авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Вакуумная ультрафиолетовая спектроскопия твёрдых тел на синхротроне сириус

На правах рукописи

ТИМЧЕНКО НИКОЛАЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ВАКУУМНАЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

ТВЁРДЫХ ТЕЛ НА СИНХРОТРОНЕ «СИРИУС»

01.04.05 –«Оптика»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва – 2004

Работа выполнена в ГНУ «НИИ ядерной физики при Томском

политехническом университете».

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А.П.Менушенков Московский инженерно-физический институт (государственный университет) доктор физико-математических наук, профессор В.Г.Станкевич РНЦ «Курчатовский институт»

доктор физико-математических наук, профессор В.Я.Эпп Томский государственный педагогический университет

Ведущая организация Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН

Защита состоится “9” июня 2004 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.45 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, НИИ ядерной физики им. Д.В.Скобельцина, ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ ядерной физики им. Д.В.Скобельцина МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан “ 29 ” апреля 2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 501.001.45, доктор физико-математических наук А.Н. Васильев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Синхротронное излучение (СИ) – излучение релятивистских заряженных частиц, возникающее при их движении по криволинейным траекториям в поперечных магнитных полях, представляет собой физическое явление, которое благодаря своим уникальным свойствам в значительной мере определяет уровень современных экспериментальных исследований в области естественных наук.

Высокая яркость, непрерывный от инфракрасной до рентгеновской области спектр, острая направленность и высокая степень поляризации, возможность точного вычисления характеристик обеспечивают успешное использование этого излучения в качестве рабочего инструмента в оптике и метрологии, физике твердого тела и физике поверхности, кристаллографии, фотохимии и катализе, биологии и медицине, а также в современных технологиях микроэлектроники и микромеханики.

Одним из активно развиваемых в настоящее время направлений использования СИ являются спектральные исследования взаимодействия излучения с конденсированным веществом в области энергий возбуждающих фотонов 10 – 1000 эВ.

Эта энергетическая область интересна тем, что здесь лежит граница между представлениями об оптических возбуждениях твёрдых тел, которые могут быть описаны с помощью феноменологических законов дисперсии оптических констант с привлечением квантово-механических расчётов энергетических зон и вероятностей межзонных переходов и эффектами, возникающими в твёрдых телах при облучении их ионизирующим излучением, приводящем к изменению структуры и различных свойств материалов вследствие перераспределения электронов по энергетическим и пространственным координатам.

Синхротронное излучение обеспечивает получение достоверных экспериментальных данных для интерпретации оптических и фотоэмиссионных свойств твёрдых тел при взаимодействии с фотонами в широком диапазоне энергий с единой точки зрения. Основные характеристики такого взаимодействия определяются процессами диссипации поглощённой энергии в результате совокупности неэлементарных актов релаксации электронных возбуждений (электронов, дырок, экситонов, плазмонов и др.). Вероятность различных путей релаксации этих возбуждений и её зависимость от энергии поглощённых фотонов определяет энергетические пороги возникновения и механизмы люминесценции, фотоэмиссии, дефектообразования и фотохимических процессов в различных материалах, что обуславливает устойчивый интерес к таким исследованиям представителей различных специальностей – физиков, химиков, биологов, технологов и др.

Состояние вопроса.

К моменту начала проведения работ по использования СИ ускорителя «Сириус» в вакуумной ультрафиолетовой области спектра (1972 г.) аналогичные исследования только начинали развиваться в некоторых ускорительных центрах США, Германии (DESY) и Англии (NINA). В Советском Союзе существовал один вакуумный канал для использования СИ в спектроскопии на синхротроне С-60 ФИ им. П.Н. Лебедева АН.

Поэтому исследования по спектроскопии в вакуумной ультрафиолетовой области спектра выполнялись в основном с использованием линейчатых спектров газоразрядных источников излучения с энергиями до 10,2 эВ H2(L), 21,2 эВ He(I) и 40,8 эВ He(II), что ограничивало экспериментальные возможности в этой спектральной области.

В настоящее время в 19 странах мира существует более пятидесяти лабораторий, в которых работают 38 специализированных источников СИ с энергиями от сотен МэВ до 8 ГэВ и еще 35 находятся на разных стадиях строительства и проектирования.

Специализированные источники СИ третьего поколения, имеющие малый эмиттанс излучающих частиц (х, y ~10-9 м·rad), и оснащенные встроенными ондуляторами и виглерами, обладают яркостью превышающей яркость «старых» синхротронов на несколько порядков. Особенно эффективны они в рентгеновской и жесткой рентгеновской областях спектра. Однако СИ в вакуумной ультрафиолетовой области от ускорителей первого поколения по-прежнему представляет интерес для многих исследований и с успехом может использоваться как в научных, так и в образовательных целях.



К настоящему времени с использованием источников СИ накоплен и обобщён обширный экспериментальный материал, который позволяет полнее понят процессы создания в твёрдых телах высокоэнергетических электронных возбуждений (ЭВ), выяснить возможные каналы их локализации и релаксации, построить теоретические модели механизмов люминесценции широкозонных диэлектриков. Однако, несмотря на, то что в исследовании взаимодействия ВУФ-излучения с веществом достигнуты значительные успехи, многие детали процессов происходящих при таком взаимодействии в широком круге материалов остаются неизученными.

Отсутствуют сведения об их эффективности. Из-за экспериментальных трудностей, связанных с зарядкой образца, недостаточно данных фотоэмиссионных измерений, выполненных на массивных диэлектрических образцах.

Цель работы и задачи исследования.

Целью настоящей работы явились экспериментальные исследования оптических и фотоэмиссионных характеристик взаимодействия излучения с веществом в области фундаментального поглощения, используя ВУФ излучение синхротрона «Сириус», а также определение возможностей этого излучения в технологиях изготовления микроструктур.

Для достижения поставленной цели на синхротроне «Сириус» был создан комплекс специализированного спектрального оборудования и аппаратуры с автоматизированной системой управления для измерения спектров отражения, люминесценции и фотоэмиссии твёрдых тел в вакуумной ультрафиолетовой области спектра.

Используя возможности экспериментального спектрометрического комплекса был проведён ряд экспериментальных исследований задачами которых были:

1. Исследовать оптические свойства ниобия в области энергий 5-30 эВ и установить их зависимость от режима высоковакуумного высокотемпературного отжига образцов.

2. Исследовать влияние примесей и условий синтеза на эффективность возбуждения люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсульфидных кристаллофосфоров в области энергий 10-30 эВ.

3. Установить закономерности спектров квантового выхода фотоэмиссии ряда широкозонных кристаллов в области фундаментального поглощения.

Выяснить роль в формировании этих спектров электронных состояний кристалла и катиона, а также процессов релаксации электронных возбуждений.

4. Методами фотоэлектронной спектроскопии исследовать механизмы размножения электронных возбуждений и установить пороговые значения энергий, при которых эти процессы в кристаллах MgO и BeO начинают проявляться.

5. Провести исследования эффективности и разрешающей способности ряда отечественных электронных резистов при использовании их в качестве рентгенорезистов. Измерить пропускание кремневых и полимерных мембран в спектральной области 0,5 -5 нм.

6. Разработать плазменные технологии изготовления рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением (ГРЛ СИ). Методами ГРЛ СИ изготовить опытные образцы микроструктур с аспектным отношением до 100.

7. Исследовать свойства и возможные применения изготовленных микроструктур.

Методы исследования.

В работе использованы спектроскопические методы исследования оптических и фотоэмиссионных свойств кристаллов, а также фотохимических процессов в материалах при литографии с использованием СИ. Для этого на синхротроне «Сириус» были созданы два вакуумных канала СИ оборудованные монохроматорами нормального и скользящего падения, охватывающими волновой диапазон 0,5 - 200 нм. Монохроматоры оснащены высоковакуумными и сверхвысоковакуумными измерительными камерами с рефлектометрами и электронными спектрометрами. Разработана автоматизированная система измерений спектров фотонов и электронов, реализующая разработанные методики проведения экспериментов с СИ от импульсных источников, и позволяющая проводить измерения фотоэмиссионных спектров диэлектриков с компенсацией заряда поверхности образца.

Научные положения выносимые на защиту.

1. Отражательная способность монокристаллов ниобия в области энергий 5 30 эВ обусловлена межзонными переходами, возбуждением плазмонов и уменьшается в среднем на 20% при образовании в процессе высокотемпературного высоковакуумного отжига при температуре t = 2000C и остаточном давлении p = 10-6 Па на поверхности образцов слоя окисла.

2. Эффективность собственной люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсульфидных кристаллофосфоров при их возбуждении в области 12 30 эВ определяется видом примеси, ее концентрацией и условиями синтеза:

– примеси d – элементов (V, Cr, Mn, Fe) в концентрации 10-2 г – атом/моль уменьшают выход люминесценции CaWO4 более, чем на 50%, примеси же Co, Ni, Nb в этой же концентрации приводят к усилению люминесценции CaWO4, которое для Ni при энергиях 20 – 22 эВ достигает 70%;

– усиление собственной люминесценции CaWO4 происходит и при введении в исследуемый люминофор элементов V группы в концентрации 10-2 г–атом/моль, достигая для As более 100%;

– примеси редкоземельных элементов в концентрации 10-2 - 10-3 г-атом/моль образуют центры тушения, уменьшая выход люминесценции CaWO4 на 50%, а в малой концентрации 10-5 – 10-6 г-атом/моль вызывают усиление собственной люминесценции CaWO4;

– наибольшая эффективность процессов размножения электронных возбуждений наблюдается в образцах CaWO4 с примесями Ni, Sb, As;

– интенсивность люминесценции CaS – люминофоров, активированных церием максимальна при концентрации церия 0.05 – 0.06 моль% и зависит от условий препарирования, так внедрение Cl в CaS: Ce или прокалка CaS: PbS в атмосфере серы увеличивает выход люминесценции на 80%.

3. Размножение электронных возбуждений в кристаллах MgO начинается при энергиях возбуждающих фотонов ~19 эВ, а в кристаллах BeO при ~ эВ и происходит вследствие неупругого рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.

4. Особенности спектров отражения и спектров квантового выхода фотоэмиссии кристаллов CsNO3 и КClO3 в области энергий 10 – 30 эВ обусловлены межзонными переходами, катионными электронными состояниями и процессами размножения электронно-дырочных пар, а в спектрах кристаллов NaNO3 и NaClO3 только межзонными переходами.

5. Изготовленные методом глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением регулярные трековые мембраны обладают абсолютной селективностью для частиц и бактерий с размерами большими размеров пор.

6. Эффективность генерации квазимонохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами в кристаллической мишени в геометрии Брегга может быть увеличена на порядок при использовании мишени в виде периодической микроструктуры, сформированной в монокристаллической пластине.

Достоверность защищаемых положений и результатов.

Достоверность полученных результатов достигается:

выбором оптимальных режимов работы детекторов (ФЭУ, ВЭУ, КЭУ и др.), обеспечивающих их линейный отклик на изменение измеряемой интенсивности фотонных и электронных потоков;

применением двулучевых схем регистрации измеряемых спектров;

применением схем синхронизации и стробирования измеряемых сигналов относительно начала цикла ускорения;

калибровкой спектральных приборов с помощью табулированных ВУФ спектров излучения или поглощения газов и применением двойной ионизационной камеры в качестве абсолютного детектора;

использованием автоматизированной системы для измерения, накопления и статистической обработки спектрометрической информации, обеспечивающей точность относительных измерений не хуже 5%;

использованием при фотоэмиссионных исследованиях диэлектрических кристаллов техники компенсации заряда поверхности образца управляемым потоком низкоэнергетических электронов и учетом разности потенциалов образца и энергоанализатора с точностью 0.1 В;

проведением измерений в условиях высокого и сверхвысокого вакуума;

использованием для измерения параметров микроструктур современных оптических и электронных микроскопов;

Достоверность положений, выносимых на защиту, и результатов подтверждается также их многократной воспроизводимостью, проведенными контрольными измерениями ранее изученных объектов и согласием полученных результатов и выводов:

с результатами исследований оптических свойств и электронных характеристик ниобия в видимой (Лексина И.Е., Мотулевич Г.П.) и в вакуумной ультрафиолетовой (Weaver J., Lynch D.) областях спектра (защищаемое положение 1);

с представлениями о принципах формирования спектров возбуждения люминесценции широкощелевых кристаллов в области фундаментального поглощения (Васильев А.Н., Михайлин В.В.) и механизмами «фотонного умножения» (Ильмас Э.Р., Лущик Ч.Б.), базирующимися на обширном экспериментальном материале (защищаемые положения 2,3,4);

с широко используемой трёхступенчатой моделью фотоэмиссии (Spicer W.E.) (защищаемые положения 3,4);

с теоретическими моделями излучения релятивистских электронов в периодических средах и структурах (Тер-Микаэлян М.Л., Амусья М.Я. и др.), а также с результатами измерений характеристик рентгеновского излучения, генерируемого релятивистскими электронами в монокристаллических и составных кристаллических мишенях (Потылицын А.П., Забаев В.Н. и др.) (защищаемое положение 6) Научная новизна защищаемых положений и результатов.

1. Использование СИ позволило впервые провести экспериментальные исследования оптических свойств ниобия в области энергий 5-30 эВ в зависимости от технологии обработки его поверхности.

2. В области энергий 12-30 эВ впервые измерены спектры возбуждения кальцийсульфидных и кальцийвольфраматных кристаллофосфоров с широким классом примесей. Показано, что в данной энергетической области эффективность этих люминофоров определяется видом примеси, ее концентрацией и условиями синтеза. Обнаружена зависимость размножения электронных возбуждений CaWO4 от вида примеси. В СaS – фосфорах в области энергий 24-25 эВ выявлена структура, обусловленная возбуждением катионного экситона.

3. В области энергий 10-30 эВ впервые исследованы фотоэмиссионные характеристики кристаллов MgO и BеO. Определены энергетические пороги и механизмы размножения электронных возбуждений в этих кристаллах.

Измерения проводились с использованием оригинальной техники компенсации заряда, возникающего на поверхности диэлектрического образца при фотоэлектронной эмиссии, пучком низкоэнергетических электронов, защищенной авторским свидетельством.

4. Впервые в области энергий 10-30 эВ впервые измерены спектры отражения и спектры квантового выхода фотоэмиссии кристаллов CsNO3, NaNO3, NaClO3, KClO3, выяснены механизмы формирования этих спектров.

5. Выработаны новые подходы к изготовлению высококонтрастных рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с СИ. Получены и исследованы опытные образцы регулярных трековых мембран с размерами пор от 0,3 мкм, имеющие прозрачность более 20%, при аспектном отношении до 100.

6. В монокристаллических пластинах арсенида галлия изготовлены периодические микроструктуры с аспектным отношением ~10. Применение таких структур для генерации монохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами позволило существенно увеличить выход рентгеновских фотонов по сравнению с выходом фотонов рентгеновского излучения, генерируемого аналогичным электронным пучком в монокристаллической мишени.

Научная ценность.

1. Разработаны методики проведения измерений и алгоритмы обработки результатов при экспериментальных исследованиях оптических и фотоэмиссионных свойств твердых тел в вакуумной ультрафиолетовой области спектра с СИ от импульсных источников, учитывающие влияние постепенного нарастания энергии электронов в процессе цикла ускорения и разброс числа ускоряемых частиц.

2. Создана оригинальная техника компенсации заряда поверхности диэлектрических образцов при фотоэмиссии, позволяющая проводить фотоэмиссионные исследования не только тонких напыленных пленок, но и реальных диэлектрических кристаллов.

3. Методами фотоэлектронной спектроскопии с СИ экспериментально подтверждены значения пороговых энергий начала проявления эффекта «фотонного умножения» в спектрах возбуждения люминесценции кристаллов MgО и BeО, а также показано, что этот эффект обусловлен процессами рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.

4. Выработаны новые подходы к изготовлению рентгеношаблонов с субмикронными размерами топологического рисунка для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением. С использованием этой технологии изготовлены первые опытные образцы микроструктур с аспектным отношением до 100.





5. Экспериментально подтверждена возможность увеличения эффективности генерации квазимонохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами в кристаллах с помощью мишеней в виде периодических микроструктур, сформированных в монокристаллической пластине.

Практическая значимость.

1. Создание комплекса специализированного оборудования и аппаратуры для экспериментов с СИ на ускорителе «Сириус» обеспечивает новые возможности в технике спектроскопии вакуумного ультрафиолета с синхротронными источниками и расширяет круг задач, решаемых с помощью фотонных пучков этой уникальной ускорительной установки.

2. Полученные экспериментальные результаты углубляют знания о процессах взаимодействия вакуумного ультрафиолетового излучения с веществом и могут быть использованы в технологиях изготовления сверхпроводящих резонаторов, эффективных люминофоров для рентгеновских экранов в рентгенографии, катодолюминофоров для электронно-лучевых приборов, а также при разработке новых сцинтилляционных материалов.

3. Результаты исследования полученных опытных образцов регулярных трековых мембран определяют широкий спектр их практического использования от микрофильтрации и низкотемпературной стерилизации до создания эффективных одноразовых систем для плазмафереза, гемосорбции, гемодиализа и др. Такие микромембраны могут быть использованы для калибровки и сертификации мембран других типов.

4. Результаты исследования применения периодических микроструктур, сформированных в монокристаллических пластинах GaAs для генерации рентгеновского излучения релятивистскими электронами открывают практические перспективы получения интенсивных потоков монохроматического рентгеновского излучения с энергией квантов в несколько десятков кэВ, используя недорогие ускорители малых и средних энергий.

Использование результатов работы.

Представленные в работе исследования выполнялись в рамках плана научных исследований АН СССР на 1976 – 1980 г.г. по теме «Создание источников и использование синхротронного излучения для решения различных научных и прикладных задач», а также по теме «Создание оборудования, устройств и аппаратуры для проведения экспериментов с синхротронным излучением ускорителя на энергию 1,5 ГэВ», выполняемой по постановлению правительства РФ.

Исследования по применению микроструктур для генерации рентгеновского излучения поддержаны грантом РФФИ №99-02-16920, а работы по регулярным трековым мембранам грантом РФФИ №01-02-17988.

Результаты работы были использованы в НИИ ядерной физики при ТПУ (Акт внедрения от 17.04.1984 года, утвержденный директором института), в МГУ, ИК РАН (г. Москва), ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск), НИИ ПП (г. Томск), а также могут быть использованы в НПО «Вирион», СГМУ, ТПУ (г.Томск), ФИ РАН, КИСИ (г. Москва), ДЭЛСИ (ОИЯИ г.

Дубна) и в других заинтересованных организациях.

Личный вклад автора в работу.

Диссертация является итогом более чем 25 - летней работы автора по тематике, связанной с использованием СИ в физических исследованиях и технологиях.

Работа была инициирована и на начальном этапе проводилась под руководством директора НИИЯФ при ТПИ чл.-корр. РАН Диденко А.Н. и зав. лаб. 14 Кожевникова А.В. Автором был проведен расчет и анализ характеристик СИ синхротрона «Сириус», разработаны конструкции вакуумных каналов, монохроматоров, сверхвысоковакуумных измерительных камер, электронных спектрометров, а также другого оборудования и аппаратуры для работ с синхротронным излучением.

Сформулированы требования к автоматизированной системе для экспериментов с СИ, разработана ее функциональная схема. Развиты методики измерений и алгоритмы обработки результатов экспериментов.

Изготовление узлов и устройств, их монтаж, наладка и запуск в эксплуатацию всех систем созданного вакуумного спектрометрического комплекса были осуществлены совместно с Кузнецовым Ю.В., Скрипниковым А.А., Шевцовым А.А. и др. сотрудниками лаборатории НИИЯФ при ТПУ.

Эксперименты на больших ускорителях не могут быть выполнены отдельными исследователями. Поэтому работы, результаты которых приведены и обсуждаются в диссертации выполнены коллективами, объединяющими сотрудников как НИИЯФ при ТПУ, так и других институтов и организаций. Все участники этих работ являются соавторами публикаций по теме диссертации.

Автору принадлежит ведущая роль в организации постановки этих работ. Он непосредственно участвовал в проведении всех измерений, обработке, обсуждении и интерпретации полученных результатов.

Апробация работы.

Материалы, изложенные в диссертации, опубликованы в 64 работах, основные из которых приведены в списке публикаций [1-32] и обсуждались на Всесоюзных конференциях «Разработка и практическое применение электронных ускорителей» (Томск, 1972 и 1975 г.г.), на Всесоюзных конференциях по спектроскопии вакуумного ультрафиолета и взаимодействию излучения с веществом (Ужгород, 1975 г., Ленинград, г., Москва, 1982 г., Эзерниеки, Латвийский университет 1986 г., Иркутск, 1989 г., Томск, 1991 г.), на Всесоюзном симпозиуме по активной поверхности твёрдых тел (Тарту, 1977 г.), на Всесоюзном совещании по ускорителям заряженных частиц (Дубна, 1978 г.), на научном семинаре, посвященном 10-летию Ереванского ускорителя (Ереван, 1978 г.), на Всесоюзных совещаниях и Национальных конференциях по синхротронному излучению (Новосибирск, 1975, 1977, 1978, 1980, 1984, 1986, 1988, 1992, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002 г.г.), на Всесоюзных семинарах Комиссии по синхротронному излучению при Президиуме АН СССР (Москва, 1975, 1976, 1978 г.г.), на Всесоюзном семинаре по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях (Новосибирск, 1982 г.), на Всесоюзном симпозиуме «Экзоэлектронная эмиссия и её применение» (Тбилиси, 1985 г.), на Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ташкент, 1984 г., Киев, 1987 г., Ленинград, 1990г.), на Всесоюзной конференции «Локальные рентгеноспектральные исследования и их применение» (Устинов, 1985 г.), на Всесоюзной конференции «Физические процессы в светочувствительных системах на основе солей серебра» (Кемерово, 1986 г.), на Международной конференции по использованию синхротронного излучения (Новосибирск, 1988 г.), на Всесоюзном симпозиуме «Эмиссия с поверхности полупроводников, в том числе экзоэмиссия» (Львов, 1989 г.), на Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучении, нейтронов и электронов для исследования материалов РСНЭ (Дубна, 1999, Москва 2001 г.), на SPIE’s 24th Annual Intern. Symposium Microlithography. (Santa - Clara, California, USA, 1999), на 4th Intern. Conf. of SR Sources and 2th Asian Forum on SR (Pohang, Korea, 1995), на IV Международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 1998 г.), на Международном симпозиуме «Излучение электронов в периодических структурах REPS – 2000» (Иркутск, 2000 г.).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 218 наименований. Содержание диссертации изложено на страницах, включающих 73 рисунка и две таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, научные положения, выносимые на защиту, научная новизна, научная ценность и практическая значимость. Приводятся краткие аннотации содержания глав и основных результатов.

В первой главе приведены основные формулы из теории синхротронного излучения моноэнергетического релятивистского электрона, движущегося по круговой орбите, полученные в работах А.А.

Соколова, И.М. Тернова, Д.Швингера и др., рассмотрены вопросы влияния технических параметров ускорителя на характеристики СИ, а так же описана программа, по которой произведен расчет спектральных, угловых и поляризационных характеристик СИ синхротрона «Сириус».

Проанализированы изменения этих характеристик в зависимости от режимов работы ускорителя. Проведено сравнение их с аналогичными характеристиками других источников СИ в нашей стране.

Из результатов проведенных исследований сделан вывод, что синхротрон «Сириус» является мощным источником с непрерывным спектром в области вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения со степенью линейной поляризации в плоскости равновесной орбиты электронов, достигающей 98%. Спектральная плотность мощности этого излучения составляет величину 10-102 Дж/сек нм в зависимости от длинны волны, и сосредоточена в угле меньшем 3 мрад, относительно плоскости орбиты [1-3]. Такие параметры СИ позволяют эффективно использовать данный ускоритель в качестве источника света для спектральных исследований.

Вторая глава посвящена описанию специализированного оборудования и аппаратуры, разработанных для работ с синхротронным излучением.

В первом параграфе этой главы сформулированы требования к каналам СИ, приводятся схемы расположения и устройства каналов СИ на синхротроне «Сириус» а также дается описание конструкций узлов и систем этих каналов [1-4]. Фотография оборудования каналов СИ в экспериментальном зале приведена на рисунке 1.

Рис.1 Оборудование каналов СИ в экспериментальном зале В следующем параграфе проведен анализ особенностей оптических схем установки на каналы СИ спектральных приборов, описана схема установки на канал СИ серийного вакуумного монохроматора ВМР-2, модифицированного для работ с СИ, приводится описания конструкции высоковакуумного рефлектометра, которым оборудован этот прибор для измерения спектров отражения люминесценции и квантового выхода фотоэмиссии при углах падения излучения от 5 до 85 в двух взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации [4].

В параграфе 2.3 приводится расчет и описание конструкции вакуумного монохроматора нормального падения с вертикальной плоскость дисперсии, разработанного специально для работы с СИ [5]. Монохроматор оборудован сверхвысоковакуумной измерительной камерой, в которой расположены рефлектометр для измерения угловых зависимостей спектров отражения и квантового выхода фотоэмиссии, а так же фотоэлектронный спектрометр с тормозящим полем, имеющий энергетическое разрешение E/E = 100. Фокусировка расходящегося после выходной щели пучка излучения на поверхность образца осуществляется тороидальным зеркалом с золотым покрытием, фототок с которого регистрируется детектором, собранным из двух микроканальных пластин МКП-28-19. Величина этого тока пропорциональна падающей на зеркало интенсивности излучения и используется в качестве опорного сигнала при нормировке спектров.

В конце этого параграфа описаны эксперименты по определению эффективности, волнового разрешения и калибровке этого спектрального прибора с помощью двойной ионизационной камеры. Полученные результаты позволяют сделать заключение, что созданный монохроматор в рабочей спектральной области 40-180 нм имеет разрешение 0,2-0,3 нм и способен давать за выходной щелью поток квазимонохроматических фотонов до 1010 фотон/сек нм, при энергии 900 МэВ и токе в 50 мА.

Параграфы 2.4 и 2.5 посвящены описанию автоматизированной системы для экспериментов с СИ, построенной на базе мини-ЭВМ с магистральной организацией подключения внешних устройств и созданного программного обеспечения [6,7]. С помощью этой автоматизированной системы производится программное управление измерениями и первичная обработка спектров отражения, квантового выхода фотоэмиссии, а также спектров возбуждения люминесценции и фотоэлектронных спектров как в режиме измерения токов, так и в режиме счета отдельных фотонов или электронов. Аппаратные средства и программное обеспечение системы реализуют разработанные экспериментальные методики и алгоритмы, которые уменьшают влияние на результаты измерений нестабильностей параметров пучка СИ, проявляющихся вследствие импульсного характера работы ускорителя, и обеспечивают возможность измерения каких-либо двух из указанных выше спектров одновременно с относительной точностью не менее 5%. После окончания измерений полученные данные могут быть выведены для документирования на принтере или графопостроителе, а также для хранения на внешних накопителях.

Третья глава посвящена изложению экспериментальных результатов по изучению оптических свойств твердых тел в области энергий от 5 до эВ с использованием СИ.

В первом параграфе дается краткий обзор методов определения оптических констант и приводится описание составленной программы для вычисления этих констант из спектров отражения с использованием дисперсионных соотношений Крамерса-Кронига и формул Френеля.

Программа позволяет вычислять действительную и мнимую части комплексной диэлектрической проницаемости, функции характеристических объемных и поверхностных потерь, а также эффективное число электронов, дающих вклад в поглощение при частотах меньше заданной. Эта программа была использована при изучениях оптических свойств ниобия в области энергий 5-30 эВ, с целью определения состояния его поверхности после различных приемов ее технологической обработки при изготовлении из ниобия сверхпроводящих резонаторов (СПР). Результаты этих исследований [8,9], изложенные во втором параграфе этой главы, показали, что после электрохимической полировки и отжига в вакууме 10-8 Па при температуре 2000 С на поверхности ниобия окисной пленки не образуется. Этот факт позволяет классифицировать такой режим рафинирования поверхности сверхпроводящих ниобиевых резонаторов как оптимальный, поскольку увеличение остаточного давления при отжиге до 10-6 Па приводит к образованию на поверхности ниобия окисной пленки, что существенно понижает добротность изготовленного из него СПР.

Спектры отражения ниобия после различных режимов технологической обработки приведены на рис.2.

Рис.2 Спектры отражения ниобия 1 – до высокотемпературного отжига, 2 – после высокотемпературного отжига при t=2000 C и р=10- Па, 3 – после высокотемпературного отжига при t=2000 C и р=10- Па Отражательная способность ниобия, которая при 5 эВ составляет 50%, с увеличением энергии фотонов начинает равномерно спадать до 10,3 эВ, имея плечо при 7,5 эВ. Затем следует подъем коэффициента отражения, который имеет два максимума при 11,8 эВ и 16,8 эВ, с дальнейшим уличением энергии падающих фотонов коэффициент отражения равномерно уменьшается до минимума при 27 эВ.

Вычисленные из измеренного спектра отражения спектры действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости, а также характеристические функции объемных и поверхностных потерь позволили сопоставить особенности в полученных спектрах с межзонными переходами и коллективными возбуждениями – плазмонами.

Структура в спектрах отражения ниобия и спектрах мнимой части диэлектрической проницаемости 2 в области энергий 5-30 эВ может быть объяснена межзонными переходами. Переходы из заполненных 4d – состояний на свободные, разрешенные в твердых телах, вследствие их перемешивания с состояниями другой симметрией, определяют структуру в спектрах R(E) и 2(Е) до 10,3 эВ. После окончания 4dd переходов дальнейший подъем в спектрах можно связать с 4df переходами. После окончания 4df переходов, которое проявляется в минимуме при 27 эВ, дальнейший подъем в ходе наших спектров можно связать с началом переходов с первого уровня остова ниобия.

В параграфе 3.3 излагаются результаты исследования спектров возбуждения люминесценции кальцийвольфраматных и кальцийсульфидных люминофоров в области энергий 10-30 эВ [10,11].

В первой части этого параграфа обосновывается необходимость исследования возбуждения люминесценции в области фундаментального поглощения указанных кристаллофосфоров и использования для этих целей СИ. Далее приводятся результаты исследования спектров возбуждения вольфрамата кальция, активированного переходными d – элементами (V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni) и элементами V-ой группы с концентрацией 10-2 г-атом/моль, редкоземельными элементами с концентрацией в пределах от 10-6 до 10-2 г атом/моль.

Полученные результаты показывают, что эффективность возбуждения люминесценции CaWO4 определяется видом примеси и зависит от ее концентрации в люминофоре. Так примеси ряда переходных d – элементов (V, Cr, Mn, Fe) в концентрации 10-2 г-атом/моль является сильными тушителями собственной люминесценции CaWO4. Они снижают ее более чем на 50%. С другой стороны примеси таких элементов как Co, Ni, Nb в такой же концентрации позволяют осуществлять возбуждение люминесценции более эффективно. При энергиях 22-30 эВ для этих примесей наблюдается переход от тушения собственной люминесценции к ее усилению, которая для никеля достигает 70%. Еще большее усиление собственной люминесценции CaWO4 происходит при введении в исследуемый люминофор примесей элементов V-группы, достигая для As более 100%. Во всех полученных спектрах проявляются характерные для вольфрамата кальция в этой спектральной области особенности, обусловленные возбуждением поверхностного (17,5 эВ) и объемного (23, эВ) плазмонов, катионного экситона (25 эВ) (Гурвич А.М., Михайлин В.В).

Возрастание квантового выхода люминесценции начиная с 18 эВ можно также обяснить началом размножения электронных возбуждений. Наиболее характерно это явление наблюдается в спектрах возбуждения люминесценции CaWO4 с примесями Ni, Sb, As. В этих спектрах возрастание выхода люминесценции происходит ступенчато с перегибами кривой при 18 -20 эВ, 23 – 26 эВ, 29 – 30 эВ, что соответствует энергиям, кратным ширине запрещённой зоны CaWO4 (Eg 6.3 эВ).

Существенное влияние на эффективность люминесценции CaWO оказывают и примеси редкоземельных элементов, которые при концентрации 10-2 – 10-3 г-атом/моль образуют центры тушения, уменьшая выход люминесценции на 50%, а при концентрациях 10-5 – 10-6 г-атом/моль образуют центры свечения, что приводит к усилению собственной люминесценции CaWO4.

В заключительной части этого параграфа приведены результаты исследования спектров возбуждения CaS – люминофоров, активированных церием в пяти различных концентрациях с добавлением хлора, а также свинцом и его соединениями PbO, PbCl2, PbS, которые показывают, что эффективность таких люминофоров зависит от условий препарирования. Так внедрение хлора в CaS:Ce обеспечивает увеличение квантового выхода люминесценции до 80%. Такое же значение квантового выхода имеет люминофор CaS:PbS, прокалённые в атмосфере серы. Результаты исследования зависимости эффективности CaS:Ce от концентрации активатора позволили определить оптимальное значение концентрации церия, которое составляет 0.05 – 0.06 моль%. Ход спектров возбуждения люминесценции исследованных CaS фосфоров в области энергий больше эВ свидетельствуют о наличии процессов размножения электронных возбуждений, что проявляется в резком увеличении квантового выхода люминесценции. В области энергий 24 эВ в спектрах проявляется структура, обусловленная возбуждением катионных экситонов.

В четвёртой главе излагаются результаты исследований электронных возбуждений и процессов их размножения в диэлектрических кристаллах в области энергий 10 – 30 эВ. Эти исследования были проведены методами фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС) с использованием непрерывного спектра синхротронного излучения, что позволило получить как распределения фотоэлектронов по энергиям при заданных энергиях возбуждающих фотонов, так и спектры квантового выхода фотоэлектронов, имеющих различную энергию.

В первом параграфе этой главы отмечаются преимущества методов ФЭС с синхротронным излучением для исследования электронных возбуждений и описаны экспериментальная техника и оригинальные, защищенные авторским свидетельством, методики наших измерений фотоэлектронных спектров диэлектриков с компенсацией зарядки образца управляемым потоком низкоэнергетических электронов [12 -14].

В параграфе 4.2 приводятся результаты фотоэмиссионных исследований кристалла окиси магния. Измерения проводились при остаточном давлении 5·10-8 Па и температуре 300оК с помощью анализатора с тормозящим полем. В качестве образца использовался монокристалл MgO, выращенный в ИФ АН ЭССР[12]. Измеренные спектры приведены на рис.3.

U3 = 50 B U3 = 0 B Рис.3. Спектры квантового U3 = -1 B выхода фотоэмиссии U3 = -2 B кристалла MgO при различных задерживающих U3 = -3 B потенциалах U3 = -3,5 B Эмисс U3 = -4 B U3 = -5 B, эВ Ход спектров квантового выхода фотоэмиссии свидетельствует о появлении вторичных электронно-дырочных пар. Энергия, при которой в спектрах начинают проявляться эти процессы Et=19эВ, соответствует пороговой энергии, рассчитанной для MgO по элементарной теории размножения электронно-дырочных пар, с учетом законов сохранения энергии и квазиимпульса при условии, что генерация вторичных электронных возбуждений происходит при неупругом рассеянии первичных высокоэнергетических фотоэлектронов на валентных электронах. Энергия первичных фотоэлектронов вследствие этого рассеяния уменьшается на несколько электрон-вольт, и они уже не могут выйти в вакуум, что и приводит к уменьшению квантового выхода фотоэмиссии. При дальнейшем повышении энергии возбуждающих фотонов, энергия как рассеянных, так и вторичных электронов становится достаточной для преодоления поверхностного потенциального барьера, и тогда на один поглощенный фотон возможен выход нескольких фотоэлектронов, что и обуславливает возрастании квантового выхода.

Начало неупругого электрон-электронного рассеяния непосредственно проявляется в распределениях фотоэлектронов по энергиям, измеренных при энергиях возбуждающих фотонов от 18,8 эВ до 27,5 эВ. При энергиях от 18,8 до 20 эВ эти распределения образованы фотоэлектронами вышедшими в вакуум из валентной зоны не претерпев рассеянья. Об этом свидетельствует тот факт, что максимум распределений при увеличении энергий возбуждения от 18,8 до 20 эВ сохраняет свое положение. При дальнейшем повышении энергии фотонов максимум энергетического распределения фотоэлектронов начинает сдвигаться в сторону меньших энергий, что объясняется уменьшением числа высокоэнергетических электронов, а в низкоэнергетической области начинает проявляться широкий бесструктурный пик, соответствующий выходу рассеянных электронов. При энергии возбуждающих фотонов 27,5 эВ в энергетическом распределении фотоэлектронов четко выражены две структуры. Осуществляется как бы перекачка высокоэнергетических фотоэлектронов в большее число низкоэнергетических. Эти результаты доказывают наличие размножения электронно-дырочных пар в кристалле окиси магния, которое происходит вследствие неупругого рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.

Полученные результаты позволяют также сделать оценку ширины валентной зоны. Поскольку размножение электронно-дырочных пар начинается при энергиях, больших двух ширин запрещенной зоны, тогда Eg Ev, то есть ширина валентной зоны меньше 7,8 эВ. Оценивая ширину валентной зоны из полученных распределений электронов по энергиям и по пороговым энергиям начала процессов размножения, из наших данных можно заключить, что эта величина лежит в пределах 5-6 эВ, что согласуются с данными, полученными другими методами.

Таким образом, проведение исследования кристалла окиси магния методами отражательной и фотоэлектронной спектроскопии позволили экспериментально доказать, что размножение электронных возбуждений в этих кристаллах начинается с энергии возбуждающих фотонов равной эВ и происходит вследствие неупругого рассеяния первичного фотоэлектрона на валентных электронах кристалла. Полученные оценки ширины запрещенной и валентной зоны и характер спектра отражения кристалла MgO находятся в согласии с данными, полученными другими авторами. Это обстоятельство дает уверенность в достоверности полученных результатов.

В параграфе 4.3 приводятся результаты измерений спектров отражения и фотоэлектронных спектров кристалла окиси бериллия. Измерения проводились с целью установления порогов и механизма размножения электронных возбуждений в этих кристаллах.

Наличие фотонного умножения в спектрах возбуждения люминесценции кристалла BeO было выявлено при измерениях на синхротроне С-60 ФИ РАН (Колобанов В.Н. и др.) и на накопителе ВЭПП 2М (Пустоваров В.А. и др.).

Результаты наших измерений фотоэлектронных спектров кристалла ВеО в области энергии возбуждающих фотонов от 11,7 эВ до 24 эВ приведены на рис.4.

фотовыход, отн. ед.

\ Рис.4. Фотоэлектронные спектры кристалла окиси бериллия для энергии возбуждающих фотонов от 11. зВ до 22.5 эВ.

Екин, эВ Из полученных спектров следует, что при энергиях возбуждения 23 эВ в кристаллах окиси бериллия начинаются процессы размножения электронных возбуждений вследствие неупругого элетрон-электронного рассеяния, что и приводит к возрастанию квантового выхода люминесценции. Из полученных распределений фотоэлектронов также следует, что ширина валентной зоны ВеО ЕV = 8,5 эВ, а ширина запрещенной зоны Eg = 10,63 эВ. Эти значения соответствуют ранее полученным данным и расчетам. В заключительном параграфе четвёртой главы приведены результаты измерений спектров отражения и спектров квантового выхода фотоэмиссии в области энергий 10 – 30 эВ для кристаллов CsNO3, NaNO3 и KClO3 (Рис. 5-7).

Структура спектров отражения CsNO3 (Рис. 5) в области 12-18 эВ выявлена впервые. Здесь можно выделить четыре пика при энергиях 13,4;

15,4;

16,4 и 18,4 эВ. Энергетическому положению полученных особенностей соответствует начало переходов с первого уровня остова Cs+5p, энергия которого соответствует 13 эВ.

Поскольку ширина валентной зоны Ev CsNO3 точно неизвестна, можно предположить, что на начало переходов с уровня остова могут быть наложены полосы, обусловленные переходами с нижней части валентной зоны. Для выяснения таких возможностей была измерена спектральная зависимость квантового выхода фотоэмиссии.

Красная граница фотоэмиссии Et = Eg + Ea, где Ea - электронное сродство (для CsNO3 Ea0,5 эВ ), лежит при 7,5 эВ, после чего начинается резкий рост фотовыхода, на фоне которого проявляются особенности, коррелирующие с положением особенностей в спектре отражения.

Эти особенности можно связать с плотностью электронных состояний в валентной зоне. С дальнейшим ростом энергии возбуждающих фотонов рост квантового выхода фотоэмиссии продолжается. Нет провала в его ходе и при энергии возбуждении Eћ = 2Eg, которая является пороговой для начала процессов электрон-электронного рассеяния.

Провал в росте фотовыхода наблюдается только при энергиях возбуждающих фотонов Eћ = 3Eg, а при Eћ = 3(Eg + Еа) опять начинается его возрастание, что свидетельствует о начале размножения электронных возбуждений вследствие электрон-электронного рассеяния.

В спектре отражения NaNO3 (Рис. 7) хорошо выражен пик при 9,5 эВ.

Этот пик связывается с возбуждением нитрат-иона, уровни которого образуют верхнюю часть валентной зоны. Затем следует область с маловыраженной структурой 12-38 эВ, где все же можно выделить особенности при 14,8;

17,6 и 29 эВ. Эти особенности определяются межзонными переходами из валентной зоны в зону проводимости. При энергиях свыше 30 эВ подъем в спектре отражения можно объяснить началом переходов с уровня Na+2р.

В области энергий возбуждающих фотонов 12-18 эВ продолжается быстрое нарастание квантового выхода, на фоне которого проявляются знакомые по спектрам отражения особенности при 14,8 эВ и 17,6 эВ, а после 18 эВ2Eg начинается резкий провал в спектре, после которого величина квантового выхода фотоэмиссии монотонно уменьшается вплоть до 30 эВ.

Увеличения выхода фотоэмиссии, которое можно бы связать с проявлением процессов размножения элементарных возбуждений в измеренном спектре не наблюдается.

Такой же характер имеет и спектр квантового выхода кристалла хлората натрия, для которого красная граница фотоэмиссии определена в 9, эВ.

Спектр отражения кристалла KClO3 (Рис. 6) имеет ряд особенностей при энергиях 14,2 и 15 эВ, затем наблюдается провал, за которым следует пик в виде дублета при 19,8 и 20,3 эВ. Ступенька при 22,3 и широкий пик с максимумом при 26,3 эВ.

Подъем в спектре отражения в области энергий 12-16 эВ определяется межзонными переходами из нижней части валентной зоны в зону проводимости, а структура в этой области определяется плотностью состояний в нижней части валентной зоны, которая образована p и d орбиталями хлора. Провал в спектре отражения от 16 до 19 эВ соответствует расстоянию от дна валентной зоны до К+ 3р-уровня катиона.

Проявляющийся в спектре отражения при энергиях фотонов 19,8 и 20,3 дублет, характерен также для всех галогенидов калия, где он связан с возбуждением катионных экситонов. В нашем случае мы имеем дело также с возбуждением катионных экситонов, а затем при энергиях больших 24 эВ, наблюдаются переходы с К+ 3р-уровня остова в зону проводимости на 4s уровни калия, т.е. переходы К(3р)К(4s).

Резкий рост фотоэмиссии кристалла хлората калия начинается при энергии 8,5 эВ, что хорошо согласуется с более ранними измерениями. На участке 12-16 эВ на фоне продолжающего роста квантового выхода проявляются особенности, связанные с плотностью состояний в валентной зоне. Эти особенности коррелируют со структурой спектра отражения.

При энергии возбуждения Eћ = 2Eg (где Eg – ширина запрещенной зоны) равной 16 эВ в спектрах квантового выхода фотоэмиссии наблюдается небольшой провал. Эта энергия является пороговой для начала процессов электрон-электронного рассеяния. Однако, как следует из спектра, этот процесс идет с малой эффективностью. Начиная с Eћ = 3Eg в спектре квантового выхода имеется еще один провал, который согласно с элементарной теорией размножения возбуждений в кристаллах (ЛущикЧ.Б.) можно характеризовать как начало электрон-электронного рассеяния с участием дырок.

Rотн.ед Yотн.ед 3Eg CsNO3 2Eg 15, 16. + 5 p 13 eV Cs x4 18. 13. Eg+Ef 8 24 (eV) 16 (eV) a) б) Рис. 5. Спектр отражения (а) и спектр квантового выхода фотоэмиссии (б) кристалла CsNO Yотн.ед Rотн.ед + 3 p 20 eV K 2Eg KClO 3Eg 14, 19.8 20. 26. Eg+Ef 10 30 (eV) 10 20 (eV) a) б) Рис. 6. Спектр отражения (а) и спектр квантового выхода фотоэмиссии (б) кристалла KСlO R,Yотн.ед NaNO + 2 p 33 eV Na 17, 14. x (eV) 10 Рис. 7. Спектр отражения ( ) и спектр квантового выхода фотоэмиссии ( ) кристалла NaNO В пятой главе излагаются результаты экспериментальных работ по рентгеновской литографии с синхротронным излучением.

Во введении к главе рассмотрены основные преимущества синхротронного излучения для рентгеновской литографии. Затем описывается конструкция специализированного канала для рентгеновской литографии на синхротроне «Сириус». Канал оборудован камерой экспонирования и рентгеновским спектрометром РСМ – 500 [18 - 19].

Камера экспонирования установлена на расстоянии 12 метров от точки излучения в специальном экспериментальном зале. На таком расстоянии плотность потока излучения в спектральном диапазоне (1 -10 нм) составляет 70 мВт/см2 при величине тока в ускорителе 50 мА. В камере экспонирования имеется устройство для протягивания экспонируемых пластин в вертикальной плоскости относительно оси пучка излучения, обеспечивающее равномерность облучения всей площади пластины мм, при вертикальном размере пучка СИ 10 мм.

Первые эксперименты по экспонированию синхротронным излучением отечественных электронных резистов ЭРП-40, ЭРН-14, ЭЛП-9 и ЭЛП-20 показали, что исследованные резисты обладают неплохими характеристиками для использования их в рентгенолитографии, обеспечивая при экспозиционных дозах в несколько Дж/см2 пространственное разрешение 0.1 – 0.2 мкм.

На рентгеновском спектрометре РСМ – 500 измерено пропускание кремниевых и полимерных мембран для рентгеношаблонов. Показано что кремниевые мембраны толщиной 2.5 мкм пропускают до 30% от падающего потока излучения в спектральном диапазоне 0.2 – 0.3 нм.

Эти данные легли в основу создания рентгеношаблонов на основе кремниевых мембран с маскирующим слоем из золота. С использованием таких шаблонов были получены пропечатки в слоях резистов фрагментов реальных микросхем с субмикронными размерами элементов и изготовлены опытные образцы регулярных трековых полимерных мембран с размерами пор от 0.3 мкм.

Методы изготовления, возможные применения и результаты исследования свойств регулярных трековых мембран изложены в параграфе 5.3 [20 – 23, 26, 27].

Опытные образцы регулярных трековых мембран с размерами пор 0.3 мкм и 0.5 мкм были изготовлены методом глубокой рентгеновской литографии на канале СИ накопителя ВЭПП 3 ИЯФ СО РАН из лавсановой плёнки толщиной 2 мкм,6 мкм и 10 мкм.

Экспонирование плёнок проводилось при энергии Рис. 8 Регулярная трековая лавсановая электронов в накопителе 1.2 ГэВ и мембрана (опытный образец) Толщина мембраны 6 мкм, размер пор 0,54 мкм, разброс размера пор ± 4 % накопленном токе 100 мА. Экспозиционная доза составляла (1–2.5)• Дж/см3.

РЭМ – фотографии полученных структур приведены на рис.8.

Результаты исследования разброса размеров пор и селективной способности регулярных мембран свидетельствуют, что для частиц и бактерий с размерами большими размеров пор регулярные трековые мембраны обладают абсолютной селективностью [21].

Это обуславливает широкие возможные применения регулярных трековых мембран в медицине, микробиологии и фармакологии. Такие мембраны могут также использоваться как эталонные при сертификации мембран других типов.

При изготовлении регулярных полимерных мембран для низкотемпературной стерилизации необходимы рентгеношаблоны с окнами диаметром менее 0,2 мкм в маскирующим поглощающем слое толщиной более 1 мкм. Изготовить бездефектные шаблоны с такой топологией на кремниевой мембране с поглощающим слоем из золота, наносимого гальваническим методом не удавалось. Поэтому было предложено изготавливать рентгеношаблоны для глубокой рентгеновской литографии методом плазменного травления окон в металле, который обладая высокой поглощающей способностью рентгеновского излучения, удовлетворял бы технологическим условиям процессов плазмохимической обработки. С этих точек зрения подходящими характеристиками обладает тантал. Для тантала и были разработаны нами плазменные технологии получения металлических рентгеношаблонов толщиной 1-3 мкм, с окнами, заращиваемыми методами плазмохимического осаждения до диаметров меньших 0.2 мкм [23 – 25, 27].

В параграфе 5.4 приводится описание основных операций изготовления Ta–рентгеношаблонов и результаты их тестирования на станциях рентгеновской литографии и EXAFS – спектроскопии накопителя ВЭПП -3.

В заключительном параграфе пятой главы приводятся результаты по использованию периодических микроструктур с большим аспектным отношением, сформированных в кристаллических пластинах арсенида галлия для генерации монохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами [23 - 31].

Технология формирования периодических микроструктур в кристаллах арсенида галлия с линейными размерами топологического рисунка от единиц микрометров и глубиной профиля до 100 микрометров была создана в рамках работ по разработке методов глубокой рентгеновской литографии и элементов LIGA – технологии. Полученные структуры предполагается использовать в качестве шаблонов для глубокой рентгеновской литографии, для изготовления детекторов рентгеновского излучения с пространственным разрешением лучше 50 мкм, элементов рефракционной рентгеновской оптики, генерирующих структур и других устройств.

Основой разработанной технологии является использование при плазмохимическом травлении трёхслойной маски из слоёв диоксида кремния, толщиной 6.5 мкм, меди и позитивного фоторезиста толщиной 0.8999 – 1 мкм. Топологический рисунок, изготовляемой структуры, формировался в фоторезисте методом контактной литографии с использованием шаблона, изготовленного на электронном литографе ZBA - 20.

Полученные по такой технологии сотовые структуры с глубиной профиля до 80 мкм были использованы в качестве шаблонов для изготовления методом LIGA – технологии структурированных рентгеновских экранов с высоким пространственным разрешением.

Шаблоны имели достаточно высокую контрастность и малую дефектность.

Структуры в виде периодической гребенки с периодом 43 мкм и глубиной профиля до 100 мкм (рис.9) были использованы нами в качестве мишеней для генерации монохроматического рентгеновского излучения с энергией 27 кэВ внутренним пучком синхротрона «Сириус» с энергией МэВ.

Рентгеновский источник, имеющий такую мишень, комбинирует два известных принципа генерации рентгеновского излучения релятивистскими электронами. При пересечении электронным пучком гребней структуры мишени под углом Брегга относительно кристаллографической плоскости (400) излучается параметрическое рентгеновское излучение (PXR). На поверхностях гребней генерируются и излучаются в узкий конус вокруг оси пучка электронов в направлении вперёд фотоны переходного излучения (TR). Благодаря Рис.9. Периодическая структура динамической дифракции TR на в кристалле GaAs (период 10мкм глубина 100 мкм) кристаллографических плоскостях последующих гребней возникает монохроматическое рентгеновское излучение также и в Брэгговском направлении. Это дифрагированное переходное излучение (DTR).

При этом число участвующих в генерации гребней структуры H N= ctg L определяется как, где Н – высота гребня, L – период структуры, 0- угол падения электронного пучка на мишень. В наших экспериментах N было равно 20.

Измерения проводились при энергии ускоренных электронов 500 МэВ.

Электронный пучок имел угловую расходимость 10-4 рад и разброс по энергии 0.5%.

Мишень, закреплённая в гониометре, размещалась вблизи равновесной орбиты на прямолинейном участке вакуумной камеры синхротрона.

Измерения проводились при двух положениях мишеней по высоте: на части мишени с вытравленной периодической структурой – «профилированная часть» и на части мишени, на которой периодическая структура отсутствовала – «непрофилированная часть».

Поток рентгеновского излучения состоящий из дифрагированного переходного излучения – DTR и параметрического рентгеновского излучения – PXR регистрировался CdTe полупроводниковым детектором, установленным под углом d = 19 к направлению электронного пучка.

Расстояние между мишенью и детектором составляло 245 см. Апертура детектора 4 мм2, энергетическое разрешение 0.4 кэВ. Результаты измерений представлены на рис.10. Измерения показывают существенную разницу между интенсивностью рентгеновского излучения от профилированной и непрофилированной части мишени. Значительно более интенсивный пик от профилированной части мишени объясняется большим выходом фотонов DTR. Угловой размер конуса DTR зависит от параметров периодической структуры и уменьшается с увеличением числа работающих периодов.

Рис. 10 Ориентационная зависимость выхода рентгеновских фотонов с энергией 27 кэВ 1. от профилированной части мишени.

2. выход фотонов параметрического рентгеновского излучения 3. разность зависимостей 1 и 2.

Таким образом, проведённые измерения показали, что при прохождении пучков релятивистских электронов через кристаллическую мишень с периодической микроструктурой с большим аспектным отношением в геометрии Брегга испускается интенсивное монохроматическое рентгеновское излучение, представляющее собой сумму PXR и DTR, причем даже не очень большое число работающих периодов такой структуры позволяет существенно увеличить выход излучения по сравнению с использованием в качестве мишеней монокристалла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Сформулируем основные выводы, следующие из результатов данной диссертационной работы и определяющие её научную новизну и практическую ценность.

1. Получены численные значения характеристик синхротронного излучения ускорителя «Сириус», которые показывают, что данный ускоритель является мощным источником вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения (10-102 Дж/нм·с) с непрерывным спектром (=0,5 103нм), острой направленностью (3 мрад), высокой степенью поляризации (98% в плоскости орбиты) и может быть с успехом использован в качестве источника света для спектральных исследований взаимодействия этого излучения с веществом.

2. На синхротроне «Сириус» создан комплекс специализированного экспериментального оборудования и аппаратуры с автоматизированной системой управления для экспериментов с синхротронным излучением по изучению оптических и фотоэмиссионных свойств твёрдых тел в вакуумной ультрафиолетовой области спектра в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, позволяющий проводить эти исследования параллельно и независимо от других экспериментов, ведущихся на ускорителе.

3. Предложены и реализованы экспериментальные методики и алгоритмы обработки результатов измерений, которые существенно уменьшают влияние на полученные экспериментальные данные нестабильностей параметров пучка синхротронного излучения, проявляющихся вследствие импульсного режима работы ускорителя, и позволяют проводить фотоэмиссионные измерения диэлектриков с компенсацией заряда поверхности образца управляемым потоком низкоэнергетических электронов.

4. С использованием синхротронного излучения ускорителя «Сириус»

исследованы спектры отражения ниобия в области энергий 5 – 30 эВ, получены его оптические функции и функции характеристических потерь.

Результаты этих исследований позволили оптимизировать режимы технологической обработки ниобия при изготовлении из него высокодобротных сверхпроводящих резонаторов.

5. Впервые проведены экспериментальные исследования высокоэнергетического возбуждения собственной люминесценции вольфрамата кальция с широким классом примесей. Показано, что в области энергий 12–30 эВ эффективность собственной люминесценции CaWO4 в значительной мере определяется видом примеси и зависит от её концентрации. В указанной энергетической области обнаружена зависимость процессов размножения электронно-дырочных пар от вида примеси, что позволяет поднять эффективность исследуемого люминофора с примесями таких элементов как мышьяк, сурьма, кобальт, никель и ниобий в 1.5 – 2 раза. Этот результат может быть рекомендован для использования в технологии изготовления более эффективных рентгеновских медицинских экранов с высокой разрешающей способностью.

6. В области энергий 12 – 30 эВ исследовано возбуждение люминесценции кристаллофосфоров на основе сульфида кальция. Показано, что эффективность таких люминофоров зависит от условий препарирования. Так внедрение хлора в CaS : Ce обеспечивает увеличение квантового выхода люминесценции на 50 – 80%. Проведено исследование зависимости эффективности CaS – люминофора в зависимости от концентрации активатора Ce. Показано, что оптимальное значение концентрации активатора составляет 0.05 – 0.06 моль%. Обнаружено, что при энергиях возбуждения Eв больших 16 эВ (Eв 3Eg) в CaS наблюдается размножение электронно-дырочных пар.

7. Впервые проведены исследования кристаллов окиси магния и окиси бериллия методами фотоэлектронной спектроскопии с использованием синхротронного излучения. Результаты этих исследований позволили доказать, что размножение электронных возбуждений в кристаллах MgO начинается при энергии возбуждающих фотонов ~19 эВ, а в кристаллах окиси BeO – при 23 эВ, и происходит вследствие неупругого рассеяния первичных фотоэлектронов на валентных электронах кристалла.

8. Впервые в области энергий 10 – 30 эВ были измерены спектры отражения и спектры квантового выхода фотоэмиссии кристаллов CsNO3, NaNO3, NaClO3, KClO3, определены особенности в этих спектрах. Показано, что в этой области энергий эти особенности обусловлены катионными электронными состояниями и процессами размножения электронных возбуждений.

9. На канале рентгеновской литографии проведены эксперименты по экспонированию ряда отечественных электронных резистов синхротронным излучением. Показано, что разрешающая способность этих резистов при использовании их в рентгенолитографии не хуже 0,2 мкм. Измерено пропускание кремниевых и полимерных мембран в спектральной области 0.5 – 5 нм, применяемых в качестве подложек традиционных рентгеношаблонов с маскирующим слоем из золота.

10. Выработаны новые подходы к изготовлению высококонтрастных рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением. Получены и исследованы опытные образцы регулярных трековых мембран с размерами пор от 0.3 мкм. Измерена их селективная способность. Для частиц и бактерий с размерами большими размеров пор регулярные мембраны обладают абсолютной селективностью.

11. В монокристаллических пластинах арсенида галлия изготовлены периодические микроструктуры с аспектным отношением ~10. Применение таких структур в качестве мишеней для генерации монохроматического рентгеновского излучения релятивистскими электронами позволило существенно увеличить выход рентгеновских фотонов по сравнению с выходом рентгеновских фотонов от монокристаллической мишени, испускаемых в направлении Брегга.

Результаты по теме диссертации опубликованы в 64 работах, основные из них следующие:

1. Диденко А.Н, Кожевников А.В., Никитин М.М., Тимченко Н.А. Тракт синхротронного излучения для спектроскопии вакуумного ультрафиолета // ПТЭ. - 1974. - № 4. - C. 20-22.

2. Диденко А.Н, Кожевников А.В., Никитин М.М., Тимченко Н.А.

Использование синхротронного излучения ускорителя «Сириус» в области вакуумного ультрафиолета // Ускорители заряженных частиц;

Труды НИИ ЯФ при ТПИ.- М..: Атомиздат. 1973. - вып. 3. - C. 60-63.

3. Диденко А..Н., Кожевников А.В., Медведев А.Ф., Никитин М.М., Скрипников А.А., Тимченко Н.А. Работы с синхротронным и ондуляторным изучением на синхротроне «Сириус» // Труды VI Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. - Дубна: ОИЯИ, 1979. - Т. 1. - С. 229 232.

4. Кожевников А.В., Тимченко Н.А. Модификация вакуумного монохроматора ВМР-2 для работы с синхротронным излучением // ПТЭ. 1980. - № 6. - С. 140-141.

5. Кожевников А.В., Тимченко Н.А. Монохроматор нормального падения для работ с синхротронным излучением в области 40-180 нм. // ПТЭ. -1982. № 2. - С. 185-187.

6. Shevtsov A.A., Timchenko N.A. An automated system for experiments with synchrotron radiation // Nuclear Instruments and Methods in phys. research А. 1989. - V.282. - Р. 732-733.

7. Преслер В.Т., Тимченко Н.А.., Шевцов А.А. Математическое обеспечение системы автоматизации эксперимента с использованием синхротронного излучения. // Тезисы докладов II Всесоюзного семинара по автоматизации научных исследований в ядерной физике и смежных областях. - Новосибирск. - ИЯФ СО АН СССР. - 1982. - С. 204-205.

8. Кожевников А.В., Михайлов Л.В., Тимченко Н.А. Использование синхротронного излучения для исследования поверхностных свойств сверхпроводников. // Сверхпроводники и их использование в ускорительной технике. Труды НИИ ЯФ при ТПИ им. С.М.Кирова. - М.: Атомиздат. - 1975.

- вып.5. - С. 36-39.

9. Кейб А.К., Кожевников А.В., Севрюкова Л.М., Тимченко Н.А.

Оптические свойства ниобия и его окислов в области ВУФ. // Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции по спектроскопии вакуумного ультрафиолета и взаимодействию излучения с веществом. - Ужгород. - 1975.

- С. 231.

10. Кожевников А.В., Кравченко А.И., Курманбаев Е.А., Михайлин В.В., Тимченко Н.А., Шевцов А.А. Спектры возбуждения люминесценции кальций-вольфраматных люминофоров в области 12-30 эВ. / Ред. журн.

«Изв.вузов.Физика». - Томск, 1981. - 18 С. - Деп. в ВИНИТИ 8.12.81., № 5592-81.

11. Кожевников А.В., Кравченко А.И., Курманбаев Е.А., Михайлин В.В., Тимченко Н.А., Шевцов А.А. Спектры возбуждения люминесценции кристаллофоров CaS : Ce и CaS : Pb в области энергий 12-30 эВ. / Ред. журн.

«Изв.вузов.Физика». - Томск, 1981. -13 С. - Деп. в ВИНИТИ 8.12.81., № 5592-81.

12. Кожевников А.В., Колобанов В.Н., Михайлин В.В., Тимченко Н.А., Шевцов А.А. Исследование фотоэмиссии кристалла MgO с применением синхротронного излучения. // Письма в ЖТФ. - 1984.- Т.10. - С. 677-680.

13. Кожевников А.В., Тимченко Н.А., Шевцов А.А. Фотоэлектронная спектроскопия кристаллов с использованием синхротронного излучения. // Труды VI Всесоюзного совещания по использованию синхротронного излучения «СИ – 84». – Новосибирск, 1984. - С. 304-307.

14. А.с. 1474529 / Тимченко Н.А., Шевцов А.А. - Опубл. в Б.И., 1989, №15.

15. Кожевников А.В., Колобанов В.Н., Михайлин В.В., Ореханов П.А..

Тимченко Н.А., Шевцов А.А. Фотоэлектронная спектроскопия кристаллов BeO и MgO в области 10-30 эВ. // Тезисы докладов VII Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолета и его взаимодействия с веществом ВУФ-86 – Рига. - С. 173.

16. Vorob’eva E.A., Kozevnikov A.V., Timchenko N.A., Shevtsov A.A.

Reflection spectra auf quantum field of photoemission of nitrates and chlorinates of alkalimetals in the energy range from 10 to 30 eV. // Nuclear Instruments and Methods in phys. research A. – 1982. - V.282. - P. 615-618.

17. Кожевников А.В., Тимченко Н.А. Экзоэмиссионный контроль полупроводниковых пластин, шаблонов и резистов при рентгеновской литографии с синхротронным излучением. // Тезисы докладов симпозиума «Эмиссия с поверхности полупроводников, в том числе экзоэмиссия». Львов, 1989. - С. 92.

18. Кожевников А.В., Тимченко Н.А., Шевцов А.А., Юрченко В.И.

Вакуумный рентгенолитографический канал на синхротроне «Сириус». // Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолета и взаимодействии излучения с веществом. «ВУФ-89». Ч.II. – Иркутск, 1989. - С. 313-314.

19. Кожевников А.В., Тимченко Н.А. Установка спектрометра РСМ- на канале синхротронного излучения. // Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолета и взаимодействии излучения с веществом. «ВУФ-89».Ч.II. – Иркутск, 1989. - С. 311-312.

20. Бровков В.А., Тимченко Н.А., Юрченко В.И. Микромеханика – новое направление технологии и техники. // Электронная промышленность. – 1993.

- № 9. - С. 33-37.

21. Brovkov V.A., Makarov O.A., Mchedlishvili B.V., Pindurin V.F., Timchenko N.A. The selective properties of regular track membranes. // Nuclear Instruments and Methods in phys. research A. – 1995. –V.359. - P. 409-411.

22. Artamonova L.D., Barychev V.B., Brovkov V.A., Bufetov N.S., Cherkov G.A., Chesnokov V.V., Gashtold V.N., Kulipanov G.N., Makarov O.A., Mezentseva L.A., Mishnev S.I., Mchedlishvili B.V., Nazmov V.P., Pindyurin V.F., Prokopenko V.S., Reznikova E.F., Skrunski A.N., Timchenko N.A. Regular Polymer Microporous Membrebes: Manufacturing by Deep X-ray Lithography and Possible Applications, ICSRS-AFSR’95 // 4th Intern. Conf. Of Synchrotron adirtion Sources and 2nd Asian Forum on Synchrotron Radiation (Kyongiu, Korea, October 25-27, 1995), eds. Moohyun Yoon and Sang Hoon Nam, PAL.

POSTECH, Pohand, Kyungbuk, Korea. - P. 375-383.

23. Глазунова Н.В., Громова Л.П., Канаев В.Г., Ларионова Е.Г., Литвин С.В., Тимченко Н.А.. Юрченко В.И. Технология изготовления трехмерных микроструктур. // Электронная промышленность. – 1998. - № 1-2. - С. 58-63.

24. Громова Л.П., Канаев В.Г., Курмаева Т.А., Ларионова Е.Г., Литвин С.В., Тимченко Н.А., Юрченко В.И. Рентгеношаблоны с маскирующим покрытием на основе тантала. // Тезисы докладов Национальной конференции по применению рентгеновского и синхротронного излучений, электронов и нейтронов для исследования материалов «РСНЭ’97». – Дубна, 1997. - С. 577.

25. Глазунова Н.В., Громова Л.П., Канаев В.Г., Ларионова Е.К., Литвин С.В., Мезенцева Л.А., Назьмов В.П., Пиндюрин В.Ф., Тимченко Н.А., Юрченко В.И. Новые типы рентгеношаблонов для глубокой рентгеновской литографии с синхротронным излучением. // Труды IV международной конференции Актуальные проблемы электронного приборостроения.

«АПЭП-98». – Новосибирск, 1998. - Т.2,. - С. 161-162.

26. Виленский А.И., Макаров О.А., Мезенцева Л.А., Мчедлишвили Б.В., Пиндюрин В.Ф., Тимченко Н.А. Радиационно-химические превращения в полимерах под действием синхротронного излучения и получение регулярных трековых мембран. // Сборник докладов Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучения, электронов и нейтронов для исследования материалов. – Дубна: ОИЯИ. 1998. - Т.3. - С. 339-344.

27. Litvin S.V., Kanaev V.G., Larionova E.G., Glazunova L.P., Timchenko N.A., Yrchenko V.I., Mezentseva L.A., Nazmov V.P., Pinduyrin V.F. Self supporting tantalum masks for deep X-ray lithography with synchrotron radiation // Emerging Lithography technologies III proceeding of SPIE. – 1999. - V.3676. P. 47.

28. Канаев В.Г., Ларионова В.Г., Глазунова Н.В., Литвин С.В., Тимченко Н.А. и др. Технология получения микроструктур в арсениде галлия для генерации рентгеновского излучения. // Труды IV международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения»

«АПЭП-98». – Новосибирск, 1998. - Т.2. - С.204-205.

29. Kaplin V.V., Uglov S.R., Zabaev V.N, Timchenko N.A, Kanaev V.G., Litvin S.B. Generation of X-rays by 850 MeV electrons in a novel periodic multicrystale structure on GaAs plate surface. // Nuclear Instruments and Methods in phys. research A. – 2000. - V448. - P. 66-69.

30. Kaplin V.V., Kuznetsov S.I., Uglov S.R., Zabaev V.N, Timchenko N.A. X ray production by 500 MeV electron beam in periodically structured monocrystalline target of GaAs. // Nuclear Instruments and Methods in phys.

Research A. – 2001. - V173. - P.238 - 240.

31. Канаев В.Г., Литвин С.В., Тимченко Н.А. и др. Технология получения микроструктур в кристаллах GaAs для генерации дифракционного переходного и параметрического рентгеновского излучения релятивистскими электронами. // Материалы XIV Российской конференции по использованию синхротронного излучения «СИ-2002». – Новосибирск, 2002. - С. 133.

32. Кожевников А.В., Медведев А.Ф., Никитин М.М., Тимченко Н.А..

Исследования с синхротронным излучением на синхротроне «Сириус»

Томского политехнического университета. // Изв. Вузов. Физика. – 1998. - № 4. - С. 133-146.

Подписано в печать 27.04. Тираж 100 экз. Заказ № 148. Бумага офсетная.

Печать RISO. Отпечатано в типографии ООО «РауШ мбХ»

Лицензия Серия ПД № 12-0092 от 03.05.2001 г.

г. Томск, ул. Усова 7, ком. 052. тел. (3822) 56-44-

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.