质子辐照下Mo/Si多层膜反射镜的微观结构状态

利用透射电子显微镜对质子辐照前后空间太阳望远镜Mo/Si多层膜的微观结构进行了表征, 并对其辐照前后反射率的变化进行了测量.研究表明, Mo/Si多层膜经质子辐照后形成了一些缺陷结构,局部区域Mo/Si的周期性遭到破坏, Mo层与Si层的宽度发生了变化,多层膜层与层之间的界面也比辐照前更为粗糙,部分层状结构由于质子辐照发生了明显的扭曲和折断等现象;此外,质子辐照导致了Mo/Si多层膜反射率的下降,这些微观缺陷的形成是光学性能降低的直接诱因. 关键词： 空间太阳望远镜 Mo/Si多层膜 微观结构 反射率     

Mo/Si aperiodic multilayer broadband reflective mirror for 12.5-28.5-nm wavelength range

Aperiodic molybdenum/silicon (Mo/Si) multilayer designed as a broadband reflective mirror with mean reflectivity of 10% over a wide wavelength range of 12.5-28.5 nm at incidence angle of 5° is developed using a numerical optimized method. The multilayer is prepared using direct current magnetron sputtering technology. The reflectivity is measured using synchrotron radiation. The measured mean reflectivity is 7.0% in the design wavelength range of 12.5-28.5 nm. This multilayer broadband reflective mirror can be used in extreme ultraviolet measurements and will greatly simplify the experimental arrangements.     

30.4 nm波长SiC/Mg多层膜反射镜

波长30.4 nm的He-II谱线是极紫外天文观测中最重要的谱线之一,空间极紫外太阳观测光学系统需要采用多层膜作为反射元件。为此研究了SiC/Mg、B4C/Mg、C/Mg、C/Al、Mo/Si、B4C/Si、SiC/Si、C/Si、Sc/Si等材料组合的多层膜在该波长处的反射性能。基于反射率最大与多层膜带宽最小的设计优化原则,选取了SiC/Mg作为膜系材料。采用直流磁控溅射技术制备了SiC/Mg多层膜,用X射线衍射仪测量了多层膜的周期厚度,用国家同步辐射计量站的反射率计测量了多层膜的反射率,在入射角12°时,实测30.4 nm处的反射率为38.0%。     

B4C/Mo/Si high reflectivity multilayer mirror at 30.4 nm

The B4C/Mo/Si high reflectivity multilayer mirror was designed for He-Ⅱ radiation (30.4 nm) using the layer-by-layer method. The theoretical peak reflectivity was up to 38.2% at the incident angle of 5°. The B4C/Mo/Si multilayer was fabricated by direct current magnetron sputtering and measured at the National Synchrotron Radiation Laboratory (NSRL) of China. The experimental reflectivity of the B4C/Mo/Si multilayer at 30.4 nm was about 32.5%. The promising performances of the B4C/Mo/Si multilayer mirror could be used for the construction of solar physics instrumentation.     

软X射线Mo/Si多层膜反射率拟合分析

由于多层膜的表界面粗糙度和材料之间的相互扩散等因素，导致多层膜的实际反射率小于理论计算的反射率，因此，多层膜结构参量的确定对镀膜工艺参量的标定具有重要意义。由于描述单个非理想粗糙界面散射的Stearns法适用于软X射线短波段区域，采用它的数学模型来描述软X射线多层膜的粗糙度，利用最小二乘法曲线拟合法对同步辐射测得的Mo／Si多层膜的反射率曲线进行拟合，得到了非常好的拟合结果，从而确定了多层膜结构参量，同时分析了多层膜周期厚度，厚度比率，界面宽度以及仪器光谱分辨率对多层膜反射特性的影响，这些工作都为镀膜工艺改进提供了一定的理论依据。     

低原子序数材料窄带多层膜的研制

为研制极紫外波段窄带多层膜反射镜,采用低原子序数材料组合设计了30.4 nm波长处Mg/SiC,Si/SiC,Si/B4C和Si/C多层膜反射镜,并与极紫外波段传统的Mo/Si多层膜反射镜进行对比。采用直流磁控溅射技术制备了这些多层膜,在国家同步辐射实验室辐射与计量光束线完成了多层膜反射率测量,测量结果表明:Mg/SiC多层膜的带宽最小,为1.44 nm,且反射率最高,为44%;而Mo/Si多层膜的反射率仅为24%,带宽为3.11 nm。实验结果证明了采用低原子序数材料组成的多层膜的带宽要比常规多层膜窄,该方法可以应用于极紫外波段高分辨研究。     

月球表面环境对Mo/Si多层膜光学特性的影响

研究了月球表面高温、强辐射的空间环境下Mo/Si多层膜的热稳定性和辐照稳定性。Mo/Si多层膜采用磁控溅射法镀制,将制备好的多层膜在100℃和200℃高温下加热,利用激光等离子体反射率计和X射线衍射仪(XRD)对加热前后的多层膜进行了测量。结果显示在200℃以内,多层膜反射率和中心波长没有显著变化,表现出良好的热稳定性。利用Monte Carlo方法模拟了质子在多层膜内造成的缺陷的分布和浓度分布。模拟显示,能量大的质子沉积在多层膜内部,造成的缺陷也集中在多层膜内部。用能量为60keV,剂量分别为3×1012 cm-2和3×1014 cm-2的质子对Mo/Si多层膜进行辐照实验。发现多层膜内部出现了烧蚀损伤缺陷及节瘤缺陷。结果表明能量相同时,辐照剂量越大对多层膜反射率影响越大。     

Reflective phase shift measurement of the Mo/Si multilayer mirror in extreme ultraviolet region

The reflective phase shift of multilayer mirror is one important property required in EUV lithography and attosecond pulses experiments. The reflective phase shift of the periodic Mo/Si multilayer mirror was characterized by combining the reflectivity with total electron yield signal at the synchrotron radiation in Hefei. The multilayer was fabricated using direct current magnetic sputtering method. Using the wavelet transform approach, the period and each layer thickness were obtained, the small angle X-ray reflective data from X-ray diffractometer were fitted using these data as the mutilayer's initial structure. The TEY signal of the multilayer is coincided with the surface electron field of the multilayer. A thick Si layer was used to eliminate the effect of the multilayer's surface layer on the TEY signal. The retrieved difference in reflected phase from the incident phase was obtained combining the reflectivity with the total electron yield signal and it is similar with the calculated phase shift of the multilayer.     

高反射率Mo/B4C多层膜设计及制备

 运用遗传算法优化设计了Mo/B₄C多层膜结构。入射光入射角度取10°时,设计的理想多层膜膜对数为150,周期为3.59 nm,Gamma值（Mo膜厚与周期的比值）为0.41,峰值反射率为33.29%。采用恒功率模式直流磁控溅射方法制作Mo/B₄C多层膜。通过在Mo/B4C多层膜与基底之间增加15 nm厚的Cr粘附层,提高多层膜与基底的粘附力。另外,还采用调整多层膜Gamma值的方法减小其内应力,调整后多层膜结构周期为3.59 nm, Mo膜厚1.97 nm, B4C膜厚1.62 nm,峰值反射率26.34％。制备了膜对数为150的Mo/B₄C膜并测量了其反射率,在波长7.03 nm处,Mo/B₄C多层膜的近正入射反射率为21.0％。最后对测量结果进行了拟合,拟合得到Mo/B₄C多层膜的周期为3.60 nm,Gamma值0.60,界面粗糙度为0.30 nm。     

13 nm窄带Si/Mo/C多层膜反射镜

基于多层膜准单色覆盖50~1500 eV能谱的多能点发射光谱测量系统可获得聚龙一号装置Z-pinch等离子体X射线源的能谱结构和总能量等信息。考虑装置的条件,在13 nm处的多层膜需要工作在掠入射角60。常规的Mo/Si多层膜尽管反射率最高,但其带宽较大,不能满足多层膜准单色的要求。因此提出将Mo和C共同作为多层膜的吸收层材料与Si组成Si/Mo/C多层膜,可使反射率降低较小而带宽明显减小。采用磁控溅射方法制备了Si/Mo/C多层膜,其掠入射X射线反射测量表面多层膜的结构清晰完整,同步辐射工作条件下反射率测量,得到Si/Mo/C多层膜在13 nm处和掠入射角60时的反射率为56.5%,带宽为0.49 nm（3.7 eV）。     

月基极紫外相机多层膜反射镜

月基极紫外相机用于月球表面对地球等离子体层辐射出的30.4 nm谱线进行成像观测,多层膜反射镜是月基极紫外相机的重要光学元件。根据月基极紫外相机技术参数,选择了B₄C/Mg,B₄C/Mg₂Si,B₄C/Al,B₄C/Si,Mo/Si等材料,对其周期厚度、材料比例、周期数等参数进行优化。计算了以上材料组合在30.4 nm的反射率曲线。考虑到月球环境的特殊性和材料的物理化学性质,从中选择出Mo/Si和B₄C/Si两种组合,利用磁控溅射进行镀制。Mo/Si和B₄C/Si多层膜在30.4 nm反射率分别达到15.3%和22.8%。     

提高极紫外光谱纯度的多层膜设计及制备

极紫外光刻是实现22nm技术节点的候选技术。极紫外光刻使用的是波长为13.5nm的极紫外光,但在160～240nm波段,极紫外光刻中的激光等离子体光源光谱强度、光刻胶敏感度以及多层膜的反射率均比较高,光刻胶在此波段的曝光会降低光刻系统的光刻质量。从理论和实验两方面验证了在传统Mo/Si多层膜上镀制SiC单层膜可对极紫外光刻中的带外波段进行有效抑制。通过使用X射线衍射仪、椭偏仪以及真空紫外(VUV)分光光度计来确定薄膜厚度、薄膜的光学常数以及多层膜的反射率,设计并制备了[Mo/Si]40SiC多层膜。结果表明,在极紫外波段的反射率减少5%的前提下,带外波段的反射率减少到原来的1/5。     

多层膜聚光镜对Schwarzschild显微镜成像均匀性的影响

 提出了利用多层膜聚光镜提高Schwarzschild显微镜成像均匀性的方法。设计了聚光镜的光学结构,使80%的等离子体辐射能量会聚在约0.8 mm直径的范围内。根据成像系统的工作波长和光线在聚光镜表面的入射角度,设计了Mo/Si周期多层膜,制备了聚光镜光学元件,膜层周期厚度为9.64 nm,周期数为30,对18.2 nm波长的峰值反射率为51.7%。利用所设计的聚光镜作为照明系统,对Schwarzschild物镜进行了网格成像实验。结果表明:在1.2 mm视场内可以实现2.5 μm的空间分辨力,并且完全消除了物镜中心遮拦所造成的像面光强分布不均匀性。     

19.5nm极紫外反射镜的研制

介绍了一种用于太阳观测19.5nm极紫外多层膜的研究工作。利用软件对规整的Mo/Si膜系结构进行了优化,拓宽了反射带宽,提高了积分反射率。采用双离子束溅射技术,时间控厚,成功制备了该反射镜。通过同步辐射反射率计测试表明,峰值反射率27.5%,均匀性在1%以内,已初步达到预设要求。     

一种软X射线多层膜界面粗糙度的计算方法

提出一个利用多层膜小角X射线衍射谱衍射峰积分强度计算多层膜界面粗糙度的公式。用磁控溅射技术制备Mo／Si多层膜，用波长为0．154nm的硬X射线测量样品在小掠入射角区的衍射曲线，分别用本文公式和反射率曲线拟合方法计算了样品的界面粗糙度。实验结果表明：由本文公式获得的界面粗糙度近似于拟合方法获得的界面粗糙度，它们略等于多层膜界面实际粗糙度。     

Interface roughness, surface roughness and soft X-ray reflectivity of Mo/Si multilayers with different layer number

A series of Mo/Si multilayers with the same periodic length and different periodic number were prepared by magnetron sputtering, whose top layers were respectively Mo layer and Si layer. Periodic length and interface roughness of Mo/Si multilayers were determined by small angle X-ray diffraction (SAXRD).Surface roughness change curve of Mo/Si multilayer with increasing layer number was studied by atomic force microscope (AFM). Soft X-ray reflectivity of Mo/Si multilayers was measured in National Synchrotron Radiation Laboratory (NSRL). Theoretical and experimental results show that the soft X-ray reflectivity of Mo/Si multilayer is mainly determined by periodic number and interface roughness, surface roughness has little effect on reflectivity.     

短波长软X射线多层膜高级次峰设计与制备

考虑了短波长软X射线多层膜的设计问题，比较了一、二、三级布喇格衍射峰设计的反射率结果，分析了反射率与周期厚度及金属层在周期中的比率的关系．本文认为，在存在不连续金属膜层的情况下，用布喇格衍射峰的二级次设计，有助于获得实测的反射率．给出了利用磁控溅射方法沉积的Mo/Si多层膜在4.47nm处同步辐射测量，在60°入射角下获得8.5%实测反射率的结果． 关键词：     

Mo/Si多层膜表面保护层设计

为提高Mo/Si多层膜的稳定性与使用寿命,通过分析多层膜驻波电场的分布,对表面保护层及多层膜最上层材料的厚度进行优化设计,使优化后的反射率最高.计算表明,一定厚度的表面保护层总对应一个最优的最上层材料厚度.在13.36 nm波长,膜对数为50的Mo/Si多层膜10度入射的理论反射率为74.47%;当添加厚度为2.3 nm的Ru作为表面保护层,对应多层膜最上层Si的优化厚度为3.93 nm,其理论反射率为75.20％.设计结果表明,通过优化设计表面保护层,可以提高多层膜稳定性,改善多层膜性能.     

23.4nm软X射线多层膜反射镜研制

为了满足类氖-锗X射线激光研究的需要,设计制备了23.4 nm软X射线多层膜反射镜.依据多层膜选材原则并考虑材料的物理化学特性选择新的材料Ti与Si组成材料对.设计优化材料多层膜的周期厚度(d),材料比例(Γ),周期数(N),计算出Ti/Si反射率曲线.通过实验优化各种镀膜工艺参数,制备出了23.4 nm的Ti/Si多...     

入射光单色性与界面粗糙度对多层膜反射性能的不同影响

多层膜界面粗糙度、入射光单色性对软X射线多层膜实际反射率均有影响。利用数学卷积积分,理论上推导出一个在入射光不同单色性下精确计算多层膜反射率的公式。利用给出的理论计算公式,简要分析了入射光不同单色性、不同界面粗糙度对Mo/Si多层膜反射率的影响。理论分析发现这两种因素对Mo/Si多层膜反射率影响完全不同:入射光低的单色性不但极大降低Mo/Si多层膜峰值反射率,而且使反射曲线的半峰全宽增加;而界面粗糙度是降低Mo/Si多层膜反射曲线上各点对应值,基本不改变Mo/Si反射曲线的半峰全宽,不改变反射曲线的形状。说明这两个因素在软X射线的长波段对多层膜反射性能的影响不同。