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Die Erfindung betrifft einen Schichtaufbau für mehrschichtige Laue-Linsen bzw. zirkulare Multischicht-Zonenplatten.
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Multischicht-Laue-Linsen sind üblicherweise von ebener Geometrie, zirkulare Multischicht-Zonenplatten weisen zumeist eine gekrümmte Geometrie, z.B. in Form von Drahtbeschichtungen, auf. Gemeinsam ist diesen Linsen, dass damit Röntgenstrahlung fokussiert oder abgebildet werden soll. Zur Vereinfachung sollen beide Ausführungen im Folgenden als MLL bezeichnet werden.
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Die Strukturen für diese Linsen werden in bekannten Dünnschichtverfahren hergestellt, bei dem auf eine extrem glatte Ausgangsoberfläche eines Substrats wechselweise mindestens zwei unterschiedliche Werkstoffe aufgebracht werden, wobei die Summe der Schichtdicken einer Periode entsprechend des Zonenplattengesetzes mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse abnimmt.
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Ein wichtiges Ziel der aktuellen Forschung ist die Erhöhung der Gesamtdicke der MLL-Beschichtungen, da dies die numerische Apertur der Linse und damit die Auflösungsgrenze bzw. die Fokussierungslimits bestimmt.
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Ein technisches Problem ist gegenwärtig, dass durch die bekannten Beschichtungsverfahren bei der Herstellung von Multischicht-Laue-Linsen in der Regel Druckeigenspannungen auftreten. Diese sind über die Vermessung der Waferkrümmung vor und nach der Beschichtung und die Anwendung der sogenannten Stoney-Gleichung nachweisbar. Insbesondere mit zunehmenden MLL-Gesamtdicken kann dies zur Deformation oder gar zur Zerstörung der zu beschichtenden Substrate (meist Siliziumwafer) führen. Darüber hinaus können sich innerhalb des Multischichtsystems Risse bilden oder die Schicht kann delaminieren.
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Alle bisher veröffentlichten Arbeiten zu Multischicht-Laue-Linsen basieren auf der Abfolge von Schichten mit zwei verschiedenen Werkstoffen. Die Problematik der Eigenspannungen ist allgemein bekannt und wird gegenwärtig durch verschiedene Ansätze gelöst:
- • durch die Verwendung von Substraten mit höherer Dicke, um die Deformation durch die MLL-Beschichtung zu verringern,
- • durch Wärmebehandlung der MLL nach der Beschichtung zur Spannungsrelaxation,
- • durch die Veränderung der Schichtdickenverhältnisse zwischen z. B. Silizium und Wolframsilizid zugunsten des Wolframsilizids, um den Einfluss der durch die Si-Beschichtung eingebrachten Druckeigenspannungen zu reduzieren.
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Die bisher verwendeten Lösungsansätze führen jedoch nur teilweise zum Erfolg. Insbesondere für eine Steigerung der MLL-Beschichtungsdicke sind sie nicht geeignet.
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Im Falle der Verwendung von dicken Substraten können die Schichteigenspannungen zum Abplatzen der Schichten führen. Meist bildet sich die schwächste Stelle an der Grenzfläche zwischen Substrat und Schicht aus, sodass die Schicht vollständig delaminiert. Eine lonenvorbehandlung kann dieses Problem reduzieren, aber nicht vollständig lösen.
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Weiterhin können die Schichteigenspannungen auch zu Mikrorissen innerhalb der Multischicht führen. Bereiche mit derartigen Rissen sind für die Verwendung als Linse nicht nutzbar.
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Die nachträgliche Wärmebehandlung ist prinzipiell immer möglich. Allerdings löst diese nicht die Probleme der Rissbildung oder Delamination während der Beschichtung. Eine Wärmebehandlung ist nur dann nutzbar, wenn ausreichend geringe Eigenspannungen vorliegen und keine Risse in der Schicht vorhanden sind. Sind hohe Temperaturen für die Relaxation der Eigenspannungen erforderlich, kann sich dies nachteilig auf die Grenzflächen der Multischichten auswirken, da in diesem Fall Diffusion angeregt wird, die zu einer Verschlechterung der optischen Eigenschaften der Linse führt.
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Auch der dritte Ansatz - die Veränderung des Schichtdickenverhältnisses - ist nur in gewissen Grenzen sinnvoll nutzbar. Eine zu große Abweichung vom idealen Dickenverhältnis von 1:1 zwischen niedrig- und hochbrechenden Schichten führt zu signifikanten Effizienzverlusten. Daher kann mit dieser Methode nur eine Verringerung der Eigenspannungen erreicht werden, die jedoch eine beliebige Erhöhung der Schichtdicken nicht erlaubt.
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Da die Linsen im Strahlengang intensiver Röntgenstrahlung am Synchrotron genutzt werden sollen, müssen Werkstoffkombinationen verwendet werden, die eine geringe Interdiffusionsneigung und eine hohe thermische Stabilität aufweisen. Üblicherweise werden in der Literatur bisher Werkstoffkombinationen wie WSi2/Si, MoSi2/Si, Ti/ZrO2 oder Al2O3/TaO2 beschrieben.
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In-situ-Untersuchungen von WSi2/Si-Multischichtsystemen haben gezeigt, dass Druckeigenspannungen vor allem bei der Abscheidung der Siliziumschichten auftreten.
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Ein naheliegender Ansatz wäre daher der Ersatz von Silizium durch einen alternativen Werkstoff mit geringeren Druckeigenspannungen. Da als Randbedingung jedoch berücksichtigt werden muss, dass sowohl ein hoher röntgenoptischer Kontrast zum zweiten Schichtwerkstoff, als auch eine geringe Röntgenabsorption gegeben ist, kommen nur Elemente geringer Ordnungszahl oder deren Verbindungen in Frage. Beispiele sind Be, B, C, Mg, AI, Si, Ca, Sc, Ti, V und deren Oxide, Karbide oder Nitride.
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Unter diesen Werkstoffen befindet sich mit Aluminium jedoch nur eines, von dem eigenspannungsarme Schichten bekannt sind. Aluminium weist jedoch ein äußerst ungünstiges Wachstum auf und bildet sehr raue Schichten. Es ist zu erwarten, dass bei Verwendung von Aluminium als Schichtmaterial in MLL eine inakzeptable Erhöhung der Rauheit von Schicht zu Schicht erfolgen würde, die zu schlechten Beugungseigenschaften der Linse führt.
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Von Kang, H.C. u.a. sind in „Focusing of hard x-rays to 16 nanometers with a multilayer Laue lens“; Appl. Phys. Lett.; Vol. 92, Nr. 22; 2008; S. 2211114-1 bis -3 mehrschichtige Laue Linsen beschrieben.
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Liu, C. u.a. diskutieren in „Film stress studies and the multilayer Laue lens project“; Porceedings of SPIE; Vol. 6317; 2006; S. 631700J-1 bis -9 Untersungsergebnisse zu Eigenspannungen und deren Ursachen.
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DE 10 2013 207 751 A1 betrifft optische Elemente mit einem Multischichtsystem, bei dem Zwischenschichten vorhanden sind.
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Eine allgemeine Beschreibung von Laue Linsen ist von Yan, H. u.a. in „Hard x-ray nanofocusing by multilayer Laue lenses“; J. Phys. D: Appl. Phys.; Vol. 47; 2014; S. 263001 (31 S.) zu entnehmen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Mehrschichtaufbau für thermisch stabile und eigenspannungsarme Nanometer-Multischichten zur Verfügung zu stellen, so dass diese Multischichten für eine Anwendung in MLL besser geeignet sind. Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Lösung vorgeschlagen werden, die gleichzeitig zu hohen Beugungseffizienzen bei der Röntgenfokussierung führt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Der in dieser Erfindung verfolgte Ansatz für den Schichtaufbau einer MLL ist, die Druckeigenspannungen der niedrigbrechenden Schichten in Kauf zu nehmen und für eine unmittelbare Kompensation bei der Wahl der anderen beteiligten Schichtpartner zu sorgen.
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In einem erfindungsgemäßen Schichtaufbau sind die Druckeigenspannungen der niedrigerbrechenden Schichten (σS,i < 0) durch Zugeigenspannungen der höherbrechenden Schichten (σA,i > 0) vollständig, zumindest nahezu vollständig kompensiert, so dass dA,i σiA,i + dS,i σS,i ≈ 0. So ist bekannt, dass Mo/Si-Multischichten bei geeigneter Wahl der Schichtdicken vollständig eigenspannungsfrei hergestellt werden können.
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Höherbrechende Schichten sind dabei aus einem Werkstoff gebildet, bei dem an der Grenzfläche zum Vakuum eine stärkere Ablenkung von der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung der Strahlung erfolgt. Ein solcher hochbrechender Werkstoff hat einen kleineren Brechungsindex (nA = 1 - δA). Niedrigbrechende Schichten haben dementsprechend einen größeren Brechungsindex (nS = 1 - δS). Die Unterscheidung zwischen höherbrechend und niedrigerbrechend erfolgt über die Differenz des jeweiligen Brechungsindex zum Brechungsindex = 1.
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Im Allgemeinen kann die Eigenspannungsfreiheit nicht bei einem Schichtdickenverhältnis von dA:dS = 1:1 erreicht werden. Den betragsmäßig höheren Druckspannungen der niedrigerbrechenden Schichten kann durch eine höhere Dicke dA der Zugeigenspannungen aufweisenden höherbrechenden Schichten entgegengewirkt werden.
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Um dennoch ein korrektes Verhältnis zwischen niedriger- und höherbrechenden Materialien zu erhalten, ist erfindungsgemäß mindestens ein dritter Schichtwerkstoff für Zwischenschichten (ZS) in den Stapel aufgenommen, der im Sinne der Erfindung zusätzlich folgende Anforderungen erfüllen soll:
- • es soll die Ausbildung einer nahezu eigenspannungsfreien Schicht (σZS,i ≈ 0) möglich sein, d.h. eventuell auftretende Eigenspannungen liegen max. bei 20 % der zulässigen Druckspannung der jeweiligen niedrigerbrechenden Schichten, bzw. max. 20 % der zulässigen Zugspannungen der jeweiligen höherbrechenden Schichten,
- • der Werkstoff soll eine möglichst geringe Absorption für Röntgenstrahlung aufweisen, d.h. der Absorptionsgrad sollte nahe Null sein (βZS → Min) und kleiner sein als der Absorptionsgrad der höherbrechenden Schicht,
- • der Brechungsindex nZS = 1 - δZS der Zwischenschichten soll möglichst ähnlich dem des niedrigbrechenden Werkstoffes sein, d. h. max. um 10 % davon abweichen, und das Material der Zwischenschichten soll niedrigerbrechend als das Material der hochbrechenden Schichten sein (δS ≤ δZS < δA).
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Entsprechend der Erfindung sollen die Zwischenschichten zwischen Schichten mit niedrigerem und dem höheren Brechungsindex angeordnet sein. Die Zwischenschichten können vorteilhaft als Diffusionsbarriere zwischen den Schichten mit niedrigerem und dem höheren Brechungsindex wirken, um die Temperaturstabilität des Gesamtsystems zu erhöhen.
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Im Falle der Kombination von Molybdän für höherbrechende Schichten und Silicium für niedrigerbrechende Schichten eignet sich insbesondere MoSi2 für Zwischenschichten. Darüber hinaus sind jedoch auch andere Werkstoffe, wie z. B. Mo2C, a-C, B4C, BN, Al2O3 oder andere chemisch stabile Verbindungen aus Elementen geringer Ordnungszahl denkbar, insbesondere wenn sie eigenspannungsarm abgeschieden werden können.
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Basierend auf dem beschriebenen Schichtaufbau wird durch Beschichtung eine Abfolge von Perioden erzeugt, deren Dicken dem Zonenplattengesetz folgen (dP,i-1 ≤ dP,i ≤ dP,i+1).
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Hinsichtlich der Schichtdicken gelten in einem erfindungsgemäßen Schichtaufbau dabei bevorzugt folgende Vorgaben:
- • dA,i = (0,5 ± 0,2) dP,i, mit dP Dicke der Schichtperiode und dA Dicke der höherbrechenden Schicht, und
- • dZS1,i + dZS2,i = dP,i - dA,i - dS,i, mit dZS1,i und dZS2,i = Dicken der Zwischenschichten 1 und 2 in der Periode i, dS als Dicke der niedrigerbrechenden Schicht.
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Mit einer nachgelagerten Strukturierung des beschichteten Substrats kann die gewünschte MLL erhalten werden, die in Transmission für die Fokussierung von Röntgenstrahlung eingesetzt werden kann.
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Die Abscheidung des erfindungsgemäßen Multischichtsystems kann dabei sowohl auf planaren Oberflächen (z. B. Siliziumwafer), aber auch auf konkav oder konvex gekrümmten Oberflächen erfolgen. Im ersten Fall handelt es sich dann um die klassischen MLL (linearer Typ), bei dem zwei eindimensional fokussierende oder abbildende Optiken gekreuzt werden müssen. Im zweiten Fall wird üblicherweise die Bezeichnung Multischicht-Zonenplatten (kreisförmiger Typ) verwendet. Hier ist bereits eine einzelne MLL für die Punktfokussierung bzw. zweidimensionale Abbildung ausreichend.
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Die beschichteten Strukturen können dabei entweder direkt bei der Beschichtung mit einem lateralen Dickengradienten versehen werden oder nachträglich, z. B. durch seitliche Beschichtung, in die sogenannte wedged-Geometrie überführt werden. Diese ist bei großen Aspektverhältnissen, wie sie bei MLL üblicherweise eingesetzt werden, günstig, um hohe Beugungseffizienzen und bestmögliche Fokussierungseigenschaften der Linsen zu erhalten.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen thermisch stabilen und eigenspannungsarmen Nanometer-Multischichtsysteme eröffnet das Potenzial, Beschichtungen für Multischicht-Laue-Linsen mit deutlich größeren Gesamtdicken (> 50 µm) herzustellen, ohne dass die Gefahr der Deformation, Delamination oder Rissbildung besteht. Mit den höheren Schichtdicken lassen sich größere numerische Aperturen realisieren, die wiederum Voraussetzung für die Fokussierung von Röntgenstrahlung in Nanometerdimensionen sind. Insbesondere reale Mikroskopie- und Tomographie-Experimente erfordern Brennweiten im Zentimeterbereich, die für Brennfleckgrößen im Nanometerbereich nur mit deutlich erhöhten Schichtdicken möglich sind.
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Das technische Anwendungspotenzial umfasst vor allem die Nutzung der erfindungsgemäßen MLL als Optiken für die Röntgenmikroskopie und -tomografie. Durch die mit MLL mögliche Verbesserung der Auflösung bei gleichzeitig verkürzten Messzeiten ergibt sich ein erhebliches Potenzial für die Nanoanalytik. Denkbar wäre eine hochaufgelöste Röntgentomografie für die Fehleranalyse in der Halbleitertechnik, für die Untersuchung von Austauschvorgängen in Energiespeichern (Batterien, Brennstoffzellen) und für die Untersuchung biologischer Proben.
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Nachfolgend soll der der erfindungsgemäße Schichtaufbau anhand von Beispielen näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 den erfindungsgemäßen Schichtaufbau für nahezu eigenspannungsfreie MLL-Schichten,
- 2 schematisch den Herstellungsprozess einer MLL mit dem erfindungsgemäßen Schichtaufbau.
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1 zeigt schematisch den Schichtaufbau für nahezu eigenspannungsfreie MLL-Schichten. 1 bezeichnet dabei die höherbrechenden Schichten, 2 die niedrigerbrechenden Schichten und 3 die Zwischenschichten. Nach jeder höherbrechenden Schicht 1 und jeder niedrigerbrechenden Schicht 2 folgt eine Zwischenschicht 3. Jeweils eine höherbrechende Schicht 1, eine niedrigerbrechende Schicht 2 und die zugehörigen Zwischenschichten 3 bilden eine Periode. Die Schichtdicken sind dabei in jeder Periode verschieden, wobei dP,i. 1 ≤ dP,i ≤ dP,i+1 gilt. Die Dicke der höherbrechenden Schicht 1 ergibt sich zu dA,i = (0,5± 0,2) dp,i. Die Dicke der Zwischenschichten 3 beträgt dzs1,i bzw. dzs2,i und bildet zusammen mit der Dicke der höherbrechenden Schicht 1 und der Dicke der geringerbrechenden Schicht 2 die Gesamtdicke einer Periode (dP,i = dA,i + dS,i + dZS1,i + dZS2,i). Die Dicke der geringerbrechenden Schicht 2 ist dabei so gewählt, dass gilt dA,i σA,i + dS,i σAS,i ≈ 0.
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2 ist eine schematische Darstellung der Prozessschritte zur Herstellung einer eindimensional fokussierenden Multischicht-Laue-Linse (linearer Typ) aus einer Waferbeschichtung. Aus einem Wafer, auf dem ein erfindungsgemäßer MLL-Schichtaufbau aufgebracht wurde, wird ein Streifen 4 mit geeigneten Maßen herausgesägt. Mittels Strukturierung wird das gewünschte MLL-Element 5, ähnlich wie bei der Herstellung eines Querschnittspräparates für die Transmissionselektronenmikroskopie, durch Abtrag des aufgebrachten erfindungsgemäßen MLL-Schichtaufbaus in den Bereichen 6 freigelegt. Die Dicke des freigelegten MLL-Elements 5 beträgt dabei typischerweise einige Mikrometer. Die Größe des freigelegten MLL-Elements 5 richtet sich nach der MLL-Beschichtungsdicke. Im Fall einer 50 µm dicken MLL-Beschichtung könnte dies z. B. als Breite × Höhe von 55 µm × 55 µm sein. Wichtig ist, dass durch die Strukturierung keine Schädigungen innerhalb der Multischicht erfolgen und dass die Länge des freigelegten MLL-Elements 5 parallel zur optischen Achse homogen über die oben erwähnte MLL-Apertur von 55 µm × 55 µm ist.
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In einem Beispiel für den erfindungsgemäßen Aufbau von Multischicht-Laue-Linsen wurde ein MLL-Schichtaufbau mit einer Gesamtdicke von rund 50 µm gewählt und auf einem Substrat aufgebracht.
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Es waren insgesamt 12800 einzelne Schichten alternierend angeordnet, die die Zonen mit den Nummern 600 bis 7000 bilden. Dabei besteht alternierend jeweils eine Zone aus der höherbrechenden Schicht und die andere Zone aus der niedrigbrechenden Schicht und den Zwischenschichten. Die höherbrechende Schicht 1 war aus Wolfram (W) die niedrigerbrechende Schicht 2 aus Silicium (Si) und die Zwischenschichten 3 aus Wolframdisilicid (WSi2) gebildet.
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Die kleinste Schichtdicke der höherbrechenden Schichten 1 in der Periode i = 1 betrug 5,30 nm, die zur gleichen Periode i = 1 gehörigen niedrigbrechende Schicht 2 hatte eine Schichtdicke von 3,30 nm und die ebenfalls zu dieser Periode i = 1 gehörigen Zwischenschichten 3 wiesen Schichtdicken von 1,0 nm und 1,0 nm auf.
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Die größte Schichtdicke der höherbrechenden Schichten 1 in der Periode i = 3200 betrug 18,08 nm, die zur gleichen Periode i = 3200 gehörigen niedrigbrechende Schicht 2 hatte eine Schichtdicke von 11,26 nm und die ebenfalls zu dieser Periode i = 3200 gehörigen Zwischenschichten 3 wiesen Schichtdicken von 3,41 nm und 3,41 nm auf.
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Die Abnahme der Gesamtdicke der Perioden i ausgehend von der optischen Achse folgt damit dem Zonenplattengesetz.
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Nachdem die Schichten auf das Substrat aufgebracht wurden, wurde ein Streifen 4 mit den Maßen rund 10 mm × 0,05 mm aus dem Substrat herausgesägt. Mittels Strukturierung wurde das MLL-Element 5 freigelegt. Dazu wurde als Dicke des aus alternierend angeordneten Schichten des gebildeten Schichtstapels 4,0 µm und eine Breite von 55 µm gewählt. Eine derartige Linse weist bei einer Photonenenergie von E = 15 keV eine Brennweite von 9,5 mm auf.
