DE19833524A1

DE19833524A1 - Röntgen-Analysegerät mit Gradienten-Vielfachschicht-Spiegel

Info

Publication number: DE19833524A1
Application number: DE19833524A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schuster; Herbert Goebel
Original assignee: Bruker AXS Analytical X Ray Systems GmbH; Bruker AXS GmbH
Current assignee: Bruker AXS GmbH; GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1998-07-25
Filing date: 1998-07-25
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2018-07-26
Also published as: US6226349B1; DE19833524B4

Abstract

Ein Röntgen-Analysegerät mit einem paraboloidförmig gekrümmten Gradienten-Vielschicht-Bragg-Reflektor (5) ist dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten des Reflektors (5) direkt auf einer konkav gekrümmten Oberfläche eines paraboloidförmig ausgehöhlten Substrats aufgebracht sind, daß die dem Reflektor zugewandte konkave Substratoberfläche eine maximal zulässige Formabweichung DOLLAR F1 eine maximale zulässige Welligkeit DOLLAR F2 und eine maximal zulässige Rauhigkeit DOLLAR F3 aufweist, daß die Röntgenstrahlung (7) unter einem Einfallswinkel 0 DEG < THETA 5 DEG auf die gekrümmte Oberfläche des Reflektors (5) trifft, daß die Periodendicke d der Reflektorbeschichtung zur Paraboloidöffnung hin in x-Richtung gemäß DOLLAR F4 und DOLLAR F5 zunimmt und daß die Abweichung DELTAd/DELTAx kleiner ist als d/2x. Dadurch wird die Transmission des Analysegerätes erheblich verbessert, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer deutlich erhöht und der Fertigungsaufwand verringert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Röntgen-Analysegerät mit

- einer Röntgenstrahlung emittierenden Quelle,
- einer zu analysierenden Probe,
- einem auf Röntgenstrahlung ansprechenden Detektor,
- strahlformenden und/oder strahlbegrenzenden Mitteln und
- einem gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor, der im Strahlgang zwischen der Quelle und der Probe angeordnet ist und eine sich periodisch wiederho lenden Folge von Schichten umfaßt, wobei eine Periode aus mindestens zwei Einzelschichten A, B besteht, die unterschiedliche Brechungsindex-Dekremente δ_A ≠ δ_B und die Dicken d_A und d_B besitzen,
- wobei die Periodendicke, also die Summe d = d_A + d_A + d_C + . , . der Einzelschichten A, B, C, . , . einer Periode entlang einer x-Richtung sich stetig ändert, und
- wobei der Reflektor derart gekrümmt ist, daß er eine Teilfläche eines Paraboloids bildet, in dessen Brennlinie bzw. Brennpunkt die Quelle oder ein Bild der Quelle liegt, so daß nach der Refle xion ein Parallelstrahlenbündel entsteht.

Ein solches Röntgen-Analysegerät ist bekannt aus der WO 95/22758.

Röntgen-Analysegeräte, wie beispielsweise Röntgenspektrome ter und Röntgendiffraktometer dienen der zerstörungsfreien Analyse von festen, pulverförmigen und flüssigen Meßproben. In Diffraktometern, insbesondere Pulver-Diffraktometern sind vorwiegend fokusierende Strahlanordnungen verwirklicht, die eine hohe Ausnutzung des die Probe beleuchtenden Rönten strahlbündels gewährleisten. Zum Monochromatisieren des Röntgenlichts aus der Quelle werden in derartigen Geräten unter anderem Vielschicht-Reflektoren eingesetzt, an denen eine Bragg-Reflexion des einfallenden Lichts erfolgt. Bei der Verwendung von ebenen Reflektoranordnungen wird jedoch die Bragg-Bedingung lediglich für einen einzigen Einfalls winkel θ pro eingestrahlter Wellenlänge erfüllt, so daß eine extrem hohe Parallelität der einfallenden Strahlung erfor derlich ist.

Eine Verbesserung demgegenüber stellen die sogenannten Gra dienten-Vielschichtspiegel (Graded Multilayer Mirror) dar, bei denen die verwendeten Schichten eine monoton steigende Periodendicke auf einem ebenen Substrat aufweisen, um auch ein divergentes Bündel einfallender Strahlung monochromati sieren zu können.

Eine weitere erhebliche Verbesserung wird erreicht durch den Einsatz eines gekrümmten Vielfachschichtspiegels, wie er in der eingangs zitierten WO 95/22758 beschrieben ist.

Die Krümmung dieses Parabolspiegels ist dabei auf eine be stimmte Wellenlänge abgestimmt, so daß sich neben der Mono chromatisierung auch eine Fokusierungswirkung auf den ein fallenden Strahl ergibt, ein größerer Raumwinkel der Quelle erfaßt werden kann und der austretende Strahl parallelisiert wird.

Verwirklicht wird ein derartiger gekrümmter Gradienten-Viel schicht-Spiegel durch sukzessive Aufbringung von Schichten lateral variierender Dicke auf ein ebenes Substrat, in der Regel ein Silizium-Wafer, anschließendes Krümmen des Sub strats mit dem aufgebrachten Vielschicht-Reflektor und Auf kleben dieser Anordnung auf einen in der Regel gekrümmten Substrathalter, der meist aus Aluminium, vorzugsweise aus Invar besteht.

Nachteilig hierbei ist jedoch die hohe Empfindlichkeit eines solchen gekrümmten Reflektors selbst bezüglich ganz geringer Geometriefehler, da die Strahlung aus der Quelle in nahezu streifendem Einfall in der Größenordnung von 1° auf die Spiegeloberfläche auftrifft. Dadurch wirkt sich jede noch so kleine Verunreinigung oder Unebenheit der Substratoberfläche verheerend auf die Formtreue des Spiegels aus. Ausführlich sind diese Effekte beispielsweise in J. Phys. D: Appl. Phys. 28 (1995) A 270 bis A 275 diskutiert.

Weiter entstehen erhebliche Fehler durch Spannungen, bzw. Relaxationseffekte des Substrats in den Randbereichen. Be reits eine Abweichung in der Größenordnung von 30" von der vorgegebenen parabolischen Sollkurve, was durch eine Formab weichung von 10 µm auf eine Länge von etwa 60 mm hervorgeru fen wird, wird zu merklichen Winkelfehlern führen, die sich auf Richtung und Homogenität des Querschnitts des reflek tierten Strahls und seine Photonenflußdichte auswirken.

Demnach genügt bereits ein Partikel in der Größenordnung ei nes Staubkorns auf der Oberfläche des Substrathalters, um die aufgebrachten Vielfachschichten und damit die gesamte Optik nennenswert zu "verbiegen". Aufgrund der Spannungen an den Waferenden wegen der inhomogenen Spannungsverteilung zwischen den Randbereichen und der Mitte stehen die Enden mehr oder weniger gerade vom Zentrum weg oder wölben sich gar in Gegenrichtung, so daß in diesen Bereichen einfallende Strahlen in völlig falsche Richtungen reflektiert werden.

Eine weitere, nicht zu vernachlässigende Fehlerquelle wird durch die Verwendung von Klebstoff zur Befestigung des Sub strats mit aufgebrachten Mehrfachschichten an einem mechani schen Halter hervorgerufen. Durch die Belastung mit Röntgen strahlung während des Betriebs kommt es oft zu einem Auf quellen des Klebers und damit zu einer Deformation der ge samten Spiegelstruktur, so daß der entsprechende Reflektor unbrauchbar wird.

Zur Herstellung eines gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflek tors nach der aus WO 95/22758 bekannten Art ist ein hoher fertigungstechnischer Aufwand erforderlich. Die zunächst ebene "Spiegelgesichtsfläche" wird durch optische Aufspren gung auf eine gekrümmte Referenzfläche aus Spiegelglas auf gebracht, wo sie durch Adhäsion in der richtigen Krümmungs position fixiert bleibt. Anschließend erfolgt dann die Auf klebung auf einen geeigneten Substrathalter.

Nachteilig ist schließlich auch die Tatsache, daß der vorge schlagene gekrümmte Vielschicht-Bragg-Reflektor lediglich einen Zuwachs an reflektierter Photonenflußdichte von einem Faktor 6 durch Parallelisierung des einfallenden divergenten Strahlenbündels erbringt, während der theoretisch erreichba re Wert eine Verbesserung um einen Faktor 30 ergeben müßte. Die Differenz zwischen der tatsächlichen und der theoreti schen Wirkung wird durch die oben genannten geometrischen Fehler aufgrund der Fertigung und des Aufbaus des Rönten spiegels erklärbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Röntgen-Analysegerät der eingangs beschriebenen Art vorzu stellen, bei dem die Transmission mit möglichst geringem technischen Aufwand erheblich verbessert ist und die Zuver lässigkeit und Lebensdauer der Komponenten deutlich erhöht ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schichten des Reflektors direkt auf einer konkav gekrümmten Oberfläche eines paraboloidförmig ausgehöhlten Substrats aufgedampft, aufgesputtert oder aufgewachsen sind, wobei die Krümmung der konkaven Substratoberfläche in einer xy-Ebene der Formel

y² = 2px (1)

folgt mit

0,02 mm < p < 0,5 mm,

vorzugsweise

p ≈ 0,1 mm,

- daß die dem Reflektor zugewandte konkave Substrat oberfläche eine maximal zulässige Formabweichung von
Δp = √2px.Δθ_R (2)
aufweist,
wobei Δθ_R die Halbwertsbreite des Bragg-Reflexes des Reflektors ist, und
im Bereich 0,01° < Δθ_R < 0,5°,
vorzugsweise 0,02° < Δθ_R < 0,20°
liegt,
- daß die dem Reflektor zugewandte konkave Sub stratoberfläche eine maximale zulässige Welligkeit (Winkelfehler) von
- aufweist,
- daß die dem Reflektor zugewandte konkave Sub stratoberfläche eine maximal zulässige RMS-Rauhigkeit von
vorzugsweise Δy ≦ 0,3 nm aufweist,
- daß die Röntgenstrahlung unter einem Einfallswin kel 0° < θ ≦ 5° auf die gekrümmte Oberfläche des Re flektors trifft,
- daß sich die Periodendicke d derart entlang der x-Richtung ändert, daß die Röntgenstrahlung einer be stimmten Wellenlänge λ einer punktförmigen Röntgen quelle unabhängig vom Auftreffpunkt (x, y) auf dem Reflektor stets Bragg-Reflexion erfährt, indem die Periodendicke d in x-Richtung zur Paraboloidöffnung hin gemäß
und
zunimmt, wobei δ das Dekrement des mittleren Bre chungsindex des Vielschicht-Bragg-Reflektors ist,
- daß die Abweichung Δd/Δx von der in Gleichung (5) und (6) definierten Periodendicke d an jedem Punkt des Vielschicht-Bragg-Reflektors entlang der x-Richtung kleiner ist als
- daß für die Periodendicke d gilt:
1 nm ≦ d ≦ 20 nm,
- daß für die Anzahl N der Perioden gilt:
10 < N < 500, vorzugsweise 50 ≦ N ≦ 100,
- und daß für die Energie E der Lichtquanten der Röntgenstrahlung gilt:
0,1 keV < E < 0,1 MeV.

Durch das direkte Aufbringen der Reflektorschichten auf eine konkav gekrümmte Oberfläche sind viel geringere Fertigungs toleranzen bezüglich der Spiegelkrümmung und der Fehlerfrei heit der Schichten einhaltbar, wobei der Fertigungsaufwand bei der Montage wesentlich geringer ist, da das Substrat be reits eine gekrümmte Oberfläche besitzt und nicht erst auf den Substrathalter aufgekrümmt werden muß. Prinzipiell kann daher der Substrathalter sogar ganz entfallen, so daß insge samt weniger Teile erforderlich sind. Selbst der Verwendung eines zusätzlichen Halterungskörpers und Befestigung des Substrats mittels Klebstoff auf demselben ist die Verwendung von Kleber im Hinblick auf eine kaum vermeidbare Alterung und Degeneration aufgrund der Strahlungsexposition des Kle bers erheblich unkritischer, da die schichtabgewandte Seite des Substrats eben sein kann und die Verbindung mit einem (Substrat-)Halter nicht unter Spannung erfolgen muß, so daß selbst bei einer leichten Veränderung der Klebeschicht im Laufe der Zeit keine wesentliche Beeinträchtigung des Spie gels hervorgerufen wird.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß eine "Parabolo idform" auch die beiden Extremfälle Rotationsparaboloid und Parabelzylinder einschließen soll.

Die genaue Variation der Periodendicke d in x-Richtung wurde in Gleichung (5) und (6) beschrieben. Fertigungstechnische Vereinfachungen wie eine lineare Näherung sind als Abwand lungen der hier beschriebenen Erfindung anzusehen.

Vorteilhafterweise besteht bei Ausführungsformen des erfin dungsgemäßen Röntgen-Analysegeräts das Substrat aus amorphem oder polykristallinem Material, welches einerseits einfacher hochfein zu bearbeiten ist als kristallines Material was ge krümmte Flächen anbelangt, andererseits in der Beschaffung erheblich preisgünstiger, da es seit vielen Jahrzehnten in der optischen Industrie in großem Umfang verwendet wird.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen dieser Ausführungsform be steht das Substrat aus Glas, amorphem Silicium, Keramikmate rial, Quarzglas oder Kunststoff, so daß die konkave Parabo loidoberfläche in das Substrat mit extrem hoher Genaugigkeit bei vertretbarem Fertigungsaufwand eingeschliffen bzw. ein poliert werden kann. Die Schichtstruktur des gekrümmten Re flektors wird danach insbesondere durch Aufdampfen, Aufsput tern oder Aufwachsen auf die konkave Substratoberfläche auf gebracht.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungs gemäßen Rönten-Analysegeräts, bei der das Substrat eine sol che Dicke D aufweist, daß es als formstabiler mechanischer Trägerkörper für den gekrümmten Reflektor wirkt, wobei D vorzugsweise 0,05 L < D < 0,5 L mit L = Länge des Substrats in x-Richtung. Dadurch wird ein bislang erforderliches me chanisches Teil, nämlich der Substrathalter überflüssig, der eine zusätzliche Fehlerquelle und einen erhöhten Fertigungs aufwand hervorrufen würde. Außerdem entfällt die Verklebung Substrat und Substrathalter, so daß die oben angesprochenen Probleme einer Alterung der Klebeschicht nicht mehr auftre ten können.

Vorzugsweise gilt für die Anzahl n der Einzelschichten A, B, C, . . . pro Periode: 2 ≦ n ≦ 4.

Das erfindungsgemäße Röntgen-Analysegerät ist vorzugsweise Teil eines hochauflösenden Spektrometers oder Diffraktome ters.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden die Ein zelschichtdicken einer Periode so gewählt, daß die 2. Beu gungsordnung eine Auslöschung erfährt. Bei Monochromatoren werden neben der 1. Beugungsordnung auch die höheren Beu gungsordnungen (2-fache, 3-fache, . . . Photonenenergie) über tragen. In vielen Anwendungen stören höhere Beugungsordnun gen, insbesondere die 2. Beugungsordnung. Besteht die Peri ode aus zwei Einzelschichten A und B, so kann eine struktu relle Auslöschung der 2. Beugungsordnung näherungsweise er reicht werden, indem d_A = d_B gewählt wird. Bei genauerer Be trachtung unter Berücksichtigung von Brechungs- und Absorp tionseffekten muß man zur Auslöschung der 2. Beugungsordnung jedoch fordern, daß d_A = d_B.k mit 1 ≦ k ≦ 1,05, wenn A die Einzelschicht mit der höheren Dichte und B die Einzelschicht mit der niedrigeren Dichte bezeichnet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich da durch aus, daß im Strahlengang zwischen der Quelle, der Pro be und dem Detektor ein Kollimator angeordnet ist, der par allel zueinander orientierte und auf die Strahlrichtung der Röntgenstrahlung ausgerichtete Lamellen aufweist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Röntgen-Analysegeräts ist im Strahlengang zwi schen dem gekrümmten Reflektor und der Probe ein erster Mo nochromator angeordnet, der vorzugsweise als Mehrfach-Mono chromator, insbesondere als Vielfach-"Channel-Cut"-Monochro mator vom Typ (+--+) ausgebildet sein kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich durch einen im Strahlengang zwischen dem gekrümmten Reflek tor und der Probe angeordneten zweiten ebenen oder gekrümm ten Vielschicht-Bragg-Reflektor aus.

Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der im Strah lengang zwischen der Probe und dem Detektor ein zweiter Mo nochromator angeordnet ist, der insbesondere als ebener Kri stall-Monochromator ausgebildet sein kann.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung mit einem zwei ten gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor, der den gleichen Aufbau wie der erste Reflektor aufweist und mit seiner Para boloidöffnung auf die Probe ausgerichtet ist, wobei eine Blende im Brennpunkt des zweiten Reflektors zwischen dem zweiten Reflektor und dem Detektor positioniert ist.

Die Kombination des zweiten Vielschicht-Bragg-Reflektors mit der Blende im Brennpunkt bildet eine Analysatoranordnung, die es erlaubt, Röntgenstrahlung einer bestimmten Wellenlän ge nach ihrer Austrittsrichtung zu selektieren. Insbesondere kann damit die von der Probe diffus reflektierte Strahlung austrittsrichtungsselektiv erfaßt werden.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein ge krümmter Vielschicht-Bragg-Reflektor mit den oben beschrie benen Merkmalen zum Einbau in ein erfindungsgemäßes Röntgen- Analysegerät.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfin dungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaf ten Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgen-Analysegeräts;

Fig. 2: den schematischen Aufbau des der Monochromatisie rung und Parallelisierung dienenden gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektors;

Fig. 3: den schematischen Strahlengang am Vielschicht- Bragg-Reflektor nach Fig. 2;

Fig. 4a: ein Beispiel für die sog. spärische Aberration bei der Approximation eines Parabelzylinderspiegels mit p = 0,1 mm durch einen Kreiszylinderspiegel von 7643 mm Radius und einer Mittelpunktsposition von (x₀ = 90 mm, y₀ = -7639 mm);

Fig. 4b: die Strahlablenkung Δα aufgrund der sphärischen Ab erration bei Zugrundelegung des in Fig. 4a darge stellten Kreiszylinderspiegels im Bereich 60 mm ≦ x ≦ 120 mm;

Fig. 5: eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgen-Analysegeräts zur Vermessung von massiven Werkstücken;

Fig. 6: eine Ausführungsform mit Vierfach-"Channel-Cut"-Mo nochromator vom Tpy (+--+);

Fig. 7: eine Ausführungsform mit einem zweiten Bragg- Reflektor;

Fig. 8: eine Ausführungsform mit einem zweiten Monochroma tor; und

Fig. 9: eine Ausführungsform mit einem zweiten gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor und einem "Channel- Cut"-Monochromator.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Dünnschicht-Diffrak tometer umfaßt eine aus einer Glühkathode 1, einer Fokus sierelektrode 2 und eine Anode 3 bestehende Röntgenröhre 4, einen parabolisch gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor 5 zur Parallelisierung und Umlenkung der von dem strichförmi gen Elektronenfokus 6 auf der Anode 3 divergent austretenden Röntgenstrahlung 7 in Richtung der auf einem Glassubstrat 8 angeordneten Dünnschichtprobe 9, einen Detektor 10 (z. B. Proportionalzähler, Szintillationszähler etc.) sowie einen dem Detektor 10 vorgelagerten Kollimator 11. Da die Lamellen des Kollimators 11 parallel zueinander orientiert und auf die im Zentrum des Meßkreises 12 dreh- und höhenverstellbar gelagerte Probe 9 ausgerichtet sind, gelangt nur die unter einem definierten Winkel 2 ϑ von der Probe gestreute Rönt genstrahlung 13 als nahezu paralleles Bündel zum Detektor 10. Die Divergenz der vom Detektor 10 erfaßten Strahlung 13 hängt hierbei vom verwendeten Kollimator ab und beträgt ty pischerweise 0,1 bis 0,4°. Weiterhin enthält das Diffrakto meter justierbare Blenden 14, 15, die den Querschnitt des primären Röntgenstrahls 7 und des die Probe 9 beleuchtenden Parallelstrahls 7' in horizontaler Richtung begrenzen.

Als Röntgenspiegel zur Erzeugung des parallelen monochroma tischen Strahlenbündels 7' ist in dem erfindungsgemäßen Dif fraktometer ein gekrümmter Vielschicht-Bragg-Reflektor 5 vorgesehen. Dieser im oberen Teil von Fig. 2 schematisch im Schnitt dargestellte Paraboloid-Röntgenspiegel enthält eine sich periodisch wiederholende Folge von Schichten aus Mate rialien A und B mit den Brechungsindex-Dekrementen δ_A ≠ δ_B, wobei die Anzahl der Einzelschichten innerhalb einer Periode mindestens zwei ist. Die einzelnen Schichten erzeugt man vorzugsweise durch Aufsputtern, Aufdampfen oder Aufwachsen der entsprechenden Materialien A bzw. B z. B. auf einer sehr glatten, vorzugsweise geschliffenen und polierten konkav ge krümmten Oberfläche eines paraboloidförmig ausgehöhlten Sub strats S, wobei die Schichten amorph oder kristallin sein können. Für einen aus einer periodischen Folge von zwei Schichten bestehenden Vielschicht-Bragg-Reflektor 5 kommt beispielsweise die Kombination der Materialien A/B : Mo/B₄C, Re/Si, Re/C, W/Si, W/C, Ta/Si, W/Be, Mo/Be, Mo/Si, Mo/C, Ni/C, Au/C, AuPd/C, ReW/B, ReW/C, Al/Be oder V/C in Be tracht.

Um den divergent auf den parabolisch gekrümmten Vielschicht spiegel 5 einfallenden Primärstrahl 7 in ein monochromati sches paralleles Strahlenbündel 7' zu reflektieren, darf die durch die Periodendicke d = d_A + d_B gegebene "Gitterkon stante" des Systems nicht konstant sein. Die Periodendicke d muß sich vielmehr über die Länge des Reflektors 5 derart ändern, daß Röntgenstrahlung einer bestimmten Wellenlänge unabhängig vom Auftreffort bzw. Einfallswinkel stets die Bragg-Gleichung erfüllt. In Fig. 2 ist die Zunahme der Peri odendicke d mit der Länge l des Reflektors 5 in X-Richtung stark überzeichnet dargestellt. In der Praxis beträgt die Periodendicke d für einen W/Si-Reflektor und Cu-Kα-Strahlung am Punkt a (l = 0 mm) beispielsweise d (a) = 4 nm.

Sie wächst dann gemäß Gleichung (5) und (6) mit der Länge l an, um am Punkt b (l = 50 mm) schließlich den Wert d (b) = 5 nm anzunehmen (s. auch Fig. 3). Die röntgenopti schen Eigenschaften solcher als "Graded-Multilayer-Bragg"- Struktur bezeichneten Vielschichtsysteme sind näher be schrieben in SPIE Vol. 563, Application of Thin-Film Multi layered Structures to Figured X-Ray Optics (1985), S. 114-134.

Die schichtseitige Oberfläche des Substrats S folgt, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, in der xy-Ebene einer Krüm mung gemäß der Formel y² = 2 px mit p ≈ 0,1 mm. Damit ergibt sich eine paraboloidförmige konkave Aushöhlung des Substrats S, deren Kontur die aufgebrachten Schichten A, B folgen.

Strichpunktiert gezeichnet ist die zur x-Richtung parallele Symmetrieachse der Parabeln mit dem Brennpunkt F. Bei einer Punktquelle nimmt der Reflektor 5 vorzugsweise die Form ei nes Rotationsparaboloids um die strichpunktiert gezeichnete Symmetrieachse der Parabeln an. Bei einer Strichquelle nimmt der Reflektor 5 vorzugsweise die Form eines Parabelzylinders an. Im Prinzip sind auch alle Paraboloide als Zwischenformen denkbar.

Ein in ca. 150 mm Entfernung vom Röhrenbrennfleck 6 angeord nete und etwa 60 mm lange Vielschicht-Bragg-Reflektor 5 kann beispielsweise Cu-Kα-Strahlung mit einer Strahldivergenz von etwa 0,5° erfassen und sie mit annähernd 80% der Primär strahlintensität in ein ca. 1 mm breites paralleles und monochromatisches Strahlenbündel reflektieren.

Fig. 3 zeigt schematisch den Strahlengang am Paraboloid- Röntgenspiegel 5 nach Fig. 2. Die von der linienförmigen, senkrecht zur Zeichenebene im Fokus F positionierten Rönt durch das parabolische Bragg-Gitter des Gradienten-Vielfach schicht-Spiegels 5 so gebeugt, daß ein reflektiertes Paral lelstrahlenbündel 7' entsteht.

Besonders wichtig für die Leistungsfähigkeit des erfindungs gemäßen Röntgen-Analysegeräts ist die Genauigkeit des loka len d-Werts sowie die Genauigkeit der Parabelform des ge krümmten Vielschicht-Bragg-Reflektors 5. Zur Visualisierung eines prinzipiellen Optikfehlers, der sogenannten sphäri schen Aberration ist in Fig. 4a die Abweichung der Kreisform 41 von der Parabelform 40 (stark überhöht) dargestellt. Die Kurven 40 und 41 schneiden sich bei einem x-Wert von 90 mm. Die Parabel 40 folgt wiederum der Formel y = 2px mit p = 0,1 mm, während der Kreis (bzw. die Kugel) 41 im gezeig ten Beispiel einen Radius von 7,643 m besitzt.

Diese sogenannte sphärische Aberration ist im Zusammenhang mit der zu fordernden Formgenauigkeit des Paraboloid-Reflek tors 5 hervorhebenswert, da fast in der gesamten Lichtoptik, bei der achsennahe Strahlen vorausgesetzt werden, durch die sphärische Abweichung von der paraboloiden Form entstehende Fehler einfach hingenommen werden. Beim vorliegenden erfin dungsgemäßen Röntgen-Analysegerät jedoch tritt die Röntgen strahlung 7 unter einem sehr flachen Einfallswinkel θ ≈ 1° auf die gekrümmte Oberfläche des Reflektors 5 auf, was bei Vorliegen der sphärischen Aberration zu erheblichen Abbil dungsfehlern führen würde.

Fig. 4b zeigt schematisch die Strahlenablenkung α als Funk tion vom Abstand x des Auftreffpunkts auf Grund der sphäri schen Aberration bei Zugrundelegung eines Reflektors, der der in Fig. 4a gezeigten sphärischen Kurve 41 folgt. Der ak zeptable Grenzwert der Strahlenablenkung Δα ist gestrichelt gezeichnet. Bei diesem Grenzwert kommt es bereits zu einem fast vollständigen Intensitätsverlust der reflektierten Strahlung.

Dementsprechend werden folgende Anforderungen an einen gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor 5 zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Röntgen-Analysegerät formuliert:

1. Zielgenauigkeit der Deposition (Wie genau müssen d-Wert und Fokusabstand zusammenstimmen, wenn man annimmt, daß das Substrat formgetreu ist?)
Maximale d-Wert-Abweichung bei gegebenem Fokusabstands intervall:
Δd/Δf = 0,5 d/f
Für die in der Diffraktometrie typischerweise verwendete Röntgenstrahlung Cu-Ka (λ = 0,154 nm, E = 8045 eV), einen Spiegel bestehend aus abwechselnden Schichten von W und Si und einem Parabelparameter p = 0,1 mm ergibt sich für einen mittleren Spiegelabstand x_o von der Röntgenquelle folgende maximal zulässige Abweichung vom idealen d(x)-Zusammenhang, wie oben in Gleichung (5) und (6) definiert:
Δd/Δx = 0,018 nm/mm für x_o = 90 mm
Δd/ΔAx = 0,014 nm/mm für x_o = 150 mm
Der ideale d(f)-Zusammenhang lautet:
d(f) = λ (f/2p)^\-1/\_2
In dem hier interessanten Bereich von f = 70 . . . 110 mm bzw. 120 . . . 80 mm verläuft d(f) fast linear.
2. Formtreue der Parabel (Welche Winkelfehler darf die Para belform aufweisen, damit der austretende Strahl gegenüber der inhärenten Divergenz keine wesentliche Divergenzver größerung erfährt?)
Die Halbwertsbreite Δθ_R des Bragg-Reflexes einer Viel fachschicht beträgt Δθ_R = 0,232 λd(Φ_A - Φ_B) [siehe AIP Conf. Proc. (USA) 75 (1981 170-178].
Für die in der Diffraktometrie typischerweise verwendete Röntgenstrahlung Cu-Ka (λ = 0,154 nm, E = 8045 eV), einen Spiegel bestehend aus abwechselnden Schichten von W und Si (A = W, B = Si) und einem Parabelparameter p = 0,1 mm ergeben sich für einen Abstand x von der Röntgenquelle folgende maximal zulässige Winkelfehler 0,5 Δθ_R der Para bel/Vielfachschicht:
Wohlgemerkt, die in der Tabelle aufgeführten Werte 0,5 Δθ_R führen zu fast vollständigem Intensitätsverlust. Die Firma Zeiss spezifiziert den Winkelfehler ihrer ge schliffenen Parabol-Spiegel mit: ≦ 1 arcsec = 0,00028°.
Aus obigen Winkelfehlertoleranzen ergibt sich die Forde rung nach einer echten Parabelform. Welchen Fehler man machen würde, wenn man statt der Parabel- eine Kreisform verwendet, sieht man aus Fig. 4b.
3. Rauhigkeit der Substratoberfläche (Aus welchen unter schiedlichen Höhen darf der Strahl reflektiert werden, damit die Intensität des austretenden Strahls nicht weg interferiert wird?)
Δy = λ/(4π sin θ) = d/2π (Grenzwert für 1/e Abfall, d. h. 63% Intensitätsverlust)
Für die in der Diffraktometrie typischerweise verwendete Röntgenstrahlung Cu-Ka (λ = 0,154 nm, E = 8045 eV), einen Spiegel bestehend aus abwechselnden Schichten von W und Si (A = W, B = Si) und einem Parabelparameter p = 0,1 mm ergibt sich für einen Abstand x von der Röntgenquelle folgende maximal zulässige Abweichung Δy von der idealen Parabelform:
Dynamische Rechnungen gemäß der Fresnel'schen Theorie er geben genauere Werte, die jedoch betragsmäßig ähnlich sind. Zeiss spezifiziert die RMS-Rauhigkeit seiner ge schliffenen Parabol-Spiegel aus Quartz mit: ≦ 0,5 nm. In der Regel erreicht Zeiss 0,3 nm.

Aufgrund der in einem erfindungsgemäßen Analysegerät ver wirklichten Parallelstrahl-Röntgenoptik hat die Probengeome trie keinen Einfluß auf die Winkelgenauigkeit und Winkelauf lösung der jeweiligen Messung. In dem in Fig. 5 dargestell ten Diffraktometer lassen sich daher beispielsweise auch massive Werkstücke 18 beliebiger Form (Formteile), Bruchflä chen, Korrosionsflächen und Ausgrabungsgegenstände untersu chen, die nicht verändert werden dürfen.

Bei dem in Fig. 6 unten dargestellten Parallelstrahl-Mehr- Kristall-Diffraktometer ist dem als Kondensor dienenden Vielschicht-Bragg-Reflektor 5 ein beispielsweise aus der US-A-4,567,605 an sich bekannter "Channel-Cut"-Monochroma tor 19 nachgeschaltet, der das parallele Primärstrahl bündel 7' in Richtung der im Zentrum eines hochauflösenden Omega-Goniometers angeordneten Probe 20 umlenkt. Da ein paralleles Strahlenbündel in den Monochromator 19 eintritt, wird nahezu die gesamte Primärstrahlintensität transmit tiert. Bei dem in konventionellen Mehrkristall-Diffraktome tern verwirklichten divergenten Strahlengang (siehe Fig. 6 oben) geht hingegen mehr als 90% der Primärstrahlintensität bei der Reflexion am dritten Monochromatorkristall 21 verlo ren.

Zwei-Kristall-Diffraktometer eignen sich für hochgenaue Un tersuchungen der Realstruktur von Einkristallen im Vergleich zu einem idealen Referenzkristall. Um auch in solchen Gerä ten eine Parallelstrahl-Röntgenoptik zu verwirklichen, ist ein wiederum als Kondensor wirkender Vielschicht-Bragg- Reflektor 5 im Strahlengang zwischen der Röntgenröhre 4 und einem hochreinen Referenzkristall 22 angeordnet, wie in Fig. 7 schematisch dargestellt ist. Die am Referenz kristall 22 Bragg-reflektierte Strahlung 23 fällt dann als paralleles Bündel auf die Probe 24, wird dort nochmals ge beugt und schließlich als paralleles Bündel 25 im Detek tor 10 nachgewiesen.

Mit dem in Fig. 8 dargestellten Parallelstrahl-Reflektometer lassen sich insbesondere dünne Schichten 26 und glatte Ober flächen untersuchen, wobei man die Größe des vom parallen Primärstrahlbündel 27 ausgeleuchteten Bereichs mit Hilfe einer in Pfeilrichtung verschiebbaren Schneidenblende 28 variieren kann. Ein einem Szintiallationszähler 29 vorgela gerter ebener Monochromator 30 dient der Unterdrückung uner wünschter Streustrahlung. Er ist unmittelbar hinter einer Blende 31 angeordnet, deren Abstand zur Probe 26 etwa 50 cm beträgt.

Fig. 9 schließlich zeigt eine Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Röntgen-Analysegeräts, bei der in Strahlrich tung des reflektierten Parallelstrahlenbündels 7' dem ersten Vielschicht-Bragg-Reflektor 5 ein "Channel-Cut"-Monochroma tor 19 folgt, der im Prinzip denselben Aufbau aufweist wie der in Fig. 6 gezeigte. Diesem folgt in Strahlrichtung eine Probe 32. Die unter einem Winkel 2 ϑ von der Probe 32 re flektierte Strahlung trifft unter flachem Winkel auf einen zweiten gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor 35, der den gleichen Aufbau wie der erste Reflektor 5 aufweist und mit seiner Paraboloidöffnung auf die Probe 32 ausgerichtet ist. Im Brennpunkt des zweiten Reflektors 35, zwischen diesem und dem Detektor 29 ist eine Blende 33 positioniert.

Die Anordnung nach Fig. 9 erlaubt es, die von der Probe 32 diffus reflektierte Strahlung selektiv nach ihrer Austritts richtung zu erfassen, da die Kombination aus dem zweiten Vielschicht-Bragg-Reflektor 35 und der in seinem Brennpunkt angeordneten Blende 33 als Analysator wirkt.

Claims

1. Röntgen-Analysegerät mit

1. einer Röntgenstrahlung (7) emittierenden Quelle (6),
2. einer zu analysierenden Probe (9; 18; 20; 24; 26; 32),
3. einem auf Röntgenstrahlung ansprechenden Detektor (10; 29),
4. strahlformenden und/oder strahlbegrenzenden Mitteln (14, 15; 28, 31; 33) und
5. einem gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor (5), der im Strahlgang zwischen der Quelle (6) und der Probe angeordnet ist und eine sich periodisch wiederholen den Folge von Schichten umfaßt, wobei eine Periode aus mindestens zwei Einzelschichten A, B besteht, die unterschiedliche Brechungsindex-Dekremente δ_A ≠ δ_B und die Dicken d_A und d_B besitzen,
6. wobei die Periodendicke, also die Summe d = d_A + d_A + d_C + der Einzelschichten A, B, C, . . . einer Periode entlang einer x-Richtung sich stetig ändert, und
7. wobei der Reflektor (5) derart gekrümmt ist, daß er eine Teilfläche eines Paraboloids bildet, in dessen Brennlinie bzw. Brennpunkt die Quelle (6) oder ein Bild der Quelle (6) liegt, so daß nach der Reflexion ein Parallelstrahlenbündel (7') entsteht,

dadurch gekennzeichnet,

1. daß die Schichten des Reflektors (5) direkt auf einer konkav gekrümmten Oberfläche eines paraboloidförmig ausgehöhlten Substrats (S) aufgedampft, aufgesputtert oder aufgewachsen sind, wobei die Krümmung der konka ven Substratoberfläche in einer xy-Ebene der Formel
y² = 2px
folgt mit 0,02 mm < p < 0,5 mm, vorzugsweise p ≈ 0,1 mm,
2. daß die dem Reflektor (5) zugewandte konkave Sub stratoberfläche eine maximal zulässige Formabweichung von
Δp = √2px.Δθ_R
aufweist,
wobei Δθ_R die Halbwertsbreite des Bragg-Reflexes des Reflektors (5) ist, und im Bereich
0,01° < Δθ_R < 0,5°, vorzugsweise
0,02° < Δθ_R < 0,20° liegt,
3. daß die dem Reflektor (5) zugewandte konkave Sub stratoberfläche eine maximale zulässige Welligkeit von
aufweist,
4. daß die dem Reflektor (5) zugewandte konkave Sub stratoberfläche eine maximal zulässige Rauhigkeit von
vorzugsweise Δy ≦ 0,3 nm aufweist,
5. daß die Röntgenstrahlung (7) unter einem Einfallswin kel 0° < θ ≦ 5° auf die gekrümmte Oberfläche des Re flektors (5) trifft,
6. daß sich die Periodendicke d derart entlang der x-Richtung ändert, daß die Röntgenstrahlung einer be stimmten Wellenlänge λ einer punktförmigen Röntgen quelle unabhängig vom Auftreffpunkt (x, y) auf dem Reflektor (5) stets Bragg-Reflexion erfährt, indem die Periodendicke d zur Paraboloidöffnung hin in x-Richtung gemäß
und
zunimmt, wobei δ das Dekrement des mittleren Bre chungsindex des Vielschicht-Bragg-Reflektors (5) ist,
7. daß die Abweichung Δd/Δx der Periodendicke d an jedem Punkt des Vielschicht-Bragg-Reflektors (5) entlang der x-Richtung kleiner ist als
8. daß für die Periodendicke d gilt:
1 nm ≦ d ≦ 20 nm,
9. daß für die Anzahl N der Perioden gilt:
10 < N < 500, vorzugsweise 50 ≦ N ≦ 100,
10. und daß für die Energie E der Lichtquanten der Röntgenstrahlung gilt:
0,1 keV < E < 0,1 MeV.

2. Röntgen-Analysegerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Substrat (S) aus amorphem oder poly kristallinem Material besteht.

3. Röntgen-Anlaysegerät nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß das Substrat (S) aus Glas, amorphem Silizium, Keramikmaterial, Quarzglas oder Kunststoff besteht.

4. Röntgen-Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) eine solche Dicke D aufweist, daß es als formstabiler mechanischer Trägerkörper für den Reflektor (5) wirkt, wobei D vorzugsweise 0,05 L < D < 0,5 L mit L = Länge des Substrats (S) in x-Richtung.

5. Röntgen-Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Anzahl n der Einzelschichten A, B, C, . . pro Periode gilt:
2 ≦ n ≦ 4.

6. Röntgen-Analysegerät nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Röntgen-Analy segerät Teil eines hochauflösenden Spektrometers oder Diffraktometers ist.

7. Röntgen-Analysegerät nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Periode aus genau zwei Einzelschichten A und B besteht, wobei die Schichtdicken im Intervall d_A.0,95 ≦ d_B ≦ d_A.1,05 liegen.

8. Röntgen-Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen der Quelle (6), der Probe (9; 18) und dem Detektor (10) ein Kollimator (11) angeordnet ist, der parallel zueinander orientierte und auf die Strahlrich tung der Röntgenstrahlung (7) ausgerichtete Lamellen aufweist.

9. Röntgen-Analysegerät nach einem der vorhergehenden An sprüche, gekennzeichnet durch einen im Strahlengang zwischen dem gekrümmten Reflektor (5) und der Probe (20) angeordneten ersten Monochromator (19).

10. Röntgen-Analysegerät nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der erste Monochromator (19) ein Mehr fach-Monochromator, vorzugsweise ein Channel-Cut-Mono chromator ist.

11. Röntgen-Analysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen im Strahlengang zwischen dem gekrümmten Reflektor (5) und der Probe (24) angeordne ten zweiten ebenen oder gekrümmten Vielschicht-Bragg- Reflektor (22).

12. Röntgen-Analysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen im Strahlengang zwischen der Probe (26) und dem Detektor (29) angeordneten zweiten Monochromator (30).

13. Röntgen-Analysegerät nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß der zweite Monochromator (30) ein ebener Kristall-Monochromator ist.

14. Röntgen-Analysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen im Strahlengang zwischen der Probe (32) und dem Detektor (39) angeordneten weiteren gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor (35), der den selben Aufbau wie der erste Reflektor (5) aufweist und mit seiner Paraboloidöffnung auf die Probe (32) ausge richtet ist, wobei eine Blende (33) im Brennpunkt des weiteren Reflektors (35) zwischen dem weiteren Reflek tor (35) und dem Detektor (29) positioniert ist.

15. Gekrümmter Vielschicht-Bragg-Reflektor (5; 35) zum Ein bau in ein Röntgen-Analysegerät nach einem der vorher gehenden Ansprüche.