научная статья по теме МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТР НА ОСНОВЕ ДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЗЕРКАЛ ДЛЯ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТР НА ОСНОВЕ ДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЗЕРКАЛ ДЛЯ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 7, с. 97-100

УДК 538.911:538.971:535.422:535-94

МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТР НА ОСНОВЕ ДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЗЕРКАЛ ДЛЯ ЖЕСТКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

© 2015 г. М. А. Любомирский1, И. И. Снигирёва1, С. М. Кузнецов2, В. А. Юнкин2, *, А. А. Снигирёв1

1European Synchrotron Radiation Facility, ESRF, 38000 Grenoble, France 2Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, 142432 Черноголовка, Россия

*E-mail: yunkin@iptm.ru Поступила в редакцию 17.07.2014 г.

Представлен рентгеновский интерферометр нового типа, который содержит два зеркальных параллельных канала, изготовленных в монокристалле Si с помощью технологий микроэлектромеханики. Для зеркального отражения рентгеновского излучения использовались боковые поверхности каналов. Такая конструкция зеркал позволяет располагать их близко друг к другу и является эквивалентной схеме интерферометра Юнга. Экспериментальные тесты нового интерферометра были проведены на испытательном стенде микрооптики станции ID6 Европейского центра синхротрон-ного излучения (ESRF) при энергии рентгеновского излучения 12 кэВ и различных скользящих углах падения.

Ключевые слова: микроинтерферометр на основе двух параллельных зеркал, жесткое рентгеновское излучение, монокристалл Si, планарная технология.

DOI: 10.7868/S0207352815070124

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы большое внимание было уделено экспериментальным исследованиям дву-лучевой интерференции в жестком рентгеновском диапазоне [1—5]. В работе [6] зеркала Френеля, закрепленные на раздельных гониометрах, использовались в режиме полного внешнего отражения (ПВО). Существенное уменьшение проекции длины зеркал за счет малых скользящих углов делает эту схему эквивалентной интерферометру Юнга с очень тонкими щелями. Серьезным недостатком данного метода является трудность юстировки зеркал в рентгеновском пучке и чувствительность интерференционной картины к инструментальным ошибкам. Другой подход к реализации зеркального интерферометра был описан в работе [7], где исследовалась интерференция пучков, отраженных от двух золотых зеркал, нанесенных на одну подложку кремния. Идея базировалась на значительной разнице между критическими углами ПВО для кремния и золота. Этот подход получил развитие в работе [8], где для создания монолитного двойного зеркала Френеля в монокристалле кремния была удалена центральная часть, что позволило разделить зеркала на единой подложке. Данная схема отличается легкостью юстировки и компактным дизайном.

Современные технологии микроэлектромеханики (MEMS) позволяют создавать в пластине

кремния глубокие структуры с вертикальными боковыми стенками [9, 10], а достигаемое качество поверхности позволяет наблюдать высокоэффективное отражение рентгеновского излучения.

В настоящей работе мы предлагаем новый тип зеркального интерферометра, отражающие поверхности которого расположены одна над другой, что имеет ряд преимуществ по сравнению с другими схемами.

ОПИСАНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫ

Новизна нашего подхода заключается в расположении отражающих поверхностей не последовательно по ходу пучка, как это делается в других интерферометрах, а одна над другой. Это дает возможность уменьшить зазор между зеркалами Б и таким образом наблюдать контрастную интерференционную картину в условиях слабой пространственной когерентности при существенном сокращении дистанции 7, необходимой для наблюдения интерференционной картины в дальнем поле (7 > Б2Д,). Изображение нового интерферометра, полученное с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ), представлено на рис. 1. Интерферометр состоит из двух параллельных каналов в кристалле кремния, разделенных

7

97

Рис. 1. РЭМ-изображение зеркального интерферометра.

Рис. 2. Принципиальная схема работы зеркального интерферометра.

50 100 150 200 250 Размер источника, мкм

300

верхних боковых стенок (зеркал), расположенных на расстоянии 20 мкм друг от друга. Это достигается путем помещения интерферометра в рентгеновский пучок таким образом, чтобы боковые стенки каналов находились друг над другом, а рентгеновское излучение проходило через каналы вдоль кристалла. Интерферометр изготовлен с помощью современных методов микроструктурирования пластин кремния с использованием электронно-лучевой литографии и глубокого анизотропного плазменного травления [9, 10].

Для демонстрации его возможностей нами был проведен теоретический расчет интерференционной картины. На рис. 2 представлена принципиальная схема работы зеркального интерферометра. Данная схема эквивалентна интерферометру Юнга с тонкими щелями. Распределение интенсивности в дальнем поле можно представить в виде интерференции пучков от двух щелей — проекций зеркал [11, 12]:

I (х) = 10

БШ (кйх)

где кп =

2пБ

к, =

2 пй

[1 + V ес8 (квх)] + 1„, (1)

- (пБ)

V =

шБ

X ь

-, Б — рассто-

Рис. 3. Теоретическая зависимость видности интерференционных полос от размера источника, который расположен на расстоянии 50 м от интерферометра.

промежутком из материала шириной 10 микрон. Длина каналов составляет 20 мм, ширина — 10 мкм и глубина — около 70 мкм. Отражение рентгеновского излучения происходит от их нижних или

яние между зеркалами, 8 — размер источника, й — проекция зеркала на плоскость наблюдения (тонкая щель), Z — дистанция наблюдения интерференционных полос, Ь — дистанция от интерферометра до источника, X — длина волны.

На рис. 3 представлена зависимость видности интерференционных полос в дальнем поле (V =

= 1тах-1тт , Где и /тах — интенсивности в ми-

1тах + 1тт

нимуме и максимуме интерференционной картины соответственно) от размера источника, удаленного на 50 м от зеркального интерферометра.

На рис. 3 видно, что контраст более чем 50% можно наблюдать при размерах источника порядка 150 мкм.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Первые экспериментальные тесты интерферометра получены на станции ГО06 Европейского центра синхротронного излучения. Монохрома-тизация рентгеновского пучка производилась посредством двухкристального кремниевого моно-хроматора (отражение 111), охлаждаемого жидким азотом. Рентгеновская интерференционная картина регистрировалась высокоразрешающей камерой, оборудованной флуоресцентным экраном с оптическим объективом, что позволило достичь пространственного разрешения 1.3 мкм. Время экспозиции составляло одну минуту, во вре-

МИКРОИНТЕРФЕРОМЕТР НА ОСНОВЕ ДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ЗЕРКАЛ

99

60 80 100 120 140 160 180 200 Расстояние, мкм

20 40 60 80 100 120 140 Расстояние, мкм

Рис. 4. Сечение интерференционных картин, зарегистрированных на расстоянии 1.5 м при двух углах падения рентгеновского излучения: 0.004° (а), 0.007° (б). Интерференционная картина при угле падения 0.007° (в).

мя проведения эксперимента режим кольца был 7/8 + 1 при токе порядка 200 мА. Экспериментальная схема представлена на рис. 2. Интерферометр помещен на расстоянии Ь = 56 м от источника при энергии излучения 12 кэВ. Расстояние и энергия были выбраны исходя из произведенных оценок периода интерференционной картины и разрешения камеры. Дистанция наблюдения интерференционной картины составляла 7 = 1.5 м. Регистрация производилась при различных скользящих углах падения рентгеновского излучения а, которые достигались путем поворота интерферометра. Для количественной характериза-ции интерференционной картины использовался параметр видности V, который рассчитывался в центре интерференционной картины — в области максимального перекрытия дифрагированных пучков.

калами (от которого зависит период картины) происходит увеличение числа полос. Для того чтобы избежать эффекта уменьшения контраста вследствие увеличения проекции зеркал необходимо производить наблюдение интерференционной картины в дальнем поле. Для выбранных нами экспериментальных параметров (зазор между зеркалами, энергия излучения) дальнепольная интерференционная картина начинает наблюдаться на дистанции 3.87 м за интерферометром. Измеренный контраст интерференционных полос нецелесообразно сравнивать с теоретическим, поскольку измерения произведены не в дальнем поле ввиду экспериментальных ограничений станции. Исследования оптических свойств интерферометра в дальнем поле планируется опубликовать в следующих работах.

0

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

На рис. 4 представлены вертикальные сечения интерференционных картин при двух углах падения рентгеновского излучения: 0.004° и 0.007°, что соответствует размеру проекций зеркал 1.4 и 2.5 мкм соответственно. Видность интерференционных полос, соответствующая меньшему углу падения излучения, составляет 58%, а большему углу — 54.5%. Причина уменьшения контраста заключается в том, что при большем угле падения рентгеновского излучения на поверхность зеркал происходит меньшее дифракционное уширение отраженных пучков, приводящее к сужению области их перекрытия.

Изменение угла падения излучения влияет не только на видность полос, но и на их количество. При меньшей проекции зеркал ширина интерференционной картины, определяемая огибающей (дифракцией на одном зеркале), почти в два раза больше. При неизменном расстоянии между зер-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе предложен и изготовлен микроинтерферометр на основе двух параллельных зеркал для жесткого рентгеновского излучения. Экспериментально показана возможность наблюдения интерференционной картины от отраженных зеркалами пучков. Такой интерферометр применим для характеризации пространственной когерентности рентгеновского пучка. На его основе могут быть разработаны новые схемы фазово-контрастной и муаровой радиографии. Данный интерферометр может быть использован для исследований фотонных кристаллов и для бесконтактной электрохимической фотолитографии [13]. Увеличив число зеркальных поверхностей возможно создание многозеркального интерферометра. Существенным достоинством использования планарной технологии является возможность создания интегральных рентгенооптических систем, объединяющих на одной пластине преломляющие линзы [10], линзовые [5] и зеркальные

интерферометры. Зеркальные поверхности в интерферомет

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком