一种金透射光栅的制备方法技术

本发明专利技术涉及光栅微纳米加工技术领域，且公开了一种金透射光栅的制备方法，包括以下步骤：以<110>晶向单晶硅作为顶层硅，以<100>晶向单晶硅作为底层硅；在底层硅上表面镀一层钛膜，在顶层硅下表面镀一层金膜。该金透射光栅的制备方法，提出了能够使光栅掩模的延伸方向平行于顶层<110>晶向单晶硅的垂直{111}晶面的极为简便的对准方法，降低了金透射光栅的制备难度，通过使光栅掩模的延伸方向平行于顶层<110>晶向单晶硅的垂直{111}晶面和使用39.0wt％

【技术实现步骤摘要】
一种金透射光栅的制备方法


[0001]本专利技术涉及光栅微纳米加工
，具体为一种金透射光栅的制备方法。

技术介绍

[0002]金透射光栅结构简单，立体角大，光谱范围宽，能够方便地同时间和空间分辨仪器相结合，以金透射光栅为色散元件的透射光栅谱仪，被广泛应用于激光惯性约束核聚变等离子体诊断、X射线天体物理学等领域。目前，等离子体诊断及天体物理学领域中金透射光栅的使用波段要求达到几千电子伏，甚至更高能量，为实现如此高能量X射线能谱分辨和获得较高的衍射效率，要求栅线侧壁有非常好的光滑度。
[0003]现有技术中,制作X射线金透射光栅的方法有三种，全息光刻
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电镀沉积、电子束光刻
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电镀沉积和金属催化刻蚀
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电镀沉积。前两种工艺技术的共同点在于先光刻制作光刻胶光栅掩模，然后在掩模光栅槽中沉积黄金，最后去掉光刻胶掩模获得金光栅线条。掩模栅线侧壁的粗糙度决定电镀获得的金光栅线条侧壁的光滑程度，并最终影响光栅的性能。然而，全息光刻(受限于驻波效应)与电子束光刻(受限于电子束散射)制作的光刻胶栅线侧壁的光滑度很有限。第三种金属催化刻蚀
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电镀沉积方法，先使用金属催化刻蚀技术制作硅光栅掩模，然后在硅光栅掩模槽中电镀沉积黄金，最后去掉硅光栅掩模获得金透射光栅。第三种方法与前两种方法相比，制作出的金透射光栅侧壁更光滑，粗糙度可达到1nm RMS量级。但现有三种制备方法与高能X射线的应用需求还存在差距，侧壁光滑度需进一步提高。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种金透射光栅的制备方法，具体提出了使光栅掩模的延伸方向平行于顶层<110>晶向单晶硅的垂直{111}晶面的极为简便的对准方法，可保证刻蚀出的硅光栅侧壁粗糙度达到0.1nm量级，解决了上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]本专利技术提供如下技术方案：一种金透射光栅的制备方法，包括以下步骤：
[0006]步骤一：以<110>晶向单晶硅作为顶层硅，以<100>晶向单晶硅作为底层硅；
[0007]步骤二：在底层硅上表面镀一层钛膜，在顶层硅下表面镀一层金膜；
[0008]步骤三：通过低温金金键合工艺对上述步骤处理的顶层硅和底层硅进行键合，以形成基片；
[0009]步骤四：在基片的外表面镀一层氮化硅膜后，在其上表面镀一层铬膜；
[0010]步骤五：在经过步骤四处理的基片的上表面及下表面分别涂覆光刻胶，利用紫外光刻在上表面制作支撑结构光刻胶掩模，在下表面制作光栅外框光刻胶掩模；
[0011]步骤六：在经过步骤五处理的基片的下表面反应离子刻蚀氮化硅膜，在上表面湿法刻蚀铬膜；
[0012]步骤七：去除经过步骤六处理的基片的上表面及下表面的光刻胶；
[0013]步骤八：在经过步骤七处理的基片的上表面依次涂覆减反膜和光刻胶；
[0014]步骤九：全息光刻制作光刻胶光栅掩模，使用优化后的劳埃镜光路进行全息曝光，光路中激光器发出的激光束调整为平行于光学平台面，劳埃镜镜面调整为垂直于光学平台面，待曝光硅片的顶层<110>晶向单晶硅的垂直{111}晶面切边也调整为垂直于光学平台面，光刻后的光栅掩模的延伸方向平行于顶层<110>晶向单晶硅的垂直{111}晶面；
[0015]步骤十：通过反应离子刻蚀将光刻胶光栅掩模图形转移到减反膜和氮化硅膜中；
[0016]步骤十一：去除光刻胶和减反膜；
[0017]步骤十二：在下表面涂覆保护胶，使用KOH溶液对顶层<110>晶向单晶硅进行各向异性湿法刻蚀，将氮化硅光栅掩模图形转移到顶层硅中；
[0018]步骤十三、在上表面电镀沉积金；
[0019]步骤十四、去除基片下表面保护胶，在上表面涂覆保护胶；
[0020]步骤十五、使用KOH溶液刻蚀底层单晶硅；
[0021]步骤十六、去除上表面的保护胶；
[0022]步骤十七、反应离子刻蚀上表面氮化硅光栅掩模；
[0023]步骤十八、使用KOH溶液刻蚀顶层硅光栅线条；
[0024]步骤十九、湿法去除剩余铬膜；
[0025]步骤二十、干法去除背面钛膜和金膜，得到金透射光栅。
[0026]优选的，所述步骤一中的<110>晶向单晶硅厚度为500nm～50um，<100>单晶硅厚度为300um～500um。
[0027]优选的，所述步骤二中的金膜和钛膜的沉积方法有磁控溅射、离子束溅射和电子束蒸发镀膜三种，金膜厚度为50nm～100nm，钛膜厚度为10nm～30nm。
[0028]优选的，所述步骤三中的金金键合工艺，在基片的上表面和下表面分别放置石墨片，进行加温加压处理。
[0029]优选的，所述步骤四中的铬膜的镀制方法有电子束蒸发法和离子束溅射法，氮化硅膜采用等离子体增强化学气相沉积法的方法进行镀制。
[0030]优选的，所述步骤十一中，使用丙酮超声的方法去除减反膜和光刻胶。
[0031]优选的，所述步骤十二中的KOH溶液浓度为39.0wt％
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41.0wt％，刻蚀温度为24℃
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26℃，并在刻蚀时加入0.49wt％
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0.51％的四甲基癸炔二醇作为表面活性剂。
[0032]优选的，所述步骤十五和步骤十八中的KOH溶液浓度为24wt％
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26wt％，刻蚀温度为83℃
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88℃。
[0033]与现有技术对比，本专利技术具备以下有益效果：
[0034]1、该金透射光栅的制备方法，提出了能够使光栅掩模的延伸方向平行于顶层<110>晶向单晶硅的垂直{111}晶面的极为简便的对准方法，降低了金透射光栅的制备难度。
[0035]2、该金透射光栅的制备方法，通过使光栅掩模的延伸方向平行于顶层<110>晶向单晶硅的垂直{111}晶面和使用39.0wt％
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41.0wt％的KOH溶液对顶层<110>晶向单晶硅进行各向异性湿法刻蚀，刻蚀温度为24℃
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26℃，且在刻蚀时加入0.5wt％的四甲基癸炔二醇作为表面活性剂，才能保证刻蚀出的硅光栅侧壁粗糙度达到0.1nm量级。
附图说明
[0036]图1为本专利技术提供的<110>晶向单晶硅和<100>晶向单晶硅的结构剖视图；
[0037]图2为本专利技术提供的<110>晶向单晶硅下表面镀金膜，<100>晶向单晶硅上表面镀钛膜的结构剖视图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金透射光栅的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：以<110>晶向单晶硅(1)作为顶层硅，以<100>晶向单晶硅(2)作为底层硅；步骤二：在底层硅上表面镀一层钛膜(4)，在顶层硅下表面镀一层金膜(3)；步骤三：通过低温金金键合工艺对上述步骤处理的顶层硅和底层硅进行键合，以形成基片；步骤四：在基片的外表面镀一层氮化硅膜(5)后，在其上表面镀一层铬膜(6)；步骤五：在经过步骤四处理的基片的上表面及下表面分别涂覆光刻胶(7)，利用紫外光刻在上表面制作支撑结构光刻胶掩模，在下表面制作光栅外框光刻胶掩模；步骤六：在经过步骤五处理的基片的下表面反应离子刻蚀氮化硅膜(5)，在上表面湿法刻蚀铬膜(6)；步骤七：去除经过步骤六处理的基片的上表面及下表面的光刻胶(7)；步骤八：在经过步骤七处理的基片的上表面依次涂覆减反膜(8)和光刻胶(7)；步骤九：全息光刻制作光刻胶光栅掩模，使用优化后的劳埃镜光路进行全息曝光，光路中激光器发出的激光束调整为平行于光学平台面，劳埃镜镜面调整为垂直于光学平台面，曝光硅片的顶层<110>晶向单晶硅(1)的垂直{111}晶面切边也调整为垂直于光学平台面，光刻后的光栅掩模的延伸方向平行于顶层<110>晶向单晶硅的垂直{111}晶面；步骤十：通过反应离子刻蚀将光刻胶光栅掩模图形转移到减反膜(8)和氮化硅膜(5)中；步骤十一：去除光刻胶(7)和减反膜(8)；步骤十二：在下表面涂覆保护胶(9)，使用KOH溶液对顶层<110>晶向单晶硅(1)进行各向异性湿法刻蚀，将氮化硅光栅掩模图形转移到顶层硅中；步骤十三、在上表面电镀沉积金；步骤十四、去除基片下表面保护胶(9)，在上表面涂覆保护胶(9)；步骤十五、使用KOH溶液刻蚀底层单晶硅；步骤十六、去除上表面的保护胶(9)；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：万桂波，郑衍畅，尹荣鑫，
申请(专利权)人：苏州康启环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：