熊　瑛,劉　剛,田揚(yáng)超

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室,合肥 230029)

隨著對(duì)X射線研究的不斷深入,人們通過固體中一系列的小孔、拋物面透鏡以及衍射光學(xué)元件等[1-3]光學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)X射線聚焦,大大地?cái)U(kuò)展了X射線的應(yīng)用領(lǐng)域。由于X射線具有穿透力強(qiáng)、成像機(jī)制多、襯度豐富等優(yōu)點(diǎn),加上復(fù)合透鏡、K-B透鏡、錐形毛細(xì)管、X射線波帶片等各種X射線聚焦和成像元件技術(shù)的日益成熟,X射線成像技術(shù)在生物、物理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、納米材料等相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中,波帶片憑借其分辨率高、單色性好等優(yōu)勢,推動(dòng)著基于X射線波帶片的高分辨率X射線成像技術(shù)在近二十年迅速發(fā)展,是X射線成像技術(shù)受全世界關(guān)注的重要因素。世界上各個(gè)同步輻射裝置都建立了基于波帶片的高分辨X射線成像線站。高線密度、低襯底吸收和大高寬比等結(jié)構(gòu)特性,使得波帶片加工工藝?yán)щy。為了實(shí)現(xiàn)波帶片的制作,世界各國發(fā)展了多種制作工藝和方法,主要有:化學(xué)沉積多層膜、全息曝光、極紫外干涉光刻、干法刻蝕、納米壓印、激光直寫、電子束光刻和X射線光刻等[4-9]。目前,X射線波帶片最外環(huán)寬度已接近10 nm[10]。

本文介紹了通過對(duì)電子束曝光工藝版圖的優(yōu)化設(shè)計(jì),利用電子束光刻工藝得到厚度為270 nm,最外環(huán)寬度為50 nm波帶片光刻膠結(jié)構(gòu),在配制的金含量為10%的檸檬酸金鉀電鍍液中,采用優(yōu)化的電鍍參數(shù)pH值為4.2,電鍍溫度為50 ℃,電流密度為0.2 A/dm2電鍍出高分辨率X射線波帶片。

1　實(shí)驗(yàn)

波帶片是一種特殊的衍射光學(xué)元件,它產(chǎn)生很多衍射級(jí)次,一般情況下考慮應(yīng)用波帶片的一級(jí)衍射效率。材料為金的波帶片在能量為517 eV時(shí)的一級(jí)衍射效率隨厚度的變化關(guān)系,如圖1所示。

圖1　波帶片一級(jí)衍射效率與金厚度的關(guān)系

從圖1中可以看出,一級(jí)衍射效率最高時(shí),金厚度均不大于250 nm。因此,制作X射線波帶片光刻膠掩膜的厚度只需要略大于250 nm,采用Raith E-Line單次光刻工藝可以實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)的波帶片參數(shù)如表1。

表1　高分辨X射線波帶片參數(shù)

圖2　波帶片電鏡照片

我們使用在電子束光刻工藝中廣泛應(yīng)用的具有高分辨率的PMMA來制作高分辨X射線波帶片。在氮化硅薄膜上采用離子束濺射的方法依次濺射5 nm的鉻和10 nm的金作為導(dǎo)電層。然后以4 000 rot/min的轉(zhuǎn)速旋涂一層950K PMMA(Polymethyl Methacrylate)光刻膠,放置到180 ℃熱臺(tái)上前烘90 s去除光刻膠溶劑,測量厚度為270 nm。采用Raith E-Line電子束曝光系統(tǒng)進(jìn)行光刻。曝光后在混合比為1∶3的MIBK(Methyl Isobutyl Ketone)和IPA(Isopropyl Alcohol)混合液中顯影30 s然后在IPA溶液中定影30 s。

同時(shí),線寬為50 nm的X射線波帶片,其高寬比大于5,制作滿足要求的X射線波帶片很困難。由于鄰近效應(yīng),光刻膠結(jié)構(gòu)就會(huì)隨著線寬減小發(fā)生扭曲和坍塌。光刻膠的線寬越小,底部與基底的接觸面積越小,黏著力越小,且機(jī)械強(qiáng)度越小,越容易失效。需要對(duì)電子束與光刻膠的作用進(jìn)行分析,并設(shè)計(jì)出合理的曝光圖形。

根據(jù)制作波帶片工藝,在電子束曝光工藝中,有光刻膠帶加強(qiáng)筋的波帶片和金屬帶加強(qiáng)筋的波帶片。圖2中給出幾種不同的曝光圖形得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,左上角的圖形為曝光圖形,其中黑色為曝光區(qū)域。采用波帶片各環(huán)帶均以圓環(huán)的工藝版圖進(jìn)行曝光,即使在曝光劑量偏小的情況下光刻膠也發(fā)生了坍塌,如圖2(a)所示。圖2(b)中制作光刻膠帶加強(qiáng)筋的波帶片,采用有間隙的分段環(huán)進(jìn)行曝光。加強(qiáng)筋部分的機(jī)械強(qiáng)度比較強(qiáng),使得其他部分受到拉力發(fā)生變形,出現(xiàn)紡錘狀。這樣經(jīng)過波帶片的光可能發(fā)生振幅的變化,改變波帶片的衍射效率、成像效果等光學(xué)性能。在曝光圖形中加上輔助線條去除光刻膠加強(qiáng)筋,用來制作金屬帶加強(qiáng)筋波帶片,如圖2(c)所示。各個(gè)光刻膠環(huán)帶以一段一段的形式存在,各段光刻膠受力更均勻更不易變形,更有利于波帶片的制作。

當(dāng)最外環(huán)寬度為50 nm,波帶片的環(huán)數(shù)達(dá)到600環(huán),逐環(huán)劑量調(diào)節(jié)將是一個(gè)繁重的工作。在高分辨X射線波帶片制作工藝過程中,采用分段調(diào)節(jié)曝光劑量、改變曝光圖形的方法來設(shè)計(jì)減少鄰近效應(yīng)的工藝版圖。將波帶片大于80 nm的各個(gè)環(huán)帶進(jìn)行曝光劑量調(diào)整,環(huán)帶寬度在80 nm～70 nm的環(huán)帶分成150段,寬度在70 nm～50 nm的環(huán)帶分成300段,并用直線段代替各分段環(huán)。優(yōu)化電子束曝光的工藝參數(shù),在加速電壓為25 kV,采用線曝光方式,曝光劑量800 pC/cm2下制作波帶片。

金的高精度電鍍質(zhì)量是微納結(jié)構(gòu)電鍍成功的關(guān)鍵,一般采用金含量比較小的金水進(jìn)行電鍍。我們選用配制的檸檬酸金鉀電鍍液對(duì)高分辨率X射線波帶片進(jìn)行高精度電鍍。

由于波帶片的第1環(huán)直徑為2.45 μm,而最外環(huán)寬度只有50 μm,圖形相差比較大,在高精度電鍍過程中,各不同環(huán)帶的電流密度可控性差,電鍍不均勻。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)內(nèi)環(huán)電鍍厚度還小,外環(huán)電鍍高度就已經(jīng)超過所需的高度。實(shí)驗(yàn)中,配置金含量達(dá)到10%檸檬酸金鉀電鍍液,優(yōu)化電鍍液的pH值到4.2,電鍍溫度50 ℃,電流密度0.2 A/dm2,電鍍出的金波帶片結(jié)構(gòu)如圖3所示,側(cè)壁的光潔度能夠滿足要求。

圖3　金結(jié)構(gòu)的電鏡照片

2　結(jié)果

在氮化硅薄膜上制作表1中的波帶片光刻膠結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　光刻膠波帶片的電鏡照片

對(duì)波帶片的光刻膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行電鍍得到高分辨率X射線波帶片的外環(huán)的高度明顯比內(nèi)環(huán)高,而且電鍍的金顆粒較大。電鍍的金顆粒的尺寸相對(duì)于波帶片幾十納米的環(huán)帶寬度過大。后期可以通過微調(diào)pH值、控制電鍍電流密度等電鍍參數(shù)和加入輔助電鍍圖形等方法對(duì)高分辨率X射線波帶片的高精度電鍍工藝進(jìn)一步進(jìn)行研究,改善電鍍均勻性和電鍍顆粒大小。

3　結(jié)論

本文通過軟件校正方法對(duì)電子束光刻的曝光圖形進(jìn)行了幾何校正,研究了不同的曝光幾何圖形得到的不同的光刻膠圖形,實(shí)驗(yàn)證明了采用分段環(huán)形添加輔助線段的幾何圖形的方法制作光刻膠圖形比較可靠,然后在金含量達(dá)到10%,pH值為4.2,電鍍溫度為50 ℃,電流密度為0.2 A/dm2的檸檬酸金鉀電鍍液中,電鍍得到最外環(huán)寬度為50 nm的高分辨X射線金波帶片。

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熊瑛(1977-),女,江西九江人,碩士,工程師,2004年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得碩士學(xué)位,現(xiàn)為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室工作人員,主要從事同步輻射應(yīng)用、微細(xì)加工、衍射光學(xué)元件等方面的研究,xywch@ustc.edu.cn;

劉剛(1972-),男,安徽安慶人,博士,研究員,2001年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得博士學(xué)位,現(xiàn)為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室工作人員,主要從事同步輻射應(yīng)用、微納加工技術(shù)、微流體系統(tǒng)和大尺寸衍射光學(xué)元件等方面的研究,liugang@ustc.edu.cn;

田揚(yáng)超(1963-)男,安徽六安人,博士,研究員,1992年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得博士學(xué)位,現(xiàn)為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室副主任,主要X射線成像方面、微納加工技術(shù)等方面的研究,ychtian@ustc.edu.cn。