JP2015011031A - 回折イメージング - Google Patents

Abstract

【課題】回折イメージングを提供する。【解決手段】少なくとも第一の結晶性の構成成分の複数の微結晶を有する不均質の多結晶性の試料における相をイメージングする方法は、試料の表面へ第一の角度θ１でブラッグ−ブレンターノのパラフォーカシングの幾何学的配置で入射の実質的に単色のＸ線で試料の表面にわたって延びる照明されるエリアを照明することを含む。第二の角度θ２で試料によって回折させられたＸ線は、ピンホールを通る。回折の角度θ１＋θ２は、試料の表面に第一の結晶性の構成成分の二次元のイメージを提供するための検出器によってイメージングされる第一の結晶性の構成成分についてのブラッグの条件を充足する。【選択図】図１

Description

発明は、Ｘ線による試料における相のイメージングに関係する。

いくつかの分野において、一つの又はより多い材料の小さい結晶又は微結晶を備えた多結晶性の試料における相の分布をイメージングすることは、有用なことである。

使用されてきた一つのアプローチは、Ｘ線の蛍光を使用することである。イメージングの検出器は、試料にわたってＸ線の蛍光のイメージを築き上げるために使用されると共に、よって、特定の要素又は相の場所をイメージングすることがある。しかしながら、このアプローチは、必ずしも全ての事例において適切ではないものであると共に、特に、Ｘ線の蛍光は、関心が持たれた具体的な結晶又は結晶の相ではない要素を区別するだけである。

発明の第一の態様に従って、提供されるものは、請求項１に従った試料を調製する方法である。

ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）の条件におけるイメージングによって、試料における特定の構成成分の相の場所をイメージングすることは、可能性のあることである。

入射するＸ線は、入射するビームのフォーカスから照明されるエリアに入射することがあると共に、ピンホールの配置は、反射させられたＸ線のフォーカシングの距離に位置させられることがある。対称的な条件（θ_１＝θ_２）のために、これは、入射するビームのフォーカスと試料の表面の照明されるエリアから実質的に同じ距離である。

このようにビームは、入射するビームのフォーカスからわずかに発散する角度で試料の照明されるエリアに入射すると共に、高度にコリメートされないものである。入射するビームのフォーカスは、Ｘ線の源又は代わりにスリット又はポイントの管のフォーカスであることがある。スリット、マスク、他のＸ線の光学部品、又は例えば、ソーラー（Ｓｏｌｌｅｒ）スリットによる追加的なコリメーションは、可能性のあることである。

Ｘ線を使用することで多結晶性の試料をイメージングすることに対する先行のアプローチは、Ｘ線の回折ではない、Ｘ線の蛍光を使用してきたものである。しかしながら、Ｘ−線の蛍光の適用は、蛍光性の材料に限定される。Ｘ線の回折がイメージングに使用されてきたところでは、それは、ほとんど完璧な単一の結晶における欠陥をイメージングするために使用されてきた。そのようなイメージングは、結晶における欠陥を可視化するために高度にコリメートされた入射するビーム又はコリメートされた入射するビームと同じ効果を達成するための入射するビームの側におけるピンホールのいずれかを使用する。追加として、それは、試料における十分に大きい照明されるエリアを得るために、典型的には、低い入射するビームの角度で行われる。

対照的に、本発明は、試料の拡張されたエリアを照明する。不可避的に、これは、照明されるエリアにわたって同一ではない入射するビームの角度及びビームの方向に帰着する。

発明者は、回折の角度が入射するビーム及び回折させられたビームの角度θ_１＋θ_２の和によって与えられるという理由のために、ピンホールの配置が、反射させられたビームのフォーカシングの位置に置かれるとき、単一の回折の条件、即ち、ブラッグのピーク、が、その領域のイメージングを実行するためには十分に大きい試料の領域にわたって維持されることがあることを実現してきた。θ_１又はθ_２における小さい変動は、いずれかが、ブラッグのピーク内にあるままであるためには、十分に小さいものである。また、θ_１が中央におけるものと比べてより高いものである試料の照明されるエリアの一つのエッジで、θ_２は、いくらかの補償を許容する、中央におけるものと比べてより低いものであることがある−回折の角度θ_１＋θ_２は、ブラッグの条件が、照明されるエリアにわたって十分な確度まで満たされることがあることを意味する。

シャープなイメージは、反射させられたＸ線のフォーカシングの条件に位置決めされた小さいピンホールを使用することで達成されることができる。これは、蛍光の信号がイメージングされるとき、要求されないものである。そのような蛍光性の放射は、ほとんど均質に散乱させられると共に、そのように、ピンホールは、どこにでも置かれることができる。このように、イメージは、試料の表面に対して垂直なピンホール及び検出器を置くことによって単純に得られることができる。

ＸＲＤについて、他方では、ブラッグの条件を充足することの必要性があると共に、そのように、θ_１＋θ_２は、調査の下での具体的な相について正しいものでなければならないと共に、ピンホールは、フォーカシングの円にあるべきものである。

方法は、第二の結晶性の構成成分に対応するために回折の角度θ_１＋θ_２を変化させることによって多重の構成成分の相をイメージングするために使用されることがある。

検出器は、二次元の検出器であることがある。代わりに、一次元の検出器又はポイント検出器は、検出器が、二次元のイメージを築き上げるための異なる場所及び／又は配向へ移動させられることができるとすれば、使用されることがある。

歪曲を最小にするために、二次元の検出器は、試料の表面に対して平行に配向させられあることがある。これが、従来のＸ線の回折の測定において、試料の表面ではなく、典型的には回折させられたＸ線に対して垂直に配向させられる二次元の検出器の平常の配向ではないものであることに留意すること。

試料及び検出器は、イメージングの方法の間に検出器に対して平行な試料の表面を保つために、並行して揺らされることがある。これは、粒子の統計を改善すると共に、よって、イメージングを改善することができる。

代わりに、ピンホールの配置及び検出器は、θ_２が、イメージの歪曲を除去するために、９０°、例えば８０°から１００°まで、好ましくは８５°から９５°まで、に近いものであるように、配向させられることがある。この事例においては、入射するビームは、ブラッグの条件を達成するために、例えば、５°から７５°までの範囲で、θ_１を調節するために調節されることがある。適切な範囲における回折の角度θ_１＋θ_２を達成するためには、それに応じてＸ線管の特徴的な波長を選ぶことは、また可能性のあることである。

便利のために、他の角度は、また使用されることがある。

方法は、さらに、照明されるエリアを定義するために試料の入射する側でマスクを通じて試料に入射する単色のＸ線を通すことを具備することがある。軸方向の発散を制御するために、単色のＸ線は、また、ソーラースリットを通されることがある。

第一の角度θ_１の軸方向の発散及びピンホールのサイズは、第一の結晶性の構成成分についてのブラッグの条件が、試料の表面の照明されるエリアにわたって充足されるように、試料の照明されるエリアにわたって回折の角度θ_１＋θ_２の変動が十分に大きいものであるように、選択されることがある。

しかしながら、第一の角度θ_１の軸方向の発散及びピンホールのサイズは、ブラッグの条件が、試料の表面の照明されるエリアにわたってどこにでも第一の結晶性の構成成分についての上記のブラッグの条件についてブラッグのピークにブラッグのピークを隣接させるために充足されるものではないように、試料の照明されるエリアにわたる回折の角度θ_１＋θ_２の変動が十分に小さいものであるように、選択されることがある。

短いスキャンは、θ_１、θ_２又はそれら両方を変動させることによって回折の角度θ_１＋θ_２を変動させるために、実行されることがある。これは、試料のエッジにおける回折の強度を改善すると共に粒子の統計を改善することができる。

便利に、ピンホールの配置は、単純なものである、現実のピンホールである。しかしながら、二次的なモノクロメーターに存在することがあるようなコリメーティングデバイスの組み合わせは、代わりに使用されることがあるが、その事例において分解能は、モノクロメーターにおける結晶の反射の“ロッキング曲線の幅”によって決定される。

図１は、発明に従った方法において使用された装置の概略的な図面を示す。 図２は、異なる方向からの図１の装置の光学的な配置の透視図を示す。 図３は、発明の実施形態の方法を使用することで記録された様々な試料のイメージを示す。 図４は、発明の実施形態の方法を使用することで記録された様々な試料のイメージを示す。 図５は、発明の実施形態の方法を使用することで記録された様々な試料のイメージを示す。 図６は、発明の実施形態の方法を使用することで記録された様々な試料のイメージを示す。

発明の実施形態は、添付する図面への参照と共に、純粋に例の方式によって、今記載されることになるが、それらにおいて、
図１は、発明に従った方法において使用された装置の概略的な図面を示す、
図２は、異なる方向からの図１の装置の光学的な配置の透視図を示すと共に、
図３から６までは、発明の実施形態の方法を使用することで記録された様々な試料のイメージを示す。

図は、概略的なものであると共に、一定の縮尺のものではない。

図１を参照することで、一般的なセットアップの高度に概略的な表現は、管のフォーカス４を備えた管２、ピンホール１２、及び検出器１４を含む。試料の表面８を備えた多結晶性の試料６は、試料のマウント１０に搭載される。

Ｘ線は、管から現れると共に、試料の表面の照明されるエリア２０にわたって入射する。Ｘ線は、そこで回折させられると共に、パラフォーカシングの条件に対応する距離にあるピンホール１２に入射する。これは、図１におけるフォーカシングラインによって表現される。対称的な反射θ_１＝θ_２について、ピンホールは、実質的に、管のフォーカスと試料から同じ距離にある。

Ｘ線は、入射する角度θ_１で入射すると共に、表面から回折の角度θ_２で回折させられると共に、この実施形態において直接的に試料の表面Ｓをイメージングすることができる二次元の検出器である検出器１４へとピンホール１２を通る。

回折の角度は、θ_１＋θ_２である。この回折の角度は、多結晶性の試料の特定の構成成分、即ち、特定の相、についてのブラッグの条件を満たすように選ばれる。このように、その構成成分だけは、イメージングされることになる。

照明のＸ線は、実質的に単色であると共に、入射するＸ線管の単一のラインは、使用されることがある。

ピンホール１２が、管のフォーカス４と試料の表面８まで同じ距離にある条件が、対称的な条件θ_１＝θ_２だけに当てはまることに留意すること。

この条件が当てはまらないところで、試料の表面８までの管のフォーカス４の距離ｔ及び試料の表面８までのピンホール１２の距離ｒを備えた、後に続く等式
ｔｓｉｎθ_２＝ｒｓｉｎθ_１
（ブラッグ−ブレンターノ（Ｂｒｅｎｔａｎｏ）のパラフォーカシングの幾何学的配置）は、当てはまる。

この事例において、ピンホールの場所は、それに応じて、ブラッグ−ブレンターノのパラフォーカスの幾何学的配置によって決定された位置、すなわち、一定の回折の角度θ_１＋θ_２を有するために回折させられたＸ線がそれを通る位置、にある。与えられたθ_１について、第一の次数までビームがあるポイントを通る、上の等式によって与えられた距離における各々のθ_２についての位置がある。この位置は、パラフォーカスの位置である。もちろん、本発明において、ピンホールの配置は、このポイントに位置させられた及びピンホールの配置の背後に位置させられた検出器に試料の表面の二次元のイメージを提供するために使用されるのに対して、従来のブラッグ−ブレンターノの幾何学的配置においては、単一の検出器（又は検出器への入り口）は、パラフォーカスの条件によって決定された場所に位置させられる。

図２は、透視図における幾何学的配置を図解する。

ある数の具体的なアプローチは、試料を照明するために使用されることができる。

第一のアプローチにおいて、管２は、図１及び２に図解されたような試料の照明されるエリア２０を決定するために使用される大きいスリット及びマスク１８を備えたラインのフォーカスの配置に使用される。

自由選択のソーラースリット２２は、フォーカスの位置４及び試料８の間における、入射するビームの側に提供されることがある。このソーラースリットは、フォーカスの位置４からのＸ線の角度を限定することによって、試料の表面８でビームの発散を制御するために使用される。

ピンホールの位置が、ピークの位置を決定すると共に、ピンホールのサイズが、一つのピークだけ又は多重のピークがそれを通り抜けるかどうかということ、換言すると、より小さいピンホールがより良好な分解能を与えること、を決定することに留意すること。ピークの幅と一緒に、ソーラースリットによって制御されることがある、Ｘ線の軸方向の発散は、どの程度良好に試料のエッジがイメージングされることができるかということを決定する。

イメージングのために選択されたブラッグの回折のピークは、他の相のピークと部分的に重なり合はないものであるべきである。

代わりのアプローチにおいて、管の前方にアパーチャを備えたポイントのフォーカスは、使用されることがある。

この装置及び方法を使用することで得られたイメージは、図３から６までに提示される。

図３は、ラインのフォーカスを使用することで作られた印刷回路板のイメージであると共に、図４は、ポイントのフォーカスを使用する同じ板のイメージである。この事例においてラインのフォーカスがより良好なイメージングを与えることに留意すること。

図５は、ケイ素上の金の層のイメージである（ケイ素チップのパッド）。

図６は、ラインのフォーカスを使用することでイメージングされた隕石の断面のイメージである。この事例において材料が蛍光性のものであると共に、そのように、上に重なるＸＲＦの信号がまた見られることに留意すること。

個々の微結晶の場所の良好なイメージングが見られることがあることに留意すること。

正常な回折のイメージングについて、検出器の表面は、径の方向に対して垂直なものである。しかしながら、イメージングの歪曲を最小にするために、検出器の表面（検出器１４のイメージングの平面）が、試料の表面８の平面に対して平行なものであることは、好適にされたことである。

検出器１４のイメージングの平面が、試料の表面８の平面に対して平行なものではない事例においては、そのとき、幾何学的な補正は、試料の表面に対して平行な平面へと検出器によって取得されたイメージを投射することによって、適用されることがある。そのような投射は、ソフトウェアにおいて実行されることがある。

この具体的な事例における粒子の統計を改善するために、試料の表面８及び検出器の表面は、並行して揺らされることがある、即ち、試料の配向の角度は、両方のものが変動させられる際に、検出器の表面に対して平行なままである。

ピンホールのサイズは、合理的な長さの時間にイメージングするための十分なＸ線についての必要性を念頭に置くことで検出器の達成可能な分解能に調和するように選択されることがある。試料の表面における達成可能な空間的な分解能は、ピンホールのサイズ、検出器のピクセルのサイズ、表面に対して相対的な検出器の配向、ビームの角度θ_２及び軸方向の発散に依存する。（短い範囲にわたる）θ_１、θ_２、又はそれら両方のものにおけるスキャンは、イメージの蓄積によって試料のエッジから回折の強度を改善するために及び粒子の統計を改善するために実行されることがある。

発明は、試料の表面にわたる異なる結晶の相の場所の測定を許容する。

イメージの倍率は、ピンホールまでの検出器の距離を変化させることによって単純に非常に簡単に変化させられることができる。

ピンホールのサイズは、空間的な分解能及びイメージの強度の間におけるトレードオフを達成するために調節されることがある。大きいピンホールは、より高いイメージの強度、及び、よって、より低い測定の時間を達成する、より多いＸ線を通すが、しかしより低い空間的な分解能を達成する。

専用のマイクロスポット光学部品は、要求されないものであると共に、ピンホール及びラインの源のフォーカスのような、使用された構成部品は、容易に利用可能なものである。さらに、試料の動きは、要求されないものである。入射するビームは、高度にコリメートされることを必要としないものであると共に、モノクロメーターは、要求されないものである−Ｘ線の源のラインの幅は、普通は十分なものである。これらの理由のために、方法は、非常に高い質の設備の出費無しにイメージングを許容する。

多重のイメージ、異なる相の各々のイメージ、は、得られることがある。要求されるとすれば、これらは、イメージプロセッシングによって組み合わせられることができる。

アプローチがピンホールを通じた回折の角度での反射についての十分な確率を達成するために相対的に小さい微結晶を要求することに留意すること。この効果は、例えば、より上に議論されたような、統計を改善するためにスキャンすること又は揺らすことによって低減させられることができる。

しかしながら、試料が、ピンホールを通じたビームの反射を許容するある一定の好適にされた配向を備えたより大きい微結晶を含有するとすれば、異なる入射するビームの角度θ_１を備えた（一定のθ_１＋θ_２での）その特定の相のイメージングは、試料の表面におけるこれらの微結晶の配向を調査することを許容する（微結晶の配向のイメージング）。

代わりの実施形態において、受容するスリットを備えた１Ｄの検出器は、使用されることができると共に、第二の寸法は、試料の回転によって築き上げられることができる。

別の代わりのものは、ピンホールの使用を保つことであると共に、イメージを築き上げるために１Ｄの検出器を回転することである。

ピンホール１２は、スリットを備えた二次的なモノクロメーターのような、コリメートする光学部品の他の組み合わせによって交換させられることがあると共に、この事例における空間的な分解能は、スリットのサイズ及び結晶の反射のロッキング曲線の幅によって決定される。この事例において、ピンホールの配置は、真のピンホールではないが、しかし同じ効果を備えた何かのもの、即ち、限定されたサイズの入り口の窓、である。

適切な回折の角度θ_１＋θ_２を識別するために、装置は、ポイント検出器として、即ち、有用な信号を生じさせる回折の角度を識別するためにイメージを得ること無しに、検出器を使用することで最初に使用されることができる。そのとき、二次元のイメージは、識別される単数の又は複数の回折の角度についてより上に述べられたような方法を使用することで、得られることがある。

Claims (17)

1. 少なくとも第一の結晶性の構成成分の複数の微結晶を有する不均質の多結晶性の試料をイメージングする方法であって、
   入射のビームのフォーカスからの実質的に単色のＸ線で試料の表面にわたって延びる照明されるエリアを照明すること、前記実質的に単色のＸ線が前記試料の表面へ第一の角度θ_１で入射すること、
   ピンホールの配置を通じて第二の角度θ_２で前記試料によって回折させられたＸ線を通すこと
   を具備する、方法において、
   回折の角度θ_１＋θ_２は、前記第一の結晶性の構成成分についてのブラッグの条件を充足すると共に、
   前記ピンホールの配置は、パラフォーカスの条件によって決定された位置に位置させられると共に、
   前記Ｘ線が前記試料の表面に前記第一の結晶性の構成成分の二次元のイメージを提供するために前記ピンホールの配置を通じて及び検出器へと通る、
   方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記入射するＸ線は、入射のビームのフォーカスから前記照明されるエリアに入射すると共に、
   前記ピンホールの配置は、前記入射のビームのフォーカスと前記試料の表面の前記照明されるエリアから実質的に同じ距離に位置させられる、
   方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、さらに、
   前記試料の表面に前記第二の結晶性の構成成分の二次元のイメージを提供するために前記不均質の多結晶性の試料の第二の結晶性の構成成分に対応するように前記回折の角度θ_１＋θ_２を変化させること
   を具備する、方法。
4. 請求項１、２、又は３に記載の方法において、
   前記検出器は、二次元の検出器である、方法。
5. 請求項４に記載の方法において、
   前記二次元の検出器は、前記試料の表面に対して平行に配向させられる、方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   前記試料及び前記検出器は、イメージングの間に前記検出器に対して平行に前記試料の表面を保つために並行して揺らされる、方法。
7. 請求項１から６までのいずれかに記載の方法において、
   前記ピンホール及び前記検出器は、θ_２が８０°から１００°まで、好ましくは８５°から９５°まで、であるように、配向させられる、方法。
8. 請求項１から７までのいずれかに記載の方法において、
   θ_１は、５°から７０°までの範囲にある、方法。
9. 請求項１から８までのいずれかに記載の方法であって、さらに、
   前記照明されるエリアを定義するために前記試料の入射の側でマスクにおける穴又はスリットを通じて前記試料に入射する前記単色のＸ線を通すこと
   を具備する、方法。
10. 請求項１から９までのいずれかに記載の方法であって、さらに、
    前記照明されるエリアにわたって前記第一の角度θ_１の軸方向の発散を制御するためにソーラースリットを通じて前記単色のＸ線を通すこと
    を具備する、方法。
11. 請求項９又は１０に記載の方法において、
    前記第一の角度θ_１の軸方向の発散及び前記ピンホールの配置は、前記試料の表面の前記照明されるエリアにわたるどこにでも前記第一の結晶性の構成成分についての上記のブラッグの条件についてブラッグのピークへブラッグのピークを隣接させるために前記ブラッグの条件が充足されないように、前記試料の前記照明されるエリアにわたる前記回折の角度θ_１＋θ_２の変動が十分に小さいものであるように、選択される、方法。
12. 請求項１から８までのいずれかに記載の方法であって、さらに、
    多層のアルファ−１モノクロメーター又はＸ線レンズで前記試料を照明すること
    を具備する、方法。
13. 請求項１から１２までのいずれかに記載の方法において、
    前記第一の角度θ_１の軸方向の発散及び前記ピンホールの配置は、前記第一の結晶性の構成成分についての前記ブラッグの条件が前記試料の表面の前記照明されるエリアにわたって充足されるように、前記試料の照明されるエリアにわたる前記回折の角度θ_１＋θ_２の変動が十分に大きいものであるように、選択される、方法。
14. 請求項１から１３までのいずれかに記載の方法であって、さらに、
    θ_１、θ_２、又はそれら両方を変動させることによって前記回折の角度θ_１＋θ_２を変動させること
    を具備する、方法。
15. 請求項１から１４までのいずれかに記載の方法であって、さらに、
    空間的な分解能及び前記スリットを通る強度を選択するために前記ピンホールの配置のサイズを調節すること
    を具備する、方法。
16. 請求項１から１５までのいずれかに記載の方法であって、
    前記試料の表面におけるある一定の相の前記微結晶の配向を調査するために、異なる入射のビームの角度θ_１を備えた、同じブラッグの反射θ_１＋θ_２について数個のイメージングのステップを行うこと
    を具備する、方法。
17. 方法であって、
    Ｘ線で試料を照明すること、
    少なくとも一つの適切な回折の角度θ_１＋θ_２を検出するためのポイント検出器として検出器を使用すること、及び、
    回折の角度θ_１＋θ_２を使用することで少なくとも一つの二次元のイメージを得るために請求項１から１６までのいずれかに記載の方法を実行すること
    を具備する、方法。