一种衍射光学元件的同步分区加工方法

技术领域

本发明涉及纳米压印的技术领域，尤其是涉及一种衍射光学元件的同步分区加工方法。

背景技术

衍射光学元件（Diffractive Optical Elements，DOE）能够在保持较高衍射效率的同时对光强分布进行精确控制，由于其更多元化的光场调控，具有很强的灵活性和可定制性，可以实现更小和更轻量化的设计，具有更好的光学性能，因此在AR、HUD、3D传感、平面成像等领域有特殊的优势。现有的衍射光学元件一般采用纳米压印技术进行加工得到，由于DOE的结构层为压印胶（有机高分子），相较于石英、玻璃、硅等无机材料，其具有硬度差、易划伤、清洗易发生结构损伤、高温或长期光照积累无法避免会出现黄化和开裂等现象的缺陷，耐候性和硬度无法满足未来产品的需求，因此出于成本和一致性的考虑，压印转刻蚀成为了最有可能实现批量性生产的加工方式。

大部分衍射光学元件的衍射光栅需要采用不同的高度分区和/或渐变分区设计，来实现预期光学性能。参照图1，对于上述结构，目前最常采用的压印转刻蚀加工方法是多次分区加工，即在刻蚀过程中采用分步物理遮挡，实现不同高度分区的依次遮挡刻蚀。但是这种加工方式，一方面增加加工步骤会直接导致加工效率降低、加工成本上升，另一方面对于紧密连接的渐变区域，分步物理遮挡的拼接精度无法满足设计需求，而且多次遮挡刻蚀的步骤也会增加引入缺陷的概率，进而导致加工质量不稳定，有待改进。

发明内容

本发明要解决的问题是针对现有技术中所存在的上述不足而提供一种衍射光学元件的同步分区加工方法，其通过控制压印模板的尺寸来控制残胶厚度，解决了现有多次分区加工的压印转刻蚀加工方法需要多次遮挡刻蚀、且加工步骤多的问题，具有提高加工效率、降低加工成本、加工质量趋于一致的优点。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种衍射光学元件的同步分区加工方法，包括以下步骤，

S1根据所述衍射光学元件的衍射光栅尺寸、可压印介质和无机介质的刻蚀选择比、以及不同占空比情况下的负载效应，确定压印模板表面的图案尺寸、可压印介质衬底的刻蚀速率v

S2使用所述S1得到的压印模板将图案压印到可压印介质中，并将无机介质衬底压在可压印介质表面后，使可压印介质压印固化，脱模，检测无机介质衬底表面和可压印介质的压印凹槽底面之间的残胶厚度d

S3根据所述残胶厚度d

具体地，在通常的热压印工艺中，可压印介质非限定地例如可为树脂，可压印介质非限定地例如旋涂并烘焙到无机介质衬底表面上，当使用热固聚合物树脂时，树脂被加热到一温度，使得当与压印模板接触时，树脂是可充分流动的、以便流到限定在压印模板上的图案中，然后树脂的温度升高以热固化（交联）树脂，使得其固化并不可逆转地形成所需的图案，然后，压印模板被去除，图案化的树脂被冷却，在采用热塑聚合物树脂层的热压印光刻术中，加热热塑性树脂，使得就在用压印模板压印之前热塑性树脂处于可自由地流动的状态，将热塑性树脂加热到远高于树脂的玻璃相变温度的一温度可能是必要的，压印模板被压入可流动的树脂中，随后在压印模板位于原位的情况下被冷却至其玻璃相变温度以下，以固化图案，随后，压印模板被去除，图案将由可压印介质的剩余层中的凸起特征构成，然后可以通过合适的蚀刻工艺去除、仅留下图案特征，用于热压印光刻工艺中的热塑性聚合物树脂的示例是聚（异丁烯酸甲酯）、聚苯乙烯、聚（苯甲基异丁烯酸酯）或聚（甲基丙烯酸环己酯）。

或者，在通常的紫外光固化压印工艺中，其包括使用对紫外辐射透射的透明或半透明压印模板和作为可压印介质的紫外可固化的液体（这里为了方便使用术语“紫外（UV）”，但是其应该理解为包括任何合适的用于固化可压印介质的光化辐射），紫外线可固化的液体的粘性通常没有用在热压印光刻中的热固性和热塑性树脂的高，并且结果可以更快地移动以便填充压印模板图案特征，压印模板可以以与应用到紫外线可固化的树脂、光刻胶中，然而，代替如在热压印中使用热或温度循环，通过用通过压印模板应用到可压印介质上的紫外辐射固化可压印介质来固化图案，在去除压印模板之后，可压印介质被蚀刻。

此外，上述热压印和紫外光固化压印技术的组合也是可以的。

进一步地，在所述S1中，可压印介质的刻蚀速率v

更进一步地，在所述S1中，所述无机介质衬底的无机介质和所述压印模板的模板材料各自独立的选自石英、硅石、玻璃、YAG、CaF

最进一步地，在所述S1中，包括以下步骤，

S11根据所述衍射光学元件的衍射光栅的线宽w

S12根据所述可压印介质的压印凸起线宽、以及不同占空比情况下的负载效应，确定不同分区下的可压印介质衬底的刻蚀速率v

S13根据所述可压印介质的刻蚀速率v

进一步地，在所述S2中，控制残胶厚度d

更进一步地，在所述S2中，包括以下步骤，

S21将所述压印模板和带有0.5~1.5mL脱模剂的蒸发皿放入真空干燥箱中，抽真空到10

S22先将所述S21得到的压印模板放在匀胶机上，真空吸附固定，再在压印模板的图案上滴加1~6mL可压印介质，然后在400~600rpm下低速匀胶4~6s，接着在2000~6000rpm下高速匀胶50~70s，匀胶完成后，在100~180℃下烘烤1~3min；

S23先将所述无机介质衬底放在匀胶机上，真空吸附固定，再在无机介质衬底的表面滴加1~2mL增粘剂，然后在400~600rpm下低速匀胶4~6s，接着在2000~6000rpm下高速匀胶50~70s，匀胶完成后，在100~180℃下烘烤1~3min；

S24先将所述S22得到的压印模板安装在压印机上，再将所述S23得到的无机介质衬底安装在可压印介质上，然后压印机施加100~1000N的压力，并在氮气保护下进行365nmUV光固化，固化能量为300~600mJ/cm

S25使用椭偏仪检测可压印介质的非结构区域、或者纵截面上的底部残胶厚度，即可得到无机介质衬底表面和可压印介质的压印凹槽底面之间的残胶厚度d

最进一步地，在所述S2中，脱模剂为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷，增粘剂为AP3000增粘剂。

进一步地，在所述S3中，控制刻蚀条件为CHF

更进一步地，在所述S3中，不同分区下的刻蚀时间和无机介质衬底的刻蚀深度之间的关系为，T

综上所述，本发明的有益技术效果为：

1.现有的衍射光学元件不是所有的区域的结构都是高度一致的，目前应对这种高度分区或渐变的衍射光学元件的加工方法都是多次分区加工，增加加工次数会导致加工成本上升，分步拼接精度无法满足设计需求或者增加引入缺陷的概率，本发明通过实验验证，得到压印胶与底层无机介质的刻蚀选择比数据，并获得不同占空比情况下的负载效应，甚至考虑刻蚀设备在wafer范围内的刻蚀均匀性，在压印模板设计时，即通过吞胶量计算得到相应的压印模板结构光栅高度；

2.基于目前纳米压印衍射光学元件以及压印转刻蚀的缺点，本发明通过控制压印模板的尺寸来控制残胶厚度，降低压印转刻蚀的分区加工与渐变加工的成本，减少多次分步加工带来的缺陷，解决了现有多次分区加工的压印转刻蚀加工方法需要多次遮挡刻蚀、且加工步骤多的问题，具有提高加工效率、降低加工成本、加工质量趋于一致的优点。

附图说明

图1是本发明背景技术的现有压印转刻蚀加工方法的流程图。

图2是本发明实施例1的加工方法的流程图。

图3是本发明实施例2的衍射光学元件的结构示意图。

图4是本发明实施例2的压印模板的结构示意图。

图5是本发明实施例6的加工方法制得衍射光学元件的电镜图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与作用更加清楚及易于了解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。

实施例1：参照图2，为本发明公开的一种衍射光学元件的同步分区加工方法，包括以下步骤，

S1根据衍射光学元件的衍射光栅尺寸、可压印介质和无机介质的刻蚀选择比、以及不同占空比情况下的负载效应，确定压印模板表面的图案尺寸、可压印介质衬底的刻蚀速率v

S2使用S1得到的压印模板将图案压印到可压印介质中，并将无机介质衬底压在可压印介质表面后，使可压印介质压印固化，脱模，检测无机介质衬底表面和可压印介质的压印凹槽底面之间的残胶厚度d

S3根据残胶厚度d

实施例2：参照图3和图4，为本发明公开的一种衍射光学元件的同步分区加工方法，与实施例1的不同之处在于，需要制备具有三种不同结构和深度的以石英基底作为无机介质的衍射光学元件，周期为300nm，A区线宽w

具体的，在S1中，包括以下步骤，

S11根据衍射光学元件的衍射光栅的线宽w

S12根据可压印介质的压印凸起线宽、以及不同占空比情况下的负载效应，确定不同分区下的可压印介质衬底的刻蚀速率v

S13根据可压印介质的刻蚀速率v

S14使用电子束曝光或紫外光刻机或激光直写设备进行图案化，再使用离子束刻蚀将图案转移到硅石基底上，最后清除电子束曝光胶或紫外光刻胶，得到压印模板。

实施例3：为本发明公开的一种衍射光学元件的同步分区加工方法，与实施例2的不同之处在于，在S2中，包括以下步骤，

S21将压印模板和带有1.0mL的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷的蒸发皿放入真空干燥箱中，抽真空到10

S22先将S21得到的压印模板放在匀胶机上，真空吸附固定，再在压印模板的图案上滴加4mL可压印介质，然后在500rpm下低速匀胶5s，接着在4000rpm下高速匀胶60s，匀胶完成后，在120℃下烘烤2min；

S23先将无机介质衬底放在匀胶机上，真空吸附固定，再在无机介质衬底的表面滴加1mL的AP3000增粘剂，然后在500rpm下低速匀胶5s，接着在4000rpm下高速匀胶60s，匀胶完成后，在120℃下烘烤2min；

S24先将S22得到的压印模板安装在压印机上，再将S23得到的无机介质衬底安装在可压印介质上，然后压印机施加100~1000N的压力，并在氮气保护下进行365nm UV光固化，固化能量为400mJ/cm

S25使用椭偏仪检测可压印介质的非结构区域、或者纵截面上的底部残胶厚度，即可得到无机介质衬底表面和可压印介质的压印凹槽底面之间的残胶厚度d

实施例4：为本发明公开的一种衍射光学元件的同步分区加工方法，与实施例3的不同之处在于，在S2中，包括以下步骤，

S21将压印模板和带有0.5mL的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷的蒸发皿放入真空干燥箱中，抽真空到10

S22先将S21得到的压印模板放在匀胶机上，真空吸附固定，再在压印模板的图案上滴加1mL可压印介质，然后在400rpm下低速匀胶4s，接着在2000rpm下高速匀胶50s，匀胶完成后，在100℃下烘烤1min；

S23先将无机介质衬底放在匀胶机上，真空吸附固定，再在无机介质衬底的表面滴加1mL的AP3000增粘剂，然后在400rpm下低速匀胶4s，接着在2000rpm下高速匀胶50s，匀胶完成后，在100℃下烘烤1min；

S24先将S22得到的压印模板安装在压印机上，再将S23得到的无机介质衬底安装在可压印介质上，然后压印机施加100~1000N的压力，并在氮气保护下进行365nm UV光固化，固化能量为300mJ/cm

S25使用椭偏仪检测可压印介质的非结构区域、或者纵截面上的底部残胶厚度，即可得到无机介质衬底表面和可压印介质的压印凹槽底面之间的残胶厚度d

实施例5：为本发明公开的一种衍射光学元件的同步分区加工方法，与实施例3的不同之处在于，在S2中，包括以下步骤，

S21将压印模板和带有1.5mL的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷的蒸发皿放入真空干燥箱中，抽真空到10

S22先将S21得到的压印模板放在匀胶机上，真空吸附固定，再在压印模板的图案上滴加6mL可压印介质，然后在600rpm下低速匀胶6s，接着在6000rpm下高速匀胶70s，匀胶完成后，在180℃下烘烤3min；

S23先将无机介质衬底放在匀胶机上，真空吸附固定，再在无机介质衬底的表面滴加2mL的AP3000增粘剂，然后在600rpm下低速匀胶6s，接着在6000rpm下高速匀胶70s，匀胶完成后，在180℃下烘烤3min；

S24先将S22得到的压印模板安装在压印机上，再将S23得到的无机介质衬底安装在可压印介质上，然后压印机施加1000N的压力，并在氮气保护下进行365nm UV光固化，固化能量为600mJ/cm

S25使用椭偏仪检测可压印介质的非结构区域、或者纵截面上的底部残胶厚度，即可得到无机介质衬底表面和可压印介质的压印凹槽底面之间的残胶厚度d

实施例6：为本发明公开的一种衍射光学元件的同步分区加工方法，与实施例3的不同之处在于，在S3中，包括以下步骤，

S31根据残胶厚度d

表1

S32使用ICP刻蚀设备同步分区刻蚀S2得到的可压印介质和无机介质衬底，使用氧气将可压印介质整体向下刻蚀一定深度，使凹槽底部露出无机介质衬底，便于下一步图形转移刻蚀，刻蚀条件为ICP Power 200W，Bias 0，O

S33继续刻蚀无机介质衬底表面，以在无机介质衬底表面形成衍射光栅，刻蚀条件为CHF

S34使用等离子体刻蚀机，将剩余残胶刻蚀干净，刻蚀条件为O

S35使用SEM或共聚焦光镜等检测设备测试结构信息，确认与目标结构的一致性结果如图5所示，与目标结构一致性非常好。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。