CN102466967A - 一种大高宽比衍射光学元件的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大高宽比衍射光学元件的制作方法，该方法采用电子束直写制作X射线曝光掩模板，采用接触式曝光实现透射衍射光学元件的制作，在透射薄膜衬底面溅射电镀种子层，然后旋涂负性光刻胶，再次利用X射线曝光，并显影电镀刻蚀电镀种子层，进而形成大高宽比衍射光学元件。本发明利用电子束直写制备X射线光刻掩模，利用X射线进行两次曝光的方法，制备出高宽比可以达到10∶1衍射光学元件。这种方法具有稳定可靠、易于批量制备且与传统的光刻工艺兼容的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体微细加工技术领域，特别是一种基于电子束光刻和X射线曝光相结合的技术制作大高宽比衍射光学元件的方法。
背景技术
大高宽比衍射光学元件指的是光学元件中不透光部分的高度远大于自身的宽度，通常在6∶1以上。现有制作大高宽比衍射光学元件的方法主要包括多层胶工艺方法和电子束直写厚胶工艺方法，但由于显影过程中毛细张力的作用和直写能量不够等原因，上述的两种方法存在图形易倒塌或显影不彻底的弊端。
电子束光刻具有分辨率高，特征尺寸小和具有图形生成能力的特点，是制作X射线光刻掩模的常用方法。X射线具有极高的分辨率，并且效率高，可实现小批量生产。而X射线没有图形发生能力，因此可以将电子束光刻技术和X射线曝光技术结合起来使用。
本发明就是在接触式曝光时，两次利用X射线曝光，第一次完成光学元件图形后，紧接着利用第一次完成的图形再一次对背面负性光刻胶曝光，进而实现大高宽比衍射光学元件的制作。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的是提出了一种基于电子束光刻和X射线曝光相结合的技术制作大高宽比衍射光学元件的方法，以解决制备大高宽比衍射光学元件时光刻胶易倒塌的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种大高宽比衍射光学元件的制作方法，该方法采用电子束直写制作X射线曝光掩模板，采用接触式曝光实现透射衍射光学元件的制作，在透射薄膜衬底面溅射电镀种子层，然后旋涂负性光刻胶，再次利用X射线曝光，并显影电镀刻蚀电镀种子层，进而形成大高宽比衍射光学元件。
上述方案中，该方法包括以下步骤：
步骤1：在硅底衬上制作自支撑薄膜；
步骤2：在该自支撑薄膜上蒸镀金属薄膜作为电镀种子层；
步骤3：在该金属薄膜上旋涂电子束抗蚀剂；
步骤4：电子束光刻、显影，并反应离子刻蚀，形成掩模图形；
步骤5：微电镀，在种子层上生长金属；
步骤6：去除抗蚀剂和电镀种子层，形成X射线曝光掩模板；
步骤7：采用接触式曝光并显影，在抗蚀剂上形成衍射光学元件图形；
步骤8：利用微电镀技术生长金属，并去光除刻胶；
步骤9：利用湿法腐蚀去除体硅形成窗口；
步骤10：在窗口薄膜面溅射金属薄膜作为电镀种子层，并旋涂负性光刻胶；
步骤11：利用X射线从金属面曝光，并显影；
步骤12：在金属面旋涂光刻胶覆盖金属图形，然后在窗口薄膜面电镀金属；
步骤13：去胶，并刻蚀去除电镀种子层，形成大高宽比衍射光学元件。
上述方案中，步骤1中所述自支撑薄膜具有一定的机械强度，在接触式曝光过程中该自支撑薄膜变形小，能够保证X射线曝光时的图形转移精度。
上述方案中，步骤2中所述蒸镀采用电子束蒸发技术，在自支撑薄膜上先沉积5nm的铬，然后在该铬上沉积10nm的金作为电镀种子层；步骤3中所述旋涂是通过控制旋转台的转速来控制抗蚀剂的厚度。
上述方案中，所述步骤4包括：采用电子束直写将衍射光学元件掩模图形转移到抗蚀剂上，经过显影和反应离子刻蚀去除残余抗蚀剂，形成衍射光学元件的掩模图形。
上述方案中，步骤5中所述微电镀的金属为金，其厚度为300nm至500nm；步骤6中所述去除抗蚀剂采用剥离溶液，去除电镀种子层采用反应离子刻蚀。
上述方案中，所述步骤7包括：利用X射线曝光卡具使掩模板和样品片紧密接触，降低X射线衍射所造成的图形展宽，曝光后经过显影，形成光学元件光刻胶图形。
上述方案中，步骤8中所述微电镀的金属为金，其厚度为300nm至500nm；所述去光除刻胶采用丙酮和酒精。
上述方案中，所述步骤9包括：利用氢氟酸、冰乙酸和硝酸在摩尔比为12∶2∶1的比例下湿法腐蚀去除体硅，完成镂空窗口。
上述方案中，所述步骤10包括：采用电子束蒸发技术，在自支撑薄膜上先沉积5nm的铬，再在铬上沉积10nm的金，作为电镀种子层，然后在镂空窗口薄膜面旋涂负性光刻胶。
上述方案中，步骤12中所述在金属面旋涂光刻胶覆盖金属图形，是在金属光栅线条上旋涂光刻胶，使其覆盖金属线条作为下一步电镀工艺的保护层。
上述方案中，所述步骤13包括：在去胶液中去除两面的光刻胶，并利用反应离子刻蚀去除电镀种子层，形成大高宽比衍射光学元件。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的这种基于电子束光刻和X射线曝光相结合的技术制作大高宽比衍射光学元件的方法，利用电子束直写制备X射线光刻掩模，利用X射线进行两次曝光的方法，制备出高宽比可以达到10∶1衍射光学元件。这种方法具有稳定可靠、易于批量制备且与传统的光刻工艺兼容的优点。
附图说明
为了更进一步说明本发明的内容，以下结合附图及实施例子，对本发明做详细描述，
图1是本发明提供基于电子束光刻和X射线曝光相结合的技术制作大高宽比衍射光学元件的方法流程图；
图2-1至图2-16是本发明实施例中制作大高宽比衍射光学元件的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种基于电子束光刻和X射线曝光相结合的技术制作大高宽比衍射光学元件的方法，采用电子束直写制作X射线曝光掩模板，采用接触式曝光实现透射衍射光学元件的制作，在透射薄膜衬底面溅射电镀种子层，然后旋涂负性光刻胶，再次利用X射线曝光，并显影电镀刻蚀电镀种子层，进而形成大高宽比衍射光学元件。
如图1所示，图1是本发明提供基于电子束光刻和X射线曝光相结合的技术制作大高宽比衍射光学元件的方法流程图，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：在硅底衬上制作自支撑薄膜；该自支撑薄膜具有一定的机械强度，在接触式曝光过程中该自支撑薄膜变形小，能够保证X射线曝光时的图形转移精度。
步骤2：在该自支撑薄膜上蒸镀金属薄膜作为电镀种子层；该蒸镀采用电子束蒸发技术，在自支撑薄膜上先沉积5nm的铬，然后在该铬上沉积10nm的金作为电镀种子层。
步骤3：在该金属薄膜上旋涂电子束抗蚀剂；该旋涂是通过控制旋转台的转速来控制抗蚀剂的厚度。
步骤4：电子束光刻、显影，并反应离子刻蚀，形成掩模图形；具体包括：采用电子束直写将衍射光学元件掩模图形转移到抗蚀剂上，经过显影和反应离子刻蚀去除残余抗蚀剂，形成衍射光学元件的掩模图形。
步骤5：微电镀，在种子层上生长金属；该微电镀的金属为金，其厚度为300nm至500nm。
步骤6：去除抗蚀剂和电镀种子层，形成X射线曝光掩模板；其中，去除抗蚀剂采用剥离溶液，去除电镀种子层采用反应离子刻蚀。
步骤7：采用接触式曝光并显影，在抗蚀剂上形成衍射光学元件图形；具体包括：利用X射线曝光卡具使掩模板和样品片紧密接触，降低X射线衍射所造成的图形展宽，曝光后经过显影，形成光学元件光刻胶图形。
步骤8：利用微电镀技术生长金属，并去光除刻胶；该微电镀的金属为金，其厚度为300nm至500nm；所述去光除刻胶采用丙酮和酒精。
步骤9：利用湿法腐蚀去除体硅形成窗口；具体包括：利用氢氟酸、冰乙酸和硝酸在摩尔比为12∶2∶1的比例下湿法腐蚀去除体硅，完成镂空窗口。
步骤10：在窗口薄膜面溅射金属薄膜作为电镀种子层，并旋涂负性光刻胶；具体包括：采用电子束蒸发技术，在自支撑薄膜上先沉积5nm的铬，再在铬上沉积10nm的金，作为电镀种子层，然后在镂空窗口薄膜面旋涂负性光刻胶。
步骤11：利用X射线从金属面曝光，并显影；
步骤12：在金属面旋涂光刻胶覆盖金属图形，然后在窗口薄膜面电镀金属；其中，在金属面旋涂光刻胶覆盖金属图形，是在金属光栅线条上旋涂光刻胶，使其覆盖金属线条作为下一步电镀工艺的保护层。
步骤13：去胶，并刻蚀去除电镀种子层，形成大高宽比衍射光学元件；其中去胶是在去胶液中去除两面的光刻胶，刻蚀是利用反应离子刻蚀方法。
基于上述图1所示本发明提供基于电子束光刻和X射线曝光相结合的技术制作大高宽比衍射光学元件的方法流程图，图2-1至图2-16示出了本发明实施例中制作大高宽比衍射光学元件的工艺流程图，具体包括：
如图2-1所示，在硅衬底上，旋涂1-3um聚酰亚胺(PI)自支撑层，经过热处理形成薄膜；利用湿法腐蚀形成聚酰亚胺薄膜窗口；在聚酰亚胺薄膜面电子束蒸发5nm铬和10nm金，作为下一步电镀的导电层；
如图2-2所示，在导电层上旋涂500-600nm厚的电子束抗蚀剂ZEP520A；
如图2-3所示，利用电子束光刻，写出光学元件图形，并显影，形成衍射光学元件抗蚀剂图形；
如图2-4所示，利用微电镀技术将金转移到抗蚀剂中；
如图2-5所示，利用甲基丙烯酸甲酯去除ZEP520A抗蚀剂，形成金图形；
如图2-6所示，利用Ar等离子体反应刻蚀，去除导电层，最终形成X射线光刻的掩模。
如图2-7所示，利用电子束掩模进行X射线接近式曝光；
如图2-8所示，显影形成抗蚀剂图形；
如图2-9所示，利用微电镀技术将金转移到抗蚀剂图形上；
如图2-10所示，利用甲基丙烯酸甲酯去除抗蚀剂形成金图形；
如图2-11所示，利用Ar等离子体刻蚀去除电镀导电层，利用湿法腐蚀形成聚酰亚胺薄膜窗口；
如图2-12所示，在聚酰亚胺薄膜窗口面电子束蒸发5nm铬和10nm金，并旋涂500-600nm厚负性抗蚀剂SAL601；
如图2-13所示，利用X射线对衍射光学元件进行自曝光；
如图2-14所示，对曝光结果进行显影，显影液为MF33，得到抗蚀剂图形；
如图2-15所示，利用微电镀技术，在抗蚀剂图形上生长金，得到金图形；
如图2-16所示，去除抗蚀剂，并利用Ar等离子体刻蚀去除导电层，得到大高宽比衍射光学元件。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种大高宽比衍射光学元件的制作方法，其特征在于，该方法采用电子束直写制作X射线曝光掩模板，采用接触式曝光实现透射衍射光学元件的制作，在透射薄膜衬底面溅射电镀种子层，然后旋涂负性光刻胶，再次利用X射线曝光，并显影电镀刻蚀电镀种子层，进而形成大高宽比衍射光学元件。
2.根据权利要求1所述的大高宽比衍射光学元件的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：在硅底衬上制作自支撑薄膜；
步骤2：在该自支撑薄膜上蒸镀金属薄膜作为电镀种子层；
步骤3：在该金属薄膜上旋涂电子束抗蚀剂；
步骤4：电子束光刻、显影，并反应离子刻蚀，形成掩模图形；
步骤5：微电镀，在种子层上生长金属；
步骤6：去除抗蚀剂和电镀种子层，形成X射线曝光掩模板；
步骤7：采用接触式曝光并显影，在抗蚀剂上形成衍射光学元件图形；
步骤8：利用微电镀技术生长金属，并去光除刻胶；
步骤9：利用湿法腐蚀去除体硅形成窗口；
步骤10：在窗口薄膜面溅射金属薄膜作为电镀种子层，并旋涂负性光刻胶；
步骤11：利用X射线从金属面曝光，并显影；
步骤12：在金属面旋涂光刻胶覆盖金属图形，然后在窗口薄膜面电镀金属；
步骤13：去胶，并刻蚀去除电镀种子层，形成大高宽比衍射光学元件。
3.根据权利要求2所述的大高宽比衍射光学元件的制作方法，其特征在于，步骤1中所述自支撑薄膜具有一定的机械强度，在接触式曝光过程中该自支撑薄膜变形小，能够保证X射线曝光时的图形转移精度。
4.根据权利要求2所述的大高宽比衍射光学元件的制作方法，其特征在于，步骤2中所述蒸镀采用电子束蒸发技术，在自支撑薄膜上先沉积5nm的铬，然后在该铬上沉积10nm的金作为电镀种子层；步骤3中所述旋涂是通过控制旋转台的转速来控制抗蚀剂的厚度。
5.根据权利要求2所述的大高宽比衍射光学元件的制作方法，其特征在于，所述步骤4包括：
采用电子束直写将衍射光学元件掩模图形转移到抗蚀剂上，经过显影和反应离子刻蚀去除残余抗蚀剂，形成衍射光学元件的掩模图形。
6.根据权利要求2所述的大高宽比衍射光学元件的制作方法，其特征在于，步骤5中所述微电镀的金属为金，其厚度为300nm至500nm；步骤6中所述去除抗蚀剂采用剥离溶液，去除电镀种子层采用反应离子刻蚀。
7.根据权利要求2所述的大高宽比衍射光学元件的制作方法，其特征在于，所述步骤7包括：
利用X射线曝光卡具使掩模板和样品片紧密接触，降低X射线衍射所造成的图形展宽，曝光后经过显影，形成光学元件光刻胶图形。
8.根据权利要求2所述的大高宽比衍射光学元件的制作方法，其特征在于，步骤8中所述微电镀的金属为金，其厚度为300nm至500nm；所述去光除刻胶采用丙酮和酒精。
9.根据权利要求2所述的大高宽比衍射光学元件的制作方法，其特征在于，所述步骤9包括：
利用氢氟酸、冰乙酸和硝酸在摩尔比为12∶2∶1的比例下湿法腐蚀去除体硅，完成镂空窗口。
10.根据权利要求2所述的大高宽比衍射光学元件的制作方法，其特征在于，所述步骤10包括：
采用电子束蒸发技术，在自支撑薄膜上先沉积5nm的铬，再在铬上沉积10nm的金，作为电镀种子层，然后在镂空窗口薄膜面旋涂负性光刻胶。
11.根据权利要求2所述的大高宽比衍射光学元件的制作方法，其特征在于，步骤12中所述在金属面旋涂光刻胶覆盖金属图形，是在金属光栅线条上旋涂光刻胶，使其覆盖金属线条作为下一步电镀工艺的保护层。
12.根据权利要求2所述的大高宽比衍射光学元件的制作方法，其特征在于，所述步骤13包括：
在去胶液中去除两面的光刻胶，并利用反应离子刻蚀去除电镀种子层，形成大高宽比衍射光学元件。
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