(57)【要約】  本発明は、高さ調整された光回折格子を製造する方法に関する。この方法は、基板を提供すること、及び第１の材料からなる複数の一時的要素を基板上に製造することを含み、ここで前記要素は、ギャップによって離間され、異なる要素高さを有する少なくとも２つの周期を含む周期的構造として配置される。第２の材料からなるコーティング層は、コーティング層がギャップを充填し、複数の一時的要素を覆うように、一時的要素に付与される。次に、第２の材料の均一な層は、一時的要素を露出させるために除去され、第１の材料は、第２の材料の高さ調整されたパターンを光回折格子として基板上に形成するために除去される。本発明は、局所的に変化する回折効率を有する格子を製造する際の製造上の制約を緩和する。
2020522023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を提供すること、
第１の材料からなる複数の一時的要素を前記基板上に製造すること、ここで前記要素は、ギャップによって離間され、異なる要素高さを有する２つ以上の周期を含む周期的構造として配置される、
前記ギャップを充填し、前記複数の一時的要素を覆うように、前記第２の材料からなるコーティング層を前記一時的要素上に付与すること、
前記一時的要素を露出させるために、第２の材料の均一な層を除去すること、及び
前記第２の材料の高さ調整されたパターンを光回折格子として前記基板上に形成するために、前記第１の材料を除去すること、
を含む、高さ調整された光回折格子を製造する方法。
【請求項２】
前記一時的要素が、光回折ライン格子を形成するための線要素である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第２の材料の高さ及びフィルファクタが調整されたパターンを前記光回折格子として形成するために、前記一時的要素が、異なる要素幅を有する２つ以上の周期を含む周期構造として配置される、請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記コーティング層は、前記均一な層を除去する工程の前に、各一時的要素の上部において本質的に一定の厚さを有する、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記コーティング層がコンフォーマル層である請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の材料の均一層を除去することが、ドライエッチング又はウェットエッチングなどのエッチングを含む、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の材料を除去することが、ドライエッチング又はウェットエッチングなどのエッチングを含む、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記一時的要素を製造する工程の後、エッチ停止層を前記基板上に付与することを含み、及び所望により、前記第１の材料を除去した後に前記エッチ停止層を除去することを含む、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記コーティング層は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、又はこれらの変形法を使用して付与される、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の材料は、例えばＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４又はＨｆＯ２のような、酸化物化合物又は窒化物化合物などの無機透明材料である、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の材料の屈折率は、１．７以上、特に２．０以上、例えば２．２以上である、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記基板は、ガラス基板又はポリマー基板などの光学的透明基板、特に導光体として作用可能な平坦基板である、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の材料は、前記基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する光学的透明材料を含む、請求項１〜請求項１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の方法を使用して製造される、高さ調整された光回折格子。
【請求項１５】
前記格子は、回折導波路ディスプレイのインカップリング格子（in-coupling grating）、射出瞳拡張格子（exit pupil expander grating）又はアウトカップリング格子（out-coupling grating）である、請求項１４に記載の格子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的用途のためのマイクロ構造及びナノ構造の製造に関する。詳細には、本発明は、ニア・ツー・アイディスプレイなどのディスプレイ用途に例えば用いられ得る光回折格子の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ニア・ツー・アイディスプレイ（ＮＥＤ）及びヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）は、典型的には、視認可能な画像を生成するための回折格子を含む。格子は、画像源からの画像を導波路に繋ぐインカップリング格子（in-coupling grating）として、ユーザーのための最終的な視認可能な画像を生成するアウトカップリング格子（out-coupling grating）として、及びディスプレイの射出瞳のサイズを拡大する射出瞳拡大素子（exit pupil expander：ＥＰＥ）として、必要とされる。
【０００３】
格子の品質及び特性は、得られる画像の質を決定する。明確で均一な格子線を有することに加えて、先進的な用途では、格子の回折効率が局所的に制御可能であることが望ましい。このことは、格子の中で格子線の高さ（height）又はフィルファクタ（fill factor）を変動させることによって、すなわち、高さ又はフィルファクタの要素の調整を用いて、実現することができる。可能な限り最大の効率調節範囲を実現するためには、高さ及びフィルファクタの両方が調整されるべきである。したがって、回折効率を自由に制御することができ、大量生産に適用可能である回折格子のための安定で費用対効果の高い製造方法が求められている。さらに、非ポリマー材料が必要とされる場合もあり、このことは、直接ポリマーを調整することと比較して、プロセスの複雑性を増加させる。
【０００４】
高さが調整される素子の製造は、一般的に、１サイクル内で１回分の高さが定められる製造サイクルを繰り返すことによって行われる。特に、同じ基板上で高さを変動させたマイクロ構造及びナノ構造を製造することは難しく、加工が困難である無機材料の場合は特に難しい。このため、一般的には、アラインメントを行いながらの複数の製造サイクルが必要であり、この場合、各素子の高さが、１サイクルの間に別々に定められる。
【０００５】
また、このことにより、前記材料の、高度に最適化され且つ多くの場合複雑である加工も必要となる。前記材料中に垂直な側壁を得るためには、現在利用可能な方法では、異方性の高いエッチングが必要である。１つの公知の加工方法は、C. David, "Fabrication of stair-case profiles with high aspect ratios for blazed diffractive optical elements", Microelectronic Engineering, 53 (2000)において考察されている。前記方法が複雑であるために、このプロセスの収率は低い。さらに、重ね合わせ露光では、ナノメートルレベルでの横方向の位置精度が求められ、最適値からのいかなるずれも、光学性能の低下を引き起こす。最大の効率調節範囲を実現するために高さ調整及びフィルファクタ調整の両方が所望される場合には、著しい課題に直面する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、回折効率制御のために高さ及び／又はフィルファクタを調整するための新規な工業スケールの技術が求められている。
【０００７】
本発明の目的は、上述の問題の少なくともいくつかを克服し、高さ調整され、また所望によりフィルファクタが調整された光回折格子を生成するための新規な方法を提供することである。特に、必要なプロセス工程の数が少なく、特に、調整を達成するためにマルチサイクルの高い横方向精度の処理を必要としない方法を提供することを目的とする。また、高さ調整とフィルファクタ調整とを簡単に組み合わせることを可能にする方法を提供することも目的とする。
【０００８】
本発明は、犠牲構造を提供することによって、例えば、インプリントを行うことによって最初に格子の高さ及び所望によりフィルファクタ特性を定義する基本的な工程によって格子を製造するという考えに基づいている。次に、余分な量の最終格子材料によって構造全体を覆う。最後に、犠牲構造のネガを提供するために、余分な量の最終格子材料及び犠牲構造が除去される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
より詳細には、回折構造を製造する方法は、
基板を提供すること、
第１の材料からなる複数の一時的要素を前記基板上に製造すること、ここで前記要素は、ギャップによって離間され、異なる要素高さを有する２つ以上の周期を含む周期的構造として配置される、
前記ギャップを充填し、前記複数の一時的要素を覆うように、前記第２の材料からなるコーティング層を前記一時的要素上に付与すること、
前記一時的要素を露出させるために、第２の材料の均一な層を除去すること、及び
前記第２の材料の高さ調整されたパターンを前記光回折格子として前記基板上に形成するために、前記第１の材料を除去すること、
を含む。
【００１０】
より具体的には、本発明による方法は、請求項１に記載されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、大きな利点を提供する。
【００１２】
第一に、この方法は、高精度の調整された格子、特に正確な高さの調整された格子の産業スケールでの生産を可能にする。フィルファクタ調整は、犠牲層を前記基板に付与する際に高さ調整と組み合わせることができる。これは、エッチング可能な犠牲材料の周知の付与方法を使用して実行することができる。前記一時的要素のパターンは、得られる最終的なパターンの特性を定義するが、これは本質的に前記一時的パターンのネガである。前記一時的要素のパターンは、例えば、異なる高さの線を含むように、例えば、ポリマーインプリント又はポリマーリソグラフィ技術を用いて十分な精度で容易に生成することができ、その余の工程は、予測可能な結果を提供する。
【００１３】
第二に、最終格子材料の付与は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）又は物理蒸着（ＰＶＤ）などの周知のコンフォーマル堆積法、及び空間的精度を必要としない周知のエッチングプロセスを使用した材料除去として行うことができる。前記最終材料の付与の精度に関しては、前記方法は、層厚の制御に依存しており、これは、例えば言及された付与技術においては、本質的に良好である。したがって、この方法は、高品質のパターン構造を保証するセルフアセンブリメカニズム（self-assembly mechanism）を含む。
【００１４】
第三に、この方法は、処理が困難な材料、特に高い屈折率を有する無機材料から格子を生産することを可能にする。これは、前記最終格子材料を処理する際に高精度の再位置決め工程を必要とせず、コンフォーマル塗布（conformal application）及び大面積エッチングの工程のみを必要とするためである。例えば、ＡＬＤ方法、ＣＶＤ方法又はＰＶＤ方法に適し、光回折格子に適した無機構造をもたらす、利用可能な高屈折率（ｎ＞１．７さらには＞２．０）のプレカーサー物質は多数ある。
【００１５】
したがって、本発明は、高屈折率材料から高品質の可変回折効率格子の製造を可能にし、これは例えば、回折格子を有する高品質の導波路を作成し、格子から基板への／基板から格子への、光のカップリング（coupling）を保証するために必要である。
【００１６】
従属請求項は、本発明の選択された実施形態を対象とする。
【００１７】
いくつかの実施形態では、一時的要素は、光回折ライン格子を形成するための線要素である。ライン格子は、ＮＥＤなどの回折ディスプレイのインカップリング格子若しくはアウトカップリング格子として、又はそのような要素間のＥＰＥとして使用することができる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、一時的要素は、高さ調整に加えてフィルファクタ調整を行うために、異なる要素幅を有する２つ以上の周期を含む周期的構造として配置される。これにより、得られる格子の局所回折効率を調整する達成可能な範囲が最大化される。
【００１９】
いくつかの実施形態では、最終格子材料のコーティング層は、付与後、すなわち、その均一な層を除去する工程の前に、各一時的要素の上部において本質的に一定の厚さを有する。これは、コーティング層を付与するためにコンフォーマル付与方法を使用することによって達成可能である。その後、例えばドライエッチング又はウェットエッチングを使用して、第２の材料の均一な層を除去することによって一時的要素を露出させてもよい。また、一時的要素は、第１のエッチング工程とは異なる材料選択性を有する別個のエッチング工程でのドライエッチング又はウェットエッチングなどのエッチングによって除去することもできる。
【００２０】
いくつかの実施形態では、モールド（mold）すなわち一時的要素を製造した後、エッチ停止層が基板上に付与される。エッチ停止層は、プロセスの適切な段階で、少なくとも部分的に除去することができる。エッチ停止層を使用すると、エッチング段階で高精度のフィーチャ高さ制御が保証される。
【００２１】
次に、添付の図面を参照して、本発明の選択された実施形態及び利点をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１Ａ〜１Ｄは、本発明の１つの実施形態に従う例示的な方法で作製される構造を、工程ごとに断面図で示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、バイナリ１Ｄ格子の一次透過オーダーの回折効率が、格子高さの関数として変化する様子の例を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、１Ｄ格子の一次透過オーダーの回折効率が、格子フィルファクタの関数として変化する様子の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
定義
本明細書において用語「要素」は、基板表面上に隆起しており、周期構造に配置される場合に回折パターン又はその中間生成物の基本ブロックとして役立つことができる、固体のマイクロスケール又はナノスケールのフィーチャ（feature）を意味する。「一時的要素」又は「犠牲要素」は、プロセス中に、少なくとも部分的に、除去される要素である。「要素特性（element characteristics）」は、各周期内の要素の幾何学的形状、特に各周期内の要素寸法及びサブ要素の数を包含する。
【００２４】
本明細書において用語「線要素」又は「線」は、本開示のパターンを形成する、又は形成するように中間フィーチャとして使用される、細長い（elongated）要素を指す。典型的には、ディスプレイ用途の回折パターンにおいては、線は、長方形又は三角形状などの所望の一般的な断面形状を有する、連続したリッジ（straight ridge）である。線要素は、典型的には、１次元格子（直線状の格子）で使用される。「線特性（line characteristics）」は、線形状、線幅、線高さ、サブライン（sub-line）の数、及びそれらの組み合わせを包含する。
【００２５】
用語「フィルファクタ」は、格子周期内の周囲材料（たとえば、空気又は他の固体材料）に対する格子構造材料の割合を指す。長方形の格子線の典型的な場合は、これは、周期幅に対する線幅の割合に等しい。帰結として、「フィルファクタ調整（fill factor modulation）」は、格子の横寸法における、すなわち周期構造の周期間の、フィルファクタの変化（variation of fill factor）を指す。
【００２６】
同様に、「高さ調整（height modulation）」は、格子の法線方向における要素の高さの変化を指す。たとえば、線要素の場合は、要素の高さは、線の頂部（リッジ頂部）と隣接したピット（溝の底部）との間の距離である。
【００２７】
「コンフォーマル付与」は、コンフォーマル材料層、すなわち、下方にある構造のすべての開放表面（free surface）の上に均一な厚さを有する層を生成することができる付与技術を指す。
【００２８】
選択された実施形態の説明
本明細書で詳細に説明する実施形態は、物理蒸着法又は化学蒸着法のいずれかによって付与することができる所望の材料に対して、様々な構造高さ及びフィルファクタ（例えば、線幅）を有するマイクロ構造及びナノ構造を構築する、実現可能な手段を提供する。一般に、この方法は、犠牲材料で構築されるか又は犠牲材料へと複製される様々な構造高さでモールドを充填することに基づいている。前記モールドの上部にある余分な材料は、ドライエッチング法又はウェットエッチング法によって除去され、続いて犠牲材料が除去される。前記構造の高さは、犠牲構造の高さによって定義され、高さ調整の精度は、中間のエッチ停止層によってエッチプロセスで増強することができる。
【００２９】
犠牲層（モールド）
図１Ａに示される第１の工程では、犠牲材料を使用して、高さ調整された一時的構造１２が基板１０に構築される。図示の例では、３つのセクションＳ１、Ｓ２及びＳ３があり、各セクションに２つの要素（長方形の線）があり、セクション間で要素高さが異なる。一時的構造１２は、例えば、光学リソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、エンボス加工、又はナノインプリントリソグラフィによって付与することができる。例えば、フォトレジスト若しくは電子ビームレジスト又はスピンオンカーボンを使用することができる。調整はまた、線幅の調整も含むことができる。
【００３０】
実際の構造では、各セクションの要素の数又はセクションの数は、はるかに多くなる可能性がある。個別のセクションを含む代わりに、高さ調整は、異なる要素高さの連続的な勾配を含んでもよい。前記セクションは、本明細書では明瞭化のために分離されているが、典型的には連続的な構造を単一の基板上に形成している。
【００３１】
最終材料の付与
次に、図１Ｂによって示されるように、基板１０及び一時的要素１２によって形成されたモールドに、コーティング層１４Ａが付与される。コーティング層１４Ａは、各セクション内の一時的要素１２間及びそれらの間のギャップを充填し、一時的要素１２も覆う。ＡＬＤ、ＣＶＤ又はＰＶＤなどのコンフォーマル付与技術は、前記ギャップの充填及び一時的要素１２の上部の均一な被覆を保証するために好ましい。付与のコンフォーマル性により、どの高さでも同じように充填される。各セクションＳ１、Ｓ２、Ｓ３内では、表面が平坦化されているが、セクションＳ１、Ｓ２、Ｓ３の間には段差がある。
【００３２】
余分な材料の除去
次に、図１Ｃによって示されるように、一時的構造１２が上部方向から露出し、調整されたコーティング層１４Ａ’が残るように、ウェットエッチング又はドライエッチングによって犠牲層の上部の余分なコーティングが除去される。前の工程で使用されたコンフォーマル付与により、各セクションにおける同じ厚さの除去は、高さに関係なくすべての構造１４Ａを露出させるのに十分である。
【００３３】
最後に、図１Ｄに示すように、犠牲層、すなわち、一時的構造１２は、ドライエッチング又はウェットエッチングを使用して除去される。これにより、図１Ａの前記モールドのネガコピー、すなわち、一時的構造１２の高さによって規定される異なる高さの格子要素１６が得られる。高さの変動に加えて要素幅の変動が前記モールドに存在する場合、要素幅の変動も最終的な製品においてネガとして複製される。
【００３４】
一般的な考慮事項及び変形形態
説明したプロセスは、１つの構築サイクルですべての異なる高さの変動を同時に構築することができるため、可変効率の調整された格子の製造を大幅に簡素化する。得られる構造は、回折格子として使用する準備ができている。基板１０が光学的に透明である場合、基板を横方向に伝播する光波は格子にカップリングされ得、格子に当たる波は基板にカップリングされ得る。いくつかの実施形態では、基板１０は、格子要素１６を形成するコーティング材料よりも小さい屈折率を有する。
【００３５】
フィーチャ及び垂直プロファイルがレジストモールドで定義されるという利点に加えて、コーティング材料の処理の要件も緩和される。これは処理が余分な材料の除去にのみ使用され（図１Ｂ〜図１Ｃの工程）、高い異方性は必要ないためである。最終材料付与段階で前記モールドが完全に充填されるため、最終構造の充填比率（fill ratio）は、格子の周期、一時的線の幅及びギャップによって完全に定義される。
【００３６】
いくつかの実施形態では、エッチ工程にわたる高さ調整の非常に高い精度を確保するために、追加のエッチ停止層（図示せず）が一時的要素１２及び／又は基板１０とコーティング層１４Ａとの間に、すなわち、図１Ａの工程の後に付与される。この層は、エッチングされる材料に対して高いエッチ選択性を有する。前記エッチ停止層は、最終的にウェットプロセスによって除去することができるが、格子要素１６と基板１０との間に残りうる。したがって、前記エッチ停止層はまた、好ましくは高い屈折率を有し、また、さもなくば格子材料として光学的に適切である。この組み合わせは、例えば、二酸化チタン格子層を有するＨｆＯ２エッチ停止層であり得る。前記エッチ停止層は、例えばＡＬＤ法、ＣＶＤ法又はＰＶＤ法によって付与することができる。
【００３７】
最終材料は、無機材料の化合物、特に酸化物化合物又は窒化物化合物などの光学的透明材料を形成する化合物であってもよい。特に、前記最終材料は、屈折率が２．０以上、例えば２．２以上である材料を含んでもよい。前記材料は、例えば、例示的にＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４又はＨｆＯ２であり得る。
【００３８】
基板１０は、好ましくは、光学的に透明であり、例えばガラス基板又はポリマー基板などである。本明細書において、透明とは、透過率が５０％超、特に９５％超であることを意味する。ディスプレイ用途の場合、基板は、可視光波長のための導波路として（すなわち、導光体として）作用可能であることが好ましい。基板は、平面であっても、又は曲面であってもよい。
【００３９】
典型的な実施形態では、最終的な材料は、基板材料の屈折率よりも高い屈折率を有する。このことにより、光は、基板中を全内反射で進行し、格子が存在して回折が発生する地点で基板から出ることが可能となる。例えば、基板の屈折率は、２．０未満であってよく、格子材料の屈折率は、２．０超であってよい。
【００４０】
本発明は、仮想現実メガネ又は拡張現実メガネを例とするウェアラブルディスプレイ用途などのディスプレイ用途のための格子を製造するために用いることができる。これらの用途では、製造される格子の面積は、典型的には、少なくとも１ｃｍ２であり、例えば２〜５００ｃｍ２である。
【００４１】
前記回折格子は、例えば、ニア・ツー・アイディスプレイ（ＮＥＤ）又はヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の、アウトカップリング格子、インカップリング格子、又は射出瞳拡大素子（ＥＰＥ）であってよい。
【００４２】
パターンの周期は、典型的には、１０μｍ以下、特に１μｍ以下であり、例えば２００〜８００ｎｍである。一定周期の格子に加えて、本発明は、周期が調整された格子の作製にも用いることができることには留意されたい。すなわち、周期は、格子の横寸法の方向に対して一定である必要はない。
【００４３】
必要であれば、格子は、光学構造中に埋め込まれていてもよく、すなわち、１又は複数の追加的層で被覆又はコーティングされていてもよい。
【００４４】
図２Ａ及び図２Ｂは、誘電体バイナリ格子の一次透過オーダーの回折効率が、高さ及びフィルファクタの調整を用いて調整可能である様子を示す。数値結果は、フーリエモード法（厳密結合波解析としても知られる）を用いて得た。バイナリ格子は、空気と屈折率が２．０であるガラス基板との間の界面に位置し、格子の周期は５００ｎｍ、フィルファクタは０．５であり、格子は、基板と同じ材料から成る。格子を、４５０ｎｍの自由空間波長を有する平面波による垂直入射で照射する。結果を、電界成分が横向き（ＴＥ）の偏光及び磁界成分が横向き（ＴＭ）の偏光の両方に対して示す。図２Ａでは、フィルファクタは０．５であり、図２Ｂでは、格子高さは２５０ｎｍである。
【００４５】
先行技術文献リスト
非特許文献
C. David, "Fabrication of stair-case profiles with high aspect ratios for blazed diffractive optical elements", Microelectronic Engineering, 53 (2000)
【図１】
2020522023.tif 000003
【図２Ａ】
2020522023.tif 000004
【図２Ｂ】
2020522023.tif 000005
【国際調査報告】
2020522023.tif 000006
2020522023.tif 000007
2020522023.tif 000008
2020522023.tif 000009