DE3816081C2

DE3816081C2 -

Info

Publication number: DE3816081C2
Application number: DE19883816081
Authority: DE
Inventors: Joachim 2050 Hamburg De Knoth; Heinrich 2053 Escheburg De Schwenke
Original assignee: Gkss-Forschungszentrum Geesthacht 2054 Geesthacht De GmbH
Current assignee: Gkss-Forschungszentrum Geesthacht 2054 Geesthacht De GmbH
Priority date: 1988-05-11
Filing date: 1988-05-11
Publication date: 1992-05-14
Also published as: WO1989011094A1; DE3816081A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung des effektiven Einfallswinkels von aus einer Röntgenröhre austretender Röntgenstrahlung auf eine Materialprobe zur Analyse oberflächennaher Schichten des Materials mittels eines Totalreflektions-Röntgenfluoreszenzanalyseverfahrens,

a) bei dem der Röntgenstrahl auf die Materialprobe mit einem Einfallswinkel derart hinreichend im Bogenminutenbereich genau eingestellt wird, daß die Totalreflektionsbedingung erfüllt und die sich ergebende Fluoreszenzrate durch Messung erfaßbar ist.

Das grundsätzlich bekannte Totalreflektions-Röntgenfluor eszenzanalyseverfahren kann sehr wirksam zur zerstörungs freien Elementanalyse oberflächennaher Schichten einge setzt werden. Verfahren dieser Art werden unter anderem dafür verwendet, bei der Herstellung hochintegrierter elektronischer Bauelemente die dort extrem hohen Reinheitsanforderungen im Zuge der Produktionskontrolle auf Einhaltung zu überprüfen.

Ein bekanntes Totalreflektions-Röntgenfluoreszenzanaly severfahren ist beispielsweise in der DE-PS 36 06 748 beschrieben. Dieses bekannte Verfahren, aber auch ähnliche andere Verfahren, die nach diesem Prinzip arbeiten, beruhen darauf, daß aus einer Röntgenquelle austretende Röntgenstrahlung streifend in einem extrem flachen Einfallswinkel auf eine Oberfläche einer zu untersuchenden Materialprobe gelenkt wird, wobei aufgrund des Totalreflektionseffekts die Röntgenstrahlung nur wenige Nanometer in die Oberfläche eindringt. Auf diese Weise wird eine oberflächennahe Schicht meßtechnisch isoliert, ohne daß die Materialprobe dabei in irgendeiner Weise eine Veränderung durch die Röntgenstrahlung erfährt. Ist die Bedingung für die Totalreflektion der Röntgenstrahlung erfüllt, werden nur die Atome der obersten Oberflächenschicht zur Aussendung von Fluoreszenzstrahlung angeregt, und zwar durch die nur wenige Nanometer in die Oberfläche eindringende primäre Röntgenstrahlung.

Vorbedingung dafür, daß aus dem Fluoreszenzsignal eine exakte quantitative Aussage über die Elementkonzentration in der besagten Oberflächenschicht gewonnen werden kann, ist jedoch eine hochpräzise Einstellung des Einfallswin kels der Primärstrahlung. Es ist bekannt (DE-PS 36 06 748), daß bei Vorrichtungen, mit denen die hier beschrie bene Totalreflektions-Röntgenfluoreszenzanalyse durchge führt werden soll, der Einfallswinkel der primären Röntgenstrahlung mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 bis 0,2 Bogenminuten bestimmt, bzw. eingestellt werden muß, weil die Fluoreszenzintensität der Elemente aus der Oberflächenschicht stark vom Einfallswinkel der die Fluoreszenz anregenden primären Röntgenstrahlung abhängt.

Genaue Messungen des Einfallswinkels gemäß einem Verfah ren, wie es im gattungsbildenden Stand der Technik darge stellt ist, galten bisher in der Fachwelt als undurchführbar (vergl. Phys. Chem. Mech. Surfaces Volume 4 (4), 1986, pp. 951-996 speziell p. 961), d. h. bei einem Verfahren, bei dem eine normale Röntgenröhre als Röntgenstrahlungsquelle eingesetzt wird. Lediglich dann, wenn eine Strahlenquelle in Form eines Synchrotrons zur Verfügung stand, konnte bisher eine Messung bzw. Optimierung des Einfallswinkels auch bei der Erfassung der Fluoreszenzstrahlung aus einer extrem oberflächennahen Schicht im Totalreflektionsfall ermittelt werden.

Die von der Fachwelt vermutete Undurchführbarkeit von Messungen der Fluoreszenzstrahlung unter Totalreflektionsbedingungen ist in der Physik der Reflektion der Röntgenstrahlung begründet. Im Totalreflektionsfall ist nämlich der Energietransfer durch die Oberfläche um den Faktor Φ (1-R)∼10^-5 reduziert; dabei steht Φ (sehr klein) für den Einfallswinkel und R (sehr nahe bei 1) für den Anteil der reflektierten Strahlungsintensität. Daraus folgt, daß mit der Intensität der unterhalb der Oberfläche verfügbaren Primärstrahlung auch die induzierte Fluoreszenzstrahlung, also der Meßeffekt, abnimmt. Das einzige Mittel, die Primärintensität am Probenort zu erhöhen ist, die Distanz zwischen der Anode der Röntgenröhre und dem Probenort sehr klein zu machen. Mit dieser Maßnahme ist jedoch untrennbar eine Vergrößerung der Winkeldivergenz der Primärstrahlung am Probenort verbunden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das es erlaubt, den physikalisch wirksamen, d. h. effektiven Einfallswinkel trotz einer erheblichen Winkeldivergenz der primären Röntgenstrahlung am Probenort mit ausreichender Genauigkeit zu ermitteln und einzustellen, so daß unter Benutzung normaler Röntgenröhren als Röntgenstrahlenquelle hochgenaue Untersuchungen der Materialproben auf einfache und kostengünstige Weise möglich sind.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch,

b) daß nachfolgend der effektive Einfallswinkel variiert wird, wobei die sich dabei verändernde Fluoreszenzzählrate durch die Messung erfaßt werden,
c) daß eine anhand einer Modelrechnung (auf der Grundlage der Dispersionstheorie für Röntgenstrahlen) in Abhängigkeit von verschiedenen Einfallswinkeln der Röntgenstrahlung ermittelte theoretische Fluoreszenzzählratenfunktion erfaßt wird,
d) und daß die gemäß den Verfahrensschritten a), b) durch Messung für verschiedene Einfallswinkel erfaßten Fluoreszenzzählraten mit der gemäß Verfahrensschritt c) erfaßten theoretischen Fluoreszenzzählratenfunktion verglichen werden und durch den Vergleich ein ausgezeichneter Winkel Φ₀, bei dem die Fluoreszenzzählratenfunktion die größte Änderung mit dem Einfallswinkel der Primärstrahlung und damit einen Wendepunkt aufweist, als Bezugswinkel für eine apparative Normierung bestimmbar ist,
e) wobei der für die gewünschte Analyse optimale Einfallswinkel als Differenz zum Bezugswinkel Φ₀ einstellbar ist.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen darin, daß der effektive Einfallswinkel der divergenten Primärstrahlung für unterschiedliche Materi alproben jeweils auf einfache Weise optimal einstellbar ist, so daß die induzierte Fluoreszenzstrahlung jeweils ihr Optimum erreicht und somit eine hochgenaue Messung von Verunreinigungen in einer Materialprobe, wie sie beispielsweise bei hochintegrierten elektronischen Bauelementen benötigt wird, erreicht werden kann. Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß damit nicht lediglich hochplane Oberflächen einer Materialprobe analysiert werden können, sondern auch gekrümmte Oberflächen.

Gemäß dem Verfahren erfolgt die erste Einstellung des Einfallswinkels gemäß dem Verfahrensschritt a) mit einer Genauigkeit im Bogenminutenbereich, d. h. der Anfangswert des Einfallswinkels braucht lediglich mit einer Genauigkeit von einigen Bogenminuten eingestellt zu werden. Es sei darauf hingewiesen, daß grundsätzlich für die Totalreflektions- Röntgenfluoreszenzanalyse, vergl. oben, der Einfallswinkel für eine exakte Messung mit einer Genauigkeit von 0,1 bis 0,2 Bogenminuten eingestellt werden muß, und zwar wegen der starken Abhängigkeit der Fluoreszenzintensität vom Einfallswinkel der anregenden primären Röntgenstrahlung.

Vorzugsweise erfolgt die Variation des Einfallswinkels gemäß Verfahrensschritt b) in Schritten von einer Bogenminute.

Vorteilhafterweise erfolgt die Variation des Einfallswin kels durch Veränderung der Höhe der Röntgenquelle relativ zur Materialprobe, oder aber gemäß einer anderen vorteil haften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Variation des Einfallswinkels durch Verkippen der Materialprobe relativ zur einfallenden Röntgenstrahlung.

Um das Verfahren schnell den jeweiligen unterschiedlichen Meß- bzw. Analysebedingungen anpassen zu können, d. h. unterschiedliche Materialproben, die unterschiedliche Einstellwinkel der primären Röntgenstrahlung verlangen, anpassen zu können, wird wenigstens der Verfahrensschritt d) rechnergestützt automatisch durchgeführt. Dieser, aber auch die anderen Verfahrensschritte können gemäß einem einem vorbestimmten Algorithmus folgenden Softwareprogramm festgelegt und ebenfalls in bezug auf die unterschiedlichen Meßparameter leicht, d. h. mit einfachen Mitteln durch Eingriff in das Softwareprogramm, geändert werden.

Auch die Einstellung des Einfallswinkels auf den für die jeweilige gewünschte Analyse als optimal erkannten Wert kann automatisch, und zwar vorzugsweise ebenfalls rechnergestützt durchgeführt werden, und zwar ebenfalls gemäß einem einem Algorithmus folgenden Softwareprogramm. Es ist auch denkbar, das gesamte Verfahren einschließlich der automatischen Einstellung des Einfallswinkels, der als optimal erkannt wurde, mittels einer Vorrichtung, in der das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird, automatisch gemäß dem Verfahrensergebnis einstellen zu lassen.

Aus der Vorveröffentlichung "Zement-Kalk-Gips 33. Jahrgang Nr. 4/1980, Seiten 182-184" ist es bekannt, mittels einer Mikroprozeßsteuerung, die ggf. mit einem Großrechner gekoppelt werden kann, ein Spektrometer, das der Röntgenanalyse in einem Zementwerk dient, zu betreiben.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiden nachfolgenden schematischen Darstellungen beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 die gemäß dem Verfahren gemessene und theore tisch berechnete Abhängigkeit der Fluoreszenzzählrate des Elementes Nickel in Abhängigkeit vom Einfallswinkel der primären Röntgenstrahlung und

Fig. 2 die Fluoreszenzzählrate in Abhängigkeit vom Einfallswinkel der primären Röntgenstrahlung bei unterschiedlicher Primärstrahlungsdivergenz.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird wie folgt durchge führt:
Die Materialprobe wird in einer Totalreflektions- Röntgenfluoreszenzanalysevorrichtung, wie sie beispielsweise in der DE-PS 36 06 748 beschrieben wurde, auf einem Träger positioniert. Aus einer Röntgenquelle, die vorzugsweise eine normale Röntgenröhre ist, tritt Röntgenstrahlung aus, die auf die zu untersuchende Mate rialprobe gerichtet ist.

In einem ersten Verfahrensschritt wird nun der Röntgen strahl auf die Materialprobe mit einem Einfallswinkel derart hinreichend genau eingestellt, daß die Totalre flektionsbedingung erfüllt ist, d.h. der eingestellte Winkel zwischen der primären Röntgenstrahlung und der Oberfläche der Materialprobe liegt unter dem Grenzwinkel der Totalreflektion. Bei diesem ersten Verfahrensschritt wird dann die sich ergebende Fluoreszenzzählrate durch Messung erfaßt, und zwar auf bekannte Weise mittels eines Detektors, der in derartigen Totalreflektions-Röntgen fluoreszenzanalysevorrichtungen vorgesehen ist.

Nachfolgend wird der Einfallswinkel variiert, wobei die sich dabei verändernde Fluoreszenzzählrate gemäß diesem Schritt durch Messung erfaßt wird. Gleichzeitig oder vor her mit diesen Verfahrensschritten wird eine anhand einer Modellrechnung, die auf der Grundlage der Dispersionstheo rie für Röntgenstrahlung durchgeführt wird, in Abhängig keit von verschiedenen Einfallswinkeln der Röntgenstrah len auf die Materialprobe ermittelte theoretische Fluor eszenzzählratenfunktion erfaßt, was beispielsweise in einem Rechner geschehen kann.

Die gemäß den vorangehend beschriebenen Verfahrensschrit ten durch Messung für verschiedene Einfallswinkel er faßten Fluoreszenzzählraten werden mit den anhand der Modellrechnung ermittelten theoretischen Fluoreszenzzähl ratenfunktion verglichen, wobei durch einen Vergleich, der durch einen zweckmäßig gewählten mathematischen Algo rithmus erfolgen kann, jeder durch die Messung erfaßten Fluoreszenzzählrate ein entsprechender effektiver Ein fallswinkel zugeordnet werden kann. Durch den Vergleich der gemessenen Kurve mit der theoretisch ermittelten Kur ve wird insbesondere bestimmt, welche Fluoreszenzzählrate unter den aktuellen Meßbedingungen dem ausgezeichneten effektiven Einfallswinkel Φ₀ entspricht. Φ₀ liegt zwar in der Regel außerhalb des zur Messung der Oberflächenkon tamination günstigen Winkelbereichs, der sich jedoch durch den Vergleich von gerechneter mit gemessener Fluoreszenzzählrate besonders zweckmäßig ermitteln läßt, weil bei diesem besonderen Winkel Φ₀, vergl. Fig. 2, der Einfluß der instrumentellen Divergenz auf die Fluores zenzzählrate minimal, der einer Änderung des effektiven Einfallswinkels jedoch maximal ist.

Φ₀ ist dadurch ausgezeichnet, daß die zugehörige Fluores zenzzählrate praktisch nicht mehr von der Divergenz der Primärstrahlung beeinflußt wird und daß die Änderung der Fluoreszenzzählrate mit dem Einfallswinkel der Primär strahlung am größten ist. Nach Einstellung von Φ₀ ist eine Kalibrierung von Stellgliedern einer Meß- bzw. Ana lyseapparatur für den effektiven Einfallswinkel erreicht, und jeder beliebige andere Operationswinkel kann als Dif ferenz zu Φ₀ eingestellt werden. Der Rechen- und Regel vorgang gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nimmt bei entsprechender Auslegung wenig Zeit in Anspruch und kann, wie erwähnt, vollständig rechnergesteuert automatisch ablaufen.

Anhand der Darstellung von Fig. 1 ist die Durchführbar keit des Verfahrens durch die gute Obereinstimmung von theoretisch erwarteter und gemessener Winkelabhängigkeit der Fluoreszenzzählrate des Elementes Nickel in einer oberflächennahen Schicht nachgewiesen.

Claims

1. Verfahren zur Einstellung des effektiven Einfallswinkels von aus einer Röntgenröhre austretender Röntgenstrahlung auf eine Materialprobe zur Analyse oberflächennaher Schichten des Materials mittels eines Totalreflektions- Röntgenfluoreszenzanalyseverfahrens,

a) bei dem der Röntgenstrahl auf die Materialprobe mit einem Einfallswinkel derart hinreichend im Bogenminutenbereich genau eingestellt wird, daß die Totalreflektionsbedingung erfüllt und die sich ergebende Fluoreszenzzählrate durch Messung erfaßbar ist,

dadurch gekennzeichnet,

b) daß nachfolgend der Einfallswinkel variiert wird, wobei die sich dabei verändernde Fluoreszenzzählrate durch Messung erfaßt wird,
c) daß eine anhand einer Modellrechnung (auf der Grundlage der Dispersionstheorie für Röntgenstrahlung) in Abhängigkeit von verschiedenen Einfallswinkeln der Röntgenstrahlung ermittelte theoretische Fluoreszenzzählratenfunktion erfaßt wird,
d) und daß die gemäß den Verfahrensschritten a), b) durch Messung für verschiedene Einfallswinkel erfaßten Fluoreszenzzählraten mit der gemäß Verfahrensschritt c) erfaßten theoretischen Fluoreszenzzählratenfunktion verglichen werden und durch den Vergleich ein ausgezeichneter Winkel Φ₀, bei dem die Fluoreszenzählratenfunktion die größte Änderung mit dem Einfallwinkel der Primärstrahlung und damit einen Wendepunkt aufweist, als Bezugswinkel für eine apparative Normierung bestimmbar ist,
e) wobei der für die gewünschte Analyse optimale Einfallswinkel als Differenz zum Bezugswinkel Φ₀ einstellbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation des Einfallswinkels gemäß Verfahrensschritt b) in Schritten von einer Bogenminute erfolgt.

3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation des Einfallswinkels durch Veränderung der Höhe der Röntgenquelle relativ zur Materialprobe erfolgt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Variation des Einfallswinkels durch Verklippen der Materialprobe relativ zur einfallenden Röntgenstrahlung erfolgt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Verfahrensschritt d) rechnergestützt automatisch durchführbar ist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Einfallswinkels auf den für die jeweilige gewünschte Analyse als optimal erkannten Wert automatisch erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Einfallswinkels rechnergestützt automatisch durchführbar ist.