Матрица тонкопленочных прострельных мишеней для рентгеновских источников

Изобретение относится к рентгеновским устройствам, применимым в качестве составной части источника рентгеновского излучения для задач рентгеновской нанолитографии. Изобретение предназначено для апробации концепции рентгеновской литографии на базе источника синхротронного излучения в диапазоне длин волн от 6.6 до 13.5 нм. Матрица состоит из рентгеновских окон и двух слоев, первый из которых имеет более высокую теплопроводность и рассеивает тепло, а второй производит большую часть рентгеновского излучения, генерируемого прострельной мишенью. Причем сформирован дополнительный управляющий компенсационный электрод, препятствующий электростатическому прогибу матрицы прострельных мишеней, при этом первый теплопроводящий слой конструкционно совмещен с рентгеновскими окнами и представляет собой единый элемент - перфорированный анодный электрод. Техническим результатом является возможность создавать многолучевой поток параллельно направленного рентгеновского излучения, генерируемого матрицей прострельных мишеней, в требуемом диапазоне длин волн с повышенной линейной направленностью, что способствует формированию более четкого топологического рисунка с разрешением до 20 нм. 5 ил.

 

Настоящее изобретение относится к рентгеновским устройствам, применимым в качестве составной части источника рентгеновского излучения для задач рентгеновской нанолитографии. Изобретение предназначено для апробации концепции рентгеновской литографии на базе источника синхротронного излучения в диапазоне длин волн от 6.6 до 13.5 нм.

Известна прострельная мишень, которая состоит из слоя материала, способного генерировать рентгеновское излучение, и прозрачной к рентгеновскому излучению подложки, необходимой для поддержки слоя мишени. Подложка образована из поликристаллического алмаза, причем размер зерна верхней части подложки меньше размера зерна в нижней части подложки [1].

К недостаткам данного устройства можно отнести отсутствие возможности создания многолучевого потока параллельно направленного рентгеновского излучения. Кроме этого, в процессе работы устройства, прострельная мишень может стать электростатически-нестабильной, что может привести к неправильной работе устройства, в частности, к появлению электростатической деформации.

Известна мишень прострельного типа в составе источника рентгеновского излучения, в которой рамка для поддержки рентгеновского окна разделена на 2 части - первую рамку, расположенную ближе к окну облучения, и и вторую рамку на внешней стороне первой рамки [2].

К недостаткам данного устройства можно отнести тепловое расширение материала мишени вследствие бомбардировки высокоэнергетичными электронами, что может привести к флуктуациям автоэмиссионного тока.

Известна рентгеновская прострельная мишень, являющаяся частью рентгеновской трубки, состоящая из металлической мишени, расположенной на подложке, и антистатического элемента, расположенного на поверхности подложки, противоположной поверхности, на которой размещается металлическая мишень. Мишень подавляет свой электростатический заряд и обеспечивает стабильную работу рентгеновской трубки [3].

К недостаткам данного устройства можно отнести отсутствие возможности создания многолучевого потока параллельно направленного рентгеновского излучения.

Наиболее близкая по технической сути, взятая за прототип, является матрица прострельных мишеней, являющаяся частью рентгеновского источника, состоящая из рентгеновских окон и двух слоев, первый из которых имеет более высокую теплопроводность и рассеивает тепло, а второй - производит большую часть рентгеновского излучения, генерируемого прострельной мишенью [4].

К недостаткам данного устройства можно отнести электростатическую нестабильность матрицы прострельных мишеней, в процессе работы рентгеновского источника, что может привести к появлению электростатической деформации матрицы прострельных мишеней, и, соответственно, к снижению линейной направленности рентгеновского излучения.

Задача настоящего изобретения заключается в повышение линейной направленности рентгеновского излучения, генерируемого матрицей прострельных мишеней, за счет уменьшения электростатического прогиба матрицы прострельных мишеней.

Суть настоящего изобретения заключается в том, что матрица прострельных мишеней, являющаяся частью рентгеновского источника, состоящая из рентгеновских окон и двух слоев, первый из которых имеет более высокую теплопроводность и рассеивает тепло, а второй - производит большую часть рентгеновского излучения, генерируемого прострельной мишенью, отличающаяся тем, что сформирован дополнительный управляющий компенсационный электрод, в то время как, первый теплопроводящий слой конструкционно совмещен с рентгеновскими окнами и представляет собой единый элемент - перфорированный анодный электрод.

Новым, не обнаруженным при анализе источников информации, в заявляемом устройстве является следующее:

Матрица прострельных мишеней позволяет создавать многолучевой поток параллельно направленного рентгеновского излучения для задач нанолитографии. Конструкция перфорированного анодного электрода представляет собой матрицу рентгеновских окон, формирующих направленность рентгеновского излучения. Высокоэнергетичные электроны, попадая на мембрану прострельной мишени, генерируют мягкое рентгеновское излучение, которое распространяется в направлении канала рентгеновского окна, тем самым матрица рентгеновских окон формирует многолучевой поток параллельно направленного рентгеновского излучения.

Дополнительный компенсационный электрод позволяет компенсировать электростатическую деформацию анодной мембраны до приемлемого уровня, за счет чего матрица прострельных мишеней создает многолучевой поток параллельно направленного рентгеновского излучения для задач нанолитогрфии.

На фиг. 1 представлено устройство матрицы прострельных мишеней, где 1 - матрица прострельных мишеней, 2 - компенсационный электрод, 3 - вакуумный корпус, 4 - мембрана прострельной мишени, 5 - перфорированный анодный электрод, 6 - рентгеновские окна матрицы прострельных мишеней размерностью n*n.

На фиг. 2 показана электростатическая деформация матрицы прострельных мишеней под действием электростатических сил. Стрелками обозначено направление вектора электрического поля.

На фиг. 3 показана электростатическая деформация матрицы прострельных мишеней в присутствии компенсационного электрода. Стрелками обозначено направление вектора электрического поля.

На фиг. 4 показан электростатический прогиб анодной мембраны D_M вдоль линии L_M для различных расстояний d_CA (при напряжении V_A, равном 2 kV), где линия L_M - радиальная линия, проложенная от центра мембраны к ее краю.

На фиг. 5 представлено максимальное смещение анодной мембраны как функции от разности напряжений (V_CE-V_A)_th на компенсационном электроде и анодной мембране в случае вариации d_CA.

Конструктивно матрица прострельных мишеней 1 состоит из мембраны прострельной мишени 4 и перфорированного анодного электрода 5. Толщина мембраны прострельной мишени 4 должна составлять 100-200 нм, и должна быть выполнена из материала (например бериллий), обеспечивающего высокий коэффициент конверсии энергии электронов в энергию мягкого рентгеновского излучения. Перфорированный анодный электрод 5 изготавливают из материала с высокой теплопроводностью и высокой жесткостью, например, алмазоподобные пленки. Толщина перфорированного анодного электрода 5 не должна превышать 5-10 мкм для возможности формирования вертикальных отверстий, которые играют роль рентгеновских окон 6. Радиус отверстий рентгеновских окон 6 составляет 200-300 нм. На расстоянии 5-10 мкм от матрицы прострельных мишеней 1 располагается перфорированный компенсационный электрод 3. Компенсационный электрод 3 выполняется из материала с предельной жесткостью, например алмазоподобные пленки. Толщина компенсационного электрода должна составлять 10-20 мкм для возможности формирования вертикальных отверстий, которые предназначены для беспрепятственного пропускания рентгеновского излучения. Радиус отверстий варьируется от 400 до 800 нм.

На матрицу прострельных мишеней 1 подается потенциал, необходимый для создания градиента электростатического поля, требуемого для возникновения автоэмиссионного тока, между матрицей прострельных мишеней и матрицей автоэмиссионных катодных узлов. Автоэмиссионный ток под действием ускоряющего напряжения достигает мембраны прострельной мишени 4, в результате чего высокоэнергетичные электроны, взаимодействуя с материалом прострельной мишени, генерируют рентгеновское излучение, которое проходит через рентгеновские окна 6 в перфорированной анодной мембране 5, выполняющей роль теплоотводящего элемента. Рентгеновские окна 6 формируют направленность рентгеновского излучения, вследствие чего матрица прострельных мишеней 1 позволяет создавать многолучевой поток параллельно направленного рентгеновского излучения. Под действием электростатических сил, возникающих между матрицей автоэмиссионных катодных узлов и матрицей прострельных мишеней 1, происходит электростатическая деформация матрицы прострельных мишеней 1 (фиг. 2), что может отрицательно сказываться на широком спектре ключевых рабочих параметров рентгеновских источников - величине автоэмиссионного тока (приводить к его флуктуациям), угловой направленности рентгеновского излучения и, как следствие, разрешающей способности топологического рисунка, формируемого методами безмасочной рентгеновской литографии. Для устранения данного негативного эффекта предложена модификация конструкции матрицы анодных узлов, состоящая в добавлении к ней дополнительного управляющего компенсационного электрода 2 на заданном расстоянии от матрицы прострельных мишеней 1, электростатическое поле от которого компенсирует деформацию матрицы прострельных мишеней 1 (фиг. 3). Компенсационный электрод 2 представляет собой перфорированную мембрану, в которой отверстия самосовмещены с рентгеновскими окнами 6 в анодной мембране 5 (для беспрепятственного прохождения рентгеновского излучения сквозь компенсационный электрод).

Пример работы: перфорированная анодная мембрана представляет собой матрицу рентгеновских окон 300×300 элемементов с шагом 3 мкм. Материал анодной перфорированной мембраны углерод (diamond) при толщине h_A=10 мкм, материал мембраны прострельной мишени бериллий при толщине h_T=0.2 мкм, диаметр анодной мембраны и мембраны прострельной мишени составляет 1.5 мм. Величина напряжения на матрице прострельных мишеней составляет V_A=2 кВ. Расстояние от матрицы прострельных мишеней до матрицы автоэмиссионных катодных узлов варьировалось от 10 до 20 мкм. На фиг. 4 показан электростатический прогиб D_M анодной мембраны вдоль радиальной линии L_M на ее поверхности при V_A=2 кВ. Данный прогиб заметно превышает допустимый предел деформации равный 0.72 мкм для заданного диаметра мембраны (1.5 мм), при котором не возникает изменение угловой направленности рентгеновского излучения и искажение разрешающей способности рентгеновского нанолитографа в рабочем диапазоне напряжений. Включение компенсирующего электрода с управляющим напряжением V_CE в состав конструкции матрицы анодных узлов приводит к заметному снижению ее деформации. На фиг. 5 представлена максимальная электростатическая деформация матрицы прострельных мишеней в присутствии компенсирующего электрода в зависимости от разности напряжений на компенсирующем электроде V_CE и на матрице прострельных мишеней V_A для различных расстояний между компенсирующем электродом и матрицей прострельных мишеней d_ACE (от 5 до 10 мкм). Минимальная (близкая к нулю) деформация матрицы анодных узлов наблюдалась в случае пороговых значений (V_CE-V_A)_th, равных 1.15 кВ, 1.65 кВ и 2.25 кВ для соответствующих расстояний d_ACE - 5 мкм, 7.5 мкм и 10 мкм. При данных параметрах матрицы прострельных мишеней и компенсационного электрода создается многолучевой поток (300×300 лучей) параллельно направленного рентгеновского излучения, который может быть использован в безмасочном рентгеновском нанолитографе.

В результате предложенной матрицы прострельных мишеней, подбирая необходимые напряжения для компенсационного электрода, можно добиться многолучевого параллельно направленного рентгеновского излучения в требуемом диапазоне длин волн. В отличие от прототипа предложенная матрица прострельных мишеней дополнена компенсационным электродом, который препятствует электростатическому прогибу матрицы прострельных мишеней. В результате предложенная матрица прострельных мишеней формирует многолучевой поток рентгеновского излучения с повышенной линейной направленностью, что способствует формированию более четкого топологического рисунка с разрешением до 20 нм. Таким образом, предоставляется решение поставленной задачи по повышению линейной направленности рентгеновского излучения, генерируемого матрицей прострельных мишеней.

1. Европейский патент ЕР2887380.

2. Патент США US20170263412.

3. Патент США US8837680.

4. Патент США US9008278.

Матрица прострельных мишеней, являющаяся частью рентгеновского источника, состоящая из рентгеновских окон и двух слоев, первый из которых имеет более высокую теплопроводность и рассеивает тепло, а второй производит большую часть рентгеновского излучения, генерируемого прострельной мишенью, отличающаяся тем, что сформирован дополнительный управляющий компенсационный электрод, в то время как первый теплопроводящий слой конструкционно совмещен с рентгеновскими окнами и представляет собой единый элемент - перфорированный анодный электрод.