JP2592931B2 - 蛍光x線分析装置 - Google Patents

蛍光x線分析装置

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JP2592931B2 JP63246327A JP24632788A JP2592931B2 JP 2592931 B2 JP2592931 B2 JP 2592931B2 JP 63246327 A JP63246327 A JP 63246327A JP 24632788 A JP24632788 A JP 24632788A JP 2592931 B2 JP2592931 B2 JP 2592931B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、新規な蛍光X線分析装置に関するもので、
特に目的元素が固体表面、又は表面近傍に存在する場合
の非破壊的な表面分析、深さ方向分析装置に関するもの
である。
[従来の技術] 表面分析手段として最も一般的なものにオージェ電子
分光法がある。従来、この方法が最も感度が優れている
とされているが、これは軽元素に関するもので、原子番
号の大きな元素に対しては感度が著しく低下するという
問題点がある。また、さらにオージェ電子分光法では、
オージェ電子の脱出深さが数十Åであるので、深さ方向
の元素分析を行う場合にはエッチング等を行う必要があ
り、結果的に破壊分析になってしまうという問題点があ
る。光電子分光法も同じ理由で破壊分析となる。2次イ
オン質量分析法は、イオン照射によって試料をエッチン
グしながら分析するため、これも破壊分析である。
従来の蛍光X線分析、及び電子線マイクロアナリシス
は、非破壊分析法であるが、通常の蛍光X線分析法や電
子線マイクロアナリシスは表面層からの情報に比較して
バルクからの情報が非常に大きいので、固体の表面層を
分析する手段としては適当な方法とは言い難い。そこ
で、蛍光X線分析法や電子線マイクロアナリシスを表面
分析に適用するためにいくつかの方法が提案されてい
る。それらは、X線の屈折現象、及びそれに関連した全
反射現象に着目したものである。
全反射蛍光X線分析法は、試料表面に一次X線を全反
射臨界角以下の小さな角度で入射させることによって試
料内部への一次X線の侵入を押え、表面近傍の原子から
放出される蛍光X線のみを検知するものである(特開昭
54−7991,特開昭62−222150)また、これとは別に一次
ビームの入射方向には制限を設けずに、試料にX線を照
射することによって発生した特性X線をその試料に対す
る全反射角に近い角度で取り出すことによって試料内部
で発生する特性X線、散乱X線を排除し、表面からの情
報のみを得る方法−全反射角X線分光法(TRAXS)も考
案されている。(特開昭60−82840,特開昭61−78041) しかし、前述の全反射蛍光X線分析法は、確かに表面
のみの分析に対して有効であるが、一次X線の視射角を
変化させて深さ方向の元素分析を行う場合には、入射X
線と反射X線が干渉を起こすために、得られる蛍光X線
強度データが非常に複雑となり解析が困難であるなどの
問題点を持っている。また、全反射角X線分光法におい
ても、現状では試料の深さ方向の元素分析に有効に作用
する方法及び装置は提供されていない。
[発明の目的] 本発明は、励起用一次ビームとしてX線を用いた場
合、(全反射角蛍光X線分析法において)試料が表面か
ら十分な深さまで均一に励起されるので取り出し角と蛍
光X線強度の関係を測定すれば、蛍光X線の試料中での
吸収と表面での屈折を考慮したモデルを使い、試料の深
さ方向の元素分析を行うことが可能となるという知見に
基づきなされたもので、特に、蛍光X線の取り出し角を
非常に高精度に決定することにより、試料の深さ方向で
の元素分析が有効に行なえる装置を提供することを目的
としている。
[目的を達成するための手段] 本発明は、全反射角蛍光X線分析において、試料面に
対する蛍光X線の取り出し角度を正確に決定することに
よって、非破壊的深さ方向の分析への応用を可能とした
ものである。
そこで精密な位置及び角度あわせが行なえる蛍光X線
分析装置を提供する。
つまり、試料への励起X線の照射によって、該試料から
発生する蛍光X線を該試料表面における全反射角又はそ
の近傍の角度で検出し、さらに該試料より放出される蛍
光X線のスペクトル分布の少なくとも1部を求め、蛍光
X線強度を得る全反射角蛍光X線分析法において、該試
料表面からの蛍光X線取り出し角を精密に決定するため
に、位置合わせの基準としてX線ビームを用い、それに
より決定された取り出し角と前記蛍光X線強度の関係よ
り試料の分析を行なう蛍光X線分析法及び該方法に適し
た装置を提供している。
より具体的に説明すると、本発明は、試料にX線を照
射することにより発生した蛍光X線をその試料に対する
全反射角あるいはそれに近い角度で取り出すことにより
試料表面の情報を得る蛍光X線分析装置であって、X線
源と、これより発生するX線を細いビームにする光学系
と、試料を固定することができ、かつ定位置の試料面と
同一平面上に配置された少なくとも2つのナイフエッジ
を備えた試料ホルダーと、該試料ホルダーを載置し、試
料ホルダーを一方向に移動させる手段を備えた試料台
と、該試料台を載置し、試料台を一方向に移動及び回転
させる手段を備えた台と、X線の照射により試料から発
生した蛍光X線を検知するための蛍光X線検知手段を備
えたことを特徴とする蛍光X線分析装置を提供する。
第1図は、本発明の特徴を最もよくあらわす図であ
る。X線源1からのX線はX線光学系2により細いビー
ム3に変換される。X線光学系2は幅50μm以下のX線
ビームをつくることができるもので、スリット等の組み
合わせにより構成される。このX線ビームを検知できる
位置にX線検出器4が置かれる。5は試料ホルダーであ
って試料を固定することができ、かつ定位置の試料面と
同一平面上に少なくとも2つのナイフエッジ12が配置さ
れている。試料ホルダー5は、ゴニオメータ6の上に置
かれた試料台7に保持される。試料台7は、一方向の平
行移動をする機能を備えており、また、ゴニオメータ6
は一方向の平行移動と回転運動をする機能を有してい
る。本発明においては、角度あわせの方法が、最も重要
な部分を占めているので、第1図に従って試料の位置、
及び角度合わせの方法について説明する。
最初に試料ホルダー5を外した状態で基準X線ビーム
3の中心がゴニオメータ6の回転中心を通るようにゴニ
オメータ位置の調整を行う。基準X線のダイレクトビー
ムのプロファイルを描かせ、強度が最大となる位置に検
出器4を固定した後に、ゴニオメータ6の回転中心の位
置に幅の狭いスリットを有したセッティング治具をとり
付け、このスリットを通って検出されるX線の強度が最
大となるようにゴニオメータ6を移動させることによっ
てこの調整を行うことができる。
次に試料ホルダー5を取り付け、その2つのナイフエ
ッジ12で基準X線が2等分される様に試料台7の調整を
行う。即ち、ゴニオメータ6によって試料ホルダー5を
回転させ、検出器4で検出されるX線強度の最大値が試
料ホルダー5を付けていない場合の1/2になる様に試料
台を調整する。
この後に試料を定位置に固定すれば試料面とゴニオメ
ータの回転中心が一致し、かつ検出器4に対する試料面
の角度を正確に決定することが可能である。
以下実施例に従って説明する。
[実施例1] 第2図は、本発明の実施例1の概略構成を示す図であ
る。X線源1は角度あわせ用基準X線源と励起用X線源
とを兼ねている。励起用X線はエネルギーの高いものが
有利で、従ってX線源1のターゲットとしては原子番号
の大きな元素を用い、電子ビームの電圧、電流を大きく
して使用するのが望ましい。
この場合、上述の様に角度あわせを行った後にこの状
態からゴニオメータ6によって試料と検出器4とを共に
90°回転させる。この位置でX線の取り出し角が0°と
なり、以後、ゴニオメータ6によって試料のみを回転さ
せ、取り出し角を変化させてX線の検出を行う。(符号
9はゴニオメータードライバーである。)検出器スリッ
ト8は、蛍光X線の取り出し角の角度分解能を決定する
もので角度分解能が1/100°〜1/200°程度となる様な狭
い幅のものを用いることが望ましい。
検出器4はエネルギー分散型X線分析装置(半導体検
出器でマルチチャンネルアナライザーに接続され、X線
のエネルギーを弁別する事ができる。)で、信号は信号
処理装置10へ送られて記録され、解析される。
第5図は、ゲルマニウムウェハーを試料として用い、
本分析装置を用いて取り出し角角度0.1°〜0.7°の範囲
を走査して測定した結果で、また第6図は〜の式を
用いて計算した理論曲線である。図中θcで示した角度
が全反射臨界角の理論値を示している。
(理論曲線の求め方は以下の通りである) 滑らかな表面を有する厚さdの均一な物質から放出さ
れる蛍光X線の強度の角度分布の理論は物質中でのX線
の吸収による減衰の効果と、界面での屈折の効果とより
次のように考えることができる。
放出される蛍光X線の波長をλ、蛍光X線の取り出し
角をθt、全反射臨界角をθc、物質中での波長λの蛍
光X線の線吸収係数をμとする。はじめに吸収による減
衰の効果について考える。物質中から放出された蛍光X
線の強度が1/eとなる深さZ1/eは次の式であらわされ
る。
Z1/e=λ/4πB 従って、この場合吸収の効果をあらわす式は、 と書くことができる。
次に表面での屈折の効果について考える。第4図のよ
うに放出X線の界面への視射角をθi、屈折光の表面と
のなす角をθt(=取り出し角)、屈折率を1−δとす
ると、スネルの法則より次の式が導びける。
よって蛍光X線強度の角度分布をあらわす式と式の
積となり、 であらわせる。
波長λのX線に対する物質の屈折率、及び全反射臨界角
は、自由電子近似を用いた分散理論によって計算するこ
とができるので、この場合、試料の厚さdがわかってい
れば、〜式を用いて蛍光X線強度の角度分布を理論
的に求められることになる。
また、同様にガラス上の銅蒸着膜(膜厚800Å)を試
料として用いた場合の測定結果、及び理論曲線をそれぞ
れ第7図、第8図に示す。
それぞれの試料について測定された全反射臨界角の値
は、理論値にほぼ等しく、また、曲線の形状もほぼ一致
していた。
この事は本発明によって測定された結果が十分な精
度、分解能を有している事を示している。
上記理論を用いて測定結果を解析する事により試料の
深さ方向の元素分析を非破壊的に行う事が可能である事
が分る。
[実施例2] 第3図は、本発明の実施例2の概略構成を示すもので
ある。X線源を、角度を測定するための角度基準用X線
源1と蛍光X線を発生させるための励起X線源11とに分
けて用いている。こうすることにより、それぞれの目的
に最適な線質のX線源を用いることができる。
本実施例では、実施例1と同様にゴニオメータ6の位
置の調整、及び試料台7の調整を行って角度あわせが終
了した位置が取り出し角0°となる。従ってゴニオメー
タの可動範囲は小さくて良い。
励起用X線源11は試料測定面により近づけることがで
きるので、試料測定面上でのX線強度が大きくなるため
に有利である。
励起用X線源11としては、蛍光X線分析に用いられて
いる縦型管球を用いることができる。さらに薄膜の透過
型ターゲットを用いたX線源を用いることも可能であ
る。
検出器4、信号処理装置10については実施例1と同様
である。
[発明の効果] 本発明は、細く絞ったX線ビームの鋭い指向性を利用
して試料の位置、及び角度を正確に決定することで、全
反射角蛍光X線分析法を深さ方向の元素分析に利用する
ことを可能としたものである。この方法によると試料面
の位置を25μm以下の精度で決定することができ、その
結果、試料と検出器スリット8との間隔を例えば285mm
とした場合、角度測定精度は1/200°以下となる。本発
明以外の方法、例えば一般に極めて鋭い指向性を有して
いるとされているHe−Neレーザー(λ=6328Å)をX線
の代わりに用いると、レーザー光はX線に比較して回析
の効果が大きくなり、試料位置でビームが1mm程度まで
広がってしまうので、位置あわせには不適当である。よ
って、位置合わせ及び角度の測定基準にX線ビームを用
い、蛍光X線の取り出し角を高精度に決定しつつ、取り
出し角と蛍光X線強度の関係を測定できる本発明は、深
さ方向の元素分析に有効な全反射角蛍光X線分析装置と
なっている。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の基本的構成を示す図、第2図は本発
明の実施例1の概略構成図、第3図は本発明の実施例3
の構成を示す図である。 第4図はX線が異種媒質界面を通過する際の進み方を説
明するための図、第5図は本発明を用いて測定したゲル
マニウムの蛍光X線角度分布の測定結果を示す図で、横
軸は取り出し角を示し、縦軸はX線の強度を示す。 第6図は第5図に対応する理論曲線である。 第7図、第8図はそれぞれガラス上の銅薄膜(膜厚800
Å)の測定結果と理論曲線である。 1……X線源 2……線線光学系 3……基準X線ビーム 4……X線検出器 5……試料ホルダー 6……ゴニオメータ 7……試料台 8……検出器スリット 9……ゴニオメータドライバー 10……信号処理装置 11……励起用X線源 12……ナイフエッジ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料にX線を照射することにより発生した
    蛍光X線をその試料に対する全反射角あるいはそれに近
    い角度で取り出すことにより試料表面の情報を得る蛍光
    X線分析装置であって、X線源と、これより発生するX
    線を細いビームにする光学系と、試料を固定することが
    でき、かつ定位置の試料面と同一平面上に配置された少
    なくとも2つのナイフエッジを備えた試料ホルダーと、
    該試料ホルダーを載置し、試料ホルダーを一方向に移動
    させる手段を備えた試料台と、該試料台を載置し、試料
    台を一方向に移動及び回転させる手段を備えた台と、X
    線の照射により試料から発生した蛍光X線を検知するた
    めの蛍光X線検知手段を備えたことを特徴とする蛍光X
    線分析装置。
  2. 【請求項2】前記蛍光X線検知手段が、エネルギー分散
    型X線分析装置である請求項1記載の蛍光X線分析装
    置。
  3. 【請求項3】さらに蛍光X線検知手段からの信号を蓄積
    し、加工するための信号処理装置を備えている請求項1
    又は2記載の蛍光X線分析装置。
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JP2535675B2 (ja) * 1990-06-28 1996-09-18 株式会社東芝 全反射蛍光x線分析装置
JPH04270953A (ja) * 1991-01-09 1992-09-28 Mitsubishi Electric Corp 元素分析方法および元素分析装置ならびに薄膜形成装置

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