EP0873566B1 - X-ray microscope with zone plates - Google Patents
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- EP0873566B1 EP0873566B1 EP97919244A EP97919244A EP0873566B1 EP 0873566 B1 EP0873566 B1 EP 0873566B1 EP 97919244 A EP97919244 A EP 97919244A EP 97919244 A EP97919244 A EP 97919244A EP 0873566 B1 EP0873566 B1 EP 0873566B1
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- G21K2207/00—Particular details of imaging devices or methods using ionizing electromagnetic radiation such as X-rays or gamma rays
- G21K2207/005—Methods and devices obtaining contrast from non-absorbing interaction of the radiation with matter, e.g. phase contrast
Definitions
- the invention relates to zone plates with diffraction structures for X-rays and an X-ray microscope with these zone plates for one Condenser monochromator and for a micro lens.
- Micro zone plates are rotationally symmetrical Transmission circuit grating with lattice constants decreasing towards the outside, typically have a diameter of up to 0.1 mm and several hundred zones.
- the numerical aperture of a zone plate is generally through the Diffraction angle determined under which the outer and therefore finest zones Bend vertically incident X-rays.
- the achievable spatial The resolution of a zone plate is determined by its numerical aperture.
- the numerical aperture of the used X-ray lenses could in the last Years increased significantly, so that their resolution improved. This trend towards higher resolution will continue.
- the numerical aperture of the illuminating condenser of a transmitted light microscope always adapted approximately should be at the numerical aperture of the microscope objective in order to incoherently radiating light sources also include incoherent object lighting and thus an almost linear relationship between object intensity and Get image intensity. If the condenser aperture is smaller than that of the microscope objective, there is a partially coherent image and the linear transformation between object intensity and image intensity goes for that important high determining the resolution of the microscope Spatial frequencies lost.
- a bright condenser must be used.
- too diffractive optics as condensers e.g. Zone plates used because with this allows the X-ray radiation to be monochromatized at the same time.
- Zone plates should have the highest possible diffraction efficiency, to focus as much of the captured radiation on the object as possible.
- Such "condenser zone plates” are usually used in the first Diffraction order used, in which all realized so far Condenser zone plates have their highest diffraction efficiency. there it is difficult to adjust the numerical aperture of the Condenser zone plates to that of the micro zone plate (X-ray lens) to reach. In order to realize the adjustment, the condenser zone plate have the same fine zones on the outside as the microzone plate itself The brightest built microzone plates now have zone widths of only 19 nm (corresponding to 38 nm period of the zone structures), So far, zone plates with such fine zone structures can only be used Methods of electron beam lithography, in which the zones are in succession generated, manufactured.
- condenser zone plates could also be adapted numerical aperture only with methods of electron beam lithography, which is to be described as a serial and thus slow process become.
- condenser zone plates have not yet been manufactured been.
- a condenser monochromator is used for phase contrast X-ray microscopy Arrangement of advantage, as much as possible of the jet pipe available posed X-ray light in an annular hollow cone aperture large Aperture angle to the object.
- the zone plates are used as X-ray lenses use a hollow cone-shaped object lighting. Otherwise it would the radiation from the 0th and 1st Overlay the diffraction order of the condenser zone plate. This is because the vast majority of radiation that is parallel or almost parallel to optical axis falls on the object, this and the following micro zone plate (the x-ray lens) penetrates without diffraction and is a more general diffuser Background in a straight line, i.e. noticeable in the center of the image field makes.
- Such high-resolution microzone plates would have zones with approximately 10 nm Possess structure width. So far, however, it has neither been successful nor clarified whether such exposed zone structures supported by a support film, which in the Usually consist of a metal like germanium or nickel, still with the help of electron beam lithography and have it transferred into metal. Also for "sputtered-sliced" zone plates is for such small structure widths not yet shown that with the sputtering method sufficiently stable and not Zone rings disturbed by material diffusion can be produced finally process into a zone plate using the thinning process let, in particular the zones of material with low scattering capacity should preferably be etched out so that the profile of a Laminar structure arises.
- the contrast of an image is therefore greatly weakened by the radiation of the other, much more effective diffraction orders. In practice, therefore, zone plates in higher diffraction orders could not be used so far.
- zone structures if they have an aspect ratio> 1, a particularly high diffraction efficiency only in its first order can accept (up to about 50% for X-ray optically suitable and realistic, i.e. technologically processable materials).
- the prerequisite for this is that the zone structures run along the areas of constant phase that one for an object point on the optical axis and the associated image point can construct. These surfaces run parallel and concentric to optical axis, the zone structures act like the network levels of one Crystal used in Bragg reflection and hence the Bragg condition Fulfills.
- Bragg reflection if the zone structures are like this are inclined to be parallel to the bisector ("Braggwinkel") of incident and diffracted beam direction. The following is therefore for such a case of "zone plates in Bragg reflection" spoken.
- the claim 1 relates to the application of the invention Zone plates in an X-ray microscope. Advantageous configurations and Further developments of the invention result from the subclaims.
- the specified zone plates are in an X-ray microscope Condenser monochromator and used as a micro lens, so one can Achieve a resolution of 10 nm.
- a suitably adjusted line / gap ratio smaller than 1: 1 and achieved by a high aspect ratio Diffraction efficiency of these zone plates is at a maximum in a higher one Diffraction order.
- This provides efficient X-ray optics with the necessary high numerical aperture. They are also with them X-ray microscopes with 10 nm resolution possible without the extremely small and technologically extremely difficult to manufacture zone structures must be used for zone plates with the same resolution would be necessary to use the first diffraction order.
- a zone plate with a high aspect ratio (typical value: greater than 10) a comparable high Diffraction efficiency in one of their high diffraction orders like one in zone plate with the high aspect ratio used in the first diffraction order has if the mentioned line / gap ratio is significantly less than one. Since such a zone plate is used in a high diffraction order, it has one compared to applications in the first diffraction order greatly enlarged aperture. For example, a zone plate with high Aspect ratio (about 20) and small line / gap ratio (about 0.25), if they are in the 6th diffraction order and in Bragg reflection at 2.4 nm Wavelength is used to have up to 45% diffraction efficiency. For this X-ray optically suitable and technologically processable materials used. In general, the parameters of the zone plate, e.g. Materials, aspect ratio and dash / gap ratio are different for each have the desired higher diffraction order optimized.
- the parameters of the zone plate e.g. Materials, aspect ratio and das
- zone plates with a large aspect ratio and a small line gap Ratio - when using a higher diffraction order and the Bragg reflection - is that with the same numerical aperture one in high Diffraction order used zone plate only relatively rough zone structures needed compared to one used in the first diffraction order Zone plate of the same numerical aperture.
- one X-ray microscopes with 10 nm resolution result for the finest Zone structure to be produced has a width of approximately 30 nm with a period of 120 nm if the zone plate is operated in the 6th diffraction order should.
- Such structural widths are nowadays by means of To produce electron beam lithography well. Add to that 6 times less Zones are to be written, which is significantly faster. For one electron-beam written zone plate condenser, this means that drastically reduce writing times.
- a zone plate for Bragg reflection can be made using known evaporation techniques be produced, e.g. according to the known method for producing so-called "sputtered sliced zone plates" by sputter coating a polished wire rotating in vacuum, alternating the materials suitable for X-ray optics are applied. The wire with the applied materials are then embedded in a substrate and cut in slices perpendicular to its wire axis. This creates Zone plates, the inner area of which is absorbent, i.e. X-ray optical What is ineffective for the condenser outlined in the introduction Reasons is desired.
- an optically polished metal or glass ball can be used as an alternative manufacturing method for a zone plate.
- the Sphere becomes - rotating - in vacuum with a multilayer system occupied and then on their circumference except for a spherical zone of a few thinned by width near its equator. If the thinned ball zone is not exactly on the equator of the sphere, so is the remaining layer sequence inclined. If the inclination is half the required beam deflection and coinciding with the angle bisector mentioned above, then the Layer sequence under the Bragg angle. The layer sequence acts like an Multiple mirrors so that the diffraction efficiency reaches a maximum.
- FIG. 1 shows a zone plate according to the invention.
- Fig. 2 shows an X-ray microscope with a condenser and micro zone plate both are operated in Bragg reflection.
- FIG. 3 shows an X-ray microscope with a condenser and micro zone plate both have inclined zones and are operated in Bragg reflection.
- FIG. 4 shows an X-ray microscope with a focuser with a ring focus and one downstream annular zone plate and a micro zone plate.
- FIG 1 an embodiment of a zone plate 4 according to the invention is shown schematically in cross section.
- the diffractive properties of the zone plate 4 are determined by the line / gap ratio P 1 / P 2 , the aspect ratio H / P and by the inclination of the zones 6, 7 with respect to the optical axis 3.
- the line / gap ratio P 1 / P 2 indicates the ratio of the structure width of the material of the zones 6, which strongly scatters the incident X-ray radiation 1, and the structure width of the weakly scattering material of the zones 7.
- the line / gap ratio P 1 / P 2 is constant over the entire zone plate 4.
- the aspect ratio indicates the ratio of the zone height H and the length P of the zone period and in this embodiment increases from the optical axis 3 to the edge of the zone plate 4.
- a high diffraction efficiency is achieved in a higher diffraction order if the line / gap ratio P 1 / P 2 is less than 1, as is shown, for example, with 0.5 to scale in FIG. 1, and if a large aspect ratio, for example greater than 10 is realized, which is however not shown to scale in FIG. 1.
- a further increase in diffraction efficiency in a higher one Diffraction order can be achieved in certain applications with zones 6.7 be inclined to the optical axis 3.
- the embodiment 1 shows zones 6, 7 which are close to the optical axis 3 parallel to this run. With increasing distance of the zones 6, 7 from the optical axis 3 the inclination of the zones 6, 7 with respect to the optical axis 3 also increases. A further improvement can be achieved if the zone plate 4 with their zones 6,7 is used in Bragg reflection.
- the X-ray radiation 1 incident on the zone plate 4 is included different intensities diffracted into different diffraction orders.
- 1 shows the directions of propagation for the diffraction of the zero order 8, first order 9a, second order 9b and third order 9c.
- the diffraction angle increases with the higher diffraction orders. Therefore can with a high diffraction order when using the zone plate 4 as a condenser and / or as an objective in an X-ray microscope Aperture and thus a high resolution of the X-ray microscope can be achieved.
- easily and in a relatively short time are advantageously sufficient Rough structures to be produced as zones 6, 7 of zone plate 4.
- Figures 2-4 show schematically zone plates 4 in arrangements as Condensers and microzone plates for X-ray microscopes with special high resolution, which are operated with different radiation sources.
- Fig.2 the optics of an X-ray microscope is shown, in which as Radiation source is an isotropically radiating micro-plasma X-ray source 17 is used.
- An annular zone plate 14 with is not suitable as a condenser for this inclined zones 6,7, which is advantageously operated in Bragg reflection.
- the Zone plate 14 focuses the x-ray radiation 1 of the microplasma x-ray source 17 via a hollow radiation cone 10 in focus 13 on the optical axis 3. The object thus illuminated is located there.
- a monochromator pinhole 11 is also arranged, which the unwanted diffraction orders and wavelengths of the X-ray light for hides the further beam path.
- the zone plate 14 thereby acts together with the monochromator pinhole 11 as a condenser monochromator, the general for illuminating objects in X-ray microscope is used.
- a microzone plate 12 with inclined zones 6, 7 serves as the X-ray objective and with Bragg reflection. It creates an image of the object in the image plane 18.
- the zone plate 14 and the micro zone plate 12 have a central one X-ray absorbing zone plate area 19 in order - as in the Introduction already mentioned - the undiffracted X-rays as diffuse To eliminate underground.
- FIG 3 the optics of an X-ray microscope is shown, the optical Elements a condenser zone plate 15 with Bragg reflection and inclined Zones and a micro zone plate 12 with Bragg reflection and inclined zones 6.7 used.
- Zones 6,7 of the application have to be effective in Bragg reflection Condenser zone plate 15 be inclined.
- the central one, the X-rays Absorbent zone plate area 20 consists of a spherical one Carrier.
- FIG. 4 shows an X-ray microscope with a focuser 21 Ring focus and an annular zone plate arranged downstream in the beam path 16 with Bragg reflection and inclined zones 6.7.
- the focuser 21 and the Zone plate 16 together with a monochromator aperture 11 form one Condenser monochromator.
- the focuser 21 with ring focus focuses the incident parallel bundled x-ray radiation 1 from an undulator or one Deflection magnets of an electron storage ring in the form of a ring.
- the Zone plate 16 is arranged close to the ring focus of the focuser 21.
- the Zones 6, 7 of the zone plate 16 are modified so that they are out of the ring focus of the focuser 21 by diffraction a point-like focus 13 on the generate optical axis 3.
- Zone plate 16 does not need to have a large area, since it is close to Ring focus of the focuser 21 can be located. So there are only a few structures to produce on the zone plate 16.
- the light-collecting surface becomes alone determined by the focuser 21. It has only rough zone structures and can therefore be easily produced using methods of electron beam lithography.
- This arrangement can be used particularly advantageously for well-collimated ones X-rays 1, e.g. from an undulator.
- This condenser-monochromator arrangement also serves as X-ray lens a micro zone plate 12 with Bragg reflection and inclined Zones 6.7.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Zonenplatten mit Beugungsstrukturen für Röntgenstrahlung sowie ein Röntgenmikroskop mit diesen Zonenplatten für einen Kondensor-Monochromator und für ein Mikroobjektiv.The invention relates to zone plates with diffraction structures for X-rays and an X-ray microscope with these zone plates for one Condenser monochromator and for a micro lens.
Aus der US 5 199 057 ist ein Röntgenmikroskop bekannt, bei dem für die Beugung der Röntgenstrahlung eine Phasenzonenplatte mit einer vernachlässigbaren Dicke, also einem vernachlässigbar kleinen Aspektverhältnis, verwendet wird.From US 5 199 057 an X-ray microscope is known, in which for the Diffraction of the X-rays using a phase zone plate negligible thickness, i.e. a negligible small Aspect ratio is used.
In J. Vac. Sci. Technol. B 13(6), Nov./Dec 1995, Seiten 2809 - 2812, G. Schneider et al. wird die Herstellung einer Zonenplatte mit einem Strich/Lücke-Verhältnis 1:1 beschrieben.In J. Vac. Sci. Technol. B 13 (6), Nov./Dec 1995, pages 2809 - 2812, G. Schneider et al. is the production of a zone plate with a line / gap ratio 1: 1 described.
Auch in Optik 91, No. 3(1992), September, Seiten 95 - 99, C. David et al. wird die Herstellung einer Zonenplatte beschrieben, bei der der Beugungswirkungsgrad mit dem Quadrat der Beugungsordnung sinkt, wie es der bekannten Theorie dünner Zonenplatten entspricht. Das Strich/Lücke-Verhältnis beträgt 1:1.Also in optics 91, no. 3 (1992), September, pp. 95-99, C. David et al. becomes described the manufacture of a zone plate in which the Diffraction efficiency decreases with the square of the diffraction order as it does corresponds to the known theory of thin zone plates. The dash / gap ratio is 1: 1.
In den letzten Jahren wurden erhebliche Fortschritte in der Röntgenmikroskopie im Wellenlängenbereich von etwa 0.2 - 5 nm gemacht. Es wurden Röntgenmikroskope entwickelt, die an brillanten Röntgenquellen betrieben werden. Elektronenspeicherringe emittieren stark gebündelte Röntgenstrahlung. In der Entwicklung begriffen sind auch kompakte Röntgenquellen, die für den Einsatz von Röntgenmikroskope im Labor gedacht sind. Solche Röntgenquellen können aus heißen Mikroplasmen (Durchmesser des strahlenden Gebietes: typisch 10 - 50 µm) bestehen, die mit Hilfe vongepulsten Laserstrahlen erzeugt werden. Sie strahlen ihr Röntgenlicht in alle Raumrichtungen ab.In recent years, there have been significant advances in X-ray microscopy made in the wavelength range of about 0.2 - 5 nm. There were X-ray microscopes developed that operate on brilliant X-ray sources become. Electron storage rings emit highly concentrated X-rays. Compact are also under development X-ray sources intended for the use of X-ray microscopes in the laboratory are. Such x-ray sources can be obtained from hot microplasmas (diameter of the radiating area: typically 10 - 50 µm) with help generated by pulsed laser beams. They shine their X-rays on everyone Spatial directions.
Als hochauflösende Objektive in Röntgenmikroskopen kommen heutzutage nur Mikrozonenplatten zum Einsatz. Mikrozonenplatten sind rotationssymmetrische Transmissionskreisgitter mit nach außen hin abnehmender Gitterkonstanten, haben typischerweise bis zu 0.1 mm Durchmesser und einige hundert Zonen. Die numerische Apertur einer Zonenplatte ist ganz allgemein durch den Beugungswinkel bestimmt, unter dem die äußeren und damit feinsten Zonen senkrecht einfallende Röntgenstrahlen beugen. Die erzielbare räumliche Auflösung einer Zonenplatte ist durch ihre numerische Apertur bestimmt. Die numerische Apertur der benutzten Röntgenobjektive konnte in den letzten Jahren wesentlich erhöht werden, so daß deren Auflösung sich verbesserte. Dieser Trend zu höherer Auflösung wird sich fortsetzen. Nowadays only come as high-resolution lenses in X-ray microscopes Micro zone plates for use. Microzone plates are rotationally symmetrical Transmission circuit grating with lattice constants decreasing towards the outside, typically have a diameter of up to 0.1 mm and several hundred zones. The numerical aperture of a zone plate is generally through the Diffraction angle determined under which the outer and therefore finest zones Bend vertically incident X-rays. The achievable spatial The resolution of a zone plate is determined by its numerical aperture. The numerical aperture of the used X-ray lenses could in the last Years increased significantly, so that their resolution improved. This trend towards higher resolution will continue.
Aus der Theorie der Mikroskopie ist bekannt, daß die numerische Apertur des beleuchtenden Kondensors eines Durchlichtmikroskopes stets in etwa angepaßt sein sollte an die numerische Apertur des Mikroskopobjektives, um von inkohärent strahlenden Lichtquellen auch eine inkohärente Objektbeleuchtung und damit eine nahezu lineare Beziehung zwischen Objektintensität und Bildintensität zu erhalten. Ist die Apertur des Kondensors dagegen geringer als die des Mikroskopobjektivs, so liegt eine teilkohärente Abbildung vor und die lineare Transformation zwischen Objektintensität und Bildintensität geht für die wichtigen, die Auflösung des Mikroskopes bestimmenden hohen Raumfrequenzen verloren.From the theory of microscopy it is known that the numerical aperture of the illuminating condenser of a transmitted light microscope always adapted approximately should be at the numerical aperture of the microscope objective in order to incoherently radiating light sources also include incoherent object lighting and thus an almost linear relationship between object intensity and Get image intensity. If the condenser aperture is smaller than that of the microscope objective, there is a partially coherent image and the linear transformation between object intensity and image intensity goes for that important high determining the resolution of the microscope Spatial frequencies lost.
Damit die Röntgenquellen in einfacher und angepaßter Weise für die Hellfeld-, Phasenkontrast- und insbesondere die Dunkelfeldmikroskopie nutzbar sind, muß ein lichtstarker Kondensor verwendet werden. Üblicherweise werden auch als Kondensoren Beugungsoptiken, z.B. Zonenplatten genutzt, da sich mit diesen die Röntgenstrahlung gleichzeitig monochromatisieren läßt. Solche Zonenplatten sollen einen möglichst hohen Beugungswirkungsgrad besitzen, um möglichst viel der aufgefangenen Strahlung auf das Objekt zu fokussieren.So that the X-ray sources can be used in a simple and adapted manner for the brightfield, Phase contrast and in particular darkfield microscopy can be used, a bright condenser must be used. Usually, too diffractive optics as condensers, e.g. Zone plates used because with this allows the X-ray radiation to be monochromatized at the same time. Such Zone plates should have the highest possible diffraction efficiency, to focus as much of the captured radiation on the object as possible.
Solche "Kondensorzonenplatten" werden üblicherweise in der ersten Beugungsordnung benutzt, in der alle bislang realisierten Kondensorzonenplatten ihren höchsten Beugungswirkungsgrad besitzen. Dabei ist es schwierig, die zuvor geforderte Anpassung der numerischen Apertur der Kondensorzonenplatten an die der Mikrozonenplatte (Röntgenobjektiv) zu erreichen. Um die Anpassung zu verwirklichen, muß die Kondensorzonenplatte außen dieselben feinen Zonen besitzen wie die Mikrozonenplatte selbst. Die lichtstärksten gebauten Mikrozonenplatten besitzen inzwischen Zonenbreiten von nur noch 19 nm (entsprechend 38 nm Periode der Zonenstrukturen), Zonenplatten mit solch feinen Zonenstrukturen können bislang nur mit Methoden der Elektronenstrahllithographie, in der die Zonen nacheinander erzeugt werden, hergestellt werden. Holographische Methoden, die das Muster einer Zonenplatte in einem Schritt "parallel" und damit in kurzer Zeit erzeugen, scheiden aus, da eine geeignet kurzwellige UV-Holographie nicht existiert. Dementsprechend könnten auch Kondensorzonenplatten mit angepaßter numerischer Apertur nur mit Methoden der Elektronenstrahllithographie, welches als serielles und damit langsames Verfahren zu bezeichnen ist, hergestellt werden. Bislang sind aber solche Kondensorzonenplatten noch nicht hergestellt worden.Such "condenser zone plates" are usually used in the first Diffraction order used, in which all realized so far Condenser zone plates have their highest diffraction efficiency. there it is difficult to adjust the numerical aperture of the Condenser zone plates to that of the micro zone plate (X-ray lens) to reach. In order to realize the adjustment, the condenser zone plate have the same fine zones on the outside as the microzone plate itself The brightest built microzone plates now have zone widths of only 19 nm (corresponding to 38 nm period of the zone structures), So far, zone plates with such fine zone structures can only be used Methods of electron beam lithography, in which the zones are in succession generated, manufactured. Holographic methods that match the pattern create a zone plate "in parallel" in one step and thus in a short time, are out of the question because there is no suitable short-wave UV holography. Accordingly, condenser zone plates could also be adapted numerical aperture only with methods of electron beam lithography, which is to be described as a serial and thus slow process become. However, such condenser zone plates have not yet been manufactured been.
Für die Dunkelfeld-Röntgenmikroskopie sind sogar noch lichtstärkere Kondensor-Monochromator Anordnungen mit ringförmiger Hohlkegel-Apertur nötig, sofern nicht ein sehr präzise zu justierender absorbierender Ring in der hinteren Fokalebene des Mikroobjektivs plaziert wird. Die Perioden der Zonenstrukturen geeigneter Kondensorzonenplatten müßten dafür weniger als 38 nm betragen.For darkfield X-ray microscopy, they are even more powerful Condenser monochromator arrangements with an annular hollow cone aperture necessary, unless a very precisely adjustable absorbent ring in the rear focal plane of the micro lens is placed. The periods of Zone structures of suitable condenser zone plates would need less than that 38 nm.
Für die Phasenkontrast-Röntgenmikroskopie ist eine Kondensor-Monochromator Anordnung von Vorteil, die möglichst alles vom Strahlrohr zur Verfügung gestellte Röntgenlicht in eine ringförmige Hohlkegel-Apertur großen Aperturwinkels zum Objekt liefert.A condenser monochromator is used for phase contrast X-ray microscopy Arrangement of advantage, as much as possible of the jet pipe available posed X-ray light in an annular hollow cone aperture large Aperture angle to the object.
Generell wird für Röntgenmikroskope, die Zonenplatten als Röntgenobjektive benutzen, eine hohlkegelförmige Objektbeleuchtung benötigt. Andernfalls würde sich dem Bild auch in seinem Zentrum die Strahlung aus der 0. und der 1. Beugungsordnung der Kondensorzonenplatte überlagern. Das liegt daran, daß der überwiegende Anteil der Strahlung, die parallel oder fast parallel zur optischen Achse auf das Objekt fällt, dieses und die folgende Mikrozonenplatte (das Röntgenobjektiv) ungebeugt durchdringt und sich als allgemeiner diffuser Untergrund in Geradeausrichtung, also im Zentrum des Bildfeldes bemerkbar macht. Aus diesem Grunde benutzen alle Transmissions-Röntgenmikroskope ringförmige Kondensoren und der nutzbare, nicht diffus überstrahlte Bereich des Bildfeldes wird um so größer, je größer der innere, strahlungsfreie Raumwinkelbereich des Kondensors ist. Generally, for X-ray microscopes, the zone plates are used as X-ray lenses use a hollow cone-shaped object lighting. Otherwise it would the radiation from the 0th and 1st Overlay the diffraction order of the condenser zone plate. This is because the vast majority of radiation that is parallel or almost parallel to optical axis falls on the object, this and the following micro zone plate (the x-ray lens) penetrates without diffraction and is a more general diffuser Background in a straight line, i.e. noticeable in the center of the image field makes. For this reason, all use transmission X-ray microscopes ring-shaped condensers and the usable, not diffusely outshone area of the The larger the inner, radiation-free field of view, the larger the image field Solid angle range of the condenser is.
Um die Auflösung der Röntgenmikroskope auf 10 nm zu verbessern, wird gegenwärtig daran gearbeitet, Mikrozonenplatten zu entwickeln, die eine kleinste Zonenbreite von nur etwa 10 nm besitzen. Damit steigen die Aperturen der Mikrozonenplatten und dementsprechend die nötigen numerischen Aperturen der Kondensoren, um eine inkohärente Objektbeleuchtung sicherzustellen. Damit vergrößern sich die bereits erwähnten Schwierigkeiten weiter.In order to improve the resolution of the X-ray microscope to 10 nm is currently working on developing micro zone plates, the one have the smallest zone width of only about 10 nm. This increases the apertures of the micro zone plates and accordingly the necessary numerical ones Apertures of the condensers to provide incoherent object lighting ensure. This increases the difficulties already mentioned further.
Derartig hochauflösende Mikrozonenplatten müßten Zonen mit ca. 10 nm Strukturbreite besitzen. Es ist aber bisher weder gelungen noch geklärt, ob sich solche freiliegenden, von einer Stützfolie getragenen Zonenstrukturen, die in der Regel aus einem Metall wie Germanium oder Nickel bestehen, noch mit Hilfe der Elektronenstrahllithographie erzeugen und in Metall übertragen lassen. Auch für "sputtered-sliced" Zonenplatten ist für solche kleinen Strukturbreiten noch nicht gezeigt, daß mit der Sputtermethode ausreichend stabile und nicht durch Materialdiffusion gestörte Zonenringe hergestellt werden können, die sich abschließend durch Dünnungverfahren in eine Zonenplatte weiterverarbeiten lassen, wobei insbesondere die Zonen aus Material geringen Streuvermögens sich bevorzugt herausätzen lassen sollten, damit das Profil einer Laminarstruktur entsteht.Such high-resolution microzone plates would have zones with approximately 10 nm Possess structure width. So far, however, it has neither been successful nor clarified whether such exposed zone structures supported by a support film, which in the Usually consist of a metal like germanium or nickel, still with the help of electron beam lithography and have it transferred into metal. Also for "sputtered-sliced" zone plates is for such small structure widths not yet shown that with the sputtering method sufficiently stable and not Zone rings disturbed by material diffusion can be produced finally process into a zone plate using the thinning process let, in particular the zones of material with low scattering capacity should preferably be etched out so that the profile of a Laminar structure arises.
Aus der Beugungstheorie der Optik ist allgemein bekannt, daß mit höheren Beugungsordnungen prinzipiell höhere Aperturen und damit eine um den Faktor der Beugungsordnung m höhere räumliche Auflösung zu erreichen ist. Beträgt die feinste Strukturbreite beispielsweise 30 nm, was einfach herzustellen ist, so wäre theoretisch in der 3. Beugungsordnung eine Auflösung von 10 nm möglich. Dabei müßte aber auch ein Beugungswirkungsgrad erreicht werden, der denjenigen der anderen Beugungsordnungen weit übertrifft.From the diffraction theory of optics it is generally known that with higher Diffraction orders in principle higher apertures and thus by a factor the diffraction order m higher spatial resolution can be achieved. Amounts the finest structure width, for example, 30 nm, which is easy to manufacture, so a resolution of 10 nm would theoretically be possible in the 3rd order of diffraction. A diffraction efficiency would also have to be achieved, however far exceeds that of the other diffraction orders.
Der Beugungswirkungsgrad von Zonenplatten als Röntgenoptiken wurde bisher im Rahmen einer geometrisch optischen Näherung berechnet. Hierbei wurde angenommen, daß das Aspektverhältnis der Zonenstrukturen, also das Verhältnis aus der Zonenhöhe und der Länge der Zonenperiode, deutlich kleiner als 10:1 ist. Nach diesem Ansatz können prinzipiell keine hohen Beugungswirkungsgrade in hohen Beugungsordnungen erwartet werden. Im Gegenteil, die maximal möglichen Beugungswirkungsgrade skalieren mit 1/m2 für die Beugungsordnungen m=1,3,5..., so daß nur wenige Prozent nach diesem Modell möglich sind. Entsprechend ist der Beugungswirkungsgrad für die 3. Beugungsordnung mindestens um den Faktor ∼1/m2 = (1/3)2 = 1/9 abgesunken, so daß kaum noch Licht in der höheren Beugungsordnung zur Verfügung steht. Ein Bild wird daher in seinem Kontrast durch die Strahlung der übrigen, viel wirksameren Beugungsordnungen stark geschwächt. In der Praxis konnten daher Zonenplatten in höheren Beugungsordnungen bislang nicht genutzt werden.The diffraction efficiency of zone plates as X-ray optics has previously been calculated using a geometrical optical approximation. It was assumed that the aspect ratio of the zone structures, i.e. the ratio of the zone height and the length of the zone period, is significantly less than 10: 1. According to this approach, high diffraction efficiencies in high diffraction orders cannot be expected in principle. On the contrary, the maximum possible diffraction efficiencies scale with 1 / m 2 for the diffraction orders m = 1,3,5 ..., so that only a few percent are possible according to this model. Correspondingly, the diffraction efficiency for the 3rd diffraction order has decreased at least by the factor ∼1 / m 2 = (1/3) 2 = 1/9, so that hardly any light is available in the higher diffraction order. The contrast of an image is therefore greatly weakened by the radiation of the other, much more effective diffraction orders. In practice, therefore, zone plates in higher diffraction orders could not be used so far.
Auch aus der Theorie der gekoppelten Wellen, angewendet auf Zonenplatten, ist bekannt, daß Zonenstrukturen, wenn sie ein Aspektverhältnis > 1 besitzen, einen besonders hohen Beugungswirkungsgrad nur in ihrer ersten Ordnung annehmen können (bis etwa 50% für röntgenoptisch geeignete und realistische, d.h. technologisch verarbeitbare Materialien). Die Voraussetzung hierfür ist, daß die Zonenstrukturen entlang der Flächen konstanter Phase verlaufen, die man für einen Objektpunkt auf der optischen Achse und den zugehörigen Bildpunkt konstruieren kann. Verlaufen diese Flächen parallel und konzentrisch zur optischen Achse, wirken die Zonenstrukturen wie die Netzebenen eines Kristalls, der in Braggreflexion benutzt wird und der daher die Braggbedingung erfüllt. Ganz allgemein ist Braggreflexion gegeben, wenn die Zonenstrukturen so geneigt sind, daß sie parallel zur Winkelhalbierenden ("Braggwinkel") von einfallender und gebeugter Strahlrichtung verlaufen. Im folgenden wird daher für einen solchen Fall von "Zonenplatten in Braggreflexion" gesprochen.Also from the theory of coupled waves, applied to zone plates, it is known that zone structures, if they have an aspect ratio> 1, a particularly high diffraction efficiency only in its first order can accept (up to about 50% for X-ray optically suitable and realistic, i.e. technologically processable materials). The prerequisite for this is that the zone structures run along the areas of constant phase that one for an object point on the optical axis and the associated image point can construct. These surfaces run parallel and concentric to optical axis, the zone structures act like the network levels of one Crystal used in Bragg reflection and hence the Bragg condition Fulfills. In general there is Bragg reflection if the zone structures are like this are inclined to be parallel to the bisector ("Braggwinkel") of incident and diffracted beam direction. The following is therefore for such a case of "zone plates in Bragg reflection" spoken.
Des weiteren wurde zur Berechnung des Beugungswirkungsgrades eine theoretische Beschreibung basierend auf der Wellengleichung (Theorie gekoppelter Wellen) angewandt, um genauere Daten für die Wirkungsgrade der 1. Ordnung auch für höhere Aspektverhältnisse zu erhalten. In die Wellengleichung wurde eine Fourierdarstellung mit einem Strich/Lücke-Verhältnis von 1:1 zur Beschreibung der Gitterstrukturen der Zonenplatte eingesetzt. Das Strich/Lücke-Verhältnis gibt das Verhältnis der Strukturbreiten des die Röntgenstrahlung stark streuenden und des schwach streuenden Zonenmaterials an. Das daraus resultierende Differentialgleichungssystem wurde numerisch integriert, welches auch auf schnellen Computern (z. b. IBM RS-6000) viele Stunden für eine Berechnung benötigte, selbst bei Schichtdicken von weniger als 1 um. Es wurde jedoch in diesem Zusammenhang lediglich die 1. Ordnung als abbildende Ordnung betrachtet. Die theoretischen Resultate für die Beugungswirkungsgrade stimmten in sehr guter Näherung mit dem geometrisch optischen Ansatz bei Aspektverhältnissen bis maximal etwa 5:1 überein. Lediglich bei höheren Aspektverhältnissen und bei Neigung der Zonenstrukturen konnten höhere Wirkungsgrade als nach dem geometrisch optischen Modell berechnet werden. Sowohl nach dem geometrisch optischen Modell und als auch aus der Theorie der gekoppelten Wellen erschien es bislang unmöglich, auch für höhere Beugungsordnungen (m=2,3,.....) hohe Beugungswirkungsgrade zu erhalten. Auch aus experimentellen Erfahrungen gab es keinerlei Hinweise darauf.Furthermore, a was used to calculate the diffraction efficiency theoretical description based on the wave equation (theory Coupled Waves) applied to more accurate data for the efficiency of the 1st order also for higher aspect ratios. In the Wave equation became a Fourier representation with a line / gap ratio of 1: 1 to describe the lattice structures of the zone plate used. The dash / gap ratio gives the ratio of the structure widths X-ray scattering and weak scattering Zone material. The resulting system of differential equations has been numerically integrated, which can also be used on fast computers (e.g. IBM RS-6000) needed many hours for a calculation, even with layer thicknesses less than 1 µm. However, only the 1st order considered as an imaging order. The theoretical results for the diffraction efficiency was very good approximation with that geometric optical approach with aspect ratios up to a maximum of about 5: 1 match. Only with higher aspect ratios and when the Zone structures could have higher efficiencies than after the geometrical optical model can be calculated. Both after the geometrically optical It appeared as a model and as well from the theory of coupled waves So far impossible, even for higher diffraction orders (m = 2.3, .....) high ones To obtain diffraction efficiencies. Also from experimental experience there was no evidence of this.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Röntgenmikroskop mit einer Auflösung von mindestens 10 nm darzustellen und hierfür Zonenplatten anzugeben, die in höheren Beugungsordnungen betrieben werden können, wobei in den höheren Beugungsordnungen mindestens ähnlich hohe Beugungswirkungsgrade erzielt werden sollen wie sie die bekannten, in der ersten Beugungsordnung betriebenen Zonenplatten besitzen, und deren Zonenstrukturen deutlich gröber als 10 nm sein können und die sich für den Einsatz in Kondensor-Monochromator-Anordnungen und als Mikroobjektiv eignen.It is the object of the invention to use an X-ray microscope with a resolution of to display at least 10 nm and to indicate zone plates, which in higher diffraction orders can be operated, being in the higher Diffraction orders achieved at least similarly high diffraction efficiencies should be like the known ones in the first diffraction order own operated zone plates, and their zone structures are significantly coarser can be as 10 nm and which are suitable for use in condenser monochromator arrangements and suitable as a micro lens.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs
11 angegebenen Merkmale gelöst. Der Anspruch 1 betrifft die Anwendung der erfindungsgemäßen
Zonenplatten in einem Röntgenmikroskop. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. This object is achieved by the characterizing part of the
Werden die angegebenen Zonenplatten in einem Röntgenmikroskop als Kondensor-Monochromator und als Mikroobjektiv eingesetzt, so läßt sich eine Auflösung von 10 nm erreichen. Durch ein geeignet eingestelltes Strich/Lücke-Verhältnis kleiner als 1:1 und durch ein hohes Aspektverhältnis erreicht der Beugungswirkungsgrad dieser Zonenplatten sein Maximum in einer höheren Beugungsordnung. Dadurch stehen effiziente Röntgenoptiken mit der nötigen hohen numerischen Apertur zur Verfügung. Zudem sind mit ihnen Röntgenmikroskope mit 10 nm Auflösung möglich, ohne daß die extrem kleinen und technologisch äußerst schwierig herzustellenden Zonenstrukturen verwendet werden müssen, die für Zonenplatten derselben Auflösung bei Nutzung der ersten Beugungsordnung nötig wären. Gleichzeitig wird in dieser höheren Beugungsordnung ein Beugungswirkungsgrad erreicht, der bislang nur in der ersten Beugungsordnung erhalten werden konnte. Solche Zonenplatten mit hohem Beugungswirkungsgrad und mit hoher numerischer Apertur lassen sich besonders vorteilhaft in Laborröntgenmikroskopen als kleine Kondensoren einsetzen, die aus einem besonders hohen Raumwinkel Licht von Mikroplasma-Röntgenstrahlungquelle auffangen und auf das Objekt fokussieren.If the specified zone plates are in an X-ray microscope Condenser monochromator and used as a micro lens, so one can Achieve a resolution of 10 nm. Through a suitably adjusted line / gap ratio smaller than 1: 1 and achieved by a high aspect ratio Diffraction efficiency of these zone plates is at a maximum in a higher one Diffraction order. This provides efficient X-ray optics with the necessary high numerical aperture. They are also with them X-ray microscopes with 10 nm resolution possible without the extremely small and technologically extremely difficult to manufacture zone structures must be used for zone plates with the same resolution Would be necessary to use the first diffraction order. At the same time, in this higher diffraction order reached a diffraction efficiency that so far only could be obtained in the first diffraction order. Such zone plates with high diffraction efficiency and with high numerical aperture are particularly advantageous in laboratory X-ray microscopes as small condensers Use light from a particularly high solid angle from a microplasma x-ray source catch and focus on the object.
Der Weg die gestellte Aufgabe zu lösen, konnte nur über eine umfassende analytische Beschreibung des Beugungsverhaltens von Zonenplatten führen, die Überblick über alle Beugungsordnungen, unterschiedliche Strich/Lücke Verhältnisse und viel größere Zonenhöhen schafft. Diese Aufgabe war mit dem bisherigen numerischen iterativen Berechnungsverfahren wegen des sich enorm ansteigenden Bedarfs an Rechenzeit ausgeschlossen.The way to solve the given task could only be done by a comprehensive conduct an analytical description of the diffraction behavior of zone plates, the overview of all diffraction orders, different line / gap Conditions and much larger zone heights. This task was with the previous numerical iterative calculation methods because of the enormous increasing demand for computing time excluded.
Dabei waren zwei Probleme zu überwinden. Zum einen mußte ein anderes mathematisches Verfahren gefunden werden, um die Rechenzeit deutlich herabzusenken, um auch große Aspektverhältnisse hinreichend schnell berechnen zu können. Zum anderen mußte als weiterer Parameter in der Wellengleichung das Strich/Lücke-Verhältnis eingebaut werden, welches die Fourierdarstellung des Gitters und damit die Wellengleichung deutlich komplizierter werden läßt. Es resultierte ein Differentialgleichungssystem, welches als komplexwertiges Eigenwertproblem gelöst wurde, wobei komplexwertige Matrizen bis zur Dimension von 100 X 100 Elementen auftreten. Diese Lösungsmethode reduzierte die Rechenzeiten um etwa das 1000 fache. Es kann jede Beugungsordnung in ihrem Wirkungsgrad als Funktion der Zonenhöhe dargestellt werden. Es zeigte sich, daß sich der Beugungswirkungsgrad in hohen Ordnungen (z.B. m=6) drastisch anheben läßt, wenn das Strich/Lücke-Verhältnis kleiner 1:1 gewählt wird, die Zonen ein hohes Aspektverhältnis besitzen und zusätzlich die Zonenstrukturen analog kleiner Spiegel in Bragg-Reflexion angeordnet werden.There were two problems to be overcome. For one, another had to Mathematical procedures can be found to make the computing time clear to lower it, even in large aspect ratios, quickly enough to be able to calculate. On the other hand, another parameter in the Wave equation the dash / gap ratio, which the Fourier representation of the grating and thus the wave equation clearly gets more complicated. The result was a system of differential equations, which was solved as a complex-value eigenvalue problem, whereby complex matrices up to the dimension of 100 X 100 elements occur. This solution method reduced the computing times by about 1000 times. Each diffraction order can function as a function of Zone height can be displayed. It turned out that the Diffraction efficiency can be increased drastically in high orders (e.g. m = 6), if the line / gap ratio is chosen to be less than 1: 1, the zones are high Have aspect ratio and, in addition, the zone structures are analogously smaller Mirrors can be arranged in Bragg reflection.
Dies ist bisher nicht bekannt und nur durch einen bis dahin nicht gezogenen Vergleich zur Wirkungsweise von Multilayern zu verstehen. In der Praxis kann dieser Effekt dazu ausgenutzt werden, um hohe Beugungswirkungsgrade und hohe Aperturen in Röntgenoptiken zu verwirklichen, ohne gleichzeitig auf die Erzeugung extrem schmaler Zonenstrukturen angewiesen zu sein, wie es für den Betrieb in der 1. Beugungsordnung notwendig wäre.So far this is not known and only by one that has not yet been drawn Understand how multilayers work. In practice it can this effect can be used to achieve high diffraction efficiency to realize high apertures in X-ray optics without simultaneously focusing on the Generation of extremely narrow zone structures to rely on, as it is for operation in the 1st diffraction order would be necessary.
Es hat sich herausgestellt, daß eine Zonenplatte mit hohem Aspektverhältnis (typischer Wert: größer als 10) einen vergleichbar hohen Beugungswirkungsgrad in einer ihrer hohen Beugungsordnungen wie eine in der ersten Beugungsordnung benutzte Zonenplatte mit hohen Aspektverhältnis besitzt, wenn das genannte Strich/Lücke-Verhältnis deutlich kleiner als eins ist. Da eine solche Zonenplatte in einer hohen Beugungsordnung benutzt wird, besitzt sie - verglichen mit Anwendungen in der ersten Beugungsordnung - eine stark vergrößerte Apertur. Zum Beispiel kann eine Zonenplatte mit hohen Aspektverhältnis (etwa 20) und kleinem Strich/Lücke-Verhältnis (etwa 0.25), wenn sie in der 6. Beugungsordnung und in Braggreflexion bei 2.4 nm Wellenlänge benutzt wird, bis zu 45% Beugungswirkungsgrad besitzen. Hierzu werden röntgenoptisch geeignete und technologisch verarbeitbare Materialien genutzt. Ganz allgemein gilt, daß die Parameter der Zonenplatte wie z.B. Materialien, Aspektverhältnis und Strich/Lücke-Verhältnis sich für die jeweils gewünschte höhere Beugungsordnung optimieren lassen. It has been found that a zone plate with a high aspect ratio (typical value: greater than 10) a comparable high Diffraction efficiency in one of their high diffraction orders like one in zone plate with the high aspect ratio used in the first diffraction order has if the mentioned line / gap ratio is significantly less than one. Since such a zone plate is used in a high diffraction order, it has one compared to applications in the first diffraction order greatly enlarged aperture. For example, a zone plate with high Aspect ratio (about 20) and small line / gap ratio (about 0.25), if they are in the 6th diffraction order and in Bragg reflection at 2.4 nm Wavelength is used to have up to 45% diffraction efficiency. For this X-ray optically suitable and technologically processable materials used. In general, the parameters of the zone plate, e.g. Materials, aspect ratio and dash / gap ratio are different for each have the desired higher diffraction order optimized.
Vorteilhaft an Zonenplatten mit großem Aspektverhältnis und kleinem Strich-Lücke Verhältnis - bei Nutzung einer höheren Beugungsordnung und der Braggreflexion - ist, daß bei gleicher numerischer Apertur eine in hoher Beugungsordnung benutzte Zonenplatte nur relativ grobe Zonenstrukturen benötigt im Vergleich zu einer in der ersten Beugungsordnung benutzten Zonenplatte derselben numerischen Apertur. Für das obige Beispiel eines Röntgenmikroskops mit 10 nm Auflösung ergibt sich für die feinste herzustellende Zonenstruktur eine Breite von etwa 30 nm mit einer Periode von 120 nm, wenn die Zonenplatte in der 6. Beugungsordnung betrieben werden soll. Solche Strukturbreiten sind heutzutage mit Mitteln der Elektronenstrahllithographie gut zu erzeugen. Dazu kommt, daß 6 mal weniger Zonen zu schreiben sind, was bedeutend schneller geht. Für einen elektronenstrahlgeschriebenen Zonenplattenkondensor bedeutet dies, daß sich die Schreibzeiten drastisch reduzieren.Advantageous for zone plates with a large aspect ratio and a small line gap Ratio - when using a higher diffraction order and the Bragg reflection - is that with the same numerical aperture one in high Diffraction order used zone plate only relatively rough zone structures needed compared to one used in the first diffraction order Zone plate of the same numerical aperture. For the example above one X-ray microscopes with 10 nm resolution result for the finest Zone structure to be produced has a width of approximately 30 nm with a period of 120 nm if the zone plate is operated in the 6th diffraction order should. Such structural widths are nowadays by means of To produce electron beam lithography well. Add to that 6 times less Zones are to be written, which is significantly faster. For one electron-beam written zone plate condenser, this means that drastically reduce writing times.
Eine Zonenplatte für Braggreflexion kann mit bekannten Aufdampftechniken hergestellt werden, z.B. nach dem bekannten Verfahren zur Erzeugung von sogenannten ,,sputtered sliced Zonenplatten" durch Sputterbeschichtung eines sich im Vakuum drehenden polierten Draht, wobei abwechselnd die röntgenoptisch geeignete Materialien aufgebracht werden. Der Draht mit den aufgebrachten Materialien wird anschließend in ein Substrat eingebettet und senkrecht zur seiner Dahtachse scheibenweise geschnitten. Dadurch entstehen Zonenplatten, deren innerer Bereich absorbierend, also röntgenoptisch unwirksam ist, was für den Kondensor aus in der Einleitung dargelegten Gründen erwünscht ist.A zone plate for Bragg reflection can be made using known evaporation techniques be produced, e.g. according to the known method for producing so-called "sputtered sliced zone plates" by sputter coating a polished wire rotating in vacuum, alternating the materials suitable for X-ray optics are applied. The wire with the applied materials are then embedded in a substrate and cut in slices perpendicular to its wire axis. This creates Zone plates, the inner area of which is absorbent, i.e. X-ray optical What is ineffective for the condenser outlined in the introduction Reasons is desired.
Als alternatives Herstellverfahren für eine Zonenplatte kann anstelle eines Drahtes eine optisch polierte Metall- oder Glaskugel verwendet werden. Die Kugel wird - sich drehend - im Vakuum mit einem Vielfachschichtensystem belegt und anschließend auf ihrem Umfang bis auf eine Kugelzone von wenigen um Breite nahe ihres Äquators gedünnt. Liegt die gedünnte Kugelzone nicht genau auf dem Äquator der Kugel, so ist die verbleibende Schichtenfolge geneigt. Ist die Neigung halb so groß wie die erforderliche Strahlablenkung und mit der oben genannten Winkelhalbierenden übereinstimmend, so steht die Schichtenfolge unter dem Braggwinkel. Die Schichtenfolge wirkt wie ein Vielfachspiegel, so daß der Beugungswirkungsgrad ein Maximum erreicht.As an alternative manufacturing method for a zone plate, instead of one Wire an optically polished metal or glass ball can be used. The Sphere becomes - rotating - in vacuum with a multilayer system occupied and then on their circumference except for a spherical zone of a few thinned by width near its equator. If the thinned ball zone is not exactly on the equator of the sphere, so is the remaining layer sequence inclined. If the inclination is half the required beam deflection and coinciding with the angle bisector mentioned above, then the Layer sequence under the Bragg angle. The layer sequence acts like an Multiple mirrors so that the diffraction efficiency reaches a maximum.
Im folgenden werden schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.In the following, schematically illustrated embodiments of the Invention explained with reference to the drawing.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Zonenplatte.1 shows a zone plate according to the invention.
Fig.2 zeigt ein Röntgenmikroskop mit Kondensor- und Mikrozonenplatte, die beide in Braggreflexion betrieben werden.Fig. 2 shows an X-ray microscope with a condenser and micro zone plate both are operated in Bragg reflection.
Fig.3 zeigt ein Röntgenmikroskop mit Kondensor- und Mikrozonenplatte, die beide geneigte Zonen besitzen und in Braggreflexion betrieben werden.3 shows an X-ray microscope with a condenser and micro zone plate both have inclined zones and are operated in Bragg reflection.
Fig.4 zeigt ein Röntgenmikroskop mit einem Fokussator mit Ringfokus und einer nachgeordneten ringförmigen Zonenplatte und eine Mikrozonenplatte.4 shows an X-ray microscope with a focuser with a ring focus and one downstream annular zone plate and a micro zone plate.
In Fig.1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zonenplatte 4 im
Querschnitt schematisch dargestellt. Die beugenden Eigenschaften der
Zonenplatte 4 werden durch das Strich/Lücke-Verhältnis P1/P2, das
Aspektverhältnis H/P und durch die Neigung der Zonen 6,7 gegenüber der
optischen Achse 3 bestimmt. Natürlich spielen dabei auch die röntgenoptisch
wirksamen Materialien der Zonen 6,7 eine Rolle. Das Strich/Lücke-Verhältnis
P1/P2 gibt das Verhältnis der Strukturbreite des die einfallende
Röntgenstrahlung 1 stark streuenden Materials der Zonen 6 und der
Strukturbreite des schwach streuenden Materials der Zonen 7 an. Das
Strich/Lücke-Verhältnis P1/P2 ist über die gesamte Zonenplatte 4 konstant. Das
Aspektverhältnis gibt das Verhältnis aus der Zonenhöhe H und der Länge P der
Zonenperiode an und nimmt in diesem Ausführungsbeispiel von der optischen
Achse 3 ausgehend zum Rand der Zonenplatte 4 zu. In Figure 1, an embodiment of a
Erfindungsgemäß wird ein hoher Beugungswirkungsgrad in einer höheren Beugungsordnung erreicht, wenn das Strich/Lücke-Verhältnis P1/P2 kleiner als 1 ist, wie es beispielsweise mit 0.5 maßstabsgerecht in Fig.1 dargestellt ist, und wenn ein großes Aspektverhältnis wie beispielsweise größer 10 realisiert wird, was in Fig.1 allerdings nicht maßstabsgerecht dargestellt ist.According to the invention, a high diffraction efficiency is achieved in a higher diffraction order if the line / gap ratio P 1 / P 2 is less than 1, as is shown, for example, with 0.5 to scale in FIG. 1, and if a large aspect ratio, for example greater than 10 is realized, which is however not shown to scale in FIG. 1.
Eine weitere Erhöhung des Beugungswirkungsgrades in einer höheren
Beugungsordnung kann bei bestimmten Anwendungen mit Zonen 6,7 erreicht
werden, die zur optischen Achse 3 geneigt sind. Das Ausführungsbeispiel
gemäß Fig.1 zeigt Zonen 6,7, die nahe der optischen Achse 3 parallel zu dieser
verlaufen. Mit zunehmendem Abstand der Zonen 6,7 von der optischen Achse 3
nimmt auch die Neigung der Zonen 6,7 gegenüber der optischen Achse 3 zu.
Eine weitere Verbesserung kann erreicht werden, wenn die Zonenplatte 4 mit
ihren Zonen 6,7 in Braggreflexion verwendet wird.A further increase in diffraction efficiency in a higher one
Diffraction order can be achieved in certain applications with zones 6.7
be inclined to the
Die auf die Zonenplatte 4 einfallende Röntgenstrahlung 1 wird mit
unterschiedlichen Intensitäten in unterschiedliche Beugungsordnungen gebeugt.
Die Fig.1 zeigt die Ausbreitungsrichtungen für die Beugung der nullten Ordnung
8, der ersten Ordnung 9a, der zweiten Ordnung 9b und der dritten Ordnung 9c.
Mit den höheren Beugungsordnungen nimmt der Beugungswinkel zu. Deshalb
kann mit einer hohen Beugungsordnung bei einem Einsatz der Zonenplatte 4
als Kondensor und / oder als Objektiv in einem Röntgenmikroskop eine hohe
Apertur und somit ein hohes Auflösungsvermögen des Röntgenmikroskops
erreicht werden. Dabei genügen vorteilhafterweise leicht und in relativ kurzer
Zeit herzustellende grobe Strukturen als Zonen 6,7 der Zonenplatte 4.The
Die Fig.2-4 zeigen schematisch Zonenplatten 4 in Anordnungen als
Kondensoren und Mikrozonenplatten für Röntgenmikroskope mit besonders
hoher Auflösung, die mit verschiedenen Strahlungsquellen betrieben werden.Figures 2-4 show schematically
In Fig.2 ist die Optik eines Röntgenmikroskops dargestellt, bei dem als
Strahlungsquelle eine isotrop strahlende Mikroplasma-Röntgenquelle 17 dient. In Fig.2 the optics of an X-ray microscope is shown, in which as
Radiation source is an isotropically radiating
Hierfür eignet sich als Kondensor eine ringförmige Zonenplatte 14 mit nicht
geneigten Zonen 6,7, die vorteilhaft in Braggreflexion betrieben wird. Die
Zonenplatte 14 fokussiert die Röntgenstrahlung 1 der Mikroplasma-Röntgenquelle
17 über einen Strahlungshohlkegel 10 im Fokus 13 auf der
optischen Achse 3. Dort befindet sich das somit beleuchtete Objekt. An dieser
Stelle ist auch eine Monochromatorlochblende 11 angeordnet, die die
unerwünschten Beugungsordnungen und Wellenlängen des Röntgenlichtes für
den weiteren Strahlengang ausblendet. Dadurch wirkt die Zonenplatte 14
zusammen mit der Monochromatorlochblende 11 als Kondensor-Monochromator,
der allgemein zur Beleuchtung von Objekten in
Röntgenmikroskopen benutzt wird.An
Als Röntgenobjektiv dient eine Mikrozonenplatte 12 mit geneigten Zonen 6,7
und mit Braggreflexion. Sie erzeugt in der Bildebene 18 ein Bild des Objektes.A
Die Zonenplatte 14 und die Mikrozonenplatte 12 besitzen einen zentralen, die
Röntgenstrahlung absorbierenden Zonenplattenbereich 19, um - wie in der
Einleitung bereits erwähnt - die ungebeugte Röntgenstrahlung als diffusen
Untergrund zu eliminieren.The
In Fig.3 ist die Optik eines Röntgenmikroskops dargestellt, das als optische
Elemente eine Kondensorzonenplatte 15 mit Braggreflexion und geneigten
Zonen und eine Mikrozonenplatte 12 mit Braggreflexion und geneigten Zonen
6,7 benutzt. Die nahezu parallel einfallende Röntgenstrahlung 1 eines
Undulators oder eines Ablenkmagneten an einem Elektronenspeicherring wird
unter hohem Aperturwinkel und mit hohem Beugungswirkungsgrad in ein Objekt
in der Ebene der Monochromatorlochblende 11 fokussiert. Um bei dieser
Anwendung in Braggreflexion zu wirken, müssen die Zonen 6,7 der
Kondensorzonenplatte 15 geneigt sein. Der zentrale, die Röntgenstrahlung
absorbierende Zonenplattenbereich 20 besteht aus einem kugelförmigen
Träger. In Figure 3, the optics of an X-ray microscope is shown, the optical
Elements a
In Fig.4 ist ein Röntgenmikroskop dargestellt mit einem Fokussator 21 mit
Ringfokus und einer im Strahlengang nachgeordneten ringförmigen Zonenplatte
16 mit Braggreflexion und geneigten Zonen 6,7. Der Fokussator 21 und die
Zonenplatte 16 bilden zusammen mit einer Monochromatorlochblende 11 einen
Kondensor-Monochromator. Der Fokussator 21 mit Ringfokus fokussiert die
einfallende parallel gebündelte Röntgenstrahlung 1 eines Undulators oder eines
Ablenkmagneten eines Elektronenspeicherringes in der Form eines Ringes. Die
Zonenplatte 16 wird nahe am Ringfokus des Fokussators 21 angeordnet. Die
Zonen 6,7 der Zonenplatte 16 sind so modifiziert, daß sie aus dem Ringfokus
des Fokussators 21 durch Beugung einen punktförmigen Fokus 13 auf der
optischen Achse 3 erzeugen. Vorteilhaft an dieser Anordnung ist, daß die
Zonenplatte 16 keine große Fläche zu besitzen braucht, da sie sich nahe am
Ringfokus des Fokussators 21 befinden kann. Somit sind nur wenige Strukturen
auf der Zonenplatte 16 herzustellen. Die lichtsammelnde Fläche wird allein
durch den Fokussator 21 bestimmt. Er besitzt nur grobe Zonenstrukturen und
läßt sich daher gut mit Methoden der Elektronenstrahllithographie herstellen.
Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft anwendbar für gut kollimierte
Röntgenstrahlung 1, z.B. von einem Undulator.4 shows an X-ray microscope with a
Auch bei dieser Kondensor-Monochromator-Anordnung dient als
Röntgenobjektiv eine Mikrozonenplatte 12 mit Braggreflexion und geneigten
Zonen 6,7.This condenser-monochromator arrangement also serves as
X-ray lens a
Claims (21)
- X-ray microscope with zone plates for a condenser-monochromator and for a micro-objective, characterised in that at least one zone plate (4, 12, 14, 15, 16) arranged on the optical axis (3) of the X-ray microscope is provided with a high aspect ratio (H/P) and a line/slot ratio (P1/P2) smaller than 1.
- X-ray microscope according to claim 1, characterised in that the aspect ratio (H/P) increases towards the edge of the zone plate (4, 12, 14, 15, 16).
- X-ray microscope according to claim 1 or 2, characterised in that the central region (19, 20) of the zone plate (4, 12, 14, 15, 16) is absorbent for X-ray radiation.
- X-ray microscope according to one of the preceding claims, characterised in that the zones (6, 7) of the zone plate (4, 12, 14, 15, 16) are aligned parallelly or obliquely to the optical axis (3).
- X-ray microscope according to one of the preceding claims, characterised in that the zones (6, 7) of the zone plate (4, 12, 14, 15, 16) are aligned parallelly to the optical axis (3) in the region near this, and towards the edge of the zone plate (4, 12, 14, 15, 16) are increasingly inclined relative to the optical axis (3).
- X-ray microscope according to one of the preceding claims, characterised in that a zone plate (4, 12, 14, 15, 16) operated in Bragg reflection is provided.
- X-ray microscope according to one of claims 1 to 6, characterised in that for a condenser-monochromator the zone plate (14, 15, 16) is constructed to be annular and a monochromator aperture plate (11) is arranged in its focus (13).
- X-ray microscope according to one of claims 1 to 6, characterised in that for a condenser-monochromator a focussator (21) with a ring focus and a zone plate (16) constructed to be annular and arranged in the beam path are provided, wherein a monochromator aperture plate (11) is arranged in the focus (13) of the zone plate (16).
- X-ray microscope according to one of claims 1 to 6, characterised in that the zone plate (12) is used as a micro-objective.
- X-ray microscope according to one of the preceding claims, characterised in that zone plates (4, 12, 14, 15, 16) are provided, the zones (6, 7) of which are formed on a wire or a polished sphere.
- Zone plate (4, 12, 14, 15, 16) with diffraction structures (6, 7) for X-ray radiation, characterised in that the diffraction structures (6, 7) have a high aspect ratio (H/P) and a line/slot ratio (P1/P2) smaller than 1.
- Zone plate (4, 12, 14, 15, 16) according to claim 11, characterised in that the aspect ratio (H/P) increases towards the edge of the zone plate (4, 12, 14, 15, 16).
- Zone plate (4, 12, 14, 15, 16) according to claim 11 or 12, characterised in that the central region (19, 20) of the zone plate (4, 12, 14, 15, 16) is absorbent for X-ray radiation.
- Zone plate (4, 12, 14, 15, 16) according to one of claims 11 to 13, characterised in that it is operated in Bragg reflection.
- Zone plate (4, 12, 14, 15, 16) according to one of claims 11 to 14, characterised in that its diffraction structures (6, 7) are formed on a wire or a polished sphere.
- Zone plate (4, 12, 14, 15, 16) according to one of claims 11 to 15, characterised in that it is used in an X-ray microscope.
- Zone plate (4, 12, 14, 15, 16) according to claim 16, characterised in that its diffraction structures (6, 7) are aligned parallelly or obliquely to the optical axis (3) of the X-ray microscope.
- Zone plate (4, 12, 14, 15, 16) according to claim 16, characterised in that its diffraction structures (6, 7) are aligned parallelly to the optical axis (3) of the X-ray microscope in the region near this axis, and towards the edge of the zone plate (4, 12, 14, 15, 16) are increasingly inclined relative to the optical axis (3).
- Zone plate (4, 12, 14, 15, 16) according to one of claims 16 to 18, characterised in that for a condenser-monochromator it is constructed to be annular and a monochromator aperture plate (11) is arranged in its focus (13).
- Zone plate (4, 12, 14, 15, 16) according to one of claims 16 to 18, characterised in that for a condenser-monochromator it is constructed to be annular and a focussator (21) with a ring focus is arranged downstream in the beam path, wherein a monochromator aperture plate (11) is arranged in the focus (13) of the zone plate (16).
- Zone plate (4, 12, 14, 15, 16) according to one of claims 16 to 18, characterised in that it is used as a micro-objective (12) in the X-ray microscope.
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