DE3217235A1

DE3217235A1 - Verfahren zum erzeugen eines hochkollimierten roentgenstrahlungsbuendels durch sechsstrahl-borrmann-beugung

Info

Publication number: DE3217235A1
Application number: DE19823217235
Authority: DE
Inventors: Shih-Lin 7302 Ostfildern Chang
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1982-05-07
Filing date: 1982-05-07
Publication date: 1983-11-24

Description

Verfahren zum Erzeugen eines hochkollimierten Röntgen-
strahlungsbündels durch Sechsstrahl-Borrmann-Beugung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.
Es ist bekannt, daß Röntgenstrahlen in einem Einkristall mit ungestörtem ("idealem") Gitteraufbau wesentlich weniger absorbiert werden, als üblich, wenn der einfallende Strahl die v. Lauesche Interferenz-Bedingung erfüllend an mehr als nur einer Netzebenenschar reflektiert wird, siehe zum Beispiel die Veröffentlichung von G. Borrrnann und W. Hartwig "Die Absorption der Röntgenstrahlen im Dreistrahlfall der Interferenz" Zeitschrift für Kristallographie, Bd. 121, S. 401-409 (1965). Es ist ferner bekannt, daß für Germanium ein sogenannter Sechstrahl-Borrmann-Fall existiert, bei dem die Kristallebenen (202), (224), (044), (242) und (220) gleichzeitig reflektieren. In der Praxis konnte diese Sechsstrahl-Tnterferenz bisher jedoch noch nicht nachgewiesen werden (T.C. Huang u.a. " 6-Beam Borrmann Diffraction", Zs. Naturf. 28a, 600 - 603 (1973) und M. Umeno: 6-Beam Anomalous Transmission of Ge Crystals, phys. stat. sol. (a) 37, 561-570 (1976) und 38, 701-711 (1976).
Durch die vorliegende Erfindung sollen ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erzeugen eines hochkollimierten Köntgenstrahlungsbündels durch Sechsstrahl-Borrmann-Beugung angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Durch das vorliegende Verfahren und die vorliegenden Einrichtungen läßt sich ein hochkollimiertes, extrem paralleles, monochromatisches Röntgenstrahlungsbündel erzeugen, welches für viele wissenschaftliche und technische Zwecke brauchbar ist, z.B. für die Röntgenlithographie und Röntgenbeugungsuntersuchungen, sowie hoch auf lösende Röntgenspektroskopie und Röntgenmikroskopie.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 die Darstellung der reziproken Gitterpunkte für den Borrmann-Sechstrahlfall; Figur 2 eine bevorzugte Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Beim Borrmann-Sechsstrahlfall liegen die sechs reziproken Gitterpunkte (000), (044), (220), (202), (242) und (#224) in einer Ebene senkrecht zur [lll]-Richtung an den Ecken eines regulären Sechsecks (Fig. 1). An allen diesen reziproken Gitterpunkten tritt eine gleichzeitige Beugung auf, wenn der Kristall um die C2112-Richtung gedreht wird, bis die Gitterebene (044) in die beugende Position gebracht ist. Diese Sechsstrahlbeugung wurde, wie erwähnt, bisher bei Germanium theoretisch vorausgesagt, praktisch bisher aber noch nicht nachgewiesen.
Lin bündel, monochromat ischer, ocllkol].itllierter, extrem paralleler, kohärenter Röntgenstrahlung durch Sechsstrahl-Beugung an einem Einkristall mit ungestörtem, versetzungsfreiem ("perfektem") Gitteraufbau läßt sich nun durch das vorliegende Verfahren erzeugen, von dem ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf Figur 2 im folgenden erläutert wird: Ein perfekter Silizium-Einkristall 10 mit #lllj-Schnitt in Form eines mindestens 3 mm dicken Plättchens wird bezüglich eines Röntgen-Primärstrahlbündels 12 so einjustiert, daß der Borrmann-Sechsstrahlfall eintritt (s. Fig. 1). Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Röntgenstrahlung des primärstrahlbündels 12 linear polarisiert ist und zwar vorteilhafterweise parallel zur Einfallsebene, die ihrerseits zum Beugungsvektor (044) parallel ist. Als Röntgenstrahlungsquelle (in Fig. 2 nicht dargestellt) dient vorteilhafterweise eine Synchrotron-Strahlungsquelle. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hatte das primärstrahlungsbündel eine Winkeldivergenz von etwa 20 Bogensekunden, die Kristalldicke betrug 3 mm, die Wellenlänge der Röntgenstrahlung lag in der Größenordnung von 10 Nanometer und der Abstand zwischen der Röntgenstrahlungsquelle und dem Silizium= Einkristall 10 betrug etwa 30 m. Am zweckmäßigsten wird das durch Sechsstrahl-Interferenz erzeugte, hochkollimierte, monochromatische Sekundär-Strahlungsbündel innerhalb der Direktstrahlung (im 000-Beugungsfleck) verwendet. Um es zu orten, wird in einem lKbstand von beispielsweise 20 cm hinter dem Silizium-Einkristall 10 ein photographischer Film ]6 angeordnet.
Nachdem der Ort des konzentrierten Sekundärstrahlungsbündels 14 durch das Bild auf dem Film 16 fesgestellt worden ist, wird eine feine Lochblende 18 so angeordnet, daß nur das konzentrierte, durch Sechsstrahl-Interferenz erzeugte Sekundär-Strahlungsbündel 14 und nicht mehr die Primärstrahlung durchgelassen wird.
Die Röntgenstrahlung des Sekundär-Strahlungsbündels 14 ist nahezu frei von räumlicher Divergenz, es wurde beispielsweise eine Winkeldiveraen von nur etwa 2 Bogensekunden gemessen. Ferner ist das Sekundär-Strahlungsbündel 14 sehr weitgehend monochromatisch und räumlich kohärent. Eine solche Röntgenstrahlung ist für Röntgenbeugungs-Anordnungen (Strukturbestimmung von Kristallen und Biomolekülen), für Röntgenabbildungstechniken und für die in der modernen Mikroelektronik angewandte Röntgenlithographietechnik sowie für die hochauflösende Röntgenspektroskopie und Röntgenmikroskopie von großem Nutzen.
Durch die Verwendung einer parallel zur Einfallsebene polarisierten Primärstrahlung werden nur zwei Schwingungstypen der gebeugten Strahlung angeregt. Nur diese beiden Schwingungstypen tragen also zu dem gebeugten Sekundärstrahl 14 bei. Die beiden Schwingungstypen haben unterschiedliche Absorptionskoeffizienten, so daß der eine Schwingungstyp unterdrückt werden kann, wenn ein Kristall ausreichender Dicke verwendet wird.
Bei einem perfekten Silizium-Einkristall ist eine Dicke von etwa 5 cm erforderlich, um den einen Schwingungstyp zu unterdrücken und einen nur auf einem einzigen Schwingungstyp beruhenden Sekundärstrahl zu erzeugen.
Bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel betrug der Abstand zwischen dem Kristall 10 und der Lochblende etwa 21 cm. Die Lochblende bestand aus einer etwa 5 bis 10 cm dicken Bleiplatte und hatte ein Loch mit einem Durchmesser von etwa 1. mm.
Das anhand der Figur 2 beschriebene Ausführungsbeispiel läßt sich selbstverständlich auf verschiedene Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. So kann man beispielsweise auch andere Kristalle mit geeigneter Kristallstruktur verwenden, insbesondere aus Halbleitermaterialien, wie Germanium, Galliumarsenid u.a.m., wenn auch Silizium bevorzugt wird. Anstatt direkte Strahlung eines Synchrotrons zur Erzeugung des Primärstrahls 12 zu verwenden, kann man sich selbstverständlich auch anderer Einrichtungen zum Erzeugen der erforderlichen linear polarisierenden Eingangs strahlung bedienen.
Außer der durch Sechstrahlbeugung intensivierten Strahlung im Primärstrahlungsbündel (000-Beugungsfleck) treten theoretisch auch die intensivierten Sekundärbündel der Beugungsordnungen (220), (242), (044), (224) und (202) auf. Bevorzugt wird jedoch das (000)-Bündel im Primärstrahl.
L e e r s e i t e

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines hochkollimierten Röntgenstrahlungsbündels durch Sechsstrahl-Borrmann-Beugung P a t e n t a ii 5 p r ü c h e Verfahren zum Erzeugen eines hochkollimierten Röntgenstrahlungsbündels durch Sechstrahl-Borrmann-Beugung, bei welchem man ein Eingangs-Röntgenstrahlungsbündel durch einen für den Borrmann-Sechsstrahl-Fall justierten, weitestgehend versetzungsfreien Einkristall fallen läßt, d d d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Eingangs-Röntgenstrahlungsbündel linear polarisiert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Polarisationsrichtung des Eingangs-Röntgenstrahlunysbündels parallel zur Einfallscenc polarìsiert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Silizium-Einkristall verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß von der Röntgenstrahlungsquelle aus gesehen hinter dem Einkristall ein photographischer Film (16) angeordnet wird, um den Ort des durch Sechsstrahl-Beugung erzeugten hochkollimierten Röntgenstrahlungsbündels zu ermitteln, und daß dann hinter dem Kristall eine Kollimator-Lochblende angeordnet wird, die ein feines Loch für das hochkollimierte Röntgenstrahlungsbündel aufweist.
5. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Röntgenstrahlungsquelle, die ein Röntgen-Primärstrahlungsbündel (12) liefert, und mit einem Einkristall (10), der eine weitestgehend vollkommene Kristallstruktur hat und bezüglich des Primärstrahlungsbündels (12) für den Borrmann-Sechsstrahl-Fall justiert ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Röntgenstrahlungsquelle für die Erzeugung eines linear polarisierten Röntgen-Primärstrahlungsbündels ausgebildet ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Einkristall (10) ein Silizium-Einkristall ist.
7. Einrichtung naci Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n c# t , djß von der Röntgenstrahlungsquelle aus gesehen hinter dem Einkristall (10) eine Lochblende (16) angeordnet ist, we]chc ein Loch für d#s hochkollimierte, durch Sechsstrahl-Beugung erzeu@@@ töntgenstraìllunc3sbürldel (14) aufweist und anders strahlung # ün# abschirmt..
8. Einrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Lochblende (16) im Wege des ungebeugten Bündels (000 Fleck) angeordnet ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Röntgenstrahlungsquelle ein Primärstrahlungsbündel (12) liefert, das parallel zur Einfallsebene am Kristall (10) polarisiert ist, die ihrerseits parallel zum Beugungsvektor (044) verläuft.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Einkristall mindestens 3 mm dick ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Röntgenstrahlungsquelle eine Synchrotron-Strahlungsquelle ist.