Alignment techniques for stacking X-ray Fresnel zone plates beyond the diffraction limit.

Wang, Siqi (2025). Alignment techniques for stacking X-ray Fresnel zone plates beyond the diffraction limit. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maitrise en sciences de l'énergie et des matériaux, 35 p.

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Résumé

L’empilement de plaques à zone de Fresnel (FZP) est une approche prometteuse pour améliorer l’efficacité de diffraction dans la focalisation et l’imagerie des rayons X. Cependant, la fabrication de nanostructures FZP de très grande épaisseur reste difficile. L’alignement physique de deux ou plusieurs FZP permet d’augmenter l’épaisseur effective et l’efficacité de diffraction, mais les méthodes existantes sont limitées par la disponibilité des sources de rayons X, les degrés de liberté contrôlables, la précision d’alignement et la friction due au contact. D’autres approches, comme le double-patterning direct, sont contraintes par l’épaisseur réalisable et présentent un risque d’effondrement structurel.

Pour surmonter ces défis, cette thèse présente un système de nano-alignement tout-optique à double illumination (DIANA). Exploitant les caractéristiques nanométriques des puces FZP, DIANA utilise un éclairage cohérent en réflexion pour réaliser une interférométrie laser, permettant un ajustement précis de l’inclinaison et du lacet. Il utilise également un éclairage incohérent en transmission pour un nano-alignement à fort contraste, basé sur des échelles de Vernier et des franges de moiré. Ce système a démontré, pour la première fois, l’empilement réussi de deux FZP avec une précision d’alignement meilleure que 30 nm, offrant un fort potentiel d’amélioration des performances des optiques à rayons X.


Fresnel zone plate (FZP) stacking is an approach to enhance diffraction efficiency in X-ray focusing and imaging. However, it is not feasible to manufacture nano structures in FZPs with such high thickness. By physically aligning multiple FZPs, FZP stacking increases the effective thickness and optical efficiency.

Existing methods face limitations related to X-ray source availability, controlled degrees of freedom, alignment accuracy, and contact-induced friction. Other methods, such as direct double-patterning, face constraints regarding the achievable thickness and risk structural collapse. To overcome these challenges, this thesis reports a double-illumination all-optical nano-alignment (DIANA) system. Leveraging the nano-patterned characteristics of X-ray FZP chips, DIANA uses coherent illumination in reflection mode to implement laser interferometry for precise tilt and yaw adjustment. Additionally, it employs incoherent illumination in transmission mode for high-contrast nano-alignment using Vernier scales and moiré fringes. This thesis presents the development and application of the DIANA system, which, for the first time, successfully demonstrated the stacking of two X-ray FZPs with alignment accuracy better than 30 nm. This approach to stacking FZP chips has the potential to overcome bottlenecks in the field of X-ray optics and significantly enhance the performance of FZPs.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Liang, Jinyang
Mots-clés libres:	Plaque de zone de Fresnel ; optique des rayons X ; alignement au niveau nanométrique ; microscopie optique ; franges de moiré ; système de contrôle automatique ; lithographie ; traitement numérique d’images ; interférences à inclinaison égale ; plateforme de nanopositionnement ; Fresnel zone plate ; X-ray optics ; nanometer-level alignment ; optical microscopy ; moiré fringes ; automatic control system ; lithography ; digital image processing ; equal inclination interference ; nanopositioning stage
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	10 juill. 2026 18:28
Dernière modification:	10 juill. 2026 18:28
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/17189

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