微纳米尺寸的灰度显示器件及其加工方法

本发明涉及微纳米加工与微纳米显示领域，具体地，涉及一种微纳米尺寸的灰度显示器件及其加工方法。

背景技术：

1、具有微纳米尺寸(即微米、纳米尺寸)的灰度显示器件多基于各种微纳米尺寸的结构，将一组微纳米尺寸的结构(其中至少包括一个微纳米尺寸的结构)用作一个单个像素，通过调节该组微纳米尺寸结构对于照射信号的反射占空比来实现对反射信号的调制，从而在微区每个单个像素上呈现出对应的灰度值，使得整个显示器呈现出清晰的图像。由于占用面积极小，其可以与其他微型器件结合在一起在微型成像与显示系统集成以及微电子器件的防伪标识领域具有重要的价值和广阔的前景。

2、减小灰度显示器件像素尺寸、提高分辨率对于拓宽相关器件的应用范围具有积极的意义。例如通过减小单个像素中的微纳米结构数量以及减小微纳米结构的平面尺寸。但是，这样的灰度显示器件存在以下缺陷，首先，如果为了减小单个像素的尺寸而把微纳米尺寸结构的数量减少，虽然能使得该像素的平面尺寸较小，但其能够呈现出的灰阶变化范围或者可选数值十分有限，这对于呈现图案的呈现是十分不利的；其次由于微纳米加工方法的加工能力限制，也无法使得微纳米结构的尺寸无限的减小。上述因素共同导致了现有技术中灰度显示的像素尺寸目前徘徊在微米量级，难以降低到例如百纳米甚至更低的尺寸，因此灰度显示器件难以进一步在维持灰度显示阶数的前提下提高显示分辨率。因而，限制了灰度显示器件的呈像能力与应用范围。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述问题，本申请的第一方面提供一种微纳米尺寸的灰度显示器件，其中，所述灰度显示器件包括衬底和布置在所述衬底上的高度梯度纳米结构，其中

2、所述高度梯度纳米结构包括多个显示单元，所述显示单元的每一个包括至少一个纳米柱，所述纳米柱从所述衬底向上延伸一定高度；

3、所述高度梯度纳米结构被配置为按照预定高度梯度分布以使得每一个显示单元具有相应的高度，其中所述显示单元能够接收外部入射信号并以一定占空比反射以使得所述显示单元呈现相应的灰度显示，以及

4、其中所述占空比至少部分地根据所述显示单元的高度确定。

5、优选的，所述灰度显示器件的所述信号包括离子束、电子束或者光波中的至少一种。

6、优选的，所述显示单元的尺寸范围为100nm至1μm之间，使得所述显示单元的分辨率在6×107dpi至6×1010dpi之间。

7、优选的，所述灰度显示器件中，所述占空比根据所述显示单元的纳米柱的高度、线宽和周期共同确定，其中

8、所述线宽定义为所述纳米柱横截面上的长度，所述周期定义为两个近邻的所述纳米柱的间距；以及

9、所述纳米柱的高度调节范围在0μm至1μm之间，所述纳米柱的线宽的调节范围在50nm至500nm之间，所述纳米柱的周期的调节范围在100nm至1um之间。

10、本申请的第二方面提供一种微纳米尺寸的灰度显示器件的加工方法，所述方法包括：

11、在衬底上依次制备牺牲层与光刻胶涂层以形成制备件；

12、将所述制备件的光刻胶涂层上的多个位置按照预定深度梯度曝光；

13、将所述制备件显影以在所述多个位置形成按照所述预定深度梯度排布的光刻胶纳米孔；

14、生成介质材料层以填充所述光刻胶纳米孔；

15、溶解所述牺牲层以整体剥离所述光刻胶涂层和所述介质材料层；

16、将所述光刻胶涂层和所述介质材料层转移到目标衬底；以及

17、去除所述光刻胶涂层以使所述介质材料层在所述目标衬底表面形成多个所述纳米柱；

18、其中所述多个纳米柱的高度梯度排布对应于所述预定深度梯度排布，以及所述纳米柱的高度梯度排布使得入射到其中的外部信号按照相应的占空比反射。

19、优选的，所述灰度显示器件的加工方法中，将所述制备件进样到电子束曝光(ebl)系统中，按照一定曝光剂量在所述光刻胶涂层上以曝光版图图形的方式使得所述光刻胶涂层上的多个位置的曝光深度按照预定深度梯度排布，以及

20、优选的，所述灰度显示器件的加工方法中，所述版图图形为bmp、png格式的灰度图像，或者具有不同层的gds、dxf格式的版图图形，其中所述灰度图像的灰度取值范围在0至255阶之间，所述gds、dxf格式的版图图形的层数取值范围在2至300之间以及其中，

21、所述电子束曝光方法的曝光剂量与版图的灰度或层号成正比或反比或者根据图形的灰度或层号指定。

22、优选的，所述灰度显示器件的加工方法中，所述牺牲层是能被酸性或碱性溶液溶解的金属材料，或可溶薄膜材料。

23、优选的，所述灰度显示器件的加工方法中，所述光刻胶涂层为具有厚度范围在500nm至1500nm之间的pmma光刻胶涂层或zep光刻胶涂层。

24、优选的，所述灰度显示器件的加工方法中，所述介质材料层采用的介质材料为al2o3、tio2或zno之一，其中所述介质材料利用原子层沉积技术生长。

25、优选的，所述灰度显示器件的加工方法中，所述去除所述光刻胶涂层包括利用丙酮去胶液浸泡的方法，或者利用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀的干法刻蚀的方法

26、本申请的方法利用电子束灰度曝光技术实现了高度梯度微纳米结构的高分辨率微纳米结构，从而实现对于图像灰度的控制，相比于传统灰度显示器件单个像素具有多个平面结构的情况，本申请的灰度显示器件的单像素可以只具有一个基于高度梯度的微纳米结构(例如一个纳米柱)，可以进一步降低灰度显示器件的像素尺寸，从而极大的提高结构分辨率。基于高度梯度微纳米结构的超高分辨率灰度显示器件，具有像素尺寸小、灰度显示阶次多、超高分辨率的优势。

技术特征：

1.一种微纳米尺寸的灰度显示器件，其特征在于，所述灰度显示器件包括衬底和布置在所述衬底上的高度梯度纳米结构，其中

2.根据权利要求1所述的灰度显示器件，其特征在于，所述信号包括离子束、电子束或者光波中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的灰度显示器件，其特征在于，所述显示单元的尺寸范围为100nm至1μm之间，使得所述显示单元的分辨率在6×107dpi至6×1010dpi之间。

4.根据权利要求1所述的灰度显示器件，其特征在于，所述占空比根据所述显示单元的纳米柱的高度、线宽和周期共同确定，其中

5.一种微纳米尺寸的灰度显示器件的加工方法，所述方法包括：

6.根据权利要求5所述的灰度显示器件的加工方法，其中，将所述制备件进样到电子束曝光(ebl)的系统中，按照一定曝光剂量在所述光刻胶涂层上以曝光版图图形的方式使得所述光刻胶涂层上的多个位置的曝光深度按照预定深度梯度排布，以及

7.根据权利要求5所述的灰度显示器件的加工方法，其中，所述牺牲层是能被酸性或碱性溶液溶解的金属材料，或可溶薄膜材料。

8.根据权利要求5所述的灰度显示器件的加工方法，其中，所述光刻胶涂层为具有厚度范围在500nm至1500nm之间的pmma光刻胶涂层或zep光刻胶涂层。

9.根据权利要求5所述的灰度显示器件的加工方法，其中，所述介质材料层采用的介质材料为al2o3、tio2或zno之一，其中所述介质材料利用原子层沉积技术生长。

10.根据权利要求5所述的灰度显示器件的加工方法，其中，所述去除所述光刻胶涂层包括利用丙酮去胶液浸泡的方法，或者利用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀的干法刻蚀的方法。

技术总结
本发明提供了一种微纳米尺寸的灰度显示器件及其制作方法，灰度显示器件包括衬底和布置在衬底上的高度梯度纳米结构，高度梯度纳米结构包括显示单元，其包括多个衬底上的纳米柱；其中显示单元能够接收外部入射信号并以一定占空比反射以使显示单元呈现相应的灰度显示，其中占空比至少部分地根据显示单元的高度确定；所述方法包括将制备件通过电子束曝光方法按照预定深度梯度曝光光刻胶涂层；将其显影以形成光刻胶纳米孔；由介质材料层填充光刻胶纳米孔；剥离形成光刻胶模板‑介质材料薄膜；转移到所述目标衬底并形成灰度显示器件。本发明的灰度显示器件具有像素尺寸小、灰度显示阶次多、超高分辨率的优点。

技术研发人员：潘如豪,李俊杰,耿广州,李晨圣
受保护的技术使用者：中国科学院物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15