CN120826630A

CN120826630A - 光学元件图案化

Info

Publication number: CN120826630A
Application number: CN202480016136.3A
Authority: CN
Inventors: 安热利克·雷利; 路易斯·费尔南德斯; 布赖恩·普法伊费尔; 乔舒亚·拉罗斯
Original assignee: Tokyo Yili Science And Technology Co ltd
Current assignee: Tokyo Yili Science And Technology Co ltd
Priority date: 2023-04-24
Filing date: 2024-03-01
Publication date: 2025-10-21
Also published as: KR20260005204A; TW202509573A; WO2024226166A1; US20240353751A1

Abstract

一种用于用气体团簇离子束(GCIB)加工基板的方法，该方法包括：在GCIB控制器处接收来自工具控制器的用于在GCIB扫描工艺期间改变GCIB工艺参数的控制信号，该GCIB工艺参数的改变与通过该GCIB扫描工艺要在该基板上形成的凹陷的深度的变化相关联；以及在GCIB工艺腔室中执行该GCIB扫描工艺，该执行包括根据这些控制信号在该基板的一部分上扫描GCIB以形成具有不同深度的凹陷，这些凹陷的深度变化的梯度与该GCIB工艺参数的改变相关联。

Description

光学元件图案化

相关专利和申请的交叉引用

本申请要求于2023年4月24日提交的美国非临时申请号18/305,978的权益，该美国非临时申请通过援引以其全文并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及加工基板的方法，并且在特定实施例中，涉及光学元件图案化。

背景技术

表面浮雕光栅(SRG)是材料表面上的控制光的衍射的周期性结构。这些结构可以包括具有周期性的凸脊和凹槽，该周期性典型地大约为光的波长。SRG对于在虚拟现实和增强现实(VR/AR)显示器中的使用具有重要意义，在这些显示器中，SRG可以用作光波导。SRG还可以用于其他应用，诸如光谱仪、分束器、3D扫描系统和衍射透镜。进一步地，具有深度梯度的SRG对于各种光学应用可能特别有用。例如，通过引入光栅高度中的梯度，可以创建折射率梯度。这已经用于微透镜、光波导和光束整形器的设计，包括用于VR/AR显示器的这种光学元件。

SRG的设计和制造对于实现期望的性能至关重要，并且各种制造技术是可用的，包括UV光刻和纳米压印光刻。然而，SRG的制造仍然面临技术挑战，比如高精度需求和高制造成本。因此，期望开发一种用于SRG的新的制造方法并提高工艺准确性和效率。

发明内容

根据本发明的实施例，一种用于用气体团簇离子束(GCIB)加工基板的方法包括：在GCIB控制器处接收来自工具控制器的用于在GCIB扫描工艺期间改变GCIB工艺参数的控制信号，该GCIB工艺参数的改变与通过该GCIB扫描工艺要在该基板上形成的凹陷的深度的变化相关联；以及在GCIB工艺腔室中执行该GCIB扫描工艺，该执行包括根据这些控制信号在该基板的一部分上扫描GCIB以形成具有不同深度的凹陷，这些凹陷的深度变化的梯度与该GCIB工艺参数的改变相关联。

根据本发明的实施例，一种用于用气体团簇离子束(GCIB)加工基板的方法包括：图案化设置在该基板上的第一掩模层；在该基板的图案化的第一掩模层上形成第二掩模层；以及蚀刻该第二掩模层的一部分，使得该第二掩模层的该部分的剩余表面相对于该基板的主表面倾斜一定坡度，该蚀刻包括，在GCIB控制器处接收来自工具控制器的用于在蚀刻该第二掩模层的该部分期间改变GCIB工艺参数的控制信号，该GCIB工艺参数的改变与该坡度相关联，以及根据这些控制信号在该基板的一部分上扫描第一GCIB。

根据本发明的实施例，一种由基板制造多个光学元件的方法包括：为要形成的沿着第一方向具有长形形状的第一光学元件选择该基板的第一部分；为要形成的沿着不同于该第一方向的第二方向具有该长形形状的第二光学元件选择该基板的第二部分；以及用粒子束扫描该基板，以在该基板的第一部分上形成具有不同深度的第一凹陷图案，并且在该基板的第二部分上形成具有不同深度的第二凹陷图案。

附图说明

为了更全面地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图给出的描述，在这些附图中：

图1展示了根据各种实施例的包括要形成的光学元件的选定区域的示例基板；

图2展示了根据各种实施例的包括形成的光学元件的示例眼镜；

图3A至图3C展示了根据各种实施例的用于扫描光学元件的不同扫描模式，其中，图3A展示了水平双向扫描，图3B展示了水平单向扫描，并且图3C展示了斜向单向扫描；

图4A至图4D展示了根据各种实施例的在制造光学元件的各个阶段的示例基板的局部截面视图，其中，图4A展示了具有图案化的第一掩模层的进料基板，图4B展示了用于在基板中形成凹陷图案的气体团簇离子束(GCIB)工艺的扫描开始时的基板，图4C展示了GCIB工艺的扫描结束时的基板，并且图4D展示了GCIB工艺之后的基板并且去除了图案化的第一掩模层；

图5A至图5C展示了根据替代实施例的在制造光学元件的各个阶段的示例基板的局部截面视图，其中，图5A展示了具有图案化的第一掩模层和第二掩模层的进料基板，图5B展示了用于形成第二掩模层的倾斜表面的气体团簇离子束(GCIB)工艺的扫描之后的基板，并且图5C展示了随后的用于在基板中形成凹陷图案的蚀刻工艺之后的基板；

图6A和图6B展示了具有表面浮雕光栅(SRG)的示例光学元件的局部截面视图，其中，图6A展示了具有倾斜光栅的光学元件，并且图6B展示了具有倾斜且锥形的光栅的光学元件；

图7A至图7C展示了根据各种实施例的光学元件图案化的方法的工艺流程图，其中，图7A展示了一种实施例，图7B展示了另一种实施例，并且图7C展示了又一种实施例；

图8展示了根据一种实施例的气体团簇离子束(GCIB)加工系统；以及

图9展示了根据一种实施例的用于动态控制气体团簇离子束(GCIB)的示例反馈回路。

具体实施方式

本申请涉及加工基板的方法，更具体地涉及光学元件图案化。对于用于虚拟现实和增强现实(VR/AR)显示器的光学元件，重要的是具有“透视”能力，其中用户可以同时看到投影在显示器上的虚拟图像和真实世界环境两者。为了引导光朝向期望的方向，光波导因此对于VR/AR显示光学元件是必不可少的。光波导可以使用表面浮雕光栅(SRG)形成，这些表面浮雕光栅具有大约为光的波长的周期性凸脊和凹槽。特别地，具有深度梯度的SRG可以用于实现折射率梯度，该折射率梯度有助于将光从波导中耦出。尽管SRG可以使用光刻和随后的蚀刻工艺在基板上制造，但是制造复杂的SRG(比如具有深度梯度的SRG)可能需要更复杂的工艺流程(例如，多个掩模层)和精确的工艺控制。因此，可能期望一种用于制造SRG的新方法。本申请的实施例公开了用于图案化具有SRG的光学元件的气体团簇离子束(GCIB)工艺的方法。

本披露中描述的方法可以有利地通过提供位置特定深度校正的能力来改进制造用于光学元件的SRG的工艺。利用精确的修整控制能力，这些方法可以在基板的选定区域中实现具有深度梯度的SRG。进一步地，还可以从单个基板制造在不同方向上取向的光学元件。GCIB工艺的方法可以有利地应用于各种图案化工艺流程，比如多掩模图案化方法、单掩模图案化方法或甚至无掩模方法。

在下文中，首先参考图1至图2描述基板上要形成的多个光学元件的包装以及包括这些光学元件的示例眼镜。然后参考图3A至图3C描述根据各种实施例的通过气体团簇离子束(GCIB)对光学元件的示例扫描模式。结合图4A至图4D、图5A至图5C和图6A至图6B，描述了根据各种实施例的光学元件的GCIB工艺的步骤，随后是图7A至图7C中所展示的示例工艺流程图。图8提供了用于光学元件图案化的示例GCIB加工系统。本披露中的所有附图仅用于说明目的而非按比例绘制，包括特征的纵横比。尽管本披露中的以下描述主要是针对使用GCIB工艺的光学元件的表面浮雕光栅(SRG)，但是本文的方法也可以应用于其中图案化具有深度梯度的凹陷图案可能是有用的任何其他制造工艺。

图1展示了根据各种实施例的包括要形成的光学元件110的选定区域的示例基板100。

图1A展示了进料基板100的截面视图。在各种实施例中，基板100可以是透明基板，比如玻璃基板或聚合物基板。基板100可以包括玻璃、碳化硅或用于光学透镜等光学元件的其他合适的材料。在其他实施例中，待加工的基板可以是半导体晶片、陶瓷基板、压电基板、平板显示器、液晶显示器或任何其他器件或材料。尽管本披露主要描述了光学元件图案化，但是在本披露的各种实施例中，基板可以包括器件或基板的任何材料部分或结构及其组合，因此不限于图案化或未图案化的任何特定基底结构、下层或上覆层。在各种实施例中，基板100的直径可以为200mm或300mm，该基板可以在气体团簇离子束(GCIB)工艺腔室中装载和加工。

如图1所示，多个光学元件110可以由单个基板(即，基板100)制造。光学元件110可以具有适合其应用(比如光学透镜)的任何形状，例如椭圆形或长圆形形状。在各种实施例中，如图1中的两个虚线箭头所指示的，光学元件110中的一些光学元件的取向方向可以不同于其中另一些光学元件。这种布置可以有利于最大化可由基板100制造的光学元件110的数量。在各种实施例中，GCIB工艺的方法可以提供基板内扫描方向的自由度和用于蚀刻的微调能力，并且由此光学元件110中的每一个光学元件可以有利地以任何取向定位。

尽管图1展示了定位在两个不同取向上的总共15个光学元件，但是基板上的光学元件和取向的数量不限于任何数量。进一步地，在各种实施例中，光学元件110可以具有多于一种图案化设计，例如，光学元件110中的一些光学元件可以被图案化为左侧光学透镜，并且另一些光学元件可以被图案化为右侧光学透镜。这些方法还可以用于用GCIB选择性地仅加工基板100上的感兴趣区域。

图2展示了根据各种实施例的包括形成的光学元件110的示例眼镜200。

在各种实施例中，光学元件110可以是适合于眼镜200的光学透镜。在某些实施例中，眼镜200用于虚拟现实和增强现实(VR/AR)显示器。在一个或多个实施例中，眼镜200的宽度可以在100mm到150mm之间，例如约130mm，并且光学元件110的水平直径(d₁)可以在50mm到60mm之间，垂直直径(d₂)在40mm到50mm之间。

图3A至图3B展示了根据各种实施例的用于扫描光学元件的不同扫描模式。

在各种实施例中，光学元件110可以通过用气体团簇离子束(GCIB)扫描基板(例如，通过相对于固定GCIB移动基板)来图案化。在本披露中，“扫描”用于广义地指用射束处理基板，并且不限于任何扫描模式(例如，在固定的射束上移动基板或在固定的基板上移动射束)。在某些实施例中，扫描可以包括移动基板和射束两者。如图3A至图3C所示，扫描可以以如扫描方向300所指示的各种方式执行。在图3A所展示的一个实施例中，这些方法可以在两个方向上(即，从左到右以及从右到左)水平地扫描基板，同时从上到下逐步移动扫描线。在图3B所展示的另一个实施例中，这些方法可以在一个方向上(即，从左到右)水平地扫描基板，同时从上到下逐步移动扫描线。在图3C所展示的又一个实施例中，这些方法还可以在一个方向上但相对于水平线成角度地扫描基板。这些方法可以在加工整个基板时动态地调整每个光学元件的扫描方向和GCIB参数(例如，扫描速度和入射角)，这可以有利地实现具有不同取向的光学元件(例如，图1)的包装。

GCIB工艺在表面改性方面具有优势，并且已用于各种材料的表面的蚀刻、清洁和平滑处理。在这些方法的各种实施例中，与使用其他蚀刻技术(例如，带状离子束)的一些常规方法相比，使用GCIB来图案化光学元件可以提供若干优点。例如，GCIB可以形成为斑点尺寸小至几微米的尖锐点束，这进而实现了精确的X-Y位置特定蚀刻控制，其对于广泛分散的射束(比如带状离子束)而言可能是困难的。此外，GCIB可以提供更好的剂量控制(即，粒子轰击的能量)。在某些实施例中，GCIB的剂量控制可能足以在不需要图案化的区域中实现“零蚀刻”。GCIB剂量可以通过调整各种GCIB工艺参数(比如团簇大小、扫描速度和电离水平)来控制。在一个实施例中，可以使用GCIB系统的压力单元特征通过氩气(Ar)轰击将团簇分裂成更小的团簇。

进一步地，GCIB还可以有利地避免对基板造成不期望的损坏。当气体团簇轰击表面时，它们分解并递送大部分动能以物理和/或化学方式改性基板。尽管每个团簇具有高能量(例如，约30keV至80keV)，但每个分子的能量较低，约为几eV；因此，GCIB中的分子通常在距表面约几纳米(例如，小于10nm)内停止。另一方面，例如，射束中的单个分子离子(如果存在)的能量可能在几十keV范围内，并且因此可以容易地深入到基板中(几十nm至大约100nm)，并且可能对基板造成不受控制的损坏。

图4A至图4D展示了根据基于单掩模方法的各种实施例的在制造光学元件的各个阶段的示例基板100的局部截面视图。图4A展示了具有图案化的第一掩模层410的进料基板100。

在图4A中，仅展示了基板100的可以形成光学元件的一部分。在各种实施例中，光学元件的全部或部分区域可以被加工用于图案化。在一个或多个实施例中，待加工用于图案化的区域的一侧的长度可以在20mm到50mm之间。

进料基板(比如玻璃基板或聚合物基板)可以包括图案化的第一掩模层410。图案化的第一掩模层410可以包括用于蚀刻基板100的任何合适的掩模材料，包括氮化硅、金属氧化物和金属氮化物。在某些实施例中，图案化的第一掩模层410可以形成为包含多于一种材料的层堆叠体。在各种实施例中，硬掩模(例如氮化硅)的覆盖层可以使用诸如气相沉积(包括化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和原子层沉积(ALD))等沉积技术以及诸如等离子体增强CVD(PECVD)、溅射和其他工艺等其他等离子体工艺沉积。然后可以使用光刻工艺和随后的蚀刻工艺对覆盖层进行图案化，以形成图案化的第一掩模层410。图案化的第一掩模层410的图案可以是要在基板100中形成的目标表面浮雕光栅(SRG)的浮雕图案。因此，在各种实施例中，图案化的第一掩模层的周距大小(pitch size)可以在100nm到10μm之间。

图4B展示了用于在基板100中形成凹陷图案的气体团簇离子束(GCIB)工艺的扫描开始时的基板100。

在图4B中，可以执行GCIB工艺以通过将基板100暴露于GCIB来图案化基板100。出于说明的目的，在图4B中展示了一个电离气体团簇420以表示GCIB。GCIB可以通过将气体分子冷凝形成气体团簇并且随后将其电离来形成。由于气体团簇被赋予电荷，电离气体团簇可以在电场作用下加速并且被引导去轰击表面以进行改性(例如，蚀刻或平滑处理)。

在各种实施例中，用于GCIB工艺的气体可以包括：惰性气体，诸如氦气(He)、氖气(Ne)、氩气(Ar)、氪气(Kr)、氙气(Xe)和氮气(N₂)，反应性气体，诸如O₂、CO₂、NH₃、NF₃、SF₆、CF₄、CHF₃等，或其混合物。在一个实施例中，气体包括用于蚀刻基板100的O₂。

在GCIB工艺的扫描开始时，束斑可以被定位成蚀刻基板100的第一部分(例如，图4B中基板100左侧的第一凹陷432)。与要在扫描的后期阶段形成的其他凹陷相比，第一凹陷432可以形成为浅凹陷。基板100的给定位置处的剂量可以被调整以实现每个凹陷的单独目标深度。因此，可以随着扫描的进行来调整GCIB参数以实现剂量控制。基板100可以移动，使得扫描朝着由图4B中的虚线指示的方向进行。扫描可以逐步或连续地进行。在完成第一凹陷432之后，GCIB可以被定位成蚀刻下一凹陷。

图4C展示了GCIB工艺的扫描结束时的基板100。

如图4C所示，在扫描结束时，可以形成具有深度梯度的一系列凹陷(例如，图4C中的四个凹陷，其中第四凹陷434是最深的)。这一系列凹陷可以包括用于VR/AR显示光学元件的表面浮雕光栅(SRG)。在各种实施例中，凹陷的深度可以在10nm到500nm之间。由于在扫描期间动态调整GCIP工艺参数(例如，扫描速度、电离水平)以控制剂量并由此在空间上控制蚀刻程度，每个凹陷可以具有不同深度，如图4C所示。尽管图4C中的每个凹陷被展示为具有不同深度，这些深度从左到右线性增加，但是深度梯度可以以不同的方式形成，例如，其中一些凹陷具有相同深度或非线性深度梯度。

应当注意，上文参考图4B至图4C描述的步骤仅用于对基板100的一部分的部分扫描。GCIB工艺的扫描可以针对基板100的不同区域继续，以例如根据图3A至图3C中所展示的扫描模式完成光学元件的制造。

图4D展示了GCIB工艺之后的基板100并且去除了图案化的第一掩模层。

在完成GCIB工艺之后，可以执行后续蚀刻以去除任何剩余的图案化的第一掩模层。在某些实施例中，还可以例如使用另一GCIB工艺来执行光学表面平滑处理工艺。

在替代实施例中，GCIB工艺可以采用多掩模图案化方法应用于光学元件的图案化。使用两个掩模层可以实现图案化方法的更多选项。例如，如下文参考图5A至图5C进一步描述的，可以首先图案化第二掩模层以具有倾斜表面，然后进行后续蚀刻工艺来图案化基板以形成表面浮雕光栅(SRG)。

图5A至图5C展示了根据替代实施例的在制造光学元件的各个阶段的示例基板100的局部截面视图。图5A展示了具有图案化的第一掩模层410和第二掩模层510的进料基板100。除了第二掩模层之外，图5A中的基板100与图4A中的基板具有相同的特征，并且因此将不再赘述。

在图5A中，基板100可以包括形成在图案化的第一掩模层410上的第二掩模层510。在各种实施例中，第二掩模层510包括的掩模材料可以比图案化的第一掩模层410的掩模材料更软，使得可以在不损坏图案化的第一掩模层410的情况下对第二掩模层进行图案化。在某些实施例中，用于第二掩模层410的这种材料可以是光刻胶。光刻胶可以通过适当的沉积技术(例如，旋涂工艺)沉积在基板100上，并且可以被显影或固化以形成第二掩模层510。

图5B展示了用于形成第二掩模层510的倾斜表面的气体团簇离子束(GCIB)工艺的扫描之后的基板100。

在图5B中，可以执行GCIB工艺以首先通过将基板100暴露于GCIB来图案化第二掩模层510，其中，蚀刻可以对第一掩模层410和基板100具有选择性。出于说明的目的，在图5B中展示了一个电离气体团簇520以表示GCIB。

在各种实施例中，用于GCIB工艺的气体可以包括：惰性气体，诸如氦气(He)、氖气(Ne)、氩气(Ar)、氪气(Kr)、氙气(Xe)和氮气(N₂)，反应性气体，诸如O₂、CO₂、NH₃、NF₃、SF₆、CF₄、CHF₃等，或其混合物。在一个实施例中，气体包括用于蚀刻第二掩模层510的O₂。

可以调整GCIB工艺的扫描以实现第二掩模层510的倾斜表面。在某些实施例中，可以在GCIB工艺的扫描期间倾斜基板，这可以有助于形成倾斜表面。尽管不希望受任何理论的限制，但倾斜基板可以全局或局部地影响蚀刻深度、角度和面积。在一个实施例中，如图5B所示，图案化之后的第二掩模层510的厚度可以沿着基板100从左到右逐渐减小。倾斜表面相对于基板100的主表面的角度可以根据比如第二掩模层510的初始厚度和要用GCIB加工的基板的部分的宽度等参数来选择。

图5C展示了随后的用于在基板100中形成凹陷图案的蚀刻工艺之后的基板100。

在用于图案化第二掩模层510的GCIB工艺之后，可以执行后续蚀刻工艺以图案化基板100并形成一系列具有深度梯度的凹陷。例如，如图5C所示，这一系列凹陷可以包括浅凹陷532和深凹陷534，类似于图4C中展示的先前实施例的最终结构。

在该后续蚀刻工艺期间，图案化的第一掩模层410和具有倾斜表面的第二掩模层510(如图5B所示)两者都用作蚀刻掩模。通过上述GCIB工艺(图5B)形成的第二掩模层510中的厚度梯度可以有效地导致基板100的部分上的掩蔽能力的梯度。换句话说，均匀的蚀刻环境(例如，等离子体)可以用于该后续蚀刻工艺，并且尽管蚀刻环境具有均匀性，仍可以获得一系列凹陷中的深度梯度。

因此，在采用多掩模图案化方法的各种实施例中，该后续蚀刻工艺可以有利地使用一种或多种各向异性蚀刻工艺(例如等离子体蚀刻工艺，比如反应离子蚀刻(RIE)工艺)来执行。使用等离子体蚀刻工艺可以有利地减少或消除在此步骤期间对扫描的需要。

在采用多掩模图案化方法的其他实施例中，该后续蚀刻工艺可以是另一GCIB工艺，其中，第一GCIB工艺用于图案化第二掩模层510(图5B)，并且第二GCIB工艺用于图案化基板100(图5C)。在这些实施例中，与单掩模方法不同，由于掩模材料中的厚度梯度，可以放宽在第二GCIB工艺期间对位置特定刻蚀控制的要求。因此，与第一GCIB工艺相比，第二GCIB工艺可以以更快的扫描速率或更大的斑点尺寸来执行。进一步地，在各种实施例中，由于两种工艺的蚀刻目标是不同的，因此第一GCIB工艺和第二GCIB工艺可以使用不同的化学成分。例如，基于O₂的蚀刻化学组成可以用于针对蚀刻有机材料(例如，碳基光刻胶)的两种工艺之一。在另一实施例中，O₂可以用于两种工艺，但是当切换这些工艺时，O₂气体流速可以增大或减小。

GCIB工艺的方法还可以应用于在直接GCIB图案化可行的周距大小内的无掩模方法。进料基板可以不包括掩模层，并且一系列凹陷可以通过GCIB工艺直接形成为表面浮雕光栅(SRG)。

图6A和图6B展示了具有表面浮雕光栅(SRG)的示例光学元件610的局部截面视图。

除了具有深度梯度的直立垂直凹陷(例如，图4D和图5C)之外，通过根据各种实施例的GCIB工艺的方法可以实现各种其他类型的SRG。在图6A中，一系列凹陷可以形成为具有倾斜角度θ的倾斜光栅，其中，θ是与垂直于光学元件610的主表面的平面所呈的角度。倾斜光栅可以通过在单掩模图案化方法的GCIB工艺或多掩模图案化方法的后续蚀刻工艺期间倾斜基板来形成。在各种实施例中，可以在将基板暴露于GCIB之前倾斜基板，使得GCIB以倾斜角度θ撞击在基板上。在某些实施例中，倾斜角θ可以在15°到65°之间。在图6B中，一系列凹陷可以形成为倾斜且锥形的光栅，其中，每个凹陷的关键尺寸(CD)都向底部收缩。对于SRG在光学元件中的某些应用，具有倾斜光栅、锥形光栅或两者的结构可能是特别有用的。

图7A至图7C展示了根据各种实施例的光学元件图案化的方法的工艺流程图。工艺流程可以参考以上论述的图(图1、图4A至图4D和图5A至图5C)，并且因此将不再赘述。

在图7A中，工艺流程70开始于通过用GCIB扫描其上包括图案化的第一掩模层的基板来在GCIB工艺腔室中蚀刻基板的一部分以形成多个凹陷(框710，图4B至图4C)。在扫描时，可以动态地调整GCIB工艺参数以调整蚀刻，使得多个凹陷在基板的该部分上具有深度梯度(框720，图4B至图4C)。

在图7B中，另一工艺流程72开始于在基板的图案化的第一掩模层上形成第二掩模层(框702，图5A)。随后，可以用第一GCIB在GCIB工艺腔室中扫描基板，以蚀刻第二掩模层的一部分，同时转动蚀刻，使得第二掩模层的剩余表面相对于基板的主表面倾斜一定角度(框706，图5B)。在扫描之后，可以使用剩余的第二掩模层和图案化的第一掩模层作为蚀刻掩模来蚀刻基板的一部分以在基板的该部分中形成具有深度梯度的多个凹陷(框712，图5C)。

在图7C中，又一工艺流程74开始于为要形成的具有长形形状的第一光学元件选择基板的第一部分(框704，图1)，随后为要形成的具有长形形状的第二光学元件选择基板的第二部分(框708，图1)，其中，第二部分的取向方向不同于第一部分的取向方向。然后可以用粒子束扫描基板，以在基板的第一部分上形成具有第一深度梯度的第一凹陷图案，并且在基板的第二部分上形成具有第二深度梯度的第二凹陷图案(框714，图1)。

图8展示了根据一种实施例的气体团簇离子束(GCIB)加工系统800。

参考图8，GCIB加工系统800的主体可以容纳在真空容器802中，该真空容器包括三个连通的腔室，即源腔室804、电离/加速腔室806和工艺腔室808。这些腔室可以通过真空泵送系统(未示出)单独地被抽空至合适的工作压力。

气体团簇形成在源腔室804中。源气体通过超音速喷嘴812从气体入口810引入腔室804。流量调节器811可以调节通过气体入口810的气体流量。温度控制器813可以用于将气体加热到适当的温度。可以通过使用连接到气体供应线路(未示出)的适当控制系统(例如，加热器和/或冷却器、气体流量调节器和压力传感器)来控制气体团簇形成的工艺参数，比如温度、气体流速和喷嘴停滞压力。在某些实施例中，停滞压力可以在70kPa到500kPa(525托到3.75×103托)之间。撇除器孔814定位在喷嘴812的下游，并且被配置成部分偏转或撇除气体团簇射流的周边部分。在某些实施例中，可以在源腔室804中配置相互紧密接近的多于一个喷嘴，其中，这些喷嘴可以被布置成供应不同的气体混合物以形成单个GCIB。在某些实施例中，可以使用多于一个撇除器。

在电离/加速腔室806中，电离器820可以是电子电离源，包括金属丝、电感耦合氩等离子体源等。电离器820可以包括提取板821，在该提取板中，可以例如通过测量电路823测量施加用于电离的电压。使用测量电路823，可以测量对在电离器处施加的脉冲(例如驱动脉冲序列)的电压响应。

在某些实施例中，可以在70eV到300eV之间的电压下进行电离。在某些实施例中，电离器可以进一步包括用于输出驱动脉冲序列的脉冲发生器。在替代实施例中，脉冲发生器可以是系统的控制电路的一部分。在一个实施例中，电离器820可以配备有LED驱动电源、控制器、脉宽调制(PWM)信号发生器和提取板821，该提取板监测为离子源(未示出)的电离而提取的电压。使用脉冲序列来驱动电离器可实现各种工艺条件。根据本披露的各种实施例，脉冲序列的占空比可以取10％到100％之间的任何值。在一个实施例中，脉冲的频率可以在1Hz到10kHz之间，但是在各种实施例中，脉冲的频率可以具有不同的下限和/或上限。可以通过用控制器切换LED驱动电源来改变电离器的工作状态，并且由此引起提取板821处的电压变化。

加速器822可以是一组偏置电极，并且被配置为向气体团簇提供设定量的动能。在某些实施例中，加速电压可以在30keV到80keV之间。

射束过滤器824定位在加速器822之后，并且被配置为根据团簇的大小去除GCIB的一部分。在某些实施例中，射束过滤器824可以是磁性过滤器或维恩过滤器，其为一种包括正交电场和磁场的器件，可以用作速度过滤器以选择一系列团簇大小。GCIB的一部分可以被过滤器824从主射束方向偏转到另一轨迹，并且被限定孔840移除。团簇的偏转程度取决于其质量，从而实现尺寸过滤。在某些实施例中，GCIB加工系统800还可以包括中和器(未示出)以在射束撞击基板842之前中和射束中的电荷。

在工艺腔室808中，基板842安装在基板固持器844上，该基板固持器充分定位在射束线中，并且基板固持器844连接到扫描器(未示出)。扫描器可以在垂直于射束线的平面中的任何方向上相对于射束线移动基板的位置。在各种实施例中，扫描器还可以具有倾斜基板并改变射束的入射角的能力，这可以用于实现倾斜光栅(例如，图6A至图6B)。

GCIB的斑点尺寸可以从几微米到几厘米不等。工艺腔室可以保持在高真空中，例如，工艺腔室的压力可以保持在2.0×10-4Pa(1.5×10-6托)或以下。

可移除检测器846可以定位在GCIB的路径中，并且被配置为接收GCIB并测量射束电流。在某些实施例中，检测器846是收集由GCIB携带的电荷的法拉第杯等。在某些实施例中，检测器846可以替代基板842和基板固持器844或仅替代基板842。在这样的实施例中，可以在校准阶段完成之后移除检测器846。在替代实施例中，检测器846可以类似于基板，例如待加工的晶片。

在各种实施例中，电荷可以由连接到检测器846(或基板固持器844)的电流感测系统852测量。电流感测系统852可以是任何合适的电流感测技术，包括基于感应的变压器或线圈、基于磁场的传感器和其他技术。在一个实施例中，电流感测系统852可以是具有模拟前端电路的示波器。电流感测系统852可以进一步连接到具有高速采集能力的硬件，该硬件包括处理器854和具有高写入速度的非暂态存储器856，以存储通过高速总线连接的数字信号。

在各种实施例中，处理器854可以是工具控制器的一部分，该工具控制器被配置为接收关于GCIB的信息并向GCIB加工系统800的各个单元发送控制信号，从而实现对GCIB加工的反馈控制。在某些实施例中，工具控制器可以直接指示GCIB系统的一个或多个单元(比如扫描器845的控制系统、源腔室804中的喷嘴812、电离/加速腔室606、流量调节器811和/或温度控制器813)调整一个或多个工艺参数。可替代地，工具控制器可以向另一硬件控制器电路发送控制信号，该另一硬件控制器电路控制GCIB系统的单元的控制系统的操作。

图9展示了根据一种实施例的用于动态控制气体团簇离子束(GCIB)的示例反馈回路90。

如图9所示，根据一种实施例，工具控制器可以接收关于GCIB工艺的进度的信息(框910)。例如，该信息可以是关于GCIB工艺期间GCIB在基板上的精确X-Y位置，并且是从扫描器或计量工具接收的，该计量工具与在扫描工艺期间确定正在加工的基板相对于扫描器的位置相关联。随后，基于该信息(例如，射束位置)，工具控制器可以确定一组GCIB工艺条件(框920)。在各种实施例中，可以根据特定位置的目标剂量来确定GCIB工艺条件，以使得能够形成具有不同深度的凹陷。该组GCIB工艺条件可以包括扫描速度、电离水平和工艺气体流量等。工具控制器然后可以向GCIB系统的单元发送控制信号(框930)。如图8所示，GCIB系统的单元可以包括扫描器845、源腔室804中的喷嘴812、电离/加速腔室606、流量调节器811和/或温度控制器813。响应于接收到控制信号，接收到控制信号的单元可以在扫描GCIB时改变一个或多个参数。在各种实施例中，可以在同一基板的GCIB工艺期间连续重复这些步骤(框910、920和930)，以使得能够通过GCIB进行位置特定蚀刻。

在此总结了本发明的示例实施例。其他实施例还可以根据整个说明书及本文中提交的权利要求来进行理解。

示例1.一种用于用气体团簇离子束(GCIB)加工基板的方法，该方法包括：在GCIB控制器处接收来自工具控制器的用于在GCIB扫描工艺期间改变GCIB工艺参数的控制信号，该GCIB工艺参数的改变与通过该GCIB扫描工艺要在该基板上形成的凹陷的深度的变化相关联；以及在GCIB工艺腔室中执行该GCIB扫描工艺，该执行包括根据这些控制信号在该基板的一部分上扫描GCIB以形成具有不同深度的凹陷，这些凹陷的深度变化的梯度与该GCIB工艺参数的改变相关联。

示例2.如示例1所述的方法，进一步包括图案化设置在该基板上的第一掩模层，其中，通过该GCIB扫描工艺形成这些凹陷是使用该图案化的第一掩模层作为蚀刻掩模来执行的。

示例3.如示例1或2之一所述的方法，进一步包括，在该GCIB扫描工艺之前：在该基板上形成第二掩模层，该第二掩模层覆盖该图案化的第一掩模层；通过用另一GCIB扫描该基板来蚀刻该第二掩模层的一部分，使得该第二掩模层的该部分的剩余表面相对于该基板的主表面倾斜一定坡度。

示例4.如示例1至3之一所述的方法，进一步包括，在该GCIB扫描工艺之前，倾斜该基板，使得该GCIB相对于垂直于该基板的主表面的平面呈一定角度撞击在该基板上，并且这些凹陷相对于垂直于该基板的主表面的平面倾斜一定角度。

示例5.如示例1至4之一所述的方法，其中，该角度在15°到65°之间。

示例6.如示例1至5之一所述的方法，其中，这些凹陷在该基板的主表面上以矩阵布置，并且其中，这些凹陷的深度变化在该主表面上的第一方向上具有第一梯度，并且在该主表面上的第二方向上具有第二梯度，该第二方向垂直于该第一方向。

示例7.如示例1至6之一所述的方法，其中，该GCIB工艺参数包括扫描速度。

示例8.如示例1至7之一所述的方法，进一步包括，在蚀刻该基板的该部分之后，执行另一GCIB工艺以对该基板的顶表面进行平滑处理。

示例9.一种用于用气体团簇离子束(GCIB)加工基板的方法，该方法包括：图案化设置在该基板上的第一掩模层；在该基板的图案化的第一掩模层上形成第二掩模层；以及蚀刻该第二掩模层的一部分，使得该第二掩模层的该部分的剩余表面相对于该基板的主表面倾斜一定坡度，该蚀刻包括，在GCIB控制器处接收来自工具控制器的用于在蚀刻该第二掩模层的该部分期间改变GCIB工艺参数的控制信号，该GCIB工艺参数的改变与该坡度相关联，以及根据这些控制信号在该基板的一部分上扫描第一GCIB。

示例10.如示例9所述的方法，其中，该图案化的第一掩模层具有凹陷图案，该凹陷图案包括具有相等深度的多个凹陷。

示例11.如示例9或10之一所述的方法，进一步包括，在该扫描之前，倾斜该基板，使得该第一GCIB相对于垂直于该基板的主表面的平面以一定角度撞击在该基板上。

示例12.如示例9至11之一所述的方法，进一步包括，在蚀刻该第二掩模层的该部分之后，使用该剩余的第二掩模层和该图案化的第一掩模层作为蚀刻掩模蚀刻该基板的一部分以在该基板的该部分中形成具有不同深度的凹陷，其中，这些凹陷的深度变化与该蚀刻掩模的厚度变化相关联。

示例13.如示例9至12之一所述的方法，其中，蚀刻该基板的该部分包括在等离子体工艺腔室中将该基板暴露于等离子体。

示例14.如示例9至13之一所述的方法，其中，蚀刻该基板的该部分包括在该GCIB工艺腔室中用第二GCIB扫描该基板。

示例15.如示例9至14之一所述的方法，其中，这些凹陷在该基板的主表面上以矩阵布置，并且其中，这些凹陷的深度变化在该主表面上的第一方向上具有第一梯度，并且在该主表面上的第二方向上具有第二梯度，该第二方向垂直于该第一方向。

示例16.一种由基板制造多个光学元件的方法，该方法包括：为要形成的沿着第一方向具有长形形状的第一光学元件选择该基板的第一部分；为要形成的沿着不同于该第一方向的第二方向具有该长形形状的第二光学元件选择该基板的第二部分；以及用粒子束扫描该基板，以在该基板的第一部分上形成具有不同深度的第一凹陷图案，并且在该基板的第二部分上形成具有不同深度的第二凹陷图案。

示例17.如示例16所述的方法，进一步包括，在扫描该基板之前，在该基板上形成具有均匀厚度的第一图案化掩模层，其中该第一图案化掩模层的图案与该第一凹陷图案和该第二凹陷图案相关联。

示例18.如示例16或17之一所述的方法，其中，扫描该基板包括将该基板暴露于气体团簇离子束(GCIB)以使用该第一图案化掩模层作为蚀刻掩模蚀刻该基板，从而形成该第一凹陷图案和该第二凹陷图案。

示例19.如示例16至18之一所述的方法，进一步包括，在扫描该基板之前，在该第一图案化掩模层上形成第二掩模层，并且其中，扫描该基板包括将该基板暴露于气体团簇离子束(GCIB)以蚀刻该第二掩模层的一部分，使得该第二掩模层的剩余表面相对于该基板的主表面倾斜一定坡度。

示例20.如示例16至19之一所述的方法，进一步包括，在扫描该基板之后，使用该剩余的第二掩模层和该图案化的第一掩模层作为蚀刻掩模来执行蚀刻工艺以蚀刻该基板的第一部分和第二部分。

下面描述本发明的示例性实施例。其他实施例还可以根据整个说明书及本文中提交的权利要求来进行理解。

尽管已经参考说明性实施例描述了本发明，但本说明书并不旨在以限制性意义来解释。通过参考说明书，说明性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，所附权利要求旨在涵盖任何此类修改或实施例。

Claims

1.一种用于用气体团簇离子束(GCIB)加工基板的方法，该方法包括：

在GCIB控制器处接收来自工具控制器的用于在GCIB扫描工艺期间改变GCIB工艺参数的控制信号，该GCIB工艺参数的改变与通过该GCIB扫描工艺要在该基板上形成的凹陷的深度的变化相关联；以及

在GCIB工艺腔室中执行该GCIB扫描工艺，该执行包括根据这些控制信号在该基板的一部分上扫描GCIB以形成具有不同深度的凹陷，这些凹陷的深度变化的梯度与该GCIB工艺参数的改变相关联。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括，图案化设置在该基板上的第一掩模层，其中，通过该GCIB扫描工艺形成这些凹陷是使用该图案化的第一掩模层作为蚀刻掩模来执行的。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括，在该GCIB扫描工艺之前：

在该基板上形成第二掩模层，该第二掩模层覆盖该图案化的第一掩模层；

通过用另一GCIB扫描该基板来蚀刻该第二掩模层的一部分，使得该第二掩模层的该部分的剩余表面相对于该基板的主表面倾斜一定坡度。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括，在该GCIB扫描工艺之前，倾斜该基板，使得该GCIB相对于垂直于该基板的主表面的平面呈一定角度撞击在该基板上，并且这些凹陷相对于垂直于该基板的主表面的平面倾斜一定角度。

5.如权利要求4所述的方法，其中，该角度在15°到65°之间。

6.如权利要求1所述的方法，其中，这些凹陷在该基板的主表面上以矩阵布置，并且其中，这些凹陷的深度变化在该主表面上的第一方向上具有第一梯度，并且在该主表面上的第二方向上具有第二梯度，该第二方向垂直于该第一方向。

7.如权利要求1所述的方法，其中，该GCIB工艺参数包括扫描速度。

8.如权利要求1所述的方法，进一步包括，在蚀刻该基板的该部分之后，执行另一GCIB工艺以对该基板的顶表面进行平滑处理。

9.一种用于用气体团簇离子束(GCIB)加工基板的方法，该方法包括：

图案化设置在该基板上的第一掩模层；

在该基板的图案化的第一掩模层上形成第二掩模层；以及

蚀刻该第二掩模层的一部分，使得该第二掩模层的该部分的剩余表面相对于该基板的主表面倾斜一定坡度，该蚀刻包括，

在GCIB控制器处接收来自工具控制器的用于在蚀刻该第二掩模层的该部分期间改变GCIB工艺参数的控制信号，该GCIB工艺参数的改变与该坡度相关联，以及

根据这些控制信号在该基板的一部分上扫描第一GCIB。

10.如权利要求9所述的方法，其中，该图案化的第一掩模层具有凹陷图案，该凹陷图案包括具有相等深度的多个凹陷。

11.如权利要求9所述的方法，进一步包括，在该扫描之前，倾斜该基板，使得该第一GCIB相对于垂直于该基板的主表面的平面以一角度撞击在该基板上。

12.如权利要求9所述的方法，进一步包括，在蚀刻该第二掩模层的该部分之后，使用该剩余的第二掩模层和该图案化的第一掩模层作为蚀刻掩模蚀刻该基板的一部分以在该基板的该部分中形成具有不同深度的凹陷，其中，这些凹陷的深度变化与该蚀刻掩模的厚度变化相关联。

13.如权利要求12所述的方法，其中，蚀刻该基板的该部分包括在等离子体工艺腔室中将该基板暴露于等离子体。

14.如权利要求12所述的方法，其中，蚀刻该基板的该部分包括在该GCIB工艺腔室中用第二GCIB扫描该基板。

15.如权利要求12所述的方法，其中，这些凹陷在该基板的主表面上以矩阵布置，并且其中，这些凹陷的深度变化在该主表面上的第一方向上具有第一梯度，并且在该主表面上的第二方向上具有第二梯度，该第二方向垂直于该第一方向。

16.一种由基板制造多个光学元件的方法，该方法包括：

为要形成的沿着第一方向具有长形形状的第一光学元件选择该基板的第一部分；

为要形成的沿着不同于该第一方向的第二方向具有该长形形状的第二光学元件选择该基板的第二部分；以及

用粒子束扫描该基板，以在该基板的第一部分上形成具有不同深度的第一凹陷图案，并且在该基板的第二部分上形成具有不同深度的第二凹陷图案。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括，在扫描该基板之前，在该基板上形成具有均匀厚度的第一图案化掩模层，其中，该第一图案化掩模层的图案与该第一凹陷图案和该第二凹陷图案相关联。

18.如权利要求17所述的方法，其中，扫描该基板包括将该基板暴露于气体团簇离子束(GCIB)以使用该第一图案化掩模层作为蚀刻掩模蚀刻该基板，从而形成该第一凹陷图案和该第二凹陷图案。

19.如权利要求17所述的方法，进一步包括，在扫描该基板之前，在该第一图案化掩模层上形成第二掩模层，并且其中，扫描该基板包括将该基板暴露于气体团簇离子束(GCIB)以蚀刻该第二掩模层的一部分，使得该第二掩模层的剩余表面相对于该基板的主表面倾斜一定坡度。

20.如权利要求19所述的方法，进一步包括，在扫描该基板之后，使用该剩余的第二掩模层和该图案化的第一掩模层作为蚀刻掩模来执行蚀刻工艺以蚀刻该基板的第一部分和第二部分。