위치 (x,y)의 함수로서 (연속적으로) 변해야 하는 방식을 정의하는 원하는 격자 프로파일 정보(54)를 수신하도록 구성된 입력을 가지는 제어기(52)를 포함한다. 제어기는 구동 메커니즘(56)에 연결된다. 구동 메커니즘(56)은 구동 메커니즘(56)이 지지된 기판(5)의 침적 레벨, 특히 수직, 선형 움직임과 해당되는 경우 어쩌면 회전 움직임을 제어하기 위해 기판 홀더의 제어된 움직임을 수행할 수 있게 하는 방식으로 홀더(42)에 기계적으로 커플링된다. 이에 따라, 앞서 상세히 기술된, 패터닝 액체(46)에의 기판의 원하는 점진적 침적 및/또는 패터닝 액체(46)로부터의 기판의 제거를 수행하기 위해 구동 메커니즘(56)이 제어될 수 있다.

제어기(52)는 원하는 격자 프로파일 정보(54)를 제어 신호들로 변환하고, 제어 신호들은 미세가공 절차들 동안 구동 메커니즘으로 출력되어, 앞서 기술된 방식으로 원하는 프로파일을 수행하기 위해 구동 메커니즘(56)으로 하여금 홀더를 이동시키게 한다. 구동 메커니즘(56)은 원하는 움직임을 수행하기 위해 홀더에 기계적으로 커플링되는 하나 이상의 모터들을 포함한다.

제어기(52)는 적당한 컴퓨터 시스템 상에서 실행되는 코드로서 구현될 수 있고, 원하는 프로파일 정보(54)는 실행될 때 그 코드에 의해 액세스가능한 데이터로서 컴퓨터 저장소에 유지된다.

제2 유형의 공정: 가변적인 깊이 및 경사 h(x>y), α(x,y)를 갖는 격자들을 제조하기 위한 것.

가변적인 깊이 h(x,y) 및/또는 경사 α(x,y)를 갖는 격자들을 제조하기 위한 제2 유형의 미세가공 공정이 이제부터 기술될 것이다.

높은 회절 효율을 달성하기 위해, 경사진 격자들이 사용될 수 있다. 적당한 패턴들이 IBE(ion beam etching)의 도움을 받아 (광학 컴포넌트들로 전사하기 위해) 석영 및 실리콘 마스터들 상에 제조될 수 있다. 그렇지만, 본 기술이 이 재료들로 제한되지 않는다.

표준의 상용 IBE 시스템을 사용하여, 가변적인 깊이(h) 및/또는 가변적인 경사각(α)을 갖는 격자 영역들을 생성하는 것은 불가능하다. 그렇지만, 양 유형의 변동이 SRG 도광체들의 성능을 최적화하는 데 바람직할 수 있다. 보다 일반적으로, 미세가공 및 나노가공은 (있더라도) 연속적으로 변화하는 깊이 또는 두께 프로파일들을 가지는 구조물들을 실현할 가능성을 거의 제공하지 않는다. 변화들은 항상 단계적이고, 이는 응용분야의 성능을 망칠 수 있다. 예컨대, SRG 도광체 기반 디스플레이들의 경우에 이러하다.

이와 달리, 이하에서, 일정하게 변화하는 에칭 프로파일들, 즉 위치에 따라(positionally) 변화하는 깊이(h) 및/또는 경사각(α)을 달성할 수 있는 커스터마이즈된 셔터 메커니즘이 고려된다. 셔터 메커니즘이 IBE 도구의 이온 소스(예컨대, 이온 건(ion gun))와 패터닝될 기판을 잡도록 구성된 기판 홀더 사이에 배치된다. 기판은, 예를 들어, 원하는 광학 컴포넌트를 생성하기 위해 SRG로 패터닝될 석영 기판, 또는 (예컨대, 중합체로부터) 광학 컴포넌트들을 몰딩하기 위한 실리콘 마스터일 수 있다.

도 8a는, 측면에서 본, 미세가공 공정에서 기판(샘플)(5) 상에 미세구조물을 제조하기 위한 미세가공 도구의 일부를 형성하는 제2 미세가공 시스템의 컴포넌트들을 나타낸 개략도이다. 제2 시스템(1)은 이온 건(6) 형태의 이온 소스, 기판(5)을 지지하는 기판 홀더(샘플 홀더)(14), 및 셔터 메커니즘(10) 형태의 파티셔닝 시스템(partitioning system)을 포함한다.

이온 건(6)은, 이온 빔(8)이 만나는 기판의 부분들과 화학적으로 반응하는 것, 그 부분들을 물리적으로 제거하는 것, 또는 이 둘의 조합에 의해, 기판을 에칭하기 위한 이온 빔(8)을 발생시키기 위해 활성화될 수 있다. 이온들은, 예를 들어, 원하는 바에 따라 석영 또는 실리콘(또는 다른 적당한 재료)과 반응하는 유형일 수 있고, 적당한 빔 조성물들이 통상의 기술자에게는 명백할 것이다.

셔터 메커니즘은 기판 홀더(14)와 이온 소스(6) 사이에 배치되고, 개구(aperture)(16)를 제공하도록 배열된다. 이온 건(6)은 개구(16)의 전방에 있고 빔(8)이 개구(16) 쪽으로 지향되어 개구(16)를 둘러싸도록 배열된다. 기판(5)의 외측 표면(S')의 영역이 개구를 통해 보이도록 기판(5)은 개구 후방에 지지되고, 보이는 영역은 개구와 실질적으로 동일한 크기(즉, 면적)을 갖는다. 셔터 메커니즘(10)은 이온들과 반응하지 않거나 최소한으로만 반응하는 재료로 이루어져 있다. 셔터 메커니즘(10)은 따라서, 기판이 개구를 통과하는 빔의 그 부분들(즉, 그 빔 입자들)에만 노출되도록, 개구를 통하는 것 외에는 빔(8)의 통과를 저지한다. 이러한 방식으로, 빔(8)의 이온은 개구(16)를 통해 보이는 표면(S')의 영역과 상호작용할 뿐이고, 표면(S')의 나머지 부분들은 빔(8)으로부터 차폐된다. 도구는 도구를 주변 환경으로부터 실질적으로 고립시키기 위해 공정 챔버(도시되지 않음)에 포함될 수 있다.

빔(8)은, 이하에서 보다 상세히 논의되는 바와 같이, 이방성(즉, 방향성) 에칭을 수행하기 위해 실질적으로 평행화된다. 평행화는, 예를 들어, 이온 소스(6) 내부의 그리드(grid)들에 적당한 전위들을 유도하는 것에 의해 달성될 수 있다.

변화하는 경사각들을 생성하기 위해 이온 소스(6)와 기판 홀더(14) 사이의 틸트각(θ)("빔 입사각"이라고 지칭됨)이 또한 변화될 수 있다. 셔터가 기판 홀더와 함께 빔(8)에 대해 틸팅(tilt)되도록, 표면(S')에 대한 법선(방향 z로서 부기됨)과 이온 빔(8)의 방향 사이의 틸트각(θ)을 변화시키기 위해 기판 홀더(14)와 셔터 메커니즘(10) 둘 다가 이온 건(6)에 대해 틸팅될 수 있다. 언급된 바와 같이, 표면(S')은 실질적으로 본원에서 xy-평면이라고 지칭되는 평면에 있고; 즉, xy-평면은 기판(5)의 표면(S')에 대해 정의되고, θ가 변화됨에 따라 표면(S')에 대해 틸팅되는 것으로 간주될 수 있다. 단일의 틸트각(θ)만이 도 8a에 도시되어 있지만(지면의 평면에서의 각도 변동을 나타냄), 빔(8)에 대한 표면(S')의 임의의 원하는 배향을 제공하기 위해 장치가 또한 이것에 수직으로(도면을 볼 때 지면을 뚫고 들어가거나/뚫고 나오게) 틸팅될 수 있다. 틸트각(θ)은 또한 표면(S')에 대한 빔(8)의 입사각이고, 즉 θ는 빔(8)의 방향이 표면(S')에 대한 법선으로부터 편향되는 양(본원에서 "빔 입사각"이라고 지칭됨)이다.

셔터 메커니즘(10)에 의해 제공되는 개구(16)는 프로그래밍가능한 개구 크기를 갖는다. 셔터 메커니즘(10)은 또한 에칭 개구(16)의 위치에 대한 프로그래밍가능 제어를 제공할 수 있고, 셔터 메커니즘(10)은 xy-평면에서의 일부 또는 모든 방향들에서 xy-평면에서 홀더(14)에 대해 개구를 이동시키기 위해 제어가능하다. 기판 상의 임의의 지점에서 가변적이고 연속적으로 변화하는 에칭 깊이들을 달성하기 위해 개구(16)의 움직임들(x,y)이 기판 홀더(14)의 움직임들(x, y 및 회전)과 동기화될 수 있다. 개구(16)가 이온 건(6)에 대해 움직이고 그리고/또는 크기를 변경할 때, 빔(8)은 개구(16)를 둘러싸인 채로 유지하기에 충분히 넓다(즉, 그러기에 충분한 빔 직경/면적을 갖는다).

기판 홀더(14)는 셔터를 움직이는 일 없이 셔터 아래에서 일부 또는 모든 방향들로 xy-평면에서 이동가능하고, 이는 (빔(8)이 건(6)에 대해 고정된 개구 위치에서 고정된 또는 최대 개구 크기를 둘러싸기만 하면 되기 때문에) 이온 건(6)과 도구 전체의 크기들을 상당히 감소시키는 것을 가능하게 한다. 이것은 도구의 전체 비용을 상당히 감소시킬 수 있다.

셔터 메커니즘(10)이, 예컨대, 2개의 개별 셔터 플레이트 쌍들로부터, 즉 총 4개의 셔터 플레이트들로부터 구성될 수 있다. 예시적인 셔터 메커니즘(10)이, xy-평면에서의 도구의 단면도를 제공하는 도구의 일부의 평면도인, 도 8b에 도시되어 있다. 셔터 메커니즘(10)을 구성하는 4개의 제어가능 셔터 플레이트들(12a 내지 12d)이 도시되어 있다. 개구(16)는 플레이트들의 내측 가장자리들의 교차에 의해 정의되는 개방 영역이다. 기판 홀더(14)는 (플레이트들(12) 아래쪽에 있는) 셔터(10) 아래쪽에서 보일 수 있다. 한 쌍의 플레이트들(12a, 12b)이 xy-평면에서 제1 방향 - y 방향이라고 부기됨 - 으로 이동될 수 있고, 제2 쌍의 플레이트들(12c, 12d)이 xy-평면에서 제1 방향에 실질적으로 수직인 제2 방향 - x 방향이라고 부기됨 - 으로 이동될 수 있다. 플레이트들(12) 각각은, 예컨대, 상이한 크기들 및 형상들의 상이한 개구 구성들을 형성하기 위해 플레이트들(12)에 커플링된 진공 스테퍼 모터(in-vacuum stepper motor)들(예컨대, 상업적으로 이용가능한 진공 스테퍼 모터들)을 사용하여 개별적으로 이동될 수 있다. 기판 홀더(14)는 xy-평면에서 별도로 이동되고 회전될 수 있다. 이 구성을 사용하여, 에칭 개구의 형상은 항상 직사각형이지만, 그렇지 않고 그의 크기가 자유롭게 - 이온 빔 에칭 공정 동안을 포함함 - 변경될 수 있다.

플레이트들(12)은 몰리브덴 또는 다른 저 스퍼터율 재료(low sputter yield material)로 제조되고; 많은 이러한 적당한 재료들, 예를 들어, 어떤 세라믹들이 있다. 몰리브덴이 그의 용이한 제조성으로 인해 적당하다. 플레이트들(12)의 저 스퍼터율 조성물은 플레이트들(12)이 개구(16)를 통한 것 이외의 빔(8)의 통과를 효과적으로 저지할 수 있게 한다. 각각의 플레이트(12)가 진공 스테퍼 모터들을 사용하여 개별적으로 이동될 수 있다.

전술한 바와 같이, 플레이트들(12)이 이온 소스(6)와 기판 홀더(14) 사이에 있도록 셔터 메커니즘(10)이 공정 챔버 내에 위치된다. 에칭 정확도를, 예컨대, 약 1mm의 간격(또는, 예컨대, 기판들의 로딩 메커니즘에 따라, 그 이하)으로, 개선시키기 위해 셔터 플레이트들(12)이 기판(5)의 표면(S')에 가능한 한 가깝게 배치된다. 상한에서, 약 5mm의 최대 간격이 적용될 수 있다. 셔터 메커니즘(10)을 공정 챔버 내에 장착하는 것은 셔터(10)를 움직이는 일 없이 기판 홀더(14)의 독립적인 움직임(xy-평면 움직임 및 회전)을 가능하게 하는 방식으로 행해진다. 그렇지만, 기판 홀더(14)가 이온 소스(6)에 대해 틸팅될 때, 셔터는 도 8a에 도시된 바와 같이 틸팅을 따라간다(기판 홀더와 파티셔닝 시스템이 그로써 서로 정렬된 채로 있음). 기판이 움직이고 있는 동안 에칭 개구(16)가 대략적으로 챔버의 가운데에 있는 경우, 이온 소스의 직경은 (이것이 요구된 최대 개구 크기를 설정하고 빔이 개구를 둘러싸기만 하면 되기 때문에) 빔 균질성(beam homogeneity)을 고려하여 미세가공 공정 동안 임의의 주어진 때에 노출되어야 하는 표면(S')의 가장 큰 부분에 의해 정의된다. 이것은 기판의 크기(즉, 표면(S')의 크기, 또는 적어도 에칭될 S'의 부분)가 이온 소스 직경을 좌우하는 기존의 이온 빔 에칭 기법들과 다르다. 따라서, IBE 도구의 크기 및 비용이 본 교시내용에 따라 상당히 감소될 수 있다.

대안적으로, 셔터 메커니즘이 셔터에 대해서만 회전될 수 있는(xy-평면에서의 움직임 없음) 샘플 홀더 상에 장착될 수 있다. 이것은 셔터 메커니즘이 표준의 상업적으로 이용가능한 IBE 도구 내에 들어갈 수 있게 한다. 이것은 보다 큰 이온 소스를 필요로 할 수 있는데, 그 이유는 이온 빔이 기판 면적 전체를 커버해야만 하기 때문이다. 이 시나리오에서, 개구와 홀더 사이의 상대적 xy-평면 움직임이 (홀더가 아니라) 셔터를 구동하는 것에 의해 수행된다.

전술한 바와 같이, 장치(1)는 연속적으로 변화하는 깊이 및/또는 경사각을 갖는 격자 영역들의 제조에서 사용될 수 있다. 연속적으로 변화하는 깊이 및/또는 경사각을 갖는 경사진 격자들이 전술한 셔터 구성들 둘 다에 의해 실현될 수 있다.

먼저 표면(S') 전체(또는 대부분)를 크롬 층 또는 다른 보호 마스크 층(예컨대, 다른 금속 층)으로 코팅하는 것에 의해 격자 패턴이 기판 상에 제조될 수 있다. 마스크 층이 이어서 포토레지스트로 덮여질 수 있다. 원하는 격자 패턴의 2차원 이미지가 이어서 종래의 기법들을 사용하여 포토레지스트 상으로 투사될 수 있다. (포토레지스트의 조성물에 따라) 노출된 부분들 또는 비노출된 부분들을 제거하여, 마스크 층의 선택적 부분들을 보이는 채로(즉, 선택적 부분들만을 보이게 함) 그리고 남아 있는 부분들을 남아 있는 포토레지스트에 의해 덮여진 채로 남겨두기 위해 포토레지스트가 이어서 현상된다. 마스크 층의 덮여지지 않은 부분들은 이어서 종래의 에칭 기법들, 예컨대, 포토레지스트에 의해 덮여 있는 부분들이 아니라 마스크의 덮여지지 않은 부분을 제거하고 기판 자체에는 실질적으로 영향을 미치지 않는 초기 이온 빔 에칭 공정을 사용하여 제거될 수 있다.

마스크 층 재료는 이온 빔(8)의 이온의 통과를 저지하도록 선택되고, 즉 빔(8)의 효과들에 내성이 있고 따라서 기판의 이온 빔 에칭 동안 마스크에 의해 덮여지는 표면(S')의 임의의 영역들을 빔(8)의 효과들로부터 보호하는 마스크 재료가 선택된다. 이러한 방식으로, 이온 빔(8)이 기판 쪽으로 지향될 때, 마스크 층에 의해 덮여 있지 않은 표면(S')의 그 부분들만이 이온 빔(8)과 반응하고, 이온 빔은 (노출된 부분들로부터만 기판 재료를 화학적으로 그리고/또는 물리적으로 제거하는 것에 의해) 표면(S')에서 그 부분들에 돌출부들을 생성한다. 이와 같이, 3차원 격자 구조물을 생성하기 위해 2차원 격자 이미지가 이온 빔에 의해 기판(5) 내로 에칭된다. 이온 빔(8)이 실질적으로 평행화되기 때문에, 에칭은 비등방성이고, 그 결과 돌출부들이 실질적으로 똑바른 측면들을 갖는다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 유형의 회절 패턴을 제조하기 위해, (주기(d) 및 폭(w)과, 표면(S') 전체일 수 있는, 패턴이 제조되어야 하는 표면(S')의 부분에 걸쳐 있는 길이를 갖는) 마스크의 실질적으로 균일한 직사각형들이 표면(S') 상에 유지될 수 있어, 동일한 길이 및 폭 d*(l-f)(라인 폭(w)과 동일하거나 유사할 수 있음)을 가지는 마스크의 실질적으로 균일한 직사각형들을 표면(S') 상에 남겨 둔다.

대안적으로, 포토레지스트가 전술한 마스크와 유사한 방식으로 기능하도록, 포토레지스트 층이 기판에 직접 그리고 포토레지스트의 선택적 영역들에 도포될 수 있다. 그렇지만, 별도의 금속 마스크 층을 사용하는 것은 에칭의 보다 나은 선택성을 용이하게 할 수 있다.

연속적인 깊이 그래디언트를 나타내는 격자가, 예컨대, 이온 빔 에칭 공정 동안 가변적인 속도로, 보다 정확하게는 xy-평면에서의 (벡터) 속도로 일정한 크기의 에칭 개구를 이동시키는 것에 의해 또는 일정한 크기의 에칭 개구 아래쪽에서 기판 홀더를 이동시키는 것에 의해(또는 둘 다에 의해) 제조될 수 있다. 대안적으로, 개구 크기가 또한 동시에 변화될 수 있다.

보다 일반적으로, 변화하는 깊이의 패턴을 생성하기 위해 (일정한 또는 가변적인 크기의) 개구와 기판 사이의 상대적 xy-움직임이 수행될 수 있다. 상대적 움직임의 속도를 변화시키는 것은 변화하는 노출 시간(τ)(노출 조건의 일 예)을 야기하고, 즉 표면(S')의 적어도 일부분 상의 상이한 지점들 (x,y)가 상이한 "로컬화된"노출 시간들 τ(x,y)를 겪는다. 상대적 개구-기판 움직임이 보다 빠를(각각, 보다 느릴) 때, 지점들 (x,y)는 보다 적은(각각, 보다 많은) 시간 동안 노출된 채로 있다 - 따라서, 상대적 움직임을 느려지게(각각, 빨라지게) 하는 것에 의해 노출 시간이 증가(각각, 감소)될 수 있다 -. 상대적 움직임이 진행 중인 동안, 개구는 (어느 컴포넌트들이 실제로 구동되고 있는지에 관계없이) 표면(S')에 대해 xy-평면에서 움직이는 것으로 간주될 수 있다.

속도는 각각의 지점 (x,y)가 겪는 로컬화된 노출 시간 τ(x,y)가 그에 대응하여 xy-평면에서의 위치(xy-위치)의 함수로서 매끄럽게 변하게 하는 시간의 함수로서 연속적으로(즉, 매끄럽게) 변화된다. 이것은, 지점 (x,y)에서의 구조물의 깊이 h(x,y)가 로컬화된 노출 시간 τ(x,y)에 의해 결정되기 때문에, 예컨대, h(x,y)

R* τ(x,y) - 여기서 R은 대략적으로 일정할 수 있거나 그렇지 않을 수 있는 에칭 속도임 - 이기 때문에, 깊이를 갖는 구조물이 그에 대응하여 매끄러운 방식으로 xy-위치의 함수로서 변화하는, 공간적으로 변화하는 깊이 h(x,y)(이는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같은 "h"에 대응함)로 생성되게 한다.

그에 대응하여 점진적으로(즉, 격자 주기(d)보다 상당히 더 큰 거리 스케일에 걸쳐 실질적으로 연속적으로) 변화하는 깊이 프로파일을 가져오는 속도의 변화들은 점진적이다. 실제로는, 그루브 깊이 h(x,y)의 변화들이 거의 보이지 않는다(그렇지만 광이 회절되는 방식으로부터 효과들이 관찰될 수 있다). 예를 들어, 예시적인 경우는 깊이가 표면을 따라 100mm의 거리에서 300nm부터 150 nm까지 변할 수 있는 격자들을 에칭하는 것일 것이다.

패턴의 깊이 그래디언트는

로서 표현될 수 있고, 여기서

는 xy-평면에 대한 그래디언트 함수이다. 명백할 것인 바와 같이, 개구 크기가 앞서 기술된 방식으로 변화될 때,

는 표면(S') 상의 적어도 일부 지점들 (x,y)에서 영이 아닌 값이고, 표면(S') 상의 xy-위치의 실질적으로 연속적인 함수로서 변화한다.

연속적인 경사각 그래디언트를 나타내는 격자 패턴은, 표면(S')의 상이한 영역들이 상이한 틸트각들(즉, 상이한 빔 입사각들)을 겪도록, 개구(16)와 기판(5) 사이의 상대적 움직임을 수행하고 그와 동시에 이온 소스(6)와 기판 홀더(14) 사이의 틸트각을 변경하는 것에 의해 제조될 수 있다. 연속적으로 변화하는 경사각들을 실현하기 위해 개구 움직임과 틸트각이 연속적인(즉, 매끄러운) 방식으로 변화된다. 예를 들어, 실질적으로 일정한 경사각 그래디언트를 달성하기 위해, 틸팅이 실질적으로 일정한 각속도를 가질 수 있다.

보다 일반적으로, 표면(S')과 빔(8) 사이에서(즉, 셔터-홀더 시스템(10/14)과 이온 소스(6) 사이에서) 상대적 틸팅 움직임을 수행하는 것에 의해 변화하는 패턴 경사가 생성될 수 있다. 상대적 틸트를 변화시키는 것은 변화하는 빔 입사각(θ)(노출 조건의 다른 예)을 야기하고, 즉 표면(S')의 적어도 일부분 상의 상이한 지점들 (x,y)가 상이한 "로컬화된" 빔 입사각들 θ(x,y)를 겪으며, 여기서 θ(x,y)는 지점 (x,y)가 노출될 때의 빔 입사각을 나타낸다. 틸트가 보다 클(각각, 보다 작을) 때, 빔(8)은 보다 높은(각각, 보다 낮은) 로컬화된 입사각 θ(x,y)으로 노출된 지점 (x,y)에 입사한다.

빔 각도는 각각의 지점 (x,y)가 겪는 로컬화된 빔 각도 θ(x,y)가 그에 대응하여 위치 (x,y)의 함수로서 매끄럽게 변하도록 시간의 함수로서 연속적으로(즉, 매끄럽게) 변화된다. 이것은, 경사 α(x,y)

θ(x,y)이기 때문에, 대응하는 매끄러운 방식으로 xy-위치의 함수로서 변화하는 공간적으로 변화하는 경사각 α(x,y)(도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같은 "α"에 대응함)를 갖는 구조물을 야기한다.

틸트(α)의 변화들은 점진적이고, 그 결과 경사 프로파일이 그에 대응하여 점진적으로 변화한다. 깊이 h(x,y)에서와 같이, α(x,y)가 xy-평면의 관련 부분에 있는 모든 지점 (x,y)에서 정의되는 xy-위치의 실질적으로 연속적인 수학 함수로서 사실상 간주될 수 있을 정도로 경사 α(x,y)가 변화하는 스케일이 격자 주기(d)에 비해 충분히 크다. 예를 들어, 예시적인 경우는 10mm의 거리에서 20°부터 40°까지, 즉, mm당 2°의 가변적인 경사각을 가지는 격자들을 제조하는 것일 것이다.

패턴의 경사 그래디언트는

로서 표현될 수 있다. 명백할 것인 바와 같이, 빔 입사각이 앞서 기술된 방식으로 변화될 때,

연속적으로 그리고 독립적으로 변화하는 깊이 h(x,y)와 경사각들 α(x,y)을 나타내는, 보다 복잡한 격자 프로파일들을 생성하기 위해 공정 동안, 셔터 플레이트들 및/또는 기판 홀더가 이동될 수 있고, 그리고/또는 틸트가 변경될 수 있다.

예를 들어, 특정의 제조된 패턴에 대해,

는 일부 또는 모든 지점들 (x,y)에서 x 방향으로 지향될 수 있고, 이는 개구 속도를 제조 동안 S'에 대한 개구의 (y가 아니라) 현재 x 위치의 함수로서 변화시키는 것에 의해 달성될 수 있고,

는 y 방향으로 지향될 수 있고, 이는 틸트각을 제조 동안 S'에 대한 개구의 (x가 아니라) y 위치의 함수로서 변화시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 일반적으로,

와

의 임의의 원하는(그리고 어쩌면 공간적으로 변화하는) 방향들이, 노출 시간 τ(x,y) 및 틸트 θ(x,y)를 그에 따라 제조 동안 S'에 대한 개구의 xy-위치의 함수로서 제어하는 것에 의해, 독립적으로 달성될 수 있다.

유의할 점은, 지점 (x,y)가 단일의 시간 윈도우에서만 노출될 필요가 없고, 예컨대, 공정 동안 개구가 임의의 주어진 지점 (x,y) 위를 여러 번 통과할 수 있다 - τ(x,y)는 공정 동안 하나 이상의 노출 윈도우들에 걸쳐 지점 (x,y)가 노출되는 총 시간을 나타냄 - 는 것이다.

특정 실시들의 기반이 되는 원리들 중 일부를 설명하기 위해, 간략화된 예가 이제부터 도 9를 참조하여 기술될 것이다. 도 9는 미세가공 공정 동안 이온 소스(6)가 실질적으로 평행화된 입자 빔(8)을 활발히 발생시키고 있을 때의 측면에서 본 장치(1)의 개략도이다. 유의할 점은, 이 도면이 축척대로 되어 있지 않고 특히 표면 변조들의 거리 스케일이 설명을 돕기 위해 크게 확대되어 있다는 것이다, 언급된 바와 같이, 예시적인 경우는 10mm의 거리에서 20°부터 40°까지, 즉, mm당 2°의 가변적인 경사각을 가지는 격자들을 제조하는 것일 것이다. 그 동일한 거리에 걸쳐, 격자 깊이가 300nm부터 150 nm까지 변할 수 있을 것이다(그렇지만 이것은 예시적인 예에 불과하다).

도 9의 예에서, 기판 홀더(14)가 셔터(10)에 대해 속도 v로 이동된다. 앞서 간략히 기술된 방식으로 표면(S')을 선택적으로 덮고 있는, 표면(S') 상에 퇴적된 크롬, 포토레지스트 또는 다른 적당한 마스킹 막의 형태의 보호 마스크 층(20)을 갖는 기판(5)이 도시되어 있다. 이 예에서, 기판 홀더는 매끄럽게 증가하는 속도 v로 좌측으로 움직이고, 그로써 표면(S')에 걸쳐 좌에서 우로 위치 (x,y)의 함수로서 노출 시간을 감소시킨다. 예시된 바와 같이, 이것은 이온 빔으로 하여금 깊이 h(x,y)가 보다 제한된 노출로 인해 위치 (x,y)의 함수로서 좌에서 우로 감소하는 그루브들을 보호 층(20)에 의해 보호되지 않는 표면(S')에 생성하게 한다.

이와 동시에, 기판 홀더가 초기 틸트각으로부터 균일한 각속도(ω)로 증가되고, 그로써 위치 (x,y)의 함수로서 좌에서 우로 표면(S')에 대해 보다 두드러진 빔 경사가 얻어진다. 도 4의 간략화된 예에서, 초기에 S'에 실질적으로 수직인 측면들(좌측면에서 볼 수 있음)을 갖는 그루브들을 생성하기 위해 초기 틸트각은 약 0도이지만, 이것은 일 예에 불과하고 초기 틸트각은 임의의 원하는 각도일 수 있다. 예시된 바와 같이, 이것은 이온 빔으로 하여금 미세가공 절차 동안 표면에 대해 변화하는 빔 배향(8)로 인해 위치 (x,y)의 함수로서 좌에서 우로 증가하는 경사각들 α(x,y)를 갖는 그루브들을 표면(S')에 생성하게 한다.

앞서 기술된 기법들을 사용하여 제조된 격자들 중 임의의 것은 임의의 원하는 형상(사다리꼴, 사인파형 등)을 가질 수 있고, 벽 각도(γ)는, 예컨대, 기판을 에칭할 때 반응성 가스와 비반응성 가스의 적절한 비율("에칭 파라미터들")을 선택하는 것에 의해 설정된다. 개구/기판이 움직일 때 이 에칭 파라미터들을 변경하는 것에 의해, 벽 각도(γ)가 기판의 표면에 걸쳐 원하는 바에 따라 변하게 될 수 있다. 전형적으로, 이것은 라인폭과 동일한 방식으로 점진적으로 변할 것으로 예상되지 않지만, 그 가능성이 배제되지는 않는다.

도 10은 제2 미세가공 시스템(1)을 포함하는 제2 미세가공 장치(30)의 블록도이다. 본 시스템은 원하는 격자 프로파일을 정의하는, 즉 격자 깊이 h(x,y) 및/또는 경사각 α(x,y)가 표면 상의 위치 (x,y)의 함수로서 (연속적으로) 변해야 하는 방식을 정의하는 원하는 격자 프로파일 정보(34)를 수신하도록 구성된 입력을 가지는 제어기(32)를 포함한다. 제어기는 원하는 격자 프로파일을 가지는 격자 패턴이 기판 상에 제조되는 미세가공 절차의 시작/끝에서 이온 소스(6)를 활성화/비활성화시키기 위해 연결된 제1 출력을 갖는다. 제어기는 미세가공 도구의 구동 메커니즘(36)에 연결된다. 구동 메커니즘(36)은 구동 메커니즘(36)이 기판 홀더(14) 및/또는 셔터(10)의 제어된 움직임을 수행할 수 있게 하는 방식으로 셔터(10) 및/또는 홀더(14)에 기계적으로 커플링된다. 이에 따라, 앞서 상세히 기술된 바와 같이, 구동 메커니즘(36)은 빔이 미세가공 동안 활성일 때 원하는 xy-평면 및/또는 회전 움직임을 수행하기 위해 제어될 수 있다.

제어기(32)는 원하는 격자 프로파일 정보(34)를 제어 신호들로 변환하고, 제어 신호들은 미세가공 절차 동안 구동 메커니즘으로 출력되어, 앞서 기술된 방식으로 원하는 프로파일을 수행하기 위해 구동 메커니즘(36)으로 하여금 홀더 및/또는 셔터를 이동시키고 그리고/또는 틸팅하게 한다. 구동 메커니즘(36)은 원하는 움직임을 수행하기 위해 홀더 및/또는 셔터에 기계적으로 커플링되는, 하나 이상의 모터들, 예컨대, 앞서 언급한 바와 같은 진공 스테퍼 모터들을 포함한다.

제어기(32)는 적당한 컴퓨터 시스템 상에서 실행되는 코드로서 구현될 수 있고, 원하는 프로파일 정보(34)는 실행될 때 그 코드에 의해 액세스가능한 데이터로서 컴퓨터 저장소에 유지된다.

이상에서 개구가 기판 표면에 걸쳐 일정하게 변화하는 노출 시간들을 제공하기 위해 이동되지만, 예를 들어, 개구 크기를 변화시키는 것에 의해 유사한 효과를 달성하기 위해 다른 유형들의 상대적 개구-기판 움직임이 사용될 수 있을 것이다. 일 예로서, 도 8b의 플레이트(12c)가 고정된 위치에 보유될 수 있을 것인 반면, 플레이트(12d)가 플레이트(12c) 쪽으로 또는 그로부터 멀어지는 쪽으로 연속적으로 이동되고, 그로써 미세가공 절차 동안 기판의 표면(S') 상의 상이한 지점들을 상이한 양의 시간 동안 입자 빔에 노출시킨다. 게다가, 이상에서, 기판의 표면 상의 상이한 지점들이 노출 시간을 변화시키는 것에 의해 상이한 레벨들의 빔 노출을 겪지만, 대안적으로 또는 그에 부가하여, 유사한 효과를 달성하기 위해 빔의 세기(즉, 입자 플럭스)가 변화될 수 있을 것이다. 게다가, 이상에서 기판 홀더/파티셔닝 시스템을 구동하는 것에 의해 기판 홀더 및 파티셔닝 시스템이 빔에 대해 틸팅되지만, 대안적으로 또는 그에 부가하여, 이온 소스가 구동 시스템에 커플링되고 이동됨으로써 원하는 상대적 틸트를 수행할 수 있을 것이다. 게다가, 이상의 셔터 구성에 대해, 에칭 개구의 형상이 항상 직사각형이고 다른 경우에 그의 크기가 자유롭게 변경될 수 있지만, 임의의 원하는 개구 형상 및 크기를 갖는 개구를 제공할 수 있는 다른 셔터 구성들이 또한 가능하다. 게다가, 이상에서, 예컨대, 도 8b에서와 같은 제어가능한 크기의 개구를 제공하기 위해 셔터 메커니즘이 사용되지만, 기판 홀더가 이동되고 그리고/또는 홀더 위로 이동되는 상황에서 파티셔닝 시스템이 고정된 크기의 개구를 제공하도록 배열될 수 있다.

공정들의 결합

명백할 것인 바와 같이, 가변적인 라인폭 w(x,y) 및 가변적인 경사 α(x,y) 및/또는 가변적인 깊이 h(x,y)를 갖는 격자들을 제조하기 위해 앞서 기술된 공정들이 결합될 수 있다.

예를 들어, 변화하는 깊이 h(x,y) 및/또는 경사각 α(x,y)를 나타내는 초기 격자 - 이는 나중에 그 격자의 라인폭을 변경하기 위해 도 4a 내지 도 4c 또는 도 6a 내지 도 6d(제1 유형의 공정)의 에칭 기법들을 거칠 수 있음 - 를 기판 상에 제조하기 위해 제2 유형의 공정의 이온 빔 에칭 기법들이 사용될 수 있다.

다른 예로서, 변화하는 라인폭을 가지는 크롬 막(또는 다른 보호 막) - 이는 나중에, 크롬 마스크로부터 상속된 가변적인 라인폭에 부가하여, 가변적인 경사 및/또는 깊이를 갖는 패턴이 마스크로부터 기판으로 전사되도록 제2 유형의 공정에서 에칭 마스크로서 역할할 수 있음 - 을 생성하기 위해 도 5a 내지 도 5d(제1 유형의 공정)의 기법들이 먼저 사용될 수 있을 것이다.

본 명세서에 개시되는 공정들을 사용하여 제조될 수 있는 제1 예시적인 광학 컴포넌트의 외측 표면(S1)의 일부분의 평면도가 도 11a에 도시되어 있다. 도 11a에서 보이는 표면 부분은 실질적으로 서로 평행하고 실질적으로 폭보다 길이가 더 긴, 외측 표면의 적어도 일부분에 있는 일련의 그루브들인, 그 부분들의 표면 변조들에 의해 형성되는 회절 격자를 갖는다. 즉, 인접한 라인들이 그 라인들의 전체 길이에 걸쳐 격자 주기보다 상당히 더 적은(즉, 자릿수(들)만큼 더 낮은) 양만큼 변화하고 길이가 격자 주기보다 상당히 더 큰(예컨대, 자릿수(들)만큼 더 높은) 거리에 의해 분리되도록 되어 있다. 그루브 길이들은 실제로는 몇 밀리미터 또는 그 이상 정도일 수 있다. 라인들은 직선일 수 있거나 그렇지 않을 수 있다(즉, 곡선과 직선 둘 다를 갖는 격자가 기술된 바와 같이, 예컨대, 제조 동안 격자로 전사될 적당한 리소그래피 이미지를 선택하는 것에 의해, 제조될 수 있다).

도 11a의 회절 격자는 표면 부분 상의 각각의 지점 (x,y)에서 적어도 제1 그루브 특성 c1(x,y)와 제2 그루브 특성 c2(x,y) - 제1 특성 c1(x,y)와 상이하고 제1 특성 c1(x,y)에 독립적임 - 를 나타내고, 이들 특성 둘 다는 회절 격자에 입사하는 광이 그 지점에서 회절되는 방식에 영향을 미친다. 특성 c1은 격자 깊이 h(x,y), 즉 그 지점에서의 그루브들의 깊이, 격자 경사 α(x,y), 즉 그 지점에서의 그루브들의 경사, 또는 격자 라인폭 w(x,y), 즉 그 지점에서 그루브들 사이의 채움 영역들의 크기 중 하나일 수 있고, c2는 이들 중 다른 하나일 수 있다.

표면 부분 상의 상이한 지점들에서 입사 광이 회절되는 방식을 점진적으로 변화시키기 위해 제1 그루부 특성 c1(x,y)와 제2 그루브 특성 c2(x,y)이 표면 부분에 걸쳐 점진적으로 변화하고, (이들이 제조 동안 독립적으로 선택될 수 있기 때문에) 서로 독립적인 방향들을 가지는 그리고 따라서 표면 부분 상의 적어도 일부 지점들에서 서로 상이한 방향들로 있을 수 있는 각각의 (벡터) 그래디언트들

(여기서

는 xy-평면에서의 그래디언트 함수임)로 점진적으로 변화한다. 이것은 도 11a에서 예시적인 지점들 (x1, y1), (x2, y2) 및 (x3,y3)에 예시되어 있고, 이는 그 지점들에서의 그래디언트들을 벡터 화살표들로서 나타내고 있으며, 화살표들의 방향들은 그 지점들에서 각각의 각도들

만큼 상이하고, 추가의 특성(들)이 표면 부분에 걸쳐 유사한 방식으로 변할 수 있다.

도 11b는 여기 개시된 기법들에 따라 역시 제조될 수 있는 제2 예시적인 광학 컴포넌트의 표면(S2)의 일부분의 평면도를 나타내고 있다. 여기서, 격자는 제1 그래디언트와 제2 그래디언트

로, 각각, 변화하는 제1 격자 특성 c1(x,y)와 제2 격자 특성 c2(x,y)를 갖도록 제조되었다. 제1 그래디언트와 제2 그래디언트

의 방향들은, 각각, 그 부분에 걸쳐 실질적으로 불변인 제1 방향과 제2 방향으로 있고, 즉 그 방향들은, 도 11b에 도시된 예시적인 지점들 (x1,y1), (x2,y2) 및 (x3,y3)을 포함하는, 그 부분 상의 모든 지점 (x,y)에서 실질적으로 동일하다. 더욱이, 표면 부분 상의 각각의 지점 (x,y)에서 실질적으로 동일한, 도 11b에서 φ로서 도시된 각도 간격을 가지는 제1 방향과 제2 방향은 서로 상이하다. 방향들은 서로 실질적으로 수직일 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 추가의 특성(들)이 표면 부분에 걸쳐 유사한 방식으로 변할 수 있다.

앞서 언급된 예들 모두에서, 상이한 격자 특성들은 방향들이 (도 11a의 격자의 경우에 적어도 일부 지점들에서 그리고 도 11b의 격자의 경우에 실질적으로 표면 부분 전체에 걸쳐) 상당한 원하는 각도들만큼 상이한 격자를 갖는다. 격자 방향들이, 원하지 않는 제조 부정확 또는 비정밀로 인해 발생되는 작은, 의도되지 않은 변동들 및/또는 유사한 스케일로 제한되는 다른 변동들과 같은, 작은, 의도되지 않은 양들만큼만 상이한 경우, 그 방향들은 서로 상이한 것으로 간주되지 않는다. 예를 들어, 본 기법들은 그래디언트들이 표면 부분 상의 적어도 일부 지점들에서 적어도

도(자릿수) - 따라서 도 11a의 격자에 대해, 표면 부분 상의 적어도 일부 (x,y)에 대해

이고; 도 11b에 대해

임 - 만큼 상이한 특성들(경사, 깊이 및 라인폭)을 갖는 격자들이 제조될 수 있게 한다. 차이들이 원하는 경우 더 많을 수 있고, 예컨대,

도, 10도, 20도, 90도 또는 180도까지의 임의의 것일 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 본원에 개시되는 제조 기법들은, xy-평면의 관련 부분에서 xy-위치의 사실상 연속적인 수학 함수들로서 간주될 수 있을 정도로, 잘 정의된, 실질적으로 연속적인 벡터 그래디언트들(이 그래디언트들은, 크기 및/또는 방향 중 어느 하나가 변화하는 경우, 역시 xy-위치의 실질적으로 연속적인 수학 함수들로서 변하게 됨)로, 인접한 격자 라인들 사이에서, 격자의 격자 주기(d)와 같은, 격자 자체의 특성 척도와 비교하여 충분히 작은 양들만큼 변화하는 - 즉, 충분히 점진적으로 변화하는 - 공간적으로 변화하는 격자 특성들을 갖는 격자들이 제조될 수 있게 한다. 이것은, 말하자면, 격자 특성들이 실질적으로 단계별 함수들로서 변화하는, 격자 특성들의 단계별 변화들과 다르다. 전술한 바와 같이, 이하의 청구항들에서 "지점들" 및 "그래디언트들"(또는 유사한 것)에 대한 언급은 이 관점을 염두에 두고 그에 따라 해석되어야 한다.

도 11a 및 도 11b의 격자 프로파일들은 예시적인 것이고, 본원에 제시되는 교시내용을 고려하여 통상의 기술자에게 명백할 것인 바와 같이, 독립적으로 변화하는 격자 특성들을 갖는 많은 상이한 유형들의 원하는 격자들이 전술한 공정들 또는 이들의 조합들 중 임의의 것을 사용하여 제조될 수 있다.

기법들을 사용하여 제조된 격자들 중 임의의 것이 일반 사다리꼴 형상들(이진 및 삼각형 형상들을 포함하지만, 이들로 제한되지 않음)을 가질 수 있고, 벽 각도(γ)는, 예컨대, 기판 자체가 에칭되는 제2 유형의 공정에서 반응성 가스와 비반응성 가스의 적절한 비율(에칭 파라미터들)을 선택하는 것에 의해 설정된다. 개구/기판이 움직일 때 제2 유형의 공정 동안 이 에칭 파라미터들을 변경하는 것에 의해, 벽 각도(γ)가 기판의 표면에 걸쳐 원하는 바에 따라 변하게 될 수 있다. 전형적으로, 이것은 라인폭, 경사 및 깊이와 동일한 방식으로 점진적으로 변할 것으로 예상되지 않지만, 그 가능성이 배제되지는 않는다. 사다리꼴 형태들 이외의 형상들(예컨대, 사인파형)의 에칭은 보호 마스크에 대해 적절한 수정들을 행하는 것에 의해 달성될 수 있다.

유의할 점은, 벽 각도들(파라미터들) 및 에칭 마스크가 어떻게 마모되는지로 인해, 기판 자체의 이온 빔 에칭 공정에서(즉, 제2 유형의 공정에서) 라인폭이 약간 변경될 수 있다는 것이다. 그렇지만, 격자 라인들을 침지 에칭할 때(제1 유형의 공정에서) 이러한 변화하는 라인폭이 고려될 수 있고, 따라서 관련 특성들이 여전히 독립적일 수 있다.

이상에서는 실질적으로 소프트웨어로 구현되는 제어기들(32, 52)을 고려하고 있지만, 제어기들의 기능이 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어(예컨대, 고정 논리 회로부(fixed logic circuitry)), 또는 이 구현들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 용어들 "모듈", "기능", "컴포넌트" 및 "논리"는, 본원에서 사용되는 바와 같이, 일반적으로, 해당되는 경우, 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합을 나타낸다. 소프트웨어 구현의 경우에, 모듈, 기능, 또는 논리는 프로세서(예컨대, CPU 또는 CPU들) 상에서 실행될 때 명시된 작업들을 수행하는 프로그램 코드를 나타낸다. 프로그램 코드는 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 메모리 디바이스들에 저장될 수 있다. 이하에 기술되는 기법들의 특징들이 플랫폼 독립적(platform-independent)이며, 플랫폼 독립적이라는 것은 기법들이 각종의 프로세서들을 가지는 각종의 상용 컴퓨팅 플랫폼들에서 구현될 수 있다는 것을 의미한다.

예를 들어, 장치(예컨대, 30, 50)는 또한 장치의 컴퓨터의 하드웨어로 하여금 동작들, 예컨대, 프로세서 기능 블록들 등을 수행하게 하는 엔티티(예컨대, 소프트웨어)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터는 컴퓨터, 그리고 보다 상세하게는 컴퓨터의 운영 체제 및 연관된 하드웨어로 하여금 동작들을 수행하게 하는 명령어들을 유지하도록 구성될 수 있는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함할 수 있다. 이와 같이, 명령어들은 운영 체제 및 연관된 하드웨어를 동작들을 수행하도록 구성하고 이러한 방식으로 운영 체제 및 연관된 하드웨어를 기능들을 수행하도록 변환시키는 기능을 한다. 명령어들은 각종의 상이한 구성들을 통해 컴퓨터 판독가능 매체에 의해 컴퓨터에 제공될 수 있다.

컴퓨터 판독가능 매체의 하나의 이러한 구성은 신호 전달 매체(signal bearing medium)이고, 따라서 네트워크를 통하는 등에 의해, 명령어들을 (예컨대, 반송파로서) 컴퓨팅 디바이스로 전송하도록 구성되어 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 또한 컴퓨터 판독가능 저장 매체로서 구성될 수 있고, 따라서 신호 전달 매체가 아니다. 컴퓨터 판독가능 저장 매체의 예들은 RAM(random-access memory), ROM(read-only memory), 광학 디스크, 플래시 메모리, 하드 디스크 메모리, 그리고 명령어들 및 다른 데이터를 저장하기 위해 자기, 광학, 및 다른 기법들을 사용할 수 있는 다른 메모리 디바이스들을 포함한다.

발명 요지가 구조적 특징들 및/또는 방법적 동작들과 관련하여 기술되어 있지만, 첨부된 청구항들에 한정되어 있는 발명 요지가 앞서 기술된 구체적인 특징들 또는 동작들로 꼭 제한될 필요는 없다는 것을 잘 알 것이다. 오히려, 앞서 기술된 구체적인 특징들 및 동작들은 청구항들을 구현하는 예시적인 형태들로서 개시되어 있다.

Claims

광학 시스템에서 사용하기 위한 광학 컴포넌트 - 상기 광학 컴포넌트는 외측 표면(outer surface)을 가짐 - 로서, 실질적으로 서로 평행하고 실질적으로 폭보다 길이가 더 긴, 상기 외측 표면의 적어도 일부분에 있는 일련의 그루브들에 의해 회절 격자(diffraction grating)가 형성되고;
상기 회절 격자는 상기 표면 부분 상의 각각의 지점에서의 적어도 제1 그루브 특성과 제2 그루브 특성을 나타내며, 상기 제1 그루브 특성과 상기 제2 그루브 특성 둘 다는 상기 회절 격자에 입사하는 광이 해당 지점에서 회절되는 방식에 영향을 미치고;
상기 제1 그루브 특성과 상기 제2 그루브 특성은, 상기 입사 광이 상기 표면 부분 상의 상이한 지점들에서 회절되는 방식을 점진적으로 변화시키기 위해 상기 표면 부분에 걸쳐 점진적으로 변화하고, 상기 제1 그루브 특성과 상기 제2 그루브 특성은, 상기 표면 부분 상의 적어도 일부 지점들에서 서로 상이한 방향들로 있는 각각의 그래디언트(gradient)들로 변화하는 것인, 광학 컴포넌트.
제1항에 있어서, 상기 제1 그루브 특성은 격자 경사(slant), 격자 깊이 및 격자 라인폭 중 하나이고, 상기 제2 그루브 특성은 상기 격자 경사, 상기 격자 깊이 및 상기 격자 라인폭 중 다른 하나인 것인, 광학 컴포넌트.
제1항에 있어서, 상기 회절 격자는 각각의 지점에서의 제3 그루브 특성을 나타내고, 상기 제3 그루브 특성은, 또한 상기 회절 격자에 입사하는 광이 해당 지점에서 회절되는 방식에 영향을 미치며, 또한 상기 입사 광이 상기 표면 부분 상의 상이한 지점들에서 회절되는 방식을 점진적으로 변화시키기 위해 상기 표면 부분에 걸쳐 점진적으로 변화하는 것인, 광학 컴포넌트.
제3항에 있어서, 상기 제3 그루브 특성은, 상기 표면 부분 상의 적어도 일부 지점들에서 상기 제1 그루브 특성 및 상기 제2 그루브 특성과는 상이한 방향에 있는 그래디언트로 변화하는 것인, 광학 컴포넌트.
제3항에 있어서, 상기 제1 특성, 제2 특성, 및 제3 특성들 중 하나의 특성은 격자 경사이고, 상기 특성들 중 다른 하나의 특성은 격자 깊이이며, 상기 특성들 중 또 다른 하나의 특성은 격자 라인폭인 것인, 광학 컴포넌트.
광학 시스템에서 사용하기 위한 광학 컴포넌트 - 상기 광학 컴포넌트는 외측 표면을 가짐 - 로서, 상기 외측 표면의 적어도 일부분의 변조(modulation)들에 의해 회절 격자가 형성되고;
상기 회절 격자는 상기 표면 부분 상의 각각의 지점에서의 적어도 제1 변조 특성과 제2 변조 특성을 나타내며, 상기 제1 변조 특성과 상기 제2 변조 특성 둘 다는 상기 표면 부분에 입사하는 광이 해당 지점에서 회절되는 방식에 영향을 미치고;
상기 제1 변조 특성과 상기 제2 변조 특성은, 상기 입사 광이 상기 표면 부분 상의 상이한 지점들에서 회절되는 방식을 점진적으로 변화시키기 위해 상기 표면 부분에 걸쳐 점진적으로 변화하며, 상기 제1 변조 특성은 상기 표면 부분에 걸쳐 실질적으로 불변(invariant)인 제1 방향으로 제1 그래디언트로 변화하고, 상기 제2 변조 특성은 상기 표면 부분에 걸쳐 실질적으로 불변이며 상기 제1 방향과는 상이한 제2 방향으로 제2 그래디언트로 변화하는 것인, 광학 컴포넌트.
제6항에 있어서, 상기 제1 변조 특성은 변조 폭, 변조 깊이 및 변조 경사 중 하나이고, 상기 제2 변조 특성은 상기 변조 폭, 상기 변조 깊이 및 상기 변조 경사 중 다른 하나인 것인, 광학 컴포넌트.
제6항에 있어서, 상기 회절 격자는 각각의 지점에서의 제3 변조 특성을 나타내고, 상기 제3 변조 특성은, 또한 상기 회절 격자에 입사하는 광이 해당 지점에서 회절되는 방식에 영향을 미치며, 또한 상기 입사 광이 상기 표면 부분 상의 상이한 지점들에서 회절되는 방식을 점진적으로 변화시키기 위해 상기 표면 부분에 걸쳐 점진적으로 변화하는 것인, 광학 컴포넌트.
제8항에 있어서, 상기 제3 변조 특성은, 상기 표면 부분에 걸쳐 실질적으로 불변인 제3 방향으로 그래디언트로 변화하는 것인, 광학 컴포넌트.
제8항에 있어서, 상기 제3 방향은, 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향과는 상이한 것인, 광학 컴포넌트.
광학 시스템에서 사용하기 위한 광학 컴포넌트 - 상기 광학 컴포넌트는 외측 표면을 가짐 - 로서, 실질적으로 서로 평행하고 실질적으로 폭보다 길이가 더 긴, 상기 외측 표면의 적어도 일부분에 있는 일련의 그루브들에 의해 회절 격자가 형성되고;
상기 회절 격자는 상기 표면 부분 상의 각각의 지점에서의 격자 깊이와 격자 경사를 나타내며, 상기 격자 깊이와 상기 격자 경사 둘 다는 상기 회절 격자에 입사하는 광이 해당 지점에서 회절되는 방식에 영향을 미치고;
상기 깊이 및/또는 경사는, 상기 입사 광이 상기 표면 부분 상의 상이한 지점들에서 회절되는 방식을 점진적으로 변화시키기 위해 상기 표면 부분에 걸쳐 점진적으로 변화하는 것인, 광학 컴포넌트.
제11항에 있어서, 상기 회절 격자는 각각의 지점에서의 격자 라인폭을 나타내고, 상기 격자 라인폭은 또한 상기 회절 격자에 입사하는 광이 해당 지점에서 회절되는 방식에 영향을 미치며, 상기 라인폭은 또한 상기 입사 광이 상기 표면 부분 상의 상이한 지점들에서 회절되는 방식을 점진적으로 변화시키기 위해 상기 표면 부분에 걸쳐 점진적으로 변화하는 것인, 광학 컴포넌트.
제12항에 있어서, 상기 깊이, 상기 경사 및 상기 라인폭 모두가 상기 표면 부분에 걸쳐 점진적으로 변화하는 것인, 광학 컴포넌트.
디스플레이 시스템으로서, 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 광학 컴포넌트 - 상기 광학 컴포넌트는 도파관(waveguide)으로서 사용하기 위해 구성됨 - , 및 상기 광학 컴포넌트에 커플링되는 광 엔진 - 상기 광 엔진은 원하는 이미지를 발생시키도록 구성됨 - 을 포함하고,
상기 광학 컴포넌트는 상기 이미지의 광을 상기 광 엔진으로부터 사용자의 눈으로 전달하여 상기 이미지가 사용자에게 보이게 하도록 배열되는 것인, 디스플레이 시스템.
제14항에 있어서, 웨어러블 헤드셋 내에 구현되는 것인, 디스플레이 시스템.