JPH08510062A - かすめ取出角のｘ線分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 試料により励起された放射をかすめ角で、特に試料表面に対してＸ線の臨界角以下の角度で取出すＸ線分析装置である。既知のＴＸＲＦ法のＳ／Ｎ比に匹敵するＳ／Ｎ比が得られる。試料に入射する前に１次ビームを平行にする必要がないので、試料に対する強度は波長分散検出を行なうことができる程度に維持される。これにより、原子番号が１１以下の元素により励起されたＸ線の測定が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】 かすめ取出角のＸ線分析装置 本発明は、照射すべき所定の領域にＸ線ビームを発生するＸ線源と、前記所定 の領域に配置され、分析すべき材料の試料を支持する試料支持装置と、照射Ｘ線 ビームにより試料で励起されたＸ線を検出する検出器とを具えるＸ線分析装置に 関するものである。 この形式の装置は、雑誌“スペクトロヒミカ アクタ（Ｓｐｅｃｔｒｏｃｈｉ ｍｉｃａ Ａｃｔａ），第４８Ｂ巻、Ｎｏ．２（１９９３）、第１１１〜１２７ 頁に記載されている文献 ザ ロール オブ トータルーリフレクション Ｘレ イ フローレッセンス イン アトミック スペクトロスコピ（Ｔｈｅ ｒｏｌ ｅ ｏｆ ｔｏｔａｌ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｘｒａｙ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅ ｎｃｅ ｉｎ ａｔｏｍｉｃ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）に記載されている。 一般的に、材料をＸ線分析する場合、試料から出射したビームにおいて、でき るだけ高いＳ／Ｎ比を達成することがのぞまれている。この場合、信号は関連す る領域の試料に入射したＸ線の作用のもとで材料により、特に多くの用途におい ては（集積回路の表面について研究する場合のように）試料の表面で励起された Ｘ線の強度により構成される。この場合、ノイズは試料のより深い層で散乱した Ｘ線により生ずる。 上記文献には、Ｘ線をかすめ角で入射させることにより優れたＳ／Ｎ比が得ら れる分析方法が記載されている。この場合、出射した放射中のノイズ成分は強く 減衰している。この技術はトータル リフレクション Ｘレイ フローレッセン ス即ちＴＸＲＦとして既知である。上記文献に記載されているＴＸＲＦ装置（特 に図１及び第１１３及び１１４頁の関連する記載）はＸ線管を具え、Ｘ線管から 出射したＸ線を単色化及び平行化した後、試料表面と入射平行ビームとの間の角 度がＸ線の全反射の臨界角以下の角度となるようにしてＸ線を試料に入射させて いる。試料で励起したＸ線は試料の照射領域から極めて短い距離だけ離れたＳｉ （Ｌｉ）検出器に入射させている。 この既知の方法において、入射ビームは試料表面に対して極めて小さい角度（ 約０．０１°と１°との間の角度）で入射させる必要があるため、入射ビームの 平行化について極めて厳格な要件が課せられている。これでは、Ｘ線管で発生し た放射の僅かな部分だけしか利用できないことになる。この理由は、Ｘ線はビー ムの非平行な部分を除去することによってしか平行化できないためである。上記 文献において、このＸ線の平行化は多層ミラーにより行われている。これは、試 料から出射する放射も比較的低い強度になることを意味する。低い強度にもかか わらず有効な測定を行うために試料から出射したＸ線を大きな立体角で受ける検 出器を用い、検出器に入射しないＸ線の量を最小にしている。従って、大きな検 出表面積を有すると共に試料に接近して配置された検出器が用いられている。 一般的に、Ｘ線検出器は、エネルギー分散型又は波長分散型のうち一方の形式 のものとされる。 検出器で吸収されたフオトンに関して、エネルギー分散型はフオトンのエネル ギーに等しい電荷成分の電流パルスを発生する。これらの電流パルスは電荷成分 に応じて電子的に選択できるので、測定期間中に所定の電荷成分（すなわち、強 度）の電流パルスの数を電荷成分（すなわち、フオトンのエネルギー）に応じて 全ての電流パルスについて決定することができる。Ｘ線のフオトンのエネルギー は放射の波長に逆比例するので、検出器に入射するＸ線の強度は波長の関数とし て決定される。この形式の検出器は上述したＳｉ（Ｌｉ）検出器を含む。この検 出器は他のエネルギー分散型検出器に（ガス充填型検出器）比べて比較的好まし いＳ／Ｎ比を有しているが、このＳ／Ｎ比は小さな電荷成分（長波長のＸ線）の 場合依然として低いものである。これは、ある所定のフオトンエネルギーの電荷 るにしたがって増加する。実際には、１１以下の原子番号を有する元素により励 起されたＸ線はエネルギー分散型検出器により測定できないことを意味する。（ この課題については刊行物「Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅ ｃｔｒｏｍｅｔｒｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ」第２版、第６章、第４パラグラフを 参照されたい） 波長分散型検出器における各フオトンは、パルスの高さ及び／又は電荷成分と 関連しない電気的パルスに変換される。従って、この検出器においては、フオト ンの数が排他的に決定される。この検出器は、例えばソーラスリット，分析結晶 体及びＸ線計数管の順序で構成される組立体で構成される。ソーラスリットは試 料から出射したビームの所望の方向の放射を選択し、選択された放射は分析結晶 体に入射する。この結晶体は、既知のブラッグの関係に基づいて、ある波長の放 射、すなわち入射角（並びにこれに近い角度、例えば０．２５°）と関連する波 長の放射を反射する。測定中分析結晶体を回転することにより、所望の全入射角 つまり関連する波長域について測定される。従って、放射強度（計数管の計数速 度に比例する）と波長との間の関係が確立されることになる。分析結晶体に入射 する放射はほぼ平行にする必要があるため、この分析結晶体はコリメータ例えば ソーラスリットの後段に配置する。しかしながら、試料から出射する放射を平行 にする結果放射が強く減衰してしまう。従って、この検出器はＴＸＲＦ測定には 用いることができない。この理由は、入射ビームの強度が既に強く減衰されてい るので、第２の平行化処理が行われた後には検出のために充分な強度の信号が得 られないためである。 エネルギー分散型検出器の上述したＳ／Ｎ比により、上記文献に記載されたＴ ＸＲＦ測定法は、上記第２の文献の第２章に記載されているように、原子番号が １１以下の元素の測定には適当ではない。 本発明の目的は、前述した形式のＸ線分析において軽い元素を改善された分解 能で測定できる装置を提供することにある。この目的を達成するため、本発明に よるＸ線分析装置は、試料から試料表面に対してかすめ角で出射して前記検出器 に入射するＸ線の一部を空間的に選択する選択手段を具え、前記試料から出射す るＸ線を検出する検出器を波長選択性検出器として構成したことを特徴とする。 本発明は、励起された放射をかすめ角で取り出す場合試料は僅かに深い位置か ら排他的に検出器に向けてＸ線を放出するという事実に基づいている。たとえＸ 線がより深い層で励起されても励起されたＸ線は検出器に入射しないので、深い 層は信号におけるノイズとはならない。従って、かすめ角で取り出す場合、Ｘ線 を平行にする必要がないので、Ｘ線源で発生した全てのＸ線を試料に照射するこ とができる。さらに、Ｘ線源と試料との間にコリメータを配置する必要がないた め、Ｘ線源を試料に一層接近して配置することができる。この結果、試料に照射 されるＸ線の強度がさらに増加する。この結果、試料で励起されたＸ線の強度は 極めて高くなるので、この放射を充分に平行化することができ、軽い元素から出 射した軟Ｘ線を検出できる波長選択性検出器を用いることが可能になる。 本発明による装置は、前記Ｘ線を選択する選択手段を、全Ｘ線反射に対する臨 界角以下のかすめ角を選択するように配置したことを特徴とする。 本明細書の用語として「全Ｘ線反射に対する臨界角」は、Ｘ線が材料中に浸透 せず完全に反射する角度を意味するものと理解される。 一方、本発明によるＸ線分析装置は、多層Ｘ線ミラーのような多層系について も測定することができる。この多層Ｘ線ミラーは極めて薄い複数の層の周期的積 層体であり、各積層体は２個以上の材料で構成される。従って、この型式の構造 体において、種々の特性の光学的な表面が存在するので、その中には複数の臨界 角が存在する。本発明の用語において、臨界角は、このような積層体で存在する 臨界角のうち最も大きな臨界角を意味するものと理解されるべきである。 多層構造体の測定において、Ｓ／Ｎ比は、さらに増強される。この理由は、臨 界角以下の角度では、全反射に含まれる膜厚の層だけが放射励起に寄与するから である。臨界角の大きさに応じて、この膜厚は３ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。 本発明の別の見地において、本発明によるＸ線分析装置は、前記Ｘ線源を、広 い波長スペクトラムを有するＸ線ビームを発生させるように配置したことを特徴 とする。本発明では、１本のスペクトルラインではなく広い波長域のスペクトル を用いることができるので、試料中に含まれる種々の元素に対して各元素に対し て最良の波長の放射を入射させることができ、この結果試料から出射する放射の 強度をより高くすることができる。 本発明の別の見地によれば、本発明によるＸ線分析装置は、試料及びその周囲 を排気する手段を具えることを特徴とする。本発明による測定方法は、特に軽い 元素の測定すなわち軟Ｘ線（すなわち、長波長のＸ線）の測定を意図している。 軟Ｘ線は空気により比較的強く吸収される。さらに、かすめ取出角での測定によ る利点全体を活用するため、試料と検出器との間の距離はできるだけ長くするこ とが好ましい。この理由は、上記距離をできるだけ長くすることにより、検出器 −コリメータが所定のスリット幅の場合、最良の角度分解能が得られるからであ る。しかしながら、距離を長くすると、放出された長波長Ｘ線に対する光路が長 くなってしまい、不所望な吸収が大きくなるおそれがある。この課題は、試料空 間を排気することにより解決される。 本発明の別の見地によれば、本発明によるＸ線分析装置は、試料を冷却する冷 却手段を具えることを特徴とする。試料は高強度のＸ線にさらされるので、特に 広い波長スペクトラムのＸ線を用いる場合より高い強度のＸ線照射を受けるので 、試料の温度が不所望なほど高くなるおそれがある。このような不都合は、試料 が真空中に配置される場合、周辺の空気により冷却されないので特に顕著になる 。試料及び支持装置の温度勾配により、取出角が変化してしまう。この取出角の 変化は、本発明では取出角が極めて小さい値であるため特に重要である。ある場 合においては、より高い角度分解能を達成するため、この小さい角度範囲内の試 料から出射したＸ線の強度分布を測定し、温度ドリフトにより生ずる課題を明確 にする必要がある。この課題は、試料を適切に冷却することにより相当な程度に 亘って解消することができる。 本発明の別の見地によれば、本発明によるＸ線分析装置は、波長分散性検出器 が調整可能なコリメータを有することを特徴とする。ある測定においては、臨界 角付近において試料から出射したＸ線の強度分布を測定する必要がある。これは 、取出角付近の比較的微小な範囲を選択するコリメータを検出器に設けることに より達成することができる。この場合、コリメータのスリット幅が検出器の角度 分解能を決定する。測定に課せられる要件に応じて角度分解能を調整できるよう にするため、コリメータを調整可能に構成することが好ましい。この場合、試料 ホルダを試料面に平行に延在する軸のまわりで回転可能に構成することにより、 強度分布を測定することができる。 以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。図面は本発明によるＸ線分析装 置の関連する構成要素の配置形態を線図的に示す。試料２に通常のＸ線管の形態 のＸ線源４からのＸ線を照射する。 Ｘ線はＸ線アノード６によりＸ線管内で発生し、発生したＸ線は窓８を経てＸ 線管から出射する。このＸ線管の波長は良好に規定されたスペクトル線又は広い スペクトラムとして任意に選択することができる。このため、窓８は最も少ない 減衰で広いスペトラムのＸ線を通過させる形状を有するように構成する。所望の 場合、波長域の選択については既知の放射フィルタ（図示せず）をＸ線管と試料 との間に挿入することができる。 試料に対する最良の放射強度を得る見地にたてば、Ｘ線管４は試料から任意の 短い距離で配置することができ、この距離は試料を回転する間に必要とされる自 由度による制約を受けるだけである。試料は軸１２を中心にして回転可能な試料 支持台１０上に配置され、この軸１２は試料の表面に位置する。試料で励起され た放射の取り出し角は軸１２を中心とする回転により調整することができる。試 料支持台もその面内で移動することができるので、所望の場合試料の所定の部分 にＸ線を照射することができる。この作業の容易さは、試料が局部的に同質でな い場合又は試料が多層構造で膜厚が薄いため層間に不連続が生じ易い場合に特に 有益ある。好ましくは、試料支持台を冷却可能に構成し、Ｘ線照射により試料に 発生した熱を温度上昇した位置えら直接放出できることが好ましい。 試料で励起されたＸ線の取り出し角は２個のコリメータのスリット間で軸を中 心に回転可能なコリメータ系１４により決定することができるので、試料の所望 の表面領域に対してコリメータ系を設定することができる。さらに、試料に対す る正確な位置を見出すため、コリメータ系はスリットと直交する方向に延在する 軸及びこの軸と直交する方向でスリット間に位置する方向に延在する軸の周りで 回動することができる。 コリメータ系の背後に、波長に応じて試料で発生した放射を選択するように作 用する分析結晶体１６を配置する。既に知られているように、結晶体に入射した Ｘ線は、Ｘ線回折の既知のブラッグ条件に従い極めて良好に規定された角度でだ け反射し、この角度も波長に依存する。コリメータ系１４は分析結晶体に対する 正確な入射角を規定する。コリメータのスリットに平行に延在する軸２２の周り で結晶体１６を回転させることにより、入射角の範囲従って反射した放射の波長 範囲を変化させることができる。分析結晶体は反射角が０．２５°程度に広がる ように作られ（即ち、全ての単結晶が同一の方向に整列されて実際には１個の単 結晶体となる所謂モザイク結晶体として作られる。）、従って低い強度の放射が 結晶体に入射しても十分な反射強度を維持することができる。 分析結晶体の後段に別のコリメータ１８を配置する。このコリメータは、蛍光 作用及び分散により分析結晶体で発生した放射を最小にするように作用する。こ のコリメータ１８は既知のソーラスリットとして構成することができる。コリメ ータ１８から出射した放射は検出器２０に入射する。この検出器２０は、例えば 試料中の原子番号が１１以下の元素から発生した軟Ｘ線に対して感度を有するガ ス充填計数管とする。 Ｘ線管４、試料２及び試料支持台１０で構成される組立体と、試料と検出器と の間の経路とを排気した容器内に収納することができ、この結果周辺の空気によ る軟Ｘ線の吸収を防止することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．照射すべき所定の領域にＸ線ビームを発生するＸ線源（４）と、 前記所定の領域に配置され、分析すべき材料の試料（２）を支持する試料支 持装置と、 照射Ｘ線ビームにより試料（２）で励起されたｘ線を検出する検出器（２０ ）とを具えるＸ線分析装置において、 試料（２）から試料表面に対してかすめ角で出射して前記検出器（２０）に 入射するＸ線の一部を空間的に選択する選択手段を具え、前記試料から出射する Ｘ線を検出する検出器（２０）を波長選択性検出器として構成したことを特徴と するＸ線分析装置。 ２．請求項１に記載の装置において、前記Ｘ線を選択する選択手段（１４）を、 全Ｘ線反射に対する臨界角以下のかすめ角を選択するように配置したことを特徴 とするＸ線分析装置。 ３．請求項１又は２に記載の装置において、前記Ｘ線源（４）を、広い波長スペ クトラムを有するＸ線ビームを発生させるように配置したことを特徴とするＸ線 分析装置。 ４．請求項１、２又は３に記載の装置において、前記試料支持装置及びその周囲 を排気する手段を具えることを特徴とするＸ線分析装置。 ５．請求項１から４までのいずれか１項に記載の装置において、前記試料（２） を冷却する手段を具えることを特徴とするＸ線分析装置。 ６．請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置において、波長選択性検出 器（２０）が調整可能なコリメータ（１４）を具えることを特徴とするＸ線分析 装置。 ７．請求項１から７までのいずれか１項に記載の装置において、前記試料支持装 置（１０）を、試料表面に平行に延在する軸（１２）を中心にして回転可能に構 成したことを特徴とするＸ線分析装置。