增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示技術(shù)通過(guò)將虛擬信息與真實(shí)場(chǎng)景無(wú)縫融合，為用戶提供全新的視覺體驗(yàn)，在娛樂、教育、醫(yī)療、設(shè)計(jì)及導(dǎo)航等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。AR近眼顯示設(shè)備作為下一代顯示技術(shù)的代表，正逐步從軍用領(lǐng)域向消費(fèi)電子領(lǐng)域拓展。其核心挑戰(zhàn)在于如何在輕薄化的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高畫質(zhì)、大視場(chǎng)角和高光效的圖像傳輸。Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀可以非接觸對(duì)薄膜的厚度與折射率的高精度表征，廣泛應(yīng)用于薄膜材料、半導(dǎo)體和表面科學(xué)等領(lǐng)域。

光學(xué)透視式AR顯示設(shè)備因其便攜性、安全性和實(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)，成為主流發(fā)展方向。隨著光波導(dǎo)技術(shù)的引入，AR設(shè)備的體積與重量得以顯著降低，成像性能亦大幅提升。光波導(dǎo)技術(shù)主要分為幾何光波導(dǎo)和衍射光波導(dǎo)兩大類，其中衍射光波導(dǎo)因其在輕薄性、視場(chǎng)角、眼動(dòng)范圍、衍射效率等方面的綜合優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前消費(fèi)級(jí)AR設(shè)備的主流技術(shù)方案。

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傾斜光柵的技術(shù)背景與研究現(xiàn)狀

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光波導(dǎo)的分類

衍射光波導(dǎo)的核心元件是光柵，根據(jù)光柵類型的不同，主要分為表面浮雕光柵波導(dǎo)和體全息光柵波導(dǎo)。表面浮雕光柵波導(dǎo)因受材料與工藝影響較小、成熟度高，已廣泛應(yīng)用于消費(fèi)級(jí)AR設(shè)備中。表面浮雕光柵主要包括閃耀光柵、矩形光柵和傾斜光柵等結(jié)構(gòu)。其中，閃耀光柵涉及閃耀角與反閃耀角，在亞微米級(jí)制備中存在較大難度；矩形光柵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但衍射效率受限；傾斜光柵僅涉及一個(gè)傾斜角度，工藝相對(duì)可控，且可通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)較高的衍射效率，在特定衍射級(jí)上能量集中度更優(yōu)。

國(guó)際上，Microsoft的HoloLens系列已成功將傾斜光柵應(yīng)用于AR設(shè)備。然而，國(guó)內(nèi)在傾斜光柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備工藝方面仍處于起步階段，缺乏系統(tǒng)性的研究體系和成熟的工藝方案。因此，開展傾斜光柵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與制備工藝研究，對(duì)于推動(dòng)國(guó)內(nèi)AR技術(shù)自主化具有重要意義。

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衍射光波導(dǎo)與傾斜光柵的工作原理

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左：光柵分光示意圖；右：光柵衍射原理示意圖

衍射光波導(dǎo)系統(tǒng)由微圖像源、衍射元件和平面波導(dǎo)三部分組成。圖像光經(jīng)準(zhǔn)直后入射至耦入光柵，通過(guò)衍射效應(yīng)改變傳播方向，進(jìn)入波導(dǎo)基板并以全內(nèi)反射形式橫向傳輸，最終經(jīng)耦出光柵衍射至人眼。

光柵的衍射效應(yīng)可將入射光能量分配到不同衍射級(jí)上。在光柵周期接近或小于入射光波長(zhǎng)的情況下，通常只存在0級(jí)和±1級(jí)衍射光。0級(jí)光為透射光，無(wú)法被利用；±1級(jí)光則可用于圖像傳輸。因此，提高±1級(jí)衍射效率是提升系統(tǒng)光效的關(guān)鍵。

傾斜光柵的衍射效率受多個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，包括光柵周期、占空比、光柵高度和傾斜角度。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定衍射級(jí)光能的集中分配。理想情況下，傾斜光柵的+1級(jí)衍射效率可達(dá)95%以上，顯著提升光波導(dǎo)系統(tǒng)的整體效率。

表征設(shè)備

在傾斜光柵的制備工藝與參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中，除了制備所必須的電子束曝光機(jī)、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕 ICP 和反應(yīng)離子束刻蝕 RIBE 之外，還需要通過(guò)一些小型表征設(shè)備來(lái)對(duì)工藝流程中的結(jié)果進(jìn)行觀測(cè)，從而判斷工藝過(guò)程及工藝參數(shù)是否可行。

橢圓偏振光譜儀原理

橢圓偏振光譜儀是一種光學(xué)測(cè)量?jī)x器，常用于測(cè)量薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)等相關(guān)參數(shù)。它通過(guò)監(jiān)測(cè)樣品表面偏振態(tài)隨光束波長(zhǎng)的變化，可精確提取薄膜厚度信息，并觀測(cè)出材料在深紫外至近紅外光譜區(qū)間的光學(xué)特性。該儀器的靈敏度和分辨率較高，能夠有效分析包含未知材料組分和粗糙表面的多層薄膜結(jié)構(gòu)。此外，由于測(cè)試過(guò)程無(wú)需與樣品接觸，也無(wú)需提供真空環(huán)境，且不會(huì)對(duì)樣品造成損壞，使得橢圓偏振光譜儀已經(jīng)在各種一維/二維納米光柵材料結(jié)構(gòu)、各向同性/異性薄膜材料膜厚以及光學(xué)納米光柵常數(shù)的表征分析中得到廣泛應(yīng)用。本研究選用的是Flexfilm全光譜橢偏儀，主要用于測(cè)量雙槍電子束蒸鍍金屬厚度以及勻膠工藝的光刻膠厚度。

臺(tái)階儀原理

臺(tái)階儀是另一種用于薄膜厚度測(cè)量的儀器，屬于接觸式測(cè)量方式。該儀器具備測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、性價(jià)比高的特點(diǎn)，已廣泛用于微電子、半導(dǎo)體、材料科學(xué)等領(lǐng)域的納米級(jí)臺(tái)階和表面形貌的測(cè)量。臺(tái)階儀由控制板塊、光源、探測(cè)器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其測(cè)試原理是通過(guò)觸針在薄膜表面水平運(yùn)動(dòng)時(shí)檢測(cè)豎直位移上的變化，經(jīng)電路、軟件處理后，顯示表面輪廓和臺(tái)階數(shù)值。本研究選用的是Flexfilm探針式臺(tái)階儀，主要用于測(cè)量光刻工藝、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕工藝以及反應(yīng)離子束刻蝕工藝后形成的圖形臺(tái)階高度。

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傾斜光柵的仿真設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

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傾斜光柵模型示意圖

本研究基于時(shí)域有限差分法，利用Lumerical FDTD Solutions軟件建立傾斜光柵的物理模型。時(shí)域有限差分法通過(guò)將空間和時(shí)間離散化，求解麥克斯韋方程組，能夠準(zhǔn)確模擬電磁波在光柵結(jié)構(gòu)中的傳播與相互作用，是分析光柵衍射特性的有效工具。

仿真模型以SiO?為襯底材料，采用平面波光源，設(shè)置完全匹配層吸收邊界條件，確保計(jì)算精度。通過(guò)單因素變量法，系統(tǒng)分析了光柵周期、占空比、光柵高度和傾斜角度對(duì)衍射效率的影響。

（a）入射光波長(zhǎng)對(duì)衍射效率的影響（b）光柵周期對(duì)衍射效率的影響（c）占空比對(duì)衍射效率的影響（d）光柵高度對(duì)衍射效率的影響（e） 傾斜角度對(duì)衍射效率的影響（f）單元結(jié)構(gòu)

仿真結(jié)果表明：在可見光波段中，550 nm綠光下傾斜光柵的衍射效率最具代表性，且人眼對(duì)該波長(zhǎng)較為敏感，因此選定550 nm作為入射光波長(zhǎng)。光柵周期對(duì)衍射效率的影響呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，在450 nm左右達(dá)到峰值。占空比在0.5時(shí)能量分配最為集中，衍射效率最高。光柵高度與衍射效率呈非線性關(guān)系，在250 nm和650 nm處出現(xiàn)兩個(gè)峰值，考慮制備工藝的可行性，選擇250 nm作為目標(biāo)刻蝕深度。傾斜角度對(duì)衍射效率影響顯著，在50°左右達(dá)到最大值，約為79.28%。

基于上述仿真結(jié)果，確定了在工藝可行范圍內(nèi)衍射效率最優(yōu)的傾斜光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)：周期450 nm、占空比0.5、刻蝕深度250 nm、傾斜角度50°，為后續(xù)工藝制備提供了理論依據(jù)。

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傾斜光柵的制備工藝

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傾斜光柵的制備主要分為金屬掩膜制備和傾斜刻蝕兩大階段。掩膜材料選用化學(xué)穩(wěn)定性好、熱線性膨脹系數(shù)低的鉻，通過(guò)電子束曝光技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度圖形轉(zhuǎn)移。本研究采用Raith EBPG-5200電子束曝光機(jī)，結(jié)合Zep520正性光刻膠，實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)光柵圖案的制備。

a濕法刻蝕方案流程b干法刻蝕方案流程圖

在金屬掩膜制備階段，分別嘗試了濕法刻蝕和干法刻蝕兩種方案。濕法刻蝕通過(guò)腐蝕液與材料的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，成本低、操作簡(jiǎn)單，但在小線寬光柵制備中存在側(cè)壁粗糙、圖形失真等問題。干法刻蝕采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕，具備高分辨率、各向異性強(qiáng)、刻蝕均勻性好等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)系統(tǒng)研究ICP的上電極功率、射頻偏壓功率、腔室壓強(qiáng)和Cl?氣體流量對(duì)Cr和光刻膠刻蝕速率及選擇比的影響，確定了最佳工藝參數(shù)：上電極功率300 W、射頻偏壓功率10 W、腔室壓強(qiáng)15 mTorr、氣體比例Cl? / O? / Ar=41。在此參數(shù)下獲得的Cr掩膜側(cè)壁陡直、線條整齊，滿足后續(xù)刻蝕要求。

RIBE傾斜刻蝕示意圖

在傾斜刻蝕階段，采用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)。RIBE結(jié)合物理濺射與化學(xué)反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠獨(dú)立調(diào)控離子能量、束流密度、氣體流量和入射角度，適用于傾斜光柵的高精度制備，離子能量范圍為100~1800 eV。

（a）4 CHF3氣體流量對(duì)SiO2/Cr的刻蝕功速率、刻蝕選擇比的影響（b）離子能量對(duì) SiO2/Cr 的刻蝕速率、刻蝕選擇比的影響（c）三種較高離子能量刻蝕出的傾斜光柵SEM照片

研究首先分析了CHF?氣體流量和離子能量對(duì)SiO?和Cr刻蝕速率及選擇比的影響。結(jié)果表明，CHF?電離產(chǎn)生的HF對(duì)SiO?具有高度選擇性刻蝕作用，隨著CHF?流量增加，SiO?刻蝕速率顯著提升，Cr刻蝕速率變化較小，SiO?/Cr選擇比隨之增大。離子能量的增加同時(shí)提升兩者的刻蝕速率，但過(guò)高的離子能量會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度增加，影響圖形質(zhì)量。綜合考慮刻蝕選擇比和表面形貌，確定離子能量400~500 eV為適宜范圍。

針對(duì)刻蝕過(guò)程中出現(xiàn)的再沉積問題，本研究引入O?氣體進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著O?流量增加，光柵頂部的粗糙度明顯降低，底部的沉積物逐漸清除，光柵底部趨于平整。在離子能量400 eV、束流密度500 mA、氣體比例CHF?/Ar/O?=55、入射角度40°的條件下，獲得了最接近仿真設(shè)計(jì)目標(biāo)的傾斜光柵結(jié)構(gòu)。實(shí)際制備參數(shù)為：周期463 nm、占空比0.47、高度242 nm、傾斜角度48°（頂部）/43°（底部）。

本研究圍繞AR近眼顯示用傾斜光柵，開展了從結(jié)構(gòu)仿真到工藝制備的系統(tǒng)性研究。通過(guò)FDTD仿真明確了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)衍射效率的影響規(guī)律，確定了周期450 nm、占空比0.5、刻蝕深度250 nm、傾斜角度50°為工藝可行范圍內(nèi)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。通過(guò)ICP和RIBE工藝的系統(tǒng)優(yōu)化，成功制備出形貌良好、接近設(shè)計(jì)目標(biāo)的傾斜光柵樣品。研究中對(duì)Cr掩膜制備、刻蝕特性分析、再沉積問題優(yōu)化等方面進(jìn)行了深入探討，為國(guó)內(nèi)AR光波導(dǎo)核心元件的自主研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)支撐。未來(lái)研究可從以下方面進(jìn)一步深入：擴(kuò)展至多波長(zhǎng)條件下的光柵性能優(yōu)化，探索非金屬掩膜材料如同質(zhì)掩膜的可行性，持續(xù)優(yōu)化刻蝕工藝以實(shí)現(xiàn)更高精度、更高重復(fù)性的傾斜光柵制備，推動(dòng)其在AR近眼顯示設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用。

Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀

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Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測(cè)單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測(cè)量和分析光伏領(lǐng)域中單層或多層納米薄膜的層構(gòu)參數(shù)（如厚度）和物理參數(shù)（如折射率n、消光系數(shù)k）

• 先進(jìn)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器測(cè)量技術(shù)：無(wú)測(cè)量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測(cè)量：先進(jìn)的光能量增強(qiáng)技術(shù)，高信噪比的探測(cè)技術(shù)。
• 秒級(jí)的全光譜測(cè)量速度：全光譜測(cè)量典型5-10秒。
• 原子層量級(jí)的檢測(cè)靈敏度：測(cè)量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm費(fèi)曼儀器全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測(cè)量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費(fèi)曼儀器全流程薄膜測(cè)量技術(shù)，助力半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。

#光波導(dǎo)#AR近眼顯示#費(fèi)曼儀器#衍射光波導(dǎo)#橢偏儀

原文參考：《AR近眼顯示用傾斜光柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備工藝研究》

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