DE10028970C1 - Röntgenoptische Anordnung zur Erzeugung einer parallelen Röntgenstrahlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine röntgenoptische Anordnung mit einer Röntgenstrahlquelle, einem Röntgenstrahlen fokussierenden und einem Röntgenstrahlen reflektierenden Element, zur Erzeugung einer parallelen Röntgenstrahlung mit kleinem Strahlquerschnitt, hoher Photonendichte. Zur Lösung dieses Problems wird die Röntgenstrahlquelle mit dem fokussierenden Element auf die konkave, parabelförmige und reflektierende Oberfläche des reflektierenden Elementes gerichtet und kann vorteilhaft in der Röntgenanalytik, z. B. bei der Röntgendiffaktometrie, der Reflektometrie und/oder der Fluoreszenzanalyse eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine röntgenoptische Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie kann beson­ ders vorteilhaft in der Röntgenanalytik, z. B. bei der Röntgendiffaktometrie, der Reflektometrie und/oder der Fluoreszenzanalyse eingesetzt werden.

In der Röntgenanalytik werden für die verschiedensten Applikationen Röntgenstrahlung mit hoher Intensität, d. h. insbesondere hoher Photonendichte gefordert. Dies kann durch eine Fokussierung der Röntgenstrahlen erreicht werden. In vielen Fällen ist es jedoch gün­ stiger, Röntgenstrahlung mit sehr kleiner Divergenz, im besten Fall, als parallele Röntgenstrahlung ein­ setzen zu können.

In der Röntgenanalytik kann es aber auch erforderlich sein, die Röntgenstrahlung zu monochromatisieren, um bestimmte Analysen durchführen zu können.

In der Röntgenanalytik ist es außerdem gewünscht, eine hohe Oberflächensensitivität der Röntgenstrah­ lung auf zu analysierenden Oberflächen oder in flui­ dischen Proben, die auf Substratträgern vorhanden sind, zu erreichen. In diesen Fällen wird die Rönt­ genstrahlung bevorzugt streifend, d. h. mit relativ kleinen Einfallswinkeln bis maximal wenigen Grad Einfallswinkeln bzw. wenigen zehntel Grad Einfallswin­ kel, d. h. nahe dem Grenzwinkel der Totalreflexion, auf eine Proben- bzw. eine entsprechende Substrat­ oberfläche gerichtet und demzufolge der Strahlungs­ querschnitt gemäß 1/sin θ auf die Probenfläche proji­ ziert wird. Es ist erwünscht, die Photonendichte je Fläche auf der Projektionsfläche weiter zu erhöhen bzw. auf eine kleinere Projektionsfläche zu konzen­ trieren. Die Oberflächenintensität und demzufolge auch die Photonendichte kann bekanntermaßen durch starke Bündelung paralleler bzw. annähernd paralleler Röntgenstrahlen erhöht werden und demzufolge auch das jeweils lokal erfassbare Messsignal einer Probe ver­ größert werden. Insbesondere die Ortsauflösung der Messsignale, d. h. die möglichst genaue Zuordnung der Messsignale zum Messort stellt hohe Anforderungen an den Messaufbau.

Üblicherweise werden entsprechend klein dimensionier­ te Blenden in den Strahlengang der Röntgenstrahlung angeordnet, so dass nur ein Teil der Röntgenstrahlung durch die Blendenöffnung zum Messort gelangen kann und so eine lokal definierte Zuordnung des Mess­ signals zum Messort erreicht wird. Selbstverständlich bedingt der Einsatz solcher Blenden Intensitätsver­ luste der Röntgenstrahlung, die zur Messung nicht ausgenutzt werden können. Darunter leidet die Mess­ genauigkeit bzw. es muss eine Erhöhung der erforder­ lichen Messzeit in Kauf genommen werden, was für vie­ le Anwendungsfälle nicht gewünscht ist bzw. auch Mes­ sungen unmöglich macht.

Die genannten Nachteile konnten auch mit röntgenopti­ schen Aufbauten, bei denen Multischichtsysteme mit an konkave Krümmungen angepassten Periodendicken, die beispielsweise in DE 44 43 853 A1 beschrieben sind, nicht vollständig beseitigt werden und es ist nicht gelungen, den Strahlquerschnitt der Röntgenstrahlung soweit zu reduzieren, daß die in Folge der erforder­ lichen Blenden auftretenden Intensitätsverluste, nach wie vor, zwar in verringerter Form auftreten.

Des weiteren ist in US 6,049,588 A ein Röntgenstrahlko­ limator für röntgenlithographische Anwendungen bei der Halbleiterherstellung beschrieben, bei dem mit mehreren Kanälen gearbeitet werden kann. Dabei wird für jeden einzelnen Kanal mindestens ein Paar von Spiegeln mit sphärischen Oberflächen verwendet.

Aus WO 99/43009 A1 ist ein Röntgenstrahlungs-Reflexions­ system in einer Kirkpatrick-Baez-Anordnung mit einem Multischichtsystem beschrieben.

Ein Spiegelsystem mit mindestens drei konkaven Spie­ geln, die zylindrisch geformt sind, und für die Strahlführung elektromagnetischer Wellen eingesetzt werden kann, ist in EP 0 340 097 A1 offenbart. Dieses Spiegelsystem soll vorteilhaft in der Plasmaphysik eingesetzt werden können.

In allgemeiner Form ist im Lehrbuch der Experimental­ physik, Band III, Optik, H. Gobrecht, W. de Gruyter- Verlag, Berlin, 1978, Seite 14 auf gekrümmte Spiegel, als Konkav- und Konvexspiegel verwiesen.

Insbesondere in der Halbleitertechnik schreitet die Miniaturisierung stark voran und der Schritt aus dem Micro- und den Nanobereich erfordert von der Analytik Möglichkeiten, um bestimmte Elemente und Verbindungen mit hoher Messgenauigkeit, bei gleichzeitig hoher Ortsauflösung in kurzer Zeit analysieren zu können.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine röntgenopti­ sche Anordnung zur Verfügung zu stellen, mit der par­ allele, zumindest jedoch annähernd parallele Röntgen­ strahlung mit kleinem Strahlquerschnitt und entspre­ chend hoher Photonendichte zur Verfügung gestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungs­ formen und Weiterbildungen der Erfindung, können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merk­ malen erreicht werden.

Die erfindungsgemäße röntgenoptische Anordnung ver­ wendet übliche röntgenoptische Elemente, wie eine geeignete Röntgenstrahlquelle, ein Röntgenstrahlen fokussierendes und ein Röntgenstrahlen reflektieren­ des Element. Dabei wird die Röntgenstrahlung der Röntgenstrahlquelle auf das fokussierende Element gerichtet, wobei es sich um ein einen Linseneffekt erreichendes Element, günstiger jedoch um einen entsprechend geformten Reflektor handeln kann. Die von diesem Element fokussierte Röntgenstrahlung ist auf ein Röntgenstrahlung reflektierendes Element gerich­ tet, dessen reflektierende Oberflächen konvex und parabelförmig ausgebildet ist.

Durch diese Oberflächenform des reflektierenden Ele­ mentes kann gleichzeitig eine Bündelung (Kompression) der Röntgenstrahlung und deren parallele Ausrichtung mit vernachlässigbarer Differgenz erhalten werden, die auf eine entsprechend angeordnete und ausgerich­ tete Oberfläche einer Probe bzw. eines Substrates gerichtet werden kann.

Je nach Form des fokussierenden Elementes kann die konvergente Röntgenstrahlung mit punktförmigem, elliptischem oder linienförmigem Querschnitt erzeugt werden, wobei selbstverständlich auch die Oberf­ lächenkontur des die Röntgenstrahlung reflektierenden Elementes dieser Geometrie angepasst ist. Für linien­ förmige Strahlquerschnitte können das fokussierende und das reflektierende Element Zylindersymmetrie be­ sitzen.

Für viele Einsatzfälle ändert sich die Funktion der eingesetzten Blende und sie dient zur Streulichtun­ terdrückung. Sind jedoch im Einzelfall nach wie vor Blenden erforderlich, um die Ortsauflösung zu erhö­ hen, wird ein wesentlich geringerer Teil der Röntgen­ intensität von den Blenden ausgeblendet, da die Pho­ tonendichte in der entsprechend komprimierten Rönt­ genstrahlung erheblich höher ist, als dies bei be­ kannten Lösungen der Fall ist. So kann ein Intensi­ tätsgewinn größer 2 erreicht werden.

Zumindest die Oberfläche des reflektierenden Elemen­ tes kann eine einzelne reflektierende Schicht, in vielen Fällen jedoch günstiger, ein Multischichtsy­ stem aufweisen.

Wird lediglich eine einzelne reflektierende Schicht oder ein reflektierendes Element, das aus einem ent­ sprechend geeigneten Material besteht, verwendet, kann die Röntgenstrahlung vom fokussierenden Element mit einem Winkel ≦ dem Grenzwinkel θ_c der Totalrefle­ xion auf das reflektierende Element gerichtet und der gewünschte Effekt erreicht werden.

In vielen Fällen ist es jedoch günstiger, ein Gra­ dienten-Multischichtsystem zu verwenden, bei dem die einzelnen Schichten des Multischichtsystems, die un­ terschiedlichen Einfallswinkel der Röntgenstrahlen berücksichtigend, eine entsprechend angepasste Dic­ kenverteilung aufweisen, mit denen die jeweiligen Einfallswinkel θ_i, bei einer vorgebbaren Röntgen­ strahlungswellenlänge die Braggsche Gleichung auf jedem Flächenelement des reflektierenden Elementes erfüllen. Die Gradientenschichten weisen eine sich über die Länge veränderte Doppelschichtdicke auf.

Dadurch kann eine weitere Erhöhung der Photonendichte und auch eine verbesserte Monochromatisierung der Röntgenstrahlung erreicht werden. Die jeweils benach­ barten Einzelschichten eines Multischichtsystems wei­ sen unterschiedliche röntgenoptische Brechungsindizes auf.

Eine möglichst große Kompression der Röntgenstrahlung kann erreicht werden, wenn die Fokuspunkte F von fo­ kussierendem und reflektierendem Element miteinander übereinstimmen, zumindest jedoch in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind.

Bildet das fokussierende Element die Röntgenstrahl­ quelle in einem Linienfokus ab, ist weiterhin vor­ teilhaft, die Parabelform des reflektierenden Elemen­ tes zylindersymmetrisch zu wählen, um eine linienför­ mige Parallelstrahlung zu erhalten.

Neben den bereits erwähnten Vorteilen, kann mit der erfindungsgemäßen röntgenoptischen Anordnung auch bei kleinen Einfallswinkeln der Röntgenstrahlung auf die Proben eine höhere Ortsauflösung der Messsignale er­ reicht werden, da bei annähernd gleicher Photonenzahl die projezierte Fläche auf der Probe verkleinert wird.

Generell kann mit der Erfindung auch das Signal- Rauschverhältnis verbessert werden, da mit dem re­ flektierten Element ein zusätzlicher Monochromator im Strahlengang angeordnet ist.

Neben der Verkürzung der Messzeit kann auch der dyna­ mische Bereich der Messung erhöht werden, was z. B. den Informationsgehalt eines gemessenen Reflekto­ gramms ansteigen lässt, da eventuell durch Unter­ grundsignale verdeckte Beugungsordnungen erfasst wer­ den können.

Durch translatorische Bewegung und/oder Verschwenkung um bestimmte Wegstrecken und Winkel des fokussieren­ den und/oder reflektierenden Elementes kann die Rönt­ genstrahlung auf bestimmte kleine Messorte/-flächen gerichtet werden.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles erläutert werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Beispiel einer röntgenopti­ schen Anordnung nach der Erfindung, bei der divergente Röntgenstrahlung, einer Röntgen­ strahlungsquelle auf ein fokussierendes Element gerichtet und in Parallelstrahlung mit kleinerem Strahlquerschnitt umgewandelt wird und

Fig. 2 in schematischer Form ein Beispiel einer Anordnung, bei der parallele Röntgenstrah­ lung auf ein fokussierendes Element gerich­ tet und in Parallelstrahlung mit deutlich kleinerem Strahlquerschnitt umgewandelt wird.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird divergente Röntgenstrahlung einer Röntgenstrahlungsquelle 1 auf eine konkave, in Parabelform ausgebildete Oberfläche, mit für die verwendete Röntgenstrahlung reflektieren­ der Oberfläche, in diesem Fall ein Multischicht­ system, gerichtet. Die Röntgenstrahlung wird von dort reflektiert und gleichzeitig auf die konvexe, para­ belförmige reflektierende Oberfläche des reflektie­ renden Elementes gerichtet, wobei die vom reflektie­ renden Element 3 reflektierte Röntgenstrahlung gleichzeitig verdichtet und parallel ausgerichtet wird. Die so gebündelte parallele Röntgenstrahlung kann dann für die verschiedenen Röntgenanalysetechni­ ken eingesetzt werden, wobei Röntgenstrahlquerschnit­ te im Bereich kleiner 200 µm ohne weiteres erreichbar sind.

Auf die reflektierende Oberfläche des reflektierenden Elementes 3 kann ebenfalls ein Multischichtsystem, bei dem die Schichtdicken der einzelnen Schichten lokal, entsprechend den unterschiedlichen Einfalls­ winkeln der einfallenden Röntgenstrahlung berücksich­ tigt sind, vorhanden sein. In diesem Fall kann die parallele, reflektierte Röntgenstrahlung nicht nur eine höhere Intensität aufweisen, sondern sie wird außerdem monochromatisiert.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel einer erfin­ dungsgemäßen Anordnung wird Röntgenstrahlung mit ge­ ringer bzw. keiner Divergenz in paralleler Form auf die konkave, parabelförmige reflektierende Oberfläche eines fokussierenden Elementes 2 gerichtet. Von die­ ser Oberfläche wird die Röntgenstrahlung entsprechend reflektiert und gleichzeitig fokussiert und auf die Oberfläche des reflektierenden Elementes 3 gerichtet. Aus der Darstellung ist eindeutig erkennbar, dass der Strahlquerschnitt b', der vom reflektierenden Element 3 parallel reflektierten Röntgenstrahlung wesentlich kleiner als der Strahlquerschnitt b, der ursprünglich eingesetzten parallelen Röntgenstrahlung ist. Daraus folgt, dass bei hinreichend hoher Reflektivität von (2) und (3) die Photonendichte in der vom reflektie­ renden Element 3 reflektierten Röntgenstrahlung ge­ genüber der urspsrünglichen Parallelstrahlung vergrö­ ßert worden ist.

Vorteilhafterweise ist das reflektierende Element wieder mit einem Multischichtsystem an der reflektie­ renden Oberfläche versehen, wobei die Periodendicke d der Einzelschichten die Braggsche Gleichung λ = 2d_eff sin θ erfüllen (d_eff = die die Dispersion berücksichtigende effektive Periodendicke).

Da die fokussierte Röntgenstrahlung unterschiedliche Einfallswinkel θ_i auf die reflektierende Oberfläche des reflektierenden Elementes 3 vorgibt, ist es dem­ zufolge auch erforderlich, ein entsprechendes Gradientenmultischichtsystem einzusetzen, das bei der entsprechenden Röntgenstrahlungswellenlänge den je­ weiligen Einfallswinkeln entsprechend, eine unter­ schiedliche Periodendicke d_i aufweist.

Möglichkeiten zur Ausbildung eines solchen Multi­ schichtsystems sind in der unveröffentlichten DE 199 32 275 genannt, auf deren diesbezüglichen Offenba­ rungsgehalt voll umfänglich zurückgegriffen werden soll.

Sowohl in Fig. 1, wie auch in Fig. 2 ist darge­ stellt, dass die entsprechenden reflektierenden Ober­ flächen des fokussierenden Elementes 2 und des reflektierenden Elementes 3 so ausgebildet und die beiden Elemente 2 und 3 so zueinander angeordnet sind, dass deren Fokuspunkte F miteinander überein­ stimmen.

Bei den Beispielen nach Fig. 1 und 2 weist die re­ flektierende Oberfläche des fokussierenden Elementes 2 eine Parabelform (Fig. 2) auf, es kann jedoch auch eine elliptische Kontur (Fig. 1) eingesetzt werden.

Bei dem Beispiel nach Fig. 2, bei der parallele bzw. nahezu parallele Ausgangsröntgenstrahlung verwendet wird, gilt insbesondere die Gleichung

wobei die Parabelgleichungen

Y = √2px

Y' = √2p'x'

zugrunde gelegt werden bzw.
unter Verwendung von Strahlensatz und Parabel­ gleichung kann diese zu

vereinfacht werden, wobei p und p' die jeweiligen Parabelparameter von fokussierendem Element 2 und reflektierendem Element 3 sind.

Daraus folgt, dass eine Erhöhung der Photonenfluss­ dichte immer dann erreicht werden kann, wenn das mit dem Produkt der mittleren Reflektivitäten von fokus­ sierendem Element 2 R(2) und reflektierendem Element 3 R(3) multiplizierte Verhältnis der Strahlquer­ schnitte R(2).R(3).b/b' < 1 wird.

Claims (10)

1. Röntgenoptische Anordnung mit einer Röntgen­ strahlquelle, einem Röntgenstrahlen fokussieren­ den und einem Röntgenstrahlen reflektierenden Element, zur Erzeugung einer parallelen Röntgen­ strahlung mit kleinem Strahlquerschnitt, hoher Photonendichte, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenstrahlung der Röntgenstrahlquel­ le (1) mit dem fokussierenden Element (2) auf die konvexe, parabelförmige und reflektierende Oberfläche des reflektierenden Elementes (3) gerichtet ist.

2. Röntgenoptische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des reflektierenden Elementes (3) eine reflek­ tierende Schicht oder ein Multischichtsystem vorhanden ist.

3. Röntgenoptische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten des Multischichtsystems Gradienten­ schichten sind.

4. Röntgenoptische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgen­ strahlung mit einem Winkel ≦ dem Grenzwinkel θ_c der Totalreflexion auf das reflektierende Ele­ ment (3) gerichtet ist.

5. Röntgenoptische Anordnung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenstrahlung mit Einfallswinkeln θ_i auf das Multischichtsystem mit Gradientenschichten ge­ richtet ist, so dass bei einer vorgebbaren Rönt­ genstahlungswellenlänge die Braggsche Gleichung auf jedem Flächenelement des reflektierenden Elementes (3) erfüllt ist.

6. Röntgenoptische Anordnung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuspunkte F des fokussierenden Elementes (2) und des reflektierenden Elementes (3) überein­ stimmen.

7. Röntgenoptische Anordnung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das fokussierende Element (2) eine konkave, parabel­ förmige oder elliptische Oberfläche aufweist.

8. Röntgenoptische Anordnung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Parabelform des reflektierenden Elementes (3) zylindersymmetrisch ist.

9. Röntgenoptische Anordnung nach einem der Ansprü­ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass je­ weils benachbarte Einzelschichten des Multi­ schichtsystems unterschiedliche röntgenoptische Brechungsindizes aufweisen.

10. Verwendung einer röntgenoptischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bei der Röntgen­ diffaktometrie, der Reflektometrie und/oder der Röntgenfluoreszenzanalyse.