产生成角光栅的系统及具可变光栅衍射光学元件形成方法与流程

产生成角光栅的系统及具可变光栅衍射光学元件形成方法
1.本发明是2019年01月03日所提出的申请号为201980007141.7、发明名称为《产生成角光栅的系统及具可变光栅绕射光学元件形成方法》的发明专利申请的分案申请。
技术领域
2.本公开涉及光学元件，且更具体来说，涉及形成产生成角光栅的系统及具可变光栅的衍射光学元件的形成方法。


背景技术：

3.出于各种优势，一直以来使用光学透镜来操纵光。举例来说，在灯塔中使用菲涅尔透镜(fresnel lenses)将自点光源的所有角度发出的光弯曲成一个或多个束。菲涅尔透镜是一种特定类型的闪耀光栅(blazed grating)。近来，已在全息及增强/虚拟实境(augmented/virtual reality，ar&vr)装置中使用微衍射光栅。
4.一种特定的增强/虚拟实境装置是一种穿戴式显示系统，例如耳机或可被操作以在距离人眼的短距离内显示图像的头戴式显示器。所述图像可为在显示器(例如，微显示器)上的由计算机产生的图像。对光学组件进行排列以将在显示器上产生的期望图像的光传输到用户的眼睛，使得所述图像对所述用户来说是可见的。所产生的图像可形成光引擎的一部分，其中所述图像自身产生由光学组件引导的准直光束以提供对用户来说可见的图像。
5.已使用不同种类的光学组件来将图像自显示器传递到人眼。该些光学组件包括透镜、镜子、光学波导、全息图(holograms)及衍射光栅、或倾斜光栅(slanted grating)。倾斜光栅是一种特定类型的闪耀光栅，且可用于ar&vr系统，例如穿戴式显示系统、移动装置上的显示器等，其中功能性设计依赖于自光栅到观察者视野的高效光输入和/或输出耦合。
6.尽管已知制造具有垂直壁的二元光栅，但用于生产倾斜光栅的现有技术无法实现足够的光栅均匀性、鳍成型(fin shaping)以及角度控制。因此，针对该些及其他缺陷提供了本公开。


技术实现要素：

7.根据本公开的实施例一种用于产生成角光栅(angled grating)的系统可包括用于产生成角光栅的系统。所述系统可包括：等离子体源，将成角离子束(angled ion beam)递送到工件；以及多个衬底，耦合到所述工件，所述多个衬底中的每一者包括第一成角光栅及第二成角光栅。所述系统还可包括多个接近式掩模(proximity mask)，所述多个接近式掩模可定位在所述等离子体源与所述工件之间，其中所述多个接近式掩模中的第一接近式掩模包括第一组开口，所述第一组开口容许所述成角离子束由此穿过以形成所述多个衬底中的每一者的所述第一成角光栅。所述多个接近式掩模中的第二接近式掩模可包括第二组开口，所述第二组开口容许所述成角离子束由此穿过以形成所述多个衬底中的每一者的所述第二成角光栅。
8.根据本公开的实施例一种形成光学元件的方法可包括：在等离子体源与工件之间提供多个接近式掩模，所述工件包括多个与其固定的衬底，其中所述多个衬底中的每一者包括第一目标区域以及第二目标区域。所述方法还可包括：自所述等离子体源朝向所述工件递送成角离子束；以及在所述多个掩模中的一者处接收所述成角离子束。所述多个接近式掩模中的第一接近式掩模可包括第一组开口，所述第一组开口容许所述成角离子束由此穿过到达所述多个衬底中的每一者的所述第一目标区域。所述多个接近式掩模中的第二接近式掩模可包括第二组开口，所述第二组开口容许所述成角离子束由此穿过到达所述多个衬底中的每一者的所述第二目标区域。
9.根据本公开的实施例一种形成具可变光栅的衍射光学元件的方法可包括提供多个可定位在等离子体源与工件之间的接近式掩模。所述工件可包括多个与其固定的衬底，其中所述多个衬底中的每一者包括第一目标区域以及第二目标区域。所述方法可包括自所述等离子体源朝向所述工件递送成角离子束。所述方法可包括在所述多个掩模中的一者处接收所述成角离子束，其中所述多个接近式掩模中的第一接近式掩模包括第一组开口，所述第一组开口容许所述成角离子束由此穿过仅到达所述多个衬底中的每一者的所述第一目标区域。所述多个接近式掩模中的第二接近式掩模可包括第二组开口，所述第二组开口容许所述成角离子束由此穿过仅到达所述多个衬底中的每一者的所述第二目标区域。所述多个接近式掩模中的第三接近式掩模可包括第三组开口，所述第三组开口容许所述成角离子束由此穿过仅到达所述多个衬底中的每一者的第三目标区域。
附图说明
10.附图示出本公开的示例性方式，包括本公开的原理的实际应用，附图如下所示：
11.图1示出根据本公开的实施例一种用于在光学组件上产生成角光栅的系统。
12.图2示出根据本公开的实施例耦合到图1所示系统的工件的多个衬底。
13.图3示出根据本公开的实施例图1所示系统的衬底的实例。
14.图4示出根据本公开的实施例图1所示系统的衬底的实例。
15.图5示出根据本公开的实施例设置在图1所示系统的晶片上方的第一接近式掩模。
16.图6示出根据本公开的实施例设置在图1所示系统的晶片上方的第二接近式掩模。
17.图7示出根据本公开的实施例设置在图1所示晶片上方的第三接近式掩模。
18.图8a到图8c示出根据本公开的实施例的各种倾斜光栅结构。
19.图9示出根据本公开的实施例的倾斜光栅的一组鳍。
20.图10示出根据本公开的实施例一种形成具可变光栅的衍射光学元件的方法。
具体实施方式
21.附图未必是按比例绘制。附图仅为代表性图，而非旨在描绘本发明的具体参数。附图旨在示出本发明的示例性实施例，且因此不应被视为在范围上具有限制性。在附图中，相同的编号表示相同的元件。
22.现在将在下文中参照附图来更充分地阐述根据本发明的实施例，在附图中示出了一些实施例。本发明的主题可实施为许多不同的形式，而不应被视为仅限于本文中所述的实施例。提供该些实施例是为了使本发明将为透彻及完整的，且将向所属领域中的技术人
员充分地传达所述主题的范围。在附图中，相同的编号在通篇中表示相同的元件。
23.如本文中所使用，以单数形式叙述且跟在词“一个(a或an)”后面的元件或操作被理解为可能包括多个元件或操作，除非另外指明。此外，本公开所提及的“一个实施例”或“一些实施例”可被解释为包括同样包含所叙述特征的另外实施例的存在。
24.本文中的实施例提供用于形成具可变光栅的光学组件的系统及方法。一种方法可包括在等离子体源与工件之间提供多个接近式掩模，所述工件包括多个与其固定的衬底。所述多个衬底中的每一者可包括第一目标区域以及第二目标区域。所述方法还可包括自所述等离子体源朝向所述工件递送成角离子束，其中然后在所述多个掩模中的一者处接收所述成角离子束。第一接近式掩模可包括第一组开口，所述第一组开口容许所述成角离子束由此穿过仅到达所述多个衬底中的每一者的所述第一目标区域，且第二接近式掩模可包括第二组开口，所述第二组开口容许所述成角离子束由此穿过仅到达所述多个衬底中的每一者的所述第二目标区域。
25.图1示出用于在光学组件(例如，背光式衬底(backlit substrate))上产生成角光栅的系统100的一部分。如图所示，系统100可包括等离子体源102，等离子体源102用于在晶片扫描方向109上将包括活性自由基的成角离子束(以下称为“束”)104递送到工件108。尽管图中未示出，但工件108可耦合到能够在装载/卸载位置之间移动工件并旋转工件108的工具。在一些实施例中，等离子体源102可为电感耦合等离子体(inductively coupled plasma，icp)反应器，所述电感耦合等离子体反应器可被操作以通过设置在工艺室外部的一个或多个电感线圈(图中未示出)在设置在工艺室内的工艺气体中诱发电流而形成等离子体。所述电感线圈通常设置在所述室上方并连接到射频(radio frequency，rf)电源。等离子体源102可处于偏置电势，而出口孔板(exit aperture plate)110可处于晶片电势(接地)。出口孔板110的孔槽(图中未示出)可相对于工件108的第一表面114取向为45度。在替代实施例中，工件可相对于直线投影离子束104成一定角度。
26.如图所示，系统100还可包括耦合到工件108的多个衬底115。所述多个衬底115中的每一者可包括多个可变光栅，如以下将更详细地阐述。为形成所述多个可变光栅中的每一者，系统100可包括可定位在等离子体源102与工件108之间的多个接近式掩模116a到116c。尽管图中未示出，但所述多个掩模116a到116c中的每一者可耦合到可被操作以个别地将每一掩模移入及移出离子源102与所述多个衬底115之间的位置的任意类型的装置。在示例性实施例中，束104在给定时间将仅撞击所述多个掩模116a到116c中的一者。
27.图2进一步演示工件108，且所述多个衬底115a到115d沿第一表面114固定到工件108。尽管为易于阐释示出了四(4)个衬底，但在本公开的范围内可存在更大数目的衬底。如图所示，所述多个衬底中的每一者包括多个目标区域，例如第一目标区域120、第二目标区域122以及第三目标区域124。本文中所述的“目标区域”是指在通过束104进行处理之后每一衬底115a到115d的期望可变光栅参数的一部分或区域。在一些实施例中，束104可为带束(ribbon beam)。如图所示，束104沿z轴的束宽可大于工件108沿z轴的直径，如图中所例示。举例来说，束104的宽度可比工件108宽若干厘米，因此一遍处理工件108。
28.图3更详细地示出根据本公开的实施例的示例性衬底115。衬底115可与图2中所示的所述多个衬底115a到115d中的每一者相同或类似。如图中所例示，衬底115可包括第一目标区域120、第二目标区域122以及第三目标区域124。在一系列成角蚀刻工艺之后，如以下
将更详细地阐述，可在第一目标区域120中形成第一成角光栅130。此外，可在第二目标区域122中形成第二成角光栅131，且可在第三目标区域124中形成第三成角光栅132。在一些实施例中，第一成角光栅130可包括第一多个鳍134，第二成角光栅131可包括第二多个鳍135，且第三成角光栅132可包括第三多个鳍136。尽管为非限制性的，但所述第一多个鳍134可平行于y轴取向，所述第二多个鳍135可相对于z轴以例如45度的角度取向，且所述第三多个鳍136可平行于z轴取向。如图所示，第一成角光栅130、第二成角光栅131以及第三成角光栅132可由衬底115的一个或多个均匀的或未经处理的部分138分隔开。此外应理解，在其他实施例中有可能存在多于三个区段的成角光栅。
29.图4更清晰地示出衬底115，包括示出光束140可如何与衬底115交互作用的扩展版本。在本实施例中，源显示器141可提供准直光束，所述准直光束中的一者被示出为光束140。光束140在衬底115内在第一表面142与第二表面143之间反射。第一成角光栅130朝向第二成角光栅131引导光束140，且第二成角光栅131朝向第三成角光栅132引导光束140。如图所示，第一成角光栅130的所述第一多个鳍134被配置成以第一角度α接收光束140，然后自其以第二角度β递送光束140。在一些实施例中，第三成角光栅132可为出射光栅(exit grating)，从而使得对应于光束140的图像衍射到用户的眼睛144上。
30.图5示出设置在工件108上方用于针对所述多个衬底115a到115d中的每一者形成第一成角光栅130的第一接近式掩模116a。第一接近式掩模116a可包括第一组开口148，第一组开口148容许束104由此穿过仅到达每一第一目标区域120。在示例性实施例中，第一组开口148中的每一者具有相同的形状/尺寸。第一接近式掩模116a防止束104到达并撞击衬底115a到115d的所有其他区域。在一些实施例中，作为第一工艺的一部分将束104提供到所述多个衬底115a到115d，以在第一目标区域120中形成所述多个衬底115a到115d中的每一者的第一成角光栅130。在一些实施例中，第一工艺可为包括使第一接近式掩模116a与工件108相对于彼此旋转的植入或蚀刻工艺。举例来说，在一系列将第一接近式掩模116a或工件108旋转90度的操作后，可通过束104蚀刻第一目标区域120。在本公开的范围内，可进行更少数目或更多数目的旋转。
31.在一个示例性等离子体蚀刻工艺中，可邻近衬底115a到115d形成束104的等离子体。来自等离子体的活性离子及自由基与衬底115a到115d的表面反应，从而自所述表面移除材料。在衬底115a到115d上的某一位置处的材料移除或蚀刻速率一般与邻近所述位置的活性物质的密度成比例。随着第一接近式掩模116a或工件108被旋转，可重复此工艺多次以使得能够从各侧形成鳍。
32.图6示出设置在工件108上方用于针对所述多个衬底115a到115d中的每一者形成第二成角光栅131的第二接近式掩模116b。第二接近式掩模116b可包括第二组开口150，第二组开口150容许束104由此穿过仅到达每一第二目标区域122。在示例性实施例中，第二组开口150中的每一者具有相同的形状/尺寸。第二接近式掩模116b防止束104到达并撞击衬底115a到115d的所有其他区域。作为第二工艺的一部分可将束104提供到所述多个衬底115a到115d，以在第二目标区域122中形成所述多个衬底115a到115d中的每一者的第二成角光栅131。在一些实施例中，第二工艺可为包括使第二接近式掩模116b与工件108相对于彼此旋转的离子植入或蚀刻工艺。举例来说，在一系列将第二接近式掩模116b或工件108旋转90度的操作后，可通过束104蚀刻第二目标区域122。在本公开的范围内，可进行更少数目
或更多数目的旋转。
33.图7示出设置在工件108上方用于针对所述多个衬底115a到115d中的每一者形成第三成角光栅132的第三接近式掩模116c。第三接近式掩模116c可包括第三组开口152，第三组开口152容许束104由此穿过仅到达每一第三目标区域124。在示例性实施例中，第三组开口152中的每一者具有相同的形状/尺寸。第三接近式掩模116c防止束104到达并撞击衬底115a到115d的所有其他区域。作为第三工艺的一部分可将束104提供到所述多个衬底115a到115d，以在第三目标区域124中形成所述多个衬底115a到115d中的每一者的第三成角光栅132。在一些实施例中，第三工艺可为包括使第三接近式掩模116c与工件108相对于彼此旋转的离子植入或蚀刻工艺。举例来说，在一系列将第三接近式掩模116c或工件108旋转90度的操作后，可通过束104蚀刻第三目标区域124。在本公开的范围内，可进行更少数目或更多数目的旋转。
34.图8a到图8c示出能够根据本文中的实施例形成的各种成角光栅的实例。图8a可表示包括第一多个鳍134的第一成角光栅130。如图所示，可利用第一蚀刻工艺自衬底115形成第一多个鳍134，所述第一蚀刻工艺被示出为通过第一接近式掩模116a的第一组开口148的多个成角等离子体蚀刻循环155。如图所示，可在第一多个鳍134中的每一者顶部形成有第一硬掩模184的情况下执行第一蚀刻工艺。可在旋转衬底115之后执行每一成角等离子体蚀刻循环155。第一蚀刻工艺可使衬底115凹陷到蚀刻终止层158。在一些实施例中，蚀刻终止层158可为硅系化合物，例如氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或氟氧化硅。在其他实施例中，蚀刻终止层158可为氮化钛。本文中的实施例并不仅限于任意特定的材料。如图所示，第一蚀刻工艺形成相对于蚀刻终止层158的基础表面160具有第一角度θ的第一多个鳍134。在一些实施例中，第一角度θ为锐角。
35.图8b可表示包括第二多个鳍135的第二成角光栅131。如图所示，可利用第二蚀刻工艺自衬底115形成第二多个鳍135，所述第二蚀刻工艺被示出为通过第二接近式掩模116b的第二组开口150的多个成角等离子体蚀刻循环161。如图所示，可在第二多个鳍135中的每一者顶部形成有第二硬掩模185的情况下执行第二蚀刻工艺。可在旋转衬底115之后执行每一成角等离子体蚀刻循环161。第二蚀刻工艺可使衬底115凹陷到蚀刻终止层158。如图所示，第二蚀刻工艺形成相对于蚀刻终止层158的基础表面160具有第二角度ρ的第二多个鳍135。在一些实施例中，第二角度ρ为锐角。
36.图8c可表示包括第三多个鳍136的第三成角光栅132。如图所示，可利用第三蚀刻工艺自衬底115形成第三多个鳍136，所述第三蚀刻工艺被示出为通过第三接近式掩模116c的第三组开口152的多个成角等离子体蚀刻循环164。如图所示，可在第三多个鳍136中的每一者顶部形成有第三硬掩模186的情况下执行第三蚀刻工艺。可在旋转衬底115之后执行每一成角等离子体蚀刻循环164。第三蚀刻工艺可使衬底115凹陷到蚀刻终止层158。如图所示，第三蚀刻工艺形成相对于蚀刻终止层158的基础表面160具有第三角度σ的第三多个鳍165。在一些实施例中，第三角度σ为锐角。如在图8a到图8c中所演示，第一角度θ、第二角度ρ以及第三角度σ彼此不同。在其他实施例中，第一角度θ、第二角度ρ以及第三角度σ相同或近似相同。
37.现在转向图9，将更详细地阐述由本文中的实施例的蚀刻工艺形成的一组示例性鳍170。如图所示，鳍170可表示第一成角光栅130的第一多个鳍134、第二成角光栅131的第
二多个鳍135和/或第三成角光栅132的第三多个鳍136中的每一者。此外，可通过上述蚀刻工艺中的任一者来形成鳍170，从而以独特的位置、形状、三维取向等制造鳍170。在一些实例中，蚀刻工艺能够控制或修改一组鳍170的以下光栅参数中的任一者：节距、硬掩模厚度、鳍高度、鳍厚度(cd)、角半径θ及向蚀刻终止层158中的过蚀刻(overetch)、倾侧(heeling)以及底脚(footing)。
38.现在转向图10，将更详细地阐述根据本公开的实施例形成具可变光栅的衍射光学元件的方法200。具体来说，在方块201处，方法200可包括：在等离子体源与工件之间提供多个接近式掩模，所述工件包括多个与其固定的衬底，其中所述多个衬底中的每一者包括第一目标区域以及第二目标区域。在一些实施例中，所述多个衬底中的每一者还包括第三目标区域。
39.在方块203处，方法200还可包括自所述等离子体源朝向所述工件递送成角离子束。在一些实施例中，所述成角离子束是用于执行成角离子蚀刻工艺的带束及活性自由基。在一些实施例中，束的束宽可大于工件的直径。举例来说，束的宽度可比工件宽若干厘米，因此一遍处理工件。
40.在方块205处，方法200可包括在所述多个掩模中的一者处接收所述成角离子束，其中所述多个接近式掩模中的第一接近式掩模包括第一组开口，所述第一组开口容许所述成角离子束由此穿过到达所述多个衬底中的每一者的所述第一目标区域。所述多个接近式掩模中的第二接近式掩模包括第二组开口，所述第二组开口容许所述成角离子束由此穿过到达所述多个衬底中的每一者的所述第二目标区域。在一些实施例中，一次仅在所述多个接近式掩模中的一个接近式掩模处接收所述成角离子束。
41.在方块207处，方法200可还包括处理(例如，蚀刻)所述多个衬底中的每一者以形成以下中的每一者：在第一目标区域中的第一成角光栅、在第二目标区域中的第二成角光栅、以及在第三目标区域中的第三成角光栅。在一些实施例中，在方块207处，方法200还可包括：利用所述第一接近式掩模执行第一蚀刻工艺以形成所述第一成角光栅、利用所述第二接近式掩模执行第二蚀刻工艺以形成所述第二成角光栅、以及利用所述第三接近式掩模执行第三蚀刻工艺以形成所述第三成角光栅。在一些实施例中，所述第一蚀刻工艺包括使所述第一接近式掩模与所述工件相对于彼此旋转。所述第二蚀刻工艺可包括使所述第二接近式掩模与所述工件相对于彼此旋转，且所述第三蚀刻工艺可包括使所述第三接近式掩模与所述工件相对于彼此旋转。在一些实施例中，所述第一蚀刻工艺、所述第二蚀刻工艺以及所述第三蚀刻工艺在工件保持固定到工件夹具的情况下连续执行。在一些实施例中，所述第一蚀刻工艺、所述第二蚀刻工艺以及所述第三蚀刻工艺能够控制或修改所述第一成角光栅、所述第二成角光栅和/或所述第三成角光栅的以下光栅参数中的任一者：节距、硬掩模厚度、鳍高度、鳍厚度(cd)、角半径、向蚀刻终止层中的过蚀刻、倾侧以及底脚。
42.在一些实施例中，所述第一成角光栅包括第一多个鳍，所述第一多个鳍相对于所述多个衬底中的每一者的基础表面以第一角度形成，且所述第二成角光栅包括第二多个鳍，所述第二多个鳍相对于所述多个衬底中的每一者的所述基础表面以第二角度形成。所述第三成角光栅可包括第三多个鳍，所述第三多个鳍相对于所述多个衬底中的每一者的所述基础表面以第三角度形成。在一些实施例中，第一角度、第二角度以及第三角度彼此不同。在一些实施例中，第一角度、第二角度以及第三角度各自为锐角。
43.概括来说，本文中所述的各种实施例提供用于形成各种光学高效光栅形状(例如，用于自背光式衬底的光耦合(例如，提取或输入)的倾斜光栅)的方式。可通过直接将成角离子施加到衬底上、或施加到用于将图案转移到感兴趣的衬底的掩模上来完成制造。本发明实施例的第一技术优点包括使用多个接近式掩模来消除对衬底的各种区域进行光刻掩盖的必要性，因此导致更高效的制造。本公开的第二技术优点包括提供在不自工具移除工件的情况下以各种角度、深度及位置进行的成角蚀刻，从而导致更高效地制造。
44.本发明的范围不受本文中所述的具体实施例的限制。事实上，通过以上说明及附图，除本文中所述的该些实施例以外，本发明的其他各种实施例以及修改形式对所属领域中的普通技术人员来说也将为显而易见的。因此，此类其他实施例及修改形式旨在落于本发明的范围内。此外，已在本文中在特定实施方式的上下文中在特定环境下出于特定目的阐述了本发明。所属领域中的普通技术人员将认识到有用性并非仅限于此，且本发明可在任意数目的环境下出于任意数目的目的有利地实施。因此，以下阐述的权利要求将根据如在本文中阐述的本发明的整个宽度及精神进行解释。