JPH08105846A - Ｘ線分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 実験室規模のＤＡＦＳ測定を実現するＸ線分
析装置を提供する。 【構成】 Ｘ線源２によるＸ線の出射点と，結晶Ｘ線モ
ノクロメータ３の凹面回折格子の曲率半径と，試料６を
配置したＸ線の集光焦点位置とが常にローランド円上に
位置するように配してローランド条件を満足させつつ，
Ｘ線の出射点位置を変化させる。Ｘ線の出射点位置の変
化は，偏向操作により電子ビーム１６のターゲット１１
への入射位置を変化させることによりなされ，これと同
期させて結晶Ｘ線モノクロメータ３の角度と凹面回折格
子の曲率半径とを変化させ，常にＸ線出射点と分光素子
の凹面回折格子の曲率半径と集光焦点とがローランド円
上にあるように制御する。この構成によって，移動困難
なゴニオメータとＸ線源とを位置固定したままに，試料
に入射させるＸ線のエネルギー掃引を行いつつ，試料に
よって回折されたＸ線の強度測定により，実験室規模で
ＤＡＦＳの測定を実施することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，半導体材料等の材料評
価，構造解析を行うためのＸ線分析装置に係り，詳しく
は，Ｘ線回折法とＥＸＡＦＳ法とを組み合わせた回折Ｅ
ＸＡＦＳ（ＤＡＦＳ）法によるＸ線分析を放射光実験施
設の高強度Ｘ線を用いることなく実験室規模で実施する
ことができるＸ線分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】材料の原子レベルでの構造解析の一手法
として，Ｘ線回折による測定方法が知られている。これ
は，試料にＸ線を照射したときに，試料の結晶面で反射
した波動の干渉により，Ｘ線の波長と結晶面間隔とで決
定される方向にのみ強い反射（回折波）が生じる現象に
基づいている。多くの異なる方位の結晶面からの回折波
の強度を測定することにより，試料の結晶構造に関する
知見が得られるものである。しかし，この方法は結晶構
造をもたない物質や非固形の物質の回折には利用できな
いので，このような場合には，非晶質の解析も可能なＥ
ＸＡＦＳ（Extened X-ray Absorption Fine Structure
）法が用いられる。このＥＸＡＦＳ法は，Ｘ線の吸収
が大きく変化する吸収端より高いＸ線エネルギーに現れ
る吸収率のエネルギースペクトルにみられる振動構造を
解析する手法である。しかしながら，ＥＸＡＦＳは吸収
端以上のエネルギー領域でＸ線をエネルギー掃引したと
きの１つのエネルギーについて，約１００万カウントの
Ｘ線計数を必要とするため，測定を実用的な時間で終了
させるには高強度のＸ線を必要とする。この高強度Ｘ線
を得るには，放射光実験施設を利用しなければならず，
いつでも簡単に測定することができない。

【０００３】そこで，実験室規模で上記ＥＸＡＦＳを測
定する装置が開発されている。この装置は湾曲型の分光
結晶を用いてＸ線を分光且つ集光させて試料に照射し，
透過してくるＸ線の強度をＸ線検出器で検出する。この
実験室系のＥＸＡＦＳの従来構成の一例を図７に示す。
図７に示すように，実験室系ＥＸＡＦＳ分析装置では，
Ｘ線源は可能な限り高強度のＸ線を得るべく大型化さ
れ，移動困難であるため位置固定とし，Ｘ線を効率よく
利用するため，湾曲結晶を用いた分光素子４２をローラ
ンド円４１上に配して分光と共に集光させ，Ｘ線の出射
点Ｓと分光素子４２と集光焦点Ｆとが常に分光結晶４２
の曲率半径を直径とするローランド円４１上にあるよう
に設定して，ブラッグの条件を満足させながら分光素子
４２に対するＸ線の入射角度と反射角度とを連続的に変
化させてエネルギー掃引する。Ｘ線源は固定であるの
で，分光素子４２と集光焦点Ｆとを連動して移動させ
る。例えば，同図に破線で示すように，分光素子４２を
ｘ軸方向に移動させたときには，集光焦点ＦもＦ’に移
動させる。この移動は，Ｘ線出射点Ｓと分光素子４２の
中心Ａとの距離と，集光焦点Ｆと分光素子４２の中心Ａ
との距離とが等しくすれば，常に∠ＳＡＯ＝∠ＯＡＦ，
∠ＳＡ’Ｏ’＝∠Ｏ’Ａ’Ｆであり，これを連続的に変
化させることにより入射角度，反射角度を掃引すること
ができる。上記集光焦点Ｆに分析対象とする試料を配す
るか，もしくは，集光されたＸ線の出口スリットとする
ことにより，試料に対してＸ線をエネルギー掃引するこ
とができる。又，上記Ｘ線回折とＥＸＡＦＳとを組み合
わせたＤＡＦＳ（Diffraction Anomalous Fine Structu
re）法が開発されている。これは，吸収端付近で入射Ｘ
線のエネルギーを変化させながら，試料によって回折さ
れたＸ線の強度を測定する手法である。通常のＸ線回折
やＥＸＡＦＳでは物質全体の平均構造についての情報し
か得られないが，ＤＡＦＳでは結晶中の単位胞の中の異
なる原子位置の情報を分離して解析できる特徴を有して
いる。しかし，このＤＡＦＳも上記ＥＸＡＦＳと同様に
放射光実験施設の高強度Ｘ線を用いる必要がある。そこ
で，本願発明者は上記実験室系のＥＸＡＦＳとＸ線回折
とを組み合わせることにより，放射光実験施設を利用す
ることなく実験室規模でＤＡＦＳが実現できると考え
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，実験室
系のＥＸＡＦＳとＸ線回折とを組み合わせることによ
り，実験室規模でＤＡＦＳを実現するには以下に示すよ
うな課題をクリアする必要がある。それは，実験室系の
ＥＸＡＦＳでは可能な限りに高い強度のＸ線を得るため
にＸ線源は大型化されているので移動困難である。その
ためＸ線源は固定とし，試料や検出器を移動できるよう
に構成している。ところが，Ｘ線回折では試料の結晶軸
の方位を入射Ｘ線の方向に対して適当な向きに整合さ
せ，望む方向に回動させると共に，様々な方位のＸ線回
折強度を測定するために検出器を試料の周りで回動させ
るためにゴニオメータを必要とする。このゴニオメータ
は高精度の回動精度を要し，自動測定のための駆動系を
備える必要から大型化，高重量化する。そのため，この
ようなゴニオメータを上記実験室系のＥＸＡＦＳに組み
込むことは非常に困難である。又，実験室系のＥＸＡＦ
Ｓでは強いＸ線強度を得るために集光を行うので，Ｘ線
は試料に対して２〜５度の角度分布で入射する。しか
し，Ｘ線回折では入射Ｘ線と結晶面との角度が数秒〜数
１０分程度の幅の回折条件でしか回折が生じないためＸ
線の利用範囲が狭く，測定時間を短縮することができな
い。本願発明者は，実験室規模でＤＡＦＳを実現するた
め上記課題の解決に挑み，実験室規模でＤＡＦＳを実現
するＸ線分析装置を開発するに至った。従って，本発明
が目的とするところは，実験室規模のＤＡＦＳ測定を実
現するＸ線分析装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明が採用する手段は，Ｘ線源から出射させるＸ線
の出射点と，上記Ｘ線を凹面回折格子により分光及び集
光させる分光素子と，上記分光素子によるＸ線の集光焦
点とが，上記凹面回折格子の曲率半径を直径とするロー
ランド円上に位置するように，上記Ｘ線源及び分光素子
を配置すると共に，試料及びＸ線検出器を搭載したゴニ
オメータを上記試料が上記集光焦点に位置するように配
置させてなるＸ線分析装置において，上記分光素子を中
心とする円周に沿った円筒面に形成されたターゲット上
に入射させる電子ビームの入射位置を変化させることに
より上記Ｘ線の出射点位置を変化させるＸ線源と，上記
Ｘ線の出射点位置の変化に同期させて，上記分光素子へ
のＸ線の入射角度と上記凹面回折格子の曲率半径とを変
化させる分光素子駆動手段と，上記試料を保持する回転
軸が上記ローランド円上に不動に配置されたゴニオメー
タとを具備してなることを特徴とするＸ線分析装置とし
て構成されている。上記構成において，上記Ｘ線検出器
が，位置敏感型Ｘ線検出器である構成を採用することが
できる。又，上記ターゲットの電子ビーム入射面が，円
筒面に形成されてなる構成として採用することができ
る。

【０００６】

【作用】本発明によれば，Ｘ線の出射点と，分光素子の
凹面回折格子の曲率半径と，分光素子の集光焦点とが常
にローランド円上に位置するように配置するローランド
条件を満足させつつ，Ｘ線の出射点位置を変化させる。
Ｘ線の出射点位置の変化は，偏向操作により電子ビーム
のターゲットへの入射位置を変化させることにより，タ
ーゲットの電子ビーム入射位置から出射するＸ線の出射
位置を変化させる。このＸ線の出射点位置の変化に同期
させて分光素子の角度と凹面回折格子の曲率半径とを分
光素子駆動手段により変化させ，常にＸ線出射点と分光
素子の凹面回折格子の曲率半径と集光焦点とがローラン
ド円上にあるように制御する。この構成によって，分光
素子による集光焦点位置に配置される試料を保持するゴ
ニオメータは位置固定とすることができる。又，Ｘ線の
出射点の変化は電気的な位置移動であるため，Ｘ線源そ
のものは位置固定とすることができる。よって，大型且
つ重量物であり移動困難なゴニオメータとＸ線源とを位
置固定したままに，試料に入射させるＸ線のエネルギー
掃引を行いつつ，試料によって回折されたＸ線の強度測
定により，実験室規模でＤＡＦＳの測定を実施すること
ができる。請求項１がこれに該当する。

【０００７】上記構成において，試料には分光素子によ
って集光された集光角度でＸ線が入射するので，試料か
らの回折光を検出するＸ線検出器として位置敏感型Ｘ線
検出器を用いることによって，角度情報が位置敏感型Ｘ
線検出器上の位置情報に変換され，ゴニオメータによる
角度走査を実質的に一度で行うことができる。従って，
測定時間が短縮できるので，高強度Ｘ線を用いることな
く実用的な実験室規模のＤＡＦＳの測定が可能となる。
請求項２がこれに該当する。又，Ｘ線出射点となるター
ゲット面は，一般的には４次曲線に形成させなければな
らないが，ＤＡＦＳに必要なエネルギー変化を得るには
分光結晶の中央を中心とする円筒面で充分に近似できる
ので，ターゲットの製作が容易となる利点がある。特に
分光結晶を対称反射で用いる場合，即ちＸ線の分光結晶
への入射角，出射角が等しい場合には，分光結晶の中央
を中心とする円周上にＸ線出射点及び試料を配置する
と，ローランド条件を厳密に満足させることができる。

【０００８】

【実施例】以下，添付図面を参照して，本発明を具体化
した実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，
以下の実施例は本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定するものではない。ここに，図１
は本発明の一実施例に係るＸ線分析装置の構成を示す模
式図，図２は実施例に係る結晶湾曲機構の構成を示す断
面図，図３は実施例に係る結晶Ｘ線モノクロメータに利
用するヨハンソン型モノクロメータの作用を説明する模
式図，図４は実施例に係るマルチチャンネルアナライザ
に蓄えられる測定データの例を示すグラフ，図５はＸ線
の出射点位置の移動に伴うローランド円変化の状態を説
明する説明図、図６はＤＡＦＳスペクトルの例を示すグ
ラフである。図１において，実施例に係るＸ線分析装置
１は，電子ビームでターゲットを照射してＸ線を発生さ
せるＸ線源２と，該Ｘ線源２から放射されるＸ線から特
定エネルギーのＸ線のみを回折，集光させてゴニオメー
タ５上にセットされた試料６に照射する結晶Ｘ線モノク
ロメータ（分光素子）３と，試料６によって回折された
Ｘ線を検出する位置敏感型比例計数管（Ｘ線検出器）４
と，該位置敏感型比例計数管４の検出出力を分析処理す
る分析回路７，マルチチャンネルアナライザ８，演算器
９等を備えたデータ分析装置と，上記Ｘ線源２の電子ビ
ームの走査に同期して上記結晶Ｘ線モノクロメータ３を
制御するコントローラ１０とを具備して構成されてい
る。上記Ｘ線源２は，真空ポンプ１２によって真空排気
される真空容器１３内の所定位置に配置されたターゲッ
ト１１に電子ビーム１６を照射することによりＸ線を発
生させる。上記電子ビームは３０〜６０ｋＶに加速さ
れ，偏向電極１４により偏向されて上記ターゲット１１
に照射される。発生したＸ線は真空容器１３に設けられ
たベリリウム窓１５から大気中に引き出され，上記結晶
Ｘ線モノクロメータ３の結晶湾曲面に照射される。上記
ターゲット１１の電子ビーム照射面は，分光結晶を中心
とする円周に沿った円筒上に形成されており，偏向電極
１４による電子ビーム照射位置の変化により，Ｘ線の出
射点位置を変化させることができる。

【０００９】上記結晶Ｘ線モノクロメータ３は，図２に
示すような結晶湾曲機構１７を回転ステージ１８上に搭
載して構成されている。この結晶Ｘ線モノクロメータ３
は，基本的にはヨハンソン型モノクロメータとして構成
されている。ヨハンソン型モノクロメータは，図３に示
すように，Ｘ線の出射点Ｓから分光結晶１９の中心方向
に出たＸ線と，それと異なる方向に出た同一波長のＸ線
とを分光結晶１９で回折させて集光焦点Ｆに集光させ
る。分光結晶１９で回折させて集光させる条件は，円周
角一定の定理により∠ＳＡＦと∠ＳＡ’Ｆとが同じにな
るように，Ｘ線の出射点Ｓと集光焦点Ｆと，全ての回折
点とがローランド円上にあるように設定する。又，分光
結晶１９の結晶面に対するＸ線の入射角度を一定にする
ためには，結晶面の法線は円周上で，分光結晶１９の中
心の反対の点Ｏの方向に向いているようにする。これも
円周角一定の定理から∠ＳＡＯと∠ＳＡ’Ｏが同じであ
り，線分ＡＯと線分Ａ’Ｏが結晶面の法線であることか
ら証明される。上記分光結晶１９は，結晶湾曲機構１７
に設けられた駆動モータ２０による機械的加圧によりロ
ーランド円の半径Ｒの２倍の曲率半径となるように曲げ
角度が調整される。又，結晶湾曲機構１７を搭載した回
転ステージ１８の回転により，Ｘ線の入射角度が調整さ
れる。この結晶湾曲機構１７による分光結晶１９の曲率
の変化，及び，分光結晶１９へのＸ線の入射角度の変化
は，結晶Ｘ線モリクロメータ３に装備された駆動制御装
置（図示せず）に入力されるコントローラ１０の制御信
号により動作する。

【００１０】上記構成において，Ｘ線源２のターゲット
１１上に照射される電子ビーム１６の照射点がＸ線の出
射点として投射されるＸ線は，結晶Ｘ線モノクロメータ
３で特定エネルギーのみが回折，集光され，ゴニオメー
タ５上に集光焦点位置にセットされた試料６に照射され
る。試料６によって回折されたＸ線は位置敏感型比例計
数管４によって検出され，分析回路７によって位置情報
に変換された後，マルチチャンネルアナライザ８に図４
にその一例を示すように検出結果が蓄えられる。コント
ローラ１０は上記結晶Ｘ線モノクロメータ３とＸ線源２
の偏向角度制御装置２１とを同期制御して，図５に示す
ように，偏向角度を変化させてＸ線の出射点位置をＳ〜
Ｓ’に移動させたとき，結晶Ｘ線モノクロメータ３の回
転角度と分光結晶１９の曲率半径とを変化させ，試料６
の集光焦点位置Ｆは固定したローランド条件を満足させ
ながらＸ線のエネルギー掃引を行う。あるＸ線エネルギ
ーでの回折Ｘ線の強度は，上記マルチチャンネルアナラ
イザ８に蓄えられているので，その結果からバックグラ
ウンドをさっ引く演算を演算器９で行い，それぞれのＸ
線エネルギー毎のデータをメモリ２２に格納する。測定
終了後にメモリ２２に格納された測定結果を出力させる
と，図６に示すようなＤＡＦＳスペクトルが得られる。
この測定結果から，試料６の吸収端より高いＸ線エネル
ギーでのＸ線回折強度の振動をデータ解析することによ
り，試料６の原子レベルの構造解析がなされる。上記構
成によれば，実験室系のＥＸＡＦＳの測定と同程度（８
〜２４時間）の測定時間でＤＡＦＳの測定を行うことが
できる。上記構成に示すように，ゴニオメータ５を位置
固定として，Ｘ線の出射点位置と分光・集光面とを変化
させてＸ線のエネルギー掃引がなされ，Ｘ線検出器とし
て位置敏感型比例計数管４を用いることにより，試料６
の回転角度とＸ線検出器の位置を移動させることなく，
試料６からの回折Ｘ線の強度をバックグラウンドと共に
測定でき，Ｘ線エネルギー掃引によるＸ線吸収スペクト
ルと回折Ｘ線とを同時に測定するＤＡＦＳ測定が実験室
規模で実現される。

【００１１】

【発明の効果】以上の説明の通り本発明によれば，Ｘ線
の出射点と，分光素子の凹面回折格子の曲率半径と，分
光素子の集光焦点とが常にローランド円上に位置するよ
うに配置するローランド条件を満足させつつ，Ｘ線の出
射点位置を変化させる。Ｘ線の出射点位置の変化は，偏
向操作される電子ビームをターゲットに入射させること
により，ターゲットの電子ビーム入射位置から出射する
Ｘ線の出射位置を変化させる。このＸ線の出射点位置の
変化に同期させて分光素子の角度と凹面回折格子の曲率
半径とを分光素子駆動手段により変化させる。この構成
によって，分光素子による集光焦点位置に配置される試
料を保持するゴニオメータは位置固定とすることができ
る。又，Ｘ線の出射点の変化は電気的な位置移動である
ため，Ｘ線源そのものは位置固定とすることができる。
よって，大型且つ重量物であり移動困難なゴニオメータ
とＸ線源とを位置固定したままに，ローランド条件を満
足させながら試料に入射させるＸ線のエネルギー掃引を
行って，試料により回折されたＸ線の強度の測定を行う
ことができるので，実験室規模でＤＡＦＳの測定を実施
することができる。（請求項１） 上記構成において，試料には分光素子によって集光され
た集光角度でＸ線が入射するので，試料からの回折光を
検出するＸ線検出器として位置敏感型Ｘ線検出器を用い
ることによって，角度情報が位置敏感型Ｘ線検出器上の
位置情報に変換され，ゴニオメータによる角度走査を実
質的に一度で行うことができる。従って，測定時間が短
縮できるので，高強度Ｘ線を用いることなく実用的な実
験室規模のＤＡＦＳの測定が可能となる。（請求項２）

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例に係るＸ線分析装置の構成を
示す模式図。

【図２】 実施例に係る結晶湾曲機構の構成を示す断面
図。

【図３】 モノクロメータによる分光・集光の作用を説
明する模式図。

【図４】 実施例に係るマルチチャンネルアナライザに
蓄えられるデータの例を示すグラフ。

【図５】 Ｘ線出射点位置の変化によるローランド円変
化の状態を説明する模式図。

【図６】 ＤＡＦＳスペクトルの例を示すグラフ。

【図７】 従来例に係る実験室系のＥＸＡＦＳの概略構
成を示す模式図。

【符号の説明】

１…Ｘ線分析装置 ２…Ｘ線源 ３…結晶Ｘ線モノクロメータ（分光素子） ４…位置敏感型比例計数管（Ｘ線検出器） ５…ゴニオメータ ６…試料 １０…コントローラ（分光素子駆動手段） １１…ターゲット １４…偏向電極 １６…電子ビーム １７…結晶湾曲機構（分光素子駆動手段） １８…回転ステージ（分光素子駆動手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和佐 泰宏 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 井上 浩司 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｘ線源から出射させるＸ線の出射点と，
   上記Ｘ線を凹面回折格子により分光及び集光させる分光
   素子と，上記分光素子によるＸ線の集光焦点とが，上記
   凹面回折格子の曲率半径を直径とするローランド円上に
   位置するように，上記Ｘ線源及び分光素子を配置すると
   共に，試料及びＸ線検出器を搭載したゴニオメータを上
   記試料が上記集光焦点に位置するように配置させてなる
   Ｘ線分析装置において，上記分光素子を中心とする円周
   に沿った円筒面に形成されたターゲット上に入射させる
   電子ビームの入射位置を変化させることにより上記Ｘ線
   の出射点位置を変化させるＸ線源と，上記Ｘ線の出射点
   位置の変化に同期させて，上記分光素子へのＸ線の入射
   角度と上記凹面回折格子の曲率半径とを変化させる分光
   素子駆動手段と，上記試料を保持する回転軸が上記ロー
   ランド円上に不動に配置されたゴニオメータとを具備し
   てなることを特徴とするＸ線分析装置。
2. 【請求項２】 上記Ｘ線検出器が，位置敏感型Ｘ線検出
   器である請求項１記載のＸ線分析装置。