Table-top soft x-ray microscopes have attracted interests because of their compact size, easy accessibility, convenient operation, and good performance with nanometer-scale resolution. The table-top soft x-ray microscopes should solve two critical issues for wide applications - low available photon flux and low efficiency of imaging optics. A phase-reversal zone plate (PRZP), which contains phase-shift zones instead of opaque zones, can solve the latter problem, substituting a conventional Fresnel zone plate (FZP) with opaque zones. Polymethyl-methacrylate (PMMA) was chosen as a phase-shift zone material from the consideration of imaging efficiency and simplicity of zone plate fabrication.
A soft x-ray microscope, adopting a PMMA-PRZP as an objective lens and high harmonic radiation as a coherent light source, was constructed and tested. By adjusting incident laser energy and chirp the 61st harmonic from neon, centered at 13.3 nm, was optimized in spectral sharpness and intensity, obtaining spectral sharpness of 280 with positively-chirped 51-fs laser pulses. Nano patterns were imaged on an x-ray CCD with a magnification of 650. The measured resolution of the microscope was better than 100 nm, reaching the limit of the fabricated PMMA-PRZP, and the acquisition time was also reduced by more than half, compared to that of a gold-coated FZP. The soft x-ray microscope adopting PMMA-PRZP and high harmonic x-ray source may be a valuable tool in material science, chemistry, and semiconductor industry. Especially, the achievement of sub-100-nm spatial resolution using a 13-nm light source is very important because it can be applied to the metrology of EUV lithography optics to be used in the next-generation semiconductor production. With the achievement of single-shot image capture with further efficiency enhancement in harmonic generation and in imaging optics the table-top soft x-ray microscope will provide microscopic images with nanometer spatial resolution and femtosecond/ attosecond temporal resolution.
결맞는 연엑스선인 고차조화파를 광원으로 하고, PMMA 위상역전 구역판을 사용하여 테이블 크기의 연엑스선 현미경을 구성하였다. 고출력 펨토초 티타늄 사파이어 레이저의 입사 에너지와 처프를 조절하여 현미경 광원으로 사용하기에 최적화 시켰다. 양의 처프 된 51 펨토초 레이저 펄스는 네온 기체가 채워진 가스 셀에서 약 $5 \times 10^{14} W/cm^2$ 의 세기를 갖게 되고, 13 nm 영역에서 $\frac {\lambda}{\Delta \lambda} = 280$ 의 스펙트럼 단색성을 보였다. 발생한 고차조화파는 지르코늄 필터를 통해 적외선 티타늄 사파이어 레이저 빔으로부터 분리되고, 몰리브덴/실리콘 엑스선 거울을 이용해 중심파장이 13.3 nm 인 61차 조화파만이 연엑스선 현미경에 입사하게 하었다. 13 nm 연엑스선 고차조화파는 HSQ 물질로 제작된 물체에 입사되고, 물체의 상은 PMMA 재질의 위상역전 구역판을 통해 엑스선 CCD에 상이 맺히게 된다. 위상역전 구역판은 프레넬 구역판과 같은 기능을 갖지만, 프레넬 구역판의 불투명 구역이 연엑스선 빔을 막거나 흡수하는데 반해 불투명 구역을 위상역전 구역으로 대체함으로써 구역판의 효율을 증가시킨다. 본 연구에서는 위상역전 구역판의 효율과 제작 용이성을 고려하여 주로 금이나 크롬 같은 금속으로 이루어진 프레넬 구역판을 PMMA 물질을 사용하여 위상역전 구역판으로 대체, 제작하였다. PMMA 물질은 나노기술의 발전에 따라 매우 작은 선폭을 제작하기에 유리할 뿐 아니라, 구역판의 제작과정도 매우 단순해지는 장점을 갖는다. 호이겐스-프레넬 회절이론으로부터 계산된 위상역전 구역판의 효율을 최대화 하기 위해서 적절한 PMMA 위상역전 구역의 두께를 250 nm 로 결정하였다. 이 때 계산된 PMMA 구역판의 효율은 23 % 로 금을 사용한 프레넬 구역판의 효율보다 2 배 이상 증가하였고, 이는 현미경 사진을 찍는데 필요한 노출시간이 반절 이하로 줄었음을 실험을 통하여 보였다. 제작된 PMMA 위상역전 구역판은 200 개의 구역을 가지고, 최외각 구역의 폭이 80 nm, 초점거리가 385 $\mu m$ 이었다. 이론적인 분해능은 구역판의 최외각 구역 폭 수준으로 한계 지어지는데, 칼날 테스트를 통해 얻은 결과는 약 84 nm 에 해당하여 제작된 PMMA 위상역전 구역판을 사용한 연엑스선 현미경의 분해능이 실험적인 한계에 도달하였음을 보였다. 이는 추후 더 세밀한 패턴을 갖는 구역판을 사용한다면 향상시킬 수 있겠다.
13 nm 파장의 고차조화파 연엑스선을 광원으로 사용하고, PMMA 재질의 위상역전 구역판을 이용해 100 nm 이하의 분해능을 더 짧은 노출시간을 통해 구현함은 많은 의미를 가진다. 먼저 고차조화파는 발생장치가 하나의 광학 테이블 크기에 불과하여 많은 실험자가 쉽게 접근할 수 있을 뿐 아니라 제작, 유지 비용도 적으며 쉽게 작동할 수 있다. 또한, 광원으로 사용한 고차조화파는 그 펄스폭이 펨토초, 혹은 아토초에 이르므로 공간적인 나노미터 수준의 분해능 뿐만아니라 시간적으로도 매우 좋은 분해능을 동시에 구현해 낼 수 있다는 점이다. 광량을 증가시키고 엑스선 광학기기와 위상역전 구역판의 효율을 증대시키면, 하나의 고차조화파 펄스로 나노미터 크기 물체의 상을 얻을 수 있으며, 이는 다른 어떠한 광원으로도 얻을 수 없었던 나노미터 공간 분해능과 펨토초/아토초 시간 분해능을 구현해 냄을 의미한다. 게다가 13 nm 광원을 사용해 100 nm 이하의 공간 분해능을 얻은 결과는 고차조화파를 이용한 연엑스선 현미경에서 최고 수준의 결과이며, 차세대 반도체 산업에 적용 가능한 결과라는 점에서 매우 중요하다. 고차조화파와 위상역전 구역판을 이용한 효율 향상된 테이블 크기의 연엑스선 현미경은 재료과학, 물리, 화학, 바이오 기술, 차세대 반도체 산업 등에 유용하게 사용될 것이다.
