TWI827934B - 波導組合器及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本文描述的具體實施例涉及用於控制衍射效率和指向性的波導輸出耦合器光柵的梯度密封。裝置包括形成在基板上方的第一光柵，第一光柵具有延伸遠離基板的複數個第一結構，第一光柵對應於輸出耦合器。裝置包括設置在相鄰第一結構之間形成的一個或多個間隙中的第一密封層，其中第一密封層的填充率沿著第一光柵減小。本文還描述了用於製造裝置的方法。
Description
本揭示內容的具體實施例大抵涉及擴增實境波導。更特定而言，本文描述的具體實施例涉及用於控制衍射效率和指向性的波導輸出耦合器光柵的梯度密封。
虛擬實境通常被認為是電腦生成的模擬環境，其中使用者具有明顯的物理外觀。虛擬實境體驗可以以3D形式生成並使用頭戴式顯示器(HMD)觀看，例如眼鏡或其他具有近眼顯示面板的可穿戴顯示設備，近眼顯示面板作為鏡頭以顯示取代實際環境的虛擬實境環境。
然而，在擴增實境能夠實現的體驗中，使用者仍然可以藉由眼鏡或其他HMD裝置的顯示鏡頭查看周圍環境，同時還可以看到為顯示而生成並作為環境一部分出現的虛擬物件圖像。擴增實境可以包括任何類型的輸入，例如音頻和觸覺輸入，以及增強或擴增使用者體驗環境的虛擬圖像、圖形和影像。作為一項新興技術，擴增實境存在許多挑戰和設計限制。
其中一項挑戰是顯示疊加在周圍環境上的虛擬圖像。增強波導組合器用於幫助疊加圖像。所產生的光被輸入耦合到增強波導組合器，透過增強波導組合器傳播，從增強波導組合器輸出耦合，並覆蓋在周圍環境上。使用表面浮雕光柵將光耦合進出增強波導組合器。輸出耦合光的衍射效率和指向性可能沒有得到充分控制。
因此，本領域需要改進的波導組合器和製造方法。
在一個具體實施例中，提供了一種裝置。裝置包括形成在基板上方的第一光柵，第一光柵具有延伸遠離基板的複數個第一結構，第一光柵對應於輸出耦合器。裝置包括設置在相鄰第一結構之間形成的一個或多個間隙中的第一密封層，其中第一密封層的填充率沿著第一光柵減小。
在另一個具體實施例中，提供了一種裝置。裝置包括形成在基板上方的第一光柵，第一光柵具有延伸遠離基板的複數個第一結構，第一光柵對應於輸出耦合器。裝置包括設置在相鄰第一結構之間形成的一個或多個第一間隙中的第一密封層，其中第一密封層的填充率沿著第一光柵減小。裝置包含第二光柵，第二光柵形成在基板上方，第二光柵具有延伸遠離基板的複數個第二結構，第二光柵對應於輸入耦合器。
在另一個具體實施例中，揭示了一種方法。方法包含：形成第一光柵，第一光柵形成在基板上方，第一光柵具有延伸遠離基板的複數個第一結構，第一光柵對應於輸出耦合器。方法包含：形成第二光柵，第二光柵形成在基板上方，第二光柵具有延伸遠離基板的複數個第二結構，第二光柵對應於輸入耦合器。方法包括：在第一和第二光柵上方沉積第一密封層、固化第一密封層、以及在第一和第二光柵上方形成圖案化光阻劑層。方法包括：經由圖案化光阻劑層蝕刻第一密封層，其中第一密封層的填充率沿著第一光柵減小，以及在第一和第二光柵上沉積全域密封層。
本文描述的具體實施例涉及用於控制衍射效率和指向性的波導輸出耦合器光柵的梯度密封。一種裝置，包括形成在基板上方的第一光柵，第一光柵具有延伸遠離基板的複數個第一結構，第一光柵對應於輸出耦合器。裝置包括設置在相鄰第一結構之間形成的一個或多個間隙中的第一密封層，其中第一密封層的填充率沿著第一光柵減小。本文還描述了用於製造裝置的方法。
圖1A是示例性波導組合器100（例如用於擴增實境（AR）應用）的透視前視圖。應當理解，下文描述的波導組合器100是示例性的波導組合器，此波導組合器可以利用本文描述的系統和方法形成，並且本揭示內容的系統和方法可以用於形成或修改其他光學裝置和奈米結構光學裝置，例如其他波導組合器。例如，可以形成具有多於三個光柵的光學裝置，例如具有五個或更多個光柵。或者，可以形成具有少於三個光柵的光學裝置，例如兩個光柵。在另一個示例中，可以形成在兩個主要平面側上都具有光柵的光學裝置。在又一示例中，可以形成具有多於一個輸入耦合器和多於一個輸出耦合器的光學裝置。
波導組合器100包括對應於輸入耦合器的第一光柵110、對應於輸出耦合器的第二光柵120、以及輸入耦合器與輸出耦合器之間的第三光柵130。在一些具體實施例中，波導組合器100可以包括一個或多個附加光柵。在此，第三光柵130是用於擴展第一和第二光柵110、120之間的光的中間光柵。應當理解，第三光柵130可以是可選的。在一些具體實施例中，第一、第二和第三光柵110、120、130被佈置成在輸入耦合器和輸出耦合器之間實現光的實質全內反射。
圖1B是沿圖1A的線A-A'截取的示意性截面圖，示出了根據具體實施例的波導組合器100B。波導組合器100B包括基板102。基板102可以由任何合適的材料形成並且具有任何合適的厚度，只要基板102能夠充分透射期望波長或波長範圍內的光並且能夠用來充分支撐光柵。在一些具體實施例中，基板102的材料包括但不限於矽(Si)、二氧化矽(SiO2)、碳化矽(SiC)、玻璃、塑膠、聚碳酸酯和含藍寶石材料中的一種或多種。在一些具體實施例中，基板102包括摻雜玻璃。例如，基板102包括摻雜有重摻雜劑（例如鑭(La)、鋯(Zr)、鋅(Zn)等）的玻璃。基板102的材料還可具有可捲曲性和可撓性的特性。在一些具體實施例中，基板102的材料包括但不限於折射率介於約1.5和約2.4之間的材料。例如，基板102可以是折射率介於約1.7和約2.4之間的經摻雜高折射率基板。
波導組合器100B包括設置在基板102上的第一光柵110和第二光柵120。在一些具體實施例中，第一和第二光柵110、120可以設置在設置在基板102上的一個或多個間隔層（未示出）上。在包括間隔層的具體實施例中，間隔層可操作來為第一和第二光柵110、120提供支撐，並且具有根據第一和第二光柵110、120的期望光學特性的厚度和材料。第一光柵110包括複數個結構112，複數個結構112在基板102上方延伸並且具有在相鄰結構112之間形成的間隙114。類似地，第二光柵120包括複數個結構122，複數個結構122在基板102上方延伸並且在相鄰結構122的側壁126之間形成有間隙124。在一些具體實施例中，結構112、122可以是鰭。在一些具體實施例中，結構112、122可以設置在基板102中。換言之，可以蝕刻基板102以形成設置在其中的結構112、122。
在一些具體實施例中，結構112、122可以是不對稱的（例如，傾斜的或楔形的）。在此，結構112與結構122相對傾斜。在一些其他具體實施例中，結構112、122可以在相同方向上傾斜。在此，結構112向左傾斜而結構122向右傾斜。然而，結構112、122的方向並不特別限於所示具體實施例。例如，結構112、122可以相對於所描繪的具體實施例相對傾斜。
在此，結構122相對於表面法線106以角度θ1傾斜，每個結構122的傾斜角度θ1實質相同。在另一具體實施例中，一個結構122的傾斜角θ1可以不同於其他結構122的傾斜角θ1。在一些具體實施例中，傾斜角θ1可以從大約30度到大約60度，例如從大約40度到大約60度，或者從大約30度到大約40度，或者從大約40度到大約50度，或者從大約50度到大約60度，例如大約50度。在一些具體實施例中，傾斜角θ1可以從大約0度到大約30度，例如從大約0度到大約10度，或者從大約10度到大約20度，或者從大約20度到大約30度。在一些具體實施例中，結構122可以具有相對於表面法線106的等於0的傾斜角θ1，因此，結構122可以是二元結構。在此，每個結構122具有單個部分。在另一個具體實施例中，結構122可以具有相對於表面法線106具有不同傾斜角的兩個或更多個部分。在一些具體實施例中，基於結構122的期望深度和傾斜角θ1來選擇結構122的材料。
間隙124具有深度D1和寬度W1，深度D1定義為從基板102的表面104到結構122的頂表面128的距離，寬度W1定義為相鄰結構122的側壁126之間的距離的。在此，每個間隙124的深度D1實質相同。在另一具體實施例中，至少一個間隙124的深度D1可以不同於其他間隙124的深度D1。在此，每個間隙124的寬度W1實質相同。在另一具體實施例中，至少一個間隙124的寬度W1可以不同於其他間隙124的寬度W1。
在一些具體實施例中，結構112、122中的一者或一者以上可包括具有不同幾何形狀的結構，例如與此光柵中的其他結構的傾斜角或尺寸不同的傾斜角或尺寸。此外，複數個結構112、122內的一個離散結構的傾斜角在其光柵的長度或寬度上可以不同。
第一和第二光柵110、120獨立地包括碳氧化矽(SiOC)、氧化鈦(TiOx
)、TiOx
奈米材料、氧化鈮(NbOx
)、鈮鍺(Nb3
Ge)、二氧化矽(SiO2
)、碳氮化矽(SiOCN)、氧化釩 (IV) (VOx)、氧化鋁 (Al2
O3
)、氧化銦錫 (ITO)、氧化鋅 (ZnO)、五氧化二鉭 (Ta2
O5
)、氮化矽 (Si3
N4
)、Si3
N4
富矽、Si3
N4
摻氫、Si3
N4
摻硼、氮化碳（SiCN）、氮化鈦（TiN）、二氧化鋯（ZrO2
）、鍺（Ge）、磷化鎵（GaP）、多晶金剛石（PCD）、奈米晶金剛石（NCD）和摻雜的含金剛石材料中的至少一個。在一些具體實施例中，基板102可由包括在第一和第二光柵110、120中的任何材料形成，反之亦然。在一些具體實施例中，基板102以及第一和第二光柵110、120可以由相同的材料形成。
第一和第二光柵110、120可以藉由任何合適的處理形成在基板102的表面之上。例如，第一和第二光柵110、120可以透過物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、電漿增強CVD(PECVD)、流動CVD(FCVD)、原子層沉積(ALD) 和旋塗處理中的一種或多種形成。
在一些具體實施例中，第一和第二光柵110、120的材料可以具有大約1.5到大約2.65的折射率，例如大約1.5到大約1.8，或者大約2.2到大約2.65，或者大約1.8到大約2.2，或者約1.8到約2，或者約2到約2.2，或者約1.9到約2.1，例如約1.9到約2，或者約2到約2.1，例如約2。
在一些具體實施例中，波導組合器100B可以包括設置在基板102與第一和第二光柵110、120的結構112、122之間的光柵材料層（未示出）。光柵材料層可以由任何合適的材料並藉由任何合適的處理形成，包括用於形成上述第一和第二光柵110、120的材料和處理。
波導組合器100B包括設置在結構122之間的間隙124中的第一密封層140。在一些具體實施例中，第一密封層140可具有約0.2或更小的折射率對比度，例如約0至約0.2，例如約0至約0.05，或者約0.05至約0.1，或者約0.1至約0.15，或者約0.15至約0.2，或者約0.1或更小，其中折射率對比度（refractive index contrast）被定義為第一密封層140和第二光柵120之間的折射率差。
在一些具體實施例中，第一密封層140的折射率可為約1.6至約2.4，例如約1.7至約2.3，例如約1.8至約2.2，例如約1.8至約2，例如約1.9至約2，例如約1.95至約2，或者約2至約2.2，例如約2至約2.1，例如約2至約2.05，例如約2，或者約1.8至約1.85，或約1.85至約1.9，或約1.9至約1.95，或約1.95至約1.96，或約1.96至約1.97，或約1.97至約1.98，或約1.98至約1.99，或者約1.99到約2，或者約2到約2.01，或者約2.01到約2.02，或者約2.02到約2.03，或者約2.03到約2.04，或者約2.05到約2.04，或者約2.05至約2.1，或者約2.1至約2.2，或者約1.95至約2.05。
在一些具體實施例中，第一密封層140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、Al2
O3
、SiO2
、TiO、TaO、AlN、SiN、SiOx
Nx
、TiN、TaN、形成基板102的材料中的至少一種、形成第一和第二光柵110、120的任何材料中的至少一種，以及具有根據上述範圍的折射率的任何其他合適的材料。在一些具體實施例中，第一密封層140包括具有合適的間隙填充特性和約1.8至約2.2的折射率的任何材料。
第一密封層140具有高度H1，高度H1定義為從基板102的表面104到密封層140的頂表面142的距離。第一密封層140具有填充率，填充率定義為密封層140的高度H1與第二光柵120的深度D1之比。在此，填充率沿著第二光柵120從左到右從大約1線性減小到大約0。然而，第一密封層140的輪廓並不特別限於所示出的具體實施例。例如，在其他具體實施例中，填充率可以非線性地減小（例如根據冪律（power law）函數、指數函數或另一多項式函數)。在一些具體實施例中，填充率可以大抵降低，同時包括一個或多個填充率恆定或甚至增加的部分。在一些具體實施例中，填充率可階梯式(stepwise)減小(即，其中每個間隙124具有小於前一間隙124且大於後一間隙124的恆定填充率)。在一些具體實施例中，填充率可以是任何上述梯度的組合。
在一些具體實施例中，填充率可具有低於1的最大值(即，其中密封層140在頂表面128下方)，例如約0.5至約1，例如約0.6至約1，例如約0.7至約1，例如約0.8至約1，例如約0.9至約1，或約0.8至約0.9，或約0.7至約0.8，或約0.6至約0.7，或約0.5到約0.6。
在一些具體實施例中，填充率可以具有大於0的最小值(即，其中密封層140沿著第二光柵120的整個表面104存在)，例如從大約0到大約0.5，例如從大約0到大約0.4，例如約0到約0.3，例如約0到約0.2，例如約0到約0.1，或者約0.1到約0.2，或者約0.2到約0.3，或者約0.3到約0.4，或者約0.4至約0.5。
在一些具體實施例中，填充率的範圍可以從約0到約1，例如從約0.1到約1，例如從約0.2到約1，例如從約0.3到約1，例如從約0.4到約1，例如約0.5至約1，例如約0.6至約1，例如約0.7至約1，例如約0.8至約1，例如約0.9至約1，或者約0至約0.9，例如約0至約0.8，例如約0至約0.7，例如約0至約0.6，例如約0至約0.5，例如約0至約0.4，例如約0至約0.3，例如約0至約0.2，例如約0至約0.1。
本文描述的密封層梯度能夠控制沿第二光柵120的衍射效率。與未密封的光柵（即，沒有密封層140的光柵）相比，密封層140的低折射率對比度（例如，約0.2或更小）降低了衍射效率。未密封光柵可具有接觸表面104的空氣（即，折射率為1），或可包括具有低折射率（例如，折射率對比度大於約0.2）的全域密封層。在一些具體實施例中，第二光柵120的衍射效率可以是約2.5％或更低，或者約1％至約50％，例如約1％至約40％，例如約1％至約30％，例如約1%至約20%，例如約1%至約10%，例如約1%至約5%，例如約1%至約2.5%，或者約2.5%約 5%，或者約 5% 到約 10%，或者約 10% 到約 20%，或者約 20% 到約 30%，或者約 30% 到約 40%，或者約 40%到大約 50%。
除了降低衍射效率之外，本文描述的密封層梯度控制沿第二光柵120的衍射效率。在一些具體實施例中，隨著填充率增加，衍射效率降低。例如，如本文所示，具有最大填充率（即，1）的第二光柵120的左端具有最低的衍射效率（即，從大約1%到大約5%），並且具有最低填充率（即，0）的第二光柵120的右端具有最高的衍射效率（即，從大約 40% 到大約 50%）。然而，第二光柵120的定向並不特別限於所示具體實施例。例如，定向可以使得第二光柵120的填充率從右向左減小。
習知裝置使用淺深度光柵來降低衍射效率；然而，淺深度光柵限制了指向性。在此描述的密封層梯度可以在不降低光柵深度的情況下以低效率輸出光。因此，本文描述的密封層梯度可以實現衍射效率的全範圍調諧，同時在第二光柵120的整個表面上保持朝向使用者的指向性。在一個或多個具體實施例中，與習知裝置相比的上述優點可以由不對稱結構122和密封層梯度的組合產生。
波導組合器100B包括在第一和第二光柵110、120和第一密封層140之上的全域密封層150。在一些具體實施例中，全域密封層150的折射率可以低於第一和第二光柵110、120以及第一密封層140的折射率。在一些具體實施例中，全域密封層150的折射率可為約1至約1.7，例如約1.2至約1.5。在一些具體實施例中，全域密封層150可具有小於約0.001的吸收係數。
全域密封層150可以由任何合適的透明材料形成，包括但不限於含二氧化矽材料和不含二氧化矽的材料，例如含聚合物材料，例如含氟聚合物材料。在一些具體實施例中，全域密封層150可以由二氧化矽(SiO2
)或諸如碳和氮化物摻雜的氧化矽(SiCON)或碳氮化矽(SiCN)的低k介電膜形成。在一些具體實施例中，全域密封層150可以包括含氟材料，例如氟化鋁(AlF3
)和氟化鎂(MgF2
)。
圖1C是沿圖1A的線A-A'截取的示意性截面圖，示出了根據具體實施例的波導組合器100C。波導組合器100C在大多數方面與波導組合器100B相似，並且上文對於波導組合器100B的描述可在此併入而不受限制。
與波導組合器100B相比，除了第二光柵120之外，波導組合器100C還包括在第一光柵110之上的第一密封層140。第一密封層140設置在相鄰結構112的側壁116之間的間隙114中。在此，第一光柵110上方的第一密封層140具有平坦的頂表面144，頂表面144高於第二光柵120上方的第一密封層140的頂表面142。在一些具體實施例中，頂表面144可以是非平面的。在一些具體實施例中，頂表面144可以在頂表面142處或下方。在此，頂表面144高於結構112的頂表面118，使得間隙114的填充率是恆定的且等於1。然而，第一密封層140在第一光柵110上的輪廓並不特別限於所示具體實施例。例如，填充率可能小於 1。在這樣的具體實施例中，填充率可以沿著第一光柵110變化。
波導組合器100C包括全域密封層150。在此，全域密封層150在第一光柵110上方接觸第一密封層140的頂表面144。
圖1D是沿圖1A的線A-A'截取的示意性截面圖，示出了根據具體實施例的波導組合器100D。波導組合器100D在大多數方面與波導組合器100B及/或波導組合器100C相似，並且上文對於波導組合器100B、100C的描述可在此併入而不受限制。
與波導組合器100B、100C相比，波導組合器100D具有雙面光柵，其中雙面光柵被定義為位於基板102的相對平面側上。在此，第一光柵110設置在基板102的與前側表面104相對的後側表面108上，第二光柵120設置在前側表面104上。波導組合器100D包括在後側表面108上的第一和第二光柵110、120之上的第二密封層146。第二密封層146設置在第一光柵110的相鄰結構112的側壁116之間的間隙114中。第二密封層146具有表面148，表面148背對基板102的後側108。第二密封層146可以與第一密封層140相同或不同，並且第一密封層140的以上描述可以在不受限制的情況下併入本文。
在此，第二密封層146覆蓋第一和第二光柵110、120上方的後側108。然而，第二密封層146並不特別限於所示具體實施例。例如，第二密封層146可以僅覆蓋第一光柵110上方的後側108。在一些其他具體實施例中，可以省略第二密封層146。
波導組合器100D包括全域密封層150。在此，全域密封層150在第一和第二光柵110、120上方接觸第二密封層146的表面148。
圖2是示出根據具體實施例的用於密封波導光柵的方法200的操作的流程圖。圖3A-3J是根據具體實施例的在製造期間波導組合器100B的示意性截面圖。
參考圖2和3A，在步驟202，方法200包括形成對應於輸入耦合器的第一光柵110和對應於輸出耦合器的第二光柵120。第一和第二光柵110、120可以使用上述任何材料和處理形成。
參考圖2和3B，在步驟204，方法200包括在第一和第二光柵110、120上沉積第一密封層140。第一密封層140沉積在基板102的表面104上方、間隙114、124中、結構112上方以及沿著結構122的頂表面128和側壁126。可以藉由任何合適的處理形成第一密封層140。例如，第一密封層140可以藉由PVD、CVD、PECVD、FCVD、ALD和旋塗處理中的一個或多個形成。
參考圖2和3B，在步驟206，方法200包括固化第一密封層140。在一些具體實施例中，可以藉由熱、壓力、化學處理或任何其他合適的固化技術來固化第一密封層140。
參考圖2和3C，在步驟208，方法200包括在固化的第一密封層140上沉積第一硬遮罩層162。第一硬遮罩層162包括氮化鈦、氮化矽和碳化矽中的至少一個。可以藉由任何合適的處理形成第一硬遮罩層162。例如，第一硬遮罩層162可以藉由PVD、CVD、PECVD、FCVD、ALD和旋塗處理中的一種或多種形成。
參考圖2和3D，在步驟210，方法200包括在第一硬遮罩層162上方形成圖案化的第二硬遮罩層164。圖案化的第二硬遮罩層164設置在第二光柵120上方但不在第一光柵110上方。因此，圖案化的第二硬遮罩層164可用作蝕刻遮罩以蝕刻第一光柵110上方的第一硬遮罩層162。圖案化的第二硬遮罩層164包括正性或負性光阻劑、含金屬硬遮罩、含碳硬遮罩、有機平坦化層(OPL)和其他合適的硬遮罩材料中的至少一種。可以藉由任何合適的處理形成圖案化的第二硬遮罩層164。例如，圖案化的第二硬遮罩層164可以藉由PVD、CVD、PECVD、FCVD、ALD和旋塗處理中的一種或多種形成。
參考圖2和3E，在步驟212，方法200包括去除第一光柵110上方的第一硬遮罩層162。可以藉由相對於圖案化的第二硬遮罩層164對第一硬遮罩層162具有蝕刻選擇性的蝕刻處理去除第一硬遮罩層162。因此，可以從第一光柵110上方去除第一硬遮罩層162，而不影響第二光柵120上方的第一硬遮罩層162及/或圖案化的第二硬遮罩層164。蝕刻處理可以包括濕蝕刻、乾蝕刻、反應離子蝕刻和電漿蝕刻中的至少一種。
參考圖2和3F，在步驟214，方法200包括在第一光柵110上方蝕刻第一密封層140。位於第二光柵120上方的第一硬遮罩層162可以用作用於蝕刻位於第一光柵110上方的第一密封層140的蝕刻遮罩。可以藉由相對於圖案化的第二硬遮罩層164或第一硬遮罩層162之一者對第一密封層140具有蝕刻選擇性的蝕刻處理去除第一密封層140。因此，第一密封層140可以從第一光柵110上方移除而不影響第二光柵120上方的第一密封層140。蝕刻處理可以包括濕蝕刻、乾蝕刻、反應離子蝕刻和電漿蝕刻中的至少一種。
參考圖2和3G，在步驟216，方法200包括去除第二光柵120上方的第一硬遮罩層162。可以從第二光柵120上方去除第一硬遮罩層162以在第二光柵120上方製備密封層140以用於隨後的蝕刻步驟。可以藉由剝離、濕蝕刻、乾蝕刻、反應離子蝕刻和電漿蝕刻中的至少一種去除第一硬遮罩層162。
參考圖2和3H，在步驟218，方法200包括在第一和第二光柵110、120上方形成圖案化光阻劑層166。在一些具體實施例中，圖案化光阻劑層166可以藉由任何合適的光刻處理形成（例如使用掃描灰階曝光的灰階光刻處理，其中劑量在從第一光柵110到第二光柵120的波導組合器100B掃描期間增加）。灰階光刻處理可以包括在第一和第二光柵110、120上方均厚沉積（blanket depositing）光阻劑材料。在此，光阻劑材料接觸第一光柵110和第二光柵120上方的第一密封層140。在一些具體實施例中，光阻劑材料可以包括但不限於含光敏聚合物的材料。
隨後，光阻劑材料的曝光可包括使用沿光阻劑材料的曝光劑量梯度以在其中形成潛在圖案。在一些具體實施例中，潛在圖案可以包括但不限於使用光刻或雷射燒蝕在光阻劑材料中產生的任何一維、二維或三維形狀。在一些具體實施例中，潛在圖案可以分級。潛在圖案的形狀可以決定第一密封層140的輪廓。在形成潛在圖案之後，可以對光阻劑材料進行顯影以形成圖3H所示的圖案化光阻劑層166。光阻劑材料可以是正性光阻劑，使得在顯影過程中去除光阻劑材料的曝光區域。在一些具體實施例中，顯影光阻劑材料可包括執行光刻處理，例如光刻、數位光刻或藉由執行激光燒蝕。
在此，圖案化光阻劑層166具有在第一密封層140上方測量的厚度T1，厚度T1沿著第一和第二光柵110、120線性減小。然而，圖案化光阻劑層166的輪廓並不特定限於所說明的具體實施例。例如，輪廓可以非線性地減小(例如根據冪律函數、指數函數或另一多項式函數)，輪廓大抵可以減小同時包括其中輪廓恆定甚至增加的一個或多個部分、輪廓可以階梯式減小、或者輪廓可以是上述輪廓中的任何一個的組合。在後續蝕刻期間，圖案化光阻劑層166的輪廓可以轉移到第一密封層140。
參考圖2和3I，在步驟220，方法200包括蝕刻圖案化光阻劑層166和第一密封層140。在此，蝕刻處理暴露出結構122的側壁126和頂表面128的部分。蝕刻處理可包括任何合適的定向或非定向蝕刻處理。在一些具體實施例中，可以藉由各向同性蝕刻處理將圖案化光阻劑層166的輪廓轉移到第一密封層140。各向同性蝕刻處理可以相對於結構122對圖案化光阻劑層166和第一密封層140具有蝕刻選擇性，使得可以在不影響下方結構122的情況下蝕刻第一密封層140。在此，圖案化光阻劑層166和第一密封層140以實質相同的速率被去除，使得蝕刻的第一密封層140的輪廓與圖案化光阻劑層166的輪廓實質匹配。在一些其他具體實施例中，取決於蝕刻速率或蝕刻選擇性的差異，蝕刻的第一密封層140的輪廓可以不同於圖案化光阻劑層166的輪廓。
在一些具體實施例中，可以使用定向蝕刻，具有或不具有在圖案化光阻劑層166中形成的梯度。在一些具體實施例中，蝕刻的第一密封層140的頂表面142可以垂直於結構122的側壁126。在一些具體實施例中，蝕刻處理可以在蝕刻的第一密封層140中形成階梯式減小，使得相鄰結構122之間的頂表面142實質上平行於基板102的表面104。
在一些具體實施例中，蝕刻處理可包括使用一個或多個鄰近遮罩的循環蝕刻處理。在一些具體實施例中，蝕刻可以是均勻的。在一些其他具體實施例中，蝕刻可以是選擇性的。在一些具體實施例中，可以使用單一蝕刻化學物質。在一些其他具體實施例中，可以使用兩種或更多種不同的蝕刻化學物質。
參考圖2和3J，在步驟222，方法200包括在第一和第二光柵110、120上沉積全域密封層150。全域密封層150沉積在基板102的表面104上方、間隙114中、結構112上方、經蝕刻的第一密封層140上方、以及沿著結構122的暴露出的側壁126和頂表面128。可以藉由任何合適的處理形成全域密封層150。例如，全域密封層150可以藉由PVD、CVD、PECVD、FCVD、ALD和旋塗處理中的一個或多個形成。
圖4是示出根據具體實施例的用於密封波導光柵的方法400的操作的流程圖。圖5A-5H是根據具體實施例的在製造期間波導組合器100C的示意性截面圖。
參考圖4和5A，在步驟402，方法400包括形成對應於輸入耦合器的第一光柵110和對應於輸出耦合器的第二光柵120。參考圖4和5B，在步驟404，方法400包括在第一和第二光柵110、120上沉積第一密封層140。參考圖4和5B，在步驟406，方法400包括固化第一密封層140。參考圖4和5C，在步驟408，方法400包括在固化的第一密封層140上沉積第一硬遮罩層172。步驟402到408類似於方法200的步驟202到208。
參考圖4和5D，在步驟410，方法400包括在第一硬遮罩層172上方形成圖案化的第二硬遮罩層174。步驟410類似於方法200的步驟210，不同之處在於圖案化的第二硬遮罩層174設置在第一光柵110之上而不是第二光柵120之上。因此，圖案化的第二硬遮罩層174可用作蝕刻遮罩以蝕刻第二光柵120上方的第一硬遮罩層172。
參考圖4和5E，在步驟412，方法400包括去除第二光柵120上方的第一硬遮罩層172。步驟412類似於方法200的步驟216，除了第一硬遮罩層172保持設置在第一光柵110之上。
參考圖4和5F，在步驟414，方法400包括在第一和第二光柵110、120上方形成圖案化光阻劑層176。步驟414類似於方法200的步驟218，不同之處在於光阻劑材料接觸第一光柵110上方的第一硬遮罩層172和第二光柵120上方的第一密封層140。在形成潛在圖案之後，可以對光阻劑材料進行顯影以形成圖5F所示的圖案化光阻劑層176。
參考圖4和5G，在步驟416，方法400包括蝕刻圖案化光阻劑層176和第一密封層140。步驟416類似於方法200的步驟220，不同之處在於保留在第一光柵110上方的第一硬遮罩層172用作蝕刻遮罩以蝕刻第二光柵120上方的第一密封層140，而不影響第一光柵110上方的第一密封層140。
參考圖4和5H，在步驟418，方法400包括在第一和第二光柵110、120上沉積全域密封層150。步驟418類似於方法200的步驟222，不同之處在於全域密封層150設置在第一光柵110上方的第一密封層140的頂表面144上。
圖6是示出根據具體實施例的用於密封波導光柵的方法600的操作的流程圖。圖7A-7J是根據具體實施例的在製造期間波導組合器100D的示意性截面圖。
參考圖6和7A，在步驟602，方法600包括形成第一光柵110和第二光柵120，第一光柵110對應於基板102的後側108上的輸入耦合器，第二光柵120對應於基板102的相對於後側108的前側104上的輸出耦合器。步驟602類似於方法200的步驟202，不同之處在於第一光柵110形成在基板102的後側108上。
參考圖6和7B，在步驟604，方法600包括在前側104上沉積第一密封層140。步驟604類似於方法200的步驟204，不同之處在於第一密封層140沉積在基板102的表面104上方、間隙124中以及沿著結構122的側壁126和頂表面128。
參考圖6和7B，在步驟606，方法600可選地包括在後側108上沉積第二密封層146。第二密封層146沉積在基板102的後側108之上、間隙114中和結構112之上。第二密封層146具有表面148，表面148背對基板102的後側108。可以藉由任何合適的處理形成第二密封層146。例如，第二密封層146可以藉由PVD、CVD、PECVD、FCVD、ALD和旋塗處理中的一個或多個形成。
參考圖6和7B，在步驟608，方法600包括固化第一密封層140和可選的第二密封層146。步驟608類似於方法200的步驟206，不同之處在於固化處理可以應用於基板102的前側104和後側108。
參考圖6和7C，在步驟610，方法600包括在前側104上的固化的第一密封層140上方沉積第一硬遮罩層182。參考圖6和7D，在步驟612，方法600包括在前側104上的第一硬遮罩層182上方形成圖案化的第二硬遮罩層184。參考圖6和7E，在步驟614，方法600包括去除前側104上的第一光柵110上方的第一硬遮罩層182。參考圖6和7F，在步驟616，方法600包括在前側104上的第一光柵110上方蝕刻第一密封層140。參考圖6和7G，在步驟618，方法600包括去除前側104上的第二光柵120上方的第一硬遮罩層182。參考圖6和7H，在步驟620，方法600包括在前側104上的第一和第二光柵110、120上方形成圖案化光阻劑層186。參考圖6和7I，在步驟622，方法600包括蝕刻前側104上的圖案化光阻劑層186和第一密封層140。除了波導組合器100D在後側108上具有第一光柵110之外，步驟610到622類似於方法200的步驟208到220。
參考圖6和7J，在步驟624，方法600包括在前側104和後側108上的第一和第二光柵110、120上方沉積全域密封層150。步驟624類似於方法200的步驟222，不同之處在於全域密封層150設置在前側104和後側108之上。全域密封層150設置在第一和第二光柵110、120上方的第二密封層146的表面148上。
雖然前述內容係關於本揭示內容的範例，但可設想其他與進一步的範例而不脫離前述內容的基本範圍，且前述內容的範圍係由下列申請專利範圍判定。
100:波導組合器
102:基板
104:表面
106:表面法線
108:後側表面
110:光柵
112:結構
114:間隙
116:側壁
118:頂表面
120:光柵
122:結構
124:間隙
126:側壁
128:頂表面
130:光柵
140:密封層
142:頂表面
144:頂表面
146:密封層
148:表面
150:全域密封層
162:硬遮罩層
164:硬遮罩層
166:圖案化光阻劑層
172:硬遮罩層
174:硬遮罩層
176:圖案化光阻劑層
182:硬遮罩層
184:硬遮罩層
186:圖案化光阻劑層
200:方法
400:方法
600:方法
100B:波導組合器
100C:波導組合器
100D:波導組合器
202-222:操作
402-418:操作
602-624:操作
可參考多個具體實施例以更特定地說明以上簡要總結的本揭示內容，以更詳細瞭解本揭示內容的上述特徵，附加圖式圖示說明了其中一些具體實施例。然而應注意到，附加圖式僅說明示例性具體實施例，且因此不應被視為限制具體實施例的範圍，並可承認其他等效的具體實施例。
圖1A是根據具體實施例的波導組合器的前透視圖。
圖1B是沿圖1A的線A-A'截取的示意性截面圖，示出了根據具體實施例的波導組合器。
圖1C是沿圖1A的線A-A'截取的示意性截面圖，示出了根據具體實施例的波導組合器。
圖1D是沿圖1A的線A-A'截取的示意性截面圖，示出了根據具體實施例的波導組合器。
圖2是示出根據具體實施例的用於密封波導光柵的方法的操作的流程圖。
圖3A-3J是根據具體實施例的在製造期間波導組合器的示意性截面圖。
圖4是示出根據另一具體實施例的密封波導光柵的方法的操作的流程圖。
圖5A-5H是根據另一具體實施例的在製造期間的波導組合器的示意性截面圖。
圖6是示出根據又一具體實施例的用於密封波導光柵的方法的操作的流程圖。
圖7A-7J是根據又一具體實施例的在製造期間的波導組合器的示意性截面圖。
為了協助瞭解，已儘可能使用相同的元件符號標定圖式中共有的相同元件。已思及到，一個具體實施例的元件與特徵，可無需進一步的敘述即可被有益地併入其他具體實施例中。
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
100B:波導組合器
102:基板
104:表面
106:表面法線
110:光柵
112:結構
114:間隙
120:光柵
122:結構
124:間隙
126:側壁
128:頂表面
140:密封層
142:頂表面
150:全域密封層
Claims (20)
- 一種波導組合器，包含：一第一光柵，該第一光柵形成在一基板上方，該第一光柵具有延伸遠離該基板的複數個第一結構，該第一光柵對應於一輸出耦合器；以及一第一密封層，該第一密封層設置在相鄰第一結構之間形成的一個或多個間隙中，其中該第一密封層的一填充率在從位於該第一光柵的一側的一第一結構朝向位於該第一光柵的一相對側的另一第一結構之一方向上沿著該第一光柵減小。
- 如請求項1所述之波導組合器，其中該第一密封層相對於該第一光柵具有約0.2或更小的一折射率對比度。
- 如請求項1所述之波導組合器，其中該第一密封層的一折射率為約1.8至約2.2。
- 如請求項1所述之波導組合器，其中該第一密封層包括聚醯亞胺、聚醯亞胺混合物或金屬-有機聚醯亞胺混合物中的一種或多種。
- 如請求項1所述之波導組合器，其中該第一密封層的該填充率的範圍從大約0到大約1。
- 如請求項1所述之波導組合器，其中該填充率線性降低。
- 如請求項1所述之波導組合器，其中該填充 率階梯式降低。
- 如請求項1所述之波導組合器，其中該填充率非線性降低。
- 如請求項1所述之波導組合器，該波導組合器進一步包括形成在該基板上方的一第二光柵，該第二光柵具有延伸遠離該基板的複數個第二結構，該第二光柵對應於一輸入耦合器。
- 一種波導組合器，包含：一第一光柵，該第一光柵形成在一基板上方，該第一光柵具有延伸遠離該基板的複數個第一結構，該第一光柵對應於一輸出耦合器；一第一密封層，該第一密封層設置在相鄰第一結構之間形成的一個或多個第一間隙中，其中該第一密封層的一填充率在從位於該第一光柵的一側的一第一結構朝向位於該第一光柵的一相對側的另一第一結構之一方向上沿著該第一光柵減小；以及一第二光柵，該第二光柵形成在該基板上方，該第二光柵具有延伸遠離該基板的複數個第二結構，該第二光柵對應於一輸入耦合器。
- 如請求項10所述之波導組合器，其中該第一密封層設置在相鄰的第二結構之間形成的一個或多個第二間隙中。
- 如請求項10所述之波導組合器，其中該等 第一和第二光柵形成在該基板的一前側上。
- 如請求項10所述之波導組合器，其中該第一光柵形成在該基板的一前側上，並且其中該第二光柵形成在該基板的與該前側相對的一後側上。
- 如請求項13所述之波導組合器，該波導組合器進一步包括一第二密封層，該第二密封層設置在該基板的該後側上方，其中該第二密封層設置在相鄰的第二結構之間形成的一個或多個第二間隙中。
- 一種製造一波導組合器的方法，包含以下步驟：形成一第一光柵，該第一光柵形成在一基板上方，該第一光柵具有延伸遠離該基板的複數個第一結構，該第一光柵對應於一輸出耦合器；形成一第二光柵，該第二光柵形成在該基板上方，該第二光柵具有延伸遠離該基板的複數個第二結構，該第二光柵對應於一輸入耦合器；在該等第一和第二光柵上沉積一第一密封層；固化該第一密封層；在該等第一和第二光柵上方形成一圖案化光阻劑層；經由該圖案化光阻劑層蝕刻該第一密封層，其中該第一密封層的一填充率在從位於該第一光柵的一側的一第一結構朝向位於該第一光柵的一相對側的另一第一結構之一方向上沿著該第一光柵減少；以及 在該等第一和第二光柵上沉積一全域密封層。
- 如請求項15所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：在固化的該第一密封層上沉積一第一硬遮罩層；以及在該第一硬遮罩層上方形成一圖案化的第二硬遮罩層。
- 如請求項16所述之方法，該方法進一步包含以下步驟：去除該第二光柵上方的該第一硬遮罩層；以及使用圖案化的該第二硬遮罩層或該第一硬遮罩層中的一個作為一蝕刻遮罩，來蝕刻該第二光柵上方的該第一密封層。
- 如請求項15所述之方法，其中形成該圖案化的光阻劑層之步驟包括以下步驟：執行一灰階光刻處理。
- 如請求項15所述之方法，其中經由該圖案化光阻劑層蝕刻該第一密封層之步驟包括以下步驟：將該圖案化光阻劑層的一輪廓轉移到該第一密封層。
- 如請求項15所述之方法，其中該第一光柵形成在該基板的一前側上，其中該第一密封層沉積在該前側上，並且其中該第二光柵形成在該基板的與該前側相對的一後側上，進一步包括以下步驟：在該後側上沉積一第二密封層。
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