Enhanced Proton Irradiation Resistance of Mo/Si EUV Multilayers with Ultrathin B4C Barriers

材料科学 极紫外光刻 质子 通量 辐照 降级(电信) 扩散 锡 散射 光电子学 紫外线 各向异性 分子物理学 蒙特卡罗方法 极端紫外线 薄膜 抗辐射性 压力(语言学) 载流子寿命 硅 化学物理 微观结构 辐射损伤 X射线反射率 异质结
作者
Hongchen Ma,W. B. Li,Xiangyue Liu,李淑慧 Li Shuhui,Chao Yun,Zhe Zhang,Jun Yu,Qiushi Huang,Zhanshan Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.6c15556
摘要

Proton-induced structural degradation seriously threatens the long-term reliability of Mo/Si multilayers for extreme ultraviolet (EUV) astronomical observations, which calls for in-depth mechanistic analysis and anti-irradiation optimization schemes. In this work, 40 keV proton irradiation with fluences up to 5 × 1016 p/cm2 was performed on Mo/Si and Mo/B4C/Si/B4C multilayers to characterize the fluence-dependent structural evolution of Mo/Si multilayers and clarify how the interlayers formed from decomposed B4C enhance proton irradiation tolerance. Based on the experimental characterizations, the Mo/Si multilayer exhibited pronounced self-limiting period compaction and asymmetric interface broadening with increasing proton fluence. In contrast, merely sub-angstrom period expansion occurred in the Mo/B4C/Si/B4C multilayer under the maximum fluence exposure. Combined experimental characterizations and Monte Carlo simulations reveal that Si-dominated atomic interdiffusion drives the formation of dense MoSi2 interlayers and subsequent period compaction. Moreover, Si atoms preferentially diffuse forward to Si-on-Mo interfaces, resulting in asymmetric interface broadening. Meanwhile, the progressively thickened MoSi2 interlayers suppress further Si migration and lead to the self-limiting degradation behavior. For the Mo/B4C/Si/B4C multilayer, the reaction between the ultrathin B4C layers and adjacent Mo and Si layers produces boride- and carbide-containing interlayers. Compared with MoSi2 interlayers, these interlayers suppress proton-induced Si diffusion by a factor of about 3.0, which arises from their higher atomic density and larger screened Coulomb scattering cross section. These findings demonstrate that B4C insertion effectively mitigates proton-induced interdiffusion and structural degradation, offering a reliable route to improve the proton irradiation resistance of Mo/Si EUV multilayer mirrors for the forthcoming Xihe-2 mission.
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