[发明专利]一种金透射光栅的制备方法

说明书

本发明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％‑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℃‑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，可保证刻蚀出的硅光栅侧壁粗糙度达到0.1nm量级。

技术领域

本发明涉及光栅微纳米加工技术领域，具体为一种金透射光栅的制备方法。

背景技术

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。

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-电镀沉积、电子束光刻-电镀沉积和金属催化刻蚀-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-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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明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，解决了上述背景技术中提出的问题。

本发明提供如下技术方案：一种金透射光栅的制备方法，包括以下步骤：

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；

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；

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后，在其上表面镀一层铬膜；

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；

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；

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；

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；

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；