CN110970147B - 高分辨率硬x射线钨/金菲涅尔波带片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于X射线成像技术领域，具体为一种高分辨率硬X射线钨/金菲涅尔波带片及其制备方法。本发明步骤包括：在氮化硅衬底上生长铬/金电镀种子层；在电镀种子层上生长金属钨；在衬底上旋涂PMMA正性光刻胶，烘烤固化；利用电子束光刻机进行曝光；进行显影，然后用IPA漂洗，获得光刻胶波带片结构；以光刻胶为掩膜，在上层进行纳米电镀金，得到上层金波带片；将上层金波带片放入反应离子刻蚀机中，以金波带片为掩模对金属钨进行刻蚀，将图形转移，得到钨/金菲涅尔波带片。该波带片具有大高宽比（大于20/1）的高分辨。本发明方法也可用于制备软X射线至硬X射线检测的菲尼尔波带片透镜；得到的纳米图形结构形貌可控；与现有半导体工艺相兼容。

Description

高分辨率硬X射线钨/金菲涅尔波带片及其制备方法
技术领域
本发明属于X射线成像技术领域，具体涉及一种X射线波带片及其制备方法。
背景技术
Ｘ射线光学元件的纳米聚焦可以形成微纳探针，对物质内部在自然原位状态下进行无损伤检测；也可以通过具有放大成像功能的透镜，对材料内部的三维结构进行全场三维显微成像。当前Ｘ射线光学系统的聚焦和成像主要是以金属波带片为主。其分辨率是最外环波带宽度的1.22倍（垂直入射）或0.61倍（斜入射）。因此，要实现Ｘ射线高分辨率的探测和成像，就是要缩小波带片的最外环宽度；而同时要实现高效率聚焦，则必须提高波带的厚度，使得相邻两个波带有π的位相差，达到第一聚焦点的相干衍射，所以制备大高宽比的波带片具有重要意义。近十几年来，人们一直采用将电子束曝光与X射线光刻技术相结合的技术路线制备高分辨率的硬X射线波带片。现有技术不仅制作工艺复杂，周期长，制作难度大，价格昂贵，而且由于电子束曝光中存在的难以克服的邻近效应造成的对电子束的扩束效应，进一步减小最外环宽度与提高长径比存在很大的难度，限制了高分辨（30纳米分辨率）下硬X射线聚焦成像的应用潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的用于硬X射线成像的高分辨率波带片及其制备方法，以解决现有技术加工所得波带片最外环宽度和大高宽比无法兼顾的问题。
本发明提供的用于硬X射线成像的高分辨率波带片，是钨/金菲涅尔波带片，具体制备步骤如下：
（1）以氮化硅隔膜为衬底，生长一定厚度的铬/金或钛/金电镀种子层；
（2）在上述电镀种子层上，用PVD生长一定厚度的金属钨（W）；
（3）在衬底上旋涂PMMA正性光刻胶，并烘烤使其固化；
（4）然后利用电子束光刻机进行曝光；
（5）取出样品进行显影，然后用IPA漂洗，获得光刻胶波带片结构；
（6）先以光刻胶为掩膜，在上层进行纳米电镀金；剥离去掉光刻胶，得到上层金波带片；
（7）将上层金波带片放入反应离子刻蚀机（RIE）中，用CHF3/SF6和O2的混合气体，以金波带片为掩模对金属钨进行刻蚀，将图形转移成钨/金结构，即得到钨/金菲涅尔波带片。
本发明步骤（1）中，所述的衬底的厚度为50-100nm。
本发明步骤（1）中，所述的铬/金或者钛/金电镀种子层中，铬/钛厚度为5-10nm，金厚度10-20nm。
本发明步骤（2）中，所述金属钨（W）的厚度为250-300nm。
本发明步骤（3）中，所述旋涂PMMA正性光刻胶，厚度为250-300nm；烘烤使用烘箱，烘烤温度为175-185℃，烘烤时间为0.9-1.1小时，使其固化。
本发明步骤（4）中，所述光刻机光刻的线条宽度为20-30nm，剂量为1000-1300μC/cm2。
本发明步骤（5）中，所述显影使用的显影液为MIBK:IPA=1:3的混合溶液，显影温度为22.8-23.2℃，显影时间为1-1.5分钟；在IPA溶液中漂洗0.5-1分钟，自然晾干。
本发明步骤（6）中，使用纳米电镀方法，以光刻胶为掩膜，电镀得到上层金结构波带片，下层为钨薄膜。之后放丙酮溶液中进行剥离去胶。
进一步，步骤（6）中，纳米电镀中，用函数信号发生器作为脉冲输出源，用钛铂金网作为电镀阳极，用亚硫酸金钾盐溶液作为电镀液。
进一步，步骤（6）中，纳米电镀的金属厚度在200nm以上，一般为200-250nm。
本发明步骤（7）中，所述用反应离子刻蚀（RIE），采用CHF3/SF6和O2的混合气体，以上层金结构为掩模对金属钨进行刻蚀。其中CHF3/SF6为主要刻蚀气体，所加O2的目的是减缓速率，刻蚀过程中进行钝化，保持侧壁良好的垂直度和平整度。
本发明制备的硬X射线钨/金菲涅尔波带片透镜，具有大高宽比（大于20：1）的高分辨率（25-30纳米）。
本发明方法也可用于制备软X射线（水窗口：0.29-0.54keV）至硬X射线（1-5keV）检测的菲尼尔波带片透镜；可进行多尺度的复杂纳米图形制作；得到的纳米图形结构形貌可控；与现有半导体基础工艺相兼容。
本发明具有以下优点：
（1）可进行极限线宽下，常规薄膜沉积无法做到的金属图形转移工艺，并且不影响剥离过程；
（2）利用刻蚀的方法得到高宽比大于20：1的高分辨率菲涅尔波带片；
（3）钨比金具有更好的刻蚀选择比，刻蚀后可保持高度平整、垂直形貌；
（4）与现有半导体基础工艺直接相兼容，可提高制样成功率，降低成本。
附图说明
图1到图7为实施例1按照本发明制作方法的步骤顺序，（7个）样品结构发生变化图示。
图1：在厚度为100nm 的氮化硅隔膜上沉积5nm/15nm 的Cr/Au种子层图示，对应步骤1。
图2：在种子层上沉积300nm金属钨，对应步骤2。
图3：在样品的正面旋涂300nm厚度的PMMA光刻胶的图示，对应步骤3。
图4：EBL 曝光后显影的图形，对应步骤5。
图5：进行电镀得到的图形，对应步骤6。
图6：去掉光刻胶后的得到的上层金波带片图示，对应步骤6。
图7：采用CHF3和O2的混合气体刻蚀掉下层钨之后得到的钨/金混合波带片图示，对应步骤7。
图8到图14为实施例2按照本发明制作方法的步骤的顺序，（7个）样品结构发生变化图示。
图8：在厚度为100nm 的氮化硅隔膜上沉积10nm/15nm 的Ti/Au种子层图示，对应步骤1。
图9：在种子层上沉积300nm金属钨，对应步骤2。
图10：在样品的正面旋涂300nm厚度的PMMA光刻胶的图示，对应步骤3。
图11：EBL 曝光后显影的图形，对应步骤5。
图12：进行电镀得到的图形，对应步骤6。
图13：去掉光刻胶后的得到的上层金波带片图示，对应步骤6。
图14：采用SF6和O2的混合气体刻蚀掉下层钨之后得到的钨/金混合波带片图示，对应步骤7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明，但本发明不仅限于这些实施例。凡是对实施例中的工艺参数进行简单的改变，都属于本发明保护范围之内。
实施例1：利用刻蚀方法制备高分辨率硬X射线钨/金菲涅尔波带片
（1）选用100nm 厚度的氮化硅隔膜基底材料。在基底上利用物理气相淀积的方法淀积5nm/15nm的Cr/Au作为导电金属层。结果如图1 所示；
（2）在种子层上，用PVD沉积300nm的金属钨薄膜。结果如图2所示；
（3）在带有金属层的基底正面旋涂一层HMDS 作为粘附层，接着再旋涂250nm 的PMMA 光刻胶，并在180℃的条件下烘1 小时处理。结果如图3所示；
（4）将样品在电子束曝光机下进行曝光处理，用1:3 的MIBK 和IPA 对曝光的样品进行显影，时间为1.5分钟，显影温度23℃；并在IPA 中清洗30 秒。结果如图4所示；
（5）用纳米电镀技术在显影完毕的样片表面进行电镀Au，电镀的条件为：PH ：8.5，温度50℃，电流密度0.2ASD，电镀时间为30 分钟。结果如图5所示；
（6）将电镀后的样品放入丙酮中进行清洗，时间为15分钟。结果如图6所示；
（7）将去胶后的样品放入RIE中进行干法刻蚀。采用CHF3和O2的混合气体，以上层金结构为掩模对金属钨进行刻蚀。其中CHF3为主要刻蚀气体，所加O2的目的是减缓速率，刻蚀过程中进行钝化，保持侧壁良好的垂直度和平整度。结果如图7所示。
实施例2：利用刻蚀方法制备高分辨率硬X射线钨/金菲涅尔波带片
（1）选用100nm 厚度的氮化硅隔膜基底材料。在基底上利用物理气相淀积的方法淀积10nm/15nm的Ti/Au作为导电金属层。结果如图8所示；
（2）在种子层上，用PVD沉积300nm的金属钨薄膜。结果如图9所示；
（3）在带有金属层的基底正面旋涂一层HMDS 作为粘附层，接着再旋涂250nm 的PMMA 光刻胶，并在180℃的条件下烘1 小时处理。结果如图10所示；
（4）将样品在电子束曝光机下进行曝光处理，用1:3 的MIBK 和IPA 对曝光的样品进行显影，时间为1.5分钟，显影温度23℃；并在IPA 中清洗30 秒。结果如图11所示；
（5）用纳米电镀技术在显影完毕的样片表面进行电镀Au，电镀的条件为：PH ：8.5，温度50℃，电流密度0.3ASD，电镀时间为23分钟。结果如图12所示；
（6）将电镀后的样品放入丙酮中进行清洗，时间为15分钟。结果如图13所示；
（7）将去胶后的样品放入RIE中进行干法刻蚀。采用SF6和O2的混合气体，以上层金结构为掩模对金属钨进行刻蚀。其中SF6为主要刻蚀气体，所加O2的目的是减缓速率，刻蚀过程中进行钝化，保持侧壁良好的垂直度和平整度。结果如图14所示。

Claims (6)

1.一种高分辨率硬X射线钨/金菲涅尔波带片的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)以氮化硅隔膜为衬底，生长铬/金或者钛/金电镀种子层；其中，所述衬底的厚度为50nm-100nm；所述的铬/金或者钛/金电镀种子层中，铬/钛厚度为5-10nm，金厚度10-20nm；
(2)在上述电镀种子层上，用PVD生长一层金属钨；所述金属钨的厚度为250-300nm；
(3)在衬底上旋涂PMMA正性光刻胶，并烘烤使其固化；
(4)然后利用电子束光刻机进行曝光；
(5)取出样品进行显影，然后用IPA漂洗，获得光刻胶波带片结构；
(6)先以光刻胶为掩膜，在上层进行纳米电镀金，金厚度为200-250nm；剥离去掉光刻胶，得到上层金波带片；
(7)将上层金波带片放入反应离子刻蚀机中，用CHF3/SF6和O2的混合气体，以金波带片为掩模对金属钨进行刻蚀，将图形转移成钨/金结构，即得到钨/金菲涅尔波带片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述旋涂PMMA正性光刻胶，厚度为250-300nm；烘烤使用烘箱，烘烤温度为175-185℃，烘烤时间为0.9-1.1小时。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述光刻机光刻的线条宽度为20-30nm，剂量为1000-1300μC/cm2。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述显影使用的显影液为MIBK:IPA＝1:3的混合溶液，显影温度为22.8-23.2℃，显影时间为1-1.5分钟；在IPA溶液中漂洗0.5-1分钟，自然晾干。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述纳米电镀中，用函数信号发生器作为脉冲输出源，用钛铂金网作为电镀阳极，用亚硫酸金钾盐溶液作为电镀液。
6.一种由权利要求1-5之一所述制备方法得到的硬X射线钨/金菲涅尔波带片，具有高宽比大于20：1的高分辨率。
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