极紫外与软X射线多层膜技术.pdf

极紫外与软x射线多层膜技术 王占山 (同济大学精密光学I程技术研究所 上海 200092) 摘要：首先介绍了极紫外与软x射线多层膜光学技术的研究意义和主要进展．然后，介绍了作 者在软x射线多层膜分柬镜和x射线超反射镜方面所儆的研究，度相应的实验结果。 关键词：极紫外与软x射线；多层膜；溅射镀膜 l-引言 极紫外与软x射线是电磁波谱中的一部分，其波段范围还没有非常明确的定义，现一般认为极 Tm。由于极紫外和软x射线波长比可见光波长短许多，由 250cV銎J)LkcV，相应的波长范围约0．2-5．0 瑞利判据可知，极紫外和软x射线光学系统可以得到更高的分辨率。因此，用极紫外和软x射线显微 镜可以观察到生物样品更细微的结构，用极紫外光刻机可以刻出特征尺寸更小的集成电路。同时， 绝大多数中、低原子序数元素的主要原子共振线和吸收边都在极紫外和软x射线波段范围内，因此， 所有材料的吸收长度都很小。在微米和纳米量级，这也是历史上限制极紫外和软X射线波段光学发 展的根本所在。但在另一方面，这些共振线和吸收边的存在又提供了化学元素(ctN’o等)和化学物(si， Siq，TiSh等)分辨的天然机制，为科学和技术的进步创造了新的机遇。 为了充分利用极紫外和软x射线波段的优势和特点，人们一直努力将现有的红外、可见和紫外 波段发展起来的光学技术推进到极紫外和软x射线波段。由于极紫外和软x射线波段的特殊性，其光 学的进步与材料科学和纳米制作技术的发展密切联系在一起。同时，光学的进步提供了新的观察手 段，使人们加深了对表面科学、化学和物理学领域的认识科学和技术之间的相互关联，使极紫外和 软x射线波段光学进人到一个飞速发展的阶段。 极紫外和软x射线与物质的作用可以用复折射率Z=Ⅳ一承=1一占一够，硪征光通过物质后相 位的变化，臆征物质对极紫外与软x射线的吸收。极紫外和软x射线波段的斫Ⅱ户般在lO叫量级。因 此，一方面，物质在此波段的折射率都接近于1，所以，物质的折射能力很差，如果制作透镜，则透 镜的曲率将非常大，同时所有物质都是吸收的，透过率很低，所以不能采用折射型透镜。另一方面， 在芷入射条件下，由单一界面反射率在104量级，这样小的反射率是不可能实用的。因此，在相当长 的时间里，掠人射光学是软x射线波段唯一可用的系统总体。20世纪70年代以前，极紫外和软x射线 光学方面的研究工作进展缓慢， 2．多层膜研究的进展 且观察到了x射线衍射现象，但由于Au和cu之间的扩散非常严重，周期结构根快就消失了。60年 他们之所以选择Mg作为间隔层，是因为它容易蒸发，并且在1．0--4．3nm波段．吸收系数比C的小。 这些薄膜的问隔层和散射层都容易蒸发，是限制其性能的关键囡素。Pb／№和Au／Mg与Au／cu类似， 31 当时多层膜理论及微结构制各技术水平的限制，直到60年代末，多层膜的进展仍非常缓慢。1972 年软x射线多层膜的研究真正开始，Spiller首次明确提出，可以像远红外、可见、紫外光渡段那样， 在软X射线波段应用多层膜技术。这种多层膜非常类似于其它波段的四分之一波长膜层结构，由散 射层和间隔层材料交替制成。理论计算表明这样的多层膜可以大大提高非掠入射条件下的反射率。 随后，他又讨论了膜系的设计，确立了软X射线多层膜的选材原则，并用电子束蒸发的方法制各了 软x射线多层膜，发展了一套软x射线反射率实时监控方法。在这一设想的倡导下，Hadbich等人 作为软x射线波段最有希望的光学元件之一得到人们的重视。Barbee等人采用磁控溅射技术制各多 层膜，取得了显著的进展，并于1981年初步应用于软X射线光学研究。目前大部分的多层膜都是采 用磁控溅射方法制各的，它的控制过程比热蒸发方法也简单得多．总之，经过70年代和80年代的 发展，软X射线多层膜逐渐得到了实际应用。 上世纪80年代后，随着超精细加工技术和纳米薄膜制备技术水平的提高，软X射线多层膜有了 突破性的进展。人们在理论(如各种材料的光学常数、膜系结构设计和性能模拟计算等)、制备技术 (电子束蒸发离子束辅助抛光技术、各种溅射技术)、工艺及检测等方面均做了深入细致的研究，取 得了显著成果。目前，世界上已有多家研究小组能制各处性能优良的正入射软x射线多层膜。在较