Neue Ansätze in der winkelaufgelösten Röntgenanalyse von Schichtmaterialien im Labor

Providing access to angular resolved X-ray fluorescence methods in laboratories can enhance the dissemination of these methods for the depth-resolved elemental analysis of samples with layers in the nanometer range. The measurements are so far mainly performed at synchrotron radiation facilities and thus the number of users is limited. Especially in the hard X-ray range, where the production of X-rays in the laboratory is straight forward with X-ray tubes, such laboratory spectrometers can be highly beneficial for industrial and laboratory applications. A grazing emission X-ray fluorescence spectrometer has been developed and characterized. A scan-free approach is chosen which necessitates the use of an area detector and reliable routines for calibration and evaluation of data. Both are presented, and an error discussion of the former is included. The setup is validated with well-known samples and its limits tested with chromium-scandium-boron-carbide multilayer samples with strong intermixing between the subnanometer thick layers. It is shown that high statistical uncertainties are present in the measured profiles due to the measurement statistics. To ensure a quantification of the samples additional grazing incidence X-ray fluorescence measurements are performed with a commercial Bruker Nano GmbH spectrometer. However, the development of the setup was not finished by the time of the measurements thus a calibration of the angular axis, a beam characterization and a calculation of the solid angle is necessary. The latter is implemented following a Monte-Carlo approach. The same samples are measured as with the self-made setup and additional information gained. In the calibration sample contaminations from the sputtering process are determined and analyzed qualitatively. The measured profiles are sufficient to perform a quantification. A fitting algorithm is implemented, and sample models accounting for the strong intermixing between layers calculated. To verify the quantification of the elemental depth profiles one sample is measured with synchrotron radiation and the resulting sample model compared with the one gained from the laboratory measurements. As the results agree within the uncertainties from the routine is applied for quantification of the other samples. The results show that the intermixing of the layers is extremely pronounced. From the four analyzed samples with designed different boron-carbide layer thicknesses only one samples has a chromium layer which did not fully intermix with scandium or boron carbide.Durch die Entwicklung von winkelaufgelösten Röntgenfluoreszenzmethoden außerhalb von Großforschungsanlagen kann die Nutzbarkeit dieser Methoden für die Elementenanalyse zugänglicher gemacht werden. Derartige Messungen wurden bisher hauptsächlich in Synchrotronanlagen durchgeführt, die Anzahl der Anwender war dementsprechend begrenzt. Insbesondere im harten Röntgenbereich, wo die Röntgenproduktion im Labor mit Röntgenröhren unkompliziert ist, können solche Laborspektrometer für industrielle und laborinterne Anwendung von großem Nutzen sein. Im Rahmen dieser Arbeit wird unter anderem ein Röntgenfluoreszenzspektrometer unter streifendem Ausfall entwickelt und charakterisiert. Hierfür wurde ein scanfreier Ansatz gewählt, der die zum einen die Verwendung eines Flächendetektors, zum anderen zuverlässige Kalibrierungs- und Auswertungsroutinen erfordert. Beide Facetten des Ansatzes werden vorgestellt und weiterhin die Unsicherheiten der entwickelten Routine diskutiert. Der entwickelte Aufbau wird mit bekannten Proben validiert und seine Grenzen mit Chrom-Scandium-Bor-Carbid-Mehrschichtproben getestet, die sich durch eine besonders starke Durchmischung der Subnanometerschichten auszeichnen. Es wird dargestellt, dass aufgrund der Messstatistik hohe Unsicherheiten in den gemessenen Profilen vorhanden sind. Um eine tiefenaufgelöste Elementanalyse der Proben zu gewährleisten, wurden zusätzliche Röntgenfluoreszenzmessungen unter streifendem Einfall mit einem kommerziellen Spektrometer der Bruker Nano GmbH durchgeführt. Die Entwicklung des Aufbaus war jedoch zum Zeitpunkt der Messungen noch nicht abgeschlossen, so dass eine Kalibrierung der Winkelachse, eine Strahlcharakterisierung und eine Berechnung des Raumwinkels noch erforderlich ist. Letzteres wird nach einem Monte-Carlo-Ansatz realisiert. Um vergleichbare Informationen zu gewinnen, werden die gleichen Proben wie beim selbst erstellten Setup untersucht. Weiterhin konnten in der Kalibrierprobe Kontaminationen aus dem Sputterprozess qualitativ bestimmt und analysiert werden. Die Messstatistik der untersuchten Chrom- und Scandium Profile der Mehrschichtproben ist ausreichend, um eine Quantifizierung der Elementtiefengradienten durchzuführen. Zur Verifizierung der berechneten Elementtiefengradienten wird eine Chrom-Scandium Probe mit Synchrotronstrahlung gemessen. Die berechneten Probenmodelle aus Labordaten und Synchrotrondaten in der Folge verglichen. Da die Ergebnisse innerhalb der Berechnungsunsicherheiten übereinstimmen, wird der bestehende Algorithmus zur tiefenaufgelösten Elementanalyse verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die einzelnen Elementschichten eine starke Durchmischung aufweisen. Von den vier untersuchten Proben mit unterschiedlichen Borcarbid-Schichtdicken hat nur eine Probe eine Chromschicht, die sich nicht vollständig mit Scandium oder Borcarbid vermischt hat

Laboratory based GIXRF and GEXRF spectrometers for multilayer structure investigations

This work reports laboratory angle resolved measurements with the goal of establishing laboratory techniques to obtain a more complete idea of the intralayer composition of multilayer samples. While X-ray reflectometry is a widely available technique for the characterization of multilayer samples, angle resolved XRF measurements (grazing emission/incidence X-ray fluorescence) are usually performed at synchrotron radiation facilities. With the development of efficient laboratory spectrometers and evaluation algorithms for angle resolved measurements, these methods become suited for routine measurements and screening. We present two laboratory spectrometers which make quantitative non-destructive elemental depth profiling feasible. For reasons of comparison a validation sample, a nickel–carbon multilayer sample, is measured with both setups and additional information on krypton contamination and its distribution is retrieved. Additionally, the first application for the characterization of multilayer structures with sub-nanometer layer thicknesses is shown.TU Berlin, Open-Access-Mittel - 201

Laboratory GIXRF as a tool for fast screening of stratified samples with sub-nanometer thickness -- the example of CrSc multilayer water window optics

Efficient multilayer optics for radiation in the water window range are difficult to manufacture due to extremely small layer thicknesses and severe intermixing of elements between the layers. Therefore, adequate analytics and short feedback loops are of utmost importance for manufacturers to improve performance and efficiency. We show the possibility for non-destructive elemental depth profiling with commercial laboratory equipment using four real-life CrSc multilayer samples. Comparative measurements at the laboratory of PTB at the synchrotron radiation facility BESSY II validate the results and prove the potential of laboratory equipment for the fast and reliable analysis of stratified materials with sub-nanometer layer thicknesses