APPLIED OPTICS - 用于表面加工和损伤研究的软x射线激光光束线
来自日本国立量子科学与技术研究所与日本NTT-AT公司的研究人员，报告了配备强度监测器的SXRL光束线的开发以及自支撑Mo/Si多层膜分束器（BS）的效率特性，并对PMMA进行了灵敏度评估以确认光束线的性能。结果表明，评估的灵敏度比具有纳秒脉冲宽度的等离子软X射线源的灵敏度高50倍，研究将有助于加速对 SXRL 辐照诱导现象的研究
1. 研究背景及简介
强烈的短激光脉冲与物质的相互作用使得在固体材料中产生强电子激发态和高温高压。由于这些相互作用，材料可以进行相和结构的修改。例如，激光烧蚀是一种从表面去除材料的过程，是激光脉冲与物质相互作用的直接结果之一。
由于在自放大自发发射（SASE）激光系统中，每发输出的能量波动较大。因此，为了将软X射线激光实验用于定量分析，必须对实验过程中获得的准确数据进行校正。来自日本国立量子科学与技术研究所与日本NTT-AT公司的研究人员，报告了配备强度监测器的SXRL光束线的开发以及自支撑Mo/Si多层膜分束器（BS）的效率特性，并对PMMA进行了灵敏度评估以确认光束线的性能。结果表明，评估的灵敏度比具有纳秒脉冲宽度的等离子软X射线源的灵敏度高50倍，研究将有助于加速对 SXRL 辐照诱导现象的研究。研究成果“Soft x-ray laser beamline for surface processing and damage studies”于2020年4月发表在《APPLIED OPTICS》上。
研究人员开了一种配备了强度监测器，并专用于烧蚀研究（如表面处理和损伤形成）的软X射线激光光束线装置。SXRL的波长为13.9nm，脉冲宽度7ps，基于Ag等离子体增益介质的振荡放大器结构产生的脉冲能力约为200nJ
软X射线激光通过Mo/Si多层膜球面镜聚焦到样品表面。为了获得精确的辐照能量/通量，在束线上安装了由Mo/Si多层膜分束器和CCD探测器组成的强度监测器。
Mo/Si多层膜分束器在45°入射角附近的反射率具有很大的偏振相关性。但是，通过适当评估分束器的反射率和透射率之间的关系，可以得出样品表面上的辐照能量可以从强度监测器上获取。该 SXRL光束线不仅可用于烧蚀现象，还可用于软 X 射线光学器件和抗蚀剂的性能评估。
2.装置简介
空间相干的SXRL脉冲是由用具有双Ag带靶的振荡放大器中的Ag等离子体增益介质产生。
SXRL的每发脉冲的强度（波长13.9nm，脉冲持续时间7ps，输出平均能量为200nJ每发）被厚度为0.1、0.2、0.5、1或者2um的Zr filter降低。Zr 滤光片可单独插入也可组合插入SXRL光束中。同时，Zr滤光片还可用来阻挡来自Ag等离子体增益介质的不需要的X射线辐射。
强度监测器由Mo/Si多层膜分束器（BS）、Zr filter、和X射线CCD相机组成。BS设计用于波长为13.9nmSXRL的脉冲、其入射角为45°。每个SXRL脉冲分为两束：一束透过BS向多层膜球面镜传输，一束被BS反射到X射线CCD相机上。CCD记录SXRL光束的空间强度分布并用作强度监测器。安装在BS和CCD之间的Zr 滤光片可以调节入射到CCD相机光束的强度，以保证其不会饱和，具体布局如图1。
图1. 软X射线激光光束线示意图。由等离子源产生的SXRL 光束被分束器分成两束：一束由聚焦镜照射到样品表面，另一束被将传输到强度监测器。
3. Mo/Si 多层膜分束器的光学性能
为了从强度监测器获得的能量中推算出送到样品表面的辐照能量，必须确定辐照能量与被监测能量之间的关系。在评估校准比之前，必须了解Mo /Si多层膜分束器的性能特点。
下图2显示了在KEK-PF的BL-11D测量的不同时期生产的Mo/Si多层膜分束器的典型效率曲线。
图(a) Mo/Si多层膜分束器的实测效率。效率曲线显示了s偏振软 X 射线的反射率以及s和p偏振软 X 射线的透射率，其入射角为45°。图(b) Mo/Si多层膜分束器的计算效率作为入射角的函数，入射软 X 射线的波长为13.9 nm。
4. 强度标定
为了从强度监测获得的检测值来得到样本表面的辐照强度,必须估计辐照和检测强度之间的关系。为了测量辐照强度，研究人员在球面镜前加了一个Zr 滤光片，在球面镜后额外放置了一个Mo/Si多层膜平面镜和X-ray CCD相机。镀在平面镜上的Mo/Si多层膜涂层针对13.9nm的软X射线进行了优化，入射角为45°，因此Mo/Si 多层膜相对于平面镜反射 s 偏振分量。图3(a)和图3(b)分别展示了垂直分量和水平分量测量的实验设置。当平面镜被设置为反射垂直分量[图3(a)]时，可以评估辐照到监测器垂直分量的相对强度。如果将平面镜设置为反射水平分量[图3(b)]，则可以评估照射到监测器水平分量的相对强度。同时对校正实验中使用的Mo/Si多层平面镜的反射率、CCD相机的灵敏度和Zr滤光片的透射率也进行了评估。
图3：相对强度测量的实验装置(a)垂直分量，(b)水平分量。图中所示的CCD-4和CCD-5捕捉每个SXRL脉冲的辐照强度和监测强度
图4(a)和图4(b)分别显示了SXRL脉冲垂直分量和水平分量的相对强度。
结 论
研究开发了用于表面处理和损伤研究的SXRL光束线。束线配备了强度监测器，可提供作用在样品上的激光强度。为了从强度监测器获得的能量中获取辐照能量，研究评估了 Mo/Si 多层膜分束器的性能特征，然后评估了辐照强度和检测强度之间的关系。SXRL通过球面镜聚焦到样品上，平均焦斑估计约为 100 um2。因此，使用获得的辐照强度和光斑面积计算的最大通量约为 30 mJ/cm2。这种能量密度足够高，可以在材料上产生烧蚀（损坏）结构。
为了确认 SXRL 光束线的能力，研究展示了抗蚀剂材料的 SXRL 辐照，并研究了 PMMA 的灵敏度。结果，获得的皮秒 SXRL 辐照灵敏度比典型的长脉冲 EUV 辐照高约 50 倍。这一事实表明特定抗蚀剂设计对于下一代 EUV-FEL 光刻技术的重要性。SXRL 光束线将有助于加速对 SXRL 辐照诱导现象的研究。
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