一种正弦光栅的制备方法

摘要

本发明公开了一种正弦光栅的制备方法，该方法包括：在衬底的上表面依次沉积粘附膜层和第一贵金属膜层；在第一贵金属膜层表面涂覆光刻胶，利用光刻技术制作正弦光栅光刻胶掩模图形；在第一贵金属膜层中未覆盖有光刻胶的表面电镀第二贵金属膜层；去除正弦光栅光刻胶掩模图形的光刻胶；刻蚀衬底上表面的粘附膜层和第一贵金属膜层，得到正弦光栅模板；将正弦光栅模板放入由氢氟酸与氧化剂组成的刻蚀液中，进行金属催化刻蚀，得到正弦光栅；对正弦光栅进行清洗、干燥。

权利要求

1.一种正弦光栅的制备方法，其特征在于，包括：在衬底的上表面依次沉积粘附膜层和第一贵金属膜层；

在所述第一贵金属膜层表面涂覆光刻胶，利用光刻技术制作正弦光栅光刻胶掩模图形；

在所述第一贵金属膜层中未覆盖有所述光刻胶的表面电镀第二贵金属膜层；

去除所述正弦光栅光刻胶掩模图形的光刻胶；

刻蚀所述衬底上表面的所述粘附膜层和所述第一贵金属膜层，得到正弦光栅模板；

将所述正弦光栅模板放入由氢氟酸与氧化剂组成的刻蚀液中，进行金属催化刻蚀，得到正弦光栅；其中，所述氢氟酸用于溶解所述粘附膜层，所述刻蚀液用于对所述衬底进行金属催化刻蚀，所述第二贵金属膜层作为所述金属催化刻蚀的催化剂；

对所述正弦光栅进行清洗、干燥；

其中，所述衬底的厚度大于1mm；

所述粘附膜层和所述第一贵金属膜层膜厚都小于50nm；

所述第二贵金属膜层膜厚范围在15nm～25nm之间；

所述氢氟酸的浓度范围在1mol/L～20mol/L之间；

所述氧化剂包括双氧水、高锰酸钾或硝酸银中的一种，其中所述双氧水浓度范围在

0.1mol/L～1mol/L之间；

所述刻蚀液温度范围在‑10℃～30℃之间。

2.根据权利要求1所述正弦光栅的制备方法，其特征在于，所述衬底包括硅片，所述硅片包括P型(100)晶向的单晶硅。

3.根据权利要求1所述正弦光栅的制备方法，其特征在于，所述粘附膜层包括钛膜或铬膜中的一种，所述第一贵金属膜层包括金膜、银膜或铂膜中的一种。

4.根据权利要求1所述正弦光栅的制备方法，其特征在于，所述粘附膜层和所述第一贵金属膜层的沉积方法包括磁控溅射、离子束溅射或电子束蒸发中的一种。

5.根据权利要求1所述正弦光栅的制备方法，其特征在于，所述正弦光栅掩模图形包括微米级或纳米级的线条阵列。

6.根据权利要求1所述正弦光栅的制备方法，其特征在于，所述光刻技术包括光学光刻或电子束光刻中的一种。

7.根据权利要求1所述正弦光栅的制备方法，其特征在于，所述第一贵金属膜层与所述第二贵金属膜层材料相同。

8.根据权利要求1所述正弦光栅的制备方法，其特征在于，刻蚀所述衬底上表面的所述粘附膜层和所述第一贵金属膜层，得到正弦光栅模板包括：采用感应耦合等离子刻蚀所述衬底上表面所述粘附膜层和所述第一贵金属膜层，得到所述正弦光栅模板。

说明书

一种正弦光栅的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光栅微纳米加工技术领域，尤其涉及一种正弦光栅的制备方法。

背景技术

[0002] 正弦光栅结构简单，具有色散、分束、相位匹配、消高级衍射等特性，可用于光谱仪、颜色测定仪等。近年来，正弦型光栅微结构的应用范围从光谱学领域扩展到计量科学、光通信等领域。

[0003] 现有技术中,制作正弦光栅的方法有两种，双光束干涉法与聚焦离子束溅射刻蚀法。双光束干涉法主要使用两束相干平面光波对称于基底法线入射基底面，通过基底上的光刻胶记录干涉条纹，显影后得到正弦光栅，但对光路和环境要求极高。聚焦离子束溅射刻蚀法通过电磁透镜聚焦的具有一定能量的离子入射到材料表面并与目标表面发生相互作用从而进行结构加工，但其成本较高、效率较低，且制备的正弦光栅面形较差。

发明内容

[0004] 有鉴于此，为了解决现有技术制备的正弦光栅面形较差、制作较难且成本较高的问题，本发明提供一种正弦光栅的制备方法。

[0005] 为了实现上述目的，本发明提供一种正弦光栅的制备方法，包括：在衬底的上表面依次沉积粘附膜层和第一贵金属膜层；在第一贵金属膜层表面涂覆光刻胶，利用光刻技术制作正弦光栅光刻胶掩模图形；在第一贵金属膜层中未覆盖有光刻胶的表面电镀第二贵金属膜层；去除正弦光栅光刻胶掩模图形的光刻胶；刻蚀衬底上表面的粘附膜层和第一贵金属膜层，得到正弦光栅模板；将正弦光栅模板放入由氢氟酸与氧化剂组成的刻蚀液中，进行金属催化刻蚀，得到正弦光栅；其中，氢氟酸用于溶解粘附膜层，刻蚀液用于对衬底进行金属催化刻蚀，第二贵金属膜层作为金属催化刻蚀的催化剂；对制备得到的正弦光栅进行清洗、干燥。

[0006] 可选地，衬底包括硅片，硅片可以为P型(100)晶向的单晶硅，厚度大于1mm。

[0007] 可选地，粘附膜层包括钛膜或铬膜中的一种，第一贵金属膜层包括金膜、银膜或铂膜中的一种。

[0008] 可选地，粘附膜层和第一贵金属膜层的沉积方法包括磁控溅射、离子束溅射或电子束蒸发中的一种，粘附膜层和第一贵金属膜层膜厚都小于50nm。

[0009] 可选地，正弦光栅掩模图形包括微米级或纳米级的线条阵列。

[0010] 可选地，光刻技术包括光学光刻或电子束光刻中的一种。

[0011] 可选地，第一贵金属膜层与第二贵金属膜层材料相同，第二贵金属膜层膜厚范围在15nm～25nm之间。

[0012] 可选地，刻蚀衬底上表面的粘附膜层和第一贵金属膜层，得到正弦光栅模板包括：采用感应耦合等离子刻蚀衬底上表面的粘附膜层和第一贵金属膜层，得到正弦光栅模板。

[0013] 可选地，氧化剂包括双氧水、高锰酸钾或硝酸银中的一种。

[0014] 可选地，氢氟酸的浓度范围在1mol/L～20mol/L之间，双氧水浓度范围在0.1mol/L～1mol/L之间，刻蚀液温度范围在‑10℃～30℃之间。

[0015] 本发明先在衬底表面沉积粘附膜层和第一贵金属膜层，然后光刻制作正弦光栅光刻胶掩模图形，电镀第二贵金属膜层，去除正弦光栅光刻胶掩模图形的光刻胶，紧接着刻蚀粘附膜层和第一贵金属膜层，最后使用金属催化刻蚀技术刻蚀衬底获得正弦光栅。金属催化刻蚀的刻蚀方向垂直衬底表面向下，制作出的光栅侧壁陡直，且刻蚀深度不限，可由反应时间决定；金属催化刻蚀是湿法刻蚀法，光栅侧壁极其光滑，粗糙度可以达到1nm RMS量级。由此可见，本发明与现有技术相比，其有益技术效果体现在：能制作出大面积、高精度、面形较好的正弦光栅。

附图说明

[0016] 图1为本发明实施例示出的一种正弦光栅制备方法的流程图；

[0017] 图2为本发明实施例示出的衬底上表面沉积粘附膜层和第一贵金属膜层的结构剖视图；

[0018] 图3为本发明实施例示出的第一贵金属膜层表面制作正弦光栅光刻胶掩模的俯视图；

[0019] 图4为本发明实施例示出的电镀第二贵金属膜层后衬底的结构剖视图；

[0020] 图5为本发明实施例示出的去除光刻胶后衬底的结构剖视图；

[0021] 图6为本发明实施例示出的正弦光栅模板的结构剖视图；

[0022] 图7为本发明实施例示出的金属催化刻蚀后得到的正弦光栅的结构剖视图；

[0023] 图8为本发明实施例示出的清洗、干燥后得到的正弦光栅示意图。

[0024] 【附图符号说明】

[0025] 1‑衬底；2‑粘附膜层；3‑第一贵金属膜层；4‑光刻胶；5‑第二贵金属膜层具体实施方式

[0026] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

[0027] 本发明提供了一种正弦光栅的制备方法。图1为本发明实施例示出的一种正弦光栅制备方法的流程图。图2为本发明实施例示出的衬底上表面沉积粘附膜层和第一贵金属膜层的结构剖视图。

[0028] 如图1所示，该制备方法包括操作S101～S107。

[0029] 在操作S101，在衬底1的上表面依次沉积粘附膜层2和第一贵金属膜层3，如图2所示。

[0030] 根据本发明的实施例，例如，衬底1可以采用(100)晶向的P型单晶硅，厚度可以为2mm。

[0031] 根据本发明的实施例，粘附膜层包括钛膜或铬膜中的一种，第一贵金属膜层包括金膜、银膜或铂膜中的一种。

[0032] 根据本发明的实施例，粘附膜层和第一贵金属膜层的厚度都小于50nm。

[0033] 根据本发明的实施例，粘附膜层可以为钛膜，钛膜厚度可以为2nm～3nm，可选为2nm、2.2nm、2.4nm、2.6nm、3nm。

[0034] 根据本发明的实施例，第一贵金属膜层可以为金膜，金膜厚度可以为10nm～15nm，可选为10nm、11nm、12nm、13nm、15nm。

[0035] 根据本发明的实施例，钛膜和金膜可以采用磁控溅射或离子束溅射或电子束蒸发镀膜的方法沉积。

[0036] 图3为本发明实施例示出的第一贵金属膜层表面制作正弦光栅光刻胶掩模的俯视图。

[0037] 在操作S102，在第一贵金属膜层3表面涂覆光刻胶4，利用光刻技术制作正弦光栅光刻胶掩模图形，如图3所示。

[0038] 根据本发明的实施例，正弦光栅掩模图形为线条阵列，周期可以为1μm～2μm，线条宽度可以为0.5μm～1μm。

[0039] 根据本发明的实施例，例如，光刻胶可以选用正性光刻胶，由于选用的是正性光刻胶，光刻掩模版图形与目标图形一致。

[0040] 根据本发明的实施例，使用旋转涂胶法进行光刻胶的涂布，涂布厚度范围为50nm～100nm，也可以根据实际工艺条件降低或者增加涂布厚度，在本发明的实施例中不作具体限制要求。其中，涂布厚度的调整可通过调节转速和光刻胶中溶剂的占比来实现。

[0041] 根据本发明的实施例，涂胶过程为：在表面涂覆光刻胶，然后烤胶。

[0042] 根据本发明的实施例，光刻技术可以为电子束光刻，电子束电压例如可以为2
100kV，电流例如可以为200pA，电子剂量例如可以为1000μC/cm。

[0043] 图4为本发明实施例示出的电镀第二贵金属膜层后衬底的结构剖视图。

[0044] 在操作S103，在第一贵金属膜层3中未覆盖有光刻胶4的表面电镀第二贵金属膜层5，如图4所示。

[0045] 根据本发明的实施例，第一贵金属膜层3与第二贵金属膜层5采用的材料相同。

[0046] 根据本发明的实施例，第二贵金属膜层膜厚5可以为15nm～25nm，可选为15nm、18nm、20nm、22nm、25nm。

[0047] 图5为本发明实施例示出的去除光刻胶后衬底的结构剖视图。

[0048] 在操作S104，去除正弦光栅光刻胶掩模图形的光刻胶4，如图5所示。

[0049] 根据本发明的实施例，通过湿法去胶的方法，去掉正弦光栅光刻胶掩模图形的光刻胶4，使用的溶液依次是丙酮、无水乙醇、去离子水，然后用N2吹干。

[0050] 图6为本发明实施例示出的正弦光栅模板的结构剖视图。

[0051] 在操作S105，刻蚀衬底1上表面的粘附膜层2和第一贵金属膜3，得到正弦光栅模板，如图6所示。

[0052] 根据本发明的实施例，刻蚀衬底1上表面的粘附膜层2和第一贵金属膜层3，得到正弦光栅模板包括：采用感应耦合等离子刻蚀衬底1上表面的粘附膜层2和第一贵金属膜层3，得到正弦光栅模板。

[0053] 根据本发明的实施例，采用感应耦合等离子刻蚀衬底1上表面的粘附膜层2和第一贵金属膜层3，刻蚀采用的工艺气体可以为氩气和溴化氢，其中，氩气流量可以为28sccm，溴化氢流量可以为80sccm，工作气压可以为800Pa，功率可以为300W。

[0054] 图7为本发明实施例示出的金属催化刻蚀后得到的正弦光栅的结构剖视图。

[0055] 在操作S106，将正弦光栅模板放入由氢氟酸与氧化剂组成的刻蚀液中，进行金属催化刻蚀，得到正弦光栅，如图7所示。

[0056] 根据本发明的实施例，氢氟酸用于溶解正弦光栅模板的粘附膜层2。

[0057] 根据本发明的实施例，刻蚀液用于对正弦光栅模板的衬底1进行金属催化刻蚀，其中，刻蚀液可以由氢氟酸和氧化剂组成。

[0058] 根据本发明的实施例，第一贵金属膜层3作为金属催化刻蚀的催化剂。

[0059] 根据本发明的实施例，利用刻蚀液和第一贵金属膜层3，对衬底1进行金属催化刻蚀，得到正弦光栅。具体地，正弦光栅模板的粘附膜层2被氢氟酸溶解后，正弦光栅模板的第一贵金属层3与衬底1直接接触，第一贵金属膜层3即可作为金属催化刻蚀的催化剂。

[0060] 根据本发明的实施例，氧化剂包括双氧水、高锰酸钾或硝酸银中的一种。

[0061] 根据本发明的实施例，氢氟酸的浓度范围在1mol/L～20mol/L之间，可选为1mol/L、5mol/L、10mol/L、15mol/L、20mol/L。

[0062] 根据本发明的实施例，氧化剂可以为双氧水，双氧水的浓度范围在0.1mol/L～1mol/L之间，可选为0.1mol/L、0.2mol/L、0.5mol/L、0.8mol/L、1mol/L。

[0063] 根据本发明的实施例，刻蚀液温度范围在‑10℃～30℃之间，可选为‑10℃、0℃、10℃、20℃、30℃。

[0064] 图8为本发明实施例示出的清洗、干燥后得到的正弦光栅示意图。

[0065] 在操作S107，对正弦光栅进行清洗、干燥。

[0066] 根据本发明的实施例，依次使用去离子水、异丙醇清洗制备得到的正弦光栅，然后放置等待自然干燥，并将清洗干燥后的正弦光栅摆正，如图8所示。

[0067] 根据本发明的实施例，通过提出一种正弦光栅的制备方法，通过在衬底表面沉积粘附膜层和第一贵金属膜层，然后光刻制作正弦光栅光刻胶掩模图形，电镀第二贵金属膜层，去除正弦光栅光刻胶掩模图形的光刻胶，紧接着刻蚀粘附膜层和第一贵金属膜层，最后使用金属催化刻蚀技术刻蚀衬底获得正弦光栅。金属催化刻蚀的刻蚀方向垂直衬底表面向下，制作出的光栅侧壁陡直，且刻蚀深度不限，可由反应时间决定；金属催化刻蚀是湿法刻蚀法，光栅侧壁极其光滑，可以达到1nm RMS量级。由此可见，本发明提出的正弦光栅制备方法，能制作出大面积、高精度、面形较好的正弦光栅。

[0068] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。