CN116609871B - 一种不等高直齿光栅的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种不等高直齿光栅的制作方法，包括1）在经过净化处理的基底上旋涂一层光刻胶，利用光刻技术对基底上的光刻胶进行图形化定义，得到载有图形化光刻胶的基底；2）使用刻蚀工艺对载有图形化光刻胶的基底进行刻蚀，将所述图形化光刻胶的图形转移到基底上，在基底上形成等高直齿光栅结构；3）依次对基底上形成有等高直齿光栅结构的表面的不同区域形成遮挡，并在每次形成遮挡后对基底蒸镀同质膜层，以在基底上形成不等高直齿光栅结构；任意相邻两次遮挡中，在后遮挡的区域覆盖在前遮挡的区域。相较于传统工艺，采用多次镀膜制备不同高度直齿光栅，即采用加法工艺具有意料不到的技术效果，降低工艺的复杂度，提高工艺的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及衍射波导领域，尤其涉及一种不等高直齿光栅的制作方法。
背景技术
近年来，“元宇宙”经历了从概念炒作到真正实现了各类相关实体产品的落地过程。其中，AR眼镜和MR头显是两款最具代表性的产品。实际上，实现这两种产品的制造可以采用不同的光学显示方案，主要分为传统几何光学、波导光学以及全息光学元件三大类。波导光学方案因具有无漏损传输和高穿透性的优势，在实现了轻薄光学镜片的同时，也可为用户提供较大的视场角(FOV)，并保证眼镜成像清晰，被认为是消费级AR眼镜和MR头显的主流光学方案。
在波导光学中，与阵列光波导和全息光波导相比，表面浮雕衍射光波导具有可完全复用现有半导体的制造加工技术和设备，可以满足消费级成像需求，并且具备大规模生产制造的能力而被给予厚望。
表面浮雕衍射光波导采用的衍射光栅结构主要包括直齿光栅、斜齿光栅、闪耀光栅以及多级、模拟光栅。夫琅和费多缝衍射效应表明，衍射光栅能够对入射光的相位或振幅进行空间调制。衍射光栅的齿形、深度、占空比、周期等对光栅的色散、分束、偏振以及相位匹配性质有决定性的作用，进而影响了光的衍射效率，带来了具有不同光学性能的显示器件。
与其他衍射光栅相比，直齿光栅由于具有结构简单，并且工作在内反射和衍射模式下，具有较高效率的优点，常常被用于制作耦入和耦出器元件。实际上，直齿光栅被应用在光波导显示方案中时，在周期和占宽比一定条件下，主要采用对光栅结构深度进行调制。基于现有技术，目前制做不等高直齿光栅主要有两种方法，一种是通过先制作灰度掩模，再利用干法刻蚀，可以实现一次刻蚀出来不等高的直齿光栅，但缺点是对灰度掩模的制作要求非常高，而刻蚀的准确度有待改善；另一种是通过多次对准遮挡和分区刻蚀过程得到，缺点是对于刻蚀稳定性提出很高的要求。对本领域技术人员而言，如何确保工艺的稳定性是亟需解决的问题，
发明内容
本发明提供了一种不等高直齿光栅的制作方法，旨在解决现有技术中存在的工艺复杂性和工艺稳定性问题。本发明提出通过先一次刻蚀，再多次遮挡镀膜的方法，实现制作一系列具有不等高直齿光栅结构的目的。相较于现有技术中灰度掩膜一次刻蚀的制备方式，避免了精度要求高以及实现难度大的灰度掩膜制作过程，工艺复杂度低且稳定性好。相较于现有技术中多次遮挡分区刻蚀的制备方式，减少了刻蚀次数，与刻蚀稳定性相比，镀膜稳定性更高，且精确度更好控制，而且现有的多次遮挡分区刻蚀的制备方式属于减法工艺，本申请多次遮挡镀膜的制备方式属于加法工艺，加法工艺相较于减法工艺更具优势。所以，相比于目前常用的技术，本发明采用的工艺方法的优点主要有三个，一个是工艺复杂度低，带来良好的经济性；第二个是工艺稳定性好，带来良好的性能稳定性；第三个是到目前为止，该方法在行业内属于首次提出。
本发明提出了一种不等高直齿光栅的制作方法，包括：
1）在经过净化处理的基底上旋涂一层光刻胶，利用光刻技术对基底上的光刻胶进行图形化定义，得到载有图形化光刻胶的基底；
2）使用刻蚀工艺对载有图形化光刻胶的基底进行刻蚀，将所述图形化光刻胶的图形转移到基底上，在基底上形成等高直齿光栅结构；
3）依次对基底上形成有等高直齿光栅结构的表面的不同区域形成遮挡，并在每次形成遮挡后对基底蒸镀同质膜层，以在基底上形成不等高直齿光栅结构；其中，任意相邻两次遮挡中，在后遮挡的区域覆盖在前遮挡的区域。
进一步，所述不等高直齿光栅结构包括N种光栅高度，所述步骤3）包括：
3.1）在基底上形成有等高直齿光栅结构的表面第K次旋涂光刻胶；
3.2）利用光刻工艺对第K区域外的光刻胶进行图形化定义，以对所述第K区域形成遮挡，并暴露所述第K区域外光栅结构的凹槽区域；所述第K区域覆盖所述不等高直齿光栅结构中第1高度至第K高度的光栅结构区域；
3.3）对基底进行第K次蒸镀同质膜层，并将残留的光刻胶以及残留的光刻胶上的同质膜层一并剥离；
3.4）重复上述步骤，直至所述不等高直齿光栅结构形成；其中K、N为正整数，且N≥2，1≤K≤N-1。
可实施地，进一步，所述第K次旋涂光刻胶的涂胶厚度不低于所述第K次蒸镀同质膜层的镀膜厚度；
进一步，所述步骤3.2）包括：利用光刻工艺对第K区域外的光刻胶进行套刻对准图形化曝光并显影，完全去除所述第K区域外光栅结构凹槽中的光刻胶，保留所述第K区域外光栅结构光栅齿上的光刻胶。
进一步，所述步骤3.3）中使用的镀膜技术为电子束蒸发技术或者热蒸发技术。
所述步骤1）中在基底上旋涂的光刻胶的厚度要求根据所设计的最高光栅高度确定。
更进一步，所述步骤1）中，光刻胶厚度的确定方法为：光刻胶厚度=(最高光栅高度/刻蚀选择比)* 刻蚀适配参数，所述刻蚀适配参数取值范围为1.2~2。
可实施地，所述步骤2）中使用的刻蚀技术为ICP、离子束刻蚀或反应离子束刻蚀；离子束刻蚀为纯物理刻蚀，反应离子束刻蚀为物理与化学的刻蚀。
更进一步，所述步骤2）中对基底进行刻蚀的刻蚀深度为所述不等高直齿光栅结构的最高光栅高度。
更进一步，所述步骤3.3）中采用电子束或热蒸发技术获得一定厚度的同质膜层，要求镀膜基底温度不超过100℃。
本发明请求保护一种不等高直齿光栅，其特征在于，所述不等高直齿光栅由前述任一项所述的方法制备得到 。
本发明提出了一种不等高直齿光栅的制作方法，通过在任意相邻两次遮挡中，在后遮挡的区域覆盖在前遮挡的区域，以形成具有不同高度的光栅结构，相对于现有技术中刻蚀的减法工艺，本发明采用加法工艺，通过对经过图形化的基底蒸发一定厚度的同质膜层（即镀膜）工艺，能够精确控制镀膜的厚度，相较于刻蚀工艺，采用镀膜工艺能够精确控制膜层厚度在几至十几纳米，而常规刻蚀工艺是对三维结构的加工，因此刻蚀加工误差远高于镀膜工艺，采用本发明的方法使得制备的不同高度的直齿光栅高度更准确，并且刻蚀的稳定性较差，采用镀膜的稳定性更好，使得制备的光栅结构精度较高，衍射效率更高，工艺更稳定，性能也更稳定，本发明相较于现有的刻蚀工艺，采用多次镀膜制备不同高度直齿光栅具有意料不到的技术效果，降低工艺的复杂度，提供工艺的稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是经过光刻技术对基底上的光刻胶进行直齿图形化定义的示意图；
图2是采用干法刻蚀技术得到直齿光栅的示意图；
图3是对刻蚀后的基底表面再次旋涂一定厚度光刻胶的示意图；
图4是利用光刻工艺对指定直齿区域内的光刻胶进行套刻对准曝光并显影，将刻蚀后的直齿暴露出来的示意图；
图5是对经过图形化的基底蒸发一定厚度的同质膜层的示意图；
图6是利用去胶液将残留的光刻胶以及胶膜上的同质膜层剥离干净的示意图；
图7是利用光刻套刻工艺对指定直齿区域内的光刻胶进行再次图形化并显影，并对基底蒸发一定厚度的同质膜层的示意图；
图8是制作出的具有3种不等高直齿光栅结构的示意图。
图中1表示基底，2表示介质膜层，3表示光刻胶膜层， 4表示与2相同材质的介质膜层。
实施方式
在本实施例中，以制作具有40nm，70nm和100nm三种不等高度的TiO2直齿光栅结构为例，对制作过程详细论述如下：
1）首先，根据光刻胶厚度的确定方法，要获得100nm高度的TiO2直齿光栅，限定为光刻胶厚度=(最高光栅高度/刻蚀选择比)* 刻蚀适配参数，刻蚀适配参数取值范围为1.2~2（为了便于在后刻蚀步骤中刻蚀结构形貌的维持），即在基底上旋涂的光刻胶的厚度要求根据所设计的最高光栅高度确定，接着在经过表面净化处理过的基底上旋涂确定厚度的光刻胶，最后，采用电子束曝光制作得到具有相同周期、占宽比和高度的直齿光刻胶掩模结构，即对光刻胶进行图形化定义，得到载有图形化光刻胶的基底，如图1所示；
2）使用ICP、离子束刻蚀或反应离子束刻蚀技术对基底进行刻蚀，获得高度为100nm的TiO2直齿光栅结构，将光刻胶图形转移到基底上，在基底上形成等高直齿光栅结构，如图2所示，随后进行整体去胶操作；可知晓地，使用刻蚀工艺对载有图形化光刻胶的基底进行刻蚀时，要求首先对设计要求的具有最高高度的直齿光栅进行刻蚀；离子束刻蚀为纯物理刻蚀，反应离子束刻蚀为物理与化学作用的刻蚀；
3）依次对基底上形成有等高直齿光栅结构的表面的不同区域形成遮挡，并在每次形成遮挡后对基底蒸镀同质膜层，以在基底上形成不等高直齿光栅结构；其中，任意相邻两次遮挡中，在后遮挡的区域覆盖在前遮挡的区域。
详细地，进一步，所述不等高直齿光栅结构包括N种光栅高度，如本实例中，限定具有40nm，70nm和100nm三种不等高度，即N=3，所述步骤3）包括：
3.1）在基底上形成有等高直齿光栅结构的表面第1次（K=1）旋涂光刻胶，如图3；
3.2）利用光刻工艺对第一区域外的光刻胶进行图形化定义，并对所述第一区域形成遮挡，如图4所示，暴露所述第一区域外光栅结构的凹槽区域；所述第一区域覆盖所述不等高直齿光栅结构中第1高度的光栅结构区域，如100nm的高度；
3.3）对基底进行第1次蒸镀同质膜层，并将残留的光刻胶以及残留的光刻胶上的同质膜层一并剥离，如图5-6所示，形成具有图6所述的具有第二高度的光栅结构；
具体地，对经过图形化的基底采用电子束或热蒸发技术获得30nm厚度的TiO2膜层4，采用电子束或热蒸发技术获得一定厚度的同质膜层，要求镀膜基底温度不超过100℃，如图5所示，图中4表示与2相同材质的介质膜层，如TiO2膜层；
利用去胶液将残留的光刻胶以及胶膜上的同质膜层一起剥离干净，得到具有70nm和100nm两种不等高度的TiO2直齿光栅结构，如图6所示；
3.4）重复上述步骤，在基底上形成有等高直齿光栅结构的表面第2次（K=2）旋涂光刻胶，利用光刻工艺对第二区域外的光刻胶进行图形化定义，并对所述第二区域形成遮挡，如图7所示，暴露所述第二区域外光栅结构的凹槽区域；对基底进行第2次蒸镀同质膜层，并将残留的光刻胶以及残留的光刻胶上的同质膜层一并剥离，直至所述不等高直齿光栅结构形成，如图8所示；其中K、N为正整数，且N≥2，1≤K≤N-1。
具体地，对刻蚀后的基底表面继续旋涂40-70nm厚度的光刻胶，限定还包括第二区域，第二区域部分覆盖直齿结构表面区域，且第二区域覆盖第一区域，以形成具有不等高的直齿光栅，接着利用光刻工艺对除了第二区域外的其他直齿区域内的光刻胶继续进行套刻对准图形化曝光并显影，最后，再对基底采用电子束或热蒸发技术获得30nm厚度的TiO2膜层，如图7所示；
利用去胶液将残留的光刻胶以及胶膜上的同质膜层完全剥离干净，最终便得到了具有40nm，70nm和100nm三种不等高度的TiO2直齿光栅结构，如图8所示。
当然，可知晓的，上述实施例仅示出了制作具有40nm，70nm和100nm三种不等高度的TiO2直齿光栅结构，即N=3，当需要制备更多参数的不等高直齿结构时，可选择地重复步骤3，以实现多参数的调制，限定N≥3，且为正整数，进而调整旋涂光刻胶的次数K，并限定K≤N-1，从而实现制备具有多种不同高度的光栅结构。
可以理解，上述实施例中，在每次重复过程中，旋涂光刻胶对指定区域形成遮挡时，光刻胶的涂胶厚度应不低于蒸镀同质膜层的镀膜厚度，这样能够便于剥离无需镀膜区域被蒸镀上的膜层。
可实施地，所述步骤3）所述不等高直齿的数量不受限制，所述不等高直齿光栅的周期和占宽比不受限制；
更进一步，可实施地，前述实施例仅示出了从左至右通过镀膜实现高度依次递减的实施例，当本领域技术人员基于本发明的认知，限定左右两侧具有不同的高度，呈对称结构时，根据实际要求，可限定中间光栅高度较两侧的光栅高度高，各光栅高度值由中间位置向左右两侧依次递减、或高度是对称渐变的等多种不等高形式，均不离开本发明的实质，也在本发明的实施例中。
同时，本发明请求保护一种不等高直齿光栅，所述不等高直齿光栅由前述任一项所述的方法制备得到。所述不等高直齿光栅可限定为光栅高度依次 递增或递减或左右两侧呈对称结构等多种具有不同高度的光栅结构形式，均在本发明的保护范围中。
本发明提出了一种不等高直齿光栅的制作方法，涉及一次刻蚀、多次遮挡和对准曝光以及镀膜过程，相对于现有技术中刻蚀的减法工艺，本发明采用加法工艺，通过对经过图形化的基底蒸发一定厚度的同质膜层（即镀膜）工艺，能够精确控制镀膜的厚度，进而控制不同直齿的高度，相较于传统的分区刻蚀工艺对各区刻蚀的稳定性要求，采用镀膜工艺能够精确控制膜层厚度在几纳米，并且稳定性好，使得制备的不同高度的直齿光栅高度更准确、更稳定，而常规刻蚀工艺是对三维结构的加工，因此加工误差远高于镀膜工艺，并且稳定性差，因此，采用本发明提供的镀膜工艺制备不同高度的光栅的稳定性更好，使得制备的光栅结构精度高，衍射效率高，工艺更稳定，性能也更稳定，本发明相较于现有的刻蚀工艺，采用多次镀膜制备不同高度直齿光栅具有意料不到的技术效果，能够有效降低传统工艺的复杂度，提供制备光栅工艺的稳定性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (9)
1.一种不等高直齿光栅的制作方法，其特征在于，包括：
1）在经过净化处理的基底上旋涂一层光刻胶，利用光刻技术对基底上的光刻胶进行图形化定义，得到载有图形化光刻胶的基底；
2）使用刻蚀工艺对载有图形化光刻胶的基底进行刻蚀，将所述图形化光刻胶的图形转移到基底上，在基底上形成等高直齿光栅结构；
3）依次对基底上形成有等高直齿光栅结构的表面的不同区域形成遮挡，并在每次形成遮挡后对基底蒸镀同质膜层，以在基底上形成不等高直齿光栅结构；其中，任意相邻两次遮挡中，在后遮挡的区域覆盖在前遮挡的区域，所述不等高直齿光栅结构包括N种光栅高度，所述步骤3）包括：
3.1）在基底上形成有等高直齿光栅结构的表面第K次旋涂光刻胶；
3.2）利用光刻工艺对第K区域外的光刻胶进行图形化定义，以对所述第K区域形成遮挡，并暴露所述第K区域外光栅结构的凹槽区域；所述第K区域覆盖所述不等高直齿光栅结构中第1高度至第K高度的光栅结构区域；
3.3）对基底进行第K次蒸镀同质膜层，并将残留的光刻胶以及残留的光刻胶上的同质膜层一并剥离；
3.4）重复上述步骤，直至所述不等高直齿光栅结构形成；其中K、N为正整数，且N≥2，1≤K≤N-1。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第K次旋涂光刻胶的涂胶厚度不低于所述第K次蒸镀同质膜层的镀膜厚度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3.2）包括：利用光刻工艺对第K区域外的光刻胶进行套刻对准图形化曝光并显影，完全去除所述第K区域外光栅结构凹槽中的光刻胶，保留所述第K区域外光栅结构光栅齿上的光刻胶。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3.3）中使用的镀膜技术为电子束蒸发技术或者热蒸发技术。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中在基底上旋涂的光刻胶的厚度要求根据所设计的最高光栅高度确定。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤1）中，光刻胶厚度的确定方法为：光刻胶厚度=(最高光栅高度/刻蚀选择比)* 刻蚀适配参数，所述刻蚀适配参数范围为1.2~2。
7.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中使用的刻蚀技术为ICP或者离子束刻蚀与反应离子束刻蚀的组合。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2）中对基底进行刻蚀的刻蚀深度为所述不等高直齿光栅结构的最高光栅高度。
9.一种不等高直齿光栅，其特征在于，所述不等高直齿光栅由权利要求1-8中任一项所述的方法制备得到。
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