NL1018139C2

NL1018139C2 - Meerlagenspiegel voor straling in het XUV-golflengtegebied en werkwijze voor de vervaardiging daarvan.

Info

Publication number: NL1018139C2
Application number: NL1018139A
Authority: NL
Inventors: Frederik Bijkerk; Jan Verhoeven; Marcus Jozef Henricus Kessels; Eric Louis; Markus Johannes Harmen Hartog
Original assignee: Stichting Fund Ond Material
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2002-11-26
Also published as: EP1390957A1; DE60201599T2; EP1390957B1; DE60201599D1; ATE279775T1; WO2002095771A1; US20040233519A1

Description

MEERLAGENSPIEGEL VOOR STRALING IN HET XUV-GOLFLENGTEGEBIED EN WERKWIJZE VOOR DE VERVAARDIGING DAARVAN

De uitvinding heeft betrekking op een meerlagenspiegel voor straling met een golflengte in het golflengtegebied tussen 0,1 nm en 30 nm (het zogenaamde XUV-gebied), omvattend een stapeling van dunne films die in hoofdzaak verstrooiende 5 deeltjes bevatten die de staling verstrooien, welke dunne films zijn gescheiden door scheidingslagen met een dikte in de orde van grootte van de golflengte van de straling, welke scheidingslagen in hoofdzaak niet-verstrooiende deeltjes bevatten die de straling niet verstrooien.

10 Meerlagenspiegels voor straling met een golflengte in het XUV-gebied worden toegepast als optische elementen in opstellingen in laboratoria en productiefaciliteiten, bijvoorbeeld voor lithografie in het golflengtegebied tussen ca. 10 nm en 15 nm (het zogenaamde extreme UV-gebied (EUV)), 15 voor röntgenfluorescentie-analyse van elementen met een laag atoomnummer Z, of ten behoeve van röntgenmicroscopie aan biologische preparaten.

Bekend uit een publicatie van M. Cilia en J. Verhoeven in J. Appl. Phys. 82(9), 1 November 1997 is een meerlagenspiegel 20 die is opgebouwd uit dunne films nikkel (Ni), gescheiden door scheidingslagen silicium (Si). Deze Ni/Si-meerlagenspiegel is in het bij zonder ontworpen voor een röntgenmicroscoop in het golflengtegebied voor straling met een golflengte tussen 2,4 nm en 4,4 nm, het zogeheten watervenster. Voor straling 25 met een golflengte in dit gebied is de absorptiecoëfficiënt van water een orde van grootte kleiner dan de absorptiecoëfficiënt van koolstof, zodat koolstofhoudende delen in biologische preparaten met een hoog contrast kunnen worden waargenomen. De intensiteit van de beschikbare 30 straling wordt in belangrijke mate bepaald door de reflectiviteit van de gebruikte meerlagenspiegels.

Ook bekend zijn meerlagenspiegels met dunne films van wolfraam (W), eveneens gescheiden door scheidingslagen van ,1-0181 39 2

Si.

Het is een doel van de uitvinding een meerlagenspiegel te verschaffen die een substantieel hogere reflectiviteit voor staling in het XUV-gebied bezit dan de bekende 5 meerlagenspiegels.

Dit doel wordt bereikt met een meerlagenspiegel van het in de aanhef omschreven type, waarin overeenkomstig de uitvinding de niet-verstrooiende deeltjes in hoofdzaak deeltjes lithium (Li) zijn.

10 De keuze van Li als niet-verstrooiende deeltjes in de scheidingslagen berust op het inzicht dat de reflectiviteit van de meerlagenspiegel niet alleen wordt verhoogd door het verhogen van de reflectiviteit van de dunne films, bijvoorbeeld door de keuze van andere verstrooiende deeltjes 15 daarin, of door het oppervlak daarvan vlakker, te maken, maar eveneens door het verlagen van het absorptievermogen van de scheidingslagen. In het vakgebied bestaat een voorkeur voor Si, omdat het vervaardigen van dunne lagen uit dit materiaal een uit de halfgeleidertechniek bekende en beproefde 20 werkwijze is, terwijl dit materiaal betrekkelijk gunstige röntgen-optische eigenschappen vertoont. Door de keuze van Li, wordt van deze heersende opvatting afstand genomen.

In een uitvoeringsvorm van een meerlagenspiegel overeenkomstig de uitvinding zijn de deeltjes lithium 25 gepassiveerd, dat wil zeggen chemisch inactief gemaakt, in die zin dat de chemische reactiviteit met betrekking tot het aangaan van bindingen met overige elementen in de meerlagenspiegel sterk verminderd is.

Een meerlagenspiegel met scheidingslagen uit gepassiveerd 30 lithium heeft in vergelijking met een meerlagenspiegel met scheidingslagen uit zuiver lithium het voordeel dat deze eerste volgens een eenvoudiger werkwijze kan worden vervaardigd.

In een uitvoeringsvorm van een meerlagenspiegel met 35 scheidingslagen met gepassiveerd lithium zijn de deeltjes lithium verschaft in de vorm van lithiumoxide (Li20) .

In weer een uitvoeringsvorm zijn de deeltjes lithium : ü ΐ 81 39 3 verschaft in de vorm van een lithiumhalogenide, bij voorkeur lithiumfluoride (LiF).

LiF is in het bijzonder geschikt te worden toegepast in een meerlagenspiegel in een röntgenmicroscoop voor 5 biologische preparaten, die rijk zijn aan zuurstof- en koolstofatomen, omdat LiF voor straling met golflengtes die door deze atomen worden geabsorbeerd juist een goede transmissie heeft, zodat het mogelijk is zeer contrastrijke opnamen van de preparaten te maken.

10 De verstrooiende deeltjes in een meerlagenspiegel overeenkomstig de uitvinding zijn bijvoorbeeld geselecteerd uit de groepen overgangselementen uit de vierde en de zesde periode van het periodiek systeem der elementen, meer in het bijzonder uit de overgangselementen cobalt (Co), nikkel (Ni), 15 wolfraam (W), renium (Re) en iridium (Ir).

In een uitvoeringsvorm zijn de dunne films samengesteld uit wolfraam en renium, bij voorkeur in een atomaire verhouding van ca. 70% wolfraam en ca. 30% renium.

Gevonden is dat dunne films uit W/Re in een atomaire 20 verhouding van 70/30 een bijzonder glad oppervlak vertonen, wat tot uitdrukking komt in een bijzonder hoog reflecterend vermogen.

In een uitvoeringsvorm van meerlagenspiegel volgens de uitvinding omvat de stapeling ten minste 50 door 25 scheidingslagen gescheiden lagen dunne film.

Bij voorkeur omvat de stapeling ca. 100 door scheidingslagen gescheiden lagen dunne film, bij meer voorkeur omvat de stapeling ca. 250 door scheidingslagen gescheiden lagen dunne film, bij meeste voorkeur omvat de 30 stapeling ca. 500 door scheidingslagen gescheiden lagen dunne film.

De voorkeur voor een zo hoog mogelijk aantal door scheidingslagen gescheiden lagen dunne film wordt ingegeven door het gegeven dat de bandbreedte van een meerlagenspiegel 35 volgens de uitvinding, gedefinieerd als Δλ/λ, afneemt bij een toenemend aantal lagen dunne film. Een lagere bandbreedte impliceert een hogere golflengte-selectiviteit van de 1013139 4 meerlagenspiegel. (In het quotiënt Δλ/λ representeert λ de golflengte van de gereflecteerde straling, en representeert Δλ de breedte van de reflectiecurve bij een intensiteit gelijk aan de helft van de intensiteit bij het maximum van 5 die curve).

Gevonden is dat een meerlagenspiegel met ca. 250 van dergelijke lagen onder een hoek van 90° invallende straling met een golflengte van 3,16 nm voor ca. 23% reflecteert, terwijl een meerlagenspiegel met ca. 500 lagen deze straling 10 voor ca. 26% reflecteert.

De uitvinding betreft voorts een werkwijze voor het vervaardigen van een hierboven beschreven meerlagenspiegel, waarbij de niet-verstrooiende deeltjes in hoofdzaak deeltjes lithium zijn, verschaft in de vorm van lithiumoxide of een 15 lithiumhalogenide.

De werkwijze overeenkomstig de uitvinding omvat de stappen van (i) het verschaffen van een substraatmateriaal, van het materiaal voor de dunne films en van lithium in een ultrahoogvacuüm (UHV) depositiekamer, en (ii) het op het 20 substraat deponeren van afwisselend het materiaal voor de dunne films en de scheidingslagen, waarbij het deponeren van de dunne films telkens plaats vindt door middel van een elektronenbundel, en waarbij het deponeren van de scheidingslagen telkens omvat (iii) het deponeren van lithium 25 door middel van een elektronenbundel en (iv) het in de UHV-depositiekamer inlaten in gasvormige toestand van zuurstof of een zuurstof bevattend materiaal respectievelijk van een halogeen of een halogeen bevattend materiaal.

Volgens een uitvoeringsvorm van een werkwijze 30 overeenkomstig de uitvinding vindt het in de stap (iv) inlaten in gasvormige toestand van zuurstof of een zuurstof bevattend materiaal respectievelijk van een halogeen of een halogeen bevattend materiaal plaats onder gelijktijdige ionisatie en versnelling in de richting van het substraat van 35 de ingelaten materiaaldeeltjes.

Een alternatieve werkwijze overeenkomstig de uitvinding omvat de stappen van (i) het verschaffen van een

I :< M

ii ’:*· * 's'- 5 substraatmateriaal, van het materiaal voor de dunne films en van lithiumoxide of een lithiumhalogenide in een ultrahoogvacuüm (UHV) depositiekamer, en (ii) het op het substraat deponeren door middel van een elektronenbundel van 5 afwisselend het materiaal voor de dunne films en de scheidingslagen.

De uitvinding zal in het nu volgende worden toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden, onder verwijzing naar de tekeningen.

10 In de tekeningen tonen

Fig. 1 een schematische afbeelding van een opstelling voor röntgenfluorescentie-analyse, waarvan een meerlagenspiegel volgens de uitvinding deel uitmaakt,

Fig. 2 de absoptiecoëfficiënten van water en koolstof als 15 functie van de golflengte in het golflengtegebied van 1 nm tot ca. 10 nm,

Fig. 3 in dwarsdoorsnede een schematisch aanzicht van een uitvoeringsvorm van een meerlagenspiegel volgens de uitvinding, en 20 Fig. 4 de reflectiviteit van een aantal meerlagenspiegels volgens de uitvinding als functie van de golflengte in het golflengtegebied tussen 3,12 nm en 3,20 nm.

In de tekeningen worden overeenkomstige onderdelen aangeduid met dezelfde verwijzingsgetallen.

25 Fig. 1 toont het schema van een opstelling 1 voor röntgenfluorescentie, die is samengesteld uit een röntgenbron 2, een te onderzoeken monster 3, een meerlagenspiegel 4 volgens de uitvinding en een detector 5. Het werkingsprincipe van de opstelling 1 is als volgt. De röntgenbron 2 genereert 30 een bundel fotonen (voorgesteld door pijl 6) met een bepaalde röntgenfrequentie, die fluorescente stralingsovergangen veroorzaken in het monster 3, die resulteren in emissie van te detecteren element-specifieke straling (voorgesteld door pijlen 7) met een golflengte in het XUV-gebied. Een deel van 35 de geëmitteerde straling treft de meerlagenspiegel 4, die als monochromator werkt en een deel met een bepaalde golflengte reflecteert naar de detector 5. De monochromatorwerking van 10181 33 6 de meerlagenspiegel 4 wordt bij de beschrijving daarvan, onder fig. 3, nader toegelicht.

Fig. 2 toont de absoptiecoëfficiënten β van water (curve i) en koolstof (curve ii) als functie van de golflengte (A) 5 in het golflengtegebied van 0 nm tot ca. 10 nm. De curves tonen de scherpe absorptie-overgangen voor de K-schil van zuurstof (bij een fotonenergie van 543 eV, corresponderend met een golflengte λ = 2,3 nm) en koolstof (bij een fotonenergie van 248 eV, corresponderend met een golflengte 10 λ = 4,4 nm). Het verloop van de curves maakt duidelijk dat de absorptie van straling in het golflengtegebied tussen λ = 2,4 nm en λ = 4,4 nm door koolstof vele malen groter is dan de absorptie door water, wat resulteert in een groot contrast bij het waarnemen van koolstofhoudende bestanddelen 15 in een waterige omgeving. Het golflengtegebied tussen λ = 2,4 nm en λ = 4,4 nm wordt daarom veelal aangeduid als het "watervenster".

Fig. 3 is een schematisch aanzicht in dwarsdoorsnede van een meerlagenspiegel 4, die is opgebouwd uit een groot aantal 20 (250 - 500) lagen van afwisselend dunne films 9 van wolfraam en scheidingslagen 10 van lithiumfluoride, opeengestapeld op een substraat 11 van een geschikt materiaal, bijvoorbeeld silicium wafers of glas. De dunne films 9 hebben onderling dezelfde dikte, evenals de scheidingslagen 10, waarbij de som 25 der diktes van een dunne film 9 en een scheidingslaag 10 de roosterafstand d definieert. In een meerlagenspiegel volgens de uitvinding heeft de roosterafstand d een waarde tussen 0,05 nm en 15 nm. Een inkomende stralenbundel wordt symbolisch voorgesteld door een golvende pijl Aif de op de 30 dunne films gereflecteerde uittredende stalenbundels worden symbolisch weergegeven door de golvende pijlen A0. De reflectiehoek Θ voor een bepaalde golflengte λ wordt bepaald door de voorwaarde van Bragg, als volgt ηλ = 2d sinG (l-cos20c/sin20) 35 waarin n een geheel getal is (n = 1, 2, 3, ...) en 0C de kritische hoek is. Door de meerlagenspiegel 4 onder een bepaalde hoek 0 in te stellen ten opzichte van de invallende < p A λ i W ! 0 ! O ïj 7 stralenbundel λ, werkt deze spiegel 4 dus als monochromator. Gevonden is dat de bandbreedte van een als monochromator werkende röntgenspiegel 4 volgens de uitvinding, uitgedrukt als fractie van de golflengte, kleiner is dan ca. 1% 5 (Δλ/λ ^ 0,01, en afhankelijk van het totale aantal lagen). Omwille van de duidelijkheid zijn slechts enkele van het totale aantal dunne films 9 en scheidingslagen 10 afgebeeld. Gevonden is dat bij een totaal aantal van 250 respectievelijk 500 dunne films van wolfraam de reflectiviteit van de 10 meerlagenspiegel bij een invalshoek van 90° ca. 23% respectievelijk 26% bedraagt.

Fig. 4 toont de reflectiviteit R (uitgedrukt in %) van een aantal meerlagenspiegels volgens de uitvinding als functie van de golflengte λ in het golflengtegebied tussen 15 3,12 nm en 3,20 nm, in vergelijking met de reflectiviteit van een meerlagenspiegel volgens de stand der techniek. Curve i geeft de reflectiviteit van een Ni/Si-meerlagenspiegel volgens de stand der techniek, met 300 lagen. Curves ii en iii geven de reflectiviteit van respectievelijk Ni/LiF- en 20 Ni/Li-meerlagenspiegels volgens de uitvinding, met respectievelijk 200 en 500 lagen. De figuur laat zien hoe voor straling met een golflengte λ = 3,16 nm de reflectiviteit toeneemt van ca. 9% in een meerlagenspiegel volgens de stand der techniek (curve i) tot ca. 14% 25 respectievelijk 23% in meerlagenspiegels volgens de uitvinding.

10181 39

Claims

1. Meerlagenspiegel (4) voor straling met een golflengte in het golflengtegebied tussen 0,1 nm en 30 nm (het zogenaamde XUV-gebied), omvattend een stapeling van dunne films (9) die in hoofdzaak verstrooiende deeltjes bevatten 5 die de staling verstrooien, welke dunne films (9) zijn gescheiden door scheidingslagen (10) met een dikte in de orde van grootte van de golflengte van de straling, welke scheidingslagen (10) in hoofdzaak niet-verstrooiende deeltjes bevatten die de straling niet verstrooien, met het kenmerk. 10 dat de niet-verstrooiende deeltjes in hoofdzaak deeltjes lithium (Li) zijn.

2. Meerlagenspiegel (4) volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de deeltjes lithium zijn gepassiveerd.

3. Meerlagenspiegel (4) volgens conclusie 2, met het 15 kenmerk, dat de deeltjes lithium zijn verschaft in de vorm van lithiumoxide (Li20) .

4. Meerlagenspiegel (4) volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de deeltjes lithium zijn verschaft in de vorm van een lithiumhalogenide.

5. Meerlagenspiegel (4) volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het lithiumhalogenide lithiumfluoride (LiF) is.

6. Meerlagenspiegel (4) volgens een der conclusies 1-5, met het kenmerk, dat verstrooiende deeltjes zijn geselecteerd uit de groepen overgangselementen uit de vierde en de zesde 25 periode van het periodiek systeem der elementen.

7. Meerlagenspiegel (4) volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de verstrooiende deeltjes zijn geselecteerd uit de overgangselementen cobalt (Co), nikkel (Ni), wolfraam (W), renium (Re) en iridium (Ir).

8. Meerlagenspiegel (4) volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de verstrooiende deeltjes wolfraam en renium zijn.

9. Meerlagenspiegel (4) volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het wolfraam en het renium zijn verschaft in een · Π 1 1 'J v - O ‘ -J ZJ atomaire verhouding van ca. 70% wolfraam en ca. 30% renium.

10. Meerlagenspiegel (4) volgens een der conclusies 1-9, met het kenmerk, dat de stapeling ten minste 50 door scheidingslagen (10) gescheiden lagen dunne film (9) omvat.

11. Meerlagenspiegel (4) volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de stapeling ten minste 100 door scheidingslagen (10) gescheiden lagen dunne film (9) omvat.

12. Meerlagenspiegel (4) volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de stapeling ten minste 250 door scheidingslagen 10 (10) gescheiden lagen dunne film (9) omvat.

13. Meerlagenspiegel (4) volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat de stapeling ca. 500 door scheidingslagen (10) gescheiden lagen dunne film (9) omvat.

14. Werkwijze voor het vervaardigen van een 15 meerlagenspiegel (4) voor straling met een golflengte in het golflengtegebied tussen 0,1 nm en 30 nm, welke meerlagenspiegel (4) een stapeling omvat van dunne films (9) die in hoofdzaak verstrooiende deeltjes bevatten die de staling verstrooien, welke dunne films (9) zijn gescheiden 20 door scheidingslagen (10) met een dikte in de orde van grootte van de golflengte van de straling, welke scheidingslagen (10) in hoofdzaak niet-verstrooiende deeltjes bevatten die de straling niet verstrooien, waarbij de niet-verstrooiende deeltjes in hoofdzaak deeltjes lithium (Li) 25 zijn, verschaft in de vorm van lithiumoxide of een lithiumhalogenide, welke werkwijze de stappen omvat van (i) het verschaffen van een substraatmateriaal (11), van het materiaal voor de dunne films en van lithium in een ultrahoogvacuüm (UHV) depositiekamer, en 30 (ii) het op het substraat (11) deponeren van afwisselend het materiaal voor de dunne films (9) en de scheidingslagen (10), waarbij het deponeren van de dunne films telkens plaats vindt door middel van een elektronenbundel, en waarbij het deponeren van de scheidingslagen (10) telkens omvat 35 (iii) het deponeren van lithium door middel van een elektronenbundel en (iv) het in de UHV-depositiekamer inlaten in gasvormige •r / \- I ‘ ' ' v ! -“v · .' w % toestand van zuurstof of een zuurstof bevattend materiaal respectievelijk van een halogeen of een halogeen bevattend materiaal.

15. Werkwijze volgens conclusie 14, met het kenmerk, dat 5 het in de stap (iv) inlaten in gasvormige toestand van zuurstof of een zuurstof bevattend materiaal respectievelijk van een halogeen of een halogeen bevattend materiaal plaats vindt onder gelijktijdige ionisatie en versnelling in de richting van het substraat (11) van de ingelaten 10 materiaaldeeltjes.

16. Werkwijze voor het vervaardigen van een meerlagenspiegel (4) voor straling met een golflengte in het golflengtegebied tussen 0,1 nm en 30 nm, welke meerlagenspiegel (4) een stapeling omvat van dunne films (9) 15 die in hoofdzaak verstrooiende deeltjes bevatten die de staling verstrooien, welke dunne films (9) zijn gescheiden door scheidingslagen (10) met een dikte in de orde van grootte van de golflengte van de straling, welke scheidingslagen (10) in hoofdzaak niet-verstrooiende deeltjes 20 bevatten die de straling niet verstrooien, waarbij de niet-verstrooiende deeltjes in hoofdzaak deeltjes lithium (Li) zijn, verschaft in de vorm van lithiumoxide of een lithiumhalogenide, welke werkwijze de stappen omvat van (i) het verschaffen van een substraatmateriaal (11), van 25 het materiaal voor de dunne films en van lithiumoxide of een lithiumhalogenide in een ultrahoogvacuüm (UHV) depositiekamer, en (ii) het op het substraat (11) deponeren door middel van een elektronenbundel van afwisselend het materiaal voor de 30 dunne films (9) en de scheidingslagen (10). ί Π j η 1 o r\ l U >' o s c c!