XUV和X射线衍射光学元件的制造方法技术

技术编号:26045161 阅读:62 留言:0更新日期:2020-10-23 21:24
本发明专利技术指的是一种用于打印微尺度或纳米级XUV和/或X射线衍射光学元件(1)的方法,包括以下步骤:a)提供具有感光的并且通过双光子吸收可聚合的第一成分(2a)的材料(2);b)提供光学元件(1)的期望的几何结构(4)的数据(3),并且对应于光学元件(1)的期望的结构(4)的数据(3)建立至少一个轨迹(8);c)提供第一高强度能量束(5),特别是激光束,其中束(5)包括焦点(F),焦点(F)的位置能被调节到符合至少一个轨迹(8)的多个位置(F1,F2,<,Fp);d)材料(2)在焦点(F)的第一位置(Fn)通过双光子吸收聚合,从而创建光学元件(1)的结构(4)的第一体素(vn1n2n3);调节焦点(F)的位置沿着至少一个轨迹(8)从焦点(F)的第一位置(Fn)到随后位置(Fn+1),并且在焦点(F)的随后位置(Fn+1)处重复步骤d),其中焦点(F)的位置(F1,F2,…,Fp)中的每一个和焦点(F)的位置(F1,F2,…,Fp)中其余的至少一个之间的距离(d),就他们平行于所述距离(d)的维度而言,小于在这些位置生成的体素的平均直径(vd)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】XUV和X射线衍射光学元件的制造方法
技术介绍
已经证实X射线显微术是一种重要的成像技术。在基本情况下,显微镜的分辨率受到所使用辐射波长的限制。与可见光相比,X射线具有小于10nm的更小波长的优点,使得分辨率可能更高。除此之外,有前景的技术使用波长在10nm至121nm之间的XUV(“远紫外线”)射线。应注意,即使以下说明书中引用的示例针对的是X射线光学元件,本专利技术的目标也适用于XUV射线光学元件。表述“光学元件”和“光学器件”在现有技术中均为已知的。X射线的高性能聚焦需要实现具有微尺度或纳米级特征、微米级孔径和高纵横比的非常具有挑战性的三维(3D)几何形状。一种特别困难的结构是期望的波带片的轮廓,称为开诺全息照片(kinoform),其根据现有技术被制造为非期望的近似图案,但其仍然需要复杂的多步骤的制造工艺。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种3D制造X射线光学元件的新理念,使得特别是高性能开诺全息照片能被迅速制造具有前所未有的高纵横比。而且,对各种光学元件或X射线光学元件的片内集成化提出扩展概念。该目的的实现是通过用于打印微尺度或纳米级XUV和/或X射线衍射光学元件的方法,方法包括以下步骤:a)提供具有感光的并且通过双光子吸收可聚合的第一成分的材料;b)提供光学元件的期望的几何结构的数据,并且对应于光学元件的期望的结构的上述数据建立至少一个轨迹;c)提供高强度能量束,特别是激光束,其中束具有焦点,上述焦点的位置能被调节到符合上述至少一个轨迹的多个位置;d)材料在上述焦点的第一位置通过双光子吸收聚合,从而创建光学元件的上述结构的第一体素;e)调节上述焦点的位置沿着上述至少一个轨迹从焦点的上述第一位置到随后位置,并且在焦点的上述随后位置,重复步骤d),其中上述焦点的每一个位置和上述焦点的至少一个其余位置之间的距离,在他们平行于距离的维度上,小于在这些位置生成的体素的平均直径。已知表述“体素”是词语“体积”和“元素”的结合。类似于2D元件的表述“像素”,其描述了光学元件的体积的一元素。光学元件的结构可描述为分成多个体素。优选地,多个体素中的所有体素为相同形状和尺寸。近似地,体素可视为包括具有一直径的球体或具有两个不同直径的椭圆体的形状。该方法优选地包括建立强聚焦(例如通过紧密聚焦的大功率红外激光器)以促进光子在引起介质(例如光阻剂)的双光子聚合(2PP)的高斯聚焦的中部的非线性吸收。这使得曝光特征小于波长。如果束被激活,则出现焦点。如果束没有被激活,则没有焦点;这样,这种情况下不会出现聚合。这允许跳过材料的不会被聚合的具体区域。这样,关于轨迹的方向相邻的两个位置之间的距离彼此之间不一定必须相同。在本专利技术的范围内,束的焦点的具体位置优选地视为对应于光学元件的结构的一具体体素的位置。可以使用单个光束源发射的单个束或者多于一个束(每束通过分开的光束源发射)来聚合材料。多于一个束和/或光束源能够同时聚合多于一个体素,从而提高生产速度。在该方法的优选变型中,提供至少一另外的高强度能量束,其中第一束和该至少一另外的高强度能量束在材料内的相交(intersecting)体积中彼此相交,其中在相交体积中,由第一束和该至少一另外的高强度能量束提供的能量的总和超过通过双光子吸收引发聚合需要的阈值。使用多于一个束能有利地避免建立具有小横向尺寸和(非常)大轴向长度的椭圆形状的体素。由于该不等轴体素会导致限制打印结构的质量并且导致打印分辨率在xy-和z-方向上的差异,已经发现避免这些不等轴体素是有利的。已经发现通过在交叉的几何结构中结合两个或多个(例如飞秒)激光束建立较小的和各向等大的体素。优选地,单独的束的强度被调节以使得单独的聚焦强度接近但不超过开始2PP所需的功率阈值。这样,仅在两束彼此相交处的体积中,聚焦强度超过2PP阈值。这样,聚合仅出现在两束的两椭圆体积相交处的体积中。该束可彼此相交成任何适当角度。已经发现5和355°之间的角度适于避免具有小横向尺寸和(非常)大轴向长度的上述椭圆形状的体素。更优选地,束以15和75°之间的角度彼此相交,更优选地在25和65°之间。这使得光束源能彼此间隔开放置。优选地,两束彼此相交成直角。在该角处,能建立具有(就射束方向而言)相同横向尺寸和(非常)轴向长度的体素。然而,可使用对于两束和这些束之间的不同角度改变体素形状和尺寸以适应特定的要求。通过改变体素形状和尺寸适应特定的要求,显著提高在轴向上和横向上改进2PP的分辨率。两束彼此相交成直角的优选实施方式已经提供了显著改进的体素形状和尺寸。结果产生的相交具有类似于称为斯坦梅茨固体或双圆柱的两圆柱成直角相交的几何形状。该固体比单个椭圆形的体积小,为准等距(quasi-isometric)。该实施方式使得高质量部分打印成在等距分辨率(isometricresolution)的纳米尺度具有更高分辨率。已经表明,等距分辨率进一步改进了打印的光学元件的质量。在优选实施方式中,两个或更多束的焦点以任何重叠要素重叠,彼此平行或垂直或倾斜,以便设计交互(interaction)体积的尺寸和形状。在另一实施方式中,每个焦点可以是任何期望的形状。在这些各个实施方式中,优选地只有重叠的体积必须超过2PP强度阈值。优选地,焦点的位置被连续地调节到焦点的最后位置,从而通过在焦点的每个位置处重复步骤d)和e)来建立光学元件的结构的多个体素。优选地,在创建多个单个体素之后,光学元件的结构完成。因此,优选地,产生光学元件的结构的每一个体素。在焦点的最后位置完成材料的聚合之后,优选地紧接着直接将光学元件成型为一个单件。因此,优选省略诸如将单个聚合区域融合在一起以形成光学元件的后处理步骤。通过保持对应于任意体素(例如,上述的第一体素或任何其它体素)的焦点的位置和焦点的至少一个其余位置之间的距离小于就其平行于距离的维度而言在这些位置上产生的体素的平均直径,这些任意体素就至少一个维度而言与至少一个其它体素重叠。该另一体素可为已经在各体素(除了第一个体素)之前创建的体素,也可为在各体素之后创建的体素。由于表面和内部粗糙度对于XUV射线和X射线聚焦的应用至关重要,优选的是两个体素之间的重叠非常牢固。特别地,粗糙度小于10nm的清晰表面是期望的。这样可避免诸如热回流之类的后处理步骤。优选地,焦点的每个位置和焦点的至少一个其余位置之间的距离与就其平行于距离的维度而言在这些位置处生成的体素的平均直径的比例包含小于0.9间的值,优选地小于0.7,更优选地小于0.5,最优选地小于0.3。甚至优选地,对应于各体素的焦点的位置与焦点的其余两个、三个、四个、五个或六个位置之间的距离小于就其平行于距离的维度而言在这些位置处生成的体素的平均直径。因此,实现了二维或甚至三维的重叠,在每个维度中具有一个或两个重叠,其中一个重叠指的是两个体素的相对位置。这种重叠的优点在于,在聚合完成后,尤其是在玻璃化转变温度以上,不需要加热体素。这种情况下,加热可能会不利于光学元件的结构质量,因为在热回流过程中几何形状的控制很难本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于打印微尺度或纳米级XUV和/或X射线衍射光学元件(1)的方法,/n包括以下步骤:/na)提供具有感光的并且通过双光子吸收可聚合的第一成分(2a)的材料(2);/nb)提供所述光学元件(1)的期望的几何结构(4)的数据(3),并且对应于所述光学元件(1)的期望的结构(4)的所述数据(3)建立至少一个轨迹(8);/nc)提供第一高强度能量束(5),特别是激光束,其中所述束(5)包括焦点(F),所述焦点(F)的位置能被调节到符合所述至少一个轨迹(8)的多个位置(F1,F2,…,F8);/nd)所述材料(2)在所述焦点(F)的第一位置(F1)通过双光子吸收聚合,从而创建所述光学元件(1)的所述结构(4)的第一体素(V1);/ne)调节所述焦点(F)的位置沿着所述至少一个轨迹(8)从所述焦点(F)的所述第一位置(F1)到随后位置(F2),并且在所述焦点(F)的所述随后位置(F2)处重复步骤d),/n其中所述焦点(F)的位置(F1,F2,…,Fp)中的每一个和所述焦点(F)的位置(F1,F2,…,Fp)中其余的至少一个之间的距离(d),就他们平行于所述距离(d)的维度而言,小于在这些位置生成的体素(V1,V2;V1,V6;V2,V3;V2,V5;V3,V4;V4,V5;V4,V8;V5,V6;V6,V7)的平均直径(vd)。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180309 EP 18161035.3;20180709 EP 18182355.01.用于打印微尺度或纳米级XUV和/或X射线衍射光学元件(1)的方法,
包括以下步骤:
a)提供具有感光的并且通过双光子吸收可聚合的第一成分(2a)的材料(2);
b)提供所述光学元件(1)的期望的几何结构(4)的数据(3),并且对应于所述光学元件(1)的期望的结构(4)的所述数据(3)建立至少一个轨迹(8);
c)提供第一高强度能量束(5),特别是激光束,其中所述束(5)包括焦点(F),所述焦点(F)的位置能被调节到符合所述至少一个轨迹(8)的多个位置(F1,F2,…,F8);
d)所述材料(2)在所述焦点(F)的第一位置(F1)通过双光子吸收聚合,从而创建所述光学元件(1)的所述结构(4)的第一体素(V1);
e)调节所述焦点(F)的位置沿着所述至少一个轨迹(8)从所述焦点(F)的所述第一位置(F1)到随后位置(F2),并且在所述焦点(F)的所述随后位置(F2)处重复步骤d),
其中所述焦点(F)的位置(F1,F2,…,Fp)中的每一个和所述焦点(F)的位置(F1,F2,…,Fp)中其余的至少一个之间的距离(d),就他们平行于所述距离(d)的维度而言,小于在这些位置生成的体素(V1,V2;V1,V6;V2,V3;V2,V5;V3,V4;V4,V5;V4,V8;V5,V6;V6,V7)的平均直径(vd)。


2.如权利要求1所述的方法,
其中提供有至少一个另一高强度能量束(5’),其中所述第一高强度能量束(5)和所述至少一个另一高强度能量束(5’)在所述材料(2)内的相交体积中彼此相交,其中在所述相交体积中,由所述第一高强度能量束(5)和所述至少一个另一高强度能量束(5’)提供的能量的总和超过通过双光子吸收引发聚合所需要的阈值。


3.如权利要求1或2所述的方法,
其中所述焦点(F)的所述位置被连续地调节直到所述焦点(F)的最后位置(F8),从而建立所述光学元件(1)的所述结构(4)的多个体素(V1,…,V8)。


4.如权利要求1-3中任一项所述的方法,
其中所述材料(2)包括具有比所述第一成分(2a)更高电子密度的第二成分(2b),其中所述第二成分(2b)优选地为金属盐和/或包括纳米粒子。


5.如权利要求1-4中任一项所述的方法,
其中所述光学元件(1)的所述几何结构(4)被描述为具有笛卡尔坐标(x,y,z)或极坐标
其中所述多个体素是在多个连续步骤中创建,
其中在所述连续步骤的每一个中,所述束(5)的所述焦点(F)的所述位置在整个步骤中包括就所述坐标中的第一个(z;t)而言的常数值。


6.如权利要求5所述的方法,
其中所述连续步骤的每一个被分成多个连续的步骤部分,
其中在所述步骤部分的每一个中,所述束(5)的所述焦点(F)的所述位置在整个步骤部分中包括就所述坐标中的第二个(x;r)而言的常数值。


7.如前述权利要求中任一项所述的方法,
其中所述光学元件(1)为单个光学元件,选自包括以下的群组:具有圆柱形、球形、抛物线形、椭圆形、消色差或全息几何形状的开诺全息照片、波带片、透镜或纳米聚焦透镜,波阵面整形元件,例如波前整形板,像差校正器,波前校正器,消色差元件,相位板光学元件或自由形式的光学元件,或者所述光学元件(1)是这些单个光学元件中的任意多于一个的堆叠或阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员:乌穆特·腾卡·桑利哈坎·塞兰梅廷·斯蒂吉泽拉·许茨卡拉曼·凯斯金博拉
申请(专利权)人:马克斯普朗克科学促进学会
类型:发明
国别省市:德国;DE

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