Проблемы и перспективы применения многослойных зеркал для микроскопии

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 где NA – числовая, λ – длина волны, α – апертурный угол и n – показатель преломления среды k 1=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 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

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 Критерий получения Минимальный поток фотонов, падающий на площадку d d. Дж/кг (Gray) – поглощенная доза. Минимальная доза обратно пропорциональна контрасту коэффициента поглощения и четвертой степени разрешения микроскопа! изображений объектов с произвольной формой. Npr и NH 2 O– 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 Ø 3 D-томография (кино) «живых» образцов во влажной атмосфере при нормальном давлении с лучшем, чем ОМ разрешением (~100 нм) и/или непрозрачных для видимого света ØДостижение нанометрового разрешения в «толстых» образцах и 3 D-томография ØИзображение 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 (Co 0. 83 Cr 0. 17)87 Pt 13 пленке vs. приложенного магнитного поля. Разрешение 15 нм. Движение доменной стенки 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) f 1(λ), мкм λ 1 = 2. 36 нм λ 2=3. 16 нм 190 143 λ 3=4. 47 нм 10114

Изображение сечений Cr/B 4 C МС, полученное на BESSY II, ондулятор U 41 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 Пространственное разрешение Фокус, 1 -й порядок, 100 -200 мкм. Глубина фокус (продольное разрешение) λ=3 нм, NA=0. 1, DOF=300 нм Øнизкая дифракционная эффективность Øнизкая геометрическая светосила Øмалое фокусное расстояние, практически исключающее применения в длинноволновом диапазоне ØНизкое разрешение в продольном направлении (2 D 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 3 D 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 М 1 и М 2 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 λ, нм Тип микроскопа 15 Проекц. МС 0, 3 5 Контакт. ЗП 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 4, 47 0, 079 Контакт. МС 3, 14 δx, нм Проекц. ЗП 2, 36 NA 0, 3 6 Проекц. МС 0, 3 9 G= IMC/IЗП 6, 2 E-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 нм N=20 -1000 N=200 -500 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 R 0·exp(-4π2σ2/d 2), 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 Ø Создан комплекс технологического оборудования, позволяющий наносить МС на подложки с апертурой до 350 мм Ø Мало- и широко- угловая рентгеновская дифрактометрия ( 0. 1 - 0. 2 нм) Ø Спектроскопия и рефлектометрия X-EUV-VUV диапазонов ( 0. 6 - 270 нм) Ø Прецизионная лазерная интерферометрия Ø Электронная микроскопия Ø Послойная ВИМС Ø Зондовая микроскопия 23

Короткопериодные Cr/Sc многослойные зеркала d, nm 1. 55 2. 21 3. 09 3. 17 N h , e. V , nm gr, deg. R, % 250 396. 3 574 3. 13 2. 16 85 45 11 10 200 284 398. 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 24

Зависимость структуры интерфейса от величины периода W/B 4 C МС 0. 40 , m, r, nm 0. 35 0. 30 m r 0. 25 0. 20 0. 15 0. 10 0. 05 0. 00 0. 8 0. 9 1. 0 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 MLS period, nm v Оптимизированы режимы нанесения МС. v Возможность наносить МС с N ≥ 1000 с dmin = 0. 7 - 0. 8 нм, при флуктуациях толщины не больше 0. 1%. v 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/B 4 C 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/B 4 C 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/B 4 C 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 и 26 id R рассчитанный коэффициент отражения для идеальной структуры.

Проблемы оптики дифракционного качества. Точность формы зеркал 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 RMSobj ≈ 0. 2 нм и RMS 1 ≈ 0, 14 нм Традиционная промышленность RMS 1 ≈ 20 -30 нм 27

Классический (сферический) объектив Шварцшильда НЕ ОБЕСПЕЧИВАЕТ требуемого разрешения!! Аберрационный радиус кружка фокусировки в геометрическом приближении М NA k r 0 , нм 100 0. 3 0 -0. 0142 130 2 300 0. 3 0 -0. 0138 41 0. 4 Профиль отклонения поверхности от сферы вогнутого зеркала ОШ с М=300. 28

Ключевые технологии, необходимые для изготовления, сертификации и юстировки прецизионной оптики q Интерферометрия с дифракционной волной сравнения, применяемая для измерения деформации волновых фронтов оптических систем и формы поверхности q Технология изготовления супергладких поверхностей q Методы измерений всех масштабов неровностей поверхностей (в т. ч. поверхности с “большой” стрелкой прогиба) q Методы коррекции формы супергладких поверхностей с субнанометровой точностью q Нанесение и прецизионная рефлектометрия МС на подложках со сложной формой поверхности q 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 qисключено применение диффузного рассеяния жесткого рентгеновского излучения qфизически сомнительна интерференционная оптическая микроскопии, qтребуется 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 ØТочность глубины съема 0. 1 нм ØДиапазон глубин съема при коррекции формы 0. 5 – 500 нм ØДиапазон глубин съема при асферизации поверхности 0. 5 – 20 мкм ØШероховатость не ухудшается v. Скорости травления кварца при токе ионов 20 м. А, диаметре пучка 100 мм и нормальном падении U, э. В 150 200 300 500 1000 r, нм/мин 1. 3 3. 0 10 17 33 24

Заключение q 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 ØВозможность изучения образцов во влажной атмосфере при нормальном давлении ØДостижение нм разрешения в «толстых» образцах ØИзображение следов нахождения выбранных химических элементов в образце с нанометровым разрешением ØВозможность съемки «кино» живого образца при разрешении около 100 нм 37