经高度调制的衍射母板及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种制造用于生成衍射结构的母板的方法以及由此获得的母板。该方法包括：提供具有周期性表面轮廓的基板；至少部分地用填充材料(16A、16B)均匀地填充该表面轮廓，以及部分地去除该填充材料(16A、16B)，以便生成具有由所述基板和所述填充材料(16A’、16B”)形成的周期性的经高度调制的表面轮廓的母板。本发明专利技术允许生成能够进一步生成具有可变衍射效率的光栅的母板。

Highly modulated diffraction motherboard and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】经高度调制的衍射母板及其制造方法专利
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用于生成可例如在显示应用(诸如近眼式显示器)中使用的衍射光栅的母板。
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产生可视图像。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。灰度光刻提供了一种制造具有变化的结构高度的结构的方法。然而，由于该工艺的较低对比度，侧壁通常是圆形的而不是完全垂直的。灰度光刻工艺的控制也具有挑战性。另外，直接光刻和蚀刻工艺很难调谐以提供垂直维度上的高精度，尤其是在光栅的特征(即脊和凹槽)在较大表面积上包含若干纵横比和深度时。使用这些方法结合高度调制也难以完美地实现特征的垂直侧壁。另一方面，冲压技术需要高质量的母板和使用该母板制造的印模，由此主要挑战在于母板的制造。经高度调制结构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。这需要具有高精度对齐的若干曝光，参见例如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)。由于该方法的复杂性，产率较低。该方法提供了对垂直侧壁的良好控制，但受到复杂性和所需精度的挑战。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。总而言之，在衍射光栅的产业规模的大规模生产中提供高质量的高度和填充因子调制、尤其是它们的组合目前是一种挑战，并且为此目的而存在改进的工具和方法的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的至少一些缺点，并提供一种用于生成衍射结构的新颖解决方案。具体而言，目的是提供一种生成要在冲压技术中使用的高质量的经高度调制母板的方法以及对应的母板。目的还在于提供一种可组合高度调制和填充因子调制的解决方案。本专利技术基于以下思想：使用具有周期性结构的基板，该周期性结构具有在光学衍射范围中的周期，并且用随后例如通过蚀刻去除的填充材料来填充该结构，使得所得表面轮廓包含高度调制。例如光学或物理掩模层类型的不均匀掩模可在去除工艺中被用来确定该板的最终调制特性。根据本专利技术的方法包括通过如下方式来制造用于生成衍射结构的母板：-提供具有周期性初始表面轮廓的基板，-至少部分地用填充材料均匀地填充该初始表面轮廓，以及-部分地去除填充材料，以便生成具有由所述基板和所述填充材料形成的周期性的经高度调制的表面轮廓的母板。去除步骤可包括例如在填充物的顶部使用灰度光刻或使用物理掩模层，如以下更详细解释的。本专利技术的用于生成衍射结构的母板包括：-包括特征的周期性图案以及这些特征之间的间隙的基板，-在所述间隙中以不均匀的量提供以使得母板包括经高度调制的表面轮廓的填充材料。因此，经高度调制的轮廓由原始表面轮廓结合填充材料来限定。初始表面轮廓可以是二元的(即两个高度的)轮廓，或具有周期性重复的单一形状特征图案的任何其他轮廓，诸如由类似的三角形特征或类似的倾斜特征而不是矩形特征形成的轮廓。更具体地，本专利技术的特征在于独立权利要求中所述的内容。本专利技术提供了显著的益处。首先，本专利技术解决了涉及高度调制的直接光刻方法由于低对比度和所导致的圆形侧壁而产生的低质量结构的问题。在本专利技术的方法中，侧壁由基板限定，该基板例如通过二元加工来制造，从而导致非常良好限定的垂直侧壁。二元加工是众所周知的，并且易于控制。以下不均匀材料去除步骤被引入以实现高度调制。因此，各特征的垂直侧壁由二元结构限定，并且各特征的高度差由填充层限定。这两者的组合导致可精确控制轮廓形状和高度，而其他方法难以实现。类似的优点适用于例如三角形初始表面轮廓。本专利技术允许生成能够进一步生成具有可变衍射效率的光栅的母板。具体而言，本专利技术的方法允许与高质量衍射结构相结合地使用高度调制、以及可任选地还使用填充因子调制来实现衍射效率的横向变化。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，填充层的不均匀部分去除包括灰度光刻去除。这涵盖了不同曝光剂量导致所曝光的填充材料的不同溶解速率并因此导致填充层中的不同高度的任何方法。因此，该术语涵盖了所谓的直接写入方法以及使用具有基本均匀的亮度且通常横向较宽曝光的光学掩模和光源的方法两者，在所谓的直接写入方法中，材料的曝光以及因此所去除材料的厚度直接由所使用的曝光源(诸如激光、电子或X射线源)来控制。可使用光子(光)或电子(分别为光学或电子束曝光)来执行曝光。直接写入和光学掩模方法的组合或变型也是可能的。填充层的部分去除可例如在将合适的抗蚀剂层应用为填充层之后直接使用光刻蚀刻方法来执行。这使得该工艺非常快速且稳健。基板和抗蚀剂层的材料以及蚀刻方法被选择成具有选择性，使得仅抗蚀剂层被变形，并且尤其是二元特征的垂直侧壁保持完整。在一些实施例中，抗蚀剂层中的调制通过干法蚀刻被传递到基板材料。在一些实施例中，不均匀掩模包括施加在填充材料上的掩模层形式的物理掩模。掩模层具有横向变化的高度，其高度轮廓对应于该板的期望调制。随后，应用横向均匀的蚀刻工艺或其他合适的去除工艺导致将高度轮廓复制到填充材料。掩模层可包括与填充层相同的材料、或者可与填充层一起蚀刻的任何其他材料。一般而言，使用物理掩模层的去除涵盖在填充层的顶部上利用附加的牺牲掩模层的任何去除方法，其中该牺牲掩模层对剩余填充层的局部厚度有影响。灰度光刻和物理掩模技术的组合也是可能的。在一些实施例中，如上所解释的在填充层上施加抗蚀剂层，并且通过使用直接写入或具有变化的透射强度的光学掩模来应用灰度曝光。抗蚀剂层中的这种高度变化随后通过干法蚀刻或湿法蚀刻被传递到填充层。在一些实施例中，去除工艺导致具有不同调制高度的至少两个不同分段的表面轮廓。这些分段的边界可以是不同的，由此在各分段之间存在逐步的高度差。光栅可包括例如具有不同高度特性的2-500个分段。另一方面，可存在横向高度梯度，由此无法看到清晰的区域边界，并且衍射效率平滑地变化。使用这些方案中的任一者或它们的组合，可以形成具有不同轮廓高度以及因此具有不同衍射效率的经高度调制的表面轮廓区域。横向高度梯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造用于生成衍射结构的母板的方法，所述方法包括：/n-提供具有周期性初始表面轮廓的基板，/n-至少部分地用填充材料均匀地填充所述初始表面轮廓，以及/n-部分地去除所述填充材料，以便生成具有由所述基板和所述填充材料形成的周期性的经高度调制的表面轮廓的母板，其中/n-所述初始表面轮廓包括填充因子调制，所述填充因子调制被持久保持在所述经高度调制的表面轮廓中。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170602 FI 201755061.一种制造用于生成衍射结构的母板的方法，所述方法包括：
-提供具有周期性初始表面轮廓的基板，
-至少部分地用填充材料均匀地填充所述初始表面轮廓，以及
-部分地去除所述填充材料，以便生成具有由所述基板和所述填充材料形成的周期性的经高度调制的表面轮廓的母板，其中
-所述初始表面轮廓包括填充因子调制，所述填充因子调制被持久保持在所述经高度调制的表面轮廓中。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述部分地去除所述填充材料包括：使用灰度光刻去除所述填充材料，以便生成所述经高度调制的表面轮廓。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述部分地去除所述填充材料包括：
-在所述填充材料上施加具有不均匀高度轮廓的物理掩模层，以及
-在每个位置处去除所述掩模层和底层填充材料，以便将所述掩模层的高度轮廓复制到所述填充材料的对应部分，以便生成所述经高度调制的表面轮廓。


4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述经高度调制的表面轮廓包括具有不同轮廓高度的至少两个不同分段。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述经高度调制的表面轮廓包括横向高度梯度轮廓，诸如线性轮廓。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述经高度调制的表面轮廓的所述高度调制至少发生在所述表面轮廓的周期性维度上。


7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述初始表面轮廓用所述填充材料来完全填充，以便在所述去除之前使所述基板平坦化。


8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，包括：通过提供基底板并例如通过电子束光刻从所述基底板去除材料或例如通过纳米压印向所述板添加材料来向所述基板提供所述周期性初始表面轮廓。

【专利技术属性】
技术研发人员：J·拉霍迈基，I·瓦蒂亚宁，
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