（光学工程专业论文）自支撑x射线透射光栅的制备及测试.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：栖丕日期：幽! ：么：多 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢套臣导师躲 h 录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论一l 1 1 研究背景1 1 2x 射线镂空透射光栅的研究现状及应用2 1 3x 射线镂空透射光栅的制作技术4 1 3 1 全息光刻技术5 1 3 2 机械刻划6 1 3 3 电子束光刻6 1 3 4 电子束光刻和x 射线光刻7 1 4 论文的主要工作8 1 5 论文的内容安排9 第2 章x 射线透射光栅参数优化设计1 1 2 1 标量衍射理论1 1 2 2 光栅的分光性能1 2 2 2 1 光栅方程1 2 2 2 2 光栅的色散本领1 2 2 2 3 光栅的色分辨率本领1 3 2 2 4 光栅的自由光谱范围1 4 2 3 矢量衍射理论f d t d 算法基本原理喳h 引1 4 2 3 1 矢量电磁场理论f d t d 算法1 4 2 3 2m a x w e l l 方程的离散化喳 15 2 3 3 直角坐标系中的二维f d t d 的差分格式洲1 6 2 3 4 吸收边界条件的设置伸1 18 2 3 5 数值稳定性分析2 2 2 4 标量和矢量衍射模拟结果及优化设计2 2 2 4 1 标量模拟结果2 2 2 4 2 矢量模拟结果2 4 2 4 3 光栅结构的优化设计2 6 2 5 本章小结2 7 第3 章基于镂空薄膜的电子束光刻技术2 9 3 1 电子束光刻技术简介2 9 3 2 电子束光刻工艺流程3 0 3 3 电子束光刻制作镂窄x 射线透射光栅掩模3 2 3 。3 1 透射光栅衬底的准备3 2 3 3 2 制备工艺过程3 3 3 3 3 工艺参数优化3 7 3 3 42 0 0 0 线毫米x 射线透射光栅掩模3 8 3 3 53 3 3 3 线毫米x 射线透射光栅掩模3 9 3 3 610 0 0 线毫米x 射线单级衍射光栅掩模3 9 3 4 大面积透射光栅的制备4 0 3 5 本章小结4 2 v 北京丁业人学t 学硕卜学位沦文 第4 章x 射线光刻技术及镂空x 射线透射光栅制备4 3 4 1 x 射线光刻技术简介4 3 4 1 1 国家同步辐射实验室光刻站4 4 4 1 2 北京同步辐射实验光刻站4 5 4 2x 射线光刻工艺复制镂空透射光栅4 5 4 3 镂空x 射线透射光栅集成4 8 4 3 1 自支撑结构的制作4 8 4 3 2 加强筋结构优化5 0 4 3 3 镂空透射光栅的装配5 3 4 4 本章小结：5 3 第5 章镂空x 射线透射光栅的测试及分析5 5 5 1 测试实验站简介5 5 5 2 衍射效率测试。5 6 5 2 12 0 0 0 线毫米镂空透射光栅的测试和分析5 6 5 2 23 3 3 3 线毫米镂空透射光栅的测试和分析6 1 5 2 310 0 0 线毫米单级衍射光栅的测试和分析6 2 5 3 振动测试实验6 5 5 4 本章小节6 6 第6 章总结和展望6 9 6 1 总结6 9 6 2 展望6 9 参考文献7 1 附件7 7 攻读硕士期间发表论文、申请专利及软件著作权登记8 l 致谢8 3 摘要 摘要 针对国外对高线密度衍射光学元件的出口限制以及我国惯性约束聚变( i c f ) 等离子体诊断研究、高分辨率光谱仪和空间x 射线光谱分析领域对高线密度x 射线透射光栅的迫切需求，本文在标量模拟和时域有限差分( f d t d ) 矢量模拟 结果的理论基础上设计出高线密度x 射线光栅版图，并以深亚微米、纳米级电 子束光刻和深亚微米、纳米级x 射线曝光复制为手段，结合等离子体刻蚀技术 和微电镀技术，研究成功一套具有实用化意义的高线密度无底衬透射光栅的工艺 技术路线，制作出2 0 0 0 线毫米、3 3 3 3 线毫米无底衬全镂空x 射线自支撑透射 光栅和1 0 0 0 线毫米无底衬自支撑单级衍射光栅。在元件研制过程中，解决了制 造技术中的一些关键技术问题，比如光栅占空比的控制、加强筋的制备和聚酰亚 胺底衬的刻蚀镂空。最后，对三种光栅的衍射特性进行了测试和分析。 本文完成的主要工作有： 1 针对透射光栅在x 射线光栅谱仪中的应用，利用透射光栅的标量和矢量 模型，得到了3 种透射光栅的设计参数； 2 2 0 0 0 线毫米和3 3 3 3 线毫米软x 射线透射母光棚掩模以及1 0 0 0 线毫米 单级衍射光栅掩模的研制，包括支撑薄膜的制备、电子束的邻近效应校正、电子 束刻蚀微纳米级抗蚀剂图形技术、微电镀技术和等离子体刻蚀微纳米图形技术 等； 3 解决了接近式曝光过程中因菲涅耳衍射引起的图形展宽问题，利用x 射 线曝光成功小批量复制出2 0 0 0 线毫米、3 3 3 3 线毫米光栅以及1 0 0 0 线毫米单级 衍射光栅图形； 4 研究了加强筋图形设计、光学光刻技术、加强筋的厚金精细电镀技术和 机械性能分析以及聚酰亚胺薄膜的i c p 刻蚀技术。成功制备出2 0 0 0 线毫米和 3 3 3 3 线毫米全镂空自支撑透射光栅以及10 0 0 线毫米镂空自支撑单级衍射光栅； 5 对上述三种类型的光栅在进行了衍射效率的测试，所制备的镂空透射光 栅的衍射效率几乎达到理想值，并从制备结果和衍射图形来看，所制备的2 0 0 0 线毫米和3 3 3 3 3 线毫米透射光栅的栅线平滑、侧壁陡直、占空比接近1 ：1 ，单 极衍射光栅有效抑制了高级衍射，实现了设计思想；部分制备的器件应用于激光 等离子诊断以及z - p i n c hx 射线谱仪，部分满足了我国i c f 诊断对高线密度。 6 研究了采用高灵敏度光刻胶制备大面积光栅的工艺技术，初步制备出 15 m m 15 m m2 0 0 0 线毫米大面积x 射线透射光栅掩模。 关键词高线密度透射光栅；电子束光刻；x 射线光刻；衍射效率测试；微 纳米电镀；等离子体刻蚀 北京t 业人学t 学硕i j 学位论文 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t 0b r e a kf o r e i g i le x p o r tp r o h i b i t i o n so fh i g h - d e i l s 时d i m a c t i v eo p t i c a le l e m e n t s ( d o e ) ，舔w e l l 髂t 0m e e tt h eu 培e n tn e e d so fo u ri i l e n i a lc o i l f m e m e n t 向s i o n ( i c f ) p l a s n l ad i a g n o s t i cs t l l d i e sa n ds p a c ex - r a ys p e c 帆b 嬲e do nt h ed i 任t i o ns 豳m a t i o n r e s u l t sb yu s i n gt 1 1 es c a l a rd i 伍m t i o nn l e o 巧a n df - m i t ed i f f b r e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) a l g o r i t h 氇w l l i c hi se s t a b l i s h e do n 硷t l l e o 巧o fv e c t o r 2 0 0 0 3 3 3 3 l m ms e l 鼻s t a l l d i l l g 咖s m i s s i o n 伊a t i n g s 锄d10 0 0 蜘衄s i n g l e - o r d e rd i f 鼢t i o n 觚r m s s i o n 黟a t i n g sw e r ed e s i g n e d c o m b i i l i i 培o nm ea d v a n t a g eo fk g hr e s o l u t i o n a i l da l l o s ti n f i l l i t e 肌m b e r so fp a n e m so fe - b e 锄l i t h o 铲印h y 觚dh i 曲e m c i e n c y l o wc o s ta n de a s i l y 南瑚：l i n gm g ha s p e c t 均t i oo fx - r a y sl i 廿1 0 孕乏l p i h y 舔ai n e 赳塔o f r e p r o d u c t i o n ，t l l e s et l l r e ek i n d so f 舒a t i n g sm e n t i o n e da ：b o v e 、e r ef 曲r i c a t e d f i r s t l y ， u s i n gt h ee - b e 锄l “h o g r a p h ya n d 面c r o - e l e c 缸d p l a t i n gt e c l l i l o l o 野am a u s t e rm 雒ko f 鲥t i n g s w a sf a b r i c a t e do np o l y i m i d em e 脚l b r a i l es u b s t r a t e t h e ni i s i n gx - r a y s l i t l l o g r 印h y 锄dm i c r o - e l e c 们p l a t i i l g ，c h i l d 铲a t i n g sw 舔r e p l i c a t e db a s i n go nt l l e m a s t e rm a u s k a n dt h e nt h es e l f s t a i l d i n gm e s hs 仃u c t u r ew a s 臼锄s f e r r e dt ot h ec l l i l d g r a t i n g su s i n gu - vl i t h o 铲印h ya n dm i c r 0 - e l e c t r o p l a t i n g f i n a l l y 、i t ht h et e c h n o l o g y o f e t c l l i n g a n di n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a( i c p ) ，t 1 1 ef a l 试c a t i o no fx r a y s s e l f s t a n d i n gt r 锄s m i s s i o ng r a t i n g sw a s 如l 舢e d d 谢n gt 1 1 e f a b 矗c a t i o np r o c e s s ， s e v e r a lk e yt e c l l i l i c a li s s u e s ，s u c ha sm eg r a t i n gd u t yc y c l ec o 曲的l ，t h ef a b r i c a t i o no f s e l f 二s t a n d i n gs 臼眦t i j r em e s ha r l de t c h i l l gh o l l o wp o l y i i i i i d es u b s 饿n e sw e r ea i 】l a l y s i z e d a n ds o l v e d d i 倚a c t i o ne 伍c i e n c yo fm e s et h r e ek i n d so f 掣撕n g sm e n t i o n e da b o v c w 舔c o n c l u c t e da n da 1 1 a l y s e di nt h en a t i o n a ls y n c h r o t r o nr a d i a t i o nl a b o r a t o 巧 ( n s r l ) t h em 旬o r 、o r k si nt h i s 矾c l ea r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h es c a l a rd i 伍a c t i o nt h e o r ya n dv ec t i 眭t l l e o 巧o ff d t da l g o r i t h j n ， s e l f - s u p p o n i n gt r a n s m i s s i o n 伊a t i n g si n o d e l s 、e r ed e s i g l l e d a 1 1 dm ed i m a c t i o n s i m u l a t i o nw a sc o i l d u c t e d 洫x r a yb a n d a c c o r d i n gt 0t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa i l dt h e l i m i to ff - a b r i c a t i i l gt e c l l i l i q u e s ，t h em 印o ft r a i l s m i s s i o n 铲a t i n g s 傩d e s i g l l e dt og e t t h em a x i m u md i 伍a c t i o ne m c i e n c y ； 2 1 1 l em 嬲l ( so f2 0 0 0 u i la n d3 3 3 3 圻ms o rx r a y 仃a i l s m i s s i o ng r a t i n ga s 、粑l l 雒 t h a to f10 0 0l m m s i i l g l e o r d e r d i m a c t i o ng r a t i n g s 、e r ef i a b r i c a t e d ，i n c l u d m g f a b r i c a t i n g l es u p p o n i i l gm e m b r 龇l eo fp o l y i m i d e ( p i ) ，e l e c 仃o nb e a mp r o x i m i t ) r e 任e c t c o r r e c t i o n ， m i c r o - n a n or e s i s t 铲a p h j c st e c h n o l o g y o fe l e c 仃o nb e a i l l i i l l i t l l o g r a p h y ，r i l i c r 0 一p l a t i n g t e c l u l o l o g y 锄l dp l a s m ae t c h i n gm i c r 0 。n a n o 。g r a p h l c s t e c h n o l o g y ，e t c ； 3 s m a l l - b a t c ho f2 0 0 0l m ma j l d3 3 3 3l m mt r a n s m i s s i o ng r a t i n g sa s 、 ，e l l a s1 0 0 0 l m ms i n g l e o r d e rd i 衢a c t i o ng r a t i n g so np is u p p o n i n gm e m b m ew e r er e p l i c a t e d s u c c e s 刚l yb yu s i n gc o n t a c tx - r a ye x p o s l 鹏研a p m c sb r o a d e i l i n gp r o b l e mc a u s e d b yf r e s n e ld i 衢a c t i o nd u r i n gt h ep r o c e s so fe x p o s u r e 啪sr e s o l v e d ； 4 2 0 0 0 锄d3 3 3 3 s e l f s t a l l d i i 玛衄1 s i i l i s s i o ng r a t 协g s ，邪w e l l a s10 0 0 s e l 仁s t a l l d 堍 s i n g l e o r d e rd i 胁c t i o n 鲈a t i n g s w e r ep r e p a r e ds u c c e s s m l l y s e l f 二嗽n d i n g 咖l 曲l r em e s h ， o p t i c a ll i m o 铲印h y ， l i l i c r o - p l a t i n g ， m e c h a l l i c a l p r o p e r t i e sa l l de t c l 血1 9o fp im e m b r a n e w e r ea l ls n j d i e d t h e s es 锄叩l e sw e r ea l lu s e d i i ls g p r o t o 够p el a s e rf a c i l i t yr e s p e c t i v e l y w h i c hh a v eag r e a ts i g i l i f i c a n c ef o r m e n e x ts m d y 5 t h e 缸e e 够p e so f 铲a t i n g sm e n t i o n e da b o v ew e r e t e s t e di nn s r l ，t h ct e s tr e 妯t s s h o wm a tt h ed i m a c t i o ne m c i e n c yo ft m s i t l i s s i o ng r a t i n g sa n d 也ed u 锣c y c l ea r e a l m o s tc l o s et ot h ei d e a lv a l u ea c c o r d i n gt 0t h ct l l e o r e t i c a la l l a l y s i s f r o mt h es e m p i c t 吡e s ，w ec a ns e et h a tt h eb a r so f 2 0 0 0l m ma n i d3 3 3 3 妇l i l l t r a i l s m i s s i o ng r a t i n g s a r ea l ls m o o t h ；w a l l i ss t e e pa n dt h ei i u 够c y c l ei sc l o s et 01 ：l ； 6 s t u d i e dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so ft h e1 弼ea r e a 铲a t i n g sb yu s i n gs e n s i t i v e p h o t o r e s i s ta 1 1 di n i t i a l l y a15 m m l5 m m2 0 0 0 妇u nx - 瑚l y 肌s “s s i o ng r a t i n g m a s k sw e r ep r e p a r e d k e y w o r d s ： h i g hd e i l s i 够 仃a n s m i s s i o n铲a t i n g s ； e b e a ml i t h o 伊a p h y ；x 。r a y 1 i t h o g r a p h y ；d i m a c t i o ne m c i e n c y ；m i c r o p l a t i n gt e c h n 0 1 0 9 y ；p l a s m e t c b i n g l v lilliliiliiiilillilililllliliiiill 筇1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 透射光栅根据其结构特征可分为带衬底的透射光栅和不带衬底的镂空自支 撑透射光栅，是一种应用非常广泛而且非常重要的高分辨率色散光学元件【l 】。透 射光栅光谱仪由于其具有结构简单、光谱范围宽、能量响应平滑和谱面平直等优 点，并且能够方便地同时间、空间分辨仪器相结合构成能同时诊断等离子体软x 射线时间能谱特性和空间能谱特性的测量系统【l 捌。因此，金透射光栅目前已广 泛应用于x 射线天体物理学【3 ，4 1 以及惯性约束核聚变激光等离子体诊断中【5 6 7 ，引。 针对高线密度透射光栅在空间探测、等离子体诊断等特殊的应用环境，由于普通 的带衬底的透射光栅在软x 射线波段对光的吸收非常严重，极大地降低了透射 光栅的工作效率，同时增加了在解谱过程中的不确定性【1 2 】，所以研制出全镂空 的自支撑结构将有效提高透射光栅的实际应用价值。国外目前用于等离子体诊断 方面所用的透射光栅已达到5 0 0 0 线毫米，而国内目前只达到2 0 0 0 线毫米i l 五引， 并且用于国内的惯性约束核聚变装置上的都是带有衬底膜的光栅【lo l i 】；天体物理 和空间探测方面美国科学家研制的c h a n d r ax 射线望远镜中，其所携带的光栅谱 仪就是由3 4 0 片中高能透射光栅( 2 0 0 0 线毫米，5 0 0 0 线毫米) 和5 4 0 片低能透 射光栅( 1 0 0 0 线毫米) 组成的【2 ，1 2 l 。所以研制出能够长期稳定小批量生产更高 线密度x 射线全镂空透射光栅的工艺技术以缩小与国际水平的差距并满足我国 实际应用的需要显得非常迫切i l ，2 。 光栅的传统制作方法有机械刻划、全息光刻和压模复制三种【l ，2 】，其中全息 光刻方法是使用得比较多的方法，近年来采用电子束光刻技术研制x 射线光栅 也有报道，如德国f o r s c h u l l g s e i i l r i c h t u l 培r o n t e n p h y y s i l 【科学家报道了采用l i o n l v l 电子束光刻系统和三层胶工艺制作1 0 0 0 0 线毫米透射光栅的结果，但是这 种方法制作的光栅吸收体金厚度仅有4 0 m ，还只能应用于极紫外波段，对在x 射线波段的应用还是远远不够的；日本科学家也报道了采用电子束光刻技术制作 6 2 5 0 线毫米x 射线透射光栅的结果，但是由于电子束光刻技术生产效率很低， 因此这种方法制作的透射光栅实际上没有形成小批量生产能力，还停留在实验室 研究阶段；目前真正实用化的透射光栅的最高指标还是5 0 0 0 线毫米，由m i t 空间微结构实验室采用全息光刻和离子束刻蚀的方法制作完成。需要指出的是， 这些光栅无一例外的都有聚酰亚胺或者氮化硅底衬，给在亚千伏能区等离子体的 诊断带来了很大的局限性和不确定性，因此x 射线透射光栅是激光等离子体在 亚千伏能区诊断中的重要组成部分。 北京业人学t 学坝l j 宁 口论文 针对我国i c f 研究中x 光高分辨谱学诊断对系列高线密度x 射线透射光栅 的迫切需要，我们以深亚微米、纳米级电了束光刻技术和深亚微米、纳米级x 射线曝光技术复制为手段，并结合等离子体刻蚀和微电镀技术，研究成功了一套 具有实用化意义和自主知识产权的高线密度无底衬透射光栅的制造技术，解决了 制造技术中的一些重大关键技术，比如掩模版的制造和光栅复制，加强筋的制备 和聚酰亚胺底衬的刻蚀，成功研制出2 0 0 0 线毫米和3 3 3 3 线毫米无底衬全镂空 的x 射线透射光栅以及l 0 0 0 线毫米单级衍射光栅，研究成果将首先用于打破 束缚国内i c f 内爆动力学研究能量行为精密化诊断的瓶颈和满足空间探测的需 求，推动我国在这两方面的发展。 1 2x 射线镂空透射光栅的研究现状及应用 与普通在可见光波段的反射式光栅或透射式光栅相比，x 射线透射光栅制作 技术的研究起步相对较晚，这主要是因为工作在x 射线波段的光栅与普通的可 见光波段的光栅有所不同。x 射线波段的平均波长很短，在o 0 1 m n 1 0 1 1 1 i l 之间， 如图1 1 所示。所有材料在x 射线波段的折射率接近于1 ，在任何界面，x 射线 的折反射不明显，并且普通的光学透镜或反射镜根本不能对x 射线起到聚焦或 散射的作用。x 射线的这些特性决定了x 射线波段的光栅的线密度要很高，制 作难度也就随之非常的大。 图1 1 高线密度透射光栅x 射线波段工作区 f 嘻1 1x r a yb 锄dw o r i ( s p a c eo f h i 曲d e n s 耐t l 锄s m i s s i o n 黟a t i n 萨 c h a n d r a 天文望远镜( 原称脚) 上携带的高能、中能和低能透射光栅总 数达到1 0 8 0 块，如图1 2 所示，其中美国麻省理工学院( m i t ) 空间微结构实 验室的h i s r i l i t h 【1 3 】和劳伦斯利弗莫尔国家实验室( l l n l ) 的n m c e g l i o 【1 4 】 等人领导的小组采用全息曝光、离子刻蚀和微电镀技术为c h a l l d r a 高能透射光栅 谱仪提供了3 3 6 块x 射线透射光栅，1 4 4 块为高能透射光栅，1 9 2 块为中能透射 光栅。德国u t r e c h t 的空间研究部采用机械刻划制作母光栅，再用其作掩蔽复制 出1 0 0 0 块1 0 0 8 线毫米的透射光栅【1 4 1 ，提供了c h a l l d r a 上所用的低能透射光栅。 图1 2c h 锄d m 天文望远镜上所携带的高、中和低透射光栅，共1 0 8 0 块 f i g 1 - 2h i g km i d d l ea l l dl o we n e 嗡，仃舭s m i s s i o n 鲫i n g sw i t h l 0 8 0p i e c e s0 nc h a n d r at e l e s c o p e 此外，m i t 小组还成功研制了面积约为6 c i n 2 、高宽比达到7 ：1 的5 0 0 0 线 毫米x 射线透射光栅【1 6 】和1 0 0 0 0 线毫米的e u v 透射光栅【1 7 1 。近两年来该小组 采用全息曝光和各项异性腐蚀n 型( 1 1 0 ) 硅的方法，实现了6 5 n l i l 栅线宽度、 高宽比接近1 0 0 的临界角透射( c r i t i c a la n g l et r a i l s i l l i s s i o n ，c a t ) 光栅【1 8 1 9 1 。日 本的n t ta d v a n c e dt e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ( n t a t ) 采用电子束直写技术也研 究成功了以氮化硅为衬底的2 0 0 1 1 l i l 周期x 射线透射光栅，并用在了i c f 的研究 【2 们。目前世界各国针对i c f 的研究，其所用到的透射光栅主要是由美国和日本 提供，如表1 1 所示。荷兰科学家制作出1 0 0 0 0 线毫米透射光栅，应用于e u v l 中e u v 光源检测；美国国家航空航天局的s o h o ( s o l a ra n dh e k l i o s p h e r i c o b s e r v a t o d r ) 、i m a g e ( i m a g e r f o rm a g n e t o p a u s e t o - a u r o r ag l o b a le x p l o r a t i o n ) 、 t w i n sa ，b ( t 、w i d e a n g l ei m a g i n gn e u t r a l a t o ms p e c t r o m e t e r s ) ，以及美国第 一代地球静止轨道气象卫星系列( g e o s t a t i o 彻d ro 删o n a le n v 的n m e n t a l s a t e l l i t e s ) 均使用了大量的高线密度x 射线极紫外透射光栅。由此可见，高线 密度透射光栅在当代高科技竞争中扮演着相当重要的角色。 表1 1 世界各国目前用于i c f 上的透射光栅 t a b l e1 - 1h i g hd e n s i 够t r a n s m i s s i o ng r a t i n g su s e do ni c fi nd i f f e r e n tc o u n t r i e s 北京t 业入学t 学硕i j 学何论文 国内目前从事光栅设计和制作的研究单位主要有清华大学、苏州大学、中国 科技大学、中科院微电子研究所、中科院长春光机所和巾科院上海应用物理研究 所。其中，中科院上海应用物理所的朱伟忠利用电子束光刻和l i r o f f 工艺研制 成功1 0 0 0 0 线毫米x 射线透射光栅【2 1 】；中国科学技术大学的付绍军课题组采用 全息曝光结合离子束刻蚀技术，解决了支撑结构制作过程中的紫外曝光、电镀等 关键工艺技术，成功制作了1 0 0 0 线毫米和2 0 0 0 线毫米的x 射线透射光栅【2 2 。2 4 】， 并已经用于“神光”激光装置中x 光能谱的测量【2 5 1 。但是线密度在2 0 0 0 线毫米 以上的x 射线透射光栅，尤其是自支撑结构的透射光栅在我国还是空白，在关 键基础衍射元件层面制约着我国等离子体诊断技术和x 射线天文探测领域的发 展。中国科学院微电子研究所从2 0 0 5 年底开始，经过两年多的研究，将电子束 光刻技术和x 射线光刻技术相结合，避开了工艺条件复杂的刻蚀技术，充分发 挥电子束光刻技术高分辨率和复杂图形生成能力的优势和x 射线光刻技术高效 率、大高宽比的长处，先后研制成功了2 0 0 0 线毫米、3 3 3 3 线毫米和5 0 0 0 线 毫米的x 射线透射光栅，以及2 5 0 线毫米和1 0 0 0 线毫米的x 射线量子点阵列 透射光栅，填补了国内在高线密度衍射光栅领域的空白，为我国等离子体诊断技 术和x 射线天文探测领域准备好了一批核心关键器件。 1 3x 射线镂空透射光栅的制作技术 由于x 射线透射光栅的工作环境比较特殊，如高真空、强震动和强辐射等， 所以对光栅的结构有了更高的要求：第一，栅线线密度要足够高，这样才能够获 得理想的衍射角和分辨率；第二，由于x 射线穿透能力很强，所以光栅栅线要足 够厚，其厚度要足以吸收入射的x 射线；第三，光栅栅线的截面尽可能陡直；第 四，支撑结构要尽可能厚，支撑面积尽可能小，这样才能有效提高衍射效率。图 卜3 所示为x 射线镂空透射光栅的剖面示意图( 2 1 。光栅结构制备在镂空的聚酰亚 胺薄膜上，栅线之间的聚酰亚胺薄膜被去除，栅线成为完全镂空的结构，栅线两 端由自支撑结构( 加强筋) 连接【2 】。针对上述特殊要求，目前高线密度光栅的制 作方法除了主流的机械刻划、全息光刻和电子束光刻，人们也利用诸如纳米压印、 激光直写和极紫外干涉光刻等方法制作了许多光栅结构【2 6 2 7 t2 8 ，2 9 1 。其中，机械 刻划方法主要是制作反射式光栅或者透射光栅的压印掩模板，但由于制作效率极 低，并且成品率较低，当前制作透射式光栅的主要技术还是全息曝光和电子束光 刻。 第1 章绪论 伊螂b 缸 口s i a u a n d c r 囫p i 图卜3x 射线镂空透射光栅剖面示意图【2 l f i g 1 - 3t h es k e t c hm a po fs e l 仁s t a n d n gt r a n s m i s s i o ng m t i n g sp r o f i l e 1 3 1 全息光刻技术 全息光刻中光栅的图形由全息光刻产生，之后通过离子束刻蚀或者微电镀技 术将图形转移成所需要的材料f 2 2 2 3 ，2 4 1 。图1 4 为m i t 利用全息光刻技术结合离子 束刻蚀和微电镀工艺制作透射光栅的流程图。具体的工艺步骤如下：( a ) 准备衬 底。在清洗好的硅片上旋涂聚酰亚胺，经烘烤形成薄膜；电子束蒸发电镀种子层； 旋涂抗反射层a r c ；制作中间层( 通常为s i 0 2 ) ；旋涂光敏材料电子束抗蚀剂； ( b ) 全息曝光。利用两束或者多束光的干涉在抗蚀剂上形成正弦分布的光强，经 过显影得到光栅抗蚀剂图形；( c ) 利用反应离子刻蚀去除中间层，其中反应气体 为c f 4 ；( d ) 反应离子刻蚀去除抗反射层，其中反应气体为0 2 ；( e ) 采用微电镀工 艺在刻蚀出来的电镀层上生长栅线；( f ) 去除中间层和抗反射层；( g ) 将光栅栅线 图形转移到钨钢合金上。m i t 空间微结构实验室采用这种方法制备出来了2 5 0 0 线毫米和5 0 0 0 线毫米x 射线透射光栅【1 6 】，并为脚天文望远镜提供了数百 块的高能透射光栅【3 0 3 。 ( b ) p g 怕mb y l l a n dd 钠l o 弘 ( d ) ( e ) g o l de i e c t p l a l e ( g ) a c i ds p l n 9 嘲 s u b s 柏t e a “g n a n d b d t o 仃a m e s 图卜4 全息光刻流程副1 5 l f i g 1 - 4f l o wc h a r to fh o l o g r a p h i c1 i t h o g r a p h y 5 鼍， 画擀 煦一熙一西 腻詈黉 北片 1 业人学t 学硕i ：1 妒沦文 全息曝光作为目前制作高线密度透射光栅的主要手段，其主要优点是效率 高，可制备的光栅图形区有效面积大，并且可以小批量制作高线密度x 射线透 射光栅。不过它的缺点也是非常明显的：首先，控制光栅图形的一致性比较困难， 这主要是因为在全息光刻巾，实际的干涉光束并不是理想的平面光；其次，在曝 光过程中，由于干涉形成的光强分部对比度较差，会造成光栅栅线边缘不光滑【2 1 ， 并且由于记录光源波长的限制，全息光刻制作出来的光栅线密度非常有限【3 2 】：此 外，全息曝光只能制作周期性的图形，制作新型非周期结构衍射光学元件难度较 大，比如中国工程物理研究院的曹磊峰老师提出来的光子筛光栅结构和单级衍射 光栅结构等【2 】。 1 3 2 机械刻划 机械刻划技术是最早的光栅制备方法，中国科学院长春光机所在国内首次制 造出来光栅刻划机和第一块衍射光栅【3 3 ，3 4 】。而目前机械刻划制备出来的光栅主要 工作在可见光波段，刻划密度一般在0 5 2 4 0 0 线毫米。目前大量采用的栅线密 度主要在6 0 0 线毫米，1 2 0 0 线毫米，2 4 0 0 线毫米量级。在机械刻划过程中， 为了保持划痕间距恒定，对衍射光栅的刻划条件要求很严，否则会出现大量“鬼 线”，影响光栅的正常使用。此外，对刻划的外环境，如电的稳定性、工作环境 的温度和湿度等要求都很高【3 5 ，3 6 】。经验证明，对光栅刻划室的温度要求保持在 0 0 l 。一0 0 3 1 3 。的变化范围，光栅刻划机工作台的水平振动不超过1 3 微米，光 栅刻划室应该清洁，要避免通风带来的灰尘，光栅刻划室的相对湿度不应超过 6 0 7 0 。 机械刻划的优势在于可以改变刻刀的方向和刻刀的形状，从而得到其他制备 手段很难得到的栅线线形，如闪耀光栅等非平面光栅结构。并且机械刻划光栅由 于本身材料比较特殊，通常用于制备掩蔽母光栅或者压印掩模板。德国u 仃e c h t 的空间研究部采用机械刻划制作出母光栅，再用其作为掩蔽复制出6 0 0 1 0 0 0 块 1 0 0 8 线毫米的透射光栅【1 4 1 ，提供了c h a n d r a 天文望远镜上的低能透射光栅。 1 3 3 电子束光刻 光栅的制备工艺经历机械刻划，压印复制，全息光刻的发展历程之后步入电 子束光刻时代，电子束光刻常用的工艺流程如图1 5 所示。电子束光刻技术可以 产生纳米级精细周期的光栅图形【3 7 娜】，突破了全息干涉中分辨率的限制，其分辨 率能够达到2 砌，并且具备任意图形发生能力，这些正是电子束光刻的优势所在， 目前电子束光刻已广泛应用于微纳米光学元件的制备、微电子学和微机械等微纳 米加工领域。但是，由于电子束光刻曝光效率较低，并且在制备纳米级图形时邻 币1 币绪论 近效应和场拼接现象较严重，加上高额的运行和维护成本，电子束光刻很难批量 制备大面积高线密度光栅来满足实际应用的需求。德国科学家 f o r s c h u n g s e i 耐c h t u n gr o n t g e n p h y s i k 曾利用电子束光刻制作出1 0 0 0 0 线毫米光 栅。具体的工艺步骤如下：首先，在清洗好的硅基底薄膜上依次旋涂1 3 0 1 1 i i l 左 右的a z l 3 5 0 抗蚀剂、1 0 吣铬和4 0 i l f l 心m m a 电子束抗蚀剂；然后1 ) 电子束直 写光刻，并显影；2 ) 反应离子刻蚀去除铬金属层，反应气体为c b r f 3 ；3 ) 反应 离子刻蚀去除1 3 0 姗的a z l 3 5 0 抗蚀剂，反应气体为0 2 ；4 ) 刻蚀去除硅基底、 p m m a 抗蚀剂和铬金属层，反应气体为c b r f 3 ；5 ) 刻蚀去除a z l 3 5 0 抗蚀剂：6 ) 电子束蒸发4 0 n m 金层；至此完成光栅结构。 柏懈n p 蜘 o 喇啊g 1 疆n z 蜘 | a 融1 糟n 渤霸内稍潮 3 ，r 撼蛐0 2 由髓蝴钠i 屹 拳嘲筝茹刁 勘燧纠魄0 1 2彤踟釉蝴碟犏 秘 图1 5 电子束光刻工艺流程图1 1 3 l f i g 1 - 5f l o wc h a r co fe b e 锄l i t h o g r a