CN117590512A - 光波导模板及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光波导模板及其制备方法和应用，该光波导模板的制备方法包括：提供一平板基底并在平板基底上形成光刻胶层；在光刻胶层设定N个曝光区A1～AN；采用一次无掩膜灰度曝光工艺或多次紫外曝光工艺对光刻胶层进行曝光，使N个曝光区A1～AN获得不完全相同的曝光剂量，在光刻胶层中形成具有不完全相同曝光深度的多个曝光区；对曝光结束后的所述光刻胶层进行显影，获得图形化的光刻胶层；以图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀平板基底，在平板基底上形成顶部轮廓平齐且具有不同深度的微结构图案，获得光波导模板。本发明的方案可以降低具有不同深度的微结构图案的光波导模板的制备工艺难度并缩短制备工艺周期。

Description

光波导模板及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于光学显示技术领域，具体涉及一种光波导模板及其制备方法和应用。
背景技术
在增强现实(Augmented reality，AR)、混合现实(Mixed reality，MR)领域，相比Bird Bath(BB，半反半透式)、虫眼(离轴反射式)、自由曲面棱镜等显示方案，光波导方案更轻薄、眼盒更大，因此有更广阔的应用前景。在光波导方案中，相比使用部分透反膜的阵列光波导，衍射光波导生产制备工艺难度更低，在实现二维扩瞳时不存在栅格状暗条纹，因此更受关注。目前，衍射光波导主要有基于一维光栅的光波导方案和基于二维光栅的光波导方案。
波导基底上的衍射光栅可以采用表面浮雕光栅和全息光栅的方式实现。对于表面浮雕光栅的方案，为了使得光栅的衍射效率更加均匀，通常将衍射光栅设计为具有多个不同光栅深度。现有技术中，表面浮雕光栅的模板是使用电子束曝光刻蚀工艺制备获得，当需要制备具有多个不同光栅深度的表面浮雕光栅时，需要使用包括多轮电子束曝光刻蚀的套刻工艺实现，每一轮曝光刻蚀依次包括涂胶、曝光、显影以及刻蚀等工序，每一轮对应一种光栅深度。当衍射光栅的不同光栅深度数量较多时，例如是10种以上不同光栅深度，甚至是光栅深度连续渐变时，使用套刻工艺存在制备工艺难度大且制备工艺周期长的问题，生产效率低。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种光波导模板及其制备方法，以降低光波导模板的制备工艺难度和缩短制备工艺周期，提高生产效率。
为了解决以上问题，本发明首先提供一种光波导模板的制备方法，包括：
S1、提供一平板基底并在平板基底上形成光刻胶层；
S2、在所述光刻胶层设定N个曝光区A1～AN；
S3、采用一次无掩膜灰度曝光工艺或多次紫外曝光工艺对所述光刻胶层进行曝光，使N个曝光区A1～AN获得不完全相同的曝光剂量，在光刻胶层中形成具有不完全相同曝光深度的多个曝光区；
S4、对曝光结束后的所述光刻胶层进行显影，获得图形化的光刻胶层；
S5、以图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀所述平板基底，在所述平板基底上形成顶部轮廓平齐且具有不同深度的微结构图案，获得所述光波导模板；
其中，N为2以上的整数。
优选地，所述步骤S3中，通过以下方法Ⅰ或方法Ⅱ或方法Ⅲ使N个曝光区A1～AN获得不完全相同的曝光剂量；
方法Ⅰ：采用一次无掩膜灰度曝光工艺，包括以下子步骤：
S11、基于曝光区A1～AN预设的曝光深度，在无掩膜灰度曝光系统中设置对应的N个曝光剂量P1～PN；N个曝光剂量P1～PN中至少有部分是不相同的；
S12、控制无掩膜灰度曝光系统在所述光刻胶层上进行扫描式曝光，并且在行进至曝光区An时，提供曝光剂量Pn对曝光区An进行曝光；
方法Ⅱ：采用多次紫外曝光工艺，包括以下子步骤：
S21、基于曝光区A1～AN预设的曝光深度，在紫外曝光系统中设置对应的N个曝光剂量Q1～QN，并提供与N个曝光区A1～AN对应的N个紫外曝光掩膜M1～MN；N个曝光剂量Q1～QN是互不相同的；
S22、控制紫外曝光系统在所述光刻胶层上依次进行N次曝光；其中，在进行第n次曝光时在所述光刻胶层上设置第n个紫外曝光掩膜Mn，提供曝光剂量Qn对曝光区An进行曝光；
方法Ⅲ：采用多次紫外曝光工艺，包括以下子步骤：
S31、在紫外曝光系统中设置固定的曝光剂量Q0并提供N个紫外曝光掩膜M1～MN；其中，第n个紫外曝光掩膜Mn配置为能够对曝光区An～AN同时进行曝光；
S32、控制紫外曝光系统在所述光刻胶层上依次进行N次曝光；其中，在进行第n次曝光时在所述光刻胶层上设置第n个紫外曝光掩膜Mn，提供曝光剂量Q0同时对曝光区An～AN进行曝光；
其中，n＝1～N。
优选地，所述平板基底的材料选自硅、氮化硅、碳化硅、二氧化硅、石英、氮化镓、砷化镓、磷化铟、铌酸锂和金属中的至少一种。
优选地，将所述光刻胶层划分为多个子分区，每个子分区独立或同步进行步骤S3的曝光工艺过程，以使得在所述平板基底上形成的微结构图案包含有多个子分区，不同子分区中的微结构图案存在差异化的结构特征。
优选地，所述方法Ⅰ中，每一个曝光区设定为能够形成微结构图案中的一个以上的微结构单元；所述方法Ⅱ或方法Ⅲ中，每一个曝光区设定为能够形成微结构图案中的多个微结构单元；其中，通过设定所述N个曝光区A1～AN在所述光刻胶层中的位置排布，使得在所述平板基底上形成的微结构图案中的微结构单元呈一维阵列排布或二维阵列排布。
优选地，通过调控各个曝光区所获得的曝光剂量的变化，使得在同一维度方向上排列的微结构单元的深度具有如下的变化趋势：微结构单元的深度逐步增大，或者是逐步减小，或者是先逐步增大再逐步减小，或者是先逐步减小再逐步增大，或者是按照位置关系的特定函数变化关系。
优选地，所述微结构单元的深度的变化系数在0.01nm/mm～100nm/mm之间；和/或，在同一维度方向上排列的微结构单元的具有变化的占空比，所述微结构单元的占空比的变化系数在0.01nm/mm～100nm/mm之间。
优选地，所述微结构图案为一维光栅或二维光栅；所述一维光栅的周期为200nm～500nm，所述二维光栅的周期为200nm～500nm；所述二维光栅的两个方向的周期是相同或者不相同的，所述二维光栅的最小单元的最小角在20°～90°之间。
为了解决以上问题，本发明还提供一种光波导模板，采用如上所述的制备方法制备获得，所述光波导模板包括平板基底以及在所述平板基底上形成的顶部轮廓平齐且具有不同深度的微结构图案。
进一步地，本发明还提供一种如上所述的光波导模板的应用，提供波导基底，通过压印工艺将所述光波导模板的微结构图案转移到所述波导基底上，制备获得光波导装置。
本发明实施例提供的光波导模板及其制备方法，在制备具有多个不同微结构单元深度的微结构图案时，采用无掩膜灰度曝光工艺进行一次扫描式曝光或者是采用紫外曝光工艺结合多个紫外曝光掩膜进行多次紫外曝光，曝光完成后仅需进行一次显影工艺和一次刻蚀工艺，即可制备获得具有不同深度的微结构图案，减少了工艺循环的次数，由此可以降低光波导模板的制备工艺难度和缩短制备工艺周期，提高了生产效率。
附图说明
图1是本发明实施例中的光波导模板的制备方法的工艺流程图；
图2是本发明实施例1中对光刻胶层进行曝光的工艺流程图；
图3a～3e是本发明实施例1中的光波导模板的制备方法的工艺过程图示；
图4a～4e示出了本发明一些具体实施方案中的光波导模板的剖面图；
图5为本发明一些具体实施方案中的衍射光栅具有子分区的示例性图示；
图6是本发明实施例2中对光刻胶层进行曝光的工艺流程图；
图7a～7h是本发明实施例2中的光波导模板的制备方法的工艺过程图示；
图8是本发明实施例3中对光刻胶层进行曝光的工艺流程图；
图9a～9h是本发明实施例3中的光波导模板的制备方法的工艺过程图示；
图10是本发明实施例中的二维光栅的点阵示意图。
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，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
需说明的是，当部件被称为“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。
还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明实施例提供一种光波导模板及其制备方法，参阅图1，所述光波导模板的制备方法包括以下步骤：
步骤S1、提供一平板基底并在平板基底上形成光刻胶层。
步骤S2、在所述光刻胶层设定N个曝光区A1～AN。
步骤S3、采用一次无掩膜灰度曝光工艺或多次紫外曝光工艺对所述光刻胶层进行曝光，使N个曝光区A1～AN获得不完全相同的曝光剂量，在光刻胶层中形成具有不完全相同曝光深度的多个曝光区。
步骤S4、对曝光结束后的所述光刻胶层进行显影，获得图形化的光刻胶层。
步骤S5、以图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀所述平板基底，在所述平板基底上形成顶部轮廓平齐且具有不同深度的微结构图案，获得所述光波导模板。
其中，N为2以上的整数。
本发明实施例中的无掩膜灰度曝光工艺介绍：灰度曝光使用电子束曝光，利用光刻胶在低剂量下不完全显影的特性，在扫描不同位置时给予不同剂量曝光，用于在显影、刻蚀后获得3D形貌的一种方式，通常可用于加工菲涅尔透镜、微透镜阵列、闪耀光栅等。相比多次曝光、多次套刻，灰度曝光后仅需要一次刻蚀、无需反复对准，不过在光刻胶的选择、曝光剂量的设定上更为复杂，需要大量前期调试，因此应用场景有限。本发明认为，无掩膜灰度曝光可以拓展应用范围，例如本发明的大面积、变深度光栅/超表面的制备。本发明在目前同样的工艺难度下，拓展了工艺应用场景，丰富了设计自由度，有助于提升器件的性能。
现有灰度曝光技术加工阵列结构例如微透镜阵列和光栅时，仅用于在一个点阵周期/光栅周期内形成结构的高度变化，每个点阵周期/光栅周期的微结构相同；而本发明要求在不同光栅周期内形成光栅槽的深度变化。现有灰度曝光技术加工其他微结构例如分束器(DOE)或扩散器(Diffuser)时，尽管不同位置微结构有高度差异，但是不同位置微结构底部平面平齐；而本发明要求不同位置微结构顶部平齐、底部存在深度变化。因此本发明是对可加工微结构范围的拓展，有利于提升器件性能。现有的其他一些技术要实现底部深度变化时，需要复杂的工艺例如准备抗刻蚀层，但本发明不需要抗刻蚀层或其他辅助工艺，因此极大简化了现有工艺流程。
本发明实施例中的紫外曝光工艺介绍：紫外曝光和电子束曝光均是利用光学系统将光源照射在基底表层的光刻胶上，使光刻胶发生光化学变化，改变光刻胶溶解特性，显影后形成图案化光刻胶以备后续刻蚀基底的工艺。两者有三大不同：
1.光源不同，前者为紫外光(包括汞灯、LED等紫外UV光源，KrF、ArF等深紫外DUV光源，以及极紫外EUV等几代不同光源)，后者为高压电子束；
2.两者光学系统均只针对相应光源设计优化，不可交叉混用；
3.前者还需要非接触的放大掩膜(通常将目标微结构尺寸放大至4倍)，后者无需掩膜。使用非接触掩膜是因为掩膜接触式曝光容易产生缺陷，而非接触的曝光可以极大减少该类缺陷。用于紫外光源的非接触曝光的投影系统是一种高精密光学系统，通常设计为具有缩小的放大率。具有精细结构的掩膜制备不易，投影系统的缩小投影能力极大降低了掩膜的制备难度，掩膜因而可以制备成放大的。电子束曝光是无掩膜的，因而曝光区域按1:1得到最终结构。1:1地加工精细结构提高了工艺难度。
本发明实施例中的紫外曝光刻蚀为多次曝光、一次刻蚀，多次紫外曝光相对于多次电子束曝光，因为采用放大掩膜而对设备、工艺的要求更低。
本发明实施例中的刻蚀方法介绍：刻蚀包括湿法、干法刻蚀，通常采用等离子体刻蚀，包括CCP、ICP、RIE等。通常的套刻技术是一次曝光一次刻蚀，结构存在多个深度即需要多次刻蚀；而本发明采用一次刻蚀，无需复杂的套刻，是利用支持灰度曝光的光刻胶对工艺的极大改进。
下面介绍各个实施例用以说明本发明各方案。
实施例1
参阅图1和图2以及图3a～3e，本实施例提供一种光波导模板的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤S1、如图3a所示，提供一平板基底10并在平板基底10上形成光刻胶层20。
步骤S2、如图3b所示，在所述光刻胶层20设定N个曝光区A1～AN，N为2以上的整数。
步骤S3、如图3b所示，采用一次无掩膜灰度曝光工艺对所述光刻胶层20进行曝光，使N个曝光区A1～AN获得不完全相同的曝光剂量，在所述光刻胶层20中形成具有不完全相同曝光深度的多个曝光区。
具体地，如图2所示，本实施例中的步骤S3包括以下子步骤：
步骤S11、基于曝光区A1～AN预设的曝光深度，在无掩膜灰度曝光系统中设置对应的N个曝光剂量P1～PN；N个曝光剂量P1～PN中至少有部分是不相同的。
步骤S12、控制无掩膜灰度曝光系统在所述光刻胶层20上进行扫描式曝光，并且在行进至曝光区An时，提供曝光剂量Pn对曝光区An进行曝光，n＝1～N。
其中，图3b中的实线箭头表示曝光光束以及对应位置的光刻胶的响应。
步骤S4、如图3c所示，对曝光结束后的所述光刻胶层20进行显影，获得图形化的光刻胶层20a。该图示对应正性光刻胶情形，因此光刻胶曝光后溶解于显影剂，曝光区域对应为槽，未曝光区域对应为脊；当光刻胶为负性光刻胶时，光刻胶未曝光区域溶解于显影剂，曝光区域对应为脊，未曝光区域对应为槽。
步骤S5、如图3d所示，以图形化的光刻胶层20a为掩膜刻蚀所述平板基底10，在所述平板基底10上形成顶部轮廓平齐且具有不同微结构深度的微结构图案10a，如图3e所示。其中，图3d中的虚线箭头表示刻蚀方向。在其他一些实施例中，刻蚀方向也可以不是竖直向下的。
其中，步骤S11中，所述平板基底10的材料选自硅、氮化硅、碳化硅、二氧化硅、石英、氮化镓、砷化镓、磷化铟、铌酸锂和金属中的至少一种。所述光刻胶层20的材料可以选择使用正性光刻胶或负性光刻胶。
其中，在所述平板基底10上形成的微结构图案10a可以为光栅、超构表面、光学分束元件(DOE)、光学扩散元件(Diffuser)或MEMS元件。
本实施例中，如图3b-3d所示，每一个曝光区An设定为能够形成微结构图案10a中的一个的微结构单元，此时N对应为微结构图案10a中微结构单元的数量，对于光栅结构来说是光栅周期的数量，对于超构表面结构来说是超构结构的数量。通过设定所述N个曝光区A1～AN在所述光刻胶层20中的位置排布，使得在所述平板基底10上形成的微结构图案10a中的微结构单元呈一维阵列排布或二维阵列排布。优选的方案中，微结构图案10a构造形成为光栅，可以是一维光栅或二维光栅。当构造为一维光栅时，其光栅周期可以为200nm～500nm；当构造为二维光栅时，其在二维方向上的光栅周期如图10中p1和p2可以分别为200nm～500nm，两个方向的周期可以相同也可以是不相同的，二维光栅的最小重复单元的最小角在20°～90°之间。其中，图10中实线表示最小重复单元，虚线中包括两个最小重复单元。
作为一个具体的案例，本实施例中，所述N个曝光区A1～AN呈一维阵列排布，微结构图案10a为一维光栅，且光刻胶为正性光刻胶，N为光栅周期的数量，每一个曝光区对应为一个光栅槽，相邻两个曝光区之间区域对应为光栅脊。在另一些具体的方案中，也可以将所述N个曝光区A1～AN设定为呈二维阵列排布，以使得在所述平板基底10上形成的微结构图案10a为二维光栅。在其他一些方案中，所述微结构单元的形状在不同位置不同，以使得在所述平板基底10上形成的微结构图案10a为超构表面。
其中，本实施例中，如图3b所示，任意相邻的两个曝光区的曝光剂量可以相同也可以不相同，例如，相邻的曝光区A1和A2对应的曝光剂量P1和P2相同，相邻的曝光区A3和A4对应的曝光剂量P3和P4相同，但是相邻的曝光区A2和A3对应的曝光剂量P2和P3则不相同，相邻的曝光区A4和A5对应的曝光剂量P4和P5也不相同。不相邻的两个曝光区的曝光剂量可以相同或不相同，例如，曝光区A1和A2对应的曝光剂量P1和P2与曝光区A5和A6对应的曝光剂量P5和P6相同，P1、P2与P7～P9则不相同。也就是说，本实施例中，不同曝光区的曝光剂量的变化是离散性的，由此最终获得的微结构图案10a中，微结构单元深度的变化也是离散的。
在其他一些具体的方案中，可以通过调控各个曝光区所获得的曝光剂量的变化，使得在同一维度方向上排列的微结构单元的深度具有连续的变化趋势。具体地，在同一维度的排列方向上，任意相邻的两个曝光区对应的曝光剂量不相同，曝光剂量的变化趋势为逐步增大，或者是逐步减小，或者是先逐步增大再逐步减小，或者是先逐步减小再逐步增大，或者是按照位置关系的特定函数变化关系，以使得经过步骤S5刻蚀后在所述平板基底10上形成的微结构图案10a的深度具有相应的深度连续变化趋势。以一维光栅为例，N个曝光区A1～AN对应的N个曝光剂量P1～PN是连续变化的。其中，所述微结构图案10a的微结构单元的深度的变化系数优选为0.01nm/mm～100nm/mm，可以通过控制各个曝光区的曝光剂量的变化量，调控深度的变化系数。如前所述，变化系数可以是分段变化的。
图4a～4e为本发明一些具体实施方案中的微结构图案10a的剖面图。其中，图4a为直槽包络的光栅的结构图示，并且其中的光栅深度变化趋势为先逐步增大再逐步减小；图4b为斜齿包络的光栅的结构图示，并且其中的光栅深度变化趋势为逐步减小；图4c为闪耀包络的光栅的结构图示，并且其中的光栅深度变化趋势为先逐步减小再逐步增大；图4d为台阶包络的光栅的结构图示，并且其中的光栅深度变化趋势为逐步增大，台阶包络的深度渐变光栅也可以在深度渐变的同时存在台阶数的变化，图中未示；图4e为曲面包络的光栅的结构图示，并且其中的光栅深度变化趋势为逐步减小。在一些实施例中，微结构单元在两个方向深度渐变，例如正交的x、y方向，也可以是斜交的x、(x+y)方向等，此时在两个剖面上各自具有图4a～图4e中的一类或几类形貌。当所述微结构图案10a为衍射光栅时，具有深度渐变的衍射光栅，可以使得衍射效率的空间过渡更为平滑，进而使得光波导装置的显示效果更优。
如前所述，当微结构为光栅、光刻胶为正性光刻胶时，相邻两个曝光区之间区域对应为脊，通过调整相邻两个曝光区内的曝光形状可以控制脊的宽度，进而调控所述微结构单元的占空比。作为优选的方案，在同一维度的排列方向上，通过调整相邻两个曝光区内的曝光形状控制所述微结构单元的占空比逐步变化，所述微结构单元的占空比的变化系数优选为0.01nm/mm～100nm/mm。当所述微结构图案10a为衍射光栅时，具有占空比渐变的衍射光栅，可以优化光波导的显示效果。
其中，步骤S12中，根据所要制备的微结构图案10a的微结构单元为一维阵列排布或二维排布、周期方向以及占空比等参数，在无掩膜灰度曝光系统中设定扫描方向和扫描速度，结合步骤S11已设定的对应N个曝光区A1～AN的N个曝光剂量P1～PN，控制无掩膜灰度曝光系统在所述光刻胶层20上表面的二维平面内进行扫描式曝光。其中，步骤S4可以参考现有的显影工艺进行，具体可以包括显影、定影、清洗去胶、烘烤等步骤。其中，步骤S5可以参考现有的刻蚀工艺进行，可以采用干法刻蚀或湿法刻蚀。
如上实施例制备获得的光波导模板，主要包括平板基底10和位于平板基底10上的微结构图案10a，所述微结构图案10a的顶部轮廓平齐且具有多个不同深度。其中，参阅图4a～4e示出了的一些具体实施方案中的微结构图案10a，顶部轮廓平齐是指微结构图案10a的各个微结构单元的高度是平齐的，不同的微结构深度主要是微结构槽的底部轮廓发生了变化。在优选的方案中，所述微结构图案10a的深度是连续渐变的，其变化趋势可以是逐步增大，或者是逐步减小，或者是先逐步增大再逐步减小，或者是先逐步减小再逐步增大，或者是按照位置关系的特定函数变化关系。
在另一些实施例中，参考如上的工艺步骤S1至S5，其中，在步骤S1中，将所述光刻胶层20划分为多个子分区，每个子分区独立或同步进行步骤S2至步骤S3的曝光工艺过程，然后再进行步骤S4至S5的显影和刻蚀工艺，以使得在所述平板基底10上形成的微结构图案10a包含有多个子分区，不同子分区中的微结构图案存在差异化的结构特征。例如，当微结构图案为光栅时，不同的子分区中微结构图案的光栅矢量长度、光栅矢量方向、微结构形貌、深度、深度渐变系数、深度渐变方向、折射率、吸收中的一项或几项存在差异。
例如，图5所示的微结构图案10a，其中包括7个子分区101，其中，第一个子分区可以构造为如图4a示出的光栅结构，第二个子分区可以构造为如图4b示出的光栅结构，以此类推，其他的几个子分区可以独立地构造为图4a～4e示出的任意一种光栅结构，并且可以一些参数上的调整使得各个子分区存在差异。
实施例2
参阅图1和图6以及图7a～7h，本实施例提供一种光波导模板的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤S1、如图7a所示，提供一平板基底10并在平板基底10上形成光刻胶层20。
步骤S2、如图7b～7e所示，在所述光刻胶层20设定N个曝光区A1～AN，N为2以上的整数。
步骤S3、如图7b～7e所示，采用多次紫外曝光工艺对所述光刻胶层20进行曝光，使N个曝光区A1～AN获得不同的曝光剂量，在光刻胶层中形成具有不同曝光深度的多个曝光区。
具体地，如图6所示，本实施例中的步骤S3包括以下子步骤：
步骤S21、基于曝光区A1～AN预设的曝光深度，在紫外曝光系统中设置对应的N个曝光剂量Q1～QN，并提供与N个曝光区A1～AN对应的N个紫外曝光掩膜M1～MN；N个曝光剂量Q1～QN是互不相同的，相同曝光剂量的微结构对应同一掩膜。
步骤S22、控制紫外曝光系统在所述光刻胶层上依次进行N次曝光；其中，在进行第n次曝光时在所述光刻胶层上设置第n个紫外曝光掩膜Mn，提供曝光剂量Qn对曝光区An进行曝光。图7b～7e中的实线箭头表示曝光光束及光刻胶对曝光光束的响应。
步骤S4、如图7f所示，对曝光结束后的所述光刻胶层20进行显影，获得图形化的光刻胶层20a。
步骤S5、如图7g所示，以图形化的光刻胶层20a为掩膜刻蚀所述平板基底10，在所述平板基底10上形成顶部轮廓平齐且具有多个不同深度的微结构图案10a，如图7h所示。其中，图7g中的虚线箭头表示刻蚀方向。
需要说明的是，实施例2与实施例1相比，区别在于实施例2的步骤S3的曝光过程与实施例1的步骤S3的曝光过程不相同。实施例2的其余步骤与实施例1的相同，可以参照实施例1的进行，因此在实施例2中不再赘述。实施例1和实施例2中曝光区虽用相同的符号A1～AN表示，但是曝光区的划分方式不同。实际操作中，也可以有其他划分方式，但是实施例1中的扫描曝光、实施例2中的多次曝光方案不变。
以微结构图案为光栅、光刻胶为正性光刻胶为例，本实施例的步骤S21中，每一个曝光区包括光栅深度相同多个光栅单元并配置一个对应的紫外曝光掩膜，光栅深度相同的多个光栅单元在空间上可以是紧邻的，也可以是存在间隔的。曝光区的数量M对应为不同光栅深度的数量，紫外曝光掩膜的透光区域缩小后对应为一个光栅槽，紫外曝光掩膜的相邻两个透光区域之间的遮光区域缩小后对应为光栅脊。当光刻胶为负性光刻胶时，透光区域缩小后对应为脊，遮光区域缩小后对应为槽。
参阅图7b～7e，曝光区A1配置一个对应的紫外曝光掩膜M1，曝光区A1包括光栅深度相同的多个光栅单元，曝光区A1中的一部分光栅单元在空间上是紧邻设置的，另一部分是存在间隔设置的。曝光区A2配置一个对应的紫外曝光掩膜M2，曝光区A2包括光栅深度相同的多个光栅单元，曝光区A2中的一部分光栅单元在空间上是紧邻设置的，另一部分是存在间隔设置的。曝光区A3配置一个对应的紫外曝光掩膜M3，曝光区A3包括光栅深度相同的多个光栅单元，曝光区A3中的一部分光栅单元在空间上是紧邻设置的，另一部分是存在间隔设置的。曝光区A4配置一个对应的紫外曝光掩膜M4，曝光区A4包括光栅深度相同的多个光栅单元，曝光区A4中的一部分光栅单元在空间上是紧邻设置的，另一部分是存在间隔设置的。
其中，在一些具体的方案中，每一个曝光区及其对应的紫外曝光掩膜设置为能够曝光获得包含呈一维阵列排布的多个光栅单元图案，以使得在所述平板基底10上形成的衍射光栅10a为一维光栅；在另一些具体的方案中，每一个曝光区及其对应的紫外曝光掩膜设置为能够曝光获得包含呈二维阵列排布的多个光栅单元图案，以使得在所述平板基底10上形成的衍射光栅10a为二维光栅。
需要说明的是，在一些具体的实施方案中，每一个曝光区包括的多个光栅单元在空间上是紧邻设置的，在同一维度的排列方向上的所有曝光区，对应的曝光剂量的变化趋势为逐步增大，或者是逐步减小，或者是先逐步增大再逐步减小，或者是先逐步减小再逐步增大，以使得在所述平板基底10上形成的衍射光栅10a的光栅深度具有相应的深度变化趋势。其中，相邻曝光区对应的光栅深度的变化系数优选为0.01nm/mm～100nm/mm，可以通过控制各个曝光区的曝光剂量的变化量，调控光栅深度的变化系数。
本实施例的步骤S22中，控制紫外曝光系统在所述光刻胶层20上进行曝光。具体地，参阅图7b，在对曝光区A1进行曝光时在所述光刻胶层20上设置与曝光区A1对应的紫外曝光掩膜M1并提供对应的曝光剂量Q1；参阅图7c，在对曝光区A2进行曝光时，设置与曝光区A2对应的紫外曝光掩膜M2并提供对应的曝光剂量Q2；参阅图7d，在对曝光区A3进行曝光时，设置与曝光区A3对应的紫外曝光掩膜M3并提供对应的曝光剂量Q3；参阅图7e，在对曝光区A4进行曝光时，设置与曝光区A4对应的紫外曝光掩膜M4并提供对应的曝光剂量Q4。
其中，本实施例的制备工艺过程中，在每一轮的曝光过程中，在紫外曝光掩膜和光刻胶层20之间还设置有光学聚焦装置30，由此可以使用较大的图案结构尺寸的紫外曝光掩膜就可以制备获得更小的图案结构尺寸的微结构，即，紫外曝光掩膜的图案结构尺寸与制备获得的微结构的图案结构尺寸的比例是大于1的，例如紫外曝光掩膜的图案结构尺寸可以微米级，而所制备获得的衍射光栅的图案结构尺寸为纳米级，由此可以降低紫外曝光掩膜的制备工艺难度。
需要说明的是，本实施例以上的工艺步骤中设置四个曝光区A1～A4仅是作为示例性的说明，即M的取值为4。在实际的制备工艺过程中，M的取值可以为更大的数值，并且M的取值越大，本实施例提供的技术方案的优势越明显。
如前所述，使用正性光刻胶时，紫外曝光掩膜的相邻两个透光区域之间的遮光区域对应为光栅脊，因此通过调整相邻两个透光区域之间的遮光区域的宽度可以控制光栅脊的宽度，进而调控所述衍射光栅中的占空比。作为优选的方案，在同一维度的排列方向上，通过调整紫外曝光掩膜的遮光区的宽度控制所述衍射光栅中的占空比逐步变化，所述衍射光栅的占空比的变化系数优选为0.01nm/mm～100nm/mm。具有占空比渐变的衍射光栅，可以优化光波导的显示效果。使用负性光刻胶时，也可以做到占空比渐变的结果。
进一步地，实施例2的方案中，类似于实施例1的方案，参考如上的工艺步骤S1至S5，其中，在步骤S1中，将所述光刻胶层20划分为多个子分区，每个子分区独立或同步进行步骤S2至步骤S3的曝光工艺过程，然后再进行步骤S4至S5的显影和刻蚀工艺，以使得在所述平板基底10上形成的衍射光栅10a包含有多个子分区，不同的子分区的微结构光栅矢量长度、光栅矢量方向、微结构形貌、深度、深度渐变系数、深度渐变方向、折射率、吸收中的一项或几项存在差异。
实施例3
参阅图1和图8以及图9a～9h，本实施例提供一种光波导模板的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤S1、如图9a所示，提供一平板基底10并在平板基底10上形成光刻胶层20。
步骤S2、如图9b～9e所示，在所述光刻胶层20设定N个曝光区A1～AN，N为2以上的整数。
步骤S3、如图9b～9e所示，采用多次紫外曝光工艺对所述光刻胶层进行曝光，使N个曝光区A1～AN获得不同的曝光剂量，在光刻胶层中形成具有不同曝光深度的多个曝光区。
具体地，如图8所示，本实施例中的步骤S3包括以下子步骤：
步骤S31、在紫外曝光系统中设置固定的曝光剂量Q0并提供N个紫外曝光掩膜M1～MN；其中，第n个紫外曝光掩膜Mn配置为能够对曝光区An～AN同时进行曝光。
步骤S32、控制紫外曝光系统在所述光刻胶层上依次进行N次曝光；其中，在进行第n次曝光时在所述光刻胶层上设置第n个紫外曝光掩膜Mn，提供曝光剂量Q0同时对曝光区An～AN进行曝光。其中，n＝1～N，图9b～9e中的实线箭头表示曝光光束及光刻胶对曝光光束的响应。
步骤S4、如图9f所示，对曝光结束后的所述光刻胶层20进行显影，获得图形化的光刻胶层20a。
步骤S5、如图9g所示，以图形化的光刻胶层20a为掩膜刻蚀所述平板基底10，在所述平板基底10上形成顶部轮廓平齐且具有不同深度的微结构图案10a，如图9h所示。其中，图9g中的虚线箭头表示刻蚀方向。
需要说明的是，实施例3与实施例1和实施例2相比，区别在于实施例3的步骤S3的曝光过程与实施例1和实施例2的步骤S3的曝光过程不相同。实施例3的其余步骤与实施例1的相同，可以参照实施例1的进行，因此在实施例3中不再赘述。实施例3与实施例1的曝光区划分方案不同，与实施例2的曝光区划分方案相同，实际操作中，也可采用其他曝光区划分方式，不影响最终效果。
以微结构图案为光栅、光刻胶为正性光刻胶为例，本实施例的步骤S31中，每一个曝光区包括光栅深度相同多个光栅单元，光栅深度相同的多个光栅单元在空间上可以是紧邻设置的，也可以是存在间隔的。曝光区的数量N对应为不同光栅深度的数量，紫外曝光掩膜的透光区域缩小后对应为一个光栅槽，紫外曝光掩膜的相邻两个透光区域之间的遮光区域缩小后对应为光栅脊。当光刻胶为负性光刻胶时，透光区域缩小后对应为脊，遮光区域缩小后对应为槽。紫外曝光掩膜的数量与曝光区的数量相同，第n个紫外曝光掩膜Mn配置为能够对曝光区An～AN同时进行曝光，由此，第1个曝光区A1进行1次曝光，第n个曝光区An进行n次曝光，第N个曝光区AN进行N次曝光，由此，通过控制不同的曝光次数，使N个曝光区A1～AN获得不同的曝光剂量。
以微结构图案为光栅为例，参阅图9b～9e，曝光区A1包括光栅深度相同的多个光栅单元，曝光区A1中的一部分光栅单元在空间上是紧邻设置的，另一部分是存在间隔设置的。曝光区A2包括光栅深度相同的多个光栅单元，曝光区A2中的一部分光栅单元在空间上是紧邻设置的，另一部分是存在间隔设置的。曝光区A3包括光栅深度相同的多个光栅单元，曝光区A3中的一部分光栅单元在空间上是紧邻设置的，另一部分是存在间隔设置的。曝光区A4包括光栅深度相同的多个光栅单元，曝光区A4中的一部分光栅单元在空间上是紧邻设置的，另一部分是存在间隔设置的。
其中，在一些具体的方案中，每一个曝光区及其对应的紫外曝光掩膜设置为能够曝光获得包含呈一维阵列排布的多个光栅单元图案，以使得在所述平板基底10上形成的衍射光栅10a为一维光栅；在另一些具体的方案中，每一个曝光区及其对应的紫外曝光掩膜设置为能够曝光获得包含呈二维阵列排布的多个光栅单元图案，以使得在所述平板基底10上形成的衍射光栅10a为二维光栅。
需要说明的是，在一些具体的实施方案中，每一个曝光区包括的多个光栅单元在空间上是紧邻设置的，在同一维度的排列方向上的所有曝光区，对应的曝光剂量的变化趋势为逐步增大，或者是逐步减小，或者是先逐步增大再逐步减小，或者是先逐步减小再逐步增大，以使得在所述平板基底10上形成的衍射光栅10a的光栅深度具有相应的深度变化趋势。其中，相邻曝光区对应的光栅深度的变化系数优选为0.01nm/mm～100nm/mm，可以通过控制各个曝光区的曝光剂量的变化量，调控光栅深度的变化系数。
本实施例的步骤S32中，控制紫外曝光系统在所述光刻胶层20上进行曝光。本实施例的制备工艺过程中，与实施例2的相同，在每一轮的曝光过程中，在紫外曝光掩膜和光刻胶层20之间还设置有光学聚焦装置30，由此可以使用较大的图案结构尺寸的紫外曝光掩膜就可以制备获得更小的图案结构尺寸的光栅结构，即，紫外曝光掩膜的图案结构尺寸与制备获得的衍射光栅的图案结构尺寸的比例是大于1的，例如紫外曝光掩膜的图案结构尺寸可以微米级，而所制备获得的衍射光栅的图案结构尺寸为纳米级，由此可以降低紫外曝光掩膜的制备工艺难度。
具体地，参阅图9b，在进行第1次曝光时，在光学聚焦装置30设置紫外曝光掩膜M1并提供曝光剂量Q0，紫外曝光掩膜M1配置为能够对曝光区A1～A4同时进行曝光；参阅图9c，在进行第2次曝光时，在光学聚焦装置30设置紫外曝光掩膜M2并提供曝光剂量Q0，紫外曝光掩膜M2配置为能够对曝光区A2～A4同时进行曝光；参阅图9d，在进行第3次曝光时，在光学聚焦装置30设置紫外曝光掩膜M3并提供曝光剂量Q0，紫外曝光掩膜M3配置为能够对曝光区A3～A4同时进行曝光；参阅图9e，在进行第4次曝光时，在光学聚焦装置30设置紫外曝光掩膜M4并提供曝光剂量Q0，紫外曝光掩膜M4配置为能够对曝光区A4进行曝光。由此，曝光区A1进行了1次曝光，曝光区A2进行了2次曝光，曝光区A3进行了3次曝光，曝光区A4进行了4次曝光，通过控制不同的曝光次数，曝光区A1～A4获得了不同的曝光剂量。
需要说明的是，本实施例以上的工艺步骤中设置四个曝光区A1～A4仅是作为示例性的说明，即M的取值为4。在实际的制备工艺过程中，M的取值可以为更大的数值，并且M的取值越大，本实施例提供的技术方案的优势越明显。
如前所述，使用正性光刻胶时，对光栅结构，紫外曝光掩膜的相邻两个透光区域之间的遮光区域对应为光栅脊，因此通过调整相邻两个透光区域之间的遮光区域的宽度可以控制光栅脊的宽度，进而调控所述衍射光栅中的占空比。作为优选的方案，在同一维度的排列方向上，通过调整紫外曝光掩膜的遮光区的宽度控制所述衍射光栅中的占空比逐步变化，所述衍射光栅的占空比的变化系数优选为0.01nm/mm～100nm/mm。具有占空比渐变的衍射光栅，可以优化光波导的显示效果。
进一步地，实施例3的方案中，类似于实施例1和实施例2的方案，参考如上的工艺步骤S1至S5，其中，在步骤S1中，将所述光刻胶层20划分为多个子分区，每个子分区独立或同步进行步骤S2至步骤S3的曝光工艺过程，然后再进行步骤S4至S5的显影和刻蚀工艺，以使得在所述平板基底10上形成的衍射光栅10a包含有多个子分区，不同的子分区的微结构光栅矢量长度、光栅矢量方向、微结构形貌、深度、深度渐变系数、深度渐变方向、折射率、吸收中的一项或几项存在差异。
如上实施例1-3制备获得的光波导模板，主要包括平板基底10以及在所述平板基底10上形成的顶部轮廓平齐且具有多个不同深度的微结构图案10a。该光波导模板主要应用于制备光波导装置。
本实施例提供的一种应用方式中，首先提供工作模具基底和波导基底，然后通过压印工艺将所述光波导模板的微结构图案转移到所述工作模具基底上，再从所述工作模具基底上转移到所述波导基底上，由此制备获得光波导装置，其光栅结构与光波导模板的结构除了材料特性可能不同外，其形貌特征完全相同。其中，所述波导基底的材料可以选择为玻璃、树脂或透明陶瓷、SiC等。
本实施例提供的一种应用方式中，在如上实施例1-3的制备工艺过程中，将所述平板基底10的材料选择为二氧化硅、石英、树脂、SiC或铌酸锂等适于用作波导基底的材料，由此制备获得的所述光波导模板即形成为光波导装置。
基于如上实施例所制备获得的光波导装置，其主要包括波导基底以及在所述波导基底上形成的顶部轮廓平齐且具有不同深度的微结构图案。
在具体的方案中，在所述波导基底上形成的微结构图案中的微结构单元包括高折射率部分和低折射率部分，所述高折射率部分的折射率在1.5～3之间，所述低折射率部分的折射率在1.0～1.5之间。在进一步的方案中，所述微结构图案靠近所述波导基底侧和/或远离所述波导基底侧存在一层或多层镀膜；和/或，所述波导基底远离所述微结构图案的一侧存在一层或多层镀膜。镀膜的材料可以选择为介质材料或金属材料。
基于如上所述的光波导装置，可以将所述光波导装置与光引擎相互连接结合形成显示模组，所述光引擎可以是选自microLED光机、LCoS光机、LBS光机、DLP光机以及FSD光机中的任意一种。进一步地，可以将所述显示模组封装于外框结构中形成显示设备，所述显示设备例如是增强现实(AR)显示设备或扩展现实(XR)显示设备或抬头显示设备(HUD)等。
综上所述，如上实施例提供的光波导模板及其制备方法，在制备具有多个不同微结构单元深度的微结构图案时，采用无掩膜灰度曝光工艺进行一次扫描式曝光或者是采用紫外曝光工艺结合多个紫外曝光掩膜进行多次紫外曝光，曝光完成后仅需进行一次显影工艺和一次刻蚀工艺，即可制备获得具有多个不同深度的微结构图案，减少了工艺循环的次数，由此可以降低光波导模板的制备工艺难度和缩短制备工艺周期，提高了生产效率。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (10)

1.一种光波导模板的制备方法，其特征在于，包括：
S1、提供一平板基底并在平板基底上形成光刻胶层；
S2、在所述光刻胶层设定N个曝光区A1～AN；
S3、采用一次无掩膜灰度曝光工艺或多次紫外曝光工艺对所述光刻胶层进行曝光，使N个曝光区A1～AN获得不完全相同的曝光剂量，在光刻胶层中形成具有不完全相同曝光深度的多个曝光区；
S4、对曝光结束后的所述光刻胶层进行显影，获得图形化的光刻胶层；
S5、以图形化的光刻胶层为掩膜刻蚀所述平板基底，在所述平板基底上形成顶部轮廓平齐且具有不完全相同深度的微结构图案，获得所述光波导模板；
其中，N为2以上的整数。
2.根据权利要求1所述的光波导模板的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过以下方法Ⅰ或方法Ⅱ或方法Ⅲ使N个曝光区A1～AN获得不完全相同的曝光剂量；
方法Ⅰ：采用一次无掩膜灰度曝光工艺，包括以下子步骤：
S11、基于曝光区A1～AN预设的曝光深度，在无掩膜灰度曝光系统中设置对应的N个曝光剂量P1～PN；N个曝光剂量P1～PN中至少有部分是不相同的；
S12、控制无掩膜灰度曝光系统在所述光刻胶层上进行扫描式曝光，并且在行进至曝光区An时，提供曝光剂量Pn对曝光区An进行曝光；
方法Ⅱ：采用多次紫外曝光工艺，包括以下子步骤：
S21、基于曝光区A1～AN预设的曝光深度，在紫外曝光系统中设置对应的N个曝光剂量Q1～QN，并提供与N个曝光区A1～AN对应的N个紫外曝光掩膜M1～MN；N个曝光剂量Q1～QN是互不相同的；
S22、控制紫外曝光系统在所述光刻胶层上依次进行N次曝光；其中，在进行第n次曝光时在所述光刻胶层上设置第n个紫外曝光掩膜Mn，提供曝光剂量Qn对曝光区An进行曝光；
方法Ⅲ：采用多次紫外曝光工艺，包括以下子步骤：
S31、在紫外曝光系统中设置固定的曝光剂量Q0并提供N个紫外曝光掩膜M1～MN；其中，第n个紫外曝光掩膜Mn配置为能够对曝光区An～AN同时进行曝光；
S32、控制紫外曝光系统在所述光刻胶层上依次进行N次曝光；其中，在进行第n次曝光时在所述光刻胶层上设置第n个紫外曝光掩膜Mn，提供曝光剂量Q0同时对曝光区An～AN进行曝光；
其中，n＝1～N。
3.根据权利要求2所述的光波导模板的制备方法，其特征在于，所述平板基底的材料选自硅、氮化硅、碳化硅、二氧化硅、石英、氮化镓、砷化镓、磷化铟、铌酸锂和金属中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的光波导模板的制备方法，其特征在于，将所述光刻胶层划分为多个子分区，每个子分区独立或同步进行步骤S3的曝光工艺过程，以使得在所述平板基底上形成的微结构图案包含有多个子分区，不同子分区中的微结构图案存在差异化的结构特征。
5.根据权利要求2-4任一项所述的光波导模板的制备方法，其特征在于，所述方法Ⅰ中，每一个曝光区设定为能够形成微结构图案中的一个以上的微结构单元；所述方法Ⅱ或方法Ⅲ中，每一个曝光区设定为能够形成微结构图案中的多个微结构单元；其中，通过设定所述N个曝光区A1～AN在所述光刻胶层中的位置排布，使得在所述平板基底上形成的微结构图案中的微结构单元呈一维阵列排布或二维阵列排布。
6.根据权利要求5所述的光波导模板的制备方法，其特征在于，通过调控各个曝光区所获得的曝光剂量的变化，使得在同一维度方向上排列的微结构单元的深度具有如下的变化趋势：微结构单元的深度逐步增大，或者是逐步减小，或者是先逐步增大再逐步减小，或者是先逐步减小再逐步增大，或者是按照位置关系的特定函数变化关系。
7.根据权利要求6所述的光波导模板的制备方法，其特征在于，所述微结构单元的深度的变化系数在0.01nm/mm～100nm/mm之间；和/或，在同一维度方向上排列的微结构单元的具有变化的占空比，所述微结构单元的占空比的变化系数在0.01nm/mm～100nm/mm之间。
8.根据权利要求6所述的光波导模板的制备方法，其特征在于，所述微结构图案为一维光栅或二维光栅；所述一维光栅的周期为200nm～500nm，所述二维光栅的周期为200nm～500nm；所述二维光栅的两个方向的周期是相同或者不相同的，所述二维光栅的最小单元的最小角在20°～90°之间。
9.一种光波导模板，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的制备方法制备获得，所述光波导模板包括平板基底以及在所述平板基底上形成的顶部轮廓平齐且具有多个不同深度的微结构图案。
10.一种如权利要求9所述的光波导模板的应用，其特征在于，提供波导基底，通过压印工艺将所述光波导模板的微结构图案转移到所述波导基底上，制备获得光波导装置。
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