利用电场操控空穴分布制造闪耀光栅的方法

摘要

本发明公开了一种利用电场操控空穴分布制造闪耀光栅的方法，包括以下步骤：（1）对硅片进行浸泡亲水处理，冲洗，吹干，烘干；去除硅片表面残留的有机物；经过匀胶、显影、溅射、剥离半导体工艺获得图形化的金属薄膜，配置刻蚀溶液，在水浴中制备闪耀光栅；（2）通过调节两个电场极板之间的夹角来调控闪耀光栅的闪耀角大小；通过改变电场强度调控空穴在硅片中的分布梯度；通过交替使用两个电场获取齿状槽型。本发明具备控制精确、成本低、工艺简单、经济性好以及制备周期短等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及闪耀光栅技术领域，特别是涉及一种利用电场操控空穴分布制造闪耀光栅的方法。

背景技术

光栅是一种具有空间周期性结构（如规则排列的线、缝、槽等）的基本光学元件。衍射效率是其重要的指标之一。

闪耀光栅是光栅的一种，其槽型是锯齿状的周期性结构。闪耀光栅可实现对某一波长的入射光在指定的方向上产生闪耀，有效提高衍射效率。目前，闪耀光栅已成为光谱仪的关键元部件，广泛应用于通信、测量、显示等领域。

目前闪耀光栅的方法包括：一、机械刻划法，是用金刚石刻刀在铝等硬度低的材料上刻划出槽型的方法。存在问题：刻划机对工作环境要求苛刻，制造的闪耀光栅闪耀面的粗糙度大，存在“鬼线”，制造小闪耀角和高密度的光栅比较困难；二、全息干涉法，其基本机理是通过调整干涉光场与基片之间的角度，在光刻胶内部形成倾斜的潜像分布，显影后获得闪耀槽型。存在问题：槽形差，难以精确控制闪耀角等参数。三、激光、电子束、聚焦离子束法。激光直写技术是通过计算机产生图形数据，并利用计算机操控聚焦短波激光在光刻胶上曝光形成图形。电子束曝光是用若干个台阶近似光栅闪耀面，依据台阶高度选择曝光剂量，显影后得到闪耀槽形。聚焦离子束刻蚀技术是用5nm左右聚焦离子束直接加工材料表面获取闪耀光栅槽形。这三种方法设备复杂、成本高、制造周期长、难以实现大面积制作。四、晶体各向异性刻蚀法，基于晶体不同晶面在溶液中刻蚀速率不同的属性制造三角槽形，晶体的切割角度决定闪耀角的大小。存在问题：槽型顶部易形成平台，衍射效率低等。

因此，需要寻求一种新的制造闪耀光栅的方法来解决目前存在的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种利用电场操控空穴分布制造闪耀光栅的方法，具备控制精确、成本低、工艺简单、经济性好以及制备周期短等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种利用电场操控空穴分布制造闪耀光栅的方法，包括以下步骤：

（1）对硅片进行浸泡亲水处理，冲洗，吹干，烘干；去除硅片表面残留的有机物；经过匀胶、显影、溅射、剥离半导体工艺获得图形化的金属薄膜，配置刻蚀溶液，在水浴中制备闪耀光栅；

（2）通过调节两个电场极板之间的夹角来调控闪耀光栅的闪耀角大小；通过改变电场强度调控空穴在硅片中的分布梯度；通过交替使用两个电场获取齿状槽型。

在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中的硅片为单面抛光、电阻率≤25Ωcm的N型单晶硅片或单面抛光、电阻率≤25Ωcm的P型单晶硅片。

在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中的硅片使用浓硫酸和过氧化氢的混合溶液浸泡，浓硫酸和过氧化氢的体积比为3:1~6:1，超纯水冲洗，纯氮气吹干，热板120~200℃烘干。

在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中匀胶、显影的具体步骤为：涂覆一层0.5~0.9μm KMP-HMDS正胶表面处理剂，130~180℃烘15~25min，通过匀胶机旋转涂胶方法，获取1.0~1.5μm厚度的光刻胶EPG533，在热板上95~100℃烘5~10min；质量百分比浓度为5~10‰氢氧化钠溶液显影25~55s、清洗、烘干，其中，六甲基二硅胺的缩写为KMP-HMDS。

在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中溅射、剥离的具体步骤为：在≤1.5e-5T高真空环境下，溅射沉积厚度为30~100nm金属薄膜，金属薄膜为金薄膜、银薄膜、铂薄膜、钯薄膜或铜薄膜，溅射参数：电流0.15~0.35A，氩气流量20~35sccm；在45~75℃丙酮溶液进行剥离工艺，获得图形化的金属薄膜。

在本发明一个较佳实施例中，步骤（1）中的刻蚀溶液为氢氟酸和过氧化氢的混合溶液，氢氟酸：过氧化氢：去离子水的体积比为4:2:1~9:2:1，通过调控水浴温度实现刻蚀溶液温度保持在35~75℃范围。

在本发明一个较佳实施例中，步骤（2）中闪耀角的调控：通过调控两个电场极板之间的夹角β获得不同大小闪耀角α的闪耀光栅，其关系式为α=β/2，因为0＜β＜π，所以闪耀角范围为0＜α＜π/2。

在本发明一个较佳实施例中，步骤（2）中空穴的调控时间，每隔0.1~2min交替使用两个电场，调控空穴在金属薄膜两侧的交替分布。

在本发明一个较佳实施例中，步骤（2）中空穴分布梯度的调控：通过改变电场强度，改变电子受到电场力的大小，实现空穴分布密度的调控，施加电压为0~300V。

本发明的有益效果是：本发明具备控制精确、成本低、工艺简单、经济性好以及制备周期短等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是金属辅助刻蚀硅原理示意图，箭头表示空穴移动方向；

图2是金薄膜的制备工艺流程图；

图3是制造的闪耀光栅结构图；

图4是施加电场的示意图；

图5是图4中A的放大图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图5，实施例1

如图1所示，箭头代表空穴注入方向。本发明主要基于金属辅助刻蚀硅原理，在金薄膜1的催化作用下，金薄膜上表面与溶液接触处的H₂O₂被还原的同时，空穴被注入硅片2的价带中，金薄膜1与硅接触处的空穴浓度最高，此处的硅最易被氧化生成SiF₄，SiF₄会与HF反应而溶解，金薄膜1继续向硅基移动，就会生成矩形槽型。空穴主要纵向注入金薄膜1正下方的硅片2，由于量子限制效应，空穴横向注入硅片2的数量很少。本发明主要利用电场操控空穴在硅基中的分布，控制硅被氧化成SiF₄的区域，进而制备出锯齿状的槽型，实现闪耀光栅的制造。

本发明使用的是匀强电场，电子沿着电场线相反的方向运动，空穴会沿着电场线的方向运动，且空穴运动轨迹和电场线方向平行。故制造的闪耀光栅反射面和电场线方向平行，经过几何计算，得到电极板夹角β（0＜β＜π）与闪耀角α之间的关系式为：α=β/2，0＜α＜π/2。

1.如图2所示，闪耀光栅的制备工艺流程图，具体步骤如下：

（1）硅片2使用浓硫酸和过氧化氢的混合溶液浸泡，浓硫酸和过氧化氢的体积比为3:1，在70℃浸泡硅片2 20min，待硅片2表面处于亲水状态，然后在室温下用超纯水超声10min，利用纯氮吹干，在真空炉中热板120℃烘40min，最后，利用等离子清洗机清洗样品5min，去除样品表面有机物残留；

（2）在清洗干净的硅片2上涂覆一层厚度为0.5μm KMP-HMDS正胶表面处理剂3，130℃烘25min，为后续匀胶做好准备；

（3）通过匀胶机旋转涂胶方法，获取1.0μm厚度的EPG533光刻胶4，在热板上95℃烘10min；

（4）使用掩膜版5，利用曝光机曝光6s，曝光后95℃烘10min；质量百分比浓度为5‰氢氧化钠溶液显影55s，超纯水清洗，纯氮吹干，在120℃烘25min；

（5）重复步骤（1）中处理硅片2的工艺，确保没有光刻胶掩蔽的硅基区域没有光刻胶残留；

（6）在≤1.5e-5T高真空环境下，溅射沉积厚度为30nm金薄膜6；溅射参数：电流0.15A，氩气流量20sccm；

（7）利用45℃的丙酮溶液侵泡并超声硅片2 5min，剥离获得图形化的金薄膜；

（8）配置刻蚀溶液，刻蚀溶液为氢氟酸和过氧化氢的混合溶液，氢氟酸：过氧化氢：去离子水的体积比为4:2:1，通过调控水浴温度实现刻蚀溶液温度保持在75℃水浴中制备闪耀光栅。

如图3所示是制造的闪耀光栅结构图。

2.如图4、图5所示，利用电场操控空穴分布的示意图，具体步骤如下：

（1）调节施加两个电场电极之间的角度并固定电极，通过调节两个电极板之间的角度实现闪耀光栅闪耀角的调控；

如图3所示，8、10、11和7、9、12各组成一个电场供给系统，其中，8、11和9、12分别是平行的的电极极板，提供匀强电场，11、12极板之间的夹角为β，0＜β＜π；7、10为直流电源；此外，闪耀光栅的闪耀角为α，通过几何计算，得到关系式α=β/2，0＜α＜π/2。

（2）通过交替施加电场以及改变电场强度，实现空穴在硅片2中分布密度的调控；

在没有施加电场的情况下，金薄膜1上表面与双氧水接触处发生阳极反应，产生的空穴主要注入金薄膜1正下方的硅片2，同时也有部分空穴注入金薄膜1周围的硅基区域，如图1所示。

在施加匀强电场的情况下，电子运动方向与电场线方向相反，空穴运动方向和电场线相同，且空穴运动方向和电场线平行。如图3所示，直线实线箭头表示匀强电场线，曲线实线箭头表示在该电场作用下空穴的移动方向，同理，曲线虚线箭头表示在另一个匀强电场作用下空穴的移动方向。大量空穴在电场的作用下注入金薄膜1横向的区域，致使该区域的硅被氧化成SiF₄并被溶解。为了获取锯齿状的槽型，每隔0.1~2min交替使用两个电场，调控空穴在金薄膜1两侧的交替分布，空穴的分布就会随着电场的改变而变化。通过施加0~300V电压改变电场强度，从而实现空穴分布密度的调控。

请参阅图1至图5，实施例2

如图1所示，箭头代表空穴注入方向。本发明主要基于金属辅助刻蚀硅原理，在金薄膜1的催化作用下，金薄膜上表面与溶液接触处的H₂O₂被还原的同时，空穴被注入硅片2的价带中，金薄膜1与硅接触处的空穴浓度最高，此处的硅最易被氧化生成SiF₄，SiF₄会与HF反应而溶解，金薄膜1继续向硅基移动，就会生成矩形槽型。空穴主要纵向注入金薄膜1正下方的硅片2，由于量子限制效应，空穴横向注入硅片2的数量很少。本发明主要利用电场操控空穴在硅基中的分布，控制硅被氧化成SiF₄的区域，进而制备出锯齿状的槽型，实现闪耀光栅的制造。

本发明使用的是匀强电场，电子沿着电场线相反的方向运动，空穴会沿着电场线的方向运动，且空穴运动轨迹和电场线方向平行。故制造的闪耀光栅反射面和电场线方向平行，经过几何计算，得到电极板夹角β（0＜β＜π）与闪耀角α之间的关系式为：α=β/2，0＜α＜π/2。

1.如图2所示，闪耀光栅的制备工艺流程图，具体步骤如下：

（1）硅片2使用浓硫酸和过氧化氢的混合溶液浸泡，浓硫酸和过氧化氢的体积比为5:1，在80℃浸泡硅片2 18min，待硅片2表面处于亲水状态，然后在室温下用超纯水超声12min，利用纯氮吹干，在真空炉中热板170℃烘30min，最后，利用等离子清洗机清洗样品7min，去除样品表面有机物残留；

（2）在清洗干净的硅片2上涂覆一层厚度为0.7μm KMP-HMDS正胶表面处理剂3，150℃烘20min，为后续匀胶做好准备；

（3）通过匀胶机旋转涂胶方法，获取1.3μm厚度的EPG533光刻胶4，在热板上98℃烘8min；

（4）使用掩膜版5，利用曝光机曝光9s，曝光后100℃烘7min；质量百分比浓度为7‰氢氧化钠溶液显影40s，超纯水清洗，纯氮吹干，在140℃烘17min；

（5）重复步骤（1）中处理硅片2的工艺，确保没有光刻胶掩蔽的硅基区域没有光刻胶残留；

（6）在≤1.5e-5T高真空环境下，溅射沉积厚度为70nm金薄膜6；溅射参数：电流0.25A，氩气流量27sccm；

（7）利用60℃的丙酮溶液侵泡并超声硅片2 3.5min，剥离获得图形化的金薄膜；

（8）配置刻蚀溶液，刻蚀溶液为氢氟酸和过氧化氢的混合溶液，氢氟酸：过氧化氢：去离子水的体积比为6:2:1，通过调控水浴温度实现刻蚀溶液温度保持在55℃水浴中制备闪耀光栅。

如图3所示是制造的闪耀光栅结构图。

2.如图4、图5所示，利用电场操控空穴分布的示意图，具体步骤如下：

（1）调节施加两个电场电极之间的角度并固定电极，通过调节两个电极板之间的角度实现闪耀光栅闪耀角的调控；

如图3所示，8、10、11和7、9、12各组成一个电场供给系统，其中，8、11和9、12分别是平行的的电极极板，提供匀强电场，11、12极板之间的夹角为β，0＜β＜π；7、10为直流电源；此外，闪耀光栅的闪耀角为α，通过几何计算，得到关系式α=β/2，0＜α＜π/2。

（2）通过交替施加电场以及改变电场强度，实现空穴在硅片2中分布密度的调控；

在没有施加电场的情况下，金薄膜1上表面与双氧水接触处发生阳极反应，产生的空穴主要注入金薄膜1正下方的硅片2，同时也有部分空穴注入金薄膜1周围的硅基区域，如图1所示。

在施加匀强电场的情况下，电子运动方向与电场线方向相反，空穴运动方向和电场线相同，且空穴运动方向和电场线平行。如图3所示，直线实线箭头表示匀强电场线，曲线实线箭头表示在该电场作用下空穴的移动方向，同理，曲线虚线箭头表示在另一个匀强电场作用下空穴的移动方向。大量空穴在电场的作用下注入金薄膜1横向的区域，致使该区域的硅被氧化成SiF₄并被溶解。为了获取锯齿状的槽型，每隔0.1~2min交替使用两个电场，调控空穴在金薄膜1两侧的交替分布，空穴的分布就会随着电场的改变而变化。通过施加0~300V电压改变电场强度，从而实现空穴分布密度的调控。

请参阅图1至图5，实施例3

如图1所示，箭头代表空穴注入方向。本发明主要基于金属辅助刻蚀硅原理，在金薄膜1的催化作用下，金薄膜上表面与溶液接触处的H₂O₂被还原的同时，空穴被注入硅片2的价带中，金薄膜1与硅接触处的空穴浓度最高，此处的硅最易被氧化生成SiF₄，SiF₄会与HF反应而溶解，金薄膜1继续向硅基移动，就会生成矩形槽型。空穴主要纵向注入金薄膜1正下方的硅片2，由于量子限制效应，空穴横向注入硅片2的数量很少。本发明主要利用电场操控空穴在硅基中的分布，控制硅被氧化成SiF₄的区域，进而制备出锯齿状的槽型，实现闪耀光栅的制造。

本发明使用的是匀强电场，电子沿着电场线相反的方向运动，空穴会沿着电场线的方向运动，且空穴运动轨迹和电场线方向平行。故制造的闪耀光栅反射面和电场线方向平行，经过几何计算，得到电极板夹角β（0＜β＜π）与闪耀角α之间的关系式为：α=β/2，0＜α＜π/2。

1.如图2所示，闪耀光栅的制备工艺流程图，具体步骤如下：

（1）硅片2使用浓硫酸和过氧化氢的混合溶液浸泡，浓硫酸和过氧化氢的体积比为6:1，在90℃浸泡硅片2 15min，待硅片2表面处于亲水状态，然后在室温下用超纯水超声15min，利用纯氮吹干，在真空炉中热板200℃烘20min，最后，利用等离子清洗机清洗样品10min，去除样品表面有机物残留；

（2）在清洗干净的硅片2上涂覆一层厚度为0.9μm KMP-HMDS正胶表面处理剂3， 180℃烘15min，为后续匀胶做好准备；

（3）通过匀胶机旋转涂胶方法，获取1.5μm厚度的EPG533光刻胶4，在热板上100℃烘5min；

（4）使用掩膜版5，利用曝光机曝光12s，曝光后105℃烘5min；质量百分比浓度为10‰氢氧化钠溶液显影25~55s，超纯水清洗，纯氮吹干，在160℃烘10min；

（5）重复步骤（1）中处理硅片2的工艺，确保没有光刻胶掩蔽的硅基区域没有光刻胶残留；

（6）在≤1.5e-5T高真空环境下，溅射沉积厚度为100nm金薄膜6；溅射参数：电流0.35A，氩气流量35sccm；

（7）利用75℃的丙酮溶液侵泡并超声硅片2 0.5min，剥离获得图形化的金薄膜；

（8）配置刻蚀溶液，刻蚀溶液为氢氟酸和过氧化氢的混合溶液，氢氟酸：过氧化氢：去离子水的体积比为9:2:1，通过调控水浴温度实现刻蚀溶液温度保持在35℃水浴中制备闪耀光栅。

如图3所示是制造的闪耀光栅结构图。

2.如图4、图5所示，利用电场操控空穴分布的示意图，具体步骤如下：

（1）调节施加两个电场电极之间的角度并固定电极，通过调节两个电极板之间的角度实现闪耀光栅闪耀角的调控；

如图3所示，8、10、11和7、9、12各组成一个电场供给系统，其中，8、11和9、12分别是平行的的电极极板，提供匀强电场，11、12极板之间的夹角为β，0＜β＜π；7、10为直流电源；此外，闪耀光栅的闪耀角为α，通过几何计算，得到关系式α=β/2，0＜α＜π/2。

（2）通过交替施加电场以及改变电场强度，实现空穴在硅片2中分布密度的调控；

在没有施加电场的情况下，金薄膜1上表面与双氧水接触处发生阳极反应，产生的空穴主要注入金薄膜1正下方的硅片2，同时也有部分空穴注入金薄膜1周围的硅基区域，如图1所示。

在施加匀强电场的情况下，电子运动方向与电场线方向相反，空穴运动方向和电场线相同，且空穴运动方向和电场线平行。如图3所示，直线实线箭头表示匀强电场线，曲线实线箭头表示在该电场作用下空穴的移动方向，同理，曲线虚线箭头表示在另一个匀强电场作用下空穴的移动方向。大量空穴在电场的作用下注入金薄膜1横向的区域，致使该区域的硅被氧化成SiF₄并被溶解。为了获取锯齿状的槽型，每隔0.1~2min交替使用两个电场，调控空穴在金薄膜1两侧的交替分布，空穴的分布就会随着电场的改变而变化。通过施加0~300V电压改变电场强度，从而实现空穴分布密度的调控。

本发明利用电场操控空穴分布制造闪耀光栅的方法的有益效果是：本发明具备控制精确、成本低、工艺简单、经济性好以及制备周期短等优点。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。