JP2005233670A - Ｘ線分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 固有Ｘ線を収束するポリキャピラリの点焦点領域内での感度分布の不均一性のために、電子線走査による元素マッピングの正確性が低下する。
【解決手段】 ポリキャピラリ４の点焦点領域内における感度分布をその中心点からの距離に対応付けて保存部９２に記憶させておく。分析実行時に試料３上の点焦点領域内で電子線の照射位置を走査するとき、照射位置認知部１２は試料３から発生する二次電子に基づく電子像において電子線照射位置を認識し、中心点からの距離を求める。感度補正演算部９１はその距離情報を保存部９２に格納されている感度分布データに照らして感度を求め、この感度の逆数を補正係数としてＸ線検出器６により検出されたＸ線強度値に乗じて感度を補正する。これにより、点焦点領域内全体でポリキャピラリの感度の不均一性が補正され、各微小部分で正確なＸ線強度値が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子線プローブ微小分析装置、走査電子顕微鏡、透過電子顕微鏡、蛍光Ｘ線分析装置等、電子線やＸ線などを励起線として試料から固有Ｘ線を放出させてこれを分析するＸ線分析装置に関し、更に詳しくは、試料上のごく微小な領域の分析に好適なＸ線分析装置に関する。

電子線プローブ微小分析装置（ＥＰＭＡ）では、高エネルギーを有する電子線を励起線として試料に照射し、それによって試料の含有成分の内側電子が励起された際に外部に放出される固有Ｘ線を分析することにより、元素の同定や定量を行ったり、元素の分布を調べたりする。一方、蛍光Ｘ線分析装置では、一次Ｘ線を励起線として試料に照射し、それによって試料から放出される固有Ｘ線（蛍光Ｘ線）をＥＰＭＡと同様に分析する。

また、こうした分析装置の固有Ｘ線の分析方法としては、固有Ｘ線を分光結晶で分光し、分光された各種回折Ｘ線の中で特定波長（エネルギー）を有する回折Ｘ線のみを検出器に導入して検出する波長分散方式（ＷＤＳ）と、固有Ｘ線を半導体検出器に直接導入し、そのＸ線の波長（エネルギー）に比例する波高を有するパルス信号を発生させ、波高分析器等によりその波高値を検知することにより電気的に波長分離して検出するエネルギー分散方式（ＥＤＳ）とがある。

こうしたＸ線分析装置による微小部分分析では、近年、固有Ｘ線を放出する試料と検出器との間に、入射側に点焦点を有し、出射側は平行ビームとなるポリキャピラリ（Polycapillary）を介挿したものが知られている（例えば非特許文献１など参照）。ポリキャピラリは、Ｘ線を案内するガラス製の細管（ファイバ）を多数束ねた基本構造を有しており、殆ど点とみなし得るＸ線源から出たＸ線を入口側で大きな立体角で以て取り込み、反対側の出口側から平行ビームを出射する。したがって、このポリキャピラリを試料と検出器との間に配置することにより、試料からあらゆる方向に放出される固有Ｘ線を効率良く収集して検出器へと導くことができる。

ポリキャピラリの入射側の点焦点のサイズは試料元素の種類などにも依存するものの、一般に数十μm程度のごく小さなサイズであるが、特に電子線励起の場合には、電子線をごく小径に絞り、試料上のＸ線放出領域のサイズをポリキャピラリの点焦点領域のサイズよりもさらに小さくすることが可能である。さらに、点焦点領域の中で電子線の照射位置を走査することも可能である。そこで、その点焦点領域の中で固有Ｘ線を検出する微小部分を順次ずらしていって、点焦点領域内でのＸ線強度値の分布を高速に取得することができる。こうした電子線の走査と試料自体の水平移動とを組み合わせることにより、試料上の任意の範囲内の微細な元素マッピングなども可能となる。

しかしながら、ポリキャピラリは、点焦点領域内の中心部と周辺部とで案内するＸ線の強度（感度）が相違する。これは、中心部付近から放出されたＸ線は周辺部から放出されたＸ線よりも、より効率よくポリキャピラリに取り込まれるからである。そのため、仮に点焦点領域内のいずれの位置からも同一強度の固有Ｘ線が放出されるとしても、その領域に対応した範囲のＸ線の検出値（Ｘ線強度値）は均一にはならない。こうしたことから、試料上の点焦点領域内で電子線の照射位置を走査することで元素マッピングを行おうとしても、正確なマッピングが行えないという問題がある。

「フォーカシング・ポリキャピラリ・オプティクス ウルトラ・ハイ・リゾリューション・イーディーエス・ディテクターズ(Focusing Polycappillary Optics Ultra-High-Resolution EDS Detectors)」，[Online]，エクスレイ・オプティカル・システムズ・インク(X-Ray Optical Systems, Inc.)，平成16年2月12日検索，インターネット<URL : http://www.xrayoptics.com/appnotes/app102.pdf>

本発明はかかる課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、ポリキャピラリの点焦点領域内においてＸ線放出位置に拘わらず感度むらのない微小分析が可能であるようなＸ線分析装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、試料に励起線を照射し、それに応じて該試料から放出されたＸ線を、入射側に点焦点を有するポリキャピラリにより集光した後に分析するＸ線分析装置であって、
a)試料上におけるポリキャピラリの点焦点領域内での該ポリキャピラリの感度分布を予め記憶しておく記憶手段と、
b)分析実行時に試料上での励起線の照射位置を検知する位置検知手段と、
c)該位置検知手段により得られる励起線照射位置情報に応じて前記記憶手段から当該位置に対する感度情報を取得し、該感度情報を用いて前記点焦点領域内での感度が略均一となるように、前記励起線照射位置に対するＸ線の検出値を補正する補正演算手段と、
を備えることを特徴としている。

具体的には、本発明の一態様として、前記記憶手段は、試料上におけるポリキャピラリの点焦点領域内でのＸ線の放出点とその点焦点領域の中心点との間の距離をパラメータとしてポリキャピラリの感度分布を予め記憶しておく構成とすることができる。この感度分布は計算により求めるようにしてもよいが、好ましくは個々の装置（ポリキャピラリ）について実測するほうがよい。

本発明において励起線は、電子線、陽子線、α線、γ線、Ｘ線など特に限定されないが、少なくとも、試料上におけるポリキャピラリの点焦点領域のサイズよりも照射領域のサイズが小さくなるように照射径を絞ることができるものである。また、励起線の照射位置がポリキャピラリの点焦点領域内で移動するように励起線自体を走査することが可能なものである。分析実行時にこうした小径に絞られた励起線が試料に当たると、その照射位置とその周囲近傍から固有Ｘ線が放出される。ポリキャピラリはそのＸ線を効率良く収集して後段のＸ線分析部へと送る。Ｘ線分析部は、波長分散方式では分光結晶とＸ線検出器とを含み、エネルギー分散方式では半導体検出器を含む。これらＸ線分析部により、ポリキャピラリで収集されたＸ線の強度値が得られる。

一方、位置検知手段は試料上での励起線の照射位置を検知する。具体的に位置検知手段は、例えば、試料から到来する二次電子や反射電子などを検出し、その検出信号に基づいて試料の電子像を形成し、その電子像において励起線の照射位置の情報を求める構成を採ることができる。補正演算手段は、この励起線照射位置情報を前記記憶手段に格納されている感度分布に照らして、該位置における感度情報を取得する。そして、点焦点領域内での感度が略均一となるように、上記のようにして得られたＸ線の検出値（Ｘ線強度値）を補正する。例えば、点焦点領域内で最も高感度である位置（通常、中心点）の感度を１とし、他の位置の感度を相対感度で表した場合には、この感度情報の逆数を補正係数として検出値に乗じれば、上述のような補正が可能となる。

この発明に係るＸ線分析装置によれば、ポリキャピラリの点焦点領域内でＸ線放出位置がどの位置に在っても、ポリキャピラリの感度分布に起因する感度むらが自動的に補正され、略均一の感度特性となる。したがって、ポリキャピラリの焦点領域内で励起線の走査を行ってその走査軌跡上の各位置でＸ線を検出するとき、ポリキャピラリの感度分布の影響を除去して正確な検出値を取得することができる。それによって、例えば点焦点領域内の元素マッピングを正確に行うことができる。

以下、本発明の一実施例である電子線プローブ微小分析装置について図面を参照して説明する。図１は本実施例による電子線プローブ微小分析装置の要部の構成図である。この分析装置では、Ｘ線分析部として波長分散方式（ＷＤＳ）を採用している。

図１において、電子銃１から放出された励起線としての電子線は、偏向コイル２により形成される磁場によって二次元的に曲げられて試料３に照射される。試料３上の電子照射位置とその近傍から放出された固有Ｘ線の一部はＸ線レンズであるポリキャピラリ４に入射し、ポリキャピラリ４を通過することで平行ビーム化されて分光結晶５に導入される。分光結晶５は入射したＸ線を各元素に対応する波長成分を有するスペクトルに分光し、分光された回折Ｘ線のうちの特定の波長成分（エネルギー）を持つＸ線を図示しないソーラースリット等を通してＸ線検出器６に導入する。Ｘ線検出器６による検出信号であるパルス信号は波高選別部７を経て計数部８に入力され、単位時間当たりに得られたパルス信号を計数することでＸ線強度に応じた値を得る。

信号処理部９はこのＸ線強度値を受けて、定性分析や定量分析を行うほか、Ｘ線強度分布を求めたり、さらにＸ線強度分布から元素の強度分布や元素の含有量分布（元素マッピング）等の派生的な情報を得るための信号処理を実行する。こうした信号処理を行う過程で後述するようにＸ線強度値の補正処理を行うために、後述するように予め感度分布情報を記憶しておく感度分布情報保存部９２と、その感度分布情報を用いてＸ線強度値を補正する演算を実行する感度補正演算部９１とを含む。

一方、電子線の照射によって試料３からは二次電子や反射電子も発生するが、これら電子は検出器１０により検出され、その検出信号に基づいて画像形成処理部１１は試料３に関する電子像を形成する。照射位置認知部１２はこの電子像内で電子線の照射位置を特定してその位置情報を認識し、照射位置が走査されるのに追従してその位置情報を信号処理部９へと与える。また、制御部１３は本装置の各部を制御するものであり、例えば偏向コイル２を制御して電子線の走査を行う。なお、図１には記載していないが、ゴニオメータの中心に分光結晶５を据えるとともにゴニオメータの円周上にＸ線検出器６を配置し、分光結晶５とＸ線検出器６とを所定の角度関係を保って回転させることにより、Ｘ線検出器６に導入される回折Ｘ線の波長を適宜変更又は走査することができる。

上記構成において、ポリキャピラリ４の入射側の点焦点領域（中心点からの感度の半値幅で定義する）のサイズは検出対象のＸ線の波長、つまり元素の種類に依存するが、ここではＣｕＫαに対しては約50μmである。一方、励起用の電子線の照射径は0.1μm以下に絞ることが可能である。この電子線の照射を受けて試料３上で固有Ｘ線を放出する領域は試料３内部での電子の拡散によって電子線の照射径よりは大きくなるものの、電子線の加速電圧を抑える等の適切な制御によって、１μm程度に抑えることができる。したがって、図２に示すように、試料３上においてポリキャピラリ４の点焦点領域Ａの範囲内で、偏向コイル２により電子線を適宜に振ることによって、ごく小径に絞った電子線の照射位置を適宜の軌跡に沿って走査することができる。これにより、点焦点領域Ａ内における１μm程度乃至はそれよりも小さなサイズの各微小部分のＸ線強度の分布を求めることができ、その結果を用いて元素マッピング等も行うことができる。

なお、ポリキャピラリ４の点焦点領域Ａを越えるような範囲に亘っての分析を行う場合には、試料３を載置した試料テーブル（図示しない）を水平方向に移動させることで、試料３上の点焦点領域の位置及び電子線の中心照射位置（偏向させないときの照射位置）を移動させるようにする。

上記のように点焦点領域Ａ内で電子線走査を行ってＸ線強度分布を求める際に、ポリキャピラリ４自体の透過特性に起因する感度分布の不均一性の影響を除外するために、本実施例の装置では次に述べるような特徴的な信号処理を実行する。

まず予め、ポリキャピラリ４の点焦点領域Ａ内における感度分布特性を実測又は計算により求め、この感度分布特性をデータ化して感度分布情報保存部９２に格納しておく。補正精度の点から最も好ましいのは、点焦点領域Ａ内の各微小部分に対する感度をそれぞれ測定することで、２次元平面上における感度分布情報（つまり３次元情報）を取得し、これを全てデータ化しておくことである。これによれば、例えばポリキャピラリの中心軸周りの同心円上における各Ｘ線導波路の径や形状の不均一性なども反映された感度分布を得ることができる。したがって、感度分布情報保存部９２の記憶容量が十分に確保できる場合にはこうした３次元的な感度分布データを記憶させておいてもよい。しかしながら、この場合データ量はかなり大きくなるので、一般的には次のようにして近似的な感度分布データを保持しておく。

すなわち、ポリキャピラリの中心軸周りの同心円上においては感度の相違は実質的に小さいので、感度は同心円上で一定であるとみなす。こうした条件の下では、円形状の点焦点領域Ａの半径に相当する直線上の感度分布データのみを感度分布情報保存部９２に記憶しておけばよい。例えば、いま或る元素Ｃの固有Ｘ線に関して点焦点領域Ａの中心点Ｂを通る直線上の感度分布が、図３（ａ）中の実線の曲線のように得られたものとする。この感度分布は中心点の感度を1.0としたときの相対感度であり、感度が0.5以上である範囲が点焦点領域Ａである。上述したように同心円上で感度が一定である場合、この感度分布曲線は中心点Ｂを挟んで線対称であるから、実際には図３（ｂ）に示すように点焦点領域Ａの半径分の感度分布を、中心点Ｂからの距離をパラメータとしてデータ化しておけばよい。

なお、上述したように点焦点領域Ａ内の３次元感度情報を実測した後に、同心円上で感度の平均値を採る等の適宜の演算処理を行って、最終的に上記のように点焦点領域Ａの半径分に対応する感度分布データを取得して感度分布情報保存部９２に格納しておいてもよい。また、上記のように点焦点領域Ａの中心点Ｂを通る或る一直線上の感度分布を実測し、中心点Ｂを挟む両側で平均値を算出する等の処理でもよい。

また、ポリキャピラリの感度分布特性は分析対象の成分（元素）に依存する。例えば元素Ｃとは別の元素Ｄの感度分布は図３（ａ）中の一点鎖線の曲線のようになる。したがって、この元素Ｄに関しては図３（ｂ）中の一点鎖線の曲線のような感度分布データを保持しておく必要がある。したがって、分析対象である全ての成分（元素）についてこうした感度分布データを中心点Ｂからの距離をパラメータとして保存しておくものとする。実際には、こうした感度分布情報は装置を導入したユーザが測定する必要はなく、装置の製造メーカが調整工程の中で実測してそれに基づいた感度分布データをＲＯＭなどの不揮発性のメモリに記憶させておけばよい。

実際に分析を実行する際には、上述したように試料３から放出される固有Ｘ線を検出することにより、信号処理部９では試料３上の点焦点領域内の或る微小部分に対するＸ線強度値が得られる。一方、画像形成処理部１１では、試料３から発生する二次電子等に基づいて電子像が作成される。照射位置認知部１２は試料３上の電子像を受け取ると、例えば図３（ｃ）に示すように電子線の照射位置を認識し、その位置と点焦点領域の中心点Ｂとの距離を電子線照射位置情報として求める。図３（ｃ）の例では、距離ｄが電子線照射位置情報であって、これが信号処理部９へと与えられる。

信号処理部９において感度補正演算部９１は、感度分布情報保存部９２に保存されている各種感度分布データの中で、そのときの分析（検出）対象である成分に関する感度分布データに照らして、電子線照射位置情報である距離に対応した感度データを読み出す。具体的には、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、分析対象が元素Ｃであるものとすると、距離ｄに対応して感度ｐが読み出される。そこで、感度補正演算部９１では、この読み出した感度ｐの逆数１／ｐを補正係数として、その微小部分に対して取得されたＸ線強度値に補正係数を乗じることによって感度補正を行う。例えば感度ｐが0.8である場合には、その逆数である1.25を補正係数としてＸ線強度値に乗じる。

点焦点領域Ａ内で電子線を走査して、それぞれ異なる微小部分のＸ線強度値を順次測定する際には、その測定毎に電子照射位置に対応した感度データを取得して上記のように感度補正を実行する。それによって、いずれの微小部分に対してもポリキャピラリ４の感度の不均一性を除去して略一定感度の条件の下でのＸ線強度値を得ることができる。信号処理部９は、こうした補正後のＸ線強度値を用いて元素マッピング処理を実行する。したがって、ポリキャピラリ４に起因する感度の不均一性がほぼ完全に解消された状態で元素マッピングが求められるので、正確なマッピングが可能となる。

上記説明では、ポリキャピラリ４で集光された固有Ｘ線を検出するＸ線分析部として波長分散型の構成としているが、エネルギー分散型の構成、つまりポリキャピラリ４で集光された固有Ｘ線を直接、半導体検出器に導入して波長（エネルギー）に応じた波高値を有するパルス信号を発生させ、その波高値毎にパルス信号を分離することで波長分離を行う構成としてもよいことは明らかである。

また、試料に電子線を照射して試料から固有Ｘ線を放出させる電子線プローブ微小分析装置を例に挙げて説明したが、試料に照射する励起線としては、少なくともポリキャピラリの点焦点領域のサイズよりも励起線の照射領域のサイズが小さいものであって、且つ励起線の走査が可能でありさえすれば、特にその種類は限定されず、Ｘ線や、陽子線、α線、γ線などの粒子線のほか、放射光などであってもよい。

また、それ以外にも、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正或いは追加を行っても本願請求の範囲に包含されることは当然である。

本発明の一実施例による電子線プローブ微小分析装置の要部の構成図。 図１の点焦点領域付近の拡大斜視図。 本実施例の電子線プローブ微小分析装置における感度補正処理動作を説明するための図。

符号の説明

１…電子銃
２…偏向コイル
３…試料
４…ポリキャピラリ
５…分光結晶
６…Ｘ線検出器
７…波高選別部
８…計数部
９…信号処理部
９１…感度補正演算部
９２…感度分布情報保存部
１０…検出器
１１…画像形成処理部
１２…照射位置認知部
１３…制御部
Ａ…ポリキャピラリの点焦点領域
Ｂ…点焦点領域の中心点

Claims (2)

1. 試料に励起線を照射し、それに応じて該試料から放出されたＸ線を、入射側に点焦点を有するポリキャピラリにより集光した後に分析するＸ線分析装置であって、
   a)試料上におけるポリキャピラリの点焦点領域内での該ポリキャピラリの感度分布を予め記憶しておく記憶手段と、
   b)分析実行時に試料上での励起線の照射位置を検知する位置検知手段と、
   c)該位置検知手段により得られる励起線照射位置情報に応じて前記記憶手段から当該位置に対する感度情報を取得し、該感度情報を用いて前記点焦点領域内での感度が略均一となるように、前記励起線照射位置に対するＸ線の検出値を補正する補正演算手段と、
   を備えることを特徴とするＸ線分析装置。
2. 前記記憶手段は、試料上におけるポリキャピラリの点焦点領域内でのＸ線の放出点とその点焦点領域の中心点との間の距離をパラメータとしてポリキャピラリの感度分布を予め記憶しておくことを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。

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