一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构制造技术

本发明专利技术涉及一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，包括周期分布的多层膜堆，多层膜堆中心位置与每个光栅周期的中心位置重合，多层膜堆占宽比从顶部到底部单调增大，所述占宽比指多层膜堆任意高度位置上的横向宽度与光栅周期的比值，周期膜层厚度也由表面到基底单调变化。与现有技术相比，本发明专利技术一方面克服了传统侧壁垂直的大高宽比层状多层膜光栅结构制作难度大、机械稳定性差的缺点，显著提高光栅元件的稳定性和使用寿命，且光栅最高效率不变；另一方面上窄下宽的膜堆结构能进一步提高X射线的有效穿透深度，从而可获得更高的分辨率和光谱纯度。本发明专利技术可作为高分辨率X射线光谱测量的关键反射元件。

【技术实现步骤摘要】
一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构
本专利技术属于多层膜反射元件
，涉及一种X射线多层膜光栅元件，尤其是涉及一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构。
技术介绍
X射线光谱技术是分析物质成分、原子结构及电子价态等信息的重要手段，在材料科学、天文物理、生命科学等各领域都有重要应用。X射线单色器是X射线光谱仪器中的关键元件，其光谱分辨率决定了对物质成分和结构的探测精度。在硬X射线波段，天然晶体是良好的单色元件，但由于晶面间距的限制，它难以应用于软X射线波段。多层膜是天然晶体在中低能段的延伸，作为一维人工晶体其周期厚度灵活可调，且具有较高的反射率。但受限于膜层材料对X射线的吸收，常规多层膜的分辨率只有1％-2％。如图1所示，层状多层膜光栅(LamellarMultilayerGratings，简称LMG)通过在多层膜内刻蚀出光栅结构，有效降低了膜层的等效密度和吸收，从而增加入射光的穿透深度，提高多层膜元件0级反射的分辨率。此时分辨率ΔE/E正比于光栅的占宽比，即多层膜堆宽度和占宽比越小，分辨率越高。同时，当光栅工作在单级次条件下(只有一个衍射级次被激发)且膜对数足够大时，LMG可以获得和常规多层膜一样高的理论极限反射率。但高分辨率高效率层状多层膜光栅的研制要求制作出宽度在100nm左右、高宽比大于10且侧壁垂直的多层膜堆结构，这对制作工艺提出了很高的挑战。而这种大高宽比层状结构的机械稳定性也较差，在制作和后续应用中可能会坍塌破损，严重影响实际的光学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，通过设计新型侧壁倾斜式光栅结构，来避免传统LMG大高宽比多层膜堆的制作难题，提高元件结构的机械稳定性，保证0级次的高效率，并进一步提高0级次的分辨率。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，包括周期分布的多层膜堆，多层膜堆中心位置与每个光栅周期的中心位置重合，多层膜堆占宽比从顶部到底部单调增大，所述占宽比指多层膜堆任意高度位置上的横向宽度与光栅周期的比值。进一步地，多层膜堆任意高度位置的所述占宽比满足线性函数：Γh＝Γt+(Γb-Γt)*(L-h)/L其中，Γh为高度位置h处的占宽比，L为多层膜堆的总高度，Γt为膜堆顶部占宽比，Γb为膜堆底部占宽比。进一步地，所述多层膜堆由高、低原子序数的两种或多种材料周期性交替叠加组成，每个周期膜层厚度随不同高度位置的占宽比变化而变化。进一步地，所述周期膜层厚度随占宽比从顶部到底部单调增大。进一步地，对0级次衍射工作方式，所述周期膜层厚度的表达式为：其中，d为周期膜层厚度，Γh为高度位置h处的占宽比，u为多层膜反射级次，λ为工作波长，θ0为掠入射角，χA为高原子序数材料的介电常数，χS为低原子序数材料的介电常数，为多层膜的平均介电常数，γ为高原子序数材料膜厚与单个周期膜层厚度的比值。进一步地，所述高原子序数材料包括Mo、W、Cr、Co、Ni、Zr、Ru、Pd、La、WSi2和MoSi2；所述低原子序数材料包括B、C、B4C、Si、SiC、Mg、Sc、Ti和V。进一步地，多层膜堆的膜对数为x*(Na/Γ0)，其中，Na为常规平面多层膜的饱和膜对数，Γ0为多层膜堆顶部和底部占宽比的平均值，x为经验系数。进一步地，所述经验系数取值为1～2。进一步地，所述层状多层膜光栅结构的参数满足单级次条件：其中，ΔθMM是常规多层膜反射峰的角宽度，Γt为膜堆顶部占宽比，Γb为膜堆底部占宽比，d为周期膜层厚度，D为光栅周期。进一步地，所述光栅周期取值为100nm-1000nm，使用在波长为0.1-40nm的X射线波段。与现有技术相比，本专利技术具有以如下有益效果：(1)传统矩形槽型膜堆的层状多层膜光栅为实现高分辨率，需要制作大高宽比结构，导致元件使用中稳定性不好，会发生膜堆线条结构弯曲或坍塌，严重降低光学性能。本专利技术通过设计侧壁倾斜式(上窄下宽型)的多层膜堆结构，显著增大膜堆底部宽度，提高光栅的机械稳定性。(2)相对传统矩形式的层状多层膜光栅，本专利技术中上窄下宽型的膜堆结构能进一步提高X射线的有效穿透深度，从而获得更高的分辨率。(3)本专利技术倾斜式槽型结构也具有抑制反射峰两侧震荡，提高光谱纯度的作用。(4)针对倾斜侧壁带来的光栅从顶部到底部渐变的占宽比，本专利技术通过优化不同高度位置多层膜的周期厚度，保证TLMG的衍射效率仍达到对应多层膜反射率的最大值。附图说明图1为传统LMG结构示意图；图2为本专利技术X射线层状多层膜光栅(TLMG)的结构示意图；图1和图2中，1是吸收层，2是间隔层，3是多层膜堆，4是光栅掠入射角θ0，5是光栅出射角，多层膜堆高度为L；图3为模拟TLMG多层膜光栅0级衍射效率随掠入射角变化的曲线，其中，曲线a为传统侧壁竖直型的LMG效率，曲线b为膜层厚度不变(未经优化)的TLMG效率，曲线c为多层膜周期厚度随着Γ值线性变化的TLMG效率。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本专利技术实施例提供一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构(TiltedLamellarMultilayerGratings，简称TLMG)，适合用作X射线光谱实验中高效率高分辨率分光单色器。如图2所示，该光栅结构包括周期分布的多层膜堆3，形成的光栅周期为D，多层膜堆3中心位置与每个光栅周期的中心位置重合，多层膜堆3占宽比从顶部到底部单调增大，占宽比指多层膜堆任意高度位置上的横向宽度与光栅周期的比值。光栅周期D取值为100nm-1000nm，使用在波长为0.1-40nm的X射线波段。多层膜堆任意高度位置的所述占宽比满足线性函数：Γh＝Γt+(Γb-Γt)*(L-h)/L其中，Γh为高度位置h处的占宽比，L为多层膜堆的总高度，Γt为膜堆顶部占宽比，0≤Γt≤0.5，Γb为膜堆底部占宽比，0.5≤Γb≤1，Γt<Γh<Γb。多层膜堆3由高、低原子序数的两种或多种材料周期性交替叠加组成，每个周期膜层厚度随不同高度位置的占宽比变化而变化。高原子序数材料包括Mo、W、Cr、Co、Ni、Zr、Ru、Pd、La、WSi2和MoSi2；低原子序数材料包括B、C、B4C、Si、SiC、Mg、Sc、Ti和V。每个周期膜层均包括吸收层1和间隔层2，其中吸收层对应高原子序数材料，间隔层对应低原子序数材料。周期膜层厚度的优化，需要先确定对应目标能段和角度的平面多层膜参数，然后目标的高分辨率(窄带宽)是在该平面多层膜基础上通过刻蚀光栅结构变为多层膜光栅来提升，提升优化中再根据侧壁倾斜情况改变周期膜层厚度。本实施例中，周期膜层厚度随占宽比从顶部到底部单调增大。对0级次衍射工作方式，所述周期膜层厚度的表达式为：其中，d为周期膜层厚度，Γh为高度位置h处的占宽比，u为多层膜反射级次，λ为工作波长，θ0为掠入射角，χA为高原子序数材料的介电常数，χS为低原子序数材料的介电常数，为多层膜的平均介电常数，γ为高原子序数材料膜厚与单个周期膜层厚度的比值。周期膜层厚度d取值为2nm-15nm。多层本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，包括周期分布的多层膜堆，多层膜堆中心位置与每个光栅周期的中心位置重合，多层膜堆占宽比从顶部到底部单调增大，所述占宽比指多层膜堆任意高度位置上的横向宽度与光栅周期的比值。

【技术特征摘要】
1.一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，包括周期分布的多层膜堆，多层膜堆中心位置与每个光栅周期的中心位置重合，多层膜堆占宽比从顶部到底部单调增大，所述占宽比指多层膜堆任意高度位置上的横向宽度与光栅周期的比值。2.根据权利要求1所述的侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，多层膜堆任意高度位置的所述占宽比满足线性函数：Γh＝Γt+(Γb-Γt)*(L-h)/L其中，Γh为高度位置h处的占宽比，L为多层膜堆的总高度，Γt为膜堆顶部占宽比，Γb为膜堆底部占宽比。3.根据权利要求1所述的侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，所述多层膜堆由高、低原子序数的两种或多种材料周期性交替叠加组成，每个周期膜层厚度随不同高度位置的占宽比变化而变化。4.根据权利要求3所述的侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，所述周期膜层厚度随占宽比从顶部到底部单调增大。5.根据权利要求4所述的侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，对0级次衍射工作方式，所述周期膜层厚度的表达式为：其中，d为周期膜层厚度，Γh为高度位置h处的占宽比，u为多层膜反射级次，λ为工作波长，θ0为掠入射角，χA为高原子序数材料的介电常数...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄秋实，王占山，蒋励，张众，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31