书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：植入物表面的钛纳米级蚀刻
编号：JFKJ-21-1004
作者：炬丰科技
引言
热回流是在光致抗蚀剂中制造微透镜特征的常用技术。这些PR微透镜可以通过蚀刻转移到其他材料上形成凸透镜或者通过模制形成凹透镜在不同的衬底上，如氮化镓、蓝宝石和金刚石。这些微透镜在光电子学和激光光学中有广泛的应用。金刚石微透镜由于其非凡的性能，例如作为稳定激光振荡的激光腔，而备受关注或者作为固体浸没透镜来引导光。尤其是，在半导体圆盘激光器和金刚石拉曼激光器中，需要具有大曲率半径(ROC)的金刚石微透镜，以提供模式匹配或降低镜面涂层损坏的风险。
我们提出了一个在热回流期间光刻定义的光致抗蚀剂(PR)图案的轮廓演变的经验研究，并将该发现应用于金刚石微透镜制造。在光刻胶回流期间，随着温度和光刻胶厚度的增加，在光刻胶图案的边缘形成凸起并向内传播。导出了这种传播的经验关系。此外，发现在一定的回流温度和有限的图案尺寸下，存在用于形成球面透镜轮廓的PR图案的最小初始厚度。
实验
我们采用的PR回流工艺包括三个步骤:通过旋涂在基底上沉积PR，通过光刻定义图案，最后，通过在高于其玻璃化转变温度Tg的加热板上加热3分钟进行PR回流。为了对样品进行图案化，首先使用3000转/分钟的标准旋转速度将正PR旋涂在基底表面上1分钟。然后，样品在90℃的温度下在热板上软烘烤1分钟，接着在掩模对准器下曝光35s，然后在PR显影剂中显影1分钟。最后，用去离子水清洗样品，并用氮气枪吹干。通过改变旋转速度以及沉积的光刻胶层的数量，可以获得不同初始厚度的光刻胶图案。通过重复旋涂工艺，沉积层数为1-3层的光刻胶。在热回流步骤中，PR变成具有固定接触线和变化接触角的液体。典型的观点是PR液滴可以描述为一种理想的液体，其形状由表面能、PR体积和接触线决定。
结果和讨论
将我们对边缘凸起效应的观察与过去在理论基础上理解PR回流产生的轮廓的尝试联系起来。在最简单和最常用的情况下，假设在回流过程中，PR变成理想的液体，形成具有固定接触线的液滴 (或者，在少数情况下，以固定的接触角）。该方法令人满意地描述了回流PR形状，其获得的厚度远高于第之前描述的最小厚度。
为了制造具有大ROC的金刚石微透镜，需要具有大ROC和用于图案转移的低ICP蚀刻选择性的透镜形状的PR结构。之前有证明在一定直径下，存在通过热回流形成球形PR透镜结构所需的最小PR厚度。采用这种最小PR厚度形成的PR透镜结构在一定直径下具有最大ROC，因为它在热回流后给出最小的透镜高度。结合合适的刻蚀方法，我们在高质量的单晶金刚石上实现了大ROC微透镜的制作。因此，报道最大的金刚石微透镜在直径为400 lm时，ROC超过13毫米。
在这项工作中，直径为400 lm的PR微透镜阵列掩模首先在4 4 mm2单晶金刚石薄片上制造。使用多重等离子体刻蚀工具(SPTS)将光刻胶掩模转移到金刚石上。对于直径为400 lm且回流温度为125℃的PR微透镜，最小PR厚度约为17 lm，这超过了使用双PR层沉积可实现的厚度。此外，由于边缘珠效应对小金刚石样品的影响越来越大，增加PR厚度还会导致均匀性和图案保真度显著降低。因此，回流温度被提高到135℃，这允许在金刚石上以高图案保真度形成具有h0-11.5 μm的改进初始厚度的PR微透镜。通过这种方式，在金刚石上得到的PR微透镜具有1.4毫米大的ROC。为了制造金刚石，使用具有较大ROC的微透镜，具有低蚀刻选择性的蚀刻配方，由金刚石蚀刻的比率定义速率除以PR蚀刻速率，是将PR微透镜掩模转移到金刚石所需的速率。
通过原子力显微镜测量，对于33 μm 2的面积，制造的金刚石微透镜的均方根表面粗糙度仅为0.18 nm。该结果与之前报道的粗糙度一致。这种光滑的表面有利于光学应用。为了表征制造的金刚石微透镜的轮廓，使用了德克表面轮廓仪。测量制造的微透镜的高度约为1.6 lm。通过半圆函数拟合，得到14 mm的ROC值，如图7所示。人造钻石的光学图像微透镜也显示在图7中。如插图所示。在轮廓基底上观察到与球形的偏离，这种偏离来自大的ROC PR微透镜和低选择性ICP蚀刻。如果透镜形状是完美的球形，那么ROC将稍微小一些，即13毫米。
具有如此大的ROCs的金刚石微透镜可以用于形成微谐振器，并作为单片金刚石拉曼激光器应用的关键组成部分。具有特殊几何形状的金刚石微透镜制造技术也可以用于量子相关的固体浸入透镜技术。类似地，不同直径的微和不同材料的微透镜可以根据这里概述的原理实现，并可能在成像或显示器中得到应用。此外，基于本研究，除球形凸透镜以外的形状，如微环、串联和非球面微透镜，也可以通过精确控制PR再流来实现。
总结
本文研究了光刻胶图形回流过程中的边缘凸起效应，并将研究结果应用于开发新型金刚石微透镜。根据初始光刻胶厚度和回流温度，提供了光刻胶边缘凸起演变的经验描述和关系，其基础物理仍有待讨论。重要的是，在特定的图案直径下，我们观察到最小的PR厚度，在该厚度下可以通过热回流形成球形PR透镜结构，并且形成的透镜轮廓具有最大的ROC。这个最小厚度可以通过使用公式来预测。本方法利用热回流来实现光刻胶图形的可控制作。此外，通过将光致抗蚀剂图案的可控制造与经由等离子体蚀刻的光致抗蚀剂图案转移相结合，实现了具有大ROC的金刚石微透镜。特别地，通过氩/氯等离子体蚀刻的图案转移利用了低蚀刻选择性，并实现了亚纳米表面粗糙度。在这项工作中制造了400 lm的三氟化铀，其ROC为图案转移后，PR为1.4毫米，菱形超过13毫米。这种大的ROC透镜还没有明显实现，应用范围很广。
