利用天然氧化层掩模的真空紫外硅闪耀光栅的湿法刻蚀制作

论文摘要

本文首先概括了闪耀光栅的历史,特点与分类;介绍了制作非对称锯齿形闪耀光栅的各种方法,突出介绍了近些年出现的新技术、新工艺和一些振奋人心的成果;着重介绍了基于硅各向异性刻蚀制作闪耀光栅的原理、最新进展和相比其他技术所独有的特点,这个方法展现了良好的应用前景。闪耀光栅的最大特点就是将入射光的大部分能量衍射到某一个非零衍射级次上,非对称锯齿槽形是闪耀光栅的主要轮廓形式.随着科学技术的发展,真空紫外和软X射线波段上的应用和研究越来越重要,同时对非对称锯齿槽形闪耀光栅的制作也提出了更高要求,包括超低粗糙度的闪耀面和通常方法难以做到的小闪耀角,这几点恰巧是硅各向异性刻蚀制作光栅的优势所在,所以掌握这项技术显得尤为重要。论文就是依托于本实验室良好的实验条件,针对真空紫外波段,对在单晶硅上利用湿法各向异性刻蚀制作闪耀光栅的方法进行了系统的研究,取得了一些有意义的结果。单晶硅是我们制作光栅的基础,因此对单晶硅的质量、硅片的精确切割、硅片的抛光以及硅片的清洁提出了很高的要求,需要对这些参数进行严格的检测,最终得到符合我们制作要求的带5度偏角的单晶硅片。接着是利用热氧化层作为硅各向异性刻蚀掩模的研究。介绍了热氧化层的获得,在理论和实验上对湿法刻蚀中的橫向刻蚀做了详细的研究,对热氧化层掩模厚度和光刻胶线条的占宽比之间的关系进行了分析,总结了湿法刻蚀应用在图形转移中的特点,发现了残余光刻胶对图形转移的影响,得到了初步的光栅样品,对光刻胶掩模的质量和氧化层掩模的厚度提出了明确的要求。然后是利用天然氧化层作为硅各向异性刻蚀掩模的研究。为了消除重力的影响,在倒置状态下对光刻胶掩模进行高于其玻璃转变温度以上的烘烤,尽量保证光刻胶线条高度的同时得到了光滑的光刻胶掩模,再结合光刻胶灰化技术,进一步得到小占宽比、平直而且干净的光刻胶掩模。从理沦上分析了对于我们要制作的用于真空紫外波段的光栅来说,天然氧化层作为硅各向异性刻蚀掩模是完全可行的。在得到高质量光刻胶掩模的基础上,第一次在实验上利用天然氧化层作为硅各向异性刻蚀的掩模,成功制作出接近于理想锯齿槽形的闪耀光栅,其闪耀角为5度,线密度为1200线/毫米,闪耀面的均方根粗糙度约为0.2nm,其闪耀波长在140nm附近.最后是对光栅样品的效率测量。首先分析了在115nm～140nm波段硅表面氧化层厚度对反射率的影响,仔细测量了具有良好闪耀光栅轮廓的光栅样品S27的在s偏振下的衍射效率,发现其绝大部分入射光的能量都被集中衍射到-1衍射级次上,显示出优良的闪耀特性。通过原子力显微镜测得精确的光栅轮廓,利用PC-Grate2000（MLT）计算了光栅样品S27在s偏振下的-1衍射级次的绝对效率和槽形效率,计算的绝对效率与实测数据吻合良好。在135nm波长处测得的绝对效率为53.7%,其相应的槽形效率为83 2%.如果改进工艺条件进一步得到更小占宽比而且平直的光刻胶掩模,就很有希望制作出槽形顶端缺陷更小的锯齿状闪耀光栅。对于制作极紫外和软X射线波段的闪耀光栅而言,天然氧化膜作为湿法刻蚀掩模的方法容易制作出具有较高槽形效率和光滑闪耀面的闪耀光栅,需要做的只是减小切割硅片时的切偏角度或者适当增加光栅线密度。本文介绍的方法对设备要求不高,步骤相对简单,在获得高槽形效率的同时,还可以大大降低工艺难度及制作成本。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 闪耀光栅（blazed grating）
• 1.2.1 闪耀光栅的历史
• 1.2.2 闪耀光栅的使用参数
• 1.2.3 光栅的衍射效率
• 1.3 非对称锯齿形闪耀光栅的制作方法
• 1.3.1 机械刻划法
• 1.3.2 全息干涉法
• 1.3.3 全息离子束刻蚀法
• 1.3.4 晶体的各向异性刻蚀法
• 1.3.5 激光直写技术、电子束曝光技术和聚焦离子束加工技术
• 1.3.6 灰度曝光技术
• 1.4 基于传统工艺的调控闪耀光栅参数的一些新方法
• 2）反应离子束刻蚀'>1.4.1 驻波法全息干涉闪耀光栅结合（Ar+O₂）反应离子束刻蚀
• 2）离子束刻蚀'>1.4.2 机械刻划闪耀光栅结合（Ar+O₂）离子束刻蚀
• 1.4.3 闪耀光栅覆膜法
• 2）离子束刻蚀法'>1.4.4 全息-（Ar+O₂）离子束刻蚀法
• 1.5 单晶硅各向异性刻蚀法制作闪耀光栅
• 1.5.1 硅的基本性质
• 1.5.2 单晶硅的湿法各向同性刻蚀
• 1.5.3 单晶硅的湿法各向异性刻蚀
• 1.5.4 单晶硅各向异性湿法刻蚀制作闪耀光栅
• 1.6 选题意义及论文构成
• 1.6.1 选题意义
• 1.6.2 论文构成
• 参考文献
• 第二章 偏向硅片的准备
• 2.1 硅片的加工
• 2.1.1 单晶硅的生长
• 2.1.2 硅片的加工
• 2.2 硅片的检测
• 2.2.1 硅片表面的粗糙度测量
• 2.2.2 硅片的切偏角度与单晶质量
• 2.3 硅片的切割
• 2.4 硅片的清洁
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 热氧化层掩模与湿法刻蚀
• 3.1 二氧化硅层的获得
• 3.1.1 二氧化硅
• 3.1.2 热氧化法介绍
• 3.1.3 二氧化硅掩模层的生长和厚度测量
• 3.2 光栅制作工艺路线的确定
• 3.2.1 干法刻蚀图形转移
• 3.2.2 湿法刻蚀图形转移
• 3.2.3 实验方案的确定
• 3.3 光刻胶掩模的获得和转移
• 3.3.1 全息干涉条纹的获得
• 3.3.2 全息曝光中的驻波问题
• 3.3.3 图形湿法转移的分析
• 3.4 各向异性湿法刻蚀后的硅光栅
• 3.4.1 厚氧化层掩模的湿法刻蚀结果
• 3.4.2 薄氧化层掩模的湿法刻蚀结果
• 3.4.3 减薄氧化层掩模的湿法刻蚀结果
• 3.5 本章小结
• 3.5.1 存在的问题
• 3.5.2 解决方案
• 参考文献
• 第四章 硅天然氧化层掩模与湿法刻蚀
• 4.1 良好光刻胶掩模的获得
• 4.1.1 残余光刻胶问题
• 4.1.2 光刻胶灰化技术
• 4.1.3 光刻胶灰化实验结果
• 4.2 天然氧化层的作为掩模的可能性
• 4.2.1 硅表面天然氧化层
• 4.2.2 可行性分析
• 4.2.3 硅片切割面方向的确定
• 4.3 基于天然氧化层掩模的湿法刻蚀
• 4.3.1 实验注意事项
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 闪耀光栅的AFM分析
• 4.5 分析与讨论
• 参考文献
• 第五章 真空紫外闪耀光栅的效率测量
• 5.1 光栅效率的测量
• 5.1.1 测量装置介绍
• 5.1.2 测量结果
• 5.2 光栅样品S27的衍射效率分析
• 5.2.1 光栅样品S27的绝对衍射效率
• 5.2.2 光栅样品S27的槽形效率
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文研究的主要内容
• 6.2 论文的创新点与成果
• 6.3 后续研究的重点
• 参考文献
• 2'>附录 Color Chart for Thermally Grown SiO₂
• 致谢
• 攻读博士期间发表的论文