CN103031557A - 类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

类矩形全息光栅的等离子体刻蚀方法，涉及光谱技术领域，解决现有对全息光栅的刻蚀过程中引起侧壁及槽底粗糙度高的问题，本发明包括多个交替进行的刻蚀周期，每个刻蚀周期包括一个刻蚀步骤、一个钝化沉积步骤和一个抛光步骤。刻蚀步骤所采用的第一工艺条件、钝化沉积步骤所采用的第二工艺条件、抛光步骤第三工艺条件之间以时间间隔彼此分开，间隔时间大于前序步骤中反应气体等离子体寿命。使用该发明的等离子体刻蚀方法获得的类矩形全息光栅侧壁及槽底具有良好的光滑度，其杂散光强度低。

Description

类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法

技术领域

本发明涉及光谱技术领域，具体涉及的一种类矩形全息光栅的等离子体刻蚀方法。

背景技术

光谱仪器是进行光谱分析的基础设备，其应用领域遍及各行各业。光栅是光谱仪器的核心单元器件，光栅质量直接影响光谱仪器性能。杂散光强度作为光栅主要性能指标，直接影响光谱仪器的信噪比、分辨率。全息光栅的杂散光强度受制作工艺中基底表面粗糙度、光刻胶掩模侧壁及槽底粗糙度、刻蚀过程造成的粗糙度影响。光谱仪器行业期望获得一种杂散光强度较低的全息光栅，然而由于全息光栅制作工艺中诸多因素的影响，使得其杂散光强度较难抑制。

目前，国内外对于全息光栅杂散光强度的控制主要针对工艺中基底表面粗糙度、光刻胶掩模侧壁及槽底粗糙度。即利用离子束抛光等技术获得高表面粗糙度的基底，同时在光刻胶掩模制作过程中利用热熔法降低光刻胶掩模侧壁及槽底粗糙度，在光刻胶掩模制作完成后利用氧等离子体灰化的方法进一步降低其侧壁及槽底粗糙度。然而，针对刻蚀过程中造成的侧壁及槽底粗糙度尚未进行深入研究，致使获得的全息光栅杂散光强度较高，在应用上受到较大限制。目前，国外工艺方面的研究正在进行，国内尚未开展此方面研究。

发明内容

本发明为解决现有对全息光栅的刻蚀过程中引起侧壁及槽底粗糙度高的问题，提供一种类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法。

该刻蚀方法包括多个交替进行的刻蚀周期，每个刻蚀周期包括刻蚀步骤、钝化沉积步骤和抛光步骤；所述刻蚀步骤与钝化沉积步骤的时间间隔大于刻蚀步骤中反应气体等离子体寿命；钝化沉积步骤与抛光步骤的时间间隔大于钝化沉积步骤中反应气体等离子体寿命；抛光步骤与下一刻蚀周期中刻蚀步骤的时间间隔大于抛光步骤中反应气体等离子体寿命；

步骤一、刻蚀步骤：采用SF₆和CHF₃的混合气体对基底进行刻蚀，气体流量的参数范围为80sccm-400sccm，上电极功率参数范围为400W-2500W，下电极功率参数范围为0W-600W，气压参数范围为1.5Pa-3.5Pa；在基底上形成类矩形光栅；

步骤二、钝化沉积步骤：采用的气体为C₄F₈，所述气体的流量参数范围为20sccm-200sccm，上电极功率参数范围为400W-2500W，下电极功率参数范围为200W-600W，所气压参数范围为1.5Pa-3.5Pa；获得光栅沟槽底部与内侧面沉积形成的钝化层；

步骤三、抛光步骤：采用气体为Ar，所述气体的流量的参数范围为40sccm-100sccm，上电极功率参数范围为400W-2500W，下电极功率参数范围为400W-800W，气压参数范围为1.5Pa-3.5Pa；获得光滑的光栅沟槽底部与内侧面；

步骤四、判断是否有下一个刻蚀周期，如果否，则结束刻蚀，如果是，则返回步骤一，最终实现光栅的等子体刻蚀。

本发明的有益效果：通过刻蚀步骤、钝化沉积步骤和抛光步骤的周期性切换，控制各向异性刻蚀同时实现减小侧壁及槽底上的小突起的高度，使其侧壁及槽底具有较低的粗糙度，从而获得低杂散光的类矩形光栅。

附图说明

图1为发明所述的类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法示意图；

图2为应用本发明所述的类矩形光栅等离子体刻蚀方法分区刻蚀示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法，本实施方式所述的刻蚀方法包括多个交替进行的刻蚀周期，每个刻蚀周期包括一个刻蚀步骤、一个钝化沉积步骤和一个抛光步骤。刻蚀步骤所采用的第一工艺条件、钝化沉积步骤所采用的第二工艺条件、抛光步骤第三工艺条件之间以时间间隔彼此分开，间隔时间大于前序步骤中反应气体等离子体寿命。其中刻蚀、沉积和抛光气体的供气量通过调节气体流量控制器（MFC）来实现三种气体的交替。本发明适用于电感耦合型等离子体反应腔。

根据本发明提供的等离子体刻蚀方法，其中，等离子体刻蚀方法用于在基底刻蚀形成类矩形光栅线条。所述刻蚀步骤采用的气体包括SF₆和CHF₃，其中CHF₃可替换为CF₄。所述刻蚀步骤气体流量的参数范围为80sccm-400sccm，所述刻蚀步骤中的上电极功率参数范围为400W-2500W，下电极功率参数范围为0W-600W，所述刻蚀步骤的气压参数范围为1.5Pa-3.5Pa。所述钝化沉积步骤使用的气体包括C₄F₈，还可以是CO₂、CO。所述钝化沉积步骤的气体流量参数范围为20sccm-200sccm，所述钝化沉积步骤中的上电极功率参数范围为400W-2500W，下电极功率参数范围为200W-600W，所述钝化沉积步骤中的气压参数范围为1.5Pa-3.5Pa。所述抛光步骤采用的气体包括Ar，还可以是N₂。所述抛光步骤气体流量的参数范围为40sccm-100sccm，所述抛光步骤中的上电极功率参数范围为400W-2500W，下电极功率参数范围为400W-800W，所述抛光步骤的气压参数范围为1.5Pa-3.5Pa。

根据本发明提供的等离子体刻蚀方法，其中，通过刻蚀步骤，产生等离子体与基底材料形成化学及物理相互作用，形成刻蚀。刻蚀步骤一般所需时间为20s-100s

根据本发明提供的等离子体刻蚀方法，其中，通过钝化沉积步骤，在光栅沟槽的底部和内侧面沉积形成钝化层。钝化沉积步骤一般所需时间为10s-40s。

根据本发明提供的等离子体刻蚀方法，其中，通过抛光步骤，利用Ar等离子体物理刻蚀为主的铣尖效应，减小光栅沟槽底部和内侧面在刻蚀步骤形成的小突起的高度，获得较小的粗糙度。抛光步骤一般所需时间为90s-400s。

根据本发明提供的等离子体刻蚀方法，其中，刻蚀步骤与钝化沉积步骤的间隔时间大于刻蚀步骤反应气体等离子体寿命；钝化沉积步骤与抛光步骤的间隔时间大于钝化沉积步骤反应气体等离子体寿命；抛光步骤再次转换为刻蚀步骤的间隔时间大于抛光步骤反应气体等离子体寿命。这三个间隔时间一般为10s-25s。

 具体实施方式二、结合图1和图2说明本实施，本实施方式为具体实施方式一所述的类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法的实施例：

本实施方式的具体步骤如下：

步骤S1，进行采用第一工艺条件的刻蚀步骤。

在该步骤中，首先提供基底以及覆盖于基底上的光栅掩模层，基底材料可以是硅、碳化硅、融石英、K9等材料，掩模层可以为光刻胶、金属等材料，基底材料与光速掩模材料不受本发明限制。光栅掩模层露出基底，然后采用第一工艺条件进行等离子体刻蚀。第一工艺条件的具体参数选择与光栅的具体要求有关，其不受本发明限制，在该实施例中，由于是对碳化硅的刻蚀，一般采用SF₆、CHF₃混合气体进行刻蚀；第一工艺条件的具体参数包括气体流量（每种气体的流量）、气压、功率等。例如，具体第一工艺条件参数可以为：气压2.5Pa、上电极功率1000W、下电极功率300W、SF₆和CHF₃气体流量之和（图2中F1）为300sccm、SF₆和CHF₃气体流量之比为1：2，该流量比不受本实施例限制。刻蚀步骤中，第一工艺条件的维持时间（图2中t2-t1）不受本发明限制。在该实施例中，刻蚀步骤采用电感耦合等离子体源技术。

步骤S2，刻蚀步骤与钝化沉积步骤的间隔时间（图2中t4-t2）应大于刻蚀步骤反应气体等离子体寿命（图2中t3-t2）。

在该步骤中，从关闭射频电源、停止通入刻蚀步骤反应气体的时间t2算起，刻蚀步骤反应气体等离子体寿命为t3-t2，进行采用第二工艺条件的钝化沉积步骤时间t4与t2之差，即间隔时间应大于t3-t2，其具体时间与反应气体及工艺条件有关，不受本发明限制，该实施例中间隔时间具体选择15s。

步骤S3，进行采用第二工艺条件的钝化沉积步骤。

在该步骤中，为使该实施例中的等离子体刻蚀具有良好的各向异性，通过钝化沉积步骤在光栅沟槽的侧壁形成钝化层。第二工艺条件的具体参数选择与光栅的具体要求有关，其不受本发明限制，在该实施例中，采用C4F8气体；第二工艺条件的具体参数包括气体流量（每种气体的流量）、气压、功率等。例如，具体第二工艺条件参数可以为：气压2.5Pa、上电极功率1000W、下电极功率500W、C₄F₈气体流量（图2中F2）为100sccm。钝化沉积步骤中，第二工艺条件的维持时间（图2中t5-t4）小于第一工艺条件的维持时间（图2中t2-t1）。在该步骤后，在光栅沟槽底部和侧壁钝化沉积厚度在纳米数量级的聚合物层。

步骤S4，钝化沉积步骤与抛光步骤的间隔时间（图2中t7-t5）应大于钝化沉积步骤反应气体等离子体寿命（图2中t6-t5）。

在该步骤中，从关闭射频电源、停止通入钝化沉积步骤反应气体的时间t5算起，钝化沉积步骤反应气体等离子体寿命为t6-t5，进行采用第三工艺条件的抛光步骤时间t7与t5之差，即间隔时间应大于t6-t5，其具体时间与反应气体及工艺条件有关，不受本发明限制，该实施例中间隔时间具体选择20s。

步骤S5，进行采用第三工艺条件的抛光步骤。

在该步骤中，为使该实施例中的等离子体刻蚀后的光栅侧壁及槽底具有良好的表面光滑度，通过抛光步骤对光栅沟槽的侧壁及槽底进行物理刻蚀为主的抛光处理。第三工艺条件的具体参数选择与光栅的具体要求有关，其不受本发明限制，在该实施例中，采用Ar气体；第三工艺条件的具体参数包括气体流量（每种气体的流量）、气压、功率等。例如，具体第二工艺条件参数可以为：气压2.5Pa、上电极功率2000W、下电极功率700W、Ar气体流量（图2中F2）为50sccm。抛光步骤中，产生的等离子体对于基底材料的去除是纯物理轰击过程，单位时间去除量较小，第三工艺条件的维持时间（图2中t8-t7）大于其他工艺条件的维持时间。在该步骤后，光栅沟槽底部和侧壁小突起的高度明显降低，侧壁及槽底具有较低的粗糙度。

步骤S6，抛光步骤交替循环至刻蚀步骤的间隔时间大于抛光步骤反应气体等离子体寿命（图2中t9-t8）。

在该步骤中，从关闭射频电源、停止通入抛光步骤反应气体的时间t8算起，抛光步骤反应气体等离子体寿命为t9-t8，交替循环至进行采用第一工艺条件的刻蚀步骤的间隔时间应大于t9-t8，其具体时间与反应气体及工艺条件有关，不受本发明限制，该实施例中间隔时间具体选择10s。

步骤S7，判断光栅沟槽刻蚀是否结束，如果判断为“是”，则结束等离子体刻蚀过程；如果判断为“否”，返回步骤S1，继续交替执行步骤S1-S6。例如，如果以步骤S1的刻蚀速率10nm/s，S1步骤维持时间20s，通过4次步骤S1刻蚀过程就可以实现800nm深的类矩形光栅沟槽。可以通过等离子体刻蚀机软件设置交替次数为10次，小于10次，则判断为“否”，继续交替执行步骤S1-S6。

至此，图1所示实施例的等离子体刻蚀过程结束。通过刻蚀步骤、钝化沉积步骤和抛光步骤的周期性切换，控制各向异性刻蚀同时实现减小侧壁及槽底上的小突起的高度，使其侧壁及槽底具有较低的粗糙度，从而获得低杂散光的类矩形光栅。

需要说明的是，本实施例是针对碳化硅基底光速刻蚀的实施例，该发明的等离子体刻蚀方法同样可用于其它基底材料及掩模材料的光速刻蚀。本发明所述的刻蚀步骤中使用的气体可以选择使用SF₆、CF₄、CHF₃等气体，钝化沉积步骤中使用的气体可以选择使用C₄F₈、CO₂、CO等气体，抛光步骤中使用的气体可以选择使用Ar、N₂等气体，具体气体流量大小、气压、功率扥工艺参数可根据光栅具体要求变换。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。任何所属技术领域中的具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应当视权利要求书所界定范围为准。

Claims (7)

1.类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法，其特征是，该刻蚀方法包括多个交替进行的刻蚀周期，每个刻蚀周期包括刻蚀步骤、钝化沉积步骤和抛光步骤；所述刻蚀步骤与钝化沉积步骤的时间间隔大于刻蚀步骤中反应气体等离子体寿命；钝化沉积步骤与抛光步骤的时间间隔大于钝化沉积步骤中反应气体等离子体寿命；抛光步骤与下一刻蚀周期中刻蚀步骤的时间间隔大于抛光步骤中反应气体等离子体寿命；

步骤一、刻蚀步骤：采用SF₆和CHF₃的混合气体对基底进行刻蚀，气体流量的参数范围为80sccm-400sccm，上电极功率参数范围为400W-2500W，下电极功率参数范围为0W-600W，气压参数范围为1.5Pa-3.5Pa；在基底上形成类矩形光栅；

步骤二、钝化沉积步骤：采用的气体为C₄F₈，所述气体的流量参数范围为20sccm-200sccm，上电极功率参数范围为400W-2500W，下电极功率参数范围为200W-600W，所气压参数范围为1.5Pa-3.5Pa；获得光栅沟槽底部与内侧面沉积形成的钝化层；

步骤三、抛光步骤：采用气体为Ar，所述气体的流量的参数范围为40sccm-100sccm，上电极功率参数范围为400W-2500W，下电极功率参数范围为400W-800W，气压参数范围为1.5Pa-3.5Pa；获得光滑的光栅沟槽底部与内侧面；

步骤四、判断是否有下一个刻蚀周期，如果否，则结束刻蚀，如果是，则返回步骤一，最终实现光栅的等子体刻蚀。

2.根据权利要求1所述的类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀步骤中采用的气体为SF₆和CF₄。

3.根据权利要求1所述的类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法，其特征在于，所述钝化沉积步骤采用的气体为CO₂或CO。

4.根据权利要求1所述的类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法，其特征在于，所述抛光步骤采用的气体为N₂。

5.根据权利要求1所述的类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀步骤、钝化沉积步骤和抛光步骤中的气体的供气量通过调节气体流量控制器，实现三种气体的交替。

6.根据权利要求1所述的类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀步骤所需时间为20s-100s，钝化沉积步骤所需时间为10s-40s，抛光步骤所需时间为90s-400s。

7.根据权利要求1所述的类矩形全息光栅等离子体刻蚀方法，其特征在于，刻蚀步骤与钝化沉积步骤的时间间隔、钝化沉积步骤与抛光步骤的时间间隔、抛光步骤与下一周期的刻蚀步骤的时间间隔分别为10s-25s。

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