Рентгенофлуорисцентный анализ на полное отражение

ЛЕКЦИЯ 9

Детектирование фотонов

Рентгенофлуорисцентный анализ на полное отражение

Основа рентгенофлуорисцентного анализа - есть фотоэлектрическое поглощение и последующее испускание рентгеновских фотонов, характеристических для элементов образца. Количественный состав можно определить по относительным интенсивностям отдельных элементов. В рентгенофлуорисцентном анализе на полное отражение первичный пучок взаимодействует с поверхностными атомами как поле стоячих волн и возбуждает поверхностные атомы, а не объемные, в отличие от XRF. Интенсивность испускаемого излучения прямо пропорциональна к интенсивности поля стоячей волны. Интенсивность испускаемого излучения прямо пропорциональна к интенсивности поля стоячей волны. В околоповерхностной области первичный пучок генерирует поле нераспространяющейся волны. Таким образом характерная флюоресценция анализируемых атомов - это отклик на эти различные возбуждения, произведенные полями стоячей и затухающей волн, а их зависимость от угла отражения - позволяет использовать данный фактор для исследования параллельно-слоистых структур и отличать дисперсный материал от пленочного поверхностного загрязнения.

Используемые энергии излучения не превышают 100 кэВ. Первичный пучок главным образом ограничивается фотоэлектрическим эффектом. Рассеяние, как упругое, так и неупругое, при энергиях ниже 100 кэВ представляет незначительный вклад в ослабление. Угол падения равен углу отражения. Углы преломления при прохождении через границу раздела двух соответствуют уравнению для различных фазовых скоростей в этих средах:

(1)

Критический угол, при котором происходит полное отражение, зависит от энергии фотона E и атомной массы образца, его атомного номераи плотности. (2)

Интенсивность сигнала - есть функция шероховатости поверхности.

Структура установки для рентгеновского анализа на полное отражение, включая источник рентгеновского излучения, энерго-дисперсионный детектор и электронную аппаратуру для преобразования импульсов, подобна структуре установки для обычного рентгеновского анализа. Геометрическое размещение должно обеспечивать полное отражение падающего первичного пучка. Полностью отраженный пучок интерферирует с падающим первичным пучком. Эта интерференция вызывает формирование стоячих волн над поверхностью однородного или многослойного образца. Часть первичного пучка исчезает в поле затухающей волны в объеме или подложке.

Прибор (рис. 1) состоит из источника рентгеновского излучения, низкочастотного фильтра, коллиматора, монохроматора, подложкодержателя, детектора и элемента электронной регистрации. Разнообразие материалов мишени, например Мо, W или сплавы Mo/W, используются для тонкой фокусировки, рентгеновские трубки с герметичным анодом питаются от охлаждаемого водой генератора на 3.5 кВт. Максимальная допустимая мощность для анодов с большим атомным номером - ~2-3 кВт. В течение их срока службы (2000-4000 часов) они постепенно теряют интенсивность. Вращающиеся аноды гарантированно работают 2000 часов при более высокой мощности (до 30 кВт) и более интенсивном охлаждении (15 литров воды в минуту вместо 5 л/мин.).

В настоящее время, в качестве низкочастотного фильтра используется двойной отражатель. Также коммерчески доступны настраиваемые монохроматоры в комбинации со сплавным анодом, который изготавливается из LiF, точно ориентированного пиролитического графита, или W/Si, W/C, или многослойных структур Mo/B₄C, которые обеспечивают интенсивное монохроматическое излучение.

Энерго-дисперсионный твердотельный детектор (рис. 2, 3) представляет собой литиевый детектор p-i-n-типа. Между тонкими слоями n и p-типа лежит высокорезистивный Si кристалл сантиметровых размеров. Передняя и задняя плоскости кристалла покрыты Au и служат электродами. Кристалл охлаждается до температуры 77 К жидким азотом (рис. 3). Падающий рентгеновский фотон с энергией более 2 кэВ вызывает формирование каскад фотоэлектрон-дырочных пар, в которые начальная энергия фотона полностью конвертирована.

Рис. 1. Схематическое изображение системы рентгеновского флуоресцентного анализа на полное отражение с точно сфокусированным анодом.

Рис. 2. Поперечный разрез передней части твердотельного детектора.

Из-за обратного смещения, электроны быстро смещаются на положительному электроду, а дырки к отрицательному. Число электронно-дырочных пар пропорционально энергии первичного фотона. Таким образом, импульс заряда - есть мера характеристической энергии фотона. Рентгеновский спектр получается многоканальным анализатором, который распределяет импульсы согласно их высоте в ряд каналов, каждый из котрых зарезервирован для маленького диапазона энергий импульсов, и суммирует их, чтобы дать измеренную интенсивность.

Оптимальная разрешающая способность, т.е. малая полная ширина на половине максимума, получается компромисом между высокой скоростью счета и хорошим спектральным разрешением. Достаточную разрешающую способность теперь обеспечивают и кремниевые дрейфовые детекторы (рис. 4).

Рис. 3. Полупроводниковый детектор, работающий как pin диод с обратным напряжением или смещением.

Рис. 4. Схематическое изображение цилиндрического кремниевого дрейфового детектора.

Спектральная информация от спектров на полное отражение подобна информации от обычных XRF спектров. Необходимо знать о возможных нарушениях в спектрах, которые не могут быть разрешены стандартным детектором. Ложные пики могут появляться, когда из твердотельного детектора выбиваются фотоэлектроны с внутренних уровней Si. Возбужденные Si атомы испускают фотоны, которые обычно повторно поглощаются кристаллом. Фотоэлектроны, сгенерированные этими фотонами вызывают дополнительные электронно-дырочные каскады. В результате появляются "дочерние" пики с низкой энергией.

Ложные пики могут также появиться в результате удвоения энергии, когда собирание заряда, вызванное первым фотоном, не было закончено, а налетел второй фотон от того же источника. Тогда детектор регистрирует дважды число зарядов, приводя к суммированию пиков. Решить проблему можно, при помощи разделяющего импульсы фильтра. Загрязнение на пути прохождения луча, например на окне детектора, может также привести к ложным пикам и ограничить характеристику обнаружения некоторых элементов.

Глубина проникновения рентгеновских лучей ограничена условием полного отражения. Для легких подложек, к которым относятся Si и кварц, спектральный фон на 6 порядков величины меньше, чем в XRF. Данный метод широко используется для исследования поверхностных загрязнений полупроводниковых подложек. А также для контроля скрытых слоев (рис. 5).

Рис. 5. Интенсивность флюоресценции от скрытых в подложке слоев. Зависимость интенсивности от угла скольжения была рассчитана для пленок различной толщины, но с постоянной плотностью анализируемого участка. Полное отражение происходит в области ниже 0.1°.