大面积10000线/毫米软X射线金属型透射光栅的设计、制作与检测

基于严格的矢量耦合波理论,优化设计了用于13.4 nm软X射线干涉光刻的透射型双光栅掩模版.采用电子束光刻技术,在国内首次成功制作了周期为100 nm的大面积金属型透射光栅.光栅面积为1.5 mm×1.5 mm,Cr浮雕厚度为50 nm,Gap/period为0.6,衬底Si3N4厚度为100 nm.此光栅将用于上海光源软X射线干涉光刻实验站.利用其1级衍射光和2级衍射光将可以经济高效地制作周期为50和25 nm的大面积周期结构.最后,测量了该光栅对波长为13.4 nm同步辐射光的衍射光强度,并且推算得出该光栅的1级和2级衍射效率分别为4.41%和0.49%,与理论设计值比较符合.实验结果与理论模拟结果的对比表明该光栅侧壁陡直,Gap/period的控制也与设计值符合.

软X射线透射光栅制作技术

金透射光栅广泛用于真空紫外、X射线、物质波的衍射和光谱测量。分别介绍了美国麻省理工学院空间微结构实验室和中国科学技术大学国家同步辐射实验室的透射光栅制作技术及其新进展。麻省理工学院空间微结构实验室为完成 AXAF巨型空间天文台上的高能透射光栅谱仪经历了近 2 0年的发展 ,其光栅制作工艺日趋成熟 ,代表了当前世界最高水平。中国科学技术大学国家同步辐射实验室为了满足惯性约束核聚变实验研究的需要 ,在国内较早地开展了透射光栅的研制工作 。

带前置光学系统的软X射线透射光栅光谱仪

软Ｘ射线检测是激光等离子体诊断中最复杂而又最重要的一项工作。

软X射线掠入射金属光栅闪耀特性的校正傅里叶展开微分法分析

在有限电导率光栅的微分理论中引入校正傅里叶展开方法,改善了计算收敛性。运用改进后的微分理论对软X射线波段掠入射金属光栅的闪耀特性做了数值分析,通过详细考察三角槽形、正弦槽形和矩形镀金光栅的软X射线-1级衍射效率对光栅结构参数和入射光状态参数的响应程度,给出了一种在使用和制作工艺上都能够接受的光栅技术指标。结果表明,作为闪耀波长为10.33 nm的软X射线波段掠入射镀金光栅,采用81°入射的刻线密度为1 200 l/mm,倾斜角为2°,顶角大于120°的三角槽形光栅较为合适,其效率可达到50%以上。同时,得到了一些优化软X射线波段掠入射金属光栅设计的新结论。

软X射线能谱仪与透射光栅谱仪测量结果的对比

对软 X射线谱仪和透射光栅谱仪的测量结果进行了对比。它们的回推谱形大致符合 ,只是透射光栅谱仪的复原谱的 N带相对于 O带太小。其原因可能是 X射线 CCD受到靶室油沾污 ,在表面形成了碳膜 ,对 N带吸收较多。经过对透射光栅谱进行吸收补偿后 ,两种谱仪的复原谱基本一致。

软X射线波段透射光栅检测系统

目前,透射光栅被广泛地应用于软X射线波段光谱测量当中。但由于在软X射线波段几乎所有材料都有非常明显的吸收,因此利用传统方法很难在该波段对透射光栅进行检测。为了检测透射光栅在软X射线波段的光谱分辨本领,我们基于掠入射理论,采用凹面反射光栅单色仪配X射线CCD相机组成一套软X射线波段透射光栅检测装置。首先利用He空心阴极光源的30.38nm、53.70nm和58.43nm三条线谱对透射光栅检测系统进行波长标定。然后更换激光等离子体光源,测量并得到了金自支撑式透射光栅在6.67nm和9.10nm两个波长位置上一级衍射位置和一级衍射光谱线宽度,利用半宽度法计算并得出在以上两个波长位置时被测透射光栅一级谱所能分辨的最小波长差为2.38nm和2.05nm。实验结果表明该投射光栅检测系统完全可以应用于软X射线波段透射光栅检测工作当中。

软X射线透射光栅支撑结构的制作工艺研究

在简述软X射线自支撑透射光栅制作工艺的基础上 ,重点研究支撑结构制作中的紫外光刻和电镀两步工艺。紫外光刻中的菲涅耳衍射会造成光刻胶不能显影到底或起保护作用的光刻胶面积减小、厚度减薄 ;比较了两个不同电镀条件下的电镀实验结果 ,结果表明低的温度和电流密度 ( 40℃、1 .5mA/cm2 )下的镀膜致密、光滑 ,应力小 ,对光栅结构无任何影响 ;高的温度和电流密度 ( 47℃、5.6mA/cm2 )下的镀膜相对粗糙、应力大 ,造成光栅线条的扭曲、并拢 ,甚至拉断光栅线条。

软X射线波段透射光栅衍射效率检测系统

为获得透射光栅在软X射线波段的各级衍射效率,利用凹面反射光栅单色仪加激光等离子体光源组成一套软X射线波段单色系统,并以He空心阴极光源所发射的30.38、53.70、58.43nm三条谱线做为标准点,通过建立拟合曲线方程的方法对该单色系统进行波长标定。然后以背照射CCD(charge-coupled device)做为接收元件,对金自支撑式透射光栅在85～900eV能区范围内的多个能量点进行了衍射效率的实验标定,获得了该透射光栅一级相对衍射效率和零级绝对衍射效率的标定结果。同时利用准梯形栅线模型对该透射光栅在软X射线波段范围内的衍射效率进行理论计算,得到了该透射光栅一级相对衍射效率的理论曲线,模型计算结果与实验标定结果基本符合。最后,利用实验中得到的零级绝对衍射效率和模型计算的一级相对衍射效率结果拟合出了该透射光栅一级绝对衍射效率曲线。

软X射线狭缝透射光栅谱仪的研制

介绍了软Ｘ射线狭缝透射光栅谱仪的基本原理，得出光谱分辨率的理论计算公式，同时给出狭缝光栅的几何结构和相应的各种参数。在真空系统的实验条件下，对不同物质进行了激光累积打靶实验，得到其相应的软Ｘ射线光谱图，由这些光谱图可以回推光谱线，进行激光等离子体的诊断。从所做的实验结果中选出效果较好的光谱图，用显微密度计对其进行扫描，得到光强随距离的变化关系，可以用于标定实验和元素的定量分析。

高线密度X射线透射光栅的制作工艺

采用电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术,成功制作了面积为10mm×0.5mm,周期为500nm,占空比为1∶1,金吸收体厚度为430nm的可用于X射线衍射的大面积透射光栅.首先利用电子束光刻和微电镀技术制备基于镂空薄膜结构的X射线光刻掩模,然后利用X射线光刻经济、高效地复制X射线透射光栅.整个工艺流程分别利用了电子束光刻分辨率高和X射线光刻效率高的优点,并且可以得到剖面陡直的纳米级光栅线条.最后,测量了制作出的X射线透射光栅对波长为11nm同步辐射光的衍射峰,实验结果表明该光栅具有良好的衍射特性.

大高宽比、高线密度X射线透射光栅的制作

利用电子束光刻、X射线光刻和微电镀技术,成功制作了面积为1 mm×1 mm,周期为300 nm,金吸收体厚度为1μm的用于X射线显微成像的透射光栅。首先,利用电子束光刻和微电镀技术在Si3N4薄膜上制作周期为300 nm,厚度为250 nm的高线密度光栅掩模;然后,利用X射线光刻和微电镀技术复制厚度为1μm,占空比接近1∶1,高宽比为7的X射线透射光栅。整个工艺流程充分利用了电子束光刻技术制作高分辨率图形和X射线光刻技术制作大高宽比结构的优点,实现了大高宽比、纳米尺度、侧壁陡直的X射线透射光栅的制作。

3333l/mmX射线全镂空自支撑透射光栅的制备与测试

针对我国对高线密度X射线镂空透射光栅在空间环境探测和激光等离子体诊断方面的需求,将电子束光刻和X射线光刻技术相结合,制备出3333l/mmX射线全镂空透射光栅,栅线宽度接近150nm,周期300nm,栅线厚度为500nm,有效光栅面积达到60%。首先利用电子束光刻和微电镀技术在镂空聚酰亚胺薄膜底衬上制备X射线母光栅掩模,然后利用X射线光刻和微电镀技术实现了光栅图形的复制品,之后采用紫外光刻和微电镀技术制作加强筋结构,最后通过腐蚀体硅和等离子体刻蚀聚酰亚胺完成镂空透射光栅的制作。在国家同步辐射实验室光谱辐射和计量实验站上对此光栅在5～23nm波段进行了衍射效率标定。标定结果表明所制备的光栅栅线平滑,占空比合理,侧壁陡直,不同光栅之间一致性好,完全可以满足应用需求。

基于高级硅刻蚀和硅氧化工艺的软X射线干涉光刻分束光栅的优化设计

基于严格的矢量耦合波方法,对13.4nm(92.5eV)软X射线正入射于周期140nm的Si光栅和SiO2光栅的一级衍射效率进行了模拟计算,结果表明SiO2光栅的最大一级衍射效率远比Si光栅高,同时也比目前用于13.4nm软X射线干涉光刻的Cr/Si3N4复合光栅高。本文提出用高级硅刻蚀工艺和硅氧化工艺制作深高宽比纳米级SiO2光栅的新方法,可以解决直接刻蚀制作此光栅难度大的问题,适用于制作上海光源(SSRF)软X射线干涉光刻分束光栅。

软X射线双频光栅设计及制作

以软X射线双频光栅作为剪切干涉元件,研究了剪切干涉法在激光等离子体诊断实验中的应用。为提高实验成功率,研究了双频光栅栅线的平行度及光栅效率。根据软X射线双频光栅栅线平行度与剪切干涉系统的干涉图像的关系,理论计算得出光栅平行度的指标要求。在全息曝光工艺中,通过衍射光斑位置检测法和莫尔条纹法确认光栅平行性,保证光栅平行度达到0.01°。利用合肥国家同步辐射实验室计量站对双频光栅的两组-1级衍射效率进行测试。测试结果显示,光栅平行性满足系统要求,光栅的两组-1级衍射效率均达到10%。软X射线双频光栅剪切干涉实验结果表明,双频光栅平行度及衍射效率满足激光等离子体诊断实验需求。

利用多项式展开法对软X光点光源透射光栅测量谱解谱

针对软 X光点光源的通过透射衍射光栅获得的测量谱 ,提出一种新的解谱方法进行解谱。与以往的解谱方法不同 ,该方法无需选择截止波长。使用该方法对 ICF实验中的典型软 X光源的透射光栅测量谱进行了解谱 ,并与以往的解谱方法获得的结果进行比较 ,取得了满意的结果。

软X射线多层膜透射式起偏器和检偏器设计

叙述了软X射线波段多层膜透射式起偏器和检偏器的设计原理,提出了设计准则,通过该准则设计的多层膜偏振元件能够同时满足具有较大的光通量和偏振度要求.同时还优化了不同膜厚比情况下软X射线多层膜偏振元件的性能,讨论了在多层膜制作过程中,由于表界面粗糙度和扩散的不同对元件性能的影响,这些工作为制作软X射线多层膜透射式起偏器和检偏器提供了设计基础.

双狭缝透射光栅软X光时空分辨谱仪

利用双狭缝、透射光栅配亚仟Ｘ光条纹相机做了具有一维空间、时间和能谱分辨的三维软Ｘ光测量仪器（双狭缝透射光栅软Ｘ光时空分辨谱仪），并成功地获得了金盘靶的Ｎ带Ｘ光（中心波长１．７ｎｍ）时空分辨图象。该仪器空间分辨可达２３μｍ，时间分辨可达０．０３ｎｓ，能谱分辨（当源大小为１００～３００μｍ时对波长１．７ｎｍ的Ｘ光）可达０．４～０．７ｎｍ，只需稍加改动，即可用于其它波段的Ｘ光测量。

软X射线波段多层膜-多层膜光栅单色器

从多层膜和多层膜光栅的衍射特性出发，得到了适用于软Ｘ射线波段的组合式多层膜－多层膜光栅单色器的工作原理和色散性质。如果多层膜和多层膜光栅的反射面之间保持适当的夹角，该夹角取决于多层膜的周期和光栅的周期之比，则由单色器出射的光束仍保持与入射光束平行，且有很好的色散及最大的光强输出。

软X射线偏折仪用自支撑莫尔光栅研制

介绍了莫尔光栅制作的主要方法和进展。利用紫外光刻、离子束刻蚀技术制作自支撑金莫尔光栅,讨论了金膜厚度要求、电镀金膜质量和光栅占空比控制等影响莫尔光栅质量的关键技术问题。实验结果表明,通过设计较小占空比的光栅掩模、紫外光刻时擦除基片边缘的光刻胶棱以消除衍射效应、离子束刻蚀时基片倾斜一定的角度旋转刻蚀等措施可以改善自支撑金莫尔光栅的占空比。

软X射线多层膜光栅

详细介绍了软X射线多层膜光栅的国内外发展概况和广阔的应用领域,全面分析了它的制作工艺,并指出制作多层膜光栅的关键技术及解决方案。