(57)【要約】  本発明は、調整された光回折格子及び対応する格子を製造する方法に関する。前記方法は、基板を提供すること、及び基板上に複数の一時的要素を製造することを含み、一時的要素は、異なる要素特性を有する２つ以上の周期を含む周期的パターンで配置される。次に、第１の堆積層が、一時的要素を第１の堆積層で少なくとも部分的に覆うように堆積され、一時的要素は、第１の堆積層で作られる第１の格子要素からなる調整された回折格子を基板上に形成するために基板から除去され、パターンは、各周期内に複数の第１の格子要素及び第１の格子要素間のもう１つのギャップを含む。本発明は、局所的に変化した回折効率を有する高品質の格子を製造することを可能にする。
2020522027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を提供すること、
複数の一時的要素を前記基板上に製造すること、ここで前記一時的要素は異なる要素特性を有する２つ以上の周期を含む周期的パターンで配置される、
第１の堆積層で前記一時的要素を少なくとも部分的に覆うように、前記基板上に前記第１の堆積層を堆積すること、
前記第１の堆積層で作られる第１の格子要素からなる調整された回折格子を前記基板上に形成するために、前記基板から前記一時的要素を除去すること、ここで前記格子は複数の第１の格子要素と前記第１の格子要素間の１つ以上のギャップとを各周期内に含む、
を含む、調整された光回折格子を製造する方法。
【請求項２】
各周期内の前記ギャップを少なくとも部分的に埋めるために、前記基板上に第２の堆積層を堆積することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の堆積層及び前記第２の堆積層が、同じ堆積材料を用いて堆積される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記一時的要素が、前記回折格子としてライン格子を形成するための線要素である、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】
異なる要素特性を有する前記２つ以上の周期が、異なる幅及び／又は数を有する要素を含み、それによって、フィルファクタが調整された回折格子が形成される、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】
異なる要素特性を有する前記２つ以上の周期が、異なる高さを有する要素を含み、それによって、高さが調整された回折格子が形成される、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の堆積層、及び任意で前記第２の堆積層が、コンフォーマル層である、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】
前記一時的要素を露出させるために、前記第１の堆積層を堆積した後の前記基板から、前記第１の堆積層の均一な層を、ドライエッチングなどで、異方的に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】
前記第２の堆積層を堆積するときに、前記第１の格子要素間の前記ギャップが完全に埋められる、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の堆積層を堆積した後の前記基板から、前記第２の堆積層の均一な層を、ドライエッチングなどで、異方的に除去することを含む、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１の堆積層、及び任意で前記第２の堆積層が、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によって堆積される、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】
前記一時的要素は、エンボス加工、又は、光学リソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィなどのリソグラフィによって製造される、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】
一時的要素は、ウェットエッチングプロセス又はドライエッチングプロセスなど、選択的エッチングによって完全に除去される、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】
前記第１の堆積層、及び任意で前記第２の堆積層が、例えばＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、又はＨｆＯ２のような、金属酸化物又は金属窒化物などの無機透明材料で形成され、前記材料は好ましくは１．７以上、特に２．０以上、例えば２．２以上の屈折率を有する、請求項１〜請求項１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板がガラス基板又はポリマー基板など、光学的に透明な基板であり、特に導光体として働くことが可能な平坦基板である、請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の堆積層、及び任意で前記第２の堆積層が、前記基板の材料の屈折率よりも高い屈折率を有する、請求項１〜請求項１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
製造された前記回折格子の面積が１ｃｍ２以上であり、２ｃｍ２〜５００ｃｍ２などであり、前記パターンの前記周期が１０μｍ以下であり、特に１μｍ以下であり、２００ｎｍ〜８００ｎｍなどである、請求項１〜請求項１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
製造された前記格子は、前記格子要素の平均フィルファクタが異なる複数のゾーンを含む、請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
ニア・ツー・アイディスプレイ又はヘッドアップディスプレイのアウトカップリング格子（out-coupling grating）、インカップリング格子（in-coupling grating）又は射出瞳拡大素子（exit pupil expander）のための回折格子が製造される、請求項１〜請求項１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
周期的なパターンで配置され、基板上に突出する、複数の格子要素を含み、
前記パターンの各周期が、互いに間隔を置いて配置され、実質的に同じ寸法特性を有する、２つ以上の第１の格子要素を含み、
異なる寸法特性を有する２つ以上の第１の格子要素を含む２つ以上の隣接する周期を含む、調整された光回折格子。
【請求項２１】
前記異なる寸法特性が、異なる格子要素の幅及び／又は高さを含む、請求項２０に記載の格子。
【請求項２２】
少なくとも３つの第２の格子要素を各周期内にさらに含み、前記少なくとも３つの第２の格子要素のうち少なくとも１つは前記第１の格子要素同士の間に配置され、前記少なくとも３つの第２の格子要素のうち少なくとも２つは前記第１の格子要素の互いに反対の側面上（on opposite lateral sides of the first two elements）に配置され、
前記第１の格子要素及び前記第２の格子要素は、同じ材料又は異なる材料で作られ、かつ各周期内で単一の一体化格子要素を形成し、
前記格子は、異なる寸法特性を有する一体化格子要素をそれぞれ含む２つ以上の隣接する周期を含む、請求項２０又は請求項２１に記載の格子。
【請求項２３】
請求項１〜請求項１９のいずれか一項に記載の方法で製造された格子である、請求項２０〜請求項２２のいずれか一項に記載の格子。  
【請求項２４】
回折導波路ディスプレイのインカップリング格子、射出瞳拡大素子（exit pupil expander）格子、又はアウトカップリング格子である、請求項２０〜請求項２３のいずれか一項に記載の格子。
【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学的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】
無機材料を用いて光学用途で必要な格子パターン解像度を達成するために利用可能な技術がある。たとえば、半導体技術においては、たとえば米国特許第７９７２９５９号明細書に記載されている自己整合ダブルパターニング（ＳＡＤＰ）が、半導体コンポーネントのパターニング解像度を向上させる技術としてよく知られている。このＸ線光学系製作方法においては、同様のＳＡＤＰコンセプト（帯域周波数倍加）が、電子ビームリソグラフィを用いてゾーンプレートライン解像度を１０ｎｍ未満に減少させるために使用される（Ｋ．Ｊｅｆｉｍｏｖｓ、「Ａ  ｚｏｎｅ  ｄｏｕｂｌｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ  ｔｏ  ｐｒｏｄｕｃｅ  ｕｌｔｒａ−ｈｉｇｈ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｘ−ｒａｙ  ｏｐｔｉｃｓ（超高解像度Ｘ線光学系を製作するゾーン倍増技術）」Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、９９（２００７））。
【０００５】
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。
【０００６】
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】
【０００７】
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。
【０００８】
本発明の目的は、上述の問題のうちの少なくともいくつかを克服すること、及びナノもしくはマイクロ要素の調整パターンを生成するための新規な方法を提供することである。特定の目的は、高さ及び／又は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方法を提供することである。
【０００９】
１つの目的は、高屈折率を有する無機材料に適した方法を提供することである。
【００１０】
また、新規な調整された格子構造を提供することも目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、特に線形成において、結果として得られるパターンの調整特性を規定する異なる要素特性を有するセクションを含むパターンを有する一時的要素を、基板にまず形成する、という思想に基づいている。一時的なパターンの生成後、最終的な格子材料が２つの別個の工程で堆積され、当該２つの別個の工程の間に一時的要素は除去される。
【００１２】
より詳細には、本方法は、
基板を提供すること、
複数の一時的要素を前記基板上に製造すること、ここで前記一時的要素は異なる要素特性を有する２つ以上の周期を含む周期的パターンで配置される、
第１の堆積層で一時的要素を少なくとも部分的に覆うように、前記基板上に第１の堆積層を堆積すること、
前記第１の堆積層で作られる第１の格子要素からなる調整された回折格子を基板上に形成するために、前記基板から前記一時的要素を除去すること、ここで前記パターンは複数の第１の格子要素及び前記第１の格子要素間の１つ以上のギャップを各周期内に含む、及び
所望により、各周期内の前記ギャップを少なくとも部分的に埋めるため、また前記第１の堆積層及び第２の堆積層で作られる第２の格子要素からなる調整された回折格子を形成するために、基板上に第２の堆積層を堆積させること、
によって、調整された光回折格子を製造することを含む。
【００１３】
特に、一時的要素は、線要素（line elements）であってよい。線要素は、基板の表面から突出し、生成されるべき一次元ライン格子をもたらす。線要素は、異なる線幅及び／又は線数を有することができ、それによって、格子線フィルファクタが調整された回折パターンが形成される。それに代えて、又はそれに加えて、線要素は、異なる線高さを有することができ、それによって、格子線高さが調整された回折パターンが形成される。線要素の代わりに、一時的要素は、基板の表面から突出するドット素子などの他の要素であることができ、それによって、２次元の周期性を有しうる。
【００１４】
本開示の調整された光回折格子は、基板上に突出する複数の格子要素を含み、格子要素は周期的なパターンで配置される。パターンの各周期は、互いに間隔を置いて配置され、実質的に同じ寸法特性を有する２つ以上の第１の格子要素を含む。さらに、前記格子は、異なる寸法特性を有する２つ以上の第１の格子要素を含む２つ以上の隣接する周期を含む。堆積層を２つ使用することにより、少なくとも３つの第２の格子要素を各周期内に追加的に含む格子がもたらされる。当該少なくとも３つの第２の格子要素のうち、少なくとも１つは前記第１の格子要素同士の間に配置され、少なくとも２つは前記第１の格子要素の互いに反対の側面上（on opposite lateral sides of the first two elements）に配置され、前記第１の格子要素及び前記第２の格子要素が、各周期内で単一の一体化格子要素を形成する。前記格子は、異なる寸法特性を有する一体化格子要素をそれぞれ含む２つ以上の隣接する周期を含み、それによって、調整された格子がもたらされる。前記第１の格子要素及び前記第２の格子要素は、同じ材料又は異なる材料で作られ得る。
【００１５】
より具体的には、本発明は、独立請求項に述べられるものによって特徴づけられる。
【００１６】
本発明は顕著な利益を提供する。
【００１７】
第１に、前記方法は、高精度の調整された格子の工業規模の生産、並びに、特に、以前は困難であった、同時の高さ及びフィルファクタ調整を可能にする。これは、容易に処理できる犠牲材料を用いて容易に製造され得る一時的要素パターンが、結果として得られる端部パターンの特性を規定するからである。最終的な格子材料の堆積は、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（conformal deposition）として行われることができ、材料除去は、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用いる。最終材料の堆積の精度に関しては、前記方法は、層厚の制御に依存しており、これは、たとえば言及された堆積技術においては本質的に良好である。したがって、前記方法は、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。一時的要素パターンは、たとえば異なる高さ又は幅の線を含むように、ポリマーエンボス加工又はナノインプリントなどのポリマーリソグラフィ技術によって十分な精度で容易に生成されることができ、その余の工程は、予測可能な結果を提供する。
【００１８】
第２に、前記方法は、処理が困難な材料、特に高い屈折率（たとえば、ｎ＞１．７、さらにはｎ＞２．０）を有する無機材料の使用を可能にする。例としては、ＴｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、及びＨｆＯ２などの酸化物材料や窒化物材料が挙げられる。たとえば、ＡＬＤ法、ＣＶＤ法、又はＰＶＤ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プレカーサー物質は多数ある。高屈折率格子は、たとえば、導波路基板と格子との間の光のカップリング（coupling）を確保するために回折ディスプレイ用途に必要とされる。本発明によって、たとえばポリマー基板と比べてより高い光学性能を有するガラス基板などの、より高い屈折率基板を用いることができる。
【００１９】
従属請求項は、本発明の選択された実施形態を意図している。
【００２０】
いくつかの実施形態においては、第１の堆積層及び第２の堆積層のうちの少なくとも１つ、好ましくは両方の層が、コンフォーマル層（conformal layer）である。これにより、予測可能な光学特性を有する高品質の最終製品が確保される。
【００２１】
いくつかの実施形態においては、前記方法は、一時的要素の除去前に一時的要素を露出させるために、第１の堆積層のコンフォーマル堆積後に第１の堆積層の均一な厚さをドライエッチングなどで異方的に除去することを含む。
【００２２】
一時的要素は、第１のエッチング可能な材料、及び、それに対して第１の材料が選択的エッチング性である１つ又は複数の第２の材料を用いた単数（layer）又は複数（layers）の堆積層から作られ得る。したがって、第１の材料は、最終製品には存在しないが最終的な調整特性を決定するために必要とされる犠牲材料である。第２の材料又は第２の材料のセットは、典型的には、無機材料、又は最終格子構造の格子要素を形成する材料を含む。格子要素は、１回又は２回の堆積ラウンドで形成され得る。２つのラウンドが使用される場合、ラウンドにおいては同じ材料又は異なる材料が使用され得ることに留意されたい。したがって、典型的には、同じ材料が使用され、格子要素は１種の材料のみから成るが、格子要素は材料の複合体からなる場合もある。
【００２３】
いくつかの実施形態においては、第２の堆積層の堆積は、第１堆積ラウンドによって形成された第１の格子要素同士の間のギャップを完全に埋めること、及び一時的要素を除去すること、を含む。これにより、各周期に単一の統合された格子要素又は均一な単体格子要素が備わった、最終製品が形成される。第２の堆積後、一体化格子要素同士の間の領域から基板を露出させるために、第２の堆積層の均一な厚さが除去されてもよい。
【００２４】
次に、本発明の選択された実施形態及び利点が、添付の図面を参照してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１Ａ〜１Ｆ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】
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
「コンフォーマル堆積」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フリー表面（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堆積技術を指す。
【００３１】
選択された実施形態の説明
以下の説明は、本発明の選択された実施形態によるセルフアセンブリパターニングによって回折格子の回折効率の調整を達成する方法の実施例を提供する。線要素を用いた１次元格子の製造が、例として使用される。しかしながら、本方法を用いれば、２次元の周期性を可能にする他の種類の要素を有する２次元格子を製造することもできる。
【００３２】
一般に、本明細書において詳細に説明される例示的な方法は、選択された堆積方法に従う任意の所望の材料を用いて、変化する要素の高さ及びフィルファクタを有するマイクロ構造やナノ構造を製作するための、実行可能な手段を提供する。前記方法は、犠牲材料で製作されているか又は犠牲材料で複製されており、変化する要素の高さ及び要素密度を有する型を、コンフォーマルコーティングすることに基づいている。型の頂部の余分な材料は、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、次いで犠牲材料が除去される。さらなるフィルファクタ調整のために、堆積−エッチングサイクルがもう１回行われる。要素の高さ及び幅は、犠牲要素の高さによって直接規定される。前記方法は、回折効率制御のために格子充填係数及び要素の高さの調整を同時に組み合わせることを可能にする。
【００３３】
次に、前記方法は、図１Ａ〜図１Ｆを参照して詳細に説明される。
【００３４】
犠牲層
図１Ａによって示される第１の工程においては、複数の一時的な線１２が基板１０上に製作される。一時的な線１２は、プロセスの後段階でエッチングによって除去され得る犠牲材料で作られる。本明細書においては、４つの一時的な線又は線対であるＬ１〜Ｌ４が示され、ここで各格子周期ｄには１つの線又は線対がある。線又は線対は、高さｈ及び幅ｗを有し、これらは、本明細書においては、異なる状況での線形成を例示するために、異なる周期の間ですべて異なっている。すなわち、たとえば、線Ｌ１の高さｈＬ１は、線Ｌ４の高さｈＬ４とは異なり、線Ｌ２の幅ｗＬ２は、線Ｌ３の幅ｗＬ３とは異なる。概して言えば、要素形状（線の断面、幅及び／又は高さ）及び／又は周期内の要素の数に関して、非類似の要素構成を有する２つ以上の周期がある。
【００３５】
一時的な線は、ナノインプリントリソグラフィ、フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィなどのリソグラフィ技術によって、あるいは、たとえば、それ自体が当業界で知られているエンボス加工によって製作され得る。
【００３６】
この工程の結果として、各格子周期ｄ内に１つ又は複数の一時的な線を有する調整パターンが形成される。
【００３７】
実際の適用に際しては、各ゾーンで異なる一時的要素特性を有する周期から成る、たとえば２つ以上のタイプ、特に４つ以上のタイプ、例えば１０以上のタイプなどの、さまざまな種類のゾーンが形成され得る。これにより、各ゾーン内の要素特性によって決定される異なる回折効率を有する、対応する数の別個のセグメントを有する格子が生成される。あるいは、一時的要素の特性、したがって最終格子の調整は、連続勾配、すなわち別個のセグメンテーションに代えて連続調整に従って、変化し得る。
【００３８】
第１の最終材料層堆積
図１Ｂによって示される次の工程においては、厚さがｔ１であり所望の材料からなる、最終格子の一部となるコンフォーマル層１４Ａが、一時的な線１２上に堆積される。コンフォーマルコーティングの利益は、２ｔ１以下の幅ｇを有する一時的な線の間のギャップ（「第１のギャップ」）が、ギャップ高さに関係なく常に埋められることである。いくつかの実施形態においては、異なる周期の要素同士の間のギャップを維持しながら、任意の単一周期内の線の間の任意のギャップが完全に埋められる。しかしながら、２ｔ２以下の幅を有するギャップが任意の単一周期の線の間に残され、次いでそのギャップが第２堆積ラウンド中に埋められることもまた可能である。
【００３９】
コンフォーマル堆積に適した技術には、ＡＬＤ、ＣＶＤ、及びＰＶＤ法がある。
【００４０】
犠牲層の除去の準備
図１Ｃによって示される次の工程においては、線の頂部（「ラインキャップ」）及び溝の底部が、犠牲層及び基板に達するまでエッチングされる。
【００４１】
一時的な線１２の側面上の最終材料の中間要素１４Ａ’は当初位置に残る。この工程は、犠牲層が除去される次の工程の生成物を準備するものである。
【００４２】
この工程においては、選択された最終材料に適していればいかなる異方性エッチング技術を使用してもよい。典型的には、当該技術は、犠牲層及び基板材料に関して選択的であり、コンフォーマル層１４Ａの一部のみを垂直に除去する。ドライエッチング技術が使用されることが好ましい。
【００４３】
犠牲層の除去
図１Ｄによって示される次の工程においては、犠牲層、すなわち中間線１４Ａ’の間に残っている一時的な線１２が除去され、幅がＧである対応するギャップ１５（「第２のギャップ」）が形成される。この時点で、中間格子構造のフィルファクタが、周期毎の線の数及び堆積された層厚さによって規定される。
【００４４】
除去は、選択された材料に必要な選択性を有する適切なウェットエッチングプロセス又はドライエッチングプロセスで行われ得る。
【００４５】
第２の最終材料層堆積
図１Ｅによって示される次の工程においては、典型的には層１４Ａのコンフォーマル層と同じであるが、厚さｔ２であり所望の材料からなる、最終格子の一部となるコンフォーマル層１４Ｂが、ギャップ１５を埋めるために中間線１４Ａ’上に堆積される。コンフォーマル堆積により、２ｔ２以下の幅Ｇを有する中間線１４Ａ’の間のすべてのギャップがギャップ高さに関係なく常に埋められることが確保される。この工程は、生成物のフィルファクタをさらに上昇させる。
【００４６】
この工程の後に、各周期ｄ内で中間線１４Ａ’及び第２のコンフォーマル層１４Ｂによって全体的に形成される単体線を有する格子が形成される。格子は、回折格子などとして用いられるが、典型的な場合では、線の間の溝の底部にある第２の層の一部が除去される。図１Ｅ及び図１Ｆにおいては、対応する層は異なる充填物で示されているが、同じ材料が両方の堆積ラウンドに使用される場合には、最終構造の各線は単一の材料のみから形成されることに留意されたい。
【００４７】
第２堆積ラウンドは、第１ラウンドで使用される方法と同じ方法を用いて行われ得る。
【００４８】
格子の最終形成
図１Ｆによって示される次の任意選択の工程においては、線の間の溝の底部にある第２の層１４Ｂの一部が、別個の格子線を生成するために除去される。これは、再び、好ましくはドライエッチングプロセスを用いて基板１０に達するまで第２の層１４Ｂまで異方性エッチングすることによって達成され得る。結果として、基板１０上に別々に配置される最終格子線１６が生成される。
【００４９】
最終構造のフィルファクタは、周期ｄ、一時的な線又は線対の幅ｗ、及び最終材料堆積の厚さｔ１及びｔ２によって完全に規定される。一時的な線が異なる高さを有する場合、同じ高さの差がまた、最終線１６においても生成される。したがって、犠牲層の調整が、最終格子の調整を決定する。コーティング材料の処理の要件は、処理が余分な材料の除去にのみ使用され、高い異方性が必要とされないので、緩和される。
【００５０】
一般的考慮事項及び変型例
最終的な材料は、無機透明材料であってよく、特に、金属酸化物又は金属窒化物などの金属化合物であってよい。特に、最終的な材料は、屈折率が２．０以上、例えば２．２以上である材料を含んでよい。当該材料は、例えば、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、又はＨｆＯ２であってよい。
【００５１】
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）働くことが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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
先行技術文献リスト
特許文献
米国特許公報第７９７２９５９Ｂ２号
非特許文献
K. Jefimovs, “A zone doubling technique to produce ultra-high resolution x-ray optics” Physical Review Letters, 99 (2007)
C. David, "Fabrication of stair-case profiles with high aspect ratios for blazed diffractive optical elements", Microelectronic Engineering, 53 (2000)
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【国際調査報告】
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