用于封装的PVD定向沉积

领域

本公开内容的实施方式总体涉及光学装置。更具体地，本公开内容的实施方式涉及一种封装纳米结构光学装置的光栅的方法。

相关技术的说明

虚拟现实通常被认为是计算机生成的模拟环境，其中使用者具有明显的物理存在。可以3D形式生成虚拟现实体验，并且使用头戴式显示器(HMD)(诸如眼镜或具有近眼显示面板作为镜头的其他可穿戴式显示装置)进行查看，以显示替代实际环境的虚拟现实环境。

然而，增强现实实现了一种体验，在所述体验中，使用者仍然能够透过眼镜或其他HMD设备的显示镜片来查看周围的环境，还能够看到为了显示而生成并且表现为环境的一部分的虚拟物体的图像。增强现实可包括任何类型的输入(诸如声音的和触觉的输入)以及加强或增强使用者所体验的真实环境的视觉图像、图形和视频。作为新兴技术，增强现实存在有许多挑战和设计约束。

一种这样的挑战是显示覆盖在周围环境上的虚拟图像。波导用以辅助叠加图像。产生的光通过波导传播，直到光离开波导并且覆盖在周围环境上。由于波导倾向于具有不均匀的性质，因此制造波导可能具有挑战性。因此，在本领域中所需要的是一种封装波导的光栅的改良方法。

在一个实施方式中，本文显示并且描述一种通过非对称选择性物理气相沉积(PVD)来封装光学装置的光栅的方法。方法包括以下步骤：以相对于基板表面的第一非垂直角度在第一方向中从第一PVD源朝向基板上的第一鳍片结构的一个或多个表面提供第一材料的第一流；在第一鳍片结构的一个或多个表面上沉积第一材料，以形成从第一鳍片结构横向延伸的第一突起物；以相对于基板表面的第二非垂直角度在第二方向中从第二PVD源朝向基板上的第二鳍片结构的一个或多个表面提供第二材料的第二流；和在第二鳍片结构的一个或多个表面上沉积第二材料，以形成从第二鳍片结构横向延伸的第二突起物。第二突起物与第一突起物会聚以在第一鳍片结构和第二鳍片结构上方形成封装层。

在一个实施方式中，本文显示并且描述一种通过非对称选择性物理气相沉积(PVD)来封装光学装置的光栅的方法。方法包括以下步骤：以相对于基板的上表面的平面的第一非垂直角度在第一方向中从第一PVD源朝向设置在基板上的光栅的一个或多个表面提供第一材料的第一流；在光栅的一个或多个表面上沉积第一材料；以相对于基板的上表面的平面的第二非垂直角度在第二方向中从第二PVD源朝向光栅的一个或多个表面提供第二材料的第二流；和在光栅的一个或多个表面上沉积第二材料。第一材料和第二材料在光栅的一个或多个表面上的沉积在光栅上方形成封装层，封装层部分地限定光栅的相邻鳍片之间的一个或多个气隙。

在一个实施方式中，本文显示并且描述一种通过非对称选择性物理气相沉积(PVD)来封装光学装置的光栅的方法。方法包括以下步骤：以相对于基板表面的第一非垂直角度在第一方向中从第一PVD源朝向基板上的第一鳍片结构的一个或多个表面提供第一材料的第一流；引导第一材料的第一流通过具有至少一个开口的准直器，以限制通过至少一个开口的第一材料的角度范围；在第一鳍片结构的一个或多个表面上沉积第一材料，以形成从第一鳍片结构的顶部部分横向延伸的第一突起物；以相对于基板表面的第二非垂直角度在第二方向中从第二PVD源朝向基板上的第二鳍片结构的一个或多个表面提供第二材料的第二流；引导第二材料的第二流通过具有至少一个开口的准直器

为了能够详细地理解本公开内容的上述特征的方式，可通过参考实施方式来获得上文简要概述的本公开内容的更具体描述，其中一些实施方式在附图中图示。然而，应注意附图仅图示示例性实施方式，因此不应被认为是对本公开内容的范围的限制，并且可允许其他等效实施方式。

图1是根据本文描述的实施方式的波导组合器的示意性正面视图。

图2是根据本文描述的实施方式的具有封装的光栅的波导组合器的区域的示意性横截面图。

图3是根据本文描述的实施方式的用于PVD沉积的设备的示意图。

图4是根据本文描述的实施方式的在波导的光栅上方形成封装层的方法的流程图。

图5A和图5B是根据本文描述的实施方式的在波导的光栅上方形成封装层的方法的示意图。

图6是根据本文描述的实施方式的在波导的光栅上方形成封装层的方法的流程图。

图7A和图7B是根据本文描述的实施方式的在波导的光栅上方形成封装层的方法的示意图。

为促进理解，已尽可能使用相同的参考数字来表示图中共有的相同元件。预期的是，一个实施方式的元件和特征可有益地并入其他实施方式中，而无需进一步叙述。

本公开内容的实施方式涉及成角度的PVD设备和方法。更具体地，本文描述的实施方式提供一种在光栅上沉积封装层的方法。

本文描述的实施方式涉及封装的纳米结构光学装置和通过非对称选择性物理气相沉积(PVD)来封装这样的装置的光栅的方法。纳米结构光学装置的示例包括波导和超透镜(metalenses)。在一些实施方式中，用于封装光学装置光栅的方法包括：可同时或顺序地执行的第一PVD工艺和第二PVD工艺。第一PVD工艺可以不垂直于光栅的基板的第一角度提供材料的第一流。第二PVD工艺可以不垂直于光栅的基板的第二角度提供材料的第二流。第一PVD工艺和第二PVD工艺的组合在光栅上方形成封装层，并且在光栅的相邻鳍片之间形成一个或多个气隙。

图1图示具有三个光栅103、105和107的示例性波导组合器100(例如，用于VR或AR应用)的透视正面视图。理解的是，下文描述的波导组合器100是可利用本文描述的系统和方法形成的示例性波导组合器，并且可利用本公开内容的系统和方法来形成或修改其他光学装置和纳米结构的光学装置，诸如其他波导组合器。例如，可形成具有多于三个的光栅的光学装置，诸如五个或更多个光栅。或者，可形成具有少于三个的光栅的光学装置，诸如两个复数个光栅。在另一个示例中，可形成在两个主平面侧上都具有光栅的光学装置。在又一示例中，可形成具有多于一个输入耦合区域和多于一个输出耦合区域的光学装置。

波导组合器100包括由第一光栅103限定的输入耦合区域102、由第二光栅105限定的中间区域104和由第三光栅107限定的输出耦合区域106。每个光栅103、105和107分别包括复数个鳍片113、115、117。在一些实施方式中，复数个鳍片113、115和117的一者或多者包括具有不同几何形状的鳍片，诸如具有与该光栅中的其他鳍片不同的倾斜角度或尺寸的鳍片。另外，复数个鳍片113、115或117内的一个离散鳍片的倾斜角度跨所述鳍片的光栅的长度或宽度可不同。在一些实施方式中，输入耦合区域102、中间区域104和输出耦合区域106布置成在输入耦合区域102与输出耦合区域106之间实现光的大体上全内反射。

图2图示根据本文描述的实施方式的示例性光栅200的示意性横截面图。光栅200可与光栅103、105或107中的一者大体上相似，并且因此可在输入耦合区域102、中间区域104或输出耦合区域106中的一者中使用光栅200。

光栅200包括设置在基板205上的光栅材料层203。在一些实施方式中，光栅材料层203可设置在一个或多个间隔件层(未示出)上，所述一个或多个间隔件层设置在基板205上。在包括间隔件层的实施方式中，间隔件层可操作以为光栅200提供支撑，并且具有根据光栅200的期望光学特性的厚度和材料。

基板205可由任何合适的材料形成并且具有任何合适的厚度，只要基板205可足够地透射期望波长或波长范围中的光并且可用作对于光栅200的足够支撑。在一些实施方式中，基板205的材料包括(但不限于)硅(Si)、二氧化硅(SiO

光栅材料层203包括碳氧化硅(SiOC)、氧化钛(TiO

根据本文描述的方法，光栅材料层203包括设置在光栅材料层203上的具有高度h和横向距离d的复数个鳍片207。在图2中所示的实施方式中，鳍片207的高度h限定为从光栅材料层203的表面214到鳍片207的顶表面216的距离。在没有光栅材料层203的实施方式中，鳍片207的高度h可限定为从基板205的顶表面到鳍片207的顶表面216的距离。间隙g是在光栅200的相邻鳍片207之间的距离。在一些实施方式中，复数个鳍片207的每一相邻鳍片207的间隙g大体上相同。在另一实施方式中，至少一组相邻鳍片207的间隙g不同于复数个鳍片207的另外组的相邻鳍片207的间隙g。在一些实施方式中(如图2中所示)，复数个鳍片207可具有鳍片207的单个部分209，在单个部分209中的每个鳍片207相对于表面法线215具有相同的倾斜角度θ’。在一些实施方式(未示出)中，复数个鳍片207可具有鳍片207的两个或更多个部分，每个部分相对于基板205的表面法线215可具有不同的倾斜角度θ’。在一些实施方式中，基于复数个鳍片207的期望深度和倾斜角度来选择光栅材料层203的材料。在一些实施方式中，鳍片207可具有相对于表面法线215等于零的倾斜角度θ’，并且因此鳍片207可为二元鳍片(binary fins)。

光栅200进一步包括设置在复数个鳍片207上方的封装层208。封装层208是设置在鳍片207的顶表面216上方的材料的大体上平面的层，与鳍片207和基板205的表面214或间隔件层的顶表面一起限定设置在相邻鳍片207之间的一个或多个气隙(例如，腔)218。在一些实施方式中，封装层208具有在约5nm和约1000nm之间的厚度，诸如在约50nm和约750nm之间。例如，封装层208具有在约100nm和约600nm之间的厚度，诸如在约200nm和约400nm之间，诸如约300nm。

通常，封装层208的折射率低于光栅材料层203的折射率。在一些实施方式中，封装层208的折射率在约1.0与约1.7之间，诸如在约1.2和约1.5之间。在一些实施方式中，封装层208的吸收系数小于约0.001。封装层208可由任何合适的透明材料形成，包括(但不限于)含二氧化硅的材料和不含二氧化硅的材料，诸如含聚合物的材料，例如氟聚合物。在一些实施方式中，封装层208由二氧化硅(SiO

每个气隙218的高度大体上类似于与所述气隙相邻的鳍片207的高度h，并且每个气隙218的宽度等于在相邻的鳍片207之间的间隙g。气隙218可填充有大气空气或任何其他合适的气体。空气具有1.0的折射率和0的吸收系数，并且因此，与使用间隙填充材料或其他涂层相比，用空气填充的气隙218可改善通过光栅200的光学透射率。因此，气隙218可使光栅200具有更好的效率并且减小光学装置设计中需要的鳍片207的高度h。在一些实施方式中，气隙218填充有处于或接近大气压的一种或多种气体。在其他实施方式中，气隙218填充有处于低于大气压的压力(sub-atmospheric pressure)的一种或多种气体。

图3是根据本公开内容的至少一些实施方式的用于PVD沉积的设备300的示意性侧视图。具体地，图3示意性地描绘用于到光栅上的成角度的PVD以在光栅上形成大致平面的封装层的设备300。设备300通常包括第一PVD源302、用于支撑光栅200的支撑件308和可选的准直器310。第一PVD源302配置成提供从PVD源302朝向支撑件308(和设置在支撑件308上的光栅200或其他基板)的第一定向材料流(如图3中所描绘的流312)。在一些实施方式中，设备300包括从PVD源304朝向支撑件308(和设置在支撑件308上的光栅200或其他基板)的第二定向材料通量流(如图3中所描绘的流314)。第一PVD源302和/或第二PVD源304可耦接至可旋转盖(未示出)或其他可旋转支撑结构，以使第一PVD源302和/或第二PVD源304相对于支撑件308绕着y轴能够旋转多达360度或180度。

支撑件308包括支撑表面311以支撑光栅200，使得要沉积在光栅200上的光栅200的一个或多个工作表面暴露于第一流312和第二流314。支撑件308可配置成相对于第一PVD源302和第二PVD源304沿x轴、y轴和z轴移动(例如，扫描)，如箭头316所指示的，其中移动可为线性的或非线性的。可选地，支撑件308可附加地配置成绕y轴旋转或关于x轴和z轴倾斜，如箭头316所指示的。通常，支撑件308耦接到致动器309，致动器309用于围绕x轴、y轴和z轴平移和旋转地致动支撑件308。

第一PVD源302和和第二PVD源304包括要溅射沉积在光栅200上的靶材料。在一些实施方式中，第一PVD源302和第二PVD源304的靶材料是相同的靶材料。在其他实施方式中，由第一PVD源302和第二PVD源304提供的靶材料彼此不同。在一些实施方式中，靶材料包括上述封装层208中要包括的一种或多种材料。例如，靶材料可包括含二氧化硅的材料和不含二氧化硅的材料，诸如含聚合物的材料，例如氟聚合物材料。在一些实施方式中，靶材料包括含硅(Si)材料(诸如二氧化硅(SiO

在一些实施方式中，与离子束或其他离子源不同，第一PVD源302和第二PVD源304配置成主要提供靶材料的中性粒子和提供靶材料的少量离子。这样，可形成具有足够低密度的等离子体，以避免离子化太多靶材料的溅射原子。可针对其他尺寸的波导或其他基板按比例缩放所施加的功率或功率密度。另外，可控制其他参数以帮助在材料流312、314中主要提供中性粒子。例如，可将压力控制为足够低，使得平均自由程长于第一PVD源302和第二PVD源304的开口的总体尺寸，材料通量的流通过所述开口朝向支撑件308。在一些实施方式中，可将压力控制在约0.5毫托(mTorr)和约25mTorr之间，诸如在约1mTorr和约20mTorr之间，诸如在约5mTorr和约15mTorr之间，诸如约10mTorr。

在与本公开内容一致的实施方式中，可控制材料通量的第一流312和第二流314的入射的横向角度。例如，图3描绘根据本公开内容的至少一些实施方式的设备300，图示来自第一PVD源302的第一流312的材料沉积角度α330和来自第二PVD源304的第二流314的角度β332。在一些实施方式中，角度α330和角度β332可以是固定的或通过如箭头332所示倾斜第一PVD源302和/或如箭头324所示倾斜第二PVD源304而可调整的。因此，第一PVD源302和第二PVD源304通信地耦合至致动器303、305，用于使PVD源302、304关于x轴和z轴倾斜。

如上所述，设备300可包括可选的准直器310。在一些实施方式中，准直器310是插置在PVD源302、304和光栅200之间的具有一个或多个开口340的物理结构(诸如罩，盘或复数个挡板)，使得材料通量的流312、314行进通过所述结构(例如，准直器310)。具有太大或太小的角度以致不能通过准直器310的开口340的任何材料将被阻挡，从而限制到达光栅200的材料的允许角度范围。在一些实施方式中，准直器310可包括单个开口。在其他实施方式中，设备300包括具有多个开口的单个准直器310。另外，在其他实施方式中，准直器310可包括多个准直器，每个准直器具有一个或多个开口。如本文所使用的，准直器310用作控制从第一PVD源302和/或第二PVD源304溅射的材料的散布角度的散布角度控制设备。在一些实施方式中，一个或多个准直器310可线性地移动，如箭头328所示。

在一些实施方式中，材料的流312、314实际接触光栅200的一个或多个表面的入射角度330’、332’可不同于由第一PVD源302和第二PVD源304提供的材料的流312、314的入射角度330、332。材料的流312、314实际接触光栅200表面的入射角度330’、332’可通过以下的一者或多者而控制(例如，改变)：由第一PVD源302和第二PVD源304提供的材料的流的入射角度330、332，可选的准直器310中的开口的数量和位置、相对于PVD源302、304和光栅200或支撑件308的位置的可选的准直器310的线性位置和支撑件308的旋转326和线性移动316。

本文公开的方法和实施方式有利地使得能够沉积材料，以封装波导的光栅。例如，图4是根据一个实施方式的使用设备300在光栅200的复数个鳍片207上方形成封装层208的方法400的流程图。图5A和图5B是根据一实施方式的形成封装层208的方法400的示意图。具体地，图5A和图5B描绘具有沉积在光栅200上的封装层208的光栅200的示意性横截面图。尽管描绘光栅200，但是包括具有特征(诸如柱、沟槽、过孔或类似者)的光学装置的其他结构可同样地受益于本文描述的方法。

用于在光栅200上沉积封装层208的方法400在操作402处开始，其中从第一PVD源302在第一方向中朝向鳍片207的一个或多个表面提供材料的第一流312。例如，第一PVD源302可被偏压并且用惰性气体离子(诸如氩(Ar)离子、氪(Kr)离子和氙(Xe)离子)轰击，以将材料的第一流312溅射沉积到复数个鳍片207上。在一些实施方式中，PVD化学物质是反应性PVD化学物质。例如，PVD化学物质可包括氧气(O

在操作404处，材料的第一流312可选地被引导通过具有至少一个开口340的准直器310，以进一步限制穿过所述开口的第一流312的角度范围(例如，散布范围(spread))，从而进一步限制材料的第一流312到鳍片207上的沉积角度。在一些实施方式中，由第一PVD源302提供的流的角度、可选的准直器310的物理结构和位置与支撑件308的表面角度的组合控制材料的第一流312接触鳍片207的入射角度330’。通过在沉积期间控制入射角度330’以及相对于第一PVD源302和/或准直器310线性地移动光栅200，可实现靶材料到鳍片207上的选择性并且非对称的沉积。具体地，在操作406处(描绘在图5A中)，第一流312材料仅沉积在鳍片207的期望表面上，诸如至少一个鳍片207的顶表面216和/或至少一个鳍片207的第一侧壁518的顶部部分。如图5A中所示，材料的第一流312在第二侧壁520上没有沉积，并且材料的第一流312在基板205的顶表面214附近几乎没有或没有沉积。因此，通过沉积从第一侧壁518的顶部部分和/或鳍片207的顶表面横向延伸的材料的第一流312而形成一个或多个第一横向突起物530。一旦完成方法400，第一横向突起物530最终形成封装层208的一部分。

在操作408(操作408可与上文的操作402至406的任一个同时发生或顺序地在上文的操作402至406的任一个之后发生)处，从第二PVD源304在第二方向中朝向鳍片207的一个或多个表面提供材料的第二流314。例如，第二PVD源304可被偏压并且用惰性气体离子轰击，以将材料的第二流314溅射沉积到复数个鳍片207上。以相对于基板205的顶表面214的平面非垂直的第二角度β332提供材料的第二流314。基于封装层208和鳍片207的期望尺寸以及鳍片207的(多个)倾斜角度来选择第二角度β332。在一些实施方式中，第二角度β332相对于基板205的表面法线215在约45度和约89度之间，诸如相对于基板205的表面法线215在约60度和约89度之间。例如，第一角度β332相对于基板205的表面法线215在约75度和约85度之间，诸如在约78度和约82度之间。

在操作410处，材料的第二流314可选地被引导通过具有至少一个开口340的准直器310，以进一步限制穿过所述开口的第二流314的角度范围(例如，散布范围)，从而进一步限制材料的第二流314到鳍片207上的沉积角度。如上所述，由第二PVD源304提供的流的角度、可选的准直器310的物理结构和位置与支撑件308的表面角度的组合可控制材料的第二流314接触鳍片207的入射角度332’。

在操作412(描绘在图5B中)处，材料的第二流314仅沉积在鳍片207的期望表面上，诸如至少一个鳍片207的顶表面216和/或至少一个鳍片307的第二侧壁520的顶部部分。如图5B中所示，材料的第二流314在第一侧壁518上没有沉积，并且材料的第二流314在基板205的顶表面214附近几乎没有或没有沉积。因此，通过沉积材料的第二流314(材料的第二流314的所述沉积从第二侧壁520的顶部部分和/或鳍片207的顶表面216朝向第一横向突起物530横向延伸)而形成一个或多个第二横向突起物532。一旦如上所述的进一步沉积之后，第一横向突起物530和第二横向突起物532最终会聚并且彼此整合，以形成封装层208(描绘在图2中)。

图6是根据一实施方式的使用设备300在光栅200的复数个鳍片207上方形成封装层208的替代方法600的流程图。方法600与方法400大体上相似，并且包括与操作402、404和406大体上相似的若干操作602、204和606。因此，为了清楚起见，在此将仅描述方法600的操作608、610、612和614。图7A和图7B是根据一实施方式的形成封装层208的方法600的示意图。具体地，图7A和图7B描绘具有沉积在光栅200上的封装层208的光栅200的示意性横截面图。尽管描绘光栅200，但是包括具有特征(诸如柱、沟槽、过孔或类似者)的光学装置的其他结构可同样地受益于本文描述的方法。

在鳍片207的期望表面上沉积材料的第一流312以形成第一横向突起物530(在图7A中示出)之后，在操作608处，光栅200和/或第一PVD源302可绕y轴旋转。例如，支撑件308和/或第一PVD源302可绕y轴在约1度和约360度之间旋转，诸如在约1度和约180度之间旋转，诸如在约1度和约90度之间旋转。支撑件308和/或第一PVD源302的旋转使得第一PVD源302相对于光栅200具有与形成第一横向突起物530期间不同的平移和角度取向，在图7B中示出。因此，第一PVD源302和/或支撑件308的旋转使得能够在第二方向中从第一PVD源302提供材料的第二流314，而无需利用第二PVD源。因此，可仅利用第一PVD源302来形成第二横向突起物532以完成封装层208的形成。

在操作610处，从第一PVD源302在第二方向中朝向鳍片207的一个或多个表面提供材料的第二流314。例如，在第一PVD源302和/或支撑件308上的光栅200旋转之后，第一PVD源302可再次被偏压并且用惰性气体离子轰击，以将材料的第二流314溅射沉积到复数个鳍片207上，这次是在第二方向中。类似于操作408，材料的第二流314以第二角度β332而被提供，第二角度β332基于封装层208和鳍片207的期望尺寸以及鳍片207的(多个)倾斜角度。在一些实施方式中，第二角度β332相对于基板205的表面法线215在约45度和约89度之间，诸如相对于基板205的表面法线215在约60度和约89度之间。例如，相对于基板205的表面法线215，第一角度β332在约75度和约85度之间，诸如在约78度和约82度之间。

在操作612处，材料的第二流314可选地被引导通过具有至少一个开口340的准直器310，以进一步限制穿过所述开口的第二流314的角度范围(如，散布范围)，从而进一步限制将材料的第二流314沉积到鳍片207上的角度。如上所述，由第一PVD源302提供的流的角度、可选的准直器310的物理结构和位置与支撑件308的表面角度的组合可控制材料的第二流314接触鳍片207的入射角度332’。

在操作614(描绘在图7B中)处，材料的第二流314仅沉积在鳍片207的期望表面上，诸如至少一个鳍片207的顶表面216和/或至少一个鳍片207的第二侧壁520的顶部部分。如图7B中所示，材料的第二流314在第一侧壁518上没有沉积，并且材料的第二流314在基板205的顶表面214附近几乎没有或没有沉积。因此，通过从第二侧壁520的顶部部分和/或鳍片207的顶表面216朝向第一横向突起物530横向延伸的材料的第二流314的沉积而形成一个或多个第二横向突起物532。一旦进一步沉积之后，第一横向突起物530和第二横向突起物532最终会聚并且彼此整合，以形成封装层208(描绘在图2中)。

尽管参考单个PVD源进行描绘和描述，但是方法600可在具有第一PVD源302和第二PVD源304二者的情况下执行。因此，在以上的操作602到614的任一个的期间可同时或顺序地提供并且沉积两个或更多个材料的流。此外，在一些实施方式中，可在支撑件308和/或第一PVD源302与第二PVD源304旋转的同时进行沉积。

总之，本文描述的实施方式提供具有封装的光栅的波导和形成所述波导的方法。利用成角度的PVD或方向PVD使得能够在光栅上方形成封装层，从而在光栅的相邻鳍片之间形成气隙。利用在光栅的相邻鳍片之间的气隙而不是间隙填充材料可改善通过光栅的光传输，从而增强整合这样的光栅的光学装置的光学性能。

尽管前述内容涉及本公开内容的示例，但是在不背离本公开内容的基本范围的情况下，可设计本公开内容的其他和进一步的示例，并且本公开内容的范围由所附的权利要求书确定。