全息-湿法刻蚀200nm周期X射线硅透射光栅

Freestanding gratings with high density and high aspect ratio bars are needed for spectral analysis in plasma diagnostic in Inertial Confinement Fusion and in X-ray astrophysics. The grating structures are usually achieved by patterning in photoresist by lithography and then transfering the mask patterns into gold by electroplating.The height, aspect ratio and sidewall stepness and roughness of the gold grating bars are limited by those of the photoresist grating bars.It is very difficult and expensive for photographic lithography and electron beam liththography to generate 200nm period gratings with 1 μm-tall grating bars with steep and smooth sidewalls. . A high aspect ratio transmission grating with vertical and smooth sidewalls, can be achieved by anisotropic etching of <110> silicon wafers in aqueous alkaline solution such as potassium hydroxide, and the required groove depth of photoresist grating,generated by lithography, is less than 100nm. In this projetct, a free standing silicon transmission grating with 200nm period will be fabricated and substitute for the tranditional gold transmissin grating.The grating patterns in the resist layer on a silicon wafer on which a thin silicon nitride layer is deposited, are written by holographic lithography and transferred into the silicon nitide with RIE.Then the silicon grating structures are anisotropically etched in KOH/water solution.

惯性约束聚变等离子体诊断与天文物理等领域需要高线密度，高高宽比透射光栅实现高能X射线光谱测量。先光刻产生光刻胶掩模图形，再在掩模光栅槽中电镀沉积黄金是目前X射线透射光栅制备的主要方法，金光栅线条高度、侧壁陡直度与粗糙度由掩模决定。对于目前两种常用光刻技术- - 全息干涉与电子束光刻，制作周期200nm，栅线高度1μm，侧壁陡直而光滑的掩模图形，难度大，代价高。.利用碱性溶液（如KOH）对<110>硅片的各向异性刻蚀容易制备高高宽比透射光栅，栅线侧壁陡直而光滑，且所需光刻胶掩模槽深不大于100nm。本项目拟研究200nm周期的自支撑硅透射光栅的制备技术，代替传统金透射光栅。通过全息光刻在镀有氮化硅的硅基底上产生大面积光刻胶光栅图形，使用反应离子刻蚀将掩模图形转移到氮化硅中，最后以氮化硅为掩模，使用氢氧化钾溶液腐蚀获得硅光栅结构。

为实现高能X射线波段能谱分辨，提高透射光栅谱仪的分辨率，需要制备高线密度、高衍射效率的X射线透射光栅。新型闪耀透射光栅能够解决传统金透射光栅存在的衍射效率低的不足。本课题的目的是探究和掌握完整的高线密度X射线自支撑闪耀透射光栅的制作工艺，为我国以后在激光惯性约束核聚变(ICF)、天文观测等重要领域需要的高性能X射线透射光栅发展必要的技术储备。主要研究内容及结果如下：.1..对200nm周期自支撑硅透射光栅的结构参数及其性能模拟计算，分析了光栅线条高度、占宽比、入射角度、侧壁陡直度对光栅效率的影响。 .2..对全息光刻和纳米压印技术制作200nm周期光栅掩模的方法进行了系统的研究。在全息光刻中，通过提高干涉条纹的稳定性、分析干涉条纹的对比度以及控制曝光显影条件制作出了合格的光栅掩模。在纳米压印方法中，通过引入中间柔性印模，将紫外固化纳米压印和热压纳米压印结合在一起，解决了脱模困难和压印均匀性的问题，得到了高保真度的PMMA光栅掩模。.3..对全息光刻和纳米压印制作光栅掩模的对准方法进行了详细研究，通过对方法和装置的改进，将全息干涉条纹与硅晶向对准误差从之前的0.1°，2014年提高到0.036°，2015年进一步降低到0.016°。.4..建立了各向异性湿法刻蚀模型，改善了湿法刻蚀的均匀性，确定了能够满足各向异性湿法刻蚀工艺宽容度的刻蚀条件。对其他制作工艺进行了详细的研究，包括对准图形的制作、光栅样品单元及自支撑结构掩模的制作、氮化硅湿法保护掩模的制作、背面去衬底和正面高高宽比硅光栅的干燥。.5..得到了3000 l/mm和5000 l/mm的自支撑闪耀透射光栅样品。3000 l/mm自支撑闪耀透射光栅样品由四个5 mm×5 mm方框组成，光栅线条高度为5μm，顶端宽约65 nm、底端宽约80 nm。5000 l/mm自支撑闪耀透射光栅样品由四个5 mm×5 mm方框组成，光栅线条高度为1.6μm，平均宽度为40 nm。