Kohärente Beugungsmikroskopie

Kontakt

Nicht verfügbar

Name

Jan Bußmann

Doktorand

Telefon

work
+49 2461 6196469

E-Mail

E-Mail
  Beugungsbild eines 20 µm Pinhole Forschungszentrum Jülich | Jan Bußmann EUV Beugungsbild einer 20 µm großen Blendöffnung aufgenommen mit einer CCD-Kamera

Bildgebung mittels kohärenter Beugung (eng.: coherent diffraction imaging (CDI)) erlaubt Abbildungen ohne Linsen, sodass die Auflösung prinzipiell nicht durch die Qualität und numerische Apertur der optischen Elemente sondern nur durch die Wellenlänge und die Geometrie des Aufbaus limitiert wird. Anstatt der Punkt-zu-Punktabbildung eines Objekts auf einen Detektor, wie in normaler Mikroskopie, wird bei CDI das Beugungsbild aufgenommen. Die Aufgaben der Linsen eines Mikroskops werden dann durch einen Phasenrückgewinnungsalgorithmus gelöst, welcher die numerische Rekonstruktion des Objekts (in 2D) vom aufgenommen Beugungsbild erlaubt. Darüber hinaus, liefert der Algorithmus den komplexen Brechungsindex des Objekts.

Besonders im Bereich der extrem ultravioletten Strahlung (EUV, 5-50 nm Wellenlänge) und der weichen Röntgenstrahlung (Soft X-rays 1-5 nm) zeigen sich die Vorteile von kohärenter Bildgebung. In diesen Bereichen sind Optiken teuer und in der Abbildungsqualität sehr eingeschränkt, sodass Techniken ohne solche Optiken vorteilhaft sind.

Im EUV-Bereich erhält man durch die kurze Wellenlänge nicht nur eine hohe Auflösung sondern durch die hohe Photonenenergie auch einen starken Kontrast zwischen unterschiedlichen Elementen und Molekülen, da sich die optischen Eigenschaften stark mit der Wellenlänge ändern. Dadurch eignet sich dieser Wellenlängenbereich besonders zur Materialidentifikation.

CDI war bisher auf hoch kohärente und intensive Lichtquellen beschränkt. Dies sind im Bereich des EUV und der weichen Röntgenstrahlung hauptsächlich Großforschungseinrichtungen wie Synchrotrons oder Freie Elektronen Laser. Durch den Fortschritt bei Laborquellen in den letzten Jahren, kann EUV Strahlung aber z.B. auch durch hohe Harmonische eines Femtosekunden-Laser erzeugt werden. Diese Anlagen sind allerdings verhältnismäßig teuer und komplex/ wartungsintensiv.

Unsere Arbeitsgruppe will einer breiten Forschungsgemeinschaft Zugang zu CDI mit EUV-Strahlung geben, indem wir eine einfache Lichtquelle verwenden. Vielversprechende Kandidaten sind dabei Gasentladungsquellen. Diese Quellen wurden bisher hauptsächlich für die EUV Lithographie [6-7] verwendet. Gasentladungsquellen sind kompakte, skalierbare und ausfallsichere Instrumente, welche einen geringen Wartungsaufwand und niedrige Komplexität aufweisen. Dadurch eignen sie sich für viele Anwendungsbereiche und Szenarien.

 

Experiment und zukünftige Projekte

Skizze des Setups mit Plasmapinch, Multilayerspiegel, Probe und CCD Kamera Forschungszentrum Jülich | Jan Bußmann Abbildung 2: Skizze des experimentellen CDI Aufbaus

Ein beispielhafter, experimenteller Aufbau besteht aus einer Gasentladungs-EUV-Quelle des Fraunhofer Institut für Lasertechnik und einem Mehrlagenspiegel zur Bandbreitenlimitierung der Strahlung. Untersucht wird eine Gold beschichtete Siliziumnitritmembran (siehe Abbildung 2), in der mittels fokussierten Ionenstrahls (Helmholtz Nanofacility, Forschungszentrum Jülich) eine Struktur geschrieben wurde. Diese Probe dient als Testprobe um die Methode zu überprüfen und den Aufbau zu optimieren.

Mittels CDI konnte unsere Gruppe schon Auflösung von 100 nm mit Strahlung bei 17.3 nm und 13.5 nm erreichen [8]. Zukünftige Projekte zielen auf die Rekonstruktion von Materialeigenschaften und Dickenbestimmung bei Beleuchtung mit verschiedenen Wellenlängen und unter Verwendung von Phasengittern.

Des Weiteren, verwenden wir zur Bildgebung von größeren Objekten Ptychography – eine Erweiterung zu CDI [9], welche die Oversampling-Bedingung umgeht und dadurch ein größeres Bildfeld erlaubt. Der ptychographische Algorithmus ist darüber hinaus schneller und stabiler in der Rekonstruktion des Bildes und berechnet simultan auch ein Bild der Beleuchtung.

Zukünftig soll es auch möglich sein die Proben statt in Transmission in Reflektion abzubilden. Dies erlaubt die Analyse von Oberflächen auf ansonsten intransparenten Objekten. Diese Messungen können dann auch in Kombination mit Scatterometrieexperimenten durchgeführt werden um lokale und globale Parameter einer Probe zu ermitteln. Auch kann z.B. für die EUV-Lithographie eine Maskeninspektion bei der späteren Lithographiewellenlänge durchgeführt werden.

 

Referenzen

[1] Miao, J. et al.: ‘Extending the methodology of X-ray crystallography to allow imaging of micrometre-sized non-crystalline specimens’, Nature, 400, 342-344, 1999
[2] Miao, J. et al. ‘Coherent X-ray Diffraction Imaging’, IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron., 18, 399-410, 2012
[3] Spence, J.C.H.: ‘Diffractive (Lensless) imaging’ in Science of Microscopy, Springer, 2007
[4] Nugent, K.: ‘Coherent methods in the X-ray sciences’, Adv. Phys., 59, 1-99, 2010
[5] Chapman, H. N., and Nugent, K. A.: ‘Coherent lensless X-ray imaging’, Nat. Photon., 4, 833-839, 2010
[6] Bergmann, K. et al.: ‘Highly repetitive, extreme-ultraviolet radiation source based on a gas-discharge plasma‘, Appl. Opt., 38, 5413-5417, 1999
[7] Benk, M. and Bergmann, K.: ‘Brilliance scaling of discharge sources for extreme-ultraviolet and soft x-ray radiation for metrology applications’, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS, 11, 021106, 2012
[8] Juschkin, L. et al.: ‘Tabletop coherent diffraction imaging with a discharge plasma EUV source’, Proc. SPIE, 8849, 88490Y, 2013
[9] Rodenburg, J. et al.: 'Hard-X-Ray Lensless Imaging of Extended Objects', Physical Review Letters, 98, 2007

 
 

Team CDI

Name Kontakt
Raoul Bresenitz B.Sc.
Masterand
+49 2461 6196466
Jan Bußmann M. Sc.
Doktorand
+49 2461 6196469
Maciej Grochowicz B. Sc.
Masterand
+49 2461 615010
Haoyan Lu M. Sc.
Doktorand
+49 2461 615010
Michal Odstrcil M.Sc.
Doktorand, EXTATIC
+49 2461 6196466