[发明专利]软X射线非冗余全息术中纳米针孔探头及其制备方法

说明书

本发明是有关软X射线非冗余全息术中纳米针孔探头及其制作方法。

本发明主要是在软X射线非冗余全息术中，利用纳米针孔作参考点光源，以获得纳米量级的样品信息。除此以外，本发明还可以广泛用于利用纳米针孔探头技术以获得纳米信息的各个领域。如在X射线扫描显微术和X射线成像显微术中，利用纳米针孔来限制扫描光斑和成像光斑的大小，可获得纳米量级的分辨能力。又如光盘存储信息密度不仅与材料有关，而且还取决于读写头焦距光斑的大小，若可以利用纳米针孔探头作读写头，将成数量级的提高光盘的存储密度。

已有技术

(1)隧道扫描显微镜(Scanning Tunneling Microscope STM)作为一种强有力的纳米加工工具已经得到普遍重视和使用，许多国外的研究部门陆续报道了他们微刻纳米尺度的结果，充分肯定了利用隧道扫描显微镜进行纳米加工的可行性。隧道扫描显微镜加工特点如下：1)极高的横向分辨率。2)容易形成高强度电场。3)具有足够能量的低能电子。4)加工时间和状态容易控制。5)兼有加工和测量双重功能。因此可利用隧道扫描显微镜来加工纳米针孔，但是，孔深只能做到5纳米左右。在软X全息术中，由于入射的同步辐射光能量高，能流密度大，纳米针孔的孔缘厚度如果小于30纳米就会被击穿而造成扩孔现象。(请参阅E.J.Van Loenen,D.DijKamp等人发表于AppliedPhysics Letter,55,1312,1989的文章；Y.Z.Li等人发表于Applied Physics Letter,54,1424,1989的文章；L.Stockman等人发表于Phantoms Newsletter,N.2,September-October,1993的文章；以及J.Tersff与D.R.Hamanm发表于PhysicsReview,B31,805,1985的文章。)

(2)激光打孔，激光束方向性好而且输出功率高。通过光学整形和聚焦系统，在焦点处可获得10⁹W/cm的功率密度，可使加工件表面温度高达10⁴℃，被加工材料在瞬间熔化和汽化。但是激光加工针孔受到激光有限焦斑尺度的影响，正如大家所知其焦斑尺度受到了衍射极限尺度的限制。目前即使用上共焦技术也只能把聚焦光斑减小到原爱里斑的1/2，不可能获得200纳米以下的针孔。(蒋欣荣的著作“细微加工技术”，北京，电子工业出版社，1990；以及C.J.R.Sheppard的文章“Scanning OpticalMicroscopy”,In Advances In Optical and Electron Microscopy,Vol.10,R.Barer和V.E.Cosslett编辑，1-98,Academic Press,London,1987.)

(3)光刻技术。我们知道一般的光刻技术均受到光学衍射极限的限制，无法制作纳米尺度的针孔。短波长光刻技术如X光光刻虽是可行之路，但由于光束质量不好、代价昂贵而限制了其应用。尤其当同步辐射源亮度不够强，单色性也不够好时，用X光光刻制造纳米针孔很困难。

(4)电子束曝光和离子束溅射。电子光学系统可以提供微米乃至纳米级的针孔。它加工的机制基本上是一种热过程，被高能电子轰击的材料产生局部加热蒸发。在加工过程中，对于厚的样品，随着加工时间的加长，孔的横向尺度也会加大。所以在加工厚度上和横向尺度上有一定的制约关系。在厚度上达到50纳米以上还是困难的。而离子的动能大，加工机制复杂，目前利用这种方法仅能加工微米级的针孔，不可能更小，这是由于束的质量所限。(请参阅K.Kanaya,K.Shimizu等人发表于Bull.Electrotech.Lab.,32,280-292,1968。)

(5)电镀缩孔。利用电子束曝光或其他方法先获得微米级或亚微米级的小孔，再利用电镀的方法加厚、填补小孔，使得孔径逐渐缩小。适当控制电镀的时间，可获得纳米级的针孔。但是，单纯使用电镀缩孔方法，将微米级的大孔缩孔而获得的小孔的边缘较薄，在高能软X射线的冲击下将产生扩孔现象。而且，由于电镀时间较长，电镀液中的杂质和原孔形状的不规则性，使得电流的空间分布非常复杂，甚至出现各向异性，造成缩孔后的孔的形状非常不规则，孔缘也容易出现枝网状结构，影响纳米孔的衍射特性。