通过 Cypris X600 纳米压印平台解锁 AR 波导的高通量低成本制造

Erhan Ercan*, Bram Titulaer, Muhammad Ali, Mehran Amin, Ievgen Kurylo, Anna Adamek, Frano Penava, Mariana Ballottin

¹ Morphotonics B.V. (荷兰)

1. 引言 (INTRODUCTION)

增强现实（AR）系统的商业化日益依赖于能够同时提供光学性能和制造可扩展性的波导制造技术。虽然衍射波导在设计复杂度、效率和图像质量方面已趋于成熟，但其生产仍面临精度、通量和工艺灵活性之间权衡的挑战。晶圆级纳米压印光刻 (Wafer-level nanoimprint lithography) 虽然能实现高保真图形复制，但在生产率和基板适应性方面受到限制；而大面积方法在实现多功能波导架构所需的套刻精度 (overlay accuracy) 和残胶层厚度 (Residual Layer Thickness, RLT) 控制方面往往存在困难。

随着 AR 设备向更高产量和更多样化的形式发展，制造平台必须在不牺牲均匀性或可重复性的情况下，适应多种基板尺寸、材料和布局。本工作介绍了 Cypris X600 平台，它整合了 Roll-to-Plate (R2P) 纳米压印光刻 (NIL)、数字化调制喷墨沉积以及基于面板的多晶圆处理技术，以解决这些限制。通过结合精确的体积控制、大面积压印和自动化批处理，该平台旨在架起实验室级工艺开发与工业级波导制造之间的桥梁。

2. CYPRIS X600 系统

2.1 系统架构 (System Architecture)

Cypris X600 将喷墨沉积和先进的大面积 NIL 统一在一个专门为工业级 AR 波导制造定制的全集成工作流中。该系统围绕模块化设计，在受控的自动化环境中包含了多个工艺步骤：增粘处理 (adhesion promotion)、喷墨打印、烘烤和纳米压印。这种架构在支持 AR 光学设计快速演进的同时，确保了高通量和可重复性。

喷墨打印模块支持具有高分辨率的可调材料沉积，允许对光栅形貌的变化进行局部补偿，并对不同的光学耦合器区域进行精确的厚度控制。这种适应性对于在包含入耦合器 (incouplers)、扩展器 (expanders) 和出耦合器 (outcouplers) 的调制结构上实现均匀的 RLT 至关重要。Cypris X600 的核心是下一代 X-NIL R2P 模块，它结合了柔性印章（stamp）技术和增强的套准系统，在大面积范围内提供高套刻精度。系统可容纳高达 310 mm × 310 mm 的玻璃和聚合物基板（包括圆形和方形几何形状），并采用面板载具同时压印多个晶圆，显著提高了工艺通量。其架构针对洁净室环境进行了优化，确保了 FOUP 盒与载具之间无缝的晶圆转运，同时保持了污染控制。

2.2 工艺流程 (Process Flow)

Cypris X600 采用了一种专为精度和可扩展性设计的结构化自动化工艺。工作流始于将晶圆从 FOUP 盒转移到多晶圆载具，从而实现大批量生产的批处理。装载完成后，系统会对所有晶圆涂覆一层增粘底漆 (adhesion-promoting primer)，以优化后续图层的表面能。随后进行受控加热步骤以固化底漆并稳定基板表面。

接下来，通过数字化调制喷墨打印沉积厚度可调的功能层，确保对光学差异进行局部补偿。打印完成后，通过软烘 (soft-bake) 加热步骤稳定沉积层并为压印做好准备。随后，晶圆进行大面积纳米压印（使用 X-NIL 技术），在整个基板上复制出具有卓越均匀性和套刻精度的高保真纳米结构。最后，晶圆从载具转移回 FOUP 盒，完成整个循环并确保与自动化洁净室工作流的兼容性。

2.3 优势 (Advantages)

Cypris X600 系统的一个显著特点是能够将传统的基于晶圆的方法转换为基于面板的处理方式 (panel-based processing)，从而允许在单个载具上处理多个晶圆。根据载具配置，系统可以容纳 $9 \times 200\text{ mm}$ 晶圆、$4 \times 300\text{ mm}$ 晶圆或 $4 \times 310\text{ mm}$ 晶圆（圆形或方形均可）。这种转换显著提高了生产率，减少了处理时间，并为未来实现全面板化处理提供了清晰的途径。通过同时支持晶圆和面板格式，Cypris X600 确保了满足当前制造需求的灵活性，同时为下一代 AR 光学器件提供了可扩展性。

Cypris X600 为 AR 波导制造提供了精度、可扩展性和成本效益的独特结合。其集成的喷墨和 NIL 工作流确保了大面积范围内均匀的残胶层厚度 (RLT)、纳米结构保真度和高套刻精度。平台的模块化允许在不同的波导布局和材料之间快速切换，在不牺牲工业可扩展性的情况下缩短了开发周期。在独立循环中展示的可重复性证明了 Cypris X600 是连接实验室原型设计与大批量生产的稳健桥梁，加速了 AR 光学组件的商业化。

3. 初步结果 (PRELIMINARY RESULTS)

3.1 AR 波导压印 (AR waveguides imprinting)

为了展示平台能力，我们进行了为期近两周的 AR 波导压印试运行。使用了 Cypris X600 的代表性工艺流程。使用 Morphotonics Portis P1100 进行底漆涂覆，随后在烤箱中烘烤晶圆。使用喷墨打印机 (PixDro LP50) 在所需区域分配高折射率树脂，然后进行软烘步骤。最后，使用晶圆载具和 R2P Portis NIL1100 设备进行波导压印。

在此演示中，我们完成了 125 个机器循环，每个循环包含一个载具内的 3 片 $200\text{ mm}$ 直径圆形晶圆，每片晶圆上压印有 4 个波导（图 2）。总计压印了 1500 个波导。AR 波导设计的细节见参考文献 [6]。在试运行期间，所有机器循环均使用同一套柔性印章。

3.2 压印质量 (Imprint quality)

为了研究波导相对于母版（master）的纳米结构复制质量，我们使用了聚焦离子束扫描电子显微镜 (FIB-SEM)。我们在局部进行了横截面切片，并测量了周期性 ($p$)、高度 ($h$) 和 RLT（图 3）等参数。我们选择样本的方式确保了能够涵盖整个循环范围。

根据母版设计，入耦合器 (IC)、扩展器 (EPE) 和 出耦合器 (OC) 的周期分别为 $400\text{ nm}$、$282.84\text{ nm}$ 和 $400\text{ nm}$。从测量数据（图 4 (a)）可以看出，复制周期与母版设计高度吻合。在不同运行批次中，IC、EPE 和 OC 的光栅高度保持一致。然而，与母版设计相比，IC 和 OC 的高度存在约 $50\text{ nm}$ 的差异。IC 和 OC 的光栅高度约为 $350\text{ nm}$，而根据母版设计应为 $\sim 399\text{ nm}$。另一方面，EPE 的光栅高度与母版设计（$50\text{ nm}$）相当（图 4 (b)）。

由于较高的深宽比 (aspect ratio)，IC 和 OC 光栅经历了较大的收缩，导致这些区域的光栅高度与母版设计相比差异更大。需要注意的是，本研究中使用的母版是对原始母版的复制品（第二代）进行放大（upscaling）得到的。这意味着用于放大的母版与原始设计相比，可能已经存在高度收缩。因此，压印件中观察到的高度收缩不仅仅是由压印工艺造成的。此外，我们测量了压印件的 RLT，实现了 IC 光栅 RLT 不大于 $66\text{ nm}$ 的结果。

3.3 光栅质量 (Grating quality)

我们使用 Littrow 衍射仪 (OptoFidelity WG-GAT) 进一步验证了压印质量。测得的光栅周期和方向与母版设计一致且吻合良好（图 5）。我们还计算了 IC、EPE 和 OC 单个光栅上平均测量周期的标准差，以此作为周期均匀性 (period uniformity)。结果显示，周期均匀性在 $10\text{--}40\text{ pm}$ 范围内。

同样地，测量了平均方向（图 6），方向均匀性在 $10\text{--}50\text{ arcsec}$（角秒）范围内。然而，在本分析中，尚未考虑母版相对于设计的周期和方向均匀性。

3.4 图像质量 (Image quality)

为了进一步验证试运行的压印效果，我们检查了选定样本的图像质量。图像功能是影响真实用户体验最重要的因素。为此，我们选择了一系列样本，包括前一节提到的用于光栅质量评估的样本，以扩大评估试运行的范围和数据集。

总共测量了 54 个样本的图像质量。在图 7 中，我们展示了在眼框 (eye box) 中心测得的平均调制传递函数 (MTF)，该值是相对于出耦合器 (OC) 定义的。测量使用了 OptoFidelity WG-IQ 系统。

我们发现，该 MTF 与之前报道的低 RLT 样本 [6] 相当，且高于高 RLT 样本。MTF 的提升归功于更低的 RLT。我们进一步分析了晶圆 B 和 C（图 2 (a)）上的波导 III（图 2 (b)），根据 t 检验（图 8），发现它们之间没有统计学上的显著差异。同样，对于晶圆 B 和 C 之间的波导 IV，以及每个晶圆内部的波导 III 和 IV，均未观察到统计学上的显著差异。

4. 结论 (CONCLUSION)

在本研究中，我们介绍了用于 AR 波导大规模制造的 Cypris X600 的概念和工作流。此外，我们通过代表性工作流展示了该平台的能力。在为期两周的试运行期间，我们成功实施了超过 100 次运行（压印循环）。

通过使用 FIB-SEM 测量关键的 AR 光栅参数（如周期性、高度和残胶层厚度），对压印质量进行了评估。选定的几个代表性样本覆盖了整个运行范围。我们发现光栅参数在多次运行中保持一致，并与母版设计高度吻合。在入耦合器和出耦合器区域观察到的光栅高度变化，归因于深宽比相关收缩 (aspect-ratio-dependent shrinkage) 以及使用了第二代母版和放大工艺的综合影响，而非工艺不稳定性。

此外，使用 Littrow 衍射仪测量了不同运行批次中一致的周期性和光栅方向。同时还评估了各种晶圆和波导的图像质量。我们观察到，与之前报道的结果相比，相同设计的 MTF 有所提高，这可能得益于显著降低的残胶层厚度。从统计学上看，不同晶圆和波导之间测得的 MTF 没有差异。

综上所述，这些结果表明 Cypris X600 平台能够在长期、连续运行中保持高保真度的 AR 波导复制，同时维持复杂衍射架构所需的精度。通过在自动化工作流中结合 R2P 纳米压印光刻、数字化调制喷墨沉积和基于面板的多晶圆处理，该平台将解决引言中提到的关键制造挑战——即需要平衡光学性能与通量、工艺稳定性和可扩展性。此次展示的试运行范例说明了 Cypris X600 架构如何弥合实验室级制造与工业级生产之间的差距，为下一代 AR 系统的波导大规模制造提供了可行路径。

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