位相掩膜光刻制備占空比可調(diào)的納米周期光柵的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種位相掩膜光刻制備占空比可調(diào)的納米周期光柵的方法。在利用深紫外曝光光源的±1級(jí)衍射光位相掩膜光刻法制備周期較掩膜板減小一半的納米周期光柵的基礎(chǔ)上，提出了兩種技術(shù)方案用于調(diào)節(jié)光柵的占空比，一是通過(guò)改變曝光劑量與膠層厚度來(lái)調(diào)節(jié)光柵占空比，二是通過(guò)調(diào)節(jié)用作刻蝕掩模的遮蔽沉積層的沉積角度并結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)光柵占空比。通過(guò)上述技術(shù)與工藝因素的調(diào)節(jié)，可以獲得不同占空比與線條寬度的光柵，從而可獲得不同性能與應(yīng)用領(lǐng)域的占空比不同的納米周期光柵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明不限于光柵所用材料及其具體應(yīng)用范圍，并且該方法簡(jiǎn)單易行，穩(wěn)定可靠，在高性能納米光柵的大批量生產(chǎn)領(lǐng)域具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
【專利說(shuō)明】位相掩膜光刻制備占空比可調(diào)的納米周期光柵的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及不同占空比納米周期光柵的制備【技術(shù)領(lǐng)域】。制備方法基于±1級(jí)位相掩模深紫外曝光光刻、光刻膠層厚度與曝光劑量協(xié)同調(diào)節(jié)、雙向遮蔽沉積、反應(yīng)離子刻蝕等技術(shù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米周期光柵(包括光纖光柵)及其制備技術(shù)近年來(lái)在集成光子器件、光纖通信、光纖傳感以及光信息處理領(lǐng)域里得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，各種先進(jìn)的制備技術(shù)與方法也逐漸發(fā)展并應(yīng)用起來(lái)，其中位相掩模法以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到了人們的青睞。位相掩膜法對(duì)環(huán)境的穩(wěn)定性要求較低，同時(shí)對(duì)光源的相干性要求也較低，并且有可能在一次寫(xiě)入過(guò)程同時(shí)在幾個(gè)平行光纖中寫(xiě)入光柵，因此用這種方法制備光柵的成本比較低廉，工藝穩(wěn)定可靠，而且易于在工業(yè)上進(jìn)行大批量生產(chǎn)。
[0003]具備應(yīng)用功能的納米光柵，其主要的物理參數(shù)包括光柵周期、光柵深度、光柵占空t匕、光柵的外形以及光柵材料等，這些參數(shù)都對(duì)光柵的性能及其具體應(yīng)用有著重要影響。新型先進(jìn)且穩(wěn)定可靠的由各類(lèi)材料構(gòu)成的納米周期光柵的制備技術(shù)與工藝方法，并且在周期一定情況下，調(diào)節(jié)光柵的占空比或線條寬度對(duì)于光柵性能的優(yōu)化與新功能的開(kāi)發(fā)、探索其潛在的應(yīng)用價(jià)值都是一條非常重要而又切實(shí)可能的途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種位相掩膜光刻制備占空比可調(diào)的納米周期光柵的方法，可以方便地調(diào)節(jié)光柵的占空比和線條寬度。
[0005]本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下:
[0006]位相掩膜光刻制備占空比可調(diào)的納米周期光柵的方法，包括如下步驟:
[0007](I)在襯底表面均勻旋涂一層一定厚度的深紫外光刻膠，然后經(jīng)過(guò)預(yù)烘處理；
[0008](2)選取一定周期的表面浮雕式石英光柵作為光刻所用的位相掩模，石英光柵的占空比為1: 1、高度為266nm;
[0009](3)利用波長(zhǎng)266nm紫外光源作為曝光光源，曝光過(guò)程中位相掩膜板與表面涂覆有光刻膠的樣品表面采用均勻接觸方式，即二者緊密貼合又不至于使掩膜板的結(jié)構(gòu)嵌入樣品膠層中，在穩(wěn)定激光輸出功率條件下，根據(jù)不同的光刻膠層厚度，通過(guò)曝光時(shí)間的控制，精確控制曝光劑量，從而控制光柵線條的寬度與占空比；
[0010](4)通過(guò)濕法顯影過(guò)程，在一定的顯影液中浸泡一定時(shí)間后，獲得光刻膠的納米光柵結(jié)構(gòu)，該光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)中，周期應(yīng)為掩模光柵周期的1/2 ；
[0011](5)利用反應(yīng)離子刻蝕工藝，刻蝕襯底材料，獲得相應(yīng)結(jié)構(gòu)的光柵樣品。
[0012]所述光刻膠的厚度為10?lOOOnm，石英光柵的周期為400— 2000nm ;曝光劑量的調(diào)節(jié)范圍在10X40?200X40mW.s之間；光柵線條的寬度為10?1980nm。
[0013]進(jìn)一步地，經(jīng)過(guò)上述步驟(4)獲得光刻膠的納米光柵結(jié)構(gòu)以后，根據(jù)所需光柵線條寬度與占空比的大小，繼續(xù)如下步驟進(jìn)行修正:
[0014]a)利用遮蔽沉積技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)傾斜沉積角度:10°?89°，在已曝光顯影的光刻膠層上表面，以不同的沉積角度分別蒸發(fā)沉積金屬(如Cr，Au等)或氧化物(如SiO2, Si3N4等)作為抗刻蝕阻擋層薄膜材料；然后選取適當(dāng)?shù)目涛g參數(shù)，分別采用反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕未受保護(hù)的光刻膠層和底層材料，獲得不同線條寬度和占空比的納米光柵結(jié)構(gòu)；
[0015]b)利用O2等離子體反應(yīng)刻蝕沒(méi)有覆蓋有薄膜掩膜的光刻膠層，得到頂部覆蓋有掩膜層的側(cè)壁陡直的光刻膠層光柵結(jié)構(gòu)；
[0016]c)利用反應(yīng)離子刻蝕方法，在設(shè)定的刻蝕氣體(如CHF3等)與刻蝕條件下，對(duì)未受上述光刻膠層保護(hù)的襯底材料進(jìn)行刻蝕；
[0017]d)選擇一定的配方溶液，對(duì)上述樣品上的抗刻蝕層進(jìn)行舉離，最后得到所需光柵樣品。
[0018]本發(fā)明提出了兩種技術(shù)方案用于調(diào)節(jié)所制備光柵的占空比，ー是通過(guò)改變曝光劑量與膠層厚度來(lái)調(diào)節(jié)光柵占空比，ニ是通過(guò)調(diào)節(jié)用作刻蝕掩模的遮蔽沉積層的沉積角度并結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)光柵占空比。通過(guò)上述技術(shù)與エ藝因素的調(diào)節(jié)，可以獲得不同占空比與線條寬度的光柵，從而可獲得不同性能與應(yīng)用領(lǐng)域的占空比不同的納米周期光柵結(jié)構(gòu)。本發(fā)明不限于光柵所用材料及其具體應(yīng)用范圍，并且該技術(shù)方法簡(jiǎn)單易行，穩(wěn)定可靠，在高性能納米光柵的大批量生產(chǎn)領(lǐng)域具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為± I級(jí)衍射光位相掩膜接觸式深紫外曝光エ藝示意圖；
[0020]圖2為光刻膠曝光顯影ニ元模型；
[0021]圖3為實(shí)施例2的エ藝流程圖；
[0022]圖4為曝光劑量為75*40mW*s時(shí)所制備的光柵電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明中的納米周期光柵制備方法是利用±1級(jí)衍射光位相掩膜接觸式深紫外光刻法進(jìn)行的，并使得具有掩模光柵周期的減半效果；其次結(jié)合了曝光劑量與膠層厚度協(xié)同調(diào)控，以及應(yīng)用金屬或氧化物抗刻蝕層的遮蔽沉積技術(shù)與反應(yīng)離子刻蝕方法，用于調(diào)節(jié)納米光柵的線條寬度與占空比。這里±1級(jí)位相掩模法是利用透紫外的浮雕式石英光柵位相掩模，并且采取正入射方式，在確?；疽种屏慵?jí)與更高級(jí)次衍射光的前提下，使得僅存的兩個(gè)等光強(qiáng)度的±1級(jí)衍射光在光刻膠層上進(jìn)行干渉光刻曝光，從而在光刻膠層上得到周期較掩膜板減小一半的光柵圖案。典型的曝光光源波長(zhǎng)為266nm，為抑制零級(jí)與更高級(jí)次衍射光，所用石英光柵掩模的光柵高度必須滿足d=入/ (2 (n-1))，其中\(zhòng)為曝光光源波長(zhǎng)，n為掩膜材料的折射率。對(duì)于石英掩模，n=l.5，因此該掩模光柵高度即為d= A =266nm,這時(shí)零級(jí)與更高級(jí)次的衍射光可以較好地得到抑制。該技術(shù)采用接觸式曝光方式，曝光過(guò)程如圖1所不。
[0024]利用波長(zhǎng)266nm等深紫外光源，周期400— 2000nm，占空比1:1的浮雕式石英光柵作為光刻掩模，通過(guò)±1級(jí)衍射光位相掩膜光刻技術(shù)與接觸式曝光方法，制備周期為掩膜光柵周期1/2的納米周期光柵。曝光過(guò)程中掩膜板與表面涂覆有光刻膠的樣品表面具有較好的貼合方式，既使二者較緊密貼合又不至于使掩膜板的結(jié)構(gòu)嵌入樣品膠層中，可比較好的滿足±1級(jí)位相掩膜光刻的曝光條件。
[0025]在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)與控制所制備納米光柵的線條寬度與占空比的技術(shù)方案有兩種:(I)根據(jù)具體的光刻膠，利用其曝光劑量、曝光閾值及其與光刻膠層厚度之間的相互關(guān)系，通過(guò)協(xié)同調(diào)控過(guò)程，制備不同線條寬度與占空比的納米光柵；(2)以抗反應(yīng)離子刻蝕的金屬或氧化作為抗刻蝕材料，應(yīng)用遮蔽沉積技術(shù)，在不同的沉積角度下制備光刻膠層表面的局域抗刻蝕薄膜層，結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，制備不同線條寬度與占空比的納米光柵。
[0026]實(shí)施例1
[0027]根據(jù)光刻膠曝光顯影ニ元模型(如圖2所示)，在曝光過(guò)程中通過(guò)一定范圍內(nèi)對(duì)曝光劑量的調(diào)節(jié)，使得不同厚度光刻膠層經(jīng)曝光和顯影后，所獲得的光柵的線條寬度與占空比不同。曝光劑量與膠層厚度的調(diào)節(jié)都要控制在一定的范圍，不然很有可能得不到周期減小一半的光柵圖案。其中曝光劑量調(diào)節(jié)范圍在10X40?200X40mW.s之間，光刻膠層厚度調(diào)節(jié)范圍在10?IOOOnm之間；所制備光柵周期為掩模光柵周期的1/2，光柵線條寬度在10?1980nm之間。
[0028]具體エ藝步驟如下:
[0029](I)在襯底表面均勻旋涂ー層一定厚度的深紫外光刻膠，然后經(jīng)過(guò)預(yù)烘處理。
[0030](2)選取一定周期的表面浮雕式石英光柵作為光刻所用的位相掩模。
[0031](3)采用均勻接觸方式以266nm相干光源進(jìn)行曝光，在穩(wěn)定激光輸出功率條件下，通過(guò)曝光時(shí)間的控制，精確控制曝光劑量。
[0032](4)在不同的光刻膠層厚度時(shí)，控制不同的曝光時(shí)間，即控制不同的曝光劑量。
[0033](5)通過(guò)濕法顯影過(guò)程，在一定的顯影液中浸泡一定時(shí)間后，獲得光刻膠的納米光柵結(jié)構(gòu)。該光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)中，周期應(yīng)為掩模光柵周期的1/2，而光柵線條與占空比由上述エ藝因素決定。
[0034](6)利用反應(yīng)離子刻蝕エ藝，刻蝕襯底材料，獲得相應(yīng)結(jié)構(gòu)的光柵樣品。
[0035]在硅片表面均勻旋涂ー層厚度為240nm的AZ1500光刻膠，以110°C烘烤I分鐘；利用周期為550nm、深度約為266nm石英光柵作為位相掩膜板,通過(guò)接觸式曝光方式,利用波長(zhǎng)為266nm的深紫外激光束，其穩(wěn)定的輸出功率為40mW，對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間為75秒；然后顯影6秒，獲得如圖4所示的光刻膠的光柵結(jié)構(gòu)，其周期約為260nm左右。由圖可見(jiàn)，曝光劑量逐漸增大后，光柵的占空比逐漸減小，因此實(shí)現(xiàn)了利用曝光劑量的改變來(lái)調(diào)節(jié)占空比的目標(biāo)。并且如果在這個(gè)范圍內(nèi)増加曝光劑量，由一條550nm周期光柵所得到出來(lái)的兩條275nm周期的光柵分的越開(kāi)。
[0036]實(shí)施例2
[0037]利用遮蔽沉積技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)傾斜沉積角度，在已曝光顯影的光刻膠層上表面，以不同的沉積角度分別蒸發(fā)沉積技術(shù)金屬或氧化物薄膜；然后選取適當(dāng)?shù)目涛g參數(shù)，分別采用反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕未受抗刻蝕層保護(hù)的光刻膠層和底層材料，獲得不同線條寬度和占空比的納米光柵結(jié)構(gòu)。傾斜沉積角度:10°?89°之間，控制沉積層在膠層表面上的沉積區(qū)域，用于調(diào)控經(jīng)刻蝕后光柵線條的寬度及其占空比；針對(duì)不同的光刻膠層和底層材料種類(lèi)，選擇合適的金屬或氧化物作為沉積層材料，且其膜層厚度視待刻蝕膠層厚度或底層光柵高度而定。[0038]具體技術(shù)方案與エ藝步驟如下(エ藝流程圖如圖3所示):
[0039](I)在襯底表面均勻旋涂ー層一定厚度的深紫外光刻膠，然后經(jīng)過(guò)預(yù)烘處理。
[0040](2)選取一定周期的表面浮雕式石英光柵作為光刻所用的位相掩模。
[0041](3)采用均勻接觸方式以266nm相干光源進(jìn)行曝光，在穩(wěn)定激光輸出功率條件下，通過(guò)曝光時(shí)間的控制，精確控制曝光劑量。
[0042](4)通過(guò)濕法顯影過(guò)程，在一定的顯影液中浸泡一定時(shí)間后，獲得光刻膠層的納米周期光柵結(jié)構(gòu)。
[0043](5)選定傾斜沉積角度，利用電子束蒸發(fā)方法分別兩次蒸發(fā)沉積一定厚度的抗刻蝕薄膜。
[0044](6)應(yīng)用O2等離子反應(yīng)刻蝕未受上述抗刻蝕層保護(hù)的光刻膠層，得到所需的光刻膠層光柵結(jié)構(gòu)。
[0045](7)利用反應(yīng)離子刻蝕エ藝，對(duì)未受上述抗刻蝕層與光刻膠保護(hù)的襯底材料進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕，獲得相應(yīng)所需結(jié)構(gòu)參數(shù)的納米光柵樣品。
[0046](8)通過(guò)膠層舉離エ藝過(guò)程，去除光刻膠及其表面上的抗刻蝕層。
【權(quán)利要求】
1.位相掩膜光刻制備占空比可調(diào)的納米周期光柵的方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)在襯底表面均勻旋涂一層一定厚度的深紫外光刻膠，然后經(jīng)過(guò)預(yù)烘處理； (2)選取一定周期的表面浮雕式石英光柵作為光刻所用的位相掩模，石英光柵的占空比為1:1、高度為266nm ； (3)利用波長(zhǎng)266nm紫外光源作為曝光光源，曝光過(guò)程中位相掩膜板與表面涂覆有光刻膠的樣品表面采用均勻接觸方式，即二者緊密貼合又不至于使掩膜板的結(jié)構(gòu)嵌入樣品膠層中，在穩(wěn)定激光輸出功率條件下，根據(jù)不同的光刻膠層厚度，通過(guò)曝光時(shí)間的控制，精確控制曝光劑量，從而控制光柵線條的寬度與占空比； (4)通過(guò)濕法顯影過(guò)程，在一定的顯影液中浸泡一定時(shí)間后，獲得光刻膠的納米光柵結(jié)構(gòu)，該光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)中，周期應(yīng)為掩模光柵周期的1/2 ； (5)利用反應(yīng)離子刻蝕工藝，刻蝕襯底材料，獲得相應(yīng)結(jié)構(gòu)的光柵樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的位相掩膜光刻制備占空比可調(diào)的納米周期光柵的方法，其特征在于，所述光刻膠的厚度為10?lOOOnm，石英光柵的周期為400—2000nm ;曝光劑量的調(diào)節(jié)范圍在10X40?200X40mW.s之間；所述光柵線條的寬度為10?1980nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位相掩膜光刻制備占空比可調(diào)的納米周期光柵的方法，其特征在于，經(jīng)過(guò)步驟(4)獲得光刻膠的納米光柵結(jié)構(gòu)以后，根據(jù)所需光柵線條寬度與占空比的大小，繼續(xù)如下步驟進(jìn)行修正: a)利用遮蔽沉積技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)傾斜沉積角度:10°?89°，在已曝光顯影的光刻膠層上表面，以不同的沉積角度分別蒸發(fā)沉積金屬或氧化物作為抗刻蝕阻擋層薄膜材料；然后選取適當(dāng)?shù)目涛g參數(shù)，分別采用反應(yīng)離子刻蝕方法刻蝕未受保護(hù)的光刻膠層和底層材料，獲得不同線條寬度和占空比的納米光柵結(jié)構(gòu)； b)利用O2等離子體反應(yīng)刻蝕沒(méi)有覆蓋有薄膜掩膜的光刻膠層，得到頂部覆蓋有掩膜層的側(cè)壁陡直的光刻膠層光柵結(jié)構(gòu)； c)利用反應(yīng)離子刻蝕方法，在設(shè)定的刻蝕氣體與刻蝕條件下，對(duì)未受上述光刻膠層保護(hù)的襯底材料進(jìn)行刻蝕； d)選擇一定的配方溶液，對(duì)上述樣品上的抗刻蝕層進(jìn)行舉離，最后得到所需光柵樣品。
【文檔編號(hào)】G03F7/00GK103576225SQ201310557541
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月8日
【發(fā)明者】陸靜君, 袁長(zhǎng)勝, 葛海雄, 陳延峰 申請(qǐng)人:無(wú)錫英普林納米科技有限公司