CN101792111B

CN101792111B - 一种制备多层浮雕结构复合膜层的方法

Info

Publication number: CN101792111B
Application number: CN2009102435331A
Authority: CN
Inventors: 罗先刚; 王长涛; 冯沁; 刘凯鹏; 刘玲; 潘丽; 刘尧; 邢卉; 方亮
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: CN101792111A

Abstract

一种制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于：在掩模上加工出可供沉积粒子通过的狭缝；在膜料沉积过程中移动掩模狭缝，使沉积区域在基片上移动；通过控制基片各个区域的沉积时间来控制各区域沉积的膜厚，从而对膜层的厚度分布进行调制；在基底的同一区域连续沉积多层不同膜料和厚度分布的膜层，从而得到多层浮雕结构的复合膜层。本发明在微/纳浮雕结构的制备方面具有广阔的应用前景。

Description

一种制备多层浮雕结构复合膜层的方法

技术领域

本发明涉及一种非均匀厚度薄膜的制作方法，尤其涉及一种基于移动掩模原理和定向沉积原理来制备微/纳尺度的多层浮雕结构复合膜层的方法。

技术背景

微/纳元件尤其是微/纳光学元件，在科研、军事、民用等领域都具有巨大的应用潜力，例如，应用于制作各种SPPs元器件、光学数据存储、超分辨成像、SPPs纳米光刻等方面。包含多层浮雕结构复合膜层的微/纳元件的制备是研究的难点。现有的制作方法能够刻蚀出单层浮雕结构的膜层或沉积多层均匀厚度的膜层，不过很难制备多层非均匀厚度的浮雕结构复合膜层。若能够制作多层非均匀厚度的浮雕结构复合膜层，就可以制作出许多目前难以制作的复杂结构的微/纳光学元件。

微/纳元件的制备方法主要分为两类，第一类是超精密机械加工技术，主要是利用刀具切削材料表层使其达到所要求的形状。如金刚石车床等，适合加工单层浮雕结构，但其缺点是只能制备一些对称回转表面；目前只能制备单层浮雕结构；能加工的材料种类局限于一些机械性能好的材料。第二类是电子束/粒子束/激光直写技术、光刻技术、刻蚀技术等光学加工方法。光学加工方法的优点是可以加工不规则的结构，缺点是加工工艺步骤繁多、刻蚀引起的厚度误差较大、难以制备多层厚度变化的微/纳结构。

例如采用二元光学技术、移动灰阶掩模光刻技术等方式均可以制作微米或亚微米尺度的单层微/纳浮雕结构；但这些掩模光刻方法需要进行镀膜、涂胶、曝光、显影、刻蚀等繁杂步骤，尤其是需要通过刻蚀才能将图形转移到基底上，很难精确控制较薄的膜层的刻蚀深度。电子束直写技术、激光束直写技术、聚焦粒子束加工等直写技术可直接或间接在材料表面刻蚀出微/纳浮雕结构。若用这些技术来制备多层多层浮雕结构复合膜层，加工成本很高且加工效率低下；多次进行镀膜、曝光和刻蚀等工艺，尤其是在已有的浮雕结构膜层上进行以上工艺，其下层膜层的形貌结构会严重影响后续膜层的涂胶、曝光的质量，无疑会给后续膜层的制备带来非常大的厚度误差，多次重复刻蚀则会进一步放大这种误差。

一些微/纳元件尤其是微/纳光学元件，需要叠加多层非均匀厚度的膜层，而目前制备多层非均匀厚度的膜层仍然是一个难题。因此，多层非均匀厚度的浮雕结构膜层的制作方法拥有很大的应用价值。

综上所述，到目前为止，还没有一种工艺简单、适合在基底上直接沉积多层非均匀厚度膜层的加工方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有微细加工设备制作的限制之处，提出一种利用移动掩模原理和气相定向沉积技术，来制备微/纳尺度的非均匀膜层的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据要制作的微/纳元件的各层膜层的界面函数，得到各层膜层的厚度分布函数即各层膜层的各个区域要沉积的膜料厚度；

(2)根据要沉积的膜层的尺寸来制作该膜层的移动掩模及移动掩模上的掩模狭缝，其中掩模狭缝为能通过膜料粒子的长方形通孔，上述掩模与基片平行放置并能相对基片作平行移动；

(3)由各层膜层的各个区域要沉积的膜料厚度得到各层膜层的各个区域所需要的沉积时间：基片上的各区域只有处于掩模狭缝的正下方时才能沉积膜料，用基片上该膜层的各个区域要沉积的膜料厚度除以膜料的沉积速度就可以得到各个区域所需要的沉积时间，即掩模狭缝在该区域上方需要停留并沉积膜料的时间；通过掩模的掩模狭缝以稳定的速率向基片定向沉积膜料，其中基片上的沉积区域为正对掩模狭缝的区域，其长度、宽度等于掩模狭缝的长度、宽度；在膜料的定向沉积过程中，掩模相对基片作平行移动，从而使沉积区域在基片上移动；

(4)一个区域沉积完成后将掩模狭缝平移到下一个沉积区域上方进行沉积，每次平移的距离均为一个掩模狭缝的宽度；控制基片上各个沉积区域的沉积时间来控制该区域的膜层的厚度，从而调制基底上各个区域的膜层厚度分布，得到预定厚度分布和膜料种类的单层浮雕结构膜层；

(5)重复步骤(1)-(4)，每沉积一层膜层后将膜料更换成下一膜层相应的膜料，从基底往上依次沉积各种预定厚度分布的膜层，就可以得到需要的多层浮雕结构复合膜层。

所述步骤(1)中的各膜层为连续浮雕结构膜层、或多台阶浮雕结构膜层；

所述步骤(1)中的各层膜层的厚度分布函数为各层膜层在垂直于基底的方向上的厚度分布，数值为该膜层上下界面之差值：若设第i层膜层的厚度分布函数为gi(x)，其中x为掩模的移动方向，第i层膜层的上界面函数为f_i(x)，(i＝1，2，3，…，n)(n为多层浮雕结构的膜层数量)，基底的上界面的函数为f₀(x)＝0，第i层膜层的下界面就是第i-1层膜层的上界面，则g_i(x)＝f_i(x)-f_i-1(x)，即第i层膜层的厚度分布函数g_i(x)的数值等于第i层膜层的上界面函数f_i(x)减去第i-1层膜层的上界面函数f_i-1(x)。

所述步骤(1)中在膜料沉积速率和其它工艺条件确定的条件下，基片上任一区域的膜层厚度与该区域的实际沉积时间呈一一对应关系；将沉积区域划分为5-100条面积相等的平行于掩模狭缝的分割区域，每个分割区域需要沉积的膜厚用该区域需要沉积的时间来表示。

所述步骤(2)中的掩模狭缝为可以通过沉积粒子束的通孔，数量为一条或相互平行的多条狭缝。

所述步骤(2)中的掩模狭缝的长度与要沉积的膜层的长度相同，掩模狭缝的宽度为该膜层宽度的1/5-1/100；掩模在静止和移动时均不与基片上的膜层直接接触，基片与掩模的距离为几百纳米到几百微米；掩模移动方式为一维移动，移动方向与狭缝方向垂直。

所述步骤(3)中向基片定向沉积膜料的方法为蒸发镀膜，包括电子束蒸镀、热蒸镀、激光沉积；向基片定向沉积的膜料为银、铜、铝、金、铬等金属，或为二氧化硅、硅、玻璃、氮化镓等非金属。

所述步骤(4)中控制基片上各点的有效沉积时间的方法：让掩模狭缝稳定处于基片上一区域之上方，根据该区域需要沉积的膜厚来选择该区域的沉积时间长度，其中该区域的沉积时间＝该区域的沉积膜厚/膜料沉积速率，该区域沉积完成后再将掩模狭缝平移到下一个需要沉积的点，掩模每次移动的距离相同，掩模每次移动的距离等于一个狭缝的宽度。

所述步骤(5)中的多层浮雕结构的不同膜层使用相同或不同的膜料。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)通过结合移动掩模技术和定向沉积技术，不需要经过光刻、刻蚀等复杂工艺步骤，就可以在基底上直接沉积出预定膜厚分布的厚度变化膜层；为微/纳元器件的加工提供了一种精确、新颖、方便的加工途径。

(2)本发明结合了移动掩模技术和定向沉积技术，在沉积膜料时匀速移动掩模来对沉积的膜层的厚度分布进行调制，制备过程为直接在基底上沉积得到想要的浮雕结构膜层而不需要涂胶、光刻、显影、刻蚀等繁多的步骤，从而大大减小了膜层的厚度误差、提高了元件的制备速度。

(3)本发明可以在已经制备好的浮雕结构膜层上直接沉积下一层预定膜厚分布的浮雕结构膜层，不需要经过涂胶、曝光、刻蚀等工艺步骤，从而避免了下层浮雕结构膜层的不平整表面对涂胶、曝光、刻蚀等后续工艺步骤的不利影响，减少了后续浮雕结构膜层的厚度和厚度分布方面的误差，这降低了制备多层浮雕结构复合膜层的难度。

(4)本发明沉积的方法为热蒸镀、电子束蒸镀或激光沉积，可以较方便地沉积多种金属、非金属材料。

附图说明

图1是本发明的第一步推导多层浮雕结构复合膜层中任意一层膜层的厚度分布函数的示意图，其中(a)为确定多层浮雕结构复合膜层中任意一层膜层在x方向上的上下界面的示意图，(b)为由该膜层的上下界面推导出其厚度分布的示意图，上方坐标系中的图形为该膜层的上下界面函数，下方坐标系中的图形为用该膜层的上下界面相减得到的该膜层的厚度分布函数；

图2是本发明第一步根据要制备的目标元件的各膜层的界面函数得到的膜层厚度分布函数，图中虚线所示即为一目标膜层；

图3是本发明第二步的制作示意图，掩模置于平行于基底的掩模移动平台上，可相对基底平行移动；

图4是本发明第三步的制作示意图，在基片上的沉积区域是一条与狭缝长度、宽度相当的区域，通过掩模每次可以沉积一条与狭缝尺寸相当的膜层；

图5是本发明第四步的制作示意图，在膜料沉积过程中移动掩模，通过控制基片上各点的有效沉积时间来控制该点沉积的膜料厚度；调制各点沉积的膜料厚度分布，使该层薄膜各点的膜厚与预定值一致；

图6是本发明第五步制作完成的多层浮雕结构膜层的结构示意图；

图中：1为表面抛光的基底；2为要制作的微/纳元件；3为该微/纳元件的某一膜层的XZ平面的截面图；4为一要制作的膜层；5为掩模；6为掩模狭缝；7为蒸发粒子束；8为沉积的物质；9为用移动掩模沉积法得到的浮雕结构膜层；10为用移动掩模沉积法得到的多层浮雕结构膜层。

具体实施方式

在详细阐述本发明之前，先对本发明中掩模狭缝宽度的选择与沉积膜层的厚度分布之间的关系进行说明。

掩模狭缝为能通过沉积粒子的通孔，掩模狭缝的长度与要制备的浮雕结构膜层的长度相同，掩模狭缝的宽度选取为多层浮雕结构膜层的宽度的1/a，其中a为正整数，则：a越大代表对多层浮雕结构膜层厚度在掩模移动方向即x方向的划分越精细、掩模狭缝的宽度越小，制备出来的膜层的厚度分布在x方向也越接近于连续变化、越与预定的厚度分布相一致，不过实际加工的工作量和难度也较大；a越小代表掩模狭缝的宽度越大，实际制备的浮雕结构膜层在x方向的厚度分布越接近于台阶变化，只能近似实现一些连续变化的厚度分布，但优点是制备难度较小；综合考虑与预定膜层厚度分布的符合程度和制备难度等因素，掩模狭缝的宽度选取为多层浮雕结构膜层的宽度的1/5-1/100是合适的。

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

实施例1是通过本发明的方法制作一个宽度8微米、长度200微米，由第1、3层银和第2层二氧化硅浮雕结构膜层交替组成的超级透镜，其制作过程如下：

(1)如图1所示，用要制备的超级透镜的任意膜层的上界面函数减去其下界面函数可以得到该层膜层的厚度分布函数，这样就得到了各层膜层的厚度分布函数；

设第i层膜层的上界面函数为f_i(x)，(i＝1，2，3)，其中x为掩模的移动方向，基底上界面的函数为f₀(x)＝0；第i层膜层的下界面就是第i-1层膜层的上界面，因此第i层膜层的下界面函数与第i-1层膜层的上界面函数f_i-1(x)是相等的，如图1(a)所示；

第i层膜层的厚度分布函数g_i(x)为：第i层膜层的上界面函数f_i(x)减去第i-1层膜层的上界面函数f_i-1(x)，即g_i(x)＝f_i(x)-f_i-1(x)，如图1(b)所示；

若f₁(x)＝0.01(4+x)(4-x)，(-4≤x≤4，x与f₁(x)的单位均为微米)，f₂(x)＝0.01(5+x)(5-x)，(-4≤x≤4，x与f₂(x)的单位均为微米)，f₃(x)＝0.01(6+x)(6-x)，(-4≤x≤4，x与f₃(x)的单位均为微米)；

则第一层膜的厚度分布函数g₁(x)＝f₁(x)-f₀(x)＝0.01(4+x)(4-x)-0＝0.01(4+x)(4-x)(-4≤x≤4，x、f₁(x)、f₀(x)和g₁(x)的单位均为微米)，如图2所示。

(2)掩模狭缝为能通过沉积粒子的通孔，其中掩模狭缝的长度与要制备的超级透镜的长度相同、为200微米，掩模狭缝的宽度为超级透镜的宽度的1/20即0.4微米；将掩模置于平行于石英基底的掩模移动平台上，掩模距离基底的距离为5微米，掩模可相对基底步进平移，且掩模平移的方向(图中箭头所指方向)与掩模狭缝的长度方向互相垂直，如图3所示；掩模每次移动的距离为一个狭缝宽度即0.4微米，因此沉积一层膜层掩模需要移动20步；将膜层沿x方向均分为20个沉积区域：-4～-3.6、-3.6～-3.2、-3.2～-2.8、…、3.6～4，每个沉积区域的宽度等于狭缝的宽度即0.4微米，长度为狭缝长度即200微米；根据要沉积的膜层的厚度分布g₁(x)＝0.01(4+x)(4-x)可以得到不同沉积区域的需要沉积的膜料厚度，为简便起见取每个沉积区域的中间点的值作为该沉积区域的膜料厚度，如沉积区域-4～-3.6就取x＝-3.8时的g₁(x)作为该沉积区域的膜料厚度，可得g₁(-3.8)＝0.01(4-3.8)(4+3.8)＝0.0156(单位为微米)，同理可确定每个沉积区域的沉积厚度。

(3)让掩模狭缝稳定于基片上一区域的上方，用电子束蒸镀方法以恒定的速率0.01微米/秒向基底沉积银，电子束蒸镀的沉积方向垂直于基底；如图4所示，通过掩模狭缝在基片上的正对掩模狭缝的区域沉积一条与狭缝长度、宽度相等的银膜层，该区域沉积的银膜的厚度正比于该区域的沉积时间；如沉积区域-4～-3.6，该区域需要沉积的膜料厚度g₁(-3.8)为0.0156微米，需要沉积的时间为15.6秒，同理可确定每个沉积区域的沉积时间；

(4)一个区域沉积完成后将掩模狭缝平移到下一个沉积区域上方进行沉积，每次平移的距离均为一个掩模狭缝的宽度，即0.4微米；如图5所示，通过控制该膜层的各沉积区域的厚度，从而得到预定的膜厚分布的银膜层；

(5)沉积第一层银膜层后更换成下一膜层相应的二氧化硅膜料，从基底往上交替沉积预定厚度分布的银、二氧化硅、银浮雕结构膜层，得到需要的超级透镜。

实施例2是通过本发明的方法制作一个宽度20微米、长度300微米的SiO₂和GaN组成的2层光学透镜，其制作过程如下：

(1)用要制备的超级透镜的任意膜层的上界面函数减去其下界面函数可以得到该层膜层的厚度分布函数，这样就得到了各层膜层的厚度分布函数；

设第i层膜层的上界面函数为f_i(x)，(i＝1，2)，其中x为掩模的移动方向，基底上界面的函数为f₀(x)＝0；第i层膜层的下界面就是第i-1层膜层的上界面，因此第i层膜层的下界面函数与第i-1层膜层的上界面函数f_i-1(x)是相等的；

则第i层膜层的厚度分布函数g_i(x)为：第i层膜层的上界面函数f_i(x)减去第i-1层膜层的上界面函数f_i-1(x)，即g_i(x)＝f_i(x)-f_i-1(x)；

若f₁(x)＝0.01x²，(-10≤x≤10，x与f₁(x)的单位均为微米)，f₂(x)＝1，(-10≤x≤10，x与f₂(x)的单位均为微米)；

则第一层膜的厚度分布函数g₁(x)＝f₁(x)-f₀(x)＝0.01x²-0＝0.01x²(-10≤x≤10，x与f₁(x)的单位均为微米)；第二层膜的厚度分布函数g₂(x)＝f₁2(x)-f₁(x)＝1-0.01x²(-10≤x≤10，x与f₁(x)的单位均为微米)；

(2)掩模狭缝为能通过沉积粒子的通孔，其中掩模狭缝的长度与要制备的超级透镜的长度相同、为300微米，掩模狭缝的宽度为超级透镜的宽度的1/20即1微米；将掩模置于平行于石英基底的掩模移动平台上，掩模距离基底的距离为10微米，掩模可相对基底步进平移，且掩模平移的方向(图中箭头所指方向)与掩模狭缝的长度方向互相垂直，掩模每次移动的距离为一个狭缝宽度即1微米，因此沉积一层膜层掩模需要移动20步；将膜层沿x方向均分为20个沉积区域：-10～-9、-9～-8、-8～-7、…、9～10，每个沉积区域的宽度等于狭缝的宽度即1微米，长度为狭缝长度即300微米；根据要沉积的膜层的厚度分布g₁(x)＝0.01x²可以得到不同沉积区域的需要沉积的膜料厚度，为简便起见取每个沉积区域的中间点的值作为该沉积区域的膜料厚度，如沉积区域-10～-9就取x＝-9.5时的g₁(x)作为该沉积区域的膜料厚度，可得g₁(-9.5)＝0.01x²＝0.9025(单位为微米)，同理可确定每个沉积区域的沉积厚度；

(3)让掩模狭缝稳定于基片上一区域的上方，用电子束蒸镀方法以恒定的速率0.02微米/秒向基底沉积SiO₂，电子束蒸镀的沉积方向垂直于基底；通过掩模狭缝在基片上的正对掩模狭缝的区域沉积一条与狭缝长度、宽度相等的SiO₂膜层，该区域沉积的SiO₂膜的厚度正比于该区域的沉积时间；如沉积区域-10～-9，该区域需要沉积的膜料厚度g₁(-9.5)为0.9025微米，需要沉积的时间为45.125秒，同理可确定每个沉积区域的沉积时间；

(4)在一个区域沉积完成后将掩模狭缝平移到下一个沉积区域上方进行沉积，每次平移的距离均为一个掩模狭缝的宽度，即1微米；通过控制该膜层的各沉积区域的厚度，从而得到预定的膜厚分布的SiO₂膜层；

(5)沉积第一层SiO₂膜层后更换成下一膜层相应的GaN膜料，从基底往上交替沉积预定厚度分布的SiO₂、GaN浮雕结构膜层，得到需要的2层光学透镜。

Claims

1.一种制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据要制作的微/纳元件的各层膜层的界面函数，得到各层膜层的厚度分布函数，即得到各层膜层的各个区域要沉积的膜料厚度；

(3)由各层膜层的各个区域要沉积的膜料厚度得到各层膜层的各个区域所需要的沉积时间：基片上的各区域只有处于掩模狭缝的正下方时才能沉积膜料，用基片上该膜层的各个区域要沉积的膜料厚度除以膜层的沉积速率就可以得到各个区域所需要的沉积时间，即掩模狭缝在该区域上方需要停留并沉积膜料的时间；通过掩模的掩模狭缝以稳定的速率向基片定向沉积膜料，其中基片上的沉积区域为正对掩模狭缝的区域，其长度、宽度等于掩模狭缝的长度、宽度；在膜料的定向沉积过程中，掩模相对基片作平行移动，从而使沉积区域在基片上移动；

(4)一个区域沉积完成后将掩模狭缝平移到下一个沉积区域上方进行沉积，每次平移的距离均为一个掩模狭缝的宽度；控制基片上各个沉积区域的沉积时间来控制该区域的膜层的厚度，从而调制基片上各个区域的膜层厚度分布，得到预定厚度分布和膜料种类的单层浮雕结构膜层；

(5)重复步骤(1)-(4)，每沉积一层膜层后将膜料更换成下一膜层相应的膜料，从基片往上依次沉积各种预定厚度分布的膜层，就可以得到需要的多层浮雕结构复合膜层。

2.根据权利要求1所述的一种制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的微/纳元件的各层膜层为多台阶浮雕结构、或均匀厚度膜层。

3.根据权利要求1所述的一种制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的各层膜层的厚度分布函数为各层膜层在垂直于基片的方向上的厚度分布，数值为该膜层上下界面之差值：若设第i层膜层的厚度分布函数为g_i(x)，其中x为掩模的移动方向，第i层膜层的上界面函数为f_i(x)，i＝1，2，3，…，n，n为多层浮雕结构的膜层数量，基片上界面的函数为f₀(x)＝0，第i层膜层的下界面就是第i-1层膜层的上界面，则g_i(x)＝f_i(x)-f_i-1(x)，即第i层膜层的厚度分布函数g_i(x)的数值等于第i层膜层的上界面函数f_i(x)减去第i-1层膜层的上界面函数f_i-1(x)。

4.根据权利要求1所述的一种制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中将各层膜层划分为5-100个平行于掩模狭缝的相同面积的分割区域，每个分割区域内需要沉积的膜厚由该区域的沉积时间来表示；在膜层的沉积速率和其它工艺条件确定的条件下，每个分割区域沉积的膜厚与该区域的沉积时间成正比。

5.根据权利要求1所述的一种制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的掩模狭缝的数量为一条或相互平行的多条狭缝。

6.根据权利要求1所述的一种制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的掩模狭缝的长度与要沉积的膜层的长度相同，掩模狭缝的宽度为该膜层宽度的1/5-1/100；掩模在静止和移动时均不与基片上的膜层接触，掩模与基片的距离为100纳米到100微米；掩模移动方式为一维移动，移动方向与狭缝方向垂直。

7.根据权利要求1所述的一种制备多层浮雕结构复合膜层的方法，其特征在于：所述步骤(3)中向基片定向沉积膜料的方法为热蒸镀、电子束蒸镀或激光沉积；向基片定向沉积的膜料为银、铜、铝、金、铬金属，或为二氧化硅、硅、玻璃、或氮化镓非金属。