一种透射型多层膜光学元件的加工方法

技术领域

本发明属于精密光学元件制备、X射线光学领域，涉及一种应用在硬X射线单色和聚焦的透射型多层膜光学元件，具体涉及一种透射型多层膜光学元件的加工方法。

背景技术

硬X射线具有很强的穿透能力，能够对材料进行三维空间尺度的探测。越小的聚焦光斑意味着越高的空间分辨率，其微观探测的本领也就越强大，与此同时，单色性也是描述光源性能的重要参数。根据光学原理不同，主要分为反射型和透射型光学元件，分别采用的是布拉格衍射和劳埃衍射理论。透射型光学元件因为其尺寸小、调资机构稳定性高等因素在大量X射线光源中使用。具体的光学器件包括光栅、晶体和多层膜。多层膜因为单层厚度可调可以理解为人工构造的晶体，除了作为单色元件实现能量可调，也能够对光斑形貌调制实现聚焦和准直，具有广泛的应用前景。多层膜的生长一般采用磁控溅射镀膜技术在基底上生长数千甚至数万层薄膜，每层厚度可以是均一的，也可以是满足某种函数的变化关系。随后多层膜的膜片要经过一系列的加工方法制备成三维空间尺度均能满足光源尺寸和衍射动力学要求的透射型多层膜光学元件。

在透射多层膜光学元件的加工方法上，目前的制备工艺有两种，一种是将多层膜与另一块基底对粘固化行成“三明治”结构，经过切割、研磨减薄、双面化学机械抛光后完成，这种方法的因为厚度太薄且在化学机械抛光中存在很大的应力，很容易在制备、安装和测试过程中脱落或者损坏，而且厚度加工的精度较小无法准确加工到衍射动力学要求的通光深度。另外一种是采用非接触式加工手段制备的，结合光刻、反应离子刻蚀、聚焦离子束等微加工方法；其优点是加工精度高，应力较小，缺点是光刻工艺繁琐，须通过甩胶、烘胶、光刻、显影等一系列流程形成掩膜，除此之外，反应离子刻蚀加工的深度和深宽比有限，造成后续聚焦离子束加工成本过大，也无法满足大通光孔径透射元件的要求。

发明内容

在硬X射线波段，用于单色和聚焦的透射型多层膜光学元件要求大深宽比和大通光孔径来满足衍射动力学和光源尺寸的要求，目前加工流程复杂且通光孔径有限，针对此问题，本发明的目的在于提供一种透射型多层膜光学元件的加工方法。

本发明的关键点在于采用激光和聚焦离子束对透射型多层膜元件进行刻蚀。提高了加工精度，简化加工流程，能够进一步增加透射元件的通光孔径。

本发明的技术方案为：

一种透射型多层膜光学元件的加工方法，其步骤包括：

1)使用磁控溅射镀膜方法在基底上制备多层膜；所述多层膜为两种不同材质的单层膜交替叠加；

2)根据透射型多层膜光学元件的设计焦距对所述多层膜进行切割；

3)对步骤2)处理后的多层膜进行预刻蚀，将多余的多层膜结构去除；具体方法为：

a)根据多层膜的材质确定出对多层膜进行预刻蚀的参数，用于在多层膜上刻蚀出设定深度的长方形结构；

b)将步骤2)处理后的多层膜固定在激光器样品台上，从所述多层膜的顶部开始，沿膜层叠加方向在所述多层膜上刻蚀出该设定深度的长方形结构；其中同一膜层中的两长方形结构的长边对齐，两长方形结构之间的间距为预留的通光深度，且应大于衍射动力学优化的最优深度；

c)经步骤b)刻蚀后，对所述多层膜的刻蚀深度大于所述多层膜的膜层总厚度；对经步骤b)刻蚀后的多层膜进行清洗与检测，如果刻蚀保留的多层膜结构三维空间尺寸符合要求则进行步骤4)；

4)使用聚焦离子束对透射型多层膜光学元件进行终刻蚀抛光，得到透射型多层膜光学元件。

进一步的，使用聚焦离子束对透射型多层膜光学元件进行终刻蚀抛光的方法为：首先在步骤3)处理后的多层膜上表面用离子束沉积一层Pt膜；然后从步骤3)所得结构中选取一个区域作为通光区域，对其双面减薄；其中进行双面减薄时刻蚀的深度和宽度大于通光孔径，刻蚀保留的通光深度大于X射线衍射动力学优化的最优通光深度；当减薄至目标厚度后，去除离子束损伤所引入的非晶层。

进一步的，采用大加速电压对该通光区域进行双面减薄，然后逐步减小电压对该通光区域进一步双面减薄和抛光，使保留的通光深度达到X射线衍射动力学优化的最优通光深度；然后当减薄至目标厚度后，采用低电压清扫多层膜，去除多层膜上因离子束损伤所引入的非晶层。

进一步的，采用激光器对透射型多层膜光学元件进行预刻蚀；所述预刻蚀的参数包括扫描速度、激光功率、循环次数。

本发明的优点如下：

1、与对粘、化学机械抛光的加工方法相比，本发明采用的是非接触、低应力的制备方法，有效的提高成品率，提高加工精度。

2、与光刻、反应离子刻蚀、聚焦离子束加工方法相比，本发明采用激光刻蚀代替了光刻和反应离子刻蚀，简化了加工的流程，提高了加工效率和透射元件的通光孔径。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，其中黑白相间的是两种多层膜材料交替镀制，X射线在多层膜内部发生衍射会分离成0级，±1级等等。

图2为激光刻蚀后的样品形貌。

图3为聚焦离子束加工后的样品形貌。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

1)透射型多层膜光学元件，其特征在于由基底和多层膜组成。使用磁控溅射镀膜，在基底上制备厚度可调的多层膜，多层膜的层数和单层厚度因为用途和光学参数不同会有不同的设计，每层厚度可以是均一的，也可以满足某种函数关系，层数可以是几千层也可以是几万层。(比如WSi2/Si多层膜，单层厚度5nm，总层数4000，总厚度20μm，衍射动力学优化的最优深度为16μm)。

2)因为透射型光学元件的焦距有限(<10mm)，采用划片机将多层膜切割分离成小尺寸的样品(比如长2mm×宽1mm)。

3)采用紫外飞秒激光器，对透射型多层膜光学元件进行预刻蚀，将多余的多层膜结构去除，具体步骤如下：

a.在相同材质的样品(比如WSi2/Si多层膜)上进行参数确定。由于影响激光刻蚀效果的参数较多，如扫描速度、激光功率、循环次数等。为了实现较高的多层膜侧壁和基底加工质量，对上述多个参数的反复调整，最终在样品上刻蚀出固定单层深度(比如2.5μm)的长方形结构。

b.透射型多层膜光学元件刻蚀。将多层膜放置在激光器样品台上固定，并调节样品台使激光焦斑中心位于样品表面。在激光控制软件填充两个长方形图案开始单层刻蚀，图案长和宽根据具体透射型多层膜元件的加工要求决定(比如2mm×0.485mm)其中两个长方形的长边对齐，间距为保留的通光深度，且应大于衍射动力学优化的最优深度(比如30μm)。

c.每完成单层刻蚀后，样品台相应上升a中的固定单层深度(比如2.5μm)以保证激光焦斑中心始终位于样品表面并视为完成一个刻蚀循环。进行多个刻蚀循环(比如16个)使得透射型多层膜光学元件的刻蚀深度大于膜层总厚度(比如40μm)，然后停止刻蚀，得到如图2的结构；每一层刻蚀两个长方形凹槽是平行对齐的，两个长方形的间距为图2多层膜的宽度，即沿光传播方向的通光深度。

d.清洗与检测，用无水酒精冲洗刻蚀后的透射型多层膜光学元件，自然干燥后在20X白光轮廓仪下检测刻蚀保留的多层膜结构三维空间尺寸是否符合要求。

4)使用聚焦离子束对透射型多层膜光学元件进行终刻蚀抛光，具体步骤如下：

a.在多层膜上表面用离子束沉积一层Pt膜(厚度约为1μm)，

b.从步骤3)所得结构中选取一个区域作为通光区域，采用大加速电压(比如30KV)对该通光区域进行双面减薄，刻蚀的深度和宽度略大于通光孔径(比如40×40μm)，刻蚀保留的通光深度略大于X射线衍射动力学优化的最优通光深度(比如20μm)。

c.在b的基础上逐步减小电压(比如16KV、8KV、5KV)将多层膜的该通光区域进一步双面减薄和抛光，使保留的通光深度达到X射线衍射动力学优化的最优通光深度(比如16μm)。

d.减薄至目标厚度后，再采用低电压清扫样品(比如1KV)，以去除离子束损伤所引入的非晶层。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。