專利名稱：一種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密光學(xué)元件制作領(lǐng)域，尤其是涉及ー種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡及其制作方法。
背景技術(shù)：
極紫外天文觀測是研究太陽活動、日地環(huán)境、長期天氣預(yù)報的重要手段，通過極紫外天文望遠鏡對Fe XV(28. 4nm)和He II (30. 4nm)等重要的太陽譜線進行成像,能實時監(jiān)控太陽的動態(tài)及其對地球的影響。另ー方面，極紫外波段存在許多的元素特征譜線，在同步輻射等人造光源中進行元素特征譜線的鑒定是化學(xué)分析的重要手段。而在極紫外波段，各種材料均存在吸收且折射率接近I，折射式光學(xué)系統(tǒng)不適用，采用多層膜反射鏡作為基本元件的近正入射反射系統(tǒng)是最常見的有效的系統(tǒng)。由于Mg的L吸收邊在25nm，Mg是25_40nm 波段廣泛應(yīng)用的間隔層材料，現(xiàn)有的Mg/SiC，Mg/Y203和Mg/Co等Mg基多層膜反射鏡，實測的近正入射反射率達40%以上，展示出了優(yōu)異的光學(xué)性能。在同步輻射光源和空間太陽觀測等應(yīng)用中，多層膜反射鏡長時間在強光的照射下工作，由于光照射而引起反射鏡溫度上升達幾百攝氏度，在這些工作環(huán)境中，要求多層膜反射鏡能在高溫的環(huán)境中穩(wěn)定地工作。然而，Mg化學(xué)性質(zhì)活潑，熔點低(650°C )，使得提升Mg基多層膜反射鏡的熱穩(wěn)定性極其困難。目前已有的Mg/SiC，Mg/Y203和Mg/Co多層膜反射鏡僅能在200°C以下保持穩(wěn)定，在200°C以上多層膜結(jié)構(gòu)急劇變差，光學(xué)性能隨之急劇下降。研究表明，在Mg/SiC多層膜中，Mg膜層和SiC膜層的界面在高溫條件下化學(xué)反應(yīng)活躍，生成MgSi2,使界面質(zhì)量下降，導(dǎo)致Mg/SiC多層膜反射鏡的光學(xué)性能變差。在Mg/Co多層膜中，Mg膜層和Co膜層的界面在300攝氏度左右粗糙度劇增，界面質(zhì)量下降最終導(dǎo)致光學(xué)性能下降?，F(xiàn)有的Mg基多層膜反射鏡只適當(dāng)于工作環(huán)境溫度較低的應(yīng)用中，其熱穩(wěn)定性極大地限制了它在同步輻射光源、用于太陽成像的極紫外天文望遠鏡等重要領(lǐng)域中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服現(xiàn)有的Mg基多層膜熱穩(wěn)定性差的缺陷而提出的ー種采用金屬Zr作為吸收層的Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡及其制作方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)ー種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡，其特征在干，該反射鏡包括基底，在基底上依次層疊有打底層、Mg/Zr周期多層膜及保護層，其中Mg/Zr周期多層膜由Mg膜和Zr膜周期性交替鍍制構(gòu)成。所述的基底的材料為單晶硅片或玻璃。所述的打底層鍍制在基底上，打底層的材料為金屬Zr，厚度為2_3nm。所述的Mg/Zr周期多層膜鍍制在打底層上，所鍍制的第一層是Mg膜，最后ー層是Zr膜，周期數(shù)為30-40，Mg/Zr周期多層膜的總厚度為450_640nm，Mg層厚度與總厚度之比為 O. 6-0. 8。
所述的保護層鍍制在Mg/Zr周期多層膜上，材料為B4C,厚度為3_5nm。ー種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡的制作方法，其特征在于，該方法包括以下步驟I)在超光滑的單晶硅片或玻璃基底上鍍制厚度為2-3nm的Zr膜層作為打底層；2)在打底層上鍍制周期數(shù)為30-40的Mg/Zr周期多層膜，總厚度為460-640nm，鍍制的第一層為Mg膜層,最后ー層為Zr膜層；3)在Mg/Zr周期多層膜上鍍制3. 5_5nm厚的B4C膜層作為保護層即可得到Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡。所述的打底層、Mg/Zr周期多層膜和保護層均采用磁控濺射方法進行鍍制，模式為恒功率派射，工作氣壓為I毫托。 所述的打底層，Mg/Zr周期多層膜和保護層所采用的Mg靶、Zr靶和B4C靶的純度均為99. 5%0步驟I)中鍍制打底層前本底真空優(yōu)于8E_5Pa。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡引入了熔點高(1852°C)，化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)在高溫條件下依然保持穩(wěn)定的金屬Zr作為多層膜的吸收層，解決了 Mg基多層膜中Mg層隨著溫度的上升而與吸收層發(fā)生擴散加劇、融合以及化學(xué)反應(yīng)而造成多層膜質(zhì)量下降最終導(dǎo)致光學(xué)性能變差的問題。傳統(tǒng)的Mg基多層膜以金屬/非金屬組合為主，活潑的Mg層隨著溫度上升過程中易于非金屬層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變多層膜結(jié)構(gòu)，例如Mg/SiC多層膜在高溫時生成MgSi2,同時急劇了 Mg層和SiC層的擴散，破壞了多層膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致光學(xué)性能急劇下降。新興的Mg/Co多層膜，盡管在阻止界面擴散方面有了很大的改進，但Co在溫度上升過程中會發(fā)生晶向的轉(zhuǎn)變，使多層膜結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致光學(xué)性能下降。因此，現(xiàn)有的Mg基多層膜，包括Mg/SiC和Mg/Co等，由于界面結(jié)構(gòu)、膜層結(jié)構(gòu)在高溫條件下不能保持穩(wěn)定，表現(xiàn)出了較差的熱穩(wěn)定性，只能在工作在溫度較低的環(huán)境中，極大地限制了光學(xué)性能優(yōu)良的Mg基多層膜在同步輻射光源、極紫外天文觀測等重要領(lǐng)域中的應(yīng)用。而Mg/Zr多層膜通過采用金屬Zr作為吸收層材料，很好地解決了長期困擾Mg基多層膜的應(yīng)用的熱穩(wěn)定性問題，Mg/Zr多層膜反射鏡在300攝氏度左右依然保持著和常溫下幾乎一致的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能，而在550攝氏度以下，雖然其光學(xué)性能略有下降，但依然能正常工作。此外，Zr的光學(xué)常數(shù)在極紫外波段合適，Mg/Zr多層膜反射鏡和其他Mg基多層膜反射鏡一祥，擁有較好的光學(xué)性能。因此，Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡兼顧了光學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的兩方面優(yōu)點，適用于同步輻射光源和極紫外天文觀測等重要的應(yīng)用中。


圖I為Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡的工作示意圖。圖中I為基底、2為Zr打底層、3為Mg/Zr周期多層膜中的Mg膜、4為Mg/Zr周期多層膜中的Zr膜、5為Mg/Zr周期多層膜，6為B4C保護層，7為入射光，8為反射光。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
實施例ー種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，該反射鏡包括基底I，在基底上依次層疊有打底層2、Mg/Zr周期多層膜5及保護層6，其中Mg/Zr周期多層膜由Mg膜和Zr膜周期性交替鍍設(shè)構(gòu)成?；譏的材料為單晶硅片或玻璃，本實施例采用晶向為(100)的單晶硅片，打底層2鍍制在基底I上，打底層2的材料為金屬Zr，厚度為2-3nm。本實施例中為2nm。Mg/Zr周期多層膜5鍍制在打底層2上，所鍍制的第一層是Mg膜3，最后ー層是Zr膜4，周期數(shù)為30-40，本實施例中的周期數(shù)為40，Mg/Zr周期多層膜5的總厚度為450-640nm，Mg層厚度與周期厚度之比為O. 6-0. 8，本實施例中為O. 8。保護層6鍍制在Mg/Zr周期多層膜5上，材料為B4C,厚度為3-5nm，本實施例為4nm。首先選用超光滑的單晶硅片(晶向為(100))或玻璃作為反射鏡的基底1，基底粗糙度為O. 3-0. 5nm。然后在基底上鍍制厚度為2nm的Zr膜層作為打底層2。再在打底層2上交替鍍制Mg膜層3和Zr膜層4以形成Mg/Zr周期多層膜5，周期數(shù)為40，Mg的厚度與周期厚度之比為O. 8，周期多層膜5中所鍍制的第一層為Mg層，最后ー層為Zr層。最后在 周期多層膜上鍍制厚度為4nm的B4C層作為保護層6，即可得到性能優(yōu)異的Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡。膜層的鍍制均采用直流磁控濺射法，模式為恒功率式，工作氣壓為I毫托，膜層鍍制前本底真空優(yōu)于8E-5帕斯卡，鍍制打底層、周期多層膜和保護層所采用的靶材的純度為 Mg(99. 5% )，Zr (99. 5% )，B4C(99. 5% )。圖2是Mg/Zr極紫外多層膜工作中的示意圖，入射光7通過保護層6，Mg/Zr周期多層膜5，打底層2，在每個界面上均發(fā)生反射，出射反射光8。Zr的光學(xué)常數(shù)合適，同時保護層B4C的吸收比較小，反射鏡能獲得比較高的反射率，展示出優(yōu)良的光學(xué)性能。另ー方面，Zr的性質(zhì)穩(wěn)定，且Mg和Zr的界面在高溫的條件下依然能保持穩(wěn)定，不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或嚴(yán)重的擴散，即使光能轉(zhuǎn)化為熱量而引起溫度上升到550攝氏度以下吋，Mg/Zr多層膜能保持其在室溫下的性能，不影響Mg/Zr多層膜反射鏡的正常使用。本申請并不局限于本發(fā)明詳細記載的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對此作出各種變形或修改。但是這些變形或修改只要不背離本發(fā)明的精神和意圖，仍在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡，其特征在干，該反射鏡包括基底(I)，在基底(I)上依次層疊有打底層(2)、Mg/Zr周期多層膜(5)及保護層出)，其中Mg/Zr周期多層膜(5)由Mg膜(3)和Zr膜(4)周期性交替鍍制構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡，其特征在于，所述的基底(1)的材料為硅片或玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡，其特征在于，所述的打底層(2)鍍制在基底(I)上，打底層(2)的材料為金屬Zr，厚度為2-3nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡，其特征在于，所述的Mg/Zr周期多層膜(5)鍍制在打底層(2)上，所鍍制的第一層是Mg膜，最后ー層是Zr膜，周期數(shù)為30-40,Mg/Zr周期多層膜(5)的總厚度為450_640nm，，Mg層厚度與總厚度之比為O. 6-0. 8。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡，其特征在于，所述的保護層(6)鍍制在Mg/Zr周期多層膜(5)上，材料為B4C,厚度為3_5nm。
6.一種如權(quán)利要求I所述的Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡的制作方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 1)在硅片或玻璃構(gòu)成的基底(I)上鍍制厚度為2-3nm的打底層(2); 2)在Zr打底層⑵上鍍制Mg/Zr周期多層膜(5)； 3)在Mg/Zr周期多層膜(5)上鍍制B4C保護層即可得到Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ー種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡的制作方法，其特征在于，所述的打底層(2)、Mg/Zr周期多層膜(5)和保護層(6)均采用磁控濺射方法進行鍍設(shè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ー種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡的制作方法，其特征在于，所述的打底層(2)，Mg/Zr周期多層膜(5)和保護層(6)所采用的Mg靶、Zr靶和B4C靶的純度均為99. 5%0
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ー種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡的制作方法，其特征在于，步驟I)中鍍制打底層(2)前本底真空優(yōu)于8E-5Pa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡及其制作方法，在超光滑的硅片或玻璃基底上鍍制打底層，再交替鍍制Mg、Zr膜層形成Mg/Zr周期多層膜，然后在周期多層膜上鍍制B4C作為保護層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用熔點高、相態(tài)穩(wěn)定的金屬Zr作為多層膜的吸收層，制作出的Mg/Zr極紫外多層膜反射鏡克服了Mg/SiC等傳統(tǒng)的Mg基多層膜熱穩(wěn)定性差的缺點。同時，在極紫外波段Zr的光學(xué)常數(shù)合適，Mg/Zr多層膜反射鏡保持了Mg基多層膜反射鏡優(yōu)異的光學(xué)性能。因此，兼顧了光學(xué)性能和熱穩(wěn)定性的Mg/Zr多層膜反射鏡，適用于同步輻射光源、空間觀測等工作環(huán)境溫度高的極紫外波段應(yīng)用。
文檔編號G02B5/08GK102866442SQ20111018913
公開日2013年1月9日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者朱京濤, 周斯卡, 李浩川, 王占山 申請人:同濟大學(xué)