王 軍

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

0 引 言

中階梯光柵因其具有寬光譜范圍和高分辨率優(yōu)點(diǎn)，成為提高光譜儀性能的理想色散元件。

機(jī)械刻劃法是制作中階梯光柵最傳統(tǒng)的方法，但其受刻劃?rùn)C(jī)機(jī)械精度影響會(huì)產(chǎn)生“鬼線”和高雜散光現(xiàn)象。單晶硅濕法刻蝕是一種制作中階梯光柵的新方法［1］，利用此種方法能夠制作出具有任意閃耀角和低粗糙度表面的中階梯光柵［2－5］。

在光柵制作領(lǐng)域，確定槽形形成過(guò)程終止點(diǎn)是重要的研究?jī)?nèi)容。例如，全息光柵曝光是利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)折射率調(diào)制潛像光柵衍射效率峰值的方法確定終止點(diǎn)［6］；對(duì)折射率調(diào)制潛像光柵進(jìn)行顯影處理獲得浮雕形光刻膠光柵過(guò)程中，根據(jù)衍射效率隨膠層厚度變化的規(guī)律，采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)衍射效率曲線起伏次數(shù)的方法確定顯影終止點(diǎn)［7］；對(duì)光刻膠光柵進(jìn)行離子束刻蝕后將圖形轉(zhuǎn)移到基底材料上時(shí)，通常采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)衍射效率曲線峰值的方法確定終止點(diǎn)［8］。從光柵槽形演化與衍射效率關(guān)系角度考慮，采用上述方法確定單晶硅光柵濕法刻蝕終止點(diǎn)在原理上是可行的。但是，由于在濕法刻蝕過(guò)程中，光柵表面產(chǎn)生的大量氣泡影響衍射效率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有較大不確定性，不能用于濕法刻蝕截止點(diǎn)的確定。2008年，Meng Xiangfeng［9］等首次將質(zhì)譜法應(yīng)用于多層介質(zhì)膜光柵刻蝕終點(diǎn)控制上來(lái)。但因使用質(zhì)譜法的前提是待測(cè)的刻蝕終點(diǎn)必須是兩層材料的分界面，所以不適用于單晶硅光柵濕法刻蝕截止點(diǎn)的檢測(cè)。

單晶硅濕法刻蝕法通常采用的確定刻蝕截止點(diǎn)方法是時(shí)間確定法，即先通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得某晶向的刻蝕速率，再通過(guò)計(jì)算刻蝕時(shí)間來(lái)確定刻蝕截止點(diǎn)。這種方法對(duì)工作條件要求極高，尤其對(duì)溫度控制、濃度控制以及單晶硅基底的單晶性都有嚴(yán)格要求，如果達(dá)不到實(shí)驗(yàn)要求，此種方法將很難推廣應(yīng)用。

氫氣檢測(cè)技術(shù)主要分為氫敏傳感器［10］、光聲氣體傳感器［11］、氣 相 色 譜－原 子 吸 收 光 譜 法［12］以及質(zhì)譜法［13］幾大類。以上方法在微量甚至痕量氫氣檢測(cè)中已經(jīng)被大量使用，但是將此種方法運(yùn)用至單晶硅光柵濕法刻蝕截止點(diǎn)的確定尚未見文獻(xiàn)報(bào)道。

文中就上述問(wèn)題提出一種精確控制刻蝕截止點(diǎn)新方法，將痕量氫氣檢測(cè)法應(yīng)用于單晶硅濕法刻蝕制作中階梯光柵上來(lái)，利用氣相色譜－原子吸收光譜法檢測(cè)反應(yīng)過(guò)程中痕量氫氣的變化趨勢(shì)來(lái)確定刻蝕截止點(diǎn)。

1 檢測(cè)氫氣確定刻蝕截止點(diǎn)原理

中階梯光柵槽形刻蝕示意圖如圖1所示。

圖1 中階梯光柵刻蝕示意圖

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，刻蝕速率V＝5×10－9m／s，V111＝0.1×10－9m／s。ef＝9×10－6m，∠ace＝64°，∠bdf＝45°。經(jīng)過(guò)單位時(shí)間Δt，單一槽形中ce＝V111×sin64°×Δt，fd＝V111×sin45°×Δt，ga＝hb＝V×Δt，cd＝ce＋ef＋fd，cg＝ga／tan64°，hd＝hb／tan45°，ab＝gh＝cd－cg－h(huán)d，所以單一槽形中硅刻蝕掉的面積ΔS＝1／2×ga×（cd＋ab），對(duì)于S1＝L×W＝80mm×80mm（0.08m）的單晶硅基底，刻線密度n＝80l／mm的中階梯光柵，單位時(shí)間內(nèi)單晶硅被刻蝕的總體積ΔV＝ΔS×n×L×0.02，將上面數(shù)值代入可得ΔV＝1.28×10－6（1.8×10－5－7.117 52×10－9Δt）Δt，設(shè)Δt＝0.01s，則VSi＝2.304×10－3m3，mSi＝VSi×ρSi＝5.4×10－7g，根據(jù)Si→2H2可知mH2＝1.08×10－6g。

利用氣相色譜儀和原子吸收光譜儀組成的氫氣檢測(cè)儀如圖2所示。

圖2 氫氣檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)純化的載氣（氖氣）與氫氣樣品經(jīng)控制閥箱混合后通過(guò)浸入液氮（77K）的分離柱，氫氣樣品中沸點(diǎn)高于77K的雜質(zhì)均被分離出來(lái)。除雜后的氫氣樣品被送往原子吸收痕量還原檢測(cè)器（TRD）與氧化汞發(fā)生反應(yīng)：

通過(guò)原子吸收檢測(cè)方法檢測(cè)Hg蒸汽含量即可獲得相應(yīng)的氫氣含量。所選用的原子吸收光譜儀能夠檢測(cè)的最小氫氣量可以達(dá)到0.5×10－12g，所以能夠檢測(cè)非常小時(shí)間間隔中氫氣量的細(xì)微變化，滿足精度要求。

2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)介紹

刻蝕截止點(diǎn)控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 刻蝕截止點(diǎn)控制系統(tǒng)示意圖

氫氣輸送管兩端分別與冷凝管和氫氣分析儀相連接，真空規(guī)和真空計(jì)、真空泵、第1電磁閥和第2電磁閥依次分布于氫氣輸送管上。反應(yīng)容器中裝有KOH刻蝕液后放于恒溫水槽中。恒溫水槽用來(lái)提供恒溫環(huán)境。反應(yīng)開始前，Pt托盤將已做好氧化層掩模的單晶硅置于刻蝕液表面之上阻止其與刻蝕液發(fā)生反應(yīng)。開啟第1電磁閥，關(guān)閉第2電磁閥，利用真空泵抽真空。當(dāng)真空計(jì)讀數(shù)為10Pa以下時(shí)，關(guān)閉真空泵，開啟第2電磁閥，關(guān)閉第1電磁閥，然后開啟真空泵。利用Pt吊籃將單晶硅置于刻蝕液表面之下使其與刻蝕液發(fā)生反應(yīng)。因上一步已將刻蝕液表面之上抽成真空狀態(tài)，會(huì)在刻蝕液表面形成一種負(fù)壓狀態(tài)，所以，反應(yīng)生成的氫氣會(huì)立即脫離硅片表面，由真空泵抽至氫氣分析儀中。利用上述氫氣分析儀原理即可對(duì)反應(yīng)生成的氫氣含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

通常情況下，利用單晶硅濕法刻蝕制作光柵所需反應(yīng)溫度范圍以及刻蝕液濃度范圍可分別集中于60～90℃和10%～40%。在常用的反應(yīng)參數(shù)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行了7組實(shí)驗(yàn)，以確定氫質(zhì)量數(shù)截止點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的適用性，實(shí)驗(yàn)條件分別在刻蝕液質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的前提下，針對(duì)反應(yīng)溫度為60、70、80、90℃條件下進(jìn)行了4組有氫質(zhì)量數(shù)截止點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下的刻蝕實(shí)驗(yàn)；同時(shí)，反應(yīng)溫度為70℃的前提下，刻蝕液濃度分別為10%、20%、30%、40%條件下進(jìn)行了4組有氫質(zhì)量數(shù)截止點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下的刻蝕實(shí)驗(yàn)。不同反應(yīng)溫度及刻蝕液濃度條件下氫質(zhì)量數(shù)截止點(diǎn)監(jiān)測(cè)曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同反應(yīng)溫度條件下氫質(zhì)量數(shù)截止點(diǎn)監(jiān)測(cè)曲線

圖5 不同刻蝕液濃度條件下氫質(zhì)量數(shù)截止點(diǎn)監(jiān)測(cè)曲線

從定量的理論分析可知，氫氣量在整個(gè)刻蝕過(guò)程中隨刻蝕時(shí)間逐漸增多；而氫氣出氣速度的變化則分為兩個(gè)階段，第1階段為刻蝕開始至槽形接近設(shè)計(jì)值時(shí)，此時(shí)氫氣出氣速度隨刻蝕時(shí)間逐漸減小，在槽形接近設(shè)計(jì)值時(shí)，出氣速度達(dá)到最??；此時(shí)進(jìn)入第2階段，隨著刻蝕反應(yīng)的進(jìn)行，槽形越過(guò)設(shè)計(jì)值，氫氣出氣速度再次加快。從圖4和圖5中可以看出，在不同反應(yīng)溫度或不同刻蝕液濃度條件下對(duì)單晶硅進(jìn)行刻蝕，刻蝕過(guò)程中氫氣量隨刻蝕時(shí)間逐漸增加，且氫氣含量譜線均會(huì)在某一位置出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，即出氣速度最小的位置，拐點(diǎn)的位置跟刻蝕速率直接相關(guān)?？涛g速率大時(shí)，拐點(diǎn)出現(xiàn)位置相對(duì)比較靠前；刻蝕速率小時(shí)，拐點(diǎn)出現(xiàn)位置相對(duì)比較靠后，與理論分析相符。

以反應(yīng)溫度和刻蝕液濃度分別為70℃和20%為例，對(duì)在監(jiān)測(cè)曲線拐點(diǎn)前后±10s、±5s以及拐點(diǎn)處獲得的中階梯光柵槽形進(jìn)行了原子力顯微鏡測(cè)試，如圖6所示。

圖6 拐點(diǎn)、±10s、±5s處光柵槽形AFM圖樣

不同刻蝕截止點(diǎn)時(shí)獲得光柵槽形參數(shù)與理論設(shè)計(jì)光柵參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 不同刻蝕截止點(diǎn)時(shí)獲得光柵槽形參數(shù)與理論設(shè)計(jì)光柵參數(shù)對(duì)比

由表1數(shù)據(jù)可知，在拐點(diǎn)處以及±5s處終止刻蝕過(guò)程可以獲得與理論設(shè)計(jì)光柵槽形參數(shù)吻合較好的光柵槽形，誤差＜0.5%。而在拐點(diǎn)±10s處終止刻蝕過(guò)程，所獲得光柵槽形參數(shù)與理論設(shè)計(jì)光柵槽形參數(shù)相比存在誤差，誤差達(dá)到3%左右。

其他刻蝕條件下，在監(jiān)測(cè)曲線拐點(diǎn)位置±5s內(nèi)，隨機(jī)停止刻蝕獲得的中階梯光柵槽形AFM圖樣，如圖7所示，其參數(shù)見表2。

表2 其他刻蝕條件下隨機(jī)停止刻蝕時(shí)獲得光柵槽形參數(shù)與理論設(shè)計(jì)光柵參數(shù)對(duì)比

圖7 其他刻蝕條件下拐點(diǎn)處光柵槽形AFM圖樣

從圖中可以看出，在拐點(diǎn)處±5s范圍內(nèi)終止刻蝕過(guò)程均可以獲得與理論設(shè)計(jì)光柵槽形吻合較好的中階梯光柵槽形。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)痕量氫氣檢測(cè)精度高的特點(diǎn)，提出了利用氣相色譜－原子吸收光譜法控制單晶硅中階梯光柵濕法刻蝕截止點(diǎn)的方法。通過(guò)對(duì)不同截止時(shí)間所獲得光柵槽形參數(shù)與理論設(shè)計(jì)光柵槽形參數(shù)進(jìn)行對(duì)比可知，在氫氣含量光譜峰值曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)±5s范圍內(nèi)停止刻蝕過(guò)程，光柵槽形參數(shù)誤差＜0.5%，衍射效率影響＜1%，閃耀波長(zhǎng)偏移≤1nm，所以，通過(guò)上述方法可以精確控制刻蝕截止點(diǎn)位置，獲得精度較高的中階梯光柵槽形。

［1］ 鞠揮，吳一輝.硅光柵的制作與應(yīng)用［J］.微納電子技術(shù)，2002（2）：29－33.

［2］ Günter Wiedemann，Donald E Jennings.Immersion grating for infrared astronomy［J］.Applied Optics，1993，32（7）：1176－1178.

［3］ U U Graf，D T Jaffe.Fabrication and evaluation of an etched infrared diffraction grating［J］.Applied Optics，1994，33（1）：96－102.

［4］ D T Jaffe，Luke D Keller.Micromachined silicon diffraction gratings for infrared spectroscopy［J］.SPIE，1998，3354：201－212.

［5］ 焦慶斌，巴音賀希格，譚鑫，等.超聲波震蕩法及潤(rùn)濕性增強(qiáng)法對(duì)單晶硅階梯光柵閃耀面粗糙度的影響［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（3）：45－51.

［6］ 趙勁松，李立峰，吳振華.全息光柵制作中的實(shí)時(shí)潛像自監(jiān)測(cè)技術(shù)［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（6）：851－858.

［7］ 趙勁松，李立峰，吳振華.全息光柵實(shí)時(shí)顯影監(jiān)測(cè)曲線的理 論 模 擬［J］.光 學(xué) 學(xué) 報(bào)，2004，24（8）：1146－1150.

［8］ 徐向東.全息離子束刻蝕真空紫外及軟X射線衍射光柵研究［D］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2001.

［9］ Meng Xiangfeng，Li Lifeng.In situ endpoint detection of reactive ion－beam etching of dielectric gratings with an etch－stop layer using downstream mass spectrometry［J］.Appl.Surf.Sci.，2008，516：5421－5425.

［10］ 張毅，莊志，黎啟勝，等.一種溫度補(bǔ)償式光纖氫氣檢測(cè)技術(shù)［J］.儀 器儀表學(xué) 報(bào)，2012，33（7）：1573－1578.

［11］ 王建業(yè)，紀(jì)新明，吳飛蝶，等.光聲光譜法探測(cè)微量氣體［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（4）：1206－1211.

［12］ Takao Kawano，Naohiro Tsuboi，Hirotsugu Tsujii，et al.Stability test and improvement of hydrogen analyzer with trace reduction detector［J］.Journal of Chromatography A，2004，1023：123－127.

［13］ Viswanatbam Kattat，Brian T Chit.Hydrogen／deuterium exchange electrospray lonization mass spectrometry：A method for probing protein conformational changes in solution［J］.J.Am.Chem.SOC.，1993，115：6317－6321.