Meta專利提出通過氫氮輔助化劑蝕刻AR高折射率光柵的方法

　　對于AR領(lǐng)域，光學(xué)透明系統(tǒng)可以采用基于波導(dǎo)的光學(xué)顯示器。其中，投影圖像的光可以耦入波導(dǎo)，在波導(dǎo)內(nèi)傳播，并在不同位置耦出波導(dǎo)。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，可以使用諸如傾斜表面浮雕光柵這樣的衍射光學(xué)元件來將投影圖像的光耦入或耦出波導(dǎo)。但是，以理想速度制造具有合適輪廓的傾斜表面浮雕光柵并不容易。

　　在名為“Hydrogen/nitrogen doping and chemically assisted etching of high refractive index gratings”的專利申請中，Meta描述了一種通過氫/氮輔助化劑來蝕刻高折射率光柵的方法。

　　這份發(fā)明主要描述了制造傾斜結(jié)構(gòu)的技術(shù)。更具體地說，其涉及在具有高折射率(例如，n>約2.3)的材料上蝕刻傾斜結(jié)構(gòu)的技術(shù)，例如TiO.sub.x、LiNbO.sub.3、HfO.sub.x。TiSiO.sub.x、SiC、ZnSe、InGaAs和GaP等。另外，化學(xué)輔助反應(yīng)離子束蝕刻(chemically assisted reactive ion beam etch;CARIBE)技術(shù)可用于蝕刻傾斜結(jié)構(gòu)，例如在具有超高折射率的材料中蝕刻高對稱傾斜結(jié)構(gòu)或傾斜結(jié)構(gòu)。

　　Meta指出，傾斜結(jié)構(gòu)可用于一系列的光學(xué)或電子設(shè)備中且用于操縱光和/或電的行為。例如，在基于波導(dǎo)的人造現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備中使用傾斜表面浮雕光柵可以改善視場，提高亮度效率，并減少顯示偽影(例如彩虹偽影)。

　　在一個(gè)實(shí)施例中，可實(shí)施化學(xué)輔助反應(yīng)離子束蝕刻工藝，以更有效且更準(zhǔn)確的方式來在具有超高折射的材料中制造傾斜光柵。具有超高折射率的材料可稱為超高折射率材料。

　　在不受任何特定理論約束的情況下，氮離子比氫離子重，可能會破壞一些可能不會被氫離子破壞的鍵，所以超高折射率材料可能更容易蝕刻。鑒于氫離子相對較小的尺寸，氫離子可深入超高折射率材料以破壞超高折射率材料的晶體結(jié)構(gòu)和/或鍵以進(jìn)一步促進(jìn)蝕刻過程。

　　所以，超高折射率材料可由氫離子和/或氮離子摻雜和/或改性。摻雜和/或改性超高折射率材料可與一種或多種反應(yīng)性氣體物種反應(yīng)形成易揮發(fā)材料。例如基于氟的反應(yīng)性氣體等反應(yīng)性氣體種類可添加到離子源發(fā)生器和/或可施加在超高折射率材料上，以通過繞過離子源發(fā)生器的氣環(huán)進(jìn)行蝕刻。通過用氫和/或氮摻雜和/或改性超高折射率材料并用氟基氣體物種蝕刻摻雜和/或改性超高折射率材料，可以更有效和更精確地制造對稱和/或深傾斜光柵。

　　在一個(gè)實(shí)施例，在材料層中制造傾斜表面浮雕結(jié)構(gòu)的方法可包括，將第一反應(yīng)氣體注入反應(yīng)離子源發(fā)生器。所述方法進(jìn)一步包括，從反應(yīng)離子源發(fā)生器中的第一反應(yīng)氣體生成等離子體，其中等離子體可包括具有第一原子量的第一反應(yīng)離子和具有小于第一原子量的第二原子量的第二反應(yīng)離子。

　　接下來，所述方法包括從等離子體中提取至少一些第一反應(yīng)離子和至少一些第二反應(yīng)離子，從而形成朝向材料層且折射率至少為2.3的的準(zhǔn)直反應(yīng)離子束。然后，將第二反應(yīng)氣體注入材料層。最后，用準(zhǔn)直反應(yīng)離子束和第二反應(yīng)氣體對材料層進(jìn)行物理和化學(xué)蝕刻，以在材料層中形成傾斜表面浮雕結(jié)構(gòu)。

　　Meta指出，在一個(gè)實(shí)施例中，材料層可包括TiO.sub.x、LiNbO.sub.3、HfO.sub.x、TiSiO.sub.x、SiC、ZnSe、InGaAs或GaP中的至少一種。在一個(gè)實(shí)施例中，第一反應(yīng)離子可包括氮離子。在一個(gè)實(shí)施例中，第二反應(yīng)離子可包括氫離子。

　　在一個(gè)實(shí)施例中，第一反應(yīng)氣體可包括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中的至少一種。在一個(gè)實(shí)施例中，第一反應(yīng)氣體可不含氧或碳。在一個(gè)實(shí)施例中，第二反應(yīng)氣體可包括氟基反應(yīng)氣體或氯基反應(yīng)氣體或溴基反應(yīng)氣體。在一個(gè)實(shí)施例中，第二反應(yīng)氣體可包括CF.sub.4、NF.sub.3、SF.sub.6、Cl.sub.2、BCl.sub.3或HBr中的至少一種。

　　在一個(gè)實(shí)施例中，從等離子體中提取至少一些第一反應(yīng)離子和至少一些第二反應(yīng)離子，從而形成準(zhǔn)直反應(yīng)離子束。這種方法可包括在靠近反應(yīng)離子源發(fā)生器的提取柵極上施加提取電壓，以及在加速柵極上施加加速電壓，以提取和加速至少一些第一反應(yīng)性離子和至少一些第二反應(yīng)性離子。提取柵極和加速柵極可以對齊，并且加速電壓可以不同于提取電壓。

　　在一個(gè)實(shí)施例中，傾斜表面浮雕結(jié)構(gòu)可以包括傾斜表面浮雕光柵，并且傾斜表面浮雕光柵可以包括多個(gè)脊。在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)脊的每個(gè)脊的前緣可平行于脊的后緣。

　　傾斜表面浮雕光柵可具有以下特征中的至少一個(gè)：多個(gè)脊的每個(gè)脊的前緣的傾斜角度和脊的后緣的傾斜角度相對于材料層的表面法線大于30度;前緣長度和后緣長度之間的差值小于后緣長度的10%;傾斜表面浮雕光柵的深度大于100 nm，或傾斜表面浮雕光柵的占空比大于60%。

　　根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在材料層中制造傾斜表面浮雕結(jié)構(gòu)的方法可包括，將包括氫和氮的第一反應(yīng)性氣體注入反應(yīng)性離子源發(fā)生器;從反應(yīng)離子源發(fā)生器中的第一反應(yīng)氣體生成包括氮離子和氫離子的等離子體;從反應(yīng)離子源發(fā)生器提取至少一些氮離子和至少一些氫離子，以形成朝向材料層的準(zhǔn)直反應(yīng)離子束;將包括氟的第二反應(yīng)氣體注入材料層;用準(zhǔn)直反應(yīng)離子束和第二反應(yīng)氣體對材料層進(jìn)行物理和化學(xué)蝕刻，從而形成傾斜表面浮雕結(jié)構(gòu)。材料層可包括TiO.sub.x、LiNbO.sub.3、HfO.sub.x、TiSiO.sub.x、SiC、ZnSe、InGaAs或GaP中的至少一種。

　　在一個(gè)實(shí)施例中，材料層可包括TiO.sub.x層。至少一些氫離子和至少一些氮離子可與TiO.sub.x層反應(yīng)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層。第二反應(yīng)氣體可與Ti.sub.wH.sub.xN.sub.zF、Ti.sub.wH.sub.xN.sub.zCl或Ti.sub.wH.sub.xN.sub.zBr層反應(yīng)，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中的至少一種。

　　在一個(gè)實(shí)施例中，材料層可包括SiC層，且至少一些氫離子和至少一些氮離子可與SiC層反應(yīng)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層。第二反應(yīng)氣體可與Si.sub.wH.sub.xN.sub.yC.sub.zF層反應(yīng)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中的至少一種。

　　根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，表面浮雕結(jié)構(gòu)可包括基板和基板上的多個(gè)脊，以及兩個(gè)相鄰脊之間的多個(gè)凹槽。多個(gè)脊可以相對于襯底傾斜，并且可以包括折射率至少為2.3的材料。多個(gè)凹槽底部的襯底區(qū)域可包括濃度至少為10.sup.10/cm.sup.3的氫或氮中的至少一種。

　　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高原子折射率的鹵族元素(如氯、溴和碘)能夠成為開發(fā)高折射率聚合物的有用成分，并有望在傳感器和光電子器件中實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

　　名為“Hydrogen/nitrogen doping and chemically assisted etching of high refractive index gratings”的Meta專利申請最初在2020年5月提交，并在日前由美國專利商標(biāo)局公布。