CN113640330B - 一种多层膜劳埃透镜的离线表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层膜劳埃透镜的离线表征方法，其步骤包括：1)在基底上镀制多层膜，其中每隔一设定间隔插入一个标志层；2)将多层膜的端面做抛光处理；3)使用扫描电子显微镜拍摄每两个相邻标志层之间的图像；4)将每一副所述图像进行处理，得到每一层膜的厚度值：5)根据各相邻两层膜的厚度生成一个周期性局部光栅，使用CWT方法计算光栅出射面的电场分布作为多层膜劳埃透镜出射面的电场分布；6)利用菲涅耳‑基尔霍夫衍射积分，计算电场从出射面传播到焦平面的强度分布。本发明基于测量膜层的实际厚度计算其对多层膜劳埃透镜聚焦性能的影响。

Description

一种多层膜劳埃透镜的离线表征方法
技术领域
本发明涉及一种应用在硬X射线纳米聚焦光学元件——多层膜劳埃透镜的离线表征方法，属于衍射动力学理论、同步辐射光学、微纳加工测量等领域。
背景技术
高能同步辐射源具有低发射率、高亮度、高相干性等特点，在材料结构动力学、地球物理学、环境科学、生物物理学、蛋白质晶体学等诸多科学研究领域具有广阔的应用前景。穿透力强的硬X射线可以在三维空间尺度上研究材料的内部结构，而更小的聚焦光束代表更高的空间分辨率和更强大的表征材料微观结构的能力。硬X射线探针的尺寸由常用的微米级提高到纳米级，探针的能量也从软X射线扩展到硬X射线。高能同步辐射源和高性能X射线聚焦元件的出现，使硬X射线纳米聚焦成为可能。
目前常用的X射线纳米聚焦元件主要有反射光学元件(Kirkpatrick-Baez反射镜、毛细管)、折射光学元件(复合折射透镜、Kinoform透镜)和衍射光学元件(菲涅尔波带板、多层劳厄透镜)，这些聚焦光学器件已经能够实现10-50nm的二维聚焦。由于X射线纳米探针的空间分辨率(Δ)取决于聚焦光学元件的数值孔径(NA)和入射光的波长(λ)，因此空间分辨率可表示为：Δ＝0.61λ/NA。物质的复折射率可以表示为：n＝1-δ-iβ，在硬X射线波段，δ通常在10-5-10-6左右，导致折射角和临界角极小，所以透射型和反射型都难以达到纳米级分辨率。为了增加聚焦元件的数值孔径(NA)，衍射聚焦元件被广泛研究，例如多层劳厄透镜(MLL)。理论上，具有理想结构的MLL可以将硬X射线聚焦到小于1nm，该方法是在平坦的基材上交替涂覆多层高密度和低密度材料。每个薄膜的位置也由波带板的公式决定。
Xn2＝nλf+n2λ2/4
其中Xn是第n层界面的位置，λ是波长，f是焦距。由于大深宽比，MLL也可以被视为一系列局部体光栅。几何理论不再适用，衍射动力学理论将用于描述MLL的衍射特性，主要包括耦合波理论(CWT)和Takagi-Taupin描述(TTD)。影响MLL聚焦性能的因素很多，主要包括膜层位置误差、穿透深度精度和界面粗糙度等。穿透深度精度会影响衍射效率，从而降低光通量。膜层位置误差会导致相位误差，并使焦平面上的强度曲线形状扭曲，从而扩大光斑尺寸。因此，要达到衍射极限聚焦，重要的是分析层放置误差对MLL聚焦性能的影响并减少膜层位置误差。
一种新的基于CWT的动力学建模方法已被证明具有与TTD相同的聚焦结果。但是TTD方法只能通过MLL结构的二次多项式拟合整体变化趋势来表征膜层位置误差对聚焦性能的影响，而忽略了高频信息。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的多层膜劳埃透镜的离线表征方法以解决实际膜层厚度对透镜聚焦性能的影响，在本发明中，通过扫描电镜测量横截面，并通过图像平滑、二进制转换和拼接过程计算每层厚度；实际MLL与实际膜层厚度的聚焦性能是通过新的动力学模型计算出来的。与传统方法相比可以用衍射动力学处理高频薄膜误差，有助于系统、全面地分析膜层位置误差对MLL的影响，且计算模型相对简化。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
一种多层膜劳埃透镜，其特征在于，该多层膜由基底1、多层膜2组成。
多层膜2的作用是通过衍射动力学将入射的硬X射线聚焦到纳米量级的光斑尺寸。多层膜材料一般是由高低折射率材料交替镀制而成(比如：WSi2和Si)，每一层的厚度d满足
Figure GDA0003645734870000021
其中λ是入射光的波长，f是透镜的焦距，n是膜层数，该多层膜2是由磁控溅射法在硅基底1上镀制完成的。本发明基于测量实际厚度d计算其对多层膜劳埃透镜聚焦性能的影响。
一种多层膜劳埃透镜的离线表征方法，该方法包括以下内容：
(1)使用磁控溅射法在基底1上镀制多层膜2，其中每隔一定间隔(比如1微米)插入一个标志层，目的是实现大口径多层膜的图像拼接。
(2)使用聚焦离子束抛光(FIB)将多层膜2的端面做抛光处理。
(3)使用扫描电子显微镜(SEM)拍摄每两个相邻标志层之间的图像。
(4)将每一幅 图像做以下步骤处理：
(a)每个像素的宽度由SEM图像标尺长度表示的像素数计算。
(b)将每个像素的强度替换为其周围若干个像素(比如25或者50)强度的平均值用来平滑图像。
(c)将在多层膜生长方向上以每个像素为中心的几个点(比如5或者9)的平均强度设置为阈值。但是，随着多层膜生长方向上膜层厚度变薄，点数会略有调整。不同像素对应的阈值可能不同。
(d)如果像素的强度大于该像素对应的阈值，我们将该像素的强度设置为255，否则设置为0，不同强度值代表不同材料。
(e)每一层薄膜的厚度值即为同值像素数和单个像素宽度的乘积。同一层一般只会有同一个强度值。
(f)每一层薄膜的平均厚度要在一定范围内(比如200个像素)取平均值。
(5)根据每相邻两层薄膜的厚度模拟一个周期性局部光栅，使用CWT方法计算光栅的出射面的电场分布作为透镜出射面的电场分布。本发明将相邻两层等价于一个周期性光栅，由于光栅是无限大的，本发明取光栅的一个周期，称为周期性局部光栅。比如第1膜层与第2 膜层为光栅n1、第3膜层与第4膜层为光栅n2、第2k-1膜层与第2k膜层为光栅nk，那么对应的周期性局部光栅的栅格编号依次为n1、n2…、nk。
(6)利用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分，计算电场从出射面传播到焦平面的强度分布。技术人员可以根据强度分布调整多层膜，从而优化多层膜劳埃透镜。
与现有技术相比，本发明具有以下的优点：
1、计算实际膜层厚度对多层膜劳埃透镜聚焦性能的影响。
2、与现有方法相比，可以用衍射动力学处理高频薄膜误差，有助于系统、全面地分析膜层位置误差对MLL的影响。
3、计算模型相对简化。
附图说明
图1为多层膜劳埃透镜的聚焦示意图。
图2为多层膜的SEM测试和处理过程图像；
(a)为多层膜在SEM测试的相邻两个标志层的原始图像，
(b)为多层膜在SEM测试的相邻两个标志层的平滑图像，
(c)为多层膜在SEM测试的相邻两个标志层的二进制转化图像，
(d)为多层膜的层数与膜厚变化关系图。
图3为实际膜层厚度下的透镜在焦点处光强分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
首先使用磁控溅射法在基底1上镀制多层膜薄膜2，多层膜材料组合为WSi2和Si，每一层的厚度d满足
Figure GDA0003645734870000041
其中λ是入射光的波长，f是透镜的焦距，n是膜层数。在这里我们选择入射波长为0.124nm，焦距为2.5mm，n取值在60～1495层，d的取值即为7.2～36.1nm。在镀膜过程中每间隔1微米插入一个标志层，目的是实现大口径多层膜的图像拼接。使用聚焦离子束抛光(FIB)将多层膜2的截面做抛光处理。并通过扫描电子显微镜(SEM)拍摄每两个相邻标志层之间的图像，如图2(a)所示。
然后将每一幅 图像做以下步骤处理：
(a)每个像素的宽度由SEM图像标尺长度表示的像素数计算。
(b)将每个像素的强度替换为其周围25个像素的平均值用来平滑图像，如图2(b)所示。
(c)将在薄膜生长方向上以每个像素为中心的几个点(比如5或者9)的平均强度设置为阈值。但是，随着膜层变薄，点数会略有调整。
(d)如果像素的强度大于阈值，我们将新的强度设置为255，否则设置为0，结果如图2(c) 所示。
(e)每一层薄膜的厚度值即为同值像素数和单个像素宽度的乘积。
(f)每一层薄膜的平均厚度为其周围200个像素的平均值，如图2(d)所示。
最后将每相邻两层组合成一个周期性局部光栅，使用CWT方法计算透镜出射面的电场分布。利用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分，计算电场从出射面传播到焦平面的强度分布，如图3 所示。
本申请并不局限于本发明详细记载的实施例，本领域技术人员可以对此做出各种修改，例如改变多层膜材料组合，单层厚度取值范围，入射波长，焦距等等，但是只要这些修改不背离本发明的精神和意图，仍在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种多层膜劳埃透镜的离线表征方法，其步骤包括：
1)在基底上镀制多层膜，其中每隔一设定间隔插入一个标志层；
2)将多层膜的端面做抛光处理；
3)使用扫描电子显微镜拍摄每两个相邻标志层之间的图像；
4)将每一幅 所述图像进行步骤(a)～(d)的处理，得到每一层膜的厚度值：
(a)利用扫描电子显微镜图像标尺长度表示的像素数计算所述图像中每个像素的宽度；
(b)对所述图像进行平滑处理；
(c)将在多层膜生长方向上以每个像素为中心的多个点的平均强度作为对应像素的阈值；如果像素的强度大于该像素对应的阈值，则将该像素的强度设置为I1，否则设置为I2；
(d)将每一层薄膜的同值像素数和单个像素宽度的乘积作为该层薄膜的厚度值；
5)根据各相邻两层膜的厚度分别生成一个周期性局部光栅，使用CWT方法计算光栅出射面的电场分布作为多层膜劳埃透镜出射面的电场分布；
6)利用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分，计算电场从出射面传播到焦平面的强度分布。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述图像进行平滑处理的方法为：将每个像素的强度替换为该像素周围若干个像素强度的平均值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，I1为255，I2为0。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用聚焦离子束抛光将多层膜的截面做抛光处理。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用磁控溅射法在基底上镀制多层膜。
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