CN103576225A - 位相掩膜光刻制备占空比可调的纳米周期光栅的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种位相掩膜光刻制备占空比可调的纳米周期光栅的方法。在利用深紫外曝光光源的±1级衍射光位相掩膜光刻法制备周期较掩膜板减小一半的纳米周期光栅的基础上，提出了两种技术方案用于调节光栅的占空比，一是通过改变曝光剂量与胶层厚度来调节光栅占空比，二是通过调节用作刻蚀掩模的遮蔽沉积层的沉积角度并结合反应离子刻蚀技术来调节光栅占空比。通过上述技术与工艺因素的调节，可以获得不同占空比与线条宽度的光栅，从而可获得不同性能与应用领域的占空比不同的纳米周期光栅结构。本发明不限于光栅所用材料及其具体应用范围，并且该方法简单易行，稳定可靠，在高性能纳米光栅的大批量生产领域具有突出的技术优势。
Description
技术领域
本发明涉及不同占空比纳米周期光栅的制备技术领域。制备方法基于±1级位相掩模深紫外曝光光刻、光刻胶层厚度与曝光剂量协同调节、双向遮蔽沉积、反应离子刻蚀等技术方法。
背景技术
纳米周期光栅（包括光纤光栅）及其制备技术近年来在集成光子器件、光纤通信、光纤传感以及光信息处理领域里得到了越来越广泛的应用，各种先进的制备技术与方法也逐渐发展并应用起来，其中位相掩模法以其独特的优势得到了人们的青睐。位相掩膜法对环境的稳定性要求较低，同时对光源的相干性要求也较低，并且有可能在一次写入过程同时在几个平行光纤中写入光栅，因此用这种方法制备光栅的成本比较低廉，工艺稳定可靠，而且易于在工业上进行大批量生产。
具备应用功能的纳米光栅，其主要的物理参数包括光栅周期、光栅深度、光栅占空比、光栅的外形以及光栅材料等，这些参数都对光栅的性能及其具体应用有着重要影响。新型先进且稳定可靠的由各类材料构成的纳米周期光栅的制备技术与工艺方法，并且在周期一定情况下，调节光栅的占空比或线条宽度对于光栅性能的优化与新功能的开发、探索其潜在的应用价值都是一条非常重要而又切实可能的途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种位相掩膜光刻制备占空比可调的纳米周期光栅的方法，可以方便地调节光栅的占空比和线条宽度。
本发明采用的具体技术方案如下：
位相掩膜光刻制备占空比可调的纳米周期光栅的方法，包括如下步骤：
（1）在衬底表面均匀旋涂一层一定厚度的深紫外光刻胶，然后经过预烘处理；
（2）选取一定周期的表面浮雕式石英光栅作为光刻所用的位相掩模，石英光栅的占空比为1:1、高度为266nm；
（3）利用波长266nm紫外光源作为曝光光源，曝光过程中位相掩膜板与表面涂覆有光刻胶的样品表面采用均匀接触方式，即二者紧密贴合又不至于使掩膜板的结构嵌入样品胶层中，在稳定激光输出功率条件下，根据不同的光刻胶层厚度，通过曝光时间的控制，精确控制曝光剂量，从而控制光栅线条的宽度与占空比；
（4）通过湿法显影过程，在一定的显影液中浸泡一定时间后，获得光刻胶的纳米光栅结构，该光栅结构参数中，周期应为掩模光栅周期的1/2；
（5）利用反应离子刻蚀工艺，刻蚀衬底材料，获得相应结构的光栅样品。
所述光刻胶的厚度为10～1000nm，石英光栅的周期为400—2000nm；曝光剂量的调节范围在10×40～200×40mW﹒s之间；光栅线条的宽度为10～1980nm。
进一步地，经过上述步骤（4）获得光刻胶的纳米光栅结构以后，根据所需光栅线条宽度与占空比的大小，继续如下步骤进行修正：
a)利用遮蔽沉积技术，通过调节倾斜沉积角度：10°～89°，在已曝光显影的光刻胶层上表面，以不同的沉积角度分别蒸发沉积金属（如Cr，Au等）或氧化物（如SiO2，Si3N4等）作为抗刻蚀阻挡层薄膜材料；然后选取适当的刻蚀参数，分别采用反应离子刻蚀方法刻蚀未受保护的光刻胶层和底层材料，获得不同线条宽度和占空比的纳米光栅结构；
b)利用O2等离子体反应刻蚀没有覆盖有薄膜掩膜的光刻胶层，得到顶部覆盖有掩膜层的侧壁陡直的光刻胶层光栅结构；
c)利用反应离子刻蚀方法，在设定的刻蚀气体（如CHF3等）与刻蚀条件下，对未受上述光刻胶层保护的衬底材料进行刻蚀；
d)选择一定的配方溶液，对上述样品上的抗刻蚀层进行举离，最后得到所需光栅样品。
本发明提出了两种技术方案用于调节所制备光栅的占空比，一是通过改变曝光剂量与胶层厚度来调节光栅占空比，二是通过调节用作刻蚀掩模的遮蔽沉积层的沉积角度并结合反应离子刻蚀技术来调节光栅占空比。通过上述技术与工艺因素的调节，可以获得不同占空比与线条宽度的光栅，从而可获得不同性能与应用领域的占空比不同的纳米周期光栅结构。本发明不限于光栅所用材料及其具体应用范围，并且该技术方法简单易行，稳定可靠，在高性能纳米光栅的大批量生产领域具有突出的技术优势。
附图说明
图1为±1级衍射光位相掩膜接触式深紫外曝光工艺示意图；
图2为光刻胶曝光显影二元模型；
图3为实施例2的工艺流程图；
图4为曝光剂量为75*40mW*s时所制备的光栅电镜图。
具体实施方式
本发明中的纳米周期光栅制备方法是利用±1级衍射光位相掩膜接触式深紫外光刻法进行的，并使得具有掩模光栅周期的减半效果；其次结合了曝光剂量与胶层厚度协同调控，以及应用金属或氧化物抗刻蚀层的遮蔽沉积技术与反应离子刻蚀方法，用于调节纳米光栅的线条宽度与占空比。这里±1级位相掩模法是利用透紫外的浮雕式石英光栅位相掩模，并且采取正入射方式，在确保基本抑制零级与更高级次衍射光的前提下，使得仅存的两个等光强度的±1级衍射光在光刻胶层上进行干涉光刻曝光，从而在光刻胶层上得到周期较掩膜板减小一半的光栅图案。典型的曝光光源波长为266nm，为抑制零级与更高级次衍射光，所用石英光栅掩模的光栅高度必须满足d=λ/（2（n-1）），其中λ为曝光光源波长，n为掩膜材料的折射率。对于石英掩模，n=1.5，因此该掩模光栅高度即为d=λ=266nm，这时零级与更高级次的衍射光可以较好地得到抑制。该技术采用接触式曝光方式，曝光过程如图1所示。
利用波长266nm等深紫外光源，周期400—2000nm,占空比1:1的浮雕式石英光栅作为光刻掩模，通过±1级衍射光位相掩膜光刻技术与接触式曝光方法，制备周期为掩膜光栅周期1/2的纳米周期光栅。曝光过程中掩膜板与表面涂覆有光刻胶的样品表面具有较好的贴合方式，既使二者较紧密贴合又不至于使掩膜板的结构嵌入样品胶层中，可比较好的满足±1级位相掩膜光刻的曝光条件。
在此基础上，调节与控制所制备纳米光栅的线条宽度与占空比的技术方案有两种：（1）根据具体的光刻胶，利用其曝光剂量、曝光阈值及其与光刻胶层厚度之间的相互关系，通过协同调控过程，制备不同线条宽度与占空比的纳米光栅；（2）以抗反应离子刻蚀的金属或氧化作为抗刻蚀材料，应用遮蔽沉积技术，在不同的沉积角度下制备光刻胶层表面的局域抗刻蚀薄膜层，结合反应离子刻蚀技术，制备不同线条宽度与占空比的纳米光栅。
实施例1
根据光刻胶曝光显影二元模型（如图2所示），在曝光过程中通过一定范围内对曝光剂量的调节，使得不同厚度光刻胶层经曝光和显影后，所获得的光栅的线条宽度与占空比不同。曝光剂量与胶层厚度的调节都要控制在一定的范围，不然很有可能得不到周期减小一半的光栅图案。其中曝光剂量调节范围在10×40～200×40mW﹒s之间，光刻胶层厚度调节范围在10～1000nm之间；所制备光栅周期为掩模光栅周期的1/2，光栅线条宽度在10～1980nm之间。
具体工艺步骤如下：
（1）在衬底表面均匀旋涂一层一定厚度的深紫外光刻胶，然后经过预烘处理。
（2）选取一定周期的表面浮雕式石英光栅作为光刻所用的位相掩模。
（3）采用均匀接触方式以266nm相干光源进行曝光，在稳定激光输出功率条件下，通过曝光时间的控制，精确控制曝光剂量。
（4）在不同的光刻胶层厚度时，控制不同的曝光时间，即控制不同的曝光剂量。
（5）通过湿法显影过程，在一定的显影液中浸泡一定时间后，获得光刻胶的纳米光栅结构。该光栅结构参数中，周期应为掩模光栅周期的1/2，而光栅线条与占空比由上述工艺因素决定。
（6）利用反应离子刻蚀工艺，刻蚀衬底材料，获得相应结构的光栅样品。
在硅片表面均匀旋涂一层厚度为240nm的AZ1500光刻胶，以110℃烘烤1分钟；利用周期为550nm、深度约为266nm石英光栅作为位相掩膜板，通过接触式曝光方式，利用波长为266nm的深紫外激光束，其稳定的输出功率为40mW，对光刻胶进行曝光，曝光时间为75秒；然后显影6秒，获得如图4所示的光刻胶的光栅结构，其周期约为260nm左右。由图可见，曝光剂量逐渐增大后，光栅的占空比逐渐减小，因此实现了利用曝光剂量的改变来调节占空比的目标。并且如果在这个范围内增加曝光剂量，由一条550nm周期光栅所得到出来的两条275nm周期的光栅分的越开。
实施例2
利用遮蔽沉积技术，通过调节倾斜沉积角度，在已曝光显影的光刻胶层上表面，以不同的沉积角度分别蒸发沉积技术金属或氧化物薄膜；然后选取适当的刻蚀参数，分别采用反应离子刻蚀方法刻蚀未受抗刻蚀层保护的光刻胶层和底层材料，获得不同线条宽度和占空比的纳米光栅结构。倾斜沉积角度：10°～89°之间，控制沉积层在胶层表面上的沉积区域，用于调控经刻蚀后光栅线条的宽度及其占空比；针对不同的光刻胶层和底层材料种类，选择合适的金属或氧化物作为沉积层材料，且其膜层厚度视待刻蚀胶层厚度或底层光栅高度而定。
具体技术方案与工艺步骤如下（工艺流程图如图3所示）：
（1）在衬底表面均匀旋涂一层一定厚度的深紫外光刻胶，然后经过预烘处理。
（2）选取一定周期的表面浮雕式石英光栅作为光刻所用的位相掩模。
（3）采用均匀接触方式以266nm相干光源进行曝光，在稳定激光输出功率条件下，通过曝光时间的控制，精确控制曝光剂量。
（4）通过湿法显影过程，在一定的显影液中浸泡一定时间后，获得光刻胶层的纳米周期光栅结构。
（5）选定倾斜沉积角度，利用电子束蒸发方法分别两次蒸发沉积一定厚度的抗刻蚀薄膜。
（6）应用O2等离子反应刻蚀未受上述抗刻蚀层保护的光刻胶层，得到所需的光刻胶层光栅结构。
（7）利用反应离子刻蚀工艺，对未受上述抗刻蚀层与光刻胶保护的衬底材料进行反应离子刻蚀，获得相应所需结构参数的纳米光栅样品。
（8）通过胶层举离工艺过程，去除光刻胶及其表面上的抗刻蚀层。
Claims (3)
1.位相掩膜光刻制备占空比可调的纳米周期光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在衬底表面均匀旋涂一层一定厚度的深紫外光刻胶，然后经过预烘处理；
（2）选取一定周期的表面浮雕式石英光栅作为光刻所用的位相掩模，石英光栅的占空比为1:1、高度为266nm；
（3）利用波长266nm紫外光源作为曝光光源，曝光过程中位相掩膜板与表面涂覆有光刻胶的样品表面采用均匀接触方式，即二者紧密贴合又不至于使掩膜板的结构嵌入样品胶层中，在稳定激光输出功率条件下，根据不同的光刻胶层厚度，通过曝光时间的控制，精确控制曝光剂量，从而控制光栅线条的宽度与占空比；
（4）通过湿法显影过程，在一定的显影液中浸泡一定时间后，获得光刻胶的纳米光栅结构，该光栅结构参数中，周期应为掩模光栅周期的1/2；
（5）利用反应离子刻蚀工艺，刻蚀衬底材料，获得相应结构的光栅样品。
2.根据权利要求1所述的位相掩膜光刻制备占空比可调的纳米周期光栅的方法，其特征在于，所述光刻胶的厚度为10～1000nm，石英光栅的周期为400—2000nm；曝光剂量的调节范围在10×40～200×40mW﹒s之间；所述光栅线条的宽度为10～1980nm。
3.根据权利要求1或2所述的位相掩膜光刻制备占空比可调的纳米周期光栅的方法，其特征在于，经过步骤（4）获得光刻胶的纳米光栅结构以后，根据所需光栅线条宽度与占空比的大小，继续如下步骤进行修正：
a)利用遮蔽沉积技术，通过调节倾斜沉积角度：10°～89°，在已曝光显影的光刻胶层上表面，以不同的沉积角度分别蒸发沉积金属或氧化物作为抗刻蚀阻挡层薄膜材料；然后选取适当的刻蚀参数，分别采用反应离子刻蚀方法刻蚀未受保护的光刻胶层和底层材料，获得不同线条宽度和占空比的纳米光栅结构；
b)利用O2等离子体反应刻蚀没有覆盖有薄膜掩膜的光刻胶层，得到顶部覆盖有掩膜层的侧壁陡直的光刻胶层光栅结构；
c)利用反应离子刻蚀方法，在设定的刻蚀气体与刻蚀条件下，对未受上述光刻胶层保护的衬底材料进行刻蚀；
d)选择一定的配方溶液，对上述样品上的抗刻蚀层进行举离，最后得到所需光栅样品。
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