TWI747004B - 用於波導件之結構 - Google Patents
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Abstract
揭露一種具光柵結構之設備及用於形成該設備之方法。該光柵結構包括，在光柵層中的凹部。在該光柵層中形成複數個通道，以在該光柵層中界定斜向光柵結構。該凹部和斜向光柵結構是使用選擇性蝕刻製程形成。
Description
本案揭露內容的實施例大致關於用於顯示器設備的方法和設備。更具體而言，本案揭露內容關於用於波導件(waveguide)中的光柵(grating)結構。
虛擬實境一般是視為電腦生成的模擬環境，其中使用者明顯地以實體存在。虛擬實境的體驗能以3D生成，且利用頭戴式顯示器(HMD)(諸如眼鏡，或具有作為鏡頭的近眼顯示面板的其他可穿戴顯示器設備)來觀看，以顯示取代真實環境的虛擬環境。
然而，擴增實境實現了一種體驗，在該體驗中，使用者仍然能夠透過眼鏡或其他HMD裝置的顯示器鏡頭觀看，以觀察真實的周圍環境，還能夠看見為顯示器而生成、且作為真實環境的一部分顯現的虛擬物體的影像。擴增實境能夠包括任何類型的輸入，例如聽覺和觸覺輸入，以及虛擬影像和影片，而增強或擴增使用者所體驗的環境。作為新興技術，擴增實境存在許多挑戰和設計上的限制。
一項這樣的挑戰是，要顯示覆蓋在周圍環境上的虛擬影像，同時也要具有來自各使用者觀看視角的足夠清晰度。例如，如果使用者的眼睛並未與正在顯示的虛擬影像準確對齊，則使用者可能會看見扭曲的、不清晰的影像，或者可能無法完整地觀看影像。此外，影像可能是模糊的，並且從非最佳視角有低於期望的解析度。
因此，需要製造擴增實境顯示器裝置的改良方法。
本案揭露內容大致上關於用於顯示器設備的方法和設備。更具體而言，本案揭露內容關於用於波導件的光柵結構。
在一個實施例中，提供一種用於波導件的結構。該結構具有基板，在該基板上有光柵層。在該光柵層中形成有第一端和第二端的凹部。該凹部的深度從第一端到第二端變化。在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。該複數個光柵結構也具有從凹部所界定的第一端到第二端的深度變化。
在另一實施例中，提供一種用於波導件的結構。該結構包括基板，該基板上有光柵層。在光柵層中以第一方向和第二方向形成凹部。該凹部具有一深度，該深度在第一方向和第二方向上變化，而界定三維形狀。在該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。該複數個光柵結構也具有在凹部所界定的第一方向和第二方向上變化的深度。
在又一實施例中，提供一種形成光柵結構的方法。該方法包括，在光柵層中形成凹部，在光柵層上方形成硬遮罩和光阻劑堆疊，蝕刻該光阻劑堆疊，以及在該光柵層中形成複數個光柵結構。
揭露一種具有光柵結構的設備及用於形成該設備之方法。該光柵結構包括光柵層中的凹部。在該光柵層中形成複數個通道，以在該光柵層中界定斜向的光柵結構。使用選擇性蝕刻製程形成該凹部和該斜向的光柵結構。
圖1是在顯示器設備100中實行的波導件104之概略剖面圖。顯示器設備100組裝成用於擴增、虛擬、及混合或合併的實境應用以及諸如手持顯示器裝置的其他顯示器應用。
顯示器設備100利用波導件104以透過該波導件104透視觀看周圍環境130，例如供使用者從使用者的視角101觀看周圍環境130。當在顯示器設備100中實行時，波導件104的第一表面122配置成鄰近且面向使用者的眼睛111。波導件104的第二表面124配置成與第一表面122相對，並且鄰近且面向周圍環境130。儘管將波導件104繪示成平面，但取決於期望的應用，考量波導件104可以是彎曲的或成角度的。
顯示器設備100進一步包括影像微顯示器128，以將生成的虛擬影像的光束120引導到波導件104中。虛擬影像的光束120在波導件104中傳播。大體上，波導件104包括輸入耦合區域106、波導區域108、和輸出耦合區域110。輸入耦合區域106接收來自影像微顯示器128的光束120（虛擬影像），並且該光束120行進通過波導區域108至輸出耦合區域110，在該處使用者的視角101和視野實現了覆蓋在周圍環境130上的虛擬影像的可視化。影像微顯示器128是高解析度顯示器產生器，諸如矽微顯示器上的液晶，該產生器將虛擬影像的光束120投射至波導件104中。
波導件104包括輸入光柵結構112和輸出光柵結構114。輸入光柵結構112形成於波導件104上位於對應於輸入耦合區域106的區域中。輸出光柵結構114形成在波導件104上，位於對應輸出耦合區域110的區域中。輸入光柵結構112和輸出光柵結構114影響波導件104內的光傳播。舉例而言，輸入光柵結構112耦合引入來自影像微顯示器128的光（諸如光束120），而輸出光柵結構將光向外耦合至使用者的眼睛111。
例如，輸入光柵結構112影響在使用者眼睛111處顯示的虛擬影像之視野。輸出光柵結構114影響從波導件104收集和向外耦合（outcouple）的光束120的量。此外，輸出光柵結構114調控使用者的視角101的虛擬影像的視野，並且增加使用者能夠觀看來自影像微顯示器之虛擬影像的視角。在另一範例中，光柵結構（圖中未示）也形成在介於輸入耦合區域106和輸出耦合區域110之間的波導區域108中。此外，多個波導件104（每一波導件104中形成有期望的光柵結構）能夠用於形成顯示器設備100。
圖2是波導件200的剖面放大部分，該波導件200用於在該波導中形成光柵結構280（圖5）。在此範例中，波導件200具有基板202，該基板202上形成有蝕刻停止層204。該基板202是由光學透明材料製成，諸如矽。該蝕刻停止層204形成在基板202上方。該蝕刻停止層204是例如透過化學氣相沉積（CVD）製程、物理氣相沉積（PVD）製程、或旋轉塗佈製程形成。該蝕刻停止層204由諸如尤其是氮化鈦或氮化鉭等材料形成，該等材料能抗蝕刻製程。
在蝕刻停止層204上形成光柵層206。該光柵層206由光學透明材料形成。一個範例中，光柵層206由基於矽之材料（諸如氮化矽或氧化矽）或基於鈦之材料（諸如氧化鈦）形成。該光柵層206的材料具有高折射率，諸如約1.3或更高，例如1.5，或甚至更高。一般而言，光柵層206的厚度小於約1微米，諸如介於約150nm和約700nm之間。例如，該光柵層206之厚度介於約200nm和約600nm之間，諸如在約300nm和約500nm之間，諸如約400nm。
在形成光柵層206之後，在該光柵層206中形成凹部220。該凹部220可為任何合適的凹陷結構和形狀，包括但不限於：楔形形狀、截頭錐形狀、圓錐形狀、或類似形狀。如圖2所描繪，凹部220具有平面和斜角的楔形結構，且有在第一端230和第二端232之間的長度L。凹部220的深度D從第一端230增加到第二端232。即，凹部220的深度D在第一端230處最小並且在第二端232處最大。該深度D在約0nm至約700nm的範圍內，諸如介於約100nm至約600nm之間，諸如介於約200nm和約500nm之間。例如，深度D介於約300nm和約400nm之間，諸如約350nm。在圖2的實施例中，長度L與深度D相比實質上較大。例如，長度L約為25mm，而第一端230處的深度D在約0nm至約50nm之間，且第二端232處的深度D在約250nm至約700nm之間。因此，凹部220具有實質上淺的斜面（顯示為角度Θ），該角度Θ是在凹部220之表面和由光柵層206之表面206a界定的平面之間測量。在此範例中，角度Θ小於1度，諸如小於0.1度，如約0.0005度。為清楚起見，凹部220的斜面在此以誇大的角度Θ示出。
在一個範例中，藉由選擇性蝕刻光柵層206的多個區域，而形成凹部220。例如，藉由以低蝕刻速率及/或低功率蝕刻光柵層206，而形成凹部220的第一部分220a。藉由以比部分220a增加的蝕刻速率及/或功率蝕刻光柵層206，而形成第二部分220b。類似地，藉由以比部分220a、220b更高的蝕刻速率及/或功率蝕刻光柵層206，而形成第三部分220c。在此，使用三個部分以進行說明。然而，可使用任何期望數量的部分形成凹部220，且在單個操作步驟或在多個步驟中蝕刻任何期望數量的部分。另外，蝕刻可以以平滑增加的間隔（即，蝕刻速率及/或功率）發生，使得凹部220具有光滑的表面。在一個範例中，在形成凹部220之前，界定用於光柵結構280的區域，這是諸如藉由使用遮罩（例如，光微影遮罩或接近遮罩）或蝕刻光束而達成。與粗糙（即，階梯狀或類似形式）結構相比，藉由更好地控制光束的繞射和投射，形成有光滑輪廓的凹部220改善了影像品質。因此，遍及光柵結構280向外耦合的光的功率明顯更均勻。
圖3是波導件200的剖面，在該波導件200上形成有光阻劑堆疊250。在光柵層206上方形成共形硬遮罩208。該硬遮罩208例如是使用化學氣相沉積製程由氮化鈦形成。在一個範例中，硬遮罩208的厚度在約30nm和約50nm之間，諸如在約35nm和約45nm之間。光阻劑堆疊250包括背抗反射塗層（BARC）210、矽抗反射塗層（SiARC）212、和光阻劑214。使用旋轉塗佈製程形成BARC 210，使得BARC 210的上表面210a實質上呈平面（即，平行於基板202的表面202a）。透過使用旋轉塗佈製程形成BARC 210，不需要蝕刻製程或研磨製程以平坦化BARC 210，這消除了過度蝕刻或損壞薄BARC 210及/或下方的光柵層206的可能性。
接著，在BARC 210上方形成SiARC 212。使用例如化學氣相沉積製程或旋轉塗佈製程由基於矽之材料形成SiARC 212。在SiARC 212上方形成光阻劑214。使用例如微影製程由聚合物材料形成光阻劑214。在一個範例中，該光阻劑214是透過下述方式形成：使用旋轉塗佈形成光阻劑214，曝光一或多個光柵線，並使光阻劑214顯影。在形成光阻劑214之後，使用蝕刻製程圖案化光阻劑堆疊250。應理解，以BARC 210和SiARC 212進行圖案化是示範性方法。可一併使用其他圖案化方法。大致上關於待圖案化之結構的尺寸和形狀選擇圖案化方法。
圖4是在蝕刻和移除圖3的光阻劑堆疊250之後的波導件200的剖面。蝕刻光阻劑堆疊250會圖案化硬遮罩208，如圖4所示。硬遮罩208用作圖案的導引，以形成圖5中所示的斜向光柵結構280。該等斜向光柵結構280界定於形成在該光柵層206內的一或多個通道270之間。為了形成該等通道270，使用選擇性蝕刻製程再次蝕刻光柵層206。在一個範例中，該等斜向光柵結構280是使用與用於形成楔形凹部220的製程類似的製程（但順序相反）形成。例如，以低蝕刻速率及/或低功率蝕刻對應於第三部分220c的區域。以比第三部分220c更高的蝕刻速率及/或功率蝕刻對應於第二部分220b的區域。以比部分220b、220c更高的蝕刻速率及/或功率蝕刻對應於第一部分220a的區域。一個範例中，蝕刻該蝕刻停止層204，以改善斜向光柵結構280的界定。在形成斜向光柵結構280之後，視情況任選地使用蝕刻製程移除硬遮罩208。
將每一斜向光柵結構280形成為具有深度d。例如，該斜向光柵結構280能夠具有介於約5nm與約700nm之間的深度d，諸如介於約100nm與約600nm之間，諸如約500nm。取決於用於將影像投射到使用者的期望波長（即，顏色）而選擇斜向光柵結構280的深度。在圖5的實施例中，斜向光柵結構的深度d從凹部220的第一端230減少至第二端232（以虛線示出）。每個斜向光柵結構280的上表面280a界定呈角度的平面290，該平面290對應於凹陷220的斜面。此外，每一斜向的光柵結構280能夠具有相對於垂直於蝕刻停止層204之表面204a的平面測量的角度Φ。該角度Φ例如為介於約0度和約70度之間，諸如介於約25度和約45度之間，諸如約35度。藉由形成如本文所述的斜向光柵結構280，因光朝向期望影像平面的繞射及投射有所改善，所以實質上改善波導件200所投射的影像的清晰度。藉由控制斜向光柵結構280的形狀，控制不同波長（即，不同顏色）的繞射的變化，而改善影像的品質。由於斜向光柵結構280所提供的控制增加，所以光學效能（即，所需波長向使用者的視角的投射）大幅地改善。再者，減少了非期望的波長的投射，從而增加投射影像的清晰度和品質。
在圖2至圖5中，顯示凹部220為具有平面和斜角楔形之形狀。然而，本文描述的蝕刻製程有利地使凹部220得以在一或多個方向上有一斜率及/或曲率。因此，凹部220可具有任何適合的形狀，如上文所述。圖7A至圖7C說明能用於凹部220的形狀的其他範例。例如，圖7A說明波導件700之光柵層706中的實質類似等腰三角形之凹部720。該凹部720具有兩個平面的傾斜部分，該等傾斜部分從各自的周圍區域720a、720b朝向中央區域720c延伸。圖7B說明波導件730之光柵層736中的另一種凹部750。該凹部750具有彎曲和凹陷的結構，在周圍區域750a、750b處有淺的深度D，且在中央區域750c處有增加的深度。在一個範例中，凹部750具有拋物線形狀。例如，深度D從周圍區域750a、750b至中央區域750c非線性地增加。圖7C說明波導件760的光柵層766中的另一種凹部780。凹部780具有從第一端780a到第二端780b震盪的深度D，從而形成凹部780的循環式深度D的圖案。顯示凹部780為有深度D的線性、鋸齒振盪。然而，考量深度D能夠非線性地變化，使得凹部220具有深度D的波浪狀振盪。凹部（諸如凹部720、750和780）的深度D能遍及該凹部之長度L從第一端（即，720a、750a、780a）至第二端（即，720b、750b、780b）線性或非線性地變化。
在另一範例中，凹部220具有三維形狀。即，該深度在超過一個方向上變化，諸如在兩個方向（即，第一方向X和第二方向Y）上變化，如圖8A-8C之範例所說明。圖8A說明具有鞍點形狀的曲線（即，雙曲拋物面形狀）的凹部820。圖8B說明具有正曲率的橢圓拋物面形狀的凹部850。圖8C說明具有負曲率的橢圓拋物面形狀的凹部880。凹部之三維形狀不限於圖8A至圖8C的範例。也考量且能夠一併使用其他期望的形狀，例如尤其是，有正曲率或負曲率的方形域（square domain）中的拋物面、橢球面、及線性傾斜之形狀。在這些情況下，凹部的深度在X和Y兩方向上皆有所變化。因此，斜向光柵結構的上表面（諸如圖5的上表面280a）如由凹部的曲率之形狀所界定的那樣呈現彎曲。凹部的形狀及/或深度不限於X和Y方向的變化。例如，凹部的深度可以在三個方向上、在四個方向上、或甚至更多個方向上變化。另外，雖然本文使用笛卡爾座標系說明，但是楔形結構可使用其他座標系形成，諸如極座標系、圓柱座標系、或球座標系。本文之實施例可有利地用於形成凹部的任何期望形狀。
圖6是說明用於在諸如斜向光柵結構280的波導件中形成光柵結構的方法600的流程圖。波導件大致形成在基板上。在一個範例中，基板是基於矽之玻璃基板，在該基板上有視情況任選的蝕刻停止層和光柵層。在另一個範例中，基板是沒有蝕刻停止層的玻璃基板。在這種情況下，該基板用作光柵層，且光柵結構直接形成在基板中。在操作602，在視情況任選的蝕刻停止層上方的光柵層中形成凹部。在一個範例中，使用蝕刻製程形成凹部，該蝕刻製程選擇性處理基板的多個區域，如前文所述。在操作604中，將共形硬遮罩沉積於光柵層上。在硬遮罩上形成光阻劑堆疊，該光阻劑堆疊包括背抗反射塗層（BARC）、矽抗反射塗層（SiARC）和光阻劑。使用旋轉塗佈技術形成背面抗反射塗層，使得層的上表面實質上呈平面。
在操作606，蝕刻該光阻劑堆疊，以在硬遮罩上形成期望的圖案。在操作608，使用選擇性蝕刻製程蝕刻硬遮罩和光柵層，以在光柵層中形成光柵結構，如前文所述。在操作610，蝕刻停止層（當存在時）視情況任選地受到蝕刻，以改善光柵結構的形狀的界定。在操作612，視情況任選地例如使用蝕刻製程移除硬遮罩。
藉由利用本文描述的實施例，形成具有斜向光柵結構的波導件。斜向光柵結構透過更好地收集和引導光穿過波導件，而改善波導件的功能，從而改善投射影像的清晰度。斜向光柵結構提供對投射到期望影像平面的光波長的增加控制。由波導件向外耦合的光之功率的均勻性顯著地更均勻。本文描述的實施例藉由消除諸如機械研磨的製造製程（該製程會損壞用於形成波導件的層），而進一步改善了波導件的製造。再者，本文描述的實施例容許光柵具有二維或三維形狀，這容許在更多的應用範圍內使用波導件。
雖然前述內容是針對本案揭露內容的實施例，但是可以在不脫離本案揭露內容的基本範疇的情況下設計本案揭露內容的其他和進一步的實施例，並且本案揭露內容的範圍由所附的申請專利範圍所決定。
100:顯示器設備
101:使用者的視角
104:波導件
106:輸入耦合區域
108:波導區域
110:輸出耦合區域
111:眼睛
112:輸入光柵結構
114:輸出光柵結構
120:光束
122:第一表面
124:第二表面
128:影像微顯示器
130:周圍環境
200:波導件
202:基板
202a:表面
204:蝕刻停止層
204a:表面
206:光柵層
208:硬遮罩
210:BARC
210a:上表面
212:SiARC
214:光阻劑
220:凹部
220a、220b、220c:部分
230:第一端
232:第二端
250:光阻劑堆疊
270:通道
280:斜向光柵結構
280a:上表面
290:平面
600:方法
602-612:操作
700:波導件
706:光柵層
720:凹部
720a、720b:周圍區域
720c:中央區域
730:波導件
736:光柵層
750:凹部
750a、750b:周圍區域
750c:中央區域
760:波導件
766:光柵層
780:凹部
780a:第一端
780b:第二端
820:凹部
850:凹部
880:凹部
可以透過參考實施例（其中一些在所附的圖式中說明）而獲得上文簡要概述的本案揭露內容的更特定的描述，如此可得到詳細理解本案揭露內容的上述特徵的方式。然而，應注意，所附的圖式僅說明示範性實施例，因此不應視為限制其範圍，因為本案揭露內容可允許其他等效實施例。
圖1是根據本文描述的一個實施例的顯示器設備的概略剖面視圖。
圖2是根據本文描述的一個實施例的波導件的一部分的剖面放大圖，該波導件具有形成在該波導件中的楔形凹陷結構。
圖3是圖2的波導件的剖面放大圖，在該波導件上形成有光阻劑堆疊。
圖4是圖3的波導件的剖面放大圖，在該波導件上形成有圖案化的硬遮罩。
圖5是圖4的波導件的剖面放大圖，在該波導件中形成有光柵結構。
圖6是根據本文描述的一個實施例的製造波導件的方法之流程圖。
圖7A至圖7C是根據本文描述的實施例的凹陷結構的形狀的範例的剖面放大圖。
圖8A至圖8C是根據本文描述的實施例的凹陷結構的三維形狀的範例的透視圖。
為有助理解，只要可能則使用相同的元件符號指定圖式中共通的相同元件。考慮一個實施例的元件和特徵可以有利地併入其他實施例中而無需贅述。
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
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202a:表面
204:蝕刻停止層
204a:表面
206:光柵層
208:硬遮罩
210:BARC
210a:上表面
212:SiARC
214:光阻劑
220:凹部
220a、220b、220c:部分
230:第一端
232:第二端
250:光阻劑堆疊
270:通道
280:斜向光柵結構
280a:上表面
290:平面
Claims (18)
- 一種用於波導件之結構，包括：一基板，在該基板上有一光柵層，其中一凹陷結構形成於該光柵層中，該凹陷結構包括：一第一端；一第二端；及一深度，其中該凹陷結構之該深度從該第一端變化至該第二端；及複數個通道，形成於該光柵層中且在該凹陷結構下方，每一通道部分地界定複數個光柵結構的一部分，其中：該複數個通道的底端共平面；該複數個光柵結構的頂表面共平面且部分地界定變化的該凹陷結構之該深度；及該複數個光柵結構的深度從由該凹陷結構所界定的該第一端變化至該第二端。
- 如請求項1所述之結構，其中該複數個光柵結構的深度從該第一端線性變化至該第二端。
- 如請求項1所述之結構，其中每一光柵結構具有介於約5nm與約700nm之間的深度。
- 如請求項1所述之結構，其中每一光柵結構以一角度斜置，該角度介於約0度與約70度之間。
- 如請求項1所述之結構，其中該光柵結構由一光學透明材料形成，該光學透明材料之折射率為約1.3或更高。
- 一種用於波導件之結構，包括：一基板，在該基板上有一光柵層；一凹部，形成於該光柵層中，其中該凹部具有一深度，該深度在一第一方向、一第二方向、及一第三方向上變化，而界定一三維形狀；及複數個通道，形成於該光柵層中且位於該凹部下方，每一通道部分地界定複數個光柵結構的一部分，其中該複數個通道的底端共平面，且其中該複數個光柵結構的深度在由該凹部所界定的該第一方向、該第二方向、及該第三方向上變化。
- 如請求項6所述之結構，其中該凹部具有一鞍點形狀。
- 如請求項6所述之結構，其中該凹部具有一正曲率。
- 如請求項6所述之結構，其中該凹部具有一負曲率。
- 如請求項6所述之結構，其中該光柵層由一光學透明材料形成，該光學透明材料之折射率為約1.3或更高。
- 如請求項6所述之結構，其中每一光柵結構具有介於約5nm與約700nm之間的深度。
- 如請求項6所述之結構，其中每一光柵結構以一角度斜置，該角度介於約0度與約70度之間。
- 一種用於波導件之結構，包括：一基板，在該基板上有一光柵層，其中一凹陷結構形成於該光柵層中，該凹陷結構包括：一第一端；一第二端；及一深度，其中該凹陷結構之該深度從該第一端變化至該第二端；及；複數個通道，形成於該光柵層中且在該凹陷結構下方，每一通道部分地界定複數個光柵結構的一部分，其中該複數個通道的底端共平面，且其中該複數個光柵結構的一深度從由該凹陷結構所界定的該第一端非線性變化至該第二端。
- 如請求項13所述之結構，其中該複數個光柵結構的深度從該第一端震盪至該第二端。
- 如請求項13所述之結構，其中該凹陷結構的深度在第一方向及第二方向上改變，以界定一彎曲形狀。
- 如請求項13所述之結構，其中每一光柵結 構具有介於約5nm至約700nm之間的深度。
- 如請求項13所述之結構，其中每一光柵結構以一角度斜置，該角度介於約0度與約70度之間。
- 如請求項13所述之結構，其中該光柵層是由一光學透明材料形成，該光學透明材料之折射率為約1.3或更高。
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