專利名稱：一種利用陰影蒸鍍和濕法腐蝕來制備半圓柱形溝槽的方法
技術領域：
本發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
蝕來制備半圓柱形溝槽的方法。
背景技術：
微/納元件尤其是微/納光學元件，在科研、軍事、民用等領域都具有巨大的應用 潛力。微米和亞微米半圓柱形溝槽的制備是研究的難點。半圓柱形溝槽是制備一些復雜結 構的微/納光學元件的基礎。半圓柱形溝槽具有廣闊的應用前景，例如，應用于超分辨成 像、SPP納米光刻等方面。 半圓柱形溝槽的制備方法一類是灰度曝光刻蝕，利用不同區域光刻膠的曝光劑量 的不同使曝光區域的結構圖形達到所要求的形狀，再通過刻蝕將圖形轉移到襯底上。如灰 度掩模光刻、移動掩模光刻等，這些方法適合加工直徑3微米以上的半圓柱形溝槽結構，但 其缺點是很難制備更小特征尺寸的結構。 一些SPP器件需要半圓柱形溝槽結構的直徑為微 米級甚至百納米級。電子束、離子束等直寫設備雖然能夠制備該尺寸的圖形，但其費用昂貴 且加工面積僅有微米量級，難以滿足實際應用的需要。

發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有微細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制備半圓柱形溝槽的方法，該方法只需要使用常規的光刻、鍍膜和 濕法刻蝕技術，就可以大面積地制備得到寬度幾十納米的細線條狹縫及直徑為百納米到十 微米之間任何數值的半圓柱形溝槽。 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種利用陰影蒸鍍和濕法腐蝕來制 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)采用光刻技術在光刻膠上制備直線條結構，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，直線條長度為要加工的半圓柱形溝槽長度； (3)以傾斜角為5-45度對步驟(2)形成的襯底結構進行傾斜蒸鍍，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有沉積蒸鍍材料的區域； (4)以蒸鍍的材料作為保護層對掩蔽膜層進行干法刻蝕，沒有沉積蒸鍍材料的區
域由于沒有蒸鍍材料的保護而掩蔽膜層被刻蝕掉，得到對應于沒有沉積蒸鍍材料的區域的
掩蔽膜層狹縫；所述掩蔽膜層狹縫的寬度為20nm到2 y m ; (5)通過掩蔽膜層狹縫，采用襯底腐蝕溶液對襯底進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，通過控制對襯底進行的各向同性濕法腐蝕的時間來控制半圓柱 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構所包含的光刻膠直線條的數量可以
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構
可以是周期結構也可以是非周期結構；若為周期結構，該直線條結構的周期即直線條的寬
度與直線條的間距之和應當大于要制備的半圓柱形溝槽的直徑；若為非周期結構，該直線
條結構中直線條的寬度與間距之和也應當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；通過控制傾斜蒸鍍的角度和光刻膠的厚度來控制沒有沉積蒸鍍材
料的區域的寬度；沒有沉積蒸鍍材料的區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)中對襯底進行濕法腐蝕時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間與要制備的半圓柱形溝槽的直徑成正比。 本發明與現有的方法相比的優點在于 (1)本發明只需要采用常規的光刻技術、濕法刻蝕技術，就可以制備得到直徑為 一百納米到十微米之間任何數值的半圓柱形溝槽；僅需要采用常規的光刻技術、蒸鍍、濕法 刻蝕技術，可極大降低半圓柱形溝槽的制備成本。 (2)本發明可大面積加工，制備的半圓柱形溝槽微結構的分布面積最大可以達到 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為本發明方法的實現流程圖； 圖2為本發明實施例1中，在石英襯底表面鍍鉻膜和涂布光刻膠后的剖面結構示 意圖； 圖3為本發明實施例1中，采用常規光刻設備制作的寬線條圖形的剖面結構示意 圖； 圖4為本發明實施例1中，以一定角度進行傾斜蒸鍍金從而在光刻膠線條邊緣形 成一定寬度的沒有沉積蒸鍍材料的陰影區，得到的微結構圖形的剖面結構示意圖；
圖5為本發明實施例1中，對圖4中的結構進行干法刻蝕得到的剖面結構示意圖；
圖6為本發明實施例1中，將圖5中的結構置于稀釋的氫氟酸溶液中進行各向同 性腐蝕得到的直徑1微米的半圓柱形溝槽的剖面結構示意圖； 圖7為本發明實施例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 的剖面結構示意圖； 圖8為本發明實施例2中，在K9玻璃襯底表面鍍硅膜和涂布光刻膠后的剖面結構 示意圖； 圖9為本發明實施例2中，采用常規光刻設備制作的寬線條圖形的剖面結構示意 4
圖10為本發明實施例2中，以一定角度進行傾斜蒸鍍鉻從而在光刻膠線條邊緣形 成一定寬度的沒有沉積蒸鍍材料鉻的陰影區，得到的微結構圖形的剖面結構示意圖；
圖11為本發明實施例2中，對圖10中的結構進行干法刻蝕得到的剖面結構示意 圖； 圖12為本發明實施例2中，將圖11中的結構置于稀釋的氫氟酸溶液中進行各向 同性腐蝕得到的直徑100nm的半圓柱形溝槽的剖面結構示意圖； 圖13為本發明實施例2中，在KOH溶液中去除硅膜，得到的直徑lOOnm的半圓柱 形溝槽的剖面結構示意圖； 圖14為本發明實施例3中，在石英襯底表面鍍硅膜和涂布光刻膠后的剖面結構示 意圖； 圖15為本發明實施例3中，采用常規光刻設備制作的寬線條圖形的剖面結構示意 圖； 圖16為本發明實施例3中，以一定角度進行傾斜蒸鍍鉻從而在光刻膠線條邊緣形 成一定寬度的沒有沉積蒸鍍材料鉻的陰影區，得到的微結構圖形的剖面結構示意圖；
圖17為本發明實施例3中，對圖16中的結構進行干法刻蝕得到的剖面結構示意 圖； 圖18為本發明實施例3中，將圖17中的結構置于稀釋的氫氟酸溶液中進行各向 同性腐蝕得到的直徑10 y m的半圓柱形溝槽的剖面結構示意圖； 圖19為本發明實施例3中，在KOH溶液中去除硅膜，得到的直徑lOiim的半圓柱 形溝槽的剖面結構示意圖； 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。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發明。但以下的實施例僅限于解釋本發 明，本發明的保護范圍應包括權利要求的全部內容，而且通過以下實施例對領域的技術人 員即可以實現本發明權利要求的全部內容。 實施例1，制作5000條直徑1微米、長度20毫米的半圓柱形溝槽，其具體制作過程 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)通過曝光顯影，在光刻膠上制備出如圖3所示的直線條結構；該直線條結構中 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，直線條的長度為20毫米。 (3)相對襯底平面以45度角進行傾斜蒸鍍金，蒸鍍的金的厚度為50nm，每條光刻 膠線條邊緣會形成一條一定寬度的沒有沉積蒸鍍材料金的區域。沒有沉積蒸鍍材料金的區 域的寬度為100nm。 (4)然后以蒸鍍材料金作為保護層對鉻掩蔽膜層進行干法刻蝕，沒有沉積蒸鍍材 料金的區域的鉻掩蔽膜層由于沒有蒸鍍材料金的保護而被刻蝕。得到對應于沒有沉積蒸鍍材料金的區域的掩蔽膜層狹縫，其寬度為100nm。 (5)通過掩蔽膜層狹縫，以稀釋的氫氟酸腐蝕液對襯底進行各向同性腐蝕，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，腐蝕時間為10-15分鐘。
實施例2，制作20000條直徑100nm、長度5毫米的半圓柱形溝槽，其具體制作過程 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)通過曝光顯影，在光刻膠上制備出如圖9所示的線條結構，該直線條結構的周 期為500nm，直線條的長度為5毫米。 (3)相對襯底平面以20度角進行傾斜蒸鍍鉻，蒸鍍的鉻的厚度30nm，每條光刻膠 線條邊緣會形成一條寬度為20nm的沒有沉積蒸鍍材料鉻的區域。 (4)然后以蒸鍍材料鉻作為保護層對硅掩蔽膜層進行干法刻蝕，沒有沉積蒸鍍材 料鉻的區域的硅掩蔽膜層由于沒有蒸鍍材料鉻的保護而被刻蝕。得到對應于沒有沉積蒸鍍 材料鉻的區域的掩蔽膜層狹縫，其寬度為20nm。 (5)通過掩蔽膜層狹縫，以稀釋的氫氟酸腐蝕液對襯底進行各向同性腐蝕，得到 20000條直徑100nm、長度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，腐蝕時間為l-2分鐘。 實施例3，制作2條直徑10微米、長度500微米的半圓柱形溝槽，其具體制作過程 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)通過曝光顯影，在光刻膠上制備出如圖15所示的線條結構；該直線條結構中 包含2條寬度為15微米長度為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，襯底其余區域均去掉留光刻膠。 (3)相對襯底平面以30度角進行傾斜蒸鍍鉻，蒸鍍的鉻的厚度100nm，每條光刻膠 線條邊緣會形成一條寬度為500nm的沒有沉積蒸鍍材料鉻的區域。 (4)然后以蒸鍍材料鉻作為保護層對硅掩蔽膜層進行干法刻蝕，沒有沉積蒸鍍材 料鉻的區域的硅掩蔽膜層由于沒有蒸鍍材料鉻的保護而被刻蝕。得到2條寬度為500nm的 掩蔽膜層狹縫。 (5)通過掩蔽膜層狹縫，以稀釋的氫氟酸腐蝕液對襯底進行各向同性腐蝕，得到2 條直徑10微米、長度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，腐蝕時間為100-150分鐘。
權利要求
一種利用陰影蒸鍍和濕法腐蝕來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)采用光刻技術在光刻膠上制備直線條結構，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，直線條的長度為要加工的半圓柱形溝槽長度；(3)以傾斜角為5-45度對步驟(2)形成的襯底結構進行傾斜蒸鍍，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有沉積蒸鍍材料的區域；(4)以蒸鍍的材料作為保護層對掩蔽膜層進行干法刻蝕，沒有沉積蒸鍍材料的區域由于沒有蒸鍍材料的保護而掩蔽膜層被刻蝕掉，得到對應于沒有沉積蒸鍍材料的區域的掩蔽膜層狹縫；所述掩蔽膜層狹縫的寬度為20nm-2μm；(5)通過掩蔽膜層狹縫，采用襯底腐蝕溶液對襯底進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，通過控制對襯底進行的各向同性濕法腐蝕的時間來控制半圓柱形溝槽的直徑；
2. 根據權利要求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. 根據權利要求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、硅或有機膜層。
4. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求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構所包含的光刻膠直線條的數量可以為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構可以是周期結 構也可以是非周期結構；若為周期結構，該直線條結構的周期即直線條的寬度與直線條的 間距之和應當大于要制備的半圓柱形溝槽的直徑；若為非周期結構，該直線條結構中直線 條的寬度與間距之和也應當大于要制備的半圓柱形溝槽的直徑。
7. 根據權利要求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；通過控制傾斜蒸鍍的角度和光刻膠的厚度來控制沒有沉積蒸鍍材料的區域 的寬度；沒有沉積蒸鍍材料的區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. 根據權利要求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. 根據權利要求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)中對襯底進行濕法腐蝕時不斷攪拌襯底腐蝕溶液。
10. 根據權利要求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制備半圓柱形溝槽的方法，包括采用常規技術在襯底上沉積掩蔽膜層，在掩蔽膜層上涂布光刻膠；采用光刻技術在光刻膠上制備線條結構；以一定角度進行傾斜蒸鍍，在每條光刻膠線條邊緣外形成一條一定寬度的沒有沉積蒸鍍材料的陰影區；然后以蒸鍍的材料作為保護層對掩蔽膜層進行干法刻蝕，陰影區域的掩蔽膜層由于沒有蒸鍍材料的保護而被刻蝕掉，這樣得到對應于陰影區域的掩蔽膜層狹縫；通過掩蔽膜層狹縫以稀釋的氫氟酸溶液對襯底進行各向同性腐蝕，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，進而得到直徑為一百納米到十微米之間任何數值的半圓柱形溝槽。
文檔編號C23C14/16GK101736287SQ20091024192
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月15日 優先權日2009年12月15日
發明者劉凱鵬, 劉堯, 劉玲, 潘麗, 王長濤, 羅先剛, 邢卉 申請人:中國科學院光電技術研究所