Im LIGA-Verfahren gefertigte brechende Linsen (CRLs)

Das LIGA-Verfahren (Abkürzung für: Lithographie, Galvanik und Abformung) ist gut geeignet zur Herstellung von Mikrostrukturen mit hohen Aspektverhältnissen in Kunststoffen oder Metallen. Es ermöglicht die Herstellung von Mikrostrukturen mit einer Höhe von bis zu einigen Millimetern mit Aspektverhältnissen von bis zu über 100. Die Strukturen haben parallele Seitenwände mit Oberflächenrauigkeiten im 10 nm-Bereich. Die Geometrie der Strukturen kann beim Elektronenstrahlschreiben der benötigten Röntgenabsorbermasken relativ frei gewählt werden.

Das LIGA-Verfahren ist für die Herstellung von refraktiven (= brechenden) Röntgenlinsen besonders geeignet, weil sich damit hunderte von in einer Reihe stehenden Einzellinsenelementen mit glatten Seitenwänden und Krümmungsradien im Bereich weniger Mikrometer in einem Lithographieschritt fertigen lassen. Refraktive Röntgenlinsen werden im LIGA-Verfahren in SU-8-Resist hergestellt. Der hochempfindliche Negativresist SU-8 ist gut transparent für Röntgenlicht und im ausgehärteten Zustand äußerst beständig gegen Röntgenbestrahlung. Dadurch können die Röntgenlinsen lange im Röntgenstrahl genutzt werden. Für Photonenenergie über etwa 40 keV werden CRLs aus Nickel eingesetzt [Naz 2007].

Folgende Typen von refraktiven Röntgenlinsen (engl.: Compound Refractive Lens, CRL) lassen sich unterscheiden:

Parabolische, refraktive Röntgenlinsen mit Linien- oder Punktfokus

Zur Vermeidung von sphärischer Aberration müssen die brechenden Oberflächen eine parabolische Form haben, sollen sie parallel zur optischen Achse einfallendes Röntgenlicht in einen Linie- oder Punktfokus abbilden. Linsen mit einem Linienfokus stehen senkrecht auf dem Substrat (Abb. 1, oben). Linsen mit Punktfokus bestehen aus Linsen mit horizontalem Linienfokus und aus Linsen mit vertikalem Linienfokus, deren Fokusebenen zusammenfallen, so dass sich ein Punktfokus ergibt. Dazu werden die Linsen mit Linienfokus unter ±45° zum Substrat gefertigt. Es gibt dabei zwei grundsätzlich mögliche Anordnungen: entweder stehen die Linsenelemente mit horizontalem bzw. vertikalem Linienfokus räumlich getrennt hintereinander (Abb. 1, Mitte) oder sie stehen abwechselnd (Abb. 1, unten).

Abb. 1: Fokussierung von Röntgenstrahlen mit refraktiven Linsen: Linienfokus (oben), Punktfokus (darunter)

Abbildung 2 zeigt eine reale Linsenplatte mit 25 verschiedenen Linienfokuslinsen, die am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) an der Forschungszentrum Karlsruhe GmbH hergestellt wurde [Naz 2004]. Die Anzahl an fokussierenden Einzellinsenelementen in den einzelnen Linsenreihen variiert zwischen 3 und 128.

Abb. 2: Beispiel einer Linsenplatte mit 25 refraktiven LIGA-Röntgenlinsen mit Linienfokus (links ) und Detail der Linsenelemente und deren Spiegelung im Substrat (rechts, ©01)

Abbildung 3 zeigt eine Makroaufnahme einer Linsenplatte aus Silizium mit 16 refraktiven IMT-Röntgenlinsen mit Punktfokus. Jede Reihe hat eine andere Anzahl an Einzellinsenelementen mit unterschiedlichen Krümmungsradien. Für jede einzelne Linsenreihe kann die Brennweite für eine vorgegebene Photonenenergie einmalig eingestellt werden, indem eine entsprechende Anzahl Einzellinsenelemente aus der Reihe herausgebrochen wird. Dabei lassen sich die horizontale und die vertikale Brennweite getrennt voneinander einstellen. Die Brennweite kann dabei nur verlängert werden und das Entfernen von Einzellinsenelementen ist natürlich irreversibel. Die nicht benötigten Linsenelemente werden manuell mit einer Nadel umgestoßen und dann mit Stickstoffgas weggeblasen (Abb. 4). In der Mitte der Linsenplatte befinden sich Strukturen zur Ausrichtung der Linsen im Röntgenstrahl. Die mit diesen Linsen erreichte Bildauflösung in der Vollfeldmikroskopie lag 2017 bei 180 nm pro Linienpaar.

Abb. 3: Beispiel einer Linsenplatte mit 16 refraktiven LIGA-Röntgenlinsen mit Punktfokus (links ) und Detail mit ausgebrochenen Einzellinsenelementen (rechts, ©01)

Abb. 4: Prozess des manuellen Linsenausbrechens an einer Linsenplatte mit 16 LIGA-CRLs, ©01

Abbildung 5 zeigt eine durch zwei Belichtungen unter ±45° gefertigte Punktfokus-CRL und den damit erzeugten Fokus. Die nutzbare Apertur der CRL befindet sich in dem Bereich, in dem sich die beiden Parabeln kreuzen, in Abbildung 5 rot markiert.

Abb. 5: Unter 45° prozessierte CRL mit Punktfokus (links) und Punktfokus einer Linse im Strahl, die eigentliche Apertur der CRL ist rot markiert (rechts), ©01

Fresnel-Linsen

Da die optische Weglänge durch das Linsenmaterial für die Randstrahlen bei parabolischen Profilen proportional zum Quadrat der Linsenapertur zunimmt, ist die maximale nutzbare Apertur durch die Absorption des Materials auf einige hundert Mikrometer begrenzt. Der für die Funktion der Linsen genutzte Effekt der Brechung findet an der Oberfläche der Linsenelemente statt. Größere Aperturen sind daher möglich, wenn Linsenmaterial aus den Innern der Linsen entfernt wird, wie in so genannten Fresnel-Linsen (Abb. 6).

Abb. 5: Die Entstehung von Fresnel-Linsen: a) parabolisches Profil, b+c) Material, das entfernt werden kann, ohne die optischen Eigenschaften wesentlich zu verändern, d) kompakteres Design durch Zusammenschieben der verbleibenden Elemente, e) Umklappen jedes zweiten Elements, damit Lösungsmittel bei der Entwicklung leichter eindringen kann (©01)

Fresnel-Mikrolinsen sind technisch schwer zu realisieren, da die sehr dünnen, fast dreieckigen Strukturen (Abb. 7) in den Randbereichen bei der Belichtung verrunden oder bei der Entwicklung deformieren. Diese Effekte reduzieren die Effektivität der Linsen in den Randbereichen und begrenzen damit wiederum die maximal nutzbare Linsenapertur.

Abb. 7: Galvanisierte Fresnel-Linienfokuslinse aus Nickel für hohe Photonenenergien mit Linienfokus (©01)

Mosaik-Linsen

Ein anderes Konzept für großaperturige Linsen sind so genannte Mosaik-Linsen. Dabei wird gegenüber den parabolischen Linsen Material derart entfernt, dass in den Randbereichen nur kleine, fast dreieckige Teile des parabolischen Profils stehen bleiben (Abb. 8).

Abb. 8: Mosaik-Linsen mit großer Apertur und Punktfokus; da das Siliziumsubstrat stark reflektiert, spiegeln sich die Mikrostrukturen im Substrat (©01) 

Clessidra-Linsen und refraktive Prismenlinsen

So genannte Clessidra-Linsen ermöglichen ebenfalls große Aperturen (Abb. 9, [Jar 2008]). Die äußere Form dieser Linsen erinnert an eine Sanduhr. Das italienische Wort für Sanduhr, "Clessidra", hat den Linsen ihren Namen gegeben. Nahe der optischen Achse treffen die Röntgenstrahlen auf einige wenige brechende Prismen und werden in den Fokus umgelenkt. Um so weiter entfernt von der optischen Achse  die Röntgenstrahlen die Linse treffen, um so mehr Prismen durchlaufen sie und um so größer ist die Änderung ihrer Richtung.

Abb. 9: Skizze einer Clessidra-Linse

Die größten Linsenaperturen mit der höchsten durchschnittlichen Transmission lassen sich mit refraktiven Prismenlinsen erzielen (engl: X-ray refractive prism lenses, XPL) [Sim 2008].  Diese Linsen bestehen aus zehntausenden Prismen deren Grundfläche gleichseitige Dreiecke sind. Die Prismen sind in einer anderen Geometrie angeordnet als bei den Clessidra-Linsen, um eine noch höhere Transmission zu erzielen (Abb. 10). Jedes durchlaufene Prisma ändert die Strahlrichtung um einen sehr kleinen Winkel. Da die Prismen in einer Reihe einen konstanten Abstand zueinander haben, durchlaufen die Röntgenstrahlen die Prismenfelder annähernd auf Kreisbahnen. Jedes Prisma muss genau auf dem gekrümmten Weg des Lichts durch die Linse positioniert werden.

Abb. 10: Skizze einer refraktiven Prismenlinse und Details der Prismenfläche

Abbildung 11 zeigt die simulierte Intensitätsverteilung in verschiedenen Abständen hinter einer refraktiven Prismenlinse aus nur 170 Prismen. Die Breite der hellen Fokuslinie (rot) in der 5. Ebene hinter der Linse entspricht etwa der Höhe der Prismen senkrecht zum Strahl. Die Linien im Untergrund neben der Fokuslinie stammen von Licht, dass die Linse entweder zwischen zwei Prismenreihen getroffen hat oder welches an den von der optischen Achse abgewandten Prismenseiten totalreflektiert worden ist. Die hellblauen rechten und linken Ränder der jeweiligen Ebene entstehen durch Licht, das die Linse nicht getroffen hat. Dieser Farbton steht für die Helligkeit, die in der jeweiligen Ebene ohne die Linse herrschen würde.

Abb. 11: Simulierte Intensitätsverteilung hinter einer refraktiven Röntgen-Prismenlinse

Soll mit einer solchen Prismenlinse ein Punktfokus erzeugt werden, so werden zwei der lithografisch gefertigten Prismenlinsen um 90° um die Strahlrichtung gedreht hintereinander angeordnet. Um die Eintrittsapertur voll ausnutzen zu können, muss dabei die Breite der Optik senkrecht zur Strahlrichtung mit der Höhe der Prismen übereinstimmen. Bei einer Apertur von beispielsweise 1 mm x 1mm ergeben sich dadurch Prismen mit einer Höhe von 1 mm Höhe. Röntgentiefenlithographisch technisch noch gut realisierbar sind Prismen mit 20 µm Kantenlänge. Damit haben die Prismen ein Aspektverhältnis von 1:50. Da die Strukturen nach der Belichtung nasschemisch entwickelt werden, müssen sie danach trocknen. In diesem Schritt treten Kapillarkräfte zwischen den Prismen auf, die dazu führen, dass die Prismen deformiert werden, zusammenkleben und damit die Optik schlecht funktioniert. Der Effekt lässt sich durch Gefriertrocknung reduzieren. Eine weitere Verbesserung bringen Stützebenen, die man unter 45° gekippt zu den Prismen einbelichtet (Abb. 12). Die Prismen sind in den benachbarten Ebenen beidseitig fixiert (außer in der obersten Schicht), so dass sie den Kapillarkräften standhalten.

Abb. 12: Linienfokus-Prismenlinse mit 20 µm Prismen und 45°-Stützebenen. Links Foto: in der linken Bildhälfte mit Stützebenen stehen die Prismen ordentlich, in der rechten Bildhälfte fehlen die Stützebenen und die Prismen stehen unordentlich. Rechts REM-Aufnahme der Stützebenen (©01)