无衬底支撑的悬空厚金波带片透镜的制备方法与流程

本发明属于电感耦合等离子体刻蚀技术领域，具体为一种硅衬底镂空金波带片透镜的制备方法。

背景技术：

菲涅尔波带片作为同步辐射x射线全场成像系统的关键聚焦和成像元件，其制造技术的进步将直接影响到x射线显微技术水平。为了实现高质量的成像，波带片吸收体金结构的厚度通常是几十微米数量级。对于高x射线能量需要更厚的波带片结构，这样的厚度用来确保硬x射线的衰减长度。

对于x射线波带片的制备技术，电子的穿透能力有限以及电子束光刻的临近效应限制了其所能达到的高宽比。有研究结果表明，电子束光刻制作聚焦9kevx射线的100nm波带片其高宽比极限为20。用电子束光刻做出的波带片，其厚度基本在2µm以下。

解决这一难题的有效途径之一是形成具有一定厚度的结构作为波带片的模板从而提高波带片的厚度。由于硅加工工艺成熟，其适于作为波带片的模板。

此方法利用电感耦合等离子体刻蚀系统并结合深反应离子刻蚀来形成波带片的硅模板，并结合电镀工艺制备出无衬底支撑的悬空金波带片透镜，可以实现200~300nm分辨率，3~5µm厚的悬空金波带片。根据x射线在au材料中的衰减长度可以推算出4µm厚度的自支撑au波带片可以用于20kev的x射线成像，这打破了硬x射线的成像瓶颈。硬x射线相比软x射线穿透力更强，可以进行厚样品的成像，而软x射线只适用于样品表面成像。

此工艺不仅适用于x射线聚焦和成像元件的制备，还可以用于光子筛、激光靶、光准直透镜等需要大高宽比硅结构的领域。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种简单、方便、高精度制作具有大高宽比的无衬底支撑的悬空金波带片透镜的方法。

本发明提出的无衬底支撑的悬空金波带片透镜的制备方法，是将电子束光刻技术、电感耦合等离子体刻蚀以及电镀技术结合起来，制作具有大高宽比的无衬底支撑的悬空金波带片透镜结构，具体步骤如下：

（1）在硅衬底上旋涂hsq光刻胶，利用电子束光刻的方法在光刻胶上形成波带片透镜的光刻胶图形；

（2）在电感耦合等离子体刻蚀系统中进行深反应离子刻蚀，形成大高宽比的波带片硅模板；一般高宽比>30:1，例如高宽比为30:1--60:1；

（3）在步骤（2）得到的样品上制备一金属导电层，材料为cr/au复合膜，作为种子层；

（4）在步骤（3）得到的样品反面生长si3n4隔膜；

（5）将步骤（4）得到的样品正反面旋涂pmma光刻胶，然后进行套刻标记曝光，并在正面开波带片窗口；

（6）对步骤（5）得到的样品进行电镀au；

（7）对步骤（6）得到的样品反面采用热蒸发生长一cr/au复合膜，作为金标记；

（8）对步骤（7）得到的样品用丙酮去掉正反面光刻胶；

（9）对步骤（8）得到的样品反面再次旋涂pmma光刻胶，再在反面光学套刻形成波带片通光窗口；

（10）对步骤（9）得到的样品，用反应离子刻蚀去除反面的波带片通光窗口露出的si3n4隔膜，并用丙酮去掉反面光刻胶；

（11）koh溶液湿法刻蚀去除衬底硅材料；

（12）hf溶液湿法刻蚀去除hsq残余掩膜，然后再在正面进行电感耦合等离子体刻蚀去除波带片缝隙中的硅材料。

本发明步骤（1）中，光刻胶为hsq光刻胶，其厚度为300nm~600nm。并烘烤使之硬化，烘烤温度在150℃~180℃之间，时间在10min~30min。

本发明步骤（2）中，所述深反应离子刻蚀是采用bosch刻蚀法；刻蚀时针对bosch工艺进行调控：将钝化气体c4f8加入到刻蚀步骤中控制横向刻蚀，将钝化周期和刻蚀周期的时间分别减小到3-5s和5-8s，以保证低侧壁粗糙度；

固定如下的工艺参数：线圈功率600w，极板功率20w，下极板冷却温度25℃，钝化周期中的c4f8气体流量为85sccm和气压为19mtorr，刻蚀周期中的sf6气体流量为175sccm且气压为35mtorr，并且刻蚀总时间固定在1min30s，进行曲线分析，寻找最佳工艺参数范围，使波带片硅模板的厚度提高到4µm。

本发明步骤（3）中，所述的种子层利用热蒸发或者物理气相淀积的方法制备，材料为cr/au复合膜，cr厚度为5nm~15nm，au厚度为5nm~15nm。

本发明步骤（4）中，si3n4隔膜采用pecvd生长，厚度为100nm~300nm。

本发明步骤（5）中，旋涂的光刻胶为pmma，厚度为300nm~400nm。正面开窗口为圆形，直径为4mm~6mm。

本发明步骤（6）中，电镀材料为金，电镀时的电流密度在0.3a/dm²~1a/dm²，电压为10-21v，电镀时间为10min~30min。电镀金属的厚度为3µm~5µm。

本发明步骤（7）中，金标记利用热蒸发或者物理气相淀积的方法制备，材料为cr/au复合膜，cr厚度为5nm~15nm，au厚度为100nm~110nm。

本发明步骤（9）中，旋涂的光刻胶为pmma，厚度为300nm~400nm。反面开通光窗口为圆形，直径为85µm~120µm，此窗口大小由koh湿法刻蚀角度计算所得，使刻蚀露出的波带片外围保证有5µm~15µm宽度的金作外围支撑。

本发明步骤（10）中，在氮化硅的rie刻蚀过程中采用的刻蚀气体为chf3和o2的混合气体，chf3气体流量为40sccm~60sccm，o2气体流量为5sccm~15sccm，功率为200w~300w,时间为1min~3min。

本发明步骤（11）中，利用koh溶液将衬底硅材料刻蚀干净，腐蚀时间为11h~14h。

本发明步骤（12）中，去掉电镀后样品的残余hsq光刻胶掩膜，去除方法为湿法刻蚀，比如hf溶液。正面去除波带片缝隙中的硅材料采用的是干法刻蚀，利用电感耦合等离子体刻蚀去除。

本发明方法可以分为四个部分：

第一部分，即步骤（1），形成刻蚀掩膜：在硅衬底上旋涂光刻胶，利用电子束光刻的方法在光刻胶上形成波带片透镜的光刻胶图形；这个图形将作为后续刻蚀步骤的掩膜。具体包括：在硅衬底上旋涂一层hsq光刻胶，厚度为300nm~600nm，进行前烘；将带有hsq光刻胶的基底在电子束光刻机下进行曝光；对曝光后图形进行显影；

第二部分，即步骤（2），形成深硅模板：在电感耦合等离子体刻蚀系统中进行深反应离子刻蚀形成大高宽比的波带片硅模板，其中的深反应离子刻蚀采用的是bosch工艺；

第三部分，即步骤（3）到步骤（6），纳米图形的转移：先制备一层金属导电层，作为种子层，制备方法是热蒸发或者物理气相淀积，材料为cr/au复合膜，厚度分别为5nm~15nm/5nm~15nm；这层种子层和硅衬底粘附性好，为后续电镀au做准备；在正面开波带片窗口然后电镀厚度为3µm~5µm的au，将硅模板的图形转移为au波带片的图形；

第四部分，即步骤（7）到步骤（12），去除残余光刻胶掩膜以及硅去除：对于电镀之后的样品，采用套刻在反面开窗口，去除露出的si3n4隔膜以及koh去除衬底硅材料；然后在hf溶液去除残余hsq光刻胶掩膜后采用电感耦合等离子体刻蚀去除波带片缝隙中的硅。

本发明中，此悬空金波带片的结构不需要隔膜支撑图形，采用加强筋结构支撑波带片环带来确保悬空。其中，加强筋是沿着半径方向连接各个环的辐射直线条。对于所设计的300nm最外环宽度、直径为40µm的波带片，加强筋数目为24根，宽度是300nm。

悬空牢度通过控制电镀工艺中套刻留出的区域大小以及加强筋的数目和宽度来控制，通过波带片内部与外部的支撑来保证悬空牢度。2微米以上厚度的波带片无法使用电子束光刻制作，而此4微米厚度的悬空金波带片可以用于20kev的硬x射线聚焦。

本发明方法可控性好、工艺稳定，并适用于大高宽比的金属结构的制备。

本发明方法的具体操作流程如下

（1）选用单晶硅衬底，清洗衬底；

（2）在衬底上旋涂一层厚度为300nm~600nm的hsq光刻胶，进行前烘处理；

（3）在电子束光刻机下选用合适的剂量进行曝光处理，对曝光后图形进行显影，形成波带片透镜的光刻胶图形；

（4）在电感耦合等离子体刻蚀系统中采用bosch刻蚀工艺形成大高宽比的波带片硅模板；

（5）在得到的样品上制备一层金属导电层，作为种子层；

（6）在样品反面生长si3n4隔膜；

（7）将样品正反面旋涂光刻胶然后进行前烘处理；

（8）进行套刻标记曝光以及正面开波带片窗口；

（9）对样品进行电镀au；反面采用热蒸发生长一层au作为金标记；

（10）用丙酮去掉正反面光刻胶；

（11）反面再次旋涂光刻胶；

（12）在反面光学套刻形成波带片通光窗口；

（13）反应离子刻蚀去除反面的波带片通光窗口露出的si3n4隔膜；

（14）用丙酮去掉反面光刻胶；

（15）koh溶液湿法刻蚀去除衬底硅材料；

（16）hf溶液湿法刻蚀去除hsq残余掩膜；

（17）在正面进行电感耦合等离子体刻蚀去除波带片缝隙中的硅材料。

附图说明

图1是所设计的波带片几何图以及光刻对准标记图。

图2到图18按照本发明上述的制作步骤的顺序，分别对应实施例1中17个步骤中的17个样品结构的剖面图（反映出样品结构发生变化情况）。

图2对应步骤1：清洗单晶硅衬底。

图3对应步骤2：在衬底上旋涂hsq光刻胶。

图4对应步骤3：ebl曝光后显影形成的掩膜图形。

图5对应步骤4：刻蚀后形成的大高宽比硅模板。

图6对应步骤5：热蒸发一层cr/au种子层。

图7对应步骤6：样品反面生长si3n4隔膜。

图8对应步骤7：正反面旋涂光刻胶。

图9对应步骤8：进行套刻标记曝光以及正面开波带片窗口。

图10对应步骤9：电镀一定厚度的au，反面采用热蒸发生长一层au作为金标记。

图11对应步骤10：丙酮去掉正反面光刻胶。

图12对应步骤11：反面再次旋涂光刻胶。

图13对应步骤12：在反面光学套刻形成波带片通光窗口。

图14对应步骤13：反应离子刻蚀去除反面露出的si3n4隔膜。

图15对应步骤14：丙酮去掉反面光刻胶。

图16对应步骤15：koh溶液湿法刻蚀去除衬底硅材料。

图17对应步骤16：hf溶液湿法刻蚀去除hsq残余掩膜。

图18对应步骤17：正面进行电感耦合等离子体刻蚀去除波带片缝隙中的硅材料。

图19是本发明所实现的悬空金波带片示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施以实例方式作进一步描述，但本发明不仅限于实例。凡是对实施例中的工艺参数进行了简单的改变，都属于本发明保护范围之内。

实施例1：制备大高宽比的无衬底支撑的悬空金波带片透镜：

（1）选用<100>晶向，电阻率为1~10ω·cm的n型单晶硅衬底并将衬底清洗干净。首先将硅片放入丙酮中浸泡，此过程结合超声处理10min。然后将硅衬底片放入异丙醇溶液中浸润5min后取出用氮气枪吹干衬底片，结果如图2所示；

（2）在硅衬底上旋涂hmds粘附层之后再旋涂375nm厚的hsq电子束光刻胶，并在180℃烘箱中烘烤10min使之硬化，结果如图3所示；

（3）将样品在电子束光刻机下进行曝光处理，曝光剂量为1700µc/cm²；

（4）在温度为50℃的体积比为1:2.5的tmah/h2o混合溶液中显影3min之后在h2o中定影30s，结果如图4所示；

（5）形成hsq掩膜之后，在电感耦合等离子体刻蚀系统中采用bosch刻蚀工艺形成大高宽比的波带片硅模板。刻蚀工艺中钝化周期和刻蚀周期的时间分别为4s和5s，下极板冷却温度为25℃，c4f8气体流量为85sccm且气压为19mtorr，刻蚀周期中的气压为35mtorr，并且在刻蚀周期中也加入了85sccm的c4f8，线圈功率和极板功率的分别为400w和35w，sf6气体流量为150sccm，刻蚀时间为9min，刻蚀的波带片硅模板厚度为4.1μm，外环宽度为220nm。刻蚀结果如图5所示；

（6）利用热蒸发淀积一层厚度分别为5nm/15nm的cr/au复合膜，作为金属导电层，结果如图6所示；

（7）采用pecvd生长si3n4隔膜，厚度为100nm，结果如图7所示；

（8）正反面旋涂厚度为300nm的pmma光刻胶，并在180℃烘箱中烘烤1h使之硬化，结果如图8所示；

（9）进行套刻标记曝光以及正面开波带片窗口，窗口为圆形，直径为4mm，波带片处于窗口中心位置，结果如图9所示；

（10）对样品进行电镀au，电镀电压为50v，在0.5a/dm²电流密度下电镀3min，再在0.75a/dm²电流密度下电镀3min，电镀au的厚度为1.2μm。再在反面采用热蒸发生长一层au作为金标记，材料为cr/au复合膜，厚度分别为5nm/100nm；结果如图10所示；

（11）用丙酮去掉正反面光刻胶；结果如图11所示；

（12）反面再次旋涂厚度为300nm的pmma光刻胶，并在180℃烘箱中烘烤1h使之硬化，结果如图12所示；

（13）再在反面光学套刻形成波带片通光窗口，窗口为圆形，直径为100µm使刻蚀露出的波带片外围保证有10µm宽度的金作外围支撑。结果如图13所示；

（14）反应离子刻蚀去除反面的波带片通光窗口露出的si3n4隔膜；采用的刻蚀气体为chf3和o2的混合气体，chf3气体流量为50sccm，o2气体流量为12sccm，功率为300w,时间为1min30s。结果如图14所示；

（15）用丙酮去掉反面光刻胶；结果如图15所示；

（16）采用30%的koh溶液（500g的koh，1200ml的水，200ml乙醇）在80℃下进行湿法刻蚀，腐蚀13h去除500µm厚度的衬底硅材料。结果如图16所示；

（17）hf溶液湿法刻蚀去除hsq残余掩膜，结果如图17所示；

（18）在正面进行电感耦合等离子体刻蚀去除波带片缝隙中的硅材料；结果如图18所示。

实施例2：应用于大高宽比光子筛的硅纳米柱模板的制备：

此实施例与上例的主要区别在于：此例的hsq光刻胶掩膜图形为圆形点阵。此外，除部分步骤所用的参数亦有少许不同外，其他与前例相同。

（1）选用<100>晶向，电阻率为1~10ω·cm的n型单晶硅衬底并将衬底清洗干净。首先将硅片放入丙酮中浸泡，此过程结合超声处理10min。然后将硅衬底片放入异丙醇溶液中浸润5min后取出用氮气枪吹干衬底片，结果如图2所示；

（2）在硅衬底上旋涂hmds粘附层之后再旋涂430nm厚的hsq电子束光刻胶，并在180℃烘箱中烘烤10min使之硬化，结果如图3所示；

（3）将样品在电子束光刻机下进行曝光处理，曝光剂量为3000µc/cm²；

（4）在温度为50℃的体积比为1:2.5的tmah/h2o混合溶液中显影1min之后在h2o中定影30s，结果如图4所示；

（5）形成hsq掩膜之后，在电感耦合等离子体刻蚀系统中采用bosch刻蚀工艺形成大高宽比的硅纳米柱模板。刻蚀工艺中钝化周期和刻蚀周期的时间分别为4s和5s，下极板冷却温度为25℃，c4f8气体流量为85sccm且气压为19mtorr，刻蚀周期中的气压为35mtorr，并且在刻蚀周期中也加入了85sccm的c4f8，线圈功率和极板功率的分别为400w和35w，sf6气体流量为150sccm，刻蚀时间为25min，刻蚀的硅立柱高度为13.3µm。刻蚀结果如图5所示；

（6）利用热蒸发淀积一层厚度分别为5nm/15nm的cr/au复合膜，作为金属导电层，结果如图6所示；

（7）采用pecvd生长si3n4隔膜，厚度为100nm，结果如图7所示；

（8）正反面旋涂厚度为300nm的pmma光刻胶，并在180℃烘箱中烘烤1h使之硬化，结果如图8所示；

（9）进行套刻标记曝光以及正面开光子筛窗口，窗口为圆形，直径为4mm，光子筛处于窗口中心位置，结果如图9所示；

（10）对样品进行电镀au，电镀电压为50v，在0.5a/dm²电流密度下电镀3min，再在0.75a/dm²电流密度下电镀3min，电镀au的厚度为1.2μm。再在反面采用热蒸发生长一层au作为金标记，材料为cr/au复合膜，厚度分别为5nm/100nm；结果如图10所示；

（11）用丙酮去掉正反面光刻胶；结果如图11所示；

（12）反面再次旋涂厚度为300nm的pmma光刻胶，并在180℃烘箱中烘烤1h使之硬化，结果如图12所示；

（13）再在反面光学套刻形成光子筛通光窗口，窗口为圆形，直径为100µm使刻蚀露出的光子筛外围保证有10µm宽度的金作外围支撑。结果如图13所示；

（14）反应离子刻蚀去除反面的通光窗口露出的si3n4隔膜；采用的刻蚀气体为chf3和o2的混合气体，chf3气体流量为50sccm，o2气体流量为12sccm，功率为300w,时间为1min30s。结果如图14所示；

（15）用丙酮去掉反面光刻胶；结果如图15所示；

（16）采用30%的koh溶液（500g的koh，1200ml的水，200ml乙醇）在80℃下进行湿法刻蚀，腐蚀13h去除500µm厚度的衬底硅材料；结果如图16所示；

（17）hf溶液湿法刻蚀去除hsq残余掩膜，结果如图17所示；

（18）在正面进行电感耦合等离子体刻蚀去除光子筛缝隙中的硅材料。结果如图18所示。