【至格技术系列】走进AR衍射光波导——光栅母版加工

    大家好，新一期【至格技术系列】又跟大家见面了。距离上一期《走进AR衍射光波导——光栅设计》的发布已经过去将近一个月，在这期间收到众多好评与鼓励，纷纷表示非常期待看到衍射光波导的后续工艺流程。接下来，小编就从光栅母版加工流程、光刻与刻蚀的常用方法、光栅母版加工难点等方面，带大家了解一下衍射光波导研制流程的第二步——光栅母版加工。

    上一期光栅设计中我们讲到，衍射光波导的生产就像是在生产饼干，光栅母版加工就是根据设计精准制作出饼干模具。而对于模具的加工制作来说，加工精度越高，加工难度就越大。比如我们在黑板上写字很容易，但在米粒上写字就很难。

    那么衍射光栅的加工精度是多少呢？

▲ 光栅扫描电镜照片

    理论上，工作在可见光波段的衍射光栅的周期基本在几百纳米量级，而它的特征尺寸（光栅栅线的线宽或高度）往往是几十纳米到一两百纳米，那么其特征尺寸的加工精度就要达到纳米级别。

    生活中我们经常见到纳米这个词，但也许很多人对它还没有概念。

    其实纳米如同米、毫米一样，也是长度单位，1纳米=10-9米（1米=1000毫米，1毫米=1000微米，1微米=1000纳米）。

    为了便于理解，举个比较直观的例子。我们都知道细菌非常小，用肉眼根本无法看到。借助显微镜测量，单个细菌的直径大约是5000纳米，也就是说1纳米的尺寸比细菌还小5000倍。

    由此可见，要想制作如此精密的衍射光栅，常规机械加工工艺显然不行，即便是用激光加工也无法达到这样的加工精度。所以在衍射光波导的研制流程当中，光栅母版加工是对加工精度、复杂度要求最高的环节，通常要使用光刻的方法进行加工制作，其流程主要分为匀胶、光刻、刻蚀、清洗四个步骤。

    01光栅母版加工流程

    匀胶

    光栅母版加工使用的是光刻的方法，那就需要用到一种叫做光刻胶的有机树脂。

    光刻胶如果被光照到，其化学性质便会发生变化，它就容易溶解到显影液（一种化学溶剂）中。如果没有被光照到，则不会溶到显影液里面。我们就是基于光刻胶的这一特性来进行光刻。

    匀胶，就是光刻之前要做的准备工作。其流程是先将基板清洗烘干，然后再将光刻胶均匀涂布到基板上去。这一过程可以近似比喻成摊煎饼，把面糊（光刻胶）倒在器具（基板）上，再通过旋转等方式均匀地摊开。

▲ 匀胶

    光刻

    在基板上涂一层光刻胶之后，通常会再借助有图案结构的掩模板去进行曝光，然后再将基板泡到显影液中，这样被光照到的地方就会被溶解，至此就在光刻胶上做出了想要的结构。这一过程就叫做光刻。

    以下将介绍5种常见的光刻方法。

    方法一：掩模板+普通光源

    有图案结构的掩模板，有些地方透光有些地方不透光，从上面打一束光下来，光会通过这个结构投影到光刻胶上，这样就能把掩模板的结构复制到光刻胶上。这就是掩模板结合普通光源的光刻方法。

    由于掩模板的尺寸与光的波长非常接近，所以当光透过掩模板后不会沿直线传播，而是会发生衍射效应。比如十纳米的格子，投影下来的可能会是一个几十纳米的光斑。所以这种方法做不到百纳米量级的结构，只能做线宽在一微米以上的结构。

    方法二：掩模板+极紫外光源

    通常光刻胶对不同波长的光的敏感程度不同，光的波长越短，发生的衍射效应就会越小，它能够光刻出来的结构的特征尺寸也就越小。

    基于这一特性，就有了掩模板结合极紫外光源的光刻方法。由波长很短的极紫外光作为光源，其发生的衍射效应就会很小，光就可以近似成沿直线传播，这样加工精度就可达到纳米级。所以用极紫外光源的光刻机去做百纳米级的光栅母版可以说绰绰有余。

    然而由于这样的光刻机本身非常昂贵，如果是做线宽为几纳米的产品还算物尽其用，但如果要做百纳米的光栅结构就不太适合，成本太高。

    方法三：激光直写

    激光直写，顾名思义就是无需借助掩模板，直接用聚焦的激光光斑在光刻胶上写出想要的结构。就像在黑板上写字一样，可以写出任何想要的样子。

    如果想实现几十纳米到上百纳米线宽的激光直写，就需要将光聚焦到一个非常小的点，形成几十纳米大小的光斑。虽然理论上可行，但实践中却并不理想。由于受到衍射极限的限制，就算是极紫外光也很难将光斑聚焦到那么小。所以这种方法通常只能做线宽在微米级的结构。

    方法四：电子束光刻

    通常衍射极限和光的波长是直接相关的，理论上只有波长特别短的光，才能聚焦成特别小的光斑。根据研究发现，如果是电子形成的一束光，那么它的波长就会特别短，相应的衍射极限也就特别小。

    所以基于激光直写的原理，如果将光源换成电子形成的光（也就是电子束），就能够去制作几十纳米甚至几纳米线宽的结构，这就是电子束光刻。相当于将铅笔削得特别尖，就能写特别小的字。

    电子束光刻是目前行业中普遍采用的光刻方式。虽然其可以轻松地制作线宽在几十纳米到几百纳米的光栅结构，但由于其需要一笔一笔去写，所以加工时间较长，加工效率不高。

    方法五：全息光刻

    当两束相干光以一定角度相遇时，就会在空间中产生明暗相间的干涉条纹。用这种干涉条纹直接对光刻胶基板进行曝光，就会将干涉条纹的周期性信号记录到光刻胶中，进而形成光栅。这种用双光束干涉进行光刻的方法就是全息光刻。

    全息光刻是非常经典的光栅制作工艺。因为其是整面性光刻，因此制作效率非常高，能够实现光栅参数的快速迭代。但全息光刻的工艺难度也非常高，需要对光刻系统进行精确的调节和控制，因此要想做好全息光刻需要长期的工艺积累。

    刻蚀

    光刻之后，我们就在光刻胶上做出了想要的结构。但由于光刻胶的硬度不够，如果用它直接作为母版去压印，母版的使用寿命就会很短。为了降低损耗，就需要通过刻蚀将光刻胶的结构转移到坚硬的基板上去。

    刻蚀，是通过物理或化学的方法去除基板上不需要的部分的过程。刻蚀方法通常分为两种，一种是干法刻蚀，一种是湿法刻蚀。

    干法刻蚀，就是先将能与基板发生化学反应的气体变为等离子体，然后再用等离子体对基板进行刻蚀。这样基板上没有光刻胶的地方，离子就直接轰击到了基板上，经过离子与基板之间的物理撞击和化学反应，没有光刻胶的地方就会被刻蚀出沟槽来，这样就把光刻胶的结构转移到了基板上。

    看到这里，你可能会好奇，什么是等离子体？

    我们都知道将固体加热到熔点，固体会变成液体；将液体加热到沸点，液体会变成气体。如果把气体进一步加热，气体则会变成由带正电的原子核和带负电的电子组成的等离子体，它是不同于固体、液体和气体的物质的第四态。

了解完等离子体，我们继续介绍湿法刻蚀。

    将带有光刻胶的基板，直接泡到能与基板发生化学反应的溶液里，这样基板上有光刻胶的地方会被保护住，没有光刻胶的地方就会被溶液腐蚀。这就叫做湿法刻蚀。

    清洗

    刻蚀完成后，光刻胶就失去了作用，这时再用与基板不发生反应的溶液将光刻胶清洗掉，最后基板上留下来的就是想要的光栅结构。至此，光栅母版就加工完成了。

▲ 超声清洗

    02光栅母版加工难点

    1、光栅周期均匀性

    目前行业普遍采用的是电子束光刻，每一根周期性的线条都需要用电子束一笔一笔去写，所以线条与线条之间的距离，或多或少都会出现一些偏差。因此，想要确保光栅周期均匀性是非常困难的。就像我们用笔去画10根平行的直线，也很难保证线条与线条的间距完全一致。

    2、加工制作精度

    光栅周期均匀性的误差是指宏观上的两根线条之间的距离存在偏差，而加工制作精度的误差则是指这根线条本身的宽度或高度上的误差。

    客观来讲，任何加工制作的制作值和设计值之间肯定都会有误差，那么如何提高加工制作精度让制作值更符合设计值，就是光栅母版加工的又一难点。

    3、倾斜结构的加工

    通常光栅都是直上直下的垂直结构，但随着技术发展，这种结构的光栅已经渐渐无法满足性能需求。于是出现了像三角形、平行四边形这样的倾斜结构光栅。垂直结构的光栅制作相对容易，而想要制作倾斜结构的光栅则极具挑战性。

    4、表面粗糙度

    理论上，光栅母版的表面都是一个平面，但在现实中并不存在真正的平面，肯定都会有表面上的起伏，即表面粗糙度。

    光栅母版的表面粗糙度越大，其破损几率就越大，母版的使用寿命也就越短。如果光栅母版做的很光滑，没有毛刺，那在后续的纳米压印过程中就会减少破损。所以如何降低表面粗糙度就显得尤为重要。

    5、光栅母版与成品存在误差

    如同印章的尺寸与印在纸上的图案尺寸存在误差一样，光栅母版与纳米压印出来的成品也存在一定误差。

    例如，光栅母版上的特征尺寸是80纳米，压印完可能变成了70纳米，那这个70纳米的值就很可能偏离了设计值。所以即使光栅母版做成了符合设计值的80纳米，但由于母版与成品之间存在误差，最终将导致成品不符合设计。如何减少这种误差也是一个难点。

    03至格科技母版加工的领先优势

    1、加工效率高

    至格科技基于清华大学光栅与测量实验室20余年的光栅制作工艺积累，掌握基于全息光刻和离子束刻蚀的完整的光栅母版加工工艺，并已建成功能完备的光栅母版加工中心，可以实现各种光栅母版的快速加工和迭代。

    2、光栅周期准

    至格科技采用全息光刻的方法加工光栅母版，由于全息光刻得到的光栅周期只与光刻的波长和角度相关，所以光刻出来的光栅母版周期非常准，周期精度可以达到0.1纳米。

    3、加工精度高

    至格科技拥有先进的工艺终点在线检测技术，在光栅母版加工过程中，通过预设模型计算，可实时监测光栅的各种参数信息，一旦检测到参数符合设计值，即可停止加工。基于此，可有效提高光栅母版加工精度，光栅特征尺寸的精度可达±5纳米。

    4、可制作倾斜光栅

    倾斜光栅的加工是业界的难题。至格科技经过长期的工艺探索，已完全掌握平行四边形、三角形、梯形等倾斜光栅的加工工艺。通过干法和湿法的各向异性刻蚀，能够很好地加工出符合设计要求的倾斜光栅结构。

▲ 光栅扫描电镜照片

    5、母版误差小

    很多衍射光波导厂商采用外包生产的业务模式，由于缺乏资源内部整合能力，光栅母版加工与纳米压印生产环节无法紧密配合，导致光栅母版与成品之间存在较大误差。

    对于至格科技来说，在这一问题上再次体现出了IDM模式的优势。至格科技集光栅设计、光栅母版加工、纳米压印生产三大业务环节于一身，光栅母版加工与纳米压印生产环节能够紧密配合，在光栅母版加工环节通过修正母版参数，及时对生产工艺进行误差补偿，可有效控制光栅母版与成品之间的误差。

    光栅母版加工是光栅生产的核心工艺环节。在光栅母版加工过程中，不仅需要精确控制光栅槽形，还需要兼顾整个光栅区域的均匀性，以获得符合设计要求的衍射特性。因此，光栅母版加工有极高的技术壁垒。

    至格科技基于清华大学光栅与测量实验室二十余年的技术积累，成功攻克多个光栅母版加工难点，具有加工效率高、光栅周期准、加工精度高、可制作倾斜光栅、母版误差小等领先优势。接下来，至格科技又将如何打破纳米压印的技术瓶颈，建成国内首条AR衍射光波导生产线。下期【至格技术系列】为大家揭晓答案，敬请期待。

    至格科技

    北京至格科技有限公司是由清华大学精密仪器系孵化出的高新技术企业。公司核心团队包括教育部长江学者、国家杰出青年基金获得者、清华大学教授、博士以及前上市公司管理层和业务骨干。公司依托于清华大学二十余年的光栅领域科研成果进行产业转化，自主掌握“光栅设计、光栅母版加工、纳米压印生产”三大核心技术，拥有功能完备的光栅母版加工中心和衍射光波导产线，致力于AR衍射光波导光学显示模组及衍射光栅的研发、生产和销售。