JP2007101475A

JP2007101475A - Ｘ線光学素子及びそれを用いたｘ線分析装置

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Publication number: JP2007101475A
Application number: JP2005294595A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kikuchi; 哲夫菊池
Original assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2005-10-07
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】十分な発散角を持ち、積分反射能が高い単色化Ｘ線を一次Ｘ線方向と平行に取り出し可能なＸ線光学素子とそれを利用したＸ線分析装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線源と、試料を保持する試料ステージと、試料ステージに保持された試料からのＸ線を検出するための検出器と、Ｘ線源からのＸ線を記試料ステージに保持された試料へ導くための光路とを備えたＸ線分析装置において、この光路の一部に、２枚のグラフィトモノクロメータ２１、２２、又は、多層膜ミラー２１’、２２’、を、対向させ、かつ、反射面が互いに平行になるように、所定の隙間を介して配置し、一方のＸ線反射面に対して所定の入射角で入射した一次Ｘ線を当該Ｘ線反射面上で反射し、その後、他方のＸ線反射面で反射し、もって、単色化されたＸ線を、入射した一次Ｘ線と平行に取り出すＸ線光学素子１０００を配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線回折装置を含むＸ線を利用して物質の分析を行なうためのＸ線分析装置において使用され、単色化されたＸ線を取り出すＸ線光学素子に関し、特に、Ｘ線回折装置における回折プロファイルのバックグランドを低減する効果を備えたＸ線光学素子及びそれを利用したＸ線分析装置に関する。

従来、高配向性熱分解グラファイト、パイローリティックグラファイト（Pyrolytic Graphite、略して“ＰＧ煤jと呼ばれる人工の物質は、既に、知られており、この物質は、特に、Ｘ線回折の分野においては、近年、Ｘ線モノクロメータとして多用されてきている。その理由としては、この物質はｃ軸に極めて高い配高性を示し、Ｘ線に対し高い積分反射能を持つことによる。そのため、かかる物質を用いたＸ線モノクロメータは、グラファイトモノクロメータ、パイローリティックグラファイトモノクロメータ、又は、ＰＧモノクロメータの名称で知られている。なお、このＰＧモノクロメータは、Ｓｉ、Ｇｅやα−Quartzの完全結晶を利用したモノクロメータに比べると、あるいは、モノクロメータとして良く使用されるＬｉＦ結晶に比べると、そのモザイク幅が極めて大きく、質の良いものでも０．３度、通常、０．５度の広がり（発散角）をもっていることから、積分反射能が高いという特徴を有している。

また、例えば、Ｗ（タングステン）とＣ（カーボン）の様に、電子密度の高い重元素と電子密度の低い軽元素とを、それぞれ、一定の厚さで周期的に積層した構造を持つ、所謂、多層膜ミラーも、やはり、人工の物質であり、この多層膜ミラーは、本来、低エネルギーＸ線の分光結晶として開発されたが、しかしながら、Ｘ線モノクロメータとしての利用も可能である。なお、この多層膜ミラーでは、周期が長いことから、特性Ｘ線ＣｕＫα（λ＝１．５４オングストローム）に対し、ブラッグ角は低く、約１°程度のものが製作できるという特徴を有している。

加えて、Ｓｉ、Ｇｅ、ＬｉＦなどの単結晶の表面におけるブラッグ反射を利用して単色化したＸ線束を取り出すＸ線分光素子として、例えば、結晶に溝を形成して２つの対向する結晶壁を形成してなり、これら両側の反射壁面での２回の反射を利用する、所謂、チャネルカット分光結晶も、既に知られており、実用されている。例えば、以下の特許文献１によれば、これらチャネルカット結晶を、例えば、図４に示すように、Ｘ線回折装置の光学系に、選択的に挿入することが可能な機構が既に知られている。
特許第３４６８６２３号

上述したような性質を持ったＰＧモノクロメータや多層膜ミラーを、Ｘ線分析装置の一種であるＸ線回折装置、特に、多用途に利用される薄膜構造評価用のＸ線回折装置に適用することによれば、ＰＧモノクロメータを使用しないときと比べ、その信号強度（＝回折Ｘ線強度）をそれほど損なうことなく、バックグランドを劇的に減らすことができ、所謂、Ｓ／Ｂ（signal to background ratio）を大きく向上できる。

しかしながら、上記のＰＧモノクロメータや多層膜ミラーに限らず、先にも述べたＳｉやＧｅ，又は、ＬｉＦモノクロメータの場合でも同様、分光素子として平板結晶である限り、添付図１３に示すように、このモノクロメータを通して単色化されたＸ線の方向は、一次Ｘ線（光源から照射されたＸ線）の方向に対し、モノクロメータの回折角（２θ_Ｍ）の方向に振れてしまう。なお、この図において、符号１はＸ線源を、２は入射スリットを、３はモノクロメータ結晶を、そして４は試料を含むＸ線回折計を、それぞれ、示している。

このように、モノクロメータにより単色化されたＸ線の方向が振れてしまうことは、モノクロメータを設定したままで回折計を使用する場合には、特に、問題とはならない。実際、例えば、単結晶回折計やイメージングプレート（ＩＰ）を利用したＸ線回折計では、一旦、装置をセッティングした後は、Ｘ線源、モノクロメータ、回折計の配置は移動することなく使用している。

しかしながら、例えば、多用途に利用される薄膜構造評価用のＸ線回折装置では、調べようとする結晶の質の良否やその測定の目的によっては、入射Ｘ線の平行性・単色性を適宜に調整し、多機能に回折計を使用したいという要望がある。その場合、上記図１３の構成では、ＰＧモノクロメータや多層膜ミラーから、例えば、平行性及び単色性が共に優れたＸ線ビームが得られるＳｉ完全結晶のモノクロメータに変えようとすると、それらの２θ_Ｍが異なるため、セッティングのやり直しが必要になる。加えて、使用するＸ線の波長を変えると、やはり、再セッティングが必要となる。なお、装置のセッティングは、一例として添付の図１４にも示すように、Ｘ線回折計４をその方向に回転して設定するだけにとどまらず、入射スリット２の設定や２θ軸のゼロ位置調整等、煩雑な操作が必要となる。なお、かかる操作は、Ｘ線回折装置の取り扱いに習熟したユーザーにとっても、なおさら、一般のユーザーにとっては、荷の重い仕事である。

一方、上述した特許文献１にも知られるように、チャンネルカット結晶を利用することによれば、平行性及び単色性が共に優れたＸ線を、一次Ｘ線の方向と平行に取り出すことが可能であり、上述したＸ線回折計４の回転や入射スリット２の設定、更には、２θ軸のゼロ位置調整等を含む煩雑な操作を解消することが可能となる。

しかしながら、この特許文献１により知られるチャンネルカット結晶は、上述したように、ＳｉやＧｅ、又は、α−Quartzなど、完全性の高い単結晶の表面を利用するものであり、例えば、当該結晶に溝を形成して互いに平行に対向する２つの反射結晶壁面を形成してなるものである。加えて、このチャンネルカット結晶は、ＰＧモノクロメータや多層膜ミラーに比べれば、得られるＸ線ビームの単色性・平行性は極めて良好であるが、しかしながら、得られたＸ線を粉末回折に適用しようとすると、平行性が良すぎて、必要な強度が得られない。

即ち、上記チャンネルカット結晶と同様な構造・機能を備えた（チャンネルカット様）ＰＧモノクロメータや多層膜ミラーは、未だ、提供されてはおらず、そのため、ＰＧモノクロメータや多層膜ミラー並みの発散角を持ち、なおかつ、一次Ｘ線と平行にモノクロビームを取り出すことの出来るＸ線光学素子が望まれていた。

本発明では、上記に詳述した従来技術に鑑み、上述したグラファイトや多層膜から構成され、かつ、単色化されてコリメートされたＸ線を一次Ｘ線の方向と平行に取り出すことが可能なＸ線光学素子を提供し、更には、かかるＸ線光学素子を利用したＸ線分析装置を提供することをその目的とするものである。

かかる上記の目的を達成するため、本発明によれば、まず、Ｘ線分析装置のＸ線源と試料、又は、当該試料と検出器との間に配置されるＸ線光学素子であって、２枚のグラフィトモノクロメータを、そのＸ線反射面を互いに対向させ、かつ、当該Ｘ線反射面が互いに平行になるように、その間に所定の隙間を介して配置し、前記グラフィトモノクロメータの一方のＸ線反射面に対して所定の入射角で入射した一次Ｘ線を当該Ｘ線反射面上で反射し、その後、当該反射したＸ線を、前記グラフィトモノクロメータの他方のＸ線反射面で反射し、もって、単色化されたＸ線を、前記入射した一次Ｘ線と平行に取り出すＸ線光学素子が提供される。なお、本発明では、前記記載のＸ線光学素子において、前記グラフィトモノクロメータは、パイローリティックグラファイトモノクロメータにより構成されていることが好ましい。

また、本発明によれば、やはり上記の目的を達成するため、Ｘ線分析装置のＸ線源と試料、又は、当該試料と検出器との間に配置されるＸ線光学素子であって、２枚の多層膜ミラーを、そのＸ線反射面を互いに対向させ、かつ、当該Ｘ線反射面が互いに平行になるように、その間に所定の隙間を介して配置し、前記多層膜ミラーの一方のＸ線反射面に対して所定の入射角で入射した一次Ｘ線を当該Ｘ線反射面上で反射し、その後、当該反射したＸ線を、前記多層膜ミラーの他方のＸ線反射面で反射し、もって、単色化されたＸ線を、前記入射した一次Ｘ線と平行に取り出すＸ線光学素子が提供される。なお、本発明では、前記記載のＸ線光学素子において、前記多層膜ミラーは、重元素物質と軽元素物質をそれぞれ、所定の厚さで周期的に積層した構造を有していることが好ましい。なお、ここで、具体的には、積層する重元素物質としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎ、Ｃｒ３Ｃ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｍｏ−Ｒｕ、Ｒｈ−Ｒｕ、ＭｏＳｉ２、Ｍｏ５Ｓｉ３等が、また、軽元素物質としては、Ａｌ、ＡｌＮ、Ｂ、Ｂ４Ｃ、ＢＮ、Ｃ、ＬｉＦ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、ＳｎＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＮ、ＴｉＯ２等が挙げられる。なお、これらの物質の中でも、重元素物質としては、Ｗ、Ａｕ、Ｐｔ等が好ましく、また、軽元素物質としては、Ｃ、Ｓｉ、Ｂ４Ｃ等が好ましく、より好ましくは、重元素物質と軽元素物質として、ＷとＣとの組み合わせが挙げられる。

また、本発明では、前記に記載したＸ線光学素子において、更に、前記２枚のグラフィトモノクロメータ間におけるＸ線反射面の平行性を調整するための機構を備えていることが好ましい。

更に、本発明では、Ｘ線源と、試料を保持して前記Ｘ線源からのＸ線を所定の角度で照射する試料ステージと、前記試料ステージに保持された試料からのＸ線を検出するための検出器と、前記Ｘ線源からのＸ線を前記試料ステージに保持された試料へ導くための光路とを備えており、前記に記載したＸ線光学素子を、前記光路の一部に配置したＸ線分析装置が提供される。

以上に述べたように、本発明になるＸ線光学素子によれば、十分な発散角を持ち、積分反射能が高く、入射Ｘ線の平行性・単色性を適宜に調整可能であり、かつ、単色化されてコリメートされたＸ線を一次Ｘ線の方向と平行に取り出すことが可能なＸ線光学素子が提供できることから、回折装置を含むＸ線分析装置を多機能に利用することを可能とし、特に、薄膜構造評価用のＸ線回折装置のように多用途に利用されるＸ線回折装置では、当該Ｘ線光学素子を利用することにより、調べようとする結晶の質の良否やその測定の目的に対応して、その利用範囲を拡大し、その多機能化を容易に実現可能にするという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながらその詳細を説明する。まず、添付の図１は、本発明の一実施の形態になるＸ線光学素子を示しており、図において、符号１０は、例えば、金属板からなる矩形の基台を示しており、その長手方向に側面には、やはり、金属板からなる矩形の第１結晶の保持部材１１が、例えば、ネジや溶接により、固定されている。

一方、上記第１結晶保持部１１が固定されたとは反対側の基台１０の側面には、棒状の金属からなる部材１２が、やはり、ネジや溶接によって、縦方向に延びて固定されている。更に、その上部には、その一方の側面に、やはり棒状の金属からなる調整部材１３が、横方向に延びて、ネジや溶接によって、固定されており、その一部（本例では、先端部）には、押圧ネジ１４が取り付けられている。一方、上記部材１２の他方の側面には、所謂、矩形状の板バネ１５が取り付けられている。そして、この板バネ１５の一方の面には、矩形状の第２結晶の保持部材１６が、ネジや溶接によって、固定されている。

そして、例えば、パイローリティックグラファイトの結晶である、所謂、ＰＧモノクロメータが、２枚、取り付けられる。即ち、矩形の第１結晶板２１が、上記第１結晶保持部材１２の内側表面（即ち、上記板バネ１５に取り付けられた第２結晶の保持部材１６との対向面）に、他方、やはり矩形の第２結晶板２２が、上記板バネ１５に取り付けられた第２結晶の保持部材１６の表面（即ち、上記第１結晶板２１との対向面）に、例えば、接着剤等によって固定されている。

次に、添付の図２には、上記にその構造を説明した本発明のＸ線光学素子の上面図を示している。この図からも明らかなように、２枚のグラフィトモノクロメータ（第１結晶板２１及び第２結晶板２２）が、そのＸ線反射面の一部を互いに対向させ、かつ、当該Ｘ線反射面が互いに平行になるように、その間に所定の隙間Ｄを介して配置されている。また、上記第１結晶板２１と上記第２結晶板２２とは、その中心位置が距離Ｌだけ離れて配置されている。

また、上記図２からも明らかなように、上記調整部材１３に取り付けられた押圧ネジ１４は、その先端を上記板バネ１５の裏面（第２結晶保持部材１６が取り付けられた面とは反対側の面）に当接しており、そのため、当該押圧ネジ１４を回転（図中の矢印）することにより、上記板バネ１５を押圧し、もって、上記第１結晶板２１と上記第２結晶板２２の対向表面（即ち、Ｘ線反射面）の平行性を調整するための機構を構成している。なお、このＸ線光学素子は、Ｘ線回折装置内において、図４上部のＭ１の代わりに取り付けられ、ω_Ｍ１回転板上に配置されて使用されることとなる。

続いて、上記にその構成を説明した本発明のＸ線光学素子における動作について、やはり上記図２を参照しながら、以下に説明する。即ち、上記図２において矢印付きの直線で示すように、Ｘ線源から照射されたＸ線（一次Ｘ線）は、まず、上記第１結晶板２１に対して所定の入射角で入射し、当該Ｘ線反射面上で所定の角度で反射する。その後、この反射したＸ線は、上記第２結晶板２２に対して所定の入射角（この場合、上記第１結晶板２１と上記第２結晶板２２は平行に配置されていることから、同じ入射角度）で入射し、当該Ｘ線反射面上で所定の角度で反射し、もって、単色化されたＸ線（モノクロビーム）を、前記入射した一次Ｘ線と平行に、但し、その間に距離Ｈだけ移動して取り出すことができる。

ところで、上述のＰＧモノクロメータをＸ線モノクロメータとして利用する場合、強い回折強度を示す（０００２）面（２ｄ＝６．７０４オングストローム）での反射が利用される。例えば、特性Ｘ線ＣｕＫα（λ＝１．５４オングストローム）では、ブラッグ角は約１３．３°であり、また、特性Ｘ線ＭｏＫα(λ＝０．７０９オングストローム)では、ブラッグ角は約６．１°である。

一例として、ここでは、ＣｕＫα線用に設計した場合の寸法を示す。上述したように、ＰＧ（０００２）に対するブラッグ角θ_Ｂは約１３．３°である。第１結晶板２１と第２結晶板２２の隙間Ｄを約５mmにすると、結晶中心間距離ＬはＬ＝Ｄ／ｔａｎθ_Ｂで与えられ、約２１mmになる。幅Ｆ＝１ｍｍのＸ線（一次Ｘ線）は、上記第１結晶板２１と第２結晶板２２の反射表面で２回反射した後、一次Ｘ線に対するモノクロビームの位置ずれＨは、Ｈ＝２Ｄｃｏｓθ_Ｂで与えられ、約１０mmになる。また、第１結晶板２１の反射表面で１回反射した回折強度Ｉ１に対し、第１結晶板２１と第２結晶板２２の反射表面で２回反射した回折強度Ｉ２の比（反射率）を実験で調べたところ、約４０％が得られ、これにより、十分、実用可能な反射率を備えていることが確認された。

また、かかるＰＧモノクロメータを利用したＸ線光学素子のＸ線分析装置における適用の形態としては、例えば、試料の前に入れる場合（＝入射側）と後ろに入れる場合（＝受光側）が考えられる。本発明になるＸ線光学素子は、上述したように、単色化されたＸ線を一次Ｘ線と平行に取り出すことができることから、特に、入射側に入れる形態において良好であろう。例えば、上記のＸ線光学素子を、図４上部のω_Ｍ１回転板上に配置することにより、第１結晶板２１と第２結晶板２２は一体となって回転する。

なお、上述したように、ＰＧモノクロメータを利用した本発明のＸ線光学素子によれば、当該素子を構成するＰＧモノクロメータはそのモザイク幅が極めて大きく、質の良いものでも０．３度、通常、０．５度の広がり（発散角）をもっていることから、積分反射能が高く、Ｘ線分析装置の一種であるＸ線回折装置を粉末Ｘ線回折の応用にまで、即ち、装置の守備範囲を広げることができ、更には、装置自体を高機能で利用価値の高いものにすることが出来る。また、このＰＧモノクロメータを利用したＸ線光学素子をＸ線回折計に適用することによれば、これを使用しない場合に比べ、信号強度（＝回折Ｘ線強度）をそれほど損なうことなく、バックグランドを劇的に減らすことができ、所謂、Ｓ／Ｂ（signal to background ratio）を大きく向上することが可能となることは勿論である。

次に、添付の図３には、本発明の他の実施形態になるＸ線光学素子の上面図を示している。この他の実施形態になるＸ線光学素子では、上記図２に示したＸ線光学素子とは異なり、２枚のグラフィトモノクロメータに代えて、２枚の多層膜ミラーである第１結晶板２１’及び第２結晶板２２’が、Ｘ線反射面の一部を互いに対向させ、かつ、当該Ｘ線反射面が互いに平行になるように、その間に所定の隙間Ｄを介して配置されている。なお、かかる構成の他の実施形態になるＸ線光学素子における動作も、上記と同様、Ｘ線源から照射されたＸ線（一次Ｘ線）は、まず、上記第１結晶板２１’に対して所定の入射角で入射し、当該Ｘ線反射面上で所定の角度で反射する。その後、この反射したＸ線は、上記第２結晶板２２’に対して同じ入射角で入射してＸ線反射面上で反射し、もって、単色化されたＸ線（モノクロビーム）が、前記入射した一次Ｘ線と平行に、距離Ｈだけ移動して取り出すことができる（図中の矢印付きの直線を参照）。

なお、この多層膜ミラーは、例えば、Ｗ（タングステン）とＣ（カーボン）の様に、電子密度の高い重元素と電子密度の低い軽元素とを、それぞれ、一定の厚さで周期的に積層した構造を持つものであり、Ｘ線モノクロメータとしての利用も可能である。なお、その周期が長いことから、特性Ｘ線ＣｕＫα（λ＝１．５４オングストローム）に対し、ブラッグ角は低く、約１°程度のものが製作できる。このように、多層膜ミラーの場合は、上述したＰＧモノクロメータを利用するものに比較し、そのブラッグ角が１度程度と低く、これを用いた設計／実施例の寸法は、上記図３を参照しながら、以下のようになる。

先ず、多層膜ミラーの幅寸法は、Ｗ＝Ｆ／ｓｉｎθ_Ｂで与えられる。ここでＦはＸ線焦点の幅でＦ＝１mmに設計すると、Ｗは約６０mm程度必要となる。隙間Ｄを２mmにすると、Ｌ＝１１５mm、Ｈ＝４mm程度である。また、反射率としては、５０%以上の値が得られた。なお、この２枚の多層膜ミラーを利用したＸ線光学素子も、上記と同様に、例えば、試料の前に入れる場合（＝入射側）と後ろに入れる場合（＝受光側）が考えられ、例えば、図４上部のω_Ｍ１回転板上に配置することによれば、第１結晶板２１’と第２結晶板２２’は一体となって回転することとなる。

また、本発明の実施形態及び他の実施形態になるＸ線光学素子では、上述した構成において、その第２結晶板２２（２２’）が、第１結晶板２１（２１’）との平行性を調整できる機構をもっている。即ち、上記調整部材１３に取り付けられた押圧ネジ１４を微小回転することにより、その先端を上記板バネ１５の背面側から押圧し、もって、第２結晶板２２（２２’）の第１結晶板２１（２１’）に対する傾斜角度を微細に調整することが出来る。特に、上述した多層膜ミラーを利用するものでは、比較的幅の広い結晶板を用意する必要があるが、上記の構造によれば、比較的、容易に実現することが出来る。

なお、いずれの場合においても、本発明のＸ線光学素子によれば、従来のチャンネルカット結晶と同様に、一次Ｘ線の方向とモノクロビームの方向を平行に取り出すことができる。即ち、上記特許文献１（特許第３４６８６２３号）に開示されたチャンネルカットモノクロメータ結晶Ｍ１の代わりに、本発明のＸ線光学素子（チャンネルカット様モノクロメータ）を差し替えることによれば、平板ＰＧモノクロメータ又は多層膜ミラーによって得られると同じ波長選択性と平行性を備えた単色化されたＸ線（モノクロビーム）が得られることとなる。

続いて、上記に詳細に説明した本発明のＸ線光学素子を利用したＸ線を利用した測定装置やその測定方法について、以下にその一例を説明する。なお、以下に説明するＸ線単結晶評価装置は、Ｘ線分析装置の一種であり、上記特許文献１（特許第３４６８６２３号）に開示されている光学機構を用い、かつ、本発明者が既に出願して登録された特許第２９１９５９８号のＸ線トポグラフィを基にして改良を施して構成されたものである。

まず、添付の図５は、Ｘ線単結晶評価装置の全体構成を示している。図にも示すように、当該装置は、架台１００上に配置された定盤１１０の上面には、一対のリニアガイド１１１、１１１を介して、２θ回転板１１２とω回転板１１３とを備えた、所謂、２軸ゴニオメータが搭載されている。なお、この２軸ゴニオメータを構成する２θ回転板１１２には、Ｘ線検出器２００が取り付けられており、また、そのω回転板１１３の上には、やはり一対のリニアガイド１１４、１１４とその上の走査ステージ１１５を介して試料ステージ３００が搭載されている。

また、上記架台１００の定盤１１０の上面には、上記の２軸ゴニオメータに加えて、その端部には、支柱１２０が設けられており、その上端部には、やはり、リニアガイド１２１を介して、上記真空パス４００が搭載されている。なお、この支柱１２０の途中には、張り出しテーブル１２２が取り付けられており、その上面には、やはりリニアガイド１２３を介して、結晶コリメータ４１０とその回転部１２４が搭載されている。結晶コリメータ４１０とその回転部１２４は、上記図４に示す入射Ｘ線光学系の切換機構を構成する。

更に、上記架台１００の側方には、Ｘ線発生装置５００を備えており、その上部に配置されたＸ線管球５１０によって発生されたＸ線は、接続金具４２０を介して、結晶コリメータ４１０へ導かれる。なお、この図中に符号６００で示された二点鎖線は、それぞれ、上記架台１００上の２軸ゴニオメータに配置されたＸ線検出器２００や試料ステージ３００を、更には、上記真空パス４００の一部を覆うように設けられた防Ｘ線カバーと、そして、上記真空パス４００の他の部分をＸ線発生装置５００と共に覆うように設けられた防Ｘ線カバーを示している。また、図中の符号Ｓ１〜Ｓ３は、それぞれ、上記装置内に設けられたスリットを示している。

また、図中のリニアガイド１１１、１１１によれば、上記２θ回転板１１２とω回転板１１３とを備えた２軸ゴニオメータは、Ｘ線ビームと直交する（即ち、図の紙面に垂直な）方向に移動し、また、ω回転板上にある走査ステージの移動方向は、紙面に直交する方向に限らず、所望の位置に設定可能となっている。また、更にその他のリニアガイド１２１、１２３によれば、上記結晶コリメータ４１０を含む真空パス４００が、やはり、Ｘ線ビームと直交する（即ち、図の紙面に垂直な）方向に移動し、所望の位置に設定可能となっている。また、結晶コリメータ４１０は、上記リニアガイド１２３の上に搭載された回転部１２４の上面に配置されており、水平面内で回転して設定可能になっている。

続いて、添付の図６には、上記図５に示したＸ線単結晶評価装置におけるＸ線の光路を中心とした詳細な構造を、上面図により示す。即ち、Ｘ線発生装置５００のＸ線管球５１０からのＸ線は、例えば、上記接続金具４２０、更には、スリットＳ１を通って、上記光路部である真空パス４００の入射側に設けられた結晶コリメータ４１０の内部に導かれる。そして、図にも明らかなように、この結晶コリメータ４１０には、通常のＸ線パスを形成する直進コリメータ（例えば、真空パス）４１１と共に、上述したＸ線光学素子（チャンネルカット様モノクロメータ）１０００（即ち、上記図１に示した素子の単体）が、互いに並列に配置されている。なお、これら直進コリメータ（例えば、真空パス）４１１とＸ線光学素子１０００との間の交換は、上記リニアガイド１２３上の結晶コリメータ４１０の移動により実行される。

また、上記Ｘ線光学素子１０００の配置角度の設定は、上記回転部１２４の微小な回転により行なわれる。なお、この図においては、Ｘ線管球５１０からのＸ線（一次Ｘ線）が上記Ｘ線光学素子１０００により単色化される状態を示しているが、これをこれら直進コリメータ（例えば、真空パス）４１１に変える場合には、上記結晶コリメータ４１０をリニアガイド１２３上で、図の矢印で示す方向に移動させる。また、ここでは図示しないが、上記直進コリメータ（例えば、真空パス）４１１とＸ線光学素子１０００だけではなく、更には、ＳｉやＧｅ、又は、ＬｉＦなどの完全性の高い単結晶からなるチャンネルカット結晶を備えた、所謂、チャンネルカット結晶コリメータを加えて並設することも可能である。

そして、上記の構成によれば、Ｘ線管球５１０からのＸ線（一次Ｘ線）は、Ｘ線光学素子１０００の第１結晶板２１（２１’）と第２結晶板２２（２２’）の反射面で反射された後、上記一次Ｘ線に平行に、距離Ｈだけ移動した位置から射出されて、更に、真空パス４００へ入射する。なお、この時、リニアガイド１２１により、その上に搭載されている上記真空パス４００を、図に矢印で示す方向に移動することにより、その光軸を一致させることが出来る。

なお、上記結晶コリメータ４１０のＸ線光学素子１０００によって得られた単色化されたＸ線は、更に、スリットＳ２を通って、測定される試料ＳＭの表面に照射される。一方、試料表面において回折した回折光は、その後、その回折方向に配置された乾板２１０、又は／及び、複数種の検出器を備えたＸ線検出部（Ｘ線検出受光光学系）２００へ到る。なお、かかるＸ線検出部（Ｘ線検出受光光学系）２００の一例としては、例えば、Ｘ線ＴＶ(X-ray Vision Camera)２２０と、シンチレーションカウンタ（ＳＣ）２３０とによって構成されている。

即ち、かかる構成の評価装置では、Ｘ線ＴＶ２２０は、測定する結晶の方位調整等を行なうために使用し、他方、シンチレーションカウンタ（ＳＣ）２３０は、Ｘ線の強度計測用に使用するものである。また、図からも明らかなように、上記のシンチレーションカウンタ（ＳＣ）２３０は、Ｘ線検出部１００の内部で移動可能となっており（図の矢印を参照）、更に、上記Ｘ線検出部１００の内部には、当該シンチレーションカウンタ（ＳＣ）１２０の一方（右側）の移動位置に対応して、アナライザ結晶２３１が設けられている。また、このＸ線検出部２００は、その全体を、例えば、ガイドロッド２４０上に移動可能に取り付けられており、もって、入射する回折Ｘ線に対して直角な方向に移動可能となっている。

更に、以下には、上記に説明した本発明のＸ線光学素子を利用したＸ線単結晶評価装置によって測定可能となる測定方法について説明する。即ち、本発明のＸ線光学素子であるチャンネルカット様モノクロメータを利用することによれば、上記Ｘ線単結晶評価装置の本来の機能に加えて、更に、Ｘ線反射率測定や多結晶や粉末物質の評価装置としても、広い範囲で、利用することが可能となる。

添付の図７には、上記に説明した本発明のＸ線光学素子を利用したＸ線単結晶評価装置によって、Ｘ線反射率の測定を行なう例を示す。即ち、Ｘ線源であるＸ線管５１０からのＸ線を、上記本発明のＸ線光学素子１０００により単色化して取り出し、当該取り出した単色化されたＸ線（モノクロビーム）を、測定する試料ＳＭの表面に照射し、その反射角度にシンチレーションカウンタ（ＳＣ）２３０を配置する。そして、上記試料ＳＭを２軸ゴニオメータのω回転板１１３で回転しながら、同時に、その２θ回転板１１２を回転して、上記シンチレーションカウンタ（ＳＣ）２３０により、反射Ｘ線の強度（Intensity(cps)）を測定する。

なお、上記の測定方法では、図にも示すように、上記試料ＳＭとシンチレーションカウンタ（ＳＣ）２３０との間には、異なる２枚のスリットＧＳとＲＳとが配置される。このような方法で計測した結果を、添付の図８に示す。これは、Ｓｉウェーハの自然酸化膜からの反射率プロファイルで、８桁以上の強度変化を１０％以上の角度範囲にわたって、正確に測定することが可能となり、本発明のＸ線光学素子１０００により極薄膜の反射率まで可能となる。

添付の図９には、上記に説明した本発明のＸ線光学素子を利用したＸ線単結晶評価装置によって、粉末物質をＸ線回折により評価する場合の装置構成を示す。なお、この構成においても、上記と同様、Ｘ線源であるＸ線管５１０からのＸ線を、上記本発明のＸ線光学素子１０００により単色化して取り出し、当該取り出した単色化されたＸ線（モノクロビーム）を、測定する粉末試料を所定の形状に固形化した試料ＳＭの表面に照射し、その反射角度にシンチレーションカウンタ（ＳＣ）２３０を配置する。そして、上記試料ＳＭを２軸ゴニオメータのω回転板１１３で回転しながら、同時に、その２θ回転板１１２を回転して、上記シンチレーションカウンタ（ＳＣ）２３０により、反射Ｘ線の強度（Intensity(cps)）を測定する。また、この場合にも、上記試料ＳＭとシンチレーションカウンタ（ＳＣ）２３０との間には、異なる２枚のスリットＧＳとＲＳとが配置される。

このような方法で計測した結果を、添付の図１０に示す。なお、これにより、従来の単結晶の物質におけるＸ線回折に加えて、更に、多結晶の物質についても、Ｘ線回折により、正確かつ詳細に、その成分を分析することが可能になる。

加えて、上記した本発明のＸ線光学素子を利用したＸ線単結晶評価装置によれば、以下のような本来のＸ線単結晶評価装置による機能が備わっている。
１．透過配置のラング法によるトラバーストポグラフ及びセクショントポグラフ
２．反射配置のトポグラフィ、結晶コリメータ付反射トポグラフィ
３．回折強度計測及びゴニオメトリとして、回折強度計測、ロッキングカーブ測定及び逆格子マッピングである。
従って、Ｘ線単結晶評価装置に留まることなく、多結晶回折装置、反射率測定装置としても機能することから、極めて多機能なＸ線評価装置を実現することが可能となる。

なお、添付の図１１には、上記した本発明のＸ線光学素子を利用したＸ線単結晶評価装置に、但し、上記の構成とは異なり、イメージングプレート（ＩＰ）とピンホールスリット（ＰＳ）を利用した各種Ｘ線回折方法について、簡単に説明する。即ち、この図示の例は、デバイ・シェラーカメラ、又は、小角散乱カメラによるＸ線回折方法について示す。

即ち、図にも示すように、Ｘ線源であるＸ線管５１０からのＸ線を、上記本発明のＸ線光学素子１０００により単色化して取り出すことは、上記と同様である。そして、当該取り出した単色化されたＸ線（モノクロビーム）を、ピンホールスリットＰＳを介して、キャピラリ中の試料ＳＭに照射し、その回折Ｘ線を、装置に設置したイメージングプレート（ＩＰ）のカセットで観察する。なお、上記の方法による観察結果の一例を、添付の図１３に示す。

以上に詳述したように、本発明のＸ線光学素子である、チャンネルカット様モノクロメータを、特に、チャンネルカット結晶の使用を前提に設計された装置である薄膜構造評価用のＸ線回折装置や、上記にも説明したＸ線線単結晶評価装置（即ち、結晶コリメータ付トボシステム）のような多用途の回折計に適用することにより、単結晶の評価だけでなく、多結晶や粉末の物質についても、反射率計や、低バックグランドの多結晶回折、更には、ＩＰカメラまで、その守備範囲が広がり、更に高機能で利用価値の高い装置を実現することが可能となる。

本発明の一実施の形態になるＸ線光学素子の詳細構造を示す斜視図である。上記Ｘ線光学素子における結晶板としてＰＧモノクロメータを利用した詳細構造を説明する上面図である。上記Ｘ線光学素子における結晶板として多層膜ミラーを利用した詳細構造を説明する上面図である。上記Ｘ線光学素子を複数（２個）利用したモノクロメータの構成の一例（特許文献１：特許第３４６８６２３号）を示す説明図である。上記Ｘ線光学素子を利用したＸ線単結晶評価装置の全体構造を示す側面図である。上記Ｘ線単結晶評価装置におけるＸ線光路を中心とした詳細構造を示す上面図である。上記のＸ線単結晶評価装置によって測定可能な測定方法を説明するの構成図である。上記図７に示す測定方法により得られる計測結果を示す図である。上記のＸ線単結晶評価装置によって測定可能な他の測定方法を説明するの構成図である。上記図９に示す測定方法により得られる計測結果を示す図である。上記のＸ線単結晶評価装置によって測定可能な更に他の測定方法を説明するの構成図である。上記図１１に示す測定方法により得られる計測結果を示す図である。従来のモノクロメータを利用した場合の問題点を説明するための図である。上記従来のモノクロメータを利用した場合における装置のセッティングの一例を説明する図である。

符号の説明

１０…基台
１１…第１結晶の保持部材
１５…板バネ
１６…第２結晶の保持部材
２１…ＰＧモノクロメータの第１結晶板
２２…ＰＧモノクロメータの第２結晶板
２１’…多層膜ミラーの第１結晶板
２２’…多層膜ミラーの第２結晶板
２００…検出器
３００…試料ステージ
４００…真空パス
４１０…結晶コリメータ
５００Ｘ…線発生装置
５１０…Ｘ線管球
１０００…Ｘ線光学素子

Claims

Ｘ線分析装置のＸ線源と試料、又は、当該試料と検出器との間に配置されるＸ線光学素子であって、２枚のグラフィトモノクロメータを、そのＸ線反射面を互いに対向させ、かつ、当該Ｘ線反射面が互いに平行になるように、その間に所定の隙間を介して配置し、前記グラフィトモノクロメータの一方のＸ線反射面に対して所定の入射角で入射した一次Ｘ線を当該Ｘ線反射面上で反射し、その後、当該反射したＸ線を、前記グラフィトモノクロメータの他方のＸ線反射面で反射し、もって、単色化されたＸ線を、前記入射した一次Ｘ線と平行に取り出すことを特徴とするＸ線光学素子。
前記請求項１に記載したＸ線光学素子において、前記グラフィトモノクロメータは、パイローリティックグラファイトモノクロメータにより構成されていることを特徴とするＸ線光学素子。
前記請求項１に記載したＸ線光学素子において、更に、前記２枚のグラフィトモノクロメータ間におけるＸ線反射面の平行性を調整するための機構を備えていることを特徴とするＸ線光学素子。
Ｘ線分析装置のＸ線源と試料、又は、当該試料と検出器との間に配置されるＸ線光学素子であって、２枚の多層膜ミラーを、そのＸ線反射面を互いに対向させ、かつ、当該Ｘ線反射面が互いに平行になるように、その間に所定の隙間を介して配置し、前記多層膜ミラーの一方のＸ線反射面に対して所定の入射角で入射した一次Ｘ線を当該Ｘ線反射面上で反射し、その後、当該反射したＸ線を、前記多層膜ミラーの他方のＸ線反射面で反射し、もって、単色化されたＸ線を、前記入射した一次Ｘ線と平行に取り出すことを特徴とするＸ線光学素子。
前記請求項４に記載したＸ線光学素子において、前記多層膜ミラーは、重元素物質と軽元素物質をそれぞれ、所定の厚さで周期的に積層した構造を有していることを特徴とするＸ線光学素子。
前記請求項４に記載したＸ線光学素子において、更に、前記２枚の多層膜ミラー間におけるＸ線反射面の平行性を調整するための機構を備えていることを特徴とするＸ線光学素子。
Ｘ線源と、試料を保持して前記Ｘ線源からのＸ線を所定の角度で照射する試料ステージと、前記試料ステージに保持された試料からのＸ線を検出するための検出器と、前記Ｘ線源からのＸ線を前記試料ステージに保持された試料へ導くための光路とを備えており、前記請求項１又は請求項４に記載したＸ線光学素子を、前記光路の一部に配置したことを特徴とするＸ線分析装置。