极紫外和软X射线窄带多层膜的研究

【摘要】：自上世纪70年代以来，极紫外、软X射线和X射线多层膜理论和技术得到了飞速发展。具有高反射性和良好稳定性的多层膜元件，已在天文学、显微学、材料科学、同步辐射应用和等离子体诊断等领域内获得了广泛应用。但在高光谱分辨率的测试，如天文物理、飞秒激光产生高次谐波的选频、低原子序数材料的荧光分析和窄带偏振测量等，多层膜的带宽还不能满足窄带宽的要求。因此，迫切需要发展窄光谱带宽的多层膜。 本文首先简述了多层膜的基本理论、样品制备所采用的磁控溅射方法及其设备，然后基于多层膜带宽产生机理，详细研究了几种提高多层膜反射镜光谱分辨率，制备窄带多层膜的方法。 第一种方法是将多层膜的高反射率和光栅的高分辨率结合起来，在W／C和Mo／Si周期多层膜上进行刻蚀，制成多层膜光栅，其带宽比原来的周期多层膜窄。用平均密度法确定不同刻蚀情况下材料的光学常数，用递推方法计算了多层膜光栅和常规多层膜带宽的性能，结果表明多层膜光栅的光谱分辨率比常规多层膜有一定的提高。用磁控溅射方法制作了W／C和Mo／Si周期多层膜，W／C多层膜光栅是用离子束刻蚀方法完成制作的。由于Mo／Si多层膜的总厚度太大，无法使用离子束刻蚀完成，因而选用反应离子刻蚀的方法。X射线掠入射衍射测试结果表明：W／C多层膜和Mo／Si多层膜经过光刻和刻蚀后周期结构没有发生变化，W／C多层膜带宽有一定的减小。但Mo／Si多层膜的带宽基本保持不变。用同步辐射和激光等离子体做光源进行的测试表明：Mo／Si刻蚀多层膜反射率峰值的位置向低能端移动，反射率有减小，这与理论设计相一致，但带宽变化较小，这与理论计算结果有一定差距。本文讨论了出现这种差别的原因。 二是根据材料在不同波段的特性，选用不同的低原子序数材料组成的周期多层膜来代替常规周期多层膜。在14nm波长处，设计和制备了Si／B_4C、Si／C和Si／SiC多层膜，并将其性能与Mo／Si多层膜性能进行了比较，同步辐射测试结果与设计结果符合，Si／B_4C、Si／C和Si／SiC多层膜的带宽都比Mo／Si多层膜小，但反射率有所下降，其中Si／SiC多层膜的带宽最小，为0.18nm。在30.4nm波长处，设计和制备了Si／C、Si／B_4C、Si／Mo／B_4C、Si／SiC、Mg／SiC和Mo／Si多层膜，同步辐射测试结果与理论计算基本一致，Mg／SiC多层膜的带宽最小，为1.44nm。在高