形成多个光栅的方法与流程

本申请的实施方式关于方法，且更具体而言，关于形成多个光栅的方法。

背景技术：

虚拟现实通常被认为是计算机生成的模拟环境，其中使用者具有明显的物理存在感。可以以三维(3d)形式产生虚拟现实体验，并通过头戴式显示器(head-mounteddisplay,hmd)查看，hmd例如是眼镜或具有近眼显示面板作为透镜的其他可穿戴式显示设备，以显示取代实际环境的虚拟现实环境。

然而，增强现实能够实现这样一种体验，其中使用者仍然能够透过眼镜或其他hmd装置的显示透镜看到周围的环境，也可以看到被产生为用于显示且显现为环境的部分的虚拟物体的影像。增强现实可包括任何类型的内耦合(incoupling)，例如音频及触觉内耦合，以及能够强化或增强使用者体验环境的虚拟影像、图形及视频。

虚拟影像被覆盖在周围环境上以对使用者提供增强的现实体验。波导用于辅助叠加影像。产生的光通过波导传播，直到光离开波导并覆盖在周围环境上。在某些实例中，多重波导被堆叠或组合，以形成光学装置，例如显示透镜。各个波导或波导组合器包括具有不同光栅区域的基板。

本领域中一个缺点为在相同基板上制造不同光栅为耗时的工艺。在光刻中需要不同的掩模步骤及方法，以便制造具有不同材料特性(例如光栅定向及光栅深度)的光栅。此外，某些光刻方法不具有制作不同波导中的光栅的变化间隔及深度轮廓的能力。

因此，需要一种制造工艺，而允许形成具有不同光栅轮廓的光栅区域。

技术实现要素：

本文的实施方式包括形成多个光栅的方法。方法允许更快速且经济地形成具有不同光栅轮廓的波导。

在一个实施方式中，提供一种形成第一多个光栅的方法。方法包括以下步骤：在设置于基板上的波导组合器的一个或多个第一区域上沉积保护材料，保护材料具有第一厚度，使得当离子束引导朝向基板时，保护材料至少部分地抑制设置于波导组合器上的光栅材料移除；及将离子束引导朝向基板，使得来自波导组合器的一个或多个第一区域的光栅材料的至少一部分被移除，从而形成第一多个光栅。多个光栅的第一光栅的至少一者具有约5°至约85°的角度。

在另一实施方式中，提供一种形成多个光栅的方法。方法包括以下步骤：在设置于基板上的波导组合器的一个或多个保护的区域上沉积保护材料，保护材料具有当离子束引导朝向基板时抑制设置于波导组合器上的光栅材料移除的厚度；将离子束引导朝向基板，使得来自波导组合器的一个或多个未受保护的区域的一者的光栅材料的至少一部分被移出，从而形成多个光栅；及移除一个或多个保护的区域上的保护材料。一个或多个未受保护的区域经构造以从微显示器(microdisplay)接收入射光束。多个光栅的至少一个光栅具有约5°至约85°的角度。

在又一实施方式中，提供一种形成第一多个光栅的方法。方法包括以下步骤：在设置于基板上的波导组合器的一个或多个保护的区域上沉积保护材料，保护材料具有当离子束引导朝向基板时抑制设置于波导组合器上的光栅材料移除的厚度；在未受保护的区域的至少一部分上沉积保护材料；将离子束引导朝向基板，使得来自波导组合器的一个或多个未受保护的区域的一者的光栅材料的至少一部分被移除，从而形成多个光栅；及移除一个或多个保护的区域上的保护材料。第一多个光栅具有含两个不同深度的轮廓。多个光栅的至少一个光栅具有约5°至约85°的角度。在未受保护的区域的至少一部分上沉积保护材料的步骤包含以下步骤：将材料暴露至多个加热像素(heatingpixel)或发光二极管(led)。

附图说明

作为本公开内容的以上所记载特征可被详细理解的方式，可通过参考实施方式来获得以上简要概述的本公开内容的更具体说明，某些实施方式图示于附图中。然而，应理解，附图仅图示示例实施方式，且因此不应认为是对本公开内容的范围的限制，且本公开内容的可认可其他均等有效的实施方式。

图1a图示了根据一个实施方式的基板的立体前视图。

图1b图示了根据一个实施方式的波导组合器的立体前视图。

图2a图示了根据一个实施方式的系统的示意剖面视图。

图2b图示了根据一个实施方式的基板支撑组件的立体前视图。

图2c图示了根据一个实施方式，led阵列的示意视图。

图3是根据一个实施方式的用于制作波导组合器的方法操作的流程图。

图4a-图4d图示了根据一个实施方式的在制作波导组合器的方法期间未受保护的区域的示意剖面视图。

图5a图示了根据一个实施方式的具有光栅的2d阵列的未受保护的部分的顶部视图。

图5b图示了根据一个实施方式的具有光栅的2d阵列的未受保护的部分的侧面视图。

为了促进理解，已尽可能地使用相同的附图标记代表附图中相同的元件。可以预期的是，一个实施方式的元件及特征可有益地并入其他实施方式中而无须进一步说明。

具体实施方式

本申请的实施方式大致关于用于形成多个光栅的方法。该方法大致包括在设置于基板上的波导组合器的一个或多个保护的区域上沉积材料，材料具有当离子束引导朝向基板时抑制设置于波导组合器上的光栅材料移除的厚度；及将离子束引导朝向基板。本文所公开的方法允许在一个或多个未受保护的区域中形成多个光栅或鳍片，同时在保护的区域中不会形成光栅。本文所公开的实施方式可用于但不限于形成用于波导的多个光栅。

如本文所使用，“约”一词代表从标称值+/-10％的变化。应理解，此变化可包括于本文提供的任何值中。

图1a图示了根据一个实施方式的基板101的立体前视图。基板101经构造以在光学元件中使用。基板101可为在本领域中使用的任何基板。举例而言，基板101包括半导体材料，例如硅(si)、锗(ge)、硅锗(sige)和/或iii-v族半导体，例如砷化镓(gaas)。在另一示例中，基板101包括透明材料，例如玻璃和/或塑胶。基板101在其上可具有任何数量的绝缘层、半导体层或金属层。

如所显示，基板101包括设置于其上的多个波导组合器103。多个波导组合器103以行和列的网格设置于基板101上。可以预期的是，根据本文所述的实施方式，可在基板101上实现其他适合布置的多个波导组合器103的设置。

图1b图示了根据一个实施方式的波导组合器103的立体前视图。波导组合器103经构造以引导电磁辐射(例如，光)。如图所示，波导组合器103包括多个区域，各个区域包括多个光栅或鳍片，例如，由多个内耦合(incoupling)光栅108界定的内耦合区域102、由多个中间光栅110界定的中间区域104、及由多个输出光栅112界定的输出耦合区域106。

内耦合区域102经构造以从微显示器接收具有强度的入射光束(虚拟影像)。内耦合区域102的多个内耦合光栅108的各个光栅将入射光束分成多个模式，各个光束具有一个模式。零阶模式(t0)光束被反射或透射。正一阶模式(t1)光束经历全内反射(totalinternal-reflection,tir)而通过波导组合器103至输出耦合区域106。负一阶模式(t-1)光束以与t1光束相反的方向在波导组合器103中传播。

在可与本文所述的其他实施方式结合的本文所述的实施方式中，在波导组合器103的沉积期间，在内耦合区域102及中间区域104之间维持最小距离114，并在波导组合器103的沉积期间，在中间区域104及输出耦合区域106之间维持最小距离116。举例而言，最小距离114及最小距离116小于约1mm。在可与本文所述的其他实施方式结合的本文所述的实施方式中，多个输入光栅108具有深度分布118，多个中间光栅110具有深度分布120，且多个输入光栅108具有深度分布122。举例而言，多个输入光栅108的深度具有在x方向上增加的深度分布118，多个中间光栅110的深度具有在x方向上增加的深度分布120，且多个输出光栅112的深度具有在y方向上增加的深度分布122。

图2a图示了根据一个实施方式的系统200的示意剖面视图。系统200经构造以使用离子束210蚀刻基板(例如，基板101)的一部分。系统200可包括在本领域中使用的任何离子束系统，例如离子束蚀刻、聚焦的离子束蚀刻、电子束蚀刻、反应离子束蚀刻、全晶片离子系统及类似者。如图所示，系统200包括基板支撑组件204、离子源201、具有发光二极管(led)阵列205的提取电极270、控制器214、次控制器250、多个加热像素216及功率源212。应理解，以下所述的系统为示例系统，且可使用或修改其他系统以完成本公开内容的方面。

离子源201被构造为以受控方式发射入射在基板101的表面上的粒子。如图所示，离子源201包括提取孔洞202。通过提取孔洞202从离子源201提取离子以作为离子束210。提取孔洞202定位在离子源201的最靠近基板101的一侧203上。离子束210引导朝向基板101。离子束210可为带状束、点状束或全基板尺寸束。

基板支撑组件204经构造以将基板101保持在支撑表面280上。如图所示，基板支撑组件204包括主体206及致动器208。基板支撑组件204的主体206耦合至致动器208。致动器208被构造为以扫描动作沿着x方向和/或y方向移动主体206。在可与本文所述的其他实施方式结合的一个实施方式中，致动器208经构造以倾斜主体206，使得基板101相对于离子源201的z轴以倾斜角度β定位。在可与本文所述的其他实施方式结合的另一实施方式中，致动器208经构造以围绕主体206的x轴旋转基板101。图2b图示了根据一个实施方式的基板支撑组件204的立体前视图。

控制器214经构造以控制且自动化系统200。如所显示，控制器214包括中央处理单元(cpu)215、存储器217及支援电路(或i/o)219。cpu215为在工业设定中用于控制各种处理及硬件(例如，图案产生器、马达及其他硬件)并监控处理(例如，处理时间及基板位置或地点)的任何形式的计算机处理器的一者。存储器217连接至cpu215，且为易于获得的存储器的一个或多个者，例如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、软盘、硬盘或任何其他形式的数字储存，不论本地或远程的。软件指令及数据可被编码并储存于存储器217之中，用于指示cpu215。支援电路219也连接至cpu215，用于以传统方式支援cpu。支援电路219包括传统高速缓存、电源供应器、时钟电路、输入/输出电路、子系统及类似者。

次控制器250经构造以控制且自动化led阵列205。如图所示，次控制器250包括中央处理单元(cpu)291、存储器293及支援电路(或i/o)295。cpu291为在工业设定中使用于控制各种处理及硬件(例如，图案产生器、马达及其他硬件)并监控处理(例如，处理时间及基板位置或地点)任何形式的计算机处理器的一者。存储器293连接至cpu291，且为易于获得的存储器的一个或多个者，例如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、软盘、硬盘或任何其他形式的数字储存，不论本地或远程的。软件指令及数据可被编码并储存于存储器293之中，用于指示cpu291。支援电路295也连接至cpu291，用于以传统方式支援cpu。支援电路295包括传统高速缓存、电源供应器、时钟电路、输入/输出电路、子系统及类似者。

可由控制器214和/或次控制器250读取的程序(或计算机指令)决定系统200可执行的任务。控制器214经构造以与功率源212、致动器208及次控制器250通信并控制功率源212、致动器208及次控制器250。控制器214及次控制器250经构造以在处理期间控制基板支撑组件204的方面。多个加热像素216设置于主体206中且耦合至功率源212。控制器214是可操作的以单独控制加热像素216的各者，使得在基板101的背侧上提供温度分布(即，基板101的保持在支撑表面280上的一侧)，以对应于内耦合区域102、中间区域104及输出耦合区域106的至少一者。

led阵列205经构造以加热基板101的部分。led阵列205设置于离子源201的一侧203上，位于最接近基板101的表面上，并靠近提取孔洞202。led阵列205的宽度分别延伸至纸面中且延伸离开纸面。

图2c图示了根据一个实施方式的led阵列205的示意视图。如图所示，led阵列205包括以行和列的阵列布置的多个单独led207。可使用led207的任何数量的行和列。次控制器250是可操作的以单独控制led阵列205的led的各者，使得在基板101的前侧上提供温度分布。

图3是用于制作波导组合器(例如，波导组合器103)的方法300操作的流程图。尽管方法300操作结合图4a-图4d进行说明，本领域技术人员将理解，被构造为以任何顺序执行方法操作的任何系统均落入本文所述的实施方式的范围之中。方法300可储存至控制器214和/或次控制器250，或可被控制器214和/或次控制器250访问，以作为含有指令的计算机可读取介质，当由控制器的cpu215和/或次控制器的cpu291执行指令时，使得系统200执行方法300。

方法300开始于操作301处，其中在基板101的一个或多个保护的区域(或者称为完全保护的区域)上沉积保护材料。保护材料经构造以保护一个或多个保护的区域避免在操作302中被蚀刻，同时仍允许蚀刻一个或多个未受保护的区域。根据一个实施方式，一个或多个保护的区域包括中间区域104及输出耦合区域106，且一个或多个未受保护的区域包括内耦合区域102。未受保护的区域也可包括部分未受保护的区域(即，部分区域为保护的，且其他部分的区域为未受保护的)。

根据一个实施方式，通过喷墨打印或三维(3d)打印的一者沉积材料。材料可包括光刻胶材料。光刻胶材料可包括但不限于重氮萘醌(diazonaphthoquinone)、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚戊二酰亚胺甲基和/或su-8。

图4a图示了根据一个实施方式的一个或多个保护的区域的一者的部分400的示意剖面视图。根据一个实施方式，一个或多个保护的区域包括中间区域104及输出耦合区域106。材料499(例如，以上所述的保护材料)设置于光栅材料412上，光栅材料412设置于基板101的波导组合器103上。图案化硬掩模413设置于光栅材料412上。光栅材料412可包括碳氧化硅(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)、富含硅的si3n4、掺杂氢的si3n4、掺杂硼的si3n4、碳氮化硅(sicn)、氮化钛(tin)、二氧化锆(zro2)、锗(ge)、磷化镓(gap)、多晶体(pcd)、纳米晶体金刚石(ncd)、掺杂的含金刚石材料及上述的任意混合物。

材料499可通过3d打印或喷墨打印来沉积。材料499具有当离子束210引导朝向基板101时抑制光栅材料412移除的厚度414。

在操作301o处，将材料沉积于基板101的一个或多个部分未受保护的区域的至少一部分上。根据一个实施方式，材料经构造以部分地保护一个或多个部分未受保护的区域的部分，以避免在操作302中被蚀刻。

在操作302处，引导离子束入射至基板101上。操作302可包括离子束蚀刻、聚焦的离子束蚀刻及类似者。在一个实施方式中，离子束(例如，离子束210)由系统200产生并被引导。

图4b图示了根据一个实施方式德尔在操作302之前、期间及之后一个或多个完全未受保护的区域的一者的示意剖面视图。在可与本文所述的其他实施方式结合的本文所述的一个实施方式中，于操作301处，材料499并未沉积于未受保护的区域的光栅材料412上。根据一个实施方式，未受保护的区域可为内耦合区域102。

在操作302处，当离子束210引导朝向基板101时，例如通过在对应于时段401-406的一段时间内蚀刻被图案化硬掩模413暴露的光栅材料412中多个输入光栅108，从而离子束210形成。因为在此示例中硬掩模413上材料499的厚度是均匀的，所以在时段401-406上形成的多个输入光栅108的各个光栅在时段406处具有相同的深度415。因此，多个输入光栅108的整个光栅可具有约相同的尺寸，且形成一致的均匀光栅轮廓。本文所述的任何光栅可具有从约5°至约85°变化的角度θ(即，光栅相对于基板101的表面具有角度)。

图4c图示了根据一个实施方式的在操作302之前、期间及之后的一个或多个部分未受保护的区域及完全未受保护的区域的一者的示意剖面视图。在图4c中图示的实施方式中，执行可选的操作301o，并因此在部分未受保护的区域的至少一部分上设置材料499。材料499具有不同厚度的各种区域，例如第一厚度416及第二厚度417。第二厚度417小于第一厚度416，使得在时段406处，对应于第一厚度的光栅418的第一部分具有的深度419小于对应于第二厚度的光栅421的第二部分的深度420。因此，相同的多个光栅的不同部分具有不同的深度轮廓，且形成具有两个不同深度的深度轮廓。在某些实施方式中，第一厚度416约为零(即，在此部分中有少量材料或无材料沉积)。在某些实施方式中，第一厚度416足够厚，使得在此部分中不会形成光栅，且该区域将为完全保护的区域。在某些实施方式中，包括材料的多种厚度(例如，三个或更多个厚度)。

在时段406处，光栅的第一部分418可具有的深度419小于光栅的第二部分421的深度420，其中并无材料499沉积于未受保护的区域的光栅材料412上。

在可与本文所述的其他实施方式结合的本文所述的一个实施方式中，可单独控制加热像素216的各者，使得对应于部分未受保护的区域的温度分布提供至基板101的背侧。在某些实施方式中，材料499的接收较高温度的部分反应比接收较低温度的部分更快。因此，高温部分蚀刻较深，使得在高温部分中的光栅比低温部分更深。在某些实施方式中，材料499的接收较高温度的部分比接收较低温度的部分蚀刻更慢。因此，高温部分蚀刻较浅，导致在高温部分中的光栅比低温部分更浅。举例而言，若在蚀刻处理中移除材料499的部分，则高温部分增加的温度导致比低温部分移除更多的材料。

在可与本文所述的其他实施方式结合的本文所述的另一实施方式中，单独控制led阵列205的led的各者，使得对应于保护的区域的温度分布提供至基板101的前侧，导致蚀刻率的变化。在某些实施方式中，在保护的区域上沉积均匀的材料499，且通过led施加的光的剂量控制所形成的光栅(例如，光栅418)的深度。所形成的光栅的深度通过增加至材料499的某些部分的剂量而控制。在某些实施方式中，接收较高剂量的光的材料499的部分比接收较低剂量的光的部分蚀刻更快。因此，高剂量部分蚀刻较深，导致在高剂量部分的光栅比低剂量部分更深。在某些实施方式中，接收较高剂量的光的材料499的部分比接收较低剂量的光的部分蚀刻更慢。因此，高剂量部分蚀刻较浅，导致在高剂量部分中的光栅比低剂量部分更浅。在某些实施方式中，在均匀材料499上执行灰阶光刻，以控制光栅(例如，光栅418)的深度。

图4d图示了根据一个实施方式的在操作302之前、期间及之后一个或多个部分未受保护的区域的一者的示意剖面视图。在图4d图示的实施方式中，执行可选操作301o，并因此在部分未受保护的区域的至少一部分上设置材料499。材料499具有随着位置而变化的厚度498。因此，可形成具有不同深度轮廓的相同多个光栅的不同部分，不同深度轮廓随着材料499的厚度而变化。在一个实施方式中，材料499的厚度498的变化为线性的；然而，厚度498可以任何其他方式变化，且也可在多个光栅上以二维方式变化。

在以上所述的任何实施方式中，图案化硬掩模413的元件可具有不同宽度451，且因此所得到多个输入光栅108的鳍片可具有不同宽度。在以上所述的任何实施方式中，图案化硬掩模413的元件可具有不同间隔452，且因此所得到多个输入光栅108的鳍片之间的间隔可以是不同的。在以上所述的任何实施方式中，图案化硬掩模413的元件可具有不同的宽度451及不同的间隔452，且因此多个输入光栅108的鳍片具有不同的宽度和介于鳍片之间不同的间隔。

在操作303处，从保护的区域移除材料499。在一个实施方式中，保护的区域包括中间区域104及输出耦合区域106。可使用本领域中任何标准方法移除材料，例如氧气(o2)灰化。因此，在未受保护的区域(例如，内耦合区域102)中形成多个光栅(例如，多个输入光栅108)，且在保护的区域(例如，中间区域104及输出耦合区域106)中不会形成光栅。

在操作303o处，如果在操作302中的蚀刻之后仍残留任何材料，则从部分未受保护的区域移除材料。可如以上在操作303中所述的那样移除材料。

在某些实施方式中，重复操作301-303，但保护的及未受保护的区域不同于先前的操作301-303。根据一个实施方式，保护的区域包括内耦合区域102及输出耦合区域106，且未受保护的区域包括中间区域104。根据一个实施方式，保护的区域包括输入耦合区域102及中间区域104，且未受保护的区域包括输出耦合区域106。对于各个未受保护的区域，可改变方法300使得可产生各种厚度、宽度及轮廓的光栅(例如，内耦合区域102具有在图4b中图示的实施方式中所形成的多个输入光栅108，且中间区域104具有在图4c中图示的实施方式中所形成的多个中间光栅110)。在其他实施方式中，也重复操作301o及303o。因此，方法300允许产生具有不同光栅特征的不同区域。

尽管以上通过光栅(例如，光栅418)的1维阵列对方法300进行了说明，也可通过方法300形成光栅的2维(2d)阵列。图5a图示了根据一个实施方式的具有光栅521的2d阵列520的未受保护的部分500的顶部视图。图5b图示了根据一个实施方式的具有光栅521的2d阵列520的未受保护的部分500的侧视图。如图所示，2d阵列520具有光栅521的行501及列502。在2d阵列250中可包括任何数量的行501及列502。尽管图5a中图示的2d阵列520具有以网格图案排列的光栅521，但可利用任何图案。

光栅521的临界尺寸(cd)在x方向(例如，x宽度dx)中可以彼此相同或不同。光栅521的cd在y方向(例如，y宽度dy)中可以彼此相同或不同。光栅521的临界尺寸(cd)在z方向(例如，z宽度dz)中可以彼此相同或不同。光栅521的cd在y方向(例如，y宽度dy)中可以彼此相同或不同。光栅521的角度θ1、θ2、θ3、θ4可以彼此相同或不同。

个别光栅521之间的内部光栅间隔在x方向上(例如，x距离sx)可以彼此相同或不同。个别光栅521之间的内部光栅间隔在y方向上(例如，y距离sy)可以彼此相同或不同。

光栅521可具有矩形形状(例如，光栅510、510’)、方形形状(例如，光栅511、511’)、l的形状(例如，光栅513、513’)、圆形形状(例如，光栅516)和/或岛形形状(例如，514)。可包括任何形状的光栅521的任何组合。尽管给出了光栅251形状的示例，可以预期任何其他可能的形状。光栅521也可包括空洞515(即，穿透至下层基板101中)。

如上所述，提供一种用于形成多个光栅的方法。方法包括在设置于基板上的波导组合器的一个或多个保护的区域上沉积材料，材料具有当离子束引导朝向基板时抑制设置于波导组合器上的光栅材料移除的厚度。本文所公开的方法允许在一个或多个未受保护的区域中形成多个光栅，同时在保护的区域中不会形成光栅。

尽管上文涉及本公开内容的示例，但可在部背离本公开内容的基本范围的情况下设计其他及进一步的示例，且本公开内容的范围由随附权利要求书来确定。