EP0873566B1

EP0873566B1 - Röntgenmikroskop mit zonenplatten

Info

Publication number: EP0873566B1
Application number: EP97919244A
Authority: EP
Inventors: Gerd Schneider
Original assignee: Niemann Bastian
Current assignee: NIEMANN, BASTIAN
Priority date: 1996-01-12
Filing date: 1997-01-13
Publication date: 2001-03-14
Anticipated expiration: 2017-01-13
Also published as: DE59703140D1; US6167112A; DE19700880A1; WO1997025723A2; WO1997025723A3; EP0873566A2

Abstract

Die Erfindung beschreibt lichtstarke Zonenplatten (4), die für ein hochauflösendes Röntgenmikroskop als Kondensoren und Röntgenobjektive vorgesehen sind. Sie besitzen einen hohen Beugungswirkungsgrad in einer hohen Beugungsordnung, was durch ein hohes Aspektverhältnis (H/P) und ein geeignet eingestelltes Strich/Lücke-Verhältnis (P1/P2) kleiner 1 erreicht wird. Zusätzliche Verbesserungen können durch Zonen (6, 7) erzielt werden, die zur optischen Achse (3) geneigt sind. Die Zonenplatten (4) können auch in Braggreflexion betrieben werden. Damit stehen effiziente Optiken mit hoher numerischer Apertur zur Verfügung. Mit ihnen sind Röntgenmikroskope mit 10 nm Auflösung möglich. Dabei können die Zonenplatten (4) relativ grob strukturiert sein. Deshalb sind sie leicht und in vergleichsweise kurzer Zeit herzustellen. Die Zonenplatten (4) hoher numerischer Apertur lassen sich besonders vorteilhaft in Laborröntgenmikroskopen als kleine Kondensoren einsetzen, da sie aus einem besonders hohen Raumwinkel Licht einer Mikroplasma-Röntgenstrahlungsquelle auffangen und auf das Objekt fokussieren können.

Description

Die Erfindung betrifft Zonenplatten mit Beugungsstrukturen für Röntgenstrahlung sowie ein Röntgenmikroskop mit diesen Zonenplatten für einen Kondensor-Monochromator und für ein Mikroobjektiv.

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.

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.

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.

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.

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 "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.

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 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.

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 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.

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 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.

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.

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 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.

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 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.

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 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.

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.

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.

Claims

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.
Röntgenmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aspektverhältnis (H/P) zum Rand der Zonenplatte (4,12,14,15,16) hin zunimmt.
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.
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.
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.
Röntgenmikroskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Braggreflexion betriebene Zonenplatte (4,12,14,15,16) vorgesehen ist.
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.
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.
Röntgenmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonenplatte (12) als Mikroobjektiv verwendet wird.
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.
Zonenplatte (4,12,14,15,16) mit Beugungsstrukturen (6,7) für Röntgenstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsstrukturen (6,7) ein hohes Aspektverhältnis (H/P) und ein Strich/Lücke-Verhältnis (P₁/P₂) kleiner als 1 aufweisen.
Zonenplatte (4,12,14,15,16) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Aspektverhältnis (H/P) zum Rand der Zonenplatte (4,12,14,15,16) hin zunimmt.
Zonenplatte (4,12,14,15,16) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Bereich (19,20) der Zonenplatte (4,12,14,15,16) für die Röntgenstrahlung absorbierend ist.
Zonenplatte (4,12,14,15,16) nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Braggreflexion betrieben wird.
Zonenplatte (4,12,14,15,16) nach einem der Ansprüche 11-14, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Beugungsstrukturen (6,7) auf einem Draht oder einer polierten Kugel aufgebracht sind.
Zonenplatte (4,12,14,15,16) nach einem der Ansprüche 11-15, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Röntgenmikroskop verwendet wird.
Zonenplatte (4,12,14,15,16) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Beugungsstrukturen (6,7) parallel oder geneigt zur optischen Achse (3) des Röntgenmikroskops ausgerichtet sind.
Zonenplatte (4,12,14,15,16) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Beugungsstrukturen (6,7) im Bereich nahe der optischen Achse (3) des Röntgenmikroskops parallel zu dieser ausgerichtet sind und zum Rand der Platte (4,12,14,15,16) hin zunehmend geneigt gegen die optische Achse (3) sind.
Zonenplatte (4,12,14,15,16) nach einem der Ansprüche 16-18, dadurch gekennzeichnet, daß sie für einen Kondensor-Monochromator ringförmig ausgebildet und in ihrem Fokus (13) eine Monochromatorlochblende (11) angeordnet ist.
Zonenplatte (4,12,14,15,16) nach einem der Ansprüche 16-18, dadurch gekennzeichnet, daß sie für einen Kondensor-Monochromator ringförmig ausgebildet und einem Fokussator (21) mit Ringfokus im Strahlengang nachgeordnet ist, wobei im Fokus (13) der Zonenplatte (16) eine Monochromatorlochblende (11) angeordnet ist.
Zonenplatte (4,12,14,15,16) nach einem der Ansprüche 16-18, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Mikroobjektiv (12) in dem Röntgenmikroskop verwendet wird.