CN109243661B - 一种侧壁倾斜式x射线层状多层膜光栅结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，包括周期分布的多层膜堆，多层膜堆中心位置与每个光栅周期的中心位置重合，多层膜堆占宽比从顶部到底部单调增大，所述占宽比指多层膜堆任意高度位置上的横向宽度与光栅周期的比值，周期膜层厚度也由表面到基底单调变化。与现有技术相比，本发明一方面克服了传统侧壁垂直的大高宽比层状多层膜光栅结构制作难度大、机械稳定性差的缺点，显著提高光栅元件的稳定性和使用寿命，且光栅最高效率不变；另一方面上窄下宽的膜堆结构能进一步提高X射线的有效穿透深度，从而可获得更高的分辨率和光谱纯度。本发明可作为高分辨率X射线光谱测量的关键反射元件。

Description

一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构

技术领域

本发明属于多层膜反射元件技术领域，涉及一种X射线多层膜光栅元件，尤其是涉及一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构。

背景技术

X射线光谱技术是分析物质成分、原子结构及电子价态等信息的重要手段，在材料科学、天文物理、生命科学等各领域都有重要应用。X射线单色器是X射线光谱仪器中的关键元件，其光谱分辨率决定了对物质成分和结构的探测精度。

在硬X射线波段，天然晶体是良好的单色元件，但由于晶面间距的限制，它难以应用于软X射线波段。多层膜是天然晶体在中低能段的延伸，作为一维人工晶体其周期厚度灵活可调，且具有较高的反射率。但受限于膜层材料对X射线的吸收，常规多层膜的分辨率只有1％-2％。

如图1所示，层状多层膜光栅(Lamellar Multilayer Gratings，简称LMG)通过在多层膜内刻蚀出光栅结构，有效降低了膜层的等效密度和吸收，从而增加入射光的穿透深度，提高多层膜元件0级反射的分辨率。此时分辨率ΔE/E正比于光栅的占宽比，即多层膜堆宽度和占宽比越小，分辨率越高。同时，当光栅工作在单级次条件下(只有一个衍射级次被激发)且膜对数足够大时，LMG可以获得和常规多层膜一样高的理论极限反射率。但高分辨率高效率层状多层膜光栅的研制要求制作出宽度在100nm左右、高宽比大于10且侧壁垂直的多层膜堆结构，这对制作工艺提出了很高的挑战。而这种大高宽比层状结构的机械稳定性也较差，在制作和后续应用中可能会坍塌破损，严重影响实际的光学性能。

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侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，通过设计新型侧壁倾斜式光栅结构，来避免传统LMG大高宽比多层膜堆的制作难题，提高元件结构的机械稳定性，保证0级次的高效率，并进一步提高0级次的分辨率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，包括周期分布的多层膜堆，多层膜堆中心位置与每个光栅周期的中心位置重合，多层膜堆占宽比从顶部到底部单调增大，所述占宽比指多层膜堆任意高度位置上的横向宽度与光栅周期的比值。

进一步地，多层膜堆任意高度位置的所述占宽比满足线性函数：

Γ_h＝Γ_t+(Γ_b-Γ_t)*(L-h)/L

其中，Γ_h为高度位置h处的占宽比，L为多层膜堆的总高度，Γ_t为膜堆顶部占宽比，Γ_b为膜堆底部占宽比。

进一步地，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叠加组成，每个周期膜层厚度随不同高度位置的占宽比变化而变化。

进一步地，所述周期膜层厚度随占宽比从顶部到底部单调增大。

进一步地，对0级次衍射工作方式，所述周期膜层厚度的表达式为：

其中，d为周期膜层厚度，Γ_h为高度位置h处的占宽比，u为多层膜反射级次，λ为工作波长，θ₀为掠入射角，χ_A为高原子序数材料的介电常数，χ_S为低原子序数材料的介电常数，

为多层膜的平均介电常数，

γ为高原子序数材料膜厚与单个周期膜层厚度的比值。

进一步地，所述高原子序数材料包括Mo、W、Cr、Co、Ni、Zr、Ru、Pd、La、WSi2和MoSi2；

所述低原子序数材料包括B、C、B4C、Si、SiC、Mg、Sc、Ti和V。

进一步地，多层膜堆的膜对数为x*(N_a/Γ₀)，其中，N_a为常规平面多层膜的饱和膜对数，Γ₀为多层膜堆顶部和底部占宽比的平均值，x为经验系数。

进一步地，所述经验系数取值为1～2。

进一步地，所述层状多层膜光栅结构的参数满足单级次条件：

其中，Δθ_MM是常规多层膜反射峰的角宽度，Γ_t为膜堆顶部占宽比，Γ_b为膜堆底部占宽比，d为周期膜层厚度，D为光栅周期。

进一步地，所述光栅周期取值为100nm-1000nm，使用在波长为0.1-40nm的X射线波段。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)传统矩形槽型膜堆的层状多层膜光栅为实现高分辨率，需要制作大高宽比结构，导致元件使用中稳定性不好，会发生膜堆线条结构弯曲或坍塌，严重降低光学性能。本发明通过设计侧壁倾斜式(上窄下宽型)的多层膜堆结构，显著增大膜堆底部宽度，提高光栅的机械稳定性。

(2)相对传统矩形式的层状多层膜光栅，本发明中上窄下宽型的膜堆结构能进一步提高X射线的有效穿透深度，从而获得更高的分辨率。

(3)本发明倾斜式槽型结构也具有抑制反射峰两侧震荡，提高光谱纯度的作用。

(4)针对倾斜侧壁带来的光栅从顶部到底部渐变的占宽比，本发明通过优化不同高度位置多层膜的周期厚度，保证TLMG的衍射效率仍达到对应多层膜反射率的最大值。

附图说明

图1为传统LMG结构示意图；

图2为本发明X射线层状多层膜光栅(TLMG)的结构示意图；

图1和图2中，1是吸收层，2是间隔层，3是多层膜堆，4是光栅掠入射角θ₀，5是光栅出射角，多层膜堆高度为L；

图3为模拟TLMG多层膜光栅0级衍射效率随掠入射角变化的曲线，其中，曲线a为传统侧壁竖直型的LMG效率，曲线b为膜层厚度不变(未经优化)的TLMG效率，曲线c为多层膜周期厚度随着Γ值线性变化的TLMG效率。

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。

本发明实施例提供一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构(Tilted LamellarMultilayer Gratings，简称TLMG)，适合用作X射线光谱实验中高效率高分辨率分光单色器。如图2所示，该光栅结构包括周期分布的多层膜堆3，形成的光栅周期为D，多层膜堆3中心位置与每个光栅周期的中心位置重合，多层膜堆3占宽比从顶部到底部单调增大，占宽比指多层膜堆任意高度位置上的横向宽度与光栅周期的比值。光栅周期D取值为100nm-1000nm，使用在波长为0.1-40nm的X射线波段。

多层膜堆任意高度位置的所述占宽比满足线性函数：

Γ_h＝Γ_t+(Γ_b-Γ_t)*(L-h)/L

其中，Γ_h为高度位置h处的占宽比，L为多层膜堆的总高度，Γ_t为膜堆顶部占宽比，0≤Γ_t≤0.5，Γ_b为膜堆底部占宽比，0.5≤Γ_b≤1，Γ_t<Γ_h<Γ_b。

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叠加组成，每个周期膜层厚度随不同高度位置的占宽比变化而变化。高原子序数材料包括Mo、W、Cr、Co、Ni、Zr、Ru、Pd、La、WSi2和MoSi2；低原子序数材料包括B、C、B4C、Si、SiC、Mg、Sc、Ti和V。每个周期膜层均包括吸收层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。

周期膜层厚度的优化，需要先确定对应目标能段和角度的平面多层膜参数，然后目标的高分辨率(窄带宽)是在该平面多层膜基础上通过刻蚀光栅结构变为多层膜光栅来提升，提升优化中再根据侧壁倾斜情况改变周期膜层厚度。

本实施例中，周期膜层厚度随占宽比从顶部到底部单调增大。对0级次衍射工作方式，所述周期膜层厚度的表达式为：

其中，d为周期膜层厚度，Γ_h为高度位置h处的占宽比，u为多层膜反射级次，λ为工作波长，θ₀为掠入射角，χ_A为高原子序数材料的介电常数，χ_S为低原子序数材料的介电常数，

为多层膜的平均介电常数，

γ为高原子序数材料膜厚与单个周期膜层厚度的比值。

周期膜层厚度d取值为2nm-15nm。

多层膜堆3的膜对数为x*(N_a/Γ₀)，其中，N_a为常规平面多层膜的饱和膜对数，N_a＝50-150，Γ₀为多层膜堆顶部和底部占宽比的平均值，Γ₀＝(Γ_a+Γ_b)/2＝0.1～0.5，x为经验系数，x＝1～2。x取值越大，光栅内的多层膜膜对数越接近饱和，0级次效率和分辨率越高。

为使多层膜光栅的衍射效率达到最大值，设计层状多层膜光栅结构的参数满足单级次条件：

其中，Δθ_MM是常规多层膜反射峰的角宽度，Γ_t为膜堆顶部占宽比，Γ_b为膜堆底部占宽比，d为周期膜层厚度，D为光栅周期。

本实施例针对183.4eV能段处设计工作在0级次TLMG，具体设计方法包括以下步骤：

1)针对183.4eV能段和应用工作角度，选用Mo/B₄C为多层膜材料组合，确定对应目标能段和角度的平面多层膜参数，其多层膜周期厚度为6nm，考虑应力和反射率的平衡，确定多层膜每个周期内吸收层厚度比γ＝0.33；

2)为将元件的光谱分辨率相比多层膜反射镜提高4倍以上，并工作在单级次区域内；同时考虑尽可能提高结构的机械稳定性，选择光栅周期D＝300nm，倾斜膜堆的占宽比Γ_h从顶部Γ_t≈0线性变化到底部Γ_b＝0.5，对应平均占宽比Γ₀＝0.25；

3)考虑Mo/B₄C常规平面多层膜饱和膜对数为N_a＝100对，对应N_a/Γ₀＝400对。为获得尽可能高的效率和分辨率，选取x＝1.5，则TLMG的多层膜膜对数为N＝600；

4)根据公式(1)确定多层膜周期厚度d从顶部的5.98nm线性变化到底部的6.02nm。

根据耦合波理论，计算传统层状多层膜光栅和改变多层膜堆形状的倾斜式层状光栅的衍射效率曲线，如图3所示。图3中的曲线a为传统矩形式层状多层膜光栅的0级效率随掠入射角变化的曲线(为方便比较，矩形光栅的占宽比取为倾斜槽型光栅的平均占宽比)，曲线b是TLMG结构中多层膜周期厚度d＝6nm不变时0级衍射效率，曲线c是根据公式优化调整多层膜周期厚度分布后的TLMG的效率曲线。

相比而言，一方面传统矩形式层状多层膜光栅顶部和底部膜堆宽度仅为75nm，膜堆总高度要达到2μm左右，实际制备难度很大，结构稳定性差。新设计的倾斜式层状多层膜光栅结构膜堆上窄下宽，底部宽度增大到150nm，顶部宽度可接近于0，稳定性大为提升。另一方面，其理论性能结果如图3所示。TLMG多层膜厚度固定为6nm时，0级峰值效率比传统层状光栅低了8％。在针对多层膜堆侧壁变化，优化调整多层膜周期厚度分布后，TLMG的效率恢复到和传统层状光栅一样高，达到45％的效率最大值。同时，相比传统层状光栅，优化后TLMG的带宽进一步减小了25％，分辨率提高1.32倍；TLMG反射峰两侧的反射率迅速下降，对反射峰两侧的信号抑制更强，可获得更好的光谱纯度。因此是获得高稳定性、高效率、高分辨率多层膜层状光栅元件的有效方法。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，包括周期分布的多层膜堆，多层膜堆中心位置与每个光栅周期的中心位置重合，多层膜堆占宽比从顶部到底部单调增大，形成侧壁倾斜式结构，所述占宽比指多层膜堆任意高度位置上的横向宽度与光栅周期的比值，多层膜堆任意高度位置的所述占宽比满足线性函数：

Γ_h＝Γ_t+(Γ_b-Γ_t)*(L-h)/L

其中，Γ_h为高度位置h处的占宽比，L为多层膜堆的总高度，Γ_t为膜堆顶部占宽比，Γ_b为膜堆底部占宽比。

2.根据权利要求1所述的侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，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叠加组成，每个周期膜层厚度随不同高度位置的占宽比变化而变化。

3.根据权利要求2所述的侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，所述周期膜层厚度随占宽比从顶部到底部单调增大，对0级次衍射工作方式，所述周期膜层厚度的表达式为：

其中，d为周期膜层厚度，Γ_h为高度位置h处的占宽比，u为多层膜反射级次，λ为工作波长，θ₀为掠入射角，χ_A为高原子序数材料的介电常数，χ_S为低原子序数材料的介电常数，

为多层膜的平均介电常数，

γ为高原子序数材料膜厚与单个周期膜层厚度的比值。

4.根据权利要求2所述的侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，所述高原子序数材料包括Mo、W、Cr、Co、Ni、Zr、Ru、Pd、La、WSi₂和MoSi₂；

所述低原子序数材料包括B、C、B4C、Si、SiC、Mg、Sc、Ti和V。

5.根据权利要求2所述的侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，多层膜堆的膜对数为x*(N_a/Γ₀)，其中，N_a为常规平面多层膜的饱和膜对数，Γ₀为多层膜堆顶部和底部占宽比的平均值，x为经验系数。

6.根据权利要求5所述的侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，所述经验系数取值为1～2。

7.根据权利要求1所述的侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，所述层状多层膜光栅结构的参数满足单级次条件：

其中，Δθ_MM是常规多层膜反射峰的角宽度，Γ_t为膜堆顶部占宽比，Γ_b为膜堆底部占宽比，d为周期膜层厚度，D为光栅周期。

8.根据权利要求1所述的侧壁倾斜式X射线层状多层膜光栅结构，其特征在于，所述光栅周期取值为100nm-1000nm，使用在波长为0.1-40nm的X射线波段。

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