Способ изготовления дифракционной кремниевой решетки типа эшелле Российский патент 2023 года по МПК G02B5/18 

Изобретение относится к технологии изготовления оптических приборов, а точнее к способу изготовления отражательной дифракционной кремниевой решетки типа эшелле (с треугольным профилем штрихов), предназначенной для использования в различных оптических устройствах, прежде всего, в коротковолновой области спектра - от жесткого рентгена до экстремального ультрафиолета (ЭУФ), называемой далее вместе рентгеновским диапазоном. Высокоэффективные дифракционные решетки типа эшелле необходимы для спектроскопии высокого разрешения не только в коротковолновом диапазоне спектра, но и в длинноволновом оптическом диапазоне - ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном. Решетки типа эшелле позволяют достичь рекордной эффективности и высокого отношения сигнал/шум, а также могут использоваться в высоких порядках дифракции, что пропорционально увеличивает разрешение и невозможно для решеток с другим профилем штрихов.

Отражательные рентгеновские решетки типа эшелле применяются в спектроскопии неупругого резонансного рентгеновского рассеяния, проекционной литографии в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне и в диапазоне более коротких длин волн, в приборах космических миссий, на рабочих станциях рентгеновских лазеров на свободных электронах, а также они нужны для источников синхротронного излучения четвертого поколения. Решетки типа эшелле используются не только в рентгеновском диапазоне, где они незаменимы, но и во всем оптическом диапазоне во многих спектроскопических и не спектроскопических применениях, включая био-детектирование, датчики перемещений, спектральные фильтры, поляризаторы, делители пучка, волноводную технику, микроскопию, диагностику плазмы и многое другое.

Известны различные способы изготовления решеток типа эшелле, работающих в разных спектральных диапазонах.

В статье [1. А.Е. Franke et al. Super-smooth x-ray reflection grating fabrication. - Journal of Vacuum Science & Technology B, 15, 2940, 1997] описан способ изготовления рентгеновской дифракционной решетки типа эшелле с периодом 1,7 мкм, в котором используются кремниевые пластины с разориентацией на 0,7° от плоскости (111), которые были покрыты слоем нитрида кремния химическим осаждением из газовой фазы, слоем антиотражающего покрытия, слоем диоксида кремния и слоем фоторезиста. После интерферометрической литографии с длиной волны 351,1 нм и проявления фоторезиста было выполнено реактивно-ионное травление, в котором оксид кремния и нитрид кремния травили в CF₄, а антиотражающее покрытие травили в О₂ плазме. Слои выше нитрида кремния (оксид кремния и антиотражающее покрытие) удалили обработкой в травителе RCA-1 (перекись водорода: аммония гидроксид: вода = 1:1:5). Затем через маску нитрида кремния осуществляли травление в растворе гидроксида калия (КОН), что сопровождалось образованием канавок и узких выступов кремния на гребнях треугольного профиля штрихов, поддерживающих полоски маски нитрида кремния. Для удаления выступов шириной < 0,1 мкм напыляли тонкий слой хрома на решетку с маской из нитрида кремния, затем стравливали в плавиковой кислоте маску нитрида кремния (хром отрывается с выступов при травлении), далее выполняли реактивное ионное травление выступов с использованием CF₄, затем удаляли хром жидкостным травлением. На поверхность решетки было нанесено отражающее Au покрытие с тонки подслоем Cr. Измеренная максимальная абсолютная эффективность решетки в первом порядке в мягком рентгеновском (MP) диапазоне (энергия фотонов от 250 до 900 эВ) составила 20%, что представляет собой ~ 80% от расчетного теоретического максимума.

При реализации способа, описанного в [1], в тех местах, где были выступы, образуются углубления, которые лучше выступов с точки зрения проблемы затенения, но они уменьшают площадь отражающей поверхности рабочей грани штриха, что ведет к уменьшению дифракционной эффективности. Также недостатком данного способа является необходимость использования сложного технологического оборудования для нанесения и реактивно-ионного травления слоев нитрида кремния, антиотражающего покрытия и диоксида кремния. Кроме того, выполняемое реактивное ионное травление маски нитрида кремния в CF₄ не селективно по отношению к кремнию и может привести к появлению дефектов поверхности, вследствие чего увеличивается шероховатость поверхности, что приводит к потерям излучения на рассеяние и, в итоге, к снижению эффективности.

В статье [2. D.L. Voronov et al. 5000 groove/mm multilayer-coated blazed grating with 33% efficiency in the 3rd order in the EUV wavelength range. - Proceedings of SPIE, 7448, 2009] описан способ изготовления дифракционных решеток типа эшелле, которые потенциально могут обеспечить чрезвычайно высокое спектральное разрешение 10⁵-10⁶ в диапазонах энергий экстремального ультрафиолета и мягкого рентгена. Изготовление решетки с периодом 200 нм основывалось на сканирующей интерференционной литографии и анизотропном жидкостном травлении монокристаллов кремния. Использовали кремниевую пластину с поверхностью, имеющей 6-градусную разориентацию от плоскости (111). Пластина была покрыта слоем 20-30 нм нитрида кремния методом химического осаждения из газовой фазы. Каналы в нитриде выполнены методом контактной фотолитографии и реактивно-ионного травления. Затем было применено травление в КОН, что сопровождалось образованием канавок в пластине и кремниевых выступов на гребнях треугольного профиля штрихов. После завершения травления в КОН нитридная маска была удалена. Лучший результат по удалению выступов на гребнях треугольного профиля штрихов был получен в многоэтапной процедуре с повторением нескольких циклов: химическое окисление в пиранье (нагретая смесь серной кислоты и пероксида водорода), чередующееся травлением образующегося оксида плавиковой кислотой. Профиль канавки приближается к идеальной форме треугольника, хотя некоторые остаточные выступающие элементы наблюдались после 15 циклов на профилях, полученных с помощью сканирующего зондового микроскопа. После удаления выступов на гребнях профиля на решетку было нанесено отражающее многослойное покрытие из 20 бислоев Mo/Si методом магнетронного распыления на постоянном токе. Полученная по способу [2] решетка 5000 штр./мм показала эффективность 33% в третьем порядке в диапазоне длин волн экстремального ультрафиолета (при λ=14,2 нм). Отношение сигнал/шум равно 10, что подтверждает хорошее качество решетки.

К недостаткам данного способа относятся длительность и сложность процесса удаления выступов на гребне профиля и увеличение шероховатости поверхности от 0,25 до 0,4 нм из-за применения изотропного травления. Другим недостатком является непригодность такого способа удаления выступов на гребне профиля для решеток с большим периодом (d>1 мкм), поскольку уже после 15 циклов обработки серьезными дефектами поверхности являются нано-ямки шириной 30-50 нм и глубиной несколько нанометров, которые имеют тенденцию к увеличению их количества и размера с увеличением циклов обработки. Еще одним недостатком данного метода является использование сложного технологического оборудования для нанесения и реактивно-ионного травления слоев нитрида кремния и антиотражающего покрытия.

В статье [3. L. Golub et al. EUV imaging and spectroscopy for improved space weather Forecasting. - Journal of Space Weather and Space Climate. 2020, 10, 37] описан способ изготовления решетки типа эшелле 5000 штр/мм с углом блеска 13,25°, работающей во втором порядке. Кремниевая пластина, имеющая заданную разориентацию от кристаллографической поверхности (111), была покрыта термическим диоксидом кремния (SiO₂), на который с помощью интерференционной литографии наносился рисунок в соответствии с заданным периодом решетки 200 нм. Термический слой SiO₂ подвергался реактивно-ионному травлению, а затем пластина погружалась в КОН, что сопровождалось образованием канавок в пластине и кремниевых выступов на гребнях треугольного профиля штрихов. Проблема удаления выступов решается применением многоэтапной процедуры повторов обработки RCA-1/HF, т.е. (перекись водорода: аммония гидроксид: вода = 1:1:5) / (плавиковая кислота), для удаления любых неровностей и шероховатостей от травления КОН. Для удаления выступов было применено девять циклов, и в результате получена гладкая поверхность каждой плоскости рабочей грани (значения шероховатости не приведены). Расчетная абсолютная эффективность решетки с отражающим покрытием Zr+ZrO₂ составила 18-23% во втором порядке в диапазоне 180-200 нм.

К недостаткам данного способа относится длительность, сложность и трудоемкость процесса удаления упомянутых выступов. Другим недостатком данного метода является использование сложного технологического оборудования для нанесения и реактивно-ионного травления слоя диоксида кремния.

В качестве прототипа выбран описанный в статье [4. P. Philippe et al. Wavelength demultiplexer: using echelett grating on silicon substrate. - Applid Optics., 24 (7), 1011, 1985] процесс изготовления решетки типа эшелле с периодом ~ 2 мкм, включающий стадии: 1) формирование защитной маски на поверхности пластины монокристаллического кремния (111) с углом разориентации с помощью термического окисления кремниевой пластины, осаждения фоторезиста на слой SiO₂, классического фотолитографического процесса с использованием маски мастера и получения рисунка защитной маски SiO₂ реактивным ионным травлением; 2) анизотропное химическое травление в растворе КОН через защитную маску SiO₂, сопровождающееся образованием профиля с наклонной плоскостью канавки с углом наклона и выступа на гребне треугольного профиля; 3) удаление защитной маски SiO₂; 4) удаление выступов изотропным травлением пластины; 5) нанесение слоя золота в качестве отражающего покрытия. Пластины диаметром 76,2 мм разделили на квадратные решетки размером 10×10 мм² и 8×8 мм² и произвели отбраковку некачественных образцов. Критерием качественной решетки в прототипе [4] выбрали высокую дифракционную эффективность, превышающую 80% (при теоретическом значении 90%) в первом порядке дифракции в диапазоне инфракрасного (ИК) излучения 0,78-0,9 мкм и 1,2-1,35 мкм. Хорошими оказались 50% из 20-ти решеток размером 10×10 мм² в спектральном диапазоне 0,78-0,88 мкм и 35% из 44 решеток размером 8x8 мм², работающих при ~1,3 мкм.

Недостатком способа, описанного в [4], является выполнение операции термического окисления кремния, которое осуществляют при высокой температуре (Т=800-1200°С) с использованием специального технологического оборудования, что приводит к увеличению шероховатости поверхности кремния в результате ее окисления. Кроме того, выполняемое реактивное ионное травление маски SiO₂ не является селективным по отношению к кремнию и может привести к появлению дефектов поверхности, вследствие чего также увеличивается шероховатость поверхности. Для длинноволнового ИК диапазона требования к шероховатости поверхности не строгие, в отличие от рентгеновского диапазона, в котором также применяются решетки с периодом 2 мкм. Спектральная ширина линии для каждой длины волны составляет δλ=5 нм, (где δλ - это ширина линии на половине ее высоты в нм), т.е. решетки демонстрируют низкую разрешающую способность. Кроме того, выход годных решеток составляет 35-50%, что указывает на недостаточную однородность параметров решетки по пластине и низкую воспроизводимость технологического процесса.

Решетки типа эшелле, полученные анизотропным травлением кремниевой пластины через травильную маску, имеют один общий основной недостаток: кремниевые выступы, которые образуются на гребнях треугольного профиля штрихов. Наличие выступов на гребнях треугольного профиля штрихов решетки нежелательно, поскольку они уменьшают площадь отражающей поверхности рабочей грани, затеняют атомный поток во время осаждения отражающего покрытия, затеняют соседнюю отражающую грань при классической схеме работы (в плоскости, перпендикулярной штрихам), что существенно снижает дифракционную эффективность решетки. В настоящее время изготовление решеток типа эшелле, особенно со средней и низкой плотностью штрихов (с периодом 1-30 мкм), демонстрирующих эффективную дифракцию в высоких порядках (|m_max|≥3), все еще остается нерешенной задачей из-за проблемы удаления кремниевых выступов. Известные авторам способы удаления кремниевых выступов на гребне треугольного профиля имеют недостатки, как самого процесса, так и получаемого результата: длительное, сложное и трудоемкое травление, неплоская (вогнутая) и/или негладкая (с высокой шероховатостью) поверхность отражающих граней, и, как следствие, низкая эффективность даже в низких порядках дифракции. Для решеток с низкой плотностью штрихов известные способы жидкостного изотропного травления неприемлемы из-за большой ширины выступов, вплоть до 1-3,5 мкм для решеток с периодом d ~ 5-10 мкм, удаление которых требует слишком длительного травления, что обязательно приводит к появлению дефектов на поверхности отражающей грани.

Для метода резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей требуются дифракционные решетки с чрезвычайно большой разрешающей способностью 10⁵-10⁶, и существует два основных способа достижения сверхвысокого спектрального разрешения в рентгеновском диапазоне: использовать дифракцию высоких порядков решетки со средней плотностью штрихов или использовать дифракцию первых порядков решетки со сверхвысокой плотностью штрихов. Из-за нерешенной проблемы удаления выступов на гребнях треугольного профиля штрихов исследования для обеспечения высокого разрешения в рентгеновском диапазоне спектра сосредоточились в основном на разработке решеток со сверхвысокой и высокой плотностью штрихов (период 50-500 нм).

На основе проведенных авторами настоящего изобретения исследований влияния формы профиля штриха и качества поверхности отражающей грани на эффективность дифракционной решетки с треугольным профилем штрихов были установлены параметры решетки типа эшелле, обеспечивающие высокую эффективность в высоких порядках: близость профиля к идеальному треугольному, несимметричность профиля, плоская и гладкая поверхность отражающих граней. На примере решеток типа эшелле с золотым покрытием с периодом 2 и 4 мкм и углом блеска 3-4°, работающих в MP и ЭУФ излучении, путем компьютерного моделирования с использованием программы PCGrate™, разработанной на основе строгого метода электромагнитной теории дифракции, авторами установлено, что дифракционная эффективность высоких порядков зависит от плоскостности отражающей грани. Для оценки отклонения от плоскостности отражающей грани авторами изобретения предложен параметр изогнутость (С) - разность между значениями углов наклона верха и низа отражающей грани, измеренными для верха с учетом 30% точек вверху грани и для низа с учетом 30% точек внизу грани, отбросив 10% точек от самой нижней точки. Полученные с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) результаты измерений параметров профиля штрихов рентгеновских решеток типа эшелле и расчеты их эффективности показали, что максимальная эффективность очень высоких дифракционных порядков (|n|≥10) практически достижима только если изогнутость отражающей грани не превышает 10% от угла блеска α, т.е. С≤0,1α. В случае превышения значения этого параметра более чем в два раза, не только |n_max| уменьшается в несколько раз, но и максимально достижимая решеточная эффективность уменьшается значительно (на несколько десятков процентов). Для характеризации гладкости поверхности обычно используют среднеквадратическое отклонение (СКО) высокочастотной шероховатости (σ), измеряемой в поле 1×1 мкм². Для применений в ЭУФ диапазоне считается приемлемым значение шероховатости поверхности решетки σ ~ 0,5-1 нм [2], а для MP диапазона σ ~ 0,3 нм [5. F. Salmassi et al. Extreme ultraviolet binary phase gratings: Fabrication and application to diffractive optics. - Journal of Vacuum Science & Technology A Vacuum Surfaces and Films. 24(4): 1136-1140, 2006].

Задача, для решения которой создано изобретение - расширение арсенала средств и создание универсального способа изготовления дифракционных кремниевых решеток типа эшелле, с использованием которого можно получить решетку с параметрами, необходимыми для работы в высоких порядках спектра, с высоким разрешением, высокой эффективностью дифракции и максимальным отношением сигнал/шум.

Достигаемый в изобретении технический результат: повышение технологичности за счет устранения необходимости в использовании специального оборудования при реализации способа изготовления решеток типа эшелле, поскольку не используют химическое осаждение из газовой фазы и реактивно-ионное травление, для изготовления решеток типа эшелле в широком диапазоне плотности штрихов (d=0,1÷30 мкм) и углов блеска (d=0,5°÷25°), работающих в широком спектральном диапазоне от рентгеновского до инфракрасного излучения.

Поставленная задача решается изменением технологии.

Примеры реализации иллюстрируются Фигурами чертежей, на которых представлено:

Фиг. 1 - Изображения растровой электронной микроскопии (РЭМ) при увеличении 100К поперечного скола решетки с d=2 мкм после анизотропного травления в растворе КОН 20% до удаления кремниевых выступов: (а) - с Cr-маской; (б) - без Cr-маски; (в) - после удаления кремниевых выступов на гребнях треугольного профиля штрихов анизотропным травлением в растворе КОН 20%.

Фиг. 2 - РЭМ изображения при увеличении 50К изготовленной решетки с d=4 мкм после удаления кремниевых выступов на гребнях треугольного профиля штрихов анизотропным травлением в растворе тетраметиламмония гидроксида (ТМАН) 4%: (а) - поперечный скол; (б) - изометрия под углом 10 град.

Фиг. 3 - АСМ измеренные профили решетки с d=0,4 мкм после анизотропного травления в растворе КОН 20% до удаления кремниевых выступов: (а) - с Cr-маской; (б) - после удаления Cr-маски; после анизотропного травления в растворе КОН 20%: (в) - Si-выступы не удалены; (г) - без Si-выступов.

Фиг. 4 - АСМ измеренный профиль изготовленной решетки с d=10 мкм: (а) - до удаления выступа на гребне профиля; после анизотропного травления в растворе ТМАН 10%: б) - кремниевый выступ не удален; в) - кремниевый выступ удален; (г) - профиль отражающей грани сглажен.

Фиг. 5 - Графики относительной эффективности η изготовленной решетки с d=4 мкм в зависимости от угла падения излучения θ при λ=4,47 нм (числами над стрелками обозначены порядки дифракции).

Заявляемый способ изготовления дифракционной кремниевой решетки типа эшелле по изобретению реализуется следующим образом.

На первом этапе формируют защитную травильную маску, для чего на поверхность пластины монокристаллического кремния (111) с углом разориентации наносят слой фоторезиста, в котором лазерным или электронным лучом засвечивают, а затем проявляют обработкой водным раствором тетраметиламмония гидроксида или калия гидроксида рисунок чередующихся параллельных полос, после чего на всю поверхность подложки напыляют слой хрома толщиной 20-30 нм и формируют защитную Cr-маску взрывной литографией (lift off) [6. С. Александров, А. Алексеев. Субмикроэлектронная контактная метализация. - Наноиндустрия, №6, 2009, с. 4-6], удаляя полосы фоторезиста с нанесенным слоем хрома в органическом растворителе. На втором этапе выполняют анизотропное химическое травление в растворе КОН 15-25% масс, через Cr-маску, в результате чего образуется профиль с наклонной плоскостью канавки с углом наклона и выступом на гребне профиля штриха. После достижения заданного угла наклона удаляют защитную Cr-маску жидкостным травлением в цериевом травителе следующего состава: (NH₄)₂[Ce(NO₃)₆] - 10,9% масс, HClO₄ - 4,25% масс, H₂O - 84,85% масс. На третьем этапе удаляют выступы анизотропным химическим травлением в растворе КОН 10-25% масс. или тетраметиламмония гидроксида (ТМАН) 2-20% масс. На готовую решетку наносят отражающее покрытие в зависимости от рабочего спектрального диапазона решетки и схемы работы (классическая или коническая).

Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примеров, не имеющих какого-либо ограничительного характера, ниже описаны предпочтительные варианты реализации, в которых раскрыты варианты реализации изобретения для решеток с периодом 0,4; 1,4; 2; 4 и 10 мкм с углом наклона отражающей грани 1,5°-4°.

Примеры реализации.

Пример 1. При изготовлении решетки со средней плотностью штрихов с d=2 мкм на этапе формирования защитной маски на поверхность подложки монокристаллического кремния (111) с углом разориентации α=4° был нанесен фоторезист, в котором лучом лазера 405 нм был засвечен и проявлен обработкой разбавленным раствором ТМАН рисунок чередующихся параллельных полос, затем напылен слой хрома 25 нм и взорвана металлизация обработкой в диметилсульфоксиде. Анизотропное травление через Cr-маску выполнено в растворе КОН 20%. После удаления Cr-маски в цериевом травителе выполнено сглаживающее анизотропное травление для удаления выступов в растворе КОН 20%. На Фиг. 1 показаны РЭМ изображения поперечного скола решетки на разных этапах изготовления. На Фиг. 1а представлен профиль с выступами и с Cr-маской после анизотропного травления в растворе КОН 20%. На Фиг. 1б показан профиль с выступами после удаления Cr-маски: исходная ширина выступов ~ 190-500 нм, высота выступов ~ 35-47 нм. На Фиг. 1в видно, что в результате сглаживающего травления в растворе КОН 20% без защитной маски выступы полностью удалены, а профиль идеальный, треугольный.

По результатам АСМ измерений готовая решетка имела следующие характеристики: глубина штриха 119 нм, α=3,8°, С=0,54°, α=0,56 нм. На готовую решетку наносено отражающее покрытие Cr/Au. Решетка предназначена для MP и ЭУФ диапазона.

Пример 2. При изготовлении решетки с низкой плотностью штрихов с d=4 мкм на этапе формирования защитной маски в слое фоторезиста, нанесенного на подложку монокристаллического кремния (111) с углом разориентации α=4°, был засвечен лучом лазера 405 нм и проявлен обработкой разбавленным раствором ТМАН рисунок чередующихся параллельных полос, затем напылен слой хрома 22 нм и взорвана металлизация обработкой в диметилсульфоксиде. Анизотропное травление через Cr-маску выполнено в растворе КОН 20%. После удаления Cr-маски в цериевом травителе выполнено сглаживающее анизотропное травление сначала в растворе ТМАН 20%, затем в растворе ТМАН 4% для удаления выступов (исходная ширина выступов ~ 615-846 нм, высота выступов ~ 70 нм). На Фиг. 2 представлены РЭМ изображения изготовленной решетки, на которых видно, что после сглаживающего анизотропного травления без защитной маски она имеет идеальный треугольный профиль (Фиг. 2а) и гладкую поверхность (Фиг. 2б).

По результатам АСМ измерений решетка имела следующие характеристики: глубина штриха 212 нм, α=3,6°, С=0,52°, σ=0,39 нм. Решетка предназначена для MP и ЭУФ диапазона. Результаты моделирования с помощью программы PCGrate™ с использованием реалистичного усредненного профиля штриха показали, что максимальная абсолютная эффективность (отношение энергии в дифракционном порядке к падающей энергии) решетки с золотым покрытием в классической схеме работы в неполяризованном излучении при λ=13,5 нм составляет 60% в -12 порядке, а при длине волны 4,47 нм составляет 34% в -26 порядке.

Пример 3. Для изготовления решетки с высокой плотностью штрихов с d=0,4 мкм в слое резиста, нанесенного на подложку монокристаллического кремния (111) с углом разориентации α=4°, был засвечен электронным лучом и проявлен обработкой разбавленным раствором КОН рисунок чередующихся параллельных полос, затем напылен слой хрома толщиной ~ 26 нм и взорвана металлизация обработкой в диметилформамиде. Анизотропное травление через Cr-маску выполнено в растворе КОН 20%. После удаления Cr-маски в цериевом травителе выполнено сглаживающее анизотропное травление для удаления выступов в растворе КОН 20%. На Фиг. 3 показано, как изменяется АСМ измеренный профиль решетки на разных этапах обработки. На Фиг. 3а представлен профиль решетки с Cr-маской сразу после травления канавки в КОН 20%. На Фиг. 3б представлен профиль решетки после удаления Cr-маски: исходная ширина выступов составила ~ 46 нм, высота выступов ~ 30 нм. На Фиг. 3в видно, что выступы не удалены: ширина выступов 20-22 нм, высота выступов 13-15 нм. На Фиг. 3г видно, что выступы удалены полностью.

По результатам АСМ измерений решетка имела следующие характеристики: глубина штриха 21 нм, угол блеска α=3,9°, σ=0,78 нм (4×4 мкм). Решетка предназначена для работы в MP и ЭУФ диапазоне.

Рассчитанная с помощью программы PCGrate™ с использованием реалистичного усредненного профиля штриха абсолютная эффективность решетки с золотым покрытием в конической схеме работы при λ=1 нм составила ~ 66,1% в -1 порядке, а эффективность -2 и -3 порядков составила 48% и 23%, соответственно. Рассчитанная с помощью программы PCGrate™ абсолютная эффективность решетки с золотым покрытием в конической схеме работы при λ=0,8 нм в неполяризованном излучении составила ~69,7% в -1 порядке, а эффективность -2 и -3 порядков составила 54% и 28%, соответственно. При этом эффективность 0 порядка мала во всем диапазоне азимутальных углов падения, кроме близких и выше критического.

Рассчитанная с помощью PCGrate™ со строгим учетом случайной шероховатости по методу Монте-Карло [7. L.I. Goray, G. Schmidt. Boundary Integral Equation Methods for Conical Diffraction and Short Waves, in Gratings: Theory and Numerical Applications, ed. by E. Popov, 2nd rev. ed. (Institut Fresnel, AMU, 2014), p.447] абсолютная эффективность этой решетки с многослойным покрытием из 20 бислоев Мо/Ве в классической схеме работы при λ=11,3 нм в неполяризованном излучении составила ~ 18,0% в -1 порядке, а эффективность -2 и -3 порядков составила 28,2% и 37,0%, соответственно.

Пример 4. При изготовлении решетки с низкой плотностью штрихов с d=10 мкм на этапе формирования защитной маски в слое фоторезиста, нанесенного на подложку монокристаллического кремния (111) с углом разориентации α=1.8°, был засвечен лучом лазера 405 нм и проявлен обработкой разбавленным раствором ТМАН рисунок чередующихся параллельных полос, затем напылен слой хрома 21 нм и взорвана металлизация обработкой в диметилсульфоксиде. Анизотропное травление через Cr-маску выполнено в растворе КОН 20%. После удаления Cr-маски в цериевом травителе выполнено сглаживающее анизотропное травление для удаления выступов в растворе ТМАН 10%. На Фиг. 4 показано, как изменяется профиль решетки при постепенном сглаживающем анизотропном травлении без защитной маски. Профили, представленные на Фиг. 4(а, б, в), измерены с помощью механического профилометра, а на Фиг. 4 г представлен АСМ измеренный профиль. Исходная ширина выступов составила 1,60-1,75 мкм, высота выступов ~ 292 нм (Фиг. 4а). На Фиг. 4б видно, что выступы не удалены, при этом их ширина уменьшилась до 1,1 мкм, а высота до 227 нм. На Фиг. 4в видно, что выступы удалены. Однако, поскольку профиль не был идеальным треугольным и имел на месте выступа плоскую площадку, уменьшающую длину отражающей грани, а значения изогнутости и шероховатости отражающей грани были неприемлемы для высокоэффективной решетки типа эшелетт, травление в растворе ТМАН 10% было продолжено. На Фиг. 4 г показан профиль решетки после анизотропного травления в растворе ТМАН, в результате которого получен идеальный треугольный профиль с большей длиной отражающей грани, а изогнутость отражающей грани и шероховатость поверхности отражающей грани уменьшились до приемлемых значений.

По результатам АСМ измерений решетка имела характеристики: глубина штриха 224 нм, угол блеска α=1,4°, С=0,28°, σ=0,45 нм. Решетка может работать в широком спектральном диапазоне: от ЭУФ до ближнего ИК. По результатам моделирования с помощью программы PCGrate™ максимальная абсолютная эффективность решетки с золотым покрытием в классической схеме работы при λ=11,4 нм в неполяризованном излучении составила 54% в -5 порядке, что оказалось на 6% (в абсолюте) больше, чем для решетки с недостаточно плоской и ровной отражающей гранью, приведенной на Фиг. 4в.

Также с помощью программы PCGrate™ для диапазона от короткого УФ до ближнего ИК (200-800 нм) была рассчитана абсолютная спектральная эффективность этой решетки с алюминиевым покрытием при нормальном падении излучения: дифракционная эффективность -5 порядка достигает в максимуме 82% вблизи длины волны 500 нм.

Пример 5. При изготовлении решетки с низкой плотностью штрихов с d=4 мкм на этапе формирования защитной маски в слое фоторезиста, нанесенного на подложку монокристаллического кремния (111) с α=4°, был засвечен лучом лазера 405 нм и проявлен обработкой разбавленным раствором ТМАН рисунок чередующихся параллельных полос, напылен слой хрома толщиной 22 нм и взорвана металлизация обработкой в диметилсульоксиде. Анизотропное травление через Cr-маску выполнено в растворе КОН 20%. После удаления Cr-маски в цериевом травителе выполнено сглаживающее анизотропное травление для удаления выступов в растворе ТМАН 4% (исходная ширина выступов 518-625 нм, высота выступов ~ 70 нм).

По результатам АСМ измерений решетка имела следующие характеристики: глубина штриха 224 нм, α=3,7°, С=0,28°, σ=0,36 нм. Решетка предназначена для MP и ЭУФ диапазона. Согласно результатам моделирования с помощью с помощью программы PCGrate™ максимальная эффективность решетки с золотым покрытием в классической схеме работы при λ=13,5 нм составляет 68,3% в -19 порядке. На Фиг. 5 представлены расчетные графики относительной (решеточной - отношение энергии в дифракционном порядке к падающей энергии при идеальном отражении материала решетки) эффективности (η) изготовленной решетки в зависимости от угла падения излучения θ в классической схеме работы при λ=4,47 нм в неполяризованном излучении (числами над стрелками обозначены порядки дифракции). Как видно на Фиг. 5, η достигает ~ 57% в порядке -36, а с порядка -37 начинается медленный спад максимальной относительной дифракционной эффективности решетки.

При реализации способа для напыления хрома и для нанесения отражающих металлических покрытий (Au, Pt и др.) используется одна и та же установка.

Несмотря на то, что в заявленом способе использованы широко известные травители, авторам не известно их применение для безмасочного травления с целью удаления выступов, уменьшения изогнутости отражающих граней и полирования поверхности отражающих граней. При сглаживающем-полирующем анизотропном травлении без маски, в первую очередь, как и при изотропном травлении, стравливаются выступающие части профиля, т.е. кремниевые выступы и другие неровности поверхности. За счет анизотропии травления обеспечивается сохранение угла наклона отражающих граней и не столь значительное уменьшение угла наклона антиотражающих граней, что позволяет получить несимметричный треугольный профиль с плоской и гладкой поверхностью отражающих граней. Сглаживающее-полирующее анизотропное травление без травильной маски может быть применено повторно (при необходимости, несколько раз) для устранения изогнутости и других неровностей на поверхности отражающих граней, пока будет получен профиль решетки с параметрами, обеспечивающими высокую эффективность в высоких порядках.

В Таблице представлены значения максимальной абсолютной дифракционной эффективности, расчитанные с помощью программы PCGrate™ без учета шероховатости отражающей поверхности для классической схемы работы при неполяризованном излучении с λ=11,3 нм на основе реального усредненного профиля штриха решетки с золотым покрытием. Расчеты выполнены для одной и той же решетки с периодом 1,4 мкм на разных этапах изготовления: до удаления выступов (α=3,8°) и после удаления выступов (α=3,9°, угол антиотражающей грани β=15°, С=0,74°). Также рассчитана абсолютная дифракционная эффективность для теоретической идеальной решетки, имеющей параметры штриха, как у изготовленной нами решетки (d=1,4 мкм, α=3,9°, β=15°), и идеально плоскую (С=0°) поверхность отражающих граней.

Из данных Таблицы видно, что решетка с выступами работает только в порядке -1 с эффективностью на 6,7% абс. меньше, чем идеальная решетка, и на 2,9% абс. меньше, чем решетка без выступов. В более высоких порядках (|n|≥2) эффективность для решетки с выступами чрезвычайно мала и в несколько раз меньше, чем для решетки без выступов, что объясняется затенением выступами отражающей грани при работе в классической схеме. Также из данных Таблицы видно, что в более высоких порядках дифракции от -3 до -5 эффективность решетки, изготовленной по заявленному способу, максимально близка к эффективности теоретической идеальной решетки и меньше на (0,8-2,1)% абс.

Предлагаемый способ отличается простотой, низкой трудоемкостью, высокой технологичностью, поскольку не требует использования специального оборудования, и универсальностью, так как позволяет изготавливать решетки типа эшелле в широком диапазоне плотности штрихов (d=0,1÷30 мкм) и углов блеска (α=0,5°÷25°), работающие в широком спектральном диапазоне от MP до ближнего ИК. Как видно из приведенных примеров, в результате использования заявленного способа получены решетки типа эшелле с несимметричным идеальным треугольным профилем штрихов с плоской и гладкой поверхностью отражающей грани, работающие в высоких порядках спектра (до -36), с высокой эффективностью дифракции и высоким разрешением.

Изобретение относится к способу изготовления отражательной дифракционной кремниевой решетки типа эшелле. Способ изготовления дифракционной решетки заключается в том, что на поверхности подложки монокристаллического кремния (111) с углом разориентации α формируют защитную маску, через которую осуществляют анизотропное химическое травление в растворе калия гидроксида, сопровождающееся образованием профиля с наклонной плоскостью канавки с углом наклона α и выступом на гребне треугольного профиля, удаляют защитную маску, удаляют выступы кремния и наносят отражающее покрытие. Для формирования защитной маски на поверхность подложки наносят слой резиста, в котором лазерным или электронным лучом засвечивают, а затем проявляют обработкой водным раствором тетраметиламмония гидроксида или калия гидроксида рисунок чередующихся параллельных полос; на всю поверхность подложки наносят слой хрома; формируют защитную маску методом взрывной литографии, удаляя полосы фоторезиста с нанесенным слоем хрома в органическом растворителе, после чего осуществляют анизотропное химическое травление в растворе калия гидроксида, сопровождающееся образованием профиля с наклонной плоскостью канавки с углом наклона α и выступом на гребне профиля, удаляют защитную маску хрома травлением в цериевом травителе, удаляют выступы анизотропным химическим травлением. Технический результат – упрощение изготовления. 5 ил., 1 табл.

Способ изготовления дифракционной кремниевой решетки типа эшелле, заключающийся в том, что на поверхности подложки монокристаллического кремния (111) с углом разориентации α формируют защитную маску, через которую осуществляют анизотропное химическое травление в растворе калия гидроксида, сопровождающееся образованием профиля с наклонной плоскостью канавки с углом наклона α и выступом на гребне профиля, удаляют защитную маску, удаляют выступы кремния и наносят отражающее покрытие, отличающийся тем, что формирование защитной маски осуществляют следующим образом:

- на поверхность подложки наносят слой резиста, в котором лазерным или электронным лучом засвечивают, а затем проявляют обработкой водным раствором тетраметиламмония гидроксида или калия гидроксида рисунок чередующихся параллельных полос,

- на всю поверхность подложки наносят слой хрома,

- формируют защитную маску методом взрывной литографии, удаляя полосы фоторезиста с нанесенным слоем хрома в органическом растворителе,

после чего осуществляют анизотропное химическое травление в растворе калия гидроксида, сопровождающееся образованием профиля с наклонной плоскостью канавки с углом наклона α и выступом на гребне треугольного профиля, удаляют защитную маску хрома травлением в цериевом травителе, после чего удаляют выступы анизотропным химическим травлением в растворе калия гидроксида или в растворе тетраметиламмония гидроксида.