硅中階梯光柵的濕法刻蝕技術

焦慶斌

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引 言

光譜儀器作為一種對物質進行光譜分析的重要科學設備，在科學研究、國防安全等領域應用廣泛。分辨率和光譜范圍是評價光譜儀性能的重要指標，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。中階梯光柵因其在波長范圍、色散率、分辨率及衍射效率等方面所具有的優越表現，已成為光譜儀器中理想的分光器件。對于國內而言，由于傳統技術（例如機械刻劃法）目前尚未達到中階梯光柵所需的精度要求，所以現階段所使用的中階梯光柵仍需要依賴于進口。為突破制約國內光譜儀器行業發展的瓶頸，提升實現高檔光譜儀器產業發展的水平，有必要實現對中階梯光柵的自主研發。

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，是對中階梯光柵制作方法的一種補充，更是對中階梯光柵制作工藝的進一步邁進。從硅材料的特性、濕法刻蝕工藝所能達到的精度以及日益成熟的微加工、微機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］。相比于機械刻劃法，單晶硅濕法刻蝕技術具有環境要求低、制作周期短、閃耀角可控以及光柵閃耀面粗糙度低等優勢。文中通過對硅中階梯光柵濕法刻蝕工藝過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節進行研究，介紹了一種新型中階梯光柵的制作方法。

1 基片準備

基于光譜儀對光柵參數要求（光柵閃耀角θ＝63.4°），向 硅 片 提 供 商 訂 購 了 電 阻 率≥2 000Ω·cm，直 徑 等 于76.4mm，厚 度 等 于1mm的單晶硅基底，其中相對于（100）晶面的切偏角精度為8.6°±0.2°，粗糙度小于1nm。通過原子力顯微鏡對硅片80μm×63.7μm范圍內表面粗糙度進行測量可知：在所測范圍內，硅片表面粗糙度Rq＝0.494nm，Ra＝0.365nm，Rmax＝8.02nm，符合硅片加工時所提要求。利用X射線衍射儀對硅片切偏角精度進行測試。測試結果表明，不同硅片會在8.4°、8.6°及8.8°位置出現衍射峰值。因對硅片切偏角精度要求為8.6°±0.2°，所以基底符合實驗要求。

硅片表面80μm范圍內粗糙度分布如圖1所示。

圖1 硅片表面80μm范圍內粗糙度分布圖

在生長SiO2掩模層之前，首先應對加工后的硅片進行表面清洗，除掉硅片表面上因經過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→水的順序對硅片表面進行清洗，以去除有機雜質沾污［2］，整個清洗過程均伴隨超聲波震蕩。

硅片清洗過程結束后，就需要利用熱氧化法在硅片上生長一層SiO2。根據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間，可以確定SiO2層厚度等于70nm。在氧化層生長完成后，利用原子力顯微鏡對所生長的SiO2層進行臺階試驗，測得其厚度為70.056±0.368nm（0.53%），均勻性較好，滿足實驗要求。

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行前烘來去除光刻膠內的殘余溶劑，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℃，烘烤時間30min，在密閉容器內進行烘烤。在利用此條件前烘光刻膠并進行曝光顯影等后續工藝時，通過顯微鏡可以觀察到光刻膠掩模上存在結晶現象。針對此種現象，在實驗中對前烘條件進行了重新摸索，最終確定前烘條件為烘烤溫度120℃，烘烤時間20min，并在開放容器內進行烘烤。通過改進前烘條件成功解決了光刻膠結晶問題。

2 氧化層掩模制備

前烘過的硅基底需要進行曝光、顯影兩個步驟制備光刻膠掩模。實驗中所用紫外曝光機的工作原理如圖2所示。

圖2 紫外曝光機工作原理

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，最后通過功率等于1 000W的紫外線UV光固化燈發出的中心波長等于365nm的紫外光對硅片表面的光刻膠進行曝光。

由于單晶硅濕法刻蝕的晶向依賴性，使得掩模與晶向的對準變得十分重要。對準不好，所獲得光柵槽面會異常粗糙且不完全準直［4］。當掩模與晶面錯位小于0.01°時，可以認為掩模與晶面完全對準［5］。對于本實驗中所用紫外曝光機而言，并無專門設備實現掩模與晶向之間精確對準。針對這一問題，專門設計了用于掩模與晶向對準的夾具，其設計圖如圖3所示。

圖3 晶向對準夾具機械設計圖

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，虛線位置用來安放鉻掩模版。通過嚴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準精度。為證明使用夾具保證對準精度的方法可行，實驗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，當垂直度等于0.005時，制作出來的硅中階梯光柵表面已無額外的棱出現。通過以上對比結果可知，當垂直度等于0.005時，掩模線條與晶向之間的對準精度滿足實驗要求。

通過改變曝光時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。但在實際工作中發現，當曝光時間超過180s時，利用顯微鏡可以觀察到所制備的光刻膠掩模線條會出現斷裂現象。為避免此種現象，利用倒置熱熔［6］可以改變光刻膠掩模的占寬比這一特點，進一步制作具有小占寬比的光刻膠掩模。當烘烤溫度等于160℃時，線條寬度等于2.549μm，占寬比等于0.2，滿足光柵理論設計中對頂角平臺尺寸的要求。

光刻膠掩模制備完成后，就需要將光刻膠掩模上的圖形轉移到SiO2層上。利用BHF溶液將光刻膠光柵的圖形轉移到熱氧化層上。在室溫下BHF溶液對SiO2的刻蝕速率約為70nm／min［7］，刻蝕時間約為60s。除了通過氧化層厚度及氧化層刻蝕速率判斷刻蝕時間外，通過觀察樣品是否呈現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之間的反應在超聲波反應器中進行，反應溫度為60℃，溫差±0.2℃，KOH溶液質量分數等于20%，為保證KOH溶液濃度保持均勻，在反應過程中加入冷凝管。為降低因單晶硅與KOH溶液反應生成氣泡所引起的高粗糙度，實驗過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試，光柵槽形由掃描電子顯微鏡測試。

由所測結果可知：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，所制中階梯光柵閃耀面表面粗糙度Rq＜2nm，當異丙醇濃度為20%、超聲波頻率為100kHz以及超聲波功率為50W時，所制中階梯光柵閃耀面表面粗糙度Rq＝1nm。

目前，因實驗室尚不具備全波段測試中階梯光柵衍射效率的儀器，所以沒有對所制光柵衍射效率進行實測。為定量評估所制中階梯光柵的衍射效率，采用掃描曲線與軟件計算相結合的形式對其衍射效率進行計算。首先利用掃描曲線識別軟件將所制光柵槽形輪廓掃描成灰度曲線，因測試光柵衍射效率時均是對復制鍍膜后的光柵進行測試，所以，在利用軟件計算之前需將掃描后的曲線進行翻轉，然后將翻轉后的曲線代入PCGrate光柵衍射效率計算軟件中進行衍射效率的計算。

掃描槽形與理想槽形衍射效率對比如圖5所示。

圖5 掃描槽形與理想槽形衍射效率對比

從圖中對比結果可以看出，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百分點左右，閃耀波長也有所偏移。造成以上結果的原因可以歸咎于掃描曲線識別軟件在對光柵槽形進行掃描時所引入的誤差。

4 結 語

硅中階梯光柵濕法刻蝕工藝中涉及到的頂角平臺、晶向對準以及光柵閃耀面粗糙度三方面技術問題進行了詳細研究。從所得實驗數據分析可知：利用控制曝光時間和倒置熱熔相結合的方式可以有效減小頂角平臺尺寸，有利于制備具有小占寬比的光刻膠掩模和氧化層掩模；利用設計夾具嚴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準精度；利用超聲波震蕩法以及潤濕性增強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，其中潤濕性增強法減小表面粗糙度程度要強于超聲波震蕩法，同時施以超聲波震蕩法及潤濕性增強法，并優化實驗參數可以制備更低粗糙度的中階梯光柵。

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