双面纳米压印光刻（Dual-Side NIL）：用于增强现实（AR）应用的角对准精度和第一面保护
Thomas Achleitner Dr. Margit Jachs Walter Zorbach Liu Yixuan Mairhofer Marcel
摘要
本文将探讨针对增强现实（AR）应用在对准精度（alignment accuracy）和第一面层保护（first side layer protection）方面的最新成就。目前已在整个晶圆范围内实现了小于 5 角秒（arcseconds）的对准精度，从而实现了低畸变的压印工艺。此外，本文还介绍了一种针对首次压印面的全面保护策略。该方案涵盖了硬件方面的改进，包括针对高折射率（high index）材料优化的专用边缘处理（edge handling），以及工艺上的进步，如临时保护层涂层（temporary protective layer coating）。该涂层需易于加工，能够承受所有必要的工艺步骤，包括溶剂释放烘烤（solvent release bakes）和紫外线（UV）曝光。在成功完成第二面压印后，保护层必须能够被去除且不留任何残留物，同时不损害初始结构的完整性。
1. 引言
纳米压印光刻（NIL）终于在光学元件的制造中站稳了脚跟，例如用于增强现实（AR）波导的表面浮雕光栅（SRG）、超构光学元件（meta optical elements）、微透镜阵列（micro lens arrays）和光学传感器。这种复制技术的关键优势在于其工艺的高度灵活性和可扩展性（scalability）。该工艺在很大程度上独立于基底的类型和尺寸，无论是对硅片、带有折射率匹配树脂的高折射率基底进行结构化，还是在牺牲层转移（sacrificial layer transfer）过程中，工艺流程基本保持不变。此外，多级（multi-level）、闪耀（blazed）和倾斜光栅（slanted gratings）都可以在单一工艺步骤中完成复制。
工艺的可扩展性体现在从单模粒硬质主体模具（single die-hard master）到全排布的步进重复（Step and Repeat, S&R）主体模具的高效且具成本效益的扩展，从而支持超过 300 mm 的圆形基底。近年来，大量工作投入到了从单模粒到 200 mm 和 300 mm 基底全排布 S&R 主体模具的成本效益升级上。其他重要课题还包括高折射率材料的可靠性，以及通过喷墨涂布（inkjet coating）实现低且均匀的残留层厚度（residual layer thickness）和光栅变化，包括对倾斜角（slant angles）和占空比（duty cycle）等的调节。所有这些活动的重点都是提高波导的效率、性能和可靠性，并为向 300 mm 压印迈进提供可扩展的路径。
提高器件性能的一种有效方法是波导的双面压印（dual side imprinting），这可以显著增强效率。双面压印涉及基底两面的结构化。因此，它需要先完成第一面的结构化，翻转结构化后的基底，随后开始第二面的压印。为了防止第一层压印结构受到任何划伤，需要一种保护涂层，该涂层不与已固化的聚合物发生反应，且可以无残留地去除。基底两面的结构必须通过顶到底对准（top to bottom alignment）进行精确对准。特别是，角对准（angular alignment）比横向对准（lateral alignment）更为关键。本文将讨论顶到底部对准以及第一面保护层涂层的最新进展。
2. 方法论 (METHODOLOGY)
图 1A 展示了示意性的 NIL 工艺流程。使用 EVG®770 S&R NIL 系统将单模粒主体模具重复复制到 200 mm 或 300 mm 晶圆上，从而产生全晶圆级的主体模具（master）。该系统在全自动工艺中执行抗蚀剂分配、结构对准、压印和脱模。这种方法确保了能够制造出与原始主体模具具有相同高质量和保真度的多个元件。它显著缩短了实现全晶圆级主体模具（S&R master）的生产时间，该模具随后用于进一步的 NIL 复制。
保护层涂层需要在压印后涂覆在第一面，以防止结构受到任何物理损坏。高层级的工艺流程如图 1B 所示。在对第一面进行结构化后，通过旋涂（spin coating）涂覆保护层。然后翻转基底，接着对第二面进行结构化。在成功完成第二面复制后，需通过湿法化学工艺（wet chemical process）去除保护层。
保护层涂层必须满足几个特性：由于保护涂层直接涂覆在已结构化的树脂上，它应具有良好的涂布和润湿性能，以均匀覆盖已结构化的层，且不产生额外的波整度或厚度变化。该层必须足够稳定，能够经受第二面加工过程中的软烘（soft bake）步骤，且不会在压印系统的硬件组件上留下残留物。在第二面对准过程中，对准系统需要能够视觉检测到嵌入的基准标记（fiducials），因此需要一定的折射率差异。处理完第二面后，必须去除保护层，避免留下任何残留物或与第一面的聚合物发生反应，因为这可能会改变该层或使结构变形。用于去除保护层的化学材料不应与已固化的压印聚合物发生反应。
本研究调查了两种不同的压印材料（EVG NIL UV/A2 和 INKRON IOC133）、一种保护层涂层（EVGPC A1 R1）和一种清洗剂（EVG Clean 2）。评估标准包括保护层与压印聚合物的兼容性，以及清洗剂与压印聚合物的兼容性。这些参数通过变角度光谱椭偏仪（VASE）、原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）进行了检测。研究重点主要是对结构保真度和层厚度的定量评估。
除了为第一面提供足够的保护外，实现第一面和第二面之间的高精度对准对于优化器件效率也至关重要。在各种对准参数中，第一面压印相对于第二面的旋转对准（rotational alignment）是最关键的因素。由于在压印前基底上不存在预先存在的对准键（alignment keys），因此实施了顶到底（top-to-bottom）的对准策略。这些对准标记被集成到主体模具中，并在初始压印过程中与所有其他结构一起复制。因此，复制的对准键作为第二面对准过程的参考点。
对准过程在带有顶面显微镜的 EVG7200® 压印系统上完成。对准精度在 EVG40®NT 上测量。本研究评估了三组基底，每组使用一个工作模具（working stamp）进行 47 次压印。每个基底有两个对应的对准键，距离基底中心左右各 92 mm。
3. 结果 (RESULTS)
3.1 保护涂层评价
关于双面压印的保护涂层，评估了保护涂层与压印材料之间，以及保护层去除剂与压印聚合物之间的兼容性。压印聚合物的主要成功标准是层厚度和结构保真度。
作为初步测试，制备了两个空白压印——一个使用 IOC133，另一个使用 EVG NIL UV/A2。随后，在压印后的基底上旋涂保护层 EVGPC A1 R1，测得涂层厚度 < 4µm。去除保护层后重新测量压印层厚度。结果显示（见表 1），涂层及去除过程对压印层的影响微乎其微，厚度变化小于 0.1%，处于 VASE 椭偏仪的测量公差范围内。
表 1：保护层应用前后空白压印的厚度
由于空白压印显示无相互作用，随后在结构化基底上重复了测试。采用 400 nm 线空比（line-and-space）的通用测试图案。使用 AFM 评估了涂层-去除循环前后的图案保真度。所有测量结果显示特征高度减少不到 3%，这处于 AFM 的计量精度范围内（见表 2）。
表 2：IOC 133 和 EVG NIL UV/A2 在保护层涂覆前后的图案高度
| 压印材料 (Material) | 位置 (Position) | 压印后高度 [nm] (After imprinting) | 去除保护层后高度 [nm] (After removal) | 相对偏差 [%] (Relative delta) |
|---|---|---|---|---|
| IOC 133 | 1 | 191.0 | 188.1 | -1.5 |
| 2 | 191.8 | 191.3 | -0.3 | |
| 3 | 191.6 | 187.3 | -2.2 | |
| EVG NIL UV/A2 | 1 | 371.1 | 364.1 | -1.9 |
| 2 | 370.2 | 366.2 | -1.1 | |
| 3 | 368.5 | 364.4 | -1.1 |
3.3 对准精度评价
对于 EVG7200® 上的顶到底部对准，处理了三组基底。在前三次压印后测量对准精度并应用补偿（offset）。在所有组别中观察到一个一致的趋势：初始压印显示出约 +5 角秒的对准偏差。应用补偿后，所有随后的测量结果均保持在 ±5 角秒以内（见图 2）。
4. 总结 (SUMMARY)
在本研究中，调查了一种用于双面纳米压印光刻中第一面层保护的潜在方法（EVGPC A1 R1），适用于增强现实波导应用。评估了两种压印聚合物。结果表明，保护涂层可以通过旋涂成功应用，产生均匀的层且不会干扰先前压印结构的图案保真度。在第二面压印后，使用清洗剂 EVG Clean 2 去除了保护层。AFM 测量确认了保护层、清洗剂与压印聚合物之间的兼容性。此外，利用 EVG7200® 的顶面显微镜验证了第一面和第二面之间的对准精度，实现了优于 5 角秒的角对准精度。
参考文献
- C. Thanner, A. Dudus, D. Treiblmayr, G. Berger, M. Chouiki, S. Martens, M. Jurisch, J. Hartbaum, and M. Eibelhuber, "Nanoimprint Lithography for Augmented Reality Waveguide Manufacturing," in Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR), vol. 11310, 1131010, 2020. [cite: 132, 133]
- Chau Ha, Martin Newcomb, Koji Maekawa, Patrick Schuster, and Thomas Achleitner, "Addressing sunlight reactivity in high-refractive-index nano-imprint lithography (NIL) resins", Proc. SPIE 13414, Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR) VI, 1341403 (21 March 2025); https://doi.org/10.1117/12.3040569 [cite: 134, 135, 136]
- Patrick Schuster, Johanna Rimböck, Lisa Vsetecka, Thomas Achleitner, Bríd Connolly, Andreas Frangen, and Martin Sczyrba, "Inkjet coating combined with nanoimprinting for complex 3D patterns with nonlinear height and low residual layer", Proc. SPIE 13414, Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR) VI, 134140E (21 March 2025); https://doi.org/10.1117/12.3042006 [cite: 137, 138, 139]
- Lingyi Wang, Yuxuan Zhao, and Lijiang Zeng, "Self-aligned double-sided grating diffractive waveguide with enhanced efficiency", Proc. SPIE 13414, Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR) VI, 134141R (21 March 2025); https://doi.org/10.1117/12.3054149 [cite: 140, 141, 142]
著录信息
- Thomas Achleitner, Margit Jachs, Walter Zorbach, Yixuan Liu, and Marcel Mairhofer "Dual-side NIL: angular alignment accuracy and first-side protection for AR applications", Proc. SPIE 13821, Optical Architectures for Displays and Sensing in Augmented, Virtual, and Mixed Reality (AR, VR, MR) VII, 1382102 (5 March 2026); https://doi.org/10.1117/12.3077653
本站声明：本文转载自SPIE. Digital Library，原标题为《Dual-side NIL: angular alignment accuracy and first-side protection for AR applications》。文章版权归原作者及原载媒体所有。本平台转载仅供微纳制造与半导体领域同行进行技术交流与学术探讨，不代表本平台赞同其观点或证实其内容的真实性。文中涉及的技术参数、工艺流程及行业预测仅供参考。鉴于微纳技术迭代迅速，请读者在实际科研或生产中以最新行业标准及实验数据为准。本平台不承担因使用本文内容而产生的任何直接或间接损失。如原作者认为转载行为不妥或涉及版权争议，请及时联系后台，我们将于 24 小时内删除处理。
- 收藏
