利用纳米压印光刻技术，迈向折射率 2.0 的 AR 光波导（三）

上期内容回顾：利用纳米压印光刻技术，迈向折射率 2.0 的 AR 光波导（二）

如图 3 的示意图所示，掩膜定义了结构的节距（pitch），而基板相对于 RIBE 入射束的倾斜度则定义了倾斜特征的角度。通过这种方式，可以在单一步骤中在大面积区域均匀地图案化倾斜特征。在刻蚀过程中，TiO2 被去除，而可实现的深宽比则是掩膜厚度与 NIL 树脂和下层材料之间刻蚀选择比共同作用的结果。

图 3. 左图： 刻蚀后倾斜角度约为 50° 的倾斜光栅的扫描电镜（SEM）图像。下方的表格展示了实现的侧壁角度，以及剩余的光刻胶厚度和相应的刻蚀选择比。右图： 倾斜刻蚀工艺的示意图。

最终的刻蚀转移效果如图 3 所示。我们成功在二氧化钛（TiO2）中制备出了具有特定角度的倾斜结构。约 50° 的侧壁角度根据基座的倾斜度得到了精确的转移。获得的侧壁非常光滑，且在掩膜边缘未观察到粗糙现象。此外，NIL 树脂相对于 TiO2 的高刻蚀选择比（在 5:1 范围内）表明，制备高深宽比的特征结构也是可行的。

在这项工作中，我们仅研究了硅基底上 50nm 厚的 TiO2 层。如图 3 所示，即使在硅基底中进行深刻蚀后，仍有 58nm 厚的光刻胶剩余。因此，利用该工艺有望实现 2:1 甚至更高的结构深宽比。

图 4 更详细地展示了不同步骤中的工艺质量和图案保真度。正如在图 4a 和 4b 中可以看到的那样，全晶圆压印效果以及显微镜图像均未显示任何缺陷，且图案质量高度均匀。图 4c 和 4d 中的相应截面图（显示低残留层）以及随后的去残胶步骤也证实了这一点。从刻蚀后样品的倾斜视图中可以看出，图案转移和刻蚀选择比都非常均匀。图 4f 中的相应截面图像也证实了这一点。

图 4：整个工艺流程的图像。a) 全晶圆压印b) 线/空间（L/S）图案的显微镜图像c) 具有低残留层的压印图案的扫描电镜（SEM）图像d) 去残胶后的 NIL 光刻胶e) 倾斜刻蚀后的直接扫描电镜（SEM）图像f) ...后的图像（原文此处未完整，推测可能是“刻蚀后”或“清洗后”等）

由于 TiO2 通常仅作为另一基底顶部的层存在，因此我们也考虑将结构直接转移到玻璃基底中。在玻璃中刻蚀纳米结构极具挑战性，标准的反应离子刻蚀（RIE）工艺通常无法表现出很高的刻蚀选择比。因此，我们将类似于上述的线/空间（L/S）结构压印在了不同的玻璃基底上。图 5a 展示了相应的图像，证明了在玻璃表面也能实现高保真度的图案和低残留层。所使用的基底包括标准折射率玻璃（Schott BF33）和高折射率玻璃（Schott Realview 1.9）。

首先，我们在标准玻璃上测试了 RIE 刻蚀，结果显示图案转移效果良好，但刻蚀选择比仅为预期的 1:1。这对于倾斜刻蚀来说不够理想，因为它需要更厚的 NIL 树脂掩膜层，而这会导致阴影效应。因此，在下一步中，我们使用 BF33 玻璃研究了反应离子束刻蚀（RIBE）技术。如图 5c 所示，我们实现了高达 4:1 的刻蚀选择比，甚至成功转移了高质量的倾斜光栅。由于我们的目标是在高折射率玻璃中实现这种转移，我们将基底类型更换为 Realview 1.9。

高折射率玻璃的密度远高于标准玻璃，因此我们对比 BF33 测试了其刻蚀选择比。图 5d 与图 5b 的对比清楚地表明，尽管刻蚀后仍有光刻胶层残留，但使用 RIE 工艺在高折射率玻璃中的刻蚀选择比要低得多。不过，我们再次成功验证了图案转移的可行性，但这还需要进一步的研究。特别是，必须确认 RIBE 技术是否能像对标准玻璃那样，带来刻蚀选择比的类似提升。

图 5. 扫描电镜（SEM）截面图像：a) 玻璃上的纳米压印线/空间（L/S）结构。b) 刻蚀到标准折射率玻璃中的反应离子刻蚀（RIE）图案。c) 刻蚀到标准折射率玻璃中的反应离子束刻蚀（RIBE）倾斜结构。d) 刻蚀到高折射率（HRI）玻璃中的反应离子刻蚀（RIE）图案转移。

4.总结

在这项工作中，我们证明了NIL图案化和RIBE刻蚀是一种可行的工艺，可以将倾斜图案直接转移到高折射率介电材料中。SmartNIL工艺展现出了卓越的残留层控制能力和图案保真度。在优化的去残胶工艺中，NIL树脂掩膜的结构质量得以保留，从而打开了残留层。

总体而言，NIL和RIBE工艺可以很好地集成在一起，从而在固态材料（包括大规模制造）中实现均匀的大面积倾斜光栅。最后，我们完成了概念验证，证明了倾斜图案可以直接从NIL掩膜转移到不同的高折射率材料中。

对于TiO2层，我们展示了高刻蚀选择比、精确的侧壁角度控制和高质量的图案转移。对于玻璃基底，虽然还需要进一步的工作来在高折射率玻璃中实现高深宽比的倾斜光栅，但已证明了类似的工艺流程是适用的。