基于LIGA技术的硬X射线纳米聚焦折射透镜的研制

Refraction lens is presently the frontier and hot topic of research of nano-focusing technique for synchrotron radiation. For refraction lens, the optimization theoretical design is the premise, while the satisfactory fabrication process is the guarantee and key to excellent performance. This project focuses on the fabrication process optimization and plans to search for PMMA hard X-ray (5 ~ 50 KeV) refraction nano-focusing lens with great depth by LIGA technology. In theory, we use the diffraction dynamics and beam propagation method to simulate the focusing performance, and design the ideal lens surface. In fabrication, relying on Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF) LIGA and lithography station, we use the electron beam of writing and the twice mask preparation to ensure the good morphology including right-angle、sharp-angle structure and the roughness of surface. Large aspect ratio and high hardness of PMMA structure are made by changing the PMMA property, the nanopillar arrays on silicon substrate are used to solve the falling-off problem of the photoresist, and then the nano-focusing refraction lens with great morphology are gotten. According to the feedback from online test results, the fabrication procedure will be optimized, the PMMA hard X-ray refraction nano-focusing lens with deeper than 100 micrometers in depth, larger than 150 micrometers in aperture diameter and less than 150 nanometers in full width at half maximum of X-ray focus will be gotten ultimately.

X射线折射透镜是目前同步辐射纳米聚焦技术的研究前沿与热点。为实现其优异的聚焦性能，优化的理论设计是前提，而优良的制备工艺是保证和关键。本项目基于LIGA工艺，重点在于工艺的优化和结构性能的提高，以研制PMMA材质的大深度硬X射线（5~50KeV）纳米聚焦折射透镜为目的。在理论方面，使用衍射动力学及光束传播等方法对透镜性能进行模拟，设计理想面型。在器件制作方面，依托北京同步辐射装置LIGA和光刻站，采用电子束直写和同步辐射纳米光刻技术，通过制备两次掩膜版的方法来保证透镜良好的形貌，包括直角、尖角结构和侧壁粗糙度。通过改变PMMA性能获得大高宽比的高硬度PMMA结构，采用纳米阵列衬底来解决光刻胶脱胶等工艺难题，以获得拥有良好面形的硬X射线折射透镜。依据在线性能测试结果，通过优化工艺参数最终得到深度大于100微米、口径大于150微米、X射线聚焦半高全宽小于150纳米的硬X射线纳米聚焦折射透镜。

X射线折射透镜是同步辐射纳米聚焦技术研究的前沿与热点。目前国内外对折射透镜的设计是五花八门的，但制备工艺限制了该透镜的发展与应用。本项目是国内首次对PMMA材质Kinoform面型的硬X射线组合折射透镜的系统性研究，从理论设计、制备工艺、性能测试等方面对该透镜进行研制与表征。在理论方面，使用衍射动力学及光束传播等方法对透镜性能进行了模拟，先后设计了两版长型Kinoform面型透镜，透镜以2~4微米细窄线条为主，长度最大达到22毫米，物理口径达到160微米，工作距离达到20毫米。在制备工艺方面，依托北京同步辐射装置（BSRF）LIGA和光刻站，采用电子束直写和X射线光刻技术，通过制备两次掩膜版的方法保证了透镜的良好面型，特别是细窄线条及直角结构。在制备过程中采用氯化铯纳米岛自组装的方式在硅片表面制备纳米阵列，以此为衬底解决了光刻胶脱胶的问题。通过研制高分子量的PMMA片，提高线条刚度，使图形在110微米的高度时仍保持良好面型，未出现倒塌、粘连等现象。通过本项目，我们开发出一条制备PMMA材质Kinoform透镜的成熟稳定的制备工艺流程。通过原子力显微镜（AFM）测试，PMMA材质Kinoform透镜的侧壁粗糙度最小能达到2.99微米。在测试方面，我们在BSRF 4W1线站及上海光源（SSRF）BL15U线站均完成了对该Kinoform透镜的测试。使用远场CCD成像调节透镜姿态，采用刀口扫描的方法测量焦斑大小。在12keV下，焦点的半高全宽是432纳米，由于光源的抖动、刀口的锐利程度等都对测试结果产生了影响。本项目为PMMA材质Kinoform面型的硬X射线组合折射透镜在光束线上的应用打下了良好的基础。