Методы исследований элементов многослойной оптики в мягком рентгеновском и вакуумном ультрафиолетовом диапазонах

Зуев, Сергей Юрьевич

Методы исследований элементов многослойной оптики в мягком рентгеновском и вакуумном ультрафиолетовом диапазонах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Зуев, Сергей Юрьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Методы исследований элементов многослойной оптики в мягком рентгеновском и вакуумном ультрафиолетовом диапазонах»

Автореферат диссертации на тему "Методы исследований элементов многослойной оптики в мягком рентгеновском и вакуумном ультрафиолетовом диапазонах"

На правах рукописи

Зуев Сергей Юрьевич

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ МНОГОСЛОЙНОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ОПТИКИ В МЯГКОМ РЕНТГЕНОВСКОМ И ВАКУУМНОМ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМ ДИАПАЗОНАХ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 9 НОЯ 2012

Нижний Новгород 2012

005056199

Работа выполнена в отделе многослойной рентгеновской оптики Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институте физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН).

Научный руководитель: член - корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук Салащенко Николай Николаевич ИФМРАН, г. Нижний Новгород

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Дроздов Юрий Николаевич ИФМРАН, г. Нижний Новгород

доктор физико-математических наук Шевелько Александр Петрович ФИРАН, г. Москва

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджет-

ное учреждение науки Институт проблем

технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН

Защита состоится « 13 »декабря 2012г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.098.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики микроструктур РАН по адресу: 607680, ул. Академическая, д. 7, д. Афонино, Нижегородская обл., Кстовский район, Россия

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики микроструктур РАН.

Автореферат разослан « 12 » ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

С.П. Гайкович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Диссертация посвящена разработке методов и аппаратуры для исследований оптических свойств многослойных структур с произвольной формой поверхности (плоские, вогнутые, выпуклые), дифракционных решеток, фильтров и других объектов в диапазоне мягкого рентгеновского (МР), экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) и вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучений.

С 80-х годов XX века, в связи с развитием технологий обработки оптических поверхностей и вакуумного осаждения тонких пленок, началось интенсивное развитие нового направления в оптике МР диапазона и ближайших к нему областей спектра - оптики многослойных рентгеновских зеркал (МРЗ) [1,2,3]. С совершенствованием технологии изготовления многослойных структур (МС) появились МС нормального падения, что привело к разработке изображающих оптических схем и инструментов с зеркалами нормального падения не только в диапазоне МР, но и в ближайших к нему ЭУФ и ВУФ диапазонах [4,5]. Эффективность применения МРЗ в научных и прикладных исследованиях напрямую зависит от их физических свойств, прежде всего, от отражательных характеристик, определяемых микроструктурой пленок в атомарных масштабах и являющихся сложной функцией толщин пленок, от физико-химических и геометрических свойств поверхности подложки а также от условий роста пленок [6].

Технологический процесс изготовления МС в обязательном порядке сопровождается контрольными измерениями, и при изготовлении плоских зеркал может использоваться исследовательское оборудование для жесткого рентгеновского диапазона 0,01-0,025нм - серийно выпускаемые промышленностью дифрактометры. Окончательные исследования, в силу неполноты данных получаемых от измерений в жестком рентгене, в обязательном порядке осуществляются на специальной аппаратуре - рефлектометрах с рабочим диапазоном излучений, соответствующим рабочей длине волны изготавливаемой МС. С увеличением сложности рентгено-оптических элементов модернизировалась и создавалась новая исследовательская аппаратура в рабочих диапазонах изготавливаемых структур. Появление научного интереса к многослойным структурам, первоначально на вогнутых, а впоследствии и на выпуклых поверхностях, обусловило появление задачи создания оборудования, позволяющего обеспечить как сопровождение технологии создания МС на неплоских поверхностях, так и выходной контроль этих оптических элементов. Ввиду того, что интенсивно росло разнообразие размеров и форм рентгенооптических элемен-

тов, возникла задача создания универсальной аппаратуры, позволяющей локально по поверхности исследовать не только МС на поверхностях произвольной формы, но и другие оптические элементы МР и ЭУФ диапазона. В последнее время особенно интенсивно развернулись работы по проекционной ЭУФ литографии, успех которых во многом обеспечивается созданием комплекса осветительных и проекционных элементов изображающей оптики сверхвысокого качества, использующих МС технологию на длину волны 13,5нм. Это новейшее направление промышленного производства интегральных радиоэлектронных компонентов постепенно переходит из области научных интересов в область коммерческих. Все рентгенооптические элементы по программе создания отечественной литографии на 13,5нм необходимо исследовать в процессе создания и контролировать по выходным параметрам.

Степень разработанности темы диссертации

Основные методические приемы и предшествующая аппаратура для исследований в этом диапазоне разрабатывались в два этапа: первый проходил в 30-х годах XX века, в период интенсивного изучения рентгеновских лучей (возможности исследователей сильно ограничивались возможностями вакуумной техники) и второй период с 60-х годов XX века, когда сформировались прообразы современного исследовательского оборудования в диапазоне МР, ЭУФ и ВУФ излучений. Поэтому большая часть работы посвящена развитию имевшихся и разработке новых методов решения поставленной задачи в диапазоне МР, ЭУФ и ВУФ излучений.

К настоящему времени за рубежом созданы и эксплуатируются несколько лабораторных и стационарных (на станциях синхротронного излучения) рефлектометров [7,8]. Лидирующим по своим характеристикам в мире является стационарный рефлектометр на станции СИ "ВЕЗБУ-И", (Германия, Физико-Технический департамент стандартов), позволяющий исследовать образцы большого диаметра, по всей поверхности и с высокой точностью. Синхротронные источники остаются уникальным оборудованием и не могут быть использованы в большинстве лабораторий.

Цель и задачи

Цель диссертационной работы является создание методов и лабораторного оборудования для рефлектометрии оптических элементов с поверхностью произвольной формы в МР и ВУФ диапазонах излучения.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Создание универсального вакуумного гониометра с 5-ю степенями свободы исследуемого объекта и 3-мя степенями свободы приемника излучения, обеспечивающего возможность измерений локальных коэффи-.. циентов отражения и рассеяния от образцов с произвольной формой поверхности диаметром до 300 мм и числовой апертурой не более 0,5.

2. Создание источника мягкого рентгеновского излучения, приспособленного для эффективной работы в этом диапазоне излучений.

3. Развитие принципов построения рефлектометра и оптимизация его составных частей для решения задач рефлектометрии объектов с произвольной формой поверхности.

4. Создание лабораторных рефлектометров, перекрывающих совместно рабочий спектральный диапазон 0,6-200 нм

5. Разработка методик измерения угловых и спектральных характеристик (отражения/пропускания/рассеяния) элементов многослойной оптики с произвольной формой поверхности и градиентным распределением периода.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На момент создания, разработанный универсальный гониометр по основным техническим характеристикам не имел аналогов в ведущих российских и зарубежных лабораториях.

2. Разработанные лабораторные рефлектометры, перекрывают спектральный диапазон 0,6-200 нм, и по ширине общего рабочего диапазона, и спектральной селективности превосходят лабораторные рефлектометры ведущих мировых центров многослойной рентгеновской оптики.

3. Разработана рентгеновская трубка с интегрированным источником ионов для очистки антикатода от загрязнений и оптимизированная для работы в диапазоне мягкого рентгеновского излучения 0,6-25,0 нм.

Практическая значимость работы

• Развитые методики и разработанная аппаратура обеспечили измерительной базой технологический процесс изготовления элементов многослойной изображающей рентгеновской оптики нормального падения для МР и ЭУФ диапазонов в ИФМ РАН, занимающим ведущие позиции в мире в этом направлении.

• Разработанные методики и аппаратура обеспечили метрологию научной аппаратуры, разрабатываемой по программам КОРОНАС-И, КО-РОНАС-Ф и КОРОНАС-ФОТОН отечественных и международных программ исследования Солнечной короны.

• Разработанные методики и аппаратура обеспечили необходимыми

измерениями работы по созданию оптики для проекционной ЭУФ литографии, проводимые в ИФМ РАН и ряде зарубежных исследовательских центров.

• Разработанные в диссертации методики и аппаратура готовы для применений в промышленности.

Методология и методы исследования

ских/вогнутых/выпуклых дифракционных решеток, фильтров и др., характеризующих энергетические соотношения между компонентами излучения МР, ЭУФ и ВУФ диапазонов при взаимодействии излучения с поверхностью и объемом исследуемых объектов. Основные методики исследования объектов подобного типа и теоретическое обоснование их результатов были разработаны в оптике видимого диапазона излучений [9]. Диапазон излучений, в котором исследуется предмет настоящей диссертации имеет свои специфические особенности, которые делают неприемлемым прямое применение методов оптики видимого диапазона для решения поставленной задачи. В равной степени неприемлемым оказывается в этом диапазоне прямое заимствование методических разработок, сформировавшихся в диапазоне жесткого рентгеновского излучения [6,10]. Рабочий диапазон исследований, занимающий почти два с половиной порядка по длине волны, отличается специфичностью применяемой аппаратуры (вся аппаратура вакуумная), разработке которой посвящена значительная часть диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработан комплекс методик позволяющий измерять угловые и спектральные характеристики (отражения/ пропускания/ рассеяния) элементов многослойной оптики с произвольной формой поверхности и градиентным распределением периода с абсолютной погрешностью измерения пиковых значений характеристик не превышающей 2% с доверительной вероятностью 0,98.

следуемого элемента поверхности на ось гониометра с точностью не хуже 0,025 мм, и манипуляции приемником излучения (3 степени свободы): в экваториальной и меридиональной плоскости с точностью по углам 0,01°, позиционирование относительно оси гониометра с точностью 1 мм.

3. Создан рефлектометр, обеспечивающий исследования коэффициентов отражения /прохождения и рассеяния для объектов с произвольной формой поверхности диаметром до 300 мм и числовой апертурой не более 0,5 в диапазоне 0,6-8,0 нм с погрешностью отсчета длины волны ±0,01 нм и абсолютной погрешностью измерения пиковых значений коэффициентов отражения многослойных зеркал не превышающей ±2% (для доверительной вероятности 0,98) на длине волны 6,7 нм.

4. Создан рефлектометр, обеспечивающий исследования коэффициентов отражения /прохождения и рассеяния образцов с произвольной формой поверхности диаметром до 250 мм и числовой апертурой не более 0,5 в спектральном диапазоне от 4,0 до 200 нм с погрешностью отсчета длины волны ±0,03 нм и погрешностью измерения абсолютных значений пиковых коэффициентов отражения многослойных зеркал не превышающей ±2% (для доверительной вероятности 0,98) на длине волны 13,5 нм.

Личный вклад автора

Автор сформулировал и решил поставленную перед ним задачу создания измерительных методов и оборудования для исследования оптических характеристик отражения/рассеяния и прохождения в МР и ВУФ диапазонах излучений для образцов с произвольной формой поверхности.

Им лично были произведены исследования и макетные испытания, на основании которых был разработан и аттестован универсальный вакуумный гониометр для исследования многослойных зеркал с произвольной формой поверхности [А4], [А5], [А6], [А10].

При определяющем участии автора разработан рефлектометр для исследования оптических характеристик (коэффициентов отражения /прохождения и рассеяния) объектов с произвольной формой поверхности в диапазоне 0,6-8,0 нм [А18], [А23], [А24].

При определяющем участии автора в составе коллектива разработан широкодиапазонный рефлектометр для исследования оптических характеристик в спектральном диапазоне от 4,0 до 200 нм [А15], [А16], А17], [А21], [А27], [А28], [А29], [А31].

С использованием разработанных рефлектометров и методик автором лично производились исследования: структур с малыми периодами [А7], [А8], [А9] , стрессов в структурах [А 13], оптимизации изготовления МС [А 12], [А14], [А22], [А30], качества поверхности [А19], [А20] и исследо-

вание связанные с рядом задач возникающих при создании проекционной ЭУФ литографии [А10], [А26], [А32-А36].

Степень достоверности и апробация работы

Значительная часть диссертации посвящена исследованию достоверности производимых измерений с применением разработанных методов и аппаратуры. Практическое сравнение результатов измерений произведенных на разработанном автором оборудовании и на оборудовании синхро-тронного центра "BESSY-II" (РТВ, Германия) показало высокое совпадение результатов измерений как спектрально-угловых, так и энергетических характеристик исследуемых объектов

Результаты, полученные в диссертации, докладывались на российских и международных конференциях: Международного симпозиума "Коротковолновые лазеры и их применение",(1990, Самарканд), 5-Всесоюзное совещание по диагностике высокотемпературной плазмы. (1990, Минск), XV Intern, confer, on X-Ray and Inner-Spell Prosesses. (1990, USA), Euro-physics Industrial Workshop EIW-9 "Nanometer-Scale methods in X-ray Technology", (1993, Netherlands), International Conference "Interference phenomena in X-ray scattering", (1995, Russia), Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов. (1997, 2003, Москва), Всероссийское Совещание «Рентгеновская оптика» (1998, 1999, 2000, 2002, 2003, 2004, Нижний Новгород), Российской конференции Микро- и наноэлек-троника 98, (1999), Российской Конференции по «Использованию Синхротронного Излучения» (2000, Новосибирск), , International Conference "Micro- and nanoelectronics" (2003, 2005, 2007 , Звенигород), International Workshop «SEMATECH EUV Source» (2003, Santa Clara, Ca, США), International «Extreme Ultraviolet» (2003 Antwerp, Belgium), International Conference on «Physics of X-Ray Multilayer Structures» (2004 Sapporo, Japan), Рабочее совещание по Программе отделения физических наук РАН «Новые материалы и структуры» (2004 Нижний Новгород, 2007 Черноголовка), Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (2005, 2006, 2008, 2009, 2010, 2011 Нижний Новгород), XVII International Synchrotron Radiation Conference SR-2008, (2008, Novosibirsk, Russia), Совещание «Рентгеновская оптика» (2008 Черноголовка).

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 76 работах, из них 36 -статьи в рецензируемых научных журналах и 40 докладов в трудах симпозиумов, конференций и семинаров.

Структура и объем диссертации

Диссертация цостоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она содержит 273 страницы, включая 10 г рисунка и 8 таблиц. Список цитированной литературы насчитывает 88 наименований.

Во введении оценивается актуальность темы, научная новизна, практическая значимость работы, сформулирована цель диссертационной работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается обзор особенностей спектрального диапазона МР и ЭУФ излучения и сформировавшихся методик рефлектометрии плоских объектов рентгеновской оптики: МРЗ, плоских дифракционных решеток, однородных пленок на просвет. Проведенный в работе анализ применимости методик для решения поставленной задачи рефлектометрии МС с произвольной формой поверхности позволил выбрать методику с измерением интегральной по пространству интенсивности. Эта методика обеспечивает наиболее достоверные исследования оптических коэффициентов отражения/прохождения элементов оптики МР и ЭУФ диапазонов, искажающих неплоской рабочей поверхностью геометрию падающего пучка в отраженной/прошедшей компонентах излучения. Предложенная методика измерений на неплоских поверхностях представляется схемой измерения с узким падающим квазипараллельным пучком и рав-

фопюкатод

Рис.1. Пространственно интегральный метод исследования отражения от многослойных структур с произвольной формой поверхности.

номерным по чувствительности входным окном приемника подобным сечению пучка по форме.

В этой схеме изменение геометрических размеров пучка на искривленной поверхности исследуемого объекта не оказывает влияния на результат измерения соотношения интенсивностей исследуемой компоненты излучения и падающего пучка, если только размеры сечения пучка на входе приемника не превосходят область равномерности входного окна рис. 1. Чем больше соотношение подобия N между размерами входного окна

приемника B¿ и Hd и соответствующими размерами сечения падающего на образец пучка А и Л

N=ií=iL, (i)

Ь h

тем больше допустимый угол расходимости излучения регистрируемого входным окном приемника. С уменьшением размеров пучка, закономерно падает его интенсивность и увеличивается статистическая погрешность измерения, что приводит к поиску оптимального размера пучка. Найденные автором в работе соотношения определяющие оптимальный размер сечения падающего пучка и его расходимость в отраженном или прошедшем излучении связаны с локальным радиусом кривизны поверхности в исследуемой ее точке и расстоянием от следа пучка на поверхности до источника излучения Ldet:

Lda <(N + Y)-F для вогнутой поверхности

Lia<{N-\)-F для выпуклой поверхности где F - фокус локально исследуемого участка поверхности. Фокусное расстояние F локального исследуемого участка поверхности связано: с углом падения (ротсчитываемым от нормали, локальным радиусом кривизны поверхности г и размером сечения пучка Ь в плоскости падения луча на исследуемую поверхность выражением [6]

^ Ъ-]\ + tan2 <р' tan4 2а (3)

2 tan 2а

где

tan 2 а =

'4-(%)2-cos>

у -cus tp-í ^

'XV-cosV-l

/ь'

Соотношения (2) - это основные методические требования. В главе рассмотрены и дополнительные ограничения метода, связанные с экранированием падающего или отраженного луча исследуемой поверхностью, а также ограничения, возникающие при исследовании высокоселективных структур на искривленных поверхностях из-за того, что в пределах следа зондирующего луча условия его интерференции зависят не только от расходимости луча, но и от кривизны исследуемой поверхности.

Для исследования характеристик рассеяния многослойных структур с поверхностью произвольной формы в работе предлагается метод пространственных растров, с помощью которого (с узким окном на приемнике излучения) исследуются угловые индикатрисы падающего и рассеянно-отраженного от зеркала или рассеяно-проходящего тонкий фильтр излучения. Метод представляет собой измерение с последующей обработкой одномерных и двумерных сканов пространственных индикатрис

исходного пучка и исследуемой его компоненты. Сканирование пространственной индикатрисы осуществляется пошаговым перемещением приемника излучения с пространственной величиной шага, равной размеру входного окна преемника излучения. Получаемые этим методом характеристики рассеяния характеризуют пространственные изменения излучения при отражении/прохождении излучения, а площади под кривыми рассеяния характеризуют энергетические соотношения компонент излучения: при этом общий объем измерений возрастает примерно в квадратичном размере.

Основные требования, которые предъявляются к оборудованию при применении растрового метода - это достаточно высокая интенсивность падающего излучения для достоверной регистрации исследуемой компоненты излучения с использованием узкой угловой апертурой приемника. При этом равномерность приемной характеристики по апертуре приемника не так важна, как стабильность его характеристик во времени.

Частным применением растрового метода исследований оптических характеристик является исследование многослойных структур на поверхностях с малыми радиусами кривизны (выпуклых и вогнутых), когда отраженное от поверхности излучение расходится или рассеивается в пространство, не попадая при этом целиком во входное окно приемника.По результатам проведенного анализа в работе сформулированы основные требования к лабораторному оборудованию, предназначенному для практической реализации этих методических разработок, которые сводятся к показанной на рис. 2 кинематической схеме инструмента для исследования оптических характеристик отражения/ прохождения и рассеяния от многослойных структур с поверхностью произвольной формы, используя предлагаемые методики. Образец и детектор изменяют свое взаимное расположение относительно падающего луча в экваториальной плоскости гониометра (в ней лежит падающий и отраженный пучки и происходит отсчет углов падения <р и отражения (у/-<р)). Для выбора локальной точки исследования образец вращается вокруг выбранной оси симметрии поверхности со и смещается по радиусу р в меридиональной плоскости. При исследовании многослойных структур на выпуклых/вогнутых поверхностях образец наклоняется в меридиональной плоскости по углу в (для установки локальной нормали к исследуемому элементу поверхности в экваториальную плоскость) и смещается в направлении этой нормали по координате Л (для установки исследуемого элемента поверхности на главную ось гониометра). Для адаптации схемы измерений под образцы с выпуклой/вогнутой поверхностью с локальным фокусным расстоянием Р рис. 1 и выражение (2) приемник может смещаться в направлении к главной оси и от нее Ь1/е1. Для юстировки гониометра в целом и реализации

двумерных сканов приемник смещается в меридиональной плоскости выше или ниже экваториальной плоскости по координате Zl¡et.

В главе приводятся методики, расширяющие возможности применения пространственно-интегрального метода для исследований коэффициентов рассеяния плоских и неплоских отражательных дифракционных решеток и коэффициентов прохождения частично прозрачных объектов на просвет, а также рассмотрены методические особенности измерений с монитором угловых и спектральных характеристик.

Результаты, полученные в первой главе:

1. Разработаны методики исследования оптических характеристик многослойных структур на поверхностях произвольной формы.

2. Разработаны требования к лабораторному оборудованию для исследования многослойных структур на поверхностях произвольной формы.

Вторая глава посвящена разработанному автором оборудованию для рефлектометрии в МР и ЭУФ диапазонах. В начале дано описание лабораторного оборудования, состоящего из отечественного монохроматора РСМ500 (разработанного в ЛГУ А.П. Лукирским [11] в 1965 г.) и гониометрической вакуумной камеры-приставки (разработанной в ИПФ АН СССР И.Г.Забродиным в 1986 г.) предназначенных для рефлектометрии многослойных структур на плоских поверхностях размером не более 60x60x10 мм. Одним из главных результатов работы является разработка на основе проведенных автором исследований и макетных испытаний и аттестация универсального вакуумного гониометра рис. 3 для оптических измерений коэффициентов отражения/ прохождения и рассеяния для многослойных структур с произвольной формой поверхности. Разработанный инструмент обеспечил необходимые манипуляции с исследуемым объектом (5 степеней свободы): в экваториальной и меридиональной плоскости с точностью по углам ±0,005°, позиционирование объекта относительно падающего луча с точностью не хуже ±0,1 мм, позиционирование

о,

Рис. 2. Схема необходимых манипуляций образцом и приемником излучения, обеспечивающая выполнение достоверных исследований коэффициентов отражения/ прохождения и рассеяния многослойных структур локально по поверхности на поверхностях произвольной формы.

исследуемого локального элемента поверхности на ось гониометра с точностью не хуже ±0,025 мм. Манипуляции приемником излучения обеспечиваются 3-мя степенями свободы: в экваториальной и меридиональной плоскости с точностью по углам ±0,01°, установка дистанции приемник -ось гониометра с точностью ±1 мм.

ШРис. 3. Универсальный вакуумный

меридиональной плоскости, 5 - ШД 6 - ШД поворота столика в эквато-

ника в экваториальной плоскости, 9 -

ридиональной плоскости, 10 - узел изменения расстояния от оси гониометра до приемника.

В главе дано описание разработанного и собранного рефлектометра МР и ЭУФ диапазона 0,6-8,0 нм на основе описанного выше универсального вакуумного гониометра.

Приведена оптическая схема и описание разработанного рефлектометра МР излучений с расширенным спектральным диапазоном в область ВУФ излучений 4,0-200 нм рис. 4.

Описаны основные изменения, внесенные автором в схемы и конструкции составных частей рефлектометра, обеспечившие его оптимизацию для работы во всем рабочем спектральном диапазоне. В конце главы приведены примеры применения разработанных авторских методик и аппаратуры для рефлектометрии конкретных объектов исследования из опыта осуществления автором исследовательских работ.

Результаты, полученные во второй главе:

1. создан универсальный гониометр, обеспечивший необходимые манипуляции с образцом и приемником в вакууме при исследованиях многослойных структур с поверхностью произвольной формы и других типов объектов,

2. модернизирован монохроматор РСМ500 и разработаны оптимальные конструкции составных частей рефлектометра: рентгеновская трубка, монитор, приемник излучения,

3. созданы лабораторные рефлектометры для исследований и сертификации многослойных структур в диапазонах 0,6-8 нм и 4,0 -200 нм.

Рис. 4. Объединенный лабораторный рефлектометр для измерений в диапазоне МР и ВУФ: 1 - газоразрядный источник, 2 - монохроматор ЬНТЗО, 3,5,7 - разделительный шибер, 4 - промежуточная камера, 6 - камера универсального гониометра, 8- камера монитора, 9 - монохроматор РСМ500, 10 - рентгеновская трубка.

В третьей главе рассматриваются физические процессы и функциональные схемы, определяющие эффективность составных частей и рефлектометра в целом. Специфика исследований в МР и ЭУФ диапазонах излучений состоит в сильном поглощении излучений этих длин волн как в атмосферном воздухе при нормальных условиях, так и в тонких пленках различных веществ и материалов. В связи с этим, в аппаратуре, работающей с МР и ЭУФ излучением, все элементы оптической схемы имеют общий вакуумный объем, качество вакуума в котором заметно сказывается на работе РТ и приемников излучения. Глава открывается исследованием физических механизмов, определяющих эффективность работы рентгеновской трубки в МР диапазоне и формированием требований к рентгеновским трубкам этого диапазона, которые заметно отличаются от требований для трубок, работающих в жестком диапазоне [10,12].

Полученные в работе результаты расчета диаграммы направленности возбужденного в антикатоде трубки излучения МР диапазона и выходящего в вакуум под углом в к поверхности антикатода показали в рассматриваемой модели возбуждения излучения пучком электронов в материале антикатода, покрытого пленкой поверхностных загрязнений толщиной й, что на коротковолновой границе МР диапазона условия возбуждения рентгеновских излучений и выхода их через поверхность антика-

тода в вакуум близки к общепринятым представлениям, в то время как на длинноволновой границе мягкого рентгеновского диапазона диаграмма направленности излучения антикатода заметно спадает к углам близким к скольжению. Нарастание пленки углеродных и вольфрамовых загрязнений в значительной степени усиливает этот эффект.

Для антикатодов, материал которых активен к кислороду, дополнительной проблемой является рост оксидной пленки на антикатоде. С учетом проведенных исследований для решения этих проблем в диссертации была разработана рентгеновская трубка с увеличенным углом отбора излучения и интегрированным в нее источником ионов, предназначенным для очистки поверхности антикатода от загрязнений. Практика применения этого источника показала, что временная стабильность и интенсивность зондового пучка выросли в несколько раз.

Определены предельные метрологические характеристики монохро-матора РСМ500, многие узлы которого были модернизированы в процессе создания рефлектометров. Было исследовано влияние спектральных аберраций решетки на ширину спектральной полосы пропускания моно-хроматора в зависимости от рабочей апертуры дифракционной решетки и размера щелей. Исследована форма аппаратной функции монохроматора и ее зависимость от ширины щелей. Исследовано влияние: высоты щелей, погрешности установки копира, взаимного перекоса щелей и решетки при юстировке, смещения выходной щели монохроматора перпендикулярно его оптической оси на светосилу монохроматора и вид спектральной аппаратной характеристики монохроматора (ее ширину и форму). Выработаны рекомендации по учету влияния основных метрологических параметров монохроматора на результат измерения и по выбору оптимального соотношения светосилы и ширины спектральной полосы монохроматора при измерениях.

Оптимизирована методика измерения с монитором в оптических схемах рефлектометров, применяющих монитор с отбором мощности падающего излучения и предложена оптимальная конструкции монитора для непрерывных источников излучения. Оптимальное соотношение М деления пучка на зондовый и регистрируемый монитором, минимизирующее статистическую погрешность измерения выражается в виде

где Я - значение измеряемой величины (коэффициент отражения/пропускания/рассеяния). Полученное соотношение имеет методическую значимость и не зависит от конструкции монитора.

Предложена схема приемника излучения, отвечающая всем требованиям методики измерений пространственно интегральным методом, обеспе-

(5)

чивающая максимально возможный размер входного окна приемника излучения с равномерной чувствительностью и высокой эффективностью использующего в своей конструкции фотокатод с электронным умножителем ВЭУ-6 [13].

В части главы, посвященной оборудованию ВУФ диапазона, приводится схема разработанного газоразрядного источника, даются авторские рекомендации по стабилизации интенсивности возбуждаемого в нем излучения и рассчитываются предельные метрологические характеристики монохроматора ЬНТЗО, обеспечивающего выделение линии необходимой длины волны из линейчатого спектра возбуждения ионов разной зарядно-сти.

Приведены схемы и расчет формирователей пространственных параметров пучка щелевых коллиматоров и зеркальных коллекторов/коллиматоров, рассмотрены достоинства и недостатки их применения в конкретных оптических схемах.

Развита методика юстировки монохроматора РСМ500 и разработаны методики юстировки универсального вакуумного гониометра и рефлектометра.

Результаты, полученные в третьей главе:

1. оптимизирована конструкция рентгеновских трубок на диапазон МР излучения, позволившая уменьшить размер источника, повысить яркость и увеличить стабильность работы РТ;

2. модернизирована конструкция монохроматора РСМ500;

3. оптимизирована конструкция монитора и развиты методики измерений с его применением;

4. разработана методика юстировки рефлектометра;

5. оптимизированы схема и конструкция приемника излучения.

Приложение А

В приложении А приводится полное описание программного обеспечения, обеспечивающего исследовательский процесс. Важным достижением программного алгоритма является возможность создания списка инструкций, описывающих одно или группу измерений - файла проекта измерения и его последовательного автоматического выполнения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Созданы методики измерений угловых и спектральных характеристик (отражения/пропускания/рассеяния) элементов многослойной оптики с произвольной формой поверхности и градиентным распределением периода.

2. Создан универсальный вакуумный гониометр, обеспечивающий изме-

рение локальных коэффициентов отражения и рассеяния от образцов с произвольной формой поверхности с максимальным диаметром до 300 мм и числовой апертурой не более NA=0,5.

3. На основе универсального гониометра, монохроматора и рентгенов-

ской трубки создан лабораторный рефлектометр, позволяющий изучать оптические элементы в спектральной области 0,6-8 нм, не уступающий по основным техническим характеристикам аналогам, существующим в единичных экземплярах в мире.

4. Разработан рефлектометр с расширенным спектральным диапазоном от

4,0 до 200 нм, объединяющий универсальный гониометр, монохрома-тор РСМ500 с источником РТ и монохроматор LHT30 с газоразрядным источником.

5. Разработана электроника и программное обеспечение, обеспечивающие

оперативное управление 8-ю электрическими приводами рефлектометра и управление сбором, обработкой и хранением данных измерений, а также автоматическое исполнение пакетных заданий из встроенного списка измерений.

Цитированная литература

1. Spiller, Е. Propagation of х rays in waveguides / E. Spiller, A. Segmuller И Appl. Phys. Lett. - 1974. - V.24. - P.60.

2. Barbee, T. W. (Jr.) Sputtered layered synthetic microstructures (LSM) dispersion elements / T. W. Barbee (Jr.) II Low energy X-ray diagnostics: Proc. conf., Monterey, USA, 1981. - N. Y.: Amer. Inst. Phys., 1981. - P.131-145.

3. Gaponov, S. V. Long wave X-ray radiation mirrors / S. V. Gaponov, S.A. Gusev, B.M. Luskin, N.N. Salashchenko II Opt. Commun. - 1981. -V.38.- P.7-11.

4. Windt D. L. Multilayer characterization at LPARL. / D. L. Windt, R. C. Caturall Proc. SPIE, 984, 82-88 (1988)

5. Krumrey, M. K. Precision soft x-ray reflectometry of curved multilayer optics IM. K. Krumrey, P. Mueller, F.Scholze //Proc. SPIE. - 1992.-V.1547,-P.136.

6. Виноградов, A.B. Зеркальная рентгеновская оптика / А.В. Виноградов, И.А. Брытов, Ф.Я. Грудский, М.Т. Коган, И.В. Кожевников, В.А. Слемзина И Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-ние. - 1989. - 463 с.

7. Tummler, J. Characterization of the PTB EUV reflectometry facility for large EUVL optical components./ J. Tummler, H. Blume, G. Brandt. J. Eden. B. Meyer, H. Scherr, F. Scholze, G. Ulmll ProcSPIE5037(2003)265.

8. Akira, Miyake LPP-based reflectometer for characterization of EUV lithography systems I Akira Miyake; Takeshi Miyachi; Mitsuaki Amemiya; Taka-

yuki Hasegawa; Nobuaki Ogushi; Takeshi Yamamoto; Fumitaro Masaki; Yu-taka 0bto2abe.//ProcSPIE5O37(2OO3)647.

9. Борн, M. Основы оптики./Л/. Борн, Э.Вольф//- М.:Наука,1973,- 720с.

10. Гинъе, А. Рентгенография кристаллов / Под ред. Н.В. Белова // М:Гос. изд. физ.-мат. лит-ры. - 1961. - 604 е..

11 .Зимкина, Т.М. Ультрамягкая рентгеновская спектроскопия / Т.М. Зимкина, В.А. Фомичев 111I.: Изд-во ЛГУ. - 1971. - 132 с.

М.Иванов, С.А. Рентгеновские трубки технического назначения./ С.А. Иванов, Г.А. Щу/шн//-Л.:Энергоатомиздат, Лен.отд.,1989, -200 с.

13.Айнбунд, М. Р. Вторично электронные умножители открытого типа и их применение./ М. Р Айнбунд, Б.В.ПоленовН -М.: Энергоиздат, 1981 ,-40с.

Список авторских публикаций по теме диссертации

[Al] Andreev, S.S. Small d-spacing multilayer structures for the photon energy range E >0.3 kev/ S.S. Andreev, B.RMuller, Yu.Ya.Platonov, N.I.Polushkin, N.N.Salashchenko, F.Schafers, S.I.Shinkarev, D.M.Simanovsky, S.Yu.Zuev //Proc. SPIE, v. 1800, 1991 , p. 195-208.

[A2] Platonov, Yu. Ya. Multilayer mirrors and filters for soft x-ray spectroscopy of high-temperature plasma/ Yu.Ya.Platonov, S.V.Bobashev, N.N.Salashchenko, D.M.Simanovsky, L.A.Shmaenok, S.Yu.Zuev И Proc.SPIE, v.2011,1994, pp.476-488.

[A3] Salashchenko, N.N. Normal incidence imaging multilayer X-ray mirrors with the periods of nanometer and subnanometer scale/ N.N.Salashchenko, S.V.Gaponov, A.D.Akhsakhalyan, S.S.Andreev, Yu.Ya.Platonov, N.I.Polushkin, E.A.Shamov, S.I.Shinkarev, STu.Z«ev//Proc.SPIE,v.201l,1994,p.402-412.

[A4] Salashchenco, N.N. Multilayer X-ray optics for synchrotron radiation/ N.N. Salashchenco, Yu.Ya. Platonov, S.Yu. Zuev //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A359 (1995), 162-167.

[A5] Louis, E. Multilayer coated reflective optics for Extreme UV lithography/ E.Louis, H.-J.Voorma, N.B.Koster, F. Bijkerk, Yu.Ya.Platonov, S.Yu.Zuev, S.S.Andreev, E.A.Shamov, N.N.Salashchenko// Microelectronic Engineering 27 (1995) 235-238.

[A6] Salashchenko, N.N. Multilayer optics for X-ray and EUV radiation/ N.N. Salashchenko, S.S. Andreev, Yu.Ya. Platonov, E.A. Shamov, S.Yu. Zuev, A.I. Chumakov //Поверхность, 1996, N3-4, c.21-42.

[A7] Andreev, S.S. Short - period x-ray multilayers/ S.S. Andreev, A.A. Fraerman, K.A. Prokhorov, N.N.Salashchenko, E.A. Shamov, S.A. Zuev, F. Schaefers //Proc. SPIE,v.3406, 70-79 (1998).

[A8] 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. N1, 1999, с. 166-169.

[А9] Шамов, Е.А. Многослойные рентгеновские зеркала малых периодов на основе скандия и углерода для работы в диапазоне "водного окна"/

E.А.Шамов, H.H. Салащенко, С.Ю.Зуев, С.В.Митенин, Ф.Шаферс //Поверхность, N1, 1999, с. 155-158.

[КЩАндреев, С.С. Исследования в области проекционной литографии экстремального ультрафиолетового диапазона в Институте Физики Микроструктур РАН/С. С. Андреев, С.А. Булгакова, C.B. Гапонов, С.А. Гусев, С.Ю. Зуев, Е.Б. Клюенков, В.И. Лучин, А.Я. Лопатин, Л.М. Мазанова, К.А. Прохоров, E.H. Садова, H.H. Салащенко, Е.А. #/oA<oe//noBepxHOCTb,2000,Nl ,с.32-41.

[All] 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 II Поверхность, 2000,№1,с. 105-111.

[АЩАндреев, C.C. Оптимизация технологии изготовления многослойных Mo/Si зеркал/ С.С. Андреев, C.B. Гапонов, С.А. Гусев, С.Ю. Зуев, Е.Б. Клюенков, КА.Прохоров, Н.И. Полушкин, E.H. Садова, H.H. Салащенко, Л.А. Суслов//Поверхность №1, с.66-73, 2001.

[А 13] Andreev, S.S. Stress reduction of Mo/Si multilayer structures/ S.S. Andreev, NN. Salashchenco, L.A. Suslov, A.N. Yablonsky, S.Yu. Zuev //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 470 (2001), 162-167.

[A 14] Зуев. С.Ю. Многослойные дисперсионные элементы на основе В4С для спектральной области 1=6.7-8 нм/ С.Ю. Зуев, Е.Б. Клюенков, К.А. Прохоров, H.H. Салащенко II Поверхность, 2002, N1, 27-31.

[А 15] Зуев, С.Ю. Измерение характеристик оптических элементов рентгеновских телескопов/С./О.Зуев, ^.5.Мгтирофанов//Поверхность,2002,Н1,с.81-83.

[А 16] Слемзин, В.А. Исследование временной стабильности характеристик многослойных рентгеновских зеркал для солнечного рентгеновского телескопа СРТ-К и рентгеновского спектрометра РЕС-К/ В.А. Слемзин, И.А. Житник, С.Ю. Зуев, С.В.Кузин, A.B. Митрофанов //Поверхность, 2002, №1,84-86.

[А 17] Андреев, С.С. Изготовление асферической рентгеновской оптики с многослойным покрытием для исследований Солнца по проекту "Коро-нас-Ф'7 С.С. Андреев, С.Ю. Зуев, В.И. Позднякова, H.H. Салащенко, В.А. Слемзин, ИЛ. Струля, И.А. Шерешевский, И.А. Житник//Поверхность,2003 ,с. 6-11.

[А 18] Бибишкин, М.С. Рефлектометрия в мягком рентгеновском и экстремальном ультрафиолетовом диапазонах/ М.С. Бибишкин, И.Г.Забродин, С.Ю. Зуев, Е.Б. Клюенков, H.H. Салащенко, Д.П. Чехонад-ских, Н.И. Чхало, Л.А. Шмаенок //Поверхность, №1. 2003. С. 70-77.

[А 19] Бибишкин, М.С. Определение микрошероховатости поверхностей с помощью мягкого рентгеновского излучения/ М.С.Бибишкин, С.Ю. Зуев, H.H. Сстащенко, Н.И. Чхало //Поверхность, №1. 2003. С. 94-96.

[А20] Бирюков, A.B. Исследование возможности получения сверхгладких подложек методом репликации эталонных поверхностей полимерными пленками/ А.В.Бирюков, Д.Г.Волгунов, С.В.Гапонов, Б.А.Грибков, С.Ю.Зуев, В.Л.Миронов, Н.Н.Салащенко, Л.А.Суслов, С.А.Тресков //Поверхность, 2003, № 1, с. 109-112.

[А21] Андреев, С.С. Фильтры для экстремального ультрафиолетового диапазона на основе многослойных структур Zr/Si, Nb/Si, Mo/Si и Мо/С/ С.С. Андреев, С.Ю. Зуев, Е.Б. Клюенков, А.Я. Лопатин, В.И. Лучин, К.А. Прохоров, H.H. Салащенко, Л.А. Суслов //Поверхность, 2003. №2. С.6-9.

[А22] 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. ZuevllCentral European Journal of Physics. CEJP 1.2003. V. 1. N 1.Р. 191-209.

[A23] Bibishkin, M.S. Laboratory methods for investigation of multilayer mirrors in Extreme Ultraviolet and Soft X-Ray region/ M.S. Bibishkin, D.P. Chekhonadskih, N.I.Chkhalo, E.B. Klyuenkov, A.E. Pestov, N.N. Salashchenko, L.A. Shmaenok, I.G.Zabrodin, S.Yu. Zuev И Proc. SPIE Vol. 5401 (SPIE, Bel. lingham, WA, 2004) P. 8-15.

[А24]Бибишкин, М.С. Рефлектометр с модернизированной оптической схемой для исследования элементов рентгенооптики в диапазоне 0,6-20 нм/ М.С. Бибишкин, И.Г. Забродин, С.Ю. Зуев, Е.Б.Клюенков, А.Е. Пестов, H.H. Салащенко, Е.П. Чехонадских, Н.И. Чхало //Поверхность,№2, 2005,-С.23-27.

[А25] Андреев, С.С. Многослойные дисперсионные элементы на основе Mg, предназначенные для работы на X =30.4 нм/С.С. Андреев, С.Ю. Зуев, А.Л. Мизинов, В.Н. Полковников, H.H. Салащенко!/Поверхность,2005 ,N8,9-12.

[А26]Забродин, ИГ. Абсолютно калиброванный измеритель ЭУФ-мощности для аттестации и оптимизации источников излучения на 13,5 нм/ Забродин, Б.А. Закалов, С.Ю. Зуев, И.А. Касъков, Е.Б. Клюенков, А.Я. Лопатин, H.H. Салащенко, Л.А. Суслов, А.Е. Пестов, Н.И. Чхало, Л.А. Шмаенок // Поверхность, №6. 2007. С. 104-107.

[A21]Bibishkin, М. S. Multilayer Zr/Si filters for EUV lithography and for radiation source metrology/ M. S. Bibishkin, N. I. Chkhalo, S. A. Gusev, E. B. Kluenkov, A. Y. Lopatin, V. I. Luchin, A. E. Pestov, N. N. Salashchenko, L. A. Shmaenok, N. N. Tsybin, andS. Y. ZuevllProc. SPIE 7025, 702502 (2008).

[А28] Кузин, С.В. Спектральные калибровки фильтров и детекторов солнечного телескопа на диапазон 13.2 нм проекта ТЕСИС/ С.В. Кузин, С.В. Шестов, А.А. Перцов, А.А. Рева, С.Ю. Зуев, А.Я. Лопатин, В.И. Лучин, X. Жоу, Т. Хуо //Поверхность, 2008. № 7. С. 1-5.

[А29\Dominique, Marie Track membranes with open pores used as diffrac-tive filters for space-based x-ray and EUV solar observations/MarieDominique,

A. V.Mitrofanov,. J..Hochedez, P.Yu.Apel,. U.Schuhle,. F.A.Pudonin,. O.L.Orelovich,. S.Yu.Zuev,. D.Bolsee,. C.Hermans, and A. BenMoussa//AppWed Optics/Vol. 48, No. 5, 2009, pp.834-841

[A30] Andreev, S.S. Multilayered mirrors based on La/B4C(B9C) for x-ray range near anomalous dispersion of boron ( 1 near 6.7 nm)/ S.S. Andreev, M.M. Barysheva, N.I. Chkhalo, S.A. Gusev, A.E. Pestov, V.N. Polkovnikov, N.N. Salashchenko, L. A. Shmaenok, Yu.A. Vainer, S.Yu. ZMev//Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. V.603. Issues 1-2. 2009. P. 80-82.

[АЗЦВолодин, Б.А. Многослойные тонкопленочные фильтры экстремального ультрафиолетового и мягкого рентгеновского диапазонов/ Б.А. Володин, С.А. Гусев, М.Н. Дроздов, С.Ю. Зуев, Е.Б. Клюенков, А.Я. Лопатин, В.И. Лучин, А.Е. Пестов, Н.Н. Салащенко, Н.Н. Цыбин, Н.И. Чха-лоНИзвестия РАН. Серия физическая. Том 74. №1. 2010. С. 53-57.

[A32]Зуев, С.Ю. Система освещения маски ЭУФ-нанолитографа/С.Я?. Зуев, А.Е. Пестов, В.Н. Полковников, Н. Н. Салащенко, А. С. Скрыль, И.Л. Струля, М. Н. Торопов, И. И. Чхало// Поверхность, №6. 2011. С. 10-13.

[АЗЗ] Зуев, С.Ю. Двухзеркальный проекционный объектив нанолито-графа на > = 13,5 нм. Известия РАН/С./О. Зуев, А.Е. Пестов, Н.Н. Салащенко, А.С. Скрыль, И.Л. Струля, Л.А. Суслов, М.Н. Торопов, Н.И. Чхало/У Известия РАН.Серия физическая. Том 75. №1. 2011. С. 61-64.

[А34]3уев, С.Ю. Технологический комплекс для изготовления прецизионной изображающей оптики/С./О. Зуев, Е.Б. Клюенков, А.Е. Пестов, В.Н. Полковников,Н.Н. Салащенко, Л.А. Суслов, М.Н. Торопов, Н.И. Чхало // Известия РАН. Серия физическая. Том 75. №1. 2011. С. 57-60.

[A3 5] Волгунов, Д.Г. Стенд проекционного ЭУФ-нанолитографа-мультипликатора с расчетным разрешением 30 нм/ Д.Г. Волгунов, И.Г Забродин, А.Б. Закалов, С.Ю. Зуев, И.А. Касъков, Е.Б. Клюенков, А.Е. Пестов, В.Н. Полковников, Н.Н. Салащенко, Л.А. Суслов, М.Н. Торопов, Н.И. Чхало// Известия РАН. Серия физическая. Том 75. №1. 2011. С. 5456.

[A3 6] Гусев, С.А. Отражательная маска для проекционной литографии на длине волны 13,5 нм/С.А. Гусев, С.Ю. Зуев, А.Ю. Климов, А.Е. Пестов, В.Н. Полковников, В.В. Рогов, Н.Н. Салащенко, Е.В. Скороходов, М.Н. Торопов, Н.И. Чхало//Поверхность, №7. 2012. С. 20-25.

ЗУЕВ Сергей Юрьевич

Подписано к печати 30.10.2012 г. Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе в Институте физики микроструктур РАН 603950, Нижний Новгород, ГСП-105

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Зуев, Сергей Юрьевич

Введение

Глава 1. Разработка методик рефлектометрии оптических элементов с произвольной формой поверхности в МР и ВУФ диапазонах излучения

1.1 Объекты исследований, измеряемые оптические величины и обзор методик исследования плоских образцов

1.2 Методы измерения отражающих и поглощающих свойств плоских объектов

1.3 Интегральный метод измерения коэффициентов зеркального отражения и прохождения

1.4 Влияние угловой ширины падающего пучка и формы поверхности исследуемого объекта на результаты исследований

1.5 Исследование эффективности отражающих решеток пространственно-интегральным методом

1.6 Применение пространственно-интегрального метода измерения прозрачности структурированных пленок и фильтров ^

1.7. Метод одномерных и двумерных пространственных растров ^

1.8 Методика измерений с монитором

1.9 Методические особенности измерений на поверхностях произвольной формы Выводы к главе

Глава 2. Аппаратура для исследований оптических характеристик элементов с произвольной формой поверхности для МР и ВУФ диапазонов

2.1 Аппаратура для измерений плоских образцов в МР и ЭУФ диапазонах.

2.2 Универсальный вакуумный гониометр ВГР-250 и объединенный рефлектометр на базе ВГР-250 0.

2.3 Универсальный вакуумного гониометр ВГР-300 и рефлектометр с его применением

2.4 Применение разработанных методик и аппаратуры для исследования МС с произвольной формой поверхности

Выводы к главе 2.

ГлаваЗ. Физические процессы и функциональные схемы, определяющие эффективность составных частей, и рефлектометра в целом.

3.1 Источники MP, ЭУФ и ВУФ излучен

3.1.1 Рентгеновская трубка, -источник излучения в диапазоне 0.6-25.0 нм

3.1.2 Влияние углеродных загрязнений на стабильность работы РТ

3.1.3 Влияние загрязнения антикатода испарением вольфрамового термокатода на эффективность РТ

3.1.4 Влияние окисления антикатодов на стабильность работы РТ

3.1.5 Угловая индикатриса излучения РТ Выводы к параграфу 3.

3.2 Формирование пучка источника излучения зеркальными коллекторами ^

3.3 Газоразрядный магнетронный источник ЭУФ и ВУФ излучения

3.4 Монохроматоры РСМ-500 и LHT 30 и их применение в объединенном измерительном стенде

3.4.1 Монохроматор РСМ-500 и его оптическая схема

3.4.2 Связь длины волны монохроматора со шкалой отсчетных устройств

3.4.3 Влияние размера щелей в плоскости главного сечения решетки на ширину полосы пропускания монохроматора j ^

3.4.4 Полоса пропускания решетки, разрешение решетки и ее вклад в полосу пропускания монохроматора ^

3.4.5 Полоса пропускания и угловая апертура монохроматора PCM 500 для идеальной решетки с полностью освещенной рабочей площадью ^

3.4.6 Полоса пропускания и угловая апертура монохроматора РСМдля реальной решетки ^

3.4.7 Влияние высоты щелей на выходную интенсивность, вертикальную угловую апертуру и ширину полосы пропускания ^ монохроматора Выводы по разделу 3.

3.5 Погрешности юстировки монохроматора РСМ

3.5.1 Влияние взаимного перекоса щелей и решетки на аппаратное разрешение и эффективность монохроматора

3.5.2 Влияние погрешности установки копира на точность измерения длины волны.

3.5.3 Влияние взаимного расположения выходной щели и линии перемещения решетки на измерение длины волны

3.6 Влияние спектральной аппаратной ширины монохроматора на достоверность измерения исследуемых спектральных характеристик Выводы по разделам 3.4-3.

3.7 Монохроматор ВУФ излучения ЬНТ-30 и его применение в объединенном стенде

3.7.1 Оптическая схема монохроматора ЬНТ

3.7.2 Расчет ширины спектральной полосы пропускания монохроматора ЬНТЗО

Выводы по параграфу 3.

3.8 Формирование пространственных характеристик падающего на образец пучка

3.8.1 Формирование вертикальной и горизонтальной угловой апертуры зондирующего луча щелевыми коллиматорами

3.8.2 Формирование горизонтальной угловой апертуры зондирующего луча зеркальными коллекторами

3.9 Выбор и оптимизация конструкции мониторного канала регистрации РИ

3.10 Методика юстировки объединенного рефлектометра и его составных частей

3.11 Приемники РИ, применяемые в объединенном лабораторном стенде и их эффективное использование

Выводы к главе

Введение диссертация по физике, на тему "Методы исследований элементов многослойной оптики в мягком рентгеновском и вакуумном ультрафиолетовом диапазонах"

Значительная часть работы посвящена решению метрологических задач, связанных с измерениями нового класса объектов, и оптимизации разрабатываемого оборудования и методик измерения для решения метрологических задач в этой области физических исследований.

Актуальность работы

С совершенствованием технологии изготовления многослойных структур (МС) появились многослойные структуры нормального падения, что привело к разработке изображающих оптических схем и инструментов с зеркалами нормального падения не только в диапазоне МР, но и в ближайших к нему ЭУФ и ВУФ диапазонах [7]. Они нашли эффективное применение в оптических схемах внеатмосферных телескопов, установленных на космических аппаратах (КА) [8, 9] и при создании высокоразрешающих рентгеновских микроскопов [10]. Эффективность применения МС в научных и прикладных исследованиях напрямую зависит от их физических свойств, прежде всего отражательных характеристик, определяемых микроструктурой пленок в атомарных масштабах и являющихся сложной функцией толщин пленок, физико-химических и геометрических свойств поверхности подложки, условий роста пленок [6, 11, 12]. До широкого распространения технологии МС в этой спектральной области применялась только оптика полного внешнего отражения (ПВО), иначе оптика скользящего падения, обладающая небольшой угловой апертурой и значительными аберрациями даже теоретически непригодная для получения высококачественных изображений в рентгеновских лучах

13]. В отличие от нее, оптика нормального падения при наличии соответствующей формы и качества поверхности зеркал, обработанных с субнанометровой точностью

14], теоретически позволяет получать изображение с разрешением, близким к дифракционному пределу [15].

Технологический процесс изготовления МС в обязательном порядке сопровождается технологическими контрольными измерениями и при изготовлении плоских зеркал может использоваться исследовательское оборудование для жесткого рентгеновского диапазона 0.01-0.025нм - это серийно выпускаемые промышленностью дифрактометры. Окончательные исследования, в силу неполноты данных, получаемых от измерений в жестком рентгене, в обязательном порядке осуществляются на специальной аппаратуре - рефлектометрах с рабочим диапазоном излучений, соответствующим рабочей длине волны изготавливаемой зеркальной многослойной структуры. С увеличением сложности рентгенооптических элементов модернизировалась и создавалась новая исследовательская аппаратура в рабочих диапазонах изготавливаемых структур. Появление научного интереса к многослойным структурам, первоначально на вогнутых, а впоследствии и на выпуклых поверхностях, обусловило появление задачи создания оборудования, позволяющего обеспечить как сопровождение технологии создания многослойных структур на неплоских поверхностях, так и выходной контроль этих оптических элементов. Ввиду того, что интенсивно росло разнообразие размеров и форм рентгенооптических элементов, возникла задача создания наиболее универсальной аппаратуры, позволяющей локально по поверхности исследовать не только многослойные структуры на поверхностях произвольной формы, но и другие оптические элементы МР и ЭУФ диапазона.

К настоящему времени за рубежом созданы и эксплуатируются несколько лабораторных [17,18] и стационарных (на станциях синхротронного излучения) рефлектометров. Лидирующим в мире по своим характеристикам является стационарный рефлектометр на станции СИ "ВЕ88У-П", (Германия, Физико-Технический департамент стандартов) [16], позволяющий исследовать образцы большого диаметра, по всей поверхности и с высокой точностью. Синхротронные источники остаются уникальным оборудованием и не могут быть использованы в большинстве лабораторий.

В последнее время особенно интенсивно развернулись работы по проекционной ЭУФ литографии [19, 20], успех которых во многом обеспечивается созданием комплекса осветительных и проекционных элементов изображающей оптики сверхвысокого качества, использующих МС технологию на длину волны 13.5нм. Это новейшее направление промышленного производства интегральных радиоэлектронных компонентов постепенно переходит из области научных интересов в область коммерческих. Все рентгенооптические элементы по программе создания отечественной литографии на 13.5нм требуют исследования в процессе создания и контроля по выходным параметрам.

Степень научной разработанности проблемы

Научная проблема, решаемая в работе - спектрально оптические исследования явлений отражения/прохождения и рассеяния, а также интерференции и дифракции при взаимодействии МР и ВУФ излучения с искусственно созданными или естественными структурами.

Мягкое рентгеновское излучение относится к длинноволновой области Х-лучей, или рентгеновских излучений (РИ), названных по имени первооткрывателя Рентгена В.К., (1895г.) [21]. РИ интенсивно исследовалось с начала XX века не менее известными исследователями, такими как Баркла, Сэдлер и Кэй (1907г.) [22, 23] исследовавшими РИ с помощью фильтрующих экранов и М. Лауэ (1912г.) [24], давшим описание впервые наблюдаемому эксперименту по дифракции «белого» РИ на кристалле. Эти исследования подтвердили природу РИ как электромагнитной волны, с длиной волны на 2-4 порядка меньшей видимого светового спектрального диапазона и описываемой теми же законами оптики, что и оптика видимого диапазона. Обнаруженные Г. Мозли (1913г.) [25] закономерности в характеристических спектрах РИ были позже описаны В. Косселем (1916г.) [26] в теории характеристического излучения на основе теории атома Бора. В соответствии с этой теорией, характеристические спектры РИ являются отражением строения внутренних электронных оболочек атомов, и изучение этих спектров являлось одним из инструментов дальнейшего развития квантовой теории атома.

У.Г. и У.Л. Брэгги (1914г.) [27] предложили использовать кристаллическую решетку как монохроматор для выделения из «белого» РИ монохромного излучения определенной длины волны, положив начало рентгеноспектральному и рентгеноструктурному анализу, а заодно и научному приборостроению в рентгенооптике, создав первый спектроскоп РИ.

Кристаллы-монохроматоры - первые элементы рентгеновской оптики, сочетают высокую спектральную селективность и значительные (десятки процентов) пиковые коэффициенты отражения. В области жесткого РИ основу дисперсионных и отражающих элементов, до настоящего времени, составляют именно неорганические кристаллы и зеркала скользящего падения [28, 29]. Уже в 1931г. в рентгеноспектральном, а затем и в рентгеноструктурном анализе стали применять изогнутые кристаллы-монохроматоры [30, 31], позволяющие увеличить светосилу и пространственное разрешение монохроматоров.

Открытие Комптоном (1922г.) [32, 33] эффекта полного внешнего отражения (ПВО) рентгеновских излучений от зеркальных поверхностей твердых тел, при скользящих углах падения излучения, легло в основу рентгеновской ПВО оптики. Это явление характеризуется критическим углом ПВО, отсчитываемым, как правило, от линии проекции луча на поверхность зеркала ПВО, что традиционно определило преимущественный способ отсчета углов в рентгенооптике, в отличие от оптики видимого диапазона, где традиционно отсчет ведется от нормали. С 30-х годов XX века и до современности эта оптика находит широкое применение в оптической рентгеновской аппаратуре. Достоинством ПВО оптики является широкая полоса пропускания по длине волны и высокий коэффициент отражения, а недостатки заключаются в невысокой светосиле (по сравнению с оптикой нормального падения), наличии значительных геометрических аберраций и дифракционного уширения при использовании в изображающих схемах.

Часть спектрального диапазона РИ, лежащая в спектральном интервале от длинноволновой границы жесткого РИ Л>0.6 нм до ультрафиолетовой части спектра А<200нм является областью излучений, для которой создаются методики исследования и аппаратура, являющиеся предметом этой диссертации рис. 1. мкм

ЮОнм

Длина волны, X Юнм 1нм

0.1 нм

0.01нм Я iv ф

Экстремальный

ОШЧЯ м^ллЛШШЯ I

ЯЗзяюв

1эВ

ЮэВ

ЮОэВ 1кэВ ЮкэВ 1 ООкэВ

Энергия фотона, Е

Рис. 1. Область спектра, рассматриваемая в настоящей работе (отмечена штрихом).

Исследовательская аппаратура и методики в спектральных диапазонах, граничащих с МР и ВУФ, имеют значительные различия. с

На коротковолновой границе (жесткое РИ) применяются спектрометры с естественными кристаллами с межплоскостными расстояниями, значительно меньшими длин волн излучения интересующего нас диапазона.

Ультрафиолетовые спектрометры с дифракционными решетками, работающими на углах близких к нормальным углам падения, не могут быть использованы для разложения в спектр МР излучения 0.4<Л<10нм, ЭУФ излучения 10<Л<60нм и ВУФ излучения 50<Л<200нм, представляющих интерес в рамках настоящей работы. Отличительной особенностью всех перечисленных спектральных диапазонов является значительное поглощение излучения в атмосферном воздухе при нормальных условиях рис. 2.

0 1 2 3 4 5 О

Длина волны, нм а)

Рис.2. Прозрачность атмосферы в МР, ЭУФ и ВУФ диапазонах по данным [84]:

30 60 90 120

Длина волны, нм

Ь)

150 а) - прозрачность 1 см сухого воздуха в МР диапазоне, Ь) - прозрачность 1 мм сухого воздуха в ультра МР, ЭУФ и ВУФ диапазонах.

Сложности, возникающие в связи с сильным поглощением излучений этого диапазона не только в атмосфере, но и в тонких пленках материалов, долгое время сдерживали исследования в этом диапазоне.

Первые две волны интереса к этому диапазону прошли в 30-х и 50-х годах XX века, когда изучались фундаментальные свойства и характеристики взаимодействия излучения этого спектрального диапазона с веществом. При этом применялись практически те же рентгенооптические элементы: зеркала ПВО и кристаллы. Применение кристаллов ограничивалось значением удвоенного межплоскостного расстояния в используемом кристалле, и длинноволновая часть спектрального диапазона оставалась недоступной исследователям. В МР области, вплоть до Л~10 нм, применялись органические кристаллы (КАР, ЯАР, ОАО и др.), обладающие подходящими периодами решеток [34, 35].

В длинноволновой части спектра, до А~16 нм, нашли применение молекулярные многослойные пленки, представляющие собой послойно наносимые на подложку мономолекулярные слои солей длинноцепных карбоновых кислот [36]. Искусственные кристаллы и Ленгмюр-Блоджеттовские пленки обладают низкой эффективностью отражения в длинноволновом диапазоне, что ограничивает их использование на длинах волн более 2 нм.

Интенсивные исследования этой области спектра начались только с работы Комптона и Дюэйна (1926г.) [37], показавшей, что рентгеновские спектры можно изучать отражением излучения от дифракционной решетки при очень малых скользящих углах ПВО. Тибо и Осгуд (1927г.) [37] применили отражательные дифракционные решетки для изучения спектров очень мягких рентгеновских лучей. Однако отсутствие современного высоковакуумного оборудования, чувствительных приемников РИ и ряд других причин технического характера не позволили развернуть исследования в этой области спектра до 1952г, когда Пайор сконструировал вакуумный спектрометр с фотоэлектрическим приемником на диапазон 10-80нм. Роджерс и Чалклин (1954г) [37] построили спектрометр в рабочем диапазоне 2-20нм со счетчиком Гейгера в качестве детектора.

Существенный вклад в развитее техники и методик исследований в мягком рентгеновском и ЭУФ диапазонах внесли работы Лукирского П.И., Румш М.А.и коллектива рентгеновской лаборатории, окончательно сформировавшейся на кафедре электричества ЛГУ в 1952 г. В настоящее время это лаборатория ультрамягкой рентгеновской спектроскопии на кафедре электроники твердого тела СПбГУ [38]. Заметный вклад в создание спектральной аппаратуры для этого диапазона, вместе с другими сотрудниками этой лаборатории, внес А.П. Лукирский. Под его руководством в лаборатории были проведены необходимые предварительные исследования и технические работы, предваряющие создание макета спектрометра [39] и серийно выпускаемого с 60-х по 90-ые годы XX в. спектрометра-монохроматора РСМ500, который остается и в настоящее время единственным отечественным спектрометром в этой области спектра.

В состав разработанного А.П. Лукирским монохроматора РСМ500 входила навесная сменная камера с гониометром, предназначенная для исследования угловых характеристик отражения/рассеяния от плоских зеркал и дифракционных решеток [13]. Это лабораторное оборудование обеспечило первые отечественные рефлектометрические исследования в области MP и ЭУФ излучений и осталось единственной серийно выпущенной аппаратурой приспособленной для этой цели. При ведущем участии сотрудника ИПФ АН СССР Забродина И.Г. в 1986 г. была разработана новая конструкция навесной камеры с гониометром для исследования оптических характеристик плоских образцов (отражательных решеток, зеркал с ПВО и первых зеркал на основе MC технологии) с техническими характеристиками, близкими к штатной камере с гониометром.

Первая публикация о создании специализированного лабораторного рефлектометра за рубежом, предназначенного для аттестации плоских многослойных зеркал в Lockheed Palo Alto Research Laboratory относится к 1988г. [39].

Среди зарубежных монохроматоров скользящего падения, пригодных для целей создания рефлектометрической аппаратуры для этого диапазона длин волн, по своим характеристикам выделяются спектрометры фирмы McPherson [40, 41, 42]. Среди дисперсионных элементов, применяемых в монохроматорах MP и ЭУФ излучения, нашли широкое применение дифракционные решетки скользящего падения, прежде всего вогнутые [43, 44, 45].

Современные решеточные спектрометры MP и ЭУФ излучения, построенные по роуландовской схеме [46], обладают высокой дифракционной эффективностью, Rd¿> 10%, при спектральном разрешении Л/0Я~ 1000-5000 в области длин волн 4<Д<60 нм и ШЛ~ 100-1000 при 0.4<Л<4 нм [47]

Цели работы

1. Создание универсального вакуумного гониометра с 5-ю степенями свободы исследуемого объекта и 3-мя степенями свободы приемника излучения, обеспечивающего возможность измерений локальных коэффициентов отражения и рассеяния от образцов с произвольной формой поверхности диаметром до 300 мм и числовой апертурой не более 0,5.

4. Создание лабораторных рефлектометров, перекрывающих совместно рабочий спектральный диапазон 0,6-200 нм

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующем:

Практическая ценность

• Разработанные методики и аппаратура обеспечили метрологию научной аппаратуры, разрабатываемой по программам КОРОНАС-И, КОРОНАС-Ф и КОРОНАС-ФОТОН отечественных и международных программ исследования Солнечной короны.

• Разработанные методики и аппаратура обеспечили необходимыми измерениями работы по созданию оптики для проекционной ЭУФ литографии, проводимые в ИФМ РАН и ряде зарубежных исследовательских центров.

• Разработанные в диссертации методики и аппаратура готовы для применений в промышленности.

Методология и методы исследования

Предметом исследования диссертации являются разработка приборов и методов для исследования оптических свойств объектов рентгеновской оптики: МС с произвольной формой поверхности, плоских/вогнутых/выпуклых дифракционных решеток, фильтров и др., характеризующих энергетические соотношения между компонентами излучения МР, ЭУФ и ВУФ диапазонов при взаимодействии излучения с поверхностью и объемом исследуемых объектов. Основные методики исследования объектов подобного типа и теоретическое обоснование их результатов были разработаны в оптике видимого диапазона излучений [9]. Диапазон излучений, в котором исследуется предмет настоящей диссертации имеет свои специфические особенности, которые делают неприемлемым прямое применение методов оптики видимого диапазона для решения поставленной задачи. В равной степени неприемлемым оказывается в этом диапазоне прямое заимствование методических разработок, сформировавшихся в диапазоне жесткого рентгеновского излучения [6,10]. Рабочий диапазон исследований, занимающий почти два с половиной порядка по длине волны, отличается специфичностью применяемой аппаратуры (вся аппаратура вакуумная), разработке которой посвящена значительная часть диссертации.

Личный вклад автора

Автор сформулировал и ¡ решил поставленную перед ним задачу создания измерительных методов и оборудования для исследования оптических характеристик отражения/рассеяния и прохождения в МР и ВУФ диапазонах излучений для образцов с произвольной формой поверхности.

При определяющем участии автора в составе коллектива разработан широкодиапазонный рефлектометр для исследования оптических характеристик в спектральном диапазоне от 4,0 до 200 нм [А27], [А28], А31], [А35], [А53], [А54], [А61], [А67].

С использованием разработанных рефлектометров и методик автором лично производились исследования: структур с малыми периодами [А16], [А17], [А18] , стрессов в структурах [А25], оптимизации изготовления МС [А24], [А26], [А36], [А62], качества поверхности [АЗЗ], [А34] и исследование связанные с рядом задач возникающих при создании проекционной ЭУФ литографии [А20], [А50], [А69, А70, А72, А74,А75].

Положения, выносимые на защиту

2. Создан универсальный вакуумный гониометр для исследования многослойных зеркал с произвольной формой поверхности, обеспечивающий необходимые манипуляции с исследуемым объектом (5 степеней свободы): в экваториальной и меридиональной плоскости, с точностью по углам 0,005°, позиционирование объекта относительно падающего пучка с точностью не хуже 0,1 мм, позиционирование локального исследуемого элемента поверхности на ось гониометра с точностью не хуже 0,025 мм, и манипуляции приемником излучения (3 степени свободы): в экваториальной и меридиональной плоскости с точностью по углам 0,01°, позиционирование относительно оси гониометра с точностью 1 мм.

Степень достоверности, и апробация работы

Значительная часть диссертации посвящена исследованию достоверности производимых измерений с применением разработанных методов и аппаратуры. Практическое сравнение результатов измерений произведенных на разработанном автором оборудовании и на оборудовании синхротронного центра "BESSY-II" (РТВ, Германия) показало высокое совпадение результатов измерений как спектрально-угловых, так и энергетических характеристик исследуемых объектов

Результаты, полученные в диссертации, докладывались на российских и международных конференциях: Международного симпозиума "Коротковолновые лазеры и их применение",(1990, Самарканд), 5-Всесоюзное совещание по диагностике высокотемпературной плазмы. (1990, Минск), XV Intern, confer, on X-Ray and Inner-Spell Prosesses. (1990, USA), Europhysics Industrial Workshop EIW-9 "Nanometer-Scale methods in X-ray Technology", (1993, Netherlands), International Conference "Interference phenomenci in X-ray scattering", (1995, Russia), Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для i исследования материалов. (1997, 2003, Москва), Всероссийское Совещание «Рентгеновская оптика» (1998, 1999, 2000, 2002, 2003, 2004, Нижний Новгород), Российской конференции Микро - и наноэлектроника 98, (1999), Российской Конференции по «Использованию Синхротронного Излучения» (2000, Новосибирск), , International Conference "Micro- and nanoelectronics" (2003, 2005, 2007 , Звенигород), International Workshop «SEMATECH EUV Source» (2003, Santa Clara, Ca, США), International «Extreme Ultraviolet» (2003 Antwerp, Belgium), International Conference on «Physics of X-Ray Multilayer Structures» (2004 Sapporo, Japan), Рабочее совещание по Программе отделения физических наук РАН «Новые материалы и структуры» (2004 Нижний Новгород, 2007 Черноголовка), Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (2005, 2006, 2008, 2009, 2010, 2011 Нижний Новгород), XVII International Synchrotron Radiation Conference SR-2008, (2008, Novosibirsk, Russia), Совещание «Рентгеновская оптика» (2008 Черноголовка).

Работа состоит из введения,3-х глав и заключения.

В первой главе дается обзор существующих методик рефлектометрии, проводится анализ их применимости для решения поставленной задачи рефлектометрии многослойных структур с произвольной формой поверхности и предлагаются авторские методики исследований, отвечающие поставленной задаче. Предлагаемые методики апробированы автором на большом количестве исследованных объектов. В главе рассматриваются границы применения предлагаемых методик. По результатам проведенного исследования формируются представление и основные требования к исследовательскому оборудованию, предназначенному для практической реализации этих методических разработок. Значительное место уделено возникновению возможных случайных и систематических погрешностей при определении абсолютных значений измеряемых величин: коэффициентов отражения и прохождения, положения пиков отражения и полуширин кривых качания.

Вторая глава посвящена разработанному автором лично и в составе коллектива сотрудников оборудованию для рефлектометрии в МР и ЭУФ диапазонах. В ней дается описание оборудования, существовавшего в исследовательской группе до постановки задачи и частично модернизированного автором для исследований плоских многослойных структур. Дается описание и основные характеристики универсального вакуумного гониометра, предназначенного для решения поставленной задачи рефлектометрии и описание разработанного рефлектометра МР и ЭУФ диапазона. Приводится оптическая схема и описание рефлектометра с расширенным спектральным диапазоном в область ВУФ излучений.

В главе описаны основные изменения, внесенные в конструкции составных частей рефлектометра, обеспечившие его оптимизацию для работы во всем рабочем спектральном диапазоне.

В конце главы приведены примеры применения разработанных и рассмотренных в работе методик и аппаратуры для рефлектометрии конкретных объектов исследования из опыта осуществления автором исследовательских работ.

В третьей главе рассматриваются вопросы оптимизации составных частей рефлектометра на основе рассмотрения физических принципов работы составных частей и их наилучшей адаптации к условиям использования в спектральном диапазоне МР, и ЭУФ излучения.

Рассмотрены особенности возбуждения МР излучения рентгеновскими трубками в этом спектральном диапазоне. Найдены существенные различия с эксплуатацией трубок в жестком рентгеновском диапазоне и даны рекомендации по изменению конструкции трубки в целях повышения ее эффективности и соответствия поставленной задаче исследования поверхностей произвольной формы.

Рассмотрены возможности повышения эффективности монохроматора, светосилы и ширины полосы пропускания и даны рекомендации по его юстировке и оптимальной настройке.

Рассмотрены разные типы и конструкции мониторного канала и сделан выбор в пользу предложенной конструкции с обтюратором, а также произведена оптимизация самой методики измерения с монитором для конкретных значений измеряемой величины.

Приведена схема авторской конструкции приемника излучения, обеспечивающая необходимую рабочую площадь входного окна, равномерность чувствительности и высокую эффективность регистрации фотонов интересующего нас диапазона

В главе приводятся авторские методики юстировки разработанных рефлектометров, а также рассматриваются вопросы возникновения погрешностей измерения, связанные с базовой настройкой оборудования.

В заключении приводятся основные результаты работы.

В приложении А дается подробное описание программного обеспечения (ПО) процесса измерения, его возможностей и настройки.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в 76 работах, из которых 36 - в реферируемых журналах и 40 докладов в трудах симпозиумов, конференций и семинаров.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 88 названий, авторского списка, включающего 79 наименований, и изложена на 273 страницах машинописного текста, в том числе 104 рисунка и 8 таблиц.

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы экспериментальной физики"

Основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, можно сформулировать следующим образом:

2. Создан универсальный вакуумный гониометр, обеспечивающий измерение локальных коэффициентов отражения и рассеяния от образцов с произвольной формой поверхности с максимальным диаметром до 300 мм и числовой апертурой не более КА=0,5.

3. На основе универсального гониометра, монохроматора и рентгеновской трубки создан лабораторный рефлектометр, позволяющий изучать оптические элементы в спектральной области 0,6-8 нм, не уступающий по основным техническим характеристикам аналогам, существующим в единичных экземплярах в мире.

4. Разработан рефлектометр с расширенным спектральным диапазоном от 4,0 до 200 нм, объединяющий универсальный гониометр, монохроматор РСМ500 с источником РТ и монохроматор ЬНТЗО с газоразрядным источником.

5. Разработана электроника и программное обеспечение, обеспечивающие оперативное управление 8-ю электрическими приводами рефлектометра и управление сбором, обработкой и хранением данных измерений, а также автоматическое исполнение пакетных заданий из встроенного списка измерений.

Заключение

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Зуев, Сергей Юрьевич, Нижний Новгород

1. Spiller, Е. Propagation of х rays in waveguides / Eberhard Spiller and Armin Segmuller // Appl. Phys. Lett. 1974. - V.24. - P.60.

2. Barbee, T.W. (Jr.) Sputtered layered synthetic microstructures (LSM) dispersion elements / T.W. Barbee (Jr.) // Low energy X-ray diagnostics: Proc. conf., Monterey, USA, 1981. N. Y.: Amer. Inst. Phys., 1981. - P.l31-145.

3. Gaponov, S.V. Long wave X-ray radiation mirrors / S.V. Gaponov, S.A. Gusev, B.M. Luskin, and N.N. Salashchenko//Opt. Commun. 1981. - V.38. - P.7-11.

4. Du Mond, J. Selective X-ray diffraction from artificially stratified metal films deposited by evaporation / J. Du Mond, J.P. Youtz // Phys. Rev., 1935, V.48.No.8. P.703.

5. Spiller, E. Low-loss reflection coating using absorbing materials / E. Spiller // Appl. Phys. Lett. 1972. - V.20.No.9. - P.365-367.

6. Виноградов, A.B. О многослойных зеркалах для рентгеновского и далекого ультрафиолетового диапазона / А.В. Виноградов, Б.Я. Зельдович // Оптика и спектроскопия. 1977. - Т.42.№4. - С.709-714.

7. Underwood, J.H Soft-X-ray imaging with a normal incidence mirror / J.H. Underwood, T.W. Barbee (Jr) //Nature. 1981. - V.294.No.5839. - P.429-431.8. http://coronas.izmiran.rssi.ru/9. http://www.tesis.lebedev.ru/aboutkoronas foton.html

8. Спиллер, E. Сканирующий рентгеновский микроскоп с зеркалами нормального падения. Рентгеновская оптика и микроскопия / Под ред. Г. Шмаля и Д. Рудольфа: Пер. с англ. ИМ.: Мир. 1987. - С.305-311.

9. Borrmann, G. Uber extinktionsdiagramme von quarz // Physikal Z., 1942,V.42, P.157-162.

10. Vinogradov, A.V. X-ray and far UV multilayer mirrors: principles and possibilities / A.V. Vinogradov, B.Ya. Zeldovich // Appl. Opt. 1977. - V.I6.N0.I. - P.89-93.

11. Виноградов, A.B. Зеркальная рентгеновская оптика / A.B. Виноградов, И.A. Брытов, Ф.Я. Грудский, М.Т. Коган, И.В. Кожевников, В.А. Слемзин; под общей ред. А.В. Виноградова// JL: Машиностроение. Ленинградское отд-ние. 1989. - 463 с.

12. Барышева, М.М. Прецизионная изображающая многослойная оптика для мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового диапазонов /М.М.

13. Барышева, А.Е. Пестов, H.H. Салащенко, М.Н. Торопов, Н.И. Чхало // Успехи физических наук. т. 182. - № 7. - 2012. - С.727-747

14. Михельсон, H.H. Оптические телескопы. Теория и конструкция. /М :Наука, 1976, 512с.

15. Gullikson, Е. М. A Soft X-Ray EUV Refiectometer Based on a Laser Produced Plasma Source/ E. M. Gullikson, J. H. Underwood, P. C. Batson, V. Nikitin//Journal of x-ray science and technology 3, 283-299 (1992)

16. Tümmler, J. Characterization of the PTB EUV reflectometry facility for large EUVL optical components J. Tümmler, H. Blume, G. Brandt. J. Eden. B. Meyer, H. Scherr, F. Scholze, G. Ulm .III ProcSPIE5037(2003)265.

17. Akira, Miyake LPP-based refiectometer for characterization of EUV lithography systems/ Akira Miyake; Takeshi Miyachi; Mitsuaki Amemiya; Takayuki Hasegawa; Nobuaki Ogushi; Takeshi Yamamoto; Fumitaro Masaki; Yutaka Watanabe.//ProcSPIE5037(2003)647.

18. Meiling, H. The EUV program at ASML: an update / H. Meiling, V. Banine, P. Kurz, В. Blum, G.J. Heerens, N. Harned // Proc. SPIE. 2003. - V.5037. - P.24-35.

19. Рентген, B.K. О новом виде лучей. //M.-JI.,1939

20. Barcia, С.С. // Phil. Mag., 1911,v22,p406

21. Keye, G.W.C. //Phil. Trans., 1908, v 209,pl23

22. Friedrich, W., Knipping P., Laue M. //Sitzungbr Bay Akad Wiss (191 303; reprinted in Die Naturwissenschaften 16 (1952) 36

23. Moseley, H.G.J. //Phil. Mag., 1913,v.26,p.703

24. Kossei, W. //Verh. Deutsch. Phys. Ges., 1916, Bd 18,S.339,396

25. Bragg, W. H. Bragg. W.L. //Proc. Roy. Soc. (Lon),1913, v. A 88, p428

26. Гинье, А. Рентгенография кристаллов / Под ред. Н.В. Белова // М:Гос. изд. физ.-мат. лит-ры. 1961. - 604 с.

27. Kirkpatrick, P Formation of Optical Images by X-Rays / P. Kirkpatrick, A.V. Baez //J. Opt. Soc. Am. 1948. - V.38. - P.766.

28. Johann, H.H. //Zs. f. Phys. 69, 185 (1931)i

29. Cauchois, Y. //Journ. de Phys. et le Radium 4,6 (1933)i

30. Compton, A. H. / Bull. Nat. Res. Couns. 1922. V. 20. P. 48-54

31. Compton, A. H. /Phil. Mag. 1923. V. 45. P. 1121-1126.

32. Фридман, Г. Рентгеновская спектроскопия // Усп. физич. наук. 1965. - Т.87. -С.675-709.

33. Baun, W.L. Instrumentation, spectral characteristics and applications of soft X-ray spectroscopy //Appl. Spectrosc. Revs. 1968. - V.l. - P.379-432.

34. Blodgett, K.B. Built up films of barium stearate and their optical properties / K.B. Blodgett, I. Langmuir // Phys. Rev. 1937. - V.51. - P.964-982.

35. Зимкина, T.M. Ультрамягкая рентгеновская спектроскопия / T.M. Зимкина, В.А. Фомичев // Л.: Изд-во ЛГУ. 1971. - 132 с.38. www. phу s. spbu. ru/

36. Windt, D. L. Multilayer characterization at LPARL/ D. L. Windt R. C. Catura // Proc. SPIE, 984, 82-88 (1988)

37. Spraque, O. Calculation of a grating efficiencies in the soft X-ray region / O. Spraque, D. Tombolian, D. Bedo//J. of Opt. Soc. Amer. 1955. - V.45.No.9. - P.756-761.

38. Зайдель, A.H. Вакуумная спектроскопия и ее применение / А.Н. Зайдель, Е.Я. Шрейдер // М.: Наука. 1976. - 432 с

39. Пейсахсон, И.В. Применение вогнутых дифракционных решёток в спектральных приборах // Современные тенденции в оптике и спектроскопии. Новосибирск: Наука, 1982. С. 94-125.

40. Heilmann, Ralf К. Schattenburg Blazed high-efficiency x-ray diffraction via transmission through arrays ofnanometer-scale mirrors / Ralf K. Heilmann, Minseung Ahn, Eric M. Gullikson, and Mark L // Optics express. June 2008. - V.16.No.l2 - P.8658-8669.

41. Сивухин, Д.В. Общий курс физики т.4. Оптика. /-М: Физматлит 1980, 752 с.

42. Гельфанд, И. М. Обобщённые функции и действия над ними/ И. М.Гельфанд, Г. Е.Шилов //- М: Физматлит, 1959, 470 с.

43. Платонов Ю. Я. Рентгеноптические исследования характеристик многослойных структур./Ю. Я. Платонов, Н. И. Полушкин, Н. Н. Салащенко, А. А. Фраерман//ЖТФ, т.57, В11,1987,С.2192-2199.

44. Фраерман, А.А. Определение параметров коротко-периодных многослойных рентгеновских зеркал./ Фраерман А.А., Вайнер Ю.А. Митенин СВ., Салащенко Н.Н., Шамов Е.А.// Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 1997, №12. С.57-61.

45. Попов, H.JI. Определение параметров многослойных наноструктур с помощью двухволновой рентгеновской рефлектометрии./H.JI. Попов, Ю.А. Успенский, А.Г. Турьянский, И.В. Пиршин, А.В. Виноградов, Ю.Я. Платонов.//ФТП,т37,в6,2003,с.700-705.

46. Вайнер, Ю.А. Исследование поперечной корреляции шероховатости границ в многослоцных структурах/ Ю.А. Вайнер, А.Е. Пестов, К.А, Прохоров, Н,Н. Салащенко, А.А. Фраерман, В,В, Чернов, Н.И. Чхало// ЖЭТФ,т130,вЗ(9), 2006,с.401-408.

47. Barysheva, M.M. Problem of roughness detection for supersmooth surfaces./ M.M. Barysheva , B.A. Gribkov, Yu. A. Vainer, M.V. Zorina, A.E. Pestov, Yu. Ya. Platonov, D.N. Rogachev, N.N. Salashchenko, N.I. Chkhalo// ProcSPIEv8076( 80760M).

48. ГОСТ P 8.643-2008. Рефлектометры экстремального ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн 10-30 нм. Методика поверки./-М: Стандартинформ,2008.

49. Якимчук, И.В. Исследование эффекта шепчущей галереи на сферической поверхности в жёстком рентгеновском диапазоне /И.В. Якимчук, Б.С. Рощин, И.В. Кожевников, В.Е. Асадчиков, Дж. Ванг// Кристаллография, 2008, т.53, №6, c.l 11-117.

50. Елисеенко, Л.Г. Изучение пространственного и энергетическогоIраспределений рентгеновской фотоэмиссии массивных катодов/ Л.Г. Елисеенко, В.И. Щемелев, МЛ. Румш // Журн. эксперим. и теорет. физ., 1967, т . 52, вып. 2, с.329-336.

51. Лукирский, А.П. Применение дифракционных решеток и эшелетов в области ультрамягкого рентгеновского излучения/А.П. Лукирский, Е.П. Савинов// Оптика и спектроскопия. tomXIV, вып 2,1963, с.29560. http://www.salut.nn.ru/'

52. Блохин, М.А. Физика рентгеновских лучей/М.А. Блохин//-М.:ТТЛ, 1953,-455с.

53. Иванов, С.А. Рентгеновские трубки технического назначения./ С.А. Иванов, Г.А. Щукин//-Л.:Энергоатомиздат, Лен.отд.,1989, -200 с.

54. Блохин, М.А. Рентгеноспектральный справочник./Блохин М.А., Швейцер И.Г.//-М.: Наука, 1982, 376с.

55. Кикоин, И.К. Таблицы физических величин. Справочник./И.К.Кикоин ред.//-М., Атомиздат,1976, 1008с.

56. Бабичев, А.П. Физические величины. Справочник./ Под. редИ.С. Григорьева, З.С. Мейлихова//- М., Энергоатомиздат,1991, -1232 с.66. http ://henke .lbl.gov/opti calconstants/

57. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов./И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев//-М.:Наука, 1986,-544 с.

58. Выгодский, М.Я. Справочник по элементарной математике./ М.Я. Выгодский// -М.: ACT,2005,509с

59. Пейсахсон, И.В. Оптика спектральных приборов./И.В. Пейсахсон //-Л.: Машиностроение, 1975,-312с.

60. Борн, М. Основы оптики./М. Борн, Э.Вольф//- М.:Наука,1973,- 720с.

61. Худсон, Д. Статистика для физиков./Д. Худсон. Пер с англ. В.Ф. Грушина//-М.: Мир, 1970,-292 с.

62. Ахсахалян, А.Д. Оптимизация многослойных рентгеновских зеркал в системах эллиптических цилиндров и эллипсоидов вращения./ А.Д.Ахсахалян, Е.Б. Клюенков,

63. В.А. Муравьев, Н.Н. Салащенко. //Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 12005, N2, с. 28-35

64. Айнбунд, М. Р. Вторично электронные умножители открытого типа и их применение./ М. Р Айнбунд, Б.В.Поленов// М.: Энергоиздат, 1981. -140 с.

65. Фоменко, B.C. Эмиссионные свойства материалов. Справочник./ B.C. Фоменко.//- К.: НауковаДумка,1981,-339 с.

66. Соммер, А. Фотоэмиссионные материалы/ А. Соммер, пер. с англ. A.JI. Мусатова// М.: Энергия, 1973,-176 с.

67. Добрецов JI. Н. Эмиссионная электроника/ Jl. Н. Добрецов, М. В. Гомоюнова// -М.:Наука, 1966,-564 с.

68. Бронштейн, И.М. Вторичная электронная эмиссия/И.М. Бронштейн, Б.С. Фрайман // -М., Наука, 1969,-408 с.

69. Тютиков, A.M. Электронные умножители открытого типа./ Тютиков, А.М.//УФН,170,Т100,ВыпЗ, с.467-50282. http://www.baspik.com/83. http://www.sjuts.com/

70. Green, М. I. Fast-timing characteristics of same channel electron multipliers/ Green M. I., Kenealy P.F. Beard G.B. //. -Nucl. Instrum. And methods, 1972, v.99, p.445-451

71. Кэбин, Э. Ядерная электроника для пользователей.// http://nuclphys.sinp.msu.ru/electronics/

72. Psrkes, W. The use of cascaded channel plates as high gain electron multipliers/ Psrkes W., Gott R.//-Nucl. Instrum. and Methods,, 1971, v. 95, N 3,p. 487-491

73. Wiza, J.L MicroChannel plate detectors/ J.L Wiza // Nucl. Instrum. and Methods, 1979, v/162, N1-3, psrt 2, p. 587-601.

74. Audier, M. Multiplicateur a galette de microcanaux: amélioration des performances de gain et de dynamique de détection/ Audier M., Delmote J.C., Boutot J.P.// Revue Phys. App., 1978, t,13,p. 188-194.1. Авторский список

75. А8. Platonov, Yu. Ya. Multilayer mirrors and filters for soft x-ray spectroscopy of high-temperature plasma/ Yu.Ya.Platonov, S.V.Bobashev, N.N.Salashchenko, D.M.Simanovsky, L.A.Shmaenok, S.Yu.Zuev// Proc.SPIE, v.2011,1994, pp.476-488.

76. A 10. Salashchenco, N.N. Multilayer X-ray optics for synchrotron radiation/ N.N. Salashchenco, Yu.Ya. Platonov, S.Yu. Zuev //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A359 (1995), 162-167. .

77. A 14. Salashchenko, N.N. Multilayer optics for X-ray and EUV radiation/ N.N. Salashchenko, S.S. Andreev, Yu.Ya. Platonov, E.A. Shamov, S.Yu. Zuev, A.I. Chumakov //Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1996, N3-4, с.21-42.

78. Aló. Andreev, S.S. Short period x-ray multilayers/ S.S. Andreev, A.A. Fraerman, К.A. Prokhorov, N.N.Salashchenko, E.A. Shamov, S.A. Zuev, F. Schaefers //SPIE Proc. 3406, 7079 (1998).

79. A 17. Прохоров, К.А. 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. N1, 1999, с. 166-169.

80. Материалы 13-й Российской Конференции по Использованию Синхротронного Излучения. Новосибирск. 17-21 июля 2000. С. 277-278.

81. А24. Андреев, С.С. Оптимизация технологии изготовления многослойных Mo/Si ззркал/ С. С. 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, JI.A. Суслов!/Поверхность №1, с.66-73, 2001.

82. А25. Andreev, S.S. Stress reduction of Mo/Si multilayer structures/ S.S. Andreev, N.N. Salashchenco, L.A. Suslov, A.N. Yablonsky, S. Yu. Zuev //Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 470 (200 Í), 162-167.

83. A26. Зуев. С.Ю. Многослойные дисперсионные элементы на основе В4С для спектральной области Х=6.7-8 нм/ С.Ю. Зуев, Е.Б. Клюенков, КА. Прохоров, H.H. Салащенко II Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2002, N1, 27-31.

84. А27. Зуев, С.Ю. Измерение характеристик оптических элементов рентгеновских телескопов/ С.Ю. Зуев, A.B. Митрофанов/ÍYI оверхность. Рентгеновские синхротронные и нейтронные исследования. 2002, №1, с. 81-83

85. И.А. Шерешевскш, И.А. Житник//Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2003, № 1, с. 6-11.

86. АЗЗ. Бибишкин, М.С. Определение микрошероховатости поверхностей с помощью мягкого рентгеновского излучения/ М.С.Бибишкин, С.Ю. Зуев, Н.Н. Салащенко, Н.И. Чхало //Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. №1.2003. С. 94-96.

87. A38. Андреев, С.С. Исследование отражательных характеристик многослойных зеркал в диапазоне длин волн 0.6-10 нм/ С.С.Андреев, М.С. Бибишкин, Б.А.Володин,

88. A42. Bibishkin, M.S. Apparatus and methods for investigations of multilayer mirrors in the0.6-20 nm spectral range/ M.S. Bibishkin, D.P.Chekhonadskih, N.I. Chkhalo, I.A. Kaskov,

89. E.B. Klyuenkov, A.E. Pestov, N.N.Salashchenko, I.G. Zabrodin, S.Yu Zuev И Proceedings of ththe 7 International Conference on the Physics of X-Ray Multilayer Structures. March 7-11 2004. Rusutsu Resort. Sapporo. Japan. 07-02.

90. А47. Андреев, С.С. Многослойные дисперсионные элементы на основе Mg, предназначенные для работы на X =30.4 нм/ С.С. Андреев, С.Ю. Зуев, А.Л. Мизинов,

91. B.Н. Полковников, H.H. Салащенко //Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2005, N8, 9-12.

92. C.Ю. Зуев, И.А. Каськов, Е.Б. Клюенков, А.Я. Лопатин, H.H. Салащенко, Л.А. Суслов,

93. Полковников, Д.Г. Раскин, Н.Н. Салащенко, Л.А. Суслов, М.Н. Торопов, Н.И. Чхало/Материалы симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», г. Нижний Новгород, 10-14 марта 2008 г., т.1, с. 224-225.

94. A58. Барышева, M.M. Изучение строения и отражательных характеристик в окрестности К-края поглощения бора La/B4C(B9C) многослойных структур/ М.М. Барышева, С.С. Андреев, Ю.А. Вайнер, С.А. Гусев, С.Ю. Зуев, А.Е. Пестов,

95. B.Н. Полковников, Н.Н. Салащенко, Н.И. Чшло//Материалы рабочего совещания «Рентгеновская оптика-2008», Черноголовка, 6-9 октября 2008 г. с.32-34.

96. C.Hermans and A.BenMoussaHApplied Optics/Vol. 48, No. 5,10 February 2009, pp.834841

97. А69. Зуев, С.Ю. Система освещения маски ЭУФ-нанолитографа/C.iö. Зуев, А.Е. Пестов, В.Н. Полковников, Н. Н. Салащенко, А. С. Скрылъ, И.Л. Струля, М. Н.

98. Торопов, H. И. Чхало// Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. №6. 2011. С. 10-13.

99. А70. Зуев, С.Ю. Двухзеркальный проекционный объектив нанолитографа на А,=13,5 нм. Известия РАН /С.Ю. Зуев, А.Е. Пестов, H.H. Салащенко, A.C. Скрыль, И.Л. Струля, Л.А. Суслов, М.Н. Торопов, Н.И. Чхало/7 Серия физическая. Том 75. №1. 2011. С. 61-64.

100. А73.3уев, С. Ю. Оптимизация применения монитора в измерительных стендах рефлектометрии мягкого РИ/ С. Ю. Зуев, И.Г. Забродин/7 Труды 16-го международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», г. Нижний Новгород, 12-16 марта 2012г., т.2, с. 559-560.