JP2922758B2

JP2922758B2 - Ｘ線分光器

Info

Publication number: JP2922758B2
Application number: JP23548593A
Authority: JP
Inventors: 智也新井
Original assignee: Rigaku Industrial Corp
Current assignee: Rigaku Corp
Priority date: 1993-08-27
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1999-07-26
Anticipated expiration: 2014-07-26
Also published as: JPH0763897A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明はＸ線を単色化するＸ線
分光器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Ｘ線分光器は、全反射蛍光Ｘ線などの蛍
光Ｘ線分析法や、回折Ｘ線分析法などに用いられる。全
反射蛍光Ｘ線分析装置は、試料表面に一次Ｘ線を微小な
入射角で照射して、試料の表面層からの蛍光Ｘ線を分析
するもので、試料の表面層に付着した不純物を検出する
装置として用いられている（たとえば、特開昭63-78056
号公報参照）。この種の装置の一例を図５に示す。

【０００３】図５において、Ｘ線管球５のＸ線源Ｓから
出たＸ線Ｂ１は、スリット５ａを介して、ヨハンソン型
の分光結晶（分光素子）１に向う。Ｘ線Ｂ１のうちの所
定の波長の特性Ｘ線は、分光結晶１で回折され、単色化
した回折Ｘ線（一次Ｘ線）Ｂ２が、試料２の表面２ａに
微小な入射角α (たとえば、0.05°〜0.20°程度) で照
射される。試料２に入射した回折Ｘ線Ｂ２は、その一部
が全反射されて反射Ｘ線Ｂ４となり、他の一部が一次Ｘ
線として試料２を励起して、試料２を構成する元素固有
の蛍光Ｘ線Ｂ５を発生させる。蛍光Ｘ線Ｂ５は、試料表
面２ａに対向して配置したＸ線検出器３に入射する。こ
の入射した蛍光Ｘ線Ｂ５は、Ｘ線検出器３において、そ
のＸ線強度が検出された後、Ｘ線検出器３からの検出信
号ａに基づき、多重波高分析器４によって目的とするＸ
線スペクトルが得られる。なお、分光結晶１の反射面の
中央部１ｂは、Ｘ線源Ｓおよび焦点Ｆを通るローランド
円Ｃに接している。

【０００４】この種の全反射蛍光Ｘ線分析装置は、回折
Ｘ線( 一次Ｘ線) Ｂ２の入射角αが微小であることか
ら、反射Ｘ線Ｂ４および散乱Ｘ線がＸ線検出器３に入射
しにくく、Ｘ線検出器３により検出される蛍光Ｘ線Ｂ５
の出力レベルに比べてノイズが小さいという利点があ
る。つまり、大きなS/N 比が得られ、そのため、分析感
度が良く、たとえば、微量の不純物でも検出できるとい
う利点がある。このようなことから、この分析方法は、
シリコンウェハの表面汚染の分析方法として有効であ
り、広く採用されている。

【０００５】また、この従来技術では、分光結晶１を用
いて一次Ｘ線Ｂ１を単色化しているから、散乱Ｘ線など
の強度が小さくなるので、分析精度がより一層向上す
る。一方、Ｘ線Ｂ１を単色化すると、回折Ｘ線Ｂ２の強
度が著しく低下することから、湾曲型の分光結晶１を用
いることで、回折Ｘ線Ｂ２を試料表面２ａに集光させ
て、励起Ｘ線（回折Ｘ線）Ｂ２の強度の回復を図ってい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記先行技術
では、湾曲型の分光結晶１を用いているので、周知のよ
うに、回折Ｘ線Ｂ２に収差が生じる。つまり、分光結晶
１の中央部１ｂで回折された回折Ｘ線Ｂ２が試料表面２
ａのＦ点に向かうとすると、分光結晶１の両端部１ａ，
１ｃで回折された回折Ｘ線Ｂ２は、試料表面２ａにおけ
るＦ点から若干ずれた位置に入射する。このように、収
差が生じると、周知のように、Ｓ／Ｎ比が低下して分解
能が低くなる。したがって、極微量の元素を精度良く分
析することができない。

【０００７】この発明は、上記従来の問題に鑑みてなさ
れたもので、強度の大きな回折Ｘ線が得られるととも
に、集光する回折Ｘ線の収差を小さくし得るＸ線分光器
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために、請求項１の発明は、互いに同一の波長の
Ｘ線をブラッグ反射する複数の分光素子を、Ｘ線源から
遠ざかる方向に複数配設するとともに、上記Ｘ線の光路
を含む平面において上記各分光素子ごとに、各分光素子
の位置または姿勢の少なくとも一方を調節して、各分光
素子からの回折Ｘ線を共通の焦点に集光させる調節機構
を設けている。

【０００９】この発明によれば、複数の分光素子をＸ線
源から遠ざかる方向に複数配設しているから、つまり、
分光素子を複数に分割したから、１つの分光素子の長さ
を短くすることができるので、回折Ｘ線の収差を小さく
し得る。ここで、分割された各分光素子の位置や姿勢
（取付角度）が十分な精度で、各分光素子が取り付けら
れていないと、各分光素子で回折された回折Ｘ線に収差
が生じる。一方、複数の各分光素子の位置や姿勢を精度
良く取り付けるのは容易ではない。これに対し、この発
明は、各分光素子ごとに、各分光素子の位置または姿勢
の少なくとも一方を調節する調節機構を設けているの
で、装置に取り付けた各分光素子の位置または姿勢を調
節することができるから、回折Ｘ線の収差を小さくする
ことができる。また、各分光素子からの回折Ｘ線を共通
の焦点に集光させるので、分析に必要な回折Ｘ線の強度
が得られる。

【００１０】請求項２の発明は、上記請求項１の構成に
加えて、上記各分光素子のうち一部の分光素子からの回
折Ｘ線のみが焦点に向かうのを許容するシャッタを、Ｘ
線の光路に設けている。

【００１１】複数の分光素子の位置や姿勢を精度良くし
ても、回折Ｘ線に僅かな収差が生じるのは避けられな
い。これに対し、この発明は、一部の分光素子からの回
折Ｘ線のみが焦点に向かうのを許容するシャッタを設け
ているので、必要に応じてシャッタを光路に挿入するこ
とによって、回折Ｘ線の収差をより一層小さくすること
ができる。

【００１２】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面にしたがって
説明する。図１〜図３は第１実施例を示す。Ｘ線分光器
１０は、たとえば３つの分光素子１Ａ，１Ｂ，１Ｃを備
えている。これらの分光素子１Ａ〜１Ｃは、Ｘ線源Ｓか
ら遠ざかる方向に配列されており、互いに同一の波長の
回折Ｘ線Ｂ２を、試料（シリコンウェハ）２の表面２ａ
上の焦点Ｆに向かってブラッグ反射する。各分光素子１
Ａ〜１Ｃは、たとえばゲルマニウムの平板結晶からな
り、１１１面を反射面（網平面）１１としている。これ
らの分光素子１Ａ〜１Ｃは、後述するように、その反射
点１ａ，１ｂ，１ｃがＸ線源Ｓおよび焦点Ｆを通るロー
ランド円Ｃ上に配設される。

【００１３】上記各分光素子１Ａ〜１Ｃは、それぞれ、
個別の調節機構２０を介して、分光器本体（図示せず）
に取り付けられている。上記各調節機構２０は、Ｘ線Ｂ
１および回折Ｘ線Ｂ２を含む平面において、分光素子１
Ａ〜１Ｃの位置および姿勢の双方を、各分光素子１Ａ〜
１Ｃごとに調節するものである。

【００１４】図２（ａ）に示すように、上記調節機構２
０は、分光器本体に固定された固定ベース２１を備えて
いる。この固定ベース２１には、スライドベース２２が
図２（ｂ）のローランド円Ｃの径方向Ｙに摺動自在に取
り付けられている。上記スライドベース２２には、旋回
プレート２３を介して、分光素子１Ａ（１Ｂ，１Ｃ）
が、分光素子１Ａ（１Ｂ，１Ｃ）の反射点１ａ（１ｂ，
１ｃ）を中心として旋回自在に取り付けられている。し
たがって、上記スライドベース２２をＹ方向に移動させ
るとともに、上記旋回プレート２３を矢印Ａ方向に回転
させることにより、分光素子１Ａ（１Ｂ，１Ｃ）の位置
および姿勢を調節することができる。なお、上記スライ
ドベース２２および旋回プレート２３の駆動は、たとえ
ば、パルスモータの回転力をギヤなどで減速することに
よりなされる。

【００１５】図１において、たとえばＸ線源Ｓから各分
光素子１Ａ〜１Ｃまでの光路には、シャッタ６がＸ線Ｂ
１の光路に対して挿入・退避自在に設けられている。こ
のシャッタ６は、図示しない駆動機により、矢印Ｄ方向
に駆動され、Ｘ線Ｂ１の光路中に挿入されることで、各
分光素子１Ａ〜１Ｃのうち、Ｘ線源ＳからのＸ線Ｂ１が
中央の分光素子１Ｂにのみ向かうのを許容するスリット
６ａを備えている。したがって、シャッタ６がＸ線Ｂ１
の光路に挿入された状態では、Ｘ線源ＳからのＸ線Ｂ１
が中央の分光素子１Ｂに向かって照射され、回折Ｘ線Ｂ
２も中央の分光素子１Ｂからのみ反射される。一方、こ
の図に示すように、シャッタ６がＸ線Ｂ１の光路から退
避している状態では、３つの分光素子１Ａ〜１Ｃから回
折Ｘ線Ｂ２が焦点Ｆに向かう。

【００１６】なお、その他の構成は上記従来例と同様で
あり、同一部分または相当部分に同一符号を付し、その
詳しい説明を省略する。

【００１７】つぎに、上記Ｘ線分光器１０の調節方法に
ついて説明する。まず、図２（ａ）の各調節機構２０に
各分光素子１Ａ〜１Ｃを取り付けた状態で、各分光素子
１Ａ〜１Ｃの反射点１ａ〜１ｃが図３のＸ線源Ｓおよび
焦点Ｆを通るローランド円Ｃ上に位置するように調節機
構２０（図２（ａ））を分光器本体に取り付ける。この
際、各分光素子１Ａ〜１Ｃの反射面１１が、ローランド
円Ｃ上における点Ｐと反射点１ａ，１ｂ，１ｃを結んだ
線に対して直交するように、分光素子１Ａ〜１Ｃの姿勢
（角度）を設定する。これにより、３つの分光素子１Ａ
〜１Ｃの入射角および回折角θａ，θｂ，θｃが互いに
同一になる。なお、点Ｐは、ローランド円Ｃ上における
弧ＳＦを２等分する点である。

【００１８】ここで、分光素子１Ａ〜１Ｃの位置や姿勢
を上記のように取り付けても、取付誤差が生じるのは避
けられず、たとえば図２（ｂ）のように、実際の各分光
素子１Ａ〜１Ｃの位置や姿勢は、設定した位置や姿勢に
対して若干の取付誤差が生じる。そこで、装置全体の組
み立て時に、上記分光素子１Ａ〜１Ｃの位置や姿勢を以
下のように調節する。

【００１９】まず、図２（ｂ）の焦点Ｆの位置に調節用
のスリット１２を仮に設置するとともに、スリット１２
の後方に、調節用のＸ線検出器を仮に設置する。つづい
て、Ｘ線源ＳからＸ線Ｂ１を分光素子１Ａ〜１Ｃに向か
って照射しながら、左側の分光素子１Ａを調節機構２０
により二点鎖線のように矢印Ｙ方向に若干移動させると
ともに、矢印Ａ方向に若干回動させる。この際、調節用
のＸ線検出器からの出力が最も大きくなった位置および
姿勢において分光素子１Ａを停止させる。他（残り）の
分光素子１Ｂ，１Ｃについても同様に調節する。このよ
うに調節することで、各分光素子１Ａ〜１Ｃは、図３に
示すように、反射点１ａ〜１ｃがローランド円Ｃ上に位
置するとともに、反射面１１が反射点１ａ〜１ｃと点Ｐ
とを結んだ線に対して直交した姿勢になる。したがっ
て、各分光素子１Ａ〜１Ｃからの回折Ｘ線Ｂ２が焦点Ｆ
に集光するので、分析に必要な回折Ｘ線Ｂ２の強度が得
られる。なお、上記調節後、調節用のスリット１２およ
び調節用のＸ線検出器を取り除き、試料台などを設置す
る。

【００２０】ここで、このＸ線分光器１０は、複数に分
割された分光素子１Ａ〜１Ｃを備えているので、分光素
子１Ａ〜１Ｃの長さを短くすることができるから、収差
を小さくし得る。特に、各分光素子１Ａ〜１Ｃについて
各々独立に、その位置および姿勢を調節できるので、各
分光素子１Ａ〜１Ｃからの回折Ｘ線Ｂ２が焦点Ｆに精度
良く集光するから、収差がより一層小さくなる。

【００２１】つぎに、上記全反射蛍光Ｘ線分析装置の用
い方について説明する。分析精度よりも測定時間を重視
する場合は、図１に示すように、シャッタ６をＸ線Ｂ１
の光路から退避させ、Ｘ線Ｂ１を３つの分光素子１Ａ〜
１Ｃに向かわせることで、強度の大きい回折Ｘ線Ｂ２に
より、試料２の分析を行う。これにより、測定時間が短
くなる。

【００２２】一方、より精度の高い分析精度が要求され
る場合には、シャッタ６を矢印Ｄ方向に移動させて、Ｘ
線Ｂ１がスリット６ａを通して中央の分光素子１Ｂにの
み向かうようにする。これにより、焦点Ｆにおける収差
が殆どなくなり、分析精度が著しく向上する。なお、こ
の場合、回折Ｘ線Ｂ２の強度が１／３程度に小さくなる
ので、照射時間を３倍程度にして、強度の回復を図る。

【００２３】図４は第２実施例を示す。この実施例で
は、各分光素子１Ａ〜１Ｃが周知の人工多層膜格子によ
って構成されている。上記各分光素子１Ａ〜１Ｃは、図
４（ｂ）のように、基板１ｅ上にたとえばタングステン
１ｗとシリコン１ｓｉの薄膜が、交互に積層されてな
る。３つの分光素子１Ａ，１Ｂおよび１Ｃの格子面間隔
の周期（格子定数）ｄは、互いに異なった値に設定され
ており、図４（ａ）のＸ線源Ｓに最も近い分光素子１Ａ
が４０Å、中央の分光素子１Ｂが５０Å、Ｘ線源Ｓから
最も遠い分光素子１Ｃが６０Åに設定されている。

【００２４】上記各分光素子１Ａ〜１Ｃは、ログスパイ
ラル曲線に近似した下記の（１）式で表されるスパイラ
ル曲線Ｌｏ上に、反射点１ａ〜１ｃが位置するように配
置され、かつ、各反射面１１（図４（ｂ））が上記反射
点１ａ〜１ｃにおいて上記スパイラル曲線Ｌｏに接する
状態の姿勢で、装置に取り付けられている。

【００２５】

【数１】

【００２６】このようなスパイラル曲線Ｌｏに沿って各
分光素子１Ａ〜１Ｃを取り付ける理由を簡単に説明す
る。一般のログ・スパイラルの式は、反射点１ａ〜１ｃ
のいずれの点においても入射角θが等しくなるから、下
記の（２）式で与えられ、したがって、傾角φにおける
Ｘ線源Ｓから反射点１ａ〜１ｃまでの距離（動径）ｒ
は、下記の（３）式で表される。

【００２７】

【数２】

【００２８】一方、この実施例では、Ｘ線源Ｓから遠い
分光素子１Ａ〜１Ｃ程、格子面間隔の周期ｄが大きくな
るので、分光素子１Ａ〜１Ｃへの入射角θａ〜θｃを、
Ｘ線源Ｓから遠い分光素子１Ａ〜１Ｃ程小さくする必要
がある。したがって、傾角φが大きくなるに従い、動径
ｒが（３）式で与えられるｒよりも大きくなれば、入射
角θがθａ＞θｂ＞θｃとなる。これにより、下記のブ
ラッグの式に従って回折される３つの回折Ｘ線Ｂ２の波
長λを互いに同一にすることができる。２ｄｓｉｎ θ＝ｎλ ｎ：反射の次数

【００２９】なお、その他の構成は上記第１実施例と同
様で、たとえば第２実施例についても、図２（ａ）の調
節機構２０を各分光素子１Ａ〜１Ｃごとに備えており、
同一部分または相当部分に同一符号を付して、その詳し
い説明を省略する。

【００３０】この第２実施例は、以下に説明するよう
に、入射角αの許容範囲が小さい（0.05°〜0.20°）全
反射蛍光Ｘ線分析法におけるＸ線強度Ｂ２を大きくし
て、分析精度のより一層の向上を図ることができる。Ｘ
線Ｂ１と回折Ｘ線Ｂ２のなす角（以下、「反射角」とい
う。）をΨとすれば、上記ブラッグの式は、下記の
（４）式で表される。２ｄ・ｓｉｎ｛（π−Ψ）／２｝＝ｎλ …（４）更に、この（４）式は下記の（５）式に変換することが
できる。２ｄ・ｃｏｓ（Ψ／２）＝ｎλ …（５）

【００３１】この（５）式より、周期ｄが大きくなる
と、つまり、Ｘ線源Ｐから遠い分光素子１Ａ〜１Ｃで
は、反射角Ψが大きくなるから、収束角Ωは発散角Ωｏ
よりも小さくなる。したがって、大きな発散角Ωｏで分
光素子１Ａ〜１Ｃに向かって出射されるＸ線Ｂ１を、小
さな収束角Ωで試料２に入射させることができるから、
所定の小さな入射角αの範囲（0.05°〜0.20°）を保ち
つつ、回折Ｘ線Ｂ２の強度を従来よりも大きくすること
ができる。したがって、分析精度がより一層向上する。

【００３２】ところで、上記各実施例では、図２の調節
機構２０が各分光素子１Ａ〜１Ｃの位置および姿勢の双
方を個別に調節可能とした。しかし、各分光素子１Ａ〜
１Ｃの位置または姿勢の一方のみを、調節機構２０によ
り調節しなくても、取付時に精度良く取り付けること
は、ある程度可能である。したがって、この発明では、
分光素子１Ａ〜１Ｃの位置または姿勢の一方のみを調節
機構２０によって調節可能とすればよい。

【００３３】また、上記各実施例では、図１のＸ線分光
器１０を全反射蛍光Ｘ線分析装置に用いた例について説
明したが、この発明のＸ線分光器１０は、Ｘ線回折装置
などの他のＸ線分析装置についても適用し得る。なお、
Ｘ線回折装置に適用する場合はＸ線源Ｓの位置に分析試
料からの回折Ｘ線を通過させるスリットが配設され、焦
点ＦにＸ線検出器のスリットが配設される。

【００３４】また、上記各実施例では、発明の理解を容
易にするために、分光素子１Ａ〜１Ｃとして平板型の分
光結晶や人工多層膜格子を用いたが、この発明では湾曲
型の分光結晶や人工多層膜格子を用いてもよい。さら
に、中央の分光素子１Ｂを分光結晶とし、両側の分光素
子１Ａ，１Ｃを人工多層膜格子としてもよい。また、上
記実施例では分光素子を３つとしたが、この発明では分
光素子を２つまたは４つ以上としてもよい。また、上記
図４の実施例では、分光素子１Ａ〜１Ｃの格子面間隔の
周期ｄが、各分光素子１Ａ〜１Ｃにおいて一定であるも
のについて説明したが、周期ｄはＸ線源Ｓから遠ざかる
に従い連続的に大きくなるようにしてもよい。この場
合、一次Ｘ線Ｂ２の強度がより一層大きくなる。

【００３５】ところで、上記実施例では、シャッタ６を
Ｘ線源Ｓと分光素子１Ａ〜１Ｃとの間のＸ線Ｂ１の光路
に挿入することとしたが、この発明では、シャッタ６を
分光素子１Ａ〜１Ｃと試料２との間の回折Ｘ線Ｂ２の光
路に挿入してもよい。さらに、この実施例では、シャッ
タ６にスリット６ａを設けたが、スリットのない２つの
シャッタによりＸ線源Ｓから両側の分光素子１Ａ，１Ｃ
へのＸ線Ｂ１を遮断してもよい。また、請求項１の発明
では、シャッタ６を必ずしも設ける必要はない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、各請求項の発明に
よれば、複数に分割した分光素子の位置または姿勢を個
別に調節可能としたので、回折Ｘ線の強度を大きく保ち
ながら、収差を小さくすることができる。また、各分光
素子からの回折Ｘ線を共通の焦点に集光させるので、分
析に必要な回折Ｘ線の強度が得られる。

【００３７】また、請求項２の発明によれば、複数の分
光素子のうち一部の分光素子からの回折Ｘ線のみが焦点
に向かうのを許容するシャッタをＸ線の光路に挿入自在
に設けたので、シャッタをＸ線の光路に挿入し、あるい
は、光路から退避させることにより、用途に応じたＸ線
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例の全反射蛍光Ｘ線分析装
置を示す概略構成図である。

【図２】（ａ）は調節機構の概略構成を示す正面図、
（ｂ）は調節方法を示す模式図である。

【図３】各分光素子の位置を示す概念図である。

【図４】（ａ）は第２実施例の全反射蛍光Ｘ線分析装置
を示す概略構成図、（ｂ）は人工多層膜格子の概略側面
図である。

【図５】従来の全反射蛍光Ｘ線分析装置を示す概略構成
図である。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…分光素子、６…シャッタ、１０…Ｘ
線分光器、２０…調節機構、Ｓ…Ｘ線源、Ｂ１…Ｘ線、
Ｂ２…回折Ｘ線。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｘ線源からのＸ線を単色化する分光素子
がＸ線源から遠ざかる方向に複数個配設され、上記複数
個の分光素子が互いに同一の波長のＸ線をブラッグ反射
するＸ線分光器であって、上記Ｘ線の光路を含む平面において上記各分光素子ごと
に、各分光素子の位置または姿勢の少なくとも一方を調
節して、各分光素子からの回折Ｘ線を共通の焦点に集光
させる調節機構を備えているＸ線分光器。
【請求項２】請求項１において、上記各分光素子のう
ち一部の分光素子からの回折Ｘ線のみが焦点に向かうの
を許容するシャッタが、上記Ｘ線の光路に対して挿入・
退避自在に設けられているＸ線分光器。