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1、第33卷第4期原子能科学技术Vol.33,No.41999年7月AtomicEnergyScienceandTechnologyJuly19993软X射线多层膜技术王占山 高宏刚 马月英 吕俊霞 曹健林(中国科学院长春光学精密机械研究所,130022)软X射线多层膜技术是目前工程光学和应用光学中的一个热点。用多层膜可以组成类似于可见光波段的各种软X射线光学仪器,如望远镜、显微镜、投影光刻系统和光谱仪器等。文章简要介绍长春光学精密机械研究所近年来软X射线多层膜技术的研究概况。关键词软X射线 多层膜中图法分类号O43411多层膜软X射线反射元件是光学技术进步的产物。目前,在波长13nm附
2、近,多层膜正入射反射率达60%以上,已在软X射线光学系统中得以应用。更短波长的多层膜制作技术尤为困难,反射率很低。例如,7～10nm,最高为20%;水窗波段213～4.4nm,只能做到3%～8%。与多层膜有关的技术涉及亚纳米量级的计量、具有亚纳米粗糙度的平面和曲面加工、多层膜的设计及性能模拟计算、深亚纳米精度的薄膜成膜及控制、多层膜的检测方法以及多层膜的应用等方面。本文将概要介绍中国科学院长春光学精密机械研究所有关多层膜技术的研究状况。1 软X射线多层膜技术[1]111 超光滑表面的加工与检测4PcosH2实际表面对软X射线的反射可用Debye2Waller因子R=R0D(R)=R0
3、exp[-(R)]K描述。式中:R0为理想表面(R=0)对软X射线的反射率;H、K、R分别为入射角、入射光波长和表面粗糙度均方根值。为了得到接近理想的反射率,RöK须尽可能小。软X射线波长K=1～30nm,须R<1nm。用传统方法进行超光滑表面加工既耗时又与加工者的经验密切相关。浮法抛光是利用锡磨盘进行抛光的新技术,它既可提高生产效率,又可避免加工者人为因素的影响。本实验室从1991年开始研制浮法抛光机样机,到1995年完成表面粗糙度均方根值达013nm超光滑表面的加工。在此基础上,又研制了向工业规模过渡的浮法抛光机,现已加工出多种材料的超光滑表面,表面粗糙度均方根值稳定在015nm
4、以下,面形精度稳定在Kö8(K=3国家自然科学基金和“863”高技术项目资助课题王占山:男,36岁,光学专业,博士,研究员收稿日期:1998211202 收到修改稿日期:1998212221338原子能科学技术 第33卷632.8nm)以下。超光滑表面粗糙度检测使用WYKO表面轮廓仪,面形检测为ZYGO干涉仪。112 多层膜设计及性能模拟计算就膜系设计而言,常用薄膜材料在软X射线波段的光学常数是计算的基础。块状材料的光学常数与超薄膜状态下的光学常数有差异,因此,材料的光学常数测定是软X射线多层膜[2]技术的重要组成部分。[3]多层膜的设计方法,除了最早采用的循环递推法和矩阵方法外,
5、本实验室又发展起两种方法:一是基于多振幅反射率的复平面表示法,这是一种图像直观、计算简便、结果可靠的设计方法,这种方法除了用以解决膜系的计算问题外,还用以解决选材问题;另一是基于随机数的设计方法,这种方法不能解决选材问题,但可在已选定材料对的基础上设计出多种不同用途的多层膜,如在某一波段反射率积分值最大的多层膜设计等。[4]113 多层膜制备软X射线多层膜的制备较可见光多层膜有更严格的要求。镀膜设备必须能够做到:1)在镀膜过程中按原子尺寸实现膜厚控制;2)膜层足够均匀;3)尽量减小界面粗糙度和两种材料在界面处的贯穿扩散;4)足够长的稳定工作时间以适应制备层数很多的多层膜。目前,实际采
6、用的方法有超高真空电子束蒸发、离子束溅射、磁控溅射、激光束蒸发、分子束外延、化学镀膜等。电子束蒸发温度高,用石英晶体振荡器监控膜厚有严重的频率热漂移,影响膜厚控制精度;被蒸发物质动能亦低,难于形成高质量膜。离子束溅射的镀膜速率稳定,易于控制,溅射粒子的动能比热蒸发粒子的大,膜层紧密、牢固。用的最多的是磁控溅射。磁控溅射的镀膜速率比离子束溅射高2个数量级以上,较适于制备层数很多的多层膜。本实验室曾用进口电子束热蒸发镀膜机进行软X射线多层膜的研制。由于这种方法本身的限制,制备出的多层膜质量不佳。与中国科学院沈阳科学仪器中心合作研制了专门用于软X射线多层膜制备的离子束和磁控溅射镀膜机各1台
7、。这2台镀膜机运行稳定,是制备多层膜的主要工具。在过去几年中,先后用以制备了MoöSi,WöSi,MoöC,WöC,CröC,MoöB4C,AlöC等多种工作波长的多层膜,分别用在国内外X射线激光实验中。在制备多层膜过程中,膜厚定标和膜厚控制是极其关键的。采用台阶仪和X射线衍射仪相结合的方法进行膜厚定标。在离子束溅射时,用石英晶体振荡器实现膜厚控制;磁控溅射法时,用时间控制。114 多层膜检测本实验室制备的每块周期多层膜皆用日本理学公司的X射线衍射仪进行检
