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Röntgenfluoreszenzanalyse an dünnen Schichten (RFA)
Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) beruht auf der Auswertung charakteristischer Fluoreszenzstrahlung, die immer dann Auftritt, wenn Rumpfelektronen aus Ihren Bindungsverhältnissen gerissen werden.
Die so im Atomrumpf erzeugte Ladungslücke wird dann innerhalb kürzester Zeit durch Elektronen aus energiereicheren Orbitalen aufgefüllt. Der auftretende Energieverlust wird entweder durch die Emission charakteristischer Fluoreszenzstrahlung oder durch die Abgabe der Energie an ein weiteres Elektron (Auger-Prozess) kompensiert. Auf diese Weise kann gleichsam eine ganze Kaskade von Photonen und Auger-Elektronen erzeugt werden bis die Elektronenhülle des betroffenen Atomrumpfes wieder vollständig reorganisiert ist.
Die Anregung solcher Prozesse kann durch energiereiche Röntgenstrahlung oder Elektronenbeschuss oder andere Partikelstrahlung erfolgen. In der Röntgenfluoreszenzanalyse wird die Probe üblicherweise mit einer Röntgenröhre (z.B. Wolfram, Rhodium oder auch Platin). Mittels eines geeigneten Halbleiterdetektors wird das gesamte Fluoreszenzspektrum der Probe aufgenommen.
Anhand der charakteristischen Fluoreszenzlinien kann über deren energetische Lage auf die in der Probe vorhandenen Elemente geschlossen werden. Darüber hinaus ist es mit passenden Standart-Proben bekannter Zusammensetzung und kalibrierter Anregung möglich die relativen Intensitäten der unterschiedlichen Fluoreszenzsignale auch quantitativ auszuwerten.
Eine für die Dünnschichttechnologie sehr wichtige Anwendung ist die Auswertung der relativen Intensitäten bei bekannter Zusammensetzung im Hinblick auf die vorhandene Schichtdicke (Abb. 1). Die anregende Röntgenstrahlung ist meist so energiereich, dass die Dünnschichten problemlos durchleuchtet werden können. Darüber hinaus ist es möglich über geeignete Verfeinerungsalgorithmen und eine Modellierung ganze Schichtstapel unterschiedlicher Zusammensetzung zu analysieren. Hierbei kann wahlweise die Schichtdicke oder die Zusammensetzung bestimmt werden.
Durch hochenergetische (einige keV) Elektronen oder Photonen a) können Elektronen aus inneren Schalen angeregt werden b). Elektronen aus höheren Schalen fallen in das entstandende Loch. Dabei treten konkurrierend die Emission von Röntgenfluoreszenzstrahlung c) oder der Auger-Effekt d) auf.
Prinzip der Röntgenfluoreszenzanalyse. Die einfallende Röntgenstrahlung regt in den unterschiedlichen Schichten charakteristische Fluoreszenzstrahlung an. Mit einem passenden Detektor kann das ganze Spektrum unterschiedlicher Fluoreszenzsignale erfasst werden. Die relativen Intensitäten können über geeignete Eichproben wahlweise für die Auswertung der Schichtdicken oder der Schichtzusammensetzung genutzt werden.
Fluoreszenzspektrum einer CuInS2-Dünnschicht (S,In,Cu - Peak) auf einem Glasträger (Si,Ca,Fe – Peak).
