Das LIGA-Verfahren (Abkürzung für: Lithographie, Galvanik und Abformung) ist gut geeignet zur Herstellung von Mikrostrukturen mit hohen Aspektverhältnissen in Kunststoffen oder Metallen. Es ermöglicht die Herstellung von Mikrostrukturen mit einer Höhe von bis zu einigen Millimetern mit Aspektverhältnissen von bis zu über 100. Die Strukturen haben parallele Seitenwände mit Oberflächenrauigkeiten im 10 nm-Bereich. Die Geometrie der Strukturen kann beim Elektronenstrahlschreiben der benötigten Röntgenabsorbermasken relativ frei gewählt werden.

Das LIGA-Verfahren ist für die Herstellung von refraktiven (= brechenden) Röntgenlinsen besonders geeignet, weil sich damit hunderte von in einer Reihe stehenden Einzellinsenelementen mit glatten Seitenwänden und Krümmungsradien im Bereich weniger Mikrometer in einem Lithographieschritt fertigen lassen. Refraktive Röntgenlinsen werden im LIGA-Verfahren in SU-8-Resist hergestellt. Der hochempfindliche Negativresist SU-8 ist gut transparent für Röntgenlicht und im ausgehärteten Zustand äußerst beständig gegen Röntgenbestrahlung. Dadurch können die Röntgenlinsen lange im Röntgenstrahl genutzt werden. Für Photonenenergie über etwa 40 keV werden CRLs aus Nickel eingesetzt [Naz 2007].

Folgende Typen von refraktiven Röntgenlinsen (engl.: Compound Refractive Lens, CRL) lassen sich unterscheiden:

Parabolische, refraktive Röntgenlinsen mit Linien- oder Punktfokus

Zur Vermeidung von sphärischer Aberation müssen die brechenden Oberflächen eine parabolische Form haben, sollen sie parallel zur optischen Achse einfallendes Röntgenlicht in einen Linie- oder Punktfokus abbilden. Linsen mit einem Linienfokus stehen senkrecht auf dem Substrat (Abb. 1, oben). Linsen mit Punktfokus bestehen aus Linsen mit horizontalem Linienfokus und aus Linsen mit vertikalem Linienfokus, deren Fokusebenen zusammenfallen, so dass sich ein Punktfokus ergibt. Dazu werden die Linsen mit Linienfokus unter ±45° zum Substrat gefertigt. Es gibt dabei zwei grundsätzlich mögliche Anordnungen: entweder stehen die Linsenelemente mit horizontalem bzw. vertikalem Linienfokus räumlich getrennt hintereinander (Abb. 1, Mitte) oder sie stehen abwechselnd (Abb. 1, unten).

Abb. 1: Fokussierung von Röntgenstrahlen mit refraktiven Linsen: Linienfokus (oben), Punktfokus (darunter)

Abbildung 2 zeigt eine reale Linsenplatte mit 25 verschiedenen Linienfokuslinsen, die am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) an der Forschungszentrum Karlsruhe GmbH hergestellt wurde [Naz 2004]. Die Anzahl an fokussierenden Einzellinsenelementen in den einzelnen Linsenreihen variiert zwischen 3 und 128.

Abb. 2: Beispiel einer Linsenplatte mit 25 refraktiven LIGA-Röntgenlinsen mit Linienfokus (links ) und Detail der Linsenelemente und deren Spiegelung im Substrat (rechts, ©01)

Abbildung 3 zeigt eine Makroaufnahme einer Linsenplatte aus Silizium mit 16 refraktiven IMT-Röntgenlinsen mit Punktfokus. Jede Reihe hat eine andere Anzahl an Einzellinsenelementen mit unterschiedlichen Krümmungsradien. Für jede einzelne Linsenreihe kann die Brennweite für eine vorgegebene Photonenenergie einmalig eingestellt werden, indem eine entsprechende Anzahl Einzellinsenelemente aus der Reihe herausgebrochen wird. Dabei lassen sich die horizontale und die vertikale Brennweite getrennt voneinander einstellen. Die Brennweite kann dabei nur verlängert werden und das Entfernen von Einzellinsenelementen ist natürlich irreversibel. In der Mitte der Linsenplatte befinden sich Strukturen zur Ausrichtung der Linsen im Röntgenstrahl. Der Fokusdurchmesser dieser Linsen lag 2009 bei etwa 100 nm.

Abb. 3: Beispiel einer Linsenplatte mit 16 refraktiven LIGA-Röntgenlinsen mit Punktfokus (links ) und Detail mit ausgebrochenen Einzellinsenelementen (rechts, ©01)

Fresnel-Linsen

Da die optische Weglänge durch das Linsenmaterial für die Randstrahlen bei parabolischen Profilen proportional zum Quadrat der Linsenapertur zunimmt, ist die maximale nutzbare Apertur durch die Absorption des Materials auf einige hundert Mikrometer begrenzt. Der für die Funktion der Linsen genutzte Effekt der Brechung findet an der Oberfläche der Linsenelemente statt. Größere Aperturen sind daher möglich, wenn Linsenmaterial aus den Innern der Linsen entfernt wird, wie in so genannten Fresnel-Linsen (Abb. 4).

Fresnel-Mikrolinsen sind technisch schwer zu realisieren, da die sehr dünnen, fast dreieckigen Strukturen (Abb. 5) in den Randbereichen bei der Belichtung verrunden oder bei der Entwicklung deformieren. Diese Effekte reduzieren die Effektivität der Linsen in den Randbereichen und begrenzen damit wiederum die maximal nutzbare Linsenapertur.

Mosaik-Linsen

Ein anderes Konzept für großaperturige Linsen sind so genannte Mosaik-Linsen. Dabei wird gegenüber den parabolischen Linsen Material derart entfernt, dass in den Randbereichen nur kleine, fast dreieckige Teile des parabolischen Profils stehen bleiben (Abb. 6).

Clessidra-Linsen und refraktive Prismenlinsen

So genannte Clessidra-Linsen ermöglichen ebenfalls große Aperturen (Abb. 7, [Jar 2008]). Die äußere Form dieser Linsen erinnert an eine Sanduhr. Das italienische Wort für Sanduhr, "Clessidra", hat den Linsen ihren Namen gegeben. Nahe der optischen Achse treffen die Röntgenstrahlen auf einige wenige brechende Prismen und werden in den Fokus umgelenkt. Um so weiter entfernt von der optischen Achse  die Röntgenstrahlen die Linse treffen, um so mehr Prismen durchlaufen sie und um so größer ist die Änderung ihrer Richtung.

Abb. 7: Skizze einer Clessidra-Linse

Die größten Linsenaperturen mit der höchsten durchschnittlichen Transmission lassen sich mit refraktiven Prismenlinsen erzielen (engl: X-ray refractive prism lenses, XPL) [Sim 2008].  Diese Linsen bestehen aus zehntausenden Prismen deren Grundfläche gleichseitige Dreiecke sind. Die Prismen sind in einer anderen Geometrie angeordnet als bei den Clessidra-Linsen, um eine noch höhere Transmission zu erzielen (Abb. 8). Jedes durchlaufene Prisma ändert die Strahlrichtung um einen sehr kleinen Winkel. Da die Prismen in einer Reihe einen konstanten Abstand zueinander haben, durchlaufen die Röntgenstrahlen die Prismenfelder annähernd auf Kreisbahnen. Jedes Prisma muss genau auf dem gekrümmten Weg des Lichts durch die Linse positioniert werden.

Abb. 8: Skizze einer refraktiven Prismenlinse und Details der Prismenfläche

Abbildung 9 zeigt die simulierte Intensitätsverteilung in verschiedenen Abständen hinter einer refraktiven Prismenlinse aus nur 170 Prismen. Die Breite der hellen Fokuslinie (rot) in der 5. Ebene hinter der Linse entspricht etwa der Kantenlänge der Prismen. Die Linien im Untergrund neben der Fokuslinie stammen von Licht, dass die Linse entweder zwischen zwei Prismenreihen getroffen hat oder welches an den von der optischen Achse abgewandten Prismenseiten totalreflektiert worden ist. Die hellblauen rechten und linken Ränder der jeweiligen Ebene entstehen durch Licht, das die Linse nicht getroffen hat. Der Farbton steht für die Helligkeit, die in der jeweiligen Ebene ohne die Linse herschen würde.

Abb. 9: Simulierte Intensitätsverteilung hinter einer refraktiven Röntgen-Prismenlinse