闪耀光栅的制造方法与流程
1.本发明属于光栅技术领域，尤其是涉及一种闪耀光栅的制造方法。
背景技术：
2.当光栅刻划成锯齿形的线槽断面时，光栅的光能量便集中在预定的方向上，即某一光谱级上。从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀，这种光栅称为闪耀光栅。闪耀光栅具有分光、滤光等功能，被广泛用于超精密测量系统、光谱仪、半导体激光器、显示技术和其他技术领域内。
3.现有的闪耀光栅制造技术包括机械划刻法、灰度电子束曝光法、湿法刻蚀法、全息曝光加离子束刻蚀法。
4.其中机械划刻法借助特定的机器进行切割，虽然操作简易，但是划刻出的样品表面粗糙，误差较大，且时常伴随有鬼线的出现，影响器件性能。
5.灰度电子束曝光法依赖不同剂量下的电子束曝光形成设定的3d结构，存在理论上的可行性。但是在实际应用过程中，光刻胶和显影液的选择十分复杂，对显影的环境也有极其严格的要求。对于闪耀光栅结构需要得到连续的极其微小但数目繁多的台阶，其重复性差，生产效率低且成本高。
6.湿法刻蚀法依赖于特定的刻蚀液，常见的如koh溶液可作为硅的刻蚀液。湿法刻蚀应用范围有限，所产生的闪耀角严格受限于单晶硅晶面。
7.公告号为cn110133779b的发明专利公开了一种用于形成闪耀光栅的方法，所述方法包括：在光栅衬底上制备钝化层；在所述钝化层上形成多个钝化层沟槽，所述多个钝化层沟槽沿高度方向宽度相同且彼此等距离间隔开；将所述钝化层上的图形转移至所述光栅衬底，从而在所述光栅衬底上形成多个衬底沟槽，所述多个衬底沟槽沿高度方向宽度相同且彼此等距离间隔开；用倾斜离子束轰击所述多个衬底沟槽一侧。该发明采用全息曝光加离子束刻蚀法，能够进行闪耀光栅的高集成度、高精度的制备，并能够实现衍射光栅衍射角的高精度制备。但是，其重复性差，刻蚀时间以及等离子束入射角的确定需要进行多次模拟。且基于现有模型模拟出的数据与实际情况仍有百分之十左右误差，而且反闪耀边演化难以控制、难以应用于纳米尺寸光栅制造。
技术实现要素：
8.本发明旨在解决现有的闪耀光栅制造技术制造的光栅图案尺寸不够精确、直角反闪耀角的结构演变较为复杂、光栅结构的刻蚀过程重复性差且难以精确控制技术问题，提供一种闪耀光栅的制造方法。
9.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：闪耀光栅的制造方法，包括以下步骤：在光栅基底上形成图案；采用掩膜材料在所述光栅基底上形成刻蚀掩膜，所述掩膜材料填充满所述光栅基
底图案中的空隙；去除所述光栅基底表面的刻蚀掩膜，直至所述光栅基底的图案被露出，填充在所述光栅基底图案空隙中的的掩膜材料不会被去除；对所述光栅基底进行倾斜角度刻蚀，得到需要的闪耀光栅结构；去除剩余的掩膜材料。
10.作为一种优选的技术方案，所述光栅基底为沉积在硅衬底上的sio2层；或者所述光栅基底为硅基底。
11.作为一种优选的技术方案，所述掩膜材料为al2o3。
12.作为一种优选的技术方案，在所述光栅基底上形成图案的方法包括：采用抗蚀剂在光栅基底上旋涂一层抗蚀层，将抗蚀层进行曝光、显影，形成具有图案的抗蚀层；在光栅基底上采用电子束蒸发蒸镀金属层，所述金属层的厚度小于抗蚀层的厚度，所述金属层蒸镀在抗蚀层图案中的空隙及顶部；去除剩余的抗蚀剂来剥离金属，形成具有图案的金属层；采用刻蚀法将金属层的图案转移至所述光栅基底。
13.作为一种优选的技术方案，所述抗蚀剂为聚甲基丙烯酸甲酯pmma，所述金属层为cr金属层。
14.作为一种优选的技术方案，对所述光栅基底进行倾斜角度刻蚀的方法为：进行倾斜反应离子束刻蚀。
15.作为一种优选的技术方案，对所述光栅基底进行倾斜角度刻蚀的方法为：将所述光栅基底置于法拉第笼中，法拉第笼引导刻蚀等离子体垂直于法拉第笼的表面进入，实现倾斜角度反应离子刻蚀。
16.作为一种优选的技术方案，对所述光栅基底进行倾斜角度刻蚀的过程中，在刻蚀至出现部分光栅时取出光栅基底，采用倾斜电子束在掩膜材料露出的侧壁上蒸镀一层增强掩膜层，然后继续对所述光栅基底进行倾斜角度刻蚀。
17.作为一种优选的技术方案，所述增强掩膜层为cr增强掩膜层。
18.采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：通过本方法可以实现纳米尺寸光栅的制造，形成的图案具有更高精确度；本方法重复性高，光栅高度可确定或者可由刻蚀速率与时间控制，宽度由两侧掩膜材料的距离确定。
附图说明
19.图1为实施例1的闪耀光栅的制造方法的步骤流程图；图2为实施例2的闪耀光栅的制造方法的步骤流程图；1-光栅衬底；2-sio2层；3
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pmma层；4-电子束；5-cr金属层；6-刻蚀掩膜；7-法拉第笼；8-硅晶圆；9-刻蚀等离子体；10-法拉第笼倾角。
具体实施方式
20.以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
21.实施例1如图1所示，闪耀光栅的制造方法，包括以下步骤：1. 选用单面抛光硅晶片作为光栅衬底1；2. 在光栅衬底表面利用等离子体增强气相化学沉积系统（pecvd）沉积一层200nm sio2层2；3. 在sio2层2上旋涂一层100nm pmma层3，作为抗蚀层，并在热板上以180℃烘烤10分钟。至此，硅衬底上形成了由sio2、pmma组成的堆叠（如图1a所示）；pmma即聚甲基丙烯酸甲酯，是用于电子束曝光的一种抗蚀剂，属于高分子聚合物，其性能类似于光学曝光中的光致抗蚀剂即光刻胶，即辐照可使其产生化学或物理变化而形成图案。
22.4. 利用电子束4曝光，加速电压为 100 kv，曝光剂量为1000μc/cm2，pmma作为正性抗蚀剂用电子束4曝光形成设计图案（此处pmma图案尺寸为10nm宽，周期为310nm）；5. 将样品于室温下浸没于ipa:mibk=3:1中对pmma进行显影1分钟，完毕后用ipa冲洗并吹干。（如图1b所示）；ipa即异丙醇，mibk即甲基异丁基酮。
23.6. 在显影后的pmma层3上使用电子束蒸发蒸镀一层10nm厚的cr金属层5（如图1c所示）；7. 将样品放于pg-remover中进行lift-off工艺实现图案转移（如图1d所示）；pg-remover为去胶液，主要成分为1-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)。
24.lift-off工艺，即揭开一剥离工艺，可以省掉刻蚀步骤，降低成本。
25.8. 在以下刻蚀条件下，将cr金属层5中的图案转移至sio2层2（如图1e所示）：反应离子刻蚀条件：15sccm o2、40ccm c4f8、10 mtorr、200w rf、2500w icp、50
°
c；9. 利用原子层沉积（ald）技术沉积5nm al2o3在sio2层2上方（如图1f所示），形成刻蚀掩膜6，形成的al2o3沟槽宽10nm，高200nm；al2o3作为掩膜材料在所述光栅基底上形成刻蚀掩膜，sio2层2图案中的空隙也应由al2o3充满，样品表面均匀。
26.10. 应用等离子体刻蚀表面的al2o3层，得到填充了 al2o
3 的sio2沟槽结构（如图1g所示）；al2o3刻蚀条件：20sccm cl2， 60sccm bcl3，70mtorr,，rf 250 w，50℃。
27.11. 对剩余结构进行倾斜离子束刻蚀，闪耀光栅结构演化出现如图1h所示结构；对于sio2光栅，通常采用cf4和ar的混合进行反应离子束刻蚀。在实际操作过程中，样品将放置于与反应离子存在一定倾角的位置，从而实现倾斜角度反应离子束刻蚀。这个角度的设计与所形成的闪耀角存在关系。
28.本实施例中，sio2反应离子束刻蚀条件： 离子能量500ev，离子电流 120ma， ar 3sccm， cf
4 5sccm，倾斜角 45
°
。
29.12. 考虑到10nm al2o3掩膜可能不足以支持整个闪耀光栅结构出现，在刻蚀至出现部分光栅时取出样品，应用倾斜电子束蒸镀一层20nm cr至已经露出来的氧化铝的侧壁上，作为增强掩膜（如图1i所示）：
13. 对剩余结构进行倾斜离子束刻蚀至出现完整的闪耀光栅结构，并将刻蚀后样品置于金属刻蚀液中进行湿法刻蚀去除剩余al2o3和cr，得到最终的sio2闪耀光栅样品，该sio2闪耀光栅结构高200nm，宽300nm，闪耀角接近45
°
（如图1j所示）；按照本实例实施可真正实现同时具有直角反闪耀角及可控闪耀角的纳米尺度闪耀光栅的批量制备。由于cr增强掩膜的引进，本实施例中的al2o3沟槽宽度在实际设计中可以更窄，从而实现更加连续的闪耀光栅结构。
30.实施例2如图2所示，闪耀光栅的制造方法，包括以下步骤：1. 选用单面抛光硅晶片作为光栅基底；2. 旋涂一层100nm pmma薄膜，并在热板上以180℃烘烤10分钟；3. 利用电子束曝光，加速电压为 100kv，曝光剂量为1000μc/cm2，pmma作为正性抗蚀剂用电子束曝光形成设计图案，此处pmma图案尺寸为300nm宽，周期为310nm；4. 将样品于室温下浸没于ipa:mibk=3:1中对pmma进行显影1分钟，完毕后用ipa冲洗并吹干。（如图2b所示）；6. 利用反应离子刻蚀进行图案转移（如图2c所示）；反应离子刻蚀条件：22sccm sf6、38ccm c4f8、10 mtorr、10w rf、1200w icp、15
°
c。
31.9. 利用原子层沉积（ald）技术沉积5nm al2o3在硅晶片上方（如图2d所示）；10. 应用等离子体刻蚀表面的al2o3层，得到侧面受保护的si沟槽结构（如图2e所示），al2o3填充的沟槽为10nm宽，200nm高；al2o3蚀刻条件：20sccm cl
2 60sccm bcl3, 70mtorr, rf 250 w, 50℃, bias 327 v。
32.11. 将样品置于法拉第笼7中，法拉第笼7可以引导刻蚀等离子体9垂直于法拉第笼7表面进入，从而实现倾斜角度反应离子刻蚀（如图2h所示），此处法拉第笼7可覆盖四分之一大小的四寸硅晶圆8区域，所设计的倾角为56
°
，刻蚀后所得到的结构如图2f所示；常见的法拉第笼由铜网制成，可以为截面为直角三角形的三棱柱结构。样品置于法拉第笼中，当刻蚀的等离子体被击穿后，法拉第笼的边界会形成一个等势电位。法拉第笼内会形成一个无场区域，从而引导等离子体中的离子以垂直于斜面的方向对样品进行刻蚀。其中法拉第笼的倾斜角与闪耀光栅的闪耀角满足互余关系。常见的硅光栅刻蚀气体可选择sf6+c4f8或sf6+o2的组合。
33.本实施例中，反应离子刻蚀条件：22sccm sf6、38ccm c4f8、10 mtorr、10w rf、1200w icp、15
°
c。
34.12.将刻蚀后样品置于al刻蚀液中进行湿法刻蚀去除剩余al2o3，得到最终的si闪耀光栅样品（如图2g所示），该si闪耀光栅结构高200nm，宽300nm，闪耀角接近45
°
。
35.按照本实施例实施可真正实现同时具有直角反闪耀角及可控闪耀角的纳米尺度闪耀光栅的批量制备。在法拉第笼倾角10设计时，20
°
至70
°
通常是易于设计的，对应闪耀角的范围也应为20
°
至70
°
。
36.为实现反闪耀角为直角的闪耀光栅结构，本技术方案首先形成一个10nm左右宽的沟槽结构，随后对其使用ald技术进行氧化铝填充，去除表面的氧化铝但是保留沟槽等离子束的氧化铝结构，作为侧面的刻蚀掩膜。由于氧化铝的保护，反闪耀边及反闪耀角在刻蚀过
程中不会受到影响，对于最终形成的闪耀光栅结构的刻蚀，若材料为sio2，使用反应离子束刻蚀技术，可以实现倾斜角度刻蚀，且硅衬底可作为刻蚀终止层，确保了光栅的高度，宽度则由两侧的氧化铝确定。若材料为si，刻蚀过程可引用法拉第笼实现引导反应等离子体刻蚀方向进行刻蚀。反应等离子刻蚀重复性高，光栅高度可由刻蚀速率与时间控制，宽度仍由两侧氧化铝距离确定。
37.除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。
技术特征：
1.闪耀光栅的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：在光栅基底上形成图案；采用掩膜材料在所述光栅基底上形成刻蚀掩膜，所述掩膜材料填充满所述光栅基底图案中的空隙；去除所述光栅基底表面的刻蚀掩膜，直至所述光栅基底的图案被露出，填充在所述光栅基底图案空隙中的的掩膜材料不会被去除；对所述光栅基底进行倾斜角度刻蚀，得到需要的闪耀光栅结构；去除剩余的掩膜材料。2.根据权利要求1所述的闪耀光栅的制造方法，其特征在于，所述光栅基底为沉积在硅衬底上的sio2层；或者所述光栅基底为硅基底。3.根据权利要求1所述的闪耀光栅的制造方法，其特征在于，所述掩膜材料为al2o3、hfo2、ga2o3、aln、ir、pt中的一种。4.根据权利要求1-3中的任意一项所述的闪耀光栅的制造方法，其特征在于，在所述光栅基底上形成图案的方法包括：采用抗蚀剂在光栅基底上旋涂一层抗蚀层，将抗蚀层进行曝光、显影，形成具有图案的抗蚀层；在光栅基底上采用电子束蒸发蒸镀金属层，所述金属层的厚度小于抗蚀层的厚度，所述金属层蒸镀在抗蚀层图案中的空隙；去除剩余的抗蚀剂，形成具有图案的金属层；采用刻蚀法将金属层的图案转移至所述光栅基底。5.根据权利要求4所述的闪耀光栅的制造方法，其特征在于，所述抗蚀剂为聚甲基丙烯酸甲酯pmma，所述金属层为cr金属层。6.根据权利要求1-3中的任意一项所述的闪耀光栅的制造方法，其特征在于，对所述光栅基底进行倾斜角度刻蚀的方法为：进行倾斜离子束刻蚀。7.根据权利要求1-3中的任意一项所述的闪耀光栅的制造方法，其特征在于，对所述光栅基底进行倾斜角度刻蚀的方法为：将所述光栅基底置于法拉第笼中，法拉第笼引导刻蚀等离子体垂直于法拉第笼的表面进入，实现倾斜角度反应离子刻蚀。8.根据权利要求6所述的闪耀光栅的制造方法，其特征在于，对所述光栅基底进行倾斜角度刻蚀的过程中，在刻蚀至出现部分光栅时取出光栅基底，采用倾斜电子束在掩膜材料露出的侧壁上蒸镀一层增强掩膜层，然后继续对所述光栅基底进行倾斜角度刻蚀。9.根据权利要求8所述的闪耀光栅的制造方法，其特征在于，所述增强掩膜层为cr增强掩膜层。
技术总结
本发明提供一种闪耀光栅的制造方法，包括以下步骤：在光栅基底上形成图案；采用掩膜材料在所述光栅基底上形成刻蚀掩膜，所述掩膜材料填充满所述光栅基底图案中的空隙；去除所述光栅基底表面的刻蚀掩膜，直至所述光栅基底的图案被露出，填充在所述光栅基底图案空隙中的的掩膜材料不会被去除；对所述光栅基底进行倾斜角度刻蚀，得到需要的闪耀光栅结构；去除剩余的掩膜材料。通过本发明的方法可以实现纳米尺寸光栅的制造，形成的图案具有更高精确度；本方法重复性高，光栅高度可确定或者可由刻蚀速率与时间控制，宽度由两侧掩膜材料的距离确定。定。定。
