Ein Verfahren zur Herstellung zweidimensionaler Röntgenwellenleiter
Nanostructured X-ray waveguides for holographic imaging
by Henrike Neubauer
Date of Examination:2012-07-18
Date of issue:2013-07-15
Advisor:Prof. Dr. Tim Salditt
Referee:Prof. Dr. Tim Salditt
Referee:Prof. Dr. Hans-Ulrich Krebs
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Name:Dissertation_Neubauer_2012.pdf
Size:214.Mb
Format:PDF
Abstract
English
As X-ray beams only weakly interact with matter, conventional refracting optics are not suitable for the use in this energy range. Instead, different approaches replace conventional optics in the X-ray regime, one of them being the X-ray waveguide. X-ray waveguides are non-dispersive guiding optics, and serve both as quasi-point sources and coherence filters. This is achieved by a spatial confinement of the guiding material in at least one dimension in the sub-100 nm-range, which requires the use of nanostructuring techniques for waveguide fabrication. In this thesis, we present a processing scheme for the fabrication of sub-50 nm-sized waveguides in a silicon cladding based on electron beam lithography, reactive ion etching and wafer bonding. The scheme allows for the fabrication of different waveguide geometries, e.g. crossed planar waveguides or waveguide channels, the use of germanium as an alternative cladding material, and the fabrication of waveguide channels of finite curvature, e.g. tapered waveguides or beam splitters for the use in reference beam holography. The characterization of the waveguide far fields was carried out at various experimental conditions at synchrotron sources, and holographic imaging in an X-ray microscopy setup was successfully demonstrated. We find both imaging resolutions and waveguide source sizes in the sub-50 nm-range.
Keywords: X-ray optics; X-ray microscopy; waveguides; electron beam lithography; reactive ion etching; wafer bonding
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Eine grundlegende Schwierigkeit in der Röntgenoptik liegt in der Bereitstellung geeigneter Optiken. So ist aufgrund der schwachen Wechselwirkung der Röntgenstrahlung mit Materie der Einsatz brechender Optiken nicht sinnvoll, und es wird auf alternative Konzepte wie Röntgenwellenleiter zurückgegriffen. Röntgenwellenleiter sind nicht-dispersive strahlführende Optiken, welche die Kohärenz der Röntgenstrahlung filtern und als quasi-Punktquellen fungieren. Hierbei wird der Röntgenstrahl in einer oder zwei Dimensionen räumlich beschränkt, wobei der Wellenlängenbereich der Röntgenstrahlung eine Abmessung im sub-100 nm-Bereich erfordert. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren etabliert, mit welchem die Herstellung von Wellenleiterkanälen im sub-50 nm-Bereich in Silizium gelingt. Die Prozessierung basiert hierbei auf einem Schema aus elektronenstrahllithographischer Belichtung, Reaktivem Ionenätzen und Wafer bonding. Das Verfahren ist variabel in Bezug auf verschiedene Wellenleitergeometrien, beispielsweise gekreuzte Wellenleiter und Kanalwellenleiter, ist auf alternative Materialien übertragbar, und erlaubt die Strahlführung auf in einer Dimension gekrümmten Pfaden. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit hergestellten Wellenleiter wurden erfolgreich an verschiedenen Synchrotron-Messplätzen eingesetzt und ihre Fernfelder charakterisiert, und der kohärente Wellenleiterstrahl wurde in der Röntgenmikroskopie und der holographischen Bildgebung eingesetzt. Es finden sich sowohl für die Quellgröße der Wellenleiter als auch für die Auflösung in der Bildgebung Werte im sub-50 nm-Bereich.
Schlagwörter: Röntgenoptik; Röntgenmikroskopie; Wellenleiter; Elektronenstrahllithographie; Reaktives Ionenätzen; Wafer bonding