DE19833524B4

DE19833524B4 - Röntgen-Analysegerät mit Gradienten-Vielfachschicht-Spiegel

Info

Publication number: DE19833524B4
Application number: DE19833524A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Schuster; Herbert Dr. Göbel; Carsten Dr. Michaelsen; Rüdiger Prof. Dr. Bormann
Original assignee: Bruker AXS GmbH; GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: Bruker AXS GmbH; GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1998-07-25
Filing date: 1998-07-25
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2018-07-26
Also published as: DE19833524A1; US6226349B1

Abstract

Röntgen-Analysegerät für Röntgen-Energie E im Bereich 0,1 keV < E < 0,1 MeV mit
– einer Röntgenstrahlung (7) emittierenden Quelle (6),
– einer zu analysierenden Probe (9; 18; 20; 24; 26; 32),
– einem auf Röntgenstrahlung ansprechenden Detektor (10; 29),
– strahlformenden und/oder strahlbegrenzenden Mitteln (14, 15; 28, 31; 33) und
– einem gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor (5), der im Strahlgang zwischen der Quelle (6) und der Probe angeordnet ist und eine sich periodisch wiederholenden 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_B + d_C + ... der Einzelschichten A, B, C, ... einer Periode entlang einer x-Richtung sich stetig ändert, und
– wobei der Reflektor (5) derart gekrümmt ist, daß er eine...

Description

Die Erfindung betrifft ein Röntgen-Analysegerät für Röntgen-Energie E im Bereich 0,1 keV < E < 0,1 MeV 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 wiederholenden 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_B + 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, wobei die Röntgenstrahlung unter einem Einfallswinkel 0° < θ ≤ 5° auf die gekrümmte Oberflä che des Reflektors trifft, so daß nach der Reflexion ein Parallelstrahlenbündel entsteht,
– wobei die Schichten des Reflektors direkt auf einer konkav gekrümmten Oberfläche eines paraboloidförmig ausgehöhlten Substrats mit einer Rauhigkeit im atomaren Bereich aufgedampft, aufgesputtert oder aufgewachsen sind, wobei die Krümmung der konkaven Substratoberfläche in einer xy-Ebene der Formel y2 = 2px (1)folgt .

Ein solches Röntgen-Analysegerät ist bekannt aus der US 5,646,976 .
Röntgen-Analysegeräte, wie beispielsweise Röntgenspektrometer und Röntgendiffraktometer dienen der zerstörungsfreien Analyse von festen, pulverförmigen und flüssigen Meßproben. In Diffraktometern, insbesondere Pulver-Diffraktometern sind vorwiegend fokussierende Strahlanordnungen verwirklicht, die eine hohe Ausnutzung des die Probe beleuchtenden Röntenstrahlbündels 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 Einfallswinkel θ pro eingestrahlter Wellenlänge erfüllt, so daß eine extrem hohe Parallelität der einfallenden Strahlung erforderlich ist.
Eine Verbesserung demgegenüber stellen die sogenannten Gradienten-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 monochromatisieren zu können.

Eine weitere erhebliche Verbesserung wird erreicht durch den Einsatz eines gekrümmten Vielfachschichtspiegels, wie er in der WO 95/22758 oder der DE 44 07 278 A1 beschrieben ist.

Die Krümmung dieses Parabolspiegels ist dabei auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt, so daß sich neben der Monochromatisierung auch eine Fokussierungswirkung auf den einfallenden Strahl ergibt, ein größerer Raumwinkel der Quelle erfaßt werden kann und der austretende Strahl parallelisiert wird.

Verwirklicht wird ein derartiger gekrümmter Gradienten-Vielschicht-Spiegel gemäß WO 95/22758 durch sukzessive Aufbringung von Schichten lateral variierender Dicke auf ein ebenes Substrat, in der Regel ein Silizium-Wafer, anschließendes Krümmen des Substrats mit dem aufgebrachten Vielschicht-Reflektor und Aufkleben 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. Bereits eine Abweichung in der Größenordnung von 30'' von der vorgegebenen parabolischen Sollkurve, was durch eine Formabweichung von 10μm auf eine Länge von etwa 60 mm hervorgerufen wird, wird zu merklichen Winkelfehlern führen, die sich auf Richtung und Homogenität des Querschnitts des reflektierten Strahls und seine Photonenflußdichte auswirken.

Demnach genügt bereits ein Partikel in der Größenordnung eines 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 Substrats mit aufgebrachten Mehrfachschichten an einem mechanischen Halter hervorgerufen. Durch die Belastung mit Röntgenstrahlung während des Betriebs kommt es oft zu einem Aufquellen des Klebers und damit zu einer Deformation der gesamten Spiegelstruktur, so daß der entsprechende Reflektor unbrauchbar wird.

Zur Herstellung eines gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektors nach der aus WO 95/22758 bekannten Art ist ein hoher fertigungstechnischer Aufwand erforderlich. Die zunächst ebene "Spiegelgesichtsfläche" wird durch optische Aufsprengung auf eine gekrümmte Referenzfläche aus Spiegelglas aufgebracht, wo sie durch Adhäsion in der richtigen Krümmungsposition fixiert bleibt. Anschließend erfolgt dann die Aufklebung auf einen geeigneten Substrathalter.

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

Aus der eingangs zitierten US 5,646,976 ist ein gekrümmter Vielschicht-Bragg-Reflektor bekannt, dessen Schichten direkt auf einer konkav gekrümmten Oberfläche eines paraboloidförmig ausgehöhlten Substrats aufgebracht sind.

Durch das direkte Aufbringen der Reflektorschichten auf eine konkav gekrümmte Oberfläche sind prinzipiell viel geringere Fertigungstoleranzen bezüglich der Spiegelkrümmung und der Fehlerfreiheit der Schichten einhaltbar, wobei der Fertigungsaufwand bei der Montage wesentlich geringer ist, da das Substrat bereits eine gekrümmte Oberfläche besitzt und nicht erst auf den Substrathalter aufgekrümmt werden muß. Prinzipiell kann daher der Substrathalter sogar ganz entfallen, so daß insgesamt 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 Klebers 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 Spiegels hervorgerufen wird.

Die grundlegende Idee, die in der US 5,646,976 beschrieben wird, besteht darin, lokale Orientierungsfehler der parabolischen Substratoberfläche durch lokale Änderung der Periodendicke dahingehend auszugleichen, daß die Bragg-Bedingung wieder erfüllt wird, d.h. daß die Anordnung an dieser Stelle wieder einen intensiven Bragg-Reflex zeigt. Hierbei wird in der US 5,646,976 jedoch übersehen (oder verschwiegen), daß sich dabei die Richtung des Bragg-Reflexes ändert. Damit erhöht zwar die dort beschriebene Anordnung die integrale Intensität, aber die fokussierenden Eigenschaften gehen dabei verloren. In der gewünschten Richtung (beispielsweise bei einem Parallelstarahl) erhöht sich die Intensität, wenn überhaupt, nur mäßig. Stattdessen wird Streustrahlung produziert, die zu einem unerwünschten Untergrundsignal führt. So wird zwar in der US 5,646,976 erkannt, daß mit Fertigungsfehlern gerechnet werden muß, jedoch wird vorgeschlagen, diese zu akzeptieren und teilweise on-line während der Fertigung durch zufällig auftretende gegenläufige Abweichungen zu kompensieren, statt sie von vornherein auf ein erträgliches Maß herunterzudrücken.

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

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß 0,02 mm < p < 0,5 mm,vorzugsweise p ≈ 0,1 mm,

– daß die dem Reflektor zugewandte konkave Substratoberfläche eine maximal zulässige Formabweichung von Δp = √2px∙ΔθR aufweist, (2)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 Substratoberfläche eine maximale zulässige Welligkeit (Winkelfehler) von
– daß die dem Reflektor zugewandte konkave Substratoberfläche eine maximal zulässige RMS-Rauhigkeit von
vorzugsweise Δy ≤ 0,3 nm aufweist,
– daß sich die Periodendicke d derart entlang der x-Richtung ändert, daß die Röntgenstrahlung einer bestimmten Wellenlänge λ einer punktförmigen Röntgenquelle unabhängig vom Auftreffpunkt (x, y) auf dem Reflektor stets Bragg-Reflexion erfährt, indem die Periodendicke d in x-Richtung zur Paraboloidöffnung hin gemäß
zunimmt, wobei δ das Dekrement des mittleren Brechungsindex 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 ≤ 2 0 nm ,
– daß für die Anzahl N der Perioden gilt: 10 < N < 500, vorzugsweise 50 ≤ N ≤ 100.

Mit diesen Maßnahmen wird die oben formulierte Erfindungsaufgabe gelöst. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß eine "Paraboloidform" 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 Abwandlungen der hier beschriebenen Erfindung anzusehen.

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

Bei vorteilhaften Weiterbildungen dieser Ausführungsform besteht das Substrat aus Glas, amorphem Silicium, Keramikmaterial, Quarzglas oder Kunststoff, so daß die konkave Paraboloidoberfläche in das Substrat mit extrem hoher Genaugigkeit bei vertretbarem Fertigungsaufwand eingeschliffen bzw. einpoliert werden kann. Die Schichtstruktur des gekrümmten Reflektors wird danach insbesondere durch Aufdampfen, Aufsputtern oder Aufwachsen auf die konkave Substratoberfläche aufgebracht.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rönten-Analysegeräts, bei der das Substrat eine solche 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 mechanisches Teil, nämlich der Substrathalter überflüssig, der eine zusätzliche Fehlerquelle und einen erhöhten Fertigungsaufwand hervorrufen würde. Außerdem entfällt die Verklebung Substrat und Substrathalter, so daß die oben angesprochenen Probleme einer Alterung der Klebeschicht nicht mehr auftreten 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 Diffraktometers.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung werden die Einzelschichtdicken einer Periode so gewählt, daß die 2. Beugungsordnung eine Auslöschung erfährt. Bei Monochromatoren werden neben der 1. Beugungsordnung auch die höheren Beugungsordnungen (2-fache, 3-fache, ... Photonenenergie) übertragen. In vielen Anwendungen stören höhere Beugungsordnungen, insbesondere die 2. Beugungsordnung. Besteht die Periode aus zwei Einzelschichten A und B, so kann eine strukturelle Auslöschung der 2. Beugungsordnung näherungsweise erreicht werden, indem d_A = d_B gewählt wird. Bei genauerer Betrachtung unter Berücksichtigung von Brechungs- und Absorptionseffekten 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 dadurch aus, daß im Strahlengang zwischen der Quelle, der Probe und dem Detektor ein Kollimator angeordnet ist, der parallel zueinander orientierte und auf die Strahlrichtung der Röntgenstrahlung ausgerichtete Lamellen aufweist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgen-Analysegeräts ist im Strahlengang zwischen dem gekrümmten Reflektor und der Probe ein erster Monochromator angeordnet, der vorzugsweise als Mehrfach-Monochromator, insbesondere als Vielfach-"Channel-Cut"-Monochromator vom Typ (+--+) ausgebildet sein kann.

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

Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der im Strahlengang zwischen der Probe und dem Detektor ein zweiter Monochromator angeordnet ist, der insbesondere als ebener Kristall-Monochromator ausgebildet sein kann.

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung mit einem zweiten gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor, der den gleichen Aufbau wie der erste Reflektor aufweist und mit seiner Paraboloidöffnung 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 gekrümmter Vielschicht-Bragg-Reflektor mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Einbau in ein erfindungsgemäßes Röntgen-Analysegerät.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1: eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgen-Analysegeräts;
2: den schematischen Aufbau des der Monochromatisierung und Parallelisierung dienenden gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektors;
3: den schematischen Strahlengang am Vielschicht-Bragg-Reflektor nach 2;
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);
4b: die Strahlablenkung Δα aufgrund der sphärischen Aberration bei Zugrundelegung des in 4a dargestellten Kreiszylinderspiegels im Bereich 60 mm ≤ x ≤ 120 mm;
5: eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgen-Analysegeräts zur Vermessung von massiven Werkstücken;
6: eine Ausführungsform mit Vierfach-"Channel-Cut"-Monochromator vom Tpy (+--+);
7: eine Ausführungsform mit einem zweiten Bragg-Reflektor;
8: eine Ausführungsform mit einem zweiten Monochromator; und
9: eine Ausführungsform mit einem zweiten gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor und einem "Channel-Cut"-Monochromator.
Das in 1 schematisch dargestellte Dünnschicht-Diffraktometer umfaßt eine aus einer Glühkathode 1, einer Fokussierelektrode 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 2ϑ von der Probe gestreute Röntgenstrahlung 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 typischerweise 0,1 bis 0,4°. Weiterhin enthält das Diffraktometer 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 monochromatischen Strahlenbündels 7' ist in dem erfindungsgemäßen Diffraktometer ein gekrümmter Vielschicht-Bragg-Reflektor 5 vorgesehen. Dieser im oberen Teil von 2 schematisch im Schnitt dargestellte Paraboloid-Röntgenspiegel enthält eine sich periodisch wiederholende Folge von Schichten aus Materialien 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 gekrümmten Oberfläche eines paraboloidförmig ausgehöhlten Substrats 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 Betracht.
Um den divergent auf den parabolisch gekrümmten Vielschichtspiegel 5 einfallenden Primärstrahl 7 in ein monochromatisches paralleles Strahlenbündel 7' zu reflektieren, darf die durch die Periodendicke d = d_A + d_B gegebene "Gitterkonstante" 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 2 ist die Zunahme der Periodendicke 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-Ka-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 3). Die röntgenoptischen Eigenschaften solcher als "Graded-Multilayer-Bragg"-Struktur bezeichneten Vielschichtsysteme sind näher beschrieben in SPIE Vol. 563, Application of Thin-Film Multilayered Structures to Figured X-Ray Optics (1985), S. 114-134.
Die schichtseitige Oberfläche des Substrats S folgt, wie in 2 schematisch dargestellt, in der xy-Ebene einer Krümmung 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 eines 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 angeordneter und etwa 60 mm langer Vielschicht-Bragg-Reflektor 5 kann beispielsweise Cu-Kα-Strahlung mit einer Strahldivergenz von etwa 0,5° erfassen und sie mit annähernd 80% der Primärstrahlintensität in ein ca. 1 mm breites paralleles und monochromatisches Strahlenbündel reflektieren.
3 zeigt schematisch den Strahlengang am Paraboloid-Röntgenspiegel 5 nach 2. Die von der linienförmigen, senkrecht zur Zeichenebene im Fokus F positionierten Röntgenquelle emittierte Röntgenstrahlung wird durch das parabolische Bragg-Gitter des Gradienten-Vielfachschicht-Spiegels 5 so gebeugt, daß ein reflektiertes Parallelstrahlenbündel 7' entsteht.
Besonders wichtig für die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Röntgen-Analysegeräts ist die Genauigkeit des lokalen d-Werts sowie die Genauigkeit der Parabelform des gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektors 5. Zur Visualisierung eines prinzipiellen Optikfehlers, der sogenannten sphärischen Aberration, ist in 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 gezeigten Beispiel einen Radius von 7,643 m besitzt.
Diese sogenannte sphärische Aberration ist im Zusammenhang mit der zu fordernden Formgenauigkeit des Paraboloid-Reflektors 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 erfindungsgemäßen Röntgen-Analysegerät jedoch tritt die Röntgenstrahlung 7 unter einem sehr flachen Einfallswinkel θ ≈ 1° auf die gekrümmte Oberfläche des Reflektors 5 auf, was bei Vorliegen der sphärischen Aberration zu erheblichen Abbildungsfehlern führen würde.
4b zeigt schematisch die Strahlenablenkung α als Funktion vom Abstand x des Αuftreffpunkts auf Grund der sphärischen Aberration bei Zugrundelegung eines Reflektors, der der in 4a gezeigten sphärischen Kurve 41 folgt. Der akzeptable 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 Fokusabstandsinterval: 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/Δx = 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...180 mm verläuft d(f) fast linear.
2. Formtreue der Parabel (Welche Winkelfehler darf die Parabelform aufweisen, damit der austretende Strahl gegenüber der inhärenten Divergenz keine wesentliche Divergenzvergrößerung erfährt?)
Die Halbwertsbreite Δθ_R des Bragg-Reflexes einer Vielfachschicht 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 Parabel/Vielfachschicht:
Wohlgemerkt, die in der Tabelle aufgeführten Werte 0,5 Δθ_R führen zu fast vollständigem Intensitätsverlust. Die Firma Zeiss spezifiziert den Winkelfehler ihrer geschliffenen Parabol-Spiegel mit: ≤ 1 arcsec = 0,00028°.
Aus obigen Winkelfehlertoleranzen ergibt sich die Forderung nach einer echten Parabelform. Welchen Fehler man machen würde, wenn man statt der Parabel- eine Kreisform verwendet, sieht man aus 4b.
3. Rauhiakeit der Substratoberfläche (Aus welchen unterschiedlichen Höhen darf der Strahl reflektiert werden, damit die Intensität des austretenden Strahls nicht weginterferiert 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 ergeben genauere Werte, die jedoch betragsmäßig ähnlich sind. Zeiss spezifiziert die RMS-Rauhigkeit seiner geschliffenen Parabol-Spiegel aus Quarz mit: ≤ 0,5 nm. In der Regel erreicht Zeiss 0,3 nm.
Aufgrund der in einem erfindungsgemäßen Analysegerät verwirklichten Parallelstrahl-Röntgenoptik hat die Probengeometrie keinen Einfluß auf die Winkelgenauigkeit und Winkelauflösung der jeweiligen Messung. In dem in 5 dargestellten Diffraktometer lassen sich daher beispielsweise auch massive Werkstücke 18 beliebiger Form (Formteile), Bruchflächen, Korrosionsflächen und Ausgrabungsgegenstände untersuchen, die nicht verändert werden dürfen.
Bei dem in 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"-Monochromator 19 nachgeschaltet, der das parallele Primärstrahlbündel 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 transmittiert. Bei dem in konventionellen Mehrkristall-Diffraktometern verwirklichten divergenten Strahlengang (siehe 6 oben) geht hingegen mehr als 90% der Primärstrahlintensität bei der Reflexion am dritten Monochromatorkristall 21 verloren.
Zwei-Kristall-Diffraktometer eignen sich für hochgenaue Untersuchungen der Realstruktur von Einkristallen im Vergleich zu einem idealen Referenzkristall. Um auch in solchen Geräten 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
7 schematisch dargestellt ist. Die am Referenzkristall 22 Bragg-reflektierte Strahlung 23 fällt dann als paralleles Bündel auf die Probe 24, wird dort nochmals gebeugt und schließlich als paralleles Bündel 25 im Detektor 10 nachgewiesen.
Mit dem in 8 dargestellten Parallelstrahl-Reflektometer lassen sich insbesondere dünne Schichten 26 und glatte Oberflächen 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 vorgelagerter ebener Monochromator 30 dient der Unterdrückung unerwünschter Streustrahlung. Er ist unmittelbar hinter einer Blende 31 angeordnet, deren Abstand zur Probe 26 etwa 50 cm beträgt.
9 schließlich zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgen-Analysegeräts, bei der in Strahlrichtung des reflektierten Parallelstrahlenbündels 7' dem ersten Vielschicht-Bragg-Reflektor 5 ein "Channel-Cut"-Monochromator 19 folgt, der im Prinzip denselben Aufbau aufweist wie der in 6 gezeigte. Diesem folgt in Strahlrichtung eine Probe 32. Die unter einem Winkel 2θ von der Probe 32 reflektierte 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 9 erlaubt es, die von der Probe 32 diffus reflektierte Strahlung selektiv nach ihrer Austrittsrichtung zu erfassen, da die Kombination aus dem zweiten Vielschicht-Bragg-Reflektor 35 und der in seinem Brennpunkt angeordneten Blende 33 als Analysator wirkt.

Claims

Röntgen-Analysegerät für Röntgen-Energie E im Bereich 0,1 keV < E < 0,1 MeV mit – einer Röntgenstrahlung (7) emittierenden Quelle (6), – einer zu analysierenden Probe (9; 18; 20; 24; 26; 32), – einem auf Röntgenstrahlung ansprechenden Detektor (10; 29), – strahlformenden und/oder strahlbegrenzenden Mitteln (14, 15; 28, 31; 33) und – einem gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor (5), der im Strahlgang zwischen der Quelle (6) und der Probe angeordnet ist und eine sich periodisch wiederholenden 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_B + d_C + ... der Einzelschichten A, B, C, ... einer Periode entlang einer x-Richtung sich stetig ändert, und – 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, wobei die Röntgenstrahlung (7) unter einem Einfallswinkel 0° < θ ≤ 5° auf die gekrümmte Oberfläche des Reflektors (5) trifft, so daß nach der Reflexion ein Parallelstrahlenbündel (7') entsteht, – wobei die Schichten des Reflektors (5) direkt auf einer konkav gekrümmten Oberfläche eines paraboloidförmig ausgehöhlten Substrats (S) mit einer Rauhigkeit im atomaren Bereich aufgedampft, aufgesputtert oder aufgewachsen sind, wobei die Krümmung der konkaven Substratoberfläche in einer xy-Ebene der Formel y2 = 2pxfolgt, dadurch gekennzeichnet, – daß 0,02 mm < p < 0,5 mm, vorzugsweise p ≈ 0,1 mm, – daß die dem Reflektor (5) zugewandte konkave Substratoberfläche 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, – daß die dem Reflektor (5) zugewandte konkave Substratoberfläche eine maximale zulässige Welligkeit von
aufweist, – daß die dem Reflektor (5) zugewandte konkave Substratoberfläche eine maximal zulässige Rauhigkeit von
vorzugsweise Δy < 0,3 nm aufweist, – daß sich die Periodendicke d derart entlang der x-Richtung ändert, daß die Röntgenstrahlung einer bestimmten Wellenlänge λ einer punktförmigen Röntgenquelle unabhängig vom Auftreffpunkt (x, y) auf dem Reflektor (5) stets Bragg-Reflexion erfährt, indem die Periodendicke d zur Paraboloidöffnung hin in x-Richtung gemäß
zunimmt, wobei δ das Dekrement des mittleren Brechungsindex des Vielschicht-Bragg-Reflektors (5) ist, – daß die Abweichung Δd/Δx der Periodendicke d an jedem Punkt des Vielschicht-Bragg-Reflektors (5) 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.
Röntgen-Analysegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (S) aus amorphem oder polykristallinem Material besteht.
Röntgen-Anlaysegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (S) aus Glas, amorphem Silizium, Keramikmaterial, Quarzglas oder Kunststoff besteht.
Röntgen-Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (S) 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.
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.
Röntgen-Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.
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 Strahlrichtung der Röntgenstrahlung (7) ausgerichtete Lamellen aufweist.
Röntgen-Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen im Strahlengang zwischen dem gekrümmten Reflektor (5) und der Probe (20) angeordneten ersten Monochromator (19).
Röntgen-Analysegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Monochromator (19) ein Mehrfach-Monochromator, vorzugsweise ein Channel-Cut-Monochromator ist.
Röntgen-Analysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen im Strahlengang zwischen dem gekrümmten Reflektor (5) und der Probe (24) angeordne ten zweiten ebenen oder gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor (22) .
Röntgen-Analysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen im Strahlengang zwischen der Probe (26) und dem Detektor (29) angeordneten zweiten Monochromator (30).
Röntgen-Analysegerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Monochromator (30) ein ebener Kristall-Monochromator ist.
Röntgen-Analysegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen im Strahlengang zwischen der Probe (32) und dem Detektor (39) angeordneten weiteren gekrümmten Vielschicht-Bragg-Reflektor (35), der denselben Aufbau wie der erste Reflektor (5) aufweist und mit seiner Paraboloidöffnung auf die Probe (32) ausgerichtet ist, wobei eine Blende (33) im Brennpunkt des weiteren Reflektors (35) zwischen dem weiteren Reflektor (35) und dem Detektor (29) positioniert ist.
Gekrümmter Vielschicht-Bragg-Reflektor (5; 35) zum Einbau in ein Röntgen-Analysegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche.