Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящей работе внимание акцентируется на "мягкое" рентгеновское излучение, диапазон которого простирается от 10 А до 400 А. До достаточно недавнего времени работа с этим излучением была крайне затруднена т.к. излучение с длиной волны в этом диапазоне не распостраняется в воздухе, коэффициент отражения при нормальном падении для всех материалов крайне мал. Однако, несмотря на очевидные трудности работы с таким излучением, оно все шире применяется в научных исследованиях и технологии. Энергия "мягкого" рентгеновского излучения совпадает с энергией колебаний внутренних атомных электронов, благодаря чему рентгеновская спектроскопия, наряду с оптической, представляет собой важный метод изучения строения вещества. Характеристические линии элементов с зарядом ядра Z (12 лежат в "мягком" рентгеновском диапазоне. Наблюдение этих линий, возбуждаемых пучком электронов или фотонов, лежит в основе современных чувствительных и универсальных методов элементного и химического анализа поверхностей. В "мягком" рентгеновском диапазоне лежит максимум интенсивности излучения горячей плазмы с температурой 50 + 1000 эВ. Поэтому "мягкое" рентгеновское излучение служит наиболее естественным источником информации о физических процессах, протекающих в таких объектах, как термоядерная плазма, Солнце, звезды, т.е. элементы рентгеновской оптики, работающие в этом диапазоне позволяют реализовать различные методы диагностики плазмы. "Мягкое" рентгеновское излучение обладает очень малой проникающей способностью, поэтому оно используется для микроскопических исследований малоконтрастных биологических объектов, тонких пленок, приповерхностных слоев твердых тел. И хотя разрешение рентгеновской микроскопии пока очень мало (300 + 400 А) по сравнению с разрешением электронной микроскопии, она обладает рядом сущетвенных преимуществ. Именно: гораздо меньшая радиационная- нагрузка на исследуемый биологический объект; возможность наблюдать объект во влажной среде т.е. в живом виде. И, наконец, использование "мягкого" рентгеновского излучения в рентгенолитографии, которая, как ожидается, в будущем заменит фотолитогрфию.
Простейшим элементом, преобразующим интересующий нас диапазон излучения, является просто многослойное зеркало. Экспериментально обнаружено, что минимальный период бинарного слоя, начиная с которого многослойная
г.
структура начинает эффективно отражать определенный спектральный интервал падающего излучения, равен 28 А и зависит, по-видимому, от способа изготовления многослойной структуры. При этом, оптимальное отношение толщин двух материалов в одном периоде также зависит от выбранного способа. Следовательно, вопрос упирается в динамику формирования границы раздела двух материалов. Открытым оказывается вопрос об устойчивости, долговечности такого рода структур.
Диапазон длин волн от 20 А до 40 А в настоящее время активно используется при исследовании толстых биологических объектов. Рентгеновские микроскопы (как сканирующие, так и работающие на просвет), построенные в Великобритании, Германии позволяют получать информацию о биологических объектах недоступную при использовании электронного микроскопа. Интересным оказывается применение рентгеновской микроскопии для сугубо промышленных целей, именно, исследование различного рода гелей, технических масел, динамики полимеризации. Ведутся активные работы по созданию более эффективной и более высокоразрешающей рентгеновской оптики. Размер рисунка элементов такой оптики уже сейчас составляет 300 А. Необходимо разрабатывать технологию создания профиля рентгенооптических элементов, имеющих характерный размер фрагментов порядка 100 А в таких материалах как платина, золото, германий, никель, нитрид кремния. Сразу же возникает вопрос о том как зависят свойства этих материалов при столь малых размерах от способа их изготовления.
Возникновение идеи Брэггг-Френелевских элементов позволяет реализовать новые экспериментальные схемы, приборы, в которых величина преобразуемого потока излучения очень велика (например локальный анализатор химического состава). Возникает принципиальная возможность создания перестраиваемых по длине волны излучения элементов при изменении периода в многослойной структуре за счет использования в качестве промежуточных слоев сегнетоэлек-трических материалов. Брэгт-Френелевские элементы можно успешно применять для мониторинга электронных пучков на накопительных кольцах. Новые возможности в исследовании дифракции открывает использование сочетания многослойных структур и поверхностных аккустических волн.
Вышеизложенные проблемы обуславливают актуальность темы диссертационной работы.
3.
Цель работы:
Поиск путей создания высокоэффективной и высокоразрешающей рентгеновской оптики на основе двумерных и трехмерных структур с нанометровыми размерами.
В связи с данной целью в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:
поиск оптимальных материалов для создания фазовой прозрачной рентгеновской оптики на основе анализа их физических и технологических свойств,
разработка методов создания нанометровых структур рентгеновской оптики из этих материалов,
исследование дифракционных свойств и оптимизация структур на основе субнанометровых слоев различных материалов,
создание Брэгг-Френелевских линз на основе многослойных структур,
изучение особенностей получения изображений с помощью эллипсоидальных Брэгг-Френелевских линз.
Научная новизна работы:
Впервые получена фокусировка "мягкого" рентгеновского излучения с помощью эллипсоидальных Брэгт-Френелевских линз. Экспериментально показано сильное влияние внеосевых аберраций на размеры и форму фокального пятна БФЛ.
Впервые созданы методом контаминэйшн технологии и химического травления активными атомами фазовые тестовые структуры на основе S13N4 с размером линий 25 нм. и высотой 160 нм. Теоретически обосновано преимущество таких рентгенооптических элементов в диапазоне длин волн от 20А до 40А.
Впервые предложена и реализована методика создания Брэгт-Френелевских элементов, в которой отсутствует операция травления через маску резиста. Изготовленные таким способом решетки прошли успешное тестирование на линии синхротронного излучения BESSY.
Практическая ценность.
- Созданы рентгенооптические элементы, обладающие высоким простран
ственным разрешением для рентгеновской микроскопии биологических объек-
ц.
тов, рентгеновского флюорисцентного анализа, мониторинга электронных пучков на накопительных кольцах.
Создана установка и разработана методика перенесения контаминэйшн рисунка в материал мембраны Si3N4 для целей получения структур с размером фрагментов меньше 30 нм. и пространственным отношением равным шести.
Создана установка и разработана методика получения многослойных отражающих структур с использованием импульсного лазерного распыления в высоком вакууме. Высокая эффективность отражения Ni / С многослойных структур подтверждена при тестировании их на линии прецизионного измерения абсолютной отражающей способности радиометрической лаборатории BESSY (Берлин).
Создана линия и вакуумная станция на накопительном кольце "Сибирь-1" (институт атомной энергии им.И.В.Курчатова) для исследования свойств Брэгг-Френелевских линз в рентгеновском "мягком" диапазоне длин волн.
Основные положения, выносимые на защиту.
Результаты экспериментального и теоретического исследования эллипсоидальных Брэгг-Френелевских линз.
Результаты исследования физических и технологических свойств материалов с целью создания рентгеновских оптических элементов сверхвысокого разрешения для длины волны рентгеновского излучения порядка 30А.
-Результаты экспериментального исследования дифракционных элементов на многослойных структурах, созданных с помощью новой методики, в которой отсутствует операция травления через маску резиста.
Апробация работы. Материалы, включенные в диссертационную работу, докладывались на:
1. 2-nd European Conference on Progress in X-ray Synchrotron Radiation
Research, Bologna, 1990.
-
Microcircuit Engineering, Leuven- Belgium, 1991.
-
4-th International Conference on X-ray Microscopy, Chernogolovka-Russia, 1993.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6-й работах в журналах и материалах отечественных и зарубежных конференций.
5 .
Структура и объем диссертации:
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 75 названий. Объем диссертации составляет 120 страниц, включая 42 рисунка и 1 таблицу.
