DE19700880A1 - Röntgenmikroskop mit Zonenplatten - Google Patents
Röntgenmikroskop mit ZonenplattenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Röntgenmikroskop mit Zonenplatten für einen
Kondensor-Monochromator und für ein Mikroobjektiv.
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 von
gepulsten Laserstrahlen erzeugt werden. Sie strahlen ihr Röntgenlicht in alle
Raumrichtungen ab.
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.
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.
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.
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 "paralle" 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.
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.
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.
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.
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.
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 Dünnungsverfahren in eine Zonenplatte weiterverarbeiten
lassen, wobei insbesondere die Zonen aus Material geringen Streuvermögens
sich bevorzugt herausätzen lassen sollten, damit das Profil einer
Laminarstruktur entsteht.
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.
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.
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.
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 µm. 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.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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-
Röntgenstrahlungsquelle auffangen und auf das Objekt fokussieren.
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.
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 100×100 Elementen auftreten.
Diese Lösungsmethode reduzierte die Rechenzeiten um etwa das 1000fache.
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.
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.
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 hohem
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.
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.
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 Drahtachse 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.
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
µm 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.
Im folgenden werden schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Zonenplatte.
Fig. 2 zeigt ein Röntgenmikroskop mit Kondensor- und Mikrozonenplatte, die
beide in Braggreflexion betrieben werden.
Fig. 3 zeigt ein Röntgenmikroskop mit Kondensor- und Mikrozonenplatte, die
beide geneigte Zonen besitzen und in Braggreflexion betrieben werden.
Fig. 4 zeigt ein Röntgenmikroskop mit einem Fokussator mit Ringfokus und einer
nachgeordneten ringförmigen Zonenplatte und eine Mikrozonenplatte.
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.
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.
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.
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.
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.
In Fig. 2 ist die Optik eines Röntgenmikroskops dargestellt, bei dem als
Strahlungsquelle eine isotrop strahlende Mikroplasma-Röntgenquelle 17 dient.
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.
Als Röntgenobjektiv dient eine Mikrozonenplatte 12 mit geneigten Zonen 6, 7
und mit Braggreflexion. Sie erzeugt in der Bildebene 18 ein Bild des Objektes.
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.
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 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.
Auch bei dieser Kondensor-Monochromator-Anordnung dient als
Röntgenobjektiv eine Mikrozonenplatte 12 mit Braggreflexion und geneigten
Zonen 6, 7.
Bezugszeichenliste
1 einfallende Röntgenstrahlung
3 optische Achse
4 Zonenplatte
6 Zone mit Material starken Steuervermögens
7 Zone mit Material geringen Steuervermögens
8 Strahl der nullten Beugungsordnung
9a Strahl der ersten Beugungsordnung
9b Strahl der zweiten Beugungsordnung
9c Strahl der dritten Beugungsordnung
10 beleuchtender Strahlungshohlkegel
11 Monochromatorlochblende in der Objektebene
12 Mikrozonenplatte mit hohem Aspektverhältnis und geneigten Zonen
13 Fokus in der Objektebene
14 ringförmige Zonenplatte mit hohem Aspektverhältnis und nicht geneigten Zonen
15 ringförmige Zonenplatte mit hohem Aspektverhältnis und geneigten Zonen
16 ringförmige Zonenplatte in Braggreflexion mit hohem Aspektverhältnis und geneigten Zonen
17 Mikroplasma-Röntgenquelle
18 Bildebene
19 zentraler, absorbierender Zonenplattenbereich
20 zentraler, absorbierender Zonenplattenbereich aus kugelförmigem Träger
21 Fokussator mit Ringfokus
H Zonenhöhe
P Periodenlänge der Zonen
P₁/P₂ Strich/Lücke-Verhältnis
3 optische Achse
4 Zonenplatte
6 Zone mit Material starken Steuervermögens
7 Zone mit Material geringen Steuervermögens
8 Strahl der nullten Beugungsordnung
9a Strahl der ersten Beugungsordnung
9b Strahl der zweiten Beugungsordnung
9c Strahl der dritten Beugungsordnung
10 beleuchtender Strahlungshohlkegel
11 Monochromatorlochblende in der Objektebene
12 Mikrozonenplatte mit hohem Aspektverhältnis und geneigten Zonen
13 Fokus in der Objektebene
14 ringförmige Zonenplatte mit hohem Aspektverhältnis und nicht geneigten Zonen
15 ringförmige Zonenplatte mit hohem Aspektverhältnis und geneigten Zonen
16 ringförmige Zonenplatte in Braggreflexion mit hohem Aspektverhältnis und geneigten Zonen
17 Mikroplasma-Röntgenquelle
18 Bildebene
19 zentraler, absorbierender Zonenplattenbereich
20 zentraler, absorbierender Zonenplattenbereich aus kugelförmigem Träger
21 Fokussator mit Ringfokus
H Zonenhöhe
P Periodenlänge der Zonen
P₁/P₂ Strich/Lücke-Verhältnis
Claims (10)
1. Röntgenmikroskop mit Zonenplatten für einen Kondensor-Monochromator
und für ein Mikroobjektiv, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine auf
der optischen Achse (3) des Röntgenmikroskops angeordnete Zonenplatte
(4,12,14,15,16) mit einem hohen Aspektverhältnis (H/P) und einem
Strich/Lücke-Verhältnis (P₁/P₂) kleiner als 1 vorgesehen ist.
2. Röntgenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Aspektverhältnis (H/P) zum Rand der Zonenplatte (4, 12, 14, 15, 16) hin zunimmt.
3. Röntgenmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der zentrale Bereich (19, 20) der Zonenplatte (4, 12, 14, 15, 16) für die
Röntgenstrahlung absorbierend ist.
4. Röntgenmikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zonen (6, 7) der Zonenplatte (4, 12, 14, 15, 16) parallel
oder geneigt zur optischen Achse (3) ausgerichtet sind.
5. Röntgenmikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zonen (6, 7) der Zonenplatte (4, 12, 14, 15, 16) im
Bereich nahe der optischen Achse (3) parallel zu dieser ausgerichtet sind und
zum Rand der Zonenplatte (4, 12, 14, 15, 16) hin zunehmend geneigt gegen die
optische Achse (3) sind.
6. Röntgenmikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß eine in Braggreflexion betriebene Zonenplatte
(4, 12, 14, 15, 16) vorgesehen ist.
7. Röntgenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß für einen Kondensor-Monochromator die Zonenplatte
(14, 15, 16) ringförmig ausgebildet und in ihrem Fokus (13) eine
Monochromatorlochblende (11) angeordnet ist.
8. Röntgenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß für einen Kondensor-Monochromator ein Fokussator (21)
mit Ringfokus und eine im Strahlengang nachgeordnete ringförmig ausgebildete
Zonenplatte (16) vorgesehen sind, wobei im Fokus (13) der Zonenplatte (16)
eine Monochromatorlochblende (11) angeordnet ist.
9. Röntgenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zonenplatte (12) als Mikroobjektiv verwendet wird.
10. Röntgenmikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß Zonenplatten (4, 12, 14, 15, 16) vorgesehen sind, deren
Zonen (6, 7) auf einem Draht oder einer polierten Kugel aufgebracht sind.
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