成角度的光栅的旋转K矢量的调制的制作方法

背景

本公开内容的多个实施方式一般涉及成角度的蚀刻工具(angledetchtool)。更具体而言，本文中所述的多个实施方式用来利用成角度的蚀刻工具来形成具有鳍片的光栅，这些鳍片具有调制的斜角(slantangle)。

背景技术：

为了在基板上形成具有不同斜角的光栅，使用成角度蚀刻系统。成角度蚀刻系统包括收容离子束源的离子束腔室。离子束源被构造为产生离子束，例如带状射束、点状射束或全基板尺寸射束。离子束腔室被构造为相对于基板的表面法线以优化的角度引导离子束。改变优化角度需要重新构造离子束腔室的硬件构造。基板被保持在耦接至致动器的工作台上。致动器被构造为倾斜工作台，使得基板相对于离子束腔室的轴以一倾角(tiltangle)定位。优化的角度和倾角造成相对于表面法线的离子束角。

利用具有不同斜角的光栅的设备的一个示例是光学设备，例如波导合路器(waveguidecombiner)。根据增强现实所需的性质，光学设备可能需要具有不同的斜角的光栅。此外，光学设备的光栅可能需要具有带有斜角的鳍片的光栅，这些斜角在整个区域上改变(例如增加或减少)以适当控制光的内耦合(in-coupling)和外耦合(out-coupling)。使用成角度蚀刻系统来调制鳍片的斜角的改变(即旋转k矢量(rollingk-vector))可能是有挑战性的。

因此，本领域中需要形成具有鳍片的光栅的方法，这些鳍片具有调制的斜角。

技术实现要素：

在一个实施方式中，提供了一种光栅形成方法。该方法包括以下步骤：将保持在工作台上的基板的第一部分定位在具有第一射束角α的离子束的路径中。该基板上设置有光栅材料。该离子束相对于该基板的表面法线以第一离子束角θ接触该光栅材料且在该光栅材料中形成具有第一斜角θ’的一个或多个第一光栅。将该第一射束角α调制到与第一射束角α不同的第二射束角α。将该基板的第二部分定位在具有第二射束角α的该离子束的路径中。该离子束相对于该基板的该表面法线以第二离子束角θ接触该光栅材料且在该光栅材料中形成具有与该第一斜角θ’不同的第二斜角θ’的一个或多个第二光栅。

在另一个实施方式中，提供了一种光栅形成方法。该方法包括以下步骤：以相对于离子束腔室的x轴的第一倾角β定位保持在工作台上的基板的第一部分。将处于该第一倾角β的该基板的该第一部分定位在由该离子束腔室所产生且具有射束角α的离子束的路径中。该基板上设置有光栅材料。该离子束相对于该基板的表面法线以第一离子束角θ接触该光栅材料且在该光栅材料中形成具有第一斜角θ’的一个或多个第一光栅。以与该第一倾角β不同的第二倾角β定位该基板的第二部分。将处于该第二倾角β的该基板的该第二部分定位在具有该射束角α的该离子束的路径中。该离子束相对于该基板的该表面法线以第二离子束角θ接触该光栅材料且在该光栅材料中形成具有第二斜角θ’的一个或多个第二光栅。

在又另一个实施方式中，提供了一种光栅形成方法。该方法包括以下步骤：将保持在工作台上的基板的第一部分定位在具有射束角α的离子束的路径中。该基板上设置有光栅材料。该离子束被配置为相对于该基板的表面法线以离子束角θ接触该光栅材料及在该光栅材料中形成一个或多个第一光栅。围绕该工作台的轴旋转保持在该工作台上的该基板，从而造成该离子束与该一个或多个第一光栅的光栅矢量之间的第一旋转角φ。该一个或多个第一光栅相对于该基板的该表面法线具有第一斜角θ’。将该基板的第二部分定位在被配置为在该光栅材料中形成一个或多个第二光栅的离子束的路径中。围绕该工作台的该轴旋转该基板，从而造成该离子束与该一个或多个第二光栅的光栅矢量之间的第二旋转角φ。该一个或多个第二光栅相对于该基板的该表面法线具有第二斜角θ’。

附图说明

可以通过参照实施方式来获得上文所简要概述的本公开内容的更详细说明以及可以用来详细了解本公开内容的上述特征的方式，附图中绘示了这些实施方式中的一些实施方式。然而，要注意，附图仅绘示示例性实施方式且因此并不被视为其范围的限制，且可以容许其他等效的实施方式。

图1a是依据一个实施方式的波导合路器的透视主视图。

图1b是依据一个实施方式的波导合路器的区域的示意截面图。

图2是依据一个实施方式的可变角度蚀刻系统的侧视示意截面图。

图3是依据一个实施方式的电极组件的示意截面图。

图4是依据另一个实施方式的电极组件的示意截面图。

图5是依据一个实施方式形成具有旋转k矢量斜角的光栅的方法的流程图。

图6是依据一个实施方式形成具有旋转k矢量斜角的光栅的方法的流程图。

图7是依据一个实施方式形成具有旋转k矢量斜角的光栅的方法的流程图。

为了便于理解，已尽可能使用相同的附图标记来标识这些图共有的相同元件。可以预期，可以在不另外详述的情况下有益地将一个实施方式的元件及特征并入其他实施方式。

具体实施方式

本公开内容的多个实施方式一般涉及成角度的蚀刻工具。更具体而言，本文中所述的实施方式用来利用成角度的蚀刻工具来形成具有鳍片的光栅，这些鳍片具有调制或变化的斜角。

图1a是波导合路器100的透视主视图。波导合路器100包括由多个鳍片108所界定的输入耦合光栅区域102(第一区域)、由多个鳍片110所界定的中间光栅区域104(第二区域)以及由多个鳍片112所界定的输出耦合光栅区域106(第三区域)。多个鳍片108、110以及112中的每一个鳍片均由如本文中所述的光栅调制工序所形成。例如，多个鳍片108、110以及112中的一个或多个鳍片与同一区域内的其他鳍片不同。在一个示例中，输入耦合光栅区域102内的多个鳍片108中的一个或多个鳍片具有不同的几何形状，例如具有与该区域中的其他鳍片的斜角不同的斜角。此外，输入耦合光栅区域102内的一个谨慎(discreet)鳍片108的斜角在整个输入耦合光栅区域102的长度或宽度上可以不同。可以将中间光栅区域104和输出耦合光栅区域106的多个鳍片110及112中的一个或多个鳍片分别形成为也具有不同的几何形状。

图1b是波导合路器100的区域101的示意截面图。区域101可以是输入耦合光栅区域102、中间光栅区域104以及输出耦合光栅区域106之一。

区域101包括设置在基板105上的光栅材料103。光栅材料103包括以下材料至少之一：碳氧化硅(sioc)、氧化钛(tiox)、tiox纳米材料、氧化铌(nbox)、铌锗(nb3ge)、二氧化硅(sio2)、碳氮氧化硅(siocn)、氧化钒(iv)(vox)、氧化铝(al2o3)、铟锡氧化物(ito)、氧化锌(zno)、五氧化二钽(ta2o5)、氮化硅(si3n4)、富硅的si3n4、掺氢的si3n4、掺硼的si3n4、硝酸硅碳(sicn)、氮化钛(tin)、二氧化锆(zro2)、锗(ge)、磷化镓(gap)、多结晶(pcd)、纳米晶金刚石(ncd)以及含掺杂过的金刚石的材料。

依据本文中所述的方法，光栅材料103包括多个鳍片107，鳍片107具有两个或更多个鳍片部分，例如第一鳍片部分109、第二鳍片部分111以及第三鳍片部分113。这些鳍片部分中的每一鳍片部分相对于基板105的表面法线115均具有不同的斜角θ’。如所示，在可以与本文中所述的其他实施方式结合的一个实施方式中，这些鳍片的斜角θ’在整个基板105上增加。在可以与本文中所述的其他实施方式结合的另一个实施方式中，这些鳍片的斜角θ’在整个基板105上减少。斜角θ’的增加和或减少也称为旋转k矢量。

图2是可变角度蚀刻系统200的侧视示意截面图。要理解的是，下文所述的可变角度蚀刻系统200是示例性的可变角度蚀刻系统，且可以将其他可变角度蚀刻系统(包括来自其他制造商的成角度蚀刻系统)与本文中所述的方法一起使用或修改为依据本文中所述的方法在基板上形成光栅和/或渐变(graded)鳍片(与其他鳍片相反，具有可变斜角θ’的一个或多个鳍片)。控制器203可操作用来在处理期间控制可变角度蚀刻系统200的各方面。

为了形成具有带有变化的斜角θ’的鳍片的光栅，将光栅材料103设置在基板105上且由可变角度蚀刻系统200蚀刻。在可以与本文中所述的其他实施方式结合的一个实施方式中，将图案化的硬模(hardmask)213设置在光栅材料103之上。图案化的硬模213可以是不透明或非透明的硬模，该硬模在光栅形成之后移除。透明的图案化的硬模(未示出)可以在光栅形成之后仍然存在。可变角度蚀刻系统200包括腔室201。收容离子束源204的离子束壳体202被至少部分地定位在腔室201中。离子束源被构造为产生离子束216，例如带状射束、点状射束或全基板尺寸射束(例如泛光射束(floodbeam))。离子束壳体202可操作用来相对于基板105的表面法线115以射束角α引导离子束216。

基板105被保持在设置在腔室201中的工作台206上。工作台206被耦接至扫描和倾斜致动器208。扫描和倾斜致动器208可操作用来沿着y方向和z方向以扫描运动移动工作台206，且可操作用来倾斜工作台206，使得基板105相对于离子束壳体202的x轴以倾角β定位。射束角α和倾角β造成相对于表面法线115的离子束角θ。为了形成相对于表面法线115具有斜角θ’的光栅，离子束源204产生离子束216，且离子束壳体202以射束角α朝向基板105引导离子束216。扫描和倾斜致动器208将工作台206定位为使得离子束216以离子束角θ接触光栅材料103并且在光栅材料103的所需部分上蚀刻具有斜角θ’的光栅。旋转致动器220耦接至工作台206从而围绕工作台206的x轴旋转基板105，以控制光栅的斜角θ’。在本文中所述的方法中，借助调制射束角α、倾角β以及旋转角φ、或上述角度的组合，来针对旋转k矢量调制两个或更多个鳍片部分(例如第一鳍片部分109、第二鳍片部分111以及第三鳍片部分113)的斜角θ’。

在可以与本文中所述的其他实施方式结合的一个实施方式中，可变角度蚀刻系统200包括三极管提取组件(triodeextractionassembly)205，该三极管提取组件可操作用来调制射束角α和/或使射束角α变化。三极管提取组件205可以包括下文所述的多个致动的偏转板、和电极组或组件至少之一。三极管提取组件205定位在离子束源204的下游。

图3描绘可以用作图2的三极管提取组件205的示例性电极组300的侧截面图。可以将电极组300调适为渐变的透镜构造。电极组300可以包括几组电极。例如，电极组300可以包括一组入口电极302、一组或多组抑制电极(suppressionelectrode)304(或聚焦电极)以及一组出口电极306。出口电极306可以称为接地电极(groundelectrode)。每组电极均可以具有空间/间隙以允许离子束312(例如带状射束、点状射束或全基板尺寸射束)穿过该空间/间隙。

在一些实施方式中，入口电极302、抑制电极304以及出口电极306被设置在壳体308中。泵310可以直接或间接地连接至壳体308。泵310可以是用于提供高真空环境或不同真空水平的其他受控环境的真空泵。在可以与其他的实施方式结合的其他的实施方式中，壳体308可以包括一个或多个介电构件314。介电构件314可以用来将壳体308与其他部件电隔离。

如图3中所示，该组入口电极302和出口电极306可以包括彼此电耦接的两个导电件。在其他的实施方式中，该组入口电极302可以是一件式结构，该一件式结构具有孔以供离子束312穿过该孔。在一些实施方式中，抑制电极304的上部和下部可以具有不同的电势(例如在分开/谨慎的导电部分中具有不同的电势)，以便偏转经过这些抑制电极的离子束312。虽然电极组300被图示为七(7)元件透镜构造(例如有五(5)组抑制电极304)，但应理解，也可以利用任何数量的元件(或电极)。例如，在一些实施方式中，电极组300可以利用一系列的三(3)到十(10)个电极组。在一些实施方式中，穿过电极的离子束312可以包括氩或其他元素。

通过使用几个薄电极(例如抑制电极304)来控制沿着离子束312的路径的电势渐变，可以实现离子束312的静电聚焦。结果是，输入离子束312的使用可以用在可以使得较高质量的射束能够实现的能量范围中，即使对于非常低能量的输出射束也是如此。在一个实施方式中，随着离子束312穿过电极组300的电极，离子束312可以被电极组300的电极从6kev减速到0.2kev且以约15度到约30度或更大偏转。在一个示例中，能量比(energyratio)可以是30/1。在其他的实施方式中，输入电力可以是100伏特到3000伏特以偏转离子束312达约15度到约30度或更大。

应理解，可以通过以下步骤之一或组合来完成分离和独立控制减速、偏转、和/或聚焦：相对于离子束312的中心射线轨迹线移动电极(例如入口电极302、抑制电极304以及出口电极306)；和沿着离子束312的中心射线轨迹线使偏转电压电极(例如入口电极302、抑制电极304以及出口电极306)变化从而以偏转角316在沿着中心射线轨迹线的每个点处反射射束能量。电极相对于离子束312的中心射线轨迹线的对称性在于，上电极和下电极最靠近离子束312的端部可以距离子束312的中心射线轨迹线保持在相等(或接近相等)的垂直距离。例如，可以将离子束312上方和下方的电极上的电压差配置为使得电场的偏转分量在该点处可以是射束能量的固定比率/因子(偏转分量可以沿着电极或透镜变化)。

图4是电极组件400的示意截面图，该电极组件可以与电极组300一起使用。电极组件400包括耦接至第一致动器402的一对入口电极302、耦接至第二致动器405的一对抑制电极304以及耦接至第三致动器410的一对出口电极306(例如接地电极)。第一致动器402可操作用来将入口电极302之一或两者距中线420移动第一距离415，以调制离子束312的射束角α。第二致动器405可操作用来将抑制电极304之一或两者距中线420移动第二距离417，以调制离子束312的射束角α。在通过入口电极302、抑制电极304以及出口电极306中的一个或多个电极调制离子束312的射束角α之前，中线420对应于离子束312的法线307。第三致动器410可操作用来将出口电极306之一或两者距中线420移动第三距离425，以调制离子束312的射束角α。第一致动器402、第二致动器405以及第三致动器410耦接至控制器203，该控制器可操作来可操作用来在处理期间控制可变角度蚀刻系统200的各方面，例如本文中所述的方法。控制器203被构造为控制电压。

图5是形成具有旋转k矢量斜角的光栅的方法500的流程图。为了便于解释，将视情况参照图2、3以及4来描述图5。下文中对于离子束的指称可以指图2的离子束216和/或图3和4的离子束312。

在操作501处，将上面设置有光栅材料的基板105的第一部分定位在离子束的路径中。具有第一射束角α的离子束相对于基板105的表面法线115以离子束角θ接触光栅材料103，且在光栅材料103中形成具有第一斜角θ’的一个或多个第一光栅。在操作502处，将第一射束角α调制到与第一射束角α不同的第二射束角α。第二射束角α可以大于或小于第一射束角α。在操作503处，将上面设置有光栅材料103的基板105的第二部分定位在具有第二射束角α的离子束的路径中。大于第一射束角α的第二射束角α将在光栅材料103中造成具有大于第一斜角θ’的第二斜角θ’的一个或多个第二光栅。小于第一射束角α的第二射束角α将造成小于第一斜角θ’的第二斜角θ’。在操作504处，将第二射束角α调制到与第二射束角α不同的第三射束角α。在操作505处，将上面设置有光栅材料103的基板105的第三部分定位在具有第三射束角α的离子束的路径中，以在光栅材料103中形成具有大于第二斜角θ’的第三斜角θ’的一个或多个第三光栅。在可以与本文中所述的其他实施方式结合的实施方式中，通过如上所述的多个致动的偏转板和电极组件400或电极组300至少之一来调制第一射束角α、第二射束角α以及第三射束角α。

在一个示例中，第一致动器402将入口电极302距中线420移动第一距离415，以调制离子束312的射束角α以调制离子束312的射束角α。替代性或附加性地，第二致动器405将抑制电极304距中线420移动第二距离417，以调制离子束312的射束角α。替代性或附加性地，第三致动器410将出口电极306距中线420移动第三距离425，以调制离子束312的射束角α。射束角α的调制改变了如上所述的鳍片的斜角θ’。

在可以单独利用或与上述示例结合利用的另一个示例中，可以使电极(例如入口电极302、抑制电极304(或聚焦电极)以及出口电极306)的偏转电压变化以产生如上所述的鳍片的变化的斜角θ’。

图6是形成具有旋转k矢量斜角的光栅的方法600的流程图。为了便于解释，将参照图2来描述图6。然而，要注意的是，可以与方法600结合利用可变角度蚀刻系统200以外的成角度蚀刻系统。在可以与本文中所述的其他实施方式结合的其他的实施方式中，通过离子束蚀刻系统来执行方法600。下文中对于离子束的指称可以指图2的离子束216和/或图3和4的离子束312。

在操作601处，将上面设置有光栅材料103的基板105的第一部分定位在离子束的路径中。相对于离子束壳体202的x轴以第一倾角β定位基板105。具有射束角α的离子束相对于基板105的表面法线115以离子束角θ接触光栅材料103，且在光栅材料103中形成具有第一斜角θ’的一个或多个第一光栅。在操作602处，将第一倾角β调制到与第一倾角β不同的第二倾角β。第二射束倾角β可以大于或小于第一倾角β。在操作603处，将上面设置有光栅材料103的基板的第二部分定位在具有射束角α的离子束的路径中。大于第一倾角β的第二倾角β将在光栅材料103中造成具有大于第一斜角θ’的第二斜角θ’的一个或多个第二光栅。小于第一射束角α的第二射束角α将造成小于第一斜角θ’的第二斜角θ’。在操作604处，将倾角β调制到与第二倾角β不同的第三倾角β。在操作605处，将上面设置有光栅材料103的基板的第三部分定位在具有射束角α的离子束的路径中，以在光栅材料103中形成具有大于第二斜角θ’的第三斜角θ’的一个或多个第三光栅。在可以与本文中所述的其他实施方式结合的实施方式中，扫描和倾斜致动器208沿着y方向及z方向中的至少一个方向以扫描运动移动工作台206，使工作台206相对于离子束壳体202的x轴以第一倾角β、第二倾角β以及第三倾角β倾斜。

图7是形成具有旋转k矢量斜角的光栅的方法700的流程图。为了便于解释，将参照图2来描述图7。然而，要注意的是，可以与方法700结合利用可变角度蚀刻系统200以外的成角度蚀刻系统。在可以与本文中所述的其他实施方式结合的其他的实施方式中，通过离子束蚀刻系统来执行方法700。下文中对于离子束的指称可以指图2的离子束216和/或图3和4的离子束312。

在操作701处，将上面设置有光栅材料103的基板105的第一部分定位在离子束的路径中。具有射束角α的离子束相对于基板105的表面法线115以离子束角θ接触光栅材料103，且在光栅材料103中形成一个或多个第一光栅。以离子束与该一个或多个第一光栅的光栅矢量之间的第一旋转角φ定位基板105。将第一旋转角φ选定为造成相对于基板的表面法线115具有第一斜角θ’的该一个或多个第一光栅。通过φ＝cos^-1(tan(θ’)/tan(θ))的旋转角φ等式来选定第一旋转角φ。在操作702处，将上面设置有光栅材料103的基板105的第二部分定位在具有射束角α的离子束的路径中。离子束相对于基板105的表面法线115以离子束角θ接触光栅材料103，且在光栅材料103中形成一个或多个第一光栅。以离子束与该一个或多个第二光栅的光栅矢量之间的第二旋转角φ定位基板105。第二旋转角φ大于第一旋转角φ且被选定为造成具有大于第二斜角θ’的第二斜角θ’的该一个或多个第二光栅。在操作703处，将上面设置有光栅材料103的基板105的第三部分定位在具有射束角α的离子束的路径中。离子束相对于基板105的表面法线115以离子束角θ接触光栅材料103，且在光栅材料103中形成一个或多个第一光栅。以离子束与该一个或多个第二光栅的光栅矢量之间的第三旋转角φ定位基板105。第三旋转角φ大于第二旋转角φ且被选定为造成具有与第二斜角θ’不同的第二斜角θ’的该一个或多个第三光栅。在可以与本文中所述的其他实施方式结合的其他的实施方式中，旋转致动器220使基板105围绕工作台206的x轴旋转到第一旋转角φ、第二旋转角φ以及第三旋转角φ。第三旋转角φ可以大于第二旋转角φ，且第二旋转角φ可以大于第一旋转角φ。第一旋转角φ可以大于第二旋转角φ，且第二旋转角φ可以大于第三旋转角φ。

总而言之，提供了在基板上形成具有旋转k矢量斜角的光栅的方法。本文中所述的方法可以结合执行，使得通过调制射束角α、倾角β以及基板的各部分的旋转角φ中的至少两个来提供该两个或更多个光栅部分的斜角θ’的旋转k矢量。

虽然以上所述是针对本公开内容的示例，但是可不脱离本公开内容的基本范围而自行设计本公开内容的其他的和进一步的示例，且本公开内容的范围是由随后的权利要求所决定的。