带支撑结构的大高宽比硬X射线波带片制作

对利用X射线光刻制作大高宽比硬X射线波带片的设计和制作工艺进行了研究。采用电子束光刻制作X射线光刻掩模,并利用X射线光刻制作最终的硬X射线波带片。采用对光刻胶结构加入支撑点的方法,大大提高了X射线光刻制作硬X射线波带片的高宽比。对所加入支撑点的布置策略进行了优化,使得支撑点所占的面积比例减小。所制作的波带片最外环宽度为200nm,厚度为2.8μm,具有优良的结构质量,预期可用于10keV到25keV波段,并具有优于250nm的成像分辨率。

大高宽比硬X射线波带片制作及聚焦测试

为得到同步辐射光源硬X射线波段(>2keV)需要的高宽比高分辨率波带片,本文利用高加速电压(100kV)电子束光刻配合Si3N4镂空薄膜直写来减少背散射的方法,对硬X射线波带片制作技术进行了蒙特卡洛模拟和电子束光刻实验。模拟结果显示:Si_3N_4镂空薄膜衬底可以有效降低电子在抗蚀剂中传播时的背散射,进而改善高密度大高宽比容易引起的结构倒塌和粘连问题。通过调整电子束的曝光剂量,在500nm厚的镂空Si_3N_4薄膜衬底上制备出最外环宽度为150nm、金吸收体的厚度为1.6μm,高宽比大于10的硬X射线波带片。同时,引入随机支撑点结构,实现了波带片结构自支撑,提高了大高宽比波带片的稳定性。将利用该工艺制作的波带片在北京同步辐射装置X射线成像4W1A束线8keV能量下进行了聚焦测试,得到清晰的聚焦结果。

振幅矢量叠加法分析X射线波带片加工误差对效率的影响

使用振幅矢量叠加法,通过叠加X射线波带片每一对环带对焦点的贡献,计算和分析了随机环带位置误差、宽度误差、扩散和粗糙度对波带片的效率的影响。用Strehl比来量化和衡量与理想波带片有偏差的波带片的性能,对两个波带片实例分别用Strehl极限确定了能容许的4种误差的最大值。计算了Ni软X射线波带片的随机环带位置误差及宽度误差对主焦点效率的影响;计算了SiO2/Ni硬X射线溅射切片波带片的两种材料的相互扩散和粗糙度对衍射效率的影响。结果表明:4种误差越大,主焦点效率越小,对Ni软X射线波带片,随机环带位置误差均方根和宽度误差均方根小于最外环宽度的20%左右时,对SiO2/Ni硬X射线溅射切片波带片,扩散区宽度和粗糙度均方根分别小于最外环宽度的90%和60%左右时,得到的Strehl比在Strehl极限之上。

聚焦离子束切割法制备多层膜X射线波带片

X射线波带片是X射线显微成像系统中用于聚焦及成像的核心元件,提高波带片性能参数,更利于X射线显微成像技术的广泛应用。选择可精确控制厚度的原子层沉积(ALD)法结合聚焦离子束(FIB)切割法制备出大高宽比X射线波带片结构,即用原子层沉积法在光滑的钨丝表面交替沉积Al2O3/HfO2多层膜,其总层数为360,最外层膜宽度为10 nm。聚焦离子束的加速电压设定为30 kV,先利用束流为1 000 pA的离子束流将Al2O3/HfO2多层膜切割成设计厚度的薄片,再利用束流为350 pA的离子束流对切割的截面进行抛光,最后得到厚度为50μm、最外层膜宽度为10 nm的大高宽比X射线波带片结构。

电子束光刻研制高分辨X射线波带片透镜最新进展

首先综述了当前X射线透镜的分辨率和效率的水平,预测并讨论了发展我国波带片透镜、赶超国际先进水平的技术路径图。在原有100 nm分辨率波带片和会聚透镜工艺基础上,综述了电子束光刻结合金电镀进一步发展30~70 nm分辨率的X射线波带片的最新进展。在研发30 nm分辨率的波带片中,电子束光刻中的邻近效应严重限制了波带高宽比,而现有商业软件(基于蒙特卡罗模型和显影动力学)的邻近效应修正在同时处理从微米到30 nm的各种图形时效果甚微。为此,本团队针对70 nm分辨率的硬X射线波带片采用了图形修正法,实现了20:1的波带高宽比,针对50 nm分辨率的硬X射线波带片采用了分区域修正法,获得了15:1的波带高宽比;30 nm波带片透镜的金属化摒弃了传统的直流电镀工艺,采用脉冲金电镀,实现了金环均匀电沉积,成功研制了30 nm分辨率的软X射线波带片透镜和30~100 nm的大高宽比分辨率测试卡。所有研制的波带片透镜在上海同步辐射装置得到了X射线光学成像验证。

原子层沉积与聚焦离子束切片法制备X射线波带片

针对X射线波带片对大高宽比的应用需求,采用原子层沉积法在光滑的金属丝表面生长膜厚可高精度控制的多层膜环带结构,再利用聚焦离子束切片技术获得大高宽比的多层膜X射线波带片。采用复振幅叠加法设计了以Al2O3/HfO2分别为明环和暗环材料的X射线波带片,实验上利用原子层沉积在直径为72μm的金丝表面交替沉积了10.11μm的Al2O3/HfO2多层膜,环带数为356,总直径为92.22μm,最外环宽度为25 nm。通过聚焦离子束切割得到高为1.08μm、高宽比达43∶1的X射线多层膜菲涅耳波带片。该波带片应用于上海光源(BL08U1A)软X射线成像线站时,在1.2 keV X射线下实现聚焦成像功能,展现出利用该技术制备多层膜X射线波带片的潜力。

用衍射场叠加法分析四种误差下的X光波带片

利用叠加所有圆环的解析近似衍射场的方法来计算和分析随机环带位置误差、宽度误差、扩散和粗糙度对X射线波带片的效率和分辨率的影响。用Strehl比来量化和衡量与理想波带片有偏差的波带片的性能,对两个波带片例子分别用Strehl极限确定了其能容许的四种误差极限。以一个Ni软X射线波带片为例,用叠加圆环衍射场的方法分析了随机环带位置误差和宽度误差对主焦点效率和分辨率的影响;以一个SiO2/Ni硬X射线溅射切片波带片为例,计算了两种材料的相互扩散和粗糙度对衍射效率和分辨率的影响。计算结果表明,四种误差越大,主焦点效率越小,分辨率越差,对第一个波带片例子而言,随机环带位置误差均方根和宽度误差均方根小于最外环宽度的30%;而对于第二个波带片例子,扩散区宽度和粗糙度均方根分别小于最外环宽度的105%和50%时,得到的Strehl比在Strehl极限之上。

软X射线聚焦波带片相对衍射特性的实验研究

通过测量软X射线相位型和振幅型聚焦波带片的一级衍射强度,实验得到了自行研制的两种相位型软X射线聚焦波带片的相对衍射特性。测量实验装置简单,调节相对容易。选择合适的针孔大小可使得接收信号有足够的信噪比。对波带片聚酰亚胺衬底的厚度进行了归一化。分别将3个镍和锗波带片的一级衍射强度与金波带片进行了比较。在3.2nm工作波长,研制的镍、锗软X射线相位型波带片的平均一级衍射效率分别是软X射线振幅型金波带片一级衍射效率的1.60和1.26倍,与理论值1.77和1.34很接近。测试结果表明,我们制作的相位型波带片具有较高精度。