DE19908011C2

DE19908011C2 - Anordnung zur Elementanalyse von Proben mittels primärer Strahlung

Info

Publication number: DE19908011C2
Application number: DE1999108011
Authority: DE
Inventors: Heinrich Schwenke; Joachim Knoth; Harald Schneider; Peter Beaven
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2001-08-16
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: DE19908011A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Elementanalyse von insbesondere auf einem Probenträger angeordneten Proben, die durch eine primäre Strahlung beaufschlagt werden, wobei von der Probe aufgrund der strahlenmäßigen Beaufschlagung erzeugte Fluoreszenzstrahlung von einem Strahlungsdetektor erfaßt wird.

Eine Anordnung zur Elementanalyse von auf einem Proben träger angeordneten Proben mittels Röntgenstrahlung ist bekannt (DE-OS 196 44 936). Bei dieser bekannten Anord nung wird Röntgenstrahlung auf eine auf einem Proben träger angeordneten Probe gerichtet und die von der Probe infolgedessen emittierte Fluoreszenzstrahlung wird von einem Strahlungsdetektor erfaßt.

Eine andere der Röntgenfluoreszenzanalysemethode zuzu rechnende Methode ist die sogenannte Elektronen-Indu zierte Röntgenstrahlungs-Spektroskopie (Electron-Indused X-ray Spectrometry (EIXS)). Diese Technik zeichnet sich durch eine extreme Empfindlichkeit gegenüber "isoliert" vorliegenden kleinen Probenmengen bis hinunter zu 10^-15 g aus. Das Potential dieser bekannten Elementanalyse kann jedoch nach bisheriger Erkenntnis nicht voll ausge schöpft werden, weil es nur in Ausnahmefällen möglich ist, extrem kleine Probenmengen isoliert in den primären Elektronenstrahl zu bringen. In der Regel wird der technisch vielfach unvermeidbare Probenträger, auf dem die zu untersuchende Probe angeordnet ist, auch von Elektronen getroffen, was zur Folge hat, daß der Pro benträger wiederum zur Aussendung von Bremsstrahlung angeregt wird. Auf diese Weise wird eine erheblich Untergrundstrahlung erzeugt, die das Signal insbesondere kleiner Probenmengen überdeckt.

Allgemein kann gesagt werden, daß die Analyse von kleinen Atomkonzentrationen auf Oberflächen oder in oberflächennahen Schichten von Proben eine nicht leicht zu lösende Aufgabe in der chemischen Analytik ist. Der Nachweis kleiner Mengen auf der Oberfläche oder kurz unterhalb der Oberfläche von Proben wird dadurch er schwert, daß die Atome des Probenkörpers, der die betreffende Probenoberfläche bildet, um viele Größen ordnungen zahlreicher sind als die, die es nachzuweisen gilt.

Als ein Beispiel für die technisch-wirtschaftliche Bedeutung einer derartigen Analytik kann beispielsweise die Notwendigkeit hervorgehoben werden, Fremdatome auf der Oberfläche von Siliziumwafern in einer Konzentration von 10⁹ Atomen/cm² oder weniger nachzuweisen. Eine derartige Empfindlichkeit wird in der hier beispielhaft angeführten Technik der Analyse von Siliziumwafern gefordert, weil schon minimale Mengen von bestimmten Elementen die Ausbeute der Produktion von aus Silizium wafern hergestellten Halbleiterbausteinen beeinträchti gen, was regelmäßig nicht hinnehmbar ist.

Nach dem Stand der Technik wird diese Aufgabe für einige Metalle, die es nachzuweisen gilt, am besten durch die eingangs erwähnte Totalreflexions-Röntgenfluoreszenz spektroskopie (TXRF) gelöst. Diese eingangs genannte Technik kann jedoch nicht bei leichten Elementen, d. h. bei Elementen bei Ordnungszahlen < 14, angewendet werden. Die Gründe für das Versagen der Totalreflexions- Röntgenfluoreszenzspektroskopie im Bereich leichter Elemente liegen sowohl in den ungünstigen Ausbeuten an erzeugter Fluoreszenzstrahlung leichter Atome bei Anregung durch Röntgenstrahlung als auch in mangelnder Auflösung, Effizienz und Untergrundfreiheit derzeit verfügbarer energiedispersiver Detektorsysteme.

Im Fall der leichten Elemente ist die Anregung durch Elektronen mittels einer sogenannten "Grazing Emission" Analyse der erzeugten sekundären Röntgenstrahlung eine im Stand der Technik anzutreffende Maßnahme, wie sie beispielsweise in der GB-A-2 165 353 beschrieben wird. Bei der "Grazing Emission" ist der Einfallswinkel der Primärstrahlung relativ zur zu beaufschlagenden Probe beliebig, wohingegen der Emissionswinkel der erzeugten Sekundärstrahlung oder auch Fluoreszenzstrahlung unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion liegt, um den ge wünschten Effekt zu erzielen.

In der Praxis werden jedoch weiterhin überwiegend die eingangs erläuterten bekannten energiedispersiven Detektoren mit den ihnen innewohnenden erheblichen Nachteilen verwendet.

Aus der nachveröffentlichten DE-OS 197 38 409 ist eine Vorrichtung zur wellenlängen-dispersiven Analyse von Fluoreszenzstrahlung bekannt, bei der die Probenober fläche mittels primärer Röntgenstrahlen beaufschlagt wird, wobei infolgedessen von der Probenoberfläche Fluoreszenzstrahlung emitiert wird.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der das Leistungspotential bestehender Oberflächenana lysesysteme erheblich übertroffen und verbessert werden kann, mit dem nicht nur Elemente großer Ordnungszahlen, sondern auch Elemente kleiner Ordnungszahlen in Konzen trationen auch von weniger als 10⁹ Atomen/cm² exakt analysiert bzw. nachgewiesen werden können, wobei die Anordnung dennoch verhältnismäßig einfach im Aufbau und damit kostengünstig bereitstellbar ist und die Analyse auch extrem kleiner Probenmengen mittels einer einfachen Verfahrensführung der Anordnung möglich ist.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die primäre Strahlung durch Elektronen gebildet wird, die mittels vorbestimmbarer Energie auf die Probe gerichtet werden, wobei die infolgedessen an bzw. in der Probe induzierte Fluoreszenzstrahlung auf ein in Form von Multilayer-Spiegeln ausgebildetes Spiegelpaargelei tet wird und nachfolgend auf den als ortsauflösenden Strahlungsdetektor ausgebildeten Detektor geleitet wird, und wobei das Spiegelpaar im wesentlichen parallel versetzt zur Achse der Fluoreszenzstrahlung und um eine gemeinsame Achse drehbar angeordnet ist.

Dadurch, daß das Spiegelpaar im wesentlichen parallel versetzt zur Achse der Fluoreszenzsrahlung und um eine gemeinsame Achse drehbar angeordnet ist, können durch Verdrehung des Spiegelpaares entweder mehrere Elemente bzw. Emissionslinien erfaßt werden, oder es können die Materialien und Abstände der Multilayer-Beschichtung der Spiegel des Spiegelpaares für eine bestimmte Rönt genenergie bei einem festen Winkel optimiert werden.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß die erfindungsgemäße Anordnung eine wellenlängendispersive Analyse einer gesamten von den Elektronen beaufschlagten Probenfläche, d. h. im oberflächennahen Bereich oder auf der Oberfläche der Probe ermöglicht, wobei auch leichte Elemente mit kleinen Ordnungszahlen (< 14) mit hoher Genauigkeit nachgewiesen werden können, ohne daß Blenden oder Sollerkollimatoren vorgesehen werden müßten, und wobei gegenüber den bisher für diese Zwecke eingesetzten bekannten Analyseanordnungen eine signifikant gestei gerte Auflösung erreicht wird und eine signifikante Verbesserung der Untergrundueterdrückung.

Der erfindungsgemäße Effekt wird im wesentlichen dadurch vorteilhafterweise erreicht, daß die unter einem flachen Winkel von der Probe emittierte Röntgenfluoreszenz strahlung (sekundäre Röntgenstrahlung) durch die erfin dungsgemäß gewählte Analyseanordnung großflächig, d. h. 30 mm im Durchmesser und mehr, mit erhöhter Energieauf lösung und wellenlängendispersiv mit geringem Untergrund erfaßt werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung wird die vom Strahlungsdetektor erfaßte Fluoreszenz strahlung in einem Winkel θ₂ zwischen der Achse der Fluoreszenzstrahlung und der Probenoberfläche von < 4° beobachtet, wobei insbesondere bei diesem Winkelbereich eine große Probenfläche erfaßt wird.

Grundsätzlich ist es möglich, die primären Elektronen bzw. den primären Elektronenstrahl unter beliebigen geeigneten Winkeln auf die Probe zu richten bzw. dort auftreffen zu lassen. In einer vorteilhaften Grundver sion der Anordnung wird der primäre Elektronenstrahl derart ausgerichtet, daß er im wesentlichen orthogonal zur Oberfläche der Probe auf die Probe auftrifft. Diese Ausgestaltung läßt eine divergente Elektronenstrahlung zu.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung ist der primäre Elektronenstrahl derart auf die Oberfläche der Probe ausgerichtet, daß der primäre Elektronenstrahl streifend zur Oberfläche der Probe auf die Probe auftrifft, womit gegenüber der zuvor darge stellten Ausführungsform eine weitere gezielte Vermin derung der Eindringtiefe der Elektronen in die Probe erreicht wird, insbesondere wenn primär oberflächennahe Bereiche oder primär die Oberfläche der Probe analysiert werden soll, wobei bei dieser Ausgestaltung vorteil hafterweise eine weitere Reduzierung des Strahlungsun tergrundes mit der Verminderung der Eindringtiefe der Elektronen einhergeht.

Als Strahlungsquelle für die Erzeugung der Elektronen bzw. des Elektronenstrahles können allgemein im Stand der Technik bekannte Elektronenerzeugungsquellen ver wendet werden. Da die Elektronen aus der Kathode bzw. der Kathodenoberfläche aus physikalischen Gründen immer senkrecht austreten, erhält man normalerweise, wenn die Kathodenoberfläche eben ist, einen divergenzfreien Elektronenstrahl, dessen Durchmesser letztlich durch die Geometrie der Austrittsblende bzw. Anode bestimmt ist.

Um den aus der Kathode austretenden Elektronenstrahl ohne Fremdmittel fokussieren zu können, ist es vorteil haft, eine gekrümmte Kathode in der Elektronenstrahl quelle vorzusehen, wobei vorzugsweise die Krümmung der Kathode auch kugelförmig sein kann. Bei diesen Ausge staltungen der Anordnung entfällt somit die Notwenig keit, zur Fokussierung des Elektronenstrahls elektroma gnetische Felder vorzusehen.

Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, die Anordnung gemäß der Erfindung derart auszugestalten, daß zwischen der fokussierenden Kathode und der Probe eine enge Lochblende angeordnet wird, mit der Sputtereffekte, die die Probe verunreinigen können, neutralisiert werden, ohne daß der Elektronenstrom geschwächt wird und die bestrahlte Fläche reduziert wird.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach folgenden schematischen Zeichnungen anhand zweier Ausführungsbeispiele im einzelnen eingehend beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Grundversion der Anordnung, bei der die Probe im wesentlichen senkrecht mit Elektronen beaufschlagt wird,

Fig. 2 eine Darstellung gemäß Fig. 1, bei der jedoch die Probe mit Elektronen streifend beaufschlagt wird,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2, den unmittelbaren Bereich des einfallenden und des von der Probe emittierten Fluoreszenzstrahls darstellend,

Fig. 4a unter Weglassung von Teilen der Anordnung den unmittelbaren Bereich der Elektronenstrah lungsquelle zeigend, von der Elektronen diver genzfrei auf eine auf einem Probenträger angeordnete Probe gelenkt werden, und

Fig. 4b eine Darstellung wie Fig. 4a, bei der jedoch die Kathode der Elektronenstrahlungsquelle nicht eben, sondern gekrümmt ausgebildet ist, wobei zwischen Elektronenstrahlungsquelle und der auf dem Probenträger angeordneten Probe exakt im Fokus eine Lochblende zur Abschirmung der Probe gegen Sputtereffekte aus der Kathode vorgesehen ist.

Die Anordnung 10 gemäß Fig. 1, die eine Grundversion der Anordnung zeigt, wird zunächst nachfolgend in bezug auf ihren Aufbau beschrieben. Mit Hilfe einer im Prinzip bekannten Elektronenstrahlungsquelle 18, bestehend aus einer Kathode 180, einer Anode 182 sowie einer Spannungsquelle 183, die die Elektronenstrahlungsquelle 18 auf geeignete Weise mit Spannung versorgt, wird ein Strahl aus Elek tronen 16 erzeugt.

Bedingung ist jedoch, daß sich die erzeugten Elektronen 16 auf parallelen Bahnen bewegen bzw. fokussiert werden können. Eine besonders geeignete Elektronenquelle 18 ist in Fig. 1 und 2 dargestellt. Es handelt sich um eine flächenhafte Kathode 180, die eben bzw. geeignet ge krümmt sein kann. Ein zylindrischer, nach unten offener Raum 181 wird in Strahlrichtung nach unten durch eine ringförmige Blende begrenzt, die als Anode 182 dient. In diesem Raum bildet sich bei angelegter Spannung und unter geeigneten Druckbedingungen ein Gasplasma, das durch Stoßanregung Elektronen aus der Kathode freisetzt.

Eine derartige Elektronenquelle arbeitet also nach dem Gasentladungsprinzip. Sie benötigt keine Heizung und arbeitet bei mäßigem Vakuum.

Der Elektronenstrahl, 16 wird mit regelbarer Energie, beispielsweise im Bereich von wenigen keV auf den Probenort gerichtet, d. h. den Ort, an dem die Probe 11, bei spielsweise auf einem Probenträger 12 angeordnet ist.

Ein Probenträger 12 wird vielfach nötig sein, um die Probe 11 darauf für die Analyse mittels der erfindungs gemäßen Anordnung 10 zu fixieren bzw. zu positionieren. Handelt es sich allerdings um große Proben 11, bei spielsweise in Form von Siliziumwafern, können diese auch direkt mittels hier nicht gesondert dargestellter Spann- bzw. Haltemittel unter dem Elektronenstrahl 16 positioniert werden.

Die von den Elektronen 16 induzierte Fluoreszenzstrah lung 14 tritt unter einem flachen Winkel θ₂, der vor zugsweise < 4° sein soll, vergleiche Fig. 3, aus der Probenoberfläche aus und trifft auf einem Spiegelpaar 19, 20 auf. Das Spiegelpaar 19, 20 ist im wesentlichen parallelversetzt zur Achse 22 der Fluores zenzstrahlung 14 angeordnet. Das Spiegelpaar 19, 20 selbst ist um eine gemeinsame Achse drehbar angeordnet, so daß durch die Verdrehung mehrere zu analysierende Elemente bzw. Emissionslinien erfaßt werden können. Auch können dadurch die Materialien und Abstände der Multi layerbeschichtung der Spiegel 19, 20 für eine bestimmte Energie der Fluoreszenzstrahlung bei einem festen Winkel optimiert werden.

Nachdem die Fluoreszenzstrahlung 14 nach zweifacher Spiegelung am Spiegelpaar 19, 20 den zweiten Spiegel 20 verlassen hat, wird diese als zweifach reflek tierte Fluoreszenzstrahlung 140 auf den als ortsauflö senden Strahlungsdetektor ausgebildeten Detektor 21 geleitet, so daß geeignete Aussagen über die Energie und die Wellenlängen und somit das zu analysierende Element mit hoher Präzision gemacht werden können.

Die Ausführungsform der Anordnung 10 gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dadurch, daß die aus der Elektronenstrahlungsquelle 18 austretenden Elektronen bzw. der aus dieser austretende Elektronenstrahl 16 streifend auf die Probe 11 gerichtet wird. Diese Ausgestaltung der Anordnung 10 wird regel mäßig dann verwendet, wenn es auf eine Verminderung der Eindringtiefe der Elektronen 16 durch die Oberfläche 13 der Probe 11 ankommt, d. h. wenn die Probenoberfläche 13 oder nur in ihrer Dicke geringe Oberflächenschichten der Probe 11 analysiert werden sollen. Durch den streifenden Einfall des Elektronenstrahls 16 wird auch eine Redu zierung des Strahlungsuntergrundes erreicht. Der Ein fallswinkel θ₁ des primären Elektronenstrahls 16 auf die Probe 11 bzw. die Oberfläche 13 der Probe 11 kann somit von 900 bis unter 2° variieren, wie es letztlich auch schematisch in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt ist. Die eingangs erwähnte Strahlungsquelle 18, mit der die Elektronen bzw. der Elektronenstrahl 16 erzeugt werden bzw. wird, erzeugt grundsätzlich einen divergenzfreien Elektronenstrahl 16, vergleiche Fig. 4a. Durch geeignete Wahl bzw. Art der Ausbildung der Kathode 180 der Elek tronenstrahlungsquelle 18 mit gekrümmter bzw. kugelför miger Oberfläche wird eine fokussierende Konfiguration der Anordnung 10, die die Notwendigkeit elektromagne tischer Felder zur Fokussierung entbehrlich macht, ermöglicht, insbesondere wenn gezielt kleine Bereiche der Probe 11 analysiert werden sollen. Darüber hinaus kann es sinnvoll sein, zwischen der Elektronenstrah lungsquelle 18 und der Probe 11 eine Lochblende 23 vorzusehen, mit der die Probe 11 ohne Intensitätsverlust gegen Sputtereffekte, die von der Kathode 180 herrühren können, geschützt wird.

Den Vorzügen der erfindungsgemäß eingesetzten Gasentla dungs-Elektronenquelle 18 steht ein Problem entgegen. Die auf die Kathode 180 aufprallenden Ionen zeigen eine Tendenz, Kathodenmaterial abzusputtern, das sich an schließend als Wolke von Metallatomen innerhalb des gesamten Meßraums ausbreitet, und die Probe verunreini gen könnte. Die Lochblende verhindert dieses.

Bezugszeichenliste

10

Anordnung

11

Probe

12

Probenträger

13

Probenoberfläche

14

Fluoreszenzstrahlen

140

reflektierte Fluoreszenzstrahlen

15

Strahlungsdetektor

16

Elektronen/Elektronenbahn

17

18

Strahlungsquelle/Elektronenquelle

180

Kathode

181

offener Raum

182

Anode

183

Spannungsquelle

19

Spiegel

20

Spiegel

21

22

Achse (Fluoreszenzstrahlung)

23

Lochblende

Claims

1. Anordnung zur Elementanalyse von insbesondere auf einem Probenträger angeordneten Proben, die durch eine primäre Strahlung beaufschlagt werden, wobei von der Probe aufgrund der strahlenmäßigen Beaufschlagung erzeugte Fluoreszenzstrahlung von einem Strahlungsde tektor erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die primäre Strahlung durch Elektronen (16) gebildet wird, die mittels vorbestimmbarer Energie auf die Probe (11) gerichtet werden, wobei die infolgedessen an bzw. in der Probe (11) induzierte Fluoreszenzstrahlung (14) auf ein in Form von Multilayer-Spiegeln ausgebildetes Spiegel paar (19, 20) geleitet und nachfolgend auf den als ortsauflösenden Strahlungsdetektor ausgebildeten Detek tor (21) geleitet wird, wobei das Spiegelpaar (19, 20) im wesentlichen parallel versetzt zur Achse (22) der Fluoreszenzstrahlung (14) und um eine gemeinsame Achse drehbar angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Strahlungsdetektor (21) erfaßte Fluores zenzstrahlung (14) in einem Winkel θ₂ zwischen der Achse (22) der Fluoreszenzstrahlung (14) und der Probenober fläche (13) von < 4° beobachtet wird.

3. Anordnung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der primäre Elektronen strahl (14) im wesentlichen orthogonal zur Oberfläche (13) der Probe (11) auf die Probe (11) auftrifft.

4. Anordnung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der primäre Elektronen strahl (16) streifend zur Oberfläche (13) der Probe (11) auf die Probe (11) auftrifft.

5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Elektronen strahl (16) erzeugende Strahlungsquelle (18) eine gekrümmte Kathode (180) aufweist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung der Kathode (180) kugelförmig ist.

7. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer den Elektronenstrahl (16) erzeugenden Strahlungsquelle (18) und der Probe (11) eine Lochblende (23) angeordnet ist.