DE10259193B4

DE10259193B4 - Anordnung zur Durchführung von Röntgenfluoreszenzanalysen

Info

Publication number: DE10259193B4
Application number: DE2002159193
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Phys. Holz
Original assignee: AXO DRESDEN GmbH
Current assignee: AXO DRESDEN GmbH
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: DE10259193A1

Abstract

Anordnung zur Durchführung von Röntgenfluoreszenzanalysen,
bei der Strahlung einer Röntgenstrahlungsquelle mittels eines reflektierenden Elementes in fokussierter Form in Richtung auf eine Probe oder einen Probenträger unter Einhaltung von Totalreflexionsbedingungen oder der Braggschen Gleichung gerichtet ist und zur Bestimmung von in der Probe angeregter Fluoreszenzstrahlung ein Detektor in Bezug zur Probe/Probenträger angeordnet ist,
und bei der die Probe oder der Probenträger (2a, 2b) in einem Abstand zum Fokuspunkt (F) angeordnet ist
und bei Anordnung zwischen reflektierendem Element (1) und Fokuspunkt (F) eine konvex gekrümmte Oberfläche aufweist,
oder bei Anordnung hinter dem Fokuspunkt (F) eine konkav gekrümmte Oberfläche aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durchführung von Röntgenfluoreszenzanalysen, die insbesondere für die Spurenelementanalyse und hier wiederum besonders für die Qualitäts- und online-Kontrolle von Herstellungsverfahren elektronischer Schaltungselemente geeignet ist.
Wie auch bei herkömmlichen Lösungen für Röntgenfluoreszenzanalysen wird von Röntgenstrahlungsquellen ausgehende Röntgenstrahlung eingesetzt, die auf eine Probe oder einen Probenträger gerichtet wird. Hierzu wird zwischen Röntgenstrahlungsquelle und Probe/Probenträger ein reflektierendes Element eingesetzt, mit dem die Röntgenstrahlung in Richtung auf Probe/Probenträger fokussiert und bevorzugt auch monochromatisiert wird. Ein solches reflektierendes Element kann zur Fokussierung der Röntgenstrahlung konkav gewölbt und mit einem Multischichtsystem für die Monochromatisierung auf eine bestimmte Röntgenstrahlungswellenlänge ausgebildet sein.
Zur größtmöglichen Anregung von Fluoreszenzstrahlung bei einer TXRF- oder BXRF-Analyse an einer Probe ist es erforderlich, die auf die Oberfläche von Probe/Probenträger gerichtete Röntgenstrahlung so zu reflektieren, dass auf der Oberfläche von Probe/Probenträger unter Berücksichtigung der jeweiligen Röntgenstrahlungswellenlänge Totalrefexionsbedingungen eingehalten werden oder der jeweilige Einfallswinkel die Braggsche Gleichung erfüllt.

Eine die letztgenannte Alternative nutzende Lösung ist in DE 199 32 275 A1 beschrieben. Bei dieser vorbekannten Lösung wird entweder parallele oder fokussierte Röntgenstrahlung auf eine Probe, die auf einem Multischichtsysem angeordnet ist, das wiederum auf einem Probenträger ausgebildet ist, gerichtet. Dabei ist jedoch in jedem Fall die bestrahlte Oberfläche eben und planar ausgebildet.

Dies hat aber zur Folge, dass bei einer Bestrahlung der jeweiligen Probe mit paralleler Röntgenstrahlung zwar der für die Fluoreszenzanregung erforderliche günstige Einfallswinkel (Totalreflexion oder Bragg-Winkel) eingehalten werden kann. Die Intensität pro Fläche der zur Fluoreszenzanregung nutzbaren Röntgenstrahlung ist aber reduziert.

Wird aber fokussierte Röntgenstrahlung auf die jeweilige Probe gerichtet, ist diese bei herkömmlichen Methoden im Fokuspunkt angeordnet und die erforderlichen optimalen Einfallswinkel gelten nur für einen Teil der anregenden Strahlung. Dadurch kann zwar eine lokal begrenzte Röntgenfluoreszenzanregung auf einer kleineren Fläche durchgeführt werden, aber die Gesamteffizienz der Anregung steigt nicht proportional mit der Erhöhung des Photonenflusses an.

Außerdem ist in WO 02/25258 A1 eine Vorrichtung mit einer Röntgenstrahlungsquelle und einem doppelt gewölbten optischen Element für die Detektion mittels Röntgenstrahlungsfluoreszenz beschrieben. Dabei wird Röntgenstrahlung auf die Oberfläche des optischen Elementes fokussiert und von dort zumindest ein Teil der Strahlen auf einen Detektor gerichtet.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Durchführung von Röntgenfluoreszenzanalysen vorzuschlagen, die deutlich höhere Photonenflussdichten als mit herkömmlichen ebenen Probenträgern bzw. deutlich bessere Effizienzen der Fluoreszenzanregung als bei fokussierenden Anordnungen realisiert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung verwendet wiederum, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, ein reflektierendes Element, mit dem von einer Röntgenstrahlungsquelle ausgehende Röntgenstrahlung fokussiert und in Richtung auf einen Probenträger oder unmittelbar auf eine Probe gerichtet wird. Die Probe oder ein Probenträger sind dabei konkav oder konvex gekrümmt, so dass die einfallende Röntgenstrahlung die Totalreflexionsbedingungen erfüllt oder der Einfallswinkel dem Bragg-Winkel entspricht. Die Probe oder ein Probenträger sind außerdem außerhalb des Fokuspunktes, also in einem Abstand von diesem angeordnet, so dass jedem bestrahlten Flächenelement wieder nur ein definierter Einfallswinkel zugeordnet ist. Die einfallende Röntgenstrahlung deckt zwar eine größere Fläche ab als direkt im Fokus, dafür kann aber auf jedem Flächenelement die optimale Fluoreszenzanregungseffizienz gewährleistet werden.

Wie bei der herkömmlichen TXRF an ebenen Probenträgern überlagern sich die einfallende und reflektierte Strahlung, und es bildet sich ein stehendes Wellenfeld, dessen Amplitude und Periode von der Wellenlänge und den Einfallswinkeln abhängig ist.

So kann auch bei Einhaltung der Totalreflexionsbedingung (TXRF) I = E2 = AR2E0 2·θ2/θ2 2 für θ < θCoder auch für die Einhaltung der BRAGG-Winkelbedingung (BXRF) I= E2 = AR2E0 2 für θ = θ1.Max und R = R_1.Max (R-Reflektivität);
(mit A = const; z.B A = 4)
eine maximale Intensität (zeitlich gemitteltes Amplitudenquadrat) im ausgebildeten stehenden Wellenfeld erreicht werden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann auf einer gegenüber einem ebenen Träger verkleinerten konvexen oder konkaven Fläche jedes Flächenelement mit optimalem Einfallswinkel bestrahlt werden, was bei den im Stand der Technik eingesetzten ebenen Flächen nur mit Parallelstrahlung möglich ist.

Die mit der Erfindung erreichbare integrale Intensität der anregenden Röntgenstrahlung ist auf einem größeren Oberflächenbereich höher, als bei einer Anregung im Fokus.

Die Krümmung von Probe/Probenträger ist dabei so gewählt, dass unter Berücksichtigung der für Fluoreszenzanregung genutzten Wellenlänge(n) und dem Abstand zwischen Probe/Probenträger und reflektierendem Element gesichert wird, dass auf einem geeigneten Oberflächenbereich die für die Fluoreszenzanregung günstigen, bereits mehrfach bezeichneten Einfallsbedingungen der Röntgenstrahlung eingehalten werden können.

Hierzu sollte die Oberfläche von Probe/Probenträger in Bezug zu einer Achse unsymmetrisch gekrümmt sein, wobei diese Achse orthogonal zur Einfallsrichtung der Röntgenstrahlung ausgerichtet ist.

Die Oberfläche von Probe/Probenträger kann als eine in eine Richtung gekrümmte Fläche ausgebildet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine Art dreidimensionale Krümmung vorzusehen, wobei in diesem Fall eine symmetrische Ausbildung in Bezug zur mit. der optischen Achse der Röntgenstrahlung übereinstimmenden Achse gewählt werden sollte.

Einer zylindersymmetrischen Röntgenstrahl-Quellgeometrie (z.B. Strichfokus) sollte zweckmäßigerweise auch eine zylindersymmetrische Krümmung des Prabenträgers zugeordnet werden.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, die Krümmung der Oberfläche von Probe/Probenträger entsprechend einer logarithmischen Spirale auszubilden. Dabei kann ein bestimmtes Intervall einer solchen Funktion, die mit der Gleichung in Polarkoorinaten r, Φ: r = a·ekΦ mit k > 0 und a > 0
definiert ist, für die Oberflächengeometrie von Probe/Probenträger ausgewählt werden.

So kann ausgenutzt werden, dass eine logarithmische Spirale jeden einzelnen Strahl, der von einem Ursprungspunkt ausgeht, mit dem jeweils gleichen Winkel α (cot α = k) schneidet. Zweckmäßigerweise entspricht der Fokus des fokussierenden reflektierenden Elementes dem o.g. Ursprung der logarithmischen Spirale.

Vorteilhaft ist es außerdem, wie bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist, die von der Röntgenstrahlungsquelle ausgehende Röntgenstrahlung mit Hilfe des reflektierenden und bei der Erfindung gleichzeitig auch fokussierenden Elementes zu monochromatisieren. Hierzu kann ein bestimmtes auf eine Wellenlänge ausgewähltes entsprechendes Multischichtsystem, auch als Gradientenmultischichtsystem (z.B. als Göbelspiegel bezeichnet) eingesetzt werden.

Für viele Anwendungsfälle ist es ausreichend, eine Monochromatisierung in einem bestimmten Wellenlängenintervall um eine mittlere Röntgenstrahlungswellenlänge vorzunehmen, wobei die Abweichungen um diese mittlere Wellenlänge nicht größer als ± 50%, bevorzugt nicht größer als ± 10% sein sollten.

Je nach Anordnung von Probe/Probenträger in Bezug zum reflektierenden Element und dem Fokuspunkt soll die Oberfläche von Probe/Probenträger entsprechend gekrümmt werden.

Wird ein (e) Probe/Probenträger zwischen reflektierendem Element und Fokuspunkt, also vor dem Fokuspunkt, angeordnet, ist eine konvexe Krümmung der Oberfläche zu wählen.

Ist die Probe der Probenträger in einem Abstand hinter dem Fokuspunkt angeordnet, soll die Oberfläche konkav gekrümmt sein. Dabei sollten die Abstände die jeweilige einfallende, für die Fluoreszenzanregung genutzte Wellenlänge und die Krümmung der Oberfläche berücksichtigen, um die für die Fluoreszenzanregung günstigen Einfallsbedingungen auf der möglichst gesamten von der jeweiligen Probe eingenommenen Fläche zu sichern.

Eine Variation des Abstandes von Probe/Probenträger zum Fokuspunkt und dementsprechend auch zum reflektierenden Element kann auch dazu genutzt werden, um eine Nachjustierung vorzunehmen.

Die Probe oder der Probenträger können auch mit einer Stelleinrichtung manipuliert werden. Dabei kann eine bestimmte konkave/konvexe Krümmung der Oberfläche gezielt eingestellt oder auch in bestimmter Form verändert werden.

Eine solche Stelleinrichtung kann z.B. mechanische Spannelemente aufweisen, die durch gezielte Bewegungen eine fixierte Probe/Probenträger so verformen, dass die gewünschte Krümmungsform eingestellt werden kann.

Die Oberfläche der Probe bzw. das Probenträgers sollte für die Röntgenstrahlung hochreflektierend sein, um eine möglichst hohe Fluoreszenzanregungsin tensität und eine möglichst geringe Absorption zu gewährleisten.

So sollte eine mittlere Rauheit (RSM) der Oberfläche ≤ 1 nm eingehalten werden.

Vorteilhaft ist es auch, auf der Oberfläche von Probenträgern ein auf die jeweiligen für die Fluoreszenzanregung genutzte Röntgenstrahlungswellenlänge und den Einfallswinkel dieser Strahlung abgestimmtes Multischichtsystem auszubilden. Die alternierend angeordneten Einzelschichten mit jeweils unterschiedlichem Brechungsindex weisen jeweils über die gesamte Fläche konstante Schichtdicken auf.

Des Weiteren sollten für die Fluoreszenzanregung Wellenlängen eingesetzt werden, die kleiner als die Wellenlänge(n) der jeweiligen Fluoreszenzstrahlung und auch kleiner als die K-Absorptionskante von gegebenenfalls in einer Probe enthaltenen zu analysierenden Spurenelementen sein.

Für den Fall, dass die Fluoreszenzanregung unter Einhaltung von Totalreflexionsbedingungen erfolgen soll, ist es ebenfalls vorteilhaft, die für die Fluoreszenzanregung genutzte Röntgenstrahlung mit einem Einfallswinkel, der geringfügig unterhalb des kritischen Winkels der Totalreflexion liegt, einzustrahlen, um, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, eine erhöhte Absorption in dem Probenträger zu vermeiden, was das Signal-Rauschverhältnis entsprechend negativ beeinflussen würde.

Es besteht die Möglichkeit, eine Röntgenfluoreszenzanalyse unmittelbar an einer Probe vorzunehmen, wobei die erforderliche Krümmung der Oberfläche einer sol chen Probe durch eine entsprechende mechanische Bearbeitung der jeweiligen Oberfläche erreicht werden kann.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine dünne flächige, ansonsten ebene und planare Probe in der gewünschten Form zu krümmen. Dies kann beispielsweise mit einer geeigneten Einspannvorrichtung oder auch dem Aufliegen auf einen entsprechend gekrümmten Probenträger erreicht werden.

In vielen Fällen sind aber die Proben nicht unmittelbar für eine Röntgenfluoreszenzanalyse geeignet. So kann beispielsweise die Probennahme mit Hilfe eines Lösungsmittels bzw. auch einer anderen geeigneten Flüssigkeit erfolgen, in der die jeweiligen zu analysierenden Probenbestandteile (Spurenelemente), in gelöster oder dispergierter Form aufgenommen werden können.

Eine solche, die Probenelemente enthaltende Flüssigkeit, kann auf einen Probenträger, beispielsweise durch Auftropfen aufgebracht und anschließend die Flüssigkeit verdampft werden.

Ein so vorbereiteter Probenträger kann dann in die Anordnung entsprechend eingesetzt und durch die bereits beschriebene Beaufschlagung mit Röntgenstrahlung die Analyse durchgeführt werden.

Für die Detektion der entsprechend angeregten Fluoreszenzintensität können an sich bekannte röntgenoptische Detektoren eingesetzt werden, die selbstverständlich in Bezug zur jeweiligen Probe/Probenträger angeordnet sind.

Es bestehen aber auch Möglichkeiten, eine orts- und/oder wellenlängenselektive Röntgenfluoreszenzanalyse durchzuführen.

Für eine energiedispersive Detektion können z.B. Detektorarrays, zwischen Probe/Probenträger und Detektor angeordnete Polykapillaroptiken oder auch eine entsprechende bewegbare Blende, mit der ein Abscannen der Oberfläche von Probe/Probenträger durchführbar ist, eingesetzt werden.

Eine wellenlängenselektive Messung kann mittels energiedispersiver Detektoren aber auch mit einer Anordnung mindestens eines Filters zwischen Detektor und Probe/Probenträger erreicht werden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigt:

1 in schematischer Form Beispiele von erfindungsgemäßen Anordnungen.

In 1 ist gezeigt, wie ausgehend von einer nicht dargestellten Röntgenstrahlungsquelle Röntgenstrahlung auf ein reflektierendes Element 1 gerichtet wird. Dieses reflektierende Element 1 ist hier konkav gewölbt und mit einem die unterschiedlichen Einfallswinkel von Röntgenstrahlung auf der Oberfläche berücksichtigenden Gradientenmultischichtsystem versehen. Dieses Multischichtsystem dient zur Monochromatisierung der einfallenden Röntgenstrahlung sowie zu ihrer Fokussierung.

Vom reflektierenden Element 1 wird die monochromati sierte Röntgenstrahlung fokussiert.

In 1 sind ferner zwei alternative Anordnungen von Probenträgern 2a und 2b in Bezug zum Fokuspunkt F und dem reflektierenden Element 1 dargestellt worden.

So ist der Probenträger 2a zwischen reflektierendem Element 1 und Fokuspunkt F, also vor diesem angeordnet. Er weist eine konvex gekrümmte Oberfläche auf, die wie im allgemeinen Teil der Beschreibung in Form einer logarithmischen Parabel gekrümmt ist.

Bei der in 1 gezeigten zweiten Alternative ist ein Probenträger 2b mit konkav gekrümmter Oberfläche, deren Krümmung ebenfalls einer logarithmischen Spirale folgt, in Strahlungsrichtung hinter dem Fokuspunkt F der reflektierten, monochromatisierten Röntgenstrahlung angeordnet.

Auf den relevanten Oberflächen der Probenträger 2a und 2b, die aus einem herkömmlichen Probenträgerwerkstoff, wie z.B. Quarz oder Silizium hergestellt worden sind, ist für die Durchführung von Röntgenfluoreszenzanalysen eine Probe mittels einer aufgebrachten Flüssigkeit, die anschließend verdampft wurde, positioniert worden.

Der entsprechende Probenträger 2a oder 2b wurde so angeordnet und ausgerichtet, dass ein geeigneter Oberflächenbereich, auf dem auch die Probe vorab positioniert worden ist, von Röntgenstrahlung zur Anregung von Fluoreszenz beaufschlagt werden kann. Gleichzeitig ist gesichert worden, dass die auf die Oberfläche der Probenträger 2a oder 2b einfallende, für die Fluoreszenzanregung genutzte Röntgenstrahlung an jedem Oberflächenpunkt so einfällt, dass die To talreflexionsbedingung erfüllt.

Optional können auf den relevanten Oberflächen der Probenträger 2a oder 2b auch ein Multischichtsystem, dessen Einzelschichten sich periodisch wiederholend angeordnet sind und jeweils eine konstante Schichtdicke über die Oberfläche des Probenträgers aufweisen, ausgebildet worden sein. Die konstante Schichtdicke der Einzelschichten kann gewählt werden, da auf der gesamten genutzten Oberfläche von Probenträgern 2a oder 2b gleiche Einfallswinkel von Röntgenstrahlung erreicht worden sind und der BRAGG-Winkel eingehalten werden kann.

Mit in Bezug zur Oberfläche des jeweiligen Probenträgers 2a bzw. 2b angeordneten Detektoren 3a, 3b kann angeregte Fluoreszenzstrahlung detektiert werden.

Claims

Anordnung zur Durchführung von Röntgenfluoreszenzanalysen, bei der Strahlung einer Röntgenstrahlungsquelle mittels eines reflektierenden Elementes in fokussierter Form in Richtung auf eine Probe oder einen Probenträger unter Einhaltung von Totalreflexionsbedingungen oder der Braggschen Gleichung gerichtet ist und zur Bestimmung von in der Probe angeregter Fluoreszenzstrahlung ein Detektor in Bezug zur Probe/Probenträger angeordnet ist, und bei der die Probe oder der Probenträger (2a, 2b) in einem Abstand zum Fokuspunkt (F) angeordnet ist und bei Anordnung zwischen reflektierendem Element (1) und Fokuspunkt (F) eine konvex gekrümmte Oberfläche aufweist, oder bei Anordnung hinter dem Fokuspunkt (F) eine konkav gekrümmte Oberfläche aufweist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Oberfläche von Probe oder Probenträger (2a, 2b) unsymmetrisch ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Probe oder des Probenträgers (2a, 2b) entsprechend einer logarithmischen Spirale gekrümmt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierte Röntgenstrahlung mittels des reflektierenden Elementes monochromatisiert ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche von Probe/Probenträger (2a, 2b) hochreflektierend ist.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Rauheit der Oberfläche ≤ 1 nm ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Probenträgers (2a, 2b) ein auf die monochromatisierte Wellenlänge und den Einfallswinkel abgestimmtes Multischichtsystem ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe aus einer Flüssigkeit durch Verdampfung auf der Oberfläche eines Probenträgers (2a, 2b) aufgebracht worden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor zur Bestimmung der Fluoreszenzstrahlung ein energiedispersiver Detektor ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Probe/Probenträger (2a, 2b) und Detektor ein Filter angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Detektorarray für eine ortsaufgelöste Messung vorhanden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Probe/Probenträger (2a, 2b) und Detektor eine Polykapillaroptik für eine ortsaufgelöste Messung angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Probe/Probenträger (2a, 2b) und Detektor eine bewegbare Blende angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von Probe/Probenträger (2a, 2b) zum Fokuspunkt (F) einstellbar ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe/konkave Krümmung der Oberfläche von Probe/Probenträger (2a, 2b) mittels einer Stelleinrichtung variabel einstellbar ist.