CN102981198A - 单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法 - Google Patents

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焦庆斌
谭鑫
巴音贺希格
齐向东
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Abstract

单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法，涉及光谱技术领域，解决现有中阶梯光栅制作方法存在制作成本高，有鬼线及高杂散光的问题，本发明的制作过程包括基底处理、涂胶、前烘、全息曝光、显影、后烘、倒置热熔、氧化层掩模制备、去胶、单晶硅湿法刻蚀、清洁处理和光栅复制。本发明所述的制作方法成本低并且易于实现，本方法特别是采用光刻胶倒置热熔法可以制备小占宽比的光刻胶掩模，大大地节约了成本、缩短了制作周期，该种光栅在光学系统中的应用能够减少系统的零部件，可显著提高光学系统的分辨率和色散度。

Description

单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法
技术领域
本发明涉及光谱技术领域，具体涉及一种中阶梯光栅的制作工艺流程。
背景技术
中阶梯光栅是一种用于高衍射角以及高光谱衍射级次的闪耀光栅。因其具有高色散、高分辨率以及高衍射效率等优点，在光谱仪色散元件的选用上占有很大的优势，可以说中阶梯光栅光谱仪已成为现代光谱仪器的代表。
中阶梯光栅的传统制作方法为机械刻划法，具有代表性的是美国Newport公司。但其制作成本高，有鬼线及高杂散光已成为其目前难以解决的技术难题。
单晶硅湿法刻蚀是一种新颖的制作中阶梯光栅的方法，由于其使用全息-湿法刻蚀工艺，其制作成本低、无鬼线、易获得光滑闪耀面及任意闪耀角，使其能够实现高衍射效率及低杂散光强度，国外正在开展全息-湿法刻蚀工艺相关工作研究，国内尚未开展。
发明内容
本发明为解决现有中阶梯光栅制作方法存在制作成本高，有鬼线及高杂散光的问题，提供一种单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法。
单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、在单晶硅基底上生长SiO2层后涂覆光刻胶；
步骤二、将步骤一涂覆光刻胶后带有SiO2层的基底放入烘箱中，升高烘箱温度至120℃，计时二十分钟后取出，然后将带有SiO2层的基底放入光学零件形成的干涉场中进行全息曝光；
步骤三、将步骤二全息曝光后获得的带有SiO2层的基底进行显影，将显影后的带有SiO2层的基底以光刻胶面朝下放入烘箱中进行后烘；后烘后的基底进行倒置热熔，倒置热熔的过程为继续升高烘箱温度至160℃，计时三十分钟后取出；
步骤四、在倒置热熔后的带有SiO2层的基底上制备氧化层掩膜，然后去胶，将去胶后获得的单晶硅基底进行湿法刻蚀，采用复制方法进行槽形复制，形成中阶梯光栅。
本发明的积极效果：本发明所述的中阶梯光栅制作方法的制作成本低且易于实现，特别是使用光刻胶倒置热熔法可以制备小占宽比的光刻胶掩模，大大地节约了成本、缩短了制作周期，该种光栅在光学系统中的应用能够减少系统的零部件，可显著提高光学系统的分辨率和色散。
附图说明
图1为本发明所述的单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法的流程图；
图2为本发明所述的单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法中全息曝光采用的结构示意图；
图3为本发明所述的单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法中的刻蚀时间分布图；
图4为采用本发明所述的单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法得到的光栅槽形的电镜图样。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法，该方法由以下步骤实现：
一、基底处理：采用区熔法制备的无气泡、无划痕、单面抛光、电阻率>2000Ω·cm的偏（100）晶面θ°角的单晶硅，其中（θ°+55°）角即为所制作光栅的闪耀角。55°角为（100）晶面与（111）晶面之间的夹角。用I号清洗液的体积分别为：H2O：H2O2：NH4OH=5:2:1）和II号清洗液体积比分别为H2O：H2O2：HCL=6:1:1，依次对单晶硅基底进行清洗，在依照甲苯→丙酮-→酒精→水的顺序对硅片进行表面清洗。在清洗后的单晶硅基底表面利用热氧化法生长一层厚度为70nm~120nm的SiO2层。
二、涂胶：在SiO2层上涂覆光刻胶，采用旋转法涂胶，即将光刻胶滴在单晶硅基底上，通过离心旋转获得均匀一致的光刻胶薄膜；光刻胶采用国产BP-712-7S正性光刻胶，涂胶时的旋转速度为1000~3000转/分，甩胶时间30秒，这样可以保证溶剂的充分挥发以及胶膜厚度的均匀性，涂覆厚度270~300nm。
三、前烘：将涂覆完光刻胶后的基底放入烘箱中，然后升高烘箱温度至120℃，开始计时，20分钟后取出。前烘的作用是去除光刻胶在空气中干燥时不能除去的溶剂，并使光刻胶与基底接触更为紧密。
四、全息曝光：将处理好的涂有光刻胶的基底放入光学零件形成的干涉场中进行曝光。
五、显影：把曝光之后的基底放入显影液中，显影液为5‰的NaOH溶液，在常温下显影，显影时间为90秒~120秒，显影时间受曝光时间、显影液浓度的影响，由于光敏作用使光刻胶潜在的光栅图形被溶解形成类矩形槽形，此时光栅基底上具有光栅条纹，也被称为光刻胶光栅。
六、后烘：将显影后的光栅基底以光刻胶面朝下的方式放入烘箱中，然后升高烘箱温度至120℃，开始计时，烘烤时间为20分钟。后烘的作用是改善光刻胶与衬底的粘附能力，并去除显影后留下的溶剂。
七、倒置热熔：完成后烘时不要把光栅基底从烘箱中取出，直接升高烘箱温度至160℃，开始计时，30分钟后取出。倒置热熔过程主要目的是将光刻胶加热至熔融状态，在其重力的作用下会使光刻胶掩模条纹变细，从而能够形成小占宽比的光刻胶掩模。
八、氧化层掩模制备：将倒置热熔后的光栅基底置入事先配好的BHF溶液进行氧化层掩模的制备，BHF溶液的配比比例（体积比）为HF（49%）:NH3F（40%溶液）=1:7，刻蚀时间70秒，常温下进行。目的是在需要进行湿法刻蚀的单晶硅表面上形成一层掩模层，在刻蚀过程中抵住碱性刻蚀液的刻蚀。
九、去胶：在超声波清洗器中用丙酮去除掉光刻胶掩模，清洗频率100kHz，清洗功率300W，时间为20分钟，常温下进行。
上述的步骤三至步骤九中所述的基底均为涂有SiO2层的基底。
十、单晶硅湿法刻蚀：将去胶后的单晶硅基底置于配置好的刻蚀液中进行湿法刻蚀，刻蚀液配置比例为15%~35%KOH溶液与IPA（异丙醇）以体积比3:1混合。刻蚀时间分布如图3所示。首先将去胶后的光栅基底置入配置好的刻蚀液中刻蚀5分钟，刻蚀温度70℃，刻蚀过程引入超声波清洗，清洗频率与清洗功率分别为100kHz和300W。刻蚀5分钟后将基底取出，依次置于丙酮与去离子水分别超声清洗20分钟，清洗频率为80kHz，清洗功率300W，常温下进行。清洗后将基底继续置于刻蚀液中刻蚀，刻蚀5分钟后再取出，依次置于丙酮与去离子水中分别超声清洗20分钟，如此往复4~5次，完成对基底的湿法刻蚀。往复次数由刻蚀液浓度与温度以及单晶硅(100)晶面与(111)晶面的刻蚀比决定。
十一、清洁处理：刻蚀结束后用98%的浓硫酸清洗表面残留物，并将湿法刻蚀后的光栅依次放入丙酮和去离子水中分别利用超声波清洗20分钟。
十二、光栅复制：将清洁处理后的光栅基底利用复制工艺进行槽形复制，形成中阶梯光栅。将复制后的光栅放入真空镀膜机中蒸镀铝膜，用来增强光栅的衍射效率。
结合图2说明本实施方式，本实施方式中所述的光学零件形成的干涉场包括Kr+激光器13、平面反射镜14、平面反射镜15、空间滤波器16、准直反射镜17和调整反射镜18。在Kr+激光器13的激光束传播方向的光轴上置有平面反射镜14，平面反射镜14与光轴成45°角；在平面反射镜14的反射光光路上置有平面反射镜15与光轴成45°角；在平面反射镜15的反射光线的光轴上置有空间滤波器16；空间滤波器16的发射光线经准直反射镜17准直，准直光线中的一部分经由调整反射镜18反射与另外一部分入射光发生干涉形成干涉场19；在干涉场19内置有经过前烘的光栅基底20，光栅基底20的中心点位于干涉场19的中心位置。曝光时间为30~150秒，根据光刻胶的型号和干涉场强度来控制曝光时间的长短。

Claims (4)

1.单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一、在单晶硅基底上生长SiO2层后涂覆光刻胶；
步骤二、将步骤一涂覆光刻胶后带有SiO2层的基底放入烘箱中，升高烘箱温度至120℃，计时二十分钟后取出，然后将带有SiO2层的基底放入光学零件形成的干涉场中进行全息曝光；
步骤三、将步骤二全息曝光后获得的带有SiO2层的基底进行显影，将显影后的带有SiO2层的基底以光刻胶面朝下放入烘箱中进行后烘；后烘后的基底进行倒置热熔，倒置热熔的过程为继续升高烘箱温度至160℃，计时三十分钟后取出；
步骤四、在倒置热熔后的带有SiO2层的基底上制备氧化层掩膜，然后去胶，将去胶后获得的单晶硅基底进行湿法刻蚀，采用复制方法进行槽形复制，形成中阶梯光栅。
2.根据权利要求1所述的单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法，其特征在于，在步骤四之后，还包括步骤五，对复制后得到的中阶梯光栅放入真空镀膜机中蒸镀铝膜。
3.根据权利要求1所述的单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法，其特征在于，步骤二中将带有SiO2层的基底放入光学零件形成的干涉场中进行全息曝光中，所述的光学零件形成的干涉场具体包括Kr+激光器（13）、第一平面反射镜（14）、第二平面反射镜（15）、空间滤波器（16）、准直反射镜（17）和调整反射镜（18）；所述Kr+激光器（13）出射的光束经第一平面反射镜（14）反射的光束被第二平面反射镜（15）接收，被第二平面反射镜（15）的光束依次经空间滤波器（16）和准直反射镜（17），经准直反射镜（17）准直的光束一部分由调整反射镜（18）反射，所述反射的光束与准直光束中的另一部分光束发生干涉，形成干涉场（19）。
4.根据权利要求3所述的单晶硅中阶梯光栅的湿法刻蚀方法，其特征在于，所述第一平面反射镜14沿Kr+激光器（13）出射光束的光轴方向成45°角放置，第二平面反射镜（15）与第一平面反射镜（14）反射光束的光轴成45°角放置。
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