增強現(xiàn)實顯示技術(shù)通過將虛擬信息與真實場景無縫融合，為用戶提供全新的視覺體驗，在娛樂、教育、醫(yī)療、設(shè)計及導(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)備中實現(xiàn)高畫質(zhì)、大視場角和高光效的圖像傳輸。Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀可以非接觸對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、安全性和實時性優(yōu)勢，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、視場角、眼動范圍、衍射效率等方面的綜合優(yōu)勢，成為當(dāng)前消費級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)用于消費級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，在亞微米級制備中存在較大難度；矩形光柵結(jié)構(gòu)簡單但衍射效率受限；傾斜光柵僅涉及一個傾斜角度，工藝相對可控，且可通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化實現(xiàn)較高的衍射效率，在特定衍射級上能量集中度更優(yōu)。

國際上，Microsoft的HoloLens系列已成功將傾斜光柵應(yīng)用于AR設(shè)備。然而，國內(nèi)在傾斜光柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計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，對于推動國內(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上。在光柵周期接近或小于入射光波長的情況下，通常只存在0級和±1級衍射光。0級光為透射光，無法被利用；±1級光則可用于圖像傳輸。因此，提高±1級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。通過對這些參數(shù)的調(diào)控，可以實現(xiàn)對特定衍射級光能的集中分配。理想情況下，傾斜光柵的+1級衍射效率可達(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)化過程中，除了制備所必須的電子束曝光機、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕 ICP 和反應(yīng)離子束刻蝕 RIBE 之外，還需要通過一些小型表征設(shè)備來對工藝流程中的結(jié)果進(jìn)行觀測，從而判斷工藝過程及工藝參數(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)測量儀器，常用于測量薄膜厚度和光學(xué)常數(shù)等相關(guān)參數(shù)。它通過監(jiān)測樣品表面偏振態(tài)隨光束波長的變化，可精確提取薄膜厚度信息，并觀測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，由于測試過程無需與樣品接觸，也無需提供真空環(huán)境，且不會對樣品造成損壞，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。

臺階儀原理

臺階儀是另一種用于薄膜厚度測量的儀器，屬于接觸式測量方式。該儀器具備測量精度高、測量速度快、性價比高的特點，已廣泛用于微電子、半導(dǎo)體、材料科學(xué)等領(lǐng)域的納米級臺階和表面形貌的測量。臺階儀由控制板塊、光源、探測器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其測試原理是通過觸針在薄膜表面水平運動時檢測豎直位移上的變化，經(jīng)電路、軟件處理后，顯示表面輪廓和臺階數(shù)值。本研究選用的是Flexfilm探針式臺階儀，主要用于測量光刻工藝、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階高度。

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傾斜光柵的仿真設(shè)計與參數(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。時域有限差分法通過將空間和時間離散化，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，確保計算精度。通過單因素變量法，系統(tǒng)分析了光柵周期、占空比、光柵高度和傾斜角度對衍射效率的影響。

（a）入射光波長對衍射效率的影響（b）光柵周期對衍射效率的影響（c）占空比對衍射效率的影響（d）光柵高度對衍射效率的影響（e） 傾斜角度對衍射效率的影響（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，且人眼對該波長較為敏感，因此選定550 nm作為入射光波長。光柵周期對衍射效率的影響呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在450 nm左右達(dá)到峰值。占空比在0.5時能量分配最為集中，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，通過電子束曝光技術(shù)實現(xiàn)高精度圖形轉(zhuǎn)移。本研究采用Raith EBPG-5200電子束曝光機，結(jié)合Zep520正性光刻膠，實現(xiàn)了納米級光柵圖案的制備。

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。濕法刻蝕通過腐蝕液與材料的化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移，成本低、操作簡單，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、刻蝕均勻性好等優(yōu)勢。通過系統(tǒng)研究ICP的上電極功率、射頻偏壓功率、腔室壓強和Cl?氣體流量對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，能夠獨立調(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SiO2/Cr的刻蝕功速率、刻蝕選擇比的影響（b）離子能量對 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提升兩者的刻蝕速率，但過高的離子能量會導(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。

針對刻蝕過程中出現(xiàn)的再沉積問題，本研究引入O?氣體進(jìn)行優(yōu)化。實驗發(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)計目標(biāo)的傾斜光柵結(jié)構(gòu)。實際制備參數(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FDTD仿真明確了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對衍射效率的影響規(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)計目標(biāo)的傾斜光柵樣品。研究中對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)和實驗支撐。未來研究可從以下方面進(jìn)一步深入：擴展至多波長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)化刻蝕工藝以實現(xiàn)更高精度、更高重復(fù)性的傾斜光柵制備，推動其在AR近眼顯示設(shè)備中的實際應(yīng)用。

Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀

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Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀擁有高靈敏度探測單元和光譜橢偏儀分析軟件，專門用于測量和分析光伏領(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)補償器測量技術(shù)：無測量死角問題。
• 粗糙絨面納米薄膜的高靈敏測量：先進(jìn)的光能量增強技術(shù)，高信噪比的探測技術(shù)。
• 秒級的全光譜測量速度：全光譜測量典型5-10秒。
• 原子層量級的檢測靈敏度：測量精度可達(dá)0.05nm。

Flexfilm費曼儀器全光譜橢偏儀能非破壞、非接觸地原位精確測量超薄圖案化薄膜的厚度、折射率,結(jié)合費曼儀器全流程薄膜測量技術(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)計與制備工藝研究》

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