專利名稱：單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種中階梯光柵的制作工藝流程。
背景技術(shù)：
中階梯光柵是一種用于高衍射角以及高光譜衍射級次的閃耀光柵。因其具有高色散、高分辨率以及高衍射效率等優(yōu)點，在光譜儀色散元件的選用上占有很大的優(yōu)勢，可以說中階梯光柵光譜儀已成為現(xiàn)代光譜儀器的代表。中階梯光柵的傳統(tǒng)制作方法為機械刻劃法，具有代表性的是美國Newport公司。但其制作成本高，有鬼線及高雜散光已成為其目前難以解決的技術(shù)難題。單晶硅濕法刻蝕是一種新穎的制作中階梯光柵的方法，由于其使用全息-濕法刻蝕工藝，其制作成本低、無鬼線、易獲得光滑閃耀面及任意閃耀角，使其能夠?qū)崿F(xiàn)高衍射效率及低雜散光強度，國外正在開展全息-濕法刻蝕工藝相關(guān)工作研究，國內(nèi)尚未開展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有中階梯光柵制作方法存在制作成本高，有鬼線及高雜散光的問題，提供一種單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法。單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法，該方法由以下步驟實現(xiàn)步驟一、在單晶硅基底上生長SiO2層后涂覆光刻膠；步驟二、將步驟一涂覆光刻膠后帶有SiO2層的基底放入烘箱中，升高烘箱溫度至120°C，計時二十分鐘后取出，然后將帶有SiO2層的基底放入光學(xué)零件形成的干涉場中進行全息曝光；步驟三、將步驟二全息曝光后獲得的帶有SiO2層的基底進行顯影，將顯影后的帶有SiO2層的基底以光刻膠面朝下放入烘箱中進行后烘；后烘后的基底進行倒置熱熔，倒置熱熔的過程為繼續(xù)升高烘箱溫度至160°c，計時三十分鐘后取出；步驟四、在倒置熱熔后的帶有SiO2層的基底上制備氧化層掩膜，然后去膠，將去膠后獲得的單晶硅基底進行濕法刻蝕，采用復(fù)制方法進行槽形復(fù)制，形成中階梯光柵。本發(fā)明的積極效果本發(fā)明所述的中階梯光柵制作方法的制作成本低且易于實現(xiàn)，特別是使用光刻膠倒置熱熔法可以制備小占寬比的光刻膠掩模，大大地節(jié)約了成本、縮短了制作周期，該種光柵在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠減少系統(tǒng)的零部件，可顯著提高光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和色散。


圖1為本發(fā)明所述的單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法的流程圖；圖2為本發(fā)明所述的單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法中全息曝光采用的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明所述的單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法中的刻蝕時間分布圖4為采用本發(fā)明所述的單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法得到的光柵槽形的電鏡圖樣。
具體實施方式

具體實施方式
一、結(jié)合圖1至圖4說明本實施方式，單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法，該方法由以下步驟實現(xiàn)一、基底處理采用區(qū)熔法制備的無氣泡、無劃痕、單面拋光、電阻率>2000 Ωγπι的偏(100)晶面θ°角的單晶硅，其中(θ° +55° )角即為所制作光柵的閃耀角。55°角為(100)晶面與(111)晶面之間的夾角。用I號清洗液的體積分別為=H2O =H2O2 ΝΗ40Η=5:2:1)和II號清洗液體積比分別為H2O =H2O2 HCL=6:1: 1，依次對單晶硅基底進行清洗，在依照甲苯一丙酮-—酒精一水的順序?qū)杵M行表面清洗。在清洗后的單晶硅基底表面利用熱氧化法生長一層厚度為70nnTl20nm的SiO2層。二、涂膠在SiO2層上涂覆光刻膠，采用旋轉(zhuǎn)法涂膠，即將光刻膠滴在單晶硅基底上，通過離心旋轉(zhuǎn)獲得均勻一致的光刻膠薄膜；光刻膠采用國產(chǎn)BP-712-7S正性光刻膠，涂膠時的旋轉(zhuǎn)速度為100(Γ3000轉(zhuǎn)/分，甩膠時間30秒，這樣可以保證溶劑的充分揮發(fā)以及膠膜厚度的均勻性，涂覆厚度27(T300nm。三、前烘將涂覆完光刻膠后的基底放入烘箱中，然后升高烘箱溫度至120°C，開始計時，20分鐘后取出。前烘的作用是去除光刻膠在空氣中干燥時不能除去的溶劑，并使光刻膠與基底接觸更為緊密。四、全息曝光將處理好的涂有光刻膠的基底放入光學(xué)零件形成的干涉場中進行曝光。五、顯影把曝光之后的基底放入顯影液中，顯影液為5%。的NaOH溶液，在常溫下顯影，顯影時間為90秒 120秒，顯影時間受曝光時間、顯影液濃度的影響，由于光敏作用使光刻膠潛在的光柵圖形被溶解形成類矩形槽形，此時光柵基底上具有光柵條紋，也被稱為光刻膠光柵。六、后烘將顯影后的光柵基底以光刻膠面朝下的方式放入烘箱中，然后升高烘箱溫度至120°C，開始計時，烘烤時間為20分鐘。后烘的作用是改善光刻膠與襯底的粘附能力，并去除顯影后留下的溶劑。七、倒置熱熔完成后烘時不要把光柵基底從烘箱中取出，直接升高烘箱溫度至160°C，開始計時，30分鐘后取出。倒置熱熔過程主要目的是將光刻膠加熱至熔融狀態(tài)，在其重力的作用下會使光刻膠掩模條紋變細，從而能夠形成小占寬比的光刻膠掩模。八、氧化層掩模制備將倒置熱熔后的光柵基底置入事先配好的BHF溶液進行氧化層掩模的制備，BHF溶液的配比比例(體積比)為HF (49%) :NH3F (40%溶液)=1: 7，刻蝕時間70秒，常溫下進行。目的是在需要進行濕法刻蝕的單晶硅表面上形成一層掩模層，在刻蝕過程中抵住堿性刻蝕液的刻蝕。九、去膠在超聲波清洗器中用丙酮去除掉光刻膠掩模，清洗頻率100kHz，清洗功率300W，時間為20分鐘，常溫下進行。上述的步驟三至步驟九中所述的基底均為涂有SiO2層的基底。十、單晶硅濕法刻蝕將去膠后的單晶硅基底置于配置好的刻蝕液中進行濕法刻蝕，刻蝕液配置比例為15°/Γ35%Κ0Η溶液與IPA (異丙醇)以體積比3:1混合。刻蝕時間分布如圖3所示。首先將去膠后的光柵基底置入配置好的刻蝕液中刻蝕5分鐘，刻蝕溫度70°C，刻蝕過程引入超聲波清洗，清洗頻率與清洗功率分別為IOOkHz和300W?？涛g5分鐘后將基底取出，依次置于丙酮與去離子水分別超聲清洗20分鐘，清洗頻率為80kHz，清洗功率300W，常溫下進行。清洗后將基底繼續(xù)置于刻蝕液中刻蝕，刻蝕5分鐘后再取出，依次置于丙酮與去離子水中分別超聲清洗20分鐘，如此往復(fù)4飛次，完成對基底的濕法刻蝕。往復(fù)次數(shù)由刻蝕液濃度與溫度以及單晶硅(100)晶面與(111)晶面的刻蝕比決定。十一、清潔處理刻蝕結(jié)束后用98%的濃硫酸清洗表面殘留物，并將濕法刻蝕后的光柵依次放入丙酮和去離子水中分別利用超聲波清洗20分鐘。十二、光柵復(fù)制將清潔處理后的光柵基底利用復(fù)制工藝進行槽形復(fù)制，形成中階梯光柵。將復(fù)制后的光柵放入真空鍍膜機中蒸鍍鋁膜，用來增強光柵的衍射效率。結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式中所述的光學(xué)零件形成的干涉場包括Kr+激光器13、平面反射鏡14、平面反射鏡15、空間濾波器16、準(zhǔn)直反射鏡17和調(diào)整反射鏡18。在Kr+激光器13的激光束傳播方向的光軸上置有平面反射鏡14，平面反射鏡14與光軸成45°角；在平面反射鏡14的反射光光路上置有平面反射鏡15與光軸成45°角；在平面反射鏡15的反射光線的光軸上置有空間濾波器16 ;空間濾波器16的發(fā)射光線經(jīng)準(zhǔn)直反射鏡17準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光線中的一部分經(jīng)由調(diào)整反射鏡18反射與另外一部分入射光發(fā)生干涉形成干涉場19 ;在干涉場19內(nèi)置有經(jīng)過前烘的光柵基底20，光柵基底20的中心點位于干涉場19的中心位置。曝光時間為3(Γ150秒，根據(jù)光刻膠的型號和干涉場強度來控制曝光時間的長短。
權(quán)利要求
1.單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法，其特征是，該方法包括以下步驟 步驟一、在單晶硅基底上生長SiO2層后涂覆光刻膠； 步驟二、將步驟一涂覆光刻膠后帶有SiO2層的基底放入烘箱中，升高烘箱溫度至120°C，計時二十分鐘后取出，然后將帶有SiO2層的基底放入光學(xué)零件形成的干涉場中進行全息曝光； 步驟三、將步驟二全息曝光后獲得的帶有SiO2層的基底進行顯影，將顯影后的帶有SiO2層的基底以光刻膠面朝下放入烘箱中進行后烘；后烘后的基底進行倒置熱熔，倒置熱熔的過程為繼續(xù)升高烘箱溫度至160°c，計時三十分鐘后取出； 步驟四、在倒置熱熔后的帶有SiO2層的基底上制備氧化層掩膜，然后去膠，將去膠后獲得的單晶硅基底進行濕法刻蝕，采用復(fù)制方法進行槽形復(fù)制，形成中階梯光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法，其特征在于，在步驟四之后，還包括步驟五，對復(fù)制后得到的中階梯光柵放入真空鍍膜機中蒸鍍鋁膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法，其特征在于，步驟二中將帶有SiO2層的基底放入光學(xué)零件形成的干涉場中進行全息曝光中，所述的光學(xué)零件形成的干涉場具體包括Kr+激光器(13)、第一平面反射鏡(14)、第二平面反射鏡(15)、空間濾波器(16)、準(zhǔn)直反射鏡(17)和調(diào)整反射鏡(18);所述Kr+激光器(13)出射的光束經(jīng)第一平面反射鏡(14)反射的光束被第二平面反射鏡(15)接收，被第二平面反射鏡(15)的光束依次經(jīng)空間濾波器(16)和準(zhǔn)直反射鏡(17)，經(jīng)準(zhǔn)直反射鏡(17)準(zhǔn)直的光束一部分由調(diào)整反射鏡(18)反射，所述反射的光束與準(zhǔn)直光束中的另一部分光束發(fā)生干涉，形成干涉場(19)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法，其特征在于，所述第一平面反射鏡14沿Kr+激光器(13)出射光束的光軸方向成45°角放置，第二平面反射鏡(15)與第一平面反射鏡(14)反射光束的光軸成45°角放置。
全文摘要
單晶硅中階梯光柵的濕法刻蝕方法，涉及光譜技術(shù)領(lǐng)域，解決現(xiàn)有中階梯光柵制作方法存在制作成本高，有鬼線及高雜散光的問題，本發(fā)明的制作過程包括基底處理、涂膠、前烘、全息曝光、顯影、后烘、倒置熱熔、氧化層掩模制備、去膠、單晶硅濕法刻蝕、清潔處理和光柵復(fù)制。本發(fā)明所述的制作方法成本低并且易于實現(xiàn)，本方法特別是采用光刻膠倒置熱熔法可以制備小占寬比的光刻膠掩模，大大地節(jié)約了成本、縮短了制作周期，該種光柵在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠減少系統(tǒng)的零部件，可顯著提高光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和色散度。
文檔編號G02B5/18GK102981198SQ20121053672
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者焦慶斌, 譚鑫, 巴音賀希格, 齊向東 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所