专利名称：大高宽比光子筛及其制备方法
技术领域：
本发明属于微电子和光学技术领域，尤其涉及一种大高宽比光子筛及其制备方法。
背景技术：
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。在通常情况下，高宽比大于4的结构可以称作大高宽比结构器件。菲涅耳波带片是一种基本的衍射光学元件，图I为本发明现有技术菲涅耳波带片的结构示意图。而光子筛是基于菲涅耳波带片的一种新型的衍射光学元件。它将菲涅耳波带片上亮环对应的区域用大量随机分布的透光小孔来代替，小孔的直径为相应波带片环带宽度的I. 53倍。图2为本发明现有技术光子筛的结构示意图。这些位置随机分布的透光小孔使得衍射光之间相互干涉从而能够有效的抑制旁瓣效应和高级衍射， 提高分辨率，得到更为锐利的焦斑。传统波带片在成像领域其分辨率决定于它的最外环宽度，该尺寸受到加工工艺的限制因而分辨率难以得到进一步的提高。光子筛由于其最外环小孔直径为对应波带片环宽的I. 53倍，可以放宽对加工工艺的要求，能够制备更大口径的光子筛，从而提高成像的分辨率。光子筛的重量比相同参数的波带片更轻，因而在航天望远镜领域有着更加广阔的前景。光子筛的这些特性使得它在高分辨率成像，亚波长光刻，显微镜技术方面有着非常好的应用前景。传统大高宽比结构图形制作过程主要包括以下步骤步骤S002，在涂胶的衬底上曝光；步骤S004，对旋涂的光刻胶进行显影；步骤S006，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光子筛的制备过程中，由于光刻胶柱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光子筛。
发明内容
(一 )要解决的技术问题为解决上述缺陷，本发明提供了一种大高宽比光子筛及其制备方法，以解决光刻胶柱容易倒塌的缺陷。(二)技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种大高宽比光子筛。该光子筛包括衬底和光子筛柱，其中衬底包括光子筛区域和边缘区域，边缘区域对预设波长的光不透明，光子筛区域除光子筛柱所在的区域外对预设波长的光透明；光子筛柱，为近似圆柱形，位于光子筛区域中对应于菲涅尔波带片亮环的位置，对预设波长的光不透明。
优选地，本技术方案中，光子筛柱由金属材料制备。金属材料为金，光子筛柱由微电子工艺和电镀工艺结合制备。优选地，本技术方案中，光子筛柱的高度大于500nm，边缘区域上不透明材料厚度大于或等于光子筛柱的高度。根据本发明的另一个方面，还提供了一种制备大高宽比光子筛的方法。该方法包括制备掩模板A，掩模板A上相应环带上随机分布透光小孔，该透光小孔的位置对应于菲涅尔波带片亮环的位置；制备掩膜板B，掩模板B与掩膜板A具有对准标记，并且掩膜板B 上的圆形挡光层的直径与待制备光子筛的直径相同；在光子筛衬底上涂X射线光刻胶，以掩膜板A为掩膜对光子筛衬底做X射线光刻，掩膜板A上透光小孔在光子筛衬底映射位置的光刻胶被显影；在光子筛衬底上光刻胶显影所形成的空隙中，沉积光子筛柱，并去除剩余的X射线光刻胶；以及以掩模板B做掩模，对光子筛衬底进行光学套刻并沉积预设材料，使得光子筛衬底除了光子筛区域外的边缘区域对预设波长的光不透明。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果I、利用本发明，可以高效率地控制高宽比，从而可以更好的制作位相型或者振幅型光子筛；2、本发明制作高宽比很大的光子筛的成功率高，极大的降低了生产成本，有广泛的应用前景。3、相对于传统光子筛,本发明制作方法简单,一次X射线光刻复制即可做出的光子筛具有更大的高宽比，挡光部分可以很好的吸收射线，在能量很高的射线领域具有更大的应用前景。
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I为本发明现有技术菲涅耳波带片的结构示意2为本发明现有技术光子筛的结构示意3为本发明实施例大高宽比光子筛的立体4为本发明实施例制备大高宽比光子筛的方法的流程5为本发明实施例制备大高宽比光子筛的方法的流程6为本发明实施例在版图设计阶段掩膜板A的Al部分的示意7为本发明实施例在版图设计阶段掩膜板A的A2部分的示意8为本发明实施例在版图设计阶段掩膜板A的示意9为本发明实施例制作掩模板A阶段涂电子束光刻胶后掩膜板A的剖面图； 10为本发明实施例制作掩模板A阶段进行电子束光刻时掩膜板A的剖面图 11为本发明实施例制作掩模板A阶段去除光刻胶后掩膜板A的剖面12为本发明实施例制作掩模板A阶段电镀光子筛图形后掩膜板A的剖面图 13为本发明实施例在X射线光刻阶段涂光刻胶后的剖面14为本发明实施例在X射线光刻阶段X射线曝光时的剖面15为本发明实施例在X射线光刻阶段显影后的剖面16为本发明实施例在X射线光刻阶段电镀后的剖面图17为本发明实施例在X射线光刻阶段电镀去胶后的剖面图；图18为本发明实施例在X射线光刻阶段湿法刻蚀后的剖面图；图19为本发明实施例光学套刻阶段涂胶后的剖面图；图20为本发明实施例光学套刻阶段电镀挡光层并去胶后阶段的剖面图。
具体实施例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。根据巴比涅原理可知在点光源照明下，两个互补的衍射屏u0(x，y)、uc (x, y)在与点光源共轭的平面上，除了点光源的几何像点外，两者有着相同的夫琅禾费衍射图样。本发明利用巴比涅原理，制备出不同于传统光子筛的新型光子筛，该新型光子筛中光子筛柱的位置对应传统光子筛的小孔的位置。虽然本发明所制作的光子筛在物理结构上与传统的不太一样，但是整体上仍然不会影响光子筛的性能。在本发明的示例性实施例中，提供了一种大高宽比光子筛。图3为本发明实施例大高宽比光子筛的立体图。如图3所示，该光子筛包括衬底和光子筛柱。衬底包括光子筛区域和边缘区域，边缘区域对预设波长的光不透明，光子筛区域除光子筛柱所在的区域外对预设波长的光透明。光子筛柱，为近似圆柱形，位于光子筛区域中对应于菲涅尔波带片亮环的位置，对预设波长的光不透明。在本发明优选的实施例中，上述光子筛柱由金属材料制备。最优地，制备光子筛柱的金属材料为金，光子筛柱由微电子工艺和电镀工艺结合制备。并且，光子筛柱的高度大于 500nm，边缘区域上不透明材料厚度大于或等于光子筛柱的高度。与上述产品实施例对应，本发明还提供了一种制备大高宽比光子筛的方法。图4 为本发明实施例制备大高宽比光子筛的方法的流程图。如图4，该方法包括步骤S402，制备掩模板A，掩模板A上相应环带上随机分布透光小孔，该透光小孔的位置对应于菲涅尔波带片亮环的位置，步骤S404，制备掩膜板B，掩模板B与掩膜板A具有对准标记，并且掩膜板B上的圆形挡光层的直径与待制备光子筛的直径相同；步骤S406，在光子筛衬底上涂X射线光刻胶，以掩膜板A为掩膜对光子筛衬底做X 射线光刻，掩膜板A上透光小孔在光子筛衬底映射位置的光刻胶被显影；步骤S408，在光子筛衬底上光刻胶显影所形成的空隙中，沉积光子筛柱，并去除剩余的X射线光刻胶；步骤S410，以掩模板B做掩模，对光子筛衬底进行光学套刻并沉积预设材料，使得光子筛衬底除了光子筛区域外的边缘区域对预设波长的光不透明。本发明的光子筛应该说与传统意义上的光子筛不一样，传统上的波带片的不管奇数环还是偶数环都可以透光或者不透光，最后的效果是差不多的。既然光子筛是从波带片发展来的，那么对应的奇数环还是偶数环透光理论上对光子筛的性能也没有太大的影响。 既然如此，本发明就让光子筛柱之外的其他部分透光。这样可以把高宽比做的很大，用软件模拟的效果也证实了理论推测。经过上述描述，已经整体介绍了本发明大高宽比光子筛及其制备方法。以下将以具体的实施例来说明本发明，以下实施例的各特征，均同样适用于光子筛产品和制备光子筛产品的方法，并且不构成对本发明保护范围的限制。图5为本发明实施例制备大高宽比光子筛的方法的流程图。以下根据制备的顺序，参照图5的各步骤，分四部分对本发明进行具体说明一、电子束光刻制作掩模所需GDS II版图设计掩模板A和B的版图都是在LEDIT软件中所画，掩模板A的版图是由版图Al和版图A2运算得到。首先用二次开发所形成的宏文件自动生成版图Al ;其次然后再手动画版图 A2，A2的大小要能正好覆盖光子筛；然后A2和Al做布尔相减运算，最后得到所需的图形。 版图A1、A2、A的版图示意图分别如图6、7、8所示。深颜色的部分在做电子束曝光的时候会被曝光。在光子筛衬底上电镀的时候会在深颜色区域对应的位置电镀金属挡光层，但是由于电子束能写的胶比较薄，所以相应的金属层厚度比也不大。其中,掩膜板A为电子束光刻掩膜板,掩模板B为普通光学掩模板。二、电子束光刻制作掩模板A I、在单面抛光的2英寸(100)硅片上，旋涂聚酰亚胺前体溶液形成0. 5_2iim厚的薄膜，并对硅片进行热处理至聚酰亚胺薄膜固化，以承载其上的电路图形；2、采用各向同性的湿法腐蚀，将聚酰亚胺薄膜背面的硅腐蚀掉，即电子束光刻掩模板A是在腐蚀之后的硅片上即镂空的聚酰亚胺薄模上完成的，这样在做电子束光刻的时候可以很好的降低电子散射造成的不利影响。；3、在正面用电子束蒸发小于20nm的导电铬金层作为电镀种子层；4、旋涂电子束光刻胶(ZEP 520或者PMMA)，并进行热处理，图9为本发明实施例制作掩模板A阶段涂电子束光刻胶后掩膜板A的剖面图；5、以上述的电子束光刻掩膜版图A为掩膜，对硅片进行电子束光刻、显影，并用等离子体刻蚀去除残胶，图10为本发明实施例制作掩模板A阶段进行电子束光刻时掩膜板A 的剖面图；图11为本发明实施例制作掩模板A阶段去除光刻胶后掩膜板A的剖面图；6、利用等离子体刻蚀在衬底的一侧(电镀液液面之上的一侧)刻蚀出电镀所需的电极窗口，同时在另一侧刻蚀出电镀附加窗口。在光刻胶显影所形成的空隙中，利用电镀生长金吸收体，完成电镀后，去除作为模版的光刻胶，并使用等离子体刻蚀清除表面残留的光刻胶；图12为本发明实施例制作掩模板A阶段电镀光子筛图形后掩膜板A的剖面图。三、X射线光刻复制部分I、在单面抛光的2英寸(100)硅片m上，旋涂聚酰亚胺前体溶液形成0. 5_2iim厚的薄膜并进行热处理；2、在硅片m正面用电子束蒸发小于20nm的导电铬金层作为电镀种子层；3、利用电子束光刻制作X射线光刻所需的掩模；4、在硅片m上旋涂X射线光刻的光刻胶，并进行热处理，图13为本发明实施例在 X射线光刻阶段涂光刻胶后的剖面图；5、然后以掩膜板A为掩膜，对上述硅片m进行X射线光刻、显影，并用等离子体刻蚀打底胶，本步骤中，所涂的胶可以是正胶或者负胶，而且可以比较厚，因为X射线可以曝比较厚的胶，这样为以后做大高宽比的结构打下了基础，图14为本发明实施例在X射线光刻阶段X射线曝光时的剖面图；图15为本发明实施例在X射线光刻阶段显影后的剖面6、利用等离子体刻蚀在硅片m的一侧(电镀液液面之上的一侧)刻蚀出电镀所需的电极窗口。在光刻胶显影所形成的空隙中，利用电镀生长金吸收体，完成电镀后，去除作为电镀模版的光刻胶，因为曝光的时候已经过对准处理，此次电镀是在原来的电镀金线条之上进行的。因为这次曝光用的胶很厚，所以电镀的金属也很高，做出了大高宽比结构的器件，图16为本发明实施例在X射线光刻阶段电镀后的剖面图；图17为本发明实施例在X射线光刻阶段电镀去胶后的剖面图；7、采用各向同性的湿法腐蚀，将具有图形的硅片m背面的硅腐蚀掉，图18为本发明实施例在X射线光刻阶段湿法刻蚀后的剖面图。四、光学套刻部分I、在带有光子筛吸收体图形的片子表面旋涂光学光刻胶，并进行热处理，然后进行光学套刻、显影，并用等离子体刻蚀去除残胶；图19为本发明实施例光学套刻阶段涂胶后的剖面图；2、再次利用电镀，在波带片的周围生长大面积、大厚度的的金吸收体，图10为本发明实施例光学套刻阶段电镀挡光层并去胶后阶段的剖面图。综上所述，本发明具有以下有益效果I、相对于传统光子筛，本发明制作方法简单，一次X射线光刻复制即可做出的光子筛具有更大的高宽比，挡光部分可以很好的吸收射线，在能量很高的射线领域具有广阔的应用前景。2、利用本发明，可以高效率地控制高宽比，从而可以更好的制作位相型或者振幅型光子筛。3、本发明制作高宽比很大的光子筛的成功率高，极大的降低了生产成本，有广泛的应用前景。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。
权利要求
1.一种大高宽比光子筛，其特征在于，该光子筛包括衬底和光子筛柱，其中所述衬底包括光子筛区域和边缘区域，所述边缘区域对预设波长的光不透明，所述光子筛区域除所述光子筛柱所在的区域外对所述预设波长的光透明；所述光子筛柱，为近似圆柱形，位于所述光子筛区域中对应于菲涅尔波带片亮环的位置，对所述预设波长的光不透明。
2.根据权利要求I所述的大高宽比光子筛，其特征在于所述光子筛柱由金属材料制备。
3.根据权利要求2所述的大高宽比光子筛，其特征在于所述金属材料为金，所述光子筛柱由微电子工艺和电镀工艺结合制备。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的大高宽比光子筛，其特征在于所述光子筛柱的高度大于500nm，所述边缘区域上不透明材料厚度大于或等于所述光子筛柱的高度。
5.一种制备大高宽比光子筛的方法，其特征在于，该方法包括制备掩模板A，所述掩模板A上相应环带上随机分布透光小孔，该透光小孔的位置对应于菲涅尔波带片亮环的位置；制备掩膜板B，所述掩模板B与所述掩膜板A具有对准标记，并且掩膜板B上的圆形挡光层的直径与待制备光子筛的直径相同；在光子筛衬底上涂X射线光刻胶，以所述掩膜板A为掩膜对所述光子筛衬底做X射线光刻，所述掩膜板A上透光小孔在所述光子筛衬底映射位置的光刻胶被显影；在所述光子筛衬底上所述光刻胶显影所形成的空隙中，沉积光子筛柱，并去除剩余的X 射线光刻胶；以及以掩模板B做掩模，对所述光子筛衬底进行光学套刻并沉积预设材料，使得所述光子筛衬底除了光子筛区域外的边缘区域对预设波长的光不透明。
6.根据权利要求5所述的制备大高宽比光子筛的方法，其特征在于所述光子筛柱由金属材料制备。
7.根据权利要求6所述的制备大高宽比光子筛的方法，其特征在于所述金属材料为金，所述光子筛柱由微电子工艺和电镀工艺结合制备。
8.根据权利要求5所述的制备大高宽比光子筛的方法，其特征在于所述掩膜板A为在腐蚀之后的硅片上采用电子束光刻的工艺制备。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的制备大高宽比光子筛的方法，其特征在于所述在光子筛衬底上涂X射线光刻胶的步骤之前包括在单面抛光的2英寸(100)硅片上，旋涂聚酰亚胺液形成O. 5-2 μ m厚的薄膜，并进行热处理固化所述聚酰亚胺薄膜以承载图形层；在所述硅片的正面用电子束蒸发小于20nm的导电铬金层作为电镀种子层；所述以掩膜板A为掩膜对所述光子筛衬底做X射线光刻的步骤之后包括利用等离子体刻蚀在硅片的电镀液液面之上的一侧刻蚀出电镀所需的电极窗口 ；所述在光子筛衬底所述光刻胶显影所形成的空隙中，沉积光子筛柱，去除剩余的X射线光刻胶的步骤包括在光刻胶显影所形成的空隙中，利用电镀生长金光子筛柱，完成电镀后，去除作为电镀模版的光刻胶；采用各向同性的湿法腐蚀，将所述聚酰亚胺薄膜背面的硅腐蚀掉。
10.根据权利要求9所述的制备大高宽比光子筛的方法，其特征在于，所述以掩模板B做掩模，对所述光子筛衬底进行光学套刻的步骤包括在带有金光子筛柱的光子筛衬底表面旋涂光学光刻胶，并进行热处理，然后进行光学套亥IJ、显影；以及利用电镀，在光子筛区域外的边缘区域生长对预设光不透明的材料，并用等离子体刻蚀去除残胶。
全文摘要
本发明公开了一种大高宽比光子筛及其制备方法。该大高宽比光子筛，包括衬底和光子筛柱。其中衬底包括光子筛区域和边缘区域，边缘区域对预设波长的光不透明，光子筛区域除光子筛柱所在的区域外对预设波长的光透明；光子筛柱，为近似圆柱形，位于光子筛区域中对应于菲涅尔波带片亮环的位置，对预设波长的光不透明。本发明可以高效率地控制高宽比，从而可以更好的制作位相型或者振幅型光子筛。
文档编号G03F7/00GK102608687SQ201110021380
公开日2012年7月25日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者刘明, 朱效立, 潘一鸣, 谢常青, 辛将 申请人:中国科学院微电子研究所