（光学工程专业论文）类镍钽软x射线激光用高反射镜的研究.pdf

摘要 多层膜技术极大地提高了光学元件对极紫外光和软x 射线的反射率，有力 地促进了该波段光学系统的发展，已在天文学、显微成像、光刻、同步辐射应 用以及x 射线激光等领域得到了广泛的应用。工作波长为4 4 8 n m 的高反射镜是 类镍钽软x 射线激光实验及其应用的核心元件，因此，进行4 4 8 n m 多层膜高反 射镜的设计、制备与检测研究具有重要意义。 类镍钽软x 射线激光用反射镜是周期多层膜，其膜层厚度小、周期数多， 制备难度大，实际反射率远小于设计值。目前；只有美国、德国、日本等研制 了实用的元件，但我国对此类高反射镜还未进行深入研究。 本文探讨了类镍钽软x 射线激光用多层膜反射率的计算方法。针对材料的 光学特性、物理化学性质和成膜特点，选择了c r c 、c o c 和c r s c 多层膜材料 对。计算了不同结构参数下，多层膜的峰值( 工作波长4 4 8 r i m ，入射角5 0 ) 反 射率，比较了几种材料对的反射性能。利用s t e a r n s 散射理论，模拟了多层膜界 面缺陷对反射性能的影响。 采用超高真空磁控溅射镀膜设备制备了不同结构参数的c r c 、c o c 和 c r s c 多层膜样品。用x 射线小角反射方法测量了多层膜周期，对镀膜材料的溅 射速率进行了精确标定。通过反复实验研究，优化了充气方式、基片偏压、溅 射功率等工艺条件，分析了制备工艺对成膜质量的影响，找到了比较好的镀膜 工艺参数。实验上比较了不同结构多层膜的性能，得到了便于制作的多层膜结 构参数。 使用高分辨率x 射线衍射仪测量了多层膜的小角反射曲线和散射曲线，结 果表明样品的膜层结构好、厚度误差小。对测量曲线进行了数值拟合，得到了 拟合结果，分析了影响c r c 、c o c 和c r s c 多层膜反射率下降的主要原因。在 德国b e s s yi i 同步辐射装置上测量了多层膜的反射率，其中，c r i c 和c r s c 多 层膜的峰值反射率分别达到7 5 0 和6 2 7 ，表明研制的类镍钽软x 射线激光用 高反射镜已基本满足了实际应用要求。 关键词：类镍钽软x 射线激光，周期多层膜，峰值反射率，磁控溅射 a b s t m e t a b s t r a c t m u l t i l a y e rm i r r o r s ，w h i c hp e r m i tt h ea c h i e v e m e mo fh i g hn o r m a li n c i d e n c e r e f l e c t i v i t yi ns o f tx - r a ya n de u vr e g i o n , a r ct h ee n a b l i n gt e c h n o l o g yf o rt h e s i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n t so fo p t i c a li m a g i n gs y s t e m s t h e s em i r r o r sa r en o wf i n d i n g w i d ea p p l i c a t i o ni ni n s t r u m e n t a t i o nf o ra s t r o n o m y , m i c r o h o l o g r a p h yo fb i o l o g i c a l s a m p l e s ，e u vl i t h o g r a p h y , s y n c h r o t r o nr a d i a t i o n , x r a yl a s e ra n ds oo n ，t h eh i g h r e f l e c t i v em i r r o r sf o rn i l i k et as o f tx - r a yk 噶e f w o r k i n ga t4 4 8 n m , a r et h ec o r e e l e m e n t si nn i - l i k et al a s e re x p e r i m e ma n di t sa p p l i c a t i o ne x p e r i m e n t s ot h e r e s e a r c ho nd e s i g n , f a b r i c a t i o na n dm e a s u r e m e n to f 4 4 8 n mh i 【g hr e f l e c t i v el l l h t o r $ i s v e r yi m p o r t a n ta n dm e a n i n g f u l t h eh i g hr e f l e c t i v em i r r o r sf o rn i - l i k et as o f tx - - r a yl a s e ra r e p e r i o d i c a l m u l t i l a y e r s ，w h o s el a y e rt h i c k n e s si ss m a l la n dt h ep e r i o dn u m b e ri sl a r g e ，w h i c h m a k et h e me x t r e m e l yd i f f i c u l tt of a b r i c a t e a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e f l e c t i v i t yo f p r e p a r e dm i r r o r si sm u c hl o w e rt h a nt h ea c a d e m i c n o w , o n l yt h el l i g hr e f l e c t i v e m i r r o r sf o rn i - l i k et as o f tx - r a yl a s e rm a d ei nas m a l ln u m b e ro fc o u n t r i e sl i k e a m e r i c a , g e r m a n ya n dj a p a nm e e tt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s h o w e v e r , c h i n ah a s n t d od e e pr e s e a r c ho nt h i sk i n do f h i 【g hr e f l e c t i v em i r r o r s i nt h et h e s i s ，t h ec a l c u l a t i n gm e t h o do f r e f l e c t i v i t yi sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h e o p t i c a lp r o p e r t i e s ，t h ep h y s i c a l ，c h e m i c a lp r o p e r t i e s ，a n dt h e f i l m f o r m i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，c r c ，c o ca n dc r s ca r ec h o s e na st h em a t e r i a lp a i r s t h er e f l e c t i v e c h a r a c t e r i s t i e so fm u l t i l a y e r sm a d eo fd i f f e r e n tm a t e r i a l sa r ec o m p a r e d n 圮 m u l t i l a y e rs t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dp e a kr e f l e e t i v i t ya r ey i e l d e da f t e rt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h ee f f e c t so fm u l t i l a y e ri n t e r f a c ed e f e c t sa r ed i c u s s e db a s e do nd s t e a m s d i s p e r s i o nt h e o r y c r c 。c o ca n dc r s c 扯g hr e f l e c t i v em i r r o r s 谢t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa r c f a b r i c a t e db yu s i n gd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n gm e t h o d s t h ed e p o s i t i o nr a t e so f d i f f e r e n tm a t e r i a l sw e r ea c c u r a t e l yc a l i b r a t e db yu s i n gl o wa n g l ex - r a yr e f l e c t i v i t y m e a s u r e m e n t t h ef a b r i c a t i n gp a r a m e t e r ss u c ha sg a sf l u x ，b i a sv o l t a g ea n ds p u t t e r i n g i i a b s t r a c t p o w e ra r eo p t i m i z e dt h r o u g hr e p e a t e de x p e r i m e n t s t h ef a b r i c a t i n gt e c h n i c sa r e a n a l y z e d , a n ds u i t e df a b r i c a t i n gp a r a m e t e r sa l ef o u n d t h ep e r f o r m a n c e so fh i g h r e f l e c t i v em i r r o r sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa r ec a m p a r e d ，a n dg e tt h em u l t i l a y e r s s 1 1 u c n l r e sf i t t e dt op r e p a r e l a s t l y , t h es m a l la n g l er e f l e c t i v i t yc u r v e sa n dr o c k i n gc l l r v e s ，w h i c hs h o wt h a t t h eq u a l i t i e so fm o s ts a m p l e sa r ew e l la g r e e dw i t ht h ed e s i g na n dt h et h i c k n e s se l t 0 1 暑 a r es m a l l ，a r eo b t a i n e db yu s i n gx - r a yd i f f t a e t o m e t e r a f t e rt h es i m u l a t i o no ft h e e x p e r i m e n t a ld a t a , t h em a i nc a u s e sr e d u c i n gt h e f l e c t i v i 锣o fc r c ，c o ca n dc r s c m i r r o r sa r ea n a l y z e d t h er e f l e c t i v i t ym e a s u r e m e n t so ff a b r i c a t e ds a m p l e si nw o r k i n g r e g i o na r ec a r r i e do u to nt h eb e s s y i is y n c h r o t r o nr a d i a t i o ni ng e r m a n y t h ec r c a n dc r s c s a m p l e s a c h i e v e dt h e h i g h e s tr e f l e e t i v i t y , w i t h 7 5 a n d6 2 7 r e s p e c t i v e l y , w h i c hs h o w st h a tt h eh i l g hr e f l e c t i v em i r r o r sf o rn i l i k et as o f tx - r a y l a s e rh a v ef u l f i l l e dt h er e q u i r e m e n t sf o rp r a c t i c a lu s e k e yw o r d s ：n i l i k et is o f tx - r a yl a s e r , p c r i o d i c a lm u l t i l a y e r s ，p e a kr e f l e e t i v i t y , m a g n e t r o ns p u t t e r i n g l 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 极紫外与软x 射线位于电磁波谱中紫外和硬x 射线波段之间，是波长较短 的两类电磁波，如图1 1 所示，两者波长没有明显界限，通常可作如下划分： 极紫# b ( e u v ) ：, - - 4 0 n m 一5 n m , , - , 3 0e v - 2 5 0 e v 软x 射线( s o f tx - r a y ) ：5 n m 一0 2 n m , - - 2 5 0e v , - - 6 k e v 相比于紫外和可见光，极紫外与软x 射线波段光波长更短，作为光源有利于 提高光学系统的成像分辨率和观测精度。软x 射线激光是波长位于软x 射线波段 具有极高瞬间亮度、带宽窄( a a l 旷) 、脉冲持续时间短( 眷u母嚣m芷 扫；lloo#街茁 第2 章软x 射线激光用高反射镜的设计 表2 2 不同界面宽度a 下c r c 、c o c 、c r s c 多层膜的理论峰值反射率 o = 0 n mo - - - 0 2 n mo = 0 4 n mo - - - 0 6 n m r e r i c ( ) 3 7 5 83 0 4 01 4 7 03 5 3 r c o c ( ) 3 6 6 92 9 4 41 4 1 33 3 9 r c , p s c ( 呦 2 1 0 61 6 4 17 2 41 6 2 以上图表可以看到，多层膜的峰值反射率对界面宽度。非常敏感，o 的增加 会引起反射峰位置偏移，使反射率急剧下降。因此，选择合适材料对以及优化 工艺参数控制表界面的粗糙及扩散是提高多层膜反射率需要解决的重要问题。 2 4 3 多层膜在o 1 5 4 n m 波长处反射特性的理论分析 多层膜x 射线小角反射测量是目前最常用检测多层膜结构的方法。它操作 方便、测试时间短，通过对测量值的拟合能够得到周期、材料的厚度比例、粗 糙度等信息( 在本文第三章有详细介绍) ，而且测试简单可以在普通实验室内完 成。本文对掠入射条件下的c r c 、c o c 、c r s c 多层膜在o 1 5 4 n m 波长的小角反 射特性进行了模拟计算，理论曲线如图2 1 3 图2 1 5 所示。 g r a z i n gi n c i d e n ta n g l e 。e d e g r e e 图2 1 3c r c 多层膜在0 1 5 4 n m 波长下反射率随掠入射角变化的理论曲线 扫l s c 霉量 第2 章软x 射线激光用高反射镜的设计 g r a z i n gi n c i d e n ta n g l e ，e d e g r e e 图2 1 4c o c 多层膜在0 1 5 4 n m 波长下反射率随掠入射角的变化曲线 g r a z i n gi n c i d e n ta n g l e ，el d e g r e e ) 图2 1 5c r s c 多层膜在0 1 5 4 n m 波长下反射率随掠入射角的变化曲线 现有衍射仪测量的极限反射率是1 旷量级，根据以上理论曲线，当界面厚度 为o 3 m ，衍射仪能探测到的反射级次很少( 3 ) ，说明了小周期多层膜制备、 测试的难度。 奢i s c 霉三 扫i s c 暑u i 第2 章软x 射线激光用高反射镜的设计 2 5 小结 本章对工作波长为4 4 8 n m 的软x 射线多层膜进行了设计和分析。介绍了材 料在软x 射线波段的光学特性；镀膜材料对的选择方法；理想与非理想条件下 多层膜的x 射线反射理论；多层膜结构设计以及性能的模拟计算。计算了c r c 、 c o ( ；、c r s c 多层膜的理论反射率：模拟了非理想界面对多层膜反射性能的影响， 从模拟结果可知小周期多层膜对界面质量非常敏感；给出了多层膜反射率随周 期数变化的理论曲线，饱和周期数为3 0 0 ；模拟了x 射线衍射仪( ) 测量 的多层膜小角反射曲线，讨论了界面质量对小角反射曲线的影响。以上研究对 预测多层膜性能，分析测量结果，选择合适的镀膜条件。摸索最佳制备工艺具 有重要的指导意义。 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 3 1 引言 根据第二章的计算可知，理想情况下1 5 0 对的c r c 、c o c 多层膜对5 0 入射、 波长为4 4 8 n m 的类镍钽软x 射线的理论反射率为4 0 ，相同结构1 5 0 对的c r s e 多层膜理论反射率为2 0 ，然而目前国际上研制的最高反射率仅为1 4 3 t 6 9 】， 与理论值相差甚远。主要原因是此类多层膜的周期小，膜层厚度仅1 纳米左右， 相当于几个原子层的厚度，同时周期数多给制备带来很大困难。因此，提高小 周期多层膜反射率主要有以下三个途径：第一，提高镀膜条件的稳定性；第二， 改进镀膜设备的控制精度，镀膜速率稳定；第三，优化工艺参数，提高成膜质 量。 本章主要介绍了实验制备多层膜所用的磁控溅射镀膜设备及其原理，溅射 速率的标定方法，优化了多层膜的制备工艺和结构设计参数。 3 2 多层膜制备方法 制备软x 射线多层膜有三种常用的方法，即磁控溅射 7 0 l 、电子束蒸发川【7 2 】、 离子束溅射【7 3 】。其中离子束溅射是早期制备多层膜的主要方法，由于溅射到基 片上的材料粒子能量较高，导致界面上的混合与扩散较大，其性能不能满足制 备小周期多层膜的要求。 电子束蒸发技术中，沉积粒子的能量小，在界面上不易产生扩散，但也难 以形成连续薄膜，膜层界面间粗糙度较大，不易形成高质量薄膜；并且镀膜沉 积速率波动很大，不适合小周期多层膜长时问、多周期的镀膜要求。 磁控溅射技术是目前制备极紫外及软x 射线波段多层膜最常用的方法。其 主要优点是沉积粒子能量大，膜层与基板间的结合力好，沉积速率和沉积粒子 能量易控制，膜层致密且附着力强，界面结构好，镀膜速率稳定。目前国际上 性能最好的软x 射线多层膜主要是用磁控溅射方法制备的，本论文也采取这种 方法制备类镍钽软x 射线多层膜高反射镜。 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 3 3 磁控溅射介绍 3 3 1 溅射的原理 “溅射”的定义是用带有几十电子伏特以上动能的离子轰击固体靶表面， 使固体原子或分子射出的现象。溅射现象在1 8 4 2 年f ：i g r o v e 6 9 发现，目前被广 泛应用于薄膜制备中，溅射材料包括了金属、合金、半导体、化合物等。 溅射是一个复杂的过程，如图3 1 所示，伴随着离子轰击的各种现象，固体 表面在入射离子的高速撞击下，溅射出中性原子或分子沉积于基片表面。在溅 射镀膜中，膜层的沉积速率通常与靶材的溅射率和溅射材料的凝聚速率有关。 影响溅射率主要有 7 4 1 ：1 ) 入射离子能量；2 ) 入射离子与固体靶材的种类；3 ) 离子的入射角。镀膜材料在基片上的凝聚速率与基片相对于阴极靶或辉光放电 区的位置、系统真空度和基片的运动状态有关。 图3 1 粒子与固体表面的相互作用 3 3 2 磁控溅射的原理 本文选择同轴圆柱型靶枪、直流磁控溅射的方法制备多层膜，其结构和原 理如图3 2 所示。实验中在被溅射的靶材( 阴极) 与阳极间加一个正交磁场和电 场，永久磁铁在靶材的表面形成一个高斯磁场，同高压电场组成正交的电磁场。 电子在电场作用下，在加速飞向基片的过程中与溅射室内充入的工作气体气 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 发生碰撞，电离出a r + 并产生电子。电子飞向基片，a t + 在洛仑兹力的作用下加 速飞向溅射阴极( 靶面) ，高速轰击靶面，靶上被溅射出来的原子或分子遵循动 量守恒原理以较高的动能脱离靶面飞向基片。溅射粒子中，中性的靶材原子沉 积在基片上形成薄膜，靶表面发射的二次电子e l 加速飞向基片时，受到磁场b 的洛伦兹力作用，被束缚在靠近靶表面封闭的等离子体区域内作螺旋式运动， 使其在阴极区的行程增加与充入溅射室内的a r 气原予碰撞几率增加，提高了 m 原子被电离成a r + 的几率，在溅射阴极附近形成高密度的等离子体。 3 3 3 磁控溅射设备介绍 图3 2 磁控溅射原理图嘲 本实验使用的是中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司制造的 j g p 5 6 0 ci v 型超高真空磁控溅射镀膜设备，如图3 3 所示。它由溅射室和样品 室组成，中间被一个单向闸板阀隔开。溅射室与样品室有各自的机械泵和分子 泵，两者的本底真空分别可达l x l 0 4 p a 和l 1 0 4 p a 。溅射室和样品室均配有进 气通道，气体流量由流量计控制，单位是1 0 4 m 3 ，s ，工作气压由薄膜真空计测量， 单位是p a 。溅射室和样品室间通过磁力杆传输样品，在保证溅射室不暴露于大 气的情况下，可以将已制备的多层膜样品与新基片交接转换，不需重新抽溅射 室真空，提高制备效率。 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 图3 4 是溅射室的俯视图，溅射室内有a 、b 、c 、d 四个溅射靶位，每个 靶位都安装了直径o = l o o m m 的平面强磁场靶枪，可以在低气压下稳定工作，靶 枪可以采用直流和射频两种工作方式。本文用直流磁控溅射法制备c r c 、c o c 、 c r s c 类镍钽软x 射线多层膜。在靶上方的转盘上有四个位置均匀分布的样品架， 每个样品架都有一个独立的自转轴，样品被固定在样品盘上插入样品架内，样 品与靶面的相对高度可调。样品架和靶枪之间装有带开孔的挡板，制备过程中 将需要镀制的样品与孔正对，其他样品则被挡住防止被溅射污染。通过步进电 机控制样品在不同靶上的停留时间来控制膜层厚度，同时样品架绕自转轴自转， 以提高膜厚的均匀性。 粤生轴磊筑 图3 3 磁控溅射镀膜设备侧视图 图3 4 磁控溅射镀膜设备俯视图 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 3 4 镀膜沉积速率标定与多层膜的结构检测 磁控溅射方法制备多层膜，靶材与基片的间距小( 5 c m - 1 0 c m ) 且镀膜材料 沉积速率小，仅为每秒几个纳米，因此很难采用实时厚度检测的方法实现膜厚 控制。工作条件稳定，则磁控溅射制备的膜层生长速率非常稳定。因此，在磁 控溅射制备薄膜过程中，一般采用时间控制法控制膜层厚度。这种方法操作简 单且精度高，膜层数小于1 0 0 时，每层膜的控制误差可达o 0 1 r i m ，膜层数大于 1 0 0 时，每层膜的控制误差小于o 0 5 r i m 7 5 1 。本实验通过计算机带动步进电机控 制基片在两个靶上方的停留时间实现沉积膜层厚度的精确控制。首先需要精确 标定两种制备材料的沉积速率，采用高精度x 射线衍射仪的小角反射测量方法检 测多层膜周期厚度，对溅射速率进行标定。 3 4 1x 射线小角反射测量介绍 x 射线小角反射方法测量多层膜的周期结构是一种应用广泛的测试分析手 段，通过拟合分析反射曲线可以得到多层膜的周期、两种镀膜材料的厚度比例 以及膜层界面质量等信息。其主要优点有：第一，入射x 射线能量高，穿透深 度大，能够获得多层膜结构的深层信息；第二，x 射线波长较短( 九= o 1 5 4 r i m ) ， 可以获得较多的衍射峰，测量结果精确；第三，非破坏性，不损伤破坏样品的 结构，样品制备简单，测试方便。通过x 射线小角反射测试，可以及时获得多 层膜样品的结构信息，更有效地指导下一步的制备工作。 3 4 1 1 高分辨率x 射线衍射仪测试多层膜结构的原理 x 射线衍射仪测试多层膜结构的理论依据是晶体学的布拉格( b r a g g ) 定律 【7 ”，它描述了被晶体晶面“反射”后x 射线散射波的干涉现象，在多层膜理论中 这种晶面即为两种材料的界面。当x 射线照射到多层膜样品时，多层膜界面上的 原子和周围的电子将对入射光子产生相干散射，并且干涉迭加，最终的衍射光 强是由多个界面的散射光互相干涉迭加而成的。当入射光的光程差等于波长的 整数倍，即满足布拉格定律( 如公式3 1 所示) 时，产生干涉加强。 m 2 - - 2 d s i n 0 ( 3 1 ) 上式中m 为衍射级次，d 为晶面间距，0 为相应级次的掠入射角，九为x 射 线波长。当一束波长九已知的x 射线照射在待测晶体上时，通过测量掠入射角0 ， 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制各 即可求得晶面间距d 。 软x 射线多层膜作为晶格常数( 周期) 为纳米量级的一维人工晶体，对入 射x 射线产生衍射，由布拉格方程可知，由于多层膜晶格常数较天然晶体的晶 格常数大一个数量级，低级次衍射峰的角度很小，因此这种方法又被称为x 射 线衍射仪小角反射测量法。反射强度与多层膜结构有关，一般反射峰强度越高、 级次越多，多层膜的周期性越好，结构越清晰。 3 4 1 2 高分辨率x 射线衍射仪小角反射测量介绍 本文所有样品均采用b e , d e 公司生产的d i 高分辨x 射线衍射仪进行测试， 它主要由光源、测角仪和探测器三部分组成，结构如图3 5 所示。光源为真空密 封c u 靶x 射线光管，输出c u 的k 谱线( o 1 5 4 n m ) ，最大输出功率2 k w 。本文 使用高强度模式( h i g hi n t e n s i t ym o d e ) 进行测试，光源出射的x 射线首先经过 一个椭圆抛物面形状的x 射线反射镜进行初步准直，使发散的x 光汇聚，同时 滤除大部分的c u 磁谱线和韧致辐射谱线；从反射镜出射的x 射线再经过两块 对称放置的s i ( 2 2 0 ) 单晶，通过4 次反射使出射的c u 的k i x 射线达到高平行 性和单色性，再经过狭缝1 照射到样品上；经样品反射的x 射线经过狭缝2 和3 滤除空气中散射的x 射线，最后进入探测器。根据测试要求，狭缝1 、2 、3 的 宽度分别为5 0 p m 、5 0 0 p m 、5 0 0 1 a n 。测试过程中，当样品转动0 角时，探测器 随之转动2 0 角，以0 角入射的x 射线经过样品反射后被探测器接受，数据由计 算机采集、存储并处理后，得到测试曲线，扫描采样间隔为0 0 2 0 。 图3 5b e d ed 1 型x 射线衍射仪结构示意图 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 3 4 2 镀膜沉积速率标定 由于物质对x 射线有吸收，本文采用修正后的b r a g g 公式( 3 2 ) ，通过定标 样品的x 射线小角反射测试曲线标定溅射速率： s i i l 2 巳= ( 2 2 d ) 2 m 2 + 2 6( 3 2 ) 式中m 是衍射峰级次，0 。是衍射峰位置，6 是平均折射率衰减量，九是入射x 射线波长( 本实验测试用c u 的k 0 线：o 1 5 4 r i m ) ，d 是待测的多层膜周期。 根据测量定标样品小角反射曲线中的反射峰位置o m ，以s i n 2 0 m 为纵坐标， m 2 为横坐标作最小二乘法拟合，如图3 7 所示。如3 1 式所示，根据拟合直线在 y 轴上的截距2 5 。斜率( m d ) 2 ，求出多层膜的周期d 和平均折射率小量6 。 若两种材料的沉积速率分别为d a 、o b ，改变两种材料的镀膜时间，分别制备 出两块多层膜样品，第一块多层膜中两种材料的镀膜时间分别为t l 、t * l ；第二块 多层膜中两种材料的镀膜时间分别为t 2 、t f 2 。则两块多层膜的周期d 1 、d 2 满足： j 吃+ v b t , kd 1，、 1 r o t 2 + v b t 2 t 2 = d 2 p 。 【 k d 2 、7 求解方程组即可得到沉积速率u 和1 ) b 。 图3 6 和图3 7 分别是对c o c 标定样品1 、2 的小角反射测试曲线和最小二 乘法拟合曲线，测量得到样品l 、2 的周期d l 和d 2 分别是3 0 2 r i m 和3 2 1 r i m ， 将此结果和样品l 、2 的制备时间代入方程组( 3 3 ) ，得到： j 8 3 v c o + 2 5 o v c 一3 2 ( 3 4 ) 【1 4 o v c o + 2 0 o v c = 3 2 1 求解方程组，得到u c o 和忧分别为o 1 l n m s 和0 0 8 n m s 。 图3 6 定标样品1 、2 的小角衍射曲线 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 图3 7 定标样品1 、2 的最小二乘法拟合曲线 以上根据x 射线小角反射测量衍射峰位列方程组求解溅射速率的方法已被 广泛应用。但是，这种方法的精度依赖于标定样品测试曲线的反射峰个数，个 数越多速率标定越精确。本文研究的小周期多层膜的膜层薄、反射率受界面影 响大，反射峰个数少，并且大周期和小周期多层膜的溅射速率往往不同，因此， 还需进一步验证小周期多层膜的溅射速率。 根据以上速率标定结果制备了周期厚度与理论设计值接近的小周期多层膜 标定样品3 。对样品进行x 射线小角反射测量，测量曲线如图3 8 所示，对其进 行拟合，得到标定样品的周期及两种材料的厚度。表格3 1 分别列出了标定样品 3 的结构参数和小角反射测量的拟合结果。将此厚度除以两种材料的溅射时间， 计算得到c o 、c 两种材料的溅射速率分别为0 1 2 m n s 和o 0 8 n m s ，与样品1 、2 标定的结果基本一致。 表3 1 标定样品1 、2 、3 的参数 样品编号周期dd c 。 d c t c o t cv c 0v c 标定l 3 0 2 8 32 5 o o 1 l 0 0 8 标定2 3 2 l 标定32 3 41 o o 1 3 48 31 6 7o 1 2o 0 8 表格中d 表示多层膜周期，单位是n m ；d c o 、d c 分别表示一个周期内材料c o 和 材料c 的膜层厚度，单位是n m ；v c o 和v c 是c o 和c 的溅射速率，单位是n m s 。 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 图3 8 定标样品3 的小角衍射曲线及拟合曲线 3 5 多层膜的制备工艺研究 根据第一章的讨论可知，实际制备的反射率比理论值低很多，原因主要是 盯6 j ：1 ) 制备的膜层厚度与理论设计值存在误差；2 ) 多层膜表界面及表面的粗 糙造成对入射光的散射损失；3 ) 两种镀膜材料间的混合扩散引起了光学常数的 连续变化；4 ) 制备时引入薄膜的杂质对膜层光学常数的影响。因此，必须严 格控制工艺，保证每层膜厚尽可能与理论设计值一致，同时还要优化工艺参数， 使膜层内杂质含量少，界面光滑且界面厚度小，即粗糙和扩散小。 制备多层膜样品具体有以下几个步骤：对溅射室抽真空达到实验要求的本 底真空度；将工作气体充入溅射室，调节充气量和真空泵抽速以控制溅射气压； 调节溅射电源的功率、电压和电流，使等离子体处于稳定的工作状态；设置时 间参数，通过步进电机控制基片在溅射靶上方的停留时间控制镀膜厚度。实验 中使用纯度为9 9 9 9 的高纯度靶材，工作气体是纯度为9 9 9 9 9 的氩气。 为了获得高质量的多层膜，我们进行了大量的实验对影响成膜质量的参数 进行了优化试验，主要包括溅射室的本底真空度、溅射气压、溅射电源的功率 及电压、靶与基片间距、工作气体的充气方式、工作气体流量和基片偏压，以 下几小节对镀膜参数进行了具体的讨论和比较。 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 3 5 1 充气方式比较 实验比较了靶面充气和溅射室中心位置充气两种充气方式，这两种方式各 有优缺点：靶面充气的方式在镀制多层膜中，溅射靶周围的缸气含量大于后者， 但整个溅射室的虹气含量较后者低很多。工作气压对膜层的质量【7 副有直接影响： 工作气压过高，离子与样品表面的碰撞几率增大，膜层粗糙度变大；工作气压 过低，放电稳定度减小，导致等离子体无法维持正常工作状态。 制备两块c o c 多层膜样品( 样品l 、2 ) ，分别采用溅射靶表面充气和溅射 室中心位置充气两种方式，对两块样品测量x 射线小角反射曲线，比较样品的 成膜质量，具体参数如表3 2 所示。 表3 2 样品1 、2 参数 样品编号 多层膜周期d ( m n )溅射室气压p ( p a ) a f 气流( 1 0 母m 3 s ) 12 9 9 40 7 0 o 7 3 1 9 ( b ) ，3 2 ( d ) 23 0 40 7 3 - 0 8 5 2 ( c ) 图3 9 是样品l 和样品2 的x 射线小角反射曲线。可以发现样品2 的反射峰 更高，峰形尖锐，说明样品2 的制备工艺稳定性较好，成膜质量更好。主要原 因是靶面充气虽然可以降低溅射气压，减少多层膜的粗糙度，但由于气流直接 加于靶面，对靶上方的等离子体影响大，容易造成等离子体闪烁，使镀膜环境 不稳定，对制备小周期多层膜的影响尤为剧烈。考虑以上实验结果，选择溅射 室中心位置充入工作气体制备多层膜。 图3 9 样品1 、样品2 的小角反射测量曲线 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 3 5 2 基片偏压的比较 在基片上加负偏压不仅能提高沉积粒子能量，增加薄膜与基片间的附着力， 合适的基片偏压还能够减少杂质颗粒的沉积，使膜层更加致密，改善多层膜性 能。但是，如果偏压过低则起不到上述作用；偏压过高不但使成膜粒子能量过 高，在基片表面产生反溅射，增加界面与表面的粗糙，降低镀膜速率，而且使 基片表面温度过高，造成两种材料在界面上的相互扩散。 为了研究基片偏压对多层膜性能的影响，分别在基片上加1 0 0 v 、- 6 0 v 的偏 压和基片接地不加偏压条件下制备了一组厚度接近的多层膜样品，镀膜过程中 其他参数保持不变；工作气流是1 0 2 1 0 3 m 3 s ，工作气压是0 1 8 6 j = 0 0 0 6 p a ，c r 靶和c 靶的功率分别为1 5 w 和1 5 0 w 。对制备的多层膜样品( 样品3 、4 、5 ) 进行了x 射线小角反射测量，研究偏压对成膜质量的影响，如图3 1 0 所示，具 体参数如表3 3 所示。 表3 3 样品3 、4 、5 参数 样品编号 基片偏压( v )多层膜周期d ( n m ) 31 0 03 5 7 3 4 6 03 6 6 0 50 ( 接地)3 2 6 9 g r a z i n gi n c i d e n ta n g l e 2 0 图3 1 0 样品3 、4 、5 的小角反射测量曲线 3 s 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 对比样品3 、4 、5 的小角反射曲线，可以发现样品5 的反射峰最高、曲线 光滑、峰形尖锐，样品3 的反射峰最低、半高宽较大。说明样品5 的成膜质量 最好，样品3 的成膜质量最差。主要原因是制备的多层膜周期小，每层膜的厚 度仅有原子尺度，基片加偏压以后，材料沉积粒子对已镀上的膜层进行轰击， 在减小膜层表面粗糙的同时也增加了两种镀膜材料的相互扩散，使多层膜界面 厚度增加，影响了多层膜性能。另一个原因是加了基片偏压后，等离子体受基 片在两靶间转动的影响加大，造成了镀膜条件的不稳定，影响了成膜质量。因 此，制备多层膜时选择基片接地不加偏压。 3 5 3 功率比较 溅射功率对成膜质量至关重要，溅射功率过小会导致膜层柱状生长、晃面 粗糙增大；溅射功率过大会增加膜层扩散、使两种材料在界面上产生混合或者 化合，导致靶温过高甚至发生表面熔化。所以选择溅射功率时，应综合考虑靶 材的热承受能力、基片和溅射系统的冷却条件以及镀膜材料的特性。 一、d 3 0 a m 维持本底真空、工作气压、气流等实验条件基本稳定，保持c 靶功率1 5 0 w 不变，变化c o 靶功率分别为1 0 w 、1 5 w 、2 0 w 、2 5 w 、3 0 w ，制备了一组周期 为3 0 r i m 左右的多层膜样品，具体参数如表格3 4 所示，图3 1 l 是样品6 , - 1 0 的 x 射线小角反射测量曲线。 表3 4 样品6 - 1 0 参数 样品编号 c o 靶功率( 、)c 靶功率( m多层膜周期d ( n m ) 61 0 1 5 0 3 0 1 0 71 51 5 02 9 6 3 82 01 5 03 1 3 2 92 51 5 03 2 0 9 1 03 01 5 03 1 7 4 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 图3 1 1 样品6 - 1 0 的小角反射测量曲线 二、d 2 5 r i m 所有工艺条件与上一组一致，制备了另一组周期接近于理论设计值( 2 2 6 n m ) 的小周期多层膜样品，研究c o 靶功率对小周期多层膜成膜质量的影响。具体参 数如表3 5 所示，图3 ，1 2 是样品1 1 1 5 的x 射线小角反射测量曲线。 表3 5 样品1 1 - 1 5 参数 3 7 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制各 样品编号c o 靶功率( w )c 靶功率( w ) 多层膜周期d ( n m ) 1 l1 01 5 02 5 0 0 1 21 51 5 02 6 5 8 1 32 01 5 02 5 0 5 1 42 51 5 02 6 3 7 1 53 01 5 02 5 4 9 图3 1 2 样品1 1 - 1 5 的小角反射测量曲线 比较以上两组多层膜样品的测量结果，可以发现保持其他工艺参数不变， 3 8 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 仅由小变大改变c o 靶功率的过程中，多层膜的成膜质量先变好后变坏。其中， c o 靶功率为2 5 w 时制备样品的反射峰强度最高、峰形最好，而且能在更大的掠 入射角处出现反射峰，所以现有实验条件下c o 靶功率的最优值是2 5 w 。 3 6 设计参数选优 通过2 5 1 节的理论计算和讨论分析可知，多层膜反射率的理论值随着厚度 比例r ( r - 证榭月d 一期) 变化。r 值小于o 5 的多层膜理论反射率明显高于r 值大于 o 5 的多层膜，即散射层厚度小于间隔层厚度的多层膜，其理论反射率更高。然 而在实际制备中，由于软x 射线多层膜的反射率受膜层质量影响很大。特别对 于小周期多层膜，膜层厚度过小会导致难以成膜，制备中引入的粗糙和扩散变 大，引起多层膜性能恶化。因此，满足多层膜有较高理论反射率的同时，还必 须保证成膜质量。 保持工艺参数稳定不变，连续变化散射层在周期中占的厚度比例r ，实验制 备了一系列c o c 多层膜，寻求适合制备的结构参数。具体参数如表3 6 所示， 图3 1 3 是对样品1 6 2 1 测试的小角反射曲线。 表3 6 样品1 6 2 1 参数 样品编号 a c o ( r i m ) d c ( n n l )周期d ( n m ) r 1 61 0 7 41 3 7 82 4 5 20 4 3 8 1 71 1 1 9 21 2 7 9 2 4 7 10 4 8 2 1 81 3 0 81 0 2 3 2 3 3 1 0 5 6 1 1 91 3 3 l0 9 9 42 3 2 50 5 7 2 2 01 3 8 2 0 8 4 12 2 2 30 6 2 2 2 11 4 7 60 6 8 62 1 6 20 6 8 3 第3 章类镍钽软x 射线激光用高反射镜的制备 图3 1 3 样品1 6 - 2 1 的小角反射测量曲线 比较以上测试曲线可以发现，随着散射层在多层膜周期中所占厚度比例的 增加，样品的成膜质量先变好后变差。本组样品中，样品1 9 的一级反射峰强度 较高，峰形尖锐，在较大的掠入射角位置出现了二级反射峰，说明样品1 9 的成 膜质量最好，按其厚度比例r 制备的多层膜样品性能最佳。这是由于不同材料的 成膜厚度不同，作为散射层的金属材料，其成膜厚度大于作为间隔层的非金属 材料【7 7 1 。当小周期多层膜中散射层( 常为金属层) 的厚度过小，即r 过小时，散 射层将无法连续成膜，导致膜层质量变差。因此，虽然厚度比例r 的理论设计值 小于0 5 的多层膜理论反射率较大，但实际制备中散射层占的厚度比例应大于 o 5 。当然，间隔层的厚度也不应过小，以保证间隔层材料