【至格技術系列】走進AR衍射光波導——光柵母版加工

    大家好，新一期【至格技術系列】又跟大家見面了。距離上一期《走進AR衍射光波導——光柵設計》的發(fā)布已經(jīng)過去將近一個月，在這期間收到眾多好評與鼓勵，紛紛表示非常期待看到衍射光波導的后續(xù)工藝流程。接下來，小編就從光柵母版加工流程、光刻與刻蝕的常用方法、光柵母版加工難點等方面，帶大家了解一下衍射光波導研制流程的第二步——光柵母版加工。

    上一期光柵設計中我們講到，衍射光波導的生產(chǎn)就像是在生產(chǎn)餅干，光柵母版加工就是根據(jù)設計精準制作出餅干模具。而對于模具的加工制作來說，加工精度越高，加工難度就越大。比如我們在黑板上寫字很容易，但在米粒上寫字就很難。

    那么衍射光柵的加工精度是多少呢？

▲ 光柵掃描電鏡照片

    理論上，工作在可見光波段的衍射光柵的周期基本在幾百納米量級，而它的特征尺寸（光柵柵線的線寬或高度）往往是幾十納米到一兩百納米，那么其特征尺寸的加工精度就要達到納米級別。

    生活中我們經(jīng)常見到納米這個詞，但也許很多人對它還沒有概念。

    其實納米如同米、毫米一樣，也是長度單位，1納米=10-9米（1米=1000毫米，1毫米=1000微米，1微米=1000納米）。

    為了便于理解，舉個比較直觀的例子。我們都知道細菌非常小，用肉眼根本無法看到。借助顯微鏡測量，單個細菌的直徑大約是5000納米，也就是說1納米的尺寸比細菌還小5000倍。

    由此可見，要想制作如此精密的衍射光柵，常規(guī)機械加工工藝顯然不行，即便是用激光加工也無法達到這樣的加工精度。所以在衍射光波導的研制流程當中，光柵母版加工是對加工精度、復雜度要求最高的環(huán)節(jié)，通常要使用光刻的方法進行加工制作，其流程主要分為勻膠、光刻、刻蝕、清洗四個步驟。

    01光柵母版加工流程

    勻膠

    光柵母版加工使用的是光刻的方法，那就需要用到一種叫做光刻膠的有機樹脂。

    光刻膠如果被光照到，其化學性質(zhì)便會發(fā)生變化，它就容易溶解到顯影液（一種化學溶劑）中。如果沒有被光照到，則不會溶到顯影液里面。我們就是基于光刻膠的這一特性來進行光刻。

    勻膠，就是光刻之前要做的準備工作。其流程是先將基板清洗烘干，然后再將光刻膠均勻涂布到基板上去。這一過程可以近似比喻成攤煎餅，把面糊（光刻膠）倒在器具（基板）上，再通過旋轉等方式均勻地攤開。

▲ 勻膠

    光刻

    在基板上涂一層光刻膠之后，通常會再借助有圖案結構的掩模板去進行曝光，然后再將基板泡到顯影液中，這樣被光照到的地方就會被溶解，至此就在光刻膠上做出了想要的結構。這一過程就叫做光刻。

    以下將介紹5種常見的光刻方法。

    方法一：掩模板+普通光源

    有圖案結構的掩模板，有些地方透光有些地方不透光，從上面打一束光下來，光會通過這個結構投影到光刻膠上，這樣就能把掩模板的結構復制到光刻膠上。這就是掩模板結合普通光源的光刻方法。

    由于掩模板的尺寸與光的波長非常接近，所以當光透過掩模板后不會沿直線傳播，而是會發(fā)生衍射效應。比如十納米的格子，投影下來的可能會是一個幾十納米的光斑。所以這種方法做不到百納米量級的結構，只能做線寬在一微米以上的結構。

    方法二：掩模板+極紫外光源

    通常光刻膠對不同波長的光的敏感程度不同，光的波長越短，發(fā)生的衍射效應就會越小，它能夠光刻出來的結構的特征尺寸也就越小。

    基于這一特性，就有了掩模板結合極紫外光源的光刻方法。由波長很短的極紫外光作為光源，其發(fā)生的衍射效應就會很小，光就可以近似成沿直線傳播，這樣加工精度就可達到納米級。所以用極紫外光源的光刻機去做百納米級的光柵母版可以說綽綽有余。

    然而由于這樣的光刻機本身非常昂貴，如果是做線寬為幾納米的產(chǎn)品還算物盡其用，但如果要做百納米的光柵結構就不太適合，成本太高。

    方法三：激光直寫

    激光直寫，顧名思義就是無需借助掩模板，直接用聚焦的激光光斑在光刻膠上寫出想要的結構。就像在黑板上寫字一樣，可以寫出任何想要的樣子。

    如果想實現(xiàn)幾十納米到上百納米線寬的激光直寫，就需要將光聚焦到一個非常小的點，形成幾十納米大小的光斑。雖然理論上可行，但實踐中卻并不理想。由于受到衍射極限的限制，就算是極紫外光也很難將光斑聚焦到那么小。所以這種方法通常只能做線寬在微米級的結構。

    方法四：電子束光刻

    通常衍射極限和光的波長是直接相關的，理論上只有波長特別短的光，才能聚焦成特別小的光斑。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，如果是電子形成的一束光，那么它的波長就會特別短，相應的衍射極限也就特別小。

    所以基于激光直寫的原理，如果將光源換成電子形成的光（也就是電子束），就能夠去制作幾十納米甚至幾納米線寬的結構，這就是電子束光刻。相當于將鉛筆削得特別尖，就能寫特別小的字。

    電子束光刻是目前行業(yè)中普遍采用的光刻方式。雖然其可以輕松地制作線寬在幾十納米到幾百納米的光柵結構，但由于其需要一筆一筆去寫，所以加工時間較長，加工效率不高。

    方法五：全息光刻

    當兩束相干光以一定角度相遇時，就會在空間中產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋。用這種干涉條紋直接對光刻膠基板進行曝光，就會將干涉條紋的周期性信號記錄到光刻膠中，進而形成光柵。這種用雙光束干涉進行光刻的方法就是全息光刻。

    全息光刻是非常經(jīng)典的光柵制作工藝。因為其是整面性光刻，因此制作效率非常高，能夠實現(xiàn)光柵參數(shù)的快速迭代。但全息光刻的工藝難度也非常高，需要對光刻系統(tǒng)進行精確的調(diào)節(jié)和控制，因此要想做好全息光刻需要長期的工藝積累。

    刻蝕

    光刻之后，我們就在光刻膠上做出了想要的結構。但由于光刻膠的硬度不夠，如果用它直接作為母版去壓印，母版的使用壽命就會很短。為了降低損耗，就需要通過刻蝕將光刻膠的結構轉移到堅硬的基板上去。

    刻蝕，是通過物理或化學的方法去除基板上不需要的部分的過程。刻蝕方法通常分為兩種，一種是干法刻蝕，一種是濕法刻蝕。

    干法刻蝕，就是先將能與基板發(fā)生化學反應的氣體變?yōu)榈入x子體，然后再用等離子體對基板進行刻蝕。這樣基板上沒有光刻膠的地方，離子就直接轟擊到了基板上，經(jīng)過離子與基板之間的物理撞擊和化學反應，沒有光刻膠的地方就會被刻蝕出溝槽來，這樣就把光刻膠的結構轉移到了基板上。

    看到這里，你可能會好奇，什么是等離子體？

    我們都知道將固體加熱到熔點，固體會變成液體；將液體加熱到沸點，液體會變成氣體。如果把氣體進一步加熱，氣體則會變成由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的等離子體，它是不同于固體、液體和氣體的物質(zhì)的第四態(tài)。

了解完等離子體，我們繼續(xù)介紹濕法刻蝕。

    將帶有光刻膠的基板，直接泡到能與基板發(fā)生化學反應的溶液里，這樣基板上有光刻膠的地方會被保護住，沒有光刻膠的地方就會被溶液腐蝕。這就叫做濕法刻蝕。

    清洗

    刻蝕完成后，光刻膠就失去了作用，這時再用與基板不發(fā)生反應的溶液將光刻膠清洗掉，最后基板上留下來的就是想要的光柵結構。至此，光柵母版就加工完成了。

▲ 超聲清洗

    02光柵母版加工難點

    1、光柵周期均勻性

    目前行業(yè)普遍采用的是電子束光刻，每一根周期性的線條都需要用電子束一筆一筆去寫，所以線條與線條之間的距離，或多或少都會出現(xiàn)一些偏差。因此，想要確保光柵周期均勻性是非常困難的。就像我們用筆去畫10根平行的直線，也很難保證線條與線條的間距完全一致。

    2、加工制作精度

    光柵周期均勻性的誤差是指宏觀上的兩根線條之間的距離存在偏差，而加工制作精度的誤差則是指這根線條本身的寬度或高度上的誤差。

    客觀來講，任何加工制作的制作值和設計值之間肯定都會有誤差，那么如何提高加工制作精度讓制作值更符合設計值，就是光柵母版加工的又一難點。

    3、傾斜結構的加工

    通常光柵都是直上直下的垂直結構，但隨著技術發(fā)展，這種結構的光柵已經(jīng)漸漸無法滿足性能需求。于是出現(xiàn)了像三角形、平行四邊形這樣的傾斜結構光柵。垂直結構的光柵制作相對容易，而想要制作傾斜結構的光柵則極具挑戰(zhàn)性。

    4、表面粗糙度

    理論上，光柵母版的表面都是一個平面，但在現(xiàn)實中并不存在真正的平面，肯定都會有表面上的起伏，即表面粗糙度。

    光柵母版的表面粗糙度越大，其破損幾率就越大，母版的使用壽命也就越短。如果光柵母版做的很光滑，沒有毛刺，那在后續(xù)的納米壓印過程中就會減少破損。所以如何降低表面粗糙度就顯得尤為重要。

    5、光柵母版與成品存在誤差

    如同印章的尺寸與印在紙上的圖案尺寸存在誤差一樣，光柵母版與納米壓印出來的成品也存在一定誤差。

    例如，光柵母版上的特征尺寸是80納米，壓印完可能變成了70納米，那這個70納米的值就很可能偏離了設計值。所以即使光柵母版做成了符合設計值的80納米，但由于母版與成品之間存在誤差，最終將導致成品不符合設計。如何減少這種誤差也是一個難點。

    03至格科技母版加工的領先優(yōu)勢

    1、加工效率高

    至格科技基于清華大學光柵與測量實驗室20余年的光柵制作工藝積累，掌握基于全息光刻和離子束刻蝕的完整的光柵母版加工工藝，并已建成功能完備的光柵母版加工中心，可以實現(xiàn)各種光柵母版的快速加工和迭代。

    2、光柵周期準

    至格科技采用全息光刻的方法加工光柵母版，由于全息光刻得到的光柵周期只與光刻的波長和角度相關，所以光刻出來的光柵母版周期非常準，周期精度可以達到0.1納米。

    3、加工精度高

    至格科技擁有先進的工藝終點在線檢測技術，在光柵母版加工過程中，通過預設模型計算，可實時監(jiān)測光柵的各種參數(shù)信息，一旦檢測到參數(shù)符合設計值，即可停止加工。基于此，可有效提高光柵母版加工精度，光柵特征尺寸的精度可達±5納米。

    4、可制作傾斜光柵

    傾斜光柵的加工是業(yè)界的難題。至格科技經(jīng)過長期的工藝探索，已完全掌握平行四邊形、三角形、梯形等傾斜光柵的加工工藝。通過干法和濕法的各向異性刻蝕，能夠很好地加工出符合設計要求的傾斜光柵結構。

▲ 光柵掃描電鏡照片

    5、母版誤差小

    很多衍射光波導廠商采用外包生產(chǎn)的業(yè)務模式，由于缺乏資源內(nèi)部整合能力，光柵母版加工與納米壓印生產(chǎn)環(huán)節(jié)無法緊密配合，導致光柵母版與成品之間存在較大誤差。

    對于至格科技來說，在這一問題上再次體現(xiàn)出了IDM模式的優(yōu)勢。至格科技集光柵設計、光柵母版加工、納米壓印生產(chǎn)三大業(yè)務環(huán)節(jié)于一身，光柵母版加工與納米壓印生產(chǎn)環(huán)節(jié)能夠緊密配合，在光柵母版加工環(huán)節(jié)通過修正母版參數(shù)，及時對生產(chǎn)工藝進行誤差補償，可有效控制光柵母版與成品之間的誤差。

    光柵母版加工是光柵生產(chǎn)的核心工藝環(huán)節(jié)。在光柵母版加工過程中，不僅需要精確控制光柵槽形，還需要兼顧整個光柵區(qū)域的均勻性，以獲得符合設計要求的衍射特性。因此，光柵母版加工有極高的技術壁壘。

    至格科技基于清華大學光柵與測量實驗室二十余年的技術積累，成功攻克多個光柵母版加工難點，具有加工效率高、光柵周期準、加工精度高、可制作傾斜光柵、母版誤差小等領先優(yōu)勢。接下來，至格科技又將如何打破納米壓印的技術瓶頸，建成國內(nèi)首條AR衍射光波導生產(chǎn)線。下期【至格技術系列】為大家揭曉答案，敬請期待。

    至格科技

    北京至格科技有限公司是由清華大學精密儀器系孵化出的高新技術企業(yè)。公司核心團隊包括教育部長江學者、國家杰出青年基金獲得者、清華大學教授、博士以及前上市公司管理層和業(yè)務骨干。公司依托于清華大學二十余年的光柵領域科研成果進行產(chǎn)業(yè)轉化，自主掌握“光柵設計、光柵母版加工、納米壓印生產(chǎn)”三大核心技術，擁有功能完備的光柵母版加工中心和衍射光波導產(chǎn)線，致力于AR衍射光波導光學顯示模組及衍射光柵的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。