科技进展

上海微系统所采用低能离子辐照实现晶圆级大面积超高线密度光栅器件制备

  

64日,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在 《自然-通讯》杂志上在线发表了题为“采用反向外延技术实现晶圆级亚50nm周期的光栅器件制备”的论文(Realization of wafer-scale nanogratings with sub-50 nm period through vacancy epitaxy),该研究提出了一种制备大面积超高线密度光栅的技术方法,并实现了国际上已报道的最高线密度(>20000线/毫米)的晶圆级大面积光栅器件制备。

高线密度光栅器件是空间探测、大科学装置谱仪、激光惯性约束核聚变等国家重大工程的关键部件。超高分辨率光栅元件的研制是同步辐射光源发展更高精度谱学技术的关键之一。光栅器件的能量分辨率主要取决于光栅的线密度和衍射级次,线密度越大,能量分辨率越高。而传统的纳米加工方法通常只能制备小于5000线/毫米的光栅结构。低线密度的光栅元件已成为同步辐射光束线能量分辨率提升的瓶颈。欧欣研究员致力于发展“万能离子刀”异质集成与微纳制备技术,在国际上率先提出了基于低能离子辐照空位自组装的反向外延物理模型和方法(Ou et.al. Physical Review Letters 2013),可实现在单晶半导体表面形成反映晶格对称性的高密度纳米结构阵列(Ou et.al. Nanoscale 2015 )。相对于传统的光刻技术和电子束曝光技术,反向外延技术具有低成本、一步成型、无需模板、大面积制备等优势。本论文中,为提高光栅器件的衍射效率,欧欣研究员同同济大学黄秋实博士和王占山教授合作,将超高线密度光栅结构与多层膜结构相结合,实现了在87.5 eV光子能量条件下,衍射效率达到11%, 能量分辨率测算达到已报道最高值88000。 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,黄秋实博士和博士生贾棋为共同第一作者,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。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10095-2

超高线密度多层膜光栅截面图、MoSi交替的多层膜结构

同步辐射测算超高线密光栅分光性能示意图

反向外延制备20000线/毫米超高线密度光栅结构的AFM图 、测算超高线密度光栅器件的能量分辨率高达88000