利用阴影掩模实现可调梯度图案化的方法和系统与流程

利用阴影掩模实现可调梯度图案化的方法和系统
1.本技术是申请日为2018年11月6日、pct国际申请号为pct/us2018/059440、中国国家阶段申请号为201880071255.3、发明名称为“利用阴影掩模实现可调梯度图案化的方法和系统”的申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术主张2017年11月6日提交的序列号为62/582,082的美国临时专利申请的益处和优先权，该申请的全部内容为所有目的通过引用并入本文中。


背景技术：

4.现代计算和显示技术促进了所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其部分以看起来是或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“vr”场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息而对其它实际的真实世界视觉输入不透明，增强现实“ar”场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息作为对用户周围实际的真实世界的可视化的增强。
5.尽管在这些显示技术中已经取得了进步，但是本领域需要与增强现实系统(尤其是显示系统)相关的改进方法和系统。


技术实现要素：

6.本公开涉及虚拟现实以及增强现实成像和可视化系统。本公开一般地涉及与这样的衍射结构的制造有关的方法和系统：在所述衍射结构中，衍射元件具有根据位置变化的深度。可以在用于近眼显示的基于衍射光栅的波导显示器的情景中应用本文所述的实施例。在特定实施例中，利用具有梯度深度分布的光栅来改善场均匀性并增加光耦出(outcoupling)效率。如本文所述，一些实施例利用阴影掩模和干法蚀刻工艺来制造具有通过控制基板表面上的等离子体密度而实现的梯度深度分布的光栅。本公开适用于计算机视觉和图像显示系统中的各种应用。
7.根据本发明的一个实施例，提供了一种制造具有变化的衍射元件深度的衍射结构的方法。所述方法包括：提供阴影掩模，所述阴影掩模具有第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一孔径尺寸与孔径周期比，所述第二区域具有小于所述第一孔径尺寸与孔径周期比的第二孔径尺寸与孔径周期比；以及邻近基板定位所述阴影掩模，其中所述基板包括对应于所述衍射结构的蚀刻掩模。所述方法还包括：将所述基板暴露于蚀刻剂；蚀刻所述基板以形成邻近所述第一区域的具有第一深度的衍射元件；以及蚀刻所述基板以形成邻近所述第二区域的具有小于所述第一深度的第二深度的衍射元件。
8.根据本发明的另一实施例，提供了一种制造母基板的方法。所述方法包括提供阴影掩模，所述阴影掩模具有第一区域和第二区域，所述第一区域以在至少第一方向上的第一梯度孔径尺寸与孔径周期比表征，所述第二区域以在至少第二方向上的第二梯度孔径尺寸与孔径周期比表征。所述方法还包括提供基板，所述基板具有以衍射特征表征的蚀刻掩模、第一暴露区域以及第二暴露区域。所述方法进一步包括邻近所述基板定位所述阴影掩
模。所述第一区域与所述第一暴露区域对准，并且所述第二区域与所述第二暴露区域对准。此外，所述方法包括：对所述基板执行等离子体蚀刻工艺；蚀刻邻近所述第一区域的第一衍射元件。所述第一衍射元件以在所述至少第一方向上的第一梯度深度分布表征。另外，所述方法包括蚀刻邻近所述第二区域的第二衍射元件。所述第二衍射元件以在所述至少第二方向上的第二梯度深度分布表征。
9.根据本发明的特定实施例，提供了一种沉积厚度可变材料的方法。该方法包括提供基板以及提供阴影掩模，所述阴影掩模具有第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一孔径尺寸与孔径周期比，所述第二区域具有小于所述第一孔径尺寸与孔径周期比的第二孔径尺寸与孔径周期比。该方法还包括邻近基板定位所述阴影掩模，并且对基板执行等离子体沉积工艺以沉积厚度可变材料。邻近所述第一区域的层厚度大于邻近所述第二区域的层厚度。
10.在一个实施例中，所述基板包括生长表面，所述生长表面包括衍射结构，所述衍射结构可以包括衍射光栅。所述厚度可变材料可以包括保形层(conformal layer)。在另一实施例中，所述阴影掩模包括多个孔和与所述多个孔平行的表面，基板包括沉积表面，并且邻近基板定位阴影掩模包括将所述阴影掩模的表面平行于所述沉积表面放置。所述阴影掩模可以以在两个方向上变化的孔径尺寸与孔径周期比表征。此外，在一个实施例中，基板包括均匀衍射结构，该均匀衍射结构包括多个衍射元件，并且厚度可变材料以第一区域中的第一衍射元件深度和第二区域中的小于第一衍射元件深度的第二衍射元件深度表征。此外，在另一实施例中，基板包括均匀衍射结构，该均匀衍射结构包括多个衍射元件，并且厚度可变材料以第一区域中的第一衍射元件宽度和第二区域中的小于第一衍射元件宽度的第二衍射元件宽度表征。
11.根据本发明的另一特定实施例，提供了一种制造母基板的方法。该方法包括提供阴影掩模，所述阴影掩模具有第一区域和第二区域，所述第一区域以在至少第一方向上的第一梯度孔径尺寸与孔径周期比表征，所述第二区域以在至少第二方向上的第二梯度孔径尺寸与孔径周期比表征。该方法还包括提供基板，所述基板具有以衍射特征表征的掩模、第一暴露区域和第二暴露区域。该方法还包括邻近所述基板定位所述阴影掩模。所述第一区域与所述第一暴露区域对准，并且所述第二区域与所述第二暴露区域对准。此外，该方法包括对所述基板执行等离子体涂覆或沉积工艺中的至少一者，以及涂覆邻近所述第一区域的第一衍射元件。第一衍射元件以在所述至少第一方向上的第一梯度深度和第一线宽分布表征。该方法还包括涂覆邻近所述第二区域的第二衍射元件。所述第二衍射元件以在所述至少第二方向上的第二梯度深度和第二线宽分布表征。
12.在一个实施例中，所述第一梯度深度大于所述第二梯度深度。在另一实施例中，所述第一线宽分布以第一宽度表征，所述第二线宽分布以小于所述第一宽度的第二宽度表征。
13.通过本公开实现了优于传统技术的许多益处。例如，本发明的实施例提供了适合于当前用于蚀刻的基于等离子体的系统和工具和/或沉积系统的方法和系统，以实现改善的对等离子体密度/能量的控制，其中包括目标表面附近的等离子体密度/能量的受控变化。另外，实施例改善了当前系统的等离子体增强蚀刻或沉积的均匀性，这些当前系统包括由于等离子体密度、气体流动等原因而具有各种水平的不均匀性的系统。另外，本发明的实
施例以降低的系统复杂性为特征，并降低了接触式纳米光刻和微光刻工艺的渐变图案模板的制造成本。通过利用易于获得的材料和系统，本发明的实施例使得能够制造可用于以受控方式改变等离子体密度/能量的掩模/模板和材料。另外，实施例可以产生具有渐变深度的纳米/微米结构。通过利用本文所述的阴影掩模，可借助单个蚀刻步骤来实现可变深度的结构，从而避免了多次光刻-蚀刻处理，从而节省了时间和成本。结合下文和附图对本公开的上述以及其它实施例以及它们的众多优点和特征进行更详细的描述。
附图说明
14.图1a示意性地示出了根据本文所述的实施例的可用于向观看者呈现数字或虚拟图像的观察光学组件(voa)中的光路。
15.图1b是根据本发明的实施例的衍射结构的简化截面图。
16.图2是示出根据本发明的实施例的使用阴影掩模的可变深度蚀刻的简化截面图。
17.图3a是根据本发明的实施例的基板和示例性阴影掩模特征的简化平面图。
18.图3b是根据本发明的实施例的在图3a中示出的区域的一部分的特写视图。
19.图3c是根据本发明的另一实施例的在图3a中示出的区域的一部分的特写视图。
20.图4a是示出根据本发明的实施例的包括可变高度光栅结构的目镜的一部分的图像。
21.图4b至4d是图4a所示的三个测量位置处的光栅齿的sem截面的图示。
22.图4e是示出随着距图4a中所示的目镜边缘的距离变化的光栅蚀刻深度的图。
23.图5a至5c是示出使用传统技术制造的衍射结构的平面图。
24.图5d至5f是示出根据本发明的实施例制造的具有一维或二维轮廓的衍射结构的平面图。
25.图6a是根据本发明的实施例的具有光栅高度梯度的衍射结构的简化截面图。
26.图6b是示出根据本发明的实施例的具有变化的分配体积的数字分配图案的简化平面图。
27.图6c是根据本发明的实施例的具有混合界面区域的图6a中示出的衍射结构的简化截面图。
28.图7示出了根据本发明的实施例的示出制造阴影掩模的方法的简化过程流程图。
29.图8是示出根据本发明的实施例的使用阴影掩模母版来制造具有可变深度衍射元件的基板的简化图。
30.图9是示出根据本发明的实施例的厚度可变沉积层的简化截面图。
31.图10是示出根据本发明的实施例的制造具有变化的衍射元件深度的衍射结构的方法的流程图。
32.图11是示出根据本发明的实施例的制造母基板的方法的流程图。
33.图12是示出根据本发明的实施例的沉积厚度可变材料的方法的流程图。
34.图13是示出根据本发明的实施例的制造母基板的方法的流程图。
具体实施方式
35.在一些传统的基于衍射的波导光学显示器中，使用具有固定高度的纳米/微米光
栅图案。然而，根据光在与光栅图案相互作用时的入射角度，朝着用户眼睛耦出的光强度可能显著变化。例如，在近场和/或远场图像中，跨用户视场测量的光强度可能是不均匀的。
36.本发明的实施例通过利用具有随位置变化的(例如，逐渐变化的)衍射元件深度(例如，光栅深度)的波导结构减小图像强度不均匀性来改善用户体验。这些纳米级调节有效地调整了衍射效率，从而为用户提供更均匀的视图。
37.图1a示意性地示出了根据一个实施例的可用于向观看者呈现数字或虚拟图像的观察光学组件(voa)中的光路。voa包括可以由观看者穿戴的目镜100和投影仪101。在一些实施例中，投影仪101可以包括一组红色led、一组绿色led和一组蓝色led。例如，投影仪101可以包括两个红色led、两个绿色led和两个蓝色led。目镜100可以包括一个或多个目镜层。在一个实施例中，目镜100包括三个目镜层，三原色(红色、绿色和蓝色)中的每一种一个目镜层。在另一实施例中，目镜100可以包括六个目镜层，用于三原色中的每一种的一组目镜层被配置为在一个深度平面处形成虚拟图像，并且用于三原色中的每一种的另一组目镜层被配置为在另一深度平面处形成虚拟图像。在又一实施例中，目镜100可以针对三个或更多个不同的深度平面包括用于三原色中的每一种的三个或更多个目镜层。每个目镜层包括平面波导，并且可以包括耦入光栅(icg)107、正交光瞳扩展器(ope)区域108和出射光瞳扩展器(epe)区域109。
38.投影仪101将图像光投射到目镜100中的icg 107上。icg 107将来自投影仪101的图像光耦合到在朝着ope区域108的方向传播的平面波导中。波导通过全内反射(tir)在水平方向上传播图像光。ope区域108还包括衍射元件，该衍射元件将在波导中传播的来自icg 107的图像光倍增并重定向到epe区域109。换句话说，ope区域108沿正交方向使传递到epe的不同部分的小束倍增。epe区域109包括衍射元件，该衍射元件将在波导中传播的图像光的一部分耦出并引导到观看者的眼睛102。以这种方式，观看者的眼睛102可以观看由投影仪101投射的图像。
39.如上所述，由投影仪101产生的图像光可以包括三原色(即，蓝色(b)、绿色(g)和红色(r))的光。可以将这种图像光分为组分颜色，从而可以将每种组分颜色的图像光耦合到目镜中的相应波导。本公开的实施例不限于使用所示的投影仪，可以在本公开的各种实施例中利用其它类型的投影仪。
40.尽管投影仪101包括led光源103和硅上液晶(lcos)空间光调制器(slm)104，但是本公开的实施例不限于该投影仪技术，并且可以包括其它投影仪技术，其中包括光纤扫描投影仪、可变形反射镜设备、微机械扫描仪、使用激光光源而非led，以及光学器件、波导和分束器(包括前照明设计)等的其它布置等。
41.在一些目镜层中，光栅结构可以在光栅结构的整个表面上具有空间均匀的衍射效率和光学相位。在如图1a所示的ope的情况下，当基板基本平坦时，这种不变性可能导致相干伪影。这些相干伪影是由与光可能在ope光栅区域内采取的多个传播路径有关的干涉效应引起的，这种干涉效应可以表现为光栅区域出口处的强调制输出强度。这些调制在由目镜产生的输出图像中产生通常被称为“条纹”的暗带，随着观察位置的改变，暗带会以不同的角度出现。另外，衍射效率的不变性可能导致输出强度随着进入光栅结构的传播距离而呈指数下降。
42.因此，本发明的实施例通过使衍射效率随位置而变化来减少或消除这些干涉效
应，从而减少这些和其它图像伪影。如本文所述，可以通过将光栅高度修改为随位置变化来实现也被称为耦合效率的衍射效率的变化，从而得到所需的衍射效率的变化。例如，当ope中所有可能的光路之间的相干性降低时，ope中的光栅高度的可变分布将扰乱光学相位，并将减少输出图像的基于干涉的图像伪影。此外，epe中光栅高度的梯度变化将导致输出图像中整个视场的亮度均匀性以及不同眼球位置上的亮度均匀性增加，从而防止当光传播通过光栅时强度随位置下降(这是均匀衍射效率结构的特征)。
43.图1b是根据本发明的实施例的衍射结构的简化截面图。如图1b所示，衍射元件(即，光栅齿)以随着沿x轴测量的位置而变化的深度/高度表征。如上所述，如果在图1a所示的目镜的epe部分中利用图1b所示的衍射结构，则随位置而变化的耦出光强度(在使用传统光栅的情况下，该光强度可能随位置下降)可以由增加的均匀性表征，从而改善用户体验。
44.如果使用模板来制造光栅结构，则可以在模板蚀刻工艺期间针对模板中的压印波导选择性地调整图1b所示的光栅深度的渐变。如果直接制造光栅结构，则可以使用本文所述的方法和系统在制造期间(例如，在蚀刻期间)选择性地调整光栅深度的渐变。在一个实施例中，使用具有变化的光栅深度(即，相对于基板的平面表面160测量深度)的结构作为母版来压印将包括具有变化高度的光栅的复制品。当然，也可以使用其中母版具有变化的光栅高度(即，相对于与光栅齿底部对准的倾斜平面测量高度)的其它设计。
45.本发明的实施例克服了在传统方法中观察到的不能同时解决近场图像和远场图像均匀性的问题。另外，在传统方法(包括可以使用多步蚀刻，或者依次执行电子束光刻和蚀刻来制造的基于步进的(即数字的)变化方法)中，由于数字步进和/或不同大小的步进间的清晰边界，基于步进的变化导致散射。使用本发明的实施例，实现了衍射元件的深度随位置的预定模拟变化，以及从传统基于步进的光栅深度变化中无法获得的益处。如上所述，本文所述的方法和系统使得光栅耦合系数能够根据位置而变化，从而改善了亮度均匀性和用户体验。
46.图2是示出根据本发明的实施例的使用阴影掩模的可变深度蚀刻的简化截面图。在图2中，阴影掩模210邻近基板205放置，在基板205上蚀刻掩模207已被图案化。蚀刻掩模207可以被称为硬掩模。在一些实施例中，具有孔的阴影掩模的平面平行于基板的顶表面定位，并且蚀刻掩模顶表面与阴影掩模之间的距离d可以在约100μm至若干厘米的范围内，例如，约1mm。等离子体220穿过阴影掩模210，并导致在未被蚀刻掩模207覆盖的基板部分处对基板205进行蚀刻。应当理解，蚀刻掩模207的尺寸通常在亚微米几何尺寸数量级上。因此，未按比例绘制图2，因为孔之间的中心距和孔径尺寸比蚀刻掩模尺寸大若干个数量级。
47.阴影掩模210已经被制造成具有孔212、214、216和218，这些孔的尺寸根据x方向而变化。如图2所示的示例所示，孔212的宽度为30μm，孔214的宽度为60μm，孔216的宽度为90μm，孔218的宽度为120μm。在该示例中，孔径中心距215为150μm，但是这不是本发明所必需的，可以使用其它孔间距和孔径宽度。由于变化的孔径尺寸，到达基板表面的等离子体密度在整个基板上是变化的，邻近较宽的孔218的等离子体密度较高，而邻近较窄的孔212的等离子体密度较低。等离子体密度受扩散过程的影响。因此，尽管孔具有不同的尺寸，但是等离子体在x方向和y方向上的扩散将导致等离子体密度根据基板表面上的位置而大致连续变化。对于本领域技术人员显而易见的是，示出了四个孔212至218以例示根据位置变化尺寸的孔，本发明不限于这种少量的孔。相反，使用大量孔(每个孔的变化量很小)来提供一系
列宽度逐渐增加的孔，例如，可以使用大约65个150μm中心上的孔来使孔径宽度从30μm到120μm变化，这可以具有从孔到孔的微米量级的宽度增加。在图2中，孔径尺寸相对于掩模周期的变化随位置(即，在x方向上)呈线性，但这并非本发明所必需的。在其它实施方式中，随位置的变化是非线性的。由于蚀刻表面处的等离子体密度是阴影掩模中孔的大小和间距的函数，因此，除了利用孔间距相等而大小变化的孔之外，其它实施例也可以在孔径尺寸相等的情况下使孔间距变化。另外，可以使孔径尺寸和间距同时变化，以实现期望的孔径与掩模面积比，并且在基板表面处得到期望的等离子体密度。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。
48.如对本领域技术人员显而易见的，影响光栅深度的化学/物理蚀刻速率是到达基板表面的等离子体密度的函数。因此，如图2所示，邻近较宽孔218的光栅深度h2大于邻近较窄孔212的光栅深度h1。因此，本发明的实施例利用阴影掩模来产生随位置变化的等离子体密度，这导致衍射元件深度/高度随基板上的位置的变化(该变化可以是逐渐变化或模拟变化)。在蚀刻衍射元件(例如，光栅齿)之后，可以去除蚀刻掩模207。
49.尽管图2示出了单个方向(即，x方向)上的变化，但是本发明的实施例不限于该示例，并且两个维度(例如，x方向和y方向)上的变化被包括在本发明的范围内。此外，尽管图2示出了从左到右大致线性增加的光栅深度，但是光栅深度可以以另一种预定方式变化以实现期望的深度分布。例如，光栅深度可以随着深度等的变化而以线性减小、线性增加、非线性、正弦的方式变化(例如，首先是深光栅，之后是较浅的光栅，接着是较深的光栅或任何特定图案)。在一些实施例中，这些变化的光栅深度分布可通过用于创建光栅的阴影的孔的间距和/或通过用于创建光栅的蚀刻剂的蚀刻速率来控制。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。
50.此外，尽管图2示出了其中对用于衍射元件的硬掩模被图案化，然后利用阴影掩模形成深度变化的衍射元件的结构，但这并非本发明所必需的。其它实施例可以利用以下工艺流程：其中，形成衍射元件(例如，均匀的光栅图案)，去除硬掩模，然后使用阴影掩模选择性地去除部分衍射元件以形成高度变化的衍射结构。可以在需要变化的深度的实施例中使用蚀刻掩模。另外，尽管作为说明性示例，周期性衍射光栅结构由图2中的蚀刻掩模207限定，但这并非本发明所必需的，并且其它纳米结构被包括在本发明的范围内，其中包括柱或洞(具有不同的截面形状，包括圆形、多边形等)、不连续的光栅、正弦波浪线和间隔、线段等。
51.可以使用作为等离子刻蚀环境中的抗刻蚀并提供机械刚度的各种材料来制造阴影掩模。例如，可以使用硅晶片来制造阴影掩模，该硅晶片使用光刻法被图案化，然后被蚀刻以在晶片表面上提供可变尺寸开口。也可以使用硅晶片的部分的激光烧蚀来制造阴影掩模。还可以形成不锈钢网或阳极氧化铝网并将其用作阴影掩模。另外，可以在网(例如，硅)上方形成例如包括al2o3、sio2、zno、tio2、au、ag、cu、pt、ir等的保护涂层，以保护并非优先蚀刻的材料。
52.关于干法蚀刻工艺期间的使用讨论了本发明的一些实施例，但是本发明的实施例适用于其中利用蚀刻/生长环境的扩散控制来使制造工艺(包括其它等离子体蚀刻工艺)随位置变化的各种半导体制造工艺。作为进一步的示例，本发明的实施例适用于用以形成高度变化的特征的等离子体沉积(例如，溅射、化学气相沉积(cvd)、低压cvd(lp-cvd)、等离子
体增强cvd(pecvd)等)、包括金属辅助化学蚀刻的湿法蚀刻工艺，其中前体(precursor)浓度或表面上化学物种的浓度影响沉积/蚀刻速率等的其它制造工艺。
53.图3a是根据本发明的实施例的基板和示例阴影掩模特征的简化平面图。图3a所示的示例阴影掩模310示出了随x、y位置而不同的孔径尺寸如何被用于使蚀刻深度变化，并且所示出的特定孔不限制本发明的实施例。在图3a中，示出了阴影掩模310的三个不同区域：具有小孔的第一区域312、具有中间孔的第二区域314和具有大孔的第三区域316。
54.在图3所示的示例阴影掩模310中，孔之间的中心距(也被称为孔径周期)为150μm，但这仅仅是示例性的。另外，尽管阴影掩模中的孔被示出为正方形，但这仅仅是示例性的，可以利用其它孔几何形状，包括矩形、多边形、圆形、椭圆形等。孔径尺寸范围可以从若干微米(例如，10μm)到若干毫米，并且阴影掩模的厚度范围可以从1μm到若干毫米。参考图3a，所示的阴影掩模为80μm厚，孔之间的中心距(即，孔径周期)为150μm，孔径尺寸范围为30μm至120μm。阴影掩模的不同区域可以与不同的光学结构相关联，其中包括正交光瞳扩展器322和出射光瞳扩展器324。例如，阴影掩模的一个或多个区域可以与一个或多个光学结构相关联。
55.参考图3a，阴影掩模的每个区域以孔径尺寸与孔径周期比表征。对于在x方向和y方向上具有相等尺寸的孔(即，正方形或圆形孔)，孔径尺寸与孔径周期比在x方向和y方向上可以相等，但这并非本发明所必需的，该比在不同方向上可以不同。由于孔径尺寸小，区域312具有低孔径尺寸与孔径周期比，而与之相比，在区域312和316之间的孔径周期恒定(即，孔之间的中心距恒定)的情况下，区域316具有较高的孔径尺寸与孔径周期比。尽管孔径尺寸与孔径周期比被示出为在区域312、314和316中的每一者内是均匀的，但这仅是示例性的，应当理解，该比可以在每个区域内以及在区域之间变化，例如随着尺寸逐渐变化而变化。
56.图3b是根据本发明的实施例的区域312和316的一部分的特写视图。在一些实施例中，例如，如图3b所示，一个区域中的孔径尺寸(例如，区域316a中的x1)大于第二区域中的孔径尺寸(例如，区域312a中的x2)，并且孔径中心距(例如，区域316a和312a中的p1)是恒定的，从而提供比(例如，区域316a中的r1和区域312a中的r2)的变化。图3c是本发明的另一实施例中的区域312和316的一部分的特写视图。在图3c所示的实施例中，第一区域中的孔径中心距(例如，区域316b中的p1)小于第二区域中的孔径中心距(例如，区域312b中的p2)，并且这两个区域中的孔径尺寸(例如，区域316b和312b中的x1)是恒定的，从而提供比(例如，区域316b中的r1和区域312b中的r2)的变化。在目镜的不同部分处，该比可以根据特定应用而适当地变化。例如，在图3中，正交光瞳扩展器322在y方向上在孔径尺寸或周期上几乎没有变化且因此具有恒定的比率，但是在负x方向上，孔径尺寸与孔径间隔比增加。另一方面，出射光瞳扩展器324在y方向上具有基本线性的变化，但是在x方向上几乎没有变化。
57.尽管图3a将阴影掩模的区域示出为离散元件，但是应当理解，这些离散区域仅用于示出其孔径尺寸从区域312到区域316逐渐增大的连续变化的阴影掩模的部分。当孔径尺寸增加(这可以在阴影掩模制造期间控制)时，则与阴影掩模310的区域312对应的基板表面处的等离子体密度将小于与阴影掩模310的区域316对应的区域中的基板表面处的等离子体密度。因此，与区域316对应的基板区域的蚀刻速率高于与区域312对应的基板区域的蚀刻速率，从而能够形成具有随位置变化的光栅深度和耦合系数的衍射元件。因此，具有变化
尺寸孔的阴影掩模使得等离子体密度能够根据位置进行调整，从而根据位置调整蚀刻深度。因此，图3a中离散区域312、314和316的图示仅为了示出孔径尺寸在整个阴影掩模上的变化(例如，逐渐地变化)，从而使得蚀刻速率和光栅深度能够随基板上的位置而变化(这是因为等离子体密度随位置而变化)。
58.图4a是示出根据本发明的实施例的包括可变高度光栅结构的目镜的一部分的图像。如图4a所示，示出了三个测量位置410、412和414。图4b至4d分别是图4a所示的三个测量位置410、412和414处的光栅齿的sem横截面的图示。图4e是示出随距图4a中所示的目镜的边缘405的距离而变化的光栅蚀刻深度的图。
59.参考图4b至4d，在目镜上的三个位置处测量光栅蚀刻深度。使用本文所述的阴影掩模技术，制造了模拟的渐变梯度衍射结构。在图4a至图4e中示出了具有一维梯度的硅晶片的蚀刻深度梯度，但是应当理解，这仅是示例，可以使用其它材料来制造其它梯度结构(包括二维结构)。
60.为了制造图4a至4d所示的结构，首先在没有阴影掩模的情况下蚀刻硅晶片上热生长的sio2的蚀刻掩模，以制造光栅齿。然后，将具有孔径尺寸的一维变化的阴影掩模放置在距硅晶片表面2mm的位置处，并对硅晶片进行蚀刻。相对于距目镜边缘405的距离测量光栅蚀刻的深度。如图4b所示，在位置410处产生了约60nm的光栅深度d1，如图4c所示，在位置412处产生了约78nm的光栅深度d2，并且如图4d所示，在位置414处产生了约100nm的光栅深度d1。光栅蚀刻深度随距离的变化在图4e中示出，其中在35mm大小的目镜上，光栅深度范围为约60nm至约110nm。与通常产生在目镜上可见的阶梯或线的传统技术形成对比，本发明的实施例提供了随位置基本上渐变的光栅深度变化。因此，本发明的实施例使得能够在向用户的眼睛显示的虚拟图像中实现平滑的近场和远场图像。
61.除了图1所示的一维变化之外，本发明的实施例还可以利用具有二维变化的阴影掩模来制造以2d轮廓的混合渐变的光栅深度/高度变化表征的结构。图5a至5c是示出使用传统技术制造的衍射结构的平面图。图5d至5f是示出根据本发明的实施例制造的具有一维或二维轮廓的衍射结构的平面图。通过控制阴影掩模中孔的尺寸、占空比(即，间距)，可以以预定的蚀刻深度梯度来制造一维或二维图案。与诸如一维阶梯轮廓的传统技术相比，本发明的实施例实现了具有挑战性的二维轮廓。因此，本文所述的阴影掩模技术不仅实现了基于阴影掩模孔径分布的具体设计的二维轮廓绘制或定制，而且还可以混合边界以实现使用传统技术无法获得的预定梯度轮廓。
62.参考图5a至5c，示出了使用包括多步光刻/蚀刻的传统技术制造的一维(图5a)、二维(图5b)和圆形(图5c)轮廓。较深的灰色区域与较深的蚀刻轮廓相关联，较浅的灰色区域与较浅的蚀刻轮廓相关联。相邻部分之间的阶梯或边界很明显。在使用期间，具有这些明显边界的衍射结构将在边界处产生远场和/或近场图像强度的变化或散射，从而对图像质量和用户体验产生负面影响。与这些传统结果形成对比，本发明的实施例提供了以渐变的方式变化，从而提供随位置变化的看上去连续的梯度的一维(图5d)、二维(图5e)和圆形(图5f)轮廓。
63.图6a是根据本发明的实施例的具有光栅高度梯度的衍射结构的简化截面图。图6b是示出根据本发明的实施例的具有变化的分配体积的数字分配图案的简化平面图。图6c是根据本发明的实施例的具有混合界面区域的图6a中示出的衍射结构的简化截面图。
64.参考图6a，衍射结构包括本文所述的具有变化深度的光栅齿。可以使用本文所述的技术来制造还可以包括第二维度上的变化的该结构。在一些实施例中，衍射结构以硅、sio2等制成，并且在纳米压印光刻工艺(例如，喷射和快速压印光刻(j-fil)工艺)中用作模板。如图6b所示，可以通过可利用数百个喷嘴的印刷头，以液滴图案分配抗蚀剂图案或其它合适的液体。因此，分配图案可以包括具有可调的有限体积的液滴。然而，在一些实施方式中，滴体积不能连续调节。在图6b中，以数字分配图案分配液体体积，在部分620、622、624和626中的每一者中具有预定体积。例如，如果滴体积为1pl，则部分620将具有9pl的液体，部分622将具有16pl的液体，部分624将具有25pl的液体，并且部分626将具有36pl的液体。因此，每个部分具有预定的残余层厚度(rlt)，该残余层厚度是滴体积和每部分的液滴数目的函数。在初始分配完成之后，每个部分中的不同体积将导致相邻部分之间的台阶630。
65.参考图6c，示出了可以使用诸如图6a所示的模拟梯度模板，通过压印诸如图6b所示的图案化液滴的体积来形成的衍射光栅的横截面。在压印期间，随着液体在每个部分中扩展，并且跨部分扩散，部分边缘附近的rlt(非不连续的)将如图6c所示平滑地变化。因此，液体(例如，抗蚀剂)在部分边界(例如，边界632)的边缘处的扩展将导致rlt在各部分之间的界面区域处混合。由于部分边界处的平滑过渡，与具有离散边界的结构相比，边界处的光散射将减少。相对于基板的基部测量的光栅齿高度从较浅到较深深的变化将与从部分620到部分626增加的液体体积相关。
66.图7示出了根据本发明的实施例的示出制造阴影掩模的方法的简化过程流程图。该过程从其上沉积有铬蚀刻掩模层738的绝缘体上硅(soi)基板开始(710)。soi基板包括硅处理晶片730、掩埋氧化物层732、单晶硅层734和背面氧化物层736。尽管在该流程图中示出了硅阴影掩模，但这并非本发明所必需的，包括sio2、金属、其它介电材料等的其它材料也适合用作阴影掩模。
67.在铬层738上形成图案层740，并且图案层(例如，光致抗蚀剂)以预定的孔径尺寸被图案化(712)。如下所述，在该处理步骤中限定尺寸随位置变化的孔。使用图案化的图案层，例如使用干法蚀刻工艺来蚀刻铬层738，以将图案层中的图案转印到铬层中(714)，该铬层将在随后的蚀刻工艺中用作硬掩模。
68.为了蚀刻单晶硅层734，图案化的铬层742例如在等离子体蚀刻期间用作硬掩模，并且铬层中的图案将在蚀刻期间转印到单晶硅层中(716)。如处理步骤716所示，硅蚀刻工艺在到达掩埋氧化物层732时终止。
69.为了限定阴影掩模的横向尺寸，对背面氧化物层736进行图案化(718)。然后，使用该开口，借助终止于掩埋氧化物层732的深度蚀刻(例如，干法蚀刻)来蚀刻硅处理晶片730(720)。硅处理晶片的厚度(例如，约为80μm至800μm，例如500μm)为阴影掩模提供机械强度和刚性。然后去除掩埋氧化物层732，在单晶硅层734中留下栅格或网格图案(722)。通过去除铬硬掩模和图案层的剩余部分来完成制造过程(724)。插图750以平面图的方式示出了处理步骤724处所示的栅格图案中的孔。对于本领域技术人员显而易见的是，孔径尺寸在整个阴影掩模上变化，并且插图750中所示的孔径尺寸的均匀性仅仅为了图示阴影掩模的一部分，因为孔径尺寸可以例如在整个结构上缓慢地变化。另外，尽管在图7所示的示例性流程图中使用了soi基板，但是也可以使用其它材料和工艺，并且这些材料和工艺也包括在本发明的范围内。
70.例如，尽管图7示出了干法刻蚀，但是其它实施方式利用湿法蚀刻工艺，在该湿法蚀刻工艺中，可以使用koh对硅进行各向异性蚀刻以在晶片/片材上产生孔。也可以对其它金属和介电材料进行各向异性或各向同性湿法蚀刻。此外，可以使用激光钻孔/烧蚀，例如，可以使用激光在硅、金属、玻璃或其它介电材料中以亚微米精度钻孔，这对于大于微米级的孔径是足够的。另外，可以使用金属辅助化学湿法蚀刻(mace)工艺，例如，可以使用金(au)来辅助硅湿法蚀刻以产生各向异性蚀刻。
71.图8是示出根据本发明的实施例的使用阴影掩模母版来产生具有可变深度衍射元件的基板的简化图。在图8中，具有梯度占空比孔径的阴影掩模母版805邻近基板820放置。在该示例中，阴影掩模母版805包括四个区域812、814、816和818，每个区域具有变化的孔径尺寸以产生梯度占空比孔径，其中较浅的颜色表示较大的占空比，其类似于图3a所示的区域316，较深的颜色表示较小的占空比，其类似于图3a所示的区域312。在一个示例中，可以使用阴影掩模母版对四个不同的目镜进行图案化。
72.蚀刻基板820以形成母基板830。如图8所示，阴影掩模母版805邻近基板820(例如，在其上方)对准，基板820通常被抗蚀剂保护并且在与阴影掩模母版805中的区域812、814、816和818相对应的四个区域822、824、826和828中暴露。在图8中，母基板830上的较暗区域表示较深的蚀刻深度。通过设计特定的孔径尺寸并改变阴影掩模母版上的占空比，可以将目标蚀刻深度梯度蚀刻到基板820中以形成多场(multi-field)母基板830。然后，母基板830可以被用作用于基于接触的纳米光刻工艺(例如，j-fil)的母模板以在高折射率基板上进行压印，并因此被用作波导，或者在直接蚀刻高折射率层或将被用作光波导的基板时被用作阴影掩模。
73.图9是示出根据本发明的实施例的厚度可变沉积层的简化截面图。在图9中，已经将阴影掩模(未示出)应用于沉积工艺，以制造在第一区域中具有第一厚度t1以及在第二区域中具有第二厚度t2的逐渐变化的沉积层910。如图9所示，邻近具有较高的孔径尺寸与孔径周期比的阴影掩模部分的区域中的沉积层的厚度大于邻近具有较低孔径尺寸与孔径周期比的阴影掩模部分的区域中的沉积层的厚度。因此，从具有均匀高度的光栅元件开始，由于沉积层厚度随位置变化，本文所述的阴影掩模技术可用于形成以第一区域中的第一梯度深度和第二区域中的第二梯度深度表征的衍射元件。此外，如图9所示，第一区域中的衍射元件以在x方向上测量的线宽分布w1表征，该线宽分布w1比第二区域中的线宽分布w2宽。因此，由本发明的实施例提供的衍射元件可以包括深度和宽度随位置的变化，这些变化与阴影掩模孔径尺寸与孔径周期比相关。
74.可以使用本发明的实施例来实现许多等离子体辅助的沉积工艺，包括例如大气压等离子体增强cvd(appecvd)、诸如溅射沉积和蒸镀的传统物理沉积工艺。邻近其上形成有沉积层的基板放置阴影掩模将导致涂层/沉积厚度的变化，其中对于相似的孔径间距，具有较大孔径的区域被较厚的涂层涂覆，而具有较小孔径的区域被较薄的涂层涂覆。因此，产生了使用传统沉积技术不容易产生的涂层厚度梯度。在图9中，示出了在纳米图案上使用appecvd或溅射工艺产生的保形涂层，这些纳米图案可以是衍射光栅或其它合适的衍射结构。
75.图10是示出根据本发明的实施例的制造具有变化的衍射元件深度的衍射结构的方法的流程图。该方法包括在步骤1005提供阴影掩模。阴影掩模可以具有第一区域和第二
区域，第一区域具有第一孔径尺寸与孔径周期比，第二区域具有第二孔径尺寸与孔径周期比。第二孔径尺寸与孔径周期比可以小于第一孔径尺寸与孔径周期比。在一些实施例中，第一孔径尺寸与孔径周期比和第二孔径尺寸与孔径周期比由大于第二区域中的第二孔径尺寸的第一区域中的第一孔径尺寸以及恒定的孔径中心距限定。在一些实施例中，第一孔径尺寸与孔径周期比和第二孔径尺寸与孔径周期比由第一区域中的第一孔径中心距和第二区域中的第二孔径中心距以及恒定的孔径尺寸限定。如本文所使用的，孔径周期也可以被称为孔径中心距。
76.该方法进一步包括在步骤1010邻近基板定位阴影掩模。在一些实施例中，阴影掩模以在阴影掩模上线性变化的孔径尺寸与孔径周期比表征。阴影掩模可以使用抗蚀刻材料来制造，并且可以包括保护性涂层以保护不优先蚀刻的材料。
77.在一些实施例中，基板可以包括硅基板。在其它实施例中，基板可以包括可以被蚀刻的任何合适的材料。基板可以包括对应于衍射结构的蚀刻掩模。蚀刻掩模在本文中也可以被称为硬掩模。在一些实施例中，衍射结构可以包括衍射光栅，并且衍射元件包括光栅齿。
78.该方法进一步包括在步骤1015将基板暴露于蚀刻剂。在一些实施例中，将基板暴露于蚀刻剂可以包括执行等离子体蚀刻工艺。例如，等离子体可以穿过阴影掩模并在未被蚀刻掩模覆盖的部分处蚀刻基板。在其它实施例中，可以使用能够蚀刻为基板选择的材料的任何合适的蚀刻剂。
79.该方法进一步包括在步骤1020蚀刻基板以形成邻近第一区域的具有第一深度的衍射元件。该方法进一步包括在步骤1025蚀刻基板以形成邻近第二区域的具有小于第一深度的第二深度的衍射元件。在一些实施例中，衍射元件非线性地变化。在一些实施例中，第一深度和第二深度可以在约10nm至约150nm的范围内。第一和第二深度可以因为阴影掩模中尺寸变化的孔而变化，从而允许更多或更少量的蚀刻剂与基板接触。
80.在一些实施例中，该方法进一步包括在蚀刻第一区域中的衍射元件以及蚀刻第二区域中的衍射元件之后去除蚀刻掩模。在一些实施例中，该方法进一步包括对基板执行等离子体增强涂覆工艺。
81.应当理解，图10所示的具体步骤提供了根据本发明另一实施例的制造具有变化的衍射元件深度的衍射结构的特定方法。根据替代实施例，也可以执行其它步骤顺序。例如，本发明的替代实施例可以以不同的顺序执行上面概述的步骤。此外，图10所示的各个步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以按照适合于各个步骤的各种顺序来执行。另外，可以根据特定应用添加或删除附加步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。
82.图11是示出根据本发明的实施例的制造母基板的方法的流程图。该方法包括在步骤1105提供具有第一区域和第二区域的阴影掩模。第一区域可以以在至少第一方向上的第一梯度孔径尺寸与孔径周期比表征。第二区域可以以在至少第二方向上的第二梯度孔径尺寸与孔径周期比表征。阴影掩模可以包括任何合适的抗蚀刻材料。孔径周期在此也可以被称为孔径中心距。
83.在一些实施例中，第一梯度孔径尺寸与孔径周期比等于第二梯度孔径尺寸与孔径周期比，并且第一方向和第二方向是相同的方向。在一些实施例中，第一梯度孔径尺寸与孔径周期比可以由恒定的孔径中心距和沿第一方向的渐变孔径尺寸限定，并且第二梯度孔径
尺寸与孔径周期比可以由恒定的孔径中心距和沿第二方向的渐变孔径尺寸限定。在一些实施例中，第一梯度孔径尺寸与孔径周期比可以由沿第一方向的恒定孔径尺寸和渐变孔径中心距限定，并且第二梯度孔径尺寸与孔径周期比由沿第二方向的恒定孔径尺寸和渐变孔径中心距限定。
84.该方法进一步包括在步骤1110提供基板。该基板可以具有以衍射特征表征的蚀刻掩模、第一暴露区域和第二暴露区域。蚀刻掩模在本文中也可以被称为硬掩模。在一些实施例中，基板可以包括硅基板。在一些实施例中，基板可以包括任何合适的可蚀刻材料。
85.该方法进一步包括在步骤1115邻近基板定位阴影掩模。第一区域可以与第一暴露区域对准，并且第二区域可以与第二暴露区域对准。该方法进一步包括在步骤1120对基板执行等离子体蚀刻工艺。根据该工艺，等离子体可以在未被蚀刻掩模覆盖的基板部分处穿过阴影掩模。
86.该方法进一步包括在步骤1125蚀刻邻近第一区域的第一衍射元件。第一衍射元件可以以在至少第一方向上的第一梯度深度分布表征。该方法进一步包括在步骤1130蚀刻邻近第二区域的第二衍射元件。第二衍射元件可以以在至少第二方向上的第二梯度深度分布表征。第一衍射元件和第二衍射元件之间的不同深度分布可以由等离子蚀刻工艺中使用的阴影掩模中的尺寸变化的孔引起。例如，较大孔径可以允许更多等离子体与基板接触，而较小孔径可以允许较少等离子体与基板接触。这可能导致到达表面的等离子体密度变化，从而形成大小和深度变化的衍射元件。
87.在一些实施例中，第一衍射元件和第二衍射元件可以包括光栅齿。在一些实施例中，该方法进一步包括在蚀刻邻近第一区域的第一衍射元件以及蚀刻邻近第二区域的第二衍射元件之后去除蚀刻掩模。
88.在一些实施例中，第一区域可以进一步以在至少与第一方向正交的方向上的第三梯度孔径尺寸与孔径周期比表征，第二区域可以进一步以在至少与第二方向正交的方向上的第四梯度孔径尺寸与孔径周期比表征，第一衍射元件进一步以在与第一方向正交的方向上的第三梯度深度分布表征，以及第二衍射元件进一步以在与第二方向正交的方向上的第四梯度深度分布表征。
89.应当理解，图11所示的具体步骤提供了根据本发明另一实施例的制造母基板的特定方法。根据替代实施例，也可以执行其它步骤顺序。例如，本发明的替代实施例可以以不同的顺序执行上面概述的步骤。此外，图11所示的各个步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以按照适合于各个步骤的各种顺序来执行。另外，可以根据特定应用添加或删除附加步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。
90.图12是示出根据本发明的实施例的沉积厚度可变材料的方法的流程图。该方法包括在步骤1205提供基板。在一些实施例中，基板可以包括生长表面，该生长表面包括衍射结构。衍射结构可以包括衍射光栅。
91.在一些实施例中，基板可以包括均匀衍射结构，该均匀衍射结构包括多个衍射元件，并且厚度可变材料可以以第一区域中的第一衍射元件深度和第二区域中的小于第一衍射元件深度的第二衍射元件深度表征。在一些实施例中，基板可以包括均匀衍射结构，该均匀衍射结构包括多个衍射元件，并且厚度可变材料可以以第一区域中的第一衍射元件宽度和第二区域中的小于第一衍射元件宽度的第二衍射元件宽度表征。
92.该方法进一步包括在步骤1210提供阴影掩模。该阴影掩模可以包括具有第一孔径尺寸与孔径周期比的第一区域和具有小于第一孔径尺寸与孔径周期比的第二孔径尺寸与孔径周期比的第二区域。在一些实施例中，阴影掩模可以以在两个方向上变化的孔径尺寸与孔径周期比表征。
93.该方法进一步包括在步骤1215邻近基板定位阴影掩模。该方法进一步包括在步骤1220对基板执行等离子体沉积工艺以沉积厚度可变材料。邻近第一区域的层厚度可以大于邻近第二区域的层厚度。在一些实施例中，厚度可变材料可以包括保形层。
94.在一些实施例中，阴影掩模可以包括多个孔和与多个孔平行的表面。基板可以包括沉积表面。在一些实施例中，邻近基板定位阴影掩模可以包括将阴影掩模的表面平行于沉积表面放置。
95.应当理解，图12所示的具体步骤提供了根据本发明另一实施例的沉积厚度可变材料的特定方法。根据替代实施例，也可以执行其它步骤顺序。例如，本发明的替代实施例可以以不同的顺序执行上面概述的步骤。此外，图12所示的各个步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以按照适合于各个步骤的各种顺序来执行。另外，可以根据特定应用添加或删除附加步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。
96.图13是示出根据本发明的实施例的制造母基板的方法的流程图。该方法包括在步骤1305提供阴影掩模。阴影掩模可以具有第一区域，该第一区域以在至少第一方向上的第一梯度孔径尺寸与孔径周期比表征。阴影掩模可以进一步具有第二区域，该第二区域以在至少第二方向上的第二梯度孔径尺寸与孔径周期比表征。
97.该方法进一步包括在步骤1310提供基板。该基板可以具有以衍射特征表征的掩模、第一暴露区域和第二暴露区域。该方法进一步包括在步骤1315邻近基板定位阴影掩模。第一区域可以与第一暴露区域对准，并且第二区域可以与第二暴露区域对准。该方法进一步包括在步骤1320对基板执行等离子体涂覆或沉积工艺中的至少一者。
98.该方法进一步包括在步骤1325涂覆邻近第一区域的第一衍射元件。第一衍射元件可以以在至少第一方向上的第一梯度深度和第一线宽分布表征。该方法进一步包括在步骤1330涂覆邻近第二区域的第二衍射元件。第二衍射元件可以以在至少第二方向上的第二梯度深度和第二线宽分布表征。在一些实施例中，第一梯度深度可以大于第二梯度深度。在一些实施例中，第一线宽分布可以以第一宽度表征，第二线宽分布可以以小于第一宽度的第二宽度表征。因此，由本发明的一些实施例提供的衍射元件可以包括随位置变化的深度和宽度，这些变化与阴影掩模孔径尺寸与孔径周期比相关。
99.应当理解，图13所示的具体步骤提供了根据本发明另一实施例的制造母基板的特定方法。根据替代实施例，也可以执行其它步骤顺序。例如，本发明的替代实施例可以以不同的顺序执行上面概述的步骤。此外，图13所示的各个步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以按照适合于各个步骤的各种顺序来执行。另外，可以根据特定应用添加或删除附加步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。
100.还应理解，本文所述的示例和实施例仅用于说明性目的，并且鉴于其的各种修改或改变将被建议给本领域技术人员，并且将被包括在本技术的精神和范围以及所附权利要求的范围之内。