通过反应离子束刻蚀技术调整同步辐射光栅的宽度与周期比

《Surface and Coatings Technology》：Tuning of width to period ratio of synchrotron gratings by reactive ion beam etching

同步辐射光栅制造中利用反应离子束刻蚀（RIBE）调整光刻胶沟槽宽深比（w/p）的非均匀性，通过氧离子束梯度刻蚀和三氟甲烷/氧气混合气体均匀化处理，实现8 nm深度均匀刻蚀。

　　

作者：Stephan G?rsch, Frank Frost, Bruno Nelles, Annemarie Finzel

莱布尼茨表面工程研究所，Permoserstra?e 15，04318，莱比锡，德国

摘要

同步辐射光栅的制造需要高精度的光刻和结构转移技术。二元轮廓的挑战在于特定的槽宽与周期比（w/p比）以及定义好的轮廓深度。本研究展示了如何利用反应离子束刻蚀（RIBE）在光刻后改变w/p比。具体来说，光刻胶轮廓的w/p比从光栅中心到边缘存在差异，这意味着在转移到硅基底后，光栅无法达到所需的效率。为了调整光刻胶轮廓，使用了来自Kaufman型离子源的宽氧离子束，但难点在于如何根据样品位置的不同来不同程度地增加w/p比。这一步骤导致了硅基底刻蚀效果的不一致，并形成了厚度不均匀的二氧化硅层，使得后续的结构转移变得非常困难。为了实现均匀的结构转移，再次使用了含有三氟甲烷和氧气的RIBE工艺，目标是在整个光栅区域获得8纳米的均匀轮廓深度。具体方法将在后续部分进行解释。

引言

在同步辐射单色器或光谱仪中，通常使用VLS光栅来分散同步辐射产生的多色软X射线。这类光栅的槽密度沿分散方向呈多项式变化[1]、[2]、[3]。同步辐射光栅的制造分为两个步骤[4]：首先，利用全息干涉仪生成槽图案，并将其曝光到光刻胶层中。全息干涉仪的设计旨在产生线状图案，以实现所需的线密度变化。光刻胶结构显影后，其轮廓呈梯形并延伸至硅表面。第二步是将光刻胶图案转移到基底上——通常是硅基底，这通常通过离子束刻蚀（IBE）完成[5]。离子束刻蚀时间确保了正确的轮廓深度，从而决定了效率峰的波长位置。

全息干涉仪由两个独立的球面波和额外的光学元件组成。这两个球面波是通过将激光束聚焦到针孔上产生的。激光束通过针孔后会产生一个球面波，由于激光束的强度分布呈高斯分布，因此球面波的强度分布也呈高斯分布。当这两个球面波在光栅基底位置叠加时，强度和干涉对比度都会沿分散方向发生变化，从而导致光刻胶图案轮廓的变化，进而影响离子束刻蚀后的光栅形状。这些轮廓变化主要是槽宽的变化。关于全息干涉仪的更详细介绍，请参见[6]、[7]。

尽管[8]、[9]已经证明可以通过等离子体和紫外臭氧刻蚀调节w/p比，但本工作主要关注于校正全息记录的光刻胶轮廓中的不均匀性。本文提出了一种方法，可以纠正这种轮廓变化，从而制造出沿分散方向具有均匀轮廓的光栅。

材料与方法

反应离子束刻蚀（RIBE）[10]、[11]工艺使用的是NTG（NTG Neue Technologien GmbH & Co. KG）公司的RIBE450商用系统。RIBE的一个优点是能够实现广泛的选择性（基底材料的刻蚀速率与掩模材料的刻蚀速率之比）。另一个优点是基底与等离子体之间的分离。图1展示了RIBE450设备的外观和内部结构，该设备配备五轴运动系统，可处理最大尺寸为450毫米的工件。

结果与讨论

图5展示了每次氧离子刻蚀后两个位置（光栅中心a和边缘区域b）的光刻胶轮廓变化情况。左右基底各侧的侧壁分别在不同的刻蚀时间内被刻蚀：步骤1为6分钟，步骤2、3和4为10分钟，步骤5和6为14分钟。刻蚀速率从基底中心向边缘逐渐增加。测量的光刻胶轮廓如下所示...

结论

在20°的入射离子角度、307毫米的X偏移量和7标准立方厘米氧气的气体混合物条件下，通过RIBE工艺成功校正了光刻胶轮廓中的槽宽梯度，从而实现了w/p比的均匀性。最终获得了w/p比为0.60±0.05的光刻胶轮廓，使得硅基底适合在8纳米的均匀深度上进行刻蚀。均匀化处理是通过使用2.5标准立方厘米CHF₃ / 2.5标准立方厘米O₂的气体混合物进行中心刻蚀1.9分钟来实现的。

作者贡献声明

Stephan G?rsch：撰写、审稿与编辑、软件开发、数据管理。 Frank Frost：撰写、审稿与编辑、监督、研究、数据分析。 Bruno Nelles：撰写、审稿与编辑、资源调配、概念设计。 Annemarie Finzel：撰写初稿、验证、监督、研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢所有参与研究的同事，特别是Toni Liebeskind在样品的湿化学处理和测试结构制备方面的贡献。