JP2005121636A - Ｘ線回折分析器およびこのｘ線回折分析器の測定位置補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料の結晶構造分析時の測定精度を高くすることができるＸ線回折分析器およびこの分析器における測定位置補正方法を提供する。
【解決手段】 Ｘ線発生器と、第１ステージと、試料による回折Ｘ線を検出する検出器と、検出器が設けられる第２ステージと、第２ステージと検出器の間に設けられ、前記試料と前記検出器の間の間隔を調整可能に前記検出器を移動させる移動部とを含むＸ線回折分析器、およびこのＸ線回折分析器を用いて、既知の結晶構造を有する試料による回折Ｘ線を連続的または間歇的に検出して回折角２θを測定し、その回折角２θから試料の格子間隔と実測値の間の誤差を算出して試料と検出器の間の間隔Ｄ₂の変化量を求め、その間隔Ｄ₂の変化量に対応して検出器の位置を調整するＸ線回折分析器の測定位置補正方法。
【選択図】 図３

Description

本発明は、微細結晶構造分析のためのＸ線回折分析器、およびこのＸ線回折分析器の測定位置補正方法に係り、さらに詳細には測定対象物の試料と検出器の間の距離および検出器の位置を正確に測定することによって微細結晶構造を精密に分析できるＸ線回折分析器およびこのＸ線回折分析器の測定位置補正方法に関する。

一般的に、Ｘ線回折分析器は、回折角度を測定するゴニオメータと、Ｘ線強度を測定する計数記録装置とを用いて物体の微細結晶構造を分析する。最近では、回折分析装置の発達に伴って、回折されたＸ線を測定するためにフィルムの代わりに電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：以下、ＣＣＤ）のような二次元測定装置が主に利用される。

このＣＣＤを利用したＸ線回折分析器は、フィルムを利用した分析器に比べて測定誤差を大幅に低減することができ、測定精度をほぼ１００倍以上高くすることができる。従って、このＣＣＤを利用したＸ線回折分析器を用いて分析を行う場合、試料の結晶構造分析の時間を短縮でき、方向性を有する物質の結晶構造と方位とを容易に測定できるという利点がある。

図１および図２のそれぞれは、従来のＸ線回折分析器を示した概略的な図面である。図に示すとおり、従来のＸ線回折分析器は、Ｘ線発生器１１と、分析対象の試料１３が装着される第１ステージ１５と、前記第１ステージに回転可能に装着された第２ステージ１７と、前記第２ステージ１７に取り付けられ、入射された回折Ｘ線を検出する検出器１９とを備える。

前記第１ステージ１５は、回転可能に設けられ、その回転方向を調整することによって、前記Ｘ線発生器１１に対する試料１３の傾きを調整できる。前記第２ステージ１７は、前記第１ステージ１５に対して独立的に回転駆動される。この第２ステージ１７を回転させることにより、前記検出器１９の方向を調整できる。前記検出器１９はＣＣＤで構成される。

前記Ｘ線発生器１１で発生したＸ線は前記試料１３に照射される。照射されたＸ線は、前記試料１３の結晶構造によって回折角２θで回折される。ここで、角θは試料１３の結晶構造による固有な値である。この回折された光のピーク値を前記検出器１９を介して検出することにより、前記試料１３の結晶構造が分かる。前記検出器１９は、前記試料１３から所定間隔Ｄ₁だけ離隔して配置され、その基準位置から回折光のピーク値が検出された位置までの距離Ｒ₁を測定した後、この間隔Ｄ₁と距離Ｒ₁との関係から前記回折角２θを求めることにより試料１３の結晶構造が分かる。

このように構成されたＸ線回折分析器は、測定精度が向上し、試料１３の結晶構造分析に要する時間を短縮し、かつ方向性を有する物質の結晶構造と方位とを容易に測定できるという利点がある。

一方、試料１３と検出器１９の間の間隔Ｄ₁が固定された構造を有するので、検出器１９の分解能と精度が向上しても、試料１３と検出器１９の間の間隔Ｄ₁の機構的な公差によって精度が半減される問題点がある。

本発明は、前記のような問題点を勘案して案出されたものであり、試料と測定装置の間の間隔を正確に合わせて高精度で測定できるように構造が改善されたＸ線回折分析器およびこの分析器の測定位置補正方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明によるＸ線回折分析器は、Ｘ線発生器と、試料が設けられる第１ステージと、前記Ｘ線発生器から照射されて前記試料で回折されて入射される回折Ｘ線を検出する検出器と、前記検出器が設けられる第２ステージと、前記第２ステージと前記検出器の間に設けられ、前記試料と前記検出器の間の間隔を調整可能に前記検出器を移動させる移動部とを含むことを特徴とする。

また、前記目的を達成するために、本発明は、Ｘ線発生器と、試料が設けられる第１ステージと、前記Ｘ線発生器から照射されて前記試料で回折されて入射される回折Ｘ線を検出する検出器と、前記検出器が設けられる第２ステージと、前記第２ステージと前記検出器の間に設けられ、前記試料と前記検出器の間の間隔を調整可能に前記検出器を移動させる移動部とを含むＸ線回折分析器の測定位置補正方法において、前記第１ステージ上に既知の結晶構造を有する試料を配置する段階と、前記移動部を移動させながら、前記検出器によって前記試料で回折された回折Ｘ線を連続的または間歇的に検出して回折角２θを測定する段階と、測定された回折角２θから求めた試料の格子間隔と前記試料の格子間隔の間の誤差を算出し、前記誤差から前記試料と前記検出器の間の間隔Ｄ₂の変化量を算出する段階と、算出された間隔Ｄ₂の変化量に対応する幅だけ前記検出器を移動させる段階とを含むことを特徴とする。

本発明のＸ線回折分析器は、Ｘ線検出器と試料の間の間隔を調整できるため、その間隔を調整して測定位置を補正することにより、試料の結晶構造の分析時における測定精度を高くすることができることから、Ｘ線回折分析分野に広く適用できる。

図３および図４に示すとおり、本発明の実施形態によるＸ線回折分析器は、Ｘ線発生器２１と、分析対象の試料２３が設けられる第１ステージ２５と、回折Ｘ線を検出する検出器２９と、前記検出器２９が設けられる第２ステージ２７と、前記試料２３と前記検出器２９の間の間隔が調整可能なように前記検出器２９を移動させる移動部３０とを備える。

前記第１ステージ２５は、矢印Ａ方向に回転可能に設けられる。従って、前記第１ステージ２５を回転させることにより、前記Ｘ線発生器２１に対する試料２３の傾きを調整できる。

一方、前記第１ステージ２５は、前記回転駆動以外にも、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の３軸駆動可能なＸ−、Ｙ−、Ｚ−ステージを含むように構成できる。このように、前記第１ステージ２５を構成することにより、前記第１ステージ２５に設けられた試料２３の位置を自由に補正できる。ここで、前記３軸駆動ステージ自体の構成は当技術分野では公知なので、その詳細な説明は省略する。

前記第２ステージ２７は、前記第１ステージ２５に対して独立してＢ方向に回転駆動可能に設けられている。従って、前記第２ステージ２５を回転させることによって、前記検出器２９の方向を調整できる。前記検出器２９は、二次元構造を有する測定装置であり、ＣＣＤで構成される。

前記移動部３０は、前記第２ステージ２７と前記検出器２９の間に設けられ、図５に示すように、検出器２９を試料２３に対して半径方向に移動して、試料２３に検出器２９を近接させたり遠隔させることができる。

このように、移動部３０を用いて試料２３と検出器２９間の間隔Ｄ₂を補正することにより、前記試料２３と前記検出器２９の間の間隔Ｄ₂の機械的公差によって測定精度が低下する問題点を解決できる。

前記移動部３０は、前記検出器２９の移動を精密制御できるものであり、例えば、線形ステッピングモータで構成されることが望ましい。一方、前記移動部３０は、線形ステッピングモータの代わりに、回転駆動モータとリードスクリュとを利用した構成も可能である。

前記のように構成された、本発明の実施形態に係るＸ線回折分析器による結晶構造分析は次の通りに行われる。

前記Ｘ線発生器２１で発生したＸ線は、前記試料２３に照射される。この照射されたＸ線は、前記試料２３の結晶構造によって所定の回折角２θで回折される。ここで、角θは試料２３の結晶構造による固有な値であり、ブラッグの法則によって格子間距離を求めるために利用される。

前記回折角２θは、基準位置から回折光のピーク値が検出された位置までの距離Ｒ₂を測定した後、試料２３と検出器２９の間の間隔Ｄ₂の関係から求められる。

すなわち、前記の回折角２θ、距離Ｒ₂および間隔Ｄ₂は、下記の数式１と、この数式１を整理した下記の数式２とを満足する。

従って、前記のように設定された間隔Ｄ₂と測定された距離Ｒ₂とから回折角２θを求めることができる。

以下、前記実施形態によるＸ線回折分析器の測定位置補正方法を詳細に説明する。
まず、前記第１ステージ２５上に、結晶構造が既知の試料、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）単結晶を設ける。

次に、前記移動部３０を移動させながら、回折角２θを測定する。図６Ａおよび図６Ｂは、前記移動部３０により検出器２９を移動させながら、回折光のピーク値を検出した結果を示したものである。この検出された結果と、前記数式１および数式２とに基づいて回折角２θを算出できる。

ここで、回折角２θの測定は、移動部３０の移動による回折Ｘ線の変化を連続的または間歇的に検出することによって行なわれる。

その後、測定された回折角２θから求めた試料の格子間隔と、実際の試料の格子間隔との間の誤差を算出する。この結果から、前記試料２３と前記検出器２９の間の間隔Ｄ₂の所要変化量を算出できる。

また、前記のような測定を介して、前記検出器２９の中心位置の誤差を検出できる。

最後に、算出された間隔Ｄ₂の所要変化量に対応する距離だけ前記検出器２９を移動させることにより、測定位置を補正できる。

また、本発明の測定位置補正方法は、前記検出器２９の中心位置偏差を検出し、その中心位置偏差に基づいて前記検出器２９の中心位置を補正する段階をさらに含むことが望ましい。すなわち、前記移動部３０によって前記検出器２９を移動させながら、前記検出器２９によって前記試料２３で回折された回折Ｘ線を検出する。この検出されたＸ線から、前記検出器２９の中心位置偏差が測定される。

図７Ａと図７Ｂのそれぞれは、結晶面が（３３３）、（４６６）、（７５５）の配位の結晶構造を有する試料について、試料２３と検出器２９の間のＸ軸方向およびＹ軸方向における間隔変化による回折光のピーク位置変化を示したグラフである。

図７Ａおよび図７Ｂに示すとおり、試料２３と検出器２９の間の間隔Ｄ₂が変化することにより、ピーク位置が線形的に放射状の変化を有することが分かる。従って、図７Ａおよび図７Ｂに点線で示したように、各試料のピーク位置を示す直線（リード線）の延長線の交点が検出器２９のＸ軸とＹ軸の中心になる。本実施形態においては、検出器２９が１，２００×１，２００画素の解像度であるとき、検出器２９の中心がＸ軸方向では６６４．８画素に、Ｙ軸方向では６７１．７画素に位置していることを示す。ここで、前記点線で示したリード線が軸上で交差しない場合は、間隔Ｄ₂を調整することにより、検出器２９の中心位置を合わせることができる。

以下、表１を参照して、検出器の位置を補正した場合（実施例）と、検出器の位置を補正しなかった場合（比較例）とについて、それぞれの測定精度を比較する。

表１は、分析対象試料として、格子構造が（１，１，１）の結晶面を有し、格子間角度α，β，γがいずれも９０度であるＧｅ単結晶を使用した場合を例に示したものである。

比較例では、試料２３と検出器２９の間の間隔Ｄ₂を４０［ｍｍ］に固定した状態で距離Ｒ₂を求めた後、前記数式１および数式２を利用して格子定数ａ，ｂおよびｃおよび格子間角度α，β，γを求めた。

この比較例の場合、ゲルマニウムの格子間距離について測定された実測値は１２．０５×１０^-3［ｎｍ］の偏差を有し、格子間角度について測定された実測値は２．２７度の偏差を有することが分かる。

一方、実施例では、試料２３と検出器２９の間の間隔Ｄ₂を４０．３５［ｍｍ］に補正した状態で、前記数式１および数式２を利用して格子間距離ａ，ｂおよびｃ、ならびに格子間角度α，β，γを求めた。

この実施例の場合、ゲルマニウムの格子間距離について測定された実測値は１．０４×１０^-3［ｎｍ］の偏差を有し、格子間角度について測定された実測値は０．１５度の偏差を有することが分かる。すなわち、Ｘ線回折分析器の構成を実施形態の通り改善して補正を行うことにより、格子間距離および格子間角度の偏差が大幅に改善され、微細結晶構造の測定精度が向上することが分かる。

本発明のＸ線回折分析器およびこの分析器の測定位置補正方法は、例えば、物体の微細結晶構造分析器を利用するＸ線回折分析分野に効果的に適用可能である。

従来のＸ線回折分析器を示す概略的な斜視図である。 従来のＸ線回折分析器を示す概略的な平面図である。 本発明の実施形態によるＸ線回折分析器を示す概略的な斜視図である。 本発明の実施形態によるＸ線回折分析器を示す概略的な平面図である。 本発明のＸ線回折分析器における検出器の動作状態を説明するための図である。 本発明のＸ線回折分析器における検出器を移動させながら回折光のピーク値を測定した結果を示したグラフである。 本発明のＸ線回折分析器における検出器を移動させながら回折光のピーク値を測定した結果を示したグラフである。 試料と検出器の間の間隔のＸ軸方向の変化に対する回折光のピーク位置変化を示したグラフである。 試料と検出器の間の間隔のＹ軸方向の変化に対する回折光のピーク位置変化を示したグラフである。

符号の説明

２１ Ｘ線発生器
２３ 試料
２５ 第１ステージ
２７ 第２ステージ
２９ 検出器
３０ 移動ユニット

Claims (6)

1. Ｘ線発生器と、
   試料が設けられる第１ステージと、
   前記Ｘ線発生器から照射されて前記試料で回折されて入射される回折Ｘ線を検出する検出器と、
   前記検出器が設けられる第２ステージと、前記第２ステージと前記検出器の間に設けられ、前記試料と前記検出器の間の間隔を調整可能に前記検出器を移動させる移動部とを含むことを特徴とするＸ線回折分析器。
2. 前記移動部は、
   線形ステッピングモータであることを特徴とする請求項１に記載のＸ線回折分析器。
3. 前記第１ステージは、
   前記Ｘ線発生器に対する前記試料の傾斜角度を変えられるように、回転可能に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線回折分析器。
4. 前記第２ステージは、
   前記検出器の設置方向を調整できるように、回転可能に設けられたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のＸ線回折分析器。
5. Ｘ線発生器と、
   試料が設けられる第１ステージと、
   前記Ｘ線発生器から照射されて前記試料で回折されて入射される回折Ｘ線を検出する検出器と、
   前記検出器が設けられる第２ステージと、
   前記第２ステージと前記検出器の間に設けられ、前記試料と前記検出器の間の間隔を調整可能に前記検出器を移動させる移動部とを含むＸ線回折分析器の測定位置補正方法において、
   前記第１ステージ上に既知の結晶構造を有する試料を配置する段階と、
   前記移動部を移動させながら、前記検出器によって前記試料で回折された回折Ｘ線を連続的または間歇的に検出して回折角２θを測定する段階と、
   測定された回折角２θから求めた試料の格子間隔と前記試料の既知の格子間隔の間の誤差を算出し、前記誤差から前記試料と前記検出器の間の間隔Ｄ₂の変化量を算出する段階と、
   算出された間隔Ｄ₂の変化量に対応する幅だけ前記検出器を移動させる段階とを含むことを特徴とするＸ線回折分析器の測定位置補正方法。
6. 前記移動部によって前記検出器を移動させながら、前記検出器によって前記試料で回折された回折Ｘ線を検出し、前記検出器の中心位置偏差を検出する段階と、
   検出された中心位置偏差から前記検出器の中心位置を補正する段階とを含むことを特徴とする請求項５に記載のＸ線回折分析器の測定位置補正方法。