CN110609344A - 表面浮雕光栅结构的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种表面浮雕光栅结构的制作方法。该方法包括基片涂胶、母板压印、压印胶镀膜、压印胶去除以及刻蚀基片的过程，通过在母板直接压印第一光栅结构而得到第二光栅结构，避免了光栅结构制造过程中曝光与显影的过程，从而简化了光栅结构的生产工艺；一个母板先后生产多个子板，多个母板可同时生产多个子板，可以实现光栅结构的批量生产过程。增设压印胶镀膜过程，选择刻蚀速率与基片不同的第一金属膜，在进行基片刻蚀过程时，可以控制离子束的功率而达到精准控制基片刻蚀深度的效果；同时离子束的发射线与基片表面的夹角非直角，使得刻蚀槽面形成倾斜槽面，以得到基片表面形成梯形夹缝的目标光栅结构。

Description

表面浮雕光栅结构的制作方法

【技术领域】

本发明涉及光栅制作领域，尤其涉及一种表面浮雕光栅结构的制作方法。

【背景技术】

光栅是各类光谱分析仪器的重要元器件，在计量，成像，信息处理，继承光学和光通信等新兴领域被越来越多地采用。近年来，随着半导体工艺飞速发展，一种新型的光学应用产品也随之发展起来，这就是AR(增强现实)产品。AR是对现实的增强，是虚拟影像和现实影像的融合。目前市场上的头戴式AR设备多采用光学投射式原理，即通过安装在眼前的镜片实现真实场景和虚拟场景的融合。其中微软推出的Hololens这款产品是目前市场上，体验效果最佳的。它采用的是三层波导的表面浮雕光栅的方案，具体来说是通过三个区域(入射区，扩展区，出射区)的设计来实现的。入射区是耦入光栅，将被准直镜准直过后的光线耦合进波导实现全反射，光栅和波导的折射率越高越好；扩展区是偏折光栅的作用，改变光线的传输方向，实现光瞳在x方向的扩展，效率不需要很高，但随着传播其效率需要设计的越高；出射区实现光瞳在y方向的扩展并将光线耦出波导，也是随着传播递增。

其中闪耀光栅因为实现衍射最大值的位置从没有色散的零级光谱转移到其他色散的衍射级上，效率很高，在入射区得到很大的应用；倾斜光栅也常常被应用在入射和出射区。扩展区的光栅由于其要求，需要的槽型光栅截面可以设计为不对称梯形。由于倾斜光栅和闪耀光栅的广泛应用，一般专利对其加工有涉及，但截面为不对称梯形的槽型光栅因为应用领域不多，研究较少。

槽型的光栅具有广泛的用途，按照截面形状分类为正玄光栅，闪耀光栅，阶梯光栅等。对于截面是不对称的梯形表面浮雕光栅，传统方法是先通过激光直写再显影，最后刻蚀得到的。激光直写就是利用强度可变的激光束对涂在基片表面的抗蚀材料变剂量的曝光，显影后在抗蚀层表面形成所要的浮雕轮廓。因其一次成型且无离散化近似，器件的制作精度和衍射效率比传统半导体工艺套刻制作的器件均有较大提高。

但是激光直写最大的问题是不能精确控制轮廓深度。加工的轮廓深度与曝光强度，扫描速度，抗蚀剂材料，显影配方，环境温度以及显影温度等多种因素有关，任何一个因素的影响都会引起轮廓深度误差，目前只能依赖操作人员的经验和恒定的工作条件来控制深度误差，工作效率低下，可控性低。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种效率高且可控度高的表面浮雕光栅结构的制作方法。

本发明的技术方案如下：

一种表面浮雕光栅结构的制作方法，包括以下步骤：

基片涂胶：提供制作所述光栅结构的基片，在所述基片表面涂覆压印胶层得到衬底；

母板压印：提供光栅母板，所述光栅母板具有若干矩形条状光栅结构，通过纳米压印方式将所述光栅母板压入所述衬底的压印胶层内，使所述光栅母板脱离所述压印胶层，形成第一光栅结构，蚀刻部分压印胶层，得到具有矩形夹缝的第二光栅结构；

压印胶镀膜：在所述第二光栅结构表面镀上金属膜，使所述金属膜包括镀附于剩余压印胶层表面的第一金属膜层以及镀附于矩形夹缝中且位于所述基片上的第二金属膜层，得到第三光栅结构；

压印胶去除：去除所述第一金属膜层以及所述剩余压印胶层，得到具有第二金属膜层的第四光栅结构；

刻蚀基片：采用离子束刻蚀所述第四光栅结构上的第二金属膜层以及所述基片，得到基片表面形成梯形夹缝的目标光栅结构，其中，所述离子束的发射线与所述基片表面的夹角非直角。

优选地，所述基片涂胶步骤中还包括以下过程：

将涂胶完成的基片置于加热板加热，以去除多余溶剂，并用膜厚仪测量厚度，若厚度未达到指定要求，则继续重复母板涂胶过程，直至测量厚度达到目标厚度。

优选地，在母板压印步骤中，所述矩形光栅母板压入所述压印胶层之前还需要进行抗粘处理过程。

优选地，在母板压印步骤中还包括以下过程：

残余胶去除：通过电感耦合设备去除所述第一光栅结构中的残余胶，使所述第一光栅结构的矩形夹缝底部直接显露基片，得到所述第二光栅结构。

优选地，在压印胶镀膜步骤中，所述金属膜的刻蚀速率与所述基片的刻蚀速率不同。

优选地，所述压印胶去除步骤具体包括以下过程：

以剩余压印胶层作为牺牲层，采用丙酮或水超声去除所述剩余压印胶层以及所述镀附于剩余压印胶层表面的第一金属膜层。

优选地，所述刻蚀基片步骤后，还需要进行以下过程：

基片清洗：用酸性溶液清洗还未刻蚀掉的所述第二金属膜层，以形成带不对称的梯形夹缝的光栅结构。

优选地，所述梯形夹缝的底部宽度为80-120nm。

优选地，所述矩形光栅母板材质为硅片或塑胶片。

本发明的有益效果在于：

本发明的光栅结构制作过程中，通过在母板直接压印衬底而得到第一光栅结构，避免了光栅结构制造过程中曝光与显影的过程，从而简化了光栅结构的生产工艺；一个母板先后生产多个子板，多个母板可同时生产多个子板，可以实现光栅结构的批量生产过程。增设压印胶镀膜过程，选择刻蚀速率与基片不同的第一金属膜，在进行基片刻蚀过程时，可以控制离子束的功率而达到精准控制基片刻蚀深度的效果；同时离子束的发射线与基片表面的夹角非直角，使得刻蚀槽面形成倾斜槽面，以得到基片表面形成梯形夹缝的目标光栅结构。本发明的离子束刻蚀效率高，适合用于大面积的加工和量产使用，应用很广泛，设备资源多。相对激光直写方法来说，设置好预先确认的离子束刻蚀参数，一次成型，效率高且可控度高，目标光栅结构更能符合尺寸要求，且操作更加简单。

【附图说明】

图1为本发明表面浮雕光栅结构的制作方法的流程示意图；

图2为本发明制作目标光栅结构的示意图；

图3为本发明图2中圆圈A指示的衬底的局部放大示意图；

图4为本发明图2中圆圈B指示的第一光栅结构的局部放大示意图；

图5为本发明图2中圆圈C指示的第二光栅结构的局部放大示意图；

图6为本发明图2中圆圈D指示的第三光栅结构的局部放大示意图；

图7为本发明图2中圆圈E指示的第四光栅结构的局部放大示意图；

图8为本发明图2中圆圈F指示的第五光栅结构的局部放大示意图；

图9为本发明图2中圆圈G指示的目标光栅结构的局部放大示意图；

图10为本发明目标光栅结构的正视图；

图11为本发明离子束刻蚀原理示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

请参阅图1-2，本发明公开了一种表面浮雕光栅结构的制作方法，包括以下步骤：

在涂覆压印胶层之前，需先将基片置于清洗设备中，放入无水乙醇以及丙酮浸泡，去除残留有机物，然后使用大量去离子水冲洗、烘干；基片的材质一般为玻璃材质。

S1、基片涂胶：请进一步参阅图3，提供制作所述光栅结构的基片101，在基片101表面涂覆压印胶层102得到衬底11；在基片101上涂覆一层压印胶，当胶浓度和旋涂速率不变时，单次旋涂的厚度不变，因此，需通过多次旋涂达到特定厚度；在光刻胶浓度一定的情况下，需要的膜厚越厚，则旋涂速率要求越快。

将涂胶完成的基片101置于加热板加热，以去除多余溶剂，并用膜厚仪测量厚度，若厚度未达到指定要求，则继续重复基片101涂胶过程，直至测量厚度达到指定要求；热烘过程主要为了实现涂胶过程中厚度的均匀性。

S2、母板压印：请进一步参阅图4-5，通过精确对准，在基片101指定位置完成母板图形的转移，提供光栅母板，光栅母板具有若干矩形条状光栅结构，将光栅母板通过纳米压印方式压入衬底11的压印胶层102内，使光栅母板脱离压印胶层102，得到第一光栅结构12，需要通过电感耦合设备去除第一光栅结构12中的残余胶，使第一光栅结构12的矩形夹缝底部直接显露基片101，得到具有矩形夹缝的第二光栅结构13；

压印胶层102为紫外胶，紫外胶厌氧，压印前需通入氮气驱除氧气，且曝光时持续通氮气保持氮气氛围。

压印后的脱模过程对压印图形至关重要。为方便光栅母板脱模，一般需对光栅母板进行抗粘处理。

抗粘处理过程包括两种方式：一种是臭氧处理30min，以使得光栅母板表面羟基化；另一种是在全氟癸基三氯硅烷中浸泡24h。

S3、压印胶镀膜：请进一步参阅图6，在第二光栅结构13表面蒸镀与基片101刻蚀速率不同的金属膜103，使金属膜103包括镀附于剩余压印胶层102表面的第一金属膜层1031以及镀附于矩形夹缝中且位于基片101上的第二金属膜层1032，得到第三光栅结构14；

具体地，采用磁控溅射或者蒸镀机在衬底基材上第一金属膜层1031为金属铬层，为刻蚀作准备。不同材质的刻蚀速率不同，基片101与掩模刻蚀速度比称为选择比，选择比越大越有利基材刻蚀。由于基材与光刻胶刻蚀选择比过小，不能实现图形在基片101上的转移，因此需要蒸镀金属铬层。

S4、压印胶去除：请进一步参阅图7，去除第一金属膜层1031以及剩余压印胶层102，得到具有第二金属膜层1032的第四光栅结构15；以剩余压印胶层102作为牺牲层，采用丙酮或水超声去除剩余压印胶层102以及镀附于剩余压印胶层102表面的第一金属膜层1031，具体地，超声处理后，压印胶层102以及第一金属膜层1031脱离于基片101，经过进一步清洗即可去除。这样第二金属膜层1032就成为了基片101的掩模。

S5、刻蚀基片101：请进一步参阅图8-10，采用离子束刻蚀第四光栅结构15上的第二金属膜层1032以及基片101，得到第五光栅结构16，用酸性溶液清洗还未刻蚀掉的第二金属膜层1032，得到基片101表面形成梯形夹缝的目标光栅结构，其中，离子束的发射线与基片101表面的夹角非直角。

根据基片101的刻蚀速率与第二金属膜层1032的刻蚀速率控制相应功率，使用电感耦合反应离子刻蚀设备，刻蚀第四光栅结构15，此时，处于第二金属膜层1032与未被第二金属膜层1032掩盖的基片101部分同时被刻蚀，得到第五光栅结构16，直至基片101达到目标刻蚀深度，得到目标光栅结构。

电感耦合反应离子刻蚀设备的的气体类型以及功率多少都可以精准控制，只要能够确认基片101与第二金属膜层1032之间的选择比，即可计算得出最优控制功率，以达到目标的刻蚀深度，最终控制刻蚀深度和转移完整的光栅结构。

在本发明的一实施例中，在基片101刻蚀的步骤中，实现离子束的发射线与显影完成的基片101表面的夹角非直角的过程包括：将基片101固定，控制离子束旋转预设角度，使离子束的发射线倾斜照射入基片101的表面。

在本发明的另一实施例中，在基片101刻蚀的步骤中，实现离子束的发射线与基片101表面的夹角非直角的过程包括：将离子束固定，控制基片101旋转预设角度，使离子束的发射线倾斜照射入基片101的表面。

在本实施例中，通过对离子束的发射线倾斜角度以及金属膜层的刻蚀线宽的控制，可以实现梯形夹缝底部的宽度达到80-120nm之间的精度要求，可控性高，刻蚀完成的目标光栅结构质量更好。

请进一步参阅图11，离子束的发射线倾斜照射入基片101的表面，基片101表面的第二金属膜层1032为矩形膜层，未被第二金属膜层1032遮挡的基片101相应位置的离子束刻蚀速率相同且最深，形成刻蚀夹缝的底部；照射于第二金属膜层1032侧壁的发射线，由于离子束刻蚀的第二金属膜层1032厚度渐变，从而在第二金属膜层1032刻蚀后的基片101表面刻蚀形成第一倾斜角度的夹缝侧壁；部分照射于第二金属膜层1032表面并穿透第二金属膜层1032侧壁的发射线，由于离子束刻蚀的第二金属膜层1032厚度渐变，且与直接照射于第二金属膜层1032侧壁的刻蚀效率不同，故而在第二金属膜层1032刻蚀后的基片101表面刻蚀形成第二倾斜角度的夹缝侧壁。第一倾斜角度的夹缝侧壁、第二倾斜角度的夹缝侧壁以及夹缝的底部形成完整的不对称梯形夹缝。

本发明的光栅结构制作过程中，通过在母板直接压印衬底11而得到第一光栅结构12，避免了光栅结构制造过程中曝光与显影的过程，从而简化了光栅结构的生产工艺；一个母板先后生产多个子板，多个母板可同时生产多个子板，可以实现光栅结构的批量生产过程。增设压印胶镀膜过程，选择刻蚀速率与基片101不同的第一金属膜，在进行基片101刻蚀过程时，可以控制离子束的功率而达到精准控制基片101刻蚀深度的效果；同时离子束的发射线与基片101表面的夹角非直角，使得刻蚀槽面形成倾斜槽面，以得到基片101表面形成梯形夹缝的目标光栅结构。本发明的离子束刻蚀效率高，适合用于大面积的加工和量产使用，应用很广泛，设备资源多。相对激光直写方法来说，设置好预先确认的离子束刻蚀参数，一次成型，效率高且可控度高，目标光栅结构更能符合尺寸要求，且操作更加简单。

以上的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

基片涂胶：提供制作所述光栅结构的基片，在所述基片表面涂覆压印胶层得到衬底；

母板压印：提供光栅母板，所述光栅母板具有若干矩形条状光栅结构，通过纳米压印方式将所述光栅母板压入所述衬底的压印胶层内，使所述光栅母板脱离所述压印胶层，形成第一光栅结构，刻蚀部分压印胶层，得到具有矩形夹缝的第二光栅结构；

压印胶镀膜：在所述第二光栅结构表面镀上金属膜，使所述金属膜包括镀附于剩余压印胶层表面的第一金属膜层以及镀附于矩形夹缝中且位于所述基片上的第二金属膜层，得到第三光栅结构；

压印胶去除：去除所述第一金属膜层以及所述剩余压印胶层，得到具有第二金属膜层的第四光栅结构；

刻蚀基片：采用离子束刻蚀所述第四光栅结构上的第二金属膜层以及所述基片，得到基片表面形成梯形夹缝的目标光栅结构，其中，所述离子束的发射线与所述基片表面的夹角非直角。

2.根据权利要求1所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，所述基片涂胶步骤中还包括以下过程：

将涂胶完成的基片置于加热板加热，以去除多余溶剂，并用膜厚仪测量厚度，若厚度未达到指定要求，则继续重复母板涂胶过程，直至测量厚度达到目标厚度。

3.根据权利要求1所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，在母板压印步骤中，所述矩形光栅母板压入所述压印胶层之前还需要进行抗粘处理过程。

4.根据权利要求1所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，在母板压印步骤中还包括以下过程：

残余胶去除：通过电感耦合设备去除所述第一光栅结构中的残余胶，使所述第一光栅结构的矩形夹缝底部直接显露基片，得到所述第二光栅结构。

5.根据权利要求1所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，在压印胶镀膜步骤中，所述金属膜的刻蚀速率与所述基片的刻蚀速率不同。

6.根据权利要求1所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，所述压印胶去除步骤具体包括以下过程：

以剩余压印胶层作为牺牲层，采用丙酮或水超声去除所述剩余压印胶层以及所述镀附于剩余压印胶层表面的第一金属膜层。

7.根据权利要求1所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，所述刻蚀基片步骤后，还需要进行以下过程：

基片清洗：用酸性溶液清洗还未刻蚀掉的所述第二金属膜层，以形成带不对称的梯形夹缝的光栅结构。

8.根据权利要求1所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，所述梯形夹缝的底部宽度为80-120nm。

9.根据权利要求1所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，所述矩形光栅母板材质为硅片或塑胶片，所述基片的材质为玻璃片。