制造经高度调制的光学衍射光栅的方法技术

本发明专利技术涉及一种制造经高度调制的光学衍射光栅的方法。该方法包括：提供基板并且在该基板上制造第一材料的多个临时元件，这些元件被间隙分隔开并且被布置为包括具有不同元件高度的至少两个周期的周期性结构。第二材料的涂层被沉积在该多个临时元件上，使得该涂层填充所述间隙并覆盖所述临时元件。随后，一均匀的第二材料层被去除，以便暴露所述临时元件，并且第一材料被去除，以便在该基板上形成第二材料的经高度调制的图案作为光学衍射光栅。本发明专利技术在制造具有局部变化的衍射效率的光栅的情况下放宽了制造约束。

Method of manufacturing highly modulated optical diffraction grating

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制造经高度调制的光学衍射光栅的方法专利
本专利技术涉及用于光学目的的微结构和纳米结构的制造。具体而言，本专利技术涉及制造光学衍射光栅，该光学衍射光栅可例如在显示应用(诸如近眼式显示器)中使用。
技术介绍
近眼式显示器(NED)和平视显示器(HUD)通常包括衍射光栅以生成可视图像。所需光栅为内耦合光栅，其将图像从图像源耦合到波导；为外耦合光栅，其为用户生成最终的可视图像；以及为出瞳扩展器(EPE)，其增大显示器出瞳的大小。光栅的质量和特性确定所得图像的质量。除了具有清晰一致的光栅线之外，在高级应用中，还期望能够局部控制光栅的衍射效率。这可以通过改变光栅内的光栅线高度或填充因子(即，使用高度或填充因子调制)来实现。为了实现最大可能效率调整范围，高度和填充因子两者应被调制。因此，需要用于衍射光栅的稳健且成本高效的制造方法，其中可自由地控制衍射效率，并且该方法适用于大规模生产。此外，在一些情形中，需要非聚合物材料，其与直接聚合物调制相比增加了工艺复杂性。经高度调制元件的制造一般通过重复制造循环来完成，其中在一个循环内定义一个高度。具体而言，在同一基板上制造具有变化的高度的微结构和纳米结构是困难的，尤其是在难以加工的无机材料的情形中。这一般需要对齐的若干制造循环，其中每个元件高度在一个循环期间被分开定义。这也需要对材料进行高度优化且通常复杂的加工。为了在材料中获得垂直的侧壁，在当前可用的方法中需要高度各向异性的蚀刻。一种已知的加工方法在C.David的“Fabricationofstair-caseprofileswithhighaspectratiosforblazeddiffractiveopticalelements(针对闪耀衍射光学元件的具有高纵横比的阶梯轮廓的制造)”，MicroelectronicEngineering(微电子工程),53(2000)中被讨论。由于该方法的复杂性，该工艺的产率较低。此外，覆盖曝光需要在纳米水平上的横向放置精度，并且离最佳的任何偏差都会导致光学性能的损失。当期望高度调制和填充因子调制两者以便实现最大效率调整范围时，面临特定的挑战。因此，需要用于高度和/或填充因子调制以实现衍射效率控制的新颖的产业规模的技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服以上提及的问题中的至少一些问题，并提供一种用于生成经高度调制的、以及可任选地经填充因子调制的光学衍射光栅的新颖方法。特定目的是提供一种方法，该方法需要较少数目的加工步骤，并且尤其不需要多循环高横向精度加工以便实现调制。目的还在于提供一种允许方便地组合高度和填充因子调制的方法。本专利技术基于通过以下基本步骤来制造光栅的思想：首先通过提供牺牲结构(例如，通过压印)来限定光栅的高度以及可任选地填充因子特性。随后用过量的最终光栅材料覆盖整个结构。最后，过量的最终光栅材料和牺牲结构被去除以便提供该牺牲结构的负片。更详细地，制造衍射结构的方法包括：-提供基板，-在该基板上制造第一材料的多个临时元件，这些元件被间隙分开并且被布置为包括具有不同元件高度的至少两个周期的周期性结构，-在该多个临时元件上沉积第二材料的涂层，使得该涂层填充所述间隙并覆盖所述临时元件，-去除一均匀的第二材料层，以便暴露所述临时元件，-去除所述第一材料，以便在该基板上形成所述第二材料的经高度调制的图案作为所述光学衍射光栅。更具体地，根据本专利技术的方法的特征在于权利要求1中所述的内容。本专利技术提供了显著的益处。首先，该方法允许高精度经调制光栅且尤其是经精确高度调制的光栅的产业规模生产。当在基板上提供牺牲层时，填充因子调制可与高度调制组合。这可使用可蚀刻牺牲材料的已知应用方法来执行。临时元件图案定义所得最终图案的特性，该特性基本上是临时图案的负片。可利用例如聚合物压印或聚合物光刻技术以足够的精度容易地生成包括例如不同高度的线的临时元件图案，并且其余步骤提供可预测的结果。第二，最终光栅材料的沉积可通过众所周知的共形沉积(诸如原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD))来完成，以及使用不需要空间精度的众所周知的蚀刻工艺来去除材料。关于最终材料的沉积的精度，该方法取决于层厚度控制，这例如在所提到的沉积技术中固有地良好。因此，该方法包括确保高质量图案结构的自组装机制。第三，该方法允许由难以加工的材料、尤其是具有高折射率的无机材料生成光栅。这是因为在加工最终光栅材料时不需要高精度的重新定位步骤，而仅需共形应用和大面积蚀刻步骤。存在适用于例如ALD、CVD或PVD方法且导致适用于光学衍射光栅的无机结构的许多可用的高折射率(n>1.7且甚至>2.0)前体材料。因此，本专利技术允许由高折射率材料制造高质量的可变衍射效率光栅，这些高折射率材料被需要以制造例如其上具有衍射光栅的高质量波导，以确保从光栅到基板/从基板到光栅的光耦合。从属权利要求涉及本专利技术的所选实施例。在一些实施例中，临时元件是用于形成光学衍射线型光栅的线元件。线型光栅可被用作衍射显示器(诸如NED)中的内耦合光栅或外耦合光栅，或者用作此类元件之间的EPE。在一些实施例中，临时元件被布置为包括具有不同元件宽度的至少两个周期的周期性结构，以便除了高度调制之外还提供填充因子调制。这使所得光栅的局部衍射效率的可实现调谐范围最大化。在一些实施例中，最终光栅材料的涂层在沉积之后(即在去除其均匀层的步骤之前)在每个临时元件的顶部上具有基本恒定的厚度。这可通过将共形沉积方法用于施加涂层来实现。此后，可通过例如使用干法蚀刻或湿法蚀刻去除一均匀的第二材料层来暴露临时元件。同样，可通过在具有与第一蚀刻步骤不同的材料选择性的单独蚀刻步骤中进行蚀刻(诸如干法或湿法蚀刻)来去除临时元件。在一些实施例中，在制造模具(即临时元件)之后，蚀刻停止层被沉积到基板上。蚀刻停止层可在该工艺的合适阶段中被至少部分地去除。使用蚀刻停止层确保蚀刻阶段中的高精度特征高度控制。接下来，参考附图更详细地讨论本专利技术的所选实施例和优点。附图简述图1A–1D以横截面视图逐步解说了根据本专利技术的一个实施例生成的结构。图2A示出了二元1D光栅的第一透射阶的衍射效率如何根据光栅高度而变化的示例。图2B示出了1D光栅的第一透射阶的衍射效率如何根据光栅填充因子而变化的示例。实施例的详细描述定义术语“元件”在本文中意味着任何固态微尺度或纳米尺度特征，其升起至基板表面上方并且在以周期性结构布置的情况下能够用作衍射图案或其中间产品的基本块。“临时元件”或“牺牲元件”是在工艺期间至少部分被去除的元件。术语“线元件”或“线”在本文中是指形成或用作中间特征以形成本专利技术图案的细长元件。通常，在用于显示应用的衍射图案中，线是具有期望的横截面总体形状(诸如矩形或三角形)的直脊。线元件通常用于一维光栅(线性光栅)中。术语“填充因子”是指在光栅周期内的光栅结构材料与周围材料(例如空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造经高度调制的光学衍射光栅的方法，包括：/n-提供基板，/n-在所述基板上制造第一材料的多个临时元件，所述元件被间隙分开并且被布置为包括具有不同元件高度的至少两个周期的周期性结构，/n-在所述多个临时元件上沉积第二材料的涂层，使得所述涂层填充所述间隙并覆盖所述临时元件，/n-去除一均匀的第二材料层，以便暴露所述临时元件，/n-去除所述第一材料，以便在所述基板上形成所述第二材料的经高度调制的图案作为所述光学衍射光栅。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170602 FI 201755041.一种制造经高度调制的光学衍射光栅的方法，包括：
-提供基板，
-在所述基板上制造第一材料的多个临时元件，所述元件被间隙分开并且被布置为包括具有不同元件高度的至少两个周期的周期性结构，
-在所述多个临时元件上沉积第二材料的涂层，使得所述涂层填充所述间隙并覆盖所述临时元件，
-去除一均匀的第二材料层，以便暴露所述临时元件，
-去除所述第一材料，以便在所述基板上形成所述第二材料的经高度调制的图案作为所述光学衍射光栅。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述临时元件是用于形成光学衍射线型光栅的线元件。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述临时元件被布置为包括具有不同元件宽度的至少两个周期的周期性结构，以便形成第二材料的经高度和填充因子调制的图案作为所述光学衍射光栅。


4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述涂层在去除其均匀层的步骤之前在每个临时元件的顶部上具有基本恒定的厚度。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述涂层是共形层。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述均匀的第二材料层的所述去除包括蚀刻，诸如干法或湿法蚀刻。


7.根据前述权利要求中任一项所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·瓦蒂亚宁，J·拉霍迈基，M·埃尔德马尼斯，
申请(专利权)人：迪斯帕列斯有限公司，
类型：发明
国别省市：芬兰;FI