增强现实显示技术通过将虚拟信息与真实场景无缝融合，为用户提供全新的视觉体验，在娱乐、教育、医疗、设计及导航等领域具有广阔的应用前景。AR近眼显示设备作为下一代显示技术的代表，正逐步从军用领域向消费电子领域拓展。其核心挑战在于如何在轻薄化的设备中实现高画质、大视场角和高光效的图像传输。Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

光学透视式AR显示设备因其便携性、安全性和实时性优势，成为主流发展方向。随着光波导技术的引入，AR设备的体积与重量得以显著降低，成像性能亦大幅提升。光波导技术主要分为几何光波导和衍射光波导两大类，其中衍射光波导因其在轻薄性、视场角、眼动范围、衍射效率等方面的综合优势，成为当前消费级AR设备的主流技术方案。

倾斜光栅的技术背景与研究现状

光波导的分类

衍射光波导的核心元件是光栅，根据光栅类型的不同，主要分为表面浮雕光栅波导和体全息光栅波导。表面浮雕光栅波导因受材料与工艺影响较小、成熟度高，已广泛应用于消费级AR设备中。表面浮雕光栅主要包括闪耀光栅、矩形光栅和倾斜光栅等结构。其中，闪耀光栅涉及闪耀角与反闪耀角，在亚微米级制备中存在较大难度；矩形光栅结构简单但衍射效率受限；倾斜光栅仅涉及一个倾斜角度，工艺相对可控，且可通过结构参数优化实现较高的衍射效率，在特定衍射级上能量集中度更优。

国际上，Microsoft的HoloLens系列已成功将倾斜光栅应用于AR设备。然而，国内在倾斜光栅的结构设计与制备工艺方面仍处于起步阶段，缺乏系统性的研究体系和成熟的工艺方案。因此，开展倾斜光栅的结构优化与制备工艺研究，对于推动国内AR技术自主化具有重要意义。

衍射光波导与倾斜光栅的工作原理

左：光栅分光示意图；右：光栅衍射原理示意图

衍射光波导系统由微图像源、衍射元件和平面波导三部分组成。图像光经准直后入射至耦入光栅，通过衍射效应改变传播方向，进入波导基板并以全内反射形式横向传输，最终经耦出光栅衍射至人眼。

光栅的衍射效应可将入射光能量分配到不同衍射级上。在光栅周期接近或小于入射光波长的情况下，通常只存在0级和±1级衍射光。0级光为透射光，无法被利用；±1级光则可用于图像传输。因此，提高±1级衍射效率是提升系统光效的关键。

倾斜光栅的衍射效率受多个结构参数影响，包括光栅周期、占空比、光栅高度和倾斜角度。通过对这些参数的调控，可以实现对特定衍射级光能的集中分配。理想情况下，倾斜光栅的+1级衍射效率可达95%以上，显著提升光波导系统的整体效率。

表征设备

在倾斜光栅的制备工艺与参数优化过程中，除了制备所必须的电子束曝光机、感应耦合等离子体刻蚀 ICP 和反应离子束刻蚀 RIBE 之外，还需要通过一些小型表征设备来对工艺流程中的结果进行观测，从而判断工艺过程及工艺参数是否可行。

椭圆偏振光谱仪原理

椭圆偏振光谱仪是一种光学测量仪器，常用于测量薄膜厚度和光学常数等相关参数。它通过监测样品表面偏振态随光束波长的变化，可精确提取薄膜厚度信息，并观测出材料在深紫外至近红外光谱区间的光学特性。该仪器的灵敏度和分辨率较高，能够有效分析包含未知材料组分和粗糙表面的多层薄膜结构。此外，由于测试过程无需与样品接触，也无需提供真空环境，且不会对样品造成损坏，使得椭圆偏振光谱仪已经在各种一维/二维纳米光栅材料结构、各向同性/异性薄膜材料膜厚以及光学纳米光栅常数的表征分析中得到广泛应用。本研究选用的是Flexfilm全光谱椭偏仪，主要用于测量双枪电子束蒸镀金属厚度以及匀胶工艺的光刻胶厚度。

台阶仪原理

台阶仪是另一种用于薄膜厚度测量的仪器，属于接触式测量方式。该仪器具备测量精度高、测量速度快、性价比高的特点，已广泛用于微电子、半导体、材料科学等领域的纳米级台阶和表面形貌的测量。台阶仪由控制板块、光源、探测器以及数据采集系统组成，其测试原理是通过触针在薄膜表面水平运动时检测竖直位移上的变化，经电路、软件处理后，显示表面轮廓和台阶数值。本研究选用的是Flexfilm探针式台阶仪，主要用于测量光刻工艺、感应耦合等离子体刻蚀工艺以及反应离子束刻蚀工艺后形成的图形台阶高度。

倾斜光栅的仿真设计与参数优化

倾斜光栅模型示意图

本研究基于时域有限差分法，利用Lumerical FDTD Solutions软件建立倾斜光栅的物理模型。时域有限差分法通过将空间和时间离散化，求解麦克斯韦方程组，能够准确模拟电磁波在光栅结构中的传播与相互作用，是分析光栅衍射特性的有效工具。

仿真模型以SiO₂为衬底材料，采用平面波光源，设置完全匹配层吸收边界条件，确保计算精度。通过单因素变量法，系统分析了光栅周期、占空比、光栅高度和倾斜角度对衍射效率的影响。

（a）入射光波长对衍射效率的影响（b）光栅周期对衍射效率的影响（c）占空比对衍射效率的影响（d）光栅高度对衍射效率的影响（e） 倾斜角度对衍射效率的影响（f）单元结构

仿真结果表明：在可见光波段中，550 nm绿光下倾斜光栅的衍射效率最具代表性，且人眼对该波长较为敏感，因此选定550 nm作为入射光波长。光栅周期对衍射效率的影响呈现先增后减的趋势，在450 nm左右达到峰值。占空比在0.5时能量分配最为集中，衍射效率最高。光栅高度与衍射效率呈非线性关系，在250 nm和650 nm处出现两个峰值，考虑制备工艺的可行性，选择250 nm作为目标刻蚀深度。倾斜角度对衍射效率影响显著，在50°左右达到最大值，约为79.28%。

基于上述仿真结果，确定了在工艺可行范围内衍射效率最优的倾斜光栅结构参数：周期450 nm、占空比0.5、刻蚀深度250 nm、倾斜角度50°，为后续工艺制备提供了理论依据。

倾斜光栅的制备工艺

倾斜光栅的制备主要分为金属掩膜制备和倾斜刻蚀两大阶段。掩膜材料选用化学稳定性好、热线性膨胀系数低的铬，通过电子束曝光技术实现高精度图形转移。本研究采用Raith EBPG-5200电子束曝光机，结合Zep520正性光刻胶，实现了纳米级光栅图案的制备。

a湿法刻蚀方案流程b干法刻蚀方案流程图

在金属掩膜制备阶段，分别尝试了湿法刻蚀和干法刻蚀两种方案。湿法刻蚀通过腐蚀液与材料的化学反应实现图形转移，成本低、操作简单，但在小线宽光栅制备中存在侧壁粗糙、图形失真等问题。干法刻蚀采用感应耦合等离子体刻蚀，具备高分辨率、各向异性强、刻蚀均匀性好等优势。通过系统研究ICP的上电极功率、射频偏压功率、腔室压强和Cl₂气体流量对Cr和光刻胶刻蚀速率及选择比的影响，确定了最佳工艺参数：上电极功率300 W、射频偏压功率10 W、腔室压强15 mTorr、气体比例Cl₂/O₂/Ar=4:4:1。在此参数下获得的Cr掩膜侧壁陡直、线条整齐，满足后续刻蚀要求。

RIBE倾斜刻蚀示意图

在倾斜刻蚀阶段，采用反应离子束刻蚀技术。RIBE结合物理溅射与化学反应的优点，能够独立调控离子能量、束流密度、气体流量和入射角度，适用于倾斜光栅的高精度制备，离子能量范围为100~1800 eV。

（a）4 CHF3气体流量对SiO2/Cr的刻蚀功速率、刻蚀选择比的影响（b）离子能量对 SiO2/Cr 的刻蚀速率、刻蚀选择比的影响（c）三种较高离子能量刻蚀出的倾斜光栅SEM照片

研究首先分析了CHF₃气体流量和离子能量对SiO₂和Cr刻蚀速率及选择比的影响。结果表明，CHF₃电离产生的HF对SiO₂具有高度选择性刻蚀作用，随着CHF₃流量增加，SiO₂刻蚀速率显著提升，Cr刻蚀速率变化较小，SiO₂/Cr选择比随之增大。离子能量的增加同时提升两者的刻蚀速率，但过高的离子能量会导致表面粗糙度增加，影响图形质量。综合考虑刻蚀选择比和表面形貌，确定离子能量400~500 eV为适宜范围。

针对刻蚀过程中出现的再沉积问题，本研究引入O₂气体进行优化。实验发现，随着O₂流量增加，光栅顶部的粗糙度明显降低，底部的沉积物逐渐清除，光栅底部趋于平整。在离子能量400 eV、束流密度500 mA、气体比例CHF₃/Ar/O₂=5:4:5、入射角度40°的条件下，获得了最接近仿真设计目标的倾斜光栅结构。实际制备参数为：周期463 nm、占空比0.47、高度242 nm、倾斜角度48°（顶部）/43°（底部）。

本研究围绕AR近眼显示用倾斜光栅，开展了从结构仿真到工艺制备的系统性研究。通过FDTD仿真明确了关键结构参数对衍射效率的影响规律，确定了周期450 nm、占空比0.5、刻蚀深度250 nm、倾斜角度50°为工艺可行范围内的最优结构。通过ICP和RIBE工艺的系统优化，成功制备出形貌良好、接近设计目标的倾斜光栅样品。研究中对Cr掩膜制备、刻蚀特性分析、再沉积问题优化等方面进行了深入探讨，为国内AR光波导核心元件的自主研发提供了理论基础和实验支撑。未来研究可从以下方面进一步深入：扩展至多波长条件下的光栅性能优化，探索非金属掩膜材料如同质掩膜的可行性，持续优化刻蚀工艺以实现更高精度、更高重复性的倾斜光栅制备，推动其在AR近眼显示设备中的实际应用。

Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪

技术支持：180-1566-6117

Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）。

▶先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。

▶粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。

▶秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
▶原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。

Flexfilm费曼仪器全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

原文参考：《AR近眼显示用倾斜光栅的结构设计与制备工艺研究》