CN114815025B - 一种大占宽比亚波长周期光栅的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种大占宽比亚波长周期光栅结构制备方法，采用Bosch刻蚀技术在硅衬底上制备出侧壁带有锯齿状结构的光栅母版，使用纳米压印技术将光栅母版结构转移到压印胶中，然后采用镀膜技术沉积一层薄膜材料作为掩膜，最后通过lift‑off工艺将压印胶图形剥离并形成大占宽比光栅结构。本发明利用Bosch刻蚀技术形成的光栅侧面锯齿状结构替代传统负性光刻胶的倒梯形结构，避免了因镀膜过程中薄膜材料对光栅结构的包裹导致的lift‑off剥离困难问题，并解决了因负性光刻胶光刻胶分辨率不足导致的大占宽比、亚波长周期光栅结构制备难题，为大占宽比、亚波长周期光栅结构的制备提供了一种新的思路。
Description
技术领域
本发明涉及光栅微纳结构制备领域，特别是一种具有大占宽比、周期结构尺寸为亚波长的光栅的制备方法。
背景技术
亚波长周期光栅结构在高功率光谱合束、高峰值功率激光脉冲压缩以及增强现实(Augmented Reality，AR)等技术领域具有重要的应用价值。光栅的占宽比(光栅栅条的宽度与光栅周期的比值)是影响光栅的光谱带宽、衍射效率、抗激光损伤阈值等性能的重要因素之一。例如，在偏振无关透射式石英光栅中，为了实现TE和TM偏振光在宽波段内具有高的衍射效率，光栅的占宽比要求控制在0.67附近【在先技术1：H.Cao et.al.，Applied OpticsVol.49，4108-4112，(2010)】；而对于1300线/毫米的反射式偏振无关合束光栅，为了保证宽带内的高衍射效率，光栅的占宽比也需要控制在0.55-0.62之间【在先技术2：X.Maoet.al.，Optics Communications Vol.458，1-4，(2020)】；在基于光波导的AR技术领域中，为了保证耦合输入/输出波导光栅具有宽带内较高的衍射效率，波导光栅的占宽比往往也需要具有较大的占宽比【T.Levola et.al.，Optics Express Vol.15，2067-6074，(2007)】。大占宽比光栅结构的制备一直是个挑战，虽然利用电子束直写、激光直写以及纳米压印等技术可以实现大占宽比的光栅结构，但是直写技术制备光栅效率低、成本高，而且制备出的光栅结构周期均匀性较难满足高端应用需求；而采用纳米压印技术虽然也可以实现大占宽比的光栅结构，但是由于光栅结构只能制备在压印胶材料上，导致光栅材料的选择十分有限。基于lift-off工艺的图形翻转技术，可以采用小占宽比的掩膜图形实现大占宽比微纳结构，而且可以通过沉积不同材料形成不同功能的光栅结构，是目前半导体行业广泛采用的技术之一。但是，在传统的lift-off工艺中，为了便于图形剥离，往往需要掩膜结构做成带有一定底切结构(under cut)的倒梯形(即，线条顶部宽、底部窄)，防止镀膜过程中掩膜图形被镀膜材料完全包裹而无法实现腐蚀剥离。为此，在lift-off工艺中通常采用负性光刻胶来制备图形翻转的掩膜，但负性光刻胶由于光聚合、显影溶胀等因素导致其分辨率不足，特别是当制作的掩膜栅条很细时很容易因表面张力导致图形坍塌，无法满足光学波段亚波长光栅结构的制备(亚波长光栅，指光栅的周期和使用波长接近的光栅结构)。虽然采用高分辨率的正性光刻胶也可以实现基于lift-off工艺的图形翻转(比如，在先技术2)，但是正性光刻胶形成掩膜图形结构往往为正梯形结构，这种形貌结构在镀膜过程中很容易被镀膜材料包裹，导致图形剥离困难，甚至完全无法剥离，光栅制备成品率极低。因此，研究解决大占宽比、亚波长周期光栅结构的快速、低成本、大面积制备问题具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种大占宽比亚波长周期光栅结构制备方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种大占宽比亚波长周期光栅结构制备方法，其特点在于，包括：
在硅基片表面涂覆一层光刻胶，经曝光、显影处理后，形成与目标光栅结构线宽相同的光刻胶光栅掩膜；
利用Bosch刻蚀工艺形成具有锯齿状剖面的光栅结构，经剥离、清洗去除多余光刻胶后，形成光栅母版；
在基板表面涂覆一层纳米压印胶；
利用纳米压印技术将光栅母版的光栅图形转印到基板表面的纳米压印胶中，经紫外固化、脱模和灰化去除底部残留的纳米压印胶，形成纳米压印胶光栅；
在所述纳米压印胶光栅上镀一层掩膜材料；
剥离所述纳米压印胶及其表面覆盖的掩膜材料，获取大占宽比亚波长周期光栅。
优选的，所述光栅母版的刻蚀深度为T，该光栅母版的锯齿高度为t和锯齿宽度为w，所述纳米压印胶的厚度h，且h≈T，所述掩膜材料的厚度d，且d≤t。
优选的，所述的光刻胶采用正性光刻胶，光刻胶的厚度根据刻蚀设备及刻蚀选择比确定，且在涂覆后利用热板进行光刻胶软烘。
优选的，所述的曝光是采用双光束干涉曝光、激光直写和/或电子束直写技术；所述显影是采用湿法腐蚀显影技术。
优选的，所述Bosch刻蚀工艺是指利用ICP等离子体刻蚀设备并采用Bosch刻蚀工艺，通过控制刻蚀-钝化的时间在刻蚀栅条上形成一定高度和宽度的锯齿状结构。
优选的，所述剥离、清洗是指将刻蚀以后的硅母版放入光刻胶剥离液中，腐蚀去除刻蚀后残留的光刻胶，经过超声清洗及烘干。
优选的，所述灰化是指利用离子束刻蚀技术对压印后形成的光栅结构进行灰化处理，去除残留在光栅沟槽底部的纳米压印胶。
优选的，在所述纳米压印胶光栅上镀一层掩膜材料，是采用电子束蒸发或离子束溅射镀膜技术。
优选的，所述剥离是采用压印胶剥离液在超声或兆声设备中剥离所述纳米压印胶及其表面覆盖的掩膜材料。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明将Bosch刻蚀技术、纳米压印技术和lift-off剥离技术相结合，解决了传统的大占宽比光栅结构制备方案中存在的效率低、成本高、光栅可选材料种类有限以及亚波长周期光栅结构难以实现等难题，为大占宽比、亚波长周期光栅结构的制备提供了一种新的思路。
2.本发明不但适用于大占宽比周期性光栅结构的制备，还可用于其他占宽比以及非周期微纳结构的制备，通用性强。
附图说明
图1是本发明光栅母版制作示意图；
图2是本发明光栅结构制作示意图；
图中：1-硅基片，2-光刻胶，3-锯齿状光栅结构，4-光栅母版，w-锯齿宽度，t-锯齿高度，T-光栅刻蚀深度，5-光栅基板，6-纳米压印胶，7-掩膜材料，h-纳米压印胶厚度，d-掩膜材料厚度。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的实施方式作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
一种大占宽比亚波长周期光栅制备方法，包括如下步骤：
步骤1)光栅母版制作，如图1所示，具体包括：
步骤1.1)涂胶：在硅基片1表面涂覆一定厚度的正性光刻胶2(光刻胶的厚度根据刻蚀设备及刻蚀选择比确定)并利用热板进行光刻胶软烘；
步骤1.2)曝光显影：采用双光束干涉曝光、激光直写、电子束直写等曝光技术并结合湿法腐蚀显影，在硅基片表面制备出特定线宽的光刻胶光栅掩膜(线宽取决于光栅结构设计要求)；
步骤1.3)Bosch刻蚀：利用ICP等离子体刻蚀设备并采用Bosch刻蚀工艺，通过控制刻蚀-钝化的时间在刻蚀栅条上刻蚀出一定高度t和宽度w锯齿状光栅结构3；将刻蚀以后的硅母版放入光刻胶剥离液中，腐蚀去除刻蚀以后残留的光刻胶，最后经过超声清洗及烘干，完成光栅母版4的制作。
步骤2)光栅结构制备，如图2所示，具体包括：
步骤2.1)涂纳米压印胶：在基板5表面涂覆一层厚度为h的纳米压印胶6，控制厚度h尽量与锯齿状光栅结构的刻蚀深度T相同；
步骤2.2)纳米压印：利用步骤1)中完成的光栅母版4在纳米压印设备中将光栅母版上的光栅图形转印到基板表面的纳米压印材料中，并紫外固化；
步骤2.3)脱模；
步骤2.4)灰化：利用离子束刻蚀技术对压印后形成的光栅结构进行灰化处理，去除可能残留在光栅沟槽底部的纳米压印胶，防止后续lift-off过程中因沟槽底部残胶导致的图形失真；
步骤2.4)镀膜：采用电子束蒸发或离子束溅射等镀膜技术在经过步骤2.3)处理后的压印光栅结构表面镀制一定厚度d的掩膜材料7，为了方便后续剥离工艺的实施，掩膜材料的厚度d要尽可能小于光栅母版上光栅的锯齿高度t；
步骤2.5)lift-off剥离：采用压印胶剥离液在超声或兆声设备中剥离掉纳米压印胶6及其表面覆盖的掩膜材料7，最终形成大占宽比亚波长周期光栅。
Claims (9)
1.一种大占宽比亚波长周期光栅结构制备方法，其特征在于，包括：
在硅基片表面涂覆一层光刻胶，经曝光、显影处理后，形成与目标光栅结构线宽相同的光刻胶光栅掩膜；
利用Bosch刻蚀工艺形成具有锯齿状剖面的光栅结构，经剥离、清洗去除多余光刻胶后，形成光栅母版；
在基板表面涂覆一层纳米压印胶；
利用纳米压印技术将光栅母版的光栅图形转印到基板表面的纳米压印胶中，经紫外固化、脱模和灰化去除底部残留的纳米压印胶，形成纳米压印胶光栅；
在所述纳米压印胶光栅上镀一层掩膜材料；
剥离所述纳米压印胶及其表面覆盖的掩膜材料，获取大占宽比亚波长周期光栅；
所述光栅母版的刻蚀深度为T，该光栅母版的锯齿高度为t；所述掩膜材料的厚度d，且d＜t。
2.根据权利要求1所述的大占宽比亚波长周期光栅结构制备方法，其特征在于，所述光栅母版的锯齿宽度为w，所述纳米压印胶的厚度h，且h≈T。
3.根据权利要求1或2所述的大占宽比亚波长周期光栅结构制备方法，其特征在于，所述的光刻胶采用正性光刻胶，光刻胶的厚度根据刻蚀设备及刻蚀选择比确定，且在涂覆后利用热板进行光刻胶软烘。
4.根据权利要求1或2所述的大占宽比亚波长周期光栅结构制备方法，其特征在于，所述的曝光是采用双光束干涉曝光、激光直写和/或电子束直写技术；所述显影是采用湿法腐蚀显影技术。
5.根据权利要求1或2所述的大占宽比亚波长周期光栅结构制备方法，其特征在于，所述Bosch刻蚀工艺是指利用ICP等离子体刻蚀设备并采用Bosch刻蚀工艺，通过控制刻蚀-钝化的时间在刻蚀栅条上形成一定高度和宽度的锯齿状结构。
6.根据权利要求1或2所述的大占宽比亚波长周期光栅结构制备方法，其特征在于，所述剥离、清洗是指将刻蚀以后的硅母版放入光刻胶剥离液中，腐蚀去除刻蚀后残留的光刻胶，经过超声清洗及烘干。
7.根据权利要求1或2所述的大占宽比亚波长周期光栅结构制备方法，其特征在于，所述灰化是指利用离子束刻蚀技术对压印后形成的光栅结构进行灰化处理，去除残留在光栅沟槽底部的纳米压印胶。
8.根据权利要求1或2所述的大占宽比亚波长周期光栅结构制备方法，其特征在于，在所述纳米压印胶光栅上镀一层掩膜材料，是采用电子束蒸发或离子束溅射镀膜技术。
9.根据权利要求1或2所述的大占宽比亚波长周期光栅结构制备方法，其特征在于，所述剥离是采用压印胶剥离液在超声或兆声设备中剥离所述纳米压印胶及其表面覆盖的掩膜材料。
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