用于增强现实应用的高质量 SRG 光波导的制造可行性

从消费者需求角度看，AR眼镜不仅需要有很高的光学性能，同时要价格合理。所以，AR波导制造业的一个重大挑战是在光学性能和大规模生产之间实现平衡。近期，瑞士Eulitha与日本TEL公司合作，通过将Eulitha的位移塔尔博特光刻（DTL）技术和先进的干法刻蚀技术相结合，可靠地生产出了具有精确可调可控制的高保真、高性能表面浮雕光栅，验证了面向增强现实应用的高质量SRG光波导的制造可行性。

增强现实（AR）设备中对表面浮雕光栅（SRG）光波导的大规模生产的需求不断增加，它促使光学行业开始采用传统上用于半导体制造的晶圆制造设备来加工光波导。在这项工作中，Eulitha展示使用晶圆制造设备在高RI玻璃上制造TiO2光栅结构的可行性，展示了一条克服光学性能与大规模生产率之间权衡的途径。

在实验中，其使用可用于大批量加工用的原子层沉积（ALD）系统将目标厚度为230nm的TiO2膜沉积到高RI玻璃（或硅参考）晶片上。

他们使用旋涂法涂覆由光刻胶、抗反射涂层(ARC)和旋涂碳(SOC)底层组成的行业标准193nmArF三层光刻胶堆栈，随后使用位移塔尔博特光刻(DTL)进行图案化。DTL 掩模图案设计为实现间距为300 nm的周期性线与槽图案，并具有变化的占空比(Duty Cycle, DC: 30%, 45%, 55%, 和67%)，以模仿优化SRG光学性能所需的DC变化。

采用电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀将掩模图案转移到TiO2薄膜中，通过调节刻蚀时间来控制刻蚀深度。

为了证明使用晶圆制造设备制造光栅结构的可行性，他们在硅基板和高RI玻璃基板上均制作了光栅结构。实验表明，通过精确调整工艺控制参数以对齐不同基板上的结果，晶圆制造设备可以在玻璃基板上提供同样高质量的加工。

他们展示了详细的光刻表征和光栅形貌结果，证实了光掩模设计可以精确复制到TiO2 光栅中，并具有良好控制的锥角、深度、占空比和平底轮廓，这些都是AR光波导中实现高效光耦合和引导的关键特征。这种方法凸显了成熟的工艺开发、可重复的工艺流程和可靠优化的重要性，为在现代AR系统中集成可复制和可扩展的 SRG 光波导奠定了基础。

传统上，这种高分辨率周期性图案是使用投影光刻工具生产的。然而，这不是唯一的选择。最近，位移塔尔博特光刻(DTL)已成为曝光高分辨率周期性图案的一种具有低成本效益的解决方案，这归功于其独特的优势，包括大曝光场(可同时曝光多个AR 波导)、高对比度成像、高通量，以及值得注意的实际上无限的焦深。由于DTL可实现低至 50 nm 半间距的分辨率，它为AR波导研究直至大批量制造提供了一个极具吸引力的选择。

使用 DTL可以生成的1D和2D图案范围非常广泛，只要保持周期性，图案的几何形状就没有固有的物理限制。对于AR波导的应用，DTL能够同时图案化一系列占空比、任何线条方向、多种间距以及制作无缝波导曝光所需的其他光栅变化。

他们已经证明，使用位移塔尔博特光刻形成光刻胶图案，并通过三层光刻胶堆栈将图案转移到 TiO2 是可以成功执行的。此外，他们还表明，通过精确调整工艺参数以适应基板物理性质的差异，在硅上获得的结果可以在高RI玻璃上有效地复制。

以上内容引自Proc. of SPIE Vol. 13687 136870U-4

来源：Eulitha北京优利赛尔科技

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