具体实施方式

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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-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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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)。

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。

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-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。

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。

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。

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。

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501-504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。

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-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。

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-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。

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。

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。

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701-705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。

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。

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。