大高宽比.高线密度X射线透射光栅的制作
第17卷第1期
2009年1月
光学精密工程
OpticsandPrecisionEngineering
V01.17No.1
Jan.2009
文章编号1004—924X(2009)01—0072—06
大局冤比、高线密度X射线透射光栅的制作大高宽
柳龙华,刘
刚,熊
瑛,黄新龙,陈
洁,李文杰,田金萍,田扬超
(中国科学技术大学国家同步辐射实验室,安徽合肥230029)
摘要:利用电子柬光刻、X射线光刻和微电镀技术,成功制作了面积为1
mm×1
mlTl,周期为300nm.金吸收体厚度为
1“m的用于X射线显微成像的透射光栅。首先,利用电子束光刻和微电镀技术在Si3Na薄膜上制作周期为300nm・厚
度为250am的高线密度光栅掩模;然后.利用X射线光刻和微电镀技术复制厚度为1肛m,占空比接近l:1。高宽比为7
的X射线透射光栅。整个工艺流程充分利用了电子束光刻技术制作高分辨率图形和X射线光刻技术制作大高宽比结构的优点,实现了大高宽比、纳米尺度、侧壁陡直的X射线透射光栅的制作。
关
键
词:X射线透射光栅;电子束光刻;X射线光刻;X射线显微成像技术
文献标识码:A
中图分类号:0436.1;TN305.7
Fabricationofhigh--aspect-・ratioandhigh-_density
X—raytransmissiongrating
LIULong—hua。LIUGang,XIONGYing,HUANGXin-long,CHENJie,LIWen-jie,TIANJin-ping,TIANYang—chao
(NationalSynchrotronRadiationLaboratory,UniversityofScienceand
TechnologyoJ’China,Hefei230029,China)
Abstract:Atransmissiongratingwith
ness
anarea
of1mmX1mm,apitchof300nm,and
a
goldthick—
of1umforX—rayimagingandmicroscopyissuccessfullyfabricatedbycombiningelectronbeam
nm
lithography。X—raylithography,andelectroplating.Firstly,ahigh—densitymaskinpitchof300andgoldthicknesof250nmfortransmissiongratingisoriginallypatterned
on
theSi3N4membranes
are
byelectronbeamlithographyandelectroplating.Then,theX—raylithographyandelectroplatingused
to
replicatethetransmissiongratingwiththeprofilethicknessOflⅡm,aspectratioof7,andthe
dutycycleabout1:1.Experimentalresultsshowthatthefabricationmethodcombiningelectronbeamlithography,X—raylithographyandelectroplatinghasadvantages
over
otherfabricationmethodsinbig
pitch,nanometerscaleandstraightsidewellfortransmissiongrating.
Keywords:X—raytransmissiongrating;e-beamlithography;X—raylithography;X-rayimagingand
microscopy
收稿日期:2008—09-01;修订日期:2008—12—16.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.10675113INo.10734070)
万方数据
第1期
柳龙华,等:大高宽比、高线密度X射线透射光栅的制作
73
引言
X射线显微成像技术具有高分辨率、高穿透性等优点,可实现厚物质的内部三维结构的观察,在生物医学和纳米材料领域有广泛的应用[1’4]。当前,利用X射线透射光栅进行X射线显微成像的研究已成为研究热点[5]。一般光栅的制作方法有机械刻划和全息光刻两种【6。7]。机械刻划需要复杂的精密机械控制系统,制作难度大、成本高。
全息光刻是利用激光的干涉条纹对光刻胶进行曝
光,然后用刻蚀的方法将光刻胶图形转移到下面
的基底上,或者通过微电镀的方法形成金属结构。
但是,全息光刻是利用光的干涉形成正弦分布的光强对光刻胶图形曝光获得光刻胶结构,图形的
边缘并不光滑。这种不光滑的图形会在随后进行
的刻蚀或微电镀工艺中被精确地转移到了基底或金属结构上。另外,利用刻蚀技术得到的截面呈梯形或者倒梯形形状,很难得到侧壁陡直的光栅截面[B]。根据理论模拟的结果,光栅的衍射效率取决于栅线条的截面和漫散射程度。所以,采用全息光刻制作的透射光栅在一定程度上降低了其衍射效率。此外,人们也对光栅的其他加工技术进行了研究,例如X射线全息光刻、纳米压印、电子柬光刻和X射线光刻等[9。11‘。中科院微电子研
究所的研究人员用电子束光刻和X射线光刻相
结合的方法,成功制作了一系列5
000、3333和
2000
line/ram的X射线透射光栅,并用于激光惯性约束核聚变装置上[1213|,但是这种X射线透射光栅线条厚度不大(~400nm)。X射线显微成像技术中的X射线透射光栅要获得较高的衍
射效率,光栅线条的厚度需要微米量级,高宽比>
5,其制作难度很大。
本文介绍采用电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术制作大高宽比、高线密度X射线透射光栅。尽管电子束光刻因为其串行的加工方式具有极低的效率,但是它具有图形发生能力和最高的分辨率(~3nm),在微电子工业和纳米加工领域一直发挥着重要的作用。X射线光刻的优点在于较高的效率、纳米级的分辨率和极强的穿透能力,在制作具有陡直剖面的纳米级图形方面具有独一无二的优势。微电镀技术的优点是可以将图形精确转移到金属层,而且金属层的厚度可以和光刻
万
方数据胶的厚度一样,这更是普通蒸发剥离技术做不到
的。高线密度X射线透射光栅对纳米加工技术提出的要求是:纳米级的分辨能力、较高的衍射效率和陡直剖面、大高宽比结构,因而特别适合采用
电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术进行制作。
首先,利用电子束光刻和微电镀技术在Si。N。薄膜上制作面积为1
mm×1mm,周期为300nm.
占空比为l:1,厚度为250IllTl的高线密度光栅
掩模。然后,利用X射线光刻和微电镀技术复制厚度为1肛m,对应高宽比为7的X射线透射光栅。整个工艺流程充分利用了电子束光刻技术制作高分辨率图形和X射线光刻技术制作大高宽
比结构的优点。
2
X射线光刻掩模的制作
大高宽比、高线密度X射线透射光栅制作在
厚度为1I£m的Si。N。薄膜上,图形区由100个长
和宽分别为i00弘m的单元图形组成,整个光栅的长和宽都为1mm。为了满足X射线成像对透射光栅的要求,栅线条宽度和厚度分别为150
rlm
和>833nm。
在电子束光刻中,人们广泛使用的是PMMA光刻胶,它具有最高的分辨率。采用电子束光刻和微电镀技术制作X射线光刻母光栅掩模版的工艺流程如图1所示。(1)采用离子溅射的方法
在Si3N。薄膜上先后溅射5nm的铬和10nm的
金,作为微电镀的种子层,然后旋涂300nm厚的PMMA光刻胶,在180℃的热台上烘烤90s,去
图1
电子柬光刻制作X射线光刻光栅掩模工艺流程图
Fig.1
Fabrication
processes
of
gratingmask
by
e.
beam
lithography
74
光学精密工程
第17卷
除光刻胶的溶剂;(2)采用RaithE—LINE电子束曝光系统进行电子束曝光,加速电压为lokV。然后使用MIBK:IPA=l:3和异丙醇(IPA)分别作为显影液和定影液进行显影。得到光栅胶图形;(3)利用反应离子刻蚀去除显影区域的残胶。将衬底装好放入亚硫酸盐金电镀液进行电镀,电镀后的金吸收体厚度为250Elm,然后去除PMMA光刻胶;(4)利用离子束刻蚀技术,把种子层刻掉,完成整个X射线光刻掩模制作的工艺流程。图2是用电子束光刻和微电镀技术制作的光栅结构的PMMA胶图形。从电镜照片中可以看出,PM—MA胶图形结构很好,占空比接近1:1。图3是经过微电镀和去胶之后的光栅掩模的SEM照片,图中较亮的部分材料为金。从SEM照片中可以看出,光栅线条的宽度约为150nlTI,占空比接近1:l,由此可以看出微电镀技术可以进行纳米图形的精确复制。用台阶仪测量,掩模厚度大
约为250nm,可以阻挡住曝光实验中的X射线,
进行大高宽比图形的复制。
图2用电子束光刻技术制作的光栅结构的PMMA
胶图形
Fig.2
SEMmicrographofPMMAresist
patternby
E—beamlithography
图3电镀金之后的光栅掩模,可以用作X射线曝光实验
Fig.3
SEMmicrograph
of
electroplatedgrating
maskforX-raylithography
万
方数据3
X射线光刻复制大高宽比透射光栅
为了满足X射线透射光栅在X射线领域的
应用,采用Si3N。薄膜作为自支撑薄膜。X射线光刻和微电镀技术复制X射线透射光栅的工艺过程与电子束曝光制作光栅掩模的过程相似,只是在旋涂PMMA光刻胶的时候要更厚一些,以获得大高宽比的PMMA结构,在曝光的时候用X射线曝光代替了电子束曝光。图4是利用X射线光刻技术复制大高宽比X射线透射光栅的
工艺流程图。
图4
X射线光刻制作大高宽比X射线透射光栅工
艺流程图
Fig.4
Fabrication
processes
ofhigh-aspect—ratioX-
ray
transmission
gratingby
X-raylithogra—
phy
X射线曝光实验是在国家同步辐射实验室的光刻站上进行的。合肥光源的加速电压为800
MeV,特征波长为2.4nm,特别适合进行X射线
曝光。众所周知,在制作大高宽比结构中遇到的塌,而无法进行之后电镀等工艺。为此,本文采用
的方法是“全水电镀”,即在结构显影之后立即电免了大高宽比结构的倒塌。图5给出了上述工艺nm,金吸收体厚度
最主要的问题就是由于表面张力引起的结构倒镀,在整个过程中样品不离开水的环境,这样就避
过程得到的大高宽比、高线密度透射光栅的SEM照片,金栅线条的宽度为150为l,um,对应高宽比约为7。因为所使用X射线
波长远远小于曝光的线条宽度,因而X射线透过
掩模时的衍射效应可以忽略,可以认为X射线是
第l期
柳龙华,等:大高宽比、高线密度X射线透射光栅的制作
75
图5用X射线光刻和微电镀技术复制的X射线透
射光栅的SEM照片,其光栅周期为300nm,占空比接近1:1
Fig.5
SEMpictureofX—raytransmissiongrating
fabricatedbyX-raylithographyandmicro-e-lectroplatingtechnique.Thepitchand
the
dutycycle
are
300nmandl:1。respectively.
图6光栅高度测量图。该电镜照片倾斜的角度为
45。,因此透射光栅的厚度为730nm/sin45。一
1030
nm,对应的高宽比大约为7
Fig.6
Thickness
measurement
micrograph
by
SEM.Themicrographiscapturedby45。
titled.SOthethicknessofX—raytransmis—
siongratingis730
nm/sin45。=1030nm。
andthehigh—aspect-ratiois7
精确沿直线传播的,可以得到剖面陡直的截面。后续的微电镀技术使得光刻胶图形被精确转移到金电镀层上。图6给出了透射光栅金线条的厚度
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万
方数据测量图,扫描电镜倾转了45。,因此光栅线条的厚
度为730nm/sin45。一l030nm。X射线透射光
栅的衍射效率与栅形状有很大的关系,剖面陡直的栅线条具有理想的矩形横截面,可以精确地利用相对简单的矩形模型的透射光栅效率模拟程序对光栅的衍射特性进行研究,并与实验结果比较。采用电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术制备高线密度X射线透射光栅,充分利用了电子柬光
刻的高分辨率和同步辐射X射线光刻的短波长、高穿透性、高亮度的特点。可以高效率地实现大高宽比、纳米尺度、侧壁陡直的X射线透射光栅
的制作。
4
结论
结合电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术,成功制备了大高宽比、纳米尺度、3
333line/
mm的X射线透射光栅。为了制作高分辨率、大面积母光栅,采用高分辨率的PMMA电子束光刻胶,利用电子束光刻和微电镀技术制备了面积
为1mm×1mm,线密度为3333.1ine/mm,厚度
为250nm的X射线光刻光栅掩模;采用X射线光刻,结合可以精确转移光刻胶图形的微电镀技
术,复制出了剖面陡直、金吸收体厚度为l肛m,对应高宽比为7的X射线透射光栅。可以满足X射线显微成像实验的要求。整个工艺流程充分利用了电子束光刻制作高分辨率图形和X射线光刻技术制作大高宽比结构的优点;一旦利用成本高昂的电子束光刻技术做出一两个高分辨率的掩模版,即可利用X射线光刻复制出多个具有大高宽比、剖面陡直的性能优良的X射线透射光栅。和众多的制作方法相比,电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术相结合的方法是制作X射线透射光栅的最有优势的技术之一。
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作者简介:
柳龙华(1981一),男,山东人,博士研究生,主要从事微纳米加工技术和X射线衍射光学元件的制作与应用研究。
E-mail:liulh@mail.uste.edu.eft
刘刚(1972一),男,安徽人,副研究员,硕士生导师,主要从事X射线显微技术,微纳米加工技术等领域的研究。
E—mail:liugang@uste.edu.en
万
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6832:68320V.
熊瑛(1977一),女.江西人,工程师,主要从事微纳米加工技术的研究。E-mail:xywch@ustc.edu.eft
黄新龙(1980一),男,福建人,博士研究
生,主要从事微纳米加工技术和MEMS器件的制作与应用研究。E-
mail:xlhuang:@mail.ustc.edu.ell
第1期
柳龙华,等:大高宽比、高线密度X射线透射光栅的制作
77
陈洁(1983一),男,广西人,博士研究生。主要从事X射线显微成像技术的研究。E—mail:chenjie2@mail.ustc.
edu.cn
田金萍(1983一),女,山东人,硕士研究生,主要从事X射线显微成像技术的研究。E-mail:jptian@mail.ustc.edu.
cn
李文杰(1984一),男,福建人,博士研究田扬超(1963一),男,安徽人,研究员.
博士生导师,主要从事X射线显微技
生,主要从事X射线显微成像技术的
研究。E-mail:1wjie@mail.ustc.edu,
Cn
术,微纳米加工技术等领域的研究。E_
mail:ychtian@ustc.edu.cn
●下期预告
椭圆型晶体谱仪谱测量的解谱
王瑞荣1’2,陈伟民1
(1.重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆400044;2.上海激光等离子体研究所高功率激光物理国家重点实验室,上海201800)
简要描述了椭圆型晶体谱仪配X射线CCD相机的X射线谱测量系统(EBC孓XCCD),并研究了CCD相机记录信号的解谱处理方法,推出了对实测原始谱曲线辨认或标识值的计算公式及激光等离子体辐射X射线在某一波长光谱强度的公式,使之应用在激光打靶产生的等离子体源辐射X射线谱的回推,辨认出了激光等离子体X射线源能谱,并与文献[1]的结果进行了比较,结果基本一致。这一事实有力地佐证了解谱方法的可行性,也表明X射线CCD相机是适宜于椭圆型晶体谱仪的光谱测量记录。在已知晶体的积分反射率、滤片透射率和CCD探测效率的条件下,还可以获得X射线源光谱强度,可为下一步诊断激光等离子体的电子温度和离子密度的空间分布轮廓和进一步细化X激光研究奠定了
更深厚的基础。
万方数据
大高宽比、高线密度X射线透射光栅的制作
作者:
柳龙华, 刘刚, 熊瑛, 黄新龙, 陈洁, 李文杰, 田金萍, 田扬超, LIU Long-hua, LIU Gang, XIONG Ying, HUANG Xin-long, CHEN Jie, LI Wen-jie, TIAN Jin-ping , TIAN Yang-chao
中国科学技术大学,国家同步辐射实验室,安徽,合肥,230029光学精密工程
OPTICS AND PRECISION ENGINEERING2009,17(1)1次
作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gxjmgc200901012.aspx