Рентгеновская рефрактометрия и относительная рефлектометрия слоистых наноструктур

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 анализа рентгеновских спектров с использованием с использованием рентгеновских источников нового поколения.

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 [В 1−8]. 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 10~3−104%, 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 к настоящему времени имеется обширная научная литература, посвященная теории и практике рентгеновской рефлектометрии, тем не менее, ряд принципиальных задач метода, связанных с реконструкцией структуры объекта по угловой зависимости коэффициента отражения или угловой диаграмме рассеяния, обычно удается удовлетворительно решить для сравнительно простых случаев.

Одна из причин этого заключается в неоднозначности экспериментальных результатов измерения коэффициента отражения от образца конечного размера при малых углах скольжения. В то время как в теоретических моделях, используемых для решения обратных задач, обычно рассматривается падение плоской волны на неограниченную границу раздела отражающих сред.

К настоящему времени остаются 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, а также обеспечить возможность локальных измерений.

Поэтому экспериментальное исследование указанных процессов, их теоретическое описание, разработка методов измерений и создание на их основе достоверной рентгенооптической метрология наноструктур является одной из актуальных проблем.

Другое важное научное направление — изучение быстропротекающих процессов в пикои 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 фемтосекундных источников рентгеновского излучения — лазеров на свободных электронах с перестраиваемым спектром [В9−11]. Однако для проведения измерений в указанном временном интервале необходима новая аналитическая база. В частности, одной наиболее из актуальных проблем является создание дисперсионной рентгеновской оптики для определения спектров с высоким временным и энергетическим разрешением.

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.

На основе полученных результатов разработаны новые экспериментальные схемы селекции спектральных линий и управления рентгеновскими пучками.

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 рентгеновской оптики — аналитической рентгеновской рефрактометрии.

4. Впервые 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 дискретных 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 ЛЕ 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 научное направление — 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 фемтои пикосекундном диапазонах.

Цели работы.

Основными целями настоящей работы являлись:

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

О исследование дисперсии полихроматического рентгеновского излучения в призменных структурах,.

О изучение дифракционных свойств тонкопленочных текстур на основе пиролитического графита,.

О обоснование и разработка физических моделей и методов решения обратных задач рентгеновской рефлектометрии и рефрактометрии для математического описания экспериментальных данных,.

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 высокотемпературным прессованием.

Образцы были изготовлены в ведущих научных организациях и технологических компаниях, включая: Университет им. Йоханеса Кеплера (Австрия), Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Московский государственный институт электронной техники (Зеленоград), «Осмик» (США), Институт атомной и молекулярной физики (Голландия), Харьковский политехнический университет (Украина), 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.

2. Относительная рентгеновская рефлектометрия — новый метод определения параметров слоистых наноструктур. Основные преимущества относительного методаповышение точности определения комплексной диэлектрической проницаемости е отражающей среды и чувствительности к слабым возмущениям е.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

Наиболее перспективная область применения призменной рентгеновской спектрометрии — исследование атомарной и энергетической структуры материалов при быстропротекающих процессах возбуждения и релаксации.

Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывались на следующих отечественных и международных конференциях.

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

• Всероссийская научно-техническая конференция Микрои наноэлектроника — 98. Звенигород, сент., 1998.

• Национальные конференции РСНЭ, Москва, 23−27 мая, 1999, РСНЭ, Москва, 2125 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 Heterostructures. December, 2001, Wuerzburg, Germany.

• Conference on the Physics of X-Ray Multilayer Structures. Chamonix Mont-Blanc, France, March, 2002.

• 5-th ISTC Seminar Nanotechnologies in the Area of Physics, Chemistry and Biotechnology. S-Petersburg, Russia, May, 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 излучения, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЭ), Москва, 12−17 ноября, 2007 г.

• VI Всероссийская конференция по рентгеноспектральному анализу, Краснодар, 6−10 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, координации измерений в процессе их проведения, постановки математических задач. Непосредственное участие в работе заключалось в разработке схем эксперимента, создании экспериментальных установок, обработке полученных данных, формулировке физических моделей, математическом описании обнаруженных закономерностей и подготовке научных публикаций. Все использованные 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.

Для решения аналогичных задач может быть также использован квазимонохроматический источник на основе обратного комптоновского рассеяния фотонов.

2. Разработанные методы двухволновой и относительной рентгеновской рефлектометрии уже используются 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 Ei.

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: Russian Laser Research,.

Журнал экспериментальной и теоретической физики, Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики, Письма в журнал технической физики, Поверхность,.

Приборы и техника эксперимента, Физика и техника полупроводников, Физика твердого тела, Успехи физических наук, а также в зарубежной периодике:

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

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

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

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы.

Основные выводы.

1. Дифракционные свойства тонкопленочных текстур из пиролитического графита описываются в рамках статистической динамической теории рентгеновского рассеяния рентгеновских лучей.

— Указанные текстуры являются эффективными полупрозрачными монохроматорами рентгеновского излучения брэгговского типа.

— Предложенные структуры в виде эшелона полупрозрачных пленок, обеспечивают возможность управления рентгеновскими потоками, в том числе: пространственное совмещение рентгеновских пучков, селекцию заданного набора спектральных линий и управление шириной полосы выделяемого спектра.

2. Разработанная метрология параллельных рентгенооптических измерений в различных участках спектрального диапазона повышает информативность и однозначность определения параметров слоистых структур и границ раздела.

— Наибольшую точность измерений комплексной диэлектрической проницаемости среды обеспечивает предложенный метод относительной рентгеновской рефлектометрии.

— Основным условием корректных измерений отношения коэффициентов отражения на выбранных спектральных линиях А-ь является подобие пространственного и углового распределений интенсивности излучения на линиях А, ь Х2. Это обеспечивает устранение влияния размерного и форм-факторов исследуемой поверхности.

— Наиболее перспективно применение относительной рефлектометрии при исследовании дискретных слоистых структур, слабых возмущений диэлектрической проницаемости среды, а и внутренних границ раздела.

3. Параметры наноразмерной слоистой структуры могут быть определены путем регистрации потока туннелирующих через рентгенооптический барьер фотонов в условиях полного внутреннего отражения от анализируемого слоя.

Оптимальные условия для регистрации коэффициента пропускания обеспечиваются при вводе пучка через боковую поверхность слоистой структуры, например, через поверхность скола при отрицательных углах скольжения относительно внешней границы. При определении параметров слоев достигается линейное разрешение порядка Мцг, где ц/ - линейный амплитудный коэффициент фотопоглощения в подложке или подстилающем слое.

— При энергии излучения Е>5 кэВ углах скольжения меньших критического угла ПВО поток туннелирующих фотонов практически не зависит от коэффициента фотоэлектрического поглощения в анализируемом слое.

4. Рентгеновская рефрактометрия в диапазоне энергий ~10 кэв является новым неразрушающим методом анализа слоистых наноструктур.

— Прохождение и рефракция рентгеновского излучения через апериодические слоистые среды удовлетворительно описывается в рамках кинематического приближения с использованием соотношений металлооптики.

— Измерение угловых диаграмм рефракции позволяет проводить прямые измерения действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости наноразмерных слоев, определять их производные параметры и идентифицировать агрегатное состояние исследуемых слоев.

— Появление осцилляций интенсивности на угловой диаграмме рефракции объясняется рассеянием первичного излучения на дефектах внешней границы раздела. Решение обратной задачи для рассматриваемого случая позволяет определять расстояние между границами раздела и степень кросс-корреляции пространственного положения рассеивающих центров на внешней и внутренних границах раздела.

— При рефракции в однородных средах угловые диаграммы интенсивности преломленного излучения описываются с помощью дифракционного интеграла Кирхгофа-Гельмгольца.

5. Разработанный метод призменной рентгеновской спектрометрии обеспечивает возможность анализа широкополосных эмиссионных спектров и спектров поглощения в диапазоне энергий Е>2 кэВ.

— Предельное энергетическое разрешение ЛЕ призменного рентгеновского спектрометра ограничено дифракционным пределом, обусловленным фотопоглощением в материале призмы. При энергии излучения ?>10 кэВ величина разрешения ЛЕ для призм из алмаза и бериллия достигает величины ~1 эВ. Это более чем на два порядка превосходит соответствующий параметр для спектрометров на основе охлаждаемых полупроводниковых детекторов, что принципиально позволяет исследовать тонкую структуру поглощения в ХА№ 8 и ХАРБ-областях спектра.

— С помощью призменного спектрометра с матричной детектирующей системой регистрации могут анализироваться импульсные рентгеновские спектры без каких-либо временных ограничений. При достаточной статистике регистрируемых фотонов возможно измерение спектров единичных импульсов фемтои аттосекундного диапазонов, что является принципиально важным для исследования кинетики быстро протекающих процессов.

6. Лазерно-электронный источник на основе обратного комптоновского рассеяния фотонов является одним из наиболее перспективных средств генерации интенсивных потоков квазимонохроматического рентгеновского излучения в лабораторных условиях.

Наиболее перспективно применение лазерно-электронного источника для получения потоков жесткого излучения с энергией Е>20 кэВ и решения следующих аналитических задач:

— рентгенооптических исследований внутренних границ раздела,.

— измерения низких концентраций примесей методом флуоресцентного анализа.

— получения трехмерных изображений внутренней структуры объектов.

— создания наноразмерных зондов для локальных измерений параметров объектов с помощью фокусирующей рентгеновской оптики.

7. Использование рентгеновского лазера на свободных электронах с перестраиваемой энергией спектра и призменных дисперсионных схем обеспечивает новые аналитические возможности для фундаментальных исследований быстропротекающих процессов в пикофемтосекундном временном интервалах. Наибольший интерес представляет определение энергетической и атомарной структуры вещества по спектрам поглощения единичного импульса возбуждения. Это является принципиально важным преимущество при изучении отдельных наноразмерных объектов.

Полученные в диссертации результаты являются основой новых научных направлений: аналитической рентгеновской рефрактометрии и призменной рентгеновской спектрометрии.

Заключение

.

Таким образом, в настоящей диссертации получены новые принципиально важные результаты, которые позволяют объяснить основные закономерности распространения и дисперсии рентгеновского излучения в поверхностных слоях конденсированных сред и слоистых наноструктурах. Полученные результаты являются основой новых направлений рентгенооптической диагностики слоистых структур и анализа рентгеновских спектров. Перечислим основные выводы работы в порядке изложения материала по главам.