同步辐射光刻
同步辐射装置简介
C=432m
8个实验线站
实验站名称 XRD衍射线站 生物大分子晶体学线站 硬X射线微聚焦及应用线站 X射线散射线站 X射线成像与生物医学线站 功能 高分辨粉末衍射、共振散射等 研究蛋白质、病毒等大分子晶体，细胞尺寸大 于100nm,原子分辨小于0.1~0.2nm 微束X射线荧光分析、微束X射线吸收谱、微束X 射线衍射等 以X射线小角度散射为主，兼顾广角散射，可同 时进行小角和广角散射测量 可为生物医学、材料制作等领域提供影像探测
同步辐射装置简介
提问
1、什么是同步辐射？ 2、同步辐射相比于普通实验室光 源的优越性
（波长连续，高亮度，高准直，高偏振，脉冲光，高纯净，高度可控等）
上海光源同步辐射装置示意图
上海同步辐射装置原理图
(40)二极偏转磁铁 四极聚焦磁铁
C=158m
消色散磁聚焦结构单元(20)
L=40m
直线结(16个4.5m,4个12m) 平均流强300mA，最小发射度4nm· rad 束流寿命大于10h
软X射线谱学显微线站 X射线吸收光谱精细结构站
X射线干涉光刻站
将X射线吸收谱和X射线显微镜相结合 用于元素分析，确定原子的电子结构和邻近原 子结构
可进行高相干散射和高分辨谱学，高精密
同步辐射及其应用(讲义)
同步辐射及其应用(讲义)同步辐射因具有高亮度、光谱连续、频谱范围宽、高度偏振性、准直性好以及可用作辐射计量标准等一系列优异特性，已成为自X 光和激光诞生以来的又一种重要光源。
尤其是在真空紫外和X射线波段的性能，非其他光源可比，很多以往用普通X光和激光不能开展的研究工作，有了同步辐射光源以后才得以实现。
近几年来还发现，在红外波段同步辐射同样具有常规红外光源所无法比拟的优越特性。
同步辐射也因此在物理学、化学、生命科学和医药学、材料科学、信息科学、环境科学、地矿、力学、冶金等研究领域，以及深亚微米光刻和超微细加工等高新技术领域中得到广泛应用。
据统计，70年代以来，已有22个国家和地区，建成或正在建设同步辐射装置50余台，其中，超过40台已投入使用。
我国北京正负电子对撞机国家实验室(BEPC NL)的同步辐射装置(BSRF)和中国科技大学国家同步辐射实验室(NSRL)分别于1989年和1991年建成并投入使用。
1．什么是同步辐射1947年，美国通用电器公司的一个研究小组首次在同步加速器上观测到高能电子在作弯曲轨道运动时会产生一种电磁辐射，称其为同步加速器辐射，简称同步辐射。
其实，据《宋会要》记载，早在公元1054年，我国古代天文学家就观测到金牛座中天关星附近出现异象：“昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。
”这是人类历史上第一次详细记载超新星爆炸。
这颗超新星爆炸后的遗迹形成今夜星空的蟹状星云。
现代天文学家确认该星云的辐射，包括红外线、可见光、紫外线和X射线的宽频谱，正是高能电子在星云磁场作用下产生的同步辐射。
1963年法国Orsay 建成世界上第一台电子储存环，高能物理学家在储存环上进行正负电子对撞实验的同时发现所产生的同步辐射是一种性能优良的光源，于是，开始了人类历史上第一次利用同步加速器上产生的同步辐射来做非高能物理的研究工作。
这种在做高能物理研究的加速器上，利用同步辐射作为光源的工作模式为寄生模式或兼用模式。
第三代同步辐射光源
上海光源是一台高性能的中能第三代同步辐射光源，它的英文全名为Shanghai Synchrotron Radiation facility，简称SSRF。
它是我国迄今为止最大的大科学装置和大科学平台，在科学界和工业界有着广泛的应用价值，每天能容纳数百名来自全国或全世界不同学科、不同领域的科学家和工程师在这里进行基础研究和技术开发。
上海光源工程总投资约12亿元人民币,其中国家安排投资4亿元,上海市和中科院各出资4亿元。
工程座落在浦东张江高科技园区的张衡路239号，于2004年12月启动，目前已开工近4年，按节点顺利进入最后1/4工期。
2008年内，在这座体育场大小的圆形建筑内，直线电子加速器、小环增强器、大环储存器"三大件"都将完成安装，预计再经过一个调试周期，这一光源工程可于后年初正式建成投运。
工程用地范围约20万平方米，相当于28个足球场。
这种先进的同步辐射光源装置，可同时提供从"硬X射线"到"远红外波段"的高亮度光束。
自1974年同步辐射现象被首次观察到，这类光源装置至今已发展出第三代。
各国家和地区现有同步辐射光源50多台，像上海光源这样的第三代光源，已建成11台，在建和设计中的有13台。
预计2010年前后，全球每天都有上万名科学家和工程师利用这些光源产生的不同波长的光，从事前沿学科研究和高新技术开发。
据悉，上海光源建成后总能量可跻身世界四强，成为我国新世纪必不可少的大科学平台。
该工程主体结构分为三部分，外圈为432米周长的大环储存器，与之相切的内圈是一个180米周长的小环增强器，它连接着中心位置上的直线电子加速器---这一整条"光电隧道"的能量传送方向为"直线－小环－大环"。
目前，"直线"、"小环"内的设备均已安装到位，并且完成了调试，进度比预期快很多，创造出了光源建设领域的世界级速度。
同步辐射应用基础
•
1 n2
nlm (r,,) Rnl (r)Y(,) Rnl (r)( )()
主量子数
n 1,2,3,,
角量子数 l 0,1,2,3., n 1
磁量子数
m 0,1,2,,l
•能级En是简并的， 其简并度
n1 (2l 1) 1 2(n 1) 1n n2
l 0
2
定态微扰论
▪ 如果体系的哈密顿算符不显含时间
i
k•
Rn
k
r
平移晶格矢量，波函数仅增加一个位相因子
3、倒格子和波矢
1)倒格子
布拉维格子中的所有格矢都可表示为
Rn
n1 a1 n2
a(n2 1n,n3 a2,3n3为整数)
ai
为晶格原胞的基矢。
我们定义满足
ex
p
i
Gh
•
Rn
1
Gh • Rn 2m
全部 G端h 点的集合，构成该布拉维格子（正 格子）的倒格子，Gh称为倒格矢
mk
▪ 在t=0到t=t的一段时间内，由k态到m态的跃迁几 率
wmk (t)
cm(1) (t) 2
Amk 2 4 2
sin 2 (mk )t / 2 (mk ) / 2 2
▪ 当t充分大时，利用数学公式
sin 2 x
x2
( x)
( )
▪ 单位时间的跃迁几率
Wmk
dwmk dt
r
k
E
u
r
k k
边界条件为
u
k
r
Rn
u
k
r
对应于每一个k，应有无穷个分立的本征值。
此时电子状态应有两个量子数n和k表示，相应 的能量和波函数应写为
同步辐射技术在材料科学中的应用
同步辐射技术在材料科学中的应用一、简介同步辐射技术是一种研究材料结构、性质及物理化学过程的强有力工具，具有高亮度、高空间分辨率、高时间分辨力的特点。
本文将介绍同步辐射技术在材料科学和工程领域中的应用。
二、X射线吸收光谱技术同步辐射X射线吸收光谱技术是一种非常有用的表征材料化学环境的方法。
该技术可以提供元素的价态、化学键信息以及局部晶体结构信息。
通过同步辐射X射线吸收光谱技术，我们可以探测到材料的电子状态，进而研究材料的表面反应和化学性质。
三、X射线衍射技术同步辐射X射线衍射技术是研究材料结构的重要方法。
衍射光谱可以提供晶体或非晶体结构的信息，包括晶格常数、晶体缺陷等。
同时，衍射技术还可以提供材料的晶体生长机理、晶体取向以及相互作用的信息。
在材料制备和研究中，该技术有着广泛的应用。
四、X射线荧光光谱技术同步辐射X射线荧光光谱技术是一种分析材料化学成分的非常有效的方法。
该技术可以提供元素的化学信息及浓度信息。
通过同步辐射X射线荧光光谱技术，我们可以确定材料的表面或纳米颗粒的化学成分和分布，探究它们在材料合成和加工过程中的分子、离子交互作用。
五、X射线磁吸收光谱技术同步辐射X射线磁吸收光谱技术是一种研究材料磁学性质的方法。
该技术可以探测到磁性材料的电子结构、磁性离子的态、磁性互作用强度等信息。
同时，该技术还可以提供在材料中磁性成分的分布和动力学过程的信息。
六、同步辐射显微成像技术同步辐射显微成像技术是一种对材料内部微观结构进行成像的方法，可以获得图像的高对比度、高分辨率。
该技术可以用于研究材料的结构、组成、动态过程。
我们可以通过该技术观察纳米材料的结构演变和过程控制，从而有效提高材料制备的相关技术。
七、结论同步辐射技术是一种强大的分析方法，被广泛应用于材料科学和工程领域。
该技术可以提供丰富的信息，如材料的化学成分、电子状态、晶体结构、磁学等信息，帮助我们更高效、全面地了解和研究材料的性质和过程。
可以预见，在未来的研究中，同步辐射技术在材料科学和工程中的地位将愈加重要，为材料科学的发展提供更加强有力的支持。
同步辐射及其应用 核科学与技术概论08
其中
G1 ( y ) y K5/ 3 ( y ')dy '
y
y / c
同步辐射的强度有多种表示方法，其中光谱亮度可 表示为在单位时间、单位立体角、单位光源面积及 单位带宽内辐射出的光子数。
d 4F [ph· s-1· mrad-2mm-2(0.1%BW)-1] dtd dS (d / )
NSRL 光子通量与波长的关系， Flux 单位： [ 光子 数•秒-1•mrad-1•(0.1% B.W.)-1]，束流300mA。
5）储存环中的电子发射度 电子以束团的形式在储存环中运动时，束团中的 电子不完全处在理想的平衡轨道。它们在与运动方 向垂直的平面上的分布为高斯分布，且在x和y方向 的位臵分布和角分布分别用x、 y 和x’ 、y’描 述。则电子束截面为2.352。定义电子束的发射度 x=xx’ y=yy’ 对于第一代同步辐射光源发射度为100至几百纳 米· 弧度，第二代发射度为40-150纳米· 弧度，第三 代为20纳米· 弧度以下。
波荡器光谱分布： 波荡器磁周期数较大，每一个波荡器发射的同步 辐射光会发生干涉。那些符合干涉条件的光会得到 加强，在光谱中出现了一系列峰，这些峰所处的波 长以下式表示 n=(/2n2)[1+K/2+(r)2] n=1为基波，但只存在奇数谐波，偶数谐波为零。波 荡器光谱中存在许多尖峰，它与弯铁的连续峰很不 相同。 在K<<1即K、很小时，上式后两项忽略 1=/22
同步辐射及其应用
同步辐射光源
同步辐射光束线 同步辐射应用概述
同步辐射技术简介及其应用
7
应用
生物科学应用： 生物大分子结构研究是同步辐射应用用户发展最快、重大成果最多的领域 蛋白质科学是当代生命科学研究的前沿，是生物技术与生物产业的源泉
凝聚态物理与材料科学： 凝聚态物理与材料科学是同步辐射应用最为广泛的领域,几乎所有的同步辐射技术方法都得到了广泛应用 X射线衍射：单晶衍射、粉末衍射、表面衍射 X射线散射：漫散射、磁散射、非弹性散射、小角散射、反射率、驻波法 SR吸收谱： XAFS、荧光谱学、MCD、光电子能谱 成像技术：X射线显微、软x射线显微、光电子显微、X射线全息(荧光全息、吸收全息)、X射线 相干衍射
10
谢谢欣赏
同步辐射光作为一种新型的强光源，具有高 亮度、高强度和宽频谱等特性，它不仅在物理、 化学、生物学等基础研究领域，而且在医学、环 境和工业等应用领域也有广泛应用。
3
特点
空间发散角： 常规X射线：半球面发射 同步辐射：圆锥发射
4
特点
时间结构： 同步辐射具有一定的时间结构。由于电子速度接近光速，两个 辐射脉冲间隔实际是非常近的。 常规X射线为连续发射，同步辐射为脉冲发射。
分子环境科学： 在分子尺度上研究环境中污染物的形态、污染物的迁移和转化的复杂化学过程的新兴前沿学科。 目前分子环境科学科主要研究污染金属元素和放射性核素等人类活动造成的污染及其治理方法。
9
应用
同步辐射的产业应用： 同步辐射具有重要应用前景的产业领域：
生物技术与制药 化工：催化剂研究 半导体工业：超微光刻工艺与检测技术 MEMS/NEMS：微纳加工
8
应用
地球科学应用： 地球科学的根本目的是了解地球演变的过程，预测未来的发展，了解金属、矿石、化石燃料在地壳中的聚集 情况，这些都是与人类的生存环境和资源密切相关的。 利用高亮度同步辐射装置能分析周期表上所有稳定的或长寿命的矿物元素，可研究处于极端高温、高压条件 下物质结构、状态变化，弄清地壳深处和地幔中矿物的相变和状态方程，了解矿物的物理特性与原子尺度结构的 关系等。
同步辐射xrd
同步辐射xrd
同步辐射X射线衍射（Synchrotron X-ray diffraction）是一种利用同步辐射光源进行X射线衍射研究的技术。
同步辐射光源是一种高亮度的X射线光源，具有非常强的辐射能力和高度聚焦的特点。
通过将样品暴露于同步辐射光源下，可以获得非常细致的X 射线衍射数据。
同步辐射X射线衍射技术可以提供高分辨率的晶体结构信息，以及材料的晶体学、表面结构和缺陷结构等信息。
同步辐射X射线衍射技术在材料科学、固体物理学、生物化学、地质学等领域有广泛的应用。
它可以用于研究材料的相变行为、晶格畸变、材料的应力状态等问题，对于理解材料的性质和开发新材料具有重要的意义。
同步辐射X射线衍射技术的发展离不开现代光源的进步。
同步辐射光源包括第三代加速器、自由电子激光器和四代加速器等。
这些光源的发展不仅提高了同步辐射X射线衍射技术的分辨率和灵敏度，还开辟了新的研究领域和实验方法。
总的来说，同步辐射X射线衍射技术是一种非常强大的分析工具，可以为科学家提供丰富的结构信息和材料性质的了解，为材料科学和相关领域的研究提供重要支持。
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接近式光刻
投影式光刻
1.短波长光源（248nm，193nm， 157nm，X射线） 2.增大光学系统NA 3.分辨率增强技术（降低k1因子）
W = λg
1.短波长光源 2. 减少间隙
波前工程
z光学系统
z离轴照明技术 z空间滤波技术
z掩模技术
z移相掩模技术 z光学邻近效应校正技术
K1和NA对掩模误差因子和DOF 的影响 K1减少，掩模 误差因子增大
曝光体系评价
z 分辨率 z 焦深
对光源光强分布要求
理想光源光强分布
实际光源光强分布
光刻分辨率的定义
• 光刻图形尺寸极限定义为不可能产生小 于该图形尺寸的高质量的图形
一般用Reyleigh判据来分析光刻分辨率
光刻（空间）成像—圆孔图形
r
z
光源
物
像
分辨率与那些因素有关？
光刻（空间）成像—圆孔图形
τ > μσ = 0.45 ×110 = 49.5MPa
超过PMMA材料的拉伸强度(脱模温度95℃： <30MPa)，因此该粘着结点被剪切产生滑动。
Yuhua Guo,et al. Microsystem Technology, 13, 411-415,2007.
2001
2004 2008
2011
2014
软X射线光刻
为了提高光刻分辨率 使用软X射线作为光刻的光源 波长0.5-2nm 同步辐射是比较理想的软X射线光源
实验站---由曝光装置和其它设备构成
图27. 曝光装置
X光光刻掩模
X光光刻掩模的结构与紫外光刻掩模完全不同。
支撑环 透X光衬底 吸收体图形
掩模材料 衬底材料：X射线吸收系数小（原子吸
我们与世界水平的差距
世界水平 IMECAS
小批量生产 5000线（MIT） 3333 线
实验室试制 6250线（NTTAT） 5000线（6666线）
LIGA技术
•LIGA技术原理 •LIGA技术应用 •NSRL LIGA技术研究简介
What is LIGA ?
深度光刻掩模
深度光刻掩模 吸收体(金)： 15-20 μm 衬底(聚合物)：10μm-100 μm
δ = 0.61 λ NA
对光刻系统而言，分辨率不仅与 光学系统有关，还与光刻胶等有 关，因此其分辨率为：
K1>0.61, (0.8)
δ = k1 λ NA
光刻机的典型参数
波长 436nm 365nm 365nm 248nm
数值孔径 0.30 0.45 0.60 0.50
248nm 0.60 248nm 0.70 193nm 0.60 193nm 0.70
X射线透射光栅研制进程横向比较
ICF中透射光栅的应用现状（截至2007.6）
国别
线密度(g/mm)
研制单位
衬底
制作方法
美国 欧洲 日本
中国
5000 5000 6250
3333
MIT
MIT NTTAT (日本）
IMECAS
聚酰亚胺 聚酰亚胺 氮化硅
聚酰亚胺
全息光刻 全息光刻
电子束光刻
电子束光刻+X 射线复制
微细加工原理
z是一大类技术 z不同的工艺有不同的原理和应用 z工艺是个复杂过程
加法和减法
光刻示意图
Mask Substrate
Non-exposed region
Exposed region
Absorber Resist
Resist
Developed
光刻实际上是微细图形复制技术（过程）
光刻图形材 料为光刻 胶，而非电 路材料
z工作模式 多次对准曝光模式 倾斜曝光（0°到 45°）
表面粘着力的理论估算及FEM
材料
PMMA Ni
PMMA和镍的材料性能
弹性模量E
泊松比υ
表面能γ
3300 MPa
0.37
ห้องสมุดไป่ตู้
220500MPa
0.3
0.4 J/m2 1.7 J/m2
摩擦系数μ 0.45
F = μH = μ 1.5πγKr 3
假设接触半径在0.1到0.01 μm之间，在随后的脱模 分离摩擦力作用下，剪切力可以计算为：
（分布重复式）
几种曝光方式
接触式曝光技术
接触式曝光技术是传统的曝光技术。曝光 时，采用加压或真空吸附使掩模版与基片紧密 接触。
优点：分辨率较高 缺点：容易损伤掩模
接近式曝光技术
为了克服接触式曝光容易损伤掩模的缺点，使掩模与 基片保持一定间隙，一般10um左右。
在这种情况下，曝光的可分辨的最小线宽为 W=(λS)1/2
要计算的点距离光轴的横向距离比较远时，这两个条件无
法满足。
为了得到比较精确的模拟结果，在模拟的过程中，我们把掩
模透光孔分解为大量的比较小的方孔，每个方孔都足够小，
以使方孔上每个点的r01和都可以用方孔中心对应的值来表示。
这样这个方孔的非相干部分对点（x0,y0）光强的贡献可以用
下式来表示（方孔的中心坐标为（xi,yi），方孔的边长为ai）
掩模移动法
可驱动掩模
Sensors and Actuators A 111 (2004) 37–43
逐步法
LIGA技术特点
¾精度高（亚微米） ¾大高宽比 ¾复杂图形结构（三维图形） ¾用材广泛（金属、非金属、陶瓷等）
实验站主要参数
z主要技术参数 工作波长 0.2 – 0.7 nm 曝光面积 30×80 mm2 离线对准精度优于0.3微米
式中S是掩模版与基片的间距。
实际上由于掩模和基片都有一定的面形误差，不可能 是理想的平面，在接触式曝光中掩模与基片总有一定间 隙，因此上式对接触式光刻也实用。
投影式曝光技术
投影式曝光技术是将掩模图形通过光学系统投影到 基片上，掩模离基片数厘米远。
投影方式：1：1投影 缩小投影
投影曝光时，掩模与基片同步移动，经过多次分 布重复把整个基片曝光完毕，因此也称为分布重复投 影曝光或步进缩小投影曝光。缩小倍数：2.5, 5, 10.
亚微米光刻掩模 1-2 μm <1 μm
深度光刻掩模制作
深度光刻掩模制作
Intermediate Mask
Copy Intermediate Mask
光刻胶 电镀层
光刻胶 电镀层
掩模衬底
掩模衬底
光刻（PG, E-beam)
电镀
去胶和 电镀层
对Intermediate masks的要求
衬底材料：
基于同步辐射的 微细加工技术及应用
内容
光刻技术概述 软X射线光刻技术及应用 LIGA技术及应用
什么是微细加工
加工：运用各种工具将原材料改造成为具有某 种用途的形状。
微细加工特点：加工形成的部件或结构的尺寸 在微米或纳米量级。
微细加工技术分类
平面工艺 模型工艺 探针工艺
Top-down Bottom-up
I tot = I coh + I incoh
I coh / I tot = γ
瑞利-索末菲衍射理论
∫∫ U (P0 ) =
1
jλ
e jkr01 ∑U (P1 ) r01 cos(n, r01 )dS
其中U（P1）表示入射波在孔径Σ上的场分布 （此处的孔径是指整个掩模），cos(n,r01)表征子 波的各向发射异性。
爱里分辨率 0.89μm 0.49 μm 0.37 μm 0.30 μm
0.25 μm 0.22 μm 0.20 μm 0.16 μm
投入使用时间 1982 1990 1994 1994
1997 1999 1999 2001
光源 Hg灯g线 Hg灯i线 Hg灯i线
Hg灯i线 KrF激光
KrF激光 KrF激光 ArF激光 ArF激光
0 0.0175 0 0.0042 0
光刻（空间）成像—圆孔图形
圆孔衍射中的绝大部分能 量集中在零级衍射斑内， 零级衍射（爱里斑）大小 为：
Δθ = 0.61 λ a
点光源通过圆孔投 影后的光强分布
Rayleigh 判据
聚焦光学系统
δ = 0.61 λ n sin θ
投影聚焦光学系统分辨率
NA=nsinθ 数值孔径
平面工艺
z微结构由曝光方法形成 z一般只能形成二维平面结构 z加工的是整个系统，不是单个部件
设计：层与层之间的关系
探针工艺
物理探针：ATM，AFM，SPM 非固态探针：聚焦离子束、激光束、火
花放电
顺序加工 平行加工
模型工艺
利用模具复制出相应的微结构
纳米压印 压模技术 注模技术 ……
低成本批量复制
X射线透过率 >80% (0.6nm-10nm)
R>100
光学透过率：>50%
厚度：10-20 μm
表面粗糙度：ra<50nm 平面性： <+/-10μm
应力：<100Mpa
厚度均匀性：<+/-5%
杨氏模量：>100Gpa
热稳定性：低热膨胀系数（与衬底接近）
化学稳定性：O2, 有机溶剂
活动部件制作
收系数小材料）热稳定性 好，机械性能稳定
吸收体： X射线吸收系数大（原子吸收 系数大的材料）
X射线掩模材料
• 吸收体图形材料: Au Pt(铂) Ir(铱) Os(锇) Ta(钽)
• 衬底: Si BN Si3N4 SiC Al2O3 PI(Polyimide) 金刚石
• 吸收体与衬底厚度的选择: 反差一般>10
电镀法
掩模图形产生
光刻胶 电镀层