摘 要:金透射光栅广泛用于真空紫外、X射线、物质波的衍射和光谱测量。分别介绍了美国麻省理工学院空间微结构实验室和中国科学技术大学国家同步辐射实验室的透射光栅制作技术及其新进展。麻省理工学院空间微结构实验室为完成AXAF巨型空间天文台上的高能透射光栅谱仪经历了近20年的发展,其光栅制作工艺日趋成熟,代表了当前世界最高水平。中国科学技术大学国家同步辐射实验室为了满足惯性约束核聚变实验研究的需要,在国内较早地开展了透射光栅的研制工作,在提高光栅质量的同时不断提高线密度。
1 引 言
金透射光栅是极紫外和软X射线波段重要的色散元件之一。亚微米周期透射光栅迅速发展的最大动力就是它在激光惯性约束核聚变等离子体诊断、X射线激光实验诊断和X射线天体物理学等领域中的光谱测量的应用。透射光栅图形产生的方法有机械刻划、电子束直写(光刻)和全息光刻。但机械刻划的条件极为苛刻,不仅刻划时间长且不能很好地刻划小于0.5μm周期的光栅;电子束直写需要很长时间、面积小。所以真正实用的亚微米周期透射光栅图形主要由全息光刻产生,之后用微电镀或离子束刻蚀等制作出金的光栅。本文主要介绍美国麻省理工学院空间研究中心空间微结构实验室和中国科学技术大学国家同步辐射实验室光学元件组透射光栅的制作工艺。
2 MIT透射光栅制作工艺
最先致力于亚微米周期透射光栅研制的是麻省理工学院(MIT)电子工程和计算机科学系的H I Smith[1]和劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的N M Ceglio[2,3]等人。MIT光栅制作现归于空间研究中心的空间微结构实验室,他们承担了AXAF(the Advanced X-ray Astrophysics Facility)高能透射光栅谱仪中的336片HETG的制作[4]。HETG谱仪要求提供高分辨率、高通量的天体X射线光谱,这对光栅制作提出了极大地挑战,这是因为大面积(约6 cm2)、细线条(0.1μm)、大高宽比(约7∶1)等的缘故。一方面排除了机械刻划、商业化的光学、电子束光刻系统等传统工艺,另外10-6级的光栅周期精度要求严格控制每一步的制作工艺。近20年来,围绕着完成HETG制作这一任务,他们在工艺上不断改进,使得亚微米、甚至几十纳米级周期透射光栅制作及相关技术日趋成熟。
对批量生产X射线透射光栅来说,制作出较厚、侧壁陡直的光刻胶光栅浮雕图形是非常必要的,它有利于线宽控制。在解决这些问题的过程中,他们已在光刻胶图形转移工艺中引入了单层厚胶[5]、减反膜[6]和三层光刻胶图形转移新工艺[7]。在全息光栅制作过程中,高反射衬底上的薄单层光刻胶中的垂直驻波(由基片反射光束与入射光束干涉形成的)会造成波状线条、侧壁不陡直等现象,导致线宽及光刻胶线条厚度难以控制。为了解决这些问题,E H Anderson等人[5]提出用厚胶全息光栅制作工艺,并制作出周期为199 nm的光栅图形。单层厚胶工艺的优点是消除了垂直驻波,宽容度大且容易获得大面积内高宽比较高的光栅。困难的是反应离子刻蚀(RIE)可能引起光刻胶交联,导致“lift-off”工艺中厚光刻胶很难去除干净。
针对单层厚胶不能产生足够厚的X射线掩模(约0.3μm)用于X射线微隙光刻复制工艺的问题[8],他们在光刻胶和基底间添加一层减反射膜材料ARC,ARC是一种浸透了吸收UV染料的聚酰亚胺树脂,其作用是抑制全息曝光中的UV反射。不足之处是光栅线条宽度难以控制和由不规则蒸发材料引起的线条边缘粗糙度增加。
尽管利用X射线光刻复制透射光栅的前景诱人,由于他们缺少高亮度的激光等离子体X射线源,又由于时间和经费等限制,他们只能利用其它途径进行X射线光刻,使得HETG制作陷入困境,不得不完全抛开透射光栅X射线光刻复制工艺,而采用新的光刻胶图形转移工艺,直接用全息光刻制作每一块光栅。为了保证制作的每一块光栅周期相同,常用一参考母光栅准直全息光刻系统中的光学元件。“三层”是指电镀基底之上的减反膜图形转移层、电介质夹层和光刻胶成像层。经全息光刻、反应离子刻蚀和微电镀等多步工艺制作出金的光栅线条之后,将硅腐蚀露出聚酰亚胺支撑膜并粘在金属环上即可。他们制作的HETG安装在1999年7月19日发射升空的CHANDRA(即AXAF)X射线空间天文台上,已发回了有关天体物质的高分辨率X射线光谱、星体爆炸残留体中氧和氖的环状结构等的高清晰图像等。
众所周知,X射线衍射光栅的色散与其线密度成正比,在大多数的X射线光谱仪中,能量分辨率是与色散成正比的。所以光栅周期愈短,光栅性能愈好。近年来,由于原子或“物质波”干涉测量法有多种潜在的基础研究和实际应用前景,引起了人们的极大兴趣,原子束干涉的关键元件是周期在200 nm以下的自支撑透射光栅。尽管电子束光刻(EBL)和聚焦离子束光刻(FI-BL)已用于制作100 nm以下的周期性结构图形,但由于刻划时间太长和缺少长程空间相干性(传统的步进方法视域接缝误差是不可避免的),所以不适用于光栅批量制作。目前,几乎所有的超细透射光栅都是用全息光刻制作。但对小于248 nm的波长来说,很难获得足够的时间、空间相干性和将输出功率光源用于全息光刻。因此,消色差全息光刻(achro-matic holographic lithography)是制作100 nm周期光栅的首选方法,这一方法是以Weinberg和Wood的光栅干涉仪的思想为基础的[9],其基本原理如图1所示。图1中左边光栅作为分束器将垂直入射的光衍射成±m级,零级光被挡掉。如果±m级衍射光入射到相同周期的另一光栅上,则另一光栅相应的±(m+ 1)衍射级在其背面叠加形成新的光栅条纹。由于衍射效率，所以一般取m= 1,2,3,结合第二块光栅仅考虑m= 1。此时,两光栅之间的光程与光栅到记录衬底间的光程相等。假定左边光栅的±1级衍射光叠加形成的光栅与母光栅的距离为z,那么±2,±3级衍射光叠加的光栅与母光栅的距离分别为z/2,z/3。所以,在某一记录位置上其它衍射级的衍射光对它无影响。由图1可知,在衬底上记录的光栅周期为
所得光栅周期为母光栅的一半,并与记录光源和入射角无关,无传统全息光刻相干照明要求。消色差全息光刻的特点是与光源的时间相干性无关的,空间相干性仅限制获得高衬度光栅图形的焦深h[10]:
式中,p是母光栅周期;λ是光源波长;Δθ是沿光栅法线的入射角。关键的问题是调准两光栅及光栅与记录基片间的距离及其相互平行性。MIT已用此法制作出约10 cm2大小的100 nm周期的自支撑透射光栅[11],所用光源是ArF准分子激光器输出的波长为193 nm的光波。另外,他们还建议使用来自同步辐射波荡器的14 nm的光波作为光源,有望制作出50 nm周期的透射光栅[10]。
3 NSRL透射光栅制作工艺
由于进口的透射光栅价格昂贵,既不能及时供货,而且质量也不能得到保证。所以在1989年初,应中国工程物理研究院物理与化学研究所的要求,国家同步辐射实验室光学元件组开展了软X射线透射光栅的研制工作,其制作工艺采用全息光刻离子束刻蚀,迄今已为中国工程物理研究院、上海光学精密机械研究所等单位研制了若干透射光栅,取得了一系列实验结果[12～14]。现将全息光刻和离子束刻蚀工艺分别介绍如下。
3.1 带衬底的透射光栅制作工艺
带衬底的透射光栅是指用聚合物薄膜支撑的一类透射光栅[12]。考虑到衬底材料的吸收,所以软X射线波段常用的衬底是聚酰亚胺薄膜。其制作工艺流程是:首先在清洁的玻璃基片上制备聚酰亚胺、金和光刻胶薄膜,光刻胶光栅浮雕图形由全息曝光、显影产生,用离子束刻蚀将光栅浮雕图形转移成金的光栅,然后将金光栅粘在金属支撑环上固化后,腐蚀掉玻璃基底即形成聚酰亚胺膜支撑的透射光栅。
3.2 自支撑透射光栅制作工艺
自支撑透射光栅的特点是无衬底即光栅线条间是镂空的,避免了对软X射线的吸收;光栅线条由足够强度的较大周期的网格结构支撑(又称为加强筋),避免了由于细的光栅线条扭曲、并拢等破坏光栅原有周期结构(严重时光栅完全不能使用)。支撑结构可导致光栅通量损失达25%～50%,但保证了光栅结构的完整性。软X射线自支撑透射光栅的制作涉及到全息光刻、离子束刻蚀和微电镀等多步工艺过程,如图2所示。其主要制作工艺简述如下:
(1)在经过抛光和清洁处理的玻璃基片上依次制备金膜和图2 自支撑透射光栅的制备流程光刻胶层,金膜和光刻胶层的厚度根据光栅线密度来决定,此步的关键是基片的清洁处理和光刻胶的前烘温度及时间。前者主要是避免在镀膜过程中造成过多的针孔,影响光刻胶层的均匀性,从而影响光栅的质量;后者主要是为了去除光刻胶中的溶剂,溶剂的存在会使光刻胶膜性能变化无常,从而很难在工艺上控制曝光和显影。
(2)光栅图形用Ar离子激光( 457.9 nm )或Kr离子激光(413.1 nm)在光刻胶上全息曝光。产生干涉条纹的两光束光强尽量相近以保证较大的衬度,曝光量根据光刻胶的厚度、激光功率密度的变化实时调整;曝光后的样品放入5‰的NaOH溶液中显影,显影采用实时监测技术[15]。曝光量的大小与显影时间的长短密切相关,两者在全息光栅制作中都很重要。当曝光量合适时,显影时间长短的宽容度很大,显影截止点容易控制,并非文献[16]中所说的单靠显影间即可调整光栅浮雕图形的说法。
(3)将上述的光刻胶浮雕图形作为掩模版,用氩离子束刻蚀将光栅图形转移到金膜上,形成金的光栅。
(4)采用RIE将刻蚀后残留在金的光栅上的光刻胶去除干净;在金光栅表面镀一薄的导电层作为电镀基底,之后再次涂光刻胶,用于制作支撑结构图形。
(5)利用紫外光刻将掩模版上的支撑结构图形叠加到光栅上。掩模板与金光栅表面光刻胶膜尽量紧密接触,以降低直边菲涅耳衍射效应。在支撑结构制作中,这一效应的最大危害是:在正常的曝光剂量下,掩模板透光部分的光刻胶不能完全去除;增加曝光剂量可以完全去除掩模板透光部分的光刻胶,但掩模板不透光部分的光刻胶即需将保留的光刻胶厚度减薄、面积减小,否则都不能进入电镀工序。也就是说,支撑结构电镀不上或占据更大的面积,使光栅的有效使用面积大为减小。
(6)电镀金、电镀液采用北京半导体所张连魁的“中性亚硫酸盐电解液”配方。电镀过程中注意采用合适的电镀条件,如较低的温度和电流密度,金膜相对致密、光滑明亮,金膜应力小;温度和电流密度较高时,金膜相对粗糙,基片边缘可见金膜卷曲及脱离基片现象,显示应力大。金膜应力大的直接危害是使光栅线发生扭曲、并拢,甚至拉断线条破坏光栅。
(7)将去除光刻胶并烘干后的光栅粘在支撑环上,待固化后用胶带将光栅和支撑环封闭起来,然后用HF溶液腐蚀掉玻
璃即成自支撑透射光栅。此步的关键是注意用去离子水缓慢冲掉玻璃碎屑以免弄断光栅线条。
近10年来,随着制作技术水平的提高和实验研究工作发展的要求,光栅的线密度不断提高,从当初的880线/mm到现在的2 000线/mm;由带聚酰亚胺衬底到无衬底自支撑;有单针孔、四针孔、单狭缝、三狭缝等多种无衬底自支撑透射光栅。为了保持三狭缝、四针孔透射光栅周期结构的一致性,常用同一片光栅覆盖在狭缝、针孔上。图3是最近制作的2 000线/mm无衬底自支撑透射光栅。图3(a)中的光学显微照片显示了加强筋结构,扫描电镜照片显示了其中的光栅结构,占空比近1∶1;图3(b)是在玻璃基底上金光栅图形的SPM图像,线密度约2 000线/mm。
4 结 论
在透射光栅制作领域,MIT空间微结构实验室的制作技术及其产品代表了当前最高水平。近15年来他们不断地改进工艺,发展了全息光刻、纳米X射线光刻及其掩模制作等相关技术,使其光栅制作技术日趋成熟。NSRL光学元件组在国内较早地开展了软X射线透射光栅的研制工作,以满足激光惯性约束核聚变实验研究的需要。通过10年的积累,已为制作高质量、高线密度的透射光栅打下了坚实的基础。笔者将借鉴MIT的发展经验,对光栅制作过程中出现的种种问题进行分析,找出原因及解决的途径,在提高光栅质量的同时提高线密度。在国家同步辐射实验室二期工程完成之后,笔者可以利用同步辐射光源进行高密度透射光栅的复制及尝试消色差全息光刻工作。
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作者简介:徐向东(1963-),男,安徽省皖庐江人,中国科学技术大学国家同步辐射实验室高级工程师,博士研究生,主要从事X射线显微技术和软X射线色散元件的研制。
