CN104326440A - 一种精确控制深度的微纳米结构的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种精确控制深度的微纳米结构的制作方法，属于先进材料和微纳米结构加工技术领域，该制作方法选择耐刻蚀的材料作为刻蚀截止层，利用成膜技术在其表面形成一层厚度为目标深度的结构层材料；然后在结构层表面涂覆一层抗蚀剂，利用微纳加工工艺在抗蚀剂上制作出所需的微纳米结构；以抗蚀剂微纳结构为掩模，通过刻蚀传递工艺将微纳结构转移到结构层材料上，直至到达耐刻蚀的刻蚀截止层，刻蚀终止；去除残留在结构层上的抗蚀剂，得到深度为目标值的微纳米结构，将深度精度提高到了±5纳米。本发明成本低廉、加工图形区域面积大、精确度高、均匀性好，推进了高精度光学器件在科研和生产中的广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于微纳结构加工技术领域，涉及一种精确控制深度的微纳米结构的制作方法。
背景技术
伴随着先进的微纳米加工技术的发展，微纳米结构在光学、电子学、生物化学等方面具有越来越广泛的应用。提高微纳米结构的制作精度，降低结构误差(横向误差和纵向误差)是推动其应用的关键因素。以衍射光学器件为例，结构的制作误差尤其是纵向误差会严重影响器件的衍射效果，导致衍射效率降低，光斑均匀性降低，无法满足在科研、军工、工业等方面对微纳米器件的高精度要求。因此，发展一种可以精确制作微纳米结构的新技术是迫切需要的。
目前，用来制备高精度微纳米结构的加工过程是先利用传统的光学曝光技术、电子束刻蚀技术以及聚焦离子束刻蚀技术等在抗蚀剂上制备出所需的微纳米结构，然后通过刻蚀工艺将结构转移到所需的材质上，通过调节刻蚀参数来实现结构的高精度深度制作。结构的制作误差对制作设备的依赖性较大，机械部件和制作参数(光强、曝光时间、气体流量、电压、功率等)的稳定性以及加工均匀性是造成结构误差的主要因素。因此，需要寻求新的加工工艺来降低制作过程的设备依赖性，提高微纳米结构的结构精度。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提出一种结构深度可以精确控制的微纳米结构制作方法。本发明通过成膜、曝光、刻蚀等工艺过程制备出了大面积的可以精确控制深度的高均匀微纳米结构。与现有的微纳结构制备技术相比，具有精度高、均匀性好、工艺简单、成本低、可靠性高等优点。
本发明通过以下技术方案进行实施：一种结构深度精确控制的微纳米结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤(1)、选择耐刻蚀的材料作为刻蚀截止层，刻蚀截止层可以是耐刻蚀材料基片，也可以是在其他材质的基底上形成的一层耐刻蚀材料膜层，利用烯酸、烯碱、酒精或者丙酮溶液将其浸泡清洗，然后利用超纯水超声清洗干净待用；
步骤(2)、利用常用的成膜技术在刻蚀截止层表面形成一层厚度为高精度目标深度的结构层材料；
步骤(3)、在结构层表面涂覆一层制作微纳米结构的抗蚀剂；
步骤(4)、利用现有的微纳加工工艺在抗蚀剂上制备出所需要的微纳米结构；
步骤(5)、利用刻蚀传递过程，以抗蚀剂图形为掩模层，调节刻蚀参数，将抗蚀剂图形传递至结构层，直至传递到刻蚀截止层，刻蚀终止，去除掉残留在结构层上的抗蚀剂材料，获得深度为目标值的微纳米结构图形，提高了结构的制作精度，深度的精度由成膜精度和刻蚀精度来决定。
其中，所述步骤(1)中的耐刻蚀材料为金属、氧化物、氮化物，具体为金、铬、三氧化二铝、氮化硅。
其中，所述步骤(2)中的成膜技术是物理气相沉积、化学气相沉积、化学还原或溶胶凝胶，镀膜的工艺精度为±1纳米。
其中，所述步骤(2)中的结构层材料可以是含硅材料、高分子聚合物材料，具体为硅、石英、聚甲基丙烯酸甲酯；膜层厚度为目标深度，一般为100纳米至50微米。
其中，所述步骤(3)中的抗蚀剂可以是光刻胶、光敏树脂材料、热塑性和热固性材料；涂覆工艺为旋涂、浇注、提拉工艺；膜层厚度在50纳米至50微米。
其中，所述步骤(4)中的微纳加工工艺可以是光学曝光技术、电子束直写技术、聚焦离子束、结构复制技术、自主装技术，结构线宽可以从几十纳米到几十微米。
其中，所述步骤(5)中的刻蚀工艺包括干法刻蚀和湿法刻蚀。
其中，所述步骤(5)中深度精度控制在±5纳米。
本发明的优点在于：
(1)、本发明通过镀膜和刻蚀工艺可以实现深度精确控制的微纳米结构的制备，深度精度可达±5纳米，提高了刻蚀的均匀性，工艺过程重复性好、可靠性高。
(2)、本发明利用耐刻蚀性的材料作为刻蚀截止层的方法打破了高精度微纳结构制备的设备依赖性，降低了制作成本和难度，可实现高精度微纳结构的批量化生产，促进其在实际生产中的广泛应用。
综上所述，本发明解决了现有微纳米结构制备技术中结构深度难以精确控制问题，为高精度光学衍射元件在科研和生产中的应用提供了技术支撑。
附图说明
图1中1-1至1-5是实例一：基于金薄膜刻蚀截止层的石英材料纳米光栅结构的制备流程图。
图2中图2-1至图2-5是实例二：基于三氧化二铝基底刻蚀截止层的氮化硅材料纳米光栅结构的制备流程图。
图3是深度为900纳米的石英材料光栅结构轮廓图。
图4是深度为1.8微米的氮化硅材料光栅结构轮廓图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容。通过以下实施例，本领域技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实例一：
如图1中1-1所示，取一块表面抛光的厚度为2毫米，面积为3厘米×3厘米的玻璃基片1，放入稀硝酸中浸泡12个小时以上，除去表面的污渍，取出放入去离子水中超声清洗后待用；
如图1中1-2所示，由于金材料耐氟基气体的反应等离子刻蚀，所以利用电子枪蒸镀的方法在石英基片1上蒸镀一层厚度为305纳米的金膜2，作为刻蚀截止层；
如图1中1-3所示，利用磁控溅射的方法在金膜2上镀一层厚度为900纳米的二氧化硅薄膜3，膜层厚度采用在线式石英晶体膜厚测量仪进行在线检测，厚度精度为±1纳米；
如图1中1-4所示，利用匀胶机，设置转速为3000转/分，将光刻胶AZ3100旋涂在金膜3表面，形成一层厚度为1.535微米的光刻胶膜层4，旋涂的精度为±3纳米；
如图1中1-5所示，利用投影光刻技术在光刻胶层4上制备得到周期为400纳米的光栅结构5；
如图1中1-6所示，利用反应离子刻蚀过程，由于三氟甲烷刻蚀光刻胶的速率非常慢，而刻蚀二氧化硅材料却非常快，因此选择三氟甲烷为刻蚀气体，气体流量为30公升每分钟，功率为150瓦，以光刻胶光栅结构5为牺牲层，将结构传递到二氧化硅膜层3上。刻蚀30分钟后，刻蚀到达金膜刻蚀截止层2，刻蚀终止，结构层上还残留厚度约为200纳米的光刻胶6，提高了刻蚀深度的精度和结构的表明平整度。利用原子力显微镜对制备结构进行三维轮廓测量，二氧化硅光栅结构7的结构深度为902纳米，制备误差为+2纳米。
实例二：
如图2中2-1所示，取一块表面抛光的厚度为2毫米，面积为3厘米×3厘米的三氧化二铝基片作为刻蚀截止层1，用丙酮溶液对其表面进行清洗，去除表面的污渍；
如图2中2-2所示，利用磁控溅射的方法在三氧化二铝基底1上镀一层厚度为1.8微米的氮化硅材料薄膜2，膜层厚度采用在线式石英晶体膜厚测量仪进行在线检测，厚度精度为±1纳米；
如图2中2-3所示，利用匀胶机，设置转速为5000转/分，将光刻胶AZ9260旋涂在氮化硅膜2表面，形成一层厚度为2.537微米的光刻胶膜层3，旋涂的精度为±3纳米；
如图2中2-4所示，利用干涉光刻技术在光刻胶上制备得到周期为200纳米的光刻胶光栅结构4；
如图2中2-5所示，利用感应耦合等离子体刻蚀，选择三氟甲烷和氧气为刻蚀气体，气体流量分别为27公升每分和3公升每分，功率为150瓦，以光刻胶光栅结构4为牺牲层，将结构传递到氮化硅膜层2上。刻蚀50分钟后，刻蚀到达氮化硅基底的刻蚀截止层1，刻蚀终止，结构层上还残留厚度约为1微米的光刻胶5，提高了刻蚀深度的精度和结构的表明平整度。利用原子力显微镜对制备结构进行三维轮廓测量，氮化硅材料光栅结构6的结构深度为1.758微米，制备误差为-4.2纳米。
本发明中，刻蚀截止层刻蚀可以是耐刻蚀性的基底层也可以是基底上的耐刻蚀性材料薄膜；微纳结构加工工艺包括光学曝光技术、电子束直写技术、聚焦离子束、结构复制技术、自主装技术等；刻蚀传递工艺包括干法刻蚀和湿法腐蚀。
本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种精确控制深度的微纳米结构的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤(1)、选择耐刻蚀的材料作为刻蚀截止层，刻蚀截止层可以是耐刻蚀材料组成的基片，也可以是在其他材质的基底上形成的一层耐刻蚀材料膜层，利用烯酸、烯碱、酒精或者丙酮溶液将其浸泡清洗，然后利用超纯水超声清洗干净待用；
步骤(2)、利用常用的成膜技术在刻蚀截止层表面形成一层厚度为高精度目标深度的结构层材料；
步骤(3)、在结构层表面涂覆一层制作微纳米结构的抗蚀剂；
步骤(4)、利用现有的微纳加工工艺在抗蚀剂上制备出所需要的微纳米结构；
步骤(5)、利用刻蚀传递过程，以抗蚀剂图形为掩模层，调节刻蚀参数，将抗蚀剂图形传递至结构层，直至传递到刻蚀截止层，刻蚀终止，去除掉残留在结构层上的抗蚀剂材料，获得深度为目标值的微纳米结构图形，提高了结构的制作精度，深度的精度由成膜精度和刻蚀精度来决定。
2.根据权利要求1所述的一种精确控制深度的微纳米结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中的耐刻蚀材料为金属、氧化物、氮化物，具体为金、铬、三氧化二铝、氮化硅。
3.根据权利要求1所述的一种精确控制深度的微纳米结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中的成膜技术是物理气相沉积、化学气相沉积、化学还原或溶胶凝胶，镀膜的工艺精度为±1纳米。
4.根据权利要求1所述的一种精确控制深度的微纳米结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中的结构层材料可以是含硅材料、高分子聚合物材料，具体为硅、石英、聚甲基丙烯酸甲酯；膜层厚度为目标深度，一般为100纳米至50微米。
5.根据权利要求1所述的一种精确控制深度的微纳米结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中的抗蚀剂可以是光刻胶、光敏树脂材料、热塑性和热固性材料；涂覆工艺为旋涂、浇注、提拉工艺；膜层厚度在50纳米至50微米。
6.根据权利要求1所述的一种精确控制深度的微纳米结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中的微纳加工工艺可以是光学曝光技术、电子束直写技术、聚焦离子束、结构复制技术、自主装技术，结构线宽可以从几十纳米到几十微米。
7.根据权利要求1所述的一种精确控制深度的微纳米结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中的刻蚀工艺包括干法刻蚀和湿法刻蚀。
8.根据权利要求1所述的一种精确控制深度的微纳米结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中深度精度控制在±5纳米。
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