痕量氫氣法監測硅中階梯光柵濕法刻蝕截止點

王 軍

（中國科學院長春光學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的方法，但其受刻劃機機械精度影響會產生“鬼線”和高雜散光現象。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］。

在光柵制作領域，確定槽形形成過程終止點是重要的研究內容。例如，全息光柵曝光是利用實時監測折射率調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，根據衍射效率隨膠層厚度變化的規律，采用實時監測衍射效率曲線起伏次數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移到基底材料上時，通常采用實時監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，光柵表面產生的大量氣泡影響衍射效率的實時監測，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］等首次將質譜法應用于多層介質膜光柵刻蝕終點控制上來。但因使用質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格要求，如果達不到實驗要求，此種方法將很難推廣應用。

氫氣檢測技術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］以及質譜法［13］幾大類。以上方法在微量甚至痕量氫氣檢測中已經被大量使用，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－hd，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，單位時間內單晶硅被刻蝕的總體積ΔV＝ΔS×n×L×0.02，將上面數值代入可得ΔV＝1.28×10－6（1.8×10－5－7.117 52×10－9Δt）Δt，設Δt＝0.01s，則VSi＝2.304×10－3m3，mSi＝VSi×ρSi＝5.4×10－7g，根據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 氫氣檢測儀結構示意圖

經純化的載氣（氖氣）與氫氣樣品經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）與氧化汞發生反應：

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

2 實驗裝置結構介紹

刻蝕截止點控制系統如圖3所示。

圖3 刻蝕截止點控制系統示意圖

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境。反應開始前，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生反應。開啟第1電磁閥，關閉第2電磁閥，利用真空泵抽真空。當真空計讀數為10Pa以下時，關閉真空泵，開啟第2電磁閥，關閉第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生反應。因上一步已將刻蝕液表面之上抽成真空狀態，會在刻蝕液表面形成一種負壓狀態，所以，反應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生成的氫氣含量進行實時監測。

3 實驗結果與討論

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%。在常用的反應參數區間內進行了7組實驗，以確定氫質量數截止點監測系統的適用性，實驗條件分別在刻蝕液質量分數20%的前提下，針對反應溫度為60、70、80、90℃條件下進行了4組有氫質量數截止點監測系統下的刻蝕實驗；同時，反應溫度為70℃的前提下，刻蝕液濃度分別為10%、20%、30%、40%條件下進行了4組有氫質量數截止點監測系統下的刻蝕實驗。不同反應溫度及刻蝕液濃度條件下氫質量數截止點監測曲線分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同反應溫度條件下氫質量數截止點監測曲線

圖5 不同刻蝕液濃度條件下氫質量數截止點監測曲線

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，在槽形接近設計值時，出氣速度達到最小；此時進入第2階段，隨著刻蝕反應的進行，槽形越過設計值，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。刻蝕速率大時，拐點出現位置相對比較靠前；刻蝕速率小時，拐點出現位置相對比較靠后，與理論分析相符。

以反應溫度和刻蝕液濃度分別為70℃和20%為例，對在監測曲線拐點前后±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與理論設計光柵參數對比見表1。

表1 不同刻蝕截止點時獲得光柵槽形參數與理論設計光柵參數對比

由表1數據可知，在拐點處以及±5s處終止刻蝕過程可以獲得與理論設計光柵槽形參數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與理論設計光柵槽形參數相比存在誤差，誤差達到3%左右。

其他刻蝕條件下，在監測曲線拐點位置±5s內，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與理論設計光柵參數對比

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范圍內終止刻蝕過程均可以獲得與理論設計光柵槽形吻合較好的中階梯光柵槽形。

4 結 語

根據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與理論設計光柵槽形參數進行對比可知，在氫氣含量光譜峰值曲線出現拐點時±5s范圍內停止刻蝕過程，光柵槽形參數誤差＜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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