Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение рентгеновских отражательных дифракционных решеток и методы расчета их эффективности 7
1.1. Особенности рентгеновского излучения с точки зрения взаимодействия с твердым веществом 7
1.2. Многослойные рентгеновские покрытия и дефекты границ слоев 11
1.3. Методы решения задач дифракции на рентгеновских решетках 14
Глава 2, Интегральный метод расчета эффективности сплошной рентгеновской дифракционной решетки 20
2.1. Вывод интегральных уравнений 20
2.2. Особенности реализации интегрального метода для расчета эффективности решеток коротковолнового диапазона . 30
2.3. Сходимость метода 36
2.4. Точность счислений 49
Глава 3. Интегральный метод расчета эффективности многослойной рентгеновской решетки 58
3.1. Строгий и приближенный методы расчета эффективности многослойной решетки 58
3.2. Критерий точности аппроксимации интегрального метода для расчета эффективности многослойной рентгеновской решетки ... 64
3.3. Сравнение кривых эффективности многослойных рентгеновских решеток скользящего падения, полученных строгим методом, приближенно и с помощью измерений 71
Глава 4. Дифракционные свойства решеток, работающих в рентгеновском излучении 81
4.1. Роль скалярных и электромагнитных свойств эффективности решеток рентгеновского диапазона 82
4.2. Строгий анализ эффективности различных решеток, „ Д л
4.3. Моделирование эффективности рентгеновских решеток реального профиля и сравнение ее с результатами измерений на синхротронном излучении 107
Заключение 123
Литература 126
- Многослойные рентгеновские покрытия и дефекты границ слоев
- Особенности реализации интегрального метода для расчета эффективности решеток коротковолнового диапазона
- Критерий точности аппроксимации интегрального метода для расчета эффективности многослойной рентгеновской решетки
- Сравнение кривых эффективности многослойных рентгеновских решеток скользящего падения, полученных строгим методом, приближенно и с помощью измерений
Введение к работе
Основные дифракционные свойства решеток без учета материала
их покрытия (идеально проводящих) применимы ко всему оптическому
диапазону. Известно, что характеристики решеток зависят от
материала их поверхности, но профили штрихов решеток, используемых
для инфракрасного, ви.пммппо и ультрафиолетового излучения,
одинаковы. Однако, работа решеток в наиболее коротковолновой
области, включающей коротковолновый ультрафиолетовый (КУФ), мягкий
рентгеновский (MP) и жесткий рентгеновский (ЖР или у-лучи)
диапазоны и называемой далее вместе рентгеновским диапазоном,
весьма специфична. Для длин волн ниже 30-40 нм вся рентгеновская
оптика вынуждена работать при скользящем падении или использовать
наиболее перспективные многослойные покрытия. Решетки
рентгеновского диапазона отличаются очень мелким профилем штрихов,
форма и тонкая структура которого играют решающую роль в их
дифракционных свойствах. Особенности, которые отличают
дифракционные решетки для рентгеновского излучения скользящего и нормального падения от аналогичных в более длинноволновом диапазоне, в силу объективных трудностей были исследованы недостаточно.
Совершенствование технологий изготовления и измерения отражающих дифракционных решеток с различной формой профиля штриха и нанесения на них сверхгладких многослойных покрытий для рентгеновского диапазона позволило добиться за истекшее десятилетие высоких экспериментальных значений абсолютной
эффективности как при скользящем, ' так и при нормальном падении.
Для решеток различных типов проведены сравнения между расчетами
эффективности и ее измерениями в рентгеновском излучении, в т.ч.
синхротронном. К ним относятся решетки идеального профиля: с
блеском, ламельные сплошные и полученные травлением штрихов
прямоугольной формы в многослойном зеркале. Особый интерес
представляет исследование решеток с реальным профилем штрихов,
измеренным с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ), в т.ч.
ионно-травленных мастеров, их реплик и многослойных с современными
материалами покрытия: Вс-С, Bc-Y, ВЄ-В4С, Cr-C, Mo4Ru^-Be, Mo-Si, Мо-
Sr, Mo-Y, Pd-B-tC, Sc-Si, Ru-C, W-B4C и др. Проводимые исследования
позволили говорить не только о возможности добиться точного
совпадении теории с экспериментом, но и о перспективах
использования численного моделирования во всем рентгеновском
диапазоне для предсказания дифракционных свойств отражающих
решеток на основе строгих методов анализа, точных значений
показателей преломления веществ и измеренных профилей штрихов.
Описание дифракционных свойств отражающих решеток в коротких областях спектра на основе строгих векторных теорий долгое время было проблематичным по причинам медленной сходимости разработанных алгоритмов и высоких требований, предъявляемых к памяти и скорости компьютеров. Кроме очень маленьких значений отношения длины волны к периоду и сотен или тысяч распространяющихся порядков в рентгеновском диапазоне требуется точный учет влияния затенения, поглощения, многократного отражения, многоволнового характера рассеяния, поляризации и других нескалярных свойств
решеток. Систематическое предсказание абсолютной эффективности рельефных решеток, работающих в этой области спектра, стало возможным только после появления эффективных численных методов на основе решения системы дифференциальных уравнений [1-3]. Для анализа эффективности решеток с реальным профилем штрихов/ например, измеренным с помощью АСМ, и учета шероховатостей наиболее точным является метод интегральных уравнений, но из-за известных численных трудностей он является непригодным для систематических расчетов в рентгеновском диапазоне [4, 5] . В этой связи, разработка интегрального метода, предназначенного для расчета эффективности отражающих дифракционных решеток в наиболее коротковолновом диапазоне спектра, и его использование для численного моделирования дифракционных свойств решеток с реальным профилем, в т.ч. многослойных, представляется важной научно-технической задачей.
Многослойные рентгеновские покрытия и дефекты границ слоев
Как было показано выше, для оптического элемента с одной границей раздела поверхности между вакуумом и веществом, скользящее падение является единственно возможным способом получения приемлемого отражения в рентгеновском диапазоне. Как для близкого к нормальному падения, так и при малых углах скольжения можно значительно увеличить коэффициент отражения за счет конструктивной интерференции волн, отраженных от различных границ раздела многослойной структуры. По принципу действия такие многослойные зеркала аналогичны тонколленочным покрытиям, применяемым в оптике видимого диапазона. Для того чтобы многократно отраженные от границ раздела лучи складывались в фазе должно выполняться, в первом приближении, кристаллографическое уравнение Брэгга-Вульфа: где D - период многослойной структуры, 0 - угол падения брэгговского порядка номера /. Для естественных кристаллов межплоскостное расстояние D составляет, как правило, несколько десятых долей нанометра, поэтому условие (1.10) не может быть выполнено для излучения с X 1 нм. Однако для его выполнения необходимо изготовлять структуры со значениями периодов в несколько раз превышающих межплоскостные расстояния естественных кристаллов, т.е. сравнимых с размерами атомов. Как следует из (I.I) и (1.2) значения коэффициентов отражения в MP и КУФ диапазонах от одной границы раздела сред при нормальном падении составляют 10 -10 . Следовательно, при наличии примерно 10 —10 границ возможно синфазное отражение всей энергии обратно при отсутствии поглощения. Глубина проникновения MP-волны в вещество при нормальном падении составляет от нескольких десятков до тысяч нанометров, т.е. возможна ситуация, когда все излучение поглотиться ранее, чем проникнет до конца многослойной структуры. Чтобы рассчитать оптические характеристики многослойного зеркала, необходимо строго решить уравнения Максвелла с периодически изменяющейся диэлектрической проницаемостью. Для решения обычно используются два подхода, которые являются эквивалентными [б]. В первом из них отражение от многослойной структуры описывается способом, подобным исследованию брэгговского отражения от кристаллов. Во втором подходе используется хорошо развитая для видимой области теория интерференционных покрытий.
Проведенные точные расчеты показывают, что коэффициенты отражения MP излучения от шюго слойных зеркал могут достигать 40 - 80%, но для этого необходимо правильно подбирать как вещества покрытия, так и их толщины. Оптимизация параметров многослойной структуры может быть проведена с использованием аналитических выражений [18], которые в случае необходимости уточняются с помощью численных расчетов. Один из удобных и точных методов расчета отражения от многослойных зеркал основан на методе рекуррентных соотношений [18]. Процедура состоит в последовательном вычислении из уравнений Максвелла амплитудных коэффициентов отражения г (к) на к-ой границе раздела слоев структуры с показателями преломления п(к), толщинами t {к) и френелевскими коэффициентами гц(к), начиная с нижнего слоя К и заканчивая верхним нулевым слоем ( = 0), откуда падает излучение под углом 9 к нормали границ. Влияние случайных некоррелированных шероховатостей границ или диффузии слоев может быть учтено с помощью коэффициента Дебая-Уоллера го{к)г в который входит средне квадратичное отклонение (СКО) шероховатости границ или ширина взаимодиффузии слоев а (к) [6]: г(к)= Ык) + г(к+ 1)ехр[2/хА+ 1М )]}/{М М + 1)схр[2/х(і+ ЇЖА)]), Значительный прогресс технологий расчета, нанесения и измерения сверхгладких многослойных покрытий за два последних десятилетия привел к появлению рентгеновских зеркал для нормального и скользящего падения с высокими экспериментальными значениями коэффициента отражения, близкими к максимальным теоретическим [6,18-20]. В теории дифракции область, для которой справедливо приближение геометрической оптики и отсутствуют поляризационные эффекты и аномалии, принято называть скалярной областью. Считается, что для большинства решеток это соответствует отношению длины волны к периоду Усі 0.2 при нормальном падении или режиме автоколлимации. Для самых мелких решеток {hid 0.1) она может быть продолжена до 7Jd 0.4 [15]. Было также выяснено [21], что в случае скользящего падения при Ш 0.1 и даже менее 0.05 это приближение неприемлемо. Скалярная (классическая) теория дифракции была предложена еще Роуландом и уточнена в ряде последующих работ. Простые формулы скалярной теории для решеток со стандартным типом профиля штрихов могут быть получены, например, предельным переходом из разложения Рэлея, дающего точные решения задачи дифракции только в случае идеально отражающей решетки мелкого профиля [21]. Для метода Рэлея также имеются общие неизвестные ограничения на величину "kid, скользящий угол падения, форму профиля границы, показатель преломления и поляризацию падающего излучения [22]. В общем виде выражения для амплитуд дифрагированных волн можно также получить с помощью скалярного интеграла Френеля-Кирхгофа [23]. Для наиболее простых форм профиля решеток интеграл вычисляется в явном виде [24, 25]. Этот подход позволяет использовать универсальные кривые эффективности в области их достоверности. Было показано [26], что эффективность решеток, используемых в скалярной области вблизи автоколлимации, может быть определена с достаточной точностью простым умножением эффективности идеально проводящей решетки на коэффициент отражения чистого металла или металла, покрытого диэлектрическим слоем. С ростом угла падения появляются различия в значениях коэффициента отражения для ТЕ и ТМ поляризации, а при углах, близких к скользящему, существуют поляризационные эффекты даже для идеально отражающей решетки [21]. В этом случае эффективность решетки не может быть предсказана простым способом. Все попытки сделать это в течение долгого времени заканчивались неудачами. В настоящее время широко известны строгие численные методы решения задач дифракции на многослойных решетках с произвольньш профилем штрихов, которые можно отнести к двум типам электромагнитной теории [4] — интегральному (метод интегральных уравнений [27]) или дифференциальному [28]. Некоторые близкие к
Особенности реализации интегрального метода для расчета эффективности решеток коротковолнового диапазона
Простое решение интегрального уравнения (2,19) основано на известном методе моментов (коллокаиии) в сочетании с квадратурным приближением интегралов с непрерывными частями ядер. Интегральное уравнения заменяется системой линейных алгебраических уравнений, решение которой сходится по параметру обрезания, если в качестве базисных функций выбраны тригонометрические полиномы [67]. Использование тригонометрических полиномов первой степени (кусочно-линейная интерполяция) вместе с вычислением квадратур по правилу трапеции (прямоугольника? дает лучший результат для гладких функций границ [68]. При этом точки коллокации совпадают с узлами квадратур. Подобные методы относят в литературе к разряду кваллокационных методов [44]. Описанный выше подход к решению (2.19) предполагает нахождение N значений неизвестной квазипериодической функции Ч , которая аппроксимируется кусочно-постоянной функцией в N точках на одном периоде решетки. Для интегрального уравнения первого рода при совпадении аргумента имеется логарифмическая особенность в его ядре, которая является квадратично интегрируемой [4J. За счет этого диагональные элементы матрицы алгебраической системы, как правило, превосходят по величине недиагональные элементы. Это составляет вместе с совпадением коллокационно-квадратурных узлов основу осуществления саморегуляризации для интегрального уравнения , „ft__,„4v,,a первого "сд- типа (2.19) [66]. Построение эффективного алгоритма вычислений функций Грина основано на выделении логарифмической особенности в явном виде [4, 65-71]. От логарифмической особенности функции Грина, кривизны профиля ее нормальной производной и остатка суммы их рядов в резонансной области зависит точность получаемых результатов и время расчета задачи [39,43,44]. Однако при сравнительно больших значениях N для некоторых задач такое уточнение не всегда оправдано [67]. В силу особенностей численного интегрирования подынтегральных функций, особенно в коротковолновом пределе, необходимость такого уточнения требует отдельного исследования. Разобьем контур f (х) точками хк [к = О, N; Хо = м) на N частей. Функцию Tfxk, / (.)) на каждом отрезке [.гь, x +i] будем считать постоянной.
При этом интегральное уравнение (2.19) сводится к системе линейных алгебраических уравнений вида: Согласуем решение в // средний точках отрезков [х , хы] и заменим интегралы по всему периоду (2.25) на суммы интегралов по отрезкам. Они вычисляются с хорошим приближением при некотором N и соответствующем выборе метода интегрирования. Для более точного приближения искомой функции сеточной желательно выбирать отрезок [ b Jti+i] достаточно малым, чтобы допустить быстро меняющиеся функции. С другой стороны, учет особенностей поведения ядра в интегральном уравнении (2.19) и необходимость получения хорошо обусловленной матрицы в системе (2.25) требуют шаг интегрирования выбирать достаточно большим. В случае регулярного ядра, а также периодических подынтегральной функции и правой частії уравнения (2.19), предпочтительной является кусочно-постоянная аппроксимация подынтегрального выражения с разбиением отрезка интегрирования (периода) на равные части [4]. Этот простой подход дает хорошие результаты для расчетов эффективности многих типов решеток. Однако в трудных случаях при наличии ребер и крутых граней его применение не дает сходимости результатов даже при больших N [72]. Для улучшения точности интегрирования можно пытаться разбивать профиль точками неравномерно вдоль оси X с тем, чтобы увеличить их плотность возле ребра или на крутой грани, но неясно, по какому закону это следует делать, чтобы с высокой точностью проинтегрировать периодические подынтегральные выражения. Другой подход вытекает из самого интегрального уравнения для дифракционного поля (2Л9), а именно - интегрирование по длине дуги контура У (х). Трудность заключается в том, что для произвольного контура координаты его точек невозможно выразить через длину дуги, но для решеток, аппроксимируемых отрезками прямых линий, это не является проблемой. В этом случае координаты точек поверхности легко вычисляются путем простого деления координаты по оси X на косинус угла наклона отрезка, а криволинейный интеграл по длине дуги заменяется обычным. Этот подход по нескольким причинам давно используется для решения практически любых дифракционных задач для решеток [38, 45, 66, 6S]. Во-первых, он почти столь же прост, что и подход [4] при несравнимо лучших результатах в трудных вышеперечисленных случаях. Во-вторых, он асимптотически переходит в подход [4] при уменьшении глубины и крутизны склонов профиля и может быть наряду с ним успешно использован для расчета любых неглубоких и пологих решеток. В-третьих, позволяет вместе с представлением формы профиля штриха реальными точками, а не с помощью его разложения в ряд Фурье [4], более точно рассчитывать эффективность решеток, профиль которых измерен каким-либо экспериментальным . способом: с помощью ACM, СТМ, СЭМ, интерферометра высокого увеличения, контактного профилометра и др. [45,50, 60].
Критерий точности аппроксимации интегрального метода для расчета эффективности многослойной рентгеновской решетки
С появлением универсальных численных методов [4] и быстрым совершенствованием компьютеров и алгоритмов, приближенные методы решения задач дифракции (аналитические, полуаналитические и численные) перестают играть доминирующую роль в теоретических исследованиях. Однако приближенные методы помогают понять физику сложного явления дифракции и предложить простой интуитивный подход его описания. Это важно в рентгенозском диапазоне, где получение точных решений многих практических задач до сих пор затруднено. Среди приближенных общих методов решения задач дифракции в коротковолновой области известно борцовское приближение [27, 81], обладающее определенной точностью. Еорнсзский ряд, сходящийся по малому параметру, может быть просуммирован с учетом нескольких членов разложения в зависимости от параметров задачи и требуемой точности. Если порядок борновского приближения (число членов, которые необходимо просуммировать) велик, то предпочтительнее точное численное решение, полученное, например, интегральным методом. Сходимость борновского ряда, представляющего асимптотику точного решения интегрального уравнения в основном порядке дифракции для одной границы, можно характеризовать параметром , [81]: Применимость борновского приближения и оценки его сходимости, аналогичные (3.8), для расчетов эффективности многослойных 4» рентгеновских решеток с различным профилем штрихов подтверждены результатами строгих расчетов [81]. Условие 1 для рентгеновского диапазона практически всегда выполняется: (10 +10) х (КГ -МО ) (КГ - - 10). Критерий точности результатов, полученных на основе приближения (3.7), сформулируем, используя выражение (3.8) и учитывая расстояния S\ между соседними слоями / и /+1 и угол падения 0: в качестве критерия хорошей точности результатов, получаемых с помощью (3.7) для многослойных решеток скользящего падения в рентгеновском диапазоне.
Проверим точность ПОДХОДОБ (3,5)-(3.7) и справедливость критерия (3.10) путем сопоставления с результатами строгих расчетов (3.1) эффективности решеток в НР-КУФ диапазоне, покрытых одним тонким или толстым слоем. В качестве примера рассмотрим эффективность алюминиевой решетки 3600 штрихов/мм синусоидального профиля глубиной 15 нм, покрытой 2 нм-ым слоем S1O2, как функцию угла падения на длине волны 10 нм. На рис. 3.1 приведены кривые ее эффективности -1 порядка, рассчитанные строгим и приближенным (3.7) методами в обеих поляризациях и диапазоне углов 70-89. Использование приближенной конечнопроводящей модели дает хорошее совпадение с точным методом для обеих поляризаций во всем диапазоне углов вплоть до 89. Для 70 результаты совпадают с точностью до 4 знаков после запятой, что сравнимо с точностью обоих расчетов. В максимуме эффективности, вблизи 84, результаты, рассчитанные с помощью (3.7) отличаются от точных для обеих поляризаций не более чем на 8 относительных процентов. Напротив, приближение идеальной проводимости (3.5) дает в ТМ поляризации при угле падения 80 расходящийся результат, отличающийся от точного в десятки раз. Значения эффективности в этом приближении отличаются от точных в несколько раз для обеих поляризаций, начиная с угла падения 70 (рис.3.2). Максимум ТЕ эффективности, рассчитанный на основании приближения (3.5), сдвинут вправо приблизительно на 1.5 по сравнению с точным положением, а его величина в 3 раза больше точной. Наибольшее из двух значений параметра т, полученных на основании (3.9), для данного примера составляет вблизи максимума эффективности величину приблизительно 0.02, что соответствует критерию точности (ЗЛО). Исследуем зависимость точности получаемых результатов и оценки (3.9) от толщины покрытия. Рассмотрим решетку, аналогичную предыдущей, но с толщиной S1O2 в 40 раз большей, т.е. 80 нм. Значения эффективности -1 порядка конечно проводящей решетки, рассчитанные методом (3.7), отличаются от точных на несколько десятков процентов в максимуме и на краях диапазона (рис.3.2). Несмотря на некоторые количественные различия, подход (3.7) верно описывает поведение эффективности в обеих поляризаций, в том числе положение максимумов и форму кривых. Большее из двух значений параметра щ для угла падения 84 составляет приблизительно 0.9, что подпадает под условие получения точных результатов методом (3.7). В расчетах эффективности AI-S1O2 решеток (рис.3.1 и 3.2) использовалось 200 точек кваллокации. Коррекция членов разложений функций Грина и их нормальных производных проводилась только для результатов, полученных строгим методом. В качестве следующего примера рассмотрим решетку иной комбинации материалов основания и слоя: кремниевую с глубиной 11.5 нм, покрытую 2 нм золота и работающую на длине волны 5 нм, что соответствует максимуму эффективности при угле падения приблизительно 86 и частоте 3600 щтрихов/мм. В данном случае
Сравнение кривых эффективности многослойных рентгеновских решеток скользящего падения, полученных строгим методом, приближенно и с помощью измерений
Рассмотрим примеры сравнения теоретических и экспериментальных кривых эффективности типичных многослойных рентгеновских решеток. Эффективность в ТЕ поляризации платиновой решетки 1200 штрихов/мм пилообразного профиля глубиной 6.195 нм с 30 парами слоев Si-Mo толщиной соответственно 7.32 нм и 2.3 нм, работающей в диапазоне 12.5 - 14.5 нм при угле падения 45, рассчитана строгим дифференциальным методом и в скалярном приближении [2]. Значения эффективности, полученные с помощью скалярной формулы (3.6), не точны (рис.3.5), так как угол падения больше 40 [2]. Аппроксимация интегрального метода (3,7) дает результат эффективности -1 порядка, близкий к значениям, полученным строгим дифференциальным методом. Небольшие расхождения в ширине максимума и колебаниях на краях кривой эффективности объясняются отсутствием точных данных показателей преломления, использованных при расчете [2], так как результаты расчетов методом (3.5) не совпадают в максимуме с результатами, полученными с помощью феноменологической формулы (З.б) (рис.3.5) . Автор использует современные точные значения показателей преломления [8]. Наибольшая величина параметра т на X = 13.5 нм составляет для рассматриваемой решетки приблизительно 0.5, что подпадает под критерий (ЗЛО). Результаты по (3.7) близки к точным, так как угол падения небольшой. Строгий дифференциальный метод [2] имеет ограничение на глубину решетки, которая не должна превышать толщину первого слоя. Далее сравним результаты, полученные интегральным методом автора и строгим дифференциальным методом, не имеющим ограничений на толщину слоев [3]. Возьмем золотую пилообразную решетку с периодом 360 нм и углом блеска 0.5, покрытую 30 парами Rh-C слоев с толщиной материалов соответственно 1.089 и 2.2П нм, оптимизированную для работы на длине волны 1.33 нм.
Данные расчета ТЕ-эффективности по (3.7) совпадают с результатами, полученными строгим дифференциальным методом с точностью до нескольких относительных процентов для большинства длин волн (рис.3.6). Расчеты, выполненные по (3.5), совпадают, в среднем, с 10% точностью с данными, полученными дифференциальным методом, что объясняется малой длиной волны и относительно большим углом скольжения (11.7). На рисунке 3.6 изображены рассчитанные методами (3.5) и (3.7) кривые эффективности рентгеновской решетки эшелле с аналогичными покрытием и периодом, но углом наклона рабочей грани 5, работающей на длине волны 1.33 нм в блеске -10 порядка. Совпадение приведенных кривых с рассчитанной дифференциальным методом почти столь же орошее, как и для решетки, работающей в -I порядке. Приближение (3.7) дает лучшие результаты совпадения по сравнению с (3.5), особенно в левой части кривой. Следует отметить, что на рис.3.5 кривая, полученная в приближение идеальной проводимости, расположена выше кривой конечной проводимости, а на рис.3.6 - наоборот, что говорит о неточности вычислений методом (3.5} . Определение эффективности решеток эшеллей является одной из самых трудных дифракционных задач [16, 38, 50,"74, 83], которая, помимо малого отношения TJd и больших углов падения, характеризуется большой глубиной решеток. Дополнительные трудности возникают при исследовании дифракции на многослойных решетках эшелле [44, 70], особенно в рентгеновском диапазоне [3]. Высокая точность расчетов эффективности многослойной рентгеновской решетки эшелле на основе представленного в диссертационной работе модифицированного интегрального метода при небольших затратах компьютерных мощностей, делает этот метод многообещающим и кардинально меняет представление о его возможностях [3]. Величины наибольших параметров т составляют 0.44 для решетки с максимумом эффективности в -1 порядке и 2.1 - для эшелле в -10 порядке. Несмотря на то, что величина т для решетки эшелле незначительно больше критерия получения высокоточных результатов, значение эффективности в -10 порядке определяется весьма точно из-за короткой длины волны. При расчетах эффективности решеток -1 порядка использовалось 800 точек коллока ии, а -10 порядка - 1600, кроме того, в обоих случаях решение не уточнялось.