一种具有斜面型纳米结构的波导镜片及其制作方法与流程

1.本发明涉及增强现实显示技术领域，特别是涉及一种具有斜面型纳米结构的波导镜片及其制作方法。


背景技术：

2.增强现实(ar)技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来，两种信息相互补充、叠加。在视觉化的增强现实中，用户利用头盔显示器，把真实世界与电脑图形重合成在一起，便可以看到真实的世界围绕着它。目前主流的近眼式增强现实显示设备大多采用光波导原理。倾斜式衍射光栅具有较大的一级衍射效率，且降低零级分量，从而提高显示亮度的同时，进一步降低图像色散。
3.为制造波导表面倾斜式纳米结构，研究人员提出了光刻胶结构倾斜刻蚀、金属掩模倾斜刻蚀、干湿法混合刻蚀等方法。但现有技术中，倾斜槽面的倾斜角完全取决于离子束倾斜角度，倾斜离子束进行斜刻蚀是技术难点，本身存在难控制和倾斜设备高成本的问题；若直接采用光刻胶结构倾斜刻蚀，又面临刻蚀夹角不足、刻蚀速率比等问题；干湿法混合刻蚀也面临同样问题，且不能精确控制轮廓深度，加工误差大和可控性低。
4.前面的叙述在于提供一般的背景信息，并不一定构成现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种制备难度低且可控度高的具有斜面型纳米结构的波导镜片及其制作方法。
6.本发明提供一种具有斜面型纳米结构的波导镜片的制作方法，该方法包括：
7.提供一波导衬底；
8.在所述波导衬底表面制备一光刻胶层；
9.在所述光刻胶层的表面至少选择2个区域，并对所述区域进行图形化处理，获得图形光刻胶以及裸露所述波导衬底表面的图形凹槽；
10.镀膜，在所述图形光刻胶上以及所述图形凹槽底部中未被所述图形光刻胶遮挡的表面形成覆盖层；
11.采用正向或微倾刻蚀的方式对所述波导衬底和所述覆盖层，或者，所述波导衬底、所述覆盖层和所述图形光刻胶进行蚀刻；
12.去除剩余的所述覆盖层和所述光刻胶层，得到与所述波导衬底成一体的斜面型纳米结构。
13.在其中一实施例中，在所述制备一光刻胶层的步骤中，通过旋涂或喷涂或刮涂的方式将光刻将涂敷在所述波导衬底表面以形成所述光刻胶层。
14.在其中一实施例中，所述图形化处理为对所述光刻胶层采用干涉光刻或全息曝光或套刻工艺以在所述波导衬底上形成所述图形光刻胶和所述图形凹槽。
15.在其中一实施例中，在所述形成覆盖层的步骤中，根据所述覆盖层的形貌要求，调节镀膜的倾角和镀膜速率，在所述图形光刻胶的顶部表面和侧面及所述图形凹槽底部中未被相邻所述图形光刻胶阴影遮挡的表面上形成所述覆盖层，其中，所述覆盖层覆盖在所述侧面的部分呈连续斜面型或台阶型。
16.在其中一实施例中，所述覆盖层的材质为刻蚀速率类似所述波导衬底的刻蚀速率的材料。
17.在其中一实施例中，在所述形成多个斜面型纳米结构的步骤中，未被所述覆盖层覆盖的所述图形凹槽的部分底部与所述覆盖层同时进行刻蚀，所述未被所述覆盖层覆盖的所述图形凹槽的部分底部的刻蚀深度与所述覆盖层的刻蚀深度直接的差异取决于所述波导衬底与所述覆盖层的刻蚀速率比。
18.本发明还提供一种具有斜面型纳米结构的波导镜片，包括波导衬底，在所述波导衬底的表面至少设有2个区域，每一区域包括多个所述斜面型纳米结构，所述斜面型纳米结构采用上述的具有斜面型纳米结构的波导镜片的制作方法制作。
19.在其中一实施例中，同一区域的多个所述斜面型纳米结构的倾斜角和深度相同，不同区域的所述斜面型纳米结构的倾斜角和深度相同或不同。
20.在其中一实施例中，多个所述斜面型纳米结构形成光栅结构或点阵结构。
21.在其中一实施例中，所述斜面型纳米结构一侧的面呈连续斜面型或台阶型。
22.本发明提供的具有斜面型纳米结构的波导镜片的制作方法，通过采用倾斜刻蚀的方式对所述区域未被所述覆盖层遮挡的部分和所述覆盖层同时进行蚀刻，在所述区域内形成多个斜面型纳米结构，利用覆盖层作为刻蚀掩模，实现斜面型纳米结构制备，采用常规刻蚀材料，降低制备难度，且具备高可控度。
附图说明
23.图1为本发明实施例具有斜面型纳米结构的波导镜片的制作方法的步骤流程图；
24.图2a至2d为本发明具有斜面型纳米结构的波导镜片的制作方法的工艺流程图；
25.图3为本发明实施例中经步骤s4制备的具有台阶型覆盖层的结构示意图；
26.图4为图3蚀刻后形成的台阶型斜面型纳米结构的结构示意图；
27.图5为图2b两侧微倾离子束刻蚀后形成的斜面型纳米结构的结构示意图；
28.图6为本发明实施例具有斜面型纳米结构的波导镜片的结构示意图；
29.图7为图6中a处放大后的立体图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
31.请参图1至图5，本发明实施例中提供的具有斜面型纳米结构的波导镜片的制作方法，该方法包括：
32.s1：提供一波导衬底1；
33.s2：在波导衬底1表面制备一光刻胶层；
34.s3：在光刻胶层的表面至少选择2个区域，并对区域进行图形化处理，获得图形光
刻胶21以及裸露波导衬底1表面的图形凹槽22；
35.s4：镀膜，在图形光刻胶21上以及图形凹槽22底部中未被图形光刻胶21遮挡的表面形成覆盖层31；
36.s5：采用正向或微倾刻蚀的方式对波导衬底1和覆盖层，或者，波导衬底、覆盖层和图形光刻胶21进行蚀刻；
37.s6：去除剩余的覆盖层31和图形光刻胶21，得到与波导衬底1成一体的斜面型纳米结构71。
38.在本实施例中，波导衬底1的材质为可见光高透明的材料，可实现图像光线在波导衬底1内全反射，其折射率不小于1.4。具体地，波导衬底1的材质可以为玻璃或树脂。
39.在步骤s2中，采用旋涂或喷涂或刮涂的方式在波导衬底1的一侧表面上覆盖一层光刻胶形成光刻胶层。
40.具体地，采用刮涂的方式将光刻胶涂满整个波导衬底1一侧的表面。光刻胶的折射率在1.4-1.8之间。
41.在步骤s3中，图形化处理为对光刻胶层采用干涉光刻或全息曝光或套刻工艺以在波导衬底1上形成图形光刻胶21和图形凹槽22。
42.具体地，按照所需图形对光刻胶层进行曝光显影，在选择的区域内获得具备所需图形形貌的图形光刻胶21，以及裸露波导衬底1表面的图形凹槽22(即图形凹槽22的底部为裸露的波导衬底1表面)。为保证露底部分和区域以外部分更为干净，在曝光显影后，可以通过等离子去胶机等设备进行氧离子轰击。
43.需要说明的是，图形化处理时，可以对整个光刻胶层进行处理，以在至少2个选择的区域内同时形成图形光刻胶21和图形凹槽22；也可以按照选择的区域依次进行处理以获得各自区域内的图形光刻胶21和图形凹槽21。
44.在步骤s4中，覆盖层31的材质为刻蚀速率类似波导衬底1刻蚀速率的材料。具体地，波导衬底1的刻蚀速率与覆盖层31的刻蚀速率相等或接近，以保证波导衬底1的刻蚀深度以及所需蚀刻的图形。优先地，覆盖层31的材质为二氧化硅或氮化硅或二氧化钛等。
45.镀膜由从左往右开始或从右往左开始。如此，覆盖层31覆盖凸起的图形光刻胶21的顶部表面和图形光刻胶21一侧的侧面，以及未被图形光刻胶21遮挡的图形凹槽22的部分底部，从而使覆盖层31具有多个斜面型的表面(如图2所示)。具体地，根据覆盖层31的形貌，调节镀膜时的倾角和镀膜速率，可以改变覆盖层31覆盖图形光刻胶21侧面的部分的形貌和倾斜角，如形成的斜面型为图2b所示的连续倾斜面型或为图3所示的台阶型。
46.在步骤s5中，采用正向即垂直刻蚀或微倾角刻蚀进行蚀刻，刻蚀时，未曾被覆盖层31覆盖的区域(即未覆盖的波导衬底1表面)与覆盖层31同时进行刻蚀，未被覆盖层31覆盖的图形凹槽22的部分底部的刻蚀深度与覆盖层31的刻蚀深度直接的差异取决于波导衬底1与覆盖层31的刻蚀速率比。
47.具体地，经一定的刻蚀时间后，如图3所示的具有台阶型的覆盖层33可刻蚀成如图4所示的具有台阶型的斜面型纳米结构72。如图2b所示的具有连续倾斜面型的覆盖层31可刻蚀成如图7所示的具有连续倾斜面型的斜面型纳米结构71。
48.若对斜面型纳米结构71的两侧面型均有要求，可通过微倾离子束刻蚀，如将图2b所示的具有连续倾斜面的覆盖层31刻蚀成如图5所示的具有两侧倾斜的斜面型纳米结构
73。
49.由于倾斜刻蚀的原因，离子斜轰击，由于图形光刻胶21和覆盖层31二者叠加的高度带来的遮挡，有利于制作槽宽相对小些的斜面型纳米结构。
50.在步骤s5中，通过溶液法配合微波等离子机等进行去除剩余的覆盖层31和图形光刻胶21。
51.请参图1至图5，本发明还提供一种具有斜面型纳米结构的波导镜片，包括波导衬底1，在波导衬底1的表面至少设有2个区域，每一区域包括多个斜面型纳米结构71。斜面型纳米结构71采用上述的具有斜面型纳米结构的波导镜片的制作方法制作。
52.在本实施例中，在波导衬底1的同一侧表面设置2个区域；2个区域分别为将图像光线耦入至波导基底的耦入区域51，以及经波导基底1全反射的图像光线耦出至人眼的耦出区域53。
53.在其它实施例中，在波导衬底1的两侧表面各设置1个区域。
54.同一区域的多个斜面型纳米结构71的倾斜角和深度相同，不同区域的斜面型纳米结构71的倾斜角和深度相同或不同。多个斜面型纳米结构71形成光栅结构或点阵结构。
55.同一区域的多个斜面型纳米结构71的倾斜角和深度相同，不同区域的斜面型纳米结构71的倾斜角和深度相同或不同。即，耦入区域51内的多个斜面型纳米结构71的倾斜角和深度相同；耦入区域51与耦出区域53的斜面型纳米结构71的倾斜角和深度相同或不同。
56.多个斜面型纳米结构71形成光栅结构或点阵结构。
57.在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。应当理解的是，当元件例如层、区域或基板被称作“形成在”、“设置在”或“位于”另一元件上时，该元件可以直接设置在所述另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接形成在”或“直接设置在”另一元件上时，不存在中间元件。
58.在本文中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本发明的限制。
59.在本文中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。
60.在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
61.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。