專利名稱：一種偶次級(jí)透射光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衍射光學(xué)元件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種偶次級(jí)透射光柵。
背景技術(shù)：
目前，在X射線透射光柵的應(yīng)用中，一般希望獲得較高的色散能力。對(duì)于光譜學(xué)應(yīng)用，高的色散能力意味著不同波長(zhǎng)的光被分開(kāi)的角度更大，從而有利于設(shè)計(jì)更緊湊的光譜儀，并有助于提高光譜儀的分辨率。光柵的角色散能力為 De = k/{d. cos &k)(I)
其中，k是光柵衍射的級(jí)數(shù)，d是光柵周期，ek是相應(yīng)的色散角?？梢钥吹剑?dāng)光柵的周期d減小時(shí)，光柵的色散能力相應(yīng)地成反比例增加。實(shí)際上，這正是在X射線透射光柵領(lǐng)域不斷提高光柵線密度的主要?jiǎng)恿?。在現(xiàn)有技術(shù)中，為了提高光柵的色散性能，提高分辨率，通常采用提高普通光柵的線密度，雖然可以提高光柵的色散能力，但這樣極大的增加了微細(xì)加工工藝的難度和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，特別提出一種偶次級(jí)透射光柵的設(shè)計(jì)方法，突破現(xiàn)有技術(shù)中細(xì)微加工工藝對(duì)于光柵色散能力的限制，有效提高X射線透射光柵在光譜學(xué)應(yīng)用中的性能。本發(fā)明詳細(xì)技術(shù)方案如下
一種偶次級(jí)透射光柵，當(dāng)光線為可見(jiàn)光應(yīng)用波段時(shí)，其含有透光襯底，還包括鍍?cè)谕腹庖r底上的不透光金屬薄膜；
所述不透光金屬薄膜上分布有若干周期排列的透光柵線組，每個(gè)透光柵線組均含有若干指定寬度和長(zhǎng)度的透光柵線條，其中，各透光柵線條的寬度和長(zhǎng)度均相等，將所述透光柵線條方向取為Y方向，垂直于所述透光柵線條方向取為X方向；
其中，所述周期排列的具體方式為每隔Y方向上的一個(gè)透光柵線組，下一組透光柵線組的各透光柵線條均沿著X方向平移半個(gè)光柵周期。較佳地，所述透光襯底的材料為熔石英、玻璃或聚酰亞胺。其中，所述光柵的占寬比為0. 25或0. 75，且各透光柵線條Y方向周期長(zhǎng)度至少應(yīng)該小于所述光線直徑的五分之一。較佳地，所述不透光金屬薄膜的材料為金屬鉻、金、銀、鋁或銅。較佳地，所述不透光金屬薄膜的厚度為100_300nm。一種偶次級(jí)透射光柵，當(dāng)光線為紫外線波段或X射線波段時(shí)，其含有無(wú)襯底的自支撐結(jié)構(gòu)，還包括鍍?cè)谧灾谓Y(jié)構(gòu)薄膜上的不透光金屬薄膜；
所述不透光金屬薄膜上分布有若干周期排列的透光柵線組，每個(gè)透光柵線組均含有若干指定寬度和長(zhǎng)度的透光柵線條，其中，各透光柵線條的寬度和長(zhǎng)度均相等，將所述透光柵線條方向取為Y方向，垂直于所述透光柵線條方向取為X方向；
其中，所述周期排列的具體方式為每隔Y方向上的一個(gè)透光柵線組，下一組透光柵線組的各透光柵線條均沿著X方向平移半個(gè)光柵周期。較佳地，所述自支撐結(jié)構(gòu)薄膜的材料為熔石英、玻璃或聚酰亞胺。其中，所述光柵的占寬比為0. 25或0. 75，且各透光柵線條Y方向周期長(zhǎng)度至少應(yīng)該小于所述光線直徑的五分之一。較佳地，所述不透光金屬薄膜的材料為金。較佳地,所述不透光金屬薄膜的厚度至少為200nm。從上述技術(shù)方案可以看出，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果
I.相對(duì)于普通的透射光柵，偶級(jí)次透射光柵具有增強(qiáng)的二級(jí)衍射效率，并且其一級(jí)衍射與二級(jí)衍射不在同一平面中，從而不會(huì)對(duì)二級(jí)衍射形成干擾。2.利用該光柵的二級(jí)衍射，在不增加光柵線密度的情況下，可將光柵的色散能力提高一倍，因此突破現(xiàn)有的微細(xì)加工工藝對(duì)于光柵色散能力的限制，提高X射線透射光柵在光譜學(xué)應(yīng)用中的性能。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例中偶級(jí)次透射光柵的示意 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中偶級(jí)次透射光柵的衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、具體方案和優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。一種偶次級(jí)透射光柵，當(dāng)光線為可見(jiàn)光應(yīng)用波段時(shí)，其含有透光襯底，還包括鍍?cè)谕腹庖r底上的不透光金屬薄膜；
所述不透光金屬薄膜上分布有若干周期排列的透光柵線組，每個(gè)透光柵線組均含有若干指定寬度和長(zhǎng)度的透光柵線條，將所述透光柵線條方向取為Y方向，垂直于所述透光柵線條方向取為X方向；
其中，所述周期排列的具體方式為每隔Y方向上的一個(gè)透光柵線組，下一組透光柵線組的各透光柵線條均沿著X方向平移半個(gè)光柵周期。被平移的光柵區(qū)域內(nèi)，其透光波前沿著偶數(shù)級(jí)衍射的方向位相變化為n的偶數(shù)倍，等效于位相沒(méi)有變化；但是沿著原來(lái)的奇數(shù)級(jí)衍射方向，其波前的位相卻變化了 n的奇數(shù)倍，從而與未平移部分的波前完全抵消。于是在原有的衍射平面中，奇數(shù)級(jí)衍射消失，而偶數(shù)級(jí)衍射的強(qiáng)度以及衍射效率與平移前相同。從而得到偶次級(jí)透射光柵。其中，所述透光襯底的材料為熔石英、玻璃或聚酰亞胺。其中，所述光柵的占寬比為0. 25或0. 75。其中，所述不透光金屬薄膜的材料為金屬鉻、金、銀、鋁或銅。其中，所述不透光金屬薄膜的厚度為100_300nm。如果在可見(jiàn)光波段,選用所述五種金屬的厚度大于IOOnm即可，厚度和所選用材料的不同對(duì)可見(jiàn)光的影響較小。下面通過(guò)一個(gè)具體的例子對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。、
當(dāng)入射光波長(zhǎng)為355nm，偶次級(jí)透射光柵的透光襯底的材料采用石英，不透光金屬薄膜的材料為采用金屬鉻，其厚度為120nm。上述不透光金屬薄膜材料上分布有一系列周期排列的透光柵線條，透光柵線條的寬度和分布位置設(shè)計(jì)參數(shù)如下其中光柵的參數(shù)為X方向周期為eym，X方向周期在圖I中的表現(xiàn)為一個(gè)白色柵線條的寬度+兩個(gè)白色柵線條之間的黑色部分寬度，即為一個(gè)X方向的周期；Y方向周期為IOOy m，光柵的面積為IcmX Icm，其中， 各透光柵線條Y方向周期長(zhǎng)度至少應(yīng)該小于照明光源直徑大小的五分之一。由于從制作工藝角度出發(fā)，光柵的占寬比為0.75的結(jié)構(gòu)更加容易制作，所以此處我們采用0. 75的占寬比。其中，光柵的占寬比指的是X方向的周期乘以0. 75或乘以0. 25，這里指的即6 u m*0. 75。此外，每隔Y方向上的一個(gè)透光柵線組，下一組透光柵線組的各透光柵線條均沿著X方向平移半個(gè)光柵周期。其中，具體制作方法可采用普通的接觸式光學(xué)曝光方法和濕法刻蝕技術(shù)，由于其均為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果
I、相對(duì)于普通的透射光柵，偶級(jí)次透射光柵具有增強(qiáng)的二級(jí)衍射效率，并且其一級(jí)衍射與二級(jí)衍射不在同一平面中，從而不會(huì)對(duì)二級(jí)衍射形成干擾。2、利用該光柵的二級(jí)衍射，在不增加光柵線密度的情況下，可將光柵的色散能力提高一倍，因此突破現(xiàn)有的微細(xì)加工工藝對(duì)于光柵色散能力的限制，提高X射線透射光柵在光譜學(xué)應(yīng)用中的性能。參照?qǐng)D1，圖I為本發(fā)明實(shí)施例中偶級(jí)次透射光柵的示意圖，白色部分為透光柵線條，黑色部分為不透光金屬薄膜。參照?qǐng)D2，圖2為本發(fā)明實(shí)施例中偶級(jí)次透射光柵的偶級(jí)次衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，其中，若m為普通透射光柵的衍射幾次，當(dāng)m為偶數(shù)時(shí)，衍射峰僅出現(xiàn)在X軸上，與傳統(tǒng)透射光柵的衍射特點(diǎn)相同；當(dāng)m為奇數(shù)時(shí)，相應(yīng)存在一系列衍射峰沿著y方向分布，可將這些峰看作是傳統(tǒng)透射光柵m級(jí)衍射所分裂成的子峰。當(dāng)且僅當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，這些子峰的振幅不為零。特別地，對(duì)于X軸上的位置，即當(dāng)m為奇數(shù)，n=0，衍射峰的振幅為O。這表明，對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)光柵的奇數(shù)次衍射，偶級(jí)透射光柵將其分裂為一系列子峰，且這些子峰都偏離中心衍射平面。因此，沿著X軸只能探測(cè)到偶數(shù)級(jí)衍射，從而嚴(yán)格驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思想。一種偶次級(jí)透射光柵，當(dāng)光線為紫外線波段或X射線波段時(shí)，其含有無(wú)襯底的自支撐結(jié)構(gòu)，還包括鍍?cè)谧灾谓Y(jié)構(gòu)薄膜上的不透光金屬薄膜；
所述不透光金屬薄膜上分布有若干周期排列的透光柵線組，每個(gè)透光柵線組均含有若干指定寬度和長(zhǎng)度的透光柵線條，將所述透光柵線條方向取為Y方向，垂直于所述透光柵線條方向取為X方向；
其中，所述周期排列的具體方式為每隔Y方向上的一個(gè)透光柵線組，下一組透光柵線組的各透光柵線條均沿著X方向平移半個(gè)光柵周期。其中，所述自支撐結(jié)構(gòu)薄膜的材料為熔石英、玻璃或聚酰亞胺。其中，所述光柵的占寬比為0. 25或0. 75 ;較佳的，占寬比選擇為0. 75，且各透光柵線條Y方向周期長(zhǎng)度至少應(yīng)該小于所述光線直徑的五分之一。其中，所述不透光金屬薄膜的材料為金。其中，所述不透光金屬薄膜的厚度至少為200nm，因?yàn)閄射線和極紫外光的穿透能力較強(qiáng)，所以只能選用金作為薄膜材料，厚度應(yīng)該大于200nm才能保證完全吸收，但厚度對(duì)光的調(diào)制效果沒(méi)有明顯的影響。但需要注意的是，所述不透光金屬薄膜的厚度越厚，則制作工藝越復(fù)雜，本實(shí)施例中優(yōu)選其厚度為200nm。具體地，如果偶次級(jí)透射光柵應(yīng)用于X射線波段或極紫外波段，由于襯底對(duì)X射線或極紫外光的吸收，偶次級(jí)透射光柵需要制作為沒(méi)有襯底的自支撐結(jié)構(gòu)，即只有不透光的金屬薄膜，金屬薄膜下面沒(méi)有任何的支撐襯底，然后在此金屬薄膜上面制備出透光的矩形透光線條。因?yàn)榭紤]到X射線和極紫外光的穿透能力較強(qiáng)，鉻、銀、鋁或銅金屬薄膜在300nm厚時(shí)也很難完全吸收X射線和極紫外光，所以只能選用金為薄膜材料，所設(shè)計(jì)參數(shù)為金薄膜厚度為300nm，柵線X方向周期為500nm，所以柵線的寬度為500nm*0. 75或500nm*0. 25，優(yōu)選寬度為500nm*0. 75 ;因?yàn)閄射線照明光源直徑為1mm，所以Y方向周期為lmm*0.05，為光源直徑的二十分之一。下面詳細(xì)一種自支撐偶次級(jí)透射光柵的制作方法，需要說(shuō)明的是，制作方法為本領(lǐng)域公知技術(shù)，并不限于下述方法。首先，在硅襯底上旋涂1-2 U m厚的聚酰亞胺，經(jīng)過(guò)熱處理形成薄膜，利用濕法腐蝕將硅片背部腐蝕出一個(gè)窗口，得到自支撐聚酰亞胺薄膜窗口，此處自支撐聚酰亞胺薄膜即為前述的自支撐結(jié)構(gòu)薄膜。然后，在聚酰亞胺薄膜上蒸發(fā)5-10nm的金，作為電鍍時(shí)的導(dǎo)電層；
旋涂300-400nm厚的正性電子束抗蝕劑，熱處理后利用電子束直寫(xiě)技術(shù)，顯影后制作出偶級(jí)次光柵線條的抗蝕劑圖形；
微電鍍技術(shù)將金轉(zhuǎn)移到柵線條中，然后去除電子束抗蝕劑；
旋涂2-3 y m厚UV光刻膠，熱處理后利用接觸式光刻，對(duì)光柵圖形區(qū)以外進(jìn)行套刻，顯影之后電鍍，并去除光刻膠；
利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，刻蝕去除聚酰亞胺薄膜，得到應(yīng)用于X射線波段或極紫外波段的自支撐偶次級(jí)透射光柵。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在 本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種偶次級(jí)透射光柵，其特征在于，當(dāng)光線為可見(jiàn)光應(yīng)用波段時(shí)，其含有透光襯底，還包括鍍?cè)谕腹庖r底上的不透光金屬薄膜； 所述不透光金屬薄膜上分布有若干周期排列的透光柵線組，每個(gè)透光柵線組均含有若干指定寬度和長(zhǎng)度的透光柵線條，將所述透光柵線條方向取為Y方向，垂直于所述透光柵線條方向取為X方向； 其中，所述周期排列的具體方式為每隔Y方向上的一個(gè)透光柵線組，下一組透光柵線組的各透光柵線條均沿著X方向平移半個(gè)光柵周期。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光柵，其特征在于，所述透光襯底的材料為熔石英、玻璃或聚酰亞胺。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光柵，其特征在于，所述光柵的占寬比為0.25或0. 75，且各透光柵線條Y方向周期長(zhǎng)度至少應(yīng)該小于所述光線直徑的五分之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一所述的光柵，其特征在于，所述不透光金屬薄膜的材料為金屬鉻、金、銀、鋁或銅。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光柵，其特征在于，所述不透光金屬薄膜的厚度為100_300nmo
6.一種偶次級(jí)透射光柵，其特征在于，當(dāng)光線為紫外線波段或X射線波段時(shí)，其含有無(wú)襯底的自支撐結(jié)構(gòu)，還包括鍍?cè)谧灾谓Y(jié)構(gòu)薄膜上的不透光金屬薄膜； 所述不透光金屬薄膜上分布有若干周期排列的透光柵線組，每個(gè)透光柵線組均含有若干指定寬度和長(zhǎng)度的透光柵線條，將所述透光柵線條方向取為Y方向，垂直于所述透光柵線條方向取為X方向； 其中，所述周期排列的具體方式為每隔Y方向上的一個(gè)透光柵線組，下一組透光柵線組的各透光柵線條均沿著X方向平移半個(gè)光柵周期。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光柵，其特征在于，所述自支撐結(jié)構(gòu)薄膜的材料為熔石英、玻璃或聚酰亞胺。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光柵，其特征在于，所述光柵的占寬比為0.25或0. 75，且各透光柵線條Y方向周期長(zhǎng)度至少小于所述光線直徑的五分之一。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8任一所述的光柵，其特征在于，所述不透光金屬薄膜的材料為金。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光柵，其特征在于，所述不透光金屬薄膜的厚度至少為200nmo
全文摘要
本發(fā)明屬于衍射光學(xué)元件技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種偶次級(jí)透射光柵，當(dāng)光線為可見(jiàn)光應(yīng)用波段時(shí)，其含有透光襯底，還包括鍍?cè)谕腹庖r底上的不透光金屬薄膜；所述不透光金屬薄膜上分布有若干周期排列的透光柵線組，每個(gè)透光柵線組均含有若干指定寬度和長(zhǎng)度的透光柵線條，將所述透光柵線條方向取為Y方向，垂直于所述透光柵線條方向取為X方向；其中，所述周期排列的具體方式為每隔Y方向上的一個(gè)透光柵線組，下一組透光柵線組的各透光柵線條均沿著X方向平移半個(gè)光柵周期。本發(fā)明在不增加光柵線密度的情況下，可將光柵的色散能力提高一倍，突破了現(xiàn)有微細(xì)加工工藝對(duì)于光柵色散能力的限制，提高了X射線透射光柵在光譜學(xué)應(yīng)用中的性能。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102736152SQ201110092398
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者劉明, 史麗娜, 朱效立, 李冬梅, 李海亮, 謝常青 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所