通过角度蚀刻工具中的基板旋转而控制蚀刻角度的制作方法

背景

领域

本公开内容的具体实施方式大抵涉及角度蚀刻工具。更具体地，本文描述的具体实施方式提供利用角度蚀刻工具来形成具有不同倾斜角的光栅。

现有技术的描述

为了在基板上形成具有不同倾斜角的光栅，使用角度蚀刻系统。角度蚀刻系统包括容纳离子束源的离子束腔室。离子束源经配置以产生离子束，诸如带状束、点束或全基板尺寸束。离子束腔室经配置以相对于基板的表面法线的优化角引导离子束。改变优化角需要重新配置离子束腔室的硬件配置。基板保持在与致动器耦接的平台上。致动器经配置以使平台倾斜，使得基板相对于离子束腔室的轴线以倾角定位。优化的角和倾角，产生相对于表面法线的离子束角。

利用具有不同倾斜角的光栅的装置的一个实例为光场显示器(lightfielddisplay)。利用具有不同倾斜角的光栅的装置的另一个实例为波导组合器(waveguidecombiner)。波导组合器可能需要具有根据扩增实境装置所需的特性而不同的倾斜角的光栅。另外，波导组合器可能需要具有不同倾斜角的光栅，以适当控制光的内耦合(in-coupling)和外耦合(out-coupling)。循序制造波导组合器，其中较后的波导组合器可以具有与较前的波导组合器不同的倾斜角的光栅，以及使用角度蚀刻系统制造波导组合器以具有相对于波导组合器的表面具有不同倾斜角的光栅，这可具有挑战性。

传统上，为了在基板上形成具有不同倾斜角的光栅或者在多个基板上形成具有不同倾斜角的光栅，改变优化角、改变倾角、及(或)使用多个角度蚀刻系统。重新配置离子束腔室的硬件配置以改变优化角是复杂的，且重新配置需要时间。调整倾角以改变离子束角使得光栅具有不均匀的深度，并且使用多个角度蚀刻系统由于需要多个腔室而增加了制造时间并增加了成本。

因此，本领域需要在基板上形成具有不同倾斜角的光栅并在循序基板上形成具有不同倾斜角的光栅的方法。

技术实现要素：

在一个具体实施方式中，提供一种光栅形成方法。方法包含将保持在平台上的第一基板的第一部分定位在离子束的路径中的步骤。第一基板上设置有光栅材料。离子束经配置以相对于第一基板的表面法线的离子束角接触光栅材料，并在光栅材料中形成一个或多个第一光栅。保持在平台上的第一基板沿着平台的轴线旋转，从而在离子束和一个或多个第一光栅的光栅向量之间产生第一旋转角φ。一个或多个第一光栅相对于第一基板的表面法线具有第一倾斜角由方程式选出第一旋转角φ。

在另一个具体实施方式中，提供一种光栅形成方法，并提供组合器制造方法。方法包含将保持在平台上的第一基板的第一部分定位在离子束的路径中的步骤。第一基板上设置有光栅材料。离子束经配置以相对于第一基板的表面法线的离子束角接触光栅材料，并在光栅材料中形成一个或多个第一光栅。保持在平台上的第一基板围绕平台的轴线旋转，从而在离子束和一个或多个第一光栅的表面法线之间产生第一旋转角φ。一个或多个第一光栅相对于第一基板的表面法线具有第一倾斜角由方程式选出第一旋转角φ。将第一基板的第二部分定位于离子束的路径中，离子束经配置以在光栅材料中形成一个或多个第二光栅。第一基板围绕平台的轴线旋转，从而在离子束和一个或多个第二光栅的表面法线之间产生第二旋转角φ。一个或多个第二光栅相对于第一基板的表面法线具有第二倾斜角由方程式选出第二旋转角φ。将第一基板的第三部分定位于离子束的路径中，离子束经配置以在光栅材料中形成一个或多个第三光栅。第一基板被沿着平台的轴线旋转，从而在离子束和一个或多个第三光栅的表面法线之间产生第三旋转角φ。一个或多个第三光栅相对于第一基板的表面法线具有第三倾斜角由方程式选出第三旋转角φ。

在又另一个具体实施方式中，提供一种光栅形成方法。方法包含将保持在平台上的基板的第一部分与第二部分定位在离子束的路径中的步骤。基板上设置有光栅材料，离子束经配置以相对基板的表面法线的离子束角接触光栅材料并在光栅材料中形成一个或多个第一光栅与一个或多个第二光栅。保持在平台上的基板被沿着平台的轴线旋转，而在离子束与一个或多个第一光栅的光栅向量之间产生第一旋转角φ1，并在离子束与一个或多个第二光栅的光栅向量之间产生第二旋转角φ2。一个或多个第一光栅相对于基板的表面法线具有第一倾斜角且一个或多个第二光栅相对于基板的表面法线具有第二倾斜角第一旋转角φ1与所述第二旋转角φ2由系统方程式与δφ＝φ2-φ1选出。

附图说明

可参考多个具体实施方式以更特定地说明以上简要总结的本公开内容，以更详细了解本公开内容的上述特征，附图图标说明了其中一些具体实施方式。然而应注意到，附图仅说明示例性具体实施方式，且因此不应被视为限制具体实施方式的范围，并可承认其他等效的具体实施方式。

图1是根据一个具体实施方式的波导组合器的透视前视图。

图2a是根据一个具体实施方式的角度蚀刻系统的侧面示意性截面图。

图2b是根据一个具体实施方式的角度蚀刻系统的侧面示意性截面图。

图3是根据一个具体实施方式的基板的一部分的示意性透视图。

图4是根据一个具体实施方式的等效倾斜角θ'方程式的结果的曲线图。

图5是根据一个具体实施方式的具有第一部分光栅和第二部分光栅的基板的示意性俯视图。

图6是根据具体实施方式的对于旋转的方程式系统的结果的曲线图。

图7是根据一个具体实施方式的用于形成具有不同倾斜角的光栅的方法的流程图。

图8是根据一个具体实施方式的用于利用单次通过形成具有不同倾斜角的光栅的方法的流程图。

为了协助理解，已尽可能使用相同的元件符号标定图中共有的相同元件。已思及到，一个具体实施方式的元件与特征，可无需进一步的叙述即可被有益地并入其他具体实施方式中。

具体实施方式

本文描述的具体实施方式，涉及在基板上形成具有不同倾斜角的光栅的方法，以及在循序基板上形成具有不同倾斜角的光栅的方法。方法包括将保持在平台上的基板的部分定位在离子束的路径中的步骤。基板上设置有硬掩模。离子束经配置以相对于基板的表面法线的离子束角θ接触硬掩模，并在硬掩模中形成光栅。基板围绕平台的轴线旋转，以在离子束与光栅的表面法线之间产生旋转角φ。光栅相对于基板的表面法线具有倾斜角由方程式选出旋转角φ。在一个具体实施方式中，在基板上形成具有不同倾斜角的光栅，会形成波导组合器或波导组合器的母版，以用于纳米压印光刻处理。

图1是波导组合器100的透视前视图。应该理解到，下面描述的波导组合器100是示例性波导组合器。波导组合器100包括由多个光栅108限定的输入耦合区域102、由多个光栅110限定的中间区域104、以及由多个光栅112限定的输出耦合区域106。输入耦合区域102接收具有来自微显示器的强度的入射光束(虚像)。多个光栅108中的每个光栅，将入射光束分成多个模态，每个光束具有模态。零级模式(t0)光束在波导组合器100中折射回或丢失，正一阶模式(t1)光束通过波导组合器100耦合到中间区域104，并且负一阶模式(t-1)光束在波导组合器100中沿与t1光束相反的方向传播。理想地，入射光束被分成具有入射光束的所有强度的t1光束，以便将虚像引导到中间区域104。将入射光束分成具有入射光束的所有强度的t1光束的一种作法，是优化多个光栅108的每个光栅的倾斜角，以抑制t-1光束和t0光束。t1光束经过波导组合器100进行全内反射(tir)，直到t1光束与中间区域104中的多个光栅110接触。输入耦合区域102的一部分可以具有光栅108，光栅108具有与来自输入耦合区域102的相邻部分的光栅108的倾斜角不同的倾斜角。

t1光束接触多个光栅110的光栅。t1光束被分成在波导组合器100中折回或丢失的t0光束、在中间区域104中经历tir(直到t1光束接触多个光栅110的另一个光栅)的t1光束，以及通过波导组合器100耦合到输出耦合区域106的t-1光束。在中间区域104中经历tir的t1光束继续接触多个光栅110的光栅，直到通过波导组合器100耦合到中间区域104的t1光束的强度耗尽，或者剩余的t1光束传播通过中间区域104到达中间区域104的末端。必须调谐多个光栅110以控制通过波导组合器100耦合到中间区域104的t1光束，以便控制耦合到输出耦合区域106的t-1光束的强度，以调变从使用者的角度看来微显示器产生的虚拟图像的视野，并增加用户可以从中查看虚拟图像的视角。控制通过波导组合器100耦合到中间区域104的t1光束的一种作法，是优化多个光栅110中的每个光栅的倾斜角，以控制耦合到输出耦合区域106的t-1光束的强度。中间区域104的一部分可以具有光栅110，所述光栅110具有与来自中间区域104的相邻部分的光栅110的倾斜角不同的倾斜角。此外，光栅110可以具有与光栅108的倾斜角不同的倾斜角。

通过波导组合器100耦合到输出耦合区域106的t-1光束在波导组合器100中经历tir，直到t-1光束接触多个光栅112的一个光栅，其中t-1光束被分成在波导组合器100中折射或丢失的t0光束、在输出耦合区域106中经历tir(直到t1光束接触多个光栅112的另一个光栅)的t1光束、以及耦合出波导组合器100的t-1光束。在输出耦合区域106中经历tir的t1光束继续接触多个光栅112的光栅，直到通过波导组合器100耦合到输出耦合区域106的t-1光束的强度耗尽，或者剩余传播通过输出耦合区域106的t1光束已到达输出耦合区域106的末端。必须调谐多个光栅112以控制通过波导组合器100耦合到输出耦合区域106的t-1光束，以便控制耦合出波导组合器100的t-1光束的强度，以进一步调变从使用者的角度看来微显示器产生的虚拟图像的视野，并进一步增加用户可以从中查看虚拟图像的视角。控制通过波导组合器100耦合到输出耦合区域106的t1光束的一种作法，是优化多个光栅112中的每个光栅的倾斜角，以进一步调变视野并增加视角。中间区域104的一部分可以具有光栅110，所述光栅110具有与来自中间区域104的相邻部分的光栅110的倾斜角不同的倾斜角。此外，光栅112可以具有与光栅108及光栅110的倾斜角不同的倾斜角。

图2a是侧面示意性截面图，及图2b是角度蚀刻系统200的侧面示意性截面图，角度蚀刻系统200诸如可从位于美国加州圣塔克拉拉市的应用材料公司获得的varian系统。应当理解到，下面描述的角度蚀刻系统是示例性角度蚀刻系统，并且其他角度蚀刻系统(包括来自其他制造商的角度蚀刻系统)可以与基板一起使用或经修改以在基板上形成光栅。

为了形成具有倾斜角的光栅，通过角度蚀刻系统200蚀刻设置在基板210上的光栅材料212。在一个具体实施方式中，光栅材料212设置在设置在基板210上的蚀刻终止层211上，且图案化的硬掩模213设置在光栅材料212之上。在一个具体实施方式中，基于每个光栅的倾斜角和基板210的折射率来选择光栅材料212的材料，以控制光的内耦合和外耦合，并促进光通过波导组合器的传播。在另一个具体实施方式中，光栅材料212包括含有碳氧化硅(sioc)、二氧化钛(tio2)、二氧化硅(sio2)、氧化钒(iv)(vox)、氧化铝(al2o3)、氧化铟锡(ito)、氧化锌(zno)、五氧化二钽(ta2o5)、氮化硅(si3n4)、氮化钛(tin)、及(或)二氧化锆(zro2)的材料。光栅材料212的折射率在约1.5和约2.65之间。在又一个具体实施方式中，图案化的硬掩模213是非透明硬掩模，非透明硬掩模在形成波导组合器之后被移除。例如，非透明硬掩模包括反射材料，诸如铬(cr)或银(ag)。在另一具体实施方式中，图案化硬掩模213是透明硬掩模。在一个具体实施方式中，蚀刻终止层211是非透明蚀刻终止层，非透明蚀刻终止层在形成波导组合器之后被移除。在另一具体实施方式中，蚀刻终止层211是透明蚀刻终止层。

角度蚀刻系统200包括容纳离子束源204的离子束腔室202。离子束源经配置以产生离子束216，诸如带状束、点束或全基板尺寸束。离子束腔室202经配置以相对于基板210的表面法线218的优化角α引导离子束216。改变优化角α需要重新配置离子束腔室202的硬件配置。基板210保持在与第一致动器208耦接的平台206上。第一致动器208经配置以沿y方向及(或)z方向在扫描运动中移动平台206。在一个具体实施方式中，致动器进一步经配置以使平台206倾斜，使得基板210相对于离子束腔室202的x轴以倾角β定位。优化的角α和倾角β，产生相对于表面法线218的离子束角为了形成相对于表面法线218具有倾斜角的光栅，离子束源204产生离子束216，并且离子束腔室202以优化的角α将离子束216引向基板210。第一致动器208定位平台206，使得离子束216以离子束角接触光栅材料212，并蚀刻在光栅材料212的所需部分上具有倾斜角的光栅。

传统上，为了形成具有倾斜角(不同于光栅的相邻部分的倾斜角)的光栅的一部分或者在多个基板上形成具有不同倾斜角的光栅，改变优化角α、改变倾角β、及(或)使用多个角度蚀刻系统。重新配置离子束腔室202的硬件配置以改变优化角α是复杂的，且重新配置需要时间。当离子束216以不同的能量水平接触光栅材料212时，调整倾角β以修改离子束角使得基板210的多个部分处的光栅的深度不均匀。例如，较靠近离子束腔室202定位的部分的光栅，将比较远离离子束腔室202的相邻部分的光栅更深。使用多个角度蚀刻系统由于需要多个腔室而增加了制造时间并增加了成本。为了避免重新配置离子束腔室202、调整倾角β以修改离子束角以及使用多个角度蚀刻系统，角度蚀刻系统200包括耦合到平台206的第二致动器220，以沿着平台206的x轴旋转基板210以控制光栅的倾斜角

图3是基板302的一部分300的示意性透视图。固定离子束216的倾角β和优化角α，使得相对于基板302的表面法线306的离子束角是恒定的。优化角α在约0°和约90°之间，倾角β在约0°和约30°之间。得到的离子束角在约0°和约90°之间。离子束角优选地在约25°和约75°之间，因为接近约0°或约90°的离子束角将导致光栅304具有约0°或约90°的倾斜角这使得光栅304不是倾斜的。基板302围绕平台206的x轴旋转，在离子束216与光栅304的光栅向量308之间产生旋转角φ。选择旋转角φ以控制倾斜角而不用重新配置离子束腔室202、不用调整倾角β以改变离子束角且不用使用多个角度蚀刻系统。为了确定具有固定离子束角的最终倾斜角实现以下等效倾斜角方程式之一：与求解φ，旋转角φ为例如，若离子束角是45°并且所需的倾斜角是22.5°，则旋转角φ为约65.53°，因为cos-¹(tan(22.5)/tan(45))＝65.53。图4是对于5°、22.5°、45°、67.5°及85°的离子束角的等效倾斜角θ'方程式作为旋转角φ的函数的结果曲线图。

在一个具体实施方式中，具有倾斜角的光栅304可以用角度蚀刻系统200形成。在另一个具体实施方式中，具有倾斜角的光栅304可以用离子束蚀刻系统(也称为全晶片、沉浸式或栅格蚀刻系统)形成，此系统具有容纳在离子束腔室202中的离子束源204，离子束源204产生离子束216，离子束216具有在约0°的优化角α下对应于基板302的表面的几何形状的几何形状。离子束蚀刻系统的平台206经配置以将基板210定位在倾角β，使得离子束216以约25°和约75°之间的离子束角接触基板302。选择旋转角φ以控制如本文所述的倾斜角

图5是具有光栅506的第一部分502和光栅508的第二部分504的基板500的示意性俯视图。固定离子束216的倾角β和优化角α，使得相对于基板500的表面法线的离子束角是恒定的。优化角α在约0°和约90°之间，且倾角β在约0°和约30°之间。得到的离子束角在约0°和约90°之间。离子束角优选地在约25°和约75°之间，因为接近约0°或约90°的离子束角将导致光栅506的倾斜角与光栅508的倾斜角为约0°或约90°，这使得光栅506与光栅508不是倾斜的。基板500围绕平台206的x轴旋转，在离子束216与光栅506的光栅向量510之间产生旋转角φ1，并在离子束216与光栅508的光栅向量512之间产生旋转角φ2。选择旋转角φ1以形成具有倾斜角的光栅506，并且选择旋转角φ2以形成具有倾斜角的光栅508，此通过在扫描运动中移动平台206以单次穿过离子束腔室202，以使得第一部分502和第二部分504位于离子束216的路径中。为了由平台206单次穿过离子束腔室202而形成两个或更多个光栅部分，实施以下方程式系统：

δφ＝φ2-φ1

在一个具体实施方式中，倾斜角倾斜角和δφ是已知的。对旋转角φ1、旋转角φ2和离子束角求解方程式系统，将允许由平台206单次穿过离子束腔室202形成具有倾斜角的光栅506和具有倾斜角的光栅508。图6是对于旋转角φ1、旋转角φ2与离子束角的方程式系统的结果的曲线图。为了以45°的δφ形成具有40°倾斜角的光栅506与具有20°倾斜角的光栅508，21.1°旋转角φ1与61.1°旋转角φ2将通过平台206单次穿过离子束腔室202，而形成第一部分502与第二部分504。在另一个具体实施方式中，离子束角倾斜角倾斜角和δφ是已知的，并且对旋转角φ1和旋转角φ2求解方程式系统。因此，通过平台206单次穿过离子束腔室202而形成具有倾斜角的光栅506与具有倾斜角的光栅508，而不用重新配置离子束腔室202、不用调整倾角β以改变离子束角且不用使用多个角度蚀刻系统。另外，可以扩展方程式系统以形成三个或更多个光栅部分。

图7是用于形成具有不同倾斜角的光栅的方法700的流程图。在一个具体实施方式中，方法700由角度蚀刻系统200执行。在另一个具体实施方式中，方法700由离子束蚀刻系统执行。角度蚀刻系统200包括离子束源204，离子束源204产生容纳在离子束腔室202中的离子束216，诸如带状束或点束。离子束腔室202经配置以相对于基板210的表面法线218的优化角α引导离子束216。耦合至平台206的第一致动器208经配置以在扫描运动中移动基板210并使平台206倾斜，使得基板210相对于离子束腔室202的轴线以倾角β定位。第一致动器208经配置以沿y方向及(或)z方向在扫描运动中移动平台206。优化的角α和倾角β，产生相对于表面法线218的离子束角

在操作701，上面设置有光栅材料212的第一基板的第一部分被定位于离子束216的路径中。离子束216以相对于第一基板的表面法线218的离子束角接触光栅材料212，并在光栅材料212中形成一个或多个第一光栅。第一基板保持在平台206上，平台206经配置以将第一部分定位在离子束216的路径中并使第一基板绕平台206的轴线旋转，从而在离子束216和一个或多个第一光栅的光栅向量308之间产生第一旋转角φ。选择第一旋转角φ以使得一个或多个第一光栅相对于基板的表面法线218具有第一倾斜角第一旋转角φ由的旋转角φ方程式选择。在一个具体实施方式中，第一部分对应于波导组合器100的输入耦合区域102。

为了在第一基板的第二部分或第二基板的一部分上形成具有不同于第一倾斜角的第二倾斜角的一个或多个第二光栅，而不用重新配置离子束腔室202以改变优化角α、调整倾角β以修改离子束角与使用多个角度蚀刻系统，由经配置以沿着平台206轴线旋转基板的耦合至平台206的第二致动器220旋转第一基板或第二基板，同时使优化角α和倾角β保持固定。

在操作702，上面设置有光栅材料212的第一基板的第二部分被定位于离子束216的路径中。离子束216以相对于第一基板的表面法线218的离子束角接触光栅材料212，并在光栅材料212中形成一个或多个第二光栅。第二部分被定位在离子束216的路径中并使第一基板绕平台206的轴线旋转，从而在离子束216和一个或多个第二光栅的光栅向量308之间产生第二旋转角φ。选择第二旋转角φ以使得一个或多个第二光栅相对于基板的表面法线218具有第二倾斜角第二旋转角φ由的旋转角φ方程式选择。在一个具体实施方式中，第二部分对应于波导组合器100的中间区域104。

在操作703，上面设置有光栅材料212的第一基板的第三部分被定位于离子束216的路径中，离子束216以相对于第一基板的表面法线218的离子束角接触光栅材料212，并在光栅材料212中形成一个或多个第三光栅。第三部分被定位在离子束216的路径中并使第一基板绕平台206的轴线旋转，从而在离子束216和一个或多个第三光栅的光栅向量308之间产生第三旋转角φ。选择第三旋转角φ以使得一个或多个第三光栅相对于基板的表面法线218具有第三倾斜角第三旋转角φ由的旋转角φ方程式选择。在一个具体实施方式中，第三部分对应于波导组合器100的输出耦合区域106。

在操作704，移除第一基板并将第二基板保持在平台上。在操作605，重复操作701-703，以在第二基板上形成具有第一倾斜角的一个或多个第一光栅、具有不同于第一倾斜角的第二倾斜角的一个或多个第二光栅、以及具有不同于第一倾斜角和第二倾斜角的第三倾斜角的一个或多个第三光栅。

图8是用于以平台206单次穿过离子束腔室202而形成具有不同倾斜角的光栅部分的方法800的流程图。在操作801，利用平台206单次穿过离子束腔室202，上面设置有光栅材料212的基板500的第一部分502与第二部分504被定位于离子束216的路径中。离子束216以相对于基板500的表面法线218的离子束角接触光栅材料，并在光栅材料中形成一个或多个光栅506与一个或多个光栅508。基板500保持在平台206上，平台206经配置以将第一部分502与第二部分504定位在离子束216的路径中并使基板500绕平台206的轴线旋转，从而在离子束216和一个或多个光栅506的光栅向量510之间产生旋转角φ1，并在离子束216和一个或多个光栅508之间产生旋转角φ2。选择旋转角φ1以使得一个或多个光栅506相对于基板的表面法线218具有倾斜角选择旋转角φ2以使得一个或多个光栅508相对于基板的表面法线218具有倾斜角通过求解方程式系统来选择旋转角φ1和旋转角φ2：

δφ＝φ2-φ1

在一个具体实施方式中，倾斜角倾斜角和δφ是已知的。对旋转角φ1、旋转角φ2和离子束角求解方程式系统，将允许由平台206单次穿过离子束腔室202形成具有倾斜角的光栅506和具有倾斜角的光栅508。在另一个具体实施方式中，离子束角倾斜角倾斜角和δφ是已知的，并且对旋转角φ1和旋转角φ2求解方程式系统。因此，通过平台206单次穿过离子束腔室202而形成具有倾斜角的光栅506与具有倾斜角的光栅508，而不用重新配置离子束腔室202、不用调整倾角β以改变离子束角且不用使用多个角度蚀刻系统。另外，可以扩展方程式系统以形成三个或更多个光栅部分。可以针对后续基板重复方法800。

总之，本文描述了在基板上循序形成具有不同倾斜角的光栅的方法，以及使用角度蚀刻系统在循序基板上形成具有不同倾斜角的光栅的方法。通过选择旋转角φ以控制倾斜角而不用重新配置离子束腔室、不用调整倾角β以改变离子束角且不用使用多个角度蚀刻系统，允许了使用单一角度蚀刻系统来生产波导组合器，并生产具有不同倾斜角的光栅的波导组合器。

尽管前述内容关于本公开内容的一些实例，但可设计其他与进一步的具体实施方式而不脱离前述内容的基板范围，且前述内容的范围由下列权利要求书确定。