N - Институт физики микроструктур РАН

Проблемы и перспективы
применения многослойных зеркал
для микроскопии в мягком
рентгеновском диапазоне
Институт физики микроструктур РАН
1
План выступления
1. Задачи решаемые с помощью микроскопии в
диапазоне длин волн 2-10 нм
2. Традиционная микроскопия на основе ЗПФ
3. Микроскоп на основе объектива Шварцшильда
4. Изображающая оптика дифракционного
качества
- короткопериодные многослойные зеркала
- проблемы метрологии и изготовления
прецизионной асферической оптики
5. Заключение
2
Особенности микроскопии в диапазонах длин
волн 2.2-4.4 нм “Water window”и 4.4-10 нм
“Carbon window”
1. Разрешающая способность на уровне электронной
микроскопии
Пространственное разрешение объектива
x  k1   /( NA )
NA  n  sin 
где NA – числовая, λ – длина волны, α – апертурный угол
и n – показатель преломления среды
k1=0.61 для некогерентных источников
λ=3 нм NA=0.3 δx≈6 нм
3
2. Уникальные свойства микроскопии в “Water window”.
Естественный контраст абсорбционных изображений
Глубина проникновения (мкм)
5,0
4,5
4,0
Кальций
Калий
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Длина волны, нм
И.А. Артюков, А.В. Виноградов, Ю.С. Касьянов, С.В.
Савельев. О рентгеновской микроскопии в области
«углеродного окна». Квантовая электроника. Т. 34. № 8.
С. 691-692 (2004).
Изображения на двух длинах волн
позволяют обнаружить выбранный
элемент в составе образца
4
10
3. Уникальные свойства микроскопии в “Water window”.
Возможность изучения живых объектов при
атмосферных условиях.
 В EM эксперименты
проводятся в вакууме, что
требует сушки или заморозки
образцов. Это практически
исключает изучение
«живых» образцов. Более
того, для достижения
приемлемого контраста
изображений необходимо или
увеличивать дозы и/или
использовать
контрастирующие вещества.
Поэтому, зачастую
получаемая информация
сильно искажена.
Возможно изучение образцов в
кюветах, наполненных воздухом и с
длиной прохождения луча до 1 мм.
5
Микроскопия в “Carbon window”
Контраст изображений в
3 мкм парафине:
1 – жиры
2 – белки
3 – хроматин
4 – нуклеосомы
6
5 – ДНК, 6 – вода.
Предельные дозы облучения биологических образцов
N pr  5 N H 2O N H 2O  N0   H 2O  L
N pr  N 0   pr  d
5  L   H 2O
N0 
d 2   pr
D
N 0  E ph   d
Dmin 
d2 
5  E ph

Минимальный поток
фотонов, падающий
на площадку dd.
Дж/кг (Gray) –
поглощенная доза.
 H 2O L

 4
 pr d
Минимальная доза обратно
пропорциональна контрасту коэффициента поглощения и четвертой
степени разрешения микроскопа!
Критерий получения
изображений объектов с
произвольной формой.
Npr и NH2O– фотоны
поглощенные в протеине
и в воде;
μ – соответствующие
линейные коэффициенты
поглощения;
d и L – характерный
размер протеина и длина
образца (воды);
Eph – энергия фотон. 7
Предельные дозы облучения биологических образцов
J. Kirz, Ch. Jacobsen, and M. Howells,
Q. Rev. Biophys. 28, 33-130 (1995)
Допустимые дозы при
микроскопии
Влажные и живые
объекты: 103 – 105 Gray
Влажные и химически
фиксированные:
до 106 Gray
d=50 нм (105 Gray)
d=10 нм (108 Gray)
Замороженные сухие:
до 108 Gray
8
Предельные дозы облучения биологических образцов
J. Kirz, Ch. Jacobsen, and M. Howells,
Q. Rev. Biophys. 28, 33-130 (1995)
Допустимые дозы при
микроскопии
Влажные и живые
объекты: 103 – 105 Gray
Влажные и химически
фиксированные:
до 106 Gray
Замороженные сухие:
до 108 Gray
9
Когда нужна рентгеновская микроскопия для изучения
биологических образцов? Резюме
3D-томография (кино) «живых» образцов
во влажной атмосфере при нормальном
давлении с лучшем, чем ОМ разрешением
(~100 нм) и/или непрозрачных для видимого
света
Достижение нанометрового разрешения в
«толстых» образцах и 3D-томография
Изображение распределения выбранных
химических элементов в образце с
нанометровым разрешением
10
Применение мягкой рентгеновской микроскопии для
изучения наномагнетизма
Явление магнитного дихроизма. Поглощение зависит
от относительной ориентации векторов
намагниченности и поляризации волны. Эффект
десятки процентов!
Peter Fischer.Viewing spin structures with soft X-ray microscopy. Materials today. (2010).
11
V.13. N. 9. Pp. 14-22.
Изображения спинового распределения в образцах
Эволюция доменов в (Co0.83Cr0.17)87Pt13
пленке vs. приложенного магнитного
поля. Разрешение 15 нм.
Движение доменной стенки при
протекании тока
Доменные стенки как источник
сильного неоднородного поля
12
B. Niemann, D. Rudolph, G.Schmall. Appl. Opt. V. 15. P.1883 (1976).
УВИ
Схема микроскопа на основе конденсорной (КЗП) и изображающей
(ИЗП) зонных пластинок с источником рентгеновского излучения РИ
(синхротрон). БО – биологический объект в кювете; УВИ – устройство
визуализации изображения (детектор); АД – апертурная диафрагма для
монохроматизации излучения.
13
Изображение сечений Cr/Si МС, ALS Беркли
W. Chao, B.D. Harteneck, J.A. Liddle, E.H.
Anderson and D.T. Attwood. Soft x-ray microscopy
at a spatial resolution better than 15 nm. Nature
Letters. V. 435. No. 30. P. 1210-1213 (2005).
а–
b–
c–
а–
Тип
ИЗП
rn ,
мкм
drn,
нм
N
15
15
500
Т,
абс.
0.04
19.5 нм линия, 25 нм ЗП (λ=2.07 нм)
19.5 нм линия, 15 нм ЗП (λ=1.52 нм)
15.1 нм линия, 25 нм ЗП (λ=2.07 нм)
15.1 нм линия, 15 нм ЗП (λ=1.52 нм)
f1(λ), мкм
λ1 = 2.36 нм
λ2=3.16 нм
190
143
λ3=4.47 нм
10114
Изображение сечений Cr/B4C МС, полученное на
BESSY II, ондулятор U41
S. Rehbein, S. Heim, P. Guttmann, S. Werner, and G. Schneider. Ultrahigh-Resolution
Soft-X-Ray Microscopy with Zone Plates in High Orders of Diffraction. PRL 103,
110801 (2009)
Ширина последней зоны 25 нм
Порядок
Длина волны
3-й
1.77 нм
Разрешение λ/δλ
1700
Время экспозиции
15 с
Эффективность
≈ 0.6%
15
Основные ограничения микроскопов на основе ЗП
x  0,61 / NA  1,22drn
Пространственное разрешение
f 1 rn / NA  (2drn  rn ) /  Фокус, 1-й порядок, 100-200 мкм.
DOF   / NA
2
Глубина фокус (продольное разрешение)
λ=3 нм, NA=0.1, DOF=300 нм
низкая дифракционная
эффективность
низкая геометрическая светосила
малое фокусное расстояние,
практически исключающее
применения в длинноволновом
диапазоне
Низкое разрешение в продольном
направлении (2D измерения)
16
Преимущества рентгеновского микроскопа на основе
многослойной оптики нормального падения
Зеркальная оптика по сравнению с ЗПФ обладает
большей геометрической светосилой, что позволяет
 получать более высокое пространственное разрешение
 использовать относительно маломощные
лабораторные источники РИ.
Отсутствует хроматическая аберрация, что снижает
требования к степени монохроматичности излучения.
▪ большая квантовая эффективность прибора
Большие фокусные расстояния позволяют
 применять спец. кюветы для исследуемых образцов.
Малая (20-30 нм) глубина фокуса
 позволяет получать 3D изображения образцов.
17
Схема проекционного
рентгеновского микроскопа
РИ – источник рентгеновского
излучения
ЗК – зеркало-коллектор
СБО – 3-х координатный стол с
биологическим образцом
ПД – полевая диафрагма
БО – исследуемый биологический
образец
Мемб. – мембрана, прозрачная для
рентгеновского излучения
ОШ – объектив Шварцшильда,
образованный зеркалами М1 и М2
СФ – спектральный фильтр
УВИ – устройство визуализации
изображения
ВИ – визуализатор изображения
ПЗС – оптическая или рентгеновская
(back-side illuminated) матрица
18
Расчетные характеристики лабораторного рентгеновского
микроскопа на основе многослойной оптики и зонных пластин
NA
δx, нм
Проекц. ЗП
0,079
15
Проекц. МС
0,3
5
Контакт. ЗП
0,079
10
Контакт.МС
0,079
10
Сканир. ЗП
0,079
15
Сканир. МС
0,3
5
Проекц. ЗП
0,105
15
Проекц. МС
0,3
6
Контакт. ЗП
0,079
10
Контакт. МС
0,079
10
Сканир. ЗП
0,079
15
Сканир. МС
0,3
6
Проекц. МС
0,3
9
λ, нм Тип микроскопа
2,36
3,14
4,47
G= IMC/IЗП
6,2E-3
0,50
0,23
43
δx – разрешение
I – интегральный
коэффициент
пропускания
микроскопа
NA – числовая
апертура
12
100
250
19
Изображения регулярной и нерегулярной структур, полученные
контактной микроскопией на длине волны 13,5 нм
20
Проблемы нанесения короткопериодных (d ~ 1 – 2 нм)
многослойных структур.
1. Требования к качеству слоев - ФАНТАСТИЧЕСКИЕ
2d sin   
N=20-1000
d / d  1/ N
d   / 2  1  2 нм
N=200-500
d / d  0.2%
Типичные
многослойные
зеркала,
производимые
в ИФМ РАН
21
2. Требования к микрошероховатости
(перемешиванию) слоев на границах
 Влияние на отражательную способность
межслоевых переходных границ МС
R  R0·exp(-4π2σ2/d2),
где σ должно быть на уровне 0.1-0.2 нм, включая
шероховатости, диффузионное и химическое
перемешивание материалов слоев
 Влияние исходных шероховатостей подложек и
ростовых шероховатостей
22
Технологическое и исследовательское обеспечение
работ в области многослойной XEUV оптики
 Создан комплекс технологического
оборудования, позволяющий наносить
МС на подложки с апертурой до 350 мм
 Мало- и широко- угловая рентгеновская
дифрактометрия (  0.1- 0.2 нм)
 Спектроскопия и рефлектометрия X-EUV-VUV
диапазонов (  0.6 - 270 нм)
 Прецизионная лазерная
интерферометрия
 Электронная микроскопия
 Послойная ВИМС
 Зондовая микроскопия
23
Короткопериодные Cr/Sc многослойные зеркала
N
h, eV
, nm
gr, deg.
R, %
1.55
250
396.3
574
3.13
2.16
85
45
11
10
2.21
200
284
398.2
4.46
3.11
85
45
7.5
27
200
203.7
286.9
6.09
4.32
85
45
8.4
8.9
250
203.7
277.8
6.29
4.46
85
45
8.1
9.8
d, nm
3.09
3.17
24
Зависимость структуры интерфейса от
величины периода W/B4C МС

m
r
0.40
, m, r, nm
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
   r2   m2
0.00
0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5
MLS period, nm
 Оптимизированы режимы
нанесения МС.
 Возможность наносить МС с
N ≥ 1000 с dmin = 0.7 - 0.8 нм, при
флуктуациях толщины не больше
0.1%.
 Отражательная способность МС
определяется шириной
межслоевой переходной области.
Развит метод резонансного диффузного рассеяния и определены вклады в
границы раздела материалов слоев шероховатости и перемешивания
(диффузионного или химического) материалов слоев.
Определены минимальные значения периодов W/B4C МС, d1.1-1.2 нм,
25
при которых сохраняется сплошность пленок в многослойной структуре.
Отражательные характеристики многослойных зеркал
нормального падения в области λ= 2,3-13 нм
, нм
МС
d, нм
N
Br, 
/
Rex, %
Rid, %
2,36
W/B4C
1,17
500
90
262
0,63
18
3,14
Cr/Sc
1,57
250
85,6
263
11
46
4,47
Со/C
2,26
200
85
153
14,8
38
Cr/Sc
2,21
200
85
186
7,5
24
6,7
La/B4C
3,39
150
80,5
120
40
65
9,34
Ru/Y
4,75
100
80
60
33,5
48
13,5
Mo/Si
7,0
50
85
26
70.0
73
Обозначения в таблице:  - длина волны, d – период многослойной структуры, N – число
периодов, Br – брэгговский угол, величина tg(Br)/Br=/ характеризует селективность
многослойного дисперсионного элемента, Rex – измеренный коэффициент отражения и26Rid рассчитанный коэффициент отражения для идеальной структуры.
Проблемы оптики дифракционного качества.
Точность формы зеркал
x  0.61 / NA
NA  n sin   sin 
λ =3 нм, δx≈10 нм 
Требуется NA=0.2.
Критерий Марешаля на аберрации объектива
Точность формы в N-зеркальных системах
Для λ=3 нм и N=2
RMS obj   / 14
RMS 1   /(14 N )
RMSobj ≈ 0.2 нм и RMS1 ≈ 0,14 нм
Традиционная промышленность RMS1 ≈ 20-30 нм
27
Классический (сферический) объектив Шварцшильда
НЕ ОБЕСПЕЧИВАЕТ требуемого разрешения!!
Аберрационный радиус кружка
фокусировки в геометрическом
приближении
М
NA
100
0.3
300
k
r0 , нм
0
-0.0142
0
0.3
-0.0138
130
2
41
0.4
Z
Cr2
1  1 (1  k)C 2r 2
Профиль отклонения поверхности от
сферы вогнутого зеркала ОШ с М=300.
28
Ключевые технологии, необходимые для изготовления,
сертификации и юстировки прецизионной оптики
 Интерферометрия с дифракционной волной сравнения,
применяемая для измерения деформации волновых фронтов
оптических систем и формы поверхности
 Технология изготовления супергладких поверхностей
 Методы измерений всех масштабов неровностей
поверхностей (в т.ч. поверхности с “большой” стрелкой прогиба)
 Методы коррекции формы супергладких
поверхностей с субнанометровой точностью
 Нанесение и прецизионная рефлектометрия МС на
подложках со сложной формой поверхности
 Бездеформационный монтаж прецизионных оптических
элементов в держатели объектива
29
Проблема интерферометрии с эталонными поверхностями
 Сравнение с эталонной поверхностью!!!
 Воспроизводимость измерений (ZYGO, WYKO и др.) лучше λ/10 000
 ОДНАКО, абсолютная точность измерений λ/30 - λ/20
Интерферометр со сферической волной сравнения,
полученной в результате дифракции света на
отверстии, был предложен В.П. Линником в 1933 г
d=0.3 µm
a)
d=0.3 µm
b)
30
Субмикронный источник эталонной сферической волны на
основе зауженного металлизированного оптоволокна
≈ 0,25 µ
NA
ALS
ИФМ
Применение метода Юнга для
измерения аберраций
дифракционной волны (λ=530 нм)
0.1
0.08
0.02
RMS, нм
0.2
0.3
0.07
0.13
0.4
0.3
31
Изучение шероховатостей в средне- и высокочастотном диапазонах ν=10-3 – 102 мкм-1
Для изучения подложек для изображающей оптики
исключено применение диффузного рассеяния
жесткого рентгеновского излучения
физически сомнительна интерференционная
оптическая микроскопии,
требуется применение нестандартных атомносиловых микроскопов, как правило, в ущерб
качеству измерений и с риском повредить
уникальные подложки
32
Физические основы для коррекция формы поверхности
методом локального ионно-пучкового травления
Требования к процедуре коррекции
2,0
1,8
Диапазон глубин съема при
коррекции формы
0.5 – 500 нм
Диапазон глубин съема при асферизации поверхности
0.5 – 20 мкм
не ухудшается
Шероховатость, нм
Точность глубины съема 0.1 нм
Шероховатость
Шероховатость, нм
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
3.0
2.0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Коэффициент распыления, атомов/ион
U = 150 эВ
U = 200 эВ
U = 300 эВ
U = 500 эВ
2.5
апроксимация
150 эВ
200 эВ
300 эВ
500 эВ
Скорости травления кварца при
токе ионов 20 мА, диаметре пучка
100 мм и нормальном падении
1.5
1.0
U, эВ
0.5
30
40
50
60
70
80
90
Скользящий угол падения, град.
150 200 300 500 1000
r, нм/мин 1.3
3.0
10
17
2433
Заключение
 Мягкая рентгеновская микроскопия имеет широкий
спектр применений для научных целей, а разработка и
применение высокоразрешающих зеркальных объективов
открывает новые возможности, в том числе и при изучении
с разрешением 10-20 нм биологических объектов.
Это стало возможным благодаря прорывным результатам
 в метрологии и изготовлении суперточных оптических
элементов и систем с волновыми аберрациями
субнанометрового уровня
 в создании технологии изготовления многослойных
короткопериодных рентгеновских зеркал
34
Благодарности
З.Ф. Красильнику
С.А. Гусеву
А.А. Фраерману
35
СПАСИБО!!!
36
Когда нужна рентгеновская микроскопия для изучения
биологических образцов
Возможность изучения образцов во влажной
атмосфере при нормальном давлении
Достижение нм разрешения в «толстых»
образцах
Изображение следов нахождения выбранных
химических элементов в образце с
нанометровым разрешением
Возможность съемки «кино» живого образца
при разрешении около 100 нм
37