一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法與流程
本發明涉及曲面襯底納米微結構制備的領域，特別涉及一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法。
背景技術：
菲涅爾透鏡、衍射光柵和全息光柵等衍射光學元件主要是利用器件表面衍射微結構對光波位相、振幅、偏振等進行調制，實現光束勻滑、聚焦、準直、分束與合束等特殊功能。與傳統光學元件相比，衍射光學系統具有集成度高、功能多、體積小、重量輕等特點。受限于加工能力，目前衍射光學元件大多采用平面襯底，而曲面襯底衍射光學元件多以加工精度要求不高的紅外波段為主。光學波段曲面衍射元件需要在非旋轉對稱的任意曲面襯底上，加工特征尺寸微米量級的衍射微納結構，且整個曲面微結構深度的加工精度需控制在幾十納米以內，車削形式的金剛石車床等傳統微結構加工方法難以滿足上述加工需求。
目前，在曲面襯底上加工光學波段衍射微結構，首先需要利用光束直寫方法，在曲面襯底的感光膠層上加工高精度微結構圖形。然后，再利用反應離子刻蝕(rie)的方法將膠層微結構圖形刻蝕傳遞到石英、硅等光學材料襯底上。傳統rie設備中放置樣品的樣品臺(即下電極)均為平板形式，難以刻蝕傳遞曲面襯底上的微結構圖形。其原因在于曲面面形下微結構距平板電極的高度不同，進而導致電場強度不同，刻蝕速率不同，難以實現整個曲面上衍射微結構的納米量級高精度均勻刻蝕。因而，如何實現任意曲面上微結構的高精度均勻刻蝕傳遞，成為曲面衍射光學元件加工亟待解決的關鍵技術問題之一。
鑒于此，本發明提出了一種曲面反應離子刻蝕工藝，能夠在任意曲面上刻蝕加工深度均勻的微結構。
技術實現要素：
本發明是針對石英、硅材料的曲面襯底微納結構圖形制備過程中刻蝕深度均勻性差的問題，提出了一種曲面襯底刻蝕方法，能夠制備出刻蝕深度均勻性好的曲面微納結構圖形。本發明需要解決的技術問題是：石英、硅等材料的曲面襯底微納結構圖形刻蝕不均問題，能夠適用于不同面形、不同厚度曲面襯底刻蝕，同時保證刻蝕均勻性重復性好。
本發明的技術方案為：一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法，該方法包括以下步驟：
步驟(1)、在曲面襯底上沉積合適厚度的導電薄膜；
步驟(2)、在曲面襯底上的導電薄膜上制備一層光刻膠，通過直寫或光刻的方法，在曲面襯底上的導電薄膜上形成預定的光刻膠微結構圖形；
步驟(3)、通過濕法刻蝕方法，將光刻膠圖形刻蝕傳遞到曲面襯底上的導電薄膜上，形成與光刻膠層一致的導電薄膜微結構圖形，作為后續刻蝕傳遞的金屬掩模；
步驟(4)、將曲面襯底放置于反應離子刻蝕機的樣品臺上，利用金屬外殼和導電膠帶，將曲面襯底四周的導電薄膜層與樣品臺下電極聯接；
步驟(5)、調節合適的刻蝕氣體組分、氣體流量、電壓刻蝕工藝參數，進行反應離子刻蝕，將導電薄膜圖形結構刻蝕傳遞到曲面襯底上；
步驟(6)、通過控制刻蝕時間來精確調控刻蝕深度，待刻蝕到預定深度后，利用丙酮去除殘余光刻膠層，利用金屬腐蝕液去除導電薄膜掩模層，完成曲面襯底微納結構的制備。
進一步地，步驟(1)中的曲面襯底為石英、硅可rie刻蝕的材料，面形可以為凹面、凸面或非對稱復雜曲面。
進一步地，步驟(1)中的沉積的方法可以為真空熱蒸鍍、磁控濺射沉積等方法，合適厚度可以為5-500納米。
進一步地，步驟(1)中的導電薄膜可以為cr、ag、au、al、cu、ni金屬導電薄膜或ito、azo非金屬導電薄膜。
進一步地，步驟(2)中制備一層光刻膠的方法可以為涂覆、甩膠、噴膠或提拉方法，光刻膠可以為光敏光刻膠或電子束光刻膠。
進一步地，步驟(2)中光刻膠掩模圖形可應設計網狀、環形狀或者散射狀等徑向聯通微結構，確保步驟(3)中整個曲面上金屬掩模任意點均處于良好的電導通狀態。
進一步地，步驟(3)中導電薄膜圖形微納結構作為下電極，使導電薄膜圖形微納結構各區域的電位一致，也使曲面襯底上各區域的電位基本保持一致，改善電場分布均勻性。
進一步地，步驟(4)中金屬外殼材料為導電的鋁、銅良導體金屬，金屬外殼與曲面襯底、樣品臺應保持良好電導通，同時確保金屬外殼與室體四周的距離10mm以上，保持非接觸狀態。
進一步地，步驟(6)中通過時間控制刻蝕深度主要是選用同等材質的平面襯底，然后通過多次工藝試驗，測算出襯底材料的刻蝕速率；去除導電薄膜層時，應根據導電薄膜的材質選擇腐蝕液，利用濕法腐蝕選擇性去除即可。
本發明原理在于：一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法。首先在曲面襯底上沉積合適厚度的導電薄膜。其次在曲面襯底上的導電薄膜上制備一層光刻膠，再通過直寫或光刻的方法，在曲面襯底上的導電薄膜上形成預定的光刻膠微納結構圖形。通過濕法刻蝕方法，將光刻膠圖形刻蝕傳遞到曲面襯底上的導電薄膜上，形成與光刻膠層一致的導電薄膜微納結構圖形，作為后續刻蝕傳遞的金屬掩模。最后將曲面襯底放置于反應離子刻蝕機的樣品臺上，利用金屬外殼和導電膠帶，將曲面襯底四周的導電薄膜層與樣品臺下電極聯接。通過調節合適的刻蝕氣體組分、氣體流量、電壓、時間等刻蝕工藝參數，進行反應離子刻蝕，將導電薄膜圖形結構刻蝕傳遞到曲面襯底上后利用丙酮去除殘余光刻膠層，利用金屬腐蝕液去除導電薄膜掩模層，完成曲面襯底微納結構的制備。
本發明與現有技術相比的優點在于：
(1)本發明采用真空熱蒸鍍、磁控濺射沉積等方法，在石英、硅等材料的曲面襯底表面制備一層導電薄膜，之后經過涂膠、光刻、直寫、濕法刻蝕或干法刻蝕等工序制備出與微結構圖形一致的圖形化導電薄膜，然后利用金屬外殼和導電膠帶，將曲面襯底四周的導電膜層與樣品臺下電極聯接，確保良好導電接觸，形成等電位體，然后進行反應離子刻蝕。該方法能夠確保曲面襯底上刻蝕區的電位一致，使得整個曲面襯底裸露出來的區域被均勻刻蝕下去，金屬導電薄膜遮蔽的區域被保護起來。本發明中圖形化的金屬薄膜即是掩模，同時又是電極，解決了石英、硅等介質材料曲面襯底上微納結構圖形的刻蝕傳遞不均勻難題，使一些復雜任意曲面功能結構器件的制備成為可能。
(2)本發明將光刻膠圖形刻蝕傳遞到曲面襯底上的導電薄膜上，形成與光刻膠層一致的導電薄膜微結構圖形，作為后續刻蝕傳遞的金屬掩模。曲面襯底上沉積的導電薄膜可以選用cr、ag、au、al、cu、ni金屬導電薄膜或ito、azo非金屬導電薄膜。傳遞掩模圖形是將曲面襯底放置于反應離子刻蝕機的樣品臺上，利用金屬外殼和導電膠帶，將曲面襯底四周的導電薄膜層與樣品臺下電極聯接。其中金屬外殼材料為導電的鋁、銅等良導體金屬，金屬外殼與曲面襯底、樣品臺應保持良好電導通，同時確保金屬外殼與室體四周的距離10mm以上，保持非接觸狀態，讓任意曲面上的微結構高精度度均勻刻蝕傳遞。
(3)本發明光刻膠掩模圖形設計成網狀、環形狀或者散射狀等徑向聯通微結構，確保使用濕法刻蝕方法形成的金屬掩模在整個曲面上任意點均處于良好的電導通狀態。讓曲面上的微納結構圖形能夠在制作過程中均勻刻蝕傳遞在襯底上。
(4)本發明沉積的導電薄膜，把厚度控制在5-500納米。沉積的薄膜經過光刻或直寫的方法制作出的金屬掩模能夠更好的使微納結構圖形傳遞在凹面、凸面或非對稱復雜曲面。并能夠保證微納結構深度的加工精度控制在幾十納米內，并且擁有良好的均勻性。
附圖說明
圖1是曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法的流程示意圖；
圖2是刻蝕襯底放置俯視圖；
圖3是金屬掩模圖；
圖4是刻蝕襯底放置剖視圖；
圖5是三次刻蝕均勻性圖。
圖中附圖標記含義：
1、沉積導電薄膜；
2、旋涂光刻膠；
3、曝光；
4、顯影；
5、去除曝光區導電薄膜；
6、去除光刻膠；
7、刻蝕曝光區圖形；
8、去除全部剩余導電薄膜；
9、石英；
10、第一次刻蝕；
11、第三次刻蝕；
12、第二次刻蝕；
13、下電極；
14、銅箔；
15、導電薄膜；
16、上電極；
具體實施方式
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的描述。
實施例一：
一種石英材料的曲面襯底上微納結構圖形高精度反應離子刻蝕傳遞方法，具體步驟如下：
步驟(1)、使用磁控濺射在凹形石英材料的曲面襯底上，沉積100納米厚的cr薄膜；步驟(1)中的導電薄膜15為cr薄膜；
步驟(2)、在鍍了cr薄膜的石英材料的曲面襯底上用涂膠設備制備一層光刻膠，然后通過光刻的方法，在曲面襯底上的cr薄膜上制備出預定的光刻膠微結構圖形---帶放射狀連接線的同心圓環陣列；
步驟(3)、通過使用去鉻液濕法刻蝕的方法，將光刻膠圖形刻蝕傳遞到在曲面襯底上的cr導電膜上，形成與光刻膠層一致的cr薄膜微結構圖形，作為后續刻蝕傳遞的金屬掩模；
步驟(4)、將曲面襯底放置于反應離子刻蝕機的樣品臺上，利用金屬外殼和導電膠帶，將曲面襯底四周的導電cr薄膜層與樣品臺下電極13聯接；
步驟(5)、調節合適刻蝕氣體組分、氣體流量、電壓等刻蝕工藝參數，進行反應離子刻蝕，將導電cr薄膜圖形結構刻蝕傳遞到石英材料的曲面襯底上；
步驟(6)、通過控制刻蝕時間來精確調控刻蝕深度，待到刻蝕到預定深度后，利用丙酮去除殘余光刻膠層，利用去鉻液去除導電cr薄膜掩模層，完成曲面襯底微納結構的制備。
其中，圖1是該實施例的加工流程圖，圖2是刻蝕襯底放置俯視圖；圖3是金屬掩模圖；圖4是刻蝕襯底放置剖視圖；圖5是三次刻蝕均勻性圖；
實施例二：
一種硅材料的曲面襯底上微納結構圖形高精度反應離子刻蝕傳遞方法，凸型的硅曲面襯底上使用電子束蒸發au膜，具體步驟如下：
步驟(1)、使用電子束在凸型硅材料的曲面襯底上，沉積5納米厚的au膜；
步驟(2)、在鍍了au膜的硅曲面襯底上用涂膠設備制備一層光刻膠，然后通過激光直寫方法，在凸型硅材料的曲面襯底上的導電au薄膜上制備出預定的光刻膠微結構圖形，比如周期50微米的網狀結構；
步驟(3)、通過離子束刻蝕的方法，將光刻膠圖形刻蝕傳遞到在硅曲面襯底上的au導電薄膜上，形成與光刻膠層一致的au導電薄膜微結構圖形，作為后續刻蝕傳遞的金屬掩模；
步驟(4)、將硅曲面襯底放置于反應離子刻蝕機的樣品臺上，利用金屬外殼和導電膠帶，將曲面襯底四周的導電au薄膜層與樣品臺下電極13聯接；
步驟(5)、調節合適刻蝕氣體組分、氣體流量、電壓等刻蝕工藝參數，進行反應離子刻蝕，將導電au薄膜圖形結構刻蝕傳遞到硅曲面襯底上；
步驟(6)、通過控制刻蝕時間來精確調控刻蝕深度，待到刻蝕到預定深度后，利用丙酮去除殘余光刻膠層，利用去金腐蝕液去除導電au薄膜掩模層，完成曲面襯底微納結構的制備。
以上內容結合附圖對本發明的具體實施方式作了說明，但這些說明不能理解為限制了本發明的范圍，任何在本發明權利要求基礎上的改動都是本發明的保護范圍。
技術特征：
1.一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
步驟(1)、在曲面襯底上沉積合適厚度的導電薄膜；
步驟(2)、在曲面襯底上的導電薄膜上制備一層光刻膠，通過直寫或光刻的方法，在曲面襯底上的導電薄膜上形成預定的光刻膠微結構圖形；
步驟(3)、通過濕法刻蝕方法，將光刻膠圖形刻蝕傳遞到曲面襯底上的導電薄膜上，形成與光刻膠層一致的導電薄膜微結構圖形，作為后續刻蝕傳遞的金屬掩模；
步驟(4)、將曲面襯底放置于反應離子刻蝕機的樣品臺上，利用金屬外殼和導電膠帶，將曲面襯底四周的導電薄膜層與樣品臺下電極聯接；
步驟(5)、調節合適的刻蝕氣體組分、氣體流量、電壓刻蝕工藝參數，進行反應離子刻蝕，將導電薄膜圖形結構刻蝕傳遞到曲面襯底上；
步驟(6)、通過控制刻蝕時間來精確調控刻蝕深度，待刻蝕到預定深度后，利用丙酮去除殘余光刻膠層，利用金屬腐蝕液去除導電薄膜掩模層，完成曲面襯底微納結構的制備。
2.根據權利要求1所述的一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法，其特征在于，步驟(1)中的曲面襯底為石英、硅可rie刻蝕的材料，面形可以為凹面、凸面或非對稱復雜曲面。
3.根據權利要求1所述的一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法，其特征在于，步驟(1)中的沉積的方法可以為真空熱蒸鍍、磁控濺射沉積等方法，合適厚度可以為5-500納米。
4.根據權利要求1所述的一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法，其特征在于，步驟(1)中的導電薄膜可以為cr、ag、au、al、cu、ni金屬導電薄膜或ito、azo非金屬導電薄膜。
5.根據權利要求1所述的一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法，其特征在于，步驟(2)中制備一層光刻膠的方法可以為涂覆、甩膠、噴膠或提拉方法，光刻膠可以為光敏光刻膠或電子束光刻膠。
6.根據權利要求1所述的一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法，其特征在于，步驟(2)中光刻膠掩模圖形可應設計網狀、環形狀或者散射狀等徑向聯通微結構，確保步驟(3)中整個曲面上金屬掩模任意點均處于良好的電導通狀態。
7.根據權利要求1所述的一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法，其特征在于，步驟(3)中導電薄膜圖形微納結構作為下電極，使導電薄膜圖形微納結構各區域的電位一致，也使曲面襯底上各區域的電位基本保持一致，改善電場分布均勻性。
8.根據權利要求1所述的一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法，其特征在于，步驟(4)中金屬外殼材料為導電的鋁、銅良導體金屬，金屬外殼與曲面襯底、樣品臺應保持良好電導通，同時確保金屬外殼與室體四周的距離10mm以上，保持非接觸狀態。
9.根據權利要求1所述的一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法，其特征在于，步驟(6)中通過時間控制刻蝕深度主要是選用同等材質的平面襯底，然后通過多次工藝試驗，測算出襯底材料的刻蝕速率；去除導電薄膜層時，應根據導電薄膜的材質選擇腐蝕液，利用濕法腐蝕選擇性去除即可。
技術總結
本發明涉及一種曲面襯底上微納結構圖形高精度刻蝕傳遞方法。采用真空熱蒸鍍、磁控濺射沉積等方法，在石英、硅等材料的曲面襯底表面制備一層導電薄膜，之后經過涂膠、光刻、直寫、濕法刻蝕或干法刻蝕等工序制備出與微結構圖形一致的圖形化導電薄膜，然后利用金屬外殼和導電膠帶，將曲面襯底四周的導電膜層與樣品臺下電極聯接，確保良好導電接觸，形成等電位體，然后進行反應離子刻蝕。該方法能夠確保曲面襯底上刻蝕區的電位一致，使得整個曲面襯底裸露出來的區域被均勻刻蝕下去，金屬導電薄膜遮蔽的區域被保護起來。本發明中圖形化的金屬薄膜即是掩模，同時又是電極，解決了石英、硅等介質材料曲面襯底上微納結構圖形的刻蝕傳遞不均勻難題。
