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NTT-AT- 宽带、极紫外透射光栅及其应用

2020-11-20 13:28:46 7

效率均匀的宽带EUV透射光栅最初是为像光谱学、光束分束和光束监测这样的高次谐波应用而开发的。这种通过电子束光刻和干法蚀刻制造的自支撑透射光栅能构造出结构紧凑、易于校准的EUV光谱仪。另外,这种光栅非常容易根据客户的要求定制参数,比如栅线数量,目标波长和占空比。

对于许多科学和高科技领域来说,EUV光源都是极具吸引力的。高次谐波是用于阿秒科学、内壳层电子动力学测量和角分辨光电子能谱(ARPES)实验的桌面光源。软x射线自由电子激光开启了新材料科学研究的大门,它对探究材料表面的损伤机理非常有用。


在高新技术领域,激光激发离子光源(LPP)的重大创新使得EUV光刻变成了一种工业工具。对于这些EUV应用来说,需要在实验光束线站或工业系统中安装许多种类的光学元件。镜片、薄膜滤光片、反射光栅和探测器这些基本光学元件外,还有许多标准的和定制化的的商业产品。另一方面,尽管透射光栅(TGs)是可见光、紫外线和X射线领域中应用的主要部件,但将其应用于EUV的有关报告和范例很少。

窄带EUV光源在科学和工业领域都是最重要的工具之一。光电子能谱实验的能量分辨率受到光源带宽的限制,前沿研究需要几十毫电子伏范围的带宽。对EUV光刻和EUV检测工具,使用Mo/Si多层膜镜组合可将等离子光源的带宽缩小到2%左右。在许多材料科学领域,在样品前端通过会使用基于反射光栅的单色器来获取窄带宽的EUV光束。


与传统的反射光栅或多层膜镜相比,透射光栅具有许多优点:
(1)只有它能在简单的光学设置下实现对EUV光的单色化;
(2)具有宽带和均匀的效率;
(3)利用透射光栅可以构造出结构更紧凑、更易对准的光谱仪。
在下文中,我们将介绍两种来自日本NTT-AT公司的适用于窄带EUV应用的自支撑、透射光栅。其中一种是Ta/SiN双层结构的光栅,并对水窗波段进行了优化。另一种是由SiN材料制成的光栅,并对13.5nm波段进行了优化。图1(a)和图1(b)显示了优化后的EUV自支撑透射光栅的一级衍射效率(模拟曲线),分别优化了水窗波段和13.5 nm波段。它们的参数如表1所示,这两种透射光栅均采用了电子束光刻和干/湿组合蚀刻技术,且易于定制栅线数量、目标波长和占空比等参数。
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在光栅制造的第一步中,采用低压化学气相沉积法(LP-CVD),在Si(100)晶片的两侧沉积了100nm的SiN。然后在一侧的SiN上沉积100nm的Ta层,随之涂覆用于电子束光刻的光刻胶[图2(a)]。在电子束光刻之后,对Ta进行干法蚀刻[图2(b)]。第三步,通过光刻和KOH湿法去除光刻胶并从背面形成窗口图案[图2(c)],并去将Ta光栅下端区域的SiN去除[图2(d)]。最后,将制造的Ta / SiN双涂层自支撑光栅分成10mmx 10mm的薄片。对于SiN单涂层光栅,其主要制造工艺几乎与Ta / SiN 透射光栅的制造工艺相同:SiN沉积,电子束光刻,干法蚀刻,窗口构图和切割。

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这些工艺的优点如下:

(1)极易根据需求定制的占空比、栅线厚度等参数;(2)边缘垂直度为88 - 90度,这个参数比其他加工方法都要好,如压印加工和剥离加工。


Ta/SiN透射光栅的SEM图像和外部图像分别如图3 (a) 和 (b)所示。高锐度、低粗糙度的透射光栅有望获得理想的衍射效率。这种新型EUV光学元件将被广泛应用于光谱学、显微学以及工业领域。


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相关文章及应用:





1.  Satoshi Matsuyama, Hikaru Yokoyama, Ryosuke Fukui, Yoshiki Kohmura, Kenji Tamasaku, Makina Yabashi, Wataru Yashiro, Atsushi Momose, Tetsuya Ishikawa, and Kazuto Yamauchi,“Wavefront measurement for a hard-X-ray nanobeam using single-grating interferometry”Opt. Express 20(12), 24977-24986 (2012).

大阪大学的Satoshi Matsuyama等科学家使用了基于日本NTT-AT公司的EUV透射光栅的单光栅干涉仪,在SPring-8的光束线站上进行了对硬X射线纳米光束进行的波前测量。使用全反射椭圆镜将10 keV X射线一维聚焦至32 nm。在聚焦镜前段的使用变形镜产生了扭曲的波阵面。,通过光腰附近光强分布的相位恢复法与干涉法测量的波阵面进行了交叉检查。所获得的波前误差的比较显示,它们彼此之间的一致性很好,而且与可变形反射镜的形状所估算的大概0.5rad的波前误差也相差不多。





2.  Deepak Kumar,Dan Stutman, Kevin Tritz, Michael Finkenthal, Charles Tarrio, and Steven Grantham,“Transmission grating based EUV imaging spectrometer for time and space resolved impurity measurements.”Rev. Sci. Instrum., 81 (2010), p. 10E507

约翰·霍普金斯大学物理与天文学系的Deepak Kumar等人为国家球面环实验(NSTX)研制了一种适用于极紫外范围的自支撑透射光栅成像光谱仪。该光谱仪使用了日本NTT-AT公司的Ta/SiC的透射光栅,其测量范围在30埃至700埃之间,分辨率约为3%。





3.  Takaki Hatsui, Eiji Shigemasa and Nobuhiro Kosugi,”Design of a transmission grating spectrometer and an undulator beamline for soft x‐ray emission studies” AIP Conference Proceedings 705, 921 (2004)

Takaki Hatsui等人采用了日本NTT-AT公司的自支撑透射光栅,设计出了一款用于软X射线发射研究的x射线发射谱仪。x射线发射光谱仪含有一个Wolter反射镜,一个自支撑透射光栅和一个背照CCD。光栅的Ta层吸收了大部分的X射线,所以光栅在其中起到了振幅光栅的作用。在紫外光源BL4B的测量下,光栅在200-250eV范围内的绝对衍射效率为1-2%。





4.   Deepak Kumar, Daniel J. Clayton, Matthew Parman, Dan Stutman, Kevin Tritz, and Michael Finkenth,“Dual transmission grating based imaging radiometer for tokamak edge and divertor plasmas”Review of Scientific Instruments 83, 10E511 (2012)

使用日本NTT-AT公司的双透射光栅,作者提出了成像辐射计的设计。辐射计在XUV的覆盖范围为20 - 200埃,分辨率为~10埃; VUV覆盖范围为200 - 2000埃,分辨率为~50埃。辐射计的空间视角为16度,角分辨为0.33度,时间分辨率大约为 10 ms。这种辐射计的应用包括在托卡马克边缘和偏滤器的杂质空间位置监测和电子温度测量。同时作为原理姓的验证,作者利用单个自支撑光栅对低温反射放电进行了诊断,并给出了相关数据。


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