CN117452537A - 一种高深宽比倾斜光栅的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高深宽比倾斜光栅的制备方法，原材料包括结构层、材料层和衬底材料，制备方法包括如下步骤：S1：利用纳米压印技术在压印结构层上制备倾斜光栅，同时形成纳米压印胶的残余层；S2：利用倾斜刻蚀技术对残余层进行去除，使得倾斜光栅贯穿所述压印结构层，并对功能材料层进行初步刻蚀，形成初步光栅；S3：对压印结构层的初步光栅进行倾斜刻蚀，倾斜刻蚀的倾斜角度和倾斜光栅的倾斜角度相同，其中，选用能够优先刻蚀去除功能材料层的刻蚀气体进行倾斜刻蚀处理；S4：通过倾斜刻蚀，对功能材料层完成刻蚀处理；S5：根据需求对残存的压印结构层和衬底材料进行去除，形成倾斜光栅完成层，包括以功能材料层为结构材料的高深宽比倾斜光栅。
Description
技术领域
本发明涉及刻蚀机技术领域，特别涉及一种高深宽比倾斜光栅的制备方法。
背景技术
倾斜光栅是一种光学元件，它在光学波导、分光仪、激光器和其他光学系统中有广泛应用。在光波导领域，倾斜光栅诱导光实现特定角度的衍射，并且提高了衍射效率，是AR应用领域的重要解决方案。制备倾斜光栅涉及到微纳加工技术，如电子束光刻、离子束刻蚀、激光刻蚀、纳米压印等。这些技术允许精确地控制光栅的周期性结构，并实现所需的倾斜角度。
近年来，利用纳米压印技术制备倾斜光栅成为一种重要的解决方案，它可以实现高精度的光栅制备，包括微纳米级别的周期性结构和精确的倾斜角度。纳米压印技术是一种高分辨率、高精度的制备方法，通常用于制备微纳米结构。该技术涉及将一个模板或模具压印到目标材料表面，从而在目标材料上复制出与模板相匹配的微纳米结构。这种技术可以用于制备光学元件、纳米光子学器件和光学光栅等。
目前产业界已经利用纳米压印技术进行AR光栅光波导的制造，其中也包括倾斜光栅光波导。纳米压印批量化生产为倾斜光栅制造大大降低了成本，这也使得AR技术得到发展，但是面对高折射率材料和高深宽比的结构时，单纯的纳米压印就存在很多不足。业界通过降低纳米压印脱模力或者增加压印胶的强度来提高压印结构的深宽比，但这种方案在压印深宽比小于3:1时满足要求，但是当结构深宽比达到5:1或者以上时就容易产生结构损坏现象。
现有技术方案为：利用纳米压印一步成型方案制备低深宽比倾斜光栅是目前的工业应用方案，遇到的现实问题是不能制备较高深宽比的倾斜光栅。
飞利浦于2010年申请的（CN102460237A）“倾斜光栅和用于生产倾斜光栅的方法”专利披露了一种工艺方案。具体的：使通过扫描对象的相干辐射的相位信息可视化的相称成像，形成光栅结构，结合使用刻蚀工艺来制备倾斜光栅。
京东方于2020年申请的（CN 111665682 A）“倾斜光栅的制备方法、压印模板”专利中描述了一种利用磁力诱导的制备倾斜光栅的方案，具体的：在基底上形成柔性材料层；在柔性材料层远离基底的表面上形成磁性材料层；对柔性材料层和磁性材料层进行图案化处理，在压印过程中，当磁性结构受磁力发生位置变化，能够带动柔性结构发生位置变化；利用压印模板形成倾斜光栅。
应用材料公司于2019年申请了（CN 112970145 A）“使用灰调光刻和倾斜刻蚀的深度调节倾斜光栅”专利。使用灰阶抗蚀剂和光刻在光栅层中形成楔形结构。多个通道形成于所述光栅层中，以在所述光栅层中界定倾斜光栅结构。使用选择性蚀刻工艺形成楔形结构和倾斜光栅结构。
然而，纳米压印技术是制造大面积倾斜光栅的主要技术之一，目前学术和工业界已经在使用。但是倾斜光栅有一定的倾斜角度，所以在脱模时产生较大的脱模力，这就导致了高深宽比倾斜光栅结构的脱模困难。特别是当衬底上胶材的强度有较高要求时，比如AR领域需要使用高折射纳米压印胶，就更增加了脱模的难度。这是纳米压印工艺很难压印高深宽比（超过5:1）倾斜光栅结构的原因。
因此需要一种区别于已有工艺方案的新方法，用于制作高深宽比的倾斜光栅应用于光学领域。包括AR增强现实、光学连接器件、分光仪、激光器和其他光学系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高深宽比倾斜光栅的制备方法，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种高深宽比倾斜光栅的制备方法，原材料包括结构层、材料层和衬底材料，制备方法包括如下步骤：
S1：利用纳米压印技术在压印结构层上制备倾斜光栅，同时形成纳米压印胶的残余层；
S2：利用倾斜刻蚀技术对残余层进行去除，使得倾斜光栅贯穿所述压印结构层，并对功能材料层进行初步刻蚀，形成初步光栅；
S3：对压印结构层的初步光栅进行倾斜刻蚀，倾斜刻蚀的倾斜角度和倾斜光栅的倾斜角度相同，其中，选用能够优先刻蚀去除功能材料层的刻蚀气体进行倾斜刻蚀处理；
S4：通过倾斜刻蚀，对功能材料层完成刻蚀处理；
S5：根据需求对残存的压印结构层和衬底材料进行去除，形成倾斜光栅完成层，包括以功能材料层为结构材料的高深宽比倾斜光栅。
作为优选，包括制备方法还包括衬底材料刻蚀方法，包括如下步骤：
A1：在S5完成后，将去除层移除，获取完成层和预留层；
A2：继续进行刻蚀，其中，选用能够优先刻蚀去除衬底材料的刻蚀气体进行刻蚀处理；
A3：材料层被消耗形成保留层，衬底材料被刻蚀后形成高深宽比倾斜光栅；
A4：将保留层去除，获取最终的结果层，所述结果层上包括以衬底材料为结构材料的高深宽比倾斜光栅。
作为优选，所述材料层与结构层的材料选用需要满足以下条件：结构层与材料层至少在一种刻蚀气体下消耗的速率比例小于1：10；且S3中选用的气体为满足该条件的其中一种。
作为优选，所述倾斜光栅的倾斜角度为45°~90°。
作为优选，原材料包括结构层、材料层和衬底材料，所述衬底材料上制备设有材料层，所述材料层上制备获取结构层；
其中：材料层、结构层的制备方法包括旋涂、喷涂、刮涂、镀膜中的一种；
所述结构层是一种纳米压印胶，所述衬底材料包括硅片、玻璃、金属、氮化镓等半导体材料中的一种。
作为优选，所述去除层的去除方法包括刻蚀、腐蚀中的一种。
作为优选，所述保留层的去除方法包括刻蚀、腐蚀中的一种。
作为优选，所述S3中选用的刻蚀气体为氧气，压印结构层选用耐刻蚀UV胶、功能材料层选用聚甲基丙烯酸甲酯、只含有C、H、O元素的胶材中任一种。
本发明的有益效果：
（1）、可以灵活调节所制备倾斜光栅的深宽比，而且不用考虑压印过程的脱模难题，为高深宽比倾斜光栅的制备提供了一种切实可行的方案。光学设计人员可以摆脱生产制造的桎梏更加自由的设计倾斜光栅的高度。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明一种高深宽比倾斜光栅的制备方法的步骤示意图；
图2是本发明的高深宽比倾斜光栅制备流程图；
图3是本发明的以衬底材料为结构材料的高深宽比倾斜光栅制备流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参阅图1，本发明实施例提供一种高深宽比倾斜光栅的制备方法，原材料包括结构层、材料层和衬底材料，制备方法包括如下步骤：
S1：利用纳米压印技术在压印结构层上制备倾斜光栅，同时形成纳米压印胶的残余层；
S2：利用倾斜刻蚀技术对残余层进行去除，使得倾斜光栅贯穿所述压印结构层，并对功能材料层进行初步刻蚀，形成初步光栅；
S3：对压印结构层的初步光栅进行倾斜刻蚀，倾斜刻蚀的倾斜角度和倾斜光栅的倾斜角度相同，其中，选用能够优先刻蚀去除功能材料层的刻蚀气体进行倾斜刻蚀处理；
S4：通过倾斜刻蚀，对功能材料层完成刻蚀处理；
S5：根据需求对残存的压印结构层和衬底材料进行去除，形成倾斜光栅完成层，包括以功能材料层为结构材料的高深宽比倾斜光栅。
包括制备方法还包括衬底材料的刻蚀方法，包括如下步骤：
A1：在S5完成后，将残存的压印结构层移除，获取倾斜光栅完成层和残余的衬底材料；
A2：继续进行刻蚀，其中，选用能够优先刻蚀去除衬底材料的刻蚀气体进行刻蚀处理；
A3：通过刻蚀气体对A1中的倾斜光栅完成层进行消耗，将功能材料层消耗贯穿后对衬底材料继续进行消耗；
A4：将残余的功能材料层去除，保留衬底材料层，衬底材料层上包括以衬底材料为结构材料的高深宽比倾斜光栅。
所述功能材料层与压印结构层的材料选用需要满足以下条件：压印结构层与功能材料层至少在一种刻蚀气体下消耗的速率比例小于1：10；且S3中选用的气体为满足该条件的其中一种。
所述倾斜光栅21的倾斜角度为45°~90°。
原材料包括压印结构层、功能材料层和衬底材料，所述衬底材料上制备设有功能材料层，所述功能材料层上制备获取压印结构层；
其中：功能材料层、压印结构层的制备方法包括旋涂、喷涂、刮涂、镀膜中的一种；
所述压印结构层是一种纳米压印胶，所述衬底材料包括硅片、玻璃、金属、氮化镓等半导体材料中的一种。
对于残存的压印结构层的去除方法包括刻蚀、腐蚀中的一种。
对于残存的功能材料层的去除方法包括刻蚀、腐蚀中的一种。
所述S3中选用的刻蚀气体为氧气，压印结构层选用耐刻蚀UV胶、功能材料层选用聚甲基丙烯酸甲酯、只含有C、H、O元素的胶材中任一种。
为方便理解，根据附图上标记进行解释：
参考图2描述本发明，图2示出了本发明的高深宽比倾斜光栅的制备流程示意图。图2是在第一步的基础上，利用中间层材料继续向下倾斜刻蚀，将结构传递到衬底层。不管是什么材料，本发明的创新之处在于使用不同刻蚀比的材料利用倾斜刻蚀工艺获得高深宽比的倾斜光栅结构。
图2中11是结构层，是一种纳米压印胶。材料12是最终获得高深宽比的功能性材料，比如应用在光学领域的高折射率胶材，但本发明不限于高折射率胶材材料。本发明的一个关键点是在选择11和12材料时要关注两者的刻蚀比，要求材料11至少在一种刻蚀气体下消耗的速率要远小于12材料。材料12是通过旋涂、喷涂、刮涂、镀膜等方法在衬底13上进行制备。材料11是通过旋涂、喷涂、刮涂等方法在材料12上进行制备。衬底材料13可以是硅片、玻璃、金属或者其他如氮化镓等半导体材料。
图2中21是利用纳米压印工艺制备出的倾斜光栅，这个过程会产生22残余层。22残余层需要进行一步刻蚀工艺进行去除，刻蚀完11材料后，倾斜光栅的底部就会暴露出12材料，31结构展示的是12材料上面排布的只有11材料组成的倾斜光栅。
本发明中一个关键工艺步骤就是接下来的倾斜刻蚀。倾斜刻蚀的倾斜角度与倾斜光栅的角度相同，这样能够保证等离子体沿着光栅的侧壁方向进入倾斜光栅的底部。需要注意的是，刻蚀气体的选择需要优先刻蚀去除掉12材料，上文中已经提到。
通过倾斜刻蚀，材料12被大量消耗，材料11少量被刻蚀掉。最终形成图2中41和42组成的高深宽比倾斜光栅。
因为12材料的倾斜光栅是功能层，所以41结构层最后是需要被去除掉的，去除的方法包括刻蚀、腐蚀等方法。最终形成图2中最后一种结构，只保留了衬底和衬底上面的高深宽比倾斜光栅，且此种结构的材料构成只有12材料。这种倾斜光栅的高度可以根据需求进行调节，43是还没有被刻蚀掉的12材料，如果有需求，43也是可以被去除的。
同样的，如果高深宽比倾斜光栅的结构需要刻蚀进衬底材料，即衬底材料作为最终的功能材料，只需要对图2最后的结构继续进行刻蚀，此处刻蚀气体的选择需要优先刻蚀去除掉13材料，如图3所示。随着刻蚀深度的增加，12材料也会被部分消耗，最终形成51结构，但是最终保留的51结构层也需要被去除掉，去除的方法包括刻蚀、腐蚀等方法。
图3中52结构层是13材料被刻蚀后形成的高深宽比倾斜光栅，此结构层的高度通过刻蚀可以自由调节，可以获得以衬底材料为结构材料的高深宽比倾斜光栅61。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高深宽比倾斜光栅的制备方法，其特征在于：原材料包括压印结构层、功能材料层和衬底材料，制备方法包括如下步骤：
S1：利用纳米压印技术在压印结构层上制备倾斜光栅，同时形成纳米压印胶的残余层；
S2：利用倾斜刻蚀技术对残余层进行去除，使得倾斜光栅贯穿所述压印结构层，并对功能材料层进行初步刻蚀，形成初步光栅；
S3：对压印结构层的初步光栅进行倾斜刻蚀，倾斜刻蚀的倾斜角度和倾斜光栅的倾斜角度相同，其中，选用能够优先刻蚀去除功能材料层的刻蚀气体进行倾斜刻蚀处理；
S4：通过倾斜刻蚀，对功能材料层完成刻蚀处理；
S5：根据需求对残存的压印结构层和衬底材料进行去除，形成倾斜光栅完成层，包括以功能材料层为结构材料的高深宽比倾斜光栅。
2.如权利要求1所述的一种高深宽比倾斜光栅的制备方法，其特征在于：制备方法还包括衬底材料刻蚀方法，包括如下步骤：
A1：在S5完成后，将残存的压印结构层移除，获取倾斜光栅完成层和残余的衬底材料；
A2：继续进行刻蚀，其中，选用能够优先刻蚀去除衬底材料的刻蚀气体进行刻蚀处理；
A3：通过刻蚀气体对A1中的倾斜光栅完成层进行消耗，将功能材料层消耗贯穿后对衬底材料继续进行消耗；
A4：将残余的功能材料层去除，保留衬底材料层，衬底材料层上包括以衬底材料为结构材料的高深宽比倾斜光栅。
3.如权利要求1所述的一种高深宽比倾斜光栅的制备方法，其特征在于：所述功能材料层与压印结构层的材料选用需要满足以下条件：压印结构层与功能材料层至少在一种刻蚀气体下消耗的速率比例小于1：10；且S3中选用的气体为满足该条件的其中一种。
4.如权利要求1所述的一种高深宽比倾斜光栅的制备方法，其特征在于：所述倾斜光栅的倾斜角度为45°~90°。
5.如权利要求1所述的一种高深宽比倾斜光栅的制备方法，其特征在于：原材料包括压印结构层、功能材料层和衬底材料，所述衬底材料上制备设有功能材料层，所述功能材料层上制备获取压印结构层；
其中：功能材料层、压印结构层的制备方法包括旋涂、喷涂、刮涂、镀膜中的一种；
所述压印结构层是一种纳米压印胶，所述衬底材料包括硅片、玻璃、金属、氮化镓等半导体材料中的一种。
6.如权利要求1所述的一种高深宽比倾斜光栅的制备方法，其特征在于：对于残存的压印结构层的去除方法包括刻蚀、腐蚀中的一种。
7.如权利要求2所述的一种高深宽比倾斜光栅的制备方法，其特征在于：对于残存的功能材料层的去除方法包括刻蚀、腐蚀中的一种。
8.如权利要求1所述的一种高深宽比倾斜光栅的制备方法，其特征在于：所述S3中选用的刻蚀气体为氧气，压印结构层选用耐刻蚀UV胶、功能材料层选用聚甲基丙烯酸甲酯、只含有C、H、O元素的胶材中任一种。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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