Einer Forschergruppe des Departements für Physik der Universität Freiburg ist es erstmals gelungen resonante Raman-Streuung von Röntgenstrahlung mit hoher Auflösung an Silizium zu vermessen. Die Ergebnisse dieser Studie dürften einen wichtigen Beitrag dazu leisten, die Detektionsschwelle für Aluminiumunreinheiten zu senken, wie die Freiburger Forscher in der renommierten Zeitschrift «Physical Review Letters» berichten.

Silizium spielt eine herausragende Rolle in unserem täglichen Leben speziell in der Elektronik und in der Informatik. Die rasend schnelle Entwicklung der Halbleitertechnologie verlangt nach immer reineren Siliziumkristallen. Neben der Optimierung der Herstellungsprozesse ist es von grosser Bedeutung Methoden zu entwickeln, welche die Reinheit der Kristalle mit der nötigen Genauigkeit bestimmen können. Die aktuell beste Methode ist die sogenannte TXRF (Total reflection X-Ray Fluorescence) welche auf dem Vergleich der emittierten Röntgenfluoreszenstrahlung des Silizums mit denen der Unreinheiten basiert. Bei dieser Methode wird die Probe einem monoenergetischen Röntgenstrahl unter streifendem Einfall ausgesetzt. Die Energie der einfallenden Photonen des Röntgenstrahls muss dabei nahe an der 1s Absorptionskante des Siliziums liegen, d.h. die Energie muss vergleichbar sein mit der  Bindungsenergie der Elektronen nahe am Atomkern.  Die Sensitivität der Methode wird allerdings durch einen Nebeneffekt limitiert welcher auf der inelastischen Streuung der einfallenden Photonen am Silizium beruht.  Die daraus resultierende „parasitäre" Streuintensität spielt nur dann eine Rolle wenn die Energie der Photonen nahe an der 1s Aborpstionkante liegt, was hier gerade der Fall ist. Diese sogenannte resonante Raman Röntgen-Streuung XRRS (X-ray resonant Raman scattering ) konnte allerdings mit den bestehenden Messinstrumenten bisher noch nie spektral aufgelöst werden.

Mit dem Ziel einer erstmaligen quantitativen Vermessung dieses wichtigen Effektes hat die Forschergruppe von Prof. Jean-Claude Dousse, in Zusammenarbeit mit Physikern des ESRFs (European Synchroton Radiation Facility, Grenoble) und der Universität Kielce (Polen), eine völlig neue Messappartur entwickelt. Mit dem neuen Instrument ist es den Forschern nun gelungen, das XRRS-Spektrum in Abhängigkeit von Energie der einfallenden Röntgenstrahlung aufzulösen. Diese verbesserte Kenntnis des XXRS-Spektrum sollte es in Zukunft ermöglichen die Detektionsschwelle von Unreinheiten in Silizium, speziell für leichte leichte Elemente, weiter deutlich abzusenken.  In ihrem Experiment haben die Forscher am ERSF Synchrotron in Grenoble eine Siliziumprobe monoenergetischer Röngenstrahlugn ausgesetzt und die darauf hin emittierte Fluoreszenzstrahlung vermessen. Die notwendige extrem hohe spektrale Auflösung konnte mit Hilfe eines im Physik Departement der Universität Freiburg entwicklten fokusierenden Kristallspektrometer erreicht werden.

Link : « Physical Review Letters » : http://link.aps.org/abstract/PRL/v97/e073001

«Physical Review A» : http://link.aps.org/abstract/PRA/v75/e022512

Kontakt : Jean-Claude Dousse, Département de physique, tél. +41 26 300 90 73, e-mail : jean-claude.dousse@unifr.ch

Bild 1 : Aufnahme des Kristallspektrometers von Hamos während des ESRF Experiments.

Bild 2 : Gruppe von Prof. J.-Cl. Dousse. Im Vordergrund das fokusierende Kristallspektrometer von Hamos eingesetzt für das ESRF Experiment.
Von links nach rechts: Prof. J.-Cl. Dousse, Dr. J. Hoszowska (Doktor-Assistentin), M. Berset (Elektronikingenieur), Y.-P. Maillard (Doktorand), K. Fennane (Doktorandin), W. Cao (Doktorand), M. Szlachetko (Doktorandin), J. Szlachetko (Doktorand) und Y. Kayser (Master Student).