衍射光波导光栅槽深占空比侧壁角测量方法

衍射光波导靠表面浮雕光栅（SRG）把光从侧面耦合进人眼。槽深、占空比、侧壁角这三个形貌参数直接决定耦入效率和出瞳均匀性，批量生产时哪怕几纳米的漂移都会被放大成亮度不均。优尼康科技（Unicorn Technology，KLA Filmetrics 中国区总代理）整理这套形貌参数的量测分工与适用边界，供产线工艺和量测工程师参考。

1. 引言：光栅三参数为什么卡住 AR 良率

AR 光波导是把微型显示器上的图像，通过波导片传导到眼前。衍射光波导在波导片里刻了周期性纳米结构，光在耦入光栅处进入、在耦出光栅处射出。这套结构的性能，很大程度由光栅形貌决定。

槽深偏浅，耦入效率低，画面偏暗。占空比不均，不同视场亮度不一致。侧壁角偏离设计值，高阶衍射分量变多，杂散光上升。产线上真正难的不是测一次，而是在整片波导上把这三个参数控制住。

2. SRG 怎么成型，三参数怎样影响耦入

衍射光波导的 SRG 多用纳米压印或光刻加刻蚀做出。压印模具本身的形貌，会直接转印到波导片上的紫外固化胶或无机膜层里。一条典型的 SRG，周期在几百纳米量级，槽深从几十到两百多纳米，占空比和侧壁角随压印压力、固化收缩、刻蚀选择比波动。

要谈测量，先确认两个尺度：周期是否不小于 300 nm，深宽比是否不大于 5:1。这两个参数决定后面能用哪种设备，也决定哪种方法的测量结果可信。

3. 槽深、占空比、侧壁角怎么测

白光干涉和共聚焦是两种常用的非接触光学法。白光干涉靠垂直方向的光程差干涉，重建出表面三维形貌，槽深、线宽、粗糙度都能一次扫出来，适合周期不小于 300 nm 的 SRG。共聚焦沿焦平面逐点扫描，对侧壁这类有垂直结构的特征更敏感，占空比和侧壁角可以从共聚焦截面里提取。

椭偏仪不直接给形貌，但它能测膜层厚度和折射率，配合前面两种方法可以判断光栅顶部膜层是否达标。实际产线常把白光干涉和共聚焦放在同一台 3D 轮廓仪里，先扫全局形貌，再对单侧壁做共聚焦精测。

4. 白光干涉、共聚焦、椭偏三种光学法对比

方法	主要测得量	适用尺度	优势	局限
白光干涉	槽深、线宽、粗糙度、全局形貌	周期≥300 nm	非接触、全场快速	对高深宽比侧壁分辨弱
共聚焦	侧壁角、占空比、断面	亚微米结构	对垂直面灵敏	速度慢于白光干涉
椭偏	膜厚、折射率、均匀性	单层到多层膜	精度高、不依赖形貌	不直接给几何形貌

三种方法不是替代关系，而是互补。白光干涉负责把整片形貌扫出来，共聚焦补侧壁细节，椭偏补膜层厚度，组合起来才能覆盖衍射光波导的量测需求。

5. 实测边界：周期和深宽比决定能不能用光学法

光学法横向分辨受衍射极限限制，对很小的周期和很高的深宽比无能为力。经验分界线是：周期不小于 300 nm 且深宽比不大于 5:1 的表面浮雕光栅，白光干涉和共聚焦可以稳定测；周期小于 300 nm 或深宽比大于 5:1 的亚波长、高深宽比结构，光学法横向分辨不足，需要转用 AFM、SEM 或 OCD 做仲裁。

写方案时不要声称光学法能覆盖所有光栅，更要避免全参数在线管控这类表述。把边界写清楚，反而能少踩坑。

6. 具体测量方案：按测试需求配设备

6.1 研发抽检：把 SRG 三参数一次扫出来

研发阶段的小片波导，常用的是 Zeta-20 白光干涉 3D 轮廓仪。操作上先把波导片平放在载物台，选 50× 或 100× 物镜，扫一块包含若干周期的区域，软件直接重建出表面三维形貌。从形貌数据里能一次性提取周期、槽深和线宽，占空比按线宽除以周期算出。侧壁角用同一台仪器的共聚焦通道，沿光栅截面方向做一条线扫描得到。

这套流程对周期不小于 300 nm、深宽比不大于 5:1 的 SRG 结果是可信的，单片多个区域一般十几分钟能出全套三参数。超出这个范围，白光干涉对侧壁的分辨会变差，槽深容易系统性偏低，这时不要拿它当仲裁值。

6.2 膜厚与镀膜均匀性：反射谱加椭偏

光栅结构之上往往还叠了透明硬膜或增透层，单独看形貌不够。单层或批厚快速筛查用 Filmetrics F20 反射光谱膜厚仪，点测或线扫都能做。如果膜层叠在光栅上、需要同时拿到膜厚和折射率，再加一台 UVISEL Plus 椭偏仪，把膜厚结果叠回形貌分析，判断顶部膜层是否达标。

6.3 大尺寸波导片：面内多点 Mapping

整片波导要做均匀性评估时，靠手动挪样品不现实。用 Profilm3D 3D 轮廓仪 配自动载物台，按阵列点位自动扫描，把每点的槽深、占空比、侧壁角汇总成面内分布图，能直接看出压印或刻蚀在整片上的漂移趋势。

6.4 超出光学法边界：转仲裁设备

周期小于 300 nm 或深宽比大于 5:1 的亚波长、高深宽比结构，白光干涉和共聚焦的横向分辨已经不够，需要转 AFM 或 SEM 做截面仲裁，量产阶段用 OCD 建模全检。这类设备通常不是形貌光学法的替代，而是分层配合：光学法做日常抽检和 Mapping，AFM/SEM/OCD 做边界仲裁和量产管控。具体选型要结合样品材料、结构和产线节拍，优尼康科技的应用工程师可以针对您的 SRG 结构给出样品测试和定制化方案。