Studio dell'interazione della radiazione elettromagnetica con strutture nanometriche per lo sviluppo di ottiche

A suitable throughput in the EUV spectral range can be obtained using a grazing incidence optical configuration, however, for small reflection angles, useful also for limited size of the experimental setup and optic system aberrations reduced, the multilayer reflective coatings have to be used. A typical multilayer coating consists in a periodic structure realized by the alternating deposition of films of two or more different materials with relatively high optical contrast and low absorption. The multilayer working principle is based on the constructive interference among the electromagnetic wave components reflected at the various interfaces. The films thickness is defined in order to comply this principle for predetermined wavelengths. The choice of the materials is made in order to maximize their optical contrast, i.e. in such a way that their refraction index are as different as possible. In this way, according with the Fresnel law, the amplitude of the electromagnetic wave reflected at each interface is maximized. In this PhD work have been optimized aperiodic multilayer structures for different applications like: EUV and x-ray astronomy, EUV lithography and reflection of attosecond ultrashort pulses, like those due to high order harmonics of laser pulses generated in the interaction of ultrashort laser pulses with matter. The input parameters are the multilayer thicknesses, materials and layers number, instead the merit function is the multilayer reflection. Multilayer coating for EUV lithography Pertaining the design of EUVL multilayers, novel aperiodic structures covered by capping layers resistant to environmental attack have been developed. This multilayer offer superior performance for extreme ultraviolet lithography, in particular an integrated intensity increase of up to 2.18 times that obtained using standard periodic multilayers has been estimated. The a-periodic structures have minimal absorption in the top-most layers, which makes them especially insensitive to both the choice of capping layer material, and to any subsequent capping layer degradation due to oxidation or contamination. This property allows for the use of the most resilient capping layer materials available, thereby leading to significantly improved lifetime. We have produced prototype capped a-periodic coatings and have measured their performance. Multilayer coating for EUV astronomy Space optic instrumentation for the sun observation in the Extreme Ultraviolet (EUV) spectral region is often based on multilayer coating technology. Such coatings have not negligible bandwidth, and therefore, often the detected signal is due to the contribution of different very close spectral lines. In this PhD work we present a study of innovative capping layer structures covering the multilayer coating able to improve the rejection of the unwanted lines and at the same time preserving the reflectivity peak at the working wavelength. The mathematical design method will be presented and discussed. Moreover, theoretical results for some structures designed by the use of the new mathematical tool will be presented and discussed. Experimental results related to periodic Mo/Si multilayer covered by an optimized Mo/Si capping layer able to reflect the Fe-XV line with rejection ratio of some orders of magnitude for the near He-II intense line are presented. Multilayer coating for x ray astronomy The configurations adopted in X-ray telescopes are based on the Wolter designs. In the past mirrors have been coated by a single material layer exploiting the external reflection phenomena. This approach can be very critical at energies above 10 keV, since external reflection appears at very low grazing incidence angle, and therefore very tight mechanical constraints in mirror alignment and on optical mounts are required. More recently the discovery and development of multilayer coatings have revolutionized the roadmap of the x-ray telescope's technology. Different mathematical approaches have been used for finding the optimum solution in term of broadband reflectivity. Global optimization algorithms like genetic algorithm or simulated annealing capable of searching the optimum structure inside a very wide domain of possible solutions have been used. Some mathematical tools adopt layer design constraints able to guide the focusing of the algorithms toward specific types of solution, as depth graded multilayer with a powerlaw layer distribution. More recently, a further step has been represented by a math formalism able to provide chaotic layer distribution solutions which have gain of very flat reflectivity. In this PhD work we show the preliminary results of some broadband W/B4C multilayer design. Multilayer coating for EUV attosecond pulses In the field of attosecond pulses generated by high order harmonics both the harmonic spectral shape and the spectral phase have to be controlled. In the case of plateau harmonics, the need is to compensate the phase mismatch between different harmonics and obtain a Gaussian reshaping of the spectrum, while, in the case of cut-off harmonics the phase locking has to be preserved for obtaining a Gaussian reshaping of the spectrum. It is worth to be noted that for attosecond experiments it is essential to study optical design capable to comply with the above requirements. For the VUV and XUV harmonics reflection an interesting solution are multilayer mirrors. Typical periodic structures are characterized by energy band coverage usually restricted to few percent of the peak energy i.e., for example, a few eV at about 100 eV. This means that in the case of ultra-short radiation pulses (< femtosecond) the corresponding "wide" spectral features cannot be preserved. In this PhD work we study aperiodic multilayer designed in order to reflect attodsecond pulses.

Nella regione spettrale dell'EUV e dei raggi x le radiazioni sono altamente energetiche, conseguentemente i modelli teorici che ne descrivono il comportamento sono differenti da quelli classici usati per le onde nella regione spettrale che va dal visibile all'infrarosso (molto meno energetiche). In questa regione spettrale, infatti, tutti i materiali hanno un assorbimento non trascurabile della radiazione unito ad un basso contrasto ottico. A causa di ciò i sistemi ottici tradizionali in trasmissione (lenti, prismi) non possono essere utilizzati, si devono pertanto utilizzare ottiche in riflessione. I materiali ed i rivestimenti monostrato, utilizzati nelle regioni a lunghezza d'onda maggiore, offrono però un'efficienza nulla in questa regione spettrale qual'ora utilizzate in incidenza normale (come è necessario per poter contenere le aberrazioni di un sistema ottico e per avere dimensioni contenute del "setup" sperimentale). E' pertanto necessario utilizzare degli specchi con "coating" realizzati da sistemi multistrato, ossia consistenti nel deposito di due o più materiali. Generalmente un materiale presenta il più basso assorbimento possibile, detto anche spaziatore, mentre l'altro, detto anche assorbitore, presenta un assorbimento relativamente alto rispetto al primo. Una struttura tipica consiste nella ripetizione periodica di un film assorbitore alternato ad uno spaziatore conservando il valore dei singoli spessori lungo tutta la struttura, tale tipo di multilayer viene definito periodico. Nel caso di multilayer periodici è possibile ricavare, grazie alla legge di Bragg, gli spessori che diano un picco di riflettività ad una data lunghezza d'onda. Nel caso di multilayer aperiodici, invece, risulta molto difficile determinare un metodo per ricavare la scelta degli spessori che diano luogo ad un comportamento predeterminato in riflessione; infatti essi determinano le differenze di cammino ottico tra le onde riflesse ad ogni interfaccia, comportando interferenza costruttiva o distruttiva per le diverse lunghezze d'onda. Il lavoro di dottorato, presentato in questa tesi, consiste nel disegno nella realizzazione e nella caratterizzazione sperimentale di innovative strutture multistrato aperiodiche disegnate per le più svariate applicazioni quali la fotolitografia, l'astronomia per i raggi x e per l'estremo ultravioletto, e la riflessione di impulsi ultrabrevi, come le armoniche laser di ordine elevato generate nella interazione di impulsi laser ultrabrevi con la materia. La procedura seguita nella ricerca della distribuzione ottimale di strati si compone nelle seguenti fasi: - definizione dei parametri liberi da ottimizzare; - individuazione di una funzione di merito in grado di stimare in maniera adeguata la qualità delle soluzioni al variare dei parametri; - ottimizzazione dei parametri liberi. Nella maggior parte dei casi considerati i parametri liberi sono gli strati del multilayer e la funzione obbiettivo è un predeterminato comportamento in riflessione. Considerando la forte irregolaritè della riflessione al variare degli strati e l'elevato numero di strati e quindi di parametri liberi del problema (generalmente 100), è preferibile utilizzare algoritmi di ottimizzazione globali quali ad esempio gli algoritmi genetici. In questo lavoro di tesi un algoritmo genetico, presente nel toolbox di MATLAB, è stato potenziato con delle regole matematiche di selezione. Fotolitografia EUV Uno dei più importanti campi di applicazione dei ricoprimenti multistrato è la fotolitografia EUV di nuova generazione, su cui sono concentrate le risorse della grande industria dei processori (Intel, AMD, Motorola ecc). La fotolitografia trasferisce i diversi schemi di circuito su un wafer di silicio proiettando un raggio uniforme di luce laser attraverso una maschera e facendolo convergere in seguito sul materiale fotosensibile di cui è rivestito il wafer di silicio. Successivamente si giunge al disegno finale del circuito attraverso sviluppo, "etching" (rimozione chimica) e deposito dei materiali. Nel corso degli anni si sono sviluppati circuiti sempre più piccoli, il che solitamente ha comportato componenti elettroniche più piccole, più veloci e meno costose, mediante l'utilizzo di lunghezze d'onda di luce sempre più piccole. Il ridimensionamento delle lunghezze d'onda ha portato a considerare l'utilizzo la radiazione nell'EUV e specchi a multistrato invece che laser e lenti. Nella fotolitografia EUV i fenomeni che degradano l'efficienza delle ottiche sono la deposizione sulla superficie degli specchi di composti di carbonio e l'ossidazione. In particolare l'ossidazione sembra essere il fenomeno più difficile da arginare, esso ha origine dagli elettroni fotoemessi che rompono le molecole d'acqua, presenti nell'ambiente fotolitografico, generando molecole di ossigeno che si depositano sulla superficie delle ottiche e conseguentemente reagiscono con essa formando uno strato sottile di ossido. Sfortunatamente l'ossido è una tipologia di materiale fortemente assorbente per la radiazione nell'EUV e quindi può degradare di molto l'efficienza delle ottiche di un sistema per la fotolitografia EUV. Una soluzione adottata per proteggere le ottiche dai fenomeni sopra descritti, e conseguentemente prolungarne il tempo di vita, consiste nella deposizione di due strati protettivi di rutenio e di molibdeno o carburo di silicio sopra le ottiche multistrato. Tale tipo di strati protettivi permettono alle ottiche multistrato di raggiungere gli obbiettivi di tempo di vita utile prefissi dalla "roadmap" della fotolitografia EUV, purtroppo però la loro deposizione sopra una struttura periodica, struttura standard per fotolitografia, ne abbassa di molto l'efficienza. Nell'ambito di questo lavoro di dottorato sono state realizzate e caratterizzate ottiche multistrato, ricoperte dalle tipologie di strati protettivi descritti prima, disegnate in modo da migliorare la stabilità delle prestazioni rispetto ad ogni possibile cambio delle proprietà ottiche del materiale costituente lo strato protettivo e contemporaneamente massimizzare l'efficienza della riflessione. Tali proprietà derivano dalla differente distribuzione dell'onda stazionaria di queste strutture rispetto le strutture periodiche generalmente utilizzate. Oltre agli effetti appena descritti lo spostamento dell'onda stazionaria ha un altro effetto benefico che è quello di diminuire il numero di elettroni foto-emessi, i quali sono la principale causa di ossidazione delle ottiche in ambiente fotolitografico. In modo da poter testare sperimentalmente le proprietà appena descritte sono stati depositati alcuni campioni costituiti da questi disegni innovativi (aperiodici) e ricoperti da tre diversi rivestimenti protettivi quali Ru/Mo, Pt/Mo e a-Si//Mo, per poter comparare il reale miglioramento ottenuto sono state depositate anche tre strutture periodiche ricoperte dai medesimi rivestimenti protettivi. Le deposizioni sono state fatte tramite un sistema magnetron sputtering nell'azienda RXOLLC (N.Y. USA) e successivamente i campioni sono stati caratterizzati alla linea BEAR del sincrotrone ELETTRA. I risultati ottenuti hanno confermato le predizioni, infatti, nel caso delle strutture ricoperte dal rivestimento Ru/Mo le strutture aperiodiche hanno una riflettività più alta e, grazie ad un confronto tra i diversi picchi di riflettività in funzione dei diversi ricoprimenti utilizzati, una sostanziale insensibilità al cambio delle proprietà ottiche del ricoprimento. Inoltre, un'approfondita analisi dei dati ottenuti dalla fotoemissione degli elettroni secondari ha confermato un sostanziale riduzione del numeri di fotoelettroni emessi da parte delle strutture aperiodiche. Ottiche multistrato per astronomia nell'EUV Negli ultimi anni telescopi basati su ottiche multistrato ad incidenza normale sono stati impiegati su molte missioni spaziali dedicate all'osservazione del sole nella regione spettrale dell'estremo ultravioletto, come in particolare Fe-IX (17.1 nm), Fe-XII (19.5 nm), Fe-XV (28.4 nm) e He-II (30.4 nm). Esempi di missioni con esito positivo sono SOHO e TRACE. Le prestazioni delle ottiche multistrato in questo campo di applicazione sono principalmente valutate in termini di picco di riflettività per la lunghezza d'onda di una predeterminata riga di emissione e capacità di reiezione delle altre righe. La coppia di materiali generalmente utilizzata per costituire le ottiche multistrato per osservazioni nell'EUV è Molibdeno/Silicio. Tale tipo di coppia di materiali è una soluzione ben studiata per applicazioni nella fotolitografia, e grazie a ciò in questi ultimi anni è stato sviluppato un notevole background sulla deposizione di ottiche Mo/Si, inoltre, una volta depositata tale coppia di materiali ha un'elevata stabilità e resistenza ai carichi termici. Purtroppo, strutture multistrato periodiche costituite da Mo/Si, ottimizzate ad esempio per osservare la riga del ferro Fe-XV (28.4 nm), hanno un picco di riflettività relativamente basso rispetto alle altre coppie di materiali utilizzate in questa regione spettrale, inoltre hanno un riflettività a larga banda che può quindi influenzare la diagnostica della riga FeXV a causa del non trascurabile rumore della riga HE II. Sono state studiate diverse soluzioni a questa problematica, ad esempio è stato proposto un disegno aperiodico delle ottiche multistrato oppure l'utilizzo di altre coppie di materiali quali Mg/SiC, B4C/Si/Mo oppure B4C/Si. Purtroppo tali soluzioni non hanno ancora prodotto dei miglioramenti convincenti, inoltre per le coppie di materiali diverse da Mo/Si mancano test e prove di stabilità adeguatamente approfonditi. Generalmente le ottiche multistrato per missioni spaziali sono protette da dei ricoprimenti costituiti da materiali differenti rispetto quelli utilizzati per l'ottica. Tali ricoprimenti sono in grado di migliorarne le proprietà ottiche e meccaniche, come ad esempio una maggiore resistenza ai rigidi ambienti spaziali oppure una determinata riflettività nell'UV o nel visibile. In questo lavoro di tesi è stato sviluppato un innovativo metodo matematico per il disegno di ricoprimenti per le ottiche multistrato che, oltre a conferire i miglioramenti ottici e meccanici discussi precedentemente, non influenzano il picco di riflettività della struttura multistrato sottostante ma ne migliorano la reiezione alle altre lunghezze d'onda. La soluzione proposta perciò, oltre a conferire un miglioramento della reiezione di parecchi ordini di grandezza, ha anche un notevole grado di adattabilità. In questa tesi verrà prima presentato il metodo di disegno dei ricoprimenti discutendone in maniera approfondita tutti gli aspetti teorici. Verranno quindi presentati dei risultati di simulazioni toriche di risposta ottiche multistrato alle quali sono stati integrati questi ricoprimenti, comparandone quindi le prestazioni con le ottiche utilizzate attualmente. Infine verranno presentati i risultati sperimentali e le relative metodologie di analisi, sviluppate in fase di realizzazione e caratterizzazione di tali ottiche, in grado di aiutare a comprendere e correggere gli eventuali errori di deposizione critici che si possono avere. Il risultato finale sono le misure di tali ricoprimenti fatte al sincrotrone ALS (Berkley). Ottiche multistrato per astronomia nei raggi x I telescopi per osservazioni nei raggi x utilizzano in genere le configurazioni ideate da Wolter da cui prendono anche la denominazione. In passato gli specchi erano ricoperti da un singolo strato e sfruttavano il fenomeno della riflessione totale. Questo approccio però diventa molto critico nel caso in cui il "range" energetico di osservazione supera i 10 KeV, infatti ad energie così elevate la riflessione totale avviene per angoli di incidenza radente molto piccoli. In conseguenza di ciò tolleranze meccaniche molto restringenti sono richieste in fase di allineamento e nel montaggio ottico. Molto recentemente la scoperta e sviluppo di ottiche multistrato ha rivoluzionato la "roadmap" dello sviluppo tecnologico di telescopi per i raggi x. Lo sviluppo di ottiche multistrato sempre più performanti in questa regione spettrale è perciò diventato un punto cruciale per l'astronomia nei raggi x. Differenti approcci sono stati usati per trovare strutture multistrato ottimali in termini di riflettività a larga banda. A tale scopo sono stati utilizzati algoritmi di ottimizzazione globali quali gli algoritmi genetici, o algoritmi di "simulated annealing", capaci di cercare soluzioni ottimali in un dominio molto ampio. Alcuni strumenti matematici sono stati inoltre sviluppati per aiutare gli algoritmi di ottimizzazione a convergere verso soluzioni ottimali come ad esempio la distribuzione "powerlaw". Recentemente un notevole passo avanti è stato fatto con la costruzione di un formalismo matematico capace di fornire disegni di ottiche multistrato con una riflettività molto piatta. In questa tesi di dottorato verranno presentati i risultati preliminari dell'ottimizzazione di strutture multistrato a larga banda. Ottiche multistrato per la riflessione di impulsi ultrabrevi agli attosecondi Un'applicazione interessante per l'ottimizzazione di strutture multistrato aperiodiche è lo studio di multilayer per la riflessione di impulsi ultrabrevi. La generazione e la manipolazione di impulsi ultrabrevi di durata inferiore al femtosecondo dà la possibilità di indagare fenomeni che a causa della loro brevissima durata temporale risultavano fino ad oggi inaccessibili. Secondo il modello teorico di Bhor per esempio, l'elettrone dell'atomo di idrogeno compie una rotazione intorno al nucleo in circa 150 attosecondi; quindi per osservare e controllare gli elettroni in movimento bisogna utilizzare impulsi di luce della durata di alcuni attosecondi. Gli impulsi ultrabrevi possono essere generati selezionando porzioni spettrali di armoniche di ordine elevato generate dall'interazione tra un gas nobile ed un impulso ultrabreve ed ultra intenso. Lo spettro delle armoniche di ordine elevato è caratterizzato da degli "spikes" di intensità in corrispondenza delle armoniche della fondamentale di ordine dispari e può coprire la regione spettrale che va dall'infrarosso all'XUV. Due importanti regioni caratterizzano lo spettro delle armoniche d'alto ordine e sono quella del plateau (si tratta della regione spettrale che va dalla quarta armonica fino generalmente all'XUV ed ha uno spettro piatto) e quella del "cut-off2 (è la caduta esponenziale che si ha dopo la regione del plateau). Il confine tra la regione del plateau e quella del "cut-off" dipende dall'intensità dell'impulso ultrabreve che interagisce col gas, sostanzialmente più intenso è l'impulso e più il confine si sposta verso la regione x. Nella regione spettrale dell'XUV i rivestimenti multistrato sono l'unica ottica in grado di garantire livelli di efficienza adeguati per la riflessione ad incidenza normale, tali ottiche sono perciò guardate con estremo interesse dalla comunità scientifica dell'attofisica. Oltre a garantire adeguati livelli di efficienza le ottiche per impulsi ultrabrevi devono riuscire a controllare e possibilmente correggere la forma dell'impulso in modo da ottenere uno spettro gaussiano ed una fase lineare; essa è infatti la combinazione che a parità di banda spettrale dà un impulso di durata temporale minore. Le strutture multilayer periodiche sono caratterizzate da una banda di alcuni eV a circa 100 eV. Ciò significa che nel caso di impulsi di circa 100 attosecondi il corrispondente largo "range" spettrale (circa 30 eV) non può essere preservato dopo la riflessione allargando perciò la durata temporale dell'impulso, da qui la ricerca di strutture aperiodiche con riflettività a larga banda. Oltre ad una larga banda spettrale gli impulsi ultrabrevi sono caratterizzati da un andamento della fase in funzione della frequenza che può essere lineare oppure quadratico positivo ("chirped"). Questi due diversi andamenti di fase dipendono dalla regione dello spettro in cui si trova la porzione di armoniche selezionate, infatti nel caso in cui la porzione sia nella regione del "cut-off" la fase è lineare nel caso invece sia nella regione del plateau la fase è "chirped". La ricerca di multilayer per la riflessione di impulsi ultrabrevi è perciò la ricerca di strutture caratterizzate da una riflettività a larga banda possibilmente in grado di ridistribuire e sfasare le componenti spettrali incidenti in modo da riflettere uno spettro di forma gaussiana. Utilizzando l'algoritmo sviluppato in questo lavoro di tesi sono state ottimizzate ottiche multistrato per la riflessione di impulsi ultrabrevi, più specificatamente sono state ottimizzate strutture in grado di compensare un fase "chirped" ed in grado di ridisegnare uno spettro rettangolare in forma gaussiana. Le strutture ottenute sono state poi testate aggiungendo degli errori casuali dell'ordine di 2 Å agli strati e non sono state riscontrate rilevanti criticità assicurando perciò una fattibilità sperimentale delle strutture. Verrà inoltre presentato in questa tesi un'innovativa metodologia di caratterizzazione sperimentale, sviluppata nell'ambito di questo lavoro di tesi, che permetterà una ricostruzione molto precisa della fase delle ottiche multistrato partendo dal segnale degli elettroni fotoemessi.