TWI472810B - 光柵的製備方法 - Google Patents

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Description

光柵的製備方法
本發明涉及一種光柵的製備方法,尤其涉及一種閃耀光柵的製備方法。
光柵是現代精密儀器的重要組成元件之一。普通光柵大部份的能量集中在零級繞射,由於單縫繞射的零級主極大方向等於縫間隙干涉的零級主極大方向,所以分光作用的光譜儀的能量利用非常有限。
為了使兩個極大值的方向分開,將繞射零級的主要能量集中到所需要的光譜級次上,人們設計了閃耀光柵。隨著現代精密儀器的解析度的要求越來越高,對閃耀光柵的要求也越來越高,通過光射色散原理,可以實現特定波長分光、濾光等。閃耀光柵的製作是一項重要的工程,決定了閃耀光柵的應用和設計功能的實現,尤其是亞波長閃耀光柵的製備則更困難。
當前,國際上能實現亞波長閃耀光柵大多是聚合物。而以矽或石英作為基底的閃耀光柵的製備方法主要通過光刻製造工藝製備,掩模通過光刻形成複數臺階狀結構而形成近似三角形。然而掩模在光刻過程中存在臨近場作用、化學放大、熱積累及背面散射等問題,難以保證其形狀的精度,進而無法保真的將圖形轉移到矽或石英等目標基底上,而且工藝複雜,成本較高,光柵精度難以 控制,因此以矽或石英等材料作為基底的閃耀光柵很難實現。
有鑒於此,提供一種工藝簡單、能夠精確控制光柵精度的製備方法實為必要。
一種光柵的製備方法,包括以下步驟:提供一矽基底;在所述矽基底的表面形成一掩模層;奈米壓印所述掩模層,使所述掩模層表面形成並排延伸的複數條形凸起結構;蝕刻所述掩模層,使所述凸起結構的頂端兩兩靠在一起而閉合;蝕刻所述矽基底,使所述矽基底的表面圖案化,形成複數三維奈米結構預製體;及去除所述掩模層,形成複數三維奈米結構。
一種光柵的製備方法,包括以下步驟:提供一基底;在所述基底的表面形成一掩模層,所述掩模層包括並排延伸的複數凸起結構,所述凸起結構的橫截面為矩形;蝕刻所述掩模層,使所述掩模層的所述複數凸起結構中,相鄰的凸起結構依次兩兩閉合,所述兩兩閉合的凸起結構的橫截面為等腰三角形;蝕刻所述基底,形成複數橫截面為等腰三角形的三維奈米結構預製體;及去除所述掩模,形成複數三維奈米結構,所述三維奈米結構的橫截面為等腰三角形。
與先前技術相比較,本發明通過使凸起結構兩兩閉合的方式形成三角形的掩模,從而能夠方便的在基底表面形成高保真的三角形掩模,進而形成的光柵解析度高,該方法工藝簡單,成本低廉,且能夠很好的控制光柵的精度。
10‧‧‧光柵
100‧‧‧基底
102‧‧‧三維奈米結構
1021‧‧‧三維奈米結構預製體
104‧‧‧凹槽
103‧‧‧掩模層
1031‧‧‧凸起結構
1041‧‧‧凹陷結構
1032‧‧‧第一掩模層
1033‧‧‧溝槽
1034‧‧‧第二掩模層
200‧‧‧基板
圖1為本發明第一實施例提供的光柵的製備方法的工藝流流程圖 。
圖2為圖1所述的製備方法中掩模層的製備方法的工藝流程圖。
圖3為圖1所述的製備方法中所述基底的蝕刻過程。
圖4為圖1所述的製備方法製備的光柵的結構示意圖。
圖5為圖4所示的光柵沿V-V線的剖視圖。
圖6為本發明第一實施例提供的光柵的掃描電鏡光柵。
圖7為圖6所示光柵的具體參數。
以下將結合附圖詳細說明本發明實施例的光柵的製備方法。
請參閱圖1,本發明第一實施例提供一種光柵10的製備方法,其包括以下步驟:步驟S10,提供一基底100;步驟S11,在所述基底100的表面設置一掩模層103;步驟S12,奈米壓印並蝕刻所述掩模層103,形成複數並排延伸的條形凸起結構1031,使所述掩模層103圖案化;步驟S13,蝕刻所述掩模層103,使所述兩個凸起結構1031的頂端逐漸兩兩靠在一起而閉合;步驟S14,蝕刻所述基底100,使所述基底100的表面圖案化,形成複數三維奈米結構預製體1021;及步驟S15,去除所述掩模層103,形成複數三維奈米結構102。
在步驟S10中,所述基底100可以為半導體基底或矽基基底。具體地,所述基底100的材料可以為氮化鎵、砷化鎵、藍寶石、氧化鋁、氧化鎂、矽、二氧化矽、氮化矽、石英或玻璃等。進一步的,所述基底100的材料也可以為摻雜的半導體材料如P型氮化鎵、N型氮化鎵等。所述基底100的大小、厚度和形狀不限,可以根據實際需要選擇。
進一步,在確保所述基底100表面粗糙度及後續步驟要求的情況下,該基底100可進行親水處理,以改善基底100表面的親水性。當所述基底100的材料為矽或二氧化矽時,所述親水處理包括以下步驟:首先,清洗基底100,清洗時採用超淨間標準工藝清洗。然後,在溫度為30℃~100℃,體積比為NH3.H2O:H2O2:H2O=x:y:z的溶液中溫浴30分鐘~60分鐘,進行親水處理,之後用去離子水沖洗2次~3次。其中,x的取值為0.2~2,y的取值為0.2~2,z的取值為1~20。最後,用氮氣吹幹。
本實施例中,所述基底100的材料為矽,對該基底100進行親水處理的方法包括以下步驟:首先,清洗基底100,清洗時採用超淨間標準工藝清洗。然後,採用微波電漿體處理上述基底100。具體地,可將所述基底100放置於微波電漿體系統中,該微波電漿體系統的一感應功率源可產生氧電漿體、氯電漿體或氬電漿體。電漿體以較低的離子能量從產生區域擴散並漂移至所述基底100表面,進而改善基底100的親水性。
在步驟11中,所述掩模層103可為一單層結構或複合層結構。所述掩模層103的厚度可根據實際需要進行選擇,如需要蝕刻的深度、蝕刻的氣體等。當所述掩模層103為一單層結構時,所述單 層掩模層的材料可以為ZEP520A、HSQ(hydrogen silsesquioxane)、PMMA(Polymethylmethacrylate)、PS(Polystyrene)、SOG(Silicon on glass)或其他有機矽類低聚物等材料。當所述掩模層103為一複合掩模層時,所述複合掩模層包括一第一掩模層1032及一第二掩模層1034,所述第一掩模層1032及第二掩模層1034依次層疊設置於所述基底100表面,所述第一掩模層1032直接設置在所述基底100的表面,所述第二掩模層1034覆蓋所述第一掩模層1032。所述第一掩模層1032的材料可選擇易於蝕刻且具有較高解析度的材料,所述第一掩模層1032的材料可為ZEP520、PMMA(Polymethylmethacrylate)、PS(Polystyrene)、SAL 601或ARZ 720等;所述第二掩模層1034的材料可選擇可在室溫下壓印、結構穩定性較佳、及壓印解析度高(可達到10nm以下)的材料,如可為HSQ(hydrogen silsesquioxane)、SOG(Silicon on glass)或其他有機矽類低聚物等等。本實施例中,所述掩模層103為一複合掩模層,所述第一掩模層1032的材料為ZEP520A,第二掩模層1034的材料為HSQ。所述第一掩模層1032及第二掩模層1034可通過沈積然後烘乾的方式形成在基底100表面。所述第一掩模層1032及第二掩模層1034可以採用絲網印刷法或旋塗法沈積於所述基底100表面。由於所述第二掩模層1034易於機械壓印,因此可確保後續蝕刻第一掩模層1032中形成的奈米圖形的精度,進而可確保所述整個掩模層103的精確度,以提高後續凸起結構1031兩兩閉合形成的三角形掩模的精度,確保通過蝕刻形成的三維奈米結構102的精度。
具體的,所述掩模層103的製備包括以下步驟:
步驟S111,在基底100表面形成所述第一掩模層1032。本實施例中,所述第一掩模層1032的製備方法包括以下步驟:首先,清洗所述基底100表面;其次,在基底100的表面旋塗ZEP520,旋塗轉速為500轉/分鐘~6000轉/分鐘,時間為0.5分鐘~1.5分鐘;其次,在140℃~180℃溫度下烘烤3~5分鐘,從而在所述基底100表面形成該第一掩模層1032。該第一掩模層1032的厚度為100奈米~500奈米。
步驟S112,在第一掩模層1032表面形成所述第二掩模層1034,所述第二掩模層1034的製備方法包括以下步驟:首先,在所述第一掩模層1032的表面旋塗HSQ,旋塗轉速為2500轉/分鐘~7000轉/分鐘,旋塗時間為0.5分鐘~2分鐘,HSQ的旋塗在高壓下進行。其次,固化所述HSQ形成所述第二掩模層1034。該第二掩模層1034的厚度為100奈米~500奈米,優選的為100奈米~300奈米。
進一步的,在形成第二掩模層1034前,可以進一步包括一在所述第一掩模層1032的表面形成一過渡層(圖未示)的步驟,所述過渡層可通過濺射法或沈積法形成,所述過渡層具有一定的機械強度,在所述第二掩模層1034壓印的過程中用以保護所述第一掩模層1032不受影響,且所述過渡層可與所述第二掩模層1034在蝕刻過程中同步去除。所述材料可根據實際需要進行選擇,本實施例中,所述過渡層為二氧化矽。所述過渡層用於在蝕刻第二掩模層1034時,保護第一掩模層1032的完整性。
請一併參閱圖2,在步驟S12中,通過奈米壓印及蝕刻使所述掩模層103圖案化的方法具體包括以下步驟:
步驟S121,提供一表面具有奈米圖形的基板200。
所述基板200的材料可為硬性材料,如鎳、矽或者二氧化矽。該基板200的材料也可為柔性材料,如PET、PMMA、PS、PDMS等。該基板200的表面形成有奈米圖形,所述奈米圖形為奈米級的凹凸結構,具體可為複數凸部間隔形成的陣列,或同心圓環形凸起結構,或同心回形凸起結構,相鄰的凸部之間均形成一凹槽。本實施例中,所述複數凸部為平行且間隔設置的複數條形凸起結構,相鄰的條形凸起結構之間形成所述凹槽。所述條形凸起結構的兩端沿同一方向分別延伸至所述基板200相對的兩邊緣,在垂直於該延伸方向上,所述條形凸起結構的寬度不限,可根據需要進行選擇。本實施例中,該基板200的材料為二氧化矽,所述條形凸起結構及所述凹槽的寬度可相等或不相等,且均為50奈米~200奈米。
步驟S122,將基板200具有奈米圖形的表面與所述第二掩模層1034貼合,並在常溫下擠壓所述基板200與基底100後,脫模。
在常溫下,可以通過基板200向基底100施加壓力,使得所述基板200上的奈米圖形轉移到第二掩模層1034。具體地,使基板200形成有奈米圖形的表面與所述基底100上的第二掩模層1034貼合,並在真空度為1×10-1mbar~1×10-5mbar,施加壓力為2磅/平方英尺~100磅/平方英尺(Psi)的壓印條件下,保持2~30分鐘,最後將基板200與基底100分離,從而該基板200表面的奈米圖形複製到所述第二掩模層1034。在所述第二掩模層1034形成的奈米圖形包括並排延伸的複數條形凸起結構,相鄰的凸起結構之間形成一凹槽,且所述第二掩模層1034中凹槽的尺寸及形狀與基板200中的凸部相對應,所述第二掩模層1034中條形凸起結構的尺寸及形 狀與基板200中的凹槽相對應。在施加壓力的過程中,對應所述基板200的凸部位置,在第二掩模層1034表面形成凹槽。凹槽底部位置處的第二掩模層1034形成一薄層,貼附於第一掩模層1032表面。
步驟S123,通過蝕刻第二掩模層1034,使第二掩模層1034的凹槽位置露出第一掩模層1032。
所述凹槽位置處殘留的一薄層第二掩模層1034可以通過電漿體蝕刻的方法去除,所述蝕刻氣體可根據所述第二掩模層1034的材料進行選擇,以確保其具有較高的蝕刻速率。本實施例中,所述第二掩模層1034的材料為HSQ,因此可以採用碳氟(CF4)反應性電漿體蝕刻所述第二掩模層1034,以露出第一掩模層1032。具體地,可將上述形成有奈米圖形的基底100放置於一反應性電漿體蝕刻系統中,該反應性電漿體蝕刻系統的一感應功率源產生CF4電漿體,CF4電漿體以較低的離子能量從產生區域擴散並漂移至所述基底100的第二掩模層1034表面,此時該部份第二掩模層1034被所述CF4電漿體蝕刻,位於凹槽位置處的第二掩模層1034被去除暴露出所述第一掩模層1032。CF4電漿體系統的功率可為10瓦~150瓦,所述CF4電漿體的通入速率可為2~100標況毫升每分(standard-state cubic centimeter per minute,sccm),形成的氣壓可為1~15帕,採用CF4電漿體蝕刻時間可為2秒~4分鐘。本實施例中,所述電漿體蝕刻的條件為:電漿體系統的功率為40W,電漿體的通入速率為26sccm,氣壓為2Pa,蝕刻時間為10秒。通過上述方法,所述凹槽位置處的第二掩模層1034被蝕刻而露出第一掩模層1032,且所述第二掩模層1034的凸部也同時被蝕刻變 薄,但所述第二掩模層1034奈米圖形的完整形態依然保持完整。
步驟S124,去除與所述第二掩模層1034的凹槽對應的部份第一掩模層1032,露出基底100,形成圖案化的所述掩模層103。
凹槽底部的第一掩模層1032可在一電漿體系統中去除。所述電漿體可根據所述第一掩模層1032的材料進行選擇,以確保所述電漿體能夠蝕刻所述第一掩模層1032。本實施例中,所述第一掩模層1032可以在一氧電漿體系統中採用氧電漿體去除。所述氧電漿體系統的功率可為10瓦~150瓦,氧電漿體的通入速率可為2~100sccm,形成的氣壓可為0.5帕~15帕,採用氧電漿體蝕刻時間可為5秒~5分鐘。本實施例中,所述電漿系統的功率為40W,電漿體的通入速率為40sccm,氣壓為2Pa,蝕刻時間為120秒。通過上述方法,凹槽底部的第一掩模層1032被去除,露出基底100。採用氧電漿體蝕刻第一掩模層1032過程中,與凹槽對應的第一掩模層1032被氧化而蝕刻掉,所述第二掩模層1034對所述第一掩模層1032中與凹槽對應部份以外的區域起到良好的掩模作用,進而蝕刻過程中有效保持第一掩模層1032的解析度。通過蝕刻將所述第二掩模層1034中的奈米圖形複製到第一掩模層1032中,從而使所述整個掩模層103圖案化。所述“圖案化”是指所述掩模層103在基底100的表面形成複數條形凸起結構1031,以分散的形式覆蓋所述基底100的部份表面,相鄰的凸起結構1031之間形成一溝槽1033,與溝槽1033對應區域的基底100的表面暴露出來,所述凸起結構1031覆蓋此區域之外基底100的表面。定義所述凸起結構1031的延伸方向為X方向,在水準方向上垂直於所述凸起結構1031延伸方向為Y方向。在Y方向上,所述凸起結構1031的橫截面 為矩形。所述複數凸起結構1031間隔設置,且間隔相等。通過控制所述蝕刻氣體的總的流動速率及氣體的通入方向,可使所述氣體的通入方向基本垂直於所述基底100表面,可使蝕刻結束後形成凸起結構1031的側壁陡直,進而可確保後續蝕刻所述基底100中,形成的三維奈米結構預製體1021的形狀的一致性及均勻性。在蝕刻第一掩模層1032的過程中,所述第二掩模層1034中凸部也會被少量蝕刻,但其蝕刻速率遠小於所述氣體對第一掩模層1032的蝕刻速率,所述第二掩模層1034基本保持其圖案的完整性。
在步驟S13中,轟擊所述掩模層103,使所述複數凸起結構1031的頂端逐漸兩兩靠在一起而閉合。
所述掩模層103的蝕刻方法,可通過將所述基底放置在一感應耦合電漿體系統中,利用電漿氣體對所述掩模層103進行轟擊。所述電漿氣體為惰性氣體,所述“惰性氣體”是指不與所述掩模層103進行反應的氣體,如氬氣、氦氣,也可為氮氣,也可為所述復數氣體的組合。在所述氣體的轟擊之下,所述複數凸起結構1031能夠兩兩閉合。在轟擊過程中,所述電漿氣體的轟擊方向基本垂直於所述基底100的表面。在轟擊過程中,相鄰的兩個凸起結構1031逐漸相向傾倒,使所述兩個凸起結構1031的頂端逐漸兩兩靠在一起,並且所述凸起結構1031的頂端部份被蝕刻,從而所述兩兩閉合的凸起結構1031的橫截面為三角形,對閉合位置處的基底100起到遮蔽的作用。同時,所述氣體對所述掩模層103中所述凸起結構1031的頂端(即遠離基底100表面的一端)優先進行蝕刻從而使得所述凸起結構1031頂端的寬度逐漸變窄。本實施例中,所述電漿氣體為Ar氣、O2的混合氣體,所述Ar的流速為 28sccm,所述O2的流速為32sccm,所述混合氣體的壓力為2Pa,蝕刻時間為15秒。
可以理解,所述掩模層103及所述電漿氣體並不限於以上所舉,可根據實際需要進行選擇,可以為單一氣體,也可以為混合氣體,只要確保在蝕刻的過程中,使所述掩模層103中的條形凸起結構1031兩兩閉合即可。所述氣體的通入速率、氣壓、蝕刻時間、氣體之間的比例等可根據需要形成的三維奈米結構預製體1021的尺寸等進行選擇。
在步驟S14中,蝕刻所述基底100,並形成複數三維奈米結構預製體1021。
所述蝕刻方法可通過將上述基底100放置在一感應耦合電漿體系統中,利用蝕刻氣體對所基底100進行蝕刻,所述蝕刻氣體的通入方向垂直於所述基底100的表面。所述氣體可根據所述基底100及所述掩模層103的材料進行選擇,以確保所述蝕刻氣體對所述蝕刻物件具有較高的蝕刻速率,優選的,所述蝕刻氣體對基底100的蝕刻速率大於對掩模層103的蝕刻速率,從而能夠確保所述蝕刻形成圖形的完整性及解析度。
請參閱圖3,具體的,所述基底100蝕刻過程主要包括以下階段:第一階段,蝕刻氣體對未被凸起結構1031覆蓋及遮蔽的基底100表面進行蝕刻,使基底100表面形成複數凹槽,所述凹槽的深度基本相同;第二階段,所述蝕刻氣體對所述基底100表面及所述凸起結構1031同時進行蝕刻,使得部份被凸起結構1031覆蓋的基底100表 面暴露出來;第三階段,繼續對所述基底100及所述凸起結構1031進行蝕刻,在所述蝕刻氣體中電漿體的轟擊作用下,所述凸起結構1031繼續被部份蝕刻,同時對暴露的基底100表面繼續蝕刻,形成複數三維奈米結構預製體1021。
在第一階段,所述蝕刻氣體對未被凸起結構1031覆蓋的基底100表面進行各向同性蝕刻,形成複數凹槽,所述凹槽的深度基本相同。所述各向同性蝕刻是指所述蝕刻氣體對所述基底100表面的縱向蝕刻速率均相同。
在第二階段中,所述氣體會與基底100反應,從而在蝕刻表面形成一保護層,阻礙氣體的進一步蝕刻,使得蝕刻面逐漸減小,即形成所述凹槽的寬度沿蝕刻方向逐漸減小,進而使得形成的所述凹槽的內壁並非垂直於所述基底100的表面,而是形成一定角度。同時,所述氣體也會對凸起結構1031進行蝕刻,使得所述凸起結構1031的尺寸減小。由於所述閉合的凸起結構1031的橫截面呈三角形,因此所述三角形邊緣位置處的掩模層103逐漸被蝕刻掉,從而逐漸暴露出部份原先被所述凸起結構1031被覆蓋的基底100表面;在第三階段,所述蝕刻氣體對暴露出來的基底100表面繼續進行蝕刻,使得所述凸起結構1031的尺寸進一步減小,從而逐漸形成複數三維奈米結構預製體1021及相鄰三維奈米結構預製體1021之間的凹陷結構1041。所述三維奈米結構預製體1021的橫截面為三角形或梯形,優選的,所述三維奈米結構預製體1021的橫截面為等腰三角形。所述凹陷結構1041橫截面的形狀為“V”形或倒梯 形結構。
所述蝕刻氣體可根據所述基底100的材料進行選擇,從而確保具有較高的蝕刻速率。本實施例中,所述基底100的材料為矽,所述蝕刻氣體為含有氟基化合物的混合氣體,所述混合氣體包括CHxF4-X、和O2,其中(X=0,1,2,3)。所述電漿體系統的功率可為10瓦~150瓦,所述混合氣體的通入速率可為8~150sccm,其形成的氣壓可為0.5帕~15帕,蝕刻時間可為5秒~5分鐘。優選的,所述混合氣體的通入速率為40~100sccm,以確保所述蝕刻的速度及精確度。本實施例中,所述矽基化合物為CF4,所述電漿系統的功率為70W,所述電漿體的通入速率為40sccm,氣壓為1Pa,蝕刻時間為120秒,其中,所述CF4的通入速率為24sccm,所述O2的通入速率為16sccm。通過選擇所述CF4的通入速率與所述O2通入速率的比值,可改變所述三角形頂角的角度,從而製備出不同形狀的三角形。
在步驟S15中,所述殘留的掩模層103可通過有機溶劑如四氫呋喃(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,溶解所述掩模等方法去除,從而形成所述光柵10。本實施例中,所述有機溶劑為丁酮,所述殘留的掩模層103溶解在所述丁酮中,從而與所述基底100脫離。請一併參閱圖4,圖5及圖6,所述掩模層103去除之後,形成複數三維奈米結構102,所述複數三維奈米結構102沿同一方向延伸,相鄰的三維奈米結構102之間形成一凹槽104,並且所述三維奈米結構102的橫截面為三角形。優選的,本實施例中,所述三維奈米結構102的橫截面為等腰三角形。可以理解,由於實驗條件的影響 ,所述三維奈米結構102橫截面頂端的尖角並非嚴格意義上的尖角,也可能為一梯形。然而所述梯形的上底遠小於所述梯形的下底,因此,所述三維奈米結構102的橫截面仍然可看作為一三角形。進一步,所述等腰三角形也並非嚴格意義上的“等腰”,存在一定的誤差,然而,所述誤差極小,均不影響所述三維奈米結構102的光學性質。
請參閱圖7,三維奈米結構102的橫截面為等腰三角形,形成的所述光柵10的週期為50奈米~250奈米,優選的,所述光柵10的週期為50奈米~200奈米,優選的,所述光柵10的週期為50奈米~100奈米,從而具有更高的解析度。本實施例中,所述等腰三角形的高約為100奈米,所述等腰三角形的邊長分別約為119奈米、121奈米,所述等腰三角形的底邊約為103奈米,所述光柵10的週期約為200奈米。由此可見,所述三維奈米結構102的橫截面的尺寸均為奈米級,且所述光柵10的週期也為奈米級,從而使得所述光柵10具有更高的解析度。
可以理解,本實施例中所述奈米壓印並蝕刻所述掩模層103形成複數條形凸起結構及凹槽的方法僅為一具體實施例,所述掩模層103的處理並不限於以上製備方法,只要確保所述圖案化的掩模層103包括複數條形凸起結構,相鄰的凸起結構之間形成凹槽,設置於基底100後,所述基底100的表面通過該凹槽暴露出來即可。如也可以通過先在其他介質或基底表面形成所述圖案化的掩模層,然後再轉移到該基底100表面的方法形成。
與先前技術相比較,本發明所述三維奈米結構的製備方法具有以下優點:其一,該所述第二掩模層可以在室溫下進行壓印,且在 後續製造工藝形變較小,進而確保了後續蝕刻的精度。其二,基底與第二掩模層之間形成有第一掩模層,在對第一掩模層蝕刻過程,第二掩模層對第一掩模層起到有效的掩模作用,減少了第一掩模層的奈米圖形產生缺陷,確保了第一掩模層的奈米圖形的解析度和保真性。其三,本發明提供的奈米壓印方法,其可在室溫下進行壓印,使得該方法工藝簡單,成本低。其四,在所述光柵的製備方法中,通過對所述掩模進行蝕刻,使掩模中的凸起結構兩兩閉合形成三角形結構,能夠提高製備的所述光柵的解析度及精確度;其五,所述光柵的製備方法中,掩模的製備方法簡單,掩模層的材料可選範圍廣,可根據實際蝕刻需要進行多樣選擇、搭配,適合復數材料基底的蝕刻,可方便的製備大面積週期性的光柵,提高了所述圖案化基底的產率。其六,相對於先前技術中的蝕刻方法如FIB、EBL等,本發明所述光柵的製備方法形成的三維奈米結構具有高度的一致性及精度。
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
100‧‧‧基底
102‧‧‧三維奈米結構
1021‧‧‧三維奈米結構預製體
104‧‧‧凹槽
103‧‧‧掩模層
1031‧‧‧凸起結構
1041‧‧‧凹陷結構
1032‧‧‧第一掩模層
1033‧‧‧溝槽
1034‧‧‧第二掩模層

Claims (18)

  1. 一種光柵的製備方法,包括以下步驟:提供一矽基底;在所述矽基底的表面形成一掩模層;奈米壓印所述掩模層,使所述掩模層表面形成並排延伸的複數條形凸起結構;沿垂直於矽基底表面的方向採用惰性氣體電漿體轟擊所述掩模層,使所述複數條形凸起結構的頂端兩兩靠在一起而閉合;沿垂直於矽基底表面的方向採用感應耦合電漿體蝕刻所述矽基底和所述掩模層,使所述矽基底的表面圖案化,形成複數三維奈米結構預製體;及去除所述掩模層,形成複數三維奈米結構。
  2. 如請求項1所述的光柵的製備方法,其中,所述轟擊掩模層的過程中,相鄰兩個條形凸起結構的頂端逐漸靠在一起,使所述複數條形凸起結構兩兩閉合。
  3. 如請求項2所述的光柵的製備方法,其中,所述轟擊掩模層的氣體為氬氣、氦氣、氮氣中的一種或幾種。
  4. 如請求項1所述的光柵的製備方法,其中,所述凸起結構的頂端被部份蝕刻而變窄,所述兩兩閉合的凸起結構的橫截面為三角形。
  5. 如請求項4所述的光柵的製備方法,其中,所述基底的蝕刻方法具體包括以下階段:對未被凸起結構覆蓋的基底表面進行蝕刻,使基底表面形成複數凹槽,所述凹槽的深度相同; 在所述電漿體的轟擊作用下,所述氣體與基底反應,在蝕刻表面形成一保護層,阻礙氣體的進一步蝕刻,所述凹槽的寬度沿蝕刻方向逐漸減小,所述凹槽的內壁與所述基底的表面形成一定角度,且所述凸起結構邊緣位置處的部份逐漸被蝕刻掉,暴露出所述被凸起結構覆蓋的基底表面;及繼續對所述基底及所述凸起結構進行蝕刻,所述掩模層被部份蝕刻而厚度變薄,形成複數三維奈米結構預製體。
  6. 如請求項5所述的光柵的製備方法,其中,所述三維奈米結構預製體的橫截面為三角形或梯形。
  7. 如請求項5所述的光柵的製備方法,其中,所述基底的蝕刻方法為在一感應耦合電漿體系統中通過電漿體蝕刻的方法。
  8. 如請求項7所述的光柵的製備方法,其中,所述電漿體系統的功率為10瓦~150瓦。
  9. 如請求項8所述的光柵的製備方法,其中,所述電漿體蝕刻中的蝕刻氣體包括CHXF4-X和O2氣體,其中,X=0,1,2或3。
  10. 如請求項9所述的光柵的製備方法,其中,所述蝕刻氣體的通入速率為8sccm~150sccm,形成的氣壓為0.5帕~15帕,蝕刻時間為5秒~5分鐘。
  11. 如請求項10所述的光柵的製備方法,其中,所述蝕刻氣體包括CF4及O2,所述CF4的通入速率為24sccm,所述O2的通入速率為16sccm。
  12. 如請求項1所述的光柵的製備方法,其中,所述光柵的週期為奈米級。
  13. 如請求項12所述的光柵的製備方法,其中,所述光柵的週期為50奈米至200奈米。
  14. 一種光柵的製備方法,包括以下步驟:提供一基底;在所述基底的表面形成一掩模層,所述掩模層包括一第一掩模層及第二 掩模層依次層疊設置於基底表面;奈米壓印所述掩模層,形成並排延伸的複數凸起結構,所述凸起結構的橫截面為矩形,並暴露出相鄰凸起結構之間的基底的部份表面;轟擊所述掩模層,使所述掩模層的所述複數凸起結構中,相鄰的凸起結構依次兩兩閉合,所述兩兩閉合的凸起結構的橫截面為等腰三角形;蝕刻所述基底,形成複數橫截面為等腰三角形的三維奈米結構預製體;及去除所述掩模,形成複數三維奈米結構,所述三維奈米結構的橫截面為等腰三角形。
  15. 如請求項14所述的光柵的製備方法,其中,所述第一掩模層的厚度為100奈米~500奈米,所述第二掩模層的厚度為100奈米~500奈米,所述第一掩模層的材料為ZEP520A,所述第二掩模層的材料為HSQ。
  16. 如請求項14所述的光柵的製備方法,其中,所述掩模層的奈米壓印包括以下步驟:提供一表面具有奈米圖形的基板;將基板形成有奈米圖形的表面與所述第二掩模層貼合;在常溫下擠壓所述基板與基底後並脫模,在第二掩模層中形成複數凹槽;通過蝕刻去除所述凹槽底部的部份第二掩模層,露出第一掩模;蝕刻凹槽底部的第一掩模,露出基底。
  17. 一種光柵的製備方法,包括以下步驟:提供一基底;在所述基底的表面形成一掩模層,所述掩模層包括並排延伸的複數凸起結構,所述凸起結構的橫截面為矩形;蝕刻所述掩模層,使所述掩模層的所述複數凸起結構中,相鄰的凸起結 構依次兩兩閉合,所述兩兩閉合的凸起結構的橫截面為等腰三角形;蝕刻所述基底,形成複數橫截面為等腰三角形的三維奈米結構預製體;及去除所述掩模,形成複數三維奈米結構,所述三維奈米結構的橫截面為等腰三角形。
  18. 如請求項17所述的光柵的製備方法,其中,所述基底的材料為石英或矽。
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