（核技术及应用专业论文）利用天然氧化层掩模的真空紫外硅闪耀光栅的湿法刻蚀制作.pdf

摘要 摘要 本文首先概括了闪耀光栅的历史，特点与分类；介绍了制作非对称锯齿彤 闪耀光栅的各种方法，突出介绍了近些年出现的新技术、新工艺和一些振奋人 心的成果：着重介绍了基于硅各向异性刻蚀制作闪耀光栅的原理、最新进展和 相比其他技术所独有的特点，这个方法展现了良好的应用前景。闪耀光栅的最 大特点就是将入射光的大部分能量衍射到某一个非零衍射级次上，非对称锯齿 槽形是闪耀光栅的主要轮廓形式。随着科学技术的发展，真空紫外和软x 射线 波段卜的应用和研究越来越重要，同时对非对称锯齿槽形闪耀光栅的制作也提 出了更高要求，包括超低粗糙度的闪耀面和通常方法难以做剑的小闪耀角，这 几点恰巧足硅各向异性刻蚀制作光栅的优势所在，所以掌握这项技术显得尤为 重要。 论文就是依托于本实验室良好的实验条件，针对真空紫外波段，对在单晶 硅上利用湿法各向异性刻蚀制作闪耀光栅的方法进行了系统的研究，取得了一 些有意义的结果。 单品硅是我们制作光栅的基础，因此对单晶硅的质量、硅片的精确切割、 硅片的抛光以及硅片的清洁提出了很高的要求，需要对这些参数进行严格的检 测，最终得到符合我们制作要求的带5 度偏角的单晶硅片。 接着是利用热氧化层作为硅各向异性刻蚀掩模的研究。介绍了热氧化层的 获得，在理论和实验上对湿法刻蚀中的横向刻蚀做了详绌的研究，对热氧化层 掩模厚度和光刻胶线条的占宽比之间的关系进行了分析，总结了湿法刻蚀应用 在图形转移中的特点，发现了残余光刻胶对图形转移的影响，得到了初步的光 栅样品，对光刻胶掩模的质量和氧化层掩模的厚度提出了明确的要求。 然后是利用天然氧化层作为硅各向异性刻蚀掩模的研究。为了消除重力的 影响，在倒置状态下对光刻胶掩模进行高于其玻璃转变温度以上的烘烤，尽量 保证光刻胶线条高度的同时得到了光滑的光刻胶掩模，再结合光刻胶灰化技术， 进一步得到小占宽比、平直而且干净的光刻胶掩模。从理论上分析了对于我们 要制作的用于真空紫外波段的光栅来说，天然氧化层作为硅各向异性刻蚀掩模 是完伞可行的。在得到高质量光刻胶掩模的基础上，第一次在实验上利用天然 氧化层作为硅各向异性刻蚀的掩模，成功制作出接近于理想锯齿槽形的闪耀光 栅，其闪耀角为5 度，线密度为1 2 0 0 线毫米，闪耀面的均方根粗糙度约为0 2 n m ， 摘要 其闪耀波长在1 4 0 n m 附近。 最后是对光栅样品的效率测量。首先分析了在1 1 5 n m 1 4 0 m 波段硅表面氧 化层厚度对反射率的影响，仔细测量了具有良好闪耀光栅轮廓的光栅样品s 2 7 的在s 偏振下的衍射效率，发现其绝大部分入射光的能量都被集中衍射到一1 衍射级次上，显示出优良的闪耀特性。通过原子力显微镜测得精确的光栅轮廓， 利用p c g r a t e 2 0 0 0 ( m l t ) 计算了光栅样品s 2 7 在j 偏振下的一l 衍射级次的绝 对效率和槽形效率，计算的绝对效率与实测数据吻合良好，在l3 5 n m 波长处测 得的绝对效率为5 3 7 ，其相应的槽形效率为8 3 2 。 如果改进工艺条件进一步得到更小占宽比而且平直的光刻胶掩模，就很有 希望制作出槽彤顶端缺陷更小的锯齿状闪耀光栅。对于制作极紫外和软x 射线 波段的闪耀光栅而言，天然氧化膜作为湿法刻蚀掩模的方法容易制作出具有较 ： 高槽形效率和光滑闪耀面的闪耀光栅，需要做的只是减小切割硅片时的切偏角 ： 度或者适当增加光栅线密度。本文介绍的方法对设备要求不高，步骤相对简单， 。二 往获得高槽彤效率的同时，还可以大大降低工艺难度及制作成本。 关键词：闪耀光栅，真空紫外，掩模，单晶硅，湿法各向异性刻蚀 a b s t r a c t b i a z e dg r a t i n g sw i t ha s y m m e t r i cs a 、 厂t o o t hp r o n l e sp o s s e s st h ed e s i r a b l ep r o p e r t yo f c o n c e n t r a t l n gm o s to ft h ed i f r r a c t e dl i g h ti n t oas i n g l en o n z e r oo r d e r h o w e v e r a c c u r a t ec o n t r o lo f t h es a 、v t o o t hg r o o v ep r o n l ei sd i m c u l tw h e n t h eg r o o v ed e n s i t vi s h l g ha n dt h eb l a z ea n g l ei s o n l yaf e wd e g r e e s ，e s p e c i a l l yf o rg r a t i n g su s e da t v a c u u mu l t r a v i o l e ta n ds o rx - r a y 、 ，a v e l e n g t h s t r a d i t i o n a lb l a z e dg r a t i n g s c a nb e f a b r i c a t e db ydi a m o n ds c r i b i n gw i t har u “n ge n g i n eo rb yi o ne t c h i n gc o m b l n e dw i t h m t e r f e r e n c e1j t h o g r a p h y g r a t j n g sf a b f j c a t e db yt h e s em e t h o d ss u 行e f 厅o ma n u m b e r o f d e f - e c t s ，i n c l u d i n gh i g hs u r f a c er o u g h n e s sa n dp o o rg r o o v ep r o f i l e ，w h l c hl e a dt o l a r g ea m o u n to fs t r a yl i g h ta n dl o wd i f f a c t l o ne 蕊c i e n c i e s o w i n gt ot h ea n l s o t r o p i c c h a r a c t e ro fs j n g l ec w s t a ls i l i c o ni nt h ee t c h a n t so fa l k a i l n ei o n ss u c ha sk o h s o l u t l o n ，g r a t m g sw l t hac o n t r o i i a b l eb l a z ea n g l ea n ds m o o t hb l a z ef a c e t sc a nb e t a b f l c a t e db ya n i s o t r o p i ce t c h i n go fa no f f - c u t ( 111 ) s i l i c o nw a f e ru n d e ra m a s ko f t h e r m a l 。o x i d a t l o n g r o 、v ns i 0 2o rd e p o s i t e ds i 3 n 4 as y s t e m i cr e s e a r c hw a sc a r r i e d o u to nf a b r j c a t i o no fb l a z e dg r a t i n g si nt h ev a c u u mu j t r a v i o j e t 、v a v e l e n g t hr a n g eo n s l l l c o nc 叫s t a ls l l i c o ns u b s t r a t e sb ya n i s o t r o p i cw e t e t c h i n g a c c o r d l n gt ot h e s e v e r e d e m a n d s ，t h eq u a li t i e so fg o o ds i n g l ec r y s t a l l i n e p r e c l s ec u t t i n g ，f i n ep o “s h i n ga n dg o o dc l e a n i n gw e r et e s t e d v 沌j i q u a i i f i e ds i l i c o n w a f e r sw l t ha no e 二c u ta n g l eo f5 0w e r eo b t a i n e d u s i n gt h e r m a l o x i d a t i o n g r o w n si 0 2l a y e ra st h em a s ko fa n l s o t r o p i ce t c h i n g ，w es t u d i e dt h eu n d e r c u t t i n 2o ft h e w e te t c h l n go fs i 0 2l a y e rt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a ll y t h ec h a r a c t e ro ft h e t r a n s t e r r l n go f 。p h o t o r e s l s tm a s ki n t ot h es i 0 2l a y e rw a ss u m m a r i z e d ，t h ei n 】 1 u e n c e o fr e m a l n d e rp h o t o r e s i s tw a so b s e r v e da n dt h ep r e p a r a t o 叫s a m p l eo fg r a t i n gw a s o b t a i n e d s t r a i g h ta n dc i e a np h o t o r e s i s tm a s kw “hs m a l lh n e 。t o p e “o dr a t i oa r e r e q u i r e da n dt h et h i c k n e s so f t h es i 0 2i a y e rs h o u l db ea st h i na sp o s s i b l e p h o t o r e s l s tb e c o m e sv i s c o u sw h e nh e a t e da b o v ei t sg l a s st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ， s ot h ei i n eo fp h o t o r e s i s tm a s kc a nb es m o o t h e n e d i no r d e rt oa v o i dt h ei n f l u e n c eo f g r a vi t y w eh e a t e dt h ep h o t o r e s i s tm a s kw i t ht h es u b s t r a t eb a c ks i d eu pt om a i n t a l n t h et h i c k n e s so fp h o t o r e s i s t “n e s t br e d u c el i n e e d g er o u g h n e s sa n dc l e a n t h e r e m a l n d e rp h o t o r e s l s tb e t w e e nt h eg r a t i n gli n e s ，w ep e r f o r m e dp h o t o r e s i s ta s h i n gb y 0 2p i a s m ar e a c t i v el o ne t c h i n g ，w h i c hc a ne t c ht h ep h o t o r e s i s ti i n e si s o t r o p i c a l l y a s ar e s u l t ，s t r a l g h t ，s m o o t ha n dc l e a np h o t o r e s i s tm a s k sw i t hs m a l il i n e t o p e r i o dr a t j o a b s t r a c t w e r eo b t a in e d t h ed e s j r a b l eb l a z e dg r a t i n gh a dab l a z ea n g l eo f5 0 ，g r o o v ed e n s i t yo f12 0 0 m ma n dab l a z ew a v e l e n 昏ho fa b o u tl4 0n m o nt h es u r f a c eo f as 】【l i c o ns u b s t r a t e ， t h et h i c k n e s so fn a t i v eo x i d el a y e rg e n e r a l l yr a n g e sf r o m1t o2n m f i r s tw e a n a l y s e dt h ef - e a s i b i l i t yo fu s i n gt h en a t i v eo x i d el a y e ra st h em a s ko fa n i s o t r o p i c e t c h i n g ，t h e nr e a i i z e di te x p e r i m e n t a l l y t h e nw ep r e s e n tas i m p l ea n dc o n v e n i e n t m e t h o do fc o n “o l li n gt h ep r 0 6l eo fab l a z e dg r a t i n gt h a tc o n s i s t so fu s i n gp a t t e r n e d n a t i v eo x i d el a y e ra st h em a s ko fa n i s o t r o p i ce t c h i n gt oo b t a i nn e a r - i d e a lg r o o v e so f s a 、 ，t o o t h w i t ht h eb l a z e dg r a t i n gp r o f i l ew e l lc o n t r o l l e db yt h i st e c h n i q u e ，a12 0 0 m m b l a z e dg r a t i n gw a sf a b r i c a t e d ，w h i c hh a dab l a z ea n g l eo f5 o 。a n ds m o o t hb l a z e f a c e t so fs u r f a c er o u g h n e s sa b o u to 2n mr m s e m c i e n c ym e a s u r e m e n t sw e r em a d e a tt h es p e c t r a lr a d i a t i o ns t a n d a r da n dm e t r o l o g yb e a m li n eo ft h en a t i o n a l s 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 哕o fc h i n a i t 、 ，a sf o u n dt h a tt h em o s to ft h e i n c i d e n tr a d i a t i o nw a sd i f 狞a c t e di n t ot h e 一1o r d e r t h eg r a t i n gs a m p l ew a sm e a s u r e d t ob l a z ea tt h ew a v e l e n 垂ho f13 5n m ，w h e r et h ep e a km e a s u r e da b s o l u t ee 币c i e n c y w a s5 3 7 a n dt h ec o f r e s p o n d i n gc a l c u l a t e dg r o o v ed i 仃t a c t i o ne 筑c i e n c yw a s 8 3 2 i njd o i a r i z a t i o n k e yw o r d s ： b l a z e dg r a t i n g ，v a c u u mu l t r a v i o l e t ， m a s k ， s i n g l ec r y s t a ls i l i c o n ， a n i s o t r o p i cw e te t c h i n g ， i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名： 签字日期： 兰：2 ：垒：2 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技外 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门蔓。 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文! 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编! 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 l 妇开口保密( 年) 作者签名：窒域 签字口期：坦2 ：垒：2 导师签名： 签字口期：羔雩 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 光栅足一种重要的光学元件其表面或者内部分布着有规则的线、缝、 槽或光学性质变化的物质 1 】。光栅有四个基本性质：色散、分束、偏振和相位 匹配【2 ，光栅的绝大部分应用都是基于这四种特性的。光栅最重要的性质是其 色散性质，它使得光栅取代棱镜成为光谱仪器中的核心元件。光栅优良的色散 特性，驱使科学家和工程师们发明出众多制作高质量光栅的技术，建立起几乎 完美的严格光栅理论。 光栅按照不同的标准可以分为很多种类【2 。 按材料分：有金属光栅和介质光栅： 按使用衍射光方向分：有反射光栅和透射光栅： 按面形分：有平面光栅和凹面光栅( 球面、椭球面、超环面等等) ； 按周期维数分：有一维光栅、二维光栅和光子晶体； 按使用方式分：有自由空间光栅和波导光栅： 按折射率调制方式分：有浮雕光栅和体光栅； 按线密度分布分：有等间距光栅和变间距光栅： 按槽形分：有正弦光栅、矩形光栅、梯形光栅和阶梯光栅，其中阶梯光栅 又分为大、中、小三种。 按制作方法分：有机械刻划光栅、全息光栅、全息离子刻蚀光栅和复制光 栅等等； 按使用波长分：有红外光栅、可见光栅、紫外光栅、真空紫外光栅和软x 射线光栅； 按应用领域分：有光谱光栅、测量光栅和脉冲压缩光栅等等： 1 2 闪耀光栅( bia z e dg r a tin g ) 闪耀光栅槽形一般为“锯齿”结构，也称为定向光栅或小阶梯光栅。 1 第一章绪论 1 2 1闪耀光栅的历史 阶梯光栅 3 依据光栅使用衍射级次大小可被分为大、中、小三种。所谓大 阶梯光栅( m i c h e l s o n se c h e i o ng r a t i n g ) 的使用衍射级次在1 0 4 量级，中阶梯光 栅( e c h e l l eg r a t i n g ) 的使用衍射级次在1 0 2 1 0 3 量级，前面这两种光栅都是为了 极高的分辨率而设计和制作的；小阶梯光栅( e c h e l e 妣莎a t i n g ) 则用于较小的 衍剩级次上。 小阶梯光栅典型的特征是其非对称锯齿槽形，这样的光栅槽形结构与其他 槽形结构( 如正弦和矩形等) 相比在衍射特性上表现为能够将大部分衍射光集 中到某一个非o 衍射级次上，如图1 1 所示【4 】。1 9 1 0 年，w | o o d 【5 首次制作了 用于红外的小阶梯光栅，其实r a y l e i 曲【6 】早在1 8 7 4 年就在文章中阐述了这种通 过非对称的槽形结构去调整衍射光能量分布的想法。 捌 截一 图1 1 三种主要槽形的衍射特性( 引自文献1 4 l 随着光栅制作工艺的改进，这种具有非对称锯齿槽形的光栅逐渐成为商用 光栅的标准。由于这种光栅的衍射特性“b l a z i n g ”，上世纪5 0 年代开始 人们习惯用“b l a z e dg r a t i n g 去称呼小阶梯光栅，+ 所以闪耀光栅成了小阶梯光 栅的代名词。理论和实验上早已证实，在共振区，即使是具有对称槽形的正弦 光栅和矩形光栅也能做到接近1 0 0 的闪耀效果 2 】，所以从广义看，将闪耀光 2 第一章绪论 栅和小阶梯光栅等同是不合适的。从现有技术条件看，使用在短波波段( 真空 紫外及软x 射线) 的闪耀光栅基本上还是采用非对称锯齿槽形。 1 2 2 闪耀光栅的使用参数 在透射光栅的闪耀情况下，每一个刻槽相当于小棱镜，不同波长的光通过 小棱镜后向不同的方向折射，即不同波长的光从每个槽面上衍射的主极大的方 向不同，若某个波长的光从每个槽面上衍射的主极大方向恰好就是该波长的一 级光谱的方向时，这个波长就是闪耀波长。 f a c e t g n t i n g d l f 打a c t e d n o r m 鱼ln o m mb 盟m 图1 2 反射闪耀光栅示意图 我们以反射闪耀光栅为例 7 ，8 】进行详细说明，在反射光栅的闪耀情况下， 每一个光栅刻槽的斜面都与平均光栅表面相交成适当的角度，如图1 2 所示。 闪耀波长的确定与光栅的安装方式有关，当相对于刻槽斜表面法线的入射角等 于反射角即仅一= p + ，= ( a 一夕) 2 或芦= a 一2 时，满足闪耀的条件。 在l i t t r o w 安装情况下：a = 卢、妒= ，代入光栅方程( 1 1 ) d ( s i n 口+ s i n ) = m 彳 ( 1 一1 ) 得： = s i n 。1 筹 ( 1 - 2 ) 二“ 在垂直入射情况下：a = o 、西一夕2 ，代入光栅方程得： 3 第一章绪论 痧：三s i n - 1 磐 ( 1 _ 3 ) 7 2d 由式( 1 2 ) 和( 1 3 ) 可知闪耀角在不同的入射方式下的表达式不同。既然 对给定的波长a 其夹角矽随入射角的变化而变化，那么对一块光栅来说，当使 用在不同的入射角时，可以闪耀在不同的波长。闪耀波长同样可由光栅方程求 得， 2 d s i n 矽c o s ( 口一矽) = 朋五6 ( 1 4 ) 一级l i t t r o w 安装时的闪耀波长a 6 髓产2 d s i n 西，代入式( 1 4 ) 得 聊屯= 九肌c o s ( 口一) ( 1 5 ) 式( 1 5 ) 的物理意义是：闪耀波长等于l i t t r o w 闪耀波长乘以相对于斜面上法 线方向的入射角的余弦。闪耀波长a 6 与闪耀角矽、入射角仅、光栅常数d 及光 谱级次所有关。 1 2 。3 光栅的衍射效率 衍射效率 7 ，8 是光栅特性中重要的参数之一，最常用的光栅衍射效率是绝 对效率和相对效率。绝对效率( a b s o l u t ee f j f i c i e n c v ) 是测量的某一衍射级次的光 强与入射光强之比，主要影响因素是光栅槽形和光栅表面材料的反射系数。相 对效率( r e l a t i v ee 筒c i e n c v ) 是测量的某一级次的光强和具有与光栅表面材料相 同的反射镜的光强之比，其影响因素主要是光栅槽形轮廓，所以有时也称之为 槽形效率( g r o o v ee 伍c i e n c y ) 。因材料的反射系数小于1 ，光栅的相对效率或槽 形效率总是大于绝对效率。 图1 3 典型的光栅衍射效率曲线示意图( 引自文献1 9 1 ) 4 第一章绪论 图1 3 是典型的光栅效率曲线示意图，它表示某一衍射级次对衍射波长的 光栅效率，图中b 表示闪耀波长，毋为闪耀波长处的峰值效率。随着衍射级次 聊的增加，曲线的峰值将下降并向短波方向漂移。光栅特性的全面认识要求测 量槽形轮廓和它的效率。通常光栅使用者关心的是光栅的效率，而光栅制作者 最为关心的是光栅的槽形。光栅槽形的精确测量可以帮助制作者判断光栅制作 是否成功，此外对光栅的理论效率和实测效率的比较也是必要的。槽形效率是 评判一块闪耀光栅的制作工艺好坏最直接的参数，获得槽形效率有两个途径， 其一是通过实验测量光栅的绝对效率与相同材料( 包括相i _ j 表面粗糙度) 的平 面镜的反射率，两者的比值就是槽形效率；其二是精确测量光栅的槽形结构， 结合严格光栅理论计算而得。 效率曲线与光栅使用方式、光栅常数d 、使用波长a 和光栅镀膜材料( 反 射光栅) 或制作材料( 透射光栅) 等有关。在实际使用中，光栅的衍射还依赖 于入射光的偏振性【2 】。简单讲，s 偏振或t e 偏振其电矢量方向平行于光栅刻槽 方向，而p 偏振或t m 偏振其电矢量方向垂直于光栅刻槽方向。考虑光的波长 和光栅蒯期的比值，当入射角和这个比值都比较小时，偏振效应是很小的，当 入射角很大或者光的波长和光栅周期在同一数量级时，偏振效应就比较大。 1 3 非对称锯齿形闪耀光栅的制作方法 制作非对称锯齿形闪耀光栅的有很多种方法机械刻划法，全息干涉 法，全息离子束刻蚀法，晶体的各向异性刻蚀法，激光直写技术，电子束曝光 技术，聚焦离子束加工技术，灰度曝光技术等等。 1 3 1 机械刻划法 在激光发明以前，机械刻划法【1 0 ，1 l 】几乎是制作闪耀光栅的唯一方法。机 械刻划法的示意图如图1 4 所示。首先是在精密光学抛光的光栅基底上蒸发或 沉积铝或金的金属膜，然后用带有合适角度的金刚石刻刀在其上挤压或抛光形 成刻槽。在正式落f j 刻划之前，需用干涉显微镜进行准直及电子显微镜精确测 量槽形和光栅周期。每次检查后金刚石刻刀都需调整，直到完全满足待刻光栅 5 第一章绪论 的要求。由于刻划速度慢，光栅的刻划是一个长时间、缓慢和费力的过程，小 尺寸光栅刻划时间一般要几天或几个星期，大尺寸高线密度的光栅甚至要几个 月时间，在此期间不能有任何失败或明显的刻刀磨损。光栅的刻划除对刻划机 本身的精度要保证之外，对环境要求也极为苛刻，特别是对电的稳定性、环境 温度和湿度等的变化都要求极高。 d i a m o n d7 图1 4 机械刻划法示意图 u m 机械刻划光栅具有不对称的三角形槽形，利用具有不同偏角刻面的金刚石 刻刀，可以改变光栅刻槽的闪耀角，从而获得不同的闪耀波长。由于机械刻划 的光栅成本昂贵，它多用来作为复制光栅的母光栅。对于机械刻划法来说，超 高密度光栅和小闪耀角光栅的制作显得有点力不从心，还有一个缺点就是其闪 耀面的粗糙度较大。当然在使用时还要考虑到机械刻划法制作的光栅所固有的 鬼线和散射光较大的问题。 1 3 2 全息干涉法 上世纪6 0 年代，激光器的问世大大推动了全息干涉法制作光栅的发展，到 1 9 7 0 年，全息光栅已经可以用于可见光、紫外和x 射线波段，其效率可以和机 械刻划光栅相当，甚至体现出更好的光谱性能。相比机械刻划法，传统的全息 干涉方法制作的光栅具有对称的槽形，图1 5 是其曝光示意图。为了将全息光 栅的优点应用到闪耀光栅制作中，在全息光栅出现不久就提出了全息光栅闪耀 化技术，也就是制作不对称的锯齿槽形全息光栅的方法。下面介绍有关闪耀光 栅的两种全息制作方法。 6 第一章绪论 激力 图1 5 全息干涉条纹产生示意图 驻波法 1 9 6 8 年，s h e r i d o n 1 2 提出用驻波法制作锯齿槽形全息光栅的方法，其基本 原理是两相干平面波从光栅基片的两侧以相对方向入射，将干涉条纹曝光记录 在某一面的光刻胶上。显影速率或光刻胶的溶解度取决于干涉条纹的强度分布， 显影后获得具有准三角槽形的光栅。通过改变激光光源的波长、基片的倾斜角 和两个两光束的夹角，| 由j 以获得不同的线密度和闪耀角。 驻波法的缺点【1 3 ： 1 该方法制作的闪耀光栅的闪耀区范围很小，短波方向不能短于激光光 源在记录介质中的波长，长波方向不长于激光光源在记录介质中的波长的1 2 倍，所以此类光栅的应用就受到限制，尤其是在往更短波方向上： 2 光束通过光栅基片，为了防止波象差，基片必须具有很好的光学均匀 性，j i ，面性要求达到九1 0 ，两个表面的平行度达到秒级： 3 不能制造曲率较大的凹面光栅； 4 因为条纹的倾斜不够大，所以合成的槽形的非对称性是相对是比较小： 5 由于是槽形结构是在光刻胶上，复制比较困难。 傅里叶合成法 傅罩叶合成法 1 3 。1 5 的思想是利用傅里叶级数的分量来合成一个锯齿槽 形，如图1 6 为两个工f 弦波叠加构成非对称轮廓的示意图，从原理上看正弦分 7 第一章绪论 布干涉条纹的多次曝光能获得任意近似于锯齿形的非对称槽形。如果我们取更 多的级数项也就是多次曝光，合成的精度会越高，但是从制作的角度看，则希 望取较少的级数项来满足一定的合成精度的要求。通常见到的有二次叠加傅里 叶合成法和三次傅里叶合成法，虽然理论上认为傅里叶合成法可以提高效率， 但是为了满足实际的制作要求，必须使基波条纹和各个谐波条纹达到高精度的 叠加，定位精度控制在光栅周期的l 1 0 之内，这并不是一件容易做到的事情。 b 1s i nk x 八八八 b 2 s i n 2 k x 八八八八。八、八八 队。，队秒h + b 2 咖2 融 图1 6 两个正弦波叠加构成的非对称的轮廓( 引自文献【1 3 】) 1 3 3 全息离子束刻蚀法 1 9 7 6 年，a o y a g i 等【1 6 ，1 7 】首次报道了全息离子束刻蚀闪耀光栅的实验结 果，他们成功在g a a s 和p m m a 基底上制作了锯齿形的闪耀光栅。全息离予束 刻蚀法是结合全息干涉法和离子束刻蚀法制作非对称锯齿形闪耀光栅的方法。 首先用全息干涉在光刻胶上产生正弦或近似正弦槽形的光栅，然后利用离子束 存光栅基底上刻蚀出三角形的刻槽轮廓，其典型的槽形演变请看图1 7 所示【4 】。 通过选择光刻胶光栅高宽比、离子束的入射角以及光刻胶和基底材料的刻蚀速 率比，理论上可以制作出任意角度的闪耀光栅。 1 9 7 9 年a o y a g i 1 8 】测试了全息离子束刻蚀闪耀光栅、全息光栅和机械刻划 光栅在4 1 0 n m 和2 4 0 n m 波长处的散射光，如图1 8 所示【1 8 】，全息离子束刻蚀 闪耀光栅的散射光比值介于机械刻划光栅和全息光栅之间。在离子束刻蚀过程 中光刻胶掩模上的缺陷同样也会被复制到闪耀面上，光栅上的这些缺陷是导致 其散射光比值高于全息光栅的主要原因。 8 第一章绪论 e c 一 c 山 。口 1 0 0 0 百5 0 0 c 主 o o 弓 5 0 0 l o nb e a mb i a z i n g 辩一篪 05 0 01 0 0 0 1 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0 3 5 0 04 0 0 04 5 0 0 x 【n m 】 o h o i o r e s l s l n g 5 g i a s s 图1 7 上图为全息曝光后光刻胶显影过程中的典型轮廓变化；下图为光刻胶掩模在离子 束刻蚀下的变化以及闪耀面的形成过程( 引自文献【4 1 ) 1 2 0 00 m m o h o l o g r a p hi cg r a t l n g - 6 r u l e dg r a t i n g 一 1 0 n e t c h e dg r a t ln g w a v e l e n g t hln m 图1 8 全息离子束闪耀光栅、全息光栅和机械刻划光栅 在4 l o n m 和2 4 0 n m 波长处测量的散射光比较( 引自文献f 1 8 j ) 9 卜卜一zu卜zu一lq一山位 第一章绪论 此后，j o h n s o n 等人 1 9 2 2 】对闪耀光栅的全息离子束刻蚀制作工艺进行了 详细的研究。目前世界上各大光栅制造商一般都将全息离子束刻蚀法作为制作 闪耀光栅的主要方法。 1 3 4 晶体的各向异性刻蚀法 关于晶体的各向异性刻蚀法将在1 5 节中详细介绍。 1 。3 ，5 激光直写技术、电子束曝光技术和聚焦离子束加工技术 这三项技术 2 3 】都可以产生非对称的锯齿槽形，但一般都被用于加工微光 学元件，很难应用到传统的光栅制作上来。 激光直写技术 2 4 ，2 5 】是将计算机产生的图形数据、由计算机控制聚焦短波 激光直接在光刻胶层上扫描曝光形成图形一项技术。激光直写技术的精度相对 较差，大约在1 微米，设备简单，无需制作掩模。 电子束曝光技术 2 6 2 8 】是利用某些高分子聚合物对电子敏感而用电子束曝 光形成图形的，其图形的精度取决于聚焦电子束斑大小，利用现代电子束曝光 设备和特殊的抗蚀剂工艺已经能够制作小于1 0 蛳的精细结构。这项技术的缺 点是制作大面积元件有难度，设备复杂，价格昂贵。 聚焦离子束加工技术【2 9 3 5 】是一种直接在固体表面加工的技术，液态金属 离子源配以先进的离子光学系统可以获得5 m n 的聚焦离子束。这项技术的缺点 同样是制作大面积元件有难度，设备复杂，价格昂贵。 其中有一个利用电子束曝光技术制作极紫外波段闪耀光栅的例子，2 0 0 4 年 n a u l l e a u 等人【3 6 报道利用高分辨率的电子束曝光设备在8 0 n m 厚的h s q 胶上 制作了面积为o 5 m m 2 m m 的闪耀光栅，其闪耀面的均方根粗糙度为1 2 n m 。 其中一块样品通过离子束沉积的方法在光栅表面覆盖5 0 个周期的每个周期厚 度为8 1 n m 的m o s i 多层膜，粗糙度降为0 2 5 n m ，在1 3 4 n m 波长处以3 5 度角 正入射获得4 1 的绝对效率，相应的槽形效率为6 3 ：另外一块样品通过磁控 溅射沉积的方法在光栅表面覆盖6 0 个周期的每个周期厚度为6 4 5 n m 的m o s i 多层膜，粗糙度为o 6 n m ，在1 2 5 n m 波长处以5 度角正入射获得4 0 的绝对效 率，相应的槽形效率为6 3 。这是在极紫外波段获得的最高的光栅衍射效率记 录。 1 0 第一章绪论 1 3 6 灰度曝光技术 光学曝光可以产生任意曲面的光刻胶槽形，这一类曝光称为灰度曝光( g r a y s c a l ep h o t o l i t h o g r a p h y ) 2 3 ，3 7 ，3 8 】。光刻胶的曝光深度与入射光的能量有关，调 制入射光能量就可以改变显影后光刻胶轮廓的深度。扫描电子束、x 射线或扫 描激光束曝光都可以连续控制入射电子或入射光能量，从而产生连续变化的胶 面形状，但这些技术的制作效率低，因为它们是种顺序式曝光。而掩模曝光 是一种平行式曝光，即掩模上的所有图形一次透射到基片上。因此利用灰度掩 模( g r a ys c a l em a s k ) 与投影式曝光机可以实现与制作大规模集成电路同样的方 式来制作微光学元件。灰度曝光技术的关键技术包括灰度掩模的设计和制作、 灰度光刻胶j 二艺和光刻胶浮雕图形向衬底材料的转移。这种方法的难点在于制 作相应的狄度掩模，一般只是用于微光学元件的制作。 此外还有其他的些方法，比如光学滤波法 3 9 、原子光刻法 4 0 】、x 射线 曝光法【4 1 等等，此处不再详述。 1 4 基于传统工艺的调控闪耀光栅参数的一些新方法 当闪耀光栅的使用进入到真空紫外和软x 射线波段，传统的制作闪耀光栅 的方法就遇到困难：第一，光栅的闪耀面的均方根粗糙度很难做到0 5 m n 以下； 第二，闪耀光栅的闪耀角很难做到1 度以下；第三，闪耀光栅的背闪耀面的倾 角与闪耀面的倾角相当，严重影响光栅在正入射情况下的衍射效率。为了解决 以上问题，近些年来有一些新技术和新工艺出现，现在介绍如下。 1 4 1 驻波法全息干涉闪耀光栅结合( a r + o ：) 反应离子束刻蚀 n e l l e s 等人 4 2 提出的这个方法的思路就是先用全息j r 涉驻波法在光刻胶 上形成锯齿槽形，然后再通过离子束刻蚀进一步将锯齿槽形转移到透明基片上， 这个角度的变化就取决于离予束对光刻胶和基片材料的刻蚀速率比。一般离子 束刻蚀所用的气体都为a r 气，a r 离子束对光刻胶和石英玻璃的刻蚀速率差不 多，所以在转移过程中并不能显著的改变光栅的闪耀角。为此，他们将a r 和 0 2 作为离子源的工作气体，因为0 2 的加入可以大大的增加了光刻胶的刻蚀速 率，同时石英的刻蚀速率则基本保持不变，所以就将原来全息闪耀光栅的闪耀 第一章绪论 角由7 8 度减小为1 5 度，如图l ：9 所示。 至 。 占 甘 a 2 o 0 0 * 图1 91 2 0 0 线毫米的闪耀角为7 8 度的全息闪耀光栅 在经过a r + 0 2 的离子束刻蚀之后闪耀角变为1 5 度( 引自文献1 4 2 】) 这种方法在曲面上制作光栅还存在一定的难度，另外还要求光栅的基片必 须是透明的。 1 4 2 机械刻划闪耀光栅结合( a r + 0 ：) 离子束刻蚀 h e i d e m a n n 等人 4 3 发现传统的离子束刻蚀对a u 和s i 的刻蚀速率比值 最大为2 5 ，而这个刻蚀速率比值在缸十0 2 反应离子柬刻蚀中可以达到2 8 。也 就是基底为s i 的机械刻划金光栅，经过a r + 0 2 反应离子束刻蚀，其闪耀角可以 减小为原来的1 2 8 。文章中报道的一块6 0 0 线毫米的刻划闪耀金光栅经过刻蚀， 闪耀角由原来的28 度减小为0 0 9 度，这几鼍是报道的最小闪耀角度了，闪耀 ： “， 面的均方根粗糙度由原来的0 8 舢降低为o 2 n m 。 1 4 3 闪耀光栅覆膜法 1 2 第一章绪论 o s t e r r i e d 等人【4 4 在机械刻划闪耀光栅和全息离子束刻蚀闪耀光栅上覆盖 一层有机胶或者无机胶来填充光栅槽形以减小其闪耀角，最大可以将闪耀角降 低到0 6 度，为原来闪耀角的1 6 。 2 0 0 4 年，k o w a l s k i 等人【4 5 】在3 0 0 0 线毫米的闪耀角为8 5 度的全息离子束 刻蚀的闪耀光栅上覆盖一层有机膜，闪耀角减小为2 7 度，表面粗糙度为 o 2 8 n m 。然后在上面镀制6 0 个周期的每个周期厚度为8 3 n m 的m 0 2 c s i 多层膜， 在l5 7 9 n m 处测得2 级衍射绝对效率为2 9 9 ，相应的槽形效率为5 3 。 1 4 4 全息一( a r + 0 ：) 离子束刻蚀法 我幽清华大学光栅与测量实验室的林慧【4 6 在制作出矩形的光刻胶掩模 后，直接用a r + 0 2 反应离子束刻蚀制作闪耀光栅。成功制作出了周期2 4 0 0 线 毫米，闪耀角1 9 度的闪耀光栅，表面粗糙度o 5 3 m ，这样的闪耀角是通常的 全息离子束刻蚀法难以做到的。镀制4 0 个周期的m o s j 多层膜，经j 司步辐射光 测量( 正入射角1 0 度) ，光栅在1 3 6 n m 波长处的t 级衍射效率达3 6 2 ，与 理论计算良好符合【4 7 。 1 5 单晶硅各向异性刻蚀法制作闪耀光栅 1 5 1 硅的基本性质 硅是一种化学元素，它的化学符号是s i ，原子序数1 4 ，相对原子质量2 8 0 9 ， 有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，属于元素周期表上i v a 族的非金属元素。 晶体硅为灰黑色( 带蓝色调) ，无定形硅为黑色，密度2 3 2 2 3 4 克立方厘米， 熔点1 4 1 0 ，沸点2 3 5 5 。硅在自然界分布极广，地壳中约含2 7 6 ，含量仅 次子氧，居第二位。硅的化学性质比较活泼，在高温下能与氧气等多种元素化 合，不溶于水、硝酸和盐酸，溶于氢氟酸和碱性溶液，用于制造合金如硅铁、 硅钢等。晶体硅属于原子晶体，硬而有金属光泽，有半导体性质，单晶硅是一 种重要的半导体材料，用于制造大功率晶体管、整流器、太阳能电池等【4 8 】。 1 5 2 单晶硅的湿法各向同性刻蚀 1 3 第一章绪论 化学湿法刻蚀技术是最早应用于半导体工业的图形转移技术，所谓湿法泛 指所有应用化学腐蚀液体刻蚀的方法。湿法刻蚀的最显著的特点是各向同性刻 蚀，即图形横向与纵向的刻蚀速率相同。 2 0 世纪5 0 年代开始，以硅为基础的半导体工业的兴起带动了湿法刻蚀硅 的研究，硅单晶在酸类腐蚀液中的刻蚀显现为各向同性的性质【2 3 ，4 9 】。最常用 的酸性腐蚀液是氢氟酸、硝酸与醋酸的混合溶液( 通常称为h n a ) 。其腐蚀机 理一般认为是硝酸将硅的表面氧化，然后氢氟酸将氧化的硅溶解的一个过程。 醋酸在这里主要起稀释的作用，也可以用水作为稀释液。h n a 刻蚀硅的速率取 决于三种酸的混合比例。h n a 从2 0 世纪6 0 年代至今一直都被半导体工业用来 作为硅片的腐蚀液。 氢氟酸对二氧化硅有很强的腐蚀作用，在