CN110673246A - 一种光栅板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学材料加工技术领域，涉及一种光栅板的制备方法，包括如下步骤：提供第一衬底和第二衬底，所述第一衬底表面刻有第一倾斜光栅，所述第二衬底表面刻有第二倾斜光栅；将刻蚀介质沉积在所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的表面，然后进行研磨，使所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的狭缝内填满所述刻蚀介质；将填满有所述刻蚀介质的所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅相邻接触，且所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的倾斜角度沿接触面对称，然后将所述第一衬底和第二衬底键合；将键合后的所述第一衬底背离所述第一倾斜光栅的表面或者所述第二衬底背离所述第二倾斜光栅的表面进行研磨使所述刻蚀介质露出，然后刻蚀去除所述刻蚀介质，得到光栅板。

Description

一种光栅板的制备方法
技术领域
本发明属于光学材料加工技术领域，尤其涉及一种光栅板的制备方法。
背景技术
由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅(grating)，一般是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝(刻线)的透镜薄片。常用的光栅是在玻璃片上刻出平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。
现有的光刻结合蚀刻工艺无法制作单方向的斜齿光栅，同时光栅的深宽比也有限制，结构也比较单一。
因此，现有技术有待改进。
发明内容
本发明实施例提供一种光栅板的制备方法，旨在解决现有制备工艺得到的光栅板的深宽比较低的技术问题。
本发明实施例是这样实现的，一种光栅板的制备方法，包括如下步骤：
提供第一衬底和第二衬底，所述第一衬底表面刻有第一倾斜光栅，所述第二衬底表面刻有第二倾斜光栅；
将刻蚀介质沉积在所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的表面，然后进行研磨，使所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的狭缝内填满所述刻蚀介质；
将填满有所述刻蚀介质的所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅相邻接触，且所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的倾斜角度沿接触面对称，然后将所述第一衬底和第二衬底键合；
将键合后的所述第一衬底背离所述第一倾斜光栅的表面或者所述第二衬底背离所述第二倾斜光栅的表面进行研磨使所述刻蚀介质露出，然后刻蚀去除所述刻蚀介质，得到光栅板。
更近一步地，刻有第一倾斜光栅的所述第一衬底的制备方法包括：
提供两片衬底；在其中一片衬底上依次沉积中间层和光刻胶，用光掩膜板进行第一光刻和中间层刻蚀处理，然后对露出的衬底材料进行直角刻蚀，并去除中间层和光刻胶材料，得到刻有垂直凹槽的衬底；
在所述垂直凹槽表面依次沉积中间层和光刻胶，用光掩膜板进行第二光刻和中间层刻蚀处理，所述第二光刻和中间层刻蚀处理中的光掩膜板位置与所述第一光刻和中间层刻蚀处理中的位置存在偏移，从而露出垂直凹槽中的一直角；然后对露出的衬底材料进行斜角刻蚀，并去除中间层和光刻胶材料，得到刻有斜角凹槽的衬底；
在所述斜角凹槽表面沉积刻蚀介质，研磨后与另一衬底进行键合，将键合后的衬底翻转，再研磨刻蚀，得到刻有倒斜角凹槽的衬底；
在所述倒斜角表面依次沉积中间层和光刻胶，用光掩膜板进行第三光刻和中间层刻蚀处理，所述第三光刻和中间层刻蚀处理中的光掩膜板位置与所述第二光刻和中间层刻蚀处理中的位置存在偏移，从而露出倒斜角凹槽中的一直角；然后对露出的衬底材料进行斜角刻蚀，并去除中间层和光刻胶材料，得到刻有第一倾斜光栅的所述第一衬底。
更进一步地，所述第一衬底的制备过程中，沉积的中间层为抗反射层、硬涂层和硬掩膜层中的任意一种。
更进一步地，所述第一衬底的制备过程中，使用的两片衬底的材料相同，且该两片衬底组成所述第一衬底。
更进一步地，刻有第二倾斜光栅的所述第二衬底的制备方法所述刻有第一倾斜光栅的所述第一衬底的制备方法相同。
更进一步地，将键合后的所述第一衬底背离所述第一倾斜光栅的表面进行研磨使所述刻蚀介质露出，然后刻蚀去除所述刻蚀介质的步骤之后，还包括：将得到的光栅板与所述第二衬底重复3-4次所述光栅板的制备方法步骤流程。
更进一步地，将键合后的所述第二衬底背离所述第二倾斜光栅的表面进行研磨使所述刻蚀介质露出，然后刻蚀去除所述刻蚀介质的步骤之后，还包括：将得到的光栅板与所述第一衬底重复3-4次所述光栅板的制备方法的步骤流程。
更进一步地，将刻蚀介质沉积在所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的表面进行研磨的方法为化学机械研磨法；和/或，
将键合后的所述第一衬底背离所述第一倾斜光栅的表面或者所述第二衬底背离所述第二倾斜光栅的表面进行研磨的方法为化学机械研磨法。
更进一步地，刻蚀去除所述刻蚀介质的方法为湿法刻蚀法。
更进一步地，所述第一衬底为硅衬底或二氧化硅衬底；和/或，
所述第二衬底为硅衬底或二氧化硅衬底。
本发明实施例提供的光栅板的制备方法，直接将刻有第一倾斜光栅的第一衬底和刻有第二倾斜光栅的第二衬底进行倾斜角度相互对称的晶圆键合，外加研磨和刻蚀工艺，从而制造出更高深宽比、结构更复杂的3D结构的光栅板；该制备方法既保证了成本可控，又降低了工艺难度，最终得到光栅板在光学全息成像等领域具有广泛的应用。
附图说明
图1是现有技术提供的光刻结合蚀刻工艺制造出的光栅板示意图；
图2是本发明实施例提供的光栅板制备工艺流程图；
图3是本发明实施例提供的倾斜光栅制备过程示意图；
图4是本发明实施例提供的高深宽比、复杂3D结构的光栅板制备过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
本发明实施例中，“倾斜光栅”是指相邻刻痕之间的凹槽两边呈相同倾斜角度(即非直角)的光栅。
现有的光刻结合蚀刻工艺只能制造出对称的齿型光栅板，如图1所示。而本发明实施例旨在利用普遍用在集成电路芯片制造上使用的浸没式光刻机的光刻工艺结合刻蚀工艺制造一种非对称斜齿型光栅板，该光栅板的制备方法如图2所示，包括如下步骤：
S01：提供第一衬底和第二衬底，所述第一衬底表面刻有第一倾斜光栅，所述第二衬底表面刻有第二倾斜光栅；
S02：将刻蚀介质沉积在所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的表面，然后进行研磨，使所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的狭缝内填满所述刻蚀介质；
S03：将填满有所述刻蚀介质的所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅相邻接触，且所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的倾斜角度沿接触面对称，然后将所述第一衬底和第二衬底键合；
S04：将键合后的所述第一衬底背离所述第一倾斜光栅的表面或者所述第二衬底背离所述第二倾斜光栅的表面进行研磨使所述刻蚀介质露出，然后刻蚀去除所述刻蚀介质，得到光栅板。
本发明实施例提供的光栅板的制备方法，直接将刻有第一倾斜光栅的第一衬底和刻有第二倾斜光栅的第二衬底进行倾斜角度相互对称的晶圆键合，外加研磨和刻蚀工艺，从而制造出更高深宽比、结构更复杂的3D结构的光栅板；该制备方法既保证了成本可控，又降低了工艺难度，最终得到光栅板在光学全息成像等领域具有广泛的应用。
具体地，本发明实施例提供的光栅板的制备方法，得到的光栅板深宽比跟斜齿的角度有关，设斜齿底部倾斜角度为θ，斜齿长度/宽度>0.7/cosθ就可以算高深宽比。
在一实施例中，上述步骤S01中刻有第一倾斜光栅的所述第一衬底的制备方法包括：
S011：提供两片衬底；在其中一片衬底上依次沉积中间层和光刻胶，用光掩膜板进行第一光刻和中间层刻蚀处理，然后对露出的衬底材料进行直角刻蚀，并去除中间层和光刻胶材料，得到刻有垂直凹槽的衬底；
S012：在所述垂直凹槽表面依次沉积中间层和光刻胶，用光掩膜板进行第二光刻和中间层刻蚀处理，所述第二光刻和中间层刻蚀处理中的光掩膜板位置与所述第一光刻和中间层刻蚀处理中的位置存在偏移，从而露出垂直凹槽中的一直角；然后对露出的衬底材料进行斜角刻蚀，并去除中间层和光刻胶材料，得到刻有斜角凹槽的衬底；
S013：在所述斜角凹槽表面沉积刻蚀介质，研磨后与另一衬底进行键合，将键合后的衬底翻转，再研磨刻蚀，得到刻有倒斜角凹槽的衬底；
S014：在所述倒斜角表面依次沉积中间层和光刻胶，用光掩膜板进行第三光刻和中间层刻蚀处理，所述第三光刻和中间层刻蚀处理中的光掩膜板位置与所述第二光刻和中间层刻蚀处理中的位置存在偏移，从而露出倒斜角凹槽中的一直角；然后对露出的衬底材料进行斜角刻蚀，并去除中间层和光刻胶材料，得到刻有第一倾斜光栅的所述第一衬底。
本发明实施例提供的刻有第一倾斜光栅的所述第一衬底的制备方法中，通过偏置光掩膜板(一般可偏置半个光栅周期，具体要根据斜角的角度，蚀刻的深度等需求来定)可以节约光掩膜板的数量，同时不采用倒斜角蚀刻，而是采用晶元键合刻搭配晶元研磨和两次斜角蚀刻，既保证成本可控，有降低了工艺难度。通过调节第二次或者第三次的斜角刻蚀可以实现左右不同斜角(比如左边斜角60度右边斜角50度，可以做不一样)的光栅板斜齿形状达到不同的全息成像效果。
在一实施例中，所述第一衬底的制备过程中，通过搭配不同的光掩膜板，中间层材料以及蚀刻工艺，可以形成尺寸更小或者更为复杂的倾斜光栅图形。例如：可以搭配不同光栅周期的掩膜版，选用硅基树脂作为中间层，或者碳基树脂作为中间层，光栅图形可以是不同周期，或者周期渐变形的等等，通过以上各种情况搭配起来就可以制造不同尺寸、图形的光栅板。在所述斜角刻蚀时，小尺寸斜角光栅需搭配浸没式光刻机以保证套刻精度。
在一实施例中，所述第一衬底的制备过程中，沉积的中间层为抗反射层、硬涂层和硬掩膜层中的任意一种。在一实施例中，所述第一衬底的制备过程中，使用的两片衬底的材料相同，且该两片衬底组成所述第一衬底。在一实施例中，所述第一衬底为硅衬底或二氧化硅衬底，因此第一衬底的制备过程中使用的两片衬底可以为硅或二氧化硅；在另一实施例中，所述第二衬底为硅衬底或二氧化硅衬底。
进一步地，上述步骤S01中刻有第二倾斜光栅的所述第二衬底的制备方法所述刻有第一倾斜光栅的所述第一衬底的制备方法相同。
在一实施例中，上述步骤S02中的将刻蚀介质沉积在所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的表面进行研磨的方法为化学机械研磨法；上述步骤S04中的将键合后的所述第一衬底背离所述第一倾斜光栅的表面或者所述第二衬底背离所述第二倾斜光栅的表面进行研磨的方法为化学机械研磨法。将键合后的所述第一衬底背离所述第一倾斜光栅的表面或者所述第二衬底背离所述第二倾斜光栅的表面进行研磨使所述刻蚀介质露出，然后刻蚀去除所述刻蚀介质的方法为湿法刻蚀法。
在一实施例中，步骤S04中如果是将键合后的所述第一衬底背离所述第一倾斜光栅的表面进行研磨，则将键合后的所述第一衬底背离所述第一倾斜光栅的表面进行研磨使所述刻蚀介质露出，然后刻蚀去除所述刻蚀介质的步骤之后，还包括：将得到的光栅板与所述第二衬底重复3-4次权利要求1所述的光栅板的制备方法的步骤流程。此时，最终得到光栅板是在第二衬底上形成的高深宽比的3D结构的光栅板。
在另一实施例中，步骤S04中如果是将键合后的所述第二衬底背离所述第二倾斜光栅的表面进行研磨，则将键合后的所述第二衬底背离所述第二倾斜光栅的表面进行研磨使所述刻蚀介质露出，然后刻蚀去除所述刻蚀介质的步骤之后，还包括：将得到的光栅板与所述第一衬底重复3-4次权利要求1所述的光栅板的制备方法的步骤流程。此时，最终得到光栅板是在第一衬底上形成的高深宽比的3D结构的光栅板。
本发明先后进行过多次试验，现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述，下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例一
如图3所示，制备单方向的倾斜光栅衬底，步骤如下：
提供两片衬底(硅或二氧化硅)；在其中一片衬底上依次沉积中间层和光刻胶(1)，用光掩膜板进行第一光刻和中间层刻蚀处理(2)，然后对露出的衬底材料进行直角刻蚀(3)，并去除中间层和光刻胶材料，得到刻有垂直凹槽的衬底(4)；
在所述垂直凹槽表面依次沉积中间层和光刻胶(5)，用光掩膜板进行第二光刻和中间层刻蚀处理，该第二光刻和中间层刻蚀处理中的光掩膜板位置与所述第一光刻和中间层刻蚀处理中的位置左偏移，从而露出垂直凹槽中的一直角(6)；然后对露出的衬底材料进行斜角刻蚀(7)，并去除中间层和光刻胶材料，得到刻有斜角凹槽的衬底(8)；
在所述斜角凹槽表面沉积刻蚀介质研磨(9)，然后与另一衬底进行晶圆键合(10)，将键合后的整个衬底整体翻转(11)，再晶圆研磨(12)，湿法刻蚀得到刻有倒斜角凹槽的衬底(13)；
在所述倒斜角表面依次沉积中间层和光刻胶(14)，用光掩膜板进行第三光刻和中间层刻蚀处理，所述第三光刻和中间层刻蚀处理中的光掩膜板位置与所述第二光刻和中间层刻蚀处理中的位置左偏移，从而露出倒斜角凹槽中的一直角(15)；然后对露出的衬底材料进行斜角刻蚀(16)，并去除中间层和光刻胶材料，得到刻有倾斜光栅的衬底(17)。
实施例二
如图4所示，利用实施例一制备的两片刻有倾斜光栅的衬底进行键合，研磨外加刻蚀工艺，得到更高深宽比、结构更复杂的光栅板，步骤如下：
将刻蚀介质沉积在两片刻有倾斜光栅的衬底的表面成膜(1)，然后进行化学机械研磨(2)，使所述倾斜光栅的狭缝内填满所述刻蚀介质；
将填满有所述刻蚀介质的所述倾斜光栅相邻接触，且上下两衬底的倾斜光栅的倾斜角度沿接触面对称，然后将量衬底键合(3)；
将键合后的一个衬底背离倾斜光栅的表面进行化学机械研磨使所述刻蚀介质露出(4)，然后湿法刻蚀去除所述刻蚀介质(5)，最后重复(3)-(5)的工艺流程3-4次，得到光栅板(6)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光栅板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供第一衬底和第二衬底，所述第一衬底表面刻有第一倾斜光栅，所述第二衬底表面刻有第二倾斜光栅；
将刻蚀介质沉积在所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的表面，然后进行研磨，使所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的狭缝内填满所述刻蚀介质；
将填满有所述刻蚀介质的所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅相邻接触，且所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的倾斜角度沿接触面对称，然后将所述第一衬底和第二衬底键合；
将键合后的所述第一衬底背离所述第一倾斜光栅的表面或者所述第二衬底背离所述第二倾斜光栅的表面进行研磨使所述刻蚀介质露出，然后刻蚀去除所述刻蚀介质，得到光栅板。
2.如权利要求1所述的光栅板的制备方法，其特征在于，刻有第一倾斜光栅的所述第一衬底的制备方法包括：
提供两片衬底；在其中一片衬底上依次沉积中间层和光刻胶，用光掩膜板进行第一光刻和中间层刻蚀处理，然后对露出的衬底材料进行直角刻蚀，并去除中间层和光刻胶材料，得到刻有垂直凹槽的衬底；
在所述垂直凹槽表面依次沉积中间层和光刻胶，用光掩膜板进行第二光刻和中间层刻蚀处理，所述第二光刻和中间层刻蚀处理中的光掩膜板位置与所述第一光刻和中间层刻蚀处理中的位置存在偏移，从而露出垂直凹槽中的一直角；然后对露出的衬底材料进行斜角刻蚀，并去除中间层和光刻胶材料，得到刻有斜角凹槽的衬底；
在所述斜角凹槽表面沉积刻蚀介质，研磨后与另一衬底进行键合，将键合后的衬底翻转，再研磨刻蚀，得到刻有倒斜角凹槽的衬底；
在所述倒斜角表面依次沉积中间层和光刻胶，用光掩膜板进行第三光刻和中间层刻蚀处理，所述第三光刻和中间层刻蚀处理中的光掩膜板位置与所述第二光刻和中间层刻蚀处理中的位置存在偏移，从而露出倒斜角凹槽中的一直角；然后对露出的衬底材料进行斜角刻蚀，并去除中间层和光刻胶材料，得到刻有第一倾斜光栅的所述第一衬底。
3.如权利要求2所述的光栅板的制备方法，其特征在于，所述第一衬底的制备过程中，沉积的中间层为抗反射层、硬涂层和硬掩膜层中的任意一种。
4.如权利要求2所述的光栅板的制备方法，其特征在于，所述第一衬底的制备过程中，使用的两片衬底的材料相同，且该两片衬底组成所述第一衬底。
5.如权利要求2所述的光栅板的制备方法，其特征在于，刻有第二倾斜光栅的所述第二衬底的制备方法所述刻有第一倾斜光栅的所述第一衬底的制备方法相同。
6.如权利要求1所述的光栅板的制备方法，其特征在于，将键合后的所述第一衬底背离所述第一倾斜光栅的表面进行研磨使所述刻蚀介质露出，然后刻蚀去除所述刻蚀介质的步骤之后，还包括：将得到的光栅板与所述第二衬底重复3-4次权利要求1所述的光栅板的制备方法的步骤流程。
7.如权利要求1所述的光栅板的制备方法，其特征在于，将键合后的所述第二衬底背离所述第二倾斜光栅的表面进行研磨使所述刻蚀介质露出，然后刻蚀去除所述刻蚀介质的步骤之后，还包括：将得到的光栅板与所述第一衬底重复3-4次权利要求1所述的光栅板的制备方法的步骤流程。
8.如权利要求1-7任一项所述的光栅板的制备方法，其特征在于，将刻蚀介质沉积在所述第一倾斜光栅和第二倾斜光栅的表面进行研磨的方法为化学机械研磨法；和/或，
将键合后的所述第一衬底背离所述第一倾斜光栅的表面或者所述第二衬底背离所述第二倾斜光栅的表面进行研磨的方法为化学机械研磨法。
9.如权利要求1-7任一项所述的光栅板的制备方法，其特征在于，刻蚀去除所述刻蚀介质的方法为湿法刻蚀法。
10.如权利要求1-7任一项所述的光栅板的制备方法，其特征在于，所述第一衬底为硅衬底或二氧化硅衬底；和/或，
所述第二衬底为硅衬底或二氧化硅衬底。
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