CN111916330A - 光栅深刻蚀的方法 - Google Patents

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晋云霞
曹红超
孔钒宇
张益彬
邵建达
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    • H01J2237/3341—Reactive etching

Abstract

本发明提供一种光栅深刻蚀方法，该方法包括：光栅金属掩膜结构制备、反应离子束刻蚀、化学湿法腐蚀去除掩膜残留、倾斜镀制金属掩膜等过程。通过不断重复反应离子束刻蚀→残留掩膜去除→倾斜镀制金属掩膜→反应离子束刻蚀过程，可以在保持光栅占宽比的条件下逐步提升光栅的刻蚀深度，解决了氧化硅、氮化硅、氧化铪等常用光栅材料单次掩膜刻蚀选择比不高、无法实现大深宽比刻蚀的问题，为大深宽比衍射光学元件的刻蚀制备奠定了基础。

Description

光栅深刻蚀的方法
技术领域
本发明涉及衍射光栅，特别是一种光栅深刻蚀的方法。
技术背景
衍射光栅作为一种常用的色散元件在光谱分析、成像、光通信以及激光脉冲压缩等领域具有重要的应用价值。而随着光栅使用波段的拓展，特别是在红外波段为了实现衍射光栅高的衍射效率和较宽的光谱带宽，往往需要对高线密度的亚波长光栅结构进行大深宽比刻蚀。传统的单次掩膜刻蚀技术，由于刻蚀过程中掩膜形貌的不断减薄收缩，导致很难在保证光栅设计形貌的情况下实现大的深宽比，特别是针对一些刻蚀产物为非挥发性物质的光栅材料，比如氧化铪、氧化钽等，因掩膜收缩和刻蚀产物再沉积造成的形貌失真现象更加严重。在此情况下迫切需要开发一种可以在保证光栅形貌的前提下实现亚波长光栅大深宽比的刻蚀技术。
反应离子束刻蚀是一种被广泛应用于光栅图形转移的干法刻蚀手段，由于其良好的刻蚀各向异性能够保证图形精细转移。但反应离子束刻蚀存在刻蚀选择比较低的问题，虽然通过增加掩膜厚度可以提高被刻蚀材料的刻蚀深度，但是由于目前使用的衍射光栅主要是光栅周期在使用波长量级的亚波长光栅，增加掩膜厚度会增加光栅掩膜图形的深宽比，导致光栅掩膜图形的制备十分困难。
因此，本专利发明了一种周期性重复镀膜复形、刻蚀的大深宽比光栅刻蚀方法，该方法通过不断的重复(反应离子束刻蚀→湿法腐蚀去掩膜残留→倾斜镀掩膜→反应离子束刻蚀)过程在保证光栅形貌的同时实现了光栅结构的深刻蚀。此外，该方法可以通过增加刻蚀循环周期的方式降低光刻胶光栅掩膜的制备要求，这有利于高线密度衍射光栅元件的制作。
发明内容
本发明提供了一种光栅深刻蚀的方法，以实现对光栅深度明显提升及光栅侧壁几乎完全垂直的效果。
本发明采用的技术方案如下：
一种光栅深刻蚀的方法，首先在基板表面磁控溅射镀制金属膜，之后在表面全息制备光刻胶光栅掩膜，然后使用腐蚀液腐蚀出光刻胶-金属的复合光栅掩膜，之后使用反应离子束刻蚀，之后使用腐蚀液去除表面残留掩膜。如单次刻蚀的光栅深度达不到设计要求，可将光栅倾斜放置镀膜，使金属材料沉积在光栅栅线顶部及栅脊两侧，镀膜后再次重复反应离子束刻蚀及清洗流程，直至刻蚀到设计深度。
本发明调节各反应气体流量，实现了较高的刻蚀选择比，得到了几乎垂直的光栅侧壁结构。同时结合光栅侧壁倾斜镀膜与分步刻蚀技术有效增加刻蚀深度，得到理想的光栅结构。
附图说明
图1是氧化硅基板表面光刻胶掩膜形貌图；
图2是氧化硅基板表面金属-光刻胶掩膜形貌图；
图3是单次刻蚀氧化硅的光栅形貌；
图4是二次刻蚀氧化硅得到的光栅形貌图(顶部铬残留未去除)；
图5是二次刻蚀氮化硅得到的光栅形貌图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
一种光栅深刻蚀的方法实施例1，包括下列步骤：
1.先在清洗干净的氧化硅基板表面溅射一层厚度为150nm的铬膜；
2.在镀膜样品的表面甩胶，转速为4000r/min，甩胶30s，胶厚440nm，接着用双光束紫外光干涉曝光50s，之后显影40s，得到光刻胶光栅掩膜；
3.接着将表面附着有光刻胶掩膜的样品浸泡在去铬液中腐蚀80s，取出后用去离子水冲洗1mins。
4.之后对样品进行刻蚀。刻蚀工艺进行优化：具体选定CHF3，O2和Ar混合气体为刻蚀气体，气体流量分别为：Ar：5sccm，CHF3：70sccm，O2：10sccm。工作气压为1.2*10-2Pa；离子束参数如下：离子能量500eV，离子束流200mA，加速电压300V，刻蚀时间设定15mins；
5.将第一次刻蚀后样品浸泡在去铬液中30mins，完全去除表面残留的光刻胶及铬掩膜；
6.之后将此样品倾斜分两次在光栅脊的两侧溅射铬膜：单次镀制厚度为100nm，倾角分别为60°和-60°；
7.返回步骤4，调整刻蚀时间为20mins，刻蚀后用去铬液去除表面铬掩膜，最终得到刻蚀深度2.3um的侧壁陡直的光栅结构。
实施效果：刻蚀深度2.3um，扫描电镜下观察到图形表面光滑，侧壁陡直。表明在此工艺条件下，可以在保证光栅形貌的同时实现了氧化硅光栅结构的深刻蚀。
实施例2
一种光栅深刻蚀的方法实施例2，包括下列步骤：
1.先在清洗干净的氮化硅基板表面溅射一层厚度为150nm的铬膜；
2.在镀膜样品的表面甩胶，转速为4000r/min，甩胶30s，胶厚400nm，接着用双光束紫外光干涉曝光40s，之后显影30s，得到光刻胶光栅掩膜；
3.接着将表面附着有光刻胶掩膜的样品浸泡在去铬液中腐蚀80s，取出后用去离子水冲洗1mins。
4.之后对样品进行刻蚀。刻蚀工艺进行优化：具体选定CHF3，O2和Ar混合气体为刻蚀气体，气体流量分别为：Ar：5sccm，CHF3：55sccm，O2：8sccm。工作气压为1.0*10-2Pa；离子束参数如下：离子能量500eV，离子束流200mA，加速电压300V，刻蚀时间设定20mins；
5.将第一次刻蚀后样品浸泡在去铬液中30mins，完全去除表面残留的光刻胶及铬掩膜；
6.之后将此样品倾斜分两次在光栅脊两侧溅射铬膜：单次镀制厚度为120nm，倾角分别为50°和-50°
7.返回步骤4，调整刻蚀时间为20mins，刻蚀后用去铬液去除表面铬掩膜，最终得到刻蚀深度2um的光栅侧壁倾角大于85°的光栅结构。
实施效果：刻蚀深度2um，扫描电镜下观察到图形表面光滑，侧壁倾角大于85°。表明在此工艺条件下，可以在保证光栅形貌的同时实现了氮化硅光栅结构的深刻蚀。

Claims (1)

1.一种光栅深刻蚀的方法，该方法包括下列步骤：
1)光栅金属掩膜结构制备：首先在基板表面磁控溅射镀制铬膜，该膜层厚度为100nm-150nm；
2)在所述的金属铬膜的表面甩胶，接着用双光束紫外光干涉曝光、显影，得到金属-光刻胶复合光栅掩膜；
3)反应离子束刻蚀与清洗：所述的反应离子束刻蚀时，离子能量500eV，离子束流200mA，加速电压300V；调节刻蚀气体(氩气、三氟甲烷、氧气)配比得到最优刻蚀参数(Ar：5-10sccm，CHF3：40-70sccm，O2：5-15sccm)，利用反应离子束刻蚀机，对所述的复合光栅掩膜进行反应离子束刻蚀，对刻蚀后的复合光栅掩膜使用去铬液去除残留；
4)对刻蚀后的复合光栅的刻蚀深度进行测量，当刻蚀深度未达到设计值时，在光栅脊的两侧倾斜镀制金属膜，两次镀制，单次镀制厚度80nm～120nm，倾斜角度45°～60°；并返回步骤3)；当刻蚀深度达到设计值时，进入下一步；
5)完成光栅深刻蚀。
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