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自支撑透射光栅的设计、制作和测试(2)

来源:电镀与精饰 【在线投稿】 栏目:期刊导读 时间:2020-10-04
作者:网站采编
关键词:
摘要:15nm之后光栅的衍射效率基理论的计算结果λ本不再变化.而利用严格耦合波理论, 15nm的极紫外波段,光栅具有基本稳定的一级衍射效率.体现了自支撑型透
15nm之后光栅的衍射效率基理论的计算结果λ本不再变化.而利用严格耦合波理论,<7nm范围λ0zm(6)内,对于三个不同的周期,其计算结果与标量理论所给出的结果都基本相同;随着波长增大,它们的2566物理学报59卷衍射效率与标量衍射理论的计算结果逐渐产生差别.这说明,在波长超过一定数值时,光栅的衍射效率不再符合标量理论的计算结果.该临界波长的大小与光栅的周期有关.周期越小,则标量衍射理论越早失效.总的来说,对于周期为200和300nm的自支撑X射线透射光栅,标量衍射理论在λ<40nm的范围内可以给出比较准确的结果(误差小于10%);而对于周期为100nm的光栅,则必须使用更为严格的矢量衍射理论.光栅周期的减小有利于获得更强的色散能力,考虑到加工工艺的难度,本文的光栅周期选为300nm.对于该周期的光栅,标量衍射理论仍能适用.光栅的结构优化目标是在加工能力范围内获得尽量高的衍射效率.文献[中对吸收体厚度、5]线宽/周期比的优化设计给出较全面的讨论.借鉴该文的讨论结果,我们将光栅吸收体厚度取为200nm,线宽/周期比取为0.5,该参数下透射光栅将对波长8nm左右的X射线具有最大的衍射效率,同时由图1可知,该光栅对15nm以上波长也将具有较稳定的衍射效率.根据(1)式,线宽/周期比对光栅一级衍射效率的影响体现为(1)式第二个因式,其贡献独立于波长以及光栅周期的影响.由此得出一级衍射效率的归一化强度(将一级衍射效率的最大值取为1)与线宽/周期比的关系如图2所示.线宽/周期比的允许范围可取为0.,相应引起的一级衍射效率的误差不超过设计值的2.5%.图2线宽周期比对一级衍射效率强度的影响3.光栅的制作工艺透射光栅的制作工艺主要包含光刻胶图形制备和图形转移技术两个关键步骤.其中光刻胶图[12,15,5,14,26]形的常见制备方法包括全息光刻电、子[27][26,28,29]束光刻和X射线光刻等.而图形转移技[15,术则包括干法刻蚀14,26]、蒸发剥离[22]、电[12,5,26—29]镀等.文献[]10介绍了一种基于全息光刻和离子束刻蚀制作自支撑透射光栅的制作工艺流程.本文则通过电子束光刻和电镀相结合的途径进行X射线透射光栅的制作.完整的工艺流程如图3所示.首先,在硅片上依次旋涂600nm厚的图3自支撑透射光栅制作的工艺流程图(a)衬底准备,(b)电子束光刻,(c)电镀和去胶,(d)光学光刻,(e)电镀和去胶,(f)背腐蚀硅片,(g)刻蚀电镀种子层,(h)刻蚀聚酰亚胺薄膜4期马杰等:自支撑透射光栅的设计、制作和测试2567聚酰亚胺(PI)薄膜、电子束蒸发5nm厚的铬和10精确地转移为金属结构,并且可以达到较大的厚度nm厚的金作为电镀种子层.然后旋涂350nm厚的(接近光刻胶本身的厚度);3)衬底采用硅片和PI电子束光刻胶PMMA并采用JEOLJBX-6300FS电的双层结构而不是玻璃.其中经过挖空之后的硅片子束光刻系统进行电子束光刻和显影.在所形成的用作光栅支撑框架,需再单独制作和组装支撑无光刻胶线条空隙中,电镀沉积所需厚度的金.去胶环.因为导电性较好,所以硅比玻璃更适合于作为后,再用光学光刻和电镀制作光栅周围的金挡光层,电子束光刻的衬底从而避免电子束光刻过程中电以及光栅图形内部的支撑网格.然后采用HNA湿法荷积聚引起的分辨率下降.而PI则在腐蚀硅片过程腐蚀在硅片背面对应光栅的位置腐蚀出窗口,最后中用作阻挡层,在电镀过程中作为绝缘层,在镂空过采用等离子体刻蚀分别从正面刻蚀掉电镀种子层程中作为牺牲层.PI薄膜厚度很小,从而其刻蚀过程和从反面刻蚀掉PI层.如此即可获得由硅框架、金不会产生明显的残渣或沉积物,有利于获得质量较好薄膜、金网格以及镂空的金光栅线条组成的自支撑的自支撑光栅线条.透射光栅.与文献[相比,10]本文的制作流程有以制作完成的自支撑透射光栅SEM照片如图4下改进:1)光刻胶线条结构采用电子束光刻形成,所示.其线宽/周期比约为0.55,处于设计值允许误而不是全息光刻.电子束光刻具有更高的分辨率和差范围内,光栅线条厚度为200nm.光栅未被支撑比较精确的线宽控制能力;2)金属光栅线条采用电网格覆盖的面积占总面积的比例称为有效面积比,镀而不是刻蚀形成,电镀可以将光刻胶的侧壁形貌约为65%.图4自支撑透射光栅的SEM照片(a)正面图,(b)背面图,(c)光栅线条移动到光栅所在的位置.然后用扫描探测器测量透过该窗口的光强,即可作为光栅上的入射光强.在此过程中,同步辐射光源的储存环电流随着时间衰减,而光束线的出射光强则随储存环电流成正比例变[30]化.所以,探测到的光强还需要相对于储存环电流进行归一化之后才可进行比较.由于探测器的量子效率在一定波长下是固定的,可认为探测器电流强度在某个衍射峰范围内沿着扫描角度的积分值正比于该衍射峰的光强.如此,将一级衍射峰内探测器电流对扫描角度的积分除以镂空窗口透射光的探测器电流对扫描角度的积分,即获得一级绝对衍射效率.4.检测结果与讨论在合肥的国家同步辐射实验室光谱辐射标准与计量实验站上进行了光栅衍射效率的检测.检测光路如图5所示.检测所用的波长范围为5.5—38nm.在每个波长处,将一级衍射峰的强度除以入射光的强度,即为可获得光栅的绝对衍射效率.为了准确测量入射到光栅上的光强,制作了与光栅面积相同的、完全镂空的窗口,如图6所示.通过平移样品架,可将该窗口图5衍射效率检测光路图2568物理学报59卷图6光栅和参照窗口的切换示意图在5.5—38nm波长范围内测得的一级衍射效率曲线如图7所示.其中,随着波长的增加,针对不同波段抑制高次谐波的需要,分别采用了几种不同的滤波片依次进行了测量.作为参照,还绘出了采用标量衍射理论算出的衍射效率.支撑网格对于衍射效率的影响采用如下近似:首先利用标量衍射理论计算在无支撑网格时光栅的衍射效率,在此基础上乘以有效面积比即得到有支撑网格情形下的衍射效率.可以看出,实测的衍射效率与理论值符合较好.在波长为8nm附近,光栅具有增强的一级衍射效率,其最高衍射效率接近10%.而在λ>15nm的极紫外波段,光栅具有基本稳定的一级衍射效率.体现了自支撑型透射光栅适用光谱范围较宽的优点.但是,理论衍射效率和实测衍射效率也存在一定差别.特别是在波长35nm附近,实测衍射效率有所下降.其可能的原因是,由于入射光中包含一定量的高次谐波成分,即使经过滤片仍然难以完全消除.这些谐图8波长为35nm时衍射峰的分布图波在测量直通光时被包含在内,而在测量一级衍射峰强度时,则与设定波长的一级衍射峰相分开,从而未被计入.这样,测量出来的衍射效率就低于实际的衍射效率.波长为35nm时衍射峰的扫描结果如图8所示,从图中可以明显看到数个高次谐波的一级衍射峰,从而佐证以上的推断.另外,由于样品台平移前后参照窗口与光栅样品的位置之间难以保证完全重合,也会对测量结果引入一定的系统误差.5.结论本文采用标量衍射理论和严格耦合波方法对自支撑透射光栅的衍射效率进行了分析.采用基于电子束光刻和电镀的工艺路线制作了周期为300nm、吸收体厚度为200nm、线宽/周期比为0.55、面积为1mm×1mm、有效面积比为65%的自支撑金透射光栅.在国家同步辐射实验室进行的衍射测量表明,该光栅的衍射效率与理论计算值符合较好,在波长为8nm附近具有最高接近10%的一级衍射效率,而对于波长在15—35nm的极紫外波段则具有基本稳定的衍射效率.感谢中国科学院微电子研究所纳米加工与新器件集成技术研究室的牛洁斌、张培文、路程和田继红工程师以及赵珉同学在电子束光刻、电子束蒸发、感应耦合等离子体刻蚀和扫描电子显微镜等方面给予的帮助.感谢国家同步辐射实验室的周洪军和霍同林工程师在光栅检测过程中给予的帮助.图7衍射效率检测结果4期马杰等:自支撑透射光栅的设计、制作和测试2569[1]SchattenburgML,AucionRJ,FlemingRC,PlotnikI,PorterJ,[2]LeeperRJ,ChandlerGA,CooperGW,DerzonMS,[3]YenA,AndersonEH,GhanbariRA,SchattenburgML,[4]SolakHH,DavidC,GobrechtJ,GolovkinaV,CerrinaF,KimSO,—6856[5]QiuKQ,XuXD,LiuY,HongYL,(inChinese)[邱克强、徐向东、刘颖、洪义麟、傅绍军2008物理学报][6]YangJM,DingYN,SunKX,ChengJX,JiangSE,ZhengZJ,(inChinese)[杨家敏、丁耀南、孙可煦、成金秀、江少恩、郑志坚、张文海2000物理学报][7]ChenB,ZhuPP,LiuJY,WangJY,YuanQX,HuangWX,MingH,(inChinese)[陈博、朱佩平、刘宜晋、王寯越、袁清习、黄万霞、明海、吴自玉2008物理学报][8]PredehlP,BraeuningerHW,BrinkmanAC,DeweyD,DrakeJJ,FlanaganKA,GunsingT,HartnerGD,JudaJZ,JudaM,KaastraJS,MarshallHL,[9]BrinkmanAC,GunsingCJT,KaastraJS,BraeuningerHW,HartnerGD,PredehlP,DrakeJJ,JudaJZ,JudaM,DeweyD,FlanaganKA,[10]XuXD,HongYL,HuoTL,ZhouHJ,TaoXM,(inChinese)[徐向东、洪义麟、霍同林、周洪军、陶晓明、傅绍军2001光学技术][11]XuXD,HongYL,LiuY,FuSJ,(inChinese)[徐向东、洪义麟、刘颖、傅绍军、王占山2005微细加工技术0138][12](Hefei:UniversityofScienceandTechnologyofChina)(inChinese)[邱克强2008博士学位论文(合肥:中国科技大学)][13]McMullinDR,JudgeDL,TarrioC,VestRE,[14]XuXD,HongYL,(inFuChinese)[徐向东、洪义麟、傅绍军2003真空科学与技术][15]XuXD,HongYL,FuSJ2004Physics(inChinese)[徐向东、洪义麟、傅绍军2004物理][16]SchnopperHW,SpeybroeckLP,vanDelvailleJP,EpsteinA,KllneE,BachrachRZ,DijkstraJ,[17]MarkertTH,DeweyD,DavisJE,FlanaganKA,GraessleDE,BauerJM,[18]YangJM,RQ,YiChenZL,SunKX,DingYN,ZhengZJ,LiCG,CuiMQ,ZhuPP,(inChinese)[杨家敏、易荣清、陈正林、孙可煦、丁耀南、郑志坚、李朝光、崔明启、朱佩平、崔聪悟1998物理学报][19]BornM,WolfE1980PrincipleofOptics(London:Pergamon)p450[20]MoharamMG,GrannEB,PrommetDA,[21]MoharamMG,PrommetDA,GrannEB,[Wu22]ZhuWZ,YQ,GuoZ,MaXieShiZhuXL,J,CQ,PX,ZhouHJ,HuoTL,TaiRZ,(inChinese)[朱伟忠、吴衍青、郭智、朱效立、马杰、谢常青、史沛熊、周洪军、霍同林、邰仁忠、徐洪杰2008物理学报][23]KongWJ,YunMJ,SunX,LiuJH,FanZX,(inChinese)[孔伟金、云茂金、孙欣、刘均海、范正修、邵建达2008物理学报][24]ZhouCH,WangL,(inChinese)[周传宏、王磊、王植恒2001物理学报][25]ZhouCH,NieWangL,Y,(inChinese)[周传宏、王磊、聂娅、王植恒2002物理学报5168][26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文章来源:《电镀与精饰》 网址: http://www.ddyjszz.cn/qikandaodu/2020/1004/389.html



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