一种梯度多层膜及其制备方法、表征方法

本发明属于x射线衍射、磁控溅射、掩模技术、遗传算法等领域，涉及一种应用在x射线布拉格衍射元件，具体涉及一种梯度多层膜及其制备方法、表征方法。

背景技术：

1、x射线被称为十九世纪三大物理学发现之一，它的问世使物理、化学、生命科学、材料科学等领域发生了蓬勃的发展甚至革命性的变革。具备强大穿透能力的硬x射线可以在三维空间尺度上研究材料内部的结构以及动态变化。所有x射线光源都具有一些角度发散，无论是同步辐射、x光机抑或是韧致辐射。因此，x射线从光源发出后要经过一系列的光学元件对光进行调制来满足不同实验的需求，比如：反射镜、准直镜和聚焦镜。在发散角调制上，与全反射元件相比多层膜的布拉格角比全反射角要大1～10倍，因此多层膜反射镜的镜长要比全反射镜小很多，提高了同步辐射光源的姿态调节稳定性，增加了x光机的集成度和便携度。而梯度多层膜可以接收比平板多层膜以及全反射单层膜更大的发散角，能实现高通量和高增益。多层膜可以理解为是一种一维构造晶体，可以实现平面、椭圆柱面、抛物柱面等各种面型的加工，可以满足不同发散角光源的接收从而实现反射、准直和聚焦，且具有一定的能量分辨本领，因此广泛应用于世界各大同步辐射装置和x光机，用于衍射、荧光、ct等相关实验方法。多层膜所需的周期厚度取决于反射角和光源所需的能量，可表示为：

2、2dsinθ＝mλ,m＝1,2,3...

3、其中d为一个周期内两个材料的厚度和，θ为x射线的掠入射角，λ为入射光的波长，m为布拉格衍射的级次。为了实现大的接收角，需计算基底不同位置的入射角以及通过布拉格衍射方程计算不同位置的周期厚度，通常梯度多层膜厚度分布因为光学布局不同、接收角度不同要满足不同的函数关系，但均需要高精度的镀膜技术来实现。

4、国外见刊的比较接近的技术方案是采用物理掩膜的方式，即通过光学布局设计梯度多层膜的厚度分布，再根据厚度分布设计掩膜板的轮廓，掩膜板放置于粒子源和基底之间。在镀膜过程中基底匀速走过掩膜板生成薄膜厚度的梯度分布，因为这对于周期厚度误差是不可预判的，只能通过比较测试厚度与理论设计厚度分布的差异来进一步修正掩膜板的轮廓再重复以上工艺达到修正厚度误差的效果。国内并无同领域梯度膜的制备方法见刊。

5、现有技术的缺点是掩膜板放置于粒子源和基底之间会造成一部分镀膜阴影造成比较大的厚度误差，而掩膜板的加工和修正均需采用机械加工的方式，加工和修复周期较长且精度较低，不能充分满足纳米级的多层膜厚度误差要求，进而直接影响x射线调制的形状，比如聚焦光斑的展宽、准直光束的发散，如果误差较大还会因为布拉格衍射条件的失配而降低效率。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种梯度多层膜及其制备方法、表征方法。本发明通过固定掩膜板的轮廓和位置，通过构建单调的、连续的函数模型来描述基底运动速率分布曲线，为了实现速率曲线自动优化，提高优化精度和效率，采用遗传算法，设定边界条件，叠代参数，计算梯度多层膜沉积厚度并与理论厚度进行比较，设置目标函数逐渐优化找到适应度函数(目标函数)的最优解。

2、本发明的技术方案为：

3、一种梯度多层膜，其特征在于，包括基底和多层膜；所述多层膜中的每一层膜由高低折射率材料交替镀制而成，所述基底上的每一层膜沿基底长度方向的厚度t周期性变化且满足布拉格衍射方程2tsinθ＝mλ,m＝1,2,3...，θ为入射光的掠入射角，λ为入射光的波长，m为布拉格衍射的级次。

4、一种梯度多层膜的制备方法，其步骤包括：

5、1)在第一粒子源前方放置第一掩膜板，在第二粒子源前方放置第二掩膜板；所述第一掩膜板、第二掩膜板结构相同，且与对应的粒子源距离相同；所述第一掩膜板、第二掩膜板上设有矩形孔，用于粒子源发射的粒子经矩形孔入射沉积到所述基底上；其中，

6、多层膜中的高折射率材料为第一粒子源发射的粒子，多层膜中的低折射率材料为第二粒子源发射的粒子；

7、2)将所述基底以设定距离交替保持在第一掩膜板、第二掩膜板前方设定时间，测量基底运动方向不同位置的反射率曲线，并提取每条曲线布拉格衍射峰的峰值角度，根据所述布拉格衍射方程计算出基底不同位置的周期厚度分布函数f；

8、3)将所述基底以设定距离交替保持在第一掩膜板、第二掩膜板前方沿基底长边方向以恒定速度移动，且运动区间相同；测量基底中心位置的反射率曲线，提取布拉格衍射峰的峰值角度，根据所述布拉格衍射方程计算出多层膜中心的膜层生长速率r；

9、4)根据测定的r、f建立多层膜中的每一层膜沿基底长度方向的标准厚度t满足的微分沉积理论关系式其中，v是基底沿基底长边方向的移动速度，以粒子源为中心基底沿两个方向往返运动，xm为基底在运动行程范围(-l，l)内的坐标点；以基底的长边中心为原点，采用xs表示基底长度范围内基底上的坐标点；

10、5)采用遗传算法优化微分沉积理论关系式中的速率分布曲线，得到优化后的v(xm)；

11、6)利用磁控溅射法在基底上制备多层膜；其中在每一层膜制备过程中，所述基底以设定距离交替保持在第一掩膜板、第二掩膜板前方设定时间，并沿基底长边方向以优化所得速度v(xm)在以粒子源为中心(-l，l)范围内往返运动，第一、二粒子源发射的粒子经矩形孔入射沉积到所述基底上。

12、进一步的，得到优化后的v(xm)的方法为：将1/v(xm)构建为高阶多项式的形式，高阶多项式中的每个系数为常数项和指数项的乘积；将f、r和每次更新后的v(xm)带入到中计算出周期厚度分布矩阵t'，并与标准厚度t一起带入目标函数找到目标函数rmse最小值对应的速度作为优化后的v(xm)；ti′为周期厚度分布矩阵t'中基底第i个位置的周期厚度，ti为标准厚度t中基底第i个位置的周期厚度，n为基底测量位置的个数。

13、进一步的，得到优化后的v(xm)的方法为：

14、51)优化高阶多项式系数的指数项的指数，设定指数的变化范围，采用遗传算法初始化种群，设定迭代次数阈值，计算适应度函数如果当前所得rmse值满足设定终止条件则输出最优解，如果不满足终止条件则进行选择运算、交叉运算和变异运算生成下一代种群继续运算；当满足设定终止条件或达到设定迭代次数阈值时，确定出最优的指数；

15、52)优化高阶多项式系数的系数项，设定各系数项的系数变化范围，采用遗传算法初始化种群，设定迭代次数阈值，计算适应度函数如果当前所得rmse值满足设定终止条件则输出最优解，如果不满足终止条件则进行选择运算、交叉运算和变异运算生成下一代种群继续运算；当满足设定终止条件或达到设定迭代次数阈值时，确定出各系数项的最优系数。

16、进一步的，使用x射线衍射仪测量基底运动方向不同位置的反射率曲线。

17、一种梯度多层膜的表征方法，其步骤包括：首先使用x射线衍射仪测量基底运动方向不同位置的反射率曲线，并提取每条曲线布拉格衍射峰的峰值角度，根据布拉格衍射方程计算出基底不同位置的周期厚度分布t”，然后根据目标函数的值表征梯度多层膜；其中，ti″为周期厚度分布矩阵t”中基底第i个位置的周期厚度。

18、本发明采用实际测量的粒子束分布矩阵和中心生长速率来优化基底运动速率分布，与直接采用异性掩膜板轮廓镀制梯度多层膜相比，能够有效解决掩膜板镀膜边缘阴影带来的厚度误差。

19、本发明通过构建单调的、连续的速率分布函数，与直接反卷积运算速率分布曲线相比，能够解决速率分布中某些急速上升和下降造成的机械控制困难和精度降低的问题

20、本发明采用遗传算法优化微分沉积理论中的速率分布曲线，遗传算法分两步优化微分沉积理论中的v(xm)多项式系数，提高了优化的精度和效率。

21、本发明的优点如下：

22、梯度多层膜的制备意味着需要将微观粒子的沉积过程升级到大面积厚度可控的方式，由微分沉积理论可知，梯度多层膜的厚度分布，实际是基底运动速率函数的倒数与粒子源上方厚度分布函数的卷积。假如直接反卷积运算，得到的基底运动速率分布会有几处急速的上升和下降，这对于机械控制和精度保持都是十分困难的。在本发明中我们主要思想就是分别计算基底每个位置走过的路径和速度，根据靶材上方的粒子分布实现周期厚度的变化。采用掩模技术对粒子束分布进行调制以构建连续的、单调的速率分布曲线，采用遗传算法不断优化速率分布以逐渐减小梯度膜厚度误差，这种方法能不仅能够解决反卷积运算造成实际机械控制和精度不足的问题，同时也能提高优化的效率和精度。