Synchrotronstrahlungsinduzierte TXRF-Anwendungen

Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse (TXRF) is eine spezielle Methode der energiedispersiven Röntgenfluoreszenzanalyse, die die analytische Leistungsfähigkeit mit Röntgenröhren in den Ultraspurenbereich ( 10-12g) ausdehnt. Unter Verwendung von Synchrotronstrahlung als anregende Strahlenquelle mit ihren inhärenten Eigenschaften,wie hoher Intensität, weitem Spektralbereich und natürlicher Kollimation kann die Nachweisempfindlichkeit auf 10-15 g ( fg) erhöht werden. Verwendet man einen hochauflösenden Kristallmonochromator anstelle von Multilayer Monochromatoren kann Absorptionsspektroskopie ( XANES, EXAFS) durchgeführt werden, was Speciation und Bestimmung der chemischen Umgebung eines Elements ermöglicht. Ziel des Projekts ist es, die Leistungsfähigkeit der neu entwickelten Spurenelementanalytischen Technik SR-TXRF zu zeigen und seine Anwendbarkeit auf verschiedene analytische Probleme. Am HASYLAB, DESY, Hamburg, Beamline L wurde vom ATI team eine SR-TXRF Vakuummeßkammer installiert, die für Spurenelementanalyse, XANES, Tiefenprofilbestimmung und Waferoberflächenanalyse verwendet werden kann ( Zusammenarbeit mit Dr. Falkenberg vom HASYLAB). Ein Strahlzeitantrag für 3 Jahre wurde gestellt und von dem Peer Review System genehmigt, sodaß nun Strahlzeit für 3 jahre im Ausmaß von 2 Wochen pro Jahr zugsichert wurde. 6 Punkte sollen untersucht werden: Optimierung der Geometrie für Absorptionsspektroskopie in TXRF Geometrie (coop.Dr.Pepponi) Analyse von impaktorgesammelten Aerosolen und XANES zur Bestimmung des Oxydationszustandes (coop. Prof. Broekaert) Bestimmung des Oxydationszustandes von As in Pflanzenflüssigkeit ( coop. Prof. Zaray) Tiefenprofilbestimmung und Bestimmung der absoluten Implantationsdosis von Implantaten in Si wafern ( Ultra shallow junctions) ( coop. Dr. Pepponi) XANES an Wafer oberflächen zur Bestimmung des Oxydationszustandes von Verunreinigungen, wie Fe ( coop. Mrs. Zaitz) Die Anwendung der SR-TXRF auf verschiedene Probleme gibt die Möglichkeit, die Methode zu charakterisieren und zu validitieren für Anwendungen, wie Tiefenprofilbestimmung, Absorptionsspektroskopie und Kombination mit Spurenelementanalytik, um die Leistungsfähigkeit der Methode für verschiedene Anwender aus Forschung und Industrie zu zeigen.

Synchrotronstrahlungsinduzierte Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse (engl. "SR-TXRF") ist eine mikroanalytische Methode, deren Nachweisgrenze für die meisten Elemente im Bereich von fg ( 10-15 g) liegt und sich dadurch auszeichnet, daß die Probe nur in geringsten Mengen (ng) vorliegen muß. Die Verwendung einer Synchrotronstrahlungsquelle erlaubt die Kombination mit Absorptionsspektroskopie, im Speziellen eine Analyse der kantennahen Feinstruktur des Absorptionskoeffizienten (XANES) und dadurch eine Bestimmung des chemischen Zustandes eines spezifischen Elements. Im Rahmen des Projekts wurde diese kombinierte Methode auf verschiedenste analytische Fragestellungen angewandt. Es wurde die Charakterisierung von Eisenkontaminationen auf Silizium-Wafer Oberflächen durchgeführt. Die chemische Elementanalyse von Kontaminationen auf Silizium- Wafern ist äußerst wichtig für die Halbleiterindustrie um mögliche Quellen der Kontamination zu erkennen und zu beseitigen. Da eine solche Analyse mit Laborgeräten nicht möglich ist, war eine der Aufgaben des Projekts die Machbarkeit einer XANES Studie an einem Synchrotron für die äußerst geringen Konzentrationen auf dem Substrat zu zeigen. Um die Auswirkungen der Fein- und Ultrafeinstaubbelastung durch in der Luft gelöste Partikel (Aerosole) auf die menschliche Gesundheit, aber auch auf das globale Klima abschätzen zu können, ist die Kenntnis über Quellen und Transportmechanismen von Aerosolen wesentlich. Eine Aerosol-Analyse sollte daher unter Berücksichtigung der Partikelgröße nicht nur Informationen über die in den Partikeln enthaltenen Elemente, sondern in speziellen Fällen auch über den chemischen Zustand eines spezifischen Elements liefern. Durch die Kombination von TXRF und XANES konnte sowohl der Oxidationszustandes des Eisens als auch die Elementzusammensetzung in Aerosolen bestimmt werden, die, nach Partikelgrößen aufgelöst, in verhältnismäßig kurzen Zeiträumen gesammelten wurden (was geringe Probenmengen zur Folge hat). Weiters wurde der Oxidationszustand von Arsen im Xylem von Gurken (Cucumis sativus L.) bestimmt. Die Toxizität von Arsen hängt maßgeblich vom Oxidationszustand und der chemischen Verbindung ab - darüber hinaus ist bekannt, dass manche Pflanzen den Oxidationszustand des Arsens ändern können. Es wurden Gurkenpflanzen mit Nährlösungen, die entweder As(V) oder As(III) enthalten, gezogen. Obwohl die Arsen-Konzentrationen im Bereich von 30 ng/mL lagen, konnte eine Reduktion von As(V) zu As(III) nachgewiesen werden. Während der Messungen im Zuge dieser Arbeit, speziell bei der Analyse höher konzentrierter Proben (meistens Standards), wurden Dämpfungseffekte der Oszillationen in der Feinstruktur des Absorptionskoeffizienten beobachtet. Als Grund wurde ein Selbstabsorptionseffekt vermutet, bedingt durch die extrem kleinen Einfallswinkel der TXRF Geometrie. Dieser Effekt konnte durch Messungen und Simulationen erfolgreich nachgewiesen und genauer untersucht werden. Diese Ergebnisse wurden durch weitere Experimente bestätigt, welche die Anwendbarkeit der zur TXRF invertierten Messgeometrie (engl. GE, "Grazing Exit" Geometrie) untersuchten. Im Rahmen dieses Projekts konnten erfolgreich die Anwendbarkeit, die Vielseitigkeit, sowie die Stärken und Schwächen der Kombination von TXRF und XANES Analyse zur Untersuchung geringster Probenmengen gezeigt werden.