SRG波导大批量生产的完整工艺控制方法，解锁AR/MR市场

从消费品到工业应用，增强现实 (AR)/混合现实 (MR) 技术是当今市场上最具创新性的交互技术之一。通过将数字信息叠加到物理世界，AR/MR 技术能够实时改善人们观察、理解和与周围环境互动的方式。仅工业应用一项就足以令人振奋，无论这项技术是用于培训、组装还是故障排除。

尽管如此，AR/MR面临的最重大挑战之一在于制造控制光的产生、衍射、引导和传输到人眼的光子元件。

AR显示器通常由光引擎和光路合成器组成。光引擎作为显示图像源，而合成器则将显示的图像传输到观看者的眼睛并透射环境光（图1）。表面浮雕光栅（SRG）波导在这些光路合成器中发挥着重要作用，它将显示光耦合到透明基板中，并在基板内进行扩展，然后衍射出该基板，最终到达目标观看者的眼睛。该组件必须提供精确的衍射特性，同时保持透明、轻便且可扩展，以满足大规模生产（HVM）的需求。

然而，平衡光学性能和可制造性对制造工艺和过程控制提出了极高的要求。面对这一挑战，设备制造商需要能够应对任何可能对产品上市时间、单位成本和OEM认证造成负面影响的解决方案。

图 1. 基于 SRG 波导的 AR 显示器示意图。

本文将探讨SRG制造商如何利用专为SRG高产量制造（HVM）量身定制的集成过程控制解决方案来应对这些挑战。该解决方案结合了多种技术：用于测量SRG关键参数（例如光栅深度、倾斜角和周期）的光学关键尺寸（OCD）计量；用于测量金属膜厚度的皮秒超声技术；用于在HVM专用器件中实现精确套刻控制的基于图像的套刻（IBO）技术；以及贯穿整个制造过程的自动化缺陷光学检测。

通过将这些工具结合到闭环过程控制策略中，制造商拥有了一个框架，可以持续生产全彩 SRG 波导，从而满足下一代 AR/MR 设备严格的光学和机械要求。

迈向高价值制造的阶梯

通过精密设计的衍射光栅将光耦合进出透明基板，SRG波导能够实现宽视场、高亮度和紧凑的尺寸。然而，SRG波导制造商若想实现量产，就必须面对诸多挑战，这些挑战源于多层结构以及通常的双面制造工艺，需要在大面积基板上实现亚100nm的对准精度。随着制造工艺的推进，这些挑战的影响只会越来越大，导致良率波动加剧，使得SRG组件制造商难以满足顶级AR/MR客户的期望。

首先，我们来看光栅几何形状。制造商必须控制周期、深度和倾斜角，以确保衍射效率和整个视场的均匀性。此外，这些元件的制造商必须保持适当的厚度均匀性，以避免相位误差和颜色偏移；因此，诸如掩模沉积和蚀刻之类的薄膜工艺必须保持极高的厚度均匀性。第三，制造商还必须保持光刻步骤之间的套刻精度，并且必须在设计公差的一小部分范围内实现，以保持红、绿、蓝 (RGB) 多周期光栅的对准和双面对准。最后，缺陷控制在制造过程中至关重要。毕竟，颗粒、划痕和蚀刻异常会导致散射、降低光学效率并降低图像质量。不出所料，制造过程包含许多关键步骤（图 2）。

在许多情况下，该工艺首先在二氧化硅（SiO₂）衬底上沉积铬（Cr）硬掩模，然后旋涂光刻胶层。对于母版制作，采用电子束光刻或深紫外光刻技术对光栅结构进行图案化。之后，使用干法刻蚀工艺将光刻胶图案转移到Cr层上，去除残留的光刻胶后，Cr层作为反应离子束刻蚀（RIBE）的刻蚀掩模。在RIBE过程中，电离氩离子束以倾斜角度射向衬底，形成倾斜的光栅轮廓。达到目标刻蚀深度后，通过化学湿法刻蚀去除Cr层。

对于高产量制造（HVM），由于纳米压印光刻（NIL）技术成本低、产量高，因此采用该技术复制已制备的主光栅。在该工艺中，首先将主图案转移到聚合物薄膜上形成软工作印模，然后使用该印模压印高折射率（RI）光刻胶层。压印后，高折射率光刻胶中的图案保持与原始NIL模板相同的方向。

图 2. 表面浮雕光栅波导制造工艺的基本流程。

这些制造挑战——涵盖纳米级光栅保真度、薄膜均匀性、套刻精度和缺陷控制——紧密相关，无法单独解决，否则会影响良率或光学性能。要实现稳定的高产量制造 (HVM)，需要对 SRG 工艺的每个步骤进行协调一致的监控。目前，波导元件制造商依赖于孤立的测量方法，这些方法只能诊断表面现象，而无法揭示根本原因。相比之下，集成式闭环方法将厚度、关键尺寸 (CD)、套刻和缺陷数据关联起来，使工程师能够在工艺偏差影响客户可见的性能之前进行纠正。通过将集成金属薄膜计量、光学关键尺寸 (OCD) 测量、基于图像的套刻控制和先进的缺陷检测应用于工艺流程，制造商能够建立对 SRG 波导制造的控制和一致性，从而提高量产爬坡阶段的良率并缩短认证周期，这对正在加速 HVM 生产的制造商来说至关重要。

解决厚度不均匀问题

作为这一集成工艺控制框架的一部分，厚度均匀性是一个需要重点关注的变量。在SRG制造过程中，厚度和均匀性必须进行精确测量和控制，因为它直接影响下游刻蚀工艺、光栅几何形状以及最终的光学性能。金属膜厚度控制不当是SRG波导中轮廓畸变和良率损失的常见根本原因。结合关键尺寸（CD）、套刻精度和缺陷控制，金属厚度测量能力能够实现SRG制造过程的全面可视性。

沉积完成后，硬掩模层必须足够厚，才能在整个蚀刻过程中保持完整，避免过早蚀刻穿透。然而，过厚的硬掩模层会使蚀刻后的侧壁轮廓变形。此外，晶圆上厚度不均匀会导致蚀刻深度和光栅倾斜角的变化，从而降低衍射效率和波前质量。

图 3. Cr 和 Al 光谱及测量结果映射。

为了测量厚度，SRG元件制造商可以使用采用皮秒超声波技术的在线金属薄膜计量工具。该工具能够快速、精确地测定不同基板上的Al/Cr厚度，从而实现晶圆内均匀性表征，有助于及早发现工艺偏差。

在我们的演示中，我们使用了在线金属薄膜计量工具来采集数据。该计量系统能够测量晶圆上的金属薄膜厚度，并具有可重复且稳定的精度，使其适用于大批量SRG波导制造中的严格工艺控制。在生产演示中，结果表明，该系统能够对金属薄膜厚度进行高精度测量，并在代表性衬底和多层薄膜堆叠结构上实现优异的晶圆级均匀性和重复性（图3）。此外，该金属薄膜计量工具还实现了出色的动态和静态稳定性，从而确保满足表1所示的先进工艺控制的严格要求。这种在线金属薄膜计量工具提供的控制水平可直接降低批次间的光栅轮廓漂移，从而降低返工率，并防止在客户验收测试期间出现后期光学缺陷。

表 1. Cr 和 Al 晶片的均匀性和重复性。

利用 OCD 计量技术满足严格的设计公差要求

在SRG波导的制造过程中，光栅周期、深度、侧壁角度和填充因子等纳米级变化对其光学性能极其敏感。这些元件的制造商必须严格遵守设计公差要求，以确保在整个制造过程中实现目标耦合效率、偏振控制和色差均匀性。

为了实现这一目标，制造商可以部署基于严格耦合波分析 (RCWA) 的光学关键尺寸 (OCD) 计量技术，在光学偏差向下游传播之前，持续监测光栅深度、关键尺寸和侧壁角度。在演示中，我们使用基于 RCWA 的 OCD 计量系统来解码光散射信号，并同时提取整个晶圆上的光栅参数。我们针对两种类型的表面光栅光栅 (SRG) 进行了测试：闪耀型 SRG 和二元 SRG。二元 SRG 使用两级阶梯轮廓进行相位或偏振控制，而闪耀型 SRG 使用倾斜或斜坡轮廓来有效地将光导向所需方向。

利用OCD计量技术，对代表性SRG结构的关键参数进行测量，结果与参考计量技术高度吻合，证实了OCD计量技术适用于SRG制造过程中的过程控制。这种稳定性使得工艺窗口更加紧凑，制造商能够在不牺牲良率的情况下更接近设计极限进行生产，这在OEM规格容差极小的情况下至关重要。

图 4。(a)闪耀 SRG 的 OCD 模式，与参考值匹配并具有动态性能。(b)二进制SRG 的 OCD 模式，与参考值匹配并具有动态性能。

通过精确叠加保持全彩性能

对于制造商而言，保持连续图案化步骤之间的套刻精度是决定光学性能的关键因素。即使是微小的偏差也会导致耦合效率损失、视场畸变、偏振不平衡和色差。

虽然单个表面反射光栅（SRG）通常只需一次图案化步骤即可形成，但波导工艺往往需要多次图案化步骤，或在同一基板上集成多个功能光栅。典型案例包括独立的输入耦合光栅和输出耦合光栅、用于全彩操作的多波长光栅（其中不同周期的红、绿、蓝光栅通过多次光刻或纳米压印图案化步骤叠加在基板两侧的同一位置），以及与其他微光学结构的精确对准。这些场景对精度要求极高。因此，需要亚微米级的套刻控制来保持设计的光学特性。满足SRG波导结构中这些严格的对准要求需要精确的晶圆级套刻计量。IBO技术使元件制造商能够直接测量和控制透明基板中的跨层和双面对准。

图 5. 条中条 (BIB) 和叠加指纹。

为了进行演示，我们采用了IBO技术，通过匹配光栅图案特征，实现了透明波导基板上的跨层和双面对准。使用条中条（BIB）标记进行全图套刻测量，演示测量结果表明，该系统在3σ下实现了0.26nm (X)和0.18nm (Y)的精度（图5）。测得的工具诱导偏移（TIS）分别为-2.63nm (X)和-0.71nm (Y)，对应的3σ TIS值分别为0.62nm和0.81nm（表2）。根据行业标准的3σ定义，最终得到的总测量不确定度（TMU）在X方向为0.83nm，在Y方向为0.92nm。这些结果表明，该套刻平台具备亚纳米级套刻能力，并为高精度、全彩SRG波导制造的对准要求提供了足够的裕量。此外，该系统还提供可直接应用于光刻工具的校正参数，以补偿系统性套刻误差。

表2. 叠加测量统计数据。

检测亚微米缺陷

缺陷检测对于SRG波导的制造至关重要。由于SRG波导独特的纳米级周期性结构和光学敏感性，即使是微小的缺陷也会导致衍射效率降低、杂散光增加、图像不均匀等问题。因此，缺陷检测应贯穿SRG波导的整个制造过程。在使用纳米压印光刻（NIL）技术进行SRG波导的大规模生产时，制造商能够检测到光刻胶、清洗化学残留物和高折射率树脂等有机缺陷，而这些缺陷通常在传统的明场或暗场照明方案下难以检测。在高产量制造（HVM）中，未被检测到的亚微米级有机缺陷会在复制的波导上传播，将局部问题演变为系统性的良率问题。

我们采用的自动化缺陷检测系统能够快速可靠地检测亚微米级缺陷，并可选择精确测量二维和三维计量特征。该检测系统配备多种照明技术，能够捕捉尺寸小于或等于 1 微米的有机缺陷。传统的光学检测方法难以处理如此小的尺寸，容易造成肉眼不可见但却危害巨大的缺陷污染。

AR/MR技术的持续发展

随着SRG波导大规模生产和成本的下降，未来几年有望成为AR/MR技术变革的转折点。本文提出了一种针对SRG波导大规模量产的全过程控制方法，涵盖金属薄膜计量、光栅参数OCD测量、套刻对准验证和缺陷检测——从进料基板鉴定到最终产品验证。

本文讨论的工艺控制挑战涵盖了广泛的AR/MR光学架构、衍射和超构光学器件以及其他大规模生产的纳米图案化光学器件。除了SRG波导之外，同样的工艺控制能力也适用于各种光学和光子制造应用，包括其他AR/MR波导架构，例如体全息波导和多级衍射波导，以及依赖于亚波长图案保真度和精确深度控制的衍射光学元件和超构光学器件。这些应用与光学薄膜堆叠和功能涂层、微显示器制造以及先进的光学和硅光子封装高度重叠，所有这些应用都需要严格控制关键尺寸（CD）、套刻精度、薄膜均匀性和缺陷率才能实现量产。

对于正在评估下一轮波导量产的制造商而言，关键问题不再是SRG波导能否满足光学性能目标，而是其工艺控制策略能否同时满足OEM厂商的进度安排、成本模型和良率预期。只要合理整合现有工具，他们就能做到这一点。

关于作者

Alex Hong 是 Onto Innovation 的高级现场应用工程师，专门从事半导体制造的金属薄膜计量，并在光学关键尺寸 (OCD) 应用方面拥有丰富的专业知识。