CN107677367A - 一种具有中性衰减特性的金属滤片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有中性衰减特性的金属滤片及其制备方法，涉及软X射线辐射流定量测量领域。该制备方法包括：于衬底的一侧表面形成第一导电金属层；于第一导电金属层远离衬底的一侧表面形成光刻胶层，曝光、显影后于光刻胶层形成第一孔阵列，于具有第一孔阵列的光刻胶层电镀形成第二导电金属层，去除剩余的光刻胶得具有第二孔阵列的样品；去除衬底，于第一导电金属层远离第二导电金属层的一侧表面形成第三导电金属层后，按第二孔阵列刻蚀第二导电金属层，其操作可控，有效提高具有中性衰减特性的金属滤片的面均匀性、衰减特性和生产效率。具有中性衰减特性的金属滤片可同时标定和使用，提高了标定效率，降低了标定的不确定度。
Description
技术领域
本发明涉及软X射线辐射流定量测量领域，且特别涉及一种具有中性衰减特性的金属滤片及其制备方法。
背景技术
在激光间接驱动的惯性约束核聚变实验中，激光辐照腔壁产生的X射线辐射能流(或辐射温度)、光谱和在靶丸表面辐照的空间分布决定了靶丸的烧蚀效率和驱动对称性，并最终影响到靶丸壳层和燃料中冲击波的形成及其运动。腔靶内部X射线的这些参数对靶丸内爆速度和高品质热斑形成具有重要影响。因此，X射线的能谱诊断在间接驱动激光聚变中占有非常重要的地位。另外，高功率激光产生的高强度X射线广泛应用于辐射输运实验、辐射不透明度和辐射驱动冲击波实验中，在这些实验中，作为驱动源的X射线辐射能流和辐射光谱也是实验需要诊断的关键参数。当前用于激光聚变物理实验中软X射线光谱测量的诊断设备主要是基于中性衰减片、金属滤片、平面镜和X射线二极管的软X光谱仪。而影响谱仪测谱的主要因素有谱仪瞄准、平面镜定角精度控制、滤片沙眼和色散元件标定等，多种金属滤片(一般0.5-2μm厚)作为软X光能谱仪的主要色散元件，其沙眼问题和面均匀性对测谱影响最大。此外，较多的色散元件标定也限制了其应用。
目前，软X光谱仪使用的金属滤片存在致密度不够、厚度均匀性差和沙眼多等问题。此外，谱仪通常还使用中性衰减片对信号强度进行衰减，一般的中性衰减片采用激光打孔的方式制备，孔的均匀性和陡直度较差，会产生较大的标定不确定度，也影响了谱仪的测量精度。最后，金属滤片和中性衰减片需要分别进行定量标定，造成标定和维护的工作量增大，从而限制了软X光能谱仪的广泛应用。因此，急需对金属滤片的制备工艺进行改进，提高滤片的致密度和均匀性，减少滤片的沙眼。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有中性衰减特性的金属滤片，其结构均匀、无沙眼、致密，可同时标定和使用，提高了标定效率，降低了标定的不确定度。
本发明的另一目的在于提供一种上述具有中性衰减特性的金属滤片的制备方法，其操作可控，有效提高具有中性衰减特性的金属滤片的面均匀性、衰减特性和生产效率。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种具有中性衰减特性的金属滤片的制备方法，包括：
于衬底的一侧表面形成第一导电金属层。
于第一导电金属层远离衬底的一侧表面形成光刻胶层，曝光、显影后于光刻胶层形成第一孔阵列，于具有第一孔阵列的光刻胶层电镀形成第二导电金属层，去除剩余的光刻胶得具有第二孔阵列的样品。
去除衬底，于第一导电金属层远离第二导电金属层的一侧表面形成第三导电金属层后，按第二孔阵列刻蚀第二导电金属层。
本发明提出一种具有中性衰减特性的金属滤片，其包括互相连接的中性衰减片以及第三导电金属层，中性衰减片设有第二孔阵列，第二孔阵列具有多个孔，每个孔的一端抵靠于第三导电金属层，另一端贯穿中性衰减片。
优选地，中性衰减片包括第一导电金属层以及第二导电金属层，第一导电金属层位于第二导电金属层与第三导电金属层之间，孔依次贯穿第一导电金属层以及第二导电金属层。
本发明实施例提供的一种具有中性衰减特性的金属滤片及其制备方法的有益效果是：
(1)工艺通过将滤片与中性衰减片一体化设计，实现了具有中性衰减特性的金属滤片，极大地节约了标定时间。
(2)制备滤片的过程规避了薄膜脱模的过程，保证了滤片的平整度，降低了滤片沙眼现象。
(3)利用第二孔阵列结构，将整块中性衰减特性的金属滤片分成周期均匀的筛孔滤片，从而保证刻蚀衬底的过程中，滤片具有足够的支撑，既保证了中性衰减特性的金属滤片的均匀性和平整性，又降低了中性衰减特性的金属滤片出现破损和沙眼的现象。
同时，具有中性衰减特性的金属滤片可同时标定和使用，提高了标定效率，降低了标定的不确定度。其在软X射线谱仪中的使用有望可提高谱仪测谱的精度和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明较佳的实施例提供的具有中性衰减特性的金属滤片的制备方法流程示意图；
图2本发明实施例1提供的具有中性衰减特性的金属滤片的面透过率扫描曲线；
图3本发明实施例1提供的具有中性衰减特性的金属滤片的面透过率曲线；
图4本发明实施例2提供的具有中性衰减特性的金属滤片的面透过率扫描曲线；
图5本发明实施例2提供的具有中性衰减特性的金属滤片的面透过率曲线；
图6为本发明实施例3提供的具有中性衰减特性的金属滤片的结构示意图。
图标：10-具有中性衰减特性的金属滤片；100-中性衰减片；110-第一导电金属层；120-第二导电金属层；130-第二孔阵列；131-孔；200-第三导电金属层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的具有中性衰减特性的金属滤片及其制备方法进行具体说明。
请参阅图1，一种具有中性衰减特性的金属滤片的制备方法，其包括：
a)于衬底的一侧表面形成第一导电金属层。
b)于第一导电金属层远离衬底的一侧表面形成光刻胶层，曝光、显影后形成于光刻胶层形成孔阵列，于具有孔阵列的光刻胶层电镀形成第二导电金属层，去除剩余的光刻胶得具有孔阵列的样品。
c)去除样品中的衬底。
d)于第一导电金属层远离第二导电金属层的一侧表面形成第三导电金属层后，按第二孔阵列刻蚀第二导电金属层。
具体地，步骤a)中，衬底为氧化硅片，便于后续去除。
通过磁控溅射工艺在衬底沉积形成第一导电金属层，作为电镀种子层，其中，磁控溅射工艺可有效提高镀膜的效率，同时使第一导电金属层表面平整，更易成型。
第一导电金属层可以为铜、金、银等材质，优选第一导电金属层为铜或金。第一导电金属层在后续腐蚀衬底的过程中可作为腐蚀阻挡层，有效保证最终产品的精准度，而金的化学性质更为稳定，因此，更优选地，第一导电金属层为金。
同时第一导电金属层的厚度为20-40nm；和/或，第二导电金属层的厚度≥4μm。即第一导电金属层的厚度为20-40nm时，例如第一导电金属层的厚度为20nm、25nm、30nm、33nm、35nm或40nm等，第二导电金属层的厚度可以为4μm，或5μm等。
第二导电金属层可以为铜、金、银等材质，优选第二导电金属层可以为金或钽，便于后续在第一导电金属层远离第二导电金属层的一侧表面形成第三导电金属层。
由于金具有优异的延展性，同时便于后期于第一导电金属层远离第二导电金属层的一侧表面形成第三导电金属层，因此优选地，第一导电金属层的材质为金，第二导电金属层的材质为金，有效提高具有中性衰减特性的金属滤片的成品率。
更优选地，由于第二导电金属层内部均存在应力，因此生产过程中易因应力产生褶皱，影响产品的精准度以及成品率，因此优选地，第一导电金属层的材质与第二导电金属层的材质相同，可以有效释放第二导电金属层的应力，有效提高产品的精准度以及成品率。
步骤b)中，于曝光前对光刻胶层前烘，有效使光刻胶定型。优选地，本发明较佳的实施例中，前烘为：于85-95℃烘2-5min，更优选地，前烘为：于90℃烘3min，促使光刻胶内溶剂充分挥发，使光刻胶干燥以增强光刻胶与第一导电金属层表面的粘附性和光刻胶的耐磨性。
优选地，光刻胶的厚度为至少为10μm，优选采用紫外线光刻，更优选地，曝光为紫外曝光20-30s。因此优选地，光刻胶为AZ4620光刻胶，光刻效果佳。
具体地，显影1.5-2.5min，优选为2min，防止显影时间过短导致的显影不足、显影不完全以及显影时间过长导致的过显影，影响最终制得的具有中性衰减特性的金属滤片的性能。
采用与上述光刻胶对应的显影液，例如与AZ4620光刻胶对应的AZ4620光刻胶专用显影液进行显影，即通过显影液将可溶解的上述光刻胶溶解掉，于光刻胶层形成第一孔阵列。其中，第一孔阵列是由多根圆柱均匀呈阵列分布。优选地，每个圆柱的直径为5-15μm；优选地，每个圆柱的孔径为10μm；和/或，任意相邻的两个圆柱的轴线之间的间距为15-25μm；更优选地，任意相邻的两个圆柱的轴线之间的间距为22μm，使最终制得的具有中性衰减特性的金属滤片的透光率更佳。
在具有第一孔阵列的光刻胶层电镀形成第二导电金属层，优选地，电镀速率控制在0.8-1.2μm/h，更优选地，电镀速率控制在1μm/h，均匀电镀第二导电金属层，使第二导电金属层成型率高且表面平整。接着，去除剩余的光刻胶后得具有第二孔阵列的样品。
其中，此处的样品上的第二孔阵列与光刻胶层的第一孔阵列互补，形成完整的实体，即样品上的第一孔阵列中的每个孔与光刻胶层的第二孔阵列中的每个圆柱一一对应。即第二孔阵列中，每个孔的孔径为5-15μm；优选地，每个孔的孔径为10μm；和/或，任意相邻的两个孔的孔间距为15-25μm；优选地，任意相邻的两个孔之间的孔间距为22μm，使最终制得的具有中性衰减特性的金属滤片的透光率更佳。
优选地，电镀第二导电金属层后在NMP溶液中浸泡，可有效去除剩余的光刻胶，同时对第二导电金属层、第一金属材料层以及衬底无影响。
由于本发明较佳的实施例中，为了保证具有中性衰减特性的金属滤片长期保持较佳的精准度，优选地，于去除衬底与第一导电金属层之前将样品进行退火处理；更优选地，退火处理于145-160℃处理2.5-4h；更优选地，退火处理于150℃处理2h，有效去除其内部应力，使其精准度保持较长的时间。
退火处理后，去除衬底，得具有第二导电金属层作为基底的中性衰减片。
本发明较佳的实施例中，通过酸腐蚀去除衬底；优选地，酸由体积比为2-7：1的氢氟酸和浓硝酸，例如体积比为2：1、3：1、4：1、5：1、6：1或7：1等的比例混合所得，其中，氢氟酸为市面普售的氢氟酸，浓硝酸为市面普售的浓硝酸，在此不做限定。同时，通过酸腐蚀去除衬底时，第一导电金属层可作为腐蚀阻挡层，防止酸腐蚀第二导电金属层，影响最终产品的精度。
最后，将具有第二导电金属层作为基底的中性衰减片与金属滤片一体成型设置。具体地，在第一导电金属层远离第二导电金属层的一侧表面例如通过磁控溅射工艺溅射第三导电金属层后，采用等离子刻蚀工艺按第二孔阵列刻蚀第二导电金属层。该制备滤片的过程规避了现有技术中薄膜脱模的过程，保证了滤片的平整度，降低了滤片沙眼现象。
最后可根据实际需求进行激光划片即可得到不同规格的具有中性衰减特性的金属滤片。
第三导电金属层的材质为铝、铜、银、钛或金等，优选地，本发明较佳的实施例中，第三导电金属层的材质为铝、铜、银、钛或金。
第三导电金属层的厚度为0.3-2μm；例如第三导电金属层的厚度为0.5μm、0.67μm、1μm、1.6μm或2μm等。
请参阅图2，本发明还提供一种具有中性衰减特性的金属滤片，其通过将滤片与中性衰减片一体化设计，极大地节约了标定时间，提高了标定效率，降低了标定的不确定度。其由上述具有中性衰减特性的金属滤片的制备方法制得，可使具有中性衰减特性的金属滤片在软X射线谱仪中的使用后，有望可提高谱仪测谱的精度和可靠性。
具体地，具有中性衰减特性的金属滤片包括互相连接的中性衰减片以及第三导电金属层，中性衰减片设有第二孔阵列，第二孔阵列具有多个孔，每个孔的一端抵靠于第三导电金属层，另一端贯穿中性衰减片。
优选地，中性衰减片包括第一导电金属层以及第二导电金属层，第一导电金属层位于第二导电金属层与第三导电金属层之间，孔依次贯穿第一导电金属层以及第二导电金属层。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种具有中性衰减特性的金属滤片，其由以下方法制得：
1)通过磁控溅射工艺在2寸氧化硅片上沉积30nm的第一导电金属层。
2)于第一导电金属层远离衬底的一侧表面旋涂厚度为10μm的AZ4620光刻胶后，在90℃烘3min，接着紫外曝光18s，然后用AZ4620光刻胶专用显影液显影2min后，于光刻胶层形成由圆柱组成的第一孔阵列。接着，在具有第一孔阵列的光刻胶层采用脉冲微电镀工艺，以1μm/h的速率电镀5μm的第二导电金属层后，通过在NMP溶液中浸泡去除残余的光刻胶，得具有第二孔阵列的样品。
其中，第二孔阵列中的每个孔的孔径10μm，任意相邻的两个孔的孔间距22μm。
3)将样品在温度为150℃保温2h进行退火处理后，用体积比为4:1的氢氟酸和浓硝酸的混合溶液对硅片进行腐蚀，腐蚀自动终止于第一导电金属层后，得以第二导电金属层为基底的中性衰减片。
其中，第一导电金属层与第二导电金属层均为金层。
4)采用磁控溅射工艺在第一导电金属层远离第二导电金属层的一侧表面溅射厚度为0.67μm的第三导电金属层，随后采用等离子刻蚀工艺按第二孔阵列刻蚀第二导电金属层。其中，第三导电金属层为铝层。
最后可根据实际需求进行激光划片即可得到不同规格的具有中性衰减特性的金属滤片。
实施例2
一种具有中性衰减特性的金属滤片，其由以下方法制得：
1)通过磁控溅射工艺在2寸氧化硅片上沉积30nm的第一导电金属层。
2)于第一导电金属层远离衬底的一侧表面旋涂厚度为10μm的AZ4620光刻胶后，在90℃烘3min，接着紫外曝光18s，然后用AZ4620光刻胶专用显影液显影2min后，于光刻胶层形成由圆柱组成的第一孔阵列。接着，在具有第一孔阵列的光刻胶层采用脉冲微电镀工艺，以1μm/h的速率电镀5μm的第二导电金属层后，通过在NMP溶液中浸泡去除残余的光刻胶，得具有第二孔阵列的样品。
其中，第二孔阵列中的每个孔的孔径10μm，任意相邻的两个孔的孔间距22μm。
3)将样品在温度为150℃保温2h进行退火处理后，用体积比为4:1的氢氟酸和浓硝酸的混合溶液对硅片进行腐蚀，腐蚀自动终止于第一导电金属层后，得以第二导电金属层为基底的中性衰减片。
其中，第一导电金属层与第二导电金属层均为金层。
4)采用磁控溅射工艺在第一导电金属层远离第二导电金属层的一侧表面溅射厚度为1.6μm的第三导电金属层，随后采用等离子刻蚀工艺按第二孔阵列刻蚀第二导电金属层。其中，第三导电金属层为铜层。
最后可根据实际需求进行激光划片即可得到不同规格的具有中性衰减特性的金属滤片。
实施例3
请参阅图6，本发明提供一种由具有中性衰减特性的金属滤片10，其包括中性衰减片100以及第三导电金属层200。其由实施例1提供的制备方法制得。
具体地，中性衰减片100包括第一导电金属层110以及第二导电金属层120。
第一导电金属层110以及第二导电金属层120互相连接，第一导电金属层110远离第二导电金属层120的一侧与第三导电金属层200连接，即第一导电金属层110位于第二导电金属层120与第三导电金属层200之间。
优选地，中性衰减片100设有第二孔阵列130，第二孔阵列130具有多个孔131，孔131依次贯穿第一导电金属层110以及第二导电金属层120。即每个孔131的一端抵靠于第三导电金属层200，另一端贯穿中性衰减片100，通过第二孔阵列130的设置有效衰减射线等。
其中，每个孔131的孔径为5-15μm，例如5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、12μm、13μm或15μm等，任意相邻的两个孔131的孔间距为15-25μm，例如15μm、16μm、17μm、18μm、20μm、21μm、23μm或25μm等。本实施例中，孔131的孔径为10μm，孔周期为22μm。
优选地，第三导电金属层200为铝层、铜层、银层、钛层或金层。第一导电金属层110为金层或铜层，第二导电金属层120为金层或钽层。例如第三导电金属层200为铝层，第一导电金属层110为铜层，第二导电金属层120为金层，或第三导电金属层200为铝层，第一导电金属层110为金层，第二导电金属层120为钽层等。但由于金的延展性更佳，便于加工，因此本实施例中，优选第三导电金属层200为铝层，第一导电金属层110为金层，第二导电金属层120为金层，同时第一导电金属层110与第二导电金属层120的材质相同，在制作过程中，可有效提高中性衰减片100的成品率以及精准度。
更优选地，第三导电金属层200的厚度为0.3-2μm。第一导电金属层110的厚度为20-40nm。第二导电金属层120的厚度≥4μm。此范围内，具有中性衰减特性的金属滤片10的性能更佳。
本实施例中，第三导电金属层200的厚度为0.67μm。第一导电金属层110的厚度为30nm。第二导电金属层120的厚度5μm。该具有中性衰减特性的金属滤片10性能佳。
其中，该具有中性衰减特性的金属滤片10的具体的规格，大小，在此不做限定，本领域工作人员可根据实际情况进行设定。
试验例
采用本发明实施例1以及实施例2制得的具有中性衰减特性的金属滤片，在中国科学院高能物理研究所同步辐射装置上进行透过率测量。利用同步辐射装置的4B7B标准束线，进行了70-1600eV能区范围X射线透过率曲线测量。
具体的测量方法是：具有中性衰减特性的金属滤片在垂直于束线的方向上按照固定的步长移动，测量具有中性衰减特性的金属滤片表面不同位置的光电流，从而表征滤片的表面均匀性；将具有中性衰减特性的金属滤片直接安装在束线上进行定量测量，通过对比光源源强度和透过金属滤片后的光强度，得到具有中性衰减特性的金属滤片的X射线的透过率。
图2给出了实施例1提供的具有中性衰减特性的金属滤片的面透过率扫描曲线，其具有优异的面均匀性，表面透过率的起伏波动在±1％以内，在具有中性衰减特性的金属滤片的有效面积范围内标定的透过率具有高度一致性，保证了定量测量的精度。
图3给出了实施例1提供的具有中性衰减特性的金属滤片的透过率曲线，曲线在1550eV特征峰明显，与铝的理论吸收相一致。
图4给出了实施例2提供的具有中性衰减特性的金属滤片的面透过率扫描曲线，其面均匀性略差于实施例1提供的具有中性衰减特性的金属滤片，主要是由于实施例2提供的具有中性衰减特性的金属滤片较厚，X射线透过率较低，导致光电流信号较弱，受光源稳定性影响较大，表面透过率的起伏波动在±1.5％以内。
图5给出了实施例2提供的具有中性衰减特性的金属滤片的透过率曲线，曲线在925eV的铜特征峰明显，与铜的理论相一致。
综上，本发明提供的具有中性衰减特性的金属滤片及其制备方法，该制备方法操作可控，有效提高具有中性衰减特性的金属滤片的面均匀性、衰减特性和生产效率，制得的具有中性衰减特性的金属滤片面均匀性好。中性衰减特性的金属滤片可同时标定和使用，提高了标定效率，降低了标定的不确定度。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种具有中性衰减特性的金属滤片的制备方法，其特征在于，包括：
于衬底的一侧表面形成第一导电金属层；
于所述第一导电金属层远离所述衬底的一侧表面形成光刻胶层，曝光、显影后于所述光刻胶层形成第一孔阵列，于具有所述第一孔阵列的光刻胶层电镀形成第二导电金属层，去除剩余的所述光刻胶得具有第二孔阵列的样品；
去除所述衬底，于所述第一导电金属层远离所述第二导电金属层的一侧表面形成第三导电金属层后，按所述第二孔阵列刻蚀所述第二导电金属层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第三导电金属层的材质为铝、铜、银、钛或金；
所述第一导电金属层的材质为金或铜；和/或，所述第二导电金属层的材质为金或钽；
优选地，所述第一导电金属层的材质为金，所述第二导电金属层的材质为金。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，去除所述衬底之前将所述样品进行退火处理；
优选地，退火处理于145-160℃处理2.5-4h；
优选地，退火处理于150℃处理2h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第二孔阵列中，每个所述孔的孔径为5-15μm；优选每个所述孔的孔径为10μm；
和/或，任意相邻的两个所述孔的孔间距为15-25μm；
优选任意相邻的两个所述孔之间的孔间距为22μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
于曝光前对所述光刻胶层前烘；
优选地，前烘为：于85-95℃烘2-5min；
优选地，曝光为紫外曝光15-23s；
优选地，所述光刻胶为AZ4620光刻胶。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第三导电金属层的厚度为0.3-2μm；
优选地，所述第一导电金属层的厚度为20-40nm；和/或，
所述第二导电金属层的厚度≥4μm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，电镀所述第二导电金属层后在NMP溶液中浸泡，去除剩余的光刻胶。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通过酸腐蚀去除衬底；
优选地，所述酸由体积比为2-7：1的氢氟酸和浓硝酸混合所得。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，电镀速率为0.8-1.2μm/h，优选为1μm/h。
10.一种具有中性衰减特性的金属滤片，其特征在于，包括互相连接的中性衰减片以及第三导电金属层，所述中性衰减片设有第二孔阵列，所述第二孔阵列具有多个孔，每个所述孔的一端抵靠于所述第三导电金属层，另一端贯穿所述中性衰减片；
优选地，所述中性衰减片包括第一导电金属层以及第二导电金属层，所述第一导电金属层位于所述第二导电金属层与所述第三导电金属层之间，所述孔依次贯穿所述第一导电金属层以及第二导电金属层。
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