一种变焦距X射线组合透镜及其制作方法技术

本发明专利技术属于光学技术领域，涉及一种变焦距Ｘ射线组合透镜及其制作方法。该组合透镜包括透镜主体及透镜主体上间隔排列的空气腔，所述透镜主体材料为ＰＭＭＡ；其制作方法是首先在起到支撑作用的单晶硅片表面依次制作聚酰亚胺、金属薄膜和光刻胶等所需层面；然后经过光刻，电铸，去胶，开窗口等步骤，完成光刻透镜主体时所使用的掩膜和光刻空气腔时所使用的掩膜的制备；最后，用制备好的掩膜进行两次Ｘ射线光刻，完成变焦距Ｘ射线组合透镜的制作。本发明专利技术具有聚焦效果好、散射小、Ｘ射线辐射透过率高、工艺简单等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学
，涉及一种微结构X射线光学元件，具体地说是一种变焦距 X射线组合透镜及其制作方法。技术背景-X射线组合透镜是Snigirev在1996年提出的一种新型微结构X射线光学元件，特别适 用于高能X射线波段(5keV以上)。自该器件提出以来，国外对它的研究一直非常活跃。 目前，组合折射透镜已经证明有着巨大的优越性它们可对高能X射线聚束、聚焦效率高、 不需要折转光路、易于排列和操作、高温稳定性好且易冷却、可以消除球差等。近年来， 基于X射线组合透镜聚焦和准直的各种应用研究非常活跃。比如硬X射线微探针、X射线 显微镜、X射线断层扫描摄影、微X射线荧光光谱测定法(p-XRF)、化学微分析、微荧 光和微EXAFS测量以及单色仪预备光束的准直等。这些都表明了 X射线组合透镜的巨大 应用潜力和广泛应用前景。国际上与本专利技术最接近的设计结构是采用模压技术制成的A1材料抛物面形X射线变焦 距组合透镜(A. Khounsary, Wa/., Proc. Of SPIE Vol. 4783(2002):49-54)，该组合透镜由透镜主 体及透镜主体上间隔排列的空气腔构成，相邻空气腔之间的间隙形成透镜单元；所述透镜主 体主视图呈楔形结构，该楔形结构是由直角梯形和矩形组成，直角梯形的长底边与矩形的一 个长边重合，直角梯形的直角边与矩形的一个宽边重合；所述空气腔为抛物面构成的柱形空 腔。其制作方法是使用与所制作的结构互补的硬模在加热的Al上进行冲压，从而得到透镜 的基本结构，然后将冷却的结构进行排列对准，再用两个平板将几个单元结构夹紧，选择合 适的长度沿着对角方向进行切割，得到要求的变焦距X射线组合透镜。由于这种组合透镜使 用了价格较低的A1材料，且采用模压技术得到抛物面形状，因而存在下述缺点加工精度 低，影响聚焦效果；相邻两空气腔的间隔较大，影响X射线辐射透过率；表面粗糙度偏高， 使散射增大；工艺复杂。并且这种组合透镜由于空气腔的高度呈连续变化，因而只能实现连 续变焦。目前国内关于X射线组合透镜的研究较少。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种加工精度高、相邻两空气腔的间隔小、表面粗糙度低、制作工艺简单的变焦距X射线组合透镜及其制作方法。本专利技术包括透镜主体及透镜主体上间隔排列的空气腔，所述透镜主体材料采用PMMA。作为本专利技术的一个改进是所述透镜主体为阶梯形，每个台阶内包含至少一个空气腔。 当透镜主体的每个台阶内都包含一个空气腔时，组合透镜可以连续变焦；当各台阶内包含的 空气腔为两个以上时，组合透镜可实现离散变焦。所述空气腔为双抛物柱面构成的柱形空腔，或者单抛物柱面与平面构成的柱形空腔， 或者椭圆柱形空腔，或者其他可以使透镜单元实现聚焦的任意几何形状结构。本专利技术变焦距X射线组合透镜的工作过程是；高能X射线从透镜主体中的高度最大的 一端入射，沿透镜主体内空气腔的排列方向穿过，从透镜主体的另一端，即高度最小的一端 射出。在高能X射线通过透镜主体内的空气腔时，若沿着空气腔的高度方向移动透镜组合， 将使高能X射线经过不同个数的透镜单元，这些不同个数的透镜单元形成不同焦距的组合透 镜，从而使得出射的高能X射线被聚焦的效果不一样。这样，光相当于经过一个焦距变化的 透镜组，实现了变焦距的目的。本专利技术变焦距X射线组合透镜的的制作方法包括下列步骤第一步，制备光刻透镜主体时所需的掩膜；第二步，制备光刻空气腔时所需的掩膜；第三步，利用第一步制备的掩膜制备透镜主体；第四步，用第三步制备的透镜主体和第二步制备的掩膜制备空气腔。 制备光刻透镜主体时所需的掩膜步骤如下(A) 对单晶硅片进行清洁处理；(B) 在单晶硅片的一个表面自旋涂覆一层聚酰亚胺涂料，起到衬托金属吸收体的作用；(C) 将涂覆聚酰亚胺的单晶硅片放在烘箱中固化；(D) 在固化后的聚酰亚胺表面生长一层金属作为第一种子层；(E) 在第一种子层上涂覆一层PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)，然后在PMMA表面生长 一层金属作为第二种子层；(F) 在第二种子层上涂覆一层厚光刻胶；(G) 使用与透镜主体主视图形状相同的光刻版对光刻胶进行极紫外光刻，然后进行显 影、坚膜；(H) 在(G)步完成的结构中于未被光刻胶覆盖的部分电铸金属层，作为软X射线光 刻掩膜吸收体；(I)去除阴影部分的光刻胶及光刻胶下面的第二种子层，得到光刻下一层PMMA所需 的金属掩膜；(J)用经过步骤(I)所完成的掩膜，对PMMA层进行正投影式软X射线曝光； (K)去除掩膜后，对PMMA层进行显影；(L)在(K)步完成的结构中于未被PMMA覆盖的部分电铸金属层； (M)采用无掩膜软X射线曝光方法去除之前未曝光的PMMA结构，并且去除PMMA 下面的第一种子层；(N)对步骤(M)完成的结构的另一个表面进行光刻并腐蚀，即在单晶硅片上开出与 透镜主体主视图形状相应的窗口，则完成第一次X射线光刻掩膜的制作； 制备光刻空气腔时所需的掩膜步骤如下 (O)重复制备光刻透镜主体时所需掩膜中的(A)、 (B)、 (C)、 (D)、 (E)、 (F)六个步骤；(P)使用与空气腔横截面形状互补的光刻版对步骤(O)中的厚光刻胶进行极紫外光 光刻，然后进行显影、坚膜；(Q)在(P)步骤完成的结构中于未被光刻胶覆盖的部分电铸金属层，作为软X射线 光刻掩膜吸收体，去掉阴影部分的厚光刻胶及其下的第二种子层，得到光刻下一层PMMA 所需的金属掩膜；(R)用经过步骤(Q)所完成的掩膜，对PMMA层进行正投影式软X射线曝光； (S)去除掩膜后，对PMMA层进行显影；(T)在(S)步骤完成的结构中于未被PMMA覆盖的部分电铸金属层，作为第二次X 射线光刻掩膜吸收体；(U)采用无掩膜软X射线曝光去除之前未曝光的PMMA结构，并且去除PMMA下面 的第一种子层；(V)对步骤(U)完成的结构的另一个表面进行光刻并腐蚀，即在单晶硅片上开出与 空气腔横截面形状互补的窗口 ，则完成第二次X射线光刻掩膜的制作； 制备透镜主体步骤如下 (W)对起到支撑作用的单晶硅片进行清洗；(X)在单晶硅片的一个表面涂覆一层设定厚度的PMMA，并固化； (Y)使用制备光刻透镜主体时所需掩膜中的步骤(N)制作完成的掩膜对PMMA进行 X射线曝光、显影；(Z)将显影后的结构放入去离子水中漂洗，得到透镜主体结构； 制备空气腔步骤如下 (A')对制作透镜主体中的步骤(Z)完成的结构进行固定；(B')使用制备光刻空气腔时所需掩膜中的步骤(V)制作完成的掩膜对步骤(A')固 定的结构的所需表面进行X射线曝光、显影；(C')将显影后的结构放入去离子水中漂洗，则完成变焦距X射线组合透镜的制作。 本专利技术的优点是透镜采用了三维微加工制作技术，使组合透镜具有加工精度高、聚焦 效果好，可加工多种几何形状和结构等优点；本专利技术表面粗糙度低，解决了因粗糙度偏高带 来的散射大的问题；采用深层X射线光刻技术制作出的变焦距X射线聚焦组合透镜具有更 高的结构高度和深宽比，解决了结构的高度尺寸小，并且相邻两空气腔的间隔较大，影响X 射线辐射透过率的问题。此外，用深层X射线光刻技术，工艺简单，可以制作出一体化、一 次性精密加工成型、不需要精密装调的变焦距X射线聚焦组合透镜。 附图说明图1是本专利技术变焦距X射线组合透本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变焦距Ｘ射线组合透镜，包括透镜主体（１）及透镜主体（１）上间隔排列的空气腔（２），其特征在于所述透镜主体（１）材料采用ＰＭＭＡ。

【技术特征摘要】
1、一种变焦距X射线组合透镜，包括透镜主体(1)及透镜主体(1)上间隔排列的空气腔(2)，其特征在于所述透镜主体(1)材料采用PMMA。2、 根据权利要求1所述的变焦距X射线组合透镜，其特征在于所述透镜主体(1)为阶 梯形，每个台阶内包含至少一个空气腔(2)。3、 根据权利要求1或2任意一项权利要求所述的变焦距X射线组合透镜，其特征在于 所述空气腔(2)为双抛物柱面构成的柱形空腔，或者单抛物柱面与平面构成的柱形空腔， 或者椭圆柱形空腔。4、 一种权利要求1所述的变焦距X射线组合透镜的制作方法，其特征在于包括下列步骤第一步，制备光刻透镜主体时所需的掩膜； 第二步，制备光刻空气腔时所需的掩膜； 第三步，利用第一步制备的掩膜制作透镜主体；第四步，用第三步制作的透镜主体和第二步制备的掩膜制作空气腔。5、根据权利要求4所述的变焦距X射线组合透镜的制作方法，其特征在于所述制备光刻 透镜主体时所需的掩膜包括下列步骤(A) 对单晶硅片进行清洁处理；(B) 在单晶硅片的一个表面自旋涂覆一层聚酰亚胺涂料；(C) 将涂覆聚酰亚胺的单晶硅片放在烘箱中固化；(D) 在固化后的聚酰亚胺表面生长一层金属作为第一种子层；(E) 在第一种子层上涂覆一层PMMA，然后在PMMA表面生长一层金属作为第二种子层；(F) 在第二种子层上涂覆一层厚光刻胶；(G) 使用与透镜主体主视图形状相同的光刻版对光刻胶进行极紫外光刻，然后进行显 影、坚膜；(H) 在(G)步完成的结构中于未被光刻胶覆盖的部分电铸金属层，作为软X射线光 刻掩膜吸收体；(I) 去除阴影部分的光刻胶及光刻胶下面的第二种子层，得到光刻下一层PMMA所需的金属掩膜；(J)用经过步骤(I)所完成的掩膜，对PMMA层进行正投影式软X射线曝光； (K)去除掩膜后，对PMMA层进行显影；(L)在(K)步完成的结构中于未被PMMA覆盖的部分电铸金属层； (M)采用无掩膜软X射线曝光方法去除之前未曝光的PMMA结构，并且去除PMMA 下面的第一种子层；(N)对步骤(M)完...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁静秋，乐孜纯，黄鑫华，梁中翥，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]