Апериодические широкополосные многослойные зеркала на область 125 - 250 а Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 535.853.311+535.872-32

АПЕРИОДИЧЕСКИЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ МНОГОСЛОЙНЫЕ ЗЕРКАЛА НА ОБЛАСТЬ 125 - 250 À

В. В. Кондратенко1, В. Е. Левашов, Ю. П. Першин1, А. С. Пирожков, Е. Н. Рагозин

Рассчитаны, синтезированы и испытаны первые апериодические многослойные зеркала (Mo/Si) с широкой полосой отражения (125 — 250 Л). С их помощью реализован широкополосный стигматический дисперсионный спектрограф и зарегистрированы линейчатые и квазинепрерывные спектры лазерной плазмы.

Применение многослойных зеркал (МЗ) в дисперсионной спектроскопии мягкого рентгеновского (МР) диапазона в значительной мере ограничивается узостью спектральной полосы отражения. Так, у периодического МЗ на основе пары Mo/ Si, оптп мизированного на максимум коэффициента отражения на А0 = 160 Â по параметрам структуры d и 7, расчетная ширина (FWHM) резонансного максимума отражения составляет всего 9.2 A (d - период МЗ, 7 - отношение толщины слоя Mo к периоду). Недавно было теоретически показано [1, 2], что существуют апериодические молибден-кремниевые многослойные структуры (МС), обеспечивающие равномерное отражен: е в широком диапазоне длин волн (вплоть до октавы и более) над L-краем поглощения кремния (А > 125 Â). Уступая периодическим МС по коэффициенту отражения в максимуме, такие апериодические МС обладают существенно большим интегральным коэффициентом отражения.

о

В данной работе ставилась цель разработать МЗ с полосой отражения 125 - 250 А и создать на его основе широкополосный стигматический спектрограф, используя боль шеапертурную пропускающую дифракционную решетку в качестве диспергирующего элемента.

Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", ул. Фрунзе 21, 61002 Харьков, Украина.

На первом этапе был выполнен расчет апериодической МС (40 пар слоев Мо и ¿'г). Толщины всех 80-ти монослоев {£,} рассматривались как независимые переменные (параметры оптимизации). Учитывалось также существование переходных слоев Мо^г'г, образующихся при синтезе структуры. Их толщины полагались фиксированными, равными 12 А (Мо на 5г) и 6 А (¿"г на Мо). Структура этого типа (б'г/Мо^гг/Мо/Моб'гг/Подложка) оптимизировалась для достижения максимального равномерного отражения на интервале 125 - 250 А при нормальном падении излучения. На рис. 1 показан результат оптимизации: толщины слоев оптимальной апериодической МС (рис. 1а) и ее расчетный коэффициент отражения в области 125 - 300 А (рис. 16, кривая 1). Интегральный коэффициент отражения этой структуры составляет 19.7 А

о о о

на интервале 125 - 250 А и 23.2 А на интервале 125 - 300 А.

Указанная апериодическая МС синтезировалась методом магнетронного распыления в вакууме ионами аргона соответствующих мишеней. Были синтезированы четыре зеркала, из которых три были нанесены на вогнутые сферические подложки и одно (контрольный образец) - на плоскую подложку. Во всех четырех случаях на противоположном конце коромысла находился "свидетель" - плоская подложка из полированного кремния. Было проведено измерение коэффициента отражения всех четырех "свидетелей" на длине волны 1.54 А при скользящем падении в режиме в — 20. Оно показало, что в трех случаях из четырех (включая контрольный образец) коэффициенты отражения как функции угла скольжения весьма близки, что свидетельствует в пользу хорошей воспроизводимости процедуры синтеза апериодической МС. Это означает также, что структуры, нанесенные на две из трех сферических подложек и контрольный обра зец, близки между собой. (В силу специфики процедуры синтеза МС, тождество "свидетелей", полученных в различных циклах синтеза, означает и тождество основных (рабочих) экземпляров. И наоборот, отличие "свидетелей" означает отличие структур рабочих МЗ.)

Кроме того, были выполнены аналогичные измерения на длине волны 1.54 А для плоского контрольного образца (рис. 2а, точки). По данной экспериментальной зави симости Я(0) путем решения обратной задачи многослойной оптики была определена (восстановлена) апериодическая МС, нанесенная на контрольный образец. На рис. 26 приведен расчетный коэффициент отражения этой восстановленной структуры в интересующем нас спектральном диапазоне 125 - 300 А. Обращает на себя внимание значительное сходство профиля этого коэффициента отражения с желаемым (рис. 16, кривая 1). Структура, нанесенная на контрольный образец и определенная (восста-

10 20 30 N 150 200 250 ^ А

Рис. 1. (а): толщины слоев Мо{ 1), 5г(2) и переходных слоев Мо на 5г(3) и Si на Мо(4) апериодической МС, оптимизированной на максимум равномерного отражения в интервале 125-250 А. Толщины переходных слоев фиксированы. Нумерация слоев идет вглубь, от поверхности к подложке, (б): расчетный коэффициент отражения этой апериодической МС при нормальном падении в области 120 - 300 А (1). Для сравнения показаны коэффициенты отражения периодических МЗ, оптимизированных на максимум коэффициента отражения на длине волны 200(2), 160(3) и 135.4(4).

новленная) расчетным путем, представлена на рис. 2в. На рис. 2г показан "период восстановленной структуры (точки), а именно сумма толщин четырех соседних слоев Б г/М о5г2 / Мо / М о,?^, в сравнении с требуемой апериодической МС (сплошная линия). Видно, во-первых, что алгоритм восстановления апериодической МС по ее рентгенов скому спектру отражения дает правдоподобные результаты, в особенности, когда идеч речь о толщинах не более чем двух десятков верхних монослоев молибдена и крем ния. Во-вторых, суммы четырех соседних слоев 5г/Мо5,г2/Мо/Мо5'гг, по-видимому несколько лучше восстанавливаются расчетным путем, нежели индивидуальные тол щины монослоев.

Вогнутые сферические МЗ, на которые были нанесены указанные апериодические МС, использовались в качестве фокусирующих элементов светосильного стигматического спектрографа (рис. 3). В качестве диспергирующего элемента служила болыпеапертурная свободно висящая пропускающая дифракционная решетка (р = 1000 линий/мм, площадь апертуры около 5 см2). Обратная линейная дисперсия схемы составляла 20 А/мм (в первом порядке дифракции). Рабочий спектральный диапазон спектрографа определялся коэффициентом отражения используемого зеркала и детектором (фотопленкой); свободно висящая дифракционная решетка не является спектрально-селективной в интересующем нас диапазоне. Спектры в МР диапазоне во:>

вд

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0.

0.3 0.4 0.5 0.5 0.7 0.8 0.9 0,0

ЩХ)

0.15 0.10 0.05 0.00

б ■

Л/

I

1

150

200

250

60 50 40 30 20 10 0

в

\ А

; \ • 9 ♦ ♦ ♦ *

'* _ + •

П И ♦ ♦ • • *

10

20

Т,А

100 80 60 40 20

г ■

30

N

10 20

30 N

Рис. 2. (а): коэффициент, отражения Я(в) плоского контрольного образца, измеренный на длине волны 1.54 А (точки). Коэффициент отражения структуры, восстановленной путем решения обратной задачи многослойной оптики (линия). Среднеквадратичная шероховатость положена равной 6.8 А (расчет произведен в приближении полной корреляции шероховатостей слоев), (б): коэффициент отражения нормального падения -Й(А) в интервале 125 — 300 А у МС, восстановленной по данным измерений на длине волны 1.54 А. (в): толщины слоев восстановленной МС: Мо (крестики), 5 г (точки). Переходные слои не показаны. Для сравнения приведены толщины слоев Мо (пунктир) и Si (сплошная линия) требуемой структуры, показанной на рис. 1а. (г): сумма толщин соседних слоев 5г/Мо5гг/Мо/Мо5г2 структур восстановленной (точки) и требуемой (сплошная линия).

буждались при фокусировке на твердую мишень излучения импульсно-периодического лазера на кристаллах ортоалюмината иттрия, активированного неодимом N¿УАЮз (бис, А = 1.08мкм, 0.5Дж, 0.5Гц). Лазерная мишень располагалась на расстоянии

3

Рис. 3. Схема светосильного стигматического спектрографа, включающего фокусирующее апериодическое МЗ 3(Я = 1000мм, Б = 40 .мл«) и большеапертурную пропускающую дифракционную решетку 4. Лазерная плазма (1), входная щель (2), кассета с рентгеновской фотопленкой (5).

16.5 мм перед входной щелью спектрографа. Тефлоновая и вольфрамовая мишени служили источником линейчатого и квазинепрерывного спектра. На рис. 4 показаны фотографии спектров, зарегистрированных на рентгеновскую фотопленку УФ-4 за 10 вспышек лазера. Хорошо видно, что интенсивный спектр простирается от Ь~края поглощения кремния (125 А) приблизительно до т\ = 250 А, где начинается второй порядок регистрируемого спектра. Видно также слабое почернение непосредственно под ¿-краем кремния. Уменьшение почернения на пленке при приближении к длинноволновому пре делу рабочего диапазона МЗ связано с уменьшением интенсивности в спектрах IV и С К4, хорошо известным из литературы [3, 4]. Полученные спектры являются экспериментальным подтверждением успешного синтеза широкополосных МЗ в МР диапазоне спектра.

Заслуживает упоминания исключительно высокая для МР диапазона светосила спек трографа. Приемный телесный угол спектрографа ограничен апертурой используемой пропускающей дифракционной решетки и, при указанной дисперсии составляет 2 • 10~3 ср или 4 • 10~3 ср, в зависимости от используемой нами пропускающей решетки. В каждый из первых порядков дифракции решетка направляет 5% энергии пучка, так что светосила спектрографа, определяемая как произведение приемного телесного угла и коэффициентов отражения МЗ и пропускания решетки, составляет ~ Ю-5 ср. Благодаря этому спектры с почернением в максимуме ~ 1 регистрируются всего за 1 2 лазерных вспышки.

В заключение сформулируем основные результаты работы:

-300 -200 -100 0 100 200 300 тХ, А

Рис. 4. Обзорные спектры тефлоновой (вверху) и вольфрамовой мишеней, зарегистрированные в схеме спектрографа на рис. 3. В поле рисунка первый и второй порядки дифракции.

1. Рассчитана апериодическая МС на основе пары Мо/5г (40 пар слоев), оптимизи-

о

рованная на максимальное равномерное отражение в интервале 125 - 250 А при нормальном падении излучения. Оптимизация выполнена с учетом переходных слоев Мо5г2 фиксированной толщины.

2. Методом магнетронного распыления синтезированы четыре апериодических МС (три на вогнутые подложки и один плоский контрольный образец). Проведены измерения коэффициента отражения Л(0) на длине волны А = 1.54 Л для всех "свидетелей" при скользящем падении. Сделан вывод о том, что МС на двух вогнутых подожках и контрольном образце близки между собой.

3. Проведены измерения коэффициента отражения Л(0) на длине волны А = 1.54 А для контрольного образца. По этим данным восстановлена МС контрольного образца и профиль ее коэффициента отражения в интересующей нас МР области спектра. Указанный профиль оказался схожим с желаемым.

4. Апериодические МС, нанесенные на вогнутые подложки, использовались в качестве фокусирующих элементов стигматического дифракционного спектрографа с умеренной дисперсией. С его помощью зарегистрированы линейчатые и квазинепрерывные

о

спектры лазерной плазмы в области 125 - 250 А.

Авторы признательны Н. В. Уваровой, предоставившей превосходную рентгеновскую фотопленку УФ-4, и Ф. Бийкерку за предоставление болыпеапертурной дифракционной решетки. Работа выполнена при поддержке РФФИ (код проекта: 00-02-17717).

ЛИТЕРАТУРА [1]Колачевский Н. Н., Пирожков А. С., Рагозин Е. Н. Краткие

сообщения по физике ФИАН, N 12, 55 (1998).

[2]Колачевский Н. Н., Пирожков А. С., Рагозин Е. Н. Квантовая электроника, 30, N 5, 428 (2000).

[3] G u 1 1 i k s о n Е. М., Underwood J. Н., В a t s о п Р. С., and N i к i t i n V. J. X-Ray Sei. Technol., 3, 283 (1992).

[4]Колачевский H. H., Пирожков А. С., Рагозин E. H., Квантовая электроника, 25, N 9, 843 (1998).

Поступила в редакцию 13 июня 2001 г.