大面积软X射线自支撑金透射光栅的研制(3)

图6 透射光栅的1级衍射效率Fig.6 The first order diffraction efficiency of transmission grating

4 结 论

本文介绍了使用全息光刻与微电镀结合方法制作X射线自支撑透射光栅的工艺技术。该技术首先通过在光刻胶与高反射电镀种子层之间增加减反膜层，抑制驻波效应对光刻胶掩模图形的影响，使用全息光刻获得侧壁陡直的光刻胶光栅掩模；然后在光刻胶线条上镀保护层，使用反应离子刻蚀将光刻胶图形转移到减反膜中，形成由光刻胶和减反膜构成的电镀掩模，电镀掩模的占宽比可以通过改变保护层厚度来控制；最后使用微电镀、紫外光刻等后序工艺成功制作出线条密度3 450gr／mm（周期约290nm），槽深约400nm的自支撑透射光栅，光栅面积达到10mm×15mm。使用5～12nm波段同步辐射光源测量＋1级衍射效率，结果显示透射光栅衍射效率约为5%，达到计算衍射效率的70%。

支撑结构的制作，既要求有足够强度，以确保光栅线条不发生变形，又要求能尽量减小支撑结构面积，以增加光栅的绝对效率，因此后序工作将优化支撑结构的制作工艺，同时增加光栅的线条密度，以提高光栅的色散性能。

5 致 谢

在此感谢国家同步辐射实验室光谱辐射标准和计量实验站的周洪军高级工程师和霍同林工程师在光栅衍射效率测试中给予的协助.

邱克强（1980－），男，四川仪陇人，博士后，2008年于中国科学技术大学获得博士学位，主要从事衍射光学元件制作和短波光学的研究

刘正坤（1981－），男，河南信阳人，博士后，主要从事衍射光学元件设计与制作的研究

徐向东（1963－），男，安徽庐江人，高级工程师，主要从事微细加工技术，衍射光学元件设计与制作的研究

陈火耀（1986－），男，福建人，博士研究生，主要从事衍射光学元件性能评价的研究

刘 颖（1972－），女，天津人，副研究员，主要从事微细加工技术，衍射光学元件设计与制作的研究。E－mail：liuychch＠

付绍军（1952－），男，吉林人，教授级高级工程师，博士生导师，1977年中国科学技术大学物理系毕业，研究方向为衍射光学，微细加工技术，短波光

洪义麟（1963－），男，安徽合肥人，教授级高级工程师，主要从事微细加工技术，衍射光学元件设计与制作的研究

1 引 言金透射光栅，尤其亚微米周期的金透射光栅是极紫外和X射线波段重要的色散元件之一。自支撑金透射光栅的特点是无衬底即光栅线条完全镂空，避免吸收X射线，光栅线条有强度足够的较大周期的网格结构支撑。以金透射光栅为核心元件的X射线摄谱仪，由于结构简单，体积小巧，装调校准方便，被广泛应用于激光惯性约束核聚变［1］与 X 射线天体物理学［2－3］等领域的 X 射线能谱分辨。金透射光栅的制作主要包括光刻胶掩模制备和图形转移技术。目前，在亚微米周期光栅制作过程中，全息光刻［4］和电子束光刻［5］是制备光刻胶掩模的主要技术。掩模图形的转移则可通过离子束刻蚀［6－7］，微电镀沉积等技术来实现。美国麻省理工学院空间研究中心的微结构实验室是国外唯一长期而系统开展全息光刻制作亚微米周期透射光栅的实验室，近20年来，不断改进工艺技术，最后使用全息双光束干涉与微电镀技术，完成了Chandra X射线望远镜中高能透射光栅（HETG）的研制，光栅面积为5.7cm2，线密度达到5 000gr／mm［2－3］。在Chandra望远镜升空工作之后，A.Yen等开展了周期为100nm及50nm的高线密度透射光栅研制工作［8－9］，新型透射光栅及制作工艺技术也不断涌现［10－11］。随着这些工作的开展，亚微米周期X射线透射光栅的制作及相关技术日趋成熟，这代表着当前X射线透射光栅制作的最高水平。近些年来，国内X射线透射光栅制作及相关技术取得了进展，中国科学院微电子所谢常青等使用电子束光刻与微电镀技术对自支撑透射光栅进行了研究，已成功制作出了线条密度为3 333gr／mm，面积为1mm×1mm的自支撑金透射光栅［12－13］。全息光刻技术具有加工大面积光栅的能力，本文介绍了使用全息光刻与微电镀技术制作自支撑透射光栅的工艺方法，通过消除全息曝光过程中的驻波效应获得了侧壁陡直的光刻胶掩模，使用反应离子刻蚀修正线条宽度，最后成功制作了周期为290nm，线条密度为3 450gr／mm，面积达到10mm×15mm的自支撑金透射光栅，最后在同步辐射装置上测得光栅效率约5%。2 自支撑金透射光栅的制作图1 X射线自支撑金透射光栅的制作工艺流程Fig.1 Fabrication process of self－supported X－ray gold transmission gratings为了提高光栅质量，需要严格控制光栅的占宽比，线条侧壁粗糙度等，加之金自支撑透射光栅精细结构容易被破坏，其制作工艺过程相当复杂，工艺流程如图1所示：（1）在清洁后的玻璃基片上依次制备300nm厚的聚酰亚胺（PI），35nm厚电镀种子层，400nm 厚的减反膜 （Anti－reflection Coating，简称ARC）和300nm厚的光刻胶层；（2）全息光刻制作光刻胶浮雕光栅图形，光源波长为413nm；（3）倾斜镀铬，保护光刻胶光栅掩模顶部；（4）使用氧气反应离子刻蚀（RIE）减反膜，将光刻胶图形转移至减反膜中；（5）使用高氯酸、硝酸铈铵与水按比例25∶6∶100混合配制的去铬液，去除铬保护层，留下光刻胶与减反膜，获得由光刻胶与减反膜构成的电镀掩模；（6）采用中性的亚硫酸盐电镀液电镀沉积金，选择适当大小的电流密度和温度，并保持电解液的温度均匀以获得光滑致密的金光栅线条，至金沉积到预期厚度后结束电镀；（7）去掉光刻胶及减反膜，获得金光栅结构；（8）再次涂厚胶，制作支撑结构；（9）紫外光刻获得大周期光刻胶（10μm）结构；（10）再次电镀沉积金后，去胶；（11）获得金支撑结构；（12）从基片背面依次去除玻璃基底，聚酰亚胺，电镀种子层，获得由支撑结构支撑的镂空金透射光栅。3 实验结果与讨论3.1 光刻胶掩模制作全息光刻的基底表面镀有电镀种子层，由5 nm厚金属铬及30nm厚金构成，在全息曝光中，入射光束在光刻胶与电镀种子层界面具有较高反射率，反射光与入射光干涉将在垂直于基底方向产生驻波效应，光刻后光栅线条不再陡直，而是正弦形波纹状，如图2（a）。驻波效应对光栅掩模制作具有重要的影响，尤其在高反射基底上高密度精细光栅掩模制作过程中，驻波效应的存在不仅会使得线条侧壁不再陡直，而且限制占宽比和光栅线条高度的提高，结果使高线密度且具有较高槽深的光刻胶掩模图形制作非常困难。图2 涂布减反膜前（a）后（b）全息光刻获得的光刻胶光栅图形Fig.2 Photo－resist masks with（a）and without（b）ARC pattern obtained by holographic lithography本文通过在电镀种子层与光刻胶之间增加减反膜层（Brewer Science，Inc.），吸收来自基底的反射光，从而减弱驻波效应对光刻结果的影响，以获得侧壁陡直的光刻胶光栅掩模。所用减反膜与光刻胶性质类似，但对曝光波长有强烈吸收，对波长413nm的曝光光源的折射率为1.74＋0.34i。图2（b）是涂布有300nm的减反膜之后，全息光刻获得的光刻胶掩模图形，线条侧壁不再呈正弦形状，光栅周期约290nm，槽?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?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 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图6 透射光栅的1级衍射效率Fig.6 The first order diffraction efficiency of transmission grating4 结 论本文介绍了使用全息光刻与微电镀结合方法制作X射线自支撑透射光栅的工艺技术。该技术首先通过在光刻胶与高反射电镀种子层之间增加减反膜层，抑制驻波效应对光刻胶掩模图形的影响，使用全息光刻获得侧壁陡直的光刻胶光栅掩模；然后在光刻胶线条上镀保护层，使用反应离子刻蚀将光刻胶图形转移到减反膜中，形成由光刻胶和减反膜构成的电镀掩模，电镀掩模的占宽比可以通过改变保护层厚度来控制；最后使用微电镀、紫外光刻等后序工艺成功制作出线条密度3 450gr／mm（周期约290nm），槽深约400nm的自支撑透射光栅，光栅面积达到10mm×15mm。使用5～12nm波段同步辐射光源测量＋1级衍射效率，结果显示透射光栅衍射效率约为5%，达到计算衍射效率的70%。支撑结构的制作，既要求有足够强度，以确保光栅线条不发生变形，又要求能尽量减小支撑结构面积，以增加光栅的绝对效率，因此后序工作将优化支撑结构的制作工艺，同时增加光栅的线条密度，以提高光栅的色散性能。5 致 谢在此感谢国家同步辐射实验室光谱辐射标准和计量实验站的周洪军高级工程师和霍同林工程师在光栅衍射效率测试中给予的协助.参考文献：［1］杨家敏，丁耀南，郑志坚等，高谱分辨X光能谱诊断技术［J］.强激光与粒子束，2003，15（1）：69－72.YANG J M，YI R Q，CHEN Z H L，et al..High spectral resolution measurement of soft－X－ray spectrum using transmission grating spectrometer［J］.High Power Laser ＆ Particle Beams，2003，15（1）：69－72.（in Chinese）［2］SCHATTERNBURG M L，ANDERSON E H，SMITHH grating spectroscopy and the advanced X－ray astrophysics facility（AXAF）［J］.Opt.Eng.，1991，30：1590.［3］CANIZARES C R，DAVIS J E，DEWEY D，et al..The Chandra high energy transmission grating：design，fabrication，ground 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文章来源：《电镀与精饰》 网址: http://www.ddyjszz.cn/qikandaodu/2020/1004/386.html