DE19926205C2 - Kapillare zur Abbildung von Objekten im Bereich des Vakuum-Ultravioletts - Google Patents

Abstract

Eine Kapillare zur Abbildung von näherungsweise punktförmigen Objekten oder Quellen vorzugsweise im Bereich des Vakuum-Ultravioletts, bei welcher die zur Abbildung beitragenden Strahlen an der inneren Oberfläche der Kapillare unter nahezu streifender Inzidenz reflektiert werden. Die Kapillare ist aus mehreren zur Kapillarachse koaxialen Elementen zusammengesetzt, die reflektierende innere Oberfläche dieser zusammengesetzten Kapillare fällt mit dem mittleren Teil des entsprechenden langgestreckten Rotationsellipsoids zusammen, dessen Brennpunkte auf der Kapillarachse außerhalb der Kapillare liegen. Im Vergleich zu den häufig benutzten Kapillaren mit zylindrischer Bohrung ergibt sich für die von einem der beiden Brennpunkte ausgehende und in die Kapillare einfallende Strahlung eine wesentlich höherer Photonenfluß sowie im zweiten Brennpunkt eine erheblich höhere Flußdichte. Ebenso wie zylindrische Kapillaren kann die zusammengesetzte Kapillare als Druckstufe beim differentiellen Pumpen dienen. Im Gegensatz zu einer einteiligen Kapillare mit gleicher Länge und gleichem Rotationsellipsoids als innerer Oberfläche und läßt sich die zusammengesetzte Kapillare zudem mit bekannten technischen Verfahren herstellen.

Description

Zur Abbildung kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen unterhalb von etwa 100 nm werden wegen des Fehlens transparenter Linsenmaterialien häufig Hohlspiegel verwendet, deren Oberflächen z. B. Ausschnitte aus einer Kugel, einem Rotationsparaboloid oder einem Rotationsellipsoid sind. Meist ist die Fläche des Hohlspiegels klein gegen die gesamte Rotationsfläche, sodaß durch den von einem Brennpunkt ausgehenden und auf den Mittelpunkt des Hohlspiegel auftreffenden Strahl sowie den dort reflektierten Strahl die feststehende Einfallsebene aufgespannt wird. Im Gegensatz dazu behandelt die vorliegende Erfindung einen als Kapillare bezeichneten Hohlspiegel 1, dessen Oberfläche bis auf die fehlenden Kappen an den Scheitelpunkten mit dem größten Teil des langgestreckten Rotations­ ellipsoids 3 zusammenfällt. Die beiden Brennpunkte, die für ein langestrecktes Rotations­ ellipsiod sehr nahe an die Scheitelpunkte heranrücken, liegen deshalb außerhalb der Kapillare. Bei diesem kapillaren Hohlspiegel gibt es keine ausgezeichnete Einfallsebene, vielmehr treten alle Einfallsebenen auf, welche die Rotationsachse des Ellipsoids enthalten. Ähnliche kapillare Hohlspiegel sind bereits in der EP 0 883 136 A1 sowie in Zusammenhang mit den aus Kapillarbündeln bestehenden Röntgen- oder Neutronenlinsen (DE 195 27 794 A1, DE 197 05 732 A1) in der DE 195 27 794 A1 beschrieben worden.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die technische Herstellung eines solchen als Kapillare bezeichneten Hohlspiegels 1, der die allgemein bekannten Abbildungseigenschaften des entsprechenden Rotationsellipsoids besitzt, mit der erforderlichen Genauigkeit und Oberflächengüte zu ermöglichen und zu erleichtern.

Im Bereich des Vakuum-Ultravioletts (VUV) werden für die Photoelektronenspektroskopie typischerweise Quarzkapillaren mit zylindrischer Bohrung benutzt, um die in den Plasmen von Gasentladungsquellen entstehende VUV-Strahlung beispielsweise auf im Ultrahochvakuum präparierte atomar saubere Einkristall-Oberflächen zu leiten. Die VUV-Strahlung löst aus diesen Kristallen Photoelektronen aus, deren Energie- und Winkelverteilung wichtige Information über die elektronische Struktur dieser Kristalle enthält. Die Kapillaren werden dabei sowohl als Lichtleiter wie auch als Druckstufen für das differentielle Pumpen verwendet, das den im Vergleich zur Gasentladungsquelle um etwa den Faktor 10^-7 geringeren Druck in der Meßkammer ermöglicht.

Für die Aufnahme brauchbarer Photoelektronenspektren ist der niedrige Druck von ca. 10^-8 Pa in der Meßkammer ebenso erforderlich wie eine hohe Flußdichte d²N/(dt . dA) der Photonen auf dem Kristall (N = Zahl der Photonen, t = Zeit, A = Fläche): Wegen der Verunreinigung der Kristalloberfläche durch Gasadsorption nimmt die Standzeit der Probe mit wachsendem Druck ab, während das im Spektrum innerhalb der Standzeit erzielbare Signal-zu-Rausch-Verhältnis mit der Flußdichte zunimmt. An die Kapillargeometrie werden deshalb entgegengesetzte Anforderungen gestellt.

Im VUV ist bei üblichen Einfallswinkeln α das Reflexionsvermögen R « 1; man arbeitet deshalb bei streifendem Einfall nahe dem Grenzfall R(α = 90°) = 1, um so die Intensitätsverluste bei den Reflexionen klein zu halten. Die konventionellen zylindrischen Kapillaren begrenzen die auf der Kristalloberfläche verfügbare Flußdichte d²N/(dt . dA) dreifach: Erstens nimmt R mit zunehmendem Glanzwinkel β = 90° - α zwischen der Kapillarachse und dem einfallenden Strahl ab, während dabei zweitens die Zahl n der Reflexionen in der Kapillare zunimmt und damit die Intensität des betrachteten Strahls um den Faktor Rⁿ reduziert wird, zum dritten beleuchtet der Photonenfluß dN/dt wegen der Divergenz des aus der Kapillare austretenden Strahlenbündels und des notwendigen Abstandes der Kristalloberfläche vom Ende der Kapillare auf dem Kristall eine Fläche, die größer ist als der Kapillarquerschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Kapillare (1) vermeidet die oben beschriebene dreifache Schwä­ chung der auf der Kristalloberfläche verfügbaren Flußdichte durch die konventionelle zylindri­ sche Kapillare dadurch, daß sie aus mehreren zur Kapillarachse koaxialen Elementen (2) zusam­ mengesetzt ist und daß die reflektierende innere Oberfläche dieser zusammengesetzten Kapillare mit dem mittleren Teil des entsprechenden langgestreckten Rotationsellipsoids (3) zusammen­ fällt, dessen Brennpunkte (4) auf der Kapillarachse außerhalb der Kapillare liegen: Die von einem der beiden Brennpunkte ausgehenden und in die Kapillare (1) einfallenden Strahlen werden bei auftretender Reflexion immer unter einem Glanzwinkel β reflektiert, der kleiner oder höchstens gleich dem entsprechenden β für die zylindrische Kapillare ist, außerdem werden in der Kapillare (1) diese Strahlen nur einmal reflektiert, während für zylindrische Kapillaren n ³ 1 und meist sogar n » 1 gilt, und schließlich werden solche Strahlen im zweiten Brennpunkt gebündelt, der zweckmäßigerweise in die zu untersuchende Kristalloberfläche gelegt wird, was dann im Vergleich zu zylindrischen Kapillaren zu einer Verkleinerung der auf dem Kristall ausgeleuchteten Fläche und damit zu einer weiteren Erhöhung der Flußdichte führt. Ebenso wie zylindrische Kapillaren kann die Kapillare (1) als Druckstufe beim differentiellen Pumpen dienen. Im Gegensatz zu einer einteiligen Kapillare mit gleicher innerer Oberfläche und gleicher Länge läßt sich die zusammengesetzte Kapillare (1) zudem mit bekannten technischen Verfahren herstellen.

Die Ansprüche 2 und 3 beziehen sich auf eine vereinfachte Herstellung der inneren Oberflächen der Elemente, welche die ideale Oberfläche des Rotationsellipsoids abschnittsweise soweit annähern, daß die oben erläuterten Vorteile der Kapillare (1) gegenüber zylindrischen Kapillaren noch weitgehend erhalten bleiben. Die Ausgestaltung der inneren Oberflächen der Elemente nach Anspruch 4 stellt sicher, daß zwischen benachbarten Elementen keine den Photonenfluß durch die Kapillare herabsetzende Stufen auftreten. Die Fig. 1 zeigt als Beispiel eine mögliche Ausführungsform der zusammengesetzten Kapillare (1), in welcher die Elemente (2) gemäß dem Anspruch 5 durch das Mantelrohr (5) koaxial zur Achse der Kapillare, d. h. zur Rotationsachse des idealen Ellipsoids gehaltert werden.

Claims (5)

1. Eine Kapillare zur Abbildung von näherungsweise punktförmigen Objekten oder Quellen, vorzugsweise im Bereich des Vakuum-Ultravioletts, bei welcher die zur Abbildung beitragenden Strahlen an der inneren Oberfläche der Kapillare unter nahezu streifender Inzidenz reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (1) aus mehreren zur Kapillarachse koaxialen Elementen (2) zusammengesetzt ist und daß die reflektierende innere Oberfläche dieser zusammengesetzten Kapillare mit dem mittleren Teil des entsprechenden langgestreckten Rotationsellipsoids (3) zusammenfällt, dessen Brennpunkte (4) auf der Kapillarachse außerhalb der Kapillare liegen.

2. Eine Kapillare nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche jedes Elements den entsprechenden Abschnitt des Rotationsellipsoids dadurch annähert, daß die Schnittlinie der inneren Oberfläche des Elements in einer die Rotationsachse enthaltenden Ebene bezüglich ihres Abstands von der Rotationsachse, ihrer Steigung sowie ihrer Krümmung an die entsprechenden Größen der Schnittellipse im Bereich des betrachteten Elements angepaßt wird.

3. Eine Kapillare nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche jedes Elements den entsprechenden Abschnitt des Rotationsellipsoids dadurch annähert, daß die Schnittlinie der inneren Oberfläche des Elements in einer die Rotationsachse enthaltenden Ebene nur bezüglich ihres Abstands von der Rotationsachse und ihrer Steigung an die entsprechenden Größen der Schnittellipse im Bereich des betrachteten Elements angepaßt wird.

4. Eine Kapillare nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittkreise der inneren Oberflächen für alle benachbarten Elemente in den zur Rotationsachse senkrechten Ebenen zusammenfallen, in welchen sich die benachbarten Elemente berühren.

5. Eine Kapillare nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (2) in einem zur Achse der Kapillare koaxialen Mantelrohr (5) erfindungsgemäß zusammengehalten werden.