CN110632689B - 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。本发明的表面浮雕光栅结构的制作方法,包括光栅母板制作以及光栅结构转移过程，光栅母板制作过程中，增加母板镀膜过程，选择刻蚀速率与衬底基材不同的金属膜层，在进行母板刻蚀过程时，可以控制离子束的功率而达到精准控制衬底基材刻蚀深度的效果；同时离子束的发射线与显影完成的衬底基材一端面的夹角非直角，使得刻蚀槽面形成倾斜槽面，以达到带梯形夹缝的光栅母板。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。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。

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：

S1、光栅母板制作，包括以下步骤：

母板镀膜：提供衬底基材，在所述衬底基材的表面镀上与所述衬底基材刻蚀速率不同的金属膜层，得到第一光栅母板；

母板涂胶：在所述第一光栅母板的所述金属膜层表面涂覆光刻胶层，得到第二光栅母板；

曝光显影：使用电子束对所述第二光栅母板的光刻胶层表面对应位置进行曝光，并通过显影液显影，得到剩余光刻胶层具有目标线宽夹缝的第三光栅母板；

母板刻蚀：采用离子束刻蚀所述第三光栅母板，其中，所述剩余光刻胶层、所述金属膜层以及所述衬底基材依次被刻蚀，所述离子束的发射线与所述显影完成的衬底基材表面的夹角非直角，以被刻蚀出只剩衬底基材且带梯形夹缝的目标光栅母板；

S2、光栅结构转移：将所述目标光栅母板的结构压印到待处理光栅结构的压印层上，得到目标光栅结构。

优选地，在所述曝光显影步骤中，具体包括以下过程：

根据目标光栅结构的形状，以衬底基材的垂直方向为投影方向，将所述衬底基材分为与所述目标光栅结构凸出区域投影重叠的第一区域以及与所述目标光栅结构凹陷区域投影重叠的第二区域；

使用电子束对处于所述第一区域内的光刻胶层表面进行曝光处理，使所述第一区域内的光刻胶层硬化；

再使用负性显影液显影以去除处于所述第二区域内的光刻胶层，得到的所述剩余光刻胶层为处于所述第一区域内的光刻胶层。

优选地，在所述使用电子束对处于所述第一区域内的光刻胶层表面进行曝光处理的过程中，所述处于所述第一区域内的光刻胶层包括光栅部分以及边缘部分，具体曝光过程包括：

光栅曝光：将边缘部分遮挡，使用电子束曝光光栅部分；

边缘曝光：将电子束曝光后的光栅部分遮挡，使用电子束曝光边缘部分。

优选地，在所述母板刻蚀的步骤中，依次进行金属刻蚀以及基材刻蚀过程。

优选地，金属刻蚀过程包括：

采用离子束刻蚀所述第三光栅母板，其中，所述处于所述第一区域内的光刻胶层以及处于所述第二区域内的金属膜层依次被刻蚀形成第四光栅母板，直至所述处于所述第一区域内的光刻胶层以及处于所述第二区域内的金属膜层均被刻蚀完成，所述衬底基材的第二区域露出，得到第五光栅母板；

优选地，基材刻蚀过程包括：

根据所述衬底基材的刻蚀速率与所述金属膜层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，刻蚀所述第五光栅母板，其中，处于所述第一区域内的金属膜层以及处于第二区域内的衬底基材同时被刻蚀形成第六光栅母板，直至所述第二区域内的衬底基材达到目标刻蚀深度，得到目标光栅母板。

优选地，在所述基材刻蚀的过程中达到目标刻蚀深度后，还要进行以下过程：

清洗金属：使用酸性溶液清洗未刻蚀掉的处于所述第一区域内的金属膜层，以形成带梯形夹缝的光栅母板。

优选地，所述母板涂胶步骤中还包括以下过程：

将涂胶完成的衬底基材置于加热板加热，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，所述光栅结构转移采用纳米压印方法复制得到的所述目标光栅结构包括压印层以及玻璃基层，所述压印层上形成梯形夹缝，且所述玻璃基层显露于所述梯形夹缝底部。

优选地，所述梯形夹缝底部的宽度为80-120nm。

本发明的有益效果在于：

本发明的光栅母板制作过程中，增加母板镀膜过程，选择刻蚀速率与衬底基材不同的金属膜层，在进行母板刻蚀过程时，可以控制离子束的功率而达到精准控制衬底基材刻蚀深度的效果；同时离子束的发射线与显影完成的衬底基材一端面的夹角非直角，使得刻蚀槽面形成倾斜槽面，以达到带梯形夹缝的光栅母板。一组光栅母板可压印形成多组目标光栅结构，同时光栅结构的形成减少了曝光与显影过程，可以大大提高目标光栅结构的生产效率。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为本发明光栅母板制作的流程示意图；

图3为本发明第一光栅母板的结构示意图；

图4为本发明第二光栅母板的结构示意图；

图5为本发明曝光显影形成第三光栅母板的示意图；

图6为本发明母板刻蚀的流程示意图；

图7为本发明母板刻蚀形成目标光栅母板的示意图；

图8为本发明目标光栅母板的结构正视图；

图9为本发明离子束刻蚀原理示意图；

图10为本发明光栅结构转移的示意图；

图11为本发明的光栅母板与光栅结构的结构示意图。

【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：

S1、光栅母板制作，包括以下步骤：

S11、母板清洗：提供衬底基材，将衬底基材置于清洗设备中，放入无水乙醇以及丙酮中浸泡，去除残留有机物，然后使用大量去离子水冲洗、烘干；衬底基材一般选用硅片或塑料片。

S12、母板镀膜：在衬底基材101的表面镀上与衬底基材101刻蚀速率不同的金属膜层102，得到第一光栅母板11，如图3所示；

具体地，采用磁控溅射或者蒸镀机在衬底基材101上金属铬层，为刻蚀作准备。不同材质的刻蚀速率不同，基片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上的转移，因此需要蒸镀金属铬层。

S13、母板涂胶：在第一光栅母板11的金属膜层102表面涂覆光刻胶层103，得到第二光栅母板12，如图4所示；

在金属铬层上涂一层负性光刻胶，光照后形成不可溶的物质，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；

膜厚与光刻胶浓度和旋涂速率的经验公式：

其中，h：膜厚；c：光刻胶浓度；w：旋涂速率；k：常数。

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。

将涂胶完成的衬底基材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，则继续重复母板涂胶过程，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。

S14、曝光显影：使用电子束光刻设备对所述第二光栅母板12的光刻胶层103表面对应位置进行曝光，并通过显影液显影，得到剩余光刻胶层103具有目标线宽夹缝的第三光栅母板13；

电子束光刻设备，通过电子束曝光在光刻胶上实现光栅周期和线宽的精确控制，配合显影工序制备掩模。

请进一步参阅图5，在曝光显影步骤中，具体包括以下过程：根据目标光栅结构的形状，以衬底基材101的垂直方向为投影方向，将衬底基材101分为与目标光栅结构凸出区域投影重叠的第一区域1011以及与目标光栅结构凹陷区域投影重叠的第二区域1012；

使用电子束对处于第一区域1011内的光刻胶层103表面进行曝光处理，使第一区域1011内的光刻胶层103硬化；

处于第一区域1011内的光刻胶层103包括光栅部分10111以及边缘部分10112，曝光过程包括以下两步：

首先采用电子束光刻设备将光刻胶上曝光出目标线宽的光栅结构的光栅部分10111，边缘部分10112遮挡；由于电子束具有效率低、精度高的特点，所以在不同情况下，还可以采用效率相对高、精度相对低的激光束干涉进行曝光；

然后将曝光的光栅部分10111遮挡后，把边缘部分10112进行逐步曝光。

通过两步曝光过程，可以使得曝光精准度更高。

再使用负性显影液显影以去除处于第二区域1012内的光刻胶层103，得到的剩余光刻胶层103为处于第一区域1011内的光刻胶层103。

由于光刻胶层103为负性光刻胶，光照后形成不可溶的物质，在显影液中，未曝光的部分就会被溶解去除。

S15、母板刻蚀：采用离子束刻蚀第三光栅母板13，其中，剩余光刻胶层103、金属膜层以及衬底基材101依次被刻蚀，离子束的发射线与显影完成的衬底基材101表面的夹角非直角，以被刻蚀出只剩衬底基材101且带梯形夹缝的目标光栅母板；

请进一步参阅图7-8，在母板刻蚀的步骤中，具体包括以下刻蚀过程：

S151、金属刻蚀：采用离子束刻蚀第三光栅母板13，其中，处于第一区域1011内的光刻胶层103以及处于第二区域1012内的金属膜层102依次被刻蚀形成第四光栅母板14，直至处于第一区域1011内的光刻胶层103以及处于第二区域1012内的金属膜层102均被刻蚀完成，衬底基材101的第二区域1012露出，得到第五光栅母板15；

S152、基材刻蚀：根据衬底基材101的刻蚀速率与金属膜层102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，刻蚀第五光栅母板，其中，处于第一区域1011内的金属膜层102以及处于第二区域1012内的衬底基材101同时被刻蚀形成第六光栅母板16，直至第二区域1012内的衬底基材101达到目标刻蚀深度，得到目标光栅母板1。

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，只要能够确认衬底基材101与金属膜层102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。

S153、清洗金属：使用酸性溶液清洗未刻蚀掉的处于第一区域1011内的金属膜层102，以形成带梯形夹缝的光栅母板。

在本发明的一实施例中，在母板刻蚀的步骤中，实现离子束的发射线与显影完成的衬底基材101表面的夹角非直角的过程包括：将显影完成的衬底基材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衬底基材101的表面。

在本发明的另一实施例中，在母板刻蚀的步骤中，实现离子束的发射线与显影完成的衬底基材101表面的夹角非直角的过程包括：将离子束固定，控制显影完成的衬底基材101旋转预设角度，使离子束的发射线倾斜照射入衬底基材101的表面。

请进一步参阅图9，离子束的发射线倾斜照射入衬底基材101的表面，衬底基材101表面的金属膜层102为矩形膜层，未被金属膜层102遮挡的衬底基材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；照射于金属膜层102侧壁的发射线，由于离子束刻蚀的金属膜层102厚度渐变，从而在金属膜层102刻蚀后的衬底基材101表面刻蚀形成第一倾斜角度的夹缝侧壁；部分照射于金属膜层102表面并穿透金属膜层102侧壁的发射线，由于离子束刻蚀的金属膜层102厚度渐变，且与直接照射于金属膜层102侧壁的刻蚀效率不同，故而在金属膜层102刻蚀后的衬底基材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。

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。

S2、光栅结构转移，将光栅母板压印到待处理光栅结构的压印层21上，得到目标光栅结构2。压印过程如图10所示，得到的目标光栅结构2包括压印层21以及玻璃基层22，压印层21上形成梯形夹缝，且玻璃基层22显露于梯形夹缝底部。

请进一步参阅图11，目标光栅母板为1，目标光栅结构为2，通过控制金属铬层的厚度(镀膜机可以精确控制镀层厚度)和旋转的角度来控制校对第一倾斜角度c和第二倾斜角度d和夹缝深度h。夹缝底部宽度a和夹缝开口宽度b通过电子束光刻设备程序控制其大小，或者也可以采用激光束干涉进行曝光控制a和b。

本发明的光栅母板制作过程中，增加母板镀膜过程，选择刻蚀速率与衬底基材101不同的金属膜层102，在进行母板刻蚀过程时，可以控制离子束的功率而达到精准控制衬底基材101刻蚀深度的效果；同时离子束的发射线与显影完成的衬底基材101一端面的夹角非直角，使得刻蚀槽面形成倾斜槽面，以达到带梯形夹缝的光栅母板，一组光栅母板可压印形成多组目标光栅结构，同时光栅结构的形成减少了曝光与显影过程，可以大大提高目标光栅结构的生产效率。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 (10)

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：

S1、光栅母板制作，包括以下步骤：

母板镀膜：提供衬底基材，在所述衬底基材的表面镀上与所述衬底基材刻蚀速率不同的金属膜层，得到第一光栅母板；

母板涂胶：在所述第一光栅母板的所述金属膜层表面涂覆光刻胶层，得到第二光栅母板；

曝光显影：使用电子束对所述第二光栅母板的光刻胶层表面对应位置进行曝光，并通过显影液显影，得到剩余光刻胶层具有目标线宽夹缝的第三光栅母板；

母板刻蚀：采用离子束刻蚀所述第三光栅母板，其中，所述剩余光刻胶层、所述金属膜层以及所述衬底基材依次被刻蚀，所述离子束的发射线与所述显影完成的衬底基材表面的夹角非直角，以被刻蚀出只剩衬底基材且带梯形夹缝的目标光栅母板，所述梯形夹缝为不对称梯形夹缝，包括第一倾斜角度的夹缝侧壁、第二倾斜角度的夹缝侧壁以及底部；

S2、光栅结构转移：将所述目标光栅母板的结构压印到待处理光栅结构的压印层上，得到目标光栅结构。

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，在所述曝光显影步骤中，具体包括以下过程：

根据目标光栅结构的形状，以衬底基材的垂直方向为投影方向，将所述衬底基材分为与所述目标光栅结构凸出区域投影重叠的第一区域以及与所述目标光栅结构凹陷区域投影重叠的第二区域；

使用电子束对处于所述第一区域内的光刻胶层表面进行曝光处理，使所述第一区域内的光刻胶层硬化；

再使用负性显影液显影以去除处于所述第二区域内的光刻胶层，得到的所述剩余光刻胶层为处于所述第一区域内的光刻胶层。

3.根据权利要求2所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，在所述使用电子束对处于所述第一区域内的光刻胶层表面进行曝光处理的过程中，所述处于所述第一区域内的光刻胶层包括光栅部分以及边缘部分，具体曝光过程包括：

光栅曝光：将边缘部分遮挡，使用电子束曝光光栅部分；

边缘曝光：将电子束曝光后的光栅部分遮挡，使用电子束曝光边缘部分。

4.根据权利要求3所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，在所述母板刻蚀的步骤中，依次进行金属刻蚀以及基材刻蚀的过程。

5.根据权利要求4所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，所述金属刻蚀包括以下过程：

采用离子束刻蚀所述第三光栅母板，其中，所述处于所述第一区域内的光刻胶层以及处于所述第二区域内的金属膜层依次被刻蚀形成第四光栅母板，直至所述处于所述第一区域内的光刻胶层以及处于所述第二区域内的金属膜层均被刻蚀完成，所述衬底基材的第二区域露出，得到第五光栅母板。

6.根据权利要求5所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，所述基材刻蚀包括以下过程：

根据所述衬底基材的刻蚀速率与所述金属膜层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，刻蚀所述第五光栅母板，其中，处于所述第一区域内的金属膜层以及处于第二区域内的衬底基材同时被刻蚀形成第六光栅母板，直至所述第二区域内的衬底基材达到目标刻蚀深度，得到目标光栅母板。

7.根据权利要求6所述的表面浮雕光栅结构的制作方法，其特征在于，在所述基材刻蚀的过程中达到目标刻蚀深度后，还要进行以下过程：

清洗金属：使用酸性溶液清洗未刻蚀掉的处于所述第一区域内的金属膜层，以形成带梯形夹缝的光栅母板。

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，所述母板涂胶步骤中还包括以下过程：

将涂胶完成的衬底基材置于加热板加热，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。

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，所述将所述目标光栅母板的结构压印到待处理光栅结构的压印层上，得到的目标光栅结构包括压印层以及玻璃基层，所述压印层上形成梯形夹缝，且所述玻璃基层显露于所述梯形夹缝底部。

10.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，所述梯形夹缝底部的宽度为80－120nm。

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