20.06.2022 - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Express-Röntgenbilder von Mikrochips

Neue Methode ermöglicht schnelle Abbildung großer Objekte mit Nanometerauflösung - auch für die Industrie interessant

Eine neue Methode beschleunigt die Aufnahme von Röntgenbildern ausgedehnter Untersuchungsobjekte wie Mikrochips. Die innovative Technik ermöglicht es, relativ große Objekte in angemessener Zeit bis in den Nanometerbereich zu untersuchen. Das ist nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für die Industrie interessant, wie das Entwicklerteam um DESY-Forscher Mikhail Lyubomirskiy im Fachblatt „Scientific Reports“ berichtet.

„Mit Röntgenstrahlung lassen sich extrem feine Details erkennen“, sagt Lyubomirskiy. „Allerdings ist die Röntgenbildgebung nicht so einfach wie die Fotografie mit einer optischen Kamera.“ Es gibt keine handelsüblichen Objektive und Kameras für Röntgenstrahlen. Stattdessen verwenden die Wissenschaftler oft eine Technik namens Ptychographie. Sie funktioniert ohne Abbildungsobjektive, indem sie die Probe in feinen Schritten abscannt, während ein Detektor aufzeichnet, wie die Röntgenstrahlen an jeder Position an der Probe gebeugt werden. Die Ptychographie kann eine extrem hohe räumliche Auflösung erreichen, aber die Schrittgröße beim Scannen muss kleiner sein als der Durchmesser des Röntgenstrahls, was zu einer großen Anzahl von Schritten bei größeren Proben führt.

Aus praktischen Gründen ist die Probengröße daher oft auf den Mikrometerbereich beschränkt. Ein Mikrometer ist ein Tausendstel eines Millimeters. Viele Objekte, die für Wissenschaft und Industrie von Interesse sind, sind jedoch viel größer, Mikrochips beispielsweise besitzen Größen im Millimeterbereich. An der Messstation P06 von DESYs Röntgenquelle PETRA III hat das Team um Lyubomirskiy nun eine scheinbar offensichtliche Lösung für das Geschwindigkeitsproblem in die Praxis umgesetzt: Sie scannten die Probe mit mehreren Röntgenstrahlen gleichzeitig. Die große Hürde dabei: Wie lassen sich die Beugungsmuster der verschiedenen Strahlen voneinander unterscheiden?

„Wir haben ein Verfahren entwickelt, bei dem die Identität jedes Strahls in einer individuellen Phase und Form kodiert ist“, erklärt Lyubomirskiy. Wie Lichtwellen schwingen auch Röntgenstrahlen, während sie sich fortbewegen. Der Zustand, in dem sich diese Schwingung zu einer bestimmten Zeit oder an einem bestimmten Ort befindet, wird Phase genannt. Die Wissenschaftler sorgten dafür, dass jeder Röntgenstrahl mit einer anderen Phasenstruktur und Form auf die untersuchte Probe trifft. Zwar zeichnen Röntgendetektoren die Phase einer Welle nicht direkt auf, aber bei der Ptychographie hängen die Eigenschaften des Beugungsbilds von der Phase des Röntgenstrahls ab, mit der er auf die Probe trifft. Durch geschickte Rechnungen können die Forscherinnen und Forscher die unterschiedlichen Beugungsmuster der Phasen-strukturierten Röntgenstrahlen unterscheiden.

Dieses komplexe Verfahren beschleunigt die Bildgebung erheblich. „Grundsätzlich halbiert sich die Untersuchungszeit bei einer Verdopplung der Anzahl der Röntgenstrahlen“, erklärt der DESY-Physiker. „Um unsere Methode zu demonstrieren, haben wir einen Mikrochip mit drei Strahlen abgetastet und dafür etwa ein Drittel der üblichen Zeit benötigt.“ Für eine Fläche von 80 mal 80 Mikrometern benötigte das Dreistrahl-Scannen rund 75 Minuten. Das resultierende Bild hat eine Auflösung von 95 Nanometern (millionstel Millimeter). „In einem späteren Experiment haben wir bereits sechs Strahlen verwendet, und die Methode kann auch auf neun oder möglicherweise sogar zwölf Strahlen erweitert werden“, sagt Lyubomirskiy.

„Der Bedarf, große Proben mit höchster räumlicher Auflösung abzubilden, existiert in vielen Bereichen der Wissenschaft und Industrie und wird mit den zukünftigen Anforderungen an Materialdesign noch zunehmen“, schreibt das Team um Lyubomirskiy. Die Multistrahl-Ptychographie kann dabei für eine schnelle und qualitativ hochwertige Bildgebung in vielen Anwendungen nützlich sein. So hat das Team vor kurzem vom schwedisch-deutschen Röntgen-Ångström-Cluster (RÅC) für Anwendungen in der Katalyseforschung eine Förderung von insgesamt 1,2 Millionen Euro über vier Jahre erhalten. Damit soll ein Rahmen für die Live-Mikroskopie von katalytischen Reaktionen an den Röntgenlichtquellen PETRA III bei DESY und MAX IV im schwedischen Lund entstehen.

Forscherinnen und Forscher vom Zentrum für Röntgen- und Nanowissenschaften CXNS bei DESY, von der Universität Hamburg, vom Lawrence Berkeley National Laboratory, vom MAX-IV-Labor der Universität Lund, vom Paul-Scherrer-Instituts (PSI) in der Schweiz, vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, von der XRnanotech GmbH und von der Helmholtz Imaging Platform waren an dieser Forschung beteiligt.

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