CN102331593A - 高占空比自支撑纳米透射光栅及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高占空比自支撑纳米透射光栅及其制造方法，属于微机电系统(MEMS)领域。该光栅包括纳米透射光栅支撑结构1、纳米透射光栅栅线固定结构2、纳米透射光栅栅线3，以及金吸收体4。其制作方法包括纳米光栅掩模版制作以及纳米透射光栅制作两部分，首先基于普通光刻机在一次套刻的工艺条件下，对微米级线条进行部分曝光，刻蚀金属，将微米级线条变为纳米级线条，实现纳米级结构尺寸的图形转换，再经过一次套刻工艺，实现高占空比纳米光栅掩模版的制作；最后以此为模板借助高密度等离子体刻蚀实现高深宽比纳米透射光栅的制作。本发明提出的自支撑纳米透射光栅具有深宽比高、占空比大的优点，克服了现有方法工艺过程比较复杂，成本比较高的缺点。
Description
所属领域
本发明属于微机电系统(MEMS)领域，尤其涉及一种高占空比自支撑纳米透射光栅及其制作方法。
背景技术
衍射光学元件存在大量的空间光电探测器中，是工作系统的核心部分，决定着系统的工作状态和关键技术参数，尤其在真空紫外、EUV和X射线波段。然而目前纳米透射光栅占空比小、衍射性能低，同时制造工艺多采用电子束光刻、X射线光刻设备以及纳米压印等方法制作纳米光栅，工艺过程比较复杂，成本比较高。
美国Pran Mukherjee等人(Fabrication and testing of freestanding Si nanogratings for UV filtration on space-based particle sensors(Nanotechnology，2009，20，1-8))采用纳米压印技术和深反应离子刻蚀技术成功制作出了宽度为100纳米的光栅栅线，其深宽比达到8.5∶1，同时栅线侧壁的表面粗糙度小于7nm，然而其占空比仅为0.32，同时光栅图形边缘不是十分光滑，其衍射效率受到一定的影响。
发明内容
为了克服现有纳米透射光栅工艺过程复杂，成本比较高的缺点，本发明提出了一种新的高占空比自支撑纳米透射光栅及其制作方法。
本发明的技术方案是，一种高占空比自支撑纳米透射光栅，多条平行的纳米透射光栅栅线2的两端均固定于纳米透射光栅栅线固定结构3上，纳米透射光栅栅线固定结构3通过中间氧化层5与纳米透射光栅支撑结构1连为一体，并使得纳米透射光栅栅线2形成悬置在中间氧化层5与纳米透射光栅支撑结构1之上的结构；金吸收体4覆盖于纳米透射光栅栅线2和纳米透射光栅栅线固定结构3之上。
所述高占空比自支撑纳米透射光栅的制作方法，包括纳米光栅掩模版制作以及纳米透射光栅制作两部分：
其中，所述的纳米透射光栅掩模版制作包括如下步骤：
步骤1：标准清洗第一片玻璃基底片6，在洁净的玻璃基底片6正面溅射第一层金属Cr 7，并在第一层金属Cr 7上旋涂光刻胶8；
步骤2：以线宽为A、间距为A的栅条结构掩模板为掩模，在旋涂光刻胶8的玻璃基底 片6上进行曝光，显影，此时线宽为A、间距为A的栅条结构的图形转移到玻璃基底片6的正面光刻胶8上；并以光刻胶8为掩模刻蚀金属Cr 7，最后去除光刻胶8；
步骤3：在去除光刻胶8的玻璃基底片6上喷涂第二层光刻胶8，保证金属Cr 7表面光刻胶8的厚度均匀性。
步骤4：再以步骤2中使用过的线宽为A、间距为A的栅条结构掩模板为掩模，通过对准标记进行套刻对准，将玻璃基底片6上的线宽为A的栅条的的B部分进行曝光，显影，而剩下的(A-B)线宽部分的栅条结构被光刻胶8保护，其中A≥1μm，A-B≥365nm，365nm为普通光刻机光源波长；
步骤5：以光刻胶8为掩模，刻蚀金属Cr 7，将暴露部分的金属Cr 7刻蚀干净；
步骤6：去除光刻胶8，玻璃基底片6上的金属Cr7线条的线宽变为(A-B)，间距变为(A+B)；
步骤7：选用第二块玻璃基底片，重复步骤1至步骤6，完成在第二个玻璃基底片上线宽为(A-B)，间距为(A+B)的金属Cr栅条结构的制作。
步骤8：在步骤6完成后的第一块玻璃基底片上的金属Cr 7的栅条结构表面，溅射第二层金属Cr 9，并再次喷涂第三层光刻胶8，再以第二个玻璃基底片为掩模板，通过对准标记进行套刻，将第二个玻璃基底片上线宽为(A-B)的结构对准于第一个玻璃基底片6上的线宽为(A-B)、间距为(A+B)的结构中间，曝光、显影；
步骤9：以第三层光刻胶8为掩模，刻蚀第二层金属Cr 9，将暴露部分的第二层金属Cr 9刻蚀干净，并去除第三层光刻胶8，此时由第一层金属Cr7和第二层金属Cr 9形成的栅线结构线宽为(A-B)、间距为B，至此，完成纳米透射光栅掩模板制作。
所述的纳米透射光栅制作包括如下步骤：
步骤1：标准清洗SOI(Silicon-on-insulator)硅片，SOI硅片由基底硅10、中间氧化层5和器件硅11组成；在SOI硅片背面低温化学气相沉积(LPCVD)氮化硅12，旋涂光刻胶8，曝光、显影，并刻蚀背面氮化硅12；
步骤2：以光刻胶8和氮化硅12为掩模，刻蚀SOI硅片背面基底硅10至中间氧化层5，去除光刻胶8和氮化硅12，形成使得纳米透射光栅栅线3形成悬置的空腔；
步骤3：在SOI硅片正面器件硅11上溅射金属Au，并旋涂光刻胶8；
步骤4：以制作出的纳米透射光栅掩模板为掩模板，以光刻胶8为掩模，曝光、显影，并刻蚀金属Au形成金吸收体4；
步骤5：刻蚀SOI硅片正面器件硅11至中间氧化层5，形成纳米透射光栅栅线3；
步骤6：去除光刻胶8，去除纳米透射光栅栅线3下的中间氧化层5，完成纳米透射光栅制作。
本发明的有益效果是：采用普通光刻设备完成纳米透射光栅掩模板的制作，有效提高了纳米透射光栅的占空比，降低加工成本，提高加工效率，借助高密度等离子体刻蚀，实现了高深宽比纳米透射光栅的制作，提高了透射光栅的衍射效率。
附图说明
图1是本发明提出的高占空比自支撑纳米透射光栅结构示意图
图2是本发明提出的高占空比自支撑纳米透射光栅结构剖视图
图3是本发明提出的纳米透射光栅掩模板制作工艺流程图
图4是本发明提出的纳米透射光栅制作工艺流程图
图中：1-纳米透射光栅支撑结构，2-纳米透射光栅栅线固定结构，3-纳米透射光栅栅线，4-金吸收体，5-中间氧化层，6-玻璃基底片，7-第一层金属Cr，8-光刻胶，9-第二层金属Cr，10-基底硅，11-器件硅
具体实施方法
本实施例中的高占空比自支撑纳米透射光栅，其多条平行的纳米透射光栅栅线2的两端均固定于纳米透射光栅栅线固定结构3上，纳米透射光栅栅线固定结构3通过中间氧化层5与纳米透射光栅支撑结构1连为一体，并使得纳米透射光栅栅线2形成悬置在中间氧化层5与纳米透射光栅支撑结构1之上的结构；金吸收体4覆盖于纳米透射光栅栅线2和纳米透射光栅栅线固定结构3之上；所述栅线结构线宽为0.5μm、间距为0.5μm；所述金吸收体4厚度为1μm。
该实施例中高占空比自支撑纳米透射光栅的制作方法，包括纳米光栅掩模版制作以及纳米透射光栅制作两部分：
所述纳米透射光栅掩模板制作方法，包括如下步骤：
步骤1：选用厚度200μm双面抛光第一片玻璃基底片6，在温度为120℃，体积比为4∶1的98％浓硫酸和30％过氧化氢溶液中沸煮30分钟，然后分别放在温度为75℃，体积比为1∶1∶5的28％氨水、30％过氧化氢和水组成的碱性过氧化氢溶液，温度为75℃，体积比为1∶1∶5的36％盐酸、30％过氧化氢和水组成的酸性过氧化氢溶液中浸泡10分钟，最后用去离子水将玻璃基底片6冲洗干净并烘干，完成标准清洗。在玻璃基底片1正面溅射厚度为50nm第一层金属Cr 7，并在第一层金属Cr 7上旋涂厚度为200nm的光刻胶8，如图3(a)所示。
步骤2：以线宽为1μm、间距为1μm栅条结构的掩模板为掩模，在旋涂厚度为200nm的光刻胶8的玻璃基底片6上采用SUSS MA6光刻机进行曝光，显影，此时线条为1μm、间距为1μm栅条结构的图形转移到玻璃基底片6的正面光刻胶8上。并以光刻胶8为掩模在温度为20℃、体积比为1∶1的9％(NH4)2Ce(NO3)6)和6％HClO4溶液中刻蚀第一层金属Cr 7，最后去除光刻胶8，如图3(b)所示。
步骤3：在去除光刻胶8的玻璃基底片6上喷涂厚度为200nm的第二层光刻胶8，保证第一层金属Cr7表面光刻胶8的均匀性，如图3(c)所示。
步骤4：再以步骤2中使用过的线宽为1μm、间距为1μm的栅条结构掩模板为掩模，通过对准标记进行套刻对准，将玻璃基底片6上的线宽为1μm的栅条的0.5μm在SUSS MA6光刻机上进行曝光，显影，而剩下的0.5μm线宽部分的栅条结构被光刻胶8保护，如图3(d)所示。
步骤5：以光刻胶8为掩模，在温度为20℃、体积比为1∶1的9％(NH4)2Ce(NO3)6)和6％HClO4溶液中刻蚀50nm第一层金属Cr 7，将暴露部分的0.5μm的第一层金属Cr 7刻蚀干净，如图3(e)所示。
步骤6：用温度为120℃，体积比为4∶1的98％浓硫酸和30％过氧化氢溶液中沸煮30分钟，去除光刻胶8，玻璃基底片上的第一层金属Cr7线条的线宽变为0.5μm，间距变为1.5μm，如图3(f)所示。
步骤7：选用第二块玻璃基底片，重复步骤1至步骤6，完成在第二个玻璃基底片上线宽为0.5μm，间距为1.5μm的金属Cr栅条结构的制作。
步骤8：在步骤6完成后的第一块玻璃基底片上的第一层金属Cr 7的栅条结构表面，溅射50nm厚的第二层金属Cr 9，并再次喷涂厚度为200nm第三层光刻胶8。再以第二个玻璃基底片为掩模板，通过对准标记进行套刻，将第二个玻璃基底片上线宽为0.5μm的结构对准于第一个玻璃基底片6上的线宽为0.5μm、间距为1.5μm的结构中间，曝光、显影，如图3(g)所示。
步骤9：以第三层光刻胶8为掩模，在温度为20℃、体积比为1∶1的9％(NH4)2Ce(NO3)6)和6％HClO4溶液中刻蚀第二层金属Cr 9，将暴露部分的第二层金属Cr 9刻蚀干净，并用温度为120℃，体积比为4∶1的98％浓硫酸和30％过氧化氢溶液沸煮30分钟，去除第三层光刻胶8，此时由第一层金属Cr 7和第二层金属Cr 9形成的栅线结构线宽为0.5μm、间距为0.5μm，至此，完成纳米透射光栅掩模板制作，如图3(h)。
所述的纳米透射光栅制作包括如下步骤：
步骤1：选用SOI硅片，SOI硅片由厚度为400μm基底硅10、厚度为400nm中间氧化层5和厚度为20μm器件硅11组成；在温度为120℃，体积比为4∶1的98％浓硫酸和30％过氧化氢溶液中沸煮30分钟，然后分别放在温度为75℃，体积比为1∶1∶5的28％氨水、30％过氧化氢和水组成的碱性过氧化氢溶液，和温度为75℃，体积比为1∶1∶5的36％盐酸、30％过氧化氢和水组成的酸性过氧化氢溶液中浸泡10分钟，最后用去离子水将SOI硅片冲洗干净并烘干，完成标准清洗。在SOI硅片背面低温化学气相沉积(LPCVD)厚度为200nm的氮化硅12，旋涂光刻胶8，曝光、显影，并反应离子刻蚀(RIE)刻蚀背面厚度为200nm的氮化硅12，如图4(a)所示。
步骤2：以光刻胶8和氮化硅12为掩模，在温度为80℃，浓度为25％的KOH溶液中湿法刻蚀SOI硅片背面400μm基底硅10至中间氧化层5，之后，在温度为120℃，体积比为4∶1的98％浓硫酸和30％过氧化氢溶液中沸煮30分钟，去除光刻胶8，在温度为140℃的纯磷酸溶液中去除厚度为200nm的氮化硅12，形成使得纳米透射光栅栅线3形成悬置的空腔，如图4(b)所示。
步骤3：在SOI硅片正面20μm器件硅11上溅射厚度为1μm的金属Au，并旋涂厚度为2μm的光刻胶8，如图4(c)所示。
步骤4：以制作出的纳米透射光栅掩模板为掩模板，以光刻胶8为掩模，曝光、显影，并在温度为20℃，质量比为1∶2∶17的I2、KI和H2O组成的金刻蚀液中湿法刻蚀金属Au形成金吸收体4，如图4(d)所示。
步骤5：以光刻胶8为掩模，高密度等离子体(ICP)刻蚀SOI硅片正面20μm器件硅11至中间氧化层5，形成纳米透射光栅栅线3，如图4(e)所示。
步骤6：在温度为120℃，体积比为4∶1的98％浓硫酸和30％过氧化氢溶液中沸煮30分钟，去除光刻胶8，同时在体积比为1∶10的49％HF和H2O2组成的HF酸溶液中去除纳米透射光栅栅线3下的中间氧化层5，完成纳米透射光栅制作，如图4(f)所示。
Claims (3)
1.一种高占空比自支撑纳米透射光栅，其特征在于：多条平行的纳米透射光栅栅线(2)的两端均固定于纳米透射光栅栅线固定结构(3)上，纳米透射光栅栅线固定结构(3)通过中间氧化层(5)与纳米透射光栅支撑结构(1)连为一体，并使得纳米透射光栅栅线(2)形成悬置在中间氧化层(5)与纳米透射光栅支撑结构(1)之上的结构；金吸收体(4)覆盖于纳米透射光栅栅线(2)和纳米透射光栅栅线固定结构(3)之上。
2.一种如权利要求1所述的高占空比自支撑纳米透射光栅的制作方法，其特征在于：包括纳米光栅掩模版制作以及纳米透射光栅制作两部分：
所述的纳米透射光栅掩模版制作包括如下步骤：
步骤1：标准清洗第一片玻璃基底片(6)，在洁净的玻璃基底片(6)正面溅射第一层金属Cr(7)，并在第一层金属Cr(7)上旋涂光刻胶(8)；
步骤2：以线宽为A、间距为A的栅条结构掩模板为掩模，在旋涂光刻胶(8)的玻璃基底片(6)上进行曝光，显影，此时线宽为A、间距为A的栅条结构的图形转移到玻璃基底片(6)的正面光刻胶(8)上；并以光刻胶(8)为掩模刻蚀金属Cr(7)，最后去除光刻胶(8)；
步骤3：在去除光刻胶(8)的玻璃基底片(6)上喷涂第二层光刻胶(8)，保证金属Cr(7)表面光刻胶(8)的厚度均匀性。
步骤4：再以步骤2中使用过的线宽为A、间距为A的栅条结构掩模板为掩模，通过对准标记进行套刻对准，将玻璃基底片(6)上的线宽为A的栅条的的B部分进行曝光，显影，而剩下的(A-B)线宽部分的栅条结构被光刻胶8)保护；
步骤5：以光刻胶(8)为掩模，刻蚀金属Cr(7)，将暴露部分的金属Cr(7)刻蚀干净；
步骤6：去除光刻胶(8)，玻璃基底片(6)上的金属Cr(7)线条的线宽变为(A-B)，间距变为(A+B)；
步骤7：选用第二块玻璃基底片，重复步骤1至步骤6，完成在第二个玻璃基底片上线宽为(A-B)，间距为(A+B)的金属Cr栅条结构的制作。
步骤8：在步骤6完成后的第一块玻璃基底片上的金属Cr(7)的栅条结构表面，溅射第二层金属Cr(9)，并再次喷涂第三层光刻胶(8)，再以第二个玻璃基底片为掩模板，通过对准标记进行套刻，将第二个玻璃基底片上线宽为(A-B)的结构对准于第一个玻璃基底片(6)上的线宽为(A-B)、间距为(A+B)的结构中间，曝光、显影；
步骤9：以第三层光刻胶(8)为掩模，刻蚀第二层金属Cr(9)，将暴露部分的第二层金属Cr(9)刻蚀干净，并去除第三层光刻胶(8)，此时由第一层金属Cr(7)和第二层金属Cr(9)形成的栅线结构线宽为(A-B)、间距为B，至此，完成纳米透射光栅掩模板制作；
所述的纳米透射光栅制作包括如下步骤：
步骤1：标准清洗SOI硅片，SOI硅片由基底硅(10)、中间氧化层(5)和器件硅(11)组成；在SOI硅片背面低温化学气相沉积氮化硅(12)，旋涂光刻胶(8)，曝光、显影，并刻蚀背面氮化硅(12)；
步骤2：以光刻胶(8)和氮化硅(12)为掩模，刻蚀SOI硅片背面基底硅(10)至中间氧化层(5)，去除光刻胶(8)和氮化硅(12)，形成使得纳米透射光栅栅线(3)形成悬置的空腔；
步骤3：在SOI硅片正面器件硅(11)上溅射金属Au，并旋涂光刻胶(8)；
步骤4：以制作出的纳米透射光栅掩模板为掩模板，以光刻胶(8)为掩模，曝光、显影，并刻蚀金属Au形成金吸收体(4)；
步骤5：刻蚀SOI硅片正面器件硅(11)至中间氧化层(5)，形成纳米透射光栅栅线(3)；
步骤6：去除光刻胶(8)，去除纳米透射光栅栅线(3)下的中间氧化层(5)，完成纳米透射光栅制作。
3.一种如权利要求2所述的高占空比自支撑纳米透射光栅的制作方法，其特征在于：所述纳米透射光栅掩模版制作部分的步骤4中，A≥1μm，A-B≥365nm。
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