大面积软X射线自支撑金透射光栅的研制

针对等离子体诊断及空间环境探测等领域对软X射线透射光栅的需要,采用全息光刻和微电镀技术制作了自支撑软X射线金透射光栅。在基底与光刻胶之间增加减反膜层以降低高反射基底引起的驻波效应对掩模槽形的影响,使用全息光刻技术获得了侧壁陡直的光栅掩模。然后,在掩模顶部镀保护层并使用反应离子刻蚀获得电镀掩模,通过改变保护层厚度来调节电镀掩模的占宽比。最后,利用微电镀技术沉积金,成功制作了线条密度为3 450gr/mm的自支撑透射光栅,光栅周期约为290nm,占宽比为0.55,金吸收体为500nm,光栅尺寸达到10mm×15mm。在国家同步辐射装置上,测得在5～12nm软X射线波段其+1级透射衍射效率约为5%。

基于导模共振效应的自支撑超灵敏生物探测器

基于多层平面波导理论,采用自支撑共振光栅,提出了一种应用于生物探测领域的超高准确度传感器.理论计算表明,本文提出的生物传感器,其探测准确度于共振光栅的周期成正比,接近基于共振效应传感器的理论极限.采用单层共振光栅的归一化色散方程,计算了色散曲线随探测介质折射率的变化关系,从而证明了其探测准确度.此外,基于此共振光栅结构,设计了工作在近红外和中红外波段的生物探测器,分别应用于液体(1.3～1.7)和气体探测,折射率的分辨能力在近红外波段可以达到1×10-5,在红外波段优于1×10-6,能满足绝大多数生物材料的探测.相比于传统的基于导模共振效应的共振传感器,本文提出的生物传感器,其探测准确度有一至两个数量级的提高.

高线密度X射线双光栅的研制

研究了采用高分辨率的100 kV电子束光刻和光学光刻系统相结合制作高线密度X射线双光栅的工艺技术,并且分析了电子束邻近效应校正技术在高线密度光栅制备中的应用。首先,利用电子束曝光和纳米电镀技术在同一衬底上制备两种不同线密度光栅图形;然后,利用光学光刻在2 000 lp/mm光栅上制备了自支撑加强筋结构。通过此技术制备的X射线双光栅成功集成了高线密度5 000 lp/mm透射光栅和2 000 lp/mm自支撑透射光栅,其栅线宽度分别为100和250 nm,金吸收体厚度达到400 nm。

多能点X射线透射光栅的制作技术

针对X射线自支撑透射光栅在多能点单色成像光栅谱仪中的应用,采用电子束和光学匹配曝光、微电镀和高密度等离子体刻蚀技术,成功制备了周期为500nm、金吸收体厚度为350nm、占空比接近1∶1,满足三个能点成像需求的2000lp/mm X射线自支撑透射光栅。首先利用电子束光刻和微电镀技术制备金光栅图形,然后采用紫外光刻和微电镀技术制作自支撑结构,最后通过腐蚀体硅和感应耦合等离子体刻蚀聚酰亚胺完成X射线自支撑透射光栅的制作。在电子束光刻中,采用几何校正和高反差电子束抗蚀剂实现了对纳米尺度光栅图形的精确控制。实验结果表明,同一个器件分布的三块光栅占空比合理,栅线平滑,可以满足单能点单色成像谱仪的要求。

自支撑透射光栅的设计、制作和测试

采用标量衍射理论和严格耦合波理论分别计算和讨论了金自支撑透射光栅的衍射效率随波长和光栅周期变化的情况并设计了光栅的结构参数.制作了周期为300nm、线宽/周期比为0.55、厚度为200nm、总面积为1mm×1mm、有效面积比为65%的金自支撑透射光栅.在国家同步辐射实验室检测了该光栅在5.5—38nm波长范围内的绝对衍射效率.检测结果表明所制作的光栅在8nm附近具有接近10%的最大衍射效率,并且该光栅对于波长15—35nm范围内的极紫外波段具有基本稳定的衍射效率.

1000线/毫米软X射线自支撑闪耀透射光栅的设计与制作

基于标量衍射理论讨论了软X射线自支撑闪耀透射光栅的特性并设计了光栅的结构参数.采用全息光刻和湿法腐蚀技术,成功制作了周期1μm、占空比0.1—0.2、高宽比约100、栅线厚度10μm、有效面积比为65%的自支撑闪耀透射光栅.单元尺寸为15mm×15mm的硅绝缘体上含有四个5 mm×5 mm的自支撑闪耀透射光栅窗口.在国家同步辐射实验室检测了该光栅在5—50 nm波长范围内的衍射效率.波长扫描测量结果表明,闪耀效应明显地发生在类似镜面的光栅侧壁镜面反射方向上,闪耀级次位置及其特征与标量理论预测的一致.衍射效率的实测结果基本与理论模拟符合,只是因光栅结构上的缺陷致使衍射效率偏低,峰值只有理论值的38%—49%.实验结果证明了闪耀透射光栅的概念和湿法制作工艺的可行性.