Analysis of Reflectivity for Interfacial Roughness of Depth-Graded W/Si Multilayer Mirror

Kwon Su Chon 한국방사선학회 2018 한국방사선학회 논문지 Vol.12 No.1

다층박막거울은 높은 반사 효율로 엑스선을 단색화 하는데 많이 사용되고 있다. 반사되는 엑스선의 파장은 두께주기와 입사각도에 의해 결정되고, 반사율은 층수와 표면 거칠기에 크게 의존하게 된다. 다층박막거울은 중원소와 경원소가 번갈아 적층되어 있는 구조로 되어 있으며 각 계면에서의 거칠기를 고려해야 한다. 본 논문에서는 두께 변화 W/Si 다층박막거울에서 계면 거칠기와 상호확산을 동시에 고려하여 반사율을 조사하였다. 두께 변화 다층박막거울은 균일한 다층박막거울에 비해 반사율은 감소하나 각도 및 에너지 반치폭이 넓은 특징을 보였으며, 상호확산에 따른 반사율의 저하가 크게 증가하였다. 이론적인 설계값에 가까운 반사율을 획득하기 위해서는 다층박막거울을 제작 할 때 나타나는 상호확산의 효과를 고려하여 설계함으로써 목적에 부합하는 최적의 다층박막거울을 설계하고 제작할 수 있을 것이다. Multilayer mirrors have widely been used for monochromatization of X-ray with high reflection efficiency. The reflected X-ray energy or wavelength is determined by the d-spacing of a multilayer mirror and the incidence angle. The reflectivity critically depends on the number of bilayers and surface roughness on each interface. The multilayer mirror has a structure of alternative deposition of high and low Z-elements on the substrate. Each interface should be considered in the calculation of reflectivity. In this paper, we examine the degradation of reflectivity by the inter-diffusion combined with surface roughness on each interface for a W/Si multilayer mirror. In the depth-graded W/Si multilayer mirror, the FWHMs for angle and energy were larger than them of the uniform multilayer mirror. Inter-diffusion considerable gave rise to the degradation of reflectivity. To obtain measured reflectivity closed to the expected reflectivity, the inter-diffusion on W-Si and Si-W interfaces should be considered.

작은 두께주기를 갖는 W/Si 다층박막거울의 반사율 계산

천권수(Kwon Su Chon) 한국방사선학회 2018 한국방사선학회 논문지 Vol.12 No.1

다층박막거울은 규소나 게르마늄과 같은 단결정 회절소자를 대체할 수 있는 광학소자로 수 나노미터 두께의 인공적인 회절 평면을 갖는다. 작은 두께 주기를 갖는 W/Si 다층박막거울에서 박막의 두께 변화에 따른 첫 번째 브래그 각도 및 반사율 저하를 조사하였다. 작은 두께 주기를 갖는 W/Si 다층박막거울은 0.55°및 17.5 keV에서 최대 반사율을 나타내도록 설계되었고 72.67%의 반사율을 보였다. 텅스텐 및 규소의 박막두께가 동일하게 변화되었을 때 첫 번째 브래그 각도의 변화 및 반사율 저하가 관찰되었다. 다층박막거울에서 텅스텐 박막중 하나의 층에서만 두께 변화가 있을 때는 반사율의 변화는 없지만 포락선의 요철이 관찰되었다. 무작위적인 가우시안 두께 변화에서도 반사율 저하가 관찰되었다. 작은 두께 주기를 갖는 W/Si다층박막거울에서 두께 변화에 따른 반사율의 저하를 통해 제작되는 다층박막거울의 공차를 예측할 수 있을 것이다. Multilayer mirrors are optical elements that can replace single crystal optical elements such as silicon or germanium, and they have artificial diffraction plane of a thickness of several nanometers. We examined the first Bragg angle and the reduction of reflectivity by variation of layer thickness in a W/Si multilayer mirror of small d-spacing. A W/Si multilayer mirror for an incidence angle of 0.55° and an energy of 17.5 keV was designed and showed a maximum reflectivity of 72.67%. When the thickness of tungsten or silicon layer was simultaneously changed, the first Bragg angle was shifted and the reflectivity was reduced. When there was a change in thickness for one layer of W/Si multilayer, no change in the reflectivity was showed but the unevenness of the envelope was observed. Reduction of reflectivity was also observed at random Gaussian thickness variations. It is possible to predict the tolerance of multilayer mirror by examining the reflectivity degradation according to the thickness change in the W/Si multilayer mirror of small d-spacing.

Calculation of Reflectivity for W/Si Multilayer Mirror of Small d-Spacing

Kwon Su Chon 한국방사선학회 2018 한국방사선학회 논문지 Vol.12 No.1

다층박막거울은 규소나 게르마늄과 같은 단결정 회절소자를 대체할 수 있는 광학소자로 수 나노미터 두께의 인공적인 회절 평면을 갖는다. 작은 두께 주기를 갖는 W/Si 다층박막거울에서 박막의 두께 변화에 따른 첫 번째 브래그 각도 및 반사율 저하를 조사하였다. 작은 두께 주기를 갖는 W/Si 다층박막거울은 0.55° 및 17.5 keV에서 최대 반사율을 나타내도록 설계되었고 72.67%의 반사율을 보였다. 텅스텐 및 규소의 박막 두께가 동일하게 변화되었을 때 첫 번째 브래그 각도의 변화 및 반사율 저하가 관찰되었다. 다층박막거울에서 텅스텐 박막중 하나의 층에서만 두께 변화가 있을 때는 반사율의 변화는 없지만 포락선의 요철이 관찰되었다. 무작위적인 가우시안 두께 변화에서도 반사율 저하가 관찰되었다. 작은 두께 주기를 갖는 W/Si 다층박막거울에서 두께 변화에 따른 반사율의 저하를 통해 제작되는 다층박막거울의 공차를 예측할 수 있을 것이다. Multilayer mirrors are optical elements that can replace single crystal optical elements such as silicon or germanium, and they have artificial diffraction plane of a thickness of several nanometers. We examined the first Bragg angle and the reduction of reflectivity by variation of layer thickness in a W/Si multilayer mirror of small d-spacing. A W/Si multilayer mirror for an incidence angle of 0.55° and an energy of 17.5 keV was designed and showed a maximum reflectivity of 72.67%. When the thickness of tungsten or silicon layer was simultaneously changed, the first Bragg angle was shifted and the reflectivity was reduced. When there was a change in thickness for one layer of W/Si multilayer, no change in the reflectivity was showed but the unevenness of the envelope was observed. Reduction of reflectivity was also observed at random Gaussian thickness variations. It is possible to predict the tolerance of multilayer mirror by examining the reflectivity degradation according to the thickness change in the W/Si multilayer mirror of small d-spacing.

다층박막 거울을 이용한 단색 엑스선 획득

천권수(Kwon-Su Chon) 대한방사선과학회(구 대한방사선기술학회) 2010 방사선기술과학 Vol.33 No.3

나노 공간분해능을 갖는 영상을 얻기 위한 경엑스선 현미경 시스템에서는 단색 엑스선이 요구된다. 엑스선관에서 발생되는 화이트 빔으로부터 8.4 keV의 텅스텐 L α 특성방사선을 84% 이상 반사시킬 수 있는 5.65 nm의 단위막 두께를 가지는 C/W 다층박막 거울을 설계하였고, 이온빔 스파터링 장치를 이용하여 50×50 mm 크기로 제작하였다. 제작된 C/W 다층박막 거울은 99.5% 이상의 균일도(Uniformity)를 가지며, TEM 사진을 이용해 그 구조를 확인하였다. 8.05 keV의 구리 특성방사선을 광원으로 하는 엑스선 반사율 측정 장치를 이용한 다층박막 거울의 반사율을 측정함으로써 C/W 다층박막 거울의 8.4 keV에서의 반사율을 예상할 수 있었다. 제작된 C/W 다층박막 거울과 엑스선관을 이용하여 8.4 keV의 특성방사선을 획득함으로써 단색 엑스선을 획득하였다. 이때의 반사율은 77.1%였고, 단색 엑스선의 반치폭은 0.21 keV이었다. 엑스선관에서 높은 효율로 단색 엑스선을 획득할 수 있어 실험실 규모의 경엑스선 현미경 장치의 광원으로써 사용될 수 있는 가능성을 확인하였고, 다층박막 거울의 단위막 두께를 수 나노미터로 제작한다면 17.5keV의 몰리브덴 특성방사선에 해당하는 단색 엑스선을 얻어 유방촬영에도 적용할 수 있을 것이다. A hard X-ray microscope system for obtaining images of nano-spatial resolution has been widely stud-ied and requires monochromatic X-ray. A multilayer mirror of 84% reflectivity was designed to acquire tungsten characteristic X-ray of 8.4 keV from the white beam generated from an X-ray tube, and the C/W multilayer mirror of 50×50 mm size and 5.65 nm d-spacing was fabricated by the ion-beam sputter-ing system. The C/W multilayer had a uniformity of 99.5%, and the structure of the multilayer mirror was verified by a TEM image. The obtainable x-ray reflectivity for the C/W multilayer mirror at 8.4 keV was estimated from measuring the X-ray reflectivity using the copper characteristic X-ray of 8.05 keV. Monochromatic X-ray of 8.4 keV was generated by combining a X-ray tube, and the reflectivity and mon-ochromaticity were 77.1% and 0.21 keV, respectively. Monochromatic X-ray generated from the combination of an X-ray tube and an C/W multilayer mirror has enough potential to use X-ray source for hard X-ray microscope system of laboratory size. If the C/W multilayer mirror of d-spacing of a few nanometers can be fabricated, monochromatic X-ray corre-sponded to 17.5 keV, molybdenum characteristic X-ray, can be obtained and applied to mammography in the medical application.

두께 변화 W/Si 다층박막거울의 계면 거칠기에 대한 반사율 분석

천권수(Kwon Su Chon) 한국방사선학회 2018 한국방사선학회 논문지 Vol.12 No.1

다층박막거울은 높은 반사 효율로 엑스선을 단색화 하는데 많이 사용되고 있다. 반사되는 엑스선의 파장은 두께주기와 입사각도에 의해 결정되고, 반사율은 층수와 표면 거칠기에 크게 의존하게 된다. 다층박막거울은 중원소와 경원소가 번갈아 적층되어 있는 구조로 되어 있으며 각 계면에서의 거칠기를 고려해야 한다. 본 논문에서는 두께 변화 W/Si 다층박막거울에서 계면 거칠기와 상호확산을 동시에 고려하여 반사율을 조사하였다. 두께 변화 다층박막거울은 균일한 다층박막거울에 비해 반사율은 감소하나 각도 및 에너지 반치폭이 넓은 특징을 보였으며, 상호확산에 따른 반사율의 저하가 크게 증가하였다. 이론적인 설계값에 가까운 반사율을 획득하기 위해서는 다층박막거울을 제작 할 때 나타나는 상호확산의 효과를 고려하여 설계함으로써 목적에 부합하는 최적의 다층박막거울을 설계하고 제작할 수 있을 것이다. Multilayer mirrors have widely been used for monochromatization of X-ray with high reflection efficiency. The reflected X-ray energy or wavelength is determined by the d-spacing of a multilayer mirror and the incidence angle. The reflectivity critically depends on the number of bilayers and surface roughness on each interface. The multilayer mirror has a structure of alternative deposition of high and low Z-elements on the substrate. Each interface should be considered in the calculation of reflectivity. In this paper, we examine the degradation of reflectivity by the inter-diffusion combined with surface roughness on each interface for a W/Si multilayer mirror. In the depth-graded W/Si multilayer mirror, the FWHMs for angle and energy were larger than them of the uniform multilayer mirror. Inter-diffusion considerable gave rise to the degradation of reflectivity. To obtain measured reflectivity closed to the expected reflectivity, the inter-diffusion on W-Si and Si-W interfaces should be considered.

Graded 다층박막거울을 이용한 단색 엑스선 획득

유철우,최병정,손현화,권영만,김병욱,김영주,천권수 한국방사선학회 2015 한국방사선학회 논문지 Vol.9 No.4

At a recent medical imaging technology, the major issue of X-ray diagnosis in breast cancer is the early detection of breast cancer and low patient's exposure dose. As one of studies to acquire a monochromatic X-ray, Technologies using multilayer mirror had been preceded. However, a uniform multilayer mirror that consists of uniform thin-film thickness can acquire a monochromatic X-ray only in the partial area corresponds to angle of incidence of white X-ray, so there are limits for X-ray imaging technology applications. In this study, we designed laterally graded multilayer mirror(below GML) that reflects same monochromatic X-ray over the entire area of thin-film mirror, which have the the thickness of the linear gradient that correspond to angle of incidence of white X-ray. By using ion-beam sputtering system added the mask control system we fabricated a GML which has size of 100×100mm2. The GML is designed to achieve the monochromatic X-ray of 17.5kev energy and has thin-film thickness change from 4.62nm to 6.57nm(3.87nm at center). It reflects the monochromatic X-ray with reflectivity of more than 60 percent, FWHM of below 2.6keV and X-ray beam width of about 3mm. The monochromatic X-ray corresponded to 17.5keV using GML would have wide application in development of mammography system with high contrast and low dose. 최근 의료영상기술에서 유방암 엑스선 진단기술의 주요 이슈는 정확한 조기암 진단과 환자의 피폭선량의 감소에 있다. 엑스선 영상대비도를 높이고 피폭선량을 줄이는 기술 중 하나로써 다층박막거울을 이용한 단색 엑스선을 획득하는 연구가 선행되어 왔다. 그러나 기존의 Uniform 다층박막거울은 거울면의 일부 반사영역에서만 원하는 파장대역의 단색 엑스선을 얻을 수 있어서 엑스선 영상기술 응용에 한계가 있다. 본 연구에서는 다층박막거울의 전 영역에 걸쳐 동일한 단색엑스선을 얻기 위해 거울에 입사하는 백색 엑스선의 입사각에 상응하는 선형적 기울기의 박막두께를 갖는 Graded 다층박막거울을 설계하였고, 기존 이온빔 스퍼터링 장치에 마스크 제어 장치를 추가 제작하여 100×100mm2 크기로 제작하였다. 제작된 Graded 다층박막거울은 17.5keV의 단색 엑스선을 획득할 수 있도록 설계하였으며 박막두께주기는 2.88nm~4.62nm(Center 3.87nm)이다. 엑스선 반사율은 60% 이상이며, 단색 엑스선의 FWHM은 1.4keV 이하이고 엑스선 빔 폭은 3mm정도이다. 유방촬영에 적합한 몰리브덴 특성엑스선에 해당하는 17.5keV의 단색 엑스선을 얻음으로써 저선량․고감도 유방암 진단장치 개발에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

Graded 다층박막거울을 이용한 단색 엑스선 획득

유철우,최병정,손현화,권영만,김병욱,김영주,천권수 한국방사선학회 2015 한국방사선학회 논문지 Vol.9 No.4

최근 의료영상기술에서 유방암 엑스선 진단기술의 주요 이슈는 정확한 조기암 진단과 환자의 피폭선량의 감소에 있다. 엑스선 영상대비도를 높이고 피폭선량을 줄이는 기술 중 하나로써 다층박막거울을 이용한 단색 엑스선을 획득하는 연구가 선행되어 왔다. 그러나 기존의 Uniform 다층박막거울은 거울면의 일부 반사영역에서만 원하는 파장대역의 단색 엑스선을 얻을 수 있어서 엑스선 영상기술 응용에 한계가 있다. 본 연구에서는 다층박막거울의 전 영역에 걸쳐 동일한 단색엑스선을 얻기 위해 거울에 입사하는 백색 엑스선의 입사각에 상응하는 선형적 기울기의 박막두께를 갖는 Graded 다층박막거울을 설계하였고, 기존 이온빔 스퍼터링 장치에 마스크 제어 장치를 추가 제작하여 100×100mm2 크기로 제작하였다. 제작된 Graded 다층박막거울은 17.5keV의 단색엑스선을 획득할 수 있도록 설계하였으며 박막두께주기는 2.88nm~4.62nm(Center 3.87nm)이다. 엑스선 반사율은 60% 이상이며, 단색 엑스선의 FWHM은 1.4keV 이하이고 엑스선 빔 폭은 3mm정도이다. 유방촬영에 적합한 몰리브덴 특성엑스선에 해당하는 17.5keV의 단색 엑스선을 얻음으로써 저선량·고감도 유방암 진단장치 개발에 응용할 수 있을 것으로 기대된다. At a recent medical imaging technology, the major issue of X-ray diagnosis in breast cancer is the early detection of breast cancer and low patient's exposure dose. As one of studies to acquire a monochromatic X-ray, Technologies using multilayer mirror had been preceded. However, a uniform multilayer mirror that consists of uniform thin-film thickness can acquire a monochromatic X-ray only in the partial area corresponds to angle of incidence of white X-ray, so there are limits for X-ray imaging technology applications. In this study, we designed laterally graded multilayer mirror(below GML) that reflects same monochromatic X-ray over the entire area of thin-film mirror, which have the the thickness of the linear gradient that correspond to angle of incidence of white X-ray. By using ion-beam sputtering system added the mask control system we fabricated a GML which has size of 100×100mm2. The GML is designed to achieve the monochromatic X-ray of 17.5kev energy and has thin-film thickness change from 4.62nm to 6.57nm(3.87nm at center). It reflects the monochromatic X-ray with reflectivity of more than 60 percent, FWHM of below 2.6keV and X-ray beam width of about 3mm. The monochromatic X-ray corresponded to 17.5keV using GML would have wide application in development of mammography system with high contrast and low dose.

몰리브덴(Mo) 특성방사선 획득을 위한 다층박막 거울의 최적 설계 및 공차 분석

천권수(Kwonsu Chon) 한국방사선학회 2009 한국방사선학회 논문지 Vol.3 No.4

단색 엑스선은 적은 방사선 피폭으로 대조도가 높은 의료영상을 만들 수 있다. 엑스선 튜브와 다층박막 거울을 결합하면 높은 플루언스의 단색 엑스선을 얻을 수 있다. 몰리브덴(Mo) 타깃을 갖는 엑스선 튜브에서 Mo 특성방사선(17.5keV)을 높은 반사율로 획득하기 위한 W/C 다층박막 거울의 최적화를 수행하였다. 반사율이 최대가 되는 조건에서 두께주기와 두께비를 결정하였다. 최적 설계된 다층박막 거울에 대한 두께주기와 브래그 정렬에 대한 공차를 구하였다. 증착 (deposition) 공차 0.2㎚와 회전정렬 공차 ± 0.01°에서 이론 반사율의 85% 이상에 해당하는 반사율이 얻어질 수 있다. 다층박막 거울을 이용하면 높은 플루언스의 특성방사선을 얻어 낼 수 있기 때문에 의료영상 획득 장치에 많이 사용될 것이다. Monochromatic X-ray can make a medical image of high contrast under a low radiation dose and can be easily generated by combining an X-ray tube and a multilayer mirror. A W/C multilayer mirror was optimally designed for a characteristic X-ray generated from a X-ray tube with Mo target. The d-spacing and the thickness ratio in design parameters were determined under the maximum-reflectivity condition. Tolerances for deposition and alignment of the W/C multilayer mirror were calculated. Within a deposition tolerance of 0.2㎚ and a alignment tolerance of ± 0.01°, 85% of the theoretical peak reflectivity could be achieved. A multilayer mirror can be widely used for making medical images because of generating high fluence monochromatic X-ray.

Acquisition of Monochromatic X-ray using Graded Multilayer Mirror

유철우(Cheol woo Ryu),최병정(Byoung jung Choi),손현화(Hyun hwa Son),권영만(Young man Kwon),김병욱(Byoung wook Kim),김영주(Young ju Kim),천권수(Kwon su Chon) 한국방사선학회 2015 한국방사선학회 논문지 Vol.9 No.3

최근 의료영상기술에서 유방암 엑스선 진단기술의 주요 이슈는 정확한 조기암 진단과 환자의 피폭선량의 감소에 있다. 엑스선 영상대비도를 높이고 피폭선량을 줄이는 기술 중 하나로써 다층박막거울을 이용한 단색 엑스선을 획득하는 연구가 선행되어 왔다. 그러나 기존의 Uniform 다층박막거울은 거울면의 일부 반사영역에서만 원하는 파장대역의 단색 엑스선을 얻을 수 있어서 엑스선 영상기술 응용에 한계가 있다. 본 연구에서는 다층박막거울의 전 영역에 걸쳐 동일한 단색엑스선을 얻기 위해 거울에 입사하는 백색 엑스선의 입사각에 상응하는 선형적 기울기의 박막두께를 갖는 Graded 다층박막거울을 설계하였고, 기존 이온빔 스퍼터링 장치에 마스크 제어 장치를 추가 제작하여 100×100mm² 크기로 제작하였다. 제작된 Graded 다층박막거울은 17.5keV의 단색 엑스선을 획득할 수 있도록 설계하였으며 박막두께주기는 2.88nm~4.62nm(Center 3.87nm)이다. 엑스선 반사율은 60% 이상이며, 단색 엑스선의 FWHM은 1.4keV 이하이고 엑스선 빔 폭은 3mm정도이다. 유방촬영에 적합한 몰리브덴 특성엑스선에 해당하는 17.5keV의 단색 엑스선을 얻음으로써 저선량ㆍ고감도 유방암 진단장치 개발에 응용할 수 있을 것으로 기대된다. At a recent medical imaging technology, the major issue of X-ray diagnosis in breast cancer is the early detection of breast cancer and low patient's exposure dose. As one of studies to acquire a monochromatic X-ray, Technologies using multilayer mirror had been preceded. However, a uniform multilayer mirror that consists of uniform thin-film thickness can acquire a monochromatic X-ray only in the partial area corresponds to angle of incidence of white X-ray, so there are limits for X-ray imaging technology applications. In this study, we designed laterally graded multilayer mirror(below GML) that reflects same monochromatic X-ray over the entire area of thin-film mirror, which have the the thickness of the linear gradient that correspond to angle of incidence of white X-ray. By using ion-beam sputtering system added the mask control system we fabricated a GML which has size of 100×100mm². The GML is designed to achieve the monochromatic X-ray of 17.5kev energy and has thin-film thickness change from 4.62nm to 6.57nm(3.87nm at center). It reflects the monochromatic X-ray with reflectivity of more than 60 percent, FWHM of below 2.6keV and X-ray beam width of about 3mm. The monochromatic X-ray corresponded to 17.5keV using GML would have wide application in development of mammography system with high contrast and low dose.

Improvement of Genetic Algorithm for Evaluating X-ray Reflectivity on Multilayer Mirror

천권수(Kwon Su Chon) 한국방사선학회 2020 한국방사선학회 논문지 Vol.14 No.1

다층박막 거울은 산업뿐만 아니라 의료 분야에서도 사용되고 있다. 층수가 40인 W/C 다층박막 거울의 성능을 평가하기 위해 엑스선회절분석기로 엑스선반사율을 측정하였다. 40층의 각 층에 대해 두께, 밀도, 계면거칠기를 획득하기 위하여 유전 알고리즘이 사용된다. 기존의 균일 무작위 선택을 하면 해가 수렴하지 않거나 수렴하더라도 오차가 커지는 문제가 발생하여 개선이 요구되었다. 유전 알고리즘의 적합도를 계산하는 시간을 단축하기 위해 C/C++로 병렬 프로그래밍하였다. 제작된 유전 알고리즘은 세대수의 증가와 개체군의 증가에 대해 선형적인 시간 증가를 보여 우수한 scalability를 보였다. 유전 알고리즘의 선택을 균일과 가우시안 무작위를 1:1로 하여 해의 수렴을 보다 안정적으로 개선하였다. 개선된 유전 알고리즘은 다층박막 거울과 같이 층의 개수가 수십 층 이상이 되는 시료의 각 층의 특성을 파악하는데 적용할 수 있을 것이다. Multilayer mirrors have widely been used not only in the industry but also in the medical field. X-ray reflectivity was measured by X-ray diffractometer to evaluate the performance of W/C multilayer mirror with 40 layers. Genetic algorithm are used to obtain thickness, density, and interfacial roughness for each of the 40 layers. The existing uniform random selection causes a problem that the solution does not converge or the error increases even if it convergence. To reduce the time to calculate the fitness of the genetic algorithm, the genetic algorithm was written in C/C++ parallel programming. The genetic algorithm showed excellent scalability of linear time increase with increasing number of generation and population. The genetic algorithm was selected with uniform and Gaussian randomness of 1:1 to improve the convergence of solution. The improved genetic algorithm can be applied to characterize each layer of a sample with more than a few tens of layers, such as a multilayer mirror.