软X射线聚焦波带片研究

论文摘要

软X射线显微镜由于其分辨率高、能在“水窗”波段对水中含碳物质形成天然的衬度、射线能量可与许多元素的吸收边对应等特点，在生命科学、环境科学和物理学等领域中有着广泛的应用。软X射线聚焦波带片对X射线色散和聚焦，软X射线成像波带片对样品成像，是软X射线显微镜中的关键元件。本论文结合国家同步辐射实验室的透过式软X射线显微镜对X射线波带片的迫切需要，以研制具有更高衍射效率和更长寿命的软X射线聚焦波带片为主要目标，系统地研究了软X射线聚焦波带片制作中的主要问题，提出了完整的工艺路线，并对位相型波带片与振幅型波带片的相对效率进行了测量。 软X射线聚焦波带片的研制包括光路设计、膜系设计、衬底选择、薄膜制备、亚微米光刻、X射线光刻、反应离子刻蚀、离子束刻蚀、电镀和化学腐蚀等多种微细加工技术。 本文对全息软X射线聚焦波带片的研制进行了系统的研究，提出了完整的工艺路线，并对位相型波带片与振幅型波带片的相对效率进行了测量。 本论文的研究工作和创新之处可概括为以下几点： （1） 软X射线自支撑型聚焦波带片的研制。自支撑型波带片的主要特点是利用金属加强筋来支撑波带片图形，而不是用薄膜来支撑波带片图形，可以提高元件在X射线辐射下的使用寿命。先利用激光全息-离子束刻蚀技术制作了以聚酰亚胺为衬底的金振幅型波带片，然后以该波带片为掩模，采用同步辐射光刻-离子束刻蚀的方法得到金属波带片图形，再电镀出金加强筋，制作了金自支撑波带片。 （2） 软X射线Ni和Ge位相型聚焦波带片的研制。位相型波带片相对振幅型波带片具有更高的衍射效率。通常大高宽比的Ge波带片图形可使用氟基气体的反应离子刻蚀得到，Ni波带片图形通常使用Ni的低应力电镀得到。如果图形高宽比较大，可以使用氮化硅薄膜为衬底。对于氮化硅薄膜，在利用热蒸发镀Ge膜时，为匹配应力应选择高压应力的氮化硅薄膜，而对电镀Ni图形，则应选用低应力的氮化硅薄膜。因为聚酰亚胺薄膜的弹性

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 软X射线显微术
• 1.2.1 软X射线显微镜和其他几种显微镜的比较
• 1.2.2. X射线显微术的种类
• 1.2.2.1 扫描透过式X射线显微镜
• 1.2.2.2 透过式X射线显微镜
• 1.2.2.3 其他软X射线显微术
• 1.2.3 软X射线显微术的应用
• 1.2.3.1 在生命科学上的应用
• 1.2.3.2 在物理学和化学上的应用
• 1.3 软X射线波带片概述
• 1.3.1 X射线波带片的主要类型
• 1.3.2 X射线波带片的主要制作方法
• 1.3.2.1 激光全息
• 1.3.2.2 电子束光刻
• 1.3.2.3 溅射切片波带片
• 1.3.2.4 电子束碳污染法
• 1.4 国内相关研究状况
• 1.5 选题意义和本博士论文的构成
• 参考文献
• 第二章 X射线波带片理论
• 2.1 引言
• 2.2 基本参数
• 2.3 波带片的效率分析方法
• 2.3.1 几何光学方法
• 2.3.2 标量方法
• 2.3.3 局域线性光栅模型
• 2.3.4 几种方法计算结果的简单比较
• 2.4 瑞利分辨率和焦深
• 2.5 制作误差对效率的影响
• 2.5.1 用复振幅叠加法和圆环衍射场叠加法分析误差
• 2.5.2 环带位置和宽度随机误差
• 2.5.3 扩散和粗糙度
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 软X射线聚焦波带片的研制
• 3.1 产生波带片图形的全息光路
• 3.2 波带片材料的选择
• 3.3 振幅型Au软X射线聚焦波带片的研制
• 3.3.1 全息光路的调节
• 3.3.2 聚酰亚胺衬底
• 3.3.3 离子束刻蚀转移图形
• 3.3.4 振幅型Au软X射线聚焦波带片的工艺流程
• 3.3.5 实验结果与分析
• 3.4 自支撑型Au软X射线聚焦波带片的研制
• 3.4.1 自支撑型Au软X射线聚焦波带片的特点
• 3.4.2 同步辐射光刻转移波带片图形
• 3.4.3 自支撑型Au软X射线聚焦波带片的工艺流程
• 3.5 Ni、Ge软X射线聚焦波带片的研制
• 3.5.1 氮化硅衬底
• 3.5.2 图形的转移方法
• 3.5.2.1 Ni图形的转移方法
• 3.5.2.2 Ge图形的转移方法
• 3.5.3 Ni、Ge软X射线聚焦波带片的工艺流程
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 软X射线聚焦波带片相对效率的检测
• 4.1 简介
• 4.2 软X射线聚焦波带片相对衍射效率的检测
• 4.2.1 相对衍射效率检测
• 4.2.2 基本光路
• 4.2.3 通光带宽
• 4.2.4 聚酰亚胺衬底厚度归一化
• 4.2.5 光源的稳定性
• 4.2.6 针孔直径的选择
• 4.3 实验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文主要结论与展望
• 5.2 本文的创新之处和有待进一步研究的问题
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢