[发明专利]高折射率材料上的类布拉格光栅

说明书

公开了用于制造倾斜结构的技术。在一个实施例中，一种用于在材料层上制造倾斜结构的方法包括：在材料层上形成掩模层；以及使用离子束和掩模层，以大于零的倾斜角，将离子注入到材料层的多个区域中。相对于材料层的表面法线测量倾斜角。将离子注入到材料层的多个区域中改变了材料层的多个区域的折射率或蚀刻速率。在一些实施例中，方法还包括：使用蚀刻剂来湿法蚀刻材料层，以去除材料层的多个区域中的材料。在一些实施例中，方法包括：通过在进料气体中使用反应性蚀刻剂的干法蚀刻过程，与注入同时或在注入后蚀刻改性的材料。

背景技术

人工现实系统(诸如，头戴式显示器(HMD)或抬头显示器(HUD)系统)通常包括被配置成呈现示出虚拟环境中的对象的人工图像的显示器。如在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)应用中，显示器可以显示虚拟对象或者将真实对象的图像与虚拟对象组合。例如，在AR系统中，用户可以例如通过透过透明显示眼镜或透镜观看(通常被称为光学透视)或者通过观看由相机捕获的周围环境的显示图像(通常被称为视频透视)，来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(CGI))和周围环境。

一个示例光学透视AR系统可以使用基于波导的光学显示器，其中投影的图像的光可以耦合到波导(例如，衬底)中，在波导内传播，并且在不同位置处从波导耦合出去。在一些实施方式中，可以使用诸如倾斜光栅(例如，表面浮凸光栅或类布拉格光栅)的衍射光学元件，将投影的图像的光耦合到波导中或从波导耦合出去。在许多情况下，以期望的产量和产率制造具有期望轮廓的倾斜光栅可以是具有挑战性的。

发明内容

本公开总体上涉及用于制造倾斜结构的技术，并且更具体地，涉及用于在各种材料(诸如氮化硅、有机材料或无机金属氧化物等)上制造倾斜结构(例如，倾斜光栅)的技术。对于部分材料，可以使用倾斜离子注入技术来修改材料层(例如，衬底)的折射率以形成倾斜光栅，或者修改材料层的蚀刻速率，使得材料层可以被选择性蚀刻以去除离子注入区域以形成倾斜结构。对于部分材料，可以并发或顺序地将基于离子轰击的材料改性技术与反应气体结合使用，以同时改性和去除材料，从而形成由硬掩模定义的倾斜光栅。通过本文公开的过程和技术获得的倾斜结构对于脊的前缘和后缘可以具有大的倾斜角、高的深度和类似的倾斜角。

在一些实施例中，在离子注入期间，可以通过改变离子相对于衬底的入射角来改变倾斜结构(例如，倾斜光栅)的倾斜角。可以修改离子的能量来改变倾斜光栅的深度。此外，可以通过进料气体混合物、离子源和提取参数的适当选择来修改离子的成分。可以通过修改注入离子的浓度来修改注入区域的折射率。在一些实施例中，倾斜角、离子能量和/或离子浓度可以在倾斜光栅的不同区域上变化。在一些实施例中，类似的技术可以应用于倾斜光栅的外覆层。

在一些实施例中，一种在材料层上制造倾斜结构的方法可以包括：在材料层上形成掩模层；以及使用离子束和掩模层，以大于零的倾斜角将离子注入到材料层的多个区域中，其中相对于材料层的表面法线测量倾斜角。将离子注入到材料层的多个区域中可以改变材料层的多个区域的折射率或蚀刻速率。在一些实施例中，材料层可以包括以下中的一个或多个：透明衬底、半导体衬底、SiO₂层、Si₃N₄材料层、氧化钛层、氧化铝层、SiC层、SiO_xN_y层、非晶硅层、旋涂碳(SOC)层、非晶碳层(ACL)、类金刚石碳(DLC)层、TiO_x层、AlO_x层、TaO_x层和HFO_x层。在一些实施例中，离子可以包括氢离子或氧离子。

在一些实施例中，制造倾斜结构的方法可以包括使用蚀刻剂湿法蚀刻材料层，以去除材料层的多个区域中的材料。在一些实施例中，材料层可以包括Si₃N₄材料层，离子可以包括氢离子，并且蚀刻剂可以包括经稀释的氢氟酸。在一些实施例中，方法还可以包括重复执行注入和湿法蚀刻，直到达到倾斜结构的预定深度。在一些实施例中，倾斜结构的预定深度大于100nm。