автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Создание и исследование элементов рентгеновской оптики на основе искусственных структур с нанометровыми размерами

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ОСОБОЧИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

На правах рукописи

ФИРСОВ Александр Анатольевич

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ РЕНТГЕНОВСКОЙ ОПТИКИ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННЫХ СТРУКТУР С НАНОМЕТРОВЫМИ РАЗМЕРАМИ

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника и микроэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученойстепени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1994

Работа выполнена в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Ерко А.И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Суворов Э.В. доктор физико-математических наук Якимов Е.Б.

Ведущая организация:

Физический институт РАН им. П. Н. Лебедева

..'50

Защита состоится " ¿ & " Ма.^* 1994г. в ¿4 час. на заседании специализированного совета при Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН по адресу: 142432, Черноголовка, Ногинского района, Московской области, ИПТМ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН.

Автореферат разослан "¿1 " а^о ^¡аиЛ 1994г.

Ученый секретарь

специализированного х' совета,

кандидат химических наук ( Н.В. Личкова

© Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

В настоящей работе внимание акцентируется на "мягкое" рентгеновское излучение, диапазон которого простирается от 10 А до 400 А. До достаточно недавнего времени работа с этим излучением была крайне затруднена т.к. излучение с длиной волны в этом диапазоне не распостраняется в воздухе, коэффициент отражения при нормальном падении для всех материалов крайне мал. Однако, несмотря на очевидные трудности работы с таким излучением, оно все шире применяется в научных исследованиях и технологии. Энергия "мягкого" рентгеновского излучения совпадает с энергией колебаний внутренних атомных электронов, благодаря чему рентгеновская спектроскопия, наряду с оптической, представляет собой важный метод изучения строения вещества. Характеристические линии элементов с зарядом ядра 2 <12 лежат в "мягком" рентгеновском диапазоне. Наблюдение этих линий, возбуждаемых пучком электронов или фотонов, лежит в основе современных чувствительных и универсальных методов элементного и химического анализа поверхностей. В "мягком" рентгеновском диапазоне лежит максимум интенсивности излучения горячей плазмы с температурой 50 + 1000 эВ. Поэтому "мягкое" рентгеновское излучение служит наиболее естественным источником информации о физических процессах, протекающих в таких объектах, как термоядерная плазма, Солнце, звезды, т.е. элементы рентгеновской оптики, работающие в этом диапазоне позволяют реализовать различные методы диагностики плазмы. "Мягкое" рентгеновское излучение обладает очень малой проникающей способностью, поэтому оно используется для микроскопических исследований малоконтрастных биологических объектов, тонких пленок, приповерхностных слоев твердых тел. И хотя разрешение рентгеновской микроскопии пока очень мало (300 + 400 А) по сравнению с разрешением электронной микроскопии, она обладает рядом сущетвенных преимуществ. Именно: гораздо меньшая радиационная" нагрузка на исследуемый биологический объект; возможность наблюдать объект во влажной среде т.е. в живом виде. И, наконец, использование "мягкого" рентгеновского излучения в рентгенолитографии, которая, как ожидается, в будущем заменит фотолитогрфию.

Простейшим элементом, преобразующим интересующий нас диапазон излучения, является просто многослойное зеркало. Экспериментально обнаружено, что минимальный период бинарного слоя, начиная с которого многослойная

структура начинает эффективно отражать определенный спектральный интервал падающего излучения, равен 28 А и зависит, по-видимому, от способа изготовления многослойной структуры. При этом, оптимальное отношение толщин двух материалов в одном периоде также зависит от выбранного способа. Следовательно, вопрос упирается в динамику формирования границы раздела двух материалов. Открытым оказывается вопрос об устойчивости, долговечности такого рода структур.

Диапазон длин волн от 20 А до 40 А в настоящее время активно используется при исследовании толстых биологических объектов. Рентгеновские микроскопы (как сканирующие, так и работающие на просвет), построенные в Великобритании, Германии позволяют получать информацию о биологических объектах недоступную при использовании электронного микроскопа. Интересным оказывается применение рентгеновской микроскопии для сугубо промышленных целей, именно, исследование различного рода гелей, технических масел, динамики полимеризации. Ведутся активные работы по созданию более эффективной и более высокоразрешающей рентгеновской оптики. Размер рисунка элементов такой оптики уже сейчас составляет 300 А. Необходимо разрабатывать технологию создания профиля рентгенооптических элементов, имеющих характерный размер фрагментов порядка 100 А в таких материалах^ак платина, золото, германий, никель, нитрид кремния. Сразу же возникает вопрос о том как зависят свойства этих материалов при столь малых размерах от способа их изготовления.

Возникновение идеи Брэггг-Френелевских элементов позволяет реализовать новые экспериментальные схемы, приборы, в которых величина преобразуемого потока излучения очень велика (например локальный анализатор химического состава). Возникает принципиальная возможность создания перестраиваемых по длине волны излучения элементов при изменении периода в многослойной структуре за счет использования в качестве промежуточных слоев сегнетоэлек-трических материалов. Брэгт-Френелевские элементы можно успешно применять для мониторинга электронных пучков на накопительных кольцах. Новые возможности в исследовании дифракции открывает использование сочетания многослойных структур и поверхностных аккустических волн.

Вышеизложенные проблемы обуславливают актуальность темы диссертационной работы.

Цель работы:

Поиск путей создания высокоэффективной и высокоразрешающей рентгеновской оптики на основе двумерных и трехмерных структур с нанометровыми размерами.

В связи с данной целью в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

- поиск оптимальных материалов для создания фазовой прозрачной рентгеновской оптики на основе анализа их физических и технологических свойств,

- разработка методов создания нанометровых структур рентгеновской оптики из этих материалов,

- исследование дифракционных свойств и оптимизация структур на основе субнанометровых слоев различных материалов,

- создание Брэгг-Френелевских линз на основе многослойных структур,

- изучение особенностей получения изображений с помощью эллипсоидальных Брэгг-Френелевских линз.

Научная новизна работы:

- Впервые получена фокусировка "мягкого" рентгеновского излучения с помощью эллипсоидальных Брэгг-Френелевских линз. Экспериментально показано сильное влияние внеосевых аберраций на размеры и форму фокального пятна БФЛ.

- Впервые созданы методом контаминэйшн технологии и химического травления активными атомами фазовые тестовые структуры на основе S13N4 с размером линий 25 нм. и высотой 160 нм. Теоретически обосновано преимущество таких рентгенооптических элементов в диапазоне длин волн от 20А до 40А.

- Впервые предложена и реализована методика создания Брэгг-Френелевских элементов, в которой отсутствует операция травления через маску резиста. Изготовленные таким способом решетки прошли успешное тестирование на линии синхротронного излучения BESSY.

Практическая ценность.

- Созданы рентгенооптические элементы, обладающие высоким пространственным разрешением для рентгеновской микроскопии биологических объек-

тов, рентгеновского флюорисцентного анализа, мониторинга электронных пучков на накопительных кольцах.

- Создана установка и разработана методика перенесения контаминэйшн рисунка в материал мембраны Si3N4 для целей получения структур с размером фрагментов меньше 30 нм. и пространственным отношением равным шести.

- Создана установка и разработана методика получения многослойных отражающих структур с использованием импульсного лазерного распыления в высоком вакууме. Высокая эффективность отражения Ni / С многослойных структур подтверждена при тестировании их на линии прецизионного измерения абсолютной отражающей способности радиометрической лаборатории BESSY (Берлин).

- Создана линия и вакуумная станция на накопительном кольце "Сибирь-1" (институт атомной энергии им.И.В.Курчатова) для исследования свойств Брэгг-Френелевских линз в рентгеновском "мягком" диапазоне длин волн.

Основные положения, выносимые на защиту.

- Результаты экспериментального и теоретического исследования эллипсоидальных Брэгг-Френелевских линз.

- Результаты исследования физических и технологических свойств материалов с целью создания рентгеновских оптических элементов сверхвысокого разрешения для длины волны рентгеновского излучения порядка 30Â.

-Результаты экспериментального исследования дифракционных элементов на многослойных структурах, созданных с помощью новой методики, в которой отсутствует операция травления через маску резиста.

Апробация работы. Материалы, включенные в диссертационную работу, докладывались на:

1. 2-nd European Conference on Progress in X-ray Synchrotron Radiation Research, Bologna, 1990.

2. Microcircuit Engineering, Leuven- Belgium, 1991.

3. 4-th International Conference on X-ray Microscopy, Chernogolovka-Russia, 1993.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6-и работах в журналах и материалах отечественных и зарубежных конференций.

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 75 названий. Объем диссертации составляет 120 страниц, включая 42 рисунка и 1 таблицу.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы, описываются цели, струкура диссертации и ее краткое содержание.

В первой главе диссертации описываются теоретические принципы создания дифракционных элементов. Приводится также описание единого подхода к физическому пониманию принципа фокусировки зонной пластинкой Френеля и Брэгт-Френелевской линзой, основанное на рассмотрении картины взаимодействия двух сферических волновых фронтов, из которого с очевидностью вытекает, что идеальная Брэгг-Френелевская линза имеет очень сложную трехмерную структуру и при очень малых углах скольжения резко выраженную ассиметрию. Отмечено, что математическое описание работы БФЛ гораздо сложнее и требует привлечения динамической теории рассеяния. Кинематическое приближение позволяет получить только качественные оценки.

Подробно описаны свойства традиционных зонных пластинок Френеля и приведена теория рассчета их эффективности. Представлен геометрический анализ амплитудной зонной пластинки. Анали I ическоетшраженне формыдифракцион-ной картины в фокусах различных порядков получено с помощью дифракционного интеграла Френеля-Кирхгофа. Приведены выражения, позволяющие оценить разрешающую способность и хроматическую аберрацию зонной пластинки. Определена эффективность дифракции в фокусы разных порядков при разложении в ряд Фурье амплитудной функции пропускания зонной пластинки. С применением принципа Ферма к границам зон получены выражения для монохроматических геометрических аберраций. Применение экранирующих зонных пластинок ведет к значительному уменьшению фона, но приводит также к менее адекватному отображению пространственных частот объекта в изображении. Наилучшим способом снижения фона в основном фокусе является использование зонных пластинок с модуляцией фазы. Рассмотрены основные свойства таких пластинок. Из литературного обзора следует, что теоретически, при кино-

формном профиле зон, эффективность зонных пластинок может быть очень большой (до 70%). С практической точки зрения наиболее перспективными кажутся фазовые пластинки, в которых толщина закрытых зон выбирается таким образом, чтобы в точке фокуса происходило суммирование с интенсивностью от открытых зон.

Особый интерес к зонным пластинкам возник не случайно. При изучении биологических объектов существует очевидный разрыв между областями применения двух хорошо разработанных приборов, предназначенных для этой цели, -оптическим и электронным микроскопами. Обычным стало получение с очень высоким разрешением изображений тонких окрашенных зафиксированных объектов. Исходные объекты исследования - толстые (1-10 мкм.), влажные и чувствительные к излучению. Для изучения таких объектов с помощью электронного микроскопа разработано множество методик и различного рода приемов. Стандартная обработка толстых образцов заключается в том, что их разрезают на тонкие слои и исследуют послойно, объединяя результаты в единое целое для создания представления о целом объекте. Ясно, что создание методов получения трехмерных изображений толстых объектов существенно ускорило бы работу. До сих пор не ясно насколько точно можно восстановить всю клетку по последовательным срезам. Другая проблема - радиационные повреждения образца. Радиационная доза, необходимая для получения изображения, обратно-пропорциональна квадрату контраста, а неокрашенные образцы обычно обладают очень низким контрастом при электронной микроскопии. Использование их для фокусировки рентгеновского излучения позволяет реализовать исследования толстых влажных биологических объектов. На рис.1 графики зависимости линейного коэффициента поглощения от длины волны излучения для ряда материалов наиболее часто используемых в рентгеновской микроскопии. Одна из основных задач рентгеновской микроскопии - исследование особенностей фрагментов протеина. Характерный размер толстого биологического объекта порядка одного - десяти микрон, а характерный размер фрагмента протеина - порядка 100 нанометров. Из графиков на рис.1 видно, что для получения достаточного контраста при формировании изображения необходимо использовать монохроматическое излучение с длной волны между 20А и 40А. В последние несколько лет рентгеновские микроскопы работающие в "мягком" диапазоне стали также

Вода

о* мк Са^ с* Края поглощения

Воздух

Длина волны, пт

Рис. 1. Графики зависимости линейного коэффициента поглощения от длины волны.

применять для исследования различного рода технических масел гелей, изучения динамики полимеризации т.е. для сугубо промышленных целей.

Пространственная структура и свойства Брэгг-Френелевских линз проанализированы с использованием эллипсоидальных координат. В кинематическом приближении оценены эффективность и спектральная селективность БФЛ. Идеальной Брэгг-Френелевской линзой является трехмерная голограмма точки, представляющая собой систему эллипсоидов или параболоидов. Такая линза не обладает хроматическими аберрациями, фокусирует все длины волн отражаемые решеткой в одну точку. На рис. 2 приведена модель поперечного разреза многослойного зеркала с эквидистантными слоями отражающего вещества. Как видно из рисунка профиль зон по глубине имеет сложную форму. Отражение БФЛ в общем случае должно рассчитываться с учетом эффектов многократного отражения. Однако, в области длин волн "мягкого" рентгеновского излучения количество слоев многослойной структуры не превышает ста, поэтому для качественного описания процессов дифракции можно применять кинематическое приближение. Фокусирующие свойства БФЛ, как и в случае пластинки Френеля, определяются размерами элементов дифракционной структуры. Представляя собой объемную дифракционную структуру БФЛ обладает ярко выраженными селективными свойствами как по отношению пространственного так и энергетического спектра падающей волны. Проведен анализ аберраций БФЛ. Отмечено, что появление сферической аберрации может быть обусловлено несоответствием реального трехмерного профиля зон рассчетным значениям. Так как реальные БФЛ имеют число зон порядка нескольких сотен, то для анализа внеосевых аберраций можно ограничиться рассчетом оптической разности хода при дифракции на поверхности структуры. И хотя на данный момент предельное разрешение, которое получают с использованием Брэгг-Френелевских элементов (например для флюорисцентного анализа 1мкм.) гораздо хуже чем разрешение достигнутое в настоящий момент для зонных пластинок (0,03 мкм) возможности технологии здесь далеко не исчерпаны. Брэгт-Френелевские элементы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с зонными пластинками работающими на просвет. Это в первую очередь возможность преобразовывать (выдерживать) гораздо больший поток излучения. Брэгг-Френелевские элементы не являются альтернативой зонным пластинкам Френеля. Они позволяют реализовать новые оригинальные экспериментальные схемы, построить новые приборы ана-

Рис. 2. Модель поперечного разреза БФЛ.

лиза веществ. Примером может служить создание флюорисцентного микроскопа в Орсэ (Франция). Использование БФЛ позволяет разрабатывать и реализовы-вать схемы мониторинга электронных пучков на синхротронах.

Вторая глава диссертации посвящена созданию зонных пластинок. Отмечено, что существуют три подхода к изготовлению зонных пластинок: голографиче-ский, с использованием электроннолучевой литографии и так называемая контаминэйшн технология, суть которых - разные способы первичного формирования рисунка рентгенооптического элемента. Описание первых двух способов дано кратко, указана литература, в которой при необходимости можно найти подробности реализации каждого из них. Большее внимание уделено контаминэйшн технологии - технологии, в которой создание углеродного рисунка рентгенооптического элемента на поверхности мембраны происходит за счет деструкции углеводородов под действием электронного луча. Основная борьба при создании зонной пластинки идет за повышение ее эффективности, что позволяет уменьшать время формирования одного кадра, и за повышение разрешения. Показано, что существенным моментом является оптимальный выбор материала, из которого предполагается изготовить зонную пластинку. На рис.2 изображены графики зависимости эффективности в первый порядок дифракции от толщины зонной пластинки для трех материалов: Си, Р1, 513К4. Предполагалось, что зонная пластинка будет работать при длине волны падающего на нее излучения равной 32А (рабочая длина волны рентгеновского микроскопа в Дарсбери). Видно, что все три материала на этой длине волны обладают фазовыми свойствами. Существенно различна оптимальная толщина, при которой эффективность зонной пластинки максимальна. Из графиков ясно, что если достаточно иметь некоторое среднее разрешение (скажем 500А т.е. размер последней зоны должен быть 400А), то зонную пластинку можно изготовить из В^зЫ^ для которого достаточно легко разработать методику химического травления. Пространственное отношение, которое в этом случае надо получить 9, (что для химического травления вполне реализуемо). Однако, если размер последней зоны в зонной пластинке порядка 200А, то выбор материала не столь очевиден. Даже если мы реализуем при химическом травлении максимальное

пространственное отношение 12, то очевидно, что та же самая толщина материала Си дает большую интенсивность в первом порядке дифракции. Но вместе с тем хорошо известно, что физическое травление пленки меди достаточно слож-

Рис. 3. Графики зависимости эффективности в 1-й порядок дифракции от толщины зонной пластинки для трех материалов: Си, Р^ БГД

но, во-первых, и, во-вторых, пленка меди со временем деградирует - рекристал-лизуется. Коэффициент физического травления платины достаточно высок и позволяет создать глубокий рисунок при достаточно тонкой маске. Вместе с тем, тонкая MacKaSi3N4 (мембрана) желательна если необходимо иметь исключительно тонкие фрагменты рисунка рентгенооптического элемента. Т. е. все этапы создания зонной пластинки тесно связаны друг с другом и знание теоретических принципов работы дифракционных элементов и свойств зонных пластинок должно сочетаться с пониманием как эти свойства возможно реализовать для каждого конкретного случая. При столь малых характерных размерах рисунка очень актуальным становится вопрос о качестве созданного тем или иным способом слоя амплитудного или фазового материала. Описаны эксперименты, в которых тонкий (порядка 20 нм) слой материала создавался на поверхности мембраны Si3N4 одним из трех способов: термическое распыление в вакууме, магнетронное распыление, распыление с помощью источника быстрых атомов FAB-110. Использовались материалы: Си, Аи, Mo, W, Ni, Ge. Качество пленок анализировалось на просвечивающем микроскопе с атомным разрешением. Обнаружено, что только использование источника быстрых атомов для распыления мишени позволяет создавать исключительно плотную, сплошную пленку, в которой зернистость меньше 50А. Контаминэйшн технология позволяет создавать рисунок с размером фрагментов порядка 40А. Основной неприятной особенностью является то, что начиная с размера фрагментов порядка 250А и при периоде фрагментов порядка 500А между фрагментами рисунка возникает очень толстый слой фоновой углеродной пленки. Для того, чтобы осуществить перенос рисунка в материал мембраны необходимо в первую очередь удалить эту фоновую пленку. Это возможно сделать в кислородной плазме. Однако, здесь нельзя забывать о том, что размер элементов порядка 20-25нм. и период порядка 50нм. а толщина углеродного рисунка 50-80нм. Это обстоятельство накладывает жесткие требования на источник ионов, который используется для плазмохимической обработки: в первую очередь на параллельность потока частиц, так как в недостаточно параллельном потоке частиц происходит гораздо более быстрое исчезновение рисунка, чем можно ожидать исходя из знания коэффициента химического травления; а также происходит трудноконтролируемый уход размера рисунка. Для экспериментальной реализации плазмохимического травления в плазме 02 и плазме CF4 была разработана специальная схема рис. 4. Индукционное возбуж-

индуктор

вентиль тонкого натекания

кварцевая

(1)

вакуумметр

ы

Рис. 4. Схема химического реактора для травления структур.

дение плазмы осуществляется посредством ВЧ-поля (ЮОМгц) в кварцевой трубе с внутренним диаметром 2см. Общая электрическая мощность, подводимая к индуктору, не превышает 2.5Вт. С помощью этого реактора разработана методика химического травления за счет нейтральных возбужденных атомов крайне активных химически, но обладающих очень малым временем жизни. Для предотвращения потока положительных ионов на образец на держатель подавалось положительное смещение. При фиксированном давлении рабочего газа и фиксированном потенциале смещения находилось такое положение держателя образца, при котором скорость травления резко возрастала. Эта схема позволила перенести рисунок тест-струкур с шириной линий 25нм. из контаминэйшн в материал 51зК4 на глубину 160нм, и, следовательно, разработанная методика позволит создавать зонные пластинки из с эффективностью порядка 22% (рабочая длина волны 32А). Приводится анализ существующих на данный момент в мире "высоких технологий" источников ионов. Отмечено, что несмотря на то, что для источника на электронно-циклотронном резонансе существует коллосальное количество работ как по его применению, так и по исследованию различных конструкций он уже не является источником номер один, а занимает всего лишь некое место в ряду себе подобных по параметрам. Наиболее перспективным с точки зрения дальнейшего развития методики изготовления высокоразрешающих зонных пластинок является применение источника на геликоно-вом резонансе.

Глава три посвящена технологии создания Брэгг-Френелевских элементов. Перечислены все основные этапы технологии; для каждого из этапов указаны основные моменты, на которые необходимо обратить особое внимание. В зависимости от технических требований к БФЭ его структура может быть сформирована на различных подложках. Это могут быть кремний, кварц, слюда, ниобат лития и т.д. Исследование микро и макрошероховатости подложки совершенно необходимо до начала формирования на ней многослойной структуры. Очень важный момент - правильный выбор пары материалов многослойной структуры. Во-первых, выбранная пара теоретически должна обеспечивать наилучшее отражение необходимой длины волны "мягкого" рентгеновского излучения. Во-вторых, условия конденсации этих материалов при выбранном способе их распыления не должны приводить к росту шероховатости на границе их раздела. И в-третьих, граница раздела этих материалов должна быть стабильна во времени.

В некоторых специальных случаях многослойная структура должна быть стабильна при высоких температурах. Вычисление интенсивности дифракции по Брэггу для многослойного зеркала требует решения уравнений Максвелла в материале, имеющем периодическое изменение коэффициента преломления. Проблема может быть рассмотрена либо в кинематической теории рассеяния либо в динамической теории рассеяния. При описании физики взаимодействия "мягкого" рентгеновского излучения с веществом учитываются: процесс когерентного рассеяния и процесс фотоэлектронного поглощения. Существует ряд методов первоначально разработанных для оптики видимого диапазона и с успехом примененных для рассчета многослойных структур, работающих в "мягком" рентгеновском диапазоне. Это: метод рекурентных соотношений и метод характеристической матрицы. Кроме того, существует метод медленных амплитуд, основанный на том обстоятельстве, что диэлектрические проницаемости всех веществ в "мягком" диапазоне близки к единице.

Приводится описание и дается сравнительный анализ трех методик создания многослойных структур. Это: с использованием магнетронной распылительной системы, ионной распылительной системы и импульсного лазерного распыления в высоком вакууме. Магнетронный способ является наиболее простым при технической реализации и наиболее универсальным т. к. позволяет организовать распыление практически любых материалов. Однако, условия конденсации пленки на поверхности подложки в такого рода системах сильно связаны с особенностями существования газового разряда (исключая специальные схемы, которые не применялись для создания многослойных структур). Следовательно и результат - качество созданной многослойной структуры - зависит от особенностей магнетронной распылительной системы. Использование автономных ионных источников позволяет улучшить условия конденсации распыленного материала на поверхности подложки. Основным элементом требующим повышенного внимания здесь является собственно источник ионов, стабильная работа которого в течение длительного времени просто необходима для создания периодической структуры. Использование наиболее продвинутых, современных источников ионов с фокусировкой пучка позволяет улучшить вакуум в камере напыления, однако, такие системы достаточно сложны. Автор диссертации для создания многослойных отражающих структур выбрал метод импульсного лазерного распыления в высоком вакууме. Использование для распыления мишени сфокусиро-

Рис. 5. Экспериментальная кривая - дифракционная эффективность правильной решетки, созданной новым способом на многослойной структуре N¡/0.

Рис. 6. Схема установки импульсного лазерного напыления.

подложка

распыляемые мишени

турбомолекулярный насос

к форнасосу

ванного лазерного излучения позволяет, во-первых, реализовать самые высокие эффективные скорости конденсации и, во-вторых, вести процесс создания многослойной структуры в высоком вакууме. Из сравнительного анализа экспериментальных результатов обнаружено, что при фиксированном периоде, оптимальное (по интенсивности отраженного излучения) отношение толщин двух материалов в периоде достигается при большей толщине тяжелого материала в случае использования импульсного лазерного распыления, чем при использовании магнетронного распыления. Это позволяет надеяться, что используя лазерное распыление в высоком вакууме удастся получить эффективно отражающие многослойные структуры с периодом меньшим, чем в случае использования магне-тронной распылительной системы, для которой предельный минимальный период равен 28А.

С использованием импульсного лазерного распыления в высоком выкууме впервые была предложена и реализована методика создания Брэгг-Френелевских элементов, в которой отсутствует операция травления через маску резиста. На рис. 5 экспериментальная кривая - дифракционная эффективность правильной решетки, созданной таким способом на многослойной структуре Ni/C, полученная на линии синхротронного излучения BESSY. Кривая соответствует углу падения излучения равному 5°. На этой же линии были исследованы абсолютные отражательные способности многослойных структур, созданных тремя различными методами. На рис. 6 - установка импульсного лазерного распыления в высоком вакууме, оснащенная лазером, работающим на длине волны 1.05 мкм с энергией в импульсе 0.8дж. и длительностью 10нс. Установка полностью выполнена на конфлатных соединениях и позволяет иметь вакуум в процессе создания многослойной структуры не хуже 1 ■ 10я торр.

Первые эллипсоидальные линзы были созданы на многослойной структуре Ni/C. Дается описание линии и станции на накопительном кольце "Сибирь-1" института атомной энергии им. И.В. Курчатова, специально сконструированных и построенных для исследования эллипсоидальных Брэгг-Френелевских линз. Использовалось излучение из поворотного магнита имеющее критическую длину волны 67А. Приводятся результаты проведенных исследований. На рис. 7 изображена схема испытания линз. В качестве регистратора излучения в этой схеме использовалась фотопластинка типа ВРЭ, имеющая разрешение один микрон. Изображение, регистрируемое фотопластинкой, обрабатывалось потом на ми-

Манипулятор линзы

Рис.7. Схема станции тестирования эллипсоидальных БФЛ.

кроскопе-фотометре МРУ-С02. Линза и фотопластинка размещены в вакууме на двух независимых манипуляторах, каждый из которых может осуществлять перемещение по трем координатам и имеет высоковакуумный ввод вращения. Система позволяет осуществлять дополнительную юстировку линзы по отношению к падающему на нее пучку, изменяя наклон столика, на котором она закреплена вокруг вертикальной и горизонтальной осей. В результате этого эксперимента было получено уменьшенное в 350 раз изображение источника излучения, имеющего размеры 2.8 мм. На рис. 8 приведена денситограмма изображения, полученного в фокальной плоскости БФЛ. Обнаружено, что качество изображения (качество фокусировки) существенным образом зависит от точности расположения осей эллипса линзы по отношению к падающему на нее рентгеновскому пучку. Впервые экспериментально обнаружено, что наличие макрошероховатости на поверхности подложки приводит к дроблению фокального пятна.

В заключении перечисляются основные результаты и выводы диссертационной работы.

1. На основе анализа физических и технологических свойств различных материалов показано, что лучшим материалом для создания фазовых зонных пластинок, работающих в диапазоне длин волн от 20 до 40А, является нитрид кремния.

2. Предложен и реализован метод плазмохимического травления в основе которого использование для травления нейтральных возбужденных атомов, обладающих повышенной химической активностью и очень малым временем жизни. Исходя из анализа существующих на данный момент в мире высоких технологий различных источников ионов, сделан вывод, что для дальнейшего развития методики создания глубокого рисунка с размером фрагментов меньше 20 нм. наиболее удобным источником является источник на геликоновом резонансе.

3. Впервые получены тестовые структуры из нитрида кремния показывающие, что возможно создание фазовых зонных пластинок с размером последней зоны 25 нм. и эффективностью 7% для длины волны используемого излучения 32А.

4. Впервые получена фокусировка эллипсоидальными Брэгт-Френелевскими линзами рентгеновского излучения в "мягком" диапазоне длин волн. Обнаружена сильная зависимость качества фокуса от качества подложки на которой сформирована многослойная структура. При использовании БФЛ для создания изображения различных источников рентгеновского излучения точность

Рис.8. Денситограмма изображения,

полученного в фокальной плоскости БФЛ

установки полуосей линзы по отношению к падающему на нее рентгеновскому пучку должна быть лучше 0.1°.

5. Проведено экспериментальное изучение создания многослойных структур с помощью импульсного лазерного распыления в высоком вакууме. Сравнительный анализ с идентичными структурами созданными магнетронным способом приводит к заключение, что лазерный способ позволяет формировать более резкую границу раздела двух материалов.

6. Впервые предложена и реализована методика создания Брэгг-Френелевских элементов в которой отсутствует традиционная операция травления многослойной структуры через маску резиста.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Аристов В.В., Ерко А.И., Рощупкин Д.В., Фирсов А.А. Рентгеновский сканирующий микроскоп. Авторское свидетельство от 07.01.88 N 4359073.

2. Aristov V.V., Erko A.I., Firsov А.А., Gaponov N.A., Zabelin A.V. Focusing properties of ellipsoidal Bragg-Fresnel multilayer lenses. 2-nd European Conference on progress in X-ray synchrotron radiation research, Conference Proceedings, vol. 25, 114, SIF, Bologna, 1990.

3. Ерко А.И., Салащенко H.H., Платонов Ю.Я., Забелин А.В., Фирсов А.А. Фокусирующие свойства элипсоидальных Брэгг-Френелевских многослойных линз. Письма в ЖТФ, 1990, т.16, вып.1, стр.87-91.

4. Erko A.I., Firsov А.А., Panchenco L.I., Zinenko M.A. Fabrication and tests of multilayer Bragg-Fresnel x-ray lenses. Microelectronic Engineering 13 (1991), 335 -338

5. Erko A.I., Firsov A.A., Yakshin A., Michette A., Scholze F., Fuchs D. Comparative analysis of three methods of multilayer structure fabrication by magnetron, laser pulse and ion beam sputtering. Abstracts H-15, 4-th International Conference on X-ray Microscopy, Chernogolovka, Russia, 1993.

6. Charalambous P., Firsov A. Optimization of the process parameters for the fabrication of high resolution diffraction optical elements. Abstracts H-16, 4-th International Conference on X-ray Microscopy, Chernogolovka, Russia, 1993.