Исследование процессов синтеза и свойств многослойных рентгеновских зеркал тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Прохоров Кирилл Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА И СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ ЗЕРКАЛ

01.04.07 - физика конденсированного состояния 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2006

Работа выполнена в Институте физики микроструктур РАН

ч

Научный руководитель:

член - корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, Салащенко Н.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Рощупкин Д.В. ИПТМ РАН

кандидат физико-математических наук Дроздов М.Н. ИФМ РАН

Ведущая организация:

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН, Москва

Защита состоится « 30 » марта 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.098.01 в Институте физики микроструктур РАН 603950, Нижний Новгород, ГСП - 105.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики микроструктур РАН.

Автореферат разослан « 27 » февраля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук

профессор

Гайкович К.П.

Общая характеристика работы:

Актуальность темы

Одним из основных направлений развития современной рентгенооптики является изготовление многослойных рентгеновских зеркал (МРЗ), состоящих из пленок толщиной нано- и субнанометрового масштаба, и создание научного оборудования на их основе для работы в широком диапазоне длин волн от «жесткого» (X ~ 0,01 нм) до «мягкого» (X ~ 10 нм) рентгеновского излучения. Синтез многослойных зеркал для рентгеновского излучения базируется на разработанных технологиях нанесения сверхтонких (в некоторых случаях толщиной до 0,3 - 0,4 нм) чередующихся слоев относительно слабо- и сильнопоглощающих материалов, достижении высокой стабильности при нанесении большого числа периодов и возможности наносить и контролировать латеральную толщину периода по глубине многослойной структуры с высокой точностью. Важную роль при этом играют развитые методики адекватного анализа многослойных структур с помощью различных методов исследования.

Возможности получения высоких рентгенооптических параметров зеркал активизируют интерес к практическому применению МРЗ в качестве дисперсионных и отражающих элементов для задач рентгеновской спектроскопии, элементного флуоресцентного анализа, EXAFS-спектроскопии, рентгеновской диагностики плазмы, проекционной литографии, рентгенооптических элементов для синхротронных применений. Исследование процессов синтеза многослойных зеркал дает возможность расширить традиционные области их использования и развить новые практические методики для применения многослойных рентгенооптических элементов.

Актуальность исследования процессов синтеза и свойств МРЗ связана с оптимизацией изготавливаемых структур с целью достижения высоких пиковых коэффициентов отражения и высокой селективности структур на рабочих длинах волн. При этом, как правило, структуры оптимизируются для решения конкретных задач в каждом отдельном случае. Специфика изготовления МРЗ связана как с малыми величинами периодов, так и с большим числом периодов, необходимых для получения максимальных значений коэффициентов отражения и селективности, что особенно проявляется в коротковолновой части рентгеновского диапазона. Для короткопериодных (d S 3 нм) структур и зеркал, применяемых в многозеркальных схемах, особенно важно уменьшение межслоевых шероховатостей и повышение стабильности технологических процессов. При этом оптимизация процессов синтеза МРЗ связана с изучением

РОС НАЦИОНАЛЬНА* БИБЛИОТЕКА I

особенностей роста сверхтонких слоев, выборе оптимальных материалов и структуры МРЗ, вариации энергии осаждаемых частиц с целью минимизации шероховатостей наносимых покрытий, повышении стабильности параметров процесса синтеза и ряде других.

Целью работы является совершенствование процессов синтеза и исследование свойств многослойных рентгеновских зеркал, используемых в качестве отражающих и дисперсионных рентгенооптических элементов в диапазоне длин волн от X ~ 0,01 нм до X ~ 10 нм.

Научная новизна работы

1. Синтезированы многослойные структуры на основе пары элементов W/B4C с ультракороткими периодами (d « 0,7 - 1,5 нм) и рекордными рентгенооптическими характеристиками. Использование высокочастотных источников тока при магнетронном распылении металлов позволяет изготавливать короткопериодные МРЗ, состоящие из более чем 1500 отдельных пленок, толщиной каждая порядка 0,3 - 0,4 нм (один - три моноатомных слоев) с относительной флуктуацией толщины порядка 0,1 % и абсолютной - порядка 1*2-10'3 нм.

2. Дисперсионные элементы на основе изготовленных короткопериодных структур позволяют перекрывать широкий спектральный диапазон (Я « 0,1 - 4,3 нм). Продемонстрирована возможность изготовления короткопериодных структур W/B4C с любым наперед заданным периодом с характеристиками, не уступающими, а иногда и превосходящими, параметры традиционно используемых кристаллов.

3. Обнаружено, что увеличение скорости осаждения молибдена при изготовлении зеркал Mo/Si приводит к увеличению размеров кристаллитов в слое и формированию более плотных покрытий молибдена. Экспериментально показано, что это приводит к увеличению коэффициентов отражения зеркал Mo/Si в области А « 13,5 нм. Исследования продемонстрировали, что пороговая толщина слоев молибдена, начиная с которой происходит заметное увеличение размеров кристаллитов, составляет величину ~ 2,6 нм. Проведенные исследования кристаллизации молибдена позволили увеличить коэффициенты отражения до 68-69 % при нормальном падении.

4. Впервые в РФ и одновременно с зарубежной группой изготовлены и исследованы МРЗ La/B4C для рентгенофлуоресцентного анализа бора (А « 6,76 нм). Продемонстрирована возможность использования МРЗ La/B4C для работы в качестве оптических приборов при диагностике примеси бора в кремнии. Экспериментально показано, что на линии флуоресценции бора отражение многослойных зеркал на основе пары элементов Ьа/В4С с

периодом í/ = 8,3 нм составляет R = 55 %, что в полтора раза больше, чем у ранее применявшихся зеркал на основе Мо/В4С. Изготовленные структуры La/B4C с периодами d <6 нм позволяют уменьшить фоновое излучение кремниевой матрицы при диагностике примеси бора в кремнии на два порядка.

5. Использованные методы оптимизации параметров многослойных зеркал в диапазоне длин волн X = 0,37 - 6 нм, направленные на одновременное достижение высоких коэффициентов отражения и селективностей на определенных линиях, соответствующих ионам различной кратности ионизации, позволили применить подобные МРЗ для экспериментов по рентгеновской томографии ионов примесей в плазме токамака TEXTOR.

6. Исследования показали, что увеличение концентрации железа в образцах 57Fe/C¡.x вплоть до 80 % при изготовлении у - фильтров не нарушает аморфность структур. Это обстоятельство дает возможность управлять шириной полосы изготавливаемых у - фильтров за счет изменения концентрации железа, изменяющей магнитные свойства структур.

Практическая значимость работы

1. Увеличение отражательных и селективных параметров короткопериодных структур на основе W/B4C позволяет использовать их для замены органических кристаллов для исследований в устройствах с высокоэнергетическими пучками, такими, как синхротронное излучение и высокотемпературная плазма. Для улучшения рентгенооптических характеристик короткопериодных МРЗ использован метод напыления тяжелого материала с помощью высокочастотных источников тока и показана его результативность при изготовлении короткопериодных зеркал.

2. Многослойные дисперсионные элементы на основе Cr/Sc имеют практически постоянную отражательную способность в спектральном диапазоне Я = 3,1 - 6 нм. С целью изучения характеристик МРЗ на основе Cr/Sc в области аномальной дисперсии скандия проведены детальные исследования Cr/Sc зеркал на источнике СИ в спектральном диапазоне Я = 3,1 - 3,4 нм. Измеренный коэффициент отражения МРЗ Cr/Sc в районе аномальной дисперсии скандия в полтора раза больше, чем вне его, при практически постоянном спектральном разрешении (около 5 = 250).

3. Разработанная методика получения более плотных пленок молибдена с целью увеличения отражательных характеристик зеркал на основе пары элементов Mo/Si получила широкое распространение при изготовлении зеркал Mo/Si для задач EUV- литографии.

4. Предложены новые структуры на основе La/(В, В4С) с высокими расчетными отражательными характеристиками для работы на линии бора (Я ~ 6,76 нм). Проведенные на синхротроне BESSY исследования зеркала

La/BjC с периодом d = 3,5 нм на углах, близких к нормали, в области аномальной дисперсии бора на длине волны А = 6,66 нм продемонстрировали коэффициент отражения до 42 %.

5. Набор параметров изготовленных у - фильтров на основе пары элементов Fe/O;.* с антиотражающими покрытиями из Zr позволяет целиком исследовать диапазон сверхтонкого магнитного расщепления для резонансного мессбауеровского изотопа 57Fe от нерасщепленной синглетной линии до секстета, соответствующего а - Fe.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Совершенствование методов синтеза структур с периодами менее

3 нм позволяет изготавливать МРЗ с размером переходных границ до 0,2 -0,3 нм и селективностью, равной теоретически достижимой для соответствующих периодов. По степени структурного совершенства изготовленные зеркала приближаются к кристаллам и превосходят их по интегральным коэффициентам отражения. Данный метод позволяет синтезировать зеркала с заданным распределением периода по поверхности, что недоступно для кристаллов. Высокие коэффициенты отражения и высокая радиационная стойкость короткопериодных зеркал W/B4C и Cr/Sc позволяют использовать их в качестве дисперсионных и отражающих элементов в приборах для спектральных и поляризационных исследований с различными источниками рентгеновского излучения.

2. Исследования изготовленной серии тестовых зеркал Mo/Si с дискретным изменением различных исследуемых параметров пленок представляют доказательства корреляции между кристаллической структурой слоев молибдена и отражательной способностью структур в диапазоне «мягкого» рентгеновского излучения. Увеличение кристаллизации молибдена в слоях и, как следствие, формирование более плотных покрытий приводит к увеличению отражательных характеристик зеркал Mo/Si в области Я « 13,5 нм. Достигнутые пиковые коэффициенты отражения 68 - 69 % оптимизированных МРЗ на основе Mo/Si позволяют использовать их для задач EUV- литографии.

3. Проведенное сравнение характеристик зеркал на основе пар элементов «металл (Mo, Cr, La) - карбид бора» представляет доказательство реальной возможности для оптимизации многослойных дисперсионных элементов на спектральную область 6,7 - 8 нм, увеличения коэффициентов отражения при периодах многослойных структур 5,5 - 6 нм и меньше, включая оптические элементы нормального падения (с периодами 3,5 -

4 нм). Многослойные дисперсионные элементы на основе La/B4C имеют в 1,5 раза большую отражательную способность на линии флуоресценции бора по сравнению с традиционно используемыми зеркалами на основе Мо/В4С, что позволяет использовать их в качестве эффективных

спектральных и аналитических приборов «мягкого» рентгеновского диапазона при исследованиях в районе линии бора.

4. Оптимизация процессов синтеза многослойных структур для спектрально - селективной рентгеновской томографии ионов примесей различной зарядности в высокотемпературной плазме в диапазоне длин волн 0,37 - 6 нм, направленная на одновременное достижение высоких параметров селективности и отражения, позволяет использовать их в экспериментах для диагностики примесей ионов в плазме токамака.

Личный вклад автора в получение результатов

В исследованиях, вошедших в диссертацию, автором выполнялись следующие работы: участие в постановке научных задач, изготовление и исследование образцов, анализ и обобщение полученных результатов. В работах по оптимизации процессов синтеза короткопериодных структур на основе титана [А5, А13], на основе пары элементов W/B/2 [А20, А24, А26], зеркал на основе пары элементов La/B4C [А 17] вклад автора диссертации является определяющим. Работы по синтезу структур Cr/Sc проводились совместно с С.С. Андреевым. В работах по исследованию процессов синтеза МРЗ на основе пары элементов Mo/Si [А 10, AI4-15, Al8, А21] автор принимал участие в изготовлении структур, проведении измерений, анализе полученных результатов и разработке оптимальных параметров процессов синтеза. Научный руководитель диссертации H.H. Салащенко, С.А. Гусев и С.Ю. Зуев принимали участие в постановке задачи и проведении исследований. В работах по синтезу ядерных фильтров синхротронного излучения [A3, А6-9, All, А16, А19] автору диссертации принадлежит проведение модельных расчетов (совместно с В.Г. Семеновым и М.А. Андреевой), синтез многослойных зеркал, их исследование методом малоугловой рентгеновской дифракции и обсуждение полученных результатов. В работах по оптимизации процессов синтеза МРЗ для задач спектрально-селективной рентгеновской томографии высокотемпературной плазмы [А 12] и синтезу МРЗ для изготовления фазовращателей и поляризаторов рентгеновского излучения [А22-23, А25, А27] автор принимал участие в изготовлении структур, проведении измерений и анализе полученных результатов.

Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертации были представлены в публикациях в научных и специализированных изданиях и докладывались на научных конференциях. Апробация содержащихся в данной диссертационной работе результатов проводилась на следующих научных конференциях и совещаниях:

- Международная конференция «Интерференционные явления в рентгеновском рассеянии», Москва. -1995;

- Национальные конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов, Москва. - 1997, - 1999, - 2003;

- Национальные рабочие совещания «Рентгеновская оптика», Нижний Новгород. - 1998, - 1999, - 2000, - 2001, - 2003;

- Международные конференции «Синхротронное излучение», Новосибирск. - 1996, - 2002, - 2004;

- Международная конференция «Использование эффекта Мессбауера», Рио-де-Жанейро. - 1997;

- 11-ая международная конференция «Сверхтонкие взаимодействия», Дурбан. -1998;

- 4-ая международная конференция по наноструктурным материалам, Стокгольм. - 1998;

- Всероссийская конференция "Применение ядерно-физических методов в магнетизме и материаловедении", Ижевск. - 1998;

- 26-ая и 27-ая международные конференции по управляемому синтезу и физике плазмы, Маастрихт. - 1999, Будапешт. - 2000;

- 13-ая тематическая конференция по диагностике высокотемпературной плазмы, Тусон. - 2000;

- 7-ая международная конференция «Физика рентгеновских многослойных структур», Саппоро. - 2004;

Публикации по теме диссертации

По представленным на защиту материалам автором опубликовано 69 работ. Из них 27 статей в научных журналах и 42 публикации в сборниках конференций и тезисов докладов. Список статей приведен в конце автореферата [А1-А27]. Список работ, опубликованных в сборниках материалов конференций, представлен в диссертации.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 159 страниц, приведено 35 рисунков и 14 таблиц

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследований, изложены цели работы, отражена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту, и дан краткий обзор характеристики выполненных исследований.

В Главе 1 приводятся сравнительные описания современных методов и технологий изготовления и исследования многослойных рентгеновских зеркал. Обсуждаются основные проблемы методик в области изготовления и метрологии сверхтонких пленок и слоистых структур. Кратко изложены принципы магнетронного изготовления многослойных структур, рассмотрены его достоинства и недостатки в сравнении с другими методами изготовления зеркал, дано описание установки для синтеза МРЗ и приведены основные характеристики процессов напыления. Проводится рассмотрение влияния шероховатостей границ раздела на коэффициенты отражения, описываемого в первом приближении формулой Дебая -Уоллера: Rr = R,d ехр(- 4т?т2<?/<?) [1], где Rr и Rld соответственно коэффициенты отражения реального и идеального зеркал, d - период МРЗ, т - порядок дифракции, а - шероховатость. Обсуждаются вопросы стабильности параметров технологического процесса. Требование на точность поддержания величины периода при синтезе МРЗ можно оценить как Ad = d/N^, где Ad - флуктуация периода, d - период структуры, И0фф -число эффективно отражающих периодов. Для типичной короткопериодной многослойной структуры с периодом d= 1,2 нм и числом периодов N = 600 разброс толщин периодов не должен превышать Ad « 2-10"3 нм, что и определяет требования к стабильности технологического процесса и допустимой флуктуации толщин. Рассмотрен вопрос необходимого числа периодов в структурах. Исследуется критерии выбора оптимальных пар материалов для многослойных рентгеновских зеркал, для чего принимаются во внимание, как рентгенооптические характеристики материалов, так и технологические особенности нанесения пленок. Рассматриваются особенности роста сверхтонких пленок. Отдельно обсуждается вопрос подложек для МРЗ. Указываются основные нерешенные проблемы и пути решения существующих проблем технологии, предложенные и апробированные в рамках данной работы.

В Главе 2 рассматриваются многослойные короткопериодные (d « 1 -3 нм) рентгеновские зеркала. В первую очередь рассмотрены результаты по оптимизации параметров структур на основе пар элементов Ni/Ti, Co/Ti, Cr/Ti, Мо/В4С, Мо/С и О/С. С целью оптимизации параметров структур были проведены эксперименты по распылению материалов источниками постоянного и высокочастотного тока. Структуры на основе пар элементов «металл - титан» с периодами d » 1,4 - 2 нм показали коэффициенты отражения до R = 2,4 % по нормали и до R = 5 % на углах, близких к углу Брюстера. Шероховатость зеркал составила примерно а ~ 0,4 - 0,55 нм. Для работы в диапазонах «водного окна» и «жесткого» рентгеновского излучения были синтезированы и исследованы многослойные зеркала на основе пар элементов Мо/С, Мо/В4С, Сг/С с периодами d ~ 1,3-2,2 нм.

Изготовленные структуры продемонстрировали высокую селективность (до S ~ 260) и хорошие коэффициенты отражения (R ~ 3.5 - 20 %). Зеркала Cr/С имели отражение R = 12 - 13% на углах, близких к нормали, на линии углерода при измерениях на спектрометре-монохроматоре РСМ-500 и синхротроне BESSY-II.

Наиболее подробно в данной главе представлены результаты исследований процессов синтеза и свойств зеркал на основе пар элементов Cr/Sc и W/B4C. Были синтезированы структуры Cr/Sc с периодами d ~ 1,55 - 3,17 нм и числом периодов 200 - 250. Хром распылялся источниками постоянного тока, скандий - в/ч источниками. Зеркала продемонстрировали в широком диапазоне длин волн высокие отражательные характеристики (R » 11-31 %), высокую селективность (до 5 = 250), небольшую флуктуацию периодов по глубине {Ad ~ 610"3 нм). Основным фактором падения коэффициентов отражения с уменьшением периода являются шероховатости межслоевых границ, величина которых в соответствии с формулой Дебая-Уоллера для пары элементов Cr/Sc составила а ~ 0,3 нм.

На синхротроне BESSY - II были проведены детальные исследования коэффициентов отражения МРЗ Cr/Sc в спектральном диапазоне X =3,1-3,4 нм (в области аномальной дисперсии скандия и на выходе из нее; XL(Sc) = 3,09 нм - L край поглощения скандия). Исследования показали, что вне района аномальной дисперсии скандия коэффициент отражения многослойных зеркал Cr/Sc в полтора раза меньше при практически постоянном спектральном разрешении (около 250).

Дальнейшие исследования были сконцентрированы на структурах на основе пары элементов W/B4C. В рамках исследований механизмов минимизации межслойных шероховатостей путем изменения мощности распыления материалов были проведены эксперименты по вариации энергии осаждаемых частиц. Были изготовлены две серии зеркал с периодами в диапазоне d ~ 1,2 — 1,3 нм с использованием источников постоянного и в/ч тока на мишени вольфрама для проведения сравнения отражательных характеристик. Использование высокочастотных источников тока позволило снизить напряжение разряда на магнетроне с мишенью вольфрама с 300 В до 110 В. Сравнительный анализ при измерении на длинах волн 0,154 нм и 0,834 нм показал рост коэффициентов отражения при использовании в/ч источников тока. В дальнейшем все структуры изготовлялись с использованием высокочастотных источников, в том числе, и с периодами меньше 1 нм. Такая методика синтеза впервые позволила довести количество периодов в структурах до N = 800 периодов. Измеренные селективности структур совпадают с теоретически достижимыми для соответствующих периодов, что свидетельствует о высокой стабильности технологических параметров. Флуктуация периода для изготовленных структур не превышает Ad ~ 1-г210"3 нм. Основным

фактором, влияющим на уменьшение коэффициентов отражения, как и в случае структур Cr/Sc, являются межслоевые шероховатости. В соответствии с фактором Дебая - Уоллера значение шероховатости для оптимизированных структур W/B4C составляет а » 0,24 нм.

Определенный интерес представляло исследование возможности замены традиционно применяемых при спектральных исследованиях кристаллов органических кислот полученными структурами на основе W/B4C. Было проведено сравнение структуры W/B4C (N = 500, d= 1,313 нм) с кристаллом RbAP в диапазоне длин волн 0,154 - 1,76 нм. Исследования показали, что на длине волны 0,834 нм интегральный коэффициент отражения зеркала (Rmegr = 112,9 мкрад) больше, чем у кристалла(Л,Я£.?г = 71 мкрад), а на длине волны 1,759 нм уже и пиковый коэффициент отражения (R = 2,0 %) превосходит таковой для кристалла RbAP (R= 1,8 %). Возможность синтезировать структуры с заданным наперед периодом, высокие отражательные и селективные характеристики, а также радиационная стойкость короткопериодных МРЗ W/B4C позволяет использовать их в качестве замены кристаллов RbAP для исследований в устройствах с высокоэнергетическими пучками, такими как синхротронное излучение и высокотемпературная плазма.

В Главе 3 представлены работы и приведены результаты по исследованию процессов синтеза МРЗ на основе Mo/Si для задач проекционной EUV-литографии. В ходе оптимизации технологических параметров в процессе синтеза зеркал решалась основная задача, которая заключалась в получении наибольшего коэффициента пикового отражения рентгеновского излучения на длине волны 13,5 нм, необходимых для изготовления светосильных многозеркальных объективов с высоким пространственным разрешением [2]. Измерения параметров МРЗ проводились методом малоугловой рентгеновской дифракции на длине волны Си Ка (0,154 нм) на дифрактометре ДРОН-ЗМ. Измерения угловых и спектральных зависимостей коэффициента отражения многослойных структур в области 13,5 нм проводились с помощью рефлектометра на базе спектрометра-монохроматора РСМ-500. Исследования кристаллического состояния слоев многослойных структур проводились на поперечных сечениях зеркал методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Для электронно-микроскопических исследований использовался микроскоп JEM-2000EX, разрешение которого равняется 0,35 нм.

С целью оптимизации параметров МРЗ Mo/Si для достижения максимальных пиковых коэффициентов отражения были проведены исследования, в которых:

1. изучалась зависимость тока магнетронного разряда на структуру слоев и отражательные характеристики зеркал;

2. изучалось влияние толщины пленок молибдена на коэффициенты отражение зеркал при постоянной мощности во время синтеза МРЗ;

3. исследовалось влияние термического нагрева кремниевой подложки во время синтеза МРЗ на коэффициенты отражения и структуру зеркал.

В первой серии экспериментов изучалось влияние типа магнетронного источника и скорости осаждения материалов на кристаллическую структуру и рентгенооптические свойства зеркал. Скорость осаждения материалов на подложку варьировалась за счет увеличения или уменьшения мощности разряда магнетронного источника, которая изменялась в диапазоне от 70 до ~ 300 Вт. При этом диапазон скоростей осаждения молибдена и кремния составлял 0,05 - 0,35 нм/сек. Синтезировались специальные тестовые зеркала с изменением одного параметра (в данном случае мощности источника тока на мишени молибдена) при сохранении других характеристик МРЗ, для которых динамика исследуемого параметра наиболее наглядна. В результате ПЭМ исследований зеркал была обнаружена корреляция между кристаллической структурой слоев и отражательной способностью МРЗ в диапазоне «мягкого» рентгеновского излучения. Исследования продемонстрировали, что уменьшение мощности (что эквивалентно уменьшению скорости напыления молибдена) вызывает уменьшение и размеров кристаллитов Мо слоя. В диапазоне токов 1Мо от 400 мА до 200 мА обнаруживается наиболее сильное падение размеров кристаллитов, приводящее к качественному изменению микроструктуры зеркал. Зеркала, синтезированные при токе на молибденовом магнетроне 1Мо менее 400 мА, содержали в основном аморфные слои молибдена при ПЭМ исследованиях. Многослойные зеркала, обладающие подобной структурой молибденовых слоев, имели наихудшие значения коэффициентов отражения «мягкого» рентгеновского излучения около Я « 58 - 62 % при прочих равных параметрах. Объяснить этот результат можно присутствием большой доли свободного объема внутри слоев молибдена между нанокристаллитами, что уменьшает их объемную плотность и, соответственно, уменьшает разницу между диэлектрическими проницаемостями слоев кремния и молибдена, что приводит к уменьшению отражательной способности МРЗ. Увеличение скорости осаждения Мо вызывает увеличение размеров молибденовых кристаллитов и стимулирует ориентационные процессы. На микродифракционных картинах отчетливо наблюдалась осевая текстура с осью [011], направленной перпендикулярно плоскости границ слоев. Такая преимущественная ориентировка характерна для ОЦК решетки (кристалл Мо обладает такой решеткой), у которой наиболее плотно упакованная плоскость (011) обычно располагается параллельно поверхности при конденсации на аморфных подложках. Увеличение скорости осаждения молибдена приводит к увеличению размеров кристаллитов, т.е. к формированию более плотных покрытий, поскольку плотность упаковки

атомов в кристаллическом состоянии максимальна. При этом увеличивается и отражательная способность МРЗ в рабочем диапазоне длин волн.

С одной стороны, кристаллизация молибдена в слоях способна приводить к росту шероховатостей границ, но, с другой стороны, позволяла увеличить плотность молибденовых пленок и увеличить скачок диэлектрической проницаемости в структурах. В целом кристаллизация Мо приводила к увеличению коэффициента отражения, т.е. давала положительный эффект. Поэтому во второй серии экспериментов были проведены дополнительные исследования кристаллизационных процессов в молибдене в зависимости от толщины пленок. С этой целью было изготовлено тестовое зеркало, у которого изменялась толщина пленок молибдена при постоянной подводимой мощности за счет изменения времени напыления. Диапазон изменения толщины слоев Мо представлял собой следующую последовательность, начиная от подложки: di = 2,85 нм, d2 = 2,55 нм, di = 2,3 нм, d4- 2,0 нм, d5=\,l нм. Толщина слоев кремния не изменялась и составляла ds, = 3,9 нм. При ПЭМ исследованиях отчетливо наблюдалось, что микроструктура молибденовых слоев существенным образом зависит от толщины пленки. Кристаллизация наблюдалась только для фрагмента структуры, соответствующего толщине молибденовых слоев dj = 2,85 нм. С целью определения точных геометрических параметров структуры, при которых начинается кристаллизация Мо, было изготовлено тестовое зеркало с плавным изменением толщины молибдена вдоль одной из координат подложки («косой клин»). Были произведены сколы, соответствующие различным толщинам пленок молибдена в слоях, и проведены ПЭМ исследования их структуры. С помощью полученных изображений удалось установить, что при токе магнетронного источника 1ш = 400 мА критическая минимальная толщина слоя Мо, для которого начинается кристаллизация, составляет величину dmm= (2,6±0,1) нм.

Для дальнейшего изучения возможных путей повышения качества зеркал на основе Mo/Si за счет увеличения плотности молибденовых слоев была проведена третья серия экспериментов по исследованию зависимости коэффициента отражения и микроструктуры зеркал от термического нагрева кремниевой подложки во время напыления многослойных структур. Для этого в вакуумный объем была помещена лампа мощностью 500 Вт. Перед началом процесса напыления подложка прогревалась в течение одного часа. Кроме того, после каждого цикла напыления одного периода подложка дополнительно подогревалась при прохождении под лампой в течение 15 секунд. Температура измерялась при помощи термопары, закрепленной на тыльной стороне рефлектора лампы. Исследования коэффициентов отражения зеркал, проведенные на длине волны 13,5 нм, продемонстрировали зависимость отражательных характеристик структур Mo/Si от температуры подложки. Экспериментально установлена оптимальная температура Топт=120°С, при

которой наблюдается максимум коэффициента отражения. При данной температуре положительный эффект от увеличения плотности упаковки атомов в слоях молибдена действует сильнее некоторых негативных факторов, также вызванных кристаллизацией. При температурах выше 120вС проведенные ПЭМ исследования показали заметное увеличение переходных границ, как за счет диффузии материалов, так и возможного образования силицидов на границах слоев. Эти микроструктурные изменения приводят к деградации отражательных свойств зеркал в «мягком» рентгеновском диапазоне.

В Главе 4 приведены методики и результаты исследований процессов синтеза и оптимизации многослойных структур для ряда практически важных научных приложений. В рамках представленных работ проводилась оптимизация параметров структур, режимов их изготовления, исследовались новые пары материалов.

Первая часть главы 4 посвящена исследованию многослойных рентгеновских зеркал для рентгенофлуоресцентного анализа. Целью исследований послужили задачи, связанные с количественным определением содержания бора в кремнии (длина волны ВКа составляет 6,76 нм) [3]. В настоящее время наиболее широко в этом спектральном диапазоне применяются МРЗ на основе Мо/В4С [4]. Однако невысокая отражательная способность таких зеркал, особенно при углах падения излучения близких к нормальным, заставляет применять МРЗ с большими периодами (8 - 20 нм) при наклонном падении излучения на зеркало (10° -25°). При этом необходимо учитывать влияние полного внешнего отражения фонового флуоресцентного излучения матрицы кремния от дисперсионного элемента в очень широкой полосе длин волн (12,5 - 16 нм). Радикально решить эту проблему можно путем применения МРЗ с периодами d s 6,0 нм, когда практически исключено влияние флуоресцентного излучения с длиной волны больше 12 нм. В рамках задач по синтезу МРЗ на спектральную область 6,7 - 8 нм был проведен выбор оптимальных материалов, изготовлены и исследованы многослойные дисперсионные элементы с периодами многослойных структур 3,5 - 8 нм на основе карбида бора. В паре с карбидом бора были использованы мишени молибдена, хрома и лантана. Распыление мишеней производилось источниками постоянного тока. Измерения малоугловой рентгеновской дифракции проводились на дифрактометре ДРОН-3 М. Измерения в спектральной области 6,7 - 8,2 нм проводились на рефлектометре на базе спектрометра РСМ-500.

Расчетные характеристики для структур La/B4C показывали заметное увеличение коэффициентов отражения, селективности и уменьшение фона от матрицы кремния. Исследования параметров изготовленных структур

La/B4C показали, что измеренные параметры подтвердили ожидаемые. Отражение зеркал с периодом 8,3 им для структур на основе пар элементов Мо/В4С, Сг/В4С и Ьа/В4С составили соответственно 37 %, 31 % и 55 %. Пиковый коэффициент отражения зеркал на основе La/BjC в 1,5 - 2 раза больше для всего диапазона периодов изготовленных структур. Кроме аналогичных по периодам структур были изготовлены зеркала с периодом 5,8 нм для исследования характера поведения коэффициентов отражения при уходе за пределы линии флуоресцентного излучения кремния. Экспериментально продемонстрировано, что зеркала на основе Ьа/В4С с периодом 6 нм и коэффициентом отражения 33 % почти не уступают по отражательной способности зеркалам на основе Мо/В4С (37 %) с периодами 8 нм, при этом уровень фонового излучения от матрицы кремния уменьшается на два порядка.

В заключении первой части главы 4 предложены новые структуры на основе пар элементов La/(В, В4С) с высокими расчетными отражательными характеристиками для работы на линии бора. Расчетные коэффициенты отражения зеркал на основе La/(B, В4С) в окрестности линии В Ка не уступают коэффициентам отражения Mo/Si зеркал на линии Si La (Я = 13,5 нм). На синхротроне BESSY-II были проведены предварительные исследования зеркала La/B4C с периодом 3,5 нм на углах, близких к нормали. На длине волны 6,66 нм был получен коэффициент отражения 42 % при селективности S = 140.

Вторая часть главы 4 посвящена описанию работ по исследованию процессов синтеза и оптимизации параметров структур для задач рентгеновской томографии. Основные требования к изготовленным многослойным дисперсионным элементам были связаны с достижением одновременно высоких отражательных и селективных характеристик, что позволило бы в экспериментах выделить полезные сигналы исследуемых примесей на фоне широкополосного излучения высокотемпературной плазмы [5]. С целью спектрально селективной рентгеновской томографии ионов примеси в плазме токамака TEXTOR в диапазоне длин волн 0,37 -6 нм был изготовлен и аттестован широкий класс МРЗ на основе пар элементов Cr/Sc, W/Si, Fe/Ti, Fe/C и Cr/C с периодами 2 - 4,7 нм. Их использование позволило в экспериментах выделить изображения плазмы в линиях ионов углерода, кислорода и неона (С V, С VI, О VIII, Ne IX, NeX).

Наиболее подробно с помощью синхротронного излучения BESSY-II были изучены дисперсионные элементы на основе Cr/Sc в области энергий 3-3,5 кэВ, в которой лежат линии излучения водородо- и гелие- подобных ионов аргона. Для исследований были изготовлены зеркала с периодами 1,5 - 1,6 нм, которые удовлетворяли заданным в конструкции углам скольжения и имели достаточно высокое спектральное разрешение, чтобы можно было отстроиться от близких линий и уменьшить влияние фонового излучения. Зеркало с периодом 1,57 нм и числом периодов 250 показало

селективность около 250 при отражении около 6 - 8 % во всем диапазоне энергий 3 - 3,5 кэВ.

В третьей части главы 4 представлены результаты работ по синтезу и исследованию у - фильтров с целью изучения возможности эффективной фильтрации синхротронного излучения многослойными структурами. Исследования проводились с использованием изотопов 57Ре (Еу = 14,4 кэВ), шТа (Еу = 6,2 кэВ) и шТт (Еу = 8,4 кэВ). Расчет энергетических спектров показывает, что возможно получение отражения при использовании многослойных структур, содержащих мессбауеровский изотоп, в энергетической полосе порядка 1 мкэВ (т.е до 200Го при использовании 57Ре, где Г0 = 4,6-10"9 эВ - естественная ширина линии изотопа 57Ре) [6]. Для этого были проведены работы по изучению механизма уширения спектра в аморфных 57Ре - содержащих магнетиках. С помощью вариации окружения атомов резонансного изотопа можно изменять степень магнитного упорядочения и управлять шириной полосы кривой отражения. Исследования проводились со структурами 57РехСих и 57РехСг^х. Образцы изготавливались с использованием мишени а - Ре, обогащенной изотопом 57Ре до 90 %. Образцы 57РехС1.х изготавливались методами магнетронного и импульсно-лазерного распыления; пленки 57РехСг1_х только магнетронным распылением. При изготовлении образцов методом импульсно-лазерного распыления аморфных пленок РехС ¡-х использовалось излучение твердотельного импульсного лазера Ис?" (Я = 1,06 мкм) с энергией импульса до 3 Дж и с длительностью импульса 30 не. Напыление структур магнетронным методом проводилось на стандартной установке ВУП - 5М. Для структур 57РехСг1.х применялось высокочастотное распыление мишени железа, в остальных случаях использовались источники постоянного тока. Распыление проводилось в среде аргона при давлении газа 810"1 Па. Для уменьшения эффектов электронного рассеяния на фоне чисто ядерных рефлексов на пленки У/РехСг1.х наносились антиотражающие покрытия из циркония. Толщина пленок, средняя концентрация и степень перемешивания на границах слоев контролировались методом малоугловой рентгеновской дифракции на установке ДРОН-3 М. Средняя концентрация железа в пленках и степень аморфности изготовленных покрытий исследовались с помощью электронной дифракции и просвечивающей электронной микроскопии. Мессбауровские спектры измерялись на спектрометре в режиме постоянного ускорения. В измерениях использовался Со - ЯИ источник (25 мКи) и образец а - Ре в качестве стандарта калибровки.

В результате проведенных работ по синтезу и исследованию структур 57РехС 1.х наблюдалось уширение резонансной линии до 65 Г0 в зависимости от структуры образцов. Различная концентрация железа в 57РехС,.х, обеспечивающая различные изомерные сдвиги, объясняет неэквивалентность положений атомов и, в конечном счете, различные

суперпозиции спектров, достигающих значения 65 Г0 и имеющих П -образный характер, соответствующий фильтрам полосового типа. Продемонстрирована возможность управления параметрами фильтра с помощью изменения концентрации железа в образцах, изменяющей ферромагнитные свойства структур. При увеличении концентрации 57Fe в образцах вплоть до 80 %, структуры сохраняли аморфность. Это позволяет сохранять изомерные сдвиги в широком диапазоне концентрации 57Fe и дает возможность управлять шириной полосы у - фильтра за счет изменения концентрации железа.

Эксперименты с фильтрами S7FexCr/.x показали, что для оптимальных значений концентрации железа в структурах в диапазоне 0,6 - 0,8 переход между нерасщепленной линией и сформировавшимся секстетом не дает «промежуточного» состояния с уширенной до нескольких десятков Г0 и еще неизрезанной глубокими провалами кривой отражения, как для структур 7Fex/C1_x. Резкое увеличение провалов между линиями секстетов не позволило обеспечить П - образный характер кривой отражения для данной пары материалов. Характер сверхтонкого расщепления в структурах 57FeJCr,.х говорит о том, что окружение атомов 51 Fe в пределах одного образца может меняться от образования немагнитного состояния до образования а - Fe, что заметно усложняет получение неизрезанной, уширенной кривой отражения.

В заключении сформулированы основные выводы по результатам работы:

Основные результаты работы

1. Разработана лабораторная технология нанесения многослойных рентгеновских зеркал с ультракороткими периодами (около 1 нм) и флуктуациями периода на уровне 1*2-10"3 нм, по степени структурного совершенства приближающихся к кристаллам и превосходящих их по интегральным коэффициентам отражения. Технология позволяет наносить структуры с заданным распределением периода по поверхности, что необходимо для изготовления светосильных изображающих и коллимирующих рентгенооптических систем и не доступно для кристаллов.

2. Проведено детальное исследование корреляции отражательных характеристик зеркал Mo/Si с микроструктурой слоев молибдена. Изучено влияние скорости осаждения, толщины молибденовых слоев и температуры подложки на микроструктуру пленок молибдена в зеркалах, что позволило определить условия увеличения кристаллизации молибдена в слоях и, как следствие, формирования более плотных покрытий. Это позволило увеличить отражательную способность зеркал Mo/Si на длине волны 13,5 нм. На основе проведенных исследований разработана методика

изготовления зеркал Mo/Si, позволившая увеличить пиковые коэффициенты отражения до 68 - 69 %. Эта методика нашла применение при изготовлении зеркал для задач проекционной EUV- литографии.

3. Предсказано и экспериментально подтверждено, что на линии флуоресценции бора многослойные структуры на основе La/B4C в широком диапазоне углов скольжения 0 ~ 24° - 74° имеют в 1,5 раза большую отражательную способность по сравнению с традиционно используемыми зеркалами на основе Мо/В4С. Продемонстрирована возможность уменьшения на два порядка фонового излучения матрицы кремния при рентгенофлуоресцентном анализе примеси бора в кремнии с помощью зеркал La/B4C с периодом 6 нм, которые не уступают по отражательной способности зеркалам на основе Мо/В4С и Сг/В4С с периодами 8 нм.

4. Проведена оптимизация многослойных структур для спектрально -селективной рентгеновской томографии ионов примесей различной зарядности в высокотемпературной плазме в диапазоне длин волн 0,37 -6 нм. Это позволило в экспериментах выделить полезные сигналы примесей Ar, Ne, О, С а В различных кратностей ионизации в плазме токамака TEXTOR на фоне широкополосного излучения высокотемпературной плазмы.

Список цитируемой литературы

1. Виноградов А.В. Зеркальная рентгеновская оптика /А.В. Виноградов, И.А. Брытов, А .Я. Грудский, М.Т. Коган, И.В. Кожевников, В.А. Слемзин // Л.: Машиностроение, 1989. - 107 с.

2. Kinoshita H. Soft x-ray reduction lithography using multilayer mirrors / H. Kinoshita, К Kurihara, Y. Ishii, Y. Torii // J. Vac. Sci. Technol. B, Microelectron. Process. Phenom. - 1989. - Vol.7. - P. 1648.

3. Andreev S.S. Low-Energy X-Ray Fluorescence Micro-Distribution-Analysis using a laser plasma x-ray source and multilayer optics /S.S. Andreev, F. Bijkerk, H. Fledderus, N.N. Salashchenko, E.A. Shamov, L.A. Shmaenok, R. Stuik, S.Yu. Zuev // Поверхность. - 2000. - №1. - С 105.

4. Andreev S.S. Multilayer dispersion optics for x-ray radiation /S.S. Andreev, H.-Ch. Mertins, Yu.Ya. Platonov, N.N. Salashchenko, F. Schaefers, E.A. Shamov, L.A. Shmaenok // Nucl. Instrum. and Meth. - 2000. - A448. - P. 133.

5. L.A. Shmaenok "Multilayer optics in advanced instrumentation for fusion plasma diagnostics" // The 6-th International Conference on the Physics of X-Ray Multilayer Structures, Chamonix, France, 3-7 March. - 2002. - P. 61.

6. Чумаков А.И. Дифракция ядерного у-излучения на многослойной синтетической структуре / А.И. Чумаков, Г.В. Смирнов, С.С. Андреев, Н.Н. Салащенко, С.И. Шинкарев // Письма в ЖЭТФ. - Т.54. - Вып.4. - С 220.

Список публикаций автора

А1. Шамов Е.А. Многослойные рентгеновские зеркала малых (1.6-2.5 нм) периодов на основе Cr/Sc / Е.А. Шамов, К.А. Прохоров, Н.Н. Салащенко // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -1996. - №9 - С.60-63.

А2. Zheludeva S.I. X-Ray standing waves in X-ray specular reflection and fluorescence study of nano-films /S.I. Zheludeva, M.V. Kovalchuk, N.N. Novikova, A.N. Sosphenov, N.N. Salashchenko, E.A. Shamov, K.A. Prokhorov, E. Burattini, G. Cappuccio // J. Apply Cristal. -1997. - No.30. - P.833-838. A3. Polushkin N.I. Amorphous magnetic films for broadband y-filters of synchrotron radiation /N.I. Polushkin, K.A. Prokhorov, N.N. Salashchenko, V.G. Semenov // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research - 1998. - A 405. - P.297-300.

A4. Salashchenko N.N. Short-period X-ray multilayer based on Cr/Sc, W/Sc / N.N. Salashchenko, A.A. Fraerman, S.V. Mitenin, K.A. Prokhorov, E.A. Shamov // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research - 1998. - A 405. - P. 292-296.

A5. Прохоров K.A. Малопериодные зеркала на основе Ti для диапазона "окна прозрачности воды" / К.А. Прохоров, С.С. Андреев, С.Ю. Зуев, Н.Н. Салащенко // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 1999. - №1. - С.166-169.

А6. Андреева М.А. Ядерная оптика скользящего падения для синхротронного излучения / М.А. Андреева, С.М. Иркаев, К.А. Прохоров, Н.Н. Салащенко, В.Г. Семенов, А.И. Чумаков, Р. Рюффер // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 1999. - №1. -С.61-74.

А7. Andreeva М.А. Mossbauer reflectometry of ultrathin film Zr(10nm)/[57Fe/Cr(3,3nm)x26]/Cr(50nm) using synchrotron radiation / M.A. Andreeva, S.M. Irkaev, V.G. Semenov, K.A. Prokhorov, N.N. Salashchenko, A.I. Chumakov, R. Ruffer // J. Alloys and Compounds. - 1999. - No.286. - P.322-332.

A8. Andreeva M.A. Nuclear optics of grazing incidence for synchrotron radiation / M.A. Andreeva, S.M. Irkaev, K.A.Prokhorov, N.N.Salashchenko, V.G.Semenov, A.I.Chumakov, R.Ruffer. // Surface Investigation. - 1999. -Vol.15.-P.83-101.

A9. Семенов В.Г. Аномальное уменьшение величины сверхтонкого магнитного поля в поверхностном слое мультислойной структуры, обнаруженное методом мессбауэровской рефлектометрии / В.Г.Семенов, М.А.Андреева, С.М.Иркаев, К.А.Прохоров, Н.Н. Салащенко, А.И.Чумаков, Р.Рюффер // Изв АН, сер.физическая. - 1999. - Т.63. - №7. - С.1422-1429. А10. Гусев С.А. Электронная микроскопия поперечных сколов многослойных зеркал Mo/Si / С.А. Гусев, Е.Н. Садова, К.А. Прохоров //

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2000.-№1.-С. 132.

All. Andreeva М.А. Mossbauer reflectometry of multilayer structure Zr(10 nm)/[Cr(1.7 nm)/57Fe(1.6 nm)]26/Cr(50 nm) - comparative measurements in energy and time domains / M.A. Andreeva, S.M. Irkaev, V.G. Semenov, K.A. Prokhorov, N.N. Salashchenko, A.I. Chumakov, R. Ruffer // Hyperfine Interactions. - 2000. - Vol.126. - P.343-348.

A12. Shmaenok L. A. Novel Instrumentation for Spectrally Resolved Soft X-Ray Plasma Tomography: Development and Pilot Results on TEXTOR / L. A. Shmaenok, S.V. Golovkin, V.N. Govorun, A.V. Ekimov, N.N. Salashchenko, V.V. Pickalov, V.P. Belik, F.C. Schüller, A.J.H. Donné, A.A.M. Oomens, K.A. Prokhorov, S.S. Andreev, A.A. Sorokin, B.G. Podlaskin, L.V. Khasanov // Rev. Sei. Instr. - 2001. - Vol. 72. - No. 2. - P.1411-1415.

A13. Prokhorov K.A. Titanium-based short-period x-ray mirrors for "water window" / K.A. Prokhorov, S.S. Andreev, N.N. Salashchenko, S.Yu. Zuev // Surface Investigation. - 1999. - Vol. 15. - P.239-244.

A14. Андреев C.C. Оптимизация технологии изготовления многослойных Mo/Si зеркал / C.C. Андреев, C.B. Гапонов, С.А. Гусев, С.Ю. Зуев, Е.Б. Клюенков, К.А.Прохоров, Н.И. Полушкин, E.H. Садова, H.H. Салащенко, Л.А. Суслов, M.N. Haidl // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2001. - №16. - С.66-73.

А15. Andreev S.S. Investigations of projection litography in the extreme ultraviolet range at the institute or physics of microstructures RAS /S.S. Andreev, S.A. Bulgakova, S.V. Gaponov, S.A. Gusev, S.Yu. Zuev, E.B. Klyuenkov, V.l. Luchin, A.Ya. Lopatin, L.M. Mazanova, K.A. Prokhorov, E.N. Sadova, N.N. Salashchenko, E.A. Shamov // Surf. Invest. - 2001. - Vol. 16. - P. 43-56. A16. Andreeva M.A. Interface Selective Investigation of S7Fe/Cr Multilayer by Nuclear-Resonance Bragg Reflectivity on Time Scale / M.A. Andreeva, V.G. Semenov, L. Haggstrom, B. Lindgren, B. Kalska, A.I. Chumakov O. Leupold, R. Ruffer, K.A. Prokhorov, N.N. Salashchenko // The Physics of Metals and Metallography. - 2001. - Vol. 91. - Suppl. 1. - P. 22-27.

A17. Зуев С.Ю. Многослойные дисперсионные элементы на основе В4С для спектральной области 6.7 - 8 нм / С.Ю. Зуев, Е.Б. Клюенков, К.А. Прохоров, H.H. Салащенко // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2002. - №1. - С 32-35.

А18. Andreev S.S. The microstructure and X-ray reflectivity of Mo/Si multilayers / S.S. Andreev, S.V. Gaponov, S.A. Gusev, M.N. Haidl, E.B. Kluenkov, K.A. Prokhorov, N.I. Polushkin, E.N. Sadova, N.N. Salashchenko, L.A. Suslov, S.Yu. Zuev // Thin Solid Films. - 2002. - Vol.415. - P.123-132. A19. Andreeva M.A. Interface Sensitive Investigation of 57Fe/Cr Superstructure by Means of Nuclear Resonance Standing Waves in Time Scale / M.A. Andreeva, V.G. Semenov, B. Lindgren, L. Haggstrom, B. Kalska, A.I.

Chumakov О. Leupold, R. Ruffer, K.A. Prokhorov, N.N. Salashchenko // Hyperfme Interactions. -2002. - Vol.141/142. -P.119-123. A20. Andreev S.S. Short-period multilayer X-ray mirrors / S.S. Andreev, M.S. Bibishkin, N.I. Chkhalo, E.B. Kluenkov, K.A. Prokhorov, N.N. Salashchenko, M.V. Zorina, F. Schafers, L.A. Shmaenok. // Journal of Synchrotron Radiation. -2003. - Vol 10. - No. 5. - P.358-360.

A21. Andreev S.S. Multilayer optics for XUV spectral region: technology fabrication and applications / S.S. Andreev, A.D. Akhsakhalyan, M.S. Bibishkin, N.I. Chkhalo, S.V. Gaponov, S.A. Gusev, E.B. Kluenkov, K.A. Prokhorov, N.N. Salashchenko, F. Schafers, S. Yu. Zuev // Central European Journal of Physics. -2003.-NO.1.-P. 191-209.

A22. Андреев C.C. Фильтры для экстремального ультрафиолетового диапазона на основе многослойных структур Zr/Si, Nb/Si, Mo/Si и Мо/С / C.C. Андреев, С.Ю. Зуев, Е.Б. Клюенков, А.Я. Лопатин, В.И. Лучин, К.А. Прохоров, Н.Н. Салащенко, Л.А. Суслов. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2003. - №2. - С.98-100. А23. Андреев С.С. Поляризаторы и фазовращатели на основе многослойных зеркал и свободновисящих пленок для диапазона длин волн излучения 2.1-4.5 нм / С.С. Андреев, М.С. Бибишкин, X. Кимура, Е.Б. Клюенков, А.Я. Лопатин, В.И. Лучин, К.А. Прохоров, Н.Н. Салащенко, Т. Хироно, Н.Н. Цыбин, Н.И. Чхало // Известия Академии наук. Серия физическая. - 2004. - Т 68. - № 4. - С. 565-568.

А24. Бибишкин М.С. Исследование характеристик многослойных рентгеновских зеркал с ультракороткими периодами d=0.7-2.4 нм / М.С. Бибишкин, Ю.А. Вайнер, А.Е. Пестов, К.А. Прохоров, Н.Н. Салащенко, А.А. Фраерман, Н.И. Чхало // Известия Академии наук. Серия физическая. - 2005. - Т 69. - № 2. - С. 199-206.

А25. Андреев С.С. Поляризаторы и фазовращатели на основе многослойных зеркал и свободновисящих пленок для диапазона длин волн излучения 2.1-4.5 нм / С.С. Андреев, М.С. Бибишкин, X. Кимура, Е.Б. Клюенков, А.Я. Лопатин, В.И. Лучин, К.А. Прохоров, Н.Н. Салащенко, Т. Хироно, Н.Н. Цыбин, Н.И. Чхало // Известия Академии наук. Серия физическая. - 2005. - Т 69. - № 2. - С. 207-210.

А26. Bibishkin M.S. Ultra-short period X-ray mirrors: Production and investigation / M.S. Bibishkin, N.I. Chkhalo, A.A. Fraerman, A.E. Pestov, K.A. Prokhorov, N.N. Salashchenko, Yu.A. Vainer // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 2005. - A 543. - P 333-339. A27. Andreev S.S. Application of free-standing multilayer films as polarizers for X-ray radiation / S.S. Andreev, M.S. Bibishkin, N.I. Chkhalo, A.Ya. Lopatin, V.I. Luchin, A.E. Pestov, K.A. Prokhorov, N.N. Salashchenko // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 2005. - A 543. - P 340-345.

Прохоров Кирилл Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА И СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ ЗЕРКАЛ

Автореферат

Подписано к печати 16 февраля 2006 г. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе Института физики микроструктур РАН, 603950, Нижний Новгород, ГСП - 105.

jOQéЯ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Экспериментальные методы изготовления и исследования многослойных рентгеновских зеркал.

1.1. Основные проблемы методик и технологии изготовления тонких пленок и МРЗ.

1.1.1. Влияние неровностей границ раздела слоев на параметры многослойных рентгеновских структур.

1.1.2. Влияние стабильности процессов изготовления МРЗ.

1.1.3. Выбор оптимальных пар элементов для изготовления МРЗ.

1.1.4. Особенности роста сверхтонких пленок в многослойных наноструктурах.

1.1.5. Подложки для многослойной оптики рентгеновского диапазона длин волнЗО

1.2. Методы и оборудование для изготовления многослойных структур.

1.2.1. Электронно - лучевое испарение.

1.2.2. Импульсно-лазерное напыление МРЗ.

1.2.3. Изготовление структур методом магнетронного распыления.

1.2.4. Установка магнетронного напыления МРЗ.

1.3. Методы и аппаратура для исследования характеристик многослойных структур.

13.1. Основные проблемы методик и технологии исследования тонких пленок и МРЗ.

1.3.2. Малоугловая рентгеновская рефлектометрия в «жестком» рентгеновском диапазоне.

1.3.3. Рефлектометрия в «мягком» рентгеновском и экстремальном ультрафиолетовом диапазонах.

1.3.4. Послойный элементный анализ МРЗ методом электронной Оже -спектроскопии.

1.3.5. Применение методов электронной микроскопии для исследования МРЗ.

ГЛАВА 2 Исследование процессов синтеза и свойств короткопериодных многослойных рентгеновских зеркал.

2.1. Основные технологические проблемы изготовления короткопериодных МРЗ

2.2. Методы оптимизации процессов изготовления короткопериодных МРЗ.

2.3. Специфика исследования отражательных характеристик короткопериодных рентгеновских зеркал.

2.4. Изготовление и исследование короткопериодных структур Ni, Со, Cr/Ti, М0/В4С и Mo, Сг/С.:.

2.5. Изготовление короткопериодных МРЗ на основе Cr/Sc и исследование их отражательных характеристик.

2.6. Исследование процессов синтеза и характеристик короткопериодных зеркал на основе W/B4C.

2.6.1. Изготовление короткопериодных МРЗ W/B4C с помощью различных источников тока.

2.6.2. Анализ параметров короткопериодных МРЗ методом малоуглового v рассеяния рентгеновского излучения.

2.6.3. Сравнение характеристик короткопериодных структур W/B4C с кристаллами.

Актуальность темы

В настоящее время наблюдается интенсивный рост интереса к возможности изготовления и практического применения многослойных рентгеновских зеркал (МРЗ) в качестве дисперсионных элементов для задач рентгеновской спектроскопии, элементного флуоресцентного анализа, EXAFS - спектроскопии, рентгеновской диагностики плазмы, рентгенооптических элементов для синхротронных применений. Основным требованием при разработке рентгенооптических схем на основе МРЗ является достижение высоких пиковых коэффициентов отражения и высокой селективности структур на рабочих длинах волн. Ряд научных центров и фирм в Европе, США и Японии в последние годы сосредоточили усилия на достижении качественно новых параметров зеркал для использования в диапазонах «окна прозрачности воды» и «жесткого» рентгеновского излучения в свете перспективных приложений рентгеновских структур. В нашей стране на данном направлении ведутся активные исследования с 1978 года, которые характеризуются определенными успехами в изготовлении и исследовании многослойных зеркал. Диапазон применимости МРЗ можно представить в виде нескольких, частично перекрывающихся поддиапазонов на шкале длин волн, заключающие в себе области использования многослойных зеркал (рис. 1.0). Оптимизация технологии синтеза и исследование многослойных зеркал позволяет расширить традиционные области их использования и развить новые практические методики для использования многослойных рентгенооптических элементов.

В области коротких длин волн в диапазоне Я ~ 0.02-0.2 нм в первую очередь нужно упомянуть широкий круг задач, которые решаются с помощью систем коллимирования и формирования «жесткого» рентгеновского излучения на накопительных кольцах синхротронов [1-4]. Практически каждый источник синхротронного излучения (СИ) на исследовательских станциях оснащен подобными зеркалами, использующимися как для работ по формированию пучков с заданными угловыми, пространственными или спектральными характеристиками, так и для конкретных экспериментов по изучению взаимодействия излучения с веществом. Высокая радиационная стойкость и большие коэффициенты отражения многослойных зеркал позволяют использовать приборы на их основе в спектральных и поляризационных исследованиях с мощными источниками рентгеновского излучения (синхротронное и ондуляторное излучение). В диапазоне длин волн Я = 1.0 - 2.5 нм в качестве дисперсионных элементов обычно применялись кристаллы фталлиевой кислоты типа КАР, Т1АР и RbAP, а в диапазоне Я = 2.5 - 15 нм, до появления искусственных кристаллов (МРЗ), широко использовались молекулярные кристаллы типа стеарата свинца с межплоскостными расстояниями d = 3.5 - 8 нм и разрешающей способностью Х/ЛХ ~ 100 [5, 6]. Однако сравнительно низкая лучевая и климатическая стойкость, дискретный ограниченный набор периодов, невозможность управлять такими параметрами, как пиковый и интегральный коэффициенты отражения, низкая отражательная способность этих кристаллов вызвали необходимость применения в качестве дисперсионных, отражающих и фокусирующих элементов рентгеновские зеркала. Многослойные структуры позволяют получать зеркала с характеристиками, близкими к кристаллам, более радиационно-стойкие и с заданным заранее распределением периода, как по поверхности, так и по глубине структуры, оптимальными в каждом конкретном эксперименте, так что задачи изготовления и исследования многослойных структур для этих приложений являются важными и актуальными.

0.01 0.1 1.0 ю

Зеркала для ядерной резонансной фильтрации СИ (Я = 0.02 -0.2 нм)

Оптика нормального падения для спектральной области «водного окна» (Я = 2.3-4.5 нм)

Многослойные дисперсионные элементы для анализа легких элементов

В-АО

Я = 0.83 - 6.76 нм)

Рисунок 1 Основные направления исследований в области многослойной оптики, развиваемые в ИФМ РАН

Одно из направлений в применении короткопериодных зеркал, быстро развивающееся в последние годы, связано с изготовлением многослойных зеркал с формой цилиндрических параболоидов и эллипсоидов и скрещенных систем на их основе с целью формирования пучков «жесткого» рентгеновского излучения [7-10].

Многозеркальные системы, позволяющие фокусировать пучки рентгеновского излучения, представляются весьма актуальными для повышения эффективности используемых в настоящее время измерительных рентгенооптических дифракционных комплексов, с источниками на основе различных типов рентгеновских трубок. Увеличение плотности излучения на выходе из рентгеновских трубок за счет установленной системы фокусировки излучения на основе многослойных зеркал открывает новые пути быстрого и качественного повышения их диагностических возможностей. В настоящее время для изготовления оптических схем с использованием цилиндрических параболоидов и эллипсоидов применяются короткопериодные рентгеновские наноструктуры на основе пар элементов W/B4C и W/Si. Исследование не только рентгенооптических характеристик, но и решение ряда материаловедческих задач, связанных с адгезией материалов и пластичностью изготовляемых сверхтонких пленок в многослойных структурах является актуальной задачей для изготовления фокусирующих рентгеновских наноструктур.

Разработанная технология изготовления МРЗ на подложках с формой цилиндрических параболоидов и эллипсоидов позволяет создавать на их основе оптические схемы для изображения, фокусировки и коллимации с одновременной монохроматизацией «жесткого» рентгеновского излучения Я ~ 0.02 - 2 нм, которые представляют интерес для решения практических задач, связанных с формированием пучков рентгеновского излучения. Например, они могут использоваться для изготовления аппаратуры в диапазоне энергий до 100 кэВ для лечения онкологических заболеваний, конструировании телескопов для рентгеновской астрономии в диапазоне энергий до 100 кэВ, и изготовлении оптики для Мо Ка и Ag Ка излучения [11]. Короткопериодные многослойные зеркала в рентгенооптических схемах обеспечивают больший оптический угол захвата и более высокое спектральное разрешение, поэтому исключительно важной становится задача уменьшения величины периода МРЗ при сохранении высоких пиковых коэффициентов отражения.

Следующим диапазоном по шкале длин волн можно считать область "водного окна" (Я = 2.3 - 4.5 нм) [12, 13]. Актуальная задача повышения качества рентгенооптических наноструктур обусловлена возможностью использования оптических схем, работающих в диапазоне «водного окна», для микроскопии биологических объектов [И, 14-16]. Для задач рентгеновской микроскопии диапазон длин волн между краем поглощения кислорода и углерода весьма важен благодаря хорошему контрасту между органическими материалами и водой, а также и потому что здесь лежат такие практически важные линии характеристического излучения как линии кислорода (Я (О Ко) = 2.36 нм), азота (Я (N Кц) = 3.16 нм), углерода (Я (С Ко) = 4.47 нм) и линии ряда интересных ионов.

Многослойные зеркала необходимы для фокусирования «мягкого» рентгеновского (MP) излучения на биологические образцы при исследованиях с помощью лазерно -плазменных источников. Рентгеновская микроскопия может иметь принципиальные преимущества перед оптической и электронной микроскопией при ее использовании для биологических целей по причине того, что рентгеновское излучение обеспечивает лучшее разрешение, чем оптический микроскоп, и приносит меньше ущерба изучаемым биологическим объектам, чем электронный микроскоп. Современные рентгеновские микроскопы обычно базируются на основе зонных пластинок, работающих в качестве дифракционных элементов. Перспектива дальнейших улучшений в будущем развитии рентгеновских микроскопов возможна при использовании многослойных зеркал нормального падения в качестве оптических элементов, работающих на основе схемы, использующей объектив Шварцшильда, главные преимущества которого состоят в большой апертуре и отсутствии хроматических аберрации [17, 18]. При этом вопрос изготовления многослойных зеркал с высокими отражательными и селективными характеристиками приобретает важную роль. На сегодняшний день в диапазоне «водного окна» изображающая и фокусирующая оптика требует зеркала нормального падения с числом периодов до 1000 и величинами периодов от 1.2 до 2.3 нм.

Одной из наиболее актуальных современных проблем использования многослойных рентгеновских структур в диапазоне «мягкого» рентгеновского излучения на данный момент является проблема создания научного оборудования на основе многослойной оптики для проекционной EUV литографии с пространственным разрешением до 20 - 30 нм [19]. Целый ряд ведущих зарубежных фирм и научных центров сосредоточили свои усилия на исследовании и изготовлении схем проекционной EUV литографии на длине волны Я = 13.5 нм [20, 21]. Первые положительные результаты по нанесению эффективных отражающих покрытий и достижению высоких пиковых коэффициентов отражения многослойных рентгеновских зеркал в данном диапазоне длин волн (до 60 -65%) активизировали исследования в этом направлении [22-26]. На сегодняшний день существуют проекты создания проекционных EUV литографических установок с синхротронными, газоразрядными и лазерно - плазменным источниками рентгеновского излучения. Но в любом случае оптические схемы базируются на многослойных зеркалах Mo/Si, имеющими высокие пиковые и интегральные коэффициенты отражения зеркал в диапазоне к « 13 нм, что позволяет создавать многозеркальные объективы с высоким пространственным разрешением [27, 28]. Использование многозеркальных схем накладывает определенные требования на многослойные зеркала, связанные с достижением высоких коэффициентов отражения и заданным распределением покрытий. Увеличение коэффициента отражения каждого зеркала на один процент позволяет вдвое увеличить интенсивность излучения на выходе оптической системы из 11 зеркал [29]. Актуальность улучшения параметров многослойной оптики для задач EUV литографии представляется нужной и своевременной задачей, связанной с решением широкого круга научных, технологических, материаловедческих и других проблем.

Для ряда рентгенооптических приложений, например, для задач рентгеновской спектроскопии [30, 31], рентгенофлуоресцентного элементного анализа [32], диагностики плазмы [33] или создания монохроматоров рентгеновского диапазона [34-36], необходимы дисперсионные и отражающие элементы с максимальным спектральным разрешением даже при допустимом некотором уменьшении величины пикового коэффициента отражения. Примером подобного рода актуальных задач могут служить работы по диагностике плазмы на установках термоядерного синтеза [37, 38]. Измерения концентраций примесей высокоионизованных ионов при нагреве пристеночной области токамака TEXTOR были проведены с применением короткопериодных высокоселективных дисперсионных элементов в диапазоне Я = 0.25 - 30.4 нм. Высокая избирательность изготовляемых многослойных наноструктур является важным параметром при проведении подобных измерений. Достижение высокой селективности многослойных зеркал для возможности достоверного выделения полезного сигнала на фоне широкополосного излучения горячей плазмы остается важным аспектом в проводимых исследованиях по измерению концентраций примесей ионов. Данные измерения служат основой для нахождения профилей концентраций ионов в различных зарядовых состояниях, необходимых при решении фундаментальной проблемы транспорта примесей в термоядерной плазме.

Многослойные структуры используются в широком диапазоне длин волн Я = 0.83 -6.76 нм для задач рентгенофлуоресцентного анализа легких элементов (от В - до АГ) [11, 32]. Для этих приложений необходимы дисперсионные элементы, оптимизированные для данной спектральной области. Оптимизация многослойных зеркал для рентгенофлуоресцентного анализа заключается не только в увеличении их отражательной способности, но и в увеличении спектральной селективности.

Исследование взаимодействия излучения с веществом и других задач физики твердого тела приводит к применению новых материалов для наноструктур, расширяя возможности экспериментального исследования в сверхтонких пленках, слоисто -неоднородных средах и других двумерных объектах. Одним из актуальных примеров является новое и динамично развивающееся направление использования многослойных рентгеновских зеркал и пленок, содержащих мессбауеровские изотопы, для ядерной резонансной фильтрации синхротронного излучения (гамма — фильтры). Основные сложности в реализации мессбауеровских экспериментов на СИ связаны с необходимостью выделять из достаточно широкого спектра пучка СИ (спектральная ширина излучения ондулятора ~ 200 эВ) чрезвычайно узкую резонансную составляющую. С этой целью широко проводятся работы по изготовлению и исследованию многослойных рентгеновских гамма-фильтров для проведения экспериментальных исследований по ядерной дифракции и формированию оптических схем фильтрации синхротронного излучения [39-43]. Привлекательность использования МРЗ состоит в возможности получения большого межгоюскостного расстояния сверхрешетки и, следовательно, малых значений угла дифракции. Другой интересной стороной МРЗ является достаточно свободный выбор элементов структуры, открывающий возможность изготовления ядерных зеркал для резонансных энергий целого ряда изотопов. Наконец, при синтезе резонансных МРЗ возможно формирование требуемой сверхтонкой структуры ядерных уровней путем подбора соответствующего окружения резонансного изотопа. Существенно, что в таких структурах возможности формирования различающихся периодов для ядерного и электронного рассеяний, так же как типов и величин сверхтонкого взаимодействия в прослойках, содержащих мессбауеровский изотоп, практически не ограничены.

Большой практический интерес представляет проблема сверхмонохроматизации синхротронного излучения на основе пленок скользящего падения с антиотражающим покрытием. Примерами таких пленок могут служить многослойные смеси различных пар материалов, один из которых является мессбауеровским изотопом. Появление таких

1 "У ядерных монохроматоров с энергетическим разрешением ЛЕ/Е «10" позволит получить качественно новый инструмент для прецизионных исследований конденсированных сред. Эксперименты по ядерной дифракции на источниках синхротронного излучения предоставляют возможность наблюдения сверхтонких взаимодействий в веществе, недоступные для других методов. Резонансная ядерная дифракция привлекает возможностью прогресса в развитии физики когерентного взаимодействия излучения с веществом, а также перспективой создания оптических систем для получения гамма -пучков высокой степени монохроматизации на источниках синхротронного излучения. Решение задачи выделения высокомонохроматичного излучения из спектра синхротронного излучения актуально для целей голографии, интерферометрии, а также в плане активно развивающихся работ по исследованию временных характеристик ядерной резонансной флуоресценции.

Актуальность применения качественных рентгеновских зеркал требует повышения рентгенооптических характеристик синтезируемых МРЗ во всем диапазоне длин волн. В связи с приведенными выше особенностями синтеза и исследования МРЗ возникает ряд очевидных проблем. Широкий диапазон длин волн, от «жесткого» (Я ~ 0.01 нм) до «ультрамягкого» (Я >30 нм) рентгеновского излучения, в котором используются МРЗ, налагает особые требования на характеристики изготовляемых структур. При разработке и изготовлении многослойной рентгеновской оптики приходится сталкиваться с целым рядом объективных ограничений, накладываемых спецификой данного диапазона длин волн. Малая длина волны излучения и, соответственно, малые толщины периодов и отдельных слоев, которые сравнимы с толщинами монослоев материалов (0.4 - 1 нм). Малое отличие диэлектрической проницаемости материалов слоев от единицы и, соответственно, малые значения коэффициентов отражения от одной границы при нормальном падении излучения. Отсутствие материалов, не поглощающих излучение. Сильное влияние на отражающие свойства зеркал межплоскостных шероховатостей и флуктуаций толщин слоев и периодов в структурах, величины которых могут быть порядка длины волны излучения. Основные проблемы связаны с малыми величинами периодов и толщин отдельных слоев материалов и с большим числом периодов, необходимых для получения максимальных значений коэффициентов отражения и селективности, что особенно проявляется в коротковолновой части рентгеновского диапазона. Практически, периоды многослойных структур, применяемых во всем рентгеновском диапазоне, изменяются в пределах d = hi + h2 ~ 0.7 - 30 нм, при этом минимальные толщины отдельных слоев в структурах достигают 0.3 - 0.6 нм, а число работающих периодов может достигать 700 - 800. Поиск путей решения проблем, связанных с повышением стабильности процессов синтеза МРЗ и минимизацией шероховатостей границ раздела слоев являлись основными при исследованиях, представленных в данной работе. В большинстве практически важных случаев целью исследований процессов синтеза и свойств многослойных структур является оптимизация их параметров для соответствующих рентгенооптических приложений и достижение более высоких отражательных и селективных характеристик.

Цель диссертационной работы

Целью работы является совершенствование процессов синтеза и исследование свойств многослойных рентгеновских зеркал, используемых в качестве отражающих и дисперсионных рентгенооптических элементов в диапазоне длин волн от X ~ 0.01 нм до X ~ 10 нм.

Задачи диссертационной работы

Основные задачи диссертационной работы, которые необходимо решить для достижения поставленной цели в области исследования процессов синтеза и свойств многослойных зеркал можно определить следующим образом:

1. Исследование и оптимизация процессов синтеза многослойных отражающих покрытий с ультратонкими (0.4 - 4 нм) слоями методом магнетронного распыления. Изучение процессов роста пленок различных материалов и образования шероховатостей в слоях в зависимости от режимов нанесения пленок, изучение влияния этих факторов на характеристики наноструктур. Исследование механизмов минимизации межслоевых шероховатостей при изготовлении многослойных структур с целью изготовления ультратонких слоев с малыми переходными границами пленок наносимых материалов.

2. Изучение свойств сверхтонких пленок в слоях МРЗ. Определение оптимального соотношения толщин слоев разных материалов в периодах структур. Исследование новых пар материалов и выбор оптимальных элементов, дающих высокие параметры МРЗ. Изготовление многослойных структур на их основе и изучение их рентгенооптических характеристик.

Научная новизна работы

1. Синтезированы многослойные структуры на основе пары элементов W/B4C с ультракороткими периодами (d ~ 0.7 - 1.5 нм) и рекордными рентгенооптическими характеристиками. Использование высокочастотных источников тока при магнетронном распылении металлов позволяет изготавливать короткопериодные МРЗ, состоящие из более чем 1500 отдельных пленок, толщиной каждая порядка 0.3 - 0.4 нм (один - три моноатомных слоев) с относительной флуктуацией толщины порядка 0.1 % и абсолютной - порядка 1-г2*10"3 нм.

2. Дисперсионные элементы на основе изготовленных короткопериодных структур позволяют перекрывать широкий спектральный диапазон (Я « 0.1 - 4.3 нм). Продемонстрирована возможность изготовления короткопериодных структур W/B4C с любым наперед заданным периодом с характеристиками не уступающими, а иногда и превосходящими параметры традиционно используемых кристаллов.

3. Обнаружено, что увеличение скорости осаждения молибдена при изготовлении зеркал Mo/Si приводит к увеличению размеров кристаллитов в слое и формированию более плотных покрытий молибдена. Экспериментально показано, что это приводит к увеличению коэффициентов отражения зеркал Mo/Si в области Я «13.5 нм. Исследования продемонстрировали, что пороговая толщина слоев молибдена, начиная с которой происходит заметное увеличение размеров кристаллитов, составляет величину ~ 2.6 нм. Проведенные исследования кристаллизации молибдена позволили увеличить коэффициенты отражения до R = 68-69 % при нормальном падении.

4. Впервые в РФ и одновременно с зарубежной группой изготовлены и исследованы МРЗ LC1/B4C для рентгенофлуоресцентного анализа бора (Я ~ 6.76 нм). Продемонстрирована возможность использования МРЗ LC1/B4C для работы в качестве оптических приборов при диагностике примеси бора в кремнии. Экспериментально показано, что на линии флуоресценции бора отражение многослойных зеркал на основе пары элементов Ьа/В4С с периодом d = 8.3 нм составляет R = 55 %, что в полтора раза больше, чем у ранее применявшихся зеркал на основе М0/В4С. Изготовленные структуры Ьа/В4С с периодами d < 6 нм позволяют уменьшить фоновое излучение кремниевой матрицы при диагностике примеси бора в кремнии на два порядка.

5. Использованные методы оптимизации параметров многослойных зеркал в диапазоне длин волн Я = 0.37 - 6 нм, направленные на одновременное достижение высоких коэффициентов отражения и селективностей на определенных линиях, соответствующих ионам различной кратности ионизации, позволили применить подобные МРЗ для экспериментов по рентгеновской томографии ионов примесей в плазме токамака TEXTOR.

6. Исследования показали, что увеличение концентрации железа в образцах S7Fe/Cj.x вплоть до 80 % при изготовлении у - фильтров не нарушает аморфность структур. Это обстоятельство дает возможность управлять шириной полосы изготавливаемых у -фильтров за счет изменения концентрации железа изменяющей магнитные свойства структур.

Практическая значимость работы

1. Увеличение отражательных и селективных параметров короткопериодных структур на основе W/B4C позволяет использовать их для замены органических кристаллов для исследований в устройствах с высокоэнергетическими пучками, такими как синхротронное излучение и высокотемпературная плазма. Для улучшения рентгенооптических характеристик короткопериодных МРЗ использован метод напыления тяжелого материала с помощью высокочастотных источников тока и показана его результативность при изготовлении короткопериодных зеркал.

2. Многослойные дисперсионные элементы на основе Cr/Sc имеют практически постоянную отражательную способность в спектральном диапазоне X = 3.1 - 6 нм. С целью изучения характеристик МРЗ на основе Cr/Sc в области аномальной дисперсии скандия проведены детальные исследования Cr/Sc зеркал на источнике СИ в спектральном диапазоне Я = 3.1 - 3.4 нм. Измеренный коэффициент отражения МРЗ Cr/Sc в районе аномальной дисперсии скандия в полтора раза больше, чем вне его при практически постоянном спектральном разрешении (около S = 250).

3. Разработанная методика получения более плотных пленок молибдена с целью увеличения отражательных характеристик зеркал на основе пары элементов Mo/Si получила широкое распространение при изготовлении зеркал Mo/Si для задач EUV -литографии.

4. Предложены новые структуры на основе La/(B, В4С) с высокими расчетными отражательными характеристиками для работы на линии бора (Я ~ 6.76 нм). Проведенные на синхротроне BESSY исследования зеркала Ьа/В4С с периодом d = 3.5 нм на углах, близких к нормали, в области аномальной дисперсии бора на длине волны Я = 6.66 нм продемонстрировали коэффициент отражения до R = 42 %.

5. Набор параметров изготовленных структур основе пары элементов 37Fe/Cr1x с антиотражающими покрытиями из Zr позволяет целиком исследовать диапазон сверхтонкого магнитного расщепления для резонансного мессбауеровского изотопа 57Fe от нерасщепленной синглетной линии до секстета, соответствующего а - Fe.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Совершенствование методов синтеза структур с периодами менее 3 нм позволяет изготавливать МРЗ с размером переходных границ до 0.2 - 0.3 нм и селективностью, равной теоретически достижимой для соответствующих периодов. По степени структурного совершенства изготовленные зеркала приближаются к кристаллам и превосходят их по интегральным коэффициентам отражения. Данный метод позволяет синтезировать зеркала с заданным распределением периода по поверхности, что недоступно для кристаллов. Высокие коэффициенты отражения и высокая радиационная стойкость короткопериодных зеркал W/B4C и Cr/Sc позволяют использовать их в качестве дисперсионных и отражающих элементов в приборах для спектральных и поляризационных исследований с различными источниками рентгеновского излучения.

2. Исследования изготовленной серии тестовых зеркал Mo/Si с дискретным изменением различных исследуемых параметров пленок представляют доказательства корреляции между кристаллической структурой слоев молибдена и отражательной способностью структур в диапазоне «мягкого» рентгеновского излучения. Увеличение кристаллизации молибдена в слоях и, как следствие, формирование более плотных покрытий приводит к увеличению отражательных характеристик зеркал Mo/Si в области Я ~ 13.5 нм. Достигнутые пиковые коэффициенты отражения R ~ 68 - 69 % оптимизированных МРЗ на основе Mo/Si позволяют использовать их для задач EUV -литографии.

3. Проведенное сравнение характеристик зеркал на основе пар элементов «металл (Mo, Cr, La) - карбид бора» представляет доказательство реальной возможности для оптимизации многослойных дисперсионных элементов на спектральную область Я = 6.7 -8 нм, увеличения коэффициентов отражения при периодах многослойных структур 5.5-6 нм и меньше, включая оптические элементы нормального падения (d = 3.5 - 4 нм). Многослойные дисперсионные элементы на основе Ьа/В4С имеют в 1.5 раза большую отражательную способность на линии флуоресценции бора по сравнению с традиционно используемыми зеркалами на основе М0/В4, что позволяет использовать их в качестве эффективных спектральных и аналитических приборов «мягкого» рентгеновского диапазона при исследованиях в районе линии бора.

4. Оптимизация многослойных структур для спектрально - селективной рентгеновской томографии ионов примесей различной зарядности в высокотемпературной плазме в диапазоне длин волн 0.37 - 6 нм, направленная на одновременное достижение высоких параметров селективности и отражения, позволяет использовать их в экспериментах для диагностики примесей ионов в плазме токамака.

Публикации по теме

По представленным на защиту материалам автором опубликовано 69 работ. Опубликовано 27 статей в научных журналах [А1-А27] и 42 статьи в сборниках конференций и тезисов докладов [Т1-Т42]. Неоднократно результаты докладывались автором на устных пленарных и тематических заседаниях научных конференций.

Личное участие автора

В исследованиях, вошедших в диссертацию, автором выполнялись следующие работы: участие в постановке научных задач, изготовление и исследование образцов, анализ и обобщение полученных результатов. В работах по оптимизации процессов синтеза короткопериодных структур на основе титана [А5, А13], на основе пары элементов W/B4C [А20, А24, А26], зеркал на основе пары элементов La/B4C [А17] вклад автора диссертации является определяющим. Работы по синтезу структур Cr/Sc проводились совместно с С.С. Андреевым. В работах по исследованию процессов синтеза МРЗ на основе пары элементов Mo/Si [А10, А14-15, А18, А21] автор принимал участие в изготовлении структур, проведении измерений, анализе полученных результатов и разработке оптимальных параметров процессов синтеза. Научный руководитель диссертации Н.Н. Салащенко, С.А. Гусев и С.Ю. Зуев принимали участие в постановке задачи и проведении исследований. В работах по синтезу ядерных фильтров синхротронного излучения [A3, А6-9, All, А16, А19] автору диссертации принадлежит проведение модельных расчетов (совместно с В.Г. Семеновым и М.А. Андреевой), синтез многослойных зеркал, их исследование методом малоугловой рентгеновской дифракции и обсуждение полученных результатов. В работах по оптимизации процессов синтеза МРЗ для задач спектрально-селективной рентгеновской томографии высокотемпературной плазмы [А12] и .синтезу МРЗ для изготовления фазовращателей и поляризаторов рентгеновского излучения [А22-23, А25, А27] автор принимал участие в изготовлении структур, проведении измерений и анализе полученных результатов.

Апробация результатов

Все работы были представлены в реферируемых научных и специализированных изданиях и докладывались на научных конференциях. Апробация содержащихся в данной диссертационной работе результатов проводилась на следующих научных конференциях, симпозиумах и совещаниях:

Особенности роста тонких и сверхтонких пленок, исследования процессов изготовления и изучения короткопериодных рентгеновских зеркал докладывались на международной конференции «Интерференционные явления в рентгеновском рассеянии», Москва, 1995 г., международном рабочем совещании по промышленным технологиям «жесткого» ультрафиолетового и «мягкого» рентгеновского излучения, Берлин, ФРГ, 1996 г., на национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов в Дубне и Москве в 1997 и 2003 гг., на национальных рабочих совещаниях «Рентгеновская оптика» в Нижнем Новгороде в 1998, 2001 и 2003 гг., на 7-ой международной конференции «Физика рентгеновских многослойных структур», Саппоро, Япония, 2004 г, на конференциях по использованию синхротронного излучения в Новосибирске в 2002 и 2004 гг.

Рентгенооптические свойства многослойных зеркал, изготовленных для характеристических линий высокоионизированных материалов и их использование для спектрально-селективного анализа термоядерной плазмы обсуждались на 26-ой международной конференции по управляемому синтезу и физике плазмы в Маастрихте, Нидерланды, в 1999 г. и 27-ой конференции, проходившей в Будапеште, Венгрия, в 2000 г., и на 13-ой тематической конференции по диагностике высокотемпературной плазмы в Тусконе, США, 2000 г.

Рентгеновские характеристики многослойных зеркал, изготовленных для рентгенофлуоресцентного анализа, докладывались на рабочем совещании «Рентгеновская оптика» в Нижнем Новгороде в 2001 году.

Вопросы применения многослойных дисперсионных элементов для литографии в области экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) диапазона представлялись на рабочих совещаниях «Рентгеновская оптика» в Нижнем Новгороде в 1999, 2000 и 2001 гг., на национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов, Москва, 2003.

Оптические и ядерные характеристики многослойных структур, содержащих мессбауеровские изотопы, докладывались и обсуждались на конференции

Интерференционные явления в рентгеновском рассеянии» Москва, 1995 г., на национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов, Москва-Дубна, 1997 г., на международной конференции «Использование эффекта Мессбауера», Рио-де-Жанейро, Бразилия, 1997 г., на 11-ой международной конференции «Сверхтонкие взаимодействия» в Дурбане, Южная Африка, 1998 г., на 4-ой международной конференции по наноструктурным материалам в Стокгольме, Швеция, 1998 г., на национальном рабочем совещании «Рентгеновская оптика» в Нижнем Новгороде в 1998 и 1999 гг., на всероссийской конференции "Применение ядерно-физических методов в магнетизме и материаловедении", Ижевск, 1998 г., на международной конференции «Синхротронное излучение» в Новосибирске, 1996 г., на национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов в Москве, 1999 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 159 стр., приведено 35 рисунков и 14 таблиц. Обзор современных достижений, представленных в научных публикациях других исследовательских групп в областях диссертационного исследования по всем представленным направлениям, рассматривается в начале каждой соответствующей главы.

4.4. Основные выводы и результаты

Показана возможность изготовления многослойных рентгеновских зеркал для работы в качестве оптических приборов при диагностике примесей бора в кремнии. Исследованы основные рентгенооптические характеристики структур и проведен их сравнительный анализ. Синтезированы структуры на основе пары элементов LC1/B4C с улучшенными параметрами. Экспериментально показано, что на линии флуоресценции бора зеркала на основе IM/B4C имеют в 1.5 раза большую отражательную способность по сравнению со стандартно применяемыми зеркалами на основе М0/В4С. Уровень фона для зеркал LC1/B4C уменьшился в 1.5 раза по сравнению с зеркалами М0/В4С, СГ/В4С и составил менее 1 %. Изготовлены зеркала LC1/B4C с периодами d ~ 6 нм, которые не уступают по отражательной способности зеркалам на основе Мо/В4С и Сг/В4С с периодами d « 8 нм и при этом позволяют уменьшить влияние полного внешнего отражения фонового флуоресцентного излучения матрицы кремния на два порядка.

Предложены новые структуры на основе La/(B, В4С) для работы на линии бора (X ~ 6.76 нм), имеющие расчетные коэффициенты отражения R > 70 %, что делает их перспективными для проекционной рентгеновской литографии. Проведенные на синхротроне BESSY исследования зеркала Ьа/В4С с периодом d= 3.5 нм на углах, близких к нормали, в области аномальной дисперсии бора на длине волны Я = 6.66 нм продемонстрировали коэффициент отражения до Л = 42 %.

В диапазоне длин волн 0.37-6 нм был изготовлен и характеризован широкий класс многослойных рентгеновских зеркал с высокой отражательной способностью и высоким спектральным разрешением для спектрально - селективной рентгеновской томографии ионов примесей в плазме токамака TEXTOR, что позволило в экспериментах выделить полезные сигналы исследуемых примесей на фоне широкополосного излучения высокотемпературной плазмы.

Для возможности диагностики примесей ионов аргона в плазме токамака в спектральном диапазоне 3-3.5 кэВ было проведено специальное исследование зеркал Cr/Sc. Зеркало с периодом d= 1.57 нм и числом периодов N= 250 показало селективность около 250 при отражении околоR~6- 8%.

В результате проведенных работ по оптимизации структур 57Fex/Ci.x наблюдалось уширение резонансной линии до 65 Га в зависимости от структуры образцов и имеющих П - образный характер, соответствующий фильтрам полосового типа. Продемонстрирована возможность управления параметрами фильтра с помощью изменения концентрации железа в образцах, изменяющей магнитные свойства структур.

Были синтезированы и исследованы многослойные ядерные зеркала с применением изотопа туллия (Еу (169Тт) = 8.4 кэВ) на основе пар элементов Zr/169Tm с антиотражающими пленками туллия (20 периодов, d = 13 нм, hтт = 4 нм) и Ti/169Tm с антиотражающими покрытиями из титана (30 периодов, d = 3 нм, hn - 7.8 нм). На всех этих структурах наблюдался минимум отражения на длине волны X = 0.154 нм. Структуры, изготовленные на основе пары элементов W/181Ta (15 периодов, d= 11 нм), продемонстрировали уменьшение электронного рассеяния примерно на 3 порядка.

Проведены экспериментальные исследования когерентного взаимодействия мессбауэровского излучения со слоисто-неоднородными структурами 57FeJCri.x в условиях полного внешнего отражения с использованием радиоактивного источника и синхротронного излучения. Были изготовлены и исследованы 8 образцов многослойных ядерных зеркал со структурой Zr(b, uM)/[Fex/Cri.x(d, нм)]-л/Сг(50 нм)/стекло. Изготовленные структуры целиком охватывают диапазон сверхтонкого магнитного расщепления для резонансного изотопа 57Fe от нерасщепленной линии до секстета, соответствующего а - Fe. Для проверки свойств резонансного слоя для всех образцов были проведены измерения КЭМС спектров в геометрии нормального падения и для двух образцов были выполнены измерения кривых зеркального отражения на резонансной длине волны Я = 0.086 нм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К основным результатам работы можно отнести следующие:

1. Разработана лабораторная технология нанесения многослойных рентгеновских зеркал с ультракороткими периодами (d « 1 нм) и флуктуациями периода на уровне л

1-г2-10" нм, по степени структурного совершенства приближающихся к кристаллам и превосходящих их по интегральным коэффициентам отражения. Технология позволяет наносить структуры с заданным распределением периода по поверхности, что необходимо для изготовления светосильных изображающих и коллимирующих рентгенооптических систем, и не доступно для кристаллов.

2. Проведено детальное исследование корреляции отражательных характеристик зеркал Mo/Si с микроструктурой слоев молибдена. Изучено влияние скорости осаждения, толщины молибденовых слоев и температуры подложки на микроструктуру пленок молибдена в зеркалах, что позволило определить условия увеличения кристаллизации молибдена в слоях и, как следствие, формирования более плотных покрытий. Это позволило увеличить отражательную способность зеркал Mo/Si в области Я ~ 13.5 нм. На основе проведенных исследований разработана методика изготовления зеркал Mo/Si, позволившая увеличить пиковые коэффициенты отражения до 68 - 69 %. Эта методика нашла применение при изготовлении зеркал для задач проекционной EUV- литографии.

3. Предсказано и экспериментально подтверждено, что на линии флуоресценции бора многослойные структуры на основе Ьа/В4С в широком диапазоне углов скольжения

0 ~ 24° - 74° имеют в 1.5 раза большую отражательную способность по сравнению с традиционно используемыми зеркалами на основе Мо/В4С. Продемонстрирована возможность уменьшения на два порядка фонового излучения матрицы кремния при рентгенофлуоресцентном анализе примеси бора в кремнии с помощью зеркал Ьа/В4С с периодом d — 6 нм, которые не уступают по отражательной способности зеркалам на основе Мо/В4С и Сг/В4С с периодами d ~ 8 нм.

4. Проведена оптимизация многослойных структур для спектрально - селективной рентгеновской томографии ионов примесей различной зарядности в высокотемпературной плазме в диапазоне длин волн 0.37 — 6 нм. Это позволило в экспериментах выделить полезные сигналы примесей Ar, Ne, О, С и В различных кратностей ионизации в плазме токамака TEXTOR на фоне широкополосного излучения высокотемпературной плазмы.

Благодарности

Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность д.ф.-м.н. Н.Н. Салащенко, под чьим руководством проведены все работы, представленные в данной диссертации. Хочется выразить благодарность С.С. Андрееву, М.С. Бибишкину, Ю.А. Вайнеру, С.А. Гусеву, М.В. Зориной, С.Ю. Зуеву, Н.И. Чхало и всем коллегам, принимавшим непосредственное участие в экспериментах по изготовлению и исследованиям многослойных структур. Отдельно хочется выразить благодарность д.ф.-м.н. В.Г. Семенову, д.ф.-м.н. М.А. Андреевой и к.ф.-м.н. Н.И. Подушкину за их участие в изготовлении и исследовании образцов и обсуждении результатов по изучению многослойных структур для мессбауеровской фильтрации синхротронного излучения. Автор так же искренне благодарит всех, с кем довелось сотрудничать при выполнении диссертационной работы. t

1. Troy W.Barbee, Jr "High resolution and reflectivity x-ray and soft x-ray multilayers" // The 6-th International Conference on the Physics of X-Ray Multilayer Structures, Chamonix, France, 3-7 March, 2002, p. 30

2. E. Ziegler, Y. Lepetre, I.K. Schuller and E. Spiller "Stability of Multilayers for Synchrotron Optics" //Appl. Phys. Lett., vol. 48, pp. 1354-1356,1986.

3. S.S. Andreev, B. Muller, Yu.Ya. Platonov, N.I. Polushkin, N.N. Salashchenko, F. Schafers, S.I. Shinkarev, D.M. Simanovsky, S.Yu. Zuev // Proc. SPIE, "Superintense Laser Fields: Generation, Interaction with Matter and X-Ray Sources", 1800, p. 195,1992.

4. N.N. Salashchenko, Yu.Ya Platonov, S.Yu. Zuev "Multilayer X-ray Optics for Synchrotron Radiation", //Nucl. Inst. & Meth. in Phys. Research, A 359, pp. 114-120,1995.

5. E. Spiller, A. Segmuller, J. Rife, R.P. Haelbich // Appl. Phys. Lett. 37, p. 1048, 1980.

6. J.M. Underwood, T.W. Barbee, Jr. // Appl. Opt. 20, p. 3027, 1981.

7. F. Seward, J. Dent, M. Boyle et.al., "Calibrated for color X-ray microscope for laser-plasma diagnostics // Rev. Sci. Instrum., 47, p. 73, 1975.

8. H. Goebel // Abstracts, АСА Annual Meeting, Pittsburgh PA, vol.20, p.34, 1992.

9. M. Schuster, H. Goebel J. Phys. D: Appl. Phys. 28, No. 4A, 270,1995.

10. A.D. Akhsakhalyan, N.I. Chkhalo, A.I. Kharitonov " Method of manufacturing of doubly bent x-ray optics" //Nucl. Instr. and Meth., A 470, pp. 142-144,2001.

11. Yu. Platonov, L. Gomez, D. Broadway. SPIE Proc. Vol. 4782 (2002), pp. 152-159m

12. Michaelsen, C., Wiesmann, J., Bormann, R., Nowak, C., Dieker, C., Hollensteiner, S., & Jager, W. "Multilayer mirror for x rays below 190 eV" // Opt. Lett. 26 (11), pp. 792-794, 2001.

13. C.M. Brown, U. Feldman, J.F. Seely, M.C. Richardson, H. Chen, J.H. Underwood, and A. Zigler. "Imaging of laser produced plasmas at 44 A using a multilayer mirror" // Optic Commun., vol. 68, p. 190, 1988.

14. A.G. Michette "X-ray Microscopy" // Reports on Progress in Physics, vol. 51, pp. 15251606,1988.

15. E. Spiller "Soft X-ray Optics and Microscopy" // Handbook on synchrotron radiation, vol. l,pp. 1093-1130,1983.16.