Materialwahl zur Substitution von W

Für ein Voranschreiten auf dem Weg zur Nutzung von MZP für bildgebende Verfahren ist eine größere Fokuslänge von mindestens ca. 500 µm notwendig, was für eine gleichbleibend hohe Auflösung nach Gleichung (2.21) einen größeren Linsendurchmesser erforderlich macht. Für die Vermeidung eines reduzierten Querschnittsflächenanteils der Schichten und damit einer verminderten Beugungs-effizienz der Linse, ist die Deposition von Schichtpaketen mit einer größeren Gesamtschichtdicke auf einem Draht zwingend notwendig. Aufgrund seiner nied-rigen Depositionsrate stellt für diese Anforderung W das limitierende Element dar, sodass die Substitution durch ein Material mit einer höheren und stabileren Rate essentiell für die MZP-Weiterentwicklung ist.

0.0 2.5x10⁴ 5.0x10⁴ 7.5x10⁴ 0

4 8 12

W

Depositionsrate [nm/kP]

# Laserpulse Ta

Abbildung 5.1:Die in-situ-Messung der Depositionsrate von Ta in Abhängigkeit der abgegebenen Laserpulse zeigt, dass für Ta eine höhere Maximalrate als für W zu verzeichnen ist. Da diese aber mit einer stärkeren Abnahme einher geht, ist die Substitution von W durch Ta jedoch wenig vielversprechend. (vgl. auch Abb.4.1)

Hierfür wäre die Wahl von Ta als Nachbarelement von W im Periodensystem der Elemente eine naheliegende Möglichkeit, da dieses durch die ähnlichen optischen Eigenschaften im Röntgenbereich ähnliche Beugungseffizienzen verspricht (s. Abb.

5.3) und mit einem etwa 400 °C niedrigeren Schmelzpunkt eine entsprechende Verbesserung der limitierenden Depositionseigenschaften gegenüber W erwarten lässt. In-situ-Messungen der Depositionsrate zeigen jedoch, dass mit Ta als Target zwar eine viermal höhere Maximaldepositionsrate (12,3 nm/kP) als mit W erzielt werden kann, diese jedoch signifikant stärker mit wachsender Pulszahl abnimmt, wie aus Abbildung 5.1 im Vergleich zu W ersichtlich wird (dabei gilt es die veränderte Skala der x-Achse im Vergleich zu Abbildung 4.1 zu beachten). Die Depositionsrate von Ta ist bereits nach 65 000 Pulsen auf fast die Hälfte reduziert (6,8 nm/kP) und zeigt eine weiterhin abnehmende Tendenz. Entsprechend wäre für die Abscheidung von Gesamtschichtdicken einiger Mikrometer auf einem Draht eine massive Korrektur über Zusatzpulse erforderlich, was einen anfänglichen Vorteil aufgrund der erhöhten Rate gegenüber W zunichte macht.

Die Ursache der starken Abnahme ist anhand der in Abbildung 5.2 links dargestellten Targetoberfläche nach 100 000 Laserpulsen erkennbar, bei der es zur Ausbildung einer Wellenstruktur mit einer Wellenlänge von ca. 50 µm kommt, auf

5.1 Charakterisierung von Ta₂O₅ der sich wiederum zapfenähnliche Strukturen ausbilden (s. Kap.4.1.1). Neben der starken Ratenabnahme führt die beginnende Ausbildung der Zapfen weiterhin zu einem verstärkten Auftreten von qualitätsmindernden Tröpfchen auf den Schichten. Bereits bei einer 90 nm dicken Ta-Schicht ist eine Flächendichte von ca. 1100 mm⁻² zu verzeichnen, wie beispielhaft in Abbildung 5.2 rechts zu sehen ist. Dies stellt einen weiteren limitierenden Faktor für die Deposition von mehr Material auf einem Draht dar, wie bereits bei der Diskussion der Si-Deposition erörtert wurde (s. Kap. 4.1.6). Folglich stellt Ta aufgrund der zwar zu Beginn höheren und während der Deposition sehr instabilen Rate keine zufriedenstellende Alternative zu W dar, zumal es wie viele Metalle zur Bildung von Tröpfchen neigt [165].

100 µm 10 µm

Abbildung 5.2:Links: REM-Aufnahme einer Ta-Targetoberfläche nach 100 000 Laserpulsen.

Es bildet sich eine wellenartige Struktur aus, auf deren Spitzen sich lokal zuneh-mend Zapfenstrukturen ausbilden.Rechts: 90 nm dicke Ta-Schicht, auf deren Ober-fläche qualitätsmindernde Tröpfchen ersichtlich sind, die von den zapfenartigen Strukturen links stammen.

Eine signifikant höhere Depositionsrate ist bei einer festen Wellenlänge des einstrahlenden Lasers für Metalle generell nur bedingt zu erwarten. Der Grund hierfür liegt in der bekannten Beobachtung, dass sich eine starke Laserabsorption des Targetmaterials, also eine geringe Eindringtiefe des Laserstrahls, in einer reduzierten Ablationsrate widerspiegelt (z. B. [180]). Als quantitatives Maß kann dabei die Eindringtiefe δp betrachtet werden, die die Distanz innerhalb eines Materials angibt, bei der die Strahlungsintensität auf 1/e abgefallen ist [181]:

δp = ¹ α = ^λ

4πk . (5.1)

α ist dabei der materialspezifische Absorptionskoeffizient, λ die Wellenlänge der einfallenden Strahlung und k der imaginäre Teil des komplexen Brechungsindex

des Materials. Für Metalle liegt die Eindringtiefe für UV-Strahlung in der Grö-ßenordnung von lediglich δp∝10 nm. Für eine Wellenlänge von 248 nm, wie sie in dieser Arbeit für PLD verwendet wurde (s. Kap. 3.1), beträgt die Eindringtiefe für Ta beispielsweise δp= 9,0 nm [182].

5,0x10³ 1,0x10⁴ 1,5x10⁴ 2,0x10⁴ 0

5 10 15 20 25

Ta₂O₅ Ta₂O₃ Ta

Beugungseffizienz [%]

Photonenenergie [eV]

W

Abbildung 5.3:Theoretische Beugungseffizienzen in Abhängigkeit von der Photonenener-gie einer MZP gemäß Gleichung (2.26) für verschiedene Materialien in Kombination mit ZrO₂. Während W und Ta sehr ähnliche Effizienzen mit ZrO₂ ermöglichen, sind Ta₂O₅ und ZrO₂ wegen ihrer ähnlichen röntgenoptischen Eigenschaften für Energien unterhalb von 9,8 keV gänzlich ungeeignet und auch für höhere Energien deutlich ineffizienter. Eine Sauerstoffreduktion bewirkt jedoch einen erhöhten Beu-gungswirkungsgrad. Die sprunghaften Veränderungen in den Graphen sind den elementspezifischen Absorptionskanten geschuldet.

(Die Absorptionsdaten sind der CXRO-Datenbank entnommen [73].)

Um bei der Präparation von MZP dennoch von der hohen Absorption und dem ausgeprägten Phasenschub von Ta im Bereich harter Röntgenstrahlung zu profitieren, ist anstelle des reinen Metalls die Verwendung des entsprechenden Me-talloxids Ta2O5 möglich. Mit einer Eindringtiefe für UV-Strahlung von δp∝50µm [183] ist eine für Metalloxide typische hohe Ablations- und damit Depositionsrate zu erwarten, was für die Umsetzung von MZP mit Gesamtschichtdicken von einigen Mikrometer notwendig ist. Wie aber in Abbildung 5.3 erkennbar ist, wäre mit dem Wechsel von W zu Ta₂O₅insbesondere für Energien unterhalb von 9,8 keV nur ein unzureichender Beugungswirkungsgrad in Verbindung mit ZrO2 zu erwarten, welches sich aufgrund seiner hervorragenden Depositionseigenschaften sehr gut für die MZP-Präparation eigneten (s. Kap.4.2und [128]). Die Nutzung der

5.1 Charakterisierung von Ta₂O₅ Materialkombination Ta2O5/ZrO2für eine MZP-Beschichtung erfordert folglich ein hohes Maß an Reduktion des Sauerstoffanteils innerhalb der Schichten, um auf diese Weise den Brechungsindex von Tantaloxid an Ta anzunähern. Wie in den folgenden Abschnitten gezeigt werden wird, kann eben dieses Sauerstoffdefizit in den Schichten bei der Verwendung von Ta2O5 als Target erzielt werden.