X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法及光栅技术

本发明专利技术属于超快诊断领域，提供了一种X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法及光栅，解决现有工艺制备的调制光栅，其金属层较薄，难以制备高深宽比的光栅，不能很好实现对X射线阻挡作用的问题，该方法包括以下步骤：步骤一、以全光固体超快探测芯片外延片的外延面作为光栅材料的衬底，选择合适的光栅材料，所述光栅材料为能有效吸收X射线的金属材料；步骤二、在衬底上制备导电的金属模块，形成种子层；步骤三、在种子层上制备胶膜，采用SU‑8胶进行光刻，形成胶光栅结构；步骤四、对制备有胶光栅结构的衬底进行微电镀，形成金属光栅结构；步骤五、去除SU‑8胶，获得金属光栅。

Fabrication and grating of modulated grating for X-ray all-optical solid-state ultrafast detection chip

The invention belongs to the field of ultra-fast diagnosis, and provides a preparation method and grating of modulated grating for X-ray all-optical solid ultra-fast detection chip. It solves the problem that the modulated grating prepared by the existing technology has thin metal layer, is difficult to prepare grating with high aspect ratio, and can not well realize the X-ray blocking effect. The method includes the following steps: 1. Using all-optical solid ultra-fast detection; The epitaxy surface of the chip epitaxy sheet is used as the substrate of the grating material, and the appropriate grating material is selected. The grating material is the metal material which can effectively absorb X-ray. Step 2: Preparing conductive metal module on the substrate to form seed layer; Step 3: Preparing film on the seed layer, photolithography with SU 8 glue to form a glue grating structure; Step 4: Preparing glue grating. The metal grating structure is formed by micro-electroplating on the substrate of the structure. Step 5: Remove SU-8 glue to obtain metal grating.

【技术实现步骤摘要】
X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法及光栅
本专利技术属于超快诊断领域，具体涉及一种X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法及利用该方法制备的光栅，应用于X射线波段超快信号探测。
技术介绍
全光固体超快诊断技术具有超高时间和空间分辨率，指的是采用超快半导体芯片探测相应待测信号，实现光-光的转化，当信号光入射到超快探测芯片上时产生非平衡载流子，经芯片表面光栅结构调制，探测芯片内部形成与入射光相对应的瞬时折射率空间分布图样，空间分布图样与光栅结构相对应，然后采用探针光脉冲将信号光信息读出。对于X射线全光固体超快探测芯片而言，X射线调制振幅光栅制备于半导体超快响应材料表面，当X射线入射到芯片表面时，由于光栅对部分X射线的阻挡，在半导体材料内部会形成与载流子浓度相关的相位光栅，实现对相反方向入射光的探针光的调制，产生衍射信号，完成对信号光信息的提取。因此芯片表面的调制光栅是X射线全光固体超快探测芯片的重要部件。在芯片表面制备调制光栅，通常采用热蒸发、离子束溅射、光刻剥离、腐蚀等工艺，采用上述工艺制备的调制光栅，其金属层较薄，难以制备高深宽比的光栅，不能很好实现对X射线的阻挡作用。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决现有工艺制备的调制光栅，其金属层较薄，难以制备高深宽比的光栅，不能很好实现对X射线阻挡作用的问题，提供了一种X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法及利用该方法制备的光栅，应用于X射线波段超快信号探测。本专利技术的技术方案是：一种X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：步骤一、选择光栅材料以全光固体超快探测芯片外延片的外延面作为光栅材料的衬底，选择合适的光栅材料，所述光栅材料为能有效吸收X射线的金属材料；步骤二、制备种子层在衬底上制备导电的金属模块，形成种子层；步骤三、制备胶光栅结构在种子层上制备胶膜，采用SU-8胶进行光刻，形成胶光栅结构；步骤四、制备金属光栅结构对制备有胶光栅结构的衬底进行微电镀，形成金属光栅结构；步骤五、去胶去除种子层上的SU-8胶，获得金属光栅。进一步地，步骤一选择光栅材料中，所述光栅材料的材料为Au，厚度为5μm。进一步地，步骤二制备种子层中，所述金属模块的材料为Al、Cu或Au，厚度为30～200nm。进一步地，所述金属模块的材料为Cu，厚度为100nm。进一步地，步骤二制备种子层的具体步骤为：采用磁控溅射成膜技术在衬底上生长金属材料，制备金属模块，形成种子层。进一步地，步骤四制备金属光栅结构的具体步骤为：采用主盐为亚硫酸金钠NaAu(SO3)2、主要络合剂为无水亚硫酸钠的电镀液对制备有胶光栅结构的衬底进行微电镀，在衬底上形成金属光栅结构；所述电镀液温度控制在40-50℃，PH值控制在8-10，脉冲电流密度0.5A/dm2。进一步地，所述主盐浓度为8-15g/L，主要络合剂浓度为120-140g/L；所述电镀液还包括辅助络合剂，所述辅助络合剂包括浓度为100-120g/L的柠檬酸钾、浓度为15-25g/L的氯化钾、浓度为30-40g/L的磷酸氢二钾、去离子水。进一步地，步骤五去胶的具体步骤为：使用SU-8去胶液浸泡和丙酮浸泡超声去除种子层上的SU-8胶，获得金属光栅。本专利技术同时提供了一种利用上述X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法制备的光栅，其特殊之处在于：光栅包括多个光栅单元；每个光栅单元包括种子层、设置在所述种子层上的电镀层，该电镀层上设有贯通至种子层表面的通槽。进一步地，所述光栅单元结构为“工”字型，光栅单元的参数为70lp/mm；相邻“工”字型光栅单元垂直分布。本专利技术与现有技术相比，具有以下技术效果：1、本专利技术提供的X射线全光固体超快探测芯片表面振幅型调制光栅的制备方法可以实现对入射X射线的有效阻挡，金属光栅结构完整；同时将镀膜(在衬底上制备种子层)和微电镀技术结合，实现对入射到芯片表面的X射线的高透和对探针光的高反，提高对入射光和探针光的利用率，工艺精简。2、本专利技术的光栅材料材料选择金属Au厚度为5μm，其可对1keV～10keV范围内的X射线进行有效吸收。3、本专利技术在衬底表面制备种子层，材料可选择为Al、Cu或Au，厚度为30～200nm，能满足对入射光的透射率和探针光的反射率。4、本专利技术在衬底表面制备100nm的Cu材料，作为种子层，同时可以用作对X射线的高透膜及对探针光的高反膜，且透过率和反射率好。5、本专利技术制备的光栅，结构完整且能够满足高深宽比，可实现对入射X射线的有效阻挡，适应于芯片所应用的环境中。6、本专利技术制备的光栅单元结构为“工”字型，光栅单元的参数为70lp/mm，相邻“工”字型光栅单元垂直分布，解决了测试过程中因探测芯片旋转引起的测试数据的不一致性问题。附图说明图1为本专利技术制备方法流程示意图；图2为1keV到10keV范围内的X射线在金属Au材料中的入射深度模拟曲线；图3为本专利技术实施例制备的光栅分布示意图；图4为图3的Ⅰ处局部放大图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术的内容作进一步详细描述。芯片测试选用入射信号光为4.5KeV的X射线，探针光波长800nm。为了有效调制X射线，阻挡入射的高能X射线，芯片选择原子序数高的Au作为X射线调制光栅的材料。如图1所示，本专利技术提出的X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法，包括以下步骤：步骤1、以全光固体超快探测芯片外延片的外延面作为光栅材料的衬底，选择合适的光栅材料，所述光栅材料为能有效吸收X射线的金属材料；由于X射线具有极强的穿透力，因此为了有效阻挡部分X射线，需采用原子序数高的金属材料，本专利技术采用Au材料，如图2所示，针对1keV到10keV范围内的X射线在金属Au材料的入射深度进行模拟，得出X射线在半导体材料中的入射深度与Au厚度的关系，通过模拟计算，最终选用厚度为5μm的Au作为光栅材料；步骤2、在衬底上制备导电的金属模块，形成种子层；微电镀工艺是电镀工艺在微纳米加工领域的拓展应用，其原理是电化学沉积，本专利技术通过计算Al、Cu和Au材料分别对入射光和探针光的透过率和反射率，经对比发现：1)采用Al材料制备的种子层(Al膜)，当种子层的厚度(膜厚)在200nm以下时，对4.5KeV谱段的X射线具有高于95％的透过率；2)采用Cu材料制备的种子层(Cu膜)，当种子层的厚度(膜厚)在200nm以下时，对4.5KeV谱段的X射线具有高于95％的透过率；3)采用Au材料制备的种子层(Au膜)，当种子层的厚度(膜厚)在200nm以下时，对4.5KeV谱段的X射线具有高于80％的透过率。以此为参考，分别对比厚度低于200nm的三种金属材料薄膜对探针光的反射率，见下表1：表1综合各金属膜对X射线透射率及对探针光的反射率，可知Cu膜在100nm厚度时，其对X射线透过率大于95％，且对探针光反射率优于97％，因而选用厚度100nm的Cu膜材料作为微电镀过程的种子层；采用磁控溅射成膜技术在全光固体超快探测芯片外延片的外延面生长100nmCu材料作为种子层，同时作为对入射光的高透膜和对探针光的高反膜；此过程制备的100nm的Cu材料对X射线透过率95％，对800nm探针光反射率97.1％。步骤3、在种子层Cu上制备胶膜，采用SU-8胶进行光刻显本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、选择光栅材料以全光固体超快探测芯片外延片的外延面作为光栅材料的衬底，所述光栅材料为能有效吸收X射线的金属材料；步骤二、制备种子层在衬底上制备导电的金属模块，形成种子层；步骤三、制备胶光栅结构在种子层上制备胶膜，采用SU‑8胶进行光刻，形成胶光栅结构；步骤四、制备金属光栅结构对制备有胶光栅结构的衬底进行微电镀，形成金属光栅结构；步骤五、去胶去除种子层上的SU‑8胶，获得金属光栅。

【技术特征摘要】
1.一种X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、选择光栅材料以全光固体超快探测芯片外延片的外延面作为光栅材料的衬底，所述光栅材料为能有效吸收X射线的金属材料；步骤二、制备种子层在衬底上制备导电的金属模块，形成种子层；步骤三、制备胶光栅结构在种子层上制备胶膜，采用SU-8胶进行光刻，形成胶光栅结构；步骤四、制备金属光栅结构对制备有胶光栅结构的衬底进行微电镀，形成金属光栅结构；步骤五、去胶去除种子层上的SU-8胶，获得金属光栅。2.根据权利要求1所述的X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法，其特征在于：步骤一选择光栅材料中，所述光栅材料的材料为Au，厚度为5μm。3.根据权利要求1所述的X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法，其特征在于：步骤二制备种子层中，所述金属模块的材料为Al、Cu或Au，厚度为30～200nm。4.根据权利要求3所述的X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法，其特征在于：所述金属模块的材料为Cu，厚度为100nm。5.根据权利要求1所述的X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法，其特征在于，步骤二制备种子层的具体步骤为：采用磁控溅射成膜技术在衬底上生长金属材料，制备金属模块，形成种子层。6.根据权利要求1所述的X射线全光固体超快探测芯片调制光栅的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫欣，高贵龙，何凯，汪韬，田进寿，钟梓源，尹飞，李少辉，辛丽伟，刘虎林，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61