专利名称：一种亚波长极紫外金属透射光栅及其制作方法
技术领域：
本发明涉及微光学金属透射光栅技术领域，特别是一种亚波长极紫外金属透射光 栅及其制作方法。
背景技术：
透射光栅是一种应用非常广泛且非常重要的高分辨率色散光学元件，其具有结构 简单、光谱范围宽、能量响应平滑、谱面平直等优点，并且能够方便地同时间、空间分辨仪器 相结合，构成能够同时诊断等离子体时间能谱特性和空间能谱特性的测量系统，因此透射 光栅在天体物理学以及惯性约束核聚变中都有广泛的应用。而亚波长金属透射光栅作为透 射光栅的一种，同样在以上各个应用方面有着重要的作用。
光波照射到具有周期性排列的亚波长小孔的金属薄膜表面时将发生衍射散射，从 而在金属表面产生倏逝场，而倏逝场经过入射端面表面等离子体激元近场增强效应后得到 了有效地放大，并沿着亚波长孔径传输到出射端面，在出射端面再一次由于表面等离子体 激元近场增强效应而得到放大，因而产生远场增强效应，出现超强透射现象。因此在此理论 基础上，作为金属微纳结构的一种简化模型，周期为波长量级的金属透射光栅则成为一种 研究光与周期性金属结构相互作用的一种基本结构，并且从理论上证明了金属透射光栅同 样存在这种透射增强效应。而我们知道，在极紫外波段的金属透射光栅，衍射效率非常低， 因此，如果能将这种透射增强效应应用到极紫外波段的金属透射光栅中，意义非常大。
但目前亚波长金属透射光栅的主要研究范围集中在可见光波段和近红外波段，因 此在金属透射光栅的结构制作上和分析上都比较简单，金属光栅周期较大，制作工艺容易 实现。如果将这种透射增强效应应用到极紫外波段，要加工出金属透射光栅周期同波长接 近或比波长还小、且占空比为1:1的金属光栅，工艺难度极大，在利用电子束直写光栅抗 蚀剂图形时，由于邻近效应和背散射的原因，抗蚀剂极易倒塌，并且抗蚀剂厚度很难达到使 用要求，因此也就极大的限制了金属光栅的高宽比，对达到理想的光的位相和振幅调制有 很大的影响。
为了克服上述种种缺点，本发明提出了一种极紫外波段的亚波长金属透射光栅及 其制备方法。发明内容
(一 )要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种亚波长极紫外金属透射光栅及其制作 方法，以解决亚波长金属透射光栅的透射增强效应在极紫外波段应用的问题，并解决在制 作传统高线密度占空比为1:1金属透射光栅时，由于邻近效应和背散射的原因，抗蚀剂极 易倒塌，并且抗蚀剂厚度很难达到使用要求的问题，保证制作结构能同时对极紫外波段的 入射光进行位相和振幅的调制。
( 二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，包括在双面抛光的娃基衬底的背面制备氮化娃自支撑薄膜窗口 ；在娃基衬底正面的氮化娃薄膜上旋涂电子束抗蚀剂HSQ;对该电子束抗蚀剂HSQ进行电子束直写曝光，形成占空比为 I 3的光栅线条和包围该光栅线条的圆环，并显影后定影得到光栅线条图形和圆环图形； 在该硅基衬底的正面磁控溅射沉积铬材料，作为光栅线条图形和圆环图形周边的挡光层； 去除圆环图形内的铬材料，仅保留圆环图形外的材料铬，作为吸收杂散光的吸收体；在硅基衬底的正面采用原子层沉积技术生长金材料；以及去除该圆环图形外的铬材料之上、光栅线条图形之间以及光栅线条图形之上沉积的金材料，仅保留光栅线条图形侧墙的金材料。
上述方案中，所述在双面抛光的硅基衬底的背面制备氮化硅自支撑薄膜窗口，包括在双面抛光硅基衬底两面各生长一层氮化硅薄膜，对硅基衬底背面的氮化硅薄膜进行刻蚀，直到露出硅基衬底，形成一个窗口，然后各向异性腐蚀该窗口中的硅直至硅基衬底正面的氮化硅薄膜，形成氮化硅自支撑薄膜窗口。
为达到上述目的，本发明还提供了一种亚波长极紫外金属透射光栅，包括支撑氮化硅自支撑薄膜窗口的硅基衬底；支撑光栅线条的氮化硅自支撑薄膜窗口 ；在该氮化硅自支撑薄膜窗口上对入射光进行位相调制的多个光栅线条和包围该多个光栅线条的圆环，其中光栅线条的占空比为1: 3;在该氮化硅自支撑薄膜窗口上每个光栅线条两侧及圆环两侧对入射光进行振幅调制的金侧墙；以及在该氮化硅自支撑薄膜窗口上圆环外的挡光材料铬。
上述方案中，所述支撑光栅线条的氮化硅自支撑薄膜窗口，是通过在双面抛光硅基衬底两面各生长一层氮化娃薄膜，对娃基衬底背面的氮化娃薄膜进行刻蚀，直到露出娃基衬底，形成一个窗口，然后各向异性腐蚀该窗口中的娃直至娃基衬底正面的氮化娃薄膜而形成的。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
1、本发明提供的这种亚波长极紫外金属透射光栅及其制作方法，利用电子束在氮化硅薄膜窗口上直写图形，可以有效减小电子束同衬底之间的背散射问题，保证了制备出的光栅线条陡直；并且电子束直写抗蚀剂的光栅线条的占空比为1: 3而不是1: 1，栅线条不易倒塌，减小加工难度和邻近效应带来的分辨率降低的问题和抗蚀剂图形容易倒塌的问题。
2、本发明提供的这种亚波长极紫外金属透射光栅及其制作方法，所制作出来的结构周期接近或小于极紫外光波长，同样存在透射增强效应，能够有效地提高透过率。
3、本发明提供的这种亚波长极紫外金属透射光栅及其制作方法，从亚波长极紫外金属透射光栅结构可以看出，该结构能够同时对光的振幅和位相进行调制。根据所应用的波段，调整光传输介质抗蚀剂HSQ的厚度d，根据光程差同位相差之间的关系式ΛΦ = (2 π/λ ) Xd，可以对入射光的位相进行调制，其中Λ Φ为位相差，λ为入射波长，d为入射光透过HSQ的厚度，因此抗蚀剂HSQ侧墙上金材料可以对入射光的振幅进行调制。
4、传统工艺中，光栅线条的占空比为1: 1，加工难度较高，本发明避开了传统加工时保证占空比为1:1的难点，制作占空比为1: 3的光栅线条，这样技术难度降低，并且保证结果更好。
图1为依照本发明实施例的亚波长极紫外金属透射光栅的剖视图2为依照本发明实施例的亚波长极紫外金属透射光栅的俯视图3为依照本发明实施例制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法流程图4为依照本发明实施例制作亚波长极紫外金属透射光栅的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1和图2所示，图1和图2分别示出了依照本发明实施例的亚波长极紫外金属透射光栅的剖视图和俯视图，该亚波长极紫外金属透射光栅包括支撑氮化硅自支撑薄膜窗口的硅基衬底、支撑光栅线条的氮化硅自支撑薄膜窗口、在该氮化硅自支撑薄膜窗口上对入射光进行位相调制的多个光栅线条和包围该多个光栅线条的圆环、在该氮化硅自支撑薄膜窗口上每个光栅线条两侧及圆环两侧对入射光进行振幅调制的金侧墙、以及在该氮化硅自支撑薄膜窗口上圆环外的挡光材料铬。
其中，在该氮化硅自支撑薄膜窗口上对入射光进行位相调制的多个光栅线条，其占空比是1: ·3而不是1: 1，在占空比是1: 3时，由于光栅线条之间的距离变大，电子束在直写栅线条时的邻近效应就会减弱，并且在氮化硅薄膜窗口上，电子束几乎全部穿过薄膜，因此背散射同样会减弱，所以光栅线条会很陡直不易倒塌，减小了加工难度，解决了邻近效应带来的分辨率降低的问题和抗蚀剂图形容易倒塌的问题。所制作出来的结构周期接近或小于极紫外光波长，同样存在透射增强效应，能够有效地提高透过率。
从上述亚波长极紫外金属透射光栅结构可以看出，根据所应用的波段，调整光传输介质(即电子束抗蚀剂HSQ)的厚度d，根据光程差同位相差之间的关系式ΛΦ = (2π/ λ) Xd，可以对入射光的位相进行调制，其中ΛΦ为位相差，λ为入射波长，d为入射光透过HSQ的厚度，而电子束抗蚀剂HSQ侧墙上金材料可以对入射光的振幅进行调制，因此该结构能够同时对光的振幅和位相进行调制。
基于上述本发明实施例提供的亚波长极紫外金属透射光栅，本发明实施例还提供了一种制作该亚波长极紫外金属透射光栅的方法，如图3所示，该方法包括
步骤S102，在双面抛光的硅基衬底的背面利用湿法腐蚀制备出氮化硅自支撑薄膜窗口 ；
步骤S104,在娃基衬底正面的氮化娃薄膜上旋涂电子束抗蚀剂HSQ (hydrogen silsesquioxone)，因为HSQ在电子束直写后变为类石英结构，该类石英结构的抗蚀剂HSQ 已显现出许多优良的性能，如较高的分辨率、较小的边缘粗糙度和机械性能良好。根据所应用的波段，调整光传输介质抗蚀剂HSQ的厚度d，根据光程差同位相差之间的关系式Λ Φ = (2 π / λ ) X d，可以对入射光的位相进行调制，因此可以通过控制HSQ的厚度来控制对入射光的位相的调制，在本发明中，旋涂厚度保证入射光通过时能够相移180° ；
步骤S106，对该电子束抗蚀剂HSQ进行电子束直写曝光，形成栅线条和包围光栅线条的圆环，显影后定影得到栅线条图形和圆环图形。这里需要说明的是，抗蚀剂HSQ在电子束曝光后就变成一种类石英结构，该类石英结构的抗蚀剂HSQ具有以下特性如较高的分辨率、较小的边缘粗糙度和机械性能良好。其中栅线条图形的占空比控制在1: 3。
步骤S108，在该硅基衬底的正面磁控溅射沉积铬材料，为了在下一步骤 futon-dolan工艺中只去除圆环内的所有铬材料,根据futon-dolan工艺的原理圆环内的铬材料和圆环外的铬材料不相连接时，圆环内的所有铬材料才能被去除，所以要保证铬材料的厚度小于或等于电子束抗蚀剂HSQ的厚度，否则圆环内和圆环外的铬材料会连接到一起，futon-dolan工艺失效，圆环内的铬材料就不能被去除；这里铬材料作为光栅图形周边的挡光层。
步骤S110,利用电化学反应futon-dolan工艺去除圆环图形内的材料铬，电化学反应futon-dolan工艺最初是由T. A. Futon和G. J. Dolan两位科学家在1983年在贝尔实验室提出来的，起初是为了制作商业的光学掩膜板，是一种有选择性的可控电化学腐蚀方法，其工艺过程为用铜板接触衬底上的铬材料一起放入去铬液中，与铜板相连的铬材料去除速度要比与铜板不相连的铬材料去除速度慢很多，这样就可以有选择的去除掉衬底上的铬材料。在步骤S108中，利用光栅图形外的圆环来阻挡圆环外和圆环内的铬的相连，当铜板和铬材料一起放入去铬液中时，这样与铜板接触的圆环外的铬不会被去除，作为吸收杂散光的吸收体；而圆环内的所有铬材料，包括栅线条图形之间以及栅线条图形之上的铬材料因为圆环的阻隔没有与铜板相连，所以被去除掉。
步骤S112，在硅基衬底的正面采用原子层沉积技术生长金材料，生长厚度同光栅线条宽度一致，这样根据原来类石英结构HSQ栅线条的占空比1: 3，其中栅线条宽度为1， 空气狭缝的宽度为3，在栅线条两侧生长厚度同栅线线条宽度一样的金材料，这样空气狭缝的宽度就剩下1，同栅线线条的宽度一样，形成对入射光进行位相调制的结构。
步骤S114，采用反应离子各向异性刻蚀技术，去除该圆环图形外的铬材料之上、栅线条图形之间以及栅线条图形之上沉积的金材料，仅保留栅线条图形侧墙的金，完成亚波长极紫外金属透射光栅的制作。
基于图3所示的本发明实施例制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法流程图，图 4示出了依照本发明实施例制作亚波长极紫外金属透射光栅的工艺流程图，该工艺具体包括以下步骤
步骤S202，在清洗好的双面抛光硅基衬底上，利用等离子体增强化学气相沉积方法，在硅基衬底两面各生长O. 8-1 μ m厚的氮化硅薄膜；利用反应离子刻蚀技术对硅基衬底背面的氮化硅薄膜进行刻蚀，直到露出硅基衬底，形成一个窗口，然后利用KOH溶液各向异性腐蚀该窗口中的硅直至硅基衬底正面的氮化硅薄膜，形成氮化硅自支撑薄膜窗口。
步骤S204，在硅基衬底正面的氮化硅薄膜上旋涂电子束抗蚀剂HSQ，厚度为 25-40nm，厚度要求保证透射光相移180°，前烘热处理。
步骤S206，对该电子束抗蚀剂HSQ进行电子束直写曝光，形成栅线条和包围光栅线条的圆环，显影后定影得到栅线条图形和圆环图形。其中，栅线条的宽度为20nm，周期为 80nm,圆环的宽度为100nm。
步骤S208，在该圆环图形外、栅线条图形之间以及栅线条图形之上，即该硅基衬底的正面，利用磁控溅射沉积20nm厚的铬材料，其中铬材料的厚度小于或等于电子束抗蚀剂 HSQ的厚度。
步骤S210，利用futon-dolan电化学反应工艺，去除圆环图形内的所有铬材料，包 括栅线条图形之间以及栅线条图形之上的铬材料，仅保留圆环图形外的铬材料，作为光栅 图形周边吸收杂散光的吸收体。
步骤S212，在该圆环图形外的铬材料之上、栅线条图形侧墙、栅线条图形之间以及 栅线条图形之上，即该硅基衬底的正面，利用原子层沉积技术沉积20nm厚的金材料，作为 极紫外光的吸收体，金材料的厚度同光栅线条宽度一致。
步骤S214，采用反应离子各向异性刻蚀技术，去除该圆环图形外的铬材料之上、栅 线条图形之间以及栅线条图形之上，沉积的金材料，仅保留栅线条图形侧墙的金，完成亚波 长极紫外金属透射光栅的制作。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
1.一种制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，其特征在于，包括 在双面抛光的娃基衬底的背面制备氮化娃自支撑薄膜窗口； 在硅基衬底正面的氮化硅薄膜上旋涂电子束抗蚀剂HSQ ； 对该电子束抗蚀剂HSQ进行电子束直写曝光，形成占空比为1: 3的光栅线条和包围该光栅线条的圆环，并显影后定影得到光栅线条图形和圆环图形； 在该硅基衬底的正面磁控溅射沉积铬材料，作为光栅线条图形和圆环图形周边的挡光层； 去除圆环图形内的铬材料，仅保留圆环图形外的材料铬，作为吸收杂散光的吸收体； 在硅基衬底的正面采用原子层沉积技术生长金材料；以及 去除该圆环图形外的铬材料之上、光栅线条图形之间以及光栅线条图形之上沉积的金材料，仅保留光栅线条图形侧墙的金材料。
2.根据权利要求1所述的制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，其特征在于，所述在双面抛光的娃基衬底的背面制备氮化娃自支撑薄膜窗口，包括 在双面抛光硅基衬底两面各生长一层氮化硅薄膜，对硅基衬底背面的氮化硅薄膜进行刻蚀，直到露出硅基衬底，形成一个窗口，然后各向异性腐蚀该窗口中的硅直至硅基衬底正面的氮化硅薄膜，形成氮化硅自支撑薄膜窗口。
3.根据权利要求2所述的制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，其特征在于，所述在双面抛光硅基衬底两面各生长一层氮化硅薄膜，是利用等离子体增强化学气相沉积方法，在硅基衬底两面各生长厚度为0. 8 ii m-1 ii m的氮化硅薄膜。
4.根据权利要求2所述的制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，其特征在于，所述对硅基衬底背面的氮化硅薄膜进行刻蚀，是利用反应离子刻蚀技术。
5.根据权利要求2所述的制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，其特征在于，所述各向异性腐蚀该窗口中的硅是利用KOH溶液进行各向异性腐蚀的。
6.根据权利要求1所述的制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，其特征在于，所述在硅基衬底正面的氮化硅薄膜上旋涂电子束抗蚀剂HSQ，电子束抗蚀剂HSQ的厚度为25nm_40nmo
7.根据权利要求1所述的制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，其特征在于，所述对该电子束抗蚀剂HSQ进行电子束直写曝光后，该抗蚀剂HSQ就变成一种类石英结构。
8.根据权利要求1所述的制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，其特征在于，所述对该电子束抗蚀剂HSQ进行电子束直写曝光，显影后定影得到光栅线条图形和圆环图形，其中光栅线条的宽度为20nm,周期为80nm,圆环的宽度为lOOnm。
9.根据权利要求1所述的制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，其特征在于，所述在该硅基衬底的正面磁控溅射沉积铬材料，铬材料的厚度小于或等于电子束抗蚀剂HSQ的厚度。
10.根据权利要求1所述的制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，其特征在于，所述去除圆环图形内的铬材料，是利用电化学反应futon-dolan工艺实现的，去除包括光栅线条图形之间以及光栅线条图形之上的铬材料。
11.根据权利要求1所述的制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，其特征在于，所述在硅基衬底的正面采用原子层沉积技术生长金材料，生长厚度同光栅线条宽度一致。
12.根据权利要求1所述的制作亚波长极紫外金属透射光栅的方法，其特征在于，所述去除该圆环图形外的铬材料之上、光栅线条图形之间以及光栅线条图形之上沉积的金材料，是采用反应离子各向异性刻蚀技术实现的。
13.—种亚波长极紫外金属透射光栅，其特征在于，包括 支撑氮化硅自支撑薄膜窗口的硅基衬底； 支撑光栅线条的氮化硅自支撑薄膜窗口； 在该氮化硅自支撑薄膜窗口上对入射光进行位相调制的多个光栅线条和包围该多个光栅线条的圆环，其中光栅线条的占空比为1: 3; 在该氮化硅自支撑薄膜窗口上每个光栅线条两侧及圆环两侧对入射光进行振幅调制的金侧墙；以及 在该氮化硅自支撑薄膜窗口上圆环外的挡光材料铬。
14.根据权利要求13所述的亚波长极紫外金属透射光栅，其特征在于，所述支撑光栅线条的氮化硅自支撑薄膜窗口，是通过在双面抛光硅基衬底两面各生长一层氮化硅薄膜，对娃基衬底背面的氮化娃薄膜进行刻蚀，直到露出娃基衬底，形成一个窗口，然后各向异性腐蚀该窗口中的硅直至硅基衬底正面的氮化硅薄膜而形成的。
15.根据权利要求14所述的亚波长极紫外金属透射光栅，其特征在于，所述在双面抛光娃基衬底两面各生长的一层氮化娃薄膜，其厚度为0. 8 ii m-1 v- m。
16.根据权利要求13所述的亚波长极紫外金属透射光栅，其特征在于，所述多个光栅线条和包围该多个光栅线条的圆环，是通过在硅基衬底正面的氮化硅薄膜上旋涂电子束抗蚀剂HSQ，对该电子束抗蚀剂HSQ进行电子束直写曝光，并显影后定影得到的。
17.根据权利要求16所述的亚波长极紫外金属透射光栅，其特征在于，所述电子束抗蚀剂HSQ的厚度为25nm-40nm,光栅线条的宽度为20nm,周期为80nm,圆环的宽度为lOOnm。
18.根据权利要求13所述的亚波长极紫外金属透射光栅，其特征在于，所述在该氮化硅自支撑薄膜窗口上圆环外的挡光材料铬的厚度小于或等于该电子束抗蚀剂HSQ的厚度。
19.根据权利要求13所述的亚波长极紫外金属透射光栅，其特征在于，所述金侧墙的厚度同光栅线条宽度一致。
全文摘要
本发明公开了一种亚波长极紫外金属透射光栅及其制作方法。该方法包括在双面抛光的硅基衬底的背面制备氮化硅自支撑薄膜窗口；在硅基衬底正面的氮化硅薄膜上旋涂电子束抗蚀剂HSQ；对该HSQ进行电子束直写曝光，形成光栅线条和包围该光栅线条的圆环，并显影后定影得到光栅线条图形和圆环图形；在该硅基衬底的正面磁控溅射沉积铬材料，作为光栅线条图形和圆环图形周边的挡光层；去除圆环图形内的铬材料，仅保留圆环图形外的材料铬，作为吸收杂散光的吸收体；在硅基衬底的正面采用原子层沉积技术生长金材料；以及去除该圆环图形外的铬材料之上、光栅线条图形之间以及光栅线条图形之上沉积的金材料，仅保留光栅线条图形侧墙的金材料。
文档编号G02B5/18GK103018806SQ201110279269
公开日2013年4月3日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年9月20日
发明者李海亮, 谢常青, 刘明, 李冬梅, 史丽娜, 朱效立 申请人:中国科学院微电子研究所