LiH(LiD,LiT)基軟x射線多層膜的設(shè)計(jì)

劉 蕓，林光會(huì)，趙 倩，雷潔紅

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637009)

0 引 言

近年來，由于顯微學(xué)、天文學(xué)、x射線光刻和慣性約束聚變等領(lǐng)域的需求，使得軟x射線波段光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用不斷的增長(zhǎng)。例如：軟x射線顯微鏡應(yīng)用于水窗波段(2.3nm～4.4nm)可能觀察到活的生物細(xì)胞[1-2]。軟x波段的光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用于天文學(xué)方面可以探測(cè)到宇宙的高能信息[1-2]。運(yùn)用x光光刻能夠?qū)⒐饪谭直媛侍岣咭粋€(gè)量級(jí)[1-2]。軟x射線多層膜色散元件是研究激光等離子體發(fā)射軟x光譜理想的分光元件。x射線多層膜反射鏡在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用促進(jìn)了多層膜反射鏡技術(shù)的迅速發(fā)展和x光學(xué)的發(fā)展[1-3]。

在選定的基底上交替沉積兩種材料膜層構(gòu)成軟x射線多層膜反射鏡，這兩種材料被稱為間隔層和吸收層[1]。設(shè)計(jì)軟x射線多層膜反射鏡，首先要選擇合適的間隔層/吸收層作為材料配對(duì)，然后設(shè)計(jì)膜層的厚度、周期數(shù)和兩種材料的配比，最后使各個(gè)界面的反射光同相位，獲得高反射率[1-3]。在不同波段，需要根據(jù)材料的光學(xué)常數(shù)選擇該波段合適的材料對(duì)[4-6]。在軟x射線多層膜全波段設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)常用的材料配對(duì)的多層膜在大于20nm的波段，沒有出現(xiàn)明顯的特征反射峰[7-14]。本文中計(jì)算得到LiH(LiD、LiT)材料的吸收限波長(zhǎng)為22.7nm，故LiH(LiD、LiT)為間隔層材料與吸收層材料配對(duì)的多層膜在22.7nm波長(zhǎng)處可能存在特征反射峰，進(jìn)而本文進(jìn)行了LiH(LiD、LiT)基多層膜的設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果對(duì)尋找軟x射線長(zhǎng)波段的間隔層材料有重要的理論指導(dǎo)意義，在大于20nm的軟x射線波段，從理論上設(shè)計(jì)出了具有較高反射率的多層膜系，為軟x射線多層膜全波段設(shè)計(jì)提供了全面的理論依據(jù)。

1 計(jì)算結(jié)果

我們運(yùn)用Livermore實(shí)驗(yàn)室提供的計(jì)算程序，采用入射角90°，多層膜周期數(shù)為201層進(jìn)行計(jì)算，給出了22.7nm波長(zhǎng)上的反射率設(shè)計(jì)結(jié)果。

1.1 LiH基多層膜設(shè)計(jì)結(jié)果

表1是以LiH為間隔層材料與幾種吸收層材料Al、Co、Cu、Hf、Mo、Ni、Pt、Ta、W、Zn、U配對(duì)優(yōu)化計(jì)算后的結(jié)果。可以看出，配對(duì)中Al/LiH膜系的反射率為68.37%，為這組膜系中最高。

1.2 LiD基多層膜設(shè)計(jì)結(jié)果

表2是以LiD為間隔層材料與幾種吸收層材料Al、Co、Cu、Hf、Mo、Ni、Pt、Ta、W、Zn、U配對(duì)優(yōu)化計(jì)算后的結(jié)果?？梢钥闯?，配對(duì)中Al/LiD膜系的反射率為79.70%，為這組膜系中最高。

表1 LiH基多層膜的反射率

表2 LiD基多層膜的反射率

表3 LiT基多層膜的反射率

1.3 LiT基多層膜設(shè)計(jì)結(jié)果

表3是以LiT為間隔層材料與幾種吸收層材料Al、Co、Cu、Hf、Mo、Ni、Pt、Ta、W、Zn、U配對(duì)優(yōu)化計(jì)算后的結(jié)果。可以看出，配對(duì)中，Al/LiT膜系的反射率為70.44%，為這組膜系中最高。

從結(jié)果可知，多層膜在剛好高于間隔層材料的吸收限波長(zhǎng)上能給出這些波長(zhǎng)最佳的反射率結(jié)果[7]。從優(yōu)化結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間隔層材料采用LiH(LiD、LiT)時(shí)，在大于20nm的波段(即22.7nm處)，多層膜出現(xiàn)了明顯的特征反射峰，給出的最高反射率膜系分別是間隔層材料為L(zhǎng)iH時(shí)的Al/LiH膜系，反射率為68.37%；間隔層材料為L(zhǎng)iD時(shí)的Al/LiD膜系，反射率為79.70%；間隔層材料為L(zhǎng)iT時(shí)的Al/LiT膜系，反射率為70.44%。從中可以看出在軟x射線的長(zhǎng)波段，鋁具有良好的光學(xué)性能。但是鋁的化學(xué)性能不穩(wěn)定，因此實(shí)際制膜中難以得到應(yīng)用。Mo在此波段也具有良好的光學(xué)特性，與LiH、LiD和LiT組成的多層膜都有較高的反射率，均大于50%。U作為吸收層材料，在此波段與LiH(LiD、LiT)間隔層材料配對(duì)的多層膜也具有較高的反射率(>60%)。

1.4 多層膜反射率與材料折射率的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，多層膜的反射率與間隔層和吸收層的折射率有關(guān)。我們對(duì)此進(jìn)行了研究，首先計(jì)算間隔層和吸收層材料在特定波長(zhǎng)處的折射率，表4分別列出了LiH(LiD、LiT)和幾種吸收層材料在特定波長(zhǎng)處的折射率。

然后仔細(xì)研究多層膜反射率與材料折射率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)多層膜的反射率與吸收層折射率(ns)和間隔層材料的折射率(na)的差值有關(guān)，見圖1。從圖中可以看出，同一波長(zhǎng)，間隔層材料和吸收層材料的折射率相差越大，多層膜的反射率越高[7]，這種規(guī)律符合多層膜選材原則。

2 討論與結(jié)果

通過采用LiH(LiD、LiT)為間隔層材料與Al等多種材料作為吸收層材料進(jìn)行配對(duì)，計(jì)算了該系列膜層結(jié)構(gòu)在22.7nm波長(zhǎng)處的反射率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：間隔層材料為L(zhǎng)iH(LiD、LiT)時(shí)，在大于20nm的波段(即22.7nm處)，多層膜出現(xiàn)了明顯的特征反射峰，給出的最高反射率膜系分別是間隔層材料為Al/LiH膜系，反射率為68.37%；Al/LiD膜系，反射率為79.70%；Al/LiT膜系，反射率為70.44%。在軟x射線長(zhǎng)波段，LiH(LiD、LiT)基多層膜具有特征反射峰，在大于20nm波段，LiH、LiD和LiT材料是較為理想的間隔層材料。理論上設(shè)計(jì)出了具有較高反射率的多層膜系，為軟x射線多層膜全波段設(shè)計(jì)提供了全面的理論依據(jù)。

表4幾種吸收層材料在特定波長(zhǎng)處(λ=22.7nm)的折射率

材 料折射率間隔層吸收層LiH0.979 309 9LiD0.991 328 5LiT0.988 534 6Al0.742 901 1Co0.940 932 3Cu0.936 996 0Hf0.889 176 8Mo0.792 211 1Ni0.928 891 3Pt0.924 479 7Ta0.856 071 2W0.857 368 2Zn0.978 351 6U0.768 602 0

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