Low temperature electroplating for highly conformal x-ray phase contrast gratings

Die Röntgen-Phasenkontrastbildgebung gilt als vielversprechender Zweig
der medizinischen Bildgebung, der hohe Auflösung mit hervorragendem
Weichgewebekontrast kombiniert. Die dafür notwendigen Röntgengitter
gehen an die Grenze dessen, was derzeit als Aspektverhältnis und lateraler
Auflösung durch das LIGA Verfahren hergestellt werden kann. Diese fragilen
Resiststrukturen stellen aber neue Anforderungen an die Galvanik.
Das thermische Budget der noch nicht metallisierten Strukturen ist sehr gering,
so dass ein neues Gold Galvanikbad für eine noch präzisere Fertigung
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notwendig wird.
Dazu wird ein neues Sulfit- basiertes Gold-Galvanikbad entwickelt, das bei
einer Temperatur von 30 C betrieben wird. Zugprüfungen und thermische
Analysen des Resists nach den Fertigungsprozessen zeigen, dass dieser eine
höhenabhängige Vernetzung aufweist, die unterschiedliches mechanischen
Verhalten von nominell gleich prozessierten Resiststrukturen hervorbringt.
Der Vernetzungsgradient baut zudem mechanische Spannungen zwischen
Gitter und Substrat ab. Zum ersten Mal kann gezeigt werden, dass bei 50 C
ein Übergang zu plastischem Bruchverhalten eintritt, was die Verformung
im Standard Galvanikbad, das bei 55 C betrieben wird, erklären kann.
Dieses Wissen und das neue Galvanikbad wurden schließlich genutzt, um
bisher unerreichte nahezu perfekte Gitterstrukturen ohne jede Verstrebung
herzustellen, die bei Testuntersuchungen die höchsten bekannten Signal-zu-
Rausch Werte liefern konnten.

X-ray phase contrast imaging is seen as a very promising new approach in
medical imaging, combining high spatial resolution with high soft tissue
contrast. This method applies x-ray gratings that are produced in a way
that both aspect ratio and lateral resolution are at the border of what can be
achieved today with x-ray lithography. These highly fragile resist structures
then define new requirements to the electroplating environment. Especially
the thermal budget of the not metalized structures is exceptionally low, so a
new kind of gold electroplating bath was necessary for a more precise fabrication
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of gratings.
In the wake of this thesis, a new, sulfite based gold electroplating bath is
developed which can be operated at a temperature of 30 C. Additionally it
is shown that only a profound knowledge of the lithography - electroplating
interface will further help to reach the desired precision in the structures.
Therefor investigations on the chemical and mechanical properties of the
resist material after lithography are performed. Those illustrate that the resist
has a height dependent state of crosslinkage, a possible root cause of
grating deformation. It can also be shown that at 50 C a transition in the
mechanical characteristics appears, what could be an explanation for the deformation
of samples in the regular electroplating bath operated at 55 C.
With this knowledge and the new electroplating bath it becomes possible to
fabricate nearly perfect gratings. Those do not need any supportive structures
and therefor feature previously unreached signal-to-noise ratios in xray
tube measurements.