研究扩散屏障层对Mo/Si多层膜软X射线反射率影响的模拟

在特定波长下,用四层结构模型模拟了Mo/Si多层膜的软X射线反射率.研究了扩散屏障层dMo-on-Si和dSi-on-Mo对Mo/Si多层膜软X射线反射率的影响.研究发现,扩散屏障层并不总是损害Mo/Si多层膜的光学性能,通过合理设计dMo-on-Si和dSi-on-Mo厚度,增加dMo-on-Si与dSi-on-Mo的比值,也能提高多层膜的软X射线反射率.     

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）。     

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。     

用不同的Mo靶溅射功率制备Mo/Si多层膜

 用磁控溅射法制备了周期厚度和周期数均相同的Mo/Si多层膜，用原子力显微镜和小角X射线衍射分别研究了Mo靶溅射功率不相同时，Mo/Si多层膜表面形貌和晶相的变化。随后在国家同步辐射实验室测量了Mo/Si多层膜的软X射线反射率。研究发现，随着Mo靶溅射功率的增大，Mo/Si多层膜的表面粗糙度增加，Mo的特征X射线衍射峰也增强，Mo/Si多层膜的软X射线峰值反射率先增大后减小。     

同步辐射软X射线多层膜反射偏振元件研究

利用多靶磁控溅射方法分别镀制了W/C和Mo/Si两种周期性结构多层膜。通过对其相关参数周期数、厚度比以及周期厚度的调整,使薄膜的布拉格衍射峰出现在布儒斯特角附近,两种多层膜的应用能量范围分别落于C的近K边处和Si的L边前。在北京同步辐射装置3W1B光束线的软X射线光学实验站上进行了反射率的测量,得到W/C膜的反射率在214eV时达到4.18%;Mo/Si周期性多层膜的反射率在89eV处达到32.3%。根据测量结果,分析了在同步辐射装置作为偏振元件的可行性     

Mo/Si软X射线多层膜的界面粗糙度研究

 用磁控溅射法分别制备了以Mo膜层和Si膜层为顶层的Mo/Si多层膜系列, 利用小角X射线衍射确定了各多层膜的周期厚度。以不同周期数的Mo/Si多层膜的新鲜表面近似等同于同一多层膜的内界面，通过原子力显微镜研究了多层膜界面粗糙度随膜层数的变化规律。并在国家同步辐射实验室测量了各多层膜的软X射线反射率。研究表明：随着膜层数的增加，Mo膜层和Si膜层的界面粗糙度先减小后增加然后再减小，多层膜的峰值反射率先增加后减小。     

磁控溅射方法制备直径120mm高均匀性Mo/Si多层膜

为满足极紫外、软X射线和X射线大口径多层膜反射镜的需求,采用基板扫掠过矩形靶材表面的镀膜方法,在直径120 mm的平面基板上镀制了Mo/Si周期多层膜。通过调整基板扫掠过矩形靶材表面的速率修正了薄膜的沉积速率,极大地提高了薄膜厚度的均匀性。采用X射线衍射仪对反射镜不同位置多层膜周期厚度进行了测量,结果表明,在直径120 mm范围内,Mo/Si多层膜周期厚度的均匀性达到了0.26%。同步辐射测量多层膜样品不同位置处的反射率,结果表明,在直径120 mm范围内,多层膜的膜层厚度均匀,在入射角10°时13.75 nm波长处平均反射率为66.82%。     

单发实验测量软X射线多层膜反射镜反射特性

 提出了一种单发实验测量软X射线波段多层膜反射镜反射特性的简易方法。实验采用激光等离子体软X射线源作为光源,用平焦场光栅谱仪分光,在光路中引入掠入射镜以消除高级次谱的影响,用软X光CCD记录,在一发激光打靶实验中,测量了设计中心波长为13.9 nm的Mo/Si多层膜反射镜的反射特性。     

大尺寸高性能X射线双通道多层膜反射镜研制

为满足同步辐射装置中X射线单色器的需求,在直线式磁控溅射设备上制备了W/Si和Ru/C双通道多层膜反射镜。制备的W/Si多层膜和Ru/C多层膜的周期厚度均为3 nm,平均界面宽度分别为0.30 nm和0.32 nm。在320 mm长度范围和20 mm宽度范围内,W/Si多层膜膜厚误差的均方根值分别为0.30%和0.19%,Ru/C多层膜膜厚误差的均方根值分别为0.39%和0.20%。对制备的样品进行了表面形貌测试和非镜面散射测试,对比了W/Si多层膜和Ru/C多层膜的表面和界面粗糙度大小。硬X射线反射率测试结果表明,W/Si多层膜和Ru/C多层膜在8.04 keV能量点处的一级布拉格峰测试反射率分别为63%和62%,角分辨率均为2.6%。基于以上研究,在尺寸为350 mm×60 mm的高精度Si平面镜表面镀制了W/Si和Ru/C双通道多层膜,并且其被成功应用于上海同步辐射光源线站中。     

溅射气压对X射线多层膜反射率的影响

本文在不同的溅射气压的情况下制备了具有相同结构参量的Mo/Si多层膜,测出了其对应的小角度X衍射曲线,在北京同步辐射实验室测量了多层膜的软X射线反射率.小角X射线衍射谱表明:随着溅射气压升高,多层膜的小角X射线衍射曲线的高次峰的峰高急剧变小,半峰宽变大.反射率测量结果也表明:多层膜的X射线反射率随溅射气压的升高而急剧降低.     

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...     

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%。     

制备长波段X射线多层膜的新方法

叙述用离子束溅射镀膜机OXFORD进行X射线长波段多层膜实验及制备X射线多层膜光学元件方面的工作。简述离子束油射镀膜机的工作原理,X射线多层膜的制备过程,主要工艺参数,以及用X射线小角衍射仪对制备样品周期结构的检测和用软X射线反射率计测反射率的部分结果。     

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。     

激光等离子体光源软X射线反射率计

介绍了所研制的激光等离子体光源软X射线反射率计,该反射率计由激光等离子体光源、掠入射光栅单色仪、样品室、真空系统、样品台、光电探测系统和计算机控制系统组成,工作波段8～30 nm,测量样品的最大尺寸为130 mm×120 mm×120 mm(长×宽×高),可以利用这台反射率计对软X射线波段光栅、滤光片和多层膜反射镜等光学元件进行测量和评估。为检验反射率计的性能指标,利用该反射率计对本室研制的软X射线多层膜反射镜的反射率进行了测量,测量结果与理论计算结果符合较好,反射率测量重复性为±0.6%。     

Characterization of ion beam sputter deposited W and Si films and W/Si interfaces by grazing incidence X-ray reflectivity, atomic force microscopy and spectroscopic ellipsometry

An ion beam sputtering system, which uses a commercial ECR microwave based plasma ion source, has been designed and fabricated in-house for deposition of soft X-ray multilayer mirrors. To begin with, in the ion beam sputtering system W, Si thin films, W/Si bi-layer and W/Si/W tri-layer samples have been deposited on c-Si substrates as precursors to W/Si multilayer stack. The samples have been characterized by grazing incidence X-ray reflectivity (GIXR), atomic force microscopy (AFM) and spectroscopic ellipsometry (SE) techniques. By analyzing the results, density, thickness, surface roughness of the single layer samples and interface width of the bi-layer and tri-layer samples have been estimated.     

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.     

Si adhesion interlayer effects in hydrogen passivated Si/W soft X-ray multilayer mirrors

The use of hydrogen passivation of the silicon layers in Si/W soft X-ray reflective multilayer mirrors is investigated. Standard passivation, corresponding to Si:H/W structures, led to reduced growth properties of the W layers. The additional use of atomically thin Si adhesion layers, corresponding to Si:H/Si/W, led to improved growth and increased soft X-ray reflectivity. The effects taking place at the interfaces are analysed by bright field planar TEM and in situ X-ray reflectivity, and are described in terms of interface and surface energies, with quantitatively analysis of intermixing, materials density, and geometrical optical effects.