JP2010197187A - Ｘ線分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＥＭ、ＴＥＭなどにも取り付け可能で、複数の元素を高感度、高分解能で同時に測定可能なＸ線分析装置を提供する。
【解決手段】点／並行型である一本のマルチキャピラリＸ線レンズ１６の集束端側の焦点が試料１４上の電子線照射点１５に一致するように該レンズ１６を配設する。そして、該レンズ１６の平行端の外方で、レンズ１６の断面を二つに区画した各区画領域１６ａ、１６ｂの延長線上にそれぞれ平板分光結晶２０、２３を設置する。平板分光結晶２０で波長分散されたＸ線の中の特定波長のＸ線は超軽元素対応のＸ線検出器２２で検出され、他の平板分光結晶２３で波長分散されたＸ線の中の特定波長のＸ線は重元素対応のＸ線検出器２５で検出される。試料１４の近傍には一本のマルチキャピラリＸ線レンズ１６を配設すればよいのでスペースをとらず、試料１４から放出された特性Ｘ線を異なるＸ線検出器２２、２５で同時に検出できるので、異なる元素の同時測定が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子線プローブ微小分析装置（電子線マイクロアナライザ等とも呼ばれる。：ＥＰＭＡ）や蛍光Ｘ線分析装置など、試料から放出されたＸ線を検出するＸ線分析装置に関し、特に、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの高分解能の試料像観察が可能な装置に組み込んで、その試料像観察と並行して試料の微小領域の組成分析を実行するために好適なＸ線分析装置に関する。

一般的な走査電子顕微鏡では、微小径に集束させた電子線を励起線として試料に照射し、試料上の所定の範囲内でその電子線の照射位置を走査する。そして、電子線の照射位置から発生した二次電子や反射電子を検出して、その検出信号に基づいて上記走査に対応した試料表面の画像（ＳＥＭ像）を作成して表示部の画面上に表示する。また透過電子顕微鏡では、電子線を試料に照射し、それを透過してきた電子による電子線像を拡大することにより、試料画像（ＴＥＭ像）を作成して表示部の画面上に表示する。

走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡では高分解の試料像を観察することができるが、試料の組成等の分析は行えない。そこで、走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡とエネルギー分散型Ｘ線分光検出器とを組み合わせることで、高分解能の試料表面画像を観察しながら、試料上の所定領域のＸ線分析を可能とした装置が開発されている（例えば特許文献１など参照）。

エネルギー分散型Ｘ線分光検出器では、Ｘ線検出器としてリチウムドリフト型シリコン半導体検出器などの半導体検出器が用いられ、多波長の同時検出が可能であるものの、波長分解能や検出感度は低い。そのため、例えば特定の成分を正確に分析するのには不向きであり、そうした用途には波長分散型Ｘ線分光検出器を用いる必要がある。

従来、電子線プローブ微小分析装置などで用いられていた、波長分散型Ｘ線分光検出器の一種である結晶直進集光型Ｘ線分光検出器は微小領域の分析に対応し優れた性能を持つが、構造が複雑でサイズが大きく、走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡に取り付けることは困難であった。これに対し、非特許文献１には、マルチキャピラリＸ線レンズと呼ばれる一種のＸ線集束素子を用いたＸ線分光検出器が開示されている。図５は一般的なマルチキャピラリＸ線レンズの形態例を示す図、図６はマルチキャピラリＸ線レンズにおけるＸ線の伝達の原理図である（特許文献２、３参照）。

マルチキャピラリＸ線レンズは、例えば内径が２〜十数μｍ程度である微小径の、例えば硼珪酸ガラスから成る細管（キャピラリ）を多数（数百〜１００万本程度）束ねた基本構造を有しており、図６に示すように、１本のキャピラリ３２の内側に入射されたＸ線がそのガラス壁の内周面を臨界角以下の角度で以て全反射しながら進行してゆく原理を利用して、Ｘ線を効率良く案内するものである。図６（ａ）に示すようにキャピラリ３２が直線状でも、図６（ｂ）に示すようにキャピラリ３２が緩い湾曲状であっても、同様の原理でＸ線を案内することができる。

マルチキャピラリＸ線レンズには種々の形態がある。例えば図５（ａ）に示すマルチキャピラリＸ線レンズ３０は、殆ど点とみなし得るＸ線源から出たＸ線を、キャピラリ全体を略円錐形状に絞った集束端で大きな立体角で以て取り込み、反対側の集束端から出たＸ線を一点に集束させるもの（これを「点／点型」と呼ぶ）である。また図５（ｂ）に示すマルチキャピラリＸ線レンズ３１は、同様に集束端外側の略一点から出たＸ線を大きな立体角で以て取り込んだ後、平行端から平行ビームを出射する或いはその逆の経路とするもの（これを「点／平行型」と呼ぶ）である。これ以外に、両端面がともに平行ビームを入射及び出射するもの（これを「平行／平行型」と呼ぶ）もある。

非特許文献１には、上記のようなマルチキャピラリＸ線レンズと平板分光結晶とを組み合わせた簡素な構造ながら高波長分解能であるＸ線分光検出器（ＭＣＸ分光検出器）が開示されている。このＭＣＸ線分光検出器は、異なる波長のＸ線を検出するために、平板分光結晶とＸ線検出器とをそれぞれ所定の角度関係を保って回転させるゴニオ機構や、平板分光結晶を切り替えるための切替機構を備えている。

但し、上記のＭＣＸ分光検出器では、１台の分光器で複数の元素を順次分析することはできるが、複数の元素を同時に測定することはできないため、同時に複数種の元素を測定したい場合には、複数のＭＣＸ分光検出器を併設し、その複数のＭＣＸ分光検出器により、試料から放出された特性Ｘ線の中で測定対象の元素に対応した特定波長のＸ線を選択的に検出する必要がある。

また、測定対象元素が、炭素、窒素、酸素などの超軽元素から重元素まで広範囲に亘る場合には、そもそも一種類のＸ線検出器では対応することは困難である。何故なら、図７に示すように、入射Ｘ線の波長（エネルギー）により、最適な検出器（使用ガス種）が異なるからである。そこで、例えば超軽元素に対してはガスフロー比例計数管（ＦＰＣ＝Gas Flow Proportional Counter）、重元素に対してはクリプトンガス封入型比例計数管、といったＸ線検出器の使い分けが必要となる。異なる平板分光結晶をメカニカルに切り替えるのは容易であるが、Ｘ線検出器をメカニカルに切り替えるのは実用的ではないため、複数元素同時測定でなくても測定対象の元素の種類が広範囲に亘る場合には、互いに異なる種類のＸ線検出器を備えるＭＣＸ分光検出器を複数併設する必要がある。

しかしながら、走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡では、試料の近傍に、対物レンズ、電子引き出し用電極などの様々な部品が配設されていてスペースが乏しいため、いかに上記ＭＣＸ分光検出器が小形であっても、複数のＭＣＸ分光検出器を取り付けることはスペースの関係上困難である。

特開２００３−１９７１４３号公報 特公平７−１１６００号公報 特公平７−４００８０号公報

北村、丸井、副島、「革新的新技術を用いた高分解能波長分散型Ｘ線分光器（ＭＣＸ分光器）の開発」、島津評論、第６４巻、第１・２号（２００７年９月２７日発行）

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、試料周囲の狭い空間内に配設可能であって、且つ異なる元素の高感度、高分解能同時測定を行うことができる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、励起線の照射に対して試料から放出されたＸ線を検出して分析するＸ線分析装置において、
a)多数の束ねられた細管からなり、一方の端面は外方で一点に焦点を持つように絞られた集束端であり、他方の端面は各細管が並行に配設された平行端であるＸ線導波管であって、試料上の励起線照射点を前記集束端の外方の焦点とするように配設されてなるＸ線集束管と、
b)前記Ｘ線集束管の平行端の外方に配設され、該Ｘ線集束管の平行端端面上を複数に区画した各区画領域に含まれる複数の細管を経て送られてきたＸ線を検出するように、各区画領域毎に設けられた複数のＸ線検出部と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係るＸ線分析装置において、上記Ｘ線集束管は、典型的には上述した点／平行型のマルチキャピラリＸ線レンズである。

試料に照射される励起線は、典型的には、電子線又は一次Ｘ線であるが、試料からＸ線を放出させるものであれば、イオンビーム、中性子線、α線などそのほかの粒子線でもよい。

本発明に係るＸ線分析装置では、Ｘ線集束管の集束端の外方の焦点位置に試料上の励起線照射点が存在するため、励起線の照射に応じて試料の励起線照射点付近から放出されたＸ線（特性Ｘ線）は効率よくＸ線集束管の各細管に取り込まれ、細管内部を長手方向に送られる。特性Ｘ線は波長に依らず様々な方向に試料から放出されるから、Ｘ線集束管の断面上でどの位置にある細管にも同様のＸ線が送られる。通常、一本のＸ線集束管を構成する多数の細管を通して送られるＸ線はまとめて１つのＸ線検出部に導入されるが、本発明に係るＸ線分析装置では、一本のＸ線集束管を構成する多数の細管が複数（最低２つ）のグループ（上記区画領域に含まれるもの）に分けられ、各グループ毎に異なるＸ線検出部にＸ線が送り込まれる。

例えばＸ線集束管の平行端端面を略同一面積に二分するように各区画領域を設定すると、各区画領域に含まれる細管を通して集束端側から送られて来るＸ線の総量（強度）はほぼ等しくなる。したがって、区画領域毎に一つずつ設けられた、二つのＸ線検出部にはそれぞれほぼ同強度のＸ線を送り込むことができる。その二つのＸ線検出部で測定対象の元素に対応したそれぞれ異なる波長のＸ線を検出できるように、Ｘ線検出部の構成や配置を設定しておくことにより、異なる二つの元素の同時測定が可能となる。その場合でも、Ｘ線集束管は一本だけでよいので、これを試料近傍に配設するために広いスペースを占有することがない。

本発明に係るＸ線分析装置の一実施態様として、前記複数のＸ線検出部はそれぞれ、Ｘ線を波長分散する分光結晶と、該分光結晶により波長分散されたＸ線の中の特定波長を有するＸ線を検出する検出器と、を含む構成とすることができる。また、ソーラスリットを分光結晶と検出器との間に介挿する構成とすることができる。

この実施態様によれば、一つのＸ線検出部で測定対象の元素を変更したい場合には、例えばゴニオ機構などにより分光結晶と検出器とを所定の（θ−２θの角度関係）関係を保ってそれぞれ回転させ、また必要に応じて分光結晶を切り替えればよい。したがって、そうした測定対象元素を変更するための機構が比較的簡素であり、コスト的にも有利である。

さらにまた、複数のＸ線検出部にそれぞれ含まれる検出器は異なる種類の、例えば高い検出感度が得られる波長領域が相違するような検出器とするとよい。具体的には、例えば一つの検出器を超軽元素に対応したガスフロー比例計数管とし、別の一つの検出器を重元素に対応したクリプトンガス封入型比例計数管とすることができる。これにより、ユーザ自らが検出器の交換などの作業を行うことなく、超軽元素から重元素までの広範囲に亘る様々な種類の元素を高感度、高分解能で検出することが可能となる。

本発明に係るＸ線分析装置によれば、試料の近傍の狭いスペースに配置可能な構成で、試料から放出されたＸ線を複数のＸ線検出部で同時に検出することが可能となる。それにより、複数の元素に対する高感度、高分解能の同時測定が行える。

また特に、試料近傍に広いスペースを必要としないので、例えば走査電子顕微鏡、透過電子顕微鏡など、Ｘ線分析とは別の測定や観察のために、試料の近傍に様々な部品が配置されていてスペースが確保しにくいような装置に取り付けることも容易になる。例えば走査電子顕微鏡に本発明に係るＸ線分析装置を組み込むことにより、高分解能の試料表面像の観察と、高感度、高分解能の複数元素同時測定とが並行して行えるようになり、試料に関して従来よりもさらに一層有用な情報を短時間で得ることができる。

本発明の一実施例であるＸ線分析装置の概略構成図。 本実施例のＸ線分析装置におけるマルチキャピラリＸ線レンズの拡大図及び断面図。 本発明の変形例によるＸ線分析装置の概略構成図。 本発明の変形例によるマルチキャピラリＸ線レンズの断面図。 一般的なマルチキャピラリＸ線レンズの概略構成図。 一本のキャピラリ内のＸ線の通過状態を示す模式図。 Ｘ線検出器のガス種と量子効率との関係を示す図。

以下、本発明に係るＸ線分析装置の一実施例について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は本実施例のＸ線分析装置の概略構成図、図２は本実施例のＸ線分析装置におけるマルチキャピラリＸ線レンズの拡大図（ａ）及びＡ−Ａ’視矢線断面図（ｂ）である。

図１において、電子銃１０から放出された励起線としての電子線１２は、偏向コイル１１により形成される磁場を通り対物レンズ１３で微小径に収束されて試料１４に照射される。これにより、試料１４の表面の電子線照射点１５付近から特性Ｘ線が周囲に放出される。試料１４の上方には、一方の端部が点焦点を有する集束端であり、他方の端部が平行端である点／平行型のマルチキャピラリＸ線レンズ（本発明におけるＸ線集束管に相当）１６が、上記集束端を電子線照射点１５に向けて配設されている。マルチキャピラリＸ線レンズ１６の平行端の外方には、平板分光結晶２０、ソーラスリット２１、Ｘ線検出器２２を含む第１検出部と、平板分光結晶２３、ソーラスリット２４、Ｘ線検出器２５を含む第２検出部と、が配設されている。

図２（ａ）に示すように、マルチキャピラリＸ線レンズ１６は、ハウジング１６２の内側に多数のキャピラリ（本発明における細管に相当）１６１が設けられている。マルチキャピラリＸ線レンズ１６は、その集束端の点焦点の位置Ｆ１に電子線照射点１５が来るように配設される。これにより、電子線照射点１５から放出された特性Ｘ線はマルチキャピラリＸ線レンズ１６の集束端に大きな立体角を以て取り込まれ、各キャピラリ１６１の内部を全反射しながら進行して平行線束に変換される。

マルチキャピラリＸ線レンズ１６の平行端から出射するＸ線束は完全な平行線束ではないものの、各キャピラリ１６１の壁面に対するＸ線の臨界角は殆ど０°に近いため、出射して来るＸ線束は殆ど平行線束であるとみなせる。また、試料１４への電子線照射に応じて電子線照射点１５付近から特性Ｘ線は様々な方向にほぼ満遍なく放出されるため、図２（ｂ）に示すようなマルチキャピラリＸ線レンズ１６の断面上でＸ線の強度や波長の片寄りはないものとみなせる。したがって、図２（ｂ）に示すように、面積が等しくなるようにマルチキャピラリＸ線レンズ１６の断面を二つに区画して、二つの区画領域１６ａ、１６ｂを設定すると、各区画領域１６ａ、１６ｂに属するキャピラリ１６１を通したＸ線の総量はほぼ等しくなる。

この例では、図１に示すように、マルチキャピラリＸ線レンズ１６の平行端の外方で区画領域１６ａの延長線上には第１検出部の平板分光結晶２０が配置され、他の区画領域１６ｂの延長線上には第２検出部の平板分光結晶２３が配置されている。電子線照射点１５付近から放出されてマルチキャピラリＸ線レンズ１６に取り込まれた特性Ｘ線は、区画領域１６ａの平行端及び区画領域１６ｂの平行端から出射すると、それぞれ略半円柱状に進むものとみなせる。区画領域１６ａの平行端から出射して略半円柱状に進む特性Ｘ線Ｘ１は平板分光結晶２０に当たり、反射してソーラスリット２１を経てＸ線検出器２２に入射する。他方、区画領域１６ｂの平行端から出射して略半円柱状に進む特性Ｘ線Ｘ２は平板分光結晶２３に当たり、反射してソーラスリット２４を経てＸ線検出器２５に入射する。

例えば、Ｘ線検出器２２は超軽元素対応のガスフロー比例計数管であり、平板分光結晶２０はこれに適したものが装着され、入射するＸ線Ｘ１に対して平板分光結晶２０の角度とＸ線検出器２２の角度とが特定の超軽元素に適合するように設定されているものとする。一方、Ｘ線検出器２５は重元素対応の例えばクリプトンガス封入型比例計数管であり、平板分光結晶２３はこれに適したものが装着され、入射するＸ線Ｘ２に対して平板分光結晶２３の角度とＸ線検出器２５の角度とが特定の重元素に適合するように設定されているものとする。上述したようにマルチキャピラリＸ線レンズ１６を通して集束端側から送られてくるＸ線Ｘ１、Ｘ２は同じ波長成分を含むが、各平板分光結晶２０、２３で異なる波長のＸ線がＸ線検出器２２、２５に送られる。それにより、Ｘ線検出器２２では試料１４に含まれる超軽元素に対する検出信号を、Ｘ線検出器２５では試料１４に含まれる重元素に対する検出信号を、同時に得ることができる。

上記実施例ではマルチキャピラリＸ線レンズ１６は中心軸が直線状であったが、マルチキャピラリＸ線レンズは適度に緩やかに（図６（ｂ）に示した反射条件を満たすように）屈曲した形状でもＸ線を効率よく送ることができるから、図３に示すように、途中が屈曲した形状のマルチキャピラリＸ線レンズ１７を用いてもよく、それによってＸ線検出部の位置を適宜に変更することができる。

また、上記実施例はＸ線検出部を二組設けたものであるが、一本のマルチキャピラリＸ線レンズ１６の断面を３以上の区画領域に分け、各区画領域に対応してそれぞれＸ線検出部を設けるようにしてもよい。図４（ａ）は四つの区画領域を設けた場合、図４（ｂ）は三つの区画領域を設けた場合の一例である。もちろん、区画の仕方は図２（ｂ）及び図４に示すようにする必要はなく、複数のＸ線検出部（分光結晶）にそれぞれＸ線を適切に導くことが可能な形状に区画すればよい。

図１、図３に示した構成は、試料１４上の微小領域のＸ線分析を行うための基本的な構成要素のみを示したものであるが、上記実施例で説明したマルチキャピラリＸ線レンズ１６、１７と複数のＸ線検出部とを含むＸ線分光検出器は、例えば走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡などの試料観察装置に取り付けて使用することができる。その場合、試料の近傍には、その直径が２〜数mm程度に絞られた集束端を試料上の電子線照射位置に向けた状態で、一本のマルチキャピラリＸ線レンズを配設すればよく、或る程度のサイズとなるＸ線検出部は試料から離した位置に設置することができる。走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡では、観察対象である試料の近傍に様々な部品が設置されておりＸ線分析のためのスペースを確保するのが困難であるが、上述したように試料の近傍には一本のマルチキャピラリＸ線レンズだけを配設すればよいので、試料観察用の部品との干渉を避けることが容易である。

なお、上記実施例は本発明の一例であるから、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正又は追加を行っても本願請求項に包含されることは当然である。

１０…電子銃
１１…偏向コイル
１２…電子線
１３…対物レンズ
１４…試料
１５…電子線照射点
１６、１７…マルチキャピラリＸ線レンズ
１６１…キャピラリ
１６２…ハウジング
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ…区画領域
２０、２３…平板分光結晶
２１、２４…ソーラスリット
２２、２５…Ｘ線検出器
２３…平板分光結晶

Claims (3)

1. 励起線の照射に対して試料から放出されたＸ線を検出して分析するＸ線分析装置において、
   a)多数の束ねられた細管からなり、一方の端面は外方で一点に焦点を持つように絞られた集束端であり、他方の端面は各細管が並行に配設された平行端であるＸ線導波管であって、試料上の励起線照射点を前記集束端の外方の焦点とするように配設されてなるＸ線集束管と、
   b)前記Ｘ線集束管の平行端の外方に配設され、該Ｘ線集束管の平行端端面上を複数に区画した各区画領域に含まれる複数の細管を経て送られてきたＸ線を検出するように、各区画領域毎に設けられた複数のＸ線検出部と、
   を備えることを特徴とするＸ線分析装置。
2. 請求項１に記載のＸ線分析装置であって、
   前記複数のＸ線検出部はそれぞれ、Ｘ線を波長分散する分光結晶と、該分光結晶により波長分散されたＸ線の中の特定波長を有するＸ線を検出する検出器と、を含むことを特徴とするＸ線分析装置。
3. 請求項２に記載のＸ線分析装置であって、
   前記複数のＸ線検出部にそれぞれ含まれる検出器は異なる種類の検出器であることを特徴とするＸ線分析装置。

Images