CN112505811A - 一种非对称光栅结构图案的制作方法 - Google Patents

一种非对称光栅结构图案的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明技术方案公开了一种非对称光栅结构图案的制作方法，确定激光波长下液晶显示器件的灰阶等级与出射光强之间的关系并绘制相应曲线图；结合感光胶的曝光特性确定灰阶等级与蚀刻深度的关系并绘制成曲线图；生成对应调制图，记载至激光直写系统，对感光胶进行曝光刻蚀以生成非对称光栅结构图案；对非对称光栅结构图案进行显影以去除曝光残胶；对显影后的非对称光栅结构图案进行软化处理以提升非对称光栅结构图案的表面光滑度；对软化后的非对称光栅结构图案进行降温冷却以得到完整的非对称光栅结构图案。实现了高精度非对称光栅结构的一次性线性刻蚀，通过显影及软化步骤使得非对称光栅结构具有高信噪比。

Description

一种非对称光栅结构图案的制作方法
技术领域
本发明涉及光栅结构的制备技术领域，尤其是涉及一种非对称光栅结构图案的制作方法。
背景技术
超构光学的研究与应用，是近几年光学领域的热门课题。其中，非对称光栅作为一种特殊的光学结构，在光谱分析、视觉成像、光学防伪等领域有着广阔的应用前景。相对于传统的对称型光栅，非对称光栅可更好的将能量集中于特定的方向，而不会因能量分散造成过多的损失。利用该特性形成的非对称图案，可有效避免图案之间形成干扰，并产生特殊的视觉效果。
已知用于制作非对称光栅的方法有多种，主要包括电子束蚀刻、离子束蚀刻、高精机械刻划、灰阶曝光等方法。其中：
电子束或离子束蚀刻工艺，具有高精度、低噪声的特点，是目前主流的方法之一。但其制作速度较慢、设备成本高。
采用高精机械刻划工艺制作的非对称光栅，只能制作相对简单的结构，且在刻划过程中容易出现“鬼线”，影响光栅质量。
采用灰阶曝光法制作非对称光栅，具有较低的成本、更高的效率，是一种更经济的方法。然而其加工的非对称光栅信噪比也相对较低，光栅结构精度不够。
针对上述问题，急需在以上方法基础上加以提升改进，在保证低制作成本、高制作效率的情况下，提高非对称光栅的信噪比和结构精度。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有的非对称光栅结构的制作方法制作速度较慢、设备成本高、光栅质量差、光栅精度不够。
为解决上述的技术问题，本发明技术方案提供一种非对称光栅结构图案的制作方法，其中，
步骤1：确定特定激光波长下液晶显示器件的灰阶等级与出射光强之间的关系，并绘制相应曲线图；
步骤2：结合感光胶的曝光特性，确定灰阶等级与蚀刻深度的关系，并绘制成曲线图；
步骤3：生成对应调制图，记载至激光直写系统，对感光胶进行曝光刻蚀以在感光胶胶面生成非对称光栅结构图案；
步骤4：对非对称光栅结构图案进行显影，以去除曝光残胶；
步骤5:对显影后的非对称光栅结构图案进行软化处理，以提升非对称光栅结构图案的表面光滑度；
步骤6:对软化后的非对称光栅结构图案进行降温冷却，以使得胶体重新硬化并得到完整的非对称光栅结构图案。
可选地，所述非对称光栅结构图案的每一凸脊截面的对应左右两个表面分别为不对称斜面。
可选地，任一斜面与法线之间形成有范围在[0，90°)的夹角。
可选地，任一斜面与法线之间形成有范围在(50，70°)的夹角。
可选地，所述非对称光栅结构图案通过透射或反射的方式使光线发生偏折，结构周期宽度为0.5～20um，结构深度为0～5um。
可选地，所述感光胶为以BP-212型光致抗蚀剂为主的感光胶。
可选地，所述感光胶的涂布厚度大于5um。
可选地，步骤5中，软化温度范围为110～160℃。
可选地，步骤5中，软化时间为2～10分钟。
可选地，所述激光直写系统的直写精度大于160000dpi。
本发明技术方案的有益效果是：
本发明的非对称光栅结构的制作方法，可通过连续灰阶调制，并加载至高精度激光直写系统，高精度激光直写系统对感光胶进行刻蚀时精确控制曝光强度，实现了非对称光栅结构的一次性线性刻蚀且非对称光栅结构的结构非常精确，通过显影及软化步骤使得非对称光栅结构具有高信噪比。
附图说明
图1为本发明实施例中非对称光栅结构的制作步骤图示；
图2为本发明实施例中非对称光栅结构的凸脊截面示意图；
图3为本发明实施例中连续灰阶调制的示意图；
图4为本发明实施例中一组具有非对称光栅结构的图案的示意图。
图5为本发明实施例中灰阶光强特性曲线示意图；
图6为本发明实施例中感光胶的曝光特性曲线示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
请参见图1和图2所示，示出了一种实施例的非对称光栅结构图案的制作方法，其中，
步骤1：确定特定激光波长下液晶显示器件的灰阶等级与出射光强之间的关系，并绘制相应曲线图；
步骤2：结合感光胶的曝光特性，确定灰阶等级与蚀刻深度的关系，并绘制成曲线图；
步骤3：生成对应调制图，记载至激光直写系统，对感光胶进行曝光刻蚀以在感光胶胶面生成非对称光栅结构图案；
步骤4：对非对称光栅结构图案进行显影，以去除曝光残胶；
步骤5:对显影后的非对称光栅结构图案进行软化处理，以提升非对称光栅结构图案的表面光滑度；
步骤6:对软化后的非对称光栅结构图案进行降温冷却，以使得胶体重新硬化并得到完整的非对称光栅结构图案。
本实施例中，非对称光栅结构图案的每一凸脊截面的对应左右两个表面分别为不对称斜面。
本实施例中，任一斜面与法线之间形成有范围在[0，90°)的夹角。
本实施例中，任一斜面与法线之间形成有范围在(50，70°)的夹角。
本实施例中，非对称光栅结构图案通过透射或反射的方式使光线发生偏折，结构周期宽度为0.5～20um，结构深度为0～5um。
本实施例中，感光胶为以BP-212型光致抗蚀剂为主的感光胶。
本实施例中，感光胶的涂布厚度大于5um。
本实施例中，步骤5中，软化温度范围为110～160℃。
本实施例中，步骤5中，软化时间为2～10分钟。
本实施例中，激光直写系统的直写精度大于160000dpi。
通过以下说明进一步地认识本发明的特性及功能。
本实施例通过连续灰阶调制，精确控制曝光强度，实现非对称光栅结构的一次性线性刻蚀。具体来说，是根据液晶型光电显示器件的光学开关特性，以及所用感光胶的曝光特性曲线等参数，绘制特定的连续灰度调制图。
如图1所示，使用该灰度图进行曝光，可在感光胶1上一次性获得所需的非对称光栅结构2。随后将其进行特定的后处理工艺，使其结构表面更加平整光滑，以降低噪声，最终可形成高信噪比的非对称光栅结构3。
该方法基于现有的高精激光直写系统，可根据设计需求制作不同频率和角度的非对称光栅结构，且具有成本低、效率高、噪声低的优点，可应用于光波导、精密测量、视觉成像、光谱分析、以及光学防伪等领域。
如图2所示，本实施例的非对称光栅结构，其光栅凸脊截面为不对称斜面，其凸脊两边的斜面与法线的角度(6、7)范围均大于或等于0°，且小于90°，本实施例中优选的在50°～70°之间。其通过透射(或反射) 的方式使光线发生偏折，结构周期宽度通常在0.5～20um之间，本实施例中优选的结构深度在0～5um之间。
本实施例非对称光栅结构具有光线偏折作用，根据其结构周期的宽度和材质等要求，可分为透射型、折射型和衍射型。具体来说，结构周期宽度大于5um，则以透射或折射为主；结构宽度小于5um，则以衍射为主。其中，衍射型非对称光栅结构即为双闪耀光栅，其光学原理遵循闪耀光栅的衍射原理。
本实施例所说的非对称光栅结构的一次性线性刻蚀，是指该方法可实现非对称光栅结构的一次成型，无需分步曝光，这是该方法实现高加工效率的主要方式。
如图3所示，连续灰阶调制是对比于阶梯曝光方式，通过加载8位灰度位图作为调制显示图片，实现最大256阶调制。
本实施例的液晶型光电显示器件的光学开关特性是指该显示器件的液晶分子对光强的调控特性，以及其与所显灰阶之间的关系。进一步说，就是该显示器件所显灰阶与透射(或反射)光强的特性曲线。同时需要注意的是，不同的光电显示器件其光学开关特性也不尽相同，因此对应的特性曲线并非一致。
本实施例的感光胶是专门用于微纳光学结构的光致抗蚀材料，其涂布厚度要求大于5um。该光致抗蚀材料曝光过程完成后，需进行显影以去除曝光部分材料。本实施例所采用的感光胶主要为BP-212型光致抗蚀剂，但不限于其他型号的光致抗蚀剂。
本实施例的感光胶的曝光特性曲线是指该型号的感光胶的曝光量与蚀刻深度曲线，该曲线可通过曝光实验测量得出。具体方法为：在同一感光胶版之上采用不同的曝光量对其分区域曝光，并经过显影去除残胶，使用高精度测量仪器即可测出蚀刻深度，从而确定相应曲线。
本实施例的后处理工艺是指对蚀刻完成的感光胶片进行加热流平处理，具体来说，要求在特定温度下促使胶体软化，并借助张力作用使其流平。该温度范围必须严格控制，过高或过低均不能达到预期效果。通常地，温度保持在110℃～160℃之间，持续时间视温度而定，优选地保持在2～10 分钟之间。
本实施例的高精激光直写系统为自主开发的专门用于激光蚀刻工艺的光学系统，直写精度大于160000dpi。其采用面阵显示，相比电子束或离子束的单线扫描方式，具有更高的制作效率。
本实施例的非对称光栅结构可应用于光学防伪领域，以非对称光栅结构为基底，在其上加载图形信息，形成非对称光栅图案，通过特殊的光学效果达到防伪辨识功能。
参见图3和图4所示，本实施例的非对称光栅结构的图案，包含两个独立的图形，其中图形a10对应图3中所示的光栅结构一8，图形b11对应图3中所示的光栅结构二9。图形a和图形b位于相同区域，非对称光栅呈现开关效果，图形a和图形b分别为不同的观察角度，其观察角度取决于光栅结构一8和光栅结构二9的反射角度。
以下说明非对称光栅结构的具体制作方法：
在激光入射状态下，确定液晶型光电显示器件在不同灰度等级情况下的出射光强，以此可得到相应的特性曲线(如图6所示)，在此标记为 G-P曲线。通过数据可知，该曲线为非线性变化关系。
综合感光胶的曝光特性曲线(如图6所示)，与G-P曲线进行乘积变换，如此可绘制出准确的灰阶刻蚀关系图，即G-H关系图，通过该图可获得线性蚀刻所对应的灰阶数值。
根据关系图对目标图案进行灰度调制，即可生成对应的灰阶调制图。并将其加载至高精度激光直写系统，进行曝光蚀刻。
非对称光栅结构图案蚀刻完成后需进行显影，以去除曝光残胶，此时光栅结构表面平滑度较差，须进行后处理以降低噪声。
在洁净安全的环境下对非对称图结构案进行软化处理，使其表面结构借助张力作用流平。此过程需严格控制软化温度，确保达到但不超过胶体软化点。通常地，温度保持在110℃～160℃之间，持续时间视温度而定，优选地保持在2～10分钟之间。
常温下散热冷却，使得胶体重新硬化。并采用电铸工艺将非对称光栅图案转移至金属材料之上，方便拷贝和保存。
上述非对称光栅结构的具体制作方法可有效提高信噪比至17dB以上，形成的图形之间没有干扰，精度较高。
综上所述，本发明的非对称光栅结构的制作方法，可通过连续灰阶调制，并加载至高精度激光直写系统，高精度激光直写系统对感光胶进行刻蚀时精确控制曝光强度，实现了非对称光栅结构的一次性线性刻蚀且非对称光栅结构的结构非常精确，通过显影及软化步骤使得非对称光栅结构具有高信噪比。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种非对称光栅结构图案的制作方法，其特征在于，
步骤1：确定特定激光波长下液晶显示器件的灰阶等级与出射光强之间的关系，并绘制相应曲线图；
步骤2：结合感光胶的曝光特性，确定灰阶等级与蚀刻深度的关系，并绘制成曲线图；
步骤3：生成对应调制图，记载至激光直写系统，对感光胶进行曝光刻蚀以在感光胶胶面生成非对称光栅结构图案；
步骤4：对非对称光栅结构图案进行显影，以去除曝光残胶；
步骤5:对显影后的非对称光栅结构图案进行软化处理，以提升非对称光栅结构图案的表面光滑度；
步骤6:对软化后的非对称光栅结构图案进行降温冷却，以使得胶体重新硬化并得到完整的非对称光栅结构图案。
2.根据权利要求1所述的非对称光栅结构图案的制作方法，其特征在于，所述非对称光栅结构图案的每一凸脊截面的对应左右两个表面分别为不对称斜面。
3.根据权利要求2所述的非对称光栅结构图案的制作方法，其特征在于，任一斜面与法线之间形成有范围在[0，90°)的夹角。
4.根据权利要求3所述的非对称光栅结构图案的制作方法，其特征在于，任一斜面与法线之间形成有范围在(50，70°)的夹角。
5.根据权利要求1所述的非对称光栅结构图案的制作方法，其特征在于，所述非对称光栅结构图案通过透射或反射的方式使光线发生偏折，结构周期宽度为0.5～20um，结构深度为0～5um。
6.根据权利要求1所述的非对称光栅结构图案的制作方法，其特征在于，所述感光胶为以BP-212型光致抗蚀剂为主的感光胶。
7.根据权利要求1所述的非对称光栅结构图案的制作方法，其特征在于，所述感光胶的涂布厚度大于5um。
8.根据权利要求1所述的非对称光栅结构图案的制作方法，其特征在于，步骤5中，软化温度范围为110～160℃。
9.根据权利要求1所述的非对称光栅结构图案的制作方法，其特征在于，步骤5中，软化时间为2～10分钟。
10.根据权利要求1所述的非对称光栅结构图案的制作方法，其特征在于，所述激光直写系统的直写精度大于160000dpi。
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