В Институте физики микроструктур РАН – филиале ИПФ РАН разработана методика создания формы поверхности различных рентгенооптических элементов из монокристаллического кремния для мощных источников синхротронного излучения 4-го поколения (СКИФ, Россия и ESRF, Франция). Сложность задачи обусловлена малой длиной волны рентгеновского излучения, сравнимой с размером атома. Формообразование осуществляется методом прецизионной ионно-пучковой обработки. Методика основана на использовании ускоренных ионов с энергией, достаточной для аморфизации приповерхностного слоя кремния. При таких энергиях подавляется развитие шероховатости поверхности при ионном распылении, более того, может происходить и сглаживание вплоть до атомарного уровня (размах высот на поверхности не превышает 1 нм).
Для реализации метода сотрудниками ИФМ РАН была разработана уникальная установка ионно-пучкового травления, которая позволяет осуществлять ионные полировку, коррекцию формы и асферизацию. Сканирование пучком осуществляется согласно специально разработанному алгоритму, который не только не уступает мировым аналогам, но и в некоторых моментах его превосходит. Управляемый компьютером 5D-столик совместно с тремя источниками ускоренных ионов собственной разработки позволяет удалять с поверхности материал на размерах в доли миллиметра и на глубину в доли нанометра (несколько атомов).
Методика обработки монокристаллического кремния позволила начать изготавливать оптику для сверхмощных источников рентгеновского излучения со сверхмалыми размерами рентгеновского пучка (синхротроны 3+ и 4-го поколения, а также лазеры на свободных электронах). В том числе для российских установок класса MegaScience: строящиеся синхротроны СКИФ (Сибирский Кольцевой Источник Фотонов) в Новосибирске и СИЛА – СИнхротрон-ЛАзер (Протвино), а также источник рентгеновского излучения на базе лазерного петаваттного комплекса PEARL в ИПФ РАН (Нижний Новгород). Появление столь мощных источников рентгеновского излучения с малым размером зондирующего пучка позволило приступить к решению задач в области физики сверхвысоких давлений (исследуется малая область – доли мкм, между двух алмазных наковален), в материаловедении (исследования малых и сверхлокальных примесей, глубокое изучение структуры и состава материала), в физике взрывов и так далее.
Научный коллектив. Источник: ИФМ РАН
Наиболее перспективным материалом для подложек рентгеновских зеркал и элементов кристаллов-монохроматоров на данном этапе считается монокристаллический кремний, который по своим физико-механическим и теплофизическим свойствам превосходит многие другие материалы (карбид кремния, ситалл, кварц), уступая лишь монокристаллическому алмазу.
В рамках глубокого исследования процессов ионного распыления образцов из монокристаллического кремния обнаружено, что существует пороговая энергия (порядка 500 эВ) бомбардирующих поверхность ионов аргона, ниже которой шероховатость поверхности существенно увеличивается с образованием причудливого рельефа (гребни, ямки и т.п., см. рис. 2б). При бόльших энергиях шероховатость остается на уровне единиц ангстрем (~10-10 м) и даже наблюдается ее сглаживание (рис. 2в). Для объяснения обнаруженного эффекта образцы, подвергшиеся ионно-пучковой обработке, исследовались методом комбинационного рассеяния. Исследование показало появление аморфной фазы (рис. 2а). Аморфизация приповерхностного слоя приводит к тому, что образец начинает вести себя не как кристаллический материал, а как аморфный, для которых неоднократно наблюдались эффекты ионной полировки.
Ионно-пучковая обработка монокристаллического кремния. а) Спектр комбинационного рассеяния (325 нм); б) АСМ кадр (травление при Eион=300 эВ); в) АСМ кадр (травление при Eион=800 эВ); г) Карта поверхности кристалла-монохроматора до коррекции; д) Карта поверхности кристалла-монохроматора после коррекции. Источник: ИФМ РАН
Обнаруженный эффект позволяет использовать ионно-пучковое травление для формирования рентгенооптических элементов из монокристаллического кремния, что увеличит возможности современных и перспективных источников рентгеновского излучения.
Метод уже нашел применение. В рамках международной кооперации с модернизированным в 2019 г. до 4-го поколения European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, Гренобль, Франция) был изготовлен кристалл-монохроматор из монокристаллического Si (110) для линии Nuclear Resonance Beamline (ID18) (энергия фотонов 7–80 кэВ). Форма поверхности кристалла по параметру RMS была улучшена более чем в 40 раз от исходных RMS=110 нм (рис. 2г) до RMS=2,7 нм (рис. 2д), а шероховатость с seff = 2,5 нм до seff = 0,20 нм. Элемент позволил получить монохроматизированный пучок размером не более 10,0x5,0 мкм².
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 21-72-30029.
