DE4244242A1

DE4244242A1 - Verfahren zur Bestimmung des effektiven Einfallswinkels von aus einer Röntgenquelle austretender Röntgenstrahlung zur Analyse oberflächennaher Materialschichten

Info

Publication number: DE4244242A1
Application number: DE19924244242
Authority: DE
Inventors: Joachim Knoth; Heinrich Schwenke
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1992-12-24
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1994-06-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des effektiven Einfallswinkels von aus einer Röntgenquelle austretender Röntgenstrahlung auf eine Materialprobe zur Analyse oberflächennaher Schichten des Materials mittels der Röntgen-Meßverfahren, wobei mit einer Materialprobe bekannter Dichte und Zusammensetzung, die zuvor relativ zum Röntgenstrahl auf einen absoluten Referenzwinkel ϕ₀ eingestellt worden ist, anhand einer theoretisch be rechneten Normkurve und einer Meßkurve ein Referenzwin kel als Bezugswinkel für eine apparative Normung be stimmbar ist.

Die Messung eines Einfallswinkels eines kollimierten Röntgenstrahls auf eine Oberfläche einer Materialprobe ist bei allen Röntgen-Meßverfahren von entscheidender Bedeutung für die Quantifizierbarkeit der Meßdaten, wenn ein vom Einfallswinkel des Primärstrahls auf die Mate rialprobe abhängiges Signal beobachtet wird, z. B. bei der Röntgen-Diffraktometrie, bei der Totalreflexions- Röntgenfluoreszenzanalyse und bei der Röntgen-Reflekto metrie. Dabei reduziert sich das Problem auf die Fest legung eines bestimmten Referenzwinkels, weil jede relative Winkeländerung mit großer Präzision an sich auf bekannte Weise durch elektromechanische Stellglieder ausgeführt werden kann und somit jeder beliebige Winkel mit praktisch der Genauigkeit bekannt ist, mit welcher der Referenzwinkel bestimmt wurde.

Bei den vorgenannten Röntgenverfahren ist es gebräuch lich, den Referenzwinkel als Nullpunkt des Glanzwinkels zwischen Röntgenstrahl und Materialprobenoberfläche zu suchen. Dabei wird der Röntgenstrahl durch keil- oder klotzförmige Blenden über der Materialprobe stark eingeengt und nach seinem Durchgang durch den Spalt zwischen Probe und Blende mit einem geeigneten Detektor registriert. Im Prinzip werden die Strahlen, die nicht parallel zur Probe einfallen, durch den vorderen oder hinteren Rand der Probenoberfläche ausgeblendet, je nachdem, ob der Einfallswinkel positiv oder negativ zur Probenoberfläche ist, so daß bei parallelem Strahl ein maximales Signal am Detektor auftritt.

Der Nachteil eines derartigen Verfahrens besteht im wesentlichen darin, daß dieses eine Veränderung der Meßanordnung zur Bestimmung des Referenzwinkels erfor dert, was sehr mühsam ist, und es läßt sich nicht automatisieren, d. h. es ist für Reihenuntersuchungen ungeeignet. Noch nachteiliger ist es, daß es aufgrund mechanischer Toleranzen durch Strahldivergenz und durch Halbschattenbildung in seiner Genauigkeit begrenzt ist.

Auch der Einsatz optischer Hilfsmittel ist, abgesehen davon, daß zusätzliche Bauelemente benötigt werden, nachteilig, weil sowohl Röntgen- und Lichtquelle auf einander ausgerichtet werden als auch weil die ver schiedenen Reflexionseigenschaften der Probenoberflächen berücksichtigt werden müssen.

Aus der DE-PS 38 16 081 ist zwar ein Verfahren bekannt, das die vorgenannten Nachteile zwar nicht aufweist und mit dem ein Referenzwinkel mit einer Genauigkeit von 0,05 mrad eingestellt werden kann. Bei diesem Verfahren wird die Winkelabhängigkeit eines Fluoreszenzsignals einer Oberfläche mit einer Modellrechnung verglichen und durch Abgleich gemessener und gerechneter Werte ein ausgewählter Bezugswinkel ermittelt. Bei diesem Verfah ren wird aber vorausgesetzt, daß die Dichte und die chemische Zusammensetzung der zu untersuchenden Proben oberfläche bekannt ist, weil diese Werte in die Modell rechnung eingehen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das die spezi fischen Beschränkungen der bekannten Winkelbestimmungs verfahren nicht aufweist, das mit großer Genauigkeit eine Winkelbestimmung ermöglicht und einfach und kos tengünstig durchführbar ist und sich zudem automati sieren läßt.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß zur Bestimmung des effektiven Einfallswinkels einer Materialprobe unbekannter Dichte und/oder Zusammen setzung

a. die Materialprobe bekannter Dichte zunächst von einem Röntgenstrahl in einem vorbestimmten Orientierungswinkel zu diesem streifend beauf schlagt wird und die dabei erzeugten Fluores zenzzählraten und/oder Reflexionszählraten erfaßt und entsprechende erste Fluoreszenz- und/oder Reflexionskurven ermittelt werden,
b. daß die Materialprobe, ausgehend vom vorbe stimmten Orientierungswinkel um 180° gedreht wird und erneut vom Röntgenstrahl streifend beaufschlagt wird und die dabei erzeugten Fluoreszenzzählraten und/oder Reflexionszähl raten erfaßt und entsprechende zweite Fluores zenz- und/oder Reflexionskurven ermittelt werden,
c. daß aus der Differenz Δ¹ϕ entsprechend einer Winkeldifferenz zwischen der ersten und der zweiten Fluoreszenzkurve und/oder der ersten und der zweiten Reflexionskurve eine zwischen der ersten und der zweiten Kurve liegende Differenzkurve K₀ ermittelt wird und
d. daß der effektive Referenzwinkel durch Addition einer ermittelten Winkeldifferenz Δϕ₀ aus Differenzkurve K₀ und der Normkurve K_Norm zu dem vorab eingestellten absoluten Referenzwinkel ϕ₀ bestimmbar ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß, wie angestrebt, somit für die Bestimmung des effektiven Einfallswinkels bei einer Materialprobe unbekannter Dichte und Zusammensetzung eine gemäß dieser Lösung vorbereitete Vorrichtung eine absolute Winkelbestimmung ermöglicht. Die erfindungs gemäße Verfahrensführung erlaubt es zudem, daß vor richtungsseitige Komponenten Verwendung finden können, die nicht nur zur Winkelbestimmung eingesetzt werden können, sondern auch für die jeweilige Meßaufgabe im Rahmen von diffraktometrischen, fluoreszenz- oder reflektometrischen Analysen. Die erfindungsgemäße Verfahrensführung erlaubt zudem eine mit einfachen Mitteln zu bewerkstelligende vollständige Automatisie rung, so daß gemäß dem Verfahren auf einfache Weise mit großer Geschwindigkeit Reihenuntersuchungen durchgeführt werden können.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird zur eigentlichen Bestimmung des effektiven Ein fallswinkels einer Materialprobe unbekannter Dichte und Zusammensetzung

e. diese Materialprobe unbekannter Dichte und Zusammensetzung vom Röntgenstrahl in einem vorbestimmten Orientierungswinkel zu diesem streifend beaufschlagt und dabei die erzeugten Fluoreszenzzählraten und/oder Reflexionzähl raten erfaßt und es werden entsprechend erste fluoreszenz- und/oder Reflexionskurven er mittelt,
f. die Materialprobe wird dann, ausgehend vom vorbestimmten Orientierungswinkel um 180° gedreht und erneut vom Röntgenstrahl streifend beaufschlagt und es werden die dabei erzeugten Fluoreszenzzählraten und/oder Reflexionszählraten erfaßt und entsprechende zweite Fluoreszenz- und/oder Reflexionskurven ermittelt,
g. nachfolgend wird die Differenz Δ²ϕ ent sprechend der Winkeldifferenz zwischen der ersten und der zweiten Fluoreszenzzählkurve und/oder der ersten und der zweiten Reflexions kurve ermittelt und
h. der Einfallswinkel wird um Δ²ϕ/2 verändert.

In diesem zweiten Schritt entfällt somit die Bestimmung eines Referenzwinkels und es kann nunmehr fortlaufend an sich jede beliebige geeignete Materialprobe gemäß der vorgenannten vorteilhaften Verfahrensführung untersucht werden, da somit nur eine Nachjustierung erforderlich ist.

Schließlich kann vorteilhafterweise der Röntgenstrahl in einem von Null verschiedenen Ausgangsorientierungswinkel für die Ermittlung der Fluoreszenz- und/oder Reflexi onskurven die Materialprobe streifend beaufschlagen, d. h. es kann im Prinzip sowohl für die Festlegung des Referenzwinkels als auch zur Festlegung der Nachjustie rungsgröße von jeder beliebigen geeigneten Orientierung, beispielsweise von 90° bis 270° ausgegangen werden.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus führungsbeispieles eingehend beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zur Bestimmung des effektiven Einfallswinkels von streifend einfallender Röntgenstrahlung,

Fig. 2a einen Vergleich einer theoretischen, berechne ten Intensitätskurve K_Norm mit einer gemessenen Kurve K₀ nach Bereinigung der Keiligkeit durch Messung von K₁ und K₂ (Fluoreszenzsignal einer Siliziumoberfläche vs. Glanzwinkel des Primär strahls bei einer Energie von 17,5 keV),

Fig. 2b eine Darstellung wie Fig. 2a, jedoch anstelle eines Fluoreszenzsignals ein Reflexionssignal,

Fig. 3a ein Fluoreszenzsignal einer 15 nm dicken Metallschicht (10 nm Co+5 nm Cu) vs. Glanz winkel des Primärstrahls bei einer Energie von 17,5 keV zur Ermittlung der Keiligkeit der Materialprobe und

Fig. 3b eine Darstellung wie Fig. 3a, jedoch anstelle des Fluoreszenzsignals ein Reflexionssignal.

Eine Vorrichtung 10, mit der das hier beschriebene Verfahren ausgeführt werden kann, weist einen grund sätzlichen Aufbau auf, wie er in der DE-PS 36 06 748 und in der DE-PS 38 16 081 beschrieben ist, und auf die hier, jedenfalls was den Aufbau der Vorrichtung angeht, Bezug genommen wird. Aus einer hier nicht dargestellten Röntgenquelle, die vorzugsweise eine normale Röntgen röhre ist, tritt Röntgenstrahlung aus, die als Primär strahl 13 streifend auf eine auf einem Probenhalter 11 positionierte Materialprobe 12 bekannter bzw. unbe kannter Dichte und/oder Zusammensetzung auftritt, was im einzelnen noch weiter unten beschrieben wird. Die von der Materialprobe 12 kommende reflektierte Strahlung 14 wird in einem Reflexionsdetektor 17 erfaßt, während die von der Materialprobe 12 herkommende Sekundär- bzw. Fluoreszenzstrahlung 15 von einem Fluoreszenzdetektor 16 erfaßt wird.

Der Probenhalter 11 ist in diesem Falle um eine Proben halterachse 110 in Richtung des Pfeiles 114 drehbar.

Die Bestimmung des effektiven Einfallswinkels wird in zwei Schritten durchgeführt. In einem ersten Schritt wird der hier tellerförmig ausgebildete Probenhalter 11 auf einen bestimmten absoluten Referenzwinkel ϕ₀ eingestellt. Dazu wird der Probenhalter 11 mit einer Materialprobe 12 bekannter Dichte bzw. Zusammensetzung, der sogenannten Referenzprobe, beladen, wobei diese Referenzprobe beispielsweise ein Siliziumwafer sein kann. An dieser Probe wird ein Referenzwinkel nach dem aus der DE-PS 38 16 081 bekannten Verfahren bestimmt, d. h. das Fluoreszenzsignal 15 der Oberfläche, vgl. Fig. 2a bzw. das reflektierte Signal 14, vgl. Fig. 2b, wird als Funktion des Einfallswinkels gemessen und mit der entsprechenden gerechneten Normkurve K_Norm für die Fluoreszenzintensität bzw. für die reflektierte Inten sität verglichen.

Im Gegensatz zum Verfahren gemäß der DE-PS 38 16 081 wird jedoch die Materialprobe 12 nicht nur in einer Grundstellung gemessen, d. h. mit einem Orientierungs winkel 0° zum einfallenden Primärstrahl 13 (K₁), sondern sie wird zusätzlich mit Hilfe des um die Achse 110 drehbaren Probenhalters 11 um 180° gedreht und die Fluoreszenz- bzw. Reflexionskurve wird erneut bestimmt (K₂).

In der Regel wird sich zwischen den Signalkurven in 0°- und in 180°-Stellung eine Verschiebung von Δ¹ϕ vgl. die Fig. 2a und 2b, einstellen, die sich aus der Keiligkeit der als Eichprobe dienenden Materialprobe 12 bekannter Dichte ergibt oder auch dadurch, daß diese Materialprobe 12 nicht vollständig eben auf dem Proben halter 11 liegt. Diese Keiligkeit beträgt exakt Δ¹γ/2 so daß sich die um die Keiligkeit korrigierten Kurven K₀ ergeben, die um + oder - Δ¹ϕ/2 verschoben sind, je nachdem, ob die als Referenzprobe dienende Materialprobe 12 bekannter Dichte positiv oder negativ gegenüber dem Probenhalter 11 geneigt ist. Der Referenzwinkel des Probenhalters 11 wird dann durch Verstellung um Δϕ₀, der Winkeldifferenz zwischen K₀ und der theoretischen, gerechneten Normkurve K_Norm erreicht.

Nachdem die Vorrichtung 10 auf diese Weise für eine absolute Winkelbestimmung vorbereitet ist, wird die Prozedur in einem nächsten Verfahrensschritt teilweise an der Materialprobe 12 unbekannter Dichte wiederholt. Die Fluoreszenzintensität, vgl. Fig. 3a, bzw. die Reflektivität, vgl. Fig. 3b, der zu untersuchenden Materialprobe 12 unbekannter Dichte wird in Abhängigkeit vom Einfallswinkel bei einer Orientierung des Proben tellers von 0° bzw. 180° aufgenommen und durch Nachju stierung um Δ²ϕ/2 werden die entsprechenden Kurven zur Deckung gebracht. In diesem zweiten Verfahrensschritt entfällt die Bestimmung eines Referenzwinkels. Dieses wäre auch nicht möglich, weil voraussetzungsgemäß die zu seiner Berechnung benötigte Elektronendichte der Mate rialprobe nicht bekannt ist.

Die Bestimmung eines weiteren Referenzwinkels auch an der Materialprobe 12 unbekannter Dichte ist jedoch unnötig, da eine Winkelskala der Vorrichtung 10 schon durch den ersten Verfahrensschritt geeicht worden ist. Weil bei der Durchführung des zweiten Verfahrensschrit tes eine eventuelle Keiligkeit der Materialprobe 12 berücksichtigt wird, ist der durch den ersten Ver fahrensschritt festgelegte Einfallswinkel auf eine Materialprobe 12 unbekannter Dichte übertragbar und damit bekannt.

Die im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens ausge führten Verfahrensschritte zur Ausrichtung der Probe können bei Bedarf nicht nur in einer Vorzugsrichtung (0°-180°) zum einfallenden Primärstrahl 13, sondern in gleicher Weise in jeder beliebigen Orientierung, bei spielsweise 90°-270°, durchgeführt werden. Jede Windschiefe der Materialprobe 12 gegenüber dem Proben halter 11 kann im mrad-Bereich erkannt und durch Ver stellung um Δϕ/2 eliminiert werden, indem die Orientie rung der Materialprobe 12 gesucht wird, in der Δϕ maximal ist.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung 10 zur Ausführung des Verfahrens keine zusätzlichen Bauelemente benötigt und das Verfahren bzw. die Vorrichtung 10 auch bei Materialproben 12 einsetzbar ist, die nur einige Quadratmillimeter groß sind. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens bzw. der Vorrichtung 10 zur Ausführung des Verfahrens liegt auch darin, daß der Einfallswinkel systembedingt exakt am Meßort bestimmbar ist und auch bei schwachgekrümmten Proben das Verfahren mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit, wie auch bei ebenen Materialproben 12 ausführbar ist und zudem verfahrens bedingt eine Windschiefe der Materialprobe 12 gegenüber dem Probenhalter 11 beseitigt wird und insgesamt das Verfahren mit einer hohen Genauigkeit und Zuverlässig keit und leicht automatisierbar durchführbar ist.

Bezugszeichenliste

10 Vorrichtung
11 Probenhalter
110 Probenhalterachse
111 Pfeil
12 Materialprobe (bekannte/unbekannter Dichte
und/oder Zusammensetzung)
13 Primärstrahl
14 reflektierter Strahl
15 Sekundär-/Fluoreszenzstrahlung
16 Fluoreszenzdetektor
17 Reflexionsdetektor

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des effektiven Einfallswin kels von aus einer Röntgenquelle austretender Röntgen strahlung auf eine Materialprobe zur Analyse der ober flächennahen Schichten des Materials mittels Rönt gen-Meßverfahren, wobei mit einer Materialprobe be kannter Dichte und Zusammensetzung, die zuvor relativ zum Röntgenstrahl auf einen absoluten Referenzwinkel ϕ₀ eingestellt worden ist, anhand einer theoretisch be rechneten Normkurve und einer Meßkurve ein Referenzwin kel als Bezugswinkel für eine apparative Normung be stimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des effektiven Einfallswinkels bei einer Materialprobe unbekannter Dichte und/oder Zusammensetzung

a. die Materialprobe bekannter Dichte zunächst von einem Röntgenstrahl in einem vorbestimmten Orientierungswinkel zu diesem streifend beauf schlagt wird und die dabei erzeugte Fluores zenzzählraten und/oder Reflexionszählraten erfaßt und entsprechende erste Fluoreszenz und/oder Reflexionskurven ermittelt werden,
b. die Materialprobe, ausgehend vom vorbe stimmten Orientierungswinkel um 180° gedreht wird und erneut vom Röntgenstrahl streifend beaufschlagt wird und die dabei erzeugten Fluoreszenzzählraten und/oder Reflexionszähl raten erfaßt und entsprechende zweite Fluores zenz- und/oder Reflexionskurven ermittelt werden,
c. daß aus der Differenz Δ¹ϕ entsprechend einer Winkeldifferenz zwischen der ersten und der zweiten Fluoreszenzkurve und/oder der ersten oder der zweiten Reflexionskurve eine zwischen der ersten und der zweiten Kurve liegende Differenzkurve K₀ ermittelt wird und
d. daß der effektive Referenzwinkel durch Addition einer ermittelten Winkeldifferenz Δϕ₀ aus Differenzkurve K₀ und der Normkurve K_Norm zu dem vorab eingestellten absoluten Referenzwinkel ϕ₀ bestimmbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

e. eine Materialprobe unbekannter Dichte vom Röntgenstrahl in einem vorbestimmten Orientie rungswinkel zu diesem streifend beaufschlagt wird und dabei die erzeugte Fluoreszenzzähl raten und/oder Reflexionszählraten erfaßt und entsprechende erste Fluoreszenz- und/oder Reflexionskurven ermittelt werden,
f. daß die Materialprobe, ausgehend vom vorbe stimmten Orientierungswinkel um 180° gedreht wird und erneut vom Röntgenstrahl streifend beaufschlagt wird und die dabei erzeugten Fluoreszenzzählraten und/oder Reflexionszähl raten erfaßt und entsprechende zweite Fluores zenz- und/oder Reflexionskurven ermittelt werden,
g. daß die Differenz Δ²ϕ entsprechend der Winkeldifferenz zwischen der ersten und der zweiten Fluoreszenzkurve und/oder der ersten und der zweiten Reflexionskurve ermittelt wird und
h. der Einfallswinkel um Δ²ϕ/2 verändert wird.

3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Röntgenstrahl in einem von Null verschiedenen Orientierungswinkel für die Ermittlung der Fluoreszenz- und/oder Reflexionskurven die Materialprobe streifend beaufschlagen kann.