高高宽比X射线聚集衍射光学元件研究

摘要

高高宽比X射线聚焦衍射光学元件是硬X射线成像系统的核心光学元件,在激光惯性约束聚变等离子体诊断、X射线天文望远镜等领域有着广泛的应用。高高宽比的X射线聚焦衍射波带片作为硬X射线成像元件的典型代表,在具有空间分辨率高,应用范围广等诸多优点的同时其制作工艺步骤之长、难度之大也制约着它的进一步发展。同时,对于新型衍射光学元件—光子筛的理论研究,由于其特殊的结构具有抑制高阶衍射和提高分辨率的优良特性越来越受到重视,但是国内外对于硬X射线聚焦光子筛的制备工作还没有开展,本文瞄准我国在等离子体诊断、空间探测、同步辐射装置等重大工程的需求,采用电子束光刻和X射线光刻技术相结合的手段,紧紧围绕制作工艺中的一系列的关键问题,通过大量的试验进行分析和探索,最终成功制备了最外环宽度为500纳米,金吸收体厚度为3.6微米高宽比达到7.2的硬X射线聚焦波带片和最外环小孔直径为350纳米,金吸收体厚度为2.33微米高宽比达到6.7的硬X射线聚焦光子筛。
　　本文首先介绍了波带片和光子筛成像的原理以及国内外的发展趋势,接着介绍了波带片的制备工艺并着重研究了电子束光刻以及聚酰亚胺薄膜制备等关键技术,然后介绍了光子筛的制备工艺并着重研究了X射线光刻以及微电镀等核心技术。
　　高高宽比结构图形易倒塌的问题是制约硬X射线聚焦光学元件制备工艺发展的根本问题,而导致这个问题的根本原因是液体张力的存在以及光刻胶与衬底的粘附性较差。本论文以解决这些问题为出发点,通过大量的试验研究工作,摸索出一套行之有效的高高宽比X射线聚焦波带片和光子筛的制备技术,其中包括:通过制备聚酰亚胺薄膜提高X射线透射率以及工艺宽容度;采用电子束光刻制备高分辨率X射线曝光掩模;采用X射线光刻复制高高宽比波带片和光子筛结构;通过设计具有支撑结构的掩模版版图探索解决电子束临近效应导致X射线复制中的易倒塌的问题;微电镀制备厚金吸收体图形技术。
　　在电子束光刻制备高分辨率掩模图形中,分析测试了不同抗蚀剂的特性参数并解决了旋涂厚胶产生棉絮状物的问题,根据需要制备了高质量聚酰亚胺薄膜,考虑了电子束曝光中的临近效应对于图形的影响,利用微光刻图形处理技术设计具有支撑结构的光子筛版图探索解决图形易倒塌问题。成功制备了X射线聚焦波带片和光子筛的掩模。
　　X射线光刻复制工艺中,在北京和合肥国家同步辐射实验室的光刻站上展开工艺研究,通过控制曝光剂量和显影时间以及微电镀工艺的试验条件,成功制备了高高宽比的波带片和光子筛,并以光子筛为对象深入探索了解决更高高宽比图形制备的全水电镀和旋涂增粘剂等工艺,取得了具有参考价值的实验结果。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章绪论

§1.1 X射线聚焦衍射光学元件应用背景

§1.2 X射线的发展及基本性质

§1.3 X射线聚焦功能的实现及其发展

§1.4微光刻与微/纳米加工技术

§1.5论文的主要工作

第二章X射线聚焦衍射光学元件的原理

§2.1 X射线聚焦波带片的原理和发展

§2.2 X射线聚焦光子筛的提出及原理

第三章高高宽比X射线聚焦波带片的制备及工艺研究

§3.1电子束光刻制备X射线掩模

§3.2 X射线复制高高宽比X射线波带片

第四章高高宽比X射线聚焦光子筛的制备及工艺研究

§4.1光学波段光子筛的制备

§4.2高高宽比X射线聚焦光子筛的制备

第五章工作展望及总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文