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Design, development, and characterization of thin-film filters for high brilliance sources in the EUV-soft x-ray spectral range
2019 & 2020
Dissertation, RWTH Aachen University, 2019. - Dissertation, Università Degli Studi Di Padova, 2019
Cotutelle-Dissertation. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
; ;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-12-11
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-06027
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/792331/files/792331.pdf
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit den wissenschaftlichen Daten zum Design, zur Herstellungsentwicklung und zur Charakterisierung von Dünnschichttransmissionsfiltern für Quellen mit hoher Brillanz im extremen Ultraviolett (EUV) und im weichen Röntgenspektralbereich. Die Entwicklung und Herstellung von Dünnfilmfiltern für extrem ultraviolette (EUV) und weiche Röntgenquellen mit hoher Brillanz sind in vielen Anwendungen dringend erforderlich. Im Fall der dritten und vierten Generation werden Lichtquellen, Quellen zur Erzeugung von Harmonischen hoher Ordnung (HHG), Dünnfilmfilter für extrem ultraviolettes Licht (EUV) und weiche Röntgenstrahlen verwendet, um Strahlung mehrfacher Ordnung zu entfernen. Darüber hinaus müssen diese Filter für die hohe Spitzenleistung dieser Art von Quellen geeignet sein. Materialien im EUV- und im weichen Röntgenspektralbereich weisen eine hohe Absorption auf. Daher ist es eine große Herausforderung, geeignete Materialien oder Materialkombinationen zu finden, die die Anforderungen der Filter erfüllen. Unter Verwendung von Simulationen des Transmissionsvermögens einer Vielzahl von Materialien, basierend auf den theoretischen Werten ihrer optischen Konstanten und unter Berücksichtigung ihrer mechanischen Eigenschaften, wurden Nb und Zr als Kernelemente für die Herstellung und Untersuchung von freistehenden Filtern ausgewählt.Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Bottom-up-Herstellungstechnik von 100 nm dicken, Dünnfilmen aus Nb, Zr, Nb / Zr und Zr / Nb, die durch Magnetron-Sputtern auf Siliziumnitrat- Membranfenstern abgeschieden wurden. Nach reaktivem Ionentiefenätzen wurden freistehende Nb- und Nb / Zr-Filter erhalten. Diese Proben wurden mittels Rutherford-Rückstreuung, AFM-Bildern und Transmissionscharakterisierung im EUV zwischen 4 und 20 nm unter Verwendung von Synchrotronstrahlung (Bear Beamline, ELETTRA, Italien; Optical Beamline, BESSY Synchrotron, Berlin, Deutschland) charakterisiert. Dieselben Proben wurden im gleichen nm Bereich unter Verwendung einer Plasmaquelle, basierend auf ein Puffgas-Target, als sekundäres Verfahren zur Transmissionscharakterisierung, charakterisiert. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der strukturellen Charakterisierung der Filter mittels TEM-Analyse. Der dritte Entwicklungsteil dieser Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Schäden an 100 nm dicken freistehenden Nb-, Zr-, Zr / Nb- und Nb / Zr-Filtern verursacht durch EUV-Strahlen hoher Intensität. Für diesen Teil des Versuchs wurden Probe auf ein Siliziumnitritfenster unter Verwendung der Elektronenstrahl-Abscheidungstechnik abgeschieden, die stabilere Strukturen aufwiesen. Nach reaktiven Ionentiefenätzen wurden freistehende Filter jedes Typs erhalten. Die Proben wurden vor und nach Bestrahlung mittels Röntgenphotonenspektroskopie (XPS), AFM-Bildern, Röntgenbeugungstechnik und Transmissionscharakterisierung im EUV-Spektralbereich mit Synchrotronstrahlung (Bear Beamline, Italy) charakterisiert. Für die Bestrahlungsaussetzung wurde ein hochdichte Aufbau in einer Plasmaentladungsquelle bei einer Wellenlänge von 13,5 nm verwendet. Transmissionselektronenmikroskopie und rasterelektronenmikroskopische Charakterisierung wurden ebenfalls als komplementäre Techniken zur Untersuchung der Probenstrukturen und Grenzflächeneigenschaften verwendet.This thesis addresses research works on the design, fabrication development, and characterization of thin-film transmittance filters for high brilliance sources in the Extreme Ultraviolet (EUV) and soft X-ray spectral regions. The development and fabrication of thin-film filters for extreme ultraviolet (EUV) and soft x-ray high brilliance sources are strongly required in many applications. In the case of third and fourth generation light sources, high order harmonic generation (HHG) sources, the extreme ultraviolet (EUV) and soft x-ray thin-film filters are used to remove multiple-order radiation. Furthermore, those filters must be suited to face the high peak power of these kinds of sources. In the EUV and soft-X ray spectral range region materials have high absorption, so finding proper materials or combinations of materials that fulfill the requirements of the filters is quite challenging. Using simulations of the transmittance performance of a variety of materials, based on the theoretical values of their optical constants, and taking in account their mechanical properties, Nb and Zr were chosen as core elements for the fabrication and study of free-standing filters. The first development part of this thesis is focused on the bottom-up fabrication technique of Nb, Zr, Nb/Zr, and Zr/Nb thin films of 100 nm thickness, deposited on silicon nitrate membrane windows by magnetron sputtering technique, pursuing to achieve free-standing filter after reactive ion etching of the membrane; Nb and Nb/Zr free-standing filters were produced. These samples were characterized using Rutherford backscattering, AFM images, and transmittance characterization in the EUV between 4-20 nm using synchrotron radiation at the Bear Beamline, ELETTRA, Italy and in Optical Beamline at BESSY synchrotron, Berlin, Germany. Also, the samples were characterized in the same range using a plasma source based on puff gas target as a secondary technique of transmittance characterization. The second part is the structural characterization of the filters using TEM, SEM, HRSTEM, and EDX analysis. The third development part of this thesis is focused on the study of high-intensity EUV radiation damage of Nb, Zr, Zr/Nb, and Nb/Zr 100 nm thick free-standing filters. For this part of the experiment, the samples were deposited on silicon nitride windows using e-beam deposition technique, showing more stable structures, free-standing filters of each type were achieved after reactive ion etching. Samples were characterized before and after exposure using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) technique, AFM images, X-ray diffraction technique, and transmittance characterization in the EUV spectral range performed with synchrotron radiation at Bear Beamline. For radiation exposure, a high peak intensity set-up based on a plasma discharge source was used at 13.5 nm wavelength. Also, transmission electron microscopy and scanning electron microscopy characterization were used as complementary techniques to study the sample’s structures and interface properties.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020477427
Interne Identnummern
RWTH-2020-06027
Datensatz-ID: 792331
Beteiligte Länder
Germany, Italy
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