多深度光学装置的图案化的制作方法

1.本公开内容的实施方式大体涉及光学装置。更具体而言，此处所描述的实施方式提供用于在制造光学装置中图案化多深度层。


背景技术：

2.光学装置可通过在基板上形成的光学装置的结构的空间变化的结构参数(例如，形状、尺寸、定向)，而用于操纵光的传播。光学装置提供空间变化的光学响应，而根据需要模塑光学波前(optical wavefront)。光学装置的这些结构通过诱发局部相位不连续(即，在小于光的波长的距离上突然改变相位)来改变光的传播。这些结构可以由基板上不同类型的材料、形状或配置组成，并且可基于不同的物理原理来操作。
3.制造光学装置需要从设置于基板上的装置层形成结构。然而，待制造的光学装置的所需特性可能必须具有各种深度的结构。形成具有各种深度的结构可能需要图案化在基板之上邻接设置的多层。因此，本领域中需要用于制造光学装置的多深度层的图案化的方法。


技术实现要素：

4.提供用于制造光学装置的多深度层的图案化的方法。在一个实施方式中，提供一种方法，包括在装置层之上设置抗蚀剂层(resist layer)，装置层设置于基板的顶表面之上，装置层具有第一部分，所述第一部分具有距基板的顶表面的第一高度；和第二部分，所述第二部分具有距基板的顶表面的第二高度；图案化抗蚀剂层，以：在装置层的第一部分之上形成第一抗蚀剂层图案，所述图案具有形成于其中的多个第一开口；和在装置层的第二部分之上形成第二抗蚀剂层图案，所述图案具有形成于其中的多个第二开口；以及蚀刻由多个第一开口和多个第二开口限定的装置层的暴露部分，其中第一抗蚀剂层图案中的多个第一开口被配置成在光学装置内形成多个第一结构的至少一部分，且第一结构具有相对于基板的顶表面的第一深度，并且在第二抗蚀剂层图案中的多个第二开口被配置成在光学装置内形成多个第二结构的至少一部分，且第二结构具有相对于基板的顶表面的第二深度。
5.在另一实施方式中，提供一种方法，包括在装置层之上设置硬掩模，装置层设置于基板的顶表面之上，装置层具有第一部分，所述第一部分具有距基板的顶表面的第一高度；和第二部分，所述第二部分具有距基板的顶表面的第二高度；在硬掩模之上设置抗蚀剂层，所述抗蚀剂层具有平行于基板的顶表面的顶表面；图案化抗蚀剂层，以：在装置层的第一部分之上形成第一抗蚀剂层图案，所述图案具有形成于其中的多个第一开口；和在装置层的第二部分之上形成第二抗蚀剂层图案，所述图案具有形成于其中的多个第二开口；和蚀刻由多个第一开口和多个第二开口限定的硬掩模的暴露部分，以：暴露装置层的第一部分的未掩蔽的第一装置层片段；和暴露装置层的第二部分的未掩蔽的第二装置层片段；以及蚀刻第一装置层片段和第二装置层片段，其中第一装置层片段被配置成在光学装置内形成多个第一结构的至少一部分，且第一结构具有相对于基板的顶表面的第一深度；并且第二装
置层片段被配置成在光学装置内形成多个第二结构的至少一部分，且第二结构具有相对于基板的顶表面的第二深度。
6.在又一实施方式中，提供一种方法，包括在装置层之上设置平坦化层，装置层设置于基板的顶表面之上，装置层具有：第一部分，所述第一部分具有距基板的顶表面的第一高度；和第二部分，所述第二部分具有距基板的顶表面的第二高度；在平坦化层之上设置抗蚀剂层；图案化抗蚀剂层，以：在装置层的第一部分之上形成第一抗蚀剂层图案，所述图案具有形成于其中的多个第一开口；和在装置层的第二部分之上形成第二抗蚀剂层图案，所述图案具有形成于其中的多个第二开口；和蚀刻由多个第一开口和多个第二开口限定的平坦化层的暴露部分，以：暴露装置层的第一部分的未掩蔽的第一装置层片段；和暴露装置层的第二部分的未掩蔽的第二装置层片段；以及蚀刻第一装置层片段和第二装置层片段，其中第一装置层片段被配置成在光学装置内形成多个第一结构的至少一部分，且第一结构具有相对于基板的顶表面的第一深度；并且第二装置层片段被配置成在光学装置内形成多个第二结构的至少一部分，且第二结构具有相对于基板的顶表面的第二深度。
附图说明
7.由此方式可详细理解本公开内容的上述结构，以上简要概述的本公开内容的更具体描述可通过参照实施方式而获得，某些实施方式图示于附图中。然而，应注意，附图仅图示示例性实施方式，且因此不应被视为限制其范畴，且可允许其他等效的实施方式。
8.图1a为根据一个实施方式的光学装置的示意性透视图。
9.图1b为图1a的光学装置的示意性截面图。
10.图2a为根据一个实施方式的光学装置的示意性透视图。
11.图2b为图2a的光学装置的示意性截面图。
12.图3为根据一实施方式的形成光学装置的方法的流程图。
13.图4a
‑
4e为根据一实施方式的在形成光学装置的方法期间，基板的示意性截面图。
14.图5为根据一实施方式的形成光学装置的方法的流程图。
15.图6a
‑
6d为根据一实施方式的在形成光学装置的方法期间，基板的示意性截面图。
16.图7为根据一实施方式的形成光学装置的方法的流程图。
17.图8a
‑
8d为根据一实施方式的在形成光学装置的方法期间，基板的示意性截面图。
18.为了促进理解，已尽可能地使用相同的附图标记来标示各图共有的相同元件。预期一个实施方式的元件和结构可有益地并入其他实施方式中而无需进一步说明。
具体实施方式
19.本公开内容的实施方式涉及用于在制造光学装置中图案化多深度层。
20.图1a为光学装置100的示意性透视图。在一个实施方式中，光学装置100为波导组合器，例如增强实境波导组合器(augmented reality waveguide combiner)。应理解以下所描述的光学装置100为示例性波导组合器。光学装置100包括基板101、由多个结构103限定的第一光栅102、和由多个结构106限定的第二光栅105。在一个实施方式中，结构103和结构106为纳米结构，具有亚微米临界尺寸，例如纳米级临界尺寸。
21.图1b为根据图1a的光学装置100的示意性截面图。光学装置100包括具有两个或更
多个深度的多个结构103。如图1b中所示，多个第一结构114具有到基板101的顶表面118的第一深度116，且多个第二结构115具有到基板101的顶表面118的第二深度117。第一深度116和第二深度117为不同的。举例而言，如图1b中所示，第一深度116小于第二深度117。在一个实施方式中，结构103与基板101的顶表面118成一角度。在另一实施方式中，结构103垂直于基板101的顶表面118。
22.图2a为根据此处所描述的实施方式的具有一个或更多个结构203的光学装置200的透视图。在某些实施方式中，光学装置200为平坦的光学装置，例如超表面(metasurface)。在基板101上设置一个或更多个结构203。尽管图2a将一个或更多个结构203描绘为具有方形或矩形的截面，但一个或更多个结构203的截面可具有其他形状，包括但不限于圆形、三角形和/或不规则形状的截面。在一个实施方式中，结构203为纳米结构，具有亚微米临界尺寸，例如纳米级临界尺寸。
23.图2b为根据图2a的光学装置200的示意性截面图。光学装置200包括一个或更多个结构203，例如设置于基板101上的一个或更多个第一结构214以及一个或更多个第二结构215。一个或更多个第一结构214具有到基板101的顶表面118的第一深度216。一个或更多个第二结构215具有到基板101的顶表面188的第二深度217。第一深度216和第二深度217为不同的。举例而言，如图2b中所示，第一深度216小于第二深度217。在一个实施方式中，结构203与基板101的顶表面118成一角度。在另一实施方式中，结构203垂直于基板101的顶表面118。
24.基板101可经选择以传送所需的波长或波长范围的适量光，例如在红外区域至uv区域中的一个或更多个波长(即，从约700纳米至约1500纳米)。并非限制，在某些实施方式中，基板101被配置为使得基板101传送大于或等于约50％、60％、70％、80％、90％、95％、99％的uv区域的光谱。基板101可以由任何适合的材料形成，前提是基板101可充分传送在所需波长或波长范围内的光，且可充当光学装置的充分支撑。在某些实施方式中，基板101的材料与装置材料的折射率相比较具有相对低的折射率。基板选择可包括任何适合材料的基板，包括但不限于非晶电介质、结晶电介质、氧化硅、聚合物及其组合。在某些实施方式中，基板101包括透明材料。在一个实施方式中，基板101为透明的，具有小于0.001的吸收系数。适合的实例可包括氧化物、硫化物、磷化物、碲化物或其组合。
25.在某些实施方式中，此处所描述的光学装置100、200包括设置于基板101中的具有第一深度116、216的第一结构114、214，以及具有第二深度117、217的第二结构115、215。在此处所描述的用于形成光学装置100、200的方法300、500和700的实施方式中，基板101具有第一高度404和第二高度405(显示于图4a中)。第一高度404对应于待形成的第一结构114、214的第一深度116、216，且第二高度405对应于在基板101中待形成的多个第二结构115、215的第二深度117、217。
26.在其他实施方式中，包括具有第一深度116、216的第一结构114、214以及具有第二深度117、217的第二结构115、215的此处所描述的光学装置100、200设置于基板101之上。第一结构114、214和第二结构115、215由装置层408形成。在方法300、500和700之前，装置层408具有第一高度411和第二高度412。第一高度411对应于待形成的第一结构114、214的第一深度116、216，且第二高度412对应于待形成的多个第二结构115、215的第二深度117、217。
27.图3为根据此处所描述的实施方式的用于形成光学装置100、200的一部分的方法300的流程图。图4a
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4e为根据一实施方式的在形成光学装置100或光学装置200的一部分的方法期间，基板101的示意性截面图。该部分可对应于一个光栅，例如第一光栅102或第二光栅105，或该部分可对应于整个光学装置100或光学装置200。
28.图4a图示一实施方式，其中抗蚀剂层407设置于基板101上。在一个实施方式中，基板101被图案化，基板101具有第一高度404和第二高度405用于实现各种高度的第一结构114、214和第二结构115、215。图4b图示一实施方式，其中抗蚀剂层407设置于装置层408上，且装置层408设置于基板101的顶表面118上。在一个实施方式中，装置层408被图案化，装置层具有第一高度411和第二高度412，用于实现各种高度的第一结构114、214和第二结构115、215。
29.在一个实施方式中，抗蚀剂层407包括含硅材料。在另一实施方式中，抗蚀剂层407包括有机材料。抗蚀剂层407通过任何适合的方法沉积于基板101上，例如液体材料浇铸处理、旋涂处理、液体喷涂处理、干粉涂布处理、丝网印刷处理、刮刀处理、物理气相沉积(pvd)处理、化学气相沉积(cvd)处理、可流动cvd(fcvd)处理或原子层沉积(ald)处理。抗蚀剂层407的厚度经选择，以便调适蚀刻处理和得到的多个结构103的临界尺寸。举例而言，较大厚度的抗蚀剂层407可导致多个结构103较小的临界尺寸。在一个实施方式中，抗蚀剂层407的厚度为从约50nm至约300nm的范围。在一个实施方式中，抗蚀剂层407具有第一厚度409和第二厚度410。第一厚度409可大于或小于第二厚度410。第一厚度409将导致第一结构114、214具有第一深度116、216。第二厚度410将导致第二结构115、215具有第二深度117、217。
30.根据一个实施方式，装置层408包括但不限于以下一者或更多者：二氧化钛(tio2)、氧化锌(zno)、二氧化锡(sno2)、铝掺杂的氧化锌(azo)、氟掺杂的氧化锡(fto)、锡酸镉(氧化锡)(cto)、氧化铌(nb2o5)、和锡酸锌(氧化锡)(snzno3)、氮化硅(si3n4)和含非晶硅(a
‑
si)材料。在一个实施方式中，装置层408的高度为从约20nm至约200nm的范围。如图3中所示，在步骤301处，抗蚀剂层407设置于装置层408上。装置层408包括距基板的表面具有第一高度411的第一部分424，以及距基板的表面具有第二高度412的第二部分425。第一高度411对应于待形成的第一结构114、214，且第二高度412对应于待形成的第二结构115、215。
31.图4a的实施方式图示1：1蚀刻速率，其中抗蚀剂层407以与装置层408大约相同的速率被蚀刻。图4d的实施方式图示除了1∶1之外的蚀刻速率。在步骤301处，如图4a中所示，抗蚀剂层407设置于装置层408之上，装置层408对应于待形成的多个第一结构114、214和多个第二结构115、215。在一个实施方式中，如图4b中所示，抗蚀剂层407设置于基板101之上。
32.在步骤302处，如图4c和图4d中所描绘的，抗蚀剂层407被图案化以暴露装置层408的未掩蔽的部分。图案化抗蚀剂层407包括在装置层408的第一部分424之上形成具有多个第一开口420形成于其中的第一抗蚀剂层图案422，和在装置层408的第二部分425之上形成具有多个第二开口421形成于其中的第二抗蚀剂层图案423。抗蚀剂层407可通过包括但不限于纳米压印光刻、光压印光刻或任何适合的处理在内的处理图案化，以暴露装置层408的未掩蔽的部分。在图4d中描绘的实施方式中，在抗蚀剂层407被图案化之后保留残留层413。在一个实施方式中，残留层413经由干式蚀刻处理被移除。
33.图4d图示一实施方式，其中蚀刻终止层406设置于基板101上。蚀刻终止层406避免过度蚀刻至基板101中。蚀刻终止层406可通过一者或pvd、cvd、等离子体强化的(pecvd)、
fcvd、ald和旋涂处理设置。蚀刻终止层406由任何适合的材料形成，前提是蚀刻终止层406耐抗此处所描述的蚀刻处理。在一个实施方式中，蚀刻终止层406包括含氮材料。在一个实施方式中，蚀刻终止层406为不透明的蚀刻终止层，该层在形成波导组合器之后被移除。在另一实施方式中，蚀刻终止层406为透明蚀刻终止层。蚀刻终止层406具有约5nm至约50nm的深度。尽管此处描绘蚀刻终止层406，亦预期不具有蚀刻终止层406的一个或更多个实施方式。
34.在步骤303处且如图4c和图4d中所示，蚀刻由多个第一开口420和多个第二开口421限定的装置层408的暴露部分，以形成多个第一结构114、214和多个第二结构115、215。在第一抗蚀剂层图案422中的多个第一开口420被配置成于光学装置100、200内形成多个第一结构114、214的至少一部分。在第二抗蚀剂层图案423中的多个第二开口421被配置成于光学装置100、200内形成多个第二结构115、215的至少一部分。蚀刻处理可包括但不限于以下至少一者：离子注入、离子束蚀刻(ibe)、反应离子蚀刻(rie)、定向rie、等离子体蚀刻和热原子层蚀刻。在某些实施方式中，蚀刻处理利用氧化蚀刻化学条件(chemistries)。在其他实施方式中，蚀刻处理利用还原蚀刻化学条件。在一个实施方式中，蚀刻处理利用以下一者或更多者：氧气、氮气(n2)、sio2、氯气和含氨(nh3)气体。在另一实施方式中，使用含氟气体作为蚀刻剂，例如氟甲烷(ch3f)、六氟化硫(sf6)、四氟甲烷(cf4)、氟仿(chf3)和三氟化氮(nf3)。可选地以含甲烷气体传输含氟气体至处理环境，例如甲烷(ch4)和二氯二氟甲烷(ccl2f2)。
35.尽管图4e描绘在装置层408中形成第一结构114、214和第二结构115、215，步骤301
‑
303适用于图案化基板101。在一个实施方式中，如图3和图4d中所示，在步骤303中通过蚀刻处理蚀刻装置层408，以移除装置层408的部分且形成第一结构114、214和第二结构115、215。在另一实施方式中，于步骤303中通过蚀刻处理蚀刻基板101，以移除基板101的部分且形成第一结构114、214和第二结构115、215。
36.图5为根据此处所描述的实施方式，用于形成光学装置100、200的一部分的方法500的流程图。图6a
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6d为根据方法500形成的光学装置100、200的示意性截面图。光学装置100、200的部分可对应于一个光栅，例如第一光栅102或第二光栅105，或所述部分可对应于整个光学装置100或光学装置200。
37.在步骤501处，如图6a中所示，在装置层408上设置硬掩模609。硬掩模609可通过以下一者或更多者设置于装置层408之上：液体材料浇铸、旋涂、液体喷涂、干粉涂布、丝网印刷、刮刀、pvd、cvd、pecvd、fcvd、ald、蒸发和溅射处理。在一个实施方式中，硬掩模609为不透明的，且在形成光学装置100或光学装置200之后被移除。在另一实施方式中，硬掩模609为透明的。在某些实施方式中，硬掩模609包括任何适合的抗压印材料，例如铬(cr)、银(ag)、si3n4、sio2、tin、铝和含碳材料。
38.在步骤502处，在硬掩模609上设置抗蚀剂层407，且装置层408对应于待形成的多个第一结构114、214以及多个第二结构115、215。装置层408具有第一高度411和第二高度412。在一个实施方式中，抗蚀剂层407的第一厚度409和第二厚度410为不同的，使得抗蚀剂层407的顶表面610平行于基板101的顶表面118。抗蚀剂层407的顶表面610平行于基板101的顶表面118提供了平坦化的表面，以提高步骤503和504的图案化和/或蚀刻处理的均匀性。
39.在步骤503处且如图6b中所示，图案化抗蚀剂层407以暴露硬掩模609的部分。图案化抗蚀剂层407包括在装置层408的第一部分424之上形成在其中形成有多个第一开口420的第一抗蚀剂层图案422，和在装置层408的第二部分425之上形成在其中形成有多个第二开口421的第二抗蚀剂层图案423。在步骤504处且如图6c中所示，蚀刻硬掩模609的暴露部分，以暴露装置层408的第一部分424的未掩蔽的第一装置层片段612，且暴露装置层408的第二部分425的未掩蔽的第二装置层片段613。如图6d中所示，蚀刻装置层408的第一装置层片段612和第二装置层片段613，以形成多个第一结构114、214以及多个第二结构115、215。第一装置层片段612被配置成在光学装置100、200内形成多个第一结构114、214的至少一部分。第二装置层片段613被配置成在光学装置100、200内形成多个第二结构115、215的至少一部分。
40.在一个实施方式中，于蚀刻装置层408之后移除硬掩模609。在另一实施方式中，于蚀刻装置层408之后在装置层408上保留硬掩模609。尽管图6d描绘在装置层408中形成第一结构114、214以及第二结构115、215，但是步骤501
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504适用于图案化基板101。在一个实施方式中，如图5和图6d中所示，在步骤504中通过蚀刻处理蚀刻装置层408，以移除装置层408的部分，且形成第一结构114、214和第二结构115、215。在另一实施方式中，在步骤504中通过蚀刻处理蚀刻基板101，以移除基板101的部分，且形成第一结构114、214和第二结构115、215。
41.图7为根据此处所描述的实施方式，用于形成光学装置100、200的一部分的方法700的流程图。图8a
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8d为根据方法700形成的光学装置100、200的示意性截面图。光学装置100、200的部分可对应于一个光栅，例如第一光栅102或第二光栅105，或所述部分可对应于整个光学装置100或光学装置200。
42.在步骤701处，如图8a中所示，在装置层408之上设置平坦化层810，装置层408对应于待形成的多个第一结构114、214和多个第二结构115、215。在一个实施方式中，平坦化层810包括含a
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si材料。平坦化层810可经由任何适合的处理沉积，包括但不限于液体材料浇铸处理、旋涂处理、液体喷涂处理、干粉涂布处理、丝网印刷处理、刮刀处理、pvd处理、cvd处理、pecvd处理、fcvd处理或ald处理。平坦化层810形成平行于基板101的顶表面812，使得平坦化层810避免在蚀刻处理中装置层408的过度蚀刻。在步骤702处，于平坦化层810之上设置抗蚀剂层407。
43.在步骤703处且如图8b中所示，图案化抗蚀剂层407以暴露平坦化层810的部分。图案化抗蚀剂层407包括在装置层408的第一部分424之上形成在其中形成有多个第一开口420的第一抗蚀剂层图案422，和在装置层408的第二部分425之上形成在其中形成有多个第二开口421的第二抗蚀剂层图案423。在步骤704处且如图8c中所示，蚀刻由多个第一开口420和多个第二开口421限定的平坦化层810的暴露部分，以暴露装置层408的第一部分424的未掩蔽的第一装置层片段612，且暴露装置层408的第二部分425的未掩蔽的第二装置层片段613。
44.在步骤705中且如图8d中所示，蚀刻装置层408的第一装置层片段612和第二装置层片段613，以形成多个第一结构114、214和多个第二结构115、215。第一装置层片段612被配置成在光学装置100、200内形成多个第一结构114、214的至少一部分。第二装置层片段613被配置成在光学装置100、200内形成多个第二结构115、215的至少一部分。
45.蚀刻包括但不限于以下一者或更多者：离子注入、离子蚀刻、反应离子蚀刻(rie)、定向rie和等离子体蚀刻。在一个实施方式中，平坦化层810比装置层408具有更大的蚀刻选择性。尽管图8d描绘在装置层408中形成第一结构114、214和第二结构115、215，但是步骤701
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705适用于图案化基板101。在一个实施方式中，于步骤705中通过蚀刻处理蚀刻装置层408，以移除装置层408的部分且形成第一结构114、214和第二结构115、215。在另一实施方式中，于步骤705中通过蚀刻处理蚀刻基板101，以移除基板101的部分且形成第一结构114、214和第二结构115、215。
46.此处所描述的实施方式提供用于多深度光学装置的方法，同时最小化与过度蚀刻和非均匀性相关联的缺陷。
47.尽管前述内容针对本公开内容的实施方式，但是可以在不背离本公开内容的基本范围的情况下，设计出本公开内容的其他和进一步的实施方式，且本公开内容的范围由以下权利要求书来确定。