王 軍

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

0 引 言

中階梯光柵因其具有寬光譜范圍和高分辨率優(yōu)點，成為提高光譜儀性能的理想色散元件。

機械刻劃法是制作中階梯光柵最傳統(tǒng)的方法，但其受刻劃機機械精度影響會產(chǎn)生“鬼線”和高雜散光現(xiàn)象。單晶硅濕法刻蝕是一種制作中階梯光柵的新方法［1］，利用此種方法能夠制作出具有任意閃耀角和低粗糙度表面的中階梯光柵［2－5］。

在光柵制作領(lǐng)域，確定槽形形成過程終止點是重要的研究內(nèi)容。例如，全息光柵曝光是利用實時監(jiān)測折射率調(diào)制潛像光柵衍射效率峰值的方法確定終止點［6］；對折射率調(diào)制潛像光柵進行顯影處理獲得浮雕形光刻膠光柵過程中，根據(jù)衍射效率隨膠層厚度變化的規(guī)律，采用實時監(jiān)測衍射效率曲線起伏次數(shù)的方法確定顯影終止點［7］；對光刻膠光柵進行離子束刻蝕后將圖形轉(zhuǎn)移到基底材料上時，通常采用實時監(jiān)測衍射效率曲線峰值的方法確定終止點［8］。從光柵槽形演化與衍射效率關(guān)系角度考慮，采用上述方法確定單晶硅光柵濕法刻蝕終止點在原理上是可行的。但是，由于在濕法刻蝕過程中，光柵表面產(chǎn)生的大量氣泡影響衍射效率的實時監(jiān)測，具有較大不確定性，不能用于濕法刻蝕截止點的確定。2008年，Meng Xiangfeng［9］等首次將質(zhì)譜法應(yīng)用于多層介質(zhì)膜光柵刻蝕終點控制上來。但因使用質(zhì)譜法的前提是待測的刻蝕終點必須是兩層材料的分界面，所以不適用于單晶硅光柵濕法刻蝕截止點的檢測。

單晶硅濕法刻蝕法通常采用的確定刻蝕截止點方法是時間確定法，即先通過實驗測得某晶向的刻蝕速率，再通過計算刻蝕時間來確定刻蝕截止點。這種方法對工作條件要求極高，尤其對溫度控制、濃度控制以及單晶硅基底的單晶性都有嚴(yán)格要求，如果達(dá)不到實驗要求，此種方法將很難推廣應(yīng)用。

氫氣檢測技術(shù)主要分為氫敏傳感器［10］、光聲氣體傳感器［11］、氣 相 色 譜－原 子 吸 收 光 譜 法［12］以及質(zhì)譜法［13］幾大類。以上方法在微量甚至痕量氫氣檢測中已經(jīng)被大量使用，但是將此種方法運用至單晶硅光柵濕法刻蝕截止點的確定尚未見文獻報道。

文中就上述問題提出一種精確控制刻蝕截止點新方法，將痕量氫氣檢測法應(yīng)用于單晶硅濕法刻蝕制作中階梯光柵上來，利用氣相色譜－原子吸收光譜法檢測反應(yīng)過程中痕量氫氣的變化趨勢來確定刻蝕截止點。

1 檢測氫氣確定刻蝕截止點原理

中階梯光柵槽形刻蝕示意圖如圖1所示。

圖1 中階梯光柵刻蝕示意圖

經(jīng)實驗驗證，刻蝕速率V＝5×10－9m／s，V111＝0.1×10－9m／s。ef＝9×10－6m，∠ace＝64°，∠bdf＝45°。經(jīng)過單位時間Δt，單一槽形中ce＝V111×sin64°×Δt，fd＝V111×sin45°×Δt，ga＝hb＝V×Δt，cd＝ce＋ef＋fd，cg＝ga／tan64°，hd＝hb／tan45°，ab＝gh＝cd－cg－h(huán)d，所以單一槽形中硅刻蝕掉的面積ΔS＝1／2×ga×（cd＋ab），對于S1＝L×W＝80mm×80mm（0.08m）的單晶硅基底，刻線密度n＝80l／mm的中階梯光柵，單位時間內(nèi)單晶硅被刻蝕的總體積ΔV＝ΔS×n×L×0.02，將上面數(shù)值代入可得ΔV＝1.28×10－6（1.8×10－5－7.117 52×10－9Δt）Δt，設(shè)Δt＝0.01s，則VSi＝2.304×10－3m3，mSi＝VSi×ρSi＝5.4×10－7g，根據(jù)Si→2H2可知mH2＝1.08×10－6g。

利用氣相色譜儀和原子吸收光譜儀組成的氫氣檢測儀如圖2所示。

圖2 氫氣檢測儀結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)純化的載氣（氖氣）與氫氣樣品經(jīng)控制閥箱混合后通過浸入液氮（77K）的分離柱，氫氣樣品中沸點高于77K的雜質(zhì)均被分離出來。除雜后的氫氣樣品被送往原子吸收痕量還原檢測器（TRD）與氧化汞發(fā)生反應(yīng)：

通過原子吸收檢測方法檢測Hg蒸汽含量即可獲得相應(yīng)的氫氣含量。所選用的原子吸收光譜儀能夠檢測的最小氫氣量可以達(dá)到0.5×10－12g，所以能夠檢測非常小時間間隔中氫氣量的細(xì)微變化，滿足精度要求。

2 實驗裝置結(jié)構(gòu)介紹

刻蝕截止點控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 刻蝕截止點控制系統(tǒng)示意圖

氫氣輸送管兩端分別與冷凝管和氫氣分析儀相連接，真空規(guī)和真空計、真空泵、第1電磁閥和第2電磁閥依次分布于氫氣輸送管上。反應(yīng)容器中裝有KOH刻蝕液后放于恒溫水槽中。恒溫水槽用來提供恒溫環(huán)境。反應(yīng)開始前，Pt托盤將已做好氧化層掩模的單晶硅置于刻蝕液表面之上阻止其與刻蝕液發(fā)生反應(yīng)。開啟第1電磁閥，關(guān)閉第2電磁閥，利用真空泵抽真空。當(dāng)真空計讀數(shù)為10Pa以下時，關(guān)閉真空泵，開啟第2電磁閥，關(guān)閉第1電磁閥，然后開啟真空泵。利用Pt吊籃將單晶硅置于刻蝕液表面之下使其與刻蝕液發(fā)生反應(yīng)。因上一步已將刻蝕液表面之上抽成真空狀態(tài)，會在刻蝕液表面形成一種負(fù)壓狀態(tài)，所以，反應(yīng)生成的氫氣會立即脫離硅片表面，由真空泵抽至氫氣分析儀中。利用上述氫氣分析儀原理即可對反應(yīng)生成的氫氣含量進行實時監(jiān)測。

3 實驗結(jié)果與討論

通常情況下，利用單晶硅濕法刻蝕制作光柵所需反應(yīng)溫度范圍以及刻蝕液濃度范圍可分別集中于60～90℃和10%～40%。在常用的反應(yīng)參數(shù)區(qū)間內(nèi)進行了7組實驗，以確定氫質(zhì)量數(shù)截止點監(jiān)測系統(tǒng)的適用性，實驗條件分別在刻蝕液質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的前提下，針對反應(yīng)溫度為60、70、80、90℃條件下進行了4組有氫質(zhì)量數(shù)截止點監(jiān)測系統(tǒng)下的刻蝕實驗；同時，反應(yīng)溫度為70℃的前提下，刻蝕液濃度分別為10%、20%、30%、40%條件下進行了4組有氫質(zhì)量數(shù)截止點監(jiān)測系統(tǒng)下的刻蝕實驗。不同反應(yīng)溫度及刻蝕液濃度條件下氫質(zhì)量數(shù)截止點監(jiān)測曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同反應(yīng)溫度條件下氫質(zhì)量數(shù)截止點監(jiān)測曲線

圖5 不同刻蝕液濃度條件下氫質(zhì)量數(shù)截止點監(jiān)測曲線

從定量的理論分析可知，氫氣量在整個刻蝕過程中隨刻蝕時間逐漸增多；而氫氣出氣速度的變化則分為兩個階段，第1階段為刻蝕開始至槽形接近設(shè)計值時，此時氫氣出氣速度隨刻蝕時間逐漸減小，在槽形接近設(shè)計值時，出氣速度達(dá)到最??；此時進入第2階段，隨著刻蝕反應(yīng)的進行，槽形越過設(shè)計值，氫氣出氣速度再次加快。從圖4和圖5中可以看出，在不同反應(yīng)溫度或不同刻蝕液濃度條件下對單晶硅進行刻蝕，刻蝕過程中氫氣量隨刻蝕時間逐漸增加，且氫氣含量譜線均會在某一位置出現(xiàn)一個拐點，即出氣速度最小的位置，拐點的位置跟刻蝕速率直接相關(guān)?？涛g速率大時，拐點出現(xiàn)位置相對比較靠前；刻蝕速率小時，拐點出現(xiàn)位置相對比較靠后，與理論分析相符。

以反應(yīng)溫度和刻蝕液濃度分別為70℃和20%為例，對在監(jiān)測曲線拐點前后±10s、±5s以及拐點處獲得的中階梯光柵槽形進行了原子力顯微鏡測試，如圖6所示。

圖6 拐點、±10s、±5s處光柵槽形AFM圖樣

不同刻蝕截止點時獲得光柵槽形參數(shù)與理論設(shè)計光柵參數(shù)對比見表1。

表1 不同刻蝕截止點時獲得光柵槽形參數(shù)與理論設(shè)計光柵參數(shù)對比

由表1數(shù)據(jù)可知，在拐點處以及±5s處終止刻蝕過程可以獲得與理論設(shè)計光柵槽形參數(shù)吻合較好的光柵槽形，誤差＜0.5%。而在拐點±10s處終止刻蝕過程，所獲得光柵槽形參數(shù)與理論設(shè)計光柵槽形參數(shù)相比存在誤差，誤差達(dá)到3%左右。

其他刻蝕條件下，在監(jiān)測曲線拐點位置±5s內(nèi)，隨機停止刻蝕獲得的中階梯光柵槽形AFM圖樣，如圖7所示，其參數(shù)見表2。

表2 其他刻蝕條件下隨機停止刻蝕時獲得光柵槽形參數(shù)與理論設(shè)計光柵參數(shù)對比

圖7 其他刻蝕條件下拐點處光柵槽形AFM圖樣

從圖中可以看出，在拐點處±5s范圍內(nèi)終止刻蝕過程均可以獲得與理論設(shè)計光柵槽形吻合較好的中階梯光柵槽形。

4 結(jié) 語

根據(jù)痕量氫氣檢測精度高的特點，提出了利用氣相色譜－原子吸收光譜法控制單晶硅中階梯光柵濕法刻蝕截止點的方法。通過對不同截止時間所獲得光柵槽形參數(shù)與理論設(shè)計光柵槽形參數(shù)進行對比可知，在氫氣含量光譜峰值曲線出現(xiàn)拐點時±5s范圍內(nèi)停止刻蝕過程，光柵槽形參數(shù)誤差＜0.5%，衍射效率影響＜1%，閃耀波長偏移≤1nm，所以，通過上述方法可以精確控制刻蝕截止點位置，獲得精度較高的中階梯光柵槽形。

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