专利名称：光栅的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种光栅的制备方法，尤其涉及一种亚波长光栅的制备方法。
背景技术：
亚波长光栅是半导体工业以及精密仪器中最常用到的光学器件之一。亚波长光栅是指光栅的结构特征尺寸与工作波长相当或更小。制备高密度、亚波长、高占空比的亚波长石英光栅非常困难。需要应用到的刻蚀技术有电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、深紫外光刻、光全息刻蚀以及纳米压印技术。其中深紫外光刻方法有着衍射极限的问题，此外上述方法都有诸如成本太高，不能工业化生产等问题。石英光栅包括一石英基底，该石英基底的一表面上形成有多个凹槽。可以通过反应离子刻蚀(Reaction-1on-Etching, RIE)方法实现对石英基底的刻蚀形成所述多个凹槽。现有技术中采用RIE技术刻蚀石英基底的过程中，多采用四氟化碳(CF4)、三氟甲烷(CHF3)六氟化硫(SF6)作为刻蚀气体对石英基底进行刻蚀。然而，RIE方法在刻蚀过程中，刻蚀气体SF6容易与石英基 底发生反应生成氟硅碳化合物。该种氟硅碳化合物附着在石英基底的表面形成保护层，并阻隔刻蚀气体与石英基底接触，使刻蚀反应难以进行下去。为了克服上述问题，可在刻蚀气体中添加氧气(02)。O2可与刻蚀过程中生成的氟硅碳化合物反应进而烧蚀掉氟硅碳化合物，使刻蚀气体CF4和SF6继续和石英基底接触并刻蚀石英基底从而使刻蚀反应连续进行。然而，O2会与石英基底反应生成具有硅氧键和硅碳键的化合物，该种化合物同样会附着在石英基底的表面形成保护层阻隔刻蚀气体CF4和SF6与石英基底接触。因此，O2仍然会阻碍刻蚀反应的进行。由于上述问题，刻蚀形成的凹槽的横截面呈V型，凹槽的深度有限且其侧壁不陡直，使光栅的衍射效果较差。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种对光波的衍射性能较好的光栅的制备方法。一种光栅的制备方法，其包括以下步骤:提供一基底，在基底表面形成一图形化的掩模层；将该形成有掩模层的基底放入一反应性等离子体系统中，通入刻蚀气体对基底进行刻蚀，刻蚀过程分为三个阶段:第一刻蚀阶段，刻蚀气体的成分为四氟化碳和氩气，四氟化碳和IS气同时通入，四氟化碳和IS气的总体积流量为40sccm至120sccm,四氟化碳的体积流量的范围为IOsccm至IOOsccm,気气的体积流量的范围为Isccm至30sccm ;第二刻蚀阶段，刻蚀气体的成分改变为四氟化碳、六氟化硫以及氩气，且四氟化碳、六氟化硫以及氩气同时通入,其中，刻蚀气体的等离子体的总体积流量的范围为40sccm至120sccm，其中，六氟化硫的体积流量大于四氟化碳的体积流量；第三刻蚀阶段，继续同时通入四氟化碳、六氟化硫以及氩气，其中四氟化碳的体积流量大于六氟化硫的体积流量，四氟化碳的体积流量的范围为20sccm至80sccm,六氟化硫的体积流量的范围为5sccm至50sccm,気气的体积流量为5sccm至40sccm ;以及去除掩模层,得到一光栅。相对于现有技术，本发明提供的光栅的制备方法具备以下有益效果:(1)通过在第一刻蚀阶段，控制四氟化碳和IS气的总体积流量为40sccm至120sccm,四氟化碳的体积流量的范围为IOsccm至IOOsccm,気气的体积流量的范围为Isccm至30SCCm，首先在基底的表面形成多个深度较浅的凹槽，确定光栅的占空比，如此有利于在第二刻蚀阶段，通过加大六氟化硫的体积流量迅速加深凹槽的深度，避免了直接进行第二刻蚀阶段，凹槽的宽度会被拓宽，使光栅的占空比不准确；
(2)在第二刻蚀阶段,通过控制刻蚀气体的总体积流量的范围为40sccm至120sccm,其中，六氟化硫的体积流量大于四氟化碳的体积流量，使刻蚀过程主要为沿着凹槽的深度方向刻蚀，较快的增加了凹槽的深度，保证了亥_精度和深宽比；
(3)通过在第三刻蚀阶段，控 制六氟化硫的体积流量的范围为5sCCm至50sCCm，四氟化碳的体积流量的范围为20sCCm至SOsccm，进而在第三刻蚀阶段，使等离子体主要刻蚀凹槽底部的侧壁，从而将第二刻蚀阶段结束后形成的横截面为V形或U形的凹槽修正成为横截面为矩形的凹槽。凹槽的侧壁陡直、表面光滑使光栅的衍射效果较好。使其在光谱仪器、特种干涉仪、光盘技术和光互联领域具有较好的应用。
图1是本发明提供的光栅的制备方法的工艺流程图。图2是本发明提供的光栅的制备方法中所采用的图形化掩模层的俯视图。图3是本发明提供的光栅的制备方法中所采用的掩模层的制备工艺流程图。图4是本发明提供的光栅的制备方法中所采用的刻蚀气体的总体积流量不同时得到的亚波长光栅中的单个凹槽的横截面形状示意图。图5是本发明提供的光栅的制备方法中制备得到的光栅的低倍扫描电镜照片。图6是本发明提供的光栅的制备方法中制备得到的光栅的高倍扫描电镜照片。图7是本发明提供的光栅的制备方法中制备得到的未经修饰的光栅的高倍扫描电镜照片。主要元件符号说明:
权利要求
1.一种光栅的制备方法，其包括以下步骤: 提供一基底，在基底表面形成一图形化的掩模层； 将该形成有掩模层的基底放入一反应性等离子体系统中，通入刻蚀气体对基底进行刻蚀，刻蚀过程分为三个阶段: 第一刻蚀阶段，刻蚀气体的成分为四氟化碳和氩气，四氟化碳和氩气同时通入，四氟化碳和IS气的总体积流量为40sccm至120sccm,四氟化碳的体积流量的范围为IOsccm至IOOsccm,気气的体积流量的范围为Isccm至30sccm ； 第二刻蚀阶段，刻蚀气体的成分改变为四氟化碳、六氟化硫以及氩气，且四氟化碳、六氟化硫以及氩气同时通入，其中，刻蚀气体的等离子体的总体积流量的范围为40SCCH1至120sccm，其中，六氟化硫的体积流量大于四氟化碳的体积流量； 第三刻蚀阶段，继续同时通入四氟化碳、六氟化硫以及氩气，其中四氟化碳的体积流量大于六氟化硫的体积流量，四氟化碳的体积流量的范围为20sccm至80sccm，六氟化硫的体积流量的范围为5sccm至50sccm,lS气的体积流量为5sccm至40sccm ； 以及去除掩模层，得到一光栅。
2.按权利要求1所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述第一刻蚀阶段中，四氟化碳的体积流量为40SCCm，氩气的体积流量为lOsccm。
3.按权利要求1所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述第二刻蚀阶段中，述四氟化碳的体积流量为Isccm至50sccm,六氟化硫的体积流量为IOsccm至70sccm,気气的体积流量为 IOsccm 至 20sccm。
4.按权利要求3所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述第二刻蚀阶段中，所述四氟化碳的流率为20SCCm，六氟化硫的体积流量为48SCCm，氩气的体积流量为lOsccm。
5.按权利要求1所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述第三刻蚀阶段中，六氟化硫的体积流量为20SCCm，四氟化碳的体积流量为40SCCm，氩气的体积流量为20sCCm。
6.按权利要求1所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述第一刻蚀阶段中，刻蚀气体的等离子体形成的总压强的范围为I帕至5帕，所述第二刻蚀阶段，刻蚀气体的等离子体的总压强为I帕至5帕，所述第三刻蚀阶段中，刻蚀气体的等离子体的总压强的范围为I帕到10帕。
7.按权利要求1所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述第一刻蚀阶段中，反应性等离子体系统的刻蚀功率的范围为40瓦至150瓦，所述第二刻蚀阶段中，反应性等离子体系统的刻蚀功率的范围为40瓦至150瓦，在第三刻蚀阶段中，刻蚀功率的范围为20瓦到200瓦。
8.按权利要求1所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述第一刻蚀阶段中，刻蚀时间是2分钟至3分钟，所述第二刻蚀阶段中，刻蚀时间是2分钟至4分钟，所述第二刻蚀阶段中，刻蚀时间是I分钟至2分钟。
9.按权利要求1所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述形成图形化的掩模层的方法包括以下步骤: 形成一抗蚀材料薄膜于该基底的表面； 纳米压印并刻蚀所述抗蚀材料薄膜，得到抗蚀层； 形成一掩模材料薄膜于所述基底表面，所述掩模材料薄膜覆盖所述抗蚀层以及基底通过所述抗蚀层暴露的表面； 剥离所述抗蚀层及抗蚀层表面的部分掩模材料薄膜，使在基底表面形成图形化的掩模层。
10.按权利要求1所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述掩模层具有间隔设置的多个条形开口，该多个开口由掩模层的一端延伸至相对的另一端，所述条形开口的宽度的范围为25纳米至150纳米。
11.一种光栅的制备方法，其包括以下步骤: 提供一基底，在基底表面形成一图形化的掩模层； 将该形成有掩模层的基底放入一反应性等离子体系统中，通入刻蚀气体对基底进行刻蚀，刻蚀过程分为三个阶段: 第一刻蚀阶段，刻蚀气体的成分为四氟化碳和氩气，四氟化碳和氩气同时通入，第一刻蚀阶段在基底表面形成多个深度较浅的凹槽； 第二刻蚀阶段，刻蚀气体的成分改变为四氟化碳、六氟化硫以及氩气，且四氟化碳、六氟化硫以及氩气同时通入，六氟化硫的体积流量大于四氟化碳的体积流量，第二刻蚀阶段加深凹槽的深度； 第三刻蚀阶段，继续同时通入四氟化碳、六氟化硫以及氩气，其中四氟化碳的体积流量大于六氟化硫的体积流量，第三刻蚀阶段凹槽的底部被横向刻蚀，得到侧壁陡直的凹槽； 以及去除掩模层，得到一光栅。
12.按权利要求11所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述第一刻蚀阶段中，四氟化碳和IS气的总体积流量为40sccm至120sccm,四氟化碳的体积流量的范围为IOsccm至IOOsccm,気气的体积流量的范围为Isccm至30sccm。
13.按权利要求11所 述的光栅的制备方法，其特征在于，所述第二刻蚀阶段中，刻蚀气体的等离子体的总体积流量的范围为40sccm至120sccm。
14.按权利要求11所述的光栅的制备方法，其特征在于，所述第三刻蚀阶段中，四氟化碳的体积流量的范围为20sccm至80sccm,六氟化硫的体积流量的范围为5sccm至50sccm,IS气的体积流量为5sccm至40sccm。
全文摘要
本发明提供一种光栅的制备方法，其包括以下步骤提供一基底，在基底表面形成一图形化的掩模层；将该形成有掩模层的基底放入一反应性等离子体系统中，通入刻蚀气体对基底进行刻蚀，刻蚀过程分为三个阶段第一刻蚀阶段，刻蚀气体的成分为四氟化碳和氩气，四氟化碳和氩气同时通入；第二刻蚀阶段，刻蚀气体的成分改变为四氟化碳、六氟化硫以及氩气，且四氟化碳、六氟化硫以及氩气同时通入，六氟化硫的体积流量大于四氟化碳的体积流量；第三刻蚀阶段，继续同时通入四氟化碳、六氟化硫以及氩气，其中四氟化碳的体积流量大于六氟化硫的体积流量；以及去除掩模层，得到一光栅。本发明制备得到高密度、高深宽比的亚波长衍射光栅。
文档编号C03C15/00GK103086607SQ20111033355
公开日2013年5月8日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者朱振东, 李群庆, 张立辉, 陈墨, 范守善 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司