軟X射線共振反射方法表征Sc/Si多層膜界面化合物成分的計(jì)算研究

朱圣明　李淼

摘要：

Sc/Si周期多層膜是極紫外波段的重要材料，但膜層界面處材料原子間的擴(kuò)散與化合反應(yīng)嚴(yán)重影響了多層膜反射率。為了無損表征多層膜界面化合物的成分，利用軟X射線共振反射的方法，研究了Sc/Si多層膜界面化合物成分。在Si的L吸收邊附近，計(jì)算了不同周期厚度以及不同界面硅化物成分的Sc/Si多層膜的共振反射率。結(jié)果表明，界面硅化物成分不同的膜系在Si的L邊處的反射率有明顯差異，并且反射率隨著膜層中Si化合反應(yīng)的消耗而降低，證實(shí)了軟X射線共振反射方法在亞納米尺度下對(duì)化合物的成分進(jìn)行無損分析的可行性，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：

軟X射線共振反射； Sc/Si周期多層膜； 界面成分； 原子散射因子

中圖分類號(hào)： O 434文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.04.015

Abstract：

Periodic Sc/Si multilayers show high reflectivity in the 3550 nm extreme ultraviolet（EUV） wavelength range.The diffusion and chemical interaction between scandium and silicon decrease the reflectivity of Sc/Si multilayer.In order to characterize the interfacial compound of Sc/Si multilayer nondestructively，soft Xray resonant reflection method was studied in this paper.Along the Si L absorption edge，the resonant reflection of Sc/Si multilayer with different thickness and interfacial composition was calculated.The results show that the reflectivity along the Si L absorption edge is significant difference，and decreases as Si is consumed by the combination reaction in the multilayers.It indicates the feasibility of nondestructive analysis by soft Xray resonant reflection in the subnanometer scale and lays a theoretical foundation for the experiment study.

Keywords：

soft Xray resonant reflection； Sc/Si periodic multilayers； interface composition； atomic scattering factor

引言

近年來，Sc/Si多層膜在自由電子激光[1]、毛細(xì)管放電激光[2]以及同步輻射中得到了廣泛的應(yīng)用。由于Sc在35～50 nm波段的吸收系數(shù)很低，所以Sc/Si周期多層膜在35～50 nm波段有較好的性能，其理論反射率高達(dá)72%，實(shí)驗(yàn)證明在36.5 nm處，Sc/Si多層膜的反射率也達(dá)到了54%[3]。盡管Sc/Si多層膜的反射率很高，但Sc/Si多層膜的界面很不穩(wěn)定。在制備過程中，由于Si往Sc層中的滲透擴(kuò)散，在界面處相互擴(kuò)散和反應(yīng)形成硅化物，導(dǎo)致實(shí)測(cè)反射率降低，因此對(duì)界面化合物的研究顯得尤為重要。已有研究表明，Sc/Si多層膜界面處可能形成的化合物分別為：Sc3Si5、ScSi、Sc5Si3[4]。

X射線反射率測(cè)量是研究薄膜表面和界面結(jié)構(gòu)的一種重要的無損檢測(cè)手段[56]。傳統(tǒng)的硬X射線具有大的動(dòng)態(tài)范圍和高動(dòng)量的散射因子，利用傅里葉變換方法可以獲得多層膜的光學(xué)厚度、密度、粗糙度，界面擴(kuò)散分布等微觀結(jié)構(gòu)信息。可是，由于硬X射線遠(yuǎn)離材料的吸收邊，因此對(duì)界面處化合物的成分并不敏感，不能獲得界面處成分信息。而軟X射線共振反射測(cè)量是在吸收邊附近，對(duì)原子量比較敏感，可用于化合物成分的表征，是一條無損探究多層膜界面化合物成分的新途徑。

在元素的吸收邊附近，散射因子與動(dòng)量轉(zhuǎn)移和入射光的能量相關(guān)。通過調(diào)節(jié)入射光的能量至吸收邊附近，由于入射光的頻率接近原子的固有頻率使原子產(chǎn)生了共振，從而導(dǎo)致了散射因子發(fā)生急劇的變化[78]。因?yàn)樯⑸湟蜃拥脑鰪?qiáng)使得含量不同的材料表現(xiàn)出明顯的差異，將共振反射測(cè)試結(jié)果與相圖結(jié)合，便可推斷出界面化合物的成分信息。X射線共振反射已經(jīng)應(yīng)用于磁性材料[910]、仿生薄膜的離子分布[11]、聚合物薄膜[12]等的表征。本文主要通過模擬計(jì)算，驗(yàn)證利用軟X射線共振反射測(cè)量在亞納米尺度下獲得Sc/Si多層膜界面化合物成分信息的可行性。

1理論計(jì)算

如圖1所示，當(dāng)一束光由真空以入射角θi入射到材料上時(shí)，我們假設(shè)界面是理想的光滑界面，沒有擴(kuò)散，其同一電磁波平面內(nèi)的入射波矢為ki，反射波矢為kr。波矢量變化q=Δk=kr-ki，S偏振光的Fresnel反射率（入射角遠(yuǎn)大于臨界角）可以表示為[13]：

2結(jié)果與討論

在原子的吸收邊附近，由于材料吸收系數(shù)的急劇變化，X射線反射率表現(xiàn)出了明顯的差異。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，Sc/Si多層膜的界面化合物一般為Sc3Si5、ScSi、Sc5Si3三種不同的成分。圖2給出了90～110 eV能量范圍硅的LⅡ、LⅢ吸收邊附近，利用Henke數(shù)據(jù)庫的散射系數(shù)，采用加權(quán)平均的方法計(jì)算得出的Sc、Si以及不同的Sc的硅化物的光學(xué)常數(shù)，其中Sc3Si5、ScSi、Sc5Si3的密度分別為3.39 g/cm3、3.36 g/cm3、3.26 g/cm3，數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[17]。endprint

由圖2可以看出，在Si的L吸收邊前后，Si以及不同成分Sc的硅化物的光學(xué)常數(shù)隨著能量急劇變化。不同成分化合物中Si原子數(shù)量所占的比重不同，Si原子所占比重越高的硅化物的光學(xué)常數(shù)越接近硅的光學(xué)常數(shù)。一般來說，材料的光學(xué)常數(shù)在吸收邊附近的精細(xì)結(jié)構(gòu)是和化合物的成分有關(guān)。所以，從圖2中也可以看出在吸收邊前后，光學(xué)常數(shù)有著顯著的差異，并且由于這種光學(xué)常數(shù)的突變?cè)斐傻恼凵渎实拿黠@差異，從而導(dǎo)致來自于界面化合物的反射率也會(huì)有較明顯的不同。接下來我們分別針對(duì)普通實(shí)驗(yàn)室的X射線衍射儀和同步輻射實(shí)驗(yàn)室軟X射線，計(jì)算了Sc/Si多層膜的反射率。Sc/Si多層膜的參數(shù)如下：設(shè)計(jì)多層膜周期的光學(xué)厚度D=10 nm，周期數(shù)N=5，厚度比（Sc層厚度/周期厚度）Gamma=0.4，界面化合物分別為Sc3Si5、ScSi、Sc5Si3（每種化合物層的光學(xué)厚度ti分別取0.5 nm、1.0 nm、2.0 nm）。

X射線衍射儀是實(shí)驗(yàn)室常用的分析測(cè)試設(shè)備，通常采用Cu靶的X射線光管，X射線的能量為

8.04 keV，為此，我們首先模擬計(jì)算8.04 keV硬X射線掠入射Sc/Si多層膜的反射率。圖3為界面化合物的光學(xué)厚度取1.0 nm時(shí)的計(jì)算結(jié)果。由圖3可知，不同成分界面化合物的硬掠入射X射線反射率（grazing incident Xray reflectivity，GIXRR）曲線幾乎完全一樣，無法進(jìn)行區(qū)分，可見采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室GIXRR測(cè)試對(duì)不同成分的硅化物并不敏感，無法區(qū)分。

然后，我們采用同樣的膜系參數(shù)，在Si的L邊附近（98～102 eV）計(jì)算了Sc/Si多層膜的軟X射線共振反射率，能量間隔為0.4 eV，圖4為在100.4 eV處的計(jì)算結(jié)果（橫坐標(biāo)qz=4πsinθ/λ），可以發(fā)現(xiàn)在Si的L邊附近，軟X射線共振反射率表現(xiàn)出了明顯的差異。并且這種差異隨著界面化合物層光學(xué)厚度的增加而增大。利用這一特點(diǎn)，可以無損檢測(cè)Sc/Si多層膜的界面處材料之間發(fā)生反應(yīng)生成的硅化物，而且不同成分的硅化物消耗膜層中的硅不同，例如，由于Sc3Si5中Si原子數(shù)占的比重較高，所以消耗的膜層中的Si就較多，反射率就較低，因此，軟X共振反射表征方法對(duì)于界面成分變化非常敏感。據(jù)此結(jié)合相圖，便可對(duì)多層膜界面處化合物進(jìn)行定性的推斷。

3結(jié)論

本文用軟X射線共振反射率的方法計(jì)算分析了Sc/Si多層膜界面處形成的化合物的成分，計(jì)算結(jié)果表明，化合物中Si原子比重越高，其軟X射線共振反射率就越低，并且共振反射率隨著界面化合物層的光學(xué)厚度的增加而減小。本文研究表明，軟X射線共振反射在亞納米尺度下對(duì)化合物的成分進(jìn)行無損分析是有效的，此研究為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作提供了參考。

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（編輯：劉鐵英）endprint