CN115657183A - 一种全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全息曝光‑湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法，包括：将单晶硅棒作为基底，根据所需光栅闪耀角对基底进行斜切处理，生长钝化层和旋涂光刻胶层，对光刻胶层进行全息曝光显影，用莫尔条纹使干涉条纹与基底表面特定晶向平行，提高对准精度；利用灰化技术去除残胶，增大湿法刻蚀窗口，提升湿法刻蚀效率；对灰化处理后基底进行反应离子刻蚀和湿法刻蚀，去除表面光刻胶层和钝化层得到梯形平台光栅，多次氧化沟槽表面的硅再去除氧化层以逐步减小梯形平台，直至出现尖角，提升中阶梯光栅的衍射效率。本发明将全息曝光与湿法刻蚀结合，降低中阶梯光栅的制备成本，并且制备的中阶梯光栅具有无鬼线、低杂散光、闪耀角准确、衍射效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及衍射光学元件制造技术领域，特别是涉及一种全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法。
背景技术
衍射光栅是一种对光束振幅或相位进行周期性空间调制的光学元件，它在光学应用中最为显著的作用是色散，是光栅型光谱仪中的核心元件。1949年Harrison为了研究塞蛮效应和同位素的超精细光谱结构以及精准测量复杂的原子和分子光谱的波长，提出了一种特殊的衍射光栅——中阶梯光栅(Echelle grating)，光学性能介于R.W.Wood的小阶梯光栅(Echelette grating)和William设计的大阶梯光栅(Echelon grating)之间。中阶梯光栅的槽密度一般低于100Lp/mm，利用其入射角大、衍射级次高的特点，可以不依赖于高槽密度的刻线数，而照样拥有大的角色散。目前中阶梯光栅已广泛服务于天文学、光谱分析、光通讯、光刻制造等各个领域，为它们的发展提供了原始动力。
目前中阶梯光栅的制备方法主要有机械刻划法、湿法刻蚀法、全息离子束刻蚀法等，机械刻划法是利用光栅刻划机上的金刚石刻刀挤压基底表面镀好的金属膜，从而形成阶梯槽形；湿法刻蚀法是利用单晶硅各向异性的特点，在已形成光栅图形的钝化层掩膜的前提下，利用碱性刻蚀液对单晶硅进行化学刻蚀；而全息离子束刻蚀法先利用全息干涉法制作光刻胶掩膜，再通过离子束刻蚀光刻胶掩膜，将掩膜图形转移至基底中去。
机械刻划法制备中阶梯光栅，需要拥有刻划精度高且造价高昂的光栅刻划机，光栅刻划机被誉为“精密机械之王”，足以说明该仪器对工作环境和设备本身都有极为苛刻的要求。虽然机械刻划法可以通过更换刻刀实现不同闪耀角、衍射效率高的中阶梯光栅制备，但是因受制于光栅刻划机最大行程的限制，目前单块光栅的最大刻划宽度有限，约为500mm。从国内外制备情况来看，大幅面刻划光栅的成功率实际不到30%。再者，在长时间机械刻划过程中刻刀的磨损以及与基底接触时应力的不均匀性会造成光栅侧壁粗糙，从而在光栅衍射光中引入不必要的杂散光；在机械运动中，机械步进运动产生的周期性误差会被引入光栅槽中，使衍射光谱中出现一定强度的鬼线。
紫外曝光——湿法刻蚀法制备中阶梯光栅，具有制备简便、一致性高等优点，但是光栅的光刻胶掩膜图案主要是由光刻版决定，而光刻板上的图案一般由激光直写设备所制得，光刻板上的光栅图案会伴随有直写设备机械运动所产生的周期性误差。因此由紫外曝光制成的中阶梯光栅往往也伴随着鬼线存在，降低光栅质量。光刻版上的光栅图形随着工艺步骤的推进而不断向下转移，最后图案由湿法刻蚀转移到基底后，这种周期误差会被进一步放大。
全息离子束刻蚀法制备中阶梯光栅，具有高信噪比、无鬼线等优点。但是通过全息法制备大闪耀角的深槽光栅，要求光刻胶掩膜高度达到1微米以上，工艺难度是比较大的。则需要用同质掩膜代替光刻胶掩膜进行刻蚀，即在基底上通过全息法制作光刻胶掩膜，然后通过反应离子刻蚀等方法，将光刻胶掩膜高度成倍地转移到基底之上得到梯形同质掩膜，再用离子束倾斜刻蚀完成制作。在此过程中对同质掩膜的深度、宽度以及刻蚀速率、角度都提出了很高的要求，用全息离子束刻蚀法制作出中阶梯光栅，顶角往往不为90°且会留有一小段不必要的平台宽度，槽形的偏离会使衍射效率明显下降。
综上所述可以看出，如何制备出大幅面、低成本、低杂散光、无鬼线、衍射效率高的中阶梯光栅目前有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法，解决了现有技术中无法制备大幅面、低成本、低杂散光、无鬼线、衍射效率高的中阶梯光栅的弊端。
为解决上述技术问题，本发明提供一种全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法包括：
S1：制备一单晶硅基底，利用预设斜切角对所述单晶硅基底进行斜切处理；
S2：利用热氧化工艺在所述单晶硅基底上表面生长一层二氧化硅钝化层；
S3：在所述二氧化硅钝化层上表面旋涂光刻胶层；
S4：将干涉条纹和所述单晶硅基底表面特定晶向平行，在所述光刻胶层上进行曝光显影，得到光刻胶掩膜；
S5：对所述光刻胶掩膜进行灰化处理，得到处理后的光刻胶掩膜；
S6：对所述处理后的光刻胶掩膜进行反应离子刻蚀，直至所述单晶硅基底显露，停止反应离子刻蚀，得到湿法刻蚀掩膜；
S7：利用刻蚀液对湿法刻蚀掩膜进行化学腐蚀，得到梯形平台光栅；
S8：利用热氧化工艺将所述梯形平台光栅表面的硅氧化为二氧化硅；
S9：利用氢氟酸溶液去除所述梯形平台光栅表面的二氧化硅氧化层；
S10：重复上述步骤S8和S9，直至所述梯形光栅平台表面变为尖角状，得到中阶梯光栅。
优选地，所述得到中阶梯光栅后还包括：
将所述中阶梯光栅放入磁控溅射设备中，在所述光栅表面沉积一层金属反射膜。
优选地，所述制备一单晶硅基底包括：
利用悬浮区熔法生长一单晶硅棒；
将所述单晶硅棒切出一晶面作为基准面，根据预设基底厚度截取所述单晶硅棒，得到所述单晶硅基底。
优选地，所述利用预设斜切角对所述单晶硅基底进行斜切处理包括：
设置光栅闪耀角
；
利用所述光栅闪耀角计算所述预设斜切角
，其计算公式为：
以所述单晶硅棒的水平晶面作为基准进行
斜切处理。
优选地，所述利用热氧化工艺在所述单晶硅基底上表面生长一层二氧化硅钝化层包括：
将所述单晶硅基底放入高温氧化炉中处理；使所述单晶硅基底表面形成一层厚度为300nm的二氧化硅膜层。
优选地，所述在所述二氧化硅钝化层上表面生长光刻胶层前包括：
利用丙酮、乙醇、去离子水对所述覆盖二氧化硅层的单晶硅基底进行超声清洗10分钟；
将清洗后的单晶硅基底放入洁净烘箱中烘干。
优选地，所述将干涉条纹和所述单晶硅基底表面特定晶向平行，在所述光刻胶层上进行曝光显影，得到光刻胶掩膜前包括：
制作与所述单晶硅基底尺寸相同的参考光栅；
将所述参考光栅放入全息曝光转盘上，搭设干涉光路；
调节所述干涉光路，使所述干涉条纹与所述参考光栅所形成的莫尔条纹达到预设莫尔条纹，固定所述干涉光路；
将所述参考光栅取出，将涂抹有光刻胶层的单晶硅基底放入所述参考光栅之前的位置。
优选地，所述对所述光刻胶掩膜进行灰化处理，得到处理后的光刻胶掩膜包括：
将所述光刻胶掩膜放入等离子体刻蚀机中，通入O2作为刻蚀气体；
利用所述O2将显影后的残留的光刻胶进行去除，得到处理后的光刻胶掩膜。
优选地，所述对所述处理后的光刻胶掩膜进行反应离子刻蚀，直至所述单晶硅基底显露，停止反应离子刻蚀，得到湿法刻蚀掩膜包括：
控制所述等离子体刻蚀机的压力为10.0mTorr，刻蚀温度为20℃，控制Ar气体流量为20sccm，CHF3气体流量30sccm，RF功率为150W，ICP功率为0W，进行刻蚀，直至所述单晶硅基底露出，得到反应离子刻蚀后的光刻胶掩膜；
将反应离子刻蚀后的光刻胶掩膜超声清洗10min，得到所述湿法刻蚀掩膜。
优选地，所述利用刻蚀液对湿法刻蚀掩膜进行化学腐蚀，得到梯形平台光栅包括：
将所述湿法刻蚀掩膜放入所述刻蚀液中，水浴加热为75℃。利用磁力搅拌子进行搅拌所述刻蚀液；
当刻蚀30min后更换刻蚀液，直至所述光栅槽形达到预设刻蚀要求，得到所述梯形平台光栅；
对所述梯形平台光栅进行超声清洗烘干处理；
其中，所述刻蚀液包括20wt%~40wt%KOH、10wt%IPA。
本发明所提供的一种全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法，将单晶硅棒作为基底，根据所需光栅闪耀角对基底进行斜切处理，生长钝化层和旋涂光刻胶层，对光刻胶层进行全息曝光显影，使用莫尔条纹使干涉条纹与基底表面特定晶向平行，提高对准精度；利用灰化技术去除残胶，增大湿法刻蚀窗口，提升湿法刻蚀效率；对灰化处理后基底进行反应离子刻蚀和湿法刻蚀，去除表面的光刻胶层和钝化层得到梯形平台光栅，多次氧化沟槽表面的硅再去除氧化层以逐步减小梯形平台，直至出现尖角，提升中阶梯光栅的衍射效率。本发明将全息曝光与湿法刻蚀相结合，降低了中阶梯光栅的制备成本，并且制备的中阶梯光栅具有无鬼线、低杂散光、闪耀角准确、衍射效率高的优点。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法的第一种具体实施例的流程图；
图2为本发明全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法的工艺流程图；
图3为本发明所提供的全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法的第二种具体实施例的流程图；
图4为本发明中单晶硅基底晶向晶面及斜切示意图；
图5为本发明全息曝光光路简图；
图6为本发明中干涉条纹与参考光栅栅线不同夹角下的莫尔条纹示意图；
图7为本发明湿法刻蚀之后光栅的扫描电子显微镜图；
图8为本发明中多次“氧化-HF浸泡”去除光栅平台示意图。
具体实施方式
实施例一
本发明的核心是提供一种全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法，将全息曝光与湿法刻蚀相结合制备中阶梯光栅，并且制备的中阶梯光栅具有无鬼线、低杂散光、闪耀角准确、衍射效率高的优点。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1和图2，图1为本发明所提供的全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法的第一种具体实施例的流程图；图2为本发明全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法的工艺流程图；具体操作步骤如下：
步骤S101：制备一单晶硅基底，利用预设斜切角对所述单晶硅基底进行斜切处理；
将(100)单晶本征硅棒切出一道(011)晶面作为基准面，以基准面上的<110>晶向作为基准方向，根据所需光栅闪耀角，在基准面内以基准方向旋转硅棒进行斜切处理，并按所需厚度截取基底，再将基底上表面抛光至光学面形。
步骤S102：利用热氧化工艺在所述单晶硅基底上表面生长一层二氧化硅钝化层；
利用热氧化工艺在抛光后的基底表面生长一层致密的SiO2作为钝化层。
步骤S103：在所述二氧化硅钝化层上表面旋涂光刻胶层；
对覆盖上SiO2的单晶硅基底用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，氮气吹净，放入洁净烘箱中烘干。涂布光刻胶，使用高速旋涂的方法将光刻胶铺开，再用热板对光刻胶进行前烘处理。
步骤S104：将干涉条纹和所述单晶硅基底表面特定晶向平行，在所述光刻胶层上进行曝光显影，得到光刻胶掩膜；
制作一块与基底尺寸相同的参考光栅，并保留一道与参考光栅栅线方向相互垂直的切边，将其固定在带有旋转调节全息曝光转盘上，搭好干涉光路后，通过观察干涉条纹与参考光栅所形成的莫尔条纹，使干涉条纹与参考光栅的夹角最小，即干涉条纹与参考光栅的栅线尽可能保持平行。取出参考光栅、沿切边将单晶硅基底放回相同位置，使干涉条纹与基底切边保持垂直关系，曝光后显影，得到光刻胶掩膜。
步骤S105：对所述光刻胶掩膜进行灰化处理，得到处理后的光刻胶掩膜；
利用O2等离子体对有光刻胶掩膜的单晶硅基底进行灰化处理，除去沟槽底部残胶、减小光刻胶掩膜占空比。
步骤S106：对所述处理后的光刻胶掩膜进行反应离子刻蚀，直至所述单晶硅基底显露，停止反应离子刻蚀，得到湿法刻蚀掩膜；
将处理完的湿法刻蚀掩膜放入电感耦合等离子体刻蚀机(ICP)中，充入Ar、CHF3气体，对有光刻胶掩膜的单晶硅基底进行刻蚀，直至SiO2层刻蚀完毕、Si基底显露，实现光栅图形的转移，过程中允许对Si基底进行部分过刻。
步骤S107：利用刻蚀液对湿法刻蚀掩膜进行化学腐蚀，得到梯形平台光栅；
将混合好的氢氧化钾(KOH)、异丙醇(IPA)溶液加热至指定温度，将湿法刻蚀掩膜完全浸入刻蚀液中，开始计时，刻蚀过程需要磁力搅拌子对刻蚀液进行不断搅拌。反应过程中定时更换刻蚀液，待反应产生的氢气气泡显著变少后，将基底捞出用去离子水进行冲洗，除去表面残留的刻蚀液，再用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗后吹干。
步骤S108：利用热氧化工艺将所述梯形平台光栅表面的硅氧化为二氧化硅；
步骤S109：利用氢氟酸溶液去除所述梯形平台光栅表面的二氧化硅氧化层；
步骤S110：重复上述步骤S108和S109，直至所述梯形平台光栅表面变为尖角状，得到中阶梯光栅。
此时光栅槽形呈梯形结构，凹槽表面一定宽度的平台对光束起到了遮挡作用，利用热氧化工艺将表面最外层的Si氧化成SiO2后，再用氢氟酸(HF)溶液除去，反复多次后，可有效减少平台宽度直至几乎成尖角状，即在基底上得到了预期的光栅槽形。
利用磁控溅射设备将金属反射膜沉积在光栅表面，以提高光栅的衍射效率，完成中阶梯光栅的制备。
在本实施例中，将单晶硅棒作为基底，根据所需的光栅闪耀角对基底进行斜切处理，生长钝化层和光刻胶层，对光刻胶层进行全息曝光显影处理，使用莫尔条纹是干涉条纹与基底表面特定晶向平行，提高对准精度；利用氧气灰化技术去除残胶，增大湿法刻蚀窗口，提升湿法刻蚀效率；对灰化处理后的基底进行反应离子刻蚀和湿法刻蚀，去除表面的光刻胶层和钝化层，得到梯形平台光栅，最后多次氧化沟槽表面的硅再去除氧化层以逐步减小梯形平台，直至出现尖角，提升中阶梯光栅的衍射效率。本发明降低了制备成本，将全息曝光和湿法刻蚀的优点结合起来，实现了中阶梯光栅的制备。
实施例二
基于实施例一，本实施例对一种全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法进行了更加详细的描述；请参考图3，图3为本发明所提供的全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法的第二种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
步骤S301：利用悬浮区熔法制备单晶硅基底，并对所述单晶硅基底进行斜切处理；
利用悬浮区熔法（Float Zone，简称FZ法）生长出高纯度的(100)本征单晶硅棒，留下一道(011)的切面用作光栅栅线对准。根据所需的光栅闪耀角，将已切制完成的(011)面作为切割面进行斜切处理。
如图4所示，图4中的(a)为(100)单晶硅基底晶向示意图，图4中的(b)为未处理的
基底截面示意图，图4中的(c)为斜切后的基底截面示意图。根据以下公式及所需闪耀角以
(011)晶面上的<110>晶向作为基准方向进行
旋转切割（切割以顺时针旋转为正，逆时针
为负；
为光栅闪耀角大小；54.74°为(100)晶面与(111)晶面间夹角）；
将基底上表面抛光，径厚比为10:1，面形要求：波前PV误差
，RMS误差
（λ
均为光栅的工作中心波长）。
将单晶硅基底分别浸入丙酮、酒精、去离子水中超声清洗10min，用氮气将表面水渍吹净后放入洁净烘箱中干燥。有效去除表面的残留物，避免影响后续工艺步骤。
步骤S302：在单晶硅基底上表面生长一层致密的二氧化硅钝化层；
将处理干净的基底放置在石英晶舟或氧化铝托盘中，放入型号为CALOGIC的高温氧化炉中，通入O2并加热至1100℃持续约3小时，使单晶硅基底的整个表面形成一层厚度为300nm致密SiO2膜层，热氧化过程几乎不影响基底面形。
步骤S303：利用旋涂法在二氧化硅钝化层上涂布一层光刻胶；
将带有二氧化硅钝化层的单晶硅基底真空吸附在匀胶机的旋台上，将光刻胶用滴管滴在基底的中心直至滴满整个表面，通过高速离心旋转基底来获得一层均匀的光刻胶层。涂胶前，先用O2等离子体清洗机对表面进行清洗，再在90℃的热板上进行加热处理，可以使硅片表面的疏水性改变为亲水性，有利于后续光刻胶的附着。光刻胶选用罗门哈斯公司生产的S9912正性光刻胶，用RZR-3100稀释剂将光刻胶稀释，匀胶转速3000~4000转/分，甩胶时间80秒，这样既保证了光刻胶的均匀性，又可以脱去光刻胶中的水分，有利于光刻胶的固化，最终胶厚约600nm左右。匀胶后，在热板上90℃加热10min，目的是为了去除光刻胶中的多余的水分，使光刻胶固定以及与基底附着紧密，便于后续的加工。
步骤S304：根据全息光路对涂有光刻胶层的单晶硅基底进行曝光显影，得到正弦槽光刻胶掩膜；
如图5所示，图5为全息光路的模拟结构图，为准直镜之间的距离，
为准直镜至基
底之间的距离，
为左右光束对光栅基片法线的夹角，由光栅方程可知两光束夹角
：
其中
为光栅周期，
为曝光光束的波长，根据光栅刻线密度大小，调整两支对称
光路的夹角。
光源采用氪离子激光器，激光器输出的光为线偏振光，波长为413.1nm，搭好干涉
光路后，取一块与基底尺寸相同的参考光栅固定在带有旋转调节的曝光台上，其中参考光
栅周期与所需光栅一致。参考光栅底部留一道切边，该切边与参考光栅的栅线垂直。当全息
干涉条纹照射在参考光栅上时，根据下列公式，通过形成的莫尔条纹宽度和已知的参考光
栅周期，计算出干涉条纹与参考光栅之间的夹角
；
其中，
代表参考光栅与干涉条纹的周期，
代表莫尔条纹宽度，干涉条纹与参考光
栅之间的夹角越小则莫尔条纹越大。如图6所示，打开激光器，观察干涉条纹与参考光栅所
形成的莫尔条纹，当干涉条纹与参考光栅的栅线夹角较大时，如图6中的(a)所示；当干涉条
纹与参考光栅的栅线夹角逐渐减少时，摩尔条纹数量会减少，如图6中的(b)所示；旋转参考
光栅直至莫尔条纹放大至最大后，可以认为干涉条纹与参考光栅的栅线对齐，即认为干涉
条纹与基底表面特定晶向对准，如图6中的(c)所示。将参考光栅位置记下，换上涂布好光刻
胶的单晶硅基底后开光使光刻胶受干涉条纹的照射。将曝光后的基底浸入MF-319显影液中
显影，受光敏作用得到均匀分布的正弦槽光刻胶掩膜。
步骤S305：对正弦槽光刻胶掩膜进行灰化处理，得到处理后的光刻胶掩膜；
将正弦槽光刻胶掩膜放入利用牛津Plasma Pro-System 100 ICP等离子体刻蚀机，通入O2作为刻蚀气体，对显影后凹槽底部残留的光刻胶进行去除，其次减少光刻胶掩膜的占空比，缩短湿法刻蚀的时间。
步骤S306：对灰化处理后光刻胶掩膜进行反应离子刻蚀5min，得到湿法刻蚀掩膜；
利用牛津Plasma Pro-System 100 ICP等离子体刻蚀机，使用其中的反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching,简称RIE)对SiO2层进行垂直刻蚀，刻蚀条件：控制所述等离子体刻蚀机的压力为10.0mTorr，刻蚀温度为20℃，控制Ar气体流量为20sccm，CHF3气体流量30sccm，RF功率为150W，ICP功率为0W。反应后的部分Si基底暴露在空气中，将基底浸入丙酮、酒精、去离子水中各超声清洗10min，得到湿法刻蚀掩膜。
步骤S307：利用刻蚀液对湿法刻蚀掩膜进行化学腐蚀，得到梯形平台光栅；
刻蚀液比例为20wt%~40wt%KOH、10wt%IPA，水浴加热为75℃，将得到湿法刻蚀掩膜的基底浸入其中并引入磁力搅拌子进行搅拌，转速为全转速的20%。刻蚀过程中每30min更换一次刻蚀液，观察到液面表面的H2气泡明显减少时，说明刻蚀已到达自停止面，刻蚀结束。将基底放入丙酮、酒精、去离子水中各超声清洗10min后吹净烘干。
如图7所示，图7为本发明湿法刻蚀之后光栅截面的扫描电子显微镜图；从图中可以看出，本发明所得到中阶梯光栅的侧壁更加光滑，杂散光低，闪耀角准确；相比于现有技术，本发明多得到的平台更小，衍射效率更高。
步骤S308：多次氧化、去除氧化层直至平台消除，得到中阶梯光栅；
凹槽表面一定宽度的平台对光束起到了遮挡作用，如图8所示，利用热氧化工艺将目前表面的Si氧化为SiO2，使用HF:H2O=1:10的溶液去除表面的SiO2，依次反复，直至表面平台几乎消失。通过反复氧化和区域氧化层，将最上层的平台逐步去除。
步骤S309：在中阶梯光栅表面沉积一层银反射膜。
使用磁控溅射将Ag膜附着在已有光栅结构的基底上，设备条件如下：Ar为50sccm、直流源功率为50W、气压为1.0Pa、时间为7min，沉积厚度为140~160 nm。增强光栅的衍射效率。
在本实施例中，详细描述了本发明制备中阶梯光栅的制备方法，首先制备一本征单晶硅棒，根据预设的光栅闪耀角进行切割；然后在单晶硅基底表面氧化二氧化硅钝化层，在钝化层上生长光刻胶层；然后根据预设光路在光刻胶层上进行曝光显影处理，对曝光显影后的单晶硅基底进行灰化处理，缩短湿法刻蚀的时间，然后在进行反应离子刻蚀和湿法刻蚀得到梯形平台光栅，多次氧化沟槽表面的硅再去除氧化层以逐步减小梯形平台，得到中阶梯光栅，最后在中阶梯光栅表面沉积一层金属反射膜，提衍射效率高。发明将全息曝光与湿法刻蚀相结合，降低了制备中阶梯光栅制备的成本，并且制备的中阶梯光栅具有无鬼线、低杂散光、闪耀角准确、衍射效率高的优点。
本说明书中各实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的一种全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法以及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种全息曝光-湿法刻蚀中阶梯光栅的制备方法，其特征在于，包括：
S1：制备一单晶硅基底，利用预设斜切角对所述单晶硅基底进行斜切处理；
S2：利用热氧化工艺在所述单晶硅基底上表面生长一层二氧化硅钝化层；
S3：在所述二氧化硅钝化层上表面旋涂光刻胶层；
S4：将干涉条纹和所述单晶硅基底表面特定晶向平行，在所述光刻胶层上进行曝光显影，得到光刻胶掩膜；
S5：对所述光刻胶掩膜进行灰化处理，得到处理后的光刻胶掩膜；
S6：对所述处理后的光刻胶掩膜进行反应离子刻蚀，直至所述单晶硅基底显露，停止反应离子刻蚀，得到湿法刻蚀掩膜；
S7：利用刻蚀液对湿法刻蚀掩膜进行化学腐蚀，得到梯形平台光栅；
S8：利用热氧化工艺将所述梯形平台光栅表面的硅氧化为二氧化硅；
S9：利用氢氟酸溶液去除所述梯形平台光栅表面的二氧化硅氧化层；
S10：重复上述步骤S8和S9，直至所述梯形光栅平台表面变为尖角状，得到中阶梯光栅。
2.如权利要求1所述的中阶梯光栅的制备方法，其特征在于，所述得到中阶梯光栅后还包括：
将所述中阶梯光栅放入磁控溅射设备中，在所述光栅表面沉积一层金属反射膜。
3.如权利要求1所述的中阶梯光栅的制备方法，其特征在于，所述制备一单晶硅基底包括：
利用悬浮区熔法生长一单晶硅棒；
将所述单晶硅棒切出一晶面作为基准面，根据预设基底厚度截取所述单晶硅棒，得到所述单晶硅基底。
4.如权利要求1所述的中阶梯光栅的制备方法，其特征在于，所述利用预设斜切角对所述单晶硅基底进行斜切处理包括：
设置光栅闪耀角
；
利用所述光栅闪耀角计算所述预设斜切角
，其计算公式为：
以所述单晶硅棒的水平晶面作为基准进行
斜切处理。
5.如权利要求1所述的中阶梯光栅的制备方法，其特征在于，所述利用热氧化工艺在所述单晶硅基底上表面生长一层二氧化硅钝化层包括：
将所述单晶硅基底放入高温氧化炉中处理；使所述单晶硅基底表面形成一层厚度为300nm的二氧化硅膜层。
6.如权利要求1所述的中阶梯光栅的制备方法，其特征在于，所述在所述二氧化硅钝化层上表面生长光刻胶层前包括：
利用丙酮、乙醇、去离子水对所述覆盖二氧化硅层的单晶硅基底进行超声清洗10分钟；
将清洗后的单晶硅基底放入洁净烘箱中烘干。
7.如权利要求1所述的中阶梯光栅的制备方法，其特征在于，所述将干涉条纹和所述单晶硅基底表面特定晶向平行，在所述光刻胶层上进行曝光显影，得到光刻胶掩膜前包括：
制作与所述单晶硅基底尺寸相同的参考光栅；
将所述参考光栅放入全息曝光转盘上，搭设干涉光路；
调节所述干涉光路，使所述干涉条纹与所述参考光栅所形成的莫尔条纹达到预设莫尔条纹，固定所述干涉光路；
将所述参考光栅取出，将旋涂有光刻胶层的单晶硅基底放入所述参考光栅之前的位置。
8.如权利要求1所述的中阶梯光栅的制备方法，其特征在于，所述对所述光刻胶掩膜进行灰化处理，得到处理后的光刻胶掩膜包括：
将所述光刻胶掩膜放入等离子体刻蚀机中，通入O2作为刻蚀气体；
利用所述O2将显影后的残留的光刻胶进行去除，得到处理后的光刻胶掩膜。
9.如权利要求8所述的中阶梯光栅的制备方法，其特征在于，所述对所述处理后的光刻胶掩膜进行反应离子刻蚀，直至所述单晶硅基底显露，停止反应离子刻蚀，得到湿法刻蚀掩膜包括：
控制所述等离子体刻蚀机的压力为10.0mTorr，刻蚀温度为20℃，控制Ar气体流量为20sccm，CHF3气体流量30sccm，RF功率为150W，ICP功率为0W，进行刻蚀，直至所述单晶硅基底露出，得到反应离子刻蚀后的光刻胶掩膜；
将反应离子刻蚀后的光刻胶掩膜超声清洗10min，得到所述湿法刻蚀掩膜。
10.如权利要求9所述的中阶梯光栅的制备方法，其特征在于，所述利用刻蚀液对湿法刻蚀掩膜进行化学腐蚀，得到梯形平台光栅包括：
将所述湿法刻蚀掩膜放入所述刻蚀液中，水浴加热为75℃，利用磁力搅拌子进行搅拌所述刻蚀液；
当刻蚀30min后更换刻蚀液，直至所述光栅槽形达到预设刻蚀要求，得到所述梯形平台光栅；
对所述梯形平台光栅进行超声清洗烘干处理；
其中，所述刻蚀液包括20wt%~40wt%KOH、10wt%IPA。
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