WO2012123216A1

WO2012123216A1 - Einrichtung zur roentgenspektroskopie

Info

Publication number: WO2012123216A1
Application number: PCT/EP2012/052754
Authority: WO
Inventors: Evangelos Papastathopoulos; Holger Wegendt; Lucian Stefan; Christian Thomas
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: DE102011005732A1; DE102011005732B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur spektroskopischen Auswertung von Röntgenstrahlung (5) bei der Analyse einer Probe (1). Die Röntgenstrahlung (5) entsteht dabei aus der Wechselwirkung eines Elektronenstrahls (4) mit dem Probenmaterial. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist insbesondere geeignet zur Elementanalyse und Elementqualifizierung bei der Materialmikroskopie, z.B. in der Metallurgie und bei der Partikel-Analyse. Erfindungsgemäß umfasst eine solche Einrichtung:- eine lichtmikroskopische Anordnung zur Beobachtung der Probe (1), eine Elektronenquelle (3), von der ein Elektronenstrahl (4) auf einen mittels der lichtmikroskopischen Anordnung ausgewählten Bereich der Probe (1) ausrichtbar ist, und einen Röntgenstrahlen-Detektor (6), ausgebildet zur Detektion der durch die Wechselwirkung des Elektronenstrahls (4) mit dem Probenmaterial entstehenden Röntgenstrahlung (5), wobei Mittel vorgesehen sind, durch die sich der zu analysierende Probenbereich während einer Beobachtungsphase in der Fokusebene eines Objektivs der lichtmikroskopischen Anordnung befindet, und während einer Messphase im Bereich des Elektronenstrahls (4) und im Empfangsbereich des Röntgenstrahlen-Detektors (6) befindet, und eine Abschirmung in Form eines U-förmigen Gehäuses (8) vorhanden ist.

Description

Titel

Einrichtung zur Röntgenspektroskopie

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur spektroskopischen Auswertung von Röntgenstrahlung bei der Analyse einer Probe. Die Röntgenstrahlung entsteht dabei aus der Wechselwirkung eines Elektronenstrahls mit dem Probenmaterial. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist insbesondere geeignet zur Elementanalyse und Elementqualifizierung bei der Materialmikroskopie, z. B. in der Metallurgie und bei der Partikel-Analyse.

Stand der Technik

Die Elementanalyse ist eine Methode zur Reinheitskontrolle von metallischem und nichtmetallischem Material durch Ermittlung der darin enthaltenen Elemente, wie Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff oder Schwefel. Es wird zwischen qualitativer Elementanalyse, bei der lediglich die Bestandteile bestimmt werden, und quantitativer Elementanalyse unterschieden, bei der auch die Massenanteile der gefundenen Elemente bestimmt werden.

Nach dem heutigen Stand der Technik werden zur Elementanalyse unterschiedliche Verfah- ren eingesetzt wie EDX (Energiedispersive Röntgenspektroskopie), XRF (Sequentielle Röntgen-Fluoreszenz-Analyse), LIBS (Laser induced breakdown spectroscopy) oder Photolumineszenz.

Die Kombinationen dieser Verfahren mit der lichtmikroskopischen Beobachtung der Probe haben den Nachteil einer räumlichen Trennung von Lichtmikroskop und Analysegerät. Der dabei erforderliche Wechsel von Gerät zu Gerät bei der Untersuchung ein- und derselben Probe ist mit einer erheblichen Unterbrechung des Arbeitsablaufs verbunden. Insbesondere bei der Elementanalyse mit EDX-Spektroskopie, welche für die Metallographie und für die Partikelanalyse den Standard darstellt, findet die Untersuchung der Probe im Vakuum statt, weshalb die aus dem Lichtmikroskop entnommene Probe zunächst in ein Vakuum eingeschleust und dann die betreffende Probenstelle wieder aufgesucht und positioniert werden muss. Dies geht mit einer Reihe weiterer Nachteile einher, wie beispielsweise der Gefahr einer Beschädigung der Probe.

Bei der Verwendung von Röntgenstrahlung als Anregungsstrahlung anstelle eines Elektronenstrahls kann aufgrund der geringeren Wechselwirkungen mit den Bestandteilen der Luft auf die Anlegung eines Vakuums verzichtet werden. Bei solchen Einrichtungen ist nach dem Stand der Technik jedoch eine technologisch aufwendige und verbrauchsintensive kontinu- ierliche Zufuhr eines Schutzgases, wie Helium, erforderlich. Dies ist beispielsweise bei den Röntgenfluoreszenzanalysegeräten nach EP 781 992 B1 oder JP 03771697 B2 der Fall. Weiterhin nachteilig bei solchen Ausführungen ist, dass insbesondere bei XRF-Analysen die Messgeschwindigkeit sowie die Sensitivität bei der Detektion von Leichtelementen, z. B. C oder O, die besonders wichtig für die Metallographie sind, nicht in dem Maße möglich ist, wie das mit EDX der Fall wäre. Zudem stellt hierbei die Art und Weise der Abschirmung gegen eine Ausbreitung der Röntgenstrahlung einen erheblichen Aufwand dar.

In US 6,452,177 B1 ist ein elektronenstrahlbasiertes Materialanalysesystem beschrieben, das insbesondere für Untersuchungen unter Atmosphärendruck geeignet ist. Nachteiliger weise ist mit diesem System keine lichtmikroskopische Beobachtung der Probe möglich. Weiterhin ist der Probenbereich, in dem die Materialanalyse stattfindet, mit einem Analyse- Punkt-Durchmesser > 100 μιτι verhältnismäßig groß, wodurch eng beieinander liegende Strukturen mit einer Größe über 100 μιτι nicht voneinander unterschieden werden können. Zudem ist keine Abschirmung für die Röntgenstrahlung vorhanden, und die Zeitdauer für eine Messung ist relativ groß.

Beschreibung der Erfindung

Ausgehend davon besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Einrichtung zur Probenana- lyse durch Röntgenspektroskopie der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, dass die Analyse einer Probe unmittelbar nach oder während der lichtmikroskopisch vergrößerter Darstellung der Probe vorgenommen werden kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die kontinuierliche Zufuhr des Gases zu vermeiden. Erfindungsgemäß umfasst eine solche Einrichtung

eine lichtmikroskopische Anordnung zur Beobachtung der Probe,

eine Elektronenquelle, von der ein Elektronenstrahl auf einen mittels der lichtmikroskopischen Anordnung ausgewählten Bereich der Probe ausrichtbar ist, einen Röntgenstrahlen-Detektor, ausgebildet zur Detektion der durch die Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit dem Probenmaterial entstehenden Röntgenstrahlung, wobei

Mittel vorgesehen sind, durch die sich der zu analysierende Probenbereich

während einer lichtoptischen Beobachtungsphase in der Fokusebene eines Objektivs der lichtmikroskopischen Anordnung befindet, und

während einer spektroskopischen Messphase im Bereich des Elektronenstrahls und im Empfangsbereich des Röntgenstrahlen-Detektors befindet, und eine Abschirmung vorhanden ist, die den Messbereich zumindest während der

Messphase von der Umgebung abschirmt und damit die Ausbreitung der

Röntgenstrahlen über den Messbereich hinaus verhindert.

Dabei ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung die Abschirmung als U-förmiges Gehäuse ausgebildet und so in der Einrichtung angeordnet, dass sich die Öffnung der U-Form in Schwerkraftrichtung gesehen unten befindet. So bildet das Gehäuse eine nach oben geschlossene Messkammer, aus der ein Schutzgas, das leichter ist als Luft und in dessen Gegenwart die Probe untersucht wird, nicht entweichen kann. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Messkammer nicht bei jedem Probenwechsel wieder neu mit Schutzgas gefüllt werden muss. Jede zu untersuchende Probe wird so zugeführt, dass sie von unten in die Messkammer und damit in das dort vorhandene Schutzgas eintaucht. Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass aufgrund dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine vollständige, hermetische Isolation der Messstelle von der umgebenden Atmosphäre - im Gegensatz zum Stand der Technik - nicht mehr zwingend erforderlich ist. Optional kann eine hermetische Abschirmung jedoch durch entsprechende Gestaltung der Probenauflage oder durch zusätzliche Abschirmmittel vorgesehen sein.

Weiterhin sind eine Auswerteeinheit vorhanden, welche die Röntgenstrahlung spektral analysiert, und eine Steuereinheit, die Steuerbefehle für die lichtmikroskopische Anordnung, die Elektronenquelle, den Röntgenstrahlen-Detektor und die Auswerteeinheit generiert, so dass eine weitestgehende Automatisierung der Probenanalyse erfolgen kann. Dabei wird der Messbereich für die spektroskopische Messphase auf der Basis der lichtoptischen Vermessung der Probe festgelegt.

Im Unterschied zum Stand der Technik ist es mit der erfindungsgemäßen Einrichtung möglich, sowohl die lichtmikroskopische als auch die elektronenstrahlangeregte Untersuchung durchzuführen, ohne dass eine erhebliche Unterbrechung des Arbeitsablaufes wegen eines Wechsels zwischen zwei örtlich voneinander getrennten Geräten erforderlich ist. Als ein weiterer Vorteil ist bei der Röntgenanalyse mit der erfindungsgemäßen Einrichtung keine Vakuumumgebung erforderlich, da die Probe in Gegenwart eines Schutzgases unter oder nahe Umgebungsdruck untersucht wird. Insbesondere der Einsatz von Helium als Schutzgas ermöglicht in diesem Zusammenhang - sowohl aufgrund der schwachen Streu- ung von Elektronen als auch aufgrund der geringeren Absorption von niederenergetischer Röntgenstrahlung - die Durchführung von EDX-Elementanalysen mit einer räumlichen Auflösung im Bereich von 1 0 μιτι bis 100 μιτι, während die Propagationsstrecke der Elektronen bzw. der Abstand zwischen der Probe und der Elektronenquelle im Millimeterbereich liegt. Aufgrund dieser unkritischen Positionierung der Probe zur Elektronenquelle sind mit der erfindungsgemäßen Einrichtung höhere Durchsatzraten bei der Analyse einer Serie von Proben möglich.

Ausgestaltungsmerkmale der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Einrichtung ausgestattet mit Stelleinrichtungen zum Verschieben der Probe relativ zu dem Beobachtungsstrahlengang der lichtmikroskopischen Einrichtung, zu dem Elektronenstrahl und zu dem Röntgen- strahlen-Detektor. Dabei sind die Stelleinrichtungen mit der Steuereinheit und der Auswerteeinheit verbunden, so dass in Abhängigkeit von der der Analyse zugrunde liegenden Aufgabe sowie vom Beobachtungs- und/oder Analyseergebnis Stellbefehle zum Verschieben der Probe oder zur Anzeige des Analayseergebnisses generiert und ausgegeben werden können.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Einrichtung mit Mitteln zur Fokussierung oder Kolli- mierung des Elektronenstrahls auf den ausgewählten Bereich der Probe ausgestattet sein.

Zur Kennzeichnung bzw. zur Kalibrierung der Elektronenauftreffstelle auf der Probe sollte eine optoelektronische Anordnung, bevorzugt bestehend aus einer Licht- bzw. einer Laserquelle und einem im Empfangsbereich des Laserlichtes angeordneten Photodetektor, vorgesehen sein. Mit einem laseroptischen Zielstrahl im sichtbaren Wellenlängenbereich kann leicht eine Kennzeichnung oder Kalibrierung der Elektronenauftreffstelle auf der Probe vorgenommen werden. Alternativ kann zum gleichen Zweck ein phosphoreszierendes Element genutzt werden.

Auch liegt es im Rahmen der Erfindung, wenn ein oder mehrere, der lichtmikroskopischen Einrichtung zugeordnete Objektive gemeinsam mit einem Modul, das als Baueinheit im wesentlichen die Elektronenquelle und den Röntgenstrahlen-Detektor umfasst, auf einer Wech- seleinrichtung angeordnet und so zum Zweck der aktiven Verwendung wahlweise gegeneinander austauschbar sind.

Dabei können die Elektronenquelle und der Röntgenstrahlen-Detektor als EDX- Analysemodul ausgebildet sein. Die Spotgröße des auf die Probe fokussierten Elektronenstrahls beträgt dabei 5 μιτι bis 100 μιτι, und der Arbeitsabstand bzw. der Abstand des letzten Bauelementes der Elektronenquelle zu der Probe beträgt in der Messposition bzw. während der Messphase 500 μιτι bis 2000 μιτι. Beide Komponenten sind fixiert und mit einer Messkammer verbunden.

In einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind der Bereich zur visuellen Beobachtung der Probe mit Hilfe der lichtmikroskopischen Anordnung einerseits und der Bereich zur Analyse der Probe mit dem Elektronenstrahl und dem Röntgenstrahlen-Detektor andererseits räumlich voneinander getrennt angeordnet, wobei jedoch von der Beobach- tungsposition hin zur Mess- bzw. Analyseposition oder umgekehrt kürzeste Verschiebewege für die Probe und vorzugsweise auch eine automatisierte Verschiebung vorgesehen sind.

Mit diesem optional vorgesehenen automatischen Verschieben der Probe relativ zur Elektronenquelle wird der selektierte Probenbereich unter der Elektronenquelle zentriert, und das Röntgenspektrum wird automatisch ausgewertet.

Die Probe wird dabei mit Hilfe eines Schiebetisches, der vorzugsweise in den Koordinaten Χ,Υ,Ζ automatisch positioniert werden kann, relativ zu der lichtmikroskopischen Anordnung und dem Analysemodul verschoben. Hierbei werden die Koordinaten des zur Analyse aus- gewählten Probenbereiches auf Basis der lichtmikroskopischen Abbildung identifiziert. Anschließend wird dieser Probenbereich unter der ortsfesten Elektronenquelle positioniert und bestrahlt, um die Messung entsprechend der Messaufgabe durchzuführen. Optional ist ein Laser-Entfernungsmesser oder mindestens eine Lichtschranke vorhanden, um eine Kollision der Probe mit der Elektronenquelle zu vermeiden. Diese Schutzanordnung ist mit einer Messgenauigkeit im Mikrometerbereich ausgebildet und vorzugsweise mit einem Abschaltmechanismus gekoppelt, der gegebenenfalls die Relativbewegung zwischen Probe und E- lektronenquelle stoppt.

In den beiden grundlegenden Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Einrichtung ist die Probe während der Analyse durch die Abschirmung von der Umgebung abgeschirmt. Zur sicheren Abschirmung der Röntgenstrahlung kann zusätzlich eine Apertur vorgesehen sein.

Da die Elektronen der Elektronenstrahlung an Luft eine starke Streuung erfahren, wird beispielsweise durch die Abschirmung hindurch über eine Gasleitung ein Gas, beispielsweise Helium, in das Kammervolumen zugeführt. Das zugeleitete Gas verdrängt die in dem Kammervolumen vorhandene Luft, was eine geringere Streuung der Elektronenstrahlung und Absorption der Detektionsstrahlung bei gleich bleibendem Umgebungsdruck bewirkt und womit die Ortsauflösung und die Detektionseffizienz der Einrichtung optimiert werden kann. Da Helium leichter ist als die atmosphärische Luft, verbleibt aufgrund der nach unten geöffneten Form der Messkammer das zugeführte Helium eingeschlossen in der Messkammer und muss nicht ständig auch nur geringfügig nachgefüllt werden. Alternativ ist eine Reduzierung der Luftatmosphäre innerhalb der Abschirmung auf beispielsweise 1 bis 300 hPa denkbar. Die partielle Evakuierung sorgt in ähnlicher Weise wie eine Schutzgasatmosphäre für eine verminderte Streuung der Elektronen und Absorption der Detektionsstrahlung.

Die Abschirmung ist vorteilhaft mit einem Kontrollmechanismus für die Schließung ausgestattet, beispielsweise Sensoren in Form induktiver Näherungsschalter umfassend, welche die Annäherung der unterliegende Platte bzw. des abschirmenden Probenträgers kontrollie- ren und über die Steuereinheit dafür sorgen, dass die Elektronenquelle nur bei vollständig geschlossener Abschirmung eingeschaltet werden kann.

Um einen hohen Durchsatz bei der spektroskopischen Analyse der Probe zu ermöglichen, ist vorzugsweise keine vollständige Schließung der Messkammer vorzusehen. Die Strah- lungsabschirmung erfolgt durch die Nähe des U-förmigen oberen Teils der Kammer zum Probenträger, der beispielsweise als Probentisch ausgeführt sein kann. Die einander zugewandten Oberflächen von Kammer und Probenträger sind dabei vorteilhafter Weise eben ausgeführt. Es ist jedoch auch möglich, dass die Kammer größer dimensioniert ist als der Probenträger, und dieser somit von unten in der Kammer platzierbar ist.

Weiterhin liegt es im Rahmen der Erfindung, dass der Probenträger eine zentral angeordnete Einrichtung zur Aufnahme der Probe aufweist, die höhenverstellbar ausgeführt sein kann. Die der Kammer zugewandte Oberfläche dieser Einrichtung ist gegenüber den peripheren Probenträgerflächen erhaben. Alternativ kann diese Einrichtung in Z-Richtung, das heißt in Richtung der optischen Achse, beweglich ausgeführt sein in der Weise, dass die der Kammer zugewandte Oberfläche der zentralen Einrichtung gegenüber den peripheren Probenträgerflächen anhebbar und absenkbar ist. Bezüglich ihrer äußeren Abmessungen ist diese Einrichtung so dimensioniert, dass sie von unten in der Kammer platzierbar ist. Der Probentisch überragt in seinen äu ßeren Abmessungen die Kammer jedoch, so dass bei der Schlie- ßung die Kammer mit den peripheren Flächen des Probenträgers in Kontakt tritt. In jedem Fall ist bei der Schließung der Messkammer darauf zu achten, dass die untere Kante der U- Form niedriger als die Oberfläche der Messprobe liegt, damit gewährleistet ist, dass der Messbereich vollständig von der Schutzgasatmosphäre umgeben ist. In einer weiteren Ausführung ist der U-förmige Teil der Messkammer mit beweglichen mechanischen Elementen bestückt, welche eine vollständige Schließung der Messkammer ermöglichen, wie weiter unten noch näher erläutert ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Elektronenquelle im Bereich zwischen der Austrittsposition der Elektronen und der Auftreffstelle an der Probe mit einer elektronendurchlässigen Membran bestückt, die beispielsweise aus Si₃N₄ besteht. Der Abstand zwischen der Membran und der Probenoberfläche beträgt beispielsweise 0,1 mm bis 2 mm. In den Gegenstand der Erfindung sind selbstverständlich alle in technischer Hinsicht äquivalenten Mittel und deren Wirkungs-Zusammenhänge einbezogen. So beispielsweise auch Mittel zur Analyse ausgewählter Bereiche der Probe mit Ionen, die, von einer lonenquelle ausgehend, zur Anregung der Probensubstanz anstelle der Anregung mit Elektronen dienen. Eine weitere denkbare Variante ist die Untersuchung der durch den Elektronenstrahl in der Probe erzeugten Lumineszenz mit Hilfe eines Lumineszenzdetektors über das Lichtmikroskop, aber auch eines separaten Detektors.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann ein mikroskopisch kleiner Probenbereich ortsaufgelöst analysiert werden, wobei aufgrund der vorgesehenen Strahlstärken innerhalb weniger Sekunden eine Punktanalyse möglich ist.

Im Vergleich zum Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Anordnung folgende Vorteile auf:

- sowohl die lichtmikroskopische Beobachtung als auch die Elementanalyse finden am selben Gerät statt, die Probe muss nicht transportiert und nicht in die Vakuumkammer eines Elektronmikroskops eingeschleust werden, wodurch sich die für die Analyse benötigte Zeit wesentlich verringert,

sowohl die lichtmikroskopische Beobachtung als auch die Elementanalyse finden nicht im Vakuum statt. Damit ist ein höherer Durchsatz bei Routineuntersuchungen möglich.

Weiterhin hat der Nutzer während der lichtmikroskopischen Beobachtung einen direkten Überblick und eine unmittelbare Zugriffsmöglichkeit auf die Probe, ohne dass dabei der technologische Ablauf beeinträchtigt wird,

bei einer Anregung mit Röntgenstrahlung ist im Stand der Technik aufgrund des ge- genüber Elektronenstrahlung geringeren Wirkungsquerschnittes, das heißt der gegenüber Elektronenstrahlung reduzierten Ausbeute an Röntgenfluoreszenz und der Möglichkeit einer Wiederabsorption der Röntgenfluoreszenz bei Emissionslinien mit weniger als 2 KeV, die Detektion von Elementen, die leicht sind, wie insbesondere Kohlenstoff oder Sauerstoff, sehr eingeschränkt. Bei der vorliegenden Erfindung da- gegen findet die Generierung der charakteristischen Röntgenstrahlung durch direkte Bestrahlung der Probe mit Elektronen statt, was einen höheren Wirkungsquerschnitt im Bereich < 2 KeV zur Folge hat,

es ist keine kontinuierliche Helium-Zuführung erforderlich, da der gesamte Messraum einmalig mit Helium gefüllt und die Füllung aufgrund der speziellen Gehäuseform erhalten bleibt,

die Probe bleibt während der Elementanalyse unberührt. Dies ist ein Vorteil in Bezug auf die Untersuchung von unstabilen Proben, wie z. B. von Partikelfiltern für die Restschmutzanalyse.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig.1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig.2 eine erweiterte Darstellung des prinzipiellen Aufbaus der erfindungsgemäßen

Einrichtung in Anlehnung an Fig.1 ,

Fig.3 eine erweiterte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung anhand des prinzipiellen Aufbaus nach Fig.1 ,

Fig.4 eine Variante der Ausführungsform nach Fig.3.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Fig.1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung zur direkten rönt- genspektroskopischen Analyse einer Probe 1 einschließlich einer lichtmikroskopischen Anordnung zur visuellen Auswahl eines zu analysierenden Probenbereiches. Der Übersichtlichkeit halber sind von der lichtmikroskopischen Anordnung lediglich ein Mikroskopobjektiv 2 und dessen optische Achse 17 dargestellt. Lichtmikroskope sowie deren Strahlengänge sind an sich bekannt und bedürfen insofern an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung.

Aus Fig.1 sind weiterhin ersichtlich eine Elektronenquelle 3, die einen Elektronenstrahl 4 abstrahlt, der auf einen zu analysierenden Bereich der Probe 1 gerichtet ist. Aufgrund der Wechselwirkungen des Elektronenstrahls 4 mit dem Probenmaterial entsteht Röntgenstrah- lung 5, die charakteristisch ist für die elementspezifische Zusammensetzung der Probe 1 innerhalb des Wechselwirkungsvolumens.

Die bei Elektronenbestrahlung von der Probe 1 ausgehende Röntgenemission wird mit einem Röntgenstrahlen-Detektor 6 spektral analysiert. Als Röntgenstrahlen-Detektor 6 können beispielsweise ein gekühlter Si(Li)-Detektor oder Siliziumdriftdetektor genutzt werden. Der Röntgenstrahlen-Detektor 6 wird möglichst nahe an die Elektronenauftreffstelle gebracht, damit die Röntgenstrahlung aus einem großen Raumwinkel erfasst wird. Die Elektronenquelle 3 ist kompakt ausgeführt. Sie besteht aus einem Elektronenemitter sowie einer Elektrodenanordnung zur Beschleunigung und zur Fokussierung des Elektronenstrahls. Die Elektronenenergie beträgt vorteilhaft 0,1 bis 30 KeV.

Um einen Elektronenstrahl 4 mit einer solchen Energie zu erzeugen, ist eine Baulänge einer einfachen Elektrodenanordnung von < 3 mm ausreichend. Man generiert beispielsweise in einem Elektronenemitter freie Elektronen, die dann entlang der Beschleunigungsstrecke beschleunigt und in einer Einzellinse gebündelt werden, bevor sie durch die Apertur austreten. In einer sehr vereinfachten Ausführungsform kann auch auf die Einzellinse verzichtet werden, indem der Elektronenstrahl 4 nur durch die Apertur abgeschnitten wird, wobei je- doch ein geringerer Strom in Kauf zu nehmen ist.

Die Elektronenoptik kann beispielsweise aus einem Schichtsystem aus leitenden und isolierenden Schichten bestehen, wobei die leitenden Schichten auf unterschiedliche Potentiale gelegt werden, so dass die freien Elektronen durch die entstehenden Felder gebündelt, beschleunigt und fokussiert werden.

An den Elektronenstrahl 4 werden im Vergleich zu einem Rasterelektronenmikroskop keine so hohen Anforderungen gestellt. So ist eine Strahlbreite von einigen Mikrometern ausreichend, da die Ortsauflösung, die durch das Wechselwirkungsvolumen bestimmt wird, auf- grund der zur Analyse verwendeten Energie in der Regel nicht besser ist. Ferner kann der Elektronenstrahl 4 während der Messphase auf die Probe ausgerichtet bleiben und muß nicht scannend über die Probe 1 bewegt werden, was eine Verringerung des technischen Aufwandes bedeutet. Innerhalb der Elektronenquelle 3 herrscht Vakuum, so dass freie Elektronen generiert und unter möglichst wenigen Streuprozessen für die Anregung von Röntgenstrahlung verwendet werden können. Die Elektronenquelle 3 befindet sich vorzugsweise in einem gekapselten Vakuumrohr, das im Hochvakuumzustand gehalten wird. Die Elektronenquelle 3 ist derart ausgestaltet, dass im oberen Bereich die Erzeugung der freien Elektronen stattfindet, die dann zum unteren Ende hin mit Hilfe einer Elektronenoptik fokussiert oder mit Hilfe von mindestens einer Apertur auf den beabsichtigten Strahldurchmesser geformt wird. Schließlich werden die Elektronen die Elektronenquelle 3 durch eine geeignete Vorrichtung hindurch, beispielsweise durch eine Si₃N₄-Membrane, verlassen. Der Abstand zwischen der Probe 1 und der Austrittsöffnung der Elektronen, etwa einer Membrane, beträgt beispielsweise 0,5 mm. Um diesen Abstand zu optimieren, kann die E- lektronenquelle 3 in Richtung der Probe 1 beweglich angeordnet sein. Auch die umgekehrte Variante ist möglich. Optional kann eine Regelung dieses Abstands vorgesehen sein. Bei leitenden Proben 1 zum Beispiel kann dieser Abstand auf Basis einer elektrischen Widerstands- oder Impedanzmessung kontrolliert werden.

Die Röntgenstrahlung 5 wird mit Hilfe des Röntgenstrahlen-Detektors 6 detektiert. Das Aus- gangssignal des Röntgenstrahlen-Detektors 6 liegt an einer (nicht dargestellten) Auswerteeinheit an und wird dort mit Hilfe einer geeigneten Software analysiert, wonach eine Klassifizierung beispielsweise von ermittelten Partikeln oder Einschlüssen in Metallproben vorgenommen wird. Schließlich kann die entsprechende Elementverteilung in dem analysierten Probenbereich visuell wahrnehmbar auf einem Monitor angezeigt oder als Messprotokoll abgespeichert oder gedruckt ausgegeben werden.

Das gesamte System wird von einer zentralen Recheneinheit kontrolliert, die die lichtmikroskopische Anordnung steuert und deren Daten empfängt und verarbeitet. Diese Recheneinheit ist steuerungstechnisch auch mit der Elektronenquelle 3, dem Röntgenstrahlen-Detektor 6 sowie den Antrieben für einen in den Koordinaten X, Y und Z verfahrbaren Schlitten 10 verbunden, auf dem sich ein Probentisch 7 mit der Probe 1 befindet. Probentisch und Schlitten können auch zu einer Baueinheit verschmolzen ausgebildet sein (nicht gezeigt).

Die Elektronenquelle 3 und der Röntgenstrahlen-Detektor 6 sind von einem Gehäuse 8 um- schlössen und so als EDX-Analysemodul ausgebildet. Das Gehäuse 8 ist, wie in Fig.1 gezeigt, mit einer in Schwerkraftrichtung gesehen unten angeordneten Öffnung 9 versehen.

Mit dem Schlitten 10 wird der Probentisch 7 mit der Probe 1 , nachdem an der Position der lichtmikroskopischen Anordnung ein zu analysierender Probenbereich ausgewählt worden ist, aus dem Bereich des Mikroskopobjektivs 2 herausbewegt und in Richtung X soweit verschoben, bis sich der zu analysierende Bereich der Probe 1 in der optischen Achse 1 1 der Elektronenquelle 3 befindet.

Der Antrieb des Schlittens 10 wird daraufhin so angesteuert, dass dessen Verschiebung in Richtung Z erfolgt, bis die Oberfläche der Probe in die Helium-Atmosphäre eingetaucht ist. Dabei bleibt ein minimaler Abstand zwischen dem Gehäuse 8 und dem Probentisch 7 vorhanden, um die Beweglichkeit der Probe während der spektroskopischen Messphase zu gewährleisten. Die Öffnung 9 ist dabei durch den Probentisch 7 nicht vollständig verschlossen. Das Messvolumen innerhalb des Gehäuses 8 bleibt trotzdem abgeschirmt, da die Höhe die Probenoberfläche höher liegt als der untere Rand des U-förmigen Gehäuses 8. Bei sehr dünnen Proben kann das Profil des Probentisches peripher abgesenkt sein, um eine effektivere Abschirmung zu bewirken. Mit dieser Abschirmung sind die Elektronenquelle 3, der Röntgenstrahlen-Detektor 6 und der zu analysierende Probenbereich von der umgebenden freien Atmosphäre ausreichend, aber nicht vollständig getrennt. Ein Kontrollmechanismus kann dabei für ein automatisches und sicheres Schließen der Abschirmung sorgen und die Elektronenquelle 3 nur dann einschalten bzw. die Probenanalyse nur dann starten, wenn die Schließung korrekt erfolgt ist.

Der Bereich für die Röntgenanalyse ist mit der lichtmikroskopischen Anordnung gestellfest verbunden, und die Bewegungsstrecke des Schlittens 10 in Richtung X entspricht stets dem Abstand zwischen der optischen Achse 17 des Mikroskopobjektiv 2 und der optischen Achse 1 1 der Elektronenquelle 3. So ist gewährleistet, dass der unter dem Mikroskopobjektiv 2 ausgewählte Probenbereich mit dem analysierten Probenbereich identisch ist. Auf der Basis des lichtoptisch erfassten Bildes werden eine oder mehrere Stellen der Probe, an denen sich z.B. verschiedene Partikel oder Einschlüsse befinden, automatisch, beispielsweise über eine Bilderkennungssoftware, oder manuell identifiziert, wobei die Koordinaten (X, Y und/oder Z) der Probenstellen erfasst werden. Im Anschluss werden diese sequentiell spektroskopisch analysiert. Schnelle Bewegungsabläufe sind durch Verwendung von einjustierten Endlagenschaltern möglich. Größere Probenoberflächen können manuell oder automatisch mittels einer Serie von überlappenden Bildern erfasst und von der Recheneinheit zu einem Kachelbild verrechnet werden. Es ist ebenso möglich, die Koordinaten von auf einem Kachelbild aufgefundenen interessierenden Stellen zu erfassen und anschließend sequentiell spektro- skopisch zu analysieren.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist optional mit einer Gaszuführung 12 ausgestattet, die insbesondere zur Beschickung des Volumens innerhalb des geschlossenen Gehäuses 8 mit Helium vorgesehen ist, um eine geringe Streuung der Elektronen zu bewirken. Die Zufüh- rung erfolgt über eine Leitung 13 von einem nicht dargestellten Gasreservoir her durch eine Außenwandung des Gehäuses 8 hindurch. In die Leitung 13 ist ein Ventil 14 eingeordnet, welches von der Steuereinheit der Anordnung kontrolliert wird.

Fig.2 zeigt eine Variante des vorstehend anhand Fig .1 erläuterten Ausführungsbeispieles. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden für gleiche Baugruppen, die schon anhand Fig .1 erläutert worden sind, in Fig.2 - und auch nachfolgend in Fig.3 und Fig.4 - wieder dieselben Bezugszeichen verwendet. In Fig.2 ist das EDX-Analysemodul mit einer Abschirmung in Form eines ringförmigen Teleskopgehäuses 16 verbunden, das so gestaltet ist, dass vor Beginn der Probenanalyse aufgrund der Relativbewegung zwischen dem EDX-Analysemodul und dem Schlitten 1 0 eine Schließung des Volumens innerhalb des Gehäuses 8 mit höherer Sicherheit erfolgt. Diesbe- züglich ist hier zusätzlich auch eine Dichtung 18 vorgesehen. Die Dichtung kann elastisch beispielsweise aus Gummi als umlaufender Dichtungsring oder beispielsweise auch als Bürstendichtung ausgeführt sein. Jede andere Ausführung ist ebenso möglich.

Da die Probe zur Messung sehr dicht an die Austrittsöffnung der Elektronenquelle herange- führt wird, besteht insbesondere bei Proben mit unebener Oberfläche die Gefahr einer Beschädigung der an der Austrittsöffnung angeordneten empfindlichen Membran. Mittels einer aus einer Lichtquelle 19 und einem Photodetektor 20 gebildeten und steuerungstechnisch mit der Recheneinheit sowie wenigstens einer Verfahreinrichtung des Schlittens 10, des Probentisches 7 und/oder der bevorzugt zentralen innerhalb des Probentisches angeordne- ten Einrichtung verbundenen Lichtschranke wird deshalb für eine automatische Kontrolle der Positionierung des zu analysierenden Probenbereiches gesorgt. Die Lichtschranke ist sinnvoller Weise in einem Mindestabstand unter der Austrittsöffnung angeordnet. Sobald die Lichtschranke ein nahendes Hindernis registriert, wird steuerungstechnisch über die Recheneinheit die Verfahreinrichtung gestoppt.

Die Lichtschranke kann zugleich oder ebenso dazu dienen, um den zu analysierenden Probenbereich im Fokus der Elektronenstrahlung 4 optimal zu positionieren. Die Elektronenquelle 3 wird nur dann eingeschaltet und die Probenanalyse nur dann gestartet, wenn die Probe 1 im Fokus der Elektronenstrahlung 4 positioniert ist. Auch hierbei ist optional eine Gaszuführung 12 zu dem bereits beschriebenen Zweck vorhanden.

In Fig.3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem das EDX-Analysemodul derart miniaturisiert aufgebaut ist, dass die Probenanalyse durchgeführt werden kann, während sich die Probe 1 noch in der Position unter dem Mikroskopobjektiv 2 befindet. Als Schließvorrichtung ist hier wiederum ein ringförmiges Teleskopgehäuse 16 mit einer Dichtung 18 vorgesehen. Die Einstrahlung der Elektronen erfolgt mittels eines Kanals 21 durch das Teleskopgehäuse 1 6 hindurch. Ebenfalls, jedoch in entgegensetzter Richtung zum E- lektronenstrahl 4, gelangt die Röntgenstrahlung 5 durch den Kanal 21 zum Röntgenstrahlen- Detektor 6. Eine Gaszuführung 12 ist hier ebenfalls optional vorhanden. Die Elektronenquel- le 3 wird nur dann eingeschaltet und die Probenanalyse nur dann gestartet, wenn die Schließung korrekt erfolgt ist.

Fig.4 zeigt eine Ausgestaltungsvariante des vorstehend anhand Fig.3 erläuterten Ausführungsbeispiels, bei der jedoch ein mit dem Schlitten 10 fest verbundenes Gehäuse 22 vor- gesehen ist, das die Probe 1 umschließt und durch dessen Außenwand der Kanal 21 hindurchgeführt ist. Ebenso ist eine Gaszuführung 12 durch die Außenwand des Gehäuses 22 hindurchgeführt.

Das Gehäuse 22 weist nach oben eine Öffnung auf, die mit einem Deckel 23 verschlossen wird, wenn der Schlitten 10 in Richtung Y bewegt wird, so dass auch hierbei ein hinreichend geschlossenes Messvolumen entsteht. Die Elektronenquelle 3 wird auch hier nur dann eingeschaltet und die Probenanalyse nur dann gestartet, wenn die Schließung korrekt erfolgt ist.

Vorteilhaft ist hier weiterhin eine Apertur 24 vorhanden, die den Effekt der Abschirmung gegen Austritt von Röntgenstrahlung weiter erhöht.

Bezuqszeichenliste

1 Probe

2 Mikroskopobjektiv

3 Elektronenquelle

4 Elektronenstrahl

5 Röntgenstrahlung

6 Röntgenstrahlen-Detektor

7 Probentisch

8 Gehäuse

9 Öffnung

10 Schlitten

1 1 Optische Achse

12 Gastzufuhr

13 Leitung

14 Ventil

15 (nicht besetzt)

16 Teleskopgehäuse

17 Optische Achse

18 Dichtung

19 Lichtquelle

20 Photodetektor

21 Kanal

22 Gehäuse

23 Deckel

24 Apertur

Claims

Patentansprüche

Einrichtung zur Analyse einer Probe (1 ) mittels Rontgenspektroskopie bei oder nahe dem Umgebungsdruck, insbesondere zur Elementanalyse und Elementqualifizierung, umfassend

eine lichtmikroskopische Anordnung zur Beobachtung der Probe (1 ), eine Elektronenquelle (3), von der ein Elektronenstrahl (4) auf einen mittels der lichtmikroskopischen Anordnung ausgewählten Bereich der Probe (1 ) ausrichtbar ist, und

einen Röntgenstrahlen-Detektor (6), ausgebildet zur Detektion der durch die Wechselwirkung des Elektronenstrahls (4) mit dem Probenmaterial entstehenden Röntgenstrahlung (5), wobei

Mittel vorgesehen sind, durch die sich der zu analysierende Probenbereich während einer Beobachtungsphase in der Fokusebene eines Objektivs der lichtmikroskopischen Anordnung befindet, und

während einer Messphase im Bereich des Elektronenstrahls (4) und im Empfangsbereich des Röntgenstrahlen-Detektors (6) befindet, und

eine Abschirmung vorhanden ist, die den Messbereich während der Messphase von der Umgebung abschirmt.

Einrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Abschirmung in Form eines U-förmigen Gehäuses (8) ausgebildet und so angeordnet ist, dass sich die Öffnung 9 der U-Form in Schwerkraftrichtung gesehen unten befindet.

Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der

eine Vorrichtung zum Beschicken des Messvolumens innerhalb des Gehäuses (8) mit einem Schutzgas, vorzugsweise mit Helium, vorgesehen ist, das U-förmige Gehäuse (8) während der Messphasen mit einem Schutzgas gefüllt ist, und

die Elektronenquelle (3) und der Röntgenstrahlen-Detektor (6) als EDX- Analysemodul ausgebildet sind.

Einrichtung nach Anspruch 3, bei der die Vorrichtung zum Beschicken des Messvolumens, eine Abschirmschließvorrichtung, ein Kontrollmechanismus für die Schließung und die Elektronenquelle (3) mit einer Steuereinheit so in Verbindung stehen, dass die Beaufschlagung des zu analysierenden Probenbereichs mit Elektronen nur in Abhängigkeit von der erfolgten Schließung möglich ist. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der

eine Vorrichtung zur Vermeidung von Kollisionen zwischen der Probe (1 ) und der Elektronenquelle (3) vorhanden ist, vorzugsweise in Form einer Lichtschranke.

Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welcher der Elektronenstrahl (4) durch eine elektronentransparente Membran hindurch auf die Probe (1 ) gerichtet ist.

Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der zwischen der Elektronenquelle (3) und der Probe (1 ) mindestens ein Kanal (21 ) vorgesehen ist, durch den hindurch der Elektronenstrahl (4) zur Probe (1 ) geleitet wird, und/oder die Röntgenstrahlung (5), jedoch entgegengesetzt zum Elektronenstrahl (4), durch den Kanal (21 ) hindurch auf den Röntgenstrahlen-Detektor (6) gerichtet ist.

Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, ausgestattet mit einer vorzugsweise mit der Steuereinheit und der Abschirmschließvorrichtung verbundenen Vorrichtung zum Verschieben der Probe (1 ) von der Beobachtungsposition in der lichtmikroskopischen Anordnung zu der Analyseposition im Gehäuse (8) und damit im Bereich des Elektronenstrahls (4).

Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der Mittel vorgesehen sind, durch welche die Probe (1 ) während der Messphase in der Beobachtungsposition relativ zur optischen Achse (17) des Objektivs verbleibt.