Meta专利提出通过氢氮辅助化剂蚀刻AR高折射率光栅的方法

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蚀刻高折射率光栅

映维网 2021年11月18日)对于AR领域,光学透明系统可以采用基于波导的光学显示器。其中,投影图像的光可以耦入波导,在波导内传播,并在不同位置耦出波导。在一个实现中,可以使用诸如倾斜表面浮雕光栅这样的衍射光学元件来将投影图像的光耦入或耦出波导。但是,以理想速度制造具有合适轮廓的倾斜表面浮雕光栅并不容易。

在名为“Hydrogen/nitrogen doping and chemically assisted etching of high refractive index gratings”的专利申请中,Meta描述了一种通过氢/氮辅助化剂来蚀刻高折射率光栅的方法。

这份发明主要描述了制造倾斜结构的技术。更具体地说,其涉及在具有高折射率(例如,n>约2.3)的材料上蚀刻倾斜结构的技术,例如TiO.sub.x、LiNbO.sub.3、HfO.sub.x。TiSiO.sub.x、SiC、ZnSe、InGaAs和GaP等。另外,化学辅助反应离子束蚀刻(chemically assisted reactive ion beam etch;CARIBE)技术可用于蚀刻倾斜结构,例如在具有超高折射率的材料中蚀刻高对称倾斜结构或倾斜结构。

Meta指出,倾斜结构可用于一系列的光学或电子设备中且用于操纵光和/或电的行为。例如,在基于波导的人造现实显示设备中使用倾斜表面浮雕光栅可以改善视场,提高亮度效率,并减少显示伪影(例如彩虹伪影)。

在一个实施例中,可实施化学辅助反应离子束蚀刻工艺,以更有效且更准确的方式来在具有超高折射的材料中制造倾斜光栅。具有超高折射率的材料可称为超高折射率材料。

在不受任何特定理论约束的情况下,氮离子比氢离子重,可能会破坏一些可能不会被氢离子破坏的键,所以超高折射率材料可能更容易蚀刻。鉴于氢离子相对较小的尺寸,氢离子可深入超高折射率材料以破坏超高折射率材料的晶体结构和/或键以进一步促进蚀刻过程。

所以,超高折射率材料可由氢离子和/或氮离子掺杂和/或改性。掺杂和/或改性超高折射率材料可与一种或多种反应性气体物种反应形成易挥发材料。例如基于氟的反应性气体等反应性气体种类可添加到离子源发生器和/或可施加在超高折射率材料上,以通过绕过离子源发生器的气环进行蚀刻。通过用氢和/或氮掺杂和/或改性超高折射率材料并用氟基气体物种蚀刻掺杂和/或改性超高折射率材料,可以更有效和更精确地制造对称和/或深倾斜光栅。

在一个实施例,在材料层中制造倾斜表面浮雕结构的方法可包括,将第一反应气体注入反应离子源发生器。所述方法进一步包括,从反应离子源发生器中的第一反应气体生成等离子体,其中等离子体可包括具有第一原子量的第一反应离子和具有小于第一原子量的第二原子量的第二反应离子。

接下来,所述方法包括从等离子体中提取至少一些第一反应离子和至少一些第二反应离子,从而形成朝向材料层且折射率至少为2.3的的准直反应离子束。然后,将第二反应气体注入材料层。最后,用准直反应离子束和第二反应气体对材料层进行物理和化学蚀刻,以在材料层中形成倾斜表面浮雕结构。

Meta指出,在一个实施例中,材料层可包括TiO.sub.x、LiNbO.sub.3、HfO.sub.x、TiSiO.sub.x、SiC、ZnSe、InGaAs或GaP中的至少一种。在一个实施例中,第一反应离子可包括氮离子。在一个实施例中,第二反应离子可包括氢离子。

在一个实施例中,第一反应气体可包括H.sub.2、N.sub.2、NF.sub.3、NH.sub.3、CH.sub.4、CHF.sub.3、Cl.sub.2、BCl.sub.3或HBr中的至少一种。在一个实施例中,第一反应气体可不含氧或碳。在一个实施例中,第二反应气体可包括氟基反应气体或氯基反应气体或溴基反应气体。在一个实施例中,第二反应气体可包括CF.sub.4、NF.sub.3、SF.sub.6、Cl.sub.2、BCl.sub.3或HBr中的至少一种。

在一个实施例中,从等离子体中提取至少一些第一反应离子和至少一些第二反应离子,从而形成准直反应离子束。这种方法可包括在靠近反应离子源发生器的提取栅极上施加提取电压,以及在加速栅极上施加加速电压,以提取和加速至少一些第一反应性离子和至少一些第二反应性离子。提取栅极和加速栅极可以对齐,并且加速电压可以不同于提取电压。

在一个实施例中,倾斜表面浮雕结构可以包括倾斜表面浮雕光栅,并且倾斜表面浮雕光栅可以包括多个脊。在一个实施例中,多个脊的每个脊的前缘可平行于脊的后缘。

倾斜表面浮雕光栅可具有以下特征中的至少一个:多个脊的每个脊的前缘的倾斜角度和脊的后缘的倾斜角度相对于材料层的表面法线大于30度;前缘长度和后缘长度之间的差值小于后缘长度的10%;倾斜表面浮雕光栅的深度大于100 nm,或倾斜表面浮雕光栅的占空比大于60%。

根据一个实施例,在材料层中制造倾斜表面浮雕结构的方法可包括,将包括氢和氮的第一反应性气体注入反应性离子源发生器;从反应离子源发生器中的第一反应气体生成包括氮离子和氢离子的等离子体;从反应离子源发生器提取至少一些氮离子和至少一些氢离子,以形成朝向材料层的准直反应离子束;将包括氟的第二反应气体注入材料层;用准直反应离子束和第二反应气体对材料层进行物理和化学蚀刻,从而形成倾斜表面浮雕结构。材料层可包括TiO.sub.x、LiNbO.sub.3、HfO.sub.x、TiSiO.sub.x、SiC、ZnSe、InGaAs或GaP中的至少一种。

在一个实施例中,材料层可包括TiO.sub.x层。至少一些氢离子和至少一些氮离子可与TiO.sub.x层反应以形成Ti.sub.wH.sub.xN.sub.zF、Ti.sub.wH.sub.xN.sub.zCl或Ti.sub.wH.sub.xN.sub.zBr层。第二反应气体可与Ti.sub.wH.sub.xN.sub.zF、Ti.sub.wH.sub.xN.sub.zCl或Ti.sub.wH.sub.xN.sub.zBr层反应,以生成TiF.sub.4、TiCl.sub.4或TiBr.sub.4,以及O.sub.2、CO.sub.2或H.sub.2O中的至少一种。

在一个实施例中,材料层可包括SiC层,且至少一些氢离子和至少一些氮离子可与SiC层反应以形成Si.sub.wH.sub.xN.sub.yC.sub.zF、Si.sub.wH.sub.xN.sub.yC.sub.zCl或Si.sub.wH.sub.xN.sub.yC.sub.zBr层。第二反应气体可与Si.sub.wH.sub.xN.sub.yC.sub.zF层反应以生成SiF.sub.4、SiCl.sub.4或SiBr.sub.4,以及CH.sub.4、CN、CF.sub.4、CCl.sub.4或CBr.sub.4中的至少一种。

根据一个实施例,表面浮雕结构可包括基板和基板上的多个脊,以及两个相邻脊之间的多个凹槽。多个脊可以相对于衬底倾斜,并且可以包括折射率至少为2.3的材料。多个凹槽底部的衬底区域可包括浓度至少为10.sup.10/cm.sup.3的氢或氮中的至少一种。

延伸阅读Meta研究:氯溴碘卤族元素有望成为高折射率光学方案材料

值得一提的是,Meta在日前的一次分享中提出,具有5.97至13.90高原子折射率的卤族元素(如氯、溴和碘)能够成为开发高折射率聚合物的有用成分,并有望在传感器和光电子器件中实现广泛的应用。

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名为“Hydrogen/nitrogen doping and chemically assisted etching of high refractive index gratings”的Meta专利申请最初在2020年5月提交,并在日前由美国专利商标局公布。

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