KR20210069739A - 그레이톤 리소그래피 및 경사 에칭을 사용하여 깊이 조절된 경사 격자들 - Google Patents

그레이톤 리소그래피 및 경사 에칭을 사용하여 깊이 조절된 경사 격자들 Download PDF

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Abstract

격자 구조를 갖는 장치 및 이를 형성하기 위한 방법이 개시된다. 격자 구조는 그레이스케일 레지스트 및 포토 리소그래피를 사용하여 격자 층에 쐐기형 구조를 형성하는 것을 포함한다. 격자 층에 복수의 채널들이 형성되어 내부에 경사 격자 구조들을 정의한다. 쐐기형 구조 및 경사 격자 구조들은 선택적 에칭 프로세스를 사용하여 형성된다.

Description

그레이톤 리소그래피 및 경사 에칭을 사용하여 깊이 조절된 경사 격자들
[0001] 본 개시내용의 실시예들은 일반적으로 디스플레이 장치에서 사용하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 도파관 또는 다른 애플리케이션들에서 사용하기 위한 격자 구조에 관한 것이다.
[0002] 가상 현실은 일반적으로, 사용자가 명백한 물리적 존재감을 갖는 컴퓨터 생성 시뮬레이션 환경인 것으로 간주된다. 가상 현실 경험이 3D로 생성되어 HMD(head-mounted display), 이를테면 실제 환경을 대체하는 가상 현실 환경을 디스플레이하기 위해 렌즈들로서 근안 디스플레이 패널들을 갖는 안경 또는 다른 웨어러블 디스플레이 디바이스들로 보일 수 있다.
[0003] 그러나 증강 현실은 사용자가 주변 환경을 보기 위해 여전히 안경이나 다른 HMD 디바이스의 디스플레이 렌즈들을 통해 볼 수 있으면서도, 디스플레이를 위해 생성되어 환경의 일부로서 나타나는 가상 객체들의 이미지들도 또한 볼 수 있는 경험을 가능하게 한다. 증강 현실은 임의의 타입의 입력, 이를테면 오디오 및 햅틱 입력들은 물론, 사용자가 경험하는 환경을 보강 또는 증강시키는 가상 이미지들, 그래픽들 및 비디오를 포함할 수 있다. 신흥 기술로서, 증강 현실에는 많은 난제들과 설계 제약들이 있다.
[0004] 이러한 한 가지 난제는 주변 환경에 오버레이된 가상 이미지를 다양한 사용자 시청 관점들에서 충분한 선명도를 갖는 이미지로 디스플레이하는 것이다. 예를 들어, 디스플레이되고 있는 가상 이미지와 사용자의 눈이 정확히 정렬되지 않는다면, 사용자는 왜곡되고 불명확한 이미지를 볼 수 있거나 이미지를 완전히 보는 것이 가능하지 않을 수 있다. 더욱이, 이미지는 흐릿할 수 있고 최적이 아닌 시야각으로부터 바람직한 것보다 낮은 해상도를 가질 수 있다.
[0005] 따라서 증강 현실 디스플레이 디바이스들을 제조하는 개선된 방법들이 필요하다.
[0006] 본 개시내용은 일반적으로 디스플레이 장치에서 또는 다른 애플리케이션들에서 사용하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시내용은 그레이스케일 리소그래피를 사용하여 생성된, 도파관에서 사용하기 위한 격자 구조에 관한 것이다. 본 명세서의 방법은 또한 나노 임프린트 리소그래피를 위한 마스터로서 사용되는 도파관 구조를 형성할 수 있다.
[0007] 일 실시예에서, 도파관 구조가 제공된다. 이 구조는 격자 층이 위에 있는 기판을 가지며, 여기서 그레이스케일 리소그래피를 통해 격자 층에 쐐기형 구조가 형성된다. 쐐기형 구조는 제1 단부, 제2 단부 및 깊이를 가지며, 깊이는 제1 단부에서부터 제2 단부까지 변화한다. 도파관 구조는 또한 격자 층에 형성된 복수의 채널들을 가지며, 각각의 채널은 복수의 격자 구조들의 일부를 부분적으로 정의하고, 복수의 격자 구조들의 깊이는 쐐기형 구조의 제1 단부에서부터 쐐기형 구조의 제2 단부까지 변화한다.
[0008] 다른 실시예에서, 도파관 구조가 제공된다. 도파관 구조는 격자 층이 위에 있는 기판을 포함한다. 도파관 구조는 또한 격자 층에 형성된 쐐기형 구조를 포함하며, 쐐기형 구조는, 적어도 제1 방향 및 제2 방향으로 변화하여 3차원 형상을 정의하는 깊이를 갖는다. 도파관 구조는 또한 격자 층에 형성된 복수의 채널들을 포함하며, 각각의 채널은 복수의 격자 구조들의 일부를 부분적으로 정의하고, 복수의 격자 구조들의 깊이는 쐐기형 구조에 의해 정의된 대로 제1 방향 및 제2 방향으로 변화한다.
[0009] 또 다른 실시예에서, 도파관 구조를 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 그레이스케일 리소그래피를 사용하여 격자 층에 쐐기형 구조를 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 격자 층 위에 하드마스크 및 포토레지스트 스택을 형성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 포토레지스트 스택을 에칭하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 또한 격자 층에 복수의 격자 구조들을 형성하는 단계를 포함한다.
[0010] 본 개시내용의 상기 열거된 특징들이 상세히 이해될 수 있는 방식으로, 앞서 간략히 요약된 본 개시내용의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조로 하여 이루어질 수 있는데, 이러한 실시예들의 일부는 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나 첨부된 도면들은 단지 예시적인 실시예들만을 예시하는 것이며 따라서 그 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주목되어야 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 동등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
[0011] 도 1은 일 실시예에 따른 도파관 결합기의 정면 사시도이다.
[0012] 도 2는 실시예에 따른 깊이 조절된 경사 격자들의 예시이다.
[0013] 도 3은 일 실시예에 따른 도파관 구조를 제조하는 방법의 흐름도이다.
[0014] 도 4a - 도 4h는 실시예에 따른 도파관 구조의 일부의 개략적인 단면도들이다.
[0015] 도 5a - 도 5c는 쐐기형 구조의 형상들의 예들의 단면 확대도들이다.
[0016] 도 6a - 도 6c는 쐐기형 구조의 3차원 형상들의 예들의 사시도들이다.
[0017] 이해를 용이하게 하기 위해, 도면들에 대해 공통인 동일한 엘리먼트(element)들을 가리키는 데, 가능한 경우, 동일한 참조 부호들이 사용되었다. 한 실시예의 엘리먼트들 및 특징들은 추가 언급 없이 다른 실시예들에 유리하게 포함될 수 있다는 것이 고려된다.
[0018] 격자 구조를 갖는 장치 및 이를 형성하기 위한 방법이 개시된다. 격자들의 높이를 변화시킴으로써 격자의 길이를 따라 격자의 강도가 변경될 수 있다. 이를 달성하기 위해, 방법은 그레이톤 리소그래피를 사용하여 격자 층에 깊이 조절된 쐐기형 구조를 형성하는 단계를 포함한다. 격자 층에 복수의 채널들이 형성되어 내부에 경사 격자 구조들을 정의한다. 쐐기형 구조 및 경사 격자 구조들은 선택적 에칭 프로세스를 사용하여 형성된다. 본 명세서에서 설명되는 방법은 또한 나노 임프린트 리소그래피를 위한 마스터로서 기능하는 도파관 구조를 생성하는 데 사용될 수 있다.
[0019] 도 1은 도파관 결합기(100)의 정면 사시도이다. 아래에 설명되는 도파관 결합기(100)는 예시적인 도파관 결합기라고 이해되어야 한다. 도파관 결합기(100)는 복수의 격자들(108)에 의해 정의된 입력 커플링 영역(102), 복수의 격자들(110)에 의해 정의된 중간 영역(104), 및 복수의 격자들(112)에 의해 정의된 출력 커플링 영역(106)을 포함한다. 입력 커플링 영역(102)은 마이크로 디스플레이로부터 일정 강도를 갖는 광(가상 이미지)의 입사 빔들을 수신한다. 복수의 격자들(108)의 각각의 격자는 입사 빔들을 복수의 모드들로 분할하며, 각각의 빔은 모드를 갖는다. 0차 모드(T0) 빔들은 도파관 결합기(100)에서 역으로 굴절되거나 손실되고, 양의 1차 모드(T1) 빔들은 도파관 결합기(100)를 통해 중간 영역(104)에 커플링되고, 음의 1차 모드(T-1) 빔들은 도파관 결합기(100)에서 T1 빔들과 반대 방향으로 전파된다. 이상적으로, 입사 빔들은 가상 이미지를 중간 영역(104)으로 지향시키기 위해 입사 빔들의 모든 강도를 갖는 T1 빔들로 분할된다. 입사 빔들의 모든 강도를 갖는 T1 빔들로 입사 빔을 분할하기 위한 한 가지 접근 방식은, T-1 빔들 및 T0 빔들을 억제하도록 복수의 격자들(108)의 각각의 격자의 경사각을 최적화하는 것이다. T1 빔들은 T1 빔들이 중간 영역(104)에서 복수의 격자들(110)과 접촉할 때까지 도파관 결합기(100)를 통해 TIR(total-internal-reflection)을 겪는다. 입력 커플링 영역(102)의 일부는 입력 커플링 영역(102)의 인접 부분으로부터의 격자들(108)의 경사각과 다른 경사각을 갖는 격자들(108)을 가질 수 있다.
[0020] T1 빔들은 복수의 격자들(110)의 격자와 접촉한다. T1 빔들은 도파관 결합기(100)에서 역으로 굴절되거나 손실된 T0 빔들, T1 빔들이 복수의 격자들(110)의 다른 격자에 접촉할 때까지 중간 영역(104)에서 TIR을 겪는 T1 빔들, 및 도파관 결합기(100)를 통해 출력 커플링 영역(106)에 커플링되는 T-1 빔들로 분할된다. 중간 영역(104)에서 TIR을 겪는 T1 빔들은 도파관 결합기(100)를 통해 중간 영역(104)에 커플링된 T1 빔들의 강도가 대폭 감소(deplete)되거나, 중간 영역(104)을 통해 전파되는 나머지 T1 빔들이 중간 영역(104)의 끝에 도달하는 것 중 하나가 이루어질 때까지 복수의 격자들(110)의 격자들과 계속 접촉한다. 복수의 격자들(110)은, 사용자의 관점에서 마이크로 디스플레이로부터 생성된 가상 이미지의 시야를 조절하여 사용자가 가상 이미지를 볼 수 있는 시야각을 증가시키도록, 출력 커플링 영역(106)에 커플링된 T-1 빔들의 강도를 제어하기 위해, 도파관 결합기(100)를 통해 중간 영역(104)에 커플링된 T1 빔들을 제어하도록 조율되어야 한다. 도파관 결합기(100)를 통해 중간 영역(104)에 커플링된 T1 빔들을 제어하기 위한 한 가지 접근 방식은, 출력 커플링 영역(106)에 커플링된 T-1 빔들의 강도를 제어하도록 복수의 격자들(110)의 각각의 격자의 경사각을 최적화하는 것이다. 중간 영역(104)의 일부는 중간 영역(104)의 인접 부분으로부터의 격자들(110)의 경사각과 다른 경사각을 갖는 격자들(110)을 가질 수 있다. 더욱이, 격자들(110)은 격자들(108)의 경사각들과는 다른 경사각들을 가질 수 있다.
[0021] T-1 빔들은 도파관 결합기(100)를 통해 출력 커플링 영역(106)으로 전달되고, T-1 빔들이 복수의 격자들(112)의 격자와 접촉할 때까지 도파관 결합기(100)에서 TIR을 겪는데, 여기서 T-1 빔들은 도파관 결합기(100)에서 역으로 굴절되거나 손실되는 T0 빔들, T1 빔들이 복수의 격자들(112)의 다른 격자와 접촉할 때까지 출력 커플링 영역(106)에서 TIR을 겪는 T1 빔들, 또는 도파관 결합기(100) 밖으로 전달되는 T-1 빔들로 분할된다. 출력 커플링 영역(106)에서 TIR을 겪는 T1 빔들은 도파관 결합기(100)를 통해 출력 커플링 영역(106)에 전달되는 T1 빔들의 강도가 대폭 감소되거나, 출력 커플링 영역(106)을 통해 전파되는 나머지 T1 빔들이 출력 커플링 영역(106)의 끝에 도달할 때까지 복수의 격자들(112)의 격자들과 계속 접촉한다. 복수의 격자들(112)은, 사용자의 관점에서 마이크로 디스플레이로부터 생성된 가상 이미지의 시야를 추가 조절하여 사용자가 가상 이미지를 볼 수 있는 시야각을 더 증가시키도록, 도파관 결합기(100) 밖으로 전달되는 T-1 빔들의 강도를 제어하기 위해, 도파관 결합기(100)를 통해 출력 커플링 영역(106)에 전달되는 T-1 빔들을 제어하도록 조율되어야 한다. 도파관 결합기(100)를 통해 출력 커플링 영역(106)으로 전달되는 T-1 빔들을 제어하기 위한 한 가지 접근 방식은, 시야를 추가로 조절하고 시야각을 증가시키도록 복수의 격자들(112)의 각각의 격자의 경사각을 최적화하는 것이다. 출력 커플링 영역(106)의 일부는 출력 커플링 영역(106)의 인접 부분으로부터의 격자들(112)의 경사각과 다른 경사각을 갖는 격자들(112)을 가질 수 있다. 더욱이, 격자들(112)은 격자들(108) 및 격자들(110)의 경사각들과는 다른 경사각들을 가질 수 있다.
[0022] 격자들(108, 110 또는 112)의 깊이는 본 명세서에서 설명되는 실시예들에서는 커플링 또는 중간 영역들에 걸쳐 변화할 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자들의 깊이는 격자 영역에 걸쳐 매끄럽게 변화할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 깊이는 격자 영역에 걸쳐 약 10㎚ 내지 약 400㎚ 범위일 수 있다. 예시적인 실시예의 격자 영역은 주어진 면에서 대략 20㎜ 내지 대략 50㎜의 범위일 수 있다. 따라서 일례로, 격자들의 깊이의 변화 각도는 대략 .0005도일 수 있다.
[0023] 본 명세서에서 설명되는 실시예들에서, 깊이 조절된 격자들은 그레이스케일 리소그래피로도 또한 알려진 그레이톤 리소그래피를 사용하여 생성될 수 있다. 그레이스케일 리소그래피는 광학 그레이톤(또는 그레이스케일) 마스크를 사용하여 포토레지스트 층에 3차원 미세 구조들을 생성하는 데 사용되는 1단계 프로세스이다. 그레이스케일 마스크들은 다양한 양들의 광을 통과시켜 깊이 조절된 격자들을 생성한다. 그레이스케일 리소그래피를 사용하여 깊이 조절된 격자를 생성하는 것은 기존 방법들보다 더 적은 처리 동작들 및 더 높은 쐐기 해상도를 가능하게 한다.
[0024] 본 명세서에서 설명되는 방법들은 또한 다른 실시예들에서 나노 임프린트 리소그래피를 위한 마스터로서 사용되는 도파관 구조를 생성하는 데 사용될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 격자 재료들은 도파관 애플리케이션들에 사용되는 격자 구조들에 대해서와 같이 광학적 특성들을 가질 필요는 없다. 나노 임프린트 리소그래피 애플리케이션들에서, 스택 재료들은 광학 성능보다는 이러한 재료들의 에칭 특성들을 위해 그리고 스탬프 릴리스 성능을 위해 선택될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 실시예들 중 일부는 도파관들에 관한 것이지만, 방법들 및 구조들은 나노 임프린트 리소그래피에도 또한 적용 가능하다.
[0025] 도 2는 실시예에 따른 깊이 조절된 경사 격자들(200)의 예시이다. 격자들(202)의 높이 대비 격자 영역의 길이의 상대적인 크기들 때문에, 실척도(scale drawing)가 불가능하다. 예를 들어, 격자의 길이가 25㎜이고 격자 깊이의 변화가 격자 영역의 한 단부에서부터 다른 단부까지 250㎚라면, 격자의 각도(
Figure pct00001
)는 arctan(y/x) 또는 0.000573°이다. 따라서 구조는 국소적으로 사실상 평평하게 나타난다.
[0026] 도 2에서 확인되는 바와 같이, 이 실시예에서, 격자들(202)은 높이가 변화하는데, 도면 좌측의 격자들이 더 크다. 격자들(202)은 도파관의 오른쪽 가장자리로 이동함에 따라 크기가 더 짧아진다. 다른 실시예들에서, 격자 높이는 임의의 적절한 방식으로 도파관을 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에서는 더 큰 격자들이 오른쪽에 있고 더 짧은 격자들이 왼쪽에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 더 짧은 격자들이 도파관의 좌측 및 우측에 있을 수 있고, 더 큰 격자들이 중간에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 더 큰 격자들이 도파관의 양측에 있을 수 있으며, 더 짧은 격자들이 중간에 있을 수 있다. 다른 실시예들에서, 격자 높이는 임의의 선형 또는 비선형 방식으로 변화할 수 있다. 추가로, 격자 높이는 도파관을 따라 단지 왼쪽에서 오른쪽으로뿐만 아니라 여러 차원들을 따라 변화할 수 있다. 그레이톤 리소그래피를 사용하여 도파관의 격자 높이를 형상화하기 위해 임의의 1차원 또는 2차원 형상 또는 패턴이 사용될 수 있다. 일례로, 오목 또는 볼록 패턴이 사용될 수 있다. 추가로, 격자들(202)의 각각의 경사 격자 구조는 에칭 정지 층의 표면에 수직인 평면에 대해 측정된 각도(θ(theta))를 가질 수 있다. 각도(θ)는 예를 들어, 약 0도 내지 약 70도이다.
[0027] 도 2에서 확인되는 바와 같이, 격자들(202)의 일부는 도파관에 형성된 복수의 채널들(204)에 의해 적어도 부분적으로 정의된다. 복수의 채널들(204)은 그레이톤 리소그래피를 사용하여 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 채널들(204)을 형성하는 데 사용되는 프로세스는 격자들(202)을 생성하는 데 사용되는 것과 동일한 프로세스이다.
[0028] 도 3은 도 4a - 도 4h에 도시된 바와 같은 도파관 구조(400)를 형성하기 위한 방법(300)의 흐름도이다. 도 4a - 도 4h는 실척이 아니다. 도파관 구조는 일반적으로 기판 상에 형성된다. 일례로, 기판은 선택적인 에칭 정지 층 및 그 위에 형성된 격자 층을 갖는 실리콘 기반 유리 기판이다. 다른 예에서, 기판은 에칭 정지 층이 없는 유리 기판이다. 이러한 경우들에, 기판은 격자 층으로 기능하고 격자 구조들이 기판에 직접 형성된다.
[0029] 동작(302)에서, 에칭 정지 층 및 핀(fin) 재료 층이 기판 상에 증착된다. 동작(302)의 결과들은 도 4a에 예시된다. 도 4a는 내부에 격자 구조들을 형성하기 위한 도파관 구조(400)의 단면 확대 부분이다. 이 예에서, 도파관 구조(400)는 기판(402)을 가지며, 기판(402) 상에 에칭 정지 층(404)이 형성된다. 기판(402)은 실리콘, 티타늄 질화물 또는 크롬과 같은 광학적으로 투명한 재료로 만들어진다. 에칭 정지 층(404)은 기판(402) 위에 형성된다. 에칭 정지 층(404)은 예를 들어, CVD(chemical vapor deposition) 프로세스, PVD(physical vapor deposition) 프로세스 또는 스핀-온 프로세스에 의해 형성된다. 에칭 정지 층(404)은 특히, 에칭 프로세스에 내성이 있는 재료, 이를테면 티타늄 질화물 또는 탄탈 질화물로 형성된다.
[0030] 격자 층(406)(즉, 핀 재료 층)이 에칭 정지 층(404) 위에 형성된다. 격자 층(406)은 광학적으로 투명한 재료로 형성된다. 일례로, 격자 층(406)은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물과 같은 실리콘 기반 재료, 또는 티타늄 산화물과 같은 티타늄 기반 재료로 형성된다. 격자 층(406)의 재료는 높은 굴절률, 이를테면 1.5 또는 훨씬 더 높은 굴절률과 같이 약 1.3 이상의 굴절률을 갖는다. 일반적으로, 격자 층(406)은 일반적으로 약 1마이크로미터 미만, 이를테면 약 150㎚ 내지 700㎚의 두께를 갖는다.
[0031] 동작(304)에서, 그레이스케일 레지스트가 증착되고 포토 리소그래피가 수행된다. 그레이스케일 레지스트는 임의의 패턴으로 증착되어 도파관 구조의 원하는 깊이와 형상을 생성할 수 있다. 도 4b는 동작(304)의 결과들을 예시한다. 기판(402), 에칭 정지 층(404) 및 격자 층(406)이 예시된다. 그레이스케일 레지스트 층(408)이 격자 층(406) 상에 증착된다. 이 예에서는, 포토 리소그래피가 수행되어 좌측에 D의 깊이 그리고 우측에 D'의 깊이로 L 길이에 걸쳐 도파관 구조(410)의 형상을 생성하였다. 위에서 설명한 바와 같이, 포토 리소그래피를 사용하여 그레이스케일 레지스트에 임의의 원하는 1차원, 2차원 또는 3차원 형상이 생성될 수 있다.
[0032] 동작(306)에서, 격자 재료로의 전사 에칭이 수행된다. 동작(306)의 결과들은 도 4c에 예시된다. 이 예시적인 실시예에서, 그레이스케일 레지스트 층(408)의 구조를 미러링하는 포토 리소그래피가 수행된 후에, 전사 에칭이 쐐기형 구조(401)를 생성한다. 다른 실시예들과 조합될 수 있는 일 실시예에서, 그레이스케일 레지스트 층은 완전히 제거되고 도파관 구조(410)의 쐐기형 구조와 유사한 쐐기형 구조(401)가 격자 층(406)에 생성된다.
[0033] 이 예시적인 실시예에서 쐐기형 구조(401)는 제1 단부와 제2 단부 사이의 길이(L)를 갖는다. 쐐기형 구조(401)의 제1 단부는 깊이(F)를 갖고 제2 단부는 깊이(F')를 갖는다. 즉, 쐐기형 구조(401)의 깊이는 이 실시예에서는 제1 단부에서 최소이고 제2 단부에서 최대이다. F에서 F'까지의 깊이는 일반적으로 약 0㎚ 내지 약 700㎚의 범위 내에 있다. 이 실시예에서, 길이(L)는 깊이들(F, F')에 비해 상당히 크다. 예를 들어, 길이(L)는 약 25㎜인데, 제1 단부의 깊이(F)는 약 0㎚ 내지 약 50㎚이고, 제2 단부의 깊이(F')는 약 250㎚ 내지 약 700㎚이다. 이에 따라, 쐐기형 구조(401)는 실질적으로 얕은 기울기를 갖는다. 이 예에서, 기울기의 각도는 1도 미만, 이를테면 약 0.0005도와 같이 0.1도 미만이다. 쐐기형 구조(401)의 기울기는 여기서는 명확성을 위해 과장된 각도로 예시된다.
[0034] 동작(308)에서, 격자 층(406) 상에 등각 하드마스크(412)가 증착된다. 하드마스크(412)는 예를 들어, CVD 프로세스 또는 PVD 프로세스를 사용하여 티타늄 질화물로 형성된다. 일례로, 하드마스크(412)는 약 30㎚ 내지 약 50㎚의 두께를 갖는다. 동작(308)의 결과들은 도 4d에 예시된다. 하드마스크(412)의 두께가 실질적으로 균일하도록 등각 하드마스크(412)가 증착될 수 있다. 또 다른 실시예들에서는, 격자 층(406) 상의 다양한 지점들에서 두께가 약 30㎚에서 약 50㎚까지 변화하도록 등각 하드마스크(412)가 증착될 수 있다. 등각 하드마스크(412)는, 하드마스크(412)의 기울기가 쐐기형 구조(401)의 기울기와 유사해지는 식으로 증착된다.
[0035] 동작(310)에서, 광학 평탄화 층(414)이 하드마스크(412) 위에 형성되고 포토레지스트 층(416)이 광학 평탄화 층(414) 위에 형성된다. 포토레지스트 층(416)은 예를 들어, 리소그래피 프로세스를 사용하여 중합체 재료로 형성된다. 일례로, 포토레지스트 층(416)은 스핀-온 코팅을 사용하여 형성되어, 격자 선들을 노출시키고, 포토레지스트를 현상한다. 동작(310)의 결과들은 도 4e에 예시된다.
[0036] 도 4e에 도시된 바와 같이, 광학 평탄화 층(414)은 실질적으로 평탄한 최상단 표면이 형성되도록 두께가 변화한다. 광학 평탄화 층(414)은, 경사진 등각 하드마스크(412)와 광학 평탄화 층(414)의 실질적으로 평탄한 최상단 표면 사이의 공간이 완전히 채워지고 경사진 쐐기형 구조(401)에 걸쳐 다양한 두께를 갖도록 두께가 변화한다.
[0037] 동작(312)에서, 리소그래피가 수행된 다음, 하드마스크(412)가 에칭된다. 동작(312)의 결과들은 도 4f에 예시된다. 리소그래피의 경우, 격자 선들(420)을 정의하는 데 건식 스캐너가 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서는 다른 솔루션들이 사용될 수 있다. 타깃 애플리케이션에 따라 다양한 리소그래피 도구들 또는 방법들이 사용될 수 있다. 하드마스크(412)는 에칭 도구를 사용하여 에칭될 수 있다. 포토레지스트 스택을 에칭하는 것은 하드마스크(412)를 패터닝한다. 하드마스크(412)는 경사 격자 구조들의 형성을 위한 패턴 가이드로서 기능한다. 도 4f의 격자 선들(420)은 수직일 수 있거나 경사질 수 있다(예컨대, 수직에 비해 각이 질 수 있다). 리소그래피 프로세스 동안, 더 많은 격자 선들(420)이 정의되거나 더 적은 격자 선들(420)이 정의되도록, 격자 선들은 다양한 폭들 및 간격들로 만들어질 수 있다.
[0038] 동작(314)에서, 광학 평탄화 층(414) 및 포토레지스트 층(416)이 벗겨진다. 동작(314)의 결과들은 도 4g에 도시된다. 광학 평탄화 층(414) 및 포토레지스트 층(416)을 벗기는 것은 동작(312)의 격자 선들과 유사한 제1 구조들(422)의 세트를 야기한다.
[0039] 동작(316)에서, 경사 에칭이 수행되어 격자 층(406)에 격자 구조들(418)을 생성한다. 동작(316)의 결과들은 도 4h에 예시된다. 경사 에칭은 도 2의 채널들(204)과 유사한 복수의 채널들(424)을 생성하는데, 이 채널들은 복수의 격자들 구조들(418)의 일부를 적어도 부분적으로 정의한다. 동작(314)에서 생성된 제1 구조들(422)은 격자 구조들(418)의 최상단 부분이고, 격자 구조들(418)의 바닥 부분은 동작(316)에서 생성되며 채널들(424)에 의해 부분적으로 정의된다. 일 예시적인 실시예에서, 리본 빔 에칭기가 사용된다. 임의의 적절한 에칭 프로세스가 이용될 수 있다.
[0040] 동작(318)에서, 하드마스크(412)를 벗기도록 선택적 동작이 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서는 습식 세정이 수행될 수 있다.
[0041] 본 명세서에서 설명되는 에칭 프로세스는 유리하게는 쐐기형 구조가 하나 이상의 방향들로 기울기 및/또는 곡률을 가질 수 있게 한다. 도 5a - 도 5c는 쐐기형 구조에 사용될 수 있는 형상들의 다른 예들을 예시한다. 도 5a는 도파관 구조(700)의 격자 층(706)의 쐐기형 구조(720)를 예시한다. 쐐기형 구조(720)는 각각의 주변 영역들(720a, 720b)에서부터 중앙 영역(720c)을 향해 연장되는 2개의 평탄한 기울어진 부분들을 갖는다. 도 5b는 도파관 구조(730)의 격자 층(736)의 쐐기형 구조(750)를 예시한다. 쐐기형 구조(750)는 주변 영역들(750a, 750b)에서는 얕은 깊이(D) 그리고 중앙 영역(750c)에서는 증가된 깊이를 갖는 곡선형 구조이다. 일례로, 쐐기형 구조(750)는 포물선 형상을 갖는다. 깊이(D)는 주변 영역들(750a, 750b)에서 중앙 영역(750c)까지 비선형적으로 증가한다. 도 5c는 도파관 구조(760)의 격자 층(766)의 쐐기형 구조(780)를 예시한다. 쐐기형 구조(780)는 제1 단부(780a)에서부터 제2 단부(780b)까지 진동(oscillate)하는 깊이(D)를 갖는데, 이는 쐐기형 구조(780)에 대해 주기적인 깊이들(D)의 패턴을 형성한다. 쐐기형 구조(780)는 깊이(D)의 선형 톱니 진동들로 도시된다. 그러나 쐐기형 구조가 깊이(D)의 파형 진동들을 갖도록 깊이(D)가 비선형적으로 변화할 수 있다는 점이 고려된다. 쐐기형 구조들(720, 750, 780)과 같은 쐐기형 구조의 깊이(D)는 제1 단부(즉, 720a, 750a, 780a)에서부터 제2 단부(즉, 720b, 750b, 780b)까지 그 구조의 길이(L)에 걸쳐 선형적으로 또는 비선형적으로 변화할 수 있다. 그레이스케일 리소그래피 및 본 명세서에서 설명되는 기술들을 이용하면, 종래 기술들에 의해 요구되는 다수의 동작들 대신 단일 패스로 다양한 형상들의 쐐기형 구조들이 패터닝될 수 있다.
[0042] 다른 예에서, 쐐기형 구조는 3차원 형상을 갖는다. 즉, 깊이는 도 6a - 도 6c의 예들에 예시된 바와 같이 여러 방향들(즉, 제1 방향(X) 및 제2 방향(Y))로 변경된다. 도 6a는 안장점(saddle-point) 형상의 곡률(즉, 쌍곡 포물면 형상)을 갖는 쐐기형 구조(820)를 예시한다. 도 6b는 양의 곡률을 갖는 타원 포물면 형상을 갖는 쐐기형 구조(850)를 예시한다. 도 6c는 음의 곡률을 갖는 타원 포물면 형상을 갖는 쐐기형 구조(880)를 예시한다. 쐐기형 구조의 3차원 형상은 도 6a - 도 6c의 예들로 제한되지 않는다. 다른 원하는 형상들, 예를 들어 특히, 양의 곡률 또는 음의 곡률을 갖는 정사각형 도메인의 포물면, 타원체 및 선형의 기울어진 형상들이 또한 고려되고 여기에 사용될 수 있다. 이러한 경우들에, 쐐기형 구조의 깊이는 X 방향과 Y 방향 모두에서 변화한다. 따라서 경사 격자 구조들의 상부 표면들은 쐐기형 구조의 곡률의 형상에 의해 정의된 대로 만곡된다.
[0043] 본 명세서에서 설명되는 실시예들을 이용함으로써, 경사 격자 구조들과 같은 임의의 패턴을 포함하는 격자 구조들을 갖는 도파관 구조가 형성된다. 도파관 실시예에서, 경사 격자 구조들은 도파관을 통과하는 광을 더 잘 모으고 지향시킴으로써 도파관의 기능을 개선하고, 이로써 투사된 이미지의 선명도를 향상시킨다. 경사 격자 구조들은 원하는 이미지 평면에 투사되는 광의 파장들에 대한 향상된 제어를 제공한다. 도파관에 의해 아웃커플링된 광의 강도(power)의 균일성은 상당히 더 균일하다. 본 명세서에서 설명되는 실시예들은 도파관 구조를 형성하는데 사용된 층들을 손상시킬 수 있는 기계적 연마와 같은 제조 프로세스들을 제거함으로써 도파관 구조의 제조를 더욱 개선한다. 또한, 본 명세서에서 설명되는 실시예들은 확대된 범위의 애플리케이션들에서 도파관 구조의 사용을 가능하게 하는 2차원 또는 3차원 형상을 갖는 격자를 생성하기 위해 그레이스케일 리소그래피를 이용한다. 예를 들어, 다른 실시예들에서, 본 명세서에서 설명되는 방법들은 나노 임프린트 리소그래피를 위한 마스터를 생성하는 데 사용된다.
[0044] 전술한 내용은 본 개시내용의 실시예들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 기본 범위를 벗어나지 않으면서 본 개시내용의 다른 실시예들 및 추가 실시예들이 안출될 수 있으며, 본 개시내용의 범위는 하기의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 격자 층이 위에 있는 기판 ― 상기 격자 층에 쐐기형 구조가 형성되며, 상기 쐐기형 구조는:
    제1 단부;
    제2 단부; 및
    깊이를 갖고, 상기 깊이는 상기 제1 단부에서부터 상기 제2 단부까지 변화함 ―; 및
    상기 격자 층에 형성된 복수의 채널들을 포함하며,
    각각의 채널은 복수의 격자 구조들의 일부를 부분적으로 정의하고,
    상기 복수의 격자 구조들의 깊이는 상기 쐐기형 구조의 제1 단부에서부터 상기 쐐기형 구조의 제2 단부까지 변화하는,
    도파관 구조.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 쐐기형 구조의 깊이는 상기 제1 단부에서부터 상기 제2 단부까지 선형적으로 변화하는,
    도파관 구조.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 쐐기형 구조의 깊이는 상기 제1 단부에서부터 상기 제2 단부까지 비선형적으로 변화하는,
    도파관 구조.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 쐐기형 구조의 깊이는 상기 제1 단부에서부터 상기 제2 단부까지 진동(oscillate)하는,
    도파관 구조.
  5. 격자 층이 위에 있는 기판;
    상기 격자 층에 형성된 쐐기형 구조 ― 상기 쐐기형 구조는, 적어도 제1 방향 및 제2 방향으로 변화하여 3차원 형상을 정의하는 깊이를 가짐 ―; 및
    상기 격자 층에 형성된 복수의 채널들을 포함하며,
    각각의 채널은 복수의 격자 구조들의 일부를 부분적으로 정의하고,
    상기 복수의 격자 구조들의 깊이는 상기 쐐기형 구조에 의해 정의된 대로 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 변화하는,
    도파관 구조.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 쐐기형 구조는 안장점(saddle-point) 형상을 갖는,
    도파관 구조.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 쐐기형 구조는 양의 곡률을 갖는 타원 포물면 형상을 갖는,
    도파관 구조.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 쐐기형 구조는 음의 곡률을 갖는 타원 포물면 형상을 갖는,
    도파관 구조.
  9. 제1 항 및 제5 항에 있어서,
    상기 격자 층은 약 1.3 이상의 굴절률을 갖는 광학적으로 투명한 재료로 형성되는,
    도파관 구조.
  10. 그레이스케일 리소그래피를 사용하여 격자 층에 쐐기형 구조를 형성하는 단계;
    상기 격자 층 위에 하드마스크 및 포토레지스트 스택을 형성하는 단계;
    상기 포토레지스트 스택을 에칭하는 단계; 및
    상기 격자 층에 복수의 격자 구조들을 형성하는 단계를 포함하는,
    도파관 구조를 형성하는 방법.
  11. 제11 항에 있어서,
    상기 포토레지스트 스택은:
    광학 평탄화 층; 및
    포토레지스트를 포함하는,
    도파관 구조를 형성하는 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 쐐기형 구조는 깊이가 제1 단부에서부터 제2 단부까지 변화하는,
    도파관 구조를 형성하는 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 쐐기형 구조의 깊이는 상기 제1 단부에서부터 상기 제2 단부까지 선형적으로 변화하는,
    도파관 구조를 형성하는 방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 쐐기형 구조의 깊이는 상기 제1 단부에서부터 상기 제2 단부까지 비선형적으로 변화하는,
    도파관 구조를 형성하는 방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 쐐기형 구조의 깊이는 상기 제1 단부에서부터 상기 제2 단부까지 진동하는,
    도파관 구조를 형성하는 방법.
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