Fabricació de Lents Zonals de Fresnel per aplicació als raigs X tous

Estudi elaborat a partir d’una estada al Paul Scherrer Institut del Maig a l’Octubre del 2006 amb l’ajuda i supervisió dels Dr. Konstantins Jefimovs i Dr. Christian David. Focalitzar raigs X tous és una necessitat essencial per al microanàlisis, la microscopia, i fer imatges en moltes Instal·lacions de Radiació Sincrotró. Les Lents Zonals de Fresnel (FZP, de la denominació anglesa “Fresnel Zone Plates”) han demostrat donar uns punts focals amb una resolució espacial destacada i una baixa il·luminació de fons. Tanmateix, la fabricació de FZP és complexa i no totalment reproduïble. A més a més, el temps de vida de les FZP és força curt, ja que estant situades sobre membranes de nitrur de silici molt fines i altament absorbents. Per tant, hem fet esforços per implementar FZP de silici, que s’espera que siguin més resistents. L’element està fet d’una oblia de cristall de silici poc absorbent, i no presenta cap interfase entre materials. Així doncs, aquestes lents són especialment adequades per a aguantar les extremes càrregues de radiació de les fonts de raigs X més brillants. Particularment, això és molt important per a les aplicacions a les pròximes generacions de fonts de raigs X, com els Làsers d’Electrons Lliures (FEL, de la denominació anglesa “Free Electron Laser”). El silici també garanteix que no hi hagi cap banda d’absorció en el rang d’energies de la finestra de l’aigua (200-520 eV), fent aquestes lents ideals per a fer imatges de mostres biològiques. En aquest informe, hi ha una descripció detallada de tots els passos involucrats en la fabricació de les Lents Zonals de Fresnel de silici. En resum, les estructures de FZP es modelen sobre una resina utilitzant litografia per feix d’electrons i llavors el patró es transmet al silici mitjançant un gravat d’ions reactius (RIE, de la denominació anglesa ‘Reactive Ion Etching’) utilitzant una fina (20 nm) màscara de Crintermitja. Les membranes de silici es poden aprimar després de la fabricació de les estructures per a garantir una transmissió suficient fins i tot a baixes energies. Aquest informe també inclou l’anàlisi i la discussió d’alguns experiments preliminars per avaluar el rendiment de les Si FZPs fets a la línia de llum PolLux del Swiss Ligth Source amb l’ajuda dels Dr. Jörg Raabe i Dr. George Tzvetkov.

Report for the scientific sojourn carried out at Paul Scherrer Institute from May’06 to October’06 under the help and supervision of Dr. Konstantins Jefimovs and Dr. Christian David. Soft X-ray focusing is an essential requirement for microanalysis, microscopy and imaging in many Synchrotron Radiation Facilities. Fresnel Zone Plates (FZPs) have proven to give focal spots with outstanding spatial resolution, combined with low background. However, FZP fabrication is a complex and not well reproducible process. In addition, the lifetime of FZPs is rather short, because they are usually placed on thin and highly absorbing silicon nitride membranes. Therefore, efforts have been made to implement silicon FZP, which are expected to be more resistant. The whole device is made from a low absorbing single crystal silicon wafer, and no material interfaces are present. That is, these lenses are especially suited to withstand the extreme radiation loads of brilliant x-ray sources. Particularly, this will be extremely important in applications in next generation X-ray sources, like Free Electron Lasers (FEL). Silicon also ensures that there is no absorption edge in the water window energy range (200- 520 eV), making these lenses ideal for imaging of biological specimens. In this report, there is a detailed description of all the steps involved in the fabrication of silicon Fresnel Zone Plates. In short, the FZP structures are patterned on a resist using electron beam lithography and then the pattern is transferred into silicon by Reactive Ion Etching (RIE) using a thin (20 nm) intermediate Cr mask. Silicon membranes can be thinned after the structure fabrication to guarantee enough transmission even at low energies. This report also includes the analysis and the discussion of some preliminary experiments to evaluate the performance of Si FZP done in the PolLux Beamline of the Swiss Light Source with the help of Dr. J¨org Raabe and Dr. George Tzvetkov. This work was done by the author during his stay at Paul Scherrer Institute from May’06 to October’06 under the help and supervision of Dr. Konstantins Jefimovs and Dr. Christian David.