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散與化合反應嚴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化合反應的消耗而降低，證實了軟X射線共振反射方法在亞納米尺度下對化合物的成分進行無損分析的可行性，為后續(xù)的實驗研究提供參考。

關鍵詞：

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： O 434文獻標志碼： 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]、毛細管放電激光[2]以及同步輻射中得到了廣泛的應用。由于Sc在35～50 nm波段的吸收系數很低，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72%，實驗證明在36.5 nm處，Sc/Si多層膜的反射率也達到了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層中的滲透擴散，在界面處相互擴散和反應形成硅化物，導致實測反射率降低，因此對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射線反射率測量是研究薄膜表面和界面結構的一種重要的無損檢測手段[56]。傳統(tǒng)的硬X射線具有大的動態(tài)范圍和高動量的散射因子，利用傅里葉變換方法可以獲得多層膜的光學厚度、密度、粗糙度，界面擴散分布等微觀結構信息?？墒?，由于硬X射線遠離材料的吸收邊，因此對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射線共振反射測量是在吸收邊附近，對原子量比較敏感，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，散射因子與動量轉移和入射光的能量相關。通過調節(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生了共振，從而導致了散射因子發(fā)生急劇的變化[78]。因為散射因子的增強使得含量不同的材料表現出明顯的差異，將共振反射測試結果與相圖結合，便可推斷出界面化合物的成分信息。X射線共振反射已經應用于磁性材料[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算，驗證利用軟X射線共振反射測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理論計算

如圖1所示，當一束光由真空以入射角θi入射到材料上時，我們假設界面是理想的光滑界面，沒有擴散，其同一電磁波平面內的入射波矢為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（入射角遠大于臨界角）可以表示為[13]：

2結果與討論

在原子的吸收邊附近，由于材料吸收系數的急劇變化，X射線反射率表現出了明顯的差異。根據文獻[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數據庫的散射系數，采用加權平均的方法計算得出的Sc、Si以及不同的Sc的硅化物的光學常數，其中Sc3Si5、ScSi、Sc5Si3的密度分別為3.39 g/cm3、3.36 g/cm3、3.26 g/cm3，數據來自文獻[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的硅化物的光學常數隨著能量急劇變化。不同成分化合物中Si原子數量所占的比重不同，Si原子所占比重越高的硅化物的光學常數越接近硅的光學常數。一般來說，材料的光學常數在吸收邊附近的精細結構是和化合物的成分有關。所以，從圖2中也可以看出在吸收邊前后，光學常數有著顯著的差異，并且由于這種光學常數的突變造成的折射率的明顯差異，從而導致來自于界面化合物的反射率也會有較明顯的不同。接下來我們分別針對普通實驗室的X射線衍射儀和同步輻射實驗室軟X射線，計算了Sc/Si多層膜的反射率。Sc/Si多層膜的參數如下：設計多層膜周期的光學厚度D=10 nm，周期數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厚度ti分別取0.5 nm、1.0 nm、2.0 nm）。

X射線衍射儀是實驗室常用的分析測試設備，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厚度取1.0 nm時的計算結果。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，無法進行區(qū)分，可見采用傳統(tǒng)實驗室GIXRR測試對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，在Si的L邊附近（98～102 eV）計算了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處的計算結果（橫坐標qz=4πsinθ/λ），可以發(fā)現在Si的L邊附近，軟X射線共振反射率表現出了明顯的差異。并且這種差異隨著界面化合物層光學厚度的增加而增大。利用這一特點，可以無損檢測Sc/Si多層膜的界面處材料之間發(fā)生反應生成的硅化物，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于界面成分變化非常敏感。據此結合相圖，便可對多層膜界面處化合物進行定性的推斷。

3結論

本文用軟X射線共振反射率的方法計算分析了Sc/Si多層膜界面處形成的化合物的成分，計算結果表明，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化合物的成分進行無損分析是有效的，此研究為進一步的實驗測試工作提供了參考。

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（編輯：劉鐵英）endprint