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
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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。
什么是同步辐射
什么是同步辐射光是一种电磁波，也是一种粒子，叫做光子。
能够用波长或频率表征光波，也能够用能量表征光波。
光的波长可从10-4厘米到10-16厘米，相应于光子的能量为100电子伏到10E12电子伏。
波长越短，能量越高。
在雨中快速转动雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。
利用弯转磁铁能够强迫高能电子束团在环形的同步加速器以接近于光速作回旋运动，在切线方向会有电磁波发射出来。
接近光速运动着的电子或正电子在改变运动方向时放出的电磁波叫做辐射波，因为这一现象是在同步加速器上发觉的，因此称为同步辐射。
这种电子的自发辐射，强度高、覆盖的频谱范围广，能够任意选择所需要的波长且持续可调，因此成为一种科学研究的新光源。
同步辐射和常规光源的比较同步辐射光的特点高强度如用X光机拍照一幅晶体缺点照片，通常需要7-15天的感光时刻，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。
高亮度的特性决定了同步辐射光源能够用来做许多常规广源所无法进行的工作。
宽波谱同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线（如图），是目前唯一能覆盖如此宽的频谱范围又能取得高亮度的光源。
利用单色器能够随意选择所需要的波长，进行单色光的实验。
高准直性利用同步辐射光学元件引出的同步辐射广源具有高度的准直性，通过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行极小样品和材料中微量元素的研究。
脉冲性同步辐射光是由与贮存环中周期运动的电子束团辐射发出的，具有纳秒至微秒的时刻脉冲结构。
利用这种特性，可研究与时刻有关的化学反映、物理激发进程、生物细胞的转变等。
偏振性与可见光一样，贮存环发出的同步辐射光依照观看者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。
同步辐射的历史、现状及进展同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射——也叫同步光。
这种光是1947年在美国通用电器公司的一台70Mev的同步加速器中第一次观看到的，因此被命名为同步辐射，但对同步辐射的研究与熟悉并非从此开始，关于这种高速运动的电子的速度改变时会发出辐射的现象早就被人们所熟悉并经历了长期的理论研究，但要从实验上观看到这种辐射却不是一件容易的事，需要有以近光速运动的高能量电子，电子加速器的进展成为取得同步辐射的技术基础。
同步辐射及应用
同步辐射及应用同步辐射是什么？同步辐射是一种性能优异的光源，是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射。
形象的说，同步辐射的轨迹就如同转动湿漉的雨伞时沿着伞的切线方向飞出的水滴。
由于它最初是在同步加速器上观察到的，所以被称为“同步辐射”。
图1. 同步辐射装置示意图自1965年发现同步辐射以来，经历三代的发展，目前已开始建造第四代同步辐射光源。
同步辐射的亮度也从107增加到1024，大约相当于太阳光亮度的100亿倍和医用X光机的1000亿倍。
如果把光比作一把尺子，那么波长就是尺子上的刻度。
波长连续可调的同步辐射就像一把可以连续调节长度的软尺，包含了从红外线、可见光、紫外线、到X射线等一系列不同波长的光。
同步辐射的另一个特点是准直性好，也就是说方向性好，能把高亮度的光集中在一个很小的区域内沿着某个特定的方向发射出去，类似激光。
不同的同步辐射光源其光的特性也有不同。
以合肥的国家同步辐射实验室（NSRL）为例，它是我国第一台以真空紫外和软X射线为主的专用同步辐射光源，由一台能量200 MeV的电子直线加速器作注入器，加速电子至接近光速后注入一台能量为800 MeV的电子储存环中，在一个均匀磁场的作用下，电子在一个环形中运行，在环的不同位置的切线方向上引出十四条光束线，产生的同步辐射光最强区域在真空紫外和软X射线波段；而日本SPRing8光源的储存环能量是8 GeV（居世界第一），其能量是合肥同步辐射光源的十倍，最强波段则在硬X射线波段。
同步辐射能做什么？同步辐射是多学科交叉的研究平台。
当我们想研究特定样品体系时，依照微观尺寸范围选取不同波长的光，而同步辐射宽光谱特性可以保证我们方便地选取和利用不同波长的光。
例如：研究分子团簇的类别时，使用红外光；研究分子间结构时，使用真空紫外光；对原子内部结构进行解析时，则需要X射线。
与可见光一样，同步辐射也具有透射、散射、吸收、衍射等光学特性，使用这些特性对物体进行测试，可以获得原子、电子和分子等信息。
北京理工大学李营利用同步辐射光源开展超材料变形机理研究
北京理工大学李营利用同步辐射光源开展超材料变形机理研究力学超材料具有优越的抗冲击性、抗剪切性和减振降噪等特性，因其优异的力学性能在船舶、航空航天、生物医学和智能传感等行业展现出广阔的应用潜力。
然而，在使用微纳米增材制造技术制造微纳尺度的力学超材料的过程中，会在材料内部引入大量随机缺陷。
随机制造缺陷不仅仅对微纳曲面点阵结构力学超材料的几何形态产生影响，也会对其力学性能和变形模式产生不可忽略的影响。
因此，亟需开展具备更优异力学特性的微纳曲面点阵结构的力学设计与表征研究，揭示缺陷对微纳点阵结构力学行为的影响机理。
针对上述问题，北京理工大学李营团队以微纳陀螺（gyroid）曲面点阵结构为研究对象，利用投影微立体光刻曝光技术（PμLSE）和同步辐射X射线断层扫描技术（SR-μCT) ，研究了在压缩载荷下陀螺曲面点阵结构的弹性响应、失效过程和诱因机制。
投影微立体光刻曝光技术（PμLSE）作为一种微纳米增材制造技术，为制造轻质、高强度高刚度的微纳力学超材料提供了机会。
同步辐射X射线断层扫描技术（SR-μCT)作为一种无损的三维成像技术，在微纳米级力学超材料的缺陷表征和微观结构演化过程的研究具有显著优势。
在这项研究中，提出了一种具有陀螺拓扑特征的点阵材料的缺陷表征方法，首先，采用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和同步辐射X射线断层扫描（SR-μCT）表征微纳曲面点阵表面和内部形态和缺陷。
之后，通过结合SR-μCT三维成像和原位压缩实验，分析了结构的缺陷特征、失效模式和诱因。
最后，利用基于图像的有限元分析(FEA) 对重建样本和设计模型的变形和失效机制进行了比较，并将仿真结果与实验进行了比较。
图1 具有陀螺拓扑特征的点阵材料的缺陷表征和数值模拟流程图基于上述的缺陷表征方法，研究结果表明具有陀螺拓扑特征点阵结构的主要缺陷为凸起、曲面厚度偏差和表面规则划痕。
层的堆叠、原材料中的杂质和灰尘使力学超材料在PµLSE增材制造过程中出现了不完善的划痕和颗粒。
LIGA技术是微细加工的一种较理想新方法
微机电系统（MEMS）的一种制造工艺——LIGA技术1，简单介绍LIGA技术是微细加工的一种较理想的新方法.LIGA 是德文 Lithographie、Galvanoformung 和 Abfor-mung 三个词的缩写 , 是深度同步辐射X光光刻、电铸和塑铸工艺的相结合的一种工艺方法.下图为LIGA技术的基本原理图：2，工艺过程2. 1 深度同步辐射X光光刻利用深度同步辐射 X光光刻,将掩模吸收体图形转移到厚度近 1000μm 光刻胶层上, 利用适当显影液,溶去被照射部分,留下未受照射区原分子链结构。
2. 2 电铸利用光刻胶层下面的金属薄层作为电极进行电镀,将显影后的光刻胶所形成的三维立体结构间隙用金属填充,直至光刻胶上面完全覆盖了金属膜为止,形成一个与光刻胶图形互又补稳定的相反结构金属图形,这种金属微结构体就成为廉价的铸塑模子,以实现工业大规模生产。
2.3 塑铸由于深度同步辐射 X射线光刻是非常昂贵的一道工序,在大批量复制生产中,出于经济上考虑应尽量避免使用。
塑铸为大批量生产电铸产品,提供了塑料铸模。
经过金属注塑板上的小孔,将树脂注入到金属模具的腔体内,待树脂硬化以后,脱去模具就可以得到一个塑模微型结构,在塑铸完成的塑模微型结构上,再电铸所需要的产品结构，清除掉胶和注塑板，就可以得到三维立体金属结构器件。
3，优缺点：与传统微细加工方法相比, LIGA技术具有如下优点:1，可制造有较大高宽比的微结构。
(高深宽比是指宽度可小到亚微米量级，深度可达数百微米甚至毫米量级）2，取材广泛,可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等。
3，可以获得亚微米级精度的微结构;4，便于批量生产和大规模复制, 因而成本低廉价格便宜。
缺点：1，同步辐射X光的成本较高。
2，由于微结构尺寸很小，同时具有很大的高宽比，因此电镀要求较严格。
（由于要电铸的孔较深, 必须克服电铸液的表面张力, 使其进入微孔中, 因此, LIGA 技术对电铸液的配方和电铸工艺都有特殊的要求。
同步辐射
同步辐射技术同步辐射是速度接近光速（v≈c）的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同步加速器上观察到的，便又被称为“同步辐射”或“同步加速器辐射”。
所以研究同步辐射技术需要先了解加速器的相关知识。
加速器加速器是用人工方法借助于不同形态的电磁场，将各种带电粒子加速到较高能量的电磁装置。
一般，只有带电粒子的能量（动能）比较高时，如大于1MeV 时，才称之为加速器。
而其它如X光管、显像管等虽然它们也是利用电场加速电子的电磁装置，但是，它们不是真正意义上的加速器。
加速器的本质是提高带电粒子的能量，它分为两个过程：当带电粒子的速度远小于光速时，带电粒子的速度快速增加；但当速度接近于光速时，此时由于相对论效应粒子质量快速增加，而速度增加缓慢。
最早的加速器是利用高电压在直线轨道加速粒子，但是这种方法存在高压瓶颈问题，而且加速轨道特别长，加速能量不高。
于是发展出了其他不同类型的加速器：回旋加速器、准共振加速器、电子感应加速器、强聚焦加速器、射频直线加速器和同步加速器等。
其中同步加速器由于较高的加速能量和其他良好性能，被广泛采用。
在同步加速器中，带电粒子从直线加速器出来并围绕着一个固定的圆形轨道作回旋运动，并在回旋中加速，直至达到预期的能量，在这个过程中同步加速器既调频，又调磁。
接近光速运动着的电子或正电子改变运动方向时，沿其切线方向放出的电磁波(光波形式)，这就是同步辐射。
同步辐射的发现及特点1947年4月16日，美国纽约州通用电气公司的实验室中，在调试一台能量为70 MeV的电子同步加速器上，偶然从反射镜中看到了在水泥防护墙内的加速器里有强烈“蓝白色的弧光”，并且光的颜色随着电子能量的变化而变化，这种弧光就是同步辐射。
长期以来，同步辐射是不受高能物理学家欢迎的东西，因为它消耗了加速器的能量，阻碍粒子能量的提高。
但是，人们很快便了解到同步辐射是具有一些其他光源不具有的特性，可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究。
同步辐射光刻的X射线反射谱表征
外至 硬 ｘ射线 频谱 范 围连 续 可 调 等特 点 ， 十几 年 近 来在 材料 研究领 域 获得 了越来 越广 泛 的应 用 。利用 同步 辐 射 ｘ 射 线 作 为 光 源 ， 得 ｘ 射 线 衍 射 使 （ Ｒ 、 射 与 散 射 、 展 ｘ 射 线 吸 收 精 细 结 构 Ｘ Ｄ） 反 扩 （ Ｘ Ｆ ） 荧光 等材 料 分 析 测 试 手 段 得 到 了极 大 的 ＥＡＳ、
摘 要 ： 用 Ｘ射 线反 射 （ Ｒ ） 对 同步 辐 射 导 致 的氧 化 物 薄 膜 的刻 蚀 进 行 了在 位 测试 ， 果 表 明波 长 为 ｏ １４ ｍ 采 ｘ Ｒ谱 结 ．５ｎ
的 单 色 Ｘ光 在 室温 下 可对 Ｍ Ｏ和 Ｃ２ ， 生轻 微 的刻 蚀 。 与 文献 中 大量 报 道 的 同 步辐 射 Ｘ射 线 光 刻 及 烧 蚀 不 同 ， ｇ ｒＯ 产 这 是 单 色 Ｘ射 线 光 刻 的 首 次报 道 。ｅ ￣ ， ｋ刻蚀 速 率极 慢 ， 利 用 Ｘ Ｒ谱 的 高分 辨 率 ， 功地 检 测 到 了膜 厚 的 减 薄 。 － － 但 Ｒ 成 关 键 词 ：同步 辐射 ； 刻 ； 光 Ｘ射 线反 射 谱
另一方 面 ， 如此高 的强 度也 有 可 能 使 得样 品在 测 试 时发 生变化 。本 文报 道 了在 对 氧化铬 薄膜 进行 同步
２ 结 果 与讨 论
２ １ Ｘ Ｒ 厚度 表征 ． Ｒ
图 １ 示 为 同 一 氧化 铬样 品 的 Ｘ Ｒ谱 。其 中 所 Ｒ 曲线 ａ是采 用 ｘ射 线 管作 光 源 ， Ｐ ｉｐ 衍 射仪 得 由 ｈ ｉｓ ｌ 到 的测 试 结果 ， 曲线 ｂ是 曲线 ａ的模 拟 结 果 。而 曲
各种元 激发 过程 以 及光 化 学 反 应 过程 等 进 行研 究 ， 同步 辐射 正成 为一种新 的材料加 工方 法… 。例如 同 步辐 射 ｘ射 线 光 刻 可 获 得 更 细 的线 宽 和 更 陡 直
同步辐射光刻
同步辐射光刻
同步辐射光刻是一种利用同步辐射光源进行光刻的技术。
同步辐射光源是一种高亮度、高单色性的光源，能够提供非常强大的光束。
在光刻过程中，光源发出的光束经过光刻模板，形成特定的图案，并投射到光刻胶上。
通过一系列的化学反应和物理过程，将图案转移到硅片上，从而实现半导体器件的制造。
同步辐射光刻具有许多优势，例如高分辨率、高精度、高对比度等，能够实现非常精细的图案刻画。
此外，同步辐射光刻还具有光源稳定、光束质量好、可连续工作等优点，因此在微电子制造、生物医学、材料科学等领域得到广泛应用。
同步辐射原理
同步辐射原理
同步辐射是一种高度同步的电磁辐射，它是由高速运动的带电粒子在磁场中做
加速运动时产生的。
同步辐射广泛应用于物理、化学、生物学、医学和材料科学等领域，成为研究微观世界的重要工具。
本文将介绍同步辐射的原理及其在科学研究和应用中的重要性。
同步辐射的原理主要涉及带电粒子在磁场中做加速运动时产生的电磁辐射。
当
带电粒子在磁场中做螺旋运动时，由于受到洛伦兹力的作用，它会不断改变方向并加速运动，从而产生电磁辐射。
这种电磁辐射具有高度同步性，频率范围广，辐射强度大的特点。
同步辐射在科学研究中具有重要意义。
它可以提供高亮度、高能量、高分辨率
的辐射光束，用于研究物质的结构、性质和动力学过程。
在材料科学领域，同步辐射被广泛应用于表征材料的晶体结构、表面形貌和微观组织，为材料设计和制备提供重要依据。
在生物学和医学领域，同步辐射被用于研究生物大分子的结构和功能，为药物研发和疾病诊断提供重要支持。
此外，同步辐射在工业生产和环境监测中也具有重要应用价值。
它可以用于材
料加工、光刻、表面改性和无损检测等工艺，提高生产效率和产品质量。
在环境监测中，同步辐射可用于分析大气污染物、土壤污染物和水体污染物，为环境保护和治理提供科学依据。
总之，同步辐射作为一种高度同步的电磁辐射，具有广泛的科学研究和应用价值。
它在物理、化学、生物学、医学和材料科学等领域发挥着重要作用，为人类认识世界、改善生活和保护环境做出重要贡献。
随着科学技术的不断发展，同步辐射必将在更多领域展现出无限的潜力。
同步辐射X射线技术在材料研究中的应用
同步辐射X射线技术在材料研究中的应用同步辐射X射线技术是一种先进的分析工具，它可以在高能光束的作用下对物体进行高分辨率的结构分析，广泛应用于材料科学研究中。
本文将详细介绍同步辐射X射线技术在材料研究中的应用。
一、同步辐射X射线技术简介同步辐射X射线技术是一种利用电子加速器产生高能量X射线的方法。
同步辐射源是具有同步加速器的设备，它能够产生连续的、高亮度、高能量的X射线。
这些X射线具有非常高的单色性和方向性，能够提供非常高的空间和时间分辨率，对物体的表面和内部结构进行分析。
二、同步辐射X射线技术在材料科学中的应用1. 晶体结构研究同步辐射X射线技术可以用于研究晶体的结构。
由于X射线的单色性和方向性，同步辐射X射线技术能够分析晶体的大量结构信息，包括晶格常数、原子位置、电子云和晶体中缺陷等。
这些结构信息对于材料的性能分析和改进非常重要，可以为材料的设计和生产提供重要的参考。
2. 表面和界面分析同步辐射X射线技术还可以用于表面和界面的分析。
X射线的高能量和方向性使得同步辐射X射线技术能够对材料表面和界面进行非常高精度的分析，包括表面和界面的原子结构、化学成分和电子结构等。
这些信息对于材料表面和界面的性能分析和优化非常重要，能够为材料的应用提供重要的支持。
3. 应力分析同步辐射X射线技术还可以用于材料的应力分析。
应力分析对于材料的结构和性能分析非常重要，同步辐射X射线技术能够通过对材料的表面和内部进行X射线散射分析，确定材料的微观应力分布，为材料的设计和分析提供重要的参考。
4. 磁性材料研究同步辐射X射线技术还可以用于磁性材料的研究。
磁性材料具有特殊的磁性行为和微观结构，同步辐射X射线技术能够通过对材料的磁性行为和微观结构进行分析，掌握磁性材料的内在规律和特性，为磁性材料的应用提供重要的支持。
三、结语同步辐射X射线技术是一种非常重要的分析工具，对材料科学的研究和应用具有重要的影响。
本文主要介绍了同步辐射X射线技术在材料研究中的应用，包括晶体结构研究、表面和界面分析、应力分析和磁性材料研究等。
同步辐射光源及其应用
同步辐射光源 及其应用 简介高 琛2008.12.20什么是同步辐射光束线磁场 电子轨道 电子束团HLS实验站相对论电子在磁场 中转向时，沿切线 方向辐射的电磁波v aPe =e 2 c (β γ ) 4 6π ε oρ2超新星爆发及其残骸，如金牛座蟹状星云。
《宋会要》记载： (公元1054年7月，) 客星 “昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十 三日。
”22个月后，“客星没，客去之兆也。
” 黑洞吸附带电粒子经典(等时)回旋加速器注入束流高频腔经典(等时)回旋加速器弱聚焦同步加速器注入束流高频腔经典(等时)回旋加速器注入弱聚焦同步加速器弯转磁铁 四极磁铁高频腔束流轨道强聚焦电子同步加速器插入元件：产生特征 不同的同步辐射弯转磁铁：使束流轨道 弯转，产生同步辐射高频腔：补充同步 辐射损失的能量， 或者加速电子四极磁铁：类似于透镜， 约束粒子轨迹横向尺寸真空室：保持10-9torr水平 的真空度，维持束流寿命注入束流高频腔经典(等时)回旋加速器注入弱聚焦同步加速器弯转磁铁 四极磁铁高频腔束流轨道1947年，Pollack领导的科研组 在美国通用电气公司70 MeV电 子同步加速器中首次观察到“人 造”的这种辐射。
强聚焦电子同步加速器N S同步辐射电子电子轨道弯转磁铁1/γS N S S SN N S S N N S S N N N 电子轨道中轴线Undulator(波荡器)：多极干涉，频率趋同。
高亮度，准单色光。
弯铁插入件HLSN S同步辐射电子电子轨道弯转磁铁1/γS N S S SN N S S N N S S N N N 电子轨道中轴线Undulator(波荡器)：多极干涉，频率趋同。
高亮度，准单色光。
弯铁插入件Wiggler(扭摆磁铁)：强度叠加。
高功率，(一般)短波长。
HLSBEPC：第一代HLS：第二代SSRF：第三代Swiss Light Source (SLS)DIAMONDSSRCAPSESRF同步辐射光源的分代第一代：高能加速器寄生 亮度：～1012ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW 第二代：专用 亮度：～1015ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW 第三代：大量使用插入件 亮度：～1018ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW 第四代：FEL、衍射极限环、ERL、…… 亮度：～1021ph/s⋅mm2⋅mrad2⋅0.1%BW自由电子激光原理色散段 调制段种子激光辐射段自由电子 激光输出λ电子束团密度调制(群居) 相干辐射能量调制衍射极限储存环b∆θ∆θb⋅∆θ>>λ：非相干迭加，I∝N b⋅∆θ~λ：相干迭加，I∝N2HALSERL单色亮度的重要性y u yu=y’u’=······ u’ y’I B= s·Ω·0.1%BW单色亮度的重要性y u yu=y’u’=······ u’ y’I B= s·Ω·0.1%BW表面吸附 分子内 氢转移 磁记录时间 （磁畴翻转） 电荷转移化学键的 断裂和重组1015101810211024光源亮度（ph/s·mm2·mrad2·0.1%BW）同步辐射的优点★单色亮度高 ★光谱连续、宽 ★准直性好 ★偏振 ★脉冲时间结构 ★稳定，可精确计算偏振和时间结构椭圆偏振光 线偏振光实验室发展史一期：1984~1991(计委1983.4立项) 总投资6,240万：机器建设，5条光束 线和实验站。
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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