Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур Турьянский, Александр Георгиевич

Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур
<
Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Турьянский, Александр Георгиевич. Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур : диссертация ... доктора физико-математических наук : 01.04.05 / Турьянский Александр Георгиевич; [Место защиты: Физ. ин-т им. П.Н. Лебедева РАН].- Москва, 2008.- 306 с.: ил. РГБ ОД, 71 09-1/116

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Обзор литературы 21

1.1. Показатель преломления среды в рентгеновском диапазоне 21

1.2. Рентгеновская рефлектометрия 28

1.2.1. Экспериментальные схемы 28

1.2.2. Модели границ раздела и методы решения обратных задач 31

1.3. Рентгеновская рефрактометрия 41

1.4. Фокусирующая рентгеновская оптика 46

Выводы к главе 1 51

Глава 2. Полупрозрачные рентгеновские монохроматоры (ПРМ) 53

2.1. Свойства полупрозрачных рентгеновских монохроматоров 53

2.2. Экспериментальное исследование характеристик ПРМ из пиролитического графита 57

2.3. Теоретическая модель 64

2.4. Полупрозрачные монохроматоры решетчатого типа 71

2.5. Методы управления пучками с помощью ПРМ. Эшелон-монохроматор 77

Выводы к главе 2 79

Глава 3. Рентгеновская рефлектометрия на базе ПРМ 81

3.1. Калибровочная проблема рентгеновская рефлектометрии 81

3.2. Двухволновой рентгеновский рефлектометр 84

3.3. Численное решение обратной задачи 90

3.4. Выбор спектральных линий 91

3.5. Относительная рентгеновская рефлектометрия слоистых структур 94

3.5.1. Слабые возмущения 94

3.5.2. Отражение от тонких окисных слоев 105

3.5.3. Отражение от дискретных пленочных структур 107

3.6. Многослойные структуры 110

3.7. Отражение от границы раздела жидкость-твердое тело 115

3.8. Экстремумы функции отношения коэффициентов отражения 122

Выводы к главе 3 129

Глава 4. Рефрактометрия поверхностных слоев и слоистых структур 130

4.1. Закон Снеллиуса для комплексного показателя преломления 130

4.2. Экспериментальные условия наблюдения рефракции 136

4.3. Расчет параметров преломленного пучка 138

4.4. Определение показателя преломления методом качания бипризмы 147

4.5. Рефрактометрия твердых растворов 151

4.6. Преломление в слабо поглощающих пленках 155

4.7. Каналирование рентгеновских фотонов 160

4.8. Интерференционные эффекты при рассеянии на границах раздела 166

Выводы кглаве4 172

Глава 5. Туннелирование рентгеновских фотонов 173

5.1. Нарушенное полное внутреннее отражение. Рентгенооптический барьер 173

5.2. Глубина проникновения излучения в среду в условиях ПВО 174

5.3. Экспериментальное наблюдение туннелирования рентгеновских фотонов через тонкую пленку 176

5.4. Рефракция и прохождение излучения через многослойную структуру 185

Выводы к главе 5 187

Глава 6. Призменная рентгеновская спектрометрия 188

6.1. Прохождение параллельного пучка через призменную структуру 188

6.2. Дисперсионные свойства рентгеновской призмы 190

6.3. Дифракционный предел 195

6.4. Энергетические пределы 200

6.5. Предельное разрешение и возможность EXAFS-метрологии 202

6.6. Призменный рентгеновский спектрометр 205

6.7. Измерение рентгеновских спектров поглощения методом призменной

спектрометрии 213

Выводы к главе 6 218

Глава 7. Практические применения и перспективы 219

7.1. Многофункциональная рентгенооптическая система для диагностики наноструктур 219

7.2. Получение разностных рентгеновских проекций 233

7.3. Сканирующая система для экспрессного определения состава объектов... 255

7.4. Источник рентгеновского излучения на основе обратного комптоновского рассеяния фотонов 261

7.5. Рентгеновский лазер на свободных электронах и призменные методы анализа спектров при быстропротекающих процессах 269

Выводы к главе 7 275

Заключение 277

Библиография 280

Введение к работе

В диссертации представлены результаты исследования распространения и дисперсии рентгеновского излучения в поверхностных слоях твердого тела и слоистых наноструктурах, обоснованы и разработаны новые методы и направления рентгенооптической диагностики слоистых структур и рентгеновского спектрального анализа.

Актуальность темы.

Изучение параметров наноразмерных систем и разработка на их основе функциональных схем и новых материалов - основное направление современных научных исследований и развития технологий. В настоящее время в электронике и фотонике размер дискретных элементов схемной структуры снижен до величин менее 50 нм. В лабораторных условиях получены опытные образцы с дискретными элементами размером 10-20 нм и волноводы диаметром до 30 нм. Это свидетельствует о принципиальной возможности перехода на технологическую базу нового уровня и создания одноэлектронной и однофотонной схемотехники. На практике уже широко применяются технологии получения слоистых наноструктур с толщиной слоев вплоть до величин ~1 нм. Характерными примерами таких наноразмерных объектов являются носители информации на основе тонких магнитных пленок, полупроводниковые гетероструктуры, многослойные зеркала и монохроматоры для рентгеновского диапазона, защитные и изолирующие слои на поверхности полупроводников и металлов. Переход в наноразмерную область имеет принципиальное значение для повышения быстродействия, увеличения объема памяти, расширения спектрального диапазона рабочих частот и увеличения чувствительности электронной аппаратуры как гражданского, так и военно-технического применения.

Рентгенооптические исследования в субнанометровом спектральном диапазоне являются одним из наиболее информативных и однозначных способов определения параметров наноструктур. Это обусловлено тем, что используемые для диагностики спектральные линии известны с относительной точностью до 10"3-10"4%, а величины комплексных атомных факторов рассеяния табулированы и вне области аномального рассеяния практически не зависят от внешних воздействий, типа кристаллической структуры и концентрации дефектов.

Однако на практике для измерения параметров слоистых структур пока широко применяется только рентгеновская рефлектометрия. Хотя сейчас уже имеется обширная научная литература, посвященная теории и практике рентгеновской рефлектометрии, тем не менее, ряд принципиальных задач, связанных с реконструкцией структуры объекта по угловой зависимости коэффициента отражения или угловой диаграмме рассеяния, обычно удается удовлетворительно решить для сравнительно простых случаев. Это обусловлено главным образом неоднозначностью экспериментальных результатов измерения коэффициента отражения от образца конечного размера при малых углах скольжения. В то же время в теоретических моделях и алгоритмах обычно рассматриваются идеализированные условия падения плоской волны на неограниченную границу раздела отражающих сред, и поэтому решение обратных задач в таком случае является некорректным.

К настоящему времени остаются также практически не изученными особенности распространения и рефракции рентгеновского излучения при прохождении через слоистые наноструктуры. Как показывают оценки, такие измерения могут дать важную дополнительную информацию о параметрах слоев и границ раздела, обеспечить возможность локальных измерений параметров. Они также важны для понимания процессов распространения рентгеновского излучения в реальных слоистых средах с комплексным показателем преломления.

Поэтому экспериментальное исследование указанных процессов, их теоретическое описание и разработка методов измерений являются одной из актуальных проблем рентгеновской оптики и практической метрологии для неразрушающей диагностики наноструктур.

Другое важное научное направление - изучение быстропротекающих процессов в пико- и фемтосекундном временном интервалах. Исследования в этой области являются принципиально важными для понимания образования и разрушения межатомных и межмолекулярных связей, кинетики фазовых переходов, структурных и энергетических состояний при сверхвысокой плотности энергии, создаваемой импульсными источниками возбуждения. Для решения этой задачи в ведущих исследовательских центрах в настоящее время ведется разработка и строительство нового класса ярких импульсных источников рентгеновского излучения: лазеров на свободных электронах с перестраиваемым спектром и лазерно-электронных источников на основе эффекта обратного комптоновского рассеяния фотонов. Однако для проведения измерений в указанном временном

интервале необходима новая аналитическая база. В частности, одной из наиболее актуальных проблем является создание дисперсионной рентгеновской оптики для определения спектров с высоким временным и энергетическим разрешением при высоких радиационных нагрузках, а также анализ спектров по единичному импульсу.

Научная новизна

В настоящей работе впервые получены следующие научные результаты.

  1. Исследованы дифракционные свойства тонкопленочных текстур из пиролитического графита и предложено их теоретическое описание в рамках статистической динамической теории рассеяния. Создан новый тип монохроматоров для энергетического диапазона 5-25 кэВ в виде эшелона полупрозрачных пленок, обеспечивающий возможности пространственного совмещения рентгеновских пучков, селекции заданного набора спектральных линий и управления шириной полосы выделяемого спектра.

  2. Проведен цикл исследований поверхностных слоев и многослойных наноструктур методом параллельных рентгенооптических измерений на флуоресцентных линиях К-серии спектра меди. Предложено общее решение калибровочной задачи для рефлектометрии скользящего падения и сформулированы условия корректного определения комплексного показателя преломления поверхностных слоев в рентгеновском диапазоне спектра. На основе полученных результатов разработаны метод относительной рентгеновской рефлектометрии и алгоритмы решения обратных задач для отношения коэффициентов отражения, измеренных в различных участках спектрального диапазона.

3. Исследованы закономерности рефракции и каналирования
рентгеновских пучков в слоистых наноструктурах. Сформулированы
условия экспериментального наблюдения рефракции и создана схема
рентгеновского рефрактометра. В рамках кинематического
приближения описаны основные особенности рефракции
монохроматических рентгеновских пучков при их прохождении через
границы раздела в средах с комплексным показателем преломления.
Рассмотрены процессы рассеяния излучения на дефектах границ
раздела. На основе полученных результатов разработаны основы
нового направления экспериментальной рентгеновской метрологии -
аналитической рентгеновской рефрактометрии.

4. Экспериментально измерены угловые зависимости
коэффициента пропускания рентгеновского потока через пленочную
наноструктуру, включая область полного внутреннего отражения. При
падении излучения со стороны подложки в указанных условиях
впервые экспериментально наблюдался эффект туннелирования
рентгеновских фотонов через рентгенооптический барьер. Показано,
что величина коэффициент пропускания определяется участком
порядка длины свободного пробега фотона в подложке, что позволяет
проводить локальное исследование параметров слоистых структур.

5. Исследованы дисперсионные свойства призменных структур
в жестком рентгеновском диапазоне. Впервые призменным методом
измерены широкополосные эмиссионные спектры и спектры
поглощения. Показано, что предельное энергетическое разрешение АЕ
рентгеновского спектрометра обусловлено фотопоглощением в
материале призмы. Разработаны экспериментальные схемы,
обоснованы условия измерения и предложены модели для расчета
параметров спектрометра. На основе полученных результатов создано
новое направление рентгеновского спектрального анализа - призменная
рентгеновская спектрометрия.

6. Разработаны принципы импульсной спектрофотометрии
высокого разрешения на основе рефракционной рентгеновской оптики.
Предложены экспериментальные схемы с использованием
рентгеновского источника на основе обратного комптоновского
рассеяния фотонов и рентгеновского лазера на свободных электронах
для фундаментальных исследований атомарной и энергетической
структуры вещества при сверхбыстрых процессах в фемто- и
пикосекундном диапазонах.

Цели работы

Основными целями настоящей работы являлись:

О исследование прохождение монохроматического рентгеновского излучения через слоистые среды при скользящих углах падения,

О исследование дисперсии полихроматического рентгеновского излучения в призменных структурах,

О разработка моделей и методов решения обратных задач рентгеновской рефлектометрии и рефрактометрии для математического описания полученных результатов,

О создание на основе полученных результатов новых методов и систем неразрушающей диагностики наноструктур и анализа

рентгеновских спектров для фундаментальных и прикладных исследований.

Объекты исследования

В настоящей работе использовались экспериментальные образцы, полученные различными технологическими методами, в том числе: полупроводниковые гетероструктуры, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии, слоистые наноструктуры полученные методом магнетронного распыления, лазерного и термического испарения, а также исходные подложки, обработанные методами механической и химико-механической полировки, ионного и плазменного травления, текстурированные пленки графита, полученные пиролизом и высокотемпературным прессованием.

Образцы были изготовлены в ведущих научных организациях и технологических компаниях, включая: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Университет им. Йоханеса Кеплера (Австрия), Московский государственный институт электронной техники (Зеленоград), "Осмик" (США), Институт атомной и молекулярной физики (Голландия), Харьковский политехнический университет (Украина), Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, РНЦ "Курчатовский институт", Институт ядерной физики (Казахстан), "НИИграфит" (Москва). В качестве эталонных объектов и подложек использовались промышленные образцы компаний Дженерал Оптике (США), "Элма" (Зеленоград) и ГНЦ "НПО Астрофизика" (Москва).

Достоверность полученных результатов подтверждена
контрольными измерениями тестовых образцов с заданными
параметрами, изготовленными в ведущих научных и технологических
центрах, а также параллельными измерениями тест-объектов на
разработанных экспериментальных установках и на

сертифицированном аналитическом оборудовании.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Тонкопленочные текстуры из высокоориентированного пиролитического графита (ВПГ) являются новым типом полупрозрачных рентгеновских монохроматоров. Дифракционные свойства пленок ВПГ описываются в рамках статистической динамической теории рентгеновского рассеяния для гауссовой корреляционной функции угла поворота кристаллических блоков.

Структуры эшелонного типа на основе ВПГ представляют собой эффективную систему управления шириной полосы рентгеновского спектра и селекции заданного набора спектральных полос.

  1. Относительная рентгеновская рефлектометрия - новый метод определения параметров слоистых наноструктур. Основные преимущества относительного метода - повышение точности определения комплексной диэлектрической проницаемости є отражающей среды и чувствительности к слабым возмущениям е.

  2. Угловые диаграммы рефракции рентгеновского излучения в пленочных структурах удовлетворительно описываются в рамках приближения плоских волн с экспоненциально меняющейся амплитудой в плоскости волнового фронта.

Основными факторами, определяющими вид угловой диаграммы рефракции в пленочных структурах, являются: взаимодействие волн, рассеянных на дефектах поверхности и зеркально отраженных на границах раздела, фотопоглощение в материале пленки. В слабо поглощающих пленках доминирующими факторами являются каналирование излучение в пленочной структуре и резкая угловая анизотропия коэффициента отражения.

  1. Параметры наноразмерной слоистой структуры, образующей рентгенооптический барьер, могут быть определены путем прямой регистрации потока рентгеновских фотонов, туннелирующих через барьер. При этом достигается предельное пространственное разрешение измерений, которое определяется величиной коэффициента фотоэлектрического поглощения в подложке.

  2. Призменные структуры на основе оптически полированных монокристаллов из материалов с низким атомным номером - новый тип диспергирующих систем высокого разрешения для анализа рентгеновских спектров.

Энергетическое разрешение призменного рентгеновского спектрометра ограничено дифракционным пределом, обусловленным фотопоглощением излучения в материале призмы.

Призменная спектрометрия обеспечивает возможность измерения тонкой структуры спектров направленных рентгеновских пучков по единичному импульсу, а также исследование поляризационных эффектов. Указанные аналитические возможности могут быть использованы при исследовании быстропротекающих процессов возбуждения и релаксации и по существу не имеют альтернативы.

Апробация результатов работы

Результаты работы докладывались на следующих отечественных и международных конференциях.

Первая национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ), Москва-Дубна, 25-29 мая, 1997.

Всероссийская научно-техническая конференция Микро- и наноэлектроника - 98. Звенигород, сент., 1998.

Национальные конференции РСНЭ, Москва, 23-27 мая, 1999, РСНЭ, Москва, 21 - 25 мая 2001.

Рабочее совещание «Рентгеновская оптика». Нижний Новгород, март, 1999 г.

Рабочее совещание Нанофотоника. Нижний Новгород, март, 1999 г.

3-я Международная научная конференция "Электроника и информатика - XXI век". Москва, Зеленоград, ноябрь, 2000 г.

Российская конференция по физике полупроводников, Нижний Новгород, сентябрь, 2001 г.

SPIE's 44th Annual Meeting and Exhibition, July 1999, Delaver, USA.

5-th Biennial Conference on High Resolution X-ray Diffraction and Topography, 13-15th

September 2000, Ustron-Jaszowiec, Poland.

10-th International Conference on Modulated Semiconductor Structures MSS10, July, 2001, Linz, Austria.

International Symposia: Roentgen's Heritage. Quantum Hall Effect and Heterostractures. December, 2001, Wuerzburg, Germany.

5-th ISTC Seminar Nanotechnologies in the Area of Physics, Chemestry and Biotechnology. S-Petersburg, Russia, May, 2002.

Conference on the Physics of X-Ray Multilayer Structures. Chamonix Mont-Blanc,

France , March, 2002.

Рабочее совещание «Рентгеновская оптика», Нижний Новгород, март, 2003.

IV Международная конференция «Ядерная и радиационная физика», Алматы, Казахстан, 15-17 сентября, 2003.

Рабочее совещание «Рентгеновская оптика», Нижний Новгород, май, 2004.

X-Ray and Neutron Capillary Optics II, Zvenigorod, Russia, September 22-26, 2004.

18th International Conf. on X-ray optics and microanalysis ICXOM-
XVIII, Frascati, Italy, Sept. 25-30, 2005.

X Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 13-17 марта, 2006 г.

European Conference on X-Ray Spectrometry EXRS-06, Paris, France, June 19-23, 2006.

VI Национальная конференция по применению рентгеновского,
синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования
материалов (РСНЭ), Москва, 12-17 ноября, 2007 г.

VI Всероссийская конференция по рентгеноспектральному анализу, Краснодар, 6-Ю октября, 2008 г.

2-я Всероссийская конференция «Физические и физико-химические основы ионной имплантации», Казань, 28-31 октября 2008 г.

Результаты работы также неоднократно докладывались на регулярных научных семинарах в отделениях физики твердого тела и квантовой радиофизики ФИАН им. П.Н. Лебедева, Центра волоконной оптики ИОФАН им. A.M. Прохорова, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Физико-технологического института РАН, синхротронного центра DESY (Гамбург, Германия).

Личный вклад соискателя

Все представленные в работе результаты получены лично автором либо путем формулирования плана исследований и координации измерений в процессе их проведения. Непосредственное участие в работе заключалось в постановке задач исследования, разработке схем эксперимента, создании экспериментальных установок, обработке полученных данных, формулировании физических моделей, математическом описании обнаруженных закономерностей и подготовке научных публикаций. Все алгоритмы решения обратных задач рентгеновской рефрактометрии и призменной спектрометрии, а также компьютерные программы для их реализации составлены лично автором.

Практическая значимость.

Полученные в работе результаты в настоящее время уже используются на практике для исследования квантоворазмерных гетероструктур, ионно-имплантированных образцов, пленочных и многослойных структур, полученных методами магнетронного распыления, а также для контроля качества обработки подложек из полупроводниковых материалов и оптических дисков. Указанные работы выполнялись в рамках фундаментальных и прикладных исследований, поддержанных РФФИ, INTAS, CRDF, а также по заказам организаций. По предложенной автором схеме при поддержке фирмы Unisantis S.A. (Швейцария) был спроектирован и изготовлен опытный образец рентгеновского рефлектометра, обеспечивающий возможность одновременной регистрации данных на трех спектральных линиях.

1. Разработанный метод призменной рентгеновской
спектрометрии может быть использован в первую очередь для
регистрации спектров поглощения при облучении образцов
направленным квазимонохроматическим рентгеновским пучком. В
настоящее время, в частности, обсуждается возможность установки
призменного спектрометра на аналитическом канале рентгеновского
лазера на свободных электронах по проекту XFEL для исследования
быстропротекающих процессов. Другим возможным применением
призменного спектрометра является экспрессное картирование
(mapping) распределения химических элементов в образце.

2. Разработанный метод относительной рентгеновской
рефлектометрии уже используется на практике для измерения
параметров слоистых наноструктур, исследования качества обработки
сверхгладких поверхностей и многослойных структур.

Рефракционная схема формирования плоских субмикронных рентгеновских пучков, рассмотренная в гл. 5, обеспечивает возможность послойного анализа структуры и элементного состава.

3. Предложенные схемы совмещения и развертки рентгеновских
пучков на базе полупрозрачных рентгеновских монохроматоров могут
быть использованы в медицинской диагностике для повышения
контраста деталей внутренней структуры объектов. Разработанные
схемы обеспечивают возможность регистрации изображений в узких
полосах спектра. Это позволяет реализовать наиболее эффективный
метод контрастирования с использованием вычитания изображений,
полученных при энергиях EjK2, где Ек - энергия К-скачка
фотопоглощения контрастирующего вещества.

Отмеченные достижения

Премия Международной академической издательской компании (МАИК) за серию публикаций по экспериментальным методам рентгеновской оптики, 2002 г. Диплом международного салона «Архимед-2003» за разработку «Двухволновой рентгеновский рефлектометр для диагностики наноструктур».

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в российских журналах: Журнал экспериментальной и теоретической физики, Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики, Письма в журнал технической физики, Поверхность,

Приборы и техника эксперимента, Российские нанотехнологии,

Физика и техника полупроводников, Физика твердого тела, Успехи физических наук, Russian Laser Research, а также в зарубежной периодике:

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A, Physica Status Solidi (a),

Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostractures, Proceedings of the International Society for Optical Engineering.

Экспериментальные схемы защищены патентами РФ и патентом США. Перечень публикаций автора приведен в конце диссертации и в автореферате.

Модели границ раздела и методы решения обратных задач

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. В главе 1 дан обзор научных публикаций по теме диссертации. Принципиальным условием корректности рентгенооптических измерений является однозначность определения действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления п различных сред. В 1.1 рассматриваются теоретические и экспериментальные результаты определения спектральной зависимости п(Е) в широком спектральном диапазоне, используемом в рентгеновской оптике, включая области аномального рассеяния, XANE, XAFS и область мёссбауэровских резонансов. В первой части 1.2 проведен анализ основных схем измерения, используемых в рентгеновской рефлектометрии. Во второй части параграфа рассмотрены основные методы решения обратных задач рентгеновской рефлектометрии, а также модели границ, используемые при численных расчетах параметров многослойных структур. В 1.3 дан обзор работ по рентгеновской рефрактометрии.

В последнем разделе рассмотрены основные направления работ в области фокусирующей рентгеновской оптики. В заключении раздела анализируется возможность применения фокусирующей оптики для решения метрологических задач рентгеновской рефрактометрии и рефлектометрии.

В главе 2 представлены результаты исследования свойств полупрозрачных монохроматоров (ПРМ) рентгеновского излучения. В 2.1 рассматриваются общие свойства ПРМ и вводятся критерии полупрозрачности и эффективности. В 2.2 излагаются результаты экспериментального исследования дифракционных характеристик тонкопленочных текстур из пиролитического графита. В 2.3 показано, что угловые зависимости коэффициентов отражения и пропускания указанных объектов описываются в рамках статистической динамической теории рассеяния. В 2.4 исследуется другой тип ПРМ - решетчатые монохроматоры. В заключительном разделе главы 2 рассматриваются экспериментальные схемы управления рентгеновскими пучками с помощью ПРМ.

В главе 3 изложены результаты исследования поверхностных и многослойных структур методами двухволновой и относительной рентгеновской рефлектометрии. В 3.1 сформулирована калибровочная проблема рентгеновской рефлектометрии скользящего падения и предложены методы ее решения. В 3.2 описана экспериментальная схема двухволнового рентгеновского рефлектометра. В 3.3, 3.4 рассмотрены алгоритмы численного решения обратной задачи и обосновывается выбор спектральных линий, используемых для относительных измерений. В 3.5, 3.6 представлены результаты экспериментального исследования наноразмерных окисных пленок, ионно-имплантированных слоев и многослойных структур, полученные методом относительной рефлектометрии. В 3.7 приведены впервые полученные данные рефлектометрического исследования границ раздела жидкость - твердое тело. В заключительном разделе ( 3.8) анализируется положение экстремумов функции отношения коэффициентов отражения.

В главе 4 обоснован метод рентгеновской рефрактометрии. В 4.1 рассмотрены особенности рефракции рентгеновского излучения в средах с комплексным показателем преломления. В 4.2 описаны основные схемы рентгеновской рефлектометрии, реализованные на базе двухволнового рефлектометра. В 4.3, 4.5 обоснованы методы расчета параметров преломленных пучков и представлены результаты экспериментальных исследований преломления монохроматического излучения в однородных, пленочных и многослойных структурах. В 4.5 обосновано применения рефрактометрии для исследования твердых растворов и представлены результаты измерения параметров гетероструктур SixGej.x/Si. В 4.6, 4.7 рассматриваются особенности рефракции и каналирования рентгеновских фотонов в слабо поглощающих пленочных структурах углерода и бериллия. В заключительном разделе ( 4.8) предложены физические модели, описывающие интерференционную модуляцию угловых диаграмм рефракции.

В главе 5 приведены результаты исследования прохождения рентгеновского излучения через тонкую пленку в условиях полного внешнего отражения. Показано, что скачок декремента показателя преломления может рассматриваться как рентгенооптический барьер. Представлены впервые полученные результаты экспериментального наблюдения туннелирования рентгеновских фотонов через рентгенооптический барьер в условиях полного внутреннего отражения. Анализируются возможность решение обратной задачи определения параметров слоя по угловой зависимости потока туннелирующих фотонов и преимущества указанного варианта диагностики слоистых структур.

В главе 6 обосновано новое направление рентгеновского спектрального анализа -призменная рентгеновская спектрометрия. В 6.1, 6.2 рассмотрены дисперсионные свойства призменных структур и влияние на дисперсионные характеристики материала призмы. В 6.3 - 6.5 рассматриваются проблема дифракционного предела, условия измерения и свойства материала призмы, влияющие на ширину рабочей полосы спектра и возможности применения призменного метода для анализа спектров быстропротекающих процессов и тонкой структуры спектров поглощения в XAFS-диапазоне. В 6.6, 6.7 описана схема рентгеновского спектрометра на базе алмазной призмы и представлены впервые полученные результаты экспериментального исследования эмиссионных спектров и спектров поглощения. В главе 7 рассмотрены примеры практической реализации разработанных методов и подходов и перспективы создания аналитических систем нового поколения для решения фундаментальных и прикладных задач. В 7.1 описан опытный образец рентгеновского рефлектометра, разработанного при финансовой поддержке фирмы Unisantis S.A. (Швейцария). Рефлектометр обеспечивает возможность исследования образцов в следующих аналитических режимах: рефлектометрия, рефрактометрия, дифрактометрия, малоугловое рассеяние, локальный флуоресцентный анализ, измерение спектров поглощения. В 7.2 рассмотрены схемы регистрации цифровых рентгеновских проекций. Описан проекционный рентгеновский микроскоп для исследования биологических объектов, разработанный при поддержке фонда CRDF (США) и фирмы Unisantis S.A. (Швейцария). Описан разработанный метод контрастирования путем вариации спектра падающего излучения и последующего вычитания цифровых проекций. В качестве иллюстрации приведены примеры изучения внутренней структуры биологических и промышленных объектов. В 7.3 описана сканирующая система для экспрессного определения состава объектов. Предложенная система и метод основываются на результатах исследования, описанных в главе 6. Особенность метода заключается в том, что призменная система располагается в пределах широкого углового сектора. Это обеспечивает возможность экспрессного картирования (мэппинг) двумерного распределения элементов в образце. Система может быть использована в лабораторной практике и для инспекционных целей. В 7.4 рассмотрены характеристики квазимонохроматического лазерно-электронного рентгеновского источника на основе эффекта обратного комптоновского рассеяния оптических фотонов на высокоэнергетичных электронах. Обосновывается возможность его практического применения для рентгенооптической диагностики наноструктур и медико-биологических исследований. В заключительном разделе ( 7.5) анализируются характеристики рентгеновского лазера на свободных электронах, создаваемого в настоящее время по международному проекту XFEL. Обоснованы условия применения дисперсионных методов и создания времен задержки импульсов на базе рефракционной оптики. Показаны уникальные аналитические возможности призменного рентгеновского спектрометра для исследования быстропротекающих процессов в фемто- и пикосекундных временных диапазонах.

Экспериментальное исследование характеристик ПРМ из пиролитического графита

Для исследования тонких пленок толщиной t 1 нм при Л. 0,1 нм может быть использована монохроматизация первичного пучка с помощью оптики Гёбеля -многослойной интерференционной структуры (МИС) с переменным периодом d, которая наносится на подложку параболической формы [1.71,72]. Выигрыш в интенсивности обеспечивается путем перехвата излучения из фокуса источника в пределах от минимального втіп до максимального 9тах брэгговских углов отражающей структуры. Как показано Крюгером с соавторами [1.73], при мощности трубки с медным анодом 1,6 кВт параболическое зеркало обеспечивает поток излучения до 4,5-107 фот/с на линии СиКа 0,154 нм. При сечении пучка 0,6 х 8 мм2 отношение интенсивностей линий СиКр и СиКа в отраженном пучке составляет не более 10 3. Коэффициент отражения МИС на основе бислоев W-C, W-B4C, Ni-C, Мо-С, Pt-C в интервале брэгговских углов вв -1 для Я 0,1 нм достигает 0,6- 0,9 [1.74-79]. Для МИС W-B4C с периодом cNl,31 нм в [1.75] экспериментально получена величина коэффициента отражения i?«0,5 при вв=3,4, Я=0,154 нм и y=tw/d=0,4. Это обеспечивает возможность варьирования вв в достаточно широком интервале, значительный угол захвата первичного пучка и, соответственно, выигрыш в интенсивности. По данным [1.71,77], угловая расходимость отраженного от параболического зеркала пучка Абь находится в пределах 0,04-0,05, а увеличение потока достигает 6-й 5 раз.

При 6 вс для пленочных структур с характерной толщиной d 50X угловая зависимость R(6), за исключением узкой области в окрестности минимумов, является медленно меняющейся функцией в. Поэтому возрастание угловой расходимости падающего на образец пучка до указанной величины Л9ь в рассматриваемом случае является допустимым.

Для исследования тонкой структуры угловой зависимости коэффициента отражения в аналитической системе "D8 Discover" (фирма Bruker) используется последовательная схема монохроматизации с помощью зеркала Гёбеля и монохроматора многократного отражения на основе кристалла Ge(022) [1.80]. Однако при этом понижается светосила рентгенооптической схемы.

Бескинематические схемы. При проведении ряда технологических процессов необходимо сохранение исходного положения образца и текущий контроль его параметров. Для измерения пленочных структур в статическом положении были предложены два варианта измерительных схем: энергодисперсионная [1.81,82] и фокусирующая [1.83]. В 1-ом варианте схемы используется источник полихроматического излучения и охлаждаемый полупроводниковой детектор. На пленочную структуру направляется жестко коллимированный пучок и регистрируется энергетический спектр зеркально отраженного излучения IR(E). Такая измерительная схема была разработана ранее для исследования структуры кристаллов и позволяет существенно сократить время регистрации [1.84,85]. Энерго дисперсионная рефлектометрия обеспечивает возможность мониторинга толщины тонких пленок. Для регистрации статистически достоверной зависимости f(E) обычно необходима регистрация не менее 10 -И 0 квантов излучения. С помощью современных систем на базе пассивированных ионноимплантированных планарных кремниевых детекторов (PIPS) и PIN-детекторов малой площади время сбора данных может быть уменьшено до 1+10 с [1.86,87].

Дисперсионные характеристики указанной схемы определяются энергетическим разрешением полупроводникового детектора AEFWHM =2,355w(ENC2 + F/w)1/2[1.88], где w - энергия образования электрон-дырочной пары, равная для Si 3,65 эВ, ENC -эквивалентный шумовой заряд, F - фактор Фано, Е - энергия рентгеновского фотона. В настоящее время для кремниевых детекторов при -10С на стандартной линии 5,9 кэВ величина AEFWHM достигает 140-150 эВ [1.88, 89]. Предел Фано (ENC-Ю) и относительное разрешение AEFWHMIE на указанной линии равны соответственно 119 эВ и 2%.

Очевидно, что для улучшения разрешения необходимо использовать процессы, при которых затраты энергии на генерацию носителей много меньше указанной величины w для Si. Как показано в [1.90-92], резкое уменьшение величины AEFWHM энергодисперсионного детектора может быть получено при регистрации излучения на сверхпроводящих туннельных переходах (СТП). Энергия генерации квазичастиц в сверхпроводнике, возникающих при разрушении куперовских пар в результате поглощения рентгеновского фотона, составляет 0,001 эВ [1.91]. Рекордная величина параметра AEFWHM =12 эВ на линии 6 кэВ была получена в [1.93] на сверхпроводящей структуре А1/АЮХ/А1 площадью 0,1 х 0,1 мм2. На структуре Nb/Al/AlOx/Al/Nb в [1.94] достигнуты времена нарастания и спада импульсов заряда -100 не, что принципиально обеспечивает возможность высокого темпа счета рентгеновских квантов. Поскольку для таких измерений необходимы сверхнизкие температуры Т \ К, применение энергодисперсионных систем на базе СТП в перспективе, по-видимому, будет ограничено фундаментальными исследованиями. Кроме того, независимо от величины энергетического разрешения, в силу изложенных выше особенностей зависимости показателя преломления п(Е) в области аномального рассеяния и расхождения табулированных данных, решение обратных задач для сред, имеющих скачки поглощения в рабочей полосе спектра не может быть вполне корректным.

Второй вариант бескинематической схемы основан на использовании сфокусированного рентгеновского пучка. Фокусировка и монохроматизация может осуществляться с помощью изогнутого монокристалла [1.83] или путем облучения образца под различными углами, используя протяженный фокус источника [1.95]. Если зондирующий пучок имеет угловой раствор Ав и его фокус совмещен с отражающей поверхностью, то при размещении по ходу отраженного излучения координатно-чувствительного детектора в диапазоне Ав может быть зарегистрирована угловая зависимость Щв)= (в)/10(в). Если величина Ав&50 мрад, то при .=0,1 нм этого достаточно для измерения толщины пленки вплоть до А/2А0&1 нм. Использование широкой угловой апертуры приводит к увеличению фона рассеянного излучения, что по данным [1.96] уменьшает динамический диапазон регистрируемых величин R(9) не менее чем на порядок по сравнению со стандартной кинематической схемой.

Основная трудность практической реализации рассматриваемой схемы -необходимость использования детектора с высоким пространственным разрешением -10 мкм, широким динамическим диапазоном 105 и возможностью работы в счетном режиме. По-видимому, в ближайшее время эта проблема будет решена, что позволит использовать этот вариант схемы для создания простых и компактных рефлектометров для широкого круга пользователей.

Отражение от границы раздела жидкость-твердое тело

Широкополосными фокусирующими элементами являются эллиптические отражательные ПВО зеркала по схеме Киркпатрика-Баэса (КБ) [1.173] и предложенные М.А. Кумаховым поликапиллярные линзы [1.174, 175]. При использовании технологии изгиба плоских зеркал с помощью фокусировки по схеме КБ размер фокуса обычно находится в пределах 2-н4 мкм [1.176]. При этом для .=13 кэВ величина G достигает 2000 [1.176]. В работе [1.177] для обработки поверхности зеркал применялись метод эластичной машинной обработки и плазменно-химическое травление. При этом отклонение от заданной эллиптической формы на полной длине зеркала составляло не более 7 нм, что исключало геометрические аберрации и обеспечивало размер фокуса /=200 нм. Достигнутая величина d/ при выбранных условиях близка к дифракционному пределу, который в общем случае определяется размером зеркала и величиной X. Входной апертурный угол в фокусирующей схеме КБ может быть увеличен путем нанесения на зеркала периодической структуры, однако при этом резко сужается полоса пропускания.

Размер фокуса поликапиллярной линзы определяется диаметром капилляра dc и угловой расходимостью микропучка на выходе из отдельного капилляра А0С. Для фокусного расстояния /=4 мм при Е-1 кэВ и 21 кэВ в работе [1.178] получены размеры фокусного пятна d/, равные соответственно 30 и 8 мкм. При этом коэффициент пропускания полулинзы при Е=7 кэВ и Е=15 кэВ достигал соответственно 0,3 и 0,45. По данным [1.179, 180] при =8,05 кэВ угловая расходимость на выходе полулинзы Д0С=3,5+3,8 мрад. То есть, минимальный достижимый размер фокус линзы для указанной энергии в пренебрежении величиной dc приблизительно равен 0,0035/, где/- расстояние от торца линзы до её фокуса.

Составные рефракционные линзы (СРЛ). СРЛ представляет собой цепочку фокусирующих линз из материала с низким атомным номером, преломляющая поверхность которых имеет параболическую [1.181] или квазипараболическую форму [1.182]. Указанные фокусирующие системы были разработаны А. Снигиревым с соавторами [1.183,184]. Предельное разрешение СРЛ для пучка ограниченного сечения определяется дифракционным пределом [1.162] d/=Af/Db, где/- фокусное расстояние линзы, Db - диаметр пучка, падающего на линзу.

Достигнутое в настоящее время разрешение в жесткой области спектра составляет 100-300 нм [1.185,186]. Использование легких материалов с Z 6 (Li, Be, С) [1.181,187] позволяет увеличить эффективную величину Oj и в соответствии с приведенным выражением для дифракционного предела уменьшить величину d/. Однако наилучшие результаты получены путем уменьшения радиуса кривизны преломляющей поверхности линзы и сокращения фокусного расстояния. В работе [1.188] с помощью двух последовательно расположенных планарных СРЛ из кремния, изготовленных методом электроннолучевой литографии, при Е=2\ кэВ достигнут размер фокуса 47 х 55 нм2. При использовании ондулятора и токе в накопительном кольце синхротрона, равном 200 мА, величины Р/я G составляли соответственно 1,7 108 фот/с и 1,4 104. Волноводные структуры и физический предел разрешения. Сфокусированный линзой пучок может быть направлен в рентгеновский волновод, сечение которого монотонно уменьшается по ходу пучка. Указанная схема эффективно используется в оптической микроскопии ближнего поля [1.189] и обеспечивает разрешение Л Я/\0. Минимальный размер поперечного сечения может быть сокращен до величины порядка межатомного расстояния в материале волновода. В связи с этим в поликапиллярная структура, для которой одно из фокусных расстояний стремится к да. настоящее время активно дискутируется проблема физически достижимого предела величины df. Физический предел фокусирующих волноводных систем может быть определен из следующих соображений [1.190]. Для рентгеновского фотона потенциальным барьером является величина V=S, где 8 - декремент показателя преломления материала волновода. Для связанной квантомеханической частицы момент должен удовлетворять условию p2/2m V0, а его максимальная неопределенность - условию Лр (2т V0) . Тогда из соотношения Гейзенберга получаем неопределенность координаты рентгеновского фотона Величина Wc в (1.31) согласно [1.190] является пределом достижимого размера рентгеновского фокуса. Нетрудно оценить, что для большинства материалов, которые могут быть использованы в волноводе, Wc =10+20 нм. В [1.191] приводятся аргументы, свидетельствующие, что указанное значение Wc может быть, тем не менее, превышено при рефракционной фокусировке. Авторами рассмотрена составная линза с адиабатически меняющимся радиусом кривизны линз. Согласно расчетам такая схема фокусировки должна обеспечить в жесткой области спектра -10 кэВ размер фокуса до 2 нм и усиление G-107. Однако технологически изготовление такой конструкции пока недостижимо. Возможности применения фокусировки в рефракто- и рефлектометрии. Оценим эффективность применения фокусировки для рентгенооптических измерений при работе со стандартными источниками. Как будет показано ниже, при рефрактометрических измерениях планарных структур для Е Ю кэВ эффективная ширина поперечного сечения пучка, который преломляется в поверхностном слое образца, составляет не более 10+10 нм. На практике указанная величина обычно значительно меньше размера фокуса рентгеновской трубки dt. Как следует из закона Лагранжа-Гельмогольца [1.192], для фиксированной величины угловой расходимости при указанном соотношении размеров фокуса и анализируемой области единственной возможностью повышения рабочего потока является увеличение яркости источника излучения.

В рентгеновской рефлектометрии может выполняться обратное условие tef dh где te/ - эффективная ширина поперечного сечения пучка, отражаемого образцом. Поэтому выигрыш в увеличении потока принципиально возможен. Очевидно, что критерием эффективности использования квазипараллельного пучка, формируемого фокусирующей системы, является отношение потоков Pf и Pg, падающих на исследуемую поверхность образца в пределах заданного телесного угла соответственно при применении и без применения фокусирующей системы. Последнее на практике обеспечивается только геометрическими параметрами измерительной схемы: размером источника, отверстия диафрагмы и расстоянием от источника до диафрагмы.

Интерференционные эффекты при рассеянии на границах раздела

Диафрагма располагалась перед решетчатым монохроматором на расстоянии 20 мм; коллиматор Соллера не использовался. Резкое уменьшение величины IR(Z) при z 5 мм для монохроматора на подложке объясняется угловым отклонением части элементов гребенки вследствие неконтролируемых деформаций при склеивании и механической обработке. Это подтверждается возможностью вывода в дифракционное положение различных частей указанного КМ путем его качания по оси образца. Для КМ из монолитного Si все элементы решетчатой структуры сохраняют ориентацию исходной пластины. Наблюдаемое увеличение регистрируемых величин f(z), T(z) и уменьшение степени модуляции интенсивности при перемещении горизонтальной диафрагмы от края к центру пучка объясняется следующим. В осевой плоскости, проходящей через ось вращения образца и приемную щель, сканирующая диафрагма может рассматриваться как камера-обскура, которая создает в плоскости, перпендикулярной прямому пучку, перевернутое изображение фокуса рентгеновской трубки. Если указанная плоскость совмещена с приемной щелью, то коэффициент увеличения М- L2/L1, где Li, L2 - соответственно расстояния от фокуса до диафрагмы и от диафрагмы до приемной щели (рис. 2.15). При сканировании диафрагмой по оси z, параллельной оси вращения образца, изображение фокуса перемещается по площади приемной щели детектирующего устройства и при некотором значении z начинает выходить за границу щелевого отверстия. Этим объясняется монотонный спад средней величины интенсивности к краям. При этом смещение изображения фокуса за пределы щели означает сокращение видимого в пределах приемника размера фокуса dp, что формально соответствует уменьшению эффективной угловой расходимости пучка в вертикальной плоскости. Если расстояние от сканирующей диафрагмы до монохроматора Ьз« L2, то необходимо учесть конечный размер отверстия диафрагмы ds, и поэтому в плоскости изображения, проходящей через ось вращения монохроматора, эффективный размер изображения фокуса d(= ds + dp L3/L2. Очевидно, что при di b (b=d/2) глубина модуляции интенсивности сигнала в прошедшем и отраженном излучении по мере движения щели от оси пучка к краю будет достигать максимальной величины. Указанные соображения хорошо подтверждаются результатами математического моделирования отражения и пропускания излучения через решетчатый КМ (рис. 2.18).

При вычислениях учтено размытие границ изображения фокуса вследствие рассеяния на краях путем введения сглаживающей функции типа exp-(a%f, где ,- текущая координата по оси z, a di /2 - подгоночный параметр.

Рассмотренные выше соображения могут быть использованы для анализа распределения интенсивности излучения за монохроматором, поскольку по отношению к падающему пучку рабочая зона монохроматора представляет собой набор периодически расположенных щелевых диафрагм, а по отношению к отраженному набор периодически расположенных отражателей с коэффициентом отражения R(z). Тогда при установке решетчатого КМ перед образцом и использовании его в качестве монохроматора в схеме двухкристального спектрометра для обеспечения однородного распределения интенсивности излучения на поверхности образца должно выполняться условие В измерительных схемах серийных аппаратов отношение расстояния образец -монохроматор к расстоянию монохроматор-фокус обычно находится в пределах 1,2 -ь 2,5. Так как типичный размер фокуса 10 мм, то при выбранной величине периода ЙИ),5 мм условие (3) удовлетворительно выполняется. Отметим, что неравномерное распределение регистрируемого излучения по оси отсчета z не приводит к появлению дополнительной погрешности измерений. Фактически подобный краевой эффект происходит также при введении коллиматора Соллера с целью ограничения угловой расходимости в направлении перпендикулярном измерительной плоскости. При совместном использовании решетчатого КМ и коллиматора Соллера для минимизации потери интенсивности необходимо, чтобы периоды прорезей в КМ и пластин в коллиматоре совпадали. При этом для проходящего и отраженного от КМ пучков пластины коллиматора должны быть сдвинуты на d/2.

Нанесение на поверхность полированного монокристалла искусственной многослойной структурой, в которой диэлектрическая проницаемость среды изменяется по заданному закону, позволяет получить решетчатый монохроматор для мягкой области спектра [2.24]. Использование такой структуры не требует каких-либо принципиальных изменений формы решетчатого КМ. Необходимо выполнение лишь общих требований, предъявляемых к многослойным рентгеновским зеркалам.

Полупрозрачные монохроматоры с рассмотренными выше свойствами обеспечивают возможность реализации следующих методов управления рентгеновскими пучками. По схеме на рис. 2.19а может проводиться последовательная селекция спектральных линий из полихроматического пучка [2.25,26]. Как показала практика, такая селекция наиболее эффективна при рентгенооптических измерениях. Экспериментальные схемы, в которых используется указанный метод, будут описаны в следующих главах. Схема 2Л9Ь позволяет совмещать вдоль заданного направления пучки от различных источников излучения. Она может применяться как для рентгенооптических измерений, так и для получения проекционных изображений в широком рентгеновском пучке [2.17,27,28]. Схема 2.19с представляет собой эшелон-монохроматор [2.16]. В угловой позиции ві=в2=...вм=вв достигается получение максимального коэффициента отражения Rmax- При малом угловом развороте ПРМ относительно заданного угла обеспечивается возможность регулирования ширины полосы пропускания в отраженном излучении. Отметим, что величина Rmax эшелона всегда больше, чем у объемного мозаичного кристалла с аналогичными структурными параметрами, толщина которого равна сумме толщин пластин эшелона. Это обусловлено уменьшением длины пути дифрагированного излучения и соответственно поглощения в материале монохроматора. Схема 2.19J является вариантом эшелон-монохроматора и обеспечивает возможность непрерывной пространственной развертки монохроматического пучка путем выбора расстояний между пластинами ПРМ. Ее преимущество по сравнению с известным вариантом развертки с помощью кристалла с косым срезом [1.29] заключается в возможности регулирования распределения интенсивности по сечению развернутого пучка путем качания ПРМ в плоскости дифракции.