软X射线透射光栅制作技术

　　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。