利用以金属为掩模的全息光刻法制备微纳光栅

2019年《中国激光》第12期封面文章|龚春阳,范杰,邹永刚,王海珠,赵鑫,马晓辉,崔超,宋子男. 基于金属掩模的全息光刻微纳光栅制备工艺[J]. 中国激光, 2019, 46(12): 1203001

全息光刻技术是一种无掩模光刻技术，已广泛用于对刻蚀深度要求较低的半导体激光器内置光栅的制作中。

随着半导体激光技术的发展，为保证激光器件的特性，制作在器件表面的微纳光栅需要具有一定的刻蚀深度。但是采用全息光刻工艺刻蚀光栅时，受曝光光栅图形周期的限制，所用的光刻胶厚度往往较薄，在长时间的干法刻蚀过程中导致光刻胶不足以阻挡粒子的轰击，难以实现后期光栅的深刻蚀。

长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室为解决全息光刻无法实现高深宽比光栅的问题，设计了一种以金属Ni作硬掩模的全息光刻微纳光栅制备方法，制备了形貌良好的光栅结构，并测试表征了光栅的刻蚀深度和刻蚀侧壁形貌。

该课题组设计的利用金属Ni作掩模制备光栅的工艺流程如图1所示。首先利用双光束干涉的原理，对样品表面的光刻胶进行曝光形成光栅图形；然后磁控溅射Ni层，并在丙酮溶液中浸泡超声将光刻胶及其上的Ni剥离，在样品表面形成Ni的金属光栅；最后以样品表面的Ni作为光栅刻蚀的掩模层，对样品进行感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀，最终获得光栅样品。

图1 Ni作硬掩模的微纳光栅全息曝光刻蚀工艺流程

他们还开展了三组实验以作对比，即分别以光刻胶、SiO2和Ni为掩模，采用全息光刻和ICP干法刻蚀技术制备三组光栅样品。样品表面掩模图形的SEM测试结果如图2所示，从掩模表面图像可得：以光刻胶为掩模可以形成边缘平直、周期均匀的光栅图形；以SiO2为掩模得到的图形光栅条纹边界毛刺较多，出现了明显的失真现象；而以Ni为掩模的光栅条纹平直清晰，边界对比鲜明，保证了光刻胶原本的形貌。

图2 不同材料掩模的SEM表面图（a）光刻胶；（b）SiO2；（c）Ni

对三组光栅样品进行刻蚀深度测试，如图3（a）所示，采用Ni作掩模可以延长ICP刻蚀光栅的时间，在刻蚀时间为140 s时，光栅的刻蚀深度达到1454 nm，与光刻胶作掩模和SiO2作掩模的样品相比，刻蚀深度提升了约为315.4%和49.9%。

从以Ni作掩模ICP刻蚀光栅的SEM图像来看，如图3(d)所示， ICP刻蚀140 s后的光栅脊条还可以保持侧壁陡直的形貌，光栅脊条的表面较为平坦。此时得到的光栅槽宽约300 nm、刻蚀深度为1454 nm，光栅深宽比约为4.9。这表明以Ni作掩模可保证光栅侧壁的形貌。

图3 三种材料作掩模刻蚀光栅深度与ICP刻蚀时间的关系（a）；不同材料掩模下ICP刻蚀光栅的SEM截面图像（a）光刻胶；（b）SiO2；（c）Ni

基于金属Ni作掩模的方法可实现高深宽比光栅的刻蚀，并保证了光栅的刻蚀形貌，为光栅今后的制备工艺技术建立了一定的基础。
 

延伸阅读：

[1] 缪涛,郑继红,王康妮,刘悠嵘,黄新荣,朱天赟. 基于聚合物分散液晶的二维六角晶格变间距光栅的研制[J]. 中国激光, 2018, 45(8): 0809001.

[2] 李民康,向显嵩,周常河,韦春龙,贾伟,项长铖,鲁云开,朱世曜. 基于超精密激光直写系统制作二维光栅[J]. 光学学报, 2019, 39(9): 0905001.

[3] 卜凡涛,鲁云开,李民康,周常河. 100 mm×100 mm镀金反射光栅的制作与测量[J]. 中国激光, 2018, 45(9): 0904001.

[4] 刘全,吴建宏,郭培亮,陈新华. 高衍射效率凸面闪耀光栅的研制[J]. 中国激光, 2019, 46(3): 0313001.

[5] 钱国林,吴建宏,李朝明,成珏飞. 全息光栅干涉条纹三维锁定系统的设计[J]. 光学学报, 2019, 39(4): 0405001.

[6] 张文涛,杨越越,张玉婷,吴萍,熊显名,杜浩. 基于干涉法的反射式光栅旋转角度检测方法[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(11): 110501.