一种倾斜微纳结构的制备方法

1.本发明属于微纳器件制备技术领域，尤其涉及一种倾斜微纳结构的制备方法。


背景技术：

2.传统的体块光学元件依赖一定的厚度产生足够的相位变化实现对光的会聚、色散、偏转等功能。这类器件往往体积笨重，且不利于研究亚波长尺度下光与物质相互作用。随着微纳加工技术的发展，超构表面、光子晶体、光学微腔、光学天线等一系列的微纳光学元件得以实现，从而大大提高了人们利用平面器件操控光的能力。微纳结构的加工的方法一般包括激光直写、纳米压印、聚焦离子束刻蚀等无掩模加工方法，以及光刻刻蚀的方法。在光刻刻蚀方法中，干法刻蚀起到了将掩模图案转移到材料的关键作用。虽然这些加工工艺成功实现了基于不同材料的超构透镜、全息超构表面、波片、光栅耦合器等微纳光学器件，然而这些平面光学器件通常是上下均匀的结构，这限制了光学元件功能的拓展和效率的提升，因此倾斜微纳结构干法刻蚀工艺的开发具有重要意义。
3.纳米压印是一种能够获得倾斜微纳结构的加工方法。这种方法的原理是将倾斜的微纳结构通过纳米压印母版转移到光刻胶上。然而这种方法仅能够在有限的几种压印胶上形成微纳结构，这些压印胶普遍折射率较低，限制光的能力较差，因此基于压印胶的各种光学元件难以达到较高的效率和实现较好的效果。激光直写方法也具有类似的材料限制。聚焦离子束刻蚀的方法同样能获得倾斜微纳结构，且适用材料范围较纳米压印和激光直写更广。然而这种方法有两个缺陷：一是利用镓离子刻蚀硅结构，会在硅材料中产生离子掺杂，改变硅的光电性质；二是这种无掩模的加工方法制备速率较慢，不利于产业化加工。干法刻蚀方法能够克服材料种类和加工效率的限制，是一种实现倾斜微纳结构的可行方案。在此前的研究中，利用干法刻蚀实现倾斜微纳结构的途径包括使用倾斜的光刻胶掩模和将样品在腔体中倾斜放置两种。基于倾斜光刻胶掩模的刻蚀方法严重依赖光刻胶与结构的选择比，且由于倾斜结构的阴影效应，难以在保证刻蚀深度的前提下获得几十纳米精度的小尺寸结构。直接将样品在腔体中倾斜放置则由于离子鞘层的存在，无法达到角度可控的效果。


技术实现要素：

4.针对以上技术问题，本发明公开了一种倾斜微纳结构的制备方法，通过将特定形状的载件引入刻蚀腔体，使微纳结构倾斜角在5
°‑
70
°
可控，制备误差小，精度高。
5.对此，本发明采用的技术方案为：一种倾斜微纳结构的制备方法，其包括如下步骤：步骤s1，在基底上制备待刻蚀材料膜层；步骤s2，在待刻蚀材料膜层上制备图案化掩模层；步骤s3，将步骤s2制备了图案化掩模层的样品放在槽型载件的斜面上，将槽型载件放置于干法刻蚀机台腔体的下电极上，斜面朝上，进行刻蚀；所述槽型载件内，斜面与水平面的夹角为5
°‑
70
°
；所述槽型载件的开口上方设有隔离网；步骤s4，移除残余的掩模层。
6.采用此技术方案，有效调控了离子鞘层形状，使样品上方的离子运动方向始终趋向于和斜坡方向垂直。加盖的金属网进一步平滑鞘层形状，使离子运动方向与样品夹角和载台坡度趋于一致，相较于其他非槽型载件方案，得到的微纳结构倾斜角可控，误差小。
7.作为本发明的进一步改进，所述隔离网为金属材质。
8.作为本发明的进一步改进，步骤s3在刻蚀过程中，通入氩气，所述氩气的流量为1sccm-40sccm。刻蚀过程中，衬底表面会发生一系列吸附与解吸附的反应，不带电的氟原子吸附在衬底表面发生的纯化学反应、离子能量驱动的刻蚀反应等等。而且原子气体模型未把化学反应过程和碰撞过程考虑在内，刻蚀的形貌不完全与模拟结果中展示的离子运动方向相吻合，而采用此技术方案，通过对氩气的流量进行实验，当流量大于40sccm，间隙内底部粗糙，且在光栅底角出现了凹槽。而采用1sccm-40sccm适当的流量，光栅形貌得到了很大的改善。
9.作为本发明的进一步改进，步骤s3中，所述干法刻蚀机台的射频源功率为50 w-400w。小于50w的低的射频源功率使窄的微纳结构间隙随着刻蚀深度的增加越来越窄，刻蚀方向性较差。而大于400w的高的射频源功率则对铬掩模造成损伤，使形貌粗糙。
10.作为本发明的进一步改进，所述斜面与水平面的夹角为5
°‑
70
°
。
11.作为本发明的进一步改进，所述干法刻蚀机台为感应耦合等离子体刻蚀设备或反应离子刻蚀设备。干法刻蚀的原理是在低压条件下通过射频线圈使气体辉光产生高密度等离子体，离子在偏压作用下沿鞘层电势差方向轰击样品表面，产生物理溅射作用并促进化学反应发生。这种将化学腐蚀和物理轰击相结合的方法能够移除未被掩模保护部分的待刻材料，从而获得与掩模一致的图案。
12.作为本发明的进一步改进，所述刻蚀材料膜层采用电子束蒸镀、化学气相沉积或旋涂等方法制备获得。所述刻蚀材料膜层的材质主要包括二氧化钛、二氧化硅、硅、氮化硅、碳化硅、钙钛矿等材料。进一步的，在制备膜层之前，要对基底进行清洗，避免杂质影响膜层质量。清洗步骤为采用丙酮、异丙醇、去离子水依次超声15 min左右，最后用氮气枪吹干。电子束蒸镀技术用高能电子束轰击靶材，使靶材熔融气化，以恒定速度沉积在基底上形成致密薄膜，腔体真空度在5 e-7 torr左右。进一步的，沉积法包括化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积、金属氧化物沉积等方法。
13.作为本发明的进一步改进，所述图案化掩模层包含光刻胶掩膜膜层或硬掩模膜层。进一步的，所述硬掩模膜层为cr、al、ni、sio2等硬掩模膜层。其中，光刻胶掩模膜层通过旋涂、玻璃化、电子束曝光、显影的方法制备得到。硬掩模层则有剥离法和刻蚀法两种途径：刻蚀法首先将硬掩模层用蒸镀、生长等方式沉积在待刻膜层上，之后在硬掩模层上方制备图案化的光刻胶，随后以光刻胶为掩模刻蚀硬掩膜层，实现图案转移的目的。剥离法首先在待刻膜层上制备图案化的光刻胶，图案为所需微纳结构的反结构，之后在上方蒸镀硬掩模材料，随后在光刻胶剥离液中长时间浸泡，最后用丙酮枪对残留光刻胶进行剥离，获得硬掩模图案。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果为：第一，采用本发明的技术方案，通过将待刻蚀样品放置在设计的载件上，然后将载件直接放置于腔体内下电极上方，采用干法刻蚀，使载件上的样品获得倾斜的形貌，这种刻蚀方法能够使微纳结构倾斜角在5-70度可控，精细控制的倾斜角度能够大大减小所设计微
纳结构的制备误差。而且不受材料限制，适用与多种不同介质材料，能够在任意能够用干法刻蚀工艺加工的材料上实现倾斜的微纳结构。特别是对可见光波段高折射率材料二氧化钛、氮化硅采用该倾斜刻蚀工艺，有利于实现具有更丰富功能和更高性能的微纳光学器件。
15.第二，该工艺适用于可进行大批量加工的反应离子刻蚀设备，制备成本低，产能高，具备产业化发展前景。
附图说明
16.图1是本发明实施例的一种倾斜微纳结构的制备方法的制备流程图。
17.图2是本发明实施例的二氧化钛膜层上不同占空比的铬光栅掩模示意图，其中（a）~（c）分别为占空比为0.3、0.6、0.8的铬光栅。
18.图3是本发明实施例的rie腔体内载台放置位置。
19.图4是本发明实施例的载台结构示意图。
20.图5是本发明实施例的覆盖金属网的45
°
槽型载台侧视图及其上方电位分布，体现了载台调控鞘层形状的改进过程及优化效果。其中（a）为直接将样品倾斜放置，样品上方的电位分布和离子运动情况，（b）为不采用金属网槽型载台样品上方的电位分布和离子运动情况，（c）为用含金属网槽型载台样品上方的电位分布和离子运动情况。
21.图6是本发明实施例1和对比例1得到的二氧化钛光栅刻蚀形貌对比图，其中（a）为实施例1，（b）为对比例1。
22.图7是本发明实施例2和对比例2得到的二氧化钛光栅刻蚀形貌对比图，其中（a）为实施例2，（b）为对比例2。
23.图8是本发明对比例3和对比例4得到的二氧化钛光栅刻蚀形貌示意图。
24.图9是本发明实施例3不同占空比、不同倾斜角度的二氧化钛光栅形貌示意图；其中i、ii、iii和iv分别为光栅倾斜角对应法线0度、15度、25度和45度。
25.图10是本发明实施例3不同占空比、不同倾斜角度的二氧化钛光栅形貌与载件坡度的对应情况图。
26.图11是本发明实施例4采用70
°
槽型载台的二氧化钛光栅形貌图。
27.图12是本发明实施例5采用5
°
槽型载台的二氧化钛光栅形貌图。
28.图13是本发明实施例6的采用15
°
槽型载台的二氧化钛光栅形貌图。
29.图14是本发明实施例6的二氧化钛的大角度异常折射效果图。
30.图15是本发明实施例7采用含隔离层的槽型载件不同材料的倾斜光栅的形貌图，其中，（a）是硅，（b）是二氧化硅，（c）是氮化硅。
31.图16是本发明实施例8得到的胶掩模下左右不对称硅光栅。
具体实施方式
32.下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
33.实施例1一种倾斜微纳结构刻蚀方法，如图1所示，包括以下几个步骤：步骤1，待刻蚀材料膜层制备。
34.通过电子束蒸镀、化学气相沉积、旋涂等方法获得待刻蚀材料膜层，主要包括二氧
化钛、二氧化硅、硅、氮化硅、碳化硅、钙钛矿等材料。在制备膜层之前，要对基底进行清洗，避免杂质影响膜层质量。清洗步骤为丙酮、异丙醇、去离子水依次超声15 min，最后用氮气枪吹干。电子束蒸镀技术用高能电子束轰击靶材，使靶材熔融气化，以恒定速度沉积在基底上形成致密薄膜。腔体真空度在5 e-7 torr左右。沉积法包括化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积、金属氧化物沉积等方法。
35.步骤2，图案化掩模制备，掩模材料包括但不限于光刻胶、铬、镍、二氧化硅，图案化方法包括但不限于电子束光刻、纳米压印、激光直写。
36.光刻胶掩模膜层通过旋涂、玻璃化、电子束曝光、显影的方法制备得到。硬掩模层则有剥离法和刻蚀法两种途径：刻蚀法首先将硬掩模层用蒸镀、生长等方式沉积在待刻膜层上，之后在硬掩模层上方制备图案化的光刻胶，随后以光刻胶为掩模刻蚀硬掩膜层，实现图案转移的目的；剥离法首先在待刻膜层上制备图案化的光刻胶，图案为所需微纳结构的反结构，之后在上方蒸镀硬掩模材料，随后在光刻胶剥离液中长时间浸泡，最后用丙酮枪对残留光刻胶进行剥离，获得硬掩模图案。
37.步骤3，倾斜干法刻蚀，将设计的槽型载件直接放置于干法刻蚀机台腔体下电极上，干法刻蚀机台包括但不限于感应耦合等离子体刻蚀设备、反应离子刻蚀设备。槽型载件内样品倾斜放置的坡度为5-70度（即载件内的斜面与水平面的夹角为5
°‑
70
°
）。槽型载件开口上方加盖隔离金属网。氩气流量为2sccm。rie射频源功率为50 w。
38.利用干法刻蚀工艺将掩模转移到待刻材料。干法刻蚀过程在感应耦合等离子体刻蚀设备或反应离子刻蚀设备中进行。干法刻蚀的原理是在低压条件下通过射频线圈使气体辉光产生高密度等离子体，离子在偏压作用下沿鞘层电势差方向轰击样品表面，产生物理溅射作用并促进化学反应发生。这种将化学腐蚀和物理轰击相结合的方法能够移除未被掩模保护部分的待刻材料，从而获得与掩模一致的图案。
39.步骤4，移除残余掩膜层。
40.下面以二氧化钛光栅为例对倾斜微纳结构干法刻蚀工艺进行说明。
41.二氧化钛膜层上不同占空比的硬掩模光栅形貌如图2所示。该硬掩模采用了27 nm厚度的铬，可以通过剥离法或者刻蚀法得到。
42.为了实现角度可控的倾斜微纳结构干法刻蚀工艺，本实施例采用如图4所示的覆盖金属隔离网的槽型载台，放在干法刻蚀机台腔体下电极上的示意图如图3所示。本实施例中，将步骤2制备了图案化掩模层的样品放在槽型载件的斜面上，将槽型载件放置于干法刻蚀机台腔体的下电极上，斜面朝上；所述槽型载件内，斜面与水平面的夹角为45度，所述槽型载件的开口上覆盖金属隔离网。
43.覆盖金属网的45
°
槽型载台侧视图及其上方电位分布如图5所示，当离子沿这样的等势面梯度运动时，能够保持与下电极垂直的方向，此时相对于放置在槽内斜坡上的样品表面呈斜入射轰击，从而达到倾斜刻蚀的目的。图5中的白线线条表示离子流动方向，粗箭头表示样品放置位置，图5（a）表示本领域技术人员可设想到的直接将样品倾斜放置时，样品上方的电位分布和离子运动情况，可见离子运动方向始终趋向于和斜坡方向垂直。图5（b）表示不含金属网槽型载台的情况，可见鞘层形状在槽型载台上方不敏感。图5（c）表示含金属网槽型载台的情况，可见该方案进一步平滑了鞘层形状，使离子运动方向与样品夹角和载台坡度趋于一致。可见，本实施例的槽型载台上方的鞘层具有平滑的等电势线，对狭窄
的凹槽区域并不敏感。
44.在本实施例中，将该光栅放置于带有45
°
坡度的槽型载台的斜面上，并覆盖金属隔离网，刻蚀结果如图6（a）所示，可见实现了45
°
倾斜角的二氧化钛倾斜光栅结构。
45.对比例1在对比例1中，直接将该光栅倾斜45
°
放置在刻蚀腔体下电极上。刻蚀结果如图6（b）所示，可见，最后得到的光栅倾斜角（光栅侧边与基底法线夹角）为20
°
，远低于设定的45
°
倾斜角，可见对比例不能实现角度可控的倾斜刻蚀。
46.实施例2在实施例1的基础上，本实施例中，氩气流量为40sccm。
47.对比例2在实施例1的基础上，本对比例中，氩气流量为45sccm。
48.实施例2和对比例2得到的二氧化钛光栅形貌对比如图7所示。可见，对比例2的光栅间隙内底部粗糙，且在光栅底角出现了凹槽。而相对于对比例2，实施例2的光栅形貌得到了很大的改善。
49.对比例3在实施例1的基础上，本对比例中，采用rie射频源功率为20 w。
50.对比例4在实施例1的基础上，本对比例中，采用rie射频源功率为450 w。
51.对比例3和对比例4得到的二氧化钛光栅刻蚀形貌示意图如图8所示，可见，对比例3，低的射频源功率的使窄的微纳结构间隙随着刻蚀深度的增加越来越窄，刻蚀方向性较差。对比例4，高的射频源功率则对铬掩模造成损伤，使形貌粗糙。
52.实施例3在实施例1的基础上，本实施例中，采用调试完成的工艺结合不同坡度的槽型载件获得了如图9所示的不同倾斜角度、不同占空比的二氧化钛光栅结构。并将光栅倾斜角和载台坡度对应画出曲线，如图10所示，可见采用本发明的技术方案，刻蚀工艺的倾斜角是可控的。
53.实施例4在实施例1的基础上，本实施例中，槽型载件中斜面与水平面的夹角为70
°
，得到的二氧化钛光栅形貌图如图11所示。
54.实施例5在实施例1的基础上，本实施例中，槽型载件中斜面与水平面的夹角为0
°
，得到的二氧化钛光栅形貌图如图12所示。
55.可见，实施例4和实施例5得到的样品角度精准可控，制备误差小。
56.实施例6在实施例1的基础上，本实施例中，槽型载件中斜面与水平面的夹角为15
°
，得到的二氧化钛光栅形貌图如图13所示。得到的产物为一种能够使绿光光束80
°
偏转的二氧化钛微纳结构——超构光栅。该倾斜超构光栅的80
°
偏转效率能够达到80%以上，此前已发表的所有可见光波段用于大角度异常透射功能的微纳结构都无法达到这一效果。设计获得的异常折射二氧化钛超构光栅结构的断面sem图如图13所示，光栅倾斜角度为15
°
，对应载件坡
度15
°
。该超构光栅80
°
大角度异常折射效果如图14所示，二氧化钛膜层厚度450 nm，结构最窄间隙70 nm。该超构光栅结合减反层后，理论效率为89.54%，实验测得效率为83.6%。实验与模拟相近的效率值证明专利所述倾斜干法刻蚀工艺具有样品质量高的优点，基于该工艺对微纳结构进行设计能够提高优化目标的性能。
57.实施例7在实施例1的基础上，本实施例中，分别采用不同的材料按照实施例1的步骤进行倾斜微纳结构的刻蚀，分别为硅、二氧化硅和氮化硅，得到的倾斜形貌如图15所示，可见，本实施例的含隔离金属网的槽型载件能够通过操控载件上方鞘层电势的方法调控干法刻蚀腔体中的离子运动方向，适用于任何具有各向异性干法刻蚀工艺的材料。
58.实施例8在实施例1的基础上，本实施例中，利用实施例1的倾斜刻蚀步骤，结合不同的光刻胶掩模，还能获得左右不对称的硅光栅结构，如图16所示。
59.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。