CN104698520A - 一种x射线层状多层膜闪耀光栅结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线层状多层膜闪耀光栅结构及其制作方法，所述层状多层膜闪耀光栅结构包括闪耀光栅基底，所述闪耀光栅基底上设置有周期性分布的锯齿结构，形成的光栅周期为D，各锯齿结构均包括闪耀面和反闪耀面，所述闪耀面的中心区域镀制有多层膜堆。与现有技术相比，本发明克服了传统多层膜闪耀光栅(BMG)和层状多层膜光栅(LMG)的缺点；相比BMG解决了其在反闪耀面附近非复形生长区域膜层吸收大，导致实际衍射效率远低于理论值的问题；相比LMG，多层膜的倾角使其能在高级次获得极高的衍射效率。本发明能同时获得高效率和分辨率，可作为高精度X射线光谱测量的关键元件。

Description

一种X射线层状多层膜闪耀光栅结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及衍射光栅技术领域，涉及一种X射线多层膜光栅元件，尤其是涉及一种X射线层状多层膜闪耀光栅结构及其制作方法。

背景技术

X射线光谱学是研究物质的成分含量、原子结构及电子组态等信息的重要工具，广泛应用于材料科学、高能物理、能源催化和生命科学等领域。实现高分辨率X射线光谱检测的核心元件是分光单色器，它决定了仪器对物质元素成分及其精细结构的分辨能力。常规X射线分光单色器主要包括光栅、晶体和多层膜。晶体受晶格常数限制，大多用在光子能量高于4keV的硬X射线波段；单层膜光栅多用于1keV以下，在1keV以上X射线掠入射角非常小导致光子通量很低；多层膜作为一维人工晶体周期灵活可调，可在远离全反射角的条件下实现高反射率，是天然晶体在中低能段的延伸，但缺点是分辨率较低。

基于多层膜高反射率和光栅高分辨率的优点，将两种元件相结合形成多层膜光栅结构，可以在极紫外和X射线波段同时获得高衍射效率和高分辨率性能。

目前研究较多的多层膜光栅包括多层膜闪耀光栅(BMG)和层状多层膜光栅(LMG)两种。BMG是直接在闪耀光栅基底上镀膜，利用镀制多层膜的闪耀面将大部分入射光能量集中到单个指定的级次上。当多层膜的布拉格条件和光栅方程同时被满足时，多层膜闪耀光栅可以在某个衍射级次上获得高效率。但理想BMG的制作难度非常大，一方面需要完美的锯齿形基底，缩小基底上反闪耀面区域，另一方面在镀膜过程中要保证多层膜的复形生长，减小阴影效应和对精细槽型结构的影响。实际镀制多层膜光栅的三维轮廓往往偏离理想形状，反闪耀面附近的多层膜存在出现大面积变形，只能对入射X射线造成多余的吸收，导致实测衍射效率的明显下降。

LMG不需要使用光栅基底，它利用干法刻蚀(离子束或反应离子束刻蚀)将光栅结构转移到多层膜中。单级次LMG可以同时保证最高的0级衍射效率和极小的带宽。但相同结构的LMG工作在高级次时，理论衍射效率远低于0级次；只有在光栅占宽比Γ非常小、同时相应大大提高多层膜对数N，制作超大高宽比结构才能保证高效率。这种结构实际制作的难度非常大。因此，LMG难以应用于超高分辨率的光谱实验中。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种减小吸收，增大衍射效率的X射线层状多层膜闪耀光栅结构及其制作方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种X射线层状多层膜闪耀光栅结构，包括闪耀光栅基底，所述闪耀光栅基底上设置有周期性分布的锯齿结构，形成的光栅周期为D，各锯齿结构均包括闪耀面和反闪耀面，所述闪耀面的中心区域镀制有多层膜堆，所述多层膜堆横向宽度与光栅周期的比值为多层膜占宽比Γ，0<Γ<Γ_g，Γ_g为光栅占宽比，即闪耀面宽度与光栅周期的比值。

所述多层膜堆由高、低原子序数的两种或多种材料周期性交替组成，每个周期的厚度d根据公式Dsinα＝jd获得，其中，α为闪耀光栅基底的闪耀角，j是光栅衍射级次。

所述多层膜堆的镀制方式包括溅射、蒸发和原子层沉积。

所述多层膜堆横向中心位置在光栅基底闪耀槽面的中心，多层膜堆的两侧侧壁均与闪耀光栅基底的底座平面垂直。

所述高原子序数材料包括Mo、W、Cr、Co、Ni、Fe、Cu、Zr、Ru、Rh、Pd和La；

所述低原子序数材料包括B、C、B4C、Si、SiC、Mg、Sc、Ti、V和Y。

一种如权利要求1所述的X射线层状多层膜闪耀光栅结构的制作方法，包括以下步骤：

(1)制作具有周期性分布的锯齿结构的闪耀光栅基底，其中光栅周期为D＝50nm-1000nm，闪耀角为α＝0.1°-10°，光栅占宽比为0.5<Γ_g<1，衍射级次j≠0；

(2)根据公式Dsinα＝jd确定目标多层膜的周期厚度d，并获得理想多层膜闪耀光栅的饱和膜对数N₀；

(3)在锯齿结构的闪耀基底上整体镀制目标多层膜，确定多层膜占宽比Γ；

(4)重新在闪耀面上镀制目标多层膜，膜对数为N₀/Γ；

(5)进行掩模和光栅位置的精确对准，去除闪耀面中心宽度为ΓD区域以外所有多层膜，剩余各多层膜堆的两侧侧壁均与闪耀光栅基底的底座平面垂直，形成层状多层膜闪耀光栅。

所述步骤(3)中，确定多层膜占宽比Γ为：整体镀制目标多层膜后，观测多层膜的截面结构，获取闪耀面中心复形生长的多层膜区域宽度与光栅周期比值，即为Γ，0.5Γ_g<Γ<0.9Γ_g。

所述步骤(3)替换为：

根据目标应用要求的衍射级次的光谱/角度带宽与理想多层膜闪耀光栅该级次带宽的比值确定多层膜占宽比Γ，0.1≤Γ≤0.5。

还包括步骤：

优化多层膜堆宽度ΓD，使多层膜光栅结构参数满足单级次条件：

其中，Δθ_MM是多层膜反射峰的角宽度，θ_B是多层膜的布拉格角，确定此时多层膜占宽比Γ，重复步骤(4)、(5)

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过去除传统多层膜闪耀光栅(BMG)中非复形生长的多层膜区域，减小吸收，增大衍射效率；

(2)当多层膜对数增大到饱和值且满足单级次条件时，BLMG可以达到理想单级次BMG的最高衍射效率，同时带宽进一步减小。

(3)相比层状多层膜光栅(LMG)，本发明层状多层膜闪耀光栅(BLMG)在高级次时能获得极大的衍射效率。

(4)本发明结构有效克服了BMG和LMG各自的缺点，大大提升了多层膜光栅在X射线波段的衍射性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图1中，1是吸收层，2是间隔层，3是多层膜堆，4是多层膜去除区域，5是闪耀光栅基底，6是闪耀面，7是反闪耀面，8是底座平面，9是光栅入射角θ₀，10是光栅出射角；

图2为模拟部分膜层没有复形生长的BMG-1级次的衍射效率随θ₀+α的变化曲线；

图3为模拟BLMG-1级次的衍射效率随θ₀+α的变化曲线；

图4为模拟部分膜层没有复形生长的BMG-3级次的衍射效率随θ₀+α的变化曲线；

图5为模拟BLMG-3级次的衍射效率随θ₀+α的变化曲线；

图6为模拟部分膜层没有复形生长的BMG-6级次的衍射效率随θ₀+α的变化曲线；

图7为模拟BLMG-6级次的衍射效率随θ₀+α的变化曲线；

图8为模拟理想BMG、Γ＝1/2和Γ＝1/3的单级次BLMG-1级次的衍射效率随入射角的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供一种X射线层状多层膜闪耀光栅结构，适合用作X射线(波长λ＝0.1nm-40nm)光谱实验中高效率高分辨率分光单色器，包括闪耀光栅基底5，闪耀光栅基底5上设置有周期性分布的锯齿结构，形成的光栅周期为D，各锯齿结构均包括闪耀面6和反闪耀面7，闪耀面6的中心区域镀制有多层膜堆3，多层膜堆3横向宽度与光栅周期的比值为多层膜占宽比Γ，0<Γ<Γ_g，Γ_g为光栅占宽比，即闪耀面宽度与光栅周期的比值。

多层膜堆3由高、低原子序数的两种或多种材料周期性交替组成，高原子序数材料包括Mo、W、Cr、Co、Ni、Fe、Cu、Zr、Ru、Rh、Pd、La等；低原子序数材料包括B、C、B4C、Si、SiC、Mg、Sc、Ti、V、Y等。多层膜堆3的每个周期的厚度d根据公式Dsinα＝jd获得，其中，α为闪耀光栅基底的闪耀角，j是光栅衍射级次。多层膜堆3的每个周期均包括吸收层1和间隔层2，其中吸收层对应高原子序数材料，间隔层对应低原子序数材料。如图1所示，多层膜堆3横向中心位置在光栅基底闪耀槽面的中心，多层膜堆3的两侧侧壁均与闪耀光栅基底的底座平面8垂直。多层膜堆3的镀制方式包括溅射、蒸发和原子层沉积等。

多层膜占宽比Γ可由多层膜在锯齿形基底上所有区域整体镀制时，利用透射电子显微镜(TEM)对多层膜的截面结构进行观测，膜层界面保持与基底闪耀槽面平行的复形生长区域宽度决定，即Γ等于复形生长区域宽度与光栅周期的比值Γ₁。此时，Γ的理论取值范围为0<Γ<Γ_g，实际使用中取值范围为0.5Γ_g<Γ<0.9Γ_g。

多层膜占宽比Γ也可由目标应用要求的衍射级次的光谱/角度带宽与理想多层膜闪耀光栅该级次带宽的比值Γ₂决定，即Γ＝Γ₂。此时，Γ的理论取值范围为0<Γ<Γ₁，实际使用中取值范围一般为0.1≤Γ≤0.5。

层状多层膜闪耀光栅衍射效率达到饱和时所需多层膜膜对数为理想多层膜闪耀光栅饱和膜对数的1/Γ倍，此时该级次光谱/角度带宽减小为理想多层膜闪耀光栅带宽的Γ倍。

当层状多层膜闪耀光栅共振衍射峰的角宽度(相对于光栅入射角)远小于相邻衍射级次的角距离，即多层膜光栅结构参数满足单级次条件时，只有一个衍射级次被激发；此时所有反射能量将集中到一个级次中，衍射效率达到最大。该最大效率和理想单级次多层膜闪耀光栅的效率相同。单级次条件公式中Δθ_MM是多层膜反射峰的角宽度，θ_B是多层膜的布拉格角。单级次条件不是一定要满足，新型光栅可以工作在单级次情况或非单级次情况，如果要获得最大效率，则可以进一步优化满足单级次条件。

实施例1

针对1nm波长处设计层状多层膜闪耀光栅，具体制作方法包括以下步骤：

(1)针对波长为1nm的X射线光，为达到～10⁴的分辨率，选择光栅周期D＝50nm，闪耀级次j＝-1；

(2)针对1nm左右的波段，选用W/Si为多层膜材料组合；

(3)基于X射线光栅常用衍射几何设计和确定的光栅周期和级次，选择基底的闪耀角α＝3.44°；

(4)根据公式Dsinα＝jd，确定多层膜周期厚度d＝3nm，考虑应力和反射率的平衡，确定吸收层厚度比γ＝0.3，对应理想多层膜闪耀光栅的饱和膜对数N₀＝100；

(5)根据现有文献中磁控溅射镀膜TEM的观测结果，设定多层膜在反闪耀面附近产生的变形区域在单个周期内所占比例为30％，即Γ＝0.7；因此，层状多层膜闪耀光栅的饱和膜对数为100/0.7≈140。

(6)利用扫描电子显微镜或激光位移传感器等方法将掩模精确对准光栅反闪耀面，利用离子束刻蚀或者反应离子刻蚀等技术去除闪耀面中心宽度为ΓD区域以外所有多层膜结构，形成层状多层膜闪耀光栅。

(7)根据耦合波理论，计算传统多层膜闪耀光栅和去除变形多层膜区域的层状多层膜闪耀光栅的衍射效率曲线，如图2、3所示。其中图2为传统制作BMG(单个周期内Γ＝0.7的区域多层膜为复形生长)衍射效率随着入射角变化的情况，图3为BLMG的情况。理论计算结果证明，在刻蚀掉非理想区域多层膜后，BLMG-1级次衍射效率从刻蚀前的31％大幅提升到50％，达到理想BMG的衍射效率，且衍射峰的带宽变窄为理想BMG的0.7倍。

实施例2：

针对1nm波长处设计层状多层膜闪耀光栅，具体制作方法包括以下步骤：

(1)针对波长为1nm的X射线光，为达到～10⁴的分辨率，选择光栅周期D＝100nm，闪耀级次j＝-3；

(2)针对1nm左右的波段，选用W/Si为多层膜材料组合；

(3)基于X射线光栅常用衍射几何设计和确定的光栅周期和级次，选择基底的闪耀角α＝5.1°；

(4)根据公式Dsinα＝jd，确定多层膜周期厚度d＝3nm，考虑应力和反射率的平衡，确定吸收层厚度比γ＝0.3，对应理想多层膜闪耀光栅的饱和膜对数N₀＝100；

(5)根据现有文献中磁控溅射镀膜TEM的观测结果，设定多层膜在反闪耀面附近产生的变形区域在单个周期内所占比例为30％，即Γ＝0.7；因此，层状多层膜闪耀光栅的饱和膜对数为100/0.7≈140。

(6)利用扫描电子显微镜或激光位移传感器等方法将掩模精确对准光栅反闪耀面，利用离子束刻蚀或者反应离子刻蚀等技术去除闪耀面中心宽度为ΓD区域以外所有多层膜结构，形成层状多层膜闪耀光栅。

(7)根据耦合波理论，计算传统多层膜闪耀光栅和去除变形多层膜区域的层状多层膜闪耀光栅的衍射效率曲线，如图4、5所示。其中图4为传统制作BMG(单个周期内Γ＝0.7的区域多层膜为复形生长)衍射效率随着入射角变化的情况，图5为BLMG的情况。理论计算结果证明，在刻蚀掉非理想区域多层膜后，BLMG-3级次衍射效率从刻蚀前的28％大幅提升到45％，达到理想BMG的衍射效率，且衍射峰的带宽变窄为理想BMG的0.7倍。

实施例3：

针对1nm波长处设计层状多层膜闪耀光栅，具体制作方法包括以下步骤：

(1)针对波长为1nm的X射线光，为达到～10³的分辨率，选择光栅周期D＝1000nm，闪耀级次j＝-6；

(2)针对1nm左右的波段，选用W/Si为多层膜材料组合；

(3)基于X射线光栅常用衍射几何设计和确定的光栅周期和级次，选择基底的闪耀角α＝1.03°；

(4)根据公式Dsinα＝jd，确定多层膜周期厚度d＝3nm，考虑应力和反射率的平衡，确定吸收层厚度比γ＝0.3，对应理想多层膜闪耀光栅的饱和膜对数N₀＝100；

(5)根据现有文献中磁控溅射镀膜TEM的观测结果，设定多层膜在反闪耀面附近产生的变形区域在单个周期内所占比例为30％，即Γ＝0.7；因此，层状多层膜闪耀光栅的饱和膜对数为100/0.7≈140。

(6)利用扫描电子显微镜或激光位移传感器等方法将掩模精确对准光栅反闪耀面，利用离子束刻蚀或者反应离子刻蚀等技术去除闪耀面中心宽度为ΓD区域以外所有多层膜结构，形成层状多层膜闪耀光栅。

(7)根据耦合波理论，计算传统多层膜闪耀光栅和去除变形多层膜区域的层状多层膜闪耀光栅的衍射效率曲线，如图6、7所示。其中图6为传统制作BMG(单个周期内Γ＝0.7的区域多层膜为复形生长)衍射效率随着入射角变化的情况，图7为BLMG的情况。理论计算结果证明，在刻蚀掉非理想区域多层膜后，BLMG-6级次衍射效率从刻蚀前的34％大幅提升到53％，达到理想BMG的衍射效率，且衍射峰的带宽变窄为理想BMG的0.7倍。

实施例4：

针对7nm波长处设计单级次层状多层膜闪耀光栅，具体制作方法包括以下步骤：

(1)针对波长为7nm的X射线光，为达到～10³的分辨率，选择光栅周期D＝200nm，闪耀级次j＝-1；

(2)针对7nm左右的波段，选用Mo/B₄C为多层膜材料组合；

(3)基于X射线光栅常用衍射几何设计和确定的光栅周期和级次，选择基底的闪耀角α＝1.43°；

(4)根据公式Dsinα＝jd，确定多层膜周期厚度d＝5nm，考虑应力和反射率的平衡，确定吸收层厚度比γ＝0.34，对应理想多层膜闪耀光栅的饱和膜对数N₀＝200；

(5)设定目标光谱/角度带宽分别为理想多层膜闪耀光栅带宽的1/2倍和1/3倍，为获得目标应用要求的带宽，选取Γ＝1/2和Γ＝1/3；此时，多层膜光栅结构参数同时满足单级次条件

(6)层状多层膜光栅所需饱和膜对数为N₀/Γ，因此分别选取多层膜对数为400对和600对；

(7)利用扫描电子显微镜或激光位移传感器等方法将掩模精确对准光栅反闪耀面，利用离子束刻蚀或者反应离子刻蚀等技术去除闪耀面中心宽度为ΓD区域以外所有多层膜结构，形成层状多层膜闪耀光栅。

(8)根据耦合波理论，计算不同Γ值层状多层膜闪耀光栅s偏振光的衍射效率曲线，如图8所示。其中Γ＝1为理想多层膜闪耀光栅，其角度带宽为0.66度，Γ＝1/2时BLMG的带宽为0.33度，Γ＝1/3时BLMG的带宽为0.22度。理论计算结果证明，多层膜占宽比为Γ＝1/2和1/3的单级次层状多层膜闪耀光栅的带宽分别变窄为理想多层膜闪耀光栅的1/2倍和1/3倍，衍射效率达到该条件下的最大值40.8％。

Claims (9)

1.一种X射线层状多层膜闪耀光栅结构，其特征在于，包括闪耀光栅基底，所述闪耀光栅基底上设置有周期性分布的锯齿结构，形成的光栅周期为D，各锯齿结构均包括闪耀面和反闪耀面，所述闪耀面的中心区域镀制有多层膜堆，所述多层膜堆横向宽度与光栅周期的比值为多层膜占宽比Γ，0<Γ<Γ_g，Γ_g为光栅占宽比，即闪耀面宽度与光栅周期的比值。

2.根据权利要求1所述的X射线层状多层膜闪耀光栅结构，其特征在于，所述多层膜堆由高、低原子序数的两种或多种材料周期性交替组成，每个周期的厚度d根据公式Dsinα＝jd获得，其中，α为闪耀光栅基底的闪耀角，j是光栅衍射级次。

3.根据权利要求1所述的X射线层状多层膜闪耀光栅结构，其特征在于，所述多层膜堆的镀制方式包括溅射、蒸发和原子层沉积。

4.根据权利要求1所述的X射线层状多层膜闪耀光栅结构，其特征在于，所述多层膜堆横向中心位置在光栅基底闪耀槽面的中心，多层膜堆的两侧侧壁均与闪耀光栅基底的底座平面垂直。

5.根据权利要求2所述的X射线层状多层膜闪耀光栅结构，其特征在于，所述高原子序数材料包括Mo、W、Cr、Co、Ni、Fe、Cu、Zr、Ru、Rh、Pd和La；

所述低原子序数材料包括B、C、B4C、Si、SiC、Mg、Sc、Ti、V和Y。

6.一种如权利要求1所述的X射线层状多层膜闪耀光栅结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制作具有周期性分布的锯齿结构的闪耀光栅基底，其中光栅周期为D＝50nm-1000nm，闪耀角为α＝0.1°-10°，光栅占宽比为0.5<Γ_g<1，衍射级次j≠0；

(2)根据公式Dsinα＝jd确定目标多层膜的周期厚度d，并获得理想多层膜闪耀光栅的饱和膜对数N₀；

(3)在锯齿结构的闪耀基底上整体镀制目标多层膜，确定多层膜占宽比Γ；

(4)重新在闪耀面上镀制目标多层膜，膜对数为N₀/Γ；

(5)进行掩模和光栅位置的精确对准，去除闪耀面中心宽度为ΓD区域以外所有多层膜，剩余各多层膜堆的两侧侧壁均与闪耀光栅基底的底座平面垂直，形成层状多层膜闪耀光栅。

7.根据权利要求6所述的X射线层状多层膜闪耀光栅结构的制作方法，其特征在于，所述步骤(3)中，确定多层膜占宽比Γ为：整体镀制目标多层膜后，观测多层膜的截面结构，获取闪耀面中心复形生长的多层膜区域宽度与光栅周期比值，即为Γ，0.5Γ_g<Γ<0.9Γ_g。

8.根据权利要求6所述的X射线层状多层膜闪耀光栅结构的制作方法，其特征在于，所述步骤(3)替换为：

根据目标应用要求的衍射级次的光谱/角度带宽与理想多层膜闪耀光栅该级次带宽的比值确定多层膜占宽比Γ，0.1≤Γ≤0.5。

9.根据权利要求6所述的X射线层状多层膜闪耀光栅结构的制作方法，其特征在于，还包括步骤：

优化多层膜堆宽度ΓD，使多层膜光栅结构参数满足单级次条件：

$\mathrm{\&Gamma;D}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{MM}}\&CenterDot;\sqrt{\frac{\sin ({\mathrm{\&theta;}}_B\&PlusMinus;\mathrm{\&alpha;})}{\sin \left({\mathrm{\&theta;}}_B\stackrel{\&OverBar;}{+}\mathrm{\&alpha;}\right)}}<<d/\left(j\cos \mathrm{\&alpha;}\right)$

其中，Δθ_MM是多层膜反射峰的角宽度，θ_B是多层膜的布拉格角，确定此时多层膜占宽比Γ，重复步骤(4)、(5)。