C/Al软X射线多层膜反射镜的制备与测量

　　1　引　言

　　最近十几年来,作为软X射线光学系统关键元件的软X射线多层膜技术发展很快,特别是在12.4～20.0nm波段的Mo/Si多层膜的制备方面。目前在13.5nm处反射率最高可达65%[1]。而长波长(λ>20.0nm)软X射线多层膜很少有人进行专门的研究[2],一般均用工艺比较成熟的Mo/Si多层膜来代替。但是在实际应用中,却存在着一个比较突出的问题:Mo/Si多层膜反射镜在长波长存在的二级衍射峰(位于13.0～17.0nm间)的强度远远高于工作波长区的反射峰强度,严重影响了成像质量及其它一些研究工作的进行,反射镜用户不断反映这个问题,希望得到尽快解决。针对这一问题,我们选用了新的多层膜材料对C/Al,并开展了工作波长为28.5nm的多层膜研究工作,并利用西南核物理与化学研究所高温高密度等离子体物理重点实验室的简易正入射软X射线多层膜反射率的测量装置测得C/Al多层膜中心波长为28.5nm,反射率为22%±4%,带宽约为2.5nm。

　　2　理论计算

　　由于Si在12.4nm波长处的吸收限,使得Mo/Si多层膜在13.0～20.0nm波长区有极好的反射特性,即使工作在该波段的是二级衍射峰,其峰强度也远远超过其它波段的反射率。因此若要减少长波长区多层膜的二级衍射峰的强度,必须选择新的多层膜材料对。普通的软X射线多层膜通常是由高Z/低Z材料构成的,Z表示原子序数,在这里我们仅从材料的光学特性出发,而不考虑这一原则,选择低Z/低Z材料作为多层膜材料。这样一来多层膜的反射率可能会稍有下降,但从模拟计算结果来看,对抑制二级衍射峰强度效果比较明显。但是由于软X射线波段薄膜材料缺乏准确的光学常数,给计算、设计带来一些误差。我们根据Henke等人给出的材料的原子散射因子[3],对不同材料的多层膜特性进行估计。由于Al在长波长软X射线区吸收系数较小的特性而选择其作为间隔层材料。然后根据光学薄膜理论,设计了28.5nm波长的C/Al多层膜结构参数,并计算了它们在软X射线光谱区的一级、二级反射峰曲线,如图1所示。为便于与Mo/Si多层膜的反射特性相比较,图2给出Mo/Si多层膜的反射特性图。图中膜层数均为50。

　　从多层膜的反射特性图中可以看出,Mo/Si多层膜的二级峰强度远高于一级峰,C/Al多层膜的二级峰则变得很弱。主要原因是C和Al两种材料在二级峰位置附近光学常数差别小,吸收强,反射弱。C/Al多层膜结构参数为:周期膜厚为15.2nm,C占周期厚度的0.3,膜层数为41。

　　3　实验及结果分析

　　我们采用磁控溅射法制备C/Al软X射线多层膜。制备长波长软X射线多层膜,膜厚控制相对较容易,但是由于Al易氧化,可能会使膜层材料的光学常数变化。因此制备样品时真空室的真空度应尽量提高,本实验中本底真空度为1.0×10^-3Pa,溅射过程中Ar气压小于0.2Pa。在制备过程中,为去除Al靶表面的氧化物,先进行较长时间(5～10min)的预溅射,另外样品最后一层为C膜。