CN101320207B - 一种全息-离子束刻蚀制备光栅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全息-离子束刻蚀制备光栅的方法，首先进行全息光刻，获得光刻胶光栅掩模，然后进行离子束刻蚀，最后去除残余的光刻胶，获得所需的光栅，其特征在于：所述离子束刻蚀为，先用氩离子束进行刻蚀1至3分钟，再用三氟甲烷反应离子束刻蚀至所需槽形深度。本发明在离子束刻蚀中，采用了两步法，首先进行氩离子束刻蚀，对光刻胶光栅掩模进行形貌修正，再采用三氟甲烷进行刻蚀，从而可以获得较小占宽比的光栅；通过对氩离子束刻蚀的时间控制，实现对光栅占宽比的控制，方法简便、易于实现，是控制刻蚀光栅占宽比的有效方法。

Description

一种全息-离子束刻蚀制备光栅的方法

技术领域

本发明涉及一种光学器件的制作方法，具体涉及一种在采用全息-离子束刻蚀方法制作光栅过程中控制光栅占宽比的方法。

背景技术

离子束刻蚀技术是20世纪70年代发展起来的一种干法刻蚀工艺技术，已广泛用于微电子器件制作中的超精细、高保真度图形转移。全息-离子束刻蚀光栅就是先用全息光刻制作出光栅掩模，然后通过离子束刻蚀将其转移到光栅基片材料中，它集中了机械刻划光栅的高效率和全息光栅的无鬼线、低杂散光、高信噪比的优点。因此，全息-离子束刻蚀衍射光栅应用广泛，如用于可控约束核聚变的脉冲压缩光栅、高空频的闪耀光栅、光纤光栅位相掩模等。全息光刻和离子束刻蚀是全息-离子束刻蚀光栅制作中的两大主要工艺步骤。全息光刻是用于产生光刻胶光栅浮雕图形作为掩模，离子束刻蚀是将光刻胶光栅掩模转移到光栅基底材料中。为了制作理想的全息-离子束刻蚀光栅，必须首先制作出符合要求的光刻胶光栅掩模，即具有特定占宽比、槽深，且槽底干净无残胶等(刻蚀光栅的槽深受限于光栅掩模的槽深、槽底的干净程度、光刻胶和基底材料的离子束蚀刻速率差；其占宽比决定于光栅掩模的占宽比)。所以对全息光刻工艺要求非常苛刻。为了降低对光刻胶光栅掩模的要求，本专利提出一种离子束刻蚀和反应离子束刻蚀相结合的方法，来实现对刻蚀光栅占宽比的控制。

发明内容

本发明目的是提供一种采用全息-离子束刻蚀制作光栅的方法，以实现对光栅占宽比的控制，获得较小占宽比的光栅。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种全息-离子束刻蚀制备光栅的方法，首先进行全息光刻，获得光刻胶光栅掩模，然后进行离子束刻蚀，最后去除残余的光刻胶，获得所需的光栅，所述离子束刻蚀为，先用氩(Ar)离子束进行刻蚀1至3分钟，再用三氟甲烷(CHF₃)反应离子束刻蚀至所需槽形深度。

上文中，全息光刻是现有技术，采用全息光刻后，在光刻胶上形成了光栅掩模，要求槽底干净无残胶，以免影响离子束刻蚀的质量。采用氩离子束进行刻蚀，可以实现对光刻胶光栅掩模形貌的修正，从而在三氟甲烷刻蚀时，基片侧壁能得到更大的刻蚀速率，基片能以较快的速率收缩，获得比较小的占宽比。

上述技术方案中，所述氩离子束刻蚀时，离子能量480～510ev，离子束流80～120mA，加速电压250～300v，工作压强2.0×10^-2Pa；所述三氟甲烷反应离子束刻蚀时，离子能量370～400ev，离子束流80～100mA，加速电压250～280v，工作压强1.3×10^-2Pa。

本发明技术方案制备获得的所述光栅的空频为150～1500线/毫米。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明在离子束刻蚀中，采用了两步法，首先进行氩离子束刻蚀，对光刻胶光栅掩模进行形貌修正，再采用三氟甲烷进行刻蚀，从而可以获得较小占宽比的光栅；

2.本发明可以通过对氩离子束刻蚀的时间控制，实现对光栅占宽比的控制，方法简便、易于实现，是控制刻蚀光栅占宽比的有效方法。

附图说明

图1是实施例二中Ar离子束刻蚀中光刻胶和石英的刻蚀速率随角度的变化关系图；

图2是实施例二中CHF₃反应离子束刻蚀中光刻胶和石英的刻蚀速率随角度的变化关系图；

图3是实施例二中Ar离子束刻蚀中光刻胶石英掩模交界处离子刻蚀角度的变化关系图；

图4是实施例二中CHF₃反应离子束刻蚀中光刻胶石英掩模交界处离子刻蚀角度的变化关系图；

图5是实施例二中相位掩模采用CHF₃反应离子束的刻蚀模拟图；

图6是实施例二中相位掩模先采用Ar离子束刻蚀，再采用CHF₃反应离子束的刻蚀模拟图；

图7是实施例二中原始掩模的电镜照片；

图8是实施例二中直接进行CHF₃反应离子束刻蚀的电镜照片；

图9是实施例二中先进行Ar离子束刻蚀，再进行CHF₃反应离子束刻蚀的电镜照片；

图10是实施例三中获得的150l/mm掩模的电镜照片；

图11是实施例三中获得的300l/mm掩模的电镜照片；

图12是实施例三中获得的500l/mm掩模的电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种全息-离子束刻蚀制备光栅的方法，首先进行全息光刻，获得光刻胶光栅掩模，然后进行离子束刻蚀，最后去除残余的光刻胶，获得所需的光栅，所述离子束刻蚀为，先用氩离子束进行刻蚀1至3分钟，再用三氟甲烷反应离子束刻蚀至所需槽形深度。其中，所述氩离子束刻蚀时，离子能量480～510ev，离子束流80～120mA，加速电压250～300v，工作压强2.0×10^-2Pa；所述三氟甲烷反应离子束刻蚀时，离子能量370～400ev，离子束流80～100mA，加速电压250～280v，工作压强1.3×10^-2Pa。

本实施例的方法可以用于制备空频为150～1500线/毫米的光栅。

实施例二：全息-离子束刻蚀制备光栅中对占宽比的控制

首先进行数值模型的构思，理想条件下建立的刻蚀数值模型，不考虑刻蚀过程中可能会存在的刻面效应，二次刻蚀效应以及再沉积效应，只考虑刻蚀速率和刻蚀选择比对刻蚀过程的影响。掩模形状的变化主要取决于掩模各个部分刻蚀速率的不同，对于刻蚀速率与离子束入射角的关系的经验公式：

$Y\left(\mathrm{\θ}\right)=\underset{n=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{\cos }^n\left(\mathrm{\θ}\right)k=3-6---\left(1\right)$

θ为掩模刻面的法线与离子束的夹角，式中a_n是最小二乘法对实验数据拟合而得到的多项式系数，当k＝5公式与实验数据已有很好的相关性。

高级线段运动算法取掩模轮廓图形上的一系列的点，两两相连构成微线段来描述掩模的轮廓图形，微线段沿着其法线方向向下运动，每个时间步长后，都由相邻微线段的交点构成了新的表面轮廓。在掩模和基板材料的交界处，微线段的移动满足折射定律，即snell方程：

$\frac{{\mathrm{ER}}_m\left({\mathrm{\θ}}_m\right)}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_m\right)}=\frac{{\mathrm{ER}}_s\left({\mathrm{\θ}}_s\right)}{\sin \left({\mathrm{\θ}}_s\right)}---\left(2\right)$

式中θ_m，θ_s分别表示交界处相邻的掩模和基片的两微线段法线方向与入射离子束的夹角。ER_m(θ_m)和ER_s(θ_s)分别是在上述角度下对应的掩模和基片离子束刻蚀速率。

一般地，制作的全息-离子束刻蚀光栅是在石英基片上的。根据实验数据，结合公式(1)用最小二乘法拟合实验数据得到在Ar离子束刻蚀和CHF₃反应离子束刻蚀中光刻胶和石英的刻蚀速率随角度的变化关系，分别参见附图1和附图2所示，Ar离子束刻蚀中这两种材料的刻蚀速率比较接近，在0.8-1.2弧度之间有最大值出现，CHF₃反应离子束刻蚀中石英的刻蚀速率受角度变化影响很大，相对于光刻胶表现出较大的刻蚀选择比。

离子束刻蚀中掩模图形逐渐向基片转移，在交界处基片上形成一个新的侧壁，其离子束刻蚀角度与交界处掩模侧壁的离子束刻蚀角度的关系由公式(2)决定，对于光刻胶掩模来说，Ar离子束刻蚀中交界处形成的基片侧壁，其离子束刻蚀角度θ_s与交界处掩模侧壁离子束刻蚀角度θ_m比较接近，在CHF₃反应离子束刻蚀中当θ_m大于0.2弧度时，基片上形成的侧壁的离子束刻蚀角度θ_s接近于1.5弧度(分别参见附图3和图4所示)。对通常的全息光刻胶掩模来说，CHF₃反应离子束刻蚀可以得到较为陡直的基片侧壁，能较好的保证图形转移的精度。结合Ar离子束刻蚀和CHF₃反应离子束刻蚀的图形演化特点，对于光刻胶掩模来说，Ar离子束刻蚀形成的基片侧壁的离子束刻蚀角度要比CHF₃反应离子束刻蚀中基片侧壁的离子束刻蚀角度要小，由图1可知在CHF₃反应离子束刻蚀中石英的刻蚀速率随着离子束入射角度的增大而减小，因此Ar离子束刻蚀中形成的基片侧壁在CHF₃反应离子束刻蚀中能够得到更大得刻蚀速率，基片能以较快的速率收缩，从而可以得到比较小的占宽比。

根据以上的分析，结合线性啁啾光纤光栅相位掩模的制作，我们用高级线段运动算法模拟了五分钟CHF₃反应离子束刻蚀以及在CHF₃反应离子束刻蚀之前加一分钟Ar离子束刻蚀的图形演化，分析两种刻蚀方案下的槽形演化规律，图5和图6是相位掩模(初始掩模图形由实验制作的光刻胶光栅的SEM得到)分别采用上述两种方法的刻蚀模拟图，可以发现两个演化过程的差异主要是在一分钟的Ar离子束刻蚀过程中，Ar离子束刻蚀中形成的基片侧壁的离子束刻蚀角度θ_s要比直接进行CHF₃反应离子束刻蚀中基片侧壁的离子束刻蚀角度要小，在其后的五分钟CHF₃反应离子束刻蚀中，基片的刻蚀速率要比直接进行CHF₃反应离子束刻蚀要大，所以短暂的Ar离子束刻蚀能改善掩模与基片交界处的基片侧壁的形貌，有利于得到比较小的占宽比的掩模。

实验上，我们用全息方法制作了中心周期为1000线/nm的线性啁啾光刻胶相位掩模，掩模高度为300nm，掩模形状为不对称的类正弦形。实验使用北京Advanced公司生产的LKJ-150离子束刻蚀系统，我们分别进行了五分钟CHF₃反应离子束刻蚀；一分钟的Ar离子束刻蚀后再进行五分钟CHF₃反应离子束刻蚀。Ar离子束刻蚀参数：离子能量500ev，离子束流100mA，加速电压260v，工作压强2.0×10^-2Pa，CHF₃离子刻蚀参数：离子能量400ev，离子束流100mA，加速电压260v，工作压强1.3×10^-2Pa。图7是原始掩模、图8是直接进行CHF₃反应离子束刻蚀的电镜照片、图9是先进行Ar离子束刻蚀，再进行CHF₃反应离子束刻蚀的电镜照片。

表1 原始掩模、无Ar离子束刻蚀和有Ar离子束刻蚀后的掩模占宽比

实验数据表明有Ar离子束刻蚀的掩模占宽比明显要小，同时槽形也比较陡直，具体数据如表1所示。同时我们发现300-1经过一分钟Ar离子刻蚀后，占宽比为0.487，300-2的初始占宽比为0.478，两者的占宽比很接近，但是经过不同的刻蚀方法后，300-1占宽比为0.398，300-2为0.474，可以明显看出经过Ar离子束刻蚀后掩模的占宽比更小。

实验和模拟计算结果表明，对于非矩形的光栅掩模(即低陡度光栅掩模)，短时间Ar离子束刻蚀形成的基片侧壁的离子束刻蚀角度要比CHF₃反应离子束刻蚀中基片侧壁的离子束刻蚀角度要小，因此该侧壁在CHF₃反应离子束刻蚀中能够得到更大得刻蚀速率，基片能以较快的速率收缩，所以经过短暂的Ar离子束刻蚀改变了掩模与基片交界处的基片侧壁的形貌，有利于在CHF₃反应离子束刻蚀中得到比较小的掩模占宽比。

这一点对于全息-离子束刻蚀光栅的制作来说是非常有意义，使得对全息光刻胶光栅掩模的要求得以降低。对于相同占宽比的初始掩模，如果我们需要得到和初始掩模的占宽比差不多的刻蚀光栅，则只需要使用CHF₃反应离子束刻蚀；如果我们需要得到比初始掩模的占宽比小很多的刻蚀光栅，则需要通过短时间的Ar离子束刻蚀进行初始掩模形貌修正，之后采用CHF₃反应离子束刻蚀就能够得到更小的占宽比。在一定程度上达到控制槽形的目的。

实施例三

150l/mm；300l/mm；500l/mm的光栅

制作以上三种空频的光刻胶光栅掩模，分别进行了6分钟CHF₃反应离子束刻蚀；2分钟的Ar离子束刻蚀后再进行6分钟CHF₃反应离子束刻蚀。CHF₃作为工作气体时，离子能量为390eV，离子束流为90mA，加速电压250v，工作压强1.3×10^-2Pa；Ar离子束刻蚀时，离子能量为480eV，离子束流为110mA，加速电压280v，工作压强2.0×10^-2Pa。结果如表2所示，对应电镜图如图10至图12所示，其中，左侧为只进行CHF₃反应离子束刻蚀，右侧为先采用Ar离子束刻蚀，再采用CHF₃反应离子束进行刻蚀。

表2 不同空频的掩模的结构参数

同样可以明显看出经过Ar离子束刻蚀后掩模的占宽比更小。

Claims (3)

1.一种全息-离子束刻蚀制备光栅的方法，首先进行全息光刻，获得光刻胶光栅掩模，然后进行离子束刻蚀，最后去除残余的光刻胶，获得所需的光栅，其特征在于：所述离子束刻蚀为，先用氩离子束进行刻蚀1至3分钟，再用三氟甲烷反应离子束刻蚀至所需槽形深度；所述氩离子束刻蚀时，离子能量480～510ev，离子束流80～120mA，加速电压250～300v，工作压强2.0×10^-2Pa。

2.根据权利要求1所述的全息-离子束刻蚀制备光栅的方法，其特征在于：所述三氟甲烷反应离子束刻蚀时，离子能量370～400ev，离子束流80～100mA，加速电压250～280v，工作压强1.3×10^-2Pa。

3.根据权利要求1所述的全息-离子束刻蚀制备光栅的方法，其特征在于：制备获得的所述光栅的空频为150～1500线/毫米。

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