(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-05-08
(54)【発明の名称】超音波ナノ幾何学的形状制御プロセスおよび方法
(51)【国際特許分類】
H01L 21/306 20060101AFI20240426BHJP
H01L 21/308 20060101ALI20240426BHJP
H01L 21/304 20060101ALI20240426BHJP
G02B 5/18 20060101ALN20240426BHJP
【ＦＩ】
H01L21/306 J
H01L21/308 B
H01L21/308 E
H01L21/304 642E
H01L21/304 647Z
H01L21/304 648G
G02B5/18
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023563972
(86)(22)【出願日】2022-04-19
(85)【翻訳文提出日】2023-12-14
(86)【国際出願番号】 US2022071803
(87)【国際公開番号】W WO2022226497
(87)【国際公開日】2022-10-27
(31)【優先権主張番号】63/177,294
(32)【優先日】2021-04-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】514108838
【氏名又は名称】マジック リープ， インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｍａｇｉｃ Ｌｅａｐ，Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】７５００ Ｗ ＳＵＮＲＩＳＥ ＢＬＶＤ，ＰＬＡＮＴＡＴＩＯＮ，ＦＬ ３３３２２ ＵＳＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】シン， ビクラムジト
(72)【発明者】
【氏名】マクドナルド， ロレンツォ
(72)【発明者】
【氏名】シュー， フランク ワイ．
【テーマコード（参考）】
2H249
5F043
5F157
【Ｆターム（参考）】
2H249AA37
2H249AA42
2H249AA60
2H249AA63
5F043AA09
5F043AA31
5F043AA35
5F043BB01
5F043BB22
5F043BB23
5F043EE05
5F043FF01
5F043GG10
5F157AC01
5F157AC13
5F157BB02
5F157BB73
5F157BC13
5F157BE12
5F157BE22
5F157BE35
5F157BE43
5F157CE05
5F157CE33
5F157CE83
5F157DB03
5F157DB18
(57)【要約】
本明細書では、ディスプレイ用のアイピース、例えばヘッドウェアラブルデバイスに使用されることができる基材上にナノ構造を製造するためのシステムおよび方法が開示される。そのような基材を製造および／またはエッチングすることは、基材を浴に浸漬することと、第１の期間にわたって超音波処理を浴に適用することと、を含むことができる。第１の浴に適用される超音波処理は、流体を撹拌して、基材の表面にわたって実質的に均一な第１の反応性環境を提供することができる。基材は、第２の浴に浸漬されることができ、超音波処理は、第２の期間にわたって第２の浴に適用されることができる。第２の浴に適用される超音波処理は、流体を撹拌して、基材の表面にわたって実質的に均一な第２の反応性環境を提供することができる。エッチングされた基材を生成するために、第２の期間中に基材の表面から所定量の材料が除去されることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のナノ構造を含む基材をエッチングする方法であって、前記方法は、前記基材を第１の浴に浸漬することであって、前記第１の浴は、第１の流体を含む、ことと、
第１の期間にわたって前記第１の浴に超音波処理を適用することであって、超音波処理を適用することは、前記第１の流体を撹拌して、前記基材の表面にわたって実質的に均一な第１の反応性環境を提供する、ことと、
前記基材を第２の浴に浸漬することであって、前記第２の浴は、第２の流体を含む、ことと、
第２の期間にわたって前記第２の浴に超音波処理を適用することであって、超音波処理を適用することは、前記第２の流体を撹拌して、前記基材の前記表面にわたって実質的に均一な第２の反応性環境を提供し、所定量の材料は、エッチングされた基材を生成するために、前記第２の期間の間に前記基材の前記表面から除去される、ことと
を含み、
前記材料の量は、前記第１の期間の長さに基づいて、さらに前記第２の期間の長さに基づいて予め決定される、方法。
【請求項2】
前記表面から除去される前記所定量の材料の厚さは、５～５０ｎｍの範囲内である、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記所定量の材料は、前記エッチングされた基材の前記複数のナノ構造の断面が対称であるように、前記基材の前記表面から均一に除去される、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記基材は、第１の材料を含むベースを備え、前記複数のナノ構造の前記ナノ構造は、前記ベース上に配置され、前記ナノ構造は、第１の層を含み、前記第１の層は、前記第１の材料とは異なる第２の材料を含み、
前記複数のナノ構造の前記ナノ構造は、実質的に均一な幅を有し、
前記ベースは、第１のセットの超音波処理条件の第１のエッチング速度に関連付けられ、前記第１の層は、前記第１のセットの超音波処理条件の第２のエッチング速度に関連付けられる、
請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記複数のナノ構造の各ナノ構造は、階段形状、凹角形状、およびブレーズド形状のうちの１つに対応する幾何学的形状を有する、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記第１のセットの超音波処理条件の前記超音波処理条件は、前記第１の浴および前記第２の浴のうちの１つ以上に関連付けられた温度、
前記第１の期間に関連付けられた時間長、
前記第２の期間に関連付けられた時間長、
酸溶液の濃度、および
塩基溶液の濃度
のうちの１つ以上を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項7】
前記基材は、シリコン、二酸化シリコン、および窒化シリコンの少なくとも１つから形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記酸溶液は、水中に約２％濃度の硫酸を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記塩基溶液は、水中に約２％濃度の過酸化水素または水酸化カリウムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記基材の１つ以上の表面上にマスクを堆積させることと、前記マスクの１つ以上の部分を前記基材から除去することと
をさらに含み、
前記基材の前記表面の少なくとも一部は、前記第２の期間中にマスクされる、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
化合物であって、基材であって、
第１の表面を備えるベースと、
前記第１の表面上に配置された複数のナノ構造と
を備える、基材
を備え、
前記基材は、エッチングされた基材を形成するために前記基材に超音波処理プロセスシーケンスを適用することによってエッチングされるように構成され、前記エッチングされた基材は、複数のエッチングされたナノ構造を含み、
前記エッチングされたナノ構造は、前記第１の表面から第１の所定量の材料を除去し、さらに、前記複数のナノ構造の１つ以上の表面から第２の所定量の材料を除去することによって製造される、化合物。
【請求項12】
前記第１の表面から除去された前記所定量の材料の厚さは、５～５０ｎｍの範囲内である、請求項１１に記載の化合物。
【請求項13】
前記所定量の材料は、前記エッチングされた基材の前記複数のエッチングされたナノ構造の断面が対称であるように、前記第１の表面から均一に除去され、さらに前記複数のナノ構造の前記１つ以上の表面から均一に除去される、請求項１１に記載の化合物。
【請求項14】
前記超音波処理プロセスシーケンスは、前記基材を第１の浴に浸漬することであって、前記第１の浴は、第１の流体を含む、ことと、
第１の期間にわたって前記第１の浴に超音波処理を適用することであって、超音波処理を適用することは、前記第１の流体を撹拌して、前記基材の前記第１の表面にわたって実質的に均一な第１の反応性環境を提供する、ことと、
前記基材を第２の浴に浸漬することであって、前記第２の浴は、第２の流体を含む、ことと、
第２の期間にわたって前記第２の浴に超音波処理を適用することであって、超音波処理を適用することは、前記第２の流体を撹拌して、前記基材の前記第１の表面にわたって実質的に均一な第２の反応性環境を提供し、前記所定量の材料は、エッチングされた基材を製造するために前記第２の期間の間に除去される、ことと
を含み、
前記材料の量は、前記第１の期間の長さに基づいて、さらに前記第２の期間の長さに基づいて予め決定される、請求項１１に記載の化合物。
【請求項15】
前記ベースは、第１の材料を含み、前記複数のナノ構造の前記ナノ構造は、第１の層を含み、前記第１の層は、前記第１の材料とは異なる第２の材料を含み、
前記ベースは、第１のセットの超音波処理条件に対する第１のエッチング速度と関連付けられ、
前記第１の層は、前記第１のセットの超音波処理条件に対する第２のエッチング速度と関連付けられる、
請求項１４に記載の化合物。
【請求項16】
前記複数のナノ構造の各ナノ構造は、実質的に均一な幅を有し、前記複数のナノ構造の各エッチングされたナノ構造は、階段形状、凹角形状、およびブレーズド形状のうちの１つに対応する幾何学的形状を有する、請求項１５に記載の化合物。
【請求項17】
前記第１のセットの超音波処理条件の前記超音波処理条件は、前記第１の浴および第２の浴のうちの１つ以上に関連付けられた温度、
前記第１の期間に関連付けられた時間長、
前記第２の期間に関連付けられた時間長、
前記酸溶液の濃度、および、
前記塩基溶液の濃度
のうちの１つ以上を含む、請求項１５に記載の化合物。
【請求項18】
前記酸溶液は、水中に約２％濃度の硫酸を含む、請求項１４に記載の化合物。
【請求項19】
前記塩基溶液は、水中に約２％濃度の過酸化水素または水酸化カリウムを含む、請求項１４に記載の化合物。
【請求項20】
前記基材は、シリコン、二酸化シリコン、および窒化シリコンの少なくとも１つから形成される、請求項１１に記載の化合物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年４月２０日に出願された米国仮特許出願第６３／１７７，２９４号の優先権を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２１年４月２０日に出願された米国仮特許出願第６３／１７７，２９４号の優先権を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0002】
分野
本開示は、一般に、視覚情報を表示するためのシステムおよび方法に関し、特に、拡張現実または複合現実環境において視覚情報を表示するためのアイピースに関する。より具体的には、本開示は、拡張現実または複合現実環境において視覚情報を表示するためにアイピースに使用される格子を製造するためのシステムおよび方法に関する。
本開示は、一般に、視覚情報を表示するためのシステムおよび方法に関し、特に、拡張現実または複合現実環境において視覚情報を表示するためのアイピースに関する。より具体的には、本開示は、拡張現実または複合現実環境において視覚情報を表示するためにアイピースに使用される格子を製造するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0003】
背景
仮想環境は、コンピューティング環境においてユビキタスであり、ビデオゲーム（仮想環境がゲーム世界を表し得る）；マップ（仮想環境がナビゲートされる地形を表し得る）；シミュレーション（仮想環境が現実環境をシミュレートし得る）；デジタルストーリーテリング（仮想キャラクタが仮想環境において互いに相互作用し得る）；および多くの他の用途において使用されている。現代のコンピュータユーザは、一般に、仮想環境を快適に知覚し、仮想環境と相互作用する。しかしながら、仮想環境に関するユーザの体験は、仮想環境を提示するための技術によって制限される可能性がある。例えば、従来のディスプレイ（例えば、２Ｄ表示画面）および音声システム（例えば、固定スピーカ）は、魅力的で現実的で没入感のある体験を生み出す方法で仮想環境を実現することができないことがある。
仮想環境は、コンピューティング環境においてユビキタスであり、ビデオゲーム（仮想環境がゲーム世界を表し得る）；マップ（仮想環境がナビゲートされる地形を表し得る）；シミュレーション（仮想環境が現実環境をシミュレートし得る）；デジタルストーリーテリング（仮想キャラクタが仮想環境において互いに相互作用し得る）；および多くの他の用途において使用されている。現代のコンピュータユーザは、一般に、仮想環境を快適に知覚し、仮想環境と相互作用する。しかしながら、仮想環境に関するユーザの体験は、仮想環境を提示するための技術によって制限される可能性がある。例えば、従来のディスプレイ（例えば、２Ｄ表示画面）および音声システム（例えば、固定スピーカ）は、魅力的で現実的で没入感のある体験を生み出す方法で仮想環境を実現することができないことがある。
【0004】
仮想現実（「ＶＲ」）、拡張現実（「ＡＲ」）、複合現実（「ＭＲ」）、および関連技術（まとめて「ＸＲ」）は、ＸＲシステムのユーザに、コンピュータシステム内のデータによって表される仮想環境に対応する感覚情報を提示する能力を共有する。本開示は、ＶＲシステム、ＡＲシステム、およびＭＲシステムの間の区別を想定している（ただし、いくつかのシステムは、１つの態様（例えば、視覚的態様）ではＶＲとして分類され、別の態様（例えば、音声態様）ではＡＲまたはＭＲとして同時に分類され得る）。本明細書で使用される場合、ＶＲシステムは、少なくとも１つの態様においてユーザの現実環境を置き換える仮想環境を提示する。例えば、ＶＲシステムは、遮光ヘッドマウントディスプレイなどを用いて、現実環境の視界を同時に見えにくくしながら、仮想環境の視界をユーザに提示することができる。同様に、ＶＲシステムは、現実環境からの音声を同時にブロック（減衰）しながら、仮想環境に対応する音声をユーザに提示することができる。
【0005】
ＶＲシステムは、ユーザの現実環境を仮想環境に置き換えることから生じる様々な欠点を体験することがある。１つの欠点は、仮想環境におけるユーザの視野が、現実環境（仮想環境ではない）におけるユーザのバランスおよび向きを検出する自分の内耳の状態にもはや対応しないときに生じる可能性がある酔いの感覚である。同様に、ユーザは、自身の身体および手足（ユーザが現実環境において「接地している」と感じるために依拠するビュー）が直接見えないＶＲ環境において見当識障害を体験することがある。別の欠点は、特に仮想環境にユーザを没入させようとするリアルタイムアプリケーションにおいて、完全な３Ｄ仮想環境を提示しなければならない、ＶＲシステムに課される計算負荷（例えば、ストレージ、処理能力）である。同様に、ユーザは、仮想環境の僅かな不完全性にも敏感である傾向があり、そのいずれも仮想環境への没入感を損なう可能性があるため、そのような環境は、没入型と見なされるために非常に高い臨場感基準に達する必要があることがある。さらに、ＶＲシステムの別の欠点は、システムのそのようなアプリケーションが、現実世界において体験する様々な光景および音などの現実環境における広範囲の感覚データを利用することができないことである。関連する欠点は、現実環境において物理的空間を共有するユーザが仮想環境において互いに直接見たり相互作用したりすることができないことがあるため、ＶＲシステムが複数のユーザが相互作用することが可能な共有環境を作成するのに苦労する場合があることである。
【0006】
本明細書で使用されるように、ＡＲシステムは、少なくとも１つの態様において現実環境に重複する、または現実環境にオーバーレイする仮想環境を提示する。例えば、ＡＲシステムは、光がディスプレイを通過してユーザの眼に入ることを可能にしながら表示画像を提示する透過可能ヘッドマウントディスプレイなど、現実環境のユーザのビューにオーバーレイされた仮想環境のビューをユーザに提示することができる。同様に、ＡＲシステムは、現実環境からの音声を同時にミキシングしながら、仮想環境に対応する音声をユーザに提示することができる。同様に、本明細書で使用されるように、ＭＲシステムは、ＡＲシステムと同様に、少なくとも１つの態様において現実環境に重複するかまたはオーバーレイする仮想環境を提示し、さらに、ＭＲシステム内の仮想環境が少なくとも１つの態様において現実環境と相互作用することを可能にし得る。例えば、仮想環境内の仮想キャラクタは、現実環境内のライトスイッチを切り替え、現実環境内の対応する電球をオンまたはオフにし得る。別の例として、仮想キャラクタは、現実環境の音声信号に（表情などで）反応し得る。現実環境の提示を維持することによって、ＡＲおよびＭＲシステムは、ＶＲシステムの前述の欠点のいくつかを回避し得る。例えば、現実環境（ユーザ自身の身体を含む）からの視覚的合図が視認可能なままとすることができ、そのようなシステムは没入するために完全に実現された３Ｄ環境をユーザに提示する必要がないため、ユーザの酔いが低減される。さらに、ＡＲおよびＭＲシステムは、現実世界の感覚入力（例えば、風景、オブジェクト、および他のユーザのビューおよび音）を利用して、その入力を増強する新たなアプリケーションを作成することができる。
【0007】
仮想環境を現実的な方法で提示して、堅牢で費用効果の高い方法でユーザの没入体験を作成することは困難である可能性がある。例えば、ヘッドマウントディスプレイは、高価で壊れやすい構成要素であり得る１つ以上の多層アイピースを有する光学系を含むことができる。例えば、各層は、デジタル画像をユーザに効果的に投射するために回折格子および関連するフィルムを達成するための複数のステップを含む複雑なプロセスを介して製造され得る。回折格子は、例えば、ナノスケール上に形成された多層構造を含み得る。これらの多層構造は、リソグラフィプロセスを使用して製造されることができるが、そのようなプロセスは高価である可能性があり、ナノスケールで所望の幾何学的形状を達成することは困難である可能性がある。例えば、高忠実度（断線なし、滑らかなラインエッジ）を有する５０ｎｍ未満のナノ構造を製造することは、所望のナノ構造分解能を達成するために、Ｅビームリソグラフィなどの高価なリソグラフィ技術を使用し得る。そのようなリソグラフィ技術を用いても、リソグラフィマスターおよび／または最終製品をナノメートルスケールで製造するために構成要素を位置合わせすることは困難である可能性があり、結果として得られるナノ構造は、不均一なラインエッジ粗さ（ＬＥＲ）になりやすい可能性がある。したがって、多層ナノスケール構造を製造するための安価なプロセスが必要とされている。
【0008】
ナノ構造を製造するために使用される高価なリソグラフィ技術に関連する問題に対処するために、本開示の実施形態にかかるシステムおよび方法は、基材上に所望のナノ構造をエッチングおよび形成するための超音波処理プロセスに依存する。例えば、本開示にかかる実施形態は、超音波処理シーケンスプロセスを使用して、基材上に堆積された異なる材料層の所望のエッチング選択性を達成し得る。超音波処理シーケンスプロセスは、基材を塩基溶液、酸溶液、および／または水の浴に浸漬し、超音波処理を浴に適用することを含むことができる。本開示の実施形態にかかるシステムおよび方法は、例えば、シリコンベースの構造、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などをエッチングすることができ、忠実度が高く、ＬＥＲが滑らかであり、バッチ間で一貫した位置合わせを有する多層ナノ構造を有する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0009】
概要
本明細書では、基材上にナノ構造を製造するためのシステムおよび方法が開示される。複数のナノ構造を含む基材は、ヘッドウェアラブルデバイスなどのディスプレイ用のアイピースに使用されることができる。アイピース用の複数のナノ構造を含む基材を製造および／またはエッチングするための例示的な方法は、基材を浴内に浸漬することと、超音波処理を第１の期間にわたって浴に適用することと、を含むことができる。第１の浴に適用される超音波処理は、流体を撹拌して、基材の表面にわたって実質的に均一な第１の反応性環境を提供することができる。基材は、第２の浴に浸漬されることができ、超音波処理は、第２の期間にわたって第２の浴に適用されることができる。第２の浴に適用される超音波処理は、流体を撹拌して、基材の表面にわたって実質的に均一な第２の反応性環境を提供することができる。いくつかの例では、エッチングされた基材を生成するために、第２の期間中に基材の表面から所定量の材料が除去されることができる。いくつかの例では、除去される材料の所定量は、第１の期間の長さに基づくことができ、さらに第２の期間の長さに基づくことができる。本明細書の実施形態は、所望のナノ構造の解像度を達成するために、高い忠実度（断線なし、滑らかなラインエッジ）を有する５０ｎｍ未満のナノ構造を安価に製造するシステムおよび方法を提供する。さらに、本明細書の実施形態は、滑らかなラインエッジ粗さ（ＬＥＲ）を有するナノ構造の多層層間の位置合わせを達成するためのシステムおよび方法を提供する。
本明細書では、基材上にナノ構造を製造するためのシステムおよび方法が開示される。複数のナノ構造を含む基材は、ヘッドウェアラブルデバイスなどのディスプレイ用のアイピースに使用されることができる。アイピース用の複数のナノ構造を含む基材を製造および／またはエッチングするための例示的な方法は、基材を浴内に浸漬することと、超音波処理を第１の期間にわたって浴に適用することと、を含むことができる。第１の浴に適用される超音波処理は、流体を撹拌して、基材の表面にわたって実質的に均一な第１の反応性環境を提供することができる。基材は、第２の浴に浸漬されることができ、超音波処理は、第２の期間にわたって第２の浴に適用されることができる。第２の浴に適用される超音波処理は、流体を撹拌して、基材の表面にわたって実質的に均一な第２の反応性環境を提供することができる。いくつかの例では、エッチングされた基材を生成するために、第２の期間中に基材の表面から所定量の材料が除去されることができる。いくつかの例では、除去される材料の所定量は、第１の期間の長さに基づくことができ、さらに第２の期間の長さに基づくことができる。本明細書の実施形態は、所望のナノ構造の解像度を達成するために、高い忠実度（断線なし、滑らかなラインエッジ）を有する５０ｎｍ未満のナノ構造を安価に製造するシステムおよび方法を提供する。さらに、本明細書の実施形態は、滑らかなラインエッジ粗さ（ＬＥＲ）を有するナノ構造の多層層間の位置合わせを達成するためのシステムおよび方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【発明を実施するための形態】
【0027】
詳細な説明
以下の例の説明では、本明細書の一部を形成し、実施されることができる特定の例を例示として示す添付の図面を参照する。開示された例の範囲から逸脱することなく、他の例が使用されることができ、構造的変更が行われることができることを理解されたい。
以下の例の説明では、本明細書の一部を形成し、実施されることができる特定の例を例示として示す添付の図面を参照する。開示された例の範囲から逸脱することなく、他の例が使用されることができ、構造的変更が行われることができることを理解されたい。
【0028】
複合現実環境
全ての人と同様に、複合現実システムのユーザは、現実環境、すなわち、ユーザによって知覚可能な「現実世界」の３次元部分およびそのコンテンツの全てに存在する。例えば、ユーザは、人間の通常の感覚（視覚、音、触覚、味覚、嗅覚）を使用して現実環境を知覚し、現実環境内で自分の身体を動かすことによって現実環境と相互作用する。現実環境における位置は、座標空間における座標として記述されることができる。例えば、座標は、海面に対する緯度、経度、および高度；基準点からの３つの直交寸法における距離；または他の適切な値を含むことができる。同様に、ベクトルは、座標空間内の方向および大きさを有する量を記述することができる。
全ての人と同様に、複合現実システムのユーザは、現実環境、すなわち、ユーザによって知覚可能な「現実世界」の３次元部分およびそのコンテンツの全てに存在する。例えば、ユーザは、人間の通常の感覚（視覚、音、触覚、味覚、嗅覚）を使用して現実環境を知覚し、現実環境内で自分の身体を動かすことによって現実環境と相互作用する。現実環境における位置は、座標空間における座標として記述されることができる。例えば、座標は、海面に対する緯度、経度、および高度；基準点からの３つの直交寸法における距離；または他の適切な値を含むことができる。同様に、ベクトルは、座標空間内の方向および大きさを有する量を記述することができる。
【0029】
コンピューティングデバイスは、例えば、デバイスに関連付けられたメモリに、仮想環境の表現を維持することができる。本明細書で使用される場合、仮想環境は、３次元空間の計算表現である。仮想環境は、任意のオブジェクト、アクション、信号、パラメータ、座標、ベクトル、またはその空間に関連付けられた他の特性の表現を含むことができる。いくつかの例では、コンピューティングデバイスの回路（例えば、プロセッサ）は、仮想環境の状態を維持および更新することができる。すなわち、プロセッサは、第１の時間ｔ０において、仮想環境に関連付けられたデータおよび／またはユーザによって提供された入力に基づいて、第２の時間ｔ１における仮想環境の状態を決定することができる。例えば、仮想環境内のオブジェクトが時間ｔ０において第１の座標に位置し、特定のプログラムされた物理的パラメータ（例えば、質量、摩擦係数）を有する場合、ユーザから受信した入力は、方向ベクトルにおいてオブジェクトに力が加えられるべきであることを指示する。プロセッサは、基本力学を使用して時間ｔ１におけるオブジェクトの位置を決定するために運動学の法則を適用することができる。プロセッサは、仮想環境について知られている任意の適切な情報および／または任意の適切な入力を使用して、時間ｔ１における仮想環境の状態を決定することができる。仮想環境の状態を維持および更新する際に、プロセッサは、仮想環境における仮想オブジェクトの作成および削除に関連するソフトウェア；仮想環境における仮想オブジェクトまたはキャラクタの挙動を定義するためのソフトウェア（例えば、スクリプト）；仮想環境における信号（例えば、音声信号）の挙動を定義するためのソフトウェア；仮想環境に関連付けパラメータを作成および更新するためのソフトウェア；仮想環境において音声信号を生成するためのソフトウェア；入出力を扱うソフトウェア；ネットワーク動作を実装するためのソフトウェア；アセットデータを適用するソフトウェア（例えば、仮想オブジェクトを経時的に移動させるためのアニメーションデータ）；または他の多くの可能性を含む任意の適切なソフトウェアを実行することができる。
【0030】
ディスプレイまたはスピーカなどの出力デバイスは、仮想環境の任意のまたは全ての態様をユーザに提示することができる。例えば、仮想環境は、ユーザに提示されることができる仮想オブジェクト（これは、無生物；人々；動物；ライトなどのオブジェクトの表現を含み得る）を含み得る。プロセッサは、仮想環境のビューを決定することができ（例えば、原点座標、ビュー軸、および錐台を有する「カメラ」に対応する）、ディスプレイに、そのビューに対応する仮想環境の視聴可能なシーンをレンダリングすることができる。この目的のために、任意の適切なレンダリング技術が使用され得る。いくつかの例では、視聴可能なシーンは、仮想環境内のいくつかの仮想オブジェクトのみを含み、特定の他の仮想オブジェクトを除外し得る。同様に、仮想環境は、１つ以上の音声信号としてユーザに提示され得る音声態様を含み得る。例えば、仮想環境内の仮想オブジェクトは、オブジェクトの位置座標から生じる音を生成し得る（例えば、仮想キャラクタは、発話するか、または効果音を発生させ得る）。あるいは、仮想環境は、特定の位置に関連付けられてもよく、または関連付けられなくてもよい音楽キューまたは周囲音に関連付けられてもよい。プロセッサは、「聴取者」座標に対応する音声信号、例えば、仮想環境内の音の合成に対応し、聴取者座標において聴取者が聞く音声信号をシミュレートするために混合および処理された音声信号を決定し、１つ以上のスピーカを介して音声信号をユーザに提示することができる。
【0031】
仮想環境は、計算構造としてのみ存在するため、ユーザは、通常の感覚を使用して仮想環境を直接知覚することはできない。代わりに、ユーザは、例えばディスプレイ、スピーカ、触覚出力デバイスなどによってユーザに提示されるように、仮想環境を間接的にのみ知覚することができる。同様に、ユーザは、仮想環境に直接触れたり、仮想環境を直接操作したり、仮想環境と直接相互作用したりすることはできないが、仮想環境を更新するためにデバイスまたはセンサデータを使用することができるプロセッサに、入力デバイスまたはセンサを介して入力データを提供することができる。例えば、カメラセンサは、ユーザが仮想環境内でオブジェクトを移動させようとしていることを示す光学データを提供することができ、プロセッサは、そのデータを使用して、仮想環境内でオブジェクトにそれに応じて応答させることができる。
【0032】
複合現実システムは、例えば、透過可能ディスプレイおよび／または１つ以上のスピーカ（これは、例えば、ウェアラブルヘッドデバイスに組み込まれてもよい）を使用して、現実環境と仮想環境との態様を組み合わせた複合現実環境（「ＭＲＥ」）をユーザに提示することができる。いくつかの実施形態では、１つ以上のスピーカは、ヘッドマウントウェアラブルユニットの外部にあってもよい。本明細書で使用される場合、ＭＲＥは、現実環境と対応する仮想環境との同時表現である。いくつかの例では、対応する現実環境および仮想環境は、単一の座標空間を共有する。いくつかの例では、実座標空間および対応する仮想座標空間は、変換行列（または他の適切な表現）によって互いに関連付けられる。したがって、単一の座標（いくつかの例では、変換行列とともに）は、現実環境内の第１の位置、および仮想環境内の第２の対応する位置を定義することができ、逆もまた同様である。
【0033】
ＭＲＥでは、仮想オブジェクト（例えば、ＭＲＥに関連付けられた仮想環境における）は、現実オブジェクト（例えば、ＭＲＥに関連する現実環境における）に対応することができる。例えば、ＭＲＥの現実環境が位置座標に現実のランプポスト（現実オブジェクト）を含む場合、ＭＲＥの仮想環境は、対応する位置座標に仮想ランプポスト（仮想オブジェクト）を含み得る。本明細書で使用される場合、現実オブジェクトは、対応する仮想オブジェクトと組み合わせて、「複合現実オブジェクト」を構成する。仮想オブジェクトは、対応する現実オブジェクトと完全に一致または位置合わせされる必要はない。いくつかの例では、仮想オブジェクトは、対応する現実オブジェクトの単純化版とすることができる。例えば、現実環境が現実のランプポストを含む場合、対応する仮想オブジェクトは、現実のランプポストとほぼ同じ高さおよび半径の円筒を含み得る（ランプポストがほぼ円筒形の形状であり得ることを反映している）。このように仮想オブジェクトを単純化することは、計算効率を高めることができ、そのような仮想オブジェクトに対して実行される計算を単純化することができる。さらに、ＭＲＥのいくつかの例では、現実環境内の全ての現実オブジェクトが対応する仮想オブジェクトに関連付けられるとは限らない。同様に、ＭＲＥのいくつかの例では、仮想環境内の全ての仮想オブジェクトが対応する現実オブジェクトに関連付けられるとは限らない。すなわち、いくつかの仮想オブジェクトは、現実世界の対応物なしで、ＭＲＥの仮想環境のみであってもよい。
【0034】
いくつかの例では、仮想オブジェクトは、対応する現実オブジェクトの特性とは時々大幅に異なる特性を有し得る。例えば、ＭＲＥ内の現実環境は、緑色の２本腕のサボテン（とげのある無生物のオブジェクト）を含み得るが、ＭＲＥ内の対応する仮想オブジェクトは、人間の顔の特徴および無表情を有する緑色の２本腕の仮想キャラクタの特性を有し得る。この例では、仮想オブジェクトは、特定の特性（色、腕の数）においてその対応する現実オブジェクトに似ているが、他の特性（顔の特徴、性格）は、現実オブジェクトとは異なる。このようにして、仮想オブジェクトは、創造的、抽象的、誇張的、または想像的な方法で現実オブジェクトを表す、または、そうでなければ無生物の現実オブジェクトに挙動（例えば、人間の性格）を与える可能性を有する。いくつかの例では、仮想オブジェクトは、現実世界の対応物のない純粋に想像力のある作成物（例えば、場合によっては現実環境内の空きスペースに対応する位置にいる仮想環境内の仮想モンスター）であり得る。
【0035】
現実環境を不明瞭にしながらユーザに仮想環境を提示するＶＲシステムと比較して、ＭＲＥを提示する複合現実システムは、仮想環境が提示されている間に現実環境が知覚可能なままであるという利点を提供する。したがって、複合現実システムのユーザは、現実環境に関連付けられた視覚的および音声的キューを使用して、対応する仮想環境を体験し、相互作用することができる。例として、上述したように、ユーザは、仮想環境を直接知覚または相互作用することができないため、ＶＲシステムのユーザは、仮想環境に表示された仮想オブジェクトを知覚または相互作用するのに苦労することがあるが、ＭＲシステムのユーザは、自分自身の現実環境内の対応する現実オブジェクトを見て、聞いて、触れることによって仮想オブジェクトと相互作用することが直感的且つ自然であると見出し得る。このレベルの相互作用性は、ユーザの仮想環境との没入感、接続感、および関与感を高めることができる。同様に、現実環境と仮想環境とを同時に提示することによって、複合現実システムは、ＶＲシステムに関連付けられた否定的な心理的感情（例えば、認知的不協和）および否定的な身体的感情（例えば、酔い）を低減することができる。複合現実システムは、現実世界の体験を増強または変更し得るアプリケーションの多くの可能性をさらに提供する。
【0036】
図１Ａは、ユーザ１１０が複合現実システム１１２を使用する例示的な現実環境１００を示している。複合現実システム１１２は、例えば以下に説明するように、ディスプレイ（例えば、透過可能ディスプレイ）および１つ以上のスピーカ、ならびに１つ以上のセンサ（例えば、カメラ）を備え得る。図示の現実環境１００は、ユーザ１１０が立っている長方形部屋１０４Ａと、現実オブジェクト１２２Ａ（ランプ）、現実オブジェクト１２４Ａ（テーブル）、現実オブジェクト１２６Ａ（ソファー）、および現実オブジェクト１２８Ａ（絵画）とを含む。部屋１０４Ａは、現実環境１００の原点とみなし得る位置座標１０６をさらに含む。図１Ａに示すように、その原点１０６（世界座標）を有する環境／世界座標系１０８（ｘ軸１０８Ｘ、ｙ軸１０８Ｙ、およびｚ軸１０８Ｚを含む）は、現実環境１００の座標空間を定義することができる。いくつかの実施形態では、環境／世界座標系１０８の原点１０６は、複合現実システム１１２の電源がオンにされた場所に対応し得る。いくつかの実施形態では、環境／世界座標系１０８の原点１０６は、動作中にリセットされてもよい。いくつかの例では、ユーザ１１０は、現実環境１００内の現実オブジェクトとみなし得る。同様に、ユーザ１１０の身体部分（例えば、手、足）は、現実環境１００における現実オブジェクトとみなし得る。いくつかの例では、点１１５（例えば、ユーザ／聴取者／頭部座標）を原点とするユーザ／聴取者／頭部座標系１１４（ｘ軸１１４Ｘ、ｙ軸１１４Ｙ、およびｚ軸１１４Ｚを含む）は、複合現実システム１１２が配置されているユーザ／聴取者／頭部についての座標空間を定義することができる。ユーザ／聴取者／頭部座標系１１４の原点１１５は、複合現実システム１１２の１つ以上の構成要素に対して定義され得る。例えば、ユーザ／聴取者／頭部座標系１１４の原点１１５は、複合現実システム１１２の初期較正中などに、複合現実システム１１２のディスプレイに対して定義され得る。行列（並進行列および四元数行列または他の回転行列を含み得る）、または他の適切な表現は、ユーザ／聴取者／頭部座標系１１４空間と環境／世界座標系１０８空間との間の変換を特徴付けることができる。いくつかの実施形態では、左耳座標１１６および右耳座標１１７は、ユーザ／聴取者／頭部座標系１１４の原点１１５に対して定義され得る。行列（並進行列および四元数行列または他の回転行列を含み得る）、または他の適切な表現は、左耳座標１１６および右耳座標１１７とユーザ／聴取者／頭部座標系１１４空間との間の変換を特徴付けることができる。ユーザ／聴取者／頭部座標系１１４は、ユーザの頭部、または例えば環境／世界座標系１０８に対する頭部装着型デバイスに対する位置の表現を単純化することができる。同時位置推定およびマッピング（ＳＬＡＭ）、ビジュアルオドメトリ、または他の技術を使用して、ユーザ座標系１１４と環境座標系１０８との間の変換がリアルタイムで決定および更新されることができる。
【0037】
図１Ｂは、現実環境１００に対応する例示的な仮想環境１３０を示している。図示の仮想環境１３０は、現実の長方形部屋１０４Ａに対応する仮想の長方形部屋１０４Ｂと、現実オブジェクト１２２Ａに対応する仮想オブジェクト１２２Ｂ；現実オブジェクト１２４Ａに対応する仮想オブジェクト１２４Ｂ；現実オブジェクト１２６Ａに対応する仮想オブジェクト１２６Ｂとを含む。仮想オブジェクト１２２Ｂ、１２４Ｂ、１２６Ｂに関連付けられたメタデータは、対応する現実オブジェクト１２２Ａ、１２４Ａ、および１２６Ａから導出された情報を含むことができる。仮想環境１３０は、現実環境１００内のいかなる現実オブジェクトにも対応しない仮想モンスター１３２をさらに備える。現実環境１００における現実オブジェクト１２８Ａは、仮想環境１３０におけるいずれの仮想オブジェクトにも対応しない。点１３４をその原点とする持続座標系１３３（ｘ軸１３３Ｘ、ｙ軸１３３Ｙ、およびｚ軸１３３Ｚを含む）（持続座標）は、仮想コンテンツの座標空間を定義することができる。持続座標系１３３の原点１３４は、現実オブジェクト１２６Ａなどの１つ以上の現実オブジェクトに対して／相対的に定義され得る。行列（並進行列および四元数行列または他の回転行列を含み得る）、または他の適切な表現は、持続座標系１３３空間と環境／世界座標系１０８空間との間の変換を特徴付けることができる。いくつかの実施形態では、仮想オブジェクト１２２Ｂ、１２４Ｂ、１２６Ｂ、および１３２のそれぞれは、持続座標系１３３の原点１３４に対して独自の持続座標点を有し得る。いくつかの実施形態では、複数の持続座標系が存在してもよく、仮想オブジェクト１２２Ｂ、１２４Ｂ、１２６Ｂ、および１３２のそれぞれは、１つ以上の持続座標系に対して独自の持続座標点を有してもよい。
【0038】
持続座標データは、物理的環境に対して持続的な座標データであり得る。持続座標データは、持続的仮想コンテンツを配置するためにＭＲシステム（例えば、ＭＲシステム１１２、２００）によって使用されてもよく、持続的仮想コンテンツは、仮想オブジェクトが表示されているディスプレイの動きに結び付けられなくてもよい。例えば、２次元スクリーンは、スクリーン上の位置に対する仮想オブジェクトのみを表示し得る。２次元スクリーンの移動に伴って、仮想コンテンツがスクリーンとともに移動してもよい。いくつかの実施形態では、持続的仮想コンテンツは、部屋の隅に表示され得る。ＭＲユーザは、隅を見て、仮想コンテンツを見て、隅から外を見てもよく（ユーザの頭部の動きにより、仮想コンテンツがユーザの視野内からユーザの視野外の位置に移動した可能性があるため、仮想コンテンツはもはや見えなくなり得る）、後ろを見て隅内の仮想コンテンツを見てもよい（現実オブジェクトが挙動し得る方法と同様）。
【0039】
いくつかの実施形態では、持続座標データ（例えば、持続座標系および／または持続座標フレーム）は、原点および３つの軸を含むことができる。例えば、持続座標系は、ＭＲシステムによって部屋の中心に割り当てられ得る。いくつかの実施形態では、ユーザは、部屋の中を動き回ったり、部屋の外に出たり、部屋に再び入ったりしてもよく、持続座標系は、（例えば、物理的環境に対して持続することから）部屋の中心に留まってもよい。いくつかの実施形態では、仮想オブジェクトは、持続的仮想コンテンツの表示を可能にし得る持続座標データへの変換を使用して表示され得る。いくつかの実施形態では、ＭＲシステムは、持続座標データを生成するために同時位置特定およびマッピングを使用し得る（例えば、ＭＲシステムは、持続座標系を空間内の点に割り当て得る）。いくつかの実施形態では、ＭＲシステムは、一定の間隔で持続座標データを生成することによって環境をマッピングし得る（例えば、ＭＲシステムは、グリッド内に持続座標系を割り当て得て、持続座標系は、別の持続座標系から少なくとも５フィート以内にあり得る）。
【0040】
いくつかの実施形態では、持続座標データは、ＭＲシステムによって生成され、リモートサーバに送信され得る。いくつかの実施形態では、リモートサーバは、持続座標データを受信するように構成され得る。いくつかの実施形態では、リモートサーバは、複数の観測インスタンスからの持続座標データを同期させるように構成され得る。例えば、複数のＭＲシステムは、同じ部屋を持続座標データによってマッピングし、そのデータをリモートサーバに送信し得る。いくつかの実施形態では、リモートサーバは、この観測データを使用して、１つ以上の観測に基づき得る標準的な持続座標データを生成し得る。いくつかの実施形態では、標準的な持続座標データは、持続座標データの単一の観測よりも正確および／または信頼性が高くてもよい。いくつかの実施形態では、標準的な持続座標データは、１つ以上のＭＲシステムに送信され得る。例えば、ＭＲシステムは、画像認識および／または位置データを使用して、対応する標準的な持続座標データを有する部屋に位置することを認識し得る（例えば、他のＭＲシステムが以前に部屋をマッピングしていることから）。いくつかの実施形態では、ＭＲシステムは、その位置に対応する標準的な持続座標データをリモートサーバから受信し得る。
【0041】
図１Ａおよび図１Ｂに関連して、環境／世界座標系１０８は、現実環境１００および仮想環境１３０の両方についての共有座標空間を定義する。図示の例では、座標空間は、点１０６にその原点を有する。さらに、座標空間は、同じ３つの直交軸（１０８Ｘ、１０８Ｙ、１０８Ｚ）によって定義される。したがって、現実環境１００内の第１の位置、および仮想環境１３０内の第２の対応する位置は、同じ座標空間に関して記述されることができる。これは、同じ座標が使用されて両方の位置を識別することができるため、現実環境および仮想環境における対応する位置の識別および表示を単純化する。しかしながら、いくつかの例では、対応する現実環境および仮想環境は、共有座標空間を使用する必要はない。例えば、いくつかの例（図示せず）では、行列（並進行列および四元数行列または他の回転行列を含み得る）、または他の適切な表現は、現実環境座標空間と仮想環境座標空間との間の変換を特徴付けることができる。
【0042】
図１Ｃは、現実環境１００および仮想環境１３０の態様を、複合現実システム１１２を介してユーザ１１０に同時に提示する例示的なＭＲＥ１５０を示している。図示の例では、ＭＲＥ１５０は、現実環境１００からの現実オブジェクト１２２Ａ、１２４Ａ、１２６Ａ、および１２８Ａ（例えば、複合現実システム１１２のディスプレイの透過可能部分を介して）、および仮想環境１３０からの仮想オブジェクト１２２Ｂ、１２４Ｂ、１２６Ｂ、および１３２（例えば、複合現実システム１１２のディスプレイのアクティブ表示部分を介して）をユーザ１１０に同時に提示する。上記のように、原点１０６は、ＭＲＥ１５０に対応する座標空間の原点として機能し、座標系１０８は、座標空間のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を定義する。
【0043】
図示の例では、複合現実オブジェクトは、座標空間１０８内の対応する位置を占める現実オブジェクトと仮想オブジェクトの対応するペア（すなわち、１２２Ａ／１２２Ｂ、１２４Ａ／１２４Ｂ、１２６Ａ／１２６Ｂ）を含む。いくつかの例では、現実オブジェクトと仮想オブジェクトの両方がユーザ１１０に同時に見えることがある。これは、例えば、仮想オブジェクトが対応する現実オブジェクトのビューを拡張するように設計された情報を提示する場合（仮想オブジェクトが古い損傷した彫刻の欠落したピースを提示する美術館アプリケーションなど）に望ましいことがある。いくつかの例では、対応する現実オブジェクト（１２２Ａ、１２４Ａ、および／または１２６Ａ）を遮るように、仮想オブジェクト（１２２Ｂ、１２４Ｂ、および／または１２６Ｂ）が表示され得る（例えば、画素化遮蔽シャッタを使用するアクティブ画素化遮蔽を介して）。これは、例えば、仮想オブジェクトが対応する現実オブジェクトの視覚的置換として機能する場合（無生物の現実オブジェクトが「生きている」キャラクタになる相互作用型ストーリーテリングアプリケーションなど）に望ましいことがある。
【0044】
いくつかの例では、現実オブジェクト（例えば、１２２Ａ、１２４Ａ、１２６Ａ）は、必ずしも仮想オブジェクトを構成しなくてもよい仮想コンテンツまたはヘルパーデータに関連付けられてもよい。仮想コンテンツまたはヘルパーデータは、複合現実環境における仮想オブジェクトの処理または取り扱いを容易にすることができる。例えば、そのような仮想コンテンツは、対応する現実オブジェクトの２次元表現；対応する現実オブジェクトに関連付けられたカスタムアセットタイプ；または対応する現実オブジェクトに関連付けられた統計データを含むことができる。この情報は、不必要な計算オーバーヘッドを招くことなく、現実オブジェクトを含む計算を可能または容易にすることができる。
【0045】
いくつかの例では、上述した提示はまた、音声態様を組み込んでもよい。例えば、ＭＲＥ１５０では、仮想モンスター１３２は、モンスターがＭＲＥ１５０の周りを歩くときに生成される足音効果などの１つ以上の音声信号に関連付けられることができる。以下にさらに説明するように、複合現実システム１１２のプロセッサは、ＭＲＥ１５０内の全てのそのような音の混合および処理された合成に対応する音声信号を計算し、複合現実システム１１２に含まれる１つ以上のスピーカおよび／または１つ以上の外部スピーカを介してユーザ１１０に音声信号を提示することができる。
【0046】
例示的な複合現実システム
例示的な複合現実システム１１２は、（ニアアイディスプレイであってもよい左右の透過可能ディスプレイと、ディスプレイからの光をユーザの眼に結合するための関連構成要素とを備え得る）ディスプレイ；左右スピーカ（例えば、ユーザの左右の耳にそれぞれ隣接して配置される）；（例えば、ヘッドデバイスのテンプルアームに取り付けられる）慣性測定ユニット（ＩＭＵ）；（例えば、左側のテンプル片に取り付けられる）直交コイル型電磁受信機；ユーザから離れる方向に向けられた左右のカメラ（例えば、深度（飛行時間）カメラ）；および（例えば、ユーザの眼球運動を検出するための）ユーザに向けられた左右の眼のカメラを備えるウェアラブルヘッドデバイス（例えば、ウェアラブル拡張現実または複合現実ヘッドデバイス）を含むことができる。しかしながら、複合現実システム１１２は、任意の適切なディスプレイ技術、および任意の適切なセンサ（例えば、光学、赤外線、音響、ＬＩＤＡＲ、ＥＯＧ、ＧＰＳ、磁気）を組み込むことができる。さらに、複合現実システム１１２は、他の複合現実システムを含む他のデバイスおよびシステムと通信するためのネットワーキング機能（例えば、Ｗｉ－Ｆｉ機能）を組み込み得る。複合現実システム１１２は、バッテリ（ユーザの腰の周りに装着されるように設計されたベルトパックなどの補助ユニットに装着され得る）、プロセッサ、およびメモリをさらに含み得る。複合現実システム１１２のウェアラブルヘッドデバイスは、ユーザの環境に対するウェアラブルヘッドデバイスの座標のセットを出力するように構成された、ＩＭＵまたは他の適切なセンサなどの追跡構成要素を含み得る。いくつかの例では、追跡構成要素は、同時位置特定およびマッピング（ＳＬＡＭ）および／またはビジュアルオドメトリアルゴリズムを実行するプロセッサに入力を提供し得る。いくつかの例では、複合現実システム１１２はまた、以下にさらに説明するように、ウェアラブルベルトパックであってもよいハンドヘルドコントローラ３００および／または補助ユニット３２０を含んでもよい。
例示的な複合現実システム１１２は、（ニアアイディスプレイであってもよい左右の透過可能ディスプレイと、ディスプレイからの光をユーザの眼に結合するための関連構成要素とを備え得る）ディスプレイ；左右スピーカ（例えば、ユーザの左右の耳にそれぞれ隣接して配置される）；（例えば、ヘッドデバイスのテンプルアームに取り付けられる）慣性測定ユニット（ＩＭＵ）；（例えば、左側のテンプル片に取り付けられる）直交コイル型電磁受信機；ユーザから離れる方向に向けられた左右のカメラ（例えば、深度（飛行時間）カメラ）；および（例えば、ユーザの眼球運動を検出するための）ユーザに向けられた左右の眼のカメラを備えるウェアラブルヘッドデバイス（例えば、ウェアラブル拡張現実または複合現実ヘッドデバイス）を含むことができる。しかしながら、複合現実システム１１２は、任意の適切なディスプレイ技術、および任意の適切なセンサ（例えば、光学、赤外線、音響、ＬＩＤＡＲ、ＥＯＧ、ＧＰＳ、磁気）を組み込むことができる。さらに、複合現実システム１１２は、他の複合現実システムを含む他のデバイスおよびシステムと通信するためのネットワーキング機能（例えば、Ｗｉ－Ｆｉ機能）を組み込み得る。複合現実システム１１２は、バッテリ（ユーザの腰の周りに装着されるように設計されたベルトパックなどの補助ユニットに装着され得る）、プロセッサ、およびメモリをさらに含み得る。複合現実システム１１２のウェアラブルヘッドデバイスは、ユーザの環境に対するウェアラブルヘッドデバイスの座標のセットを出力するように構成された、ＩＭＵまたは他の適切なセンサなどの追跡構成要素を含み得る。いくつかの例では、追跡構成要素は、同時位置特定およびマッピング（ＳＬＡＭ）および／またはビジュアルオドメトリアルゴリズムを実行するプロセッサに入力を提供し得る。いくつかの例では、複合現実システム１１２はまた、以下にさらに説明するように、ウェアラブルベルトパックであってもよいハンドヘルドコントローラ３００および／または補助ユニット３２０を含んでもよい。
【0047】
図２Ａ～図２Ｄは、ＭＲＥ（ＭＲＥ１５０に対応し得る）または他の仮想環境をユーザに提示するために使用され得る例示的な複合現実システム２００（複合現実システム１１２に対応し得る）の構成要素を示している。図２Ａは、例示的な複合現実システム２００に含まれるウェアラブルヘッドデバイス２１０２の斜視図を示している。図２Ｂは、ユーザの頭部２２０２に装着されたウェアラブルヘッドデバイス２１０２の平面図を示している。図２Ｃは、ウェアラブルヘッドデバイス２１０２の正面図を示している。図２Ｄは、ウェアラブルヘッドデバイス２１０２の例示的なアイピース２１１０の端面図を示している。図２Ａ～図２Ｃに示すように、例示的なウェアラブルヘッドデバイス２１０２は、例示的な左アイピース（例えば、左透明導波路セットアイピース）２１０８および例示的な右アイピース（例えば、右透明導波路セットアイピース）２１１０を含む。各アイピース２１０８および２１１０は、現実環境が見られることができる透過可能要素、ならびに現実環境と重複するディスプレイ（例えば、イメージワイズ変調光を介して）を提示するためのディスプレイ要素を含むことができる。いくつかの例では、そのようなディスプレイ要素は、イメージワイズ変調光の流れを制御するための表面回折光学素子を含むことができる。例えば、左アイピース２１０８は、左内部結合格子セット２１１２、左直交瞳孔拡張（ＯＰＥ）格子セット２１２０、および左射出（出力）瞳孔拡張（ＥＰＥ）格子セット２１２２を含むことができる。本明細書で使用される場合、瞳は、格子セットまたは反射器などの光学素子からの光の出射を指し得る。同様に、右アイピース２１１０は、右内部結合格子セット２１１８、右ＯＰＥ格子セット２１１４、および右ＥＰＥ格子セット２１１６を含むことができる。イメージワイズ変調された光は、内部結合格子２１１２および２１１８、ＯＰＥ２１１４および２１２０、ならびにＥＰＥ２１１６および２１２２を介してユーザの眼に伝達されることができる。各内部結合格子セット２１１２、２１１８は、光をその対応するＯＰＥ格子セット２１２０、２１１４に向けて偏向させるように構成されることができる。各ＯＰＥ格子セット２１２０、２１１４は、光をその関連するＥＰＥ２１２２、２１１６に向かって徐々に下方に偏向させ、それによって形成される射出瞳を水平に延ばすように設計されることができる。各ＥＰＥ２１２２、２１１６は、その対応するＯＰＥ格子セット２１２０、２１１４から受光した光の少なくとも一部を、アイピース２１０８、２１１０の背後に画定されたユーザのアイボックス位置（図示せず）に徐々に向け直すように構成されることができ、アイボックスに形成された射出瞳を垂直に延長する。あるいは、内部結合格子セット２１１２および２１１８、ＯＰＥ格子セット２１１４および２１２０、ならびにＥＰＥ格子セット２１１６および２１２２の代わりに、アイピース２１０８および２１１０は、イメージワイズ変調された光のユーザの眼への結合を制御するための格子ならびに／または屈折および反射機構の他の配置を含むことができる。
【0048】
いくつかの例では、ウェアラブルヘッドデバイス２１０２は、左テンプルアーム２１３０および右テンプルアーム２１３２を含むことができ、左テンプルアーム２１３０は、左スピーカ２１３４を含み、右テンプルアーム２１３２は、右スピーカ２１３６を含む。直交コイル電磁受信機２１３８は、左テンプル片内、またはウェアラブルヘッドユニット２１０２内の別の適切な位置に配置されることができる。慣性測定ユニット（ＩＭＵ）２１４０は、右テンプルアーム２１３２内に、またはウェアラブルヘッドデバイス２１０２内の別の適切な位置に配置されることができる。ウェアラブルヘッドデバイス２１０２はまた、左深度（例えば、飛行時間）カメラ２１４２および右深度カメラ２１４４を含むことができる。深度カメラ２１４２、２１４４は、より広い視野をともにカバーするように、異なる方向に適切に配向されることができる。
【0049】
図２Ａ～図２Ｄに示す例では、イメージワイズ変調光の左供給源２１２４は、左の内部結合格子セット２１１２を介して左アイピース２１０８に光学的に結合されることができ、イメージワイズ変調光の右供給源２１２６は、右内部結合格子セット２１１８を介して右アイピース２１１０に光学的に結合されることができる。イメージワイズ変調光の供給源２１２４、２１２６は、例えば、光ファイバスキャナ；デジタル光処理（ＤＬＰ）チップまたは液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）変調器などの電子光変調器を含むプロジェクタ；または、側面ごとに１つ以上のレンズを使用して内部結合格子セット２１１２、２１１８に結合されたマイクロ発光ダイオード（μＬＥＤ）またはマイクロ有機発光ダイオード（μＯＬＥＤ）パネルなどの発光ディスプレイを含むことができる。入力結合格子セット２１１２、２１１８は、イメージワイズ変調光の供給源２１２４、２１２６からの光を、アイピース２１０８、２１１０の全内部反射（ＴＩＲ）の臨界角を超える角度に偏向させることができる。ＯＰＥ格子セット２１１４、２１２０は、ＴＩＲによって伝播する光をＥＰＥ格子セット２１１６、２１２２に向かって徐々に下方に偏向させる。ＥＰＥ格子セット２１１６、２１２２は、ユーザの眼の瞳孔を含むユーザの顔に向かって光を徐々に結合する。
【0050】
いくつかの例では、図２Ｄに示すように、左アイピース２１０８および右アイピース２１１０のそれぞれは、複数の導波路２４０２を含む。例えば、各アイピース２１０８、２１１０は、それぞれがそれぞれの色チャネル（例えば、赤色、青色および緑色）専用の複数の個々の導波路を含むことができる。いくつかの例では、各アイピース２１０８、２１１０は、そのような導波路の複数のセットを含むことができ、各セットは、放射された光に異なる波面曲率を付与するように構成される。波面曲率は、例えば、ユーザの前方にある距離（例えば、波面曲率の逆数に対応する距離だけ）に配置された仮想オブジェクトを提示するために、ユーザの眼に対して凸状であってもよい。いくつかの例では、ＥＰＥ格子セット２１１６、２１２２は、各ＥＰＥを横切る出射光のポインティングベクトルを変更することによって凸波面曲率を達成する湾曲格子溝を含むことができる。
【0051】
いくつかの例では、表示されたコンテンツが３次元であるという知覚を作り出すために、立体的に調整された左右の眼の画像が、イメージワイズ光変調器２１２４、２１２６およびアイピース２１０８、２１１０を通してユーザに提示されることができる。立体的な左右の画像によって示される距離に近い距離に仮想オブジェクトが表示されるように導波路を選択する（したがって、波面曲率に対応する）ことによって、３次元仮想オブジェクトの提示の知覚される臨場感が高められることができる。この技術はまた、立体視左右眼画像によって提供される深度知覚キューと人間の眼の自律神経調節（例えば、オブジェクト距離に依存する焦点）との間の差によって引き起こされ得る、一部のユーザが体験する酔いを低減し得る。
【0052】
図２Ｄは、例示的なウェアラブルヘッドデバイス２１０２の右アイピース２１１０の上からの端面図を示している。図２Ｄに示すように、複数の導波路２４０２は、３つの導波路の第１のサブセット２４０４と、３つの導波路の第２のサブセット２４０６とを含むことができる。導波路の２つのサブセット２４０４、２４０６は、出射光に異なる波面曲率を付与するために異なる格子線曲率を特徴とする異なるＥＰＥ格子によって区別されることができる。導波路の各サブセット２４０４、２４０６内で、各導波路が使用されて、異なるスペクトルチャネル（例えば、赤色、緑色、および青色のスペクトルチャネルのうちの１つ）をユーザの右眼２２０６に結合することができる。（図２Ｄには示されていないが、左アイピース２１０８の構造は、右アイピース２１１０の構造と類似している。）
【0053】
図３Ａは、複合現実システム２００の例示的なハンドヘルドコントローラ構成要素３００を示している。いくつかの例では、ハンドヘルドコントローラ３００は、グリップ部３４６と、上面３４８に沿って配置された１つ以上のボタン３５０とを含む。いくつかの例では、ボタン３５０は、カメラまたは他の光学センサ（これは、複合現実システム２００のヘッドユニット（例えば、ウェアラブルヘッドデバイス２１０２）に装着されることができる）とともに、例えば、ハンドヘルドコントローラ３００の６自由度（６ＤＯＦ）動きを追跡するための光学追跡ターゲットとして使用するように構成され得る。いくつかの例では、ハンドヘルドコントローラ３００は、ウェアラブルヘッドデバイス２１０２に対する位置または向きなどの位置または向きを検出するための追跡構成要素（例えば、ＩＭＵまたは他の適切なセンサ）を含む。いくつかの例では、そのような追跡構成要素は、ハンドヘルドコントローラ３００のハンドル内に配置されてもよく、および／またはハンドヘルドコントローラに機械的に結合されてもよい。ハンドヘルドコントローラ３００は、ボタンの押下状態；またはハンドヘルドコントローラ３００の位置、向き、および／または動き（例えば、ＩＭＵを介して）のうちの１つ以上に対応する１つ以上の出力信号を提供するように構成されることができる。そのような出力信号は、複合現実システム２００のプロセッサへの入力として使用され得る。そのような入力は、ハンドヘルドコントローラの位置、向き、および／または動き（および、延長により、コントローラを保持するユーザの手の位置、向き、および／または動きに）に対応し得る。そのような入力は、ユーザがボタン３５０を押すことにも対応し得る。
【0054】
図３Ｂは、複合現実システム２００の例示的な補助ユニット３２０を示している。補助ユニット３２０は、システム２００を動作させるためのエネルギーを供給するためのバッテリを含むことができ、システム２００を動作させるためのプログラムを実行するためのプロセッサを含むことができる。図示のように、例示的な補助ユニット３２０は、補助ユニット３２０をユーザのベルトに取り付けるなどのためのクリップ２１２８を含む。ユニットをユーザのベルトに取り付けることを伴わないフォームファクタを含む、他のフォームファクタが補助ユニット３２０に適しており、明らかであろう。いくつかの例では、補助ユニット３２０は、例えば、電線および光ファイバを含むことができる多導管ケーブルを介してウェアラブルヘッドデバイス２１０２に結合される。補助ユニット３２０とウェアラブルヘッドデバイス２１０２との間の無線接続も使用されることができる。
【0055】
いくつかの例では、複合現実システム２００は、音を検出し、対応する信号を複合現実システムに提供するための１つ以上のマイクロフォンを含むことができる。いくつかの例では、マイクロフォンは、ウェアラブルヘッドデバイス２１０２に取り付けられるか、または一体化されてもよく、ユーザの音声を検出するように構成されてもよい。いくつかの例では、マイクロフォンは、ハンドヘルドコントローラ３００および／または補助ユニット３２０に取り付けられるか、または一体化されてもよい。そのようなマイクロフォンは、環境音、周囲の雑音、ユーザもしくは第三者の音声、または他の音を検出するように構成されてもよい。
【0056】
図４は、上述した複合現実システム２００（これは、図１に関する複合現実システム１１２に対応し得る）などの例示的な複合現実システムに対応し得る例示的な機能ブロック図を示している。図４に示すように、例示的なハンドヘルドコントローラ４００Ｂ（ハンドヘルドコントローラ３００（「トーテム」）に対応し得る）は、トーテム・ツー・ウェアラブルヘッドデバイス６自由度（６ＤＯＦ）トーテムサブシステム４０４Ａを含み、例示的なウェアラブルヘッドデバイス４００Ａ（ウェアラブルヘッドデバイス２１０２に対応し得る）は、トーテム・ツー・ウェアラブルヘッドデバイス６ＤＯＦサブシステム４０４Ｂを含む。この例では、６ＤＯＦトーテムサブシステム４０４Ａおよび６ＤＯＦサブシステム４０４Ｂは、協働して、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａに対するハンドヘルドコントローラ４００Ｂの６つの座標（例えば、３つの並進方向のオフセットおよび３つの軸に沿った回転）を決定する。６自由度は、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａの座標系を基準として表され得る。３つの並進オフセットは、そのような座標系におけるＸ、Ｙ、およびＺオフセットとして、並進行列として、または他の何らかの表現として表され得る。回転自由度は、ヨー、ピッチ、およびロール回転のシーケンスとして、回転行列として、四元数として、または他の何らかの表現として表され得る。いくつかの例では、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａ；ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａに含まれる１つ以上の深度カメラ４４４（および／または１つ以上の非深度カメラ）；および／または１つ以上の光学ターゲット（例えば、上述したハンドヘルドコントローラ４００Ｂのボタン３５０、またはハンドヘルドコントローラ４００Ｂに含まれる専用の光学ターゲット）が６ＤＯＦ追跡に使用されることができる。いくつかの例では、ハンドヘルドコントローラ４００Ｂは、上述したように、カメラを含むことができ、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａは、カメラと連動して光学追跡のための光学ターゲットを含むことができる。いくつかの例では、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａおよびハンドヘルドコントローラ４００Ｂは、それぞれ、３つの識別可能な信号を無線で送受信するために使用される３つの直交して配向されたソレノイドのセットを含む。受信に使用されるコイルのそれぞれにおいて受信された３つの識別可能な信号の相対的な大きさを測定することにより、ハンドヘルドコントローラ４００Ｂに対するウェアラブルヘッドデバイス４００Ａの６ＤＯＦが決定され得る。さらに、６ＤＯＦトーテムサブシステム４０４Ａは、ハンドヘルドコントローラ４００Ｂの迅速な動きに関する改善された精度および／またはよりタイムリーな情報を提供するのに有用な慣性測定ユニット（ＩＭＵ）を含むことができる。
【0057】
いくつかの実施形態では、ウェアラブルシステム４００は、ヘッドギアデバイス４００Ａ上に配置された１つ以上のマイクロフォンを含むことができるマイクロフォンアレイ４０７を含むことができる。いくつかの実施形態では、マイクロフォンアレイ４０７は、４つのマイクロフォンを含むことができる。ヘッドギア４００Ａの前面に２つのマイクロフォンが配置されることができ、ヘッドヘッドギア４００Ａの背面に２つのマイクロフォンが配置されることができる（例えば、左後方に１つ、右後方に１つ）。いくつかの実施形態では、マイクロフォンアレイ４０７によって受信された信号は、ＤＳＰ４０８に送信されることができる。ＤＳＰ４０８は、マイクロフォンアレイ４０７から受信された信号に対して信号処理を実行するように構成されることができる。例えば、ＤＳＰ４０８は、マイクロフォンアレイ４０７から受信した信号に対してノイズ低減、音響エコー除去、および／またはビームフォーミングを実行するように構成されることができる。ＤＳＰ４０８は、信号をプロセッサ４１６に送信するように構成されることができる。
【0058】
いくつかの例では、例えば、座標系１０８に対するウェアラブルヘッドデバイス４００Ａの動きを補償するために、座標をローカル座標空間（例えば、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａに対して固定された座標空間）から慣性座標空間（例えば、現実環境に対して固定された座標空間）に変換することが必要になることがある。例えば、そのような変換は、現実環境に仮想オブジェクト（例えば、現実の椅子に座っており、ウェアラブルヘッドデバイスの位置および向きに関係なく、前方を向いている仮想人物）が存在するという錯覚を維持するために、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａのディスプレイが、ディスプレイ上の固定された位置および向きではなく、現実環境に対して予想される位置（例えば、ディスプレイの右下隅の同じ位置）および向きで仮想オブジェクトを提示するために必要であり得る（そして、例えば、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａが移動および回転するときに現実環境に不自然に配置されているようには見えない）。いくつかの例では、座標空間間の補償変換は、座標系１０８に対するウェアラブルヘッドデバイス４００Ａの変換を決定するために、ＳＬＡＭおよび／またはビジュアルオドメトリ手順を使用して深度カメラ４４４からの画像を処理することによって決定されることができる。図４に示す例では、深度カメラ４４４は、ＳＬＡＭ／ビジュアルオドメトリブロック４０６に結合され、画像をブロック４０６に提供することができる。ＳＬＡＭ／ビジュアルオドメトリブロック４０６の実装は、この画像を処理し、ユーザの頭部の位置および向きを決定するように構成されたプロセッサを含むことができ、頭部座標空間と別の座標空間（例えば、慣性座標空間）との間の変換を識別するために使用されることができる。同様に、いくつかの例では、ユーザの頭部姿勢および位置に関する追加の情報源は、ＩＭＵ４０９から取得される。ＩＭＵ４０９からの情報は、ＳＬＡＭ／ビジュアルオドメトリブロック４０６からの情報と統合されて、ユーザの頭部姿勢および位置の迅速な調整に関する改善された精度および／またはよりタイムリーな情報を提供することができる。
【0059】
いくつかの例では、深度カメラ４４４は、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａのプロセッサに実装され得るハンドジェスチャトラッカ４１１に３Ｄ画像を供給することができる。ハンドジェスチャトラッカ４１１は、例えば、深度カメラ４４４から受信した３Ｄ画像をハンドジェスチャを表す記憶されたパターンと照合することによって、ユーザのハンドジェスチャを識別することができる。ユーザのハンドジェスチャを識別する他の適切な技術が明らかであろう。
【0060】
いくつかの例では、１つ以上のプロセッサ４１６は、ウェアラブルヘッドデバイスの６ＤＯＦヘッドギアサブシステム４０４Ｂ、ＩＭＵ４０９、ＳＬＡＭ／ビジュアルオドメトリブロック４０６、深度カメラ４４４、および／またはハンドジェスチャトラッカ４１１からデータを受信するように構成され得る。プロセッサ４１６はまた、６ＤＯＦトーテムシステム４０４Ａから制御信号を送受信することもできる。プロセッサ４１６は、ハンドヘルドコントローラ４００Ｂが接続されていない例のように、６ＤＯＦトーテムシステム４０４Ａに無線で結合されてもよい。プロセッサ４１６は、さらに、視聴覚コンテンツメモリ４１８、グラフィカル処理ユニット（ＧＰＵ）４２０、および／またはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）音声スペーシャライザ４２２などの追加の構成要素と通信してもよい。ＤＳＰ音声スペーシャライザ４２２は、頭部伝達関数（ＨＲＴＦ）メモリ４２５に結合されてもよい。ＧＰＵ４２０は、イメージワイズ変調光４２４の左供給源に結合された左チャネル出力と、イメージワイズ変調光４２６の右供給源に結合された右チャネル出力とを含むことができる。ＧＰＵ４２０は、例えば、図２Ａ～図２Ｄを参照して上述したように、立体画像データをイメージワイズ変調光４２４、４２６の供給源に出力することができる。ＤＳＰ音声スペーシャライザ４２２は、左スピーカ４１２および／または右スピーカ４１４に音声を出力することができる。ＤＳＰ音声スペーシャライザ４２２は、ユーザから仮想音源（これは、例えば、ハンドヘルドコントローラ３２０を介して、ユーザによって移動され得る）への方向ベクトルを示す入力をプロセッサ４１９から受信することができる。方向ベクトルに基づいて、ＤＳＰ音声スペーシャライザ４２２は、（例えば、ＨＲＴＦにアクセスすることによって、または複数のＨＲＴＦを補間することによって）対応するＨＲＴＦを決定することができる。次いで、ＤＳＰ音声スペーシャライザ４２２は、決定されたＨＲＴＦを、仮想オブジェクトによって生成された仮想音に対応する音声信号などの音声信号に適用することができる。これは、複合現実環境における仮想音に対するユーザの相対的な位置および向きを組み込むことによって、すなわち、仮想音が現実環境の現実音である場合にその仮想音がどのように聞こえるかというユーザの期待に一致する仮想音を提示することによって、仮想音の真実味および臨場感を高めることができる。
【0061】
図４に示すようないくつかの例では、プロセッサ４１６、ＧＰＵ４２０、ＤＳＰ音声スペーシャライザ４２２、ＨＲＴＦメモリ４２５、および視聴覚コンテンツメモリ４１８のうちの１つ以上は、補助ユニット４００Ｃ（上述した補助ユニット３２０に対応し得る）に含まれ得る。補助ユニット４００Ｃは、その構成要素に電力を供給するため、および／またはウェアラブルヘッドデバイス４００Ａまたはハンドヘルドコントローラ４００Ｂに電力を供給するためのバッテリ４２７を含み得る。ユーザの腰に装着されることができる補助ユニットにこのような構成要素を含めることは、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａのサイズおよび重量を制限することができ、ひいてはユーザの頭と首の疲労を軽減することができる。
【0062】
図４は、例示的な複合現実システムの様々な構成要素に対応する要素を示しているが、これらの構成要素の様々な他の適切な配置が当業者には明らかになるであろう。例えば、補助ユニット４００Ｃに関連付けられているものとして図４に示されている要素は、代わりに、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａまたはハンドヘルドコントローラ４００Ｂに関連付けられることができる。さらにまた、いくつかの複合現実システムは、ハンドヘルドコントローラ４００Ｂまたは補助ユニット４００Ｃを完全に取り止めてもよい。そのような変形および変更は、開示された例の範囲内に含まれると理解されるべきである。
【0063】
ナノ構造製造のための超音波処理
例示的な複合現実システム（例えば、複合現実システム２００）のウェアラブルヘッドデバイスまたはヘッドマウントディスプレイは、ディスプレイを介してユーザに画像を提示するためのアイピースを有する光学系を含み得る。アイピースは、１つ以上の光学格子（例えば、内部結合格子セット２１１２、左直交瞳孔拡張（ＯＰＥ）格子セット２１２０、および左出口（出射）瞳孔拡張（ＥＰＥ）格子セット２１２２、右アイピース２１１０は、右内部結合格子セット２１１８、右ＯＰＥ格子セット２１１４、および右ＥＰＥ格子セット２１１６を含むことができる）を含むことができる。１つ以上の光学格子は、イメージワイズ光をユーザの眼に伝達するために使用されることができる。
例示的な複合現実システム（例えば、複合現実システム２００）のウェアラブルヘッドデバイスまたはヘッドマウントディスプレイは、ディスプレイを介してユーザに画像を提示するためのアイピースを有する光学系を含み得る。アイピースは、１つ以上の光学格子（例えば、内部結合格子セット２１１２、左直交瞳孔拡張（ＯＰＥ）格子セット２１２０、および左出口（出射）瞳孔拡張（ＥＰＥ）格子セット２１２２、右アイピース２１１０は、右内部結合格子セット２１１８、右ＯＰＥ格子セット２１１４、および右ＥＰＥ格子セット２１１６を含むことができる）を含むことができる。１つ以上の光学格子は、イメージワイズ光をユーザの眼に伝達するために使用されることができる。
【0064】
上述したように、光学格子を形成するナノ構造は、リソグラフィプロセスによって製造されることができる。ナノ構造は、多層対称および／または非対称とすることができる。しかしながら、リソグラフィを使用してナノ構造を製造することは、高価で複雑である可能性がある。例えば、高忠実度（断線なし、滑らかなラインエッジ）を有する５０ｎｍ未満のナノ構造を製造することは、所望のナノ構造分解能を達成するために、Ｅビームリソグラフィなどの高価なリソグラフィ技術を使用し得る。そのようなリソグラフィ技術を用いても、リソグラフィマスターおよび／または最終製品をナノメートルスケールで製造するために構成要素を位置合わせすることは困難である可能性があり、結果として得られるナノ構造は、不均一なラインエッジ粗さ（ＬＥＲ）になりやすい可能性がある。
【0065】
ナノ構造を製造するために使用される高価なリソグラフィ技術に関連する問題に対処するために、本開示の実施形態にかかるシステムおよび方法は、基材上に所望のナノ構造をエッチングおよび形成するための超音波処理プロセスに依存する。例えば、本開示にかかる実施形態は、超音波処理シーケンスプロセスを使用して、基材上に堆積された異なる材料層の所望のエッチング選択性を達成し得る。超音波処理シーケンスプロセスは、基材を塩基溶液、酸溶液、および／または水の浴に浸漬し、超音波処理を浴に適用することを含むことができる。本開示の実施形態にかかるシステムおよび方法は、例えば、シリコンベースの構造、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４などをエッチングすることができ、忠実度が高く、ＬＥＲが滑らかであり、バッチ間で一貫した位置合わせを有する多層ナノ構造を有する。
【0066】
本明細書で使用される場合、超音波処理は、反応性エッチング種を提供し、および／または反応した種、残留物、粒子、破片などを除去するために、媒体として流体を含む容器にトランスデューサを使用して音響エネルギーおよび撹拌を適用するプロセスを指し得る。図５は、本開示の実施形態にかかる、例示的な超音波処理構成５００の例を示している。例示的な構成５００は、少なくともトランスデューサ５０２、容器５０４、および液体浴５０６を含むことができる。トランスデューサ５０２は、容器５０４に音波を印加するために設けられ得る。例えば、トランスデューサは、２０～２００ＫＨｚで波を提供することができる。液体浴、例えば流体は、塩基溶液、酸溶液および／または水とすることができる。いくつかの実施形態では、酸溶液は、硫酸、クエン酸などを含むことができる。いくつかの実施形態では、塩基溶液は、水酸化カリウムおよび／または過酸化水素を含むことができる。いくつかの例では、酸溶液および塩基溶液は、約３～１１の範囲のｐＨで約１～２０％の化学的濃度を有することができる。いくつかの実施形態では、トランスデューサからのエネルギーは、連続的にパルス化されるのではなく、特定の間隔でパルス化されることができる。
【0067】
図に示されるように、エッチングされる基材５０８は、容器５０４内に配置され得る。１つ以上の例では、基材は、シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、および／または他のシリコン系基材材料から形成されることができる。いくつかの実施形態では、超音波処理構成５００の液体浴は、超音波処理プロセス中に室温であり得る。いくつかの実施形態では、超音波処理構成の液体浴は、高温、例えば室温を超えて約４０～８０Ｃであり得る。例えば、ヒータ（図示せず）が容器５０４に結合されて、液体浴５０６の所望の温度を達成することができる。
【0068】
１つ以上の例では、基材５０８は、塩基溶液、酸溶液、および／または水の浴中に順次配置されることができる。基材５０８が液体浴５０６内に浸漬されると、トランスデューサ５０２は、容器５０４に音波を印加することができる。波は、容器５０４内の流体を撹拌することができる。このようにして、超音波処理は、流体と基材との間の反応、ならびに反応種、例えばエッチングされた材料、および反応した溶液の基材表面からの除去速度を支援し、反応を継続するために、基材表面に新たな反応環境、例えば未反応溶液を補充することができる。いくつかの例では、酸および／または塩基溶液は、基材材料との反応性に基づいて選択され得る。例えば、酸および／または塩基溶液は、基材材料の表面と反応し、基材５０８の表面から材料を除去する、例えばエッチング除去する能力に基づいて選択され得る。
【0069】
いくつかの例では、基材５０８の表面で起こる複数の加水分解反応は、シリコン材料を徐々に除去することができる。例えば、二酸化シリコン結合の加水分解は、酸および／または塩基溶液中に存在するヒドロニウムイオン（Ｈ３Ｏ＋）、水酸化物（ＯＨ－）、および／または水素結合した錯体分子からのプロトン移動に起因して、基材５０８表面上で起こることができる。例えば、固体・液体（例えば、溶液への二酸化シリコン）界面においてシラノール（ＳＩ－ＯＨ）結合が生成されることができ、それによって二酸化シリコンおよびシラノール結合のエネルギー障壁を減少させる。これは、分子間の結合を破壊するために必要なエネルギーがより小さいため、プロトン化による反応の増加をもたらすことができる。エネルギー障壁の低下はまた、水溶液中のｈ結合錯体の存在に起因することができ、これは、プロトン移動に寄与することができる。基材表面に存在するシラノールと溶液界面とのシリコンの酸および塩基プロトン化反応を支配する式が以下に与えられる式１および式２に提供されている。
【化1】
【0070】
表１は、本開示の実施形態にかかる超音波処理プロセスを使用したシリコンおよび二酸化シリコンナノ構造の例示的なエッチング速度を示している。本明細書で使用される場合、エッチング速度は、基材の表面から材料を除去する速度を指すために使用されることができる。いくつかの実施形態では、基材を液体浴に浸漬し、浴に超音波処理を適用することは、基材の表面全体にわたって実質的に均一な反応環境を提供することができ、それにより、基材表面全体にわたって実質的に均一なエッチングおよび材料除去を提供する。表１に示す例は、約６０Ｃで約８分間、塩基溶液（水中でｐＨ１１の２％塩基溶液）および約６０Ｃで約２０分間、酸溶液（水中でｐＨ３の２％酸溶液）によって基材を処理することに対応することができる。塩基および酸溶液の濃度は例示的なものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、表１に示すエッチング速度は例示的なものであり、異なる超音波処理条件、例えば、温度、酸および／または塩基溶液濃度、ならびに超音波処理プロセスの時間長によって変化することができる。いくつかの実施形態では、超音波処理条件は、安定したおよび／または一貫したエッチング速度を提供するように調整されることができる。
【表1】
【0071】
表に示すように、シリコン基材および／または二酸化シリコン基材を塩基－水プロセスシーケンス（例えば、基材を塩基溶液浴に浸漬し、超音波処理を適用し、続いて基材を水浴に浸漬し、超音波処理を適用する）によって処理することは、基材の表面からの材料の識別可能な除去をもたらさない場合がある。同様に、シリコン基材および二酸化シリコン基材を酸－水プロセスシーケンス（例えば、基材を塩基性溶液酸に浸漬し、超音波処理を適用し、続いて基材を水浴に浸漬し、超音波処理を適用する）によって処理することは、基材の表面からの材料の識別可能な除去をもたらさない場合がある。
【0072】
しかしながら、塩基－酸－水および塩基－水－酸－水プロセスシーケンスは、識別可能なエッチング速度をもたらし得る。表１に見られるように、シリコンおよび二酸化シリコンは、それぞれ、異なるプロセスシーケンスに対して異なるエッチング速度に関連付けられる。エッチング速度のこの差は、酸化シリコン結合と比較して、シリコン結合に関連するより弱いエネルギー障壁に起因し得る。例えば、Ｏ－Ｓｉ－Ｏ結合は、二酸化シリコン中でより強く、より遅い加水分解反応、例えば式１および式２を参照、ならびに材料除去をもたらし得る。例えば、塩基－酸－水プロセスシーケンスによってシリコン基材を処理することは、約１～４ｎｍ／分のエッチング速度を提供することができるが、同じ塩基－酸－水プロセス（例えば、同じ溶液強度、時間、および温度）によって二酸化シリコン基材を処理することは、約０．２～０．７ｎｍ／分のエッチング速度をもたらした。同様に、塩基－水－酸－水プロセスシーケンスによってシリコン基材を処理することは、約１～４ｎｍ／分のエッチング速度を提供したが、同じ塩基－水－酸－水プロセス（例えば、同じ溶液強度、時間、および温度）によって二酸化シリコン基材を処理することは、約±５ｎｍ／分のエッチング速度をもたらした。
【0073】
上述した超音波処理プロセスシーケンスを適用することは、基材材料の予測可能なエッチング速度を提供することができる。したがって、超音波処理が使用されて、制御された意図的な方法でナノ構造の寸法を縮小することができる。実質的に均一な反応環境のために、ラインエッジ粗さ（ＬＥＲ）は、従来のリソグラフィ技術と比較して滑らかにすることができ、１つ以上の超音波処理条件を調整することによって正確な寸法が達成されることができる。例えば、超音波処理浴の時間長、温度、および／または溶液強度を調整することによって、除去される材料の量が調整されることができる。さらに、シリコンおよび二酸化シリコンは、一貫したおよび／または予測可能なエッチング速度に関連するため、これら２つの材料間のエッチング速度の差が利用されて、選択的且つ制御可能な方法で多層構造を製造することができる。
【0074】
図６Ａ～図６Ｂ、図７Ａ～図７Ｂ、図８Ａ～図８Ｂ、図９Ａ～図９Ｂ、および図１０Ａ～図１０Ｂは、本開示の実施形態にしたがって製造されることができる複数のナノ構造を有する基材の例を示している。本開示の実施形態にしたがって製造されたナノ構造は、例えば、ウェアラブルヘッドデバイス（例えば、ウェアラブルヘッドデバイス２１０２）に使用されることができるアイピース用の１つ以上の格子に使用されることができる。
【0075】
図６Ａは、本開示の実施形態にかかる、例示的な基材６００Ａを示している。図に示すように、基材６００Ａは、ベース６０２Ａおよび複数のナノ構造６０４Ａを含むことができる。例示的な基材６００Ａは、シリコン基材であり得る。複数のナノ構造６０４Ａは、ベース６０２Ａの表面にパターンを形成することができる。図に示すように、複数のナノ構造６０４Ａは、ナノ構造がベース６０２Ａの表面から突出することができるように、ラインアンドスペースパターンをとることができる。パターン形状は、本開示の範囲を限定することを意図するものではなく、例えば、ピラーパターン、不連続線、曲線、孔、円柱などを含むがこれらに限定されない任意の適切なナノパターンが、本開示の範囲から逸脱することなく使用されることができる。複数のナノ構造６０４Ａは、第１の高さ（６００ｈ１）および第１の幅（６００ｄ１）に関連付けられ得る。１つ以上の例では、ナノ構造６０４Ａは、約１００～２５０ｎｍの範囲の幅（６００ｄ１）および約７０～１５０ｎｍの高さ（６００ｈ１）を有することができる。例えば、６０４Ａは、１９６ｎｍの幅６００ｄ１および７９ｎｍの高さ６００ｈ１を有し得る。これらの例示的な寸法は、例示を目的として提供されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【0076】
図６Ｂは、本開示の１つ以上の実施形態にしたがってエッチングされた例示的なエッチングされた基材６００Ｂを示している。例えば、基材６００Ｂは、本開示の１つ以上の例にかかる塩基－酸－水超音波処理プロセスシーケンスを使用してシリコン基材６００Ａをエッチングすることによって製造され得る。上述したように、シリコン基材は、塩基－酸－水シーケンスを使用して約１～４ｎｍ／分のエッチング速度を有し得る。図に示すように、エッチングされたナノ構造６０４Ｂは、線幅６００ｄ１と比較して減少した線幅６００ｄ２を有し得る。例えば、ナノ構造６０４Ｂは、１４５ｎｍの幅６００ｄ２および７７ｎｍの高さ６００ｈ２を有し得る。これらの例示的な寸法は、例示を目的として提供されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、図に示すように、ナノ構造６０４Ｂのラインエッジ粗さ（ＬＥＲ）は、特にナノスケールでの従来のリソグラフィプロセスに関連するＬＥＲと比較した場合、滑らかとすることができる。ナノ構造６０４Ａとナノ構造６０４Ｂの寸法を比較すると、６００ｄ１と６００ｄ２との間の幅の変化（６００Δｄ）は－５１ｎｍとすることができるが、６００ｈ１と６００ｈ２との間の高さの変化（６００Δｈ）は約－２ｎｍとすることができる。このようにして、線幅寸法ｄが縮小されて所望のナノ構造の幾何学的形状を達成することができる一方で、ナノ構造の高さは、比較的一定のままとすることができる。
【0077】
図７Ａは、本開示の実施形態にかかる、例示的な基材７００Ａを示している。図に示すように、基材７００Ａは、ベース７０２Ａと、複数のナノ構造７０４Ａとを含むことができる。例示的な基材７００Ａは、二酸化シリコン基材であり得る。複数のナノ構造７０４Ａは、ベース７０２Ａの表面にパターンを形成することができる。図に示すように、複数のナノ構造７０４Ａは、ナノ構造７０４Ａがベース７０２Ａの表面から突出することができるように、ラインアンドスペースパターンであり得る。パターン形状は、本開示の範囲を限定することを意図するものではなく、本開示の範囲から逸脱することなく、上述したように、任意の適切なナノパターンが使用されることができる。複数のナノ構造７０４Ａは、第１の高さ（７００ｈ１）および第１の幅（７００ｄ１）に関連付けられ得る。１つ以上の例では、ナノ構造７０４Ａは、約１００～２５０ｎｍの範囲の幅（６００ｄ１）および約７０～１５０ｎｍの高さ（６００ｈ１）を有することができる。例えば、７０４Ａは、１５７ｎｍの幅７００ｄ１および１２２ｎｍの高さ７００ｈ１を有し得る。これらの例示的な寸法は、例示を目的として提供されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【0078】
図７Ｂは、本開示の１つ以上の実施形態にしたがってエッチングされることができる例示的なエッチングされた基材７００Ｂを示している。例えば、基材７００Ｂは、本開示の１つ以上の例にかかる塩基－酸－水超音波処理プロセスシーケンスを使用して二酸化シリコン基材７００Ａをエッチングすることによって製造され得る。上述したように、二酸化シリコン基材は、塩基－酸－水シーケンスを使用して約０．２～０．８ｎｍ／分のエッチング速度を有し得る。図に示されるように、エッチングされたナノ構造７０４Ｂは、線幅７００ｄ１と比較して減少した線幅７００ｄ２、および高さ７００ｈ１と比較して増加した高さ７００ｈ２を有し得る。例えば、ナノ構造７０４Ｂは、１４１ｎｍの幅７００ｄ２および１２５ｎｍの高さ７００ｈ２を有し得る。ナノ構造７０４Ａとナノ構造７０４Ｂとの寸法を比較すると、７００ｄ１と７００ｄ２との間の幅の変化（７００Δｄ１）は約－１６ｎｍとすることができるが、７００ｈ１と７００ｈ２との間の高さの変化（７００Δｈ１）は約＋３ｎｍとすることができる。これらの例示的な寸法は、例示を目的として提供されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。上述した例と同様に、線幅寸法ｄが縮小されて所望のナノ構造幾何学的形状を達成することができるが、ナノ構造７０４Ｂの高さは、比較的一定のままとすることができる。さらに、ナノ構造７０４ＢのＬＥＲは、特にナノスケールでの従来のリソグラフィプロセスに関連するＬＥＲと比較して滑らかとすることができる。
【0079】
図７Ｃは、本開示の１つ以上の実施形態にしたがってエッチングされ得る例示的なエッチングされた基材７００Ｃを示している。例えば、基材７００Ｃは、本開示の１つ以上の例にかかる塩基－酸－水超音波処理プロセスシーケンスを使用して二酸化シリコン基材７００Ｂをエッチングすることによって製造されることができる。したがって、所望のナノ構造幾何形状を達成するために、複数の連続的な超音波処理プロセスが実行されることができる。図に示すように、エッチングされた基材７００Ｃは、線幅７００ｄ２と比較して減少した線幅７００ｄ３、および高さ７００ｈ２と比較して増加した高さ７００ｈ３を有し得る。例えば、７０４Ｃは、１２５ｎｍの幅７００ｄ３および１２４ｎｍの高さ７００ｈ３を有し得る。ナノ構造７０４Ｃの寸法をナノ構造７０４Ｃと比較すると、７００ｄ２と７００ｄ３との間の幅の変化（７００Δｄ２）は約－１６ｎｍであり得るが、７００ｈ１と７００ｈ２との間の高さの変化（７００Δｈ２）は約－１ｎｍであり得る。これらの例示的な寸法は、例示を目的として提供されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。上述した例と同様に、線幅寸法ｄが縮小されて所望のナノ構造幾何学的形状を達成することができるが、ナノ構造の高さは、比較的一定のままとすることができる。さらに、ナノ構造７０４ＣのＬＥＲは、特にナノスケールでの従来のリソグラフィプロセスに関連するＬＥＲと比較して滑らかであり得る。
【0080】
図８Ａは、本開示の実施形態にかかる、例示的な基材８００Ａを示している。図に示すように、基材８００Ａは、ベース８０２Ａおよび複数のナノ構造８０４Ａを含むことができる。例示的な基材８００Ａは、シリコン基材であり得る。複数のナノ構造８０４Ａは、ベース８０２Ａの表面にパターンを形成することができる。図に示すように、複数のナノ構造８０４Ａは、ベース８０２Ａの表面から突出することができるラインアンドスペースパターンであり得る。パターン形状は、本開示の範囲を限定することを意図するものではなく、本開示の範囲から逸脱することなく、上述したように、任意の適切なナノパターンが使用されることができる。複数のナノ構造８０４Ａは、第１の高さ（８００ｈ１）および第１の幅（８００ｄ１）に関連付けられ得る。１つ以上の例では、ナノ構造８０４Ａは、約１００～２５０ｎｍの範囲内の幅８００ｄ１および約７０～１５０ｎｍの高さ８００ｈ１を有することができる。例えば、８０４Ａは、約２１９ｎｍの幅８００ｄ１および約１１５ｎｍの高さ８００ｈ１を有し得る。これらの例示的な寸法は、例示を目的として提供されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【0081】
図８Ｂは、本開示の１つ以上の実施形態にしたがってエッチングされることができる例示的なエッチングされた基材８００Ｂを示している。例えば、基材８００Ｂは、本開示の１つ以上の例にかかる塩基－水－酸－水超音波処理プロセスシーケンスを使用してシリコン基材８００Ａをエッチングすることによって製造され得る。上述したように、シリコン基材は、塩基－水－酸－水シーケンスを使用して約１～４ｎｍ／分のエッチング速度を有し得る。図に示すように、エッチングされたナノ構造８０４Ｂは、線幅８００ｄ１と比較して減少した線幅８００ｄ２、および高さ８００ｈ１と比較して増加した高さ８００ｈ２を有し得る。例えば、ナノ構造８０４Ｂは、約１１４ｎｍの幅８００ｄ２および約１１４ｎｍの高さ８００ｈ２を有し得る。ナノ構造８０４Ａとナノ構造８０４Ｂとの寸法を比較すると、８００ｄ１と８００ｄ２との間の幅の変化（８００Δｄ）は約－１０５ｎｍとすることができるが、８００ｈ１と８００ｈ２との間の高さの変化（８００Δｈ）は約－１ｎｍとすることができる。これらの例示的な寸法は、例示を目的として提供されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。上述した例と同様に、線幅寸法ｄが縮小されて所望のナノ構造幾何学的形状を達成することができるが、ナノ構造の高さは、比較的一定のままとすることができる。さらに、図に示すように、ナノ構造８０４ＢのＬＥＲは、特にナノスケールでの従来のリソグラフィプロセスに関連するＬＥＲと比較して滑らかとすることができる。
【0082】
図９Ａは、本開示の実施形態にかかる、例示的な基材９００Ａを示している。図に示すように、基材６００Ａは、ベース９０２Ａおよび複数のナノ構造９０４Ａを含むことができる。例示的な基材９００Ａは、二酸化シリコン基材であり得る。複数のナノ構造９０４Ａは、ベース９０２Ａの表面にパターンを形成することができる。図に示すように、複数のナノ構造９０４Ａは、ベース９０２Ａの表面から突出することができるラインアンドスペースパターンであり得る。パターン形状は、本開示の範囲を限定することを意図するものではなく、本開示の範囲から逸脱することなく、上述したように、任意の適切なナノパターンが使用されることができる。複数のナノ構造９０４Ａは、第１の高さ（９００ｈ１）および第１の幅（９００ｄ１）に関連付けられ得る。１つ以上の例では、ナノ構造９０４Ａは、約１００～２５０ｎｍの範囲の幅（９００ｄ１）および約７０～１５０ｎｍの高さ（９００ｈ１）を有することができる。例えば、９０４Ａは、約１２５ｎｍの幅９００ｄ１および約１２３ｎｍの高さ９００ｈ１を有し得る。これらの例示的な寸法は、例示を目的として提供されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【0083】
図９Ｂは、本開示の１つ以上の実施形態にしたがってエッチングされることができる例示的なエッチングされた基材９００Ｂを示している。例えば、基材９００Ｂは、本開示の１つ以上の例にかかる塩基－酸－水超音波処理プロセスシーケンスを使用して二酸化シリコン基材９００Ａをエッチングすることによって製造され得る。上述したように、二酸化シリコン基材は、塩基－水－酸－水シーケンスを使用して約０ｎｍ／分のエッチング速度を有し得る。図に示すように、エッチングされたナノ構造９０４Ｂは、ナノ構造９０４Ａとほぼ同じ寸法を有し得る。例えば、ナノ構造９０４Ｂは、約１２５ｎｍの幅９００ｄ２および約１２３ｎｍの高さ９００ｈ２を有し得る。ナノ構造６０４Ａとナノ構造６０４Ｂとの寸法を比較すると、９００ｄ１と９００ｄ２との間の幅の変化（９００Δｄ）は約０ｎｍとすることができるが、９００ｈ１と９００ｈ２との間の高さの変化（９００Δｈ）は約０ｎｍとすることができる。これらの例示的な寸法は、例示を目的として提供されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。いくつかの例では、ナノ構造９０４ＢのＬＥＲは、ナノ構造９０４ＡのＬＥＲよりも滑らかとすることができる。
【0084】
図１０Ａは、本開示の実施形態にかかる、例示的な基材１０００Ａを示している。図に示すように、基材６００Ａは、ベース１００２Ａと、複数のナノ構造１００４Ａとを含むことができる。例示的な基材１０００Ａは、シリコン基材であり得る。複数のナノ構造１００４Ａは、ベース１００２Ａの表面にパターンを形成することができる。図に示すように、複数のナノ構造１００４Ａは、ベース１００２Ａの表面から突出することができるラインアンドスペースパターンであり得る。パターン形状は、本開示の範囲を限定することを意図するものではなく、本開示の範囲から逸脱することなく、上述したように、任意の適切なナノパターンが使用されることができる。複数のナノ構造１００４Ａは、第１の高さ１０００ｈ１および第１の幅１０００ｄ１に関連付けられ得る。１つ以上の例では、ナノ構造１００４Ａは、約１００～２５０ｎｍの範囲内の幅１０００ｄ１および約７０～１５０ｎｍの範囲内の高さ１０００ｈ１を有することができる。例えば、１００４Ａは、約１２６ｎｍの幅１０００ｄ１および約１３０ｎｍの高さ１０００ｈ１を有し得る。これらの例示的な寸法は、例示を目的として提供されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【0085】
図１０Ｂは、本開示の１つ以上の実施形態にしたがってエッチングされることができる例示的なエッチングされた基材１０００Ｂを示している。例えば、基材１０００Ｂは、本開示の１つ以上の例にかかる塩基－水－酸－水超音波処理プロセスシーケンスを使用してシリコン基材１０００Ａをエッチングすることによって製造され得る。上述したように、シリコン基材は、塩基－酸－水シーケンスを使用して約１～４ｎｍ／分のエッチング速度を有し得る。図に示すように、エッチングされた基材１０００Ｂは、線幅１０００ｄ１と比較して減少した線幅１０００ｄ２を有し得るが、高さはほぼ同じままとすることができる（例えば、±５ｎｍ）。例えば、１００４Ｂは、約４７ｎｍの幅１０００ｄ２および約１２５ｎｍの高さ１０００ｈ２を有し得る。ナノ構造１００４Ａとナノ構造１００４Ｂとの寸法を比較すると、１０００ｄ１と１０００ｄ２との間の幅の変化は約－７９ｎｍとすることができるが、１０００ｈ１と１０００ｈ２との間の高さの変化は約－５ｎｍとすることができる。これらの例示的な寸法は、例示を目的として提供されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。上述した例と同様に、線幅寸法ｄが縮小されて所望のナノ構造幾何学的形状を達成することができるが、ナノ構造の高さは、比較的一定のままとすることができる。さらに、ナノ構造１００４ＢのＬＥＲは、特にナノスケールでの従来のリソグラフィプロセスに関連するＬＥＲと比較して滑らかとすることができる。基材１０００Ｂは、基材８００Ｂと同様のプロセスシーケンスを使用して製造されたが、いくつかの例では、基材１０００Ｂのより細い線幅は、１つ以上の超音波処理条件、例えば、超音波処理に曝される時間長、液体浴の温度、酸および／または塩基溶液の濃度などの変化に起因し得る。
【0086】
例示的な多層ナノパターン
上述したように、異なる基材材料（例えば、シリコンおよび二酸化シリコン）は、一貫したおよび／または予測可能なエッチング速度と関連付けられることができる。さらに、超音波処理プロセスシーケンス（例えば、塩基－酸－水（Ｂ－Ａ－Ｗ）、塩基－水－酸－水（Ｂ－Ｗ－Ａ－Ｗ））を変えることは、基材材料間で異なる相対エッチング速度を提供し得る。したがって、これら２つの材料間のエッチング速度の差が利用されて、選択的且つ制御可能な方法で多層構造を製造することができる。例えば、超音波処理条件、例えば超音波処理浴の時間長、温度、溶液強度、および／またはプロセスシーケンスを調整することによって、除去される材料の量が予め決定および／または制御され得る。したがって、様々な断面形状を有する多層ナノ構造は、基材を単一のセットの超音波処理条件に曝露することによって達成されることができる。いくつかの実施形態では、これらに限定されないが、本開示の実施形態にかかる製造プロセスを使用して、階段状、凹角、およびブレーズドを含む様々な幾何学的形状が達成されることができる。
上述したように、異なる基材材料（例えば、シリコンおよび二酸化シリコン）は、一貫したおよび／または予測可能なエッチング速度と関連付けられることができる。さらに、超音波処理プロセスシーケンス（例えば、塩基－酸－水（Ｂ－Ａ－Ｗ）、塩基－水－酸－水（Ｂ－Ｗ－Ａ－Ｗ））を変えることは、基材材料間で異なる相対エッチング速度を提供し得る。したがって、これら２つの材料間のエッチング速度の差が利用されて、選択的且つ制御可能な方法で多層構造を製造することができる。例えば、超音波処理条件、例えば超音波処理浴の時間長、温度、溶液強度、および／またはプロセスシーケンスを調整することによって、除去される材料の量が予め決定および／または制御され得る。したがって、様々な断面形状を有する多層ナノ構造は、基材を単一のセットの超音波処理条件に曝露することによって達成されることができる。いくつかの実施形態では、これらに限定されないが、本開示の実施形態にかかる製造プロセスを使用して、階段状、凹角、およびブレーズドを含む様々な幾何学的形状が達成されることができる。
【0087】
図１１Ａ～図１１Ｃ、図１２Ａ～図１２Ｃ、および図１３Ａ～図１３Ｅは、本開示の実施形態にかかる超音波処理製造プロセスの様々な段階における例示的な多層基材を示している。例えば、図１１Ｂおよび図１１Ｃは、本開示の実施形態にしたがって製造された、階段形状を有する例示的な基材を示している。図１２Ｂおよび図１２Ｃは、本開示の実施形態にしたがって製造された、凹角形状を有する例示的な基材を示している。図１３Ｅは、本開示の実施形態にしたがって製造された、ブレーズド形状を有する例示的な基材を示している。例示的な多層構造は、例えば、シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、および／または他のシリコン系材料を含むがこれらに限定されないシリコン系材料の１つ以上の層から形成されることができる。図に示され、以下により詳細に説明されるように、格子形状、例えば、階段形状、凹角形状、およびブレーズド形状は、異なる材料の異なるエッチング速度を利用することによって達成されることができる。
【0088】
図１１Ａ～図１１Ｃは、本開示の実施形態にかかる超音波処理製造プロセスの様々な段階における例示的な多層基材を示している。例えば、図１１Ａは、超音波処理プロセスの前の多層基材１１００Ａを示している。図に示すように、多層基材１１００Ａは、ベース１１０２Ａおよび複数のナノ構造１１０４Ａを含むことができる。複数のナノ構造１１０４Ａのそれぞれは、ベース１１０２Ａ上に配置された第１の層１１０６Ａと、第１の層１１０６Ａ上に配置された第２の層１１０８Ａとを含むことができる。図に示すように、第１の層１１０６Ａおよび第２の層１１０８Ａの両方は、同じ幅を有することができる。いくつかの実施形態では、ベース１１０２Ａおよび第１の層１１０６Ａは、二酸化シリコンから形成されることができ、第２の層１１０８Ａは、シリコンから形成されることができる。いくつかの実施形態では、第１および第２の層は、リソグラフィ技術を使用して堆積されることができる。
【0089】
上述したように、シリコンおよび二酸化シリコンは、異なるエッチング速度に関連付けられることができる。例えば、シリコンは、二酸化シリコンよりも大きいエッチング速度に関連付けられることができる。例えば、上述したように、塩基－水－酸－水プロセスシーケンスは、シリコンに対して約１～４ｎｍのエッチング速度および二酸化シリコンに対して約０ｎｍのエッチング速度を提供し得る。したがって、基材１１００Ａを参照すると、ベース１１０２Ａおよび第１の層１１０６Ａに二酸化シリコンを使用し、第２の層１１０８Ａにシリコンを使用すると、二酸化シリコンと比較してシリコンのエッチング速度が比較的高いため、階段形状をもたらし得る。
【0090】
図１１Ｂは、例えば、基材１１００Ａに塩基－水－酸－水プロセスシーケンスを適用することによって本開示の実施形態にしたがって製造された階段状基材１１００Ｂを示している。図に示すように、階段状基材１１００Ｂは、ベース１１０２Ｂおよび複数のナノ構造１１０４Ｂを含むことができる。各ナノ構造１１０４Ｂは、二酸化シリコンの第１の層１１０６Ｂおよびシリコンの第２の層１１０８Ｂを含むことができる。図に示すように、基材１１００Ｂは、第２の層１１０８Ｂの幅または直径が第１の層１１０６Ｂの幅または直径と異なることができる階段形状を有することができる。第１の層１１０６Ｂと第２の層１１０８Ｂとの間の幅のこの差は、超音波処理プロセスシーケンス中のシリコンおよび二酸化シリコンのエッチング速度の相対的な違いに起因することができる。例えば、上述したように、塩基－水－酸－水プロセスシーケンスは、シリコンに対して約１～４ｎｍのエッチング速度および二酸化シリコンに対して約０ｎｍのエッチング速度を提供し得る。これらの例示的なエッチング速度は、第２の層１１０８Ｂが第２の層１１０Ａよりも小さい幅を有する基材１１００Ａと比較して、基材１１００Ｂの形状と一致する。ベース１１０２Ｂおよび第１の層１１０６Ｂは、ベース１１０２Ａおよび第１の層１１０６Ａとほぼ同じ寸法を有する。
【0091】
図１１Ｃは、例えば、基材１１００Ａに塩基－酸－水プロセスシーケンスを適用することによって本開示の実施形態にしたがって製造された階段状基材１１００Ｃを示している。図１１Ｃに示すように、基材１１００Ｃは、二酸化シリコンのベース１１０２Ｃと、１つ以上のナノ構造１１０４Ｃとを含むことができる。各ナノ構造１１０４Ｃは、二酸化シリコンの第１の層１１０６Ｃおよびシリコンの第２の層１１０８Ｂを含むことができる。図に示すように、基材１１００Ｃは、第２の層１１０８Ｃの幅または直径が第１の層１１０６Ｃの幅と異なることができる階段形状を有することができる。第１の層１１０６Ｂと第２の層１１０８Ｃとの間の幅のこの差は、超音波処理プロセスシーケンス中のシリコンおよび二酸化シリコンのエッチング速度の相対的な違いに起因することができる。例えば、上述したように、塩基－酸－水プロセスシーケンスは、シリコンに対して約１～４ｎｍのエッチング速度および二酸化シリコンに対して約０．２～０．７ｎｍのエッチング速度を提供し得る。これらの例示的なエッチング速度は、第２の層１１０８Ｃが第２の層１１０８Ａよりも小さい幅を有する基材１１００Ａと比較して、基材１１００Ｃの形状と一致する。ベース１１０２Ｃは、ベース１１０２Ａよりも低い高さを有する。第１の層１１０６Ｃは、第１の層１１０６Ａよりも小さい幅を有する。
【0092】
さらに、基材１１００Ｂおよび１１００Ｃの両方を参照すると、超音波処理は、基材の表面にわたって実質的に均一な反応環境を提供することから、階段状ナノ構造１１０４Ｃは、例えば、ナノ構造１１０４Ｃのそれぞれが対称的な断面を有することができるように、中心に置くことができる。比較すると、従来のリソグラフィ技術を使用したナノ構造のそのような位置合わせは、構造のナノスケールのために達成するのが困難で高価である可能性がある。
【0093】
上述したように、基材１１００Ｂおよび１１００Ｃは、テンプレート基材に異なるプロセスシーケンスを適用することの影響を例示している。例示的な基材１１００Ｂと１１００Ｃとの比較は、この違いを示している。例えば、二酸化シリコンは、基材１１００Ｂに適用される塩基－水－酸－水プロセスシーケンスよりも、基材１１００Ｃに適用される塩基－酸－水プロセスシーケンスの方が高いエッチング速度に関連する。したがって、図に示すように、第１の層１１０６Ｃは、第１の層１１０６Ｂよりも小さい幅を有することができる。同様に、ベース１１０２Ｃに関連する高さは、ベース１１０２Ｂに関連する高さよりも短くすることができる。したがって、異なるエッチングされた基材の形状および寸法を達成するために、異なるプロセスシーケンスが使用されることができる。
【0094】
図１２Ａ～図１２Ｃは、本開示の実施形態にかかる超音波処理製造プロセスの様々な段階における例示的な多層基材を示している。図１２Ａは、超音波処理プロセスの前の多層基材１１００Ａを示している。図に示すように、多層基材１２００Ａは、ベース１２０２Ａおよび複数のナノ構造１２０４Ａを含むことができる。複数のナノ構造１１０４Ａのそれぞれは、ベース１２０２Ａ上に配置された第１の層１２０６Ａと、第１の層１２０６Ａ上に配置された第２の層１２０８Ａとを含むことができる。図に示すように、第１の層１２０６Ａおよび第２の層１２０８Ａの両方は、同じ幅を有することができる。いくつかの実施形態では、ベース１２０２Ａおよび第２の層１２０８Ａは、シリコンから形成されることができ、第１の層１１０６Ａは、二酸化シリコンから形成されることができる。
【0095】
上述したように、シリコンおよび二酸化シリコンは、異なるエッチング速度に関連付けられることができる。例えば、シリコンは、二酸化シリコンよりも大きいエッチング速度に関連付けられることができる。したがって、基材１２００Ａを参照すると、ベース１２０２Ａおよび第２の層１２０８Ａにシリコンを使用し、第１の層１２０６Ａに二酸化シリコンを使用すると、二酸化シリコンと比較してシリコンのエッチング速度が比較的高いため、凹角形状をもたらし得る。凹角形状を有するナノ構造は、色選択性導波路および／または太陽電池などの光トラップ用途に使用されることができる。
【0096】
図１２Ｂは、例えば、基材１２００Ａに塩基－水－酸－水プロセスシーケンスを適用することによって本開示の実施形態にしたがって製造された凹角基材１２００Ｂを示している。図に示すように、階段状基材１２００Ｂは、ベース１２０２Ｂおよび複数のナノ構造１２０４Ｂを含むことができる。各ナノ構造１２０４Ｂは、シリコンの第１の層１２０６Ｂ、二酸化シリコンの第２の層１２０８Ｂ、およびシリコンの第３の層１２１０Ｂを含むことができる。図に示すように、第３の層１２１０Ｂは、ベース１２０２Ｂ上に配置され得て、第１の層１２０６Ｂは、第３の層１２１０Ｂ上に配置されることができ、第２の層１２０８Ｂは、第１の層上に配置されることができる。図に示すように、基材１２００Ｂは、各層、例えば第１の層１２０６Ｂ、第２の層１２０８Ｂ、および第３の層１２１０Ｂの幅が異なることができる凹角形状を有することができる。例えば、第１の層１２０６Ｂは、第２および第３の層１２０８Ｂ、１２１０Ｂよりも広くすることができる。いくつかの例では、第３の層１２１０Ｂは、第２の層１２０８Ｂよりも広くすることができる。
【0097】
第１の層１２０６Ｂ、第２の層１２０８Ｂ、および第３の層１２１０Ｂの幅の差は、超音波処理プロセスシーケンス中のシリコンおよび二酸化シリコンのエッチング速度の相対的な差に起因することができる。例えば、上述したように、塩基－水－酸－水プロセスシーケンスは、シリコンに対して約１～４ｎｍのエッチング速度および二酸化シリコンに対して約０ｎｍのエッチング速度を提供し得る。これらの例示的なエッチング速度は、基材１２００Ａと比較して基材１２００Ｂの形状と一致する。例えば、二酸化シリコンの第１の層１２０６Ｂは、第１の層１２０６Ａとほぼ同じ寸法を有し得る。対照的に、シリコンの第２の層１２０８Ａは、第２の層１２０８Ａよりも小さい幅を有することができる。さらに、シリコンの第３の層１２１０Ｂは、ベース１２０２Ａからエッチングされることができる。例えば、エッチングプロセス中に、一連の材料がシリコンベース１２０２Ａから除去され、第１の層１２０６Ａの下方に第３の層１２１０Ｂを形成することができる。したがって、ベース１２０２Ｂは、ベース１２０２Ａよりも短くすることができる。
【0098】
図１２Ｃは、例えば、基材１２００Ａに塩基－酸－水プロセスシーケンスを適用することによって本開示の実施形態にしたがって製造された凹角基材１２００Ｃを示している。図１２Ｃに示すように、基材１２００Ｃは、シリコンのベース１２０２Ｃと、１つ以上のナノ構造１２０４Ｃとを含むことができる。各ナノ構造１２０４Ｃは、シリコンの第１の層１２０６Ｃ、二酸化シリコンの第２の層１２０８Ｃ、およびシリコンの第３の層１２１０Ｃを含むことができる。図に示すように、第３の層１２１０Ｃは、ベース１２０２Ｃ上に配置され得て、第１の層１２０６Ｃは、第３の層１２１０Ｃ上に配置されることができ、第２の層１２０８Ｃは、第１の層上に配置されることができる。図に示すように、基材１２００Ｃは、各層、例えば第１の層１２０６Ｃ、第２の層１２０８Ｃ、および第３の層１２１０Ｃの幅が異なることができる凹角形状を有することができる。例えば、第１の層１２０６Ｃは、第２および第３の層１２０８Ｃ、１２１０Ｃよりも広くすることができる。いくつかの例では、第３の層１２１０Ｃは、第２の層１２０８Ｃよりも広くすることができる。
【0099】
第１の層１２０６Ｃ、第２の層１２０８Ｃ、および第３の層１２１０Ｃの幅の差は、超音波処理プロセスシーケンス中のシリコンおよび二酸化シリコンのエッチング速度の相対的な差に起因することができる。例えば、上述したように、塩基－酸－水プロセスシーケンスは、シリコンに対して約１～４ｎｍのエッチング速度および二酸化シリコンに対して約０．２～０．７ｎｍのエッチング速度を提供し得る。これらの例示的なエッチング速度は、基材１２００Ａおよび１２００Ｃと比較して基材１２００Ｃの形状と一致する。例えば、第１および第２の層１２０６Ｃおよび１２０８Ｃのそれぞれは、第１および第２の層１２０６Ａおよび１２０８Ａよりも小さい幅を有することができる。さらに、二酸化シリコンの第１の層１２０６Ｃは、第１の層１２０６Ｂよりも小さい寸法、例えば幅および高さを有し得る。第３の層１２１０Ｂに関して上述したように、シリコンの第３の層１２１０Ｃは、ベース１２０２Ａからエッチングされることができる。例えば、エッチングプロセス中に、一連の材料がシリコンベース１２０２Ａから除去され、第１の層１２０６Ａの下方に第３の層１２１０Ｃを形成することができる。したがって、ベース１２０２Ｃは、ベース１２０２Ａよりも短くすることができる。
【0100】
さらに、基材１２００Ｂおよび１２００Ｃの両方を参照すると、超音波処理は、基材の表面にわたって実質的に均一な反応環境を提供することから、階段状ナノ構造１２０４Ｃは、例えば、ナノ構造１２０４Ｃのそれぞれが対称的な断面を有することができるように、中心に置くことができる。従来のリソグラフィ技術を使用したそのようなナノ構造のセンタリングは、比較すると、構造のスケールのために達成するのが困難で高価である可能性がある。さらに、超音波処理は、滑らかなＬＥＲを提供し、従来のリソグラフィ技術と比較してラインブレークの発生を低減することができる。
【0101】
上述したように、基材１２００Ｂおよび１２００Ｃは、テンプレート基材に異なるプロセスシーケンスを適用することの影響を例示している。例えば、二酸化シリコンは、基材１２００Ｂに適用される塩基－水－酸－水プロセスシーケンスよりも、基材１２００Ｃに適用される塩基－酸－水プロセスシーケンスの方が高いエッチング速度に関連する。したがって、図に示すように、第１の層１２０６Ｃは、第１の層１２０６Ｂよりも小さい幅を有することができる。同様に、ベース１２０２Ｃに関連する高さは、ベース１２０２Ｂに関連する高さよりも短くすることができる。したがって、異なるエッチングされた基材の形状および寸法を達成するために、異なるプロセスシーケンスが使用されることができる。
【0102】
図１３Ａ～図１３Ｅは、本開示の実施形態にかかる超音波処理製造プロセス中の様々な段階における例示的な多層基材を示している。図１３Ａは、超音波処理プロセスの前の多層基材１３００Ａを示している。図に示すように、多層基材１３００Ａは、ベース１３０２Ａおよび複数のナノ構造１３０４Ａを含むことができる。複数のナノ構造１３０４Ａのそれぞれは、ベース１３０２Ａ上に配置された第１の層１３０６Ａと、第１の層１３０６Ａ上に配置された第２の層１３０８Ａとを含むことができる。図に示すように、第１の層１３０６Ａおよび第２の層１３０８Ａの両方は、同じ幅を有することができる。いくつかの実施形態では、ベース１３０２Ａおよび第１の層１３０６Ａは、二酸化シリコンから形成されることができ、第２の層１１０８Ａは、シリコンから形成されることができる。上述したように、シリコンおよび二酸化シリコンは、異なるエッチング速度に関連付けられることができる。例えば、シリコンは、二酸化シリコンよりも大きいエッチング速度に関連付けられることができる。したがって、基材１３００Ａを参照すると、ベース１３０２Ａおよび第１の層１３０６Ａに二酸化シリコンを使用し、第２の層１３０８Ａにシリコンを使用すると、第２の層よりも低いエッチング速度を有する第１の層をもたらし得る。
【0103】
図１３Ｅは、本開示の実施形態にしたがって製造された、ブレーズド形状を有する例示的な基材１３００Ｅを示している。１つ以上の実施形態では、基材１３００Ｅは、本開示の例にかかる超音波処理シーケンスプロセス、例えば、塩基－水－酸－水シーケンスプロセスおよび／または塩基－酸－水シーケンスプロセスによって製造されることができる。図に示すように、ブレーズド形状は、ベース１３０２Ｅ上に配置された第１の層１３０６Ｅと、第１の層１３０６Ｅ上に配置された第２の層１３０８Ｅとを含むことができる。例えば、第１の層は、二酸化シリコンから形成されることができ、第２の層は、シリコンから形成されることができる。図に示すように、第１の層１３０６Ｅは、第２の層１３０８Ｅよりも広くてもよいが、第１の層１３０６Ｅおよび第２の層１３０８Ｅの少なくとも１つの側面は、非対称ブレーズド構造を形成するように位置合わせされることができる。
【0104】
図１３Ｂ～図１３Ｄは、例示的な基材１３００Ｂ～１３００Ｄを示しており、基材１３００Ｅの製造中の中間ステップを示している。これらの図に示すように、マスク１３１２Ｂ～１３１２Ｄは、基材の１つ以上の表面に配置されることができる。マスク１３１２Ｂ～１３１２Ｄは、超音波処理シーケンスプロセス中に使用される酸および塩基溶液と反応しない材料から形成されることができる。いくつかの実施形態では、マスクは、クロムマスクとすることができるが、本開示の範囲から逸脱することなく他の材料が使用されることができる。したがって、超音波処理中、マスクされた基材表面は、エッチングされなくてもよく、マスクされた基材表面は、エッチングされて非対称なブレーズド形状を生成することができる。
【0105】
例示的な超音波処理プロセスシーケンス
図１４は、本開示の実施形態にかかる多層構造を製造するためのプロセス１４００に関する例示的なブロック図を示している。例えば、プロセス１４００は、塩基－水－酸－水プロセスシーケンスを使用して、多層基材、例えば基材１１００Ｂ、１２００Ｂ、および１３００Ｄを製造するためのステップを対象とすることができる。プロセス１４００に関連する以下のステップは、図１１Ａ～図１１Ｂに関連して説明され得て、これは、限定することを意図するものではなく、このプロセスは、他の基材、例えば、６００Ｂ、７００Ｂ、７００Ｃと関連付けられることができる。
図１４は、本開示の実施形態にかかる多層構造を製造するためのプロセス１４００に関する例示的なブロック図を示している。例えば、プロセス１４００は、塩基－水－酸－水プロセスシーケンスを使用して、多層基材、例えば基材１１００Ｂ、１２００Ｂ、および１３００Ｄを製造するためのステップを対象とすることができる。プロセス１４００に関連する以下のステップは、図１１Ａ～図１１Ｂに関連して説明され得て、これは、限定することを意図するものではなく、このプロセスは、他の基材、例えば、６００Ｂ、７００Ｂ、７００Ｃと関連付けられることができる。
【0106】
１つ以上の実施形態では、基材、例えば基材１１００Ａは、塩基溶液の浴、例えば液体浴５０６に堆積および浸漬されることができ、音波が浴に適用されて超音波処理を行うことができる（ステップ１４０２）。例えば、超音波処理を行うために、トランスデューサ、例えば５０２が、溶液、例えば５０６に適用されることができる。上述したように、塩基溶液は、基材の表面と反応することができる。さらに、印加された音波は、反応した分子が連続的に除去されることができ且つ基材の表面に未反応の塩基溶液が連続的に補充されることができるように、塩基溶液を撹拌することができる。１つ以上の例では、基材を塩基溶液に浸漬することは、基材表面を後続の溶液、例えば酸溶液と反応させるためにプライミングすることができるが、材料の除去、例えば１つ以上のナノ構造の寸法の縮小はもたらさない。例えば、塩基溶液は、エネルギー障壁を低下させ、基材表面またはその近くに位置する分子間の結合を弱めることができる。いくつかの実施形態では、所定の時間の後、基材は、塩基溶液の浴から除去されることができる（ステップ１４０４）。時間量は、例えば、製造された構造の所望の形状、および所与の超音波処理条件、例えば温度、塩基溶液濃度などに対する基材材料のエッチング速度に基づくことができる。
【0107】
いくつかの実施形態では、基材は、水浴に浸漬されることができ、超音波処理は、浴に適用されることができる（ステップ１４０６）。上述したように、水は、基材の表面に存在するシリコンおよび二酸化シリコンと反応することができる。上述したように、水浴の超音波処理は、基材の表面に反応性環境を継続的に提供することができる。いくつかの実施形態では、所定の時間の後、基材は、水浴から除去されることができる（ステップ１４０８）。いくつかの実施形態では、時間量は、例えば、製造された構造の所望の形状、および所与の超音波処理条件、例えば、温度、酸および塩基溶液濃度などに対する基材材料のエッチング速度に基づくことができる。
【0108】
いくつかの実施形態では、基材は、酸溶液の浴に浸漬されることができ、超音波処理は、浴に適用されることができる（ステップ１４１０）。いくつかの実施形態では、酸溶液は、基材の表面に存在するシリコンおよび二酸化シリコンと反応することができ、超音波処理が基材に適用される時間長に基づいて所定の体積の材料が除去されることができる。上述したように、水浴の超音波処理は、基材の表面に反応性環境を継続的に提供することができる。いくつかの実施形態では、所定の時間の後、基材は、酸溶液の浴から除去されることができる（ステップ１４１２）。いくつかの実施形態では、除去される材料の体積は、温度、酸および塩基溶液濃度、ならびに溶液に曝露される時間を含むがこれらに限定されない１つ以上の超音波処理条件に基づくことができる。いくつかの実施形態では、時間量は、例えば、製造された構造の所望の形状、および所与の超音波処理条件、例えば、温度、酸溶液濃度などに対する基材材料のエッチング速度に基づくことができる。
【0109】
いくつかの実施形態では、基材は、水浴に浸漬されることができ、超音波処理は、浴に適用されることができる（ステップ１４１４）。いくつかの例では、水は、基材の表面から反応物、残留物、および／または破片を除去することができる。いくつかの例では、水は、反応物を含まない清浄な表面を提供することができる。上述したように、水浴の超音波処理は、基材の表面に反応性環境を継続的に提供することができる。いくつかの実施形態では、所定の時間の後、基材は、水浴から除去されることができる（ステップ１４１６）。いくつかの実施形態では、ステップ１４１６において浴から除去される基材は、基材６００Ｂ、７００Ｂ、７００Ｃ、１１００Ｂ、１２００Ｂ、および／または基材１３００Ｄに対応することができる。
【0110】
図１５は、本開示の実施形態にかかる多層構造を製造するためのプロセス１５００に関する例示的なブロック図を示している。例えば、プロセス１５００は、塩基－酸－水プロセスシーケンスを使用して、多層基材、例えば基材１１００Ｃ、１２００Ｃ、および１３００Ｄを製造するためのステップを対象とすることができる。プロセス１５００に関連する以下のステップは、図１１Ａおよび図１１Ｃに関連して説明され得て、これは、限定することを意図するものではなく、このプロセスは、他の基材、例えば、８００Ｂ、９００Ｂ、１０００Ｂ、１２００Ｃおよび１３００Ｄと関連付けられることができる。
【0111】
１つ以上の実施形態では、基材、例えば基材１１００Ａは、塩基溶液の浴、例えば液体浴５０６に浸漬されることができ、音波は、浴に適用されて超音波処理を行うことができる（ステップ１５０２）。ステップ１５０２は、上述したステップ１４０２と同様であってもよい。いくつかの実施形態では、所定の時間の後、基材は、塩基溶液の浴から除去されることができる（ステップ１５０４）。時間量は、例えば、製造された構造の所望の形状、および所与の超音波処理条件、例えば温度、塩基溶液濃度などに対する基材材料のエッチング速度に基づくことができる。
【0112】
いくつかの実施形態では、基材は、酸溶液の浴に浸漬されることができ、超音波処理は、浴に適用されることができる（ステップ１５０６）。ステップ１５０６は、上述したステップ１４１０と同様であってもよい。いくつかの実施形態では、所定の時間の後、基材は、酸溶液の浴から除去されることができる（ステップ１５０８）。いくつかの実施形態では、時間量は、例えば、製造された構造の所望の形状、および所与の超音波処理条件、例えば、温度、酸溶液濃度などに対する基材材料のエッチング速度に基づくことができる。
【0113】
いくつかの実施形態では、基材は、水浴に浸漬されることができ、超音波処理は、浴に適用されることができる（ステップ１５１０）。ステップ１５１０は、上述したステップ１４１４と同様であってもよい。いくつかの実施形態では、所定の時間の後、基材は、水浴から除去されることができる（ステップ１５１２）。いくつかの実施形態では、ステップ１４１２において浴から除去される基材は、基材１１００Ｃ、基材１２００Ｃ、および／または基材１３００Ｄに対応することができる。
【0114】
したがって、超音波処理プロセスシーケンスが使用されて基材をエッチングし、本開示の実施形態にかかる光学格子に適したナノ構造を形成することができる。そのような超音波処理技術は、例えば、異なる材料の既知のエッチング速度に基づいて、制御された方法で初期基材の１つ以上の寸法を減少させて、１つ以上のナノ構造の所望の幾何学的形状および／または寸法を達成することができる。さらに、超音波処理は、基材の表面にわたって実質的に均一な反応環境を提供することができることから、階段状ナノ構造１１０４Ｃは、例えば、ナノ構造１１０４Ｃのそれぞれが対称的な断面を有することができるように、中心に置くことができる。比較すると、従来のリソグラフィ技術を使用したナノ構造のそのような位置合わせは、構造のスケールのために達成するのが困難で高価である可能性がある。最後に、本開示の実施形態にかかる超音波処理シーケンスプロセスは、ラインブレークのない滑らかなＬＥＲを提供することができる。
【0115】
本開示にかかる実施形態はまた、非対称断面形状を有する基材を製造するための方法を提供することができる。例えば、図１６は、本開示の実施形態にかかる、多層構造、例えば、多層ブレーズド構造を製造するためのプロセス１６００に関する例示的なブロック図を示している。例えば、プロセス１６００は、ブレーズド多層基材、例えば１３００Ｅを製造するためのステップを対象とすることができる。
【0116】
１つ以上の実施形態では、基材の１つ以上の表面にマスクが適用されることができる（ステップ１６０２）。例えば、図１３Ｂは、基材の表面にマスク１３１２Ｂが適用された例示的な基材１３００Ｂを示している。図に示すように、マスクは、基材１３００Ｂの１つ以上の表面が、表面の全てではないが、その上にマスク１３１２Ｂが配置されるような角度で適用されることができる。いくつかの例では、マスクは、Ｅビームなどの物理蒸着を使用する斜め蒸着（ＧＬＡＤ）マスクおよび／または保護材料を含むことができる。Ｅビームプロセスは、１つ以上の金属または無機材料、例えば、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などを蒸発させて、コーティングされた表面への堆積材料の安定した接着を確実にすることができる。ＧＬＡＤプロセス中、基材は、マスク材料の供給源に対して角度を付けることができ、それによって、基材の表面上のナノパターン上の堆積経路に影を作り出す。１つ以上の実施形態では、マスクは、クロムマスクとすることができる。１つ以上の実施形態では、マスクは、上述した超音波処理プロセスシーケンス中に使用される選択された酸および塩基溶液に耐性のある材料から形成されることができる。
【0117】
１つ以上の実施形態では、マスクの１つ以上の部分が除去されることができる（ステップ１６０４）。例えば、図１３Ｃは、マスク１３１２Ｃが基材の表面上に残るようにマスクの１つ以上の部分が除去された例示的な基材１３００Ｃを示している。マスク、例えばマスク１３１２Ｂの１つ以上の部分は、ドライエッチングプロセスを介して除去されることができる。例えば、フルオロカーボン、酸素、塩素、および／または三塩化ホウ素などのプラズマおよび／または反応性ガスが使用されて、マスクの部分を除去することができる。いくつかの例では、ドライエッチングは、水平な基材表面上に配置されたマスクの部分が除去されるが、垂直な基材表面上のマスクの部分が残るように、アンティストロペとすることができる。いくつかの例では、他のアンティストロペマスク除去プロセスが使用されることができる。図に示されるように、ステップ１６０４に続いて、残りのマスク１３１２Ｃは、ナノ構造１３０４Ｃの右垂直側面に沿って配置されることができる。
【0118】
１つ以上の実施形態では、上述した超音波処理プロセス、例えば、超音波処理プロセス１４００および／または超音波処理プロセス１５００が基材に適用されることができる（ステップ１６０６）。例えば、塩基－水－酸－水超音波処理プロセスおよび／または塩基－酸－水超音波処理プロセスが、基材、例えば基材１３００Ｃに適用されることができる。図１３Ｄは、超音波処理プロセスが適用された後の例示的な基材１３００Ｄを示している。図に示すように、超音波処理プロセスは、ナノ構造１３０４Ｄの１つ以上の層から材料を除去することができる。例えば、シリコンの第２の層１３０８Ｄから材料が除去されることができる。図に示すように、ナノ構造１３０４Ｄの右縁に沿って配置されたマスク１３１２Ｄは、超音波処理中にナノ構造１３０４Ｄの右縁から材料が除去されるのを防止し得る。したがって、マスク１３１２Ｄの使用は、超音波処理中に基材のマスクされた表面から材料が除去されて非対称ブレーズド構造を生成することを防止することができる。
【0119】
１つ以上の実施形態では、残りのマスク、例えばマスク１３１２Ｄが、基材、例えば１３００Ｄから除去されることができる（ステップ１６０８）。いくつかの実施形態では、マスクは、ウェットエッチングプロセスを使用して除去されることができる。例えば、基材、例えば基材１３００Ｄは、基材材料、例えばシリコンおよび二酸化シリコンを反応および／または除去することなく、マスク、例えば１３１２Ｄをエッチングするように構成された溶液に浸漬されることができる。図１３Ｅは、プロセス１６００によって製造されることができる例示的なブレーズド基材１３００Ｅを示している。
【0120】
本明細書では、基材上にナノ構造を製造するためのシステムおよび方法が開示される。複数のナノ構造を含む基材は、ヘッドウェアラブルデバイスなどのディスプレイ用のアイピースに使用されることができる。アイピース用の複数のナノ構造を含む基材を製造および／またはエッチングするための例示的な方法は、基材を浴内に浸漬することと、超音波処理を第１の期間にわたって浴に適用することと、を含むことができる。第１の浴に適用される超音波処理は、流体を撹拌して、基材の表面にわたって実質的に均一な第１の反応性環境を提供することができる。本明細書で開示される実施形態は、使用中に一貫したデジタル画像品質を提供することができる堅牢で製造が容易なディスプレイシステムを提供し得る。基材は、第２の浴に浸漬されることができ、超音波処理は、第２の期間にわたって第２の浴に適用されることができる。第２の浴に適用される超音波処理は、流体を撹拌して、基材の表面にわたって実質的に均一な第２の反応性環境を提供することができる。いくつかの例では、エッチングされた基材を生成するために、第２の期間中に基材の表面から所定量の材料が除去されることができる。いくつかの例では、除去される材料の所定量は、第１の期間の長さに基づくことができ、さらに第２の期間の長さに基づくことができる。
【0121】
１つ以上の例では、基材上にナノ構造を製造するためのプロセスは、基材の１つ以上の表面上にマスクを堆積させることと、基材からマスクの１つ以上の部分を除去することと、を含むことができる。いくつかの例では、基材の表面の少なくとも一部は、エッチング中にマスクされる。
【0122】
１つ以上の例では、エッチングされた基材の複数のナノ構造の断面が対称になることができるように、基材の表面から所定量の材料が均一に除去されることができる。１つ以上の例では、表面から除去された所定量の材料の厚さは、約５～５０ｎｍの範囲内とすることができる。
【0123】
１つ以上の例では、基材は、第１の材料を含むベースを含むことができる。複数のナノ構造のナノ構造は、ベース上に配置されることができ、ナノ構造は、第１の層を含むことができる。いくつかの例では、第１の層は、第１の材料とは異なる第２の材料を含むことができる。いくつかの例では、ナノ構造は、実質的に均一な幅を有することができる。いくつかの例では、ベースは、第１のセットの超音波処理条件の第１のエッチング速度と関連付けられることができる。第１の層は、第１のセットの超音波処理条件の第２のエッチング速度と関連付けられることができる。１つ以上の例では、基材は、シリコン、二酸化シリコン、および窒化シリコンから選択される少なくとも１つから形成されることができる。１つ以上の例では、酸溶液は、水中に約２％濃度の硫酸を含むことができる。１つ以上の例では、塩基溶液は、水中に約２％の濃度の過酸化水素または水酸化カリウムを含む。
【0124】
１つ以上の例では、複数のナノ構造の各ナノ構造は、階段形状、凹角形状、およびブレーズド形状から選択されたものに対応する幾何学的形状を有することができる。１つ以上の例では、超音波処理条件は、第１の浴および第２の浴の１つ以上に関連する温度、第１の期間に関連する時間長、第２の期間に関連する時間長、酸溶液の濃度、および塩基溶液の濃度の１つ以上を含むことができる。
【0125】
本開示の実施形態にかかる化合物は、第１の表面を有するベースと、第１の表面上に配置された複数のナノ構造とを含む基材を含むことができる。いくつかの例では、基材は、エッチングされた基材を形成するために基材に超音波処理プロセスシーケンスを適用することによってエッチングされるように構成されることができる。いくつかの例では、エッチングされた基材は、複数のエッチングされたナノ構造を含むことができ、複数のエッチングされたナノ構造は、第１の表面から第１の所定量の材料を除去し、複数のナノ構造の１つ以上の表面から第２の所定量の材料をさらに除去することによって製造されることができる。
【0126】
１つ以上の例では、基材の表面から除去される所定量の材料の厚さは、約５～５０ｎｍの範囲内とすることができる。１つ以上の例では、エッチングされた基材の複数のエッチングされたナノ構造の断面が対称になることができるように、複数のナノ構造の第１の表面および１つ以上の表面から所定量の材料が均一に除去されることができる。
【0127】
１つ以上の例では、超音波処理プロセスシーケンスは、基材を第１の浴に浸漬することであって、第１の浴が第１の流体を含む、ことと、超音波処理を第１の期間にわたって第１の浴に適用することであって、超音波処理を適用することが、第１の流体を撹拌して基材の表面にわたって実質的に均一な第１の反応性環境を提供する、こととを含むことができる。いくつかの例では、超音波処理プロセスシーケンスは、第２の浴が第２の流体を含む第２の浴に基材を浸漬することと、第２の浴に第２の期間超音波処理を適用することであって、超音波処理を適用することが、第２の流体を撹拌して基材の表面にわたって実質的に均一な第２の反応性環境を提供する、こととを含むことができる。１つ以上の例では、エッチングされた基材を生成するために、第２の期間中に所定量の材料が除去されることができる。１つ以上の例では、所定量の材料の量は、第１の期間の長さに基づくことができ、さらに第２の期間の長さに基づくことができる。１つ以上の例では、超音波処理条件は、第１の浴および第２の浴の１つ以上に関連する温度、第１の期間に関連する時間長、第２の期間に関連する時間長、酸溶液の濃度、および塩基溶液の濃度の１つ以上を含むことができる。
【0128】
１つ以上の例では、基材のベースは第１の材料を含むことができ、複数のナノ構造のナノ構造は、第１の層を形成することができ、第１の層は、第１の材料とは異なる第２の材料を含む。１つ以上の例では、ベースは、第１のセットの超音波処理条件の第１のエッチング速度と関連付けられることができ、第１の層は、第１のセットの超音波処理条件の第２のエッチング速度と関連付けられることができる。１つ以上の例では、基材は、シリコン、二酸化シリコン、および窒化シリコンから選択される少なくとも１つから形成されることができる。１つ以上の例では、酸溶液は、水中に約２％濃度の硫酸を含むことができる。１つ以上の例では、塩基溶液は、水中に約２％の濃度の過酸化水素または水酸化カリウムを含む。
【0129】
１つ以上の例では、複数のナノ構造の各ナノ構造は、実質的に均一な幅を有する。１つ以上の例では、複数のナノ構造のエッチングされた各ナノ構造は、階段形状、凹角形状、およびブレーズド形状から選択されたものに対応する幾何学的形状を有することができる。
【0130】
開示された例は、添付の図面を参照して十分に説明されているが、様々な変形および変更が当業者には明らかになることに留意されたい。例えば、図面に示される要素および／または構成要素は、縮尺通りでなくてもよく、および／または説明目的のために強調されてもよい。別の例として、１つ以上の実装の要素が組み合わせられ、削除され、変更され、または補足されて、さらなる実装を形成してもよい。他の組み合わせおよび変更は、添付の特許請求の範囲によって定義される開示された例の範囲内に含まれると理解されるべきである。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11A-11C】
【図12A-12C】
【図13A-13E】
【図14】
【図15】
【図16】
【国際調査報告】