TW202235931A - 具有結構及折射率漸變之光學元件及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本案大體而言係關於用於形成具有漸變折射率的基板的方法及裝置。一種形成波導結構的方法包括從具有頭部的施加器朝向在基板上形成的複數個光柵結構排出電漿。電漿在大氣壓力下形成於頭部中。該方法進一步包括藉由從複數個光柵結構移除光柵材料來用電漿改變複數個光柵結構的深度。

Description

具有結構及折射率漸變之光學元件及其製造方法
本案之實施例大體而言係關於用於形成具有漸變折射率的基板的方法及裝置。
相關技術描述
虛擬實境通常被認為是使用者具有表觀實體存在的電腦產生的模擬環境。虛擬實境體驗可以三維(three-dimensional; 3D)產生並且用於頭戴式顯示器(head-mounted display; HMD)觀看，諸如眼鏡或其他具有近眼顯示面板（諸如透鏡）的可穿戴顯示裝置，以顯示替代實際環境的虛擬實境環境。
然而，擴增實境實現了其中使用者仍可看穿眼鏡或其他HMD裝置的顯示透鏡以查看周圍環境，並且亦可看到為顯示產生並且作為環境的一部分出現的虛擬物體的圖像的體驗。擴增實境可包括任何類型的輸入，諸如音訊及觸覺輸入，以及虛擬圖像、圖形，及可增強或擴增使用者體驗的環境的視訊。作為一項新興技術，擴增實境面臨許多挑戰及設計約束。
光學元件用於幫助重疊圖像。經產生的光傳播穿過波導，直至光離開波導並且在周圍環境上重疊。波導包括多種元件結構，例如，光柵。在降低輸出信號中的信號損失中面對的挑戰之一是為視覺觀察者顯示具有足夠清晰度的圖像。解決此挑戰的傳統方法包括改變光柵或封裝層的厚度以調諧輸出信號的光學特性。然而，傳統的方法需要要求多個製程腔室的多個製程步驟以獲得波導（顯示器）的所需光學效能，如此增加了生產且降低了產量。
因此，仍然需要用於改良波導的系統及方法。
本文揭示了一種用於在跨基板表面的具有漸變折射率或深度的受控、離散區域中形成多維凹槽特徵的方法及裝置。在一個實例中，用於形成波導結構的方法包括在基板上的光柵層中形成複數個通道。每一通道部分地界定複數個光柵結構的一部分。該方法包括從具有頭部的施加器朝向複數個光柵結構排出電漿。電漿在大氣壓力下形成於頭部中。另外，該方法包括藉由從複數個光柵結構移除光柵材料來用電漿改變複數個光柵結構的深度。深度變化對應於複數個光柵結構的折射率變化。
在另一實例中，光學處理系統包括具有頭部的施加器。該頭部經配置以在其中形成電漿。非暫態電腦可讀媒體儲存指令。當該等指令由處理器執行時，導致在施加器中執行方法。該方法包括在基板上的光柵層中形成複數個通道。每一通道部分地界定複數個光柵結構的一部分。該方法另外包括從具有朝向複數個光柵結構的頭部的施加器排出電漿。電漿在大氣壓力下形成於頭部中。該方法包括藉由從複數個光柵結構移除光柵材料來用電漿改變複數個光柵結構的深度。深度變化對應於複數個光柵結構的折射率變化。
在又一實例中，光學處理系統包括經配置以形成電漿的施加器。非暫態電腦可讀媒體儲存指令。當該等指令由處理器執行時，導致在施加器中執行方法。該方法包括於大氣壓力下在施加器中形成電漿。該方法進一步包括在基板上的光柵層中形成複數個通道。每一通道部分地由複數個光柵結構的一部分界定。另外，該方法包括藉由從複數個光柵結構移除光柵材料來改變複數個光柵結構的折射率。折射率對應於複數個光柵結構的深度變化。光柵材料係藉由電漿移除。
本文揭示了用於形成具有漸變折射率的基板的裝置及方法。測量系統用於確定進入光學元件的光的量。在一個實例中，光學元件具有如在波導組合器中的輸入耦合區域、間歇區域及用於出射一定量的光的輸出耦合區域。在另一實例中，測量系統確定進入平坦光學元件的光量，該光學元件諸如具有帶複數個光學結構的超穎表面的波導。測量系統確定進入光學元件的光及離開光學元件的光的輪廓。輸入光及輸出光中的每一者形成輪廓，該輪廓包括非均勻的光強度。當光沿著光學元件的內表面行進和反射時，光可經由光柵繞射穿過光學元件的內表面逸出。因此，當光離開中間耦合或輸出耦合時，光柵結構表面上的強度輪廓會隨著光行進距離的增加而減小。輸出輪廓直接繞射到人眼中並用作光學元件效能的指示。因此，元件結構（亦即光柵）邊緣的模糊圖像可能增加。表示實際光輪廓的資料儲存於記憶體中並且用以產生二維表面輪廓，該二維表面輪廓將產生均勻的光輪廓。
本文揭示的裝置及方法包括從具有頭部的施加器朝向安置在基板上的複數個光柵結構排出電漿。電漿在大氣壓力下形成於頭部中。在一個實例中，材料層覆蓋基板。電漿在其中具有能夠與材料層的部分，或複數個光柵結構的部分反應且從而移除該等部分的反應物。另外，該方法包括藉由從複數個光柵結構移除光柵材料來用電漿改變複數個光柵結構的深度。施加器可相對於基板移動，以使得電漿頭能夠定位在基板表面的不同離散區域之上，包括在材料層之上，或在複數個光柵結構之上。材料層的離散部分藉由電漿蝕刻，以移除材料的一部分，並且從而在材料表面向內形成三維凹槽。
如本文所揭示的，產生二維表面輪廓可包括蝕刻光柵以改變波導組合器的光柵的高度。或者，產生二維表面輪廓包括沉積上覆層，諸如封裝層。在另一實例中，蝕刻及沉積用於產生二維表面輪廓。沉積封裝層或蝕刻光柵的傳統方法包括使用一或多個處理腔室來執行蝕刻、沉積及/或光微影。藉由利用大氣壓電漿噴流(atmospheric pressure plasma jet; APPJ)，可以傳統方法無法達成的方式獲得對整個光學元件的光柵深度、光柵折射率及封裝厚度的精確控制。如本文所揭示的，光學元件的繞射效率藉由修改上覆層的二維表面輪廓或光學元件的光柵的二維表面輪廓來增加。有利地，可以藉由用APPJ蝕刻且沈積以高產量及大氣壓力達成二維表面輪廓。
第1圖為具有複數個元件結構的光學元件101的示意俯視圖。應將理解，在一個實例中，本文描述的基板100為波導。如上所述，光學元件101是平坦光學元件，諸如具有複數個元件結構的超穎表面。在另一實例中，光學元件101為波導組合器，諸如具有複數個元件結構的擴增實境波導組合器。元件結構為具有亞微米尺寸的奈米結構，例如奈米尺寸的尺寸，諸如小於1 μm的臨界尺寸。基板100包括由複數個光柵108界定的輸入耦合區域102、由複數個光柵110界定的中間區域104及由複數個光柵112界定的輸出耦合區域106。輸入耦合區域102接收具有來自微顯示器的強度的入射光束（虛像）。複數個光柵108中的每一光柵將入射光束分成複數個模態，每一光束具有一個模態。
零階模態(T0)光束在基板100（即波導組合器）中折射回或丟失，正一階模態(T1)光束穿過基板100耦合至中間區域104，且負一階模態(T-1)光束在基板100中以與T1光束相反的方向傳播。入射光束被分成具有入射光束的所有強度的T1光束，以便將虛像引導至中間區域104。將入射光束分成具有入射光束的所有強度的T1光束的一種方法係最佳化複數個光柵108的每一光柵的傾斜角以抑制T-1光束和T0光束。T1光束穿過基板100經歷全內反射(total-internal-reflection; TIR)，直至T1光束與中間區域104中的複數個光柵110接觸。輸入耦合區域102的一部分可具有具一傾斜角的光柵108，該傾斜角不同於來自輸入耦合區域102的相鄰部分的光柵108的傾斜角。
T1光束接觸複數個光柵110中的一個光柵。T1光束被分成在基板100中折射回或丟失的T0光束、在中間區域104中經歷TIR直至T1光束接觸複數個光柵110中的另一光柵的T1光束，及穿過基板100耦合至輸出耦合區域106的T-1光束。在中間區域104中經歷TIR的T1光束繼續接觸複數個光柵110的光柵，直至穿過基板100耦合至中間區域104的T1光束的強度耗盡，或者穿過中間區域104傳播的剩餘T1光束到達中間區域104的末端。複數個光柵110必須經調諧以控制穿過基板100耦合至中間區域104的T1光束，以便控制耦合到輸出耦合區域106的T-1光束的強度，以調變自使用者的角度從微顯示器產生的虛擬圖像的視場，並且增加使用者可查看虛擬圖像的視角。控制穿過基板100耦合至中間區域104的T1光束的一種方法是最佳化複數個光柵110的每一光柵的傾斜角，以控制耦合至輸出耦合區域106的T-1光束的強度。中間區域104的一部分可具有具一傾斜角的光柵110，該傾斜角不同於來自中間區域104的相鄰部分的光柵110的傾斜角。此外，光柵110可具有不同於光柵108的傾斜角的傾斜角。
穿過基板100耦合至輸出耦合區域106的T-1光束在基板100中經歷TIR直至T-1光束接觸複數個光柵112中的一個光柵，其中T-1光束被分成在基板100中折射回或丟失的T0光束、在輸出耦合區域106中經歷TIR直至T1光束接觸複數個光柵112中的另一光柵的T1光束，及從基板100耦合出來的T-1光束。在輸出耦合區域106中經歷TIR的T1光束繼續接觸複數個光柵112的光柵，直至穿過基板100耦合至輸出耦合區域106的T-1光束的強度耗盡，或者穿過輸出耦合區域106傳播的剩餘的T1光束已到達輸出耦合區域106的末端。複數個光柵112必須經調諧以控制穿過基板100耦合至輸出耦合區域104的T-1光束，以便控制耦合至基板100之外的T-1光束的強度，以進一步調變自使用者的角度從微顯示器產生的虛擬圖像的視場，並且進一步增加使用者可查看虛擬圖像的視角。控制穿過基板100耦合至輸出耦合區域106的T-1光束的一種方法是最佳化複數個光柵112中的每一光柵的傾斜角，以進一步調變視場並且增加視角。中間區域104的一部分可具有具一傾斜角的光柵110，該傾斜角不同於來自中間區域104的相鄰部分的光柵110的傾斜角。此外，光柵112可具有不同於光柵108及光柵110的傾斜角的傾斜角。
基板100的材料包括但不限於矽(Si)、二氧化矽(SiO 2)、玻璃、塑膠、聚碳酸酯及含藍寶石材料中的一或多種。在一些實施例中，基板100包括摻雜玻璃。基板100可包括其他適當的材料，包括但不限於，非晶介電質、非非晶介電質、結晶介電質、氧化矽、聚合物，及上述材料的組合。在可與本文所述的其他實施例結合的一些實例中，基板包括透明材料。適當的實例可包括氧化物、硫化物、磷化物、碲化物或其組合。在一個實例中，基板包括矽(Si)、二氧化矽(SiO 2)、鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、藍寶石和諸如高折射率玻璃的高折射率透明材料。例如，基板100包括摻雜有重摻雜劑的玻璃，該重摻雜劑諸如鑭(La)、鋯(Zr)、鋅(Zn)等。基板100的材料進一步可具有可捲曲及可撓性的特性。在一個實例中，基板100的材料包括但不限於折射率介於約1.5與約2.4之間的材料。例如，基板100可為折射率介於約1.7和約2.4之間的摻雜的高折射率基板。
中間區域104的一部分可具有具一傾斜角的光柵110，該傾斜角不同於來自中間區域104的相鄰部分的光柵110的傾斜角。此外，光柵110可具有不同於光柵108的傾斜角的傾斜角。輸出耦合區域106的一部分可具有具一傾斜角的光柵112，該傾斜角不同於來自輸出耦合區域106的相鄰部分的光柵112的傾斜角。此外，光柵112可具有不同於光柵108及光柵110的傾斜角的傾斜角。
在本文描述的實例中，光柵108、110或112的深度可在輸入耦合區域102、中間區域104及/或輸出耦合區域106上變化。在一些實例中，光柵108、110或112的深度在光柵區域上平滑地變化。在一個實例中，光柵108、110或112的深度可跨越光柵區域從大約10 nm至大約500 nm的範圍內變化。在一實例中，在給定側的光柵面積的範圍可從大約20 mm至大約50 mm。因此，作為一個實例，光柵深度變化的角度可在0.0005度的數量級。
在本文描述的實例中，光柵108、110或112的折射率可在輸入耦合區域102、中間區域104及/或輸出耦合區域106上變化。在一些實例中，光柵108、110或112的折射率在光柵區域上平滑地變化。在一實例中，光柵108、110或112的折射率可跨越光柵區域從大約1.3至2.5的範圍內變化。在一實例中，光柵面積的範圍可從大約20 mm至大約50 mm。
第2圖為在大氣壓力下蝕刻及沉積安置在基板（例如，第1圖中的基板100）上的材料的方法200的流程圖。用於蝕刻及沉積安置在基板上的材料的方法200的不同階段在第2圖至第6D圖中示出。
方法200開始於操作204，在此操作處確定波導的度量，如第3圖中所示。第3圖是與第1圖所示的基板100相鄰的測量儀器300的示意性側視圖，示出了沿線A-A截取的橫截面。測量儀器300發送和接收進入和離開基板100的光312的信號304。測量儀器300確定進入輸入耦合區域102的光312的強度和離開中間區域104和輸出耦合區域106中的每一者的光312的強度。在本文中，光柵308係指第1圖中所示的光柵108、110或112的一或多者。在可與本文描述的其他實例結合的一個實例中，元件結構的區域對應於一或多個光柵308，例如第一光柵、第二光柵及第三光柵。在另一實例中，當設置在超穎表面上時，光柵308亦可被稱為複數個元件結構。光柵308形成於基板100上，並且光柵308具有形成於其間的複數個通道320。確定進入輸入耦合區域102的光柵308的光312的強度的輪廓316。輪廓316還包括與離開中間區域104及輸出耦合區域106中的每一者的光柵308的光312的強度相對應的資料。光柵308大體上是均勻的。輪廓316的光強度是不均勻的，因為光強度在中間區域104及輸出耦合區域106的長度上減小。在一個實例中，測量儀器300是光學測量元件，諸如雷射。在一個實例中，光柵308是藉由微影及乾式蝕刻製程產生，其在下文更詳細地論述。
在操作208處，確定的度量經校正並載入至經配置以形成電漿424的施加器404中。第4圖圖示安置在適用於處理第1圖中所示的基板100的環境401之內的施加器404。施加器404經耦接至控制器428。在一個實例中，一或多個傳輸線452將控制器428連接至主體412。由測量儀器300產生的輪廓316用於產生上載至控制器428的目標輪廓。目標輪廓校正輪廓316中的非均勻性。目標輪廓包括表示光柵308的結構細節及折射率的資料。
施加器404包括頭部408及主體412。主體412穿過一或多個傳輸線452電耦接至電源420。電源420接地。氣源416與主體412流體耦合，並經配置以向主體412的內部空間提供氣體。在一個實例中，提供至主體412的內部空間的氣體為氬氣(Ar)、氦氣(He)、氮氣(N 2)、氧氣(O 2)或氫氣(H 2)中的一或多者。施加器的直流電源在約5 kV與約15 kV之間，例如約10 kV或12 KV。在另一實例中，施加器404的直流電源在大約10 kHz至大約100 kHz之間。施加在約300 W與約5 Ghz之間，例如約1 Ghz或約2 GHz的射頻(radio frequency; RF)功率。
在一個實例中，方法200進行至操作212，其中在大氣壓力下蝕刻基板100的光柵308。電漿功率、頭部至基板的距離以及相對於基板的相對頭部速度為可創建目標輪廓的參數。在一個實例中，距離456在約0.5 mm至約10 mm之間。在另一實例中，距離456在大約1.5 mm與大約7 mm之間，例如大約6 mm。在又一實例中，距離456在大約2.0 mm與大約5.5 mm之間，例如大約5 mm。在另一實例中，距離456在大約3.5 mm與大約4.5 mm之間，例如大約3.75 mm或大約4.25 mm。頭部408相對於基板100的相對速度在約1 mm/s至約30 mm/s之間，諸如約2.5 mm/s或約3.25 mm/s。在本揭示案的另一實例中，相對速度為約5 mm/s至約25 mm/s，例如約17 mm/s或約20.5 mm/s。在又一實例中，相對速度在約7.5 mm/s與約15 mm/s之間，諸如約10 mm/s或約12.5 mm/s。
在一個實例中，當氣體被引入至施加器404的主體412中時，在環境401中形成電漿424。當藉由施加電源420使氣體在電漿424內分離時產生離子。離子朝向基板100被排出，並且在與光柵308碰撞時，離子從光柵308移除分子。從施加器404的頭部408至基板100的距離456係由目標輪廓的參數控制。控制至基板100的距離456以移除部分光柵308，直至達成目標輪廓。目標輪廓可包括輸入輪廓444及輸出輪廓448的每一者或兩者。在一個實例中，施加器404為大氣壓電漿噴流(APPJ)。
當光312進入輸入耦合區域102時，隨著光312行進基板100的長度460，光312在基板100的頂表面與底表面之間得以反射。沿著基板100的長度460的光312的強度隨著與輸入耦合區域102的距離的增加而降低。輸出輪廓448使光輪廓454能夠在光柵308上均勻，從而減少光柵308周邊附近的模糊或其他視覺缺陷。因此，輸出輪廓448增加了中間區域104及輸出耦合區域106的繞射效率。
控制器428向耦合至施加器404的主體412、氣源416或電源420的至少一或多個電極（未示出）發送信號。控制器428包括彼此耦接的處理器432、記憶體436及支援電路440。處理器432可為任何形式的通用微處理器或通用中央處理單元(central processing unit; CPU)中的一者，其中的每一者皆可以用於工業設置，諸如可程式邏輯控制器(programmable logic controller; PLC)、監控及資料採集(supervisory control and data acquisition; SCADA)系統或其他適當的工業控制器。記憶體436為非暫態的並且可為一或多個易於獲取的記憶體，諸如隨機存取記憶體(random access memory; RAM)、唯讀記憶體(read only memory; ROM)，或者本端或遠端的任何其他形式的數位儲存。記憶體436包含當由處理器432執行時，促進方法200的執行的指令。記憶體436中的指令為程式產品的形式，諸如實施本案之方法的程式。程式產品的程式碼可符合多種不同程式語言中之任一者。說明性的電腦可讀儲存媒體包括但不限於：(1)其上永久儲存資訊的非可寫儲存媒體（例如，在電腦之內的唯讀記憶體裝置，諸如由緊密光碟-唯讀記憶體(Compact Disk-Read Only Memory; CD-ROM)驅動器可讀的CD-ROM磁碟、快閃記憶體、唯讀記憶體晶片，或任何類型的固態非揮發性半導體記憶體）；及(2)其上儲存可改寫資訊的可改寫儲存媒體（例如，硬碟驅動器或任何類型的固態隨機存取半導體記憶體）。該等電腦可讀儲存媒體當攜帶導引本文所述的方法之功能的電腦可讀指令時，為本案之實例。操作212可直接進行至在下文詳細揭示的操作216，如第3圖中所示。在又一實例中，方法200從操作208進行至操作216。
在操作216處，上覆層500在大氣壓力下沉積於基板100上，如第5A圖中所示。具有大體上平坦表面504的上覆層500在基板100上沉積至所需厚度。在一個實例中，上覆層500為封裝層。封裝層包括諸如金屬及具有變化介電常數和折射率的介電質的材料。封裝層降低基板100上的眩光或反射。上覆層500可經沉積至深度512及指定長度460。
在一個實例中，上覆層500係使用FCVD、PVD或旋塗方法之一者施加至光柵308。在另一實例中，電漿424由施加器404在環境401中形成以沉積上覆層500。上覆層500係藉由用電漿424蒸發前驅物而形成。上覆層500的示例性材料包括聚醯亞胺、聚醯亞胺混合物、金屬有機聚醯亞胺混合物、金屬氧化物、金屬氮化物、Al 2O 3、SiO 2、TiO、TaO、AlN、SiN、SiO xN x、TiN、TaN中的至少一者，形成基板100或任何一個光柵308的材料的任一者。
在一個實例中，本文的上覆層500能夠控制沿著光柵308的繞射效率。與未封裝的光柵（亦即，無覆蓋層500的光柵）相比，覆蓋層500的低折射率對比度（例如，大約0.2或更小）降低了繞射效率。不具有上覆層500的元件結構可由與表面接觸的空氣（亦即，折射率為1）包圍，或者可包括具有低折射率（例如，折射率對比度大於約0.2）的全局封裝劑。在一些實施例中，光柵308的繞射效率可為約2.5%或更小，或者從約1%至約50%，諸如從約1%至約40%，諸如從約1%至約30%，諸如從約1%至約20%，諸如從約1%至約10%，諸如從約1%至約5%，諸如從約1%至約2.5%，或者從約2.5%至約5%，或者從約5%至約10%，或者從約10%至約20%，或者從約20%至約30%，或者從約30%至約40%，或者從約40%至約50%。
上覆層500具有從約1.6至約2.4，諸如從約1.7至約2.3，諸如從約1.8至約2.2，諸如從約1.8至約2，諸如從約1.9至約2，或諸如從約1.95至約2的折射率。或者，上覆層500具有從約2至約2.2，諸如從約2至約2.1，諸如從約2至約2.05，諸如約2，或者從約1.8至約1.85的折射率。在另一實例中，上覆層500具有從約1.85至約1.9，或者從約1.9至約1.95，或者從約1.95至約1.96，或者從約1.96至約1.97，或者從約1.97至約1.98的折射率。在又一實例中，上覆層500具有從約1.98至約1.99，或者從約1.99至約2，或者從約2至約2.01，或者從約2.01至約2.02，或者從約2.02至約2.03的折射率。上覆層500的另一示例性折射率為從約2.03至約2.04，或者從約2.04至約2.05，或者從約2.05至約2.1，或者從約2.1至約2.2，或者從約1.95至約2.05。
在另一實例中，上覆層500為遮罩層。遮罩可由光阻劑、硬遮罩材料或其他適當的材料形成。光阻劑可為正性光阻劑及/或負性光阻劑，每一者皆能夠進行化學放大反應。在一個實例中，遮罩層為有機聚合物材料。其他適當的材料可用於遮罩，包括其他含氟聚合物。在另一實例中，遮罩可為正性或負性光阻劑、含金屬硬遮罩、含碳硬遮罩、有機平坦化層(organic planarization layer; OPL)及其他適當的硬遮罩材料中的至少一者。
在另一實例中，上覆層500為灰階阻劑，或灰階遮罩。灰階阻劑可以任何圖案沉積以產生基板100的所需深度及形狀。可使用灰調微影（亦稱為灰階微影）來創建不同深度的光柵308。灰階微影為一種一步製程，該製程用於使用光學灰調（或灰階）遮罩在光阻劑層中創建三維微結構。灰階遮罩令不同量的光穿過以創建深度調變光柵308。使用灰階微影來創建深度調變光柵308允許更少的處理操作並增加表面輪廓508的楔形分辨率。作為一個實例，表面輪廓508可具有凹形或凸形圖案。在另一實例中，可使用一維或二維灰階遮罩圖案來成形光柵308的光柵高度。此外，每個光柵308可具有相對於平坦表面504測量的角度520。例如，角度520為約0度至約70度。
如第5B圖中所示，在操作220處，上覆層500的部分係藉由用來自施加器的電漿424蝕刻來移除。表面輪廓508對應於上覆層500或基板100的折射率。表面輪廓508包括深度512、表面角度516和長度460參數。諸如從施加器404的頭部408至基板100的距離456（如第4圖中所示）的額外參數經控制以蝕刻上覆層500，直至獲得表面輪廓508。如上所述，亦可調整調節參數（諸如電漿功率及相對於基板100的長度460的施加器404的速度）以產生表面輪廓508。在一個實例中，表面輪廓508可包括相對於基板100具有線性或非線性斜率（亦即，非線性漸變）的部分。另外，表面輪廓508可包括相對於基板100振盪的若干部分。
在操作224處，折射體600在大氣壓力下沉積於基板100上。折射體600具有平坦表面601並且包括第一折射層604及第二折射層608。儘管第二折射層608經示為單個特徵，但是第二折射層608可包括額外的折射層。因此，第二折射層608可包括具有不同折射率的額外單個層。因此，從第一折射層604至第二折射層608的折射體600組成的變化是漸變的。除非另有說明，折射體600經沉積以使得在第一折射層604與第二折射層608之間沒有觀察到明顯的或可見的層。有利地，折射體600的折射率獨立於折射體600的厚度而逐漸調變。如第6A圖中所示，折射體600的折射率沿著基板100的長度460調變。在另一實例中，折射體600的折射率在垂直於長度460的方向上調變。折射體600的繞射效率係藉由在折射層604、608的沉積期間應用不同的材料而改質。
如圖所示，在第6A圖中，第一折射層604經沉積為與第二折射層608接觸並且相鄰。第6A圖至第6D圖為在沉積且移除具有不同折射率的上覆層期間基板100的示意性截面圖。
來自氣源416的一或多種氣體流入環境401以使用施加器404將折射體600（亦即，第一折射層604及第二折射層608）沉積至基板100上。示例性前驅物氣體包括氮氣(N 2)、二氧化氮(NO 2)、氟氣(F 2)、氧氣(O 2)、氫氣(H 2)、蒸氣形式的H 2O、甲烷(CH 4)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH 4)、二氧化碳(CO 2)、氬氣(Ar)及氦氣(He)。
第一折射層604可為溶膠-凝膠溶液或奈米顆粒溶液。第一溶液可包括二氧化矽(SiO 2)、碳氧化矽(SiOC)、二氧化鋯(ZrO 2)及/或二氧化鈦(TiO 2)。第一溶液中的SiO 2、SiOC、ZrO 2及/或TiO 2的比例經控制以產生第一折射率。例如，第一溶液可包含TiO 2與SiO 2、SiOC及/或ZrO 2的第一比率。在一個實施例中，SiO 2的溶膠-凝膠前驅物可包括原矽酸四甲酯(TMOS)、甲基-三甲氧基-矽烷(MTMS)及正矽酸乙酯(TEOS)。
第二折射層608可包括第二溶液。第二溶液可為溶膠-凝膠溶液或奈米顆粒溶液。第二溶液可包括SiO 2、SiOC、ZrO 2及/或TiO 2。第二溶液中的SiO 2、SiOC、ZrO 2及/或TiO 2的比例經控制以產生第二折射率。第二折射率可不同於第一折射率。例如，第二溶液可包含具有比第一比率更高的TiO 2與SiO 2、SiOC及/或ZrO 2的比率的第二比率，以導致第二折射率具有比第一折射率更高的折射率；或者該第二比率可以具有比第一比率更低的TiO 2與SiO 2、SiOC及/或ZrO 2的比率，以導致第二折射率具有比第一折射率更低的折射率。
第一折射層可包括第一材料，且隨後的折射層可包括不同於第一材料的第二材料。一系列具有變化介電常數及折射率的金屬及/或介電質的折射層，例如漸變抗反射塗層(anti-reflective coating; ARC)，可減少眩光、反射或模糊。封裝層的折射率可從超過大約2.0調諧至大約1.47。折射體600的折射率的示例性範圍可在大約1.5與大約2.0之間，例如大約1.75。在另一實例中，折射體600的折射率可在大約1.0與大約1.5之間，例如大約1.47。在又一實例中，折射體600的折射率可在大約1.0與大約1.5之間，例如約1.48或約1.49；或在大約1.0與大約1.5之間，例如約1.47。
第一折射層及隨後的折射層（例如第二折射層）中的每一者，可具有從約1.6至約2.4，諸如從約1.7至約2.3，諸如從約1.8至約2.2，諸如從約1.8至約2，諸如從約1.9至約2，或諸如從約1.95至約2的折射率。或者，上覆層500具有從約2至約2.2，諸如從約2至約2.1，諸如從約2至約2.05，諸如約2，或者從約1.8至約1.85的折射率。在另一實例中，上覆層500具有從約1.85至約1.9，或者從約1.9至約1.95，或者從約1.95至約1.96，或者從約1.96至約1.97，或者從約1.97至約1.98的折射率。在又一實例中，上覆層500具有從約1.98至約1.99，或者從約1.99至約2，或者從約2至約2.01，或者從約2.01至約2.02，或者從約2.02至約2.03的折射率。上覆層500的另一示例性折射率為從約2.03至約2.04，或者從約2.04至約2.05，或者從約2.05至約2.1，或者從約2.1至約2.2，或者從約1.95至約2.05。
在第6B圖中所示的另一實例中，上覆層500形成在折射體600上且與折射體600接觸。上覆層500可為使用施加器404與折射體600接觸並沉積在折射體600上方的遮罩層。折射率圖案經程式化至控制器428中以匹配目標輪廓。開口612穿過上覆層500，暴露折射體600的平坦表面601的一部分。如上文在操作216處所述，上覆層500可藉由FCVD、PVD、旋塗沉積，或者在環境401中經由來自施加器404的點燃電漿來沉積。在一個實例中，執行微影以將圖案轉移至折射體600中。遮罩層的材料包括任何硬遮罩材料，例如光阻劑、SiO 2、Cr。
在操作228處，折射體600係使用施加器404來蝕刻。可執行蝕刻製程，如上文在操作212處或在操作220處所述，以移除折射體600的部分，從而形成具有變化折射率的漸變折射光柵616，如第6C圖中所示。因此，光柵308包括第一折射層604及第二折射層608的部分。第二折射層608可包括具有變化折射率的額外單個層。如所示出的，每個光柵308可具有相對於平坦表面601測量的角度520。角度520可為例如約0度至約80度，例如約70度。在另一實例中，角度520在大約5度與大約65度之間，例如大約45度或大約55度。
如第6D圖中所示，具有調變折射率的表面輪廓620形成於折射體600中。表面輪廓620係基於上文所述的目標輪廓。電漿424用於將表面輪廓620蝕刻至折射體600的平坦表面601中。折射體600包括第一折射層604及第二折射層608。表面輪廓620包括深度512、表面角度516和長度460參數。如上所述，亦可調整從施加器404的頭部408至基板100的距離456、電漿功率，及施加器404相對於基板100的長度460的速度以產生表面輪廓620。表面輪廓620可包括具有線性或非線性斜率的部分，並且可包括相對於基板100振盪的若干部分。在一實個例中，表面輪廓620包括疏水的部分和親水的另一部分。在一個實例中，折射體600在操作224處沉積並且上覆層500在操作216處沉積。方法200可隨後進行至其中蝕刻上覆層500的操作220。開口612經由光微影在上覆層500中形成。方法隨後進行至其中蝕刻折射體600的操作228。在一個實例中，漸變折射光柵616係如第6C圖中所示形成。在另一實例中，表面輪廓620係如第6D圖中所示形成。此外，在又一實例中，折射體600以與如沉積折射體600大體上相同的方式沉積有表面輪廓620，如第6A圖中所示；或折射體600以與如沉積上覆層500大體上相同的方式沉積有表面輪廓620，如第5A圖至第5B圖中所示。
在一個實例中，在操作232處，方法200返回至操作212。在一個實例中，光柵308經蝕刻，而在另一實例中，漸變折射光柵616經蝕刻。重複方法200，直至光柵308達到目標輪廓，從而產生均勻的光輪廓454。在另一實例中，重複方法200，直至達成目標輪廓並且均勻的光輪廓454離開漸變折射光柵616。在其他實例中，如第2圖中所示，操作216或操作224可進行至操作232。
在又一實例中，方法200在操作232處直接返回至操作224，並且沉積第二折射層608的後續層。重複方法200，直至折射體600具有期望的折射率。在又一實例中，方法200在操作232處返回至操作220，其中上覆層500的另一部分經蝕刻為具有表面輪廓508。重複方法200直至上覆層508具有期望的表面輪廓508。在另一實例中，亦可重複方法200直至折射體600具有期望的表面輪廓620。
第7A圖至第6C圖為第4圖中所示的施加器404的頭部408的替代實例。在一個實例中，頭部408為具有開口716的噴嘴704，電漿424的射流穿過開口716被排出，如第7A圖中所示。在另一實例中，頭部408為具有矩形開口720的四邊形頭部708。如第6B圖中所示，四邊形頭部708具有大體上矩形的周邊，但不限於此類佈置。在另一實例中，四邊形頭部708大體上為正方形。在第7C圖中所示的又一實例中，頭部408為陣列712，該陣列712具有n×m個開口716。在非限制性實例中，圖示了開口716的4×5陣列712。本文的揭示內容不限於該佈置並且包括其中n值不等於m值的陣列，例如5×4、2×3或5×9的開口716陣列。示例性陣列712亦包括其中n值等於m值的正方形陣列，例如3×3、5×5或10×10的開口716陣列。噴嘴704、四邊形頭部708及陣列712中的每一者可與方法200一起使用以達成目標輪廓，如本文所揭示。
本文揭示了一種用於形成具有漸變折射率的基板的方法及裝置。有利地，獲得了對橫跨波導的光柵深度、光柵折射率及封裝厚度的精確控制。雖然前述內容係針對特定實例，但是可在不背離本案的基本範疇的情況下設計其他實例，且本發明的範疇由以下的申請專利範圍確定。
100:基板 101:光學元件 102:輸入耦合區域 104:中間區域 106:輸出耦合區域 108:光柵 110:光柵 112:光柵 200:方法 204:操作 208:操作 212:操作 216:操作 220:操作 224:操作 228:操作 232:操作 300:測量儀器 304:信號 308:光柵 312:光 316:輪廓 320:通道 401:環境 404:施加器 408:頭部 412:主體 416:氣源 420:電源 424:電漿 428:控制器 432:處理器 436:記憶體 440:支援電路 444:輸入輪廓 448:輸出輪廓 452:傳輸線 454:光輪廓 456:距離 460:長度 500:上覆層 504:平坦表面 508:表面輪廓 512:深度 516:表面角度 520:角度 600:折射體 601:平坦表面 604:第一折射層 608:第二折射層 612:開口 616:漸變折射光柵 620:表面輪廓 704:噴嘴 708:四邊形頭部 712:陣列 716:開口 720:矩形開口 A-A:線
為了能夠詳細理解本案之上述特徵，可經由參考本文中的實例來獲得簡要概述於上文的本案之更特定描述，該等實例之一些實例圖示於附圖中。然而，應注意附圖僅圖示實例，並且因此不被視為限制本案的範疇。因此，附圖能夠實現其他同等有效的實例。
第1圖為具有複數個裝置結構的光學元件的示意俯視圖。
第2圖為第1圖中的基板的沉積及蝕刻的不同階段的一個實例的流程圖。
第3圖為如沿著線A-A所示，經配置以確定進入且離開第1圖中所示的基板的光的輪廓的測量儀器的示意側視圖。
第4圖圖示安置在適用於處理第1圖中所示的基板的環境之內的施加器。
第5A圖至第5B圖為在上覆層的沉積及蝕刻的不同階段期間的上覆層的示意截面圖。
第6A圖至第6D圖是在折射體的沉積及蝕刻的不同階段期間具有各種折射率的折射體的示意截面圖。
第7A圖至第7C圖為第4圖中所示的施加器的頭部的替代實例。
為了促進理解，在可能的情況下，已使用相同的元件符號來指示具有共用特徵的相同元件。可以預期，一個實例的元件及特徵可有利地併入其他實例，而無需進一步敘述。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
200:方法
204:操作
208:操作
212:操作
216:操作
220:操作
224:操作
228:操作
232:操作

Claims (20)

  1. 一種形成一波導結構的方法，包含以下步驟： 從具有一頭部的一施加器朝向形成於一基板上的複數個光柵結構排出電漿，該電漿在大氣壓力下形成於該頭部中；以及 藉由從該複數個光柵結構移除光柵材料來用該電漿改變該複數個光柵結構的一深度。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包含以下步驟：藉由用該電漿蒸發一前驅物來沉積在該等光柵結構上且與該等光柵結構接觸的一上覆層，其中該上覆層為一光阻劑層、一封裝層，或一沉積層的至少一者。
  3. 如請求項2所述之方法，進一步包含以下步驟：在大氣壓力下使用形成於該施加器的該頭部中的一電漿來移除該上覆層的一部分。
  4. 如請求項1所述之方法，其中改變該複數個光柵結構的一深度之步驟包含以下步驟：從該基板的一第一端傾斜至該基板的一第二端。
  5. 如請求項4所述之方法，其中該波導結構的一折射率相對於該複數個光柵結構的該深度從該第一端至該第二端線性變化。
  6. 如請求項4所述之方法，其中該波導結構的一折射率相對於該複數個光柵結構的該深度從該第一端至該第二端非線性變化。
  7. 如請求項4所述之方法，其中該波導結構的一折射率相對於該複數個光柵結構的該深度從該第一端至該第二端振盪。
  8. 如請求項1所述之方法，進一步包含以下步驟： 產生相對於該複數個光柵結構移動該施加器的該頭部的一表面輪廓；以及 基於表示一目標輪廓的資料，從該複數個光柵結構移除光柵材料。
  9. 如請求項2所述之方法，其中該上覆層的一表面輪廓係藉由改變一電漿功率、從該施加器的該頭部頭部至該基板的一表面的一距離，或者相對於該基板的該表面的一頭部速度來變化。
  10. 如請求項1所述之方法，進一步包含以下步驟： 產生相對於該複數個光柵結構移動該施加器的該頭部的一表面輪廓；以及 基於表示一目標輪廓的資料，在該等光柵結構上沉積材料。
  11. 一種形成一波導結構的方法，包含以下步驟： 從具有一頭部的一施加器朝向形成於一基板上的複數個光柵結構排出電漿，該電漿在大氣壓力下形成於該頭部中；以及 藉由用該電漿蒸發一前驅物在該複數個光柵結構上沉積一層。
  12. 如請求項11所述之方法，其中該層的一表面輪廓係藉由改變一電漿功率、從該施加器的該頭部至該基板的一表面的一距離，或者相對於該基板的該表面的一頭部速度來變化。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該層係從選自包含氮氣(N 2)、二氧化氮(NO 2)、氟氣(F 2)、氧氣(O 2)、氫氣(H 2)、蒸氣形式的H 2O、甲烷(CH 4)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH 4)、二氧化碳(CO 2)、氬氣(Ar)及氦氣(He)的一或多者的群組的該前驅物形成。
  14. 如請求項11所述之方法，進一步包含以下步驟：在大氣壓力下使用一電漿從該施加器移除該層的部分以產生該沉積層的一所需表面輪廓。
  15. 如請求項14所述之方法，其中該層的該所需表面輪廓係藉由改變一電漿功率、從該施加器的該頭部至該基板的一表面的一距離，或者相對於該基板的該表面的一頭部速度來變化。
  16. 一種形成一波導結構的方法，包含以下步驟： 從具有一頭部的一施加器朝向一基板排出電漿，該電漿在大氣壓力下形成於該頭部中； 藉由用該電漿蒸發一前驅物在該基板上沉積一或多個折射層； 在該一或多個折射層上沉積一上覆層；以及 藉由穿過該上覆層蝕刻一或多個折射層形成一折射光柵結構。
  17. 如請求項16所述之方法，進一步包含以下步驟： 藉由在該一或多個折射層中蝕刻通道來在該折射光柵結構之內形成複數個光柵及複數個通道。
  18. 如請求項16所述之方法，其中該前驅物係選自包含氮氣(N 2)、二氧化氮(NO 2)、氟氣(F 2)、氧氣(O 2)、氫氣(H 2)、蒸氣形式的H 2O、甲烷(CH 4)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH 4)、二氧化碳(CO 2)、氬氣(Ar)及氦氣(He)的一或多者的群組。
  19. 如請求項17所述之方法，其中該複數個光柵的一深度變化具有一表面輪廓，該表面輪廓具有從該折射光柵結構的一第一端至一第二端線性變化的一斜率。
  20. 如請求項16所述之方法，進一步包含以下步驟： 藉由在該一或多個折射層中蝕刻該等通道來在該折射光柵結構之內形成複數個光柵及複數個通道，其中該複數個光柵相對於該基板以在約5度與約65度之間的一角度形成。
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