JP2020003415A

JP2020003415A - Ｘ線分析装置及びその光軸調整方法

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Publication number: JP2020003415A
Application number: JP2018125106A
Authority: JP
Inventors: 信太郎小林; Shintaro Kobayashi; 克彦稲葉; Katsuhiko Inaba; 徹光永; Toru Mitsunaga
Original assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2038-06-29
Also published as: US10837923B2; EP3588068A2; CN110726742B; JP6871629B2; CN110726742A; EP3588068B1; US20200003708A1; EP3588068A3

Abstract

【課題】アナライザを用いる測定をする毎に光軸調整をすることなく、測定時間の短縮や測定コストの低減がされる、Ｘ線分析装置及びその光軸調整方法の提供。【解決手段】試料を支持するための試料台と、Ｎ次元検出器（Ｎは１又は２の整数）と、１又は複数のアナライザ結晶を備えるアナライザと、を備え、前記Ｎ次元検出器の検出面は、第１検出領域と、前記第１検出領域とは隔たって配置されるとともに前記第１検出領域と区別して検出される第２検出領域と、を有し、前記試料より発生する回折Ｘ線が進行する複数の光路は、前記第１検出領域に直接到達する第１光路と、前記１又は複数のアナライザ結晶を介して到達する第２光路と、を含み、前記Ｎ次元検出器は、前記第１検出領域のＸ線検出により前記第１光路の測定を行い、前記第２検出領域のＸ線検出により前記第２光路の測定を行う、Ｘ線分析装置。【選択図】図２

Description

本発明は、Ｘ線分析装置及びその光軸調整方法に関し、特に、アナライザを用いる測定に有用な技術に関する。

受光側での分解能を向上させることを目的として、Ｘ線回折装置などのＸ線分析装置に備えられるＸ線受光光学系部品として、アナライザ結晶を用いるアナライザが用いられている。

特許文献１にＸ線回折装置が開示されている。そこでは、位置１に配置される試料と位置２に配置される検出器との間に、１個又は２個のアナライザ結晶を配置することにより、試料から発生する回折Ｘ線が、検出器へ直接入射する光路と、該１個又は２個のアナライザ結晶を介して検出器へ入射する光路と、２個の光路を実現している。

特許文献２にＸ線回折装置が開示されている。そこでは、対向する２つの平行な反射表面（すなわち、２個のアナライザ結晶）をそれぞれ備える、２個のチャネルカット結晶（４結晶）が配置されており、４つの反射表面それぞれを回転させることにより、２個の光路を実現している。

米国特許第６６６５３７２号特開平９−４９８１１号公報

アナライザ結晶を使用することで高分解能での測定が可能となるため、高分解能での測定を行う時に、試料と検出器との間の光路上にアナライザが設置されていることが望ましい。しかしながら、測定の前に行う結晶方位の調整時にアナライザが設置されていると、回折角度(２θ)の高すぎる分解能がゆえ、方位の決定が困難となる。このため、方位の調整時においては一般にアナライザを光路上から外し、分解能を低下させた状態で行われるのが一般的である。アナライザの取り付けや取り外しをするための工程がかかる上に、アナライザの取り付け毎に、光軸調整を行う必要が生じてしまい、測定時間の増大や測定コストの増大を招くことになる。

取り付け工程を防ぐために、特許文献２に開示されるＸ線回折装置では、チャネルカット結晶の反射表面を回転させて反射表面に回折Ｘ線を照射させているが、この場合であっても、チャネルカット結晶の反射表面を回転させて反射表面に回折Ｘ線を照射させる度に、Ｘ線の光軸調整を行う必要が生じてしまう。Ｘ線の光軸調整の工程は非常に手間がかかるので、測定の自由度を妨げ、測定時間の増大や測定コストの増大を招くこととなる。

また、特許文献１に開示されるＸ線回折装置では２個の光路のいずれかを選択するためにシャッターを用いる必要がある。

本発明はかかる課題を鑑みてなされたものであり、アナライザを用いる測定をする毎に光軸調整をすることなく、測定時間の短縮や測定コストの低減がされる、Ｘ線分析装置及びその調整方法の提供を、その目的とする。

（１）上記課題を解決するために、本発明に係るＸ線分析装置は、試料を支持するための試料台と、Ｎ次元検出器（Ｎは１又は２の整数）と、１又は複数のアナライザ結晶を備えるアナライザと、を備え、前記Ｎ次元検出器の検出面は、第１検出領域と、前記第１検出領域とは隔たって配置されるとともに前記第１検出領域と区別して検出される第２検出領域と、を有し、前記試料より発生する回折Ｘ線が進行する複数の光路は、前記第１検出領域に直接到達する第１光路と、前記１又は複数のアナライザ結晶を介して到達する第２光路と、を含み、前記Ｎ次元検出器は、前記第１検出領域のＸ線検出により前記第１光路の測定を行い、前記第２検出領域のＸ線検出により前記第２光路の測定を行う、ことを特徴とする。

（２）上記（１）に記載のＸ線分析装置であって、前記第２光路は、前記１又は複数のアナライザ結晶において偶数回反射していてもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載のＸ線分析装置であって、前記Ｎ次元検出器と前記アナライザとの相対的位置は固定されていてもよい。

（４）本発明に係るＸ線分析装置の光軸調整方法は、Ｘ線源と、試料を支持するための試料台と、Ｎ次元検出器（Ｎは１又は２の整数）と、１又は複数のアナライザ結晶を備えるアナライザと、を備える、Ｘ線分析装置のＸ線光軸調整方法であって、前記Ｎ次元検出器の検出面は、第１検出領域と、前記第１検出領域とは隔たって配置されるとともに前記第１検出領域と区別して検出される第２検出領域と、を有し、前記試料より発生する回折Ｘ線が進行する複数の光路は、前記第１検出領域に直接到達する第１光路と、前記１又は複数のアナライザ結晶を介して到達する第２光路と、を含み、基準となる角度配置において、前記１又は複数のアナライザ結晶の配置及び／又は向きを調整する工程、を含んでいてもよい。

本発明により、アナライザを用いる測定をする毎に光軸調整をすることなく、測定時間の短縮や測定コストの低減がされる、Ｘ線分析装置及びその光軸調整方法が提供される。

本発明の実施形態に係るＸ線分析装置の構成を示す概略図である。本発明の実施形態に係るＸ線発生装置主要部の構成を示す概略図である。本発明の実施形態に係るＸ線分析装置の測定結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、寸法、形状等について模式的に表す場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

図１は、本発明の実施形態に係るＸ線分析装置１の構成を示す概略図である。ここで、当該実施形態に係るＸ線分析装置１はＸ線回折測定装置（ＸＲＤ）であるが、これに限定されることはなく、他のＸ線分析装置であってもよい。当該実施形態に係るＸ線分析装置１は、Ｘ線源部１１と、光学ユニット１２と、試料１００を支持する試料台１３と、アナライザユニット１４と、２次元検出器１５と、ゴニオメータ１６と、を備える。Ｘ線源部１１は、図１の紙面を垂直に貫く方向に延伸する線Ｘ線源を有する。光学ユニット１２は、１又は複数の光学部品を含み、Ｘ線源部１１から発生するＸ線を、平行化又は集束化などをして、試料１００へ入射させるために配置される。ゴニオメータ１６は、Ｘ線源部１１に対して、試料１００（及び試料台１３）をθ回転させ、受信側光学ユニット１４及び２次元検出器１５を２θ回転させる。ゴニオメータ１６は、試料水平配置型のθ−θ型ゴニオメータであってもよいし、θ−２θ型ゴニオメータであってもよい。なお、試料１００は、ＧａＮ系半導体からなる多重量子井戸半導体層を含む半導体基板であるが、これに限定されることはない。

図２は、当該実施形態に係るＸ線分析装置１主要部の構成を示す概略図である。アナライザユニット１４は、スリット２１とアナライザ２２とを備えており、アナライザ２２は２結晶アナライザからなる。アナライザ２２は、互いに対向する２個のアナライザ結晶（第１アナライザ結晶２２Ａ及び第２アナライザ結晶２２Ｂ）を含んでいる。第１アナライザ結晶２２Ａと第２アナライザ結晶２２Ｂは、望ましくは互いに平行となる反射面をそれぞれ有している。ここで、各アナライザ結晶は２２０反射を利用したＧｅ（ゲルマニウム）単結晶を用いているが、これに限定されることはなく、適切な他のアナライザ結晶を用いてもよい。

２次元検出器１５は検出面を有している。そして、検出面は、第１検出領域Ｄ１と第２検出領域Ｄ２とを有し、第１検出領域Ｄ１と第２検出領域Ｄ２とは隔たって配置される。第１検出領域Ｄ１と第２検出領域Ｄ２それぞれは、１又は複数の画素からなり、第１検出領域Ｄ１に入射するＸ線と、第２検出領域Ｄ２に入射するＸ線とは、区別されて検出される。

試料１００より発生する回折Ｘ線（なお、本明細書において回折Ｘ線は散乱Ｘ線を含むものとする）が進行する光路は複数あり、ここでは２個の光路が含まれる。第１光路Ｐ１は、試料１００より発生する回折Ｘ線が直進するよう進行し、第１検出領域Ｄ１に直接到達する光路である。第２光路Ｐ２は、試料１００より発生する回折Ｘ線が、第１に第１アナライザ結晶２２Ａで反射され、第２に第２アナライザ結晶２２Ｂで反射され、第２検出領域Ｄ２に到達する光路である。すなわち、第２光路Ｐ２では、１又は複数（ここでは、２個）のアナライザ結晶において偶数回（ここでは、２回）反射している。

当該実施形態に係るＸ線分析装置１の主な特徴は、２個のアナライザ結晶を備えるアナライザ２２と、２次元検出器１５とを備え、２次元検出器１５が、第１光路Ｐ１を進行するＸ線を検出する第１検出領域Ｄ１と、第２光路Ｐ２を進行するＸ線を検出する第２検出領域Ｄ２と、を有する検出面を備えていることにある。従来、高分解能測定を実施するために受光側光学系にアナライザを配置させる必要があり、その都度、Ｘ線の光軸調整を行う必要が生じていた。また、低分解能測定に切り替える際には、アナライザを取り外す必要があり、作業の増大を生じていた。これに対して、当該実施形態に係るＸ線分析装置１では、高分解能測定（アナライザを用いる測定）と低分解能測定（アナライザを用いない測定）とをアナライザを配置（又は取り除く）作業を行うことなく切り替えすることが出来ている。さらに、当該実施形態に係るＸ線分析装置１では、高分解能測定と低分解能測定とのいずれかに切り替える際に、Ｘ線の光軸調整を新たに行う必要性は不具合が生じない限りない。これにより、測定時間の短縮と測定コストの低減を実現することが出来る。

アナライザユニット１４の光軸調整、及び測定において、スリット２１は解放され、第１光路Ｐ１及び第２光路Ｐ２を進行するＸ線はともにスリット２１を通過する。後述されるアナライザユニット１４の光軸調整を行うことにより、第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２のオフセット角と、第１検出領域Ｄ１と第２検出領域Ｄ２それぞれの検出面における位置と、が決定される。アナライザユニット１４の光軸調整が終了すると、アナライザ２２と２次元検出器１５との相対的位置を固定しておくのが望ましい。アナライザ２２と２次元検出器１５との相対的位置が固定されることにより、アナライザを用いない測定からアナライザを用いる測定に切り替えても、第２検出領域Ｄ２（及び第１検出領域Ｄ１）の位置が変動することが抑制され、不具合が発生する可能性が抑制され、Ｘ線の光軸調整を新たに行う必要性が低減される。

当該実施形態に係るＸ線分析装置１は、以下に説明する複数のモードの測定をすることができる。第１は０次元モードであり、第１検出領域Ｄ１で検出されるＸ線強度をすべて積算することにより、簡便に試料１００の結晶方位の調整などをすることが出来る。第２は１次元モードである。第１検出領域Ｄ１又は／及び第２検出領域Ｄ２において、２次元検出器１５の検出面とゴニオメータ１６の回転面との交線（これを２θ方向と称す）に直交する方向に沿って並ぶ画素（ピクセル）を積算することで、２θ方向に対して位置分解能を有する測定ができる。第３は２次元モードである。第１検出領域Ｄ１又は／及び第２検出領域Ｄ２におけるすべての画素（ピクセル）それぞれでＸ線強度を検出することにより、検出面の面方向に位置分解能を有する測定ができる。なお、１次元モードでは、２θ方向に垂直に直交する方向に沿って画素を積算する際に、積算する各画素群において、２θ方向に沿って１個のみの画素を対象とすることに限定されることはなく、局所的な位置分解能となる複数個の画素を対象してもよい。同様に２次元モードでは、各画素のＸ線強度を検出することに限定されることはなく、局所的な位置分解等となる複数個（例えば、２×２＝４個）の画素を１単位として、各単位に属する複数個の画素が検出するＸ線強度を積算してもよい。これら複数のモード間の切替についても、アナライザ２２を取り外したりすることなく実行することができる。１次元モードでは、粉末試料や薄膜試料の高速測定が実現される。

以下、アナライザユニット１４の光軸調整方法について説明する。かかる光軸調整を行うことにより、第１光路Ｐ１と第２光路Ｐ２のオフセット角を同定するとともに、第１検出領域Ｄ１と第２検出領域Ｄ２それぞれの検出面における位置を決定する。かかる位置の決定とは、第１検出領域Ｄ１（の中心）に対する第２検出領域Ｄ２（の中心）の位置ずれ（オフセット）を決定するとしてもよい。従来、０次元検出器を用いる場合には、第１光路Ｐ１を進行するＸ線の測定と、第２光路Ｐ２を進行するＸ線の測定とを切り替えて行う場合、アナライザユニットと０次元検出器の間にスリットを配置して、一方の測定を行う場合、他方のＸ線を遮断する必要がある。これに対して、当該実施形態に係るＸ線分析装置１では、検出領域の位置の違いにより、両者の測定を区別することができるので、かかるスリットは必要としていない。言い換えれば、２次元検出器１５は、スリットの機能を備えており、仮想スリットが備えれれていると考えてもよい。具体的な光軸調整の工程は以下の通りである。

第１の工程は、光軸調整用の試験Ｘ線を用意する工程（Ｘ線準備工程）である。具体的には、試料台１３の上に試料１００が配置されていない状態にして、Ｘ線源部１１がＸ線を発生する。

第２の工程は、第１光路Ｐ１測定の基準となる角度配置を決定する工程（第１光路調整工程）である。ゴニオメータ１６の角度を回転させて、基準となる角度配置に設定し、かかる角度配置における第１光路Ｐ１を進行するＸ線が入射する領域を第１検出領域Ｄ１とする。ここで、第１光路Ｐ１測定の基準となる角度配置は、光学ユニット１２からの試料台１３への入射Ｘ線が、試料台１３からの反射Ｘ線と１直線上に並ぶ状態が望ましく、かかる角度配置を２θ＝０とすればよい。また、第１検出領域Ｄ１は２次元検出器１５の検出面の中心付近に設定されるのが望ましい。また、２θ＝０となる角度配置において２次元検出器の検出面の原点（中心）にＸ線が入射するように設定される場合は、本工程を実行しなくてもよい。

第３の工程は、第２光路Ｐ２測定の基準となる角度配置において２次元検出器１５が検出するＸ線強度がより高くなるよう、アナライザ２２の２個のアナライザ結晶（第１アナライザ結晶２２Ａ及び第２アナライザ結晶２２Ｂ）の配置及び/又は向きを調整する工程（第２光路調整工程）である。かかる工程では、まず、第２光路Ｐ２を進行するＸ線が２次元検出器１５の検出面に入射するように、第２の工程で決定した第１光路Ｐ１測定の基準となる角度配置（２θ＝０）からゴニオメータ１６の角度をあらかじめ計算された角度分だけ回転させる（例えば２θ＝３°）。かかる角度配置で、アナライザ２２を回転させ、２次元検出器１５が検出するＸ線強度がより高くなるようアナライザ２２の配置及び／又は向きを調整し、第２光路Ｐ２を進行するＸ線が入射する領域を第２検出領域Ｄ２とする。この際に、第２検出領域Ｄ２が検出面に含まれるとともに、第２検出領域Ｄ２を第１検出領域Ｄ１とは離間させる。この状態でゴニオメータ１６の角度を回転させて、２次元検出器１５が検出するＸ線強度がより高くなる角度配置へ２次元検出器１５をさらに移動させる。かかる角度配置を第２光路Ｐ２測定の基準となる角度配置であり、第２光路Ｐ２測定の基準となる角度配置２θと、第１光路調整工程における基準となる角度配置２θ＝０との差を、オフセット角度とする。第２光路Ｐ２測定を行う際には、第２光路測定の基準となる角度配置を新たに２θ＝０と定義して、２θ＝０から走査すればよい。第１光路Ｐ１測定に切り替える場合は、オフセット角度分のシフトをせずに、第１光路Ｐ１測定の基準となる角度配置を改めて２θ＝０と定義すればよい。以上が、アナライザユニット１４の光軸調整方法である。

図３は、当該実施形態に係るＸ線分析装置１の測定結果を示す図である。図の横軸は２θ（°）であり、縦軸はＸ線強度（ｃｐｓ）である。図に示す測定結果は、試料１００に対するロッキングカーブ測定の結果である。図には、第１光路Ｐ１（アナライザ２２なし）による測定の結果と、第２光路Ｐ２（アナライザ２２あり）による測定の結果とが、それぞれ示されている。図に示す通り、第１光路Ｐ１は低分解能測定の結果であり、Ｘ線強度には振動が観測されている。第２光路Ｐ２は高分解能測定の結果であり、第１光路Ｐ１の測定結果と比較して、さらに微細な振動が観測されている。このように、低分解能測定（アナライザなし）により、測定系がきちんと設定されていることを確認し、高分解能測定（アナライザあり）により、試料１００の微細構造を観測することが出来る。

当該実施形態に係るＸ線分析装置１は、図３に示す通りロッキングカーブ測定に最適である。また、Ｘ線反射率（ＸＲＲ）測定や逆格子マッピング（ＲＳＭ）測定にも最適であるが、これに限定されることはなく、低分解能測定（アナライザなし）と高分解能あり（アナライザあり）とを切り替えて測定を実施する場合に望ましい。

以上、本発明の実施形態に係るＸ線分析装置について説明した。上記実施形態では、線Ｘ線源を用いているが、これに限定されることはなく、点Ｘ線源でもかまわない。また、多次元検出器として２次元検出器を用いているが、これに限定されることはなく、１次元検出器であってもよく、すなわち、Ｎ次元検出器（Ｎは１又は２の整数）であればよい。また、アナライザ２２に備えられる１又は複数のアナライザ結晶を２個のアナライザ結晶とし、第２光路Ｐ２は、２個のアナライザ結晶において２回反射しているが、これに限定されることはなく、さらに高分解能測定をする場合には４結晶アナライザ（４個のアナライザ結晶）を用いるのが望ましく、１又は複数のアナライザ結晶は偶数個のアナライザ結晶であるのが望ましい。この場合、第２光路Ｐ２は、４個のアナライザ結晶において４階反射している。第２光路Ｐ２は、１又は複数のアナライザ結晶において偶数回反射していることにより、Ｎ次元検出器の検出面に入射するＸ線を検出面により収束するようにすることができる。

上記実施形態に係るアナライザユニット１４は、第２光路Ｐ２上にアナライザ２２が配置されているが、第１光路Ｐ１に対して反対側に、さらにアナライザ２３（図示せず）を備えていてもよい。アナライザユニット１４がアナライザ２３を備えることにより、さらに第３光路Ｐ３の測定が可能となる。この場合、２次元検出器１５の検出面は、第３検出領域Ｄ３（図示せず）を有する。第２検出領域Ｄ３は第１検出領域Ｄ１と離間している。第３光路Ｐ３は、試料１００より発生する散乱Ｘ線が、アナライザ２３で反射され、第３検出領域Ｄ３に到達する光路である。第３光路Ｐ３は、第１光路Ｐ１に対して、第２光路Ｐ２と線対称であり、第３検出領域Ｄ３は、第１光路Ｐ１に対して、第２検出領域Ｄ２と線対称である。

１Ｘ線分析装置、１１Ｘ線源部、１２光学ユニット、１３試料台、１４アナライザユニット、１５２次元検出器、１６ゴニオメータ、２１スリット、２２，２３アナライザ、２２Ａ第１アナライザ結晶、２２Ｂ第２アナライザ結晶、１００試料。

Claims

試料を支持するための試料台と、
Ｎ次元検出器（Ｎは１又は２の整数）と、
１又は複数のアナライザ結晶を備えるアナライザと、
を備え、
前記Ｎ次元検出器の検出面は、第１検出領域と、前記第１検出領域とは隔たって配置されるとともに前記第１検出領域と区別して検出される第２検出領域と、を有し、
前記試料より発生する回折Ｘ線が進行する複数の光路は、前記第１検出領域に直接到達する第１光路と、前記１又は複数のアナライザ結晶を介して到達する第２光路と、を含み、
前記Ｎ次元検出器は、前記第１検出領域のＸ線検出により前記第１光路の測定を行い、前記第２検出領域のＸ線検出により前記第２光路の測定を行う、
ことを特徴とする、Ｘ線分析装置。
前記第２光路は、前記１又は複数のアナライザ結晶において偶数回反射している、
ことを特徴とする、請求項１に記載のＸ線分析装置。
前記Ｎ次元検出器と前記アナライザとの相対的位置は固定される、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のＸ線分析装置。
Ｘ線源と、
試料を支持するための試料台と、
Ｎ次元検出器（Ｎは１又は２の整数）と、
１又は複数のアナライザ結晶を備えるアナライザと、
を備える、Ｘ線分析装置のＸ線光軸調整方法であって、
前記Ｎ次元検出器の検出面は、第１検出領域と、前記第１検出領域とは隔たって配置されるとともに前記第１検出領域と区別して検出される第２検出領域と、を有し、
前記試料より発生する回折Ｘ線が進行する複数の光路は、前記第１検出領域に直接到達する第１光路と、前記１又は複数のアナライザ結晶を介して到達する第２光路と、を含み、
基準となる角度配置において、前記１又は複数のアナライザ結晶の配置及び／又は向きを調整する工程、を含む、
ことを特徴とする、Ｘ線分析装置の光軸調整方法。