JP2006242740A - 蛍光ｘ線分析方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 軽元素の分析においてＳＮ比が十分に向上した蛍光Ｘ線分析方法および装置を提供する。
【解決手段】 試料１に１次Ｘ線２を照射するＸ線源３と、試料１から発生する２次Ｘ線の通路４に配置され、分析対象の軽元素と同一の軽元素を含む分光素子７と、この分光素子７によって回折された２次Ｘ線４Ｄが入射される検出器１０とを備え、試料１から発生する２次Ｘ線の通路４における試料１と分光素子７との間に、分析対象の蛍光Ｘ線よりも短い波長のＸ線を除去する全反射ミラー５０からなるフィルタ素子５が配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料に１次Ｘ線を照射して、軽元素から発生する蛍光Ｘ線、つまり軟Ｘ線領域における蛍光Ｘ線を分光素子で分光して分析する蛍光Ｘ線分析方法および装置に関する。

従来の蛍光Ｘ線分析装置において、例えば鉄を主成分とする試料について炭素を分析する際には、分光素子としてＮｉ／Ｃの人工多層膜を用い、Ｃ−Ｋα線を分析対象の蛍光Ｘ線とする。ここで、試料中の鉄から発生した蛍光Ｘ線Ｆｅ−Ｌα線が、人工多層膜中の炭素を励起して、分析対象の蛍光Ｘ線と同じＣ−Ｋα線を発生させ、それが検出器に入射してしまうという問題がある。これを防止するために、高分子膜フィルタを試料と分光素子の間に配置して、Ｆｅ−Ｌα線の強度を相対的に抑制する装置がある（特許文献１参照）。

一方、蛍光Ｘ線分析装置において、例えばシリコンウェハの表面に、シリカ（ＳｉＯ_２）、リン酸化合物（Ｐ_２Ｏ_５）およびホウ素化合物（Ｂ_２Ｏ_３）からなる絶縁膜を付着して作製された半導体素材料についてホウ素を分析する際に、全反射ミラーを人工多層膜からなる分光素子の前段（試料側）または後段（検出器側）に配置するものがある（特許文献２参照）。軽元素であるホウ素から発生する蛍光Ｘ線は、試料中のシリコンや酸素から発生する蛍光Ｘ線に比べて強度が極めて小さいため、このように全反射ミラーを設けることで、試料から発生し、分光素子で分光しても除去できないＳｉ−Ｋα線やＯ−Ｋα線などの高次線からなるバックグランド成分を取り除くことができる。
特開平８−２７１４５５号公報 特開平５−５２７７８号公報

しかし、特許文献１に記載された蛍光Ｘ線分析装置では透過型の高分子膜フィルタを用いていることから、分析対象の蛍光Ｘ線までも吸収してしまってその強度が十分に得られない上に、除去すべき蛍光Ｘ線の強度を十分に抑制できないので、ＳＮ比を十分に向上させることができなかった。また、透過型フィルタを適用して強度を抑制できるＸ線は、そのフィルタの構成元素の吸収端近傍のＸ線に限られてしまうという問題もあった。

一方、特許文献２においては、ホウ素の分析に対して、タングステンと炭素からなりホウ素を含まない人工多層膜の例しか示されておらず、全反射ミラーを人工多層膜からなる分光素子の前段に配置したとしても、分光素子では除去できないバックグランド成分を全反射ミラーで取り除くという効果を得るのみである。つまり、試料から発生した蛍光Ｘ線が人工多層膜中のホウ素を励起してしまうという課題については、何ら認識していない。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、軽元素の分析においてＳＮ比が十分に向上した蛍光Ｘ線分析方法および装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明に係る方法は、試料に１次Ｘ線を照射し、試料から発生する２次Ｘ線を、分析対象の軽元素と同一の軽元素を含む分光素子によって回折し、この回折された２次Ｘ線を検出する蛍光Ｘ線分析方法において、前記分光素子に入射する前の２次Ｘ線から、分析対象の蛍光Ｘ線よりも短い波長のＸ線を全反射ミラーによって除去する。

本発明に係る装置は、試料に１次Ｘ線を照射するＸ線源と、試料から発生する２次Ｘ線の通路に配置され、分析対象の軽元素と同一の軽元素を含む分光素子と、この分光素子によって回折された２次Ｘ線が入射される検出器とを備えた蛍光Ｘ線分析装置において、前記試料から発生する２次Ｘ線の通路における試料と分光素子との間に、分析対象の蛍光Ｘ線よりも短い波長のＸ線を除去する全反射ミラーからなるフィルタ素子が配置されている。

本発明の方法または装置によれば、分光素子に入射する前の２次Ｘ線から、分析対象の蛍光Ｘ線よりも波長が短い側のＸ線全般を全反射ミラーによって除去するので、分析対象の蛍光Ｘ線については強度をほぼ維持しつつ、分光素子中の軽元素を励起して分析対象の蛍光Ｘ線と同一の蛍光Ｘ線を発生させるＸ線についてはほとんど除去してから、試料からの２次Ｘ線を分光素子に入射させることができる。したがって、試料からの分析対象の蛍光Ｘ線に対して、同一の蛍光Ｘ線が分光素子から発生することが十分に抑制されて、軽元素の分析においてＳＮ比が十分に向上する。

本発明の装置においては、前記フィルタ素子が複数の全反射ミラーからなり、隣接する全反射ミラーの反射面が一定の距離を隔てて同軸状に配置されていることが好ましい。この構成によれば、複数の反射面を配置した方向の長さ（幅）に応じて、幅の広いＸ線、つまり空間分布が広い蛍光Ｘ線を取り出すことができる。したがって、試料からの分析対象の蛍光Ｘ線を十分な量（強度）で検出器に取り込むことができる。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態の蛍光Ｘ線分析装置は、試料１に照射する１次Ｘ線２を発生するＸ線管などのＸ線源３と、試料１から発生する蛍光Ｘ線などの２次Ｘ線の通路４に配置されたフィルタ素子５と、フィルタ素子５によってフィルタリングされた２次Ｘ線４Ｂを平行化するソーラースリット６と、この平行光４Ｃを回折する分光素子７と、この分光素子７によって回折された２次Ｘ線４Ｄが入射される検出器１０とを備える。つまり、試料１から発生してフィルタ素子５へ入射する２次Ｘ線４Ａ、フィルタ素子５でフィルタリングされてソーラースリット６へ入射する２次Ｘ線４Ｂ、ソーラースリット６で平行化されて分光素子７へ入射する２次Ｘ線４Ｃ、および、分光素子７によって回折されて検出器１０へ入射する２次Ｘ線４Ｄが連なって、試料１から発生する２次Ｘ線の通路４を形成している。

本蛍光Ｘ線分析装置は、いわゆる固定ゴニオの光学系をもち、分析対象の軽元素からの分析対象の蛍光Ｘ線、ここではホウ素からのＢ−Ｋα線を検出できるように、フィルタ素子５、ソーラースリット６、分光素子７および検出器１０が所定の位置に固定されている。他の元素からの蛍光Ｘ線を分析対象とする固定ゴニオの光学系を、試料１の周囲にさらに配置すれば、多元素同時分析型の蛍光Ｘ線分析装置となる。

試料１は、例えば、シリコンウェハの表面にホウ素リンドープ酸化膜（ＢＰＳＧ）を付着してなる半導体素材である。

図２に示すように、フィルタ素子５は複数の平板状の全反射ミラー５０からなり、本実施形態では４枚の全反射ミラー５０からなる。すべての全反射ミラー５０は、隣接するミラー５０の反射面５１，５１が一定の距離Ｄを隔てて中心軸Ｃを共有して、つまり同軸状に配置されている。

このように、複数の全反射ミラー５０をそれらの反射面５１が同じ向きでかつ一定間隔で重なるように配置することにより、配置した方向の長さ（幅）に応じて、幅の広い蛍光Ｘ線、つまり空間分布が広い蛍光Ｘ線を取り出すことができる。したがって、試料１からの分析対象の蛍光Ｘ線４Ｄを十分な量（強度）で検出器１０（図１）に取り込むことができる。同等量の蛍光Ｘ線を単一の全反射ミラーを用いて検出器に取り込もうとすると、試料と分光素子の間にわたって非常に長い全反射ミラーを配置しなければならず、現実的でない。また、図１に示すように、フィルタ素子５は、試料１から四方に拡散するＢ−Ｋα線をできるだけ高密度で取り込めるように、試料１近傍に配置されている。

図２の各全反射ミラー５０は、例えばシリコンウェハ、フッ化リチウム（ＬｉＦ）結晶のへき開片、またはガラス板のような表面が滑らかで平坦な素材からなるベースに、例えば炭素が反射層としてコーティングされたものである。反射層の厚みは、１００Å（１０ｎｍ）程度あれば足りる。なお、炭素に代えて、ランタン（Ｌａ）またはフッ化ランタン（ＬａＦ_３）を反射層とすると、９０ｅＶあたりのエネルギーで反射率が大幅に低下するので、Ｂ−Ｋα線よりも波長が長くて２次の高次線が妨害線となるＳｉ−Ｌ線をも除去でき、好都合である。

本実施形態において、全反射ミラー５０は、いずれも試料１から発生した蛍光Ｘ線４Ａが５度の入射角θで入射するように配置されている。隣接するミラー５０の反射面５１，５１の間隔Ｄは、この角度５度で入射して全反射された蛍光Ｘ線４Ｂが、隣接するミラーに妨害されることなくソーラースリット６（図１）を経て分光素子７（図１）に入射できるという条件の下で、可能な限り小さいことが望ましい。

また、入射角θが５度になるように配置するのは、Ｂ−Ｋα線について全反射が起こる臨界角よりも小さく、Ｏ−Ｋα線やＳｉ−Ｋα線について全反射が起こる臨界角よりも大きくなるので、Ｂ−Ｋα線は８０％以上反射されるのに対して、Ｏ−Ｋα線やＳｉ−Ｋα線は１０％未満しか反射されないからである。つまり、分析対象のＢ−Ｋα線は効率よく全反射されるのに対して、試料中の酸素から発生するＯ−Ｋα線や試料中のシリコンから発生するＳｉ−Ｋα線は十分に除去されるからである。フィルタ素子５の全反射ミラー５０をこのように配置しておくことで、Ｂ−Ｋα線よりも短い波長のＸ線が分光素子７（図１）に入射することが十分に抑制される。

図１に戻って、分光素子７は、反射層とスペーサ層とを交互に複数組積層して構成した人工多層膜からなり、ソーラースリット６からの平行光４Ｃを回折して、所望の波長の蛍光Ｘ線４Ｄ、ここでは分析対象のＢ−Ｋα線４Ｄを取り出す。Ｂ−Ｋα線の分光に使用する人工多層膜は、例えば、モリブデンＭｏの反射層と炭化ホウ素Ｂ_４Ｃのスペーサ層からなる。この他に、ランタンＬａの反射層と炭化ホウ素Ｂ_４Ｃのスペーサ層からなるものであってもよい。つまり、人工多層膜のスペーサ層には、分析対象の蛍光Ｘ線の減衰を防止するために分析対象の元素が含まれている。

次に、前記構成の装置を用いる蛍光Ｘ線分析方法について説明する。Ｘ線源３から試料１に向けて１次Ｘ線２を照射すると、試料１から蛍光Ｘ線４Ａが発生する。ここで、分析対象であるホウ素から発生するＢ−Ｋα線は、ホウ素が軽元素でしかも微量であることから、試料１中の他の元素から発生するＯ−Ｋα線やＳｉ−Ｋα線に比べ、強度は非常に小さい。

このように発生した蛍光Ｘ線４Ａは、フィルタ素子５を構成する全反射ミラー５０に５度の入射角で入射する。これにより、Ｂ−Ｋα線は、全反射ミラー５０によって全反射され、強度をほぼ維持したままソーラースリット６で平行化されて分光素子７に到達できるが、より波長が短く分光素子７中のホウ素を励起して分析対象と同一のＢ−Ｋα線を発生させるＯ−Ｋα線やＳｉ−Ｋα線は、全反射ミラー５０で全反射されず透過するか吸収されるので、分光素子７にはほとんど到達しない。したがって、試料１からの分析対象のＢ−Ｋα線に対して、同一の蛍光Ｘ線が分光素子７から発生することが十分に抑制されて、ホウ素の分析においてＳＮ比が十分に向上する。

なお、前記実施形態では、分析対象がホウ素の場合について説明したが、分析対象の軽元素は、炭素、窒素などでもよい。その場合においても、全反射ミラーへの蛍光Ｘ線の入射角は、前述したように、分析対象の蛍光Ｘ線についての全反射の臨界角と、試料から発生し分光素子中の軽元素を励起して分析対象の蛍光Ｘ線と同一の蛍光Ｘ線を発生させる蛍光Ｘ線についての全反射の臨界角との間において、それらの蛍光Ｘ線の反射特性に基づいて決定される。

本発明の一実施形態に係る蛍光Ｘ線分析装置の概略構成図である。 図１の蛍光Ｘ線分析装置における全反射ミラーを詳細に示す図である。

符号の説明

１ 試料
２ １次Ｘ線
３ Ｘ線源
４ 試料から発生する２次Ｘ線の通路
４Ａ 試料から発生する２次Ｘ線
４Ｃ 分光素子に入射する前の２次Ｘ線
４Ｄ 分光素子によって回折された２次Ｘ線
５ フィルタ素子
７ 分光素子
１０ 検出器
５０ 全反射ミラー

Claims (3)

1. 試料に１次Ｘ線を照射し、
   試料から発生する２次Ｘ線を、分析対象の軽元素と同一の軽元素を含む分光素子によって回折し、
   この回折された２次Ｘ線を検出する蛍光Ｘ線分析方法において、
   前記分光素子に入射する前の２次Ｘ線から、分析対象の蛍光Ｘ線よりも短い波長のＸ線を全反射ミラーによって除去することを特徴とする蛍光Ｘ線分析方法。
2. 試料に１次Ｘ線を照射するＸ線源と、
   試料から発生する２次Ｘ線の通路に配置され、分析対象の軽元素と同一の軽元素を含む分光素子と、
   この分光素子によって回折された２次Ｘ線が入射される検出器とを備えた蛍光Ｘ線分析装置において、
   前記試料から発生する２次Ｘ線の通路における試料と分光素子との間に、分析対象の蛍光Ｘ線よりも短い波長のＸ線を除去する全反射ミラーからなるフィルタ素子が配置されたことを特徴とする蛍光Ｘ線分析装置。
3. 請求項２において、前記フィルタ素子が複数の全反射ミラーからなり、隣接する全反射ミラーの反射面が一定の距離を隔てて同軸状に配置された蛍光Ｘ線分析装置。

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