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DE102017105275B4 - Apparatus and method for generating monochromatic radiation of a radiation source with line spectrum - Google Patents

Apparatus and method for generating monochromatic radiation of a radiation source with line spectrum Download PDF

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DE102017105275B4
DE102017105275B4 DE102017105275.5A DE102017105275A DE102017105275B4 DE 102017105275 B4 DE102017105275 B4 DE 102017105275B4 DE 102017105275 A DE102017105275 A DE 102017105275A DE 102017105275 B4 DE102017105275 B4 DE 102017105275B4
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radiation
reflection zone
radiation source
line spectrum
line
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Alexei ERKO
Nils Weber
Alexander Firsov
Karl Bauer
Michael Merkel
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Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Focus GmbH
Original Assignee
Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Focus GmbH
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Abstract

Vorrichtung zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum, mindestens aufweisend eine Strahlungsquelle (1), die ein Linienspektrum erzeugt, und eine erste off-axis-Reflexionszonenplatte (3),dadurch gekennzeichnet, dassdie erste off-axis-Reflexionszonenplatte (3) eingerichtet ist zurSeparierung einer vorbestimmten Spektrallinie des Linienspektrums der Strahlungsquelle, und eine erste Blende (4) in einem Strahlengang nach der off-axis-Reflexionszonenplatte (3) am Ort eines Ortbildes dervorbestimmten Spektrallinie angeordnet ist und wobei mehrere off-axis-Reflexionszonenplatten (3) auf einem Substrat angelegt sind, wobei die Reflexionszonenplatten (3) durch lineare Verschiebung wechselbar sind.A device for generating monochromatic radiation of a line-source radiation source, comprising at least one radiation source (1) producing a line spectrum, and a first off-axis reflection zone plate (3), characterized in that the first off-axis reflection zone plate (3) is arranged for separating a predetermined spectral line of the line spectrum of the radiation source, and a first aperture (4) in a beam path after the off-axis reflection zone plate (3) at the location of a location image of the predetermined spectral line is arranged and wherein a plurality of off-axis reflection zone plates (3) on a Substrate are applied, wherein the reflection zone plates (3) are interchangeable by linear displacement.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum, wie Sie insbesondere für die Photoelektronen-Spektroskopie (PES) im Bereich der Ultraviolettstrahlung (UV) und hier insbesondere der Vakuumultraviolettstrahlung (VUV) eingesetzt wird und in diesem Fall auch als UPS (ultraviolett PES) bezeichnet wird.The invention relates to a device and a method for generating monochromatic radiation of a radiation source with line spectrum, as used in particular for photoelectron spectroscopy (PES) in the field of ultraviolet radiation (UV) and in particular the vacuum ultraviolet radiation (VUV) and in this case also as UPS (ultraviolet PES) is called.

Stand der TechnikState of the art

Mit der PES werden vorwiegend Aussagen über chemische Verbindungen und elektronische Eigenschaften eines Materials getroffen. Dies geschieht über die Anregung eines Elektrons bis zum Austritt aus einem Material (Photoelektron) und der Bestimmung von dessen Energie und Richtung. Die Energie des Photoelektrons ist dabei im Wesentlichen bestimmt durch die Energie des anregenden Photons, die Bindungsverhältnisse im Material und die sogenannte Austrittsarbeit. Um den Beitrag der Bindungsverhältnisse möglichst genau bestimmen zu können, müssen die Beiträge der Austrittsarbeit und der des anregenden Photons möglichst genau bestimmt sein. Letzteres bezieht sich sowohl auf die Bestimmtheit der Energie absolut der Photonen als auch auf die spektrale Reinheit der für die UPS genutzten Photonen im Mittel über eine PES Messung. In dem Aufsatz 1 von J.A. Kinsinger et al. (Spectral Evaluation of a Sealed Helium Discharge Lamp for Studies in Photoelectron Spectroscopy, Analytical Chemistry, Vol. 44, 1972, S. 773-777) sind die Auswirkungen verschiedener spektraler Verunreinigungen auf die Analyse von Spektren der PES beschrieben. Neben Verunreinigungen im Spektrum der Strahlungsquelle mit Linienspektrum, verursacht durch Verunreinigungen eines eingesetzten Gases, sind auch Linien verschiedener Emissionsvorgänge des Gases als Verursacher benannt. Der Einfluss verschiedener Linien, aufgrund verschiedener Emissionsvorgänge ist auch in dem Aufsatz 2 von M. Himmerlich (Surface characterization of indium compounds as functional layers for (opto)electronic and sensoric applications, Dissertationsschrift, Fakultät für Mathematik und Naturwissenschaften der Technischen Universität Ilmenau, Deutschland, 2008, S. 15-16) besprochen. Linien, die z.B. für Helium Gasentladungslampen zur Nutzung in Betracht kommen, sind unter anderen die nach der Lyman-Serie im Wasserstoff benannten He_I_alpha und He_II_alpha, wobei die He_I_beta als auch He_II_beta Linien als störende Satelliten der entsprechenden Alpha-Linien betrachtet werden. Entsprechendes gilt auch für die Linienspektren anderer Gasarten (z.B. Argon oder Xenon).The PES mainly deals with chemical compounds and electronic properties of a material. This is done by the excitation of an electron to the exit of a material (photoelectron) and the determination of its energy and direction. The energy of the photoelectron is essentially determined by the energy of the exciting photon, the bonding conditions in the material and the so-called work function. In order to be able to determine the contribution of the bonding conditions as accurately as possible, the contributions of the work function and of the exciting photon must be determined as precisely as possible. The latter relates both to the definiteness of the absolute energy of the photons and to the spectral purity of the photons used for the UPS on average via a PES measurement. In the essay 1 of JA Kinsinger et al. (Spectral Evaluation of a Sealed Helium Discharge Lamp for Studies in Photoelectron Spectroscopy, Analytical Chemistry, Vol. 44, 1972, pp. 773-777) the effects of different spectral impurities on the analysis of spectra of PES are described. In addition to impurities in the spectrum of the radiation source with line spectrum, caused by contamination of a gas used, also lines of various emission processes of the gas are named as the cause. The influence of different lines, due to different emission processes is also in the essay 2 of M. Himmerlich (Surface characterization of indium compounds as functional layers for (opto) electronic and sensoric applications, Dissertationsschrift, Faculty of Mathematics and Natural Sciences of the Technical University Ilmenau, Germany, 2008, p. 15-16) discussed. Lines that are considered for helium gas discharge lamps for use include, among others, the He_I_alpha and He_II_alpha named after the Lyman series in hydrogen, where the He_I_beta and He_II_beta lines are considered interfering satellites of the corresponding alpha lines. The same applies to the line spectra of other types of gas (eg argon or xenon).

Vorrichtungen zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum für die Photoelektronen-Spektroskopie, sind aus dem Stand der Technik bekannt. In dem Aufsatz 1 und dem Aufsatz 3 von F. Reinert und S. Hüfner (Photoemission spectroscopy-from early days to recent applications, New Journal of Physics, Vol. 7, 2005, 97, S. 1-34) sind die Möglichkeiten der Monochromatisierung und Auswirkungen auf die Effizienz der, aus einer Gasentladungslampe zur Verfügung stehenden nutzbaren Photonen besprochen. Monochromatoren sind demnach kritische Komponenten in der Optik von PES-Vorrichtungen.Devices for generating monochromatic radiation of a radiation source with line spectrum for photoelectron spectroscopy, are known from the prior art. In the essay 1 and the essay 3 of F. Reinert and S. Hüfner (Photoemission spectroscopy-from early days to recent applications, New Journal of Physics, Vol. 7, 2005, 97, p. 1-34) the possibilities of monochromatization and effects on the efficiency of the usable photons available from a gas discharge lamp are discussed. Monochromators are therefore critical components in the optics of PES devices.

Die Effizienz ist dabei definiert als das Verhältnis der von einer Quelle ausgestrahlten Photonen zu denen, die auf eine Probe zur Anregung von Elektronen fallenden Photonen nutzbar sind, und ist ein Gütefaktor einer PES-Vorrichtung.The efficiency is defined as the ratio of the photons emitted by a source to those usable on a sample for the photon falling of photons, and is a quality factor of a PES device.

Eine lichtstarke Kondensor-Monochromator-Anordnung wird in der DE 197 00 615 A1 beschrieben, die für eine quasimonochromatische Objektbeleuchtung und inkohärente Bildaufzeichnung sorgt, die sich für kollimierte Strahlen aus Undulatoren an Elektronenspeicherringen eignet. Die Kondensor-Monochromator-Anordnung enthält als beugendes optisches Element eine off-axis-Zonenplatte in Transmission oder in Reflexion. Eine Monochromatorlochblende (ringförmige Beleuchtungspupille) befindet sich in der Objektebene. Die Beleuchtungsapertur der Kondensor-Monochromator-Anordnung kann mit einfachen Planspiegeln variabel eingestellt werden. Die Anordnung besitzt somit nur ein einziges beugendes optisches Element und ist auch bei einem engen Strahlenbündel mit wenigen Millimetern Durchmesser nutzbar.A high-intensity condenser monochromator arrangement is used in the DE 197 00 615 A1 which provides quasi-monochromatic object illumination and incoherent imaging suitable for collimated beams from undulator on electron storage rings. The condenser-monochromator arrangement contains as diffractive optical element an off-axis zone plate in transmission or in reflection. A Monochromatorlochblende (annular illumination pupil) is located in the object plane. The illumination aperture of the condenser-monochromator arrangement can be variably adjusted with simple plane mirrors. The arrangement thus has only a single diffractive optical element and can be used even with a narrow beam of a few millimeters in diameter.

In dem Aufsatz 4 von A. Erko et al. (High-resolution diffraction X-ray optics, Optics and Precision Engineering, Vol. 15(12), 2007, S. 1816-1822) ist unter anderem eine Vorrichtung offenbart, welche eine Verwendung einer Off-Axis-Reflexionszonenplatte zur Generierung monochromatischer Röntgenstrahlung aus Undulatoren bzw. zur Erzeugung eines Linienspektrums einer Röntgenquelle offenbart. Die Offenbarung einer analogen Vorrichtung ist auch in der DE 10 2007 048 743 A1 gegeben.In the article 4 of A. Erko et al. (High-resolution diffraction X-ray optics, Optics and Precision Engineering, Vol. 15 (12), 2007, p. 1816-1822) Among other things, a device is disclosed which discloses a use of an off-axis reflection zone plate for generating monochromatic X-ray radiation from undulators or for generating a line spectrum of an X-ray source. The disclosure of an analog device is also in the DE 10 2007 048 743 A1 given.

Eine Auslegung eines Monochromators für die simultane Bereitstellung mehrerer Wellenlängen bzw. Linien unter Verwendung von off-Axis-Reflexionszonenplatten findet sich in der DE 10 2013 207 160 A1 .A design of a monochromator for the simultaneous provision of multiple wavelengths or lines using off-axis reflection zone plates can be found in US Pat DE 10 2013 207 160 A1 ,

In der DE 195 42 679 A1 , die den nächsten Stand der Technik bildet, ist eine Reflexionszonenplatte als Spektrograph für die Strahlung einer VUV-Quelle in einer UPS-Vorrichtung vorgeschlagen. Die Reflexionszonenplatte wird hier eingesetzt um die Strahlungsquelle spektral und räumlich aufzulösen, d.h. eine gleichzeitige scharfe Abbildung von mehreren Wellenlängen zu erzeugen, was für die Effizienz und spektrale Reinheit ungünstig ist.In the DE 195 42 679 A1 In the closest prior art, a reflection zone plate is proposed as a spectrograph for the radiation of a VUV source in a UPS device. The reflection zone plate is used here around the Spectrally and spatially dissolve radiation source, ie to produce a simultaneous sharp imaging of multiple wavelengths, which is unfavorable for the efficiency and spectral purity.

Aufgabenstellungtask

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen die spektrale Verbreiterung von Emissionslinien von Strahlungsquellen mit Linienspektrum bis auf Werte separierter Linien monochromatisierbar ist und zugleich eine Verbesserung der Effizienz gegenüber dem Stand der Technik erzielt wird. Zudem soll die vorliegende Erfindung eine kostengünstigere Alternative der Monochromatisierung von Strahlungsquellen mit Linienspektrum, insbesondere Gasentladungslampen ermöglichen, als aus dem Stand der Technik bekannt.The object of the present invention is to specify an apparatus and a method with which the spectral broadening of emission lines from radiation sources with line spectrum can be monochromatized down to values of separated lines and at the same time an improvement in the efficiency compared with the prior art is achieved. In addition, the present invention is to provide a cheaper alternative monochromatization of radiation sources with line spectrum, in particular gas discharge lamps, as known from the prior art.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und das Verfahren des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is solved by the subject matter of claim 1 and the method of claim 6. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Bei der Strahlungsquelle mit Linienspektrum kann es sich um jedwede, aus dem Stand der Technik bekannte Strahlungsquelle handeln, die so eingerichtet ist, dass sie ein Linienspektrum erzeugt. Mögliche Strahlungsquellen der geforderten Art sind zum Beispiel Gasentladungslampen, wie es auch einem Ausführungsbeispiel entspricht. Als Gasentladungslampe kann insbesondere eine Kaltkathoden - Niederdruck (1×10-2 mbar- 1×10-1 mbar) - Kapillar - Helium-Gasentladungslampe (eng. Cold cathode capillary discharge) eingesetzt werden. Des Weiteren sind z.B. auf Elektron-Zyklotron-Resonanz-Heizung beruhende Plasmastrahlungsquellen oder aber Duoplasmatron-Plasmastrahlungsquellen einsetzbar. Alle Strahlungsquellen können z.B. mit Edelgasen aber auch anderen Gasen betrieben werden, wodurch Spektrallinien in unterschiedlichen Energiebereichen bzw. unterschiedlicher Energie erzeugbar sind.The line-source radiation source may be any radiation source known in the art that is arranged to produce a line spectrum. Possible radiation sources of the required type are, for example, gas discharge lamps, as also corresponds to an exemplary embodiment. In particular, a cold cathode low-pressure (1 × 10 -2 mbar-1 × 10 -1 mbar) capillary-helium gas discharge lamp (cold cathode capillary discharge) can be used as the gas discharge lamp. Furthermore, for example, based on electron cyclotron resonance heating plasma radiation sources or Duoplasmatron plasma radiation sources can be used. All radiation sources can be operated, for example, with noble gases but also other gases, whereby spectral lines in different energy ranges or different energy can be generated.

Die Strahlungsquelle mit Linienspektrum ist dabei mit allen zur Betreibung notwendigen Vorrichtungen wie Pumpen und Gaszuführungen ausgestattet.The radiation source with line spectrum is equipped with all necessary equipment for operation such as pumps and gas supplies.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum weist darüber hinaus mindestens eine erste off-axis-Reflexionszonenplatte auf. Die mindestens eine off-axis-Reflexionszonenplatte ist dabei dazu eingerichtet, eine vorbestimmte Linie aus dem Spektrum der Strahlungsquelle durch Beugung an derselben heraus zu separieren. Die Kenngröße der off-axis Reflexionszonenplatte ist dabei insbesondere ihre Liniendichte. Die Separierung von Linien ist hier Synonym zu verstehen für die Monochromatisierung (Eingrenzung der spektralen Breite um eine gegebenen Energie, z.B. die einer Linie eines Linienspektrums) von Strahlung. Die off-axis Reflexionszonenplatten werden demnach als Monochromatoren verwendet, die monochromatische Strahlung (separierte Linien) zur weiteren Verwendung in einem Strahlengang bereitstellen (aussenden).The device according to the invention for generating monochromatic radiation of a radiation source having a line spectrum additionally has at least one first off-axis reflection zone plate. The at least one off-axis reflection zone plate is configured to separate a predetermined line from the spectrum of the radiation source by diffraction at the same. The characteristic of the off-axis reflection zone plate is in particular its line density. The separation of lines is to be understood here as synonymous for monochromatization (limitation of the spectral width around a given energy, for example that of a line of a line spectrum) of radiation. The off-axis reflection zone plates are therefore used as monochromators, which provide (send out) monochromatic radiation (separated lines) for further use in one beam path.

Eine off-axis-Reflexionszonenplatte bedeutet hier, dass insbesondere die Beugung ± 1. Ordnung zur Anwendung kommt. Die Nutzung der Beugung ± 2. Ordnung oder höherer ist denkbar, aufgrund der geringen Intensitäten aber nicht von technischer Bedeutung. Die Beugung ± 1. Ordnung wird aufgrund ihrer Energieabhängigkeit und Intensität genutzt. Der Beugungsstrahl 0. Ordnung wird von einer ersten Blende unterdrückt. Der bestrahlte Teil der Reflexionszonenplatte wird aus dem Schwerpunkt der Strahlschnittpunkte der Beugung 0. Ordnung verschoben, so dass Teile der Zonenplattenstruktur, die in höherer Ordnung beugen, bestrahlt werden (,off axis setting‛ oder „fresnel center offset“) oder nur entsprechende Teile als Zonenplatte angelegt sind.An off-axis reflection zone plate here means that, in particular, ± 1st-order diffraction is used. The use of the diffraction ± 2nd order or higher is conceivable, due to the low intensities but not of technical importance. The ± 1st order diffraction is used because of its energy dependence and intensity. The diffraction beam 0th order is suppressed by a first aperture. The irradiated portion of the reflection zone plate is displaced from the center of gravity of the 0th order diffraction beam intersections so that portions of the zone plate structure which bow in higher order are irradiated (off axis setting or fresnel center offset) or only corresponding parts as Zone plate are created.

Der Austrittswinkel der 1. Ordnung der off-axis-Reflexionszonenplatten hängt dabei vom Einfallswinkel gemäß β = arccos(cos(α) - λ/d), mit α = streifender Einfallswinkel, λ = Wellenlänge der Strahlung und d = lokale Periode ab. Der Energieunterschied zwischen den zu trennenden spektralen Linien muss groß genug sein, um genügend große Abstände zwischen den Austrittswinkeln zu erreichen, damit nur die gewünschte Linie die Blende passiert und die Probe erreicht.The exit angle of the first order of the off-axis reflection zone plates depends on the angle of incidence according to β = arccos (cos (α) - λ / d), with α = grazing angle of incidence, λ = wavelength of the radiation and d = local period. The energy difference between the spectral lines to be separated must be large enough to achieve sufficiently large distances between the exit angles so that only the desired line passes through the aperture and reaches the sample.

Off-axis-Reflexionszonenplatten der erfindungsgemäßen Art können auf dem Fachmann bekannte Art mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt werden.Off-axis reflection zone plates of the type according to the invention can be produced in a manner known to those skilled in the art by means of electron beam lithography.

Die Anordnung der off-axis-Reflexionszonenplatte erfolgt nach dem Gesichtspunkt der Transmissionsmaximierung eines Monochromators. Flache Einfallswinkel sind dabei bevorzugt. Insbesondere ein streifender Einfall mit Einfallswinkeln (zur Ebene der Zonenplatte) kleiner 15° ist hierbei vorteilhaft. Die Transmissionsmaximierung (der reflektierten Strahlung) ist neben den Einfallswinkeln mindestens mitbestimmt durch die Kenngrößen der Entfernung von der Quelle (Gasentladungslampe) und der Güte eines bereitgestellten Vakuums. Eine Maximierung (Optimierung) nimmt der Fachmann fallweise vor. Für eine optimale Ausrichtung der off-axis-Reflexionszonenplatten ist in einer Ausführungsform vorgesehen, auf dem gleichen Substrat, auf dem die off-axis-Reflexionszonenplatte angelegt ist, eine Zonenplatte anzulegen, die im sichtbaren Bereich des Spektrums reflektiert. Dadurch vereinfachet und verkürzt sich die Justierung der off-axis-Reflexionszonenplatte, die damit z.B. mit Lasern durchführbar ist.The arrangement of the off-axis reflection zone plate is based on the viewpoint of the transmission maximization of a monochromator. Flat angles of incidence are preferred. In particular, a grazing incidence with angles of incidence (to the plane of the zone plate) smaller than 15 ° is advantageous here. The transmission maximization (of the reflected radiation) is, in addition to the angles of incidence, at least determined by the parameters of the distance from the source (gas discharge lamp) and the quality of a provided vacuum. A maximization (optimization) takes the expert from case to case. For an optimal alignment of the off-axis reflection zone plates, it is provided in one embodiment, on the same substrate on which the off-axis reflection zone plate is applied, to apply a zone plate which reflects in the visible region of the spectrum. This simplifies and shortens the adjustment of the off-axis reflection zone plate, which is thus e.g. with lasers is feasible.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum weist zusätzlich mindestens zwei off-axis-Reflexionszonenplatten zur Separierung von Linien aus einem Linienspektrum einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum, bereitgestellt z.B. für die He_I_alpha und He_II_alpha – Linien, die wahlweise anordenbar sind, auf. Hierfür kann z.B. ein Wechsler für die Platten vorgesehen sein. Ein Wechsel findet statt, indem die Zonenplatten parallel verschoben werden. Insbesondere sind mehrere Zonenplatten für die Separierung unterschiedlicher Wellenlängen dabei auf einem Substrat angelegt, was die Handhabung eines Wechsels von Linie zu Linie erleichtert. The device according to the invention for generating monochromatic radiation of a radiation source with a line spectrum additionally has at least two off-axis reflection zone plates for the separation of lines from a line spectrum of a radiation source with line spectrum, provided, for example, for the He_I_alpha and He_II_alpha lines, which can optionally be arranged. For this example, a changer for the plates may be provided. A change takes place by moving the zone plates in parallel. In particular, several zone plates for the separation of different wavelengths are applied to a substrate, which facilitates the handling of a change from line to line.

Zusätzlich weist die Vorrichtung eine erste Blende auf, die im Strahlengang nach der off-axis-Reflexionszonenplatte angeordnet ist. Die erste Blende ist in der Bildebene der Reflexionszonenplatte angeordnet und in vorteilhafter Weise als Schlitzblende gestaltet. Ihre Lage in der Bildebene der Reflexionszonenplatte ist von der Energie der zu separierenden Linie abhängig und daher entsprechend anzupassen. Die Größe der Blende ist vorteilhaft so zu wählen, dass sie an die Dispersions- und Abbildungseigenschaft der Reflexionszonenplatte angepasst ist und mindestens das Ortsbild der vorbestimmten Spektrallinie (reflektiert von der Reflexionszonenplatte) durchlässt und dabei störende benachbarte Spektrallinien abschneidet. Typische Blendengrößen liegen im Bereich von 0.5 mm bis 2 mm. Die untere Grenze der Blendengröße ist durch das laterale Auflösungsvermögen der Reflexionszonenplatte bestimmt. Blenden, die kleiner sind als dieses, bewirken keinen Vorteil für die Monochromatisierung und beeinträchtigen die Effizienz. Die erste Blende verhindert somit, dass ein Teil der Intensität der unerwünschten Linien, die durch die Dispersion der Reflexionszonenplatte vom Abbildungsort weggebeugt werden, für den Probenort doch noch erreichbar ist. Die Größe der ersten Blende ist folglich individuell an die gegebene Anordnung anzupassen. Der Fachmann kann die benötigte Ausführung leicht mit gängigen Methoden (Erfassung des Ortsbildes/Abbildung) ermitteln.In addition, the device has a first diaphragm which is arranged in the beam path downstream of the off-axis reflection zone plate. The first diaphragm is arranged in the image plane of the reflection zone plate and designed in an advantageous manner as a slit diaphragm. Their position in the image plane of the reflection zone plate is dependent on the energy of the line to be separated and therefore adapted accordingly. The size of the aperture is advantageously to be chosen so that it is adapted to the dispersion and imaging property of the reflection zone plate and at least the spatial image of the predetermined spectral line (reflected from the reflection zone plate) passes and thereby cuts off interfering adjacent spectral lines. Typical aperture sizes are in the range of 0.5 mm to 2 mm. The lower limit of the aperture size is determined by the lateral resolution of the reflection zone plate. Apertures smaller than this will not benefit monochromatization and affect efficiency. The first diaphragm thus prevents some of the intensity of the undesired lines, which are deflected by the dispersion of the reflection zone plate from the imaging location, still being reachable for the sample location. The size of the first panel is therefore individually adapted to the given arrangement. The person skilled in the art can easily determine the required design using common methods (acquisition of the location image / image).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum ist entsprechend einer Ausführungsform mit einer zweiten Blende ausgestattet, die den Quellort der Lampe definiert und auf einen scharf umrissenen Bereich einschränkt. Diese Blende ist in unmittelbarer Nähe zu einem Austrittsort von Strahlung der Gasentladungslampe angeordnet. Die so definierte Quelle verbessert, hinsichtlich der spektralen Breite, die Separierung einzelner Linien durch eine Minimierung der negativen Einflüsse der Dispersion der Reflexionszonenplatte.The inventive device for generating monochromatic radiation of a radiation source with line spectrum is equipped according to one embodiment with a second aperture, which defines the source of the lamp and limits to a sharply outlined area. This diaphragm is arranged in the immediate vicinity of an exit location of radiation of the gas discharge lamp. The source thus defined improves, with respect to the spectral width, the separation of individual lines by minimizing the negative influences of the dispersion of the reflection zone plate.

Die Energieauflösung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist durch die Quellgröße, Spaltbreite und Dispersion der off-axis-Reflexionszonenplatte (Winkel β) begrenzt. Sie beträgt hier 1,17 eV (FWHM) für He_I Linien (21,219 eV), bei einer Liniendichte von 812,7 Linien per Millimeter auf der Reflexionszonenplatte. Die Transmission der off-axis-Reflexionszonenplatte beträgt 20 % bei 21,219 eV.The energy resolution of the device according to the invention is limited by the swelling size, gap width and dispersion of the off-axis reflection zone plate (angle β). Here it is 1.17 eV (FWHM) for He_I lines (21.219 eV), with a line density of 812.7 lines per millimeter on the reflection zone plate. The transmission of the off-axis reflection zone plate is 20% at 21.219 eV.

In einer weiteren Ausführungsform ist hinter der ersten Blende im Strahlengang ein Refokussierspiegel so angeordnet, dass er die erste Blende verkleinert auf eine Probe abbildet. Damit wird die Strahldichte in einem Brennfleck auf der Probe erhöht. Eine vorteilhafte Ausführung des Refokussierspiegels ist ein Ellipsoidspiegel.In a further embodiment, a refocusing mirror is arranged behind the first diaphragm in the beam path such that it images the first diaphragm in a reduced manner onto a sample. This increases the radiance in a focal spot on the sample. An advantageous embodiment of the Refokussierspiegels is an ellipsoidal mirror.

Alle optischen Elemente der Vorrichtung befinden sich in einem evakuierbaren Gehäuse.All optical elements of the device are located in an evacuable housing.

Ein Verfahren zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum weist mindestens die folgenden Schritte auf. Zunächst das Aussenden von Strahlung aus einer Quelle mit einem Linienspektrum, wie z.B. einer Gasentladungslampe. Darauf folgend die Separierung einer vorbestimmten Linie des Linienspektrums aus der Strahlung mit einer off-axis-Reflexionszonenplatte, durch Reflexion an derselben. Anschließend die Begrenzung der Ausdehnung der, von der off-axis-Reflexionszonenplatte reflektierten Strahlung (die vorbestimmte separierte Linie) am Ort eines Ortsbildes der vorbestimmten Spektrallinie.A method of generating monochromatic radiation of a line-source radiation source comprises at least the following steps. First, the emission of radiation from a source having a line spectrum, such as, e.g. a gas discharge lamp. Subsequently, the separation of a predetermined line of the line spectrum from the radiation with an off-axis reflection zone plate, by reflection at the same. Subsequently, limiting the extension of the radiation reflected from the off-axis reflection zone plate (the predetermined separated line) at the location of a location image of the predetermined spectral line.

In dem Verfahren zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum kann weiterhin die Strahlung der Quelle räumlich begrenzt werden, so dass ein Quellort entsteht. Dieser Schritt folgt auf den Schritt des Aussendens der Strahlung.In the method for generating monochromatic radiation of a radiation source with a line spectrum, the radiation of the source can furthermore be spatially limited so that a source location is formed. This step follows the step of emitting the radiation.

Dies bedeutet eine Erhöhung der Effizienz, d.h. der gesamt transmittierten Strahlung, die z.B. zur Bestrahlung einer Probe zur Durchführung von PES genutzt wird.This means an increase in efficiency, i. the total transmitted radiation, e.g. used to irradiate a sample to perform PES.

Zur Durchführung des Verfahrens wird in vorteilhafter Weise die erfindungsgemäße Vorrichtung und deren entsprechende Ausführungsformen genutzt.To carry out the method, the device according to the invention and its corresponding embodiments are used in an advantageous manner.

Ein durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bereitgestellter Strahl wird bevorzugt genutzt, um an einer Probe Spektren der Photoelektron-Emissionsspektroskopie (PES) zu messen.A beam provided by the device according to the invention is preferably used to measure spectra of photoelectron emission spectroscopy (PES) on a sample.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung monochromatisiert die Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum, derart das einzelne Linien separiert werden bei gleichzeitiger optimierter Effizienz. Die optischen Komponenten der Vorrichtung sind dabei kostengünstig.The device according to the invention monochromatizes the radiation of a radiation source with line spectrum, so that individual lines are separated while optimizing efficiency. The optical components of the device are inexpensive.

Ausführungsbeispieleembodiments

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel und anhand von einer Figur näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail in an embodiment and with reference to a figure.

Die 1 zeigt eine Strahlungsquelle mit Linienspektrum 1 mit erster 4 und zweiter Blende 2, off-axis-Reflexionszonenplatten angelegt auf einem Substrat 3 und Refokussierspiegel 5. Ein Strahlengang 6 ist mit abgebildet. Die Abbildung ist nicht maßstäblich.The 1 shows a radiation source with line spectrum 1 with first 4 and second aperture 2 Off-axis reflection zone plates applied to a substrate 3 and refocusing mirror 5 , A ray path 6 is shown with. The picture is not to scale.

In dem Ausführungsbeispiel ist die Strahlungsquelle mit Linienspektrum eine Kaltkathoden - Niederdruck - Kapillar - Helium-Gasentladungslampe. Zur Druckverbesserung der Vakuumapparatur und zur Reduzierung des Gasverbrauchs ist am Ende des Brennraums eine Glaskapillare eingesetzt. Die Glaskapillare wirkt auch gleichzeitig als zweite Blende. Die Glaskapillare (∅ 1,7 mm) ist nach 5 cm unterbrochen, um ein besseres Pumpen zu ermöglichen, hier herrscht ein Druck von ca. 0,1 mbar. Die Strahlen treffen mit einer Divergenz von ±1 ° nach 150 mm auf die off-axis-Reflexionszonenplatte mit einem Einfallswinkel von 11,5°. Die gewünschte Spektrallinie wird dort gebeugt und unter einem Winkel von 21,18° auf die erste Blende (am Ort des Ortsbildes) abgebildet. Dafür hat die Reflexionszonenplatte eine quadratische Grundfläche von 40 mm Länge und etwa 10 mm Breite, einen „fresnel center offset“ von 45 mm in Strahlrichtung und eine mittlere Liniendichte von 812,7 Linien per Millimeter. Sie ist für He_I_alpha Strahlung mit einer Energie von 21,219 eV so ausgelegt, dass unter einem streifenden Einfallswinkel von 11,5° die erste Beugungsordnung einer 150 mm entfernten Quelle auf eine 150 mm entfernte Bildebene mit einem streifenden Ausfallswinkel von 21,18° abgebildet wird. Der Abbildungsfaktor beträgt 1:1 sagittal und 1:2 meridional. Die Energieauflösung beträgt 1.17 eV (FWHM) für He_I Linien. Das Bild der runden Kapillare ist ellipsenförmig. Folglich ist der Austrittsschlitz rechteckig ausgeformt. Der darauffolgende Ellipsoidspiegel verkleinert den Austrittsschlitz um den Faktor Fünf auf die Probe. Mit den gegebenen Blenden, bzw. der Glaskapillare, und der off-axis-Reflexionszonenplatte werden Strahlgrößen am Probenort (Brennflecke) kleiner 300 µm erreicht.In the exemplary embodiment, the line spectrum radiation source is a cold cathode low pressure capillary helium gas discharge lamp. To improve the pressure of the vacuum apparatus and to reduce the gas consumption, a glass capillary is used at the end of the combustion chamber. The glass capillary also acts as a second aperture at the same time. The glass capillary (∅ 1.7 mm) is interrupted after 5 cm to allow a better pumping, here there is a pressure of about 0.1 mbar. The rays strike the off-axis reflection zone plate with an angle of incidence of 11.5 ° with a divergence of ± 1 ° after 150 mm. The desired spectral line is diffracted there and imaged at an angle of 21.18 ° on the first diaphragm (at the location of the townscape). For this purpose, the reflection zone plate has a square base area of 40 mm in length and about 10 mm in width, a fresnel center offset of 45 mm in the beam direction and a mean line density of 812.7 lines per millimeter. It is designed for He_I_alpha radiation with an energy of 21.219 eV so that under a grazing angle of incidence of 11.5 °, the first diffraction order of a 150 mm distant source to a 150 mm distant image plane is mapped with a grazing angle of 21.18 °. The imaging factor is 1: 1 sagittal and 1: 2 meridional. The energy resolution is 1.17 eV (FWHM) for He_I lines. The image of the round capillary is elliptical. Consequently, the exit slot is rectangular shaped. The following ellipsoidal mirror reduces the exit slot by a factor of five to the sample. With the given diaphragms, or the glass capillary, and the off-axis reflection zone plate, beam sizes at the sample location (focal spots) smaller than 300 μm are achieved.

Claims (5)

Vorrichtung zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum, mindestens aufweisend eine Strahlungsquelle (1), die ein Linienspektrum erzeugt, und eine erste off-axis-Reflexionszonenplatte (3), dadurch gekennzeichnet, dass die erste off-axis-Reflexionszonenplatte (3) eingerichtet ist zur Separierung einer vorbestimmten Spektrallinie des Linienspektrums der Strahlungsquelle, und eine erste Blende (4) in einem Strahlengang nach der off-axis-Reflexionszonenplatte (3) am Ort eines Ortbildes der vorbestimmten Spektrallinie angeordnet ist und wobei mehrere off-axis-Reflexionszonenplatten (3) auf einem Substrat angelegt sind, wobei die Reflexionszonenplatten (3) durch lineare Verschiebung wechselbar sind.A device for generating monochromatic radiation of a radiation source having a line spectrum, comprising at least one radiation source (1) which generates a line spectrum, and a first off-axis reflection zone plate (3), characterized in that the first off-axis reflection zone plate (3) is established is for separating a predetermined spectral line of the line spectrum of the radiation source, and a first aperture (4) in a beam path after the off-axis reflection zone plate (3) at the location of a location image of the predetermined spectral line is arranged and wherein a plurality of off-axis reflection zone plates (3 ) are applied to a substrate, wherein the reflection zone plates (3) are exchangeable by linear displacement. Vorrichtung zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) eine Gasentladungslampe ist.Device for generating monochromatic radiation of a radiation source with line spectrum according to Claim 1 , characterized in that the radiation source (1) is a gas discharge lamp. Vorrichtung zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quellort der Strahlungsquelle mit Linienspektrum (1) durch eine zweite Blende (2) definiert ist.Device for generating monochromatic radiation of a radiation source with line spectrum, according to Claim 1 or 2 , characterized in that a source location of the radiation source with line spectrum (1) is defined by a second aperture (2). Vorrichtung zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Refokussierspiegel (5) so angeordnet ist, dass er die erste Blende (4) verkleinert auf eine Probe (7) abbildet.Device for generating monochromatic radiation of a radiation source with line spectrum, according to one of the preceding claims, characterized in that a refocussing mirror (5) is arranged such that it images the first aperture (4) reduced to a sample (7). Vorrichtung zur Generierung monochromatischer Strahlung einer Strahlungsquelle mit Linienspektrum, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der off-axis-Reflexionszonenplatten (3) für Strahlung im optischen Bereich ausgelegt ist.Device for generating monochromatic radiation of a radiation source with line spectrum, according to one of the preceding claims, characterized in that one of the off-axis reflection zone plates (3) is designed for radiation in the optical range.
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