Синтез и основные характеристики многослойных зеркал рентгеновского и ЭУФ диапазонов

План выступления
1. Рентгеновское излучение.
Рентгенооптические элементы
2. Многослойные зеркала
3. Методы синтеза многослойных структур
4. Основные характеристики зеркал

1.1. Особенности рентгеновского излучения
Рентгеновский и ЭУФ диапазон
λ = 0.01- 60 нм
⏐1 - ε⏐ ≈ 10 -6 ÷ 10 -1
Im ε ≠ 0 → поглощение
ε = 1-δ+iγ, δ,γ << 1
1) Создание преломляющей оптики затруднено.
2) Коэффициенты отражения при больших углах скольжения малы.

1.2. Элементы рентгенооптики
Элементы для управления рентгеновскими пучками (распространение, направление, угловые и спектральные характеристики)
Кристаллы
Зонные пластинки
«Линзы» Кумахова
Многослойные структуры
Зеркала
Фильтры
Поляризаторы

Кристаллы
Условие
Вульфа-Брэгга:
2d⋅sinθ = nλ
Достоинство:
Сочетание высоких R с высокой селективностью E/ΔE
Недостатки:
Зачастую высокая E/ΔE является недостатком
2d ограничивает спектральный диапазон применения (ограничение сверху – единицы нанометров)

Зонные пластинки
Фокусирующий элемент, аналог линзы
Чередующаяся последовательность прозрачных
и непрозрачных кольцевых зон Френеля
Достоинство:
Высокое пространственное разрешение
Недостатки:
Короткий фокус
Ограниченный спектральный диапазон применения

«Линзы» Кумахова
Принцип: многократное полное внешнее отражение от стенок
Достоинство:
Нет ограничения на апертуру – высокая светосила
Недостатки:
Полихроматичность
Угловой разброс выходного излучения

2. Многослойные зеркала
Принцип: интерференция волн, отражённых от границ раздела материалов
2d sin θ = mλ
d = h1 + h2
d ≈ 0.7 ÷ 30 нм
h min = 0.3 ÷ 0.6 нм
N ~ 10 ÷ 1000
Принцип: интерференция волн, отражённых от границ раздела материалов

Отражательные характеристики МЗ
Для заданного угла падения
Первостепенно: R(λ) в окрестности рабочей λ (Rпик, Δλ)
Второстепенно: R(λ) во всём диапазоне λ

Характеристики МЗ как элемента оптики
Система подложка + покрытие
Плоская или с кривизной
Линейные размеры ~ 5-300 мм
С постоянным распределением периода по площади или с изменяющимся
Сохранение формы
Для систем с кривизной распределение периода, как правило, необходимо

Разработка и синтез МЗ
Выбор материалов
Расчёт отражательных характеристик
Синтез структур
Измерение характеристик, определение истинных параметров
Коррекция технологического процесса
Финальный синтез

Выбор материалов
1. Выбор базового материала
Im (ε1) минимальна
2. Выбор контрастного материала
|Re(ε2-ε1)|/Im (ε2) максимально
ε = 1-δ+iγ
λ = 32 нм
1 – Mg
Отношение:
Пара Mg/Al – 3,8
Пара Mg/Si – 6,8

Расчёт характеристик
1. Приближённый метод медленных амплитуд
| ε2-ε1| << 1
Преимущества: рецепт выбора материалов и параметров структуры, R=f(ε2-ε1, d, β)
Недостатки: неточное решение, решение вдали от брэгговских пиков отсутствует, только для периодических структур
2. Точный метод рекуррентных соотношений
Преимущества: точное решение для периодических и апериодических структур
Недостатки: нет рецепта выбора материалов, оптимизация параметров подгонкой, R=f(δ1, γ1, δ2, γ2, d, β)

Разработка и синтез МЗ
Выбор материалов
Расчёт отражательных характеристик
Синтез структур
Измерение характеристик, определение истинных параметров
Коррекция технологического процесса
Финальный синтез

3.1. Вакуумный объём
Приемлемое давление остаточных газов:
P ~ 7 ÷ 8 ·10-5 Па
Основной вклад – водяные пары
Технология синтеза наноструктур начинается с вакуума!

Электронно-лучевое испарение
Принцип: нагрев мишени пучком электронов, испарение и конденсация на подложке
Недостатки: низкая стабильность потока испаренного вещества; низкая энергия частиц испаренного вещества

Импульсно-лазерное напыление
Принцип: использование лазерного излучения для «выбивания» материала с поверхности мишени с последующим его осаждением на подложку
Достоинства:
Высокая скорость осаждения (v ≈ 104 ÷ 105 нм/сек)
Высокая стабильность толщины осажденной пленки
Высокая энергия осажденных частиц
Недостатки:
Зачастую высокая энергия частиц является недостатком

Ионно-пучковое напыление
Принцип: использование пучка ионов для распыления материала мишени с последующим осаждением его на подложке
Достоинства:
Высокая стабильность толщины осажденной пленки
Широкий диапазон энергий распыляющих ионов (от десятков эВ до нескольких кэВ)
Применение для бомбардировки атомов нескольких сортов
Возможно распыление практически любых материалов

Магнетронное напыление: магнетрон
Принцип: ионы плазмы устремляются к мишени, находящейся под отрицательным потенциалом и выбивают атомы материала; магнитное поле повышает эффективность разряда
Достоинства:
Высокая стабильность толщины осажденной пленки
Оптимальная энергия осажденных частиц
Недостатки:
Узкий диапазон энергии бомбардирующих ионов (200-400 эВ); затруднено распыление магнитных мишеней

Магнетронное напыление: установка
Установки в ИФМ РАН:
2-х, 4-х и 6-ти магнетронные – распыление до 6 материалов в одном технологическом цикле.
Линейные размеры подложек до 300 мм. Точность нанесения покрытий лучше 0,5% (период 7 нм – лучше 0,035 по всей площади подложки и вглубь структуры)

Магнетронное напыление: процесс

Разработка и синтез МЗ
Выбор материалов
Расчёт отражательных характеристик
Синтез структур
Измерение характеристик, определение истинных параметров
Коррекция технологического процесса
Финальный синтез

4. Измерение характеристик
Жест. рент. λ=0,154 нм
Мягк. рент.
и ЭУФ

Влияние межслоевой шероховатости
Учёт шероховатости σ:
R=Ridexp(- 4π2n2σ2/d2)
МЗ Mg/Si d=15 нм
МЗ La/B4C d=3.5 нм

Межслоевая шероховатость
Методы:
Вариация энергии распыляющих ионов
Осаждение барьерных слоев
Ионное ассистирование и полировка

Влияние плотности плёнок
Поскольку ε=f(ρ), то R=F(ρ)
Зависимость R от ρ La для МЗ La/B4C

Влияние непериодичности структуры
Сравнение 1-го брэгговского пика (λ=0,154 нм) для периодического
МЗ La/B4C d=3,5 нм и МЗ с линейным уходом периода
от 3,5 нм до 3,57 нм

Разработка и синтез МЗ
Выбор материалов
Расчёт отражательных характеристик
Синтез структур
Измерение характеристик, определение истинных параметров
Коррекция технологического процесса
Финальный синтез

Отслаивание плёнки
Скручивание при
стравливании
Деформация подложки
Внутренние напряжения в МЗ
Негативные последствия

Внутренние напряжения в МЗ
Требование: точность формы поверхности элемента схемы 0,3-0,6 нм
Осаждённое на подложку МЗ может привести к искажению формы на десятки нм!