极紫外Mg/SiC双功能多层膜反射镜的设计

2010-09-13袁艳红

上海电机学院学报 2010年4期

关键词：反射镜对数反射率

陈锐, 袁艳红, 赵华

(上海电机学院数理教学部,上海200240)

极紫外Mg/SiC双功能多层膜反射镜的设计

陈锐, 袁艳红, 赵华

(上海电机学院数理教学部,上海200240)

根据极紫外成像器观测地球周围等离子层的要求,设计了极紫外Mg/SiC双功能多层膜反射镜,并分析了粗糙度、膜厚精度和光学常数变化对反射率的影响。结果表明:5°入射的双功能多层膜反射镜在30.4 nm和58.4 nm处的反射率分别大于41%、小于0.20%。

极紫外线;双功能多层膜反射镜;遗传算法;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

极紫外多层膜反射镜是各类极紫外成像器最关键的光学元件之一,与滤光片联合使用时,可选择特定光谱线进行极紫外成像。在太阳辐射作用下,地球周围等离子层中的 He+会发出 He-Ⅱ线(30.4 nm),地球极紫外成像器可利用该谱线观测地球周围等离子层,所得结果对研究地球气候和环境等变化具有重要意义[1]。然而,地球电离层中的He原子发出的高强度 He-Ⅰ线(58.4 nm)会严重干扰成像结果,必须对其进行抑制。因为传统的Al滤光片无法抑制波长为58.4 nm的光,所以必须设计出一种不仅能够在30.4 nm处高反射,而且可以在58.4 nm处起到强烈抑制作用[2]的双功能多层膜反射镜。目前,设计或制备的极紫外双功能多层膜反射镜主要包括 U/Si[3]、添加 UO2帽层的Mo/Si[4]和Mg/SiC[5]双功能多层膜反射镜。但在实际制备和使用后发现,极紫外双功能多层膜反射镜存在58.4 nm抑制点波长容易偏离的问题,严重影响抑制效果。

本文设计了一种新的极紫外Mg/SiC双功能多层膜反射镜,该双功能多层膜反射镜不仅能够在30.4 nm处高反射,而且可抑制波长在56.4～60.4 nm内的光。同时,研究了粗糙度、膜厚精度和光学常数变化对反射率的影响,并对结果进行了总结。

1 设计

根据所设计的双功能多层膜反射镜光学性能的要求,选定材料对,确定膜对数以及评价函数,通过优化算法不断调整膜系各膜层厚度来达到或接近双功能多层膜反射镜的目标光学性能。

实验证实:普通的Mg/SiC周期多层膜反射镜在30.4 nm附近不仅有高反射率,而且有很好的耐久性和稳定性[6]。因此,选择 Mg/SiC作为多层膜材料对,基底为Si,而Mg,SiC和Si在10～41.3 nm和41.3～70 nm内的光学常数分别来自X射线光学中心[7]以及文献[8-10]。为了确定膜对数,图1给出了5°入射的30.4 nm处 Mg/SiC周期多层膜反射镜反射率随膜对数变化的曲线。

图1 30.4 nm处Mg/SiC周期多层膜反射镜反射率随膜对数变化曲线Fig.1 Reflectivity of Mg/SiC periodic multilayer mirror versus number of bi-layer at 30.4 nm

由图1可见,反射率随膜对数的增加趋于饱和,但过多的膜对数并不能明显增加反射率,反而会增加设计难度和制备成本。同时,参照周期多层膜反射镜,选取双功能多层膜反射镜的膜对数为 30。另外,所设计的反射镜不仅要求在30.4 nm处高反射,而且需要抑制56.4～60.4 nm内的光,所以通过反复计算,确定评价函数为

式中,n为波长个数;ΔR为反射率允许误差,ΔR=0.050%;Ri为56.4～60.4 nm内各波长处的反射率;R0为目标反射率,R0=0.10%;R30.4为30.4 nm处的反射率。

选定材料对,确定膜对数以及评价函数后,利用遗传算法[11]设计了双功能多层膜反射镜,反射率曲线如图2所示。5°入射的双功能多层膜反射镜30.4 nm处的反射率为53%,56.4～60.4 nm内各波长处的平均反射率为0.10%。其中,58.4 nm处的反射率也为0.10%,该处的反射率约为30.4 nm处的0.2%。

图2 反射镜反射率曲线Fig.2 Reflectivity of dual function multilayer mirror

2 分析

2.1 粗糙度分析

Mg/SiC周期多层膜反射镜拟合结果表明[6]:Mg在SiC上的粗糙度(σMg/SiC)和 SiC在 Mg上的粗糙度(σSiC/Mg)约为 1.0 nm,基底 Si的粗糙度(σSurf)约为0.5 nm。利用IMD[12]软件中的误差函数模拟上述粗糙度对反射率的影响,5°入射的双功能多层膜反射镜反射率与理想反射率对比曲线如图3所示。由图3可见,30.4 nm处的反射率从53%降至 47%,而58.4 nm处的反射率接近0.10%,为 0.098%。

2.2 膜厚精度分析

目前,磁控溅射镀膜技术能够达到±0.1 nm以上的膜厚精度。考虑±0.1 nm的膜厚精度,5°入射的双功能多层膜反射镜反射率与理想反射率对比曲线如图 4所示。由图可见,虽然56.4～60.4 nm宽波长抑制带向长波或短波方向移动,但是58.4 nm波长处始终保持强烈抑制作用。当所有膜层厚度增加0.1 nm时,30.4 nm和58.4 nm处的反射率分别从53%降至50%、从0.10%升至0.12%;当所有膜层厚度减少0.1 nm时,30.4 nm和58.4 nm波长处的反射率分别从53%降至41%、从0.10%降至0.080%。

图3 带粗糙度的与理想的反射镜反射率曲线比对图Fig.3 Reflectivity of dual function multilayer mirror with roughness,in comparison with that of an ideal mirror

图4 带膜厚精度的与理想的反射镜反射率曲线比对图Fig.4 Reflectivity of dual function multilayer mirror with layer thickness precision,in comparison with that of an ideal mirror

2.3 光学常数变化分析

目前,人们对波长41.3 nm以上Mg与 SiC光学常数的研究并不深入,文献[10,12]中光学常数出现较少,本文采用3次样条插值方法得到41.3～70 nm内更多波长点的光学常数。因为插值方法会引入误差,即设计所用光学常数和文献[10,12]中光学常数存在差别,所以必须考虑 Mg和SiC光学常数变化对58.4 nm处反射率的影响。计算表明:在41.3～70 nm波段内Mg光学常数变化的影响较大,以58.4 nm处0.20%的反射率为目标[5]确定Mg光学常数变化值,当Mg光学常数变化-3.8%和+5.1%时,58.4 nm处的反射率均为0.20%;而SiC光学常数变化的影响较小,当其光学常数变化+10%和-10%时,58.4 nm处的反射率分别为0.080%和0.14%,如图5所示,图5中同时给出了对比的理想曲线。

图5 随光学常数变化的和理想的反射镜反射率曲线比对图Fig.5 Reflectivity of dual function multilayer mirror with change of optical constants,compared with that of ideal mirror

3 结语

本文设计了一种新的极紫外Mg/SiC双功能多层膜反射镜,该双功能多层膜反射镜不仅能够在30.4 nm处高反射,而且可以抑制56.4～60.4 nm内的光。分析表明:所设计的双功能多层膜反射镜受粗糙度、膜层厚度增加和SiC光学常数变化的影响相对较小;受膜层厚度减少和Mg光学常数变化的影响相对较大。考虑上述因素,5°入射的双功能多层膜反射镜在30.4 nm和58.4 nm处的反射率分别大于41%和小于0.20%,基本达到了极紫外成像器观测地球周围等离子层的要求。极紫外双功能多层膜反射镜相关工作有待进一步开展,今后还需着手41.3 nm以上波段的光学常数以及顶层材料的氧化问题方面的研究。

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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

2095-0020(2010)04-0228-04

2010-06-19

上海市高校优秀青年教师科研专项基金项目(sdj09013)