專利名稱：鋁材料一維x射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種X射線微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件，尤其是基于折射和衍射雙重效應(yīng)的微結(jié)構(gòu)X射線光學(xué)器件的制作工藝，適用于鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件制作的場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
X射線組合透鏡是A.Snigirev在1996年提出的一種適用于高能X射線波段(即X射線輻射能量超過5keV)的、基于折射效應(yīng)的X射線微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件。具有不需要折轉(zhuǎn)光路、高溫穩(wěn)定性好且易冷卻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、對(duì)透鏡表面粗糙度要求低等優(yōu)點(diǎn)。在超高分辨率X射線診斷科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，基于X射線組合透鏡的各種X射線診斷技術(shù)研究非?；钴S。比如用于樣本中元素分布測(cè)量的高能X射線熒光微層析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；利用鋁材料X射線組合透鏡的中子顯微鏡；以及用于單細(xì)胞檢測(cè)、化學(xué)微分析、早期胸部腫瘤檢測(cè)等的高能X射線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等等。然而，由于X射線組合透鏡由數(shù)十到數(shù)百個(gè)X射線透鏡單元組合而成，對(duì)X射線的吸收很大，并進(jìn)而影響了X射線組合透鏡的透射效率。因此減小X射線組合透鏡的吸收對(duì)改善X射線組合透鏡的性能就變得非常重要。
最初減小X射線組合透鏡吸收方面的研究，是基于X射線組合透鏡的材料特性，選擇低原子序數(shù)的材料來制作透鏡，因?yàn)榈驮有驍?shù)材料對(duì)X射線的吸收小。同時(shí)還要考慮X射線組合透鏡的加工性能，選擇那些容易加工的材料。鋁材料X射線組合透鏡因其對(duì)X射線輻射吸收較小，以及其良好的機(jī)械加工性能，得到了廣泛的關(guān)注。然而僅僅靠著材料特性來減小X射線吸收還不能滿足要求，另一種方法就是靠改變X射線組合透鏡的結(jié)構(gòu)來減小它的吸收，而基于折射和衍射雙重效應(yīng)的鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件就能夠達(dá)到這樣的目的。
目前基于折射和衍射雙重效應(yīng)的一維微結(jié)構(gòu)X射線光學(xué)器件國(guó)內(nèi)尚未見報(bào)道。國(guó)際上與現(xiàn)有技術(shù)最接近的是采用在平凹拋物面形X射線透鏡單元的平面?zhèn)缺谥谱鞒鲭A梯狀的臺(tái)階，也就是呈階梯狀去除部分透鏡材料來減小X射線材料吸收。并采用光學(xué)刻蝕和反應(yīng)性離子束刻蝕相結(jié)合的平面微制作技術(shù)在Si材料上制成(V.Aristov，et al.，Appl.Phys.Lett.，2000，vol.77，pp4058-4060)。這種技術(shù)存在以下缺點(diǎn)1、實(shí)現(xiàn)折射效應(yīng)的拋物面形并不是理想面形，而是理想面形(即橢圓面形)在傍軸近似條件下的近似，因此并不能達(dá)到理想的聚焦性能；2、雖然采用微細(xì)制作技術(shù)，加工精度得以提高，但由于一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件深度尺寸受制作技術(shù)的限制，致使該器件在深度方向的集光口徑受到很大限制，并進(jìn)而地影響了X射線輻射透過率。3、此外，這種光學(xué)刻蝕與反應(yīng)性離子束刻蝕相結(jié)合的平面微制作技術(shù)對(duì)Si材料的微細(xì)制作工藝較成熟，而對(duì)于其他材料限制較大。

發(fā)明內(nèi)容為了克服已有制作技術(shù)中器件深度尺寸小、材料限制大、粗糙度偏高等問題，提供一種器件結(jié)構(gòu)深度大；材料限制?。患庸ぞ雀?；表面粗糙度低；不需要精密裝調(diào)；可以一體化、一次性精密加工成型的鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的制作工藝方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的制作方法，所述的一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件由多個(gè)依次同軸順序排布的透鏡單元組成，所述透鏡單元由開有空氣隙的主體構(gòu)成的透鏡組成，所述透鏡主體的上側(cè)壁開有朝上的階梯狀臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階的階寬相等；所述透鏡主體的下側(cè)壁開有以軸為中心線與透鏡上側(cè)壁的臺(tái)階對(duì)稱布置的朝下的階梯狀臺(tái)階，所述透鏡開有所述的敞口空氣隙，所述空氣隙的截面形狀為橢圓形，所述空氣隙對(duì)應(yīng)橢圓短軸方向的最大口徑尺寸小于橢圓短軸尺寸，所述透鏡的橢圓形空氣隙的長(zhǎng)軸位于同一直線上，其制作步驟包括有紫外光刻掩模版的制備、X射線光刻掩模的制備、X射線光刻基體的準(zhǔn)備和最后鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的形成；(一)紫外光刻掩模版的制備包括以下步驟(A)用電子束刻蝕技術(shù)制作玻璃基底金屬鉻材料的光刻掩模版，所述光刻掩模版圖形為，由多個(gè)依次同軸順序排布的透鏡單元組成，所述透鏡單元由開有空氣隙的主體構(gòu)成的透鏡組成，所述透鏡主體的上側(cè)壁開有朝上的階梯狀臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階的階寬相等；所述透鏡主體的下側(cè)壁開有以軸為中心線與上側(cè)壁的臺(tái)階對(duì)稱布置的朝下的階梯狀臺(tái)階，所述透鏡開有所述的敞口空氣隙，所述空氣隙的形狀為橢圓形，所述空氣隙對(duì)應(yīng)橢圓短軸方向的最大口徑尺寸小于橢圓短軸尺寸，所述透鏡的橢圓形空氣隙的長(zhǎng)軸位于同一直線上；(二)X射線光刻掩模的制備包括以下步驟(B)在經(jīng)常規(guī)清潔處理的硅襯底的表面自旋涂覆一層聚酰亞胺涂料，烘烤固化；(C)在固化后的樣片表面生長(zhǎng)一層金屬材料的電鑄陰極薄膜；(D)在電鑄陰極薄膜表面涂覆一層AZP4000光刻膠，對(duì)上述光刻膠進(jìn)行光刻、顯影、堅(jiān)模，形成光刻膠圖形結(jié)構(gòu)，光刻過程中采用的光刻掩模版為步驟(A)制備的光刻掩模版；(E)在光刻膠圖形結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)一層金屬薄膜，所述金屬薄膜材料為金，其厚度小于光刻膠的厚度；(F)去除光刻膠及其下面的電鑄陰極薄膜；(G)進(jìn)行背面光刻并腐蝕硅襯底形成窗口，將開出窗口后的結(jié)構(gòu)作為X射線光刻掩模；(三)X射線光刻基體的準(zhǔn)備包括以下步驟(H)制備一份鈦片作為X射線光刻襯底，用NaOH/H2O2進(jìn)行表面處理；
(I)在經(jīng)處理的鈦片表面涂敷PMMA材料作為X射線光刻膠，其厚度按所設(shè)計(jì)的X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的厚度設(shè)定，范圍在200微米到2000微米，對(duì)上述光刻膠進(jìn)行烘烤固化，形成X射線光刻基體；(四)最后鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的形成(J)在步驟(I)形成的X射線光刻基體上進(jìn)行X射線光刻、顯影，使用步驟(G)形成的X射線光刻掩模；(K)將模具材料填充到步驟(J)形成的樣片結(jié)構(gòu)中，模具材料為硅橡膠，并進(jìn)行固化處理；(L)取下固化成型的硅橡膠模具；(M)在硅橡膠模具中填充鋁材料，固化后并分離出模具，這時(shí)所保留的結(jié)構(gòu)包括有透鏡主體1，以及透鏡主體上的空氣隙2，即制成為鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件。
所述的金屬材料電鑄陰極薄膜為銅、或鈦、或鎳、或金材料薄膜。
所述的步驟(G)用的腐蝕方法為濕法腐蝕方法。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1、優(yōu)化了一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的透鏡單元的空氣隙的面形形狀，采用橢圓面形，像差幾乎為零，焦斑質(zhì)量好；2、提供了一種針對(duì)鋁材料的一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的制作工藝技術(shù)，器件深度尺寸較以前提高了幾十倍，因此大大提高了器件在深度方向上的集光口徑，從而提高了X射線輻射透過率；3、采用了基于折射和衍射雙重效應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)，即在平凹橢圓面形X射線透鏡單元的平面?zhèn)缺谥谱鞒鲭A梯狀的臺(tái)階，所述臺(tái)階沿橢圓長(zhǎng)軸對(duì)稱布置，每個(gè)臺(tái)階對(duì)應(yīng)長(zhǎng)軸方向的階寬相等，其臺(tái)階寬度的取值使得相位漂移為2π的整數(shù)倍，因此達(dá)到了既減小了X射線吸收又不改變所述透鏡單元的光學(xué)性能的目的，從而大幅度地減小了器件的X射線吸收；4、對(duì)材料限制小，可以一體化、一次性精密加工成型。


圖1是鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的透鏡的示意圖1-透鏡主體，2-空氣隙具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
實(shí)施例1參照附圖1，一種鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的制作方法，所述的一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件由多個(gè)依次同軸順序的透鏡單元組成，所述透鏡單元由開有空氣隙的主體構(gòu)成的透鏡組成，所述透鏡的上側(cè)壁開有朝上的階梯狀臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階的階寬相等；所述透鏡的下側(cè)壁開有以軸為中心線與透鏡上側(cè)壁的臺(tái)階對(duì)稱布置的朝下的階梯狀臺(tái)階，所述透鏡開有所述的敞口空氣隙，所述空氣隙的截面形狀為橢圓形，所述空氣隙對(duì)應(yīng)橢圓短軸方向的最大口徑尺寸小于橢圓短軸尺寸，所述透鏡的橢圓形空氣隙的長(zhǎng)軸位于同一直線上，其制作步驟包括有紫外光刻掩模版的制備、X射線光刻掩模的制備、X射線光刻基體的準(zhǔn)備和最后鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的形成；(一)紫外光刻掩模版的制備包括以下步驟(A)用電子束刻蝕技術(shù)制作玻璃基底金屬鉻材料的光刻掩模版，所述光刻掩模版圖形為，由多個(gè)依次同軸順序排布的透鏡單元組成，所述透鏡單元由開有空氣隙的主體構(gòu)成的透鏡組成，所述透鏡的上側(cè)壁開有朝上的階梯狀臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階的階寬相等；所述透鏡的下側(cè)壁開有以軸為中心線與上側(cè)壁的臺(tái)階對(duì)稱布置的朝下的階梯狀臺(tái)階，所述透鏡開有所述的敞口空氣隙，所述空氣隙的形狀為橢圓形，所述空氣隙對(duì)應(yīng)橢圓短軸方向的最大口徑尺寸小于橢圓短軸尺寸，所述透鏡的橢圓形空氣隙的長(zhǎng)軸位于同一直線上；(二)X射線光刻掩模的制備包括以下步驟(B)在經(jīng)常規(guī)清潔處理的硅襯底的表面自旋涂覆一層聚酰亞胺涂料，烘烤固化；(C)在固化后的樣片表面生長(zhǎng)一層銅材料的電鑄陰極薄膜；(D)在電鑄陰極薄膜表面涂覆一層AZP4000光刻膠，對(duì)上述光刻膠進(jìn)行光刻、顯影、堅(jiān)模，形成光刻膠圖形結(jié)構(gòu)，光刻過程中采用的光刻掩模版為步驟(A)制備的光刻掩模版；(E)在光刻膠圖形結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)一層金屬薄膜，所述金屬薄膜材料為金，其厚度小于光刻膠的厚度；(F)去除光刻膠及其下面的電鑄陰極薄膜；
(G)進(jìn)行背面光刻并腐蝕硅襯底形成窗口，將開出窗口后的結(jié)構(gòu)作為X射線光刻掩模；(三)X射線光刻基體的準(zhǔn)備包括以下步驟(H)制備一份鈦片作為X射線光刻襯底，用NaOH/H2O2進(jìn)行表面處理；(I)在經(jīng)處理的鈦片表面涂敷PMMA材料作為X射線光刻膠，其厚度為200微米，對(duì)上述光刻膠進(jìn)行烘烤固化，形成X射線光刻基體；(四)最后鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的形成(J)在步驟(I)形成的X射線光刻基體上進(jìn)行X射線光刻、顯影，使用步驟(G)形成的X射線光刻掩模；(K)將模具材料填充到步驟(J)形成的樣片結(jié)構(gòu)中，模具材料為硅橡膠，并進(jìn)行固化處理；(L)取下固化成型的硅橡膠模具；(M)在硅橡膠模具中填充鋁材料，固化后并分離出模具，這時(shí)所保留的結(jié)構(gòu)包括有透鏡主體1，以及透鏡主體上的空氣隙2，即制成為鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件。
實(shí)施例2本實(shí)施例的技術(shù)方案在步驟(B)中所述的金屬材料電鑄陰極薄膜為鈦材料，步驟(I)中鈦片表面涂敷PMMA的厚度為500微米，其余步驟和實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3本實(shí)施例的技術(shù)方案在步驟(B)中所述的金屬材料電鑄陰極薄膜為鎳材料，步驟(I)中鈦片表面涂敷PMMA的厚度為2000微米，其余步驟和實(shí)施例1相同。
對(duì)上述3個(gè)實(shí)施例都進(jìn)行了工藝測(cè)試，從測(cè)試結(jié)果可以看出都滿足X射線組合透鏡的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的要求，其中實(shí)施例2的工藝測(cè)試效果最好。
權(quán)利要求
1.一種鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的制作方法，所述的一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件由包括多個(gè)依次同軸排布的透鏡單元，所述透鏡單元由開有空氣隙的主體構(gòu)成的透鏡組成，所述的透鏡主體的上側(cè)壁開有朝上的階梯狀臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階的階寬相等；所述透鏡主體的下側(cè)壁開有以軸為中心線與透鏡上側(cè)壁的臺(tái)階對(duì)稱布置的朝下的階梯狀臺(tái)階，所述透鏡開有所述的敞口空氣隙，所述空氣隙的截面形狀為半橢圓形，所述空氣隙對(duì)應(yīng)橢圓短軸方向的最大口徑尺寸小于橢圓短軸尺寸，所述透鏡單元的橢圓形空氣隙的長(zhǎng)軸位于同一直線上；其特征在于，所述的制備方法包括有紫外光刻掩模版的制備、X射線光刻掩模的制備、X射線光刻基體的準(zhǔn)備和最后鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的形成；(一)紫外光刻掩膜版的制備包括以下步驟(A)用電子束刻蝕技術(shù)制作玻璃基底金屬鉻材料的光刻掩模版，所述光刻掩模版圖形為，包括多個(gè)依次同軸排布的透鏡單元組成，所述透鏡單元由開有空氣隙的主體構(gòu)成的透鏡組成，所述的透鏡主體的上側(cè)壁開有朝上的階梯狀臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階的階寬相等；所述透鏡主體的下側(cè)壁開有以軸為中心線與透鏡上側(cè)壁的臺(tái)階對(duì)稱布置的朝下的階梯狀臺(tái)階，所述透鏡開有敞口空氣隙，所述空氣隙的截面形狀為半橢圓形，所述空氣隙對(duì)應(yīng)橢圓短軸方向的最大口徑尺寸小于橢圓短軸尺寸，所述透鏡單元的橢圓形空氣隙的長(zhǎng)軸位于同一直線上；(二)X射線光刻掩模的制備包括以下步驟(B)在經(jīng)常規(guī)清潔處理的硅襯底的表面自旋涂覆一層聚酰亞胺涂料，烘烤固化；(C)在固化后的樣片表面涂覆一層金屬材料的電鑄陰極薄膜；(D)在電鑄陰極薄膜表面涂覆一層AZP4000光刻膠，對(duì)上述光刻膠進(jìn)行光刻、顯影、堅(jiān)膜，形成光刻膠圖形結(jié)構(gòu)，光刻過程中采用的光刻掩模版為步驟(A)制備的光刻掩模版；(E)在光刻膠圖形結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)一層金屬材料作為X射線光刻掩模吸收體，所述金屬材料為金，其厚度小于光刻膠的厚度；(F)去除光刻膠及其下面的電鑄陰極薄膜；(G)進(jìn)行背面光刻并腐蝕硅襯底形成窗口，將開出窗口后的結(jié)構(gòu)作為X射線光刻掩模；(三)X射線光刻基體的準(zhǔn)備包括以下步驟(H)制備一份鈦片作為X射線光刻襯底，用NaOH/H2O2進(jìn)行表面處理；(I)在經(jīng)處理的鈦片表面涂敷PMMA材料作為X射線光刻膠，其厚度按所設(shè)計(jì)的X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的厚度設(shè)定，范圍在200微米到2000微米，對(duì)上述光刻膠進(jìn)行烘烤固化，形成X射線光刻基體；(四)最后鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的形成(J)在步驟(I)形成的X射線光刻基體上進(jìn)行X射線光刻、顯影，使用步驟(G)形成的X射線光刻掩模；(K)將模具材料填充到步驟(J)形成的樣片結(jié)構(gòu)中，模具材料為硅橡膠，并進(jìn)行固化處理；(L)取下固化成型的硅橡膠模具；(M)在硅橡膠模具中填充鋁材料，固化后并分離出模具，這時(shí)所保留的結(jié)構(gòu)包括有透鏡主體1，以及透鏡上的空氣隙2，即制成為鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件。
2.如權(quán)利要求1所述的鋁材料一維X折衍射微結(jié)構(gòu)器件的制作方法，其特征在于步驟(C)所述的金屬材料為銅、或鈦、或鎳、或金。
3.如權(quán)利要求1或2所述的鋁材料一維X折衍射微結(jié)構(gòu)器件的制作方法，其特征在于所述的步驟(G)用的腐蝕方法為濕法腐蝕方法。
全文摘要
一種鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的制作方法，所述的制備方法包括有紫外光刻掩模版的制備、X射線光刻掩模的制備、X射線光刻基體的準(zhǔn)備和最后鋁材料一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的形成。本發(fā)明優(yōu)化了一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的透鏡單元的空氣隙的面形形狀，采用橢圓面形，像差幾乎為零，焦斑質(zhì)量好；提供了一種針對(duì)鋁材料的一維X射線折衍射微結(jié)構(gòu)器件的制作工藝技術(shù)，器件深度尺寸較以前提高了幾十倍，因此大大提高了器件在深度方向上的集光口徑，從而提高了X射線輻射透過率。
文檔編號(hào)G03F1/22GK1786742SQ20051006188
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月7日
發(fā)明者樂孜純, 董文, 梁靜秋 申請(qǐng)人:樂孜純