一种利用两次膜层沉积和湿法腐蚀制备半圆柱形微细沟槽的方法

摘要

一种利用两次膜层沉积和湿法腐蚀制备半圆柱形微细沟槽的方法步骤为：采用常规技术在石英衬底上沉积膜层，在膜层上涂布光刻胶，进行光刻、显影、坚模；利用光刻胶图形作掩蔽和湿法腐蚀各向同性的特点，使用腐蚀液刻蚀掉光刻胶图形边缘下方的膜层，形成一定宽度的空气间隙；湿法腐蚀后得到的结构表面再次沉积相同材料的膜层，去除光刻胶后得到和空气间隙宽度相同的狭缝；再利用膜层为掩蔽，通过狭缝，使用氢氟酸缓冲液对石英衬底进行各向同性腐蚀，得到半圆柱形微细沟槽。该方法不需要电子束、粒子束、干法刻蚀等昂贵的设备就可制备得到宽度范围在700纳米到2.5微米的狭缝，通过控制湿法腐蚀的条件进而得到直径宽度范围为700纳米到2.5微米，深度范围为350纳米到1.25微米的半圆柱形微细沟槽。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半圆柱形微细沟槽的制备方法，尤其涉及一种利用两次膜层沉积和湿法腐蚀制备半圆柱形微细沟槽的方法。

技术背景

微/纳元件尤其是微/纳光学元件，在科研、军事、民用等领域都具有巨大的应用潜力。微米和亚微米半圆柱形微细沟槽的制备是研究的难点。半圆柱形微细沟槽是制备一些复杂结构的微/纳光学元件的基础。半圆柱形微细沟槽具有广阔的应用前景，例如，应用于超分辨成像、SPP纳米光刻等方面。

半圆柱型槽的制备方法一类是灰度曝光刻蚀，利用不同区域光刻胶的曝光剂量的不同使曝光区域的结构图形达到所要求的形状，再通过刻蚀将图形转移到衬底上。如灰度掩模光刻、移动掩模光刻等，这些方法适合加工直径3微米以上的半圆柱型槽结构，其缺点是很难制备更小特征尺寸的结构。一些SPP器件需要半圆柱形微细沟槽结构的直径为微米级甚至百纳米级。电子束、离子束等直写设备虽然能够制备该尺寸的图形，但其费用昂贵且加工面积仅有微米量级，难以满足实际应用的需要。本方法则只需要使用常规的薄膜沉积技术、光刻技术、湿法刻蚀技术，就可以制备得到宽度为一百纳米到二微米的细狭缝和直径宽度范围为700纳米到2.5微米，深度范围为350纳米到1.25微米的的半圆柱形微细沟槽。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有微细加工制作的限制之处，提出一种利用两次膜层沉积和湿法腐蚀制备半圆柱形微细沟槽的方法，该方法只需要采用常规的薄膜沉积技术、光刻技术、湿法刻蚀技术，就可以制备得到直径宽度范围为700纳米到2.5微米，深度范围为350纳米到1.25微米的半圆柱形微细沟槽。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用两次膜层沉积和湿法腐蚀制备半圆柱形微细沟槽的方法，步骤如下：

(1)采用磁控溅射技术或蒸镀技术在石英衬底上沉积膜层，在所述膜层上涂布光刻胶；石英衬底的厚度为200～3000μm，膜层的厚度为20～300nm，光刻胶的厚度为100～2000nm；

(2)采用光刻技术在光刻胶上制备线宽为1微米以上的线条结构；

(3)利用光刻胶图形作掩蔽和湿法腐蚀各向同性的特点，使用腐蚀液刻蚀掉光刻胶线条边缘下方的部分膜层，形成宽度范围在100～1000nm的空气间隙；

(4)在所述步骤(3)后得到的结构表面再次沉积相同材料的膜层，去除光刻胶后得到对应于空气间隙宽度的狭缝；

(5)以所述步骤(1)和所述步骤(4)沉积的膜层为掩蔽，通过狭缝，以衬底腐蚀溶液对衬底进行各向同性腐蚀，得到直径宽度范围为700纳米到2.5微米，深度范围为350纳米到1.25微米的半圆柱形微细沟槽。

所述步骤(1)中的膜层为金属、硅或有机膜层，该膜层在后续的湿法腐蚀石英工艺中将起到掩蔽作用。

所述步骤(3)中，所述腐蚀液为去铬液，温度为20°～25°，湿法腐蚀铬层的时间为3～10分钟。所述步骤(5)中的对衬底进行湿法腐蚀时需不断搅拌衬底腐蚀溶液。

所述步骤(5)中，所述腐蚀液为氢氟酸缓冲液，温度为20°～25°，湿法腐蚀铬层的时间为10～30分钟。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明只需要采用常规的薄膜沉积技术、光刻技术、湿法刻蚀技术，就可以制备得到直径宽度范围为700纳米到2.5微米，深度范围为350纳米到1.25微米的半圆柱形微细沟槽；仅需要采用常规的薄膜沉积技术、光刻技术、湿法刻蚀技术，可极大降低半圆柱形微细沟槽的制备成本；本发明可大面积加工，制备的半圆柱形沟槽微结构的分布面积最大可以达到上百平方厘米；为微/纳元器件的加工提供了一种精确、新颖、方便、高效的加工途径。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2是本发明实施例1中，在石英衬底表面镀铬膜和涂布光刻胶后的剖面结构示意图；

图3是本发明实施例1中，采用常规光刻设备制作的宽线条图形的剖面结构示意图；

图4是本发明实施例1中，对衬底表面的铬膜进行湿法腐蚀后得到的微结构图形的剖面结构示意图；

图5是本发明实施例1中，在图3所示的结构上溅射50nm厚的铬层后得到的剖面结构示意图；

图6是本发明实施例1中，采用LIFT OFF工艺去除光刻胶后得到的剖面结构示意图；

图7是本发明实施例1中，将图5中的结构置于氢氟酸缓冲液中进行各向同性腐蚀得到的半圆柱形微细沟槽的剖面结构示意图；

图8是本发明实施例1中，去除铬膜，得到的半圆柱形微细沟槽的剖面结构示意图。

图中：1代表衬底材料石英；2代表铬膜材料；3代表光刻胶。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

实施例1，制作直径1微米的半圆柱形微细沟槽，制作过程如图1所示，具体如下：

(1)选择厚度为360微米的石英片作为衬底；采用磁控溅射技术在衬底表面沉积一层100纳米厚的金属铬层，在铬层上涂布厚度为1.1微米的AR-P3100光刻胶(如图2所示)。

(2)通过曝光、显影、坚模，在光刻胶上制备出如图3所示的线条结构。

(3)如图4所示，利用光刻胶图形作掩蔽和湿法腐蚀各向同性的特点，使用腐蚀液刻蚀掉光刻胶线条图形边缘下方的金属铬层。腐蚀液为去铬液，其配比为100ml水，13ml高氯酸，50g的硝酸四铵，腐蚀温度为23℃，湿法腐蚀铬层的时间为3分30秒，得到的空气间隙的宽度为200纳米。

(4)在湿法腐蚀后的结构表面再次沉积铬膜(如图5所示)，去除光刻胶以及第二次镀铬中附着于光刻胶上的铬膜，得到如图6所示的和空气间隙相同宽度的铬膜狭缝。

(5)通过铬膜狭缝，以氢氟酸缓冲液对衬底进行各向同性腐蚀(如图7所示)，腐蚀液中氢氟酸和氟化铵的摩尔比为1∶6，温度为23℃，湿法腐蚀石英的时间为12分钟。用去铬液去除残留的掩蔽膜层，得到如图8所示的直径为1微米，深度为500纳米的半圆柱形微细沟槽。

实施例2制作直径700纳米的半圆柱形微细沟槽，制作过程如图1所示，具体如下：

(1)选择厚度为1000微米的石英片作为衬底；采用磁控溅射技术在衬底表面沉积一层50纳米厚的金属铬层，在铬膜上涂布厚度为1.1微米的AR-P3100光刻胶(如图2所示)。

(2)通过曝光、显影、坚模，在光刻胶上制备出如图3所示的线条结构。

(3)如图4所示，利用光刻胶图形作掩蔽和湿法腐蚀各向同性的特点，使用腐蚀液刻蚀掉光刻胶线条图形边缘下方的金属铬层。腐蚀液为去铬液，其配比为100ml水，13ml高氯酸，50g的硝酸四铵，腐蚀温度为23℃，湿法腐蚀铬层的时间为2分，得到的空气间隙的宽度为150纳米。

(4)在湿法腐蚀后的结构表面再次沉积铬膜(如图5所示)，去除光刻胶以及第二次镀铬中附着于光刻胶上的铬膜，得到如图6所示的和空气间隙相同宽度的铬膜狭缝。实施例应给出具体的铬膜狭缝宽度。

(5)通过狭缝，以氢氟酸缓冲液对衬底进行各向同性腐蚀(如图7所示)，腐蚀液中氢氟酸和氟化铵的摩尔比为1∶6，温度为23℃，湿法腐蚀石英的时间为7分钟。用去铬液去除残留的掩蔽膜层，得到如图8所示的直径宽度范围为700纳米，深度范围350纳米的半圆柱形微细沟槽。

实施例3制作直径2微米的半圆柱形微细沟槽，制作过程如图1所示，具体如下：

(1)选择厚度为1000微米的石英片作为衬底；采用磁控溅射技术在衬底表面沉积一层150纳米厚的金属铬层，在铬膜上涂布厚度为1.1微米的AR-P3100光刻胶(如图2所示)。

(2)通过曝光、显影、坚模，在光刻胶上制备出如图3所示的线条结构。

(3)如图4所示，利用光刻胶图形作掩蔽和湿法腐蚀各向同性的特点，使用腐蚀液刻蚀掉光刻胶线条图形边缘下方的金属铬层。腐蚀液为去铬液，其配比为100ml水，13ml高氯酸，50g的硝酸四铵，腐蚀温度为23℃，湿法腐蚀铬层的时间为5分钟，得到的空气间隙的宽度为400纳米。

(4)在湿法腐蚀后的结构表面再次沉积铬膜(如图5所示)，去除光刻胶以及第二次镀铬中附着于光刻胶上的铬膜，得到如图6所示的和空气间隙相同宽度的狭缝。

(5)通过狭缝，以氢氟酸缓冲液对衬底进行各向同性腐蚀(如图7所示)，腐蚀液中HF和NH4F的摩尔比为1∶6，温度为23℃，湿法腐蚀石英的时间为30分钟。用去铬液去除残留的掩蔽膜层，得到如图8所示的直径宽度为2微米，深度为1微米的半圆柱形微细沟槽。

本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知常识。