極紫外Mg/SiC雙功能多層膜反射鏡的設計

陳 銳, 袁艷紅, 趙 華

(上海電機學院數理教學部,上海200240)

極紫外Mg/SiC雙功能多層膜反射鏡的設計

陳 銳, 袁艷紅, 趙 華

(上海電機學院數理教學部,上海200240)

根據極紫外成像器觀測地球周圍等離子層的要求,設計了極紫外Mg/SiC雙功能多層膜反射鏡,并分析了粗糙度、膜厚精度和光學常數變化對反射率的影響。結果表明:5°入射的雙功能多層膜反射鏡在30.4 nm和58.4 nm處的反射率分別大于41%、小于0.20%。

極紫外線;雙功能多層膜反射鏡;遺傳算法;反射率

Abstract：An Mg/SiC dual function multilayer mirror in the extreme ultraviolet region was designed for observation of the earth's plasmasphere.Roughness,layer thickness precision and change of optical constants were computed to show performance of the dual function multilayer mirror.The results indicate that the reflectivity at an incident angle of 5°and wavelengths of 30.4 nm and 58.4 nm is greater than 41%and no more than 0.20%,respectively.

Key words:extreme ultraviolet;dual function multilayer mirror;genetic algorithm;reflectivity

極紫外多層膜反射鏡是各類極紫外成像器最關鍵的光學元件之一,與濾光片聯合使用時,可選擇特定光譜線進行極紫外成像。在太陽輻射作用下,地球周圍等離子層中的 He+會發出 He-Ⅱ線(30.4 nm),地球極紫外成像器可利用該譜線觀測地球周圍等離子層,所得結果對研究地球氣候和環境等變化具有重要意義[1]。然而,地球電離層中的He原子發出的高強度 He-Ⅰ線(58.4 nm)會嚴重干擾成像結果,必須對其進行抑制。因為傳統的Al濾光片無法抑制波長為58.4 nm的光,所以必須設計出一種不僅能夠在30.4 nm處高反射,而且可以在58.4 nm處起到強烈抑制作用[2]的雙功能多層膜反射鏡。目前,設計或制備的極紫外雙功能多層膜反射鏡主要包括 U/Si[3]、添加 UO2帽層的Mo/Si[4]和Mg/SiC[5]雙功能多層膜反射鏡。但在實際制備和使用后發現,極紫外雙功能多層膜反射鏡存在58.4 nm抑制點波長容易偏離的問題,嚴重影響抑制效果。

本文設計了一種新的極紫外Mg/SiC雙功能多層膜反射鏡,該雙功能多層膜反射鏡不僅能夠在30.4 nm處高反射,而且可抑制波長在56.4～60.4 nm內的光。同時,研究了粗糙度、膜厚精度和光學常數變化對反射率的影響,并對結果進行了總結。

1 設 計

根據所設計的雙功能多層膜反射鏡光學性能的要求,選定材料對,確定膜對數以及評價函數,通過優化算法不斷調整膜系各膜層厚度來達到或接近雙功能多層膜反射鏡的目標光學性能。

實驗證實:普通的Mg/SiC周期多層膜反射鏡在30.4 nm附近不僅有高反射率,而且有很好的耐久性和穩定性[6]。因此,選擇 Mg/SiC作為多層膜材料對,基底為Si,而Mg,SiC和Si在10～41.3 nm和41.3～70 nm內的光學常數分別來自X射線光學中心[7]以及文獻[8-10]。為了確定膜對數,圖1給出了5°入射的30.4 nm處 Mg/SiC周期多層膜反射鏡反射率隨膜對數變化的曲線。

圖1 30.4 nm處Mg/SiC周期多層膜反射鏡反射率隨膜對數變化曲線Fig.1 Reflectivity of Mg/SiC periodic multilayer mirror versus number of bi-layer at 30.4 nm

由圖1可見,反射率隨膜對數的增加趨于飽和,但過多的膜對數并不能明顯增加反射率,反而會增加設計難度和制備成本。同時,參照周期多層膜反射鏡,選取雙功能多層膜反射鏡的膜對數為 30。另外,所設計的反射鏡不僅要求在30.4 nm處高反射,而且需要抑制56.4～60.4 nm內的光,所以通過反復計算,確定評價函數為

式中,n為波長個數;ΔR為反射率允許誤差,ΔR=0.050%;Ri為56.4～60.4 nm內各波長處的反射率;R0為目標反射率,R0=0.10%;R30.4為30.4 nm處的反射率。

選定材料對,確定膜對數以及評價函數后,利用遺傳算法[11]設計了雙功能多層膜反射鏡,反射率曲線如圖2所示。5°入射的雙功能多層膜反射鏡30.4 nm處的反射率為53%,56.4～60.4 nm內各波長處的平均反射率為0.10%。其中,58.4 nm處的反射率也為0.10%,該處的反射率約為30.4 nm處的0.2%。

圖2 反射鏡反射率曲線Fig.2 Reflectivity of dual function multilayer mirror

2 分 析

2.1 粗糙度分析

Mg/SiC周期多層膜反射鏡擬合結果表明[6]:Mg在SiC上的粗糙度(σMg/SiC)和 SiC在 Mg上的粗糙度(σSiC/Mg)約為 1.0 nm,基底 Si的粗糙度(σSurf)約為0.5 nm。利用IMD[12]軟件中的誤差函數模擬上述粗糙度對反射率的影響,5°入射的雙功能多層膜反射鏡反射率與理想反射率對比曲線如圖3所示。由圖3可見,30.4 nm處的反射率從53%降至 47%,而58.4 nm處的反射率接近0.10%,為 0.098%。

2.2 膜厚精度分析

目前,磁控濺射鍍膜技術能夠達到±0.1 nm以上的膜厚精度。考慮±0.1 nm的膜厚精度,5°入射的雙功能多層膜反射鏡反射率與理想反射率對比曲線如圖 4所示。由圖可見,雖然56.4～60.4 nm寬波長抑制帶向長波或短波方向移動,但是58.4 nm波長處始終保持強烈抑制作用。當所有膜層厚度增加0.1 nm時,30.4 nm和58.4 nm處的反射率分別從53%降至50%、從0.10%升至0.12%;當所有膜層厚度減少0.1 nm時,30.4 nm和58.4 nm波長處的反射率分別從53%降至41%、從0.10%降至0.080%。

圖3 帶粗糙度的與理想的反射鏡反射率曲線比對圖Fig.3 Reflectivity of dual function multilayer mirror with roughness,in comparison with that of an ideal mirror

圖4 帶膜厚精度的與理想的反射鏡反射率曲線比對圖Fig.4 Reflectivity of dual function multilayer mirror with layer thickness precision,in comparison with that of an ideal mirror

2.3 光學常數變化分析

目前,人們對波長41.3 nm以上Mg與 SiC光學常數的研究并不深入,文獻[10,12]中光學常數出現較少,本文采用3次樣條插值方法得到41.3～70 nm內更多波長點的光學常數。因為插值方法會引入誤差,即設計所用光學常數和文獻[10,12]中光學常數存在差別,所以必須考慮 Mg和SiC光學常數變化對58.4 nm處反射率的影響。計算表明:在41.3～70 nm波段內Mg光學常數變化的影響較大,以58.4 nm處0.20%的反射率為目標[5]確定Mg光學常數變化值,當Mg光學常數變化-3.8%和+5.1%時,58.4 nm處的反射率均為0.20%;而SiC光學常數變化的影響較小,當其光學常數變化+10%和-10%時,58.4 nm處的反射率分別為0.080%和0.14%,如圖5所示,圖5中同時給出了對比的理想曲線。

圖5 隨光學常數變化的和理想的反射鏡反射率曲線比對圖Fig.5 Reflectivity of dual function multilayer mirror with change of optical constants,compared with that of ideal mirror

3 結 語

本文設計了一種新的極紫外Mg/SiC雙功能多層膜反射鏡,該雙功能多層膜反射鏡不僅能夠在30.4 nm處高反射,而且可以抑制56.4～60.4 nm內的光。分析表明:所設計的雙功能多層膜反射鏡受粗糙度、膜層厚度增加和SiC光學常數變化的影響相對較小;受膜層厚度減少和Mg光學常數變化的影響相對較大。考慮上述因素,5°入射的雙功能多層膜反射鏡在30.4 nm和58.4 nm處的反射率分別大于41%和小于0.20%,基本達到了極紫外成像器觀測地球周圍等離子層的要求。極紫外雙功能多層膜反射鏡相關工作有待進一步開展,今后還需著手41.3 nm以上波段的光學常數以及頂層材料的氧化問題方面的研究。

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Design of Mg/SiC Dual Function Multilayer Mirror in Extreme Ultraviolet Region

C H EN Rui, YUA N Yanhong, Z HAO Hua
(Department of Mathematics and Physics,Shanghai Dianji University,Shanghai 200240,China)

O 484.41

A

2095-0020(2010)04-0228-04

2010-06-19

上海市高校優秀青年教師科研專項基金項目(sdj09013)

陳 銳(1982-),男,助教,專業方向為光學工程,E-mail:chenr@sdju.edu.cn