DE4408057B4

DE4408057B4 - Vorrichtung zur Röntgenfluoreszenzspektroskopie und deren Verwendung

Info

Publication number: DE4408057B4
Application number: DE4408057A
Authority: DE
Inventors: Norbert Prof. Langhoff; Hans-Eberhard Gorny
Original assignee: IFG INST FOR SCIENT INSTR GmbH; IFG-INSTITUTE FOR SCIENTIFIC INSTRUMENTS GmbH
Current assignee: IFG-INSTITUTE FOR SCIENTIFIC INSTRUMENTS GMBH, 124
Priority date: 1994-03-07
Filing date: 1994-03-07
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2014-03-08
Also published as: EP0757790B1; ATE167296T1; EP0757790A1; WO1995024638A1; DE4408057A1

Abstract

Vorrichtung zur Röntgenfluoreszenzspektroskopie, bestehend aus einer Röntgenstrahlungsquelle zur Anregung und einem Detektor zum Empfang der Röntgenfluoreszenzstrahlung, wobei zwischen Strahlungsquelle (1) und Messobjekt (2) mindestens ein Optikelement (3), bestehend aus einer Vielzahl dünner, hohler Kapillaren und in unmittelbarer Nähe zum Messobjekt (2) ein als Ringdetektor (4) ausgebildeter Detektor angeordnet ist, wobei der Strahlungsausgang (1a) einer Röntgenröhre (1) mit dem Strahlungseingang (3a) des Optikelementes (3) verbunden ist, wobei das Optikelement (3) in einem inneren Gehäuse (5), welches an seiner Unterseite eine Öffnung (6) und den Ringdetektor (4) aufweist, angeordnet ist, wobei an dem inneren Gehäuse (5) ein Kühlkörper (11) angeordnet ist und das innere Gehäuse (5) von einem äußeren Gehäuse (7) umgeben ist, welches eine Öffnung (8) aufweist, die durch ein Fenster (9) verschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Schichtdickenmessung mittels Röntgenfluoreszenzspektroskopie, wobei die von einer Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung ein Messobjekt zur Aussendung der Fluoreszenzstrahlung anregt und diese Fluoreszenzstrahlung von einem Empfänger erfasst und nachfolgend ausgewertet wird.
Die Erfindung ist anwendbar beispielsweise auf den Gebieten der Messtechnik, insbesondere der Prozessmesstechnik, der Materialdiagnostik und der Medizin.
Als neues Anwendungsgebiet erschlossen wird die kontinuierliche Schichtdickenmessung, die Kopplung der Röntgenfluoreszensspektroskopie mit der Lichtmikroskopie sowie die neuartige Realisierung von Röntgenzeilenoptiken und Tomographen.
Die Anwendung von Röntgenstrahlung in der Stoff- und Strukturanalytik sowie in der medizinischen Diagnostik und Therapie hat eine lange Tradition. Fortschritte in der Anwendung und bei der spezifischen Gerätetechnik sind immer dann eingetreten, wenn Forschungs- und Entwicklungsergebnisse anderer Fachdisziplinen und Fachbereiche übertragen und angewandt werden konnten.
Es war beispielsweise eine langgehegte Hoffnung von Physikern und Ingenieuren, Bauelemente in die Hand zu bekommen, die eine analoge Beeinflussung von Röntgenstrahlung gestatten, wie dies im optischen Bereich durch die Verwendung von Glas für Linsen oder Lichtleiter möglich ist.
Die Entwicklung und Anwendung derartiger Optiken verlief jedoch bislang im Wesentlichen im Rahmen militärischer Projekte. Eine zivile Nutzung und Anwendung ist bisher nicht bekannt.
Die klassische Röntgenfluoreszenzspektroskopie findet seit langem in der Materialanalyse Verwendung.
Technisch wird bei der Röntgenfluoreszenzspektroskopie so vorgegangen, dass die zu untersuchende Probe mit der polychromatischen Strahlung einer Röntgenröhre oder der monochromatischen Strahlung einer Nuklidquelle zur Aussendung der Fluoreszenzstrahlung angeregt wird. Die Röntgenfluoreszenzstrahlung entsteht, wenn durch Röntgenquanten Elektronen in den Atomen von den inneren Schalen auf weiter außen gelegene Schalen gehoben werden und zum Einsatz andere Schalen-Elektronen zurückfallen. Die Fluoreszenzanregung ist auch mit Gamma-Elektronen oder Innenstrahlen möglich. Die Sekundärstrahlung wird geeignet registriert und die Signale werden elektronisch weiter verarbeitet.
Jedes von einem Element emittierte Röntgenfluoreszenzspektrum besteht im Gegensatz zu dem linienreichen optischen Spektrum aus nur wenigen charakteristischen Linien, anhand derer es eindeutig identifiziert werden kann. Zur quantitativen Analyse wird neben der Energie auch die Intensität der emittierten Strahlung gemessen, denn diese ist proportional dem Gehalt des betreffenden Elements in der Probe, das heißt, dem Produkt aus Schichtdicke und Konzentration.
Die WO 92/08235 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Strahlformung von Röntgen- und Gammastrahlen unter Verwendung von Kapillaroptiken sowie deren Anwendung in der Röntgenfluoreszenzspektroskopie.
Die von einer Röntgenröhre ausgehende Strahlung wird in einer Kumakhov-Linse geformt, auf eine Probe geleitet und die entstehende Sekundärstrahlung von einem Detektor empfangen.
Die US 3,256,431 beschreibt eine Vorrichtung zur Röntgenfluoreszenzspektroskopie zur Untersuchung von Schmelzen, wobei zur Registrierung der Sekundärstrahlung mehrere Detektoren angeordnet sein können.
Aus der JP 55-003129 A ist ein Röntgenstrahlanalysator für Elektronenmikroskope bekannt, bei welchem ein Elektronenstrahl durch die Öffnung eines Ringdetektors auf eine Probe geführt und die von dem Elektronenstrahl erzeugte Röntgenstrahlung mit dem Ringdetektor erfasst wird.
Die WO 94/08232 A1 beschreibt eine Methode und eine Vorrichtung zur Oberflächenanalyse, wobei mittels einem durch die Öffnung eines Ringdetektors geführten Elektronenstahl auf der Oberfläche einer Probe Fluoreszenz-Röntgenstrahlung erzeugt und von dem Ringdetektor erfasst wird. Zwischen Ringdetektor und Probe sind weitere Bauelemente angeordnet.
Somit ist die Röntgenfluoreszenzspektroskopie prinzipiell auch zur Bestimmung der Schichtdicke geeignet.
Nachteilig an den bisher bekannten Methoden und Röntgenfluoreszenzspektroskopiemesseinrichtungen ist, dass sowohl die Strahlungsquelle als auch das Detektionssystem konstruktiv in unmittelbarer Nähe des Messortes angeordnet sein müssen.
Die Größe dieser Baugruppen gestattete bisher keine Konstruktionslösungen, bei denen größere Verluste sowohl bei der Anregungs- als auch der Messintensität vermieden werden können. Nachteilig ist ebenfalls die hieraus resultierende hohe notwendige Strahlungsintensität der Strahlungsquelle.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Schichtdickenmessung mittels Röntgenfluoreszenzspektroskopie zu schaffen, wobei die Strahlungsquelle nicht in unmittelbarer Nähe des Messobjektes angeordnet sein muss, Strahlungsquellen geringer Intensität verwendet werden können und mit einfachen und preiswerten Mitteln sowohl kontinuierliche Messungen und Analysen durchgeführt werden können.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, neue Anwendungsgebiete für Röntgenoptiken zu erschließen.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 9 in Verbindung mit den jeweiligen Oberbegriffen.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den jeweiligen Unteransprüchen enthalten.
Der besondere Vorteil der Messvorrichtung besteht darin, dass durch den Verlauf der von einer Strahlenquelle ausgesandten Strahlung durch ein Optikelement, in welchem die Strahlung parallelisiert und/oder fokussiert wird und unmittelbar nach Verlassen der Optikelemente auf das Messobjekt trifft, dort die Fluoreszenzstrahlung erzeugt und die Fluoreszenzstrahlung von in unmittelbarer Nähe zum Messobjekt angeordneten Detektionssystemen empfangen wird, sowohl eine räumlich entfernte Anwendung der Strahlungsquelle vom Messobjekt als auch die Verwendung von Strahlungsquellen mit geringer Strahlungsintensität ermöglicht wird.
Durch die Ausbildung des Optikelementes aus anorganischen oder organischen Materialien oder einer Kombination daraus und die Gestaltung als eine Vielzahl sehr dünner, hohler Kapillaren, wobei die anorganischen Materialien beispielsweise Glas und/oder Keramik und/oder Metall und die organischen Materialien Polymere und/oder Polymergemische und/oder Komposite mit polymer Matrix sein können, wird erreicht, dass die Röntgenphotonen an den Innenflächen der Kapillaren total reflektiert und durch eine vorherberechnete Krümmung der Kapillaren in eine erwünschte Richtung gelenkt werden. Die zulässigen Krümmungsradien und Kapillarendurchmesser hängen von der Energie der Röntgenphotonen und den optischen Forderungen generell ab.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung besteht darin, dass die Röntgenfluoreszenzspektroskopie kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen kann, wobei bei der kontinuierlichen Messung das Messobjekt entlang der Optikelemente oder die Optikelemente entlang dem Messobjekt bewegt werden können.
Ein einfacher Aufbau der Vorrichtung, bestehend aus mindestens einer Strahlungsquelle zur Anregung und einem Detektor zum Empfang der Fluoreszenzstrahlung wird dadurch realisiert, dass zwischen Strahlungsquelle und Messobjekt mindestens ein Optikelement und in unmittelbarer Nähe zum Messobjekt mindestens ein Detektor angeordnet wird.
Speziell für die kontinuierliche Messung der Schichtdicke während des Prozesses, beispielsweise der Beschichtung von Trägern mit Metallschichten zur Oberflächenvergütung, wie das Elektronenstrahl-Metallband-Bedampfen, das Vakuum-Bedampfen von Kunststofffolien oder die Spartabeschichtung von Flachglas wird ein kostengünstiger Aufbau einer Vorrichtung unter Verwendung einer luftgekühlten Kleinröntgenröhre dadurch realisiert, dass der Strahlungsausgang der Kleinröntgenröhre mit dem Strahlungseingang eines Optikelementes verbunden ist, wobei das Optikelement in einem inneren Gehäuse, welches an seiner Unterseite eine Öffnung und Detektoren aufweist, angeordnet ist, und das innere Gehäuse von einem äußeren Gehäuse umgeben ist, welches ebenfalls eine Öffnung aufweist.
Ein zusätzlicher Vorteil der Vorrichtung resultiert daraus, dass durch die Verwendung des zwischen Strahlungsquelle und Messobjekt angeordneten Optikelementes, aus einer Vielzahl sehr dünner, hohler Glaskapillaren, eine diskontinuierliche Materialanalyse ermöglicht wird.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kontinuierlichen zerstörungsfreien Messung der Schichtdicke während des Schichtherstellungsprozesses ist in der 1 dargestellt.
Der verfahrensmäßige Ablauf zur Röntgenfluoreszenzspektroskopie besteht dabei darin, dass die von einer Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung ein Messobjekt zur Aussendung der Fluoreszenzstrahlung anregt und diese Fluoreszenzstrahlung von einem Empfänger erfasst und nachfolgend ausgewertet wird, wobei die von mindestens einer zum Messobjekt entfernt angeordneten Strahlungsquelle ausgesandte Strahlung einem Optikelement zugeführt wird, die Strahlung in dem Optikelement parallelisiert und/oder fokussiert wird, die Strahlung unmittelbar nach Verlassen des Optikelements auf das Messobjekt trifft, dort die Fluoreszenzstrahlung erzeugt und die so erzeugte Fluoreszenzstrahlung von in unmittelbarer Nähe zum Messobjekt angeordneten Detektoren empfangen wird. Als Strahlungsquelle findet im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine luftgekühlte Kleinleistungsröntgenröhre 1 Verwendung, deren Mikrofokus mit Hilfe des Optikelementes 3 auf das Messobjekt 2 abgebildet wird. Das Optikelement 3 ist konstruktiv in einem als Kupferrohr ausgebildeten inneren Gehäuse 5 angeordnet, welches der Kühlung des Halbleiterdetektors 4 dient, der unmittelbar über dem Messort angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein großer Teil der in dem Messobjekt 2 angeregten charakteristischen Strahlung vom Detektor 4 erfasst werden. Für die Montage des Detektors 4 sind verschiedene konstruktive Lösungen möglich. Der Detektor 4 ist als Ringdetektor mit einer Innenbohrung ausgeführt. Dabei ist ein konzentrischer Aufbau durch eine geeignete Zahl parallel betriebener Einzeldetektoren möglich, wobei der Anregungsstrahl durch eine zwischen den Einzeldetektoren gebildete Öffnung verläuft. Weiterhin ist es auch möglich, dass anstelle von Halbleiterdetektoren andere Detektoren 4 mit geeigneten physikalischen und technischen Parametern zum Einsatz kommen.
Um einen Einbau der kompakten Vorrichtung beispielsweise in Rezipienten vornehmen zu können, aber auch um eine Wärmeisolation zu gewährleisten, wird das wärmeleitende innere Gehäuse 5 in einem weiteren als Rohr ausgebildeten äußeren Gehäuse 7, das vom inneren Gehäuse 5, das als Kühlrohr dient, isoliert ist, eingebracht. Dieses größere äußere Gehäuse 7 ist im Falle der Montage in einen Rezipienten mit einem Flansch 10 versehen. Die elektrischen Verbindungen werden innerhalb der Vorrichtung geführt.
Das Optikelement 3 besteht aus dünnen, hohlen Glaskapillaren, welche aus einem Spezialglas hergestellt wurden. Die einzelnen Glaskapillaren werden zu dem kompletten Optikelement 3 zusammengefügt. Hierdurch wird es möglich, divergente Röntgenstrahlen zu fokussieren sowie divergente Röntgenstrahlen in quasi parallele Röntgenstrahlen zu wandeln.
Das innere Gehäuse 5 weist eine Öffnung 6 auf, durch welche die aus dem Optikelement 3 austretende Strahlung verläuft. Im weiteren Verlauf passiert diese Strahlung auch die in dem äußeren Gehäuse 7 angeordnete Öffnung 8 mit dem Fenster 9. Das Fenster 9 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Beryllium ausgebildet.
Die erzeugte Röntgenfluoreszenzstrahlung passiert ebenfalls die Öffnung 8 mit dem Fenster 9 und wird von den an der Außenfläche des inneren Gehäuses 5 angeordneten Detektor 4 erfasst und in einer nachgeschalteten, in der Figur nicht dargestellten Elektronikschaltung, ausgewertet und weiterverarbeitet.
An dem inneren Gehäuse 5 ist zur Kühlung eine Peltierbatterie 11 angeordnet.

Claims

Vorrichtung zur Röntgenfluoreszenzspektroskopie, bestehend aus einer Röntgenstrahlungsquelle zur Anregung und einem Detektor zum Empfang der Röntgenfluoreszenzstrahlung, wobei zwischen Strahlungsquelle (1) und Messobjekt (2) mindestens ein Optikelement (3), bestehend aus einer Vielzahl dünner, hohler Kapillaren und in unmittelbarer Nähe zum Messobjekt (2) ein als Ringdetektor (4) ausgebildeter Detektor angeordnet ist, wobei der Strahlungsausgang (1a) einer Röntgenröhre (1) mit dem Strahlungseingang (3a) des Optikelementes (3) verbunden ist, wobei das Optikelement (3) in einem inneren Gehäuse (5), welches an seiner Unterseite eine Öffnung (6) und den Ringdetektor (4) aufweist, angeordnet ist, wobei an dem inneren Gehäuse (5) ein Kühlkörper (11) angeordnet ist und das innere Gehäuse (5) von einem äußeren Gehäuse (7) umgeben ist, welches eine Öffnung (8) aufweist, die durch ein Fenster (9) verschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Optikelement (3) aus anorganischen oder organischen Materialien oder einer Kombination daraus besteht, wobei die anorganischen Materialien Glas und/oder Keramik und/oder Metall und die organischen Materialien Polymere und/oder Polymergemische und/oder Komposite mit polymerer Matrix sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Röntgenröhre (1) eine luftgekühlte Kleinleistungsröntgenröhre ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Fenster (9) aus Beryllium oder einer Polymerfolie besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das äußere Gehäuse (7) einen Flansch (10) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kühlkörper (11) eine Peltierbatterie ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gehäuse (5, 7) als Rohre ausgebildet sind, das innere Gehäuse (5) aus gut Wärme leitendem Metall besteht und die Gehäuse (5, 7) thermisch voneinander isoliert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Ringdetektor (4) aus mehreren einzelnen Detektoren besteht, welche derart angeordnet sind, dass zwischen ihnen die Öffnung (6) für den Strahlendurchgang der Anregungsstrahlung gebildet ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur kontinuierlichen Schichtdickenmessung.