微透鏡陣列的離子束濺射刻蝕研究

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1、第5卷第5期光學(xué)精密工程Vol.5,No.51997年10月OPTICSANDPRECISIONENGINEERINGOctober,1997微透鏡陣列的離子束濺射刻蝕研究張新宇易新建趙興榮麥志洪何苗(華中理工大學(xué)光電子工程系,武漢430074)劉魯勤(航天部二院25所,北京100584)摘要利用掃描電子顯微鏡(SEM)和表面探針測試,分析了采用離子束濺射刻蝕技術(shù)制作的石英微透鏡陣列器件的表面微觀形貌,討論了引起微透鏡表面缺陷的原因及所采取的改善表面形貌的措施,研究了采用不同層次的光致抗蝕劑微透鏡圖形的固化技術(shù)后,經(jīng)離子束濺射刻蝕制作出的微透鏡陣列器件的

2、表面形貌差異,定性給出了表面探針測試的適用范圍,此外還介紹了對所制樣品所做的幾項(xiàng)主要的處理操作。關(guān)鍵詞:離子束刻蝕;石英微透鏡陣列;微觀形貌分析1概述離子束濺射刻蝕是近年來發(fā)展較快的一種離子束剝離技術(shù)。該技術(shù)主要利用了攜帶能量的離子轟擊靶材料所產(chǎn)生的物理濺射刻蝕效應(yīng),具有刻蝕分辨率及刻蝕速率高、無側(cè)向鉆蝕、圖形邊緣清晰、工藝參數(shù)可控、費(fèi)用低廉、可刻蝕的材料種類繁多、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。目前該技術(shù)已成功地應(yīng)用于微電子器件、微光學(xué)器件和微光電子器件的研制和生產(chǎn)過程中。與此同時(shí),人們對離子束的產(chǎn)生及引出技術(shù)、掩蔽技術(shù)、光刻圖形的形貌處理技術(shù)及濺射刻蝕機(jī)理等[1～

3、6]也進(jìn)行了較為深入的研究。可以預(yù)見,此項(xiàng)技術(shù)將會(huì)廣泛地應(yīng)用于光刻模板的修理,多層立體電路的剖面觀察,集成光電子器件及與之配套的集成微光學(xué)元件的精細(xì)加工等領(lǐng)域。特別是由于它具有刻蝕圖形的極限分辨率可達(dá)納米量級這一特點(diǎn),因此較適合于微米、亞微米級的集成電路器件、集成微光學(xué)元件和集成光電子器件的刻蝕制作。對于與集成光電子器件匹配的集成微光學(xué)元件來說,除了微細(xì)度的要求更高外,還有側(cè)壁垂直度、腐蝕面的光滑平整性、鏡面腐蝕、傾角腐蝕、多樣化的選擇腐蝕、無損傷的表面腐蝕等項(xiàng)要求。研究表明,采用離子束濺射刻蝕技術(shù)可以制作出能較好地滿足上述各項(xiàng)要求的集成微收稿日期:19

4、97年3月24日64光學(xué)精密工程5卷[7～10]光學(xué)元件。本文主要介紹了利用離子束濺射刻蝕的方法進(jìn)行長方狀拱形石英微透鏡陣列制作的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所制出的集成微光學(xué)元件達(dá)到了預(yù)定的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的要求。2實(shí)驗(yàn)制作石英微透鏡陣列的基本工藝過程如下:基片材料的準(zhǔn)備(選材、研磨及拋光)→清洗→烘焙→涂布光刻膠(多重)→再烘焙→光致抗蝕劑微透鏡圖形的熔融成形→固化→裝入高真空工作室→離子束轟擊→取出樣品→去殘留光刻膠等?；牧蠝?zhǔn)備的好壞(先材、研磨及拋光)對所制的光致抗蝕劑掩模圖形所須滿足的整齊、均勻、完整和清潔等項(xiàng)要求有很大影響。清洗過程是否充分直接關(guān)系到

5、所涂布的光刻膠膜的質(zhì)量的高低,如光刻膠膜的致密度、有效使用面積、厚度、與基片材料結(jié)合的牢固程度和表面微觀形貌等。在涂布光刻膠的過程中,石英基片應(yīng)經(jīng)預(yù)烘焙,每次涂膠后的再烘焙及最后的快速加熱烘干等項(xiàng)基本操作。每次涂膠后的烘焙溫度應(yīng)適當(dāng),所用的時(shí)間應(yīng)合理把握,以避免可能產(chǎn)生的光刻膠膜開裂或未凝固從而降低其表面吸附力等現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),最后的烘干溫度一般不應(yīng)超過200℃。實(shí)驗(yàn)中所使用的為國產(chǎn)BP212紫外正型光刻膠。通過加熱使長方體狀的光致抗蝕劑掩模圖形轉(zhuǎn)變成長方狀拱形光致抗蝕劑微透鏡圖形的溫度不應(yīng)過高或過低,否則會(huì)導(dǎo)致熱處理過程結(jié)束后,長方狀拱形圖形未形成或長

6、方狀拱形的冠高未達(dá)到預(yù)定指標(biāo)等現(xiàn)象。對光致抗蝕劑微透鏡圖形的固化處理分為弱固化、一般固化和強(qiáng)固化等三個(gè)層次。不管采用何種程度的固化方式,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),光致抗蝕劑微透鏡圖形的冠高在實(shí)驗(yàn)中均無明顯變化。離子束濺射刻蝕在國產(chǎn)LD-3型離子束鍍膜刻蝕機(jī)上進(jìn)行,選用與石英材料有較好匹配特性的電離后的氬作刻蝕離子,采用考夫曼型U10cm寬束離子源,束流40～70mA,束能在-4500～1000eV范圍內(nèi)可調(diào)。高真空工作室的本底真空度為10Pa量級,在刻蝕過程中高真空-2工作室的真空度始終保持在10Pa量級。離子束經(jīng)中和器燈絲發(fā)射的熱電子中和,這樣處理后,在強(qiáng)固化的條件下

7、,可以避免離子束轟擊靶面時(shí),在靶面上可能產(chǎn)生的電荷積累效應(yīng)所帶來的對靶面上的光致抗蝕劑微透鏡圖形的表面形貌的破壞。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),離子束對靶面的熱效應(yīng)使靶面始終處在較高的溫度狀態(tài)(約高于120℃)。離子束濺射刻蝕完成后,將樣品從高真空工作室中取出作后處理。其具體的過程如下:熱濃硫酸浸泡后作超聲處理以去掉殘留的光刻膠,經(jīng)蒸餾水沖洗后再用丙酮浸泡,最后用酒精脫水,熱風(fēng)吹干。上述過程完成后,即可制成具有良好的光學(xué)質(zhì)量、均勻性和完整性的石英微透鏡陣列器件。3石英微透鏡陣列的表面形貌分析表面形貌分析是對所制石英微透鏡陣列器件作微觀測試的主要內(nèi)容之一,用以鑒定所制石英微透

8、鏡陣列器件的表面質(zhì)量,如表面粗糙度等,直觀地觀察到不平整區(qū)域的范圍、尺度及5期張