纳米压印光刻中的残余层厚度调制的制作方法

1.本公开涉及用于制造增强现实和混合现实应用的波导组件的技术。


背景技术：

2.本文中所描述的实施方式涉及制造组件，诸如用于智能眼镜系统中波导的光输入耦合器和输出耦合器。这样的组件可以包括具有连续高度轮廓的衍射光栅。用于这种光栅的常规制造技术包括将高度轮廓近似到指定程度的多级工艺。更好地近似于高度轮廓通常在制造工艺中需要更多的级。在许多情况下，获得给定高度轮廓的足够好的近似在一个工艺中需要许多级，这使得组件的制造耗时且昂贵。


技术实现要素：

3.纳米压印光刻工艺提供了在单个步骤中产生高度轮廓的能力，在该工艺中，高度由紫外线固化和从树脂层释放纳米压印模具之后剩余的树脂的残余层的厚度控制。
4.在一个一般方面中，一种纳米压印光刻系统包括具有基座和二元高度光栅结构的纳米压印模具，该二元高度光栅结构在基座的第一部分上具有第一填充因数，并且在基座的第二部分上具有第二填充因数。纳米压印光刻装置还包括其上沉积有树脂层的衬底，该衬底具有对应于纳米压印模具的基座的第一部分的第一部分和对应于纳米压印模具的基座的第一部分的第二部分。纳米压印光刻装置还包括模具嵌入设备，该模具嵌入设备被配置为将纳米压印模具嵌入树脂层中至一定深度，使得模具的二元高度光栅结构的与基座相对的端部和衬底之间的树脂层的厚度大于零。该纳米压印光刻装置还包括紫外线固化设备，该紫外线固化设备被配置为在该模具被嵌入在该树脂层中至所述一定深度时固化该树脂层，以在模具的二元高度光栅结构的与基座相对的端部和衬底之间产生树脂的残余层，该残余层具有设置在该衬底的第一部分上的第一厚度和设置在该衬底的第二部分上的第二厚度。
5.在另一个一般方面，纳米压印光刻系统包括具有基座和二元高度光栅结构的纳米压印模具。纳米压印光刻装置还包括其上沉积有树脂层的衬底，该衬底具有第一部分和第二部分，该树脂层在衬底的第一部分上具有第一填充因数，并且在衬底的第二部分上具有第二填充因数。纳米压印光刻装置还包括模具嵌入设备，该模具嵌入设备被配置为将纳米压印模具嵌入树脂层中至一定深度，使得模具的二元高度光栅结构的与基座相对的端部和衬底之间的树脂层的厚度大于零。该纳米压印光刻装置还包括紫外线固化设备，该紫外线固化设备被配置为在该模具被嵌入在该树脂层中至所述一定深度时固化该树脂，该残余层具有设置在该衬底的该第一部分上的第一厚度和设置在所该衬底第二部分上的第二厚度。
6.在另一个一般方面中，一种方法包括将纳米压印模具嵌入树脂层中至一定深度，使得纳米压印模具的二元高度光栅结构的与基座相对的端部和其上设置有树脂层的衬底之间的树脂层厚度大于零，纳米压印模具具有基座和二元高度光栅结构，该二元高度光栅结构在该基座的第一部分上具有第一填充因数，并且在该基座的第二部分上具有第二填充
因数，该衬底具有与该纳米压印模具的该基座第一部分相对应的第一部分和与该纳米压印模具的基座第一部分相对应的第二部分。该方法还包括在模具被嵌入树脂层中至所述一定深度时固化树脂层，以在模具的二元高度光栅结构的与基座相对的端部与衬底之间产生树脂的残余层，该残余层具有设置在该衬底的第一部分上的第一厚度和设置在该衬底的第二部分上的第二厚度。
7.一个或多个实施方式的细节在以下附图和描述中阐述。其他特征将从说明书和附图以及权利要求中显而易见。
附图说明
8.图1图示了具有输入耦合器和输出耦合器组件的示例波导。
9.图2是图示具有纳米压印模具填充因数的纳米压印光刻系统中的残余层厚度的示例变化的曲线图。
10.图3a至3d是图示用于经由纳米压印模具控制残余层厚度的示例改进的纳米压印光刻工艺的图。
11.图4a至4d是图示用于经由树脂层控制残余层厚度的示例改进的纳米压印光刻工艺的图。
12.图5是图示用于执行纳米压印光刻的示例方法的流程图。
13.图6是图示使用具有根据改进的纳米印刷光刻工艺制造的组件的波导的示例智能眼镜的图。
具体实施方式
14.本公开涉及制造组件，诸如用于智能眼镜系统中波导的光输入耦合器和输出耦合器。这样的组件可以包括具有连续高度轮廓的衍射光栅。更好地近似高度轮廓通常在制造工艺中需要更多的级。在许多情况下，获得给定高度轮廓的足够好的近似在单个工艺中涉及许多级，这使得组件的制造耗时且昂贵。相反，纳米压印光刻工艺提供了在单个步骤中产生高度轮廓的能力，在该工艺中，高度由紫外线固化和从树脂层释放纳米压印模具之后剩余的树脂的残余层的厚度控制。
15.图1图示了分别具有输入耦合器组件110和输出耦合器组件120的示例波导(wg)100。如图1所示，来自投影系统的光以相对于波导法线的输入向量θ向波导100传播。输入耦合器110包括衍射光栅，该衍射光栅从输入向量θ获取光，并且被设计为使得大部分光能被引导向衍射级，该衍射级在输出耦合器120的方向上沿着波导100向下传播(即，作为波导模式)。当波导中的光入射到具有与输入耦合器110等效的衍射光栅的输出耦合器120上时，输出耦合器120提供与输入耦合器的作用互逆的作用，并且将大部分光能从波导100发出并且进入图1所示的输出向量中，输出向量是输入向量的镜像。
16.输入耦合器110和输出耦合器120以特定的传播角度(即全内反射)引导光进出波导100的特殊目的可能决定输入耦合器110与输出耦合器120具有特定的、连续的高度轮廓。因为输入耦合器110和输出耦合器120的衍射光栅的特征尺寸非常小，例如小于5微米，所以制造输入耦合器110和输出耦合器120的衍射光栅的技术可以包括微光刻技术。
17.衍射光栅的常规制造技术包括多级工艺，该工艺将高度轮廓近似到特定程度：越
好地近似于高度轮廓，需要在制造工艺中的级就越多。
18.上述传统制造技术的一个技术问题是，在许多情况下，获得足够好的给定高度轮廓的近似在单个工艺中涉及许多级，这使得组件的制造耗时且昂贵。例如，如果高度轮廓类似于平滑坡道，则多级工艺可能会生成楼梯轮廓。两级或三级工艺产生可能提供不良的近似的大步骤。十级近似产生了许多小步骤，这些步骤提供了良好的近似，但不幸的是，这么多级非常昂贵和耗时。
19.根据本文中所描述的实施方式，对于上述技术问题的技术方案包括一种改进的纳米压印光刻工艺，其中，高度由紫外线固化和从树脂层释放纳米压印模具后剩余的树脂的残余层的厚度控制。此外，残余层的厚度可以通过将其图案转移到设置在衬底上的树脂层的纳米压印模具的填充因数来控制，或者通过树脂层中的树脂液滴来控制。
20.该技术方案的技术优势在于，改进的纳米压印光刻工艺能够在单个步骤中实现期望的高度轮廓，而不是使用传统工艺在多个步骤中实现。因此，该技术方案能够节省时间并降低波导组件的制造成本。
21.在一些实施方式中，实现改进的纳米压印光刻工艺的纳米压印光刻系统包括干式蚀刻设备，该干式蚀刻设备被配置为在纳米压印模具已经从树脂层释放之后蚀刻树脂层。
22.在一些实施方式中，该干式蚀刻设备被配置为以与介电膜的蚀刻选择率相等的蚀刻选择率来蚀刻树脂层。
23.在一些实施方式中，第一填充因数小于第二填充因数，并且残余层的第一厚度大于残余层的第二厚度。
24.在一些实施方式中，纳米压印模具包括石英。
25.在一些实施方式中，纳米压印模具和衬底各自包括硅。
26.在一些实施方式中，树脂层经由旋涂工艺设置在衬底上。
27.在一些实施方式中，树脂层包括设置在衬底上的树脂液滴。
28.在一些实施方式中，在衬底的第一部分上具有第一填充因数的树脂层包括具有第一尺寸的液滴，并且在衬底的第二部分上具有第二填充因数的树脂层包括具有第二尺寸的液滴。
29.上述改进的纳米压印光刻工艺是基于以下观测，即在紫外线固化和纳米压印模具的释放后剩余的树脂的残余层的厚度与模具或树脂层图案的填充因数大致成反比。纳米压印模具的填充因数(占空比)在本文中被定义为模具特征的宽度与节距的比率。例如，如果模具具有相等的线条和空间，则其填充因数为1/2；相反，如果线的宽度是空间宽度的两倍，则填充因数为2/3。可以定义在树脂作为液滴沉积在衬底上的情况下的树脂层的填充因数。在这种情况下，树脂的填充因数是液滴的尺寸(例如，直径、宽度)与节距的比率。
30.图2是图示具有纳米压印模具填充因数的纳米压印光刻系统中的残余层厚度的示例变化的曲线图200。如图2所示，残余层厚度与树脂层的纳米压印模具的填充因数大致成反比。这意味着可以利用纳米压印模具或树脂层的填充因数来控制残余层厚度。这继而能够在单个步骤中制造具有连续高度轮廓的衍射光栅。
31.图3a至3d是图示用于经由纳米压印模具310控制残余层厚度的示例纳米压印光刻工艺的图。与纳米压印模型310一起，该工艺由其上设置有树脂层320的衬底330限定。在该工艺中，在一些实施方式中，使用旋涂工艺将树脂层320沉积在衬底330上。因为残余层不仅
是需要的，而且是要控制的，所以旋涂工艺应该被限定为允许有足够的残余树脂。
32.在图3a中，产生了纳米压印模具310。在一些实施方式中，纳米压印模具310包括石英。在一些实施方式中，纳米压印模具310和衬底330各自包括硅。纳米压印模具310具有基座316和二元高度光栅结构318，该二元高度光栅结构318在基座316的第一部分312上具有第一填充因数，在基座316第二部分314上具有第二填充因数。此外，树脂层320被旋涂在衬底330上。
33.在图3b中，纳米压印模具310被嵌入树脂层320中至一定深度，使得模具310的二元高度光栅结构318的与基座316相对的端部和衬底330之间的树脂层320的厚度大于零。
34.在图3c中，将纳米压印模具310从树脂层320释放并且紫外线固化，以在模具310的二元高度光栅结构318的与基座316相对的端部和衬底330之间产生树脂的残余层362，该残余层362具有设置在衬底的第一部分364上的第一厚度和设置在衬底的第二部分366上的第二厚度。在一些实施方式中，第一填充因数小于第二填充因数，并且残余层362的第一厚度大于残余层362的第二厚度。
35.在图3d中，衍射光栅由干式蚀刻设备产生，该干式蚀刻设备被配置为在从树脂层320释放纳米压印模具310之后蚀刻树脂层320。在一些实施方式中，干式蚀刻设备被配置为以与介电膜的蚀刻选择率相等的蚀刻选择率来蚀刻树脂层。
36.图4a至4d是图示用于经由树脂层控制残余层厚度的示例纳米压印光刻工艺的图。与树脂层420一起，该工艺由纳米压印模具410和其上设置有树脂层420的衬底430限定。
37.在图4a中，产生了具有基座416和二元高度光栅结构418的纳米压印模具410。此外，产生了其上沉积有树脂层420的衬底430，该衬底具有对应于纳米压印模具410的基座416的第一部分的第一部分422和对应于纳米压印模具410的基座416的第一部分的第二部分424。在一些实施方式中并且如图4a所示，树脂层420包括设置在衬底430上的树脂液滴。在一些实施方式中，在衬底430的第一部分422上具有第一填充因数的树脂层420包括具有第一尺寸的液滴，并且在衬底430第二部分424上具有第二填充因数的树脂层包括具有第二尺寸的液滴。
38.在图4b中，纳米压印模具410嵌入树脂层420中至一定深度，使得模具410的二元高度光栅结构418的与基座416相对的端部和衬底430之间的树脂层420的厚度大于零。
39.在图4c中，将纳米压印模具410从树脂层420释放并紫外线固化，以在模具410的二元高度光栅结构418的与基座416相对的端部和衬底430之间产生树脂的残余层462，该残余层462具有设置在衬底430的第一部分464上的第一厚度和设置在衬底430的第二部分466上的第二厚度。
40.在图4d中，衍射光栅由干式蚀刻设备产生，该干式蚀刻设备被配置为在从树脂层420释放纳米压印模具410之后蚀刻树脂层420。在一些实施方式中，干式蚀刻设备被配置为以与介电膜的蚀刻选择率相等的蚀刻选择率来蚀刻树脂层。
41.图5是图示用于执行纳米压印光刻的示例方法500的流程图。
42.在510，将纳米压印模具嵌入树脂层中至一定深度，使得纳米压印模具的二元高度光栅结构的与基座相对的端部和其上设置有树脂层的衬底之间的树脂层的厚度大于零，纳米压印模具具有基座和二元高度光栅结构，该二元高度光栅结构在基座的第一部分上具有第一填充因数，并且在基座的第二部分上具有第二填充因数，该衬底具有与纳米压印模具
的基座的第一部分相对应的第一部分和与纳米压印模具的基座的第一部分相对应的第二部分。
43.在520，在模具被嵌入树脂层中至所述一定深度时，树脂层被固化，以在模具的二元高度光栅结构的与基座相对的端部和衬底之间产生树脂的残余层，该残余层具有设置在衬底的第一部分上的第一厚度和设置在衬底第二部分上的第二厚度。
44.图6是图示使用具有根据改进的纳米印刷光刻工艺制造的组件的波导的示例智能眼镜600的图。该示例智能眼镜600包括框架602。框架602包括由围绕透镜607形式的相应光学部分的边缘部分603限定的前框架部分，其中，桥接部分609连接边缘部分603。臂部分605通过在相应的边缘部分603处的铰链部分耦合到(例如，可枢转地或可旋转地耦合到)前框架。显示设备可以被耦合在框架602的一部分中。在图6所示的示例中，显示设备耦合在框架602的臂部分605中。在一些示例中，显示设备可以被配置为将来自显示源的光投射到提词器玻璃的用作以一定角度(例如，30-45度)安置的分束器的部分上。分束器可以允许反射和透射值，其允许来自显示源的光被部分反射，而剩余的光透射通过。这样的光学设计可以允许用户例如通过透镜607在由显示设备104生成的内容(例如，数字图像、用户界面元素、虚拟内容等)旁边看到现实中的两个实体物品。在一些实施方式中，波导wg可以被用于经由外耦合光620(即，来自输出耦合器)描绘显示设备上的内容。
45.已经描述了多个实施方式。然而，应当理解，在不脱离说明书的精神和范围的情况下可以进行各种修改。
46.还应当理解，当一个元件被称为在另一个元件上、连接到、电连接到、耦合到或电耦合到另一元件时，它可以直接在另一元件上、连接或耦合到另一元件，或者可能存在一个或多个中间元件。相反，当一个元件被称为直接在另一元件上、直接连接到或直接耦合到另一元件时，不存在中间元件。虽然在整个说明书中可以不使用术语直接在上面、直接连接到或直接耦合到，但是被示出为直接在上面、直接连接到或直接耦合到的元件能够被这样称呼。可以修改本技术的权利要求以叙述说明书中描述的或附图中示出的示例关系。
47.虽然已经如本文中所描述图示了所描述的实施方式的某些特征，但是本领域技术人员现在将想到许多修改、替换、改变和等同物。因此，应该理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明范围内的所有这些修改和变化。应当理解，它们仅作为示例而非限制来呈现，并且可以进行形式和细节上的各种改变。除了互斥组合之外，本文中描述的装置和/或方法的任何部分可以以任何组合进行组合。本文中描述的实施方式能够包括所描述的不同实施方式的功能、组件和/或特征的各种组合和/或子组合。
48.此外，图中描绘的逻辑流程不需要所示的特定顺序或连续顺序来实现期望的结果。此外，可以提供其他步骤，或者可以从所描述的流程中去除步骤，并且可以将其他组件添加到所描述的系统或从其中移除。因此，其他实施方式在所附权利要求的范围内。

技术特征：
1.一种纳米压印光刻系统，包括：纳米压印模具，所述纳米压印模具具有基座和二元高度光栅结构，所述二元高度光栅结构具有在所述基座的第一部分上的第一填充因数和在所述基座的第二部分上的第二填充因数；衬底，所述衬底上沉积有树脂层，所述衬底具有与所述纳米压印模具的所述基座的所述第一部分相对应的第一部分和与所述纳米压印模具的所述基座的所述第一部分相对应的第二部分；模具嵌入设备，所述模具嵌入设备被配置为将所述纳米压印模具嵌入所述树脂层中至一定深度，使得所述纳米压印模具的所述二元高度光栅结构的与所述基座相对的端部与所述衬底之间的所述树脂层的厚度大于零；以及紫外线固化设备，所述紫外线固化设备被配置为在所述纳米压印模具被嵌入在所述树脂层中至所述一定深度时固化所述树脂层，以在所述纳米压印模具的所述二元高度光栅结构的与所述基座相对的所述端部和所述衬底之间产生树脂的残余层，所述残余层具有设置在所述衬底的所述第一部分上的第一厚度和设置在所述衬底的所述第二部分上的第二厚度。2.根据权利要求1所述的纳米压印光刻系统，进一步包括：干式蚀刻设备，所述干式蚀刻设备被配置为在所述纳米压印模具已经从所述树脂层释放之后蚀刻所述树脂层。3.根据权利要求2所述的纳米压印光刻系统，其中，所述干式蚀刻设备被配置为以与介电膜的蚀刻选择率相等的蚀刻选择率来蚀刻所述树脂层。4.根据权利要求1所述的纳米压印光刻系统，其中，所述第一填充因数小于所述第二填充因数，并且所述残余层的所述第一厚度大于所述残余层的所述第二厚度。5.根据权利要求1所述的纳米压印光刻系统，其中，所述纳米压印模具包括石英。6.根据权利要求1所述的纳米压印光刻系统，其中，所述纳米压印模具和所述衬底各自包括硅。7.根据权利要求1所述的纳米压印光刻系统，其中，所述树脂层通过旋涂工艺设置在所述衬底上。8.一种纳米压印光刻系统，包括：纳米压印模具，所述纳米压印模具具有基座和二元高度光栅结构；衬底，所述衬底上沉积有树脂层，所述衬底具有第一部分和第二部分，所述树脂层具有在所述衬底的第一部分上的第一填充因数和在所述衬底的第二部分上的第二填充因数；模具嵌入设备，所述模具嵌入设备被配置为将所述纳米压印模具嵌入所述树脂层中至一定深度，使得所述纳米压印模具的所述二元高度光栅结构的与所述基座相对的端部与所述衬底之间的所述树脂层的厚度大于零；以及紫外线固化设备，所述紫外线固化设备被配置为在所述纳米压印模具被嵌入在所述树脂层中至所述一定深度时固化所述树脂层，以在所述纳米压印模具的所述二元高度光栅结构的与所述基座相对的所述端部和所述衬底之间产生树脂的残余层，所述残余层具有设置在所述衬底的所述第一部分上的第一厚度和设置在所述衬底的所述第二部分上的第二厚度。
9.根据权利要求8所述的纳米压印光刻系统，其中，所述树脂层包括设置在所述衬底上的树脂液滴。10.根据权利要求9所述的纳米压印光刻系统，其中，具有在所述衬底的所述第一部分上的所述第一填充因数的所述树脂层包括具有第一尺寸的液滴，并且具有在所述衬底的所述第二部分上的所述第二填充因数的所述树脂层包括具有第二尺寸的液滴。11.根据权利要求8所述的纳米压印光刻系统，进一步包括：干式蚀刻设备，所述干式蚀刻设备被配置为在所述纳米压印模具已经从所述树脂层释放之后蚀刻所述树脂层。12.根据权利要求11所述的纳米压印光刻系统，其中，所述干式蚀刻设备被配置为以与介电膜的蚀刻选择率相等的蚀刻选择率来蚀刻所述树脂层。13.根据权利要求8所述的纳米压印光刻系统，其中，所述第一填充因数小于所述第二填充因数，并且所述残余层的所述第一厚度大于所述残余层的所述第二厚度。14.一种方法，包括：将纳米压印模具嵌入树脂层中至一定深度，使得所述树脂层在所述纳米压印模具的二元高度光栅结构的与所述纳米压印模具的基座相对的端部和其上设置有所述树脂层的衬底之间的厚度大于零，所述纳米压印模具具有基座和二元高度光栅结构，所述二元高度光栅结构具有在所述基座的第一部分上的第一填充因数和在所述基座的第二部分上的第二填充因数，所述衬底具有与所述纳米压印模具的所述基座的所述第一部分相对应的第一部分和与所述纳米压印模具的所述基座的所述第一部分对应的第二部分；以及在所述纳米压印模具被嵌入在所述树脂层中至所述一定深度时固化所述树脂层，以在所述纳米压印模具的所述二元高度光栅结构的与所述基座相对的所述端部和所述衬底之间产生树脂的残余层，所述残余层具有设置在所述衬底的所述第一部分上的第一厚度和设置在所述衬底的所述第二部分上的第二厚度。15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括：在所述纳米压印模具已经从所述树脂层释放之后蚀刻所述树脂层。16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述树脂层是以与介电膜的蚀刻选择率相同的蚀刻选择率来蚀刻的。17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一填充因数小于所述第二填充因数，并且所述残余层的所述第一厚度大于所述残余层的所述第二厚度。18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述纳米压印模具包括石英。19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述纳米压印模具和所述衬底各自包括硅。20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述树脂层通过旋涂工艺设置在所述衬底上。

技术总结
本公开涉及纳米压印光刻中的残余层厚度调制。提出了一种改进的纳米压印光刻工艺，其中，通过紫外线固化和从树脂层释放纳米压印模具后剩余的树脂的残余层的厚度来控制高度。此外，残余层的厚度可以通过将其图案转移到设置在衬底上的树脂层的纳米压印模具的填充因数来控制，或者通过树脂层中的树脂液滴来控制。或者通过树脂层中的树脂液滴来控制。或者通过树脂层中的树脂液滴来控制。


技术研发人员：田路 金薇 托马斯
受保护的技术使用者：谷歌有限责任公司
技术研发日：2023.07.05
技术公布日：2023/9/25