SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法

摘要

一种SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法，包括以下步骤：(1)所述SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜的制作步骤；(2)所述SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的子镜的制作步骤；(3)所述SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的组装步骤：(M)将制成的母镜和子镜置于显微镜下，发现并夹住子镜的夹持臂，将子镜的嵌入镜体对准母镜的正方形孔，子镜上的N个嵌入镜体与母镜上的N个正方形孔一一对应，嵌入并轻轻压紧，完成镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的制作。本发明制作工艺精度高、得到的透镜光轴可高精度自校准、聚焦效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型X射线微结构光学器件--镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法，适用于SU-8材料二维聚焦X射线组合折射透镜制作的场合。

背景技术

X射线组合透镜是A.Snigirev在1996年提出的一种适用于高能X射线波段(即X射线辐射能量超过5keV)的、基于折射效应的X射线微结构光学器件。具有不需要折转光路、高温稳定性好且易冷却、结构简单紧凑、对透镜表面粗糙度要求低等优点。在超高分辨率X射线诊断科学和技术领域有广泛的应用前景。近年来，基于X射线组合透镜的各种X射线诊断技术研究非常活跃。比如用于样本中元素分布测量的高能X射线荧光微层析实验系统；利用铝材料X射线组合透镜的中子显微镜；以及用于单细胞检测、化学微分析、早期胸部肿瘤检测等的高能X射线实验系统等等。

最初的X射线组合透镜是采用计算机精密控制钻孔的方法，在铝金属材料上制作出几十至几百个顺序排布的圆柱状孔来实现的，对X射线进行一维聚焦，并利用其开展X射线探测和诊断技术研究。之后为了提高制作精度，多采用平面微制作技术(包括薄膜沉积，光学刻蚀、电子束刻蚀、离子束刻蚀等技术)制作截面形状为圆形、抛物面形、椭圆面形的X射线组合透镜，组合透镜材料扩展到铝、硅、锂、硼、碳、氧化铝、有机材料PMMA等等，聚焦的效果大幅度改善，只是这样的X射线组合透镜依然是一维聚焦的。然而，X射线探测和诊断技术应用领域，通常需要微米甚至亚微米量级的X射线探测光斑(即聚焦焦斑)，而不仅仅是聚焦焦线。因此必须发展能够对X射线辐射进行二维聚焦的X射线组合透镜。

目前二维聚焦的X射线组合透镜国内尚未见报道，国际上主要采取两种方式来达到对X射线二维聚焦的目的。一是将两个一维聚焦X射线组合透镜正交放置，分别对X射线束进行水平方向线聚焦和垂直方向线聚焦，以达到二维聚焦的目的(C.G.Schroer，et al.，Appl.Phys.Lett.，2003，vol.82，pp1485-1487)，只需要制作一维X射线组合透镜，而不涉及二维X射线组合透镜的制作技术。二是采用模压技术来制作二维聚焦的X射线组合透镜(B.Lengeler，et al.，Appl.Phys.Lett.，1999，vol.74，pp3924-3926)，即首先采用精密机械制造技术制作旋转抛物面形的透镜折射单元模具，然后在铝材料上压制一个个单个的组合透镜折射单元，最后将组合透镜折射单元一个一个顺序排列组合起来形成二维聚焦的X射线组合透镜。

发明内容

为了克服已有二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法的制作工艺精度不够高、得到的透镜校准精度低、聚焦效率低的不足，本发明提供一种制作工艺精度高、得到的透镜光轴可高精度自校准、聚焦效率高的SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：

(1)所述SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜的制作步骤：

(A)用电子束刻蚀技术制作玻璃基底金属铬材料的母镜的光刻掩模版，所述母镜的光刻掩模版由多个顺序间隔同轴排布的第一圆孔和正方形孔组成，所述正方形孔共有N个，所述第一圆孔直径为φ，所述正方形孔的边长为L+δ；

(B)对玻璃基板进行清洁处理；

(C)在经步骤(B)处理的玻璃基板表面自旋涂覆一层厚度为L的SU-8光刻胶；

(D)对涂覆好的SU-8光刻胶依次进行曝光、显影和坚膜，使用步骤(A)制成的母镜的光刻掩模版，制成镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜；

(2)所述SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的子镜的制作步骤：

(E)用电子束刻蚀技术制作玻璃基底金属铬材料的子镜的光刻掩模版，所述子镜的光刻掩模版包括夹持臂和布置在夹持臂上的多个同轴排布的正方形嵌入镜体，所述正方形嵌入镜体共有N个，与所述母镜的正方形孔个数相同，所述正方形嵌入镜体中有第二圆孔，所述第二圆孔直径为φ，第二圆孔的圆心与所述正方形嵌入镜体的中心重合，所述正方形嵌入镜体的边长为L，所述正方形嵌入镜体与所述夹持臂为一体，所述夹持臂的厚度为t；

(F)对硅片衬底进行清洁处理；

(G)在经步骤(F)处理的硅片衬底表面自旋涂覆一层BP212光刻胶，并进行前烘；

(H)在经步骤(G)处理的样片表面生长一层200-300纳米的金属铜薄膜；

(I)在经步骤(H)处理的样片表面自旋涂覆一层厚度为L的SU-8光刻胶；

(J)对涂覆好的SU-8光刻胶依次进行曝光、显影和坚膜，使用步骤(E)制成的子镜的光刻掩模版；

(K)使用BP212光刻胶去胶剂去除BP212光刻胶，同时去掉硅片衬底；

(L)使用化学腐蚀铜的方法去除铜薄膜，制成镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的子镜；

(3)所述SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的组装步骤：

(M)将制成的母镜和子镜置于显微镜下，发现并夹住子镜的夹持臂，将子镜的嵌入镜体对准母镜的正方形孔，子镜上的N个嵌入镜体与母镜上的N个正方形孔一一对应，嵌入并轻轻压紧，完成镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的制作。

进一步，所述步骤(A)中，所述第一圆孔的圆心与正方形孔的中心之间的距离为L，所述步骤(E)中，所述两个正方形嵌入镜体之间的距离为L。

再进一步，所述φ的范围为40微米到240微米，L的范围为50微米到250微米，δ的范围为1微米到2微米，N的范围为20到100个，t的范围为50微米到100微米。

本发明的技术构思为：设计了一种镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，包括玻璃基板和母镜，所述母镜安装在所述玻璃基板上，所述母镜包括母镜主体和在所述母镜主体上顺序间隔布置的圆柱形空腔和正方形空腔，各个圆柱形空腔的中心和正方形空腔中心均位于所述母镜主体的长度方向的同一直线上(同轴排布)，所述圆柱形空腔设有用以对X射线进行折射以达到对X射线辐射沿第一圆柱轴线垂直方向的聚焦的第一圆柱面，各个正方形空腔内嵌入嵌入镜体，所述嵌入镜体的截面呈正方形，所述嵌入镜体正中设有圆柱形通孔，所述圆柱形通孔设有用以对X射线进行折射以达到对X射线辐射沿第二圆柱轴线垂直方向的聚焦的第二圆柱面，所述第一圆柱面与所述第二圆柱面相互呈正交结构。

多个嵌入镜体安装在夹持臂上，相邻嵌入镜体的中心间距与相邻正方形空腔的中心间距相等。所述嵌入镜体为正方体，所述圆柱形通孔的直径比所述正方体边长小，所述正方体的中心线与所述圆柱形通孔的轴线重合，所述正方形空腔的边长比所述正方体边长大，所述圆柱形空腔的深度和正方形空腔的深度均与所述正方体的边长相等。所述正方形空腔的中心和圆柱形空腔的中心之间的距离与所述正方体的边长相等。所述圆柱形空腔的直径比所述正方体的边长小。所述圆柱形空腔的直径和所述圆柱形通孔的直径相等。

所述母镜和子镜，经在显微镜下组装后，即形成本发明镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜(如图1所示)，图1所示坐标系的z轴为所述镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的光轴。所述镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的二维聚焦功能，由其内的一个个二维聚焦折射单元(如图1c所示)完成，所述二维聚焦折射单元，由一个沿y轴、一个沿x轴的两个相互垂直的圆柱面共同构成。入射X射线束沿着如图1所示坐标系的z轴方向射向镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，经一个个二维聚焦折射单元的多次折射，从所述镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜出射后，形成二维聚焦焦斑。

本发明的有益效果主要表现在：1、发明了一种新型X微结构器件--镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法，用于对该新型X射线器件的实际制作；2、镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜具有单个器件实现对X射线束二维聚焦的功能，且校准精度高、方便；3、采用平面微细加工技术，器件深宽比大，对材料限制小，可以一体化、一次性精密加工成型。

附图说明

图1a是本发明镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的正视图。

图1b是本发明镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的俯视图。

图1c是本发明镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜中二维聚焦折射单元的局部I的放大图。

图1d是本发明镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜中二维聚焦折射单元的局部I的俯视图。

图2a是本发明镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜的光刻掩模版示意图

图2b是本发明镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的子镜的光刻掩模版示意图

其中：o表示直角坐标系的原点，x、y、z分别代表直角坐标系的x轴、y轴和z轴，g表示光轴，a为光刻掩模版的遮光部分。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1a～图2b，一种SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的制作方法，具体步骤如下：

(1)所述SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜的制作步骤：

(A)用电子束刻蚀技术制作玻璃基底金属铬材料的母镜的光刻掩模版，所述母镜的光刻掩模版图形如图2a所示，由多个依次沿z轴同轴排布的圆孔和正方形孔组成，所述正方形孔共有N个，与所述子镜的嵌入镜体个数相同，所述圆孔直径为φ，所述正方形孔的边长为L+δ；

(B)对玻璃基板进行清洁处理；

(C)在经步骤(B)处理的玻璃基板表面自旋涂覆一层厚度为L的SU-8光刻胶；

(D)对涂覆好的SU-8光刻胶依次进行曝光、显影和坚膜，使用步骤(A)制成的光刻掩模版，制成镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜。

(2)所述SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的子镜的制作步骤：

(E)用电子束刻蚀技术制作玻璃基底金属铬材料的子镜的光刻掩模版，所述子镜的光刻掩模版图形如图2b所示，由多个依次沿z轴同轴排布的正方形嵌入镜体和夹持臂组成，所述正方形嵌入镜体共有N个，与所述母镜的正方形孔个数相同，所述正方形嵌入镜体中有圆孔，所述圆孔直径为φ，圆孔的圆心与所述正方形嵌入镜体的中心重合，所述正方形嵌入镜体的边长为L，所属正方形嵌入镜体与所述夹持臂为一体，所属夹持臂的厚度为t；

(F)对硅片衬底进行清洁处理；

(G)在经步骤(F)处理的硅片衬底表面自旋涂覆一层BP212光刻胶，并进行前烘；

(H)在经步骤(G)处理的样片表面生长一层200纳米的金属铜薄膜；

(I)在经步骤(H)处理的样片表面自旋涂覆一层厚度为L的SU-8光刻胶；

(J)对涂覆好的SU-8光刻胶依次进行曝光、显影和坚膜，使用步骤(E)制成的光刻掩模版；

(K)使用BP212光刻胶去胶剂去除BP212光刻胶，同时去掉硅片衬底；

(L)使用常规化学腐蚀铜的方法去除铜薄膜，制成镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的子镜。

(3)所述SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的组装步骤：

(M)将制成的所述SU-8材料镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的母镜和子镜置于显微镜下，发现并夹住子镜的夹持臂，将子镜的嵌入镜体对准母镜的正方形孔，注意子镜上的N个嵌入镜体与母镜上的N个正方形孔一一对应，嵌入并轻轻压紧，完成镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的制作。

所述步骤(A)中，所述第一圆孔的圆心与正方形孔的中心之间的距离为L，所述步骤(E)中，所述两个正方形嵌入镜体之间的距离为L。

本实施例的镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，包括玻璃基板，一个位于玻璃基板上的母镜和一个嵌入母镜的子镜共同组成(如图1所示)。所述玻璃基板作为镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的底座，所述母镜制作在玻璃基板上，母镜包括母镜主体材料和在主体材料上顺序排列的圆柱形空腔和正方形空腔共同构成，所述正方形空腔为嵌入子镜所用。所述子镜包括夹持臂和嵌入镜体共同组成，所述嵌入镜体为正方形，正方形正中有圆柱形通孔，所述子镜的嵌入镜体从所述母镜的上方嵌入母镜的正方形空腔中。所述母镜中的圆柱形空腔和所述子镜中的圆柱形通孔的圆柱面完成对X射线的折射，达到对X射线辐射沿圆柱轴线垂直方向的聚焦。所述镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜的二维聚焦功能，由其内的一个个二维聚焦折射单元(如图1c所示)完成，所述二维聚焦折射单元，由一个沿y轴、一个沿x轴的两个相互垂直的圆柱面共同构成。入射X射线束沿着如图1所示坐标系的z轴方向射向镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜，经一个个二维聚焦折射单元的多次折射，从所述镶嵌式二维聚焦X射线组合折射透镜出射后，形成二维聚焦焦斑。

其中：φ为40微米，L为50微米，δ为1微米，N为20个，t为50微米。

实施例2

参照图1a～图2b，所有制作步骤与实施例1相同，只是其中φ为240微米，L为250微米，δ为2微米，N为100个，t为100微米，步骤(H)中铜膜厚度为250纳米。

实施例3

参照图1a～图2b，所有制作步骤与实施例1相同，只是其中φ为200微米，L为210微米，δ为1.5微米，N为80个，t为80微米，步骤(H)中铜膜厚度为300纳米。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。