Entwicklung, Aufbau und Inbetriebnahme eines rasternden Reflexions-, Röntgenmikroskops

In dieser Arbeit wird das neuartige Rasternde Reflexions-, Röntgenmikroskop (R3M) für den EUV und Röntgenspektralbereich vorgestellt. Die Arbeit besteht aus zwei Teilen: Erstens, der Entwicklung und Inbetriebnahme der mechanischen Mikroskopieeinheit, sowie der Entwicklung von Fresnel-Zonenplatten als optische Elemente für den EUV Spektralbereich. Zweitens, der Nutzung des R3M zur Mikroskopie magnetischer Domänen, dazu wird der transversale magneto-optischen KERR Effektes (T-MOKE) ausgenutzt. Zudem wird eine effiziente Herstellungsmethode für Zonenplatten-Optiken präsentiert.
 

Das auf Zonenplatten basierende R3M ist kompatibel und kann mit Synchrotronstrahlung als auch mit weiteren Lichtquellen, wie höher harmonischen Laserquellen oder Plasmaquellen betrieben werden. Im Gegensatz zu den etablierten Röntgenmikroskopen basierend auf Trasnsmission, ist das neu entwickelte rasternde Reflexions-Röntgenmikroskop nicht auf Dünnschichtproben angewiesen. Die Nutzung der reflektierten Strahlung erlaubt die Untersuchung des Magnetismus von Oberflächen und Schichtsystemen, unter Ausnutzung des zirkularen magnetischen Dichroismus (XMCD), des linearen magnetischen Dichroismus (XMLD) und des transversalen magneto-optischen KERR Effektes (T-MOKE), jeweils im EUV und Röntgenspektralbereich.
 

Die zuverlässige Funktionsweise des neu entwickelten Mikroskops wurde durch die Schichtanalyse einer Fe\Cr\Fe Dreilagenprobe mittels T-MOKE nachgewiesen. Durch die Analyse mit verschiedenen Photonenenergien nahe der Fe 3p Kante im EUV Spektralbereich konnten verschiedene magnetische Kopplungsbereiche identifiziert und die Magnetisierungszustände der einzelnen Lagen ermittelt werden. Eine weitere Anwendung des R3M ist die Erzeugung elementselektiver Aufnahmen, als Demonstration wurden hierzu Mikroskopiebilder eines Ti/ Si3N4 Schachbrett-Testmusters aufgenommen. Diese Anwendung dient außerdem als Test der Anwendbarkeit der Zonenplatten bei verschiedenen Wellenlängen.
 

Das Röntgenmikroskop nutzt Fresnel-Zonenplatten als Optiken. Diese wurden mit einem im Rahmen dieser Dissertation eigens entwickelten Herstellungsverfahren angefertigt. Dieses Verfahren erlaubt die effiziente Herstellung transmittierender Zonenplattentypen für den EUV und weichen Röntgenbereich. Verwirklicht wurden eine phasenschiebende Zonenplatte aus einer 190 nm dicken PMMA Ringstruktur auf einer Si3N4 Membran. DesWeiteren wird eine absorbierende Zonenplatte aus einer 75 nm dicken Ringstruktur aus Gold auf einer Si3N4 Membran und zuletzt eine freistehende Zonenplatte bestehend aus 50 nm dicken verbundenen Goldringen mit erhöhter Transmission eingesetzt. Alle Strukturen wurden mittels Elektronenmikroskopie geprüft und zeigen die gewünschten Werte. Erste Experimente an der Synchrotronanlage DELTA in Dortmund zeigen eine Ortsauflösung von 9 ± 3 μ m, welche durch das Strahlparameterprodukt, nicht aber durch die Zonenplattenoptik, limitiert wird.

This Thesis introduces a newly designed scanning reflection X-ray microscope (SRXM) for the EUV and soft X-ray regime. It is divided into two sections: First, the development and assembly of the mechanical elements of the SRXM including the development of Fresnel zone plates as optical elements for the EUV spectral regime. Second, proof of principle experiments with the SRXM imaging of magnetic domains, exploiting the transversal magneto optical Kerr effect (T-MOKE). A fast and efficient method for zone plate manufacturing is presented.
 

The zone plate-based microscope SRXM is suitable for the use with synchrotron radiation and tabletop light sources as higher harmonic lasers or plasma light sources. In contrast to the well-established X-ray microscopes based on transmission, the develeped SRXM is based on reflection eleminating the dependency on ultra-thin samples. Exploiting circular magnetic dichroism (XMCD), linear magnetic dichroism (XMLD) or transversal magneto optical KERR effect (T-MOKE) in the EUV and soft X-ray regime in reflection allows the examination of the surface magnetization as the magnetization of layered systems.
 

The reliability of the new developed microscope has been demonstrated by analysing a Fe\Cr\Fe three-layer system using T-MOKE. The use of different photon energies around the 3p energy edge of Fe allows to localize the areas of different magnetic coupling of the Fe-layers and the identification of the magnetic state of each individual Fe-layer. Another application of the SRXM is element selective imaging, demonstrated with a test sample of Ti/ Si3N4 ordered in a chess pattern. This demonstrates that the zone plates developed for this microscope can be used in a broad spectral bandwidth.
 

The fabrication method for the zone plates, used as optics in the SRXM enables efficient fabrication of zone plates for the EUV and soft X-ray spectral regime. Realized were phase changing zone plates, consisting of a 190 nm thick PMMA ring structure and absorbing zone plates consisting of 75 nm thick Au ring structure, both on Si3N4 membranes. Additionally, a free-standing zone plate has been manufactured as 50 nm Au ring structure where the Si3N4 membrane has been removed in the open spaces. All structures were probed with elektonmikroscopy and achieved the desired parameter. In proof of principle experiments at the synchrotron facility DELTA in Dortmund, the absorbing and free-standing variants have been tested and show a special resolution of 9 ± 3 μm, the special limit given by the beam parameter product of the beam line.

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