CN101558454A - 包括具有各自的晶体取向的多个层的x射线聚焦光学器件 - Google Patents

包括具有各自的晶体取向的多个层的x射线聚焦光学器件 Download PDF

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Abstract

一种用于接收和重定向X射线的衍射X射线光学器件。该光学器件包括至少两个层，所述层具有类似的或不同的材料组成和类似的或不同的晶体取向。所述层中的每一个显示出衍射效应，且它们的整体效应对所接收的X射线上提供衍射效应。在一个实施例中，所述层为硅，且采用绝缘体上硅键合技术将所述层键合到一起。在另一实施例中，可以采用粘结键合技术。该光学器件可以为曲面、单色光学器件。

Description

包括具有各自的晶体取向的多个层的X射线聚焦光学器件
相关申请的交叉参考
本申请要求2006年11月16日提交的美国临时申请No.60/866,134的优先权。在这里通过参考将该临时申请全部并入此文。
技术领域
本发明通常涉及一种X射线光学器件，尤其涉及一种改进的X射线聚焦晶体光学器件，所述光学器件具有多个层，每个层具有预定的晶体取向。
背景技术
在X射线分析系统中，高X射线光束强度和小的光斑尺寸对于减小样品的曝光时间、提高空间分辨率，从而改善信背比和X射线分析测量结果的总质量来说是非常重要的。过去，诸如旋转阳极X射线管或同步加速器的昂贵的和大功率X射线源是用于产生高强度X射线光束的唯一选择。最近，X射线光学器件的发展已经使得其能够通过聚焦X射线将来自X射线源的发散辐射收集起来。X射线聚焦光学器件和小的、低功率X射线源的组合能够产生具有与利用更昂贵的设备实现的强度相当的强度的X射线光束。结果，基于小的，不昂贵的X射线源、激发光学器件和采集光学器件的组合的系统已经极大地扩展了X射线分析设备在例如小型实验室和现场中的可用性和能力。
如上所述，在激发和/或检测路径中X射线光束的单色化也是有用的。一种现有的X射线单色化技术是基于例如锗(Ge)或硅(Si)晶体的光学晶体上的X射线的衍射。曲面晶体能够提供将来自X射线源的发散辐射反射至目标上，以及提供到达所述目标的单色化光子。单曲面晶体和双曲面晶体(DCC)是已知的两种常见的曲面晶体。采用本领域公知的如罗兰圆几何结构，单曲面晶体提供二维聚焦，使X射线辐射在第三或正交平面上没被聚焦。双曲面晶体对来自源的X射线提供三维聚焦到点目标。在本领域中，该三维聚焦被称为“点对点”聚焦。
共同转让的美国专利No 6,285,506和7,035,374披露了用于X射线聚焦和单色化的曲面X射线光学器件的各种配置。通常，这些专利公开了形成曲面光学元件的材料(例如Si)的柔性层。通过光学器件的晶体结构来确定光学器件的单色功能和透射效率。本发明在曲面晶体光学器件的形成方面提供某些改进，提供重要的性能优点。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，并提供其他的优点，本发明一方面是一种用于接收和重定向X射线的光学器件，所述光学器件具有至少两层，所述层具有类似的或不同的材料组成和类似的或不同的晶体取向。所述层中的每一个显示衍射效应，且他们的整体效应对所接收的X射线提供衍射效应。在一个实施例中，所述层为硅，且采用绝缘体上硅键合技术将所述层键合到一起。在另一实施例中，可以采用粘结键合技术。所述光学器件可以是曲面、单色光学器件。
另一方面，本发明是一种用于形成X射线光学器件的方法，采用绝缘体上材料键合技术将至少两个材料层键合到一起，所述至少两个层中的每一个具有预定的晶体取向。在一个实施例中，所述两个层可以形成曲面的、单色光学器件。
此外，通过本发明的技术来实现其他特征和优点。这里将具体描述本发明的其他实施例和方面，并将其认为是请求保护的发明的一部分。
附图说明
在说明书的结论部分中特别地指出且在权利要求书中明确地请求保护作为本发明的主题。结合附图，从以下具体描述中本发明的前述和其他目的、特征和优点将显而易见，附图中：
图1a-i描述了根据本发明一方面在相应处理步骤中层状光学器件结构的形成；
图2描述了根据本发明一方面完成的4层光学器件结构；
图3描述了采用上述层状结构的点聚焦、双曲面单色光学器件的一个实施例；
图3A为沿着线A-A得到的图3的光学器件的截面正视图；
图4示出了采用多个上述层状结构的实例(类似的或不同的)的聚焦、曲面单色光学器件(并示出了罗兰圆几何结构)的另一可能实施例。
具体实施方式
参考图1a-i，公开了一种X射线光学器件结构和用于其形成的示范性技术。(在这些附图中，仅出于描述的目的，夸大了其尺寸，且无需按比例示出。)如同以下进一步所讨论，根据本发明形成的光学器件包括例如由硅构成的多个层，每个层具有不同的、预定的晶体取向，且采用例如绝缘体上硅键合技术键合在一起。
在本技术领域中，绝缘体上硅(SOI)键合技术是公知的，如Celler等人2003年5月1日在Journal of Applied Physics，Volume 93，Number 9中的“Frontiers of Silicon-on-Insulator”所描述的，在此通过参考将其全部并入。通常，SOI技术涉及采用例如范德华力的原子/分子级的分子键合，以及可能的化学辅助键合。在此，术语“绝缘体上材料”广义上用来暗示该技术总畴，而不将材料限于硅。在一个实施例中，本发明采用成熟的SOI工艺来制造具有多个层的曲面单色X射线光学器件，每个层具有可能不同的晶体取向。
提供具有第一晶体取向(由哈希图形(hash pattern)的方向表示)的第一衬底10(例如，硅或锗)。采用公知的诸如热生长(参见Celler)的工艺在衬底10上形成氧化层20。采用上述的SOI键合技术将具有第二晶体取向的第二层30(例如硅)键合至层10。接下来，对第二层进行抛光100(采用标准的平面抛光工艺，例如化学机械抛光)，留下层30’。在一个实施例中，对于硅层来说最终层厚度为1-5μm，而对于中间氧化层来说其厚度约为0.1-0.5μm。
采用另一氧化层40和另一层50(同样，具有其自己定制的晶体取向)重复该工艺。接着对层50进行抛光100，留下层50’。
采用另一氧化层60和另一层70(同样，具有其自己定制的晶体取向)再次重复该工艺。接着对层70进行抛光100，留下层70’。
图2示出了最终的薄的(约20-50μm)、层状结构110，其具有四个完成的层，每个层具有其自己的、预定的晶体取向。尽管在该示例中示出了四层，但根据设计参数本发明能够包括任意的多个层。并且，不是所有的取向都需要是不同的。通过每个层的预定晶体取向，在总体上能够优化该结构的衍射特性。
根据本发明，每个单独的晶体层提供单独的衍射效应。能够对这些衍射效应单独建模，且接下来根据最终的设计标准能够预知和实现他们在最终的光学器件中的整体效应。这不同于公知的具有多个埃/纳米厚度的层，而每个层没有单独的衍射效应的“多层”光学器件，但是其中，这些层之间的相互作用导致综合的衍射效应。
在本发明的另一方面中，能够将不同材料组成的层应用在同一个光学器件中，在这些层(或其混合物)之间具有相同的或不同的晶体取向；并且能够采用类似的(或相同的)材料组成的层，同样在这些层(或其混合)之间具有相同或不同的晶体取向。在本发明的这些方面中的任何一个中，尤其其中上述的绝缘体上材料的方法可能是不适用的，与上述的针对绝缘体上材料键合技术的一系列步骤一致，能够将粘贴(例如环氧树脂)层用来键合相邻的晶体层。
接下来，结构110能够形成曲面的、单色光学器件，包括双曲面晶体(DCC)光学器件。在图3和3A中示出了该双曲面光学器件的一个实施例，且在2004年9月4日公布的美国专利No 6,285,506B1中详细描述了该双曲面光学器件，在此通过参考将其全部并入。
在图3的实施例中，双曲面光学器件包括柔性层110、厚环氧树脂层112和垫板114。在图3A中的截面正视图中进一步示出了该器件的结构。
在该器件中，环氧树脂层112将柔性层110固定和限制为具有曲率的所选择几何结构。优选地，环氧树脂层的厚度大于20μm，而柔性层的厚度大于5μm。此外，典型地环氧树脂层的厚度比柔性层的厚度要厚。柔性层能够是如下多种材料中一种，包括：云母、Si、Ge、石英、塑料、玻璃等。环氧树脂层112能够是具有103到104泊的粘度和30到60分钟的使用时间的膏状物。垫板114是能够与环氧树脂很好地键合的固体对象。垫板的表面118能够是平面的(图3A)或曲面的，且其确切的形状和表面对于柔性层的形状和表面来说并不重要。在图3&3A的器件中，不需要特别制备的垫板。
包围柔性层的可以是保护材料116的薄片，例如薄塑料，将其用在柔性层边缘周围(参见图3A)。该保护材料保护制造模具，使得模具可重复使用，并且对于与柔性层同样大或还小的模具，或者牺牲磨具(sacrificialmold)来说，保护材料不是必需的。
诸如双曲面晶体(DCC)光学器件的双曲面光学器件当前在材料分析中用来收集和聚焦来自大的立体角的X射线，并增加来自X射线源的可用流量。通过与小X射线源一起使用的环状晶体的衍射能够实现特有的X射线的三维聚焦。图4示出了该点对点的约翰娜(Johan)几何结构。每个晶体光学元件200的衍射平面能够与晶体表面平行。如果包含点源和焦点的焦圆210半径为R0，则晶体表面例如在焦圆平面中曲率半径R为2R0和在垂直平面中曲率半径为r＝2R0sin2θBrag，其中半径以在源和焦点之间所画线段为中心。从源发散并且以晶体的摇摆曲线以内的角度入射到晶体表面的X射线将有效地反射到焦点或像点。对基于DDC的系统来说，焦点处单色流量密度比具有更高功率源和类似的源到目标的距离的常规系统的流量密度高出几个数量级。该增加对包括(如这里所述)X射线荧光和衍射的许多不同应用产生非常高的灵敏度。
作为进一步的改进，图4示出了光学器件可以包括多个双曲面晶体光学元件200，所述光学元件200在罗兰圆周围以网格图形进行布置，如上所述每个元件由柔性结构110形成(具有类似或不同的元件对元件的层结构)。可以布置该结构以经由布拉格衍射来优化对发散辐射的捕获和重定向。一方面，具有可变的原子衍射平面取向的多个光学晶体能够用来朝着焦点捕获和聚焦发散的X射线。另一方面，相对于X射线源能够定位晶体的二维或三维矩阵以三维地捕获和聚焦X射线。在上述被并入的2006年4月25日公布的美国专利No 7,035,374B1中提供了该结构进一步具体的描述。
本发明的层状光学结构提供以下优点：
-由层的取向设计来控制光学器件的马赛克性(Mosaicity)和摇摆曲线。
-增加光学器件的效率-每个层(具有其定制的取向)能够具有其自己的视场，产生增加效率并允许光学器件容纳较大的源光斑尺寸的合成视场。并且，通过容纳较大的源光斑尺寸，系统实现更容易。
-能够控制光学器件的带宽(即，单色化)，并且，有利地，在某些单色应用中能够增加其带宽。
这里描述的工艺步骤仅为示例。在不脱离本发明的精神的情况下，对这里描述的示图或步骤(或操作)可以有多种变型。例如，可以不同的顺序来执行这些步骤，或可以增加、删除或修改这些步骤。将所有的这些变型认为要求保护的本发明的一部分。
尽管这里已经具体示出和描述了优选实施例，但是在不脱离本发明的精神的情况下，相关领域的技术人员能够做出各种修改，添加，替换等将是显而易见的，因此这些均应被认为在作为以下权利要求所限定的本发明的范围之内。

Claims (24)

1、一种用于接收和重定向X射线的衍射光学器件，包括：
至少两个晶体层，所述层具有类似的材料组成和不同的晶体取向。
2、根据权利要求1所述的光学器件，其中，采用绝缘体上材料键合技术将所述层键合到一起。
3、根据权利要求2所述的光学器件，其中，所述层为硅，并采用绝缘体上硅键合技术将所述层键合到一起。
4、根据权利要求1所述的光学器件，其中，采用粘结技术将所述层键合到一起。
5、根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述光学器件为曲面光学器件。
6、根据权利要求5所述的光学器件，其中，所述光学器件为曲面、单色光学器件。
7、根据权利要求1所述的光学器件，其中，各层根据其晶体取向显示出X射线衍射特性。
8、一种用于接收和重定向X射线的衍射光学器件，包括：
至少两个晶体层，所述层具有类似的材料组成和类似的晶体取向。
9、根据权利要求8所述的光学器件，其中，采用绝缘体上材料键合技术将所述层键合到一起。
10、根据权利要求9所述的光学器件，其中，所述层为硅，并采用绝缘体上硅键合技术将所述层键合到一起。
11、根据权利要求8所述的光学器件，其中，采用粘结技术将所述层键合到一起。
12、根据权利要求8所述的光学器件，其中，所述光学器件为曲面、单色光学器件。
13、根据权利要求8所述的光学器件，其中，各层根据其晶体取向显示出X射线衍射特性。
14、一种用于接收和重定向X射线的衍射光学器件，包括：
至少两个晶体层，所述层具有不同的材料组成并具有类似的或不同的晶体取向。
15、根据权利要求14所述的光学器件，其中，采用绝缘体上材料键合技术将所述层键合到一起。
16、根据权利要求14所述的光学器件，其中，采用粘结技术将所述层键合到一起。
17、根据权利要求14所述的光学器件，其中，所述光学器件为曲面、单色光学器件。
18、根据权利要求14所述的光学器件，其中，各层根据其晶体取向显示出X射线衍射特性。
19、一种形成用于接收和重定向X射线的衍射光学器件的方法，包括：
采用绝缘体上材料键合技术将至少两个材料层键合到一起，所述至少两个层中的每一个具有预定的晶体取向，以及类似的或不同的材料组成。
20、根据权利要求19所述的方法，还包括将所述至少两个层形成曲面光学器件。
21、根据权利要求19所述的方法，其中，所述曲面光学器件为曲面、单色光学器件。
22、一种形成用于接收和重定向X射线的衍射光学器件的方法，包括：
采用粘结键合技术将至少两个材料层键合到一起，所述至少两个层中的每一个具有预定的晶体取向，以及类似的或不同的材料组成。
23、根据权利要求22所述的方法，还包括将所述至少两个层形成曲面光学器件。
24、根据权利要求22所述的方法，其中，所述曲面光学器件为曲面、单色光学器件。
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