Nanofabrication processes for high-aspect ratio X-ray zone plates
Tid: Fr 2024-02-23 kl 10.00
Plats: FA31, Roslagstullsbacken 21, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/65103382632
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fysik
Respondent: Hanna Ohlin Ohlin , Tillämpad fysik, Biomedical and X-ray Physics
Opponent: Assistant Professor Matias Kagias,
Handledare: Ulrich Vogt, Biomedicinsk fysik och röntgenfysik
QC 2024-02-02
Abstract
Nanofabrikation är ett brett fält, där det finns många olika metoder för att möjliggöra och underlätta tillverkningen av olika sorters strukturer. Nanostrukturerade material spelar en viktig roll i många olika fält, däribland medicinsk teknologi, energilagring och produktion, datavetenskap med mera. Dessa material kan förekomma i många olika former. Partiklar, kristalliter, mönstrade strukturer med mera.
Ett vanligt förekommande material för nanostrukturer av mer deterministisk art är kisel. Kisel kan bearbetas på många sätt, och inom nanofabrikation delar man upp metoderna i två kategorier - \textit{top-down} och \textit{bottom-up}. I det första fallet når man ett nanostrukturerat material genom att bryta upp en bulk i mindre delar. I det andra fallet gäller det omvända, där strukturer konstrueras från mindre beståndsdelar. Genom att kombinera metoder från de två kategorierna kan komplicerade strukturer tillverkas.
Inom röntgenavbildning finns det en tillämpning för nanostrukturer, då dessa utgör de optiska komponenter som fokuserar infallande röntgenstrålar. Det finns olika sätt att göra detta på. En är genom att använda sig at zonplattor, som är cirkulära gitter med radiellt minskande mått. Dessa strukturer fokuserar ljus genom diffraktion till en punkt. Upplösningen för en zonplatta styrs av storleken på den yttersta zonen. Då röntgenavbildning kan användas för att avbilda väldigt små objekt, exempelvis virus, celler, små partiklar eller kristaller, så behöver även den minsta zonen hos en zonplatta vara mycket liten, helst i nanoskala. För bästa effektivitet behöver relationen tjocklek-bredd hos en zonplatta vara hög. Detta uppnås genom precis nanofabrikation, och de ingående processerna är många, komplexa och är alla beroende av god kontroll och optimering för att ge bästa möjliga resultat.
Syftet med den här avhandlingen är att utvärdera och optimera metoder för tillverkningen av nanostrukturerade zonplattor för röntgenavbildning. Detta inkluderar elektronstrålelitografi, elektroplätering, \textit{*lift-off}-metoder och metallassisterad kemisk etsning - MACE.
En optimerad och kontrollerad elektropläteringsprocess utvärderades för att fylla direktskrivna zonplattestrukturer i CSAR62, en e-strålelitografiresist, med guld i ett litet sulfitbaserat pläteringsbad. Resultatet var fristående zonplattor på kiselnitridmembran som var mellan 400 och 450 nm höga. Den minsta yttre zonen var 40 nm bred, vilket ger ett tjocklek-breddförhållande på 1:10.
MACE är en lovande metod för att framställa zonplattestrukturer, och kan i vissa fall nå mycket höga värden för tjocklek i relation till bredd. Det har dock visat sig vara svårt att kontrollera processen. I den här avhandlingen har MACE-processen utvärderats i flera steg. Detta inkluderar enlagers-lift-off, där det fanns att cykliskt processande är en nyckelfaktor för att få så bra resultat som möjligt. Materialval för MACE har utvärderats med avseende på N och P-dopat kisel, där de resulterande strukturerna studerades. Slutligen utvärderades en lift-off-befriad process, där ett elektropläterat katalysbilager fick ersätta ett konventionellt evaporerat. De resulterande lagren etsades sen i gasfas, och utvärderades därefter. Initiala uppskattningar gav ett tjocklek-breddförhållande på ungefär 1:50.