CN111517274A - 一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法。采用真空热蒸镀、磁控溅射沉积等方法，在石英、硅等材料的曲面衬底表面制备一层导电薄膜，之后经过涂胶、光刻、直写、湿法刻蚀或干法刻蚀等工序制备出与微结构图形一致的图形化导电薄膜，然后利用金属外壳和导电胶带，将曲面衬底四周的导电膜层与样品台下电极联接，确保良好导电接触，形成等电位体，然后进行反应离子刻蚀。该方法能够确保曲面衬底上刻蚀区的电位一致，使得整个曲面衬底裸露出来的区域被均匀刻蚀下去，金属导电薄膜遮蔽的区域被保护起来。本发明中图形化的金属薄膜即是掩模，同时又是电极，解决了石英、硅等介质材料曲面衬底上微纳结构图形的刻蚀传递不均匀难题。

Description

一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法
技术领域
本发明涉及曲面衬底纳米微结构制备的领域，特别涉及一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法。
背景技术
菲涅尔透镜、衍射光栅和全息光栅等衍射光学元件主要是利用器件表面衍射微结构对光波位相、振幅、偏振等进行调制，实现光束匀滑、聚焦、准直、分束与合束等特殊功能。与传统光学元件相比，衍射光学系统具有集成度高、功能多、体积小、重量轻等特点。受限于加工能力，目前衍射光学元件大多采用平面衬底，而曲面衬底衍射光学元件多以加工精度要求不高的红外波段为主。光学波段曲面衍射元件需要在非旋转对称的任意曲面衬底上，加工特征尺寸微米量级的衍射微纳结构，且整个曲面微结构深度的加工精度需控制在几十纳米以内，车削形式的金刚石车床等传统微结构加工方法难以满足上述加工需求。
目前，在曲面衬底上加工光学波段衍射微结构，首先需要利用光束直写方法，在曲面衬底的感光胶层上加工高精度微结构图形。然后，再利用反应离子刻蚀(RIE)的方法将胶层微结构图形刻蚀传递到石英、硅等光学材料衬底上。传统RIE设备中放置样品的样品台(即下电极)均为平板形式，难以刻蚀传递曲面衬底上的微结构图形。其原因在于曲面面形下微结构距平板电极的高度不同，进而导致电场强度不同，刻蚀速率不同，难以实现整个曲面上衍射微结构的纳米量级高精度均匀刻蚀。因而，如何实现任意曲面上微结构的高精度均匀刻蚀传递，成为曲面衍射光学元件加工亟待解决的关键技术问题之一。
鉴于此，本发明提出了一种曲面反应离子刻蚀工艺，能够在任意曲面上刻蚀加工深度均匀的微结构。
发明内容
本发明是针对石英、硅材料的曲面衬底微纳结构图形制备过程中刻蚀深度均匀性差的问题，提出了一种曲面衬底刻蚀方法，能够制备出刻蚀深度均匀性好的曲面微纳结构图形。本发明需要解决的技术问题是：石英、硅等材料的曲面衬底微纳结构图形刻蚀不均问题，能够适用于不同面形、不同厚度曲面衬底刻蚀，同时保证刻蚀均匀性重复性好。
本发明的技术方案为：一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)、在曲面衬底上沉积合适厚度的导电薄膜；
步骤(2)、在曲面衬底上的导电薄膜上制备一层光刻胶，通过直写或光刻的方法，在曲面衬底上的导电薄膜上形成预定的光刻胶微结构图形；
步骤(3)、通过湿法刻蚀方法，将光刻胶图形刻蚀传递到曲面衬底上的导电薄膜上，形成与光刻胶层一致的导电薄膜微结构图形，作为后续刻蚀传递的金属掩模；
步骤(4)、将曲面衬底放置于反应离子刻蚀机的样品台上，利用金属外壳和导电胶带，将曲面衬底四周的导电薄膜层与样品台下电极联接；
步骤(5)、调节合适的刻蚀气体组分、气体流量、电压刻蚀工艺参数，进行反应离子刻蚀，将导电薄膜图形结构刻蚀传递到曲面衬底上；
步骤(6)、通过控制刻蚀时间来精确调控刻蚀深度，待刻蚀到预定深度后，利用丙酮去除残余光刻胶层，利用金属腐蚀液去除导电薄膜掩模层，完成曲面衬底微纳结构的制备。
进一步地，步骤(1)中的曲面衬底为石英、硅可RIE刻蚀的材料，面形可以为凹面、凸面或非对称复杂曲面。
进一步地，步骤(1)中的沉积的方法可以为真空热蒸镀、磁控溅射沉积等方法，合适厚度可以为5-500纳米。
进一步地，步骤(1)中的导电薄膜可以为Cr、Ag、Au、Al、Cu、Ni金属导电薄膜或ITO、AZO非金属导电薄膜。
进一步地，步骤(2)中制备一层光刻胶的方法可以为涂覆、甩胶、喷胶或提拉方法，光刻胶可以为光敏光刻胶或电子束光刻胶。
进一步地，步骤(2)中光刻胶掩模图形可应设计网状、环形状或者散射状等径向联通微结构，确保步骤(3)中整个曲面上金属掩模任意点均处于良好的电导通状态。
进一步地，步骤(3)中导电薄膜图形微纳结构作为下电极，使导电薄膜图形微纳结构各区域的电位一致，也使曲面衬底上各区域的电位基本保持一致，改善电场分布均匀性。
进一步地，步骤(4)中金属外壳材料为导电的铝、铜良导体金属，金属外壳与曲面衬底、样品台应保持良好电导通，同时确保金属外壳与室体四周的距离10mm以上，保持非接触状态。
进一步地，步骤(6)中通过时间控制刻蚀深度主要是选用同等材质的平面衬底，然后通过多次工艺试验，测算出衬底材料的刻蚀速率；去除导电薄膜层时，应根据导电薄膜的材质选择腐蚀液，利用湿法腐蚀选择性去除即可。
本发明原理在于：一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法。首先在曲面衬底上沉积合适厚度的导电薄膜。其次在曲面衬底上的导电薄膜上制备一层光刻胶，再通过直写或光刻的方法，在曲面衬底上的导电薄膜上形成预定的光刻胶微纳结构图形。通过湿法刻蚀方法，将光刻胶图形刻蚀传递到曲面衬底上的导电薄膜上，形成与光刻胶层一致的导电薄膜微纳结构图形，作为后续刻蚀传递的金属掩模。最后将曲面衬底放置于反应离子刻蚀机的样品台上，利用金属外壳和导电胶带，将曲面衬底四周的导电薄膜层与样品台下电极联接。通过调节合适的刻蚀气体组分、气体流量、电压、时间等刻蚀工艺参数，进行反应离子刻蚀，将导电薄膜图形结构刻蚀传递到曲面衬底上后利用丙酮去除残余光刻胶层，利用金属腐蚀液去除导电薄膜掩模层，完成曲面衬底微纳结构的制备。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用真空热蒸镀、磁控溅射沉积等方法，在石英、硅等材料的曲面衬底表面制备一层导电薄膜，之后经过涂胶、光刻、直写、湿法刻蚀或干法刻蚀等工序制备出与微结构图形一致的图形化导电薄膜，然后利用金属外壳和导电胶带，将曲面衬底四周的导电膜层与样品台下电极联接，确保良好导电接触，形成等电位体，然后进行反应离子刻蚀。该方法能够确保曲面衬底上刻蚀区的电位一致，使得整个曲面衬底裸露出来的区域被均匀刻蚀下去，金属导电薄膜遮蔽的区域被保护起来。本发明中图形化的金属薄膜即是掩模，同时又是电极，解决了石英、硅等介质材料曲面衬底上微纳结构图形的刻蚀传递不均匀难题，使一些复杂任意曲面功能结构器件的制备成为可能。
(2)本发明将光刻胶图形刻蚀传递到曲面衬底上的导电薄膜上，形成与光刻胶层一致的导电薄膜微结构图形，作为后续刻蚀传递的金属掩模。曲面衬底上沉积的导电薄膜可以选用Cr、Ag、Au、Al、Cu、Ni金属导电薄膜或ITO、AZO非金属导电薄膜。传递掩模图形是将曲面衬底放置于反应离子刻蚀机的样品台上，利用金属外壳和导电胶带，将曲面衬底四周的导电薄膜层与样品台下电极联接。其中金属外壳材料为导电的铝、铜等良导体金属，金属外壳与曲面衬底、样品台应保持良好电导通，同时确保金属外壳与室体四周的距离10mm以上，保持非接触状态，让任意曲面上的微结构高精度度均匀刻蚀传递。
(3)本发明光刻胶掩模图形设计成网状、环形状或者散射状等径向联通微结构，确保使用湿法刻蚀方法形成的金属掩模在整个曲面上任意点均处于良好的电导通状态。让曲面上的微纳结构图形能够在制作过程中均匀刻蚀传递在衬底上。
(4)本发明沉积的导电薄膜，把厚度控制在5-500纳米。沉积的薄膜经过光刻或直写的方法制作出的金属掩模能够更好的使微纳结构图形传递在凹面、凸面或非对称复杂曲面。并能够保证微纳结构深度的加工精度控制在几十纳米内，并且拥有良好的均匀性。
附图说明
图1是曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法的流程示意图；
图2是刻蚀衬底放置俯视图；
图3是金属掩模图；
图4是刻蚀衬底放置剖视图；
图5是三次刻蚀均匀性图。
图中附图标记含义：
1、沉积导电薄膜；
2、旋涂光刻胶；
3、曝光；
4、显影；
5、去除曝光区导电薄膜；
6、去除光刻胶；
7、刻蚀曝光区图形；
8、去除全部剩余导电薄膜；
9、石英；
10、第一次刻蚀；
11、第三次刻蚀；
12、第二次刻蚀；
13、下电极；
14、铜箔；
15、导电薄膜；
16、上电极；
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的描述。
实施例一：
一种石英材料的曲面衬底上微纳结构图形高精度反应离子刻蚀传递方法，具体步骤如下：
步骤(1)、使用磁控溅射在凹形石英材料的曲面衬底上，沉积100纳米厚的Cr薄膜；步骤(1)中的导电薄膜15为Cr薄膜；
步骤(2)、在镀了Cr薄膜的石英材料的曲面衬底上用涂胶设备制备一层光刻胶，然后通过光刻的方法，在曲面衬底上的Cr薄膜上制备出预定的光刻胶微结构图形---带放射状连接线的同心圆环阵列；
步骤(3)、通过使用去铬液湿法刻蚀的方法，将光刻胶图形刻蚀传递到在曲面衬底上的Cr导电膜上，形成与光刻胶层一致的Cr薄膜微结构图形，作为后续刻蚀传递的金属掩模；
步骤(4)、将曲面衬底放置于反应离子刻蚀机的样品台上，利用金属外壳和导电胶带，将曲面衬底四周的导电Cr薄膜层与样品台下电极13联接；
步骤(5)、调节合适刻蚀气体组分、气体流量、电压等刻蚀工艺参数，进行反应离子刻蚀，将导电Cr薄膜图形结构刻蚀传递到石英材料的曲面衬底上；
步骤(6)、通过控制刻蚀时间来精确调控刻蚀深度，待到刻蚀到预定深度后，利用丙酮去除残余光刻胶层，利用去铬液去除导电Cr薄膜掩模层，完成曲面衬底微纳结构的制备。
其中，图1是该实施例的加工流程图，图2是刻蚀衬底放置俯视图；图3是金属掩模图；图4是刻蚀衬底放置剖视图；图5是三次刻蚀均匀性图；
实施例二：
一种硅材料的曲面衬底上微纳结构图形高精度反应离子刻蚀传递方法，凸型的硅曲面衬底上使用电子束蒸发Au膜，具体步骤如下：
步骤(1)、使用电子束在凸型硅材料的曲面衬底上，沉积5纳米厚的Au膜；
步骤(2)、在镀了Au膜的硅曲面衬底上用涂胶设备制备一层光刻胶，然后通过激光直写方法，在凸型硅材料的曲面衬底上的导电Au薄膜上制备出预定的光刻胶微结构图形，比如周期50微米的网状结构；
步骤(3)、通过离子束刻蚀的方法，将光刻胶图形刻蚀传递到在硅曲面衬底上的Au导电薄膜上，形成与光刻胶层一致的Au导电薄膜微结构图形，作为后续刻蚀传递的金属掩模；
步骤(4)、将硅曲面衬底放置于反应离子刻蚀机的样品台上，利用金属外壳和导电胶带，将曲面衬底四周的导电Au薄膜层与样品台下电极13联接；
步骤(5)、调节合适刻蚀气体组分、气体流量、电压等刻蚀工艺参数，进行反应离子刻蚀，将导电Au薄膜图形结构刻蚀传递到硅曲面衬底上；
步骤(6)、通过控制刻蚀时间来精确调控刻蚀深度，待到刻蚀到预定深度后，利用丙酮去除残余光刻胶层，利用去金腐蚀液去除导电Au薄膜掩模层，完成曲面衬底微纳结构的制备。
以上内容结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能理解为限制了本发明的范围，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)、在曲面衬底上沉积合适厚度的导电薄膜；
步骤(2)、在曲面衬底上的导电薄膜上制备一层光刻胶，通过直写或光刻的方法，在曲面衬底上的导电薄膜上形成预定的光刻胶微结构图形；
步骤(3)、通过湿法刻蚀方法，将光刻胶图形刻蚀传递到曲面衬底上的导电薄膜上，形成与光刻胶层一致的导电薄膜微结构图形，作为后续刻蚀传递的金属掩模；
步骤(4)、将曲面衬底放置于反应离子刻蚀机的样品台上，利用金属外壳和导电胶带，将曲面衬底四周的导电薄膜层与样品台下电极联接；
步骤(5)、调节合适的刻蚀气体组分、气体流量、电压刻蚀工艺参数，进行反应离子刻蚀，将导电薄膜图形结构刻蚀传递到曲面衬底上；
步骤(6)、通过控制刻蚀时间来精确调控刻蚀深度，待刻蚀到预定深度后，利用丙酮去除残余光刻胶层，利用金属腐蚀液去除导电薄膜掩模层，完成曲面衬底微纳结构的制备。
2.根据权利要求1所述的一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法，其特征在于，步骤(1)中的曲面衬底为石英、硅可RIE刻蚀的材料，面形可以为凹面、凸面或非对称复杂曲面。
3.根据权利要求1所述的一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法，其特征在于，步骤(1)中的沉积的方法可以为真空热蒸镀、磁控溅射沉积等方法，合适厚度可以为5-500纳米。
4.根据权利要求1所述的一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法，其特征在于，步骤(1)中的导电薄膜可以为Cr、Ag、Au、Al、Cu、Ni金属导电薄膜或ITO、AZO非金属导电薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法，其特征在于，步骤(2)中制备一层光刻胶的方法可以为涂覆、甩胶、喷胶或提拉方法，光刻胶可以为光敏光刻胶或电子束光刻胶。
6.根据权利要求1所述的一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法，其特征在于，步骤(2)中光刻胶掩模图形可应设计网状、环形状或者散射状等径向联通微结构，确保步骤(3)中整个曲面上金属掩模任意点均处于良好的电导通状态。
7.根据权利要求1所述的一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法，其特征在于，步骤(3)中导电薄膜图形微纳结构作为下电极，使导电薄膜图形微纳结构各区域的电位一致，也使曲面衬底上各区域的电位基本保持一致，改善电场分布均匀性。
8.根据权利要求1所述的一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法，其特征在于，步骤(4)中金属外壳材料为导电的铝、铜良导体金属，金属外壳与曲面衬底、样品台应保持良好电导通，同时确保金属外壳与室体四周的距离10mm以上，保持非接触状态。
9.根据权利要求1所述的一种曲面衬底上微纳结构图形高精度刻蚀传递方法，其特征在于，步骤(6)中通过时间控制刻蚀深度主要是选用同等材质的平面衬底，然后通过多次工艺试验，测算出衬底材料的刻蚀速率；去除导电薄膜层时，应根据导电薄膜的材质选择腐蚀液，利用湿法腐蚀选择性去除即可。
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