專利名稱：：一種全息-離子束刻蝕制備光柵的方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種光學器件的制作方法，具體涉及一種在采用全息-離子束刻蝕方法制作光柵過程中控制光柵占寬比的方法。
背景技術：
：離子束刻蝕技術是20世紀70年代發(fā)展起來的一種干法刻蝕工藝技術，已廣泛用于微電子器件制作中的超精細、髙保真度圖形轉移。全息-離子束刻蝕光柵就是先用全息光刻制作出光柵掩模，然后通過離子束刻蝕將其轉移到光柵基片材料中，它集中了機械刻劃光柵的高效率和全息光柵的無鬼線、低雜散光、高信噪比的優(yōu)點。因此，全息一離子束刻蝕衍射光柵應用廣泛，如用于可控約束核聚變的脈沖壓縮光柵、高空頻的閃耀光柵、光纖光柵位相掩模等。全息光刻和離子束刻蝕是全息一離子束刻蝕光柵制作中的兩大主要工藝步驟。全息光刻是用于產(chǎn)生光刻膠光柵浮雕圖形作為掩模，離子束刻蝕是將光刻膠光柵掩模轉移到光柵基底材料中。為了制作理想的全息一離子束刻蝕光柵，必須首先制作出符合要求的光刻膠光柵掩模，即具有特定占寬比、槽深，且槽底干凈無殘膠等(刻蝕光柵的槽深受限于光柵掩模的槽深、槽底的干凈程度、光刻膠和基底材料的離子束蝕刻速率差；其占寬比決定于光柵掩模的占寬比)。所以對全息光刻工藝要求非?？量?。為了降低對光刻膠光柵掩模的要求，本專利提出一種離子束刻蝕和反應離子束刻蝕相結合的方法，來實現(xiàn)對刻蝕光柵占寬比的控制。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種采用全息-離子束刻蝕制作光柵的方法，以實現(xiàn)對光柵占寬比的控制，獲得較小占寬比的光柵。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是一種全息-離子束刻蝕制備光柵的方法，首先進行全息光刻，獲得光刻膠光柵掩模，然后進行離子束刻蝕，最后去除殘余的光刻膠，獲得所需的光柵，所述離子束刻蝕為，先用氬(Ar)離子束進行刻蝕1至3分鐘，再用三氟甲烷(CHF3)反應離子束刻蝕至所需槽形深度。上文中，全息光刻是現(xiàn)有技術，采用全息光刻后，在光刻膠上形成了光柵掩模，要求槽底干凈無殘膠，以免影響離子束刻蝕的質(zhì)量。采用氬離子束進行刻蝕，可以實現(xiàn)對光刻膠光柵掩模形貌的修正，從而在三氟甲烷刻蝕時，基片側壁能得到更大的刻蝕速率，基片能以較快的速率收縮，獲得比較小的占寬比。上述技術方案中，所述氬離子束刻蝕時，離子能量480510ev,離子束流80120mA，加速電壓250300v，工作壓強2.0Xl(T2Pa;所述三氟甲烷反應離子束刻蝕時，離子能量370400ev，離子束流80100mA，加速電壓250280v，工作壓強1.3X10-2pa。本發(fā)明技術方案制備獲得的所述光柵的空頻為1501500線/亳米。由于上述技術方案的運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有下列優(yōu)點-1.本發(fā)明在離子束刻蝕中，采用了兩步法，首先進行氬離子束刻蝕，對光刻膠光柵掩模進行形貌修正，再采用三氟甲垸進行刻蝕，從而可以獲得較小占寬比的光柵；2.本發(fā)明可以通過對氬離子束刻蝕的時間控制，實現(xiàn)對光柵占寬比的控制，方法簡便、易于實現(xiàn)，是控制刻蝕光柵占寬比的有效方法。圖1是實施例二中Ar離子束刻蝕中光刻膠和石英的刻蝕速率隨角度的變化關系圖2是實施例二中CHF3反應離子束刻蝕中光刻膠和石英的刻蝕速率隨角度的變化關系圖3是實施例二中Ar離子束刻蝕中光刻膠石英掩模交界處離子刻蝕角度的變化關系圖4是實施例二中CHF3反應離子束刻蝕中光刻膠石英掩模交界處離子刻蝕角度的變化關系圖5是實施例二中相位掩模采用CHF3反應離子束的刻蝕模擬圖；圖6是實施例二中相位掩模先采用Ar離子束刻蝕，再采用CHF3反應離子束的刻蝕模擬圖7是實施例二中原始掩模的電鏡照片；圖8是實施例二中直接進行CHF3反應離子束刻蝕的電鏡照片；圖9是實施例二中先進行Ar離子束刻蝕，再進行CHF3反應離子束刻蝕的電鏡照片；圖IO是實施例三中獲得的1501/mm掩模的電鏡照片；圖11是實施例三中獲得的300l/mm掩模的電鏡照片；圖12是實施例三中獲得的500l/mm掩模的電鏡照片。具體實施方式下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述實施例一一種全息-離子束刻蝕制備光柵的方法，首先進行全息光刻，獲得光刻膠光柵掩模，然后進行離子束刻蝕，最后去除殘余的光刻膠，獲得所需的光柵，所述離子束刻蝕為，先用氬離子束進行刻蝕1至3分鐘，再用三氟甲烷反應離子束刻蝕至所需槽形深度。其中，所述氬離子束刻蝕時，離子能量480510ev，離子束流80120mA,加速電壓250300v，工作壓強2.0X10-2Pa;所述三氟甲烷反應離子束刻蝕時，離子能量370400ev，離子束流80~100mA，力口速電壓250280v，工作壓強1.3Xl(T2Pa。本實施例的方法可以用于制備空頻為1501500線/毫米的光柵。實施例二全息-離子束刻蝕制備光柵中對占寬比的控制首先進行數(shù)值模型的構思，理想條件下建立的刻蝕數(shù)值模型，不考慮刻蝕過程中可能會存在的刻面效應，二次刻蝕效應以及再沉積效應，只考慮刻蝕速率和刻蝕選擇比對刻蝕過程的影響。掩模形狀的變化主要取決于掩模各個部分刻蝕速率的不同，對于刻蝕速率與離子束入射角的關系的經(jīng)驗公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>e為掩?？堂娴姆ň€與離子束的夾角，式中a,,是最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)擬合而得到的多項式系數(shù)，當k=5公式與實驗數(shù)據(jù)已有很好的相關性。5髙級線段運動算法取掩模輪廓圖形上的一系列的點，兩兩相連構成微線段來描述掩模的輪廓圖形，微線段沿著其法線方向向下運動，每個時間步長后，都由相鄰微線段的交點構成了新的表面輪廓。在掩模和基板材料的交界處，微線段的移動滿足折射定律，即snell方程式中em，es分別表示交界處相鄰的掩模和基片的兩微線段法線方向與入射離子束的夾角?！辍叮?。和^雙)分別是在上述角度下對應的掩模和基片離子束刻蝕速率。一般地，制作的全息一離子束刻蝕光柵是在石英基片上的。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，結合公式(l)用最小二乘法擬合實驗數(shù)據(jù)得到在Ar離子束刻蝕和CHF3反應離子束刻蝕中光刻膠和石英的刻蝕速率隨角度的變化關系，分別參見附圖1和附圖2所示，Ar離子束刻蝕中這兩種材料的刻蝕速率比較接近，在0.8-1.2弧度之間有最大值出現(xiàn)，CHF3反應離子束刻蝕中石英的刻蝕速率受角度變化影響很大，相對于光刻膠表現(xiàn)出較大的刻蝕選擇比。離子束刻蝕中掩模圖形逐漸向基片轉移，在交界處基片上形成一個新的側壁，其離子束刻蝕角度與交界處掩模側壁的離子束刻蝕角度的關系由公式(2)決定，對于光刻膠掩模來說，Ar離子束刻蝕中交界處形成的基片側壁，其離子束刻蝕角度6s與交界處掩模側壁離子束刻蝕角度em比較接近，在CHFs反應離子束刻蝕中當6m大于o.2弧度時，基片上形成的側壁的離子束刻蝕角度es接近于1.5弧度(分別參見附圖3和圖4所示)。對通常的全息光刻膠掩模來說，CHF3反應離子束刻蝕可以得到較為陡直的基片側壁，能較好的保證圖形轉移的精度。結合Ar離子束刻蝕和CHF3反應離子束刻蝕的圖形演化特點，對于光刻膠掩模來說，Ar離子束刻蝕形成的基片側壁的離子束刻蝕角度要比CHF3反應離子束刻蝕中基片側壁的離子束刻蝕角度要小，由圖1可知在CHF3反應離子束刻蝕中石英的刻蝕速率隨著離子束入射角度的增大而減小，因此Ar離子束刻蝕中形成的基片側壁在CHF3反應離子束刻蝕中能夠得到更大得刻蝕速率，基片能以較快的速率收縮，從而可以得到比較小的占寬比。根據(jù)以上的分析，結合線性啁啾光纖光柵相位掩模的制作，我們用髙級線段運動算法模擬了五分鐘CHF3反應離子束刻蝕以及在CHF3反應離子束刻蝕之前加一分鐘Ar離子束刻蝕的圖形演化，分析兩種刻蝕方案下的槽形演化規(guī)律，圖5和圖6是相位掩模(初始掩模圖形由實驗制作的光刻膠光柵的SEM得到)分別采用上述兩種方法的刻蝕模擬圖，可以發(fā)現(xiàn)兩個演化過程的差異主要是在一分鐘的Ar離子束刻蝕過程中，Ar離子束刻蝕中形成的基片側壁的離子束刻蝕角度6s要比直接進行CHF3反應離子束刻蝕中基片側壁的離子束刻蝕角度要小，在其后的五分鐘CHF3反應離子束刻蝕中，基片的刻蝕速率要比直接進行CHF3反應離子束刻蝕要大，所以短暫的Ar離子束刻蝕能改善掩模與基片交界處的基片側壁的形貌，有利于得到比較小的占寬比的掩模。實驗上，我們用全息方法制作了中心周期為1000線/nm的線性啁啾光刻膠相位掩模，掩模髙度為300nm,掩模形狀為不對稱的類正弦形。實驗使用北京Advanced公司生產(chǎn)的LKJ—150離子束刻蝕系統(tǒng)，我們分別進行了五分鐘CHF3反應離子束刻蝕；一分鐘的Ar離子束刻蝕后再進行五分鐘CHF3反應離子束刻蝕。Ar離子束刻蝕參數(shù)離子能量500ev,離子束流100niA，加速電壓260v，工作壓強2.0X10-2Pa，CHF3離子刻蝕參數(shù)離子能量400ev,離子束流100mA，加速電壓260v,工作壓強1.3X10-2Pa。圖7是原始掩模、圖8是直接進行CHF3反應離子束刻蝕的電鏡照片、圖9是先進行Ar離子束刻蝕，再進行CHF3反應離子束刻蝕的電鏡照片。表1原始掩模、無Ar離子束刻蝕和有Ar離子束刻蝕后的掩模占寬比<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實驗數(shù)據(jù)表明有Ar離子束刻蝕的掩模占寬比明顯要小，同時槽形也比較陡直，具體數(shù)據(jù)如表l所示。同時我們發(fā)現(xiàn)300-1經(jīng)過一分鐘Ar離子刻蝕后，占寬比為0.487，300-2的初始占寬比為0.478，兩者的占寬比很接近，但是經(jīng)過不同的刻蝕方法后，300-1占寬比為0.398，300-2為0.474，可以明顯看出經(jīng)過Ar離子束刻蝕后掩模的占寬比更小。實驗和模擬計算結果表明，對于非矩形的光柵掩模(即低陡度光柵掩模)，短時間Ar離子束刻蝕形成的基片側壁的離子束刻蝕角度要比CHF3反應離子束刻蝕中基片側壁的離子束刻蝕角度要小，因此該側壁在CHF3反應離子束刻蝕中能夠得到更大得刻蝕速率，基片能以較快的速率收縮，所以經(jīng)過短暫的Ar離子束刻蝕改變了掩模與基片交界處的基片側壁的形貌，有利于在CHF3反應離子束刻蝕中得到比較小的掩模占寬比。這一點對于全息一離子束刻蝕光柵的制作來說是非常有意義，使得對全息光刻膠光柵掩模的要求得以降低。對于相同占寬比的初始掩模，如果我們需要得到和初始掩模的占寬比差不多的刻蝕光柵，則只需要使用CHF3反應離子束刻蝕；如果我們需要得到比初始掩模的占寬比小很多的刻蝕光柵，則需要通過短時間的Ar離子束刻蝕進行初始掩模形貌修正，之后采用CHF3反應離子束刻蝕就能夠得到更小的占寬比。在一定程度上達到控制槽形的目的。實施例三1501/mm;3001/mm;5001/mm的光柵制作以上三種空頻的光刻膠光柵掩模，分別進行了6分鐘CHF3反應離子束刻蝕；2分鐘的Ar離子束刻蝕后再進行6分鐘CHF3反應離子束刻蝕。CHF3作為工作氣體時，離子能量為390eV,離子束流為90mA，加速電壓250v，工作壓強1.3X10-2Pa;Ar離子束刻蝕時，離子能量為480eV，離子束流為110mA,加速電壓280v，工作壓強2.0X10—2Pa。結果如表2所示，對應電鏡圖如圖IO至圖12所示，其中，左側為只進行CHF3反應離子束刻蝕，右側為先采用Ar離子束刻蝕，再采用CHF3反應離子束進行刻蝕。表2不同空頻的掩模的結構參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>同樣可以明顯看出經(jīng)過Ar離子束刻蝕后掩模的占寬比更小。權利要求1.一種全息-離子束刻蝕制備光柵的方法，首先進行全息光刻，獲得光刻膠光柵掩模，然后進行離子束刻蝕，最后去除殘余的光刻膠，獲得所需的光柵，其特征在于所述離子束刻蝕為，先用氬離子束進行刻蝕1至3分鐘，再用三氟甲烷反應離子束刻蝕至所需槽形深度。2.根據(jù)權利要求1所述的全息-離子束刻蝕制備光柵的方法，其特征在于所述氬離子束刻蝕時，離子能量480510ev，離子束流80120mA，加速電壓250300v，工作壓強2.0Xl(T2Pa;所述三氟甲烷反應離子束刻蝕時，離子會旨量370400ev,離子束流80100mA,力B速電壓250280v，工作壓強1.3X102Pa。3.根據(jù)權利要求1所述的全息-離子束刻蝕制備光柵的方法，其特征在于制備獲得的所述光柵的空頻為1501500線/毫米。全文摘要本發(fā)明公開了一種全息-離子束刻蝕制備光柵的方法，首先進行全息光刻，獲得光刻膠光柵掩模，然后進行離子束刻蝕，最后去除殘余的光刻膠，獲得所需的光柵，其特征在于所述離子束刻蝕為，先用氬離子束進行刻蝕1至3分鐘，再用三氟甲烷反應離子束刻蝕至所需槽形深度。本發(fā)明在離子束刻蝕中，采用了兩步法，首先進行氬離子束刻蝕，對光刻膠光柵掩模進行形貌修正，再采用三氟甲烷進行刻蝕，從而可以獲得較小占寬比的光柵；通過對氬離子束刻蝕的時間控制，實現(xiàn)對光柵占寬比的控制，方法簡便、易于實現(xiàn)，是控制刻蝕光柵占寬比的有效方法。文檔編號G03F7/00GK101320207SQ20081002312公開日2008年12月10日申請日期2008年7月14日優(yōu)先權日2008年7月14日發(fā)明者全劉,吳建宏,楊衛(wèi)鵬申請人:蘇州大學