專(zhuān)利名稱(chēng)：一種利用陰影蒸鍍和濕法腐蝕來(lái)制備半圓柱形溝槽的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半圓柱形溝槽的制備方法，尤其涉及一種利用陰影蒸鍍和濕法腐
蝕來(lái)制備半圓柱形溝槽的方法。
背景技術(shù)：
微/納元件尤其是微/納光學(xué)元件，在科研、軍事、民用等領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用 潛力。微米和亞微米半圓柱形溝槽的制備是研究的難點(diǎn)。半圓柱形溝槽是制備一些復(fù)雜結(jié) 構(gòu)的微/納光學(xué)元件的基礎(chǔ)。半圓柱形溝槽具有廣闊的應(yīng)用前景，例如，應(yīng)用于超分辨成 像、SPP納米光刻等方面。 半圓柱形溝槽的制備方法一類(lèi)是灰度曝光刻蝕，利用不同區(qū)域光刻膠的曝光劑量 的不同使曝光區(qū)域的結(jié)構(gòu)圖形達(dá)到所要求的形狀，再通過(guò)刻蝕將圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。如灰 度掩模光刻、移動(dòng)掩模光刻等，這些方法適合加工直徑3微米以上的半圓柱形溝槽結(jié)構(gòu)，但 其缺點(diǎn)是很難制備更小特征尺寸的結(jié)構(gòu)。 一些SPP器件需要半圓柱形溝槽結(jié)構(gòu)的直徑為微 米級(jí)甚至百納米級(jí)。電子束、離子束等直寫(xiě)設(shè)備雖然能夠制備該尺寸的圖形，但其費(fèi)用昂貴 且加工面積僅有微米量級(jí)，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有微細(xì)加工制作的限制之處，提供一種利用 陰影蒸鍍和濕法腐蝕來(lái)制備半圓柱形溝槽的方法，該方法只需要使用常規(guī)的光刻、鍍膜和 濕法刻蝕技術(shù)，就可以大面積地制備得到寬度幾十納米的細(xì)線條狹縫及直徑為百納米到十 微米之間任何數(shù)值的半圓柱形溝槽。 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種利用陰影蒸鍍和濕法腐蝕來(lái)制 備半圓柱形溝槽的方法，其特征在于包括以下步驟 (1)在襯底材料上沉積掩蔽膜層，在掩蔽膜層上涂布光刻膠； (2)采用光刻技術(shù)在光刻膠上制備直線條結(jié)構(gòu)，其中直線條的寬度與直線條的間
距之和大于要制備的半圓柱形溝槽的直徑，直線條長(zhǎng)度為要加工的半圓柱形溝槽長(zhǎng)度； (3)以?xún)A斜角為5-45度對(duì)步驟(2)形成的襯底結(jié)構(gòu)進(jìn)行傾斜蒸鍍，在每條光刻膠
線條邊緣形成一條寬度小于光刻膠之厚度的沒(méi)有沉積蒸鍍材料的區(qū)域； (4)以蒸鍍的材料作為保護(hù)層對(duì)掩蔽膜層進(jìn)行干法刻蝕，沒(méi)有沉積蒸鍍材料的區(qū)
域由于沒(méi)有蒸鍍材料的保護(hù)而掩蔽膜層被刻蝕掉，得到對(duì)應(yīng)于沒(méi)有沉積蒸鍍材料的區(qū)域的
掩蔽膜層狹縫；所述掩蔽膜層狹縫的寬度為20nm到2 y m ; (5)通過(guò)掩蔽膜層狹縫，采用襯底腐蝕溶液對(duì)襯底進(jìn)行各向同性濕法腐蝕，然后用 掩蔽膜層腐蝕溶液去除殘留的掩蔽膜層，得到位于襯底表面的半圓柱形溝槽，半圓柱形溝 槽的直徑為100nm-10iim，通過(guò)控制對(duì)襯底進(jìn)行的各向同性濕法腐蝕的時(shí)間來(lái)控制半圓柱 形溝槽的直徑。 所述步驟(1)中的襯底材料為石英、玻璃、硅、或鍺。
所述步驟(1)中的掩蔽膜層為金屬、硅或有機(jī)膜層。所述步驟(1)中的掩掩蔽膜層的厚度為20-400nm，光刻膠的厚度為50-2000nm。 所述步驟(2)中光刻膠上制備的直線條結(jié)構(gòu)所包含的光刻膠直線條的數(shù)量可以
為為1條也可以為多條；所有光刻膠直線條均是相互平行的；光刻膠上制備的直線條結(jié)構(gòu)
可以是周期結(jié)構(gòu)也可以是非周期結(jié)構(gòu)；若為周期結(jié)構(gòu)，該直線條結(jié)構(gòu)的周期即直線條的寬
度與直線條的間距之和應(yīng)當(dāng)大于要制備的半圓柱形溝槽的直徑；若為非周期結(jié)構(gòu)，該直線
條結(jié)構(gòu)中直線條的寬度與間距之和也應(yīng)當(dāng)大于要制備的半圓柱形溝槽的直徑。 所述步驟(3)中，蒸鍍方向與光刻膠線條方向相垂直，傾斜角為蒸鍍方向與襯底
平面的法線所呈的角度；通過(guò)控制傾斜蒸鍍的角度和光刻膠的厚度來(lái)控制沒(méi)有沉積蒸鍍材
料的區(qū)域的寬度；沒(méi)有沉積蒸鍍材料的區(qū)域的寬度與光刻膠的厚度成正比，與傾斜蒸鍍的
角度的正切也成正比。 所述步驟(3)中蒸鍍的材料為金、鉻、鋁、硅、或鉑。 所述步驟(5)中對(duì)襯底進(jìn)行濕法腐蝕時(shí)不斷攪拌襯底腐蝕溶液。 所述步驟(5)中各向同性濕法腐蝕的時(shí)間與要制備的半圓柱形溝槽的直徑成正比。 本發(fā)明與現(xiàn)有的方法相比的優(yōu)點(diǎn)在于 (1)本發(fā)明只需要采用常規(guī)的光刻技術(shù)、濕法刻蝕技術(shù)，就可以制備得到直徑為 一百納米到十微米之間任何數(shù)值的半圓柱形溝槽；僅需要采用常規(guī)的光刻技術(shù)、蒸鍍、濕法 刻蝕技術(shù)，可極大降低半圓柱形溝槽的制備成本。 (2)本發(fā)明可大面積加工，制備的半圓柱形溝槽微結(jié)構(gòu)的分布面積最大可以達(dá)到 上百平方厘米；為微/納元器件的加工提供了一種精確、新穎、方便、高效的加工途徑。


圖1為本發(fā)明方法的實(shí)現(xiàn)流程圖； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中，在石英襯底表面鍍鉻膜和涂布光刻膠后的剖面結(jié)構(gòu)示 意圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中，采用常規(guī)光刻設(shè)備制作的寬線條圖形的剖面結(jié)構(gòu)示意 圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1中，以一定角度進(jìn)行傾斜蒸鍍金從而在光刻膠線條邊緣形 成一定寬度的沒(méi)有沉積蒸鍍材料的陰影區(qū)，得到的微結(jié)構(gòu)圖形的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例1中，對(duì)圖4中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行干法刻蝕得到的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中，將圖5中的結(jié)構(gòu)置于稀釋的氫氟酸溶液中進(jìn)行各向同 性腐蝕得到的直徑1微米的半圓柱形溝槽的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本發(fā)明實(shí)施例1中，以去鉻液去除鉻膜，得到的直徑1微米的半圓柱形溝槽 的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8為本發(fā)明實(shí)施例2中，在K9玻璃襯底表面鍍硅膜和涂布光刻膠后的剖面結(jié)構(gòu) 示意圖； 圖9為本發(fā)明實(shí)施例2中，采用常規(guī)光刻設(shè)備制作的寬線條圖形的剖面結(jié)構(gòu)示意 4
圖10為本發(fā)明實(shí)施例2中，以一定角度進(jìn)行傾斜蒸鍍鉻從而在光刻膠線條邊緣形 成一定寬度的沒(méi)有沉積蒸鍍材料鉻的陰影區(qū)，得到的微結(jié)構(gòu)圖形的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖11為本發(fā)明實(shí)施例2中，對(duì)圖10中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行干法刻蝕得到的剖面結(jié)構(gòu)示意 圖； 圖12為本發(fā)明實(shí)施例2中，將圖11中的結(jié)構(gòu)置于稀釋的氫氟酸溶液中進(jìn)行各向 同性腐蝕得到的直徑100nm的半圓柱形溝槽的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖13為本發(fā)明實(shí)施例2中，在KOH溶液中去除硅膜，得到的直徑lOOnm的半圓柱 形溝槽的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖14為本發(fā)明實(shí)施例3中，在石英襯底表面鍍硅膜和涂布光刻膠后的剖面結(jié)構(gòu)示 意圖； 圖15為本發(fā)明實(shí)施例3中，采用常規(guī)光刻設(shè)備制作的寬線條圖形的剖面結(jié)構(gòu)示意 圖； 圖16為本發(fā)明實(shí)施例3中，以一定角度進(jìn)行傾斜蒸鍍鉻從而在光刻膠線條邊緣形 成一定寬度的沒(méi)有沉積蒸鍍材料鉻的陰影區(qū)，得到的微結(jié)構(gòu)圖形的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖17為本發(fā)明實(shí)施例3中，對(duì)圖16中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行干法刻蝕得到的剖面結(jié)構(gòu)示意 圖； 圖18為本發(fā)明實(shí)施例3中，將圖17中的結(jié)構(gòu)置于稀釋的氫氟酸溶液中進(jìn)行各向 同性腐蝕得到的直徑10 y m的半圓柱形溝槽的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖19為本發(fā)明實(shí)施例3中，在KOH溶液中去除硅膜，得到的直徑lOiim的半圓柱 形溝槽的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中1代表襯底材料石英；2代表鉻膜材料；3代表光刻膠；4代表蒸鍍材料金；5
代表襯底材料K9玻璃；6代表硅膜材料。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā) 明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，而且通過(guò)以下實(shí)施例對(duì)領(lǐng)域的技術(shù)人 員即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容。 實(shí)施例1，制作5000條直徑1微米、長(zhǎng)度20毫米的半圓柱形溝槽，其具體制作過(guò)程 如下 (1)選擇厚度為365微米的石英片作為襯底；采用磁控濺射技術(shù)在襯底表面沉積 一層50nm厚的鉻掩蔽膜層，在鉻膜上涂布厚度為lOOnm的光刻膠。 (2)通過(guò)曝光顯影，在光刻膠上制備出如圖3所示的直線條結(jié)構(gòu)；該直線條結(jié)構(gòu)中 包含5000條寬度為2微米、間距為1微米、周期即寬度與間距之和為3微米的相互平行的 直線條，直線條的長(zhǎng)度為20毫米。 (3)相對(duì)襯底平面以45度角進(jìn)行傾斜蒸鍍金，蒸鍍的金的厚度為50nm，每條光刻 膠線條邊緣會(huì)形成一條一定寬度的沒(méi)有沉積蒸鍍材料金的區(qū)域。沒(méi)有沉積蒸鍍材料金的區(qū) 域的寬度為100nm。 (4)然后以蒸鍍材料金作為保護(hù)層對(duì)鉻掩蔽膜層進(jìn)行干法刻蝕，沒(méi)有沉積蒸鍍材 料金的區(qū)域的鉻掩蔽膜層由于沒(méi)有蒸鍍材料金的保護(hù)而被刻蝕。得到對(duì)應(yīng)于沒(méi)有沉積蒸鍍材料金的區(qū)域的掩蔽膜層狹縫，其寬度為100nm。 (5)通過(guò)掩蔽膜層狹縫，以稀釋的氫氟酸腐蝕液對(duì)襯底進(jìn)行各向同性腐蝕，然后用 去鉻液去除殘留的鉻掩蔽膜層，得到5000條直徑1微米、長(zhǎng)度20毫米的半圓柱形溝槽。稀 釋的氫氟酸腐蝕液中的氟化銨和氫氟酸的體積比為5 : l，腐蝕時(shí)間為10-15分鐘。
實(shí)施例2，制作20000條直徑100nm、長(zhǎng)度5毫米的半圓柱形溝槽，其具體制作過(guò)程 如下 (1)選擇厚度為500微米的K9玻璃片作為襯底；采用磁控濺射技術(shù)在襯底表面沉 積一層20nm厚的硅掩蔽膜層，在硅膜上涂布厚度為50nm的光刻膠。 (2)通過(guò)曝光顯影，在光刻膠上制備出如圖9所示的線條結(jié)構(gòu)，該直線條結(jié)構(gòu)的周 期為500nm，直線條的長(zhǎng)度為5毫米。 (3)相對(duì)襯底平面以20度角進(jìn)行傾斜蒸鍍鉻，蒸鍍的鉻的厚度30nm，每條光刻膠 線條邊緣會(huì)形成一條寬度為20nm的沒(méi)有沉積蒸鍍材料鉻的區(qū)域。 (4)然后以蒸鍍材料鉻作為保護(hù)層對(duì)硅掩蔽膜層進(jìn)行干法刻蝕，沒(méi)有沉積蒸鍍材 料鉻的區(qū)域的硅掩蔽膜層由于沒(méi)有蒸鍍材料鉻的保護(hù)而被刻蝕。得到對(duì)應(yīng)于沒(méi)有沉積蒸鍍 材料鉻的區(qū)域的掩蔽膜層狹縫，其寬度為20nm。 (5)通過(guò)掩蔽膜層狹縫，以稀釋的氫氟酸腐蝕液對(duì)襯底進(jìn)行各向同性腐蝕，得到 20000條直徑100nm、長(zhǎng)度5毫米的半圓柱形溝槽。稀釋的氫氟酸腐蝕液中的氟化銨和氫氟 酸的體積比為6 : l，腐蝕時(shí)間為l-2分鐘。 實(shí)施例3，制作2條直徑10微米、長(zhǎng)度500微米的半圓柱形溝槽，其具體制作過(guò)程 如下 (1)選擇厚度為1000微米的石英片作為襯底；采用磁控濺射技術(shù)在襯底表面沉積 一層400nm厚的硅掩蔽膜層，在硅膜上涂布厚度為1000nm的光刻膠。 (2)通過(guò)曝光顯影，在光刻膠上制備出如圖15所示的線條結(jié)構(gòu)；該直線條結(jié)構(gòu)中 包含2條寬度為15微米長(zhǎng)度為500微米的光刻膠直線條，兩條光刻膠直線條的間距為5微 米，襯底其余區(qū)域均去掉留光刻膠。 (3)相對(duì)襯底平面以30度角進(jìn)行傾斜蒸鍍鉻，蒸鍍的鉻的厚度100nm，每條光刻膠 線條邊緣會(huì)形成一條寬度為500nm的沒(méi)有沉積蒸鍍材料鉻的區(qū)域。 (4)然后以蒸鍍材料鉻作為保護(hù)層對(duì)硅掩蔽膜層進(jìn)行干法刻蝕，沒(méi)有沉積蒸鍍材 料鉻的區(qū)域的硅掩蔽膜層由于沒(méi)有蒸鍍材料鉻的保護(hù)而被刻蝕。得到2條寬度為500nm的 掩蔽膜層狹縫。 (5)通過(guò)掩蔽膜層狹縫，以稀釋的氫氟酸腐蝕液對(duì)襯底進(jìn)行各向同性腐蝕，得到2 條直徑10微米、長(zhǎng)度500微米的半圓柱形溝槽。稀釋的氫氟酸腐蝕液中的氟化銨和氫氟酸 的體積比為5 : l，腐蝕時(shí)間為100-150分鐘。
權(quán)利要求
一種利用陰影蒸鍍和濕法腐蝕來(lái)制備半圓柱形溝槽的方法，其特征在于步驟如下(1)在襯底材料上沉積掩蔽膜層，在掩蔽膜層上涂布光刻膠；(2)采用光刻技術(shù)在光刻膠上制備直線條結(jié)構(gòu)，其中直線條的寬度與直線條的間距之和大于要制備的半圓柱形溝槽的直徑，直線條的長(zhǎng)度為要加工的半圓柱形溝槽長(zhǎng)度；(3)以?xún)A斜角為5-45度對(duì)步驟(2)形成的襯底結(jié)構(gòu)進(jìn)行傾斜蒸鍍，在每條光刻膠線條邊緣形成一條寬度小于光刻膠之厚度的沒(méi)有沉積蒸鍍材料的區(qū)域；(4)以蒸鍍的材料作為保護(hù)層對(duì)掩蔽膜層進(jìn)行干法刻蝕，沒(méi)有沉積蒸鍍材料的區(qū)域由于沒(méi)有蒸鍍材料的保護(hù)而掩蔽膜層被刻蝕掉，得到對(duì)應(yīng)于沒(méi)有沉積蒸鍍材料的區(qū)域的掩蔽膜層狹縫；所述掩蔽膜層狹縫的寬度為20nm-2μm；(5)通過(guò)掩蔽膜層狹縫，采用襯底腐蝕溶液對(duì)襯底進(jìn)行各向同性濕法腐蝕，然后用掩蔽膜層腐蝕溶液去除殘留的掩蔽膜層，得到位于襯底表面的半圓柱形溝槽，半圓柱形溝槽的直徑為100nm-10μm，通過(guò)控制對(duì)襯底進(jìn)行的各向同性濕法腐蝕的時(shí)間來(lái)控制半圓柱形溝槽的直徑；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用濕法腐蝕制備半圓柱形溝槽的方法，其特征在于 所述步驟(1)中的襯底材料為石英、玻璃、硅、或鍺。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用濕法腐蝕制備半圓柱形溝槽的方法，其特征在于 所述步驟(1)中的掩蔽膜層為金屬、硅或有機(jī)膜層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用濕法腐蝕制備半圓柱形溝槽的方法，其特征在于 所述步驟(1)中的掩蔽膜層的厚度為20-400nm.
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用濕法腐蝕制備半圓柱形溝槽的方法，其特征在于 所述步驟(1)中的光刻膠的厚度為50-2000nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用濕法腐蝕制備半圓柱形溝槽的方法，其特征在于 所述步驟(2)中光刻膠上制備的直線條結(jié)構(gòu)所包含的光刻膠直線條的數(shù)量可以為1條也可 以為多條；所有光刻膠直線條均是相互平行的；光刻膠上制備的直線條結(jié)構(gòu)可以是周期結(jié) 構(gòu)也可以是非周期結(jié)構(gòu)；若為周期結(jié)構(gòu)，該直線條結(jié)構(gòu)的周期即直線條的寬度與直線條的 間距之和應(yīng)當(dāng)大于要制備的半圓柱形溝槽的直徑；若為非周期結(jié)構(gòu)，該直線條結(jié)構(gòu)中直線 條的寬度與間距之和也應(yīng)當(dāng)大于要制備的半圓柱形溝槽的直徑。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用濕法腐蝕制備半圓柱形溝槽的方法，其特征在于 所述步驟(3)中，蒸鍍方向與光刻膠線條方向相垂直，傾斜角為蒸鍍方向與襯底平面的法 線所呈的角度；通過(guò)控制傾斜蒸鍍的角度和光刻膠的厚度來(lái)控制沒(méi)有沉積蒸鍍材料的區(qū)域 的寬度；沒(méi)有沉積蒸鍍材料的區(qū)域的寬度與光刻膠的厚度成正比，與傾斜蒸鍍的角度的正 切也成正比。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用濕法腐蝕制備半圓柱形溝槽的方法，其特征在于 所述步驟(3)中蒸鍍的材料為金、鉻、鋁、硅、或鉑。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用濕法腐蝕制備半圓柱形溝槽的方法，其特征在于 所述步驟(5)中對(duì)襯底進(jìn)行濕法腐蝕時(shí)不斷攪拌襯底腐蝕溶液。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用濕法腐蝕制備半圓柱形溝槽的方法，其特征在于 所述步驟(5)中各向同性濕法腐蝕的時(shí)間與要制備的半圓柱形溝槽的直徑成正比。
全文摘要
一種利用陰影蒸鍍和濕法腐蝕來(lái)制備半圓柱形溝槽的方法，包括采用常規(guī)技術(shù)在襯底上沉積掩蔽膜層，在掩蔽膜層上涂布光刻膠；采用光刻技術(shù)在光刻膠上制備線條結(jié)構(gòu)；以一定角度進(jìn)行傾斜蒸鍍，在每條光刻膠線條邊緣外形成一條一定寬度的沒(méi)有沉積蒸鍍材料的陰影區(qū)；然后以蒸鍍的材料作為保護(hù)層對(duì)掩蔽膜層進(jìn)行干法刻蝕，陰影區(qū)域的掩蔽膜層由于沒(méi)有蒸鍍材料的保護(hù)而被刻蝕掉，這樣得到對(duì)應(yīng)于陰影區(qū)域的掩蔽膜層狹縫；通過(guò)掩蔽膜層狹縫以稀釋的氫氟酸溶液對(duì)襯底進(jìn)行各向同性腐蝕，得到位于襯底表面的半圓柱形溝槽。該方法不需要電子束、離子束等昂貴的設(shè)備，就可以大面積地制備得到寬度為二十納米到二微米的掩蔽膜層狹縫，進(jìn)而得到直徑為一百納米到十微米之間任何數(shù)值的半圓柱形溝槽。
文檔編號(hào)C23C14/16GK101736287SQ20091024192
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者劉凱鵬, 劉堯, 劉玲, 潘麗, 王長(zhǎng)濤, 羅先剛, 邢卉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所