特表 2024-538975 導波路ディスプレイのための多層伝送構造

(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】2024-10-28

(54)【発明の名称】導波路ディスプレイのための多層伝送構造

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/18 20060101AFI20241018BHJP

   G02B 1/11 20150101ALI20241018BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20241018BHJP

【ＦＩ】

G02B5/18

G02B1/11

G02B27/02 Z

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024521267

(86)(22)【出願日】2022-09-27

(85)【翻訳文提出日】2024-06-04

(86)【国際出願番号】 US2022044791

(87)【国際公開番号】W WO2023064094

(87)【国際公開日】2023-04-20

(31)【優先権主張番号】63/256,052

(32)【優先日】2021-10-15

(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】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】ヤン， チエンチー

(72)【発明者】

【氏名】バルガヴァ， サマース

(72)【発明者】

【氏名】セル， デーヴィッド アレクサンダー

(72)【発明者】

【氏名】メッサー， ケヴィン

【テーマコード（参考）】

2H199

2H249

2K009

【Ｆターム（参考）】

2H199CA12

2H199CA53

2H199CA66

2H199CA67

2H199CA82

2H199CA85

2H199CA86

2H249AA03

2H249AA13

2H249AA37

2H249AA43

2H249AA44

2H249AA50

2H249AA51

2H249AA60

2H249AA62

2H249AA66

2K009AA02

2K009AA05

2K009BB01

2K009BB06

2K009CC01

2K009CC03

2K009DD02

2K009DD04

2K009DD12

(57)【要約】

本開示の実施形態は、複数の部分を備えたデバイス構造を有する導波路と、複数の部分を備えたデバイス構造を有する導波路を形成する方法について説明する。複数のデバイス構造は、２つ以上の部分を有して形成される。複数の部分の材料は、光学デバイスからの光の反射を低減するために、部分間のインピーダンス整合が可能になるように選択される。
【選択図】図２Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学デバイス基板と、
前記光学デバイス基板上方に配置された少なくとも１つの格子であって、前記少なくとも１つの格子が複数のデバイス構造を有し、前記複数のデバイス構造の隣接するデバイス構造がその間に間隙を画定し、前記複数のデバイス構造が、
約１．９～約４．０の第１の屈折率を有するデバイス材料を含むデバイス部分、及び
約１．４～約２．０の第２の屈折率を有するインピーダンス整合部分であって、前記インピーダンス整合部分がハードマスク層である、インピーダンス整合部分
を有している、少なくとも１つの格子と
を備える、導波路。

【請求項2】

前記複数のデバイス構造が、入力結合格子又は出力結合格子に対応する、請求項１に記載の導波路。

【請求項3】

前記第１の屈折率と前記第２の屈折率との差が約０．４５～約１．１５である、請求項１に記載の導波路。

【請求項4】

前記複数のデバイス構造が、約１０度と約１７０度との間のデバイス角度θで配置される、請求項１に記載の導波路。

【請求項5】

前記デバイス材料が、ゲルマニウム、ケイ素、酸化チタン、酸化ニオブ、窒化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化スカンジウム、又はこれらの組み合わせを含む材料を含む、請求項１に記載の導波路。

【請求項6】

前記インピーダンス整合部分が、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、又はこれらの組み合わせを含むインピーダンス整合材料を含む、請求項１に記載の導波路。

【請求項7】

前記複数のデバイス構造が、前記デバイス部分と前記光学デバイス基板との間に配置された反射防止部分を更に含み、前記反射防止部分がエッチング停止層である、請求項１に記載の導波路。

【請求項8】

前記第２の屈折率が、インピーダンス整合式によって生成される範囲内にあり、前記インピーダンス整合式がＮ２_≒（Ｎ１×Ｎ３）^０．５であり、ここで、Ｎ２は前記第２の屈折率であり、Ｎ１は前記第１の屈折率であり、Ｎ３は空気又は周囲媒体の屈折率である、請求項１に記載の導波路。

【請求項9】

光学デバイス基板と、
前記光学デバイス基板上方に配置された少なくとも１つの格子であって、前記少なくとも１つの格子が複数のデバイス構造を有し、前記複数のデバイス構造の隣接するデバイス構造がその間に間隙を画定し、前記複数のデバイス構造が、
約１．９～約４．０の第１の屈折率を有するデバイス材料を含むデバイス部分、
約１．４～約２．０の第２の屈折率を有するインピーダンス整合部分であって、前記インピーダンス整合部分がハードマスク層である、インピーダンス整合部分、及び
約１．４～約２．０の反射防止屈折率を有する反射防止部分であって、前記第１の屈折率と、前記第２の屈折率又は前記反射防止屈折率の少なくとも一方と、の差が約０．４５～約１．１５である、反射防止部分
を有している、少なくとも１つの格子と
を備える、導波路。

【請求項10】

前記複数のデバイス構造が、個別の光学デバイス構造である、請求項９に記載の導波路。

【請求項11】

前記隣接するデバイス構造が、第１の方向及び第２の方向の両方において他のデバイス構造に隣接しており、前記第１の方向が前記第２の方向に対して直角であり、よって、前記複数のデバイス構造が各々前記第１の方向及び前記第２の方向に沿ってのみ配置される、請求項９に記載の導波路。

【請求項12】

前記複数のデバイス構造がフィン構造であり、前記フィン構造が平行な列に配置されている、請求項９に記載の導波路。

【請求項13】

前記反射防止部分がエッチング停止層である、請求項９に記載の導波路。

【請求項14】

前記第２の屈折率が、インピーダンス整合式によって生成される範囲内にあり、前記インピーダンス整合式がＮ２_≒（Ｎ１×Ｎ３）^０．５であり、ここで、Ｎ２は前記第２の屈折率であり、Ｎ１は前記第１の屈折率であり、Ｎ３は空気又は周囲媒体の屈折率である、請求項９に記載の導波路。

【請求項15】

前記複数のデバイス構造が、約１０度と約１７０度との間のデバイス角度θで配置される、請求項９に記載の導波路。

【請求項16】

基板の表面上に２層以上の材料を配置することと、
２つ以上の部分を有する複数のデバイス構造を形成するために、前記２層以上の材料を通してエッチングすることであって、前記２つ以上の部分が、
約１．９と約４．０との間の第１の屈折率を有するデバイス部分、及び
インピーダンス整合部分又は反射防止部分の少なくとも一方であって、前記インピーダンス整合部分又は前記反射防止部分が約１．４～約２．０の第２の屈折率を有し、前記第１の屈折率と前記第２の屈折率との差が約０．４５～約１．１５であり、前記インピーダンス整合部分がハードマスク層である、インピーダンス整合部分又は反射防止部分の少なくとも一方
を含む、前記２層以上の材料を通してエッチングすることと
を含む、方法。

【請求項17】

前記２層以上の材料が、ＰＶＤプロセス又はＣＶＤプロセスで配置される、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記複数のデバイス構造が、イオンビームエッチング、反応性イオンエッチング、若しくは電子ビームエッチングのうちの１つ以上、又はこれらの組み合わせで形成される、請求項１６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、拡張現実、仮想現実、及び複合現実のための光学デバイスに関する。より具体的には、本明細書に記載の実施形態は、複数の部分を備えたデバイス構造を有する導波路、及び複数の部分を備えたデバイス構造を有する導波路を形成する方法を提供する。

【背景技術】

【0002】

［０００２］仮想現実は、概して、ユーザが見かけ上の物理的存在を有する、コンピュータが生成した模擬環境であると考えられている。仮想現実体験は、３Ｄで生成され、ヘッドマウントディスプレイ（ｈｅａｄ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ：ＨＭＤ）（例えば、実際の環境に取って代わる仮想現実環境を表示するためのレンズとしてのニアアイディスプレイパネルを有する眼鏡又は他のウェアラブルディスプレイデバイス）で見ることができる。

【0003】

［０００３］しかしながら、拡張現実によって、ユーザが眼鏡又は他のＨＭＤデバイスのディスプレイレンズを通して周囲環境を見ることができるが、環境の一部として現れるように生成される仮想物体の画像も見ることができる体験が可能になる。拡張現実には、任意の種類の入力（例えば、音声入力及び触覚入力）や、ユーザが体験する環境を強化又は拡張する仮想画像、グラフィックス、及びビデオが含まれる場合がある。新たな技術として、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、周囲環境に重ね合わされた仮想画像を表示することである。拡張現実導波路結合器などの導波路結合器を含む光学デバイスは、画像の重ね合わせを補助するために使用される。生成された光は、光が光学デバイスを出て周囲環境に重なるまで、光学デバイスを伝搬する。しかし、既存の光学デバイスは、望ましいレベルの結合効率を欠いている。したがって、当技術分野で必要とされているのは、結合効率を改善した光学デバイスである。

【発明の概要】

【0005】

［０００５］１つの実施形態では、導波路が提供される。導波路は、光学デバイス基板と、光学デバイス基板上方に配置された少なくとも１つの格子とを含む。少なくとも１つの格子は、複数のデバイス構造を含む。複数のデバイス構造の隣接するデバイス構造は、その間に間隙を画定する。複数のデバイス構造は、デバイス部分を含む。デバイス部分は、約１．９～約４．０の第１の屈折率を有するデバイス材料を含む。複数のデバイス構造は、インピーダンス整合部分を含む。インピーダンス整合部分は、約１．４～約２．０の第２の屈折率を含む。

【0006】

［０００６］別の実施形態では、導波路が提供される。導波路は、光学デバイス基板と、光学デバイス基板上方に配置された少なくとも１つの格子とを含む。少なくとも１つの格子は、複数のデバイス構造を含む。複数のデバイス構造の隣接するデバイス構造は、その間に間隙を画定する。複数のデバイス構造は、デバイス部分を含む。デバイス部分は、約１．９～約４．０の第１の屈折率を有するデバイス材料を含む。複数のデバイス構造は、インピーダンス整合部分を含む。インピーダンス整合部分は、約１．４～約２．０の第２の屈折率を含む。複数のデバイス構造は、反射防止部分を含む。反射防止部分は、約１．４～約２．０の反射防止屈折率を含む。第１の屈折率と、第２の屈折率又は反射防止屈折率の少なくとも一方と、の差は、約０．４５～約１．１５である。

【0007】

［０００７］更に別の実施形態では、方法が提供される。この方法は、基板の表面上に２層以上の材料を配置することを含む。この方法は、２つ以上の部分を有する複数のデバイス構造を形成するために、２層以上の材料を通してエッチングすることを更に含む。２つ以上の部分は、約１．９と約４．０との間の第１の屈折率を有するデバイス部分と、インピーダンス整合部分又は反射防止部分の少なくとも一方とを含む。インピーダンス整合部分又は反射防止部分は、約１．４～約２．０の第２の屈折率を含む。第１の屈折率と第２の屈折率との差は、約０．４５～約１．１５である。

【0008】

［０００８］先ほど記載した本開示の特徴を詳しく理解できるように、上記で簡単に要約した本開示のより詳細な説明が、実施形態を参照することによって得られ、いくつかの実施形態が添付図面に示されている。しかし、添付図面は例示的な実施形態のみを示すものであり、したがって、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、その他の等しく有効な実施形態も許容され得ることに留意されたい。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】［０００９］本明細書に記載の実施形態による導波路の概略上面図である。

【図2A】［００１０］本明細書に記載の実施形態による導波路の一部の概略断面図である。

【図2B】本明細書に記載の実施形態による導波路の一部の概略断面図である。

【図2C】本明細書に記載の実施形態による導波路の一部の概略断面図である。

【図3A】［００１１］本明細書に記載の実施形態による導波路の一部の概略上面図である。

【図3B】本明細書に記載の実施形態による導波路の一部の概略上面図である。

【図3C】本明細書に記載の実施形態による導波路の一部の概略上面図である。

【図4】［００１２］本明細書に記載の実施形態による、複数の材料部分を有するデバイス構造を形成するための方法のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

［００１３］理解を容易にするため、可能な場合、図に共通する同一の要素を指し示すために同一の参照番号が使用された。１つの実施形態の要素及び特徴は、更なる記述がなくても、他の実施形態に有益に組み込むことができると考えられる。

【0011】

［００１４］本開示の実施形態は、概して、拡張現実、仮想現実、及び複合現実のための光学デバイスに関する。より具体的には、本明細書に記載の実施形態は、複数の部分を備えたデバイス構造を有する導波路、及び複数の部分を備えたデバイス構造を有する導波路を形成する方法を提供する。

【0012】

［００１５］１つの実施形態では、導波路が提供される。導波路は、光学デバイス基板と、光学デバイス基板上方に配置された少なくとも１つの格子とを含む。少なくとも１つの格子は、複数のデバイス構造を含む。複数のデバイス構造の隣接するデバイス構造は、その間に間隙を画定する。複数のデバイス構造は、デバイス部分を含む。デバイス部分は、約１．９～約４．０の第１の屈折率を有するデバイス材料を含む。複数のデバイス構造は、インピーダンス整合部分を含む。インピーダンス整合部分は、約１．４～約２．０の第２の屈折率を含む。複数のデバイス構造は、反射防止部分を含む。反射防止部分は、約１．４～約２．０の反射防止屈折率を含む。第１の屈折率と、第２の屈折率又は反射防止屈折率の少なくとも一方と、の差は、約０．４５～約１．１５である。

【0013】

［００１６］別の実施形態では、方法が提供される。この方法は、基板の表面上に２層以上の材料を配置することを含む。この方法は、２つ以上の部分を有する複数のデバイス構造を形成するために、２層以上の材料を通してエッチングすることを更に含む。２つ以上の部分は、約１．９と約４．０との間の第１の屈折率を有するデバイス部分と、インピーダンス整合部分又は反射防止部分の少なくとも一方とを含む。インピーダンス整合部分又は反射防止部分は、約１．４～約２．０の第２の屈折率を含む。第１の屈折率と第２の屈折率との差は、約０．４５～約１．１５である。

【0014】

［００１７］図１は、導波路１００の概略上面図である。以下に説明する導波路１００は例示的な光学デバイスであることを理解されたい。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態では、導波路１００は、拡張現実導波路結合器などの導波路結合器である。導波路１００は更に、光学感知（例えば、視線追跡能力）に利用される導波路でありうる。

【0015】

［００１８］導波路１００は、基板１０１の上面１０３上に配置された複数のデバイス構造１０２を含む。複数のデバイス構造１０２の一部１０５を図１に示す。デバイス構造１０２は、サブミクロンの寸法（例えば、ナノサイズの寸法）を有するナノ構造でありうる。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態では、デバイス構造１０２の領域は、第１の格子１０４Ａ、第２の格子１０４Ｂ、及び第３の格子１０４Ｃなどの１つ以上の格子１０４に対応する。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態では、導波路１００は、少なくとも、入力結合格子に対応する第１の格子１０４Ａと、出力結合格子に対応する第３の格子１０４Ｃとを含む導波路結合器である。導波路結合器は、本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができ、中間格子に対応する第２の格子１０４Ｂを含む。基板１０１は、所望の波長又は波長範囲の光を適切に透過し、本明細書に記載の導波路１００の適切な支持体として機能することができれば、任意の適切な材料から形成されうる。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態では、波長範囲は、約４００ｎｍと約２０００ｎｍとの間である。基板の選択は、ケイ素（Ｓｉ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、ドープされたＳｉＯ_２、溶融シリカ、石英、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、ダイヤモンド、又はサファイアを含有する材料を含むがこれらに限定されない、任意の適切な材料の基板を含みうる。

【0016】

［００１９］図２Ａ～２Ｃは、導波路１００の格子１０４の一部１０５の概略断面図である。格子１０４は、複数のデバイス構造１０２を含む。図２Ａ及び図２Ｃは、格子１０４の部分１０５が導波路１００の第１の格子１０４Ａ、例えば入力結合格子に対応するように、図１の断面ライン１－１に沿って切り取られている。図２Ｂは、部分１０５が第３の格子１０４Ｃ（すなわち出力結合格子）に対応するように、図１の断面ライン２－２に沿って切り取られている。なお、図２Ａ及び図２Ｃは第１の格子１０４ａに対応する部分１０５を示しており、図２Ｂは第３の格子１０４ｃに対応する部分１０５を示しているが、図２Ａ～図２Ｃの部分１０５は、格子１０４に限定されるものではなく、第１の格子１０４ａ、第２の格子１０４ｂ、第３の格子１０４ｃのいずれかに対応しうる。複数のデバイス構造１０２は、基板１０１の上面１０３上に配置される。デバイス構造１０２の各々は、上面２１０を含む。複数のデバイス構造１０２は、複数の間隙２２０を画定する。複数の間隙２２０の各間隙は、隣接するデバイス構造１０２間に画定される。

【0017】

［００２０］複数のデバイス構造１０２の各デバイス構造１０２は、構造幅２０２を有する。構造幅２０２は、基板１０１の上面１０３に最も近いデバイス構造１０２の幅として定義される。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態では、少なくとも１つの構造幅２０２は、別の構造幅２０２と異なっていてもよい。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、複数のデバイス構造１０２の各構造幅２０２は、他の各構造幅２０２と実質的に等しい。複数のデバイス構造１０２の各デバイス構造１０２は、空間幅２０４を有する。空間幅２０４は、基板１０１の上面１０３に最も近い隣接するデバイス構造１０２間の距離として定義される。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態では、少なくとも１つの空間幅２０４は、別の空間幅２０４と異なっていてもよい。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、複数のデバイス構造１０２の各空間幅２０４は、他の各空間幅２０４と実質的に等しい。導波路１００のデューティサイクルは、空間幅２０４対構造幅２０２の比として定義される。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態では、デューティサイクルは、基板１０１全体で一定である。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、デューティサイクルは、基板１０１全体で変化する。デューティサイクルは、約５％と約９５％との間である。

【0018】

［００２１］ピッチ２０６は、各デバイス構造１０２の空間幅２０４と構造幅２０２の和として定義される。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態では、ピッチ２０６は、基板１０１全体で一定である。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、ピッチ２０６は、基板１０１全体にわたって変化する。ピッチ２０６は、約１５０ｎｍと約１５００ｎｍとの間である。深さ２０８は、各デバイス構造１０２の上面２１０と基板１０１の上面１０３との間の距離として定義される。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態では、深さ２０８は、基板１０１全体で一定である。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、深さ２０８は、基板１０１全体にわたって変化する。各デバイス構造１０２の深さ２０８は、約１０ｎｍと約２０００ｎｍとの間である。

【0019】

［００２２］複数のデバイス構造１０２は、デバイス角度θで形成される。デバイス角度θは、基板１０１の表面１０３とデバイス構造１０２の側壁２１２との間の角度である。図２Ａ及び図２Ｃに示すように、複数のデバイス構造１０２は、基板１０１の上面１０３に対して角度が付けられている。デバイス角度θは、約１０度と約１７０度の間（例えば約４０度から約１４０度）である。例えば、デバイス角度θは約７０度から約１１０度である。図２Ｂに示すように、複数のデバイス構造１０２は垂直である（すなわち、デバイス角度θは９０度である）。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態では、各デバイス構造１０２のそれぞれのデバイス角度θは実質的に等しい。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、複数のデバイス構造１０２の少なくとも１つのそれぞれのデバイス角度θは、複数のデバイス構造１０２の別のデバイス角度θとは異なる。

【0020】

［００２３］図２Ａ～２Ｃに示す複数のデバイス構造１０２は、図１に示す導波路１００の第１の格子１０４Ａ、第２の格子１０４Ｂ、又は第３の格子１０４Ｃのいずれか１つに対応しうる。図２Ｂに示すように、複数のデバイス構造１０２は、基板１０１の上面１０３及び基板１０１の底面２１４の両方に配置されうる。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態では、複数のデバイス構造１０２は、光を基板１０１内に結合するように動作可能である。本明細書に記載される他の実施形態と組み合わせることができる別の実施形態では、複数のデバイス構造１０２は、基板１０１からの光をユーザに結合するように動作可能である。光は、基板１０１の上面１０３及び／又は底面２１４から結合されうる。

【0021】

［００２４］図２Ａ及び図２Ｃでは、複数のデバイス構造１０２が基板１０１の上面１０３上に示されているが、複数のデバイス構造１０２は、上面１０３及び底面２１４上に配置されてもよい。図２Ｂでは、複数のデバイス構造１０２が上面１０３及び底面２１４上に示されているが、複数のデバイス構造１０２は、上面１０３又は底面２１４の一方にのみ配置されてもよい。

【0022】

［００２５］複数のデバイス構造１０２の各々は、複数の部分２１６（すなわち、部分２１６Ａ～２１６Ｃ）を含む。例えば、各デバイス構造１０２は、２つ以上の部分２１６を有しうる。複数の部分２１６の各々は、厚さ２１８を含む。複数の部分２１６の厚さ２１８は、複数のデバイス構造１０２の回折効率を向上させるように決定される。例えば、複数の部分２１６の各々の厚さ２１８は、導波路１００に結合された特定の波長に対する導波路１００の効率を向上又は低下させるように決定されうる。導波路１００内に結合される特定の波長の光の効率を向上又は低下させる能力（すなわち、カラーバランシング（ｃｏｌｏｒ ｂａｌａｎｃｉｎｇ））は、複数の波長の光を結合するように動作可能な導波路１００にとって有益である。複数の部分２１６の各部分２１６は、隣接する部分２１６と異なる厚さ２１８又は同じ厚さ２１８を有しうる。

【0023】

［００２６］複数の部分２１６を有する複数のデバイス構造１０２は、部分２１６の材料間のインピーダンス整合により、導波路１００の光結合効率及び画質を向上させる。複数の部分２１６により、導波路１００からの光の反射を調整するために部分２１６間のインピーダンス整合が可能になる。例えば、部分２１６のインピーダンス整合は、ある波長の光の光反射を減少させうるが、別の波長の光の光反射を意図的に増加させるだろう。複数の部分２１６は、単一の導波路１００における異なる波長の光（例えば、光の色）の結合効率を高める（ＲＧＢの色が同一の導波路１００から放出される）。

【0024】

［００２７］インピーダンス整合により、デバイス構造１０２は、基板１０１から周囲に光を結合することができ、又は入射光をより効率的に基板１０１に結合させることができる。よって、入射光が角度的に均一に及び／又はスペクトル的に均一になる。部分２１６間のインピーダンス整合により、反射及び入射に対し逆方向の回折光（ｂａｃｋ－ｄｉｆｆｒａｃｔｅｄ ｌｉｇｈｔ）が低減される。過剰な反射及び逆方向の回折がある場合、反射光の一部が導波路１００内に結合され、ゴーストイメージングの原因となりうる。このように、部分２１６間のインピーダンス整合により、ゴーストイメージング及び迷光の発生が低減されるだろう。更に、複数の部分２１６は、視野ＦＯＶが拡大されうるように、大きな入射角に対する光学効率を高めることができる。また、複数の部分２１６が複数のデバイス構造１０２間の複数の間隙２２０内に配置されないので、より高い屈折率コントラストが発生しうる。デバイス構造１０２と複数の間隙２２０との間の屈折率コントラストは、屈折率コントラストを提供する。導波路１００の光学性能を向上させるために、複数のデバイス構造１０２の構造材料の屈折率と、複数のデバイス構造１０２周囲の材料の屈折率と、の間に大きなコントラストを有することが望ましい。

【0025】

［００２８］複数の部分２１６を有するデバイス構造１０２が第３の格子１０４Ｃ上に配置される実施形態では、複数の部分２１６とのインピーダンス整合の結果として、シースルー透過（又は外界からの光）が高められうる。複数の導波路１００が積層されると、複数の部分２１６が各導波路での反射の発生を低下させるので、ユーザは、導波路１００の外側からの光をより多く見ることができる。シースルー透過を高める利点に加えて、積層導波路１００の各導波路１００上のデバイス構造１０２は、迷光を最小限に抑え、導波路１００の全体的な光学効率を向上させるために、隣接する導波路１００からのより高い光伝送を許容しうる。

【0026】

［００２９］本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、複数のデバイス構造１０２は、２つの部分２１６を含む。例えば、複数のデバイス構造１０２は、図２Ａ～２Ｃに示すように、デバイス部分２１６Ａと、デバイス部分２１６Ａの上方に配置されたインピーダンス整合部分２１６Ｂとを含む。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる他の実施形態では、複数のデバイス構造１０２は、図２Ｂに示すように、デバイス部分２１６Ａの下方に配置された反射防止部分２１６Ｃを含む。図２Ｂには３つの部分２１６のみが示されているが、複数の部分２１６は、４つ以上の部分２１６を含んでいてもよい。

【0027】

［００３０］デバイス部分２１６Ａは、高屈折率材料である。デバイス部分２１６Ａの屈折率は、約１．９～約４．０の間である。デバイス部分２１６Ａは、ゲルマニウム、ケイ素、酸化チタン、酸化ニオブ、窒化ケイ素、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化スカンジウム、又はこれらの組み合わせなどの材料を含むが、これらに限定されない。インピーダンス整合部分２１６Ｂは、低屈折率材料である。インピーダンス整合部分２１６Ｂの屈折率は、約１．４と約２．０との間である。インピーダンス整合部分２１６Ｂは、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、又はこれらの組み合わせを含む材料を含むが、これらに限定されない。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができる１つの実施形態では、デバイス部分２１６Ａが窒化ケイ素であり、インピーダンス整合部分２１６Ｂが酸化ケイ素である。いくつかの実施形態では、インピーダンス整合部分２１６Ｂは、導波路製造に利用されるハードマスク層に対応する。ハードマスク層の材料は、パターニングされたハードマスク層がインピーダンス整合部分２１６Ｂとして残るように選択される。異なる材料及び材料の組み合わせがデバイス構造内で実現されうるため、導波路１００の異なる設計が達成できる。

【0028】

［００３１］本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、反射防止部分２１６Ｃは、エッチング停止層である。反射防止部分２１６Ｃは、複数のデバイス構造１０２の形成後に残るエッチング停止層である。反射防止部分２１６Ｃが完全にエッチングされるか又は全くエッチングされない場合には、反射防止部分２１６Ｃは、エッチング停止層となる。反射防止部分２１６Ｃの屈折率は、約１．４と約２．０との間である。反射防止部分２１６Ｃは、窒化ケイ素、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、又はこれらの組み合わせを含む材料を含むが、これらに限定されない。

【0029】

［００３２］インピーダンス整合部分２１６Ｂをデバイス部分２１６Ａにインピーダンス整合させるだけでなく、デバイス構造１０２の追加部分をインピーダンス整合させることができるため、複数のデバイス構造１０２の反射防止能力が向上する。いくつかの実施形態では、インピーダンス整合部分２１６Ｂの屈折率を決定するために、第１のインピーダンス整合式が使用されうる。第１のインピーダンス整合式は、
Ｎ２_≒（Ｎ１×Ｎ３）^０．５
ここで、Ｎ１はデバイス部分２１６Ａの屈折率、Ｎ２はインピーダンス整合部分２１６Ｂの屈折率、Ｎ３は空気（又は導波路１００を取り囲む他の媒体）の屈折率である。本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、反射防止部分２１６Ｃの屈折率は、第２のインピーダンス整合式で決定される。第２のインピーダンス整合式は、
Ｎ_{ａｎｔｉ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ≒}（Ｎ_{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ}×Ｎ１）^０．５
ここで、Ｎ１はデバイス部分２１６Ａの屈折率であり、Ｎ_{ａｎｔｉ－ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ}は反射防止部分２１６Ｃの屈折率であり、Ｎ_{ｓｕｂｓｔｒａｔｅ}は基板の屈折率である。インピーダンス整合式に基づいて、導波路１００内のインピーダンス整合を改善するように複数の部分２１６の材料が選択されうる。

【0030】

［００３３］図３Ａ～３Ｃは、導波路１００の格子１０４の一部１０５の概略上面図である。格子１０４は、複数のデバイス構造１０２を含む。複数のデバイス構造１０２は、基板１０１の上面１０３上に配置される。デバイス構造１０２の各々は、上面２１０を含む。複数のデバイス構造１０２の各々は、複数の部分２１６（図２Ａ～２Ｃに示す）を有する。

【0031】

［００３４］図３Ａに示すように、複数のデバイス構造１０２は、フィン構造である。フィン構造は、平行な列３０２に配置されている。図３Ａの複数のデバイス構造１０２は矩形の断面を描いているが、デバイス構造１０２の断面形状は限定されない。図３Ｂに示すように、複数のデバイス構造１０２は、個別のデバイス構造１０２であってもよい。各デバイス構造１０２は、第１の方向及び第２の方向の両方において他のデバイス構造１０２に隣接しており、第１の方向は第２の方向に対して直角である。例えば、複数のデバイス構造１０２がそれぞれ第１の方向及び第２の方向に沿ってのみ配置されるように、複数のデバイス構造１０２は、図３Ｂに示されるように、ｘ方向及びｙ方向に沿って配置される。図３Ｂの複数のデバイス構造１０２は楕円形の断面を描いているが、デバイス構造１０２の断面形状は限定されない。図３Ｃに示すように、複数のデバイス構造１０２は、個別のデバイス構造１０２であってもよい。各デバイス構造１０２は、第１の方向及び第２の方向の両方において他のデバイス構造１０２に隣接しており、第１の方向は第２の方向に対して直角である。図３Ｃの複数のデバイス構造１０２は、図３Ｃに示す断面に限定されない。例えば、複数のデバイス構造１０２の断面は、その上に形成された導波路１００の複数の層を支持体するように動作可能な任意の形状でありうる。

【0032】

［００３５］図４は、本明細書に記載の実施形態による、複数の材料部分を有する導波路を形成するための方法のフロー図である。説明を容易にするために、方法４００は、図２Ａ～２Ｃに示される複数のデバイス構造１０２を参照して説明されるが、方法４００は、任意の形状のデバイス構造１０２を形成するために実行されうることが企図される。

【0033】

［００３６］工程４０１において、複数の材料の層が基板１０１上方に配置される。材料の複数の部分２１６の各々は、液体材料注入キャスティングプロセス、スピンオンコーティングプロセス、液体スプレーコーティングプロセス、ドライパウダーコーティングプロセス、スクリーン印刷プロセス、ドクターブレーディングプロセス、ＰＶＤプロセス、ＣＶＤプロセス、ＦＣＶＤプロセス、ＰＥＣＶＤプロセス、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング、電子ビーム蒸発、又はＡＬＤプロセスを使用して配置される。材料の各層は、形成されるデバイス構造１０２の反射防止特性を向上させるために、材料の層間でインピーダンス整合（例えば、反射防止）が発生するように選択される。材料の層は、デバイス材料とインピーダンス整合材料を含む。

【0034】

［００３７］層の各々が、形成される導波路１００の回折効率を向上させるように選択された厚さ２１８を有する。各層の材料と各層の厚さ２１８は、回折効率を高め、反射防止機能を向上させるために、光学シミュレーションを介して決定される。光学シミュレーションは、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）、有限差分周波数領域（ＦＤＦＤ）、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）、又は有限要素解析（ＦＥＭ）を含むがこれらに限定されない電磁シミュレーション手法に基づいて実行することができる。光学シミュレーションでは、導波路１００の性能を向上させるために、複数のデバイス構造１０２のサイズ及び位置、並びに各部分２１６の屈折率が変更されうる。

【0035】

［００３８］動作４０２において、複数のデバイス構造１０２が形成される。複数の層の１つ以上をエッチングすることにより、層の複数の部分２１６を有する複数のデバイス構造１０２が形成される。複数のデバイス構造１０２は、ナノインプリントリソグラフィ、光リソグラフィ、イオンビームエッチング、反応性イオンエッチング、電子ビームエッチング、若しくは湿式エッチングプロセスのうちの１つ以上、又はこれらの組み合わせで形成される。デバイス材料のデバイス部分２１６Ａ及びインピーダンス整合材料のインピーダンス整合部分２１６Ｂが形成されうる。

【0036】

［００３９］本明細書に記載の他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、複数の部分２１６のインピーダンス整合部分２１６Ｂは、ハードマスク層である。例えば、工程４０２は、インピーダンス整合部分を部分的にエッチングしてハードマスク層を形成することを含みうる。部分的にエッチングされたインピーダンス整合部分２１６Ｂは、デバイス部分２１６Ａ及びインピーダンス整合部分２１６Ｂに形成される複数のデバイス構造１０２を規定しうる。インピーダンス整合部分２１６Ｂは、複数の部分２１６の１つのままである。

【0037】

［００４０］他の実施形態では、反射防止部分２１６Ｃが、基板１０１とデバイス部分２１６Ａとの間に配置される。反射防止部分２１６Ｃは、エッチング停止層である。例えば、工程４０２は、デバイス部分をエッチングした後、デバイス部分に形成された開口部を通してエッチング停止層をエッチングすることを含みうる。反射防止部分２１６Ｃは、複数の部分２１６のう１つのままである。

【0038】

［００４１］複数のデバイス構造１０２が単一のエッチング工程で形成される際に、部分２１６の１つ以上が反射防止層又はハードマスク層として機能しうるので、反射防止層又はハードマスク層を堆積するような追加の工程を完了する必要はない。したがって、製造コストが削減されうる。

【0039】

［００４２］要するに、本明細書では、複数の部分を備えたデバイス構造を有する導波路と、複数の部分を備えたデバイス構造を有する導波路を形成する方法について記載されている。複数のデバイス構造は、２つ以上の部分を有して形成される。複数の部分の材料は、光学デバイスからの光の反射を低減するために、部分間のインピーダンス整合が可能になるように選択される。インピーダンス整合により、デバイス構造はより効率的に光を結合させることができる。複数の部分の材料は、複数のデバイス構造間の間隙内に配置されないので、デバイス構造の材料と周囲の空気との間の屈折率コントラストは影響を受けない。単一のエッチング段階で複数の部分を備えたデバイス構造を形成することで、製造コストが削減されるだろう。

【0040】

［００４３］以上の記述は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく本開示の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されてもよく、本開示の範囲は、下記の特許請求の範囲によって決定される。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【国際調査報告】