Исследование характеристик фокусировки рентгеновского излучения фазовыми зонными пластинами френеля и брэгг-френелевскими многослойными линзами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

и» О К я 2

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ЦКБ УНИКАЛЬНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ РАН

На правах рукописи ХЗМАЛЯН Эдвард Размикович

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ФОКУСИРОВКИ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ФАЗОВЫМИ ЗОННЫМИ ПЛАСТИНАМИ ФРЕНЕЛЯ И БРЭГГ-ФРЕНЕЛЕВСКИМИ МНОГОСЛОЙНЫМИ ЛИНЗАМИ

Специальность 01.04,01 —техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1992

Работа выполнена в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Ерко А. И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Кулешов В. Ф., кандидат физико-математических наук Вельский А. Н.

Ведущая организация: Институт физики твердого тела РАН

Защита состоится С(' _1992 г. в час.

на заседании специализированного совета Д 003.77.01. при ЦКБ Уникального приборостроения РАН: 117342, Москва, ул. Бутлерова, 15.

■ С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦКБ Уникального приборостроения РАН.

Автореферат разослан

„Л."_ЛГСЯ_1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета Д 003.77.01. кандидат физико-математических наук

Е. А. Отливанчик

© ЦКБ Уникального приборостроения РАН

. К ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ) ' Актуальность т'емы. Последние два десятилетия принесли ряд >льшх достижении в рентгеновской оптике нанометрового галазона длин волн электромагнитного излучения (0,1 * Юнм), :о является закономерным следствием значительного возрастания ггерёса к изучению таких научних дисциплин как физика плазмы, вика твердого тела, астрофизика и др. Это, во-первых, зязано с тем, что Оолыиенство резонансных частот излучения и )глощения атомов изучаемых веществ (в основном электронные алгочки К, Ц М), находятся в этом рентгеновском диапазоне. >-вторых, максимум излучательной способности плазмы, злящейся объектом исследования при разработке управляемого грмоядерного синтеза и используемая как активная среда для жерйции излучения рентгеноь-ких ль^еров, лежит в упомянутом гапазоне.

Значительные успехи в области микроэлектронной технологии юлали возможными производство искусственных структур с (кронными и суб'микронными размерами, в частности, создание >вых рентгенооптических элементов, такие как зонные пластины >енеля, дифракционные решетки, кодирующие маски и др., яорне в мягком рентгеновском диапазоне заменяют классические тзн, призмы, отражательные зеркала и т.д. •

Новые пути для применения и совершенствования этих гементов открывались разработкой и' реализацией новых ыощгых :точников рентгеновского излучения: синхротронов с различными гектральными и временными характеристиками;' развитием зердотельной технологии и химии фоторезистов; а также ззрзботкой высокоразрешающих и чувствительных детекторов. Уже сейчас зонные пластинки нашли практические применения исследованиях лазерного термоядерного синтеза плазмы, в :трономии , в монохроматорах, в спектрометрах, в измерениях асстояний, в получении изображений нейтронов, в' интерфе-эметрах,, в системах юстировки, а также в разных типах

микроскопических- систем

Однако, несмотря на некоторые достиуония в этой области, . остаются нерешенными ряд проблем, преодоление ко;орых'является Первоочередным для дальнейшего развития и совершенствования элементов рентгеновской оптики и позволит расширить области их использования связанна с приемом, передачей, (Обработкой и хранением информации, а также г . целях развития .микроэлектронной промышленности и а локальном химическом анализе. Это, во-первых, проблемы связанные с малой ■ эффективностью и светосилой, а также ограниченностью разрешающей способности реально существующих

рентгенооптических элементов. Тг< напримео, в оптических схемах рентгеновского микрозонда . требуются оптические . элементы, которые позволили бы получить довольно большой поток ■ рентгеновских квантов, падающих на поверхность исследуемого

7 9

образца Слримерно 10 - 10 фотонов и,а квадрать микрометра), в

• сочетании с соотношением сигнал /шум по меньшей мере порядка ■несколько единиц.

! Проблема эффективности рентгеновских зоннь'ч пластинок с це-лыо применения их в вышеупомянутой, а также и в других

• схемах, • может быть решена созданием фазовых структур, позволяющих уменьшить энергетическ' э потери, в оптическом элементе и шумовые (недифрагированные) потоки в плоскостях

..наблюдения.

С другой стороны, несмотря на постоянное расшрение возможностей технологии изготовления вышеупомянутых элементов, ряд параметров требующих улучшения, в том числе эффективность и разрешающая ■способность, останутся лимитированными по фундаментальным причинам. Поэтому возникает неосходимость поиска и совершенствования -новых путгЧ управления рентгеновский излучением, а также . новых видов рентгенооптических элементов и,систем.

Одйо из ' решений этой проблемы - - применение синтезированных ■ трехмерных рентгенооптических фокусирующих *.- элементов - брэгг- Френелевских линз на основе многослойных зеркал (ШШ. В этих искусственных структурах принцип строени

трехмерных зон • Френеля сочетается со свойствами Орэгговского отражения от ' многослойных зеркал, работающих в мягком эентгеновск^м и далеком ультрафиолетовом диапазоне.

Ц^дь и основные задачи работы . Целью настоящей работы шлялось: исследование возможностей создания эМектишшх, зисокоразреш' ицих рентгеноопти'1 ч:ких элементов лля оптической :хемы рентгеновского микрозонда. В соответствии с поставленной 1ех.ю основые задачи работы состояли в:

- исследовании эффективности Фазовых зонных пластин Френеля, «готовленных из кремния, с обеспечением экспериментальных условий и методик для их испытания в мягком ' рентгеновском 13 лучении;

- в исследовании характеристик брэгг-Френелевских многослойных пинз, с обеспечением экспериментальных- условий и методик для их тестирования в рентгеновском излучении обычного и зинхротронного источников.

Научная новизьа

- Впервые экспериментально исследованы своОолновисящие Пазовые зонные пластинки Френеля на осно э кремния. Для кольцевых и линейных фазовых зотшх г!ластин получено рекордное значение абсолютной эффективности дифракций мягкого рентгеновского излучения в первый порядок .дифракции: примерно 25%.

- Впервые предложен и экспериментально -реализован жг,;ий :пособ двухмерной фокусировки рентгеновского излучения с гомощью дифракционного аналога двухзеркальной схемы микроскопа Киркпатрика - Баеза с использованием брэгг - Френелевскйх многослойных линз. Проведены его испытания на длине волны Л ~ 1,5 Я характеристического излучения рентгеновской трубки и зинхротронного рентгеновского излучения,

- Впервые испытаны БФМЛ в качестве фокусирующего элемента в оптической схеме рентгеновского микрозонда с линейным Юкальным пятном.' При энергии фотонов 6-14 КэВ испытанно

макета сканирующего флюоресцентного рентгеновского м>..:роскопа впервые,позволило достичь разрешения погадка 3 мкм.

Практическая ценность работы

- Фазовые ЗП Френеля из S1 обладают высокой -эффектов ностью ) в диапазоне длин волн 0.7 + 1.2 нм и могут Сыть

'использованы в качестве кондэнсорных mi.j в оптических схемах локального химического анализа, рентгеновской микроскопии, в рентгеновской литографии и в других областях.

- Рентгеновский микрозонд на основе БФМЛ может быть использован для анализа материалов и структур в микроэлектронике, геологии, Оиоло! ии.

Положения, выносимые на защиту , - Результаты экспериментальных испытаний свободновисящш (трафаретных), разовых ЗП из кремг'г:. Результаты измерений и> абсолютной эффективности.

- Результаты экспериментального испытания фокусирующе( сметемы построенной по схеме Киркпатрика-Ваеза ,.а основе БФМЛ.

- Результаты испытания БФМЛ,- использованных в качестве Фокусирующего элемента в макете флюоресцеьгного рентгеновской микрозонда с линейным фокальным пя* .ом. Результаты измеренш пространственного разрешения микрозонда.

Апробация работы. Изложенные в диссертационной работ« материалы'докладывались на:

Всесоюзной конференции "Динамическое рассеяни« рентгеновских лучей в . кристаллах с динамическими i статическими искажениями" (Ереван, 1988); II Европейски конференции "Прогресс . в исследованиях рентгеновской синхротронного излучения" (Рим, Италия, 1989);^ международно! конференции "Синхротронное излучение -J0" (Москва, 1990) международной ' конференции "ХЫ-90" (Лондон, 1990) международной конференции "Монохроматоры и оптика высокоп качества для синхротронного излучения в области мягкоп рентгеновского излучения" • (BESSY, Берлин," Германия); а такк

на научмчх. сек. шарах Института проблем технологии микроэлектроники PAP .

Объем и структура .диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы (110 . ( наименований), изложена на 126 страницах текста включающих Ц'2 рисунков и 6 таблиц.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении' дается обоснование выбора теин, определена . цель исследований, кратко изложено основное содержание ч-диссертации.

В первой главе описаны физические принципы взаимодейст- ; вия рентгеновского излучения с веществом (1.1). На основе фор- , мализма с описанием факторов атомного рассеяния приведено ' качественное сравнение подходов к изучению взаимодействия с веществом, главным образом, поглощения и преломления для. жесткого (энергия квантов 10 кэВ до 100. кэВ) и мягкого (50 эВ. до 10 кэВ) рентгеновских излуче'шй. Для мягкого рентгеновского излучения приведена связь факторов атомного рассеяния с общепринятыми в оптике коэффициентами преломления й поглощения веществ. Во второй части (1.2) дано обоснование применения . зонных пластин Френеля (ЗПФ) в мягком рентгеновском диапазоне и области этих применений. На основе .анализа литературных данных описаны принципы строения и действия ЗПФ. Описаны также дифракционные и аберрационные свойства для разных видов ЗП: амплитудных, с синусоидальным распределением зон и линейных. Затем приведены расчеты параметров фазовых зонных пластин Френеля с оценкой оптимальной толщины фазосдвигающего слоя 10ПТ для получения максимальной дифракционной эффективности в -фокальной плоскости. Дано количественное сравнение дифрагирующих характеристик фазовых ЗП с' другими видами ЗП.

В заключительной части (1.3} описаны принципы отроения й основные свойства синтезированных трехмерник фокуеирущм ■рентгенооптических элементов - Брэгт-ФреНелеаекик линз, сформированных в многослойных зеркалах СБФМЛ), Проанализированы дифракционные принципы работы многослойных интерференционных зеркал СМЗ), особенности и области их применения. ЗаТец на основе заключительных выводов к главе сформулирована оеноаны© •задачи исследования данной раооты.

Во. .второй „маве обоснован выбор кремния как базового материала для изготовления высокоэффективных фазовых ЭП. Описана экспериментальная реализация свободновисящих Фааовых Эй из кремния'с тестированием их эффективности Зокусиро&ки.

В начала глаеы С2.13 проведен летальный анализ проблемы выбора веществ лля изготовления'' фазешых 511, что определяется следующими условиями: 1, Они должны иметь по

• возможности меньше значения параметра, определяемого как соотношение мнимой С Г-,) и вещественной^) частей Фактора атомного рассеяния: о » . Если критерием эффективной ФЗП считать требование, чтобы интенсивность собираемая в первом порядке 'дифракцли превысила недифрагировшный Фон, то это условие' можно писать в виде ч £ 0.1?5; 2. Они Должны быть .достаточно технологичными для применения разработанных 'методов

• микроструктурирования. И наконец необходимая оптимальная' толщина фазосдвигающих зон должна быть меньше иди порядка 1 микрометра, что соответствует пределу самых технологических возможностей.

Требование 1 ограничения толщины ФЗП Возникает также из оценок максимальной величины дифракционной аберрации, возникающей при дифракции рентгеновских лучей на входной и выходной поверхностях фазовых ЗП, которая ограничивает предел разрешения определяемый из уравнения:

где и - копнет рация -оомор материала Г'П; г„ - классический

г.

I

2Х

- ■■<'.■ 'у'/.1 ¡'Г,

!

' :

и-';

' к.. 1 »¡н.Ы

^ --------

V-/ \ 1 и . |\ 1 \ I V I1 '1 \ /' / ! п /1 / 1 / 1

1 " 1- \ /! |\ У \ _ / I 1 1 — I------ ;—

• ! ! ---------и- 1 1 1 100 , ! > • - - 53 -Л* ■<--- АПЕРТУРА ЗП 250 /« 1 < <

гао з^а • 1 Мао 5М /Л .... --------- --—. :

'кс. 1 Изображение линейной шели с размеров 50 мкм, переданное с помощью линейной ФЗП с увеличением М -- 1 и соответствующее распределение интенсивности.

з

г

- 7 -

рад- /с электрона.

С помощью расчетов некоторых параметров фазовой зонной оптики для ряда материалов в области длин волн 0.6 2.5 нм (таблицы приведены в приложении к работе) сделан анализ классов веществ, пригодных для создания высокоэффективной рентгеновской оптики. Согласно приведенным оценкам, среди материалов с достаточно хорошими рентгенооптическими свойствами, учитывая технологические аспекты, в диапазоне длин волн 0.7 + 1.2 нм наилучшим материалом является кремний. Причем, для кремния величина шероховатостей, которая чрезвычайно важна при создании элементов рентгенооптики, может достигать 0,1 + 0,3 им (Б + 15% от 10ПТ) без заметного влияния на качество изображения. Структуры из кремния, сформированные в виде, свободновесящих трафаретов с помощью процессов электронно-лучевой литографии и ионно-химического ' травления, имели следующие параметры: число зон - 80, ' диаметр первой зоны - 12,6 мкм, апертура - 114 мкм, минимальный размер зон - 0,35 мкм, толщина слоя кремния -2,3 мкм, фркусное расстояние для А1Кй СЛ ~ 0,834 нм) излучения - 5,1 см.

Подробно описаны условия и методика эксперимента, а также тестирование эффективностей фокусировки линейных и кольцевых фазовых зонных пластин из кремния на длине волны излучения •0,834 нм (рис.1). Анализы результатов показали рекорднук абсолютную, эффективность фокусировки, достигающую 25%.

В третьей главе сначала обсуждена трехмерная

конфигурация зон Френеля в многосл лшой среде с использованием эллипсиодальных координат,' которые В . ряде -случаев упрощают решение задали и анализ основных свойств БФМЯ с помо!дью уравнений: •

■'х* а^кЪ^вйгСЬК2)-^*] -*Каг(кг~1)~1''г

: у - ~Ь1(ЬкгГ1''г ; ¿г;* ±[аг(с)г-1)(1-т2) - СкасИ; -ьр2]

Четные:,зона Френеля определяются:

' _ 8 _

2п < ^ (<5„- < 2п+1, гг = 1,2,3...« , •

где Сх', у, г) - координата в системе связанной с БФМ1 с началом координат на плоскости первого слоя МЗ, (О, т, ц>) - эллипсоидальные координаты связанные с семейством базовых- софокусных эллипсоидов, а - фокальный параметр, К - параметр наклона многослойного зеркала к оси эллипсоида, I - номер слоя, Ьг -геометрический сдвиг слоя с номером I по оси у.

Анализ разности оптических путей дифрагированных лучей на ч апертуру линзы под углом Брэгга е, позволяет вычислить величину сферической аберрации БФМЛ с радиусом гы и фокусным расстоянием Р, которая определяется выражением:

г^1П48/8Р3

С помощью критерия Релея можно оценить количество зон даюг'х изображение свабодное от сферической аберрации :

С2Р /ТО1'2

Зоны в идеальных БФМЛ имеют форму трехмерных эллипсоидов вращения, изготовление которых в настоящее время затруднено. Идеальные БФМЛ свободны от аберраций, нему тем. реальные структуры имеют прямоугольный профиль штрихов, что ограничивает пространственное разрешение и эффективность этих элементов. С помощью критерия Релея можно оценить максимальное количество зон реальных БФМЛ, дающих изображение свободных от допольнительной сферической аберрации возникающй вследствие объемной дифракции:

< /7^/4

где - Р1 - фокальное расстояние для зонной структуры БФМЛ в слое с номером I. При эгом выполняется условие »

Расчеты внеосевих аберраций БФЛ показывают, что в реальных схемах С90 $ 45°) доминирующей является Кома, которая ограничивает поле изображения в пределах угла: :

« ~ 1дё;

с/?Г- /рТ")

\

Рис. 2.а3 Принимтшыюя схема микроскопа Киркпатрика-Баеза с ' ДРУМЯ ШЛ,

«зобрзден^е прямоугольной с размером ?5 « 300 переданное мякроскопом К-Б из двух

БШД О уменьшением 37 * 47 раз. Сфокусированное ■ тю едеиивается размеров 2,5 * 3,4 мкм2.

- 10 -

В глав® дане епиеанив еметема микроскопа Киркпатрика 1а&заСК=Б), базовая схема которого включает два взаимопер-пендидая&них отражательных фокусирующих элемента, один из котерьт устраняет астигматизм фокусировки другого (в п&р&энёчёльнеи схеме это 2 цилиндрических вогнутых зеркала еК0ЛЬЭМЩ©Гб Падения), Несмотря на постоянное совершенствование, разрешение отраж.гельной микроскопии скользящего падения еоета&ляет в лучшем случае 1 мкм, при ограничении функциналь-НИХ возможностей в сторону более коротких длин волнС 0,1 нм) ' ЙЗ-М возрастания требований к шероховатостям и свойственным ИМ большим аберрациям. Как одна из попыток улучшения характеристик микроскопа К-Б, описана экспериментальная реализация этой системы с включением двух линейных (цилиндрических) Е&МЛ в оптических схемах с'разными параметрами (рис.2а). Детально изложена процедура получения БФЛ на основе У/Б 1 МЗ с периодами 25 и 35 8 и количествами слоев 141 и 201, которая включает, процессы электронно-лучевой литографии, оптической литографии и ионного травления. Изготовлены 2 типа разных пар БФМЛ для испытания на обЫЧНои рентгеновском источнике характеристического излучения й йа синхротронном излучении с энергией квантов ~ 10 КэВ. Затем•подробно описаны условия и методика эксперимента для испытания микроскопа К-Б: характеристики йсточни-ков излучения и техническое обеспечение экспериментов:' Приведены результаты измерений абсолютной эЯФективностей фокусировки системы микроскопа с учетом эффективности отражения МЗ, которые составляли ~ И ~ ?У- соответственно для характеристического (рйс.2б) и синхротронного рентгеновского излучения.

Особый интерес представляет применение системы К-Б с БФМЛ в оптической схеме рентгеновского мйкрозонда. С этой целью проведено тестирование разрешения макета Флюоресцентного рентгеновЬкого микроскопа на синхротронном излучений в схеме с Включением только одной БФМ1 с ЛинейнНМ ФокальНыИ пятном (рис.За). Тестирование проводилось с использованием специально

, [рис.3 з) Схвйа та экспериментирования "флюоресцентного шмроокапа" чг одной !БШ.

■ЪЬ 'Вял зарегистрированного количества квантов нь спектральной линии Ш1 при сканировнии "края •нова" 'через фокальную линию.

изготовленного объекта из N1 фольги играющий роль "края|' ножа". Регистрация Флюоресцентного сигнала на спектральной линии никеля (рис.36), при сканировании края нона параллельно фокальной линии, позволила измерить пространственное одномер*, ное разрешение ~ 3 мкм. . I

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВиДЫ

- Проведенний в диссертационной работе анализ покагчвает, что кремний является наиболее идеальным, т.е. наиболее эффективным и технологически пригодным материалом для изготовления элементов фазовой ренгенооптики в интервале нанометрового диапазона 0.7 - 1.2 нм, где теоретический предел-эффектгвности фокусировки для этих элементов в первом порядке дифракции достигает 36%.

- Экспериментально реализованы линейные и кольцевые зонные пластины Френеля из кремния. Проведено тестирование их фокусирующих способностей на ALK« излучении. Для этих ЗП получены рекордные значения эффективности фокусировки в первый порядок ~ 25*. I

- Для наш..,етрового диапазона рентгеновского излучения возможным и наиболее реальным решением перехода от плоской оптики к трехмерной можно считать применение Брэгг-френелев-: ских дифракционно-оптических элементов (линз), .на 'основе' многослойных интерференционных структур. Такая оптика позволяет увеличить светосилу и поле зрения оптических систем, снизить требования к шероховатостям рабочих поверхно'тей и т,д. -

- На основе оптической теории аберраций показано, что дифракционный предел разрешения ШШ зависит не только от. их аберрационных характеристик, но и от точности изготовления микроструктур и качества МЗ. ;

- Впервые предложен и экспериментально реализован микроскоп К-Б .со схемой включения двух ВФЛ на многослойной оснс зе и провепены его испытания на длине волны рентгеновского излу-, чения Л ~ 1,Б S. Измерены эффективности их фокусировки В схемах

с рбычным и синхротронным источниками излучений. ■ Получены

значения для абсолютных эффективностей соответственно ~ 3% и

?%. • : \ f

- Впервые проведено испытапе макета флюоресцентного рентгеновского ми'крозонда на основе БФМЯ. Получено одномерное пространственное.разрешение ~ 3 мкм.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Аристов В.В. , Ерко -A.M., Хзмалян Э.Р., "Предельное разреше-. ние и эффективность элементов фазовой рентгенооптики". //

. Тезисы, докладов конференции "Динамическое рассеяние рент-j геновских лучей в Кристаллах с динамическими и статически- ' ми искажениями". Ереван, 1988, с.105.

2. Aristov Ч.Ч., Erko АЛ., Khzmalian E.R. Silicon Basld Zone

j Plates icr Soft X-Radlation. //2-nd European Conference on ' "Progress In X-Ray Syncrotron Reflation Res^grch", • Abstracts, 1989, 2-6 Oktober, Rome, Italy.

3. ^Васов'Ю.А., Ерко А.И., Мартынов В.В., Снегирев А. А.,

| ^яйалян Э.Р.. Шабельников Д.Г. "Устройство для фокусировки ¡^сходящего? :' пучка рентгеновского, излучения в точечный фокус". Заявка № 4702819/25В. Приоритет от 09.06.89 г. Положительное решение от _6.12.89 г. ф

Ц Dorozhklna L.V., Panchenko L.A., Vunkln V.A., Erko A.I., Khzmalian E.".. Sazonova C.D. and P^dkln S.V. SI - Based zone elates for soft X - radiation. //Opt. comm., v. 75, j № 5,6, (1990). pp. 37^-374.

Erko A.. Khzmalian E., Panchenko L., RerMn S., ZlnenkO' V... Freund A., Chevalier P., Dhez P., Khan-Malek C.. Vidal , B. First Test of The Bragg - Fresnel Multilayer X-Ray j Fluorescence Microscope at LURE (France). ¡Proc. XRM-90, 4 Ortotier (London), P7-021.. •r6. Dhez P., Erko A., Khzmalian E., Vlda'l 'В., Zlnenko N. , Kirkpat -lk-Baez Microscope Based on Bragg-Presnel X-Ray ! Multilayer Lenses.// Preprint, Cnernogol'-'ica'1992.

7. P.Dhez, A. Erko, E. Khzmalian, B. Vldal, P.Chevalier,-

A.Freund. X-ray fluorescence mlcroprobe with ( Bragg -Fresnel multilayer lenses.// International Workshop ' on "High Performance Monochromators and Optics for Synchrotron Radiation in the Soft X- Ray Region".' 26th March 1991. (fiESSY. Berlin. Germany). Abstracts. P. 1-65.

8. Erko A., Khzmalian E., Panchenko L., Redkln S.', Zlnenko V., Chevalier P., Dhez P., Khan-Malek C., Freund A., Vldal ,

B. First Test of Bragg-Fresnel Multilayer X-Pny Flourescens Microscope at LURE (France)., // Preprint, Chernogolovka 1992. .

t <■

° //' '