[發明專利]用于同步輻射軟X射線聚焦成像的Kinoform介質透鏡及其制備方法

在審

• 申請號: 202110058816.X
• 申請日: 2021-01-17
• 公開（公告）號: CN112885499A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 陳宜方;童徐杰;韋璐
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G21K1/06
• 分類號: G21K1/06;G03F7/20
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于電子束光刻技術領域，具體為用于同步輻射軟X射線聚焦成像的Kinoform介質透鏡及其制備方法。本發明的Kinoform介質透鏡結構包括硅基底、薄膜窗口、具有斜面形貌的二維或者三維的介質材料Kinoform透鏡；制備步驟包括：在薄膜襯底上旋涂光刻膠，利用電子束灰度光刻技術在光刻膠上曝光形成Kinoform透鏡的設計圖形，最后顯影得到Kinoform透鏡。本發明方法可用于制備一類具有類似于鋸齒波帶結構的X射線聚焦成像透鏡，即圓形Kinoform平板透鏡，實現對軟X射線的高效率聚焦和成像；具有工藝穩定可靠、制備周期縮短和與現有的光刻工藝兼容等優點。制備的透鏡適合于對生物細胞、有機材料和介質材料等的X射線高襯度三維成像。

技術領域

本發明屬于電子束光刻技術領域，具體涉及用于同步輻射軟X射線聚焦成像的Kinoform介質透鏡及其制備方法。

背景技術

同步輻射X射線顯微成像技術是當前材料、物理、生物、醫學等基礎學科研究的重要方法之一。在X射線成像系統中X射線聚焦光學元件是至關重要的組成部分。在軟X射線，尤其是對生物成像具有天然襯度的水窗口波段（280~530eV），以金屬菲涅耳波帶片（FZP）為主的傳統衍射聚焦透鏡在該波段吸收系數較大，同時其衍射聚焦的原理進一步限制了其聚焦效率，導致實際聚焦效率均低于5%。而折射Kinoform透鏡理論效率可以達到100％。即使在易吸收的軟X射線波段，效率仍然可以遠高于FZP的理論極限。國際上Kinoform透鏡的研發主要集中在能量為5-10 keV的硬X射線，透鏡材料以硅或者金為主，通常采用深硅刻蝕工藝制備聚焦方向平行于襯底的一維Kinoform透鏡，但刻蝕深度存在局限性。此外，兩個一維Kinoform透鏡正交疊加才能實現點聚焦，導致效率下降，且光路調節困難。由于上述問題，直到最近兩年，Kinoform透鏡才應用于同步輻射小角 X 射線光子關聯譜、薄層材料反射譜和動量分析譜等方面。

為了打破軟X射線波段聚焦透鏡效率低、工藝制備困難的瓶頸，本發明提出使用在軟X射線波段有低吸收系數的光刻膠介質材料為透鏡本體，通過電子束灰度曝光的方法一步制備得到Kinoform透鏡。該設計加工方案不僅適用于制備二維Kinoform透鏡，而且可以實現圓形Kinoform透鏡的加工，從而充分發揮Kinoform透鏡的高效率聚焦優勢。軟X射線波段的高效率聚焦，在同步輻射的微納探針、全場顯微成像、X射線共焦顯微成像和新型X射線熒光CT等多個X射線光學領域將有廣泛的應用前景，將大幅提升我國同步輻射檢測技術水平，對我國的基礎學科研究意義重大。

此工藝不僅適用于軟X射線波段的Kinoform透鏡制備，還可以用于該能量下的其他聚焦和成像元件的制備。

發明內容

本發明的目的在于提出一種簡單、穩定、高效的用于同步輻射軟X射線聚焦成像的Kinoform介質透鏡及其制備方法，以解決上述背景技術中提到的問題。

本發明提出的用于軟X射線聚焦成像的高效率Kinoform介質透鏡，其結構從下到上依次為：硅基底，薄膜窗口，具有斜面形貌的二維或者三維的介質材料Kinoform透鏡；其中，硅基底、薄膜窗口分別起支撐和透光作用，介質材料Kinoform透鏡正面放置在薄膜上；所述透鏡的匯聚方向垂直于薄膜窗口；軟X射線透過薄膜與透鏡之后聚焦；低吸收系數的介質材料的kinoform結構能夠實現軟X射線的高效率聚焦。

本發明中，所述透鏡材料使用對能量為200~2000eV的軟X射線有較高透過率的材料，吸收系數小于10^-2，該材料包括但不限于HSQ或PMMA。

本發明中，所述透鏡材料使用對電子敏感的材料，以便用于電子束灰度光刻以及顯影，該材料包括但不限于HSQ或PMMA。

本發明中，所述透鏡為長條形或圓形Kinoform透鏡，其變周期結構具有傾斜形貌，對X射線具有匯聚作用；單個周期的截面形貌包括但不限于直角三角形、直角梯形、月牙形，以及多種形狀的混合。

本發明中，所述薄膜窗口材料包括但不限于氮化硅、二氧化硅或硅。