基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法。

背景技术

在现有的波导晶圆压印工艺中，为了防止波导由于外力的作用破裂，在晶圆的选择上，常需要控制晶圆的厚度大于0.6mm，使其具有一定的抗压能力；结合目前波导的显示效果，往往单层波导的显示效果不尽人意，为了提高波导的全彩显示效果，常通过两层波导叠加来改善显示效果；虽达到了改善显示的目的，但双层波导的叠合将导致波导组件的厚度大于0.8mm，形成的波导组件重量较重，用户使用起来不轻便，这与用户追求的轻薄相背离，无法适用于目前社会技术的发展要求。因此，如何在改善显示效果的前提下，减少波导组件的重量对本领域技术人员而言，是迫切需要解决的技术问题。

另一方面，目前制备波导常采用树脂或玻璃作为晶圆材料，晶圆作为光全反射的传输介质，受限于树脂或玻璃晶圆的折射率，较低折射率的晶圆影响视场（Field of View，FOV），使得本领域技术人员基于目前现有技术无法选择具有更高折射率的传输介质来改善波导的FOV大小。因此，如何改善现有晶圆的折射率，对本领域技术人员而言，是重要的。

基于上述两方面的原因，本发明拟提出一种新的方法，来改善现有波导的重量和FOV大小问题，给本领域技术人员更多的选择。

发明内容

本发明提供了一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法，解决现有技术中存在的问题，使得制备的波导重量更轻薄、轻便的同时，兼具视场成像大小，通过改变全反射传输介质的折射率，突破树脂或玻璃折射率的限制，提高显示效果，具有意料不到的技术效果。

一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法，所述衍射光波导至少包括耦入光栅和耦出光栅；所述制备方法包括如下步骤：

S1：提供一键合材料形成基板；

S2：提供材料一和材料二，所述材料一和所述材料二的折射率均大于所述键合材料的折射率；

S3：在所述基板的上下表面分别沉积键合所述材料一和所述材料二，形成第一材料层和第二材料层；所述第一材料层和所述第二材料层作为全反射波导介质层；所述第一材料层和所述第二材料层的厚度可相同或不同；所述第一材料层和所述第二材料层的折射率可相同或不同；

所述沉积键合指所述材料一和所述材料二通过沉积的形式形成于所述基板的上下表面并同时通过键合的方式实现连接；或者，所述材料一和所述材料二先沉积于所述基板的上下表面，然后再通过键合的方式实现连接；

S4：对所述第一材料层和所述第二材料层的表面进行平整化处理，使得所述第一材料层和所述第二材料层的厚度和粗糙度满足要求；

S5：在所述第一材料层和所述第二材料层上形成光栅结构；所述光栅结构包括所述耦入光栅和所述耦出光栅，得到基于双面键合工艺的衍射光波导；所述第一光栅结构层包括第一耦入光栅和第一耦出光栅；所述第二光栅结构包括第二耦入光栅和第二耦出光栅。

进一步，在一些实施例中，在所述步骤S5中，在所述第一材料层和所述第二材料层上形成光栅结构具体为：在所述第一材料层和所述第二材料层上分别旋涂光栅材料层，形成第一光栅材料层和第二光栅材料层，通过压印工艺压印所述第一光栅材料层和所述第二光栅材料层，形成第一光栅结构层和第二光栅结构层。

可替换地，在一些其他实施例中，在所述步骤S5中，在所述第一材料层和所述第二材料层上形成光栅结构具体为：

S51：在所述第一材料层的表面形成第一掩膜层，通过刻蚀工艺对第一掩膜层进行刻蚀或通过压印工艺，以形成图案化的第一掩膜层，所述第一掩膜层包括第一耦入区域和第一耦出区域；

S52：对图案化的所述第一掩膜层进行第一次刻蚀，形成第一面光栅结构层；

S52：在所述第二材料层的表面形成第二掩膜层，并经对准后，通过刻蚀工艺对所述第二掩膜层进行刻蚀或通过压印工艺，以形成图案化的第二掩膜层，所述第二掩膜层包括第二耦入区域和第二耦出区域；

S54：对图案化的所述第二掩膜层进行第二次刻蚀，形成第二面光栅结构层；

S55：除去所述第一掩膜层和所述第二掩膜层，得到基于双面键合工艺的衍射光波导，具有第一光栅结构层和第二光栅结构层；第一光栅结构层包括第一耦入光栅和第一耦出光栅；第二光栅结构包括第二耦入光栅和第二耦出光栅。

进一步，在一些实施例中，所述步骤S1的所述键合材料包括玻璃浆料、键合胶或其组合。

在一些实施例中，所述键合材料的折射率小于2。

在一些实施例中，所述材料一和所述材料二为石英，高折玻璃，铌酸锂，碳化硅，二氧化硅，氮化镓，氮化铝，金刚石，硫化锌。

在一些实施例中，所述第一材料层和所述第二材料层的厚度为30μm~0.3mm。

在一些实施例中，所述第一材料层和所述第二材料层的厚度大于所述基板的厚度。

在一些实施例中，在所述步骤S3之前，还包括在沉积键合所述材料一和所述材料二之前，优先对所述基板的上下表面平整化处理。

进一步，在一些实施例中，在步骤S3中的键合方式包括但不限于阳极键合、熔融键合、玻璃浆料键合、临时键合或粘性胶键合；或不同键合方式的组合。

在一些实施例中，所述耦入光栅和所述耦出光栅包括直齿、闪耀、斜齿或其组合。

进一步，所述衍射光波导还包括转折光栅，转折光栅位于耦入光栅和耦出光栅之间；在所述步骤S5中，在所述第一材料层上形成第一耦入区域、第一转折区域和第一耦出区域。

更进一步，在所述步骤S5中，在所述第二材料层上形成第二耦入区域、第二转折区域和第二耦出区域。

本发明在键合材料形成基板的上下表面分别通过键合的方式形成第一材料层和第二材料层，第一材料层和第二材料层作为全反射波导介质层，由于采用双面键合方式，且基于轻薄化的要求，能够自由调控不同材料层的厚度和折射率，在保障衍射光波导显示性能的同时，减少波导的重量，提高佩戴的舒适性，且不同波长的入射光在不同的材料层中传播，避免串扰；并进一步，由于材料一和材料二的可选择性，可基于光线在材料内的全反射属性选择限定材料一和材料二的折射率，如两者的折射率较键合材料大，或者远远大于键合材料的折射率，或材料一和材料二的折射率可不同，甚至折射率差距较大，基于此，调控波导层不同的折射率改善衍射光波导的视场成像效果，改变FOV大小，使得本领域技术人员的自由调制程度更高，克服现有技术对晶圆折射率及厚度的限制，提高波导的自由调制能力，具有意料不到的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图一；

图2为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图二；

图3为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图三；

图4为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图四；

图5为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图五；

图6为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图六；

图7为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图七；

图8为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图八；

图9为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图九；

图10为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图十；

图11为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图十一；

图12为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图十二；

图13为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图十三；

图14为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的示意图十四；

图15为本发明提供的一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法的流程示意图；

附图标识：

101：第一材料层；102：基板；103：第二材料层；

201：第一耦入区域；202：第一耦出区域；203：第一转折区域；

301：第二耦入区域；302：第二耦出区域；303：第二转折区域；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提供了一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法，衍射光波导至少包括耦入光栅和耦出光栅，该方法包括如下步骤:

S1:提供一键合材料形成基板102，该键合材料包括但不限于玻璃浆料、键合胶等或其组合；如图1所示；

S2：提供材料一和材料二，材料一和材料二的折射率均大于键合材料的折射率，且键合材料的折射率小于2；

S3：如图1所示，在基板102的上下表面分别沉积键合材料一和材料二，形成第一材料层101和第二材料层103，第一材料层101和第二材料层103的厚度可相同或不同；第一材料层101和第二材料层103作为全反射波导介质层。如图1所示的，沉积键合的第一材料层和第二材料层表面不平整。

本发明所限定的沉积键合指材料一和材料二通过沉积的形式形成于基板的上下表面并同时通过键合的方式实现连接；或者，材料一和材料二先沉积于基板的上下表面，然后再通过其他工艺实现键合；对此顺序，本发明不做限定，均在本发明的工艺范围内。

在一些实施例中，材料一和材料二的折射率不同，且材料一和材料二的折射率大于2；

进一步，材料一和材料二可以为石英，高折玻璃，铌酸锂，碳化硅，二氧化硅，氮化镓，氮化铝，金刚石，硫化锌等，由这些材料形成的第一材料层101和第二材料层103的厚度为30μm~0.3mm；

可选择地，所述第一材料层和所述第二材料层的厚度大于基板的厚度。

在沉积键合材料一和材料二之前，优先对基板102的上下表面平整化处理；

当然，在步骤S3中的键合方式包括但不限于阳极键合、熔融键合、玻璃浆料键合、临时键合、粘性胶键合等，或不同键合方式的组合；通过不同的键合方式键合第一材料层和第二材料层；基于不同的键合方式，可控制第一材料层101和第二材料层103的厚度为30μm~0.3mm，使得第一材料层和第二材料层的厚度可控，在保证全反射介质条件的情况下，尽可能降低材料层的厚度；

S4：如图2所示，对第一材料层101和第二材料层103的表面进行平整化处理，使得第一材料层101和第二材料层103的厚度和粗糙度满足要求；

结合图1可知，沉积的第一材料层101和第二材料层103表面不平整，为进行下一步骤，需首先对第一材料层101和第二材料层103的表面进行平整化处理，包括粗糙处理和厚度处理，以满足所需求的粗糙度及厚度。

S5：在第一材料层101和第二材料层103上形成光栅结构；光栅结构包括耦入光栅和耦出光栅，得到基于双面键合工艺的衍射光波导。

进一步，在一些实施例中，如图3所示，在步骤S5中，在第一材料层101和第二材料层103上形成光栅结构具体为：在第一材料层101和第二材料层103上分别旋涂光栅材料层，形成第一光栅材料层和第二光栅材料层，通过压印工艺压印第一光栅材料层和第二光栅材料层，在第一耦入区域201和第一耦出区域202形成第一光栅结构层和在第二耦入区域301和第二耦出区域302形成第二光栅结构层；第一光栅结构层包括第一耦入光栅和第一耦出光栅；第二光栅结构包括第二耦入光栅和第二耦出光栅。

在一些其他实施例中，可替换地，如图4所示，在步骤S5中，在第一材料层和第二材料层上形成光栅结构具体为：S51：如图4所示，在第一材料层101的表面形成第一掩膜层，通过刻蚀工艺对第一掩膜层进行刻蚀或通过压印工艺，以形成图案化的第一掩膜层，第一掩膜层包括第一耦入区域201和第一耦出区域202；

S52：对图案化的第一掩膜层进行第一次刻蚀，如图5所示，形成第一面光栅结构层；

S53：如图6所示，在第二材料层103的表面形成第二掩膜层，并经对准后，通过刻蚀工艺对第二掩膜层进行刻蚀或通过压印工艺，以形成图案化的第二掩膜层，第二掩膜层包括第二耦入区域301和第二耦出区域302；

S54：对图案化的第二掩膜层进行第二次刻蚀，如图7所示，形成第二面光栅结构层；

S55：除去第一掩膜层和第二掩膜层，如图8，得到基于双面键合工艺的衍射光波导，具有第一光栅结构层和第二光栅结构层；第一光栅结构层包括第一耦入光栅和第一耦出光栅；第二光栅结构包括第二耦入光栅和第二耦出光栅。

在步骤S52~S55中，结合图5~8，仅示出了在第一耦入区域和第一耦出区域、第二耦入区域和第二耦出区域设置掩膜层刻蚀直齿的示例，作为本发明的其他实施例，不仅包括直齿、还包括闪耀、斜齿；直齿、闪耀、斜齿的组合，对此，本发明不做限定，图5~8仅为示例。

本发明在由键合材料形成基板102的上下表面分别通过键合的方式形成第一材料层101和第二材料层103，由于采用双面键合方式，且基于轻薄化的要求，能够自由调控不同材料层的厚度；并进一步，由于材料一和材料二的可选择性，可基于光线在材料内的全反射属性选择材料一和材料二的折射率，如两者的折射率较键合材料大，或者远远大于键合材料的折射率，或材料一和材料二的折射率可不同，甚至折射率差距较大，基于此，改善衍射光波导的视场成像效果，改变FOV大小，使得本领域技术人员的自由调制程度更高，克服现有技术对晶圆折射率及厚度的限制，提高波导的自由调制能力。

在本发明中，经过沉积键合形成的第一材料层101和第二材料层103，即作为波导层，光线在第一材料层101和第二材料层103发生衍射和全反射，由于第一材料层和第二材料层通过沉积键合的方式，根据不同的要求可选择不同折射率的波导层的，选择自由度更高，对本领域技术人员而言，是有益的。

在本发明的一实施例中，第一材料层101和第二材料层103的厚度为30μm~0.3mm，基于目前现有技术中晶圆的厚度为0.6mm~0.8mm，当采用现有技术中双层晶圆叠片形成的波导组件而言，其厚度大于0.8mm，而采用本发明的双面键合方式，以沉积键合方式形成全反射介质层，单层波导的全反射介质层厚度可控，单介质层最大厚度为0.3mm，最低厚度可控制在30μm左右，当将本发明基于键合工艺制备的双面衍射波导进行叠加时，如图9所示，通过连接件20连接两侧双面衍射光波导，可预料的，叠合后的最大厚度控制在0.6mm左右，其厚度远远小于0.8mm，或者可预料的，本发明的波导厚度仅为现有技术中波导组件厚度的一半，因此，对本领域技术人员而言，波导组件的厚度大大降低，且不同全反射介质层的折射率可自由调控，重量也大大降低，且采用多层光栅结构层分别传导不同波段的光束，减少了光束间的串扰，改善显示效果。

当然，在本发明的其他实施例中，衍射光波导还包括转折光栅，转折光栅位于耦入光栅和耦出光栅之间，在此基础上，本发明提供了一种基于双面键合工艺的衍射光波导制备方法，其包括步骤S1~S9，可知晓地，在步骤S1~S4中，同前述内容，在此不再赘述；在步骤S4的基础上，进一步：

S5：如图10所示，在第一材料层101的表面形成第一掩膜层，通过刻蚀工艺对第一掩膜层进行刻蚀或通过压印工艺，以形成图案化的第一掩膜层，第一掩膜层包括第一耦入区域201、第一转折区域203和第一耦出区域202；

S6：对图案化的第一掩膜层进行第一次刻蚀，如图11所示，形成第一面光栅结构层；

S7：如图12所示，在第二材料层103的表面形成第二掩膜层，并经对准后，通过刻蚀工艺对第二掩膜层进行刻蚀或通过压印工艺，以形成图案化的第二掩膜层，第二掩膜层包括第二耦入区域301、第二转折区域303和第二耦出区域302；

S8：对图案化的第二掩膜层进行第二次刻蚀，如图13所示，形成第二面光栅结构层；

S9：除去第一掩膜层和第二掩膜层，如图14，得到基于双面键合工艺的衍射光波导，具有第一光栅结构层和第二光栅结构层；第一光栅结构层包括第一耦入光栅、第一转折光栅和第一耦出光栅；第二光栅结构包括第二耦入光栅、第二转折光栅和第二耦出光栅。

如前一些实施例中，第一光栅结构层包括第一耦入光栅和第一耦出光栅；第二光栅结构包括第二耦入光栅和第二耦出光栅；或者一些实施例中，第一光栅结构层包括第一耦入光栅、第一转折光栅和第一耦出光栅；第二光栅结构包括第二耦入光栅、第二转折光栅和第二耦出光栅；所形成的两种不同光栅结构的衍射光波导，可自由叠合。

当然，本申请的两种光栅结构也可与现有技术中的单侧光栅结构波导进行叠合，以根据不同的显示要求和FOV要求来进行调整，对本领域技术人员而言，具有较高的自由度，且单层衍射光波导的结构可调，折射率可选择，相较于现有技术，具有意料不到的技术效果。

本发明由在键合材料形成基板的上下表面分别通过键合的方式形成第一材料层和第二材料层，第一材料层和第二材料层作为全反射波导介质层，由于采用双面键合方式，且基于轻薄化的要求，能够自由调控不同材料层的厚度和折射率，在保障衍射光波导显示性能的同时，减少波导的重量，提高佩戴的舒适性，且不同波长的入射光在不同的材料层中传播，避免串扰；并进一步，由于材料一和材料二的可选择性，可基于光线在材料内的全反射属性选择限定材料一和材料二的折射率，如两者的折射率较键合材料大，或者远远大于键合材料的折射率，或材料一和材料二的折射率可不同，甚至折射率差距较大，基于此，调控波导层不同的折射率改善衍射光波导的视场成像效果，防止串扰，改变FOV大小，使得本领域技术人员的自由调制程度更高，克服现有技术对晶圆折射率及厚度的限制，提高波导的自由调制能力，具有意料不到的技术效果。上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。