基于IDS3010传感器的高分辨率扫描X光荧光显微镜测试

Characterizing a high resolution, scanning fluorescence X-ray microscope with the IDSensor

介绍

在许多领域中,X射线显微镜已经是一个标准工具。新型聚焦技术以及超亮度同步辐射源的发展促使其分辨率下降到1微米。空间分辨率的最终目标为10nm以下。目前该目标仍是一个较大的挑战。难点有两个:首先,要减小光斑体积:另一方面,也要改进集成后的显微镜机械结构以及温漂。通过多层劳厄镜片(MLL)可以解决第一个问题,而后者还是一个较大的难题。由于环境或者显微镜其他部件产生的温度抖动,机构有较大的机械漂移。然而紧凑式设计可以满足显微镜稳定性要求,如扫描探针显微镜(SPM),其分辨率为亚纳米。采用紧凑式设计,可以达到较高稳定性。紧凑式设计不仅增大自振频率,减小水平面积,同时也有效的抑制了温漂。因此,当要求纳米级分辨率是,在很多仪器设计中,紧凑的设计和较高的热稳定性是必须要遵循的原则。一个X射线显微镜比常规的SPM设计更为复杂。被测目标距离限制了减小体积的可能性。并且,因为光束和工件的稳定性会传递给样品,分辨率不仅依赖于样品的稳定性,所以最终也会受到光束和工件等因素的影响。跟SPM测量相比较,这个稳定性需要维持较长的时间周期。X射线显微镜为了达到纳米级分辨率,设计更为复杂。在整个设计过程中,元件和集成设备热漂和机械稳定性是需要特别注意的。E. Nazaretski 等人开始这种仪器的设计,并制定了相应的目标。他们需要一个,在亚纳米精度下,可以监控设备稳定性达数小时的工具。他们选择了IDS传感器。IDS传感器特殊的设计,可实现达亚纳米级精度的位移测量,并且在测量过程中有较高的稳定性。为了确认测量稳定性和分辨率,设计了两个实验进行相应的验证。

长时间稳定性测量

为了测量IDS3010长时间工作的漂移情况,他们搭建了一个50mm长腔。在腔的一端安装了一个反射镜,另一端是IDS聚焦镜。为了减小腔体温漂和热膨胀系数,这套设备安装在真空腔内,并且温度控制在液氮温度下。基于光纤设计的IDS传感器和超低温集成式聚焦镜是实验的首要条件。为了监控这套设备的温度,将一个被标定的温度传感器安装在腔体内。图1显示的是40小时采集到的数据。测量总漂移值为1.25nm。然而,由于采用了液氮进行冷却,这套设备的温度变化非常缓慢。通过图1 中面板a和b可以观测到温度和被测量腔长的关系。

分辨率测量

为了测量IDS3010的分辨率和内部噪声,搭建了一个特殊装置。采用一个小反射镜安装在一个配置了电容传感器高性能扫描器顶上。IDS3010三个聚焦镜安装在反射镜的三个方向上。聚焦镜和反射器的距离为25mm(图2)。为了减小声学的和机械噪声,以及温度和压力扰动,设备安装在一个双墙隔离箱内,并且用吸音薄膜包裹箱子外围。在确保稳定性的情况下,进行单步分别为1000pm,500pm,以及300pm的多步测量。通过电容传感器进行步长调节,采用干涉仪进行测量。单通道测量结果可以在图3中显示。两个通道的结果接近。干涉仪可以实现100Hz带宽下更小的步长测试。在温度和气压振动影响,(非封闭)常规环境下测得背景噪声小于1nm。

显微镜特性

在完成IDS3010传感器特性测量,采用该传感器测试MLL镜片稳定性。在显微镜上安装一个特殊的框架,可以夹持3个聚焦镜,实现三个方向上水平以及垂直MLL光学元件的温漂情况。在环境封闭的环境中,采用类似上述测量分辨率装置,安装在设备附近。在测试过程中,机构顶部的漂移,MLL镜片和基板的温度,房间的温度和气压都会受到监控。在温度较为敏感的Y方向上,总漂移量不超过10nm。在X方向漂移量为25nm,而Z方向(X光方向上),观察到的值为11nm。这个数据是在显微镜工作温度5 mK范围内获得的。加上温度气压的微小变动,由于空气折射率的变化,最小的温度漂移导致的微小位移量变化可以由干涉仪测得。而水平向MLL镜片测量结果也是一致的。

特性

为了使用X光,机构将会安装到钻石光源I13束线中。系统测试时,采用金测试样本完成电子束刻蚀。测量纹横穿金样1微米宽度。图4中显示两个方向上的扫描结果。数据采集的是L线中的金,像素大小为100nm,总采集时间为6小时。通过这个测试结果,得到了显微镜稳定性和分辨率值。针对数据采集结果可知,在两个方向上分辨率都为40nm,并且在总时间范围内稳定性小于45nm。

结论

E. Nazaretski等人基于40nm扫描式硬X射线荧光显微镜,建立了一个新式超稳定多层劳厄光学系统。为了搭建该设备,选用具有高分辨率,高稳定性的IDS传感器,测试了设备的机械漂移特性。根据测量结果,传感器工作40小时稳定性由于1.25nm,在一个可控环境内100Hz带宽下,分辨率高于300pm。根据采用IDS传感器进行测试,显微镜在实验室环境下,非常灵敏方向上,3小时测量周期内,稳定性优于10nm。证明了该显微镜具有非常高的空间分辨率。最后,将显微镜放置在X射线束中。通过测量横向金样本1微米宽度条纹,证明了在实际测量环境中,其优异的稳定性(6小时45nm)以及系统分辨率(40nm)。

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图1:在液氮温度下长行程稳定性测量。左图:干涉仪读数和时间间关键。右图:真空腔顶部和底部法兰温度读数,由于LN2的缓慢挥发,真空腔测得距产生了一定的漂移,该漂移和温度间关系。

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图2:干涉仪分辨率测试装置。干涉仪探测头(1)以及扫描台(2)。

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图3:扫描仪完成单步步长为300pm,500pm,以及1000pm扫描,并且采用光纤式激光干涉仪进行记录。干涉仪反射探头间距为25nm。

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图4:金条纹测试荧光下照片(扫描参数:步长-100nm,时间-1s;不同扫描范围对应(a)以及(b)。(a)水平快速扫描方向,(b)垂直轴快速扫描方向)