利用纳米压印光刻技术，迈向折射率 2.0 的 AR 光波导（二）

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（一）

2.工艺

为了对光栅结构进行图形化，我们采用了紫外纳米压印光刻技术，特别是 SmartNIL? 技术。该工艺基于全晶圆级的复制，因此目标产品的芯片尺寸不受任何限制。这一点对于 AR 眼镜尤为有利，因为其波导尺寸通常较大，如果使用光学光刻步进机，往往需要进行拼接。

为了实现紫外压印工艺（本质上是将特定的形貌复制到紫外固化树脂中），首先需要制备一个初始的主模板。主模板提供了所需的图案结构。对于纳米结构而言，通常是在硅片上利用电子束光刻和随后的刻蚀工艺来制备。

实际的压印过程分为两个部分。首先，将制作一个透明的聚合物负性复制品——即所谓的“工作模板”。本研究中使用的是一种名为 EVG UV-NIL AS 的工作模板材料，它能够快速、精确地复制主模板，并且在实际压印过程中具有极佳的填充和脱模性能。使用这种工作模板的优势在于，它提供了一种低成本复制昂贵主模板的简便方法，并且易于更换，同时还能满足大规模生产所需的性能要求。

图 1（步骤 1-3）展示了用于有效图案化目标基板的压印工艺示意图。该工艺始于在晶圆上旋涂纳米压印光刻胶，随后进行软烘。涂胶过程是在 EVG101 光刻胶处理系统上完成的。涂层的均匀性和厚度对整个工艺至关重要，因为它是控制最小残留层厚度的关键参数。随后，将涂胶后的晶圆装入 EVG7200 SmartNIL 

关于纳米压印（NIL）工艺之后的刻蚀转移步骤（如图 1 步骤 4-6 所示），必须先进行一道“去残胶”工序，以去除结构之间的残留层，随后才能进行实际的倾斜刻蚀。正如前文所述，采用基座倾斜方式的常规反应离子刻蚀仅适用于小尺寸样品。为了在大面积区域内实现均匀的倾斜特征结构，必须采用更先进的技术，例如离子束刻蚀技术。

图 1. 压印与倾斜刻蚀的工艺流程示意图

3.结果

为了在大面积区域实现倾斜图案，我们首先采用了具有低残留层特性的 SmartNIL 工艺，制作了线条与空间（L/S）光栅结构。复制的主模板具有约 800nm 的光栅周期，填充因子约为 50%。该主模板的最终压印效果如图 2 所示。正如扫描电镜（SEM）图像所示，结构复制效果良好，结构高度约为 190nm。与主模板设计的微小偏差被认为是由固化过程中的材料收缩引起的，或者是处于测量精度范围内。本研究未对此进行更深入的调查。此外，压印层与 TiO2 层之间观察到了足够的附着力，未发现分层或其他相关缺陷。最重要的是，图像还显示了一层非常薄（约 25nm）且均匀性良好的残留层。在这项工作中，我们使用 NIL 树脂作为掩膜，在反应离子束刻蚀（RIBE）模式下刻蚀 TiO2。在刻蚀倾斜特征时，起始掩膜的厚度以及轮廓角度对于实现良好的角度控制至关重要。因此，我们开发了一种去残胶工艺，以便在刻蚀 TiO2 层之前完全打开掩膜。

图 2：a) 周期约为 800nm、结构高度为 190nm 的纳米压印线/空间（L/S）图案的扫描电镜（SEM）图像。残留层厚度已减小至 30nm 以下，并显示出良好的均匀性。b) 去残胶后的纳米压印线/空间（L/S）结构。图案之间的残留层已被去除，且光栅结构的形状或高度未发生显著改变。

随后，为了在高折射率（HRI）材料中实现实际的图案转移，我们利用了离子束技术。根据待刻蚀材料的不同，该技术可用于执行三种类型的刻蚀：离子束刻蚀（IBE）、反应离子束刻蚀（RIBE）化学辅助离子束刻蚀（CAIBE）。在这项工作中，我们使用了 RIBE 模式刻蚀 TiO2，并利用 NIL 树脂作为掩膜来实现倾斜结构。

未完待续……