Рентгенооптические методы - полное внешнее отражение с учетом рассеяния и микроскопия - в анализе границ раздела конденсированных фаз тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.18 ВАК РФ

УДК 53534; 548.732

На правах рукописи

Асадчиков Виктор Евгеньевич

Рентгенооптические методы - полное внешнее отражение с учетом рассеяния и микроскопия - в анализе границ раздела конденсированных фаз

Специальность 01.04.18 - «Кристаллография, физика кристаллов»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2003

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени

Институте кристаллографии им. А.В.Щубникова РАН.

Научный консультант:

доктор химических наук, профессор Б.В.Мчедлишвили

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Хейкер Даниэль Моисеевич

доктор физико-математических наук, профессор

Бублик Владимир Тимофеевич

доктор физико-математических наук, профессор

Бушуев Владимир Алексеевич

Ведущая организация:

Московский государственный институт электроники и математики

Защита диссертации состоится октября 2003 г. в ^^часов

на заседании диссертационного Совета Д 002.114.01 в Институте кристаллографии А.В.Шубникова РАН по адресу: 119333, Москва, Ленинский проспект 59.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института кристаллографии А.В.Шубникова РАН.

Автореферат разослан « 7 7" »

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук^д жУ7

В.М. Каневский

1У7?7

1 .Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Достигнутые в последние десятилетия успехи в физике полупроводников и микроэлектронике в значительной мере определяются развитием физики и технологии многослойных структур. С другой стороны, бурный прогресс рентгеновской оптики обусловлен в большой степени использованием новых оптических элементов, также создаваемых на базе многослойных систем. К таким элементам относятся рентгеновские зеркала скользящего и нормального падения, френелевские и брегг-френелевские зонные пластинки, а также различного рода концентраторы и монохроматоры. Типы применяемых элементов и их реализация определяются выбором длины волны рентгеновского излучения, используемого для решения той или иной физической задачи. Можно указать следующие важнейшие области применения рентгенооптических элементов на базе многослойных структур:

• рентгеновская астрономия;

• рентгеновская литография;

• рентгеновская микроскопия.

Актуальность стоящих здесь задач такова, что над их решением работают большие коллективы исследователей в рамках национальных и межгосударственных проектов.

При создании рентгенооптических элементов все возрастающую роль играет развитие независимых средств их метрологического контроля. Это связано с тем, что получение высоких коэффициентов отражения излучения возможно лишь в случае, когда поверхности подложек и наносимых на них покрытий являются достаточно гладкими по сравнению с длиной волны применяемого излучения. В частности, при создании зеркал для рентгеновской литографии требуется обеспечить гладкость подложек и наносимых на них покрытий на уровне 0.1 - 0.2 нм и лучше. Отметим, что толщина наносимых покрытий (в этом случае лежащая в пределах от единиц до десятков нанометров) должна выдерживаться вдоль плоскости покрытия и от слоя к слою с точностью 0.1 - 0.2 нм. Поэтому использование для контроля гладкости поверхностей и толщины наносимых покрытий излучения с длиной волны того же порядка, т.е. коротковолнового рентгеновского излучения является весьма актуальным.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.Петербург

оэ 3005 ЪХ\)5Ц_

Поскольку и подложки, и наносимые покрытая не всегда имеют кристаллическую структуру, традиционные методы рентгеновской кристаллографии становятся не применимы. По этой причине развиваемые в данной работе подходы, основанные на использовании явления полного внешнего отражения рентгеновских лучей с учетом рассеяния, адекватны решаемым задачам.

Наряду с развитием методов контроля качества рентгенооптических элементов естественным представляется желание использовать сами эти элементы для решения ряда задач в области рентгеновской микроскопии. Рентгеновская микроскопия как метод наблюдения скрытых деталей, непрозрачных в видимом диапазоне объектов, с варьируемой глубиной проникновения и микронным или субмикронным разрешением, все больше привлекает внимание исследователей в области физического материаловедения, химии, биологии и медицины. В частности, для биологии и экспериментальной медицины актуальность метода продиктована поиском инструмента, способного обеспечить наблюдение за такими процессами, как развитие эмбриональных зародышей, трансформация и рост их внутренних органов, рост и развитие опухолей, определение природы и причин происходящих доброкачественных и злокачественных изменений. Наблюдение этих процессов « in vivo» с микронным разрешением становится возможным именно в связи развитием рентгеновской микроскопии и томографии, поскольку единственным способом реконструкции внутренностей непрозрачного объекта в биологии в настоящее время остается тотальный гистологический анализ тканей, сопряженный с разрушением исследуемого объекта.

В настоящее время большая часть работ по рентгеновской микроскопии проводится в диапазоне длин волн «водяного окна» (2.2-4.3 нм), где линейный коэффициент поглощения в углероде на порядок больше, чем в воде. Вместе с тем, остаются области рентгеновского диапазона длин волн, где успехи в создании оптических элементов и в достижении субмикронного разрешения не так велики. Это относится в первую очередь к коротковолновому диапазону (А.<1нм). Варьируемая глубина проникновения в исследуемое вещество от 10 до 1000 мкм в диапазоне длин волн 0.05-0.3 нм делает этот участок спектра весьма перспективным для исследования надклеточных

образований, поскольку объекты такой толщины, как правило, непрозрачны в видимом участке спектра.

Цели и задачи работы. Целью настоящей работы являлось экспериментальное и теоретическое рассмотрение взаимодействия электромагнитного излучения в рентгеновском диапазоне длин волн с материалами, отличающимися друг от друга лишь величиной диэлектрической проницаемости. В работе с учетом специфики рентгеновского излучения, как и в оптике видимого диапазона, исследуются явления отражения и преломления на границах раздела фаз и поглощение в их объеме. Можно выделить две крупных группы задач наших исследований.

1. Разработка методов и экспериментальных установок для анализа шероховатости границ раздела конденсированных фаз по данным внешнего отражения рентгеновских лучей, включая:

- экспериментальное обоснование осуществимости метода рентгеновского контроля гладкости поверхности и определения толщины приповерхностных слоев, основанного на анализе отраженного и рассеянного излучения;

- определение параметров взаимной корреляции шероховатости пленки и подложки и степени корреляции шероховатости слоев многослойных систем;

- создание комплекса рентгеновской аппаратуры для решения этих задач.

2. Разработка, проектирование и испытание на лабораторных источниках ряда рентгенооптических элементов, пригодных для получения неискаженных увеличенных (или уменьшенных) изображений исследуемых объектов.

В этой связи для коротковолнового (0.05 - 0.23 нм) диапазона рентгеновских длин волн необходимо исследовать возможность использования зонной пластинки Френеля, многоэлементной пузырьковой линзы, асимметрично отражающего кристалла.

В области длинноволного излучения неискаженные изображения могут быть получены с применением многослойных зеркал. Поэтому мы также ставили задачей использование рентгенооптических методов для контроля изготовления подложек для таких зеркал и применение этих зеркал в рентгеновском

микроскопе Шварцшильда на длине волны 20 нм для изучения дисперсных систем на примере трековых мембран.

Научная новизна.

1. Теоретически обоснован и экспериментально реализован рентгеновский метод независимого определения шероховатости достаточно гладких поверхностей (среднеквадратичная высота шероховатости, которых не превосходит 1 нм) и толщины приповерхностных слоев переменной плотности, основанный на одновременном анализе угловой зависимости коэффициента отражения и угловой зависимости рассеянного излучения. С использованием выражений, полученных в рамках теории возмущений для случая изолированных поверхностей, проведен анализ факторов, определяющих точность эксперимента (немонохроматичность падающего излучения, конечная величина угловой апертуры приемной щели детектора, ширина падающего пучка и его расходимость), выбраны такие условия, при которых ошибка получаемых экспериментальных данных не превосходит 10%..

2. В рамках рассматриваемой модели впервые для обработки экспериментальных рентгеновских данных использованы методы анализа взаимной коррелированное™ рельефов двух границ раздела: вакуум - пленка и пленка - подложка. Для большого числа исследованных пленок различной толщины (от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров) показано, что степень корреляции изменяется в зависимости от пространственной частоты. Для случая тонких (несколько нанометров) пленок разработана методика восстановления спектра шероховатости (PSD -функции) границы раздела вакуум - пленка. Показано, что полученные таким образом результаты хорошо соответствуют независимо проведенным измерениям на атомно-силовом микроскопе.

3. Показана принципиальная возможность установления закона роста закона на примере роста карбида бора на кремнии с использованием рентгенооптических методов (для лабораторных источников, и синхротронного излучения) и, независимо, атомно-силовой микроскопии; установлено, что эти пленки, полученные по технологии магнетронного напыления, полностью покрывают поверхность подложки, начиная с толщины ~1нм.

б

4. Впервые для исследования пористых систем (на примере трековых мембран) был применен микроскоп Шварцшильда с рабочей длиной волны 20 нм; при этом было достигнуто разрешение не ниже 0.2 мкм. Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с расчетом поля при прохождении плоского волнового фронта через тонкие цилиндрические каналы в полимерной матрице. Такие мембраны трудно наблюдать как в оптический микроскоп (низкое разрешение, дифракция внутри поровых каналов), так и в более коротковолновой рентгеновской области (большое пропускание полимерной матрицы).

Практическая ценность работы.

Практическая ценность работы вытекает из решения поставленных в ней целей и задач. Отметим основные возможные применения.

1. Создан многопрофильный комплекс прецизионной рентгеновской аппаратуры для исследования поверхности твердых тел и разработана методика исследования межфазной шероховатости.

- Развитый в работе рентгеновский метод контроля шероховатости поверхности был использован для изучения факторов обработки поверхности, определяющих ее качество (в частности - влияния диаметра зерен абразива при механической обработке подложек, а также влияния условий ионного травления и нанесения покрытий).

- Этот метод был применен для исследования качества подложек различного состава, изготовленных отечественными и зарубежными производителями.

- В ряде случаев на основе проделанных нами измерений выданы практические рекомендации по улучшению качества получаемых подложек.

2. Показана возможность использования различных рентгенооптических элементов для получения неискаженных увеличенных изображений объектов.

- Создан прототип многофункционального рентгеновского микроскопа для диапазона длин волн от нескольких сотых до нескольких десятых долей нанометра.

- Развиты методы расчета рентгенооптических элементов (зонных пластинок Френеля и многоэлементных преломляющих линз).

- Методами рентгеновской микроскопии получены новые данные о структуре ряда биологических объектов и полимерных материалов, включая трековые мембраны.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на: Третьей международной конференции по изучению поверхности методами рентгеновского и нейтронного рассеяния (Дубна, 1993); ежегодных конференциях SPIE (в 1997 и 2000 гг.); Всероссийских научных конференциях "Мембраны-98" и "Мембраны-2001"; Первой национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучения, нейтронов и электронов для исследования материалов (Дубна, 1997); Национальной конференции «Структура и динамика молекулярных систем» (Москва - Казань - Йошкарола, 1997); Франко-российском коллоквиуме «DBH» (Marseille 1997); Второй национальной конференцию! по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, 1999); на конференции «Euro-membrane 99» (Leuven, Belgium, 1999); на конференции «Euroopto 99» (Berlin, Germany, 1999); Шестой и Седьмой международных конференциях по рентгеновской микроскопии (2000, 2002); Седьмой международной конференции по рентгеновским лазерам (Saint-Malo, France, June 18

- 20, 2000); Международной школе-семинаре по компьютерной автоматизации и информатизации (ACS 2000, Москва, 2000); Международной конференции «Мембранные и сорбционные процессы» (Краснодар 2000); Совещании «Рентгеновская оптика» (Нижний Новгород, 2001); Третьей национальной конференция по применению Рентгеновского, Синхротронного излучений, Нейтронов и Электронов для исследования материалов (РСНЭ-2001, Москва 2001); Пятой международной конференции по физике рентгеновских многослойных структур (Chamonix, France, 2000); Международной конференции по рентгеновской и нейтронной капиллярной оптике (Звенигород, 2001); Шестой международной конференции по физике рентгеновских многослойных структур (Chamonix, France, 2002); а также на семинаре Отделения квантовой радиофизики ФИАН и конкурсе научных работ ИК РАН в 1997 г., где были отмечены третьей премией.

Результаты работы опубликованы в 66 научных статьях, а также в виде тезисов национальных и международных конференций. Список основных публикаций представлен в конце

автореферата.

Личный вклад автора состоит в разработке всех экспериментальных методик, используемых в данной работе. Под руководством автора и при его участии создан комплекс рентгеновской аппаратуры для исследования поверхности и рентгеновской микроскопии, разработан ряд рентгенооптических элементов. Автор принимал самое активное участие в проведении экспериментальных исследований и в обработке их результатов.

Часть представляемой работы выполнена в рамках Госконтракта № 1/99, заключенного Минпромнауки РФ с Институтом кристаллографии РАН. Автор являлся руководителем данной работы.

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырнадцати глав, выводов, списка цитируемой литературы и списка публикаций по материалам работы. Общий объем диссертации - ЪЦ стр., включая 143 рисунка, 25 таблиц и библиографию из 312 наименований.

2. Основная часть Первая часть диссертации состоит из семи глав. В первой главе, представляющей собой литературный обзор, рассмотрены теоретические и экспериментальные особенности метода рентгеновской рефлектометрии применительно к изучению структуры материалов. Подробно описано явление полного внешнего отражения рентгеновских лучей. Обсуждены особенности, возникающие при отражении излучения от подложки с нанесенной на ней пленкой, а также от многослойных покрытий. Описаны способы расчета коэффициента отражения от таких систем в тех случаях, когда толщины слоев и их состав известны.

Представлены способы описания приповерхностных слоев переменной плотности, возникающих на границах раздела фаз. Показана неэквивалентность обусловленных такими слоями эффектов влиянию шероховатости границ раздела. Рассмотрены различные теоретические подходы для описания влияния такой шероховатости на коэффициент отражения и рассеяния рентгеновского излучения. Обоснован выбор теории возмущений (где возмущающим параметром является высота шероховатости) в качестве наиболее адекватной модели описания взаимодействия рентгеновского излучения со слабошероховатой поверхностью. Даны пределы применимости такого подхода. В частности, для

изотропных поверхностей интенсивность рассеянного излучения имеет вид:

ав 1 Ья sin 0О л/ccs в0 cos в

0)

PSD (v) = 4 J С [p)ca{27cvp)dp, с(р) = (ф)$(0);;

(2)

. . 2sin0 11 „ , 2л

t(9)= • а . , 2q ' v=-cos0o-COS0,; Л=--.

SinG+ /Et-COS 9 л Л

(3)

Здесь W,nc - мощность излучения, падающего на поверхность; dWsca, - мощность, рассеянная в интервале углов d6\ PSD(v) - одномерная пространственная спектральная плотность мощности поверхностных шероховатостей (от английского power spectral density); С(р) - функция корреляции шероховатостей. Отметим, что ст = ,;С(0) - среднеквадратичная высота шероховатости.

В этой главе рассмотрена также постановка обратной задачи рентгеновской рефлектометрии, а именно - задачи о восстановлении плотности в направлении, перпендикулярном к поверхности, исходя из измеренного коэффициента отражения рентгеновских лучей. Также рассмотрены требования к рентгеновским рефлектометрам. Описаны основные типы этих приборов - как лабораторных, так и применяющихся на синхротронных источниках (в том числе для исследования жидкостей) - и рассмотрены их ограничения. В приложении к этой главе представлены сведения о различных рентгенооптических элементах (принцип действия которых, основан на эффекте полного внешнего отражения), применяющихся в рентгеновских устройствах в жестком (от нескольких сотых до нескольких десятых долей нанометра) диапазоне длин волн.

Во второй главе описана созданная автором на базе двукристального рентгеновского спектрометра экспериментальная установка (рис.1). Управление экспериментом и сбор информации производятся автоматически при помощи компьютера.

В конструкцию прибора введен вакуумированный объем, что позволяет на порядок уменьшить паразитное рассеяние на воздухе и, тем самым, существенно повысить качество эксперимента.

ю

Важно отметить, что на данной установке можно исследовать образцы с большими линейными размерами - до 20 см.

Описана разработанная методика эксперимента по исследованию отражения и рассеяния рентгеновских лучей от гладких поверхностей. Проведен анализ искажений результатов, вызываемых немонохроматичностью используемого излучения и геометрическими факторами, обусловленными расходимостью рентгеновского пучка и конечными размерами формирующих и приемной щелей. Сформулированы условия, при которых экспериментальная ошибка не превосходит 10% с учетом статистического разброса.

Рис.1. Схема рентгеновской установки: 1 - рентгеновская трубка; 2 -кристалл-монохроматор; 81,82,83- трехщелевой коллиматор первичного пучка; 3 - двухкружный гониометр; 4 - исследуемый образец; 5 - вакуумный объем; Эд - приемная щель детектора; 6 - детектор БДС-8; М1, М2, МЗ -шаговые двигатели управления образцом, детектором и щелью Эд.

В третьей главе рассмотрены способы получения информации о шероховатости гладких поверхностей, исходя из анализа экспериментально полученных РБО-функций. Показано, что в ряде

случаев удобно пользоваться, так называемой, эффективной высотой шероховатости а-^ф:

"ггих

а]фф = \PSD(v)dV (4)

Ясно, что эта величина имеет смысл, если определен интервал пространственной частоты, по которому проводится интегрирование. В частности, при vmm -> 0 и vmax —» оо значение аЭфф сводится к точной в математическом смысле среднеквадратичной высоте шероховатостей а = cfo) .(Для наших измерений типичное значение vnm составляет ~ 5 мкм"1 , a vmm ~ 0,05 мкм"1).

В этой главе также описано исследование многих образцов, применяемых для различных целей. Показано, что для подавляющего большинства из них величина ст,фф не превосходит 1 нм. А для основных материалов, используемых в качестве подложек для микроэлектроники и рентгеновской оптики (синтетического сапфира, кремния, плавленого кварца) - 0.2 нм (для зарубежных производителей). Проанализированы факторы, влияющие на величину поверхностной шероховатости (размер зерна полирующего порошка, ионное травление, нанесение дополнительных покрытий).

Проведено сравнение используемого нами метода рассеяния жесткого рентгеновского излучения (hard XRS) с другими методами исследования шероховатости поверхности: рассеяние мягкого рентгеновского излучения (soft XRS), атомно-силовой микроскопия (AFM), рассеяние света (ARS) и интегрального рассеяния света (TIS). В двух последних случаях использовались разные длины волн.

Результаты, представленные в табл.1, показывают, что наилучшее совпадение наблюдается для предлагаемого нами метода и для атомно-силовой микроскопии.

В заключительной части главы представлены возможности исследования шероховатостей цилиндрически вогнутых поверхностей с использованием метода «шепчущей галереи», основанного на многократном рассеянии мягкого рентгеновского излучения

12

f

I

i

Табл. 1. Эффективная высота шероховатости по данным атомно-силовой микроскопии, рентгеновского рассеяния на двух длинах волн и двух способов __измерения рассеяния света_

Образец Описание сте(г, нм

АРМ ЬагаХЯй зоАХЯБ АЯБ Т1Й

ВК7 Полированная подложка из Стекла ВК7 0.25 0.27 0.34

8(}1 Полированная подложка из плавленого кварца 0.64 0.64 0.53

А1203 Пленка А1203 (толщина 0.1 мкм) на подложке из 8(51 0.50 0.48 0.60

М^а Пленка (толщина 0.18 цт) на аналогичной подложке 8(^1 0.95 0.76 1.03

Полированная подложка из плавленого кварца 0.34 0.46 0.76 0.4

Аи Толстая пленка Аи на 802 0.42 0.66 0.24 0.3

А8 Покрытие А§ на 802 защищеннс 0.3 мкм полимерной пленкой 0.55 0.73а 0.47ь 0.80 0.9

а для внешней поверхности слоя Ag ь для внешней поверхности защитной пленки

т Шик3

П(в)

Рис.2. Экспериментальные данные и результаты расчетов для пленки вольфрама.

а - экспериментальная зависимость коэффициента отражения (точки); кривая 1-результат расчета в предположении идеально гладкой поверхности с резкой границей раздела фаз (Ь=0) (формула Френеля); кривая 2 - расчет с учетом шероховатости (Ь=0); кривые 3 - 5 - расчеты с учетом шероховатости и модели переходного слоя в предположении, что его толщина Ь=0.7 нм (3), 0.8 нм (4), 0.9 нм (5). б - спектр поверхностных шероховатостей, определенный из эксперимента (точки) по рассеянию в области ПВО; сплошная кривая -результат аппроксимации по модели 1.48. в - экспериментальная индикатриса рассеяния П(0) (точки) для случая, когда падающий пучок лежит вне области ПВО (угол скольжения 9о =1.004°); кривые 1 - 5 - расчеты в предположении различной толщины переходного слоя: Ь=0 (1), 0.6 нм (2),0.7 нм (3), 0.8 нм (4), 0.9 нм (5), зеркально отраженный пучок в расчет не принимался.

В четвертой главе проведено совместное рассмотрение влияния слоя переменной плотности, часто возникающего вблизи поверхности, и ее шероховатости. Показано, что только одновременный учет обоих этих явлений (переходного слоя и шероховатости) позволяет полностью описать особенности отражения и рассеяния рентгеновских лучей, наблюдаемые в экспериментах, и, в частности, количественно описать т.н. «пик Ионеды». Иллюстрация этого утверждения приведена на рис.2. Для расчета полной угловой зависимости коэффициента отражения Щ0о) была использована модельную зависимость следующего вида:

г0Ы = 1-

1+лТи

(5)

где Ь - толщина переходного слоя.

Пятая глава посвящена анализу корреляции рельефа подложки и нанесенной на нее пленки. Рассмотрены два случая, когда толщина пленки составляет несколько нанометров, и когда она составляет несколько десятков нанометров. В первом случае интенсивность рассеяния представляется в виде:

где РЩ;(V) = 4\су{р)с<42пур)Лр; а

С, (/>) = (#, (Р^М + Р)}; (8)

Величины Ау определяются лишь оптическими константами пленки, подложки и толщиной самой пленки (с!):

Ап =!(1-Ег)^о(0,ео)ч'(0(е)12 А22 =1(ег-е5)м;(с1,0о)Ч/(<1,0)|2

А12 = 211е где

(1 - ег )(8, - 8Г )>0(о,е0)у(о,9)у*((1,е0)М/*(с1,е)

(1 + г12е2-)

Ч'о(о.е) =

1 + г„,г,,е

1 + г01г12е

Ги

2к.

(9)

ко = кет 9; к} = к,/ег — соэ2 9 ; к2 = к ¡г,-ссв26 ;

2ж

Выражение (5) справедливо для изотропных пленок при условии малости углов скольжения и рассеяния б0, 9« 1, а также малости длины волны по сравнению с длиной корреляции межслоевой шероховатости X « а. Эти условия всегда выполняются в рентгеновском диапазоне длин волн.

В правой части выражения (5) выделяются три слагаемых, физический смысл которых в следующем: первое и второе слагаемые определяют рассеяние от верхней и нижней границ раздела соответственно, а третье - интерференцию волн, рассеянных на коррелированных шероховатостях. Мы обратили внимание на зависимость коэффициента А)2 от пространственной частоты V. При данной толщине пленки эта зависимость является осциллирующей, и при определенных значениях V (разных в зависимости от угла скольжения падающей волны) А]2=0 (рис. 3).

0123456789 10 -1

V , мкм

Рис. 3. Зависимость коэффициента Ац по формуле.(9), описывающего интерференцию волн, на обеих границах раздела пленки, от пространственной частоты V = (совбо - соз0)Д при различных углах скольжения падающего излучения (в угловых секундах). Пленка АЬОз толщиной 5.7 нм на подложке из ситала.

Если толщина пленки известна (это можно сделать, например, исходя из угловых положений соответствующих максимумов и минимумов на угловой зависимости коэффициента отражения), а PSD-функция подложки (PSD22) экспериментально определена заранее, то мы получаем возможность определения PSD-функции пленки (PSDn), при тех значениях пространственных частот, когда А12=0. Затем можно провести экстраполяцию PSDn во всем диапазоне пространственных частот измерений и, далее -вычислить функцию PSD12. Сравнение полученных таким образом PSD-функций для двух разных пленок с соответствующими результатами атомно-силовой микроскопии представлено на рис. 4,

зависимость степени коррелированное™ рельефов пленок и подложек - на рис. 5, а таблице 2 приведены значения эффективных высот шероховатости для всех исследованных образцов.

Таблица 2

Эффективная высота шероховатости ад подложек и нанесенных на них

покрытий в диапазоне прост ранственных частот 0.1-4 мкм

Подложка <Тея нм Пленка стегг нм

Ситал 0.59 А120з, толщина 5.7 нм 0.46

ситал 0.59 А1203, толщина 8.6 нм 0.47

плавленый кварц 0.52 Мо, толщина 5.5 нм 0.6

плавленый кварц 0.62 А12Оз, толщина 5.8 нм 0.49

Рис.4. РБО-функции для верхней границы пленок АЬОз толщиной 5.7 нм и Мо толщиной 5.5 нм по данным рентгеновского рассеяния (точки) и атомно-силовой микроскопии (сплошные линии).

Мо ( 5.5 нм) А12Оэ (5.7 нм) ' нм)

ОД

С (5.8 нм)

1

V , мкм

Рис.5. Зависимость

коэффициента корреляции шероховатости пленки и подложки от пространственной частоты

Мы видим (рис. 5), что степень коррелированности рельефа пленки и подложки хотя и зависит от их материалов, но всех случаях уменьшается с пространственной частотой, а также с увеличением толщины пленки. На качественном уровне такой же вывод получен и при исследовании пленок большей (десятки нанометров)толщины.

В шестой главе описано исследование ряда пленок карбида бора различной толщины методами атомно-силовой микроскопии и рентгеновского рассеяния с использованием синхротронного излучения. Предложена модель, описывающая закон роста этих пленок, полученных методом магнетронного распыления на подложках из кремния. Под законом роста здесь понимается зависимость рельефа пленки (или точнее говоря, ее РвБ-функции) от рельефа подложки. За основу мы взяли обычную линейную модель роста пленок. Однако с учетом полученных обоими методами экспериментальных данных такое описание возможно лишь в случае, когда параметры релаксации Ь зависят не только от пространственной частоты, но и от толщины самой пленки. Закон роста в таком случае имеет вид:

где п есть постоянный параметр, представляющий характерный объем растущего элемента (атома, молекулы или кластера), а функция Ь(у,Ь) описывает релаксацию поверхности пленки. Такой подход не только позволил описать количественно оба типа экспериментов, но и сделать вывод о том, что пленка полностью покрывает поверхность подложки при толщинах ~1 нм.

Более того, при определенных допущениях, мы получаем возможность описать количественно рассеяние от структур с чередующимися парами слоев, один из которых - карбид бора. Соответствующие примеры для двух образцов многослойных зеркал, параметры которых представлены в табл. 3, даны на рис.6, 7.

а>*

10' 10* ю: 10' 10' Ю-1

2 з 0,градусы

Рис.7. Измеренная (кружки) и рассчитанная диаграммы

рассеяния для образца В (>. = 0.15 нм, 9о=0.827°).

4 5 6 7 8 9 10 11

9, градусы

Рис.6. Экспериментальная (кривая 1) и рассчитанная (кривая 2) диаграммы рассеяния для образца А (X = 0.15 нм, 0о=2.3°). Кривые 3 и 4 рассчитаны соответственно для случаев полностью некоррелированных и полностью коррелированных шероховатостей интерфейсов.

Практически все представленные экспериментальные результаты были получены на лабораторной рентгеновской установке, описанной в главе 2. Однако этот прибор не свободен от недостатков. В частности, в автоматическом режиме углы поворота образца и детектора не превышают трех градусов. Это явно ограничивает возможности прибора, например, для исследований особенностей отражения и рассеяния многослойных структур. В связи с этим в седьмой главе была поставлена задача о создании нового универсального дифрактометра для решения более широкого круга задач. Представленная схема прибора и его технические характеристики показывают, что разработанный дифрактометр может быть использован для самых различных направлений исследования, начиная с малоуглового рассеяния и кончая рентгеноструктурным анализом. Одновременное использование обоих детекторов позволяет реализовать эксперименты по многоволновой дифракции.

Ближайшей задачей в процессе эксплуатации этого прибора должно стать (что будет показано ниже) исследование поверхности методом полного внешнего отражения рентгеновских лучей и исследование структуры жидкостей.

Схема этого рентгеновского дифрактометра с подвижной системой «излучатель - детектор» изображена на рисунке 8. Рентгеновская трубка с кристаллом-монохроматором и коллимационной системой закреплена на кольцевой опоре 4; на

такой же опоре закреплены счетчик излучения с кристаллом-анализатором. Трубка и детектор имеют возможность поворота в плоскости своих кольцевых опор вокруг вертикальной оси в интервале углов от -30 до +30°. Они также могут вращаться вокруг горизонтальной оси вместе с опорами в интервале углов от 0 до 35 . Угол поворота кольцевых опор вокруг оси контролируется датчиками угловых перемещений. Исследуемый образец устанавливается на юстировочном столе. Этот стол обеспечивает возможность смещения образца в горизонтальной плоскости и его покачивание в двух взаимно перпендикулярных направлениях (оси поворотов которых лежат в горизонтальной плоскости). Предусмотрено и вертикальное перемещение образца. Кроме того, сам стол (вместе с образцом) может вращаться в горизонтальной плоскости. При этом контроль угловых перемещений стола осуществляется датчиком угла. Помимо обычного сцинтилляционного детектора в конструкцию дифрактометра введен одномерный позиционно-чувствительный детектор. Угловые перемещения источника, счетчика, а также исследуемого образца производятся с помощью шаговых двигателей. Электронно-регистриующие блоки дифрактометра выполнены в стандарте КАМАК. Управление работой дифрактометра осуществляется с помощью персонального компьютера.

Приведем пример использования описываемого прибора. Нами была получена кривая отражения рентгеновского многослойного зеркала. Это зеркало, изготовленное в оптической группе Европейского синхротрона в Гренобле методом магнетронного напыления, представляет собой 19 пар чередующихся слоев карбида бора и вольфрама, нанесенных на подложку из кремния. Толщина слоя вольфрама - 2 нм, а толщина слоя карбида бора - 5.1 нм. Нанесение начиналось со слоя карбида бора. Экспериментальная угловая зависимость коэффициента отражения представлена на рис.9.

Рис.8. Схема базового рентгеновского дифрактометра с подвижной системой «излучатель-детектор».

1 - рентгеновская трубка, 2 - кристалл-монохроматор, 3,12 -коллимационная система, 4 - кольцевая опора рент1 еновской трубки, 5 -кольцевая опора детектора, 6 - сцинтилляционный детектор, 7 - ось вращения кольцевых опор(4 и 5), 8 - исследуемый образец, 9 - держатель образца с юстированным столом, 10 - рентгеновский пучок, 11 - линейный позиционно-чувствительный детектор, 13 - кристалл-анализатор.

Начиная с 0.5° экспериментальные значения, полученные на двух использованнных установках, неразличимы в том масштабе, в котором выполнен рис.8. Однако, дифрактометр, описываемый здесь, позволяет проводить измерения в гораздо более широком

интервале углов. Так экспериментальная кривая, представленная на рис.9, измерена до 8° с угловым шагом 13 сек., определенным с помощью датчиков. Причем падение интенсивности составляет более 6 порядков. На рис.8 представлена также теоретическая кривая такой структуры, рассчитанная с учетом названных выше параметров многослойной структуры по формуле Паррата

/(0) = |го1(0)| , где величина г0,1(9) вычисляется из рекуррентной формулы:

,=а4

л-1

1 +г ¥

(П)

Здесь г„,п+,=а2„хЕпк/Еп, Рп. I ,п=( л п-1 - Л)/(Л п-1+П п), Т1п=(Мп2+со526),/2, ап=

=ехр(-1кт]Д1/2), п=0,1,2,...М; к=2я/Х, X - длина волны излучения. Еп, ЕПК - амплитуды падающего и отраженного поля в середине п-го слоя, комплексный показатель преломления которого N„=1 - 5П - 1рп; п=М для подложки, толщина которой достаточно велика, так что Гм.м+1^-

Отметим, что в экспериментальной и теоретической кривых совпадают не только угловое положение 12 брегговских максимумов (кроме 10, который в эксперименте не обнаруживается), но также положение и число максимумов Киссига (между вторым и третьим, а также третьим и четвертым брегговскими максимумами). Отсутствие полного совпадения экспериментальной и теоретической кривых может быть объяснено несколькими причинами. В частности, верхний слой зеркала представляет собой пленку вольфрама. Со временем на его поверхности нарастает окисный слой. Его толщина, оцененная по положению диффузного максимума, предшествующего первому брегговскому, составляет-10 нм. Кроме того, при малых толщинах слоев в исследуемом многослойнике даже небольшое изменение их структуры по толщине может приводить к заметному изменению отражения. К изменению угловой зависимости коэффициента отражения может приводить и шероховатость внешней и внутренних границ раздела.

На данном дифрактометре были измерены также угловые зависимости коэффициента отражения дистиллированной воды с полимерными слоями на ее поверхности. Толщины этих слоев составили от 5.5 нм до 7.35нм в зависимости от количества полимера, нанесенного на поверхность.

—I—I—I—I—1—I—I—I—1—I—I—I—.—I—1—I

012345678 0, градусы

Рис.9. Угловая зависимость коэффициента отражения рентгеновского многослойного зеркала \У/В,|С в интервале углов до 8°. Излучение - СиКа.

Вторая часть работы начинается с восьмой главы, которая посвящена анализу литературы в области рентгеновской микроскопии (главным образом биологических объектов). В первой части этой главы рассмотрены достижения в области рентгеновской микроскопии за последние двадцать лет. Заметна тенденция использования рентгеновской микроскопии, как промежуточного инструмента, обеспечивающего разрешение более высокое по сравнению с оптической микроскопией, но меньшее, чем достигнутое в электронной микроскопии. Однако преимуществом рентгеновской микроскопии является большая глубина резкости, возрастающая с уменьшением длины волны.

Приведены данные о наиболее значимых экспериментах в области «водяного окна», а также болеежесткого и более мягкого диапазона длин волн. Описана техника контактной микроскопии: источники, детекторы, климатические камеры. Подчеркивается, что

наибольших успехов удалось достичь в диапазоне «водяного окна». Большая часть экспериментов в настоящее время проводится с использованием лазерно-плазменного источника и резиста полиметилметакрилат в качестве детектора. Вместе с тем, несмотря на очевидные успехи в этой области, существуют и значительные проблемы, сдерживающие ее развитие. Они связаны как с недостаточной глубиной проникновения излучения в ткани (в области «водяного окна») для исследования многоклеточных биологических препаратов (и животных), так и невозможностью повторного исследования тех же препаратов - они разрушаются под воздействием радиации или перегрева при экспонировании.

В этой главе описаны в большей или меньшей степени все рентгенооптические элементы, используемые для получения увеличенных изображений. Однако вторая часть данного обзора в основном посвящена проблемам проектирования и изготовления зонных пластинок Френеля. На лучших образцах таких пластинок достигнуто субмикронное разрешение, а их дифракционная эффективность составляет 10 - 20%. Зонные пластинки Френеля изготавливаются либо по рулетной технологии (на тонкий стрежень напыляются попеременно два материала, а затем полученная заготовка разрезается по диаметру на тонкие цилиндры, которые шлифуются и полируются до нужной толщины - от нескольких микрон до нескольких десятков микрон), либо литографическими методами с протравливанием цилиндрических полостей. В данной работе ставилась задача получения изображений биологических, органических и неорганических объектов с использованием различных рентгенооптических элементов.

В главе 9 описано применение многослойных зеркал для получения увеличенных ( ~ 20 раз) изображений объектов с помощью рентгеновского микроскопа Шварцшильда на длине волны 20 нм. Коэффициент отражения многослойных зеркал молибден - кремний составил на эгой длине волны ~ 20 %. На тест-объектах было показано, что разрешение такого микроскопа не хуже 0.2 мкм.

Рис. 10. Изображения пор в трековых мембранах с диаметром 0.2 мкм, полученные с помощью рентгеновского микроскопа Шварцшильда с рабочей длиной волны 20 нм.

Рис. 11. Изображение регулярной трековой мембраны с диаметрами пор 0.5 мкм и периодом 1 мкм, полученные с помощью рентгеновского микроскопа с длиной волны 20 нм и электронного микроскопа.

На этом микроскопе мы исследовали трековые мембраны с диаметром пор от 1 до 0.15 мкм, причем их расположение было как случайным, так и регулярным. На рис.10, 11 представлены некоторые из рентгеновских изображений. Плотность пор и их размеры соответствуют данным электронной микроскопии. Важно отметить, для проведения рентгеновских исследований поверхностная или объемная структура этих мембран не подвергалась никакой обработке.

При проведении экспериментов оказалось, что при диаметрах пор 0.15 мкм и менее мембрана становится непрозрачной, видимо, ввиду дифракции внутри трековых каналов. Теоретические расчеты поля за мембраной выполнены путем численного решения параболического волнового уравнения (12) в предположении, что на ее поверхность падает плоская монохроматическая волна

Е = иегкг:

Ик— + А1и + к2(£-1) = 0 (12)

Полученные результаты подтверждают высказанное предположение.

Глава 10. Для проведения экспериментов по визуализации рентгеновских изображений на длинах волн 0.07 - 0.229нм с использованием стандартных рентгеновских трубок нами был разработан и испытан макет рентгеновского микроскопа. Микроскоп разрабатывался на основе малоуглового дифрактометра АМУР -1.

Основные перемещения автоматизированы тремя шаговыми двигателями. Изготовленные приставки обеспечивают установку и юстировку формирующих щелей, образца, рентгенооптических элементов и приемника в различных местах оптической скамьи, что небходимо для экспериментов с использованием контактной, изображающей и сканирующей микроскопии. Модернизированная установка успешно испытана, получены рентгеновские микроизображения. Схема данной установки представлена на рис.12.

Рис.12. Схема рентгеновского микроскопа на базе малоуглового дифрактометра АМУР-1.1. Рентгеновская трубка, 2. Кристалл-

монохроматор, 3. Система горизонтальных и вертикальных коллимирующих щелей, 4. Держатели образца, 5. Ось вращения гониометра, 6. Держатель приемника, 7. Сцинтилляционный детектор, 8. Шаговый двигатель.

В главе 11 рассматривается методика применения микрорадиографии для наблюдения внутренней структуры непрозрачных в видимом диапазоне биологических и органических объектов. Используется монохроматическое излучение с длиной волны 0.229 нм. Для выбранной длины волны рентгеновского излучения подобраны способы подготовки биологических образцов, позволяющие с одной стороны сохранить без искажений их внутреннюю структуру, а с другой - обеспечить сочетание оптимальной глубины проникновения излучения и рентгеновского контраста. Разработана методика получения рентгеновских контактных микроизображений биообъектов. Исследованы различные классы биологических объектов: личинки амфибий, эмбриональные зародыши на разных стадиях развития, элементы скелета холоднокровных. Внутренняя структура образцов исследована без нарушения целостности с разрешением порядка 2 мкм. Метод применен для количественного определения деминерализации костной ткани испанского тритона после пребывания в состоянии невесомости. Экспериментально показана возможность получения нескольких проекций (в том числе и стереопар). Метод микрорадиографии применен для исследования полимерных матриц со сквозными каналами (трековых мембран).

Полученное разрешение в этом случае составило 1 мкм на калиброванных объектах.

Рис. 13. Стереопары эмбриональных зародышей зеленой жабы Bufo bufo на ранних стадиях развития (4 бластомера). Контактная микроскопия. Длина волны 0.229 нм.

Глава 12 посвящена расчетам, проектированию и испытаниям слоистых зонных пластинок Френеля. С использованием метода связанных волн в приближении медленных амплитуд была создана компьютерная программа, которая использовалась для оптимизации материалов и толщины зонной пластинки. Изучены возможности создания зонных пластинок с использованием сочетания различных типов стекол, металлов и диэлектриков, двух различных металлов. В окончательном варианте по нашему проекту в Харьковском политехническом институте была изготовлена зонная пластинка Френеля для работы в диапазоне 0.05-0.3 нм. Для производства использовалась технология магнетронного напыления попеременно 2 материалов на тонкую проволоку. После напыления полученный «рулет» со слоистым покрытием разрезался на маленькие цилиндры (толщиной примерно 500 мкм), которые помещались в оправку из припоя, и ионным утонением, шлифовкой и полировкой доводились до оптимальной толщины. Параметры этой зонной пластинки представлены в таблице 4.

Рассчитанная с использованием метода медленных амплитуд зависимость дифракционной эффективности такой зонной пластинки от ее толщины представлена на рис.14.

Электронно-микроскопическое изображение изготовленной пластинки представлено на рис.15. Несмотря на несовершенство полученных экземпляров зонной пластинки, видно, что закон роста зон более или менее выполняется (рис. 15). Это было основанием для проведения испытаний рентгенооптических свойств этой зонной пластинки. Нам удалось зарегистрировать как с помощью сцинтилляционного детектора, так и на рентгеновской пленке эффект фокусировки излучения, возникающий при взаимодействии рентгеновского излучения с зонной пластинкой. Рассчитанное с помощью пакета программ, основанном на решении параболического волнового уравнения (и уже примененным для моделирования изображения в микроскопе Шварцшильда (см. гл.9)) положение и интенсивность фокуса согласуются как с приведенными аналитическими оценками, так и с экспериментальными результатами.

Таблица 4

Длина волны 0.229 нм

Число зон 60

Радиус нулевой зоны 50 мкм

Радиус внешней зоны 72.4 мкм

Ширина нулевой зоны 0.458 мкм

Ширина внешней зоны 0.316 мкм

Фокусное расстояние 0.1 м

Материалы Си, Сг

Толщина 6.5 мкм

Пропорция материалов 1:1

Материал мандрела Просвинцованное

стекло

Рнс.14. Эффективность дифракции (в процентах) в слоистой структуре Си-Сг в приближении 2 (1), 3 (2) и 20 (3) порядков дифракции при наклонном падении излучения под углом 2.5*10'3.

Рис 15. Электронно-микроскопический снимок зонной пластинки Си-Сг.

Глава 13 посвящена полунению изображений при помощи многоэлементной преломляющей линзы. Такая линза (рис.16), называемая также микрокапиллярной или микропузырьковой, представляет собой цепочку воздуных пузырьков, разделенных тонкими пилимерными перемычками в капилляре малого диаметра. При этом каждый отдельный пузырек является микролинзой. По нашим техническим условиям в Белорусском государственном университете была изготовлена микрокапиллярная линза, оптимизированная для работы с излучением СгКа (Л=2.29 А). Данная линза обладает следующими параметрами:

• Радиус канала капилляра 100 мкм

• Химическая формула полимера СюоН^сюСЬ^

• Плотность полимера 1.08 г/см3

• Коэффициент поглощения

для фотонов с энергией 5.4 кЭв 20 см

• Показатель преломления п= 1 -5 5=8.3 • 10'6

• Число линз 67

• Фокусное расстояние Р=К/(251<Г) 9 см

• Средняя толщина перешейка <1 10 мкм

• Пропускание центральной части 0.26

Мы применили модифицированный дифрактометр АМУР-1 в схеме пропускающего рентгеновского микроскопа с использованием в качестве рентгенооптического элемента многоэлементной преломляющей линзы. Экспериментальные результаты получения с помощью такого рентгенооптического элемента как не увеличенных, так и увеличенных изображений представлены на рис.17. Все изображения, данные на этом рисунке, получены в оцифрованном виде при помощи оптического микроскопа с установленной на него видеокамерой, видеосигнал которой обрабатывается компьютером. Данная установка была собрана нами для проведения экспериментов по рентгеновской микроскопии.

Отметим, что количественные оценки оптических свойств данной микрокапиллярной линзы, проведенные по методу трассировки лучей и путем численного решения параболического уравнения, позволяют ожидать, что разрешение данной линзы по объекту будет составлять 1 -2 микрона.

Таким образом, результаты расчетов и экспериментов показывают, что даже с использованием лабораторных рентгеновских источников данная многоэлементная линза позволяет за разумное время получать изображения с разрешением до 1 мкм объектов с линейными размерами порядка 1 мм

Рис17. Сетка с периодом Т=60 мкм в оптическом микроскопе (а), контактный рентгеновский снимок (б), рентгеновские снимки с линзой с увеличением -1 (в) и с увеличением ~3(д). На рис (г) приведено (в том же масштабе) изображение оптической миры с расстоянием между длинными штрихами - ! 00 мкм

В главе 14 рассмотрены возможности получения увеличенных рентгеновских изображений с использованием асимметричного отражения от монокристалла. Данный оптический элемент широко используется в оптике рентгеновских лучей для формирования пучка. С его помощью можно или уменьшить (в одном направлении) размер падающего на него пучка в несколько раз, или расширить пучок (при выполнении для падающего пучка условия Брегга), существенно уменьшив при этом его угловую

ЮС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.Петербург > ОЭ 300 акт

расходимость. Такой монохроматор представляет собой совершенный монокристалл, поверхность которого срезана под некоторым углом у к отражающим плоскостям. На рис.16 схематично показано, как происходит расширение пучка при асимметричном отражении.

отражении излучения от монокристалла.

Таким образом (при определенном расположении поверхности такого кристалла к падающему рентгеновскому пучку) отраженный им пучок становится значительно шире. В случае, когда в падающий пучок помещен исследуемый образец, в отраженном пучке мы получаем его увеличенное в одном направлении изображение. Для получения увеличения в другом направлении может использоваться второе отражение от аналогичного кристалла. Теоретические оценки показывают, что с использованием предлагаемой схемы можно достичь разрешения вплоть до 1мкм при поле зрения, ограниченным лишь размерами самого кристалла. Следует, однако, заметить, что разрешение не одинаково по всему полю зрения и зависит, в первую очередь, от того, насколько близко исследуемый элемент образца расположен к отражающему кристаллу. Максимально достигнутое нами разрешение составило -20 мкм, при этом удалось увеличить изображения исследуемых объектов примерно в двадцать раз.

ВЫВОДЫ

1. Методически и экспериментально реализован рентгеновский метод контроля шероховатости сверхгладкиих поверхностей (среднеквадратичная высота шероховатости, которых не превосходит 1 нм), основанный на анализе угловой зависимости рассеянного излучения:

- теоретической основой этого метода является рассмотрение возмущений электромагнитного поля зондирующего излучения, вносимых шероховатой границей раздела, а в качестве возмущающего параметра рассматривается высота шероховатости;

- с использованием выражений, полученных в рамках теории возмущений для случая изолированных поверхностей, проведен анализ факторов, определяющих точность эксперимента (немонохроматичность падающего излучения, конечная величина угловой апертуры приемной щели детектора, ширина падающего пучка и его расходимость), выбраны такие условия, при которых точность получаемых экспериментальных данных более 90% во всем интервале измерений;

- для практической реализации данного метода создана серия автоматизированных рентгеновских дифрактометров, позволяющих проводить анализ шероховатости в диапазоне пространственных частот V от 5 мкм до 50 нм;

- показано, что разработанные приборы позволяют исследовать поверхностную структуру твердых образцов больших линейных размеров (с диаметром до 20 см), а также структуру жидкостей и слоев на поверхности жидкости.

2. В рамках разработанного подхода впервые продемонстрировано основное преимущество рентгеновского метода по сравнению с другими методами исследования поверхности, а именно возможность независимого получения данных о высоте шероховатости как явной, так и скрытой границы раздела (пленка - подложка) для одного образца в случае, когда пленка значительно легче подложки. Эти результаты подтверждены в серии сравнительных экспериментов по исследованию шероховатости поверхности различными методами, включая атомно-силовую микроскопию, рассеяние света и рассеяние рентгеновского излучения на длинах волн 0.154 нм и 4.4 нм. Показано, что при исследовании шероховатости на границе «воздух - вещество» наилучшее совпадение наблюдается для атомно-силовой микроскопии и рассеяния рентгеновского излучения с длиной волны 0.154 нм.

3. Подтверждено, что модель поверхности, предполагающая скачкообразное изменение свойств вещества, не позволяет описать

весь набор данных по отражению и рассеянию жесткого рентгеновского излучения, особенно при исследовании образцов тяжелых материалов. При этом установлено, что только введение в модель поверхности переходного слоя толщиной единицы ангстрем при одновременном учете шероховатости поверхности приводит к полному совпадению экспериментальных и теоретических данных; продемонстрированы возможности определения толщины такого слоя.

4. В рамках рассматриваемой модели впервые использованы методы анализа взаимной коррелированности рельефов двух границ раздела, пленка - вакуум и пленка - подложка; для большого числа пленок различной толщины (от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров) показано, что степень корреляции изменяется в зависимости от пространственной частоты. Для случая тонких (несколько нанометров) пленок разработана методика восстановления спектра шероховатости (PSD -функции) границы раздела пленка - вакуум. Показано, что полученные таким образом результаты хорошо соответствуют независимо проведенным измерениям на атомно-силовом микроскопе.

5. На базе этих методов с использованием лабораторных рентгеновских источников, синхротронного излучения и атомно-силовой микроскопии впервые установлен закон роста тонких пленок (показано на примере пленок карбида бора на кремнии); показано, что эти пленки, полученные по технологии магнетронного напыления, полностью покрывают поверхность подложки, начиная с толщины ~1нм.

6. Впервые на базе анализа действительной и мнимой части диэлектрической проницаемости и различных теоретических и экспериментальных подходов систематически исследованы возможности получения неискаженных рентгеновских изображений непрозрачных объектов, включая биообъекты, на лабораторных источниках излучения в жестком диапазоне длин волн, как без увеличения (метод микрорадиографии), так и с применением для получения увеличения всех известных рентгенооптических элементов (зонной пластинки Френеля, многоэлементной преломляющей линзы, асимметричных отражающих кристаллов). Разработаны методы расчета рентгенооптических свойств этих элементов и оптимизации их параметров.

Это позволило спроектировать и изготовить действующий макет универсального рентгеновского микроскопа для получения изображений биологических и полимерных объектов в различных проекциях с микронным разрешением в жестком рентгеновском диапазоне (0.05-0.3 нм).

7. Впервые для исследования пористых систем (на примере трековых мембран) был применен микроскоп Шварцшильда с рабочей длиной волны 20 нм; при этом было достигнуто разрешение не ниже 0.2 мкм. Полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с расчетом поля при прохождении плоского волнового фронта через тонкие цилиндрические каналы в полимерной матрице.

Основные публикации по материалам работы

1. Artyukov I.A., Karabekov A.Yu., Kozhevnikov I.V., Alaudinov B.M., Asadchikov V.E. «Experimental observation of the near surface layer effects on X-ray reflection». Physica B, 1994, v.198, pp. 9-12.

2. Алаудинов Б.М., Артюков И.А., Асадчиков B.E., Карабеков А.Ю., Кожевников И.В. «Об оптической модели поверхности в рентгеновском диапазоне длин волн». Кристаллография, 1994, т.39, N4, сс. 605-616.

3. Kozhevnikov I.V., Asadchikov V.E., Alaudinov В.М., Karabekov

A.Yu., Vinogradov A.V. «X - Ray investigations of supersmooth surfaces». Proc. SPIE, CIS Selected Papers, 1994, v.2453, pp. 141 -153.

4. Асадчиков B.E., Шилин Ю.Н., Шишков B.A. "Рентгеновский дифрактометр" - Свидетельство N 1148 на полезную модель, приоритет 24.02.1993, заявка N 93009882 зарегистрирована 16.11.1995.

5. Алаутдинов Б.М., Асадчиков В.Е., Мчедлишвили Б.В., Шишков

B.А., Кожевников И.В. «Рентгеновский многоцелевой дифрактометр с горизонтальным расположением образца». Научное приборостроение, 1995, т.5, N1-2, с.с. 95-112.

6. Артюков И.А., Асадчиков В.Е., Виноградов A.B., Касьянов Ю.С., Кондратенко В.В., Серов Р.В., Федоренко А.И., Юлин

C.А. «Зеркальный рентгеновский микроскоп для исследования объектов, освещаемых излучением лазерной плазмы». Квантовая электроника, 1995, т.22, N9, с.с. 951 - 954.

7. Artyukov I.A., Asadchikov V.E., Fedorenko A.I., Kas'yanov Yu.S., Kondratenko V.V., Serov R.V., Vinogradov A.V., Yulin S.A.

«Schwazschild X-Ray microscope for imaging of nonradiating objects». Optics Letters, 1995, v.20, N24, pp. 2451 - 2453.

8. Artyukov I.A., Asadchikov V.E., Kozhevnikov I.V. «Effects of a near-surface transition layer on X-ray reflection and scattering». Journal of X-Ray Science and Technology, 1996, v.6, pp.223 - 243.

9. Асадчиков B.E., Виноградов A.B., Постнов A.A. «О фокусировке рентгеновского излучения с помощью высокоаспектных зонных пластинок». Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1997, N1, с.74 - 79.

10.V.E.Asadchikov, V.I.Beloglazov, A.V.Vinogradov, D.L.Voronov, V.V.Kondratenko, Yu.V.Kopylov, N.F.Lebedev, A.G.Ponomarenko, A.V.Popov, A.A.Postnov, A.I.Fedorenko. "Sliced Zone Plate for Hard X-ray Sources. Manufacturing and Testing". Proc. SPIE. 1997, Vol.3113, pp.384-392.

11 .Асадчиков B.E., Карабеков А.Ю., Клечковская B.B., Кожевников И.В., Левашов В.Е., Сагитов С.И. «Экспериментальные исследования корреляции шероховатостей пленки и подложки методом рентгеновского рассеяния». Кристаллография, т. 1998, 43, N1, стр.119 -130.

12.Асадчиков В.Е., Букреева И.И., Виноградов А.В., Кожевников И.В., Осташев В.И., Сагитов С.И. «Об определении шероховатостей вогнутых лазерных зеркал». Квантовая электроника. 1997, т.24., № 8., стр. 1 - 6.

13.V.EAsadchikov, V.I.Beloglazov, A.V.Vinogradov, D.L.Voronov, V.V.Kondratenko, Yu.V.Kopylov, N.F.Lebedev, A.G.Ponomarenko, A.V.Popov, A.A.Postnov, A.I.Fedorenko. "Sliced Zone Plate for Hard X-ray Sources. Manufacturing and Testing". Proc. SPIE. 1997, Vol.3113, pp.384-392.

14.Асадчиков B.E., Андреев E.E., Виноградов A.B., Карарбеков А.Ю., Кожевников И.В.,Кривоносов И.В., Постнов А.А., Сагитов С.И. «Исследования микрошероховатостей сверхгладких поверхностей методом рассеяния рентгеновского излучения». Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 1998, №7 с. 17 - 29.

15.Асадчиков В.Е., Карабеков А.Ю., Клечковская В.В., Кожевников И..В., Левашов В.Е., Сагитов С.И. «Экспериментальные исследования корреляции шероховатостей пленки и подложки методом рентгеновского рассеяния». Кристаллография. 1998, т.43, №1, сс.119- 130.

16.0stashev V.I., Asadchikov V.E., Bukreeva I.N., Gilev O.N., Havronin N.A., Kozhevnikov I.V., Sagitov S.I. «Experimental study of the whispering gallery effect in soft X-ray spectral range.» Optics communications. 1998, v.155, pp.17 - 22.

17.Asadchikov V.E., Duparre A., Jakobs S., Karabekov A.Yu., Kozhevnikov I.V., Krivonosov .Yu.,S. «Comparative study of the roughness of optical surfaces and thin films by use X-ray scattering and atomic force microscopy». Applied optics, 1999, v.38, No.4, pp.684 - 690.

18.Асадчиков B.E., Карабеков А.Ю., Кожевников И..В., Кривоносое Ю.С., Сагитов С.И. «Изучение микрорельефа поверхности некоторых материалов для микроэлектроники методом рассеяния рентгеновских лучей в условиях полного внешнего отражения». Материалы электронной техники, 1999, №1, сс.65 - 70.

19.Asadchikov V.E., Duparre A., Kozhevnikov I.V., Krivonosov .Yu.,S., Sagitov S.I. «X - ray and AFM studies of ultrathin films for EUV and soft X-ray applications».- Proc. SPIE, 1999, v.3738, pp. 387-393.

20.Bukreeva I.N., Asadchikov V.E., Havronin N.A., Gilev O.N., Kozhevnikov I.V., Ostashev V.I., Krivonosov .Yu.,S., Sagitov S.I. «Experimental study of the whispering gallery effect in soft X-ray spectral range». Proc. SPIE, 1999, v.3739, pp. 395 - 403.

21.Kozhevnikov I.V., Asadchikov V.E., Duparre A., Gilev O.N., Havronin N.A., Krivonosov .Yu.,S., Ostashev V.I., Steinert Y. «Comparative study of the roughness of optical surfaces and thin films using atomic force microscopy, X-ray scattering and light scattering methods». Proc. SPIE, 1999, v.3739, pp. 348 - 354.

22.Асадчиков B.E., Белоглазов В.И., Виноградов A.B., Воронов Д.Л., Кондратенко В.В., Копылов Ю.В., Лебедев Н.Ф., Пономаренко А.Г., Попов А.В., Постнов А.А., Савельев С.В., Федоренко А.И. «Фокусировка жесткого рентгеновского излучения слоистой зонной пластинкой». Кристаллография. 1999, т.44, №4, сс.592 - 600.

23.Артюков И.А., Асадчиков В.Е., Виленский А.И., Виноградов А.В., Левашов В. Е., Мчедлишвили Б. В., Попов А.В., Постнов А.А., Струк И. И. «Получение изображений фильтрационных каналов в трековых мембранах с помощью рентгеновского микроскопа Шварцшильда». Доклады академии наук. 2000, т.372, №5, сс.608-611.

24.I.A.Artioukov, V.E.Asadchikov, V.I.Gulimova, V.E.Levashov, B.V.Mchedlishvili, A.N.Kurohtin, A.A.Postnov, A.V.Popov, S.V.Saveliev, I.I.Struk, A.I.Vilensky, A.V.Vinogradov, D.L.Zagorsky. «Х-Ray Microscopy Study of Track Membranes and Biological Objects». X-ray Microscopy. Proceedings of the Sixth International Conference, Berkley, CA, 2-6 August 1999, Melville, New York, AIP CONFERENCE PROCEEDINGS, 2000, pp.135 -140.

25.Igor V.Kozhevnikov, Victor E.Asadchikov, Inna N.Bukreeva, Angela Duparre, Yury S.Krivonosov, Christian Morawe, Vladimir I.Ostashev, Mikhail V.Pyatakhin, and Eric Ziegler. "X-ray study of the roughness of surfaces and interfaces". Proc. SPIE, 2000, V.4099, pp. 267 - 278.

26.01eg N.Gilev, Victor E.Asadchikov, Angela Duparre, Nikolai A.Havronin, Igor V.Kozhevnikov, Yury S.Krivonosov, Sergey P.Kuznetsov, Vitaly I.Mikerov, Vladimir I.Ostashev, and Vladimir A.Tukarev. "X-ray investigations of a near surface layer of metal samples". Proc. SPIE, 2000, V.4099, pp. 279 - 289.

27. Асадчиков B.E., Мчедлишвили Б. В., Пономарев Ю.В., Постнов

A.А., Сенин Р.А., Цыганова Т.В.. «Рентгеновская микроскопия с использованием асимметричного отражения от монокристалла». Письма в ЖЭТ, 2001, т.73, вып.4, сс.205 - 209.

28.А.В.Андреев, В.Е.Асадчиков, И.А.Артюков, А.В.Виноградов,

B.Н.Зрюев, Ю.С.Касьянов, В.В.Кондратенко, В.Е.Левашов, Б.В.Мчедлишвили, Ю.В.Пономарев, А.В.Попов, А.А.Постнов,

C.В.Савельев, Р.А.Сенин, И.И.Струк. «Рентгеновская микроскопия трековых мембран и биологических объектов в мягком и жестком диапазонах длин волн». Кристаллография, 2001, т.46, №4, сс.658-663.

29.В.Е.Асадчиков, А.В.Виноградов, В.Н.Зрюев, И.В.Кожевников, Ю.С.Кривоносов, Р.Мерсье, И.Намба, С.И.Сагитов, М.Ямомото. «Метод рентгеновского рассеяния в изучении процесса полировки свергладких подложек». Заводская лаборатория (диагностика материалов), 2001, т.67, № 67, сс. 19 - 23.

30.Asadchikov V.E., Bukreeva I.N., Duparre A, Kozhevnikov I. V., Krivonosov Y. S., Morawe C., Pyatakhin M.V., Steinert J., Vinogradov A.V., Ziegler E. "X-ray study of surfaces and interfaces". Proc. SPIE, 2001, V. 4449, p. 253 - 264.

Принято к исполнению 27/08/2003 Исполнено 28/08/2003

Заказ № 349 Тираж- 150 экз

ООО «НАКРА ПРИНТ» ИНН 7727185283 Москва, Балаклавский пр-т, 20-2-93 (095)318-40-68 www autoreferat ru

1J 7 3 i

Ч

Введение

Часть 1.

Глава 1. Рентгеновская рефлектометрия для исследования структуры материалов (литературный обзор)

1.1. Отражение рентгеновской волны от гладкой поверхности.

1.2. Глубина проникновения излучения и интерференция на тонких пленках

1.3. Отражение от многослойных покрытий.

1.4. Влияние приповерхностного переходного слоя и шероховатости поверхности

1.5. Диффузное рассеяние и шероховатость поверхности

1.6. Обратная задача в рефлектометрии

1.7. Экспериментальные установки

8.2. Контактная микроскопия 146

8.3. Зонные пластинки Френеля для рентгеновского излучения 160

8.4. Заключение 168 Глава 9. Рентгеновский микроскоп Шварцшильда 169

9.1. Введение 169

9.2. Объектив Шварцшильда 172

9.3. Эксперименты и обсуждение 173 9.4.3аключение 182

Глава Ю.Экспериментальная установка для контактной микроскопии и работы с рентгенооптическими элементами 183

10.1. Малоугловой дифрактометр АМУР-1 183

10.2. Формирование пучка 184

10.3. Модернизация дифрактометра АМУР-1 185

10.4. Возможные схемы эксперимента 188

10.5. Примеры использования модифицированного дифрактометра АМУР-1 198

10.6. Заключение 199 щ з

1.8 Заключение

В этой главе были рассмотрены возможности метода рентгеноской рефлетомерии для исследования структуры материалов. Следует указать, что к настоящему времени создан (в том числе с использованием описанных методов) ряд рентгенооптических элементов, предназначенных для изменеия свойств формируемого рентгеновского пучка в диапазоне длин волн от нескольких сотых до нескольких десятых долей нанометра. Эти элементы предназначены главным образом для фокусировки пучка, либо наооборот для формировния параллельных (нерасходящихся пучков). Это линза Кумахова, Гебель, многоэлементные зеркала скользящего падения, оптика Франкса.

С такими целями можно использовать и рентгенооптические элементы, пригодные для формирования неискаженных рентгеновских изображений. Рассмотрение свойств этих элементов (многослойных рентгеновских зеркал нормального падения, зонных пластинок Френеля, многолементных преломляющих линз) будет проведено во второй части данной работы.

Сейчас же сформулируем круг задач, решаемых в первой части работы. Здесь будут рассмотрены особенности взаимодействия жесткого рентгеновского излучения со слабошероховатыми поверхностями. Теоретически и экспериментально обоснованность возможность исследования шероховатости поверхности, как в случае, когда диэлектрическая проницаемость на границе раздела меняется скачком, так и при наличии приповерхностного переходного слоя переменной плотности. Представлены возможности метода рентгеновскогорассеяния для исследавания взаимной коррелированности поверхностей пленки и подложки, на которую она нанесена. Наконец проведено описание рассеяния в мнослойных структурах с учетом межслоевой шероховатости, что особенно важно при рассчете коэффициентов отражения для таких структур.

1. М.А. Kumahov. Status of x-ray polycapillary optics. Proc. SPIE, v.2515, (1995), p. 86-102

2. РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

3. New Gobel mirrors of the third generation, Bruker AXS Inc., Technical specification, 2000, http://www.bruker-axc.com.

4. Max-Flux Optics, Osmic Inc., Technical specification, 2000, http://www.osmic.com.

5. V.W.Arndt. Focussing optics for laboratory sources in X-ray crystallography. Journal of applied crystallography, v.23, (1990), part3, pp.161 168

6. Э.Г.Арутюнян, Д.М.Хейкер, М.В.Ковальчук, Ю.Н.Шилин, В.А.Шишков. Станция белковой кристаллографии на источнике синхротронного излучения «Сибирь 2». Поверхность. Рентгеновские синхротронные и нейтронные исследования. №12, 1999, сс. 88 941. Глава 2

7. Описание экспериментальной установки, методики эксперимента и обработки экспериментальных данных

8. Экспериментальная установка

9. Принципиальная схема установки приведена на рис.2.1. Прибор создан на базе стандартного гониометра трехкристалльного рентгеновского спектрометра (ТРС) 103.

10. В экспериментах, описанных в данной работе, использовалась рентгеновская трубка с медным анодом 1,5БСВ23-Си. Использовалосьизлучение Си К (А,=0.15405 нм). Хотя для поставленных нами целейможно использовать и другую длину волны.

11. Рис.2.2. Экспериментальная зависимость регистрируемой детектором интенсивности I(ds) от ширины приемной щели детектора (кружки). По оси абсцисс отложены значений ds на лимбе щели.

12. Регистрация излучения производится стандартным сцинтилляционным счетчиком 6 (БДС-8-05), в качестве входной апертуры которого использована щель Sa . Ширина этой щели может меняется от 0 до 2 мм с шагом 0.002 мм.

13. Рис.2.3. Общий вид установки с установленной на ней технологической планшайбой

14. Рис.2.4. Угловая зависимость интесивности первичного пучка без вакуумного объема (1) и в случае его применения (2)

15. Рис.2.5 Угловые зависмости интенсивности первичного пучка, измеренные (с одинаковыми ослабительными фильтрами) в течение пятидней

16. Методика проведения эксперимента 2.2.1. Измерение коэффициента отражения

17. Сам эксперимент по определению угловой зависимости коэффициента отражения проводится по традиционной схеме в 9 29 геометрии.

18. По такой же схеме проводилось измерение коэффициентов отражения тонких слоев и многослойных покрытий.22.2. Измерение индикатрисы рассеяния

19. В месте изменения режима питания трубки производилось повторное сканирование прилежащего участка кривой (обычно 5 — 7 точек), и коэффициент пересчета вычислялся как среднее арифметическое коэффициентов в каждой точке.