TWI803172B

TWI803172B - 形成衍射光學元件的方法

Info

Publication number: TWI803172B
Application number: TW111103464A
Authority: TW
Inventors: 摩根艾文斯; 提摩曼提森魯格邁爾; 約瑟Ｃ歐爾森
Original assignee: 美商應用材料股份有限公司
Priority date: 2019-11-12
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2023-05-21
Also published as: JP7346733B2; JP2023501527A; CN114651198A; US10823888B1; JP2023182582A; US11226441B2; KR20220093164A; TW202119495A; TWI757948B; US20210141131A1; TW202229938A; WO2021096660A1

Abstract

提供製造具有擁有可變高度的溝槽的光柵的方法。在一個實例中，一種形成衍射光學元件的方法可包括：在基板之上提供光學光柵層；在所述光學光柵層之上圖案化硬掩模；以及在所述硬掩模之上形成犧牲層，所述犧牲層具有從所述光學光柵層的頂表面測量的非均勻高度。所述方法還可包括在所述光學光柵層中蝕刻成角度的多個溝槽以形成光學光柵，其中所述多個溝槽中的第一溝槽的深度不同於所述多個溝槽中的第二溝槽的深度。

Description

形成衍射光學元件的方法

本發明的實施例大體涉及製造光學光柵的方法。更具體來說，本發明涉及製造具有擁有可變深度的溝槽的斜光學光柵的方法。

出於各種優勢，一直以來使用例如光學透鏡等光學元件來操縱光。近來，已在全息及增強/虛擬現實（augmented/virtual reality，AR及VR）裝置中使用微衍射光柵。一種特定的AR及VR裝置是一種穿戴式顯示系統，例如被排列成在距離人眼的短距離內顯示圖像的頭戴裝置。此種穿戴式頭戴裝置有時被稱為頭戴式顯示器，且設置有在距用戶眼睛的若干釐米內顯示圖像的框架。所述圖像可為在顯示器（例如，微顯示器）上由計算機產生的圖像。對光學組件進行排列以將期望圖像的光（其中所述光是在顯示器上產生）輸送至用戶眼睛，使得所述圖像對所述用戶來說為可見。產生圖像的顯示器可形成光引擎的一部分，使得圖像產生准直光束，所述光束由光學組件引導以提供對用戶來說可見的圖像。

已使用不同種類的光學組件來將圖像自顯示器傳遞到人眼。為在增強現實透鏡或組合器中恰當地發揮作用，光學光柵的幾何形狀可被設計成達成各種效果。在一些裝置中，在透鏡的表面上形成多個不同的區域（例如兩個或更多個不同的區域），其中一個區域中的光柵幾何形狀不同於其他區域中的光柵幾何形狀。

可通過在基板或基板上的膜堆疊中直接蝕刻成角度溝槽來製造成角度表面浮雕光學光柵（angled surface relief optical grating）。控制光學光柵的效率的參數中的一者是溝槽深度。遺憾的是，目前在衍射及視場中形成具有不同高度、寬度和/或形狀的光學光柵的方式已經證明是具有挑戰性的。

因此，需要改進的製造具有擁有可變深度的溝槽的光柵的方法。

提供本發明內容是為了以簡化的形式介紹以下在具體實施方式中進一步闡述的一系列概念。本發明內容不旨在識別所主張主題的關鍵特徵或本質特徵，也不旨在幫助確定所主張主題的範圍。

本發明的實施例提供一種形成衍射光學元件的方法，所述方法包括：在基板之上提供光學光柵層；在所述光學光柵層之上圖案化硬掩模；以及在所述硬掩模之上形成犧牲層，所述犧牲層具有從所述光學光柵層的頂表面測量的非均勻高度。所述方法還可包括在所述光學光柵層中蝕刻成角度的多個溝槽以形成光學光柵，其中所述多個溝槽中的第一溝槽的深度不同於所述多個溝槽中的第二溝槽的深度。

本發明的實施例還提供一種形成衍射光學元件的方法，所述方法包括：在基板之上提供光學光柵層；在所述光學光柵層之上提供硬掩模，所述硬掩模包括一組開口；以及在所述硬掩模之上形成犧牲層。所述方法還可包括：在所述犧牲層中形成凹陷，其中所述凹陷使所述犧牲層具有從所述光學光柵層的頂表面測量的非均勻高度；以及穿過所述光學光柵層蝕刻成角度的多個溝槽以形成光學光柵，其中成角度的所述多個溝槽中的第一溝槽的深度不同於所述多個溝槽中的第二溝槽的深度。

本發明的實施例還提供一種形成衍射光學元件的方法，所述方法包括：在基板之上提供光學光柵層；在所述光學光柵層之上圖案化硬掩模；以及在所述硬掩模頂部沉積犧牲層。所述方法還可包括：移除所述犧牲層的部分以在所述犧牲層中形成溝槽，所述溝槽包括界定第一平面的斜坡底表面，所述第一平面與由所述光學光柵層的頂表面界定的第二平面不平行；以及在所述光學光柵層中蝕刻成角度的多個溝槽以形成光學光柵，其中所述多個溝槽中的第一溝槽的深度不同於所述多個溝槽中的第二溝槽的深度。

圖式未必是按比例繪製。圖式僅為代表圖，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，且因此不被視為在範圍上具有限制性。在圖式中，相同的編號表示相同的元件。

此外，為說明清晰起見，一些圖中的某些元件可被省略或不按比例示出。為說明清晰起見，剖視圖可呈「切片（slices）」或「近視（near-sighted）」剖視圖的形式，且省略在「真實（true）」剖視圖中以其他方式可見的某些背景線。此外，為清晰起見，可在某些圖式中省略一些參考編號。

現在將在下文中參照附圖更充分地闡述根據本發明的方法，附圖中示出所述方法的實施例。所述方法可以許多不同的形式實施，且不會被解釋為限於本文中所闡述的實施例。相反，提供這些實施例是為了使公開內容將徹底及完整，並將向所屬領域中的技術人員充分傳達所述系統及方法的範圍。

圖1是在顯示設備100中實施的波導104的示意性剖視圖。顯示設備100可被配置用於增強現實應用、虛擬現實應用及混合或融合現實應用以及例如手持式顯示裝置等其他顯示應用。

顯示設備100使用波導104來通過波導104透明地觀察周圍環境130，例如讓用戶從用戶視角101觀察環境130。當在顯示設備100中實施時，波導104的第一表面122被設置成相鄰於且面對用戶眼睛111。波導104的第二表面124被設置成與第一表面122相對，且相鄰於且面對周圍環境130。儘管被示為平面的，然而視所期望的應用而定，波導104可為彎曲的。

顯示設備100還包括圖像微顯示器128，以將所產生的虛擬圖像的光120定向到波導104中。虛擬圖像的光120在波導104中傳播。一般來說，波導104包括輸入耦合區域106、波導區域108及輸出耦合區域110。輸入耦合區域106從圖像微顯示器128接收光120（虛擬圖像），且光120通過波導區域108行進到輸出耦合區域110，在輸出耦合區域110中，用戶視角101及視場（field of view）能夠使上覆在周圍環境130上的虛擬圖像可視化。圖像微顯示器128是高分辨率顯示產生器，例如可操作以將虛擬圖像的光投影到波導104中的矽上液晶微顯示器（liquid crystal on silicon microdisplay）。

波導104包括輸入光柵結構112及輸出光柵結構114。輸入光柵結構112形成在波導104上與輸入耦合區域106對應的區中。輸出光柵結構114形成在波導104上與輸出耦合區域110對應的區中。輸入光柵結構112及輸出光柵結構114影響光在波導104內的傳播。例如，輸入光柵結構112耦合來自圖像微顯示器128的傳入光（in light），且輸出光柵結構將傳出光（out light）耦合到用戶眼睛111。

例如，輸入光柵結構112影響顯示在用戶眼睛111處的虛擬圖像的視場。輸出光柵結構114影響從波導104收集並向外耦合的光120的量。此外，輸出光柵結構114從用戶視角101調製虛擬圖像的視場，並增加用戶可從圖像微顯示器128觀察虛擬圖像的觀察角度視角。在另一個實例中，在輸入耦合區域106與輸出耦合區域110之間的波導區域108中還形成有光柵結構（未示出）。此外，可使用多個波導104來形成顯示設備100，所述多個波導104中各自形成有所期望的光柵結構。

圖2A繪示根據本發明實施例的光學光柵組件200的側剖視圖。圖2B繪示光學光柵組件200的俯視平面圖。根據本發明的各種實施例，光學光柵組件200可用作待被放置在眼鏡上或與眼鏡一體形成的光學光柵。光學光柵組件200包括基板202以及設置在基板202上的光學光柵206。光學光柵206可相同於或相似於圖1所示輸入光柵結構112和/或輸出光柵結構114。在一些實施例中，基板202是透光材料，例如已知的玻璃。在一些實施例中，基板202是矽。在後一種情形中，基板202是矽，且使用另一製程將光柵圖案轉移到另一光學基板（例如玻璃或石英）的表面上的膜。所述實施例並不限於此上下文。如以下進一步闡述，光學光柵206可設置在光學光柵層207中。在圖2A及圖2B所示的非限制性實施例中，光學光柵組件200還包括設置在基板202與光學光柵層207之間的蝕刻終止層204。根據本發明的一些實施例，光學光柵層207可為透光材料，例如氧化矽、氮化矽、玻璃、TiO ₂或其他材料。

根據本發明的一些實施例，光學光柵206可包括處於100納米（nm）到1000 nm範圍內的光柵高度H。因此，光學光柵206可適宜用於AR及VR設備的目鏡中。本文中的實施例並不限於此上下文。根據一些實施例，蝕刻終止層204可為透光材料且可具有10 nm到100 nm的厚度。所述實施例並不限於此上下文。用於蝕刻終止層204的合適材料的實例包括SiN、SiO ₂、TiN、SiC以及其他材料。在其中光學光柵206將被應用於或包括於眼鏡的目鏡中的實施例中，尤其適宜的材料是透光材料。在其中光學光柵組件200形成用於構造目鏡用光學光柵的母版（master）的實施例中，蝕刻終止層204無需為透光的。此外，在一些實施例中可省略蝕刻終止層204。

如在圖2A中進一步所示，光學光柵206可包括被示出為成角度組件或結構212的多個成角度結構，所述多個成角度結構相對於基板202的平面（例如，X-Y平面）的垂線以非零傾斜角設置。成角度結構212可包括在斜光柵的一個或多個場（field）內，所述斜光柵一起形成「微透鏡」。在圖2A所示實例中，沿平行於所示笛卡爾坐標系的Y軸的方向界定均勻的高度，其中第一方向（Y軸）平行於基板102的平面，在此種情形中即X-Y平面。在其他實施例中，成角度結構212可沿平行於Y軸的方向界定可變高度。多個溝槽214可相對於例如基板202的頂表面或光學光柵層207的頂表面等平面的垂線以非零傾斜角設置。如以下將更詳細地闡述，所述多個溝槽214中的一個或多個溝槽的深度「d」和/或寬度「w」可由於在蝕刻之前存在提供在光學光柵206之上的掩模或犧牲層而有所變化。

在一些實施例中，光學光柵206沿Y方向的寬度可為大約數毫米到數釐米，而光柵高度H可為大約1微米或小於1微米。因此，光柵高度H的變化可介於大約數百納米或小於數百納米。光柵高度H或深度d的平滑變化的實例是：相鄰光柵線之間的光柵高度H或深度d的變化小於10%、小於5%或小於1%。所述實施例並不限於此上下文。因此，在目鏡中，光柵高度H可在給定方向上沿目鏡的表面在例如數毫米到數釐米的距離上連續地且以不驟然變化的方式變化。更具體來說，在5 mm距離上光柵高度H變化50%可引起在具有一微米節距（pitch）的近似5x10 ³條線上連續地改變光柵高度H。所述變化引起相鄰線的相對高度的0.5/5x10 ⁴或近似0.01%的平均變化。

現在參照圖3A，圖3A示出以示意形式繪示的處理設備300。處理設備300代表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學光柵的處理設備。處理設備300可為等離子體類的處理系統，所述等離子體類的處理系統具有等離子體腔室302以用於通過所屬領域中已知的任意方便方法在其中產生等離子體304。可如所示提供具有提取孔隙308的提取板306，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學光柵層207（圖2A至圖2B）。包括例如上述光學光柵結構的基板202設置在處理腔室324中。基板202的基板平面由所示笛卡爾坐標系的X-Y平面表示，而基板202的平面的垂線沿Z軸（Z方向）放置。

如在圖3A中進一步所示，如在已知的系統中一樣，當利用偏壓電源220在等離子體腔室302與基板202（或基板台板314）之間施加電壓差時可提取出離子束310。偏壓電源320可耦合到處理腔室324，例如其中處理腔室324與基板202保持在相同的電勢。

根據各種實施例，可沿垂線326提取離子束310，或可相對於垂線326以非零入射角（被示出為ϕ）提取離子束310。

離子束310內離子的軌跡可彼此互相平行或可位於窄的角展度範圍（angular spread range）內，例如，彼此位於10度或小於10度的角展度範圍內。在其他實施例中，如以下將論述，離子束310內離子的軌跡可彼此例如以扇形收斂或發散。因此，ϕ的值可表示入射角的平均值，其中軌跡個別地相對於平均值變化達若干度。在各種實施例中，如在已知的系統中一樣，可提取離子束310作為連續的束或作為脈衝離子束。例如，偏壓電源320可被配置成在等離子體腔室302與處理腔室324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、脈衝頻率及負載循環（duty cycle）可彼此獨立地進行調整。

在各種實施例中，源322可向等離子體腔室302供應例如反應氣體等氣體。依據被提供到等離子體腔室302的物質的具體組成，等離子體304可產生各種蝕刻物質或沉積物質。

在各種實施例中，離子束310可被提供為帶狀反應離子束，所述帶狀反應離子束具有沿圖3B中所示笛卡爾坐標系的X方向延伸的長軸。通過沿掃描方向330相對於提取孔隙308（且因此相對於離子束310）掃描包括基板202的基板台板314，離子束310可蝕刻基板202或在基板202上沉積。離子束310可由任意方便的氣體混合物（包括惰性氣體、反應氣體）構成，且在一些實施例中可結合其他氣體物質被提供。在特定實施例中，離子束210及其他反應物質可作為蝕刻配方（etch recipe）被提供到基板202以執行對層（例如，光學光柵層207）的定向反應離子蝕刻（reactive ion etching，RIE）。如在所屬領域中已知，此種蝕刻配方可使用已知的反應離子蝕刻化學物質用於對例如氧化物等材料或其他材料進行蝕刻。在其他實施例中，離子束310可由惰性物質形成，其中提供離子束310以在相對於離子束310掃描基板202時通過物理濺射（physical sputtering）蝕刻基板202（或更具體來說，光學光柵層207）。

在圖3B所示實例中，離子束310被提供為帶狀反應離子束，所述帶狀反應離子束沿X方向延伸到束寬度，其中所述束寬度即使在沿X方向的最寬部分處仍足以暴露出基板202的整個寬度。示例性束寬度可介於10 cm、20 cm、30 cm或大於30 cm範圍內，而沿Y方向的示例性束長度可介於2 mm、3 mm、5 mm、10 mm或20 mm範圍內。所述實施例並不限於此上下文。

注意，掃描方向330可表示沿Y方向在兩個相對（180度）的方向上掃描基板202，或僅朝左掃描或僅朝右掃描。如在圖3B中所示，離子束310的長軸沿X方向垂直於掃描方向330延伸。因此，當沿掃描方向330對基板202進行掃描直到從基板202的左側到右側的充分長度時，整個基板202可被暴露到離子束310。

例如圖2A至圖2B所示成角度結構212等光柵特徵可通過使用處理配方相對於離子束310掃描基板202來實現。簡單地說，處理配方可使得改變一組製程參數中的至少一個製程參數，從而具有改變例如在掃描基板202期間由離子束310引起的蝕刻速率或沉積速率的效果。此種製程參數可包括基板202的掃描速率、離子束310的離子能量、當作為脈衝離子束提供時離子束310的負載循環、離子束310的擴展角（spread angle）以及基板202的旋轉位置。在本文中的至少一些實施例中，處理配方還可包括光學光柵層207的材料及離子束310的蝕刻離子的化學性質。在又一些其他實施例中，處理配方可包括光學光柵層207的起始幾何形狀，包括尺寸及縱橫比。所述實施例並不限於此上下文。

圖4A到圖4E展示根據本發明實施例的用於形成衍射光學元件400的製程。如圖4A中所示，可在基板402之上形成光學光柵層407，且可在光學光柵層407之上形成硬掩模410。儘管未示出，然而在一些實施例中，可在基板402與光學光柵層407之間提供蝕刻終止層。除其他材料以外，蝕刻終止層是由例如氮化鈦或氮化坦等耐受蝕刻製程的材料形成。基板402可由例如玻璃等透光材料製成。光學光柵層407和/或硬掩模410可例如通過化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）製程、物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）製程或旋塗製程（spin-on process）形成。

光柵層407可由透光材料形成。在一個實例中，光柵層407是由例如氮化矽或氧化矽等矽系材料形成，或者由例如氧化鈦等鈦系材料形成。光柵層407的材料具有高折射率，例如近似1.3-2.4或更高。一般來說，光柵層407具有小於近似1微米（例如在近似150 nm到700 nm之間）的厚度。然而，本文中的實施例並不限於此上下文。

如圖4B中所示，可圖案化硬掩模410以在其中形成一組開口或間隙411。在一些實施例中，硬掩模410是由光致抗蝕劑（photoresist，PR）堆疊（未示出）形成，其中光柵層407之上共形地形成有硬掩模層。硬掩模410是例如使用化學氣相沉積製程由氮化鈦形成。如所示，硬掩模410被形成為通過間隙411彼此分開的多個硬掩模元件412。可使用對光學光柵層407的頂表面413具有選擇性的蝕刻製程來形成間隙411中的每一者。在一些實施例中，通過蝕刻光致抗蝕劑堆疊形成硬掩模元件412。在一些實施例中，硬掩模元件412具有相同的高度和/或寬度。在其他實施例中，硬掩模元件412中的一者或多者具有不同或非均勻的高度和/或厚度。

如圖4C中所示，可接著在光學光柵層407及硬掩模410之上形成犧牲層420。在一些實施例中，犧牲層420是沉積在光學光柵層407及硬掩模410之上的掩模。在非限制性實施例中，犧牲層420可為例如使用三維（three-dimensional，3-D）印刷形成在衍射光學元件400之上的光致抗蝕劑型材料。在其他實施例中，犧牲層420可為例如矽等透光材料。在一個非限制性實施例中，犧牲層420可為在垂直蝕刻與成角度蝕刻二者期間有益地提供均勻性質的氮化矽。

如圖4D中所示，可使用例如離子蝕刻（反應性或濺鍍）等減性製程（subtractive process）425使犧牲層420凹陷。在所示實施例中，減性製程425可為沿方向426橫向進行的反應離子蝕刻（RIE），以產生相對於光學光柵層407的頂表面413具有可變高度「H」的犧牲層420。例如，可處理犧牲層420以形成具有斜坡底表面422的凹陷或溝槽421。如所示，斜坡底表面422可界定平面，所述平面與由光學光柵層407的頂表面413界定的平面不平行。儘管是非限制性的，然而斜坡底表面422可為大致平坦和/或彎曲的。此外，斜坡底表面422的坡面（ramp）的方向無需與減性製程425的光柵向量對齊。

如圖4E中所示，接著對衍射光學元件400進行蝕刻427，以穿過犧牲層420及光學光柵層407形成成角度的多個溝槽428。在一些實施例中，蝕刻427是成角度離子蝕刻，其中所述成角度離子蝕刻是由反應離子束執行。基板402可被相對於反應離子束沿掃描方向掃描。如所示，蝕刻427可相對於由光學光柵層407的頂表面413界定的平面的垂線433以非零角度（θ）進行。在蝕刻製程期間，硬掩模410及犧牲層420充當從光學光柵層407形成多個斜光柵結構430的圖案引導件（pattern guide）。應理解，可通過首先形成非均勻犧牲層420且接著在蝕刻427期間運行附加選擇性區處理（selective area processing，SAP）蝕刻循環來實現斜光柵結構430的更複雜和/或細微的形狀。

接著可從斜光柵結構430中的每一者之上移除犧牲層420及硬掩模410，從而得到圖4F中所示的光學光柵445。在一些實施例中，由於犧牲層420的可變高度，因此所述多個溝槽中的第一溝槽428A的深度不同於第二溝槽428B的深度。

圖5A到圖5H展示根據本發明實施例的形成衍射光學元件500的製程。如圖5A中所示，可在基板502之上形成光學光柵層507，且可在光學光柵層507之上形成硬掩模510。衍射光學元件500還可包括提供在基板502與光學光柵層507之間的蝕刻終止層505。基板502可由例如矽等透光材料製成。在一些實施例中，蝕刻終止層505可例如通過化學氣相沉積（CVD）製程、物理氣相沉積（PVD）製程或旋塗製程形成。除其他材料以外，蝕刻終止層505是由例如氮化鈦或氮化坦等耐受蝕刻製程的材料形成。

如圖5B中所示，可圖案化硬掩模510以在其中形成開口或間隙511。在一些實施例中，硬掩模510是由光致抗蝕劑堆疊（未示出）形成，其中光柵層507之上共形地形成有硬掩模層。硬掩模510是例如使用化學氣相沉積製程由氮化鈦形成。在一些實施例中，間隙511可使用對光學光柵層507的頂表面513具有選擇性的蝕刻製程形成。

如圖5B中進一步所示，可在光學光柵層507及圖案化硬掩模510之上形成犧牲層520。在一些實施例中，犧牲層520是沉積在光學光柵層507及硬掩模510之上的掩模。在非限制性實施例中，犧牲層520可為例如使用3-D印刷形成在衍射光學元件500之上的光致抗蝕劑型材料。在其他實施例中，犧牲層520可為例如矽系材料（例如，氮化矽或氧化矽）或鈦系材料（例如氧化鈦）等透光材料。

如圖5C中所示，可使用例如離子蝕刻（反應性或濺鍍）等減性製程525使犧牲層520凹陷。在所示實施例中，減性製程525可為沿方向526橫向進行的RIE，以產生相對於光學光柵層507的頂表面513具有可變高度「H」的犧牲層520。例如，可處理犧牲層520以形成具有斜坡底表面522的凹陷或溝槽521。如所示，斜坡底表面522可界定平面，所述平面與由光學光柵層507的頂表面513界定的平面不平行。儘管是非限制性的，然而斜坡底表面522可為大致平坦和/或彎曲的。

在一些實施例中，如圖5D中所展示，可將包括溝槽521及斜坡底表面522的犧牲層520轉移到光學光柵層507。在一些實施例中，可利用灰度屏幕（graytone screen）（未示出）使用垂直蝕刻形成可變蝕刻深度（variable etch depth，VED）輪廓（例如，二維（two-dimensional，2-D）楔形形狀），所述灰度屏幕是光學裝置及對光致抗蝕劑進行可變曝光以實現可變深度的方法。更具體來說，灰度光刻是通過單個曝光製程對抗蝕劑膜進行光雕刻以在光致抗蝕劑中形成3-D輪廓的技術。灰度光刻與RIE相結合使得抗蝕劑輪廓能夠轉變成3-D結構。

如所示，減性製程561使溝槽521進一步延伸到光學光柵層507中，以形成光學光柵層507的斜坡底表面532。儘管是非限制性的，然而斜坡底表面532可為大致平坦和/或彎曲的。通過首先對犧牲層520進行造型，光學光柵層507中的精度可改善。

如圖5E中所展示，可移除犧牲層520的任何其餘部分，且在溝槽521內形成第二硬掩模534。如所示，在斜坡底表面532頂部沉積第二硬掩模534。

接下來，如圖5F中所示，可在第一硬掩模510及第二硬掩模534之上形成光學平坦化層538（optical planarization layer，OPL）及光致抗蝕劑540（PR）。接著可穿過光學平坦化層538、光致抗蝕劑540及第二硬掩模534形成多個垂直溝槽544。在一些實施例中，通過對光學光柵層507的頂表面513具有選擇性的垂直RIE來形成垂直溝槽544。可移除光學平坦化層538及光致抗蝕劑540，從而得到圖5G中所示的衍射光學元件500。

如圖5H中所示，接著對衍射光學元件500進行蝕刻527，以穿過光學光柵層507形成成角度的多個溝槽528A到528N。在一些實施例中，蝕刻527是成角度離子蝕刻，其中所述成角度離子蝕刻是由對蝕刻終止層505具有選擇性的反應離子束執行。基板502可被相對於反應離子束沿掃描方向掃描。如所示，蝕刻527可相對於由光學光柵層507的頂表面513界定的平面的垂線以非零角度進行。在蝕刻527期間，第二硬掩模534充當用於形成多個斜光柵結構530的圖案引導件。如所示，由於蝕刻527，因此所述多個溝槽中的第一溝槽528A的深度不同於第二溝槽528B的深度。接著可移除第一硬掩模510及第二硬掩模534，從而得到與圖4F中的裝置400相似的結構。

為方便及清晰起見，本文中將使用例如「頂部」、「底部」、「上部」、「下部」、「垂直」、「水平」、「側向」及「縱向」等用語來闡述出現在圖中的組件及其構成部件的相對放置及取向。術語將包括特別提到的詞、其派生詞及相似含義的詞。

除非明確陳述不包括複數元件或操作，否則如本文中所使用的以單數形式陳述且前面帶有詞「一（a或an）」的元件或操作要被理解為包括複數元件或操作。此外，提及本發明的「一個實施例」時並不旨在進行限制。附加實施例也可包括所陳述特徵。

此外，在一些實施例中，用語「實質的」或「實質上」以及用語「近似的」或「近似地」可互換使用，且可使用所屬領域中的普通技術人員可接受的任何相對度量來闡述。例如，這些用語可用作與參考參數的比較，以指示能夠提供預期功能的偏差。儘管為非限制性的，然而與參考參數的偏差可為例如小於1%、小於3%、小於5%、小於10%、小於15%、小於20%等等的量。

再者，普通技術人員將理解，當例如層、區域或基板等元件被稱為形成在、沉積在或設置在另一元件「上」、「之上」或「頂部」時，所述元件可直接位於所述另一元件上，或者也可存在中間元件。相反，當一個元件被稱為「直接」位於另一元件「上」、「直接」位於另一元件「之上」或「直接」位於另一元件「頂部」時，則不存在中間元件。

如本文中所使用的「沉積」和/或「沉積式」可包括任何現在已知的或以後開發的適宜於待沉積材料的技術，包括但不限於例如：化學氣相沉積（CVD）、低壓化學氣相沉積（low-pressure CVD，LPCVD）及等離子體增強型化學氣相沉積（plasma-enhanced CVD，PECVD）。「沉積」和/或「沉積式」還可包括半大氣壓化學氣相沉積（semi-atmosphere CVD，SACVD）及高密度等離子體化學氣相沉積（high-density plasma CVD，HDPCVD）、快熱化學氣相沉積（rapid thermal CVD，RTCVD）、超高真空化學氣相沉積（ultra-high vacuum CVD，UHVCVD）、有限反應處理化學氣相沉積（limited reaction processing CVD，LRPCVD）及金屬有機化學氣相沉積（metal-organic CVD，MOCVD）。「沉積」和/或「沉積式」還可包括濺射沉積、離子束沉積、電子束沉積、激光輔助沉積、熱氧化、熱氮化、旋塗方法及物理氣相沉積（PVD）。「沉積」和/或「沉積式」還可包括原子層沉積（atomic layer deposition，ALD）、化學氧化、分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）、鍍覆、蒸鍍（evaporation）。

在各種實施例中，可提供和配置設計工具來創建用於圖案化例如本文中所述衍射光學元件400及500的層的數據集。例如，可創建數據集以產生光刻操作期間所使用的光掩模，以圖案化如本文中所述結構的層。此種設計工具可包括一個或多個模塊的集合，也可包括硬件、軟件或其組合。因此，例如，工具可為一個或多個軟件模塊、硬件模塊、軟件/硬件模塊或其任意組合或排列的集合。作為另一個實例，工具可為運行軟件者以硬件實施的計算裝置或其他器具。

如本文中所使用的模塊可利用任何形式的硬件、軟件或其組合來實施。例如，可實施一個或多個處理器、控制器、應用專用集成電路（application specific integrated circuit，ASIC）、可編輯邏輯陣列（programmable logic array，PLA）、邏輯組件、軟件例程或其他機制來構成模塊。在實施方案中，本文中所闡述的各種模塊可實施為分立的模塊，或者一個或多個模塊之間可部分或全部共享所闡述的功能及特徵。換句話說，對於所屬領域中的普通技術人員來說，在閱讀本說明之後將顯而易見的是，本文中所闡述的各種特徵及功能可在任何給定的應用中實施。此外，各種特徵及功能可以各種組合及排列在一個或多個單獨的或共享的模塊中實施。儘管功能的各種特徵或元素可被各別地闡述或宣稱為單獨的模塊，然而所屬領域中的普通技術人員將理解，這些特徵及功能可在一個或多個共用軟件及硬件要素之間共享。

通過利用本文中所闡述的實施例，形成了具有斜光學光柵結構的波導。本發明實施例的斜光柵結構的第一個技術優勢包括通過更好地對穿過波導的光進行收集及導向來改善波導的功能，從而改善所投影圖像的清晰度。本發明實施例的斜光柵結構的第二個技術優勢包括通過消除更耗時及困難的製程而改善的波導製作效率。此外，本發明實施例的斜光柵結構的第三個技術優勢包括提供二維或三維形狀，使得波導能夠在更大的應用範圍內使用。

本發明的範圍不受本文中所述的具體實施例的限制。事實上，通過以上說明及附圖，除本文中所述的實施例以外，本發明的其他各種實施例以及修改形式對所屬領域中的普通技術人員來說也將顯而易見。因此，此種其他實施例及修改形式旨在落於本發明的範圍內。此外，已在本文中在特定實施方式的上下文中在特定環境下出於特定目的闡述了本發明。所屬領域中的普通技術人員將認識到有用性並不僅限於此，且本發明可在任意數目的環境下出於任意數目的目的有利地實施。因此，所附發明申請專利範圍將根據如在本文中闡述的本發明的整個寬度及精神進行解釋。

100:顯示設備 101:用戶視角 104:波導 106:輸入耦合區域 108:波導區域 110:輸出耦合區域 111:用戶眼睛 112:輸入光柵結構 114:輸出光柵結構 120:光 122:第一表面 124:第二表面 128:圖像微顯示器 130:環境/周圍環境 200:光學光柵組件 202、402、502:基板 204:蝕刻終止層 206、445:光學光柵 207:光學光柵層 212:成角度組件/成角度結構 214、421、521:溝槽 300:處理設備 302:等離子體腔室 304:等離子體 306:提取板 308:提取孔隙 310:離子束 314:基板台板 320:偏壓電源 322:源 324:處理腔室 326:垂線 330:掃描方向 400:裝置/衍射光學元件 407、507:光柵層/光學光柵層 410:硬掩模 411、511:間隙 412:硬掩模元件 413、513:頂表面 420、520:犧牲層 422、522、532:斜坡底表面 425、525、561:減性製程 426、526:方向 427、527:蝕刻 428:成角度溝槽 428A:第一溝槽 428B:第二溝槽 430、530:斜光柵結構 433:垂線 500:衍射光學元件 505:蝕刻終止層 510:硬掩模/圖案化硬掩模/第一硬掩模 528A:第一溝槽/成角度溝槽 528B:第二溝槽/成角度溝槽 528N:成角度溝槽 534:第二硬掩模 538:光學平坦化層 540:光致抗蝕劑 544:垂直溝槽 d:深度 H:光柵高度 w:寬度 X、Y、Z:方向 θ:非零角度 ϕ:非零入射角

附圖示出本發明的示例性方式，包括本發明的原理的實際應用，附圖如下所示：圖1是根據本發明實施例的顯示設備的示意性剖視圖。圖2A繪示根據本發明實施例的光學光柵組件的側剖視圖。圖2B繪示根據本發明實施例的圖1A所示光學光柵組件的俯視平面圖。圖3A示出根據本發明實施例的以示意形式繪示的處理設備。圖3B根據本發明實施例在俯視平面圖中示出提取板組件及基板。圖4A到圖4F是繪示根據本發明實施例的成角度結構的形成的側剖視圖。圖5A到圖5H是繪示根據本發明實施例的成角度結構的形成的側剖視圖。

202:基板

300:處理設備

302:等離子體腔室

304:等離子體

306:提取板

308:提取孔隙

310:離子束

314:基板台板

320:偏壓電源

322:源

324:處理腔室

326:垂線

X、Y、Z:方向

Φ:非零入射角

Claims

一種形成衍射光學元件的方法，包括：在光學光柵層上提供犧牲層；在所述犧牲層形成溝槽，所述犧牲層中的所述溝槽具有斜坡底表面，穿過所述犧牲層在所述光學光柵層形成溝槽，其中所述溝槽自所述光學光柵層的頂表面向下凹陷，且所述溝槽包括斜坡底表面；以及在所述光學光柵層形成所述溝槽之後，在所述光學光柵層中蝕刻成角度的多個溝槽以形成光學光柵，其中所述多個溝槽中的第一溝槽的第一深度不同於成角度的所述多個溝槽中的第二溝槽的第二深度，且其中所述蝕刻包括相對於由所述光學光柵層的所述頂表面界定的平面的垂線以非零角度執行成角度離子蝕刻。
如請求項1所述的方法，進一步包括：在基板之上提供所述光學光柵層；在所述光學光柵層之上圖案化硬掩模；以及在所述硬掩模之上形成所述犧牲層，所述犧牲層具有從所述光學光柵層的所述頂表面測量的非均勻高度。
如請求項2所述的方法，其中形成所述犧牲層包括：在所述硬掩模頂部沉積所述犧牲層；以及蝕刻所述犧牲層以在所述犧牲層中形成所述溝槽。
如請求項3所述的方法，進一步包括執行垂直蝕刻以形成所述犧牲層中的所述溝槽。
如請求項3所述的方法，進一步包括：沿所述光學光柵層中的所述溝槽的所述斜坡底表面形成第二硬掩模；在所述硬掩模及所述第二硬掩模之上形成光學平坦化層及光致抗蝕劑；穿過所述光學平坦化層、所述光致抗蝕劑及所述第二硬掩模蝕刻多個垂直溝槽；以及移除所述光學平坦化層及所述光致抗蝕劑，其中在移除所述光學平坦化層及所述光致抗蝕劑之後，所述多個垂直溝槽被蝕刻到所述光學光柵層中。
如請求項2所述的方法，其中所述成角度離子蝕刻是由反應離子束執行，且其中所述基板被相對於所述反應離子束沿掃描方向掃描。
如請求項2所述的方法，進一步包括在所述基板之上形成蝕刻終止層，其中所述光學光柵層形成在所述蝕刻終止層頂部。
一種形成衍射光學元件的方法，包括：在基板之上提供光學光柵層，在所述光學光柵層之上提供犧牲層；在所述犧牲層中形成凹陷，其中所述凹陷使所述犧牲層具有從所述光學光柵層的所述頂表面測量的非均勻高度；穿過所述犧牲層在所述光學光柵層形成溝槽，其中所述溝槽自所述光學光柵層的頂表面向下凹陷，且所述溝槽包括斜坡底表面；以及形成所述溝槽之後，在所述光學光柵層中蝕刻成角度的多個溝槽以形成光學光柵，其中成角度的所述多個溝槽中的第一溝槽的第一深度不同於所述多個溝槽中的第二溝槽的第二深度，且其中所述蝕刻包括相對於由所述光學光柵層的所述頂表面界定的平面的垂線以非零角度執行成角度離子蝕刻。
如請求項8所述的方法，進一步包括：在所述光學光柵層之上提供硬掩模，所述硬掩模包括一組開口；以及在所述硬掩模之上形成犧牲層。
如請求項9所述的方法，其中形成所述犧牲層包括：在所述硬掩模頂部沉積所述犧牲層；以及蝕刻所述犧牲層，以形成所述凹陷的斜坡底表面。
如請求項10所述的方法，進一步包括：沿所述凹陷的所述斜坡底表面形成第二硬掩模；在所述硬掩模及所述第二硬掩模之上形成光學平坦化層及光致抗蝕劑；穿過所述光學平坦化層、所述光致抗蝕劑及所述第二硬掩模蝕刻多個垂直溝槽；以及移除所述光學平坦化層及所述光致抗蝕劑，其中在移除所述光學平坦化層及所述光致抗蝕劑之後，所述多個垂直溝槽被蝕刻穿過所述光學光柵層。
如請求項8所述的方法，其中所述成角度離子蝕刻是由反應離子束執行，且其中所述基板被相對於所述反應離子束沿掃描方向掃描。
如請求項8所述的方法，進一步包括在所述基板之上形成蝕刻終止層，其中所述光學光柵層形成在所述蝕刻終止層頂部。
一種形成衍射光學元件的方法，包括：在光學光柵層之上提供犧牲層；在所述犧牲層中形成溝槽，所述溝槽包括界定第一平面的斜坡底表面，所述第一平面與由所述光學光柵層的頂表面界定的第二平面不平行；以及在所述光學光柵層中蝕刻成角度的多個溝槽以形成光學光柵，其中成角度的所述多個溝槽中的第一溝槽的第一深度不同於成角度的所述多個溝槽中的第二溝槽的第二深度，其中所述蝕刻包括相對於由所述光學光柵層的所述頂表面界定的所述第二平面的垂線以非零角度執行成角度離子蝕刻。
如請求項14所述的方法，進一步包括：在基板之上形成所述光學光柵層；在所述光學光柵層之上圖案化硬掩模；以及在所述硬掩模頂部沉積所述犧牲層。
如請求項15所述的方法，進一步包括形成具有從所述光學光柵層的所述頂表面測量的非均勻高度的所述犧牲層。
如請求項15所述的方法，進一步包括：蝕刻所述光學光柵層，以使所述溝槽凹陷到所述光學光柵層中；沿所述溝槽的所述斜坡底表面形成第二硬掩模；在所述硬掩模及所述第二硬掩模之上形成光學平坦化層及光致抗蝕劑；穿過所述光學平坦化層、所述光致抗蝕劑及所述第二硬掩模蝕刻多個垂直溝槽；以及移除所述光學平坦化層及所述光致抗蝕劑，其中在移除所述光學平坦化層及所述光致抗蝕劑之後，所述多個垂直溝槽被蝕刻到所述光學光柵層中。
如請求項15所述的方法，其中所述成角度離子蝕刻是由反應離子束執行，且其中所述基板被相對於所述反應離子束沿掃描方向掃描。