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随着航空、航天、军工、X射线光谱学、天体物理学等领域的快速发展,亚微米周期金属自支撑透射光栅变得越来越重要。纳米压印技术是一种高效率、低成本、快速的纳米图案转移技术,它已经成功获得了5 nm以下的纳米图案,在亚波长微器件的制作方面具有广阔的应用前景。本论文采用纳米压印技术并结合反应离子刻蚀、微电镀、紫外光刻、湿法腐蚀、等离子刻蚀等工艺成功制备了面积为5 mm×8 mm,占空比1:1,周期200 nm的金属(金)自支撑透射光栅。
首先采用纳米压印技术成功实现了对具有200 nm周期,占空比1:1,光栅高度100 nm的光栅结构的纳米压印石英模板的纳米图案的转移。在实验开始之际需要在硅片表面电子束蒸镀5 nm Cr和20 nm Au作为后续微电镀工艺的电极层。为了获得具有较大的高宽比的光栅结构,本论文采用了能够制备较高的光栅线条的纳米压印双层膜工艺体系。其中双层膜中的下层为250 nm厚的纳米压印图形的传递层(PMMA),上层为150 nm厚的紫外光固化纳米压印胶(UV-resist),作为模板图形的转移层。将两膜层依次均匀旋涂在硅片上后,用石英模板压紧放入纳米压印设备中,施加5-10个大气压压力使模板充分地均匀地压在膜层上,再用紫外光进行曝光待紫外光固化纳米压印胶完全固化后取出,移去模板后,在紫外光固化纳米压印胶层上得到了石英模板上的200 nm周期,占空比1:1,光栅高度100 nm的光栅图案。
再次成功制备了200 nm周期,占空比1:1,约300 nm厚的金属光栅。利用纳米压印前后膜层体积不变计算出上层的紫外光固化纳米压印胶的残留层厚度,用CHF3和O2对上层胶进行反应离子刻蚀,刻蚀掉上层残留层后,再用O2对下层的PMMA进行反应离子刻蚀,利用上下两胶层对O2反应离子刻蚀的刻蚀选择比不同(上层胶刻蚀速率慢,下层胶刻蚀速率快),以上层胶为下层胶作掩模刻蚀至露出电极层,从而得到约350 nm厚的高分子光栅结构。然后搭建了亚硫酸金盐脉冲镀金的实验装置,研究了镀金液的配方和工艺参数,并利用亚硫酸金盐脉冲镀金在高分子光栅图案线条间的空白处得到金线条。镀金层达到约300 nm高度后,取出并清洗,然后除去高分子层,得到金属光栅。
然后利用具有4μm周期网格支撑结构图案的光刻掩膜版对金属光栅进行接触式的正性光刻,得到在金属光栅上用于电镀支撑结构的光刻胶图案。接着同样用亚硫酸金盐脉冲镀金的实验装置、镀液配方和工艺参数在光刻胶图案空白处沉积约1.5μm厚的金层,获得了硅片上的金属支撑结构.再用石蜡保护硅片背面不需腐蚀掉的硅基片,采用HF:HNO3为97:3的混合溶液在硅片背面中央位置腐蚀出5 mm×8 mm面积的光通窗口。最后用氩气等离子体刻蚀掉5nm Cr和20nm Au的电极层,从而最终获得了面积为5 mm×8mm,占空比1:1,光栅高度300 nm、周期200 nm(5000线/毫米)的金属自支撑透射光栅。纳米压印技术为金属自支撑透射光栅的制备提供了一个高效率、低成本、快速的方法。