強(qiáng)烈的短激光脈沖與物質(zhì)的相互作用使得在固體材料中產(chǎn)生強(qiáng)電子激發(fā)態(tài)和高溫高壓。由于這些相互作用，材料可以進(jìn)行相和結(jié)構(gòu)的修改。例如，激光燒蝕是一種從表面去除材料的過程，是激光脈沖與物質(zhì)相互作用的直接結(jié)果之一。

由于在自放大自發(fā)發(fā)射（SASE）激光系統(tǒng)中，每發(fā)輸出的能量波動(dòng)較大。因此，為了將軟X射線激光實(shí)驗(yàn)用于定量分析，必須對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中獲得的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。來自日本國立量子科學(xué)與技術(shù)研究所與日本NTT-AT公司的研究人員，報(bào)告了配備強(qiáng)度監(jiān)測器的SXRL光束線的開發(fā)以及自支撐Mo/Si多層膜分束器（BS）的效率特性，并對(duì)PMMA進(jìn)行了靈敏度評(píng)估以確認(rèn)光束線的性能。結(jié)果表明，評(píng)估的靈敏度比具有納秒脈沖寬度的等離子軟X射線源的靈敏度高50倍，研究將有助于加速對(duì) SXRL 輻照誘導(dǎo)現(xiàn)象的研究。研究成果“Soft x-ray laser beamline for surface processing and damage studies”于2020年4月發(fā)表在《APPLIED OPTICS》上。

研究人員開了一種配備了強(qiáng)度監(jiān)測器，并專用于燒蝕研究（如表面處理和損傷形成）的軟X射線激光光束線裝置。SXRL的波長為13.9nm，脈沖寬度7ps，基于Ag等離子體增益介質(zhì)的振蕩放大器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的脈沖能力約為200nJ

軟X射線激光通過Mo/Si多層膜球面鏡聚焦到樣品表面。為了獲得精確的輻照能量/通量，在束線上安裝了由Mo/Si多層膜分束器和CCD探測器組成的強(qiáng)度監(jiān)測器。

Mo/Si多層膜分束器在45°入射角附近的反射率具有很大的偏振相關(guān)性。但是，通過適當(dāng)評(píng)估分束器的反射率和透射率之間的關(guān)系，可以得出樣品表面上的輻照能量可以從強(qiáng)度監(jiān)測器上獲取。該 SXRL光束線不僅可用于燒蝕現(xiàn)象，還可用于軟 X 射線光學(xué)器件和抗蝕劑的性能評(píng)估。

空間相干的SXRL脈沖是由用具有雙Ag帶靶的振蕩放大器中的Ag等離子體增益介質(zhì)產(chǎn)生。

SXRL的每發(fā)脈沖的強(qiáng)度（波長13.9nm，脈沖持續(xù)時(shí)間7ps，輸出平均能量為200nJ每發(fā)）被厚度為0.1、0.2、0.5、1或者2um的Zr filter降低。Zr 濾光片可單獨(dú)插入也可組合插入SXRL光束中。同時(shí)，Zr濾光片還可用來阻擋來自Ag等離子體增益介質(zhì)的不需要的X射線輻射。

強(qiáng)度監(jiān)測器由Mo/Si多層膜分束器（BS）、Zr filter、和X射線CCD相機(jī)組成。BS設(shè)計(jì)用于波長為13.9nmSXRL的脈沖、其入射角為45°。每個(gè)SXRL脈沖分為兩束：一束透過BS向多層膜球面鏡傳輸，一束被BS反射到X射線CCD相機(jī)上。CCD記錄SXRL光束的空間強(qiáng)度分布并用作強(qiáng)度監(jiān)測器。安裝在BS和CCD之間的Zr 濾光片可以調(diào)節(jié)入射到CCD相機(jī)光束的強(qiáng)度，以保證其不會(huì)飽和，具體布局如圖1。

圖1. 軟X射線激光光束線示意圖。由等離子源產(chǎn)生的SXRL 光束被分束器分成兩束：一束由聚焦鏡照射到樣品表面，另一束被將傳輸?shù)綇?qiáng)度監(jiān)測器。

為了從強(qiáng)度監(jiān)測器獲得的能量中推算出送到樣品表面的輻照能量，必須確定輻照能量與被監(jiān)測能量之間的關(guān)系。在評(píng)估校準(zhǔn)比之前，必須了解Mo /Si多層膜分束器的性能特點(diǎn)。

下圖2顯示了在KEK-PF的BL-11D測量的不同時(shí)期生產(chǎn)的Mo/Si多層膜分束器的典型效率曲線。

圖(a) Mo/Si多層膜分束器的實(shí)測效率。效率曲線顯示了s偏振軟 X 射線的反射率以及s和p偏振軟 X 射線的透射率，其入射角為45°。圖(b) Mo/Si多層膜分束器的計(jì)算效率作為入射角的函數(shù)，入射軟 X 射線的波長為13.9 nm。

為了從強(qiáng)度監(jiān)測獲得的檢測值來得到樣本表面的輻照強(qiáng)度,必須估計(jì)輻照和檢測強(qiáng)度之間的關(guān)系。為了測量輻照強(qiáng)度，研究人員在球面鏡前加了一個(gè)Zr 濾光片，在球面鏡后額外放置了一個(gè)Mo/Si多層膜平面鏡和X-ray CCD相機(jī)。鍍?cè)谄矫骁R上的Mo/Si多層膜涂層針對(duì)13.9nm的軟X射線進(jìn)行了優(yōu)化，入射角為45°，因此Mo/Si 多層膜相對(duì)于平面鏡反射 s 偏振分量。圖3(a)和圖3(b)分別展示了垂直分量和水平分量測量的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。當(dāng)平面鏡被設(shè)置為反射垂直分量[圖3(a)]時(shí)，可以評(píng)估輻照到監(jiān)測器垂直分量的相對(duì)強(qiáng)度。如果將平面鏡設(shè)置為反射水平分量[圖3(b)]，則可以評(píng)估照射到監(jiān)測器水平分量的相對(duì)強(qiáng)度。同時(shí)對(duì)校正實(shí)驗(yàn)中使用的Mo/Si多層平面鏡的反射率、CCD相機(jī)的靈敏度和Zr濾光片的透射率也進(jìn)行了評(píng)估。

圖3：相對(duì)強(qiáng)度測量的實(shí)驗(yàn)裝置(a)垂直分量，(b)水平分量。圖中所示的CCD-4和CCD-5捕捉每個(gè)SXRL脈沖的輻照強(qiáng)度和監(jiān)測強(qiáng)度

圖4(a)和圖4(b)分別顯示了SXRL脈沖垂直分量和水平分量的相對(duì)強(qiáng)度。

研究開發(fā)了用于表面處理和損傷研究的SXRL光束線。束線配備了強(qiáng)度監(jiān)測器，可提供作用在樣品上的激光強(qiáng)度。為了從強(qiáng)度監(jiān)測器獲得的能量中獲取輻照能量，研究評(píng)估了 Mo/Si 多層膜分束器的性能特征，然后評(píng)估了輻照強(qiáng)度和檢測強(qiáng)度之間的關(guān)系。SXRL通過球面鏡聚焦到樣品上，平均焦斑估計(jì)約為 100 um2。因此，使用獲得的輻照強(qiáng)度和光斑面積計(jì)算的最大通量約為 30 mJ/cm2。這種能量密度足夠高，可以在材料上產(chǎn)生燒蝕（損壞）結(jié)構(gòu)。

為了確認(rèn) SXRL 光束線的能力，研究展示了抗蝕劑材料的 SXRL 輻照，并研究了 PMMA 的靈敏度。結(jié)果，獲得的皮秒 SXRL 輻照靈敏度比典型的長脈沖 EUV 輻照高約 50 倍。這一事實(shí)表明特定抗蝕劑設(shè)計(jì)對(duì)于下一代 EUV-FEL 光刻技術(shù)的重要性。SXRL 光束線將有助于加速對(duì) SXRL 輻照誘導(dǎo)現(xiàn)象的研究。

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