CN116500713A - 一种二维光栅制备方法及二维光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种二维光栅制备方法及二维光栅，本发明采用光刻工艺，对衬底进行刻蚀，在衬底上形成二维光栅图形。其中，二维光栅图形由掩模版至少曝光两次形成，每次曝光时，掩模版具有不同的曝光角度。示例性的，在本发明实施例中，至少两次曝光采用同一掩模版进行曝光，通过调整掩模版或衬底的角度，实现不同的曝光角度，如此，可以降低掩模版的设计难度，且通过调整曝光角度，可以形成不同形状的二维光栅图形，自由度较高，无需频繁地设计和制备掩模版，降低了掩模版的设计和制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及光栅加工技术领域，尤其涉及一种二维光栅制备方法及二维光栅。
背景技术
二维光栅是衍射单元在二维方向上周期排列的光栅，一般是通过圆形或矩形孔、柱、椎阵列而形成。二维光栅广泛应用于精密测量、精密定位、AR光波导等领域。
目前，针对微纳米级别的二维光栅的加工大多采用电子束光刻机进行加工。虽然，电子束光刻加工精度高，但是其加工费用昂贵，加工效率较低。
发明内容
本发明提供了一种二维光栅制备方法及二维光栅，能够降低加工费用，提高制备效率。
第一方面，本发明提供了一种二维光栅制备方法，包括：
提供衬底；
采用掩模版对所述衬底进行光刻，在所述衬底上形成二维光栅图形，所述二维光栅图形由所述掩模版至少曝光两次形成，每次曝光时，所述掩模版具有不同的曝光角度。
可选的，采用掩模版对所述衬底进行光刻，在所述衬底上形成二维光栅图形，包括：
在所述衬底上涂布光刻胶；
采用掩模版对所述光刻胶进行曝光，在所述光刻胶上形成沿第一方向周期排列的第一曝光图形；
调整所述掩模版与所述衬底的相对位置，对所述光刻胶进行曝光，在所述光刻胶上形成沿第二方向周期排列的第二曝光图形，所述第一方向与所述第二方向呈预设夹角；
对所述光刻胶进行显影，将所述光刻胶显影为由所述第一曝光图形和所述第二曝光图形相交形成的掩模图形；
对所述衬底进行刻蚀，将所述掩模图形转印到所述衬底上，形成二维光栅图形；
清除所述衬底上的光刻胶，得到二维光栅。
可选的，采用掩模版对所述衬底进行光刻，在所述衬底上形成二维光栅图形，包括：
在所述衬底上形成停止层；
在所述停止层上涂布第一光刻胶；
采用掩模版对所述第一光刻胶进行曝光，在所述第一光刻胶上形成沿第一方向周期排列的第一曝光图形；
对所述第一光刻胶进行显影，将所述第一曝光图形转印到所述第一光刻胶上；
对所述停止层进行刻蚀，将所述第一曝光图形转印到所述停止层上；
清除所述停止层上的第一光刻胶，并在所述停止层上涂布第二光刻胶；
调整所述掩模版与所述衬底的相对位置，对所述第二光刻胶进行曝光，在所述第二光刻胶上形成沿第二方向周期排列的第二曝光图形，所述第一方向与所述第二方向呈预设夹角；
对所述第二光刻胶进行显影，将所述第二曝光图形转印到所述第二光刻胶上；
对所述停止层进行刻蚀，将所述第二曝光图形转印到所述停止层上，在所述停止层上形成由所述第一曝光图形和所述第二曝光图形相交形成的第一掩模图形；
对所述衬底进行刻蚀，将所述第一掩模图形转印到所述衬底上，形成二维光栅图形；
清除所述衬底上的停止层，得到二维光栅。
可选的，对所述衬底进行刻蚀，将所述掩模图形转印到所述衬底上，形成二维光栅图形，包括：
在所述停止层上涂布第三光刻胶；
调整所述掩模版与所述衬底的相对位置，对所述第三光刻胶进行曝光，在所述光刻胶上形成沿第三方向周期排列的第三曝光图形，所述相对位置的调整包括角度调整和位移调整，所述第三方向与所述第二方向呈预设角度；
调整所述掩模版与所述衬底的相对位置，对所述第三光刻胶进行曝光，在所述第三光刻胶上形成沿第四方向周期排列的第四曝光图形，所述第三方向与所述第四方向呈预设夹角；
对所述第三光刻胶进行显影，将所述第三光刻胶显影为由所述第三曝光图形和所述第四曝光图形相交形成的第二掩模图形；
对所述停止层进行刻蚀，将所述第二掩模图形转印到所述衬底上，得到由第一掩模图形和所述第二掩模图形相交形成的第三掩模图形，其中，第一掩模图形与所述第二掩模图形具有相交部；
对所述衬底进行刻蚀，将所述第三掩模图形转印到所述衬底上，形成二维光栅图形。
可选的，在采用掩模版对所述衬底进行光刻之前，还包括：
在所述衬底边缘形成套刻标记，所述套刻标记在曝光时用于对准掩模版。
可选的，在所述衬底边缘形成套刻标记，包括：
在所述衬底涂布光刻胶；
采用掩模版对所述光刻胶进行曝光并显影，将所述掩模版上的标记点转印到所述光刻胶上；
对所述衬底进行刻蚀，将所述标记点转印到所述衬底边缘，得到套刻标记，所述套刻标记至少包括两组标记，每次曝光时采用其中一组标记用于对准掩模版；
清除所述光刻胶。
可选的，至少两次曝光的曝光角度相差0°-360°。
可选的，采用第一刻蚀配方对所述衬底进行刻蚀，采用第二刻蚀配方对所述停止层进行刻蚀，在对所述停止层进行刻蚀过程中，所述第二刻蚀配方不与所述衬底反应。
可选的，在对光刻胶曝光之前，还包括：对所述光刻胶进行烘烤，去除所述光刻胶中的溶剂，使所述光刻胶固化；
在对光刻胶显影之后，还包括：对所述光刻胶进行烘烤，去除所述衬底表面的显影液和清洗液。
第二方面，本发明还提供了一种二维光栅，采用如本发明第一方面提供的二维光栅制备方法制备。
在本发明提供的二维光栅制备方法，采用光刻工艺，对衬底进行刻蚀，在衬底上形成二维光栅图形。其中，二维光栅图形由掩模版至少曝光两次形成，每次曝光时，掩模版具有不同的曝光角度。示例性的，在本发明实施例中，至少两次曝光采用同一掩模版进行曝光，通过调整掩模版或衬底的角度，实现不同的曝光角度，如此，可以降低掩模版的设计难度，且通过调整曝光角度，可以形成不同形状的二维光栅图形，自由度较高，无需频繁地设计和制备掩模版，降低了掩模版的设计和制备成本。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明实施例提供的一种二维光栅制备方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种二维光栅制备方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的一种掩模版的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种曝光图形的局部示意图；
图5为本发明实施例提供的一种二维光栅的局部示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种二维光栅制备方法的流程图；
图7为本发明实施例提供的另一种二维光栅的局部示意图；
图8为本发明实施例提供的另一种二维光栅制备方法的流程图；
图9为本发明实施例提供的另一种二维光栅的局部示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，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，本领域技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
图1为本发明实施例提供的一种二维光栅制备方法的流程图，如图1所示，该二维光栅制备方法包括：
S101、提供衬底。
在本发明实施例中，衬底可以硅衬底、金属衬底，也可以是包括多层结构的复合衬底，本发明实施例在此不做限定。在提供衬底后，还可以对衬底进行预处理，例如，打磨、清洗、预热等，本发明实施例在此不做限定。
S102、采用掩模版对衬底进行光刻，在衬底上形成二维光栅图形，二维光栅图形由掩模版至少曝光两次形成，每次曝光时，掩模版具有不同的曝光角度。
在本发明实施例提供的二维光栅制备方法，采用光刻工艺，对衬底进行刻蚀，在衬底上形成二维光栅图形。其中，二维光栅图形由掩模版至少曝光两次形成，每次曝光时，掩模版具有不同的曝光角度。示例性的，在本发明实施例中，至少两次曝光采用同一掩模版进行曝光，通过调整掩模版或衬底的角度，实现不同的曝光角度，如此，可以降低掩模版的设计难度，且通过调整曝光角度，可以形成不同形状的二维光栅图形，自由度较高，无需频繁地设计和制备掩模版，降低了掩模版的设计和制备成本。
本发明实施例提供的二维光栅制备方法，采用掩模版对所述衬底进行光刻，在衬底上形成二维光栅图形，二维光栅图形由掩模版至少曝光两次形成，每次曝光时，掩模版具有不同的曝光角度，采用光刻工艺制备二维光栅，相比于电子束刻蚀工艺，降低了加工成本，提高了加工效率。此外，至少两次曝光采用同一掩模版进行曝光，通过调整掩模版或衬底的角度，实现不同的曝光角度，如此，可以降低掩模版的设计难度，且通过调整曝光角度，可以形成不同形状的二维光栅图形，自由度较高，无需频繁地设计和制备掩模版，降低了掩模版的设计和制备成本。
图2为本发明实施例提供的另一种二维光栅制备方法的流程图，如图2所示，该二维光栅制备方法包括：
S201、提供衬底。
在本发明实施例中，衬底110可以硅衬底、金属衬底，也可以是包括多层结构的复合衬底，本发明实施例在此不做限定。在提供衬底110后，还可以对衬底110进行预处理，例如，打磨、清洗、预热等，本发明实施例在此不做限定。
S202、在衬底上涂布光刻胶。
在本发明实施例中，如图2所示，可以采用旋涂等涂胶工艺，在衬底110上涂布光刻胶120，并进行匀胶，使得衬底110上的光刻胶120厚度均匀。在本发明实施例中，光刻胶120的厚度为100nm。
在本发明实施例中，在涂布光刻胶之后，采用固胶工序对光刻胶进行固化，固胶过程中，采用烘烤温度为90℃，烘烤时长为90s。
S203、在衬底边缘形成套刻标记，套刻标记在曝光时用于对准掩模版。
在本发明的一些实施例中，为了提高后续多次曝光的套刻精度，可以预先在衬底边缘形成套刻标记，套刻标记在曝光时用于对准掩模版。
将掩模版边缘设置有多组标记点，如图2所示，采用掩模版对光刻胶120进行曝光，将标记点转移到光刻胶120上。然后将衬底110和光刻胶120置于110℃的热板上烘烤80s，去除光刻胶120中的有机溶剂。然后将衬底110和光刻胶120取出冷却30s，并采用浓度为2.38％的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液作为显影液对光刻胶120显影，显影时长为60s，将掩模版上的标记点转印到光刻胶120上，在光刻胶120上形成曝光图形121。然后采用离子束刻蚀及或电感耦合等离子体刻蚀对衬底110进行刻蚀，将曝光图形121转印到衬底110边缘，得到套刻标记111。使用刻蚀配方为SF6(六氟化硫)气体，流量为15Sccm，C3F8(八氟丙烷)气体，流量为15Sccm，压强为0.5Pa，源功率为500W，下偏压为50W，刻蚀10s。其中，套刻标记111至少包括两组标记，每次曝光时采用其中一组标记用于对准掩模版，然后采用浓硫酸和双氧水混合溶液对衬底110进行清洗，清除剩余的光刻胶120。
示例性的，图3为本发明实施例提供的一种掩模版的结构示意图，如图3所示，掩模版的边缘按照逆时针方向，分别在0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、300°和330°方向设置有镂空的标记点201，其中，相差180°的两个标记点201作为一组标记点，例如，30°和210°方向的标记点201作为一组标记点。使用原先设计好的挡板，遮挡住不需要被转移的标记点201和掩模版上中间的曝光区域202，露出需要转移的标记点201。例如，在挡板的作用下将掩模版上需要转移的标记点201，例如，30°、150°、210°、330°方向的标记点201，通过上述光刻工艺，将30°、150°、210°、330°方向的标记点201转移至光刻胶120上，然后对衬底110进行刻蚀，将30°、150°、210°、330°方向的标记点201转移到衬底110上，在衬底110的边缘形成两组套刻标记111，分别为30°和210°方向一组套刻标记111，以及150°和330°方向一组套刻标记111。
S204、在衬底上涂布光刻胶。
如图2所示，在形成有套刻标记111的衬底110上形成一层光刻胶130。示例性的，如图2所示，光刻胶130不遮挡套刻标记111。
示例性的，可以采用旋涂等涂胶工艺，在衬底110上涂布光刻胶130，并进行匀胶，使得衬底上的光刻胶130厚度均匀。在本发明实施例中，光刻胶130的厚度为100nm。在本发明实施例中，在涂布光刻胶130之后，采用固胶工序对光刻胶130进行固化，固胶过程中，采用烘烤温度为90℃，烘烤时长为90s。
S205、采用掩模版对光刻胶进行曝光，在光刻胶上形成沿第一方向周期排列的第一曝光图形。
如图2所示，将掩模版上0°和180°的一组标记点对准衬底110上0°和180°的一组套刻标记111对光刻胶130进行第一次套刻曝光，曝光剂量为4mJ，在光刻胶130上形成沿第一方向周期排列的第一曝光图形。
S206、调整掩模版与衬底的相对位置，对光刻胶进行曝光，在光刻胶上形成沿第二方向周期排列的第二曝光图形，第一方向与第二方向呈预设夹角。
如图2所示，在第一次套刻曝光后，调整掩模版与衬底的相对位置，例如，旋转衬底110，将掩模版上0°和180°的一组标记点对准衬底110上60°和240°的一组套刻标记111对光刻胶130进行第二次套刻曝光，曝光剂量为7mJ，在光刻胶130上形成沿第二方向周期排列的第二曝光图形，第一方向与第二方向呈预设夹角。示例性的，在本实施例中第一方向与第二方向呈60°夹角。
在本发明的一些实施例中，如图3所示，掩模版边缘还设置有至少一组对准标记，一组对准标记包括两个对准标记P1和P2，对准标记P1和P2相差180°。在第一次套刻曝光时，将掩模版上的对准标记P1和P2对准衬底110上0°和180°的一组套刻标记111，第二次套刻曝光时，转动衬底110，使掩模版上的对准标记P1和P2对准衬底110上60°和240°的一组套刻标记111。
图4为本发明实施例提供的一种曝光图形的局部示意图，如图4所示，该曝光图形由沿第一方向X周期排布的第一曝光图形和沿第二方向Y周期排布的第二曝光图形叠加形成。其中，阴影部分为曝光的区域，其余部分为非曝光区域，以光刻胶为正性光刻胶为例，后续显影过程中，曝光的区域被洗去，保留非曝光区域。由于掩模版中的子图形是矩形，因此，如图4上图所示，第一曝光图形和第二曝光图形中的子图形都是矩形，理论上来说，非曝光区域的图形应该是边角分明的菱形。但是，由于两次曝光存在光子邻近效应，如图4下图所示，非曝光区域两次曝光相邻的位置，即四个角的位置A也会被曝光，使得原本边角分明的棱形的角会变得平滑，从而得到椭圆形的非曝光区域。
S207、对光刻胶进行显影，将光刻胶显影为由第一曝光图形和第二曝光图形相交形成的掩模图形。
示例性的，在本发明实施例中，将衬底110和光刻胶130置于110℃热板上烘烤80s，去除光刻胶130中的有机溶剂，然后取出并冷却30s。然后采用浓度为2.38％的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液作为显影液对光刻胶130显影，显影时长为60s，如图2所示，得到由第一曝光图形和第二曝光图形相交形成的掩模图形131。
S208、对衬底进行刻蚀，将掩模图形转印到衬底上，形成二维光栅图形。
如图2所示，以上述掩模图形131为掩模，对衬底110进行刻蚀，将掩模图形131转印到衬底110上，形成二维光栅图形112。示例性的，使用离子束刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀机进行刻蚀，使用刻蚀配方为SF6(六氟化硫)气体，流量为15Sccm，C3F8(八氟丙烷)气体，流量为15Sccm，压强为0.5Pa，源功率为500W，下偏压为50W，刻蚀10s。
如图4所示，两次曝光过程形成椭圆形的非曝光区域，在显影后，光刻胶130的非曝光区域保留下来，曝光区域被洗去，那么在刻蚀时，在衬底110上形成与非曝光区域对应的光栅图案。图5为本发明实施例提供的一种二维光栅的局部示意图，如图5所示，在衬底110上，形成椭圆形的周期排布的光栅图案。
S209、清除衬底上的光刻胶，得到二维光栅。
示例性的，采用浓硫酸和双氧水混合溶液对衬底110进行清洗，清除剩余的光刻胶，得到二维光栅。
图6为本发明实施例提供的另一种二维光栅制备方法的流程图，如图6所示，该二维光栅制备方法包括：
S301、提供衬底。
在本发明实施例中，衬底110可以硅衬底、金属衬底，也可以是包括多层结构的复合衬底，本发明实施例在此不做限定。在提供衬底110后，还可以对衬底110进行预处理，例如，打磨、清洗、预热等，本发明实施例在此不做限定。
S302、在衬底上涂布光刻胶。
在本发明实施例中，如图6所示，可以采用旋涂等涂胶工艺，在衬底110上涂布光刻胶120，并进行匀胶，使得衬底110上的光刻胶120厚度均匀。在本发明实施例中，光刻胶120的厚度为100nm。
在本发明实施例中，在涂布光刻胶之后，采用固胶工序对光刻胶进行固化，固胶过程中，采用烘烤温度为90℃，烘烤时长为90s。
S303、在衬底边缘形成套刻标记，套刻标记在曝光时用于对准掩模版。
在本发明的一些实施例中，为了提高后续多次曝光的套刻精度，可以预先在衬底边缘形成套刻标记，套刻标记在曝光时用于对准掩模版。具体的，套刻标记的制备可以参考本申请前述实施例，本发明实施例在此不再赘述。
S304、在衬底上形成停止层。
如图6所示，在形成有套刻标记111的衬底110上形成一层停止层140。示例性的，如图6所示，停止层140不遮挡套刻标记111。示例性的，在本发明实施例中，采用外延生长法在衬底110上生长一层金属铬作为停止层140，停止层140可以为80nm。在本发明的其他实施例中，停止层140的材料也可以为其他金属、非金属、有机物等，本发明实施例在此不做限定。
S305、在停止层上涂布第一光刻胶。
如图6所示，在停止层140上形成一层光刻胶150。示例性的，如图6所示，光刻胶150不遮挡套刻标记111。
示例性的，可以采用旋涂等涂胶工艺，在停止层140上涂布光刻胶150，并进行匀胶，使得衬底上的光刻胶150厚度均匀。在本发明实施例中，光刻胶150的厚度为100nm。在本发明实施例中，在涂布光刻胶150之后，采用固胶工序对光刻胶150进行固化，固胶过程中，采用烘烤温度为90℃，烘烤时长为90s。
S306、采用掩模版对第一光刻胶进行曝光，在第一光刻胶上形成沿第一方向周期排列的第一曝光图形。
如图6所示，将掩模版上0°和180°的一组标记点对准衬底110上30°和210°的一组套刻标记111对光刻胶160进行第一次套刻曝光，曝光剂量为4mJ，在光刻胶150上形成沿第一方向周期排列的第一曝光图形。
S307、对第一光刻胶进行显影，将第一曝光图形转印到第一光刻胶上。
示例性的，在本发明实施例中，将衬底110和光刻胶150置于110℃热板上烘烤80s，去除光刻胶150中的有机溶剂，然后取出并冷却30s。如图6所示，采用浓度为2.38％的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液作为显影液对光刻胶150显影，显影时长为60s，将第一曝光图形转印到光刻胶150上。
S308、对停止层进行刻蚀，将第一曝光图形转印到停止层上。
如图6所示，在本发明实施例中，使用电感耦合等离子体刻蚀机进行刻蚀，使用刻蚀配方为Cl2(氯气)，流量为15Sccm，O2(氧气)，流量为15Sccm，压强0.5Pa，源功率为500W，下偏压为50W，刻蚀30s，将光刻胶150上的第一曝光图形成功转移至停止层140上。在本发明实施例中，在对停止层140进行刻蚀时采用的刻蚀配方不会与衬底110反应，避免衬底110受损。
S309、清除停止层上的第一光刻胶，并在停止层上涂布第二光刻胶。
如图6所示，使用丙酮和异丙醇先后对该停止层140进行超声清洗，避免清洗液与停止层140反应，清洗后甩干后，再在250℃的环境下烘烤120s，清除停止层140上的残胶，然后在停止层上涂布光刻胶160。涂胶工艺可参考前述实施例，本发明实施例在此不再赘述。
S310、调整掩模版与衬底的相对位置，对第二光刻胶进行第二次套刻曝光，在第二光刻胶上形成沿第二方向周期排列的第二曝光图形，第一方向与第二方向呈预设夹角。
如图6所示，旋转衬底110，将掩模版上30°和210°的一组标记点对准衬底110上150°和330°的一组套刻标记111对光刻胶160进行曝光，曝光剂量为7mJ，在光刻胶160上形成沿第二方向周期排列的第二曝光图形，第一方向与第二方向呈预设夹角。示例性的，在本实施例中第一方向与第二方向呈60°夹角。
在本发明的一些实施例中，在第一次套刻曝光时，将掩模版上的对准标记P1和P2对准衬底110上30°和210°的一组套刻标记111，第二次套刻曝光时，转动衬底110，使掩模版上的对准标记P1和P2对准衬底110上150°和330°的一组套刻标记111。
S311、对第二光刻胶进行显影，将第二曝光图形转印到第二光刻胶上。
示例性的，在本发明实施例中，将衬底110和光刻胶160置于110℃热板上烘烤80s，去除光刻胶160中的有机溶剂，然后取出并冷却30s。如图6所示，采用浓度为2.38％的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液作为显影液对光刻胶160显影，显影时长为60s，将第二曝光图形转印到光刻胶160上。
S312、对停止层进行刻蚀，将第二曝光图形转印到停止层上，在停止层上形成由第一曝光图形和第二曝光图形相交形成的第一掩模图形。
如图6所示，在本发明实施例中，使用电感耦合等离子体刻蚀机进行刻蚀，使用刻蚀配方为Cl2(氯气)，流量为15Sccm，O2(氧气)，流量为15Sccm，压强0.5Pa，源功率为500W，下偏压为50W，刻蚀30s，将光刻胶160上的第二曝光图形成功转移至停止层140上。如此，在停止层140上形成由第一曝光图形和第二曝光图形相交形成的第一掩模图形141。在本发明实施例中，在对停止层140进行刻蚀时采用的刻蚀配方不会与衬底110反应，避免衬底110受损。
S313、对衬底进行刻蚀，将第一掩模图形转印到衬底上，形成二维光栅图形。
如图6所示，去除停止层140上的残胶，对衬底110进行刻蚀，将第一掩模图形141转印到衬底110上，形成二维光栅图形。示例性的，使用离子束刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀机进行刻蚀，使用刻蚀配方为SF6(六氟化硫)气体，流量为15Sccm，C3F8(八氟丙烷)气体，流量为15Sccm，压强为0.5Pa，源功率为500W，下偏压为50W，刻蚀10s。在本发明实施例中，在对衬底110进行刻蚀时采用的刻蚀配方不会与停止层140反应，避免停止层140受损导致光栅图案变形。
图7为本发明实施例提供的另一种二维光栅的局部示意图，本发明实施例中，通过第一曝光、显影后，对停止层140进行刻蚀将沿第一方向周期排列的第一曝光图形转移至停止层140上，然后再在设有第一曝光图形的停止层上涂布第二光刻胶，调整衬底与掩膜板的相对位置，接着按照第二方向对衬底上的第二光刻胶进行第二次曝光、显影后，对停止层140进行第二次刻蚀，将沿第二方向周期排列的第二曝光图形转移至停止层140上，最后在停止层上形成如图7所示的棱角比较分明、边缘垂直度比较好的菱形图案。本方案不限于制备菱形图案，其他图案均可以，例如正方形、长方形、矩形、平行四边形等。
通过采用第一次曝光、显影后，对停止层140进行刻蚀，然后再第二次曝光、显影，再对停止层140进行刻蚀，于停止层140形成二维光栅图案的方式，由于停止层140不感光，因此再次曝光时已刻蚀在停止层140上的结构图不受光子临近效应影响，从而采用这种制备二维光栅结构的方式可有效减少光子邻近效应的影响，进而可在衬底110上制备出棱角比较分明、边缘垂直度较好的二维光栅结构，如图7所示，在衬底110上，形成棱形的周期排布的光栅图案。
S314、清除衬底上的停止层，得到二维光栅。
如图6所示，清除衬底上的停止层140，得到二维光栅。
本发明实施例提供的二维光栅制备方法，在衬底上形成停止层，并在停止层上涂布第一光刻胶，对第一光刻胶进行曝光、显影，并对停止层进行刻蚀，然后再在停止层上涂布第二光刻胶，对第二光刻胶进行曝光、显影，并对停止层进行刻蚀，在停止层上形成掩模图形，并以该掩模图形为掩模，对停止层进行刻蚀，形成二维光栅。由于两次曝光后均通过刻蚀分别将结构图形转移至停止层，减少光子邻近效应影响，如此，可以得到边角分明的光栅图案，提高了刻蚀精度。
在本发明的一些实施例中，还可以采用本发明上述实施例的组合，制备异形光栅图案的二维光栅。图8为本发明实施例提供的另一种二维光栅制备方法的流程图，该实施例步骤S401-S412的步骤可以参考前述实施例中S301-S312的步骤，图8示出了与图6所述的实施例不同的步骤，即步骤S413-S419，参考图6，该二维光栅制备方法包括：
S401、提供衬底。
在本发明实施例中，衬底110可以硅衬底、金属衬底，也可以是包括多层结构的复合衬底，本发明实施例在此不做限定。在提供衬底110后，还可以对衬底110进行预处理，例如，打磨、清洗、预热等，本发明实施例在此不做限定。
S402、在衬底上涂布光刻胶。
在本发明实施例中，如图6所示，可以采用旋涂等涂胶工艺，在衬底110上涂布光刻胶120，并进行匀胶，使得衬底110上的光刻胶120厚度均匀。在本发明实施例中，光刻胶120的厚度为100nm。
在本发明实施例中，在涂布光刻胶之后，采用固胶工序对光刻胶进行固化，固胶过程中，采用烘烤温度为90℃，烘烤时长为90s。
S403、在衬底边缘形成套刻标记，套刻标记在曝光时用于对准掩模版。
在本发明的一些实施例中，为了提高后续多次曝光的套刻精度，可以预先在衬底边缘形成套刻标记，套刻标记在曝光时用于对准掩模版。具体的，套刻标记的制备可以参考本申请前述实施例，本发明实施例在此不再赘述。
S404、在衬底上形成停止层。
如图6所示，在形成有套刻标记111的衬底110上形成一层停止层140。示例性的，如图6所示，停止层140不遮挡套刻标记111。示例性的，在本发明实施例中，采用外延生长法在衬底110上生长一层金属铬作为停止层140，停止层140可以为80nm。在本发明的其他实施例中，停止层140的材料也可以为其他金属、非金属、有机物等，本发明实施例在此不做限定。
S405、在停止层上涂布第一光刻胶。
如图6所示，在停止层140上形成一层光刻胶150。示例性的，如图6所示，光刻胶150不遮挡套刻标记111。
示例性的，可以采用旋涂等涂胶工艺，在停止层140上涂布光刻胶150，并进行匀胶，使得衬底上的光刻胶150厚度均匀。在本发明实施例中，光刻胶150的厚度为100nm。在本发明实施例中，在涂布光刻胶150之后，采用固胶工序对光刻胶150进行固化，固胶过程中，采用烘烤温度为90℃，烘烤时长为90s。
S406、采用掩模版对第一光刻胶进行曝光，在第一光刻胶上形成沿第一方向周期排列的第一曝光图形。
如图6所示，将掩模版上0°和180°的一组标记点对准衬底110上30°和210°的一组套刻标记111对光刻胶160进行第一次套刻曝光，曝光剂量为4mJ，在光刻胶150上形成沿第一方向周期排列的第一曝光图形。
S407、对第一光刻胶进行显影，将第一曝光图形转印到第一光刻胶上。
示例性的，在本发明实施例中，将衬底110和光刻胶150置于110℃热板上烘烤80s，去除光刻胶150中的有机溶剂，然后取出并冷却30s。如图6所示，采用浓度为2.38％的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液作为显影液对光刻胶150显影，显影时长为60s，将第一曝光图形转印到光刻胶150上。
S408、对停止层进行刻蚀，将第一曝光图形转印到停止层上。
如图6所示，在本发明实施例中，使用电感耦合等离子体刻蚀机进行刻蚀，使用刻蚀配方为Cl2(氯气)，流量为15Sccm，O2(氧气)，流量为15Sccm，压强0.5Pa，源功率为500W，下偏压为50W，刻蚀30s，将光刻胶150上的第一曝光图形成功转移至停止层140上。在本发明实施例中，在对停止层140进行刻蚀时采用的刻蚀配方不会与衬底110反应，避免衬底110受损。
S409、清除停止层上的第一光刻胶，并在停止层上涂布第二光刻胶。
如图6所示，使用丙酮和异丙醇先后对该停止层140进行超声清洗，避免清洗液与停止层140反应，清洗后甩干后，再在250℃的环境下烘烤120s，清除停止层140上的残胶，然后在停止层上涂布光刻胶160。
S410、调整掩模版与衬底的相对位置，对第二光刻胶进行曝光，在第二光刻胶上形成沿第二方向周期排列的第二曝光图形，第一方向与第二方向呈预设夹角。
如图6所示，旋转衬底110，将掩模版上30°和210°的一组标记点对准衬底110上150°和330°的一组套刻标记111对光刻胶160进行第二次套刻曝光，曝光剂量为7mJ，在光刻胶160上形成沿第二方向周期排列的第二曝光图形，第一方向与第二方向呈预设夹角。示例性的，在本实施例中第一方向与第二方向呈60°夹角。
在本发明的一些实施例中，在第一次套刻曝光时，将掩模版上的对准标记P1和P2对准衬底110上30°和210°的一组套刻标记111，第二次套刻曝光时，转动衬底110，使掩模版上的对准标记P1和P2对准衬底110上150°和330°的一组套刻标记111。
S411、对第二光刻胶进行显影，将第二曝光图形转印到第二光刻胶上。
示例性的，在本发明实施例中，将衬底110和光刻胶160置于110℃热板上烘烤80s，去除光刻胶160中的有机溶剂，然后取出并冷却30s。如图6所示，采用浓度为2.38％的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液作为显影液对光刻胶160显影，显影时长为60s，将第二曝光图形转印到光刻胶160上。
S412、对停止层进行刻蚀，将第二曝光图形转印到停止层上，在停止层上形成由第一曝光图形和第二曝光图形相交形成的第一掩模图形。
如图6所示，在本发明实施例中，使用电感耦合等离子体刻蚀机进行刻蚀，使用刻蚀配方为Cl2(氯气)，流量为15Sccm，O2(氧气)，流量为15Sccm，压强0.5Pa，源功率为500W，下偏压为50W，刻蚀30s，将光刻胶160上的第二曝光图形成功转移至停止层140上。如此，在停止层140上形成由第一曝光图形和第二曝光图形相交形成的第一掩模图形141。在本发明实施例中，在对停止层140进行刻蚀时采用的刻蚀配方不会与衬底110反应，避免衬底110受损。
S413、清除停止层上的第二光刻胶，并在停止层上涂布第三光刻胶。
如图8所示，使用丙酮和异丙醇先后对该停止层140进行超声清洗，避免清洗液与停止层140反应，清洗后甩干后，再在250℃的环境下烘烤120s，清除停止层140上的残胶，然后在停止层上涂布光刻胶170。涂胶工艺可参考前述实施例，本发明实施例在此不再赘述。
S414、调整所述掩模版与所述衬底的相对位置，对第三光刻胶进行曝光，在光刻胶上形成沿第三方向周期排列的第三曝光图形，相对位置的调整包括角度调整和位移调整，第三方向与第二方向呈预设角度。
如图8所示，旋转衬底110，将掩模版上30°和210°的一组标记点对准衬底110上60°和240°的一组套刻标记111，同时调整掩模版与衬底110的相对位移，例如，沿掩模版上子图形周期排布的方向移动一定的距离(例如，半个周期)，对光刻胶170进行第三次套刻曝光，曝光剂量为4mJ，在光刻胶170上形成沿第三方向周期排列的第三曝光图形。即第三方向与第二方向呈90°。
在本发明的一些实施例中，第三次套刻曝光时，转动衬底110，使掩模版上的对准标记P1和P2对准衬底110上60°和240°的一组套刻标记111。
S415、调整掩模版与衬底的相对位置，对第三光刻胶进行曝光，在第三光刻胶上形成沿第四方向周期排列的第四曝光图形，第三方向与第四方向呈预设夹角。
如图8所示，旋转衬底110，将掩模版上30°和210°的一组标记点对准衬底110上120°和300°的一组套刻标记111对光刻胶170进行第四次套刻曝光，曝光剂量为7mJ，在光刻胶170上形成沿第四方向周期排列的第四曝光图形，第三方向与第四方向呈60°夹角。
在本发明的一些实施例中，第四次套刻曝光时，转动衬底110，使掩模版上的对准标记P1和P2对准衬底110上120°和300°的一组套刻标记111。
S416、对第三光刻胶进行显影，将第三光刻胶显影为由第三曝光图形和第四曝光图形相交形成的第二掩模图形。
在本发明实施例中，将衬底110和光刻胶170置于110℃热板上烘烤80s，去除光刻胶170中的有机溶剂，然后取出并冷却30s。如图8所示，采用浓度为2.38％的TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液作为显影液对光刻胶170显影，显影时长为60s，将第二掩模图形转印到光刻胶170上。
S417、对停止层进行刻蚀，将第二掩模图形转印到停止层上，得到由第一掩模图形和第二掩模图形相交形成的第三掩模图形，其中，第一掩模图形与第二掩模图形具有相交部。
如图8所示，在本发明实施例中，使用电感耦合等离子体刻蚀机进行刻蚀，使用刻蚀配方为Cl2(氯气)，流量为15Sccm，O2(氧气)，流量为15Sccm，压强0.5Pa，源功率为500W，下偏压为50W，刻蚀30s，将光刻胶170上的第二掩模图形成功转移至停止层140上。如此，在停止层140上形成由第一掩模图形和第二掩模图形相交形成的第三掩模图形142，且第一掩模图形与第二掩模图形具有相交部，如此，得到异形图案。
S418、对衬底进行刻蚀，将第三掩模图形转印到衬底上，形成二维光栅图形。
如图8所示，清除停止层140上的残胶，对衬底110进行刻蚀，将第三掩模图形142转印到衬底110上，形成二维光栅图形。示例性的，使用离子束刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀机进行刻蚀，使用刻蚀配方为SF6(六氟化硫)气体，流量为15Sccm，C3F8(八氟丙烷)气体，流量为15Sccm，压强为0.5Pa，源功率为500W，下偏压为50W，刻蚀10s。在本发明实施例中，在对衬底110进行刻蚀时采用的刻蚀配方不会与停止层140反应，避免停止层140受损导致光栅图案变形。
图9为本发明实施例提供的另一种二维光栅的局部示意图，由于光子邻近效应，第二掩模图形的图案为椭圆形，而第一掩模图形的图案为棱形，因此，第三掩模图形的图案为椭圆形与棱形的组合图案。因此，如图9所示，最终在衬底110上，形成棱形和椭圆形组合形成的异形图案的周期排布的光栅图案。
S419、清除衬底上的停止层，得到二维光栅。
如图8所示，清除衬底上的停止层140，得到异形图案的二维光栅。
需要说明的是，在上述实施例中，对于掩模版上标记点的位置描述为对本发明的示例性说明，在本发明其他实施例中，掩模版上可以设置更多的标记点，例如，每隔15°设置一组标记点，从而可以更灵活地调整两次曝光之间的曝光角度，实现两次曝光的曝光角度相差0°-360°范围内任意选择。即图2所述的实施例中的第一次套刻曝光和第二次套刻曝光的曝光角度的相差角度、图6所述的实施例中的第一次套刻曝光和第二次套刻曝光的曝光角度的相差角度、图8所述的实施例中的第一次套刻曝光和第二次套刻曝光的曝光角度的相差角度、第二次套刻曝光和第三次套刻曝光的曝光角度的相差角度、第三次套刻曝光和第四次套刻曝光的曝光角度的相差角度可以根据需要自由调节。
本发明实施例还提供了一种二维光栅，采用本发明上述任意实施例提供的二维光栅制备方法制备。
于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种二维光栅制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
采用掩模版对所述衬底进行光刻，在所述衬底上形成二维光栅图形，所述二维光栅图形由所述掩模版至少曝光两次形成，每次曝光时，所述掩模版具有不同的曝光角度。
2.根据权利要求1所述的二维光栅制备方法，其特征在于，采用掩模版对所述衬底进行光刻，在所述衬底上形成二维光栅图形，包括：
在所述衬底上涂布光刻胶；
采用掩模版对所述光刻胶进行曝光，在所述光刻胶上形成沿第一方向周期排列的第一曝光图形；
调整所述掩模版与所述衬底的相对位置，对所述光刻胶进行曝光，在所述光刻胶上形成沿第二方向周期排列的第二曝光图形，所述第一方向与所述第二方向呈预设夹角；
对所述光刻胶进行显影，将所述光刻胶显影为由所述第一曝光图形和所述第二曝光图形相交形成的掩模图形；
对所述衬底进行刻蚀，将所述掩模图形转印到所述衬底上，形成二维光栅图形；
清除所述衬底上的光刻胶，得到二维光栅。
3.根据权利要求1所述的二维光栅制备方法，其特征在于，采用掩模版对所述衬底进行光刻，在所述衬底上形成二维光栅图形，包括：
在所述衬底上形成停止层；
在所述停止层上涂布第一光刻胶；
采用掩模版对所述第一光刻胶进行曝光，在所述第一光刻胶上形成沿第一方向周期排列的第一曝光图形；
对所述第一光刻胶进行显影，将所述第一曝光图形转印到所述第一光刻胶上；
对所述停止层进行刻蚀，将所述第一曝光图形转印到所述停止层上；
清除所述停止层上的第一光刻胶，并在所述停止层上涂布第二光刻胶；
调整所述掩模版与所述衬底的相对位置，对所述第二光刻胶进行曝光，在所述第二光刻胶上形成沿第二方向周期排列的第二曝光图形，所述第一方向与所述第二方向呈预设夹角；
对所述第二光刻胶进行显影，将所述第二曝光图形转印到所述第二光刻胶上；
对所述停止层进行刻蚀，将所述第二曝光图形转印到所述停止层上，在所述停止层上形成由所述第一曝光图形和所述第二曝光图形相交形成的第一掩模图形；
对所述衬底进行刻蚀，将所述第一掩模图形转印到所述衬底上，形成二维光栅图形；
清除所述衬底上的停止层，得到二维光栅。
4.根据权利要求3所述的二维光栅制备方法，其特征在于，对所述衬底进行刻蚀，将所述掩模图形转印到所述衬底上，形成二维光栅图形，包括：
在所述停止层上涂布第三光刻胶；
调整所述掩模版与所述衬底的相对位置，对所述第三光刻胶进行曝光，在所述光刻胶上形成沿第三方向周期排列的第三曝光图形，所述相对位置的调整包括角度调整和位移调整，所述第三方向与所述第二方向呈预设角度；
调整所述掩模版与所述衬底的相对位置，对所述第三光刻胶进行曝光，在所述第三光刻胶上形成沿第四方向周期排列的第四曝光图形，所述第三方向与所述第四方向呈预设夹角；
对所述第三光刻胶进行显影，将所述第三光刻胶显影为由所述第三曝光图形和所述第四曝光图形相交形成的第二掩模图形；
对所述停止层进行刻蚀，将所述第二掩模图形转印到所述衬底上，得到由第一掩模图形和所述第二掩模图形相交形成的第三掩模图形，其中，第一掩模图形与所述第二掩模图形具有相交部；
对所述衬底进行刻蚀，将所述第三掩模图形转印到所述衬底上，形成二维光栅图形。
5.根据权利要求1-4任一所述的二维光栅制备方法，其特征在于，在采用掩模版对所述衬底进行光刻之前，还包括：
在所述衬底边缘形成套刻标记，所述套刻标记在曝光时用于对准掩模版。
6.根据权利要求5所述的二维光栅制备方法，其特征在于，在所述衬底边缘形成套刻标记，包括：
在所述衬底涂布光刻胶；
采用掩模版对所述光刻胶进行曝光并显影，将所述掩模版上的标记点转印到所述光刻胶上；
对所述衬底进行刻蚀，将所述标记点转印到所述衬底边缘，得到套刻标记，所述套刻标记至少包括两组标记，每次曝光时采用其中一组标记用于对准掩模版；
清除所述光刻胶。
7.根据权利要求1-4任一所述的二维光栅制备方法，其特征在于，至少两次曝光的曝光角度相差0°-360°。
8.根据权利要求3或4所述的二维光栅制备方法，其特征在于，采用第一刻蚀配方对所述衬底进行刻蚀，采用第二刻蚀配方对所述停止层进行刻蚀，在对所述停止层进行刻蚀过程中，所述第二刻蚀配方不与所述衬底反应。
9.根据权利要求2-4任一所述的二维光栅制备方法，其特征在于，
在对光刻胶曝光之前，还包括：对所述光刻胶进行烘烤，去除所述光刻胶中的溶剂，使所述光刻胶固化；
在对光刻胶显影之后，还包括：对所述光刻胶进行烘烤，去除所述衬底表面的显影液和清洗液。
10.一种二维光栅，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述二维光栅制备方法制备。
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