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特許7585383グレートーンリソグラフィと傾斜エッチングを使用した、深さ調節された傾斜格子
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-08
(45)【発行日】2024-11-18
(54)【発明の名称】グレートーンリソグラフィと傾斜エッチングを使用した、深さ調節された傾斜格子
(51)【国際特許分類】
G02B 5/18 20060101AFI20241111BHJP
【ＦＩ】
G02B5/18
【請求項の数】
15
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023076535
(22)【出願日】2023-05-08
(62)【分割の表示】P 2021524031の分割
【原出願日】2019-10-23
(65)【公開番号】P2023113622
(43)【公開日】2023-08-16
【審査請求日】2023-06-06
(31)【優先権主張番号】62/756,988
(32)【優先日】2018-11-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】390040660
【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】マイヤー ティマーマン タイセン， ラトガー
(72)【発明者】
【氏名】ゴデット， ルドヴィーク
【審査官】横川 美穂
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００５２２７６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１９－５２８４７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－０４８９０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１８９１１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２７０６４２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開昭６１－０２７５０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－００７５０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－０２１９０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６２－２９６１０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００３３７８４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／００３５５３９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０３－２４６５１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】欧州特許出願公開第０１６５０５８７（ＥＰ，Ａ１）
【文献】特表２００１－５１１９０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００７／００５８３９４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０６６６２６８４（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ５／００－５／１８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の格子構造を含む導波路構造を形成する方法であって、グレースケールリソグラフィを使用して、格子層上に配置されたレジスト層内にくさび形構造を形成することと、
転写エッチング処理を実行して、前記くさび形構造を前記格子層内に形成することと、
前記格子層上にハードマスクを、さらに前記ハードマスク上に平坦な上面を有する光学平坦化層（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ；ＯＰＬ）を、さらに前記ＯＰＬ上にフォトレジストを配置することと、
リソグラフィ処理を実行して、前記フォトレジストを格子状にパターニングし、前記ＯＰＬを部分的に露出することと、
前記ＯＰＬの露出された部分を除去して、前記ハードマスクを部分的に露出することと、
前記ハードマスクの露出された部分をエッチングして、前記格子層内の前記くさび形構造を部分的に露出することと、
前記格子層内に前記複数の格子構造を形成するために、前記くさび形構造の露出された部分をエッチングすることと
を含む方法。
【請求項2】
前記くさび形構造の深さが、第１の方向および第２の方向に沿って変化し、前記第１の方向においては、前記くさび形構造の周辺領域における深さが、前記くさび形構造の中央領域における深さよりも大きく、
前記第２の方向においては、前記くさび形構造の周辺領域における深さが、前記くさび形構造の中央領域における深さよりも大きく、かつ前記第１の方向が前記第２の方向に対して垂直である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記第１の方向および前記第２の方向において、前記くさび形構造の深さが直線的に変化する、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記第１の方向および前記第２の方向において、前記くさび形構造の深さが非直線的に変化する、請求項２に記載の方法。
【請求項5】
複数の格子構造を含む導波路構造を形成する方法であって、くさび形構造が形成された格子層上にハードマスクを形成すること
を含み、前記くさび形構造は、
前記格子層の上面から前記くさび形構造の上部まで第１の深さを有する第１の端部、および
前記格子層の前記上面から前記くさび形構造の前記上部まで、前記第１の深さとは異なる第２の深さを有する第２の端部
を有し、
前記方法はさらに、
前記ハードマスク上に、前記ハードマスクを部分的に露出するフォトレジストスタックを形成することと、
前記ハードマスクの露出された部分をエッチングして、前記格子層内の前記くさび形構造を部分的に露出することと、
前記格子層内に前記複数の格子構造を形成するために、前記くさび形構造の露出された部分をエッチングすることと
を含む方法。
【請求項6】
前記フォトレジストスタックが、光学平坦化層、および
フォトレジスト
を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
前記くさび形構造が、前記格子層の上面に対して１度未満の傾斜角度を有する、請求項５に記載の方法。
【請求項8】
前記くさび形構造の露出された前記部分を前記エッチングすることは、傾斜エッチングであり、前記複数の格子構造は、基板の上面に直交する垂直面に対して傾斜させられている、請求項７に記載の方法。
【請求項9】
前記ハードマスクの露出された前記部分をエッチングした後に、前記フォトレジストスタックが前記ハードマスクから除去される、請求項７に記載の方法。
【請求項10】
前記くさび形構造の露出された前記部分をエッチングした後に、前記ハードマスクが前記導波路構造から除去される、請求項７に記載の方法。
【請求項11】
複数の格子構造を含む導波路構造を形成する方法であって、グレースケールリソグラフィを使用して、格子層上に配置されたレジスト層内にくさび形構造を形成することであって、前記くさび形構造の深さは第１の方向および第２の方向において非直線的に変化する、くさび形構造を形成することと、
転写エッチング処理を実行して、前記くさび形構造を前記格子層内に形成することと、
前記格子層上にハードマスクを、さらに前記ハードマスク上に平坦な上面を有する光学平坦化層（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ；ＯＰＬ）を、さらに前記ＯＰＬ上にフォトレジストを配置することと、
リソグラフィ処理を実行して、前記フォトレジストを格子状にパターニングし、前記ＯＰＬを部分的に露出することと、
前記ＯＰＬの露出された部分を除去して、前記ハードマスクを部分的に露出することと、
前記ハードマスクの露出された部分をエッチングして、前記格子層内の前記くさび形構造を部分的に露出することと、
前記格子層内に前記複数の格子構造を形成するために、前記くさび形構造の露出された部分をエッチングすることと
を含む方法。
【請求項12】
前記くさび形構造の深さが、第１の方向および第２の方向に沿って変化し、前記第１の方向においては、前記くさび形構造の周辺領域における深さが、前記くさび形構造の中央領域における深さよりも大きく、
前記第２の方向においては、前記くさび形構造の周辺領域における深さが、前記くさび形構造の中央領域における深さよりも大きく、かつ前記第１の方向が前記第２の方向に対して垂直である、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記第１の方向および前記第２の方向において、前記くさび形構造の深さが直線的に変化する、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記くさび形構造の露出された前記部分を前記エッチングすることは、傾斜エッチングであり、前記複数の格子構造は、基板の上面に直交する垂直面に対して傾斜させられている、請求項１１に記載の方法。
【請求項15】
前記ハードマスクの露出された前記部分をエッチングした後に、前記フォトレジストが前記ハードマスクから除去される、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
［０００１］本開示の実施形態は、概して、ディスプレイ装置で使用するための方法および装置に関する。より具体的には、本開示は、導波路または他の用途で使用するための格子構造に関する。
【背景技術】
【0002】
［０００２］仮想現実は、ユーザーがその中に物理的に存在しているように見えるコンピュータ生成のシミュレートされた環境であると、一般に考えられている。仮想現実体験は、３Ｄで生成され、実際の環境を置き換える仮想現実環境を表示するためのレンズとしてニアアイディスプレイパネルを備えた眼鏡やその他のウェアラブルディスプレイデバイスなどのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）で見ることができる。
【0003】
［０００３］しかしながら、拡張現実は、ユーザーが眼鏡や他のＨＭＤデバイスのディスプレイレンズを通して周囲の環境を見ることができるが、ディスプレイ用に生成され環境の一部として現れる仮想オブジェクトの画像も見ることができる体験を可能にする。拡張現実は、ユーザーが体験する環境を強化または拡張する、仮想画像、グラフィック、ビデオだけでなく、音声入力や触覚入力などの、あらゆるタイプの入力を含むことができる。新たに出現した技術として、拡張現実には多くの課題と設計上の制約がある。
【0004】
［０００４］そのような課題の１つは、様々なユーザー視点からの十分な明瞭度を備えた画像とともに、周囲環境に重ねられた仮想画像を表示することである。例えば、ユーザーの目が、表示されている仮想画像と正確に位置合わせされていない場合、ユーザーは、歪んだ不明瞭な画像を見たり、画像全体を見ることができなかったりする可能性がある。さらに、画像がぼやけており、最適でない視野角からの解像度が、望ましいとは言えない場合がある。
【0005】
［０００５］したがって、拡張現実ディスプレイデバイスを製造する改善された方法が必要である。
【発明の概要】
【0006】
［０００６］本開示は、概して、ディスプレイ装置または他の用途で使用するための方法および装置に関する。より具体的には、本開示は、グレースケールリソグラフィを使用して作製された、導波路で使用するための格子構造に関する。本明細書の方法はまた、ナノインプリントリソグラフィのマスターとして使用される導波路構造を形成することができる。
【0007】
［０００７］一実施形態では、導波路構造が提供される。この構造は、上に格子層を有する基板を有し、くさび形構造が、グレースケールリソグラフィによって格子層に形成される。くさび形構造は、第１の端部、第２の端部、および深さを有し、深さは、第１の端部から第２の端部まで変化する。導波路構造はまた、格子層に形成された複数のチャネルを有し、各チャネルは、複数の格子構造の一部を部分的に画定し、複数の格子構造の深さは、くさび形構造の第１の端部からくさび形構造の第２の端部まで変化する。
【0008】
［０００８］別の実施形態では、導波路構造が提供される。導波路構造は、上に格子層を有する基板を含む。導波路構造はまた、格子層に形成されたくさび形構造を含み、くさび形構造は、少なくとも第１の方向および３次元形状を規定する第２の方向に変化する深さを有する。導波路構造はまた、格子層に形成された複数のチャネルを含み、各チャネルは、複数の格子構造の一部を部分的に画定し、複数の格子構造の深さは、くさび形構造によって規定されるように、第１の方向および第２の方向に変化する。
【0009】
［０００９］さらに別の実施形態では、導波路構造を形成する方法が、提供される。この方法は、グレースケールリソグラフィを使用して格子層にくさび形構造を形成することを含む。この方法はまた、格子層上にハードマスクおよびフォトレジストスタックを形成することを含む。この方法は、フォトレジストスタックをエッチングすることを、さらに含む。この方法はまた、格子層内に複数の格子構造を形成することを含む。
【0010】
［００１０］本開示の上記の特徴が、詳細に理解されるように、上記で簡単に要約された本開示のより具体的な説明が、実施形態を参照することによって得られ、そのいくつかは、添付の図面に示されている。しかしながら、添付の図面は、例示的な実施形態のみを示しており、したがって、本開示は他の同等に有効な実施形態を認めることができるので、その範囲を限定すると見なされるべきではないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】一実施形態による導波路コンバイナの透視正面図である。
【図2】一実施形態による、深さ調節された傾斜格子の図である。
【図3】一実施形態による、導波路構造の製造方法のフローチャートである。
【図4A】一実施形態による、導波路構造の一部の概略断面図である。
【図4B】一実施形態による、導波路構造の一部の概略断面図である。
【図4C】一実施形態による、導波路構造の一部の概略断面図である。
【図4D】一実施形態による、導波路構造の一部の概略断面図である。
【図4E】一実施形態による、導波路構造の一部の概略断面図である。
【図4F】一実施形態による、導波路構造の一部の概略断面図である。
【図4G】一実施形態による、導波路構造の一部の概略断面図である。
【図4H】一実施形態による、導波路構造の一部の概略断面図である。
【図5A】くさび形構造の形状例の断面拡大図である。
【図5B】くさび形構造の形状例の断面拡大図である。
【図5C】くさび形構造の形状例の断面拡大図である。
【図6A】くさび形構造の３次元形状の例の透視図である。
【図6B】くさび形構造の３次元形状の例の透視図である。
【図6C】くさび形構造の３次元形状の例の透視図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
［００１７］理解を容易にするために、可能な場合は、図に共通する同一の要素を示すために、同一の参照番号が使用されている。ある実施形態の要素および特徴は、さらに詳説することなく、他の実施形態に有益に組み込まれ得ることが企図されている。
【0013】
［００１８］格子構造を有する装置およびそれを形成するための方法が、開示される。格子の高さを変えることにより、格子の長さに沿って格子の強度を変えることができる。これを達成するための方法は、グレートーンリソグラフィを使用して格子層に深さ調節されたくさび形構造を形成することを含む。複数のチャネルが、格子層に形成され、その中に傾斜格子構造を画定する。くさび形構造と傾斜格子構造は、選択的エッチングプロセスを使用して形成される。本明細書に記載の方法はまた、ナノインプリントリソグラフィのマスターとして機能する導波路構造を作製するために使用することができる。
【0014】
［００１９］図１は、導波路コンバイナ１００の透視正面図である。以下に説明する導波路コンバイナ１００は、例示的な導波路コンバイナであることが理解されるべきである。導波路コンバイナ１００は、複数の格子１０８によって規定される入力結合領域１０２、複数の格子１１０によって規定される中間領域１０４、および複数の格子１１２によって規定される出力結合領域１０６を含む。入力結合領域１０２が、ある強度を有する入射光ビーム（仮想画像）をマイクロディスプレイから受け取る。複数の格子１０８の各格子が、入射ビームを複数のモードに分割し、各ビームが、１つのモードを有する。ゼロ次モード（Ｔ０）ビームは、導波路コンバイナ１００内で屈折して戻るか失われ、正の１次モード（Ｔ１）ビームは、導波路コンバイナ１００を通って中間領域１０４に結合され、負の１次モード（Ｔ－１）ビームは、導波路コンバイナ１００内をＴ１ビームと反対の方向に伝搬する。理想的には、仮想画像を中間領域１０４に向けるために、入射ビームは、入射ビームの強度の全てを有するＴ１ビームに分割される。入射ビームを、入射ビームの強度の全てを有するＴ１ビームに分割する１つのアプローチは、複数の格子１０８の各格子の傾斜角を最適化して、Ｔ－１ビームおよびＴ０ビームを抑制することである。Ｔ１ビームは、中間領域１０４内の複数の格子１１０と接触するまで、導波路コンバイナ１００を通って全反射（ＴＩＲ）する。入力結合領域１０２の一部分は、隣接部分の格子１０８の傾斜角とは異なる傾斜角の格子１０８を有することができる。
【0015】
［００２０］Ｔ１ビームは、複数の格子１１０のうちの１つの格子と接触する。Ｔ１ビームは、導波路コンバイナ１００内で屈折して戻るか失われるＴ０ビーム、複数の格子１１０のうちの別の格子と接触するまで中間領域１０４内でＴＩＲするＴ１ビーム、および導波路コンバイナ１００を通って出力結合領域１０６に結合されるＴ－１ビームに分割される。中間領域１０４内でＴＩＲするＴ１ビームは、導波路コンバイナ１００を通って中間領域１０４に結合されるＴ１ビームの強度が枯渇するか、または中間領域１０４を通って伝搬する残りのＴ１ビームが中間領域１０４の端部に到達するまで、複数の格子１１０のうちの格子と接触し続ける。出力結合領域１０６に結合されるＴ－１ビームの強度を制御して、ユーザーの視点からのマイクロディスプレイから生成された仮想画像の視野を調節し、ユーザーが仮想画像を見ることができる視野角を拡大するために、複数の格子１１０は、導波路コンバイナ１００を通って中間領域１０４に結合されるＴ１ビームを制御するように調整されなければならない。導波路コンバイナ１００を通って中間領域１０４に結合されるＴ１ビームを制御する１つのアプローチは、出力結合領域１０６に結合されるＴ－１ビームの強度を制御するように、複数の格子１１０の各格子の傾斜角を最適化することである。中間領域１０４の一部分は、隣接部分の格子１１０の傾斜角とは異なる傾斜角の格子１１０を有することができる。さらに、格子１１０は、格子１０８の傾斜角とは異なる傾斜角を有することができる。
【0016】
［００２１］Ｔ－１ビームは、出力結合領域１０６に向かって導波路コンバイナ１００を通り、導波路コンバイナ１００内でＴＩＲし、やがてＴ－１ビームは、複数の格子１１２のうちの１つの格子と接触し、そこでＴ－１ビームは、導波路コンバイナ１００内で屈折して戻るか失われるＴ０ビーム、複数の格子１１２のうちの別の格子と接触するまで出力結合領域１０６内でＴＩＲするＴ１ビーム、または導波路コンバイナ１００から出るＴ－１ビームに分割される。出力結合領域１０６内でＴＩＲするＴ１ビームは、導波路コンバイナ１００を通って出力結合領域１０６に送られるＴ－１ビームの強度が枯渇するか、または出力結合領域１０６を通って伝搬する残りのＴ１ビームが出力結合領域１０６の端部に到達するまで、複数の格子１１２のうちの格子と接触し続ける。導波路コンバイナ１００から出るＴ－１ビームの強度を制御して、ユーザーの視点からのマイクロディスプレイから生成された仮想画像の視野をさらに調節し、ユーザーが仮想画像を見ることができる視野角をさらに拡大するために、複数の格子１１２は、導波路コンバイナ１００を通って出力結合領域１０６に送られるＴ－１ビームを制御するように調整されなければならない。導波路コンバイナ１００を通って出力結合領域１０６に送られるＴ－１ビームを制御する１つのアプローチは、さらに視野を調節し、視野角を拡大するために、複数の格子１１２の各格子の傾斜角を最適化することである。出力結合領域１０６の一部分は、隣接部分の格子１１２の傾斜角とは異なる傾斜角の格子１１２を有することができる。さらに、格子１１２は、格子１０８および格子１１０の傾斜角とは異なる傾斜角を有することができる。
【0017】
［００２２］格子１０８、１１０、または１１２の深さは、本明細書に記載の実施形態では、結合領域または中間領域全体にわたって変化し得る。いくつかの実施形態では、格子の深さは、格子領域全体にわたって滑らかに変化し得る。例示的な一実施形態では、深さは、格子領域全体にわたって約１０ｎｍから約４００ｎｍの範囲であり得る。例示的な実施形態における格子領域は、所与の側で約２０ｍｍから約５０ｍｍの範囲であり得る。したがって、一例として、格子の深さの変化の角度は、 ．０００５度のオーダーであり得る。
【0018】
［００２３］本明細書に記載の実施形態では、深さ調節された格子は、グレースケールリソグラフィとしても知られるグレートーンリソグラフィを使用して作製することができる。グレースケールリソグラフィは、光学グレートーン（またはグレースケール）マスクを使用してフォトレジスト層に３次元微細構造を作製するために使用されるワンステッププロセスである。グレースケールマスクは、様々な量の光を通過させて、深さ調節された格子を作製する。深さ調節された格子を作製するためにグレースケールリソグラフィを使用すると、既存の方法よりも処理工程が少なくなり、くさび解像度が高くなる。
【0019】
［００２４］本明細書に記載の方法はまた、他の実施形態において、ナノインプリントリソグラフィのマスターとして使用される導波路構造を作製するために使用され得る。それらの実施形態では、格子材料は、導波路用途で使用される格子構造の場合のような光学特性を有する必要はない。ナノインプリントリソグラフィ用途では、スタック材料は、光学性能ではなく、エッチング特性とスタンプリリース性能で選択され得る。本明細書に記載の実施形態のいくつかは、導波路に関するが、方法および構造は、ナノインプリントリソグラフィにも適用可能である。
【0020】
［００２５］図２は、一実施形態による、深さ調節された傾斜格子２００の図である。格子２０２の高さと比較した格子領域の長さの相対的なサイズのため、原寸に比例した図を描くことは不可能である。例えば、格子の長さが２５ｍｍで、格子領域の一方の端からもう一方の端までの格子の深さの変化が、２５０ｎｍの場合、格子の角度θは、ａｒｃｔａｎ（ｙ／ｘ）、すなわち０．０００５７３°である。したがって、構造は、局所的には、有効に平坦であるように見える。
【0021】
［００２６］図２に見られるように、この実施形態では、格子２０２は、高さが様々であり、図の左側に高い格子がある。格子２０２は、導波路の右端に移動するにつれてサイズが短くなる。他の実施形態では、格子の高さは、任意の適切な仕方で導波路に沿って変化し得る。例えば、別の実施形態では、より高い格子が右側にあり、より低い格子が左側にあり得る。さらに別の実施形態では、より低い格子が、導波路の左側および右側に存在し、より高い格子が、中央に存在し得る。さらに別の実施形態では、より高い格子が、導波路の両側に存在し、より低い格子が、中央に存在し得る。他の実施形態では、格子の高さは、任意の直線的または非直線的な仕方で変化し得る。さらに、格子の高さは、導波路に沿って左から右にだけでなく、複数の次元に沿って変化してもよい。グレートーンリソグラフィを使用して導波路の格子高さを成形するために、任意の１次元または２次元の形状またはパターンを使用することができる。一例として、凹形または凸形のパターンを使用することができる。さらに、格子２０２内の各傾斜格子構造は、エッチング停止層の表面に垂直な平面に対して測定された角度シータを有することができる。角度シータは、例えば、約０度および約７０度である。
【0022】
［００２７］図２に見られるように、格子２０２の一部は、導波路内に形成された複数のチャネル２０４によって少なくとも部分的に画定される。複数のチャネル２０４は、グレートーンリソグラフィを使用して形成することができる。いくつかの実施形態では、複数のチャネル２０４を形成するために使用されるプロセスは、格子２０２を作製するために使用されるプロセスと同じである。
【0023】
［００２８］図３は、図４Ａ～図４Ｈに示される導波路構造４００を形成するための方法３００のフロー図である。図４Ａ～図４Ｈは、原寸に比例していない。導波路構造は、一般に基板上に形成される。一例では、基板は、任意選択のエッチング停止層およびその上に形成された格子層を備えたケイ素系ガラス基板である。別の例では、基板は、エッチング停止層のないガラス基板である。このような場合、基板は、格子層として機能し、格子構造は、基板内に直接形成される。
【0024】
［００２９］工程３０２において、エッチング停止層およびフィン材料層が、基板上に堆積される。工程３０２の結果が、図４Ａに示されている。図４Ａは、その中に格子構造を形成するための導波路構造４００の断面の拡大部分である。この例では、導波路構造４００は、その上にエッチング停止層４０４が形成された基板４０２を有する。基板４０２は、ケイ素、窒化チタン、またはクロムなどの光学的に透明な材料から作られている。エッチング停止層４０４が、基板４０２上に形成される。エッチング停止層４０４は、例えば、化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセス、物理気相堆積（ＰＶＤ）プロセス、またはスピンオンプロセスによって形成される。エッチング停止層４０４は、窒化チタンまたは窒化タンタルなどの、エッチングプロセスに耐性のある材料から形成される。
【0025】
［００３０］格子層４０６（すなわち、フィン材料層）が、エッチング停止層４０４上に形成される。格子層４０６は、光学的に透明な材料から形成される。一例では、格子層４０６は、窒化ケイ素もしくは酸化ケイ素などのケイ素系材料、または酸化チタンなどのチタン系材料から形成される。格子層４０６の材料は、約１．３以上、例えば１．５、またはそれ以上などの高屈折率を有する。一般に、格子層４０６は、約１５０ｎｍおよび７００ｎｍなどの、約１マイクロメートル未満の厚さを有する。
【0026】
［００３１］工程３０４で、グレースケールレジストが堆積され、フォトリソグラフィが実行される。グレースケールレジストは、導波路構造の所望の深さと形状を生成するために、任意のパターンで堆積させることができる。図４Ｂは、工程３０４の結果を示している。基板４０２、エッチング停止層４０４、および格子層４０６が、示されている。グレースケールレジスト層４０８が、格子層４０６上に堆積される。この例では、フォトリソグラフィを実行して、左側に深さＤ、右側に深さＤ’を有する長さＬにわたる導波路構造４１０の形状を作製した。上記のように、フォトリソグラフィを使用して、任意の所望の１次元、２次元、または３次元形状を、グレースケールレジスト内に作製することができる。
【0027】
［００３２］工程３０６で、格子材料への転写エッチングが実行される。工程３０６の結果が、図４Ｃに示されている。この例示的な実施形態では、フォトリソグラフィが実行された後、転写エッチングが、グレースケールレジスト層４０８の構造を反映するくさび形構造４０１を生成する。他の実施形態と組み合わせることができる一実施形態では、グレースケールレジスト層が、完全に除去され、導波路構造４１０のものと同様のくさび形構造４０１が、格子層４０６に作製される。
【0028】
［００３３］この例示的な実施形態におけるくさび形構造４０１は、第１の端部と第２の端部との間に長さＬを有する。くさび形構造４０１の第１の端部は、深さＦを有し、第２の端部は、深さＦ’を有する。すなわち、この実施形態では、くさび形構造４０１の深さは、第１の端部で最小であり、第２の端部で最大である。ＦからＦ’までの深さは、一般に、約０ｎｍから約７００ｎｍの範囲内にある。この実施形態では、長さＬは、深さＦおよびＦ’と比較してかなり大きい。例えば、長さＬが、約２５ｍｍであり、一方、第１の端部の深さＦが、約０ｎｍから約５０ｎｍであり、第２の端部の深さＦ’が、約２５０ｎｍから約７００ｎｍであり得る。したがって、くさび形構造４０１は、かなり浅い傾斜を有する。この例では、傾斜の角度は、１度未満、例えば０．１度未満、例えば約０．０００５度である。くさび形構造４０１の傾斜は、明瞭にするために誇張された角度で本図には示されている。
【0029】
［００３４］工程３０８で、共形のハードマスク４１２が、格子層４０６上に堆積される。ハードマスク４１２は、例えば、ＣＶＤプロセスまたはＰＶＤプロセスを使用して窒化チタンから形成される。一例では、ハードマスク４１２は、約３０ｎｍおよび約５０ｎｍの厚さを有する。工程３０８の結果が、図４Ｄに示されている。共形のハードマスク４１２は、ハードマスク４１２の厚さがほぼ均一になるように堆積させることができる。さらに他の実施形態では、共形のハードマスク４１２は、厚さが格子層４０６上の様々な地点で約３０ｎｍから約５０ｎｍまで変化するように堆積させることができる。共形のハードマスク４１２は、ハードマスク４１２の傾斜がくさび形構造４０１の傾斜と同様になるように堆積される。
【0030】
［００３５］工程３１０において、光学平坦化層４１４が、ハードマスク４１２上に形成され、フォトレジスト層４１６が、光学平坦化層４１４上に形成される。フォトレジスト層４１６は、例えば、リソグラフィプロセスを使用して、ポリマー材料から形成される。一例では、フォトレジスト層４１６は、スピンオンコーティングを使用し、格子ラインを露光し、フォトレジストを現像して、形成される。工程３１０の結果が、図４Ｅに示されている。
【0031】
［００３６］図４Ｅに示されるように、光学平坦化層４１４は、ほぼ平坦な上面が形成されるように、厚さが変化する。傾斜した共形のハードマスク４１２と光学平坦化層４１４のほぼ平坦な上面との間の空間が完全に満たされ、傾斜したくさび形構造４０１上で様々な厚さを有するように、光学平坦化層４１４は、厚さが変化する。
【0032】
［００３７］工程３１２で、リソグラフィが実行され、次にハードマスク４１２がエッチングされる。工程３１２の結果が、図４Ｆに示されている。リソグラフィでは、ドライスキャナを使用して、格子ライン４２０を画定することができる。他の実施形態では、他の解決策を使用することができる。目標用途に応じて、様々なリソグラフィツールまたは方法を使用できる。ハードマスク４１２は、エッチングツールを使用してエッチングすることができる。フォトレジストスタックをエッチングすると、ハードマスク４１２がパターニングされる。ハードマスク４１２は、傾斜格子構造を形成するためのパターンガイドとして機能する。図４Ｆの格子ライン４２０は、垂直であっても、傾斜して（例えば、垂直に対して角度が付けられている）いてもよい。リソグラフィプロセス中に、格子ラインは、より多くの格子ライン４２０が画定されるように、またはより少ない格子ライン４２０が画定されるように、様々な幅および間隔で作製され得る。
【0033】
［００３８］工程３１４において、光学平坦化層４１４およびフォトレジスト層４１６が、除去される。工程３１４の結果が、図４Ｇに示されている。光学平坦化層４１４およびフォトレジスト層４１６を除去すると、工程３１２の格子ラインと同様な一組の第１の構造４２２が得られる。
【0034】
［００３９］工程３１６において、傾斜エッチングが実行されて、格子層４０６内に格子構造４１８を作製する。工程３１６の結果が、図４Ｈに示されている。傾斜エッチングは、図２のチャネル２０４と同様の、複数の格子構造４１８の一部を少なくとも部分的に画定する複数のチャネル４２４を作製する。工程３１４で作製された第１の構造４２２は、格子構造４１８の上部であり、格子構造４１８の下部は、工程３１６で作製され、チャネル４２４によって部分的に画定される。例示的な一実施形態では、リボンビームエッチャーが使用される。任意の適切なエッチングプロセスを利用することができる。
【0035】
［００４０］工程３１８で、任意選択の工程を実行して、ハードマスク４１２を除去することができる。いくつかの実施形態では、ウェット洗浄を実行することができる。
【0036】
［００４１］本明細書に記載のエッチングプロセスは、有利には、くさび形構造が１つ以上の方向に傾斜および／または曲率を有することを可能にする。図５Ａ～図５Ｃは、くさび形構造に使用できる形状の他の例を示している。図５Ａは、導波路構造７００の格子層７０６内のくさび形構造７２０を示している。くさび形構造７２０は、それぞれの周辺領域７２０ａ、７２０ｂから中央領域７２０ｃに向かって延びる２つの平面傾斜部分を有する。図５Ｂは、導波路構造７３０の格子層７３６内のくさび形構造７５０を示している。くさび形構造７５０は、周辺領域７５０ａ、７５０ｂで浅い深さＤを有し、中央領域７５０ｃで深さが増加した湾曲構造である。一例では、くさび形構造７５０は、放物線形状を有する。深さＤは、周辺領域７５０ａ、７５０ｂから中央領域７５０ｃまで非直線的に増加する。図５Ｃは、導波路構造７６０の格子層７６６内のくさび形構造７８０を示している。くさび形構造７８０は、第１の端部７８０ａから第２の端部７８０ｂまで振動する深さＤを有し、これは、くさび形構造７８０の周期的な深さＤのパターンを形成する。くさび形構造７８０は、深さＤの直線的な鋸歯状振動で示されている。しかしながら、くさび形構造が深さＤにおいて波状振動を有するように、深さＤは非直線的に変化し得ることが企図される。くさび形構造７２０、７５０、７８０などのくさび形構造の深さＤは、その長さＬにわたって、第１の端部（すなわち、７２０ａ、７５０ａ、７８０ａ）から第２の端部（すなわち、７２０ｂ、７５０ｂ、７８０ｂ）まで直線的または非直線的に変化し得る。グレースケールリソグラフィと本明細書に記載の技術を利用して、様々な形状のくさび形構造を、以前の技術で必要とされる複数の工程の代わりに、単一のパスでパターニングすることができる。
【0037】
［００４２］別の例では、くさび形構造は、３次元形状を有する。すなわち、図６Ａ～図６Ｃの例に示すように、深さは、複数の方向（すなわち、第１の方向Ｘと第２の方向Ｙ）で変化する。図６Ａは、鞍点形状の曲率（すなわち、双曲放物面形状）を有するくさび形構造８２０を示している。図６Ｂは、正の曲率を有する楕円放物面形状を有するくさび形構造８５０を示している。図６Ｃは、負の曲率を有する楕円放物面形状を有するくさび形構造８８０を示している。くさび形構造の３次元形状は、図６Ａ～図６Ｃの例に限定されない。他の所望の形状、例えば、正の曲率または負の曲率を有する正方形領域の放物面、楕円体、および線形傾斜形状などもまた企図され、これとともに使用することができる。これらの場合、くさび形構造の深さは、Ｘ方向とＹ方向の両方で変化する。したがって、傾斜格子構造の上面は、くさび形構造の曲率の形状によって規定されるように湾曲している。
【0038】
［００４３］本明細書に記載の実施形態を利用することにより、傾斜格子構造などの、任意のパターンを含む格子構造を有する導波路構造が形成される。導波路の実施形態では、傾斜格子構造は、導波路を通過する光をよりよく収集および指向することによって導波路の機能を改善し、それによって投影画像の明瞭度を改善する。傾斜格子構造は、所望の像平面に投影される光の波長に対する制御を強化する。導波路によってアウトカップリングされた光の出力の均一性は、大幅により均一になる。本明細書に記載の実施形態は、導波路構造を形成するために使用される層を損傷する可能性がある機械研磨などの製造プロセスを排除することによって、導波路構造の製造をさらに改善する。さらに、本明細書に記載の実施形態は、グレースケールリソグラフィを利用して、より広い範囲の用途で導波路構造の使用を可能にする２次元または３次元形状を有する格子を作製する。例えば、他の実施形態では、本明細書に記載の方法を使用して、ナノインプリントリソグラフィのマスターを作製する。
【0039】
［００４４］上記は本開示の実施形態に向けられているが、本開示の他のおよびさらなる実施形態を、その基本的な範囲から逸脱することなく考案することができ、その範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図4G】
【図4H】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】