CN110456435A - 一种全息光栅模板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全息光栅模板及其制备方法，全息光栅模板的制备方法包括：提供一衬底，衬底上依次形成有硬掩模层和图形化的光刻胶层，光刻胶层具有图形；以图形化的光刻胶层为掩模，刻蚀硬掩模层，将图形复制至硬掩模层中，以形成图形化的硬掩模层；对衬底执行离子注入工艺，在离子注入区得到光栅模板图形区；刻蚀硬掩模层并暴露出衬底；刻蚀衬底的非离子注入区，以暴露出光栅模板图形区，并形成全息光栅模板。通过离子注入工艺得到所需形状的光栅结构区，经过高刻蚀选择比刻蚀保留光栅结构区，从而得到全息光栅模板，工艺难度较低，工艺可行性高；通过在衬底上直接形成光栅结构区，避免了光刻工艺的转版步骤，减少了工艺步骤，降低了生产成本。

Description

一种全息光栅模板及其制备方法
技术领域
本发明涉及显示设备技术领域，特别是涉及一种全息光栅模板及其制备方法。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术也被称为扩增现实，是促使真实世界信息和虚拟世界信息综合得到的一种较新的技术。AR技术通过将现实世界中比较难以体验的空间范围的实体信息，在电脑等科学技术的基础上进行了模拟仿真和叠加，使得虚拟信息在真实世界中得到有效应用，并且在这一过程中能够被人类所感知，从而实现了超越现实的感官体验。在真实环境和虚拟物体之间重叠之后，使得二者能够在同一个画面以及空间同时存在。AR技术广泛应用于虚拟训练、娱乐与艺术，医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域。
全息波导显示技术(Head Mounted Display，HMD)是AR技术的关键组成技术。HMD的基本原理是光的全反射和衍射，全息波导显示系统主要包括微显示器、全息光栅和平板波导，所述微显示器产生了图像，该图像经过微型准直透镜后变成平行光进入光波导，再到达全息光栅后，由于全息光栅的衍射效应使平行光改变传输方向从而满足全反射条件并沿波导方向向前无损传播，当平行光传播到全息光栅时，全反射条件被破坏从而使平行光从全息波导出射，并进入人眼成像。专利CN104614858A，CN108828780A，CN108398791A都是基于该系统的发明。
而全息光栅作为HMD的关键元件，其主要起到输入光耦合和输出光耦合显像的作用，全息光栅的设计主要包括光栅的栅格形状，衍射效率的设计以及光栅整体结构的设计。为了得到全息光栅中呈斜锯齿形的光栅，现有的方法例如专利CN10642397A描述的制备全息波导树脂镜片的光栅模板的主要思路是：利用光刻工艺在光刻胶上形成光栅图形，然后利用转版技术把光栅图形从比较软的光刻胶上转移到较硬的材料上，以便形成硬度足够、耐磨性好的光栅模板，或者利用机械精密加工方案直接在有机材料或石英、硅片、镍金属等衬底上进行光栅制作。该专利中形成光栅模板的几种方法讲述的均比较笼统，且专利中的这些方法难以实施，例如光刻工艺不能形成倾斜的光刻胶图形形貌(即使采用灰度掩膜技术，也很难形成专利中所说的斜锯齿形光栅图形)，也不能进行图形的转版转移；又例如使用机械精密加工方案，其纳米加工的工艺精度很难保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全息光栅模板及其制备方法，能够降低工艺难度，还可以提高工艺可行性。
为了解决上述问题，本发明提供了一种全息光栅模板的制备方法，包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底上依次形成有硬掩模层和图形化的光刻胶层，所述光刻胶层具有图形；
以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述硬掩模层，将所述图形复制至所述硬掩模层中，以形成图形化的硬掩模层；
对所述衬底执行离子注入工艺，在离子注入区得到光栅模板图形区；
刻蚀所述硬掩模层并暴露出所述衬底；以及
刻蚀所述衬底的非离子注入区，以暴露出所述光栅模板图形区，并形成全息光栅模板。
可选的，所述衬底包括基底和外延层，所述外延层形成于所述基底上。
进一步的，对所述衬底执行离子注入工艺，以得到光栅模板图形区包括：
对所述外延层执行若干次离子注入工艺，且若干次所述离子注入工艺的离子注入角度相同，以形成具有一种倾角的光栅模板图形区。
更进一步的，所述离子注入工艺的注入离子包括氧离子、锗离子、碳离子，剂量为2E15/cm2-9E15/cm2，能量为200Kev-600Kev，所述离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角在50°-90°之间。
进一步的，对所述衬底执行离子注入工艺，以得到光栅模板图形区包括：
对所述外延层执行至少两次离子注入工艺，且至少两次所述离子注入工艺包括两种离子注入角度，以形成具有两种倾角的光栅模板图形区。
更进一步的，对所述外延层执行两次离子注入工艺，分别为第一次离子注入工艺和第二次离子注入工艺，所述第一次离子注入工艺和第二次离子注入工艺的注入离子均包括氧离子、锗离子、碳离子，剂量均为2E15/cm2-9E15/cm2，能量均为200Kev-600Kev。
更进一步的，所述第一次离子注入工艺的离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角在44°-46°之间，所述第二次离子注入工艺的离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角在50°-70°之间。
更进一步的，所述第一次离子注入工艺的离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角在50°-70°之间，所述第二次离子注入工艺的离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角在44°-46°之间。
可选的，在对所述衬底执行离子注入工艺之后，在刻蚀所述硬掩模层并暴露出所述衬底之前还包括：
对所述衬底执行退火工艺。
另一方面，本发明还提供了一种全息光栅模板，由上述所述的全息光栅模板的制备方法制作而成。
与现有技术相比存在以下有益效果：
本发明提供的一种全息光栅模板及其制备方法，所述全息光栅模板的制备方法包括：提供一衬底，所述衬底上依次形成有硬掩模层和图形化的光刻胶层，所述光刻胶层具有图形；以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述硬掩模层，将所述图形复制至所述硬掩模层中，以形成图形化的硬掩模层；对所述衬底执行离子注入工艺，在离子注入区得到光栅模板图形区；刻蚀所述硬掩模层并暴露出所述衬底；以及刻蚀所述衬底的非离子注入区，以暴露出所述光栅模板图形区，并形成全息光栅模板。本实施例通过离子注入工艺得到了所需形状的光栅结构区，经过高刻蚀选择比刻蚀保留所述衬底中光栅结构区，从而得到了全息光栅模板，整个过程工艺难度较低，工艺可行性高；通过在衬底上直接形成光栅结构区，避免了光刻工艺的转版步骤，减少了工艺步骤，降低了生产成本。
附图说明
图1a-1f为本发明一实施例的全息光栅模板的制备方法各步骤中的结构示意图；
图2为本发明一实施例的全息光栅模板的制备方法的流程示意图。
附图标记说明：
100-衬底；110-基底；120-外延层；121-光栅模板图形区；
200-牺牲层；
300-硬掩模层；
400-光刻胶层；a-开口。
具体实施方式
以下将对本发明的一种全息光栅模板及其制备方法作进一步的详细描述。下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本实施例所提供的一种全息光栅模板的制备方法。图2为本实施例的全息光栅模板的制备方法的流程示意图。如图2所示，该制备方法包括以下步骤：
步骤S1：提供一衬底，所述衬底上依次形成有硬掩模层和图形化的光刻胶层，所述光刻胶层具有图形；
步骤S2：以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述硬掩模层，将所述图形复制至所述硬掩模层中，以形成图形化的硬掩模层；
步骤S3：对所述衬底执行离子注入工艺，在离子注入区得到光栅模板图形区；
步骤S4：刻蚀所述硬掩模层并暴露出所述衬底；以及
步骤S5：刻蚀所述衬底的非离子注入区，以暴露出所述光栅模板图形区，并形成全息光栅模板。
下面结合具体实施例和图1a-1f详细说明本发明的全息光栅模板的制备方法。
如图1a所示，首先执行步骤S1，提供一衬底100，所述衬底100上依次形成有硬掩模层300和图形化的光刻胶层400，所述光刻胶层具有图形。
所述衬底100例如是包括基底110和形成于所述基底110上的外延层120，所述基底110例如为平面基底，所述基底110例如为氧化硅基底、硅锗基底、硅碳基底等硅对其高刻蚀选择比的基底。所述外延层120例如为硅外延层，所述外延层120的厚度例如为所述硬掩模层300的材料例如是氮化硅、氮化钛或钨等，所述硬掩模层300的厚度例如为
所述衬底100上还形成有牺牲层200，所述牺牲层200作为后续步骤中刻蚀所述硬掩模层300的刻蚀停止层，以及用于防止离子注入工艺对基底的损伤。所述牺牲层200的材料例如为氧化物，所述牺牲层200的厚度例如为
所述光刻胶层400的厚度例如为所述图形用于形成光栅模板图形区，所述图形具有开口a，且所述图形由多个周期性排布的开口a组成。每个所述开口a的形状相同，尺寸相同，相邻所述开口a之间的间隔距离相同，其中，每个所述开口a的宽度为140nm-240nm，每个所述开口a的周期宽度(所述开口a的宽度与相邻所述开口a之间的间隔距离之和)为300nm-400nm。
在本实施例中，所述基底110为氧化硅基底，所述牺牲层200的材料为氧化硅，所述硬掩模层300的材料为氮化硅。
如图1b所示，接着执行步骤S2，以图形化的所述光刻胶层400为掩模，刻蚀所述硬掩模层300，将所述图形复制至所述硬掩模层300中，以形成图形化的硬掩模层300。
本步骤例如是通过干法刻蚀工艺(例如是等离子体干法刻蚀工艺)刻蚀所述硬掩模层300，并暴露出所述牺牲层200，此时，所述图形复制转移到了所述硬掩模层300中，即，多个周期性排布的开口a被复制转移至硬掩模层300中，以形成图形化的硬掩模层300。
接着，通过灰化方式和清洗工艺去除剩余光刻胶层400。
如图1c和1d所示，请同时参阅图1a和1b，接着执行步骤S3，对所述衬底100执行离子注入工艺，在离子注入区得到光栅模板图形区。其中，所述光栅模板图形区沿所述衬底100厚度方向的截面例如是呈阵列排布的锯齿状。
具体的，首先，对所述衬底100中的外延层120执行离子注入工艺，使得所述外延层120包括离子注入区和非离子注入区，在离子注入区得到光栅模板图形区。
如图1c所示，对所述外延层120执行若干次离子注入工艺，且若干次所述离子注入工艺的离子注入角度相同，以在离子注入区形成具有一种倾角的光栅模板图形区，也就是说，所述光栅模板图形区中每个光栅(锯齿)呈矩形或平行四边形。所述离子注入工艺的注入离子例如为氧离子、锗离子、碳离子等半导体离子，剂量为2E15/cm2-9E15/cm2，能量为200Kev-600Kev，所述能量可以根据需要形成的光栅的高度来调整，所述离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角例如是在50°-90°之间。在若干次所述离子注入时，所述离子与在外延层120的离子注入区中的大部分硅原子碰撞并结合形成氧化硅，使得光栅模板图形区中的材料为氧化硅。
或者，如图1d所示，对所述外延层120执行至少两次离子注入工艺，且至少两次所述离子注入工艺包括两种离子注入角度，以在离子注入区形成具有两种倾角的光栅模板图形区，也就是说，所述光栅模板图形区中每个光栅(锯齿)呈梯形。作为示例，对所述外延层120执行两次离子注入工艺，分别为第一次离子注入工艺和第二次离子注入工艺，且这两次离子注入工艺的注入角度不同。具体的，首先，对所述外延层120执行第一次离子注入工艺，以得到第一离子注入区；接着，对所述外延层120执行第二次离子注入工艺，以得到第二离子注入区，所述第一离子注入区和第二离子注入区交叠得到了光栅模板图形区，所述光栅模板图形区中每个光栅(锯齿)呈梯形。所述第一次离子注入工艺和第二次离子注入工艺的注入离子例如均为氧离子、锗离子、碳离子等半导体离子，剂量均为2E15/cm2-9E15/cm2，能量均为200Kev-600Kev，所述能量可以根据需要形成的光栅的高度来调整，所述第一次离子注入工艺的离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角例如是在44°-46°之间，例如是45°，所述第二次离子注入工艺的离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角例如是在50°-70°之间。在经过两种离子注入角度的离子注入工艺时，所述离子与在外延层120的离子注入区中的大部分硅原子碰撞并结合形成氧化硅，使得光栅模板图形区中的材料为氧化硅。
在其他示例中，所述第一次离子注入工艺的离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角例如是在50°-70°之间，所述第二次离子注入工艺的离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角例如是在44°-46°之间，例如是45°。所述第一次离子注入工艺可以分为两次以上第一子离子注入工艺，所述第二次离子注入工艺可以分为两次以上第二子离子注入工艺，其具体的离子注入工艺的次数根据实际工艺需求设定。
可选的，接着对所述衬底100执行退火工艺，例如是执行快速退火工艺，具体例如是采用激光快速退火。所述退火工艺的退火温度为1000℃-1400℃，退火时间为4ms-16ms。所述退火工艺可以促使离子注入工艺时注入至衬底100的氧离子与外延层120的离子注入区中的硅结合，以在所述光栅模板图形区的硅原子可以充分的转换为氧化硅，并使得所述光栅模板图形区的氧化硅均匀分布，同时还修复了离子注入工艺对衬底100晶格损伤的修复，避免晶格损伤造成的后续工艺缺陷。
如图1e所示，请同时参阅图1a-1d，接着执行步骤S4，刻蚀所述硬掩模层300并暴露出所述衬底100的非离子注入区。
首先，通过湿法刻蚀工艺刻蚀所述硬掩模层300，以将所述硬掩模层300去除，并暴露出所述牺牲层200，所述湿法刻蚀工艺刻蚀为硬掩模层300与牺牲层200的高刻蚀选择比刻蚀工艺。在本实施例中，使用了热磷酸溶液刻蚀所述硬掩模层300。
接着，通过干法刻蚀工艺刻蚀所述牺牲层200，并暴露出所述外延层120的的非离子注入区和离子注入区。在本实施例中，使用CF4/CHF3/Ar的混合气体干法刻蚀所述牺牲层200，以去除在离子注入工艺中受损的牺牲层200。
如图1f所示，请同时参阅图1a-1e，接着执行步骤S5，刻蚀所述衬底100的非离子注入区，以暴露出所述光栅模板图形区121，并形成全息光栅模板。
本步骤具体包括：
利用所述外延层120中非离子注入区的硅与光栅结构区121的氧化硅的高刻蚀选择比刻蚀工艺，刻蚀去除掉所述外延层120中的非离子注入区，并保留所述光栅结构区121，从而形成了全息光栅模板。此时，由于硅与基底110的高刻蚀选择比，使得仅有所述外延层120中的非离子注入区被刻蚀，该刻蚀没有对所述基底造成损伤。在本实施例中，可以使用NF3/CH4/H2/Ar的混合气体干法刻蚀所述外延层120中的非离子注入区，也可以使用TMAH溶液湿法刻蚀所述外延层120中的非离子注入区，以得到全息光栅模板。
本实施例还提供了一种全息光栅模板，由上述方法制备而成。
综上所述，本发明提供的一种全息光栅模板及其制备方法，所述全息光栅模板的制备方法包括：提供一衬底，所述衬底上依次形成有硬掩模层和图形化的光刻胶层，所述光刻胶层具有图形；以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述硬掩模层，将所述图形复制至所述硬掩模层中，以形成图形化的硬掩模层；对所述衬底执行离子注入工艺，在离子注入区得到光栅模板图形区；刻蚀所述硬掩模层并暴露出所述衬底；以及刻蚀所述衬底的非离子注入区，以暴露出所述光栅模板图形区，并形成全息光栅模板。本实施例通过离子注入工艺得到了所需形状的光栅结构区，经过高刻蚀选择比刻蚀保留所述衬底中光栅结构区，从而得到了全息光栅模板，整个过程工艺难度较低，工艺可行性高；通过在衬底上直接形成光栅结构区，避免了光刻工艺的转版步骤，减少了工艺步骤，降低了生产成本。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”等的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种全息光栅模板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底，所述衬底上依次形成有硬掩模层和图形化的光刻胶层，所述光刻胶层具有图形；
以图形化的所述光刻胶层为掩模，刻蚀所述硬掩模层，将所述图形复制至所述硬掩模层中，以形成图形化的硬掩模层；
对所述衬底执行离子注入工艺，在离子注入区得到光栅模板图形区；
刻蚀所述硬掩模层并暴露出所述衬底；以及
刻蚀所述衬底的非离子注入区，以暴露出所述光栅模板图形区，并形成全息光栅模板。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底包括基底和外延层，所述外延层形成于所述基底上。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，对所述衬底执行离子注入工艺，以得到光栅模板图形区包括：
对所述外延层执行若干次离子注入工艺，且若干次所述离子注入工艺的离子注入角度相同，以形成具有一种倾角的光栅模板图形区。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述离子注入工艺的注入离子包括氧离子、锗离子、碳离子，剂量为2E15/cm2-9E15/cm2，能量为200Kev-600Kev，所述离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角在50°-90°之间。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，对所述衬底执行离子注入工艺，以得到光栅模板图形区包括：
对所述外延层执行至少两次离子注入工艺，且至少两次所述离子注入工艺包括两种离子注入角度，以形成具有两种倾角的光栅模板图形区。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，对所述外延层执行两次离子注入工艺，分别为第一次离子注入工艺和第二次离子注入工艺，所述第一次离子注入工艺和第二次离子注入工艺的注入离子均包括氧离子、锗离子、碳离子，剂量均为2E15/cm2-9E15/cm2，能量均为200Kev-600Kev。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一次离子注入工艺的离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角在44°-46°之间，所述第二次离子注入工艺的离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角在50°-70°之间。
8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述第一次离子注入工艺的离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角在50°-70°之间，所述第二次离子注入工艺的离子注入时的入射角度为与所述衬底的表面的夹角在44°-46°之间。
9.如权利要求1-8中任一项所述的制备方法，其特征在于，在对所述衬底执行离子注入工艺之后，在刻蚀所述硬掩模层并暴露出所述衬底之前还包括：
对所述衬底执行退火工艺。
10.一种全息光栅模板，其特征在于，由权利要求1-9所述的制备方法制作而成。
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