CN116040955A - 一种用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法，包括以下步骤：S1：准备熔石英玻璃基片，依次经过超声机、等离子机清洗后，吹干备用；S2：依次涂覆六甲基二硅氮甲烷、电子束光刻胶、导电胶；S3：采用电子束曝光的方式，将待加工纳米级图形结构转移至表面的电子束光刻胶上；S4：对熔石英玻璃基片进行刻蚀后，洗净熔石英玻璃基片；S5：依次涂覆六甲基二硅氮甲烷、光刻胶；S6：采用激光直写曝光的方式，将待加工微米级图形结构以套刻的形式转移至表面的光刻胶上；S7：对玻璃基片进行刻蚀，洗净玻璃基片，形成最终的玻璃器件结构。利用本发明，可以解决现有标定板中线宽过大、长度无法充满整个幅宽的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米结构玻璃加工领域，尤其是涉及一种用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法。
背景技术
随着光学前沿领域的不断发展，对于大口径超光滑玻璃光学元件的质量要求也越来越高，玻璃光学元件的缺陷检测必不可少，在检测过程中标定板制作成为光学加工及检测领域迫切需要解决的关键技术问题。如公开号为CN107356608A的中国专利文献公开了一种大口径熔石英光学元件表面微缺陷快速暗场检测方法，首先采用明场面阵CCD显微系统对光学元件进行定位，确定光学元件在绝对坐标系下的位置，再利用光谱共焦测距系统确定光学元件强激光辐照出光面方程，最后利用暗场线阵CCD显微系统对精确移动的大口径熔石英光学元件表面进行单向光栅式逐行快速扫描，获取微缺陷信息，并采用明场面阵CCD显微系统在线监测光学元件。
利用显微散射暗场成像来检测精密表面疵病，疵病在系统中成像的放大关系不是简单的线型放大关系。疵病散射光本身对所成像的大小有着一定的影响，且在不同大小的疵病中，这种影响并非简单的线性关系。在图像中的疵病尽管可用数字化处理的方法得到其大小，但这是用像素来表示的，而每一像素对应的实际大小值，与光学系统的放大关系有关，不能直接利用系统的放大倍率来计算。在散射成像的放大关系还不能明确的用数学计算公式表示的时候，用比对法来计算疵病真实大小不失为一种较为合理的方法。在这一基础上建立光学散射成像系统专用的标定系统，来实现对被检疵病的正确量度。使用比对法，需制作一系列参考的标准用于与被检疵病图像进行比对，标准比对板因此而产生。
熔石英因其硬度高、耐磨性好成为了制定标定板的主要材料。常见的缺陷有划痕和麻点，划痕缺陷表现为光学元件表面上的一道沟槽，麻点缺陷表现为光学元件表面上的一个凹坑，通过在熔石英上刻蚀脊形结构和圆分别模拟划痕和麻点用于标定。由于疵病散射成像的放大作用与疵病大小有着一定的关系。在不同的宽度有着不同的放大关系，因此在标准比对板中不能仅仅只有一种疵病的标准。以划痕疵病为例，在标准比对板中需制作一系列不同宽度的模拟疵病标准来对应不同宽度范围内的疵病比对。标定过程中，熔石英表面刻蚀有毫米级长度、百纳米至百微米级线宽的脊形结构和圆。因此亟需开发一种能用于绝缘体表面的混合图形微纳米加工新方法。
发明内容
为解决现有标定板中线宽过大，长度无法充满整个幅宽的问题，本发明提供了一种用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法。
一种用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法，包括以下步骤：
S1：准备熔石英玻璃基片，依次经过超声机、等离子机清洗后，吹干备用；
S2：依次涂覆六甲基二硅氮甲烷、电子束光刻胶、导电胶；
S3：采用电子束曝光的方式，将待加工纳米级图形结构转移至表面的电子束光刻胶上；
S4：对熔石英玻璃基片进行刻蚀后，洗净熔石英玻璃基片；
S5：依次涂覆六甲基二硅氮甲烷、光刻胶；
S6：采用激光直写曝光的方式，将待加工微米级图形结构以套刻的形式转移至表面的光刻胶上；
S7：对玻璃基片进行刻蚀，洗净玻璃基片，形成最终的玻璃器件结构。
步骤S1中，熔石英玻璃基片的牌号为JGS1、JGS2或JGS3，长宽范围为30mm～50mm，厚度范围为1mm～5mm。
步骤S2的具体过程为：
使用真空烘箱将熔石英玻璃基片处于负压条件下进行干燥，同时真空环境中释放六甲基二硅氮甲烷，使得熔石英玻璃基片表面均匀的覆上8～12纳米的六甲基二硅氮甲烷作为增粘剂；
使用匀胶机以低速800～1200转/分，4～6秒的时间将电子束光刻胶旋涂注胶，然后以高速3000～5000转/分，15～25秒的时间完成高转速匀胶；在增粘剂的作用下，熔石英表面均匀完整地附着膜厚2～4μm的电子束光刻胶；
对电子束光刻胶进行160～200℃、80～100秒的前烘处理，以转速1500～2500转/分的速度在电子束光刻胶表面涂覆导电胶，匀胶之后进行烘干处理，温度80～100℃，时间2～3分钟。
步骤S3中，待加工纳米级图形结构的宽度为100nm～2μm，长度大于5mm。
步骤S4中，在对熔石英玻璃基片进行刻蚀之前，需要水解表面的导电胶；使用甲基异丁基甲酮液体对熔石英玻璃基片进行显影60s，期间使用显微镜观察显影情况，而后使用异丙醇容易进行定影30s后，进行后烘处理。
步骤S4和S7中，使用感应耦合等离子干法刻蚀对熔石英玻璃基片进行刻蚀，氟基气体采用CHF3、C4F8，其他气体包括SF6、O2，刻蚀玻璃基片的气压为2.5～3.5mTorr，刻蚀功率为50W～1000W，偏置射频功率为300W～800W，刻蚀温度为40℃～60℃。
步骤S5的具体过程为：
使用真空烘箱将熔石英玻璃基片处于负压条件下进行干燥，同时真空环境中释放六甲基二硅氮甲烷，使得熔石英玻璃基片表面均匀的覆上8～12纳米的六甲基二硅氮甲烷作为增粘剂；
使用匀胶机以低速800～1200转/分，8～12秒的时间将ARP5350光刻胶旋涂注胶，然后以高速3000～5000转/分，25～35s的速度和时间完成高转速匀胶；在增粘剂的作用下，熔石英表面均匀完整地附着ARP5350光刻胶；进一步对ARP5350光刻胶进行温度100～110℃、时间4～6分钟的前烘处理。
步骤S6中，待加工微米级图形结构的宽度为2μm～500μm，长度大于5mm。
与现有技术相比，本发明通过优化工艺组合，大大提升了标定板的制作效率和制作精度，节约了制作成本。面对含有纳微米级线宽、近十毫米长度的大量划痕图形的工艺需求，由于不同线宽图形的显影时间差异，无法一次加工完成，一般而言，线宽小的结构显影需要的时间更长。单独使用激光直写设备加工则是无法满足加工精度的要求，单独使用电子束曝光设备不仅需要近百小时的曝光时间，而且需要多次进样加工、合理控制每次显影时间。本发明将划痕图形进行合理分配组合后，结合使用电子束曝光设备和激光直写曝光设备，可以达到在绝缘材料上刻蚀毫米级长度、百纳米至百微米级线宽的划痕图形。经过该制作方法的标定板，所包含的图形结构有线宽纳米级和微米级图形，长度达毫米，适合应用于标定，该方法操作简单，精度高，可靠性高。
附图说明
图1为本发明实施例一种用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法流程图；
图2为本发明实施例加工得到的熔石英玻璃标定板经过扫描电镜的测量结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法，包括以下步骤：
S1：选择洁净度40/20、长宽为35mm×35mm、厚度1mm的JGS2熔石英基片，经过超声波、等离子体机清洗后，吹干备用。因标定需要，划痕的宽度应在微纳米均匀变化，故使用显微镜观察表面是否存在明显的划痕和麻点等疵病影响加工。
S2：使用真空烘箱将熔石英处于负压条件下进行干燥，同时真空环境中释放六甲基二硅氮甲烷，使得熔石英表面均匀的覆上近十纳米的六甲基二硅氮甲烷增粘剂。使用匀胶机以低速1000转/分，5s的速度和时间将PMMA-950K电子束光刻胶旋涂注胶，然后以高速4000转/分，20s的速度和时间完成高转速匀胶。在增粘剂的作用下，熔石英表面均匀完整地附着膜厚接近3μm的PMMA-950K。为保持PMMA的稳定性，需进行前烘处理，温度180℃，时间90秒。因为熔石英玻璃的导电性能较差，电子束曝光工艺无法精确地进行曝光，因此以转速2000转/分的速度涂覆导电胶，匀胶之后进行烘干处理，温度90℃，时间2分钟。
S3：采用电子束曝光的方式，将待加工纳米级图形结构转移至表面的电子束光刻胶上；将样品放置在样品台上，进入腔室后抽真空处理；选择合适的电子束模式后校准调平样品表面，使其与扫描平台三维坐标保持一致；选定曝光原点、绘制所需曝光图形后即可开始曝光。
S4：取出腔室中的样品后，因导电胶对显影液的不亲和性，需水解表面的导电胶；使用甲基异丁基甲酮液体对样品进行显影60s，期间使用显微镜观察显影情况；而后使用异丙醇容易进行定影30s后，进行后烘处理，参数与前烘一致。
使用感应耦合等离子干法刻蚀对熔石英样品进行刻蚀，使用的气体包括C4F8、CHF3、SF6、O2，气压为3mTorr，刻蚀功率50W，偏置射频功率800W，刻蚀时间100s，最后洗净吹干玻璃基片，在样品表面得到深度约250nm的所需曝光图形。
S5：在已有纳米级图形的玻璃样品上继续加工，使用真空烘箱将熔石英处于负压条件下进行干燥，同时真空环境中释放六甲基二硅氮甲烷，使得熔石英表面均匀的覆上近十纳米的六甲基二硅氮甲烷增粘剂。使用匀胶机以低速1000转/分，10s的速度和时间将ARP5350光刻胶旋涂注胶，然后以高速4000转/分，30s的速度和时间完成高转速匀胶。在增粘剂的作用下，熔石英表面均匀完整地附着ARP5350光刻胶。为保持光刻胶的稳定性，需进行前烘处理，温度105℃，时间300秒。
S6：使用激光直写曝光，将待加工微米级图形结构以套刻的形式，转移至表面的光刻胶上；扫描定位样品的位置，将样品左下角定为坐标原点，设定好曝光计量22.5W。在已知电子束曝光图形位置的情况下，在计算机中输入预曝光图形，即可完成激光直写曝光。完成曝光后，显影定影后进行后烘处理，温度105℃，时间300秒。
S7：使用感应耦合等离子干法刻蚀对熔石英样品进行刻蚀，使用的气体包括C4F8、CHF3、SF6、O2，气压为3mTorr，刻蚀功率50W，偏置射频功率800W，因为电子束曝光的图形线宽在纳米级，故相同的刻蚀时间，刻蚀深度小。本次设定刻蚀时间60s，最后洗净吹干玻璃基片，在样品表面得到深度约250nm的所需曝光图形；洗净玻璃基片，形成最终的玻璃器件结构。
本发明采用以上步骤，制作了一块高精度的熔石英玻璃标定板，标定板的长宽35mm×35mm，厚度5mm，辐射型划痕的直径30μm。如图2所示，经过扫描电镜的测量，所制作的标定板宽度符合设计值偏差，数据如下：
0.5μm，1μm(线宽与设计值的偏差小于0.1μm)；2μm，3μm，4μm，5μm，6μm，7μm，8μm，9μm，10μm，20μm，30μm，40μm，50μm(线宽与设计值的偏差小于0.5μm)；60μm，70μm，80μm，90μm，100μm，150μm，200μm，250μm，300μm(线宽与设计值的偏差小于1μm)，长度为5mm。
使用待标定的检测系统对熔石英表面刻蚀得到的微纳米结构进行测量，通过检测系统的CCD可以获取不同线宽的数据；使用高精度仪器，例如扫描电镜、高倍率显微镜等，对同一位置线宽进行标称测量，经过计算机的拟合结果，得到仪器检测系统的标定结果。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：准备熔石英玻璃基片，依次经过超声机、等离子机清洗后，吹干备用；
S2：依次涂覆六甲基二硅氮甲烷、电子束光刻胶、导电胶；
S3：采用电子束曝光的方式，将待加工纳米级图形结构转移至表面的电子束光刻胶上；
S4：对熔石英玻璃基片进行刻蚀后，洗净熔石英玻璃基片；
S5：依次涂覆六甲基二硅氮甲烷、光刻胶；
S6：采用激光直写曝光的方式，将待加工微米级图形结构以套刻的形式转移至表面的光刻胶上；
S7：对玻璃基片进行刻蚀，洗净玻璃基片，形成最终的玻璃器件结构。
2.根据权利要求1所述的用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法，其特征在于，步骤S1中，熔石英玻璃基片的牌号为JGS1、JGS2或JGS3，长宽范围为30mm～50mm，厚度范围为1mm～5mm。
3.根据权利要求1所述的用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法，其特征在于，步骤S2的具体过程为：
使用真空烘箱将熔石英玻璃基片处于负压条件下进行干燥，同时真空环境中释放六甲基二硅氮甲烷，使得熔石英玻璃基片表面均匀的覆上8～12纳米的六甲基二硅氮甲烷作为增粘剂；
使用匀胶机以低速800～1200转/分，4～6秒的时间将电子束光刻胶旋涂注胶，然后以高速3000～5000转/分，15～25秒的时间完成高转速匀胶；在增粘剂的作用下，熔石英表面均匀完整地附着膜厚2～4μm的电子束光刻胶；
对电子束光刻胶进行160～200℃、80～100秒的前烘处理，以转速1500～2500转/分的速度在电子束光刻胶表面涂覆导电胶，匀胶之后进行烘干处理，温度80～100℃，时间2～3分钟。
4.根据权利要求1所述的用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法，其特征在于，步骤S3中，待加工纳米级图形结构的宽度为100nm～2μm，长度大于5mm。
5.根据权利要求1所述的用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法，其特征在于，步骤S4中，在对熔石英玻璃基片进行刻蚀之前，需要水解表面的导电胶；使用甲基异丁基甲酮液体对熔石英玻璃基片进行显影60s，期间使用显微镜观察显影情况，而后使用异丙醇容易进行定影30s后，进行后烘处理。
6.根据权利要求1所述的用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法，其特征在于，步骤S4和S7中，使用感应耦合等离子干法刻蚀对熔石英玻璃基片进行刻蚀，氟基气体采用CHF3、C4F8，其他气体包括SF6、O2，刻蚀玻璃基片的气压为2.5～3.5mTorr，刻蚀功率为50W～1000W，偏置射频功率为300W～800W，刻蚀温度为40℃～60℃。
7.根据权利要求1所述的用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法，其特征在于，步骤S5的具体过程为：
使用真空烘箱将熔石英玻璃基片处于负压条件下进行干燥，同时真空环境中释放六甲基二硅氮甲烷，使得熔石英玻璃基片表面均匀的覆上8～12纳米的六甲基二硅氮甲烷作为增粘剂；
使用匀胶机以低速800～1200转/分，8～12秒的时间将ARP5350光刻胶旋涂注胶，然后以高速3000～5000转/分，25～35s的速度和时间完成高转速匀胶；在增粘剂的作用下，熔石英表面均匀完整地附着ARP5350光刻胶；进一步对ARP5350光刻胶进行温度100～110℃、时间4～6分钟的前烘处理。
8.根据权利要求1所述的用于检测系统标定的熔石英表面微纳结构加工方法，其特征在于，步骤S6中，待加工微米级图形结构的宽度为2μm～500μm，长度大于5mm。
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