2.3 各种衍射光学部件的研制

本文所研制的光学元器件包括X射线衍射金立柱及其列阵、菲涅尔波带片、分辨率板和光栅型均匀辐照的会聚镜。其工艺步骤如图 3所示。

2.3.1 超高金立柱及其列阵

作为无透镜成像的衍射元件，大高宽比金立柱是一个重要结构。运用图 3所示的工艺流程，本文在300 nm厚的SiNx上成功研制了直径为200 nm、高2 μm的单根独立金立柱，如图 4(a)~4(b)所示^[39]。图 4(c)是在上海光源BL15U1线站观测到的X射线圆环形衍射条纹，总共记录有12根金立柱，其高宽比特性良好。

在这个基础上，运用同样工艺方法成功研制了周期为400 nm，高度从0.7 μm^[40]到2.6 μm的各种金立柱列阵，如图 5所示。其中高度为2.65 μm的金立柱列阵是当今国际上文献报道最高的。周期性排列的密集金立柱可以成为X射线的光源器件，具有较大的发光强度。此外，它在可见光波段可以作为亚波长周期的超材料，拥有极其广泛的应用前景，包括局域表面等离子体传感器、负折射率材料^[41]、完美成像透镜^[42]和反常多普勒效应的光学材料^[43-44]。

2.3.2 50~200 nm波带片透镜的研制

运用图 3所示工艺，在SiNx隔膜上分别成功研制了最外环宽度为50，100和200 nm的金质菲涅尔波带片^[39]。表 2为这3种波带片的几何尺寸。在电化学电镀中，金膜的电镀采用Bruker台阶仪做监测。其中，100~200 nm波带片达到了国际水平^[37, 39]

为了实现大高宽比的形貌，在电子束光刻步骤中首先需要对曝光注入的电荷分布做临近效应修正^[45]和显影条件的优化。

这些透镜结构的高宽比见表 2^[37]。图 6为本文作者团队成功研制的50 nm、100 nm和200 nm波带片结构。其中，100 nm波带片的光学聚焦特性表征将在下一节中介绍。

2.3.3 分辨率测试板

分辨率板又名西门子星(SIEMENS star)，是光学系统中表征光学分辨率的标准检测样品。通过将线条沿着径向辐射格式排列，同时分段增大线宽。成像能够辨别的最窄段宽度就是系统的分辨率水平。

本文运用图 3所示的工艺方法，成功研制了分辨率从20 nm到300 nm的分辨率板，如图 7所示。

2.3.4 集成光栅型会聚镜

会聚镜的作用是把来自光源的X射线均匀地辐照到被测样品表面，因而又经常被称为光束整形器。会聚镜主要采用波带片^[46]、玻璃毛细管^[47]、反射镜^[48]及其组合透镜^[49]。但由于这些会聚镜都是圆形，如图 8所示，对于视场为矩形的成像就存在四个角上的辐照不均匀。Jefimovs等人^[50]提出了方形整形器设计理念，将X射线视场分解成许多个相同的矩形分视场(sub-field)，每个分视场面积与样品表面的辐照区域相等。分视场由线型光栅组成，光栅的空间取向和周期经过专门设计(公式(1))，以确保将这部分的X射线辐照至样品表面的同一个检测区(如图 9)。由于来自X射线的每个分视场的面积一般仅几十微米，其中的光强变化相对较小。因此，通过集成光栅组成的会聚透镜可以均匀辐照被测样品表面。

图 10为线性集成光栅组成的会聚镜的分视场光路图。其中，以X射线的中心为原点，位置在(r_ij，α_ij)、面积为a×a的第(i，j)个分视场里的X光强被透射到样品表面测试区P的位置中，其光栅方位角φ_i，j和周期(P_ij)应该满足：

图 11是运用式(1)和式(2)计算设计的集成光栅空间分布图^[38]。根据这个设计，其纳米加工工艺按照图 3所示的流程进行，制备工艺条件与波带片透镜的基本一样。图 12为金质会聚镜^[38]，其面积是20 μm×20 μm，最外光栅线宽为200 nm，厚度为2 μm。