專利名稱：一種硅基懸空的金屬納米針孔及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬納米針孔的制備方法，特別涉及一種采用體硅濕法腐蝕技術(shù)制作硅基懸空金屬膜和聚焦離子束技術(shù)制作納米尺度的金屬針孔，屬于微納光學(xué)元件制作及微納加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著光刻技術(shù)的發(fā)展，光刻系統(tǒng)中光源的波長也越來越短。已經(jīng)由可見光發(fā)展到了深紫外甚至極紫外。越來越短的波長給光學(xué)系統(tǒng)也提出了更高的要求。例如對于極紫外光刻，為了達到衍射極限性能的分辨率，光學(xué)系統(tǒng)的RMS波像差應(yīng)小于lnm。在這種情況下， 系統(tǒng)中透鏡等光學(xué)元件的檢測就需要極高的精度，用一般的檢測方法難以滿足要求。目前廣泛使用的是點衍射干涉儀。點衍射干涉儀的特點是使用針孔衍射產(chǎn)生的理想球面波作為基準(zhǔn)波面，實現(xiàn)波像差的高精度測量，常被用于光刻投影物鏡光學(xué)元件與系統(tǒng)波像差的高精度測量。由于點衍射干涉儀是通過會聚光束照明針孔產(chǎn)生理想的球面波作為測量基準(zhǔn)波面，針孔就成為干涉儀的關(guān)鍵部件之一。其口徑尺寸、開孔圓度、孔緣及孔面粗糙度、膜層及基板的厚度等因素都將影響衍射產(chǎn)生的球面波的質(zhì)量。針孔加工上的缺陷會使衍射光偏離標(biāo)準(zhǔn)的球面波，進而影響測量的結(jié)果。所以在點衍射干涉儀中，對針孔加工的精度提出了很高的要求。另外在光學(xué)系統(tǒng)中，為了提高光束質(zhì)量，濾波是必不可少的環(huán)節(jié)。濾波使用針孔的尺度和波長相關(guān)。在深紫外、極紫外波段，濾波使用的針孔尺度為幾百甚至幾十納米。針孔的尺寸、形狀、粗糙度等參數(shù)也會對濾波的效果產(chǎn)生很大的影響，其加工的精度直接影響光束質(zhì)量?？梢姡呔鹊尼樋滓呀?jīng)成為現(xiàn)代光刻系統(tǒng)中的一個重要器件。對于可見光，針孔的尺度在微米級，上述要求容易達到；而對于紫外波段，針孔尺度為納米級，加工難度大為增加。常用的電子束光刻工藝加工的針孔在尺寸、圓度及粗糙度方面均達不到要求。對于小面積的單元納米結(jié)構(gòu)圖形來說，聚焦離子束是一種靈活有效、精密度高的微納制作方法， 可在任意材料上直接加工制作納米結(jié)構(gòu)圖形。由于它同時具有顯微觀測和加工的功能，可以更好的實現(xiàn)納米精度的操作，是制作金屬納米針孔最為有效的技術(shù)手段。因此需要針對納米針孔的結(jié)構(gòu)特點和要求，提出適用的高精度加工方法和工藝。另外，由于納米孔的孔徑很小，如果小孔直接穿透金屬膜和基片，不僅加工困難，而且納米孔的設(shè)計功能也無法實現(xiàn)。理想的方案是使用一定的工藝，使納米孔及其周圍小范圍內(nèi)的金屬膜處于懸空狀態(tài)，這樣由納米孔衍射出的球面波就不會受到影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有電子光刻制作金屬結(jié)構(gòu)需要先通過電子束曝光顯影，在光刻膠上形成圖形后，再干法刻蝕或剝離技術(shù)將圖形傳遞到金屬膜層上，該工藝流程繁雜，要獲得需要的納米結(jié)構(gòu)精度，技術(shù)難度較高。因此針對現(xiàn)有納米針孔加工的高精度、小口徑、開孔圓度、孔深度等要求，提出一種利用體硅濕法腐蝕技術(shù)獲得硅基懸空的金屬膜，并采用聚焦離子束技術(shù)在金屬膜上直接制備對位標(biāo)識和納米針孔的方法。該方法具有工藝簡單，可實現(xiàn)納米精度加工的優(yōu)點。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，該方法包括以下步驟步驟(1)選取雙面拋光的硅片作為基底；步驟( 采用磁控濺射或真空離子鍍技術(shù)，在硅片的上表面沉積厚度為100 300nm的金屬膜；步驟C3)采用化學(xué)氣相沉積或磁控濺射技術(shù)在金屬膜層上和硅片的下表面分別沉積厚度為100 200nm的氮化硅膜；步驟(4)在硅片沉積有金屬膜和氮化硅膜的表面涂覆光刻膠，經(jīng)過前烘、光刻、顯影工藝，獲得粗定位標(biāo)識光刻膠圖形；步驟(5)以光刻膠為掩蔽層，采用干法刻蝕技術(shù)刻蝕氮化硅層；步驟(6)以氮化硅為掩蔽層，采用濕法腐蝕技術(shù)腐蝕金屬層；步驟(7)在硅片沉積有氮化硅膜的表面涂覆光刻膠，經(jīng)過前烘、雙面對準(zhǔn)光刻、顯影、干法刻蝕氮化硅工藝，獲得體硅開孔圖形；步驟(8)以氮化硅為掩蔽層，采用各向異性濕法腐蝕技術(shù)，進行體硅濕法腐蝕開孔，腐蝕液是濃度為20% 40%的氫氧化鉀溶液；步驟(9)利用濕法腐蝕，去除上述步驟(8)完成后的結(jié)構(gòu)中的氮化硅膜層；步驟(10)采用聚焦離子束技術(shù)在體硅的開孔區(qū)的金屬膜上制作精對準(zhǔn)標(biāo)識和納米針孔。所述步驟(1)中的硅片晶向為<100>，厚度為0.25 0.35mm;所述步驟O)中的金屬可以為鉻、金、鋁及其合金膜層材料；所述步驟(4)中的光刻膠厚度為200 600nm ；所述步驟(5)中的干法刻蝕可以為反應(yīng)離子刻蝕、離子束刻蝕、電感耦合離子刻蝕；所述步驟(5)中的刻蝕深度為氮化硅膜層厚度；所述步驟(6)中的濕法腐蝕深度為金屬膜層厚度；所述步驟(7)中的光刻膠厚度為200 600nm，刻蝕深度為氮化硅膜層厚度；所述步驟(7)中的干法刻蝕可以為反應(yīng)離子刻蝕、離子束刻蝕、電感耦合離子刻蝕；所述步驟(8)中的體硅腐蝕深度為硅片厚度；所述步驟(9)中的濕法腐蝕氮化硅深度為氮化硅膜層厚度；所述步驟(10)中的金屬納米針孔口徑為Φ 100 300nm。一種硅基懸空的金屬納米針孔，該金屬納米針孔由上述的方法加工制成。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點本發(fā)明采用體硅濕法腐蝕技術(shù)制作出需要的槽結(jié)構(gòu)，獲得硅基懸空的金屬薄膜， 最大限度的減小了金屬納米針孔的深度，提高了經(jīng)小孔出射的球面波質(zhì)量；利用靈活有效、 精密度高的聚焦離子束在金屬膜上直接加工納米針孔，實現(xiàn)納米精度的操作，工藝簡單，避免了電子光刻和圖形傳遞的繁瑣工藝流程。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖；圖2為本發(fā)明步驟1中的<100>雙面拋光硅片；圖3為本發(fā)明步驟2中在硅片上表面沉積金屬膜完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明步驟3中在金屬膜和硅片下表面沉積氮化硅膜完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明步驟4中經(jīng)過光刻、顯影獲得粗定位標(biāo)識光刻膠圖形后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明步驟5、6中刻蝕氮化硅和金屬膜完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明步驟7中經(jīng)過雙面對準(zhǔn)光刻、顯影、刻蝕氮化硅完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明步驟8中體硅腐蝕完成后獲得體硅開孔結(jié)構(gòu)的示意圖；圖9為本發(fā)明步驟9中采用聚焦離子束制作精對準(zhǔn)標(biāo)識和納米針孔，并去除氮化硅膜后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明一種硅基懸空的金屬納米針孔的示意圖；圖面說明如下1為<100>雙面拋光硅片；2為金屬膜層；3為氮化硅膜層；4為粗定位標(biāo)識；5為體硅腐蝕開孔區(qū)；6為精定位標(biāo)識；7為納米針孔。
具體實施例方式下面將參照附圖詳述本發(fā)明方法，而不是要以此對本發(fā)明進行限制。附圖中給出了示例性實施例，在不同的圖中相同的標(biāo)號表示相同的部分。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實施例本領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以實現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。該圖形的制作流程如圖1所示，具體實現(xiàn)步驟如下(1)基片的選擇及清洗取晶向為<100>的雙面拋光硅片，用丙酮超聲清洗，之后將清洗完的基片置于烘箱160°C烘烤15min，去除基片上的殘留液體。完成后如圖2。(2)金屬Al層的制備采用磁控濺射技術(shù)，在硅片的一面沉積Al膜，膜厚為 200nm。完成后如圖3。(3)保護層氮化硅膜層的制備采用低壓化學(xué)氣相沉積法，在Al膜和硅片的下表面分別沉積氮化硅膜，膜厚均為150nm。完成后如圖4。(4)光刻膠的涂覆采用旋涂法，在步驟(3)完成后的基片上旋涂厚度為560nm的光刻膠，并進行烘烤，熱板溫度100°c，烘烤時間30min。(5)粗定位標(biāo)識光刻膠圖形的制作利用接觸式曝光機和粗定位標(biāo)識掩膜版對光刻膠進行曝光、顯影、堅膜。曝光時間為35s，顯影時間為50s，堅膜溫度為120°C，時間 IOmin0完成后如圖5。(6)刻蝕氮化硅膜和金屬Al膜以光刻膠為掩蔽層，利用反應(yīng)離子刻蝕法，將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移至氮化硅膜層上；再以氮化硅為掩蔽層，利用濕法腐蝕法，將圖形傳遞至金屬Al膜上。完成后如圖6。(7)體硅開孔區(qū)的制作；在只沉積有氮化硅的膜層上旋涂厚度為560nm的光刻膠， 前烘溫度為熱板100°C，30min。利用雙面對準(zhǔn)曝光機，對光刻膠進行曝光、顯影、堅膜。曝光時間為35s，顯影時間為50s，堅膜溫度為120°C，10min。再以光刻膠為掩蔽層，利用反應(yīng)離子刻蝕機刻蝕氮化硅。完成后如圖7。(8)體硅濕法腐蝕開孔以氮化硅為掩蔽層，濕法腐蝕硅，腐蝕溶液為30%的氫氧化(9)精對準(zhǔn)標(biāo)識和納米針孔的制作；將上述步驟(7)完成的樣品置于氫氟酸溶液去除氮化硅膜，去離子水漂洗，置于烘箱100°c，30mino再采用聚焦離子束，在金屬膜上制備精對準(zhǔn)標(biāo)識和口徑為Φ 200的納米針孔。完成后如圖9。圖10所示為上述的方法加工制成一種硅基懸空的金屬納米針孔的示意圖。本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟(1)選取雙面拋光的硅片作為基底；步驟(2)采用磁控濺射或真空離子鍍技術(shù)，在硅片的上表面沉積厚度為100 300nm的金屬膜；步驟C3)采用化學(xué)氣相沉積或磁控濺射技術(shù)在金屬膜層上和硅片的下表面分別沉積厚度為100 200nm的氮化硅膜；步驟(4)在硅片沉積有金屬膜和氮化硅膜的表面涂覆光刻膠，經(jīng)過前烘、光刻、顯影工藝，獲得粗定位標(biāo)識光刻膠圖形；步驟(5)以光刻膠為掩蔽層，采用干法刻蝕技術(shù)刻蝕氮化硅層；步驟(6)以氮化硅為掩蔽層，采用濕法腐蝕技術(shù)腐蝕金屬層；步驟(7)在硅片沉積有氮化硅膜的表面涂覆光刻膠，經(jīng)過前烘、雙面對準(zhǔn)光刻、顯影、干法刻蝕氮化硅工藝，獲得體硅開孔圖形；步驟(8)以氮化硅為掩蔽層，采用各向異性濕法腐蝕技術(shù)，進行體硅濕法腐蝕開孔，腐蝕液是濃度為20% 40%的氫氧化鉀溶液；步驟(9)利用濕法腐蝕，去除上述步驟(8)完成后的結(jié)構(gòu)中的氮化硅膜層；步驟(10)采用聚焦離子束技術(shù)在體硅的開孔區(qū)的金屬膜上制作精對準(zhǔn)標(biāo)識和納米針孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，其特征在于，所述步驟(1)中的硅片晶向為<100>，厚度為0. 25 0. 35mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，其特征在于，所述步驟O)中的金屬可以為鉻、金、鋁及其合金膜層材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，其特征在于，所述步驟中的光刻膠厚度為200 600nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，其特征在于，所述步驟(5)中的干法刻蝕可以為反應(yīng)離子刻蝕、離子束刻蝕、電感耦合離子刻蝕。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，其特征在于，所述步驟(5)中的刻蝕深度為氮化硅膜層厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，其特征在于，所述步驟(6)中的濕法腐蝕深度為金屬膜層厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，其特征在于，所述步驟(7)中的光刻膠厚度為200 600nm，刻蝕深度為氮化硅膜層厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，其特征在于，所述步驟(7)中的干法刻蝕可以為反應(yīng)離子刻蝕、離子束刻蝕、電感耦合離子刻蝕。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，其特征在于，所述步驟(8)中的體硅腐蝕深度為硅片厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，其特征在于，所述步驟(9)中的濕法腐蝕氮化硅深度為氮化硅膜層厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基懸空的金屬納米針孔的加工方法，其特征在于，所述步驟(10)中的金屬納米針孔口徑為Φ100 300ηπι。
13. 一種硅基懸空的金屬納米針孔，其特征在于該金屬納米針孔由權(quán)利要求1至12中任一項所述的方法加工制成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種硅基懸空的金屬納米針孔及其加工方法，該納米針孔制作于硅基懸空的金屬薄膜上。其制作流程包括選取雙面拋光硅片，在硅片的上表面沉積金屬膜，再在硅片的兩個表面分別沉積氮化硅膜。然后在硅片上表面涂光刻膠進行光刻，刻蝕氮化硅層和金屬層，獲得粗定位標(biāo)識圖形。再在硅片下表面涂光刻膠、光刻、刻蝕氮化硅層、濕法腐蝕體硅，獲得硅基懸空的金屬膜。最后采用聚焦離子束在硅基懸空的金屬膜上制備精對準(zhǔn)標(biāo)識和納米針孔。本發(fā)明利用靈活有效、精密度高的聚焦離子束在金屬膜上直接加工納米針孔，實現(xiàn)納米精度的操作，同時實現(xiàn)入射光點與納米孔的精確對位，避免了電子束光刻和圖形傳遞的繁瑣工藝流程，具有工藝簡單，精度高的優(yōu)點。
文檔編號B81C1/00GK102556951SQ20121002709
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月7日
發(fā)明者余翔, 周崇喜, 岳衢, 李國俊, 李飛, 潘麗, 邱傳凱, 饒學(xué)軍 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所