CN105093369A - 正负相移双金属波带片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正负相移双金属波带片及其制备方法，所述正负相移双金属波带片包含：第一金属材料，所述第一金属材料具有正相移；第二金属材料，所述第二金属材料在工作能量点具有负相移；所述第一金属材料与所述第二金属材料交替排列，以使得所述第二金属材料替代传统波带片的一个周期中的空白部分。

Description

正负相移双金属波带片

技术领域

本发明涉及X射线显微成像领域，更具体地涉及一种正负相移双金属波带片。

背景技术

波带片是X射线波段最常用的衍射光学元件之一，常用来聚焦X射线以及充当成像系统的物镜。波带片实质上就是一圆形的衍射光学元件，它是由线密度径向增加的明暗相间的同心圆环构成(如图1所示)。根据菲涅尔圆孔衍射理论，如果半径按式子(n为环数，λ为波长，f为焦距)，把圆孔连续分割成一个个环带，把奇数或者偶数环带遮住，就构成一个菲涅尔波带片。构成波带片的环带称为半波带，任意两个相邻半波带到达焦点的光程差为λ/2。这意味着通过两个相邻半波带的光波到达焦点时的相位差为π，在焦点处会发生相互减弱的干涉。因此，波带片由透明和不透明相间的半波带构成，达到相干增强的目的。如果把波带片不透明半波带变成相移π的透明半波带，即产生光程为λ/2的透明半波带，这样通过两个相邻半波带的光波到达焦点时的相位差不是0就是2π，通过波带片的光将全部在焦点处形成相互加强的干涉，这就是普通相位型波带片的原理。[参考：同步辐射光源及其应用，下册，P686]

波带片两个最重要的参数是最外环宽度以及环厚度。波带片成像系统的空间分辨率(△)由波带片的最外环宽度(dr_N)决定，△＝1.22dr_N。在一定范围内，波带片的衍射效率随着环厚度的增加而提高。然而，目前限制波带片发展的一个重要因素是高宽比，由于加工技术等因素，波带片的最外环宽度与环厚度之间存在矛盾。现阶段波带片的最外环宽度无法做到更小，或者高分辨的波带片效率无法做到很高。因此，波带片成像系统的空间分辨率出现了瓶颈(硬X射线：30nm；水窗：10nm)。

物质的折射率可表示为n＝1-δ+iβ，其中δ为相位项，β为吸收项。在某些特定的能量下，一种物质的δ和β都会发生突变，而其中的相位项δ可能会出现负值。对于利用元素相移特性制作的相位型波带片来说，负值相移的出现，很可能带来新的突破。

发明内容

在本发明的一个方面，提供一种正负相移双金属波带片，所述正负相移双金属波带片包含：

第一金属材料，所述第一金属材料具有正相移；

第二金属材料，所述第二金属材料在工作能量点具有负相移；

所述第一金属材料与所述第二金属材料交替排列，以使得所述第二金属材料替代传统波带片的一个周期中的空白部分。

在本发明的另一个实施方案中，所述正负相移双金属波带片是环形的，所述第一金属材料与所述第二金属材料形成交替的环结构。

在本发明的另一个实施方案中，所述第一金属材料常选自镍、金、锗、钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜、锌等。

在本发明的另一个实施方案中，所述第二金属材料选自钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、锗、铪、钨、铼和锇等。

在本发明的另一个实施方案中，所述正负相移双金属波带片在与普通单金属相位波带片厚度相同的情况下，所述正负相移双金属波带片的衍射效率高于所述普通单金属相位波带片的衍射效率。

在本发明的另一个实施方案中，所述正负相移双金属波带片为钒镍双金属新型波带片。

在本发明的另一个实施方案中，所述正负相移双金属波带片的厚度为10～500nm，因波带片分辨率不同而不同，在加工条件允许的情况下尽可能选择高的厚度。

在本发明的另一个实施方案中，所述正负相移双金属波带片的结构中不存在空心部分，这种结构可以避免普通波带片可能坍塌的问题。

在本发明的另一个实施方案中，所述正负相移双金属波带片的效率与环厚度直接相关，在一定范围内，波带片的衍射效率随着环厚度的增加而提高。对于高分辨(30nm以下)波带片，由于高宽比的限制，环高度暂时无法做到太高，衍射效率受到限制。

在本发明的另一个实施方案中，所述正负相移双金属波带片的工作能量根据波带片材料不同而限定于不同的能量点。其原因是不同金属的负相移出现在不同狭窄能量段(几个eV)。

本发明的另一个方面提供一种制备正负相移双金属波带片的方法，所述方法包括以下步骤：

a.在基片上沉积第一金属材料的薄膜；

b.在第一金属材料的薄膜上形成具有波带片结构的光刻胶；

c.经由所形成的具有波带片结构的光刻胶进行刻蚀，将波带片结构转移至所述第一金属材料的薄膜上，形成第一金属材料的波带片结构；

d.在刻蚀出的空隙处沉积第二金属材料；

e.去除光刻胶，形成正负相移双金属波带片结构。

在本发明的另一个实施方案中，所述光刻胶通过旋涂涂布，之后对其进行电子束曝光，从而形成具有波带片结构的光刻胶。

在本发明的另一个实施方案中，所述步骤d中的刻蚀通过氩离子刻蚀和各种反应离子刻蚀进行。

在本发明的另一个实施方案中，所述方法还包括在步骤e得到的正负相移双金属波带片结构背面开窗，获得正负相移双金属波带片。

附图说明

图1是传统波带片结构示意图；

图2是正负相移双金属波带片结构示意图；

图3是能量为511.9eV时，普通镍波带片和钒镍双金属波带片一级衍射效率与材料厚度关系；

图4是厚度为140nm情况下，钒镍双金属波带片一级衍射效率与能量的关系图。

具体实施方式

本发明提出一种新型相位波带片，该波带片能达到两种效果：1)能够降低达到最大一级衍射效率时所需金属厚度；2)在不增加环高度的情况下提高波带片的衍射效率。本发明的主要创新点是利用两种金属交替的结构取代传统的单金属波带片，在工作能量点，其中一种金属的相移为正数而另一种金属相移为负值。我们称之为“正负相移双金属波带片”。

不同于传统的波带片，我们利用另一种材料替代了传统波带片一个周期中的空白部分，所选的替代材料要求在工作能量点出现负值相移，这样一来，要达到相邻环带产生的相位差为π所需的材料厚度可以降低，从而降低制作波带片的难度。该新型波带片结构如图2所示，其环半径同样由公式(n为环数，λ为波长，f为焦距)计算得出。从结构上看，与图1所示传统波带片相比，图2增加了一种在工作能量处相移为负值的材料，其中负值相移材料可以为结构图中的任意一种。

多数金属在特定的能量会出现负数相移的情况，这些能量点在本文被称为工作能量点。例如钛(453eV)、钒(512eV)、铬(574eV)、锰(638eV)、铁(706eV)、钴(778eV)、镍(852eV)、铜(932eV)、锌(1022eV)、镓(1116eV)、锗(1217eV)、铪(1661eV)、钨(1809eV)、铼(1883eV)、锇(1960eV)等金属都会在对应的能量附近出现负数相移。理论上这些金属都可以用来制作工作在不同能量的正负相移双金属波带片。

计算表明，相比于传统的单金属相位波带片，正负相移双金属波带片出现一级衍射效率峰值所需的金属厚度更低，并且能保持其峰值效率与单金属峰值效率相当。因此，我们实现降低制作波带片难度的同时，保持了高的衍射效率。而且，在相同的波带片厚度下(分辨率优于150nm的情况)，正负相移双金属波带片比普通波带片效率更高。因此，本发明可以有效的提高精细波带片的衍射效率。

以钒镍双金属新型波带片为例，在511.9eV能量下，常用的镍波带片在厚度为250nm左右达到最大一级衍射效率22％，而本发明提出的新型波带片在厚度为140nm时就达到了最大一级衍射效率24％。可以将波带片的厚度降低到原来的56％左右。由于加工工艺的限制，目前国际上制作较好的用于水窗的镍金属相位型波带片能达到最外环宽度13nm，环高度为35nm[Towards10-nmsoftX-rayzoneplatefabrication]。在511.9eV能量下，其一级衍射效率的理论值为1.6％，而同样宽度和厚度的钒镍双金属新型波带片的理论效率能达到4.3％，提高了将近170％。

实施例

本发明提出的波带片可利用任何能在特定能量下出现负数相移的金属结合其他任意金属制作而成。

以钒和镍两种金属的新型相位型波带片为例来说明。

金属钒在511.9eV能量下出现最大负数相移，而这个能量恰好在常用的“水窗”能量附近，因此我们能够利用钒和镍(“水窗”中常用的波带片金属)两种金属来制作511.9eV能量下的正负相移双金属波带片。

普通相位波带片的一级衍射效率为[Phasezoneplatesforxraysandtheextremeuv]：

$\mathrm{Eff}=\frac{1}{{\mathrm{\π}}^2}[1+\exp (-2\mathrm{k\βt})-2\exp (-\mathrm{k\βt})\cos \left(\mathrm{k\δt}\right)]$

由此可推导出由两种不同材料制作而成的正负相移双金属波带片一级衍射效率为：

$\mathrm{Eff}=\frac{1}{{\mathrm{\π}}^2}[\exp (-2k{\mathrm{\β}}_1{t}_1)+\exp (-2k{\mathrm{\β}}_2{t}_2)-2\exp [-k({\mathrm{\β}}_1{t}_1+{\mathrm{\β}}_2{t}_2)]\cos \left[k({\mathrm{\δ}}_1{t}_1-{\mathrm{\δ}}_2{t}_2)\right]]$

其中k＝2π/λ，t₁，t₂分别为两种材料的厚度。由此，我们可以计算出双金属新型相位波带片的一级衍射效率，如图3所示(其中两种金属的厚度取为相同)。

图3中虚线是普通镍相位波带片的一级衍射效率，实线是钒镍双金属新型相位波带片(其中钒和镍的金属厚度相同)的一级衍射效率。由此可见，本发明所用方案可使波带片的金属厚度降低将近一半。另外，在相同环高度(小于150nm)的情况下，本发明所用方案可大幅提高波带片的衍射效率。以最外环宽度为13nm，环高度为35nm的波带片为例，双金属新型波带片将衍射效率从普通波带片的1.6％提高到了4.3％。

由于金属负值相移系数只出现在某一狭窄的能量段，所以本发明所提的新型相移波带片只能在特定的能量下使用。但是在绝大多数的X射线成像情况下，只需要在一个能量下观察样品即可，对这个能量并没有太苛刻的要求。比如在“水窗”波段的含水细胞成像，一般都在500eV左右任选一个能量，例如520eV，同样的也可以选择511.9eV，对成像的结果并无太大的影响。从这个角度出发，本发明提出的新型相移波带片并不因其只能在特定能量下使用的条件而受限制。

图4为厚度为140nm情况下，钒镍双金属波带片一级衍射效率与能量的关系图。从图4可知，钒和镍制作的新型波带片，在140nm厚度情况下，能量在510.3～512.1eV之间，一级衍射效率大于20％。在同步辐射显微成像系统中，一般的能量色散优于0.1eV量级，例如上海光源的BL08U线站的能量范围为250～2500eV，而能量分辨能力E/△E为2500～6000，德国BESSYII光源的U41-FSGM线站能量范围为250～1500eV，而能量分辨能力E/△E高达10000。这意味着，同步辐射X射线成像系统能够达到工作能量精确到1～2eV的要求。

另外，也计算了在453.6eV能量下，普通镍波带片和钛镍双金属波带片的一级衍射效率，结果表明厚度可以从210nm降到130nm，而最大一级衍射效率基本不变。另外，对于最外环宽度为13nm，环高度为35nm的波带片，钛镍双金属新型波带片将衍射效率从普通波带片的2.0％提高到了4.6％。

下面提供一种可以加工正负相移双金属波带片的加工工艺(以厚度为100nm的钒镍双金属为例)：

1、利用离子束溅射在氮化硅基片上沉积100纳米厚金属钒薄膜；

2、旋涂400纳米厚电子束光刻胶PMMA，180度烘干；

3、电子束曝光形成波带片纳米结构；

4、利用离子束刻蚀将波带片结构转移到金属薄膜上，形成金属钒波带片结构。氩离子刻蚀，能量：500eV，束流密度0.5mA/cm2；

5、利用离子束溅射在样品上沉积100纳米厚金属镍薄膜；

6、将样品放入丙酮中浸泡，除去光刻胶PMMA，形成金属钒、镍相间波带片结构；

7、在样品背面开窗(30％KOH、80。℃)，获得高度为100纳米的金属钒、镍相间波带片。

Claims (10)

1.一种正负相移双金属波带片，所述正负相移双金属波带片包含：

第一金属材料，所述第一金属材料具有正相移；

第二金属材料，所述第二金属材料在工作能量点具有负相移；

所述第一金属材料与所述第二金属材料交替排列，以使得所述第二金属材料替代传统波带片的一个周期中的空白部分。

2.权利要求1所述的正负相移双金属波带片，所述正负相移双金属波带片是环形的，所述第一金属材料与所述第二金属材料形成交替的环结构。

3.权利要求1所述的正负相移双金属波带片，所述第一金属材料选自镍、金、锗、钛、钒、铬、锰、铁、铜、锌。

4.权利要求1所述的正负相移双金属波带片，所述第二金属材料选自钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、锗、铪、钨、铼和锇。

5.权利要求1所述的正负相移双金属波带片，所述正负相移双金属波带片在与普通单金属相位波带片厚度相同的情况下，所述正负相移双金属波带片的衍射效率在常用范围内高于所述普通单金属相位波带片的衍射效率。

6.权利要求1所述的正负相移双金属波带片，所述正负相移双金属波带片为钒镍、钛镍、钒金双金属波带片。

7.一种制备正负相移双金属波带片的方法，所述方法包括以下步骤：

a.在基片上沉积第一金属材料的薄膜；

b.在第一金属材料的薄膜上形成具有波带片结构的光刻胶；

c.经由所形成的具有波带片结构的光刻胶进行刻蚀，将波带片结构转移至所述第一金属材料的薄膜上，形成第一金属材料的波带片结构；

d.在刻蚀出的空隙处沉积第二金属材料；

e.去除光刻胶，形成正负相移双金属波带片结构。

8.权利要求7所述的方法，所述光刻胶通过旋涂涂布，之后对其进行电子束曝光或干涉光刻，从而形成具有波带片结构的光刻胶。

9.权利要求7所述的方法，所述步骤d中的刻蚀通过氩离子刻蚀或反应离子刻蚀进行。

10.权利要求7所述的方法，所述方法还包括在步骤e得到的正负相移双金属波带片结构背面开窗，获得正负相移双金属波带片。