大高寬比硬X射線波帶片制作及聚焦測試

大高寬比硬X射線波帶片制作及聚焦測試?yán)詈Ａ?史麗娜;牛潔斌;王冠亞;謝常青【摘要】Thehigh-resolutionhardX-ray(>2keV)FresnelzoneplateswithhighdensityandhighaspectratiowasfabricatedforSynchrotronRadiationLightSource.TheelectronbeamlithographyandthefabricationofhardX-rayzoneplatesweresimulatedwithMonteCarlomethodbycombininghighacceleratingvoltage(100kV)withSi3N4self-standingfilmtoreducethebackscattering.ThesimulationresultshowsthatSi3N4selfstandingfilmsubstrateeffectivelyreducesbackscatteringwhenelectronspropagateintheresist,sothatthestructurecollapseandadhesioncausedbyhighdensityandhighaspectratioareovercome.Byadjustingtheelectronbeamexposuredose,hardX-rayFresnelzoneplateswiththeoutermostringwidthof150nm,goldabsorberthicknessof1.6pmandtheaspectratiomorethan10werefabricatedona500nmSi3N4selfstandingfilm.Meanwhile,arandomsupportstructurewasintroducedtorealizetheselfsupportofthezoneplatesandtoimprovetheirstability.Thefocusingpropertiesofthezoneplatesfabricatedweretestedwithenergyof8keVat4W1AbeamlineofBeijingSynchrotronRadiationFacility,andaclearfocusingresultwasobtained.%為得到同步輻射光源硬X射線波段(>2keV)需要的高寬比高分辨率波帶片,本文利用高加速電壓(100kV)電子束光刻配合Si3N4鏤空薄膜直寫來減少背散射的方法，對硬X射線波帶片制作技術(shù)進行了蒙特卡洛模擬和電子束光刻實驗?模擬結(jié)果顯示:Si3N4鏤空薄膜襯底可以有效降低電子在抗蝕劑中傳播時的背散射,進而改善高密度大高寬比容易引起的結(jié)構(gòu)倒塌和粘連問題?通過調(diào)整電子束的曝光劑量，在500nm厚的鏤空Si3N4薄膜襯底上制備出最外環(huán)寬度為150nm、金吸收體的厚度為1.6pm,高寬比大于10的硬X射線波帶片?同時，引入隨機支撐點結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了波帶片結(jié)構(gòu)自支撐，提高了大高寬比波帶片的穩(wěn)定性.將利用該工藝制作的波帶片在北京同步輻射裝置X射線成像4W1A束線8keV能量下進行了聚焦測試，得到清晰的聚焦結(jié)果.期刊名稱】《光學(xué)精密工程》年(卷),期】2017(025)011【總頁數(shù)】7頁(P2803-2809)【關(guān)鍵詞】硬X射線波帶片;電子束光刻;大高寬比波帶片;電子束光刻;鏤空薄膜【作者】李海亮;史麗娜;牛潔斌;王冠亞;謝常青【作者單位】中國科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點實驗室,北京100029;中國科學(xué)院大學(xué),北京100049;中國科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點實驗室,北京100029;中國科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點實驗室,北京100029;中國科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點實驗室,北京100029;中國科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點實驗室,北京100029【正文語種】中文【中圖分類】TN305.7根據(jù)折射原理，在可見光波段通常利用透鏡進行聚焦；但在X射線和極紫外(EUV)波段，由于材料在這兩個波段的折射率實部接近1，并且虛部不為零，有一定吸收，導(dǎo)致聚焦效率特別低甚至難以實現(xiàn)聚焦。目前，不論是軟X射線波段還是硬X射線波段，波帶片是最出色的微聚焦光學(xué)元件之一，并已廣泛應(yīng)用在生命科學(xué)［1］、X射線顯微［2］和空間成像［3］等領(lǐng)域。波帶片的分辨率與其最外環(huán)的最小寬度成正比，根據(jù)經(jīng)典Rayleigh公式［4］，分辨率為最外環(huán)寬度的1.22倍。但是，在硬X射線波段，由于入射光穿透能力強，除了要滿足分辨率要求外，波帶片的吸收層材料要足夠厚才能進行有效吸收實現(xiàn)聚焦，因此波帶片的高寬比成為硬X射線波帶片制造技術(shù)的核心問題。即使采用高Z材料Au作為吸收材料時，波帶片需要1.6pm的厚度才能將8keV入射光能量n相移的效率達(dá)到30%。為了追求極限分辨率和高衍射效率，相關(guān)研究機構(gòu)采用各種先進的加工工藝制作硬X射線波帶片［5-25］，這些工藝技術(shù)主要包括電子束直寫、電子束和X射線復(fù)合曝光、ALD技術(shù)和聚焦離子束(FIB)等。美國XRadia公司利用電子束光刻和三層抗蝕劑技術(shù)，制作了最外環(huán)寬度為24nm,厚度為300nm的硬X射線波帶片［5］。臺灣中央研究院的人員采用電子束直寫技術(shù)，獲得了最外環(huán)寬度為30nm，厚度為450nm的波帶片［8］。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在輻射實驗室［2,26-28］和中科院微電子所［29-31］也進行了波帶片研制，不過僅應(yīng)用在軟X射線波段。本文利用高加速電壓(100kV)電子束光刻配合Si3N4鏤空薄膜直寫的方法，對硬X射線波帶片制作技術(shù)進行了蒙特卡洛模擬優(yōu)化。從模擬結(jié)果上看,Si3N4鏤空薄膜襯底可以有效降低電子在抗蝕劑中傳播時的背散射，進而解決在電子束直寫大高寬比結(jié)構(gòu)時因劑量過大而引起的分辨率降低及結(jié)構(gòu)倒塌問題。該工藝制作的波帶片在北京同步輻射裝置X射線成像4W1A束線8keV能量下進行了初步的聚焦測試，得到了清晰的聚焦結(jié)果。利用Fresnel-Kirchhoff衍射公式和計算波帶片生成的Airy圖形面積，得到Rayleigh分辨率為［4］:其中：Ar為波帶片的最外環(huán)寬度，入為入射光波長，NA為數(shù)值孔徑。因此，在入射光波長或者能量一定時，波帶片的極限衍射分辨率受最外環(huán)尺寸的限制。波帶片的各級次衍射效率為［4］：其中nm表示第m級衍射效率。式(2)表示的是理想的黑白波帶片，透光環(huán)帶和吸收環(huán)帶寬度(占空比)完全1：1的情況下各級次的衍射效率?？梢钥闯觯?5%的衍射能量進入到0級，10%左右的能量進入到1級，50%的能量被吸收環(huán)帶吸收，只有15%的能量進入到其余更高的衍射級次。所以，在保證占空比為1:1的情況下，1級衍射效率也不會超過10%。為了提高1級衍射效率，吸收環(huán)帶材料采用吸收較少的相移材料，此時相移材料的厚度t表示為：其中S是相移材料在X射線下的復(fù)數(shù)折射率的實部。該復(fù)數(shù)折射率定義為：從式(4)中可以看出，X射線在任何材料下都有吸收［32］，衰減因子為考慮吸收和相移后的1級衍射效率為［32］：從式⑸中可以看出，相移因子6大，吸收因子P小的材料最適合做吸收層。圖1為金、鎢和鎳作為吸收層時，在8keV入射能量下，厚度對波帶片1級衍射效率的影響。可以看出，高Z材料如金、鎢和鎳，在1~2pm的厚度就可以將8keV的波長實現(xiàn)n相移。例如，8keV的入射光能量，Au在1.6pm厚度的時候就可以實現(xiàn)n相移，1級衍射效率達(dá)到30%左右；而低Z材料，如硅等，雖然P小，但是6也很小，所以需要很厚的吸收層才能實現(xiàn)n相移。為了證實在自支撐薄膜上制備大高寬比結(jié)構(gòu)時可以有效消除背散射的優(yōu)勢，模擬真實環(huán)境，對200nm氮化硅自支撐薄膜襯底上和傳統(tǒng)非薄膜襯底上的2pmPMMA電子束抗蝕劑分別進行電子束光刻蒙特卡洛模擬，電子束的曝光劑量分另0為800,1000,1200和1400pC/cm2。圖2為蒙特卡洛模擬結(jié)果(彩圖見期刊電子版)，其中藍(lán)色為入射電子的運動軌跡，紅色線條為背散射電子的運動軌跡。對比圖2可以看出,在傳統(tǒng)非薄膜襯底上進行電子束曝光,隨著曝光劑量的增加,背散射越來越嚴(yán)重；當(dāng)劑量達(dá)到一定程度時,正性電子束抗蝕劑曝光圖形開始出現(xiàn)倒梯形結(jié)構(gòu)，并且分辨率降低，在顯影過程中容易引起抗蝕劑圖形倒塌。而在氮化硅自支撐薄膜襯底上進行同樣的曝光，即使曝光劑量從800pC/cm2增至1400pC/cm2,電子束幾乎沒有背散射，并且入射電子的運動軌跡始終保持在幾十個納米的范圍內(nèi)，由此證明在電子束曝光時自支撐薄膜襯底能夠抑制背散射，具有很大的優(yōu)勢。電子束光刻工藝是在中科院微電子所微電子重點實驗室實施的。電子束曝光系統(tǒng)的機型為JEOLJBX6300-FS，加速電壓為100kV，最小束斑為2nm。工藝流程如圖3所示，具體步驟如下：⑴首先在經(jīng)過清洗處理的超低應(yīng)力(lt;200MPa)Si3N4襯底上利用KOH(體積濃度為30%)各向異性濕法腐蝕硅制作自支撐薄膜窗口，薄膜厚度為200nm，窗口大小為145pmx145pm,腐蝕液溫度為85°C,腐蝕速度為1pm/min,歷時8h;(2)在薄膜上濺射5nm鉻和10nm金作為微電鍍的導(dǎo)電層，鉻作為金和氮化硅薄膜的黏附層；⑶旋涂2pm的電子束抗蝕劑PMMA950K,溫度為180°;(4)利用JEOL6300-FS曝光系統(tǒng)，在4#透鏡模式下，加速電壓為100kV,束流為100pA，曝光劑量為1400pC/cm2,對PMMA950K電子束抗蝕劑直寫，經(jīng)過顯影(顯影液為MIBK:IPA=1:3,歷時60s)和定影(定影液為IPA，歷時30s),得到波帶片抗蝕劑圖形。由于波帶片的總面積小,所以在電鍍過程即使電流很小,分到單個波帶片的電流密度也很大,所以電鍍速度非?？?為了精確控制金的生長速度,在直寫波帶片圖形后,在波帶片邊上寫出一塊圓形輔助電鍍區(qū),這樣既可以有效降低電流密度,還可以實時檢測輔助區(qū)金的生長厚度,并以此判斷波帶片的生長厚度,保證相移精度；(5)利用微電鍍技術(shù),在亞硫酸鹽金電鍍液中生長1.6pm厚度的金；(6)去除抗蝕劑得到金波帶片結(jié)構(gòu),并利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)去除波帶片透光環(huán)帶之間的氮化硅支撐薄膜,減少對入射光的吸收,增加衍射效率,最終得到自支撐硬X射線波帶片，如圖4所示。波帶片的版圖設(shè)計如圖4⑻所示，將波帶片中心部分環(huán)帶去掉，全部換為吸收材料。這樣的設(shè)計有兩個優(yōu)點：第一，可以降低直通光對1級聚焦光斑的干擾；第二，可以消除中心環(huán)帶在電子束直寫的過程中，由于臨近效應(yīng)引起的靠外環(huán)較細(xì)環(huán)帶的分辨率降低。為了防止整個圖形在制作工藝最后去除透光環(huán)帶中的氮化硅自支撐膜時坍塌，這里將部分圖形邊緣搭在鏤空窗口的邊緣。圖4(b)是制備出來的硬X射線波帶片的掃描電鏡照片，波帶片直徑為150pm,外環(huán)寬度為150nm,金吸收層厚度為1.6pm。從波帶片的整體摩爾干涉條紋可以看出，線條均勻，沒有倒塌和粘連的現(xiàn)象。由圖4(c)可以看出，引入的隨機支撐點在整個鏤空結(jié)構(gòu)中起著非常重要的作用，即使全部自支撐薄膜全部鏤空，波帶片也沒有倒塌。為了驗證所制作波帶片的性能，在北京同步輻射裝置X射線成像站4W1A束線8keV能量下進行了初步的聚焦測試。測試光路為X射線經(jīng)過濾波片得到8keV能量的單色光，垂直入射到待測波帶片樣品，在65mm焦點處放置CCD接收信號4W1A光束線到達(dá)測試站的光子通量約為2x1012Phs/s/0.1%BW(E=8keV,40mmx15mmpinhole)。所用成像設(shè)備為英國PhotonicScience公司的X射線CCD(X-rayFDI-18mmcamerasystem,PhotonicScienceLimited)，其像素尺寸為10.9pmx10.9pm,像素陣列為1300x1030。為了方便測試，在同一塊氮化硅襯底上開出12個窗口，利用上述工藝制作出3x4的波帶片陣列，第一行的曝光劑量為1000pC/cm2,第二行的曝光劑量為1200pC/cm2,第三行的曝光劑量為1400pC/cm2。由于自支撐薄膜可以有效抑制背散射，使得曝光劑量有很大的寬容度,所以在劑量很大時,得到的波帶片結(jié)構(gòu)也基本一致,從圖5的測試結(jié)果上看，每一塊波帶片都可以實現(xiàn)聚焦。但由于X射線CCD的分辨率有限，目前對硬X射線波帶片的分辨率測試在一定程度上會受到限制。本文利用高加速電壓(100kV)電子束光刻配合Si3N4鏤空薄膜上直寫來減少背散射的方法，在500nm厚的鏤空Si3N4薄膜襯底上成功制備出最外環(huán)寬度為150nm、金吸收體厚度為1.6pm的硬X射線波帶片，高寬比大于10。此外，引入隨機支撐點結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)大高寬比波帶片結(jié)構(gòu)的自支撐，去除了Si3N4自支撐薄膜引起的吸收，提高了衍射效率，同時也增強了大高寬比波帶片的穩(wěn)定性。該工藝制作的波帶片在北京同步輻射裝置X射線成像4W1A束線8keV能量下進行了初步的聚焦測試，盡管受目前X射線成像CCD分辨率的限制，不過還是得到了清晰的聚焦結(jié)果。該工藝方法不僅可以用于制作硬X射線波帶片，還可用于制作在其它大高寬比的結(jié)構(gòu)。李海亮(1984-)，男，河南焦作人，博士研究生，主要從事高線密度衍射光學(xué)元件研制、電子束光刻和X射線光刻等方面的研究。E-mail:.cn謝常青(1971-)，男，廣西欽州人，研究員，1993年于中國科技大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事X射線衍射光學(xué)器件的研究。E-mail:.cn【相關(guān)文獻】WUHR，CHENST，CHUYS，etal..Nanoresolutionradiologyofneurons[J].JournalofPhysicsD:AppliedPhysics，2012，45(24):242001.徐向東，周洪軍，洪義麟，等.軟X射線直線單色儀光場分布實驗研究J].物理學(xué)報，2000，49(6):1043-1046.XUXD，ZHOUHJ，HongYL，etal..ExperimentalstudyonopticalfielddistributionofthesoftX-raylinearmonochromator[J].ActaPhysicaSinica，2000，49(6):1043-1046.(inChinese)MESLERBL，F(xiàn)ISCHERP，CHAOWL，etal..SoftX-rayimagingofspindynamicsathighspatialandtemporalresolution[J].JournalofVacuumScienceamp;TechnologyB:MicroelectronicsandNanometerStructuresProcessing，Measurement，andPhenomena，2007，25(6):2598-2602.ATTWOODD.SoftX-raysandExtremeUltravioletRadiation:PrinciplesandApplications[M].Cambridge:CambridgeUniversityPress，1999.FENGY，F(xiàn)ESERM，LYONA，etal..Nanofabricationofhighaspectratio24nmx-rayzoneplatesforx-rayimagingapplications[J].JournalofVacuumScienceamp;TechnologyB，NanotechnologyandMicroelectronics:Materials，Processing，Measurement，andPhenomena，2007，25(6)：2004-2007.CHENYT，LOTN，CHIUCW，etal..Fabricationofhigh-aspect-ratioFresnelzoneplatesbye-beamlithographyandelectroplating[J].JournalofSynchrotronRadiation，2008，15(2)：170-175.CHUYS，YIJM，DECARLOF，etal..Hard-X-raymicroscopywithFresnelzoneplatesreaches40nmRayleighresolution[J].AppliedPhysicsLetters，2008，92(10)：103119.CHENYT，LOTN，CHUYS，etal..Full-fieldhardX-raymicroscopybelow30nm：Achallengingnanofabricationachievement[J].Nanotechnology，2008，19(39)：395302.HOLMBERGA，REINSPACHJ，LINDBLOMM，etal..Towards10-nmsoftX-rayzoneplatefabrication[J].AIPConferenceProceedings，2011，1365(1)：18-23.REINSPACHJ，LINDBLOMM，HOFSTENOV，etal..ProcessdevelopmentforimprovedsoftX-rayzoneplates[J].MicroelectronicEngineering，2010，87(5-8)：15831586.CHUBAROVAE，NILSSOND，LINDBLOMM，etal..PlatinumzoneplatesforhardX-rayapplications[J].MicroelectronicEngineering，2011，88(10)：3123-3126.KOYAMAT，TAKANOH，KONISHIS，etal..Circularmultilayerzoneplateforhigh-energyX-raynano-imaging[J].ReviewofScientificInstruments，2012，83(1)：013705.YINGCH，SONGYF，TANGMT，etal..30nmresolutionx-rayimagingat8keVusingthirdorderdiffractionofazoneplatelensobjectiveinatransmissionmicroscope[J].AppliedPhysicsLetters，2006，89(22)：221122.GORELICKS，VILA-COMAMALAJ，GUZENKOVA，etal..High-efficiencyFresnelzoneplatesforhardX-raysby100keVe-beamlithographyandelectroplating[J].JournalofSynchrotronRadiation，2011，18(3)：442-446.WERNERS，REHBEINS，GUTTMANNP，etal..TowardshighdiffractionefficiencyzoneplatesforX-raymicroscopy[J].MicroelectronicEngineering，2010，87(5-8)：1557-1560.KAGOSHIMAY，TAKANOH，KOYAMAT，etal..Tandem-phasezone-plateopticsforhigh-energyX-rayfocusing[J].JapaneseJournalofAppliedPhysics，2011，50(2R)：022503.BERUJONS，WANGH，PAPEI，etal..X-raysubmicrometerphasecontrastimagingwithaFresnelzoneplateandatwodimensionalgratinginterferometer[J].OpticsLetters，2012，37(10)：1622-1624.NILSSOND,UHLENF,REINSPACHJ,etal..ThermalstabilityoftungstenzoneplatesforfocusinghardX-rayfree-electronlaserradiation[J].NewJournalofPhysics，2012，14(4)：043010.KUWABARAH，YASHIROW，HARASSES，etal..Hard-X-rayphase-differencemicroscopywithalow-brilliancelaboratoryX-raysource[J].AppliedPhysicsExpress，2011，4(6)：062502.UHLENF,LINDQVISTS,NILSSOND,etal..NewdiamondnanofabricationprocessforhardX-rayzoneplates[J].JournalofVacuumScienceamp;TechnologyB，NanotechnologyandMicroelectronics：Materials，Processing，Measurement，andPhenomena，2011，29(6)：06FG03.DAVIDC，GORELICKS，RUTISHAUSERS，etal..Nanofocusingofhardx-rayfreeelectronlaserpulsesusingdiamondbasedFresnelzoneplates[J].ScientificReports，2011，1：57.WOJCIKMJ，JOSHIV，SUMANTAV，etal..NanofabricationofX-rayzoneplatesusingultrananocrystallinediamondmoldsandelectroforming[J].JournalofVacuumScienceamp;TechnologyB，NanotechnologyandMicroelectronics：Materials，Processing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