CN1036868C - 干刻方法及其应用 - Google Patents

Abstract

一种干刻衬底表面的方法，其等离子体是下列气体的混合气体，(I)对衬底材料活性的气体，(II)惰性气体。衬底和活性气体离子间的反应生成物在衬底上的堆积由于惰性气体等离子体的离子而使它有效地去除，因此衬底的刻蚀速度未被降低。碳化硅SiC是本发明的等离子体刻蚀最适宜的对象，因为它难于用常规的干刻方法刻蚀。

Description

干刻方法及其应用

本发明涉及一种干刻蚀方法，及其在制造衍射光栅或其它微结构方面的应用。

由于碳化硅(sic)制造的衍射光栅在相对较高温度下稳定性好，且具有良好的热导率，因此特别适宜于同步加速器轨道辐射(以下称作SoR)和短波长、高能激光，其能量将使光栅变热。

采用如离子束刻蚀的干刻方法在sic衬底上直接刻蚀衍射光栅并非易事，因为遮盖衬底表面的抗蚀层被刻蚀得较sic衬底为快。虽然通常使用活性离子后(治性离子刻蚀)衬底的刻蚀速度有所改善，但sic仍是太硬，甚至在使用对sic活性的气体(如，三氟甲烷)之后，sic衬底的刻蚀速度仍然非常低，阻抗层比sic腐蚀得快，从而难以得到正确的光栅纵剖面。

因此，传统的sic衍射光栅使用软金属(例如金)做表面涂层，光栅采用机械的方法刻出(如图5所示)。在这种情况下，当光栅被非常强的光(如，SoR或高能激光)长时间照射之后，衍射光栅会变形，或者表面涂层会从衬底上脱落，因为两者的热膨胀系数不同。

一种新颖的直接刻蚀sic衬底的方法已被提出，其中，sic衬底使用高输出SoR在气相中刻蚀(Proceedings of 1990 Spring Conference，p500，Society of Applied physics)。然而，该方法只适于采用同步加速器装置，而它在工业领域中尚未广为应用。

本发明提出一种能够刻蚀硬的sic衬底的直接干刻方法，它用常规的干刻装置就可实施。

根据本发明，一种具有源气的等离子体的刻蚀衬底表面的等离子体刻蚀方法，其特征是，

在该方法中，包括下列的混合气体，

(1)对衬底活性的气体，

(2)惰性气体，

被用作源气体。

上述本发明方法的应用之一是，制造衍射光栅。其制造方法包括下例步骤：

a、用阻挡层覆盖衬底板，阻挡层的图形为光栅孔图形；

b、用等离子体刻蚀衬底，源气体是下列混合物：

(1)对衬底板材料活性的气体；

(2)惰性气体。

sic是本发明的等离子体刻蚀法最适合的刻蚀对象，其原因是如上所述，它难以用传统方法受刻，且sic衍射光栅能忍受SoR的强光或高能激光。但本发明的应用并不仅限于sic。采用惰性气体和活性气体的混合物用在以其它传统方法难以刻蚀的物质的干刻上也是有效的。

在等离子体刻蚀工艺中，活性气体被电离，由一电场加速，并辐照到衬底表面。衬底由下列的综合效果而被以较高的速度刻蚀，即，撞击离子的物理刻蚀，活性气体与衬底的化学反应。

在只使用活性气体的常规等离子体刻蚀方法中，衬底和活性气体离子的反应生成物堆积在衬底的表面，从而阻碍进一步的刻蚀。这种反应生成物的堆积使得阻蚀层的刻蚀速度大于衬底的刻蚀速度。

在本发明的等离子体刻蚀方法中，采用了活性气体和惰性气体的混合物，惰性气体离子束有效地消除了反应生成物的堆积。因此衬底的刻蚀速度未被降低，而是保持在与阻蚀层相当，或略高的水平上。因此，对于用常规的等离子体刻蚀法无效的硬衬底来说，采用这种阻蚀掩膜直接进行图形刻蚀是可行的。

图1A-1E示意性表示根据本发明的方法刻蚀一个任意图形衬底的过程。

图2A-2E示意性表示根据本发明的方法制造片状衍射光栅的过程。

图3A-3C示意性表示根据本发明的方法制造锯齿状衍射光栅的过程。

图4A是根据本发明的方法制造的锯齿状衍射光栅的剖面，而图4B是根据已有技术制造的剖面。

图5是已有技术中使用金属表面涂覆的sic衍射光栅的剖视图。

根据本发明的方法和常规的方法干刻sic衬底，然后测量sic衬底和阻蚀层的刻蚀速度之差。在所有方法中，衬底都是在烧结的sic基板上由化学气相沉积(下面称为CVD)sic而成，衬底的一半覆以正性阻蚀剂OFPR-5000(商标名，Tokyo，ohka制造)，然后用等离子体刻蚀处理它。

首先，只用活性气体四氟化碳CF₄(没有惰性气体)的离子束刻蚀sic衬底。sic刻蚀速度为72.1(A°/m)/(MA/cm²)，而阻蚀层的刻蚀速度为261.3(A°/m)/(MA/cm²)。sic和阻蚀层的刻蚀速度之比(以下称该比例为sic的选择率)仅为0.276。

第二，覆了阻蚀剂的衬底仅仅用另一种活性气体CHF₃(没有惰性气体)的离子束刻蚀。sic的刻蚀速度为27.6(A°/m)/(MA/cm²)，而阻蚀层的刻蚀速度为99.0(A°/m)/(MA/cm²)。sic和阻蚀层的刻蚀率均小于CF₄的情形下，sic的选择也仅为0.279。

第三，覆了阻蚀剂的衬底用惰性气体氩Ar进行刻蚀(没有活性气体)。sic的刻蚀速率为94.6(A°/m)/(MA/cm²)，而阻蚀层的刻蚀速度为325.0(A°/m)/(MA/cm²)。sic的选择率仅为0.291。由以上结果可知，在所有这三种方法中，阻蚀层的刻蚀速率远大于sic衬底的。

然后，用混合气体CHF₃和Ar(其比例为：CHF₃∶Ar＝33∶67)的离子束处理sic衬底。在这种情况下，sic的刻蚀速率为164.2(A°/m)/(MA/cm²)，而阻蚀层的刻蚀速度为126.9(A°/m)/(MA/cm²)。sic的选择率大到1.29。也就是说，如果是选用活性气体和惰性气体的组合，sic衬底的刻蚀速度较快。如实验结果所知，本发明的方法使得sic能够进行直接图形刻蚀。

根据本发明的方法，在sic衬底表面刻蚀图形的过程将在下面结合图1A-1E进行描述。sic衬底(CVD-sic)10是通过CVD工艺在烧结的sic基底表面上沉积sic制备的。阻蚀剂(如OFPR-5000)11被置于sic衬底表面，其厚度约为3000A°，如图1A所示。带有阻蚀剂的衬底10放入新鲜空气干燥箱中，在90℃下焙烤30分钟，以使阻蚀剂11固着在sic衬底10上。然后，衬底10被硬掩膜13(带有铬的掩膜层12)覆盖，并用紫外线14照射，如图1B所示。阻蚀剂11上被曝光的部分用特殊的显影液除去，从而阻蚀的图形11b在sic衬底上被形成(图1C)。然后，sic衬底11b被CHF₃和Ar(CHF₃∶Ar＝33∶ 67)的混合气体的离子束照射(图1D)。最后一步是，阻蚀剂图形11b被O₂等离子体灰化掉，得到了理想的刻蚀的sic衬底10(图1E)。在本实施例的条件下，sic的刻蚀深度约为1000A°。

将根据图2A-2E的过程介绍层状sic衍射光栅的制造。sic衬底20是通过CVD工艺在烧结的sic表面沉积sic制取的，sic衬底最好先抛光，并采用旋转涂覆正性阻蚀层21(如，OFPR-5000)。此处，阻蚀剂层21的厚度约为3000A°。带有阻蚀剂的sic衬底被置于新鲜空气烤箱中在90℃下焙烤30分钟；以使阻蚀层21固着于sic衬底20的表面(图2A)。带有阻蚀层21的衬底暴露于具有不同的入射角的两束平面波22之下，进行全息曝光，而平行干涉线条的潜像被形成在阻蚀层21中(图2B)。平面波可以用He-Cd 激光器(波长入＝4416A°)产生。然后，将阻蚀层用特殊的显影液(如，NMD-3)处理，以形成层状阻蚀图形21b，阻蚀层为平行的，线性的，具有以等距间隔正弦波形的剖面(如图2C)。这里，曝光和显影的时间应能使衬底20在阻蚀层曝光的部位被暴露出来，且仍然使掩盖衬底20的阻蚀层21的宽度与已暴露的sic衬底的宽度之比(L与S之比)达到一个预定值。

层状阻蚀层图形也可用其它的方法来获得，例如用普通光刻或电子束光刻法。

用CHF₃和Ar的混合气体(CHF₃∶Ar＝33∶67)的离子束垂直辐照被阻蚀层图形21b掩膜的sic衬底20的表面。sic衬底上暴露的部位被选择性地以高速刻蚀，而阻蚀层21b则以低速被刻蚀(图2D所示)。当sic衬底20的刻蚀达到预定深度时，停止离子束辐照，残余的阻蚀层21b被O₂等离子束灰化。因此，层状衍射光栅被直接形成在sic衬底20上(即，不存在一层表面金属涂层)，如图2E所示，它具有极好的热阻和理想的热导率(冷却效率)。在去除残余的阻蚀层21b的步骤中，sic衬底20丝毫不受O₂等离子束的影响，并且由离子束刻蚀形成的剖面被优选地保持了。

图3A-3C表示锯齿型sic衍射光栅的制造过程。用图2C所示的同样的方式形成的图形化的阻蚀层31b掩盖sic衬底30，然后用混合气体的离子束以倾斜于衬底而垂直于阻蚀层序列的方向辐照(图3A)。sic衬底被倾斜地刻蚀，这是为了获得锯齿状衍射光栅的锯齿形剖面(图3B)。离子束的入射角是由衍射光栅的锯齿角决定的。阻蚀层31b的厚度的确定应能使在sic衬底30的刻蚀深度达到预定值时，阻蚀层31b由于等离子体的辐射而全部去除。当离子束辐照完成后，如图3C所示的锯齿形衍射光栅就在sic衬底上获得。

在以上实施例中，CHF₃和Ar分别被当作活性气体和惰性气体混合使用，但还有许多其它种的活性气体(如，四氟化碳CF₄，用于sic)和惰性气体(如，Ne或Kr)也适用于本方法。在上述实施例中，活性气体和惰性气体的比率约为33比67(约为1∶2)，这对于CHF₃和Ar混合来说是最佳值。但对选择性地刻蚀sic衬底，而不是阻蚀层来说，其它比率也是有效的。根据用CHF₃和Ar混合情形的进一步实验，Ar在混合气体中的含量超过50％可保证sic的选择率大于仅仅用Ar或CHF₃气体进行刻蚀的情形。但是，若Ar的含量超过90％，则会减少选择率。最佳混合率和该比率的有效范围取决于所选取的惰性气体和活性气体两者，以及所用的sic衬底(例如，它是否是烧结的sic自身，或是烧结的sic+cvD-sic衬底，或是烧结的c+cvD-sic衬底)。

以上描述的制造锯齿形衍射光栅(图2A-2C，3A-3C)的方法对于制造普通玻璃衬底的衍射光栅同样有效。在常规方法中，玻璃衬底的离子束刻蚀是使用对于玻璃的主要成分sio₂活性的气体(CF₄或CHF₃)。但是，与上述sic的情形相仿，离子束电极或刻蚀腔室中的反应生成物，例如，碳、金属杂质、或从玻璃衬底上脱离的化合物会聚集在衬底上。这将损害锯齿形衍射光栅的刻蚀剖面，如图4B所示，其中倾斜部分S₂相当窄，不是一个理想的平面。

如上所述的同样工艺(图2A-2C和3A-3C)被用于制造一个玻璃衬底的锯齿形衍射光栅。这里所用的衬底是普通的玻璃(商标名BK-7)，阻蚀剂31是用于普通光刻工艺的正性光刻剂(Microposit 1400)。等离子体气体是CF₄和Ar混合气体，一个较宽的混合比率范围都可以，例如从CF₄∶Ar＝70∶30直至10∶90。

图4A是本发明的方法制造的锯齿形玻璃衬底的衍射光栅的剖面图，使用的混合气体比例为CF₄∶Ar＝30∶70。如同图4A和4B的剖面曲线所示，用本发明的方法制备的衍射光栅具有一个较宽的，并较理想的倾斜平面S₁，从而可获得改进的单色性能。

本发明不仅适用于以上实施例所用的离子束刻蚀，同样适用于一般的等离子体刻蚀。本发明的等离子体刻蚀方法还有另一效果，即，除了能消除衬底上的聚积之外，惰性气体的离子能清除刻蚀腔的内壁表面。

Claims (8)

1.一种用源气体的等离子体进行等离子体刻蚀衬底表面的方法，它包括以下的工艺步骤：

(1)在衬底上形成阻蚀层；

(2)在上述形成有阻蚀层的衬底上覆盖上一种带有掩膜图案层的硬掩膜层，并用紫外线进行照射；

(3)将经过照射的曝光部分用显影液除去，从而在衬底上形成阻蚀图形；

(4)采用下述混合气体作为源气体，以其离子束对上述形成有阻蚀图形的衬底进行照射，

所述气体混合物包括：

i)对衬底物质呈活性的CF₄或CHF₃气，和

ii)氩气，

而且，其混合比分别为

CF₄∶Ar＝70∶30至10∶90，

CHF₃∶Ar＝50∶50至10∶90，

(5)用O₂等离子体将上述阻蚀图形层灰化除去，由此形成刻蚀的衬底。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底物质是碳化硅(SiC)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底物质是玻璃。

4.一种制造衍射光栅的方法，它包括以下的步骤：

(1)在衬底板上涂覆一层具有光栅孔图形的阻蚀层；

(2)以等离子体刻蚀衬底，该等离体采用的源气体是下列混合气，

i)对衬底物质呈活性的CF₄或CHF₃气，和

ii)氩气，

而且，其混合比分别为

CF₄∶Ar＝70∶30至10∶90，

CHF₃∶Ar＝50∶50至10∶90.

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述衬底板的材料是碳化硅。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述衬底的材料是玻璃。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述等离子体以倾斜于衬底板的表面且垂直于光栅条的方向辐照。

8.一种碳化硅(SiC)的衍射光栅，其制造步骤是，

(1)在SiC衬底板上涂覆一种具有光栅孔图形的阻蚀层；

(2)用等离子体刻蚀SiC衬底，该等离子体所用的源气体为下列混合气，

(i)对SiC呈活性的气体，以及

(ii)惰性气体。

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