JP7634052B2 - 可変エッチング深さを有する斜め格子を製造する方法 - Google Patents

Description

［０００１］本開示の実施形態は、概して、光学格子を製造する方法に関するものである。より具体的には、本開示は、可変深さを有するトレンチを有する斜め光学格子を製造する方法に関するものである。

［０００２］光学レンズ等の光学素子は長い間、様々な利点を得るように光を操作するために使用されてきた。最近、マイクロ回折格子は、ホログラフィック及び拡張／仮想現実（ＡＲ及びＶＲ）デバイスに利用されている。ＡＲ及びＶＲデバイスの１つは、人間の眼から短い距離内に画像を表示するように配置された、ヘッドセット等のウェアラブルディスプレイシステムである。このようなウェアラブルヘッドセットは、しばしば頭部搭載型ディスプレイと呼ばれ、ユーザの眼から数センチメートル以内に画像を表示するフレームを備えている。画像は、マイクロディスプレイ等のディスプレイ上にコンピュータによって生成された画像であってよい。光学部品は、画像がユーザに見えるように、ディスプレイ上に生成された所望の画像の光をユーザの眼に輸送するように配置されている。画像が生成されるディスプレイは、ライトエンジンの一部を形成し得るため、画像は、光学部品によって案内されるコリメート光ビームを生成して、ユーザに見える画像を提供する。

［０００３］ディスプレイから人間の眼に画像を伝えるために、様々な種類の光学部品が使用されてきた。拡張現実レンズ又はコンバイナにおいて適切に機能するために、光学格子の形状寸法は、様々な効果を達成するように設計され得る。一部のデバイスでは、２つ以上の異なる領域等の複数の異なる領域がレンズの表面に形成され、ある領域の格子の形状寸法は、他の領域の格子の形状寸法と異なっている。

［０００４］角度付き表面レリーフ光学格子は、基板又は基板上の膜スタックに角度付きトレンチを直接エッチングすることによって製造することができる。光学格子の効率を制御するパラメータの１つは、トレンチの深さである。残念ながら、回折場と視野で様々な高さ、幅、及び／又は形状を有する光学格子を形成する現在のアプローチは、困難であることがわかっている。

［０００５］したがって、可変深さのトレンチを有する格子を製造する改善された方法が必要である。

［０００６］本概要は、発明を実施するための形態において以下に更に説明する概念の選択を簡略化した形で紹介するために提供されるものである。本概要は、請求された主題の重要な特徴又は必須の特徴を特定することを意図しておらず、また、請求された主題の範囲を決定する際の補助として意図されているものでもない。

［０００７］本開示の実施形態は、回折光学素子を形成する方法を提供するものであり、本方法は、基板の上に光学格子層を設けることと、光学格子層の上にハードマスクをパターニングすることと、ハードマスクの上に犠牲層を形成することとを含み、犠牲層は、光学格子層の上面から測定して不均一な高さを有する。本方法は更に、光学格子を形成するために、光学格子層内に複数の角度付きトレンチをエッチングすることを含んでいてよく、複数のトレンチのうちの第１のトレンチの第１の深さは、複数のトレンチのうちの第２のトレンチの第２の深さとは異なる。

［０００８］本開示の実施形態は更に、基板の上に光学格子層を設けることと、光学格子層の上にハードマスクを設けることであって、ハードマスクは一連の開口部を含む、光学格子層の上にハードマスクを設けることと、ハードマスクの上に犠牲層を形成することとを含む、回折光学素子を形成する方法を提供するものである。本方法は更に、犠牲層に凹部を形成することであって、凹部によって、犠牲層は、光学格子層の上面から測定して不均一な高さを有するようになる、犠牲層に凹部を形成することと、光学格子を形成するために、光学格子層を貫通する複数の角度付きトレンチをエッチングすることであって、複数の角度付きトレンチのうちの第１のトレンチの第１の深さは、複数のトレンチのうちの第２のトレンチの第２の深さとは異なる、光学格子を形成するために、光学格子層を貫通する複数の角度付きトレンチをエッチングすることと含み得る。

［０００９］本開示の実施形態は更に、基板の上に光学格子層を設けることと、光学格子層の上にハードマスクをパターニングすることと、ハードマスクの上に犠牲層を堆積させることとを含む、回折光学素子を形成する方法を提供するものである。本方法は更に、犠牲層にトレンチを形成するために、犠牲層の一部を除去することであって、トレンチは、第１の平面を画定する傾斜した底面を含み、第１の平面は、光学格子層の上面によって画定される第２の平面と非平行である、犠牲層にトレンチを形成するために、犠牲層の一部を除去することと、光学格子を形成するために、光学格子層内に複数の角度付きトレンチをエッチングすることであって、複数のトレンチのうちの第１のトレンチの第１の深さは、複数のトレンチのうちの第２のトレンチの第２の深さとは異なる、光学格子を形成するために、光学格子層内に複数の角度付きトレンチをエッチングすることとを含み得る。

［００１０］添付の図面は、その原理の実用化を含む、本開示の例示的なアプローチを以下のように示すものである。

本開示の実施形態に係るディスプレイ装置の概略断面図である。 本開示の実施形態に係る光学格子部品を示す側断面図である。 本開示の実施形態に係る図２Ａの光学格子部品を示す上面図である。 本開示の実施形態に係る、概略的に描かれた処理装置を示す図である。 本開示の実施形態に係る抽出プレート部品及び基板を示す上面図である。 本開示の実施形態に係る角度付き構造の形成を示す側断面図である。 本開示の実施形態に係る角度付き構造の形成を示す側断面図である。 本開示の実施形態に係る角度付き構造の形成を示す側断面図である。 本開示の実施形態に係る角度付き構造の形成を示す側断面図である。 本開示の実施形態に係る角度付き構造の形成を示す側断面図である。

［００１８］図面は必ずしも縮尺通りではない。図面は単なる表現であり、本開示の特定のパラメータを描写することを意図していない。図面は、本開示の例示的な実施形態を描写することを意図しており、したがって、範囲を限定するものとはみなすべきではない。図面において、同様の番号付けは、同様の要素を表す。

［００１９］更に、幾つかの図面における特定の要素は、例示的な明瞭さのために、省略されることがある、又は非縮尺で図示される場合がある。断面図は、例示的な明瞭さのために、「真の」断面図においてさもなければ可視である特定の背景線が省略された、「断片」、又は「近視眼的」断面図の形態であり得る。更に、分かりやすくするために、一部の図面では参照番号を省略することがある。

［００２０］以下に、本開示に係る方法を、方法の実施形態を示す添付の図面を参照しながら、より完全に説明する。本方法は、多くの異なる形態で具体化され得るものであり、本明細書に記載する実施形態に限定されると解釈されるべきではない。その代わり、これらの実施形態は、開示が徹底的かつ完全であり、当業者にシステム及び方法の範囲を完全に伝えるように提供される。

［００２１］図１は、ディスプレイ装置１００に実装された導波管１０４の概略断面図である。ディスプレイ装置１００は、拡張現実、仮想現実、及び複合又は混合現実の用途、並びに他のディスプレイ用途、例えば、ハンドヘルドディスプレイデバイス用に構成され得る。

［００２２］ディスプレイ装置１００は、ユーザ視点１０１から環境１３０を見るユーザのため等に、導波管１０４を使用し、導波管１０４を通して周囲環境１３０を透視する。ディスプレイ装置１００に実装されるとき、導波管１０４の第１の表面１２２は、ユーザの眼１１１に隣接し、ユーザの眼１１１に面して配置される。導波管１０４の第２の表面１２４は、第１の表面１２２の反対側に、周囲環境１３０に隣接し、周囲環境１３０に面して配置される。平面的に図示したが、導波管１０４は、所望の用途に応じて、湾曲している場合がある。

［００２３］ディスプレイ装置１００は更に、生成された仮想画像の光１２０を導波管１０４に案内するための画像マイクロディスプレイ１２８を含む。仮想画像の光１２０は、導波管１０４を伝搬する。一般に、導波管１０４は、入力結合領域１０６と、導波管領域１０８と、出力結合領域１１０とを含む。入力結合領域１０６は、画像マイクロディスプレイ１２８から光１２０（仮想画像）を受け取り、光１２０は導波管領域１０８を通って、ユーザの視点１０１と視野によって周囲環境１３０と重なった仮想画像の視覚化が可能な出力結合領域１１０に移動する。画像マイクロディスプレイ１２８は、仮想画像の光を導波管１０４に投影するように動作可能なシリコン上の液晶マイクロディスプレイ等の高解像度ディスプレイ生成器である。

［００２４］導波管１０４は、入力格子構造１１２及び出力格子構造１１４を含む。入力格子構造１１２は、導波管１０４の、入力結合領域１０６に対応するエリアに形成される。出力格子構造１１４は、導波管１０４の、出力結合領域１１０に対応するエリアに形成される。入力格子構造１１２及び出力格子構造１１４は、導波管１０４内の光伝搬に影響を与える。例えば、入力格子構造１１２は画像マイクロディスプレイ１２８からの光を入力結合し、出力格子構造はユーザの眼１１１に対して光を出力結合する。

［００２５］例えば、入力格子構造１１２は、ユーザの眼１１１において表示される仮想画像の視野に影響を与える。出力格子構造１１４は、導波管１０４から収集され、出力結合される光１２０の量に影響を与える。更に、出力格子構造１１４は、ユーザの視点１０１からの仮想画像の視野を変調し、ユーザが画像マイクロディスプレイ１２８から仮想画像を見ることができる視野角を増加させる。別の実施例では、入力結合領域１０６と出力結合領域１１０との間の導波管領域１０８にも、格子構造（図示せず）が形成される。更に、それぞれその中に所望の格子構造が形成された複数の導波管１０４を使用して、ディスプレイ装置１００を形成することができる。

［００２６］図２Ａは、本開示の実施形態に係る光学格子部品２００を示す側断面図である。図２Ｂは、光学格子部品２００を示す上面図である。光学格子部品２００は、本開示の様々な実施形態に従って、眼鏡に配置される光学格子として使用され得る、又は眼鏡に一体的に形成され得る。光学格子部品２００は、基板２０２と、基板２０２に配置された光学格子２０６とを含む。光学格子２０６は、図１の入力格子構造１１２及び／又は出力格子構造１１４と同一又は類似であってよい。幾つかの実施形態では、基板２０２は、公知のガラス等の光学的に透明な材料である。幾つかの実施形態では、基板２０２はシリコンである。後者の場合、基板２０２はシリコンであり、別のプロセスを用いて、ガラス又は石英等の別の光学基板の表面の膜に格子パターンを転写することができる。なお、本実施形態は、この文脈に限定されない。光学格子２０６は、以下に更に説明するように、光学格子層２０７に配置され得る。図２Ａ及び図２Ｂの非限定的な実施形態では、光学格子部品２００は更に、基板２０２と光学格子層２０７との間に配置された、エッチングストップ層２０４を含む。本開示の幾つかの実施形態によれば、光学格子層２０７は、酸化ケイ素、窒化ケイ素、ガラス、ＴｉＯ_２、又は他の材料等の光学的に透明な材料であってよい。

［００２７］本開示の幾つかの実施形態によれば、光学格子２０６は、１００ｎｍから１０００ｎｍの範囲の格子高さＨを含み得る。このように、光学格子２０６は、ＡＲ＆ＶＲ装置の接眼レンズにおける使用に適切であり得る。本明細書の実施形態は、この文脈に限定されない。幾つかの実施形態によれば、エッチングストップ層２０４は、光学的に透明な材料であってよく、１０ｎｍから１００ｎｍの厚さを有していてよい。本実施形態は、この文脈に限定されない。エッチングストップ層２０４に適した材料の例としては、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ＴｉＮ、ＳｉＣ、及び他の材料が挙げられる。光学格子２０６が眼鏡の接眼レンズに適用される又は組み込まれる実施形態では、特に適切な材料は、光学的に透明な材料である。光学格子部品２００が、接眼レンズ用の光学格子を製造するためのマスターを形成する実施形態では、エッチングストップ層２０４は、光学的に透明である必要はない。更に、エッチングストップ層２０４は、幾つかの実施形態において省略され得る。

［００２８］図２Ａに更に示すように、光学格子２０６は、基板２０２の平面（例えば、ｘ－ｙ平面）に対する垂線に対して非ゼロの傾斜角で配置された、角度付き部品又は構造２１２として示す複数の角度付き構造を含み得る。角度付き構造２１２は、斜め格子の１又は複数のフィールド内に含まれていてよく、斜め格子は共に「マイクロレンズ」を形成する。図２Ａの例では、第１の方向（y軸）が基板２０２の平面、この場合、ｘ－ｙ平面に平行である、図示したデカルト座標系のy軸に平行な方向に沿って均一な高さを画定する。他の実施形態では、角度付き構造２１２は、y軸に平行な方向に沿って可変高さを画定し得る。複数のトレンチ２１４は、基板２０２の上面又は光学格子層２０７の上面等の平面に対する垂線に対して非ゼロの傾斜角で配置され得る。以下により詳細に説明するように、複数のトレンチ２１４の１又は複数のトレンチ深さ「ｄ」及び／又は幅「ｗ」は、エッチング前に光学格子２０６の上に設けられたマスク又は犠牲層の存在により変化し得る。

［００２９］幾つかの実施形態では、Ｙ方向に沿った光学格子２０６の幅は、数ミリメートルから数センチメートルの規模であってよく、一方、格子高さＨは、１マイクロメートル以下の規模であってよい。従って、格子高さＨの変化は、数百ナノメートル以下の規模の範囲であり得る。格子高さＨ又は深さｄの滑らかな変化の例としては、格子の隣接するライン間の格子高さＨ又は深さｄの変化が１０％未満、５％未満、又は１％未満である。本実施形態は、これに限定されない。したがって、接眼レンズにおいて、格子高さＨは、接眼レンズの表面に沿って所定の方向に、例えば、ミリメートルからセンチメートルの距離にわたって連続的かつ非階段的に変化し得る。より具体的には、５ｍｍの距離にわたる５０％の格子高さＨの変化は、１マイクロメートルのピッチを有する約５×１０^３本のラインにわたって格子高さＨが連続的に変化することを伴う可能性がある。この変化は、０．５／５×１０^４又は約０．０１％の隣接するラインの相対的高さの平均変化を伴う。

［００３０］ここで、概略的に描写した処理装置３００を示す図３Ａを参照する。処理装置３００は、例えば本実施形態の光学格子を生成するために、基板の一部をエッチングする、又は基板に堆積させるための処理装置を表す。処理装置３００は、当技術分野で周知の任意の便利な方法によってその中にプラズマ３０４を生成するためのプラズマチャンバ３０２を有するプラズマベースの処理システムであってよい。光学格子層２０７（図２Ａ～２Ｂ）を反応的にエッチング又は堆積させるために、不均一エッチング又は不均一堆積が行われ得る抽出開孔３０８を有する抽出プレート３０６が図示のように設けられ得る。プロセスチャンバ３２４には、例えば、前述の光学格子構造を含む基板２０２が配置される。基板２０２の基板平面は、図示のデカルト座標系のＸ－Ｙ平面によって表され、基板２０２の平面に対する垂線は、Ｚ軸（Ｚ方向）に沿っている。

［００３１］図３Ａに更に示すように、公知のシステムと同様に、プラズマチャンバ３０２と基板２０２、又は基板プラテン３１４との間にバイアス供給装置３２０を用いて電圧差が印加されると、イオンビーム３１０が抽出され得る。バイアス供給装置３２０は、例えば、プロセスチャンバ３２４と基板２０２が同じ電位に保持されるように、プロセスチャンバ３２４に結合され得る。

［００３２］様々な実施形態によれば、イオンビーム３１０は、垂線３２６に沿って抽出され得る、又は垂線３２６に対してφとして示す非ゼロの入射角で抽出され得る。

［００３３］イオンビーム３１０内のイオンの軌道は、互いに平行であり得る、又は互いに１０度以下等の狭い角度広がり範囲に存在し得る。他の実施形態では、後述するように、イオンビーム３１０内のイオンの軌道は、例えば扇形に互いに収束又は広がっていてよい。したがって、φの値は、個々の軌道が平均値から数度まで変化する入射角の平均値を表し得る。様々な実施形態では、イオンビーム３１０は、連続ビームとして、又は公知のシステムと同様にパルスイオンビームとして抽出され得る。例えば、バイアス供給装置３２０は、プラズマチャンバ３０２とプロセスチャンバ３２４との間の電圧差を、パルスＤＣ電圧として供給するように構成されていてよく、パルス電圧の電圧、パルス周波数、及びデューティサイクルは、互いに独立して調整され得る。

［００３４］様々な実施形態では、反応性ガス等のガスが、供給源３２２によってプラズマチャンバ３０２に供給され得る。プラズマ３０４は、プラズマチャンバ３０２に供給される種の正確な組成に依存して、様々なエッチング種又は堆積種を生成し得る。

［００３５］様々な実施形態では、イオンビーム３１０は、図３Ｂに示すデカルト座標系のＸ方向に沿って延びる長軸を有するリボン反応性イオンビームとして提供され得る。基板２０２を含む基板プラテン３１４を抽出開孔３０８に対して、ひいては走査方向３３０に沿ってイオンビーム３１０に対して走査することにより、イオンビーム３１０が基板２０２をエッチングし得る、又は基板２０２に堆積させ得る。イオンビーム３１０は、不活性ガス、反応性ガスを含む任意の便利な混合ガスで構成されていてよく、幾つかの実施形態では他のガス種と組み合わせて提供され得る。特定の実施形態では、イオンビーム２１０及び他の反応種は、光学格子層２０７等の層の指向性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うための、基板２０２に対するエッチングレシピとして提供され得る。上記エッチングレシピは、当技術分野で周知のように、酸化物等の材料又は他の材料をエッチングするための周知の反応性イオンエッチング化学物質を使用し得る。他の実施形態では、基板２０２がイオンビーム３１０に対して走査されたときに、基板２０２、又はより具体的には、光学格子層２０７を物理的スパッタリングによってエッチングするためにイオンビーム３１０が提供されるところでは、イオンビーム３１０は不活性種で形成され得る。

［００３６］図３Ｂの例では、イオンビーム３１０は、Ｘ方向に沿ったビーム幅に延びるリボン反応性イオンビームとして提供され、ビーム幅は、Ｘ方向に沿った最も広い部分においてさえも、基板２０２の全幅を露光するのに十分である。例示的なビーム幅は、１０ｃｍ、２０ｃｍ、３０ｃｍ、又はそれ以上の範囲であってよく、一方、Ｙ方向に沿った例示的なビーム長は、２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、又は２０ｍｍの範囲であってよい。本実施形態は、この文脈に限定されない。

［００３７］特に、走査方向３３０は、Ｙ方向に沿った２つの対向する（１８０度の）方向における基板２０２の走査、又は単に左に向かう走査若しくは右に向かう走査を表し得る。図３Ｂに示すように、イオンビーム３１０の長軸は、走査方向３３０に垂直に、Ｘ方向に沿って延びている。従って、基板２０２の走査方向３３０に沿って基板２０２の左側から右側までの十分な長さの走査が行われる場合、基板２０２の全体がイオンビーム３１０に露光され得る。

［００３８］図２Ａ～図２Ｂの角度付き構造２１２等の格子特徴は、処理レシピを使用して、イオンビーム３１０に対して基板２０２を走査することによって達成され得る。手短に言えば、処理レシピは、例えば、基板２０２の走査中にイオンビーム３１０によって引き起こされるエッチング速度又は堆積速度を変化させる効果を有する、一連のプロセスパラメータのうちの少なくとも１つのプロセスパラメータを変化させることを伴い得る。上記プロセスパラメータは、基板２０２の走査速度、イオンビーム３１０のイオンエネルギー、パルスイオンビームとして提供される場合のイオンビーム３１０のデューティサイクル、イオンビーム３１０の広がり角、及び基板２０２の回転位置を含み得る。本明細書の少なくとも幾つかの実施形態では、処理レシピは、光学格子層２０７の材料（複数可）、及びイオンビーム３１０のエッチングイオンの化学的性質を更に含み得る。更に他の実施形態では、処理レシピは、寸法及びアスペクト比を含む光学格子層２０７の開始形状寸法を含み得る。本実施形態は、この文脈に限定されない。

［００３９］図４Ａ～図４Ｅは、本開示の実施形態に係る回折光学素子４００を形成するためのプロセスを示す図である。図４Ａに示すように、基板４０２の上に光学格子層４０７が形成され得、光学格子層４０７の上にハードマスク層４１０が形成され得る。図示しないが、幾つかの実施形態では、基板４０２と光学格子層４０７との間にエッチングストップ層が設けられ得る。エッチングストップ層は、特に窒化チタン又は窒化タンタル等の、エッチングプロセスに対して耐性を有する材料から形成される。基板４０２は、ガラス等の光学的に透明な材料からできていてよい。光学格子層４０７及び／又はハードマスク４１０は、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス、物理的気相堆積（ＰＶＤ）プロセス、又はスピンオンプロセスによって形成され得る。

［００４０］格子層４０７は、光学的に透明な材料から形成され得る。一例では、格子層４０７は、窒化ケイ素又は酸化ケイ素等のケイ素系材料、又は酸化チタン等のチタン系材料から形成される。格子層４０７の材料は、約１．３から２．４等の高屈折率、又はそれ以上の屈折率を有する。一般に、格子層４０７は、約１５０ｎｍから７００ｎｍ等の、約１マイクロメートル未満の厚さを有する。しかしながら、本明細書の実施形態は、この文脈に限定されない。

［００４１］図４Ｂに示すように、ハードマスク４１０は、その中に一連の開口部又は間隙４１１を形成するようにパターニングされ得る。幾つかの実施形態では、ハードマスク４１０は、フォトレジストスタック（図示せず）から形成され、ハードマスク層は、格子層４０７の上に共形的に形成される。ハードマスク４１０は、例えば、化学気相堆積プロセスを用いて窒化チタンから形成される。図示のように、ハードマスク４１０は、間隙４１１によって互いに分離された複数のハードマスク要素４１２として形成される。各間隙４１１は、光学格子層４０７の上面４１３に対して選択的なエッチングプロセスを用いて形成され得る。幾つかの実施形態では、ハードマスク要素４１２は、フォトレジストスタックをエッチングすることによって形成される。幾つかの実施形態では、ハードマスク要素４１２は、同じ高さ及び／又は幅を有する。他の実施形態では、ハードマスク要素４１２の１又は複数は、異なる又は不均一な高さ及び／又は厚さを有する。

［００４２］図４Ｃに示すように、次に、犠牲層４２０が、光学格子層４０７及びハードマスク４１０の上に形成され得る。幾つかの実施形態では、犠牲層４２０は、光学格子層４０７及びハードマスク４１０の上に堆積されたマスクである。非限定的な実施形態では、犠牲層４２０は、例えば、３Ｄ印刷を用いて回折光学素子４００の上に形成されたフォトレジスト型材料であってよい。他の実施形態では、犠牲層４２０は、シリコン等の光学的に透明な材料であってよい。非限定的な一実施形態では、犠牲層４２０は、垂直エッチング及び角度付きエッチングの両方において均一な特性を有利に提供する窒化ケイ素であってよい。

［００４３］図４Ｄに示すように、犠牲層４２０は、イオンエッチング、反応性又はスパッタ等のサブトラクティブプロセス４２５を使用して凹設され得る。図示した実施形態では、サブトラクティブプロセス４２５は、光学格子層４０７の上面４１３に対して可変高さ「Ｈ」を有する犠牲層４２０を生成する、方向４２６に沿って横断する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）であってよい。例えば、犠牲層４２０は、傾斜した底面４２２を有する凹部又はトレンチ４２１を形成するように処理され得る。図示したように、傾斜した底面４２２は、光学格子層４０７の上面４１３によって画定される平面と非平行である平面を画定し得る。非限定的であるが、傾斜した底面４２２は、概して平面及び／又は曲面であってよい。更に、傾斜した底面４２２の勾配方向は、サブトラクティブプロセス４２５の格子ベクトルとアライメントされる必要はない。

［００４４］図４Ｅに示すように、回折光学素子４００は、次に、犠牲層４２０及び光学格子層４０７を貫通する複数の角度付きトレンチ４２８を形成するためにエッチング４２７される。幾つかの実施形態では、エッチング４２７は、角度付きイオンエッチングであり、角度付きイオンエッチングは、反応性イオンビームによって実行される。基板４０２は、反応性イオンビームに対して走査方向に沿って走査され得る。図示したように、エッチング４２７は、光学格子層４０７の上面４１３によって画定される平面に対する垂線４３３に対して、非ゼロの角度（θ）で送達され得る。エッチングプロセス中、ハードマスク４１０及び犠牲層４２０は、光学格子層４０７から複数の斜め格子構造４３０を形成するためのパターンガイドとして機能する。斜め格子構造４３０のより複雑な及び／又はニュアンスのある形状は、最初に不均一な犠牲層４２０を形成し、次に、エッチング４２７中に追加の選択的エリア処理（ＳＡＰ）エッチングサイクルを実行することによって達成できることが理解されるであろう。

［００４５］犠牲層４２０及びハードマスク４１０が、次に、各斜め格子構造４３０の上から除去され、図４Ｆに示す光学格子４４５が結果的にでき得る。幾つかの実施形態では、犠牲層４２０の可変高さに起因して、複数のトレンチのうちの第１のトレンチ４２８Ａの第１の深さは、第２のトレンチ４２８Ｂの第２の深さとは異なっている。

［００４６］図５Ａ～図５Ｈは、本開示の実施形態に係る回折光学素子５００を形成するためのプロセスを示す図である。図５Ａに示すように、基板５０２の上に光学格子層５０７が形成され得、光学格子層５０７の上にハードマスク層５１０が形成され得る。回折光学素子５００は、基板５０２と光学格子層５０７との間に設けられたエッチングストップ層５０５を更に含み得る。基板５０２は、シリコン等の光学的に透明な材料からできていてよい。幾つかの実施形態では、エッチングストップ層５０５は、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス、物理的気相堆積（ＰＶＤ）プロセス、又はスピンオンプロセスによって形成され得る。エッチングストップ層５０５は、特に窒化チタン又は窒化タンタル等の、エッチングプロセスに耐性のある材料から形成される。

［００４７］図５Ｂに示すように、ハードマスク５１０は、その中に開口部又は間隙５１１を形成するようにパターニングされ得る。幾つかの実施形態では、ハードマスク５１０は、フォトレジストスタック（図示せず）から形成され、ハードマスク層は、格子層５０７の上に共形的に形成される。ハードマスク層５１０は、例えば、化学気相堆積プロセスを用いて窒化チタンから形成される。幾つかの実施形態では、間隙５１１は、光学格子層５０７の上面５１３に対して選択的なエッチングプロセスを用いて形成され得る。

［００４８］図５Ｂに更に示すように、犠牲層５２０が、光学格子層５０７及びパターンニングされたハードマスク５１０の上に形成され得る。幾つかの実施形態では、犠牲層５２０は、光学格子層５０７及びハードマスク５１０の上に堆積されたマスクである。非限定的な実施形態では、犠牲層５２０は、例えば、３Ｄ印刷を用いて回折光学素子５００の上に形成されたフォトレジスト型材料であってよい。他の実施形態では、犠牲層５２０は、ケイ素系材料、例えば窒化ケイ素又は酸化ケイ素、又はチタン系材料、例えば酸化チタン等の光学的に透明な材料であってよい。

［００４９］図５Ｃに示すように、犠牲層５２０は、イオンエッチング、反応性又はスパッタ等のサブトラクティブプロセス５２５を使用して凹設され得る。図示した実施形態では、サブトラクティブプロセス５２５は、光学格子層５０７の上面５１３に対して可変高さ「Ｈ」を有する犠牲層５２０を生成するために、方向５２６に沿って横断する、ＲＩＥであってよい。例えば、犠牲層４２０は、傾斜した底面５２２を有する凹部又はトレンチ５２１を形成するように処理され得る。図示したように、傾斜した底面５２２は、光学格子層５０７の上面５１３によって画定される平面と非平行である平面を画定し得る。非限定的であるが、傾斜した底面５２２は、概して平面及び／又は曲面であってよい。

［００５０］幾つかの実施形態では、図５Ｄに示すように、トレンチ５２１及び傾斜した底面５２２を含む犠牲層５２０が、光学格子層５０７に転写され得る。幾つかの実施形態では、可変エッチング深さ（ＶＥＤ）プロファイル、例えば、２次元楔形状は、可変深さを達成するためのフォトレジストの可変露光の光学デバイス及び方法であるグレートーンスクリーン（図示せず）による垂直エッチングを使用して形成され得る。より具体的には、グレートーンリソグラフィは、レジスト膜を光造形し、単一の露光プロセスでフォトレジストに３次元プロファイルを形成する技法である。グレイトーンリソグラフィとＲＩＥを組み合わせることで、レジストのプロファイルを３次元構造に変換することができる。

［００５１］図示したように、サブトラクティブプロセス５６１は、トレンチ５２１を更に光学格子層５０７に延在させて、光学格子層５０７の傾斜した底面５３２を形成する。非限定的であるが、傾斜した底面５３２は、概して平面及び／又は曲面であってよい。犠牲層５２０を最初に成形することによって、光学格子層５０７における精度が向上し得る。

［００５２］図５Ｅに示すように、犠牲層５２０の任意の残りの部分が除去され得、第２のハードマスク５３４がトレンチ５２１内に形成される。図示したように、第２のハードマスク５３４は、傾斜した底面５３２の上に堆積される。

［００５３］次に、図５Ｆに示すように、光学平坦化層（ＯＰＬ）５３８及びフォトレジスト（ＰＲ）５４０が、第１のハードマスク５１０及び第２のハードマスク５３４の上に形成され得る。次いで、複数の垂直トレンチ５４４が、ＯＰＬ５３８、ＰＲ５４０、及び第２のハードマスク５３４を貫通して形成され得る。幾つかの実施形態では、垂直トレンチ５４４は、光学格子層５０７の上面５１３に対して選択的な垂直ＲＩＥにより形成される。ＯＰＬ５３８及びＰＲ５４０が除去され、その結果、図５Ｇに示す回折光学素子５００を得ることができる。

［００５４］図５Ｈに示すように、回折光学素子５００が、次に、エッチング５２７され、光学格子層５０７を貫通する複数の角度付きトレンチ５２８Ａ～Ｎが形成される。幾つかの実施形態では、エッチング５２７は、角度付きイオンエッチングであり、角度付きイオンエッチングは、エッチングストップ層５０５に対して選択的な反応性イオンビームによって行われる。基板５０２は、反応性イオンビームに対して走査方向に沿って走査され得る。図示したように、エッチング５２７は、光学格子層５０７の上面５１３によって画定される平面に対する垂線に対して非ゼロの角度で送達され得る。エッチング５２７中、第２のハードマスク５３４は、複数の斜め格子構造５３０を形成するためのパターンガイドとして機能する。図示のように、複数のトレンチのうちの第１のトレンチ５２８Ａの第１の深さは、エッチング５２７により、第２のトレンチ５２８Ｂの第２の深さと異なっている。その後、第１及び第２のハードマスク５１０、５３４が除去され、その結果、図４Ｆのデバイス４００と同様の構造を得ることができる。

［００５５］本明細書では、便宜上及び明確化のために、「上部」「底部」「上方」「下方」「垂直」「水平」「横」「縦」等の用語を用いて、図に示す構成要素及びその構成部品の相対的配置及び配向について説明する。用語には、具体的に言及された語句、その派生語、及び類似の輸入語句が含まれるものとする。

［００５６］本明細書で使用する、単数形で記載され、単語「ａ」又は「ａｎ」が前に付く要素又は工程は、除外すると明示されていない限り、複数の要素又は工程も含むと理解すべきである。更に、本開示の「一実施形態」への言及は、限定的なものではない。追加の実施形態が言及された特徴を組み込むことも可能である。

［００５７］更に、用語「実質的な」又は「実質的に」、並びに用語「おおよそ」又は「約」は、幾つかの実施形態において交換可能に使用することができ、当業者によって受け入れられる任意の相対的尺度を使用して説明することができる。例えば、これらの用語は、所定の機能を提供することができる偏差を示すために、基準パラメータとの比較として機能し得る。非限定的であるが、基準パラメータからの偏差は、例えば、１％未満、３％未満、５％未満、１０％未満、１５％未満、２０％未満等の量であってよい。

［００５８］また更に、当業者は、層、領域、又は基板等の要素が、別の要素の「上に」形成される、堆積される、又は配置されると言及される場合、その要素は別の要素の上に直接あってよい、又は介入する要素が存在する場合があることを理解するだろう。対照的に、ある要素が別の要素の「上に直接」あると言及される場合、介在する要素は存在しない。

［００５９］本明細書で使用する「堆積した」及び／又は「堆積された」は、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）、低圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）、及びプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）等を非限定的に含む、堆積されるべき材料に適した現在周知の又は後に開発された任意の技法を含み得る。「堆積した」及び／又は「堆積された」は、半大気ＣＶＤ（ＳＡＣＶＤ）及び高密度プラズマＣＶＤ（ＨＤＰＣＶＤ）、急速熱ＣＶＤ（ＲＴＣＶＤ）、超高真空ＣＶＤ（ＵＨＶＣＶＤ）、限定反応処理ＣＶＤ（ＬＲＰＣＶＤ）、及び有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）等も含み得る。「堆積した」及び／又は「堆積された」は、スパッタリング堆積、イオンビーム堆積、電子ビーム堆積、レーザーアシスト堆積、熱酸化、熱窒化、スピンオン法、及び物理的気相堆積（ＰＶＤ）も含み得る。「堆積した」及び／又は「堆積された」は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学酸化、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、メッキ、蒸着も含み得る。

［００６０］様々な実施形態では、設計ツールが提供され、例えば本明細書に記載されるように回折光学素子４００及び５００の層をパターニングするために使用されるデータセットを作成するように構成され得る。例えば、データセットは、本明細書に記載されるような構造のための層をパターニングするためのリソグラフィ工程中に使用されるフォトマスクを生成するために作成され得る。このような設計ツールは、１又は複数のモジュールの集合体を含み得る、又はハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせで構成され得る。したがって、例えば、ツールは、１又は複数のソフトウェアモジュール、ハードウェアモジュール、ソフトウェア／ハードウェアモジュール、又はそれらの任意の組み合わせ若しくは置き換えの集合体であってよい。別の例として、ツールは、ソフトウェアを実行するコンピューティングデバイス又は他のアプライアンスであり得る、又はハードウェアに実装され得る。

［００６１］本明細書で使用するモジュールは、任意の形式のハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせを用いて実装される場合がある。例えば、１又は複数のプロセッサ、コントローラ、ＡＳＩＣ、ＰＬＡ、論理コンポーネント、ソフトウェアルーチン、又は他の機構が、モジュールを構成するために実装され得る。実装態様において、本明細書に記載の様々なモジュールは、個別のモジュールとして実装され得る、又は記載の機能及び特徴は、１又は複数のモジュール間で一部又は全部が共有され得る。言い換えると、本明細書を読んだ後に当業者に明らかになるように、本明細書に記載の様々な特徴及び機能性は、任意の所定のアプリケーションに実装され得る。更に、様々な特徴及び機能性は、様々な組み合わせ及び順列で、１又は複数の別個の又は共有のモジュールに実装され得る。様々な特徴又は機能性の要素は、個別のモジュールとして個別に説明又は請求され得るが、当業者であれば、これらの特徴及び機能性は、１又は複数の共通のソフトウェア及びハードウェア要素間で共有可能であることを理解するであろう。

［００６２］本明細書に記載の実施形態を用いることにより、斜め光学格子構造を有する導波管が形成される。本実施形態の斜め格子構造の第１の技術的利点は、導波管を通過する光をより良く収集し、案内することによる導波管の機能向上を含み、したがって、投影画像の鮮明さが向上する。本実施形態の斜め格子構造の第２の技術的利点は、より時間がかかり困難なプロセスを排除することによる導波管の製造効率の改善を含む。更に、本実施形態の斜め格子構造の第３の技術的利点は、２次元又は３次元の形状を提供し、導波管をより広い範囲の用途で使用することを可能にすることを含む。

［００６３］本開示は、本明細書に記載の特定の実施形態によって範囲が限定されるものではない。実際に、本明細書に記載されたものに加えて、本開示の他の様々な実施形態及び変更が、前述の説明及び添付の図面から当業者に明らかになるであろう。したがって、そのような他の実施形態及び変更は、本開示の範囲内に含まれるものとする。更に、本開示は、特定の目的のための特定の環境における特定の実装態様の文脈で本明細書に記載されている。当業者であれば、その有用性がそれらに限定されず、本開示が、任意の数の目的のための任意の数の環境で有益に実装され得ることを認識するであろう。したがって、以下に示す特許請求の範囲は、本明細書に記載の本開示の全域と主旨を考慮して解釈されるべきである。

Claims (15)

1. 回折光学素子を形成する方法であって、
   基板の上に光学格子層を設けることと、
   前記光学格子層の上にハードマスクをパターニングすることと、
   前記ハードマスクの上に犠牲層を形成することであって、前記犠牲層は、前記光学格子層の上面から測定して不均一な高さを有する、前記ハードマスクの上に犠牲層を形成することと、
   前記犠牲層が形成された後に、光学格子を形成するために、前記光学格子層内に複数の角度付きトレンチをエッチングすることであって、前記複数の角度付きトレンチのうちの第１のトレンチの第１の深さは、前記複数の角度付きトレンチのうちの第２のトレンチの第２の深さとは異なり、前記エッチングすることは、前記光学格子層の上面によって画定される平面に対する垂線に対して非ゼロの角度で角度付きイオンエッチングを実行することを含む、前記光学格子層内に複数の角度付きトレンチをエッチングすることと
   を含む方法。
2. 前記犠牲層を形成することは、
   前記ハードマスクの上に前記犠牲層を堆積させることと、
   前記犠牲層内にトレンチを形成するために、前記犠牲層をエッチングすることであって、前記犠牲層内の前記トレンチは傾斜した底面を有する、前記犠牲層をエッチングすることと
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記犠牲層内に前記トレンチを形成するために、垂直エッチングを行うこと
   を更に含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記光学格子層内の前記トレンチの傾斜した底面に沿って、第２のハードマスクを形成することと、
   前記ハードマスク及び前記第２のハードマスクの上に、光学平坦化層（ＯＰＬ）及びフォトレジスト（ＰＲ）を形成することと、
   前記ＯＰＬ、前記ＰＲ、及び前記第２のハードマスクを貫通する複数の垂直トレンチをエッチングすることと、
   前記ＯＰＬ及び前記ＰＲを除去することであって、前記ＯＰＬ及び前記ＰＲの除去後に、前記複数の垂直トレンチが前記光学格子層内にエッチングされる、前記ＯＰＬ及び前記ＰＲを除去することと
   を更に含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記角度付きイオンエッチングは反応性イオンビームによって行われ、前記基板は前記反応性イオンビームに対して走査方向に沿って走査される、請求項１に記載の方法。
6. 前記基板の上にエッチングストップ層を形成することを更に含み、前記光学格子層は前記エッチングストップ層の上に形成される、請求項１に記載の方法。
7. 回折光学素子を形成する方法であって、
   基板の上に光学格子層を設けることと、
   前記光学格子層の上にハードマスクを設けることであって、前記ハードマスクは開口部のセットを含む、前記光学格子層の上にハードマスクを設けることと、
   前記ハードマスクの上に犠牲層を形成することと、
   前記犠牲層に凹部を形成することであって、前記凹部によって、前記犠牲層は、前記光学格子層の上面から測定して不均一な高さを有するようになる、前記犠牲層に凹部を形成することと、
   前記光学格子層にトレンチを形成することであって、前記トレンチは前記光学格子層の上面より下方に凹設され、前記トレンチは傾斜した底面を有する、前記光学格子層内にトレンチを形成することと、
   前記トレンチが形成された後に、光学格子を形成するために、前記光学格子層内に複数の角度付きトレンチをエッチングすることであって、前記複数の角度付きトレンチのうちの第１のトレンチの第１の深さは、前記複数の角度付きトレンチのうちの第２のトレンチの第２の深さとは異なり、前記エッチングすることは、前記光学格子層の上面によって画定される平面に対する垂線に対して非ゼロの角度で角度付きイオンエッチングを実行することを含む、前記光学格子層内に複数の角度付きトレンチをエッチングすることと
   を含む方法。
8. 前記犠牲層を形成することは、
   前記ハードマスクの上に前記犠牲層を堆積させることと、
   前記凹部の傾斜した底面を形成するために前記犠牲層をエッチングすることと
   を更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記凹部の傾斜した底面に沿って、第２のハードマスクを形成することと、
   前記ハードマスク及び前記第２のハードマスクの上に、光学平坦化層（ＯＰＬ）及びフォトレジスト（ＰＲ）を形成することと、
   前記ＯＰＬ、前記ＰＲ、及び前記第２のハードマスクを貫通する複数の垂直トレンチをエッチングすることと、
   前記ＯＰＬ及び前記ＰＲを除去することであって、前記ＯＰＬ及び前記ＰＲの除去後に、前記光学格子層を貫通する前記複数の垂直トレンチがエッチングされる、前記ＯＰＬ及び前記ＰＲを除去することと
   を更に含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記角度付きイオンエッチングは反応性イオンビームによって行われ、前記基板は前記反応性イオンビームに対して走査方向に沿って走査される、請求項７に記載の方法。
11. 前記基板の上にエッチングストップ層を形成することを更に含み、前記光学格子層は前記エッチングストップ層の上に形成される、請求項７に記載の方法。
12. 回折光学素子を形成する方法であって、
    基板の上に光学格子層を設けることと、
    前記光学格子層の上にハードマスクをパターニングすることと、
    前記ハードマスクの上に犠牲層を堆積させることと、
    前記犠牲層にトレンチを形成することであって、前記トレンチは、第１の平面を画定する傾斜した底面を含み、前記第１の平面は、前記光学格子層の上面によって画定される第２の平面と非平行である、前記犠牲層にトレンチを形成することと、
    光学格子を形成するために、前記光学格子層内に複数の角度付きトレンチをエッチングすることであって、前記複数の角度付きトレンチのうちの第１のトレンチの第１の深さは、前記複数の角度付きトレンチのうちの第２のトレンチの第２の深さとは異なり、前記エッチングすることは、前記光学格子層の上面によって画定される前記第２の平面に対する垂線に対して非ゼロの角度で角度付きイオンエッチングを実行することを含む、前記光学格子層内に複数の角度付きトレンチをエッチングすることと
    を含む方法。
13. 前記光学格子層の上面から測定して不均一な高さを有する前記犠牲層を形成することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記トレンチを前記光学格子層内に凹設するために、前記光学格子層をエッチングすることと、
    前記トレンチの傾斜した底面に沿って、第２のハードマスクを形成することと、
    前記ハードマスク及び前記第２のハードマスクの上に、光学平坦化層（ＯＰＬ）及びフォトレジスト（ＰＲ）を形成することと、
    前記ＯＰＬ、前記ＰＲ、及び前記第２のハードマスクを貫通する複数の垂直トレンチをエッチングすることと、
    前記ＯＰＬ及び前記ＰＲを除去することであって、前記ＯＰＬ及び前記ＰＲの除去後に、前記複数の垂直トレンチが前記光学格子層内にエッチングされる、前記ＯＰＬ及び前記ＰＲを除去することと
    を更に含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記角度付きイオンエッチングは反応性イオンビームによって行われ、前記基板は前記反応性イオンビームに対して走査方向に沿って走査される、請求項１２に記載の方法。

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