CN102608863A - 制备大高宽比衍射光学元件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备大高宽比衍射光学元件的方法。该方法包括：在支撑结构上交叉旋涂增粘剂和电子束抗蚀剂至预设厚度，形成多层夹心结构，其中，增粘剂用于增强其两侧电子束抗蚀剂的强度；对支撑结构上所旋涂的若干层增粘剂和电子束抗蚀剂进行电子束刻蚀、显影，将衍射光学元件的图形转移至电子束抗蚀剂；在显影形成的空隙中沉积待制备材料，去除残留的电子束抗蚀剂，形成大高宽比衍射光学元件。本发明制备大高宽比衍射光学元件的方法中，采用增粘剂和电子束抗蚀剂相结合的方式，提高了电子束抗蚀剂的强度，增强了其抗倒塌性能。
Description
技术领域
本发明涉及微电子和光学技术领域，尤其涉及一种制备大高宽比衍射光学元件的方法。
背景技术
常见的衍射光学元件有波带片、光子筛、光栅等。在能量很高的射线领域，只有吸收体的厚度达到一定的值才可以吸收相应射线，所以制备大高宽比的衍射光学元件具有重要意义。而在通常情况下，高宽比大于4的衍射光学元件可以称作大高宽比衍射光学元件。
传统大高宽比衍射光学元件制作过程主要包括以下步骤：
步骤一，在涂胶的衬底上曝光；
步骤二，对旋涂的光刻胶进行显影；
步骤三，显影完成之后，从显影液中拿出衬底在吹干的过程中，高宽比很大的图形光刻胶容易受到显影液的表面张力的影响而倒塌。
在实现本发明的过程中，发明人意识到现有技术存在如下缺陷：在衍射光学元件的制备过程中，由于光刻胶结构受显影液的张力影响很大，很容易倒塌，很难制备出大高宽比的衍射光学元件。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为解决上述缺陷，本发明提供了一种制备大高宽比衍射光学元件的方法，以制备出大高宽比的衍射光学元件。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种制备大高宽比衍射光学元件的方法。该方法包括：在支撑结构上交叉旋涂增粘剂和电子束抗蚀剂至预设厚度，形成多层夹心结构，其中，增粘剂用于增强其两侧电子束抗蚀剂的强度；对支撑结构上所旋涂的若干层增粘剂和电子束抗蚀剂进行电子束刻蚀、显影，将衍射光学元件的图形转移至电子束抗蚀剂；在显影形成的空隙中沉积待制备材料，去除残留的电子束抗蚀剂，形成大高宽比衍射光学元件。
优选地，本发明制备大高宽比衍射光学元件的方法中，增粘剂和电子束抗蚀剂的厚度比介于1∶20至1∶40之间。最优地，增粘剂为六甲基二硅氮烷HMDS增粘剂，电子束抗蚀剂为ZEP520A，HMDS增粘剂的厚度为5-10nm；ZEP520A电子束抗蚀剂的厚度为200nm。
优选地，本发明制备大高宽比衍射光学元件的方法中，在支撑结构上依次旋涂若干层增粘剂和电子束抗蚀剂的步骤包括：通过控制旋涂装置的转速，来获取预设厚度的增粘剂层和电子束抗蚀剂层。
优选地，本发明制备大高宽比衍射光学元件的方法中，在支撑结构上依次旋涂若干层增粘剂和电子束抗蚀剂的步骤之前还包括：在衬底上，旋涂自支撑层，自支撑层经过热处理形成具有预设机械强度的自支撑薄膜；利用湿法刻蚀在将要进行电子束刻蚀、显影的位置进行衬底刻蚀，镂空的自支撑薄膜形成支撑结构。
优选地，本发明制备大高宽比衍射光学元件的方法中，衬底为Si衬底，自支撑层为聚酰亚胺层。聚酰亚胺层的厚度为1-2μm。
优选地，本发明制备大高宽比衍射光学元件的方法中，在支撑结构上依次旋涂若干层增粘剂和电子束抗蚀剂的步骤之前还包括：在支撑结构上蒸镀电镀种子层；在显影形成的空隙中沉积待制备材料的步骤包括：采用微电镀方法，在电镀种子层上电镀待制备金属材料。
优选地，本发明制备大高宽比衍射光学元件的方法中，电镀种子层自支撑结构向上依次为铬和金；待制备金属材料为金。电镀种子层中，铬层的厚度为5nm；金层的厚度为10nm。
(三)有益效果
本发明中，采用增粘剂和电子束抗蚀剂相结合的方式，提高了电子束抗蚀剂的强度，增强了其抗倒塌性能。此外，采用自支撑薄膜形成的镂空衬底可以减少电子束背散射。本发明的方法具有稳定可靠的优点，且与传统的光刻工艺兼容，有利于其推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例制备大高宽比衍射光学元件方法的流程图；
图2为本发明实施例制备大高宽比衍射光学元件方法的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的一示例性实施例中，提供了一种制备大高宽比衍射光学元件的方法。图1为本发明实施例制备大高宽比衍射光学元件方法的流程图。如图1所示，该方法包括：
步骤S102，在支撑结构上交叉旋涂增粘剂和电子束抗蚀剂至预设厚度，形成多层夹心结构，其中，增粘剂用于增强其两侧电子束抗蚀剂的强度；
步骤S104，对支撑结构上所旋涂的若干层增粘剂和电子束抗蚀剂进行电子束刻蚀、显影，将衍射光学元件的图形转移至电子束抗蚀剂；
步骤S106，在显影形成的空隙中沉积待制备材料，去除残留的电子束抗蚀剂，形成大高宽比衍射光学元件。
本实施例中，为了防止电子束抗蚀剂过厚而影响其强度而造成的倒塌，采用增粘剂和电子束抗蚀剂相结合的方式，提高了电子束抗蚀剂的强度，增强了其抗倒塌性能。
在本发明优选的实施例中，增粘剂和电子束抗蚀剂的厚度比介于1∶20至1∶40之间。其中，增粘剂为5-10nm的六甲基二硅氮烷(Hexamethyldisilizane，简称HMDS)增粘剂，电子束抗蚀剂为200nm的ZEP520A。HMDS可以增大抗蚀剂同衬底的接触角，使得抗蚀剂同衬底的附着性更好，提高抗倒塌能力。电子束抗蚀剂ZEP520A有非常高的分辨率，并且同其它的电子束抗蚀剂如PMMA相比，所需曝光剂量要小很多，因此在提高曝光效率上有很大的优势。在支撑结构上依次旋涂若干层增粘剂和电子束抗蚀剂的步骤包括：通过控制旋涂装置的转速，来获取预设厚度的增粘剂层和电子束抗蚀剂层。
在本发明优选的实施例中，为了电子束刻蚀的需要，支撑结构采用镂空的结构。具体来讲，在支撑结构上依次旋涂若干层增粘剂和电子束抗蚀剂的步骤之前还包括：
步骤S101a，在衬底上，旋涂自支撑层，自支撑层经过热处理形成具有预设机械强度的自支撑薄膜；
步骤S101b，利用湿法刻蚀在将要进行电子束刻蚀、显影的位置进行衬底刻蚀，镂空的自支撑薄膜形成支撑结构。
本实施例中，衬底为Si衬底，自支撑层为聚酰亚胺层。聚酰亚胺层的厚度为1-2μm，并且具有一定的机械强度。聚酰亚胺薄膜要平整，保证电子束直写过程中抗蚀剂在同一焦面，且对刻蚀用电子束的背散射程度降到最低。
在本发明优选的实施例中，采用电镀的沉积方式进行衍射光学元件的制备。具体来讲，在支撑结构上依次旋涂若干层增粘剂和电子束抗蚀剂的步骤之前还包括：在支撑结构上蒸镀电镀种子层；在显影形成的空隙中沉积待制备材料的步骤包括：采用微电镀方法，在电镀种子层上电镀待制备金属材料。
其中，电镀种子层自支撑结构向上依次为铬和金；铬层的厚度为5nm；金层的厚度为10nm。待制备金属材料为金。电镀种子层可以保证制备的金薄膜层具有良好的导电性；而铬层增加金层和聚酰亚胺薄膜的粘覆性。
以下将用具体的实现方式来描述本发明。需要说明的是，以下实施例中各技术特征仅用于说明本发明，而并不构成对本发明的限制。
图2为本发明实施例制备大高宽比衍射光学元件方法的示意图。如图2所示，本实施例的方法包括：
步骤S202，在硅衬底上，旋涂1-2μm聚酰亚胺(PI)自支撑层，经过热处理形成薄膜；利用湿法腐蚀形成聚酰亚胺薄膜窗口；在聚酰亚胺薄膜面电子束蒸发5nm铬和10nm金，作为下一步电镀的导电层，如图步骤S202所示；
步骤S204，在导电层上依次旋涂若干层5-10nm的HMDS增粘剂和200nm厚的电子束抗蚀剂ZEP520A，使抗蚀剂形成夹心层结构，如图步骤S204所示；
步骤S206，利用电子束光刻直写光学元件图形，并显影形成衍射光学元件抗蚀剂图形，如图步骤S206所示；
步骤S208，利用微电镀技术将金层转移到抗蚀剂中，如图步骤S208所示；
步骤S210，利用甲基丙烯酸甲酯去除ZEP520A抗蚀剂，形成金属图形，如图步骤S210所示；
步骤S212，利用氩Ar等离子体反应刻蚀，去除导电层，最终形成大高宽比衍射光学元件，如图步骤S212所示。
综上所述，本发明提供的这种采用薄膜衬底减少电子束背散射和多层胶相结合的方法，有效增强了抗蚀剂的抗倒塌性能，可以制备出高宽比可以达到10∶1以上的衍射光学元件。这种方法具有稳定可靠且与传统的光刻工艺兼容的优点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种制备大高宽比衍射光学元件的方法，其特征在于，该方法包括：
在支撑结构上交叉旋涂增粘剂和电子束抗蚀剂至预设厚度，形成多层夹心结构，其中，所述增粘剂用于增强其两侧电子束抗蚀剂的强度；
对所述支撑结构上所旋涂的若干层增粘剂和电子束抗蚀剂进行电子束刻蚀、显影，将衍射光学元件的图形转移至所述电子束抗蚀剂；
在所述显影形成的空隙中沉积待制备材料，去除残留的电子束抗蚀剂，形成大高宽比衍射光学元件。
2.根据权利要求1所述的制备大高宽比衍射光学元件的方法，其特征在于，所述增粘剂和所述电子束抗蚀剂的厚度比介于1∶20至1∶40之间。
3.根据权利要求2所述的制备大高宽比衍射光学元件的方法，其特征在于，所述增粘剂为六甲基二硅氮烷HMDS增粘剂，所述电子束抗蚀剂为ZEP520A；所述HMDS增粘剂的厚度为5-10nm；所述ZEP520A电子束抗蚀剂的厚度为200nm。
4.根据权利要求1所述的制备大高宽比衍射光学元件的方法，其特征在于，所述在支撑结构上依次旋涂若干层增粘剂和电子束抗蚀剂的步骤包括：通过控制旋涂装置的转速，来获取预设厚度的增粘剂层和电子束抗蚀剂层。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备大高宽比衍射光学元件的方法，其特征在于，所述在支撑结构上依次旋涂若干层增粘剂和电子束抗蚀剂的步骤之前还包括：
在衬底上，旋涂自支撑层，所述自支撑层经过热处理形成具有预设机械强度的自支撑薄膜；
利用湿法刻蚀在将要进行所述电子束刻蚀、显影的位置进行衬底刻蚀，所述镂空的自支撑薄膜形成所述支撑结构。
6.根据权利要求5所述的制备大高宽比衍射光学元件的方法，其特征在于，所述衬底为Si衬底，所述自支撑层为聚酰亚胺层。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的制备大高宽比衍射光学元件的方法，其特征在于，所述聚酰亚胺层的厚度为1-2μm。
8.根据权利要求7所述的制备大高宽比衍射光学元件的方法，其特征在于，
所述在支撑结构上依次旋涂若干层增粘剂和电子束抗蚀剂的步骤之前还包括：在所述支撑结构上蒸镀电镀种子层；
所述在显影形成的空隙中沉积待制备材料的步骤包括：采用微电镀方法，在所述电镀种子层上电镀待制备金属材料。
9.根据权利要求8所述的制备大高宽比衍射光学元件的方法，其特征在于，所述电镀种子层自所述支撑结构向上依次为铬和金；所述待制备金属材料为金。
10.根据权利要求9所述的制备大高宽比衍射光学元件的方法，其特征在于，所述电镀种子层中，所述铬层的厚度为5nm；所述金层的厚度为10nm。
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