TWI448741B - 光柵之製備方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種光柵之製備方法。
亞波長光柵係半導體工業及精密儀器中最常用到的光學器件之一。亞波長光柵係指光柵的結構特徵尺寸與工作波長相當或更小。製備高密度、亞波長、高佔空比的亞波長石英光柵非常困難。需要應用到的蝕刻技術有電子束蝕刻、聚焦離子束蝕刻、深紫外光刻、光全息蝕刻及奈米壓印技術。其中深紫外光刻方法有繞射極限的問題，此外上述方法都有諸如成本太高，不能工業化生產等問題。
石英光柵包括一石英基底，該石英基底的一表面上形成有複數凹槽。可通過反應離子蝕刻(Reaction-Ion-Etching，RIE)方法實現對石英基底的蝕刻形成所述複數凹槽。先前技術中採用RIE技術蝕刻石英基底的過程中，多採用四氟化碳(CF4)、六氟化硫(SF6)作為蝕刻氣體對石英基底進行蝕刻。然，RIE方法在蝕刻過程中，蝕刻氣體SF6容易與石英基底發生反應生成氟矽碳化合物。該種氟矽碳化合物附著在石英基底的表面形成保護層，並阻隔蝕刻氣體與石英基底接觸，使蝕刻反應難以進行下去。
為了克服上述問題，可在蝕刻氣體中添加氧氣(O2)。O2可與蝕刻過程中生成的氟矽碳化合物反應進而燒蝕掉氟矽碳化合物，使
蝕刻氣體CF4及SF6繼續及石英基底接觸並蝕刻石英基底從而使蝕刻反應連續進行。然而，O2會與石英基底反應生成具有矽氧鍵及矽碳鍵的化合物，該種化合物同樣會附著在石英基底的表面形成保護層阻隔蝕刻氣體CF4及SF6與石英基底接觸。因此，O2仍然會阻礙蝕刻反應的進行。由於上述問題，蝕刻形成的凹槽的橫截面呈V型，凹槽的深度有限且其側壁不陡直，使光柵的繞射效果較差。使光柵在光譜儀器、特種干涉儀、光碟技術及光互聯領域的應用有限。
綜上所述，提供一種對光波的繞射性能較好的光柵之製備方法實為必要。
一種光柵之製備方法，其包括以下步驟：提供一基底，在基底表面形成一圖形化的光罩層；將該形成有光罩層的基底放入一反應性電漿系統中，通入蝕刻氣體對基底進行蝕刻，蝕刻過程分為三階段：第一蝕刻階段，蝕刻氣體的成分為四氟化碳及氬氣，四氟化碳及氬氣同時通入，四氟化碳及氬氣的總體積流量為40sccm至120sccm，四氟化碳的體積流量為10sccm至100sccm，氬氣的體積流量為1sccm至30sccm；第二蝕刻階段，蝕刻氣體的成分改變為四氟化碳、六氟化硫及氬氣，且四氟化碳、六氟化硫及氬氣同時通入，其中，蝕刻氣體的電漿的總體積流量為40sccm至120sccm，其中，六氟化硫的體積流量大於四氟化碳的體積流量；第三蝕刻階段，繼續同時通入四氟化碳、六氟化硫及氬氣，其中四氟化碳的體積流量大於六氟化硫的體積流量，四氟化碳的體積流量為20sccm至80sccm，六氟化硫的體積流量為5sccm至50sccm，氬氣
的體積流量為5sccm至40sccm；及去除光罩層，得到一光柵。
相對於先前技術，本發明提供的光柵之製備方法具備以下有益效果：(1)通過在第一蝕刻階段，控制四氟化碳及氬氣的總體積流量為40sccm至120sccm，四氟化碳的體積流量為10sccm至100sccm，氬氣的體積流量為1sccm至30sccm，首先在基底的表面形成複數深度較淺的凹槽，確定光柵的佔空比，如此有利於在第二蝕刻階段，通過加大六氟化硫的體積流量迅速加深凹槽的深度，避免了直接進行第二蝕刻階段，凹槽的寬度會被拓寬，使光柵的佔空比不準確；(2)在第二蝕刻階段，通過控制蝕刻氣體的總體積流量為40sccm至120sccm，其中，六氟化硫的體積流量大於四氟化碳的體積流量，使蝕刻過程主要為沿着凹槽的深度方向蝕刻，較快的增加了凹槽的深度，保證了蝕刻精度及深寬比；(3)通過在第三蝕刻階段，控制六氟化硫的體積流量的範圍為5sccm至50sccm，四氟化碳的體積流量為20sccm至80sccm，進而在第三蝕刻階段，使電漿主要蝕刻凹槽底部的側壁，從而將第二蝕刻階段結束後形成的橫截面為V形或U形的凹槽修正成為橫截面為矩形的凹槽。凹槽的側壁陡直、表面光滑使光柵的繞射效果較好。使其在光譜儀器、特種干涉儀、光碟技術及光互聯領域具有較好的應用。
10‧‧‧光柵
110‧‧‧基底
120‧‧‧光罩層
121‧‧‧光罩材料薄膜
122‧‧‧第一開口
124‧‧‧光罩條
130‧‧‧蝕刻氣體
140‧‧‧抗蝕層
141‧‧‧抗蝕材料薄膜
142‧‧‧凸部
143‧‧‧預製抗蝕層
144‧‧‧凹部
146‧‧‧第二開口
150‧‧‧凹槽
160‧‧‧凸棱
圖1係本發明提供的光柵之製備方法的方法流程圖。
圖2係本發明提供的光柵之製備方法中所採用之圖形化光罩層的俯視圖。
圖3係本發明提供的光柵之製備方法中所採用的光罩層的製備工藝流程圖。
圖4係本發明提供的光柵之製備方法中所採用的刻蝕氣體的總體積流量不同時得到的亞波長光柵中的單個凹槽的橫截面形狀示意圖。
圖5係本發明提供的光柵之製備方法中製備得到之光柵的低倍掃描電鏡照片。
圖6係本發明提供的光柵之製備方法中製備得到之光柵的高倍掃描電鏡照片。
圖7係本發明提供的光柵之製備方法中製備得到之未經修飾的光柵的高倍掃描電鏡照片。
以下將結合附圖詳細說明本發明實施例提供的光柵10的製備方法。
請參閱圖1，本發明實施例提供一種光柵10的製備方法，該光柵10為一種亞波長光柵，其包括以下步驟：S100：提供一基底110，該基底110的表面形成有一層圖形化的光罩層120；S200：將該形成有光罩層120的基底110放入一反應性電漿系統中(圖未示)，同時通入蝕刻氣體130，對通過圖形化的光罩層120
暴露的基底110進行蝕刻，蝕刻過程分為三蝕刻階段：第一蝕刻階段：蝕刻氣體的成分為四氟化碳及氬氣，四氟化碳及氬氣的同時通入，四氟化碳的體積流量為10sccm至100sccm，氬氣的體積流量為1sccm至30sccm；第二蝕刻階段，蝕刻氣體的成分改變為四氟化碳、六氟化硫及氬氣，且將該四氟化碳、六氟化硫及氬氣同時通入，其中，蝕刻氣體的總體積流量為40sccm至120sccm，其中，六氟化硫的體積流量大於四氟化碳的體積流量；第三蝕刻階段，繼續同時通入四氟化碳、六氟化硫及氬氣的電漿，其中四氟化碳的體積流量大於六氟化硫的體積流量，四氟化碳的體積流量為20sccm至80sccm，六氟化硫的體積流量為5sccm至10sccm，氬氣的體積流量為5sccm至40sccm；及S300：去除光罩層120，得到一光柵10。
在步驟S100中，所述基底110為一平板，其形狀大小不限，可為圓形平板，方形平板等，也可根據實際需要製備。所述基底110可為半導體基底或矽基基底。具體地，所述基底110的材料可為氮化鎵、砷化鎵、藍寶石、藍寶石、氧化鎂、矽、碳化矽、二氧化矽或氮化矽等。所述二氧化矽基底110可為石英基底或玻璃基底。進一步的，所述基底110的材料可為摻雜的半導體材料如P型氮化鎵或N型氮化鎵等。優選地，所述基底110為一半導體層。所述基底110的大小、厚度及形狀不限，可根據實際需要選擇。本實施例中，所述基底110的材料為石英。
所述圖形化的光罩層120具有奈米圖形，具體地，所述光罩層120
具有間隔設置的複數第一開口122。所述第一開口122的尺寸為奈米級。所述複數第一開口122的形狀及尺寸依據實際需要而定。所述第一開口122沿着光罩層120的厚度方向貫穿所述光罩層120。所述基底110的部份表面通過所述光罩層120的第一開口122暴露。依據所述第一開口122的形狀及尺寸，所述光罩層120可為連續膜也可為不連續膜。所述光罩層120的材料不限，可依據實際需要及蝕刻所需要的氣氛進行選擇。請參閱圖2，本實施例中，所述光罩層120為複數平行且間隔設置的光罩條124，光罩條124通過條形第一開口122相互間隔開。故，任意相鄰的兩光罩條124之間具有一條形第一開口122。所述光罩條124由光罩層120的一端延伸至相對的另一端，所述條形第一開口122由光罩層120的一端延伸至相對的另一端，此時所述光罩層120不連續。或者沿着平行於光罩層120表面的任意一方向，所述條形第一開口122並未貫穿所述光罩層120。此時所述光罩層120連續，所述條形第一開口122週期性排列。本實施例中所述光罩層120為一鉻(Cr)層。所述條形第一開口122及光罩條124的形狀及尺寸相同。所述條形第一開口122為週期性排列，寬度為100奈米，深度為40奈米。
請參閱圖3，在基底110上形成光罩層120的方法具體包括以下步驟：S110：在所述基底110的表面形成一抗蝕材料薄膜141；S120：通過奈米壓印的方法使所述抗蝕材料薄膜141被圖形化成具有奈米圖形的預製抗蝕層143，所述具有奈米圖形的預製抗蝕層143包括複數凸部142及複數凹部144；S130：去除具有奈米圖形的預製抗蝕層143中的凹部144中剩餘的
抗蝕材料薄膜141，形成具有第二開口146的所述抗蝕層140，所述基底110的部份表面通過所述抗蝕層140的第二開口146暴露；S140：在具有第二開口146的抗蝕層140的表面及通過該抗蝕層140暴露的基底110的表面上沈積一光罩材料薄膜121；及S150：去除抗蝕層140，於基底110表面形成一具有奈米圖形的光罩層120。
在步驟S110中，在所述基底110的整個表面覆蓋形成抗蝕材料薄膜141。所述抗蝕材料薄膜141可為一單層結構或複合層結構。當所述抗蝕材料薄膜141為一單層結構時，所述抗蝕材料薄膜141的材料可為ZEP520A、HSQ(hydrogen silsesquioxane)、PS(Polystyrene)、PMMA(Polymethylmethacrylate)、SOG(Silicon on glass)、AR-N系列、AR-Z系列、AR-B系列、SAL-601或其他有機矽類低聚物等材料，所述抗蝕材料薄膜141用於保護其覆蓋位置處的基底110。所述抗蝕材料薄膜141的厚度可根據實際需要進行選擇，如需要蝕刻的深度等。本實施例中，所述抗蝕材料薄膜141具有兩層層疊結構，一層材料為聚甲基苯烯酸甲酯(PMA)，一層為二氧化矽無機類(hydrogen silsesquioxane，HSQ)材料。所述PMMA層鄰近石英基底110設置。
本實施例中，所述抗蝕材料薄膜141的製備方法包括以下步驟：
首先，採用標準方法清洗基底110後，於基底110的一表面旋塗PMMA。該PMA層的厚度為100奈米至500奈米。本實施例中，所述標準方法為超淨間標準清洗方法。
其次，在PMMA層的遠離所述基底110的表面形成一過渡層，以覆蓋所述PMMA層。所述過渡層的材料為二氧化矽。可通過濺射法或沈積法，在所述PMMA層上形成所述過渡層。本實施例中，所述PMMA層上沈積玻璃態二氧化矽，形成一厚度為10奈米至100奈米的二氧化矽薄膜。
最後，形成一HSQ層覆蓋所述過渡層。
通過液滴塗布、旋塗法等方法沈積HSQ於所述過渡層，以形成HSQ層。本實施例中，將所述壓印抗蝕劑HSQ採用旋塗的方式塗布於所述過渡層，該壓印抗蝕劑HSQ的旋塗在高壓下進行。該HSQ層的厚度為100奈米至500奈米，優選的為100奈米至300奈米。
在步驟S120中，所述採用奈米壓印的方法形成具有奈米圖形的所述預製抗蝕層143的方法包括以下步驟：步驟S122，提供一表面具有奈米圖形的模板，該奈米圖形由複數凸起及凹陷組成；步驟S124，在常溫下，將模板形成有奈米圖形的表面與所述基底110上的抗蝕材料薄膜141的PMMA層貼合，常溫下壓合所述模板與基底110，使模板表面的奈米圖形轉移至抗蝕材料薄膜141遠離基底110的表面；及步驟S126，使模板與基底110分離，從而形成具有奈米圖形的預製抗蝕層143。
在步驟S122中，所述模板的材料為硬性透明材料，如二氧化矽、石英、硼化玻璃等。本實施例中，所述模板的材料為二氧化矽。本實施例中，所述模板表面的奈米圖形包括複數平行且相互間隔
的條形凸起及位於任意兩條形凸起之間的複數條形凹陷。
在步驟S124中，在壓力的作用下，所述模板表面的條形凸起壓入所述抗蝕材料薄膜141的內部直至抗蝕材料薄膜141中的PMMA層也在壓力下變形，進而使抗蝕材料薄膜141遠離基底110的表面形成圖形進而形成具有奈米圖形的預製抗蝕層143。所述模板表面的奈米圖形的圖案與所述預製抗蝕層143遠離基底110的表面的奈米圖形的圖案相對應。所述預製抗蝕層143遠離基底110的表面的奈米圖形包括複數相互平行的條形凸部142及位於任意兩相鄰條形凸部142之間的條形凹部144。
在步驟S130中，去除凹部144中殘留的HSQ及PMMA的方法具體包括以下步驟：步驟S132，將所述形成有抗蝕層140的基底110放置於一反應性電漿系統中，採用四氟化碳(CF4)作為反應氣體蝕刻去除凹部144中的HSQ層；及步驟S134，採用氧氣(O2)作為反應氣體去除凹部144中的PMMA層。
在步驟S132中，所述反應性電漿系統為反應離子蝕刻(Reaction-Ion-Etching，RIE)模式。該反應性電漿系統的一感應功率源產生CF4電漿，CF4電漿以較低的離子能量從產生區域擴散並漂移至所述基底110表面並蝕刻凹部144中的HSQ層。反應性電漿系統的功率係40瓦，CF4蝕刻氣體的通入反應性電漿系統的體積流量為26標況毫升每分(sccm)，形成的壓強為2帕，採用CF4電漿蝕刻時間為10秒。通過上述方法，凹部144中的HSQ層被蝕刻
掉，暴露出凹部144中的PMMA層。凸部142中的HSQ層的厚度也略微減少，然，由於凸部142中的HSQ層的厚度大於凹部144中的HSQ層的厚度。因此，凹部144中的HSQ層被完全蝕刻掉以後，凸部142中的HSQ層仍有所保留。
在步驟S134中，採用氧電漿蝕刻去除凹部144中的PMMA層，從而露出石英基底110。反應性電漿系統的功率係40瓦，氧氣通入反應性電漿系統的體積流量為40sccm，形成的壓強為2帕，採用氧電漿蝕刻時間為120秒。
採用氧電漿蝕刻凹部144中的PMMA層過程中，凹部144中的PMMA層被氧化而蝕刻掉。凸部142中HSQ層在氧電漿的作用下發生交聯，因此，在蝕刻凹部144中的PMMA層的過程中，凸部142中HSQ層可起到很好的光罩作用，使凹部144中的PMMA層的蝕刻精度較高。HSQ層對氧氣及氬氣有較好的抗蝕刻效果，因此，在室溫壓印下，在PMMA層上方形成HSQ層，有助於提高蝕刻精度。通過蝕刻將所述HSQ層中的奈米圖形複製到第PMMA層中。凹部144中的PMMA層被蝕刻掉以後，於抗蝕層140上形成複數第二開口146，從而使所述基底110的部份表面通過抗蝕層的第二開口146露出。所述第二開口146的尺寸為奈米級。
在步驟S140中，採用蒸鍍的方法在抗蝕層140的表面及通過抗蝕層140的第二開口146暴露的石英基底110的表面形成一光罩材料薄膜121。所述光罩材料薄膜121為一鉻層，所述鉻層的厚度為40奈米。
在步驟S150中，採用四氫呋喃(THF)、丙酮、丁酮、環己烷、正己烷、甲醇或無水乙醇等無毒或低毒環保容劑作為剝離劑，溶
解抗蝕層140，進而去掉抗蝕層140及覆蓋在抗蝕層140表面的部份光罩材料薄膜121，保留直接形成在基底110表面的部份光罩材料薄膜121以形成光罩層120，該光罩層120的第一開口122為奈米級開口，所述光罩層120直接形成於基底110的表面。本實施例中，通過在丙酮溶液中超聲清洗去掉抗蝕層140及其上方的光罩材料薄膜121。
可以理解地，所述形成光罩層120的方法不限於上述方法。所述形成光罩層120的方法還可包括以下步驟：直接形成一鉻層與基底110的表面；然後形成一光刻膠於鉻層的表面，通過曝光顯影的方式使光刻膠圖形化；採用電子束轟擊通過光刻膠暴露的部份鉻層，使鉻層在電子束的照射下被去除，得到圖形化的鉻層，該圖形化的鉻層可用作光罩層120。所以，只需確保證所述光罩層具有有間隔設置的複數條形第一開口122，該複數第一開口122由光罩層的一端延伸至相對的另一端，所述光罩層的佔空比為1：1，所述條形第一開口122的寬度為25奈米至150奈米，其形成方式不限。所述光罩層120的佔空比為沿着垂直於條形第一開口122延伸方向的方向上，光罩層的實體寬度與第一開口122寬度的比值。
在步驟S200中，所述反應性電漿系統為RIE模式。該反應性電漿系統的一感應功率源產生出CF4、Ar或SF6的反應性電漿形成蝕刻氣氛。蝕刻氣氛對基底110的暴露的表面進行蝕刻，形成複數條形凹槽150，蝕刻氣氛進而沿着凹槽150深度方向及凹槽150的側壁方向同時進行蝕刻。為了後續可清楚的描述蝕刻過程，將蝕刻氣氛沿着凹槽150深度方向上的蝕刻，定義為縱向蝕刻。將沿着
凹槽150深度方向上的蝕刻速率定義為縱向蝕刻速率。將蝕刻氣氛沿着凹槽150側壁方向的蝕刻，定義為橫向蝕刻。將蝕刻氣氛沿着凹槽150側壁方向的蝕刻速率定義為橫向蝕刻速率。
在第一蝕刻階段，該CF4及Ar同時通入對基底110被暴露的表面進行蝕刻形成複數深度較淺的條形凹槽150。
CF4電漿對石英基底110的主要蝕刻作用為縱向蝕刻，即採用CF4蝕刻石英基底的過程中，縱向蝕刻速率遠大於橫向蝕刻速率。蝕刻過程中，當所述CF4通入的體積流量為10sccm至100sccm時，CF4電漿的橫向蝕刻速率約為1奈米/分，縱向蝕刻速率約為26奈米/分至36奈米/分。
Ar電漿可轟擊並去除凹槽150底部生成的保護層。Ar電漿的轟擊可使反應過程中CF4電漿與基底110生成的氟矽化合物分解。氟矽化合物被分解後，CF4電漿可重新與基底110接觸並蝕刻基底110。進一步地，Ar對凹槽150側壁上的保護層的蝕刻作用較弱，因此，凹槽150的側壁上的保護層的生成速率大於其被蝕刻的速率，故，凹槽150的側壁上生成有較多的保護層，使橫向蝕刻速率較低。此過程中凹槽150的側壁上生成的保護層有利於保持凹槽150側壁陡直。
由上述內容可知，CF4電漿的縱向蝕刻速率遠大於橫向蝕刻速率。且CF4電漿的橫向蝕刻速率極小。因此，在第一蝕刻階段，蝕刻氣體電漿的沿基底表面的深度方向上蝕刻，於基底表面形成複數條形凹槽150。該複數凹槽150的側壁並未被橫向蝕刻，因此，該複數凹槽150的側壁陡直。進一步地，由於CF4電漿的縱向蝕刻速率也較低，因此，第一蝕刻階段結束後，基底110的表面形成
複數深度較淺的凹槽150。該複數凹槽150之間形成有複數凸棱160。此時，凹槽150的寬度確定，凹槽150之間的凸棱160的寬度也確定。凸棱160的寬度及凹槽150的寬度的比值為光柵10的佔空比。因此，第一蝕刻階段結束後，光柵10的佔空比確定。本實施例中，凹槽150的寬度為100奈米，凸棱160的寬度為100奈米，光柵的佔空比為1：1。
在第一蝕刻階段，蝕刻氣體的總體積流量為40sccm至120sccm。所述CF4通入的體積流量為10sccm至100sccm。優選地，所述CF4通入的體積流量為40sccm至70sccm。優選地，所述CF4通入的體積流量為10sccm至20sccm。優選地，所述CF4通入的體積流量為70sccm至100sccm。本實施例中，所述CF4通入的體積流量為40sccm。
所述Ar通入的體積流量為1sccm至30sccm。優選地，所述Ar通入的體積流量為5sccm至10sccm。優選地，所述Ar通入的體積流量為10sccm至30sccm。本實施例中，所述Ar通入的體積流量為10sccm。
蝕刻過程中蝕刻氣體的電漿形成的總壓強為1帕至5帕。優先地，所述蝕刻氣體的電漿的總壓強為1帕至2帕，4帕至5帕，或3帕至5帕。本實施例中，所述蝕刻氣體的總壓強為2帕。
所述反應性電漿系統的蝕刻功率為40瓦至150瓦。優先地，所述蝕刻功率為40Wa至70Wa，具體地，該範圍內蝕刻功率優選為40Wa。優先地，所述蝕刻功率為70Wa至100Wa，具體地，該範圍內蝕刻功率優選為70Wa。優先地，所述蝕刻功率為100Wa至150Wa，具體地，該範圍內蝕刻功率優選為120Wa。優先地，所述蝕刻功率
為150Wa至200Wa。本實施例中，所述蝕刻功率可為70Wa。第一蝕刻階段的蝕刻時間為2分鐘至3分鐘。第一蝕刻階段結束後，形成的凹槽150的寬度為25奈米到150奈米。深度為20奈米至80奈米。本實施例中，凹槽150的寬度為100奈米，深度為40奈米。
在第二階段開始前，在第一階段中，先在基底表面形成複數深度較淺的凹槽150的優點為：通過在第一蝕刻階段，控制四氟化碳的體積流量為10sccm至100sccm，氬氣的體積流量為1sccm至30sccm，首先在基底的表面形成複數深度較淺的凹槽，確定光柵的佔空比，如此有利於在第二蝕刻階段，通過加大六氟化硫的體積流量迅速加深凹槽的深度，避免了直接進行第二蝕刻階段，凹槽的寬度會被拓寬，使光柵的佔空比不準確。
在第二蝕刻階段，向第一蝕刻階段採用的蝕刻氣體中加入SF6，將CF4、SF6及Ar同時通入。
由於CF4及SF6的電漿在蝕刻過程中均容易與基底110發生反應生成氟矽化合物保護層。然而，Ar的轟擊可使氟矽化合物被分解，使CF4、SF6的電漿可重新與基底110接觸並蝕刻基底110，使蝕刻反應可持續進行。
在第二蝕刻階段，蝕刻氣體通入的總體積流量為40sccm至120sccm，其中，四氟化碳的體積流量為1sccm至50sccm，六氟化硫的體積流量為10sccm至70sccm，氬氣的體積流量為10sccm至20sccm。所述蝕刻氣體的電漿的總體積流量為40sccm至70sccm，60sccm至80sccm，65sccm至75sccm，50sccm至90sccm。本實施例中，所述蝕刻氣體的總體積流量為70sccm，CF4的體積流量為20sccm，SF6的體積流量為40sccm，Ar的體積流量為10sccm。
在第二蝕刻階段，SF6的蝕刻作用主要為縱向蝕刻。當SF6的體積流量為10sccm至70sccm時，SF6的橫向蝕刻速率為7奈米/分至8奈米/分，縱向蝕刻速率為60奈米/分至70奈米/分。故，相比於CF4，SF6電漿具有較大的縱向蝕刻速率。因此，在第二蝕刻階段中，加入SF6可較大的提高縱向蝕刻速率，促進蝕刻平衡向縱向蝕刻進行。由於第一蝕刻階段結束後，基底110表面已經形成複數深度較淺的凹槽150，因此，在第二蝕刻階段，SF6電漿可較快地加深第一階段形成的凹槽150的深度。
由於蝕刻過程中，氬氣始終存在，氬氣在蝕刻保護層的同時，也會蝕刻光罩層120。氬氣的蝕刻會使光罩層120損耗並減薄，若蝕刻時間較長，光罩層120會變形，進而使光罩層120的光罩效果變差，蝕刻精度降低。在第二蝕刻階段，SF6的體積流量大於CF4的體積流量從而使電漿的蝕刻主要集中在縱向蝕刻。由於SF6的縱向蝕刻速率較大，因此，凹槽150的深度較快的增加，較好地縮短了蝕刻時間，形成深寬比大於6：1的凹槽150，且光罩層120不至於變形。故，第二蝕刻階段，在形成較大深寬比大於6：1的凹槽150的同時，又保證了蝕刻精度。
可選擇地，蝕刻氣體還可進一步包括O2，所述O2的體積流量為0sccm至10sccm。所述O2同上述蝕刻氣體CF4、SF6及Ar同時通入至基底110表面，如此有助於保護層在O2的作用下被燒蝕掉。雖然，O2與基底110反應生成具有矽氧鍵及矽碳鍵的化合物，然而該化合物會在Ar的蝕刻作用下被燒蝕掉。因此，蝕刻氣體中添加O2有助於蝕刻速率的提高。當CF4及SF6的總蝕刻速率大於60sccm，選擇向蝕刻氣體須中添加氧氣。這是因為，當CF4及SF6的總蝕刻
速率大於60sccm時，側壁上形成有較多的保護層，使凹槽的寬度逐漸減小，O2的存在有助於燒蝕保護層，使側壁陡直。
在第二蝕刻階段，蝕刻氣體的總體積流量為40sccm至120sccm內，則可保證基底110被蝕刻結束後形成的凹槽150的側壁陡直。請參閱圖4，在第二蝕刻階段，蝕刻氣體的總體積流量小於40sccm時，蝕刻得到的石英基底上的凹槽的橫截面將不係矩形，將會呈現V型。在第二蝕刻階段，蝕刻氣體的總體積流量大於120sccm時，蝕刻得到的石英基底上的凹槽的橫截面將會係U型。這是因為，在蝕刻的過程中，所述蝕刻氣體的電漿會與基底110反應，從而在凹槽表面形成一保護層，阻礙氣體的進一步蝕刻，使得蝕刻形成的所述凹槽的側壁並非垂直於所述基底110的表面，而係形成一定角度。當蝕刻氣體的總體積流量小於40sccm時，無法有效的阻止保護層的形成，因此，凹槽呈V型。當蝕刻氣體的總體積流量大於120sccm，蝕刻氣體過度地蝕刻凹槽的側壁，因此，凹槽呈U型。
在第二蝕刻階段，蝕刻氣體的電漿的總壓強為1帕至5帕。所述蝕刻氣體的電漿的總壓強為1帕至2帕，4帕至5帕，3帕至5帕。本實施例中，所述蝕刻氣體的電漿的總壓強可為2帕。
在第二蝕刻階段，反應性電漿系統的蝕刻功率為40瓦至150瓦。優先地，所述蝕刻功率為40Wa至70Wa，具體地，該範圍內蝕刻功率優選為40Wa。優先地，所述蝕刻功率為70Wa至100Wa，具體地，該範圍內蝕刻功率優選為70Wa。優先地，所述蝕刻功率為100Wa至150Wa，具體地，該範圍內蝕刻功率優選為120Wa。優先地，所述蝕刻功率為150Wa至200Wa。本實施例中，所述第二蝕刻
階段的蝕刻功率可為40Wa。第二蝕刻階段的蝕刻時間為2分鐘至4分鐘。本實施例中，第二蝕刻階段的蝕刻時間為2分鐘。在第二蝕刻階段結束後，凹槽150的深度為620奈米至650奈米。本實施例中，在第二蝕刻階段結束後，凹槽150的深度為620奈米。
第二蝕刻階段的蝕刻方法具有以下有益效果：(1)通過選擇CF4、SF6及Ar作為反應氣體，使蝕刻過程中於CF4、SF6與基底110反應生成氟矽化合物在Ar的轟擊下分解，從而使蝕刻反應可持續的進行。進而蝕刻得到的基底110上的凹槽的深度較大，得到深寬比大於或等於6：1的凹槽150；(2)通過控制蝕刻過程中反應氣體的總體積流量介於40sccm至120sccm的範圍內，使基底110被蝕刻結束後形成的凹槽的側壁陡直；(3)通過選擇CF4、SF6及Ar作為反應氣體，控制蝕刻過程中反應氣體的總體積流量介於40sccm至120sccm的範圍內，蝕刻氣體總壓強為1帕至5帕，反應性電漿系統的蝕刻功率介於40瓦至200瓦從而可精確的控制所得到的凹槽150的寬度及深度；(4)通過使SF6的體積流量大於CF4的體積流量，從而使反應平衡向縱向蝕刻進行，從而較快地加深了凹槽的深度，實現了凹槽的深寬比大於等於6：1。
在第二蝕刻階段中，依據所需要的光柵10的佔空比及凹槽150的深寬比選擇蝕刻參數，然而第二蝕刻階段結束後，由於蝕刻條件的選取及控制不當，凹槽150的側壁可能並非嚴格的陡直，凹槽150的橫截面可能會略微的傾向於呈現V形或U形。對於第二蝕刻階段結束後，凹槽150的側壁並不陡直的現象，可利用第三蝕刻階段來修正凹槽150的形狀，使第三蝕刻階段結束後凹槽150的側壁陡直。
在第三蝕刻階段中，相比於第二蝕刻階段，將SF6的體積流量降低，將CF4的體積流量提高。
在第三蝕刻階段中，SF6的體積流量為5sccm至50sccm。進一步地，優選地，SF6的體積流量為5sccm至15sccm，具體地，在該範圍內SF6的體積流量優選為10sccm。優選地，SF6的體積流量為20sccm至30sccm，具體地，在該範圍內SF6的體積流量優選為20sccm。優選地，SF6的體積流量為35sccm至50sccm，具體地，在該範圍內SF6的體積流量優選為35sccm。本實施例中，SF6的體積流量為10sccm。
CF4的體積流量為20sccm至80sccm。優選地，CF4的體積流量為20sccm至50sccm，具體地，在該範圍內CF4的體積流量優選為40sccm。優選地，CF4的體積流量為50sccm至80sccm，具體地，在該範圍內CF4的體積流量優選為56sccm。本實施例中，CF4的體積流量為40sccm。
Ar的體積流量為5sccm至40sccm。優選地，Ar的體積流量為10sccm至40sccm。本實施例中，Ar的體積流量為20sccm。
在第三蝕刻階段中，SF6的體積流量由第二蝕刻階段中的48sccm降低至第三蝕刻階段中的10sccm。當SF6的體積流量為48sccm時，SF6的橫向蝕刻速率為8奈米/分，縱向蝕刻速率為70奈米/分。當SF6的體積流量為10sccm時，SF6的橫向蝕刻速率為5奈米/分至8奈米/分，縱向蝕刻速率為20奈米/分。由此可知，在第三蝕刻階段中，SF6橫向蝕刻速率並未受太大影響，縱向蝕刻速率大幅度減小。
在第三蝕刻階段中，當CF4的體積流量由第二蝕刻階段中的20sccm升高至第三蝕刻階段中的40sccm時，CF4的橫向蝕刻速率不變。當CF4的體積流量為20sccm時，其縱向蝕刻速率為30奈米/分。當CF4的體積流量為40sccm時，其縱向蝕刻速率為36奈米/分。因此，當CF4的體積流量由第二蝕刻階段中的20sccm升高至第三蝕刻階段中的40sccm時，其橫向蝕刻速率不變，縱向蝕刻速率略有提高。
綜上所述，相比於第二蝕刻階段，在第三蝕刻階段，CF4的體積流量大於SF6的體積流量，進而橫向蝕刻速率變化不大，縱向蝕刻速率有較大幅度的降低。因此，在第三蝕刻階段，電漿將會主要對凹槽150底部的側壁進行蝕刻，從而將橫截面為V形或U形的凹槽150修正成為橫截面為矩形的凹槽150。
在第三蝕刻階段中，蝕刻氣體的電漿的總壓強為1帕到10帕。優選地，蝕刻氣體的電漿的總壓強為1帕到5帕。本實施例中蝕刻氣體的電漿的總壓強為2帕。蝕刻過程中，壓強越大，縱向蝕刻速率越慢，因此，優選地，第一蝕刻階段及第二蝕刻階段的壓強小於第三蝕刻階段的壓強，從而使第一蝕刻階段及第二蝕刻階段的縱向蝕刻速率較大，第三蝕刻階段的縱向蝕刻速率較小，使第三蝕刻階段的蝕刻作用主要為橫向蝕刻。
在第三蝕刻階段中，蝕刻功率為20瓦到200瓦。優選地，蝕刻功率為20瓦到50瓦，具體地，在該範圍內蝕刻功率優選為40瓦。優選地，蝕刻功率為50瓦到100瓦，具體地，在該範圍內蝕刻功率優選為70瓦。優選地，蝕刻功率為100瓦到150瓦，具體地，在該範圍內蝕刻功率優選為120瓦。本實施例中在第三蝕刻階段中，
蝕刻功率為40瓦。在第三蝕刻階段，蝕刻時間為1分鐘至2分鐘。本實施例中，蝕刻時間為1分鐘。第三蝕刻階段結束後，形成的凹槽的深度為620奈米至650奈米。本實施例中，凹槽的深度為620奈米。
步驟S300中，當所述光罩層120為一鉻層時，所述去除光罩層120的方法具體包括以下步驟：取適量的濃度為0.06摩爾/升至0.25摩爾/升的鉻腐蝕液K3[Fe(CN)6]，將基底110放入該鉻腐蝕液當中，浸漬4分鐘至15分鐘。從而去除光罩層120。
請參閱圖5及圖6，為本發明提供的經過第三蝕刻階段修飾後的光柵的形貌，由圖中可看出，光柵中凹槽的側壁陡直、光滑。請參閱圖7，為不經第三蝕刻階段修飾後的光柵的形貌。由圖7中可看出，凹槽的側壁略微不陡直。
本發明提供的光柵之製備方法具備以下有益效果：(1)通過在第一蝕刻階段，控制四氟化碳及氬氣的總體積流量為40sccm至120sccm，四氟化碳的體積流量為10sccm至100sccm，氬氣的體積流量為1sccm至30sccm，首先在基底的表面形成複數深度較淺的凹槽，確定光柵的佔空比，如此有利於在第二蝕刻階段，通過加大六氟化硫的體積流量迅速加深凹槽的深度，避免了直接進行第二蝕刻階段，凹槽的寬度會被拓寬，使光柵的佔空比不準確；(2)在第二蝕刻階段，通過控制蝕刻氣體的總體積流量為40sccm至120sccm，其中，六氟化硫的體積流量大於四氟化碳的體積流量，使蝕刻過程主要為沿着凹槽的深度方向蝕刻，較快的
增加了凹槽的深度，保證了蝕刻精度及深寬比；(3)通過在第三蝕刻階段，控制六氟化硫的體積流量為5sccm至50sccm，四氟化碳的體積流量為20sccm至80sccm，進而在第三蝕刻階段，使電漿主要蝕刻凹槽底部的側壁，從而將第二蝕刻階段結束後形成的橫截面為V形或U形的凹槽修正成為橫截面為矩形的凹槽。凹槽的側壁陡直、表面光滑使光柵的繞射效果較好。使其在光譜儀、光碟技術領域具有較好的應用。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧光柵
110‧‧‧基底
120‧‧‧光罩層
122‧‧‧第一開口
124‧‧‧光罩條
130‧‧‧蝕刻氣體
150‧‧‧凹槽
160‧‧‧凸棱
Claims (14)
- 一種光柵之製備方法，其包括以下步驟：提供一基底，在基底表面形成一圖形化的光罩層；將該形成有光罩層的基底放入一反應性電漿系統中，通入蝕刻氣體對基底進行蝕刻，蝕刻過程分為三階段：第一蝕刻階段，蝕刻氣體的成分為四氟化碳及氬氣，四氟化碳及氬氣同時通入，四氟化碳及氬氣的總體積流量為40sccm至120sccm，四氟化碳的體積流量為10sccm至100sccm，氬氣的體積流量為1sccm至30sccm；第二蝕刻階段，蝕刻氣體的成分改變為四氟化碳、六氟化硫及氬氣，且四氟化碳、六氟化硫及氬氣同時通入，其中，蝕刻氣體的電漿的總體積流量為40sccm至120sccm，其中，六氟化硫的體積流量大於四氟化碳的體積流量；第三蝕刻階段，繼續同時通入四氟化碳、六氟化硫及氬氣，其中四氟化碳的體積流量大於六氟化硫的體積流量，四氟化碳的體積流量為20sccm至80sccm，六氟化硫的體積流量為5sccm至50sccm，氬氣的體積流量為5sccm至40sccm；及去除光罩層，得到一光柵。
- 如請求項第1項所述之光柵之製備方法，其中，所述第一蝕刻階段中，四氟化碳的體積流量為40sccm，氬氣的體積流量為10sccm。
- 如請求項第1項所述之光柵之製備方法，其中，所述第二蝕刻階段中，述四氟化碳的體積流量為1sccm至50sccm，六氟化硫的體積流量為10sccm至70sccm，氬氣的體積流量為10sccm至20sccm。
- 如請求項第3項所述之光柵之製備方法，其中，所述第二蝕刻階段中，所 述四氟化碳的流率為20sccm，六氟化硫的體積流量為48sccm，氬氣的體積流量為10sccm。
- 如請求項第1項所述之光柵之製備方法，其中，所述第三蝕刻階段中，六氟化硫的體積流量為20sccm，四氟化碳的體積流量為40sccm，氬氣的體積流量為20sccm。
- 如請求項第1項所述之光柵之製備方法，其中，所述第一蝕刻階段中，蝕刻氣體的電漿形成的總壓強為1帕至5帕，所述第二蝕刻階段，蝕刻氣體的電漿的總壓強為1帕至5帕，所述第三蝕刻階段中，蝕刻氣體的電漿的總壓強為1帕到10帕。
- 如請求項第1項所述之光柵之製備方法，其中，所述第一蝕刻階段中，反應性電漿系統的蝕刻功率為40瓦至150瓦，所述第二蝕刻階段中，反應性電漿系統的蝕刻功率為40瓦至150瓦，在第三蝕刻階段中，蝕刻功率為20瓦到200瓦。
- 如請求項第1項所述之光柵之製備方法，其中，所述第一蝕刻階段中，蝕刻時間係2分鐘至3分鐘，所述第二蝕刻階段中，蝕刻時間係2分鐘至4分鐘，所述第二蝕刻階段中，蝕刻時間係1分鐘至2分鐘。
- 如請求項第1項所述之光柵之製備方法，其中，所述形成圖形化的光罩層的方法包括以下步驟：形成一抗蝕材料薄膜於該基底的表面；奈米壓印並蝕刻所述抗蝕材料薄膜，得到抗蝕層；形成一光罩材料薄膜於所述基底表面，所述光罩材料薄膜覆蓋所述抗蝕層及基底通過所述抗蝕層暴露的表面；剝離所述抗蝕層，在基底表面形成圖形化的光罩層。
- 如請求項第1項所述之光柵之製備方法，其中，所述光罩層具有間隔設置的複數條形開口，該複數開口由光罩層的一端延伸至相對的另一端，所 述條形開口的寬度為25奈米至150奈米。
- 一種光柵之製備方法，其包括以下步驟：提供一基底，在基底表面形成一圖形化的光罩層；將該形成有光罩層的基底放入一反應性電漿系統中，通入蝕刻氣體對基底進行蝕刻，蝕刻過程分為三階段：第一蝕刻階段，蝕刻氣體的成分為四氟化碳及氬氣，四氟化碳及氬氣同時通入，第一蝕刻階段在基底表面形成複數深度較淺的凹槽；第二蝕刻階段，蝕刻氣體的成分改變為四氟化碳、六氟化硫及氬氣，且四氟化碳、六氟化硫及氬氣同時通入，六氟化硫的體積流量大於四氟化碳的體積流量，第二蝕刻階段加深凹槽的深度；第三蝕刻階段，繼續同時通入四氟化碳、六氟化硫及氬氣，其中四氟化碳的體積流量大於六氟化硫的體積流量，第三蝕刻階段凹槽的底部被橫向蝕刻，得到側壁陡直的凹槽；及去除光罩層，得到一光柵。
- 如請求項第11項所述之光柵之製備方法，其中，所述第一蝕刻階段中，四氟化碳及氬氣的總體積流量為40sccm至120sccm，四氟化碳的體積流量為10sccm至100sccm，氬氣的體積流量為1sccm至30sccm。
- 如請求項第11項所述之光柵之製備方法，其中，所述第二蝕刻階段中，蝕刻氣體的電漿的總體積流量為40sccm至120sccm。
- 如請求項第11項所述之光柵之製備方法，其中，所述第三蝕刻階段中，四氟化碳的體積流量為20sccm至80sccm，六氟化硫的體積流量為5sccm至50sccm，氬氣的體積流量為5sccm至40sccm。
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