TW202017042A - 光柵元件及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一種形成光柵元件的方法。所述方法可包括：提供基板，所述基板包括下伏層及設置於所述下伏層上的硬遮罩層。所述方法可包括：將所述硬遮罩層圖案化以界定光柵場；以及在所述光柵場內蝕刻所述下伏層，以沿第一方向界定所述下伏層的可變高度，所述第一方向平行於所述基板的平面。所述方法可包括使用成角離子蝕刻在所述光柵場內形成光柵，所述光柵包括多個成角結構，所述多個成角結構相對於所述基板的所述平面的垂直線以非零度的傾角設置，其中所述多個成角結構基於所述下伏層的所述可變高度沿所述第一方向界定可變深度。
Description
本發明是有關於光學組件，且更具體而言有關於在光學透鏡中形成可變光柵的方式。
光學透鏡因具有各種優點而長期以來用於操縱光。近來，微繞射光柵（micro-diffraction）已用於全像裝置以及強化實境/虛擬實境（augmented/virtual reality，AR&VR）裝置中。
一種特定的AR&VR裝置是例如頭戴裝置等可穿戴顯示系統，所述頭戴裝置被佈置成在距人眼的短距離內顯示影像。此種可穿戴頭戴裝置有時被稱為頭戴式顯示器，且設置有在距用戶的眼睛的若干厘米內顯示影像的框架。所述影像可為在顯示器（例如微顯示器）上的由電腦生成的影像。光學元件被佈置成將所期望影像的光（其中所述光是在顯示器上產生）傳輸至用戶的眼睛，以使影像對所述用戶而言為可見。產生影像的顯示器可形成光引擎的一部分，其中影像自身產生準直光束，所述光束可由光學元件引導以提供對用戶而言可見的影像。
已使用不同種類的光學元件將影像自顯示器傳送至人眼。為在強化實境透鏡中恰當地起作用，光柵的高度（厚度）被設計成隨著光橫跨透鏡傳播的距離而變化。在已知的裝置中，在透鏡的表面上形成多個不同的區（例如兩個或三個不同的區），其中在一個區中的光柵高度與在其他區中的光柵高度不同。為提供該些不同的區，在不同的區中使用不同的蝕刻對光柵進行蝕刻，以使光柵的高度在不同的區中可不同。在給定區內，光柵高度為均勻的，而在一個區與相鄰區之間的邊界處，光柵高度則突然變化。除增加處理複雜度以外，所得強化實境透鏡在透鏡的不同區之上提供塊效應（blockiness），其中光柵的高度在一個區與相鄰區之間以不連續的方式增大。此種塊效應可能導致影像清晰度及解析度降低。
因此，針對至少以上考量提供了本發明。
在一個實施例中，提供一種形成光柵元件的方法。所述方法可包括提供基板，所述基板包括下伏層及設置於所述下伏層上的硬遮罩層。所述方法可包括：將所述硬遮罩層圖案化以界定光柵場；以及在所述光柵場內蝕刻所述下伏層，以沿第一方向界定所述下伏層的可變高度，所述第一方向平行於所述基板的平面。所述方法可包括使用成角離子蝕刻（angled ion etch）在所述光柵場內形成光柵，所述光柵包括多個成角結構（angled structure），所述多個成角結構相對於所述基板的平面的垂直線以非零度的傾角設置，其中所述多個成角結構基於所述下伏層的所述可變高度沿所述第一方向界定可變深度。
在另一實施例中，提供一種光柵元件。所述光柵元件可包括：基板基底；以及光柵層，設置於所述基板基底上。所述光柵層可包括光柵場，其中所述光柵場包括成角結構陣列。所述多個成角結構陣列可具有小於一微米的節距，並相對於所述基板基底的平面的垂直線以非零度的傾角設置，且具有沿所述第一方向的可變深度並且界定平行於所述基板基底的平面的光柵表面。
在另一實施例中，一種形成光柵元件的方法可包括提供基板，所述基板包括氮化矽下伏層及設置於所述氮化矽下伏層上的硬遮罩層。所述方法可包括將所述硬遮罩層圖案化以界定光柵場；以及在所述光柵場內蝕刻所述氮化矽下伏層，以沿第一方向界定所述氮化矽下伏層的可變高度，所述第一方向平行於所述基板的平面。所述方法可包括使用成角離子蝕刻在所述光柵場內形成光柵。所述光柵可包括多個成角結構，所述多個成角結構相對於所述基板的平面的垂直線以非零度的傾角設置，其中所述多個成角結構基於所述氮化矽下伏層的所述可變高度沿所述第一方向界定可變深度。
現在將在下文中參照所附圖式來更充分地闡述本發明實施例，在所附圖式中示出了一些實施例。本發明的標的可實施為諸多不同形式而不應被視為僅限於本文所說明的實施例。提供該些實施例是為了使此揭露內容將透徹及完整，且將向熟習此項技術者充分傳達所述標的的範圍。在所有圖式中，相同的數字指代相同的組件。
除非另外指明，否則如本文中所使用的以單數陳述且前面帶有詞語「一（a或an）」的組件或操作被理解為可能包括多個組件或操作。此外，本發明所提及的「一個實施例」或「一些實施例」可被解釋為包括同樣包含所陳述特徵的附加實施例的存在。
本文中的實施例提供新穎光學元件及系統以及形成光學元件的方法。各種實施例與光柵元件相關，其中用語「光柵元件（optical grating component）」指代包括光柵的裝置或部件，包括AR&VR頭戴裝置、用於AR&VR的目鏡或者用於形成用於目鏡（例如眼鏡）的光柵的母版（master）。
圖1A繪示根據本發明實施例的光柵元件100的側面剖視圖。圖1B繪示光柵元件100的俯視平面圖。根據本發明的各種實施例，光柵元件100可用作欲放置於眼鏡上或者一體地形成於眼鏡中的光柵。光柵元件100包括基板102及設置於基板102上的光柵106。在一些實施例中，基板102是光學透明材料，例如已知的玻璃。所述實施例在此上下文中不受限制。如下文所進一步闡述，光柵106可設置於光柵層107中。在圖1A及圖1B所示實施例中，光柵元件100更包括設置於基板102與光柵層107之間的蝕刻終止層104。根據本發明的一些實施例，光柵層107可為光學透明材料，例如氧化矽、氮化矽、玻璃或其他材料。
根據本發明的一些實施例，光柵106可包括在100奈米（nm）至1000奈米範圍內的光柵高度H。由此，光柵106可適宜用於AR&VR設備的目鏡中。所述實施例在此上下文中不受限制。根據一些實施例，蝕刻終止層104可為光學透明材料且可具有10奈米至100奈米的厚度。所述實施例在此上下文中不受限制。用於蝕刻終止層104的合適材料的實例包括SiN、SiO2
、TiN、SiC、TiCN及其他材料。在其中光柵106欲應用於或包含於眼鏡的目鏡中的實施例中，特別適宜的材料是光學透明材料，包括折射率與其他層匹配以減小最小化反射的材料。在其中光柵元件100形成用於製作用於目鏡的光柵的母版的實施例中，蝕刻終止層104不需要為光學透明的。此外，在一些實施例中可省略蝕刻終止層104。
如圖1A中所進一步示出，光柵106可包括被示出為成角結構110的多個成角結構，所述多個成角結構相對於基板102的平面的垂直線226以非零度的傾角（θ）設置，其中成角結構110被佈置成沿第一方向界定可變高度。在圖1A所示實例中，成角結構110藉由溝槽114分隔開，並沿平行於所示笛卡爾座標系（Cartesian coordinate system）的Y軸的方向界定可變高度，其中第一方向（Y軸）平行於基板102的平面（在此種情形中為X-Y平面）。光柵106的標誌（hallmark）是沿第一方向（即沿「Y方向」）的光柵高度H的平滑變化。在各種實施例中，光柵高度H
的變化或光柵深度D的變化在圖1A中自左至右的寬度方向（Y方向）上可為約10%、20%、或30%、50%、或70%、90%或者100%。值得注意，光柵106沿Y方向的寬度可為約數毫米至數厘米，而光柵高度H可為約1微米或小於1微米。因此，光柵高度H
的變化的範圍可在約數百奈米或小於數百奈米。所述實施例在此上下文中不受限制。
光柵高度H的平滑變化的一個效果是藉由改善來自光源的光橫跨目鏡表面的引導來改善強化實境眼鏡的效能，其中光柵高度H的平滑變化產生更佳的光分佈及更佳的強化實境影像。
重新回到圖1B，在俯視平面圖中示出光柵106的二維表示形式，其中光柵106可具有約幾平方厘米的面積。如所示，成角結構110可沿第二方向（X方向）（例如垂直於Y方向）延伸。根據一些實施例，對於給定的成角結構110，光柵高度H可沿X方向為均勻，此意味著光柵高度H可沿Y方向平滑地變化，同時沿X方向為恆定。就此方面而言，光柵106中的成角結構110的節距可為約可見光波長，此意味著光柵106可包括數萬個成角結構110。因此，可忽略在單一成角結構（意指成角結構110）內沿Y方向的高度變化。
圖1C繪示根據本發明實施例的光柵元件100的側面剖視圖的幾何結構的細節。在各種實施例中，成角結構110可在一些區域中具有100奈米至500奈米的最大高度或最大深度。所述實施例在此上下文中不受限制。最大深度的一個實例是250奈米。成角結構可具有沿Y軸的約100奈米至500奈米的寬度及約200奈米至750奈米的節距P。所述實施例在此上下文中不受限制。如圖1C中所示，成角結構110的深度D可橫跨光柵106（例如，在25毫米（mm）的距離內）逐漸變化（出於說明目的，圖1C中所示尺寸僅為示例性的）。圖1C所示的圖示出彼此分隔開數毫米或大於數毫米的光柵106的4個不同段（segment）。因此，可在圖1C中所示的不同段之間設置數千個各別的成角結構。在一個實例中，深度D可橫跨光柵106自250奈米減小至80奈米。在線性減小的實例中，假定節距P為325奈米，且沿Y軸的光柵106的寬度為25毫米。相鄰結構之間的總深度變化（假定光柵端部處為零高度）可為0.00325奈米或3.3皮米（picometer），即基本上無可量測的變化。因此，因沿光柵的高度變化而形成的角θ可小於0.01度，此部分地意味著，光柵106有效地橫跨成角結構的寬度為平坦或者有效地在相鄰成角結構之間為平坦。
現在轉至圖2A，其示出以示意性形式繪示的處理設備200。處理設備200表示用於蝕刻基板的部分或在基板上進行沉積以產生例如本發明實施例的光柵的處理設備。處理設備200可為電漿式處理系統，所述電漿式處理系統具有用於藉由如此項技術中已知的任何方便方法在其中產生電漿204的電漿室202。可如所示般提供具有提取開孔208的提取板206，其中可執行非均勻蝕刻或非均勻沉積以反應性地蝕刻或沉積光柵層107。包括例如前述光柵結構的基板102設置於處理室224中。基板102的基板平面由所示笛卡爾座標系的X-Y平面表示，而基板102的平面的垂直線沿著Z軸（Z方向）。
如圖2A中進一步所示，如在已知系統中一樣，當使用偏壓電源（bias supply）220在電漿室202與基板102或基板平台（substrate platen）214之間施加電壓差時，可提取離子束210。偏壓電源220可耦合至處理室224，例如，其中處理室224與基板102保持於相同的位處（potential）。
根據各種實施例，離子束210可沿垂直線226提取，或可相對於垂直線226以被示出為θ的非零入射角提取。
離子束210內的離子軌跡可彼此相互平行或可位於窄的角範圍內，例如彼此相距10度以內或小於10度。因此，θ
的值可表示入射角的平均值，其中各別軌跡相對於平均值變化多達數度。在各種實施例中，離子束210可如在已知系統中一樣被提取為連續束或脈衝離子束。舉例而言，偏壓電源220可被配置為在電漿室202與處理室224之間供應電壓差作為脈衝直流（direct current，DC）電壓，其中脈衝電壓的電壓、脈沖頻率及負載循環（duty cycle）可彼此獨立地調節。
在各種實施例中，例如化學反應性氣體等氣體可由源222供應至電漿室202。電漿204可產生取決於提供至電漿室202的物質的確切組成的各種蝕刻物質或沉積物質。
在各種實施例中，離子束210可被提供為具有沿圖2B中所示笛卡爾座標系的X方向延伸的長軸的帶狀離子束。藉由沿掃描方向230相對於提取開孔208且因此相對於離子束210掃描包括基板102的基板平台214，離子束210可蝕刻基板102或沉積於基板102上。離子束210可由包括惰性氣體、反應性氣體的任何方便氣體混合物構成，且在一些實施例中可結合其他氣態物質一起提供。在特定實施例中，離子束210及其他反應性物質可作為蝕刻配方提供至基板102，以便執行對層（例如光柵層107）的定向反應性離子蝕刻（reactive ion etching，RIE）。此種蝕刻配方可使用如在此項技術中已知用於蝕刻例如氧化物或其他材料等材料的已知反應性離子蝕刻化學品。在其他實施例中，離子束210可由惰性物質形成，其中提供離子束210以在相對於離子束210掃描基板102時藉由物理濺鍍來蝕刻基板102，或更具體而言，藉由物理濺鍍來蝕刻光柵層107。
在圖2B所示的此實例中，離子束210被提供作為沿X方向延伸至束寬度的帶狀離子束，其中束寬度足以暴露出基板102的整個寬度，甚至在沿X方向的最寬部分處亦如此。示例性束寬度可介於10厘米、20厘米、30厘米或大於30厘米範圍內，而沿Y方向的示例性束長度可介於2毫米、3毫米、5毫米、10毫米或20毫米範圍內。所述實施例在此上下文中不受限制。
值得注意，掃描方向230可表示沿Y方向在兩個相反（180度）方向上對基板102的掃描，或者僅為朝左的掃描或者朝右的掃描。如圖2B中所示，離子束210的長軸沿X方向垂直於掃描方向230延伸。因此，如圖2B中所示，當沿掃描方向230自基板102的左側至右側進行對基板102的掃描達足夠長度時，基板102的整體可暴露於離子束210。
在各種實施例中，如下文所詳述，處理設備200可用於形成如以上針對圖1A所示具有可變光柵高度的非均勻光柵層。可藉由使用選區處理（selected area processing，SAP）配方相對於離子束210掃描基板102來達成此可變光柵高度。簡言之，SAP掃描配方可能需要在對基板102的掃描期間改變一組製程參數中的至少一個製程參數。選區處理的可能影響包括根據基板102上的不同位置改變由離子束210引起的蝕刻速率、沉積速率、植入劑量或非晶化程度。具體而言，「選區處理」或「SAP」可指相對於離子束掃描基板以將基板的不同部分以順序方式暴露於離子束的操作，其中例如基板的掃描速率或脈衝離子束的負載循環等至少一個參數會在掃描基板的同時改變。
此種製程參數可包括基板102的掃描速率、離子束210的離子能量、被作為脈衝離子束提供時的離子束210的負載循環以及基板102的旋轉位置。所述實施例在此上下文中不受限制。由於由離子束210所引起的沉積速率或蝕刻速率在對基板102的掃描期間變化，因此光柵層107的厚度或高度可沿掃描方向（Y軸）變化，從而產生（在下文所詳述的進一步的處理操作之後）如圖1A中所示的所得結構。
在隨後的圖中，示出用於形成光柵元件的各種實施例。該些實施例的共同特徵是使用塗佈至硬遮罩層及下伏層以界定光柵的圖案化及非均勻蝕刻。具體而言，在其中欲形成光柵的基板中界定光柵場，並以沿平行於基板平面的給定方向在下伏層內界定可變高度的方式蝕刻所述下伏層。光柵是使用成角反應性離子蝕刻（或成角RIE（angled RIE，ARIE））來界定多個成角結構而形成。如下文所詳述，成角結構又會仿效下伏層的可變高度界定可變深度。如以下圖中所示，在一些實例中，光柵的成角結構直接形成於下伏層內，而在其他實例中，成角結構形成於在下伏層之上形成的平坦化層中。
現在轉至圖3A至圖3J，其示出根據本發明實施例的在製作期間的不同情形下的光柵元件的側面剖視圖。圖3I示出一種變型，即光柵元件300A，而圖3J示出另一種變型，即光柵元件300B。根據一些實施例，光柵元件可用作母版以形成欲應用於AR&VR硬體中的透鏡的光柵。在其他實施例中，光柵元件可直接應用於透鏡。因此，如熟習此項技術者將容易理解，用於基板基底及光柵層的確切材料可視光柵元件的應用而變化。
在圖3A處，提供基板，基板包括基板基底302、設置於基板基底302上的下伏層304及設置於下伏層304上的硬遮罩層306。在各種非限制性實施例中，下伏層304可為氮化矽，例如Si3
N4
，而硬遮罩層306為二氧化矽（SiO2
）。值得注意，硬遮罩層306的材料可不同於下伏層304的材料，從而便於在硬遮罩層306的圖案化期間使用下伏層304作為蝕刻終止件。
視欲形成的光柵的高度而定，下伏層304的示例性厚度的範圍介於100奈米至1000奈米之間。硬遮罩層306的示例性厚度可為任何合適的厚度，只要硬遮罩層306的至少部分在蝕刻下伏層304之後保留下來即可。因此，在一些實施例中，就下伏層304可經歷蝕刻下伏層304較蝕刻硬遮罩層306快的選擇性蝕刻而言，硬遮罩層306的厚度可小於或等於下伏層304的厚度。
轉至圖3B，其示出在將硬遮罩層306圖案化以界定光柵場310之後的後續情形。由此，下伏層304暴露於光柵場310中。圖案化可藉由包括接觸列印、微影或其他方法在內的已知方法達成。舉例而言，可塗佈光阻層，隨後進行接觸微影製程以界定光柵場310、進行蝕刻操作以蝕刻硬遮罩層306以及進行剝除操作以移除光阻。
光柵場310可具有在所示笛卡爾座標系的X-Y平面內的光柵的設計形狀。舉例而言，光柵場310可具有矩形形狀、梯形形狀或其他形狀，例如用於AR&VR硬件中的光柵的已知形狀。由此，沿X軸或Y軸的光柵場310的尺寸可為毫米或厘米級別。
在圖3C中，示出其中使用蝕刻離子308使下伏層304經歷選區處理的後續情形。蝕刻離子308可作為已知的反應性離子蝕刻（RIE）配方的一部分來提供，其適宜於相對於硬遮罩層306選擇性地蝕刻下伏層304。
如以上所論述，蝕刻離子308可作為帶狀束提供，其中帶狀束沿X軸伸長，同時基板基底302被沿Y軸（相當於掃描方向230）掃描。根據本發明實施例，藉由改變上述參數的任意組合，可沿掃描方向230改變由蝕刻離子308所引起的對下伏層304的蝕刻的程度。舉例而言，當在含有蝕刻離子308的離子束下掃描基板基底302時，可改變基板平台214的掃描速率。在其中離子束沿Y軸的寬度為1毫米至3毫米的一些實施例中，舉例而言，光柵106沿Y軸的寬度可為2厘米。因此，藉由在跨越光柵106的2厘米寬度進行掃描期間調節窄（1毫米寬）離子束的掃描速率，可將非均勻蝕刻輪廓引入至光柵層107中。
在另一實施例中，可在脈衝離子束中提供蝕刻離子308，其中在沿Y軸掃描基板基底302的同時改變脈衝離子束的負載循環。值得注意，已知的脈衝電源可以千赫（kHz）範圍內的頻率對離子束進行脈衝，此意味著可在毫秒或更少的週期內調節負載循環。因此，對於基板102的每秒毫米級的掃描速率，例如，可在橫跨2厘米光柵進行掃描期間調節負載循環數千次。因此，可沿Y軸精細地訂製蝕刻離子308的有效蝕刻速率。
根據本發明的一些實施例，可計算給定光柵的設計光柵高度輪廓或理論光柵高度輪廓，以最佳化光柵的效能。此光柵高度輪廓然後可用於程式及SAP配方，以便處理設備200使用蝕刻離子308在下伏層304中產生輪廓。為清晰起見，圖3C示出其中蝕刻下伏層304以產生自左至右線性減小的厚度的實例。蝕刻離子308可或可不朝最深部分蝕刻穿過下伏層304的整體。因此，蝕刻的相對強度隨著基板基底302被掃描而線性增加，因此更多的蝕刻發生於圖中右側的區中。因此，下伏層304的上表面312向右朝下傾斜。值得注意，圖3C所示圖式並非按比例繪製。因此，如針對圖1C所論述，上表面312可相對於X-Y平面界定小於0.01度的角，且在一些情形中小於0.001度。
在圖3D處，示出其中將蝕刻終止層314塗佈至下伏層304的後續操作。可使用化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）、原子層沉積（atomic layer deposition，ALD）或其他技術進行塗佈。在其中下伏層304是氮化矽的實例中，蝕刻終止層314可為TiN、TaN或氧化矽。所述實施例在此上下文中不受限制。
在圖3E處，在蝕刻終止層314上沉積回填層320。回填層320可以毯式沉積（blanket deposition）的形式沉積，從而覆蓋位於光柵場310外部的區上的基板。在一些實施例中，回填層320可為氮化矽。
在圖3F處，將回填層320平坦化。由此，可自硬遮罩層306之上的區移除回填層320，且可界定平行於X-Y平面的平坦表面。在一些情形中，可使用選區處理來進行平坦化，其中在掃描基板基底的同時將離子束引導至基板。
在圖3G處，沉積另一硬遮罩層（示出為硬遮罩層322）。然後在光柵場310中將硬遮罩層322圖案化以界定用作光柵遮罩的光柵結構324。如以上所論述，可藉由已知技術將硬遮罩層322圖案化。由此，光柵結構324可界定欲在回填層320中形成的光柵中的結構的大小及形狀（在X-Y平面內）。在其中欲形成的成角結構的寬度小於500奈米的各種實施例中，可使用深紫外線微影在硬遮罩層322中界定光柵結構324。
在圖3H處，執行成角離子蝕刻以將成角離子325引導至光柵結構324。成角離子325可作為成角離子束提供於RIE蝕刻配方中，以相對於硬遮罩層322選擇性地蝕刻回填層320。此選擇性蝕刻導致在回填層320中形成成角結構326。可以設計入射角提供成角離子325，以在成角結構326中產生適宜的傾斜角。
根據各種實施例，由成角離子325表示的定向成角反應性離子蝕刻（包括特定位置的強度變化）可包括其他非離子物質，且可根據已知的反應性離子蝕刻組成物來選擇，以選擇性地蝕刻回填層320。舉例而言，在一個實例中，可選擇蝕刻化學品（例如CH3
F或CHF3
）以相對於SiO2
選擇性地蝕刻Si3
N4
。返回至圖2A及圖2B，成角離子325可作為帶狀離子束提供，帶狀離子束的離子軌跡如所示界定相對於垂直線226（圖3H所示Z軸）的非零度的傾角θ
。非零入射角可根據已知技術產生，例如使用相鄰於提取開孔208的束阻擋器（未示出）、調節沿Y軸的提取開孔寬度以及調節電漿204內的包括氣體壓力在內的電漿條件，以便改變近接於提取開孔208的電漿鞘邊界（plasma sheath boundary）228的曲率。值得注意，蝕刻終止層314防止對下伏層304的蝕刻。舉例而言，藉由使用已知的RIE化學品，回填層320可相較於蝕刻終止層314而言以快10倍至100倍的速度進行蝕刻。因此，可在不移除蝕刻終止層314的同時在光柵場310的不同區處將回填層320蝕刻至不同深度。儘管在一些實施例中，回填層320的蝕刻可為均勻的，然而在其他實施例中，可應用選區處理操作來執行圖3H所示操作，其中如以上大體所述，掃描速率或負載循環在相對於成角離子325掃描基板的同時改變。藉由此種方式，可減少在回填層320的較淺部分中暴露於蝕刻離子，確保不移除蝕刻終止層314，且因此產生成角結構326的設計深度。
在圖3I處，選擇性地移除硬遮罩層，留下光柵元件300A。由此，光柵元件300A可包括數千或數萬個成角結構326，其中成角結構326沿給定方向界定可變深度，在此種情形中沿平行於Y軸的第一方向界定可變深度。值得注意，成角結構326的可變深度D是下伏層304的可變高度的直接結果。換言之，成角結構326的深度隨下伏層的高度沿Y軸減小而增加。光柵元件300A的相關特徵是上表面330，其中上表面平行於X-Y平面，且因此在光柵場310中，光柵結構326大體在橫截面上與下伏層304形成鏡像。
在圖3J中，示出其中執行沉積例如氧化物塗層等塗層的可選操作。此操作導致形成經塗佈成角結構328，從而形成光柵元件300B。此操作可有助於達成奈米壓印微影（nano-imprint lithography），其中光柵元件300B用作母版以形成光柵。在其他應用中，當層320的材料為聚合物或其他軟材料時，此操作可合適於對層320中的材料進行化學穩定化（氣密密封）。
現在轉至圖4A至圖4J，其示出根據本發明又一些實施例的在製作期間的不同情形下的光柵元件的側面剖視圖。相較於圖3A至圖3J所示序列，此方式不採用圖3F所示的額外的平坦化操作，同時需要附加的微影操作。
在圖4A處，提供基板，基板包括基板基底302以及設置於基板基底302上方的下伏層304及設置於下伏層304上的硬遮罩層306。在此實施例中，在下伏層304與基板基底302之間設置蝕刻終止層402。在各種非限制性實施例中，蝕刻終止層402的材料可不同於下伏層304的材料，從而便於在將下伏層304圖案化期間使用蝕刻終止層402作為蝕刻終止件。在一些實施例中，蝕刻終止層402可為例如TiN或TaN，且可藉由化學氣相沉積來沉積。
轉至圖4B，其示出在如以上參照圖3B大體所述沉積硬遮罩層306且隨後將硬遮罩層306圖案化以界定光柵場310之後的後續情形。由此，下伏層304暴露於光柵場310中。
在圖4C中，示出其中如以上參照圖3C所述使用蝕刻離子308使下伏層304經歷選區處理的後續情形。蝕刻離子308可或可不朝最深部分蝕刻穿過下伏層304的整體。
在圖4D處，示出其中將被示為蝕刻終止層404的另一蝕刻終止層塗佈至下伏層304的後續操作。可使用化學氣相沉積（CVD）、原子層沉積（ALD）或其他技術進行塗佈。在其中下伏層304是氮化矽的實例中，蝕刻終止層404可為TiN、TaN或氧化矽。所述實施例在此上下文中不受限制。如下文所詳述，可採用圖4D所示配置，其中蝕刻終止層402用作下部蝕刻終止層，且蝕刻終止層404用作上部蝕刻終止層。
在圖4E處，在蝕刻終止層404上沉積光學近接層406。光學近接層406可以毯式沉積的形式沉積，從而覆蓋位於光柵場310外部的區上的基板。在一些實施例中，光學近接層406可為氮化矽。
在圖4F處，在圖4E所示結構上沉積光阻層408。在圖4G處，在後續操作中，在光柵場310中，在光阻層408中形成光柵圖案410。可使用已知微影技術（例如深紫外線微影）來形成光柵圖案410。
在圖4H中所示階段處，在後續的一系列操作中，光柵圖案410被轉移至光學近接層406中而形成光柵圖案412，且然後被轉移至蝕刻終止層404中而形成光柵結構414。形成光柵結構414的轉移操作可涉及定向蝕刻，例如已知的反應性離子蝕刻製程。
在圖4I處，示出在已執行對光學近接層406及光阻層408的剝除之後的後續情形。該些層的剝除可根據已知製程以選擇性的方式執行，以選擇性地移除光學近接層406及光阻層408，而不蝕刻光柵結構414。由此，光柵結構414可相似於上述光柵結構324。光柵結構414中的顯著不同之處在於，光柵結構414沿上表面312設置，且因此設置於其中在光柵結構414下方設置的下伏層304的高度在光柵場310內變化的表面上。
在圖4J處，執行成角離子蝕刻以將成角離子325引導至光柵結構414。可如以上參照圖3H所示各種實施例所述般提供成角離子325。此種選擇性蝕刻導致在下伏層304中形成成角結構416。可以設計入射角提供成角離子325，以在成角結構416中產生適宜的傾斜角。儘管未示出，然而可選擇性地移除光柵結構414，留下由成角結構416形成的光柵。
作為比較，當在圖3C及圖4C所示操作中使用相同的選區處理操作時，可將成角結構416視為成角結構326的鏡像，其中X-Y平面用作鏡平面。
在本發明的附加實施例中，可根據較短的操作序列來形成與圖4J所示結構相似的結構。現在轉至圖5A，其示出根據在圖3A至圖3D中所繪示操作之後進行的不同序列的初始操作。在此變型中，將蝕刻終止層314圖案化以形成光柵結構502，其中光柵結構502沿著上表面312。由於光柵結構502可為與下伏層304不同的材料，因此光柵結構502可用作遮罩以在下伏層304中形成光柵，如上所述。值得注意，在進行圖案化以形成光柵結構502時，可自光柵場310外部的區移除硬遮罩層306。
在圖5B處，使用成角離子325執行成角離子蝕刻，從而形成成角結構504。在圖5C處，可選擇性地移除光柵結構502。
值得注意，基板基底302可為與下伏層304不同的材料，其中基板基底302的蝕刻速率小於下伏層304的蝕刻速率。因此，可在不實質上蝕刻基板基底302的同時在光柵場310的不同區處將下伏層304蝕刻至不同深度。在其他實施例中，可應用選區處理操作來執行圖5B所示操作，其中如以上大體所述，掃描速率或負載循環在相對於成角離子325掃描基板的同時改變。藉由此種方式，可減少在下伏層304的較低高度部分（圖5C中向右）中暴露於蝕刻離子，確保基板基底302不被蝕刻至較其中下伏層304較高的左側區中更大的程度。所得光柵可除省去下伏層304以外相似於在圖4J所示操作之後形成於光柵場310外部的光柵。
在本發明的附加實施例中，可在光柵中產生可變深度或可變高度之前產生成角結構。相較於首先產生可變高度的方式，在該些附加實施例中，可更好地界定成角結構的底部，而成角結構的頂部則可能無法被很好地造型。
轉至圖6A，其示出與圖3A所示結構相似或相同的結構。在圖6B中，蝕刻圖6A所示結構以形成平面光柵結構，同時亦界定光柵場310。被示為光柵結構602的平面光柵結構可界定與例如光柵結構324或光柵結構414或光柵結構502相似的圖案。在圖6C處，根據上述操作，將成角離子325引導到光柵結構602，從而形成成角結構604。值得注意，在此階段處的成角結構604橫跨光柵場310界定均勻深度或均勻厚度。在圖6D處，使用蝕刻離子308執行如上所述的非均勻蝕刻。因此，形成沿Y軸具有可變高度或可變深度的光柵606。
在圖5A至圖5D所示實施例的一個變型中，在圖5C所示操作之後，可如圖7A中所示在成角結構604之間填充回填材料702。隨後可如圖7B中所示在回填材料702置位的情況下執行非均勻蝕刻操作，從而形成光柵結構704。在一些實施例中，可移除回填材料702，從而得到圖7C中所示的光柵706。
在本發明的再一些實施例中，可達成形成光柵，其中蝕刻下伏層與形成光柵是在一個操作中同時執行。轉至圖8A及圖8B，其示出形成與圖6A及圖6B所示結構相似或相同的結構。在圖8C中，將成角離子802引導至光柵結構602，其中成角離子802是相對於垂直線（Z軸）以非零入射角被引導。由此，形成相對於垂直線以非零度的傾角設置的光柵結構804。同時，將成角離子802引導至光柵結構602，以便例如在上述選區處理操作中以非均勻的方式蝕刻下伏層304。因此，在移除圖8D中的光柵結構602之後，被示為光柵806的所得光柵展現出與圖6D或圖7C所示結構相似的可變高度。
儘管上述實施例可能需要使用例如氮化矽等下伏層來形成光柵，然而在本發明的其他實施例中，可在例如單晶矽或多晶矽等矽層內形成光柵。轉至圖9A，其示出其中將硬遮罩層306設置於矽層902上的結構。在一些實施例中，矽層902可設置於基板基底上。在圖9B處，在矽層902上形成光柵結構602，其中光柵結構602可相似於上述結構。為確保高選擇性，在硬遮罩層306為氧化矽的情形中，當設置於矽層902之上時用於蝕刻硬遮罩層306的蝕刻化學品可不同於當設置於氮化矽之上時用於蝕刻硬遮罩層306的蝕刻化學品。
在圖9C處，將成角離子903引導至光柵結構602，其中成角離子903是相對於垂直線（Z軸）以非零入射角被引導。由此，形成相對於垂直線以非零度的傾角設置的光柵結構904。同時，將成角離子903引導至光柵結構602，以便例如在上述選區處理操作中以非均勻的方式蝕刻矽層902。如與圖9B所示操作一樣，可在反應性離子蝕刻操作中提供成角離子903，其中反應性離子蝕刻製程的化學品可不同於例如用於在氮化矽中形成成角結構的RIE化學品。在移除圖9D中的光柵結構602之後，被示為光柵906的所得光柵展現出與圖6D或圖7C所示結構相似的可變高度，而光柵結構904在材料（矽）上可不同於前面的實施例。
轉至圖10，其示出根據本發明各種實施例的製程流程1000。在方塊1002處，在設置於基板上的下伏層之上形成硬遮罩。硬遮罩的材料與下伏層的材料可彼此不同。在一個實例中，下伏層是例如氮化矽等材料，而硬遮罩是氧化矽材料。基板可包括合適於在光柵應用中使用的基板基底。舉例而言，當用作欲直接應用於目鏡的光柵元件時，基板可為光學透明的。當用作用於形成欲塗佈至目鏡的光柵的母版時，基板不需要為光學透明的。
在方塊1004處，將硬遮罩層圖案化以形成光柵場。光柵場可在基板的平面內具有與欲形成的光柵的大小及形狀對應的尺寸。舉例而言，光柵場可在X方向及Y方向上具有約數毫米至幾厘米的尺寸。在一些實施例中，光柵場可為硬遮罩層內的孤立窗口，而在其他實施例中，光柵場可形成有以總尺寸為毫米至厘米級別的陣列佈置的亞微米線圖案。
在方塊1006處，在光柵場內蝕刻下伏層，以在基板的平面內沿第一方向在下伏層中形成可變高度。舉例而言，下伏層可被蝕刻成使得下伏層的高度沿平行於Y軸的一個方向單調減小，而下伏層的高度沿X軸保持均勻。根據不同的實施例，下伏層可被蝕刻成其中高度沿Y軸隨著距離線性變化，或者可以非線性方式變化。在一些實施例中，藉由利用帶狀離子束掃描光柵，可在離子曝光中以非均勻方式蝕刻下伏層，其中離子曝光根據選區處理配方來佈置。選區處理配方可控制包括基板掃描速度、離子流、脈衝離子束的負載循環或參數的組合在內的參數，以在利用帶狀離子束掃描基板時改變在光柵場中遞送至下伏層的不同區的總離子劑量。在各種實施例中，在離子暴露之後，下伏層的高度可在1微米或小於1微米的最大高度與零微米的最小高度之間變化。由此，在蝕刻下伏層之後，由下伏層的表面相對於水平面（X-Y平面）界定的局部角可小於0.01度，且在一些情形中小於0.001度。
在方塊1008處，使用成角離子蝕刻在光柵場內形成光柵。在各種實施例中，可使用合適的離子束（包括帶狀離子束）來執行成角離子蝕刻。在成角離子蝕刻之後，光柵可包括多個成角結構，所述多個成角結構相對於基板的平面（X-Y平面）的垂直線（例如Z軸）以非零度的傾角設置。在一些實施例中，此非零度的傾角的範圍可高達75度，例如10度、20度、30度、45度、60度。所述實施例在此上下文中不受限制。在各種實施例中，可使用在硬遮罩層中界定的光柵圖案來施行成角離子蝕刻，其中所述光柵圖案延伸遍及所述光柵場。可藉由在帶狀離子束下（藉由帶狀離子束）掃描光柵圖案來施行成角離子蝕刻。在一些實施例中，亦可根據選區處理配方來控制成角離子蝕刻，以改變塗佈至光柵圖案的不同部分的離子劑量，以匹配正被蝕刻的光柵層（例如下伏層）的局部高度。光柵圖案可被佈置成產生作為線的陣列的成角結構，其中所述線界定亞微米節距，且其中各別的線可橫跨光柵場的長度（例如，沿X軸）延伸達毫米或厘米級別。
在各種實施例中，線的高度及光柵沿X軸的局部深度可為均勻的，而所述多個成角結構沿第一方向（例如，Y軸）界定可變高度。成角結構的高度或深度的變化可為平滑的，其中連續的成角結構之間的深度變化小於一奈米，且在一些情形中小於1皮米，而橫跨光柵場的成角結構的深度總變化的範圍可高達1微米。由此，橫跨光柵場的成角結構的可變深度可基於藉由在方塊1006處蝕刻下伏層產生的下伏層的可變高度。
在一些實施例中，可藉由直接在可變高度下伏層內形成成角結構來界定成角結構的可變深度。在其他實施例中，成角結構的可變深度可藉由在形成於可變高度下伏層上方的平坦化回填層中形成成角結構來界定，其中由於形成於可變高度下伏層上方而使可變深度塗佈至平坦化回填層中。
根據不同的實施例，可以任何合適的次序執行操作及方塊1006及方塊1008，包括首先執行方塊1006、首先執行方塊1008或者在一個操作中同時執行方塊1006與方塊1008。
綜上所述，本文中所述的各種實施例提供形成光柵元件的方式，所述光柵元件包括用於AR&VR的目鏡或者用於形成用於AR&VR目鏡的光柵的母版。本發明實施例的一個優點是能夠執行非均勻蝕刻操作以產生光柵的可變高度以及執行成角蝕刻操作以在共用工具內形成光柵的成角結構。相關優點是由各種實施例提供的靈活性，以便以任何合適的順序執行成角蝕刻操作及非均勻蝕刻操作。
本發明的範圍不受限於本文所述具體實施例。實際上，藉由閱讀前述說明及所附圖式，除本文中所述者外，本發明的其他各種實施例及對本發明的潤飾亦將對此項技術中具有通常知識者顯而易見。因此，此種其他實施例及潤飾旨在落於本發明的範圍內。此外，本文中已在特定實施方案的上下文中在特定環境下出於特定目的闡述了本發明。熟習此項技術者將認識到有用性並非僅限於此，且本發明可在任何數目的環境下出於任何數目的目的有利地實施。因此，以下所說明的申請專利範圍要以本文所述本發明的全部廣度及精神進行解釋。
100、300A、300B:光柵元件
102:基板/基板基底
104、314、402、404:蝕刻終止層
106、606、706、806、906:光柵
107:光柵層
110:成角結構
114:溝槽
200:加工設備
202:電漿室
204:電漿
206:提取板
208:提取開孔
210:離子束
214:基板平台
220:偏壓電源
222:源
224:處理室
226:垂直線
228:電漿鞘邊界
230:掃描方向
302:基板基底
304:下伏層
306、322:硬遮罩層
308:蝕刻離子
310:離子束
312:光柵場
320:層/回填層
324、414、502、602、804、904:光柵結構
325、802、903:成角離子
326、328、416、504、604:成角結構
330:上表面
406:光學近接層
408:光阻層
410、412:光柵圖案
702:回填材料
704:光柵結構
902:矽層
1000:製程流程
1002、1004、1006、1008:操作
D:深度/可變深度/光柵深度
H:光柵高度
P:節距
X:方向/第二方向
Y:方向/第一方向
Z:方向
θ:非零度的傾角
所附圖式示出本發明的示例性方式，包括本發明的原理的實際應用，所附圖式如下所示：
圖1A繪示根據本發明實施例的光柵元件的側面剖視圖。
圖1B繪示圖1A所示光柵元件的俯視平面圖。
圖1C繪示根據本發明實施例的光柵元件的側面剖視圖的幾何結構的細節。
圖2A示出根據本發明實施例的以示意性形式繪示的處理設備。
圖2B根據本發明實施例在俯視平面圖中示出提取板元件及基板。
圖3A至圖3J繪示根據本發明一些實施例的光柵元件的製作中的各種階段。
圖4A至圖4J繪示根據本發明一些實施例的另一光柵元件的製作中的各種階段。
圖5A至圖5C繪示根據本發明一些實施例的另一光柵元件的製作中的各種階段。
圖6A至圖6D繪示根據本發明又一些實施例的另一光柵元件的製作中的各種階段。
圖7A至圖7C繪示根據本發明其他實施例的又一光柵元件的製作中的各種階段。
圖8A至圖8D繪示根據本發明又一些實施例的又一光柵元件的製作中的各種階段。
圖9A至圖9D繪示根據本發明又一些實施例的再一光柵元件的製作中的各種階段。
圖10繪示根據本發明實施例的製程流程。
圖式未必按比例繪製。圖式僅為表示形式，而非旨在描繪本發明的具體參數。圖式旨在繪示本發明的示例性實施例，且因此不應被理解為對範圍進行限制。在圖式中，相同的編號表示相同的組件。
300A:光柵元件
302:基板基底
304:下伏層
306:硬遮罩層
308:蝕刻離子
326:成角結構
330:上表面
D:深度/可變深度
Claims (15)
- 一種形成光柵元件的方法，包括： 提供基板，所述基板包括下伏層及設置於所述下伏層上的硬遮罩層； 圖案化所述硬遮罩層以界定光柵場； 在所述光柵場內蝕刻所述下伏層，以沿第一方向界定所述下伏層的可變高度，所述第一方向平行於所述基板的平面；以及 使用成角離子蝕刻在所述光柵場內形成光柵，所述光柵包括多個成角結構，所述多個成角結構相對於所述基板的所述平面的垂直線以非零度的傾角設置，其中所述多個成角結構基於所述下伏層的所述可變高度沿所述第一方向界定可變深度。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法， 其中圖案化所述硬遮罩層包括： 在所述硬遮罩層中蝕刻開口，所述開口界定所述光柵場的邊界。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中蝕刻所述下伏層包括： 將帶狀離子束引導至所述下伏層，其中使用選區處理配方相對於所述帶狀離子束沿所述第一方向掃描所述基板，其中蝕刻產生所述下伏層的所述可變高度。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中形成所述光柵包括： 在所述光柵場中界定光柵遮罩；以及 在存在所述光柵遮罩的情況下，將成角離子束引導至所述光柵場。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括： 在蝕刻所述下伏層之後，將蝕刻終止層塗佈至所述下伏層； 在所述刻蝕終止層上沉積回填層；以及 將所述回填層平坦化，其中在平坦化之後，在所述回填層中形成所述光柵，且其中所述光柵界定平行於所述基板的所述平面的光柵表面。
- 如申請專利範圍第5項所述的方法，其中所述回填層包含氮化矽，所述方法更包括：在所述成角離子蝕刻之後，在所述多個成角結構上沉積氧化物塗層。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述基板更包括在所述下伏層之下設置的下部蝕刻終止層，所述方法更包括： 在蝕刻所述下伏層之後，將上部蝕刻終止層塗佈至所述光柵場中的所述下伏層； 在所述上部蝕刻終止層上方塗佈光學近接層；以及 使用所述光學近接層在所述上部蝕刻終止層中形成光柵圖案。
- 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中所述光柵形成於所述下伏層內，並界定光柵表面，所述光柵表面由所述下伏層的上表面界定，所述下伏層的所述上表面藉由蝕刻所述下伏層而形成。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括： 在蝕刻所述下伏層之後，將蝕刻終止層塗佈至所述光柵場中的所述下伏層；以及 在所述蝕刻終止層中形成光柵圖案，其中藉由在存在所述光柵圖案的情況下，將成角離子束引導至所述光柵場來執行所述成角離子蝕刻。
- 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中在蝕刻所述下伏層之前，執行形成所述光柵，其中在蝕刻所述下伏層之前，所述光柵的所述多個成角結構界定均勻深度，且其中蝕刻所述下伏層產生所述多個成角結構的所述可變深度。
- 如申請專利範圍第10項所述的方法，更包括： 在蝕刻所述下伏層之前，將填充材料沉積於所述光柵內；以及 在蝕刻所述下伏層之後，移除所述填充材料。
- 一種光柵元件，包括： 基板基底；以及 光柵層，設置於所述基板基底上，所述光柵層包括： 光柵場，其中所述光柵場包括成角結構陣列，所述成角結構陣列具有小於一微米的節距，並相對於所述基板基底的平面的垂直線以非零度的傾角設置，且沿第一方向具有可變深度並且界定平行於所述基板基底的所述平面的光柵表面。
- 如申請專利範圍第12項所述的光柵元件，其中所述非零度的傾角在10度與75度之間。
- 一種形成光柵元件的方法，包括： 提供基板，所述基板包括氮化矽下伏層及設置於所述氮化矽下伏層上的硬遮罩層； 圖案化所述硬遮罩層以界定光柵場； 在所述光柵場內蝕刻所述氮化矽下伏層，以沿第一方向界定所述氮化矽下伏層的可變高度，所述第一方向平行於所述基板的平面；以及 使用成角離子蝕刻在所述光柵場內形成光柵，所述光柵包括多個成角結構，所述多個成角結構相對於所述基板的所述平面的垂直線以非零度的傾角設置，其中所述多個成角結構基於所述氮化矽下伏層的所述可變高度沿所述第一方向界定可變深度。
- 如申請專利範圍第14項所述的方法，其中所述硬遮罩層包含二氧化矽。
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