JP2003014894A - Ｘ線分光方法及びｘ線分光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２種類の波長を切り換えてＸ線を分光すると
きに、試料もＸ線源も移動させる必要がなく、かつ、１
種類の多層膜ミラーだけで足りるようにする。 【解決手段】 複焦点型のＸ線源を使う。第１焦点Ｆ１
からは第１波長のＸ線が発生し、第２焦点Ｆ２からは第
２波長のＸ線が発生する。Ｘ線の取り出し方向から見て
第１焦点Ｆ１と第２焦点Ｆ２とは異なる位置にある。多
層膜ミラー５０の曲率を変更可能にする。第１波長を平
行Ｘ線ビームとして取り出すには、多層膜ミラー５０の
反射面を第１放物線４８に沿うように湾曲させ、その焦
点位置にＸ線源の第１焦点Ｆ１を配置する。第２波長を
取り出すには、多層膜ミラー５０の反射面を第２放物線
５２に沿うように湾曲させ、その焦点位置にＸ線源の第
２焦点Ｆ２を配置する。上述の２種類の分光段階におい
て、Ｘ線源の位置及び姿勢は同じであり、多層膜ミラー
５０については、その反射面の位置が実質的に変わらず
に、姿勢と曲率だけが変化している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は湾曲反射面を有す
る多層膜ミラーを用いて平行Ｘ線ビームを取り出すＸ線
分光方法に関し、また、そのためのＸ線分光装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図１５（ａ）は２種類の波長のＸ線ビー
ムを用いて薄膜試料のＸ線回折測定をするための従来の
Ｘ線分光方法を示す平面図である。１台のゴニオメータ
１０に対して、第１のＸ線分光装置１２と第２のＸ線分
光装置１４を準備している。第１のＸ線分光装置１２
は、第１波長の平行Ｘ線ビームを取り出すものであり、
第１波長のＸ線を発生する第１Ｘ線源１６と、湾曲反射
面を有する第１の多層膜ミラー１８とを備えている。湾
曲反射面は傾斜格子面間隔の多層膜で形成されていて、
その断面形状は第１放物線に沿う形状をしている。この
第１放物線の焦点位置に第１Ｘ線源１６が配置されてい
る。第１Ｘ線源１６で発生した第１波長のＸ線２０は第
１の多層膜ミラー１８の湾曲反射面で反射して、互いに
平行なＸ線束からなる第１の平行Ｘ線ビーム２２とな
る。この第１の平行Ｘ線ビーム２２を薄膜試料２４に低
角度で入射して、そこからの回折Ｘ線をソーラースリッ
ト２６を通してＸ線検出器２８で検出する。薄膜試料２
４を静止させたままで、Ｘ線検出器２８を薄膜試料２４
の周りに回転させながら回折Ｘ線の強度を測定すると薄
膜試料２４の回折パターンを得ることができる。

【０００３】次に、第２波長のＸ線で薄膜試料２４のＸ
線回折測定をするには、ゴニオメータ１０を第２のＸ線
分光装置１４のところまで平行移動する。そして、第２
Ｘ線源３０で発生する第２波長のＸ線を第２の多層膜ミ
ラー３２で反射させて第２の平行Ｘ線ビーム３４を得
て、これを薄膜試料２４に照射する。

【０００４】例えば、第１のＸ線分光装置１２では、第
１Ｘ線源１６のターゲット材質としてＣｕ（銅）を用い
て、その特性Ｘ線のＣｕＫαを回折測定に用いることが
できる。一方、第２のＸ線分光装置１４では、第２Ｘ線
源３０のターゲット材質としてＣｒ（クロム）を用い
て、その特性Ｘ線のＣｒＫαを回折測定に用いることが
できる。このような場合に、第１の多層膜ミラー１８は
ＣｕＫα用に作られた専用のものである必要があり、第
２の多層膜ミラー３２はＣｒＫα用に作られた専用のも
のである必要がある。

【０００５】図１５（ｂ）は２種類の波長のＸ線ビーム
を用いて薄膜試料のＸ線回折測定をするための従来の別
のＸ線分光方法を示す平面図である。この従来例では、
２種類の波長のＸ線を発生することのできるＸ線源３６
を用いる。そして、２種類の波長に応じて２種類の多層
膜ミラー１８、３２のいずれかを選択する。いずれの波
長を用いる場合でも、ゴニオメータ１０は同じ位置のま
までよい。２種類の波長のＸ線を発生するＸ線源３６と
しては、例えば、円筒状のターゲットの外周面に２種類
の金属を交互に配置した回転対陰極（いわゆる、ゼブラ
型のターゲット）を有するＸ線管を用いることができ
る。このＸ線源を用いると、２種類の金属に起因する特
性Ｘ線が同時に発生するが、取り出したい波長に応じて
２種類の多層膜ミラー１８、３２のいずれかを選択する
ことにより、所望の波長の特性Ｘ線だけを取り出すこと
ができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図１５（ａ）に示す従
来のＸ線分光方法は、測定に使うＸ線の波長を切り換え
るためにはゴニオメータを平行移動させる必要があり、
また、Ｘ線分光装置を２セット準備しなければならな
い。一方、図１５（ｂ）に示すＸ線分光方法は、ゴニオ
メータは平行移動させなくてもよいが、測定に使う２種
類の波長に応じて、その波長専用に作られた多層膜ミラ
ーを別個に準備しなければならない。

【０００７】この発明は上述の問題点を解決するために
なされたものであり、その目的は、２種類の波長を切り
換えるときに試料もＸ線源も移動させる必要がなく、か
つ、１種類の多層膜ミラーだけで足りるようなＸ線分光
方法を提供することにあり、また、その方法を実施する
Ｘ線分光装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１の発明のＸ線分光方
法は、複焦点型のＸ線源を使うものであって、次の
（ａ）〜（ｄ）の各段階を備えている。（ａ）第１波長
のＸ線を発生する第１焦点と第２波長のＸ線を発生する
第２焦点とを備えていて、Ｘ線の取り出し方向から見て
前記第１焦点と前記第２焦点とが異なる位置にあるよう
なＸ線源を準備する段階。（ｂ）傾斜格子面間隔の多層
膜からなる湾曲反射面を有する多層膜ミラーを準備する
段階。（ｃ）前記第１波長に基づく第１放物線の焦点位
置に前記Ｘ線源の前記第１焦点を配置するとともに、こ
の第１放物線に沿うように前記湾曲反射面を配置して、
前記第１焦点で発生した第１波長のＸ線を前記湾曲反射
面で反射させて平行Ｘ線ビームを取り出す第１分光段
階。（ｄ）前記第２波長に基づく第２放物線の焦点位置
に前記Ｘ線源の前記第２焦点を配置するとともに、この
第２放物線に沿うように前記湾曲反射面を配置して、前
記第２焦点で発生した第２波長のＸ線を前記湾曲反射面
で反射させて平行Ｘ線ビームを取り出す第２分光段階で
あって、前記Ｘ線源の位置及び姿勢が前記第１分光段階
と同じであり、前記第１分光段階と比較して前記湾曲反
射面の位置が実質的に変わらずにその姿勢と曲率だけが
変化していて、前記第１分光段階と実質的に同じ位置及
び方向に平行Ｘ線ビームが取り出される第２分光段階。
このＸ線分光方法は、２種類の波長が比較的離れていて
も、また、接近していても、どちらでも適用可能であ
る。

【０００９】第２の発明のＸ線分光方法は、単焦点型の
Ｘ線源を使うものであって、次の（ａ）〜（ｄ）の各段
階を備えている。（ａ）第１波長のＸ線と第２波長のＸ
線が同じ焦点から取り出されるＸ線源を準備する段階。
（ｂ）傾斜格子面間隔の多層膜からなる湾曲反射面を有
する多層膜ミラーを準備する段階。（ｃ）前記第１波長
に基づく第１放物線の焦点位置に前記Ｘ線源の焦点を配
置するとともに、この第１放物線に沿うように前記湾曲
反射面を配置して、前記Ｘ線源で発生した第１波長のＸ
線を前記湾曲反射面で反射させて平行Ｘ線ビームを作
り、この平行Ｘ線ビームを出射スリットから取り出す第
１分光段階。（ｄ）前記第２波長に基づく第２放物線の
焦点位置に前記Ｘ線源の焦点を配置するとともに、この
第２放物線に沿うように前記湾曲反射面を配置して、前
記Ｘ線源で発生した第２波長のＸ線を前記湾曲反射面で
反射させて平行Ｘ線ビームを作り、この平行Ｘ線ビーム
を出射スリットから取り出す第２分光段階であって、前
記Ｘ線源の位置及び姿勢が前記第１分光段階と同じであ
り、前記湾曲反射面の位置と姿勢と曲率が前記第１分光
段階から変化していて、前記出射スリットの位置が第１
分光段階と同じであり、前記第１分光段階と実質的に同
じ位置及び方向に平行Ｘ線ビームが取り出される第２分
光段階。このＸ線分光方法は、２種類の波長が接近して
いる場合に有効な方法である。２種類の波長が比較的離
れていると、共通の出射スリットから２種類の波長を取
り出すことができなくなるので、適用不可能になる。

【００１０】第３の発明のＸ線分光装置は、第１の発明
のＸ線分光方法を実施するための装置であって、次の
（ａ）〜（ｃ）を備えている。（ａ）第１波長のＸ線を
発生する第１焦点と第２波長のＸ線を発生する第２焦点
とを備えていて、Ｘ線の取り出し方向から見て前記第１
焦点と前記第２焦点とが異なる位置にあるようなＸ線
源。（ｂ）傾斜格子面間隔の多層膜からなる湾曲反射面
を有する多層膜ミラーであって、前記第１波長に基づき
前記第１焦点を焦点位置とする第１放物線に沿う第１姿
勢と、前記第２波長に基づき前記第２焦点を焦点位置と
する第２放物線に沿う第２姿勢とに選択的に配置可能な
多層膜ミラー。（ｃ）前記湾曲反射面の曲率を変更する
ための曲率変更手段。

【００１１】第４の発明のＸ線分光装置は、第２の発明
のＸ線分光方法を実施するための装置であって、次の
（ａ）〜（ｄ）を備えている。（ａ）第１波長のＸ線と
第２波長のＸ線が同じ焦点から取り出されるＸ線源。
（ｂ）傾斜格子面間隔の多層膜からなる湾曲反射面を有
する多層膜ミラーであって、前記第１波長に基づき前記
第１焦点を焦点位置とする第１放物線に沿う第１位置及
び第１姿勢と、前記第２波長に基づき前記第２焦点を焦
点位置とする第２放物線に沿う第２位置及び第２姿勢と
に選択的に配置可能な多層膜ミラー。（ｃ）前記湾曲反
射面の曲率を変更するための曲率変更手段。（ｄ）前記
湾曲反射面から出てくる平行Ｘ線ビームの取り出し範囲
を制限する出射スリットであって、前記第１波長の平行
Ｘ線ビームと前記第２波長の平行Ｘ線ビームとを同じ位
置で取り出すようにした出射スリット。

【００１２】

【発明の実施の形態】まず、この発明で使用する多層膜
ミラーについて説明する。図１（ａ）は多層膜ミラー３
８の断面図である。この多層膜ミラー３８は、厚さが
０．５ｍｍのＳｉ（シリコン）基板４０の表面に多層膜
４２を積層したものである。図１（ｂ）は多層膜４２を
模式的に示す断面図である。この多層膜４２は重元素で
あるＷ（タングステン）４４と軽元素であるＳｉ（シリ
コン）４６とを交互に２００層ずつ積層したものであ
る。この多層膜４２は１周期の厚さｄが場所によって変
化しており、例えばＡ点における１周期の厚さはｄ１で
あり、Ｂ点における１周期の厚さはｄ２である。Ｘ線回
折の観点から言えば、多層膜４２の１周期の厚さｄは結
晶の格子面間隔に相当し、上述のように１周期の厚さｄ
が場所によって変化する多層膜は「傾斜格子面間隔」の
多層膜と呼ばれる。放物線形状の湾曲反射面を用いて平
行Ｘ線ビームを取り出すときには、このような傾斜格子
面間隔の多層膜が必要になる。

【００１３】この発明で使う多層膜は、一般的に言え
ば、次のような条件で作ることができる。重元素として
はＷ（タングステン）が代表的である。軽元素としては
Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｂ４Ｃ（炭化ホウ素）
などが考えられる。重元素と軽元素の積層数（周期数）
は１００〜２００層程度とすることができる。１周期の
厚さｄは３〜１２ｎｍ程度である。

【００１４】次に、この発明のＸ線分光方法の原理を説
明する。図２は二つの波長のＸ線を選別して取り出すた
めのＸ線光学系を示す説明図である。第１放物線４８の
焦点位置ＦにＣｕターゲットのＸ線源の焦点が配置され
ている。この第１放物線４８に沿って第１の多層膜ミラ
ー５０が配置されている。この第１の多層膜ミラー５０
の湾曲反射面は、第１放物線４８の一部分を第１放物線
４８の軸４９に垂直な方向（紙面に垂直な方向）に平行
移動したときにできる軌跡からなる放物面である。この
湾曲反射面は図１（ｂ）に示すような傾斜格子面間隔の
多層膜で形成されている。第１放物線４８はＣｕの特性
Ｘ線であるＣｕＫα線を回折させるための放物線となっ
ている。

【００１５】焦点位置Ｆと軸とを共通にする放物線は無
数に存在するが、ＣｕＫα線を回折させるような放物線
は、次のようにして求めることができる。図１（ｂ）に
示すような多層膜ミラーを使用する場合を考えると、多
層膜の周期ｄとＸ線の波長λ（ＣｕＫα線の波長）が決
まると、ブラッグの法則に基づいて、回折現象が生じる
Ｘ線入射角θが決まる。そして、多層膜ミラーの最近端
（Ｘ線源に一番近い端部。これをＣ点とする）をＸ線源
から約８０ｍｍのところに配置すると定めれば、Ｃ点の
空間位置が決まる。焦点位置Ｆと軸とＣ点が定まると、
第１放物線４８が一義的に定まる。この放物線上におけ
るＸ線入射角θは距離Ｘ（放物線の頂点からの軸方向の
距離）に応じて変化するので、この入射角θの変化に応
じて、多層膜ミラー５０の周期ｄを連続的に変化させ、
これによって、放物線上のどの位置でもブラッグの法則
を満足できるようにする。この実施形態では、多層膜ミ
ラー５０の長さは約４０ｍｍである。

【００１６】次に、ＣｒターゲットのＸ線源を上述のＣ
ｕターゲットと同じ焦点位置Ｆに置くことを考える。こ
の場合、Ｃｒの特定Ｘ線であるＣｒＫα線の波長は上述
のＣｕＫα線の波長とは異なっている。したがって、ブ
ラッグの法則を満足するＸ線入射角が異なるので、第１
の放物線４８とは異なる第２の放物線５２を使う必要が
ある。この第２の放物線５２はＣｒＫα線を回折させる
ような放物線である。この第２の放物線５２に沿うよう
に第２の多層膜ミラー５４が湾曲している。当然なが
ら、第１の多層膜ミラー５０と第２の多層膜ミラー５４
ではその曲率が異なっている。

【００１７】図２においてハッチングで示してある領域
は、多層膜ミラーへの入射Ｘ線及び多層膜ミラーからの
出射Ｘ線が占める領域である。出射Ｘ線は互いに平行な
Ｘ線束からなる平行ビームである。

【００１８】次に、二つの多層膜ミラー５０、５４を同
じ位置に配置するための条件を考える。第１の放物線４
８及び第１の多層膜ミラー５０を、Ｃ点とＤ点の間の距
離Ｇ（この実施形態ではＧ＝２．２５ｍｍ）だけ上方に
移動させると、第１の多層膜ミラー５０の最近端Ｃ点が
第２の多層膜ミラー５４の最近端Ｄ点に重なる。移動後
の状態を図３に示す。第１放物線４８とその軸４９は破
線で示してある。

【００１９】例えば、第１放物線４８の焦点位置Ｆ１に
ＣｕターゲットのＸ線源を配置して、かつ、第１放物線
４８に沿うように第１の多層膜ミラー５０を配置するこ
とで、Ｙ方向の幅が１．１９ｍｍの平行Ｘ線ビームが得
られる。また、第２放物線５２の焦点位置Ｆ２にＣｒタ
ーゲットのＸ線源を配置して、かつ、第２放物線５２に
沿うように第１の多層膜ミラー５４を配置することで、
Ｙ方向の幅が１．６９ｍｍの平行Ｘ線ビームが得られ
る。

【００２０】次に、二つの多層膜ミラー５０、５４を共
通にすることを考える。図３において、第１の多層膜ミ
ラー５０を曲率可変のミラーとすれば、これを第１の放
物線４８に沿うように湾曲させることも、第２の放物線
５２に沿って湾曲させることもできる。しかし、第１の
多層膜ミラー５０の多層膜の周期ｄは、ＣｕＫα線を反
射させるように連続的に変化しているので、曲率だけを
第２の放物線５２に沿って変化させても、周期ｄがＣｒ
Ｋα線を反射するようには変化していないので、厳密に
は多層膜ミラー５０のすべての地点においてＣｒＫα線
についてのブラッグの法則を満足することにはならな
い。そこで、その誤差を検討する。

【００２１】第２の放物線５２に沿って理想的な周期ｄ
となっているような第２の多層膜ミラー５４における各
地点でのＸ線入射角をθ１とする。一方、第１の多層膜
ミラー５０を第２の放物線５２に沿うように湾曲させ
て、この第１の多層膜ミラー５０の各地点の周期ｄに応
じてＣｒＫα線が回折するようなＸ線入射角をθ２とす
る。このθ１とθ２の角度誤差の計算結果を図１２に示
す。多層膜ミラーの最近端（距離Ｘ＝８０ｍｍ）から最
遠端（距離Ｘ＝１２０ｍｍ）までの範囲での角度誤差は
０．００８６〜０．００７７度となった。すなわち、角
度誤差は０．０１度未満である。一方で、多層膜ミラー
による反射ピークの半価幅は約０．０５度である。した
がって、理想的な入射角度に対して０．０１度未満の角
度ずれがあっても、これは多層膜ミラーの半価幅よりも
かなり小さいので、この多層膜ミラーによって問題なく
反射して、出射ビームを得ることができる。Ｘ線強度に
ついても理想状態に対して９０％程度であって、強度低
下もそれほど大きくなく、十分使用可能範囲である。以
上のような検討結果に基づいて、ＣｕＫα線用に設計さ
れた傾斜周期ｄを有する多層膜ミラーを、曲率を変える
だけで、ＣｒＫα線の多層膜ミラーとしても兼用できる
ことがわかった。

【００２２】次に、残る問題は、図３に示すように近接
した二つの焦点Ｆ１、Ｆ２からＣｕとＣｒの特性Ｘ線を
別個に発生させるようなＸ線源を準備することである。
以下に、このような複焦点型のＸ線源について説明す
る。

【００２３】まず、異なる特性Ｘ線を発生させることの
できる従来のＸ線管を説明する。図５は従来のゼブラ型
の回転対陰極である。Ｃｕターゲット５６とＣｒターゲ
ット５８を円周方向に沿って交互に配置している。フィ
ラメント６０から電子ビーム６２が回転対陰極６４に照
射されると、Ｃｕターゲット５６からのＸ線とＣｒター
ゲット５８からのＸ線が混じった状態でＸ線ビーム６６
として取り出される。この場合は、Ｘ線取り出し方向か
ら見れば同じ焦点位置からＣｕターゲット５６からのＸ
線とＣｒターゲット５８からのＸ線が発生していること
になる。これでは、図３のような用途には使えない。

【００２４】次に、この発明で使用する複焦点型の回転
対陰極Ｘ線管を説明する。図６は回転対陰極６８の外周
面に環状の溝７０を複数個並列に設けたものである。こ
の回転対陰極６８はカップ状のＣｒ製のベース７１（内
部は水冷される）の外周面にＣｕ製の外層７２を被覆し
たものである。そして、外層７２の厚さよりも深く溝７
０を加工することで、溝７０の底面にベース７１の材質
のＣｒが露出している。外層７２の被覆方法としては拡
散接合や蒸着などを用いる。

【００２５】図８（ａ）は図６の回転対陰極６８の側面
図（左半分を断面図にしたもの）である。円筒状の回転
対陰極６８の外径は１００ｍｍである。溝７０の深さは
図３の距離Ｇと同じにしてあり、２．２５ｍｍである。
溝７０の幅は２ｍｍである。図８（ｂ）はＸ線の取り出
し方向から見た焦点の形状である。外層７２の表面（Ｃ
ｕ）から発生するＸ線７４と、溝７０の底面（Ｃｒ）か
ら発生するＸ線７６は、距離Ｇだけ離れている。ところ
で、溝７０は環状になっているので、Ｘ線７４、７６
は、その断面の縦方向において、Ｘ線が全く発生しない
部分７８が生じてしまう。

【００２６】そこで、このような欠点をなくすために、
図７の回転対陰極６８ａでは溝７０ａをらせん状に形成
している。図８（ｃ）は図７の回転対陰極６８ａの側面
図（左半分を断面図にしたもの）である。溝７０ａの深
さＧは２．２５ｍｍ、幅は２ｍｍである。図８（ｄ）は
その場合のＸ線取り出し方向から見た焦点の形状であ
る。この場合は、回転対陰極６８ａが回転することによ
って、Ｘ線７４ａ、７６ａは、その断面の縦方向におい
て一様なＸ線強度が得られる。

【００２７】別の製造方法として、図８（ｃ）のような
形状に回転対陰極の全体をＣｕで製造し、その後、溝７
０ａの底面だけにＣｒを蒸着してもよい。

【００２８】図９は複焦点型の回転対陰極の別の例であ
る。図９（ａ）は回転対陰極の製造途中の状態を示す横
断面図（回転軸に垂直な断面図）である。この回転対陰
極は、まず、カップ状のＣｒ製のベース７１ｂの外周面
にＣｕ製の外層７２ｂを被覆する。次に、図９（ｂ）に
示すように、周方向の３個所において外周面を加工して
Ｃｒを露出させる。これによって、大径部分７８と小径
部分８０が周方向に交互に配置された状態になる。な
お、小径部分８０からのＸ線を矢印８２の方向に取り出
すときに大径部分７８が邪魔にならないように、大径部
分７８の裾８４を接線方向にカットしている。大径部分
７８に電子ビームが当たるときはＣｕの特性Ｘ線が発生
し、小径部分８０に電子ビームが当たるときはＣｒの特
性Ｘ線が発生する。図９（ｃ）は図９（ｂ）の回転対陰
極の側面断面図である。大径部分７８と小径部分８０の
半径の差はＧであり、これは図８における溝の深さＧと
同じである。図９（ｄ）はＸ線の取り出し方向から見た
焦点の形状である。図８（ｄ）と同様の焦点形状とな
る。なお、３等分以外のｎ等分（ｎ＝正の整数）にして
も構わない。

【００２９】図８（ｃ）や図９（ｃ）に示したような複
焦点型の回転対陰極Ｘ線管を使うことによって、Ｘ線管
の位置及び姿勢を全く変えずに、図３のように、異なる
焦点位置から２種類の波長のＸ線を取り出すことが可能
となる。

【００３０】次に、図３で使用している多層膜ミラー５
０について詳しく説明する。図１０は多層膜ミラー５０
の外形曲線を示す平面図である。この多層膜ミラーは、
ミラーを構成する基板の一端（図の左端）を壁面に固定
して、先端のＨ点（図の右端）を自由端として、ここに
荷重をかけて基板を湾曲させるものである。Ｕは壁（図
１０の左端）からの距離、Ｖは基板の幅方向の中心から
の距離（幅の２分の１）である。基板の外形曲線８６を
図１６の（１）式のようにすると（この点は後述す
る）、先端に荷重Ｗをかけたときに基板の湾曲面がＣｕ
Ｋα線を反射するような放物面となる。

【００３１】次に、外形曲線８６を求める手順を説明す
る。まず、ＣｕＫα線を反射させる第１放物線４８（図
２を参照）を求めて、その曲率半径Ｒ１（図２の距離Ｘ
に依存して変化する）を計算する。次に、図１６の
（２）式を用いて基板（片持ち梁）の曲率半径を計算す
る。すなわち、図１６の（２）式において、パラメータ
ａ、ｂ、Ｗを変えて、使用予定の反射領域（４０ｍｍ×
２０ｍｍ。図１０のハッチングで示した領域）の各位置
での曲率半径を計算する。この曲率半径が上述の曲率半
径Ｒ１にできるだけ一致するように、最適なａ、ｂ、Ｗ
を求める。これにより、各距離Ｕにおけるａの数値が得
られる。このａの数値（図１０のＶに相当する）を距離
Ｕの５次式の関数で近似すると、図１６の（１）式が得
られる。この数式をＮＣ制御の工作機械にセットすれば
外形曲線８６を加工することができる。この多層膜ミラ
ーの先端に荷重Ｗをかけると、少なくとも反射領域（４
０ｍｍ×２０ｍｍ）の部分は、第１放物線４８に沿うよ
うに湾曲する。そのときの平面状態からの先端の変位量
は０．２５ｍｍとなる。

【００３２】なお、上述の曲率Ｒ１をＣｒＫα線用の曲
率Ｒ２に変えて、図１６の（１）式に相当する数式を求
めれば、ＣｒＫα線用の多層膜ミラーの外形曲線が得ら
れる。これをＣｕＫα線用の外形曲線８６と比較する
と、その誤差は最大で約１０μｍであり、これは加工誤
差の範囲内である。したがって、ＣｕＫα線用の多層膜
ミラーとＣｒＫα線用の多層膜ミラーとで、同じ外形曲
線を用いても、実用上の差異はない。

【００３３】図１１は多層膜ミラーの曲率を変更するた
めの機構の一例を示す斜視図である。多層膜ミラー５０
の基端は固定台８８に固定されている。多層膜ミラー５
０の先端は押し棒９０で押し上げられるようになってい
る。押し棒９０に与える荷重を調整する（実際には押し
棒９０の変位を調整する）ことで、多層膜ミラー５０の
湾曲面（放物面となる）の曲率を変えることができる。
図１１において、ミラー５０が湾曲する側（図１１の上
側）に多層膜が形成されている。押し棒９０の移動機構
と固定台８８は回転台９２に取り付けられている。回転
台９２をその中心線９４の周りに回転させると、多層膜
ミラー５０のＸ線源に対する姿勢（取り付け角度）を変
えることができる。

【００３４】多層膜ミラーの曲率を変えるための機構は
図１１に示すものに限られない。例えば、多層膜ミラー
をその長手方向の両端から中心に向かって互いに押して
湾曲させる方式や、多層膜ミラーの上面を４本の棒で支
持して多層膜ミラーの両端を下から押し棒で押し上げて
湾曲させる方式（４点ベンディング法）などを採用して
もよい。

【００３５】図４は図１０に示す多層膜ミラーを所望の
放物線９６に沿わせるように湾曲させる作業を示す説明
図である。多層膜ミラー５０を放物線９６に沿わせるに
は、まず、多層膜ミラー５０の基端のＪ点を放物線９６
の位置に載せる。次に、図１１の回転台９２を回転させ
ることで、多層膜ミラー５０のＪ点における傾斜を放物
線９６の傾斜に一致させる。次に、多層膜ミラー５０の
先端のＨ点を矢印８２の方向に押して、先端のＨ点が放
物線９６の上に来るようにする。これで、多層膜ミラー
５０の湾曲面は放物線９６に沿うような放物面となる。
多層膜ミラー５０の長さは６５ｍｍであるが、実際に使
用する範囲は、Ｘ線源からの距離Ｘが約８０〜１２０ｍ
ｍの範囲である。

【００３６】次に、このＸ線分光装置の使用方法の一例
を説明する。図３において、Ｘ線源としては図８（ｃ）
に示す複焦点型の回転対陰極６８ａを有するＸ線管を使
用する。また、第１の多層膜ミラー５０としては図１０
に示す多層膜ミラーを用いる。まず、回転対陰極のＣｕ
焦点が焦点位置Ｆ１になるように、かつ、Ｃｒ焦点が焦
点位置Ｆ２になるように、Ｘ線管を位置決めする。次
に、図４に示した作業手順で、第１の多層膜ミラー５０
を第１放物線４８に沿うように湾曲させる。この状態で
Ｘ線管からＸ線を発生させると、焦点位置Ｆ１から発生
したＣｕＫα線が第１の多層膜ミラー５０で反射して、
平行Ｘ線ビームとなって図３の右方向に取り出される。
このＣｕＫα線を用いて、例えば薄膜試料のＸ線回折測
定を実施する。焦点位置Ｆ２から発生したＣｒＫα線は
第１の多層膜ミラー５０に当たってもブラッグの法則を
満足しないので、ＣｒＫα線はこのＸ線分光装置からは
出ていかない。

【００３７】次に、ＣｒＫα線を取り出すようにＸ線分
光装置を変更する。Ｘ線管はそのままの位置及び姿勢で
よく、第１の多層膜ミラー５０の姿勢（傾斜角）と曲率
だけを変更する。すなわち、第１の多層膜ミラー５０を
第２放物線５２に沿うように傾斜させ、かつ、湾曲させ
る。この場合、ＣｒＫα線用の第２の多層膜ミラー５４
を使うのではなくて、第１の多層膜ミラー５０をそのま
ま使って、その傾斜と曲率を第２放物線５２に沿うよう
に変更する。このとき、第１の多層膜ミラー５０の先端
（図１０のＨ点）における平面状態からの変位量は０．
２８ｍｍである。ところで、ＣｕＫα線用に湾曲させた
ときは先端における平面状態からの変位量は上述のよう
に０．２５ｍｍであったので、ＣｕＫα線からＣｒＫα
線に変更するときに、多層膜ミラーの先端の変位量を
０．０３ｍｍだけ増加させることになる。

【００３８】この場合、本来の第２の多層膜ミラー５４
を使う場合と比較して、図１２に示すような角度誤差が
生じるが、この角度誤差は上述のように許容範囲内であ
る。この状態でＸ線管からＸ線を発生させると、焦点位
置Ｆ２から発生したＣｒＫα線が、第２放物線５２に沿
うように湾曲した多層膜ミラーで反射して、平行Ｘ線ビ
ームとなって図３の右方向に取り出される。最初のＣｕ
Ｋα線の取り出し位置及び取り出し方向と、次のＣｒＫ
α線の取り出し位置及び取り出し方向は、試料から見て
ほぼ同じであるから、試料の位置を変えずに２種類の波
長のＸ線を使って測定ができる。

【００３９】上述の説明では、２種類の波長としてＣｕ
Ｋα線とＣｒＫα線の組み合わせを用いているが、別の
組み合わせでもかまわない。例えば、ＣｕＫα線とＣｕ
Ｋβ線の組み合わせでも適用できる。その場合は、材質
をＣｕだけにして複焦点型の回転対陰極を作ればよい。
この場合に使用する回転対陰極を図１７に示す。図１７
（ａ）はそのような回転対陰極の側面図（左半分を断面
図にしたもの）である。溝の幅Ｑは６ｍｍであり、山の
幅Ｐも６ｍｍである。図１７（ｂ）は図１７（ａ）のＳ
部の拡大図である。溝の深さＧは０．４５ｍｍである。
ＣｕＫα線とＣｒＫα線の組み合わせの場合は、図３に
おける距離Ｇを０．４５ｍｍにすることで多層膜ミラー
の位置を同じにすることができる。この回転対陰極で
は、対陰極の厚さｔを、図１７（ｂ）に示すように、山
の部分でも溝の部分でも均一にしている。すなわち、ど
の部分でも厚さｔが２ｍｍになるようにしている。これ
によって、肉厚をできる限り薄く、かつ、均一にでき
て、回転対陰極の冷却効率を高めることができる。

【００４０】また、上述の説明では、ＣｕＫα線用の周
期ｄを有する多層膜ミラーを作って、これをＣｒＫα線
用の多層膜ミラーとして兼用させているが、ＣｕＫα線
用の周期ｄとＣｒＫα線用の周期ｄの中間の周期ｄを有
するような多層膜ミラーを作って、これをＣｕＫα線と
ＣｒＫα線に兼用してもよい。

【００４１】次に、この発明の別のタイプ（単焦点型の
Ｘ線源を使うタイプ）のＸ線分光方法を説明する。図１
３は単焦点型のＸ線源を使うタイプのＸ線分光方法の原
理を示す説明図である。図３のＸ線分光方法と大きく異
なる点は、次の２点である。第１の相違点は、二つの波
長のＸ線は同じ焦点位置Ｆから発生することである。第
２の相違点は、波長を変更するときに、多層膜ミラーの
姿勢（傾斜角）と曲率を変えることに加えて、取り付け
位置もシフトさせることである。二つの波長に対して同
じ多層膜ミラーを用いる点は図３の場合と同じである。
このタイプのＸ線分光方法は、二つの波長が非常に接近
している場合に有効である。二つの波長が離れている
と、多層膜ミラーから取り出す二つの波長のＸ線ビーム
の取り出し位置が離れてしまうので、適用することがで
きない。二つの波長が比較的離れている場合は、図３の
Ｘ線分光方法を使うことになる。

【００４２】図１３において、第１放物線９８はＣｕタ
ーゲットの特性Ｘ線のひとつであるＣｕＫα線を反射す
るような放物線である。第２放物線１００はＣｕターゲ
ットの別の特性Ｘ線であるＣｕＫβ線を反射するような
放物線である。多層膜ミラー１０２はＣｕＫα線を反射
するように設計されたミラー（図１０に示すもの）であ
り、これをＣｕＫβ線に対しても共通に使用する。

【００４３】図１３において、ＣｕＫα線を取り出す場
合は、第１放物線９８に沿うように多層膜ミラー１０２
を湾曲させる。そして、多層膜ミラー１０２から取り出
される平行Ｘ線ビームを出射スリット１０４で絞ってか
ら最終的に取り出すようにする。すなわち、多層膜ミラ
ー１０２から出てくる平行Ｘ線ビームは幅Ｍの範囲とな
るが、これを出射スリット１０４の開口幅で絞って最終
的に取り出すことになる。

【００４４】次に、ＣｕＫβ線を取り出す場合には、第
２放物線１００に載るように多層膜ミラー１０２の最近
端をＤ点からＣ点にシフトしてから、この多層膜ミラー
１０２を第２放物線１００に沿うように回転させ、か
つ、湾曲させる。この場合は、多層膜ミラー１０２から
取り出される平行Ｘ線ビームは幅Ｎの範囲となるが、や
はり、出射スリット１０４の開口幅で絞って最終的に取
り出す。したがって、出射スリット１０４は、ＣｕＫα
線の平行Ｘ線ビームとＣｕＫβ線の平行Ｘ線ビームとが
互いに重なり合う領域を取り出すように設計されてい
る。この実施形態では出射スリット１０４の開口幅は
０．５ｍｍである。この出射スリット１０４を使うこと
により、ＣｕＫα線とＣｕＫβ線は、試料から見て、同
じ取り出し位置と取り出し方向で取り出されることにな
る。ゆえに、試料の位置を同じにしたままで、ＣｕＫα
線とＣｕＫβ線の両方で別個に測定できる。

【００４５】図１３において、ＣｕＫα線とＣｕＫβ線
を別個に取り出す場合に、Ｘ線源の焦点位置は同じでよ
いので、通常のＣｕターゲットのＸ線管を用いることが
できる。このＸ線管の位置と姿勢は常に同じままでよ
い。

【００４６】図１４は図１３のＸ線分光装置の分光特性
を示すグラフである。このグラフは、図１３のＸ線分光
装置を使って取り出した平行Ｘ線ビームを、Ｓｉ（００
４）からなる結晶モノクロメータを使って角度分光した
回折パターンである。横軸がＳｉ（００４）モノクロメ
ータによる回折角度（２θ）であり、縦軸が回折Ｘ線の
強度（単位はｃｐｓ）である。実線で示す曲線は、図１
３のＸ線分光装置で取り出したＣｕＫβ線の分光パター
ンであり、破線で示す曲線はＣｕＫα線の分光パターン
である。実線で示す曲線においては、ＣｕＫβ線のピー
クほかに、わずかにＣｕＫα１、ＣｕＫα２が出ている
が、これは実用上無視してもよい程度の強度である。こ
のように、この分光方法によれば、同一の多層膜ミラー
を使ってＣｕＫα線とＣｕＫβ線を別個に取り出すこと
が可能になった。

【００４７】ＣｕＫα線とＣｕＫβ線を用いてＸ線分析
を行う例としては、次のような場合が考えられる。Ｃｕ
Ｋα線を用いて試料の格子定数を精密に求める場合に、
低角反射の測定が必要となるような試料では、ＣｕＫα
１線とＣｕＫα２線の波長が重なり合って、その比率が
測定角度範囲内で変化する。そのような場合に、正確な
格子定数を求めようとすると、高度な技術を要する。こ
のような試料に対しては、低角反射についてはＣｕＫβ
線で測定することにより、正確な格子定数の測定が可能
になる。この発明によれば、Ｘ線源を移動することな
く、かつ、試料の位置も動かすことなく、同一の多層膜
ミラーの曲率等を変更するだけで、Ｘ線の波長を切り換
えることができるので、迅速に測定ができる。

【００４８】

【発明の効果】この発明のＸ線分光方法及び装置は、２
種類の波長を切り換えるときに試料もＸ線源も移動させ
る必要がなく、かつ、１種類の多層膜ミラーだけで足り
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明で使用する多層膜ミラーの断面図であ
る。

【図２】二つの波長のＸ線を選別して取り出すためのＸ
線光学系を示す説明図である。

【図３】複焦点型のＸ線源を使って二つの波長のＸ線を
別個に取り出すためのＸ線分光方法を示す説明図であ
る。

【図４】図１０に示す多層膜ミラーを所望の放物線に沿
わせるように湾曲させる作業を示す説明図である。

【図５】従来のゼブラ型の回転対陰極の斜視図である。

【図６】外周面に環状の溝を複数個並列に設けた回転対
陰極の一部を破断して示した斜視図である。

【図７】外周面にらせん状の溝を設けた回転対陰極の一
部を破断して示した斜視図である。

【図８】（ａ）は図６の回転対陰極の部分断面側面図、
（ｂ）は図６の回転対陰極の焦点形状、（ｃ）は図７の
回転対陰極の部分断面側面図、（ｄ）は図７の回転対陰
極の焦点形状である。

【図９】複焦点型の回転対陰極の別の例の平面断面図、
側面断面図及び焦点形状である。

【図１０】この発明で使用する多層膜ミラーの平面図で
ある。

【図１１】多層膜ミラーの曲率を変更するための機構の
一例を示す斜視図である。

【図１２】二つの波長に対して同一の多層膜ミラーを使
う場合の角度誤差を示すグラフである。

【図１３】単焦点型のＸ線源を使うタイプのＸ線分光方
法の原理を示す説明図である。

【図１４】図１３のＸ線分光装置の分光特性を示すグラ
フである。

【図１５】２種類の波長のＸ線ビームを用いて薄膜試料
のＸ線回折測定をするための従来のＸ線分光方法を示す
平面図である。

【図１６】多層膜ミラーの外形曲線を示す数式と曲率半
径を求める数式である。

【図１７】（ａ）はＣｕＫα線とＣｒＫα線の組み合わ
せを用いるときに使用する回転対陰極の部分断面側面
図、（ｂ）は（ａ）のＳ部の拡大図である。

【符号の説明】

４８ 第１放物線 ５０ 第１の多層膜ミラー ５２ 第２放物線 ５４ 第２の多層膜ミラー ６８ 回転対陰極 ７０ 溝 ７１ ベース ７２ 外層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 次の（ａ）〜（ｄ）の各段階を備えるＸ
   線分光方法。 （ａ）第１波長のＸ線を発生する第１焦点と第２波長の
   Ｘ線を発生する第２焦点とを備えていて、Ｘ線の取り出
   し方向から見て前記第１焦点と前記第２焦点とが異なる
   位置にあるようなＸ線源を準備する段階。 （ｂ）傾斜格子面間隔の多層膜からなる湾曲反射面を有
   する多層膜ミラーを準備する段階。 （ｃ）前記第１波長に基づく第１放物線の焦点位置に前
   記Ｘ線源の前記第１焦点を配置するとともに、この第１
   放物線に沿うように前記湾曲反射面を配置して、前記第
   １焦点で発生した第１波長のＸ線を前記湾曲反射面で反
   射させて平行Ｘ線ビームを取り出す第１分光段階。 （ｄ）前記第２波長に基づく第２放物線の焦点位置に前
   記Ｘ線源の前記第２焦点を配置するとともに、この第２
   放物線に沿うように前記湾曲反射面を配置して、前記第
   ２焦点で発生した第２波長のＸ線を前記湾曲反射面で反
   射させて平行Ｘ線ビームを取り出す第２分光段階であっ
   て、前記Ｘ線源の位置及び姿勢が前記第１分光段階と同
   じであり、前記第１分光段階と比較して前記湾曲反射面
   の位置が実質的に変わらずにその姿勢と曲率だけが変化
   していて、前記第１分光段階と実質的に同じ位置及び方
   向に平行Ｘ線ビームが取り出される第２分光段階。
2. 【請求項２】 次の（ａ）〜（ｄ）の各段階を備えるＸ
   線分光方法。 （ａ）第１波長のＸ線と第２波長のＸ線が同じ焦点から
   取り出されるＸ線源を準備する段階。 （ｂ）傾斜格子面間隔の多層膜からなる湾曲反射面を有
   する多層膜ミラーを準備する段階。 （ｃ）前記第１波長に基づく第１放物線の焦点位置に前
   記Ｘ線源の焦点を配置するとともに、この第１放物線に
   沿うように前記湾曲反射面を配置して、前記Ｘ線源で発
   生した第１波長のＸ線を前記湾曲反射面で反射させて平
   行Ｘ線ビームを作り、この平行Ｘ線ビームを出射スリッ
   トから取り出す第１分光段階。 （ｄ）前記第２波長に基づく第２放物線の焦点位置に前
   記Ｘ線源の焦点を配置するとともに、この第２放物線に
   沿うように前記湾曲反射面を配置して、前記Ｘ線源で発
   生した第２波長のＸ線を前記湾曲反射面で反射させて平
   行Ｘ線ビームを作り、この平行Ｘ線ビームを前記出射ス
   リットから取り出す第２分光段階であって、前記Ｘ線源
   の位置及び姿勢が前記第１分光段階と同じであり、前記
   湾曲反射面の位置と姿勢と曲率が前記第１分光段階から
   変化していて、前記出射スリットの位置が第１分光段階
   と同じであり、前記第１分光段階と実質的に同じ位置及
   び方向に平行Ｘ線ビームが取り出される第２分光段階。
3. 【請求項３】 次の（ａ）〜（ｃ）を備えるＸ線分光装
   置。 （ａ）第１波長のＸ線を発生する第１焦点と第２波長の
   Ｘ線を発生する第２焦点とを備えていて、Ｘ線の取り出
   し方向から見て前記第１焦点と前記第２焦点とが異なる
   位置にあるようなＸ線源。 （ｂ）傾斜格子面間隔の多層膜からなる湾曲反射面を有
   する多層膜ミラーであって、前記第１波長に基づき前記
   第１焦点を焦点位置とする第１放物線に沿う第１姿勢
   と、前記第２波長に基づき前記第２焦点を焦点位置とす
   る第２放物線に沿う第２姿勢とに選択的に配置可能な多
   層膜ミラー。 （ｃ）前記湾曲反射面の曲率を変更するための曲率変更
   手段。
4. 【請求項４】 次の（ａ）〜（ｄ）を備えるＸ線分光装
   置。（ａ）第１波長のＸ線と第２波長のＸ線が同じ焦点
   から取り出されるＸ線源。 （ｂ）傾斜格子面間隔の多層膜からなる湾曲反射面を有
   する多層膜ミラーであって、前記第１波長に基づき前記
   第１焦点を焦点位置とする第１放物線に沿う第１位置及
   び第１姿勢と、前記第２波長に基づき前記第２焦点を焦
   点位置とする第２放物線に沿う第２位置及び第２姿勢と
   に選択的に配置可能な多層膜ミラー。 （ｃ）前記湾曲反射面の曲率を変更するための曲率変更
   手段。 （ｄ）前記湾曲反射面から出てくる平行Ｘ線ビームの取
   り出し範囲を制限する出射スリットであって、前記第１
   波長の平行Ｘ線ビームと前記第２波長の平行Ｘ線ビーム
   とを同じ位置で取り出すようにした出射スリット。