EP1323170B1 - Röntgenoptische anordnung - Google Patents

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EP1323170B1 EP01943167A EP01943167A EP1323170B1 EP 1323170 B1 EP1323170 B1 EP 1323170B1 EP 01943167 A EP01943167 A EP 01943167A EP 01943167 A EP01943167 A EP 01943167A EP 1323170 B1 EP1323170 B1 EP 1323170B1
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—HANDLING OF PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/06—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating using diffraction, refraction or reflection, e.g. monochromators

Definitions

  • the invention relates to an X-ray optical arrangement according to the preamble of claim 1. It can be special advantageous in X-ray analysis, e.g. in the X-ray diffractometry, reflectometry and / or the fluorescence analysis can be used.
  • X-ray analytics are for the most diverse Applications X-rays with high intensity, i.e. especially high photon density required. This can be done by focusing the x-rays be achieved. In many cases, however, it is cheaper X-radiation with very small divergence, in the best case, use as parallel X-rays to be able to.
  • the X-rays In X-ray analysis, it is also desired a high surface sensitivity of the X-radiation on surfaces to be analyzed or in fluidic Samples present on substrate slides are to reach.
  • the X-rays preferably grazing, i. with relative small angles of incidence up to a few degrees of incidence angles or a few tenths of a degree angle of incidence, i.e. near the critical angle of total reflection, on a sample or a corresponding substrate surface directed and consequently the radiation cross section according to 1 / sin ⁇ projected onto the sample surface becomes. It is desired the photon density ever Increase the area on the projection surface or to focus on a smaller projection screen.
  • the surface intensity and consequently also the photon density can be known by strong bundling parallel or nearly parallel X-rays are increased and consequently also the each locally detectable measurement signal of a sample increases become.
  • the spatial resolution of Measuring signals i. the most accurate assignment possible Measuring signals to the measuring location make high demands the test setup.
  • the X-ray optical arrangement according to the invention uses usual X-ray optical elements, like a suitable X-ray source, X-rays focusing and an X-ray reflecting Element.
  • the X-ray radiation of the X-ray source on the focusing element directed, which is a lens effect reaching element, but cheaper to a corresponding shaped reflector can act.
  • the of X-ray focused on this element is on directed an X-ray reflecting element, whose reflective surfaces are convex and is formed parabolic.
  • the reflective element Due to this surface shape of the reflective element can simultaneously bundling (compression) X-radiation and its parallel alignment be obtained with negligible divergence, the on a suitably arranged and aligned Surface of a sample or a substrate directed can be.
  • the convergent X-ray radiation with punctiform, elliptical or line-shaped cross section are, of course, the surface contour of the X-ray reflecting Element is adapted to this geometry.
  • linear Beam cross sections can be focused and the reflective element have cylinder symmetry.
  • At least the surface of the reflective element can be a single reflective layer, in In many cases, however, cheaper, a multilayer system exhibit.
  • the X-ray radiation from the focusing element can be directed onto the reflective element at an angle ⁇ the critical angle ⁇ c of the total reflection and the desired effect can be achieved.
  • the individual layers of the multilayer system taking into account the different angles of incidence of the x-rays, have a correspondingly adapted thickness distribution with which the respective angles of incidence ⁇ i and Bragg's for a predeterminable x-ray wavelength Satisfy equation on each surface element of the reflective element.
  • the gradient layers have a double-layer thickness that changes over the length.
  • the adjacent ones Single layers of a multilayer system point different X-ray optical refractive indices on.
  • the largest possible compression of the X-ray radiation can be obtained when focusing points F of focusing and reflective element with each other match, but at least in the immediate Are arranged close to each other.
  • the focusing element forms the X-ray source in a line focus, it is also advantageous the parabolic shape of the reflective element cylindrically symmetric to choose a linear To receive parallel radiation.
  • the signal-to-noise ratio be improved because with the reflective Element an additional monochromator is arranged in the beam path.
  • the dynamic Range of measurement can be increased, which is e.g. the information content of a measured reflectogram rises, possibly due to background signals covered diffraction orders are detected can.
  • the invention is based on an exemplary embodiment be explained.
  • Figure 1 becomes divergent X-radiation of an X-ray source 1 on a concave, elliptical or parabolic shape Surface, with for the X-ray radiation used reflective surface, in this case a Multilayer system, directed.
  • the x-ray radiation is reflected from there and at the same time on the convex, parabolic reflective surface of the directed to the reflective element, the from the reflective element 3 reflected x-ray radiation simultaneously compressed and aligned in parallel becomes.
  • the bundled parallel X-radiation can then for the different X-ray analysis techniques be used, wherein X-ray cross-sections in the range of less than 200 microns easily accessible are.
  • the reflective surface of the reflective Element 3 can also be a multilayer system, in which the layer thicknesses of the individual layers locally, according to the different angles of incidence the incident X-ray considered are, be present.
  • the parallel, reflected x-rays not only have a higher intensity, but they will also monochromatized.
  • the focused X-radiation predetermines different angles of incidence ⁇ i on the reflecting surface of the reflecting element 3, it is accordingly also necessary to use a corresponding gradient multilayer system which has a different period thickness d i at the corresponding X-ray wavelength corresponding to the respective angles of incidence.
  • the reflective Surface of the focusing element 2 a parabolic shape ( Figure 2), but it can also an elliptical contour ( Figure 1) are used.

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Description

Die Erfindung betrifft eine röntgenoptische Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie kann besonders vorteilhaft in der Röntgenanalytik, z.B. bei der Röntgendiffraktometrie, der Reflektometrie und/oder der Fluoreszenzanalyse eingesetzt werden.
In der Röntgenanalytik werden für die verschiedensten Applikationen Röntgenstrahlung mit hoher Intensität, d.h. insbesondere hoher Photonendichte gefordert. Dies kann durch eine Fokussierung der Röntgenstrahlen erreicht werden. In vielen Fällen ist es jedoch günstiger, Röntgenstrahlung mit sehr kleiner Divergenz, im besten Fall, als parallele Röntgenstrahlung einsetzen zu können.
In der Röntgenanalytik kann es aber auch erforderlich sein, die Röntgenstrahlung zu monochromatisieren, um bestimmte Analysen durchführen zu können.
In der Röntgenanalytik ist es außerdem gewünscht, eine hohe Oberflächensensitivität der Röntgenstrahlung auf zu analysierenden Oberflächen oder in fluidischen Proben, die auf Substratträgern vorhanden sind, zu erreichen. In diesen Fällen wird die Röntgenstrahlung bevorzugt streifend, d.h. mit relativ kleinen Einfallswinkeln bis maximal wenigen Grad Einfallswinkeln bzw. wenigen zehntel Grad Einfallswinkel, d.h. nahe dem Grenzwinkel der Totalreflexion, auf eine Proben- bzw. eine entsprechende Substratoberfläche gerichtet und demzufolge der Strahlungsquerschnitt gemäß 1/sin  auf die Probenfläche projiziert wird. Es ist erwünscht, die Photonendichte je Fläche auf der Projektionsfläche weiter zu erhöhen bzw. auf eine kleinere Projektionsfläche zu konzentrieren. Die Oberflächenintensität und demzufolge auch die Photonendichte kann bekanntermaßen durch starke Bündelung paralleler bzw. annähernd paralleler Röntgenstrahlen erhöht werden und demzufolge auch das jeweils lokal erfassbare Messsignal einer Probe vergrößert werden. Insbesondere die Ortsauflösung der Messsignale, d.h. die möglichst genaue Zuordnung der Messsignale zum Messort stellt hohe Anforderungen an den Messaufbau.
Üblicherweise werden entsprechend klein dimensionierte Blenden in den Strahlengang der Röntgenstrahlung angeordnet, so dass nur ein Teil der Röntgenstrahlung durch die Blendenöffnung zum Messort gelangen kann und so eine lokal definierte Zuordnung des Messsignals zum Messort erreicht wird. Selbstverständlich bedingt der Einsatz solcher Blenden Intensitätsverluste der Röntgenstrahlung, die zur Messung nicht ausgenutzt werden können. Darunter leidet die Messgenauigkeit bzw. es muss eine Erhöhung der erforderlichen Messzeit in Kauf genommen werden, was für viele Anwendungsfälle nicht gewünscht ist bzw. auch Messungen unmöglich macht.
Die genannten Nachteile konnten auch mit röntgenoptischen Aufbauten, bei denen Multischichtsysteme mit an konkave Krümmungen angepassten Periodendicken, die beispielsweise in DE 44 43 853 A1 beschrieben sind, nicht vollständig beseitigt werden und es ist nicht gelungen, den Strahlquerschnitt der Röntgenstrahlung soweit zu reduzieren, daß die in Folge der erforderlichen Blenden auftretenden Intensitätsverluste, nach wie vor, zwar in verringerter Form auftreten.
Insbesondere in der Halbleitertechnik schreitet die Miniaturisierung stark voran und der Schritt aus dem Micro- und den Nanobereich erfordert von der Analytik Möglichkeiten, um bestimmte Elemente und Verbindungen mit hoher Messgenauigkeit, bei gleichzeitig hoher Ortsauflösung in kurzer Zeit analysieren zu können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine röntgenoptische Anordnung zur Verfügung zu stellen, mit der parallele, zumindest jedoch annähernd parallele Röntgenstrahlung mit kleinem Strahlquerschnitt und entsprechend hoher Photonendichte zur Verfügung gestellt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung, können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.
Die erfindungsgemäße röntgenoptische Anordnung verwendet übliche röntgenoptische Elemente, wie eine geeignete Röntgenstrahlquelle, ein Röntgenstrahlen fokussierendes und ein Röntgenstrahlen reflektierendes Element. Dabei wird die Röntgenstrahlung der Röntgenstrahlquelle auf das fokussierende Element gerichtet, wobei es sich um ein einen Linseneffekt erreichendes Element, günstiger jedoch um einen entsprechend geformten Reflektor handeln kann. Die von diesem Element fokussierte Röntgenstrahlung ist auf ein Röntgenstrahlung reflektierendes Element gerichtet, dessen reflektierende Oberflächen konvex und parabelförmig ausgebildet ist.
Durch diese Oberflächenform des reflektierenden Elementes kann gleichzeitig eine Bündelung (Kompression) der Röntgenstrahlung und deren parallele Ausrichtung mit vernachlässigbarer Divergenz erhalten werden, die auf eine entsprechend angeordnete und ausgerichtete Oberfläche einer Probe bzw. eines Substrates gerichtet werden kann.
Je nach Form des fokussierenden Elementes kann die konvergente Röntgenstrahlung mit punktförmigem, elliptischem oder linienförmigem Querschnitt erzeugt werden, wobei selbstverständlich auch die Oberflächenkontur des die Röntgenstrahlung reflektierenden Elementes dieser Geometrie angepasst ist. Für linienförmige Strahlquerschnitte können das fokussierende und das reflektierende Element Zylindersymmetrie besitzen.
Für viele Einsatzfälle ändert sich die Funktion der eingesetzten Blende und sie dient zur Streulichtunterdrückung. Sind jedoch im Einzelfall nach wie vor Blenden erforderlich, um die Ortsauflösung zu erhöhen, wird ein wesentlich geringerer Teil der Röntgenintensität von den Blenden ausgeblendet, da die Photonendichte in der entsprechend komprimierten Röntgenstrahlung erheblich höher ist, als dies bei bekannten Lösungen der Fall ist. So kann ein Intensitätsgewinn größer 2 erreicht werden.
Zumindest die Oberfläche des reflektierenden Elementes kann eine einzelne reflektierende Schicht, in vielen Fällen jedoch günstiger, ein Multischichtsystem aufweisen.
Wird lediglich eine einzelne reflektierende Schicht oder ein reflektierendes Element, das aus einem entsprechend geeigneten Material besteht, verwendet, kann die Röntgenstrahlung vom fokussierenden Element mit einem Winkel ≤ dem Grenzwinkel c der Totalreflexion auf das reflektierende Element gerichtet und der gewünschte Effekt erreicht werden.
In vielen Fällen ist es jedoch günstiger, ein Gradienten-Multischichtsystem zu verwenden, bei dem die einzelnen Schichten des Multischichtsystems, die unterschiedlichen Einfallswinkel der Röntgenstrahlen berücksichtigend, eine entsprechend angepasste Dikkenverteilung aufweisen, mit denen die jeweiligen Einfallswinkel i, bei einer vorgebbaren Röntgenstrahlungswellenlänge die Braggsche Gleichung auf jedem Flächenelement des reflektierenden Elementes erfüllen. Die Gradientenschichten weisen eine sich über die Länge verändernde Doppelschichtdicke auf.
Dadurch kann eine weitere Erhöhung der Photonendichte und auch eine verbesserte Monochromatisierung der Röntgenstrahlung erreicht werden. Die jeweils benachbarten Einzelschichten eines Multischichtsystems weisen unterschiedliche röntgenoptische Brechungsindizes auf.
Eine möglichst große Kompression der Röntgenstrahlung kann erreicht werden, wenn die Fokuspunkte F von fokussierendem und reflektierendem Element miteinander übereinstimmen, zumindest jedoch in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind.
Bildet das fokussierende Element die Röntgenstrahlquelle in einem Linienfokus ab, ist es weiterhin vorteilhaft, die Parabelform des reflektierenden Elementes zylindersymmetrisch zu wählen, um eine linienförmige Parallelstrahlung zu erhalten.
Neben den bereits erwähnten Vorteilen, kann mit der erfindungsgemäßen röntgenoptischen Anordnung auch bei kleinen Einfallswinkeln der Röntgenstrahlung auf die Proben eine höhere Ortsauflösung der Messsignale erreicht werden, da bei annähernd gleicher Photonenzahl die projizierte Fläche auf der Probe verkleinert wird.
Generell kann mit der Erfindung auch das Signal-Rauschverhältnis verbessert werden, da mit dem reflektierenden Element ein zusätzlicher Monochromator im Strahlengang angeordnet ist.
Neben der Verkürzung der Messzeit kann auch der dynamische Bereich der Messung erhöht werden, was z.B. den Informationsgehalt eines gemessenen Reflektogramms ansteigen lässt, da eventuell durch Untergrundsignale verdeckte Beugungsordnungen erfasst werden können.
Durch translatorische Bewegung und/oder Verschwenkung um bestimmte Wegstrecken und Winkel des fokussierenden und/oder reflektierenden Elementes kann die Röntgenstrahlung auf bestimmte kleine Messorte/-flächen gerichtet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1:
schematisch ein Beispiel einer röntgenoptischen Anordnung nach der Erfindung bei der divergente Röntgenstrahlung einer Röntgenstrahlungsquelle auf ein fokussierendes Element gerichtet und in Parallelstrahlung mit kleinerem Strahlquerschnitt umgewandelt wird und
Figur 2:
in schematischer Form ein Beispiel einer Anordnung, bei der parallele Röntgenstrahlung auf ein fokussierendes Element gerichtet und in Parallelstrahlung mit deutlich kleinerem Strahlquerschnitt umgewandelt wird.
Bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel wird divergente Röntgenstrahlung einer Röntgenstrahlungsquelle 1 auf eine konkave, in Ellipsen- oder Parabelform ausgebildete Oberfläche, mit für die verwendete Röntgenstrahlung reflektierender Oberfläche, in diesem Fall ein Multischichtsystem, gerichtet. Die Röntgenstrahlung wird von dort reflektiert und gleichzeitig auf die konvexe, parabelförmige reflektierende Oberfläche des reflektierenden Elementes gerichtet, wobei die vom reflektierenden Element 3 reflektierte Röntgenstrahlung gleichzeitig verdichtet und parallel ausgerichtet wird. Die so gebündelte parallele Röntgenstrahlung kann dann für die verschiedenen Röntgenanalysetechniken eingesetzt werden, wobei Röntgenstrahlquerschnitte im Bereich kleiner 200 µm ohne weiteres erreichbar sind.
Auf die reflektierende Oberfläche des reflektierenden Elementes 3 kann ebenfalls ein Multischichtsystem, bei dem die Schichtdicken der einzelnen Schichten lokal, entsprechend den unterschiedlichen Einfallswinkeln der einfallenden Röntgenstrahlung berücksichtigt sind, vorhanden sein. In diesem Fall kann die parallele, reflektierte Röntgenstrahlung nicht nur eine höhere Intensität aufweisen, sondern sie wird außerdem monochromatisiert.
Bei dem in Figur 2 gezeigten Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung wird Röntgenstrahlung mit geringer bzw. keiner Divergenz in paralleler Form auf die konkave, parabelförmige reflektierende Oberfläche eines fokussierenden Elementes 2 gerichtet. Von dieser Oberfläche wird die Röntgenstrahlung entsprechend reflektiert und gleichzeitig fokussiert und auf die Oberfläche des reflektierenden Elementes 3 gerichtet. Aus der Darstellung ist eindeutig erkennbar, dass der Strahlquerschnitt b', der vom reflektierenden Element 3 parallel reflektierten Röntgenstrahlung wesentlich kleiner als der Strahlquerschnitt b, der ursprünglich eingesetzten parallelen Röntgenstrahlung ist. Daraus folgt, dass bei hinreichend hoher Reflektivität von (2) und (3) die Photonendichte in der vom reflektierenden Element 3 reflektierten Röntgenstrahlung gegenüber der ursprünglichen Parallelstrahlung vergrößert worden ist.
Vorteilhafterweise ist das reflektierende Element wieder mit einem Multischichtsystem an der reflektierenden Oberfläche versehen, wobei die Periodendicke d der Einzelschichten die Braggsche Gleichung λ = 2deff sin  erfüllen (deff = die die Dispersion berücksichtigende effektive Periodendicke).
Da die fokussierte Röntgenstrahlung unterschiedliche Einfallswinkel i auf die reflektierende Oberfläche des reflektierenden Elementes 3 vorgibt, ist es demzufolge auch erforderlich, ein entsprechendes Gradienten-Multischichtsystem einzusetzen, das bei der entsprechenden Röntgenstrahlungswellenlänge den jeweiligen Einfallswinkeln entsprechend, eine unterschiedliche Periodendicke di aufweist.
Möglichkeiten zur Ausbildung eines solchen Multischichtsystems sind in der unveröffentlichten DE 199 32 275 genannt, auf deren diesbezüglichen Offenbarungsgehalt voll umfänglich zurückgegriffen werden soll.
Sowohl in Figur 1, wie auch in Figur 2 ist dargestellt, dass die entsprechenden reflektierenden Oberflächen des fokussierenden Elementes 2 und des reflektierenden Elementes 3 so ausgebildet und die beiden Elemente 2 und 3 so zueinander angeordnet sind, dass deren Fokuspunkte F miteinander übereinstimmen.
Bei den Beispielen nach Figur 1 und 2 weist die reflektierende Oberfläche des fokussierenden Elementes 2 eine Parabelform (Figur 2) auf, es kann jedoch auch eine elliptische Kontur (Figur 1) eingesetzt werden.
Bei dem Beispiel nach Figur 2, bei der parallele bzw. nahezu parallele Ausgangsröntgenstrahlung verwendet wird, gilt unter der Voraussetzung xA, xE
Figure 00090001
p/2 insbesondere die Gleichung b b' = Y E -Y A Y' E -Y' A = 2px E -2px A 2p'x' E -2p'x' A wobei die Parabelgleichungen Y=2px Y'=2p'x' zugrunde gelegt werden
bzw.
Unter Verwendung von Strahlensatz und Parabelgleichung kann diese zu b b' = p p'
vereinfacht werden, wobei p und p' die jeweiligen Parabelparameter von fokussierendem Element 2 und reflektierendem Element 3 sind.
Daraus folgt, dass eine Erhöhung der Photonenflussdichte immer dann erreicht werden kann, wenn das mit dem Produkt der mittleren Reflektivitäten von fokussierendem Element 2 R(2) und reflektierendem Element 3 R(3) multiplizierte Verhältnis der Strahlquerschnitte R(2) * R(3) *b/b' > 1 wird.

Claims (10)

  1. Röntgenoptische Anordnung mit einer Röntgenstrahlquelle, einem Röntgenstrahlen fokussierenden und einem Röntgenstrahlen reflektierenden Element, zur Erzeugung einer parallelen Röntgenstrahlung mit kleinem Strahlquerschnitt, hoher Photonendichte,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenstrahlung der Röntgenstrahlquelle (1) mit dem fokussierenden Element (2) auf die konvexe, parabelförmige und reflektierende Oberfläche des reflektierenden Elementes (3) gerichtet ist.
  2. Röntgenoptische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des reflektierenden Elementes (3) eine reflektierende Schicht oder ein Multischichtsystem vorhanden ist.
  3. Röntgenoptische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten des Multischichtsystems Gradientenschichten sind.
  4. Röntgenoptische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenstrahlung mit einem Winkel s dem Grenzwinkel c der Totalreflexion auf das reflektierende Element (3) gerichtet ist.
  5. Röntgenoptische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenstrahlung mit Einfallswinkeln i auf das Multischichtsystem mit Gradientenschichten gerichtet ist, so dass bei einer vorgebbaren Röntgenstrahlungswellenlänge die Braggsche Gleichung auf jedem Flächenelement des reflektierenden Elementes (3) erfüllt ist.
  6. Röntgenoptische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokuspunkte F des fokussierenden Elementes (2) und des reflektierenden Elementes (3) übereinstimmen.
  7. Röntgenoptische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das fokussierende Element (2) eine konkave, parabelförmige oder elliptische Oberfläche aufweist.
  8. Röntgenoptische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Parabelform des reflektierenden Elementes (3) zylindersymmetrisch ist.
  9. Röntgenoptische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils benachbarte Einzelschichten des Multischichtsystems unterschiedliche röntgenoptische Brechungsindizes aufweisen.
  10. Verwendung einer röntgenoptischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 bei der Röntgendiffraktometrie, der Reflektometrie und/oder der Röntgenfluoreszenzanalyse.
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