基于原子层沉积技术的X射线菲涅耳波带片的研制

发布时间：2020-06-15 17:54

【摘要】：X射线的波长短、能量高、穿透力强。X射线显微成像技术可以对物质内部进行三维无损伤检测与成像,被用于生物医学、材料科学、集成电路等多个领域。X射线菲涅耳波带片由一系列面积相等的同心圆环组成,是X射线显微成像中聚焦和成像的核心元件。根据瑞利分辨率公式以及X射线衍射聚焦特性,它的分辨率取决于最外环的宽度,衍射效率取决于波带片的高宽比。X射线菲涅耳波带片的传统加工技术是采用电子束曝光与金属电镀的方法进行制备。随着科学研究的不断深入,X射线显微成像向高分辨、高衍射效率以及高能量波段的方向发展,分辨率逐渐逼近30 nm。基于电子束曝光的制备技术对于纳尺度与大的高宽比的结构已经逼近了技术极限。目前,全世界正在传统工艺的基础上,努力克服电子束曝光的局限性,研发高分辨高衍射效率X射线波带片的纳米加工创新工艺。本文通过在中心细丝表面采用原子层沉积(ALD)技术,沉积高精度的多层膜波带结构,然后聚焦离子束(FIB)将它切成需要的厚度,以实现任意需求的超大高宽比,主要内容分为以下三个部分:(1)通过计算不同材料体系下X射线菲涅耳波带片的结构参数与衍射效率的关系,明确了 X射线波带片的材料选取规则,确定了四种材料体系(Al2O3/HfO2、Al203/Ir、Si02/Hf02、Al203/Ta2O5)下波带片最大衍射效率的波带片厚度,设计了能量在500eV和9keV下的软、硬X射线波带片结构,确定了 Al2O3/Hf02作为叠层材料,波带片中心丝直径为30和55 μm,环数为174和216环,每环厚度以及最外环宽度为25和40 nm。(2)探究了在单面抛光的硅片上,用ALD制备Al203、HfO2和Ta205薄膜的生长特性。利用热腐蚀法腐蚀光纤包层,制备中心玻璃光纤;用电化学腐蚀抛光制备粗糙度小的金属钨丝,作为菲涅尔波带片的中心丝。在单面抛光的硅片和细丝上制备10nm等厚叠层,利用SEM、AFM以及椭圆偏振仪表征制备工艺不受衬底材料的影响。然后以钨丝和玻璃光纤作为中心丝制备软、硬X射线波带片多层膜结构。(3)用FIB切割、抛光能量为9keV,最外环宽度40 nm的Al2O3/Hf02多层膜结构,制备X射线波带片,并检测成像性能。设计三种不同特征的波带片样品夹具,初步检测出硬X射线波带片的衍射效率为7.8%。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O434.1
【图文】：

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分辨率高达ｌｎｍ［２Ｉ，２２］。而后，Ｋｉｒｚ、Ｒａｒｂａｃｋ和Ｊａｃｏｂｓｅｎ等再次以同步福射光源为逡逑Ｘ射线源，建立了分辨率达到亚微米量级和亚１００邋ｕｒｎ的扫描透射式实验站［２３，２４】。逡逑ＳＴＸＭ的光路图如图１－２所示。其光源为同步辐射光源制成的Ｘ射线光束，逡逑样品置于聚焦波带片焦点处，光源经过波带片到达样品上，透过的Ｘ射线可以被逡逑位于样品后的探测器检测到，并通过测量检测到的光通量进行测量。该方法操作逡逑简单，使用方便，只需要移动样品位置，就可以对样品进行扫描，且任意大小图逡逑像的信息都是由样品位置和电信号组成的。逡逑ＳＴＸＭ在使用过程中，由于只需要一个聚焦波带片，光源能量被吸收和散射逡逑的较少，除去被样品吸收的部分，都可以产生有用的信号，因此不需要像ＴＸＭ那逡逑么强的同步辐射光源能量，对样品的辐射损伤较小。但是，它工作时需要一整套逡逑的图像采集系统，如果要采集分辨率较高的图像，需要花费很长时间；而且还必逡逑须使用高精度的样品扫描系统

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Ｍａｇｎｅｔ逡逑ＣＣＤ逡逑图１－１邋ＴＸＭ成像示意图逡逑Ｆｉｇ邋１－１邋ＴＸＭ邋ｉｍａｇｉｎｇ邋ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ邋ｓｔａｔｉｏｎ逡逑１．２．２扫描透射式Ｘ射线显微成像技术逡逑１９７２年，世界上第一个ＳＴＸＭ实验站在Ｈｏｒｏｗｉｔｚ和Ｈｏｗｅｌｌ两位杰出科学家逡逑的主持下成功建立，这也是第一个以同步辐射光源为Ｘ射线源的成像系统，它的逡逑分辨率高达ｌｎｍ［２Ｉ，２２］。而后，Ｋｉｒｚ、Ｒａｒｂａｃｋ和Ｊａｃｏｂｓｅｎ等再次以同步福射光源为逡逑Ｘ射线源，建立了分辨率达到亚微米量级和亚１００邋ｕｒｎ的扫描透射式实验站［２３，２４】。逡逑ＳＴＸＭ的光路图如图１－２所示。其光源为同步辐射光源制成的Ｘ射线光束，逡逑样品置于聚焦波带片焦点处，光源经过波带片到达样品上，透过的Ｘ射线可以被逡逑位于样品后的探测器检测到，并通过测量检测到的光通量进行测量。该方法操作逡逑简单

【参考文献】