刻蝕輔助激光灰度改性技術制備硅基三維微結構

李乾坤,劉學青,成 榮

(1.清華大學精密儀器系精密測試技術及儀器國家重點實驗室,北京 100084； 2.清華大學機械工程系,北京 100084)

1 引 言

光刻技術是目前高精度微納制造領域應用最廣泛的加工技術,通過掩膜曝光可以實現僅有幾個納米的橫向加工分辨率。而作為一種平面加工工藝,在復雜面型三維結構制備中具有很大的局限性。為了滿足制備復雜面型三維微納結構的需求,研究人員提出了灰度光刻技術[1-3]。其關鍵是制備出具有漸變透過率的灰度光刻板,利用光經過光刻板后在不同區域曝光量的不同實現三維結構的一次曝光成型。但是灰度掩膜板的制備非常復雜,成本昂貴,而且在多次使用后會有殘膠附著,影響其再次使用。

近年來,飛秒激光微納加工已經在面向基礎研究的前沿微納制造領域具有了廣泛的應用[4-12],這是由于其具有突破衍射極限的加工分辨率、可加工任意材料、真三維加工能力等優勢。例如,Wu等研究人員利用飛秒激光首次在鈮酸鋰材料內成功地實現了三維非線性光子晶體的制備[5]。基于飛秒激光與材料的相互作用原理,我們提出了一種可定制的刻蝕輔助飛秒激光灰度加工技術。利用飛秒激光誘導光化學反應,在襯底材料表面形成一層抗刻蝕改性層,利用該抗刻蝕層作為刻蝕過程中的掩膜,從而實現三維結構的制備,無需經過掩膜板圖形向光刻膠圖形的轉化。本文以硅為例,通過飛秒激光改性在表面形成硅的氧化層,后續結合干法刻蝕制備了三維面型的復雜結構,而且硅的氧化層的抗刻蝕能力可以通過激光加工參數進行調控。通過設計調控激光改性程度隨空間位置的變化,實現了包括臺階、斜面、連續曲面等復雜面型三維硅基微納結構的制備。最后驗證了其在微光學器件制備上的可行性。

2 實 驗

如圖1所示,為利用激光灰度改性技術制備三維結構的示意圖,通過飛秒激光灰度改性技術在硅表面形成抗刻蝕層。實驗中采用的是波長為400 nm,脈沖寬度為120 fs,重復頻率為80 MHz的飛秒激光。由于硅的熱氧化溫度在700℃以上[13],因此,高重復頻率的激光更有利于硅的氧化。飛秒激光加工過程中熱量的產生來源于熱電子與晶格之間的碰撞,那么通過調節激光能量和掃描間距等激光加工參數可以調控激光脈沖與硅原子相互作用過程中熱量產生的多少,從而調控硅的氧化程度。因此,利用激光改性可以實現不同氧化程度氧化層圖形的形成。然后,利用形成的氧化層作為灰度模板,利用ICP刻蝕實現三維圖形的制備。刻蝕氣體為SF6,氣體流量為80 sccm。刻蝕過程中的上電極射頻功率為700 W,下電極射頻功率為300 W。我們利用掃描電子顯微鏡表征了制備的三維結構的表面形貌。利用能量散射X射線譜(EDX)表征了激光加工后硅表面元素的變化。利用共聚焦激光顯微鏡對結構的三維形貌及截面輪廓進行了測試。

圖1 刻蝕輔助激光灰度改性加工技術的加工示意圖

3 結果與分析

3.1 激光加工參數對結構高度的影響

飛秒激光能夠引起材料復雜的物理化學變化,包括誘導產生微納米結構、材料相變、氧化還原反應、摻雜等[14-18]。對于硅來說,在飛秒激光改性過程中,會在改性區域的表面產生微納米復合結構,如圖2(a)所示,且結構的形貌依賴于激光加工的參數。通過對改性后的結構表面進行EDS能譜測試,可以探測到氧元素的產生,如圖2(b)所示,證實了氧化層的形成。已有研究表明,在氟基氣體刻蝕條件下,二氧化硅與硅的刻蝕速率比大約為1∶10[19-20],因此,硅的氧化層可以作為抗刻蝕層實現掩膜,刻蝕后實現掩膜圖形向三維結構的轉變。

圖2 飛秒激光對硅表面的改性

圖3所示為圖2(a)所示結構刻蝕后形成的臺階結構。結構邊緣的傾斜結構是由于刻蝕過程中嚴重的橫向刻蝕造成的。在半導體工藝中,通常利用Bosch工藝來抑制嚴重的橫向刻蝕,實現高深寬比結構的制備。因此,在刻蝕過程中利用Bosch工藝能夠解決圖3中橫向刻蝕造成的結構邊緣垂直度問題。

圖3 刻蝕后形成的臺階結構

圖4所示為激光加工參數對刻蝕后結構高度的影響。在掃描間距(100 nm)和刻蝕時間(5 min)固定的情況下,隨著激光功率的增加,結構的高度會隨之增加,如圖4(a)所示。這是因為隨著激光功率的增加,硅的氧化程度隨之增加。而硅的氧化程度直接影響到刻蝕速率的變化,即硅表面氧含量越多,抗刻蝕能力越強,因此刻蝕后結構的高度越大。除了激光功率之外,激光的掃描間距也能夠調節刻蝕后結構的高度。

圖4 激光加工參數對結構高度的影響

如圖4(b)所示,在激光功率(150 μW)和刻蝕時間(5 min)固定的情況下,隨著掃描間距的增加,刻蝕后結構的高度不斷減小。由于掃描間距的增加,使得作用到硅原子上的平均能量密度降低,因此硅的氧化程度也會隨之降低,從而造成刻蝕后結構的高度隨之減小。通過以上研究可以發現,刻蝕后結構的高度依賴于激光加工的參數,包括激光功率和掃描間距。那么通過設計改變空間局部區域的加工參數,可以實現不同抗刻蝕能力改性層的形成,從而實現復雜結構的制備。

3.2 特殊截面三維結構的制備

首先,通過調節激光改性過程中不同位置的激光功率,實現了臺階結構的制備,如圖5所示。通過程序設計,控制掃描過程中不同位置的功率,我們制備了高度周期性排列的臺階陣列結構,如圖5(a)所示,臺階高低處加工時所用的加工功率分別為250 μW和50 μW。另外,通過預先的可編程設計,利用同樣的方式,實現了平臺上字母結構“SILICON”的制備,如圖5(b)所示。

圖5 臺階型結構的制備

除了調控激光功率之外,結構的高度還可以通過調節掃描間距來改變。而且這種調控不需要借助額外的硬件支持,僅通過調控加工時的結構模型數據即可實現。圖6所示為調控掃描間距制備的斜面結構。其中,圖6(a)為通過周期性改變掃描間距,制備的截面為三角錐形的陣列結構。圖6(c)為相應虛線區域的截面形貌,基本符合三角錐的輪廓。圖6(b)所示為制備的三維“風扇”結構,每個扇葉都是一個斜面。圖6(d)為其中一個扇葉的截面形貌,證實了其符合斜面的設計。以上結果表明,利用刻蝕輔助激光灰度改性技術,不僅可以實現二元臺階結構的制備,而且可以通過預先設計實現更為復雜的斜面結構的制備。

3.3 微光學元件的制備

為了驗證這一技術在加工復雜面型三維微納結構時的能力,我們在硅片上設計并制備了單個凹透鏡結構。首先,利用激光改性技術在硅表面制備出圓形的氧化層,如圖7(a)所示,掃描間距從圓心往外不斷減小,而氧含量沿著半徑方向由圓心向外不斷增加,使得圓形結構的外圍的抗刻蝕能力強,而中心區域抗刻蝕能力相對較弱。隨后,在經過刻蝕后,形成了圖7(b)所示的凹透鏡結構。圖7(c)為結構的傾斜的掃描電子顯微鏡照片。我們利用共聚焦激光顯微鏡對凹透鏡的三維形貌以及橫截面輪廓進行了表征,結果如圖7(d)所示。說明制備的凹透鏡具有較好的表面形貌,透鏡的高度大約為2 μm,開口直徑大約為30 μm。

圖6 基于斜面的復雜結構的制備

圖7 硅基凹透鏡的設計與制備

硅基變焦距微透鏡陣列在紅外成像與探測方面具有重要的應用價值。然而受加工技術的限制,目前還沒有有效的方法能夠制備出硅基變焦距微透鏡陣列。我們利用刻蝕輔助激光灰度改性技術實現了硅基變焦距微透鏡陣列的可控制備。制備過程中同時利用了激光灰度改性制備的氧化層的可控抗刻蝕性以及刻蝕過程中的橫向刻蝕效應。圖8(a)所示為利用激光灰度改性技術制備的抗刻蝕氧化層結構,其中的圓形空白區域為透鏡的擴展中心,利用橫向刻蝕效應,可逐步擴展為凹透鏡結構。整個陣列的中心區域的抗刻蝕層具有更強的抗刻蝕能力,因此,結構的高度更大,而四周區域氧化層的抗刻蝕能力相對較弱,因而透鏡的高度相對較低,在開口直徑相同的情況下,透鏡的焦距可通過高度來調控。圖8(b)為刻蝕后形成的變焦距凹透鏡陣列的掃描電子顯微鏡圖。透鏡排列均勻,而且凹透鏡內表面較為光滑。圖8(c)的橫截面圖驗證了凹透鏡陣列中子透鏡的高度符合設計。

圖8 硅基變焦距凹透鏡陣列的設計與制備

4 結 論

本文提出了一種刻蝕輔助飛秒激光灰度改性加工技術制備硅基三維微納結構。利用飛秒激光可在硅表面形成具有抗刻蝕能力的氧化層。而且氧化層的抗刻蝕能力可通過激光功率和掃描間距等加工參數調控。通過對抗刻蝕能力氧化層的圖形化設計,可實現以臺階狀、斜面以及曲面為基本形貌的復雜三維微納米結構的制備。最后利用激光灰度改性技術以及刻蝕過程中的橫向刻蝕效應實現了硅基變焦距凹透鏡陣列的制備。該技術在復雜面型三維微納器件的制備中具有重要的應用前景。