Messmethode

1. Die Röntgenröhre ist ein auf Vakuum ausgepumptes Glasgefäß in dem sich die Kathode und Anode befindet. Die Kathode wird erhitzt und emittiert dabei Elektronen. Liegt an der Anode Hochspannung, so werden die Elektronen beschleunigt und treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Anode. Die hochenergetischen Elektronen lösen dabei die typische Strahlung des Anodenmaterials (W oder Mo) aus.

2. Das Proportionalzählrohr arbeitet ähnlich einem Geiger-Müller-Zählrohr. Neben der Menge der Strahlung wird auch die Energie erfasst. In der Mitte des Zylinders ist ein dünner Draht (Anode), der an einer stabilen Spannung (z.B. 2000 Volt) liegt. Die Innenwand des gasgefüllten Zylinders wirkt dabei als Kathode. Damit niederenergetische Röntgenstrahlung erfasst werden kann, ist das Eintrittsfenster aus Beryllium. Im Gas des Zählrohres werden durch die einfallende Strahlung Ionenpaare erzeugt, die an der Anode eine Ladung aufbauen. Die Ladungsmenge ist dabei proportional zur Energie der Röntgenstrahlung.

3. Die von der Röntgenröhre erzeugte Primärstrahlung dient zur Anregung der Probe. Um definierte geometrische Verhältnisse zu bekommen, wird der Strahlengang gezielt begrenzt. Die noch verbleibende Primärstrahlung regt die Probe an.

4. Ein Kollimator übernimmt die Begrenzung der anzuregenden Messfläche auf der Probe. Unterschiedlichste Geometrien, ab > 25µm im Durchmesser werden eingesetzt. Größe und Anzahl der Kollimatoren sind gerätespezifisch.

5. Der Primär-Röntgenstrahl durchdringt die Schichten und erzeugt darin die für jedes Element typische Sekundärstrahlung. Die Intensität der einzelnen Strahlungen ist ein Maß für die vorgefundene Menge der angeregten Atome.

6. Moderne RFA-Schichtdickenmessgeräte verfügen über ein Video-Betrachtungssystem in Farbe. Dies dient zur exakten Positionierung der Probe unter dem Primärstrahl.

7. Die im Proportionalzählrohr an der Anode entstandene Ladung wird einem ladungsempfindlichen Vorverstärker zugeführt, der aus der Ladung eine kleine, der Röntgenenergie proportionale, Spannung formt. Am Ausgang des Verstärkers stehen Impulse in probencharakteristischer Höhe und Häufigkeit pro Messintervall an.

8. Ein Analog-Digital-Converter (ADC) hat die Aufgabe, die aus dem Vor- und Hauptverstärker gewonnenen analogen Spannungsimpulse für den Computer in digitale Werte umzuwandeln. Im ADC werden alle Impulse korrekt adressiert und dem Vielkanalanalysator weitergegeben.

9. Im Vielkanalanalysator werden die digitalisierten Impulse nach Energie und Intensität sortiert. Innerhalb einer bestimmten Zählzeit baut sich für jedes Element ein “Peak” im erfassbaren Spektrumbereich auf. Über einen Computer und der entsprechenden Auswertesoftware werden die innerhalb eines Energiebereiches (ROI) erfassten Impulse mit den abgespeicherten Kalibrierungen verglichen und mathematisch ausgewertet. Schichtdicken mit überlappenden “Peaks” werden vorzugsweise mit der Peakentfaltung, freiliegende Peaks über die ROI-Auswertung berechnet. Mit diesen Methoden lassen sich auch Mehrfachbeschichtungen und Legierungsanteile ermitteln.

Physik

Die von einer Röntgenröhre emittierten Photonen treffen auf Materie und erzeugen mit den Elektronen des Atoms eine Wechselwirkung. Es wird dabei ein Elektron aus seinem gebundenen Zustand durch die Absorption eines Röntgenquants herausgelöst. Die innerhalb einer Schale entstandene Elektronenlücke wird durch ein Elektron höherer Energie wieder aufgefüllt. Die dabei freiwerdende Energie kann in Form eines Photons das Atom verlassen und trägt damit zur charakteristischen Strahlung des Atoms bei. Man spricht in diesem Fall von Röntgenfluoreszenz. Wird eine Elektronenlücke in der K-Schale durch ein Elektron aus der L-Schale aufgefüllt, bezeichnet man die dabei freiwerdende Fluoreszenzstrahlung als Kß – Strahlung. Füllt ein Elektron aus einer M-Schale die Fehlstelle aus, spricht man von einer Kα- Strahlung. Um L-Strahlungen handelt es sich, wenn eine Fehlstelle in der L-Schale durch ein Elektron aus der M-Schale aufgefüllt wird.