Fabrication of Soft X-ray Diffractive Lenses with Resolution in the Nanometer Range

Abstract

Durante las últimas décadas, la construcción de anillos de almacenamiento de electrones <br/>exclusivamente dedicados a la producción de radiación sincrotrón ha sido la clave para justificar el gran desarrollo de los componentes ópticos para rayos X. Se requieren nuevos elementos ópticos para una explotación óptima de las propiedades de esta luz, que puede usarse para descubrir los secretos de la materia y para revelar el mundo microscópico. El uso de radiación sincrotrón como sonda ha hecho posible una gran cantidad de experimentos para expandir el conocimiento de muchas áreas científicas. Paulatinamente, la radiación sincrotrón se ha convertido en un instrumento indispensable para muchos científicos, que trabajan en disciplinas muy diferentes como la biología, la química, la ciencia de materiales o incluso la arqueología. La microscopía de rayos X ha emergido como técnica para observar estructuras que no son accesibles con microscopia óptica convencional, y que tiene ventajas respeto a la microscopía electrónica debido a la mayor longitud de penetración y a la sensibilidad química de la radiación X. La óptica de los microscopios de rayos X incluye componentes como las lentes zonales de Fresnel que se producen con técnicas de microfabricación. En este trabajo, se han fabricado lentes zonales de Fresnel utilizando distintas técnicas y se han testado en diversas Fuentes de Luz Sincrotrón. Describiremos en detalle las técnicas de micro- y nanofabricación que son necesarias para la producción de estos elementes, des de la litografía por haz de electrones a la transferencia del patrón a distintos materiales. En particular, presentamos lentes para rayos X blandos hechas de silicio. Mostraremos que éstas funcionan bien en las fuentes de luz existentes y que debido a su robustez serán también apropiadas para las fuentes de rayos X de 4a generación. También preparamos un elemento óptico difractivo que produce una mancha iluminación cuadrada y llana, y que puede usarse como lente condensadora en microscopía de rayos X de transmisión. Finalmente, también demostramos un nuevo método de fabricación que puede mejorar la resolución espacial última de las lentes difractivas para rayos X. Se fabricaron lentes zonales de Fresnel con una última zona de 20 nm y líneas de 15 nm han sido claramente resueltas en microscopía de rayos X de rastreo. Este trabajo se ha realizado en el Laboratorio de Luz Sincrotrón en Barcelona, con la participación del Centro Nacional de Microelectrónica de Barcelona (CSIC-CNM) y del Grupo de Óptica del Departamento de Física de la Universidad Autónoma de Barcelona. Al mismo tiempo, partes esenciales de este trabajo se han realizado con la colaboración del Dr. C. David y el Dr. K. Jefimovs del Labor fur Mikro- und Nanotechnologie al Paul Scherrer Institut en Villigen (Suiza).

During the last decades, the construction of electron storage rings exclusively dedicated to the production of synchrotron radiation has been a key reason to explain the large development of x-ray optics. New optical elements are required for an optimal exploitation of the properties of this light, which can be used to find out the secrets of matter and to reveal the microscopic world. The use of synchrotron light as a probe has made possible a large quantity of experiments to expand the knowledge in many scientific areas. Little by little, synchrotron radiation sources have become an indispensable tool for the research of lots of scientists, who work in very different disciplines such as biology, chemistry, physics, material science or even archaeology. X-ray microscopy has emerged as a technique to observe structures which are not accessible with conventional optical microscopy, and that has advantages in respect to electron microscopy due to the longer penetration depth and chemical sensitivity of the x-ray radiation. The optics of the x-ray microscopes includes components such as the Fresnel zone plate lenses which are made by means of microfabrication techniques. Within this work, Fresnel zone plate lenses were produced using different approaches and they have been tested in several Synchrotron Light Sources. We will describe in detail the micro- and nanofabrication techniques that are necessary for the production of such elements, from the electron beam lithography to the pattern transfer into different materials. In particular, we will present lenses for soft x-rays made of silicon. We show that they perform well at the current light sources and we think that due to their robustness they will also be suitable for the 4th generation x-ray sources. We also prepared a diffractive optical element which produces a square flat top illumination spot, and that can be used as a condenser lens in full-field transmission x-ray microscopy. Finally, we will also demonstrate a novel fabrication method which can push the ultimate spatial resolution of x-ray diffractive lenses. Fresnel zone plates with an outermost zone width of 20 nm have been fabricated and 15 nm lines have been clearly resolved in scanning transmission x-ray microscopy. This work has been carried out in the Laboratori de Llum Sincrotró in Barcelona, with the participation of the Centro Nacional de Microelectrònica de Barcelona (CSIC - CNM) and the Grup d'Òptica del Departament de Física de la Universitat Autònoma de Barcelona. At the same time, essential parts of this work have been done in close collaboration with Dr. C. David and Dr. K. Jefimovs from the Labor für Mikro- und Nanotechnologie at the Paul Scherrer Institut in Villigen (Switzerland).