大面积软X射线自支撑金透射光栅的研制(2)

3.2 电镀掩模线宽控制

文献［14］对矩形槽金透射光栅的衍射效率进行了分析，结果表明金透射光栅的占宽比及槽深将显著影响衍射效率的分布。为了提高光栅的1级衍射效率，需要尽可能将占宽比控制在0.5左右，即让槽和线的宽度尽可能相等。然而，在全息光刻过程中，影响占宽比的因素非常多，如光刻胶的特性、前烘时间及温度、曝光剂量、显影时间，显影液浓度等。除了这些通常的因素之外，光刻胶光栅掩模的占宽比还受到垂直驻波的影响。为了使处于驻波最小处的光刻胶获得足够的曝光量，需要加长曝光时间，但这样做必然会使驻波最大处的光栅线条收缩，结果获得的光刻胶光栅占宽比通常小于0.5。因此，减反膜的使用不仅使光栅槽形得到控制，而且为制作较大占宽比的掩模图形提供了条件。

图3 反应离子刻蚀减反膜后获得电镀掩模Fig.3 Photo－resist mask with protective coating

在光栅的制作过程中，为了更好地将光刻胶光栅图形转移到减反膜中，采用在光刻胶光栅线条顶部镀铬膜，保护光刻胶线条在反应离子刻蚀过程中不被破环。实验中可以通过不同的保护层厚度控制减反膜线条宽度，达到调控电镀掩模占宽比的目的。图3是使用氧气反应离子刻蚀后的结果，光栅掩模线条由上至下依次为铬保护层、光刻胶、减反膜。光刻胶光栅线条线宽为ab，占宽比约为40%，反应刻蚀后的减反膜线条宽度为AB，占宽比约为70%。由于光刻胶顶部受到铬层保护，镀有铬层的光刻胶顶部的占宽比决定了反应刻蚀后获得的减反膜线条的占宽比。在后续电镀环节，只要控制电镀沉积金的高度不超过减反膜的厚度，完全可以通过改变用作保护层的铬膜厚度来控制金光栅线条占宽比。

3.3 支撑结构及基底处理

为了制作自支撑透射光栅，需要有足够强度的支撑结构，保证去除基底后光栅线条维持原状。支撑结构采用周期分别为10，100μm的网格结构，通过紫外光刻与电镀，叠加在金光栅结构上，支撑结构的厚度约5μm。最后从背面依次去除玻璃基底、聚酰亚胺和导电层，获得自支撑金透射光栅。图4是制作完成后的光栅结构，支撑结构占光栅面积约35%，电镀后去掉光刻胶的金光栅线条，占宽比大约为0.55，光栅槽深约为400nm。

图4 自支撑金透射光栅成品的正面（a）与背面（b）相片以及正面（c）背面（d）与截面（e）被放大不同倍数后的扫描电镜相片Fig.4 Front view （a），back view （b）and the front（c），the back（d）and the cross－sectional（e）SEM images of self－supported gold transmission grating.

3.4 光栅衍射效率测量

光栅透射衍射效率的测量在合肥国家同步辐射光谱辐射标准与计量实验站上完成。实验使用光谱在软X射线5～12nm波段，入射光在真空室内正入射到透射光栅上。取10个不同的波长，对每一个波长分别测量入射光和各级衍射光的强度（功率）。装有透射光栅的样品台可以横向移动，当把光栅移出光路时，测量入射光强度。当把光栅移入光路后，入射光被光栅衍射成多个级次，用安装在光栅后面的硅光二极管探测器旋转扫描测量各级光斑的强度（功率）。为了提高测量的准确度，探测器前加一狭缝（宽10μm），在测量过程中，为了减小测量入射光和衍射光的时间间隔，只选取3个波长（6，8，10nm）扫描－3级到＋3级7个光斑强度，如图5（图中为清楚起见，将8nm与10nm的测量曲线整体向上平移），其它波长仅测量衍射光的＋1级衍射光斑强度，各级次衍射效率等于对应各峰对横轴的积分除以相应波长入射光强度曲线对横轴的积分。从图5中各个衍射级次的相对强度分布，可以看出仍然存在2级强度，说明光栅线条的占宽比仍然偏离0.5，但其强度已被抑制得非常弱。在波长为10nm处，2级的峰值与1级峰值比值约为4.1%。图6是测量得到透射光栅的1级衍射效率，平均值约为5%。图中同时给出标量理论计算的1级衍射效率［14］及除去支撑结构影响后的理论效率曲线。由于支撑结构厚度达到5μm，入射到支撑结构的软X射线将被完全吸收，从而降低光栅的绝对效率。因此使用理论计算的1级衍射效率乘以65%，近似扣除支撑结构影响后光栅的衍射效率。与计算的衍射效率曲线相比，实际测量的结果较低，且在测量波段两端偏差较大，这与计算参数选择，测量与数据处理误差，杂散光以及光源的高次谐波等因素有关。

图5 透射光栅在波长为6，8与10nm处的衍射谱Fig.5 Diffraction spectra of transmission grating at 6，8and 10nm

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