DE10242431A1

DE10242431A1 - Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen

Info

Publication number: DE10242431A1
Application number: DE2002142431
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr. Kipp; Ralph Dr. Seemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen (10) oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend eine Fokussierungsstruktur (13) zur Fokussierung der Strahlen (10) in einem Ausfallwinkel (beta), der ungleich dem Einfallswinkel (alpha) ist, wobei die Fokussierungsstruktur (13) Strukturelemente (20) umfaßt. Die Erfindung betrifft ferner ein Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen (10) oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend eine Fokussierungsstruktur (13) mit Strukturelementen (20), die die Strahlen (10) im wesentlichen reflektieren. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Element zeichnet sich dadurch aus, daß die Strukturelemente (20) eine kleinste Ausdehnung (27) haben, die nicht viel kleiner bis größer als die mit dem Element zu erzielende Auflösung ist. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Element zeichnet sich ferner dadurch aus, daß wenigstens ein Bereich der Fokussierungsstruktur (13) eine Filterfunktion aufweist, mittels der die zur konstruktiven Interferenz beitragenden Strukturelemente (20) eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenänderung bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend eine Fokussierungsstruktur zur Fokussierung der Strahlen mit einem Ausfallswinkel der ungleich dem Einfallswinkel ist, wobei die Fokussierungsstruktur Strukturelemente umfaßt. Die Erfindung betrifft ferner ein Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend eine Fokussierungsstruktur mit Strukturelementen, die die Strahlen im wesentlichen reflektieren.
Elemente zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen sind bekannt. Elektromagnetische Strahlen im sichtbaren Bereich werden üblicherweise durch bspw. Glaslinsen fokussiert. Strahlen in einem Wellenlängenbereich des VUV (Vakuum Ultra Violett) oder Röntgenstrahlen lassen sich schon deutlich schwieriger fokussieren. Aus "physikalische Blätter" 55 (1999) Nr. 5, S. 17 ist es bekannt, Röntgenstrahlen durch Verwendung einer großen Anzahl von Linsen, wie bspw. 30 bis 50 Stück, die hintereinander angeordnet sind, zu fokussieren.
Ferner ist es bekannt, Licht mittels Fresnelscher Zonenplatten zu fokussieren. Fresnelsche Zonenplatten nutzen die Welleneigenschaften von Licht aus und insbesondere die Verbindung des Huygenschen Prinzips und des Interferenzprinzips (Huygens-Fresnelsches-Prinzip), das ein 1818 entwickeltes Hilfsmittel zur Bestimmung und Erklärung von Beugungserscheinungen besonders hinter kreisförmigen Blenden oder Schirmen ist.
Hierbei wird davon ausgegangen, daß eine monochromatische Lichtquelle beliebiger Ausdehnung Wellenfronten erzeugt. Jeder Punkt einer derartigen Wellenfront kann als Ursprung einer elementaren Kugelwelle angesehen werden. Die Interferenz der Gesamtheit dieser Kugelwellen führt dann zu einer identischen Intensitätsverteilung, wie die von der ursprünglichen Lichtquelle erzeugte.
Eine Fresnelsche Zonenplatte nutzt nun dieses Prinzip aus, indem durch Konstruktion abwechselnd lichtdurchlässiger und lichtundurchlässiger bzw. absorbierender Ringzonen oder reflektierender und nicht reflektierender Ringzonen erreicht wird, daß der Gangunterschied von zwei benachbarten lichtdurchlässigen bzw. reflektierender Ringzonen zum Fokus genau einer Wellenlänge der verwendeten Strahlung entspricht und damit zu konstruktiver Interferenz im Fokus führt. Die minimal erreichbare Halbwertsbreite des Intensitätsmaximums im Fokus und damit die Ortsauflösung entspricht in etwa der Breite der kleinsten (äußeren) lichtdurchlässigen Zone.
Diese ist durch die Güte der Herstellung derartiger Fresnelscher Zonenplatten bspw. mittels Lithographie begrenzt. Insbesondere zu den äußeren Ringzonen ist es so, daß diese von deren Breite her sehr schmal werden müßten, was ab einer gewissen Schmalheit bzw. Kleinheit der Struktur nicht mehr technisch realisierbar ist, so daß Fresnelsche Zonenplatten bei gegebener Wellenlänge ein Beugungshauptmaximum erzeugen, das relativ groß ist bezüglich der geometrischen Ausdehnung.
Wird ein Schirm in die Ebene aufgestellt, in der der Fokus liegt und zwar parallel zur Ebene der Zonenplatte, werden über dem Schirm verteilt unterschiedlich große Intensitäten sichtbar, die aufgrund der Interferenz der von den durchlässigen bzw. reflektierenden Ringzonen der Zonenplatte ausgehenden Wellen hervorgerufen werden. Auch in dem Raum zwischen dem Schirm bzw. dem Fokus und der Zonenplatte existieren Intensitätsminima und Intensitätsmaxima.
Insbesondere führt die Kreissymmetrie bzw. bei elliptischen Zonenplatten die Symmetrie einer Zonenplatte zum Auftreten von Intensitätsmaxima, sog. höherer Beugungsordnungen, auf der optischen Achse (d. i. die durch den Mittelpunkt der Ringzonen laufende Normale). Es treten ungerade Beugungsordnungen m (3, 5, 7, ..) auf, die daraus resultieren, daß der Gangunterschied von zwei benachbarten durchlässigen Ringzonen zum Intensitätsmaximum der m-ten Ordnung genau m mal der Wellenlänge der Strahlung entspricht. Die Intensität nimmt quadratisch mit größer werdenden Beugungsordnungen ab. So entspricht die Intensität der dritten Beugungsordnung 1/9 und der fünften 1/25 der Intensität der ersten Ordnung. Die Halbwertsbreite des Intensitätsmaximums der m-ten Ordnung beträgt 1/m der Breite der ersten Ordnung.
Die Verwendung der bekannten Elemente zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder von Strahlen von Elementarteilchen, wobei für die Strahlen von Elementarteilchen die Welleneigenschaft der Elementarteilchen ausgenutzt wird, haben den Nachteil, daß im Falle der üblichen Fresnelschen Zonenplatte viele Intensitätsmaxima durch Interferenzen erzeugt werden, so daß eine Verwendung derartiger Zonenplatten für höchstauflösende Meßsysteme oder höchstauflösende Apparaturen zur Veränderung von Eigenschaften von Bereichen von Proben wenig geeignet ist. Insbesondere ist es auch aufgrund der in Ausbreitungsrichtung vorhandenen Intensitätsmaxima nicht verläßlich möglich, Bereiche innerhalb einer Probe zu messen oder zu verändern, ohne die Bereiche, die davor liegen, also zur Oberfläche hin, mit entsprechend hoher Intensität mit zu vermessen oder zu verändern.
Die optischen Eigenschaften werden insbesondere dadurch beeinträchtigt, daß die Elemente nicht 'mit beliebig großen Durchmessern gefertigt werden können. In Realitas wird bei jedem optischen Element, ob refraktiv, reflektiv oder diffraktiv, irgendwo die einfallende Strahlung abgeschnitten. Aufgrund dieses Abschneidens treten Intensitätsnebenmaxima von bis zu 5% des Hauptmaximums auf, die insofern auch zu einer Verbreiterung der Hauptmaxima verschiedener Ordnungen beitragen. Dies ist ein genereller Abschneideeffekt, der bspw. aus der Theorie digitaler Filter bekannt ist. Eine Vergrößerung des Durchmessers des optischen Elements führt lediglich zu einer Verkleinerung des Abstands zwischen den Nebenmaxima, nicht jedoch zu einer Reduktion von deren Höhe bzw. deren Intensität.
Schließlich sind derartige Zonenplatten bei hochintensiver Strahlung mit hoher Leistung insbesondere im VUV- oder Röntgenbereich nur unzureichend verwendbar, da bspw. bei Verwendung eines Metalls als Zonenplattenmaterial die durchlässigen Bereiche durch Aussparung des Metalls gegeben wären und aufgrund dessen schmale Stege für eine stabile Struktur zwischen den undurchlässigen Zonenbereichen verwendet werden müßten, die selbst zu Störungen bzw. Interferenzen führen und die dazu führen, daß die Wärmeableitung äußerst gering wäre, so daß bei hoher Leistungsaufnahme die verwendeten Zonenplatten zerstört werden würden.
Auch die aus den physikalischen Blättern (1955, 1999, Nr. 5, S. 17) bekannten Elemente zur Fokussierung von Röntgenstrahlen sind für höchstauflösende Meßsysteme, insbesondere im Inneren von Körpern, wenig geeignet, da diese nur wenig Leistung aufnehmen können. Elemente zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen sind beispielsweise aus dem Patent DE 199 56 782 C2 der Anmelder und der Patentanmeldung DE 101 25 870.4-51 der Anmelder bekannt.
Einen guten Überblick über Fokussierelemente gibt der Review Article von P. DHEZ, P. Chevallier, T. B. Luca torto und C. Tarrio in Review of Scientific Instruments, Vol. 70, No. 4, 1999, S. 1907 ff.
Ferner ist aus der Veröffentlichung von YU.A.Basov, D. V. Roshchupkin, I.A. Schelokov und A.E. Yakshin in Optics Communications 114 (1995), S. 9 bis 12 eine Fresnelsche Zonenplatte zur zweidimensionalen Fokussierung von Röntgenstrahlen bei streifendem Einfall bekannt. Die Fresnelsche Zonenplatte hat hierbei eine auf die unterschiedlichen Einfalls- und Ausfallswinkel angepaßte Form, wobei die Ringzonen in einer annähernden elliptischen Form ausgebildet sind. Die Ringzonen haben eine elliptische Form, wenn die Fokalebene genauso weit von der Fresnelschen Zonenplatte entfernt wäre wie die Röntgenquelle. In dem Ausführungsbeispiel, das in diesem Dokument genannt ist, sind unterschiedliche Entfernungen vorgesehen, wobei sich eine Art eiförmige Abflachung der Fresnelschen Zonenplatte ergibt. Durch dieses Fokussierelement können Röntgenstrahlen bei streifendem Einfallswinkel entsprechend fokussiert werden, wobei bekannterweise davon ausgegangen wird, daß bei Fresnelschen Zonenplatten die Auflösung des Fokus abhängt von der kleinsten Struktur, d.h. der Weite der äußersten Ringzone.
In der Patentanmeldung DE 101 25 870.4-51 der Anmelder wird dieses Problem, daß nämlich die Auflösung der Fresnelschen Zonenplatte abhängt von der kleinsten Struktur der Fresnelschen Zonenplatte dadurch umgangen, daß zum äußeren Bereich der Fresnelschen Zonenplatte die zur konstruktiven Interferenz beitragenden Bereiche derart vergrößert werden, daß Beugungsmaxima höherer Ordnung in das Beugungsmaximum 1. Ordnung abgebildet werden. Um außerdem zum einen die Intensität im Fokus im Vergleich zur Intensität außerhalb des Fokus zu vergrö ßern, werden Teile der an sich bei den Ringzonen für die konstruktive Interferenz benutzten Bereiche von der konstruktiven Interferenz ausgeschlossen und ferner, um Seitenbänder bzw. Nebenmaxima zu vermeiden, wird ein Filter angewendet, wie beispielsweise ein Weber-Filter, also ein Polynom 3. Ordnung mit entsprechend vorgebbaren Koeffizienten. Dieses Fokussierelement, das in der DE 101 25 870.4-51 dargestellt ist, beschreibt allerdings nur in Durchstrahlung fokussierende Elemente. Die Fresnelschen Zonenplatten der Veröffentlichung von Yu.A.Basov et al.in Optics Communications beschreibt keinerlei Methode, um die Auflösung der dort verwendeten Fresnelschen Zonenplatte zu verbessern.
Es ist demgegenüber Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen derart weiterzubilden, daß die Auflösung und/oder der Kontrast des von dem Fokussierelement gebildeten Fokus verbessert wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch Weiterbildung eines Elements zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend eine Fokussierungsstruktur zur Fokussierung der Strahlen in einem Ausfallswinkel der ungleich dem Einfallswinkel ist, wobei die Fokussierungsstruktur Strukturelemente 20 umfaßt, dadurch, daß die Strukturelemente eine kleinste Ausdehnung haben, die nicht viel kleiner bis größer als die mit dem Element zu erzielende Auflösung ist.
Es wurde nämlich erfindungsgemäß festgestellt, daß eine verbesserte Auflösung und insbesondere ein höherer Kontrast dadurch erzielbar ist, daß die Größe der kleinsten Ausdehnung der zur Interferenz beitragenden Strukturelemente größer sein kann, als bisher angenommen, wenn der Einfallswinkel unterschiedlich groß ist als der Ausfallswinkel. Hierzu werden im Zusammenhang mit den Figuren nähere Erläuterungen folgen. Im Rahmen der Erfindung bedeutet der Begriff kleinste Ausdehnung insbesondere eine Länge der Struktur von einem Ende der Struktur zum anderen Ende der Struktur, die in der Gesamtheit aller Längen die kürzeste ist. Unter dem Begriff "Auflösung" wird beispielsweise die volle Breite bei halber Höhe der Intensität im Fokus verstanden.
Vorzugsweise ist der Ausfallswinkel mehr als 1,5 mal so groß wie der Einfallswinkel, so daß eine sehr gute Trennung des beispielsweise reflektierten Strahls 0. Ordnung von dem der 1. Ordnung möglich ist. Vorzugsweise ist das Element für streifenden Einfall optimiert, wodurch die kleinste Ausdehnung der Strukturelemente verhältnismäßig groß werden kann. Wenn das Element für Einfallswinkel zwischen 0° und 10° optimiert ist, sind sehr hohe Kontraste möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht die Fokussierungsstruktur die einer Fresnelschen Zonenplatte, wodurch ein besonders einfach herzustellendes Fokussierelement möglich ist. Wenn die Ringzonen der Fresnelschen Zonenplatte, die zur konstruktiven Interferenz beitragen, wenigstens teilweise derart ausgestaltet sind, daß diese nicht zur konstruktiven Interferenz beitragen, ist eine sehr gute Auflösung und ein hoher Kontrast möglich. Bezüglich dieser vorzugsweisen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elements wird vollumfänglich Bezug genommen auf die DE 199 56 782 C2 bzw. die DE 101 25 870.4-51 der Anmel der, die beide vollumfänglich in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung aufgenommen sein sollen.
Nebenmaxima können dadurch vermindert werden, daß wenigstens ein Bereich des Elements eine Filterfunktion aufweist, mittels der die zur konstruktiven Interferenz beitragenden Strukturelemente eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenänderung bewirken. Mit der Filterfunktion ist es ferner möglich, das Strahlprofil der Strahlen anzupassen.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend eine Fokussierungsstruktur mit Strukturelementen, die die Strahlen im wesentlichen reflektieren, gelöst, das dadurch weitergebildet ist, daß wenigstens ein Bereich der Fokussierungsstruktur eine Filterfunktion aufweist, mittels der die zur konstruktiven Interferenz beitragenden Strukturelemente eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenänderung bewirken. Hierbei wird von einer ähnlichen erfindungsgemäßen Idee ausgegangen wie in der DE 101 25 870.4-51 , in der die erfindungsgemäße Idee allerdings auf Fokussierelemente angewendet wird, die reflektieren. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist eine große Auflösung des fokussierten Strahls und ein großer Kontrast desselben möglich. Wenn der Amplitudenbeitrag der Strukturelemente zum Rand der Fokussierungsstruktur hin weniger wird, kann ein sehr weicher Übergang der Amplitudenbeiträge der jeweiligen reflektierenden Strukturelemente erzielt werden.
Vorzugsweise ist die Filterfunktion ein Polynom 3. Ordnung. Hierzu wird bspw. vorzugsweise eine Funktion verwendet, die von Cappellini für das Design von digitalen Filtern formuliert wurde. Diese Funktion lautet wie folgt: f(t) = at3 + bt2 + ct + d.
a, b, c und d sind entsprechende Kostanten und t ist eine Zahl zwischen 0 und 1,5, wobei 0 im Zentrum angeordnet ist und 1,5 am Rand der Zonenplatte. Für die Erfindung ist ein Weber-artiges Fenster bzw. eine Filterfunktion nach Weber besonders geeignet, bei der für 0 ≤ t ≤ 0,75 gilt: a = 0,828217, b = – 1.637363, c = 0,041186 und d = 0,99938 sowie für 0,75 ≤ t ≤ 1,5: a = 0,065062, b = 0,372793, c = – 1,701521 und d = 1,496611, siehe hierzu insbesondere V. Cappellini, A. G. Constantinides und P. Emiliani, Digital Filters and their Applications, Vol. 4, Techniques of Physics, N. N. Manch, H. N. Daglish (Eds.) (Springer, Berlin, 1981). Es können allerdings auch andere Fensterfunktionen bzw. Filterfunktionen Verwendung finden wie bspw. ein Hanning-Fenster, ein Hamming-Fenster oder ein Blackman-Fenster. Es ist selbstverständlich, daß diese mathematisch eindimensionalen Fensterfunktionen bei den erfindungsgemäßen optischen Elementen beispielsweise durch Rotation bzw. Abbildung auf bspw. eine Ellipse zweidimensional ausgestaltet sind. Die im Rahmen dieser Erfindung angewandte Filterfunktion versteht sich zweidimensional bzw. flächig. Die Filterfunktion führt nun dazu, daß die summierte Amplitude der Wellen, die ausgehend von der gleichen lichtdurchlässigen, bzw. reflektierenden Ringzone zur Intensität im Fokus beiträgt, gleich einer Konstanten multipliziert mit der Weber-Funktion bzw. einer anderen gewählten Filterfunktion ist.
Bezüglich der Filterfunktion, die vorzugsweise eine Weber-Funktion ist, wird auch vollumfänglich auf die DE 101 25 870.4.51 der Anmelder verwiesen.
Vorzugsweise entspricht die Fokussierungsstruktur einer Fresnelschen Zonenplatte. Durch diese vorzugsweise Ausgestaltung des Fokussierungselements ist eine relativ einfache Herstellung möglich. Ferner ist eine relativ hohe Intensität der reflektierten Strahlen gegeben.
Wenn die Ringzonen der Fresnelschen Zonenplatte, die zur konstruktiven Interferenz beitragen, wenigstens teilweise derart ausgestaltet sind, daß diese nicht zur konstruktiven Interferenz beitragen, wird die erfindungsgemäße Idee aus der DE 199 56 782 C2 angewendet.
Es ist auch möglich, eine der erfindungsgemäßen Ideen aus der DE 101 25 870.4-51 anzuwenden, wonach nämlich auch entsprechende Strukturelemente vorgesehen sind, die nicht nur in dem Bereich reflektieren, die bei einer normalen Fresnelschen Zonenplatte zur konstruktiven Interferenz beitragen würden, sondern auch über diesen Bereich hinaus, so daß insgesamt ein Fokussierungselement geschaffen wird, das Beugungsmaxima höherer Ordnungen z.B. das der 3. und der 5. Ordnung auch im Fokus des Beugungsmaximums 1. Ordnung abbildet. Hierdurch wird die Auflösung des Fokussierungselements weiter verbessert.
Vorzugsweise umfaßt ein Meßsystem, insbesondere zum Vermessen von inneren Bereichen dreidimensionaler Proben mit hoher Ortsauflösung wenigstens ein Element der vorbezeichneten und erfindungsgemäßen Art, eine Strahlenquelle und wenigstens einen Detektor. Durch die Verwendung der oben beschriebenen und erfindungsgemäßen Elemente ist eine Ortsauflösung des Meßsystems bis hin zur halben Wellenlänge der verwendeten Strahlung möglich, wobei ein sehr hoher Kontrast realisierbar ist. Durch derartige Meßsysteme ist es insbesondere möglich, auch im Inneren von Proben Messungen durchzuführen, die bei herkömmlichen Meßverfahren nicht ohne weiteres und ohne Zerstörung der Probe zu vermessen wären. Dieses liegt darin begründet, daß die Intensität des Fokus des Elements im Vergleich zur restlichen Intensität, die nicht im Fokus angeordnet ist, deutlich höher ist, als bei anderen herkömmlichen optischen Elementen.
Vorzugsweise umfaßt eine Apparatur zur Veränderung der physikalischen und/oder biologischen Eigenschaften eines Bereichs einer Probe, insbesondere eines inneren Bereichs einer Probe, umfassend eine kohärente intensive Strahlenquelle und ein erfindungsgemäßes Element, das vorstehend beschrieben wurde. Vorzugsweise ist in dem zu verändernden Bereich der Probe die Probe schmelzbar, chemisch veränderbar oder dort angeordnete lebende Zellen sind zerstörbar.
Vorzugsweise wird wenigstens ein Element der erfindungsgemäßen Art zur Materialbearbeitung, insbesondere im Inneren von Körpern oder auf der Oberfläche verwendet. Hierbei sei insbesondere an die Lithographie gedacht. Wenn wenigstens ein erfindungsgemäßes Element, das vorstehend beschrieben wurde, zur Veränderung oder Zerstörung von lebenden Zellen und/oder Gewebe von Lebewesen verwendet wird, können sehr gezielt Zellen und Gewebe zerstört bzw. verändert werden. Hierbei ist insbesondere an Krebszellen im Körper von Menschen zu denken. Ferner können entsprechende erfindungsgemäße Elemente bzw. Apparaturen oder Meßsysteme in Datenspeichern Verwendung finden. Hierzu wird wenigstens ein Element der erfindungsgemäßen Art zur Veränderung und/oder zum Lesen eines Dateninhalts eines Datenspeichersystems verwendet.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
1 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Aufbaus zur Vermessung einer Probe,
2 eine schematische seitliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Fokussierelements,
3 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Fokussierelements,
4a) eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Fokussierelements,
4b) eine weitere schematische Draufsicht auf ein weiteres erfindungsgemäßes Fokussierelement,
5 eine dreidimensionale schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Fokussierelements,
6a) eine Draufsicht des Fokussierelements aus' 5,
6b) einen Ausschnitt der Darstellung von 6a),
6c) eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Filterfunktion,
7 eine Fehlfarbendarstellung der Größe von für eine gewünschte Auflösung benötigten Strukturelementen über dem Einfallswinkel und dem Ausfallswinkel,
8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Kontrastes verschiedener Fokussierelemente.
Im folgenden sind für die gleichen Elemente dieselben Bezugsziffern verwendet worden, so daß von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
1 zeigt eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Meßaufbaues zur Vermessung einer Probe 15. Ein einfallender Röntgenstrahl 10 fällt auf ein Fokussierelement 13. Die direkten reflektierten Strahlen des einfallenden Röntgenstrahls 10 sind als reflektierter Strahl 0. Ordnung 11 bezeichnet: Mittels des Beugungsphänomens wird ein reflektierter Strahl 1. Ordnung 12 gebildet, der auf der Probe 15 fokussiert ist. Durch den einfallenden fokussierten Strahl 1. Ordnung 12 werden auf der Probe 15 beispielsweise Elektronen herausgeschlagen, so daß die elektronische Struktur der Probe 15 vermessen werden kann.
Die Energie der einfallenden Strahlen kann in einem Bereich zwischen dem infraroten bspw. und harten Röntgenstrahlen liegen, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 10 eV und 10 keV zur Vermessung der elektronischen Struktur von Proben zu nennen ist. Das Fokus sierelement 13 ist auf einem Kühlelement 19 aufgebracht, um die in Wärme umgewandelte Strahlung abführen zu können. Dies ist insbesondere bei einer Strahlung mit hoher Leistung notwendig, wie bspw. bei einem freien Elektronenlaser, der im Hasylab beim Deutschen Elektronensynchrotron in Hamburg vorgesehen ist.
Die Strahlen 0. Ordnung 11 werden durch hin Absorptionselement 14 absorbiert, so daß diese zum Untergrund im Fokus des reflektierten Strahls 1. Ordnung 12 auf der Probe 15 im wesentlichen nicht mehr beitragen. Durch diese Maßnahme ist schon ein relativ hoher Kontrast möglich. Die Probe 15 ist auf einem x-y-z-Manipulator aufgebracht, mittels der die Probe in allen drei Raumrichtungen bewegbar ist. Die aus der Probe 15 ausgelösten Elektronen werden mittels eines Elektronenanalysators 18 vermessen. Die Ortsauflösung liegt in diesem Ausführungsbeispiel zwischen 10 nm bis 1 μm. Die Energieauflösung liegt bei unter 10 meV und die Winkelauflösung des emittierten Elektronenstrahls liegt bei < 0,1°.
Es ist auch möglich, die aus der Probe 15 ausgelösten Photonen bzw. reflektierten Photonen mit einem Analysator zu vermessen.
Als Fokussierelement 13 können bspw. auf LiF2 aufgebrachte Cr-Strukturelemente Verwendung finden. Diese Kombination eignet sich insbesondere bei Strahlenenergien von 200 eV. Die minimale Strukturgröße, die hier Verwendung findet, liegt bei 200 nm und die Auflösung im Fokus bei 100 nm. Der Einfallswinkel ∝ liegt bei 10°, der Ausfallswinkel bei 20° und die Größe des Fokussierelements liegt bei 5,2 × 1,8 mm². Der Abstand des Fokussierelements zur Probe beträgt 30 mm.
Bei einer Energie der einfallenden Strahlen von 5 keV ereignet sich bspw. eine Kombination aus einer Fokussiersystemstruktur mit aus Chrom (Cr) bestehenden Strukturelementen, die auf einem SiO₂-Trägermaterial aufgebracht ist. Der Einfallswinkel beträgt hierbei beispielsweise 0,5° und der Ausfallswinkel 3°. Der Abstand zwischen Probe und Fokussierungselement beträgt 80 mm, die Größe des Fokussierungselements beträgt 5,4 × 0,3 mm. Die kleinste Ausdehnung der Strukturelemente beträgt 200 nm und die Auflösung des reflektierten Strahls 1. Ordnung 12 im Fokus beträgt 70 nm.
2 zeigt eine schematische seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen Fokussierelements 13 mit entsprechenden schematisch angedeuteten reflektierenden Stegen 20, die im folgenden Strukturelemente genannt werden. Der einfallende Röntgenstrahl bzw. VUV-Strahl 10 strahlt mit einem Winkel ∝ auf das Fokussierelement 13 ein und wird mit einem Winkel ∝ als reflektierter Strahl 0. Ordnung 11 abgestrahlt. Der reflektierte Strahl 1. Ordnung 12 bzw. der gebeugte Strahl 1. Ordnung 12 gelangt mit einem Ausfallswinkel β von dem Fokussierelement 13 zum Fokus. In 2 ist noch ein Abstand zum Fokus 1. Ordnung z dargestellt, der in Bezug auf die 8 von Relevanz ist.
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Fokussierelement, bei dem schon genauer erkennbar ist, wie dieStrukturelemente 20 ausgestaltet und angeordnet sind. Es handelt sich hierbei um unterschiedlich große Strukturelemente, die stochastisch auf entsprechenden reflektierenden Bereichen einer entsprechenden Fresnelschen Zonenplatte angeordnet sind, wobei einige Strukturelemente 20 größer in deren kleinsten Ausdehnung, nämlich in deren Durchmesser sind. Es handelt sich hierbei um Kreise bzw.
Zylinder, die größer als die an dem jeweiligen Ort der Fresnelschen Zonenplatte vorgegebenen Zonenbreite sind. Für das bessere Verständnis wird insbesondere auf 4b) verwiesen und auf die DE 101 25 870.4-51 der Anmelder. Es wird insbesondere auf die Figuren der eben genannten Patentanmeldung verwiesen und insbesondere auf die 2 mit der dazugehörigen Figurenbeschreibung. Es handelt sich hierbei um Strukturelemente 20, die größer sind als die Größe der an sich vorgegebenen reflektierenden Fresnelschen Zonen, bspw. um derartige, die 1,5 mal so groß sind wie die jeweilige Zonenbreite an der Stelle, an der das Strukturelement angeordnet ist. Hierdurch wird die Intensität der reflektierten Strahlen 1. Ordnung erhöht bzw. der Wirkungsgrad des Fokussierelements verbessert.
Wie in 3 dargestellt ist, sind die Strukturelemente 20, also die Zylinder bspw. aus Chrom, auf einer Auflage aus bspw. SiO₂ aufgebracht, die als Kühlelement 19 dienen könnte.
4a) und 4b) zeigen schematische Draufsichten auf erfindungsgemäße Fokussierelemente bzw: Ausschnitte von erfindungsgemäßen Fokussierelementen, wobei die 4a) an sich eine Fresnelsche Zonenplatte ist, die auf streifenden Einfall optimiert ist. Die reflektierenden Ringzonen 21 und die absorbierenden Ringzonen 22 sind entsprechend unterschiedlich dunkel dargestellt. Die in 4a) dargestellten Ringzonen sind bezüglich deren kleinsten Ausdehnung, also der Dicke der jeweiligen Ringzone am Rand des Fokussierungselements 13 größer ausgestaltet, als dieses bei einer üblichen Fresnelschen Zonenplatte wie dieses bspw. gem. dem Dokument von Yu.A.Basov in Optics Communications der Fall wäre.
4b) zeigt auch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Fokussierelements 13, wobei an sich die zur konstruktiven Interferenz beitragenden Elemente hier weiß dargestellt sind und die in verschiedenen Grautönen dargestellten Ringzonen der Fresnelschen Zonenplatte nur zur Erläuterung der Anordnung und der Größe der reflektierenden Stege 20 dienen sollen.
5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen oder Strahlen von Elementarteilchen. In diesem Ausführungsbeispiel sind die reflektierenden Stege 20 bzw. Strukturelemente 20 völlig anders als bisher angeordnet und ausgestaltet. Zunächst einmal soll die Größe des Fokussierelements 13 angepaßt sein an die Größe (bzw. den Kegel) des einfallenden Strahls, wobei dieser in einem Winkel einstrahlt, der kleiner ist als 90°, wie bspw. ungefähr 10°. Hierdurch ergibt sich eine einhüllende Ellipse 23, die den beleuchteten Teil des Fokussierelements 13 einhüllt bzw. begrenzt.
Die Anordnung und Ausgestaltung der Strukturelemente 20 ist in den 6a) bis 6c) genauer dargestellt. Die 6a) zeigt eine schematische Draufsicht auf das Fokussierelement 13 der 5, wobei in 6a) die einhüllende Ellipse 23 nicht dargestellt ist. Diese kann man sich allerdings um die reflektierenden Stege 20 denken. Die reflektierenden Stege 20 werden bspw. durch Lithographie hergestellt, wobei eine Steghöhe von bis zu einigen μm denkbar ist. Lithographieverfahren sind an sich bekannt, so daß an dieser Stelle von einer Erläuterung derselben abgesehen wird.
In 6b) sind entsprechende reflektierende Stege 20 dargestellt, die zur besseren Veranschaulichung auf nicht zur konstruktiven Interferenz beitragenden Bereichen 24 angeordnet sind, die bei einer Fresnelschen Zonenplatte auch zur konstruktiven Interferenz beitragen würden. Diese Bereiche 24 sind grau dargestellt. Die grauen Bereiche der Fresnelschen Zonenplatte, die in diesem Beispiel nicht zur konstruktiven Interferenz beitragen und die weißen Bereiche, die den Bereich der reflektierenden Stege 20 darstellen sollen, sind von weiteren Bereichen durch schwarze Bereiche getrennt, die nämlich denjenigen Bereichen einer Fresnelschen Zonenplatte entsprechen, die nicht zur konstruktiven Interferenz beitragen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Weber-Fenster bzw. ein Filter nach einer Weber-Funktion, die vorstehend beschrieben wurde, auf eine erfindungsgemäße Fresnelsche Zonenplatte mit Strukturelementen 20, die eine kleinste Ausdehnung haben, die nicht viel kleiner bis größer als die mit dem Element zu erzielende Auflösung ist, angewendet worden, um auch die Nebenmaxima zu minimieren. Hierbei wurde zur Lage und Ausgestaltung der jeweiligen reflektierenden Stege 20 ein Einfallswinkel ∝, ein Ausfallswinkel β, ein Abstand des Fokussierelements bzw. des Strukturelements 20 zu der Strahlungsquelle und der Abstand des Strukturelements 20 zum Fokus für einen vorgegebenen x- und y-Wert in der Ebene, die durch die 6a) aufgespannt ist, vorgegeben. Hierdurch kann die minimale Strukturgröße, wie unter Bezugnahme auf die 7 noch genauer erläutert wird, ermittelt werden.
Um nun die genaue Ausgestaltung der reflektierenden Stege 20 zu ermitteln, wird bei einem vorgegebenen xund y-Wert die Größe der Weber-Funktion bzw. des Weber-Filters angegeben. Dieses ist ein Zahlenwert zwischen 0 und 1 und stellt ein Verhältnis derjenigen Bereiche, die zur konstruktiven Interferenz beitragen zu denjenigen Bereichen einer ansonsten zur konstruktiven Interferenz beitragenden Ringzone dar, die nicht zur konstruktiven Interferenz beitragen sollen. Ein entsprechender Weber-Bereich 25 ist in 6c) durch ein den gestrichene Linien umgebenes Rechteck dargestellt. In diesen Weber-Bereichen 25 muß für ein vorgegebenes x und y in der Ebene der 6a) das Verhältnis von dem grauen Bereich, also der Ringzone, die nicht zur Reflektion beiträgt, zum weißen Bereich, also den Stegen, einem entsprechenden Zahlenwert entsprechen, wobei aufgrund der Weber-Funktion nach außen hin, also zum Rand des Fokussierelements diese Zahl abnimmt.
Da nur eine minimale Strukturgröße 26 vorzusehen ist, verjüngen sich die reflektierenden Stege 20 von links nach rechts in 6c) betrachtet, bis zur minimalen Strukturgröße 26, um dann in einem entsprechenden Abstand einer minimalen Strukturgröße 26 erneut der Weber-Funktion genügen zu können. Die Verkleinerung der reflektierenden Strukturen wird so lange weiter zum Rand hin getrieben, bis nur noch Kreise übrig bleiben. Von da ab müssen die Abstände der entsprechendenreflektierenden Stege 20 vergrößert werden, um ein entsprechendes Verhältnis, wie es das Weber-Fenster vorgibt, zu erreichen.
6b) stellt den Ausschnitt der 6a) dar, der in 6a) mit einem weißen Rechteck umgeben ist.
7 ist eine Falschfarbendarstellung der kleinsten möglichen Strukturgröße, um eine Auflösung von 100 nm bei einer Strahlenenergie von 200 eV zu erreichen. Im oberen Bereich der 7 ist die Legende zu den entsprechenden Farben dargestellt, wobei schwarz einer minimalen Strukturgröße von 0 nm entspricht, grün einer minimalen Strukturgröße van 50 nm und gelb einer minimalen Struktur von 100 nm. In 7 ist auf der Ordinate der Ausfallswinkel β in Grad dargestellt und auf der Abszisse der Einfallswinkel ∝ auch in Grad. Die Werte auf der Ordinate und der Abszisse sind linear.
Bei einem Einfallswinkel und einem Ausfallswinkel von 90° ist eine minimale Strukturgröße von 100 nm möglich. Sollte der Ausfallswinkel allerdings nur um wenige Grad von 90° sich unterscheiden, reduziert sich die minimale Strukturgröße, die notwendig ist, um die Auflösung von 100 nm zu erreichen, sehr schnell auf unter 50 nm. Zu streifendem Einfall, d.h. bei einem Einfallswinkel ∝ von ungefähr 10° oder kleiner ist festzustellen, daß sich der Bereich des Ausfallswinkels, der noch zu akzeptablen Größen kleinster Strukturen bzw. zu akzeptablen großen kleinsten Ausdehnungen der Strukturelemente 20 führt, stark verbreitert ist. So kann bspw. bei einem Einfallswinkel von 10° und einem Ausfallswinkel von 15° noch mit Strukturgrößen von ungefähr 80 nm gearbeitet werden. Bei einem Einfallswinkel von 0,5° führt die Verwendung von einem Ausfallswinkel von 3° oder 3° bis 5° zu Strukturgrößen von ungefähr 100 nm.
8 zeigt eine schematische Darstellung des Kontrastgewinns durch die Erfindung. Es ist eine Kurve der Intensität in willkürlichen Einheiten über den Abstand zum Fokus 1. Ordnung z gem. der 2 dargestellt. Zunächst ist zu erkennen, daß bis zu einem Abstand von ungefähr 50 nm die Intensität relativ hoch ist, was durch den Fokus an sich impliziert ist. Die abfallende Flanke ist bei einer Zonenplatte mit ∝ = β = 90°, also Einfallswinkel und Ausfallswinkel = 90°, dann bezüglich der Intensität relativ schnell auf einem Plateau von ungefähr 10^-2 der maximalen Intensität im Fokus. Dieses gilt für die Kurve 30, die den Verlauf der Intensität für eine Zonenplatte mit ∝ = β = 90° darstellt.
Bei Verwendung einer Zonenplatte mit einem Einfallswinkel von 0,5° und einem Ausfallswinkel von 2°, das schon erfindungsgemäß angepaßt ist, nämlich durch vergleichsweise große kleinste Abstände der Strukturelemente, verringert sich zu größeren Z die Intensität deutlich. Dies ist durch die Kurve 31 dargestellt. Die Kurve 32 zeigt einen Intensitätsverlauf eines weiteren erfindungsgemäßen Fokussierelements mit einem Einfallswinkel von 0,5° und einem Ausfallswinkel von 2°, wobei auch noch ein Weber-Fenster gem. bspw. der 6a) Anwendung findet. Es ist bemerkenswert, daß zwischen der Kurve 31 und der Kurve 32 noch ein Kontrastfaktor von 10⁴ möglich ist.

10: einfallender Röntgenstrahl
11: reflektierter Strahl 0. Ordnung
12: reflektierter Strahl 1. Ordnung
13: Fokussierelement
14: Absorptionselement
15: Probe
16: x-y-z-Manipulator
17: emittierte Elektronen
18: Elektronenanalysator
19: Kühlelement
20: reflektierender Steg
21: reflektierende Ringzone
22: absorbierende Ringzone
23: einhüllende Ellipse
24: nicht zur konstruktiven Interferenz beitragender
: Bereich
25: Weber-Bereich
26: minimale Strukturgröße
27: kleinste Ausdehnung
30: Kurve für Zonenplatte mit ∝ = β = 90°
31: Kurve für Zonenplatte mit ∝ = 0,5°, β = 2°
32: Kurve für Fokussierelement mit ∝ = 0,5°, β = 2°,
∝: Einfallswinkel
β: Ausfallswinkel
z: Abstand zum Fokus 1. Ordnung

Claims

Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen (10) oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend eine Fokussierungsstruktur (13) zur Fokussierung der Strahlen (10) in einem Ausfallswinkel (β) der ungleich dem Einfallswinkel (∝) ist, wobei die Fokussierungsstruktur (13) Strukturelemente (20) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturelemente (20) eine kleinste Ausdehnung (27) haben, die nicht viel kleiner bis größer als die mit dem Element zu erzielende Auflösung ist.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausfallswinkel (β) mehr als 1,5 mal so groß ist wie der Einfallswinkel (∝).
Element nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Element für streifenden Einfall optimiert ist.
Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Element für Einfallswinkel (∝) zwischen 0° und 10° optimiert ist.
Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungsstruktur (13) die einer Fresnelschen Zonenplatte entspricht.
Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzonen (21) der Fresnelschen Zonenplatte, die zur konstruktiven Interferenz beitragen, wenigstens teilweise derart ausgestaltet sind, daß diese nicht zur konstruktiven Interferenz beitragen.
Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Bereich des Elements eine Filterfunktion aufweist, mittels der die zur konstruktiven Interferenz beitragenden Strukturelemente (20) eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenverschiebung bewirken.
Element zur Fokussierung von elektromagnetischen Strahlen (10) oder Strahlen von Elementarteilchen, insbesondere von Röntgenstrahlen, umfassend eine Fokussierungsstruktur (13) mit Strukturelementen (20), die die Strahlen (10) im wesentlichen reflektieren, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Bereich der Fokussierungsstruktur (13) eine Filterfunktion aufweist, mittels der die zur konstruktiven Interferenz beitragenden Strukturelemente (20) eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenänderung bewirken.
Element nach Anspruch 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudenbeitrag der Strukturelemente (20) zum Rand (23) der Fokussierungsstruktur (13) hin weniger wird.
Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterfunktion ein Polynom 3. Ordnung ist.
Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungsstruktur (13) die einer Fresnelschen Zonenplatte entspricht.
Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzonen (21) der Fresnelschen Zonenplatte, die zur konstruktiven Interferenz beitragen, wenigstens teilweise derart ausgestaltet sind, daß diese nicht zur konstruktiven Interferenz beitragen.
Meßsystem, insbesondere zum Vermessen von inneren Bereichen dreidimensionaler Proben (15) mit hoher Ortsauflösung, umfassend wenigstens ein Element nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, eine Strahlenquelle (10) und wenigstens einen Detektor (18).
Apparatur zur Veränderung der physikalischen, chemischen und/oder biologischen Eigenschaften eines Bereichs einer Probe (15), insbesondere eines inneren Bereichs einer Probe, umfassend eine kohärente intensive Strahlenquelle (10) und ein Element nach' einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12.
Apparatur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zu verändernden Bereich der Probe (15) die Probe (15) schmelzbar ist, chemisch veränderbar ist oder dort angeordnete lebende Zellen zerstörbar sind.
Verwendung wenigstens eines Elements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 zur Materialbearbeitung, insbesondere im Inneren von Körpern.
Verwendung wenigstens eines Elements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, zur Veränderung oder Zerstörung von lebenden Zellen und/oder Gewebe von Lebewesen.
Verwendung wenigstens eines Elements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, zur Veränderung oder zum Lesen eines Dateninhalts eines Datenspeichersystems.