DE112019004478T5

DE112019004478T5 - System und verfahren zur röntgenanalyse mit wählbarer tiefe

Info

Publication number: DE112019004478T5
Application number: DE112019004478.8T
Authority: DE
Inventors: Wenbing Yun; Janos Kirz
Original assignee: Sigray Inc
Current assignee: Sigray Inc
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2021-07-08
Also published as: CN112823280A; WO2020051221A3; US20200098537A1; WO2020051221A2; US11056308B2

Abstract

Ein System zur Röntgenanalyse beinhaltet mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle, die dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen zu emittieren. Die mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle beinhaltet mindestens eine Siliziumkarbid-Unterquelle auf mindestens einem wärmeleitfähigen Substrat oder in dieses eingebettet und dazu konfiguriert, die Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss der mindestens einen Siliziumkarbid-Unterquelle zu generieren. Mindestens einige der Röntgenstrahlen, die von der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle emittiert werden, beinhalten Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen. Das System beinhaltet ferner mindestens eine röntgenoptische Anordnung, die dazu konfiguriert ist, die Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen zu empfangen und eine Probe mit mindestens einigen der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen zu bestrahlen.

Description

BEANSPRUCHUNG EINER PRIORITÄT
Diese Patentanmeldung beansprucht den Vorteil der Priorität gegenüber der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/728,574 , eingereicht am 7. September 2018, die hierin durch diesen Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet
Diese Anmeldung betrifft im Allgemeinen Systeme und Verfahren zum Analysieren von Proben unter Verwendung von Röntgenstrahlen und insbesondere Röntgenstrahlungsquellen, die dazu konfiguriert sind, weiche und/oder sanfte Röntgenstrahlen bereitzustellen, die über einen Röntgenstrahlungsenergiebereich auswählbar sind.
Beschreibung des Standes der Technik
Herkömmliche laborbasierte Röntgenstrahlungsquellen generieren Röntgenstrahlen durch Beschießen eines Zielmaterials (z. B. eine feste Anode; einen flüssigen Metallstrahl) mit einem Elektronenbündel. Die generierten Röntgenstrahlen beinhalten Emissions- (z. B. Fluoreszenz) Röntgenstrahlen, die durch das Elektronenbündel generiert werden, das Löcher in dem Innenkernelektronenorbital der Zielatome erzeugt, die dann durch Elektronen des Ziels mit Bindeenergien, die geringer als die Innenkernelektronenorbitale sind, mit gleichzeitiger Generierung von Emissionsröntgenstrahlen gefüllt werden. Die Emissionsröntgenstrahlen weisen diskrete Energien auf, die für die Zielatome charakteristisch sind und die geringer als die kinetische Energie des Elektronenbündels sind. Zusätzlich beinhalten die generierten Röntgenstrahlen Bremsstrahlung-Röntgenstrahlen, die durch die Verlangsamung des Elektronenbündels innerhalb des Zielmaterials generiert werden, wobei die Bremsstrahlung-Röntgenstrahlen ein Kontinuum von Energien von null bis zur kinetischen Energie des Elektronenbündels aufweisen. Im Allgemeinen wird in Röntgenanalyseanwendungen (z. B. Röntgen-Photoelektronenspektroskopie), in denen Röntgenstrahlen mit einer vorbestimmten Energie die Probe bestrahlen, das Zielmaterial der Röntgenstrahlungsquelle auf Grundlage der Charakteristik diskreter Energien der Emissionsröntgenstrahlen ausgewählt.
Zum Beispiel zeigt 1 die Röntgen-Photoelektronen-Querschnitte für die 1s-, 2p-, 3d- und 4s-Kernebenen von Titan und die 1s-, 2s- und 2p-Kernebvenen von Sauerstoff. Zusätzlich zeigt 1 die Energie der Al Kα-Emissionsröntgenstrahllinie (1,49 keV) (wie sie z. B. von herkömmlichen Al-basierten Röntgenstrahlungsquellen erhalten werden kann) und die Energie der Ga Kα-Emissionsröntgenstrahllinie (9,25 keV) (wie sie z. B. von herkömmlichen Gabasierten Flüssigstrahl-Röngenstrahlungsquellen erhalten werden kann). Im Bereich der Röntgenstrahl-Photonenenergien zwischen diesen beiden beispielhaften herkömmlichen Röntgenstrahlungsquellen ändern sich die Einelektronenquerschnitte der Ti-2p-, Ti-3d-, O-1s- und O-2s-Kernebenen um zwischen 2 und 3 Größenordnungen und ändern sich die Einelektronenquerschnitte der Ti-4s- und 0-2p-Kernebenen um ungefähr 4 Größenordnungen.
KURZDARSTELLUNG
In einem hierin offenbarten Aspekt umfasst ein System zur Röntgenanalyse mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle, die dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen zu emittieren. Die mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle umfasst mindestens eine Siliziumkarbid-Unterquelle auf mindestens einem wärmeleitfähigen Substrat oder in dieses eingebettet und dazu konfiguriert, die Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss der mindestens einen Siliziumkarbid-Unterquelle zu generieren. Mindestens einige der Röntgenstrahlen, die von der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle emittiert werden, umfassen Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen. Das System umfasst ferner mindestens eine röntgenoptische Anordnung, die dazu konfiguriert ist, die Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen zu empfangen und eine Probe mit mindestens einigen der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen zu bestrahlen.
In einem weiteren hierin offenbarten Aspekt umfasst die Röntgenstrahlungsquelle mindestens eine Elektronenquelle, die dazu konfiguriert ist, mindestens ein Elektronenbündel zu generieren, und mindestens ein Ziel. Das mindestens eine Ziel umfasst mindestens ein wärmeleitfähiges Substrat und eine Vielzahl von Unterquellen auf mindestens einem Abschnitt des mindestens einen wärmeleitfähigen Substrats oder in diesen eingebettet. Die Unterquellen sind voneinander getrennt und stehen mit dem mindestens einen wärmeleitfähigen Substrat in thermischer Verbindung. Mindestens eine Unterquelle der Vielzahl von Unterquellen umfasst Siliziumkarbid und ist dazu konfiguriert, Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Beschuss durch das mindestens eine Elektronenbündel zu emittieren.
In einem weiteren hierin offenbarten Aspekt umfasst ein Verfahren zur Röntgenanalyse Beschießen eines Zielmaterials, das Siliziumkarbid umfasst, mit Elektronen. Das Verfahren umfasst ferner Emittieren von Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen von dem Zielmaterial. Das Verfahren umfasst ferner Bestrahlen einer Probe mit mindestens einigen der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen. Das Verfahren umfasst ferner Detektieren von Röntgenstrahlen und/oder Elektronen, die von der Probe emittiert werden.
In einem weiteren hierin offenbarten Aspekt umfasst ein Röntgenbeleuchtungssystem mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle, die mindestens eine erste Röntgenstrahlungsunterquelle und eine zweite Röntgenstrahlungsunterquelle umfasst. Die erste und zweite Röntgenstrahlungsunterquelle befinden sich auf mindestens einem wärmeleitfähigen Substrat oder sind in dieses eingebettet. Die erste Röntgenstrahlungsunterquelle umfasst ein erstes Material, das dazu konfiguriert ist, erste Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss der ersten Röntgenstrahlungsunterquelle zu generieren. Die zweite Röntgenstrahlungsunterquelle umfasst ein zweites Material, das sich von dem ersten Material unterscheidet, wobei das zweite Material dazu konfiguriert ist, zweite Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss der zweiten Röntgenstrahlungsunterquelle zu generieren. Das System umfasst ferner eine Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen, die eine erste optische Anordnung und eine zweite optische Anordnung umfasst. Die erste optische Anordnung umfasst mindestens einen ersten kollimierenden Röntgenstrahlungsspiegel, mindestens eine(n) erste(n) energieselektive(n) Röntgenmonochromator oder Mehrfachschicht und mindestens einen ersten fokussierenden Röntgenstrahlungsspiegel. Die erste optische Anordnung ist dazu konfiguriert, so positioniert zu sein, dass sie mindestens einige der von der ersten Röntgenstrahlungsunterquelle emittierten ersten Röntgenstrahlen lenkt, um eine Probe zu bestrahlen. Die zweite optische Anordnung umfasst mindestens einen zweiten kollimierenden Röntgenstrahlungsspiegel, mindestens eine(n) zweite(n) energieselektive(n) Röntgenmonochromator oder Mehrfachschicht und mindestens einen zweiten fokussierenden Röntgenstrahlungsspiegel. Die zweite optische Anordnung ist dazu konfiguriert, so positioniert zu sein, dass sie mindestens einige der von der zweiten Röntgenstrahlungsunterquelle emittierten zweiten Röntgenstrahlen lenkt, um eine Probe zu bestrahlen.
In einem weiteren hierin offenbarten Aspekt umfasst ein Röntgen-Photoelektronenspektroskopiesystem mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle, die eine Vielzahl von Röntgenstrahlungsunterquellen auf mindestens einem wärmeleitfähigen Substrat oder in dieses eingebettet umfasst. Die Röntgenstrahlungsunterquellen umfassen eine Vielzahl von Materialien, die dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss zu generieren. Das System umfasst ferner eine Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen, wobei jede optische Anordnung mindestens ein kollimierendes röntgenoptisches Element, mindestens ein energieselektives optisches Element und mindestens ein fokussierendes röntgenoptisches Element umfasst. Die Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen ist dazu konfiguriert, so positioniert zu sein, dass sie mindestens einige der von einer ausgewählten der Vielzahl von Röntgenstrahlungsunterquellen emittierten Röntgenstrahlen lenkt, um eine Probe zu bestrahlen. Das System umfasst ferner eine Probenkammer, die dazu konfiguriert ist, die Probe bei einem Probendruck zu enthalten. Das System umfasst ferner eine erste Kammer und eine erste elektrostatische Linse, die in der ersten Kammer bei einem ersten Druck, der geringer als der Probendruck ist, enthalten ist. Die Probenkammer und die erste Kammer sind durch eine erste Wand voneinander getrennt, die eine erste Öffnung aufweist, die dazu konfiguriert ist zuzulassen, dass sich mindestens einige Photoelektronen aus der Probe von der Probenkammer zu der ersten Kammer ausbreiten. Das System umfasst ferner eine zweite Kammer und eine zweite elektrostatische Linse, die in der zweiten Kammer bei einem zweiten Druck, der geringer als der erste Druck ist, enthalten ist. Die erste Kammer und die zweite Kammer sind durch eine zweite Wand voneinander getrennt, die eine zweite Öffnung aufweist, die dazu konfiguriert ist zuzulassen, dass sich mindestens einige Photoelektronen in der ersten Kammer zu der zweiten Kammer ausbreiten.
Figurenliste

1 zeigt die Photoemissionsquerschnitte für die 1s-, 2p-, 3d- und 4s-Kernebenen von Titan und die 1s-, 2s- und 2p-Kernebenen von Sauerstoff mit der Energie der Al Kα-Röntgenstrahlungslinie (1,49 keV) und der Energie der Ga Kα-Röntgenstrahlungslinie (9,25 keV).
2A-2C veranschaulichen schematisch verschiedene Beispiele eines Systems zur Röntgenanalyse gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
3 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Röntgenstrahlungsquelle, die dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen zu emittieren.
4A zeigt die Abschwächungslänge von auf eine Siliziumfläche einfallenden Photonen in Abhängigkeit von der Photonenenergie gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
4B zeigt die Abschwächungslänge von auf eine Hafniumfläche einfallenden Photonen in Abhängigkeit von der Photonenenergie gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
5A zeigt einen Verlauf der parametrischen unelastischen mittleren freien Weglänge von Elektronen in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
5B zeigt den Verlauf der parametrischen unelastischen mittleren freien Weglänge von Elektronen in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen, wobei Pfeile die Energien der Hf M₅ (3d_5/2) Photoelektronen, die durch drei Röntgenstahlungslinien (Si Kα₁;
Rh Kα; Cr Kα₁) generiert werden, bezeichnen, und eine entsprechende Tabelle von Werten gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
5C zeigt den Verlauf der parametrischen unelastischen mittleren freien Weglänge von Elektronen in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen, wobei Pfeile die Energien der Al K (Is)-Photoelektronen und der Al L (2p)-Photoelektronen, die durch drei Röntgenstrahlungslinien (Si Kα₁; Rh Kα; Cr Kα₁) generiert werden, bezeichnen, und eine entsprechende Tabelle von Werten gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
5D zeigt den Verlauf der parametrischen unelastischen mittleren freien Weglänge von Elektronen in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen, wobei Pfeile die Energien der Ti K (Is)-Photoelektronen und der Ti L (2p)-Photoelektronen, die durch drei Röntgenstrahlungslinien (Si Kα₁; Rh Kα; Cr Kα₁) generiert werden, bezeichnen, und eine entsprechende Tabelle von Werten gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
6 zeigt einen Verlauf der relativen Photoelektronenintensität in Abhängigkeit von der Tiefe für Si-2p-Photoelektronen, die unter Verwendung verschiedener Röntgenstrahlungsenergien gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen generiert werden.
7 zeigt einen Verlauf der unelastischen mittleren freien Weglänge von Elektronen in flüssigem Wasser in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
8A veranschaulicht schematisch die Fe-2p-Photoemissionsspitzenintensität in Abhängigkeit von der Röntgenstrahlungsenergie von einem Siliziumsubstrat mit einer 1 nm dicken Fe-Schicht und einer Kohlenstoffdeckschicht mit drei Dicken von 10 nm, 20 nm und 30 nm gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
8B zeigt eine Simulation der „NIST-Datenbank für die Simulation von Elektronenspektren für Flächenanalyse (Simulation of Electron Spectra for Surface Analysis - SESSA)“.
9A veranschaulicht schematisch einen Abschnitt eines beispielhaften Systems, das einen kleinen Fokus nutzt, der Atmosphärendruck-XPS gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen ermöglicht.
9B und 9C zeigen eine beispielhafte Baugruppe einer elektrostatischen Linse bzw. ein beispielhaftes APXPS-System (das sich an der Advanced Light Source befindet) gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
10 zeigt beispielhafte Vorteile einer Umgebungsdruck-XPS gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
11 zeigt einen Ausgleichsdampfdruck von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Gewisse hierin beschriebene Ausführungsformen stellen in vorteilhafter Weise Emissionsröntgenstrahlen mit Energien innerhalb des Bereichs zwischen der Al Kα-Röntgenstrahlungslinie (1,49 keV) und der Ga Kα-Röntgenstrahlungslinie (9,25 keV) bereit. In gewissen Ausführungsformen werden diese Emissionsröntgenstrahlen verwendet, um in vorteilhafter Weise brauchbare Informationen bezüglich zu analysierenden Proben bereitzustellen (z. B. durch Auswählen der Emissionsröntgenstrahlungsenergie, um die Photonenquerschnitte zu optimieren).
Gewisse hierin beschriebene Ausführungsformen stellen eine Quelle für weiche und/oder sanfte Röntgenstrahlen bereit (z. B. weiche Röntgenstrahlen mit Energien in einem Bereich von 0,5 keV bis etwa 1,8 keV; sanfte Röntgenstrahlen mit Energien in einem Bereich von etwa 1,8 keV bis 6 keV), die über einen weiten Energiebereich zum Abstimmen der Tiefensensitivität sowie Untersuchungsgrenzflächen (z. B. gasförmig/fest; gasförmig/flüssig; flüssig/fest) auswählbar sind. Das System in gewissen Ausführungsformen ist optimiert, um einen hohen Fluss von monochromatischen und fokussierten Röntgenstrahlen bereitzustellen.
Die Röntgenstrahlungsquelle gewisser hierin beschriebener Ausführungsformen ist an einen 4,5"-ConFlat®-Flansch montierbar, beinhaltet ein austauschbares Fenster (z. B. Be) und beinhaltet einen Mechanismus mit ausreichendem Schwenkbereich (z. B. 50 mm), um die Röntgenstrahlungsquelle relativ zu den röntgenoptischen Elementen zu bewegen und zu positionieren, ohne das Vakuum zu durchbrechen und ohne eine Neuausrichtung zu erfordern.
Gewisse hierin beschriebene Ausführungsformen stellen auswählbare (z. B. abstimmbare) Röntgenstrahlungsenergien bereit (z. B. auswählbar zwischen 1,74 keV, 2,7 keV und 5,4 keV), wodurch in vorteilhafter Weise Beprobungstiefen (z. B. von 1 nm bis 15 nm) für Flächen-Grenzflächen- und Massenanalyse bereitgestellt werden, und mit optimierter Sensitivität auf ausgewählte Elemente (z. B. Hf; Al; Ti). Gewisse hierin beschriebene Ausführungsformen stellen eine hohe Röntgenstrahlungsenergieauflösung (z. B. besser als 0,7 eV für alle Energien), kleine Röntgenstrahlungsfokuspunktgrößen (z. B. in einem Bereich von 10 µm bis 200 µm; 15 µm oder weniger; 20 µm oder weniger; 100 µm oder weniger) für Analyse und Bildgebung kleiner Punkte und hohen Fluss von monochromatischen Röntgenstrahlen (z. B. mehr als 2×10⁹ Photonen/Sekunde bei 100µm Punktgröße und 200 W oder 300 W Elektronenbündelleistung; bis zu 5×10⁹ Photonen/Sekunde für Hochgeschwindigkeitsanalyse) bereit. Gewisse hierin beschriebene Ausführungsformen stellen Analyse in situ, in vitro und/oder in operando in Kombination mit kleinen Fokuspunktgrößen und hohen Anregungsenergien bereit, wodurch in vorteilhafter Weise ein Betrieb nahe Umgebungsdruck ermöglicht wird. Zum Beispiel können gewisse hierin beschriebene Ausführungsformen durch Verwendung einer Röntgenstrahlungspunktgröße von 100 µm Elektronenenergieanalysatorschlitzgrößen von 100 µm beinhalten, wodurch ein Druck in der Probenregion von etwa 20 mbar ermöglicht wird, was mit dem Dampfdruck von Wasser (z. B. etwa 17 mbar bei 15 Grad Celsius) vergleichbar ist. Bei einem weiteren Beispiel können gewisse hierin beschriebene Ausführungsformen durch Verwendung einer Röntgenstrahlungspunktgröße von 10 µm Elektronenenergieanalysatorschlitzgrößen von 10 µm aufweisen, wodurch ein Druck in der Probenregion von etwa 100 mbar oder sogar höher (z. B. 1 bar) bei einer gleichzeitigen reduzierten Signalstärke ermöglicht wird, was in vorteilhafter Weise für die Untersuchung der Katalyse verwendet werden kann. Gewisse hierin beschriebene Ausführungsformen stellen eine vollautomatisierte Auswahl der Anregungsenergie und/oder der Fokuspunktgröße ohne Kreuzkontamination unterschiedlicher Röntgenstrahlen bereit.
Die 2A-2C veranschaulichen schematisch verschiedene Beispiele eines Systems 10 für Röntgenanalyse gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen. Das System 10 umfasst mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle 20, die dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen 22 zu emittieren. In gewissen Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle 20 mindestens eine Siliziumkarbid-Unterquelle auf mindestens einem wärmeleitfähigen Substrat (z. B. Diamant) (z. B. daran geklebt; daran fixiert; darauf gesputtert) oder in dieses eingebettet und dazu konfiguriert, die Röntgenstrahlen 22 als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss der mindestens einen Siliziumkarbid-Unterquelle zu generieren. Die mindestens eine Siliziumkarbid-Unterquelle kann zum Beispiel mit dem mindestens einen wärmeleitfähigen Substrat in thermischer Verbindung stehen, wodurch ein Wärmeflusspfad weg von der mindestens einen Siliziumkarbid-Unterquelle bereitgestellt wird. Mindestens einige der Röntgenstrahlen 22, die von der mindestens einen Siliziumkarbid-Unterquelle der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle 20 emittiert werden, umfassen Si-charakteristische Röntgenstrahlen (z. B. Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen; Si Kα₁-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen; Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen, die eine Energie von ungefähr gleich 1,74 keV aufweisen).
Während frühere Systeme Röntgenstrahlungsquellen mit Anoden beinhalteten, die eine Wärmeableitungsschicht aufweisen, die Siliziumkarbid umfasst, waren diese Röntgenstrahlungsquellen nicht dazu konfiguriert, Si-charakteristische Röntgenstrahlen (z. B. die Si Kai-Linie) zu emittieren, die im Siliziumkarbid generiert werden (siehe z. B. US-Patentanmeldung mit Veröffentlichungsnr. 2014/0185778 ). Die Röntgenstrahlungsquelle 20 gewisser hierin beschriebener Ausführungsformen ist optimiert, um die Si-charakteristischen Röntgenstrahlen (z. B. die Si Kai-Linie) zu emittieren, die in der Siliziumkarbid-Unterquelle generiert werden (z. B. um die Si-charakteristischen Röntgenstrahlen zur Verwendung durch das System 10 bereitzustellen).
3 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Röntgenstrahlungsquelle 20, die dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen 22 gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen zu emittieren. Die Röntgenstrahlungsquelle 20 umfasst mindestens eine Elektronenquelle 21 (z. B. mindestens eine Elektronenkanonensäule mit einer Elektronenemitterkathode und zugehörigen Gittern, Linsen und Leistungsversorgungen), die dazu konfiguriert ist, mindestens ein Elektronenbündel 23 zu generieren. Die Röntgenstrahlungsquelle 20 umfasst ferner mindestens ein Ziel 24, das mindestens ein wärmeleitfähiges Substrat 25 und eine Vielzahl von Unterquellen 26 auf mindestens einem Abschnitt des mindestens einen wärmeleitfähigen Substrats 25 (z. B. Diamant) (z. B. daran geklebt; daran fixiert; darauf gesputtert) oder in diesen eingebettet umfasst. Die Unterquellen 26 (z. B. mit Mikrostruktur, Submikrongröße oder Mikrongröße) sind voneinander getrennt und stehen mit dem mindestens einen wärmeleitfähigen Substrat 25 in thermischer Verbindung. In gewissen Ausführungsformen umfasst mindestens eine Unterquelle 26a der Vielzahl von Unterquellen 26 Siliziumkarbid (SiC) und ist dazu konfiguriert, Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen 22a als Reaktion auf einen Beschuss durch das mindestens eine Elektronenbündel 23 zu emittieren. Zum Beispiel weisen die von der mindestens einen SiC-Unterquelle 26a emittieren Röntgenstrahlen 22a Energien auf, die der Si Kai-Linie entsprechen (1,74 keV). SiC ist elektrisch leitfähig und weist einen hohen Schmelzpunkt auf, und gewisse hierin beschriebene Ausführungsformen verwenden SiC in vorteilhafter Weise als ein Zielmaterial, um die Röntgenstrahlen 22a mit Energien und hohen Flüssen zu generieren, die zuvor bei laborbasierten Röntgenstrahlungsquellen nicht verfügbar waren.
In gewissen Ausführungsformen ist die mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle 20 dazu konfiguriert, eine ausgewählte Unterquelle 26 mit dem mindestens einen Elektronenbündel 23 zu beschießen (z. B. durch Bewegen eines oder mehrerer von dem mindestens einen Elektronenbündel 23 und dem mindestens einen Ziel 24 relativ zueinander). Zum Beispiel kann die mindestens eine Elektronenquelle 21 gewisser Ausführungsformen dazu konfiguriert sein, das mindestens eine Elektronenbündel 23 (z. B. über elektrische und/oder magnetische Felder) zu lenken, um mindestens eine ausgewählte Unterquelle 26 der Vielzahl von Unterquellen 26 zu beschießen (wie z. B. in 3 durch den gestrichelten Doppelspitzenpfeil bezeichnet). Bei einem weiteren Beispiel kann das mindestens eine Ziel 24 an einer Bühne (nicht gezeigt) montiert sein, um das mindestens eine Ziel 24 seitlich relativ zu dem Elektronenbündel 23 zu bewegen (wie z. B. in 3 durch den durchgehenden Doppelspitzenpfeil bezeichnet).
Wie schematisch durch 3 veranschaulicht, umfasst die mindestens eine Siliziumkarbid-Unterquelle 26a gewisser Ausführungsformen einen Substratabschnitt 25a (z. B. Diamant) auf einem weiteren Substratabschnitt 25b oder in diesen eingebettet und mindestens eine Schicht 27a auf dem Substratabschnitt 25a, wobei die mindestens eine Schicht 27a Siliziumkarbid umfasst. In gewissen Ausführungsformen ist die mindestens eine Schicht 27a, die Siliziumkarbid umfasst, auf dem wärmeleitfähigen Substratabschnitt 25a ausgebildet (z. B. über chemische Dampfabscheidung, Sputtern, Sol-Gel-Beschichtung, Plasmasprühen und/oder Reaktantsprühen). Zum Beispiel kann RF- oder DC-Magnetronsputtern mit einem Siliziumkarbid-Sputterziel verwendet werden (z. B. erhältlich von Saint-Gobain Ceramic Material, Courbevoie, Frankreich oder American Elements, Los Angeles, CA), um eine Siliziumkarbidfolie (siehe z. B. US-Patent Nr. 5,944,963 ) oder ein wärmeleitfähiges Substrat (z. B. Diamant) auszubilden. In gewissen Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Schicht 27a, die Siliziumkarbid umfasst, Einzelkristall-Siliziumkarbid (z. B. 4H Klasse A, N-Typ-Siliziumkarbidkristall, erhältlich von MSE Supplies, Tuscon, AZ). In gewissen Ausführungsformen ist das Siliziumkarbid dotiert, um elektrisch leitfähig zu sein (z. B. mit einer elektrischen Leitfähigkeit, die ausreicht, um ein Aufladen der Siliziumkarbidfolie aufgrund des Elektronenbeschuss zu verhindern), während das Siliziumkarbid in gewissen anderen Ausführungsformen eine elektrisch leitfähige Flächenbeschichtung aufweist (z. B. mit einer Dicke im Nanometerbereich).
In gewissen Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Schicht 27a mindestens eine Zwischenschicht (z. B. W) zwischen dem Substratabschnitt 25a und dem Siliziumkarbid, wobei die mindestens eine Zwischenschicht dazu konfiguriert ist, das Anhaften des Siliziumkarbids an dem Substratabschnitt 25a zu erleichtern und/oder eine Diffusionsbarriere zwischen dem Siliziumkarbid und dem Substratabschnitt 25a bereitzustellen. Während reines stöchiometrisches Siliziumkarbid ein Halbleiter ist, kann das Siliziumkarbid in gewissen Ausführungsformen nicht-stöchiometrisch sein (z. B. überschüssigen Kohlenstoff beinhalten; ein Mol-Verhältnis von Kohlenstoff zu Silizium in einem Bereich zwischen 1 und 1,45), kann dotiert sein und/oder kann mit einer dünnen Metallschicht beschichtet sein, um eine vorbestimmte elektrische Leitfähigkeit bereitzustellen, sodass die Unterquelle 26a dazu konfiguriert ist, in der Anode der Röntgenstrahlungsquelle 20 verwendet zu werden.
In gewissen Ausführungsformen umfasst die Vielzahl von Unterquellen 26 mindestens eine erste Unterquelle 26a, die SiC umfasst, und mindestens eine zweite Unterquelle 26b, die mindestens ein anderes Zielmaterial als SiC umfasst (z. B. Al, Ag, Rh, Cr, Au, Ti, Fe und/oder Mo). In gewissen anderen Ausführungsformen umfasst die Vielzahl von Unterquellen 26 eine Vielzahl von Zielmaterialien (z. B. 3, 4 oder mehr), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Ag, Rh, Cr, Au, Ti, Fe und Mo. Das mindestens eine Zielmaterial kann sich auf einem einzelnen wärmeleitfähigen Substrat (z. B. Diamant) oder einer Vielzahl von wärmeleitfähigen Substraten befinden (z. B. daran geklebt; daran fixiert; darauf gesputtert) oder in diese(s) eingebettet sein. Zum Beispiel kann das mindestens eine Zielmaterial mit dem mindestens einen wärmeleitfähigen Substrat 26 in thermischer Verbindung stehen, wodurch ein Wärmeflusspfad weg von dem mindestens einen Zielmaterial bereitgestellt wird. Die emittierten Röntgenstrahlen 22 weisen Energien, die einer oder mehreren charakteristischen Röntgenstrahlungslinien (z. B. Röntgenemissionslinien) des mindestens einen Zielmaterials entsprechen, und ultrahohe Quellenhelligkeit auf. Zum Beispiel können die emittierten Röntgenstrahlen 22 mindestens eines von Folgenden umfassen: Al Kα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen (etwa 1,49 keV); Ag Lα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen (etwa 2,98 keV); Rh Lα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen (etwa 2,70 keV); Cr Kα₁-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen (etwa 5,42 keV); Au Lα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen (etwa 9,70 keV); Ti Kα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen (etwa 4,51 keV); Fe Kα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen (etwa 6,40 keV); Mo Lα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen (etwa 2,29 keV); Mo Lβ₁- und Mo Lβ₂-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen (etwa 2,39 keV bzw. 2,52 keV).
In gewissen Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle 20 ferner ein Röntgenstrahlungsfenster 28 (z. B. Be), das dazu konfiguriert ist zuzulassen, dass sich mindestens einige der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen 22a von einer ersten Region innerhalb der Röntgenstrahlungsquelle 20 und beinhaltend die mindestens eine Unterquelle 27a durch das Röntgenstrahlungsfenster 28 zu einer zweiten Region außerhalb der Röntgenstrahlungsquelle 20 ausbreiten.
In gewissen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Ziel 24 eine Anodenscheibe, die dazu konfiguriert ist, unter Vakuum schnell gedreht zu werden, wobei unterschiedliche Regionen der Anodenscheibe entlang einer kreisförmigen Spur nacheinander durch das Elektronenbündel 23 bestrahlt werden, wodurch die Wärmelast von dem Elektronenbündel 23 über die kreisförmige Spur der Anodenscheibe verteilt wird. In gewissen derartigen Ausführungsformen wird die Anodenscheibe durch ein Kühlmittel (z. B. Wasser), das durch Kühlkanäle innerhalb der Anodenscheibe fließt, gekühlt. In gewissen anderen Ausführungsformen wird das mindestens eine Ziel 24 radiativ gekühlt. Zum Beispiel kann eine drehende Anodenscheibe des mindestens einen Ziels 24 Siliziumkarbid umfassen (das Betriebstemperaturen von etwa 2000 Grad Celsius widerstehen kann), und mindestens eine Wärmesenke kann in großer Nähe zu einem Flächenabschnitt der drehenden Anodenscheibe in einer Region der drehenden Anodenscheibe positioniert sein, die von der Region der drehenden Anodenscheibe, die durch das Elektronenbündel 23 bestrahlt wird, getrennt ist. Während herkömmliche drehende Quellenanoden mit Kühlkanälen mit einem Elektronenbündel 23 mit einer Leistung von 1000 W in einer Punktgröße von etwa 80 µm × 80 µm betrieben werden kann, können gewisse hierin beschriebene Ausführungsformen (die eine drehende Anodenscheibe mit Siliziumcarbid nutzen) mit einem Elektronenbündel 23 betrieben werden, das eine Leistung von 200 W oder 300 W in einer Punktgröße von etwa 5 µm × 5 µm aufweist, was zu einer mindestens etwa 50-fachen Verbesserung der Röntgenstrahlungshelligkeit führt (80 µm/5 µm × 80 µm /5 µm × 200W/1000W).
Beispielhafte Parameter der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle 20 beinhalten unter anderem: eine variable Anodenspannung in einem Bereich von 5 keV bis 30 keV; eine Elektronenleistung bis zu 300 W, einen Elektronenbündelplatzbedarf an mindestens einer ausgewählten Unterquelle mit einer vom Benutzer auswählbaren Größe (z. B. volle Breite bei halbem Maximum) mit einer ersten seitlichen Abmessung innerhalb eines Bereichs von 5 µm bis 50 µm (z. B. 5 µm bis 25 µm; 10 µm bis 50 µm; 10 µm bis 25 µm; 25 µm bis 50 µm) und einer zweiten seitlichen Abmessung senkrecht zu der ersten seitlichen Abmessung, wobei die zweite seitliche Abmessung innerhalb eines Bereichs von 30 µm bis 200 µm liegt (z. B. 30 µm bis 150 µm, 30 µm bis 100 µm). Beispiele der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle 20, die eine Vielzahl von Unterquellen 26 umfasst, die mit gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel ist, sind in den US-Patenten Nr. 9,874,531, 9,823,203, 9,719,947, 9,594,036, 9,570,265, 9,543,109, 9,449,781, 9,448,190 und 9,390,881 offenbart, von denen jede durch diesen Verweis in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
In gewissen Ausführungsformen umfasst das System 10 eines oder mehrere von Folgenden: ein Röntgen-Photonenelektronenspektroskopie-System (XPS-System), ein Photoemissionselektronenmikroskopiesystem (PEEM-System), ein winkelauflösendes Photoemissionsspektroskopiesystem (ARPES-System), ein Umgebungsdruck-Röntgen-Photonenelektronenspektroskopiesystem (APXPS-System), ein Röntgenfluoreszenzsystem (XRF-System), ein Röntgenemissionssystem (XES-System), ein Röntgen-Phasenkontrastbildgebungssystem und ein Computertomographie-Bildgebungssystem. Andere Arten von Systemen und/oder Anwendungen des Systems sind ebenfalls mit gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel. Die zu analysierenden Proben können eine oder mehrere biologische Proben (z. B. Gewebeproben), eine oder mehrere Halbleiterproben, eine oder mehrere geologische Proben und/oder andere Arten von Proben umfassen.
Für eine Spurenelementanalyse von Halbleiter- und geologischen Proben kann die Verwendung der Si Kai-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen in vorteilhafter Weise den Hintergrundbeitrag von Silizium in den Proben reduzieren. Da die Energie der Si Kα₁-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen (etwa 1,74 keV) geringer als die Si K-Adsorptionskantenenergie ist, generieren die Si Kα₁-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen keinen Hintergrund-Photoelektronen- und/oder Fluoreszenzbeitrag von Si, der zu sehen wäre, wenn Röntgenstrahlen über der Si K-Adsorptionskantenenergie verwendet würden.
In gewissen Ausführungsformen, wie schematisch durch die 2A-2C veranschaulicht, umfasst das System 10 ferner mindestens ein erstes röntgenoptisches Element 30, das dazu konfiguriert ist, mindestens einige der Röntgenstrahlen 22, die von der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle 20 emittiert werden, zu empfangen und ein kollimiertes erstes Röntgenstrahlbündel 32 zu generieren. Das System 10 umfasst ferner mindestens ein zweites röntgenoptisches Element 40, das dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil des kollimierten ersten Röntgenstrahlbündels 32 zu empfangen und ein monochromatisches zweites Röntgenstrahlbündel 42 zu emittieren. Das System 10 umfasst ferner mindestens ein drittes röntgenoptisches Element 50, das dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil des monochromatischen zweiten Röntgenstrahlbündels 42 zu empfangen und ein drittes Röntgenstrahlbündel 52 an einer zu analysierenden Probe 60 zu fokussieren.
2B veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes System 10 gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen. Das mindestens eine erste röntgenoptische Element 30 der 2B umfasst mindestens ein kollimierendes röntgenoptisches Element 34 (z. B. Spiegel; Spiegellinse), das dazu konfiguriert ist, mindestens einige der Röntgenstrahlen 22, die von der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle 20 emittiert werden (z. B. einschließlich mindestens einiger der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen), zu empfangen und das kollimierte erste Röntgenstrahlbündel 32 zu generieren. Die Fläche 36 kann konkav und in mindestens einer Querschnittsebene parallel zu einer Längsachse 38 des mindestens einen kollimierenden röntgenoptischen Elements 34 (z. B. in einer Querschnittsebene, die die Längsachse 38 beinhaltet) gekrümmt sein. Das mindestens eine kollimierende röntgenoptische Element 34 kann eine axial symmetrische kollimierende Röntgenoptik (z. B. eine Parabolspiegellinse; eine Wolter-Optik) mit einer Fläche 36 umfassen, die dazu konfiguriert ist, mindestens einige der Röntgenstrahlen 22 zu sammeln und von der mindestens einen Röntgenstrahlquelle 20 wirksam in das kollimierte erste Röntgenstrahlbündel 32 zu lenken (z. B. zu reflektieren, abzulenken). Zum Beispiel kann die mindestens eine Röntgenstrahlungsunterquelle, die durch das mindestens eine Elektronenbündel beschossen wird, an oder nahe dem Fokus des mindestens einen kollimierenden röntgenoptischen Element 30 positioniert sein, sodass mindestens einige der emittierten Röntgenstrahlen 22 mit einem streifenden Einfallwinkel, der kleiner als der kritische Winkel ist, auf die Fläche 36 treffen und in das kollimierte erste Röntgenstrahlbündel 32 reflektiert werden. In gewissen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine kollimierende optische Element 34 mindestens eine Schicht (z. B. eine tiefenabgestufte Mehrschichtbeschichtung; eine Mosaikkristallschicht) an der Fläche 36, wobei die mindestens eine Schicht dazu konfiguriert ist, die Röntgenstrahlen 22 mit spezifischen Röntgenstrahlungsenergien wirksam zu sammeln und zu lenken (z. B. zu reflektieren, abzulenken). Beispiele der kollimierenden röntgenoptischen Elemente 34, die mit gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel ist, sind in den US-Patenten Nr. 9,874,531, 9,823,203, 9,719,947, 9,594,036, 9,570,265, 9,543,109, 9,449,781, 9,448,190 und 9,390,881 offenbart, von denen jede durch diesen Verweis in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
In gewissen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine kollimierende röntgenoptische Element 34 mindestens ein Substrat (z. B. umfassend Glas oder Siliziumoxid). Zum Beispiel kann das mindestens eine Substrat eine einzelne, einteilige, hohle, axial symmetrische Struktur (z. B. ein axial symmetrisches Rohr) sein, die eine Innenfläche 36 umfasst, die sich vollständig um die Längsachse 38 erstreckt (z. B. die Längsachse 38 einkreist; sich um 360 Grad um die Längsachse 38 erstreckt). In gewissen anderen Ausführungsformen kann das mindestens eine Substrat einen Abschnitt einer hohlen, axial symmetrischen Struktur umfassen (z. B. einen Abschnitt eines axial symmetrischen Rohrs), der sich entlang der Längsachse 38 erstreckt, wobei sich eine Fläche 36 nur teilweise um die Längsachse 38 erstreckt (z. B. um weniger als 360 Grad; in einem Bereich von 45 Grad bis 315 Grad; in einem Bereich von 45 Grad bis 360 Grad; in einem Bereich von 180 Grad bis 360 Grad; in einem Bereich von 90 Grad bis 270 Grad). In gewissen anderen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Substrat mehrere Abschnitte (z. B. 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr), die voneinander getrennt (z. B. mit Abständen zwischen den Abschnitten) und um die Längsachse 38 verteilt sind, wobei sich die Fläche 36 jedes Abschnitts zumindest teilweise um die Längsachse 38 und entlang dieser erstreckt. Zum Beispiel können sich die Flächen 36 der mehreren Abschnitte jeweils in einem Winkel in einem Bereich von 15 Grad bis 175 Grad, in einem Bereich von 30 Grad bis 115 Grad und/oder in einem Bereich von 45 Grad bis 85 Grad um die Längsachse 38 erstrecken.
In gewissen Ausführungsformen weist mindestens ein Abschnitt der Fläche 36 ein Profil auf, das einen Abschnitt eines quadratischen Profils in einer Querschnittsebene umfasst, die die Längsachse 38 umfasst. In gewissen Ausführungsformen umfasst die Fläche 36 mehrere Abschnitte mit Querschnittsprofilen (z. B. in einer Querschnittsebene, die die Längsachse 38 umfasst), die entsprechende quadratische Profile umfassen. Beispiele von quadratischen Profilen, die mit gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel sind, beinhalten unter anderem: mindestens eine Ellipse; mindestens ein Paraboloid; mindestens ein Hyperboloid; oder eine Kombination aus zwei oder mehreren davon. In gewissen Ausführungsformen weist die Fläche 36 eine erste lineare Abmessung (z. B. Länge) parallel zu der Längsachse 38 in einem Bereich von 3 mm bis 150 mm, eine zweite lineare Abmessung (z. B. Breite) senkrecht zu der ersten linearen Abmessung in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm und eine maximale lineare Abmessung (z. B. einen Innendurchmesser; eine maximale Länge eines geraden Liniensegments, das zwei Punkte auf der Fläche 36 verbindet) in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm in einer Ebene senkrecht zu der Längsachse 38, eine Flächenrauheit in einem Bereich von 0,1 nm bis 1 nm und/oder eine Vielzahl von Flächentangentenebenen mit einem Bereich von Winkeln relativ zu der Längsachse 38 in einem Bereich von 0,002 Radian bis 0,5 Radian (z. B. in einem Bereich von 0,002 Radian bis 0,4 Radian; in einem Bereich von 0,002 Radian bis 0,3 Radian; in einem Bereich von 0,002 Radian bis 0,2 Radian) auf.
Das mindestens eine zweite röntgenoptische Element 40 der 2B umfasst mindestens eine energieselektive Komponente (z. B. Röntgen-Monochromator; Mehrfachschicht; mit Mehrfachschicht beschichtetes optisches Substrat), die dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil des kollimierten ersten Röntgenstrahlbündels 32 zu empfangen und das monochromatische zweite Röntgenstrahlbündel 42 (z. B. einschließlich mindestens einiger der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen) zu emittieren. In gewissen Ausführungsformen weist das mindestens eine zweite röntgenoptische Element 40 eine Energieauflösung besser als 2 eV auf. Zum Beispiel kann das mindestens eine zweite röntgenoptische Element 40 mindestens einen Röntgen-Kristallmonochromator (z. B. einen Einzelkristallmonochromator; einen Doppelkristallmonochromator; einen Quartzmonochromator; einen InSb(III)-Monochromator; einen Ge(III)-Monochromator; einen Ge(220)-Monochromator; einen Si(111)-Monochromator) mit einer Auflösung von mindestens 1×10^-4 umfassen. Bei einem weiteren Beispiel kann das mindestens eine zweite röntgenoptische Element 40 mindestens ein mit Mehrfachschicht beschichtetes optisches Substrat mit einer Auflösung von mindestens 1×10^-3 umfassen. Während 2B schematisch veranschaulicht, dass das mindestens eine zweite röntgenoptische Element 40 von dem mindestens einen ersten röntgenoptischen Element 30 und von dem mindestens einen dritten röntgenoptischen Element 50 getrennt ist, umfasst das mindestens eine zweite röntgenoptische Element 40 in gewissen anderen Ausführungsformen eine energieselektive Beschichtung (z. B. eine Mehrschichtbeschichtung, die dazu konfiguriert ist, im Wesentlichen Röntgenstrahlen innerhalb eines vorbestimmten Energiebereichs zu reflektieren) an einer reflektierenden Fläche des mindestens einen ersten röntgenoptischen Elements 30 und/oder an einer reflektierenden Fläche des mindestens einen dritten röntgenoptischen Elements 50. Beispiele einer energieselektiven Komponente, die mit gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel ist, sind in den US-Patenten Nr. 9,874,531, 9,823,203, 9,719,947, 9,594,036, 9,570,265, 9,543,109, 9,449,781, 9,448,190 und 9,390,881 offenbart, von denen jede durch diesen Verweis in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
Das mindestens eine dritte röntgenoptische Element 50 der 2B umfasst mindestens ein fokussierendes röntgenoptisches Element 54 (z. B. Spiegel; Spiegellinse), das dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil des monochromatischen zweiten Röntgenstrahlbündels 42 zu empfangen und das dritte Röntgenstrahlbündel 52 (z. B. einschließlich mindestens einiger der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen) auf die Probe 60 zu fokussieren (z. B. an einer Flächenregion der Probe 60 fokussiert). Die Fläche 56 kann konkav und in mindestens einer Querschnittsebene parallel zu einer Längsachse 58 des mindestens einen fokussierenden röntgenoptischen Elements 54 (z. B. in einer Querschnittsebene, die die Längsachse 58 beinhaltet) gekrümmt sein. Das mindestens eine fokussierende röntgenoptische Element 54 kann eine axial symmetrische fokussierende Röntgenoptik (z. B. eine Parabolspiegellinse; eine Wolter-Optik) mit einer Fläche 56 umfassen, die dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil des monochromatischen zweiten Röntgenstrahlbündels 42 zu sammeln und wirksam zu lenken (z. B. zu reflektieren, abzulenken) und auf die zu analysierenden Probe 60 zu fokussieren. Zum Beispiel kann das mindestens eine fokussierende röntgenoptische Element 50 relativ zu dem mindestens einen zweiten röntgenoptischen Element 40 so positioniert sein, dass das monochromatische zweite Röntgenstrahlbündel 42 mit einem streifenden Einfallwinkel, der kleiner als der kritische Winkel ist, auf die Fläche 56 trifft und durch das mindestens eine fokussierende röntgenoptische Element 50 in das dritte Röntgenstrahlbündel 52 mit einem Fokus auf die zu analysierende Probe 60 fokussiert wird. In gewissen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine fokussierende röntgenoptische Element 54 mindestens eine Schicht (z. B. eine tiefenabgestufte Mehrschichtbeschichtung; eine Mosaikkristallschicht) an der Fläche 56, wobei die mindestens eine Schicht dazu konfiguriert ist, das zweite Röntgenstrahlbündel 42 wirksam zu sammeln und das dritte Röntgenstrahlbündel 52 auf die Probe 60 zu fokussieren. Beispiele der fokussierenden röntgenoptischen Elemente 54, die mit gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel ist, sind in den US-Patenten Nr. 9,874,531, 9,823,203, 9,719,947, 9,594,036, 9,570,265, 9,543,109, 9,449,781, 9,448,190 und 9,390,881 offenbart, von denen jede durch diesen Verweis in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
In gewissen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine fokussierende röntgenoptische Element 54 mindestens ein Substrat (z. B. umfassend Glas oder Siliziumoxid). Zum Beispiel kann das mindestens eine Substrat eine einzelne, einteilige, hohle, axial symmetrische Struktur (z. B. ein axial symmetrisches Rohr) sein, die eine Innenfläche 56 umfasst, die sich vollständig um die Längsachse 58 erstreckt (z. B. die Längsachse 58 einkreist; sich um 360 Grad um die Längsachse 58 erstreckt). In gewissen anderen Ausführungsformen kann das mindestens eine Substrat einen Abschnitt einer hohlen, axial symmetrischen Struktur umfassen (z. B. einen Abschnitt eines axial symmetrischen Rohrs), der sich entlang der Längsachse 58 erstreckt, wobei sich eine Fläche 56 nur teilweise um die Längsachse 58 erstreckt (z. B. um weniger als 360 Grad; in einem Bereich von 45 Grad bis 315 Grad; in einem Bereich von 45 Grad bis 360 Grad; in einem Bereich von 180 Grad bis 360 Grad; in einem Bereich von 90 Grad bis 270 Grad). In gewissen anderen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Substrat mehrere Abschnitte (z. B. 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr), die voneinander getrennt (z. B. mit Abständen zwischen den Abschnitten) und um die Längsachse 58 verteilt sind, wobei sich die Fläche 56 jedes Abschnitts zumindest teilweise um die Längsachse 58 und entlang dieser erstreckt. Zum Beispiel können sich Flächen 56 der mehreren Abschnitte jeweils in einem Winkel in einem Bereich von 15 Grad bis 175 Grad, in einem Bereich von 30 Grad bis 115 Grad und/oder in einem Bereich von 45 Grad bis 85 Grad um die Längsachse 58 erstrecken.
In gewissen Ausführungsformen weist mindestens ein Abschnitt der Fläche 56 ein Profil auf, das einen Abschnitt eines quadratischen Profils in einer Querschnittsebene umfasst, die die Längsachse 58 umfasst. In gewissen Ausführungsformen umfasst die Fläche 56 mehrere Abschnitte mit Querschnittsprofilen (z. B. in einer Querschnittsebene, die die Längsachse 58 umfasst), die entsprechende quadratische Profile umfassen. Beispiele von quadratischen Profilen, die mit gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel sind, beinhalten unter anderem: mindestens eine Ellipse; mindestens ein Paraboloid; mindestens ein Hyperboloid; oder eine Kombination aus zwei oder mehreren davon. In gewissen Ausführungsformen weist die Fläche 56 eine erste lineare Abmessung (z. B. Länge) parallel zu der Längsachse 58 in einem Bereich von 3 mm bis 150 mm, eine zweite lineare Abmessung (z. B. Breite) senkrecht zu der ersten linearen Abmessung in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm und eine maximale lineare Abmessung (z. B. einen Innendurchmesser; eine maximale Länge eines geraden Liniensegments, das zwei Punkte auf der Fläche 56 verbindet) in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm in einer Ebene senkrecht zu der Längsachse 58, eine Flächenrauheit in einem Bereich von 0,1 nm bis 1 nm und/oder eine Vielzahl von Flächentangentenebenen mit einem Bereich von Winkeln relativ zu der Längsachse 58 in einem Bereich von 0,002 Radian bis 0,5 Radian (z. B. in einem Bereich von 0,002 Radian bis 0,4 Radian; in einem Bereich von 0,002 Radian bis 0,3 Radian; in einem Bereich von 0,002 Radian bis 0,2 Radian) auf.
In gewissen Ausführungsformen umfasst das System 10 ferner mindestens einen Strahlbündelanschlag 80, der dazu konfiguriert ist zu verhindern, dass ein nicht reflektierter Teil der Röntgenstrahlen 22 auf das mindestens eine zweite röntgenoptische Element 40 trifft. Wie schematisch durch 2B veranschaulicht, kann der mindestens eine Strahlbündelanschlag 80 an einer Längsachse 38 des mindestens einen ersten röntgenoptischen Elements 30 (z. B. an oder nahe eines stromaufwärts gelegenen Endes des mindestens einen ersten röntgenoptischen Elements 30; an oder nahe eines stromabwärts gelegenen Endes des mindestens einen ersten röntgenoptischen Elements 30; stromaufwärts von dem mindestens einen ersten röntgenoptischen Element 30; stromabwärts von dem mindestens einen ersten röntgenoptischen Element 30) positioniert sein. Beispiele von Strahlbündelanschlägen 80, die mit gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel sind, sind in den US-Patenten Nr. 9,874,531, 9,823,203, 9,719,947, 9,594,036, 9,570,265, 9,543,109, 9,449,781, 9,448,190 und 9,390,881 offenbart, von denen jede durch diesen Verweis in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
In gewissen Ausführungsformen umfasst das System 10 ferner mindestens ein Detektor-Untersystem 70 (das z. B. einen energiedispersiven Röntgenstrahlungsenergieanalysator und/oder einen energiedispersiven Elektronenenergieanalysator umfasst), das dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen 62 und/oder Elektronen 64, die von der Probe 60 emittiert werden (z. B. als Reaktion darauf, dass die Probe 60 durch das dritte Röntgenstrahlbündel 52 bestrahlt wird) zu detektieren. Zum Beispiel kann das mindestens eine Detektor-Untersystem 70 für ein System 10, das aus der Gruppe bestehend aus einem Röntgen-Photoelektronenspektroskopiesystem (XPS-System), einem Photoemissionselektronenmikroskopiesystem (PEEM-System) und einem Umgebungsdruck-Röntgen-Photonenelektronenspektroskopiesystem (APXPS-System) ausgewählt ist, dazu konfiguriert sein, Photoelektronen 62 (z. B. mit Elektronenenergieauflösung), die von der Probe 60 in Reaktion auf mindestens einen Teil des dritten Röntgenstrahlbündels 52 emittiert werden, zu detektieren. Bei einem weiteren Beispiel kann das mindestens eine Detektor-Untersystem 70 für ein System 10, das aus der Gruppe bestehend aus einem Röntgenfluoreszenzsystem (XRF-System) und einem Röntgenemissionssystem (XES-System) ausgewählt ist, dazu konfiguriert sein, Emissionsröntgenstrahlen 64 (z. B. Fluoreszenz) (z. B. mit Röntgenstrahlungsenergieauflösung), die von der Probe 60 in Reaktion auf mindestens einen Teil des dritten Röntgenstrahlbündels 52 emittiert werden, zu detektieren. In gewissen Ausführungsformen umfasst das mindestens eine Detektor-Untersystem 70 ein Pixelarray 72, das dazu konfiguriert ist, Bilder zu generieren, die eine räumliche Verteilung der Elementverteilung von Abschnitten der Probe 60 angeben, von der die detektierten Elektronen 62 und/oder die detektierten Röntgenstrahlen 64 emittiert werden. In gewissen Ausführungsformen bestrahlt das fokussierte dritte Röntgenstrahlbündel 52 einen Abschnitt einer ersten Fläche der Probe 60, und das mindestens eine Detektor-Untersystem 70 kann positioniert sein, um Röntgenstrahlen 62 und/oder Elektronen 64 zu detektieren, die von mindestens einem von Folgenden emittiert werden: dem gleichen Abschnitt der ersten Fläche, einem anderen Abschnitt der ersten Fläche und einer zweiten Fläche der Probe 60, die sich von der ersten Fläche unterscheidet (z. B. liegt die zweite Fläche gegenüber der ersten Fläche). Beispiele von Detektor-Untersystemen 70, die mit gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel sind, sind in den US-Patenten Nr. 9,874,531, 9,823,203, 9,719,947, 9,594,036, 9,570,265, 9,543,109, 9,449,781, 9,448,190 und 9,390,88 offenbart, von denen jede durch diesen Verweis in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
2C veranschaulicht schematisch ein beispielhaftes System 10, das eine Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen 90 (z. B. Strahlführungen) gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen umfasst. Die Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen 90 der 2C ist dazu konfiguriert, relativ zu der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle 20, der Probe 60 und/oder dem mindestens einen Detektor-Untersystem 70 bewegt zu werden, sodass eine ausgewählte röntgenoptische Anordnung 90 positioniert ist, um Röntgenstrahlen 22 von der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle 20 zu empfangen und die Probe 60 mit dem dritten Röntgenstrahlbündel 52 zu bestrahlen. Beispielhafte röntgenoptische Anordnungen, die mit gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel sind, sind in den US-Patenten Nr. 9,823,203 und 9,594,036 offenbart, von denen jede durch diesen Verweis in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen wird.
In gewissen Ausführungsformen ist jede der röntgenoptischen Anordnungen 90 an einer steuerbar bewegbaren Bühne 92 (z. B. motorisierte Verlagerungs- und/oder Drehbühne) montiert, die dazu konfiguriert ist, eine röntgenoptische Anordnung 90 zur Verwendung steuerbar zu positionieren und auszuwählen. Zum Beispiel umfasst das System 10, wie schematisch durch 2C veranschaulicht, eine erste, zweite und dritte röntgenoptische Anordnung 90a-90c, wobei jede ein entsprechendes erstes röntgenoptisches Element 30a-30c (z. B. ein kollimierendes röntgenoptisches Element), ein entsprechende zweites röntgenoptisches Element 40a-40c (z. B. einen Röntgen-Monochromator; Mehrfachschicht; mit Mehrfachschicht beschichtetes optisches Substrat) und ein entsprechendes drittes röntgenoptisches Element 50a-50c (z. B. ein fokussierendes röntgenoptisches Element) umfasst. Jede der röntgenoptischen Anordnungen 90a-90c ist zur Umwandlung (z. B. optimiert für effiziente Umwandlung) von Röntgenstrahlen 22a-22c von einem entsprechenden Ziel-Unterquellenmaterial der Röntgenstrahlungsquelle 20 in ein drittes Röntgenstrahlbündel 52a-52c mit einer entsprechenden Energie zum Bestrahlen der Probe 60 konfiguriert. Während 2C schematisch ein beispielhaftes System 10 veranschaulicht, bei dem die mehreren Komponenten der Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen 90 relativ zueinander auf einer einzelnen, steuerbar bewegbaren Bühne 92 fixiert sind und sich gemeinsam bewegen (in 2C angegeben durch Pfeile 94), ist in gewissen anderen Ausführungsformen die Vielzahl von ersten röntgenoptischen Elementen 30 relativ zueinander auf einer ersten, steuerbar bewegbaren Bühne fixiert, ist die Vielzahl von zweiten röntgenoptischen Elementen 40 relativ zueinander auf einer zweiten, steuerbar bewegbaren Bühne fixiert und ist die Vielzahl von dritten röntgenoptischen Elementen 50 relativ zueinander auf einer dritten, steuerbar bewegbaren Bühne fixiert, sodass die erste, zweite und dritte Bühne steuerbar unabhängig voneinander bewegt werden können, um eine röntgenoptische Anordnung auszubilden, die ausgewählte Kombinationen eines röntgenoptischen Elements von jeder der ersten, zweiten und dritten Vielzahl von röntgenoptischen Elementen 30, 40, 50 umfasst.
In gewissen Ausführungsformen ist eine erste röntgenoptische Anordnung 90a dazu konfiguriert, positioniert zu sein, um die Röntgenstrahlen 22 von der Röntgenstrahlungsquelle 20 zu empfangen, während ein erstes Zielmaterial der Röntgenstrahlungsquelle 20, die SiC umfasst, Röntgenstrahlen 22a (z. B. einschließlich mindestens einiger der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen) emittiert, und ist eine zweite röntgenoptische Anordnung 90b dazu konfiguriert, positioniert zu sein, um die Röntgenstrahlen 22 von der Röntgenstrahlungsquelle 20 zu empfangen, während ein zweites Zielmaterial (z. B. Cr) der Röntgenstrahlungsquelle 20 Röntgenstrahlen 22b (z. B. einschließlich mindestens einiger der Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen des zweiten Zielmaterials) emittiert. In gewissen Ausführungsformen, die ferner eine dritte röntgenoptische Anordnung 90c umfassen, ist die dritte röntgenoptische Anordnung 90c dazu konfiguriert, positioniert zu sein, um die Röntgenstrahlen 22 von der Röntgenstrahlungsquelle 20 zu empfangen, während ein drittes Zielmaterial (z. B. Rh) der Röntgenstrahlungsquelle 20 Röntgenstrahlen 22c (z. B. einschließlich mindestens einiger der Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen des dritten Zielmaterials) emittiert.
In gewissen Ausführungsformen ist das System 10 dazu konfiguriert, ein monochromatisches fokussiertes drittes Si Ka-Röntgenstrahlbündel 52 (1,74 keV) zu generieren und umfasst (i) eine Röntgenstrahlungsquelle 20, die eine Anode umfasst, die mikrostrukturiertes SiC umfasst; (ii) ein erstes röntgenoptisches Element 30, das einen kollimierenden Parabolspiegel mit einer Silberbeschichtung umfasst; (iii) ein zweites röntgenoptisches Element 40, das einen Kanalschnittquartz oder InSb (11 1)-Doppelkristallmonochromator umfasst, und (iv) ein drittes röntgenoptisches Element 50, das einen fokussierenden Parabolspiegel mit einer Silberbeschichtung umfasst. Das monochromatische dritte Röntgenstrahlbündel 52 kann eine Linienbreite mit einer vollen Breite bei halbem Maximum in einem Bereich von 0,5 eV bis 0,7 eV, eine fokussierte Röntgenstrahlungspunktgröße, auswählbar in einem Bereich von 10 µm bis 200 µm (z. B. durch Auswählen einer Elektronenpunktgröße auf der Anode; vollautomatisiert) aufweisen und kann für hohen Durchfluss (z. B. mindestens 2x10⁹ Photonen/Sekunde für eine Punktgröße von 100µm bei 200 W oder 300 W Elektronenbündelleistung) optimiert sein.
In gewissen Ausführungsformen ist das System 10 zusätzlich dazu, dass es zum Generieren eines monochromatischen fokussierten dritten Si Ka-Röntgenstrahlbündel 52 (1,74 keV) konfiguriert ist, wie oben beschrieben, ferner dazu konfiguriert, ein monochromatisches fokussiertes drittes Cr Ka-Röntgenstrahlbündel 52 (5,42 keV) zu generieren, und umfasst (i) eine Röntgenstrahlungsquelle 20, die eine Anode umfasst, die mikrostrukturiertes Chrom, eingebettet in Diamant, umfasst; (ii) ein erstes röntgenoptisches Element 30, das einen kollimierenden Parabolspiegel mit einer Platinbeschichtung umfasst; (iii) ein zweites röntgenoptisches Element 40, das ein Kanalschnitt-Ge (111) oder einen Ge (220)-Doppelkristallmonochromator umfasst, und (iv) ein drittes röntgenoptisches Element 50, das einen fokussierenden Parabolspiegel mit einer Platinbeschichtung umfasst. Das monochromatische dritte Röntgenstrahlbündel 52 kann eine Linienbreite mit einer vollen Breite bei halbem Maximum von 0,5 eV, eine fokussierte Röntgenstrahlungspunktgröße, auswählbar in einem Bereich von 10 µm bis 200 µm (z. B. durch Auswählen einer Elektronenpunktgröße auf der Anode; vollautomatisiert) aufweisen und kann für hohen Fluss (z. B. mindestens 2x10⁹ Photonen/Sekunde für eine Punktgröße von 100 µm bei 200 W oder 300 W Elektronenbündelleistung) optimiert sein.
In gewissen Ausführungsformen ist das System 10 zusätzlich dazu, dass es zum Generieren eines monochromatischen fokussierten dritten Si Ka-Röntgenstrahlbündel 52 (1,74 keV) konfiguriert ist, wie oben beschrieben, ferner dazu konfiguriert, ein monochromatisches fokussiertes drittes Rh Lα-Röntgenstrahlbündel 52 (2,70 keV) zu generieren, und umfasst (i) eine Röntgenstrahlungsquelle 20, die eine Anode umfasst, die mikrostrukturiertes Rhodium, eingebettet in Diamant, umfasst; (ii) ein erstes röntgenoptisches Element 30, das einen kollimierenden Parabolspiegel mit einer Silberbeschichtung umfasst; (iii) ein zweites röntgenoptisches Element 40, das ein Kanalschnitt-Ge (111) oder einen Si (111)-Doppelkristallmonochromator umfasst, und (iv) ein drittes röntgenoptisches Element 50, das einen fokussierenden Parabolspiegel mit einer Silberbeschichtung umfasst. Das monochromatische dritte Röntgenstrahlbündel 52 kann eine Linienbreite mit einer vollen Breite bei halbem Maximum von 0,5 eV, eine fokussierte Röntgenstrahlungspunktgröße, auswählbar in einem Bereich von 10 µm bis 200 µm (z. B. durch Auswählen einer Elektronenpunktgröße auf der Anode; vollautomatisiert) aufweisen und kann für hohen Fluss (z. B. mindestens 2x10⁹ Photonen/Sekunde für eine Punktgröße von 100 µm bei 200 W oder 300 W Elektronenbündelleistung) optimiert sein.
Tiefenselektivität
In gewissen Ausführungsformen ist das System 10 dazu konfiguriert, eine Tiefenselektivität mittels eines oder mehrerer der Folgenden bereitzustellen: die Abschwächungslänge innerhalb der Probe 60 des dritten Anregungsröntgenstrahlbündels 52 (z. B. die Entfernung, um die sich das dritte Röntgenstrahlbündel 52 innerhalb der Probe 60 ausbreitet, wenn die Intensität des dritten Röntgenstrahlbündels 52 um einen Faktor 1/e gefallen ist; I_{Abschwächungslänge}/I_einfallend = 1/e); die Abschwächungslänge innerhalb der Probe 60 der Emissionsröntgenstrahlen 62 (z. B. Fluoreszenz) (z. B. die Entfernung, um die sich die Emissionsröntgenstrahlen 62 innerhalb der Probe 60 ausbreiten, wenn die Intensität der Emissionsröntgenstrahlen 62 um einen Faktor 1/e gefallen ist), und/oder die unelastische mittlere freie Weglänge innerhalb der Probe 60 der Photoelektronen 64 (z. B. die durchschnittlich Entfernung, um die sich die Photoelektronen 64 ohne Verlust an kinetischer Energie innerhalb der Probe ausbreiten, wenn die Intensität der Photoelektronen 64 um einen Faktor 1/e gefallen ist). Diese Abschwächungslängen der Röntgenstrahlen 52, 62 und die unelastische mittlere freie Weglänge der Photoelektronen 64 sind von dem Material der Probe 60 und den Energien der Anregungsröntgenstrahlen 52, 62 bzw. den kinetischen Energien der Photoelektronen 64 abhängig.
Zum Beispiel zeigen die 4A und 4B die Abschwächungslängen für Photonen in Silizium bzw. Hafnium gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen. 4A zeigt die Abschwächungslänge von auf eine Siliziumfläche einfallenden Photonen in Abhängigkeit von der Photonenenergie gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die Pfeile geben an, dass die Si Kai-Röntgenstrahlen (1,74 keV) (die über der L-Kante von Si und unter der K-Kante von Si liegen) eine Abschwächungslänge in Si von etwa 10 µm aufweisen, die Rh La-Röntgenstrahlen (2,70 keV) (die über der K-Kante von Si liegen) eine Abschwächungslänge in Si von etwa 3 µm aufweisen und Cr Kai-Röntgenstrahlen (5,42 keV) (die über der K-Kante von Si liegen) eine Abschwächungslänge in Si von etwa 21 µm aufweisen. Daher können Röntgenstrahlen mit diesen drei Photonenenergien in gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, um unterschiedliche Tiefen einer Si-Probe zu analysieren.
4B zeigt die Abschwächungslänge von auf eine Hafniumfläche einfallenden Photonen in Abhängigkeit von der Photonenenergie gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die Pfeile geben an, dass die Si Kα₁-Röntgenstrahlen (1,74 keV) (die über der Ma-Kante von Hf liegen) eine Abschwächungslänge in Hf von etwa 0,15 µm aufweisen, die Rh La-Röntgenstrahlen (2,70 keV) (die über der Ma-Kante von Hf liegen) eine Abschwächungslänge in Hf von etwa 0,3 µm aufweisen und Cr Kai-Röntgenstrahlen (5,42 keV) (die über der Ma-Kante von Hf liegen) eine Abschwächungslänge in Hf von etwa 1,7 µm aufweisen. Daher können Röntgenstrahlen mit diesen drei Photonenenergien in gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, um unterschiedliche Tiefen einer Hf-Probe zu analysieren.
Die 5A-5D, 6, 7, 8A und 8B betreffen das Auswählen einer Sondentiefe durch Auswählen mindestens einer optimalen Röntgenstrahlungsenergie gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen.
5A zeigt einen Verlauf einer parametrischen (und konservativen) Schätzung der unelastischen mittleren freien Weglänge (inelastic mean free path - IMFP) von Elektronen in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die Kurve und die parametrische Gleichung der 5A wurden als eine „Universalkurve“ bezeichnet, da sie generell für Elektronen, die sich in vielen Materialien ausbreiten, gilt. Diese gleiche parametrische Schätzung der unelastischen freien mittleren Weglänge von Elektronen in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen ist auch in den 5B-5D im Hinblick auf verschiedene Photoelektronen beinhaltet.
5B veranschaulicht die auswählbare Sondierungstiefe von Hf gewisser hierin beschriebener Ausführungsformen, indem sie die parametrische unelastische mittlere freie Weglänge (IMFP) von Elektronen in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen zeigt, wobei Pfeile die Energien der Hf M₅ (3d_5/2) Photoelektronen, die durch drei Röntgenstrahlungslinien (Si Kα₁; Rh Kα; Cr Kα₁) generiert werden, bezeichnen, und eine entsprechende Tabelle von Werten. Wie in 4B zu sehen, generieren die Si Kα₁-Röntgenstrahlen (1,74 keV) 78 eV Photoelektronen, die eine IMFP von etwa 0,5 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ (z. B. eine Tiefe, bei der nur 5 % der Photoelektronen aus der Probenfläche ohne einen unelastischen Energieverlust entweichen) von 1,5 nm aufweisen. 5B zeigt außerdem, dass die Rh La-Röntgenstrahlen (2,67 keV) 1035 eV Photoelektronen generieren, die eine IMFP von etwa 1,5 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ von 4,5 nm aufweisen. 5B zeigt außerdem, dass die Cr Kai-Röntgenstrahlen (5,42 keV) 3753 eV Photoelektronen generieren, die eine IMFP von etwa 3,1 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ von 9,3 nm aufweisen. Daher können Röntgenstrahlen mit diesen drei Photonenenergien in gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, um unterschiedliche Tiefen einer Hf-Probe zu analysieren.
5C veranschaulicht die auswählbare Sondierungstiefe von Al gewisser hierin beschriebener Ausführungsformen, indem sie die parametrische unelastische mittlere freie Weglänge von Elektronen in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen zeigt, wobei Pfeile die Energien der Al K (1s) Photoelektronen und der Al L (2p) Photoelektronen, die durch drei Röntgenstrahlungslinien (Si Kα₁; Rh Kα; Cr Kα₁) generiert werden, bezeichnen, und eine entsprechende Tabelle von Werten. Wie in 5C zu sehen, generieren die Si Kα₁-Röntgenstrahlen (1,74 keV) 180 eV Photoelektronen, die eine IMFP von etwa 0,8 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ von 2,4 nm aufweisen, und generieren 1622 eV Photoelektronen, die eine IMFP von etwa 2 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ von 6 nm aufweisen. 5C zeigt außerdem, dass die Rh La-Röntgenstrahlen (2,70 keV) 1137 eV Photoelektronen generieren, die eine IMFP von etwa 1,5 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ von 4,5 nm aufweisen und 2579 eV Photoelektronen generieren, die eine IMFP von etwa 2,8 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ von 8,4 nm aufweisen. 5C zeigt außerdem, dass die Cr Kα₁-Röntgenstrahlen (5,42 keV) 3855 eV Photoelektronen generieren, die eine IMFP von etwa 3,1 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ von 9,3 nm aufweisen und 5297 eV Photoelektronen generieren, die eine IMFP von etwa 3,7 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ von 11,1 nm aufweisen. Daher können Röntgenstrahlen mit diesen drei Photonenenergien in gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, um unterschiedliche Tiefen einer Al-Probe zu analysieren.
5D veranschaulicht die auswählbare Sondierungstiefe von Ti gewisser hierin beschriebener Ausführungsformen, indem sie die parametrische unelastische mittlere freie Weglänge von Elektronen in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen zeigt, wobei Pfeile die Energien der Ti K (1s) Photoelektronen und der Ti L (2p) Photoelektronen, die durch drei Röntgenstrahlungslinien (Si Kα₁; Rh Kα; Cr Kα₁) generiert werden, bezeichnen, und eine entsprechende Tabelle von Werten. Wie in 5D zu sehen, generieren die Si Kα₁-Röntgenstrahlen (1,74 keV) und die Rh La-Röntgenstrahlen (2,70 keV) keine Photoelektronen, da ihre Energie (4,97 keV) höher als die von Si Kα₁- and Rh La-Röntgenstrahlen ist. 5D zeigt außerdem, dass die Si Kai-Röntgenstrahlen (1,74 keV) 1286 eV Photoelektronen generieren, die eine IMFP von etwa 1,6 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ von 4,8 nm aufweisen. 5D zeigt außerdem, dass die Rh La-Röntgenstrahlen (2,70 keV) 2243 eV Photoelektronen generieren, die eine IMFP von etwa 2,6 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ von 7,8 nm aufweisen. 5D zeigt außerdem, dass die Cr Kai-Röntgenstrahlen (5,42 keV) 449 eV Photoelektronen generieren, die eine IMFP von etwa 1 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ von 3 nm aufweisen und 4961 eV Photoelektronen generieren, die eine IMFP von etwa 3,5 nm und eine „5 % Eindringtiefe“ von 10,5 nm aufweisen. Daher können Röntgenstrahlen mit diesen drei Photonenenergien in gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, um unterschiedliche Tiefen einer Ti-Probe zu analysieren.
6 zeigt einen Verlauf der relativen Photoelektronenintensität in Abhängigkeit von der Tiefe für Si-2p-Photoelektronen, die unter Verwendung verschiedener Röntgenstrahlungsenergien gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen generiert werden. Zum Beispiel weisen die Si-2p-Photoelektronen, die durch Mg Kα-Röntgenstrahlen angeregt werden, eine Eindringtiefe (z. B. eine Tiefe, in der die Röntgenstrahlen eine Intensität aufweisen, die 1/10 der einfallenden Intensität entspricht; durch die horizontale gepunktete Linie der 6 bezeichnet) von 6 nm auf, weisen Si-2p-Photoelektronen, die durch Al Ka-Röntgenstrahlen angeregt werden, eine Eindringtiefe von 7 nm auf, weisen Si-2p-Photoelektronen, die durch Ag La-Röntgenstrahlen angeregt werden, eine Eindringtiefe von 13 nm auf, weisen Si-2p-Photoelektronen, die durch Cr Kα-Röntgenstrahlen angeregt werden, eine Eindringtiefe von 22 nm auf und weisen Si-2p-Photoelektronen, die durch Ga Ka-Röntgenstrahlen angeregt werden, eine Eindringtiefe von 34 nm auf. Während 6 zeigt, dass die Photoelektronen unterschiedliche Eindringtiefen abhängig von ihrer Energie aufweisen, ist die in 6 gezeigte Sondierungstiefe mindestens zwei Mal größer als die berechneten Werte von der parametrischen unelastischen mittleren freien Weglänge der Elektronen in Abhängigkeit der Elektronenenergie, gezeigt in 5A-5D.
7 zeigt einen Verlauf der unelastischen mittleren freien Weglänge von Elektronen in flüssigem Wasser in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Elektronen (von Emfietzoglou & Nikjoo, Radiation Research 2007) gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen. Wie in 7 zu sehen, können Photoelektronen mit verschiedenen Energien in gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen tiefensensitive Informationen von einer Grenzfläche, die Wasser umfasst, bereitstellen.
8A veranschaulicht schematisch die Fe-2p-Photoemissionsspitzenintensität in Abhängigkeit von der Röntgenstrahlungsenergie von einem Siliziumsubstrat mit einer 1 nm dicken Fe-Schicht und einer Kohlenstoffdeckschicht mit drei Dicken von 10 nm, 20 nm und 30 nm (von Stafanos u.a., Nature Scientific Report, 2013). Die Fe-2p-Photoemissionsspitzenintensität ist bei größeren Dicken der Kohlenstoffdeckschicht reduziert.
8B zeigt eine Simulation der „NIST-Datenbank für die Simulation von Elektronenspektren für Flächenanalyse (Simulation of Electron Spectra for Surface Analysis - SESSA)“. Die unelastische mittlere freie Weglänge der Elektronen ist proportional zu E^0,8, und die Proportionalität des Photoelektronenquerschnitts in Abhängigkeit von der Photonenenergie hv liegt in einem Bereich von etwa (hv)^-2 bis (hv)^-3.
Beispielhafte Konfigurationen
Die 9-11 betreffen Vorteile der kleinen Fokuspunktgrößen gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen. Gewisse hierin beschriebene Ausführungsformen stellen kleine Fokuspunktgrößen bereit, die einen oder mehrere der folgenden Vorteile bereitstellen können: kleine Punktanalyse mit einfacher Probenherstellung; Bildgebung/Zuordnung; Atmosphärendruck-XPS; Analyse in situ, in vitro und/oder in operando.
9A veranschaulicht schematisch einen Abschnitt eines beispielhaften Systems 10, das einen kleinen Fokus nutzt, der Atmosphärendruck-XPS gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen ermöglicht. Zum Beispiel kann das System 10 der 9A verwendet werden, um XPS bei 20 Torr Wasserdampfdruck (z. B. um einen Ausgleichswasserdampfdruck bei 20 Grad Celsius) durchzuführen. In gewissen Ausführungsformen umfasst das beispielhafte System 10 mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle 20, die eine Vielzahl von Röntgenstrahlungsunterquellen 26 auf mindestens einem wärmeleitfähigen Substrat 25 oder in dieses eingebettet umfasst, wobei die Röntgenstrahlungsunterquellen eine Vielzahl von Materialien umfassen, die dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss zu generieren. Das beispielhafte System 10 umfasst ferner eine Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen 90, wobei jede optische Anordnung 90 mindestens ein kollimierendes röntgenoptisches Element 30 (z. B. Spiegel; Spiegellinse), mindestens ein energieselektives optisches Element 40 (z. B. Röntgen-Monochromator; Mehrfachschicht; mit Mehrfachschicht beschichtetes optisches Substrat) und mindestens ein fokussierendes röntgenoptisches Element 50 (z. B. Spiegel; Spiegellinse) umfasst. Wie hierin beschrieben, ist die Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen 90 dazu konfiguriert, so positioniert zu sein, dass sie mindestens einige der von einer ausgewählten der Vielzahl von Röntgenstrahlungsunterquellen 26 emittierten Röntgenstrahlen lenkt, um eine Probe 60 zu bestrahlen.
Wie schematisch durch 9A veranschaulicht, umfasst das beispielhafte System 10 ferner eine Probenkammer 100, die dazu konfiguriert ist, eine Probe 60 bei einem Probendruck zu enthalten, eine erste Kammer 110 und eine erste elektrostatische Linse 111, die in der ersten Kammer 110 bei einem ersten Druck enthalten ist, und eine zweite Kammer 120 und eine zweite elektrostatische Linse 121, die in der zweiten Kammer 120 bei einem zweiten Druck enthalten ist. Die Probenkammer 100 und die erste Kammer 110 sind durch eine erste Wand 104 voneinander getrennt, die eine erste Öffnung 102 aufweist, die dazu konfiguriert ist zuzulassen, dass sich mindestens einige Photoelektronen aus der Probe 60 von der Probenkammer 100 zu der ersten Kammer 110 ausbreiten. Die erste Kammer 110 und die zweite Kammer 120 sind durch eine zweite Wand 114 voneinander getrennt, die eine zweite Öffnung 112 aufweist, die dazu konfiguriert ist zuzulassen, dass sich mindestens einige Photoelektronen in der ersten Kammer zu der zweiten Kammer 120 ausbreiten. Die zweite Kammer 120 ist von einem energiedispersiven Elektronenenergieanalysator (z. B. einem Halbkugelanalysator; nicht gezeigt) durch eine dritte Wand 124 getrennt, die eine dritte Öffnung 122 aufweist, die dazu konfiguriert ist zuzulassen, dass sich mindestens einige der Photoelektronen in der zweiten Kammer zu dem energiedispersiven Elektronenenergieanalysator ausbreiten.
Wie schematisch durch 9A veranschaulicht, sind die mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle 20 und die Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen 90 dazu konfiguriert, die Probe 60 mit einem Röntgenstrahlungspunkt mit kleinem Fokus, der auf die Probe 60 trifft, zu bestrahlen (z. B. ein drittes Röntgenstrahlbündel 52 mit einer Punktgröße oder größten Abmessung in einer Flächenebene der Probe 60 in einem Bereich von 10 µm bis 200 µm; 15 µm oder weniger; 20 µm oder weniger; 100 µm oder weniger). Der Probendruck Po innerhalb der Probenkammer 100 kann in einem Bereich von 20 mbar bis 1 bar liegen (z. B. in einem Bereich von 100 mbar bis 1 bar). Die erste Kammer 110, die die erste elektrostatische Linse 111 enthält, kann auf einen Druck P₁, der geringer als Po ist, gepumpt (z. B. differentiell gepumpt) werden, und die zweite Kammer 120, die die zweite elektrostatische Linse 121 enthält, kann auf einen Druck P₂, der geringer als P₁ ist, gepumpt (z. B. differentiell gepumpt) werden. In gewissen Ausführungsformen weist jede von der ersten Öffnung 102, der zweiten Öffnung 112 und der dritten Öffnung 122 eine Größe auf (z.B. eine größte seitliche Abmessung parallel zu der jeweiligen Wand 104, 114, 124), die dazu konfiguriert ist zuzulassen, dass sich mindestens einige der Photoelektronen hindurch ausbreiten, während ein unerwünschter Druckanstieg in der ersten und zweiten Kammer 110, 120 aufgrund von Gas aus der Probenkammer 100, das in die erste Kammer 110 eintritt, und Gas aus der ersten Kammer 110, das in die zweite Kammer eintritt, verhindert wird (z.B. Größen in einem Bereich von 10 µm bis 200 µm; 15 µm oder weniger; 20 µm oder weniger; 100 µm oder weniger). Die erste elektrostatische Linse 111 ist dazu konfiguriert, Photoelektronen von der ersten Öffnung 102 zu empfangen und mindestens einige der Photoelektronen durch die zweite Öffnung 112 zu fokussieren, und die zweite elektrostatische Linse 121 ist dazu konfiguriert, Photoelektronen von der zweiten Öffnung 112 zu empfangen und mindestens einige der Photoelektronen durch die dritte Öffnung 122 zu fokussieren. Auf diese Weise können gewisse hierin beschriebene Ausführungsformen eine 1000-fache Erhöhung der Detektionseffizienz bereitstellen. Die 9B und 9C zeigen eine beispielhafte Baugruppe einer elektrostatischen Linse bzw. ein beispielhaftes APXPS-System (das sich an der Advanced Light Source befindet), die dazu konfiguriert sein können, gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen durch das System 10 verwendet zu werden.
10 zeigt beispielhafte Vorteile einer Umgebungsdruck-XPS gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen. 11 zeigt einen Ausgleichsdampfdruck von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur. Die unelastische mittlere freie Weglänge von Elektronen mit 100 eV kinetischer Energie in 1 Torr Wasserdampf beträgt etwa 1 mm, sodass Umgebungsdruck-XPS gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden kann.
Beispielhafte Konfiguration

Tabelle 1 listet verschiedene Komponenten einer beispielhaften Konfiguration eines APXPS-Systems gemäß gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen auf. Die beispielhafte Konfiguration kann beim Untersuchen verschiedener Prozesse und/oder Phänomenen bei Flüssig-Fest-Grenzflächen (z. B. Korrosion von metallischen Biomaterialien, wie etwa medizinische Implantate und medizinische Vorrichtungen; Flächenchemie bei realistischen Umgebungsdruckumgebungen) verwendet werden. Tabelle 1:

Röntgenstrahlungsquelle	• Ziel (Unterquellen): Röntgenstrahlungsziel, umfassend eine Vielzahl von Röntgenstrahlungsunterquellen (z. B. in Mikrogröße), umfassend (i) mindestens eine Rh-Unterquelle, eingebettet in ein Diamantsubstrat, (ii) mindestens eine Cr-Unterquelle, eingebettet in das Diamantsubstrat, und (iii) eine Einzelkristall-SiC-Unterquelle in thermischem Kontakt mit dem Diamantsubstrat (z. B. neben anderen Unterquellen positioniert).
	• Quellengröße: 10 Mikrometer in der dispersiven Richtung des Röntgen-Kristallmonochromators, erreicht mit einem Abstrahlwinkel von 6 Grad eines Elektronenbündelplatzbedarfs von 100 Mikrometer und 300 Mikrometer in der orthogonalen Richtung (z.B. entsprechend der nicht-dispersiven Richtung des Röntgen-Kristallmonochromators).
	• Röntgenstrahlungsquellenleistung und Elektronenbeschleunigungsspannung: 300 W und 10-20 kVp.
	• Röntgenstrahlungsspektraländerung: Softwaresteuerung einer motorisierten Verlagerung des Ziels.
Parabolspiegellinsen	• Flächengestalt: Drei Sätze von zwei jeweils axial symmetrischen Parabolflächen mit Parametern, die für die drei Röntgenstrahlungsenergien von den Rn-, Cr- und SiC-Unterquellen optimiert sind.
	• Flächengestaltfehler: besser als 20 µrad.
	• Spiegelflächenbeschichtung: Pt für Cr Kα₁ und für Si Kα₁; Pd für Rh Lα₁.
Auflösung (Röntgenstrahlungslinienbreite)	• Weniger als 0,7 eV, was kompatibel zu natürlichen Linienbreiten (z. B. Betriebsdauererweiterung) von Kernebenen ist.
Photonenfluss	• 4×10⁹ Photonen/Sekunde für einen Punkt mit 100 Mikrometer Durchmesser.
Fokuspunktgröße an Probe	• 20 Mikrometer bis 200 Mikrometer
Detektor	• HIPPIII-Elektronenergieanalysator, erhältlich von Scienta-Omicron GmbH, Taunusstein, Deutschland.
	• Kinetische Energien bis zu 6 keV; Analysator ermöglicht Umgebungsdruck bis zu 100 mbar bei einer Eintrittsöffnung mit einem Durchmesser von 100 Mikrometer.

Die beispielhafte Konfiguration, die mit gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen kompatibel ist, kann durch einen Gütefaktor (z. B. zum Vergleich mit anderen APXPS-Systemen) gekennzeichnet sein. Zum Beispiel kann der Gütefaktor zum Vergleichen unterschiedlicher APXPS-Systeme zum Untersuchen von Fest-Flüssig-Grenzflächen von Biomaterialien mit Tiefenprofilierung als die Intensität der Photoelektronenspitze (Ii) für ein interessierendes Element i bei einer Tiefe (z) von der Fläche, von der die Photoelektronen emittiert werden, ausgedrückt werden. Die Intensität Ii ist abhängig von dem Photonenfluss (F), der auf die Fläche einfällt, der durchschnittlichen Atomkonzentration des Elements i (Ni), dem Photonenquerschnitt des Elements i in Bezug auf die erwähnte Spitze (σi), die unelastische mittlere freie Weglänge (Λi,) von Photoelektronen vom Element i in Bezug auf die erwähnte Spitze und den festen Akzeptanzwinkel (Ω(hv)) des Analysators (ungefähr umgekehrt proportional zu hv). In der einfachsten Form gilt Ii = F * Ni * σi * exp (-z/Λ_i,) * Ω(hv) K_hv, wobei K_hv allen anderen Faktoren entspricht (von denen angenommen werden kann, dass sie für eine spezifische Photonenenergie während der Messung konstant bleiben).
In gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen stellt die beispielhafte Konfiguration fünf Mal mehr Fluss an der Probe als die derzeit vertriebenen APXPS-Systeme bereit. Zum Beispiel verwendet das von SPECS Surface Nano Analysis GmbH, Berlin, Deutschland vertriebene laborbasierte APXPS-System Al Ka-Röntgenstrahlen mit 1,487 keV, die aufgrund der begrenzten IMFP der Photoelektronen nicht geeignet sind zum Untersuchen von Fest-Flüssig-Grenzflächen von in-vitro-Biomaterialien (z. B. medizinische Implantate). Bei einem anderen Beispiel leidet eine Ga Ka-Röntgenstrahlungsquelle (9,3 keV), die eine Ga-Flüssigstrahlanode verwendet, die von Scienta-Omicron GmbH, Taunusstein, Deutschland vertrieben wird, an geringeren Querschnitten und somit geringeren Detektionseffizienzen (z. B. um einen Faktor 6 im Vergleich zur Verwendung von Cr Ka-Röntgenstrahlen). Zusätzlich ist der akzeptierte Festwinkel des Analysators für 9,3 keV Photoelektronen im Vergleich zu 5,4 keV Photoelektronen aufgrund größerer Verlangsamung, die durch den Analysator verwendet wird, etwa 60 % geringer, was den Festwinkel reduziert. Bei noch einem weiteren Beispiel nutzt eine Doppel-Röntgenstrahlungsquelle von Al Kα und Cr Kα, vertrieben von Ulvac-Phi, Inc., Kanagawa, Japan, als „Phi Quantes“ Bragg-Kristalle mit Rowland-Kreisgeometrie zur Monochromatisierung, was eine höhere Auflösung zu Lasten eines geringeren Flusses und eines größeren Divergenzwinkels bereitstellt.
In gewissen hierin beschriebenen Ausführungsformen stellt die beispielhafte Konfiguration drei unterschiedliche Röntgenstrahlungsenergien bereit, wodurch eine systematische Untersuchung von Tiefenprofilierung ermöglicht und die Leistungsfähigkeit für Signalstärke optimiert wird, mit einem Gütefaktor von etwa 50 Mal größer als bei derzeit vertriebenen APXPS-Systemen (z. B. gleich etwa 5 (Fluss) × 6 (Querschnitt) × 1,6 (Akzeptanzfestwinkel)). Als Ergebnis kann die beispielhafte Konfiguration einen höheren Fluss (z. B. um einen Faktor fünf) mit deutlich größeren Querschnitten und der Fähigkeit zur Optimierung in Abhängigkeit von dem interessierenden Element und verschiedenen Dicken der Flüssigkeit und der Passivierungsschicht der Probe bereitstellen.
Konditionalsprache, wie etwa „kann“, „könnte“, „würde“ oder „möchte“, soll, sofern nicht spezifisch anders angegeben oder im verwendeten Kontext anders zu verstehen, allgemein vermitteln, dass gewisse Ausführungsformen gewisse Merkmale, Elemente und/oder Schritte beinhalten, während andere Ausführungsformen diese nicht beinhalten. Somit soll eine derartige Konditionalsprache im Allgemeinen nicht implizieren, dass Merkmale, Elemente und/oder Schritte in irgendeiner Weise für eine oder mehrere Ausführungsformen erforderlich sind.
Konjunktivsprache, wie etwa der Ausdruck „mindestens eines von X, Y und Z“ soll, sofern nicht spezifisch anders angegeben, im verwendeten Kontext so verstanden werden, dass allgemein vermittelt wird, dass ein Gegenstand, ein Begriff usw. entweder X, Y oder Z sein kann. Somit soll derartige Konjunktivsprache im Allgemeinen nicht implizieren, dass gewisse Ausführungsformen die Anwesenheit von mindestens einem von X, mindestens einem von Y und mindestens einem von Z erfordern.
Sprache mit Abstufungen, wie hierin verwendet, wie etwa die Begriffe „ungefähr“, „etwa“, „im Allgemeinen“ und „im Wesentlichen“, stellt einen Wert, eine Menge oder eine Eigenschaft nahe dem genannten Wert, der genannten Menge oder der genannten Eigenschaft dar, der bzw. die dennoch eine gewünschte Funktion durchführt oder ein gewünschtes Ergebnis erzielt. Zum Beispiel können sich die Begriffe „ungefähr“, „etwa“, „im Allgemeinen“ und „im Wesentlichen“ auf eine Menge beziehen, die innerhalb von ± 10%, innerhalb von ± 5 %, innerhalb von ± 2 %, innerhalb von ± 1 % oder innerhalb von ± 0.1 % der genannten Menge liegt. Als ein weiteres Beispiel beziehen sich die Begriffe „im Allgemeinen parallel“ und „im Wesentlichen parallel“ auf einen Wert, eine Menge oder eine Eigenschaft, der bzw. die von genau parallel um ± 10 Grad, ± 5 Grad, ± 2 Grad, ± 1 Grad oder ± 0,1 Grad abweicht, und beziehen sich die Begriffe „im Allgemeinen senkrecht“ und „im Wesentlichen senkrecht“ auf einen Wert, eine Menge oder eine Eigenschaft, der bzw. die von genau senkrecht um ± 10 Grad, ± 5 Grad, ± 2 Grad, ± 1 Grad oder ± 0,1 Grad abweicht.
Verschiedene Konfigurationen wurden vorstehend beschrieben. Auch wenn diese Erfindung unter Bezugnahme auf diese spezifischen Konfigurationen beschrieben wurde, sollen die Beschreibungen für die Erfindung veranschaulichend sein und sind nicht als einschränkend zu verstehen. Viele Modifikationen und Anwendungen werden dem Fachmann in den Sinn kommen, ohne vom wahren Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können in jedem Verfahren oder Prozess, die hierin offenbart sind, die Handlungen oder Vorgänge, die das Verfahren/den Prozess ausmachen, in einer beliebigen geeigneten Abfolge durchgeführt werden und sind nicht notwendigerweise auf eine beliebige konkrete offenbarte Abfolge begrenzt. Merkmale oder Elemente aus verschiedenen Ausführungsformen und Beispielen, die vorstehend erörtert wurden, können miteinander kombiniert werden, um alternative Konfigurationen zu erzeugen, die mit hierin offenbarten Ausführungsformen kompatibel sind. Verschiedene Aspekte und Vorteile der Ausführungsformen wurden soweit angebracht beschrieben. Es versteht sich, dass nicht notwendigerweise alle derartigen Aspekte oder Vorteile gemäß einer konkreten Ausführungsform erreicht werden können. Somit ist zum Beispiel anzuerkennen, dass die verschiedenen Ausführungsformen in einer Weise ausgeführt werden können, die einen Vorteil oder eine Reihe von Vorteilen gemäß den Lehren hierin erreicht oder optimiert, ohne notwendigerweise andere Aspekte oder Vorteile, die hierin gelehrt oder vorgeschlagen sein können, zu erreichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Emfietzoglou & Nikjoo, Radiation Research 2007 [0051]
Stafanos u.a., Nature Scientific Report, 2013 [0052]

Claims

System zur Röntgenanalyse, wobei das System Folgendes umfasst: mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle, die dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen zu emittieren, wobei die mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle mindestens eine Siliziumkarbid-Unterquelle auf mindestens einem wärmeleitfähigen Substrat oder in dieses eingebettet und dazu konfiguriert, die Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss der mindestens einen Siliziumkarbid-Unterquelle zu generieren, umfasst, wobei mindestens einige der Röntgenstrahlen, die von der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle emittiert werden, Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen umfassen; und mindestens eine röntgenoptische Anordnung, die dazu konfiguriert ist, die Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen zu empfangen und eine Probe mit mindestens einigen der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen zu bestrahlen.
System nach Anspruch 1, wobei die Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen Si Kα₁-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen umfassen.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle ferner mindestens eine zweite Unterquelle auf dem mindestens einen wärmeleitfähigen Substrat oder in dieses eingebettet umfasst, wobei die mindestens eine zweite Unterquelle dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss der mindestens einen zweiten Unterquelle zu generieren, wobei die mindestens eine zweite Unterquelle mindestens ein Material, das sich von Siliziumkarbid unterscheidet, umfasst, wobei mindestens einige der Röntgenstrahlen, die von der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle emittiert werden, Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen des mindestens einen Materials umfassen.
System nach Anspruch 3, wobei das mindestens eine Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Al, Ag, Rh, Cr, Au, Ti, Fe und Mo, und die von der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle emittierten Röntgenstrahlen mindestens eines von Folgenden umfassen: Al Kα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen; Ag Lα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen; Rh Lα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen; Cr Kα₁-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen; Au Lα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen; Ti Kα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen; Fe Kα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen; Mo Lα-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen; Mo Lβ₁-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen und Mo Lβ₂-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen.
System nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine röntgenoptische Anordnung eine Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen umfasst, die dazu konfiguriert ist, relativ zu der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle und/oder der Probe bewegt zu werden, sodass eine ausgewählte röntgenoptische Anordnung der Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen positioniert ist, um von der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle emittierte Röntgenstrahlen zu empfangen und die Probe mit dem dritten Röntgenstrahlbündel zu bestrahlen.
System nach Anspruch 5, wobei die erste röntgenoptische Anordnung der Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen zur Umwandlung der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen in das dritte Röntgenstrahlbündel konfiguriert ist und eine zweite röntgenoptische Anordnung der Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen zur Umwandlung der Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen des mindestens einen Materials in das dritte Röntgenstrahlbündel konfiguriert ist.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine optische Anordnung dazu konfiguriert ist, mindestens einige der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen an der Probe zu fokussieren.
System nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine optische Anordnung Folgendes umfasst: mindestens ein erstes röntgenoptisches Element, das dazu konfiguriert ist, mindestens einige der Röntgenstrahlen, die von der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle emittiert werden, zu empfangen und ein kollimiertes erstes Röntgenstrahlbündel zu generieren; mindestens ein zweites röntgenoptisches Element, das dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil des kollimierten ersten Röntgenstrahlbündels zu empfangen und ein monochromatisches zweites Röntgenstrahlbündel, das die Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen umfasst, zu emittieren; und mindestens ein drittes röntgenoptisches Element, das dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil des monochromatischen zweiten Röntgenstrahlbündels zu empfangen und ein drittes Röntgenstrahlbündel an der Probe zu fokussieren.
System nach Anspruch 8, wobei das mindestens eine erste röntgenoptische Element mindestens eine axial symmetrische kollimierende Röntgenoptik umfasst.
System nach Anspruch 8, wobei das mindestens eine zweite röntgenoptische Element mindestens einen Röntgen-Kristallmonochromator umfasst.
System nach Anspruch 8, wobei das mindestens eine dritte röntgenoptische Element mindestens eine axial symmetrische fokussierende Röntgenoptik umfasst.
System nach Anspruch 8, wobei das System ferner mindestens ein Detektor-Untersystem umfasst, das dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen und/oder Elektronen zu detektieren, die von der Probe als Reaktion darauf, dass sie durch das dritte Röntgenstrahlbündel bestrahlt wird, emittiert werden.
System nach Anspruch 1, wobei das System eines oder mehrere von Folgenden umfasst: ein Röntgen-Photonenelektronenspektroskopie-System (XPS-System), ein Photoemissionselektronenmikroskopiesystem (PEEM-System), ein winkelauflösendes Photoemissionsspektroskopiesystem (ARPES-System), ein Umgebungsdruck-Röntgen-Photonenelektronenspektroskopiesystem (APXPS-System), ein Röntgenfluoreszenzsystem (XRF-System), ein Röntgenemissionssystem (XES-System), ein Röntgen-Phasenkontrastbildgebungssystem und ein Computertomographie-Bildgebungssystem.
Röntgenstrahlungsquelle, die Folgendes umfasst: mindestens eine Elektronenquelle, die dazu konfiguriert ist, mindestens ein Elektronenbündel zu generieren; und mindestens ein Ziel, das Folgendes umfasst: mindestens ein wärmeleitfähiges Substrat; und eine Vielzahl von Unterquellen auf mindestens einem Abschnitt des mindestens einen wärmeleitfähigen Substrats oder in diesen eingebettet, wobei die Unterquellen voneinander getrennt sind und mit dem mindestens einen wärmeleitfähigen Substrat in thermischer Verbindung stehen, wobei mindestens eine Unterquelle der Vielzahl von Unterquellen Siliziumkarbid umfasst und dazu konfiguriert ist, Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Beschuss durch das mindestens eine Elektronenbündel zu emittieren.
Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch 14, ferner umfassend ein Röntgenstrahlungsfenster, das dazu konfiguriert ist zuzulassen, dass sich mindestens einige der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen von einer ersten Region innerhalb der Röntgenstrahlungsquelle und das mindestens eine Ziel enthaltend durch das Röntgenstrahlungsfenster zu einer zweiten Region außerhalb der Röntgenstrahlungsquelle ausbreiten.
Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch 14, wobei die mindestens eine Elektronenquelle mindestens eine Elektronenkanonensäule umfasst, die dazu konfiguriert ist, das mindestens eine Elektronenbündel zu generieren und zu lenken, um mindestens eine ausgewählte Unterquelle der Vielzahl von Unterquellen zu beschießen.
Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch 14, wobei das mindestens eine wärmeleitfähige Substrat Diamant umfasst und die mindestens eine Unterquelle eine Siliziumkarbidschicht umfasst, die auf das mindestens eine wärmeleitfähige Substrat gesputtert ist.
Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch 14, wobei die Vielzahl von Unterquellen ferner mindestens eine zweite Unterquelle umfasst, die mindestens ein Zielmaterial, das sich von Siliziumkarbid unterscheidet, umfasst und dazu konfiguriert ist, Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen des mindestens einen Zielmaterials als Reaktion auf einen Beschuss durch das mindestens eine Elektronenbündel zu emittieren.
Röntgenstrahlungsquelle nach Anspruch 18, wobei das mindestens eine Zielmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Al, Ag, Rh, Cr, Au, Ti, Fe und Mo.
Verfahren zur Röntgenanalyse, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Beschießen eines Zielmaterials, das Siliziumkarbid umfasst, mit Elektronen; Emittieren von Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen von dem Zielmaterial; Bestrahlen einer Probe mit mindestens einigen der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen; und Detektieren von Röntgenstrahlen und/oder Elektronen, die von der Probe emittiert werden.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Bestrahlen der Probe mit mindestens einigen der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen Verwenden mindestens einer röntgenoptischen Anordnung umfasst, um die Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen zu empfangen und die mindestens einigen der Si-Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen zu lenken, um die Probe zu bestrahlen.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner Folgendes umfasst: Beschießen mindestens eines zweiten Zielmaterials, das sich von Siliziumkarbid unterscheidet, mit Elektronen; Emittieren von Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen von dem mindestens einen zweiten Zielmaterial; und Bestrahlen der Probe mit mindestens einigen der Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen von dem mindestens einen zweiten Zielmaterial.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Bestrahlen der Probe mit mindestens einigen der Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen von dem mindestens einen zweiten Zielmaterial Verwenden mindestens einer röntgenoptischen Anordnung umfasst, um die Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen von dem mindestens einen zweiten Zielmaterial zu empfangen und die mindestens einigen der Röntgenemissionslinien-Röntgenstrahlen von dem mindestens einen zweiten Zielmaterial zu lenken, um die Probe zu bestrahlen.
Röntgenbeleuchtungssystem, das Folgendes umfasst: mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle, die mindestens eine erste Röntgenstrahlungsunterquelle und eine zweite Röntgenstrahlungsunterquelle umfasst, wobei sich die erste und zweite Röntgenstrahlungsunterquelle auf mindestens einem wärmeleitfähigen Substrat befinden oder in dieses eingebettet sind, wobei die erste Röntgenstrahlungsunterquelle ein erstes Material umfasst, das dazu konfiguriert ist, erste Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss der ersten Röntgenstrahlungsunterquelle zu generieren, wobei die zweite Röntgenstrahlungsunterquelle ein zweites Material, das sich von dem ersten Material unterscheidet, umfasst, wobei das zweite Material dazu konfiguriert ist, zweite Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss der zweiten Röntgenstrahlungsunterquelle zu generieren; und eine Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen, die Folgendes umfasst: eine erste optische Anordnung, die mindestens einen ersten kollimierenden Röntgenstrahlungsspiegel, mindestens eine(n) erste(n) energieselektive(n) Röntgen-Monochromator oder Mehrfachschicht und mindestens einen ersten fokussierenden Röntgenstrahlungsspiegel umfasst, wobei die erste optische Anordnung dazu konfiguriert ist, positioniert zu sein, um mindestens einige der von der ersten Röntgenstrahlungsunterquelle emittierten ersten Röntgenstrahlen zu lenken, um eine Probe zu bestrahlen; und eine zweite optische Anordnung, die mindestens einen zweiten kollimierenden Röntgenstrahlungsspiegel, mindestens eine(n) zweite(n) energieselektive(n) Röntgen-Monochromator oder Mehrfachschicht und mindestens einen zweiten fokussierenden Röntgenstrahlungsspiegel umfasst, wobei die zweite optische Anordnung dazu konfiguriert ist, positioniert zu sein, um mindestens einige der von der zweiten Röntgenstrahlungsunterquelle emittierten zweiten Röntgenstrahlen zu lenken, um die Probe zu bestrahlen.
System nach Anspruch 24, wobei die mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle dazu konfiguriert ist, eine ausgewählte Unterquelle der ersten und zweiten Röntgenstrahlungsunterquelle mit mindestens einem Elektronenbündel durch Bewegen eines oder beider von dem mindestens einen Elektronenbündel und dem mindestens einen Substrat relativ zueinander zu beschießen.
System nach Anspruch 24, wobei die mindestens eine Röntgenstrahlungsunterquelle eine dritte Röntgenstrahlungsunterquelle auf dem mindestens einen wärmeleitfähigen Substrat oder in dieses eingebettet umfasst, wobei die dritte Röntgenstrahlungsunterquelle ein drittes Material umfasst, das sich von dem ersten Material und dem zweiten Material unterscheidet, wobei das dritte Material dazu konfiguriert ist, dritte Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss der dritten Röntgenstrahlungsunterquelle zu generieren, wobei die Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen ferner eine dritte optische Anordnung umfasst, die mindestens einen dritten kollimierenden Röntgenstrahlungsspiegel, mindestens eine(n) dritte(n) energieselektive(n) Röntgen-Monochromator oder Mehrfachschicht und mindestens einen dritten fokussierenden Röntgenstrahlungsspiegel umfasst, wobei die dritte optische Anordnung dazu konfiguriert ist, positioniert zu sein, um mindestens einige der von der dritten Röntgenstrahlungsunterquelle emittierten dritten Röntgenstrahlen zu lenken, um die Probe zu bestrahlen.
System nach Anspruch 24, ferner umfassend mindestens eine steuerbar bewegbare Bühne, die mechanisch an die Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen gekoppelt ist, wobei die mindestens eine Bühne dazu konfiguriert ist, die Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen steuerbar so zu positionieren, dass eine ausgewählte eine röntgenoptische Anordnung der Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen positioniert ist, um Röntgenstrahlen von der mindestens einen Röntgenstrahlungsquelle zu empfangen und mindestens einige der empfangenen Röntgenstrahlen zu lenken, um die Probe zu bestrahlen.
System nach Anspruch 27, wobei die mindestens eine steuerbar bewegbare Bühne im Wesentlichen aus einer einzelnen, steuerbar bewegbaren Bühne besteht.
System nach Anspruch 27, wobei die mindestens eine steuerbar bewegbare Bühne eine erste Bühne, eine zweite Bühne und eine dritte Bühne umfasst, wobei die erste Bühne mechanisch an den ersten und zweiten kollimierenden Röntgenstrahlungsspiegel gekoppelt ist, die zweite Bühne mechanisch an den ersten und zweiten energieselektiven Röntgen-Monochromator oder die erste und zweite energieselektive Mehrfachschicht gekoppelt ist und die dritte Bühne mechanisch an den ersten und zweiten fokussierenden Röntgenstrahlungsspiegel gekoppelt ist, wobei die erste, zweite und dritte Bühne dazu konfiguriert sind, unabhängig voneinander gesteuert zu werden.
Röntgen-Photoelektronenspektroskopiesystem, das Folgendes umfasst: mindestens eine Röntgenstrahlungsquelle, die eine Vielzahl von Röntgenstrahlungsunterquellen auf mindestens einem wärmeleitfähigen Substrat oder in dieses eingebettet umfasst, wobei die Röntgenstrahlungsunterquellen eine Vielzahl von Materialien umfassen, die dazu konfiguriert ist, Röntgenstrahlen als Reaktion auf einen Elektronenbeschuss zu generieren; eine Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen, wobei jede optische Anordnung mindestens ein kollimierendes röntgenoptisches Element, mindestens ein energieselektives optisches Element und mindestens ein fokussierendes röntgenoptisches Element umfasst, wobei die Vielzahl von röntgenoptischen Anordnungen dazu konfiguriert ist, positioniert zu sein, um mindestens einige der Röntgenstrahlen, die von einer ausgewählten einen der Vielzahl von Röntgenstrahlungsunterquellen emittiert werden, zu lenken, um eine Probe zu bestrahlen; eine Probenkammer, die dazu konfiguriert ist, die Probe bei einem Probendruck zu enthalten; eine erste Kammer und eine erste elektrostatische Linse, die in der ersten Kammer bei einem ersten Druck, der geringer als der Probendruck ist, enthalten ist, wobei die Probenkammer und die erste Kammer durch eine erste Wand voneinander getrennt sind, die eine erste Öffnung aufweist, die dazu konfiguriert ist zuzulassen, dass sich mindestens einige Photoelektronen aus der Probe von der Probenkammer zu der ersten Kammer ausbreiten; und eine zweite Kammer und eine zweite elektrostatische Linse, die in der zweiten Kammer bei einem zweiten Druck, der geringer als der erste Druck ist, enthalten ist, wobei die erste Kammer und die zweite Kammer durch eine zweite Wand voneinander getrennt sind, die eine zweite Öffnung aufweist, die dazu konfiguriert ist zuzulassen, dass sich mindestens einige Photoelektronen in der ersten Kammer zu der zweiten Kammer ausbreiten.
System nach Anspruch 30, wobei der Probendruck in einem Bereich von 20 mbar bis 1 bar liegt.
System nach Anspruch 30, wobei die erste elektrostatische Linse dazu konfiguriert ist, Photoelektronen von der ersten Öffnung zu empfangen und mindestens einige der Photoelektronen von der ersten Öffnung durch die zweite Öffnung zu fokussieren.
System nach Anspruch 30, ferner umfassend einen energiedispersiven Elektronenenergieanalysator, der von der zweiten Kammer durch eine dritte Wand getrennt ist, die eine dritte Öffnung aufweist, die dazu konfiguriert ist zuzulassen, dass sich mindestens einige der Photoelektronen in der zweiten Kammer zu dem energiedispersiven Elektronenenergieanalysator ausbreiten.
System nach Anspruch 33, wobei die zweite elektrostatische Linse dazu konfiguriert ist, Photoelektronen von der zweiten Öffnung zu empfangen und mindestens einige der Photoelektronen von der zweiten Öffnung durch die dritte Öffnung zu fokussieren.