JP3903184B2 - Ｘ線反射率測定装置およびｘ線反射率測定方法 - Google Patents

Description

この出願の発明は、Ｘ線反射率測定装置およびＸ線反射率測定方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、単色Ｘ線を用いながら角度走査を行うために装置の各構成要素の一部もしくは全体を動かすことなく、しかも角度走査を行う場合と同等の情報を従来よりも格段に迅速に測定することが可能な、新しいＸ線反射率測定装置およびＸ線反射率測定方法に関するものである。

Ｘ線反射率測定装置は、極めて浅い角度（典型的には０．１〜３°）でＸ線を測定試料の表面に入射させ、その反射Ｘ線強度を測定する装置である。このときの反射Ｘ線強度と元の入射Ｘ線強度の比が反射率であり、その角度プロファイルから、試料表面や薄膜のナノ構造の情報が得られる。

Ｘ線は物質に対して高い透過能を持ち、そのため固体の構造解析に用いられているが、平坦かつ平滑な測定試料に対し、浅い角度でＸ線を入射させると、光学的な全反射現象を利用することにより、Ｘ線の物質に対する侵入深さをわずか数ｎｍ〜数百ｎｍ程度にとどめることができ、表面に敏感な構造解析を行うことができる。このとき、非常に浅い角度領域では、Ｘ線反射率は１００％に近い値を持つが、臨界角と呼ばれる特定の角度を境界としてその臨界角よりも高角度で入射させた場合、Ｘ線反射率は著しく減衰する。この臨界角の値から物質表面の密度を求めることができ、また臨界角よりも高角度側に現れる干渉パターンから、たとえば薄膜の各層の層厚、さらには、その減衰形状から測定試料の表面および界面のラフネスや密度傾斜を求めることができるのである（たとえば非特許文献１）。

この技術は、非破壊的に、測定試料の表面よりも下のナノ構造を解析することができるため、産業応用上の利用価値が高く、半導体・光デバイスや磁気記録メディア、液晶表示デバイスなど、多層構造を持つ製品の品質管理や、新製品の研究開発に活用されている。

Ｘ線反射率測定装置には、単色Ｘ線を使用するものと白色Ｘ線（連続Ｘ線）を使用するものとがあるが、実際に使用されているＸ線反射率測定装置のほとんどが単色Ｘ線を使用するものである。また従来の一般的なＸ線反射率測定装置は、測定試料表面に対する入射Ｘ線の角度すなわち視射角（試料表面と入射Ｘ線のなす角を視射角と呼ぶ）を０．１〜３°の範囲内で、非常に細かく、典型的には、およそ０．００５°〜０．０１°の細かさで変化させるための機構を備えている。また視射角の変化にあわせて反射Ｘ線を測定する検出器の角度をも変化させる必要がある。さらに、これらの微小な角度変化に対応して、測定に使用するＸ線の平行性すなわち角度発散のレベルを十分に良いものとしておく必要があり、そのために、結晶、ミラーなどの光学素子、またはスリット系などが用いられる。

以上のことから、多くの場合、Ｘ線反射率測定装置は、封入管式または回転対陰極型のＸ線発生装置などのＸ線源、モノクロメータ、ゴニオメータなどの入射Ｘ線と測定試料表面と検出器の間の角度関係を高精度に制御する装置、シンチレーション検出器などのＸ線検出器、さらに全体を平行光学系として機能させるための素子から構成されており、結果的にはＸ線回折計と類似した装置構成をとるものも多い。

こうしたＸ線反射率測定装置は、精密な測定を行う機器としては、十分成熟していると考えられるが、前述したとおり、この技術では角度の変化と反射強度の計数を繰り返すため、測定にはある程度の時間が必要であり、多くの場合１５〜３０分程度は必要である。
ところが、Ｘ線反射率測定装置を製品の生産現場での品質管理に用いるためには、１件あたりの測定時間を１〜２分、長くても数分程度に短縮する必要があるため、やむを得ず非常に限られたごく一部の角度領域だけのＸ線反射率を測定するにとどめているのが実状である。

また、研究開発においては、薄膜を製造する過程や熱処理や加工の過程において１秒程度もしくはさらに短い時間内で連続的な観察評価を行うことが極めて重要である。しかしながらそのような迅速な測定は、これまでのＸ線反射率測定装置によって行うことは困難であった。

以上のような問題意識は、これまでにも何度となく浮上し、解決の試みがなされている。たとえばＸ線反射率測定装置の中には単色Ｘ線ではなく、白色Ｘ線（連続Ｘ線）を用いるものがある（たとえば非特許文献２）。このとき、ある角度で測定試料に白色Ｘ線を入射させたときに生じる反射Ｘ線もまたさまざまなエネルギー成分を持つ白色Ｘ線であることから、そのスペクトルを高いエネルギー分解能をもつ半導体検出器などの検出器により測定すると、そのスペクトルは単色Ｘ線を測定試料に入射させ視射角を走査した場合に得られるプロファイルとほぼ等価な情報を与えることになる。

すなわち、白色Ｘ線（連続Ｘ線）と高いエネルギー分解能をもつ半導体検出器などの検出器を使用すると、角度走査のためにＸ線反射率測定装置の装置構成要素のどの機械的な部分も全く動かすことなく視射角を走査した場合とほぼ同等の情報を取得することは可能である。このため、この技術は測定試料を動かすことが困難な場合などには確かに有効である。

しかしながら、この反射Ｘ線のエネルギースペクトルの測定にも少なくとも５〜１０分以上の積算が必要であり、著しく迅速な測定を行うことについては限界がある。角度走査を行わずに測定することは利点の１つではあるが、そのために採用しているエネルギー分解を行うことのできる半導体検出器などの検出器の速度が、むしろ別の制約要因になっているのである。

さらに、視射角を走査した場合とほぼ同等の情報が取得できるとはいうものの、半導体検出器などの検出器のエネルギー分解能の不足により薄膜の厚さ評価に限界があることや、Ｘ線源の連続スペクトルに不連続なスペクトルが混入する問題など、いくつもの技術的な問題が残されている。このほか関連技術として白色Ｘ線（連続Ｘ線）を入射Ｘ線として用い、反射Ｘ線を結晶分光する方法も研究されているが、測定試料の交換を非常に頻繁に行った場合にも測定試料の下流側の再調整を一切行う必要のないことが実用上強く求められていることである。

以上の総合的な観点から、測定時間の点では不満があっても、単色Ｘ線の使用と角度走査を前提とするＸ線反射率測定装置がもっとも多く用いられているのが現状である。
桜井健次およびL. Ortega、"全反射現象および微小角入射配置を用いたＸ線回折・散乱分析法"、ぶんせき、１９９８年３月号、p.164-174 W. E. WallanceおよびW. L. Wu、"A novel method for determining thin film density by energy-dispersive x-ray reflectivity"、Applied Physics Letters、Vol. 67、p.1203-1205、1995

そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、単色Ｘ線を用いながら角度走査を行うために装置の各構成要素の一
部もしくは全体を動かすことなく、しかも角度走査を行う場合と同等の情報を従来よりも格段に迅速に測定することが可能な、新しいＸ線反射率測定装置およびＸ線反射率測定方法を提供することを課題としている。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、Ｘ線を測定試料に入射し測定試料で反射されたＸ線の反射率を測定するＸ線反射率測定装置であって、少なくとも、Ｘ線を発生させ出射するＸ線源と、Ｘ線を単色化させるモノクロメータと、測定試料上の特定の点からＸ線源の焦点を見込む角度でありかつその見込む方向が試料表面に対して垂直な面内にある見込み角度を調整する見込み角度調整機構と、一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器とを備え、Ｘ線源と試料と位置敏感型Ｘ線検出器の位置関係は固定した状態で、Ｘ線源から出射されたＸ線をモノクロメータにより単色化した後、見込み角度調整機構により見込み角度の範囲を設定し、その範囲の角度発散を持つ単色Ｘ線を同時に測定試料に入射させ、測定試料によりそれぞれ異なる角度で反射された反射Ｘ線の強度を位置敏感型Ｘ線検出器により同時に測定することを特徴とするＸ線反射率測定装置を提供する。

第２には、この出願の発明は、第１の発明において、Ｘ線源が、試料の回転軸と直交する方向に延びた形状の焦点を持ち、モノクロメータが、Ｘ線源からのＸ線を単色化するために試料の回転軸と直交する方向に回転軸を持ち、見込み角度調整機構が、測定試料上の特定の点からＸ線源の長手方向の焦点を見込む角度でありかつその見込む方向が試料表面に対して垂直な面内にある見込み角度を調整し、一次元の位置敏感型Ｘ線検出器として、試料の回転軸と直交する方向に延びた形状を有することを特徴とするＸ線反射率測定装置を提供する。

さらに、第３には、第１の発明において、Ｘ線源が、試料の回転軸と直交する方向に延びた形状の焦点を持ち、モノクロメータが、Ｘ線源からのＸ線を単色化するために試料の回転軸と直交する方向に回転軸を持ち、見込み角度調整機構が、測定試料上の特定の点からＸ線源の長手方向の焦点を見込む角度である見込み角度を調整し、二次元の位置敏感型Ｘ線検出器を用いることを特徴とするＸ線反射率測定装置を提供する。

また、第４には、第１ないし３いずれかの発明において、Ｘ線源が、封入管式または回転対陰極型のＸ線源であることを特徴とするＸ線反射率測定装置を提供する。

第５には、第１ないし４いずれかの発明において、見込み角度調整機構が、Ｘ線源と測定試料との間に配置された、傾斜した２枚の板、傾斜のついたコリメータ、ウェーブガイド、または長さの異なる複数のスリットであることを特徴とするＸ線反射率測定装置を提供する。

第６には、第１ないし５いずれかの発明において、見込み角度調整機構が、測定試料上方または正面に配置されたＸ線遮蔽体であることを特徴とするＸ線反射率測定装置を提供する。

第７には、第１ないし６いずれかの発明において、一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器として、イメージングプレート、位置敏感型比例計数管、ＣＣＤカメラ、フォトダイオードアレイおよびＣＭＯＳイメージセンサーのうちのいずれかを用いることを特徴とするＸ線反射率測定装置を提供する。

第８には、Ｘ線を測定試料に入射し測定試料で反射されたＸ線の反射率を測定するＸ線反射率測定装置であって、少なくとも、Ｘ線を発生させ出射する蓄積リングよりなるＸ線源と、そのＸ線源からのＸ線を単色化する第１の光学素子と、Ｘ線の平行性を変更しかつ試料表面に対して垂直な面内の角度領域であって測定に必要な角度領域に相当する大きさ以上の角度発散を与える第２の光学素子と、一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器を備え、Ｘ線源と測定試料と位置敏感型Ｘ線検出器の位置関係は固定した状態で、第１の光学素子と第２のＸ線源から出射されたＸ線を第１の光学素子により単色化し、測定に必要な角度領域に相当する角度発散を第２の光学素子により与えて、その範囲の角度発散を持つ単色Ｘ線を同時に測定試料に入射させ、測定試料によりそれぞれ異なる角度で反射された反射Ｘ線の強度を位置敏感型Ｘ線検出器により同時に測定することを特徴とするＸ線反射率測定装置を提供する。

第９には、Ｘ線源から出射されたＸ線をモノクロメータにより単色化した後、測定試料上の特定の点からＸ線源の焦点を見込む角度でありかつその見込む方向が試料表面に対して垂直な面内にある見込み角度を見込み角度調整機構により調整し、調整された見込み角度の範囲の角度発散を持つ単色Ｘ線を同時に測定試料に入射させ、測定試料によりそれぞれ異なる角度で反射された反射Ｘ線の強度を同時に一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器にて測定し、かつその測定をＸ線源と試料と位置敏感型Ｘ線検出器の位置関係を固定した状態で行うことを特徴とするＸ線反射率測定方法を提供する。

第１０には、第９の発明において、Ｘ線源として、試料の回転軸と直交する方向に延びた形状の焦点を持つもの、モノクロメータとして、Ｘ線源からのＸ線を単色化するために試料の回転軸と直交する方向に回転軸を持つもの、見込み角度調整機構として、測定試料上の特定の点からＸ線源の長手方向の焦点を見込む角度でありかつその見込む方向が試料表面に対して垂直な面内にある見込み角度を調整するもの、一次元の位置敏感型Ｘ線検出器として、試料の回転軸と直交する方向に延びた形状を有するものを用いることを特徴とするＸ線反射率測定方法を提供する。

第１１には、第９の発明において、Ｘ線源として、試料の回転軸と直交する方向に延びた形状の焦点を持つもの、モノクロメータとして、Ｘ線源からのＸ線を単色化するために試料の回転軸と直交する方向に回転軸を持つもの、見込み角度調整機構として、測定試料上の特定の点からＸ線源の長手方向の焦点を見込む角度でありかつその見込む方向が試料表面に対して垂直な面内にある見込み角度を調整するもの、二次元の位置敏感型Ｘ線検出器を用いることを特徴とするＸ線反射率測定方法を提供する。

第１２には、第９ないし１１いずれかの発明において、Ｘ線源として、封入管式または
回転対陰極型のＸ線源を用いることを特徴とするＸ線反射率測定方法を提供する。

第１３には、第９ないし１２いずれかの発明において、見込み角度調整機構として、Ｘ線源と測定試料との間に配置された、傾斜した２枚の板、傾斜のついたコリメータ、ウェーブガイド、または長さの異なる複数のスリットを用いることを特徴とするＸ線反射率測定方法を提供する。

第１４には、第９ないし１３いずれかの発明において、見込み角度調整機構として、測定試料上方または正面に配置されたＸ線遮蔽体を用いることを特徴とするＸ線反射率測定方法を提供する。

第１５には、第９ないし１４いずれかの発明において、一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器として、イメージングプレート、位置敏感型比例計数管、ＣＣＤカメラ、フォトダイオードアレイおよびＣＭＯＳイメージセンサーのうちのいずれかを用いることを特徴とするＸ線反射率測定方法を提供する。

第１６には、蓄積リングよりなるＸ線源から出射されたＸ線を第１の光学素子により単色化し、Ｘ線の平行性を変更しかつ試料表面に対して垂直な面内の角度領域であって測定に必要な角度領域に相当する角度発散を第２の光学素子により与えて、その範囲の角度発散を持つ単色Ｘ線を同時に測定試料に入射させ、測定試料によりそれぞれ異なる角度で反射された反射Ｘ線の強度を同時に一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器にて測定し、かつその測定をＸ線源と試料と位置敏感型Ｘ線検出器の位置関係を固定した状態で行うことを特徴とするＸ線反射率測定方法を提供する。

この出願の発明によれば、単色Ｘ線を用いながら角度走査を行うために装置の各構成要素の一部もしくは全体を動かすことなく、角度走査を行う場合と同等の情報を従来よりも格段に迅速に測定することが可能な、新しいＸ線反射率測定装置およびＸ線反射率測定方法を提供することができる。

この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

この出願の発明のＸ線反射率測定装置は、Ｘ線を測定試料に入射し測定試料で反射されたＸ線の反射率を測定するＸ線反射率測定装置であって、少なくとも、Ｘ線を発生させ出射するＸ線源と、Ｘ線を単色化させるモノクロメータと、Ｘ線の測定試料への入射時の見
込み角度を調整する見込み角度調整機構と、一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器とを備え、Ｘ線源から出射されたＸ線をモノクロメータにより単色化した後、見込み角度調整機構により見込み角度が調整された単色Ｘ線とし、その単色Ｘ線を測定試料に入射し、測定試料で反射された反射Ｘ線の強度を位置敏感型Ｘ線検出器により測定することを大きな特徴としている。

上記のような装置とすることにより、単色Ｘ線を用いながら、測定試料の角度走査を行うために装置の各構成要素、すなわち、Ｘ線源、モノクロメータ、見込み角度調整機構および位置敏感型Ｘ線検出器のいずれの一部分や全体を動かすことなく、角度走査を行う場合と同等の情報を従来よりも格段に迅速に測定することが可能となるのである。

このとき、封入管式または回転対陰極型のＸ線源はもともとどの方向にもＸ線を発散させるのであるが、一方向に長い形状の焦点を持つ封入管式または回転対陰極型のＸ線源を用いることで、一方向に長い形状の焦点を持つＸ線を好適に出射することができ、このとき測定試料表面上の１点からＸ線源の長手方向の焦点を見込む角度を、見込み角度調整機構により制限することができるのである。

見込み角度調整機構としては、たとえば、Ｘ線源と測定試料の間に、傾斜した２枚の板、傾斜のついたコリメータまたはウェーブガイドを配置して見込み角度を好適に制限することができる。あるいは見込み角度調整機構として、Ｘ線源と測定試料の間に長手方向の長さの異なる複数のスリットを配置して見込み角度を制限することもできる。また測定試料上方または正面にＸ線遮蔽体を配置し、すなわち、測定試料が水平置きの場合には測定試料の測定面の上方にＸ線遮蔽体を配置し、図１をすべて９０度回転してＸ線源を横長としモノクロメータを水平回転軸としさらに試料を垂直回転軸とした場合には、測定試料に入射するＸ線の一部を遮蔽するように測定試料の正面にＸ線遮蔽体を配置して見込み角度を制限するといったことも可能である。

また、この出願の発明のＸ線反射率測定装置においては、蓄積リングをＸ線源として用い、見込み角度調整機構としての角度発散を拡大する機能を持つ光学素子によって測定試料の表面に対する見込み角度を拡大するといったことも可能である。

そして、測定試料で反射された反射Ｘ線の強度を測定する一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器としては、イメージングプレート、位置敏感型比例計数管、ＣＣＤカメラ、フォトダイオードアレイおよびＣＭＯＳイメージセンサーのうちのいずれかを好適に用いることができる。

とくに、一次元のＣＭＯＳイメージセンサーおよびフォトダイオードアレイは、その高速応答性から実際の製品に採用される可能性が濃厚である。また、この出願の発明においては、位置敏感型検出器としては一次元が本質的であり、Ｘ線反射率のデータは一次元の情報であり、二次元の位置敏感型検出器であっても結局一次元で使用する。この出願の発明においては、二次元の検出器、とくにＣＣＤカメラを一次元の高速モードで使用することができる。というのも、ＣＣＤカメラは安価なものも出ており、一次元のＣＭＯＳイメージセンサーおよびフォトダイオードアレイの代替としても使用され得るからである。なお、二次元の検出器を用いた場合、同じ直線上には乗らない、微弱な散乱Ｘ線スポットが観測され、データ解釈の有用な助けになる場合もある。

なお、位置敏感型検出器と測定試料の間の空間には真空パスを置くことが有用である。それというのも、たとえばＣｕのＸ線管からのＣｕＫα₁線であれば、１ｍで約２／３が
大気の吸収により失われるためであり、真空パスの利用することでそのようなことを防ぐことができるのである。

また、この出願の発明のＸ線反射率測定方法は、Ｘ線源から出射されたＸ線をモノクロメータにより単色化した後、見込み角度調整機構によりＸ線の測定試料への入射時の見込み角度が調整された単色Ｘ線とし、その単色Ｘ線を測定試料表面に入射させ、測定試料で反射された反射Ｘ線の強度を一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器にて測定することを大きな特徴としており、この方法により、単色Ｘ線を用いながら、測定試料の角度走査を行うために装置の各構成要素のいずれの一部分や全体を動かすことなく、角度走査を行う場合と同等の情報を従来よりも格段に迅速に測定することが可能となるのである。

このとき、一方向に長い形状の焦点を持つ封入管式または回転対陰極型のＸ線源により一方向に長い形状の焦点を持つＸ線を好適に出射することができる。また、測定試料表面上の１点からＸ線源の長手方向の焦点を見込む角度を、見込み角度調整機構により制限することができ、たとえば、Ｘ線源と測定試料の間に、傾斜した２枚の板、傾斜のついたコリメータまたはウェーブガイドを配置して見込み角度を好適に制限することができる。あるいはＸ線源と測定試料の間に長手方向の長さの異なる複数のスリットを配置して見込み角度を制限することや、測定試料上方または正面、にＸ線遮蔽体を配置して見込み角度を制限するといったことも可能である。

また、この出願の発明のＸ線反射率測定方法においては、蓄積リングをＸ線源とし、角度発散を拡大する機能を持つ光学素子によって測定試料の表面に対する見込み角度を拡大するといったことも可能である。また、一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器としては、イメージングプレート、位置敏感型比例計数管、ＣＣＤカメラ、フォトダイオードアレイおよびＣＭＯＳイメージセンサーのうちのいずれかを好適に用いることができる。

ここで、図１および図２にこの出願の発明のＸ線反射率測定装置およびＸ線反射率測定方法の一実施形態を示す。この出願の発明においては、他の多くのＸ線反射率測定装置と同じように単色Ｘ線を用いるが、この出願の発明のＸ線反射率測定装置では、角度走査を行うための機構を備えず、Ｘ線反射率測定装置のＸ線源、モノクロメータ、見込み角度調整機構および位置敏感型検出器のいずれの装置構成要素の一部または全体を全く動かすことなく角度走査を行った場合と同等の情報を取得する。そのために、他の多くのＸ線反射率測定装置とは異なり、平行光学系ではなく、発散光学系を使用する。

まず図１に示すように、Ｘ線反射率測定装置（１）においては一方向に長い形状を有する長さＬ₁の焦点（２）を持つ封入管式または回転対陰極型のＸ線源（３）を用いている
。封入管式または回転対陰極型のＸ線源（３）は、特性Ｘ線だけでなく、白色Ｘ線（連続Ｘ線）も含んでいるため、分光結晶などのモノクロメータ（４）を用いて単色化を行う必要がある。なお図１においては、モノクロメータ（４）としてＸ線源（３）の長手方向には湾曲していない分光結晶を用い、Ｘ線源（３）の長手方向とモノクロメータ（４）の回転軸を一致させるようにしてモノクロメータ（４）においてブラッグ反射を生じさせると、モノクロメータ（４）での反射により回転軸方向の角度発散は極めて狭いものになるが、その回転軸に直交方向の角度発散は元のまま保存される。

またさらに、Ｘ線反射率測定装置（１）は、単色Ｘ線のエネルギーを選択するためのＸ線源（３）の短手方向に狭いスリット（５）と、測定試料（６）上の１点からＸ線源（３）の焦点（２）の長手方向を見込む角度をＸ線反射率の測定に必要な角度領域に限定する、傾斜した２枚の板（７Ａ）、（７Ｂ）からなる見込み角度調整機構（７）と、手動で測定試料（６）の角度や位置を調整するための測定試料位置調整機構（８）と、測定試料（６）からの反射Ｘ線の強度を測定する一次元または二次元位置敏感型Ｘ線検出器（９）とを備えている。

なお、図１の見込み角度調整機構（７）以外の、測定試料（６）からＸ線源（３）の焦点（２）の長手方向を見込む角度をＸ線反射率の測定に必要な角度領域に限定する見込み角度調整機構としては、傾斜のついたコリメータや、ウェーブガイド、長手方向の長さの異なる複数のスリットの組み合わせ、測定試料上方または正面に設置する遮蔽体などが考えられる。

なお、封入管式または回転対陰極型のＸ線発生装置などのＸ線源（３）は、もともとどの方向にもＸ線を発散させるので、その成分のうち、ちょうどＸ線反射率の測定に必要な角度領域、たとえば約０〜３°の見込み角度のＸ線だけが測定試料（６）の位置に到達するように制限すると良い。すなわちこの場合の見込み角度の調整とは、さまざまな方法によって試料上の１点から焦点を見込む角度を、Ｘ線反射率を得たい視射角の全範囲と一致させる操作に対応し、そのためにあらゆる方向に発散するＸ線にある制限を加えるのである。

Ｘ線源（３）の焦点（２）から距離Ｒ₁離れた地点の測定試料（６）表面上の一点から
そのＸ線源（３）の焦点（２）を見込むとその見込み角度φは、ＡｒｃＴａｎ（Ｌ₁／Ｒ₁）であり、たとえば、Ｌ₁＝８ｍｍ、Ｒ₁＝１６０ｍｍであれば、φは約３°（５０ｍｒａｄ）になり、Ｘ線反射率測定装置（１）を用いて測定しようとする全角度領域をいっぺんに見込んでいることになる。使用するＸ線のエネルギーを高いものを用いると、臨界角を含め、実質的に同じプロファイルがより浅い角度領域に現れるので、このような場合にはさらに少ない見込み角度たとえば１〜２°でも十分である。

一方反射Ｘ線の測定については、一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器（９）を使用する。異なる視射角で測定試料（６）に入射したＸ線はそれぞれ異なる角度で反射するため、位置敏感型Ｘ線検出器（９）上で別々の位置に記録される。位置敏感型Ｘ線検出器（９）の長さをＬ₂とし、一画素に対応する最小の検出素子の長さをｌ₂、測定試料（６）と位置敏感型Ｘ線検出器（９）の間の距離をＲ₂とすれば、Ｌ₂はＲ₂Ｔａｎφ（Ｔａｎ
φ＝Ｌ₁／Ｒ₁）と同じかそれ以上必要であり、またＸ線反射率の角度プロファイルの最小分解能はＡｒｃＴａｎ（ｌ₂／Ｒ₂）になる。

位置敏感型Ｘ線検出器（９）としてたとえばｌ₂が０．０５ｍｍ程度になるイメージン
グプレートや位置敏感型ガス比例計数管を用いた場合、ｌ₂が０．０１ｍｍ程度の画素が
得られるＣＣＤカメラと同じ分解能を得るためには、イメージングプレートや位置敏感型ガス比例計数管などの測定試料からの距離Ｒ₂を５倍程度長くするように変えるようにす
る必要がある。たとえばもし約０．００３°（０．０５ｍｒａｄ）の分解能が必要であれば、上記の数字を用いるとｌ₂が０．０１ｍｍ程度の画素が得られるＣＣＤカメラの場合
Ｒ₂を２００ｍｍとし、ｌ₂が０．０５ｍｍ程度になるイメージングプレートや位置敏感型ガス比例計数管の場合Ｒ₂を１０００ｍｍとすればよい。またφが約３°ならば、Ｌ₂は上記のＲ₂に対応して、それぞれ１０ｍｍ、５０ｍｍである。実際に使用されている標準的
なＣＣＤカメラやイメージングプレートや位置敏感型ガス比例計数管の大きさは、ちょうどこれらを満足しており、この出願の発明のＸ線反射率測定装置に用いることができる。

一方、図２のＸ線反射率測定装置（１０）のようにＸ線源（１１）として蓄積リングを用いる場合は、水平方向には封入管式または回転対陰極型のＸ線発生装置と同様の発散を持つものの、垂直方向には極めて平行性が高いことを考慮する必要がある。また水平方向に長い形状をしている点も、図１の封入管式または回転対陰極型のＸ線発生装置と異なる。このため、Ｘ線反射率の測定に必要な角度領域に相当する角度発散を利用して見込み角度が発散した単色Ｘ線を測定試料（１２）表面に入射させるためには、前述のような見込み角度を制限するものを置くだけでは不十分であり、積極的に発散を大きくすることが必要である。すなわち、この場合の見込み角度調整機構の機能とは、さまざまな方法によっ
てある角度領域に発散を拡大することである。この機能をモノクロメータ（１３）に付与させたり、またはそのような機能を持つミラーなどの付加光学系に用いることが必要であり、この場合ミラーを見込み角度調整機構（１４）として用いている。なお、この場合においても測定試料（１２）は手動で測定試料（１２）の角度や位置を微調整するための測定試料位置調整機構（１５）上に配置されている。

またこの方法としては、湾曲させて角度発散を制御する他に、見込み角度調整機構として周期長が場所によって一定でない、所定の傾斜を持った多層膜光学素子を用いる方法などが用いられる。

そして、測定試料で反射された反射Ｘ線の強度は位置敏感型Ｘ線検出器（１６）（図2
の場合、二次元の位置敏感型Ｘ線検出器）により測定される。

以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。

＜実施例１＞
図３のグラフの挿入図（ａ）に示すＸ線反射率測定装置（１７）を用いて、シリコン基板上に銅を蒸着した試料のＸ線反射率の測定を行った結果を図３（ｂ）に示す。回折用の封入管式Ｘ線源（１８）（６度方向取り出し、実効サイズ０．０４ｍｍ×８ｍｍ）から出射されるＣｕＫα₁線をＳｉ（１１１）チャンネルカットモノクロメータ（１９）により
取り出し、さらにスリット（２０）を通過させて、測定試料（２１）上方に設けた見込み角度調整機構としてのＸ線遮断体（２２）により見込み角度を制限し、測定試料（２１）より反射されたＸ線を真空パス（２３）中を通過させ、位置敏感型Ｘ線検出器（２４）として位置敏感ガス比例計数管を用いてそのＸ線反射率を測定した。この場合においても測定試料（２１）は手動で測定試料（２１）の角度や位置を微調整するための測定試料位置調整機構（２５）上に配置されている。

この例の場合、測定試料（２１）のＸ線源（１８）からの距離Ｒ₁＝約２７０ｍｍとし
、測定試料（２１）と位置敏感型Ｘ線検出器（２４）の間の距離Ｒ₂＝約１０９０ｍｍと
した。

図３（ｂ）の横軸は位置敏感型Ｘ線に入射した反射Ｘ線の出射角（試料表面と反射Ｘ線のなす角）であり、縦軸は測定試料からの反射Ｘ線の反射率を示している。同グラフより明らかなように、視射角が６．５ｍｒａｄ程度のときにＸ線反射率が最も大きくなる。この付近が全反射領域である。これよりも低角側で反射強度が落ち込んでいるのは遮蔽体によって０°のごく近傍で入射されるＸ線が厳しく切られているためである。それよりも視射角が大きくなるにつれて反射率は減少しており、また測定データには薄膜の膜厚を反映した干渉パターンが明瞭に見られる。

以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、単色Ｘ線を用いながら角度走査を行うために装置の各構成要素の一部もしくは全体を動かすことなく、角度走査を行う場合と同等の情報をミリ秒から数分レベルの計測を実現し、従来よりも格段に迅速に測定することが可能な、新しいＸ線反射率測定装置およびＸ線反射率測定方法が提供される。

この出願の発明のＸ線反射率測定装置の一実施形態を例示した構成図である。 この出願の発明のＸ線反射率測定装置の他の実施形態を例示した構成図である。 この出願の発明のＸ線反射率測定装置の一実施形態を用いて測定した試料のＸ線反射率を示すグラフおよびその測定に用いた装置の図である。

符号の説明

１，１０，１７ Ｘ線反射率測定装置
２ 焦点
３，１１，１８ Ｘ線源
４，１３，１９ モノクロメータ
５，２０ スリット
６，１２，２１ 測定試料
７，１４ 見込み角度調整機構
８，１５，２５ 測定試料位置調整機構
９，１６，２４ 位置敏感型Ｘ線検出装置
２２ 遮蔽体
２３ 真空パス

Claims (16)

1. Ｘ線を測定試料に入射し測定試料で反射されたＸ線の反射率を測定するＸ線反射率測定装置であって、少なくとも、Ｘ線を発生させ出射するＸ線源と、Ｘ線を単色化させるモノクロメータと、測定試料上の特定の点からＸ線源の焦点を見込む角度でありかつその見込む方向が試料表面に対して垂直な面内にある見込み角度を調整する見込み角度調整機構と、一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器とを備え、Ｘ線源と試料と位置敏感型Ｘ線検出器の位置関係は固定した状態で、Ｘ線源から出射されたＸ線をモノクロメータにより単色化した後、見込み角度調整機構により見込み角度の範囲を設定し、その範囲の角度発散を持つ単色Ｘ線を同時に測定試料に入射させ、測定試料によりそれぞれ異なる角度で反射された反射Ｘ線の強度を位置敏感型Ｘ線検出器により同時に測定することを特徴とするＸ線反射率測定装置。
2. Ｘ線源が、試料の回転軸と直交する方向に延びた形状の焦点を持ち、モノクロメータが、Ｘ線源からのＸ線を単色化するために試料の回転軸と直交する方向に回転軸を持ち、見込み角度調整機構が、測定試料上の特定の点からＸ線源の長手方向の焦点を見込む角度でありかつその見込む方向が試料表面に対して垂直な面内にある見込み角度を調整し、一次元の位置敏感型Ｘ線検出器として、試料の回転軸と直交する方向に延びた形状を有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線反射率測定装置。
3. Ｘ線源が、試料の回転軸と直交する方向に延びた形状の焦点を持ち、モノクロメータが、Ｘ線源からのＸ線を単色化するために試料の回転軸と直交する方向に回転軸を持ち、見込み角度調整機構が、測定試料上の特定の点からＸ線源の長手方向の焦点を見込む角度でありかつその見込む方向が試料表面に対して垂直な面内にある見込み角度を調整し、二次元の位置敏感型Ｘ線検出器を用いることを特徴とする請求項１に記載のＸ線反射率測定装置。
4. Ｘ線源が、封入管式または回転対陰極型のＸ線源であることを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載のＸ線反射率測定装置。
5. 見込み角度調整機構が、Ｘ線源と測定試料との間に配置された、傾斜した２枚の板、傾斜のついたコリメータ、ウェーブガイド、または長さの異なる複数のスリットであること
   を特徴とする請求項１ないし４いずれかに記載のＸ線反射率測定装置。
6. 見込み角度調整機構が、測定試料上方または正面に配置されたＸ線遮蔽体であることを特徴とする請求項１ないし５いずれかに記載のＸ線反射率測定装置。
7. 一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器として、イメージングプレート、位置敏感型比例計数管、ＣＣＤカメラ、フォトダイオードアレイおよびＣＭＯＳイメージセンサーのうちのいずれかを用いることを特徴とする請求項１ないし６いずれかに記載のＸ線反射率測定装置。
8. Ｘ線を測定試料に入射し測定試料で反射されたＸ線の反射率を測定するＸ線反射率測定装置であって、少なくとも、Ｘ線を発生させ出射する蓄積リングよりなるＸ線源と、そのＸ線源からのＸ線を単色化する第１の光学素子と、Ｘ線の平行性を変更しかつ試料表面に対して垂直な面内の角度領域であって測定に必要な角度領域に相当する大きさ以上の角度発散を与える第２の光学素子と、一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器を備え、Ｘ線源と測定試料と位置敏感型Ｘ線検出器の位置関係は固定した状態で、第１の光学素子と第２のＸ線源から出射されたＸ線を第１の光学素子により単色化し、測定に必要な角度領域に相当する角度発散を第２の光学素子により与えて、その範囲の角度発散を持つ単色Ｘ線を同時に測定試料に入射させ、測定試料によりそれぞれ異なる角度で反射された反射Ｘ線の強度を位置敏感型Ｘ線検出器により同時に測定することを特徴とするＸ線反射率測定装置。
9. Ｘ線源から出射されたＸ線をモノクロメータにより単色化した後、測定試料上の特定の点からＸ線源の焦点を見込む角度でありかつその見込む方向が試料表面に対して垂直な面内にある見込み角度を見込み角度調整機構により調整し、調整された見込み角度の範囲の角度発散を持つ単色Ｘ線を同時に測定試料に入射させ、測定試料によりそれぞれ異なる角度で反射された反射Ｘ線の強度を同時に一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器にて測定し、かつその測定をＸ線源と試料と位置敏感型Ｘ線検出器の位置関係を固定した状態で行うことを特徴とするＸ線反射率測定方法。
10. Ｘ線源として、試料の回転軸と直交する方向に延びた形状の焦点を持つもの、モノクロメータとして、Ｘ線源からのＸ線を単色化するために試料の回転軸と直交する方向に回転軸を持つもの、見込み角度調整機構として、測定試料上の特定の点からＸ線源の長手方向の焦点を見込む角度でありかつその見込む方向が試料表面に対して垂直な面内にある見込み角度を調整するもの、一次元の位置敏感型Ｘ線検出器として、試料の回転軸と直交する方向に延びた形状を有するものを用いることを特徴とする請求項９に記載のＸ線反射率測定方法。
11. Ｘ線源として、試料の回転軸と直交する方向に延びた形状の焦点を持つもの、モノクロメータとして、Ｘ線源からのＸ線を単色化するために試料の回転軸と直交する方向に回転軸を持つもの、見込み角度調整機構として、測定試料上の特定の点からＸ線源の長手方向の焦点を見込む角度でありかつその見込む方向が試料表面に対して垂直な面内にある見込み角度を調整するもの、二次元の位置敏感型Ｘ線検出器を用いることを特徴とする請求項９に記載のＸ線反射率測定方法。
12. Ｘ線源として、封入管式または回転対陰極型のＸ線源を用いることを特徴とする請求項９から１１いずれかに記載のＸ線反射率測定方法。
13. 見込み角度調整機構として、Ｘ線源と測定試料との間に配置された、傾斜した２枚の板、傾斜のついたコリメータ、ウェーブガイド、または長さの異なる複数のスリットを用い
    ることを特徴とする請求項９ないし１２いずれかに記載のＸ線反射率測定方法。
14. 見込み角度調整機構として、測定試料上方または正面に配置されたＸ線遮蔽体を用いることを特徴とする請求項９ないし１３いずれかに記載のＸ線反射率測定方法。
15. 一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器として、イメージングプレート、位置敏感型比例計数管、ＣＣＤカメラ、フォトダイオードアレイおよびＣＭＯＳイメージセンサーのうちのいずれかを用いることを特徴とする請求項９ないし１４いずれかに記載のＸ線反射率測定方法。
16. 蓄積リングよりなるＸ線源から出射されたＸ線を第１の光学素子により単色化し、Ｘ線の平行性を変更しかつ試料表面に対して垂直な面内の角度領域であって測定に必要な角度領域に相当する角度発散を第２の光学素子により与えて、その範囲の角度発散を持つ単色Ｘ線を同時に測定試料に入射させ、測定試料によりそれぞれ異なる角度で反射された反射Ｘ線の強度を同時に一次元または二次元の位置敏感型Ｘ線検出器にて測定し、かつその測定をＸ線源と試料と位置敏感型Ｘ線検出器の位置関係を固定した状態で行うことを特徴とするＸ線反射率測定方法。