干法刻蚀浆料及其制备方法和改善玻璃基微纳光栅阵列侧壁垂直度的干法刻蚀方法与流程

本发明属于半导体等离子刻蚀，尤其涉及一种干法刻蚀浆料及其制备方法和改善玻璃基微纳光栅阵列侧壁垂直度的干法刻蚀方法。

背景技术：

1、等离子刻蚀是玻璃基微纳光栅阵列制备的核心工艺，其通过等离子体对样品的物理轰击与化学反应实现图形转移。刻蚀过程会产生大量热量，通常采用石蜡作为样品粘结与热缓冲材料，将热量传递至托盘与冷却系统，维持刻蚀温度稳定。

2、但传统纯石蜡材料存在本领域长期难以克服的系列缺陷：

3、1）导热性能极差，高温下形成显著内部温度梯度，熔体黏度分布严重不均；

4、2）流动性对温度极度敏感，微小温度波动即可导致局部流速差异，难以在样品表面均匀覆盖，造成热传导不均；

5、3）热场不均直接导致氟碳聚合物侧壁保护层厚度不一致，局部离子轰击过强，引发非均匀刻蚀；

6、4）最终造成玻璃基微纳光栅阵列侧壁倾斜、弯曲、垂直度差、深度均匀性低，无法满足高精度微纳加工要求。

7、目前现有技术均聚焦于石蜡本身或常规填料改性，未能从根本上解决石墨烯易团聚、导热网络难以构建、熔体流动性与稳定性无法兼顾的技术瓶颈，也未形成一套可同时提升垂直度、均匀性、刻蚀速率的完整方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种干法刻蚀浆料及其制备方法和改善玻璃基微纳光栅阵列侧壁垂直度的干法刻蚀方法，所要解决的技术问题是通过多级改性石墨烯与协同配方、独创工艺相结合，同步实现高导热、高流动、高分散稳定，显著提升刻蚀侧壁垂直度与深度均匀性。

2、本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本发明提出的一种干法刻蚀浆料，按质量分数计包括：

3、改性石墨烯 5~10wt%，二甲基硅油 3~5wt%，分散剂 1~5wt%，ph 调节剂 0.04~1wt%，余量为石蜡；

4、所述改性石墨烯为表面沉积有厚度为 3~10nm的氧化铝层、并经酸蚀形成多孔结构、超声分散处理的石墨烯，其粒径为 1~5 μm；

5、所述浆料的ph 值为 6~8。

6、本发明的目的及解决技术问题还可以采用以下技术措施进一步实现。

7、优选地，前述的干法刻蚀浆料，其中所述分散剂选自甲基丙烯酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇中的一种。

8、优选地，前述的干法刻蚀浆料，其中所述 ph 调节剂选自柠檬酸、乙酸、甲酸、氢氧化钠、碳酸钠中的一种。

9、本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。本发明提出的一种干法刻蚀浆料的制备方法，包括以下步骤：

10、1）将石墨烯通过原子层沉积在其表面沉积厚度为 3~10 nm 的氧化铝，然后采用0.5~1 mol/l的稀盐酸浸泡 5~10 min 进行酸蚀造孔，再经中和、烘干、超声分散处理，得到所述改性石墨烯；

11、将熔融石蜡与步骤1）得到的所述改性石墨烯在 90~100℃、2000~3000 r/min 的转速下搅拌 10~20 min，得到混合物料；

12、3）在搅拌状态下，向步骤2）的所述混合物料中匀速滴加二甲基硅油，滴加完成后继续在90~100℃下搅拌 10~20 min；

13、4）向步骤3）的物料中加入分散剂，在90~100℃下搅拌 20~30 min，再加入 ph 调节剂调节体系的ph 值至 6~8，并继续搅拌 5~10 min；

14、5）将步骤4）得到的物料在 0~10℃下冷却凝固，得到所述干法刻蚀浆料。

15、本发明的目的及解决技术问题还可以采用以下技术措施进一步实现。

16、优选地，前述的干法刻蚀浆料的制备方法，其中步骤 1）中，所述中和采用 1.5~2.5 mol/l 的氢氧化钠溶液，烘干温度为60~80℃，超声分散频率大于40 khz，超声时间为10~20 min。

17、优选地，前述的干法刻蚀浆料的制备方法，其中步骤 3）中，所述二甲基硅油的匀速滴加速率为0.5~2.0 ml/min。

18、本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施来实现。本发明提出的一种改善玻璃基微纳光栅阵列侧壁垂直度的干法刻蚀方法，采用权利要求1-3任一项所述的干法刻蚀浆料，并包括以下步骤：

19、(a) 样品固定：在60℃~90℃的加热台上，将所述干法刻蚀浆料涂覆于载样台表面，随后将玻璃基样品放置于浆料上，并在样品表面施加0.1-0.2mpa的压力，保持1-3min，使样品通过所述浆料与载样台粘结固定；

20、(b) 干法刻蚀：将固定有样品的载样台送入刻蚀设备腔体，通入ar与chf3的混合气体进行刻蚀，其中，ar与chf3的流量比为20:1~10:1，总气体流量为5-200 sccm，刻蚀功率为100-300w，刻蚀压力为1-10pa，腔体温度为20-40℃；

21、(c) 样品分离：刻蚀完成后，将载样台与样品取出，并置于60℃~90℃的加热台上，随后将样品与载样台分离。

22、本发明的目的及解决技术问题还可以采用以下技术措施进一步实现。

23、优选地，前述的改善玻璃基微纳光栅阵列侧壁垂直度的干法刻蚀方法，其中步骤(a)中，所述载样台为2~12 英寸的单抛硅片载样台。

24、优选地，前述的改善玻璃基微纳光栅阵列侧壁垂直度的干法刻蚀方法，其中采用所述干法刻蚀浆料进行刻蚀的速率为73~77 nm/min。

25、相比于现有技术，本发明所述的干法刻蚀浆料及其制备方法和改善玻璃基微纳光栅阵列侧壁垂直度的干法刻蚀方法具有以下有益效果：

26、1、刻蚀速率高

27、本发明通过引入高导热改性石墨烯，大幅提升玻璃基底在刻蚀过程中的整体导热能力，使热量能够在浆料内部快速传导、均匀扩散，显著加快吸热与放热速率，有效缩短热平衡时间，从而明显提升等离子刻蚀速率。经测试，本发明的刻蚀速率可达74~77 nm/min，加工效率显著提高。

28、2、流动性能优异

29、本发明通过复配二甲基硅油并优化组分配比，浆料熔融后润湿性与铺展能力优异，可在样品表面形成连续平整的导热粘结层，规避局部厚薄不均引发的热场偏差，让刻蚀过程更稳定、尺寸控制精度更高。

30、3、侧壁垂直度佳

31、本发明可实现刻蚀体系全域温度均匀分布，稳定氟碳聚合物保护层的成膜状态，减轻离子轰击对侧壁保护层的非均匀破坏。实测光栅侧壁垂直度稳定在90°~90.1°，侧壁形貌规整，趋近理想垂直状态。

32、4、刻蚀均匀性极佳

33、本发明的改性石墨烯在浆料内部构建连续高效的导热网络，彻底改善传统石蜡导热不均、局部过热的问题，消除样品热点与冷区。本发明片内均匀性、片间均匀性均可达99.8~99.9%，保证刻蚀深度与速率高度一致，提升光栅整体结构一致性。

34、5、基底兼容性好，无二次污染

35、本发明各组分化学性质稳定，与玻璃基底不发生反应，不会造成基底划伤、腐蚀。刻蚀结束后，浆料可通过高温熔融或溶剂清洗快速脱除，无残留，既能保护光栅光学性能，也简化了后续清洗工序。

36、6、绿色环保，应用安全性高

37、本发明浆料全部采用低毒、难挥发、可降解的原料，区别于传统含毒有机溶剂、重金属的产品，制备与使用阶段均无有害三废产生，对操作人员及环境友好，符合绿色制造的发展要求。

38、7、工艺简单，易实现量产

39、本发明的浆料配方明确、制备流程简便，无需高端设备和与严苛工况，刻蚀工艺参数可调范围合理，稳定性高，可降低人为操作带来的质量波动，适配工业化流水线生产，有效控制生产成本、提升产品合格率。

40、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。