(57)【要約】  本明細書で説明されるシステムおよび方法は、導波路結合器に使用される格子などの回折格子の製造のためのものである。本明細書で説明される導波路結合器は、高屈折率材料と低屈折率材料を組み合わせたナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）と、高屈折率材料および低屈折率材料の指向性エッチングとを使用して製造される。導波路結合器は、透明基板の指向性エッチングによって、追加的にまたは代替的に形成することができる。本明細書で説明される回折格子を含む導波路結合器は、永続的な透明基板上に直接形成することができる。他の実施例では、回折格子は、一時的な基板上に形成され、永続的な透明基板に転写され得る。【選択図】図１２
2021530862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板をパターニングする方法であって、
基板の第１の面上にハードマスク層を形成することであって、前記基板は、透明な材料から形成され、前記基板の幅に沿った垂直面によって規定される、ハードマスク層を形成することと、
ナノインプリントリソグラフィによって、前記ハードマスク層上に、パターニングされた層を形成することと、
前記パターニングされた層および前記ハードマスク層をエッチングして、前記基板の前記第１の面を露出させることと、
前記パターニングされた層を除去することと、
前記基板の前記第１の面をエッチングして、前記基板の前記第１の面に第１の複数の傾斜メサを形成することであって、前記第１の複数の傾斜メサの各傾斜メサは、前記垂直面に対して２０度から７０度の角度でエッチングされる、第１の複数の傾斜メサを形成することと、
その後、前記ハードマスク層を除去することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記基板の前記第１の面上に前記ハードマスク層を形成することは、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、または原子層堆積（ＡＬＤ）を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ナノインプリントリソグラフィを使用して、前記基板の第２の面上にパターンを形成することをさらに含み、前記基板の前記第２の面上の前記パターンは、第２の複数の傾斜メサを含み、前記第２の複数の傾斜メサは、前記第１の複数の傾斜メサとは異なる角度にある、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
回折格子を形成する方法であって、
ターゲットスタック上にハードマスク層を形成することであって、前記ターゲットスタックは、第１の基板の第１の面上に形成される、ハードマスク層を形成することと、
前記ハードマスク層に複数の開口をエッチングすることと、
前記ターゲットスタックをエッチングして、前記第１の基板の前記第１の面上の前記ターゲットスタックに第１の複数の傾斜メサを形成することとを含み、前記第１の複数の傾斜メサの各傾斜メサは、垂直面に対して２０度から７０度の第１の角度でエッチングされる、方法。
【請求項５】
前記ハードマスク層を形成することは、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）を使用して、前記ハードマスク層をパターンとして堆積させることを含み、前記パターンは、複数のメサと、前記メサ間の複数の傾斜トラフとを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の基板の第２の面上にハードマスク層を形成することであって、前記第１の基板は、透明な材料を含み、前記基板の幅に沿った垂直面によって規定される、ハードマスク層を形成することと、
ナノインプリントリソグラフィによって、前記ハードマスク層上に、パターニングされた層を形成することと、
前記パターニングされた層および前記ハードマスク層をエッチングして、前記第１の基板の前記第２の面を露出させることと、
前記パターニングされた層を除去することと、
前記第１の基板の前記第２の面をエッチングすることと、
前記エッチングに応答して、前記第１の基板の前記第２の面に第２の複数の傾斜メサを形成することであって、前記第２の複数の傾斜メサの各傾斜メサは、前記垂直面に対して２０度から７０度の第２の角度でエッチングされる、第２の複数の傾斜メサを形成することと、
をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
透明基板を前記ターゲットスタックに取り付けることをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記ターゲットスタックに前記第１の複数の傾斜メサを形成した後に、前記第１の基板を除去することをさらに含み、前記ターゲットスタックは、デボンディング層を介して前記第１の基板に結合され、前記基板を除去することは、前記デボンディング層を介して前記ターゲットスタックから前記第１の基板を取り外すことを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の基板の前記第２の面上に前記ハードマスク層を形成することは、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）を使用して、前記ハードマスク層をパターンとして堆積させることを含み、前記パターンは、複数のメサと、前記メサ間の複数の傾斜トラフとを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
指向性エッチングを使用して、前記ターゲットスタックおよび前記基板の前記第２の面の各々をエッチングすることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
指向性エッチングは、
前記第１の基板の前記垂直面に対して前記第１の角度をなすイオンビームの経路に前記ターゲットスタックの第１の部分を位置付けることであって、前記ターゲットスタックの前記第１の部分をエッチングすることは、前記ターゲットスタックの前記第１の部分を前記イオンビームに露出して、前記第１の角度で前記第１の複数の傾斜メサを形成することを含む、第１の部分を位置付けることと、
前記第１の基板を、前記垂直面に対して垂直な中心軸の周りに所定の回転角度まで回転させることと、
前記第１の基板を前記所定の回転角度まで回転した後に、前記イオンビームの前記経路に前記ターゲットスタックの第２の部分を位置付けることと、
前記ターゲットスタックの前記第２の部分を前記イオンビームに露出することによって、前記ターゲットスタックの前記第２の部分をエッチングして、第３の複数のメサを形成することと、
を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
回折格子を形成する方法であって、
ターゲットスタック上にハードマスク層を形成することであって、前記ターゲットスタックは、第１の基板の第１の面上に形成される、ハードマスク層を形成することと、
前記ハードマスク層に複数の開口をエッチングすることと、
前記ターゲットスタックをエッチングして、前記第１の基板の前記第１の面上の前記ターゲットスタックに、第１の複数の傾斜メサを形成することであって、前記複数の傾斜メサの各傾斜メサは、垂直面に対して２０度から７０度の角度でエッチングされる、傾斜メサを形成することと、
前記第１の基板の第２の面上にハードマスク層を形成することであって、前記第１の基板は、前記基板の幅に沿った垂直面によって規定される、ハードマスク層を形成することと、
ナノインプリントリソグラフィによって、前記ハードマスク層上に、パターニングされた層を形成することと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記パターニングされた層および前記ハードマスク層をエッチングして、前記第１の基板の前記第２の面を露出させることと、
前記パターニングされた層を除去することと、
前記第１の基板の前記第２の面をエッチングすることと、
前記エッチングに応答して、前記第１の基板の前記第２の面に複数の傾斜メサを形成することであって、前記複数の傾斜メサの各傾斜メサは、前記垂直面に対して２０度から７０度の角度でエッチングされる、複数の傾斜メサを形成することと、
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ハードマスク層を形成することは、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）を使用して、前記ハードマスク層をパターンとして堆積することを含み、前記パターンは、複数のメサと、前記メサ間の複数の傾斜トラフとを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板上に前記ハードマスク層を形成することは、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、または原子層堆積（ＡＬＤ）を使用することを含む、請求項１２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、種々のタイプの導波路で使用されるような光学素子構造、および光学素子構造を製造するシステムならびに方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
［０００２］  導波路は、信号の拡がりを１次元または２次元に制限し、最小のエネルギー損失での信号の伝播を可能にすることによって、電磁波または音波を導く構造である。波は３次元的に伝播し、音波や電磁波などの波の生成源から伝播して離れるにつれて、波は出力を失うことがある。波が１次元または２次元で伝搬するように波を閉じ込めることによって、波の出力は保存される。導波路はこのように、波が伝搬する間、波の出力を保持する。
【０００３】
［０００３］  導波路結合器は、複数の入力信号を受け入れ、入力信号の組み合わせである単一の出力信号を生成することによって、ＲＦ信号などの信号を組み合わせるために使用される。導波路に対する需要が増大するにつれて、例えば、光ファイバ用途、レーダ用途、科学的計装、および拡張現実において、導波路に対する需要が増大しており、現在の技術は、格子を形成するためのマスターパターンの作製およびインプリント複製の実行を包含するもので、インプリント可能な材料のみが導波路製造に使用可能である。
【０００４】
［０００４］  そのため、改良された導波路製造のシステムおよび方法が依然として必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
［０００５］  本明細書に記載のシステムおよび方法は、格子を形成する方法を対象としている。一実施例では、基板をパターニングする方法は、基板の第１の面上にハードマスク層を形成することであって、基板が透明な材料から形成され、基板の幅に沿った垂直面によって規定される、ハードマスク層を形成することと、ナノインプリントリソグラフィによって、ハードマスク層上にパターニングされた層を形成することとを含む。この実施例では、本方法は、パターニングされた層およびハードマスク層をエッチングして、基板の第１の面を露出することと、パターニングされた層を除去することと、基板の第１の面をエッチングして、基板の第１の面に第１の複数の傾斜メサ（ａｎｇｌｅｄ  ｍｅｓａｓ）を形成することとをさらに含む。第１の複数の傾斜メサの各傾斜メサは、垂直面に対して２０度から７０度の角度でエッチングされる。さらにこの方法では、基板の第１の面をエッチングした後、ハードマスク層を除去する。
【０００６】
［０００６］  別の実施例では、格子を形成する方法は、第１の基板の第１の面上に形成されるターゲットスタック上にハードマスク層を形成することと、ハードマスク層内の複数の開口をエッチングすることと、ターゲットスタックをエッチングして、第１の基板の第１の面上のターゲットスタック内に第１の複数の傾斜メサを形成することとを含む。第１の複数の傾斜メサの各傾斜メサは、垂直面に対して２０度から７０度の第１の角度でエッチングされる。
【０００７】
［０００７］  別の実施例では、格子を形成する方法は、第１の基板の第１の面上に形成されるターゲットスタック上にハードマスク層を形成することと、ハードマスク層内の複数の開口をエッチングすることと、ターゲットスタックをエッチングして、第１の基板の第１の面上のターゲットスタック内に第１の複数の傾斜メサを形成することとを含む。複数の傾斜メサの各傾斜メサは、垂直面に対して２０度から７０度の角度でエッチングされる。本方法はさらに、基板の幅に沿った垂直面によって規定される第１の基板の第２の面上にハードマスク層を形成することと、ナノインプリントリソグラフィによって、ハードマスク層上にパターニングされた層を形成することとを含む。
【０００８】
［０００８］  本開示の上述の特徴を詳細に理解しうるように、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、一部の実施形態は、添付の図面に例示されている。しかしながら、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うることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施形態による、透明基板上に格子構造を直接形成する方法のフロー図である。
【図２Ａ】本開示の実施形態による、格子構造の形成操作の部分概略図である。
【図２Ｂ】本開示の実施形態による、格子構造の形成操作の部分概略図である。
【図２Ｃ】本開示の実施形態による、格子構造の形成操作の部分概略図である。
【図２Ｄ】本開示の実施形態による、格子構造の形成操作の部分概略図である。
【図２Ｅ】本開示の実施形態による、格子構造の形成操作の部分概略図である。
【図２Ｆ】本開示の実施形態による、格子構造の形成操作の部分概略図である。
【図３】本開示の実施形態による、透明基板上に格子構造を直接形成する方法のフロー図である。
【図４Ａ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図４Ｂ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図４Ｃ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図４Ｄ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図４Ｅ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図５】本開示の実施形態による、第１の基板から第２の基板に格子構造を転写する方法である。
【図６Ａ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図６Ｂ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図６Ｃ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図６Ｄ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図６Ｅ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図７】本開示の実施形態による、第１の基板から第２の基板に格子構造を転写する方法である。
【図８Ａ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図８Ｂ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図８Ｃ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図８Ｄ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図８Ｅ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図９】本開示の実施形態による、透明基板に格子構造を直接エッチングする方法である。
【図１０Ａ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図１０Ｂ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図１０Ｃ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図１０Ｄ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図１０Ｅ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図１０Ｆ】本開示の実施形態による、格子構造の形成の部分概略図である。
【図１１Ａ】本開示の実施形態による、導波路結合器を製造するために使用される方法のフロー図である。
【図１１Ｂ】本開示の実施形態による、導波路結合器を製造するために使用される方法のフロー図である。
【図１１Ｃ】本開示の実施形態による、導波路結合器を製造するために使用される方法のフロー図である。
【図１２】本開示の実施形態にしたがって製造された導波路結合器構造の部分概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［００２１］  理解を容易にするために、可能な場合には、図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素および特徴は、さら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ている。
【００１１】
［００２２］  本明細書で説明されているシステムおよび方法は、導波路に使用される回折格子の大量生産を含むことができる。拡張現実表面レリーフ導波路結合器は、マスタリングおよび複製のプロセスによって作製される。現在、これらの導波路結合器は数千の単位でしか製造されていないが、将来的に予測される数量は数千万以上の単位となる。現在の製造プロセスにおける課題には、特に大量生産におけるように、複製された形状の再現性を含み、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）プロセスにおける歩留まりに関する懸念が含まれる。さらに、格子が垂直面に対して４５度以上の角度で形成され得るので、高角度格子のＮＩＬインプリント後の取り外しも課題となる。
【００１２】
［００２３］  本明細書で説明されるように、低い屈折率を有する材料である「低屈折率」材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ドープされたＳｉＯ２、フッ素化ポリマー、または多孔質材料を含み得る。高い屈折率を有する材料である「高屈折率」材料は、アモルファスおよび結晶性Ｓｉ、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、リン酸ガリウム（ＧａＰ）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、または硫化材料およびポリマーを含み得る。
【００１３】
［００２４］  本明細書で説明するのは、直接エッチングおよびＮＩＬを使用して導波路デバイスを製造するためのシステムおよび方法である。導波路結合器を含む導波路デバイスは、低屈折率材料、高屈折率材料、または低屈折率材料と高屈折率材料との組合せに形成された複数の回折格子と、ポリマーまたはガラスなどの光学的に透明な基板に形成された複数の格子とを含む。本明細書で説明しているように、「透明」基板は、導波路結合器が動作することが意図される所定の波長範囲において光学的に透明な基板である。本明細書で説明しているように、回折格子は、「格子」とも称されるが、歯またはフィンとも称される複数の傾斜メサと、隣接する傾斜メサ間に形成される複数のトラフ（溝）とを含み得る。いくつかの実施例では、格子のトラフは、充填材料を含まず、他の実施例では、格子のトラフは、様々な材料で充填される。一実施例では、格子のメサは低屈折率材料から形成することができ、格子のトラフは高屈折率材料で充填される。別の実施例では、格子の傾斜メサは、高屈折率材料から形成することができ、格子のトラフは、低屈折率材料で充填される。格子内の傾斜メサおよびトラフは、基板の垂直面に対して幅、長さ、間隔、または角度のうちの１つまたは複数において均一になり得る。別の実施例では、格子の傾斜メサおよびトラフは、基板の垂直面に対して幅、長さ、間隔、または角度のうちの１つまたは複数において異なり得る。
【００１４】
［００２５］  本明細書の様々な実施形態で説明されるように、ＮＩＬは直接エッチングと共に使用して、導波路結合器を製造することができる。いくつかの実施例では、両面処理法を使用して導波路結合器を製造する。両面製造法は、透明基板上にＮＩＬを使用することによって、低屈折率材料または高屈折率材料のうちの少なくとも１つから形成されるターゲットスタック内に第１の格子を形成することと、同じ基板の他方の面に直接エッチングを使用して第２の格子を形成することとを含む。直接エッチングにおける課題の１つは、ガラス基板上にリソグラフィを行うことである。例えば、従来のリソグラフィ処理は、リソグラフィスキャナパラメータにより、最大厚さ７７５μｍの基板を受け入れるように構成することができる。導波路結合器は、現在、設計に応じた厚さを有するガラス基板を使用して作製されているが、典型的には、０．５ｍｍまたは０．８ｍｍの厚さであり、これは、リソグラフィスキャナが処理するように構成されているものよりも著しく薄い。
【００１５】
［００２６］  一実施形態では、格子は、シリコンから形成することができる一時的な基板上にＮＩＬおよび直接エッチングを使用して形成される。次いで、格子は、一時的な基板から剥離され、ガラスを含み得る第２の透明基板に転写される。別の実施形態では、格子は、ＮＩＬを介して形成され、ガラスまたは他の透明基板上に配置済みのターゲット層上に直接エッチングされる。また、ＮＩＬおよび透明基板での直接エッチングを使用して格子を形成することができる。本明細書で説明されているシステムおよび方法を使用して、高角度格子が形成され、その角度は、基板に平行な垂直面から２０度から７０度の範囲とすることができる。本明細書で説明される導波路および導波路構成要素は、デバイスの直接エッチングによって形成され、ＮＩＬと組み合わせて、一時的な結合または永続的な結合を使用して製造することができる。
【００１６】
［００２７］  他の実施例では、広範囲のデューティサイクル（ＤＣ）（すなわち、メサピッチに対するメサ幅の比率）を有する導波路設計が望ましい。インプリント材料の収縮により、この範囲のデューティサイクルをＮＩＬで製造することは困難であろう。しかしながら、いくつかの実施形態では、この課題は、低屈折率かつ低デューティサイクル格子をインプリントし、次いで、高屈折率材料で低デューティサイクル格子を充填し、高デューティサイクルおよび高屈折率格子で格子を形成することによって克服される。
【００１７】
［００２８］  図１は、透明基板上に格子構造を直接形成する方法１００のフロー図である。図２Ａ〜図２Ｆは、方法１００の操作の部分概略図である。図１および図２Ａ〜図２Ｆは、以下に共に参照される。
【００１８】
［００２９］  方法１００の操作１０２では、図２Ａの構造２００Ａに示すように、ターゲットスタック２０４が基板２０２上に形成される。基板２０２は、ガラスまたはポリマー基板などの透明基板から形成することができ、これらは０．５ｍｍから０．８ｍｍで形成され得る。操作１０４では、図２Ａに示すように、ハードマスク層２０６がターゲットスタック２０４上に形成される。ターゲットスタック２０４は、ＳｉＮ、ＴｉＯ２、ＧａＰ、または別の高屈折率材料で製造することができ、操作１０２で、ＣＶＤ、ＰＶＤ、スピニングオン、または別の適切な方法によって堆積される。一実施形態では、ターゲットスタック２０４の厚さは、完成した導波路結合器デバイスにおいて使用される屈折率および光波長に応じて、１００ｎｍから５００ｎｍまでとすることができる。ハードマスク層２０６は、操作１０４において、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｃｒ、またはＣＶＤ、ＰＶＤ、ＡＬＤ、または別の薄膜堆積処理によって堆積された別のエッチング耐性材料から製造することができる。ハードマスク層２０６は、操作１０４で、約１０ｎｍから約５０ｎｍの厚さに形成することができる。いくつかの実施例では、２５ｎｍ未満の厚さのハードマスク層２０６を採用して、その後のエッチング操作中のシャドウイングを低減または回避することができる。
【００１９】
［００３０］  方法１００の操作１０６では、図２Ｂの構造２００Ｂに示したように、ＮＩＬを使用してハードマスク層２０６上にパターン層２０８が形成される。パターン層２０８は、インプリント可能なレジスト材料から形成される。パターン層は、複数の隆起フィーチャ２１０から形成され、複数のギャップ２１２が、隣接する隆起フィーチャ２１０のペアの間に形成される。複数のギャップ２１２の各ギャップは、パターン層２０８の底部残留層２１４を有する。一実施形態では、操作１０６において、ハードマスクのＮＩＬは、隆起フィーチャ２１０の各々と基板２０２との間の角度δで実行される。角度δは、９０度よりも大きくすることができ、これは、本明細書で説明するように、コストを低下させ、指向性エッチング中に後続のフィーチャの形成を促進することができる。
【００２０】
［００３１］  続いて、操作１０８において、および図２Ｃの構造２００Ｃに示したように、ハードマスク層２０６およびパターン層２０８の一部は、エッチングによって除去される。このように、各ギャップ２１２の底部２１６がターゲットスタック２０４を露出し、複数のハードマスクメサ２１８が形成される。方法１００の操作１１０において、図２Ｄの構造２００Ｄに示したように、パターン層２０８が除去され、複数のハードマスクメサ２１８を露出させる。操作１１２では、図２Ｅの構造２００Ｅに示したように、ターゲットスタック２０４がエッチングされて、複数の傾斜メサ２２２と、傾斜メサ２２２の間に複数のトラフ２２０が形成され、操作１１２でのエッチングによって、基板２０２が露出される。複数の傾斜メサ２２２は、基板２０２の垂直面２２４から角度αで形成することができる。操作１１２でのエッチングは、指向性エッチングと呼ぶことができる。角度αは、２０度から７０度とすることができる。
【００２１】
［００３２］  操作１１４では、図２Ｆの構造２００Ｆに示したように、ハードマスク層２０６の残りの部分が除去され、複数の傾斜メサ２２２および複数のトラフ２２０が深さ２２６まで形成されたまま残される。本明細書で説明されている指向性エッチングは、一実施例では、エッチングチャンバ内のイオンビームの経路の第１の位置に、プラテン上に保持される基板２０２の第１の部分を配置することによって実行される。イオンビームは、リボンビーム、スポットビーム、または第１のエッジから第１のエッジに平行な第２のエッジまで基板を横切って延在する完全な基板サイズのビームとすることができる。イオンビームは、ターゲットスタック２０４などのターゲット材料の上面に接触するように構成され、傾斜メサ２２２を含む第１の格子を形成する。イオンビーム角度は、０度から９０度（すなわち、所望の任意の角度）になり得るが、イオンビームは、典型的には、イオンビームが所望の最大角度でターゲットスタック２０４をアタックするように、基板２０２の垂直面に対して所望のエッチング角度（例えば、２０度から７０度）に設定される。イオンビーム方向によって設定される最大角度よりも低い角度を有するエッチングを得るために、プラテン上に保持された基板２０２は、プラテンの軸を中心として所定の回転角度まで回転させることができる。回転の結果、イオンビームがターゲットスタック２０４の上面に異なる角度で接触し、第２の格子または他の後続の格子を形成する。基板の回転量、例えば、使用される所定の回転角度を計算して、所望の正確な格子エッチング角度を生成することができる。
【００２２】
［００３３］  代替の実施形態では、操作１１２での指向性エッチングは、本明細書で説明されている種々の格子にわたるハードマスク厚を調整することによって、制御（例えば、エッチング深さ、エッチング角度、およびエッチング速度の制御）可能である。ハードマスク厚の調整は、ハードマスクのエッチングおよび／またはＮＩＬによって達成することができ、いくつかの実施例では、ＮＩＬは、より費用対効果の高いものとなり得る。この実施例では、操作１１２での指向性エッチングが実行されるとき、図２Ｆの２２６によって示されるような複数のトラフ２２０の最終的な深さは、格子上の異なる位置で（操作１０６でＮＩＬによって形成される）ハードマスク層２０６の厚さに応じて変化し得る。
【００２３】
［００３４］  図３は、透明基板上に格子構造を直接形成する方法３００のフロー図である。図４Ａ〜図４Ｅは、方法３００の部分概略図である。図３および図４Ａ〜図４Ｅは共に、以下に説明される。
【００２４】
［００３５］  方法３００の操作３０２では、図４Ａの構造４００Ａに示したように、ターゲットスタック４０４が基板４０２上に形成される。基板４０２は透明であり、ポリマー、ガラス、セラミック、または他の光学的に透明な材料から形成することができる。ターゲットスタック４０４は、化学気相成長（ＣＶＤ）によって１００ｎｍから５００ｎｍの厚さに形成される。代替的な実施形態では、ＰＶＤ、スピニングオン、またはＡＬＤを使用して、ターゲットスタック４０４を形成することができる。操作３０４では、図４Ｂの構造４００Ｂに示したように、ターゲットスタック４０４上にＮＩＬを介してハードマスク４０６が形成される。ハードマスク４０６は、フィーチャ４０８と、隣接するフィーチャ４０８間のギャップ４１０との層として形成される。各ギャップ４１０の底部４１２は、その上に形成されるハードマスク４０６を有する。ハードマスク４０６は、金属または金属酸化物、ＴｉＮまたはＴａＮを含む金属窒化物、炭素から、あるいは別のエッチング耐性ナノインプリント可能材料から製造することができる。操作３０６では、図４Ｃの構造４００Ｃに示したように、各ギャップ４１０内のハードマスク４０６の下部４１２層は、エッチングを介して除去され、ターゲットスタック４０４を露出させる。操作３０８では、図４Ｄの構造４００Ｄに示したように、ターゲットスタック４０４は、複数の傾斜メサ４１４を形成するようにエッチングされる。複数の傾斜メサ４１４は、基板４０２の垂直面４１８から角度αで形成することができる。角度αは、２０度から７０度とすることができる。複数の傾斜メサ４１４の各々は、同様の幅４２０で図４Ｄに示されているが、他の実施例では、傾斜メサ４１４の間の幅またはその他の寸法は、角度αを含め、変化し得る。傾斜メサ４１４は、ターゲットスタック４０４に対してある角度でエッチャントを向けるように構成されたツーリングを用いた指向性エッチングによって形成することができる。操作３１０では、図４Ｅの構造４００Ｅに示したように、ハードマスク４０６が除去される。方法３００は、第１の操作でハードマスクが堆積され、次いで第２の操作でパターニングされる本明細書で説明される方法とは対照的に、操作３０４でハードマスク４０６を形成することが望ましい場合に使用することができる。
【００２５】
［００３６］  図５は、本開示の実施形態による、第１の基板から第２の基板に格子構造を転写する方法５００である。図６Ａ〜図６Ｅは、方法５００の部分概略図である。図５および図６Ａ〜図６Ｅは、以下で共に説明される。
【００２６】
［００３７］  図６Ａは、上述の図１の方法１００および図３の方法３００にしたがって製造された構造と同様に製造された構造を示す。しかしながら、図６Ａは、上述のように透明基板上に形成される代わりに、シリコンを含む第１の基板６０２上に形成された格子６０６を含む構造６００Ａを示す。デボンディング層６０４は、ＣＶＤを使用して二酸化ケイ素の薄い層を成長させることによって、または第１の基板６０２と格子６０６との間の薄い接着剤上でスピニングすることによって形成される。格子６０６は、複数の傾斜メサ６０８と、隣接する傾斜メサ６０８の各ペア間の複数のトラフ６１０とを含む。第１の基板６０２は、シリコンから形成することができる。本明細書の他の実施例と組み合わせることができる別の実施例では、格子６０６は、高屈折率材料から形成することができ、デボンディング層６０４は、熱応答性接着剤またはＳｉＯ２の層から形成することができる。方法５００の操作５０２では、図６Ａの構造がプロセスチャンバ内に受け入れられる。操作５０４では、充填層６１２が、図６Ｂの構造６００Ｂに示したように、トラフ６１０内および格子６０６の傾斜メサ６０８の上に堆積される。いくつかの実施例では、操作５０４中に、充填層６１２は、傾斜メサ６０８の上部に層６１４を形成する。低屈折率材料のこの層６１４は、図６Ｃの構造６００Ｃに示したように、機械的手段、化学的手段、またはこれらの組み合わせを介して、操作５０６で除去される。図６Ｄの構造６００Ｄに示した操作５０８において、構造６００Ｄは、第１の基板６０２が結合された場所とは反対側のガラス基板６１８に結合される。図６Ｅの構造６００Ｅに示した操作５１０では、第１の基板６０２は、デボンディング層６０４が格子６０６から解放されるように、熱手段を介して除去されるか、またはシリコンウェハを研磨してＳｉＯ２上に停止させることによって除去される。
【００２７】
［００３８］  図７は、本開示の実施形態による、第１の基板から第２の基板に格子構造を転写する方法７００である。図８Ａ〜図８Ｅは、方法７００の部分概略図である。図７および図８Ａ〜図８Ｅは、以下で共に参照される。
【００２８】
［００３９］  図８Ａは、上述の図１の方法１００および図３の方法３００にしたがって製造された構造と同様に製造された構造８００Ａを示す。しかしながら、図８Ａは、上述のように透明基板上に形成される代わりに、第１の基板８０２上に形成された格子８０６を示す。一実施例では、第１の基板８０２はシリコンから形成される。デボンディング層８０４は、第１の基板８０２と格子８０６との間に形成される。格子８０６は、複数の傾斜メサ８０８と、傾斜メサ８０８の間にある複数のトラフ８１０とを備える。一実施例では、第１の基板８０２は、シリコンから形成することができる。本明細書の他の実施例と組み合わせることができる別の実施例では、格子８０６は、低屈折率材料から形成することができる。デボンディング層８０４は、熱応答性接着剤から形成することができる。方法７００の操作７０２では、図８Ａの構造が処理チャンバ内に受け入れられる。操作７０４では、図８Ｂの構造８００Ｂに示したように、充填層８１２が、トラフ８１０内および格子８０６の傾斜メサ６０８の上に堆積される。いくつかの実施例では、操作７０４中に、充填層８１２は、傾斜メサ８０８の上部に層８１４を含む。高屈折率材料のこの層８１４は、図８Ｃの構造８００Ｃに示したように、機械的手段、化学的手段、またはこれらの組み合わせを介して、操作７０６で除去される。操作７０８では、図８Ｄの構造８００Ｄに示したように、第１の基板８０２は、デボンディング層８０４が格子８０６から取り外されるように、熱手段によって除去される。操作７１０では、図８Ｅの構造８００Ｅに示したように、図８Ｄの構造８００Ｄは、第１の基板８０２が結合された側とは反対側のガラス基板８１８に結合される。
【００２９】
［００４０］  図９は、透明基板に格子構造を直接エッチングする方法９００である。図１０Ａ〜図１０Ｆは、方法９００の部分概略図である。図９および図１０Ａ〜図１０Ｆは、以下で共に参照される。
【００３０】
［００４１］  方法９００では、図１０Ａの構造１０００Ａに示したように、操作９０２で、ハードマスク１００４が透明基板１００２上に形成される。透明基板１００２は、ガラス、ポリマー、または光学的に透明な他の材料から形成することができる。ハードマスク１００４は、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｃｒ、または他のエッチング耐性材料から形成することができ、操作９０２において、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＡＬＤ、または他の方法を介して、１０ｎｍから５０ｎｍの厚さで形成される。操作９０４では、図１０Ｂの構造１０００Ｂに示したように、層１００６を生成するため、ＮＩＬによってパターンが形成される。層１００６は、複数のメサ１０１０およびトラフ１０１２として形成される。各トラフ１０１２の底部１００８は、層１００６の材料の残留層から形成される。層１００６は、実施形態に応じて、低屈折率材料または高屈折率材料とすることができる。層１００６は、図１０Ｃに示した構造１０００Ｃを形成するため、操作９０６で、ハードマスク１００４と共にエッチングされる。操作９０６で層１００６およびハードマスク１００４をエッチングすることによって、トラフ１０１２の底部１０１４において透明基板１００２が露出される。操作９０８では、図１０Ｄの構造１０００Ｄに示したように、層１００６が除去され、複数のハードマスクアイランド１０１６が残る。操作９１０では、図１０Ｅの構造１０００に示したように、透明基板１００２は、エッチングされて、複数の傾斜メサ１０２２を形成し、複数のトラフ１０１８は、各隣接する傾斜メサ１０２２のペア間に形成される。複数の傾斜メサ１０２２の各傾斜メサ１０２２は、垂直面１０２４からαの角度にある。各トラフ１０１８の底部１０２０は、基板材料である。操作９１２では、図１０Ｆに示したように、ハードマスク１００４が除去され、ハードマスクアイランド１０１６が除去され、透明基板１００２の構造１０００Ｆが残される。
【００３１】
［００４２］  図１１Ａ〜図１１Ｃは、本開示の実施形態による導波路結合器を製造するために使用される方法のフロー図である。
【００３２】
［００４３］  図１１Ａは、本開示の実施形態による、導波路結合器において使用可能な回折格子を形成する方法１１００Ａを示す。操作１１０２では、シリコン（Ｓｉ）から形成され得る第１の基板に取り付けられたデボンディング層上に、パターニングされたターゲット層が形成される。操作１１０２は、図５の方法５００または図７の方法７００の一部または要素をそれぞれ含むことができ、これらの各々は、Ｓｉ基板上にパターンを形成し、基板を取り外し、ガラス、プラスチック、または別の光学的に透明な材料の透明基板を取り付ける。操作１１０２は、実施形態に応じて、高屈折率層と低屈折率層との組み合わせから形成することができるパターニングされたターゲット層の転写を含む。一実施例では、操作１１０２は、パターニングされたターゲット層を透明基板の第１の面に転写することを含む。操作１１０４では、透明基板の第２の面が、例えば、図９の方法９００にしたがってパターニングされ、操作１１０６で導波路結合器を形成する。
【００３３】
［００４４］  図１１Ｂは、本開示の実施形態による、導波路結合器において使用可能な１つまたは複数の回折格子を形成する方法１１００Ｂを示す。操作１１０８では、図１の方法１００および図３の方法３００に記載されているものと同様に、パターニングされたターゲット層が透明基板として形成される。操作１１１０では、透明基板の第２の面は、例えば、図９の方法９００にしたがって、操作１１１２で導波路結合器を形成するようにパターニングされる。
【００３４】
［００４５］  図１１Ｃは、本開示の実施形態による、導波路結合器において使用可能な１つまたは複数の回折格子を形成する方法１１００Ｃを示す。操作１１１４では、ガラスまたはポリマーから形成することができる透明基板の第１の面にパターニングされた層が形成され、図９の方法９００にしたがって操作１１１４が実行され得る。操作１１１８で導波路結合器を形成するため、操作１１１６では、図１および図３に示した方法１００または方法３００にしたがって、パターニングされたターゲット層が透明基板の第２の面上に形成される。
【００３５】
［００４６］  図１２は、図１１Ａ〜図１１Ｃの方法によって製造された導波路結合器構造１２００の部分概略図である。図１２は、透明基板１２０２と、図１、図３、図５、および図７の方法１００、３００、５００、および７００をそれぞれ含む本開示の実施形態により形成された第１の格子構造１２０４とを備える、導波路結合器構造１２００を示す。第１の格子構造１２０４は、図１２の実施例では、それぞれが垂直面１２２８に対してαの角度で形成された傾斜メサ１２０８を備えるものとして示されている。角度αは、２０度から７０度とすることができる。各傾斜メサ１２０８は、実施形態に応じて、低屈折率材料または高屈折率材料から形成することができる。図１２では、複数のトラフ１２１０が、材料を含まないものとして、隣接する傾斜メサ１２０８の各ペア間に示されているが、代替的な実施形態では、トラフ１２１０は、低屈折率材料または高屈折率材料で充填される。傾斜メサ１２０８が低屈折率材料から形成される場合、トラフ１２１０は高屈折率材料で充填することができ、傾斜メサ１２０８が高屈折率材料から形成される場合、トラフ１２１０は低屈折率材料で充填することができる。各傾斜メサ１２０８は、幅１２１２と、長さ１２１４と、隣接する傾斜メサ１２１８間の間隔１２１６とを有する。幅１２１２、長さ１２１４、および間隔１２１６の各々は、実施例の導波路結合器構造１２００では、角度αでほぼ同じになるように示されている。しかし、他の実施例では、これらの寸法のうちの１つまたは複数は、個々の傾斜メサ１２０８の間で、あるいは行、列、またはこれらの組合せからなる群の間で、変化することがあり得る。
【００３６】
［００４７］  導波路結合器構造１２００は、透明基板１２０２に形成された、複数の傾斜メサ１２１８を備える第２のゲート構造１２０６をさらに含む。複数のトラフ１２２０が、隣接する傾斜メサ１２１８の各ペア間に形成され、傾斜メサ１２１８は垂直面１２２８に対してβの角度で形成される。角度βは、約４５度以下とすることができる。各傾斜メサ１２１８は、隣接する傾斜メサ１２１８から距離１２２２だけ離れて形成され、幅１２２６および長さ１２２４を有する。傾斜メサ１２１８の間の距離１２２２、ならびに幅１２２６、長さ１２２４は、傾斜メサ１２１８間でほぼ同じであることが示されている。しかしながら、代替的な実施形態では、これらの寸法のうちの１つまたは複数は、個々の傾斜メサ１２１８の間で、あるいは行、列、またはこれらの組合せからなる群の間で、変化することがあり得る。
【００３７】
［００４８］  したがって、本明細書で説明される導波路および導波路結合器のためのシステムおよび方法を使用して、広範囲のデューティサイクル（ＤＣ）（すなわち、メサピッチに対するメサ幅の比率）を有する導波路および導波路結合器が製造される。一実施例では、インプリントされた材料の収縮の問題は、低屈折率かつ低デューティサイクル格子をインプリントすることによって克服される。次いで、インプリントされた構造体に高屈折率材料を充填して、高デューティサイクルかつ高屈折率格子を有する格子を形成する。本明細書で説明される回折格子形成の実施例は、本明細書の他の実施例と組み合わせて、導波路および導波路結合器に含まれる回折格子を形成することができる。
【００３８】
［００４９］  本発明の教示を組み込んだ様々な実施形態が、本明細書で詳細に示され、説明されてきたが、当業者は、これらの教示をさらに組み込んだ多くの他の様々な実施形態を容易に考案することができる。
【図１】
2021530862.tif 000003
【図２Ａ】
2021530862.tif 000004
【図２Ｂ】
2021530862.tif 000005
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
2021530862.tif 000007
【図２Ｅ】
2021530862.tif 000008
【図２Ｆ】
2021530862.tif 000009
【図３】
2021530862.tif 000010
【図４Ａ】
2021530862.tif 000011
【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
2021530862.tif 000013
【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
2021530862.tif 000015
【図５】
2021530862.tif 000016
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
2021530862.tif 000019
【図６Ｄ】
2021530862.tif 000020
【図６Ｅ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
2021530862.tif 000032
【図１０Ｅ】
2021530862.tif 000033
【図１０Ｆ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年3月8日(2021.3.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板をパターニングする方法であって、
基板の第１の面上にハードマスク層を形成することであって、前記基板は、透明な材料から形成され、前記基板の幅に沿った垂直面によって規定される、ハードマスク層を形成することと、
ナノインプリントリソグラフィによって、前記ハードマスク層上に、パターニングされた層を形成することと、
前記パターニングされた層および前記ハードマスク層をエッチングして、前記基板の前記第１の面を露出させることと、
前記パターニングされた層を除去することと、
前記基板の前記第１の面をエッチングして、前記基板の前記第１の面に第１の複数の傾斜メサを形成することであって、前記第１の複数の傾斜メサの各傾斜メサは、前記垂直面に対して２０度から７０度の角度でエッチングされる、第１の複数の傾斜メサを形成することと、
その後、前記ハードマスク層を除去することと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記基板の前記第１の面上に前記ハードマスク層を形成することは、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、または原子層堆積（ＡＬＤ）を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板の第２の面上にパターンを形成することをさらに含み、前記基板の前記第２の面上の前記パターンは、第２の複数の傾斜メサを含み、前記第２の複数の傾斜メサは、前記第１の複数の傾斜メサとは異なる角度にある、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
回折格子を形成する方法であって、
ターゲットスタック上にハードマスク層を形成することであって、前記ターゲットスタックは、第１の基板の第１の面上に形成される、ハードマスク層を形成することと、
前記ハードマスク層に複数の開口をエッチングすることと、
前記ターゲットスタックをエッチングして、前記第１の基板の前記第１の面上の前記ターゲットスタックに第１の複数の傾斜メサを形成することとを含み、前記第１の複数の傾斜メサの各傾斜メサは、垂直面に対して２０度から７０度の第１の角度でエッチングされる、方法。
【請求項５】
前記ハードマスク層を形成することは、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）を使用して、前記ハードマスク層をパターンとして堆積させることを含み、前記パターンは、複数のメサと、該複数のメサの隣接するメサ間の複数の傾斜トラフとを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の基板の第２の面上にハードマスク層を形成することであって、前記第１の基板は、透明な材料を含み、前記第１の基板の幅に沿った垂直面によって規定される、ハードマスク層を形成することと、
ナノインプリントリソグラフィによって、前記ハードマスク層上に、パターニングされた層を形成することと、
前記パターニングされた層および前記ハードマスク層をエッチングして、前記第１の基板の前記第２の面を露出させることと、
前記パターニングされた層を除去することと、
前記第１の基板の前記第２の面をエッチングすることと、
前記エッチングに応答して、前記第１の基板の前記第２の面に第２の複数の傾斜メサを形成することであって、前記第２の複数の傾斜メサの各傾斜メサは、前記垂直面に対して２０度から７０度の第２の角度でエッチングされる、第２の複数の傾斜メサを形成することと、
をさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
透明基板を前記ターゲットスタックに取り付けることをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記ターゲットスタックに前記第１の複数の傾斜メサを形成した後に、前記第１の基板を除去することをさらに含み、前記ターゲットスタックは、デボンディング層を介して前記第１の基板に結合され、前記第１の基板を除去することは、前記デボンディング層を介して前記ターゲットスタックから前記第１の基板を取り外すことを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の基板の前記第２の面上に前記ハードマスク層を形成することは、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）を使用して、前記ハードマスク層をパターンとして堆積させることを含み、前記パターンは、複数のメサと、該複数のメサの隣接するメサ間の複数の傾斜トラフとを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
指向性エッチングを使用して、前記ターゲットスタックおよび前記第１の基板の前記第２の面の各々をエッチングすることをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
指向性エッチングは、
前記第１の基板の前記垂直面に対して前記第１の角度をなすイオンビームの経路に前記ターゲットスタックの第１の部分を位置付けることであって、前記ターゲットスタックの前記第１の部分をエッチングすることは、前記ターゲットスタックの前記第１の部分を前記イオンビームに露出して、前記第１の角度で前記第１の複数の傾斜メサを形成することを含む、第１の部分を位置付けることと、
前記第１の基板を、前記垂直面に対して垂直な中心軸の周りに所定の回転角度まで回転させることと、
を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
回折格子を形成する方法であって、
ターゲットスタック上にハードマスク層を形成することであって、前記ターゲットスタックは、第１の基板の第１の面上に形成される、ハードマスク層を形成することと、
前記ハードマスク層に複数の開口をエッチングすることと、
前記ターゲットスタックをエッチングして、前記第１の基板の前記第１の面上の前記ターゲットスタックに、第１の複数の傾斜メサを形成することであって、前記第１の複数の傾斜メサの各傾斜メサは、垂直面に対して２０度から７０度の角度でエッチングされる、傾斜メサを形成することと、
前記第１の基板の第２の面上にハードマスク層を形成することであって、前記第１の基板は、前記第１の基板の幅に沿った垂直面によって規定される、ハードマスク層を形成することと、
ナノインプリントリソグラフィによって、前記ハードマスク層上に、パターニングされた層を形成することと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記パターニングされた層および前記ハードマスク層をエッチングして、前記第１の基板の前記第２の面を露出させることと、
前記パターニングされた層を除去することと、
前記第１の基板の前記第２の面をエッチングすることと、
をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ハードマスク層を形成することは、ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）を使用して、前記ハードマスク層をパターンとして堆積することを含み、前記パターンは、複数のメサと、該複数のメサの隣接するメサ間の複数の傾斜トラフとを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の基板上に前記ハードマスク層を形成することは、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、または原子層堆積（ＡＬＤ）を使用することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記透明な材料は、ガラスまたはポリマーを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記基板の前記第２の面上に前記第２の複数の傾斜メサを形成することに、ナノインプリントリソグラフィが使用される、請求項３に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の基板を前記所定の回転角度まで回転した後に、前記イオンビームの前記経路に前記ターゲットスタックの第２の部分を位置付けることと、
前記ターゲットスタックの前記第２の部分を前記イオンビームに露出することによって、前記ターゲットスタックの前記第２の部分をエッチングして、第３の複数のメサを形成することと、
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記エッチングに応答して、前記第１の基板の前記第２の面に第２の複数の傾斜メサを形成することをさらに含み、前記第２の複数の傾斜メサの各傾斜メサは、前記垂直面に対して２０度から７０度の角度でエッチングされる、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の基板は光学的に透明で、ガラスまたはポリマーを含む、請求項１３に記載の方法。
【国際調査報告】
2021530862.tif 000039
2021530862.tif 000040