专利名称：一种四台阶光栅及其制备方法
技术领域：
本发明涉及微加工行业衍射光学器件制备技术领域，尤其涉及一种四台阶光栅及其制备方法。
背景技术：
随着纳米加工领域的不断发展，对于光栅器件的需求越来越大。图1为现有技术四台阶光栅的示意图。四台阶光栅是一种特殊的光栅器件，其特点是每个周期的光栅由四个等高的台阶组成。由于每个台阶对光的相位不同，从而根据衍射理论，在屏幕上形成特殊的衍射效果，具有压制零级，增强一级衍射的功能。一般用于光栅光谱仪，单色器等光学元器件。图1所示四台阶光栅的制作步骤主要包括步骤Si，在干净的石英片上旋涂电子束光刻胶，烘干；步骤S2，利用电子束光刻在衬底上的光刻胶上形成图形，显影，形成光刻胶线条；步骤S3，利用上述的光刻胶作为掩模，采用干法刻蚀RIE，刻蚀石英，在石英上形成第一光栅凹槽图形，去除光刻胶；步骤S4，然后重复旋涂电子束光刻胶，再次进行电子束光刻，此时的光栅线条和上次形成的光栅线条不重叠，相互交错半个线条宽度，显影；步骤S5，同样采用干法刻蚀的方法刻蚀石英，形成第二光栅凹槽图形，去除光刻胶，从而形成四台阶光栅。在实现本发明的过程中，申请人意识到现有技术四台阶光栅及其制备方法存在如下技术问题整个光栅由四个台阶组成，结构复杂，由于台阶的高度无法精确控制，从而光栅的相位也不能精确控制。
发明内容
(一)要解决的技术问题为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种四台阶光栅及其制备方法， 以简化四台阶光栅的结构，提高其相位控制的精确性。(二)技术方案根据本发明的一个方面，提供了一种四台阶光栅。该四台阶光栅包括衬底，在其上表面形成有光栅凹槽；光栅台阶，由折射率不同于所述衬底折射率的透明材料构成，呈台阶状，其台阶面与衬底的上表面平齐；其下半部形成于光栅凹槽内的一侧，其上半部形成于衬底的上表面，下半部与上半部宽度相同，均等于光栅凹槽宽度的1/2。根据本发明的再一个方面，还提供了一种四台阶光栅的制备方法。该制备方法包括在衬底的上表面形成光栅凹槽；在形成光栅凹槽的衬底上旋涂第二层光刻胶；利用与光栅凹槽对应的掩膜图形对第二层光刻胶进行曝光和显影，在曝光过程中，掩膜图形中光栅线条的位置相对于光栅凹槽的位置向左或向右偏离光栅线条宽度的1/2，在衬底上形成第二光栅图形；以第二光栅图形为掩膜在衬底上沉积光栅台阶，该光栅台阶的厚度与光栅凹槽的深度相同；去除衬底上的第二光栅图形，制备出四台阶光栅。(三)有益效果本发明四台阶光栅及其制备方法具有下列有益效果1)由于衬底和台阶由不同的材料构成，两者的折射率不同，因此只要有两个台阶就可以实现四次位相的变化，相比于现有技术的四台阶光栅结构简单；2)由于光栅台阶是后期形成于光栅凹槽内的，区别于第一台阶和第二台阶均是通过刻蚀衬底实现的，光栅台阶的高度可以精确控制，沉积材料可以自由选择，从而光栅的相位能够精确控制；3)本发明四台阶光栅的制备方法不需要旋涂制作大高宽比的光刻胶，从而避免了光刻胶倒塌的风险，可以制备大深宽比的四台阶光栅；4)利用在第一次曝光时形成的对准标记，可以精确的控制第二次曝光的位置，从而可以形成精确的四台阶光栅。
图1为现有技术四台阶光栅的示意图；图2为本发明实施例四台阶光栅的示意图；图3为本发明实施例四台阶光栅制备方法中执行各步骤后的元件剖面示意图；其中，图3a为本发明实施例四台阶光栅制备方法中旋涂第一层光刻胶后的元件剖面示意图；图北为本发明实施例四台阶光栅制备方法中旋涂形成第一光栅图形后的元件剖面示意图；图3c为本发明实施例四台阶光栅制备方法中刻蚀二氧化硅衬底后的元件剖面示意图；图3d为本发明实施例四台阶光栅制备方法中形成第二光栅图形后的元件剖面示意图。
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。在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种四台阶光栅。图2为本发明实施例四台阶光栅的示意图。如图1所示，本实施例四台阶光栅包括衬底，在衬底的上表面形成光栅凹槽；光栅台阶，由不同于所述衬底的材料构成，其呈台阶状，其台阶面与衬底的上表面平齐；其下半部形成于光栅凹槽内的一侧，其上半部形成于衬底的上表面，下半部与上半部宽度相同，均等于光栅凹槽宽度的1/2。本实施例中，衬底为石英片，光栅台阶的材料为氮化硅。本领域技术人员应当了解，除了衬底材料可以选择外，可以根据折射率要求方便的选择光栅台阶的材料，如碳化硅或其他透明介质，从而可以更加灵活地控制光栅的相位。本实施例中，光栅凹槽的宽度介于50nm至150nm之间；其深度介于50nm至500nm之间。由于后续的四台阶光栅的制备方法中，不需要旋涂制作大高宽比的光刻胶，从而避免了光刻胶倒塌的风险，可以制备大深宽比的四台阶光栅。如图1所示的四台阶光栅，由于其衬底和台阶均是由SiA材料组成的，其折射率相同，因此，必须要有四个实体台阶才可以完成四次位相的变化。而本实施例中，衬底和台阶由不同的材料构成，因此只要有两个台阶就可以实现四次位相的变化，从而本发明四台阶光栅的结构简单。如图1所示的四台阶光栅，其多个台阶均是通过刻蚀衬底实现的，而本发明中台阶是后期形成于光栅凹槽内的，台阶高度可以精确控制；并且沉积材料可以选择，其折射率可以精确控制，从而光栅的相位能够精确控制。在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了一种四台阶光栅的制备方法。本实施例四台阶光栅的制备方法包括步骤S302，在干净的石英片上旋涂第一层电子束光刻胶(ZEP-520A)，厚度为 500nm, 180度烘干，如图3a所示；步骤S304，利用电子束对第一层电子束光刻胶进行光刻，形成50nm 150nm的第一光栅版图，显影，形成光刻胶图形，刻蚀光栅中间间隙中的剩余残胶，如图北所示；本次光刻过程中，在远离第一光栅图形的位置制作对准标记，对准标记需要制作两条间隔为半个线条宽的线条。步骤S306，利用等离子体刻蚀技术，用CF4气体干法刻蚀二氧化硅衬底，使得凹槽深度为250nm，如图3c所示；本步骤中，刻蚀的深度由所需制作的光栅高度和光刻胶能容忍的高宽比决定。步骤S308，去除第一层电子束光刻胶；步骤S310，旋涂第二层电子束光刻胶αΕΡ_520Α)，利用电子束进行光刻，仍用步骤S204中采样的光栅版图，但是交错半个光栅线条宽度，形成第二光栅图形，如图3d所示；本次光刻过程中，可以采用步骤S204中已经形成的对准标记进行，从而提供对准的精度。步骤S312，以第二光栅图形为掩膜，利用PECVD在低温下沉积一层氮化硅薄膜；本步骤中，等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,简称PECVD)沉积材料致密性较好。此外，为了避免光刻胶的倒塌，该PECVD沉积过程在低温下进行。优选地，沉积温度小于200°C。步骤S314，然后剥离构成第二掩膜图形的光刻胶和其上的氮化硅，完成如图2所示四台阶光栅的制作。从上述多个实施例可知，本发明四台阶光栅及其制备方法具有下列有益效果1)由于衬底和台阶由不同的材料构成，因此只要有两个台阶就可以实现四次位相的变化，相比于现有技术的四台阶光栅结构简单；2)由于光栅台阶是后期形成于光栅凹槽内的，区别于第一台阶和第二台阶均是通过刻蚀衬底实现的，光栅台阶的高度可以精确控制，沉积材料可以自由选择，从而光栅的相位能够精确控制；3)本发明四台阶光栅的制备方法不需要旋涂制作大高宽比的光刻胶，从而避免了光刻胶倒塌的风险，可以制备大深宽比的四台阶光栅；4)利用在第一次曝光时形成的对准标记，可以精确的控制第二次曝光的位置，从而可以形成精确的四台阶光栅。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
1.一种四台阶光栅，其特征在于，包括衬底，在其上表面形成有光栅凹槽；光栅台阶，由折射率不同于所述衬底折射率的透明材料构成，呈台阶状，其台阶面与所述衬底的上表面平齐；其下半部形成于所述光栅凹槽内的一侧，其上半部形成于所述衬底的上表面，所述下半部与上半部宽度相同，均等于所述光栅凹槽宽度的1/2。
2.根据权利要求1所述的四台阶光栅，其特征在于，所述衬底为石英片，所述光栅台阶的材料为氮化硅。
3.根据权利要求1所述的四台阶光栅，其特征在于，所述光栅凹槽的宽度介于50nm至 150nm之间；其深度介于50nm至500nm之间。
4.一种四台阶光栅的制备方法，其特征在于，包括在衬底上表面形成光栅凹槽；在形成所述光栅凹槽的衬底上旋涂第二层光刻胶；利用与所述光栅凹槽对应的掩膜图形对所述第二层光刻胶进行曝光和显影，在衬底上形成第二光栅图形，在所述曝光过程中，所述掩膜图形中光栅线条的位置相对于所述光栅凹槽的位置向左或向右偏离所述光栅线条宽度的1/2 ；以所述第二光栅图形为掩膜在所述衬底上沉积光栅台阶，该光栅台阶的厚度与所述光栅凹槽的深度相同，所述光栅台阶由折射率不同于所述衬底折射率的透明材料构成；去除衬底上的所述第二光栅图形，制备出所述四台阶光栅。
5.根据权利要求4所述的四台阶光栅的制备方法，其特征在于，所述在衬底上形成呈凹槽状的光栅凹槽的步骤包括在衬底上旋涂第一层光刻胶；利用所述掩膜图形对所述第一层光刻胶进行曝光和显影，在所述衬底上形成第一光栅图形；以所述第一光栅图形为掩膜对所述衬底进行刻蚀，去除衬底上的所述第一光栅图形， 从而在所述衬底上形成所述光栅凹槽。
6.根据权利要求5所述的四台阶光栅的制备方法，其特征在于，所述在衬底上形成第一光栅图形的步骤同时还包括在所述第一光栅图形的外部做对准标记，所述对准标记的位置相对于所述光栅凹槽的位置向左或向右偏离所述光栅线条宽度的1/2 ；所述利用掩膜图形对所述第二层光刻胶进行曝光和显影的步骤包括按照所述对准标记，利用所述掩膜图形对第二层光刻胶进行曝光和显影。
7.根据权利要求4所述的四台阶光栅的制备方法，其特征在于，所述以第二光栅图形为掩膜在所述衬底上沉积台阶材料的步骤中采用PECVD方法在所述衬底上沉积所述光栅台阶。
8.根据权利要求7所述的四台阶光栅的制备方法，其特征在于，所述光栅台阶的沉积温度小于200°C。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的四台阶光栅制备方法，其特征在于，所述衬底为石英片，所述光栅台阶的材料为氮化硅。
10.根据权利要求4至8中任一项所述的四台阶光栅制备方法，其特征在于，所述光栅凹槽的宽度介于50nm至150nm之间；其深度介于50nm至500nm之间。
全文摘要
本发明公开了一种四台阶光栅及其制备方法。该四台阶光栅包括衬底，在其上表面形成有光栅凹槽；光栅台阶，由折射率不同于所述衬底折射率的透明材料构成，呈台阶状，其台阶面与衬底的上表面平齐；其下半部形成于光栅凹槽内的一侧，其上半部形成于衬底的上表面，下半部与上半部宽度相同，均等于光栅凹槽宽度的1/2。本发明四台阶光栅能够提高相位控制的精确性。
文档编号G02B5/18GK102495444SQ201110429610
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者刘明, 方磊, 朱效立, 李冬梅, 谢常青 申请人:中国科学院微电子研究所