同步辐射超高分辨率光栅器件制备研究

There is an important demand of high-resolution grating devices in advanced monochromator and high quality spectrometer employed in the synchrotron radiation beamline. However, it is very difficult for the current nanofabrication technique to produce the grating device with a line density beyond 5000 l/mm. This will be a bottleneck problem for the further development of the high resolution monochromator and spectrometer. In this proposal, we will investigate a self-developed nanopatterning method based on self-assembly of vacancy via low-energy broad beam ion irradiation. The physical model and experimental solution will be demonstrated to fabricate the grating device with a super-high line density up to 20000 l/mm. The precise control of the ion-solid interaction at the surface will realize the structuring in a nanoscale and generate the core technology to fabricate the grating structure with a super-high line density. The wafer-scale fabrication of this grating structure will be demonstrated in this project as well. To fabricate grating device with a high diffraction efficiency, we will combine the grating structure with multilayer structure and fabricate the 3D multilayer grating devices. The volume diffraction effect of the multilayer grating will fundamentally increase the diffraction efficiency. Moreover, the grating resolution will be further improved by using the higher orders diffraction.

面向同步辐射光源光束线先进单色器和光谱仪对超高分辨率光栅器件的重要需求，针对现有纳米加工技术难以制备超高线密度（≥5000线/毫米）光栅器件这一瓶颈问题，本项目利用自主研发的宽束低能离子辐照—空位自组装 “反向外延”图案化纳米构筑新原理和新方法，研究超高线密度（20000线/毫米）光栅结构制备的物理模型和实现途径。通过控制载能离子与材料表面原子相互作用过程，实现纳米尺度的精确操控，形成制备超高线密度光栅结构的核心技术，进而优化形成晶圆面积制备能力。在器件上，将超高线密度光栅结构同多层膜技术相结合，形成三维多层膜光栅器件。利用多层膜光栅的体衍射效应提高衍射效率，采用有效的高级次衍射进一步提高能量分辨率，从而突破现有光栅的分辨率极限。同基金委支持的"基于上海同步辐射光源的能源环境新材料原位电子结构综合研究平台"合作实现超高线密度多层膜光栅器件的测试和应用演示。

基于同步辐射光源的软X射线谱学技术是观测微观世界中物质化学结构和特性的重要方法。发展更高精度的软X射线发射谱学技术的关键之一就落在超高分辨率的核心光栅元件的研制上，这已成为国际上同步辐射光学元件领域的共识。目前高分辨率光栅器件的制作主要依赖于常规纳米加工技术定义结构，光栅线密度主要在5000 线/毫米以下，对超高线密度光栅元件的制作方法和性能缺乏研究。面向同步辐射光源光束线先进单色器和光谱仪对超高分辨率光栅器件的重要需求，针对现有纳米加工技术难以制备超高线密度（≥5000线/毫米）光栅器件这一瓶颈问题，本项目利用自主研发的宽束低能离子辐照—空位自组装 “反向外延”图案化纳米构筑新原理和新方法，研究超高线密度（20000线/毫米）光栅结构制备的物理模型和实现途径。本项目按计划研究了低能离子辐照表面纳米构筑原理与机制，在半导体材料再结晶温度以上对半导体表面进行辐照，制备了高度规则的单晶纳米结构阵列，特别是在GaAs (001) 表面成功制备了周期小于50nm的纳米沟槽阵列。系统研究了温度、衬底斜切角、辐照剂量等因素对GaAs表面一维纳米沟槽结构形貌的影响，成功对纳米结构的各项参数进行调控，包括周期、对称性以及缺陷密度等。首次提出将“反向外延”空位自组装技术制备超高线密度光栅和多层膜相结合，建立了极紫外与X射线多层膜纳米光栅的衍射模型，发展了多层膜在纳米光栅上的复形生长调控技术，实现了晶圆尺寸的20000线/毫米多层膜光栅的成功制备，在上海同步辐射光源线站搭建了光栅效率测试装置，并系统表征了元件的性能。超高线密度多层膜光栅在90eV光子能量1级衍射效率达到11%，1.5keV处效率为2.5%，实测角色散远高于国际同步辐射用光栅的现有水平。为高分辨率软X射线谱学发展所需核心光栅元件的研制提供了新思路和新技术。