采用反向外延技术实现晶圆级亚50nm周期的多层膜光栅器件制备
文章来源： | 发布时间：2020-01-09
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时间：2019.06.04
中科院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室欧欣教授和同济大学精密光学工程技术研究所黄秋实副教授、王占山教授合作，提出了一种制备大面积超高线密度光栅的新方法，在2英寸晶圆上实现了＞20000线/毫米）光栅器件的制备；通过与高效率X射线多层膜相结合，实验角色散性能比现有成熟技术制备的最高线密度光栅（5000线/毫米）高6倍。相关工作以“Realization of wafer-scale nanogratings with sub-50 nm period through vacancy epitaxy”为题发表在Nature Communications上。
光栅是光学和光电系统的核心构造单元之一，是空间探测、同步辐射和自由电子激光大科学装置、激光惯性约束核聚变等国家重大工程的关键部件。光栅的线密度决定了单色器和谱仪系统的色散和分辨率性能。随着现代光学技术的发展，尤其是同步辐射和自由电子激光等大型X射线科学装置的发展，高分辨率X射线谱学技术对超高线密度（超小周期）纳米光栅元件的要求越来越高。传统自上而下的纳米制备技术（包括光刻和电子束直写等）难以实现大面积亚百纳米周期光栅元件的制备，限制了X射线光谱探测分辨率的进一步提升和凝聚态物理中相关科学的发展。
图1 多层膜纳米光栅制备流程示意图(a-c)，制备Mo/Si (d, e)和Cr/C (f, g)多层膜光栅的截面TEM图
针对上述问题，该论文发展了一种新型X射线纳米光栅的制备技术。多层膜纳米光栅制备流程示意图如图1，它基于自下而上的自组装原理，利用低能离子轰击在半导体材料（Ge）表面激发空穴的类外延生长，形成高度规则的纳米沟槽阵列，沟槽周期达到亚50nm水平，形状类似对称的闪耀光栅结构，光栅线密度相当于2万线/毫米。在此基础上，将纳米光栅与多层膜相结合，形成三维多层膜光栅结构，大大提高光栅衍射效率，使其可工作在X射线波段；多层膜光栅的高级次衍射也将进一步提高元件的色散性能。
图2 Mo/Si和Cr/C多层膜纳米光栅的色散测试结果
图2 为Mo/Si和Cr/C多层膜纳米光栅的色散测试，结果表明：研制的Mo/Si多层膜纳米光栅在87.5eV的X射线能量获得11%的衍射效率；Mo/Si和Cr/C多层膜光栅在90eV和270eV附近获得0.21°/eV和0.093°/eV的超高角色散，比现有技术制备的最高线密度5千线/毫米光栅的色散性能提高4.5-6.3倍。同时，该技术在2英寸晶圆上实现了多层膜纳米光栅的均匀构筑，展现了该方法具有大面积快速制备的独特优势。这项技术不仅为超高分辨率光栅的制备提供了新方法，突破了传统光栅元件色散性能的瓶颈；也为高性能紧凑型X射线光谱仪的发展奠定了基础。该技术已经获得三项中国发明专利和一项德国专利的授权，具有完全自主知识产权。该论文中，同济大学精密光学工程技术研究所黄秋实副教授、中国科学院上海微系统与信息技术研究所贾棋博士为共同第一作者，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员为唯一通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金联合基金重点项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金的支持。
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