Allgemeine Informationen zur Mikroanalyse
Die Anregung von Röntgenstrahlung in der Probe erfolgt bei der RFA (Mikro-RFA) in Prozessen, die sich grundlegend von der Anregung mit Elektronen unterscheiden. In beiden Fällen entsteht als Ergebnis der Anregung eine Vakanz in einer inneren Schale der Elektronenhülle.
Anregung ESMA:
geladene Teilchen (Elektronen), mononergetisch
(die Energie entspricht der eingestellten kV-Zahl am REM)
Anregung Mikro-RFA:
Röntgenquanten ohne Masse und Ladung, meist polychromatisch
(Energieverteilung eines Anregungsspektrums der Röntgenröhre)
Wenn die Mikro-RFA am Synchrotron betrieben wird, erfolgt die Anregung meistens monochromatisch. Der hohe Photonenfluss am Synchrotron getattet das Dazwischenschalten von Monochromatoren. Die monoenergetishe Anregung mit einer Nuklidquelle scheidet auf Grund der begrenzten erreichbaren Impulsraten für die Mikro-RFA aus.
Die Anregung bei 'Tischgeräten' erfolgt mit einer Röntgenröhre mit fokussiertem Elektronenspot auf der Anode. Zur Überbrückung des Abstandes Röhre - Probe und und zur Verbesserung der Raumwinkelsituation wird die Röntgenstrahlung über Kapillaroptiken zur Probe geführt. Dabei werden Monokapillaren und Polykapillaren unterschieden. Abhängig von der Wahl der Röntgenröhre und der verwendeten Kapillaren ergeben sich unterschiedliche Spot-Größen auf der Probe. Allgemein gilt, mit der Verkleinerung des Spots verringern sich auch die möglichen erreichbaren Impulsdichten. Weitere Fotschritte bei der Entwicklung von Polykapillaren könnten das Problem auflösen.
Die in der Probe erzeugte Photonen müssen aus der Probe heraus und werden in ihr absorbiert (Selbstabsorption). Dieser Wechselwirkungsprozess ist in der RFA völlig identisch zur dem in der ESMA (siehe ESMA Info1
. Der Unterschied besteht in der Tiefenverteilung der erzeugten Photonen in der Probe. Im Schnitt kommen bei der Mikro-RFA die Quanten aus größeren Probentiefen. Bei weicher Röntgenstrahlung dominiert aber die Absorption und die in der Tiefe erzeugten Photonen können die Probe nicht mehr verlassen. In diesen Fällen können die Tiefeninformationen von RFA und ESMA durchaus identisch sein.
Die Unterschiede in der Anregungsart (Wechselwirkng mit der Probe) bestimmen die Unterschiede in den Applikationsmöglichkeiten. Es gibt wesentliche Unterschiede im Modellsystem der Anregung von Röntgenstrahlung für die quantitativen Bestimmung der Elementgehalte (oder Schichtdicken). Die Hauptunterschiede sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:
Unterschiede ESMA - RFA
| ESMA | Mikro-RFA |
| #1 Größerer Untergrund durch Bremstrahlung der geladenen Elektronen im Coloumbfeld der Kerne -> Nachweisgrenzen begrenzt | #1 Keine direkt in der Probe erzeugte Bremsstrahlung -> bessere P/U -> bessere relative Nachweisgrenzen (1..2 Größenordnungen) |
| #2 Durch bessere Fokussiermöglichkeiten des Elektronenstrahls und Wechselwirkungen kleinerer Reichweite in der Probe -> kleineres Analysenvolumen -> bessere absolute Nachweisgrenzen | #2 Fokussierung der Anregung erfolgt auf ein um Größenordnungen größeres Probenvolumen -> Ortsauflösung schlechter -> schlechtere absolute Nachweisgrenzen |
| #3 Angeregte Objektgröße typisch 1 um, angeregtes Probenvolumen tyisch 1 um3 -> Analyse der Oberfläche | #3 Angeregte Objektgröße typisch 50 um, angeregtes Probenvolumen tyisch > 1000 um3 -> Informaionen aus größeren Probentiefen |
| #4 Relativ gleichmäßige Anregung aller Elemente (ab Maximum Eo/Ec bei etwa 2...3) | #4 Stärkste Anregung für E knapp über Ec ('Resonanz'), dann starker Abfall -> unterschiedliche Nachweisgrenzen für alle Elemente bei einer Messung |
| #5 Reichweite der Elektronen in Luft -> Anregung im Vacuum zwingend notwendig | #5 Faktor 10 größere Reichweite, Anregung höherenergetischer Strahlung, deshalb Analyse auch an Luft oder Schutzgas möglich |
| #6 Proben müssen i.a. leitfähig sein (Elektronen geladene Teilchen) -> Oberflächenbeschichtung mit C meist notwendig | #6 Proben müssen nicht leitfähig sein. |
Die Tatsache, dass die im Spektrometer registrierten Röntgenquanten bei der Mikro-RFA aus einer Probentiefe von typisch 10..100 um kommen können, ist passend zu den erreichten Spotgrößen. Nur bei der Analyse von dünnen Proben ergibt sich mit einer weiteren Konzentration des Spots ein wesentlicher Vorteil.
Mit der ESMA werden Probenvolumina von tyisch 1 um3 angeregt.
Bei der Mikro-RFA erreicht man Anregungsvolumina von ca. 1000 um3.
Bei der Analyse von dünnen Schichten egeben sich somit auch beträchtliche Unterchiede zwischen ESMA und RFA. Die kleine Eindringtiefe der Elektronen bedingt eine Begrenzung der maximal analysierbaren Schichdicken auf wenige Mikrometer. Die RFA mit hoher Reichweite der anregenden Photonen in der Probe gestattet die Analyse von mehr als Faktr 10 dickereren Schichten. Dieser Vorteil kommt auch bei bei der Untersuchung von Schichtstrukturen (Mehrfachschichten) voll zum Tragen, da verdeckte Schichten besser erreicht werden und durch die bedeckenden Schichten im Analysenergebnis deutlich weniger beeinflußt werden.
Auch bei den minimal analysierbaren Schichtdicken (Nachweisgrenze) ergeben sch Unterschiede. Die größere Eindringtiefe der RFA läßt auch dickere minimal nachweisbare Schichten vermuten. Diese Tatsache wird aber durch das wesentlich bessere P/U-Verhältnis mehr als kompensiert.
Mit der ESMA kann man Schichtdicken im Bereich 2 nm ... 2 um untersuchen
In der ESMA werden bei homogenen Proben für die Konzentrationen der Elemente relativ gleichmäßige Nachweisgrenzen von etwa 0.1% erreicht. Die RFA arbeitet auf Grund der anderen Anregungsart mehr selektiv. Abhängig von Element, analysierter Lnie und Parameter der Röntgenröhre können um etwa 3 Größenordnungen kleinere Nachweisgrenzen erreicht werden (ppm).
(3 Größenordnungen).
Mit der Miko-RFA sind Schichtdicken im Bereich 0.5 nm ... 50 um analysierbar
(5 Größenodnungen).
Mit der ESMA kann man Elementkonzentrationen im Bereich 0.1% .. 100% analysieren.
Mit der Miko-RFA werden Nachweisgrenzen im ppm-Bereich erreicht
(ausgewählte Elemente).
Wenn man die applikativen Eigenchaften beider Methoden gegenüberstellt, wird man eine hervorragende gegenseitige Ergänzung beider Methoden der Mikroanalyse mit Röntgenspektrometern feststellen.
