Am Fraunhofer IOF werden hochreflektierende Multilayerspiegel für Anwendungen im EUV und weichen Röntgenbereich entwickelt und optimiert. Voraussetzungen hierfür sind ein grundlegendes Verständnis von Schichtwachstumsprozessen, die Nutzung neuer Designansätze zur Minimierung von Rauheit und Interdiffusion an den Schichtgrenzflächen sowie die Weiterentwicklung verschiedener Beschichtungstechnologien.
Spektralbereich von 40 nm bis 120 nm
Der Spektralbereich von 40 nm bis 120 nm ist wegen seiner zahlreichen Emissionslinien von Himmelskörpern für astrophysikalische Anwendungen interessant.
Aluminiumschichten mit einer schützenden Deckschicht aus Magnesiumfluorid (MgF2) und/oder Lithiumfluorid (LiF) erreichen hohe theoretische Reflexionen von bis zu 90 % jenseits der Absorptionskanten von MgF2 bei 115 nm bzw. LiF bei 105 nm.
Dicke Einzelschichten aus Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC) und Borkarbid (B4C) können ebenfalls als Breitbandreflektoren im Spektralbereich von 50 nm bis 120 nm eingesetzt werden.
Für ein Al/LiF/MgF2-Schichtsystem wurde eine Reflexion von 60 % erreicht.
Scandium/Silizium (Sc/Si) gilt als die optimale Materialpaarung für hochreflektierende Multilayerspiegel im Wellenlängenbereich von 35 nm bis 50 nm. Bisher wurde eine maximale Reflexion von R = 52 % mit einer Bandbreite von FWHM = 4.6 nm bei einer Wellenlänge von λ = 46,0 nm gemessen. Wegen der hohen Absorption in diesem Wellenlängenbereich beträgt die Anzahl der Schichtperioden nur N = 20.
Sowohl Reflexion als auch thermische Stabilität können durch Minimierung von Interdiffusionsprozessen an den Schichtgrenzflächen erhöht werden. Dies wird durch den Einsatz ultra dünner Barriereschichten einer Dicke von d = 0,5 nm … 0,7 nm erreicht.
Spektralbereich von 13 nm bis 35 nm
Multilayerspiegel auf Silizium-Basis, ein Material mit geringer Absorption bei Wellenlängen jenseits der Si L-Absorptionskante bei λ = 12,4 nm, werden vor allem bei Kollektor- und Abbildungsoptiken für die EUV-Lithographie (EUVL) eingesetzt.
So wird die derzeitige technologische Ausreizung physikalischer Grenzen von Mo/Si Multilayern für 13,5 nm durch die extremen Anforderungen an EUVL-Optiken motiviert. Die optischen Eigenschaften von Mo/Si Multilayern stehen in direktem Zusammenhang zur Struktur der Grenzflächen: Die Verbreiterung der Grenzflächen durch Interdiffusionsprozesse und Rauheitsentwicklungen tragen signifikant zu einer Reflexionsminderung bei. Durch Wahl geeigneter Barriereschichtmaterialien mit nachfolgender Interdiffusionsminimierung wurde eine maximale Reflexion von 69,6 % erreicht.
Durch Erweiterung des Standard-Mo/Si- Designs zu einem Dreischichtsystem wurde eine Reflexionserhöhung im Bereich 25 nm … 35 nm erreicht. Neben höchstmöglicher Reflexion von Mo/Si Multilayerspiegeln ist deren Stabilität gegenüber thermischer sowie EUV-Strahlenbelastung von großem praktischen Interesse.
Spektralbereich von 6 nm bis 12 nm
Multilayersystemen für Wellenlängen unterhalb der Si L-Absorptionskante werden angewendet für Optiken für Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) und Plasmaphysik. Wegen ihrer optischen Konstanten werden gegenwärtig vor allem Multilayer auf Basis von Bor-Verbindungen in einem Wellenlängenbereich von 6,7 nm … 11 nm eingesetzt. Mit B4C-Multilayerspiegeln werden Reflexionen von 10,2 % (N = 80) bzw. 26 % (N = 200) erreicht. Die typische Bandbreite hochreflektierender B4C-Multilayerspiegel mit N = 200 beträgt FWHM ~ 0,04 nm. Eine Reflexionserhöhung ist durch den Einsatz ausgewählter Interdiffusionsbarriereschichten möglich. Für eine Wellenlänge von 10,0 nm wurden Reflexionen von R = 37,4 % bei einem Einfallswinkel von 1,5° bzw. 43,8 % bei 45° gemessen.
Spektralbereich von 2,5 nm bis 5 nm
Der Spektralbereich des sogenannten Wasserfensters erstreckt sich zwischen den K-Absorptionskanten von Sauerstoff bei λ = 2,33 nm und Kohlenstoff bei λ = 4,37 nm und ist besonders für die Röntgenmikroskopie von Interesse. Hier kommen Multilayerspiegel auf Basis von Scandium (Sc) sowie Titan (Ti) und Vanadium (V) zum Einsatz. Die optischen Eigenschaften von Multilayerspiegeln für den weichen Röntgenbereich werden vor allem von ihrer Grenzflächenstruktur bestimmt.
Durch den Einsatz optimierter Barriereschichten bei Multilayerspiegeln auf Sc-Basis konnten Reflexionen von R = 15 % (N = 300) und R = 20,2 % (N = 400) bei einer Wellenlänge von 3,12 nm nachgewiesen werden. Die Reflexion von Multilayerspiegeln auf V-Basis für eine Arbeitswellenlänge von λ = 2,44 nm konnte ebenfalls durch den Einsatz von Barriereschichten optimiert werden und erreicht derzeit R = 5,2 %.