KR20190057380A - 불균일한 회절 격자들의 제조 - Google Patents

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Abstract

불균일한 격자들을 제조하는 방법은 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계, 예컨대, 리소그래피에 의해, 기판 상에 레지스트 층을 패터닝하는 단계, 패터닝된 레지스트 층으로 기판을 에칭하는 단계, 및 이어서 기판으로부터 레지스트 층을 제거하여, 영역들에 주입된 상이한 밀도들의 이온들과 연관된 불균일한 특징들을 갖는 적어도 하나의 격자를 기판에 남기는 단계를 포함한다. 방법은, 예컨대, 나노임프린트 리소그래피에 의해, 대응하는 불균일한 특징들을 갖는 대응하는 격자를 제조하기 위해 격자를 갖는 기판을 몰드로서 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다.

Description

불균일한 회절 격자들의 제조
[0001] 본 출원은 2016년 10월 5일자로 출원된 미국 가출원 제62/404,555호의 출원일의 이익을 주장한다. 미국 특허 출원 제62/404,555호의 내용들은 그 전체가 본원에 인용에 의해 포함된다.
[0002] 본 개시내용은 일반적으로 마이크로/나노 구조물 제조에 관한 것이며, 특히, 회절 격자들의 제조에 관한 것이다.
[0003] 회절 격자들은, 상이한 방향들로 이동하는 몇몇의 빔들로 광을 분할하고 회절시킬 수 있는 주기적 구조물들을 갖는 광학 컴포넌트들이다. 이러한 빔들의 방향들은 격자의 간격, 광의 파장 및 격자 및 기판 둘 모두의 굴절률들에 의존한다. 일부 예들에서, 회절 격자는, 회절을 발생시키기 위해 광의 파장보다 더 넓은 간격을 갖는 슬롯들의 세트로 구성된다. 광이 격자와 상호작용한 후, 회절된 광은 격자의 각각의 슬롯에서 나오는 간섭파들(interfering waves)의 합으로 구성된다. 슬롯들의 깊이들은 각각의 슬롯까지의 파들의 경로 길이에 영향을 주고, 따라서 이것은 슬롯들 각각으로부터의 파들의 위상들(phases) 및 따라서 슬롯들의 회절 효율들에 영향을 준다. 슬롯들이 균일한 깊이를 갖는다면, 격자의 슬롯들은 균일한 회절 효율을 가질 수 있다. 슬롯들이 불균일한 깊이들을 갖는다면, 격자의 슬롯들은 불균일한 회절 효율들을 가질 수 있다.
[0004] 회절 격자들은, 포토-마스크, 전자 빔 리소그래피(electron beam lithography), 에칭 기술들, 및 홀로그래픽 간섭을 포함하는 다양한 방법들을 사용하여 제조되었다. 그러나, 위에 언급된 방법으로 제조된 회절 격자들은 일반적으로 균일한 회절 효율을 갖는 균일한 격자들이다. 불균일한 회절 효율들을 갖는, 특히, 고해상도 및 넓은 영역을 갖는 회절 격자들을 제조하도록 개발된 방법들은 많지 않다.
[0005] 본 개시내용의 일 양상은 불균일한 구조물들을 제조하는 방법을 특징으로 한다. 방법은 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계; 기판 상에 레지스트 층(resist layer)을 패터닝하는 단계; 및 이어서 패터닝된 레지스트 층으로 기판을 에칭하여, 영역들에 주입된 상이한 밀도들의 이온들과 연관된 불균일한 특징들을 갖는 적어도 하나의 불균일한 구조물을 기판에 남기는 단계를 포함한다.
[0006] 방법은 기판으로부터 레지스트 층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은, 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography)에 의해, 불균일한 구조물을 갖는 기판을 몰드로서 사용하여 대응하는 불균일한 구조물을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 기판을 에칭하는 것은 반응성-이온 에칭을 사용하는 것을 포함할 수 있다.
[0007] 불균일한 구조물은 불균일한 격자(grating)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 격자는, 상이한 밀도들의 이온들에 대응하는 불균일한 깊이들을 갖는 이진 격자(binary grating)를 포함한다. 일부 예들에서, 격자는, 상이한 밀도들의 이온들에 대응하는 불균일한 깊이들을 갖는 블레이즈 격자(blazed grating)를 포함한다.
[0008] 일부 구현들에서, 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는: 제1 방향을 따라 제1 밀도들의 이온들을 적어도 하나의 타겟 영역에 주입하는 단계; 및 제2 상이한 방향을 따라 제2 밀도들의 이온들을 타겟 영역에 주입하는 단계를 포함하고, 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도는 0도보다 더 크고 180도 미만이다.
[0009] 일부 구현들에서, 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는, 한 방향을 따라 이온 소스와 기판 사이에서 셔터(shutter)를 이동시키는 단계를 포함하고, 상이한 밀도들의 이온들을 갖는 주입된 영역들은 한 방향을 따른다. 셔터는 상이한 밀도들에 대응하는 이온 노출 프로파일(ion exposure profile)을 따라 이동될 수 있다. 일부 예들에서, 셔터는 이온들이 통과하는 것을 차단하도록 구성된 고체 패널(solid panel)이다.
[0010] 일부 예들에서, 셔터는 이온들이 이온 소스로부터 기판으로 전파될 수 있게 하는 복수의 관통-홀들(through-holes)을 규정한다. 일부 경우들에서, 셔터를 이동시키는 단계는: 이온들이 관통-홀들을 통해 제1 타겟 영역으로 전달될 수 있게 하기 위해, 셔터를 제1 속도로 기판의 제1 타겟 영역 위의 제1 스폿(spot)을 가로질러 이동시키는 단계; 셔터를 제2 속도로 제1 스폿으로부터 제2 순차적인 스폿으로 이동시키는 단계 ― 제2 순차적인 스폿은 기판의 제2 타겟 영역 위에 있고, 제2 속도는 제1 속도보다 더 빠름 ― ; 및 이온들이 관통-홀들을 통해 제2 타겟 영역으로 전달될 수 있게 하기 위해, 셔터를 제1 속도로 2 순차적인 스폿을 가로질러 이동시키는 단계를 포함한다. 일부 경우들에서, 셔터를 이동시키는 단계는: 셔터를 기판의 제1 타겟 영역 위의 제1 스폿으로 이동시키는 단계; 일정량의 이온들이 관통-홀들을 통해 제1 타겟 영역으로 전달될 수 있게 하기 위해, 일정 시간 기간 동안 제1 스폿에서 셔터를 정지시키는 단계; 및 이어서 셔터를 기판의 제2 타겟 영역 위의 제2 순차적인 스폿으로 이동시키는 단계를 포함한다.
[0011] 일부 구현들에서, 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는, 이온 소스와 기판 사이에 셔터를 배치하는 단계를 포함하고, 셔터는 상이한 이온 투과율들(ion transmittances)을 갖는 복수의 부분들을 포함한다. 복수의 부분들은 상이한 이온 투과율들에 대응하는 상이한 두께들을 갖는 복수의 멤브레인들(membranes)을 포함할 수 있다.
[0012] 일부 구현들에서, 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는, 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 국부적으로 주입하기 위해, 포커싱된 이온 빔을 사용하는 단계를 포함한다.
[0013] 레지스트 층은 포토레지스트(photoresist)를 포함할 수 있고, 기판 상에 레지스트 층을 패터닝하는 단계는: 영역들을 포함하는 기판 상에 포토레지스트 층을 증착하는 단계; 포토리소그래피를 사용하여 패터닝된 광으로 포토레지스트 층을 노출시키는 단계; 및 기판 상의 패터닝된 레지스트 층을 현상(develop)하기 위해, 증착된 포토레지스트 층의 비노출된 포토레지스트 층 및 노출된 포토레지스트 층 중 하나를 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
[0014] 이온 주입이 없는 영역들은 제1 에칭 감도(etch sensitivity)를 가질 수 있고, 이온 주입을 갖는 영역들은 제2 에칭 감도를 가질 수 있고, 제1 에칭 감도와 제2 에칭 감도 사이의 비율은 2보다 더 클 수 있다. 기판은 실리콘 기판일 수 있고, 이온들은 갈륨 이온들을 포함할 수 있다. 불균일한 구조물은 5000 이하의 횡방향 해상도(lateral resolution)를 가질 수 있다. 불균일한 구조물은 적어도 1mm의 전체 크기를 가질 수 있다.
[0015] 일부 구현들에서, 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는: 제1 방향을 따라 제1 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 제1 영역들에 주입하는 단계; 및 제2 방향을 따라 제2 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 제2 영역들에 주입하는 단계를 포함하고, 제2 영역들은 기판의 제1 영역들에 인접한다. 방법은, 제1 영역들의 제1 격자 ― 제1 격자는 제1 방향을 따라 증가하는 회절 효율들을 가짐 ― ; 및 제2 영역들의 제2 격자 ― 제2 격자는 제2 방향을 따라 증가하는 회절 효율들을 가짐 ― 를 기판에 남기는, 기판으로부터 레지스트 층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는, 제1 방향과 상이한 제3 방향을 따라 제3 상이한 밀도들의 이온들을 제1 영역들에 주입하는 단계를 포함하고, 제1 방향과 제3 방향 사이의 각도는 0도보다 더 크고 180도 미만이고, 이온들의 제3 상이한 밀도들은 이온들의 제1 상이한 밀도들보다 더 낮다. 일부 경우들에서, 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는, 제2 방향과 상이한 제4 방향을 따라 제4 상이한 밀도들의 이온들을 제2 영역들에 주입하는 단계를 포함하고, 제2 방향과 제4 방향 사이의 각도는 0도보다 더 크고 180도 미만이고, 이온들의 제4 상이한 밀도들은 이온들의 제2 상이한 밀도들보다 더 낮다.
[0016] 본 개시내용의 다른 양상은 기판 상에 하나 이상의 층들을 갖는 DOE(diffraction optical element)를 포함하는 디바이스를 특징으로 하고, 각각의 층은 OPE(orthogonal pupil expansion) 회절 엘리먼트 및 EPE(exit pupil expansion) 회절 엘리먼트를 포함하고, OPE 회절 엘리먼트는 기판에서 전파되는 입력 광 빔들의 부분을 기판의 EPE 회절 엘리먼트로 편향시키도록 구성된 제1 불균일한 격자를 포함하고, 그리고 EPE 회절 엘리먼트는 편향된 광 빔들의 부분을 OPE 회절 엘리먼트로부터 기판 밖으로 편향시키도록 구성된 제2 불균일한 격자를 포함한다. 디바이스는, 기판에 통합되고, 기판의 외부로부터 입력 광 빔들을 수신하고, 입력 광 빔들을 기판의 DOE로 전송하도록 구성된 ICO(in-coupling element)를 포함할 수 있다.
[0017] 제1 불균일한 격자는 제1 방향을 따라 변하는 제1 특징을 가질 수 있고, 제2 불균일한 격자는 제1 방향과 상이한 제2 방향을 따라 변하는 제2 특징을 가질 수 있고, 제1 불균일한 격자는 제1 방향을 따라 증가하는 회절 효율들을 가질 수 있고, 제2 불균일한 격자는 제2 방향을 따라 증가하는 회절 효율들을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도는 45도 내지 90도이다.
[0018] 일부 구현들에서, 제1 불균일한 격자는 제1 방향과 상이한 제3 방향을 따라 변하는 제3 특징을 갖고, 그리고 제1 방향과 제3 방향 사이의 각도는 0도보다 더 크고 180도 미만이다. 일부 구현들에서, 제2 불균일한 격자는 제2 방향과 상이한 제4 방향을 따라 변하는 제4 특징을 갖고, 그리고 제2 방향과 제4 방향 사이의 각도는 0도보다 더 크고 180도 미만이다.
[0019] 하나 이상의 개시된 구현들의 세부사항들이 첨부된 도면들 및 아래의 설명에 제시된다. 다른 특징들, 양상들 및 이점들이 설명, 도면들 및 청구항들로부터 자명해질 것이다.
[0020] 도 1은 기판에서 불균일한 회절 격자를 제조하는 예시적인 프로세스의 흐름도이다.
[0021] 도 2는 도 1의 제조 프로세스의 상이한 단계들 후의 기판의 예시적인 단면도들을 도시한다.
[0022] 도 3a는 고체 패널을 갖는 이동 셔터를 사용하여 다양한 밀도들의 이온들을 기판에 주입하는 제1 예시적인 방법의 개략도이다.
[0023] 도 3b는 관통-홀들을 갖는 이동 셔터를 사용하여 다양한 밀도들의 이온들을 기판에 주입하는 제2 예시적인 방법의 개략도이다.
[0024] 도 3c는 다양한 투과율들을 갖는 부분들을 갖는 셔터를 사용하여 다양한 밀도들의 이온들을 기판에 주입하는 제3 예시적인 방법의 개략도이다.
[0025] 도 3d는 FIB(focused ion beam)을 사용하여 다양한 밀도들의 이온들을 기판에 주입하는 제4 예시적인 방법의 개략도이다.
[0026] 도 4a는 실리콘 기판으로의 작은 영역 불균일한 이온 주입 및 에칭의 실험 결과들을 도시한다.
[0027] 도 4b는 실리콘 기판으로의 큰 영역 불균일한 이온 주입 및 에칭의 실험 결과들을 도시한다.
[0028] 도 5는 예시적인 실시예에 따른, 이온 주입 및 리소그래피로 제조된 불균일한 회절 격자의 실험 결과들을 도시한다.
[0029] 도 6은 불균일한 회절 격자들을 사용하는 예시적인 광학 시스템을 도시한다.
[0030] 본 개시내용은 마이크로/나노 구조물 제조를 위한, 특히 불균일한 마이크로/나노 구조물들, 예컨대, 회절 격자들을 제조하기 위한 방법들, 장치 및 시스템들, 및 예컨대, 광학 시스템들에서의 불균일한 마이크로/나노 구조물들의 애플리케이션들을 설명한다. 이 기술은 공간적으로 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 것을 채택한다. 이온 주입은 기판의 에칭 감도를 변경하여, 이온-주입된 영역들 및 비-주입된(또는 비-도핑된) 영역들의 에칭 감도들이 상이할 수 있다. 이어서, 기판 상의 보호 레지스트 층을 선택적으로 패터닝하기 위해, 패터닝 기술, 예컨대, 리소그래피 또는 나노임프린팅(nanoimprinting)을 결합함으로써, 그 기술은 기판이 이온-주입된 영역들 및 비-주입된 영역들에서 상이한 에칭 깊이들/높이들을 갖게 하고, 따라서 불균일한 마이크로/나노 구조물들을 획득할 수 있다. 결과적으로, 기판 내의 이온 밀도들 또는 농도들의 그래디언트(gradient) 또는 변조는 변조 높이/깊이 프로파일을 갖는 구조물(예컨대, 격자)을 초래한다. 임의의 리소그래피 기술(임의의 타입의 포토리소그래피 또는 전자 빔 리소그래피를 포함함) 또는 임의의 타입의 레지스트 패터닝 기술이 여기서 사용될 수 있다. 또한, 불균일한 구조물들을 갖는 기판은 가변 높이들/깊이 패턴들을 갖는 대응하는 불균일한 구조물들을 대량 생산하기 위해, 예컨대, 나노임프린트 리소그래피(nanimprint lithography)에서 몰드로서 사용될 수 있다. 이온 주입들은, 예컨대, 1-차원, 2-차원 또는 3-차원으로 공간적으로 제어될 수 있다. 또한, 공간적으로 제어되는 이온 주입과 레지스트 패터닝(예컨대, 리소그래피) 및 에칭을 결합하여, 이 기술은 표준 리소그래피 또는 이온 주입 기술보다 마이크로/나노 구조물들의 설계 및 제조에 있어 더 많은 유연성을 허용한다. 이 기술은 큰 영역, 예컨대, 1mm 초과의 크기 및/또는 고속을 갖는 기판에 적용되고, 큰 깊이 범위, 예컨대, 5nm 내지 1000nm과 함께, 높은 깊이 해상도, 예컨대, 약 5 내지 10nm을 달성할 수 있다.
[0031] 이 기술은 임의의 적합한 마이크로/나노 구조물들, 예컨대, 임의의 적합한 재료들, 예컨대, 실리콘, 유리 또는 중합체, 및 임의의 적합한 이온 종들, 예컨대, 갈륨 이온들 또는 아르곤을 갖는 격자의 제조에 적용될 수 있다. 예시의 목적으로만, 다음의 설명은 주로 갈륨 이온 주입으로 실리콘 기판 내에 불균일한 회절 격자들을 제조하는 것에 관한 것이다.
[0032] 도 1은 기판 내에 불균일한 회절 격자를 제조하는 예시적인 프로세스(100)의 흐름도이고, 도 2는 제조 프로세스(100)의 상이한 프로세싱 단계들 후의 기판의 예시적인 단면도들(200)을 도시한다.
[0033] 기판은 선택적으로 이온 주입을 위해 준비될 수 있다(101). 기판은, 예컨대, 기판의 표면을 세정함으로써 사전 처리될 수 있다. 일부 경우들에서, 기판에 존재하는 임의의 유기 또는 무기 오염물들(contaminations)을 제거하기 위해, 습식 화학 처리(wet chemical treatment), 예컨대, 용액들에 기반한 RCA 세정 절차가 사용될 수 있다. 용액들은 과산화수소(hydrogen peroxide), 트리클로로에틸렌(trichloroethylene), 아세톤 또는 메탄올을 포함할 수 있다.
[0034] 기판에는 다양한 밀도들의 이온들이 주입된다(102). 위에 언급된 바와 같이, 기판은 실리콘 기판, 예컨대, 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 실리콘 웨이퍼의 크기는 2 인치, 4 인치, 6 인치 또는 임의의 다른 원하는 크기일 수 있다. 이온들은 갈륨 이온들일 수 있다.
[0035] 도 3a-3d에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 이온 주입은 기판 내의 이온 밀도를 국부적으로 변조하도록 공간적으로 제어될 수 있다. 기판 내의 이온 밀도의 임의의 적합한 프로파일, 예컨대, 선형 또는 정현곡선(sinusoidal)이 달성될 수 있다. 프로파일은 (예컨대, 선형 격자에 대해) 1-차원, (예컨대, 원형 격자 또는 임의의 2-차원 나노 구조물들에 대해) 2-차원, 또는 (예컨대, 피라미드 형상을 갖는 나노 구조물들에 대해) 3-차원일 수 있다. 도 2의 (I)는 이온 주입 후 이온 밀도(204)의 선형 프로파일을 갖는 기판(202)을 도시하고, 여기서 기판(202)에 주입된 이온들(204)은 기판(202)의 표면으로부터 기판(202)의 방향, 예컨대, 길이 방향으로 선형으로 증가하는 밀도들(또는 깊이들)을 갖는다. 이온 주입의 프로파일은 기판의 이온 밀도의 원하는 프로파일에 기반하여 미리 결정될 수 있다. 미리 결정된 이온 주입 프로파일에 기반하여, 셔터는, 기판의 이온 밀도의 원하는 프로파일을 달성하기 위해 기판의 상이한 영역들의 이온 소스에 대한 노출 시간을 변경하는 레이트로, 예컨대, 1-차원, 2-차원 또는 3-차원으로 이동될 수 있다.
[0036] 주입된 이온들은 기판의 에칭 감도를 변경할 수 있고, 이는 몇몇의 메커니즘들로 인해 에칭의 에칭-지연 거동(etch-retarding behavior)(또는 마스킹 효과)를 발생시킬 수 있다. 첫 번째 것은 불순물 원자들에 의한 주입된 영역들의 물리적 수정이고, 이는 격자 상수(lattice constant)를 변경하고, 연관된 변형 효과들(strain effects)을 발생시키고, 결국 에칭 속도를 늦춘다. 두 번째 것은 이온-주입된 영역 및 비-주입된 영역들과 에칭 화학물들(etching chemistries)의 상이한 화학적 반응이다. 따라서, 에칭 화학물들은 또한 이온-주입된 기판의 에칭 감도에 영향을 미칠 수 있다. 특정 예에서, 비-주입된 실리콘 및 갈륨-이온-주입된 실리콘의 에칭 감도들의 비율(또는 에칭 레이트 비율)은 1:1 초과, 예컨대, 2:1, 3:1, 5:1, 10:1, 100:1 또는 1000:1이다.
[0037] 일부 경우들에서, 이온 주입들을 위한 최대 노출 도즈(dose)가 존재할 수 있으며, 마지막 구조물의 높이 또는 깊이는 그 이하에서는 이온 주입들의 노출 도즈에 관련하여 실질적으로 선형 의존성을 나타낸다. 최대 노출 도즈를 초과하면, 이온들의 스퍼터링은 매우 광범위하고, 마스킹 효과가 과중(overweight)될 수 있다. 즉, 에칭 레이트 비율은 이온 도즈가 추가로 증가함에 따라 감소할 수 있다. 특정 예에서, 실리콘에 대한 갈륨 이온들의 최대 노출 도즈는 약 1.5 × 1016 ions/cm2이다.
[0038] 레지스트 층은 기판(104) 상에 패터닝된다. 레지스트 층은 리소그래피 또는 나노임프린팅을 포함하는 임의의 적합한 패터닝 기술들에 의해 패터닝될 수 있다. 일부 구현들에서, 레지스트 층은 포토레지스트 층이고, 사용되는 리소그래피는 포토리소그래피이다. 레지스트 층은 포지티브 포토레지스트 층 또는 네거티브 포토레지스트 층일 수 있다. 레지스트 층은 레지스트 층 아래의 기판을 에칭으로부터 보호하기 위한 보호 레지스트 층일 수 있다.
[0039] 일부 예들에서, 기판 상에 레지스트 층을 패터닝하는 것은: 이온-주입된 영역들을 포함하는 기판 상에 포토레지스트 층을 증착하는 것, 포토리소그래피를 사용하여 패터닝된 광에 포토레지스트 층을 노출시키는 것, 및 기판 상에 패터닝된 레지스트 층을 현상하기 위해, 증착된 포토레지스트 층의 (예컨대, 포지티브 포토레지스트 층에 대한) 노출된 포토레지스트 층 또는 (예컨대, 네거티브 포토레지스트 층에 대한) 노출되지 않은 포토레지스트 층을 에칭하는 것을 포함한다. 도 2의 (II)는 패터닝된 보호 레지스트 층(206)을 갖는 기판을 도시한다.
[0040] 레지스트 패터닝 및 에칭에 의해, 패터닝된 레지스트 층의 패턴 프로파일은 기판으로 전사될 수 있다. 일부 예들에서, 패터닝된 보호 레지스트 층의 프로파일은 원하는 격자의 프로파일 및 기판의 다양한 이온 밀도의 프로파일에 기반하여 미리 결정되거나 미리 설계될 수 있다. 격자의 횡방향 해상도는 패터닝된 보호 레지스트 층의 해상도, 따라서 리소그래피 기술의 해상도에 의해 결정될 수 있다. 격자는 5,000nm 미만, 특히 1,000nm, 500nm, 200nm 또는 100nm 미만의 횡방향 해상도를 가질 수 있다.
[0041] 패터닝된 레지스트 층을 갖는 기판은 에칭된다(106). 위에 언급된 바와 같이, 이온 주입은 기판의 에칭 감도를 변경하고, 에칭 화학물들은 또한 기판의 에칭 감도에 영향을 줄 수 있다. 기판은 건식 에칭, 습식 에칭 또는 임의의 적합한 에칭 방법에 의해 에칭될 수 있다. 일부 예들에서, 기판은 RIE(reactive ion etching), 예컨대, 실온에서의 RIE 또는 극저온(deep cryogenic) RIE에 의해 에칭된다. 예컨대, 갈륨-이온-주입을 갖는 실리콘 기판은 산소를 함유하는 RIE(예컨대, SF6/O2 플라즈마)에 의해 또는 플루오르계 화학물(예컨대, CF4)을 갖는 RIE를 통해 산소 없이 에칭될 수 있다.
[0042] 기판의 에칭 감도는 기판의 대응하는 영역들에 주입된 이온들의 다양한(또는 상이한) 밀도들에 따라 변동한다. 동일한 에칭 시간의 경우, 다양한(또는 상이한) 밀도들의 이온들을 갖는 영역들은 이온들의 다양한(또는 상이한) 밀도들에 대응하여 변동되는(또는 상이한) 깊이들을 갖도록 에칭될 수 있다. 예컨대, 더 높은 밀도의 이온들을 갖는 영역은 더 낮은 밀도의 이온들을 갖는 영역보다 더 작은 에칭 깊이를 갖는다. 비-주입된 영역은 가장 높은 에칭 깊이를 갖는다. 도 2의 (III)은, 기판에 주입된 이온들의 증가하는 밀도들에 대응하여, 좌측에서 우측으로 감소하는 에칭 깊이들(208)을 갖는 기판을 도시한다. 다양한 에칭 깊이들을 갖는 기판은 기판 상의 패터닝된 보호 레지스트 층에 대응하는 패턴을 갖는다.
[0043] 일부의 경우들에서, 약 5 ~ 10nm의 에칭 깊이 해상도가 달성될 수 있다. 에칭 깊이들은 예컨대, 5nm 내지 200nm의 큰 범위 내에 있을 수 있다. 이온 주입 동안 이온들의 횡방향 확산은 제조된 격자의 피처 크기, 예컨대, 격자 주기의 횡방향 해상도를 제한할 수 있다. 횡방향 확산은 가속 전압에 의존한다. 일부 예들에서, 확산 반경은 30KeV의 가속 전압에 대해 12nm이고, 100KeV의 가속 전압에 대해 45nm이다.
[0044] 레지스트 층은 적어도 하나의 불균일한 회절 격자를 획득하기 위해 기판으로부터 제거된다(108). 보호 레지스트 층이 더 이상 필요하지 않은 다음에, 이는 기판으로부터 제거될 수 있다. 일부 경우들에서, 레지스트 층은, 레지스트 층이 기판에 더 이상 부착되지 않도록 화학적으로 레지스트 층을 변경하는 액체 레지스트 스트리퍼(resist stripper)에 의해 제거된다. 일부 경우들에서, 산소를 포함한 플라즈마에 의해 레지스트 층이 제거된다.
[0045] 불균일한 회절 격자는 영역들에서 다양한 밀도들의 이온들과 연관된 프로파일을 가질 수 있다. 예로서, 도 2의 (IV)는 격자의 방향을 따라 선형적으로 변하는 깊이들(208)을 갖는 회절 격자를 도시한다. 깊이들은 그 방향을 따라 다양한 밀도들의 이온들에 대응하며, 격자는 그 방향을 따라 다양한 회절 효율을 가질 수 있다. 일부 예들에서, 불균일한 격자는, 도 2의 (IV)에 예시된 바와 같이, 이진(binary) 격자이고, 불균일한 깊이들은 다양한 밀도들의 이온들에 대응한다.
[0046] 일부 예들에서, 불균일한 격자는, 불균일한 깊이들이 다양한 밀도들의 이온들에 대응하는 블레이즈 격자(blazed grating)이다. 예컨대, 이온 노출 도즈의 톱니 프로파일(saw-tooth profile)은 에칭 후의 블레이즈 프로파일을 초래할 수 있다. 구조물은 다음의 개념으로 패터닝될 수 있는데: 최상부 블레이즈 부분은 최대 도즈를 수용하고, 블레이즈 각도의 변조는 각각의 주기 내에서 도즈 그래디언트의 기울기를 변경함으로써 수행된다.
[0047] 선택적으로, 불균일한 격자를 갖는 기판은, 예컨대, 열가소성 나노임프린트 리소그래피(thermoplastic nanoimprint lithography), 포토 나노임프린트 리소그래피 또는 레지스트가 없는 직접 열적 나노임프린트 리소그래피(resist-free direct thermal nanoimprint lithography)를 포함하는 나노임프린트 리소그래피에 의해, 대응하는 격자를 제조(110)하기 위한 몰드로서 사용될 수 있다. 이 단계는 새로운 기판 상에 대응하는 격자를 대량 생산할 수 있다. 새로운 기판은 실리콘, 유리 또는 폴리머를 포함할 수 있다.
[0048] 위의 설명은 불균일한 회절 격자들을 제조하는 예시적인 프로세스이다. 이 프로세스는, 기판에서 상이한 에칭 감도를 달성하기 위해, 따라서 불균일한 회절 격자들을 획득하기 위해 다양한 밀도의 이온 주입을 사용한다. 개시된 프로세스는 기판에서 임의의 불균일한 마이크로/나노 구조물들을 제조하도록 적응될 수 있다. 예컨대, 일부 구현들에서, 도 1의 단계(106)에서, 기판은 영역들에 주입된 상이한 밀도들의 이온들과 연관된 불균일한 특징들을 갖는 적어도 하나의 불균일한 구조물을 갖도록 에칭된다. 나머지 레지스트 층은, 기판에 형성된 불균일한 구조물에 대해, 예컨대, 보호 층 또는 다른 기능들을 갖는 층으로서 기판 상에 유지될 수 있다. 일부 예들에서, 레지스트 층은 CVD(chemical vapor deposition), 예컨대, MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)에 의해 기판 상에 실질적으로 균일하게 증착된다. 일부 예들에서, 추가의 층들이 기판 및 레지스트 층 상에 추가로 증착될 수 있다.
[0049] 도 3a-3d는, 도 1의 프로세스(100)의 단계(102)에서 수행될 수 있는, 다양한 밀도들의 이온들을 기판에 주입하는 상이한 예시적인 방법들을 도시한다.
[0050] 도 3a를 참조하면, 제1 예시적인 방법(300)은, 기판(306)의 상이한 부분들에 대해 노출 도즈들을 변경하도록 이온 소스(302)와 기판(306) 사이에서 이동시키기 위한 고체 패널(304)을 갖는 이동 셔터를 사용한다. 셔터(304)는 이온들이 통과하는 것을 완전히 차단하도록 구성된다. 예컨대, 셔터(304)는 고체 패널, 예컨대, 스틸로 제조될 수 있다. 셔터(304)는 이동하도록 제어되거나 동력화된다.
[0051] 도 3a의 도면들 (I), (II) 및 (III)은 상이한 시간 슬롯들에서 이온 소스(302), 이동 셔터(304) 및 기판(306)을 개략적으로 도시한다. 도 3a의 도면 (I)은, 이온 주입 전에, 이온들이 이온 소스(302)로부터 기판(306)으로 전파하는 것을 완전히 차단하도록 이동 셔터(304)가 이온 소스(302)와 기판(306) 사이에 포지셔닝되는 것을 도시한다. 이어서, 도 3a의 도면 (Ⅱ)에 도시된 바와 같이, 이동 셔터(304)가, 예컨대, 방향을 따라, 이를테면, 우측에서 좌측으로 이동될 때, 기판(306)은 이온 소스(302)로부터 이온들의 조사(ions irradiation)를 수신하기 시작한다. 기판(306)의 우측 부분은 기판의 좌측 부분보다 더 긴 이온 노출 도즈를 겪고, 따라서 기판의 우측 부분은 기판에 주입되는 이온들의 더 높은 밀도를 갖는다. 따라서, 기판(306)은 그 방향을 따라 다양한 밀도들의 이온들을 갖는다. 셔터(304)는 프로파일, 예컨대, 기판의 원하는 이온 밀도의 프로파일에 기반하여 미리 결정된 프로파일에 기반하여 이동될 수 있다. 도 3a의 도면 (III)은, 이동 셔터(304)가 이온 소스(302)와 기판(306) 사이의 공간으로부터 이동될 때, 기판(306)이 그 방향을 따라 다양한 밀도들의 이온들을 갖고, 예컨대, 이온 노출 도즈가 증가함에 따라 좌측에서 우측으로 이온 밀도가 증가하는 것을 도시한다. 일부 경우들에서, 기판(306)은, 원하는 이온 밀도의 프로파일이 기판에 걸쳐 달성될 때까지, 그 사이의 이동 셔터(304) 없이 이온 소스(302)에 추가로 노출된다.
[0052] 도 3b는 관통-홀들(354)을 갖는 이동하는 셔터(352)를 사용하여 다양한 밀도들의 이온들을 기판에 주입하는 제2 예시적인 방법(350)의 개략도이다. 관통-홀들(354)은 이온 소스(여기에 도시되지 않음)로부터의 이온들이 기판(356)을 통과하고 기판에 부딪치게 할 수 있다. 이동 셔터(352)의 다른 부분은, 이온들이 통과하는 것을 차단하기 위해 스틸과 같은 고체 재료로 구성될 수 있다. 이동 셔터(352)의 관통-홀들(354)의 특성들, 예컨대, 폭 및/또는 주기는 구조물, 예컨대, 격자의 원하는 프로파일에 기반하여 결정될 수 있다.
[0053] 도 3b의 도면들 (Ⅰ), (Ⅱ) 및 (Ⅲ)은 상이한 시간 슬롯들에서 이동 셔터(352) 및 기판(356)을 개략적으로 도시한다. 이것은, 이동 셔터(352)가 우측에서 좌측으로의 방향을 따라 이동할 때, 더 높은 도즈로 노출된 영역이 더 높은 이온 밀도를 갖는다는 것을 보여준다. 일부 구현들에서, 셔터(352)는 그 방향을 따라 일정하게 이동한다. 셔터(352)가 이온 주입될 제1 타겟 영역에 대응하는 제1 스폿을 가로질러 이동할 때, 셔터(352)는 더 느린 속도로 이동할 수 있어, 일정량의 이온들이 관통-홀들(354)을 통해 제1 타겟 영역으로 전달될 수 있다. 셔터가 제1 스폿으로부터 이온 주입될 제2 타겟 영역에 대응하는 제2 순차적인 스폿으로 이동할 때, 셔터는 더 빠른 속도로 이동할 수 있는데, 예컨대, 그 속도는, 2개의 스폿들 사이에서 이동할 때, 기판 상의 이온 노출을 무시하기에 충분히 빠를 수 있다. 셔터가 제2 스폿을 가로질러 이동할 때, 셔터의 속도는 더 빠른 속도에서 더 느린 속도로 조정된다. 일부 구현들에서, 셔터(352)는 그 방향을 따라 별개로 이동한다. 셔터(352)가 제1 스폿으로 이동할 때, 셔터(352)는 소정량의 이온들이 관통-홀들(354)을 통해 제1 타겟 영역으로 전달될 수 있도록 정지한다. 이어서, 셔터(352)는 제2 스폿으로 이동하고, 제2 타겟 영역 상에 이온 주입을 위해 정지한다. 일부 경우들에서, 셔터(352)가 2개의 스폿들 사이에서 이동할 때, 이온 소스들이 차단된다. 일부 경우들에서, 셔터(352)는 2개의 스폿들 사이에서 빠른 속도로 이동하고, 이온 소스들은 온 상태를 유지한다.
[0054] 기판(306)에 걸쳐 다양한 밀도들의 이온들을 갖는 도 3a의 기판(306)과 비교하여, 기판(356)은 기판(356)에 걸쳐 패터닝된 이온 주입 프로파일을 갖는다. 즉, 이온들은 그 방향을 따라 다양한 밀도들로 주기적으로 기판에 주입된다. 일부 경우들에서, 패터닝되고 변하는 이온 주입들을 갖는 기판(356)은, 다양한 깊이들/높이들을 갖는 격자를 획득하기 위해 부가적인 패터닝 기술을 사용하지 않고서, 직접 에칭될 수 있다. 일부 경우들에서, 기판(356)은 또한, 임의의 원하는 에칭 패턴을 생성하기 위해 패터닝 기술, 예컨대, 리소그래피 기술과 결합하여 에칭될 수 있다. 일부 구현들에서, 이동 셔터(352)의 길이는, 도 3b에 예시된 바와 같이, 기판(356)의 길이보다 더 짧다. 일부 구현들에서, 이동 셔터(352)의 길이는 기판(356)의 길이보다 더 길거나 동일하다. 이동 셔터(352)는 초기 포지션에서 기판(356)을 완전히 커버하도록 포지셔닝되고, 이어서 기판(356)의 상이한 부분들이 이온 주입들의 상이한 노출 시간을 가질 수 있도록 별개로 이동될 수 있다.
[0055] 도 3c는 다양한 투과율들을 갖는 부분들(374)을 갖는 셔터(372)를 사용하여 다양한 밀도들의 이온들을 기판(376)에 주입하는 제3 예시적인 방법(370)의 개략도이다. 셔터(372)가 이온 소스(여기에 도시되지 않음)와 기판(376) 사이에 정적으로 포지셔닝(또는 이동)될 수 있다는 것이 주목된다. 부분들(374)은 셔터(372)에서 다양한 투과율들을 가질 수 있으며, 이는 셔터를 통해 전파되는 이온들의 상이한 퍼센티지들을 허용할 수 있다. 일부 구현들에서, 부분들(374)은 상이한 이온 투과율들에 대응하는 상이한 두께를 갖는 멤브레인들, 예컨대, 실리콘 멤브레인들로 제조된다.
[0056] 특정 예에서, 셔터(372)는, 예컨대, 도 3c에서 (좌측에서 우측으로) 10%에서 30%, 50%, 70%, 90%로 변하는 일련의 투과율을 갖는 5 개의 부분들을 갖도록 구성된다. 셔터(372)의 나머지는 0%의 투과율을 가지며, 즉 이온이 통과하는 것을 완전히 차단한다. 이러한 방식으로, 동일한 노출 시간에서, 기판의 상이한 영역들은 상이한 이온 노출 도즈들을 겪고, 따라서 상이한 밀도들의 이온들을 가질 수 있다. 결과적으로, 기판(376)은 또한, 도 3b와 유사하게, 기판에 걸쳐 다양한 밀도들로 패터닝된 이온 주입들을 가질 수 있다. 기판(376)은 또한 리소그래피 기술을 사용하거나 사용하지 않고서 에칭될 수 있다.
[0057] 도 3a-3c에 예시된 방법들은 상이한 타입들의 셔터들을 갖는 표준 이온 주입 시스템에 의해 수행될 수 있고, 이는 높은 속도들로 큰 주입된 영역들, 예컨대, 크기가 1mm보다 더 큰 주입된 영역들을 가능하게 한다.
[0058] 도 3d는 FIB(focused ion beam)를 사용하여 다양한 밀도들의 이온들을 기판에 주입하는 제4 예시적인 방법(390)의 개략도이다. 곡선(392)은, 기판(396)에서 원하는 이온 밀도 프로파일에 의해 결정될 수 있는 FIB 노출 도즈의 프로파일을 도시한다. FIB 방법은 고해상도를 달성하는 것을 가능하게 하지만, 이는 큰 영역, 예컨대, 1mm 초과의 크기를 패터닝하는 것이 어려울 수 있다.
[0059] 위의 설명은 다양한 밀도들의 이온들을 기판에 주입하는 예시적인 방법을 도시한다. 이를 달성하기 위해 다른 방법들이 또한 사용될 수 있다. 예시 목적으로만, 도 3a-3d는 1 차원을 따라 기판에 주입된 다양한 밀도들의 이온들을 도시한다. 방법들이 임의의 원하는 프로파일, 예컨대, 선형, 정현곡선 또는 원형에 대해, 2 차원으로 주입되는 다양한 밀도들의 이온들을 달성하도록 적용될 수 있음이 주목된다.
예시적인 실험 결과들
[0060] 도 4a는 실리콘 기판의 갈륨 이온 주입으로 제조된 작은 영역 불균일한 회절 격자의 실험 결과들을 도시한다. FIB(focused ion beam)는 갈륨 이온들을 실리콘 기판에 국부적으로 주입 ― 10개의 상이한 도즈들(1015에서 1016 ions/cm2까지 선형적으로 변함)을 10개의 라인들(100nm 폭 및 50㎛ 길이를 가짐)로 ― 하는 데 먼저 사용된다. 이어서, 기판은 SF6/O2 저온 프로세스에 기반하여 에칭된다. 도면(410)은 제조된 격자의 SEM(scanning electron microscope) 이미지를 도시하고, 도면(420)은 제조된 격자의 대응하는 AFM(atomic force microscope) 이미지를 도시한다. 격자는 60 내지 90nm 범위의 높이 변동을 갖는다.
[0061] 도 4a와 비교하면, 도 4b는 동일한 FIB 및 에칭 방법을 사용하여 실리콘 기판에 갈륨 이온을 주입하여 제조된 큰 영역의 불균일한 회절 격자의 실험 결과들을 도시한다. 도면(430)은, 상이한 이온 도즈들이 10-미크론 폭의 밴드들에 주입되는 제조된 격자의 AFM 이미지를 도시하는 반면에, 도면(440)은 제조된 격자의 대응하는 높이 프로파일을 도시한다.
[0062] 도 5는 예시적인 실시예에 따른 이온 주입으로 제조된 불균일한 회절 격자의 실험 결과들을 도시한다. 도 4a 및 4b와 비교하여, 회절 격자는 FIB 이온 주입, 광학 리소그래피 패터닝 및 에칭을 함께 결합함으로써 제조된다.
[0063] 먼저, 기판(510)은, 다양한 밀도들의 이온들을 기판(510)의 영역(514)의 상이한 부분들에 주입하도록 FIB에 의해 수정된다. 이어서, 기판(510)은 포토리소그래피에 의해 보호 포토레지스트 층으로 패터닝된다. 도 5의 (A)는, 포토레지스트 라인들(512) 및 이온 주입된 영역을 포함하는, 패터닝 후의 기판의 SEM 이미지를 도시한다. 포토레지스트 라인들(512)은 5 미크론의 폭을 갖는다. 마지막으로, 기판(510)이 에칭되고, 보호 포토레지스트 층이 제거된다. 도 5의 (B)는 상이한 깊이들을 갖는 제조된 격자의 AFM 이미지(520)를 도시하는 반면, 도 5의 (C)는 제조 격자의 대응하는 높이 프로파일(530)을 도시한다. 실험 결과들은, 다양한 깊이들의 회절 격자들을 만들기 위해, 이온 주입들과 리소그래피 및 에칭 기술을 결합하는 것의 실행 가능성(feasibility)을 보여준다.
예시적인 시스템들
[0064] 도 6은 불균일한 회절 격자들을 사용하는 예시적인 광학 시스템(600)을 도시한다. 광학 시스템(600)은 가상 및 증강 현실 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 일부 구현들에서, 광학 시스템(600)은 ICO(n-coupling optic) 엘리먼트(602) 및 DOE(diffractive optical element)(604)를 포함하는 접안렌즈(eyepiece)를 갖는다. 접안렌즈는 "Methods and systems for generating virtual content display with a virtual or augmented reality apparatus"라는 명칭으로 2015년 5월 29일에 출원된 미국 특허 출원 제14/726,424호에 설명된 바와 같이 구현될 수 있으며, 이로써 상기 출원의 전체 내용은 인용에 의해 본원에 통합된다.
[0065] ICO(602) 및 DOE(604)는 기판(610)에서 구현될 수 있다. 기판(610)은 투명하고, 예컨대, 유리일 수 있다. DOE(604)는 하나 이상의 층들을 가질 수 있고, 각각의 층은 OPE(orthogonal pupil expansion) 회절 엘리먼트(606) 및 EPE(exit pupil expansion) 회절 엘리먼트(608)를 포함할 수 있다.
[0066] ICO 엘리먼트(602)는, 예컨대, 프로젝터로부터 입력 광 빔들을 수신하고, 입력 광 빔들을 기판(610) 내의 DOE(604)로 전송하도록 구성된다. 예컨대, 기판(610)은 도파관(여기에 도시되지 않음)을 포함하고, ICO 엘리먼트(602)는 입력 광 빔들을 DOE(604)에 커플링된 도파관으로 전송한다. 입력 광 빔들은 TIR(total internal reflection)에 의해 도파관에서 이동한다. 층 상의 OPE 회절 엘리먼트(606)는 입력 광 빔들 중 일부를 EPE 회절 엘리먼트(608)로 편향시키도록 구성되고, EPE 회절 엘리먼트(608)는, 예컨대, 사용자의 눈(들)을 향하여 기판(610)으로부터 편향된 광 빔들 중 일부를 차례로 편향시키도록 구성된다.
[0067] OPE 회절 엘리먼트(606) 및 EPE 회절 엘리먼트(608)는 동일 평면에 또는 동일 층 상에 나란히 배열될 수 있다. 기판으로부터 광 빔들을 획득하기 위해, DOE(604)는, 예컨대, 선택적 회절 분포들로 DOE(604)에 걸쳐 광 빔들을 회절시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 회절된 광의 분포는 실질적으로 균일하다. 일부 실시예들에서, 회절된 광의 양은, 예컨대, 증가하는 그래디언트 또는 랜덤화된 방식으로 DOE(604)의 프로파일에 따라 변할 수 있다. 예컨대, 광 빔들이 DOE(604)에서 전파되고 OPE 회절 엘리먼트(606) 및 EPE 회절 엘리먼트(608)에 의해 점진적으로 편향될 때, 광 빔들의 세기가 감소함에 따라, DOE(604)의 회절 효율은 광 빔들의 전파 경로를 따라 점진적으로 증가하도록 구성될 수 있다.
[0068] 일부 구현들에서, OPE 회절 엘리먼트(606)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 방향을 따라, 예컨대, 최하부에서 최상부로 포지셔닝된 제1 불균일한 회절 격자를 포함한다. EPE 회절 엘리먼트(608)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 방향을 따라, 예컨대, 좌측에서 우측으로 포지셔닝된 제2 불균일한 회절 격자를 포함한다. 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도는 0 내지 90도 범위일 수 있다. 일부 경우들에서, 각도는 45도 내지 90도이다. 일부 경우들에서, 각도는 80도 내지 90도이다. 특정 예에서, 제2 방향은 제1 방향에 수직이다. 제1 불균일한 격자는 제1 방향을 따라 선형으로 변하는 깊이들을 갖는 회절 격자일 수 있고, 따라서 제1 불균일한 격자는 제1 방향을 따라 점진적으로 증가하는 회절 효율을 가질 수 있다. 제2 불균일한 격자는 제2 방향을 따라 선형으로 변하는 깊이들을 갖는 회절 격자일 수 있고, 따라서 제2 불균일한 격자는 제2 방향을 따라 점진적으로 증가하는 회절 효율을 가질 수 있다.
[0069] 일부 구현예들에서, OPE 회절 엘리먼트(606) 및 EPE 회절 엘리먼트(608)는 선형 회절 구조물들, 원형 회절 구조물들, 방사상 대칭적인 회절 구조물들, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. OPE 회절 엘리먼트(606) 및 EPE 회절 엘리먼트(608)는 광 빔들을 편향시킬 뿐만 아니라 포커싱하기 위해 선형 격자 구조물들 및 원형 또는 방사상 대칭적인 회절 엘리먼트들 둘 모두를 포함할 수 있다.
[0070] 제1 및 제2 불균일한 격자들은 도 3의 프로세스(300)와 유사한 프로세스에 의해 제조될 수 있다. 프로세스는 기판, 예컨대, 제1 방향을 따라 기판(610)의 제1 영역들에 제1 다양한 밀도들의 이온들을 주입하고, 제2 방향을 따라 기판의 제2 영역들에 제2 다양한 밀도들의 이온들을 주입하는 것으로 시작하며, 제2 영역들은 기판의 제1 영역들에 인접한다. 셔터, 예컨대, 도 2a의 셔터(204)는 제1 및 제2 영역들로의 이온 주입들을 구현하기 위해 2-차원으로 이동될 수 있다. 이어서, 보호 레지스트 층은 기판 상에 증착되고, 예컨대, 포토리소그래피에 의해 패터닝된다. 프로세스는, 제1 영역들 및 제2 영역들에서 다양한 깊이들을 현상하기 위해, 패터닝된 보호 레지스트 층을 갖는 기판을 계속해서 에칭한다. 마지막으로, 패터닝된 보호 레지스트 층이 제거되고, 제1 영역들에서 제1 불균일한 격자 및 제2 영역들에서 제2 불균일한 격자를 갖는 기판이 획득된다. 제1 불균일한 격자는 제1 방향을 따라 불균일한 깊이들을 갖고, 따라서 제1 방향을 따라 불균일한 회절 효율들을 갖는다. 제2 불균일한 격자는 제2 방향을 따라 불균일한 깊이들을 갖고, 따라서 제2 방향을 따라 불균일한 회절 효율들을 갖는다. 일부 구현들에서, 제1 및 제2 불균일한 격자들을 갖는 기판은, 나노임프린트 리소그래피에 의해 다른 기판들에서 대응하는 불균일한 격자들을 대량 생산하기 위해 마스크로서 사용된다.
[0071] 일부 구현들에서, DOE(604)는 자신의 회절 구조물을 따라, 예컨대, OPE 회절 엘리먼트(606)의 제1 불균일한 회절 격자 및/또는 EPE 회절 엘리먼트(608)의 제2 불균일한 회절 격자를 따라 적어도 하나의 디더링 피처(dithering feature)를 포함한다. 예컨대, 제1 불균일한 격자를 따른 디더링 피처는, 기판의 제1 영역이 이온 주입되는 제1 방향과 상이한 제3 방향을 따라 부가적인 이온 주입을 수행함으로써 달성될 수 있다. 부가적인 이온 주입은 제1 영역들 상에서 이전의 이온 주입들보다 더 적을 수 있다. 이들 제1 방향과 제3 방향 사이의 각도는 0도보다 더 크고 180도 미만, 예컨대, 90도일 수 있다. 제2 불균일한 격자를 따른 디더링 피처는, 기판의 제2 영역들이 이온 주입되는 제2 방향과 상이한 제4 방향을 따라 부가적인 이온 주입을 수행함으로써 달성될 수 있다. 부가적인 이온 주입은 제2 영역들 상의 이전의 이온 주입들보다 더 적을 수 있다. 이들 제2 방향과 제4 방향 사이의 각도는 0도보다 더 크고 180도 미만, 예컨대 90도일 수 있다.
[0072] 위의 설명은 불균일한 회절 격자들을 포함하는 예시적인 시스템이다. 시스템은, 광이 전파되고 광 전파 경로를 따라 점진적으로 편향될 때, 균일한 회절 광이 달성될 수 있도록, 광 전파 경로를 따라 불균일한 회절 효율들을 갖는 회절 격자들을 채택한다. 개시된 구현들은 다양한 회절 효율들을 요구하는 임의의 시스템에 채택될 수 있다.
[0073] 다수의 구현들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본원에 설명된 기술들 및 디바이스들의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고서, 다양한 수정들이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 구현들 각각에 도시된 특징들은 독립적으로 또는 서로 조합하여 사용될 수 있다. 추가 특징들 및 변형들이 구현에 물론 포함될 수 있다. 따라서, 다른 구현들은 다음의 청구항들의 범위 내에 있다.
[0074] 청구 범위는 다음과 같다.

Claims (32)

  1. 상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계;
    상기 기판 상에 레지스트 층(resist layer)을 패터닝하는 단계; 및 이어서
    상기 패터닝된 레지스트 층으로 상기 기판을 에칭하여, 상기 영역들에 주입된 상기 상이한 밀도들의 이온들과 연관된 불균일한 특징들을 갖는 적어도 하나의 불균일한 구조물을 상기 기판에 남기는 단계를 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기판으로부터 상기 레지스트 층을 제거하는 단계를 더 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography)에 의해, 상기 불균일한 구조물을 갖는 상기 기판을 몰드로서 사용하여 대응하는 불균일한 구조물을 제조하는 단계를 더 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 불균일한 구조물은 불균일한 격자(grating)를 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 격자는, 상기 상이한 밀도들의 이온들에 대응하는 불균일한 깊이들을 갖는 이진 격자(binary grating)를 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 격자는, 상기 상이한 밀도들의 이온들에 대응하는 불균일한 깊이들을 갖는 블레이즈 격자(blazed grating)를 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는:
    제1 방향을 따라 제1 밀도들의 이온들을 적어도 하나의 타겟 영역에 주입하는 단계; 및
    제2 상이한 방향을 따라 제2 밀도들의 이온들을 상기 타겟 영역에 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 방향과 제2 방향 사이의 각도는 0도보다 더 크고 180도 미만인,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는,
    한 방향을 따라 이온 소스와 상기 기판 사이에서 셔터(shutter)를 이동시키는 단계를 포함하고,
    상기 상이한 밀도들의 이온들을 갖는 상기 주입된 영역들은 상기 한 방향을 따르는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 셔터는 상기 상이한 밀도들에 대응하는 이온 노출 프로파일(ion exposure profile)을 따라 이동되는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 셔터는 이온들이 통과하는 것을 차단하도록 구성된 고체 패널(solid panel)인,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  11. 제8 항에 있어서,
    상기 셔터는 이온들이 상기 이온 소스로부터 상기 기판으로 전파될 수 있게 하는 복수의 관통-홀들(through-holes)을 규정하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 셔터를 이동시키는 단계는:
    이온들이 상기 관통-홀들을 통해 상기 제1 타겟 영역으로 전달될 수 있게 하기 위해, 상기 셔터를 제1 속도로 상기 기판의 제1 타겟 영역 위의 제1 스폿(spot)을 가로질러 이동시키는 단계;
    상기 셔터를 제2 속도로 상기 제1 스폿으로부터 제2 순차적인 스폿으로 이동시키는 단계 ― 상기 제2 순차적인 스폿은 상기 기판의 제2 타겟 영역 위에 있고, 상기 제2 속도는 상기 제1 속도보다 더 빠름 ― ; 및
    이온들이 상기 관통-홀들을 통해 상기 제2 타겟 영역으로 전달될 수 있게 하기 위해, 상기 셔터를 상기 제1 속도로 상기 2 순차적인 스폿을 가로질러 이동시키는 단계를 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 셔터를 이동시키는 단계는:
    상기 셔터를 상기 기판의 제1 타겟 영역 위의 제1 스폿으로 이동시키는 단계;
    일정량의 이온들이 상기 관통-홀들을 통해 상기 제1 타겟 영역으로 전달될 수 있게 하기 위해, 일정 시간 기간 동안 상기 제1 스폿에서 상기 셔터를 정지시키는 단계; 및 이어서
    상기 셔터를 상기 기판의 제2 타겟 영역 위의 제2 순차적인 스폿으로 이동시키는 단계를 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  14. 제1 항에 있어서,
    상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는,
    이온 소스와 상기 기판 사이에 셔터를 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 셔터는 상이한 이온 투과율들(ion transmittances)을 갖는 복수의 부분들을 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 복수의 부분들은 상기 상이한 이온 투과율들에 대응하는 상이한 두께들을 갖는 복수의 멤브레인들(membranes)을 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  16. 제1 항에 있어서,
    상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는,
    상기 상이한 밀도들의 이온들을 상기 기판의 대응하는 영역들에 국부적으로 주입하기 위해, 포커싱된 이온 빔을 사용하는 단계를 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 레지스트 층은 포토레지스트(photoresist)를 포함하고, 상기 기판 상에 상기 레지스트 층을 패터닝하는 단계는:
    상기 영역들을 포함하는 상기 기판 상에 포토레지스트 층을 증착하는 단계;
    포토리소그래피를 사용하여 패터닝된 광으로 상기 포토레지스트 층을 노출시키는 단계; 및
    상기 기판 상의 상기 패터닝된 레지스트 층을 현상(develop)하기 위해, 상기 증착된 포토레지스트 층의 비노출된 포토레지스트 층 및 상기 노출된 포토레지스트 층 중 하나를 에칭하는 단계를 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 기판을 에칭하는 것은 반응성-이온 에칭(reactive-ion etching)을 사용하는 것을 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  19. 제1 항에 있어서,
    이온 주입이 없는 영역들은 제1 에칭 감도(etch sensitivity)를 갖고, 이온 주입을 갖는 영역들은 제2 에칭 감도를 갖고, 상기 제1 에칭 감도와 상기 제2 에칭 감도 사이의 비율은 2보다 더 큰,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  20. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판이고, 상기 이온들은 갈륨 이온들을 포함하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  21. 제1 항에 있어서,
    상기 불균일한 구조물은 5000 이하의 횡방향 해상도(lateral resolution)를 갖는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  22. 제1 항에 있어서,
    상기 불균일한 구조물은 적어도 1mm의 전체 크기를 갖는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  23. 제1 항에 있어서,
    상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는:
    제1 방향을 따라 제1 상이한 밀도들의 이온들을 상기 기판의 제1 영역들에 주입하는 단계; 및
    제2 방향을 따라 제2 상이한 밀도들의 이온들을 상기 기판의 제2 영역들에 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 영역들은 상기 기판의 상기 제1 영역들에 인접하는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 기판으로부터 상기 레지스트 층을 제거하는 단계는:
    상기 제1 영역들의 제1 격자 ― 상기 제1 격자는 상기 제1 방향을 따라 증가하는 회절 효율들을 가짐 ― ; 및
    상기 제2 영역들의 제2 격자 ― 상기 제2 격자는 상기 제2 방향을 따라 증가하는 회절 효율들을 가짐 ― 를 상기 기판에 남기는,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  25. 제23 항에 있어서,
    상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는,
    상기 제1 방향과 상이한 제3 방향을 따라 제3 상이한 밀도들의 이온들을 상기 제1 영역들에 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 방향과 상기 제3 방향 사이의 각도는 0도보다 더 크고 180도 미만이고,
    상기 이온들의 제3 상이한 밀도들은 상기 이온의 제1 상이한 밀도들보다 더 낮은,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  26. 제23 항에 있어서,
    상이한 밀도들의 이온들을 기판의 대응하는 영역들에 주입하는 단계는,
    상기 제2 방향과 상이한 제4 방향을 따라 제4 상이한 밀도들의 이온들을 상기 제2 영역들에 주입하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 방향과 상기 제4 방향 사이의 각도는 0도보다 더 크고 180도 미만이고,
    상기 이온들의 제4 상이한 밀도들은 상기 이온들의 제2 상이한 밀도들보다 더 낮은,
    불균일한 구조물들을 제조하는 방법.
  27. 기판 상에 하나 이상의 층들을 갖는 DOE(diffraction optical element)를 포함하고,
    각각의 층은 OPE(orthogonal pupil expansion) 회절 엘리먼트 및 EPE(exit pupil expansion) 회절 엘리먼트를 포함하고,
    상기 OPE 회절 엘리먼트는 상기 기판에서 전파되는 입력 광 빔들의 부분을 상기 기판의 상기 EPE 회절 엘리먼트로 편향시키도록 구성된 제1 불균일한 격자를 포함하고, 그리고
    상기 EPE 회절 엘리먼트는 상기 편향된 광 빔들의 부분을 상기 OPE 회절 엘리먼트로부터 상기 기판 밖으로 편향시키도록 구성된 제2 불균일한 격자를 포함하는,
    디바이스.
  28. 제27 항에 있어서,
    상기 제1 불균일한 격자는 제1 방향을 따라 변하는 제1 특징을 갖고, 그리고
    상기 제2 불균일한 격자는 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향을 따라 변하는 제2 특징을 갖고, 그리고
    상기 제1 불균일한 격자는 상기 제1 방향을 따라 증가하는 회절 효율들을 갖고, 그리고
    상기 제2 불균일한 격자는 상기 제2 방향을 따라 증가하는 회절 효율들을 갖는,
    디바이스.
  29. 제28 항에 있어서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향 사이의 각도는 45도 내지 90도인,
    디바이스.
  30. 제28 항에 있어서,
    상기 제1 불균일한 격자는 상기 제1 방향과 상이한 제3 방향을 따라 변하는 제3 특징을 갖고, 그리고
    상기 제1 방향과 상기 제3 방향 사이의 각도는 0도보다 더 크고 180도 미만인,
    디바이스.
  31. 제28 항에 있어서,
    상기 제2 불균일한 격자는 상기 제2 방향과 상이한 제4 방향을 따라 변하는 제4 특징을 갖고, 그리고
    상기 제2 방향과 상기 제4 방향 사이의 각도는 0도보다 더 크고 180도 미만인,
    디바이스.
  32. 제27 항에 있어서,
    상기 기판에 통합되고, 상기 기판의 외부로부터 상기 입력 광 빔들을 수신하고, 상기 입력 광 빔들을 상기 기판의 상기 DOE로 전송하도록 구성된 ICO(in-coupling element)를 더 포함하는,
    디바이스.
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