JP4514982B2

JP4514982B2 - 小角散乱測定装置

Info

Publication number: JP4514982B2
Application number: JP2001112372A
Authority: JP
Inventors: 吉男岩崎
Original assignee: Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Corp
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2001-04-11
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2021-04-11
Also published as: JP2002310947A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特に厚さ１ｎｍ〜１０ｎｍの薄膜試料に対して有効な小角散乱測定を実現する小角散乱測定方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物質によっては、Ｘ線を照射したときに入射Ｘ線の光軸を中心とする小角度領域（例えば、０゜〜５゜程度）の角度領域において、散乱Ｘ線を発生することがある。
例えば、物質中に１０〜１０００Å程度の微細な粒子やこれに相当する大きさの密度の不均一な領域が存在すると、Ｘ線の入射方向に散漫な散乱、いわゆる中心散乱が生じる。この中心散乱は粒子の内部構造には無関係で粒子が小さいほど広がる。この散乱は、結晶質あるいは非晶質に関わらず存在し、散乱角すなわち入射Ｘ線の光軸からの角度が０゜〜５゜程度の小角度領域で観測される。
また、小角度領域には上記の中心散乱の他に、蛋白質の結晶のように格子面間隔が非常に大きい場合や、繊維試料で結晶質と非晶質とが周期的に並んだ、いわゆる長周期構造の場合のＸ線回折などが観測される。
以上のような中心散乱及びＸ線回折を含め、小角度領域において観測されるＸ線は、一般に小角散乱と呼ばれており、この小角散乱を測定することにより、試料に関する種々の特性を判定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、厚さ１ｎｍ〜１０ｎｍのいわゆるナノスケールの薄膜材料を対象にした場合、かかる薄膜材料にＸ線を照射しても同材料を透過するまでの散乱に寄与する粒子等が極めて少ないため、同材料からあらわれる散乱Ｘ線は微弱なものであり、実質的に観測不能であった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、厚さ１ｎｍ〜１０ｎｍの薄膜材料に対しても有効な小角散乱測定を実現することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の小角散乱測定方法は、試料の内部をその表面に沿ってＸ線が進行し、且つ試料からその表面すれすれに散乱Ｘ線があらわれるように試料表面に対するＸ線の入射角を調整し、そして試料の表面すれすれにあらわれた散乱Ｘ線を検出する方法としたことを特徴とする。
【０００５】
すなわち、本発明者は、日々の研究成果から、試料表面に対して例えば、０．５°以下の極めて低角度からＸ線を照射したとき、試料の内部をその表面に沿ってＸ線が進行し、且つ試料からその表面すれすれ（例えば、入射角と同様の０．５°以下の出射角）に散乱Ｘ線があらわれることを知見するに至った。本明細書においては、この散乱Ｘ線をインプレーン散乱Ｘ線と称することもある。
【０００６】
このインプレーン散乱Ｘ線は、試料表面に沿って試料内部を走るＸ線がその軌道上に存在する微細な粒子やこれに相当する大きさの密度の不均一な領域によって発生するものと考えられ、厚さ１ｎｍ〜１０ｎｍの薄膜試料であっても小角散乱の観測に十分な強度をもっている。
【０００７】
次に、本発明の小角散乱測定装置は、試料に対するＸ線の入射光学系と、試料表面に対するＸ線の入射角調整手段と、試料からあらわれる散乱Ｘ線を検出するＸ線検出手段とを備え、且つ次の（イ）乃至（ヘ）の条件を満たす構成としたことを特徴とする。
（イ）入射光学系は、反射Ｘ線の広がり角がδの多層膜ミラーと、Ｘ線を放射するＸ線源とを含む。
（ロ）多層膜ミラーの反射面は、２つの焦点Ａ，Ｂをもつ楕円面に形成されている。
（ハ）Ｘ線源は、多層膜ミラーの焦点Ａに配置される。
（ニ）多層膜ミラーは、反射面の中心位置から焦点Ｂまでの距離が、焦点Ａに配置されたＸ線源から反射面にＸ線を照射したとき、焦点ＢにおけるＸ線の収束角θｃが広がり角δのほぼ２倍となるように設定されている。
（ホ）入射角調整手段は、試料の内部をその表面に沿ってＸ線が進行し、且つ試料からその表面すれすれに散乱Ｘ線があらわれるように、試料表面に対するＸ線の入射角を調整可能である。
（ヘ）Ｘ線検出手段は、試料の表面すれすれにあらわれる散乱Ｘ線を検出する。
【０００８】
上述したインプレーン散乱Ｘ線は、例えば厚さ１ｎｍ〜１０ｎｍの薄膜試料においては、散乱角が入射Ｘ線の光軸を中心とする極めて小角度の領域（例えば、１゜以下）であることも、本発明者の研究から知見されている。入射Ｘ線の光軸に対して、このような微小角度の方向にあらわれるインプレーン散乱Ｘ線を、入射Ｘ線と分離して検出するには、入射Ｘ線幅を例えば１ｍｍ以下という極めて狭小なものとする必要がある。しかし、従来のＸ線の入射光学系では、入射Ｘ線の幅を狭小化すればそれに応じてＸ線強度が低下してしまい、試料から十分な強度の散乱Ｘ線をとりだすことができなくなる課題があった。
【０００９】
これに対し、上述した本発明の小角散乱測定装置によれば、入射光学系を構成する多層膜ミラーの反射面中心位置からＸ線源までの距離が短くなるので、Ｘ線源から発散されるＸ線の減衰が抑えられる。しかも、多層膜ミラーによってＸ線を収束し、高強度を保ったまま試料に対する入射Ｘ線の照射面積を極めて狭小なものとすることができるので、入射Ｘ線の光軸を中心とする極めて小角度の領域（例えば、１゜以下）にあらわれるインプレーン散乱Ｘ線を、入射Ｘ線と分離して検出することが可能となる。
【００１０】
ここで、試料は、多層膜ミラーで反射してきたＸ線軌道上の任意の位置に配置することができるが、多層膜ミラーによる他方の焦点Ｂに配置すれば、Ｘ線の照射面積が極めて小さくなり一層好ましい。
【００１１】
さて、図６（ａ）に示すように、多層膜ミラー１の表面に入射角θをもってＸ線ａを入射させたとき、その入射Ｘ線ａに対して２θの角度でＸ線ｂが反射してくるが、多層膜ミラー１の表面粗さ等の影響によりこの反射Ｘ線ｂを中心として微小角度δの広がりをもって反射Ｘ線ｃが現れる。
【００１２】
本発明において、多層膜ミラーにおけるＸ線の広がり角δとは、この反射Ｘ線ｃによる広がり角δをいい、これはロッキングカーブの全幅の１／２に相当する。しかし、ロッキングカーブの全幅は、その定義が難しく標準化されていない。そこで、本発明では、ロッキングカーブの半価幅の２倍をロッキングカーブの全幅と定義し、この半価幅をもって広がり角δとする。なお、ロッキングカーブの全幅に関し、標準化された定義が確立した場合は、その定義を用いて本発明の広がり角δを求めてもよい。
【００１３】
ロッキングカーブの半価幅は、次のようにして求めることができる。すなわち、図６（ｂ）に示すように多層膜ミラー１の表面に対して入射角θをもってＸ線源２からＸ線ａを入射させるとともに、その入射Ｘ線ａに対して２θの角度方向にＸ線検出器３を配置しておく。この状態から多層膜ミラー１を微小角度だけω回転させると、図６（ｃ）に示すようなＸ線プロファイルＩが得られる。このＸ線プロファイルＩをロッキングカーブといい、そのピーク強度の１／２に相当する部分の幅δがロッキングカーブの半価幅である。
【００１４】
また、多層膜ミラーの収束角θｃとは、同ミラーで反射して一点に収束するＸ線束全体の収束角度をいう。上述した多層膜ミラーにおけるＸ線の広がり角δは微小角度であるため、この収束角θｃがそのほぼ２倍となるように設定しても該収束角θｃは小さなものとなる。したがって、収束点より下流における反射Ｘ線の発散角も小さい。
【００１５】
さらに、多層膜ミラーの収束角θｃがこのように設定されることで、図７に示すように、収束角θｃで収束する反射Ｘ線ｂの周囲に、広がり角δ（≒θｃ／２）をもって現れる反射Ｘ線ｃは、ほぼ平行な軌跡を描く。
【００１６】
また、本発明は、多層膜ミラーから反射してきたＸ線の光軸に沿って、Ｘ線の発散を抑える第１，第２のスリットを配置し、且つ多層膜ミラーの他方の焦点（Ｘ線の収束点）近傍に多層膜ミラーからの寄生散乱を遮蔽する第３のスリットを配置することが好ましい。
【００１７】
多層膜ミラーからの寄生散乱は、小角散乱測定に悪影響を及ぼすことは周知の事実である。本発明の光学装置によれば、多層膜ミラーと試料との間の距離は充分に長く確保されるので、寄生散乱の影響は少ないが、さらに第３のスリットを挿入することで、寄生散乱Ｘ線をより確実に遮蔽することができる。試料を多層膜ミラーの他方の焦点（Ｘ線の収束点）に配置すれば、第３のスリットは該収束点の近傍に配置できるので、Ｘ線の強度を減衰させることなくスリット幅を縮めることが可能となり、Ｘ線強度を保持しつつ寄生散乱を遮蔽することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔小角散乱測定方法〕
図１は、本実施の形態に係る小角散乱測定方法を説明するための模式図で、（ａ）は正面模式図、（ｂ）は平面模式図である。
本実施形態に係る小角散乱測定方法では、試料表面ＳａすれすれにＸ線１００ａを照射する。このときの試料表面Ｓａに対するＸ線１００ａの入射角αは、例えば、０．５°以下の極めて低角度とする。また、入射Ｘ線１００ａの幅は、例えば、１ｍｍ以下の微小な幅に調整する。
【００１９】
このような低角度からＸ線１００ａを入射させると、試料Ｓの内部をその表面に沿ってＸ線１００ａが進行する。そして、試料表面Ｓａに沿って試料内部を走るＸ線１００ａに対して、その軌道上に存在する微細な粒子やこれに相当する大きさの密度の不均一な領域によって中心散乱が生じ、試料Ｓの表面すれすれに散乱Ｘ線（インプレーン散乱Ｘ線）１００ｂがあらわれる。
【００２０】
このインプレーン散乱Ｘ線１００ｂは、試料Ｓが厚さ１ｎｍ〜１０ｎｍの薄膜試料の場合、試料内部で入射Ｘ線１００ａの光軸を中心とする極めて小角度（例えば、１゜以下）の領域βで、試料表面Ｓａすれすれにあらわれる。本実施形態の小角散乱測定方法では、このように試料Ｓの表面すれすれにあらわれるインプレーン散乱Ｘ線１００ｂを検出する。
【００２１】
〔小角散乱測定装置〕
次に、上述した小角散乱測定方法の実施に好適な小角散乱測定装置の実施形態について説明する。本実施形態に係る小角散乱測定装置は、試料に対する入射光学系と、試料台と、Ｘ線検出器とを備えている。
【００２２】
〔入射光学系とＸ線検出器〕
図２は、本実施形態に係る小角散乱測定装置における入射光学系からＸ線検出器に至る構成図である。
図２に示すように、入射光学系は、Ｘ線源２、多層膜ミラー１、第１，第２，第３のスリット４，５，６を備えている。Ｘ線源２は、ポイント状の焦点からＸ線を放射する高出力のＸ線発生器を用いている。多層膜ミラー１は、互いに直交する第１反射部１ａと第２反射部１ｂによって構成されている。
【００２３】
本実施形態で用いる第１，第２反射部１ａ，１ｂは、それぞれ図３に示すように、基板１０の表面に原子番号の大きな物質（例えば、タングステンＷや白金Ｐｔ）の層１１と、原子番号の小さな物質（例えば、炭素Ｃや珪素Ｓｉ）での層１２を交互に積層した多層膜構造を有している。各層１１，１２の厚さは、数ｎｍから数１０ｎｍで、周期が１００〜２００層に形成してある。また、各層１１，１２でのＸ線の屈折による影響を考慮して、各層１１，１２の表面はそれぞれ基板１０の表面に対して所定の傾き角を設定してある。さらに、各反射部１ａ，１ｂは、反射Ｘ線を一点に収束させるために同一の楕円面状に湾曲形成してある。
【００２４】
Ｘ線源２は上述した多層膜ミラー１の一方の焦点Ａに配置される。そして、多層膜ミラー１の反射面中心位置から他方の焦点Ｂ（反射Ｘ線の収束点）までの距離Ｌ２は、該焦点ＢにおけるＸ線の収束角θｃが、多層膜ミラー１の広がり角δ（すなわち、ロッキングカーブの半価幅）のほぼ２倍となるように設定してある。この設定は、多層膜ミラー１の構成、例えば、楕円面形状、材料、多層膜構造を調整することにより実現できる。
【００２５】
このように設定することで、多層膜ミラー１の中心位置からＸ線源２までの距離Ｌ１は、中心位置から他方の焦点Ｂまでの距離Ｌ２に比べて充分に短くなる（Ｌ１≪Ｌ２）。
例えば、多層膜ミラー１の反射Ｘ線の広がり角δが０．０５°、多層膜ミラー１に入射するＸ線ａの立体角αが０．２７°、多層膜ミラー１の中心位置からＸ線源２までの距離Ｌ１が２５０ｍｍに設定されているものとして、多層膜ミラー１の中心位置から焦点Ｂ（収束点）までの距離Ｌ２を７００ｍｍに設定すると、反射Ｘ線ｂの収束角θｃは次式に示すごとく広がり角δのほぼ２倍となり、好ましい配置関係が得られる。
θｃ＝α×Ｌ１／Ｌ２＝０．２７×２５０／７００≒０．０９６≒２δ
【００２６】
第１、第２のスリット４，５は、多層膜ミラー１から出てきた反射Ｘ線ｂの発散を抑えるために設けてある。第３のスリット６は、多層膜ミラー１からの寄生散乱を遮蔽するためのスリットで、Ｘ線の収束点Ｂに近接して設けてある。この第３のスリット６には、２軸方向にスリット幅を可変できる４象限スリットを用いることが好ましい。
【００２７】
また、試料Ｓは、多層膜ミラー１からの反射Ｘ線ｂの収束点（焦点Ｂ）に配置することが好ましく、その下流にＸ線検出器３が設置されている。Ｘ線検出器３としては、試料Ｓから発散された散乱Ｘ線（インプレーン散乱Ｘ線）を広い範囲にわたって検出できるように、イメージングプレート（ＩＰ）を用いている。
【００２８】
上述した構成の入射光学系では、Ｘ線源２から放射されたＸ線ａを多層膜ミラー１に入射させるが、このＸ線源２から多層膜ミラー１までの距離Ｌ１は上述したように短く設定されているので、この間におけるＸ線ａの減衰が少なく大きなＸ線強度を保つことができる。
【００２９】
多層膜ミラー１に一端側から入射したＸ線ａは、第１反射部１ａ及び第２反射部１ｂの間で交互に反射して、他端側へ出射していく。そして、多層膜ミラー１から出射した反射Ｘ線ｂは収束角θｃで収束する。
ここで、収束角θｃは、多層膜ミラー１の広がり角δのほぼ２倍となるように調整されているので、既述したように反射Ｘ線ｂの周囲に、広がり角δをもって現れる反射Ｘ線ｃは、ほぼ平行な軌跡を描く（図７参照）。また、そのように設定された収束角θｃは、上述したとおり極めて小さい角度である。
したがって、試料Ｓが厚さ１ｎｍ〜１０ｎｍの薄膜試料の場合に、同試料Ｓ対する入射Ｘ線（上記反射Ｘ線ｂ）の光軸を中心とする極めて小角度（例えば、１゜以下）の領域にあらわれるインプレーン散乱Ｘ線を、入射Ｘ線から分離して検出することが可能となる。
【００３０】
本実施形態では、既述した小角散乱測定方法のように、試料Ｓの表面すれすれにＸ線（上記反射Ｘ線ｂ）を照射し、試料Ｓの表面からあらわれるインプレーン散乱Ｘ線を検出する。ここで、試料Ｓの表面に対するＸ線の入射角度は、次の試料台によって調整される。
【００３１】
〔試料台〕
図４は、本実施形態に係る小角散乱測定装置における試料台の構成を示す概略正面図である。
試料台２０は、薄膜材料からなる試料Ｓを平面性を保持したまま装着可能な装着盤２１と、この装着盤２１を入射Ｘ線に対して平行な方向に回転させるあおり調整機構２２と、装着盤を入射Ｘ線に対して直交する方向に回転させるあおり調整機構２３と、装着盤２１の上下方向の位置を調整するＺ軸調整機構２４と、装着盤２１の前後方向の位置を調整するＸ軸調整機構２５と、試料Ｓを面内回転させる面内回転機構２６と、入射Ｘ線の光軸に対する試料表面の角度を調整する入射角調整機構２７とを備えている。
【００３２】
そして、Ｚ軸調整機構２４とＸ軸調整機構２５により試料Ｓの表面における任意領域を、入射Ｘ線の収束点に合わせ、さらに入射角調整機構２７により、入射Ｘ線の光軸に対する試料表面の角度を微調整することで、インプレーン散乱Ｘ線があらわれる低角度（例えば、０．５°以下）にＸ線の入射角を設定することができる。また、あおり調整機構２２，２３、面内回転機構２６により、試料Ｓに対するＸ線の入射方向を変更して、種々の方向からの小角散乱測定を実施することができる。
【００３３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、本発明の小角散乱測定方法は、図１に示したように、試料Ｓから反射してくるインプレーン散乱Ｘ線を検出方法以外にも、図５に示すごとく試料Ｓの裏側表面すれすれに透過してくるインプレーンＸ線１００ｃを検出するようにしてもよい。
【００３４】
また、本発明の小角散乱測定装置は、上記実施形態で説明したように厚さ１ｎｍ〜１０ｎｍのいわゆるナノスケールの薄膜材料を対象としてインプレーン散乱Ｘ線を検出する測定方法の実施に好適であるが、それ以外のＸ線測定（例えば、Ｘ線反射率測定、Ｘ線回折測定）の実施にも利用でき、Ｘ線を用いた試料の総合的な分析を行うにも適している。
【００３５】
さらに、Ｘ線検出器は、イメージングプレート（ＩＰ）に限定されるものではなく、例えば、シンチレーション計数管（ＳＣ）、比例計数管（ＰＣ）、位置敏感型比例計数管（ＰＳＰＣ）、半導体検出器（ＳＳＤ）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）など、各種のＸ線検出器を利用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明しように、本発明によれば、試料の内部をその表面に沿ってＸ線が進行し、且つ試料からその表面すれすれにあらわれるインプレーン散乱Ｘ線を検出することで、厚さ１ｎｍ〜１０ｎｍの薄膜材料に対しても有効な小角散乱測定を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る小角散乱測定方法を説明するための模式図で、（ａ）は正面模式図、（ｂ）は平面模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る小角散乱測定装置における入射光学系からＸ線検出器に至る構成図である。
【図３】楕円面形状をした多層膜ミラーの構造例を示す断面図である
【図４】本発明の実施形態に係る小角散乱測定装置における試料台の構成を示す概略正面図である。
【図５】本発明に係る小角散乱測定方法の変形例を説明するための図１に対応した模式図で、（ａ）は正面模式図、（ｂ）は平面模式図である。
【図６】（ａ）は多層膜ミラーの広がり角を説明するための図、（ｂ）はロッキングカーブ測定の一般手法を示す図、（ｃ）はロッキングカーブ及びその半価幅を示す図である。
【図７】多層膜ミラーで反射したＸ線の収束角と広がり角の関係を示す図である。
【符号の説明】
１：多層膜ミラー
１ａ：第１反射部
１ｂ：第２反射部
２：Ｘ線源
３：Ｘ線検出器
４：第１のスリット
５：第２のスリット
６：第３のスリット
２０：試料台
２１：装着盤
２２：あおり調整機構
２３：あおり調整機構
２４：Ｚ軸調整機構
２５：Ｘ軸調整機構
２６：面内回転機構
２７：入射角調整機構

Claims

試料に対するＸ線の入射光学系と、試料表面に対するＸ線の入射角調整手段と、試料からあらわれる散乱Ｘ線を検出するＸ線検出手段とを備え、且つ次の（イ）乃至（ト）の条件を満たす小角散乱測定装置。
（イ）前記入射光学系は、反射Ｘ線の広がり角がδの多層膜ミラーと、Ｘ線を放射するＸ線源とを含む。
（ロ）前記多層膜ミラーの反射面は、２つの焦点Ａ，Ｂをもつ楕円面に形成されている。
（ハ）前記Ｘ線源は、多層膜ミラーの前記焦点Ａに配置される。
（ニ）前記多層膜ミラーは、反射面の中心位置から焦点Ｂまでの距離が、焦点Ａに配置されたＸ線源から反射面にＸ線を照射したとき、焦点ＢにおけるＸ線の収束角θｃが前記広がり角δのほぼ２倍となるように設定されている。
（ホ）前記広がり角δは、当該多層膜ミラーのロッキングカーブの半価幅である。
（ヘ）前記入射角調整手段は、試料の内部をその表面に沿ってＸ線が進行し、且つ試料からその表面すれすれに散乱Ｘ線があらわれるように、試料表面に対するＸ線の入射角を調整可能である。
（ト）前記Ｘ線検出手段は、前記試料の表面すれすれにあらわれる散乱Ｘ線を検出する。
前記多層膜ミラーの反射面が、互いに直交する多層膜構造の第１反射部及び第２反射部で形成され、これら各反射部で反射したＸ線が前記焦点Ｂに収束するように構成した請求項１の小角散乱測定装置。
前記第１，第２反射部が、それぞれ基板の表面に原子番号の大きな物質で形成した薄膜層と、原子番号の小さな物質で形成した薄膜層とを交互に積層した多層膜構造に構成してある請求項２の小角散乱測定装置。
前記多層膜ミラーの焦点Ｂに試料を配置する請求項１乃至３のいずれか一項の小角散乱測定装置。
前記多層膜ミラーから反射してきたＸ線の光軸に沿って、Ｘ線の発散を抑える第１，第２のスリットを配置し、且つ前記多層膜ミラーの他方の焦点Ｂ近傍に前記多層膜ミラーからの寄生散乱を遮蔽する第３のスリットを配置した請求項４の小角散乱測定装置。