X射線顯微成像納米光學(xué)元件制作與應(yīng)用研究.pdf

1、X射線波長短、穿透深度大，不僅具有對厚樣品進(jìn)行納米分辨成像的潛力，而且成像機(jī)制多樣(如吸收、位相、熒光等)，襯度來源豐富，因而可以觀察分析多種微觀物理、化學(xué)和納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對厚物質(zhì)的內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)的觀察，在生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)中有廣泛的應(yīng)用，因此X射線顯微成像技術(shù)越來越受到人們的重視。X射線顯微成像技術(shù)中的核心元件是波帶片和光柵，其制作工藝復(fù)雜，制作難度大，價(jià)格昂貴，是制約國內(nèi)X射線顯微成像技術(shù)發(fā)展的重要因素。本文針對X射線成像波帶片和光柵

2、在X射線顯微成像技術(shù)中的應(yīng)用，把電子束光刻和X射線光刻技術(shù)相結(jié)合，在深入研究電子束光刻和X射線光刻工藝技術(shù)的基礎(chǔ)之上，成功制作了最外環(huán)寬度為100 nm，厚度為700 nm和1300 nm的大高寬比X射線成像波帶片，制作了線密度為3333 l/mm，厚度為1000 nm的大高寬比、高線密度X射線透射光柵。同時(shí)還為合作單位制作了一系列新型的光學(xué)器件，如光子晶體、手性器件和位相調(diào)制波帶片等。 本文主要研究內(nèi)容有以下幾個(gè)方面：

3、 1.介紹了X射線顯微成像技術(shù)的原理和成像方法?；趪鴥?nèi)發(fā)展X射線顯微成像技術(shù)的需要，國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)建設(shè)了一條X射線顯微成像光束線和實(shí)驗(yàn)站，本文對X射線顯微成像光束線與實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行了設(shè)計(jì)、計(jì)算和模擬，通過對X射線光束線和實(shí)驗(yàn)站的參數(shù)測量，結(jié)果表明光束線各性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。X射線顯微成像實(shí)驗(yàn)站的空間分辨率達(dá)到50 nm，超過了設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)位相襯度成像和三維CT成像。 2.介紹了波帶片的參數(shù)設(shè)計(jì)、工作原理、結(jié)構(gòu)和主

4、要特點(diǎn)，及其在X射線顯微成像等領(lǐng)域中最重要的兩個(gè)參數(shù)空間分辨率和衍射效率的計(jì)算模擬。根據(jù)X射線成像波帶片在顯微成像技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了X射線成像波帶片的結(jié)構(gòu)和主要參數(shù)，利用電子束版圖生成器繪制了波帶片的版圖。 3.針對X射線成像波帶片和光柵的特殊結(jié)構(gòu)，提出了采用電子束光刻和X射線光刻相結(jié)合制作大高寬比X射線波帶片和透射光柵的技術(shù)路線：首先利用電子束光刻制作高分辨率波帶片和光柵掩模，然后利用X射線光刻進(jìn)行復(fù)制大高寬比波帶片

5、和光柵。該方法充分利用了電子束光刻高分辨率、任意圖形發(fā)生能力和X射線光刻高效率、大高寬比、側(cè)壁陡直等優(yōu)點(diǎn)。介紹了電子束光刻技術(shù)的原理、曝光系統(tǒng)和抗蝕劑，以及電子束曝光中的鄰近效應(yīng)校正技術(shù)，電子束曝光中的場拼接對大面積光柵圖形制作的影響，研究了基于氮化硅薄膜襯底的電子束鄰近效應(yīng)，提出了最外環(huán)寬度為100 nm的X射線成像波帶片和3333 l/mm的X射線透射光柵電子束曝光的版圖校正尺寸，制備了最外環(huán)寬度為100 nm，厚度為250 nm的

6、X射線成像波帶片和線密度為3333l/mm，厚度為250 nm的X射線透射光柵掩模。基于電子束光刻和離子束刻蝕深入研究的基礎(chǔ)之上，制作了一系列微納米光學(xué)器件，如手性器件、振幅調(diào)制波帶片等。 4.在對X射線光刻掩模與樣品不同間隙模擬的基礎(chǔ)之上，采用接近式曝光與支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)合微電鍍技術(shù)完成了最外環(huán)寬度為100 nm的波帶片和線密度為3333 l/mm的光柵的復(fù)制。利用全水環(huán)境電鍍的方法，制作出厚度為700 nm和1300 nm的波帶

7、片，制作出周期為300 nm、線密度為3333 l/mm的剖面陡直、金吸收體厚度為1000 nm的X射線透射光柵。第一次利用X射線顯微成像技術(shù)對制作的波帶片進(jìn)行了表征。提出了利用X射線顯微成像技術(shù)對水環(huán)境中的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。采用相同的工藝路線，成功研制了光子晶體等光學(xué)器件。 5.利用波帶片一級(jí)衍射效率的模型，計(jì)算了最外環(huán)寬度為100 nm、不同厚度的金波帶片在7.5 keV能量下的理論衍射效率曲線。設(shè)計(jì)了波帶片一級(jí)衍射效率測試

8、的方法、測試光路圖和儀器。在國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室的X射線衍射與散射實(shí)驗(yàn)站上對制作的兩個(gè)最外環(huán)寬度為100 nm，厚度為700 nm的金波帶片進(jìn)行了測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行了分析。在7.5 keV的特征能量下，波帶片的一級(jí)衍射效率為8.63％，與15.3％的理論衍射效率基本符合。 本論文的創(chuàng)新點(diǎn)： 1.基于國內(nèi)發(fā)展X射線顯微成像技術(shù)的需要，結(jié)合合肥光源的特點(diǎn)，本文對國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室X射線顯微成像光束線和實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

9、 2.在波帶片和光柵掩模的制作過程中，考慮了電子束曝光中的鄰近效應(yīng)對圖形的影響，采用幾何校正和劑量校正的方法，利用電子束光刻和微電鍍的方法制備了基于氮化硅薄膜的波帶片和光柵掩模，波帶片的最外環(huán)寬度為100 nm厚度為250 nm，X射線透射光柵的線密度為3333 l/mm，厚度為250 nm。 3.利用X射線光刻和微電鍍技術(shù)，采用全水環(huán)境電鍍的方法，成功制作出最外環(huán)寬度為100 nm，厚度為700 nm和1300 nm的波帶