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TWI844579B - 製造傾斜式格柵之方法 - Google Patents

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TWI844579B
TWI844579B TW108141380A TW108141380A TWI844579B TW I844579 B TWI844579 B TW I844579B TW 108141380 A TW108141380 A TW 108141380A TW 108141380 A TW108141380 A TW 108141380A TW I844579 B TWI844579 B TW I844579B
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摩根 艾文斯
提摩曼 提森 魯格 邁爾
梅根 克拉克
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美商應用材料股份有限公司
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Abstract

提供製造具有擁有可變高度及寬度的溝槽的格柵的方 法。在一個實例中，一種方法包括在基底頂部提供光學格柵層以及在所述光學格柵層之上提供圖案化硬遮罩。所述方法可包括僅在部分的所述光學格柵層以及所述圖案化硬遮罩之上形成遮罩，且在所述光學格柵層中蝕刻多個溝槽以形成光學格柵。在溝槽形成之後，以下格柵特性中的至少一者在所述多個溝槽中的一個或多個溝槽之間變化：溝槽深度及溝槽寬度。

Description

製造傾斜式格柵之方法 [相關申請的交叉參考]
本申請主張2018年12月14日提出申請、序列號為62/780,138的美國臨時專利申請的優先權，所述美國臨時專利申請的全部內容併入本文供參考。
本發明的實施例大體涉及製造格柵的方法。更具體來說，本發明涉及製造具有擁有可變高度及寬度的溝槽的格柵的方法。
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，已在全息及擴增/虛擬實境(augmented/virtual reality，AR及VR)裝置中使用微繞射格柵。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)上由電腦產生的 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，使得圖像產生準直光束，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。為在擴增實境透鏡或組合器中恰當地發揮作用，可設計光學格柵的幾何形狀以達成各種效果。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)，其中一個區域中的格柵幾何形狀不同於其他區域中的格柵幾何形狀。
可通過在基底或基底上的膜堆疊中直接蝕刻斜角溝槽來製造斜角表面浮雕光學格柵(angled surface relief optical grating)。控制光學格柵的效率的參數中的一者是溝槽深度。遺憾的是，目前在繞射及視場中形成具有不同高度、寬度和/或形狀的光學格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高度及寬度的溝槽的格柵的方法。
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標的的關鍵特徵或本質特徵，也不旨在幫助確定所主張標的的 範圍。
本發明的實施例提供一種形成繞射光學元件的方法，所述方法包括：在基底頂部提供光學格柵層；在所述光學格柵層之上提供圖案化硬遮罩；以及僅在部分的所述光學格柵層以及所述圖案化硬遮罩之上形成遮罩。所述方法還可包括在所述光學格柵層中蝕刻多個溝槽以形成光學格柵，其中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。
本發明的實施例還提供一種形成光學格柵組件的方法，所述方法包括在基底頂部提供光學格柵層以及在所述光學格柵層之上提供圖案化硬遮罩。所述方法還可包括僅在部分的所述光學格柵層以及所述圖案化硬遮罩之上形成遮罩。所述方法還可包括在所述光學格柵層中蝕刻多個溝槽以形成光學格柵，其中以下格柵特性中的至少一者在所述多個溝槽中的一個或多個溝槽之間變化：溝槽深度及溝槽寬度。
本發明的實施例還提供一種形成光學格柵組件的方法，所述方法包括：在基底頂部提供光學格柵層以及在所述光學格柵層之上提供圖案化硬遮罩。所述方法還可包括僅在部分的所述光學格柵層以及所述圖案化硬遮罩之上形成遮罩。所述方法還可包括通過蝕刻所述光學格柵層、所述圖案化硬遮罩及所述遮罩而在所述光學格柵層中形成多個溝槽，其中以下格柵特性中的至少一者在所述多個溝槽中的一個或多個溝槽之間變化：溝槽深度及溝槽寬度。
100:電子裝置
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:輸入格柵結構
114:輸出格柵結構
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:光學格柵組件
202、402、502、902:基底
204:蝕刻終止層
206:光學格柵
207、507、607、807、907:光學格柵層
212:斜角組件/斜角結構
214:溝槽
300:處理設備
302:電漿腔室
304:電漿
306:提取板
308:提取孔隙
310:離子束
314:基底台板
320:偏壓電源
322:源
324:處理腔室
326:垂直線
330:掃描方向
400、500、600、800、900:繞射光學元件
407:光學格柵層
410:硬遮罩/圖案化硬遮罩
410A、410B、410C、410D、410E、410F、510A、510B、510C、510D、510E、510F、510G、910:硬遮罩元件
411、511A、511B:間隙
413:頂表面
420、520、620、820、920:遮罩
422:斜坡段
425:蝕刻
505、605、805、905:第一部分
506、606、906:第二部分
510、610、810:硬遮罩
512、612、912:斜角結構
514A、614A、914A:第一組溝槽
514B、614B、914B:第二組溝槽
610A、810A:第一子集
610B、810B、910B:第二子集
700:方法
701、703、705、707:步驟
814:溝槽
822:斜坡表面輪廓
822’:形狀
910A:子集/第一子集
910C:第三子集
d:深度
d1:第一深度
d2:第二深度
H:格柵高度
H1、H2:高度/水平高度
h1、hmh:高度
hmw:寬度
hmw1:第一硬遮罩寬度
hmw2:第二硬遮罩寬度
PP1、PP2、PP3、PP4、PP5:製程點
w:寬度
w1:第一寬度
w2:第二寬度
w3:第三寬度
X、Y、Z:方向
Φ: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格柵組件的側剖視圖。
圖2B繪示根據本發明實施例的圖2A所示光學格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底。
圖4A至圖4D是根據本發明實施例的在光學格柵層中形成的斜角結構的側剖視圖。
圖5示出根據本發明實施例的形成光學格柵的蝕刻製程。
圖6示出根據本發明實施例的形成光學格柵的蝕刻製程。
圖7繪示根據本發明實施例的製程流程。
圖8繪示根據本發明實施例的一系列蝕刻循環中的繞射光學元件。
圖9繪示根據本發明實施例的一系列蝕刻循環中的繞射光學元件。
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可被配置用於擴增實境應用、虛擬實境應用及混合或融合實境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，以將所生成的虛擬圖像的光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是高解析度顯示生成器，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包括輸入格柵結構112及輸出格柵結構114。輸入格柵結構112形成在波導104上與輸入耦合區域106對應的區中。輸出格柵結構114形成在波導104上與輸出耦合區域110對應的區中。輸入格柵結構112及輸出格柵結構114影響光在波導104內的傳播。例如，輸入格柵結構112向內耦合來自圖像微顯示器128的光，且輸出格柵結構將光向外耦合到用戶眼睛111。
例如，輸入格柵結構112影響顯示在用戶眼睛111處的虛擬圖像的視場。輸出格柵結構114影響從波導104收集並向外耦合的光120的量。此外，輸出格柵結構114調製自用戶視角101的虛擬圖像的視場，並增加用戶可觀看到來自圖像微顯示器128的虛擬圖像的視角。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中還形成有格柵結構(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格柵結構。
圖2A繪示根據本發明實施例的光學格柵組件200的側剖視圖。圖2B繪示光學格柵組件200的俯視平面圖。根據本發明的各種實施例，光學格柵組件200可用作待被放置在眼鏡上或在眼鏡中一體形成的光學格柵。光學格柵組件200包括基底202以及設置在基底202上的光學格柵206。光學格柵206可相同於或相似於圖1所示輸入格柵結構112和/或輸出格柵結構114。在一些實施例中，基底202是透光材料，例如已知的玻璃。在一些實施例中，基底202是矽。在後一種情形中，基底202是矽，且使用另一製程將格柵圖案轉移到另一光學基底(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，光學格柵206可設置在光學格柵層207中。在圖2A及圖2B所示的非限制性實施例中，光學格柵組件200還包括設置在基底202與光學格柵層207之間的蝕刻終止層204。根據本發明的一些實施例，光學格柵層207可為透光材料，例如氧化矽、氮化矽、玻璃、TiO2或其他材料。
根據本發明的一些實施例，光學格柵206可包括處於100奈米(nm)到1000nm範圍內的格柵高度H。因此，光學格柵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10nm到100nm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、SiO2、TiN、SiC以及其他材料。在其中光學格柵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。在其中光學格柵組件200形成用於製造目鏡用光學格柵的母版(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，光學格柵206可包括被示出為斜角組件或結構212的多個斜角結構，所述多個斜角結構相對於基底202的平面(例如，x-y平面)的垂直線以非零傾斜角設置。斜角結構212可包括在傾斜式格柵的一個或多個場(field)內，所述傾斜式格柵一起形成“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)平行於基底102的平面，在此種情形中即x-y平面。在其他實施例中，斜角結構212可沿平行於y軸的方向界定可變高度。多個溝槽214可相對於例如基底202的頂表面或光學格柵層207的頂表面等平面的垂直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格柵206之上的遮罩層而有所變化。
在一些實施例中，光學格柵206沿Y方向的寬度可在大約數毫米到數釐米的數量級，而格柵高度H可在大約1微米或小於 1微米的數量級。因此，格柵高度H的變化範圍可在大約數百奈米或小於數百奈米的數量級。格柵高度H或深度d的平滑變化的實例是：相鄰格柵線之間的格柵高度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，格柵高度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5mm距離上格柵高度H變化50%可需要在具有一微米節距(pitch)的大約5x103條線上連續地改變格柵高度H。所述變化需要相鄰線的相對高度的0.5/(5x104)或大約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代表用於蝕刻基底的部分或在基底上進行沉積以生成例如本發明實施例的光學格柵的處理設備。處理設備300可為電漿類的處理系統，所述電漿類的處理系統具有電漿腔室302以用於通過所屬領域中已知的任意方便方法在其中生成電漿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格柵層207(圖2A至圖2B)。包括例如上述光學格柵結構的基底202設置在處理腔室324中。基底202的基底平面由所示笛卡爾坐標系的X-Y平面表示，而基底202的平面的垂直線沿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320在電漿腔室302與基底202(或基底台板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與基底202保持在相同的電勢。
根據各種實施例，可沿垂直線326提取離子束310，或可相對於垂直線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可被配置成在電漿腔室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可向電漿腔室302供應例如反應氣體等氣體。依據被提供到電漿腔室302的物質的具體組成，電漿304可生成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)掃描包括基底202的基底台板314，離子束310可蝕刻基底202或在基底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)被提供到基底202以執行對層(例如，光學格柵層307)的定向反應離子蝕刻(directed reactive ion etching)。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掃描基底202時通過物理濺射(physical sputtering)蝕刻基底202(或更具體來說，光學格柵層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基底202的整個寬度。示例性束寬度可介於10cm、20cm、30cm或大於30cm範圍內，而沿Y方向的示例性束長度可介於2mm、3mm、5mm、10mm或20mm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)的方向上掃描基底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對基底202進行掃描直到從基底202的左側到右側的充分長度時，整個基底202可被暴露到離子束310。
例如圖2A至圖2B所示斜角結構212等格柵特徵可通過使用處理配方相對於離子束310掃描基底202來實現。簡單地說， 處理配方可需要改變一組製程參數中的至少一個製程參數，所述製程參數具有改變例如在掃描基底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底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)以及基底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格柵層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格柵層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至圖4D展示根據本發明實施例的用於形成繞射光學元件400的方法。如圖4A中所示，可在基底402之上形成光學格柵層407。儘管未示出，然而在一些實施例中，可在基底402與光學格柵層407之間提供蝕刻終止層。基底402可由例如矽等透光材料製成。當存在時，蝕刻終止層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。蝕刻終止層由例如氮化鈦或氮化鉭(其他材料就先不提)等對蝕刻製程具有抗性的材料形成。
光學格柵層407可由透光材料形成。在一個實例中，光學格柵層407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。光學格柵層407的材料具有高折射率， 例如大約1.3或高於1.3，如1.5或甚至更高。一般來說，光學格柵層407具有小於大約1微米(例如在大約150nm到700nm之間)的厚度。
如圖4B中所示，可在光學格柵層407之上形成圖案化硬遮罩410。在一些實施例中，圖案化硬遮罩(在下文中稱為“硬遮罩”)410由光阻堆疊(未示出)形成，其中硬遮罩層共形地形成在光學格柵層407之上。硬遮罩層是例如使用化學氣相沉積製程由氮化鈦形成。如所示，硬遮罩410被形成為通過間隙411彼此分開的多個硬遮罩元件410A到410F。可使用對光學格柵層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，通過蝕刻光阻堆疊形成所述多個硬遮罩元件410A到410F。在一些實施例中，所述多個硬遮罩元件410A到410F中的每一者具有相同的高度“hmh”和/或寬度“hmw”。在其他實施例中，所述多個硬遮罩元件410A到410F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，可接著在光學格柵層407及硬遮罩410之上形成遮罩420。在一些實施例中，遮罩420是僅在部分的光學格柵層407以及硬遮罩410之上形成的“軟”遮罩。例如，遮罩420可形成在硬遮罩元件410A到410C之上，而硬遮罩元件410D到410F保持未被覆蓋且被暴露出。在非限制性實施例中，遮罩420可為使用三維列印(3-D printing)在繞射光學元件400之上形成的光阻型材料。圖4C中示出對遮罩420使用感光性材料的示例性 實施例。在其他實施例中，遮罩420可在光刻(photolithography)期間“成像”，或者通過例如反應離子蝕刻或濺射離子蝕刻以及雷射消蝕(laser ablation)等減成方法形成。例如，整個蝕刻深度分佈或其一部分可通過圖案化遮罩製程來實現。在此種情形中，斜角蝕刻可為均勻的製程。遮罩420可具有均勻的高度‘h1’或可變的高度。例如，遮罩420可包括一個或多個斜坡段(sloped section)422。如以下將更詳細地闡述，遮罩420中的斜坡段422的形狀可轉移到溝槽的底部的形狀。
在一些實施例中，可通過首先使遮罩420成形且接著將所述形狀轉移到繞射光學元件400來在光學格柵層407及硬遮罩410之上形成遮罩420。通過使遮罩420成形，可提高精度。此外，在一些實施例中，可接著例如使用例如蝕刻等減成技術來圖案化遮罩420。
如圖4D中所示，接著對繞射光學元件400進行蝕刻425。在一些實施例中，蝕刻425是斜角離子蝕刻，其中斜角離子蝕刻由反應離子束執行。可相對於反應離子束沿掃描方向掃描基底。在蝕刻製程期間，硬遮罩410充當圖案引導件(pattern guide)以形成傾斜式格柵結構。在遮罩420也已被圖案化的實例中，遮罩420也用作圖案引導件以形成傾斜式格柵結構。
現在轉到圖5，將闡述根據本發明實施例的一系列蝕刻循環中的繞射光學元件500。在製程點(process point，PP)1處，遮罩520僅形成在硬遮罩510以及光學格柵層507的第一部分505 之上。如所示，位於光學格柵層507的第二部分506上方的硬遮罩元件510E到510G保持被暴露出。此外，間隙511A及511B未被遮罩520覆蓋。在PP2處，蝕刻製程開始，從而使得在光學格柵層507的第二部分506中形成第一組溝槽514A。由於間隙511A及511B未被遮罩520覆蓋，因此允許蝕刻更快地影響這些區中的光學格柵層507。儘管在PP2處在光學格柵層507的被遮罩520覆蓋的這些區中尚未開始形成溝槽。儘管不是限制性的，然而基底502、硬遮罩510及遮罩520之間的蝕刻選擇性比率為大約1：20：2。
如PP3處所示，隨著蝕刻製程的繼續，第一組溝槽514A在光學格柵層507的第二部分506中加深，而遮罩520在位於光學格柵層507的第一部分505上方的區中凹陷。在PP4處，在所述多個硬遮罩元件510A到510D中的每一者之間、光學格柵層507的第一部分505中形成第二組溝槽514B。蝕刻在PP5處繼續進行，直到第一組溝槽514A到達基底502，從而從光學格柵層507形成所述多個斜角結構512中的每一者。如所示，第二組溝槽514B不延伸到基底502。換句話說，第一組溝槽514A中的一個或多個溝槽的第一深度‘d1’可大於第二組溝槽514B中的一個或多個溝槽的第二深度‘d2’。此外，第一組溝槽514A中的一個或多個溝槽的第一寬度‘w1’可大於第二組溝槽514B中的一個或多個溝槽的第二寬度‘w2’。PP1到PP3中存在遮罩520會導致蝕刻製程在影響光學格柵層的第一部分505之前影響光學格柵層507的第二部分 506，從而在第一部分505中形成淺和/或窄的溝槽。
通過控制斜角結構512中的每一者的形狀，可控制不同波長(即，不同顏色)繞射的變化，以提高圖像品質。由於斜角結構512提供增強的控制，因此光學效率(即，所期望的波長到用戶視角的投影)大大提高。此外，非期望的波長的投影減少，從而提高所投影圖像的清晰度及品質。
現在轉到圖6，將闡述根據本發明實施例的一系列蝕刻循環中的繞射光學元件600。繞射光學元件600相似於圖5所示繞射光學元件500。因此，為簡潔起見，將不再闡述繞射光學元件600的所有細節。在PP1處，硬遮罩610包括硬遮罩元件的第一子集610A，硬遮罩元件的第一子集610A被形成為在光學格柵層607的第二部分606之上且與硬遮罩元件的第二子集610B相鄰。遮罩620僅形成在光學格柵層607的第一部分605之上，且僅形成在硬遮罩元件的第二子集610B之上。如所示，硬遮罩元件的第一子集610A中的每一者具有第一硬遮罩寬度“hmw1”，且硬遮罩元件的第二子集610B中的每一者具有第二硬遮罩寬度“hmw2”。在此實施例中，hmw1大於hmw2。在其他實施例中，可存在多於兩種不同的硬遮罩寬度。如由PP5處的繞射光學元件600所示，通過使hmw1>hmw2，第一組溝槽614A中的一個或多個溝槽的第一寬度‘w1’可大約等於第二組溝槽614B中的一個或多個溝槽的第二寬度‘w2’。換句話說，所述多個斜角結構612的寬度及形狀可更均勻。可變硬遮罩610寬度補償格柵寬度的損失。
現在轉到圖7，將更詳細地闡述根據本發明實施例的用於形成光學格柵組件的方法700。如所示，在方塊701處，方法700可包括在基底頂部提供光學格柵層。在方塊703處，方法700可包括在光學格柵層之上提供圖案化硬遮罩。在一些實施例中，圖案化硬遮罩是各自通過間隙彼此分開的多個硬遮罩元件，其中所述多個硬遮罩元件中的第一硬遮罩元件具有與所述多個硬遮罩元件中的第二硬遮罩元件的寬度不同的寬度。在一些實施例中，所述方法包括形成所述多個硬遮罩元件的第一子集，所述多個硬遮罩元件的第一子集與所述多個硬遮罩元件的第二子集相鄰，其中所述多個硬遮罩元件的第一子集中的每一者具有第一寬度。此外，所述多個硬遮罩元件的第二子集中的每一者可具有第二寬度，其中第一寬度大於第二寬度。
在方塊705處，方法700可包括僅在部分的光學格柵層以及圖案化硬遮罩之上形成遮罩。在一些實施例中，遮罩是比硬遮罩更容易蝕刻的軟遮罩。在一些實施例中，遮罩可僅形成在硬遮罩元件的一子集之上，而硬遮罩元件的另一子集保持未被覆蓋且被暴露出。在非限制性實施例中，遮罩可為使用3-D列印在繞射光學元件之上形成的光阻型材料。在一些實施例中，可接著圖案化遮罩以形成各自通過間隙彼此分開的多個硬遮罩元件。
在方塊707處，方法700可包括在光學格柵層中蝕刻多個溝槽以形成光學格柵，其中以下格柵特性中的至少一者在所述多個溝槽中的一個或多個溝槽之間變化：溝槽深度及溝槽寬度。在 一些實施例中，所述多個溝槽中的第一溝槽的第一寬度不同於所述多個溝槽中的第二溝槽的第二寬度。在一些實施例中，可蝕刻所述多個溝槽以形成具有與第一溝槽或第二溝槽的寬度不同的寬度的第三溝槽。在一些實施例中，可在蝕刻製程之前圖案化或部分地圖案化遮罩層。在其他實施例中，遮罩和被暴露出的硬遮罩元件中的每一者之間的光學格柵層可同時開始凹陷。
現在轉到圖8，將闡述根據本發明實施例的一系列蝕刻循環中的繞射光學元件800。繞射光學元件800相似於圖5所示繞射光學元件500及圖6中的繞射光學元件600。因此，為簡潔起見，將不再闡述繞射光學元件800的所有細節。在所示實施例中，在PP1處，硬遮罩810包括硬遮罩元件的第一子集810A，硬遮罩元件的第一子集810A被形成為與硬遮罩元件的第二子集810B相鄰。遮罩820僅形成在光學格柵層807的第一部分805之上，且僅形成在硬遮罩元件的第二子集810B之上。如所示，遮罩820可具有斜坡表面輪廓822，例如，如PP2中所示，斜坡表面輪廓822隨後轉移到溝槽814的底部的形狀(示為822’)。
現在轉到圖9，將闡述根據本發明實施例的一系列蝕刻循環中的繞射光學元件900。繞射光學元件900相似於上述繞射光學元件500、600及800。因此，為簡潔起見，將不再闡述繞射光學元件900的所有細節。在所示實施例中，在PP1處，遮罩920僅被提供在光學格柵層907的第一部分905之上，且僅被提供在硬遮罩元件910的第一子集910A及第二子集910B之上。遮罩920 可不形成在硬遮罩元件910的第三子集910C之上。儘管在其他實施例中，遮罩920可在光學格柵層907的第一部分905和第二部分906二者之上延伸。
如所示，如從光學格柵層907的頂表面測量，遮罩920可具有一種或多種水平高度或高度，即H1及H2。此外，硬遮罩元件910的第一子集910A可各自具有第一寬度w1，硬遮罩元件910的第二子集910B可各自具有第二寬度w2，且硬遮罩元件910的第三子集910C可各自具有第三寬度w3。如所示，w3>w2>w1，其中硬遮罩元件910的寬度一般與遮罩920的高度成比例。在處理開始時改變硬遮罩元件910的寬度(例如，PP1)導致在處理結束時(例如在PP4處)形成更均勻寬度的斜角結構912。
在此實施例中，遮罩920也可比光學格柵層907軟。使遮罩920比光學格柵層907及硬遮罩元件910軟能夠使遮罩920的層更高，進而使得能夠有更多的方法來使遮罩920成形，例如3D列印。在其他實施例中，光學格柵層907可比遮罩920軟。
在PP2處，蝕刻製程開始，從而導致在硬遮罩元件910的第三子集910C之間、光學格柵層907的第二部分906中形成一個或多個第一組溝槽914A。由於光學格柵層907的第二部分906未被遮罩920覆蓋，因此允許蝕刻更快地影響第二部分906中的光學格柵層907。儘管在PP2處在光學格柵層907的被遮罩920覆蓋的這些區中尚未開始形成溝槽。
如PP3處所示，隨著蝕刻製程的繼續，第一組溝槽914A 在光學格柵層907的第二部分906中加深，而遮罩920在位於光學格柵層907的第一部分905上方的區中凹陷。在PP4處，在硬遮罩元件910的子集910A中的每一者之間、光學格柵層907的第一部分905中形成第二組溝槽914B。蝕刻可繼續進行，直到第一組溝槽914A到達基底902，從而自光學格柵層907形成所述多個斜角結構912中的每一者。如所示，第二組溝槽914B可不延伸到基底902。通過控制斜角結構912中的每一者的形狀，可控制不同波長(即，不同顏色)繞射的變化，以提高圖像品質。由於斜角結構912提供增強的控制，因此光學效率(即，所期望的波長到用戶視角的投影)大大提高。此外，非期望的波長的投影減少，從而提高所投影圖像的清晰度及品質。
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”、“橫向”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“大約的”或“大約地”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、區域或基底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)及電漿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)及高密度電漿化學氣相沉積(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、雷射輔助沉積、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繞射光學元件400、500、600、800及900的層的數據集。例如，可創建數據集以生成光刻操作期間所使用的光遮罩，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組的集合，也可包括硬體、軟體或其組合。因此，例如，工具可為一個或多個軟體模組、硬體模組、軟體/硬體模組或其任意組合或排列的集合。作為另一個實例，工具可為運行軟體或以硬體實施的計算裝置或其他器具。
如本文中所使用的模組可利用任何形式的硬體、軟體或其組合來實施。例如，可實施一個或多個處理器、控制器、應用專用積體電路(application specific integrated circuit，ASIC)、可編輯邏輯陣列(programmable logic array，PLA)、邏輯組件、軟體例程或其他機制來構成模組。在實施方案中，本文中所闡述的各種模組可實施為分立的模組，或者一個或多個模組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組中實施。儘管功能的各種特徵或元素可被各別地闡述或宣稱為 單獨的模組，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體及硬體要素之間共享。
通過利用本文中所闡述的實施例，形成了具有傾斜式格柵結構的波導。本發明實施例的傾斜式格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。本發明實施例的傾斜式格柵結構的第二個技術優勢包括增加對投影到所期望圖像平面的光波長的控制。由波導向外耦合的光的功率的均勻性明顯更均勻。本發明實施例的傾斜式格柵結構的第三個技術優勢包括通過消除製作程序(例如機械拋光)來改進波導的製作，從而減少對用於形成波導的層的損壞。此外，本發明實施例的傾斜式格柵結構的第四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，以下闡述的申請專利範圍將根據如在本文中闡述的本發明的整個幅度及精神進行解 釋。
700:方法
701、703、705、707:步驟

Claims (15)

  1. 一種形成繞射光學元件的方法，包括： 在基底頂部提供光學格柵層； 在所述光學格柵層之上提供圖案化硬遮罩； 僅在部分的所述光學格柵層以及所述圖案化硬遮罩之上形成遮罩；以及 在所述光學格柵層中蝕刻多個溝槽以形成光學格柵，其中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。
  2. 如請求項1所述形成繞射光學元件的方法，其中所述多個溝槽中的所述第一溝槽的第一寬度不同於所述多個溝槽中的所述第二溝槽的第二寬度。
  3. 如請求項1所述形成繞射光學元件的方法，還包括在所述光學格柵層中蝕刻所述多個溝槽之前圖案化所述遮罩。
  4. 如請求項1所述形成繞射光學元件的方法，其中所述蝕刻包括執行斜角離子蝕刻，其中所述斜角離子蝕刻是由反應離子束執行，且其中所述基底被相對於所述反應離子束沿掃描方向掃描。
  5. 如請求項1所述形成繞射光學元件的方法，還包括將所述圖案化硬遮罩形成為各自通過間隙彼此分開的多個硬遮罩元件，其中所述多個硬遮罩元件的第一子集與所述多個硬遮罩元件的第二子集相鄰，其中所述多個硬遮罩元件的所述第一子集中的每一者具有第一寬度，其中所述多個硬遮罩元件的所述第二子集中的每一者具有第二寬度，且其中所述第一寬度大於所述第二寬度。
  6. 如請求項5所述形成繞射光學元件的方法，還包括將所述遮罩形成為相對於所述光學格柵層的頂表面包括兩種或更多種高度。
  7. 如請求項5所述形成繞射光學元件的方法，還包括僅在所述多個硬遮罩元件的所述第二子集之上形成所述遮罩。
  8. 如請求項5所述形成繞射光學元件的方法，其中所述多個溝槽中的所述第一溝槽的所述第一寬度大約等於所述多個溝槽中的所述第二溝槽的所述第二寬度。
  9. 一種形成光學格柵組件的方法，包括： 在基底頂部提供光學格柵層； 在所述光學格柵層之上提供圖案化硬遮罩； 僅在部分的所述光學格柵層以及所述圖案化硬遮罩之上形成遮罩，其中所述遮罩具有比所述圖案化硬遮罩低的耐蝕刻性；以及 在所述光學格柵層中蝕刻多個溝槽以形成光學格柵，其中溝槽深度在所述多個溝槽中的一個或多個溝槽之間變化。
  10. 如請求項9所述形成光學格柵組件的方法，其中所述蝕刻包括執行斜角離子蝕刻，且其中所述斜角離子蝕刻被施加至以下中的每一者：所述光學格柵層、所述圖案化硬遮罩及所述遮罩。
  11. 如請求項9所述形成光學格柵組件的方法，其中所述多個溝槽中形成在所述光學格柵層的所述部分中的第一溝槽具有第一深度，其中所述多個溝槽中形成在所述光學格柵層的第二部分中的第二溝槽具有第二深度，且其中所述第二深度大於所述第一深度。
  12. 如請求項9所述形成光學格柵組件的方法，還包括在所述光學格柵層中蝕刻所述多個溝槽之前圖案化所述遮罩。
  13. 如請求項9所述的方法，還包括將所述圖案化硬遮罩形成為各自通過間隙彼此分開的多個硬遮罩元件，其中所述多個硬遮罩元件中的第一硬遮罩元件具有與所述多個硬遮罩元件中的第二硬遮罩元件的寬度不同的寬度。
  14. 如請求項13所述形成光學格柵組件的方法，還包括形成所述多個硬遮罩元件的第一子集，所述多個硬遮罩元件的所述第一子集與所述多個硬遮罩元件的第二子集相鄰，其中所述多個硬遮罩元件的所述第一子集中的每一者具有第一寬度，其中所述多個硬遮罩元件的所述第二子集中的每一者具有第二寬度，其中所述第一寬度大於所述第二寬度，其中所述多個溝槽中的每一者具有大約均勻的寬度。
  15. 一種形成光學格柵組件的方法，包括： 在基底頂部提供光學格柵層； 在所述光學格柵層之上提供圖案化硬遮罩； 僅在部分的所述光學格柵層以及所述圖案化硬遮罩之上形成遮罩；以及 通過蝕刻所述光學格柵層、所述圖案化硬遮罩及所述遮罩而在所述光學格柵層中形成多個溝槽，其中以下格柵特性中的至少一者在所述多個溝槽中的一個或多個溝槽之間變化：溝槽深度及溝槽寬度。
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