專利名稱：高占空比自支撐納米透射光柵及其制作方法
高占空比自支撐納米透射光柵及其制作方法所屬領(lǐng)域本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域，尤其涉及一種高占空比自支撐納米透射光柵及其制作方法。
背景技術(shù)：
衍射光學(xué)元件存在大量的空間光電探測器中，是工作系統(tǒng)的核心部分，決定著系統(tǒng)的工作狀態(tài)和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，尤其在真空紫外、EUV和X射線波段。然而目前納米透射光柵占空比小、衍射性能低，同時(shí)制造工藝多采用電子束光刻、X射線光刻設(shè)備以及納米壓印等方法制作納米光柵，工藝過程比較復(fù)雜，成本比較高。美國 Pran Mukherjee 等人(Fabrication and testing of freestanding Si nanogratings for UV filtration on space-based particle sensors(Nanotechnology, 2009,20,1-8))采用納米壓印技術(shù)和深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)成功制作出了寬度為100納米的光柵柵線，其深寬比達(dá)到8. 5 1，同時(shí)柵線側(cè)壁的表面粗糙度小于7nm，然而其占空比僅為 0. 32，同時(shí)光柵圖形邊緣不是十分光滑，其衍射效率受到一定的影響。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有納米透射光柵工藝過程復(fù)雜，成本比較高的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種新的高占空比自支撐納米透射光柵及其制作方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種高占空比自支撐納米透射光柵，多條平行的納米透射光柵柵線2的兩端均固定于納米透射光柵柵線固定結(jié)構(gòu)3上，納米透射光柵柵線固定結(jié)構(gòu)3 通過中間氧化層5與納米透射光柵支撐結(jié)構(gòu)1連為一體，并使得納米透射光柵柵線2形成懸置在中間氧化層5與納米透射光柵支撐結(jié)構(gòu)1之上的結(jié)構(gòu)；金吸收體4覆蓋于納米透射光柵柵線2和納米透射光柵柵線固定結(jié)構(gòu)3之上。所述高占空比自支撐納米透射光柵的制作方法，包括納米光柵掩模版制作以及納米透射光柵制作兩部分其中，所述的納米透射光柵掩模版制作包括如下步驟步驟1 標(biāo)準(zhǔn)清洗第一片玻璃基底片6，在潔凈的玻璃基底片6正面濺射第一層金屬Cr 7，并在第一層金屬Cr 7上旋涂光刻膠8 ；步驟2 以線寬為A、間距為A的柵條結(jié)構(gòu)掩模板為掩模，在旋涂光刻膠8的玻璃基底片6上進(jìn)行曝光，顯影，此時(shí)線寬為A、間距為A的柵條結(jié)構(gòu)的圖形轉(zhuǎn)移到玻璃基底片6 的正面光刻膠8上；并以光刻膠8為掩?？涛g金屬Cr 7，最后去除光刻膠8 ；步驟3 在去除光刻膠8的玻璃基底片6上噴涂第二層光刻膠8，保證金屬Cr 7表面光刻膠8的厚度均勻性。步驟4 再以步驟2中使用過的線寬為A、間距為A的柵條結(jié)構(gòu)掩模板為掩模，通過對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行套刻對(duì)準(zhǔn)，將玻璃基底片6上的線寬為A的柵條的的B部分進(jìn)行曝光，顯影， 而剩下的(A-B)線寬部分的柵條結(jié)構(gòu)被光刻膠8保護(hù)，其中A彡1 μ m,A-B彡365nm, 365nm為普通光刻機(jī)光源波長；步驟5 以光刻膠8為掩模，刻蝕金屬Cr 7，將暴露部分的金屬Cr 7刻蝕干凈；步驟6 去除光刻膠8，玻璃基底片6上的金屬Cr7線條的線寬變?yōu)?A-B)，間距變?yōu)?A+B)；步驟7 選用第二塊玻璃基底片，重復(fù)步驟1至步驟6，完成在第二個(gè)玻璃基底片上線寬為(A-B)，間距為(A+B)的金屬Cr柵條結(jié)構(gòu)的制作。步驟8:在步驟6完成后的第一塊玻璃基底片上的金屬Cr 7的柵條結(jié)構(gòu)表面，濺射第二層金屬Cr 9，并再次噴涂第三層光刻膠8，再以第二個(gè)玻璃基底片為掩模板，通過對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行套刻，將第二個(gè)玻璃基底片上線寬為(A-B)的結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)于第一個(gè)玻璃基底片6 上的線寬為(A-B)、間距為(A+B)的結(jié)構(gòu)中間，曝光、顯影；步驟9 以第三層光刻膠8為掩模，刻蝕第二層金屬Cr 9，將暴露部分的第二層金屬Cr 9刻蝕干凈，并去除第三層光刻膠8，此時(shí)由第一層金屬Cr7和第二層金屬Cr 9形成的柵線結(jié)構(gòu)線寬為(A-B)、間距為B，至此，完成納米透射光柵掩模板制作。所述的納米透射光柵制作包括如下步驟步驟1 標(biāo)準(zhǔn)清洗SOI(Silicon-on-insulator)硅片，SOI硅片由基底硅10、中間氧化層5和器件硅11組成；在SOI硅片背面低溫化學(xué)氣相沉積(LPCVD)氮化硅12，旋涂光刻膠8，曝光、顯影，并刻蝕背面氮化硅12 ；步驟2 以光刻膠8和氮化硅12為掩模，刻蝕SOI硅片背面基底硅10至中間氧化層5，去除光刻膠8和氮化硅12，形成使得納米透射光柵柵線3形成懸置的空腔；步驟3 在SOI硅片正面器件硅11上濺射金屬Au，并旋涂光刻膠8 ；步驟4 以制作出的納米透射光柵掩模板為掩模板，以光刻膠8為掩模，曝光、顯影，并刻蝕金屬Au形成金吸收體4 ；步驟5 刻蝕SOI硅片正面器件硅11至中間氧化層5，形成納米透射光柵柵線3 ；步驟6 去除光刻膠8，去除納米透射光柵柵線3下的中間氧化層5，完成納米透射光柵制作。本發(fā)明的有益效果是采用普通光刻設(shè)備完成納米透射光柵掩模板的制作，有效提高了納米透射光柵的占空比，降低加工成本，提高加工效率，借助高密度等離子體刻蝕， 實(shí)現(xiàn)了高深寬比納米透射光柵的制作，提高了透射光柵的衍射效率。


圖1是本發(fā)明提出的高占空比自支撐納米透射光柵結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明提出的高占空比自支撐納米透射光柵結(jié)構(gòu)剖視3是本發(fā)明提出的納米透射光柵掩模板制作工藝流程4是本發(fā)明提出的納米透射光柵制作工藝流程中1-納米透射光柵支撐結(jié)構(gòu)，2-納米透射光柵柵線固定結(jié)構(gòu)，3-納米透射光柵柵線，4-金吸收體，5-中間氧化層，6-玻璃基底片，7-第一層金屬Cr，8-光刻膠，9-第二層金屬Cr，10-基底硅，11-器件硅具體實(shí)施方法本實(shí)施例中的高占空比自支撐納米透射光柵，其多條平行的納米透射光柵柵線2的兩端均固定于納米透射光柵柵線固定結(jié)構(gòu)3上，納米透射光柵柵線固定結(jié)構(gòu)3通過中間氧化層5與納米透射光柵支撐結(jié)構(gòu)1連為一體，并使得納米透射光柵柵線2形成懸置在中間氧化層5與納米透射光柵支撐結(jié)構(gòu)1之上的結(jié)構(gòu)；金吸收體4覆蓋于納米透射光柵柵線 2和納米透射光柵柵線固定結(jié)構(gòu)3之上；所述柵線結(jié)構(gòu)線寬為0. 5 μ m、間距為0. 5 μ m ；所述金吸收體4厚度為1 μ m。該實(shí)施例中高占空比自支撐納米透射光柵的制作方法，包括納米光柵掩模版制作以及納米透射光柵制作兩部分所述納米透射光柵掩模板制作方法，包括如下步驟步驟1 選用厚度200 μ m雙面拋光第一片玻璃基底片6，在溫度為120°C，體積比為4 1的98%濃硫酸和30%過氧化氫溶液中沸煮30分鐘，然后分別放在溫度為75°C，體積比為1 1 5的觀％氨水、30%過氧化氫和水組成的堿性過氧化氫溶液，溫度為75°C， 體積比為1 1 5的36%鹽酸、30%過氧化氫和水組成的酸性過氧化氫溶液中浸泡10分鐘，最后用去離子水將玻璃基底片6沖洗干凈并烘干，完成標(biāo)準(zhǔn)清洗。在玻璃基底片1正面濺射厚度為50nm第一層金屬Cr 7，并在第一層金屬Cr 7上旋涂厚度為200nm的光刻膠8， 如圖3(a)所示。步驟2 以線寬為Ιμπκ間距為Ιμπι柵條結(jié)構(gòu)的掩模板為掩模，在旋涂厚度為 200nm的光刻膠8的玻璃基底片6上采用SUSS MA6光刻機(jī)進(jìn)行曝光，顯影，此時(shí)線條為 1 μ m、間距為1 μ m柵條結(jié)構(gòu)的圖形轉(zhuǎn)移到玻璃基底片6的正面光刻膠8上。并以光刻膠8 為掩模在溫度為20°C、體積比為1 1的9% (NH4)2Ce(NO3)6)和6% HClO4溶液中刻蝕第一層金屬Cr 7，最后去除光刻膠8，如圖3(b)所示。步驟3 在去除光刻膠8的玻璃基底片6上噴涂厚度為200nm的第二層光刻膠8， 保證第一層金屬Cr7表面光刻膠8的均勻性，如圖3(c)所示。步驟4 再以步驟2中使用過的線寬為1 μ m、間距為1 μ m的柵條結(jié)構(gòu)掩模板為掩模，通過對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行套刻對(duì)準(zhǔn)，將玻璃基底片6上的線寬為1 μ m的柵條的0. 5 μ m在SUSS MA6光刻機(jī)上進(jìn)行曝光，顯影，而剩下的0. 5 μ m線寬部分的柵條結(jié)構(gòu)被光刻膠8保護(hù)，如圖 3(d)所示。步驟5 以光刻膠8為掩模，在溫度為20°C、體積比為1 1的9% (NH4)2Ce (NO3)6) 和6% HClO4溶液中刻蝕50nm第一層金屬Cr 7，將暴露部分的0. 5 μ m的第一層金屬Cr 7 刻蝕干凈，如圖3(e)所示。步驟6 用溫度為120°C，體積比為4 1的98%濃硫酸和30%過氧化氫溶液中沸煮30分鐘，去除光刻膠8，玻璃基底片上的第一層金屬Cr7線條的線寬變?yōu)?. 5 μ m，間距變?yōu)?. 5 μ m，如圖3(f)所示。步驟7 選用第二塊玻璃基底片，重復(fù)步驟1至步驟6，完成在第二個(gè)玻璃基底片上線寬為0. 5 μ m，間距為1. 5 μ m的金屬Cr柵條結(jié)構(gòu)的制作。步驟8 在步驟6完成后的第一塊玻璃基底片上的第一層金屬Cr 7的柵條結(jié)構(gòu)表面，濺射50nm厚的第二層金屬Cr 9，并再次噴涂厚度為200nm第三層光刻膠8。再以第二個(gè)玻璃基底片為掩模板，通過對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行套刻，將第二個(gè)玻璃基底片上線寬為0. 5μπι的結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)于第一個(gè)玻璃基底片6上的線寬為0. 5 μ m、間距為1. 5 μ m的結(jié)構(gòu)中間，曝光、顯影，如圖3(g)所示。
步驟9 以第三層光刻膠8為掩模，在溫度為20°C、體積比為1 1的9 % (NH4)2Ce (NO3)6)和6% HClO4溶液中刻蝕第二層金屬Cr 9，將暴露部分的第二層金屬Cr 9 刻蝕干凈，并用溫度為120°C，體積比為4 1的98%濃硫酸和30%過氧化氫溶液沸煮30 分鐘，去除第三層光刻膠8，此時(shí)由第一層金屬Cr 7和第二層金屬Cr 9形成的柵線結(jié)構(gòu)線寬為0. 5 μ m、間距為0. 5 μ m，至此，完成納米透射光柵掩模板制作，如圖3 (h)。所述的納米透射光柵制作包括如下步驟步驟1 選用SOI硅片，SOI硅片由厚度為400 μ m基底硅10、厚度為400nm中間氧化層5和厚度為20 μ m器件硅11組成；在溫度為120°C，體積比為4 1的98%濃硫酸和 30%過氧化氫溶液中沸煮30分鐘，然后分別放在溫度為75°C，體積比為1 1 5的觀％ 氨水、30%過氧化氫和水組成的堿性過氧化氫溶液，和溫度為75°C，體積比為1 1 5的 36%鹽酸、30%過氧化氫和水組成的酸性過氧化氫溶液中浸泡10分鐘，最后用去離子水將 SOI硅片沖洗干凈并烘干，完成標(biāo)準(zhǔn)清洗。在SOI硅片背面低溫化學(xué)氣相沉積(LPCVD)厚度為200nm的氮化硅12，旋涂光刻膠8，曝光、顯影，并反應(yīng)離子刻蝕(RIE)刻蝕背面厚度為 200nm的氮化硅12，如圖4(a)所示。步驟2 以光刻膠8和氮化硅12為掩模，在溫度為80°C，濃度為25%的KOH溶液中濕法刻蝕SOI硅片背面400 μ m基底硅10至中間氧化層5，之后，在溫度為120°C，體積比為 4 1的98%濃硫酸和30%過氧化氫溶液中沸煮30分鐘，去除光刻膠8，在溫度為140°C的純磷酸溶液中去除厚度為200nm的氮化硅12，形成使得納米透射光柵柵線3形成懸置的空腔，如圖4(b)所示。步驟3 在SOI硅片正面20 μ m器件硅11上濺射厚度為1 μ m的金屬Au，并旋涂厚度為2μπι的光刻膠8，如圖4(c)所示。步驟4 以制作出的納米透射光柵掩模板為掩模板，以光刻膠8為掩模，曝光、顯影，并在溫度為20°C，質(zhì)量比為1 2 17的12、KI和H2O組成的金刻蝕液中濕法刻蝕金屬Au形成金吸收體4，如圖4(d)所示。步驟5 以光刻膠8為掩模，高密度等離子體(ICP)刻蝕SOI硅片正面20 μ m器件硅11至中間氧化層5，形成納米透射光柵柵線3，如圖4(e)所示。步驟6 在溫度為120°C，體積比為4 1的98%濃硫酸和30%過氧化氫溶液中沸煮30分鐘，去除光刻膠8，同時(shí)在體積比為1 10的49% HF和H2A組成的HF酸溶液中去除納米透射光柵柵線3下的中間氧化層5，完成納米透射光柵制作，如圖4(f)所示。
權(quán)利要求
1.一種高占空比自支撐納米透射光柵，其特征在于多條平行的納米透射光柵柵線 (2)的兩端均固定于納米透射光柵柵線固定結(jié)構(gòu)(3)上，納米透射光柵柵線固定結(jié)構(gòu)(3)通過中間氧化層(5)與納米透射光柵支撐結(jié)構(gòu)(1)連為一體，并使得納米透射光柵柵線(2) 形成懸置在中間氧化層(5)與納米透射光柵支撐結(jié)構(gòu)(1)之上的結(jié)構(gòu)；金吸收體(4)覆蓋于納米透射光柵柵線(2)和納米透射光柵柵線固定結(jié)構(gòu)(3)之上。
2.一種如權(quán)利要求1所述的高占空比自支撐納米透射光柵的制作方法，其特征在于 包括納米光柵掩模版制作以及納米透射光柵制作兩部分所述的納米透射光柵掩模版制作包括如下步驟步驟1 標(biāo)準(zhǔn)清洗第一片玻璃基底片(6)，在潔凈的玻璃基底片(6)正面濺射第一層金屬Cr (7)，并在第一層金屬Cr (7)上旋涂光刻膠(8)；步驟2 以線寬為A、間距為A的柵條結(jié)構(gòu)掩模板為掩模，在旋涂光刻膠( 的玻璃基底片(6)上進(jìn)行曝光，顯影，此時(shí)線寬為A、間距為A的柵條結(jié)構(gòu)的圖形轉(zhuǎn)移到玻璃基底片(6) 的正面光刻膠(8)上；并以光刻膠(8)為掩?？涛g金屬Cr (7)，最后去除光刻膠(8)；步驟3 在去除光刻膠(8)的玻璃基底片(6)上噴涂第二層光刻膠(8)，保證金屬Cr (7) 表面光刻膠(8)的厚度均勻性。步驟4 再以步驟2中使用過的線寬為A、間距為A的柵條結(jié)構(gòu)掩模板為掩模，通過對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行套刻對(duì)準(zhǔn)，將玻璃基底片(6)上的線寬為A的柵條的的B部分進(jìn)行曝光，顯影，而剩下的(A-B)線寬部分的柵條結(jié)構(gòu)被光刻膠8)保護(hù)；步驟5 以光刻膠(8)為掩模，刻蝕金屬Cr (7)，將暴露部分的金屬Cr (7)刻蝕干凈； 步驟6 去除光刻膠(8)，玻璃基底片(6)上的金屬Cr (7)線條的線寬變?yōu)?A-B)，間距變?yōu)?A+B)；步驟7 選用第二塊玻璃基底片，重復(fù)步驟1至步驟6，完成在第二個(gè)玻璃基底片上線寬為(A-B)，間距為(A+B)的金屬Cr柵條結(jié)構(gòu)的制作。步驟8:在步驟6完成后的第一塊玻璃基底片上的金屬Cr(7)的柵條結(jié)構(gòu)表面，濺射第二層金屬Cr (9)，并再次噴涂第三層光刻膠(8)，再以第二個(gè)玻璃基底片為掩模板，通過對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行套刻，將第二個(gè)玻璃基底片上線寬為(A-B)的結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)于第一個(gè)玻璃基底片 (6)上的線寬為(A-B)、間距為(A+B)的結(jié)構(gòu)中間，曝光、顯影；步驟9 以第三層光刻膠(8)為掩模，刻蝕第二層金屬Cr (9)，將暴露部分的第二層金屬 Cr(9)刻蝕干凈，并去除第三層光刻膠(8)，此時(shí)由第一層金屬Cr(7)和第二層金屬Cr(9) 形成的柵線結(jié)構(gòu)線寬為(A-B)、間距為B，至此，完成納米透射光柵掩模板制作； 所述的納米透射光柵制作包括如下步驟步驟1 標(biāo)準(zhǔn)清洗SOI硅片，SOI硅片由基底硅(10)、中間氧化層(5)和器件硅(11)組成；在SOI硅片背面低溫化學(xué)氣相沉積氮化硅(12)，旋涂光刻膠(8)，曝光、顯影，并刻蝕背面氮化硅(12)；步驟2 以光刻膠(8)和氮化硅(1 為掩模，刻蝕SOI硅片背面基底硅(10)至中間氧化層(5)，去除光刻膠⑶和氮化硅(12)，形成使得納米透射光柵柵線(3)形成懸置的空腔；步驟3 在SOI硅片正面器件硅(11)上濺射金屬Au，并旋涂光刻膠(8)； 步驟4:以制作出的納米透射光柵掩模板為掩模板，以光刻膠(8)為掩模，曝光、顯影，并刻蝕金屬Au形成金吸收體；步驟5:刻蝕SOI硅片正面器件硅(11)至中間氧化層(5)，形成納米透射光柵柵線⑶；步驟6 去除光刻膠(8)，去除納米透射光柵柵線(3)下的中間氧化層(5)，完成納米透射光柵制作。
3. —種如權(quán)利要求2所述的高占空比自支撐納米透射光柵的制作方法，其特征在于 所述納米透射光柵掩模版制作部分的步驟4中，A彡1 μ m，A-B彡365nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高占空比自支撐納米透射光柵及其制造方法，屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。該光柵包括納米透射光柵支撐結(jié)構(gòu)1、納米透射光柵柵線固定結(jié)構(gòu)2、納米透射光柵柵線3，以及金吸收體4。其制作方法包括納米光柵掩模版制作以及納米透射光柵制作兩部分，首先基于普通光刻機(jī)在一次套刻的工藝條件下，對(duì)微米級(jí)線條進(jìn)行部分曝光，刻蝕金屬，將微米級(jí)線條變?yōu)榧{米級(jí)線條，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)結(jié)構(gòu)尺寸的圖形轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過一次套刻工藝，實(shí)現(xiàn)高占空比納米光柵掩模版的制作；最后以此為模板借助高密度等離子體刻蝕實(shí)現(xiàn)高深寬比納米透射光柵的制作。本發(fā)明提出的自支撐納米透射光柵具有深寬比高、占空比大的優(yōu)點(diǎn)，克服了現(xiàn)有方法工藝過程比較復(fù)雜，成本比較高的缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102331593SQ201110190019
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者姜澄宇, 苑偉政, 馬志波 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)