Синтез и основные характеристики многослойных зеркал рентгеновского и ЭУФ диапазонов

Синтез и основные характеристики многослойных зеркал рентгеновского и

ЭУФ диапазонов

Семинар студентов и аспирантов ИФМ РАН Докладчик Полковников В.Н.

План выступления

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

2

1.1. Особенности рентгеновского излучения

? = 0.01- 60 нм ?1 - ?? ? 10 -6 ? 10 -1 im ? ? 0 ? поглощение ? = 1-?+i?, ?,? << 1

Рентгеновский и ЭУФ диапазон

1) Создание преломляющей оптики затруднено. 2) Коэффициенты отражения при больших углах скольжения малы.

3

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?sin? = n?

Достоинство: Сочетание высоких R с высокой селективностью E/?E Недостатки: Зачастую высокая E/?E является недостатком 2d ограничивает спектральный диапазон применения (ограничение сверху – единицы нанометров)

5

Зонные пластинки

Фокусирующий элемент, аналог линзы

Достоинство: Высокое пространственное разрешение Недостатки: Короткий фокус Ограниченный спектральный диапазон применения

Чередующаяся последовательность прозрачных и непрозрачных кольцевых зон Френеля

«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

Принцип: интерференция волн, отражённых от границ раздела материалов

2d sin ? = m? d = h1 + h2 d ? 0.7 ? 30 нм h min = 0.3 ? 0.6 нм N ~ 10 ? 1000

Отражательные характеристики МЗ

Для заданного угла падения

Первостепенно: R(?) в окрестности рабочей ? (Rпик, ??) Второстепенно: R(?) во всём диапазоне ?

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

10

Разработка и синтез МЗ

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

Выбор материалов

? = 1-?+i?

1. Выбор базового материала Im (?1) минимальна 2. Выбор контрастного материала |Re(?2-?1)|/Im (?2) максимально

? = 32 нм 1 – Mg Отношение: Пара Mg/Al – 3,8 Пара Mg/Si – 6,8

Расчёт характеристик

1. Приближённый метод медленных амплитуд | ?2-?1| << 1 Преимущества: рецепт выбора материалов и параметров структуры, R=f(?2-?1, d, ?) 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(?1, ?1, ?2, ?2, d, ?)

13

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!

15

Электронно-лучевое испарение

Принцип: нагрев мишени пучком электронов, испарение и конденсация на подложке

Недостатки: низкая стабильность потока испаренного вещества; низкая энергия частиц испаренного вещества

16

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

17

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

18

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

19

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)

20

Магнетронное напыление: процесс

21

Разработка и синтез МЗ

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

4. Измерение характеристик

Мягк. рент. и ЭУФ

Жест. рент. ?=0,154 нм

23

Влияние межслоевой шероховатости

Учёт шероховатости ?: R=Ridexp(- 4?2n2?2/d2)

МЗ Mg/Si d=15 нм

МЗ La/B4C d=3.5 нм

24

Межслоевая шероховатость

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

25

Влияние плотности плёнок

Поскольку ?=f(?), то R=F(?)

Зависимость R от ? La для МЗ La/B4C

26

Влияние непериодичности структуры

Сравнение 1-го брэгговского пика (?=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

27

Разработка и синтез МЗ

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

Внутренние напряжения в МЗ

Негативные последствия

Отслаивание плёнки

Скручивание при стравливании

Деформация подложки

29

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!

30

Спасибо за внимание

31