Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Рентгеновские многослойные дифракционные решетки (МДР) (обзор литературы) 9
1.1 Типы МДР 9
1.2. Требования к структуре и анализ возможных методов изготовления МДР 14
1.3 Описание дифракционных свойств МДР 17
1.4. Исследования рентгенооптических свойств МДР 23
1.5. Применение МДР 27
Глава 2. Численное моделирование рентгенооптических свойств МДР 34
2.1. Сравнение современных методов расчета рентгенооптических свойств МДР 35
2.2. Результаты численного моделирования дифракционных свойств МДР .42
Глава 3. Изготовление рентгеновских МДР 56
3.1. Изготовление многослойных рентгеновских зеркал 56
3.2. Метод голографической литографии 59
3.2.1. Стенд для голографической записи дифракционных решеток 61
3.2.2. Формирование маски для ионно-лучевого травления 65
3.2.3. Ионно-лучевое травление МДР 73
3.3 Особенности изготовления W/Si, Ni/C, и Ті/Be МДР 78
Глава 4. Экспериментальное исследование дифракционных характеристик МДР 80
4.1. Исследование дифракционной эффективности многослойных решеток в жестком рентгеновском диапазоне спектра (7-9 кэВ) 82
4.1.1. Регистрация характеристического спектра рентгеновской трубки с медным анодом в жесткой области (8 кэВ) 95
4.2. Исследование дифракционных характеристик многослойных решеток в мягком рентгеновском диапазоне (280 эВ) '
Глава 5. Новые типы рентгеновских дифракционных решеток на основе многослойных структур 106
5.1. Рентгеновская фазовая многослойная решетка скользящего падения 107
Глава 6. Применение рентгеновских дифракционных решеток на основе многослойных структур для спектроскопии мягкого рентгеновского диапазона 116
6.1. Схема спектрометра MP излучения на основе многослойной фазовой дифракционной решетки скользящего падения для исследования контуров спектральных линий горячей плазмы 122
Заключение 127
Приложение А. Метод собственных векторов для расчета полностью протравленной МД 131
- Требования к структуре и анализ возможных методов изготовления МДР
- Результаты численного моделирования дифракционных свойств МДР
- Стенд для голографической записи дифракционных решеток
- Исследование дифракционной эффективности многослойных решеток в жестком рентгеновском диапазоне спектра (7-9 кэВ)
Введение к работе
Проведение научных исследований, основывающихся на измерении рентгеновских спектров и дифрактограмм рентгеновского излучения, позволяет получать важную информацию о строении и состоянии вещества. Количество и качество получаемой информации при этом зависят от величины конечной ошибки, определяемой спектральным разрешением ДА, либо угловым или пространственным разрешением А9 приборов.
В жестком рентгеновском диапазоне спектра электромагнитного излучения (энергия фотонов 5-30 кэВ и выше) в качестве рентгенооптических элементов традиционно используются различные совершенные кристаллы (Si, Ge и др.). При дифракции рентгеновского излучения на кристаллических плоскостях, определяемой условием Брэгга, происходит высокоэффективное (60-80%) отражение рентгеновского излучения. При этом из спектра падающего излучения выделяется малая область АХ/Х « 10"4, отражаемая в узкий интервал углов - A9/tg(0) « 10", что позволяет достигать высокого спектрального и пространственного разрешения.
Мягкий рентгеновский (MP) диапазон спектра электромагнитного излучения (энергия фотонов 0.5 - 5.0 кэВ) обладает рядом особенностей, делающим его крайне сложным для исследований. Особенно остро такая проблема стоит для области энергий MP фотонов 0.5- 2.0 кэВ. Эта область-спектра характеризуется высоким поглощением излучения. Малая длина пробега фотонов во всех веществах (на нижней границе диапазона она находится в пределах 0.01-10 мкм) и необходимость использования высоковакуумных систем, значительно ограничивают возможности рентгеновской оптики для получения высокого спектрального и углового разрешения.
В настоящее время наиболее распространенными диспергирующими элементами, позволяющими достигать достаточно высокого спектрального разрешения 10 -10 при эффективности 5-20% в области энергий рентгеновского излучения 50-г500 эВ, являются дифракционные решетки скользящего падения. Недостатком таких решёток являются малые скользящие рабочие углы и, как следствие, низкая светосила приборов. Кроме того, эффективность и разрешение решеток скользящего падения быстро падают при энергиях больше 500 эВ. Попытки увеличения спектрального разрешения приводят к резкому возрастанию стоимости оборудования и наталкиваются на физические и технологические ограничения при их создании.
Использование обычных кристаллов, работающих в жестком диапазоне спектра, невозможно из-за малых значений межплоскостных расстояний. При этом, перестает выполняться условие Брэгга для отражения излучения кристаллом. Разрешающая способность и коэффициенты отражения неорганических кристаллов с большими значениями межплоскостных расстояний (таких как берилл, слюда, и т.п.), вследствие высокого поглощения, быстро падают с понижением энергии фотонов, что не дает возможность эффективного их использования при энергиях менее 1.5 кэВ.
Использование органических кристаллов (КАР, NaAP, RbAP и т.п) также крайне ограничено. Эти кристаллы, как правило, имеют несовершенную кристаллическую структуру, плохую радиационную и термическую стойкость, являются нестабильными соединениями, сильно подверженными влиянию внешней среды и имеют свойство разлагаться в вакууме. Максимальное спектральное разрешение в MP диапазоне реальных рентгенооптических схем на основе кристаллов не превышает А/ДА,» 103 и, как правило, значительно ниже указанной величины. Кроме того, вследствие низкого интегрального коэффициента отражения кристаллов порядка 10"5 радиан, малая светосила спектральных приборов часто не обеспечивает потребности физического эксперимента при исследовании быстропротекающих процессов в таких областях, как, например, физика высокотемпературной плазмы.
Многослойные молекулярные плёнки, получаемые последовательным нанесением мономолекулярных слоев солей длинноцепочечных карбоновых кислот (стеарат бария, стеарат свинца, лаурат свинца и т.п.) на подложку с малой степенью микрошероховатости поверхности, могут работать вплоть до энергии квантов порядка 100 эВ. Такие структуры имеют коэффициенты отражения до 20% и спектральное разрешение А/ДА» 10 [1]. Плохая радиационная стойкость, механическая прочность, способность испаряться в условиях вакуума и сравнительно низкое спектральное разрешение значительно ограничивают возможности использования многослойных молекулярных пленок.
Многослойные рентгеновские зеркала (МРЗ) перекрывают весь диапазон MP и имеют в этой области коэффициенты отражения излучения от 5 до 70 %. Благодаря сравнительной простоте изготовления, возможности варьирования параметрами структуры и удобству в использовании многослойные зеркала в настоящее время нашли достаточно широкое применение. Тем не менее, МРЗ имеют существенный недостаток - малое (А/ДА,« 20-150), часто недостаточное спектральное разрешение, что ограничивает их использование в спектроскопических целях.
Получение высокого (к/ АХ « ГО3-10 ) спектрального разрешения при. высокой эффективности отражения в дифракционные порядки (10-40%) в MP диапазоне спектра возможно с применением появившихся сравнительно недавно новых элементов рентгеновской оптики - многослойных дифракционных решеток (МДР). В области энергий рентгеновского излучения меньше 500 эВ МДР, в сравнении с обычными решетками скользящего падения, не дают существенного выигрыша. Но в "трудном" диапазоне, при энергии фотонов от 0.5 до 2-3 кэВ, спектральное разрешение этих решеток в 10-100 раз превосходит разрешение всех известных диспергирующих рентгенооптических элементов, используемых в настоящее время.
Кроме того, многослойные решетки одновременно с высокой эффективностью разлагают в спектр достаточно широкий диапазон (относительная энергетическая ширина спектра АЕ/Е 0.01 - 0.1). Это дает возможность получения достоверной информации при проведении исследований нестационарных процессов с применением традиционных полихроматических рентгеновских методик, таких как XAFS, элементный анализ и т.п.
Таким образом, создание и исследование новых элементов рентгеновской оптики, таких как МДР, дающих возможность достигать высокого разрешения при большой светосиле, позволяет не только расширить спектральный диапазон и выбор объектов исследования, но и реализовать новые подходы в проведении рентгеновских исследований, неосуществимые при использовании традиционных рентгенооптических элементов.
Целью настоящей работы является исследование рентгенооптических свойств МДР. Достижение поставленной цели подразумевает решение широкого спектра задач. Одна часть этих задач состоит в разработке методов изготовления высококачественных МДР. Другая часть имеет отношение к развитию теоретических и экспериментальных методик исследования рентгенооптических свойств различных типов таких решеток и созданию на их основе новых рентгеноспектральных методов и приборов.
Требования к структуре и анализ возможных методов изготовления МДР
Как можно видеть, каждому типу МДР соответствует свой метод изготовления. Изготовление МДР путем нанесения многослойного покрытия на заранее структурированную подложку (дифракционную решетку) является наиболее простым методом. Тем не менее, он наталкивается на проблему изготовления подложек с крайне жесткими требованиями на качество поверхности. В частности, допуски на профиль и микрошероховатость поверхности должны быть в пределах долей нм. В результате, МДР, изготовленные этим методом, как правило, не демонстрируют ожидаемых свойств.
Более прогрессивный метод изготовления многослойных решеток -изготовление решеток из готовых многослойных зеркал. Зеркала напыляются на подложки высокого качества с малой величиной поверхностной микрошероховатости и малыми отклонениями от заданной геометрической формы. Такой способ позволяет сохранить высокое качество слоев многослойного покрытия, уменьшить влияние технологических загрязнений подложки и, как результат, получать МДР высокого качества. Поэтому, мы остановились на создании травленных МДР, решеток изготовленных из готовых многослойных зеркал.
Период многослойных решеток находится в пределах D и 200-7-2000 нм, при этом характерные размеры ширины многослойного штриха L « 100-И 000 нм. Формирование подобных структур возможно с использованием современных методов применяемых в микроэлектронике, таких как: электронной, ионной, рентгеновской литографии. Перечисленные методы позволяют создавать на подложке микроструктуры с заданной конфигурацией элементов и характерными размерами этих элементов менее 10 нм, что и обуславливает широкое применение указанных методов для создания современных микросхем. Кроме этого, указанные методы применяются для создания различных элементов рентгеновской оптики. Так, электронная литография с успехом применяется для создания фокусирующих элементов рентгеновской оптики Френелевских и Брэг-Френелевских зонных пластинок [10]. Успехи в создании Брэг-Френелевской оптики позволили применить указанную технологию для изготовления первых образцов травленных МДР [14-16]. Возможность создания микроструктур с размерами 10 нм позволяют применять электронную литографию для создания МДР с максимальным отношением периода решетки к ширине многослойного штриха. В работе [33] сообщается об исследовании МДР, изготовленных из W/B4C многослойного зеркала с периодом 3.1 нм и числом периодов - 115. Период решетки- 1300 нм и ширина многослойного штриха порядка 130 нм дает отношение периода к ширине штриха 10, что позволяет добиться высокой дифракционной эффективности решетки в мягкой рентгеновской области. Несмотря на успехи применения электронной литографии для создания МДР, следует отметить, что МДР созданные этим методом являются тестовыми образцами с достаточно малыми размерами, площадь структуры не превышает 1 см . Рентгеновский диапазон спектра, характеризуется малыми длинами волн, слабым взаимодействием излучения с веществом и, как следствие, необходимостью работы при достаточно малых скользящих углах. В этом случае, для создания высококачественных рабочих решеток необходимы достаточно большие размеры, высокая точность изготовления и однородность структур. Методы электронной и ионной литографии, помимо высокой стоимости, не позволяют создавать однородные, периодические структуры с размерами более 10x10 мм. Этот размер зависит от ряда факторов, таких как температурный дрейф, аберрации при сканировании электронного пучка, ошибки совмещения и т.п. Для рентгеновской литографии необходимы шаблоны, через которые проводиться экспозиция рентгеновского резиста. Такие шаблоны, как правило, изготавливаются с помощью электронной литографии, поэтому рентгеновская литография имеет те же ограничения на максимальный размер площади образцов. Практически единственным методом, позволяющим в настоящее время создавать дифракционные решетки больших размеров с высокой степенью однородности штрихов, является метод голографической литографии [47] с ионно-лучевым травлением. Этот метод с успехом был применен для изготовления травленных МДР [12, 14-15, 21]. Мы остановились на этом методе изготовления МДР.
Основные особенности дифракции рентгеновского излучения на многослойной решетке могут быть получены в рассмотрении Борновского приближения взаимодействия рентгеновского излучения с МДР, как это было сделано в работе [23].
Результаты численного моделирования дифракционных свойств МДР
Как уже отмечалось, что в области энергий рентгеновского излучения менее 500 эВ травленные МДР имеют довольно низкую дифракционную эффективность на уровне 1-5%. Более высокие значения дифракционной эффективности в этой области имеют "фазовые" МДР (Рис. 5). Экспериментальные и теоретические исследования, проведенные в работах [18, 22], показывают, что подобные МДР, работающие при больших углах, имеют в 2-4 раза более высокие значения дифракционной эффективности по сравнению с решетками с полностью протравленным многослойным покрытием. В области энергий от 1.0 кэВ и выше, такие решетки не обеспечивают дополнительных преимуществ по сравнению с решетками с полностью протравленными многослойным покрытием.
Кроме этого, следует отметить, что использование таких решеток для достижения высокого разрешения в мягкой и ультра мягкой рентгеновской области весьма затруднительно вследствие малой угловой дисперсии при больших рабочих углах, близких к 90. Это определяется малой длиной волны рентгеновского излучения и достаточно большим, по сравнению с ней, периодом решеток. Даже минимальные периоды МДР, достижимые в настоящее время порядка 0.2-0.3 мкм [14, 31-32] не дают большой угловой дисперсии в рентгеновской области спектра при больших рабочих углах. Поэтому, получение высокого спектрального разрешения связано со значительным ростом габаритов и стоимости спектроскопических приборов, что зачастую неприемлемо.
Преодоление указанного недостатка возможно путем реализации нескольких направлений в создании МДР. Одним из направлений является создание травленных МДР, работающих при малых скользящих углах, с уменьшенным поглощением рентгеновского излучения в . структуре многослойной решетки [29, 33]. Рентгеновское излучение дифрагирует в порядок МДР, отражаясь от слоев многослойного покрытия в штрихах решетки. Т.о. дифракционная эффективность будет увеличиваться с увеличением числа рабочих слоев или глубины экстинкции, что определяется поглощением в слоях многослойного покрытия. Поглощение в слоях многослойного покрытия можно уменьшить при увеличении аспектного отношения периода решетки D к ширине многослойного штриха L (Рис. 4). При этом можно добиться значительного увеличения дифракционной эффективности в мягком рентгеновском диапазоне спектра, на что было указано в работе [29]. Максимальное значение отношения D/L ограничивается минимальными достижимыми в настоящее время размерами микроструктур. Для решетки с числом штрихов на миллиметре больше 1000 (D 1 мкм) D/L « 3-г5. Преодоление данного ограничения на максимально достижимое отношение D/L возможно при увеличении периода решетки, но в этом случае, мы ухудшаем угловую дисперсию.
Высоких значений дифракционной эффективности МДР можно добиться путем нужного выбора материалов многослойного покрытия. Так, МДР на основе W/Si многослойного зеркала в области энергий рентгеновского излучения 1600-1800 эВ имеет расчетную дифракционную эффективность достигающую значений 30-35%. Это достигается за счет уменьшения поглощения внутри структуры решетки перед К-краем Si (1.839 кэВ). Использование таких решеток, позволяет создавать малогабаритные спектрометры, обладающие высоким спектральным разрешением и светосилой.
Уникальные свойства МДР дают возможность разработать новые перспективные схемы рентгеновских спектрометров и монохроматоров. В работе [5] по исследованию свойств МДР была предложена схема монохроматора на многослойной решетке. Схема такого монохроматора приведена на рисунке 6. Предложенная схема монохроматора является аналогом схемы двойного монохроматора на многослойных зеркалах, в которой входное зеркало заменено многослойной решеткой. Хотя данная схема и не реализует все возможности, которые предоставляет использование многослойной решетки (высокое спектральное разрешение), она имеет ряд особенностей, делающих ее весьма перспективной для применения.
Стенд для голографической записи дифракционных решеток
Интересные возможности представляют МДР в качестве делителя пучков излучения. Так, в работе [36], рассматривается возможность применения многослойных решеток для разделения пучков с разной поляризацией. В рентгеновском диапазоне спектра хорошо сколлимированный монохроматический пучок СИ, падая на МДР при определенных углах падения, может отражаться одновременно в различные порядки решетки. При этом формируются когерентные пучки рентгеновского излучения, параметры которых (углы распространения, интенсивность, поляризация) определяются параметрами МДР, что позволяет реализовать различные схемы для рентгеновских интерферометров, поляриметров и т.п. для получения высококачественных фазово-контрастных изображений в рентгеновском диапазоне спектра.
МДР предоставляют интерес для Мессбауэровской спектроскопии с применением пучков синхротронного излучения (СИ). При выделении Мессбауэровских фотонов исследователи сталкиваются с определенными трудностями, связанными с очень узкой шириной ядерного резонанса (для изотопа Fe ширина резонанса составляет порядка 10" эВ). В настоящее время в качестве ядерных монохроматоров применяются многослойные зеркала, которые состоят из слоев содержащих Мёссбауэровский изотоп. При использовании ядерных многослойных зеркал возникают проблемы связанные с присутствием в выделяемом спектре электронной компоненты рассеяния. Это зеркально отраженные фотоны, рассеивающиеся электронными оболочками атомов материалов многослойного зеркала. Подавления электронной компоненты рассеяния возможно различными методами. В частности для этого применяются зеркала с запрещенным электронным рассеянием. В работе [37] было продемонстрировано подавление электронной компоненты по отношению к ядерной у таких зеркал на уровне 10"3. Применение многослойных решеток изготовленных из таких ядерных зеркал даст дополнительное подавление электронной компоненты на 2-3 порядка по сравнению с зеркалом, как это было показано в работе [38]. В этой работе, в качестве Мёссбауэровского монохроматора, авторами была предложена многослойная решетка нового типа - ядерная магнитная многослойная решетка. Такая решетка представляет собой Мессбауэровское многослойное зеркало совмещенное с поверхностной магнитной решеткой [39]. При этом в порядок такой решетки будут отражаться только те фотоны пучка СИ, которые будут взаимодействовать с расщепленными в поле магнитной решетки резонансными переходами ядер Мёссбауэровского изотопа в слоях ядерного многослойного зеркала. Электронная компонента рассеяния будет отражаться зеркально в нулевой порядок.
Анализ литературных данных по теме создания и исследованиям свойств МДР показывает: 1. Такие решетки являются новыми перспективными элементами рентгеновской оптики, позволяющими достигать высоких значений спектрального разрешения и светосилы как в мягком (1-3 кэВ) так и в жестком (5-10 кэВ) рентгеновском излучении. Основные преимущества МДР Уникальные свойства таких решеток открывает широкие перспективы для развития существующих и создания новых рентгеноскопических методик. 2. Описание дифракционных свойств МДР требует учета многих физических факторов и в настоящее время невозможно без применения численных методов. Для численного моделирования дифракционных характеристик МДР в настоящее время разработан ряд методов. Каждый из существующих методов расчета имеет как преимущества, так и недостатки, определяющие условия их применимости. 3. Важным моментом для исследования свойств многослойных решеток и разработки на их основе новых приборов и методик является изготовление высококачественных МДР. В настоящее время наиболее перспективным является метод изготовления МДР из готовых многослойных зеркал. 4. Дифракционные решетки на основе многослойных структур расширяют возможности не только методов рентгеновской спектроскопии, но и других областей, таких как спектроскопия холодных нейтронов, Мёссбауэровская спектроскопия, рентгеновская интерферометрия и др. Проведенный анализ литературных данных позволил определить направления исследований и сформулировать основные задачи, которые решались при выполнении диссертационной работы, а именно: 1. Разработка комплекса методик изготовления травленных МДР из готовых многослойных зеркал. 2. Проведение теоретических и экспериментальных исследований свойств травленных МДР в области жестких и мягких энергий рентгеновского излучения. 3. Разработка новых типов рентгеновских дифракционных решеток на основе многослойных структур. 4. Провести теоретические и экспериментальные исследования возможности использования многослойных решеток для спектроскопии рентгеновского излучения.
Исследование дифракционной эффективности многослойных решеток в жестком рентгеновском диапазоне спектра (7-9 кэВ)
На практике, применение метода наталкивается на серьезные трудности. Они возникают при необходимости учета в расчете большого числа гармоник, либо при расчетах свойств структур с большим числом слоев многослойного покрытия, когда поле на нижней границе многослойной структуры практически равно 0. В таких случаях необходимость решения граничных проблем для исчезающе малых на нижней границе структуры Фурье-гармоник поля (в данном случае гармоники с большими отрицательными индексами -п, -п+1, -п+2, ...) приводит к экспоненциальному росту ошибки в определении отраженного поля. Это связано с недостаточной машинной точностью представления числа с плавающей запятой.
Метод собственных векторов. Данный метод, разработанный при непосредственном участии автора, расширяет возможности численного моделирования [18, 25]. Метод расчета основывается на итерационной процедуре, в которой задействованы специальные решения волнового уравнения - собственные гармоники. Эти гармоники связанны с собственными векторами матрицы перехода одного бислоя (слоя, состоящего из слоев материалов с различной оптической плотностью) многослойной структуры. Матрица перехода трансформирует Фурье компоненты поля и его производной на нижней границе бислоя в соответствующие компоненты на верхней границе. По падающему на решетку излучению мы определяем амплитуды собственных гармоник, несущих энергию поля вглубь структуры. Далее, по этим гармоникам и из граничных условий, на нижней границе (поверхность подложки, на которую наносится многослойное зеркало) определяем амплитуды собственных гармоник соответствующих отраженному полю. После чего, из полученных амплитуд собственных гармоник мы восстанавливаем соответствующее им поле, распределенное по различным порядкам и являющееся нулевым приближением к картине дифракции. В полученном распределении электромагнитного поля возникает при этом паразитная добавка к падающему излучению, которую мы компенсируем итерациями.
Данный метод позволяет проводить расчеты практически любого вида МДР, включая фазовые решетки и структуры, содержащие одновременно несколько различных типов слоев. Метод может применяться для всего диапазона скользящих углов падения от нуля до 90. В отличие от ранее разработанных методов расчета, он позволяет моделировать свойства структур с неограниченным числом периодов многослойного покрытия, с любыми значениями периодов решетки и многослойного зеркала. Метод используется для исследований качества многослойных структур в широком диапазоне спектра от ультрамягкой области (50-100 эВ) до энергий жесткого рентгеновского излучения (6000-30000 эВ). В данной работе мы не будем углубляться в рассмотрение особенностей реализации метода собственных векторов. Более детальное описание метода приводится в оригинальных работах [18, 25] и приложениях А и Б.
На основе метода собственных векторов был разработан пакет прикладных компьютерных программ, написанных на языке программирования- "Fortran-77". Корректность работы программ была проверена с помощью определенных тестов. Один из них состоял в сравнении расчетных данных по отражению рентгеновского излучения от многослойных зеркал с данными, полученными с помощью традиционных методов расчета. Одна из наиболее корректных программ для расчета отражательных характеристик таких зеркал находится в свободном доступе на сервере Центра рентгеновской оптики в Беркли [42]. На рисунке 8 приведены сравнительные данные по отражательным характеристикам W/Si многослойного зеркала для мягкого и жесткого рентгеновского излучения, полученные методам собственных векторов и с помощью программы [42]. Из приведенного примера видно, что имеется практически полное соответствие результатов расчета.
Идея метода собственных векторов возникла при попытках применить дифференциальный метод для исследований дифракции жесткого рентгеновского излучения на короткопериодных МДР. В области параметров, в которой дифференциальный метод работает надежно, было получено хорошее соответствие расчетных данных дифференциального и метода собственных векторов. На рисунке 9 приведены сравнительные данные по расчету дифракционной эффективности W/Si многослойной решетки в жесткой области рентгеновского спектра. Параметры расчетной структуры выбирались исходя из возможности применения обоих методов.
Похожие диссертации на Рентгеновские дифракционные решетки на основе многослойных структур
