JP2000206059A - Ｘ線回折装置及びｘ線回折測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料の多数の異なる位置のＸ線回折測定を効
率的に行えるようにする。 【解決手段】 赤道面に対し傾きをもって試料の結晶格
子面から回折してくる回折Ｘ線束ｂに対して、Ｘ線検出
器５の受光面５ａがほぼ直交するように、赤道面に対す
るＸ線検出器５の傾き角を調節する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、Ｘ線を試料に入
射し、試料で回折してきた回折Ｘ線を検出することによ
り、試料を非破壊で分析するためのＸ線回折装置及びＸ
線回折測定方法に関し、特に試料の異なる位置における
ある角度範囲のＸ線回折情報を、湾曲モノクロメータ及
び二次元検出器の利用により一括して得られるようにし
たＸ線回折装置及びＸ線回折測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】様々な物質を複合して新しい機能材料を
作り出す場合、最適な組成や混合比を見つけだすことは
容易なことではない。特に、成分元素数や分子量が多く
なってくると、それらの条件を少しずつ変えながら1つ1
つ試料を製作しその性質を調べる従来の方法では、測定
に天文学的な時間がかかってしまう。

【０００３】そこで、近年、最適な条件となる可能性の
高い塑性や混合比の試料領域を、組織的にスクリーニン
グするコンビナトリアルケミストリー(combinatorial c
hemistry)と称する手法が注目されている。この手法
は、ポリベプチドをはじめとする有機新物質の合成効率
を飛躍的に高める手法として提案されたものである。

【０００４】例えば、コンビナトリアルケミストリーの
一手法であるパラレル合成と呼ばれる手法では、多数の
反応容器をマトリクス状に配置し、その各行及び各列の
反応容器に、それぞれ物質や濃度の異なる試料を挿入し
て同時に反応させる。この手法により、多数の系統的に
異なる組み合わせの試料を、各反応容器に製作すること
ができる。したがって、この手法によれば、1つ1つの組
み合わせを別々に反応生成させる従来の手法に比べ、飛
躍的に効率よく各種試料を製作することができる。

【０００５】さて、上記コンビナトリアルケミストリー
の手法を、半導体材料などの薄膜技術に応用すれば、組
成を徐々に変化させた薄膜物質を1枚の試料基板上に製
作することが可能となる。例えば、ＺｎＯ、Ｃｏ_０．１
Ｚｎ_０．９Ｏ、Ｆｅ_０．１Ｚｎ_０．９Ｏという3つのタ
ーゲットを用意し、マスクによってそれぞれの蒸着量を
コントロールすることにより、組成ｘとｙを変化させた
Ｆｅ_ｘＣｏ_ｙＺｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｏという各種組成の薄膜
を、１枚の試料基板上に製作することができる。また、
それぞれの積層周期を変えた超格子を作ることも可能で
ある。

【０００６】次に、このような１枚の試料基板における
組成や積層周期などの異なる各薄膜領域を効率的に測定
することが必要となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来、薄膜試料の測定
にはＸ線回折装置が用いられていたが、従来のＸ線回折
装置は、１枚の試料における部分的な領域を区分けして
測定する構成となっておらず、またそのようなＸ線回折
測定方法も従来は考えられていなかった。

【０００８】すなわち、従来のＸ線回折測定方法は、Ｘ
線を照射する試料領域が、一様な構造となっていること
を前提としている。したがって、試料の狭い領域で次々
に組成や構造が変化している場合には、一様な構造をも
っている領域のみにＸ線が照射されるようＸ線の照射領
域を制限する必要がある。

【０００９】しかし、このようにＸ線の照射領域を制限
しても、上記のごとく製作された薄膜試料全体を評価し
ようとすると、多数回の測定が必要になり、非常に時間
がかかってしまう。せっかく組成の異なる薄膜を1つの
試料基板上に同時に製作できたとしても、評価するのに
多くの時間がかかるようでは、全体として効率的とは言
えなくなってしまう。

【００１０】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、試料の多数の異なる位置のＸ線回折測定を効
率的に行えるようにすることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明のＸ線回折装置は、発散Ｘ線を放射するＸ
線源と、Ｘ線源から放射された発散Ｘ線を単色化すると
ともに線状に収束する湾曲モノクロメータと、湾曲モノ
クロメータで反射したＸ線束が線状に収束する位置に試
料表面を配置する試料配置手段と、試料の結晶格子面で
回折してくる回折Ｘ線束を検出するＸ線検出器とを備
え、所定の赤道面上にＸ線源、湾曲モノクロメータ及び
試料表面を配置したＸ線回折装置であって、赤道面に対
し傾きをもって試料の結晶格子面から回折してくる回折
Ｘ線束に対して、Ｘ線検出器の受光面がほぼ直交するよ
うに、赤道面に対するＸ線検出器の傾き角を調節する検
出角度調節手段を設けたことを特徴としている。

【００１２】湾曲モノクロメータ（湾曲結晶）に発散Ｘ
線を入射させると、平行化させることなく単色化したＸ
線が反射し、線状に収束することが知られている。この
湾曲モノクロメータの特性を利用し、湾曲モノクロメー
タから反射してきたＸ線束を、試料面に収束させること
により、ある角度範囲のＸ線を同時に試料へ入射させる
ことができる。したがって、その角度範囲におけるＸ線
回折測定を一括して同時に行うことができ、測定時間の
大幅な短縮を図ることが可能となる。しかも、試料面に
線状にＸ線束を収束させることにより、線状に照射され
た領域に関しても一括して同時にＸ線回折測定を行うこ
とができる。

【００１３】この技術をＸ線反射率測定に応用したもの
は、特開平５−３２２８０４号公報にすでに開示されて
いる。この種のＸ線反射率測定では、Ｘ線源、試料、及
びＸ線検出器の受光面を同一平面上に配置し、この平面
（赤道面という）と平行にＸ線が入射し、そして試料表
面から反射してくることを前提としている。したがっ
て、Ｘ線検出器の受光面もこの赤道面に直交して配置し
ている。

【００１４】しかし、試料表面で反射してくるＸ線（Ｘ
線反射率測定における検出対象）と異なり、試料の結晶
格子面で回折してくる回折Ｘ線（Ｘ線回折測定における
検出対象）は、入射Ｘ線と対称的にでてくるとは限らな
い。すなわち、試料の結晶格子面は、必ずしも試料面と
平行に保たれているとは限らない。そして、結晶格子面
が試料面に対して傾きを有していた場合、赤道面に対し
傾いた方向に回折Ｘ線がでてくる。

【００１５】ところで、試料の多数の異なる位置を同時
測定する場合には、試料から回折してくる回折Ｘ線束の
強度を面情報、すなわち、Ｘ線が入射する試料位置と、
試料へのＸ線の入射角度を座標軸とする二次元情報とし
て得る必要がある。このような二次元情報を正確に得る
には、試料の結晶格子面で回折してくる回折Ｘ線束に対
し、Ｘ線検出器の受光面が直交していなければならな
い。

【００１６】そこで、本発明では、検出角度調節手段に
よりＸ線検出器における受光面の配置を調整すること
で、試料の結晶格子面で回折してくる回折Ｘ線束に対し
て、Ｘ線検出器の受光面を直交させ、容易に適正な回折
Ｘ線の面情報を得られるようにした。

【００１７】また、この発明のＸ線回折測定方法は、所
定の赤道面上にて発散Ｘ線を湾曲モノクロメータにより
単色化するとともに試料面上へ線状に収束させ、試料の
結晶格子面で回折してきた回折Ｘ線束をＸ線検出器で検
出するＸ線回折測定方法であって、赤道面に対し傾きを
もって試料の結晶格子面から回折してくる回折Ｘ線束に
対して、Ｘ線検出器の受光面がほぼ直交するように、赤
道面に対するＸ線検出器の傾き角を調節することを特徴
としている。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照して詳細に説明する。図１はこの発明の
実施形態に係るＸ線回折装置の概要を示す斜視図、図２
は同じく平面図、図３は正面図である。これらの図面に
示すように、本実施形態のＸ線回折装置は、Ｘ線源１、
湾曲モノクロメータ２、試料配置手段としての試料台
３、この試料台３を搭載したゴニオメータ４、Ｘ線検出
器５、及び検出角度調節手段としての傾き角調整装置６
を備えている。

【００１９】Ｘ線源１は、発散Ｘ線を放射するＸ線管を
用いる。このＸ線源１は、例えば０．１ｍｍ程度以下の
微小焦点からＸ線を放射するポイントフォーカスＸ線管
や、線状の焦点からＸ線を放射するラインフォーカスＸ
線管を適用することができる。ただし、ラインフォーカ
スＸ線管を用いた場合は、試料の位置情報を正確に得る
ため、回折Ｘ線の縦方向の発散を制限するソーラースリ
ット９をＸ線検出器５の前方に配置することが好まし
い。このソーラースリット９により、試料Ｓのある位置
から回折してきた回折Ｘ線が、Ｘ線検出器５の決まった
受光位置へ到達することが可能となる。

【００２０】湾曲モノクロメータ２は、Ｘ線源から放射
された発散Ｘ線を単色化するとともに線状に収束する機
能を有している。この湾曲モノクロメータ２は、例え
ば、α−水晶，Ｓｉ，Ｇｅなどのほぼ完全な結晶材料を
薄くスライスした後、表面を鏡面研磨し、かつ所定の曲
率に湾曲成形して製作することができる。

【００２１】図４はヨハンソン型湾曲モノクロメータの
機能を説明するための平面図である。ヨハンソン型湾曲
モノクロメータ２′は、同図に示すように半径Ｒのロー
ランド円（集中円）１０に沿って表面を湾曲させるとと
もに、結晶内部の格子面が半径２Ｒの曲率で湾曲した構
造となっている。

【００２２】このヨハンソン型湾曲モノクロメータ２′
は、ローランド円１０上に設定した任意の地点にＸ線源
１の焦点Ｐを配置して、Ｘ線源１から放射された発散Ｘ
線を表面に入射させると、単色化されたＸ線束を所定の
角度で反射する。そして、反射したＸ線束は、ローラン
ド円１０上の所定地点（収束点Ｑ）に収束する。この収
束点では、紙面垂直方向に延びる線状のＸ線焦点が形成
される。

【００２３】試料台３は、湾曲モノクロメータから反射
してきたＸ線束ａが線状に収束する位置に試料面Ｓａを
配置するように位置決めされている。また、この試料台
３は、試料面を赤道面と直交して配置するための煽り角
調整機構を備えている。

【００２４】ゴニオメータは、θ−２θ回転機構を備
え、試料台３をθ回転部に搭載するとともに、２θ回転
軸から延出するアーム（２θ回転アーム）に、Ｘ線検出
器５と傾き角調整装置６を搭載している。θ回転部は、
試料面へのＸ線束の入射角度範囲を変更する機能を有
し、試料面上を通る回転軸Ｏを中心に、試料をθ回転さ
せる。湾曲モノクロメータ２から反射してきたＸ線束
は、この回転軸上に収束させるようにする。また、２θ
回転アームは、Ｘ線束の入射角度θに対して、ブラッグ
の回折条件を満たす２θの角度方向にＸ線検出器５を配
置する。

【００２５】湾曲モノクロメータから反射してくるＸ線
束ａの、試料面Ｓａへの入射角度範囲は、一般に３〜４
゜程度である。したがって、この角度範囲を超えて広い
角度範囲をスキャニングする場合は、ゴニオメータ４の
回転により、試料面Ｓａに対するＸ線束の入射角度範囲
を変更するとともに、Ｘ線の回折角に合わせてＸ線検出
器５の位置を変更する。そして、Ｘ線検出器５の各位置
において得られたデータをつなぎ合わせることにより、
広い角度範囲のＸ線回折プロファイルを得ることができ
る。

【００２６】Ｘ線検出器５は、受光面５ａに入射する回
折Ｘ線束ｂの強度を、面情報として検出できる２次元検
出器を用いている。面情報とは、既述したようにＸ線が
入射する試料位置と、試料へのＸ線の入射角度を座標軸
とする二次元情報をいう。このＸ線検出器５として適用
可能な装置に、例えば、２次元ＣＣＤ検出器がある。

【００２７】傾き角調整装置６は、試料の結晶格子面で
回折してくる回折Ｘ線束ｂに対して、Ｘ線検出器５の受
光面５ａが直交するように、受光角度を調節する機能を
有している。すなわち、傾き角調整装置６は、試料面Ｓ
ａにおける入射Ｘ線束ａの照射位置と赤道面との交点Ｏ
ｔ（図３参照）を揺動中心として、上下方向に揺動自在
となっている。Ｘ線検出装置５は、受光面５ａが試料面
Ｓａと対向する姿勢でこの傾き角調整装置６の上面に搭
載されている。

【００２８】また、この実施形態のＸ線回折装置には、
ナイフスリット７と称する鋭利な先端縁を有するスリッ
ト板を、入射Ｘ線束ａが線状に収束する試料面Ｓａ上の
部位に対し、該試料面Ｓａと直交して近接配置してあ
る。このナイフスリット７は、モリブデン、タンタル、
タングステンなどのＸ線を遮蔽する材料で製作してあ
る。ナイフスリット７は、試料面Ｓａと直交する方向に
移動自在となっており、鋭利な先端縁と試料面Ｓａとの
間隔を任意に調整することができる。この調整は、ナイ
フスリットに併設されたＣＣＤカメラ８によって確認し
ながら行われ、例えば、１０μｍ〜１００μｍ程度の間
隔に設定される。

【００２９】このナイフスリット７により、入射Ｘ線束
ａから飛び出す散乱Ｘ線を遮蔽して、Ｘ線検出器５の受
光面５ａへの入射を防止できるのみならず、次のような
効果も期待することができる。すなわち、図５に拡大し
て示すように、入射Ｘ線束ａをナイフスリット７により
カットすることで、入射Ｘ線束ａの試料面Ｓａへの照射
幅を可能な限り狭くすることができる。その結果、試料
面Ｓａの極めて幅狭な領域のみのＸ線回折情報を得るこ
とが可能になる（位置分解能の向上）。また、極めて幅
狭な線状に入射Ｘ線ａを収束させることで、Ｘ線の回折
角が交錯することを抑制できる（角度分解能の向上）。

【００３０】次に、上述のＸ線回折装置を用いたＸ線回
折測定方法について説明する。Ｘ線源１から放射された
発散Ｘ線を湾曲モノクロメータ２に照射し、同湾曲モノ
クロメータ２から反射してきたＸ線束ａを試料面Ｓａ上
に収束させる。これにより、一定範囲の角度で入射する
Ｘ線を、線状に収束して試料面Ｓａに照射することがで
きる。

【００３１】試料面Ｓａに一定範囲の角度からＸ線を照
射することにより、一定角度範囲のＸ線回折測定を一括
して同時に行うことができる。しかも、試料面Ｓａに線
状にＸ線束を収束させることにより、線状に照射された
領域に関し一括して同時にＸ線回折測定を行うことがで
きる。

【００３２】試料の結晶格子面からは、入射Ｘ線ａに対
しそれぞれブラッグの回折条件を満たす角度に回折Ｘ線
ｂがでてくる。この回折Ｘ線ｂは、Ｘ線検出器５の受光
面５ａに入射し、その強度が検出される。

【００３３】Ｘ線検出器５は、受光面５ａに入射する回
折Ｘ線束ｂの強度を、面情報として検出する。すなわ
ち、図１に示すように、受光面５ａに入射した回折Ｘ線
束ｂは、高さ方向（ｙ方向）に試料の回折位置が対応
し、また幅方向（ｘ方向）に回折角が対応している。Ｘ
線検出器５では、回折Ｘ線ｂの強度がこれら試料の回折
位置及び回折角の２次元情報として検出される。

【００３４】さて、図３に示すように、Ｘ線源１、ゴニ
オメータ４、及びＸ線検出器５が水平配置されたＸ線回
折装置では、水平面が赤道面となり、この赤道面に直交
して試料面Ｓａが配置されるとともに、この赤道面に回
折Ｘ線を投影したときの回折角が測定される。そして、
Ｘ線の回折を生じさせる結晶格子面が、試料面Ｓａと平
行であれば、赤道面に沿って回折Ｘ線ｂが反射するの
で、赤道面に投影された回折Ｘ線の回折角は、真の回折
角と等しくなる。

【００３５】しかし、試料面Ｓａに対して水平軸を中心
に結晶格子面が傾いていた場合、赤道面に沿って入射す
るＸ線束の、結晶格子面に対する入射角度にずれが生じ
る。その結果、回折Ｘ線ｂは赤道面に対しある角度傾い
た方向に反射する。このときの赤道面に対する回折ベク
トルの傾きをχ、真の回折角をθとすると、回折Ｘ線ｂ
は赤道面に対して、次の角度δだけ傾いた方向に出てい
く。 δ＝ｓｉｎ^−１（２ｓｉｎθ・ｓｉｎχ） …（１）

【００３６】そこで、この実施形態では、傾き角調整装
置６によりＸ線検出器５の受光面５ａを、回折Ｘ線ｂが
出てくる上記角度δの方向に直交するように調整してい
る。これにより、正確な回折Ｘ線ｂの面情報を得ること
ができる。

【００３７】また、このとき赤道面に投影された回折Ｘ
線の回折角θｚと、真の回折角度θとの間には、次の関
係が成り立つ。 ２θｚ＝ｓｉｎ^−１（２ｓｉｎθ・√（ｃｏｓ^２θ−ｓｉｎ^２χ））…（２ ） したがって、測定される赤道面上の回折角θｚに基づ
き、上式から真の回折角を求める必要がある。

【００３８】試料の結晶格子面が傾いていた場合、例え
ば、次のような手順でＸ線検出器５の受光面５ａの位置
を調整するとともに、真の回折角θを求めることができ
る。 Ｘ線検出器５の受光面５ａの位置調整 まず、試料に測定点を任意に設定し、その測定点から回
折してくる回折Ｘ線ｂの受光位置を検出する。そして、
測定点を中心とする赤道面とこの受光位置との間の傾き
角を求める。この傾き角が、上記δである。そこで、傾
き角調整装置６を駆動して、Ｘ線検出器５の受光面５ａ
を角度δだけ傾ける。以上で、回折Ｘ線ｂと直交する位
置に受光面５ａを配置することができる。

【００３９】 真の回折角θの算出 上記のようにして求めた角度δを（１）式に代入すると
ともに、測定された赤道面上の回転角θｚを（２）式に
代入する。そして、（１）、（２）式の連立方程式を解
くことで、真の回折角θを算出することができる。な
お、この発明は上述した実施形態に限定されるものでは
ない。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、試
料の多数の異なる位置のＸ線回折測定を効率的に行え、
測定時間の大幅な短縮を図ることができる。しかも、試
料面に対して結晶格子面が傾いていた場合にも、正確な
回折Ｘ線の面情報を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態に係るＸ線回折装置の概要
を示す斜視図である。

【図２】同じく平面図である。

【図３】同じく正面図である。

【図４】同装置に適用されるヨハン型湾曲モノクロメー
タを示す平面構成図である。

【図５】ナイフスリットの先端縁部を拡大して示す平面
図である

【符号の説明】

１：Ｘ線源 ２：湾曲モノクロメータ ３：試料台 ４：ゴニオメータ ５：Ｘ線検出器 ６：傾き角調整装置 ７：ナイフスリット ９：ソーラースリット

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発散Ｘ線を放射するＸ線源と、前記Ｘ線源
   から放射された発散Ｘ線を単色化するとともに線状に収
   束する湾曲モノクロメータと、前記湾曲モノクロメータ
   で反射したＸ線束が線状に収束する位置に試料表面を配
   置する試料配置手段と、試料の結晶格子面で回折してく
   る回折Ｘ線束を検出するＸ線検出器とを備え、所定の赤
   道面上に前記Ｘ線源、湾曲モノクロメータ及び試料表面
   を配置したＸ線回折装置であって、 前記赤道面に対し傾きをもって試料の結晶格子面から回
   折してくる回折Ｘ線束に対して、前記Ｘ線検出器の受光
   面がほぼ直交するように、赤道面に対するＸ線検出器の
   傾き角を調節する検出角度調節手段を設けたことを特徴
   とするＸ線回折装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のＸ線回折装置において、 前記Ｘ線検出器は、受光面に入射する回折Ｘ線束の強度
   を、面情報として検出できる２次元検出器であることを
   特徴とするＸ線回折装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のＸ線回折装置にお
   いて、 試料面に対する前記Ｘ線束の入射角度を変更するととも
   に、試料のＸ線回折角に合わせて前記Ｘ線検出器の位置
   を調整するゴニオメータを備えたことを特徴とするＸ線
   回折装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか一項に記載し
   たＸ線回折装置において、 Ｘ線を遮蔽する材料で形成した鋭利な先端を有するスリ
   ット板を、入射Ｘ線束が線状に収束する試料面上の部位
   に対し、該試料面と直交して近接配置することを特徴と
   するＸ線回折装置。
5. 【請求項５】 所定の赤道面上にて発散Ｘ線を湾曲モノ
   クロメータにより単色化するとともに試料面上へ線状に
   収束させ、試料の結晶格子面で回折してきた回折Ｘ線束
   をＸ線検出器で検出するＸ線回折測定方法であって、 前記赤道面に対し傾きをもって試料の結晶格子面から回
   折してくる回折Ｘ線束に対して、前記Ｘ線検出器の受光
   面がほぼ直交するように、赤道面に対するＸ線検出器の
   傾き角を調節することを特徴とするＸ線回折測定方法。
6. 【請求項６】 請求項５記載のＸ線回折測定方法におい
   て、 前記Ｘ線検出器の受光面に入射する回折Ｘ線束の強度
   を、面情報として検出することを特徴とするＸ線回折測
   定方法。