岳帥鵬+朱京濤+涂昱淳+張一志

摘要： 針對“水窗”波段（280～540 eV）對多層膜反射鏡的應(yīng)用需求，在Sb的M5吸收邊（525.5 eV）附近，選擇Co和Sb作為該能點的多層膜材料組合，優(yōu)化設(shè)計膜系結(jié)構(gòu)。采用直流磁控濺射方法制備了Co/Sb多層膜，通過在濺射氣體氬氣中引入氮氣作為反應(yīng)氣體，多層膜界面粗糙度明顯減小。利用X射線掠入射反射（GIXRR）測試多層膜結(jié)構(gòu)，并在北京BSRF同步輻射3W1B實驗站測量了反應(yīng)濺射前后的多層膜反射率（SXR），結(jié)果表明：氮氣含量為25%時的界面粗糙度最小，反射率從無反應(yīng)濺射的7.2%提高到11.7%。

關(guān)鍵詞： 反應(yīng)濺射； 多層膜； 同步輻射； Co/Sb

中圖分類號： O 484.1文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.018

引言在電磁波譜中，軟X射線波段介于極紫外和硬X射線之間，光子能量處于幾百至幾千電子伏特，是非常特殊和重要的波段。在該波段，所有材料的折射率都近似等于1，而且都存在一定的吸收，這意味著光在介質(zhì)中幾乎不發(fā)生折射現(xiàn)象。其中的“水窗”（E=280～540 eV）波段尤為重要，水（其中的氧）基本上是透明的，而碳（生命物質(zhì)中大部分組成元素）卻有很強的吸收[1]。用該波段的軟X射線作為信息載體，可以在很好對比度條件下對生物樣品全息照相，對活體細胞顯微成像[2]，也可作為等離子體診斷的光源[34]。然而，在水窗波段，任何單層膜的正入射反射率都非常低，通過菲涅耳公式計算反射率僅在10-4量級，顯然不能滿足反射式光學元件的需求。為提高軟X射線波段光學薄膜的正入射反射率，Spiller提出，由間隔層和吸收層交替組成的多層膜結(jié)構(gòu)，利用多個膜層上反射光的相干疊加，能提高極紫外與軟X射線波段的正入射反射率[5]，極大地推動了多層膜反射鏡向短波的發(fā)展。在水窗波段，C、Ti、Sc、V是比較常見的多層膜間隔層，近年來，國內(nèi)外有許多關(guān)于水窗波段多層膜反射鏡的研究報導(dǎo)，其中Cr/Sc[6]、Cr/C[7]多層膜近正入射反射率已經(jīng)可以做到14.5%、7.5%，然而Cr/Ti[8]、Ni/V[9]多層膜近正入射反射率測試結(jié)果僅為3%左右，均與理論反射率差距很大，原因是該波長處高反射多層膜中每層膜的厚度只略大于1 nm，即使很小的界面粗糙度都會嚴重影響高反射多層膜的反射性能，因此，降低界面粗糙度，提高成膜質(zhì)量，研制高反射率的多層膜反射鏡是軟X射線光學研究的重要內(nèi)容。改善多層膜界面性能的方法有很多，比如：插入間隔層、反應(yīng)濺射等。2011年Guen等在制備Mg/Co多層膜中，在CoonMg界面插入間隔層Zr層，有效地提高了反射率[10]。2008年Ghafoor等在 “水窗”波段制備Cr/Sc多層膜反射鏡時，采用氬氣和氮氣的混合氣體作為濺射氣體，在未達到飽和周期數(shù)的情況下10°度近正入射反射率從5.3%提高到11.5%[11]。2009年Bellotti等在制備Co/C多層膜過程中，在氬氣中混入9%的氮氣作為反應(yīng)氣體，在掠入射X射線反射（XRR）測試曲線中明顯看出，在周期厚度1.81～17.60 nm都有明顯的布拉格峰，通過透射電子顯微鏡與未加反應(yīng)濺射的樣品進行對比，粗糙度有很大改善，界面變得更加平滑[12]。因此氮氣反應(yīng)濺射工藝可以改善多層膜成膜質(zhì)量，提高反射率。

Sb的M5吸收邊在525.5 eV，處于“水窗”波段，可作為多層膜反射鏡的間隔層。本文首先對Sb吸收邊附近的多層膜材料組合進行選擇，進而對多層膜的膜系結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，計算分析了不同界面粗糙度條件下的反射率變化，通過改變在工作氣體中混入的氮氣濃度，采用直流磁控濺射技術(shù)制備了一組周期厚度相近的周期多層膜。通過X射線衍射分析了樣品的膜層厚度及界面粗糙度，在BSRF北京同步輻射實驗室測量了樣品反射率，對測試結(jié)果進行比較和分析。

2實驗

2.1鍍膜制備工藝實驗采用直流磁控濺射鍍膜機制備Co/Sb多層膜反射鏡。磁控濺射控制簡單、成膜致密、膜層雜質(zhì)含量少，適合制作軟X射線多層膜[15]。根據(jù)速率標定實驗，確定Co和Sb鍍膜速率，通過計算機和電機控制樣品在不同靶位上的停留時間完成多層膜鍍制。鍍膜過程中，Co靶的濺射功率是25 W，Sb靶的濺射功率是20 W。真空室本底真空度為8.0×10-5 Pa，濺射氣體為氬氣和氮氣的混合氣體，濺射氣壓為1.5 mTorr（1 Torr=133.322 Pa）。在保持濺射氣壓不變的情況下，在濺射氣體中混入不同濃度的氮氣，分別利用質(zhì)量流量計精確調(diào)節(jié)氬氣和氮氣的流量，用真空計實時監(jiān)控鍍膜室的氣壓，使其保持恒定，氮氣濃度分別調(diào)整至0%（純氬氣）、5%、10%、15%、20%，25%、30%、35%、40%，制備出一組不同氮氣濃度、厚度接近的多層膜樣品。

2.2測試方法（1）掠入射X射線反射（GIXRR）測量使用X 射線衍射儀（英國Bede公司，D1型）測量制備出的Co/Sb多層膜樣品的掠入射反射曲線，光源為Cu的Kα譜線（光子能量8 keV）。通過對測試結(jié)果擬合分析，可得到多層膜的膜層厚度與界面粗糙度。（2）軟X射線反射率（SXR）測測量BSRF同步輻射裝置上，利用反射率計對Co/Sb多層膜進行了反射率測量，測試中固定光的入射角度，連續(xù)掃描能量，對測試結(jié)果進行對比分析，可直觀地得到反應(yīng)濺射前后的反射率變化。

3結(jié)果與討論

3.1Co/Sb多層膜的掠入射X射線反射測試在不同氮氣濃度的濺射條件下，制備了一組周期厚度在8.9nm附近的Co/Sb多層膜，gamma值為0.6，膜對數(shù)為10。掠入射X射線反射測試結(jié)果如圖4所示，橫坐標為掠入射角度，縱坐標為探測器接收到的光強，要將不同濃度下的反射曲線放在一張圖中方便對比成膜質(zhì)量的改善，因此每條曲線的縱坐標都乘了系數(shù)，擬合結(jié)果如表1所示，表中d為膜層厚度，σ為膜的粗糙度。加入氮氣后，Co層和Sb層的厚度基本維持不變，多層膜的粗糙度均有所降低，當?shù)獨鉂舛冗_到25%時，界面粗糙度最小，當?shù)獨鉂舛壤^續(xù)增加時，界面粗糙度基本維持不變。

3.2Co/Sb多層膜軟X射線反射率測試在北京同步輻射光源（BSRF）3W1B實驗站，利用軟X射線反射率計，測量多層膜的反射率。掠入射角14.5°，實驗中采用儲存環(huán)的束流修正直通光數(shù)據(jù)，使信號光與直通光光通量一致，將信號光與直通光進行歸一化處理得到反射率，測試結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明：反應(yīng)濺射制備的Co/Sb多層膜反射率達到11.7%，而未經(jīng)反應(yīng)濺射制備的Co/Sb多層膜反射率只有7.2%。4結(jié)論在“水窗”波段，選擇在Sb的M5吸收邊附近，以Sb為間隔層，設(shè)計并制備了Co/Sb多層膜反射鏡，計算了同樣膜系下不同界面粗糙度的多層膜反射率，并利用反應(yīng)濺射成功改善了多層膜成膜質(zhì)量。通過掠入射X射線反射和軟X射線反射率的測試，發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)濺射制備Co/Sb多層膜時，氮氣濃度25%為最優(yōu)，界面粗糙度最小，反射率為11.7%，而不加氮氣的多層膜反射率僅有7.2%。實驗結(jié)果證明氮氣反應(yīng)濺射可以有效改善軟X射線Co/Sb多層膜性能。反應(yīng)濺射改善成膜質(zhì)量的物理機理還需進一步研究，下一步將采用XPS分析反應(yīng)濺射制備多層膜的機理。

參考文獻：

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3.2Co/Sb多層膜軟X射線反射率測試在北京同步輻射光源（BSRF）3W1B實驗站，利用軟X射線反射率計，測量多層膜的反射率。掠入射角14.5°，實驗中采用儲存環(huán)的束流修正直通光數(shù)據(jù)，使信號光與直通光光通量一致，將信號光與直通光進行歸一化處理得到反射率，測試結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明：反應(yīng)濺射制備的Co/Sb多層膜反射率達到11.7%，而未經(jīng)反應(yīng)濺射制備的Co/Sb多層膜反射率只有7.2%。4結(jié)論在“水窗”波段，選擇在Sb的M5吸收邊附近，以Sb為間隔層，設(shè)計并制備了Co/Sb多層膜反射鏡，計算了同樣膜系下不同界面粗糙度的多層膜反射率，并利用反應(yīng)濺射成功改善了多層膜成膜質(zhì)量。通過掠入射X射線反射和軟X射線反射率的測試，發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)濺射制備Co/Sb多層膜時，氮氣濃度25%為最優(yōu)，界面粗糙度最小，反射率為11.7%，而不加氮氣的多層膜反射率僅有7.2%。實驗結(jié)果證明氮氣反應(yīng)濺射可以有效改善軟X射線Co/Sb多層膜性能。反應(yīng)濺射改善成膜質(zhì)量的物理機理還需進一步研究，下一步將采用XPS分析反應(yīng)濺射制備多層膜的機理。

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