高折射率光栅的氢/氮掺杂和化学辅助蚀刻的制作方法

高折射率光栅的氢/氮掺杂和化学辅助蚀刻


背景技术：

1.诸如头戴式显示器(hmd)或平视显示器(hud)系统之类的人工现实系统通常包括被配置为呈现描绘虚拟环境中的对象的人工图像的显示器。显示器可以显示虚拟对象或将真实对象的图像与虚拟对象组合，如在虚拟现实(vr)、增强现实(ar)或混合现实(mr)应用中。例如，在ar系统中，用户可以通过例如通过透视显示眼镜或透镜(常常被称为光学透视)观看，或查看由相机捕获的周围环境的显示图像(常常被称为视频透视)的方式查看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(cgi))和周围环境两者。
2.一个示例光学透视ar系统可以使用基于波导的光学显示器，其中投影图像的光可以耦合到波导(例如，衬底)中、在波导内传播，并在不同的位置处耦合出波导。在一些实现中，投影图像的光可以使用衍射光学元件(诸如倾斜表面起伏光栅)来耦合入或耦合出波导。在许多情况下，以期望的速度制造具有期望轮廓的倾斜表面起伏光栅可能具有挑战性。


技术实现要素：

3.本公开总体上涉及用于制造倾斜结构的技术，更具体地，涉及用于在具有高折射率(例如，n》大约2.3)的材料诸如tio
x
、linbo3、hfo
x
.tisio
x
、sic、znse、ingaas、gap等上蚀刻倾斜结构的技术。化学辅助反应离子束蚀刻(caribe)技术可以被用来蚀刻倾斜结构，诸如高度对称的倾斜结构或具有超高折射率的材料中的倾斜结构。
4.根据一些实施例，一种在材料层中制造倾斜表面起伏结构的方法可以包括：将第一反应气体注入到反应离子源发生器中；由反应离子源发生器中的第一反应气体生成等离子体，其中等离子体可以包括具有第一原子量的第一反应离子和具有小于第一原子量的第二原子量的第二反应离子；从等离子体中提取至少一些第一反应离子和至少一些第二反应离子以形成朝向材料层的准直反应离子束，该材料层具有至少为2.3的折射率；将第二反应气体注入到材料层上；以及用准直反应离子束和第二反应气体物理地和化学地蚀刻材料层，以在材料层中形成倾斜表面起伏结构。
5.在一些实施例中，材料层可以包括tio
x
、linbo3、hfo
x
.tisio
x
、sic、znse、ingaas或gap中的至少一种。在一些实施例中，第一反应离子可以包括氮离子。在一些实施例中，第二反应离子可以包括氢离子。在一些实施例中，第一反应气体可以包括h2、n2、nf3、nh3、ch4、chf3、cl2、bcl3或hbr中的至少一种。在一些实施例中，第一反应气体可以不含氧或碳。在一些实施例中，第二反应气体可以包括氟基反应气体或氯基反应气体或溴基反应气体。在一些实施例中，第二反应气体可以包括cf4、nf3、sf6、cl2、bcl3或hbr中的至少一种。
6.在一些实施例中，从等离子体提取至少一些第一反应离子和至少一些第二反应离子以形成准直反应离子束可以包括：在与反应离子源发生器相邻的提取栅格上施加提取电压，以及在加速栅格上施加加速电压以提取和加速至少一些第一反应离子和至少一些第二反应离子。提取栅格和加速栅格可以被对准，并且加速电压可以与提取电压不同。
7.在一些实施例中，倾斜表面起伏结构可以包括倾斜表面起伏光栅，并且倾斜表面起伏光栅可以包括多个脊。在一些实施例中，多个脊中的每个脊的前缘可以平行于脊的后
缘。倾斜表面起伏光栅的特征可以在于以下中的至少一项：多个脊中的每个脊的前缘的倾斜角和该脊的后缘的倾斜角相对于与材料层垂直的表面而大于30度，前缘的长度与后缘的长度之间的差异小于后缘的长度的10％，倾斜表面起伏光栅的深度大于100nm，或者倾斜表面起伏光栅的占空比大于60％。
8.根据一些实施例，一种在材料层中制造倾斜表面起伏结构的方法可以包括：将第一反应气体注入到反应离子源发生器中，该第一反应气体可以包括氢气和氮气；从反应离子源发生器中的第一反应气体生成包括氮离子和氢离子的等离子体；由反应离子源发生器中提取至少一些氮离子和至少一些氢离子，以形成朝向材料层的准直反应离子束；将包括氟的第二反应气体注入到材料层上；并且用准直反应离子束和第二反应气体物理地和化学地蚀刻材料层，以形成倾斜表面起伏结构。材料层可以包括tio
x
、linbo3、hfo
x
.tisio
x
、sic、znse、ingaas或gap中的至少一种。
9.在一些实施例中，材料层可以包括tio
x
层。至少一些氢离子和至少一些氮离子可以与tio
x
层反应以形成ti
whx
nzf、ti
whx
nzcl或ti
whx
nzbr层。第二反应气体可以与ti
whx
nzf、ti
whx
nzcl或ti
whx
nzbr层反应以生成tif4、ticl4或tibr4，以及o2、co2或h2o中的至少一种。在一些实施例中，材料层可以包括sic层，并且至少一些氢离子和至少一些氮离子可以与sic层反应以形成si
whxnycz
f、si
whxnycz
cl或si
whxnycz
br层。第二反应气体可以与si
whxnycz
f层反应以生成sif4、sicl4或sibr4，以及ch4、cn、cf4、ccl4或cbr4中的至少一种。
10.根据一些实施例，表面起伏结构可以包括：衬底和在衬底上的多个脊，以及多个槽，每个槽位于两个相邻的脊之间。多个脊可以相对于衬底被倾斜，并且可以包括具有至少2.3的折射率的材料。位于多个槽的底部处的衬底的区域可以包括浓度至少为10
10
/cm3的氢或氮中的至少一种。在一些实施例中，多个脊的材料可以包括tio
x
、linbo3、hfo
x
.tisio
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、sic、znse、ingaas或gap中的至少一种。在一些实施例中，表面起伏结构的特征可以在于以下中的至少一项：多个脊中的每个脊的前缘平行于脊的后缘、前缘的倾斜角和后缘的倾斜角相对于与衬底垂直的表面而大于30度、前缘的长度与后缘的长度之间的差异小于后缘的长度的10％、多个槽的深度大于100nm、或表面起伏结构的占空比大于60％。
11.本发明内容既不旨在识别所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在孤立地被用来确定所要求保护的主题的范围。应当通过参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每个权利要求来理解该主题。前述内容连同其他特征和示例将在以下说明书、权利要求和附图中更详细地描述。
附图说明
12.下面参考附图详细描述示意性实施例。
13.图1是根据某些实施例的示例近眼显示器的简化图。
14.图2是根据某些实施例的示例近眼显示器的截面视图。
15.图3是根据某些实施例的示例波导显示器的等轴视图。
16.图4是根据某些实施例的示例波导显示器的截面视图。
17.图5是包括波导显示器的示例人工现实系统的简化框图。
18.图6图示了根据某些实施例的使用波导显示器的示例光学透视增强现实系统。
19.图7图示了示例波导显示器中的显示光和外部光的传播。
20.图8图示了根据某些实施例的示例波导显示器中的示例倾斜光栅耦合器。
21.图9a-图9c图示了根据某些实施例的用于制造倾斜表面起伏结构的示例工艺。
22.图10图示了用于制造倾斜表面起伏结构的示例离子束蚀刻系统。
23.图11图示了用于制造倾斜表面起伏结构的示例化学辅助离子束蚀刻(caibe)系统。
24.图12图示了用于制造倾斜表面起伏结构的示例反应离子束蚀刻(ribe)系统。
25.图13图示了根据某些实施例的用于制造倾斜表面起伏结构的示例化学辅助反应离子束蚀刻(caribe)系统。
26.图14图示了根据某些实施例的用于制造倾斜表面起伏结构的caribe系统的另一个示例。
27.图15a图示了根据某些实施例的在低折射率衬底上的倾斜光栅的示例。
28.图15b图示了根据某些实施例的在低折射率衬底上的高折射率材料中制造的倾斜光栅的示例。
29.图15c图示了根据某些实施例的在高折射率衬底上的倾斜光栅的示例。
30.图16a图示了使用在高折射率材料层上制造的倾斜光栅的示例。
31.图16b图示了使用现有工艺在高折射率材料层上制造的另一个示例倾斜光栅。
32.图17a图示了根据某些实施例的使用caribe工艺在超高折射率材料层上制造的示例倾斜光栅。
33.图17b图示了根据某些实施例的使用caribe工艺在超高折射率材料层上制造的另一个示例倾斜光栅。
34.图18是图示了根据某些实施例的制造倾斜表面起伏结构的示例方法的简化流程图。
35.图19是用于实现本文公开的一些示例的示例近眼显示器的示例电子系统的简化框图。
36.附图仅出于说明的目的而描绘了本公开的实施例。本领域技术人员将从以下描述中容易地认识到，可以采用所图示的结构和方法的替代实施例而不背离本公开所标榜的原理或益处。
37.在附图中，相似的组件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记后加上破折号和在相似组件之间进行区分的第二标号来区分相同类型的各种组件。如果在说明书中仅使用了第一附图标记，则说明适用于具有相同第一附图标记的任何类似组件，而与第二附图标记无关。
具体实施方式
38.本文所公开的技术一般涉及微米或纳米结构制造。更具体而非限制地，本技术涉及用于制造倾斜的微米或纳米结构的技术。倾斜结构可以被用于许多光学或电子设备中，用于操纵光和/或电的行为。例如，在基于波导的人工现实显示设备中使用倾斜表面起伏光栅可以改善视场、提高亮度效率并减少显示伪像(例如，彩虹伪像)。为了提高倾斜光栅的性能，大倾斜角(例如，》45
°
)和/或高深度也是所期望的。
39.在一些波导显示系统中，期望使用蚀刻在具有高折射率(例如，n》大约2.3)的材料
中的表面起伏光栅，高折射率的材料诸如tio
x
、linbo3、hfo
x
.tisio
x
、sic、znse、ingaas、gap等，以使得单个波导上的单个表面起伏光栅可以高效地覆盖三基色和全视场。单板结构还可以减轻波导显示系统的重量、提高透视质量并减少光学伪像。然而，在这种高折射率材料中制造具有对称光栅脊(例如，基本平行的前缘和后缘)的深表面起伏光栅可能具有挑战性。例如，现有的tio
x
或sic蚀刻技术可能会导致倾斜结构的大基底和不希望的轮廓。
40.根据某些实施例，可以实现化学辅助反应离子束蚀刻工艺以更有效且更准确地在具有超高折射率(例如，2.3、2.4、2.5、2.6或更大)的材料中制造倾斜光栅。具有超高折射率的材料可以被称为超高折射率材料。在一些实施例中，可以将氢和氮添加到离子源发生器中以生成氢离子和氮离子。氢离子和氮离子可以对要被蚀刻的超高折射率材料中的键进行掺杂、修饰和/或破坏，从而有利于超高折射率材料的蚀刻和去除。
41.不旨在受任何特定理论的束缚，比氢离子更重的氮离子可以破坏一些氢离子不能破坏的键，从而可以使超高折射率材料能够被更容易地蚀刻。鉴于其相对较小的尺寸，氢离子可以更深入地渗透到超高折射率材料中，以破坏超高折射率材料的晶体结构和/或键，从而进一步促进蚀刻工艺。因此，超高折射率材料可以被氢离子和/或氮离子掺杂和/或修饰。被掺杂和/或修饰的超高折射率材料可以与一种或多种反应气体物质反应以形成可以很容易被去除的挥发性材料。反应气体物质，诸如氟基反应气体，可以被添加到离子源发生器和/或可以通过绕过离子源发生器的气环而被施加到要被蚀刻的超高折射率材料上。通过用氢和/或氮掺杂和/或修饰超高折射率材料并用氟基气体物质蚀刻被掺杂和/或修饰的超高折射率材料，可以更更高效且更准确地制造对称和/或深倾斜光栅。
42.在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本公开的示例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种示例将是显然的。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其他组件可以被示为框图形式的组件，以免在不必要的细节中模糊示例。在其他实例中，可以在没有必要细节的情况下示出众所周知的设备、工艺、系统、结构和技术，以免模糊示例。附图和描述并非旨在是限制性的。在本公开中所采用的术语和表达被用作描述性的术语而不是限制性的，并且在使用这些术语和表达时无意排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物。
43.图1是根据某些实施例的近眼显示器100的示例的简化图。近眼显示器100可以向用户呈现媒体。由近眼显示器100呈现的媒体的示例可以包括一个或多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，可以经由外部设备(例如，扬声器和/或耳机)来呈现音频，该外部设备从近眼显示器100、控制台或两者接收音频信息，并基于音频信息呈现音频数据。近眼显示器100通常被配置为作为人工现实显示器来操作。在一些实施例中，近眼显示器100可以作为增强现实(ar)显示器或混合现实(mr)显示器来操作。
44.近眼显示器100可以包括框架105和显示器110。框架105可以耦合到一个或多个光学元件。显示器110可以被配置为供用户观看由近眼显示器100所呈现的内容。在一些实施例中，显示器110可以包括用于将来自一个或多个图像的光引导到用户的眼睛的波导显示配件。
45.图2是图1中所图示的近眼显示器100的截面视图200。显示器110可以包括至少一个波导显示配件210。出射光瞳230可以位于当用户佩戴近眼显示器100时用户的眼睛220所处的位置处。为了说明的目的，图2示出了与用户的眼睛220和单个波导显示配件210相关联
的截面视图200，但是在一些实施例中，第二波导显示器可以被用于用户的第二只眼睛。
46.波导显示配件210可以被配置为将图像光(即，显示光)引导到位于出射光瞳230处的眼动范围，并且引导到用户的眼睛220。波导显示配件210可以包括具有一个或多个折射率的一种或多种材料(例如，塑料、玻璃等)。在一些实施例中，近眼显示器100可以包括波导显示配件210和用户眼睛220之间的一个或多个光学元件。
47.在一些实施例中，波导显示配件210可以包括一个或多个波导显示器的堆叠，包括但不限于堆叠的波导显示器、变焦波导显示器等。堆叠的波导显示器是通过堆叠波导显示器而创建的多色显示器(例如，红-绿-蓝(rgb)显示器)，其各自的单色源具有不同的颜色。
48.堆叠的波导显示器也可以是可以被投影在多个平面上的多色显示器(例如多平面彩色显示器)。在一些配置中，堆叠的波导显示器可以是能够被投影在多个平面上的单色显示器(例如多平面单色显示器)。可变焦波导显示器是可以调整从波导显示器发射的图像光的焦点位置的显示器。在替代实施例中，波导显示配件210可以包括堆叠的波导显示器和变焦波导显示器。
49.图3是波导显示器300的实施例的等轴视图。在一些实施例中，波导显示器300可以是近眼显示器100的组件(例如，波导显示配件210)。在一些实施例中，波导显示器300可以是可以将图像光引导到特定位置的一些其他近眼显示器或其他系统的一部分。
50.波导显示器300可以包括源配件310、输出波导320和控制器330。为了说明的目的，图3示出了与用户的眼睛390相关联的波导显示器300，但是在一些实施例中，与波导显示器300分离或部分分离的另一个波导显示器可以向用户的另一只眼睛提供图像光。
51.源配件310可以生成图像光355以显示给用户。源配件310可以生成图像光355，并将其输出到位于输出波导320的第一侧370-1上的耦合元件350。在一些实施例中，耦合元件350可以将图像光355从源配件310耦合到输出波导320中。例如，耦合元件350可以包括衍射光栅、全息光栅、一个或多个级联反射器、一个或多个棱镜表面元件和/或全息反射器阵列。输出波导320可以是能够将扩展的图像光340输出到用户的眼睛390的光波导。输出波导320可以在位于第一侧370-1上的一个或多个耦合元件350处接收图像光355，并且将接收到的图像光355引导到引导元件360。
52.引导元件360可以将接收到的输入图像光355重新引导到去耦合元件365，以使得接收到的输入图像光355可以经由去耦合元件365耦合出输出波导320。引导元件360可以是输出波导320的第一侧370-1的一部分，或被固定到输出波导320的第一侧370-1。去耦合元件365可以是输出波导320的第二侧370-2的一部分，或被固定到输出波导320的第二侧370-2，以使得引导元件360与去耦合元件365相对。引导元件360和/或去耦合元件365可以包括例如衍射光栅、全息光栅、表面起伏光栅、一个或多个级联反射器、一个或多个棱镜表面元件和/或全息反射器阵列。
53.输出波导320的第二侧370-2可以表示沿x维度和y维度的平面。输出波导320可以包括一种或多种可以促进图像光355的全内反射的材料。输出波导320可以包括例如硅、塑料、玻璃和/或聚合物。输出波导320可以具有相对小的形状因数。例如，输出波导320可以沿x维度大约50mm宽，沿y维度大约30mm长，并且沿z维度大约0.5到1mm厚。
54.控制器330可以控制源配件310的扫描操作。控制器330可以确定用于源配件310的扫描指令。在一些实施例中，输出波导320可以以大视场(fov)将扩展的图像光340输出到用
户的眼睛390。例如，提供给用户的眼睛390的扩展的图像光340可以具有(在x和y中)大约60度或更大和/或大约150度或更小的斜fov。输出波导320可以被配置为提供具有大约20mm或更大和/或等于或小于大约50mm的长度和/或大约10mm或更大和/或等于或小于大约50mm的宽度的眼动范围。
55.图4是波导显示器300的截面视图400。波导显示器300可以包括源配件310和输出波导320。源配件310可以根据来自控制器330的扫描指令而生成图像光355(即，显示光)。源配件310可以包括源410和光学系统415。源410可以包括生成相干光或部分相干光的光源。源410可以包括例如激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。
56.光学系统415可以包括可以调节来自源410的光的一个或多个光学组件。调节来自源410的光可以包括例如根据来自控制器330的指令而扩展、准直和/或调整取向。一个或多个光学组件可以包括一个或多个透镜、液体透镜、反射镜、孔径和/或光栅。从光学系统415(以及还从源配件310)发射的光可以被称为图像光355或显示光。
57.输出波导320可以接收来自源配件310的图像光355。耦合元件350可以将来自源配件310的图像光355耦合到输出波导320中。在耦合元件350包括衍射光栅的实施例中，衍射光栅可以被配置成使得全内反射可以在输出波导320内发生，并且因此耦合到输出波导320中的图像光355可以在输出波导320内(例如，通过全内反射)朝向去耦合元件365内部地传播。
58.引导元件360可以将图像光355朝向去耦合元件365重新引导，以将图像光的至少一部分耦合出输出波导320。在引导元件360是衍射光栅的实施例中，衍射光栅可以被配置为使入射图像光355以相对于去耦合元件365的表面成(一个或多个)倾斜角而离开输出波导320。在一些实施例中，引导元件360和/或去耦合元件365在结构上可以是相似的。
59.离开输出波导320的经扩展的图像光340可以沿着一个或多个维度扩展(例如，沿x维度伸长)。在一些实施例中，波导显示器300可以包括多个源配件310和多个输出波导320。每个源配件310可以发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。每个输出波导320可以被堆叠在一起以输出可以是多色的经扩展的图像光340。
60.图5是包括波导显示配件210的人工现实系统500的示例的简化框图。系统500可以包括各自耦合到控制台510的近眼显示器100、成像设备535和输入/输出接口540。
61.如上所述，近眼显示器100可以是向用户呈现媒体的显示器。由近眼显示器100所呈现的媒体的示例可以包括一个或多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，可以经由外部设备(例如，扬声器和/或耳机)呈现音频，该外部设备可以从近眼显示器100和/或控制台510接收音频信息，并且基于音频信息而向用户呈现音频数据。在一些实施例中，近眼显示器100可以充当人造现实眼镜。例如，在一些实施例中，近眼显示器100可以利用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、真实世界环境的视图。
62.近眼显示器100可以包括波导显示配件210、一个或多个位置传感器525和/或惯性测量单元(imu)530。波导显示配件210可以包括波导显示器，诸如波导显示器300，如上所述，其包括源配件310、输出波导320和控制器330。
63.imu 530可以包括电子设备，该电子设备可以基于从一个或多个位置传感器525接收的测量信号来生成指示相对于近眼显示器100的初始位置的近眼显示器100的估计位置的快速校准数据。
64.成像设备535可以根据从控制台510接收的校准参数来生成慢速校准数据。成像设备535可以包括一个或多个相机和/或一个或多个摄像机。
65.输入/输出接口540可以是允许用户向控制台510发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以启动或结束应用或执行应用内的特定动作。
66.控制台510可以根据从以下中的一个或多个接收的信息向近眼显示器100提供媒体以呈现给用户：成像设备535、近眼显示器100和输入/输出接口540。在图5中所示的示例中，控制台510可以包括应用存储545、跟踪模块550和引擎555。
67.应用存储545可以存储一个或多个应用以供控制台510执行。应用可以包括一组指令，这些指令在由处理器执行时可以生成用于呈现给用户的内容。应用的示例可以包括游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
68.跟踪模块550可以使用一个或多个校准参数来校准系统500，并且可以调整一个或多个校准参数以在确定近眼显示器100的位置时减少误差。跟踪模块550可以使用来自成像设备535的慢速校准信息来跟踪近眼显示器100的移动。跟踪模块550还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器100的参考点的位置。
69.引擎555可以执行系统500内的应用，并且从跟踪模块550接收近眼显示器100的位置信息、加速度信息、速度信息和/或预测的未来位置。在一些实施例中，由引擎555接收的信息可以被用于向波导显示配件210产生信号(例如，显示指令)。该信号可以确定要呈现给用户的内容的类型。
70.可以用许多不同的方式来实现波导显示器。例如，在一些实现中，输出波导320可以包括在第一侧370-1和第二侧370-2之间的倾斜表面，其用于将图像光355耦合到输出波导320中。在一些实现中，倾斜表面可以涂覆有反射涂层以将光朝向引导元件360反射。在一些实现中，倾斜表面的角度可以被配置为使得图像光355可以由于全内反射而被倾斜表面反射。在一些实现中，可以不使用引导元件360，并且可以通过全内反射在输出波导320内引导光。在一些实现中，去耦合元件365可以位于第一侧370-1附近。
71.在一些实现中，输出波导320和去耦合元件365(以及引导元件360，如果使用的话)可以对来自环境的光是透明的，并且可以充当光学组合器，以用于组合图像光355和来自近眼显示器100前面的物理真实世界环境的光。如此，用户可以查看来自源配件310的人造对象的人造图像和物理真实世界环境中的真实对象的真实图像，这可以被称为光学透视。
72.图6图示了根据某些实施例的使用波导显示器的示例光学透视增强现实系统600。增强现实系统600可以包括投影仪610和组合器615。投影仪610可以包括光源或图像源612和投影仪光学器件614。在一些实施例中，图像源612可以包括显示虚拟对象的多个像素，诸如lcd显示面板或led显示面板。在一些实施例中，图像源612可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源612可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。在一些实施例中，图像源612可以包括多个光源，每个光源发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些实施例中，图像源612可以包括光学图案生成器，诸如空间光调制器。投影仪光学器件614可以包括一个或多个光学组件，其可以调节来自图像源612的光，诸如扩展、准直、扫描或将来自图像源612的光投影到组合器615。例如，一个或多个光学组件可以包括一个或多个透镜、液体透镜、反射镜、孔径和/或光栅。在一些实施例
中，投影仪光学器件614可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，其允许扫描来自图像源612的光。
73.组合器615可以包括输入耦合器630，其用于将来自投影仪610的光耦合到组合器615的衬底620中。输入耦合器630可以包括体全息光栅、衍射光学元件(doe)(例如，表面起伏光栅)或折射耦合器(例如，楔或棱镜)。输入耦合器630对于可见光可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。如本文中所使用的，可见光可以指代波长在大约380nm至大约750nm之间的光。耦合到衬底620中的光可以通过例如全内反射(tir)而在衬底620内传播。衬底620可以是一副眼镜的透镜形式。衬底620可以具有平坦或弯曲的表面，并且可以包括一个或多个类型的介电材料，诸如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(pmma)、晶体或陶瓷。衬底的厚度可以在例如小于大约1mm至大约10mm或更大的范围内。衬底620可以对可见光透明。如果光束能够以高透射率(诸如大于50％、60％、75％、80％、90％、95％或更高)穿过材料，则该材料可能对光束是“透明的”，其中一小部分光束(例如，小于50％、40％、25％、20％、10％、5％或更少)可能被材料散射、反射或吸收。透射率(即透射性)可以由波长范围(诸如可见光波长范围)内的光学上加权或未加权平均透射率或波长范围内的最低透射率来表示。
74.衬底620可以包括或可以耦合到多个输出耦合器640，该输出耦合器640被配置为从衬底620提取由衬底620引导，并在衬底620内传播的光的至少一部分，并且将所提取的光660引导至增强现实系统600的用户的眼睛690。如输入耦合器630，输出耦合器640可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面起伏光栅)、其他doe、棱镜等。输出耦合器640在不同位置处可以具有不同的耦合(例如，衍射)效率。衬底620还可以允许来自组合器615前面的环境的光650以很小的损失或没有损失地通过。输出耦合器640也可以允许光650以很小的损失通过。例如，在一些实现中，输出耦合器640对于光650可以具有低衍射效率，以使得光650可以以很小的损失被折射或以其他方式通过输出耦合器640。在一些实现中，输出耦合器640可以对光650具有高衍射效率，并且可以以很小的损失将光650衍射到某些期望的方向(即，衍射角)。结果，用户可以能够查看到组合器615前面的环境和由投影仪610投影的虚拟对象的组合图像。
75.图7图示了包括波导710和光栅耦合器720的示例波导显示器700中的入射显示光740和外部光730的传播。波导710可以是具有大于自由空间折射率n1(即1.0)的折射率n2的平坦或弯曲透明衬底。光栅耦合器720可以包括例如布拉格光栅或表面起伏光栅。
76.入射显示光740可以通过例如图6的输入耦合器630或上述其他耦合器(例如，棱镜或倾斜表面)而被耦合到波导710中。入射显示光740可以通过例如全内反射而在波导710内传播。当入射显示光740到达光栅耦合器720时，入射显示光740可以被光栅耦合器720衍射成例如0级衍射(即反射)光742和-1级衍射光744。0级衍射可以继续在波导710内传播，并且可以在不同位置处被波导710的底表面朝向光栅耦合器720反射。-1级衍射光744可以朝向用户的眼睛而被耦合(例如，折射)出波导710，因为在波导710的底表面处由于-1级衍射角744而可能不满足全内反射条件级衍射光。
77.外部光730也可以被光栅耦合器720衍射成例如0级衍射光732或-1级衍射光734。0级衍射光732或-1级衍射光734可以朝向用户的眼睛而被折射出波导710。因此，光栅耦合器720可以充当用于将外部光730耦合到波导710中的输入耦合器，并且还可以充当用于将入
射显示光740耦合出波导710的输出耦合器。因此，光栅耦合器720可以充当组合器，其用于组合外部光730和入射显示光740并将组合光发送到用户的眼睛。
78.为了在朝向用的户眼睛的期望方向上衍射光，并针对某些衍射级实现期望的衍射效率，光栅耦合器720可以包括闪耀或倾斜光栅，诸如倾斜布拉格光栅或表面起伏光栅，其中光栅脊和槽可以相对于与光栅耦合器720或波导710垂直的表面而倾斜。
79.如上所述，光栅耦合器不仅可以衍射显示光，还可以衍射外部光。此外，由于光栅的色散，对于大于或小于零的衍射级，不同颜色的光可能以不同的角度被衍射。如此，可能到达用户眼睛的不同颜色的外部光(例如，衍射光734)的-1级衍射可能显现为位于不同位置(或方向)的伪影图像，这可以被称为彩虹伪像或彩虹伪影。彩虹伪影可能显现在所显示的图像或环境的图像之上，并破坏所显示的图像或环境的图像。彩虹伪影可能会显著影响用户体验。在一些情况下，当来自外部光源(例如太阳)的光以高效率被引导到用户的眼睛时，彩虹伪影也可能对用户的眼睛造成危害。
80.可以使用本文所公开的某些技术来减少由波导显示器的光栅耦合器对外部光的衍射引起的彩虹伪影。例如，在一些实施例中，包括多个倾斜脊的倾斜光栅可以被用作光栅耦合器，其中倾斜脊的高度可以接近于倾斜光栅的周期的整数倍除以倾斜脊的倾斜角度的正切。在一个示例中，倾斜光栅的倾斜脊的高度和倾斜角可以被设计为使得光栅的高度等于或接近于倾斜光栅的周期除以倾斜脊的倾斜角度的正切。换言之，倾斜光栅的第一脊上的左(或右)上点可以与倾斜光栅的第二脊的左(或右)下点垂直对准。因此，倾斜光栅可以包括两个重叠的倾斜光栅，两个倾斜光栅之间的偏移大约为光栅周期的一半。结果，被两个偏移倾斜光栅衍射的外部光(例如，-1级衍射)可能异相大约180
°
，并且因此可能彼此破坏性地干涉，使得大部分外部光可能作为0级衍射进入波导，它可能与波长无关。光栅耦合器对外部光的-1级透射衍射效率可以远低于光栅耦合器对显示光的-1级反射衍射效率。例如，显示光的-1级衍射的效率可以大于大约5％、大约20％、大约30％、大约50％、大约75％、大约90％或更高，而外部光的-1级衍射可以小于大约2％、小于大约1％、小于大约0.5％或更低。以这种方式，可以减少或消除由光栅耦合器对外部光的-1级衍射所造成的彩虹伪影。
81.图8图示了根据某些实施例的波导显示器800的示例中的倾斜光栅耦合器820的示例。波导显示器800可以包括位于诸如衬底620之类的波导810上的光栅耦合器820。光栅耦合器820可以充当用于将光耦合入或耦合出波导810的光栅耦合器。在一些实施例中，光栅耦合器820可以包括具有周期p的周期性结构。例如，光栅耦合器820可以包括多个脊826和位于脊826之间的槽828。光栅耦合器820的每个周期可以包括脊826和槽828，它们可以是填充有具有折射率n
g2
的材料的气隙或区域。脊826的宽度与光栅周期p之间的比率可以被称为占空比。光栅耦合器820可以具有例如从大约10％到大约90％或更大范围内的占空比。在一些实施例中，占空比可以从周期到周期变化。在一些实施例中，倾斜光栅的周期p可以在光栅耦合器820上从一个区域到另一个区域变化，或者可以在光栅耦合器820上从一个周期到另一个周期变化(即啁啾)。
82.脊826可以由折射率为n
gl
的材料制成，诸如含硅材料(例如，sio2、si3n4、sic、sio
x
ny或非晶硅)、有机材料(例如，旋涂碳(soc)或无定形碳层(acl)或类金刚石碳(dlc))或无机金属氧化物层(例如，tio
x
、alo
x
、tao
x
、hfo
x
等)或其他多元素化合物(例如，znse、ingaas、gap等等)。每个脊826可以包括具有倾斜角α的前缘834和具有倾斜角β的后缘836。
在一些实施例中，每个脊826的前缘834和后缘836可以彼此平行。换言之，倾斜角α约等于倾斜角β。在一些实施例中，倾斜角α可以不同于倾斜角β。在一些实施例中，倾斜角α可以约等于倾斜角β。例如，倾斜角α和倾斜角β之间的差可以小于20％、10％、5％、1％或更小。在一些实施例中，倾斜角α和倾斜角β的范围可以从例如大约30
°
或更小到大约70％或更大。
83.在一些实现中，脊部826之间的槽828可以覆盖或填充有折射率n
g2
高于或低于脊部826的材料的折射率的材料。例如，在一些实施例中，诸如氧化铪、二氧化钛、氧化钽、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅和高折射率聚合物之类的高折射率材料可以被用来填充槽828。在一些实施例中，诸如氧化硅、氧化铝、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)之类的低折射率材料可以被用来填充槽828。结果，脊的折射率和槽的折射率之间的差异可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。
84.在一些实现中，第一倾斜区域和第二倾斜区域中的一个可以是具有大约1.0的折射率的气隙。第一倾斜区域和第二倾斜区域可以具有相对于z(垂直)方向的倾斜角α。第一倾斜区域和第二倾斜区域的高度(h)可以等于或接近于(例如，在大约5％或10％的范围内)光栅周期p的整数倍(m)除以倾斜角的正切α，即，
[0085][0086]
在图8中所示的示例中，m等于1。因此，光栅周期中的第一倾斜区域的左上点可以与不同光栅周期中的另一个第一倾斜区域的左下点垂直对准。因此光栅耦合器820可以包括各自具有具有h/2的高度的第一(上部)倾斜光栅822和第二(下部)倾斜光栅824。第一倾斜光栅822和第二倾斜光栅824可以在x方向上彼此偏移p/2。在其他实施例中，m可以等于或大于2。例如，光栅耦合器820可以包括四个重叠的倾斜光栅，每个都具有h/4的高度并且在x方向上彼此偏移半个光栅周期(p/2)。
[0087]
入射在光栅耦合器820上的外部光(例如，平面波)可以包括可以具有相同相位的第一部分(外部光830)和第二部分(外部光840)。外部光830可以被折射到光栅耦合器820中，并且被第一倾斜光栅822衍射成-1级衍射光832，并且外部光840可以被折射到光栅耦合器820中，并且被第二倾斜光栅824衍射成-1级衍射光842。点a和点b可能同相。因此，衍射光832和衍射光842之间的相位差可以近似为：
[0088][0089]
其中opl
ac
是a点和c点之间的光路径长度(物理长度乘以折射率)，opl
bc
是b点和c点之间的光路径长度，λ0是外部光在自由空间中的波长，并且δ是由第一倾斜光栅822的衍射和第二倾斜光栅824的衍射所引起的相位差。opl
ac
和opl
bc
之间的差异可能很小，并且因此衍射光832和衍射光842之间的相位差可能接近δ。
[0090]
由光栅所衍射的光的电场可以使用傅里叶光学根据下式确定，
[0091]
或
[0092]
o(f)＝g(f)
×
i(f),
[0093]
其中i(f)、g(f)和o(f)分别是输入场i(x)、光栅函数g(x)和输出场o(x)的傅里叶变换，并且是卷积算子。第一倾斜光栅822的光栅函数g(x)的傅里叶变换可以是：
[0094]
f(g(x))＝g(f)。
[0095]
第二倾斜光栅824的光栅函数的傅里叶变换可以是：
[0096]
f(g(x-a))＝e-i2πfa
g(f)，
[0097]
其中a是第二倾斜光栅824相对于第一倾斜光栅822在x方向上的偏移。因为光栅的空间频率f等于1/p，所以当a等于p/2时，e-i2πfa
变为e-iπ
。如此，由第一倾斜光栅822所衍射的光的电场和由第二倾斜光栅824所衍射的光的电场可以异相大约180
°
(或π)。因此，δ可能等于约π。由于opl
ac
与opl
bc
之间的光路径差相当小，所以可能接近π，并且因此可能会导致衍射光832和衍射光842之间的至少部分相消干涉。
[0098]
为了进一步减少光栅耦合器820对外部光的总体-1级衍射，希望衍射光832和衍射光842之间的相位差大约为180
°
(或π)，以使得衍射光832和衍射光842可以相消干涉以彼此抵消。在一些实施例中，可以调整光栅耦合器820的高度、周期和/或倾斜角，以使得δ可以不同于π，但是可以大约等于π，以引起衍射光832和衍射光842之间的相消干涉。
[0099]
除了对称的倾斜形状和高深度之外，还可能希望倾斜表面起伏光栅具有高折射率调制，以使得单个波导上的单个表面起伏光栅可以以高效率覆盖三个波导显示器的原色和全视场。单板结构还可以减轻波导显示系统的重量、提高透视质量、并减少光学伪像。用于蚀刻倾斜表面起伏光栅的具有超高折射率的衬底材料可以包括例如tio
x
、linbo3、hfo
x
。tisio
x
、alo
x
、tao
x
、sic、znse、ingaas、gap等。
[0100]
上述倾斜光栅可以使用许多不同的纳米制造技术来制造。纳米制造技术通常包括图案化工艺和后图案化(例如，过度涂覆(over-coating))工艺。图案化工艺可以被用来形成倾斜光栅的倾斜脊。可能有许多用于形成倾斜脊的不同纳米加工技术。例如，在一些实现中，可以使用包括倾斜蚀刻在内的光刻技术来制造倾斜光栅。在一些实现中，可以使用纳米压印光刻(nil)成型技术来制造倾斜光栅。后图案化工艺可以被用来利用具有与倾斜脊不同的折射率的材料覆盖涂覆倾斜脊和/或填充倾斜脊之间的间隙。后图案化工艺可以独立于图案化工艺。因此，可以在使用任何图案化技术制造的倾斜光栅上使用相同的后图案化工艺。
[0101]
以下描述的用于制造倾斜光栅的技术和工艺仅用于说明目的，并且不旨在进行限制。本领域技术人员将理解，可以对下述技术进行各种修改。例如，在一些实现中，可以省略下面描述的一些操作。在一些实现中，可以执行附加的操作来制造倾斜光栅。本文所公开的技术还可以被用来在各种材料上制造其他倾斜结构。
[0102]
图9a-图9c图示了根据某些实施例的用于通过倾斜蚀刻制造倾斜表面起伏光栅的示例简化工艺。图9a示出了在诸如光学刻蚀工艺之类的光刻工艺之后的结构900。结构900可以包括可以被用作上述波导显示器的波导的衬底910，该衬底910诸如是玻璃或石英衬底。结构900还可以包括一层光栅材料920，例如si3n4、sio2、tio
x
、linbo3、hfo
x
.tisio
x
、alo
x
、tao
x
、sic、znse、ingaas、gap或本文所述的任何其他光栅材料。衬底910可以具有折射率n
wg
，并且光栅材料层920可以具有折射率n
g1
。在一些实施例中，光栅材料层920可以是衬底910的一部分。具有期望图案的掩模层930可以被形成在光栅材料层920上。掩模层930可以包括例
如光刻胶材料、金属(例如铜、铬、钛、铝或钼)、金属间化合物(例如mosion)或聚合物。掩模层930可以通过例如光学投影或电子束光刻工艺、nil工艺或多束干涉工艺来形成。
[0103]
图9b示出了在诸如干法蚀刻工艺(例如，反应离子蚀刻(rie)、电感耦合等离子体(icp)、深硅蚀刻(dse)、离子束蚀刻(ibe)或ibe的变体)之类的倾斜蚀刻工艺之后的结构940。倾斜蚀刻工艺可以包括一个或多个子步骤。倾斜蚀刻可以通过例如旋转结构900并且基于期望的倾斜角通过蚀刻束蚀刻光栅材料层920来执行。在蚀刻之后，可以在光栅材料层920中形成倾斜光栅950。
[0104]
图9c示出了去除掩模层930之后的结构970。结构970可以包括衬底910、光栅材料层920和倾斜光栅950。倾斜光栅950可以包括多个脊952和槽954。可以使用诸如等离子或湿法蚀刻之类的技术以适当的化学反应剥离掩模层930。在一些实现中，掩模层930可以不被去除，并且可以被用作倾斜光栅的一部分。
[0105]
随后，在一些实现中，可以执行后图案化(例如，过度涂覆)工艺以用折射率高于或低于脊952的材料的材料对倾斜光栅950进行过度涂覆。例如，如上所述，在一些实施例中，诸如氧化铪、二氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅和高折射率聚合物之类的高折射率材料可以被用于过度涂覆。在一些实施例中，诸如氧化硅、氧化铝、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)之类的低折射率材料可以被用于过度涂覆。结果，脊的折射率和槽的折射率之间的差异可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。
[0106]
图10图示了用于制造倾斜表面起伏结构的示例离子束蚀刻(ibe)系统1000。离子束蚀刻是表面起伏光栅制造中的一种工艺促成因素。离子束蚀刻通常使用高度准直和高度定向的离子束从安装在具有可调节旋转角度的旋转台上的衬底上物理地研磨材料。
[0107]
ibe系统1000可以包括离子源发生器1010。离子源发生器1010可以包括惰性气体入口1020，其用于将惰性气体诸如氩气接收到离子源发生器1010的室中。等离子体可以在离子源发生器1010中经由rf电感耦合等离子体(icp)发生器1030而被生成，其中高能电子可以通过与中性物的碰撞而使所注入的惰性气体(例如ar)的中性物电离。通过碰撞电离可以在离子源发生器1010内生成高密度等离子体1022。高密度等离子体1022可以被认为是具有处于电荷平衡的负电子和正离子1024的中性物的海洋。
[0108]
ibe系统1000还可以包括一个或多个对准的准直器栅格，其用于从形成在离子源发生器1010内的高密度等离子体1022中提取准直的离子束1062。可以以各种方式来实现对准的准直器栅格。例如，如图10中所示，对准的准直器栅格可以包括可以接触高密度等离子体1022并控制其电势的提取栅格1040，以及可以由可调节负高压电源驱动以加速所提取的离子的加速栅格1050。束中和器1060可以被设置在对准的准直器栅格附近，并且可以将电子束发射到准直离子束1062中以实现与准直离子束1062相关联的净中性电荷通量，以便防止正电荷在要被蚀刻的结构上的积聚。
[0109]
高度定向的准直离子束1062可以物理地研磨来自要被蚀刻的材料层1080的材料，诸如例如半导体晶片、玻璃衬底、si3n4材料层、氧化钛层、氧化铝层等。材料层1080可以被掩模1082部分覆盖，掩模1082可以通过例如光刻工艺而被形成在材料层1080上。掩模1082可以包括例如光刻胶材料、金属(例如铜、铬、铝或钼)、金属间化合物(例如mosi2)或聚合物。在一些实施例中，光闸1090(或叶片)可以被用来控制蚀刻时间和/或蚀刻区域。材料层1080可以被安装在旋转台1070上，旋转台1070可以被旋转以改变材料层1080相对于高度定向的
准直离子束1062的角度。改变材料层1080的角度的能力可以允许产生在掩模1082上具有最小溅射再沉积的定制侧壁轮廓。由于ibe机制是纯物理的，因此蚀刻速率可能不如期望的快。此外，高能离子可能对材料层造成化学计量损伤并引入缺陷，并且因此可能导致所蚀刻的倾斜结构的性能下降。
[0110]
图11图示了用于制造倾斜表面起伏结构的示例化学辅助离子束蚀刻(caibe)系统1100。在化学辅助离子束蚀刻中，可以独立于离子束而将诸如反应气体(例如cf4、chf3、n2、o2、sf6、cl2、bcl3、hbr等)之类的反应物质引入到工艺中。因此，要被蚀刻的材料层可以被物理蚀刻和化学蚀刻。
[0111]
如ibe系统1000，caibe系统1100可以包括离子源发生器1110。离子源发生器1110可以类似于上面关于图10描述的离子源发生器1010。离子源发生器1110可以包括惰性气体入口1120，其用于将惰性气体诸如氩气接收到离子源发生器1110的腔室中。可以经由rf电感耦合等离子体(icp)发生器1130而在离子源发生器1110中生成等离子体。可以通过碰撞电离而在离子源发生器1110内生成高密度等离子体1122。一个或多个对准的准直器栅格可以被用来从高密度等离子体1122中提取准直离子束1162。例如，如图11中所示，对准的准直器栅格可以包括能够接触高密度等离子体1122并控制其电势的提取栅格1140，以及可以由可调节负高压电源驱动以加速所提取的离子的加速栅格1150。束中和器1160可以被设置在对准的准直器栅格附近，并且可以将电子束发射到准直离子束1162中以实现与准直离子束1162相关联的净中性电荷通量，以便防止正电荷在要被蚀刻的结构上的积聚。
[0112]
此外，可以使用气环1164将反应气体1166(例如，cf4、chf3、n2、o2、sf6、cl2、bcl3、hbr等)注入到要被蚀刻的材料层1180上。一般来说，反应气体1166可以在靠近于材料层1180的位置处被注入。反应气体和准直离子束1162可以到达材料层1180未被掩模1182覆盖的区域，并且物理(如在ibe中)和化学两者地蚀刻未被覆盖的区域。例如，玻璃衬底可以根据下式通过反应气体cf4进行化学蚀刻：
[0113]
sio2 cf4→
sif4 co2。
[0114]
sif4和co2是容易被去除的挥发性材料。如ibe系统1000，caibe系统1100可以包括用于控制蚀刻时间和/或蚀刻区域的光闸1190(或叶片)。材料层1180可以被安装在旋转台1170上，旋转台1170可以被旋转以改变材料层1180相对于高度定向的准直离子束1162的角度。对于某些材料，caibe系统可以提供对ibe系统上的蚀刻各向异性、溅射再沉积和蚀刻速率的附加控制。
[0115]
图12图示了用于制造倾斜表面起伏结构的示例反应离子束蚀刻(ribe)系统1200。反应离子束蚀刻系统1200可以类似于ibe系统1000，反应气体(例如cf4、chf3、n2、o2、sf6、cl2、bcl3、hbr等)也可以被注入到离子源发生器中以形成可以物理和化学两者地蚀刻要被蚀刻的材料层的反应离子束。
[0116]
ribe系统1200可以类似于ibe系统1000，并且可以包括用于生成高密度等离子体1222的离子源发生器1210。离子源发生器1210可以包括气体入口1220，其用于接收反应气体(例如cf4、chf3、n2、o2、sf6、cl2、bcl3、hbr等)，并且在一些情况下接收惰性气体(例如，氩气、氦气或氖气)至离子源发生器1210的腔室中。可以经由rf电感耦合等离子体(icp)发生器1230通过在离子源发生器1210中的碰撞电离来生成高密度等离子体1222。一个或多个对准的准直器栅格可以被用来从高密度等离子体1222中提取准直反应离子束1262。例如，如
图12中所示，对准的准直器栅格可以包括能够接触高密度等离子体1222并控制其电势的提取栅格1240，以及可以由可调节负高压电源驱动以加速所提取的反应离子的加速栅格1250。束中和器1260可以被设置在经对准的准直器栅格附近，并且可以将电子束发射到准直反应离子束1262中以实现与准直反应离子束1262相关联的净中性电荷通量，以便防止正电荷在要被蚀刻的结构上的积聚。
[0117]
准直反应离子束1262可以到达材料层1280的未被掩模1282覆盖的区域，并且物理地和化学地蚀刻未被覆盖的区域。如ibe系统1000和caibe系统1100，ribe系统1200还可以包括用于控制蚀刻时间和/或蚀刻区域的光闸1290(或叶片)。材料层1280可以被安装在旋转台1270上，旋转台1270可以被旋转以修改材料层1280相对于高度定向的准直反应离子束1262的角度。对于某些材料，ribe系统可以提供对ibe系统上的蚀刻各向异性、溅射再沉积和蚀刻速率的附加控制。
[0118]
对于许多材料(例如，氮化硅、有机材料或无机金属氧化物)和/或某些所期望的倾斜特征(例如，具有基本相等的前缘和后缘的光栅脊)，这些已知的蚀刻工艺，诸如ibe工艺、ribe工艺和caibe工艺可能无法被用来可靠地制造倾斜结构。一个原因是这些工艺可能无法提供用于在所期望的材料上蚀刻所期望的倾斜结构的反应物和/或工艺参数的适当组合。根据某些实施例，化学辅助反应离子束蚀刻(caribe)工艺可以被用来在各种材料上制造倾斜表面起伏结构。本文所公开的caribe工艺可以通过在离子源和气环中提供适当的化学成分来提供对自由基和离子的更有效控制，并且因此可以改善对需要更高量化学成分进行蚀刻的材料的轮廓和掩模选择性，并且还可以有助于增加蚀刻停止裕度。使用caribe工艺，可以在各种材料上更准确地制造倾斜结构的特征，包括可能需要更多化学成分的材料。在一些实施例中，本文描述的工艺可以被用来在对象上制造控制光的行为的光栅，因为光由于与光栅的相互作用和/或与光栅相互作用的光之间的干涉而发生反射、折射和/或衍射。在一些实施例中，光栅可以是倾斜的，并且对象可以是光学元件，诸如用于波导显示器的波导。
[0119]
图13图示了根据某些实施例的用于制造倾斜表面起伏结构的示例化学辅助反应离子束蚀刻(caribe)系统1300。caribe系统1300可以包括反应离子源发生器1310。反应离子源发生器1310可以包括气体入口1320，其用于接收反应气体(例如cf4、chf3、n2、o2、sf6、cl2、bcl3、hbr等)并且在一些情况下接收惰性气体(例如，氩气)进入到反应离子源发生器1310的腔室中。可以经由rf电感耦合等离子体(icp)发生器1330通过在反应离子源发生器1310中的碰撞电离来生成高密度等离子体1322。一个或多个经对准的准直器栅格可以被用来从高密度等离子体1322中提取准直反应离子束1362。例如，如图13中所示，经对准的准直器栅格可以包括可以接触高密度等离子体1322并控制其电势的提取栅格1340，以及可以由可调节负高压电源驱动以加速所提取的反应离子的加速栅格1350。束中和器1360可以被设置在经对准的准直器栅格附近，并且可以将电子束发射到准直反应离子束1362中以实现与准直反应离子束1362相关联的净中性电荷通量，以便防止正电荷在要被蚀刻的结构上的积聚。
[0120]
此外，caribe系统1300可以包括气环1364，其用于在靠近材料层的位置处将反应气体1366(例如，cf4、chf3、n2、o2、sf6、cl2、bcl3、hbr等)注入到要被蚀刻的材料层上。准直反应离子束1362(或中和之后的中性物1368)和反应气体1366可以到达材料层1380的未被掩
模1382覆盖的区域，并且由于物理研磨和化学反应，可以物理地和化学地蚀刻未被覆盖的区域。例如，si3n4层可以根据下式通过反应气体cf4进行化学蚀刻：
[0121]
si3n4 4cf3 f
→
nf3 fcnz 3sif4，
[0122]
其中nf3、fcnz和sif4可以是挥发性材料，并且可以相对容易地被去除以在si3n4层中形成倾斜结构。在caribe工艺中到达材料层1380的束中的中性物与离子的比率可能高于ribe或caibe工艺中的比率。
[0123]
caribe系统1300可以包括用于控制蚀刻时间和/或蚀刻区域的光闸1390(或叶片)。材料层1380可以被安装在旋转台1370上，旋转台1370可以被旋转以改变材料层1380相对于高度定向的准直反应离子束1362的角度。结果，可以在材料层1380中形成包括多个槽1384和多个脊1386的倾斜结构。与ibe、ribe或caibe工艺相比，可以更精确地控制脊1386的宽度和倾斜角。
[0124]
一般来说，在半导体蚀刻中使用的离子源发生器(诸如电感耦合等离子体(icp)室)可以包括由石英制成的内部腔室层。当在离子源发生器中添加某些气体(诸如氢气)气时，腔室中生成的某些离子(诸如氢离子)可能会进入石英层和/或与石英层反应，并改变石英层的物理和/或化学性质，这可能会导致石英层的损坏。根据某些实施例，离子源发生器中的石英层可以用氧化物材料取代，诸如氧化铝(al2o3)或y2o3，以便在选择蚀刻工艺中使用，诸如本文所描述的氢基或氢辅助离子束蚀刻。
[0125]
图14图示了根据某些实施例的用于制造倾斜表面起伏结构的化学辅助反应离子束蚀刻(caribe)系统1400的另一个示例。caribe系统1400可以包括离子源发生器1410，诸如反应离子源发生器，其可以类似于离子源发生器1010、1110、1210或1310。离子源发生器1410可以包括惰性气体入口1420，用于将诸如h2、n2、nf3、nh3、ch4、chf3、cf4、ch2f2、ch3f、c4f8、c4f6、c2f6、c2f8、sf6、clf3、n2o、o2、so2、cos、he、cl2、hbr、bcl3等等之类的气体接收到离子源发生器1410的腔室中。可以经由rf电感耦合等离子体(icp)发生器1430在离子源发生器1410中生成等离子体，其中高能电子可以通过与中性物碰撞来电离所注入的惰性气体中的中性物(例如，含氢或基于氢的气体物质，或含氮或基于氮的气体物质)。通过碰撞电离可以在离子源发生器1410内生成高密度等离子体1422。高密度等离子体1422可以包括处于电荷平衡状态的负电子和正离子1424。
[0126]
离子源发生器1410的内部腔室的表面层1412可以包括一层氧化物材料，诸如氧化铝(al2o3)或氧化钇(y2o3)，以使得腔室中生成的氢离子可能不进入表面层1412或者可能不与表面层1412反应，并且可能不改变表面层1412的物理和/或化学性质。因此，表面层1412可能不会被腔室内部所生成的离子损坏。
[0127]
caribe系统1400还可以包括一个或多个经对准的准直器栅格，用于从离子源发生器1410内形成的高密度等离子体1422中提取准直的反应离子束1462。可以以各种方式实现经对准的准直器栅格。例如，如图14中所示，经对准的准直器栅格可以包括可以控制高密度等离子体1422的电势的提取栅格1440，以及可以由可调节(负或正)高压电源驱动以加速所提取的离子的加速栅格1450。光束中和器1460可以可选地被定位在经对准的准直器栅格附近。束中和器1460可以将电子束发射到准直反应离子束1462中以实现与准直反应离子束1462相关联的净中性电荷通量，以便防止正电荷在要被蚀刻的结构上的积聚。
[0128]
caribe系统1400还可包括气环1464，用于将反应气体1466(例如，cf4、nf3、sf6、
chf3、n2、o2、cl2、hbr、bcl3等)注入到材料层上，以在靠近材料层的位置处进行蚀刻。准直反应离子束1462(和/或中和之后的中性物1468)和反应气体1466可以到达材料层1480的未被掩模1482覆盖的区域，并且由于物理研磨和化学反应而可以物理地和化学地蚀刻未被覆盖的区域。在caribe工艺中到达材料层1480的束中的中性物与离子的比率可以高于ribe或caibe工艺中的比率。
[0129]
caribe系统1400可以包括用于控制蚀刻时间和/或蚀刻区域的光闸1490(或叶片)。材料层1480可以被安装在旋转台1470上，旋转台1470可以被旋转以改变材料层1480相对于高度定向的准直反应离子束1462的角度。结果，可以在材料层1480中形成包括多个槽1484和多个脊1486的倾斜结构。与ibe、ribe或caibe工艺相比，可以更精确地控制脊1486的宽度和倾斜角。
[0130]
图15a图示了根据某些实施例的在低折射率衬底1510上的倾斜光栅1512的示例。低折射率衬底1510可以是石英衬底，其例如可以具有大约1.46至大约1.5的折射率。因此，形成在低折射率衬底1510上的倾斜光栅1512可以具有低折射率。在一些实施例中，为了实现更好的性能(例如，高效率)，可能需要具有高折射率的光栅，从而可以在光栅脊和光栅槽之间实现高折射率对比度。
[0131]
图15b图示了根据某些特定实施例的在低折射率衬底1520上的高折射率材料或超高折射率材料(或简单地，超高折射率材料)中制造的倾斜光栅1522的示例。低折射率衬底1520可以包括石英衬底，其例如可以具有大约1.46至大约1.5的折射率。可以在低折射率衬底1520上形成(例如，沉积)高折射率材料或超高折射率材料层。可以在高折射率材料或超高折射率材料层中蚀刻倾斜光栅1522。高折射率材料可以包括例如sion(其可以具有大约1.7的折射率)或si3n4(其可以具有大约2.1的折射率)。超高折射率材料可以包括例如tio
x
、linbo3、hfo
x
.tisio
x
、sic、znse、ingaas、gap等，其可以具有2.3或更大(例如，2.3、2.4、2.5、2.6或更大)的折射率。如此，可以在光栅脊和光栅槽之间实现相对高的折射率对比。
[0132]
图15c图示了根据某些实施例的在高折射率衬底1530上的倾斜光栅1532的示例。倾斜光栅1532和衬底1530可以是相同的材料，诸如sion、si3n4、tio
x
、linbo3、hfo
x
.tisio
x
、sic、znse、ingaas、gap等，并且可以具有相同的高折射率。如此，可以在光栅脊和光栅槽之间实现相对高的折射率对比。
[0133]
如上所述，使用在具有高或超高折射率的材料(例如，tio
x
、linbo3、hfo
x
.tisio
x
、sic、znse、ingaas、gap等)中蚀刻的光栅，可以获得可以高效率地从全视场衍射三基色光的单个表面起伏光栅。然而，在超高折射率材料上更有效、更准确地制造具有大深度、大倾斜角和/或在光栅脊的前缘和后缘之间具有高对称性的表面起伏光栅具有挑战性。例如，使用一些现有技术，蚀刻速率可能较低，可能无法实现大的倾斜角(例如，》45
°
)或光栅深度(例如，》100nm)，光栅脊的前缘的倾斜角和后缘的倾斜角可能非常不同，光栅脊的前缘长度和后缘长度可能非常不同，并且蚀刻率可能很低。
[0134]
图16a图示了使用现有工艺制造的倾斜光栅1600的示例。可以在诸如tio
x
材料层之类的超高折射率材料层1602上制造倾斜光栅1600。超高折射率材料层1602的折射率可以大于或大约为2.3。如上所述，在根据某些实施例的许多应用中，为了实现某些期望的性能，常常希望倾斜光栅的脊的前缘和后缘基本上彼此平行，和/或脊的前缘和后缘具有相似的长度。然而，如图16a中所示，倾斜光栅1600的脊1610的前缘1612的倾斜角可以与倾斜光栅
1600的脊1610的后缘1614的倾斜角非常不同。此外，倾斜光栅1600的脊1610的前缘1612的长度可以与倾斜光栅1600的脊1610的后缘1614的长度非常不同。倾斜光栅1600的深度也可以非常小。
[0135]
图16b图示了使用现有工艺制造的倾斜光栅1650的另一个示例。可以在诸如sic材料层之类的超高折射率材料层1652上制造倾斜光栅1650。超高折射率材料层1602的折射率可以大于或大约为2.3。类似于倾斜光栅1600，倾斜光栅1650的脊1660的前缘1662的倾斜角可以与倾斜光栅1650的脊1660的后缘1614的倾斜角非常不同，如图16b中所示。此外，倾斜光栅1600的脊1610的前缘1662的长度可以与倾斜光栅1600的脊1610的后缘1664的长度非常不同。倾斜光栅1650可以很浅。
[0136]
倾斜光栅1600和倾斜光栅1650的小深度以及倾斜光栅1600和倾斜光栅1650中所示的前缘和后缘的倾斜角与长度之间的大的差异可能是由通过现有工艺的蚀刻化学反应对超高折射率材料的低蚀刻速率和/或在蚀刻工艺中生成的某些蚀刻材料(例如碳或其他残留物)的积累所引起的。因此，使用现有工艺在超高折射率材料中制造的倾斜光栅可能不具有所期望的特征，并且因此可能无法实现某些应用所期望的性能。
[0137]
根据一些实施例，可以实现caribe工艺以更有效和/或更准确地制造倾斜光栅。在一些实施例中，可以使用离子源发生器来产生包含氢离子和氮离子的离子束。不旨在受任何特定理论的束缚，离子束中的氢和氮离子可以掺杂和破坏要被蚀刻的超高折射率材料(例如，tio
x
、linbo3、hfo
x
.tisio
x
、sic、znse、ingaas、gap等)，从而促进超高折射率材料的蚀刻和去除。例如，氮离子或原子，由于它们相对较重的质量和因此高的动能，可能会破坏一些键(否则这些键可能不会被较轻的离子(例如，氢离子)破坏)，从而可以更容易地蚀刻材料。此外，氮可能不与si、ti、hf等反应形成非挥发性氧化物。
[0138]
氢离子或原子，由于它们的小尺寸，可以更深地渗透到超高折射率材料层中，以破坏超高折射率材料层中的晶体结构和/或化学键。氮对一些键的破坏可以促进氢渗透到超高折射率材料层中。尽管氮可能不会与si、ti、hf等形成挥发性化合物，但是氢和/或氮掺杂的超高指数材料可能会与诸如氟基反应气体、氯基反应气体气或溴基反应气体之类的反应气体发生反应，以形成容易被去除的挥发性材料。可以将氟基、氯基或溴基反应气体添加到离子源发生器和/或可以经由气环而被施加在要被蚀刻的超高折射率材料上，以与氢和/或氮掺杂的超高折射率材料反应，从而形成挥发性材料。以这种方式，对称和/或深度倾斜光栅可以被更有效地蚀刻在具有诸如大于大约2.3(例如，2.3、2.4、2.5、2.6或更大)的超高折射率的材料中。此外，衬底的温度可以被用作进一步控制蚀刻工艺的旋钮。
[0139]
根据一些实施例，可以通过将h2、n2、nf3、nh3、ch4、chf3、hbr等中的一种或多种添加到离子源发生器中来生成氢和氮离子。氟基反应气体可以包括cf4、nf3、sf6等中的一种或多种。氯基反应气体可以包括cl2、bcl3等中的一种或多种。溴基反应气体可以包括hbr等中的一种或多种。包括氢和氮的反应离子束以及反应气体可以到达未被蚀刻掩模(例如，掩模1482)覆盖的超高折射率材料层的区域，并且可以由于物理研磨和/或化学反应而对未被覆盖的区域进行物理和化学蚀刻。例如，sic材料层的未被覆盖的区域可以通过离子注入和表面反应而被转化为si
whxnycz
f、si
whxnycz
cl或si
whxnycz
br，其可以与氟基反应气体反应以形成挥发性材料，诸如如ch4、cn、cf4、ccl4、cbr4中的一种或多种、sif4等。作为另一个示例，tio
x
层(例如，tio2层)的未被覆盖的区域可以通过离子注入和表面反应而被转化为
ti
whx
nzf、ti
whx
nzcl或ti
whx
nzbr，其可以与氟基反应气体反应以形成挥发性材料，诸如如o2、co2和h2o中的一种或多种、tif4等。挥发性材料可以相对容易地从蚀刻区域中被去除，并且因此不会在蚀刻区域中形成可能阻挡或阻碍下面的材料的进一步蚀刻的残留物。
[0140]
图17a图示了根据某些实施例的使用利用含有氢和氮离子的离子束的caribe工艺制造的倾斜光栅1700的示例。可以使用本文所述的任何适当的掩模而在tio
x
层中制造倾斜光栅1700。如图17a中所示，倾斜光栅1700的脊1710的前缘1712的倾斜角可以类似于倾斜光栅1700的脊1710的后缘1714的倾斜角。在图17a中所示的示例中，前缘1712和/或后缘1714的倾斜角可以是大约45度。前缘1712的倾斜角和后缘1714的倾斜角之间的差异可以小于10度、小于5度、小于4度、小于3度、小于2度、小于1度或更少。也如图17a中所示，前缘1712的长度和后缘1714的长度之间的差异明显小于图16b中所示的前缘1612的长度和后缘1614的长度之间的差异。在倾斜光栅1700中还比在倾斜光栅1600中实现了更大的深度。
[0141]
图17b图示了根据某些实施例的使用利用含有氢和氮离子的离子束的caribe工艺制造的倾斜光栅1750的另一个示例。可以使用本文所述的适当掩模在sic层上制造倾斜光栅1750。如图17b中所示，倾斜光栅1750的脊1760的前缘1762的倾斜角可以类似于倾斜光栅1750的脊1760的后缘1764的倾斜角。前缘1762的倾斜角和后缘1764的倾斜角之间的差异可以小于10度、小于5度、小于4度、小于3度、小于2度、小于1度或更少。也如图17b中所示，前缘1762的长度和后缘1764的长度之间的差异明显小于图16b中所示的前缘1662的长度和后缘1664的长度之间的差异。倾斜光栅1750中的光栅槽的深度可以远大于倾斜光栅1650中的深度。在图17b所示的示例中，脊1760的宽度可以是大约200nm，并且倾斜光栅1750的占空比可以大于大约60％。与倾斜光栅1650相比，光栅槽的底部也可以相对平坦。脊1760的深度可以大约为130nm，并且脊1760上的掩模层1766可以具有27nm的厚度。因此，可以使用本文公开的工艺来制造前缘基本平行于后缘的窄而深的倾斜槽。
[0142]
图17a和图17b示出了本文所公开的诸如同时氢和氮掺杂之类的caribe技术，其可以被用来在折射率大约为2.3或更大的超高折射率材料中制造具有对称轮廓和目标深度的倾斜结构。本文所公开的caribe技术可以被用来可靠地制造前缘和后缘彼此平行或基本上平行的倾斜结构(例如，倾斜角差小于大约1、2、3、5或10度)。蚀刻倾斜光栅的对称轮廓、高深度和大折射率调制可以导致波导显示器的输入或输出耦合器的性能提高。此外，本文所公开的caribe技术可以被用来更有效和更准确地制造深而窄的表面起伏结构，同时维持前缘和后缘之间的平行关系。
[0143]
图18是图示了根据某些实施例的制造倾斜表面起伏结构的方法的示例的简化流程图1800。倾斜表面起伏结构可以用具有大约为2.3或更大的折射率的超高折射率材料(例如，tio
x
、linbo3、hfo
x
.tisio
x
、sic、znse、ingaas、gap等)来制造。流程图1800中描述的操作仅用于说明目的并且不旨在进行限制。在各种实现中，可以对流程图1800进行修改以添加附加的操作或省略一些操作。可以使用例如上述的caribe系统1400来执行流程图1800中描述的操作。
[0144]
在框1810处，可以将第一反应气体注入到离子源发生器的腔室中，诸如图14中所示的离子源发生器1410。第一反应气体可以包括例如h2、n2、nf3、nh3、ch4、chf3、cl2、bcl3、hbr等中的一种或多种，以使得氢离子和氮离子可以通过离子源发生器来生成。在一些实施例中，为了最小化或消除在所制造的光栅中的碳沉积，第一反应气体可以不包括碳。例如，第
一反应气体可以包括h2、n2、nf3、nh3等中的一种或多种。
[0145]
在一些实施例中，第一反应气体可以是可以包括氢气和氮气两者的单一气体。在一些实施例中，第一反应气体可以包括多种(例如，两种或更多种)气体物质，其中一种或多种气体物质至少包括氢气，并且一种或多种气体物质至少包括氮气。可以同时或相继将多种气体物质注入到离子源发生器的腔室中。例如，在一些实施例中，第一反应气体可以包括氢基反应气体和氮基反应气体。在一些实施例中，可以首先将氢基反应气体注入到离子源发生器的腔室中，然后可以将氮基反应气体注入到离子源发生器的腔室中，反之亦然。在一些实施例中，氢基反应气体和氮基反应气体可以同时被注入到离子源发生器的腔室中，这可以提高生产量。在一些实施例中，惰性气体，诸如氩气、氦气或氖气，也可以被注入到反应离子源发生器中。
[0146]
在框1820处，离子源发生器可以在离子源发生器的腔室中生成高密度等离子体。例如，时变电流(例如，rf电流信号)可以穿过线圈，该线圈可以在其周围产生时变磁场。时变磁场继而又可以在离子源发生器的腔室中感应出电场，并导致电子的放电。被放电的电子可以撞击离子源发生器的腔室中的气体以生成反应离子(例如，氢离子和氮离子)。因此，离子源发生器的腔室可以包括中性物、离子和电子。
[0147]
在框1830处，可以从高密度等离子体中提取包括氢离子和氮离子的反应离子，并且可以对其进行加速以形成朝向要被蚀刻的材料层的准直反应离子束。如上所述，例如，一个或多个经对准的准直器栅格可以被用来提取和加速反应离子以形成高度定向的高能量的准直反应离子束。在一些实施例中，一个或多个经对准的准直器栅格可以包括能够与高密度等离子体接触，并控制其电势的提取栅格，以及可以由可调节负高压电源驱动以加速离子的加速栅格。
[0148]
可选地，在框1840处，由经对准的准直器栅格从离子源发生器所提取的准直反应离子束可以被电子束中和以形成准直射束，该准直射束可以包括近似处于电荷平衡中的中性物和/或离子和电子。因此，准直光束可以是电子中性的，从而防止正电荷在要被蚀刻的材料层上的积聚。
[0149]
在框1850处，可以将第二反应气体注入到要被蚀刻的材料层上。第二反应气体可以包括氟基反应气体或氯基反应气体。氟基反应气体可以包括例如cf4、nf3、sf6等。氯基反应气体可以包括例如cl2或bcl3等。溴基反应气体可以包括例如hbr等。可以在靠近要被蚀刻的材料层的位置处注入第二反应气体。例如，可以使用如上所述的气环将第二反应气体注入到材料层上。在一些实施例中，可以将第二反应气体与第一反应气体一起添加到离子源发生器中。
[0150]
在框1860处，如上所述，准直光束和第二反应气体可以对材料层进行物理研磨和化学蚀刻两者。如上面所提及，要被蚀刻的材料层可以包括具有超高折射率(例如大于或约为2.3)的材料层，诸如tio
x
、linbo3、hfo
x
.tisio
x
、sic、znse、ingaas、gap等。还如上所述，要被蚀刻的材料层可以被安装在旋转台上，该旋转台可以基于要被蚀刻的倾斜结构而在材料层上的期望倾斜角而被扭转，并且可以相对于准直束的方向而旋转。材料层可以被图案化掩模部分覆盖，该图案化掩模包括与倾斜结构的截面的期望图案类似的图案。在一些实施例中，可以使用光闸或叶片来控制材料层上的蚀刻时间和/或蚀刻区域。
[0151]
在一些实施例中，倾斜结构可以包括倾斜光栅。使用流程图1800中描述的方法所
制造的倾斜光栅的前缘和后缘的倾斜角可以相对于与材料层垂直的表面大于大约30度、大于大约35度、大于大约40度、大于大约45度、大于大约50度、大于大约55度或大于大约60度。前缘长度和后缘长度之间的差异可以小于后缘长度的大约30％、小于大约25％、小于大约20％、小于大约15％、小于大约10％或小于大约5％。使用流程图1800中描述的方法所制造的倾斜光栅的深度可以大于大约100nm、大于大约125nm、大于大约150nm、大于大约175nm或大于大约200nm。倾斜光栅的占空比可以小于大约20％、小于大约30％、小于大约40％、小于大约50％、大于大约50％、大于大约60％、大于大约70％，大于大约80％或大于大约90％。因此，通过离子注入和/或表面反应用氢离子和氮离子掺杂超高折射率材料层，可以准确且有效地制造具有大深度、大倾斜角、高占空比范围、对称脊轮廓等的倾斜光栅。
[0152]
不旨在受任何特定理论的束缚，鉴于其相对较大的质量，氮离子可以非常有效地渗透到超高折射率材料中，并中断或破坏超高折射率材料的强化学键。鉴于其相对较小的尺寸，氢离子可以穿过原子之间的间隙，并且进一步深入渗透到超高指数材料中，中断超高指数材料的晶体结构，并且削弱和/或破坏超高折射率材料的某些化学键。当生成氢离子和氮离子并同时流向超高折射率材料以对超高折射率材料进行掺杂和/或修饰时，修饰后的超高折射率材料可以与反应气体发生反应，并且因此可以被更有效且更准确地蚀刻。与现有技术相比，超高折射率材料的蚀刻速率可以显著提高，并且可以蚀刻更深的光栅而不会对光栅脊的前缘和/或后缘造成过度或显著的损坏。因此，可以获得具有更大光栅深度和更对称结构(例如，前缘和后缘之间的基本相似的倾斜角)的倾斜光栅。
[0153]
此外，由于氮是一种极化物质，氮离子也可以更有效地与超高指数材料反应以形成易于蚀刻的材料(例如，破坏sic中的si-c键)，其可以与一些反应气体(例如氟基反应气体)反应以生成挥发性副产物，这可以减少或消除光栅槽的底部处的副产物积聚(诸如在使用碳基反应气体物质执行蚀刻时的碳沉积)。氮可能不会与超高指数材料反应形成非挥发性材料。对照而言，在一些现有技术中，可以利用其他极化物质，诸如氧，但是氧可能会与硅反应形成氧化硅，这可能难以去除。如此，在一些实施例中，第一反应气体可以不包括或不含氧或碳。
[0154]
在一些实施例中，在蚀刻工艺期间，可以同时执行用氢离子和氮离子进行掺杂的操作和使用氟基反应气体物质进行蚀刻的操作。换言之，包含氢离子和氮离子和氟基反应气体物质的准直反应离子束可以同时流向超高指数材料以同时掺杂、修饰和蚀刻超高指数材料。
[0155]
在一些实施例中，蚀刻工艺可以包括多个操作。例如，在一些实施例中，可以首先生成氢离子和氮离子并将其用来掺杂、修饰和/或蚀刻超高折射率材料。在一些实施例中，用氢和氮掺杂超高折射率材料可以同时或依次进行。在一些实施例中，超高折射率材料可以首先用氮离子掺杂、修饰和/或蚀刻，然后用氢离子掺杂、修饰和/或蚀刻，反之亦然。在用氢离子和氢离子掺杂、修饰和/或蚀刻超高折射率材料之后，在单独的操作中，其他反应气体，诸如氟基反应气体物质可以被用来化学蚀刻掺杂的超高折射率材料。
[0156]
在一些实施例中，可以在多个循环中的每个循环中执行用氢离子和氮离子进行掺杂和/或蚀刻的操作以及使用氟基反应气体物质进行蚀刻的操作以蚀刻倾斜光栅。当同时执行用氢离子和氮离子进行掺杂的操作和使用氟基反应气体物质进行蚀刻的操作时，可以在一个连续循环中执行蚀刻工艺。
[0157]
在一些实施例中，使用流程图1800中描述的方法制造的倾斜光栅可以过度涂覆有具有不同于光栅材料层的折射率的材料。例如，在一些实施例中，诸如氧化铪、二氧化钛、氧化钨、氧化锆、硫化镓、氮化镓、磷化镓、硅或高折射率聚合物之类的高折射率材料可以被用来过度涂覆倾斜光栅和/或填充倾斜光栅的脊之间的间隙。在一些实施例中，诸如氧化硅、氧化铝、多孔二氧化硅或氟化低折射率单体(或聚合物)之类的低折射率材料可以被用来过度涂覆倾斜光栅和/或填充倾斜光栅的脊之间的间隙。结果，倾斜光栅的脊的折射率与槽的折射率之间的差异可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。
[0158]
在一些实施例中，氢和氮可以存在于使用流程图1800中描述的方法所制造的倾斜光栅中。因为包含氢离子和氮离子的离子束可以是高度准直和高度定向的，所以氮和/或氢原子的存在可以被限制在倾斜光栅的底部区域(例如，在光栅槽的底部下方)，而光栅的脊可以基本上不包括或包括非常有限量的氢和/或氮(除了可能固有地存在于形成光栅的材料中的氢和/或氮)。在一些实施例中，倾斜光栅的槽底部附近的氢浓度可以是10
10
/cm3或更高。在一些实施例中，倾斜光栅的槽底部附近的氮浓度可以是10
10
/cm3或更高。在一些实施例中，倾斜光栅的槽底部附近的氢和/或氮的组合浓度可以是10
10
/cm3或更高。
[0159]
本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。人工现实是一种在被呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实的形式，例如，其可以包括虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mr)、混合的现实或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与所捕获的(例如，真实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合，并且可以在单个通道或多个通道中呈现其中的任何一个(诸如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实可以与应用、产品、配件、服务或它们的某种组合相关联，例如其被用来在人工现实中创建内容和/或在人工现实中被使用(例如，在其中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以被实现在各种平台上，包括连接到主机计算机系统的头戴式显示器(hmd)、独立的hmd、移动设备或计算系统或任何其他能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的硬件平台。
[0160]
图19是用于实现本文公开的一些示例的示例近眼显示器(例如，hmd设备)的示例电子系统1900的简化框图。电子系统1900可以被用作hmd设备或上述其他近眼显示器的电子系统。在这个示例中，电子系统1900可以包括一个或多个处理器1910和存储器1920。(一个或多个)处理器1910可以被配置为执行用于在多个组件处执行操作的指令，并且例如可以是适用于在便携式电子设备中实现的通用处理器或微处理器。(一个或多个)处理器1910可以与电子系统1900内的多个组件通信耦合。为了实现这种通信耦合，(一个或多个)处理器1910可以通过总线1940来与其他所图示的组件通信。总线1940可以是适于在电子系统1900内传送数据的任何子系统。总线1940可以包括多个计算机总线和用于传送数据的附加电路系统。
[0161]
存储器1920可以耦合到(一个或多个)处理器1910。在一些实施例中，存储器1920可以提供短期和长期存储，并且可以被分为若干单元。存储器1920可以是易失性的，诸如静态随机存取存储器(sram)和/或动态随机存取存储器(dram)，和/或非易失性的，诸如只读存储器(rom)、快闪存储器等。此外，存储器1920可以包括可移动存储设备，诸如安全数字(sd)卡。存储器1920可以为电子系统1900提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他
数据的存储。在一些实施例中，存储器1920可以分布在不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以被存储在存储器1920上。指令可以采取能够由电子系统1900执行的可执行代码的形式，和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，该代码当在电子系统1900上编译和/或安装时(例如，使用任何各种普遍可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等)可以采取可执行代码的形式。
[0162]
在一些实施例中，存储器1920可以存储多个应用模块1922至1924，其可以包括任何数量的应用。应用的示例可以包括游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。这些应用可以包括深度感测功能或眼睛跟踪功能。应用模块1922-1924可以包括将由(一个或多个)处理器1910执行的特定指令。在一些实施例中，某些应用或应用模块1922-1924的部分可以由其他硬件模块1980执行。在某些实施例中，存储器1920可以另外包括安全存储器，其可以包括附加的安全控制，以防止对安全信息的复制或其他未经授权访问。
[0163]
在一些实施例中，存储器1920可以包括加载在其中的操作系统1925。操作系统1925能够可操作以启动由应用模块1922-1924提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块1980以及与可以包括一个或多个无线收发器的无线通信子系统1930的接口。操作系统1925可以适于跨电子系统1900的组件执行其他操作，包括线程处理、资源管理、数据存储控制和其他类似功能。
[0164]
无线通信子系统1930可以包括例如红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(诸如设备、ieee 802.11设备、wi-fi设备、wimax设备、蜂窝通信设施等)，和/或类似的通信接口。电子系统1900可以包括用于无线通信的一个或多个天线1934，作为无线通信子系统1930的一部分或作为耦合到系统的任何部分的单独组件。根据期望的功能性，无线通信子系统1930可以包括单独的收发器，以与基站收发器和其他无线设备和接入点进行通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型进行通信，诸如无线广域网(wwan)、无线局域网(wlan)或无线个域网(wpan)。wwan可以是例如wimax(ieee 802.16)网络。例如，wlan可以是ieee 802.11x网络。wpan可以是例如蓝牙网络、ieee 802.15x或一些其他类型的网络。本文所描述的技术也可以被用于wwan、wlan和/或wpan的任何组合。无线通信子系统1930可以允许与网络、其他计算机系统和/或本文所描述的任何其他设备交换数据。无线通信子系统1930可以包括用于使用(一个或多个)天线1934和(一个或多个)无线链路1932传输或接收数据的部件，诸如hmd设备的标识符、位置数据、地理地图、热图、照片或视频。无线通信子系统1930、(一个或多个)处理器1910和存储器1920可以一起包括用于执行本文所公开的一些功能的一个或多个部件的至少一部分。
[0165]
电子系统1900的实施例还可以包括一个或多个传感器1990。(一个或多个)传感器1990可以包括例如图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近传感器、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合了加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器或可操作来提供感知输出和/或接收感知输入的任何其他类似模块，诸如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实现中，(一个或多个)传感器1990可以包括一个或多个惯性测量单元(imu)和/或一个或多个位置传感器。基于从位置传感器中的一个或多个接收到的测量信号，imu可以生成指示相对于hmd设备的初始位置的hmd设备的估计位置的校准数据。位置传感器可以响应于hmd设备的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的
传感器、被用于imu的误差校正的传感器类型、或它们的某种组合。位置传感器可以位于imu外部、imu内部或它们的某种组合。至少一些传感器可以使用结构化光图案进行感测。
[0166]
电子系统1900可以包括显示模块1960。显示模块1960可以是近眼显示器，并且可以从电子系统1900以图形方式向用户呈现信息，诸如图像、视频和各种指令。这样的信息可以(例如，通过操作系统1925)而从一个或多个应用模块1922-1924、虚拟现实引擎1926、一个或多个其他硬件模块1980、它们的组合或用于为用户解析图形内容的任何其他合适部件中导出。显示模块1960可以使用液晶显示(lcd)技术、发光二极管(led)技术(包括例如oled、iled、mled、amoled、toled等)、发光聚合物显示(lpd)技术或者其他一些显示技术。
[0167]
电子系统1900可以包括用户输入/输出模块1970。用户输入/输出模块1970可以允许用户向电子系统1900发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是启动或结束应用，或执行应用内的特定动作。用户输入/输出模块1970可以包括一个或多个输入设备。示例输入设备可以包括触摸屏、触摸板、(一个或多个)麦克风、(一个或多个)按钮、(一个或多个)仪表盘、(一个或多个)开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到电子系统1900的任何其他合适的设备。在一些实施例中，用户输入/输出模块1970可以根据从电子系统1900接收到的指令向用户提供触觉反馈。例如，触觉反馈可以在接收到或已执行操作请求时被提供。
[0168]
电子系统1900可以包括相机1950，相机1950可以被用来拍摄用户的照片或视频，例如用于跟踪用户的眼睛位置。相机1950还可以被用来拍摄环境的照片或视频，例如用于vr、ar或mr应用。例如，相机1950可以包括具有几百万或几千万像素的互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器。在一些实现中，相机1950可以包括可以被用来捕获3-d图像的两个或更多个相机。
[0169]
在一些实施例中，电子系统1900可以包括多个其他硬件模块1980。其他硬件模块1980中的每一个可以是电子系统1900内的物理模块。而其他硬件模块1980中的每一个可以被永久地配置为结构，一些其他硬件模块1980可以被临时配置为执行特定功能或被临时激活。其他硬件模块1980的示例可以包括例如音频输出和/或输入模块(例如，麦克风或扬声器)、近场通信(nfc)模块、可充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些实施例中，其他硬件模块1980的一个或多个功能可以以软件来实现。
[0170]
在一些实施例中，电子系统1900的存储器1920还可以存储虚拟现实引擎1926。虚拟现实引擎1926可以执行电子系统1900内的应用，并且接收位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或来自各种传感器的hmd设备的一些组合。在一些实施例中，虚拟现实引擎1926接收到的信息可以被用于向显示模块1960产生信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则虚拟现实引擎1926可以为hmd设备生成反映用户在虚拟环境中的移动的内容。另外，虚拟现实引擎1926可以响应于从用户输入/输出模块1970接收到的动作请求而在应用内执行动作并向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉、听觉或触觉反馈。在一些实现中，处理器1910可以包括可以执行虚拟现实引擎1926的一个或多个gpu。
[0171]
在各种实现中，上述硬件和模块可以在单个设备上或在可以使用有线或无线连接彼此通信的多个设备上实现。例如，在一些实现中，诸如gpu、虚拟现实引擎1926和应用(例如，跟踪应用)的一些组件或模块可以被实现在与头戴式显示设备分离的控制台上。在一些
实现中，一个控制台可以连接到或支持多于一个hmd。
[0172]
在替代配置中，在电子系统1900中可以包括不同的和/或附加的组件。类似地，一个或多个组件的功能性可以以不同于上述方式的方式分布在组件之中。例如，在一些实施例中，可以修改电子系统1900以包括其他系统环境，诸如ar系统环境和/或mr环境。
[0173]
上面讨论的方法、系统和设备是示例。各种实施例可以适当地省略、替换或添加各种程序或组件。例如，在替代配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来执行，和/或各种阶段可以被添加、省略和/或组合。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其他实施例中进行组合。实施例的不同方面和元素可以以类似方式来进行组合。此外，技术不断发展，并且因此，许多元素是示例，其并不将本公开的范围限制为那些特定示例。
[0174]
在描述中给出具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。例如，众所周知的电路、工艺、系统、结构和技术已经在没有不必要的细节的情况下被示出以避免混淆实施例。该描述仅提供示例实施例，并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。相反，实施例的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述。在不脱离权利要求的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
[0175]
此外，一些实施例被描述为描绘为流程图或框图的工艺。尽管每个都可以将操作描述为顺序工艺，但是许多操作可以并行或同时执行。此外，操作的顺序可以被重新布置。一个工艺可以具有图中未包括的附加步骤。此外，方法的实施例可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任意组合来实现。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，用于执行相关任务的程序代码或代码段可以被存储在诸如存储介质之类的计算机可读介质中。处理器可以执行相关任务。
[0176]
对于本领域的技术人员来说显而易见的是，可以根据特定要求做出实质性的变化。例如，也可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以在硬件、软件(包括便携式软件，诸如小程序等)或两者中实现特定元素。此外，可以采用与诸如网络输入/输出设备之类的其他计算设备的连接。
[0177]
参考附图，可以包括存储器的组件可以包括非暂时性机器可读介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以是指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施例中，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或(一个或多个)其他设备提供指令/代码以供执行。附加地或替代地，机器可读介质可以被用来存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实现中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这种介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括例如磁性和/或光学介质，诸如压缩盘(cd)或数字多功能盘(dvd)、穿孔卡、纸带、任何其他具有孔图案的物理介质、ram、可编程只读存储器(prom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、flash-eprom、任何其他存储器芯片或盒、下文所述的载波或计算机可以从中阅读指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，它们可以表示工艺、功能、子程序、程序、例程、应用(app)、子例程、模块、软件包、类，或指令、数据结构或程序语句的任何组合。
[0178]
本领域技术人员将了解，被用来传送本文所述的消息的信息和信号可以使用多种不同技术和科技中的任一种来表示。例如，在整个以上描述中可以引用的数据、指令、命令、
信息、信号、位、符号和芯片可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或其任何组合来表示。
[0179]
如本文中所使用的术语“和”和“或”可以包括多种含义，这些含义也预期至少部分地取决于使用这些术语的上下文。通常，如果用于关联列表，诸如a、b或c，则“或”旨在意指a、b和c，在此处以包容性意义来使用，以及a、b或c，在此处以排他性意义来使用。此外，如本文中所使用的术语“一个或多个”可被用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以被用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅仅是说明性示例并且要求保护的主题不限于该示例。此外，如果用于关联列表，诸如a、b或c，则术语“至少一个”可以被解释为意指a、b和/或c的任何组合，例如a、ab、ac、bc、aa、abc、aab、aabbccc等。
[0180]
此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施例，但是应该认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施例可以仅以硬件、或仅以软件、或使用其组合来实现。在一个示例中，软件可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现，该计算机程序代码或指令由一个或多个处理器可执行以执行本公开中描述的任何或所有步骤、操作或工艺，其中计算机程序可以被存储在非暂时性计算机可读介质上。本文中描述的各种工艺可以在相同的处理器或以任何组合的不同处理器上被实现。
[0181]
在设备、系统、组件或模块被描述为被配置为执行某些操作或功能的情况下，这样的配置可以通过例如以下方式来完成：设计电子电路来执行操作，对可编程电子电路(诸如微处理器)进行编程来执行操作，诸如通过执行计算机指令或代码，或者将处理器或内核编程为执行存储在非暂时性存储介质上的代码或指令，或其任何组合。进程可以使用多种技术进行通信，包括但不限于用于进程间通信的常规技术，并且不同的进程对可以使用不同的技术，或者同一对进程可以在不同的时间使用不同的技术。
[0182]
因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。然而，显然可以对其进行添加、减少、删除和其他修改和改变而不背离权利要求中提出的更广泛的范围。因此，尽管已经描述了具体实施例，但是这些并不旨在进行限制。各种修改和等同方案在以下权利要求的范围内。