JP3222720B2 - 波長分散型ｘ線検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄膜元素分析、半導体
プロセス評価、電子部品プロセス評価等に用いられて、
元素組成検査や表面分析を行わせるための波長分散型Ｘ
線検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】表面元素分析、Ｘ線波長分光、Ｘ線信号
計測などに応用されるエネルギー分散型Ｘ線分析方法の
典型的な先行技術として波長分散型Ｘ線分光法があり、
「日本分光学会19**年**月発行、エネルギー分散型Ｘ線
分析，イオン励起のスペクトロスコピーとその応用、96
〜 100頁」に技術内容が開示されている。この先行技術
によれば、イオン又は電子線を物質表面に当てて、この
物質表面から発生するＸ線（特性Ｘ線）の波長分光を行
うためには、ブラッグの回折条件に従ったローランド円
の円弧上に、Ｘ線源である試料と分光結晶とＸ線検出器
とを配置する必要があることが述べられている。

【０００３】元素に固有な波長スペクトルを得る為に
は、例えば試料３３，分光結晶３２，Ｘ線検出器３１の
配置関係が表される図１１に示される如く、Ｘ線取り出
し角θを一定に保つためとして、Ｘ線の検出器３１はロ
ーランド円Ｃにしたがって複雑な軌道を画くように位置
の判断を行い、また、分光結晶３２もそれにリンクした
直進方向Ａの駆動が必要である。また通常は、波長分散
型Ｘ線分光法における各種分光結晶と分光範囲が示され
る図１２にある通り、種々の元素の特性Ｘ線を分光しよ
うとすると、それぞれの波長に合った分光結晶を用意し
て、分光結晶それぞれに駆動機構を設置し元素全域をカ
バーするようにしている。したがって、図１１に概略示
される駆動機構を分光結晶種類に応じて３〜４式設置し
なければならない。

【０００４】従来の具体的なＸ線分光系の構成が図１３
に示されるが、いくつかの元素の特性Ｘ線のスペクトル
を一つの分光素子で得るためには、ローランド円Ｃにし
たがって分光結晶３２の向きと位置、検出器３１の向き
と位置を制御してその元素の特性Ｘ線波長に合わせる複
雑な操作が必要である。

【０００５】このような先行技術では、一つの結晶によ
ってその結晶がカバーする元素数それぞれの特性Ｘ線波
長に合わせて分光する為には、上述の如く、分光結晶３
２と検出器３１に対する複雑な構造の駆動機構が必要と
なって、装置が高価なものになり、かつ、大型化するこ
とによる広いスペースの必要性が生じる結果、汎用を阻
む問題がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記問題点を解消し得
るものとして、同じく「日本分光学会19**年**月発行、
エネルギー分散型Ｘ線分析，イオン励起のスペクトロス
コピーとその応用、126頁」に開示される従来技術があ
る。これは、イオン衝撃によるＸ線発生装置を表す図１
４に示されるように、前述の複雑な駆動系による種々の
元素の特性Ｘ線の波長分光に代えて、一つの分光結晶ス
テージは固定としてその方向の制御及びブラッグの法則
に準拠した反射方向に設置される検出器によって分光す
るというものである。この場合検出器については、それ
ぞれの元素の特性Ｘ線波長と結晶の格子間隔からブラッ
グの法則を満足する方向に制御できるように駆動機構が
設けられている。

【０００７】ここで、ブラッグの法則とは、或る波長の
特性Ｘ線は一定条件を満足する波長のみが強く回折され
ることを規定したものであり、 ｎλ＝２ｄ・ｓｉｎθ （ｎ＝１，２，３……） λ：Ｘ線波長、ｄ＝格子間隔（結晶面における）、 で表される。

【０００８】この従来技術によれば、複雑な駆動機構を
有しないことによる利点があるが、一つの結晶を中心に
検出器を周上に駆動させるそのための広いスペースが必
要となる問題がある。また、複数の元素をカバーするた
めには、結晶と駆動機構を持つセットをいくつか用意す
るか、または結晶を交換して実施することが必要でさら
にスペースが広くなり、また、交換方式は真空開放、交
換、再真空引きの手順が不可欠であって、操作が複雑と
なる問題が避けられない。

【０００９】本発明は、このような問題点の解消を図る
ために成されたものであり、本発明の目的は、イオンま
たは電子線が照射される試料チャンバーの周りにコンパ
クトで、かつ簡易な構造の駆動機構と簡単な操作性で複
数の元素の特性Ｘ線を波長分光できる検出装置を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため以下に述べる構成としたものである。即
ち、本発明は、試料を定位置に保持する試料保持手段、
所定間隔の回折格子を持つ複数の分光素子を備える分光
手段及びＸ線を検出するＸ線検出器を含み、それらが、
試料保持手段に保持されて電子又はイオンのビームが照
射される試料の照射点と、該照射点から発生する特性Ｘ
線を分光する複数の前記分光素子の各分光中心と、該分
光された特定波長Ｘ線を検出するＸ線検出器の検出点と
をローランド円の円弧軌跡に位置させるように配設され
て成る波長分散型Ｘ線検出装置であって、前記分光手段
は、中心部に設けられる軸を中心として該ローランド円
を含む平面に平行な面内で回転するテーブルを持つ回転
テーブルと、該回転テーブルのテーブル上に搭載される
複数の分光素子とを含み、各分光素子が、回転テーブル
の回転制御によってその分光中心を対応するローランド
円弧軌跡に選択的に位置付けることができるように前記
テーブル上に分周して配設されていると共に、前記分光
手段における各分光素子が、自身の分光中心を中心とし
た自回転可能に回転テーブルのテーブル上に搭載され、
微小な角度のステップスキャンが可能に設けられること
を特徴とする波長分散型Ｘ線検出装置である。

【００１１】

【００１２】

【００１３】本発明はまた、前記回転テーブルの回転に
よる各分光素子の公回転と各分光素子の自回転とが、そ
れぞれ独立した駆動系によって行われることを特徴とす
る波長分散型Ｘ線検出装置である。本発明はまた、前記
回転テーブルの回転による各分光素子の公回転と各分光
素子の自回転とが、遊星歯車機構を備える単一の駆動系
によって行われることを特徴とする波長分散型Ｘ線検出
装置である。

【００１４】

【作用】本発明に従えば、試料保持手段、分光手段およ
びＸ線検出器がローランド円の円弧軌跡に位置させるよ
うに配設されて成る波長分散型Ｘ線検出装置における前
記分光手段が、前記ローランド円を含む平面に平行な面
内で回転するテーブルを持つ回転テーブルと、該回転テ
ーブルのテーブル上に分周して配設され、それぞれの分
光中心をテーブルが回転制御されることによって対応す
るローランド円弧軌跡に選択的に位置付けることができ
るように設けられる複数の分光素子とにより構成され
る。従って、複数の結晶である分光素子が一つの回転テ
ーブルに搭載されて成ることによって、多元素の特性Ｘ
線をコンパクトに纏められた機構により分光することが
可能となり、また、本発明によれば、回転テーブルを回
転制御するだけで、複数の分光素子の選択的な位置決め
ならびにスペクトル分光のための結晶の微細角度調整が
回転テーブルを回転制御するだけで行えるため、構造及
び操作性が頗る簡素化される。更に、本発明に係る波長
分散型Ｘ線検出装置は、前記分光手段における各分光素
子が、自身の分光中心を中心とした自回転可能に回転テ
ーブルのテーブル上に搭載され、微小な角度のステップ
スキャンが可能に設けられるようにしているので、微小
な角度のステップスキャンが可能となり、分スペクトル
の分解能が向上し、ひいては分光性能の向上を図ること
ができる。

【００１５】

【実施例】Ｘ線検出装置のシステム構成を図１（平面
図）に例示する。この図１例示のＸ線検出装置は、試料
保持手段１、分光手段２およびＸ線検出器３の三つの部
材により形成され、それらが連結用部材によって連結接
続されている。例えばチャンバによって実現される試料
保持手段１の内部には、ビーム照射位置である定位置に
試料４が保持固定されていて、この試料４の表面に対し
てイオンビーム５が照射されることによって、ブラッグ
の条件を満足する波長の回折Ｘ線６が強く回折され筒状
の連結部内を通過するようになっている。なお、試料４
に対してはイオンビーム５の他に電子ビームが照射され
る場合もある。

【００１６】一方、分光手段２は前記試料４から回折さ
れる回折Ｘ線６を横切るような位置に配設され、この分
光手段２は、分光結晶を反射表面に持つ２個の分光素子
７Ａ，７Ｂと、それら分光素子７Ａ，７Ｂをそれぞれ保
持する分光保持器９Ａ，９Ｂと、回転テーブル８とによ
り形成されていて、回転テーブル８は、詳細構造に関し
ては後述するが、中心部の垂直軸に支持されてその周り
に回転自在であるテーブル１０を備えており、このテー
ブル１０上に分光保持器９Ａ，９Ｂが回転対称配置関係
で搭載されているとともに、分光素子７Ａ，７Ｂが各分
光保持器９Ａ，９Ｂにより保持されていて、それら分光
素子７Ａ，７Ｂは、回転中心の周りの所定位置で集光面
を相対向させた直立状態となって配設されている。

【００１７】Ｘ線検出器３は、例えば複数のスリット１
３を備える長い管軸の比例計数管が用いられていて、筒
状の連結部材により分光手段２に連結されており、分光
手段２の分光素子７Ａまたは分光素子７Ｂで分光されて
前記連結部材内を経た特性Ｘ線１１を受光し得る位置に
設けられる。なお、Ｘ線検出器３としては、スリットを
有しなくて特定波長Ｘ線の入射位置および強度を測定し
得る長い管軸の比例計数管を置換して使用することがで
きる。

【００１８】このように構成されるＸ線検出装置は、試
料保持手段１、分光手段２およびＸ線検出器３が、試料
４の照射点と、該照射点から発生する特性Ｘ線１１を分
光する複数の前記分光素子７Ａ，７Ｂの各分光中心と、
該分光された特定波長Ｘ線１１を検出するＸ線検出器３
の検出点とをローランド円の円弧Ｃ1,Ｃ2 軌跡に位置さ
せるような配置関係で配設されている。

【００１９】図２乃至図４には、前記図１例示のＸ線検
出装置での分光手段２の平面図、右側面図、正面図が示
される。この分光手段２はそれら各図を参照して、中心
部の垂直軸に支持され、その周りに回転自在に設けられ
る円形のテーブル１０と、前記垂直軸の垂下端部に同軸
連結されてテーブル１０を支持するフレームに取付けら
れた減速機付ＤＣモータから成る駆動モータ１２とを備
える回転テーブル８、前記テーブル１０上に垂直軸を基
準とした１８０°の回転対称に搭載される２個の分光保
持器９Ａ，９Ｂと、各分光保持器９Ａ，９Ｂに直立状態
に保持されて、前方の集光面を前記垂直軸側に指向し相
互に対向させて配設される２個の分光素子７Ａ，７Ｂと
を含んで構成される。

【００２０】このような構成の分光手段２は、真空チャ
ンバ１４内に収容されていて、図示しないコントローラ
によって駆動モータ１２を外部から制御し回転駆動する
ことによって、分光素子７Ａ，７Ｂの選択のための位置
決め並びに選択後のスペクトル分光のためのステップ角
度回転が単一の駆動系で行うことができる。

【００２１】上記図１例示のＸ線検出装置を使用して特
性Ｘ線１１を検出する手順について以下に説明する。試
料保持手段１で保持する試料４について分析する元素が
決定されると、結晶即ち、分光素子７Ａ，７Ｂのいずれ
かが選択され、回転テーブル８を回転させて例えば分光
素子７Ａを選んで、そのＸ線を反射させる表面がローラ
ンド円の円弧Ｃ1 にて決定される位置に合致するよう
に、ここでは図示しないがコントローラによって自動的
に設定される。これに応じて、Ｘ線検出器３である比例
計数管の対応するスリット１３が開いて、ビーム照射位
置、分光素子の反射位置、Ｘ線検出位置がローランド円
弧Ｃ1 上に設定されたことになり、次に、ビーム照射と
ともに駆動モータ１２の微調節駆動によって、前記設定
位置に対する前後の微小角度ステップ（通常は０．１°
以下の角度ステップ）でＸ線収量と角度スキャンスペク
トルデータを得る。このようにして得られたスペクトル
の一例が図５に示される。

【００２２】一つの分光素子でカバーできる他の元素の
特性Ｘ線検出の為には、同様に回転テーブル８の回転角
度調節によって、前述のＸ線波長と分光素子格子間隔と
で求まる反射角度（ブラッグの法則に準拠）に合致した
角度に設置され、その反射角度に設置された別のスリッ
ト１３が開けられ、同様に分光素子設定角度中心に微小
な角度ステップスキャンにより、別の元素の特性Ｘ線を
検出する。この場合、波長が大きく違う別の元素の為に
用意された他の分光素子に交換するには、測定する元素
が決まれば、同様に回転テーブル８の回転により、分光
素子のＸ線反射側への移動と分光角度位置の設定が成さ
れ、以下同様な分光スペクトルの収集が行われる。

【００２３】図６には、他のＸ線検出装置を平面図で例
示する。この図６例示のＸ線検出装置は、前記図１例示
のＸ線検出装置に類似し、対応する各部材には同一の参
照符号が付される。上記図６例示のＸ線検出装置におい
て注目される点は、分光手段２が２個よりも多い例えば
４個の分光素子７Ａ〜７Ｄを備えていることである。分
光素子（結晶）は、分光する為のローランド円上で分光
素子と角度スキャンの回転中心とは複数の分光素子設置
のためにズレが生じており、このズレは分光における波
長分解能を大きくすることにつながり、その結果、分解
精度を悪くすることになり兼ねない。従って、この問題
を解決するためとして、３〜４個以上の結晶を搭載し、
数多くの元素分析を１台の分光手段２でカバーしようと
したのがこの図６例示のＸ線検出装置である。

【００２４】この場合、回転テーブル８駆動用の駆動モ
ータ１２とは別に各分光素子毎、又は分光素子を纏めて
一括して駆動し得る駆動機構を設けることによって、各
分光素子をその反射表面を中心に角度スキャンできる構
造とすることは、分解精度を高く維持させる点で好適な
手段といえる。この目的に叶うものとして、図７に本発
明の第１実施例に係る分光手段２の概要構造が平面図
（イ）及び正面図（ロ）で示される。

【００２５】上記第１実施例は図７に示すように、駆動
モータ１２をフレームに取付けるとともに、テーブル１
０の中心部の垂直軸に同軸連結してテーブル回転駆動専
用と成す一方、各分光素子７Ａ〜７Ｄを保持する小回転
テーブルから成る分光保持器９Ａ〜９Ｄは、テーブル１
０に取付けられた分光用回転駆動モータ１５Ａ〜１５Ｄ
の回転軸に軸結することによって、テーブル１０上で各
分光素子７Ａ〜７Ｄの反射表面を中心とした角度ステッ
プスキャンが可能な構造としている。なお、図７（イ）
には、各分光素子７Ａ〜７Ｄの反射表面の中心部が小黒
点で図示されている。

【００２６】図８には、本発明の第２実施例に係る分光
手段２の概要構造が平面図（イ）及び正面図（ロ）で示
される。この第２実施例は、遊星歯車機構１６を用いて
駆動モータ１２によりテーブル１０の回転駆動と各分光
素子７Ａ〜７Ｄの微小回転ステップ駆動とを歯車列伝達
で行う構成としたものである。即ち、第２実施例は、フ
レームに取付けられた駆動モータ１２をテーブル１０の
中心部の垂直軸に同軸連結し、さらに駆動モータ１２の
回転軸に太陽歯車１７を嵌着する一方、各分光素子７Ａ
〜７Ｄを保持する小回転テーブルから成る分光保持器９
Ａ〜９Ｄを、回転軸１９をそれぞれ介してテーブル１０
に回転自在に軸支させて、各回転軸１９にそれぞれ嵌着
した遊星歯車１８Ａ〜１８Ｄを太陽歯車１７に噛合させ
て成る構造を有する。

【００２７】このような構造の第２実施例は、駆動モー
タ１２を駆動することにより、テーブル１０は太陽歯車
１７と共に自転して分光素子７Ａ〜７Ｄの選択位置決め
のための回転が成され、一方、各分光素子７Ａ〜７Ｄ
は、遊星歯車１８Ａ〜１８Ｄと一体に公転してそれぞれ
の反射表面を中心とした角度ステップスキャンが成され
ることになる。

【００２８】図９には、本発明の第３実施例に係る分光
手段２の概要構造が平面図（イ）及び正面図（ロ）で示
される。この第３実施例は、回転テーブル８に装備され
る分光素子が複数個の場合に適用する装置であって、テ
ーブル１０を駆動モータ１２によって回転駆動する構造
に関しては上記各実施例と同じであり、一方、複数個例
えば４個の各分光保持器９Ａ〜９Ｄは、テーブル１０の
回転中心に対して等距離、かつ、等中心角（９０°）の
位置に回転自在に軸支して該各軸に同径、同歯数の歯車
２０Ａ〜２０Ｄを嵌着し、かつ、隣合う歯車２０Ａ〜２
０Ｄ相互を噛合わせ、さらに、分光保持器９Ａ〜９Ｄの
うちの一つ、例えば分光保持器９Ｄの軸に、テーブル１
０に取付けられた分光用回転駆動モータ１５Ｄを軸結合
して成る構造を有する。このような構造の第３実施例
は、一つの分光用回転駆動モータ１５Ｄで各分光素子７
Ａ〜７Ｄの角度ステップスキャンが行える。

【００２９】以上説明の第１乃至第３各実施例は、各分
光素子のローランド円に位置した場所での分光面（反射
面）の角度ステップスキャンが可能となり、分光スペク
トルの分解能が向上する。この為、非常に近い隣合うス
ペクトルのピークの識別、又は分離が可能となり、分光
性能の向上を図ることができる。

【００３０】図１０には、本発明の第４実施例が平面示
される。この実施例は、図６に示されるＸ線検出装置に
類似しており、対応する各部分には同一の参照符号が付
されている。この第４実施例において注目すべき点は、
各分光素子７Ａ〜７Ｄについてその結晶の向きを第１乃
至第３実施例とは異なり、互いに反対側を指向するよう
に設置していることであって、このように構成すること
によって、３〜４個以上の近接した結晶配置に対するＸ
線反射経路の干渉防止が可能となり、Ｘ線の散乱防止等
で有効となる。

【００３１】

【発明の効果】本発明は上述する構成および作用を有す
るものであって、複数の分光素子（結晶）を回転テーブ
ルに搭載することによって多元素の特性Ｘ線をコンパク
トな構造、かつ簡単な駆動機構によって分光検出するこ
とが可能であり、また、スペクトル分光のために行う分
光素子の反射面の角度変更が回転テーブルを駆動する駆
動系を利用して簡単に操作できるので、装置がより簡素
化される。

【００３２】更に、分光手段における各分光素子が、自
身の分光中心を中心とした自回転可能に回転テーブルの
テーブル上に搭載され、微小な角度のステップスキャン
が可能なように設けられているので、コンパクトな構造
であるにもかかわらず、Ｘ線スペクトル分光の分解能が
悪くなるのを防止し、性能の安定向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｘ線検出装置を例示する平面図である。

【図２】図１に図示される分光手段２の平面図である。

【図３】図２に対応する右側面図である。

【図４】図２に対応する正面図である。

【図５】図１例示のＸ線検出装置によって検出されるＸ
線収量とＸ線エネルギー量との関係線図である。

【図６】他のＸ線検出装置を例示するＸ線検出装置の平
面図である。

【図７】本発明の第１実施例に係る分光手段２の概要示
構造であり、（イ）は平面図、（ロ）は正面図である。

【図８】本発明の第２実施例に係る分光手段２の概要示
構造であり、（イ）は平面図、（ロ）は正面図である。

【図９】本発明の第３実施例に係る分光手段２の概要示
構造であり、（イ）は平面図、（ロ）は正面図である。

【図１０】本発明の第４実施例に係るＸ線検出装置の平
面図である。

【図１１】結晶直進型のＸ線ゴニオメータの概要示平面
配置図である。

【図１２】波長分散型Ｘ線分光法における各種分光結晶
と分光範囲の関係を示す図表である。

【図１３】波長分散型Ｘ線分光法によるＸ線分光系の構
成図である。

【図１４】イオン衝撃によるＸ線発生の実験装置の構成
図である。

【符号の説明】

１…試料保持手段、 ２…分光手段、 ３…Ｘ
線検出器、４…試料、 ５…ビーム、
６…回折Ｘ線、７Ａ〜Ｄ…分光素子、 ８…回転
テーブル、 ９Ａ，Ｂ…分光保持器、１０…テーブ
ル、 １１…特性Ｘ線、 １２…駆動モータ、
１３…スリット、 １４…真空チャンバ、 １５…
分光用回転駆動モータ、１６…遊星歯車機構、 １７…
太陽歯車、 １８Ａ〜Ｄ…遊星歯車、１９…回転
軸、 ２０Ａ〜Ｄ…歯車、 Ｃ1,Ｃ2 …ローラ
ンド円、

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−48962（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−11466（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21K 1/06 G01N 23/207

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料を定位置に保持する試料保持手段、
   所定間隔の回折格子を持つ複数の分光素子を備える分光
   手段及びＸ線を検出するＸ線検出器を含み、それらが、
   試料保持手段に保持されて電子又はイオンのビームが照
   射される試料の照射点と、該照射点から発生する特性Ｘ
   線を分光する複数の前記分光素子の各分光中心と、該分
   光された特定波長Ｘ線を検出するＸ線検出器の検出点と
   をローランド円の円弧軌跡に位置させるように配設され
   て成る波長分散型Ｘ線検出装置であって、前記分光手段
   は、中心部に設けられる軸を中心として該ローランド円
   を含む平面に平行な面内で回転するテーブルを持つ回転
   テーブルと、該回転テーブルのテーブル上に搭載される
   複数の分光素子とを含み、各分光素子が、回転テーブル
   の回転制御によってその分光中心を対応するローランド
   円弧軌跡に選択的に位置付けることができるように前記
   テーブル上に分周して配設されていると共に、前記分光
   手段における各分光素子が、自身の分光中心を中心とし
   た自回転可能に回転テーブルのテーブル上に搭載され、
   微小な角度のステップスキャンが可能に設けられること
   を特徴とする波長分散型Ｘ線検出装置。
2. 【請求項２】 回転テーブルの回転による各分光素子の
   公回転と各分光素子の自回転とが、それぞれ独立した駆
   動系によって行われる請求項１記載の波長分散型Ｘ線検
   出装置。
3. 【請求項３】 回転テーブルの回転による各分光素子の
   公回転と各分光素子の自回転とが、遊星歯車機構を備え
   る単一の駆動系によって行われる請求項１記載の波長分
   散型Ｘ線検出装置。