[发明专利]表面浮雕光栅结构的制作方法

说明书

本发明提供了一种表面浮雕光栅结构的制作方法。本发明的表面浮雕光栅结构的制作方法,包括光栅母板制作以及光栅结构转移过程，光栅母板制作过程中，增加母板镀膜过程，选择刻蚀速率与衬底基材不同的金属膜层，在进行母板刻蚀过程时，可以控制离子束的功率而达到精准控制衬底基材刻蚀深度的效果；同时离子束的发射线与显影完成的衬底基材一端面的夹角非直角，使得刻蚀槽面形成倾斜槽面，以达到带梯形夹缝的光栅母板。本发明的离子束刻蚀效率高，适合用于大面积的加工和量产使用，应用很广泛。相对激光直写方法来说，设置好预先确认的离子束刻蚀参数，一次成型，效率高且可控度高，目标光栅结构更能符合尺寸要求，且操作更加简单。

【技术领域】

本发明涉及光栅制作领域，尤其涉及一种表面浮雕光栅结构的制作方法。

【背景技术】

光栅是各类光谱分析仪器的重要元器件，在计量，成像，信息处理，继承光学和光通信等新兴领域被越来越多地采用。近年来，随着半导体工艺飞速发展，一种新型的光学应用产品也随之发展起来，这就是AR(增强现实)产品。AR是对现实的增强，是虚拟影像和现实影像的融合。目前市场上的头戴式AR设备多采用光学投射式原理，即通过安装在眼前的镜片实现真实场景和虚拟场景的融合。其中微软推出的Hololens这款产品是目前市场上，体验效果最佳的。它采用的是三层波导的表面浮雕光栅的方案，具体来说是通过三个区域(入射区，扩展区，出射区)的设计来实现的。入射区是耦入光栅，将被准直镜准直过后的光线耦合进波导实现全反射，光栅和波导的折射率越高越好；扩展区是偏折光栅的作用，改变光线的传输方向，实现光瞳在x方向的扩展，效率不需要很高，但随着传播其效率需要设计的越高；出射区实现光瞳在y方向的扩展并将光线耦出波导，也是随着传播递增。

其中闪耀光栅因为实现衍射最大值的位置从没有色散的零级光谱转移到其他色散的衍射级上，效率很高，在入射区得到很大的应用；倾斜光栅也常常被应用在入射和出射区。扩展区的光栅由于其要求，需要的槽型光栅截面可以设计为不对称梯形。由于倾斜光栅和闪耀光栅的广泛应用，一般专利对其加工有涉及，但截面为不对称梯形的槽型光栅因为应用领域不多，研究较少。

槽型的光栅具有广泛的用途，按照截面形状分类为正玄光栅，闪耀光栅，阶梯光栅等。对于截面是梯形表面浮雕光栅，传统方法是先通过激光直写再显影，最后刻蚀得到的。激光直写就是利用强度可变的激光束对涂在基片表面的抗蚀材料变剂量的曝光，显影后在抗蚀层表面形成所要的浮雕轮廓。因其一次成型且无离散化近似，器件的制作精度和衍射效率比传统半导体工艺套刻制作的器件均有较大提高。

但是激光直写最大的问题是不能精确控制轮廓深度。加工的轮廓深度与曝光强度，扫描速度，抗蚀剂材料，显影配方，环境温度以及显影温度等多种因素有关，任何一个因素的影响都会引起轮廓深度误差，目前只能依赖操作人员的经验和恒定的工作条件来控制深度误差，工作效率低下，可控性低。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种效率高且可控度高的表面浮雕光栅结构的制作方法。

本发明的技术方案如下：

一种表面浮雕光栅结构的制作方法，包括以下步骤：

S1、光栅母板制作，包括以下步骤：

母板镀膜：提供衬底基材，在所述衬底基材的表面镀上与所述衬底基材刻蚀速率不同的金属膜层，得到第一光栅母板；

母板涂胶：在所述第一光栅母板的所述金属膜层表面涂覆光刻胶层，得到第二光栅母板；

曝光显影：使用电子束对所述第二光栅母板的光刻胶层表面对应位置进行曝光，并通过显影液显影，得到剩余光刻胶层具有目标线宽夹缝的第三光栅母板；

母板刻蚀：采用离子束刻蚀所述第三光栅母板，其中，所述剩余光刻胶层、所述金属膜层以及所述衬底基材依次被刻蚀，所述离子束的发射线与所述显影完成的衬底基材表面的夹角非直角，以被刻蚀出只剩衬底基材且带梯形夹缝的目标光栅母板；