X射线技术及应用

X射线技术及应用X-rayAnalysis康士秀中国科技大学22系2002.7.1.X射线的产生和性质1.1导论1.2X射线的产生1.3X射线的性质2.X射线技术和应用2.1X射线衍射（XRD）2.1EXAFS，XANES2.3X射线形貌（XRT）2.4X射线成像（XRI）2.5X射线小角散（XRS）2.6X射线光刻（XRL）2.7X射线荧光（XRF）3.结束语：X射线实验系列化研究1.X射线的产生和性质1.1导论1.2X射线的产生1.3X射线的性质1.1导论1901伦琴(Roentgen)发现X射线(1895)1914劳厄（Laue）晶体的X射线衍射1915布拉格父子(Bragg)分析晶体结构1917巴克拉(Barkla)发现元素的标识X射线1924塞格巴恩(Siegbahn)X射线光谱学1927康普顿(Compton等六人)康普顿效应1936德拜(Debye)化学1946马勒(Muller)医学1964霍奇金(Hodgkin)化学1979柯马克和豪森菲尔德（Cormack/Hounsfield）医学1981塞格巴恩(Siegbahn)物理固体靶源同步辐射等离子体源同位素核反应其他1.2X射线产生X射线管固体靶源转靶焦点和辐射谱(KramerLaw)连续谱I(E)-IntensityE–x-rayenergy(Delta=1eV)W/eVK-constantP0–incidentpower(W)Z-targetatomnumbern1E0–incidentelectronenergy（KeV）特征谱X-lines:Ka,bandLa,betc.Ka:Ka1,Ka2B–ConstantF(x)–TargetmaterialCons.Ec–Criticalenergy特征谱连续谱I(E)=BN(Z)F(x)(E0-Ec)mI(E)=P0KZn(E0-E)/E0同步辐射(合肥)实验大厅(Hefei)Hefei电子储存环北京同步辐射实验室(BSRF)BSRF(Beijing)同步辐射和谱分布SR辐射的能量和功率(Larmorformula)(pere-,perrun)244222()3ecEPmcb234432()eEEmcbvcbv–Electronvelocityc–Lightvelocity-Magnetradiuse–electronchargeE–Electronenergym–electronmass443()88.47/()88.47/2.654PkwEEkevEIBEI总辐射功率(magnetlengthL)222()1.26710()()()()LPkwEGeVBkGIALm2B:AverageInpracticalunits,E-GeV,-m,B–kG,Beam,currentI–A功率谱分布(Integratedtoallangle)522735/3233(,)()()16secyecergPtyKdrad功率角分布(intgratedtoallwavelength)22525/23275(,)(1)(1)()1671sececXergPtXXrad5/3K-SecondBesselfunctionX,-Anglebetweenphotoandinstantobbitplane//ccy,,cc-Criticalwavelengthandenergy。3343,32ccc实用单位:3232()5.59/186.4/()()2.218/0.06651ccEBEkeVEBEFe等离子体源Z-压缩气体等离子体源2.01.51.00.50.00.51.0NeHe相对强度(nm)气体等离子体辐射的X射线谱几种源的谱比较UndulatorWigglerBentMagnetSR谱固体靶源谱1.3X射线的性质X射线的吸收X射线的散射X射线光学X射线探测器X射线的吸收I=I0exp(-t)Lineabsorptioncoefficientl=log(I0/I)/t(cm-1)Massabsorptioncoefficientm=/(cm2/g)Atomabsorptioncoefficienta=/A/N(cm2/atom)Molabsorptioncoefficientmol=(/)A(cm2/mol对混合物和化合物m=∑wiI(wi–massratios)对连续X射线m=∑wii(i–differentwavelength)重要!!m–photoelectron+scattering+e+,e-Photoabsorptionsection=A/N/,和Z的关系-Bragg-Pierce定律/=KZ43(cm-1)吸收限和跳跃比X射线光学反射光学平晶弯晶多层膜衍射光学晶体波带板光栅吸收吸收片(1)X射线反射镜折射率：bin1-折射因子b-衰减因子反射率：22222222222)cos(4)cos(4)()()(sin4)(sin4)(ctgctgIII)))((sin(sin212222212aaba22柱面镜材料：Si，Ge，aCrystal形状：平晶，弯晶，球面柱面，环面，超环面应用：单色器，成像（2）单晶X射线光学(3)毛细管X射线透镜(4)X射线波带板X射线探测器正比计数器**NaI（Tl）闪烁探测器**Si（Li）探测器**Ge（Li）探测器SiPIN探测器**GePIN探测器**多（单）丝室X射线CCD微多道板G-M计数管电离室胶片，荧光屏2·X射线技术及应用2.1X射线衍射（XRD）2.2EXAFS，XANES2.3X射线形貌（XRT）2.4X射线成像（XRI）2.5X射线小角散（XRS）2.6X射线光刻（XRL）2.7X射线荧光（XRF）2.1X射线衍射（XRD）(1)Debye法=2dsin同步辐射（SR）XRD装置（BSRF）纳米微晶Fe的X射线衍射(2)Laue法蛋白质的Laue衍射图2.2扩展的X射线吸收边（EXAFS）XANES：30–40eV光电子多重散射EXAFS：大于40eV光电子/散射波干涉2.3X射线形貌（白光形貌和双晶形貌）X射线形貌图2.4X射线成像层析术（吸收）显微术（吸收）全息术（衍射）减法造影（吸收）其它扫描X射线显微镜装置X射线显微术实验站显微图造影装置兔耳造影(注入BaFBr）2.5X射线小角散射2.6X射线光刻•X-ray掩膜（mask）•X-ray抗蚀剂（resist）•X-ray光刻机（stepper）•LIGA技术SRX射线光刻装置（XRL）X射线抗蚀剂-分类光抗蚀剂X射线抗蚀剂电子束抗蚀剂有机抗蚀剂无机抗蚀剂单组分两组分三组分正性抗蚀剂PMMA(poly(methylmethacrylate))-聚甲基丙烯酸甲酯,AZ1350J,RAY-PF负性抗蚀剂EPB,COP,SAR,RAY-PN-光化学原理单组分：PMMA–poly(methylmethacrylate)-聚甲基丙烯酸甲酯positivetone,polymerchainscissiontypeElectronbeam,DUV,x-rayandmulti-levellithographyBasicParameters:Molecularweight50-950kg/molSolidscontent4%-10%Glass-transitiontemperature85-106%refractiveindex1.49(for950kat6328Å)SolventChlorobenzene,chorobenzene/xyleneMIBK(methyl-iso-butyl-ketone)MEK(methyl-ethyl-kotone)specificgravity0.79-0.85(MIBK)1.08-1.14(chlorobenzene)Flashpoint28OC-chlorobenzene17%-MIBKAppearancecolorlessliquidFiltration0.20mSensitivewavelength:200-240nmStoreconditions:oneyear,10-21%-2c&3c(双组分和三组分抗蚀剂)双组分：基本树脂材料+含卤族元素的光敏感剂三组分：＠Novalok树脂-基体，提供良好的抗干刻蚀特性＠对辐射灵敏的组分-辐照后吸收光子产生强Bronsted酸＠阻溶剂-对光子不敏感但对酸很敏感两组分三组分-特性灵敏度和衬度2003004005006007008009001,0000.00.20.40.60.81.0D1D0tr（归一化）D(mJ/cm2)20040060080010000.00.20.40.60.81.0D1D0.7D0tr（归一化）D(mJ/cm2)正性抗蚀剂的衬度曲线负性抗蚀剂的衬度曲线7.00DDnp110100.7(log)(log)pnDDDD-分辨率1.75gp0.046r=Eρ由Grun射程描述:光电子和Auger电子空间分布-抗蚀剂的密度pE-为光子的能量(KeV)gr的单位为m=4.5nm(CKa),0.83nm(RuLa)和0.46nm(AlKa)rg=5nm,35nm和65nmX射线掩膜=5~50cmFeaturesize100nmPatternplacementaccuracy20nm(3)CDcontrol±10nmDefectdensity(100nm)10-2/cm2X-raytransparency50%Opticaltransparency50%Absorbercontrast20Radiationstability~1ppm(10kJ/cm2)掩膜X射线光刻机（Stepper）抗蚀剂图形一些结果抗蚀剂图形LIGA技术(Lithographie,Galvanoformung,Abformung)制作三维立体微结构元件X射线光刻技术极大高宽比抗蚀剂图形LIGA技术使得构造任意形状侧面的微结构集成系统–结构的尺度可达几百m–总体精确度可保证在m和亚m量级–使用的材料可以是金属，塑料，陶瓷以及它们的组合–LIGA技术的应用范围复盖各种不同技术领域范围：微型机械，显微光学，集成光学，传感器和执行机构以及化学医药和生物技术特点：LIGA技术使微机械元件，微光学元件，微传感器以及微电子学可以集成在单芯片上形成微集成系统，这可以极大地减小整个系统的体积，降低功耗，提高执行速度，对高技术发展和军事工业具有巨大的吸引力。工艺过程第一步（X-rayLithography）同步辐射X射线通过掩摸辐照到涂在电镀基底上的厚抗蚀剂上进行曝光,然后对曝光的抗蚀剂显影，形成抗蚀剂图形第二步（ElectroformMould）进行电铸，去掉电镀基底和作为图形的抗蚀剂，得到一金属微结构型版第三步（Electroformstructures）是一个回流铸塑高分子材料过程，即在导电塑料基底上形成电绝缘结构。最后通过电铸做成金属结构元件LIGA技术工艺过程（1）辐照显影电铸（镀）制模（铸孔板）铸塑型模LIGA技术工艺过程（2）LIGA技术应用微静电电机2.7X射线荧光-元素分析同步辐射X射线荧光（SR-XRF）分析用于环境的监测和净化（1）X射线荧光（XRF）的产生Ka,bLa,b（2）质子，光子和电子激发的XRF谱（3）荧光产额（4）荧光线系（5）荧光光谱（6）SR-XRF装置固体靶XRF装置（7）SR-XRF环境应用特点（1）实验方法白光SR-XRF-简单快速单色光