CN109116454A - 光栅的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光栅的制备方法，其包括以下步骤：提供一基板，在所述基板的表面设置一第一光刻胶层，在所述第一光刻胶层远离所述基板的表面设置一第二光刻胶层，该第二光刻胶层的曝光剂量大于第一光刻胶层的曝光剂量；对所述第一光刻胶层和第二光刻胶层进行曝光；对第一光刻胶层和第二光刻胶层进行显影，形成图案化光刻胶层，基板的部分表面暴露，该图案化光刻胶层的表面具有多个顶面及侧面，每相邻的顶面、侧面及与该侧面连接的暴露的基板表面形成Z型表面；在所述图案化光刻胶层和暴露的基板形成的Z型表面上沉积一预制层，得到Z型结构；去除所述图案化光刻胶层。

Description

光栅的制备方法
技术领域
本发明涉及一种光栅的制备方法，特别涉及一种Z型光栅的制备方法。
背景技术
光栅是现代精密仪器中最常用到的光学器件之一。随着现代精密仪器的分辨率的要求越来越高，对光栅的要求也越来越高，通过光射色散原理，可以实现特定波长分光、滤光等。制备高精度、高密度的光栅非常困难，现有技术一般采用刻蚀技术来制备，如电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、深紫外光刻、光全息刻蚀等。其中深紫外光刻方法有着衍射极限的问题，此外上述方法都有诸如工艺复杂、成本太高，不能工业化生产等问题。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种成本低、工艺简单的光栅的制备方法。
一种光栅的制备方法，其包括以下步骤：提供一基板，在所述基板的表面设置一第一光刻胶层，在所述第一光刻胶层远离所述基板的表面设置一第二光刻胶层，该第二光刻胶层的曝光剂量大于第一光刻胶层的曝光剂量；对所述第一光刻胶层和第二光刻胶层进行曝光；对第一光刻胶层和第二光刻胶层进行显影，形成图案化光刻胶层，基板的部分表面暴露，该图案化光刻胶层的表面具有多个顶面及侧面，每相邻的顶面、侧面及与该侧面连接的暴露的基板表面形成Z型表面；在所述图案化光刻胶层和暴露的基板形成的Z型表面上沉积一预制层，得到Z型结构；去除所述图案化光刻胶层。
相较于现有技术，本发明提供的光栅的制备方法，通过曝光、显影不同曝光剂量的光刻胶，即可得到连续的Z型结构，无需刻蚀及其它掩模结构，方法工艺简单，成本低；同时，制备过程所采用的光刻胶可大面积涂敷，因此，可方面制备大面积周期性的光栅，提高了光栅的产率。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的光栅的制备方法的工艺流程图。
图2为本发明第一实施例提供的第一光刻胶层和第二光刻胶层的曝光流程示意图。
图3为本发明第一实施例提供的图案化光刻胶层的扫描电镜照片。
图4为本发明提供的Z型光栅结构的示意图。
图5为本发明第二实施例提供的光栅的制备方法的工艺流程图。
图6为本发明提供的Z型光栅结构的扫描电镜照片。
图7为本发明第二实施例提供的光栅的制备方法的工艺流程图。
主要元件符号说明
基板 10
第一光刻胶层 11
第二光刻胶层 12
图案化光刻胶层 13
预制层 14
顶面 131
第一侧面 132
第二侧面 133
二次电子层 15
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合具体实施例，对本发明提供的光栅的制备方法作进一步详细说明。
请参阅图1，本发明第一实施例提供的光栅的制备方法，其包括以下步骤：
S11，提供一基板10，在所述基板10的表面设置一第一光刻胶层11，在所述第一光刻胶层11远离所述基板10的表面设置一第二光刻胶层12，该第二光刻胶层12的曝光剂量大于第一光刻胶层11的曝光剂量；
S12，对所述第一光刻胶层11和第二光刻胶层12进行曝光；
S13，对第一光刻胶层11和第二光刻胶层12进行显影，形成图案化光刻胶层13；
S14，在所述图案化光刻胶层13及基板10的表面沉积一预制层14，得到Z型结构；
S15，去除所述图案化光刻胶层13。
在步骤S11中，所述基板10起支撑作用。该基板10的材料不限，可为二氧化硅、氮化硅等材料形成的绝缘基板，金、铝、镍、铬、铜等材料形成的金属基板，或者硅、氮化镓、砷化镓等材料形成的半导体基板。本实施例中，所述基板10的材料为硅基底。
所述第一光刻胶层11可通过旋涂法将光刻胶直接涂敷于该基板10的表面形成，也可将光刻胶直接转移至该基板10的表面形成。所述光刻胶的种类不限，只要满足所述第一光刻胶层11为电子束光刻胶即可。具体地，该第一光刻胶层11的曝光剂量小于300μC/cm2。优选地，所述第一光刻胶层11为曝光剂量范围在200μC/cm2-300μC/cm2之间的正性光刻胶。所述第一光刻胶层11的厚度为100纳米-300纳米。本实施例中，所述第一光刻胶层11通过旋涂法形成于所述基板10的表面，该第一光刻胶层为ZEP 520A胶，厚度为150纳米，且该第一光刻胶层11的曝光剂量为250μC/cm2。
所述第二光刻胶层12层叠设置于所述第一光刻胶层11的表面上。具体地，该第二光刻胶层12可通过旋涂法将光刻胶直接涂敷于第一光刻胶层的表面，也可将光刻胶直接转移至该第一光刻胶层11上。所述第二光刻胶层12也为电子束光刻胶，且该第二光刻胶层12与第一光刻胶层11为同性光刻胶。该第二光刻胶层12的光刻胶需满足其曝光剂量大于第一光刻胶层11的曝光剂量。所述第二光刻胶层12的曝光剂量与第一光刻胶层11的曝光剂量比值大于3：1。优选地，所述第二光刻胶层12的曝光剂量与第一光刻胶层11的曝光剂量的比值大于等于4：1。具体地，所述第二光刻胶层12的曝光剂量大于750μC/cm2。优选地，所述第二光刻胶层12为曝光剂量大于等于900μC/cm2。所述第二光刻胶层12的厚度为100纳米-300纳米。本实施例中，所述第二光刻胶层12通过旋涂法形成于所述第一光刻胶层11的表面，该第二光刻胶层12为PMMA 950A4胶，厚度为150纳米，且该第二光刻胶层12的曝光剂量为1000μC/cm2。
在步骤S12中，对所述第一光刻胶层11和第二光刻胶层12进行曝光时，可预先在该第二光刻胶层12的表面设定一具有曝光图案的掩模，再对该曝光图案对应的第一光刻胶层11和第二光刻胶层12进行电子束曝光。其中，所述曝光图案的形状、尺寸可根据需要进行设定。
在对所述第一光刻胶层11和第二光刻胶层12进行电子束曝光时，所采用的电子束的强度需根据光刻胶层的材料及厚度进行调节选择。请参阅图2，对选定图案区域的第一光刻胶层11和第二光刻胶层12进行曝光的过程为：将电子束垂直入射至所述第二光刻胶层12表面选定的图案区域，电子束从该第二光刻胶层12的表面入射，并相继穿透所述第二光刻胶层12和第一光刻胶层11。其中，由于部分电子的能量较高，在穿过该第二光刻胶层12和第一光刻胶层11后，该部分电子达到所述基板10后会发生背散射，即该部分电子会从所述基板10的表面反射而再次入射至所述第一光刻胶层11中，并有极少数电子会入射至所述第二光刻胶层12中。可以理解，由于第一光刻胶层11的曝光剂量小于第二光刻胶层12的曝光剂量，当采用电子束对第一光刻胶层11和第二光刻胶层12进行曝光时，该第一光刻胶层11的曝光区域会略微大于第二光刻胶层12的曝光区域。同时，电子束中部分电子在穿过两光刻胶层达到基板表面后会发生背散射，而且发生背散射的电子又会入射至所述第一光刻胶层11中并与该第一光刻胶层11继续反应。在受到电子束入射电子和背散射电子的双重作用下，所述第一光刻胶层11的曝光区域会进一步扩大。
进一步，在所述第一光刻胶层11和所述基板10之间还可设置一二次电子发射层15，当电子束穿过该第二光刻胶层12和第一光刻胶层11后入射至该二次电子发射层15上，从而激发该二次电子发射层15产生二次电子，该二次电子进而入射至该第一光刻胶层11中，从而增大所述第一光刻胶层11的曝光区域。所述二次电子发射层15的材料可为氧化钙、氧化钡、氧化铯等。
在步骤S13中，对所述第一光刻胶层11和第二光刻胶层12进行显影的方法为：将曝光的第一光刻胶层11和第二光刻胶层12浸置于一显影溶液中，所述显影溶液与曝光区域充分反应，以去除光刻胶。光刻胶被曝光去除后，从而使得光刻胶对应的基板表面暴露。本实施例中，所述显影溶液为乙酸戊酯的混合溶液，显影时间为90s。当然，所述显影溶液不限于上述一种，只要满足显影即可。同时，显影时间可根据显影溶液的成分及浓度等确定。进一步，还可采用定影液去定影，定影时间为30s。请参阅图3，图为曝光显影后得到的图案化光刻胶的扫描电镜照片。从图中可以看出，由于第一光刻胶层11的电子曝光区域大于第二光刻胶层12的电子曝光区域，导致第一光刻胶层11中被去除的区域大于第二光刻胶层12被去除的区域，从而使得去除光刻胶后形成的图案化光刻胶层13为“上宽下窄”结构。所述图案化光刻胶层13具有多个顶面及多个侧面，所述顶面131为远离所述基板10且与该基板10表面平行的表面，所述侧面是去除光刻胶后形成的表面，该侧与顶面、所述基板表面的夹角为α，α满足0<α<90°，优选地，夹角α为70°<α<90°。该侧面又包括多个第一侧面132和多个第二侧面133，且每相邻的两个第一侧面和第二侧面呈镜面对称分布。其中，每相邻的顶面、侧面及与该侧面连接的暴露的基板表面可共同形成“Z”型的连续的表面。这里所述侧面可为第一侧面或第二侧面中的任一侧面。从而，该图案化光刻胶层13与暴露的基板表面可组合形成多个“Z”型表面。
在步骤S14中，所述预制层14沉积于该暴露的基板表面及所述图案化光刻胶层13的表面，形成Z型结构。所述图案化光刻胶层13表面又包括多个顶面131和多个第一侧面132、第二侧面133。具体地，所述Z型结构是指横截面为Z型的条状体。所述预制层14至少连续覆盖于上述的“Z”型表面上，从而使得该预制层14具有多个“Z”型结构。当然，在沉积该预制层14时可根据需要选择性沉积，从而可形成不同的Z型光栅结构。
可选择地，所述预制层14仅连续覆盖每个“Z”型表面，即每个相邻的顶面131、第一侧面132及与该第一侧面132连接的基板表面所沉积的预制层14是连续的结构，但任意相邻的两个“Z”型结构是非连续的，从而得到多个独立的“Z”型结构，在这里该“Z”型结构可理解为正“Z”型结构。同样地，当所述预制层14仅连续覆盖每个倒“Z”型表面时，即每个相邻的顶面131、第二侧面133及与该第二侧面133连接的基板表面所沉积的预制层14是连续的结构，但任意相邻的两个倒“Z”型结构是非连续的，从而得到多个独立的倒“Z”型结构。在这里，该倒“Z”型结构与正“Z”型结构是呈镜面对称的。请参阅图4，(a)-(b)为方向一致的独立的Z型光栅结构，即上述的正“Z”型结构和倒“Z”型结构。
可选择地，所述预制层14连续覆盖所述图案化光刻胶层13及暴露的基板表面，即同时覆盖每个顶面131及第一侧面132、第二侧面133和暴露的基板表面，从而得到多个相互连接的“Z”型结构。在这里，该多个互相连接的“Z”型结构是指多个正“Z”型结构与倒“Z”型结构交叉连接而成。因此，本说明书中所述Z型结构不仅包括正“Z”型结构，还可包括倒“Z”型结构。具体地，所述Z型结构可由多个正“Z”型结构组成，也可由多个倒“Z”型结构组成，或由多个正“Z”型结构和多个倒“Z”型结构组成。请参阅图4，(c)-(d)为呈镜面对称的Z型光栅结构；(e)为连续Z型光栅结构。本实施例中，所述Z型结构为呈镜面对称的Z型光栅结构，上述结构可通过在所述图案化光刻胶层13的顶面或基板的表面上设置间断距离实现，即在间断距离内不沉积预制层材料。
所述预制层14可为金、银、铝、镍、铬、铜等金属材料，也可为二氧化硅、氮化硅等绝缘材料或者硅、氮化镓、砷化镓等半导体材料。可以理解，所述预制层14的材料不限，只要在去除光刻胶时不会被去除即可。所述预制层14可通过磁控溅射法、蒸镀法、CVD等方法沉积而成。所述预制层14的厚度可根据需要进行设定，优选地，所述预制层14的厚度为30-50纳米。本实施例中，所述预制层14的材料为铝，所述预制层14通过蒸镀法沉积而成，该预制层14的厚度为40纳米。
在步骤S15中，所述图案化光刻胶层13可通过采用化学溶剂反应去除。具体地，所述化学溶剂与光刻胶发生反应，从而将光刻胶溶解去掉。所述化学溶剂可为丙酮、丁酮等。本实施例中，所述图案化光刻胶层13通过丁酮溶液去除。去除该图案化光刻胶层13后，由于所述预制层14为一连续结构且自支撑结构，该预制层14的整体结构不会因去除光刻胶而被破坏。
请参阅图5，本发明第二实施例提供的所述方向一致的独立的Z型光栅结构的制备方法，其包括以下步骤：
S21，提供一基板10，在所述基板10的表面设置一第一光刻胶层11，在所述第一光刻胶层11远离所述基板10的表面设置一第二光刻胶层12，该第二光刻胶层12的曝光剂量大于第一光刻胶层11的曝光剂量；
S22，对所述第一光刻胶层11和第二光刻胶层12进行电子束曝光；
S23，对曝光后的第一光刻胶层11和第二光刻胶层12进行显影，形成图案化光刻胶层13，该图案化光刻胶层13具有多个顶面131及多个第一侧面132、第二侧面133；
S24，在所述图案化光刻胶层13的顶面131、第一侧面132及基板表面沉积一预制层14；
S25，去除所述图案化光刻胶层13。
本发明第二实施例提供的方向一致的独立的Z型光栅结构的制备方法与第一实施例提供的光栅的制备方法相似，其区别在于，本实施例中所述预制层14并没有覆盖所有侧面，而是只沉积侧面中的第一侧面132，从而得到方向一致的Z型光栅结构。具体地，沉积所述预制层14的方法可通过选择一沉积方向A向所述图案化光刻胶层13及基板表面侧向沉积得到。其中所述方向A与基板表面的夹角为β，且0<β<α。优选地，所述夹角β的范围为，α/2<β<α。请参阅图6，图为制备得到的方向一致的Z型光栅的扫描电镜照片，图中的Z型光栅为正“Z”型结构。
请参阅图7，本发明第三实施例提供的所述连续Z型光栅结构的制备方法，其包括以下步骤：
S31，提供一基板10，在所述基板10的表面设置一第一光刻胶层11，在所述第一光刻胶层11远离所述基板10的表面设置一第二光刻胶层12，该第二光刻胶层12的曝光剂量大于第一光刻胶层11的曝光剂量；
S32，对所述第一光刻胶层11和第二光刻胶层12进行电子束曝光；
S33，对曝光后的第一光刻胶层11和第二光刻胶层12进行显影，形成图案化光刻胶层13，该图案化光刻胶层13具有多个顶面131及多个第一侧面132、第二侧面133；
S34，在所述图案化光刻胶层13的顶面131、第一侧面132、第二侧面133及基板表面沉积一预制层14；
S35，去除所述图案化光刻胶层13。
本发明第三实施例提供的连续Z型光栅结构的制备方法与第二实施例提供的方向一致的Z型光栅的制备方法相似，其区别在于，本实施例中所述预制层14为一连续结构，覆盖该图案化光刻胶层13的所有表面及基板表面，从而得到一连续的Z型光栅结构。具体地，沉积所述预制层14的方法可通过选择一沉积方向A及一沉积方向B向所述图案化光刻胶层13及基板表面侧向沉积得到。其中所述方向A与基板表面的夹角小于侧面与基板表面的夹角α。其中所述方向B与基板表面的夹角为γ，且0<γ<α。优选地，所述夹角γ的范围为，α/2<γ<α。可以理解，图4c可通过依次连续沉积该图案化光刻胶层13的顶面、与该顶面相邻的第一侧面、与该第一侧面相邻的暴露的基板表面、与该基板表面相邻的第二侧面、与该第二侧面相邻的顶面得到。同样地，图4d可通过依次连续沉积一暴露的基板表面、与其相邻的第二侧面、与该第二侧面相邻的顶面、与该顶面相邻的第一侧面、与该第一侧面相邻的暴露的基板表面得到。沉积预制层14时，旋转所述基板10从而使得沉积方向与基板表面的夹角从方向A改变为方向B。
本发明提供的光栅的制备方法，通过曝光、显影不同曝光剂量的光刻胶，即可得到连续的Z型结构，无需刻蚀及其它掩模结构，方法工艺简单，成本低；同时，制备过程所采用的光刻胶可大面积涂敷，因此，可方面制备大面积周期性的光栅，提高了光栅的产率。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种光栅的制备方法，其包括以下步骤：
提供一基板，在所述基板的表面设置一第一光刻胶层，在所述第一光刻胶层远离所述基板的表面设置一第二光刻胶层，该第二光刻胶层的曝光剂量大于第一光刻胶层的曝光剂量；
对所述第一光刻胶层和第二光刻胶层进行曝光；
对第一光刻胶层和第二光刻胶层进行显影，形成图案化光刻胶层，基板的部分表面暴露，该图案化光刻胶层的表面具有多个顶面及侧面，每相邻的顶面、侧面及与该侧面连接的暴露的基板表面形成Z型表面；
在所述图案化光刻胶层和暴露的基板形成的Z型表面上沉积一预制层，得到Z型结构；
去除所述图案化光刻胶层。
2.如权利要求1所述光栅的制备方法，其特征在于，所述第一光刻胶层和第二光刻胶层均为电子束光刻胶。
3.如权利要求1所述光栅的制备方法，其特征在于，所述第二光刻胶层的曝光剂量与第一光刻胶层的曝光剂量比值大于3：1。
4.如权利要求1所述光栅的制备方法，其特征在于，所述第二光刻胶层的厚度为100纳米-300纳米。
5.如权利要求1所述光栅的制备方法，其特征在于，所述对第一光刻胶层和第二光刻胶层曝光的过程为：采用一电子束垂直入射所述第二光刻胶层表面，该电子束相继穿透第二光刻胶层和第一光刻胶层。
6.如权利要求5所述光栅的制备方法，其特征在于，该电子束中的部分电子达到所述基板后发生背散射，发生背散射的电子入射至该第一光刻胶层，对该第一光刻胶层进行二次曝光。
7.如权利要求1所述光栅的制备方法，其特征在于，所述第一光刻胶层的曝光区域大于第二光刻胶层的曝光区域。
8.如权利要求1所述光栅的制备方法，其特征在于，所述顶面为远离所述基板并与该基板的表面平行的表面，所述侧面为显影后形成的表面，该侧面包括第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和第二侧面呈镜面对称分布，所述侧面与顶面的夹角为α，α满足0<α<90°。
9.如权利要求8所述光栅的制备方法，其特征在于，在所述图案化光刻胶层的多个顶面、多个第一侧面、及与该多个第一侧面相邻的暴露的基板表面沉积的预制层形成多个方向一致的Z型结构。
10.如权利要求8所述光栅的制备方法，其特征在于，在所述图案化光刻胶层的多个顶面、多个第一侧面、多个第二侧面、及暴露的基板表面沉积的预制层形成一连续的Z型结构。
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