软X射线透射光栅制作

论文摘要

作为X射线波段的一种重要色散元件,金透射光栅主要用于激光惯性约束核聚变(ICF)实验中的等离子体诊断,以及X射线天体物理研究的高能透射光栅光谱仪中。使用全息光刻技术制作金透射光栅工艺复杂,尤其是制作具有高线密度的自支撑金透射光栅。因此,对其制作工艺进行系统化的研究十分必要。本课题的目的是要掌握软X射线透射光栅的制作工艺,并制作出高线密度自支撑金透射光栅。论文的主要内容包括:1.对全息光刻制作光刻胶掩模工艺进行了深入的研究。建立了曝光监测与显影监测系统,通过大量的实验与分析,能够根据监测曲线的变化趋势,较为准确地确定不同基片所需要的最佳曝光量及最佳显影时间,实现了对曝光及显影过程的控制。2.对两种光刻胶掩模图形转移工艺技术——离子束刻蚀与电镀工艺,从实验上进行了探索。尝试了消除金再沉积现象的两种常见方法——倾斜旋转刻蚀与使用薄掩模,并取得了显著的效果。对电镀沉积金的工艺,从实验上探讨了电镀液的温度、pH值以及电流密度对电镀沉积制作的金光栅质量的影响,根据对实验结果的比较与分析获得了较为合适的电镀条件。3.计算并模拟了全息曝光过程中光刻胶内的光强分布,计算与实验结果证实了来自基底的反射光将与入射光干涉,从而使光强分布出现明显的驻波效应。进一步的分析与实验结果表明,随着基底反射率的增加,驻波效应变得越来越严重,进而给全息光刻制作的光刻胶光栅掩模的槽形、占宽比带来不利影响,并减小对曝光光束光强偏差的宽容度。因此,基底的高反射率将给光栅掩模的制作带来麻烦,尤其是利用全息光刻制作具有较窄线宽的高线密度光刻胶光栅掩模。最后提出了通过在基底与光刻胶之间增加一层减反射膜(ARC)的办法吸收来自基底的反射光强度,以减弱驻波效应的办法。实验结果表明这种方法效果显著。4.设计并制作了位相型金透射光栅,光栅的周期1μm,槽深约200nm,占宽比约0.55,面积5mm×15mm。在中国科技大学国家同步辐射实验室的光谱辐射标准与计量站测量了它在5—12nm波段的各级透射衍射效率,结果表明,在7.425nm波长处,其1级衍射效率大约为16%。5.探讨了在基底与光刻胶之间增加减反膜层后,制作自支撑金透射光栅的工艺过程,并对减反膜层的制备、保护层的制作,减反膜的反应离子刻蚀、电镀掩模占宽比的控制、电镀中应注意的问题以及支撑结构的制作等工艺细节进行了较为全面的实验研究。制作出了周期290nm,面积达10×15mm的自支撑金透射光栅。自支撑结构占宽比约35%。经测量,其1级衍射效率约为4—6%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 衍射光栅概述
• 1.2.1 衍射光栅的发展
• 1.2.2 衍射光栅的主要类型
• 1.3 软X射线金透射光栅
• 1.3.1 主要类型
• 1.3.2 制作方法简介
• 1.3.3 主要应用
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 选题意义与内容安排
• 参考文献
• 第2章 透射光栅的基本理论
• 2.1 满足夫琅禾费衍射的条件
• 2.2 单狭缝的夫琅禾费衍射
• 2.3 透射光栅的衍射特性
• 2.3.1 光强分布
• 2.3.2 光栅方程
• 2.3.3 色散
• 参考文献
• 第3章 光刻胶掩模制备工艺
• 3.1 基片清洗
• 3.1.1 制备金膜前的基片清洗
• 3.1.2 涂胶前的基片清洗
• 3.2 涂胶
• 3.3 全息曝光
• 3.3.1 全息曝光原理
• 3.3.2 对光路的要求
• 3.3.3 曝光剂量的控制
• 3.4 显影
• 3.4.1 显影截止点的选择
• 3.4.2 对占宽比的控制
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第4章 光刻胶掩模图形转移工艺
• 4.1 金的离子束刻蚀工艺
• 4.1.1 原理
• 4.1.2 刻蚀速率
• 4.1.3 刻蚀终点的确定
• 4.1.4 金再沉积的抑制与去除
• 4.2 金的电镀沉积工艺
• 4.2.1 电镀原理
• 4.2.2 影响电镀金的质量的因素
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第5章 全息曝光中的驻波效应研究
• 5.1 引言
• 5.2 光刻胶中的光强分布
• 5.2.1 不考虑光刻胶吸收引起的衰减
• 5.2.2 考虑光刻胶吸收引起的衰减
• 5.3 驻波的影响
• 5.3.1 对槽形的影响
• 5.3.2 对占宽比的影响
• 5.3.3 对光强偏差的宽容度变小
• 5.3.4 全息光刻中的“底膜”现象
• 5.4 减弱驻波效应的方法
• 5.4.1 显影之前烘烤
• 5.4.2 降低基底反射率
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第6章 软 X射线位相型透射光栅的研制
• 6.1 引言
• 6.2 位相型透射光栅的设计
• 6.3 位相型透射光栅的制作
• 6.3.1 光栅制作工艺流程
• 6.3.2 实验结果与讨论
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第7章 300nm周期自支撑金透射光栅的制作
• 7.1 引言
• 7.2 双层胶工艺制作300nm周期金透射光栅
• 7.2.1 制作工艺流程
• 7.2.2 实验结果及讨论
• 7.3 本章小结
• 参考文献
• 第8章 透射光栅效率测量
• 8.1 引言
• 8.2 测量方法
• 8.2.1 测量装置概述
• 8.2.2 测量光路及方法
• 8.3 透射光栅的效率
• 8.4 本章小结
• 参考文献
• 第9章 论文的工作总结与展望
• 9.1 论文的工作总结
• 9.2 论文的主要创新点
• 9.3 展望
• 在读期间发表的学术论文及研究工作
• 致谢