Зонная пластинка на мембране для жёсткого рентгеновского излучения

В настоящее время активно ведутся исследования по созданию и применению дифракционной оптики для мягкого и жёсткого рентгеновского излучения. Несмотря на то, что история создания рентгеновской оптики (кристаллы Брегга, линзы Кумахова, Брегг-Френелевская оптика) насчитывает более 30 лет, рентгеновские микроскопы с разрешением в десятки нанометров существуют пока в экспериментальном варианте в нескольких ведущих лабораториях мира (в лаборатории Беркли в Университете Калифорнии, Стокгольмском королевском технологическом институте и Швейцарском институте Пауля Шеррера).

Ниже приводится краткий обзор современного состояния дифракционной рентгеновской оптики. В [1] создали зонную пластинку (ЗП) с высоким разрешением (крайняя зона – 24 нм), диаметром – 133 мкм и высотой рельефа 300 нм. Рельеф формировался с помощью гальванического осаждения золота. В этой работе достигнуто высокое аспектное отношение – 300/24 = 12,5. ЗП использовалась для фокусировки рентгеновского излучения с энергией 8,6 Кэв и длиной волны 1,44 А. Дифракционная эффективность для ЗП с глубиной рельефа 300 нм – 2,7%, а для глубины рельефа 600 нм – 9,7%. Поэтому для увеличения рельефа в два раза две ЗП сложили вместе – рельеф к рельефу. В [2] методом напыления иридия поверх рельефа в кремнии создана ЗП диаметром 100 мкм с шириной крайней линии 15 нм, которая использовалась в рентгеновском микроскопе с энергией источника 1,2 Кэв (длина волны 1,03 нм) и разрешала линии на тестовой структуре шириной 12 нм. Суть предложенной технологии в том, что сначала по обычной технологии электронной литографии изготавливают рельеф ЗП в мембране из кремния, а потом напыляют в углубления рельефа металл. Оценка эффективности такой ЗП – 10%. По технологии многослойной литографии в [3] была создана ЗП диаметром 70 мкм и с фокусным расстоянием 200 мм (для длины волны 1 А) и толщиной 35 мкм, которая с эффективностью 51% фокусировала жёсткое рентгеновское излучение с энергией 70 Кэв (длина волны 0,177А). ЗП была изготовлена в 6 этапов: базовый рельеф из золота, в углубления которого добавля- лись композитные слои с другими показателями преломления (алюминий, медь) – всего 6 разных типов слоёв. В [4] описана ЗП, изготовленная в Королевском технологическом институте в Стокгольме по технологии литографии на мембране. Зонная пластинка была изготовлена с помощью ионного травления в полимере ARC XL-20 толщиной 150 нм, в качестве маски использовался тонкий слой титана толщиной 5 нм и слой резиста ZEP-700 толщиной 25 нм. После этого углубления в полимере были заполнены никелем по технологии гальванопластики, а полимер был удалён повторным ионным травлением. В итоге получилась ЗП из никеля на мембране (Si3N4) с внешней зоной 25 нм диаметром 54 мкм, фокусным расстоянием 546 мкм, с глубиной рельефа 130 нм, которая рассчитывалась на длину волны мягкого рентгеновского излучения 2,48 нм. Энергетическая эффективность была 13%. Результаты по использованию для изображения или фокусировки рентгеновского излучения не приводятся.

В [5] описывается схема рабочего рентгеновского микроскопа для мягкого рентгеновского излучения (длина волны водного окна прозрачности 2,48 нм). В качестве источника используется азотная плазма, возбуждаемая коротким лазерным импульсом. Собирающая ЗП (конденсор) диаметром 4,53 мм имеет внешнюю зону 49 нм. Объективом служит ЗП диаметром 100 мкм с внешней зоной 25 нм. Приёмником рентгеновского излучения является матрица CCD 2048х 2048 пикселей и с размером пикселя 13,5х13,5мкм. Приводятся примеры изображений, но величина разрешения этих изображений не указывается. В [6] описан интерференционный рентгеновский микроскоп с двумя ЗП диаметром 155 мкм и с внешней зоной размером 100 нм. ЗП были изготовлены из тантала с глубиной рельефа 1 мкм и расположены на двойном фокусном расстоянии друг от друга. Использовался источник рентгеновского излучения с энергией 10 Кэв (длина волны 1,23А). CCD приёмник имел фосфорный экран и элементы размером 3,14 мкм на один пиксел. Но размеры микроскопа (от источника до приёмника) очень большие – 240 м. Это нужно для того, чтобы пятно когерентности было больше диаметра ЗП. Экспериментально были восстановлены 3D изображения полистироловых шариков диаметром 2,8 мкм.

В Национальной лаборатории синхротронного излучения в Китае [7] для рентгеновского микроскопа создана Френелевская ЗП с внешней зоной 45 нм, с помощью которой строилось изображение объекта типа «спицы колеса» из золота и разрешались линии шириной 50 нм. В качестве фильтра Цернике использовалось золотое кольцо толщиной 2,5 мкм и шириной 4 мкм, расположенное в фокусе ЗП, экспериментальный контраст фазового изображения был равен 30%. Энергия источника рентгеновского излучения равна 8 Кэв (длина волны 1,55 А). В [8] описано использование композиционной ЗП диаметром 50 мкм, состоящей из двух ЗП с одинаковой внешней зоной шириной 50 нм. Внутренняя ЗП имеет диаметр D/3, где D – диаметр всей ЗП, и работает в первом порядке, а внешняя ЗП работает в третьем порядке, фокусное расстояние у обеих частей ЗП одинаковое (поэтому композиционная ЗП имеет числовую апертуру в 3 раза большую, чем у внутренней ЗП). ЗП была рассчитана на длину волны водного окна 3,37 нм и имела фокусное расстояние 300 мкм (увеличение при изображении было в 2430 раз). В качестве объекта использовалась золотая решётка глубиной 100 нм и с разным периодом. Экспериментально показано разрешение решётки с периодом 25 нм. В [9] описано изготовление в лаборатории Беркли по технологии двойной литографии ЗП из золота диаметром 24 мкм (всего 500 зон) с внешней зоной 12 нм и экспериментально показано разрешение с помощью этой ЗП линий толщиной 12 нм. Глубина рельефа золотой ЗП была равна 30 нм, а энергетическая эффективность равна всего 0,6%. Золото заполняло в процессе электролиза промежутки в резисте. После гальванопластики резист устранялся. Эта ЗП использовалась в рентгеновском микроскопе и имела фокусное расстояние 164 мкм для длины волны 1,75 нм (энергия источника 707 эв). В микроскопе излучение собиралось ЗП-конденсором из золота с диаметром 9,8 мм, фокусным расстоянием 170 мм и внешней зоной 30 нм и глубиной рельефа 60 нм (всего ЗП имела 40820 зон). Эффективность конденсора была 2%. Центральная часть ЗП была закрыта круглым диском. В фокусе конденсора для устранения высших порядков дифракции располагалась круглая диафрагма с диаметром 10 мкм. За диафрагмой располагался многослойный тест-объект из кремния и молибдена толщиной 100 нм с решётками разных периодов (минимальный полупериод 10 нм). Увеличенное в 10600 раз изображение решётки регистрировалось с помощью CCD-камеры. В [10] моделируется композиционная ЗП, внутренняя часть которой является «фотонным ситом», рассчитанная для жёсткого рентгеновского излучения с длины волны λ = 0,619А (энергия источника 20Кэв). Внешняя часть - обычная ЗП, работающая в 3ем дифракционном порядке. Крайняя зона ЗП имеет ширину Δr = 100 нм, фокусное расстояние – 10 мм. Числовая апертура композиционной ЗП с «фотонным ситом» равна NA = 3λ/Δr . Такая ЗП формирует фокус- ное пятно с диаметром по полуспаду интенсивности FWHM = 40 нм. Моделирование BPM-методом (Beam Propagation Method) показало, что при глубине 2 мкм эффективность металлической ЗП будет равна 3%, при глубине 1 мкм эффективность – 1%. В [11] описывается установка для рентгеновской томографии с источником с энергией фотонов 5,4 Кэв (Cr), длиной волны 2,29А и диаметром 1х 1 мм. Изображающим оптическим элементом служила линза-капилляр диаметром 200 мкм, внутри которой были 67 воздушных пузырьков, разделённых полимером длиной 15 мкм. Объект диаметром 1 мм изображался такой пузырьковой линзой с 2-х кратным увеличением и с расчётным разрешением 1 мкм. В [12] описывается ещё одна разновидность линзы для рентгеновского излучения. Линза представляет собой вытравленную в плёнке плавленого кварца толщиной 300 нм на кремниевой подложке толщиной 500 мкм цепочку из отверстий в виде параболических цилиндров длиной 62 мкм (аналог линзы из воздушных пузырков). Такая линза имеет фокусное расстояние 10 мм для длины волны 0,826 А (энергия кванта 15 Кэв) и диаметр фокусного пятна 40 нм. Примеров изображения с помощью такой линзы не приводится. В [13] с помощью процесса Боша (Bosch) достигнута высота травления кремния и германия 100 мкм (маска из резиста SU8). Кремниевая линза-киноформ с апертурой 800 мкм была рассчитана на длину волны 1,55А (Cu) (энергия кванта 8 Кэв) с фокусным расстоянием 1 м. Эксперимент проводился на расстоянии 47 метров от источника рентгеновского излучения. В качестве приёмника использовалась тонкая золотая проволока, которая перемещалась поперёк фокуса. Регистрировалась флуоресценция от золотой проволоки. Размер фокусного пятна оказался равным FWHM = 1 мкм.

В перечисленных работах не приводятся результаты прямого измерения фокусного пятна от изготовленных ЗП, что связано с невысоким разрешением CCD-камер для жёсткого рентгеновского излучения (пиксель CCD-камеры имеет размер 3-13 мкм). Приводятся только результаты измерения многократно увеличенного изображения (в 4000-10000 раз) тестовых металлических решётчатых структур, полученных с помощью высокоразрешающих (крайняя зона 12-24 нм), но малоэффективных (1-3%) ЗП на сложных рентгеновских микроскопах длиною в несколько метров и имеющихся всего в нескольких лабораториях мира. Заметим также, что ни в одной из перечисленных выше работ ЗП не получали путём ионного травления металла (золота или серебра).

В данной работе описывается изготовление и моделирование ЗП из серебра на мембране, созданной совместно ИСОИ РАН и Университетом Сэнт-Эндрюса (Шотландия), с диаметром 200 мкм, крайней зоной 287 нм (всего 176 зон, или 88 периодов), глубиной рельефа 460 нм (максимальное аспектное отношение 1,6), фокусным расстоянием 250 мм, рассчитанной для длины волны 2,29 А (Cr) (энергия кванта 5,4 Кэв) и с эффективностью около 3%.

Изготовление

Зонная пластинка изготавливалась на кремниевой подложке толщиной 200 мкм, в которой было сделано квадратное отверстие 1,5 х 1,5 мм. На поверхности подложки и над отверстием имеется мембрана из нитрида кремния (Si₃N₄) толщиной 200 нм. На поверхность мембраны были напылены тонкая плёнка хрома толщиною 25 нм и толстый слой серебра толщиной 900 нм. На поверхность серебра с помощью центрифуги был нанесён слой негативного резиста SU-8. Картина концентрических колец зонной пластинки «рисовалась» на резисте с помощью электронного луча на электронном микроскопе ZEISS GEMINI с литографической приставкой RAITH ELPHY PLUS с шагом 50 нм.

Непроэкспонированные участки резиста устранялись в процессе проявления. Рельеф в серебре производился с помощью ионного травления в среде аргона. Глубина рельефа в серебре была 460 нм. Зонная пластинка имела диаметр – 200 мкм, число зон (число колец) – 90, ширина крайней зоны – 287 нм. ЗП рассчитывалась для фокусировки рентгеновского излучения с длиной волны 2,29 А на расстоянии 250 мм. На рис.1 показана схема ЗП на мембране.

Рис. 1 Схема ЗП на мембране: 1 - кремниевая подложка, 2 - мембрана из нитрида кремния, 3 - тонкий слой хрома, 4 - серебро, 5 - остатки резиста

Измерение параметров ЗП

На рис. 2 показан увеличенный вид сверху под углом на электронном микроскопе центральной части ЗП размером 30 х 40 мкм.

Рис. 2. Вид под углом на электронном микроскопе ЗП: светлые кольца – серебро в местах углублений, тёмные кольца – остатки резиста в местах возвышений

На рис. 3 показан вид сверху на атомном силовом микроскопе центральной части ЗП размером 50 х 50 мкм. На рис. 4 показан рельеф центральной части ЗП размером 30 х 30 мкм, снятый на атомносиловом микроскопе. На рис. 5 показано радиальное сечение рельефа на рис. 4 для ЗП. Видно, что глубина рельефа составляет примерно 450-460 нм.

Л1КЛ1                                           нм

Рис. 3. Вид сверху на атомном силовом микроскопе центральной части ЗПразмером 50 X 50 мкм: светлые кольца – возвышения, темные кольца - углубления в соответствии со шкалой высот, показанной справа

О мкм

Рис. 4. Профиль центральной части ЗП размером 30 х 30 мкм, снятый на атомно-силовом микроскопе.

Глубина рельефа – 460 нм

Рис. 5. Радиальное сечение рельефа центральной части ЗП (рис. 4) длиною 40 мкм, глубина рельефа 450-460 нм

Моделирование

Моделирование работы ЗП было проведено с помощью программы BeamProp (фирмы RSoft) в двумерном варианте, так как трёхмерное моделирование такой ЗП является очень ресурсоёмкой задачей и не может быть выполнено на современном ПК (количество узлов сетки будет более 10¹⁴ ). Диаметр 2D ЗП 2 R = 200 мкм, глубина рельефа – 460 нм, толщина подложки из разных материалов (серебро, хром, нитрид кремния) в сумме 650 нм, длина волны – 2,29 А, фокусное расстояние – 250 мм.

На рис. 6 показана схема определения параметров ф окусировки при моделировании. Дифракционная эффективность вычислялась по форм ул е

S

Пд = — как отношение энергии в ширине пика S 2

FWHM ко всей энергии, пришедшей в фокальн ую плоскость. Ширина обла сти моделир ования равна диаметру ЗП 2 R .

1, отн. ед.

Рис. 6. Схема для расчёта параметров фокусировки на основании интенсивности в фокальной плоскости

Полная эффективность вычислялась по формуле S

Поолл = —¹ как отношение энергии в ширине пика FULL I ₀2 R

о

***** fc^«W^IWW«Wfi

/Ц«р

Рис. 7. Распределение интенсивности в фокусе ЗП на расстоянии 250 мм от неё (а) и центральная его часть (б)

FWHM ко всей падаю щей на ЗП энергии. FWHM – ширина фокусного пятна (2D случай) по полуспаду интенсивности по оси X. В результате моделирования были получены следую щие значения указанных параметров: FWHM = 0,259 мкм, n D = 5,384 %, n„„, = 4,252 % и I = 40,38. Последнее значение FULL ,               MAX ,

– это максимальная интенсивность в фокусе в относительных единицах. Таким образом при общей эффективности всего в 4% максимальная интенсивность в фокусе в 20 раз превышает фон. Фокусное пятно имеет диаметр по полуспаду интенсивности около 260 нм, а полный диаметр фокусного пятна, рассчитанный между н улями интенсивности, равен 622 нм. На рис.7 показано рассчитанное распределение интенсивности в фокусе ЗП.

На рис. 8 приведены распределения интенсивности на расстоянии 3 мкм до и 3 мкм после фокальной плоскости. Как видно из рис. 8, центральная часть, содержащая около 7% энергии, уширяется приблизительно до 2-2,5 мкм.

R, мкм

Рис. 8. Распределения интенсивности в поперечной плоскости к оптической оси до (а) и после (б) плоскости фокуса

Проведённое моделирование 3D ЗП с параметрами, подходящими для расчёта на современном

компьютере, показало, что её эффективность η _D и η _FULL меньше, чем для аналогичной 2D ЗП в 0,72 и 0,51 раза. Поэтому можно считать, что эффективность фокусировки света по полуспаду интенсивности в трёхмерном случае должна составить приблизительно η =3,8%, η =2,2%.

D           FULL

Заключение

В данной работе получены следующие результаты:

• -    по технологии электронной литографии и ионного травления изготовлена Френелевская зонная пластинка из серебра на мембране из нитрида кремния толщиной 200 нм, диаметром 200 мкм, с крайней зоной 287 нм (всего 176 зон, или 88 периодов), глубиной рельефа 460 нм (максимальное аспектное отношение 1,6), фокусным расстоянием 250 мм, рассчитанной для длины волны 2,29 А (Cr) (энергия кванта 5,4 Кэв);

• -    моделиро вание программой BeamProp показало, что эффективность в первом порядке дифракции для такой зонной пластинки равна около 4% в 2D случае и 2% в 3D случае, а диаметр ф ок усног о пятна по полуспаду интенсивности равен FWHM = 0,259 нм.

Работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (госконтракт № 14.740.11.0016), гранта Президента РФ поддержки ведущи х научных школ (НШ-7414.2010.9).