TW202115505A - 波導及用於製造波導主光柵工具的方法 - Google Patents

波導及用於製造波導主光柵工具的方法 Download PDF

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Abstract

提供一種用於製造波導主光柵壓印工具之方法。該方法包括：用至少一個光阻層塗佈一基板；將一第一繞射光柵主輪廓選擇性地曝光至該至少一個光阻層的一第一區域上；將一第二繞射光柵主輪廓選擇性地曝光至該至少一個光阻層的一第二區域上；以及處理該基板，以形成該第一繞射光柵主輪廓及該第二繞射光柵主輪廓。該第一繞射光柵輪廓及該第二繞射光柵輪廓中之每一者包括在該基板與該個別光柵輪廓之間的邊緣，其中該邊緣大致上垂直於該基板表面，並且該等邊緣之每一者的高度與該第一繞射光柵主輪廓及該第二繞射光柵主輪廓的最大深度大致相同。

Description

波導及用於製造波導主光柵工具的方法
本發明係有關於波導及用於製造波導的方法。
顯示系統(特別是頭戴式或頭盔式顯示系統及抬頭顯示系統)使用結合繞射元件的波導已變得越來越普遍。這樣的波導可以用於以下多個目的：將光從影像源傳輸至觀看者的視線；當光通過波導傳播時，使帶有影像的光之光瞳(pupil)在一維或二維上擴展，從而提供可讓使用者觀看影像之更大範圍的眼睛位置；並在透明顯示器中充當組合器，以便經由透明波導觀看時，要顯示的影像可以覆蓋在使用者的外界視野上觀看。
可以將兩個或三個不同的繞射光柵嵌入波導中或者設置在波導表面上或附近，以將準直光耦合進入或離開波導並引起光瞳的擴展。然而，特別是當需要具有大繞射光柵之大波導時，將這種波導及繞射光柵製造成達到高影像品質所需的公差可能是具有挑戰性的。
[條項]
1.一種用於製造波導之方法，該方法包括： (i)製造一第一主光柵工具，該第一主光柵工具包括一第一工具基板，該第一工具基板的表面之一區域至少對應於該波導的表面之一區域，並且具有在該第一工具基板的大致所有表面上形成的一第一光柵輪廓； (ii)製造一第二主光柵工具，該第二主光柵工具包括一第二工具基板，該第二工具基板的表面之一區域至少對應於該波導的表面之該區域，並且具有在該第二工具基板的大致整個表面上形成的一第二光柵輪廓； (iii)使用該第一主光柵工具，在一第一波導基板的大致整個表面上複製該第一光柵輪廓； (iv)使用該第二主光柵工具，在一第二波導基板的大致整個表面上複製該第二光柵輪廓； (v)在該第一波導基板的表面上複製之該第一光柵輪廓的一選定區域上施加一第一介電層； (vi)在該第二波導基板的表面上複製之該第二光柵輪廓的一選定區域上施加一第二介電層；以及 (vii)將一層壓材料層施加至該第一波導基板及該第二波導基板的表面中之至少一者，並使該第一波導基板及該第二波導基板的表面合在一起，從而藉由中間層壓層將該第一波導基板與該第二波導基板接合在一起。
2.依據條項1之方法，其中在步驟(i)及(ii)中製造該第一主光柵工具及該第二主光柵工具包括： (a)在該第一工具基板及該第二工具基板的每一者之大致整個表面上施加一光阻層； (b)曝光被施加至該第一工具基板的該光阻，以在該光阻的大致整個區域上記錄與該第一光柵輪廓相對應的一第一光柵圖案； (c)曝光被施加至該第二工具基板的該光阻，以在該光阻的大致整個區域上記錄與該第二光柵輪廓相對應的一第二光柵圖案； (d)顯影被施加至該第一工具基板及該第二工具基板的每一者之該光阻，從而移除分別對應於該第一光柵圖案及該第二光柵圖案的圖案中之光阻； (e)依據該第一光柵圖案將該第一光柵輪廓蝕刻至該第一工具基板中，並且依據該第二光柵圖案將該第二光柵輪廓蝕刻至該第二工具基板中；以及 (f)移除殘留在該第一工具基板及該第二工具基板上之任何光阻層。
3.依據條項2之方法，其中在步驟(b)及(c)中記錄該第一光柵圖案及該第二光柵圖案包括使用掃描束干涉微影方法來產生與該第一光柵圖案及該第二光柵圖案相對應之干涉圖案，從而曝光分別被施加至該第一工具基板及該第二工具基板的該光阻層。
4.依據條項1至3中任一項之方法，其中在步驟(iii)及(iv)中複製該第一光柵輪廓及該第二光柵輪廓包括在分別被施加至該第一波導基板及該第二波導基板之第一及第二複製層中複製該第一光柵輪廓及該第二光柵輪廓。
5.依據條項4之方法，其中該第一複製層及該第二複製層中之至少一者包括一UV可硬化聚合物層。
6.依據條項5之方法，其中該中間層壓層包括一UV可硬化聚合物層，其折射率與用於形成該第一複製層及該第二複製層中之至少一者的UV可硬化聚合物的折射率大致相同。
7.依據前述條項中任一項之方法，其中該第一波導基板及該第二波導基板中之至少一者包括一玻璃層。
8.一種波導，包括： 一第一波導基板，其具有在該第一波導基板的大致整個表面上複製之一第一繞射光柵輪廓； 一第二波導基板，其具有在該第二波導基板的大致整個表面上複製之一第二繞射光柵輪廓； 一第一介電層，其被施加至該第一繞射光柵輪廓的一選定區域； 一第二介電層，其被施加至該第二繞射光柵輪廓的一選定區域；以及 一中間層壓層，其將該第一波導基板的表面結合至該第二波導基板的表面。
9.依據條項8之波導，包括一複製層，其被施加在該第一波導基板及該第二波導基板中之至少一者的表面上，並且其中該第一繞射光柵輪廓及該第二繞射光柵輪廓中之至少一者被複製在該個別複製層中。
10.依據條項9之波導，其中該複製層係一UV可硬化聚合物層。
11.依據條項10之波導，其中該中間層壓層包括一UV可硬化聚合物層，其具有與用於該複製層的聚合物大致相同之折射率。
將參考圖1，簡要描述用於製造結合有兩個主繞射光柵之透明波導的已知方法之實例。
首先參考圖1a，以不是按比例繪製之剖面圖所顯示的實例是主光柵工具5的圖示，主光柵工具5用於製造具有兩個有不同光柵輪廓之繞射光柵區域的波導。光柵工具5包括兩個不同的主光柵10、15，它們通常被個別製造並安裝在單個光柵工具基板20上。為了使兩個主光柵能夠被製造然後安裝在工具基板20上，它們必須具有不小的厚度。它們的厚度必然導致兩個主光柵具有邊緣，當固定到工具基板20的單段時，所述邊緣特別在主光柵之間形成間隙25，其中間隙25的深度明顯大於光柵10、15的最大深度或高度。
圖1a亦以剖面圖顯示用於複製主光柵10、15的一種示例性方法的結果，所述方法包括將主光柵工具5壓印至已經被施加至玻璃基層35之UV可硬化聚合物的「複製層」30中。圖1a顯示在聚合物的UV硬化及主光柵工具5的移除之後的複製層30，留下分別被壓印至複製層30中之主光柵輪廓10、15的複製品40、45。突出部50(在此實例中為三個突出部中之一)保留在複製層30中，其對應於主光柵工具5的主光柵10、15之間的間隙25。除了壓印之外，還已知用於複製主光柵輪廓10、15的其它方法，其包括納米壓印微影技術。然而，包括中央突出部50的突出部將作為特徵保留在所得複製層30中。
參考圖1b，以剖面圖顯示完整的波導結構，其中介電材料的個別保形層55、60已經被施加至壓印的光柵輪廓40、45。施加由用於複製層30之相同或相似的UV可硬化聚合物製成之「層壓層」65，以覆蓋複製層30，並且在一定壓力下將另一個玻璃層70施加至層壓層65，以確保層壓層65完全符合具有介電塗層55、60之光柵40、45的輪廓而沒有留下間隙。然後，將層壓層65的UV可硬化聚合物硬化，以產生圖1b所示的結構。
實際上，複製層60的深度以及因此複製層中之突出部50的深度約為30-40μm。然而，發明人已經出乎意料地表明，這樣的突出部(例如，突出部50)對通過圖1b所示之波導結構傳播之光的影響是顯著的，正如現在將參考圖1c進行說明的那樣。
參考圖1c，顯示通過圖1b的波導傳播之光的一些示例性光徑75、80、85。如所預期，沿著路徑80、85中之任一者的光被第二光柵45、60繞射，以大致相對於玻璃層70的表面成直角來從波導射出。然而，沿著路徑75的光穿過複製層中的突出部50，並且由於複製層30及層壓層65中使用之材料的折射率的微小差異，光最終以相對於玻璃層70的表面成傾斜的角度來從玻璃層70射出，因而使得觀看者看到二次影像(secondary image)。建模及實驗已經顯示，複製層30與層壓層65的材料之小至+/‒0.0003的折射率差異會導致從波導射出的光產生0.5mR或更大的偏差，這足以使觀看者辨別出二次影像。所屬相關技術領域中具通常知識者將認為這是令人驚訝的結果，並且將認識到例如即使當表面上相同的材料用於複製層30及層壓層65時，實際上難以實現UV可硬化聚合物的折射率之匹配。例如，由於複製層與層壓層的操作溫度略有差異，可能導致折射率的差異，從而導致每℃有+/‒0.0001的折射率差異。此外，對於總厚度為例如5mm的波導，由於主光柵工具5上的邊緣所造成之複製層中的每個突起導致通過波導傳播的光之0.6%至0.8%被轉向。因此，需要一種用於製造大型波導而不以傾斜角度離開波導之改進方法。
依據本發明，在第一改進中，已經設計出一種不同的方法來製造單個主光柵工具，例如，具有用於兩個不同繞射光柵之主光柵輪廓的主光柵工具，這減少觀看到二次影像的機會。現在將參考圖2及圖3在一個實例中描述所述方法。
參考圖2，藉由圖2a至圖2e以五個階段來表示製造單個主光柵工具的方法。
在圖2a所示的第一階段中，用光阻層105塗佈單個主光柵工具基板100。
在圖2b所示之第二階段中，使用光罩覆蓋除光阻層105的第一區域110外的所有其它區域。例如使用雷射衍生干涉圖案，將用於第一繞射光柵的條紋圖案112記錄在光阻層105之暴露的第一區域110中，而光阻層105的剩餘區域115保持被光罩覆蓋。
在圖2c所示之第三階段中，使用不同的光罩來暴露光阻層105的第二區域120。例如使用雷射衍生干涉圖案，將用於第二繞射光柵的條紋圖案122記錄在光阻層105之暴露的第二區域120中，而光阻層105的剩餘區域125保持被光罩覆蓋。
在圖2d所示之第四階段中，對光阻層105進行顯影，並根據記錄分別用於第一及第二光柵之條紋圖案112、122的位置，移除第一及第二區域110、120中之光阻，從而暴露下面工具基板100的對應圖案。然後，分別沿著已移除光阻105的光柵圖案112、122，在區域110、120中分別將第一及第二主光柵輪廓130、135蝕刻至主工具基板100中。可以使用例如離子束蝕刻來進行主光柵輪廓130、135的蝕刻。如果需要的話，可能需要幾個階段的曝光及蝕刻，以在工具基板100中產生所需的第一及第二光柵輪廓130、135。
在圖2e所示之第五階段中，移除任何剩餘的光阻105，以留下在工具基板100中形成之蝕刻的第一及第二光柵輪廓130、135。此技術的原理優點在於：光柵輪廓的任何邊緣都非常小，以致於當使用主光柵工具將第一及第二光柵輪廓130、135壓印至UV可硬化聚合物的複製層中時，在複製層中沒有明顯的突出部。因此，避免上面關於圖1c所描述的問題。
參考圖3，以剖面圖表示已經使用圖2e所示之單個主光柵工具製造的波導之實例。從圖3可以看出，例如藉由在被施加至波導的第一外玻璃層145上的UV可硬化聚合物層140中進行壓紋，將第一及第二光柵輪廓130、135複製在複製層140中。與圖1b及圖1c所示之習知技術的波導不同，在藉由由圖2e所示之單個主光柵工具進行複製所製成之依據本發明的波導中，複製層140中沒有因第一及第二光柵輪廓130、135的邊緣所引起之顯著的突出部。
在用個別的介電塗層150、155覆蓋第一及第二光柵輪廓130、135之後，施加由與複製層140所用材料大致相同的UV可硬化聚合物材料製成的層壓層160，以覆蓋至第一及第二光柵130、135。首先，將UV可硬化聚合物的層壓層160施加至第二外玻璃層165，然後，將組合物壓在複製層140上，以便UV可硬化聚合物一致地接觸塗佈的第一及第二光柵輪廓130、135的整個表面而不留間隙。接著，用UV光來硬化層壓層160的UV可硬化聚合物。
依據本發明，在第二改進中，已經設計出不同的方法來製造結合有兩個或更多個繞射光柵的波導。現在將參考圖4及圖5描述所述方法。
參考圖4及圖5，在圖4a至圖4c中將製造波導175(例如，如圖5的剖面圖所示，分別結合有第一及第二繞射光柵180、185的波導175)的方法表示為四階段製程。
在圖4a所示之第一階段中，使用例如在已發表的論文(Smith, D. J., et al. "Large area pulse compression gratings fabricated onto fused silica substrates using scanning beam interference lithography”, 3rd Int'l Conf. Ultrahigh Intens. Lasers：Dev. Sci. Emerg. Appl (2008))中所述之技術在個別的工具基板200、205上製造第一主光柵工具190及第二主光柵工具195。藉由這種發表的技術或藉由其它已知的技術，可以在相對較大的區域上形成光柵輪廓，特別是在大到足以使第一及第二主光柵輪廓210、215能夠形成在個別工具基板200、205的表面之大致整個區域上的區域上形成光柵輪廓。工具基板200、205的面積至少是要製造之波導175的表面之面積。可以產生任何光柵輪廓，例如，光柵間距在波導區域上變化的輪廓。
依據一種這樣的技術，其類似於上面關於圖2所述之技術，首先在第一及第二工具基板200、205之每一者的大致整個表面上施加一層光阻。例如藉由根據上述論文進行掃描，產生用於形成與第一主光柵輪廓210相對應之第一光柵圖案的雷射衍生干涉圖案，並且將雷射衍生干涉圖案記錄在被施加至第一工具基板200之光阻的大致整個區域上。同樣地，例如藉由同一個技術，產生用於形成與第二主光柵輪廓215相對應之第二光柵圖案的雷射衍生干涉圖案，並且將雷射衍生干涉圖案記錄在被施加至第二工具基板200之光阻的大致整個區域上。然後, 對光阻進行顯影，以根據第一及第二光柵圖案移除光阻，進而分別暴露下面第一及第二工具基板200、205的相應圖案。接著，使用蝕刻技術(例如，離子束蝕刻)，將第一及第二主光柵輪廓210、215分別蝕刻成下面第一及第二工具基板200、205之暴露的第一及第二光柵圖案。然後，從第一及第二工具基板200、205移除任何剩餘的光阻，以完成第一及第二主光柵工具190、195的製造。
在圖4b所示之第二階段中，例如使用上面關於圖1a所述之技術中之一，在被施加至波導175的第一外玻璃層225之第一複製層220中複製第一主光柵工具190的第一主光柵輪廓210。在一種這樣的技術中，第一主光柵工具190的光柵輪廓210可以藉由壓紋在第一複製層220的整個區域上進行複製，第一複製層220包括被施加至第一外玻璃層225之UV可硬化聚合物層220。同樣地，第二主光柵工具195的第二主光柵輪廓215藉由壓紋在第二複製層230(例如，使用與第一複製層220相同的技術被施加至波導175的第二外玻璃層235之UV可硬化聚合物層230)的整個區域上進行複製。
在圖4c所示之第三階段中，用介電材料層255塗佈對應於第一繞射光柵180的預期區域之第一光柵輪廓210的一個區域240。同樣地，用介電材料層260塗佈對應於第二繞射光柵185的預期區域之第二光柵輪廓215的一個區域245。
在第四階段中，藉由施加由與第一及第二複製層220、230所用材料大致相同的UV可硬化聚合物製成的層壓層250，以覆蓋在第一及第二複製層220、230中形成之光柵輪廓210、215中之一者或兩者，進而組裝波導。然後，在壓力下將第一複製層220及第一外玻璃層225的組件與第二複製層230及第二外玻璃層235的組件放在一起，從而將UV可硬化聚合物的層壓層250夾在第一複製層220與第二複製層230之間。這確保UV可硬化聚合物層250填充兩個複製層220、230之間的空間而沒有留下間隙。然後，使形成層壓層250的聚合物硬化，從而大致完成波導175的製造。
沒有塗佈有介電材料之第一及第二光柵輪廓210、215的那些區域在個別複製層220、230與層壓層250的材料之間形成直接界面。由於使在複製層220、230及層壓層250中使用之聚合物的折射率大致匹配，因此此界面對通過波導175傳播的光幾乎沒有繞射作用。意欲分別形成第一及第二繞射光柵180、185之由介電層255、260塗佈的區域之繞射效率具有非常高的等級。
對於上面關於圖2及圖3所述之依據本發明的第一實例，複製層220，230的任何部分都沒有顯著地突出至層壓層250中，因此避免上面關於圖1c所述之習知技術波導的問題。
與上面關於圖2及圖3所述者相比，用於製造依據圖4及圖5的波導175之方法的一個優點是，相同的主光柵工具190、195可以用於製造具有相同的光柵輪廓210、215但具有其它繞射光柵配置的波導。僅當已將介電層255、260施加至複製的光柵輪廓210、215之選定區域240、245時，才界定繞射光柵區域180、185。亦即，可以使用由相同的主光柵工具190、195複製的光柵輪廓210、215，僅藉由在將兩個複製的光柵結構220、225、230、235層壓在一起之前將介電塗層255、260施加至複製的光柵輪廓210、215之不同區域，製造波導175內之不同尺寸、形狀及位置的繞射光柵180、185。
本文所述的實例應被理解為本發明的實施例之說明性實例。可以設想另外的實施例及實例。關於任何一個實例或實施例所述之任何特徵可以單獨使用或與其它特徵結合使用。此外，關於任何一個實例或實施例所述之任何特徵亦可以與任何其它實例或實施例的一個或多個特徵或者任何其它實例或實施例的任何組合結合使用。再者，在本發明的範圍內亦可以使用在此未描述之均等物及修飾，本發明的範圍由權利請求項來界定。
5:主光柵工具 10:主光柵 15:主光柵 20:光柵工具基板 25:間隙 30:複製層 35:玻璃基層 40:複製品 45:複製品 50:突出部 55:保形層 60:保形層 65:層壓層 70:玻璃層 75:光徑 80:光徑 85:光徑 100:主光柵工具基板 105:光阻層 110:第一區域 112:條紋圖案 115:剩餘區域 120:第二區域 122:條紋圖案 125:剩餘區域 130:第一光柵輪廓 135:第二光柵輪廓 140:UV可硬化聚合物層 145:第一外玻璃層 150:介電塗層 155:介電塗層 160:層壓層 165:第二外玻璃層 175:波導 180:第一繞射光柵 185:第二繞射光柵 190:第一主光柵工具 195:第二主光柵工具 200:工具基板 205:工具基板 210:第一主光柵輪廓 215:第二主光柵輪廓 220:第一複製層 225:第一外玻璃層 230:第二複製層 235:第二外玻璃層 240:第一光柵輪廓的一個區域 245:第二光柵輪廓的一個區域 250:層壓層 255:介電材料層 260:介電材料層
現在將僅藉由舉例方式參考附圖來更詳細地描述本發明的實施例： 圖1係使用主光柵工具製造用於波導的繞射光柵輪廓之已知方法的實例及使用主光柵工具製造的已知波導之實例的圖示； 圖2係依據本發明之用於製造主光柵工具的製造方法之實例的圖示； 圖3係依據本發明之使用圖2的示例主光柵工具所製造之波導的實例之圖示； 圖4係依據本發明之用於製造波導的方法之實例的圖示；以及 圖5係依據圖4所示之示例方法所製造的本發明之波導的實例之圖示。
130:第一光柵輪廓
135:第二光柵輪廓
140:UV可硬化聚合物層
145:第一外玻璃層
150:介電塗層
155:介電塗層
160:層壓層
165:第二外玻璃層

Claims (9)

  1. 一種用於製造波導主光柵壓印工具之方法，該方法包括： 用至少一個光阻層塗佈一基板； 將一第一繞射光柵主輪廓選擇性地曝光至該至少一個光阻層的一第一區域上； 將一第二繞射光柵主輪廓選擇性地曝光至該至少一個光阻層的一第二區域上；以及 處理該基板，以形成該第一繞射光柵主輪廓及該第二繞射光柵主輪廓，其中該第一繞射光柵輪廓及該第二繞射光柵輪廓中之每一者包括在該基板與該個別光柵輪廓之間的邊緣，其中該邊緣的高度與該第一繞射光柵主輪廓及該第二繞射光柵主輪廓的最大深度大致相同。
  2. 如請求項1之方法，其中處理該基板包括： 蝕刻該基板，以形成該第一繞射光柵主輪廓及該第二繞射光柵主輪廓；以及 從該基板移除該至少一個光阻層。
  3. 如請求項1至2中任一項之方法，其中該第一繞射光柵主輪廓不同於該第二繞射光柵主輪廓。
  4. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該邊緣大致上垂直於該基板表面。
  5. 一種用於製造波導之主光柵壓印工具，該主光柵工具包括： 一基板； 一第一繞射光柵輪廓，其被蝕刻至該基板的一第一區域中； 一第二繞射光柵輪廓，其被蝕刻至該基板的一第二區域中； 其中該第一繞射光柵輪廓及該第二繞射光柵輪廓中之每一者包括在該基板與該個別光柵輪廓之間的邊緣，其中該邊緣的高度與該第一繞射光柵主輪廓及該第二繞射光柵主輪廓的最大深度大致相同。
  6. 如請求項5之主光柵壓印工具，其中在該基板與該個別光柵輪廓之間的該邊緣小於25毫米。
  7. 一種製造包括至少兩個繞射光柵輪廓的波導之方法，該方法包括： 使用如請求項5至6中任一項之波導主光柵壓印工具來複製該第一繞射光柵主輪廓及該第二繞射光柵主輪廓，以形成一第一繞射光柵輪廓及一第二繞射光柵輪廓，其中在相同的製程步驟中壓印該第一繞射光柵主輪廓及該第二繞射光柵主輪廓；以及 在該第一繞射光柵圖案及該第二繞射光柵圖案上施加至少一個介電層。
  8. 如請求項6之方法，其中該第一繞射光柵輪廓及該第二繞射光柵輪廓包括一輸入光柵及一輸出光柵中之至少一者。
  9. 一種使用如請求項6或7之方法製造的波導，該波導包括： 一基板； 一第一繞射光柵輪廓及一第二繞射光柵輪廓； 其中該第一繞射光柵輪廓及該第二繞射光柵輪廓中之每一者包括在該基板與該個別光柵輪廓之間的邊緣，其中該邊緣的高度與該第一繞射光柵主輪廓及該第二繞射光柵主輪廓的最大深度大致相同。
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