EP2633528A1 - Resiststruktur zur herstellung einer röntgenoptischen gitterstruktur - Google Patents

Resiststruktur zur herstellung einer röntgenoptischen gitterstruktur

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EP2633528A1
EP2633528A1 EP11770377.7A EP11770377A EP2633528A1 EP 2633528 A1 EP2633528 A1 EP 2633528A1 EP 11770377 A EP11770377 A EP 11770377A EP 2633528 A1 EP2633528 A1 EP 2633528A1
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stabilizing
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Vladimir Nazmov
Markus Simon
Thomas Grund
Johannes Kenntner
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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    • G21K1/06—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
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    • G21K2207/005—Methods and devices obtaining contrast from non-absorbing interaction of the radiation with matter, e.g. phase contrast

Definitions

  • the present invention relates to a resist pattern for producing an X-ray optical grating structure.
  • X-rays are used.
  • optical grids are used, the structure and in particular the aspect ratio special requirements are made because the quality of the term in the jargon as Differential Phase Contrast Imaging (DPCI) imaging method with X-radiation decisively on the height of the optical grating structures depends.
  • DPCI Differential Phase Contrast Imaging
  • the absorption of the deposited in the resist structure in the web gaps material (usually gold) in the range should be greater than 80%.
  • X-ray energy for which the tomographic structure is optimally designed and referred to as design energies, ranges from 20 keV to 60 keV, with the polychromatic radiation of the x-ray tube also providing energies up to about 10 keV above the design energy are present. This means that the thickness of the absorbing gold at least 100 ⁇ and thus the height of the resist structure must be more than 100 ⁇ .
  • V (Imax-l-min) / (Imax + Imine) (1)
  • I max is the maximum intensity value and I m i n is the minimum intensity value in the generated X-ray image.
  • Dl 10 2009 019 595 AI discloses a resist structure for producing a X-ray optical grating structure comprising a plurality of webs and the webs stabilizing beams, wherein the webs are arranged perpendicular to the substrate and beams are inserted between the webs.
  • the object of the invention is to provide a resist structure for producing an X-ray optical grating structure to propose that avoids the disadvantages and limitations listed.
  • the production of X-ray optical grating structures with aspect ratios of more than 500 is to be made possible without the grid bars bending, or the stabilizing structure has an adverse effect on the visibility.
  • the invention is based on the idea that stabilizing beams are introduced into the resist structure.
  • the webs of the Resisregal are attached at a first angle a on the substrate and the stabilizing beam with a second angle ß.
  • between a and ß at least a distance of 20 ° and at most a distance of 70 °, preferably from 40 ° to 50 °, in order to obtain the best possible stabilizing effect.
  • the ratio of the height h of the webs to the width b 'of the web gaps has a value of 10 to 500.
  • the distance between two adjacent stabilizing bars in the range between twice and 20 times the gap width, and the perimeter diameter d of each bar is between 1 ⁇ and
  • each stabilizing beam penetrates at least two webs.
  • the total height of the stabilizing beam is at most 20% of the lattice height and preferably at most 10% of the lattice height and thus has only a slight influence on the visibility.
  • Such resist structures are suitable for the production of X-ray optical grating structures.
  • the height of the material deposited in the web gaps is maximally reduced by the value d ', which results from d' * d * 1 / cos ⁇ (2), where d is the circumference diameter of the beam.
  • the stabilizing effect of the bars is completely preserved, since the arrangement of the bars results in a stabilization of the entire area.
  • Another advantage is that the height of the stabilizing beams can be repeated at will and thus significantly higher structures than previously possible.
  • N x d there is a height change of N x d, which corresponds to a few% of the total height and has only a negligible effect on the visibility.
  • the present resist structure has further stabilizing beams which are arranged at an angle ⁇ 'and wherein the angle ⁇ ' does not have the same value as one of the angles a or ß.
  • the resist structure consists of a negative resist material.
  • the described resist structures are also suitable for the production of gratings for neutron imaging.
  • Fig. 1 shows schematically an embodiment of a resist structure
  • the resist structures shown in the example are particularly suitable for the production of X-ray optical grating structures made of gold.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Resiststruktur zur Herstellung einer röntgenoptischen Gitterstruktur. Die Erfindung umfasst stabilisierende Balken (3), die in die Resiststruktur eingebracht werden. Dabei sind die Stege (1) der Resiststruktur mit einem ersten Winkel alpha auf einem Substrat (2) angebracht und die stabilisierenden Balken mit einem zweiten Winkel beta, wobei zwischen alpha und beta vorzugsweise mindestens ein Abstand von 20 º und höschstens ein Abstand von 70 º besteht, um eine möglichst gute stabilisierende Wirkung zu erhalten. Insbesondere soll die Herstellung von röntgenoptischen Gitterstrukturen mit Aspektverhältnissen von über 500 ermöglicht werden, ohne dass sich die Gitterstege verbiegen, oder sich die stabilisierende Struktur nachteilig auf die Visibility auswirkt. Die Resiststrukturen eignen sich besonders zur Herstellung röntgenoptischer Gitterstrukturen aus Gold.

Description

Resiststruktur zur Herstellung einer röntgenoptxschen Gitterstruktur
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Resiststruktur zur Herstellung einer röntgenoptischen Gitterstruktur.
Für viele Anwendungen, wie beispielsweise in der medizinischen Diagnostik oder der Materialanalyse, wird Röntgenstrahlung eingesetzt. Dabei kommen optische Gitter zum Einsatz, an deren Struktur und insbesondere an deren Aspektverhältnis besondere Anforderungen gestellt werden, da die Qualität der in der Fachsprache als differentielle Phasen-Kontrast-Imaging (DPCI) bezeichneten Bildgebungsmethode mit Röntgenstrahlung ent-scheidend von der Höhe der optischen Gitterstrukturen abhängt.
Um einen für medizintechnische Anwendungen relevanten hohen Kontrast zur erzielen, sollte die Absorption des in der Resiststruktur in den Stegspalten abgeschiedenen Materials (in der Regel Gold) im Bereich größer als 80 % liegen. Bei röntgentomographischen Untersuchungen mit Röntgenröhren liegen die Röntgenenergie, für die der tomografische Aufbau optimal ausgelegt ist und in der Fachsprache als Designenergien bezeichnet werden, je nach Anwendung im Bereich von 20 keV bis 60 keV, wobei durch die polychromatische Strahlung der Röntgenröhre auch Energien bis zu etwa 10 keV oberhalb der Designenergie vorhanden sind. Dies bedeutet, dass die Dicke des absorbierenden Goldes mindestens 100 μπι und damit die Höhe der Resiststruktur auch über 100 μπι betragen muss.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, um Resiststrukturen mit Höhen von mehreren hundert Mikrometern herzustellen. In F. Pfeiffer et al. , Nature Physics, 2006, Advanced Online Publication, p.l, werden die Möglichkeiten der Phasenkontrast-Röntgenbildgebung mit nicht-kohärenten Röntgenquellen beschrieben. Zur Realisierung dieser Bildgebungssysteme ist die Herstellung von Gitterstrukturen mit hohem Aspektverhältnis notwendig. Diese Anforderungen an die Dimensionen der absorbierenden Strukturen, sowie deren mechanische Stabilität werfen jedoch prozesstechnische Probleme auf.
In E. Reznikova et al., Soft X-ray lithography of high aspect ratio SU 8 submicron structures, Micro Syst. Techn., 14 : 1863-1688, 2008, wird ein Verfahren beschrieben, das prinzipiell die Herstellung derartiger Strukturen erlaubt. Hierbei wird aber auch deutlich, dass es bei Strukturhöhen von größer 60 μπι zu einer Verbiegung der unterschiedlich lang gewählten Stege kommt und somit das Aspektverhältnis begrenzt ist.
In J. Kenntner, et al., Front- and backside structuring of gratings for phase contrast imaging with x-ray tubes, Proc. SPIE, Vol. 7804, S. 780408, S. 1-10, 2010, werden Resiststrukturen gezeigt, mit denen versucht wurde, das Problem der Verbiegung der Gitterstege dadurch zu verhindern, dass die Gitterstege durch Füllbalken verbunden werden. Der Nachteil dieser Lösung ist, dass die Goldstege immer wieder durch quasi transparente Bereiche (Füllbalken) unterbrochen werden. Dies führt bei der Analyse der Visibility V mit einem Detektor, der eine Pixelgröße im Bereich weniger Gitterperioden und kleiner hat, zu schwankenden Visibility-Werten . Die Visibility V ist wie folgt definiert
V = (Imax-l-min) / (Imax+Imin) (1)
wobei Imax der maximale Intensitätswert ist und Imin der minimale Intensitätswert im erzeugten Röntgenbild ist.
Die Dl 10 2009 019 595 AI offenbart eine Resiststruktur zur Herstellung einer röntgenoptischen Gitterstruktur, umfassend eine Vielzahl von Stegen und die Stege stabilisierende Balken, wobei die Stege senkrecht zum Substrat angeordnet sind und Balken zwischen den Stegen eingebracht sind.
Ausgehend davon liegt die Aufgabe der Erfindung darin, eine Resiststruktur zur Herstellung einer röntgenoptischen Gitterstruktur vorzuschlagen, die die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen vermeidet. Insbesondere soll die Herstellung von röntgenoptischen Gitterstrukturen mit Aspektverhältnissen von über 500 ermöglicht werden, ohne dass sich die Gitterstege verbiegen, oder sich die stabili- serende Struktur nachteilig auf die Visibility auswirkt.
Diese Aufgabe wird durch eine Resiststruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Di abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen .
Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, dass stabilisierende Balken in die Resiststruktur eingebracht werden. Dabei sind die Stege der Resisstruktur mit einem ersten Winkel a auf dem Substrat angebracht und die stabilisierenden Balken mit einem zweiten Winkel ß.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht zwischen a und ß mindestens ein Abstand von 20° und höchstens ein Abstand von 70°, vorzugsweise von 40° bis 50°, um eine möglichst gute stabilisierende Wirkung zu erhalten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Verhältnis der Höhe h der Stege zur Breite b ' der Stegspalten einen Wert von 10 bis 500 auf .
In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt der Abstand zwischen zwei benachbarten stabilisierender Balken im Bereich zwischen der doppelten und der 20-fachen Spaltbreite, und der Umkreisdurchmesser d eines jeden Balkens beträgt zwischen 1 μιη und
10 μιη, bevorzugt von 2 pm bis 5 μιτι.
In einer besonderen Ausgestaltung durchdringt jeder stabilisierende Balken mindestens zwei Stege.
Eine derartige Anordnung und Dimensionierung der Balken sowie die Wahl der Winkel bewirkt, dass in einem Stegspalt der Resiststruktur und damit in den späteren Stegen der Gitterstruktur die Gesamthöhe der stabilisierenden Balken maximal 20 % der Gitterhöhe und bevorzugt maximal 10 % der Gitterhöhe beträgt und somit die Visibility nur gering beeinflusst.
Derartige Resiststrukturen eignen sich für die Herstellung von rönt- genoptischen Gitterstrukturen. Im Bereich des stabilisierenden Balkens wird die Höhe des in den Stegspalten abgeschiedenen Materials maximal um den Wert d' vermindert, der sich aus d' * d * 1 / cos ß (2) ergibt, wobei d der Umkreisdurchmesser des Balkens ist. Die stabilisierende Wirkung der Balken bleibt vollständig erhalten, da sich über die Anordnung der Balken eine Stabilisierung der gesamten Fläche ergibt .
Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die stabilisierenden Balken in der Höhe beliebig wiederholen und damit auch deutlich höhere Strukturen als bisher möglich sind. Für N Strukturen, die übereinander angeordnet sind, ergibt sich eine Höhenänderung von N x d, was wenige % der Gesamthöhe entspricht und sich nur unwesentlich auf die Visibility auswirkt.
In einer besonderen Ausgestaltung besitzt die vorliegende Resist- struktur zusätzlich zu den stabilisierenden Balken, die in einem Winkel ß angeordnet sind, weitere stabilisierende Balken, die in einem Winkel ß ' angeordnet sind und wobei der Winkel ß ' nicht denselben Wert hat wie einer der Winkel a oder ß.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht die Resiststruktur aus einem Negativresistmaterial .
Mit derartigen Strukturen können Gitter für die Phasenkontrast - Röntgenbildgebung in beliebiger Höhe mit annähernd konstanter Visibi- lity über der gesamten Fläche der Gitterstruktur realisiert werden. Damit sind auch für Energien über 40 keV Strukturen realisierbar, die eine Absorption von 80 % und mehr aufweisen. Dies und die Gleichmä¬ ßigkeit der Absorption ermöglicht dabei eine weit bessere Auflösung im Phasenkontrastbild.
Die beschriebenen Resiststrukturen eignen sich aufgrund ihrer hohen Aspektverhältnisse auch für die Herstellung von Gittern zur Neutro- nenbildgebung .
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels und der Figur näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Resiststruktur, deren Stege 1 in einem Winkel a = 90° auf einem Substrat 2 angeordnet sind und ein Feld aus im Querschnitt runden Balken 3, das die Stege 1 stabilisiert. Die stabilisierenden Balken 3 sind in einem Winkel ß = 45° auf dem Substrat 2 angebracht und schneiden die Stege 1 im der gezeigten Ausführform in einem Winkel von 45°.
Die im Beispiel dargestellten Resiststrukturen eignen sich insbesondere zur Herstellung röntgenoptischer Gitterstrukturen aus Gold.

Claims

Patentansprüche
1. Resiststruktur zur Herstellung einer röntgenoptischen Git¬ terstruktur, umfassend eine Vielzahl von Stegen (1) mit einer Höhe h und einer Breite b, sowie Stegspalten mit einer Breite b \ und die Stege (1) stabilisierende Balken (3) mit einem Umkreisdurchmesser d, wobei die Stege (1) und die die Stege (1) stabilisierenden Balken (3) auf einem Substrat (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (1) in einem Winkel a auf dem Substrat (2) angeordnet sind, und die die Stege (1) stabilisierenden Balken (3) in einem Winkel ß angeordnet sind, wobei die Winkel a und ß nicht gleich sind.
2. Resiststruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel a und ß einen Unterschied von mindestens 20° und bis maximal 70° aufweisen.
3. Resiststruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel a und ß einen Unterschied von 40° bis 50° aufweisen.
4. Resiststruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder stabilisierende Balken (3) mindestens 2 Stege (1) durchdringt.
5. Resiststruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Höhe h der Stege (1) zur Breite b ' der Stegspalten ein Verhältnis von 10 bis 500 aufweist.
6. Resiststruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zweier stabilisierender Balken (3) mindestens das Doppelte der Breite b ' und höchstens das 20-fache der Breite b ' beträgt.
7. Resiststruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umkreisdurchmesser d der stabilisierenden Balken (3) zwischen 1 μπι und 10 m beträgt.
8. Resiststruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Umkreisdurchmesser d der stabilisierenden Balken (3) von 2 μπ\ bis 5 μπι beträgt.
9. Resiststruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Resistruktur aus einem Negativ- resistmaterial besteht.
10. Resiststruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den stabilisierenden Balken (3) , die in einem Winkel ß angeordnet sind, weitere stabilisierende Balken in einem Winkel ß ' angeordnet sind und wobei der Winkel ß ' nicht denselben Wert hat wie einer der Winkel a oder ß.
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