Бериллий как материал многослойных зеркал МР и ЭУФ диапазонов
Логика развития многослойной оптики мягкого рентгеновского и экстремального ультрафиолетового (МР и ЭУФ) спектральных диапазонов 2-30 нм подчинена непрерывному улучшению оптических свойств для многослойных зеркал МЗ нормального падения.
На сегодняшний день практически во всем рассматриваемом диапазоне длин волн достигнуты или почти достигнуты предельные величины. Разумеется, это утверждение относится к известным и используемым на практике сочетаниям материалов.
Рисунок 1 демонстрирует мировой уровень достижений на момент 2014 года (год начала наших работ с бериллием) в области отражения зеркал в мягком рентгеновском и экстремальном ультрафиолетовом диапазонах. Символьные кривые – это теоретический расчет для ряда пар материалов. Синие звездочки – экспериментально достигнутые коэффициенты отражения.
Просматриваются возможности улучшения характеристик структур за счет применения некоторых дополнительных методик (барьерных слоев, ионной полировки, ионного ассистирования). Но это улучшение вряд ли может дать существенный эффект. Речь может идти о приращении коэффициентов отражения на единицы процента. Существенно большего эффекта можно ожидать при переходе к принципиально иным составам отражающих покрытий.
В качестве основы таких составов мы предложили бериллий.
Бериллий не является новым для многослойной оптики материалом. Благодаря своим оптическим свойствам он привлекал внимание еще в 1990-е годы. В качестве спейсера его эпизодически применяли в зеркалах для МР диапазона. А также в области К-края поглощения в окрестности длины волны 11,2 нм.
В конце 1990-х работы работы с бериллием в многослойной оптике прекратились. Сыграла роль его заменяемость в МР области, выбор длины волны литографии следующего поколения в пользу 13,5 нм, где эффективны зеркала Mo/Si.
Мы еще раз посмотрели на дисперсионные зависимости коэффициента преломления бериллия:
Можно заметить, что, кроме использования бериллия в качестве спейсера, в окрестности 11,2 нм, этот элемент может стать эффективным и уникальным контрастным материалом в длинноволновой области спектра. Уникальность его заключается в наличии заметного скачка действительной части коэффициента преломления по отношению к традиционным спейсерам диапазона – алюминию и магнию, и одновременно в малом поглощении.
Фактически мы имеем контрастный материал, но с поглощением спейсера. Это дает основание ожидать уникального сочетания высокого отражения и узкой полосы пропускания многослойных зеркал.
Подводя итог теоретическому рассмотрению, можно суммировать следующее.
Be интересен как:
- Спейсер λ<3 нм (W/Be)
- Рассеивающий 3-5 нм (Be/Sc, Be/C)
- Спейсер 11-17 нм (Mo/Be, Ru/Be)
- Рассеивающий λ>17 нм (Be/Al, Be/Mg)
Цель нашей работы с бериллием можно сформулировать так: разработка, синтез и изучение свойств многослойных зеркал с улучшенными отражательными характеристиками – прежде всего имеются в виду высота и ширина пика отражения. Зеркала ориентированы на рентгеновскую астрофизику, проекционную литографию и другие научные и технические приложения.
Методы синтеза и анализа структур
Для синтеза бериллиевых структур в 2014 году в Институте физики микроструктур создана специализированная лаборатория (рис. 3). В лаборатории располагаются две установки магнетронного напыления: на 4 и на 6 магнетронных источников. Их число определяет максимальное количество материалов в одной синтезируемой структуре. Это важно, поскольку обычно для повышения эффективности отражения в структурах используются не два, а больше материалов.
По причине токсичности бериллия повышенное внимание уделено средствам защиты. Лаборатория оснащена вытяжкой, системой притока-оттока воздуха с трехкратным обменом в течение часа. На всех системах стоят сменные фильтры. Проводятся замеры воздуха рабочей зоны. До сих пор эти замеры не обнаружили частиц бериллия ни в комнате, ни на прилегающей территории. Персонал работает только в сменной одежде со средствами индивидуальной защиты.
Подробнее о методе и оборудовании магнетронного напыления можно посмотреть на тематической странице.
Для изучения структур в жестком рентгеновском диапазоне мы используем методы мало- и широкоугловой дифракции. В первом случае измерения производятся на дифрактометрах Philips X’Pert, во втором дифрактометр Bruker D8 Diskover.
Данные малоугловой дифракции используются для восстановления таких параметров структур как период, толщины материалов, их плотность, шероховатость. Широкоугловая дифракция применяется для определения степени кристаллической структуры и наличия соединений материалов в зеркалах.
Для аттестации образцов в рабочем диапазоне длин волн в лаборатории имеется четыре рефлектометра. Они охватывают спектральный диапазон от 0,6 нм до 200 нм. Также результаты проверяются на оптической линии синхротрона BESSY-II (Берлин).
Для получения важной информации о структуре и химическом составе структур привлекаются такие средства и возможности как вторичная ионная масс-спектрометрия и электронная микроскопия.
Статьи
- Малышев, И.В. Состояние разработки микроскопа на длину волны 3,37 нм в ИФМ РАН / И.В. Малышев, А.Е. Пестов, В. Н. Полковников, Н. Н. Салащенко, М. Н. Торопов, Н. И. Чхало // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. — 2019. — № 1. — С. 3–13.
- Malyshev, I.V. A method of z-tomography using high-aperture soft X-ray microscopy / Ilya V. Malyshev, Nikolay I. Chkhalo // Ultramicroscopy. — 2019. — V. 202. — С. 76–86.
Полковников Владимир Николаевич
Ведущий научный сотрудник
в отделе рентгеновской оптики.