自支撑透射光栅的设计、制作和测试

第59卷第4期2010年4月1000-3290/2010/59（04）/2564-07物理学报，4，No..*自支撑透射光栅的设计、制作和测试马杰谢常青叶甜春刘明（中国科学院微电子研究所，纳米加工与新器件集成研究室，北京）（2009年6月9日收到；2009年7月17日收到修改稿）采用标量衍射理论和严格耦合波理论分别计算和讨论了金自支撑透射光栅的衍射效率随波长和光栅周期变化的情况并设计了光栅的结构参数.制作了周期为300nm、线宽/周期比为0.55、厚度为200nm、总面积为1mm×1mm、有效面积比为65%的金自支撑透射光栅.在国家同步辐射实验室检测了该光栅在5.5—38nm波长范围内的绝对衍射效率.检测结果表明所制作的光栅在8nm附近具有接近10%的最大衍射效率，并且该光栅对于波长15—35nm范围内的极紫外波段具有基本稳定的衍射效率.关键词：自支撑透射光栅，电子束光刻，电镀PACC：4280F，4225F，0765间探测项目.但我国惯性约束聚变等领域所需的透射光栅仍需要依靠国内单位的研究、制作.国家同步辐射实验室傅绍军等对于利用全息光刻制作透［10—12，15］5，14，射光栅的技术进行了较多研究.全息光刻技术具有加工大面积光栅的能力，但线宽精度和侧壁粗糙度不易精确控制.另外，由于入射光波长的限制，全息光刻进一步提高光栅线密度存在一定困难.电子束光刻是一种高精度的微细加工工艺，对于密集线条结构可以获得良好的线条质量和精确的线宽控制，适合用来制作自支撑透射光栅.特别是对于光栅线密度较高而光栅面积不大的情形，电子束光刻技术较为便捷和可靠.目前，利用电子束光刻制作自支撑透射光栅方面的研究较少，有必要进一步探索.本文对自支撑透射光栅的设计、制作以及检测进行研究.首先分别利用标量衍射理论和矢量衍射理论计算了自支撑透射光栅的衍射效率，考察了它们在不同波长和光栅周期下的适用性并对光栅设计进行了优化.然后，利用电子束光刻和电镀，制作出了周期为300nm、吸收体厚度为200nm、线宽/周期比为0.55、面积为1mm×1mm、有效面积比为65%的自支撑金透射光栅.最后，在国家同步辐射实验室利用同步辐射测量了光栅在5.5—38nm波段的绝对衍射效率，并将测量结果与理论计算值进行了比较和分析.1.引言透射光栅是X射线和极紫外波段的重要光学元件，在许多X射线和极紫外光学系统中起到色［散、偏振、分束、相衬成像等作用1—7］.X射线和极紫外透射光栅的吸收体线条大多通过薄膜或者稀疏分布的金属网格进行支撑.薄膜支撑的透射光栅工作时，入射光依次穿过光栅吸收体和支撑薄膜.对于波长较短的X射线，薄膜的吸收并不显著.然而随着波长增加，薄膜的吸收也增强，从而严重降低光栅的衍射效率.因此，薄膜支撑的透射光栅主要适用于波长较短的X射线波段.采用金属网格支撑的光栅又称为自支撑光栅，由于去除了薄膜的吸收作用，所以在长波软X射线以及极紫外波段，自支撑透射光栅可以具有比薄膜支撑的透射光栅更高的衍射效率.与薄膜支撑的透射光栅相比，自支撑透射光栅的制作工艺需要额外的步骤以制作支撑网格结构，而且要求光栅线条质量更加优良，以防止镂空的光栅线条在制作或者使用过程中破损.人们对自支撑透射光栅的设计、制作以及检测进行了［大量的研究8—13］.麻省理工学院的空间纳米技术实验室（spacenanotechnologylaboratory）是国际上X射线透射光栅的主要制作者之一，他们基于全息光刻技术制作的透射光栅广泛应用于实验室研究和空2006CB）和国家自然科学基金（批准号：）资助的课题.*国家重点基础研究发展计划（批准号：2007CB，通讯联系人.E-期马杰等：自支撑透射光栅的设计、制作和测试.透射光栅衍射效率计算（7）DEtm=TmT*Rem(kk).3，0zm文献［采用标量衍射理论讨论了波长5—125］nm范围内光栅衍射效率与波长、线宽/周期比、吸收体厚度之间的关系，指出应根据不同的使用波长选择适当的吸收体厚度，最佳的线宽/周期比为0.5；文献［采用严格耦合波方法，20］讨论了周期为100nm的透射光栅对波长λ=13.5nm的极紫外射线的衍射效率与线宽/周期比以及吸收体厚度之间的关系.以上研究对于透射光栅的设计给出了有益的指导，但二者都是薄膜支撑的光栅，使用波段较窄，而未对更长波段范围进行讨论.本文的自支撑透射光栅的适用波段涵盖软X射线到极紫外射线的宽广波段，因此在已有研究的基础上，本文将采用严格耦合波方法对更宽波段范围内衍射效率进行计算，并以此验证标量衍射理论对于不同周期的光栅在相应波段内的适用性.为了考察光栅周期和波长两者对于衍射效率的影响，我们将自支撑X射线透射光栅的周期p选取为300，和100nm，200分别计算它们在不同波长下的一级衍射效率.光栅的其他参数固定为：线宽/周期比为0.5，金厚度200nm.在标量理论中，衍射效率与周期的大小无关.所以，标量理论的计算结果只需用一条曲线表示.而在严格耦合波法计算中，不同周期光栅的衍射效率分别采用独立的曲线表示.由于理论依据的不同，透射光栅的衍射效率计算方法可以分为标量衍射理论和矢量衍射理论.一般认为，当光栅的周期远大于波长时，标量理论可以较好地模拟透射光栅的衍射效率.所以，对于X光射线波长为数个纳米、栅周期为数百纳米的情［16—18］5，，形标量衍射理论得到广泛使用.但是，随着微细加工技术的进步，透射光栅周期越来越小.另一方面，自支撑透射光栅可以应用到波长较大的极紫外波段.所以，光栅周期与波长的比例也在逐渐缩小.对于自支撑透射光栅有必要考察标量衍射理论与矢量衍射理论计算结果的差异，从而明确标量衍射理论的使用范围.以下将基于这两种理论对光栅衍射效率分别进行计算，并对结果进行比较.根据标量衍射的Fraunhofer衍射理论，n［19］第级（n≠0）衍射效率为ηn=[sin（Nnπ）2sin（anπ/d）2Nsin（nπ）nπ][]－2kβt－kβt×［+e1－2ecos（ktδ）］，（1）其中N是光栅的总线数，/d是光栅的线宽/周期a比，是光栅的厚度，t光栅材料的折射率为1－δ－iβ.矢量衍射理论中，严格耦合波方法得到较为广［泛的采用20—25］.根据严格耦合波方法［20，，TE21］在波入射的情形下，入射空间和透射空间的电场分别表示为+∞yE=exp（－ik0z）+1Σm=－∞Rm×exp［－i（kxmx－k1，z）］zm，（2）+∞yE3=Σm=－∞｝（3）Tmexp｛－i［xmx+k3，（z－d）］，kzm其中2πkxm=－m，（4）Λk3，=k1，zmzm={（k2－k2）1/20i（k2－k2）1/2xmxm0（k0（k0>

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