一种同步辐射高分辨软X射线透镜及其制备方法与流程

一种同步辐射高分辨软x射线透镜及其制备方法
技术领域
1.本发明属于微纳加工技术领域，具体涉及同步辐射高分辨软x射线透镜及其制备方法。


背景技术：

2.同步辐射x射线显微成像技术是当前材料、物理、生物、医学等基础学科研究的重要方法之一。在x射线成像系统中x射线聚焦光学元件是至关重要的组成部分。在软x射线（0-2kev），尤其是对生物成像具有天然衬度的水窗口波段（280~530ev），以金属菲涅耳波带片（fzp）为主的传统衍射聚焦透镜在该波段吸收系数较大，导致实际聚焦效率均低于5%。
3.为了打破软x射线波段聚焦透镜效率低、工艺制备困难的瓶颈，本发明提出使用在软x射线波段（0-2kev）有低吸收率的金属氧化物材料为透镜介质材料，通过电子束光刻与原子层沉积（ald）的方法制备高分辨率高效率的软x射线波带片透镜。在软x射线波段，理论上能够把聚焦效率从传统波带片的理论极限值（10%）提高到15%。该设计加工方案具有很好的可靠性，可以制备一系列直径与分辨率的波带片透镜，以满足不同应用场景的需要。软x射线波段的高分辨高效率聚焦，在同步辐射的微纳探针、全场显微成像、x射线共焦显微成像和新型x射线荧光ct等多个x射线光学领域将有广泛的应用前景，将大幅提升我国同步辐射检测技术水平，对我国的基础学科研究意义重大。
4.此工艺不仅适用于软x射线波段的波带片透镜制备，还可以用于该能量下的其他聚焦和成像元件的制备。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种简单、稳定、高效的同步辐射高分辨软x射线透镜及其制备方法。
6.本发明提出的同步辐射高分辨软x射线透镜，其结构从下到上依次为：硅基底，氮化硅隔膜，由模板材料与非金属介质材料组成的x射线透镜（下面简称透镜）；其中，x射线透镜采用电子束光刻与ald工艺制备得到；硅基底、氮化硅隔膜分别起支撑和透光作用，x射线透镜正面放置在氮化硅隔膜上；所述透镜的汇聚方向垂直于氮化硅隔膜；软x射线透过氮化硅隔膜于透镜之后聚焦；非金属介质材料具有低吸收系数，能够实现软x射线的高分辨率聚焦。
7.本发明中，制备透镜的材料为非金属材料，对软x射线波段吸收小且有相位调控能力，对ald工艺适用，非金属材料材料包括但不限于二氧化硅、氧化铪、氧化铝。
8.本发明中，透镜的模板材料是对软x射线（0-2kev）具有低吸收率、适用于ald工艺的光刻胶或其他材料，包括但不限于hsq、硅。
9.本发明中，在透镜模板的单个周期内，空隙与线条之比为2.5~4，优选比值为3-3.5，更优选比值为3。
10.本发明中，对于透镜固定采用加强筋的方式，该加强筋为蛛网式分布；加强筋的线
宽与对应周期的线宽相似，同周期加强筋的相互间隔为线宽的5~15倍。
11.本发明提供的基于电子束光刻与ald工艺的同步辐射高分辨软x射线透镜的制备方法，具体步骤如下：（1）在有氮化硅隔膜的衬底上旋涂hsq光刻胶；（2）利用电子束光刻的方法在光刻胶上形成透镜的光刻胶图形；（3）对步骤（2）得到的样品进行显影；（4）对步骤（3）得到的样品利用ald工艺生长非金属材料；（5）对步骤（4）得到的样品套刻制备光束阻挡器；（6）对步骤（5）得到的样品进行lift-off。
12.本发明步骤（1）中，涂胶前预热温度为200~280℃，预热时间为5~10min。
13.本发明步骤（2）中，hsq光刻胶图形的最外环周期为40~240 nm，直径为50~1000 um；线条曝光剂量为4000~18000μc/cm2，透镜中央部分为4000~5000μc/cm2，中间部分为6000-12000μc/cm2，外围12000-18000μc/cm2。
14.本发明步骤（3）中，显影液的配比tmah：h2o=1:3，显影温度为60~85℃，显影时间为2~5min。定影液为水，定影温度为60~85℃，定影时间为30s~120s。
15.本发明步骤（4）中，ald生长非金属的厚度为10~60nm。
16.本发明步骤（4）中，为了补偿线条至理想宽度，可以根据误差先利用ald补充生长二氧化硅。
17.本发明步骤（5）中，利用窗口套刻结合热蒸发制备光束阻挡器；pmma的厚度为2~5 μm；后烘温度为180℃，后烘时间为20~60 min；曝光剂量为1000~2500 μc/cm2；显影液为ipa：h2o=7:3, 显影温度为20
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25℃，显影时间为2~4 min；定影液为水，定影时间为30s；热蒸发au的厚度为300~1000 nm。
18.本发明步骤（6）中，lift-off溶液为丙酮，lift-off温度为50~60℃；清洗液为水，清洗温度为60℃，清洗时间为25~60s。
19.与现有技术相比，本发明方法的有益效果是：第一，本发明采用了基于电子束光刻与ald工艺的制备方法得到软x射线透镜，与传统的电子束光刻结合电镀的方法相比，本发明有简单、快速的工艺优势。
20.第二，本发明对于软x射线透镜的制备具有较好的稳定性。ald工艺可以通过生长二氧化硅，将电子束光刻的线条补偿至理想宽度，因此本发明对于电子束光刻的线条精度有一定的宽容性。
21.第三，本发明使用对软x射线有低吸收系数的非金属介质（氧化铪、氧化铝等）作为透镜材料，与传统的金属介质波带片相比，在软x射线波段具有更高的衍射效率。
22.第四，本发明的透镜介质材料由ald工艺生长，与传统的电子束光刻结合电镀的方法相比，本发明对于膜厚有更好的控制性，可以制备更小最外环宽度的透镜，具有更高的分辨率。
23.本发明方法可用于制备以非金属为介质材料的高分辨软x射线透镜，实现对软x射线的高效率聚焦和成像。在软x射线波段，能够把聚焦效率从传统波带片的理论极限值（10%）提高到15%。具有工艺稳定可靠、制备周期缩短和与现有的光刻工艺兼容等优点。制备的x射线聚焦成像透镜特别适合于对比度较小的材料如生物细胞、有机材料和介质材料等
的x射线高衬度三维成像。
附图说明
24.图1是ald波带片透镜在氮化硅隔膜上的截面示意图。
25.图2是ald波带片透镜在氮化硅隔膜上的整体示意图。
26.图3对应步骤1：在衬底上旋涂hsq光刻胶。
27.图4对应步骤2-3：电子束灰度光刻和显影后得到hsq波带片透镜图形。
28.图5对应步骤4：利用ald工艺在hsq波带片透镜上沉积非金属材料氧化铪。
29.图6对应步骤5-6：用热蒸发工艺和lift-off工艺在沉积氧化铪后的hsq波带片透镜上制备出光束阻挡器。
30.图7对应步骤4：利用ald工艺在hsq波带片透镜上沉积非金属材料氧化铝。
31.图8对应步骤5-6：用热蒸发工艺和lift-off工艺在沉积氧化铝后的hsq波带片透镜上制备出光束阻挡器。
32.图9对应实施例1的氧化铪ald波带片透镜的扫描电镜图像。
33.图10对应实施例1的氧化铪ald波带片透镜的局部扫描电镜图像。
34.图11对应实施例1的氧化铪ald波带片透镜的x射线成像测试结果。
35.图12为高度为350nm的不同ald材料波带片透镜的理论效率随能量的变化曲线。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本发明不仅限于实例。凡是对实施例中的工艺参数进行了简单的改变，都属于本发明保护范围之内。
37.实施例1.制备15nm分辨率的氧化铪ald波带片透镜（1）选用有氮化硅窗口的硅片，氮化硅窗口的厚度为100nm、大小为2mm
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2mm；（2）在衬底上旋涂hmds粘附层之后再旋涂350 nm厚的hsq电子束光刻胶，并在220℃烘箱中烘烤5min使之硬化，结果如图3所示；（3）将样品在电子束光刻机下进行曝光处理，曝光图形为圆形波带片，hsq光刻胶图形的最外环周期为60 nm，空隙与线条之比为3，直径为100μm。同周期加强筋的相互间隔为线宽的8倍。透镜中心部分曝光剂量为8000 μc/cm2，中间部分曝光剂量为10000~14000μc/cm2，外围曝光剂量16000μc/cm2；（4）在温度为65℃的体积比为1:3的tmah/h2o 混合溶液中显影4 min之后在85℃h2o中定影30 s，结果如图4所示；（5）对步骤（4）得到的样品利用ald工艺生长30nm厚度的非金属材料氧化铪，结果如图5所示；（6）对步骤（4）得到的样品套刻制备光束阻挡器：利用窗口套刻结合热蒸发制备光束阻挡器；pmma的厚度为5 μm；后烘温度为180℃，后烘时间为60 min；光束阻挡器直径为50μm，曝光剂量为2000 μc/cm2；显影液为ipa：h2o=7:3, 显影温度为23℃，显影时间为4 min；定影液为水，定影时间为30s；热蒸发au的厚度为500 nm；（7）对步骤（5）得到的样品进行lift-off。lift-off溶液为丙酮，lift-off温度为60℃；清洗液为水，清洗温度为60℃，清洗时间为60s。结果如图6所示。
38.实际制备得到的氧化铪ald波带片透镜的扫描电镜图像如图9-10，1.2kev下的x射线成像测试结果如图11，分辨率达到了亚20nm，成像效率约为7.6%，与理论效率（10.8%）接近，主要的偏差在于加强筋和光束阻挡器对效率的不利影响。上述实验测试结果进一步证明了该工艺方法的切实可行性。
39.实施例2. 制备30nm分辨率的氧化铝ald波带片透镜（1）选用有氮化硅窗口的硅片，氮化硅窗口的厚度为100nm、大小为2mm
×
2mm；（2）在衬底上旋涂hmds粘附层之后再旋涂200 nm厚的hsq电子束光刻胶，并在250℃烘箱中烘烤5min使之硬化，结果如图3所示；（3）将样品在电子束光刻机下进行曝光处理，曝光图形为圆形波带片，hsq光刻胶图形的最外环周期为120 nm，空隙与线条之比为3.5，直径为100μm。同周期加强筋的相互间隔为线宽的5倍。透镜中心部分曝光剂量为8000 μc/cm2，中间部分曝光剂量为10000~14000μc/cm2，外围曝光剂量16000μc/cm2；（4）在温度为65℃的体积比为1:3的tmah/h2o 混合溶液中显影4 min之后在85℃ h2o中定影30 s，结果如图4所示；（5）对步骤（4）得到的样品利用ald工艺生长15nm厚度的非金属材料氧化铝，结果如图7所示；（6）对步骤（4）得到的样品套刻制备光束阻挡器：利用窗口套刻结合热蒸发制备光束阻挡器；pmma的厚度为3 μm；后烘温度为180℃，后烘时间为60 min；光束阻挡器直径为50μm，曝光剂量为2000 μc/cm2；显影液为ipa：h2o=7:3, 显影温度为23℃，显影时间为4 min；定影液为水，定影时间为30s；热蒸发au的厚度为300 nm；（7）对步骤（5）得到的样品进行lift-off。lift-off溶液为丙酮，lift-off温度为60℃；清洗液为水，清洗温度为60℃，清洗时间为60s。结果如图8所示。