硅中階梯光柵的濕法刻蝕技術(shù)

焦慶斌

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

0 引 言

光譜儀器作為一種對(duì)物質(zhì)進(jìn)行光譜分析的重要科學(xué)設(shè)備，在科學(xué)研究、國(guó)防安全等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。分辨率和光譜范圍是評(píng)價(jià)光譜儀性能的重要指標(biāo)，而這些性能又主要取決于所采用的色散元件——光柵，所以，制造具有高分辨率、寬波段范圍的光柵一直是提升光譜儀性能所追求的目標(biāo)。中階梯光柵因其在波長(zhǎng)范圍、色散率、分辨率及衍射效率等方面所具有的優(yōu)越表現(xiàn)，已成為光譜儀器中理想的分光器件。對(duì)于國(guó)內(nèi)而言，由于傳統(tǒng)技術(shù)（例如機(jī)械刻劃法）目前尚未達(dá)到中階梯光柵所需的精度要求，所以現(xiàn)階段所使用的中階梯光柵仍需要依賴于進(jìn)口。為突破制約國(guó)內(nèi)光譜儀器行業(yè)發(fā)展的瓶頸，提升實(shí)現(xiàn)高檔光譜儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的水平，有必要實(shí)現(xiàn)對(duì)中階梯光柵的自主研發(fā)。

采用單晶硅濕法刻蝕方法制作中階梯光柵是一種新的嘗試，是對(duì)中階梯光柵制作方法的一種補(bǔ)充，更是對(duì)中階梯光柵制作工藝的進(jìn)一步邁進(jìn)。從硅材料的特性、濕法刻蝕工藝所能達(dá)到的精度以及日益成熟的微加工、微機(jī)械工藝等方面可以看出，利用此種方法制作硅中階梯光柵的前景十分光明［1］。相比于機(jī)械刻劃法，單晶硅濕法刻蝕技術(shù)具有環(huán)境要求低、制作周期短、閃耀角可控以及光柵閃耀面粗糙度低等優(yōu)勢(shì)。文中通過(guò)對(duì)硅中階梯光柵濕法刻蝕工藝過(guò)程中光刻膠掩模制備、氧化層掩膜制備以及單晶硅濕法刻蝕等環(huán)節(jié)進(jìn)行研究，介紹了一種新型中階梯光柵的制作方法。

1 基片準(zhǔn)備

基于光譜儀對(duì)光柵參數(shù)要求（光柵閃耀角θ＝63.4°），向 硅 片 提 供 商 訂 購(gòu) 了 電 阻 率≥2 000Ω·cm，直 徑 等 于76.4mm，厚 度 等 于1mm的單晶硅基底，其中相對(duì)于（100）晶面的切偏角精度為8.6°±0.2°，粗糙度小于1nm。通過(guò)原子力顯微鏡對(duì)硅片80μm×63.7μm范圍內(nèi)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量可知：在所測(cè)范圍內(nèi)，硅片表面粗糙度Rq＝0.494nm，Ra＝0.365nm，Rmax＝8.02nm，符合硅片加工時(shí)所提要求。利用X射線衍射儀對(duì)硅片切偏角精度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，不同硅片會(huì)在8.4°、8.6°及8.8°位置出現(xiàn)衍射峰值。因?qū)杵衅蔷纫鬄?.6°±0.2°，所以基底符合實(shí)驗(yàn)要求。

硅片表面80μm范圍內(nèi)粗糙度分布如圖1所示。

圖1 硅片表面80μm范圍內(nèi)粗糙度分布圖

在生長(zhǎng)SiO2掩模層之前，首先應(yīng)對(duì)加工后的硅片進(jìn)行表面清洗，除掉硅片表面上因經(jīng)過(guò)不同工序加工而沾染上的各種污染物。首先利用SC－1液去除顆粒沾污（粒子）和部分金屬離子沾污，再利用SC－2液去除硅片表面的金屬離子，最后按照甲苯→丙酮→酒精→水的順序?qū)杵砻孢M(jìn)行清洗，以去除有機(jī)雜質(zhì)沾污［2］，整個(gè)清洗過(guò)程均伴隨超聲波震蕩。

硅片清洗過(guò)程結(jié)束后，就需要利用熱氧化法在硅片上生長(zhǎng)一層SiO2。根據(jù)SiO2在KOH溶液中的刻蝕速率［3］以及光柵槽形刻蝕到底所需時(shí)間，可以確定SiO2層厚度等于70nm。在氧化層生長(zhǎng)完成后，利用原子力顯微鏡對(duì)所生長(zhǎng)的SiO2層進(jìn)行臺(tái)階試驗(yàn)，測(cè)得其厚度為70.056±0.368nm（0.53%），均勻性較好，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

在清洗干凈后的硅樣片上均勻涂布一層600nm厚的KMP－BP212正型光刻膠。勻膠后的硅基底需要進(jìn)行前烘來(lái)去除光刻膠內(nèi)的殘余溶劑，以提升光刻膠和基底之間的附著力。前烘的初始條件選為烘烤溫度90℃，烘烤時(shí)間30min，在密閉容器內(nèi)進(jìn)行烘烤。在利用此條件前烘光刻膠并進(jìn)行曝光顯影等后續(xù)工藝時(shí)，通過(guò)顯微鏡可以觀察到光刻膠掩模上存在結(jié)晶現(xiàn)象。針對(duì)此種現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)前烘條件進(jìn)行了重新摸索，最終確定前烘條件為烘烤溫度120℃，烘烤時(shí)間20min，并在開放容器內(nèi)進(jìn)行烘烤。通過(guò)改進(jìn)前烘條件成功解決了光刻膠結(jié)晶問(wèn)題。

2 氧化層掩模制備

前烘過(guò)的硅基底需要進(jìn)行曝光、顯影兩個(gè)步驟制備光刻膠掩模。實(shí)驗(yàn)中所用紫外曝光機(jī)的工作原理如圖2所示。

圖2 紫外曝光機(jī)工作原理

首先將鉻版放置在玻璃罩表面，然后將勻膠后的硅基底以接觸的形式放置在鉻版上面，最后通過(guò)功率等于1 000W的紫外線UV光固化燈發(fā)出的中心波長(zhǎng)等于365nm的紫外光對(duì)硅片表面的光刻膠進(jìn)行曝光。

由于單晶硅濕法刻蝕的晶向依賴性，使得掩模與晶向的對(duì)準(zhǔn)變得十分重要。對(duì)準(zhǔn)不好，所獲得光柵槽面會(huì)異常粗糙且不完全準(zhǔn)直［4］。當(dāng)掩模與晶面錯(cuò)位小于0.01°時(shí)，可以認(rèn)為掩模與晶面完全對(duì)準(zhǔn)［5］。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中所用紫外曝光機(jī)而言，并無(wú)專門設(shè)備實(shí)現(xiàn)掩模與晶向之間精確對(duì)準(zhǔn)。針對(duì)這一問(wèn)題，專門設(shè)計(jì)了用于掩模與晶向?qū)?zhǔn)的夾具，其設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 晶向?qū)?zhǔn)夾具機(jī)械設(shè)計(jì)圖

從圖中可知，夾具與硅片定位面相接觸的一面被定義為A面，虛線位置用來(lái)安放鉻掩模版。通過(guò)嚴(yán)格控制平行于條紋方向的平面（虛線部分豎直方向所代表的平面）與硅片的主要平端所在平面（A平面）的垂直度，即可保證掩模線條與基底晶向之間的對(duì)準(zhǔn)精度。為證明使用夾具保證對(duì)準(zhǔn)精度的方法可行，實(shí)驗(yàn)中分別制作了垂直度等于0.05，0.01和0.005的夾具，所制作硅中階梯光柵電鏡圖樣如圖4所示。

圖4 不同垂直度條件下光柵槽形電鏡圖

從圖中可以看出，當(dāng)垂直度等于0.005時(shí)，制作出來(lái)的硅中階梯光柵表面已無(wú)額外的棱出現(xiàn)。通過(guò)以上對(duì)比結(jié)果可知，當(dāng)垂直度等于0.005時(shí)，掩模線條與晶向之間的對(duì)準(zhǔn)精度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

通過(guò)改變曝光時(shí)間可以有效減小光刻膠掩模線條寬度，減小光刻膠掩模的占寬比，有利于小占寬比光刻膠掩模的制備。但在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)曝光時(shí)間超過(guò)180s時(shí)，利用顯微鏡可以觀察到所制備的光刻膠掩模線條會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。為避免此種現(xiàn)象，利用倒置熱熔［6］可以改變光刻膠掩模的占寬比這一特點(diǎn)，進(jìn)一步制作具有小占寬比的光刻膠掩模。當(dāng)烘烤溫度等于160℃時(shí)，線條寬度等于2.549μm，占寬比等于0.2，滿足光柵理論設(shè)計(jì)中對(duì)頂角平臺(tái)尺寸的要求。

光刻膠掩模制備完成后，就需要將光刻膠掩模上的圖形轉(zhuǎn)移到SiO2層上。利用BHF溶液將光刻膠光柵的圖形轉(zhuǎn)移到熱氧化層上。在室溫下BHF溶液對(duì)SiO2的刻蝕速率約為70nm／min［7］，刻蝕時(shí)間約為60s。除了通過(guò)氧化層厚度及氧化層刻蝕速率判斷刻蝕時(shí)間外，通過(guò)觀察樣品是否呈現(xiàn)疏水性也可以判斷氧化層是否被刻蝕到底。

3 硅中階梯光柵制備

單晶硅與KOH之間的反應(yīng)在超聲波反應(yīng)器中進(jìn)行，反應(yīng)溫度為60℃，溫差±0.2℃，KOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)等于20%，為保證KOH溶液濃度保持均勻，在反應(yīng)過(guò)程中加入冷凝管。為降低因單晶硅與KOH溶液反應(yīng)生成氣泡所引起的高粗糙度，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別引入不同頻率和功率的超聲波震蕩以及不同濃度的異丙醇。其中超聲波頻率分別為40、60、80、100kHz，超聲波功率分別為10、20、30、40、50W，異丙醇濃度分別為5%、10%、15%、20%。單晶硅濕法刻蝕中階梯光柵閃耀面粗糙度由原子力顯微鏡測(cè)試，光柵槽形由掃描電子顯微鏡測(cè)試。

由所測(cè)結(jié)果可知：利用超聲波震蕩法所制中階梯光柵閃耀面表面粗糙度Rq＜15nm；在KOH溶液濃度不變的前提下，光柵閃耀面表面粗糙度隨刻蝕液中異丙醇濃度的增加而減小，所制中階梯光柵閃耀面表面粗糙度Rq＜7nm；將異丙醇與超聲波震蕩結(jié)合可以獲得更低閃耀面表面粗糙度，其值Rq＜5nm；在異丙醇濃度范圍為5%～20%，超聲波頻率為100kHz以及超聲波功率范圍為40～50W時(shí)，所制中階梯光柵閃耀面表面粗糙度Rq＜2nm，當(dāng)異丙醇濃度為20%、超聲波頻率為100kHz以及超聲波功率為50W時(shí)，所制中階梯光柵閃耀面表面粗糙度Rq＝1nm。

目前，因?qū)嶒?yàn)室尚不具備全波段測(cè)試中階梯光柵衍射效率的儀器，所以沒(méi)有對(duì)所制光柵衍射效率進(jìn)行實(shí)測(cè)。為定量評(píng)估所制中階梯光柵的衍射效率，采用掃描曲線與軟件計(jì)算相結(jié)合的形式對(duì)其衍射效率進(jìn)行計(jì)算。首先利用掃描曲線識(shí)別軟件將所制光柵槽形輪廓掃描成灰度曲線，因測(cè)試光柵衍射效率時(shí)均是對(duì)復(fù)制鍍膜后的光柵進(jìn)行測(cè)試，所以，在利用軟件計(jì)算之前需將掃描后的曲線進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，然后將翻轉(zhuǎn)后的曲線代入PCGrate光柵衍射效率計(jì)算軟件中進(jìn)行衍射效率的計(jì)算。

掃描槽形與理想槽形衍射效率對(duì)比如圖5所示。

圖5 掃描槽形與理想槽形衍射效率對(duì)比

從圖中對(duì)比結(jié)果可以看出，利用上述工藝制作出的中階梯光柵衍射效率大于70%，比具有理想槽形的中階梯光柵低十個(gè)百分點(diǎn)左右，閃耀波長(zhǎng)也有所偏移。造成以上結(jié)果的原因可以歸咎于掃描曲線識(shí)別軟件在對(duì)光柵槽形進(jìn)行掃描時(shí)所引入的誤差。

4 結(jié) 語(yǔ)

硅中階梯光柵濕法刻蝕工藝中涉及到的頂角平臺(tái)、晶向?qū)?zhǔn)以及光柵閃耀面粗糙度三方面技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)研究。從所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：利用控制曝光時(shí)間和倒置熱熔相結(jié)合的方式可以有效減小頂角平臺(tái)尺寸，有利于制備具有小占寬比的光刻膠掩模和氧化層掩模；利用設(shè)計(jì)夾具嚴(yán)格控制平行于條紋方向的平面與硅片的主要平端所在平面的垂直度即可保證掩模線條與基底晶向之間的對(duì)準(zhǔn)精度；利用超聲波震蕩法以及潤(rùn)濕性增強(qiáng)法均可以大幅度減小所制中階梯光柵閃耀面的表面粗糙度，其中潤(rùn)濕性增強(qiáng)法減小表面粗糙度程度要強(qiáng)于超聲波震蕩法，同時(shí)施以超聲波震蕩法及潤(rùn)濕性增強(qiáng)法，并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)可以制備更低粗糙度的中階梯光柵。

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