Ｘ線及び中性子線の反射率曲線測定方法及び測定装置
【課題】試料等の機械的な回転を必要とすることなく、広い移行運動量ｑの範囲のＸ線及び中性子線の反射率曲線を短時間で測定すること。
【解決手段】湾曲結晶で構成される反射型ポリクロメータ１の湾曲面でＸ線（中性子線）を反射させて、試料Ｓの上面から見て扇型に集束されるＸ線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内でＸ線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化するＸ線束を作成する。試料表面で反射されたＸ線強度分布を二次元検出器２で測定し、その二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化するＸ線反射率曲線を求める。
【解決手段】湾曲結晶で構成される反射型ポリクロメータ１の湾曲面でＸ線（中性子線）を反射させて、試料Ｓの上面から見て扇型に集束されるＸ線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内でＸ線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化するＸ線束を作成する。試料表面で反射されたＸ線強度分布を二次元検出器２で測定し、その二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化するＸ線反射率曲線を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料表面にＸ線又は中性子線を照射して反射率曲線を測定するＸ線及び中性子線の反射率曲線測定方法及び測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、数原子層厚〜数百原子層厚の薄膜は薄膜固有の物理的、電気的、化学的性質を示すものが多く存在し、基礎、応用の両面から研究されており、その構造を評価することは重要である。薄膜構造解析手法としては、電子線を用いる方法、Ｘ線を用いる方法（表面Ｘ線回折、視斜角入射Ｘ線小角散乱、Ｘ線および中性子線反射率測定、表面Ｘ線吸収微細構造測定，光電子回折）、走査プローブなど多種の手法がそれぞれの特徴を持って利用されている。
【０００３】
これらの薄膜構造解析手法の中でも、Ｘ線反射率測定法は、膜厚（〜０．１Åの精度）、表面・界面の粗さ（〜０．１Åｒ．ｍ．ｓ．の精度）や薄膜表面に垂直な方向の精密な電子密度を測定することができ（例えば、非特許文献１参照）、かつ気体・固体、気体・液体、固体・固体の埋もれた界面や、結晶性を持たない薄膜も研究対象とすることができるために、薄膜構造研究のための重要なプローブのひとつとして、広く認識され利用されている。中性子線反射率測定法も電子密度の代わりに原子核の分布密度を知ることができること以外はＸ線反射率法と同様な物質構造情報を得られ、ソフトマテリアルの研究などに広く用いられている。
【０００４】
図８は、単色Ｘ線を用いた角度分散法によるＸ線反射率曲線測定法の原理図である。図８に示すＸ線反射率曲線測定法においては、結晶モノクロメータ１０１で単色化したＸ線を試料Ｓ表面に照射角αで照射し、試料Ｓへの照射角αをゴニオメーター１０２の回転により逐次変化させて反射Ｘ線強度を検出器１０３で検出する。そして、反射Ｘ線強度の表面垂線方向の散乱ベクトルｑ＝４πｓｉｎα／λ（λ：Ｘ線の波長）の関数として逐次測定して計算機１０４で解析して膜厚等を検出する。なお、この散乱ベクトルｑは、移行運動量と呼ぶこともできる。
【０００５】
しかしながら、上記単色Ｘ線を用いた角度分散法においては、試料Ｓへの照射角αをゴニオメーター１０２により逐次変化させるため、反射率曲線の測定には１０分〜２０分程度の時間が必要とされ、試料Ｓの定常状態の観察にとどまっている。
【０００６】
角度分散法の欠点を克服するためにゴニオメーター１０２による角度調節作業を排除した測定法が提案されている。図９に示すように、試料Ｓ表面に白色Ｘ線を一定のすれすれの照射角で入射させ、反射Ｘ線を、エネルギー分解能を有するエネルギー分散型固体検出器１０５で測定する測定法（以下、「エネルギー分散法に基づく測定法」という）が提案されている。
【０００７】
しかしながら、図９に示すエネルギー分散法に基づく測定法においては、エネルギー分散型固体検出器の計数率の限界のために、当該検出器にあまり強いＸ線が入射することを避けねばならない。このため、反射率曲線の測定時間は、数十秒程度から数百秒かかっており、高速の構造変化を追跡することは困難であった。また、検出器のエネルギー分解能に起因して表面垂線方向散乱ベクトルｑの分解能が数パーセントより小さくならないなどの限界があった。
【０００８】
一方、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、入射Ｘ線が試料Ｓの表面に対して集束するようにし、Ｘ線の波数ベクトルと試料Ｓの表面の垂線を含む面（以下、適宜「散乱面」という）内で試料Ｓの表面に対して単色Ｘ線の入射角が連続的に変化するようにし、１次元検出器２０２により散乱面内の散乱Ｘ線強度分布を測定することにより、Ｘ線反射率曲線を、試料Ｓ、一次元検出器２０２の運動を伴わずに測定する測定方法も開発されている。図１０（ａ）に示す測定方法においては、直線的に広がっているＸ線源２００の異なる点からのＸ線ビームを結晶モノクロメータ２０１ａで反射後試料Ｓの表面の一点に対して集中するように入射する場合について示し、図１０（ｂ）に示す測定方法においては、Ｘ線源２００からのＸ線ビームを湾曲させた結晶モノクロメータ２０１ｂで試料Ｓの表面に対して集束する場合について示している。
【０００９】
しかしながら、これらの測定方法では、測定すべき鏡面反射Ｘ線と、バックグランドとなってしまう散漫散乱Ｘ線とが１次元検出器２０２の同じ点に入射して重なり合うことが避けられず、正確な反射率の測定には限界がある。すなわち、試料Ｓの表面からの鏡面反射Ｘ線は、図１１（ａ）に示すように、散乱面内で１次元検出器２０２に入射され、対応する散漫散乱Ｘ線もこの散乱面内で１次元検出器２０２に入射される結果、一次元検出器２０２における同じ点に入射され重なり合うこととなる。
【００１０】
図１１（ｂ）に同図（ａ）に示す反射Ｘ線（Ｘ１、Ｘ２）に対応する反射Ｘ線強度及び散漫散乱Ｘ線強度分布を示す。図１１（ｂ）において、「Ｘ１ａ」は、反射Ｘ線Ｘ１に対応する鏡面反射Ｘ線強度を示し、「Ｘ１ｂ」は、反射Ｘ線Ｘ１に対応する散漫散乱Ｘ線強度の分布を示している。また、「Ｘ２ａ」は、反射Ｘ線Ｘ２に対応する鏡面反射Ｘ線強度を示し、「Ｘ２ｂ」は、反射Ｘ線Ｘ２に対応する散漫散乱Ｘ線強度の分布を示している。図１１（ｂ）に示すように、図１０に示す測定方法においては、たとえば鏡面反射Ｘ線強度Ｘ２ａと、散漫散乱Ｘ線強度Ｘ１ｂとが重なる結果、これらを分離することができない。
【００１１】
また、反射率を移行運動量ｑの広い領域にわたって測定し、反射率のｑ依存性の曲線（すなわち、反射率曲線）を測定するには、集束Ｘ線の角度広がりは、1度程度あるいはそれ以上が必要である。このため、放射光のように角度発散の極めて小さいＸ線源に対してこれらの測定方法を利用することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−１７０２３６号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】A.Gibaud、S.Hazra,「X-Ray reflectivity and diffusescattering」,CURRENTSCIENCE VOL. 78, NO. 12、P1467-P1477、２０００年６月２５日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述した角度分散法或いはエネルギー分散法に基づく測定法における実情に鑑み、Ｘ線又は中性子線の反射率曲線の測定時間を短縮するべく、本発明者は、図１２に示す測定法（以下、「多波長同時分散Ｘ線反射率測定法」という）を提案している。図１２に示す多波長同時分散Ｘ線反射率測定法においては、湾曲結晶からなる透過型ポリクロメータ３０１と、試料Ｓで反射したＸ線の一次元強度分布を測定する一次元検出器３０２と、反射Ｘ線の一次元強度分布を演算処理してＸ線反射率曲線を取得する分析装置３０３と、傾斜多層膜からなるプリポリクロメータ３０４とを備える。そして、白色Ｘ線を透過型ポリクロメータ３０１の背面側から入射して出射することで、その進行方向の関数としてＸ線エネルギーが８ｋｅＶ〜４０ｋｅＶと広範囲を変化するＸ線集束ビームを実現する。照射角は一定であるがエネルギー（波長λ）が変化するビームを試料Ｓ表面で反射させ、その反射ビーム強度分布を一次元検出器３０２で測定することにより、反射率曲線全体を一度に取得する。
【００１５】
この多波長同時分散Ｘ線反射率測定法においては、１秒露光では反射率２ｘ１０−６程度まで測定が、露光時間１０ミリ秒では反射率１０−３程度までの測定が可能であることが確認されている。また、回転中の試料Ｓからの反射曲線の変化を逐次記録することによりサブ秒の分解能での時分割測定が可能なことが確認されている。
【００１６】
しかしながら、十分に広い移行運動量ｑの範囲での測定にはポリクロメータ結晶で反射されたＸ線の波長（エネルギー）範囲が十分広い必要があるが、ａ＝（ｑｍａｘ−ｑｍｉｎｉ）／ｑｍｉｎとしたとき（ｑｍａｘは測定可能なｑの値の最大値、ｑｍｉｎは測定可能なｑの値の最小値）現実的に測定が実現できるａの値は１０を超えることは難しかった。この多波長同時分散Ｘ線反射率測定法が、薄膜の構造変化の追跡により広く有効に利用されるためには、ａの値が１０よりも大幅に大きく、移行運動量ｑの小さいＸ線全反射領域から移行運動量ｑの大きい反射曲線の裾の領域までを同時に測定でき、かつその測定時間が短いことが求められる。
【００１７】
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたものであって、試料等の機械的な回転を必要とすることなく、広い移行運動量ｑの範囲（ａの値として１０以上）のＸ線及び中性子線の反射率曲線を短時間で測定することのできる測定方法及び測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明のＸ線反射率曲線の測定方法においては、試料結晶の表面に対して集束するＸ線を入射させるが、そのとき試料上面からみて扇状に集束されたＸ線束の一方の辺をなすＸ線ビームが鉛直面内にて試料表面となす角度（視射角）は大きく、他方の辺をなすＸ線ビームが鉛直面内において試料表面となす角度が小さくなるようにする。すると、試料面で反射されたＸ線は、試料後方の二次元検出器上の二次元検出面には斜めの線となって記録される。この斜めの線に沿った方向では移行運動量ｑの値が連続的に変化しているので、この斜めの線上のＸ線強度は各々の移行運動量ｑの値に対応した反射率を反映したものとなる。
【００１９】
一方、各々の移行運動量ｑに対応したＸ線散乱面は、上記斜めの線上の各点を通る鉛直な面になり、散漫散乱Ｘ線強度は、この鉛直面内に分布するので、特定の移行運動量ｑの値での鏡面Ｘ線反射強度の上に異なる入射角をもって入射したＸ線により励起された散漫散乱Ｘ線強度が重なり合うことなしに測定することができる。
【００２０】
本発明のＸ線反射率曲線の測定方法は、試料上面から見て扇型に集束されるＸ線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内でＸ線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化するＸ線束を作成し、試料表面で反射されたＸ線強度分布を二次元検出器で測定し、その二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化するＸ線反射率曲線を求めることを特徴とする。
【００２１】
このようなＸ線束を実現するのに、本発明では結晶表面垂線が水平面内に留まるようにし、水平面内においてＸ線を集光するように楕円もしくは円筒形に湾曲した結晶の一方の端をさらに結晶表面垂線が水平面内から下方に傾くように捻りを加える方法を用いる。
【００２２】
特性Ｘ線を発生するＸ線源を円筒状に湾曲された結晶に対するローランド円上に配置できるときには、結晶面上でブラッグ反射されるＸ線のエネルギー（波長）は結晶面上のどこでも等しくなる。放射光源のように結晶を光源に近づけられない場合には、結晶の一方の端でブラッグ反射されるＸ線のエネルギー（波長）と結晶の他端でブラッグ反射されるＸ線のエネルギー（波長）とは異なるが、対応する移行運動量ｑ（＝４pｓｉｎα／λ）への換算のときにエネルギー（波長）の違いも考慮すればよい。
【００２３】
本発明のＸ線反射率曲線の測定方法において、前記二次元検出器は、試料表面に平行な水平軸と試料表面に垂直な垂直軸とからなる二次元検出面を有し、前記二次元検出面上で前記水平軸に対して斜めの直線状に検出される各点のＸ線強度から、前記斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出される散漫散乱Ｘ線強度分布から求められるバックグラウンド強度を差し引いて前記Ｘ線反射率曲線を求めることが好ましい。
【００２４】
本発明のＸ線反射率曲線の測定装置は、結晶表面垂線が水平面内に留まるように湾曲させた結晶の一端の結晶表面垂線が水平面から所定角度だけ下を向くように捻りが加えられ、湾曲面でＸ線を反射させて集束後発散し進行方向に依存して照射角が連続的に変化するＸ線束を試料表面に照射する湾曲結晶と、前記試料の後方に配置され、前記試料表面で反射した反射Ｘ線が入射する二次元検出器と、前記二次元検出器で検出された反射Ｘ線の二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化するＸ線反射率曲線を求める分析装置とを具備することを特徴とする。
【００２５】
本発明の中性子線反射率曲線の測定方法は、試料上面から見て扇型に集束される中性子線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内で中性子線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化する中性子線ビームを作成し、試料表面で反射された中性子線強度分布を二次元検出器で測定し、その二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化する中性子線反射率曲線を求めることを特徴とする。
【００２６】
本発明の中性子線反射率曲線の測定方法において、前記二次元検出器は、試料表面に平行な水平軸と試料表面に垂直な垂直軸とからなる二次元検出面を有し、前記二次元検出面上で前記水平軸に対して斜めの直線状に検出される各点の中性子線強度から、前記斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出される散漫散乱中性子線強度分布から求められるバックグラウンド強度を差し引いて前記中性子線反射率曲線を求めることが好ましい。
【００２７】
本発明の中性子線反射率曲線の測定装置は、結晶表面垂線が水平面内に留まるように湾曲させた結晶の一端の結晶表面垂線が水平面から所定角度だけ下を向くように捻りが加えられ、湾曲面で中性子線を反射させて集束後発散し進行方向に依存して照射角が連続的に変化する中性子線束を試料表面に照射する湾曲結晶と、前記試料の後方に配置され、前記試料表面で反射した反射中性子線が入射する二次元検出器と、前記二次元検出器で検出された反射中性子線の二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化する中性子線反射率曲線を求める分析装置とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、試料等の機械的な回転を必要とすることなく、広い移行運動量ｑの範囲（ａの値として１０以上）のＸ線及び中性子線の反射率曲線を短時間で測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る反射率曲線測定装置の原理図
【図２】反射型ポリクロメータからの反射Ｘ線及び試料からの反射Ｘ線の進行方向をそれぞれ示す模式図
【図３】上記実施の形態に係る反射率曲線測定装置における試料表面からの反射Ｘ線及び散漫散乱Ｘ線を説明するための模式図
【図４】二次元検出器における入射Ｘ線の検出パターンの一例を示す図
【図５】図４に示すＸ線反射率曲線測定法における試料表面からの反射Ｘ線及び散漫散乱Ｘ線の説明図
【図６】分析装置により散乱散漫成分が除去された後の二次元検出器における検出パターンを示す図
【図７】上記実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置で測定されるＸ線反射率曲線の一例を示す図
【図８】単色Ｘ線を用いた角度分散法によるＸ線反射率曲線測定法の原理図
【図９】白色Ｘ線を用いて反射Ｘ線をエネルギー分散型固体検出器で受ける測定法の原理図
【図１０】単色かつ角度発散の大きいＸ線を用いた角度分散法によるＸ線反射率曲線測定法の原理図
【図１１】図１０に示すＸ線反射率曲線測定法における試料表面からの反射Ｘ線及び散漫散乱Ｘ線の説明図
【図１２】白色Ｘ線を用いた多波長同時分散Ｘ線反射率測定法の原理図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本実施の形態では、Ｘ線反射率曲線測定の具体例について説明するが、中性子線についても同様に適用可能である。
【００３１】
図１は、本発明の一実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置の原理図である。本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置は、結晶表面垂線が水平面内に留まるように湾曲させた結晶の一端の結晶表面垂線が水平面内からさらに所定角度だけ下向きに傾くような方向に捻りを加えた反射型ポリクロメータ１と、試料Ｓで反射したＸ線の二次元強度分布を測定する二次元検出器２と、二次元検出器２で測定された試料Ｓからの反射Ｘ線の二次元強度分布を演算処理してＸ線反射曲線を取得する分析装置３とを備えている。
【００３２】
反射型ポリクロメータ１を構成する湾曲結晶は、例えば、長方形状を有する薄いシリコンウェファーで構成される。特性Ｘ線を発生する実験室Ｘ線源が単色Ｘ線の集束条件を満たすローランド円上に配置されたときには、Ｘ線源からのＸ線が結晶面となす角度は結晶表面上ですべて等しくなり、同一波長のＸ線が結晶で反射された後に１次元的に集光されてゆく。一方、放射光源のような白色Ｘ線源が結晶からはるかに離れてロ−ランド円の外側に配置されたときには、各入射位置の結晶格子面と入射Ｘ線とのなす角度に対応して水平面内にて各々波長が異なり同一焦点に向かうＸ線に変換され、１次元的に集光される。また、反射型ポリクロメータ１は、結晶の最長の辺、言い換えると、水平面と結晶表面の交線に平行な軸回りに結晶の一端において結晶表面垂線が水平面より下側に傾くように所定角度だけ捻られている。この捻りの角度を調整することにより、結晶の一端と他端で鉛直方向に異なる高さで入射したＸ線を丁度水平方向の集光点の位置で同じ高さを通過するようにすることができ、擬似的な２次元集光ができる。
【００３３】
ここで、反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線の進行方向について説明する。図２は、反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線の進行方向及び試料Ｓからの反射Ｘ線の進行方向をそれぞれ示す模式図である。なお、図２においては、説明の便宜上、捻りを加えていない状態の反射型ポリクロメータ１の位置を破線で示している。また、図２においては、説明の便宜上、二次元検出器２及び分析装置３を省略し、二次元検出器２上のＸ線ビームの検出パターンのみを示している。
【００３４】
なお、本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置においては、Ｘ線源から照射されるＸ線が、湾曲結晶で構成される反射型ポリクロメータ１の対角線上の位置又はこれに近似する位置に入射されるように構成されている。具体的には、図１及び図２に示すように、Ｘ線源から照射されるＸ線のうち、Ａ０−Ｃ０上の斜めの直線をなすＸ線ビームが、照射方向の上流側に配置されたビーム位置Ａ１に入射されると共に、照射方向の下方側に配置されたビーム位置Ｃ１へつらなる実線Ａ１−Ｃ１上に入射されるように構成されている。ここで、ビーム位置Ａ１は、ほぼ水平の位置になるように選択され、ビーム位置Ｃ１が水平より下方側の位置になるように選択されている。
【００３５】
図２に示すように、本実施の形態に係る反射型ポリクロメータ１において、結晶が湾曲のみで捻りを加えられていない状態では、反射型ポリクロメータ１上のビーム位置Ａ１、Ｂ１からの反射Ｘ線が、これらのビーム位置Ａ１、Ｂ１の水平面内と同じ高さにある焦点Ｆｕに集光される一方、ビーム位置Ｃ１、Ｄ１からの反射Ｘ線が、これらのビーム位置Ｃ１、Ｄ１の同一平面内とほぼ同じ高さにある焦点Ｆｓに集光される。すなわち、捻られていない状態において、長方形の断面Ａ０Ｂ０Ｃ０Ｄ０を持ち、結晶に入射するＸ線は反射型ポリクロメータ１により反射され、焦点Ｆｕ−Ｆｓの線状に集束されるものとなっている。従って、結晶の上流にスリットを入れてＸ線をＡ０Ｃ０で表される線状にしても、結晶で反射された後のＸ線は、Ｆｕ−Ｆｓ上の線上に強度が分布することになる。
【００３６】
反射型ポリクロメータ１における曲率半径と、Ｘ線ビームに対するブラッグ角度との間には（式１）の関係が成り立つ。
（式１）
１／Ｌｓ−ｃ＋１／Ｌｃ−ｆ＝２／Ｒｓｉｎθ０
ここで、「Ｌｓ−ｃ」は、Ｘ線源から反射型ポリクロメータ１までの距離を示し、「Ｌｃ−ｆ」は、反射型ポリクロメータ１から焦点Ｆｕ−Ｆｓまでの距離を示す。また、「θ０」は、反射型ポリクロメータ１の中心に入射されるＸ線ビームに対するブラッグ角度を示し、「Ｒ」は、反射型ポリクロメータ１の曲率半径を示している。以下の（式４）においても同様である。
【００３７】
また、本実施の形態に係る反射型ポリクロメータ１において実線にて示すように上流側の結晶表面垂線が水平面から下向きに傾くように捻りを加えると、ビーム位置Ａ１からの反射Ｘ線が焦点Ｆｓに向かって反射される。（この場合、ビーム位置Ａ１に入射したＸ線ビームは、結晶格子面が下向きに傾いているので、水平面より下方側の方向に向かって反射されて焦点Ｆｓに到達する。）一方、ビーム位置Ｃ１に入射したＸ線ビームは、結晶格子面が捻りを加えられることによる影響を受けないので、捻りを加えられる前と同様に水平より僅かに下方側に反射されて焦点Ｆｓに到達する。したがってＡ１−Ｃ１の実線上に分布するＸ線は反射型ポリクロメータ１から反射するＸ線束全体でみれば、進行方向により異なる照射角（試料Ｓに対する照射角）を持ち連続的に変化するＸ線束全体が作成される。言い換えると、試料Ｓの上面から見て扇型に集束されるＸ線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内でＸ線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化するＸ線束全体が作成される。
【００３８】
ここで、反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線が鉛直方向に下方側に振られる角度は、（式２）により求められる。
（式２）
Φ＝２δｓｉｎθ
なお、「Φ」は、反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線が鉛直方向に下方側に振られる角度を示し、「δ」は、反射型ポリクロメータ１に加えた捻りの角度を示し、「θ」は、反射型ポリクロメータ１上でＸ線が反射されるときのブラッグ角度を示している。
【００３９】
ここで、Ｘ線源が放射光源のように白色X線を発生し、湾曲結晶から十分に遠い距離に位置する場合に反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線の波長について説明する。光路Ａ１Ｆｓにおける反射Ｘ線の波長については、反射型ポリクロメータ１が湾曲し、Ｘ線ビームと結晶表面とのなす角度が小さいことから、ブラッグ反射されるＸ線ビームの波長が短くなる。一方、光路Ｃ１Ｆｓにおける反射Ｘ線の波長については、反射型ポリクロメータ１が湾曲し、Ｘ線ビームと結晶表面とのなす角度が大きいことから、ブラッグ反射されるＸ線ビームの波長が長くなる。反射型ポリクロメータ１から反射するＸ線束全体でみれば、同一焦点Ｆｓに向けて集束すると共に進行方向により異なる波長を持ち連続的に変化するＸ線束全体が作成される。
【００４０】
なお、反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線の波長と、反射Ｘ線のエネルギーとの間には（式３）が成り立つ。
（式３）
λ（Å）＝Ｅ（ｋｅＶ）／１２．３９８
ここで、「λ」は、反射Ｘ線の波長を示し、「Ｅ」は、反射Ｘ線のエネルギーを示している。
【００４１】
このため、光路Ａ１Ｆｓにおける反射Ｘ線のエネルギーについては、ブラッグ反射されるＸ線ビームの波長が短くなる結果、相対的に高くなる。一方、光路Ｃ１Ｆｓにおける反射Ｘ線のエネルギーについては、ブラッグ反射されるＸ線ビームの波長が長くなる結果、相対的に低くなる。反射型ポリクロメータ１から反射するＸ線束全体でみれば、進行方向により異なるエネルギーを持ち連続的に変化するＸ線束全体が作成される。
【００４２】
ここで、反射型ポリクロメータ１の上流側で反射されるＸ線ビームのエネルギーと、下流側で反射されるＸ線ビームのエネルギーとの差は、（式４）により求められる。
（式４）
ＥＨ−ＥＬ＝Ｅ０ｌ（１／Ｒ−ｓｉｎθ０／Ｌｓ−ｃ）ｃｏｔθ０
なお、「ＥＨ」は、反射型ポリクロメータ１の上流側で反射されるＸ線ビームのエネルギーを示し、「ＥＬ」は、反射型ポリクロメータ１の下流側で反射されるＸ線ビームのエネルギーを示している。また、「ｌ」は、反射型ポリクロメータ１の長手方向の長さを示し、「Ｅ０」は、反射型ポリクロメータ１の中心で反射されるＸ線ビームのエネルギーを示している。
【００４３】
このように反射型ポリクロメータ１から反射されたＸ線束の集束点Ｆｓに試料Ｓが配置される。この場合、光路Ａ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、図２に示す角度αＨで試料Ｓに入射される。そして、試料Ｓの表面において同一角度αＨで反射される。一方、光路Ｃ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、角度αＨよりも小さい角度αＬで試料Ｓに入射される。そして、試料Ｓの表面において同一角度αＬで反射される。試料Ｓの表面からの反射Ｘ線のエネルギーにおいても、反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線と同様に、光路Ａ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は相対的に高く（図２に示すＥＨ）、光路Ｃ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、相対的に低くなっている（図２に示すＥＬ）。
【００４４】
二次元検出器２は、図１に示すように、試料Ｓの表面で反射して発散する反射Ｘ線が入射する位置に配置されている。二次元検出器２は、試料Ｓからの反射Ｘ線の強度を個別に検出するピクセル（画素）を二次元状に配列した構成を有している。各ピクセルの二次元位置は、Ｘ線反射率曲線における散乱ベクトルの値ｑ＝４πｓｉｎα／λを与えるＸ線波長に対応する。ここで、「α」は、入射Ｘ線が試料Ｓの表面となす角（すなわち、視斜角あるいは照射角という）を示し、「λ」は、入射Ｘ線の波長を示している。なお、二次元検出器２は、試料Ｓの表面に平行な水平軸（図３に示すＸ軸）と、試料Ｓの表面に垂直な垂直軸（図３に示すＹ軸）とからなる二次元検出面を有している。
【００４５】
このように構成される二次元検出器２に対して、反射型ポリクロメータ１上のビーム位置Ａ１、Ｃ１間の全てのビーム位置から集束され、試料Ｓの集束点Ｆｓで反射されたＸ線ビームが同時に二次元検出器２に入射される。例えば、図２に示すように、光路Ａ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、ビーム位置Ａ４で二次元検出器２に入射され、光路Ｃ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、ビーム位置Ｃ４で二次元検出器２に入射される。これらのビーム位置Ａ４、Ｃ４を結んだ実線Ａ４−Ｃ４は、試料Ｓからの反射Ｘ線の二次元検出器２における検出パターンを示している。
【００４６】
なお、図２においては、試料Ｓを配置しない場合に光路Ａ１Ｆｓ、Ｃ１Ｆｓをたどり検出器上に到達するＸ線が入射されるビーム位置Ａ３、Ｃ３を示している。これらのビーム位置Ａ３、Ｃ３を結んだ実線Ａ３−Ｃ３は、試料Ｓを配置しない場合の二次元検出器２における検出パターンを示している。また、図２においては、試料Ｓの表面を延長した面が二次元検出器２の検出面と交差する位置を実線ＳDＬ−ＳＤＨで示している。この実線ＳＤＬ−ＳＤＨは、実線Ａ４−Ｃ４と実線Ａ３−Ｃ３との中間位置に配置される。
【００４７】
ここで、図３を参照しながら、本実施の形態に係る反射率曲線測定装置における試料Ｓの表面からの反射Ｘ線及び散漫散乱Ｘ線について説明する。図３は、試料表面からの反射Ｘ線及び散漫散乱Ｘ線を説明するための模式図である。なお、図３においては、反射型ポリクロメータ１及び二次元検出器２を省略している。
【００４８】
図３に示すように、試料Ｓの表面からの反射Ｘ線は、当該反射Ｘ線と試料Ｓの表面の垂線を含む面（散乱面）内で二次元検出器２に入射される。そして、それぞれの反射Ｘ線に対応する散漫散乱Ｘ線も同一の散乱面内で二次元検出器２に入射される。散乱面に直角な方向へ散乱される散漫散乱X線の強度は散乱面内の散乱される散漫散乱X線に比べて数桁低いので、通常は散乱面内に散乱される散漫散乱X線を考えればよい。例えば、光路Ａ１Ｆｓにおける試料表面からの散漫散乱Ｘ線は、散乱面１内で二次元検出器２に入射され、光路Ｃ１Ｆｓにおける試料表面からの散漫散乱Ｘ線は、散乱面２内で二次元検出器２に入射される。
【００４９】
二次元検出器２において、図３に示す実線Ａ４−Ｃ４は、試料表面からの反射Ｘ線の強度分布を示し、その二次元検出面上で斜めの直線状に検出される。異なる位置における反射Ｘ線に対応する散漫散乱Ｘ線は、それぞれ対応する散乱面内に分布される。このため、これらの散漫散乱Ｘ線は、二次元検出面における反射Ｘ線の強度分布を示す斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出されることとなる（図４（ｂ）参照）。
【００５０】
図４は、二次元検出器２における入射Ｘ線の検出パターンの一例を示す図である。なお、図４においては、二次元検出器２が備えるセンサユニットの番号を縦軸及び横軸に示している。例えば、それぞれのピクセルは、一辺が０．１７２ｍｍの角型のセンサで構成される。すなわち、図３に示すピクセルの番号に０．１７２ｍｍを乗算した値が二次元検出器２における検出面の端部からの距離に相当する。
【００５１】
図４（ａ）においては、試料Ｓを配置しない場合に検出される入射Ｘ線の検出パターンＰ１を示し、図４（ｂ）においては、試料Ｓの表面から反射した入射Ｘ線の検出パターンＰ２を示している。検出パターンＰ１は、図２に示す実線Ａ３−Ｃ３に対応する検出パターンであり、検出パターンＰ２は、図２に示す実線Ａ４−Ｃ４に対応する検出パターンである。なお、これらの検出パターンＰ１、Ｐ２は、二次元検出器２に対する入射Ｘ線の二次元強度分布を示している。
【００５２】
二次元検出器２においては、図４（ｂ）に示すように、試料Ｓからの反射Ｘ線の検出パターンＰ２だけでなく、反射Ｘ線に基づく散乱散漫成分（散漫散乱Ｘ線）も同時に検出することができるものとなっている。散漫散乱Ｘ線は、図４（ｂ）に示すように、二次元検出面で斜めの直線状に検出される検出パターンＰ２上の各点を含む鉛直線上に検出される。二次元検出器２においては、試料Ｓを配置する前後における、これらの検出パターンＰ１、Ｐ２（検出パターンＰ２においては散漫散乱Ｘ線を含む）を測定し、これらを二次元強度分布測定値として分析装置３に出力するものとなっている。
【００５３】
図４（ｂ）に示す点線Ｘ３、Ｘ４における反射Ｘ線強度及び散漫散乱Ｘ線強度分布を図５に示す。図５（ａ）において、「Ｘ３ａ」は、ある反射Ｘ線Ｘ３に対応する鏡面反射Ｘ線強度を示し、「Ｘ３ｂ」は、反射Ｘ線Ｘ３に対応する散漫散乱Ｘ線強度の分布を示している。また、図５（ｂ）において、「Ｘ４ａ」は、反射Ｘ線Ｘ３と異なる反射Ｘ線Ｘ４に対応する鏡面反射Ｘ線強度を示し、「Ｘ４ｂ」は、反射Ｘ線Ｘ４に対応する散漫散乱Ｘ線強度の分布を示している。
【００５４】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る反射率曲線測定装置においては、反射Ｘ線Ｘ３に対応する反射Ｘ線強度Ｘ３ａと、異なる反射Ｘ線Ｘ４に対応する散漫散乱Ｘ線強度の分布Ｘ４ａとは重ならない。このため、これらを分離することができ、信号対雑音比 (signal-to-noise ratio)の良好なデータを得ることが可能となる。なお、この分離処理は、例えば、後述する分析装置３で行われる。
【００５５】
分析装置３は、二次元検出器２から出力される反射Ｘ線の二次元強度分布測定値に基づいてＸ線反射率曲線全体を求めるようにプログラムされている。具体的には、試料Ｓを配置する前の検出パターンＰ１に対応する反射Ｘ線の二次元強度分布測定値を予め保持しておき、この二次元強度分布測定値と、試料Ｓを配置した後の検出パターンＰ２に対応する反射Ｘ線の二次元強度分布測定値との比を求めることでＸ線反射率曲線を求める。ここで、Ｘ線反射率は、試料Ｓの表面に垂直な方向での散乱ベクトルｑ＝４πｓｉｎα／λの関数として変化するので、二次元強度分布測定値からＸ線反射率のｑ依存性の曲線であるＸ線反射率曲線Ｒ（ｑ）を分析装置３において求めている。なお、二次元検出器２からは、試料Ｓからの全ての反射Ｘ線に応じて測定された二次元強度分布測定値が出力されることから、分析装置３においては、反射型ポリクロメータ１に入射される実線Ａ１−Ｃ１上の全てのＸ線ビームに対応するＸ線反射率曲線を一括的に求めることができる。
【００５６】
上述した光路Ａ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、そのエネルギーが相対的に高く、試料Ｓの表面となす角度（図２に示すαＨ）が大きいことから、試料Ｓの表面に垂直な方向での散乱ベクトルｑも相対的に大きくなる。一方、光路Ｃ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、そのエネルギーが相対的に低く、試料Ｓの表面となす角度（図２に示すαＬ）が小さいことから、試料Ｓの表面に垂直な方向での散乱ベクトルｑも相対的に小さくなる。反射型ポリクロメータ１上のビーム位置Ａ１−Ｃ１間の反射Ｘ線においては、ビーム位置に応じて連続的に変化する散乱ベクトルｑ（Ｘ線反射率曲線）が求められることとなる。
【００５７】
また、分析装置３は、Ｘ線反射率曲線Ｒ（ｑ）の演算に先立って、反射Ｘ線に基づく散乱散漫成分（散漫散乱Ｘ線）を、所望の信号成分（検出パターンＰ２）から分離して除去するようにプログラムされている。図６は、分析装置３により散乱散漫成分が除去された後の二次元検出器２における検出パターンを示している。なお、図６においては、分析装置３の除去処理結果を、説明の便宜上、二次元検出器２の検出パターンの態様で示したものである。分析装置３の除去処理により、図６に示すように、散乱散漫成分が除去され、検出パターンＰ２のみが検出された状態となる。したがって、Ｘ線反射率曲線Ｒ（ｑ）の演算には、所望の信号成分のみを用いることが可能となる。
【００５８】
分析装置３による反射Ｘ線に基づく散乱散漫成分の除去は、二次元検出器２における二次元検出面上で斜めの直線状に検出される反射Ｘ線強度の各点のＸ線強度から、当該斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出される散漫散乱Ｘ線強度分布から求められるバックグラウンド強度を差し引くことで行われる。これにより、散漫散乱成分を含んでいない反射Ｘ線強度を正確に検出でき、この反射Ｘ線強度を反映したＸ線反射率曲線Ｒ（ｑ）を求めることができる。
【００５９】
図７は、本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置で測定されるＸ線反射率曲線の一例を示す図である。図７においては、縦軸の反射率（Reflectivity）を示し、横軸に散乱ベクトルｑを示している。なお、図７においては、試料Ｓが厚みを有するシリコン単結晶板で構成される場合のＸ線反射率曲線の一例を示している。図７に示すＸ線反射率曲線においては、反射率が１から急激に低下する位置（臨界角）の位置に基づいて試料物質の密度を求めることができ、曲線の強度減衰に基づいて試料表面の粗さを求めることができる。
【００６０】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置の動作について説明する。まず、Ｘ線源から出射されたＸ線ビームが、反射型ポリクロメータ１の上流側に設けられたスリットを介して反射型ポリクロメータ１上のビーム位置Ａ１、Ｃ１に入射される。反射型ポリクロメータ１において、ビーム位置Ａ１、Ｃ１間の全てのビーム位置からの反射Ｘ線が試料Ｓ上の集束点Ｆｓに集束されると共に、水平方向の集束角に応じて鉛直面内でＸ線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化するＸ線束全体が作成される。
【００６１】
反射型ポリクロメータ１で作成されたＸ線束は、試料Ｓの集束点Ｆｓに集束した後、集束角と同じ角度で拡散して二次元検出器２に入射される。二次元検出器２においては、反射Ｘ線の二次元強度分布が並列に測定される。そして、反射Ｘ線の二次元強度分布測定値が分析装置３へ出力される。分析装置３においては、二次元検出器２からの二次元強度分布測定値に基づいて図７に示すようなＸ線反射率曲線Ｒ（ｑ）を求める。
【００６２】
このように本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置においては、所定角度だけ捻りを加えられた湾曲結晶からなる反射型ポリクロメータ１の湾曲面でＸ線を反射させて集束後発散し進行方向に依存して照射角が連続的に変化するＸ線束を作成し、その集束点Ｆｓに配置された試料表面からの反射Ｘ線の二次元強度分布に基づいてＸ線反射率曲線を求めることから、進行方向に依存して照射角が連続的に変化するＸ線束に応じて一括的にＸ線反射率曲線を求めることができるので、試料等の機械的な回転を必要とすることなく、Ｘ線反射率曲線の測定時間を短縮することが可能となる。Ｘ線源がローランド円上に配置される場合にはＸ線波長は単一となり、ローランド円上からはるかに離れて配置される場合にはＸ線波長は結晶の端から端に向かうにしたがって変化する。
【００６３】
特に、本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置においては、試料Ｓの上面から見て扇型に集束されるＸ線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内でＸ線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化するＸ線束を作成していることから、十分に広い移行運動量ｑの範囲でのＸ線反射率曲線を測定することが可能となる。
【００６４】
また、本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置においては、分析装置３において、二次元検出器２の二次元検出面上で斜めの直線状に検出される各点のＸ線強度から、当該斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出される散漫散乱Ｘ線強度分布から求められるバックグラウンド強度を差し引いてＸ線反射率曲線を求めることから、これにより、散漫散乱成分を含んでいない反射Ｘ線強度を正確に検出でき、この反射Ｘ線強度を反映したＸ線反射率曲線Ｒ（ｑ）を求めることができる。
【００６５】
さらに、本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置においては、Ｘ線源からのＸ線を反射型ポリクロメータ１で試料Ｓに対して反射させる構成を有することから、反射型ポリクロメータ１と試料Ｓの集束点Ｆｓとの距離を適宜に選択することができる。これにより、試料Ｓの周囲に自由空間を確保することができるので、試料Ｓの環境を容易に制御することが可能となる。
【実施例】
【００６６】
本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置において、反射型ポリクロメータ１上のビームＡ１、Ｃ１で高さの差が６ｍｍ程度で反射型ポリクロメータ１から焦点Ｆｓまでの距離が５０ｃｍ程度の場合において、反射型ポリクロメータの捻じ曲げ角度を４．５°程度にすると、光路Ａ１Ｆｓの反射Ｘ線と光路Ｃ１Ｆｓの反射Ｘ線とでは０．６５°程度の角度差をつけることができた。この場合、光路Ａ１Ｆｓの反射Ｘ線のエネルギーは、約２２．３ｋｅＶであり、光路Ｃ１Ｆｓに反射Ｘ線のエネルギーは、約２０．３ｋｅＶであった。また、試料Ｓでの移行運動量（試料Ｓの表面に垂直な方向での散乱ベクトルｑ）の最小値ｑｍｉｎｉは０．０１Å−１、最大値ｑｍａｘは０．２５Å−１程度を実現できた。
【００６７】
Ｘ線ビームは、ビーム位置Ａ１、Ｃ１で鉛直方向での高さが約６ｍｍ異なり、Ｘ線源からの距離にも依存するが、反射型ポリクロメータ１上のビーム位置Ａ１でのＸ線強度Ｉ０Ａ１と、ビーム位置Ｃ１でのＸ線強度Ｉ０Ｃ１とでは１０−６〜７：１程度の比になる。しかしながら、光路Ｃ１Ｆｓのビームに対する反射率ＲＣ１Ｆｓが１程度であり、光路Ａ１Ｆｓに対する反射率ＲＡ１Ｆｓが１０−７〜８程度であるので、二次元検出器２に入射するＸ線の強度は、Ｉ０Ａ１×ＲＡ１Ｆｓ：Ｉ０Ｃ１×ＲＣ１Ｆｓ〜１：１〜０．１と見積もられ、二次元検出器２のダイナミックレンジの範囲内での測定が可能となる。
【００６８】
以上の説明においては、Ｘ線反射率曲線の同時測定について説明したが、中性子線の反射率曲線の同時測定にも同様に適用できる。例えば、反射型ポリクロメータ１を用いて中性子線の進行方向に依存して中性子線波長及び照射角が連続的に変化する中性子線束を作成して試料Ｓに照射することで、このような中性子線の反射率曲線の同時測定にも適用することが可能となる。また、Ｘ線回折強度曲線の同時測定にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、薄膜の構造変化の実時間追跡するシステムに適用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 反射型ポリクロメータ
２ 二次元検出器
３ 分析装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料表面にＸ線又は中性子線を照射して反射率曲線を測定するＸ線及び中性子線の反射率曲線測定方法及び測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、数原子層厚〜数百原子層厚の薄膜は薄膜固有の物理的、電気的、化学的性質を示すものが多く存在し、基礎、応用の両面から研究されており、その構造を評価することは重要である。薄膜構造解析手法としては、電子線を用いる方法、Ｘ線を用いる方法（表面Ｘ線回折、視斜角入射Ｘ線小角散乱、Ｘ線および中性子線反射率測定、表面Ｘ線吸収微細構造測定，光電子回折）、走査プローブなど多種の手法がそれぞれの特徴を持って利用されている。
【０００３】
これらの薄膜構造解析手法の中でも、Ｘ線反射率測定法は、膜厚（〜０．１Åの精度）、表面・界面の粗さ（〜０．１Åｒ．ｍ．ｓ．の精度）や薄膜表面に垂直な方向の精密な電子密度を測定することができ（例えば、非特許文献１参照）、かつ気体・固体、気体・液体、固体・固体の埋もれた界面や、結晶性を持たない薄膜も研究対象とすることができるために、薄膜構造研究のための重要なプローブのひとつとして、広く認識され利用されている。中性子線反射率測定法も電子密度の代わりに原子核の分布密度を知ることができること以外はＸ線反射率法と同様な物質構造情報を得られ、ソフトマテリアルの研究などに広く用いられている。
【０００４】
図８は、単色Ｘ線を用いた角度分散法によるＸ線反射率曲線測定法の原理図である。図８に示すＸ線反射率曲線測定法においては、結晶モノクロメータ１０１で単色化したＸ線を試料Ｓ表面に照射角αで照射し、試料Ｓへの照射角αをゴニオメーター１０２の回転により逐次変化させて反射Ｘ線強度を検出器１０３で検出する。そして、反射Ｘ線強度の表面垂線方向の散乱ベクトルｑ＝４πｓｉｎα／λ（λ：Ｘ線の波長）の関数として逐次測定して計算機１０４で解析して膜厚等を検出する。なお、この散乱ベクトルｑは、移行運動量と呼ぶこともできる。
【０００５】
しかしながら、上記単色Ｘ線を用いた角度分散法においては、試料Ｓへの照射角αをゴニオメーター１０２により逐次変化させるため、反射率曲線の測定には１０分〜２０分程度の時間が必要とされ、試料Ｓの定常状態の観察にとどまっている。
【０００６】
角度分散法の欠点を克服するためにゴニオメーター１０２による角度調節作業を排除した測定法が提案されている。図９に示すように、試料Ｓ表面に白色Ｘ線を一定のすれすれの照射角で入射させ、反射Ｘ線を、エネルギー分解能を有するエネルギー分散型固体検出器１０５で測定する測定法（以下、「エネルギー分散法に基づく測定法」という）が提案されている。
【０００７】
しかしながら、図９に示すエネルギー分散法に基づく測定法においては、エネルギー分散型固体検出器の計数率の限界のために、当該検出器にあまり強いＸ線が入射することを避けねばならない。このため、反射率曲線の測定時間は、数十秒程度から数百秒かかっており、高速の構造変化を追跡することは困難であった。また、検出器のエネルギー分解能に起因して表面垂線方向散乱ベクトルｑの分解能が数パーセントより小さくならないなどの限界があった。
【０００８】
一方、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、入射Ｘ線が試料Ｓの表面に対して集束するようにし、Ｘ線の波数ベクトルと試料Ｓの表面の垂線を含む面（以下、適宜「散乱面」という）内で試料Ｓの表面に対して単色Ｘ線の入射角が連続的に変化するようにし、１次元検出器２０２により散乱面内の散乱Ｘ線強度分布を測定することにより、Ｘ線反射率曲線を、試料Ｓ、一次元検出器２０２の運動を伴わずに測定する測定方法も開発されている。図１０（ａ）に示す測定方法においては、直線的に広がっているＸ線源２００の異なる点からのＸ線ビームを結晶モノクロメータ２０１ａで反射後試料Ｓの表面の一点に対して集中するように入射する場合について示し、図１０（ｂ）に示す測定方法においては、Ｘ線源２００からのＸ線ビームを湾曲させた結晶モノクロメータ２０１ｂで試料Ｓの表面に対して集束する場合について示している。
【０００９】
しかしながら、これらの測定方法では、測定すべき鏡面反射Ｘ線と、バックグランドとなってしまう散漫散乱Ｘ線とが１次元検出器２０２の同じ点に入射して重なり合うことが避けられず、正確な反射率の測定には限界がある。すなわち、試料Ｓの表面からの鏡面反射Ｘ線は、図１１（ａ）に示すように、散乱面内で１次元検出器２０２に入射され、対応する散漫散乱Ｘ線もこの散乱面内で１次元検出器２０２に入射される結果、一次元検出器２０２における同じ点に入射され重なり合うこととなる。
【００１０】
図１１（ｂ）に同図（ａ）に示す反射Ｘ線（Ｘ１、Ｘ２）に対応する反射Ｘ線強度及び散漫散乱Ｘ線強度分布を示す。図１１（ｂ）において、「Ｘ１ａ」は、反射Ｘ線Ｘ１に対応する鏡面反射Ｘ線強度を示し、「Ｘ１ｂ」は、反射Ｘ線Ｘ１に対応する散漫散乱Ｘ線強度の分布を示している。また、「Ｘ２ａ」は、反射Ｘ線Ｘ２に対応する鏡面反射Ｘ線強度を示し、「Ｘ２ｂ」は、反射Ｘ線Ｘ２に対応する散漫散乱Ｘ線強度の分布を示している。図１１（ｂ）に示すように、図１０に示す測定方法においては、たとえば鏡面反射Ｘ線強度Ｘ２ａと、散漫散乱Ｘ線強度Ｘ１ｂとが重なる結果、これらを分離することができない。
【００１１】
また、反射率を移行運動量ｑの広い領域にわたって測定し、反射率のｑ依存性の曲線（すなわち、反射率曲線）を測定するには、集束Ｘ線の角度広がりは、1度程度あるいはそれ以上が必要である。このため、放射光のように角度発散の極めて小さいＸ線源に対してこれらの測定方法を利用することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−１７０２３６号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】A.Gibaud、S.Hazra,「X-Ray reflectivity and diffusescattering」,CURRENTSCIENCE VOL. 78, NO. 12、P1467-P1477、２０００年６月２５日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述した角度分散法或いはエネルギー分散法に基づく測定法における実情に鑑み、Ｘ線又は中性子線の反射率曲線の測定時間を短縮するべく、本発明者は、図１２に示す測定法（以下、「多波長同時分散Ｘ線反射率測定法」という）を提案している。図１２に示す多波長同時分散Ｘ線反射率測定法においては、湾曲結晶からなる透過型ポリクロメータ３０１と、試料Ｓで反射したＸ線の一次元強度分布を測定する一次元検出器３０２と、反射Ｘ線の一次元強度分布を演算処理してＸ線反射率曲線を取得する分析装置３０３と、傾斜多層膜からなるプリポリクロメータ３０４とを備える。そして、白色Ｘ線を透過型ポリクロメータ３０１の背面側から入射して出射することで、その進行方向の関数としてＸ線エネルギーが８ｋｅＶ〜４０ｋｅＶと広範囲を変化するＸ線集束ビームを実現する。照射角は一定であるがエネルギー（波長λ）が変化するビームを試料Ｓ表面で反射させ、その反射ビーム強度分布を一次元検出器３０２で測定することにより、反射率曲線全体を一度に取得する。
【００１５】
この多波長同時分散Ｘ線反射率測定法においては、１秒露光では反射率２ｘ１０−６程度まで測定が、露光時間１０ミリ秒では反射率１０−３程度までの測定が可能であることが確認されている。また、回転中の試料Ｓからの反射曲線の変化を逐次記録することによりサブ秒の分解能での時分割測定が可能なことが確認されている。
【００１６】
しかしながら、十分に広い移行運動量ｑの範囲での測定にはポリクロメータ結晶で反射されたＸ線の波長（エネルギー）範囲が十分広い必要があるが、ａ＝（ｑｍａｘ−ｑｍｉｎｉ）／ｑｍｉｎとしたとき（ｑｍａｘは測定可能なｑの値の最大値、ｑｍｉｎは測定可能なｑの値の最小値）現実的に測定が実現できるａの値は１０を超えることは難しかった。この多波長同時分散Ｘ線反射率測定法が、薄膜の構造変化の追跡により広く有効に利用されるためには、ａの値が１０よりも大幅に大きく、移行運動量ｑの小さいＸ線全反射領域から移行運動量ｑの大きい反射曲線の裾の領域までを同時に測定でき、かつその測定時間が短いことが求められる。
【００１７】
本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたものであって、試料等の機械的な回転を必要とすることなく、広い移行運動量ｑの範囲（ａの値として１０以上）のＸ線及び中性子線の反射率曲線を短時間で測定することのできる測定方法及び測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明のＸ線反射率曲線の測定方法においては、試料結晶の表面に対して集束するＸ線を入射させるが、そのとき試料上面からみて扇状に集束されたＸ線束の一方の辺をなすＸ線ビームが鉛直面内にて試料表面となす角度（視射角）は大きく、他方の辺をなすＸ線ビームが鉛直面内において試料表面となす角度が小さくなるようにする。すると、試料面で反射されたＸ線は、試料後方の二次元検出器上の二次元検出面には斜めの線となって記録される。この斜めの線に沿った方向では移行運動量ｑの値が連続的に変化しているので、この斜めの線上のＸ線強度は各々の移行運動量ｑの値に対応した反射率を反映したものとなる。
【００１９】
一方、各々の移行運動量ｑに対応したＸ線散乱面は、上記斜めの線上の各点を通る鉛直な面になり、散漫散乱Ｘ線強度は、この鉛直面内に分布するので、特定の移行運動量ｑの値での鏡面Ｘ線反射強度の上に異なる入射角をもって入射したＸ線により励起された散漫散乱Ｘ線強度が重なり合うことなしに測定することができる。
【００２０】
本発明のＸ線反射率曲線の測定方法は、試料上面から見て扇型に集束されるＸ線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内でＸ線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化するＸ線束を作成し、試料表面で反射されたＸ線強度分布を二次元検出器で測定し、その二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化するＸ線反射率曲線を求めることを特徴とする。
【００２１】
このようなＸ線束を実現するのに、本発明では結晶表面垂線が水平面内に留まるようにし、水平面内においてＸ線を集光するように楕円もしくは円筒形に湾曲した結晶の一方の端をさらに結晶表面垂線が水平面内から下方に傾くように捻りを加える方法を用いる。
【００２２】
特性Ｘ線を発生するＸ線源を円筒状に湾曲された結晶に対するローランド円上に配置できるときには、結晶面上でブラッグ反射されるＸ線のエネルギー（波長）は結晶面上のどこでも等しくなる。放射光源のように結晶を光源に近づけられない場合には、結晶の一方の端でブラッグ反射されるＸ線のエネルギー（波長）と結晶の他端でブラッグ反射されるＸ線のエネルギー（波長）とは異なるが、対応する移行運動量ｑ（＝４pｓｉｎα／λ）への換算のときにエネルギー（波長）の違いも考慮すればよい。
【００２３】
本発明のＸ線反射率曲線の測定方法において、前記二次元検出器は、試料表面に平行な水平軸と試料表面に垂直な垂直軸とからなる二次元検出面を有し、前記二次元検出面上で前記水平軸に対して斜めの直線状に検出される各点のＸ線強度から、前記斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出される散漫散乱Ｘ線強度分布から求められるバックグラウンド強度を差し引いて前記Ｘ線反射率曲線を求めることが好ましい。
【００２４】
本発明のＸ線反射率曲線の測定装置は、結晶表面垂線が水平面内に留まるように湾曲させた結晶の一端の結晶表面垂線が水平面から所定角度だけ下を向くように捻りが加えられ、湾曲面でＸ線を反射させて集束後発散し進行方向に依存して照射角が連続的に変化するＸ線束を試料表面に照射する湾曲結晶と、前記試料の後方に配置され、前記試料表面で反射した反射Ｘ線が入射する二次元検出器と、前記二次元検出器で検出された反射Ｘ線の二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化するＸ線反射率曲線を求める分析装置とを具備することを特徴とする。
【００２５】
本発明の中性子線反射率曲線の測定方法は、試料上面から見て扇型に集束される中性子線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内で中性子線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化する中性子線ビームを作成し、試料表面で反射された中性子線強度分布を二次元検出器で測定し、その二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化する中性子線反射率曲線を求めることを特徴とする。
【００２６】
本発明の中性子線反射率曲線の測定方法において、前記二次元検出器は、試料表面に平行な水平軸と試料表面に垂直な垂直軸とからなる二次元検出面を有し、前記二次元検出面上で前記水平軸に対して斜めの直線状に検出される各点の中性子線強度から、前記斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出される散漫散乱中性子線強度分布から求められるバックグラウンド強度を差し引いて前記中性子線反射率曲線を求めることが好ましい。
【００２７】
本発明の中性子線反射率曲線の測定装置は、結晶表面垂線が水平面内に留まるように湾曲させた結晶の一端の結晶表面垂線が水平面から所定角度だけ下を向くように捻りが加えられ、湾曲面で中性子線を反射させて集束後発散し進行方向に依存して照射角が連続的に変化する中性子線束を試料表面に照射する湾曲結晶と、前記試料の後方に配置され、前記試料表面で反射した反射中性子線が入射する二次元検出器と、前記二次元検出器で検出された反射中性子線の二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化する中性子線反射率曲線を求める分析装置とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、試料等の機械的な回転を必要とすることなく、広い移行運動量ｑの範囲（ａの値として１０以上）のＸ線及び中性子線の反射率曲線を短時間で測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施の形態に係る反射率曲線測定装置の原理図
【図２】反射型ポリクロメータからの反射Ｘ線及び試料からの反射Ｘ線の進行方向をそれぞれ示す模式図
【図３】上記実施の形態に係る反射率曲線測定装置における試料表面からの反射Ｘ線及び散漫散乱Ｘ線を説明するための模式図
【図４】二次元検出器における入射Ｘ線の検出パターンの一例を示す図
【図５】図４に示すＸ線反射率曲線測定法における試料表面からの反射Ｘ線及び散漫散乱Ｘ線の説明図
【図６】分析装置により散乱散漫成分が除去された後の二次元検出器における検出パターンを示す図
【図７】上記実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置で測定されるＸ線反射率曲線の一例を示す図
【図８】単色Ｘ線を用いた角度分散法によるＸ線反射率曲線測定法の原理図
【図９】白色Ｘ線を用いて反射Ｘ線をエネルギー分散型固体検出器で受ける測定法の原理図
【図１０】単色かつ角度発散の大きいＸ線を用いた角度分散法によるＸ線反射率曲線測定法の原理図
【図１１】図１０に示すＸ線反射率曲線測定法における試料表面からの反射Ｘ線及び散漫散乱Ｘ線の説明図
【図１２】白色Ｘ線を用いた多波長同時分散Ｘ線反射率測定法の原理図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本実施の形態では、Ｘ線反射率曲線測定の具体例について説明するが、中性子線についても同様に適用可能である。
【００３１】
図１は、本発明の一実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置の原理図である。本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置は、結晶表面垂線が水平面内に留まるように湾曲させた結晶の一端の結晶表面垂線が水平面内からさらに所定角度だけ下向きに傾くような方向に捻りを加えた反射型ポリクロメータ１と、試料Ｓで反射したＸ線の二次元強度分布を測定する二次元検出器２と、二次元検出器２で測定された試料Ｓからの反射Ｘ線の二次元強度分布を演算処理してＸ線反射曲線を取得する分析装置３とを備えている。
【００３２】
反射型ポリクロメータ１を構成する湾曲結晶は、例えば、長方形状を有する薄いシリコンウェファーで構成される。特性Ｘ線を発生する実験室Ｘ線源が単色Ｘ線の集束条件を満たすローランド円上に配置されたときには、Ｘ線源からのＸ線が結晶面となす角度は結晶表面上ですべて等しくなり、同一波長のＸ線が結晶で反射された後に１次元的に集光されてゆく。一方、放射光源のような白色Ｘ線源が結晶からはるかに離れてロ−ランド円の外側に配置されたときには、各入射位置の結晶格子面と入射Ｘ線とのなす角度に対応して水平面内にて各々波長が異なり同一焦点に向かうＸ線に変換され、１次元的に集光される。また、反射型ポリクロメータ１は、結晶の最長の辺、言い換えると、水平面と結晶表面の交線に平行な軸回りに結晶の一端において結晶表面垂線が水平面より下側に傾くように所定角度だけ捻られている。この捻りの角度を調整することにより、結晶の一端と他端で鉛直方向に異なる高さで入射したＸ線を丁度水平方向の集光点の位置で同じ高さを通過するようにすることができ、擬似的な２次元集光ができる。
【００３３】
ここで、反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線の進行方向について説明する。図２は、反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線の進行方向及び試料Ｓからの反射Ｘ線の進行方向をそれぞれ示す模式図である。なお、図２においては、説明の便宜上、捻りを加えていない状態の反射型ポリクロメータ１の位置を破線で示している。また、図２においては、説明の便宜上、二次元検出器２及び分析装置３を省略し、二次元検出器２上のＸ線ビームの検出パターンのみを示している。
【００３４】
なお、本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置においては、Ｘ線源から照射されるＸ線が、湾曲結晶で構成される反射型ポリクロメータ１の対角線上の位置又はこれに近似する位置に入射されるように構成されている。具体的には、図１及び図２に示すように、Ｘ線源から照射されるＸ線のうち、Ａ０−Ｃ０上の斜めの直線をなすＸ線ビームが、照射方向の上流側に配置されたビーム位置Ａ１に入射されると共に、照射方向の下方側に配置されたビーム位置Ｃ１へつらなる実線Ａ１−Ｃ１上に入射されるように構成されている。ここで、ビーム位置Ａ１は、ほぼ水平の位置になるように選択され、ビーム位置Ｃ１が水平より下方側の位置になるように選択されている。
【００３５】
図２に示すように、本実施の形態に係る反射型ポリクロメータ１において、結晶が湾曲のみで捻りを加えられていない状態では、反射型ポリクロメータ１上のビーム位置Ａ１、Ｂ１からの反射Ｘ線が、これらのビーム位置Ａ１、Ｂ１の水平面内と同じ高さにある焦点Ｆｕに集光される一方、ビーム位置Ｃ１、Ｄ１からの反射Ｘ線が、これらのビーム位置Ｃ１、Ｄ１の同一平面内とほぼ同じ高さにある焦点Ｆｓに集光される。すなわち、捻られていない状態において、長方形の断面Ａ０Ｂ０Ｃ０Ｄ０を持ち、結晶に入射するＸ線は反射型ポリクロメータ１により反射され、焦点Ｆｕ−Ｆｓの線状に集束されるものとなっている。従って、結晶の上流にスリットを入れてＸ線をＡ０Ｃ０で表される線状にしても、結晶で反射された後のＸ線は、Ｆｕ−Ｆｓ上の線上に強度が分布することになる。
【００３６】
反射型ポリクロメータ１における曲率半径と、Ｘ線ビームに対するブラッグ角度との間には（式１）の関係が成り立つ。
（式１）
１／Ｌｓ−ｃ＋１／Ｌｃ−ｆ＝２／Ｒｓｉｎθ０
ここで、「Ｌｓ−ｃ」は、Ｘ線源から反射型ポリクロメータ１までの距離を示し、「Ｌｃ−ｆ」は、反射型ポリクロメータ１から焦点Ｆｕ−Ｆｓまでの距離を示す。また、「θ０」は、反射型ポリクロメータ１の中心に入射されるＸ線ビームに対するブラッグ角度を示し、「Ｒ」は、反射型ポリクロメータ１の曲率半径を示している。以下の（式４）においても同様である。
【００３７】
また、本実施の形態に係る反射型ポリクロメータ１において実線にて示すように上流側の結晶表面垂線が水平面から下向きに傾くように捻りを加えると、ビーム位置Ａ１からの反射Ｘ線が焦点Ｆｓに向かって反射される。（この場合、ビーム位置Ａ１に入射したＸ線ビームは、結晶格子面が下向きに傾いているので、水平面より下方側の方向に向かって反射されて焦点Ｆｓに到達する。）一方、ビーム位置Ｃ１に入射したＸ線ビームは、結晶格子面が捻りを加えられることによる影響を受けないので、捻りを加えられる前と同様に水平より僅かに下方側に反射されて焦点Ｆｓに到達する。したがってＡ１−Ｃ１の実線上に分布するＸ線は反射型ポリクロメータ１から反射するＸ線束全体でみれば、進行方向により異なる照射角（試料Ｓに対する照射角）を持ち連続的に変化するＸ線束全体が作成される。言い換えると、試料Ｓの上面から見て扇型に集束されるＸ線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内でＸ線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化するＸ線束全体が作成される。
【００３８】
ここで、反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線が鉛直方向に下方側に振られる角度は、（式２）により求められる。
（式２）
Φ＝２δｓｉｎθ
なお、「Φ」は、反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線が鉛直方向に下方側に振られる角度を示し、「δ」は、反射型ポリクロメータ１に加えた捻りの角度を示し、「θ」は、反射型ポリクロメータ１上でＸ線が反射されるときのブラッグ角度を示している。
【００３９】
ここで、Ｘ線源が放射光源のように白色X線を発生し、湾曲結晶から十分に遠い距離に位置する場合に反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線の波長について説明する。光路Ａ１Ｆｓにおける反射Ｘ線の波長については、反射型ポリクロメータ１が湾曲し、Ｘ線ビームと結晶表面とのなす角度が小さいことから、ブラッグ反射されるＸ線ビームの波長が短くなる。一方、光路Ｃ１Ｆｓにおける反射Ｘ線の波長については、反射型ポリクロメータ１が湾曲し、Ｘ線ビームと結晶表面とのなす角度が大きいことから、ブラッグ反射されるＸ線ビームの波長が長くなる。反射型ポリクロメータ１から反射するＸ線束全体でみれば、同一焦点Ｆｓに向けて集束すると共に進行方向により異なる波長を持ち連続的に変化するＸ線束全体が作成される。
【００４０】
なお、反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線の波長と、反射Ｘ線のエネルギーとの間には（式３）が成り立つ。
（式３）
λ（Å）＝Ｅ（ｋｅＶ）／１２．３９８
ここで、「λ」は、反射Ｘ線の波長を示し、「Ｅ」は、反射Ｘ線のエネルギーを示している。
【００４１】
このため、光路Ａ１Ｆｓにおける反射Ｘ線のエネルギーについては、ブラッグ反射されるＸ線ビームの波長が短くなる結果、相対的に高くなる。一方、光路Ｃ１Ｆｓにおける反射Ｘ線のエネルギーについては、ブラッグ反射されるＸ線ビームの波長が長くなる結果、相対的に低くなる。反射型ポリクロメータ１から反射するＸ線束全体でみれば、進行方向により異なるエネルギーを持ち連続的に変化するＸ線束全体が作成される。
【００４２】
ここで、反射型ポリクロメータ１の上流側で反射されるＸ線ビームのエネルギーと、下流側で反射されるＸ線ビームのエネルギーとの差は、（式４）により求められる。
（式４）
ＥＨ−ＥＬ＝Ｅ０ｌ（１／Ｒ−ｓｉｎθ０／Ｌｓ−ｃ）ｃｏｔθ０
なお、「ＥＨ」は、反射型ポリクロメータ１の上流側で反射されるＸ線ビームのエネルギーを示し、「ＥＬ」は、反射型ポリクロメータ１の下流側で反射されるＸ線ビームのエネルギーを示している。また、「ｌ」は、反射型ポリクロメータ１の長手方向の長さを示し、「Ｅ０」は、反射型ポリクロメータ１の中心で反射されるＸ線ビームのエネルギーを示している。
【００４３】
このように反射型ポリクロメータ１から反射されたＸ線束の集束点Ｆｓに試料Ｓが配置される。この場合、光路Ａ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、図２に示す角度αＨで試料Ｓに入射される。そして、試料Ｓの表面において同一角度αＨで反射される。一方、光路Ｃ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、角度αＨよりも小さい角度αＬで試料Ｓに入射される。そして、試料Ｓの表面において同一角度αＬで反射される。試料Ｓの表面からの反射Ｘ線のエネルギーにおいても、反射型ポリクロメータ１からの反射Ｘ線と同様に、光路Ａ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は相対的に高く（図２に示すＥＨ）、光路Ｃ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、相対的に低くなっている（図２に示すＥＬ）。
【００４４】
二次元検出器２は、図１に示すように、試料Ｓの表面で反射して発散する反射Ｘ線が入射する位置に配置されている。二次元検出器２は、試料Ｓからの反射Ｘ線の強度を個別に検出するピクセル（画素）を二次元状に配列した構成を有している。各ピクセルの二次元位置は、Ｘ線反射率曲線における散乱ベクトルの値ｑ＝４πｓｉｎα／λを与えるＸ線波長に対応する。ここで、「α」は、入射Ｘ線が試料Ｓの表面となす角（すなわち、視斜角あるいは照射角という）を示し、「λ」は、入射Ｘ線の波長を示している。なお、二次元検出器２は、試料Ｓの表面に平行な水平軸（図３に示すＸ軸）と、試料Ｓの表面に垂直な垂直軸（図３に示すＹ軸）とからなる二次元検出面を有している。
【００４５】
このように構成される二次元検出器２に対して、反射型ポリクロメータ１上のビーム位置Ａ１、Ｃ１間の全てのビーム位置から集束され、試料Ｓの集束点Ｆｓで反射されたＸ線ビームが同時に二次元検出器２に入射される。例えば、図２に示すように、光路Ａ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、ビーム位置Ａ４で二次元検出器２に入射され、光路Ｃ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、ビーム位置Ｃ４で二次元検出器２に入射される。これらのビーム位置Ａ４、Ｃ４を結んだ実線Ａ４−Ｃ４は、試料Ｓからの反射Ｘ線の二次元検出器２における検出パターンを示している。
【００４６】
なお、図２においては、試料Ｓを配置しない場合に光路Ａ１Ｆｓ、Ｃ１Ｆｓをたどり検出器上に到達するＸ線が入射されるビーム位置Ａ３、Ｃ３を示している。これらのビーム位置Ａ３、Ｃ３を結んだ実線Ａ３−Ｃ３は、試料Ｓを配置しない場合の二次元検出器２における検出パターンを示している。また、図２においては、試料Ｓの表面を延長した面が二次元検出器２の検出面と交差する位置を実線ＳDＬ−ＳＤＨで示している。この実線ＳＤＬ−ＳＤＨは、実線Ａ４−Ｃ４と実線Ａ３−Ｃ３との中間位置に配置される。
【００４７】
ここで、図３を参照しながら、本実施の形態に係る反射率曲線測定装置における試料Ｓの表面からの反射Ｘ線及び散漫散乱Ｘ線について説明する。図３は、試料表面からの反射Ｘ線及び散漫散乱Ｘ線を説明するための模式図である。なお、図３においては、反射型ポリクロメータ１及び二次元検出器２を省略している。
【００４８】
図３に示すように、試料Ｓの表面からの反射Ｘ線は、当該反射Ｘ線と試料Ｓの表面の垂線を含む面（散乱面）内で二次元検出器２に入射される。そして、それぞれの反射Ｘ線に対応する散漫散乱Ｘ線も同一の散乱面内で二次元検出器２に入射される。散乱面に直角な方向へ散乱される散漫散乱X線の強度は散乱面内の散乱される散漫散乱X線に比べて数桁低いので、通常は散乱面内に散乱される散漫散乱X線を考えればよい。例えば、光路Ａ１Ｆｓにおける試料表面からの散漫散乱Ｘ線は、散乱面１内で二次元検出器２に入射され、光路Ｃ１Ｆｓにおける試料表面からの散漫散乱Ｘ線は、散乱面２内で二次元検出器２に入射される。
【００４９】
二次元検出器２において、図３に示す実線Ａ４−Ｃ４は、試料表面からの反射Ｘ線の強度分布を示し、その二次元検出面上で斜めの直線状に検出される。異なる位置における反射Ｘ線に対応する散漫散乱Ｘ線は、それぞれ対応する散乱面内に分布される。このため、これらの散漫散乱Ｘ線は、二次元検出面における反射Ｘ線の強度分布を示す斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出されることとなる（図４（ｂ）参照）。
【００５０】
図４は、二次元検出器２における入射Ｘ線の検出パターンの一例を示す図である。なお、図４においては、二次元検出器２が備えるセンサユニットの番号を縦軸及び横軸に示している。例えば、それぞれのピクセルは、一辺が０．１７２ｍｍの角型のセンサで構成される。すなわち、図３に示すピクセルの番号に０．１７２ｍｍを乗算した値が二次元検出器２における検出面の端部からの距離に相当する。
【００５１】
図４（ａ）においては、試料Ｓを配置しない場合に検出される入射Ｘ線の検出パターンＰ１を示し、図４（ｂ）においては、試料Ｓの表面から反射した入射Ｘ線の検出パターンＰ２を示している。検出パターンＰ１は、図２に示す実線Ａ３−Ｃ３に対応する検出パターンであり、検出パターンＰ２は、図２に示す実線Ａ４−Ｃ４に対応する検出パターンである。なお、これらの検出パターンＰ１、Ｐ２は、二次元検出器２に対する入射Ｘ線の二次元強度分布を示している。
【００５２】
二次元検出器２においては、図４（ｂ）に示すように、試料Ｓからの反射Ｘ線の検出パターンＰ２だけでなく、反射Ｘ線に基づく散乱散漫成分（散漫散乱Ｘ線）も同時に検出することができるものとなっている。散漫散乱Ｘ線は、図４（ｂ）に示すように、二次元検出面で斜めの直線状に検出される検出パターンＰ２上の各点を含む鉛直線上に検出される。二次元検出器２においては、試料Ｓを配置する前後における、これらの検出パターンＰ１、Ｐ２（検出パターンＰ２においては散漫散乱Ｘ線を含む）を測定し、これらを二次元強度分布測定値として分析装置３に出力するものとなっている。
【００５３】
図４（ｂ）に示す点線Ｘ３、Ｘ４における反射Ｘ線強度及び散漫散乱Ｘ線強度分布を図５に示す。図５（ａ）において、「Ｘ３ａ」は、ある反射Ｘ線Ｘ３に対応する鏡面反射Ｘ線強度を示し、「Ｘ３ｂ」は、反射Ｘ線Ｘ３に対応する散漫散乱Ｘ線強度の分布を示している。また、図５（ｂ）において、「Ｘ４ａ」は、反射Ｘ線Ｘ３と異なる反射Ｘ線Ｘ４に対応する鏡面反射Ｘ線強度を示し、「Ｘ４ｂ」は、反射Ｘ線Ｘ４に対応する散漫散乱Ｘ線強度の分布を示している。
【００５４】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る反射率曲線測定装置においては、反射Ｘ線Ｘ３に対応する反射Ｘ線強度Ｘ３ａと、異なる反射Ｘ線Ｘ４に対応する散漫散乱Ｘ線強度の分布Ｘ４ａとは重ならない。このため、これらを分離することができ、信号対雑音比 (signal-to-noise ratio)の良好なデータを得ることが可能となる。なお、この分離処理は、例えば、後述する分析装置３で行われる。
【００５５】
分析装置３は、二次元検出器２から出力される反射Ｘ線の二次元強度分布測定値に基づいてＸ線反射率曲線全体を求めるようにプログラムされている。具体的には、試料Ｓを配置する前の検出パターンＰ１に対応する反射Ｘ線の二次元強度分布測定値を予め保持しておき、この二次元強度分布測定値と、試料Ｓを配置した後の検出パターンＰ２に対応する反射Ｘ線の二次元強度分布測定値との比を求めることでＸ線反射率曲線を求める。ここで、Ｘ線反射率は、試料Ｓの表面に垂直な方向での散乱ベクトルｑ＝４πｓｉｎα／λの関数として変化するので、二次元強度分布測定値からＸ線反射率のｑ依存性の曲線であるＸ線反射率曲線Ｒ（ｑ）を分析装置３において求めている。なお、二次元検出器２からは、試料Ｓからの全ての反射Ｘ線に応じて測定された二次元強度分布測定値が出力されることから、分析装置３においては、反射型ポリクロメータ１に入射される実線Ａ１−Ｃ１上の全てのＸ線ビームに対応するＸ線反射率曲線を一括的に求めることができる。
【００５６】
上述した光路Ａ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、そのエネルギーが相対的に高く、試料Ｓの表面となす角度（図２に示すαＨ）が大きいことから、試料Ｓの表面に垂直な方向での散乱ベクトルｑも相対的に大きくなる。一方、光路Ｃ１Ｆｓにおける反射Ｘ線は、そのエネルギーが相対的に低く、試料Ｓの表面となす角度（図２に示すαＬ）が小さいことから、試料Ｓの表面に垂直な方向での散乱ベクトルｑも相対的に小さくなる。反射型ポリクロメータ１上のビーム位置Ａ１−Ｃ１間の反射Ｘ線においては、ビーム位置に応じて連続的に変化する散乱ベクトルｑ（Ｘ線反射率曲線）が求められることとなる。
【００５７】
また、分析装置３は、Ｘ線反射率曲線Ｒ（ｑ）の演算に先立って、反射Ｘ線に基づく散乱散漫成分（散漫散乱Ｘ線）を、所望の信号成分（検出パターンＰ２）から分離して除去するようにプログラムされている。図６は、分析装置３により散乱散漫成分が除去された後の二次元検出器２における検出パターンを示している。なお、図６においては、分析装置３の除去処理結果を、説明の便宜上、二次元検出器２の検出パターンの態様で示したものである。分析装置３の除去処理により、図６に示すように、散乱散漫成分が除去され、検出パターンＰ２のみが検出された状態となる。したがって、Ｘ線反射率曲線Ｒ（ｑ）の演算には、所望の信号成分のみを用いることが可能となる。
【００５８】
分析装置３による反射Ｘ線に基づく散乱散漫成分の除去は、二次元検出器２における二次元検出面上で斜めの直線状に検出される反射Ｘ線強度の各点のＸ線強度から、当該斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出される散漫散乱Ｘ線強度分布から求められるバックグラウンド強度を差し引くことで行われる。これにより、散漫散乱成分を含んでいない反射Ｘ線強度を正確に検出でき、この反射Ｘ線強度を反映したＸ線反射率曲線Ｒ（ｑ）を求めることができる。
【００５９】
図７は、本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置で測定されるＸ線反射率曲線の一例を示す図である。図７においては、縦軸の反射率（Reflectivity）を示し、横軸に散乱ベクトルｑを示している。なお、図７においては、試料Ｓが厚みを有するシリコン単結晶板で構成される場合のＸ線反射率曲線の一例を示している。図７に示すＸ線反射率曲線においては、反射率が１から急激に低下する位置（臨界角）の位置に基づいて試料物質の密度を求めることができ、曲線の強度減衰に基づいて試料表面の粗さを求めることができる。
【００６０】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置の動作について説明する。まず、Ｘ線源から出射されたＸ線ビームが、反射型ポリクロメータ１の上流側に設けられたスリットを介して反射型ポリクロメータ１上のビーム位置Ａ１、Ｃ１に入射される。反射型ポリクロメータ１において、ビーム位置Ａ１、Ｃ１間の全てのビーム位置からの反射Ｘ線が試料Ｓ上の集束点Ｆｓに集束されると共に、水平方向の集束角に応じて鉛直面内でＸ線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化するＸ線束全体が作成される。
【００６１】
反射型ポリクロメータ１で作成されたＸ線束は、試料Ｓの集束点Ｆｓに集束した後、集束角と同じ角度で拡散して二次元検出器２に入射される。二次元検出器２においては、反射Ｘ線の二次元強度分布が並列に測定される。そして、反射Ｘ線の二次元強度分布測定値が分析装置３へ出力される。分析装置３においては、二次元検出器２からの二次元強度分布測定値に基づいて図７に示すようなＸ線反射率曲線Ｒ（ｑ）を求める。
【００６２】
このように本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置においては、所定角度だけ捻りを加えられた湾曲結晶からなる反射型ポリクロメータ１の湾曲面でＸ線を反射させて集束後発散し進行方向に依存して照射角が連続的に変化するＸ線束を作成し、その集束点Ｆｓに配置された試料表面からの反射Ｘ線の二次元強度分布に基づいてＸ線反射率曲線を求めることから、進行方向に依存して照射角が連続的に変化するＸ線束に応じて一括的にＸ線反射率曲線を求めることができるので、試料等の機械的な回転を必要とすることなく、Ｘ線反射率曲線の測定時間を短縮することが可能となる。Ｘ線源がローランド円上に配置される場合にはＸ線波長は単一となり、ローランド円上からはるかに離れて配置される場合にはＸ線波長は結晶の端から端に向かうにしたがって変化する。
【００６３】
特に、本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置においては、試料Ｓの上面から見て扇型に集束されるＸ線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内でＸ線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化するＸ線束を作成していることから、十分に広い移行運動量ｑの範囲でのＸ線反射率曲線を測定することが可能となる。
【００６４】
また、本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置においては、分析装置３において、二次元検出器２の二次元検出面上で斜めの直線状に検出される各点のＸ線強度から、当該斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出される散漫散乱Ｘ線強度分布から求められるバックグラウンド強度を差し引いてＸ線反射率曲線を求めることから、これにより、散漫散乱成分を含んでいない反射Ｘ線強度を正確に検出でき、この反射Ｘ線強度を反映したＸ線反射率曲線Ｒ（ｑ）を求めることができる。
【００６５】
さらに、本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置においては、Ｘ線源からのＸ線を反射型ポリクロメータ１で試料Ｓに対して反射させる構成を有することから、反射型ポリクロメータ１と試料Ｓの集束点Ｆｓとの距離を適宜に選択することができる。これにより、試料Ｓの周囲に自由空間を確保することができるので、試料Ｓの環境を容易に制御することが可能となる。
【実施例】
【００６６】
本実施の形態に係るＸ線反射率曲線測定装置において、反射型ポリクロメータ１上のビームＡ１、Ｃ１で高さの差が６ｍｍ程度で反射型ポリクロメータ１から焦点Ｆｓまでの距離が５０ｃｍ程度の場合において、反射型ポリクロメータの捻じ曲げ角度を４．５°程度にすると、光路Ａ１Ｆｓの反射Ｘ線と光路Ｃ１Ｆｓの反射Ｘ線とでは０．６５°程度の角度差をつけることができた。この場合、光路Ａ１Ｆｓの反射Ｘ線のエネルギーは、約２２．３ｋｅＶであり、光路Ｃ１Ｆｓに反射Ｘ線のエネルギーは、約２０．３ｋｅＶであった。また、試料Ｓでの移行運動量（試料Ｓの表面に垂直な方向での散乱ベクトルｑ）の最小値ｑｍｉｎｉは０．０１Å−１、最大値ｑｍａｘは０．２５Å−１程度を実現できた。
【００６７】
Ｘ線ビームは、ビーム位置Ａ１、Ｃ１で鉛直方向での高さが約６ｍｍ異なり、Ｘ線源からの距離にも依存するが、反射型ポリクロメータ１上のビーム位置Ａ１でのＸ線強度Ｉ０Ａ１と、ビーム位置Ｃ１でのＸ線強度Ｉ０Ｃ１とでは１０−６〜７：１程度の比になる。しかしながら、光路Ｃ１Ｆｓのビームに対する反射率ＲＣ１Ｆｓが１程度であり、光路Ａ１Ｆｓに対する反射率ＲＡ１Ｆｓが１０−７〜８程度であるので、二次元検出器２に入射するＸ線の強度は、Ｉ０Ａ１×ＲＡ１Ｆｓ：Ｉ０Ｃ１×ＲＣ１Ｆｓ〜１：１〜０．１と見積もられ、二次元検出器２のダイナミックレンジの範囲内での測定が可能となる。
【００６８】
以上の説明においては、Ｘ線反射率曲線の同時測定について説明したが、中性子線の反射率曲線の同時測定にも同様に適用できる。例えば、反射型ポリクロメータ１を用いて中性子線の進行方向に依存して中性子線波長及び照射角が連続的に変化する中性子線束を作成して試料Ｓに照射することで、このような中性子線の反射率曲線の同時測定にも適用することが可能となる。また、Ｘ線回折強度曲線の同時測定にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、薄膜の構造変化の実時間追跡するシステムに適用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１ 反射型ポリクロメータ
２ 二次元検出器
３ 分析装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料上面から見て扇型に集束されるＸ線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内でＸ線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化するＸ線束を作成し、試料表面で反射されたＸ線強度分布を二次元検出器で測定し、その二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化するＸ線反射率曲線を求めることを特徴とするＸ線反射率曲線の測定方法。
【請求項２】
前記二次元検出器は、試料表面に平行な水平軸と試料表面に垂直な垂直軸とからなる二次元検出面を有し、前記二次元検出面上で前記水平軸に対して斜めの直線状に検出される各点のＸ線強度から、前記斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出される散漫散乱Ｘ線強度分布から求められるバックグラウンド強度を差し引いて前記Ｘ線反射率曲線を求めることを特徴とする請求項１記載のＸ線反射率曲線の測定方法。
【請求項３】
結晶表面垂線が水平面内に留まるように湾曲させた結晶の一端の結晶表面垂線が水平面から所定角度だけ下を向くように捻りが加えられ、湾曲面でＸ線を反射させて集束後発散し進行方向に依存して照射角が連続的に変化するＸ線束を試料表面に照射する湾曲結晶と、前記試料の後方に配置され、前記試料表面で反射した反射Ｘ線が入射する二次元検出器と、前記二次元検出器で検出された反射Ｘ線の二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化するＸ線反射率曲線を求める分析装置とを具備することを特徴とするＸ線反射率曲線の測定装置。
【請求項４】
試料上面から見て扇型に集束される中性子線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内で中性子線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化する中性子線ビームを作成し、試料表面で反射された中性子線強度分布を二次元検出器で測定し、その二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化する中性子線反射率曲線を求めることを特徴とする中性子線反射率曲線の測定方法。
【請求項５】
前記二次元検出器は、試料表面に平行な水平軸と試料表面に垂直な垂直軸とからなる二次元検出面を有し、前記二次元検出面上で前記水平軸に対して斜めの直線状に検出される各点の中性子線強度から、前記斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出される散漫散乱中性子線強度分布から求められるバックグラウンド強度を差し引いて前記中性子線反射率曲線を求めることを特徴とする請求項４記載の中性子線反射率曲線の測定方法。
【請求項６】
結晶表面垂線が水平面内に留まるように湾曲させた結晶の一端の結晶表面垂線が水平面から所定角度だけ下を向くように捻りが加えられ、湾曲面で中性子線を反射させて集束後発散し進行方向に依存して照射角が連続的に変化する中性子線束を試料表面に照射する湾曲結晶と、前記試料の後方に配置され、前記試料表面で反射した反射中性子線が入射する二次元検出器と、前記二次元検出器で検出された反射中性子線の二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化する中性子線反射率曲線を求める分析装置とを具備することを特徴とする中性子線反射率曲線の測定装置。
【請求項１】
試料上面から見て扇型に集束されるＸ線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内でＸ線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化するＸ線束を作成し、試料表面で反射されたＸ線強度分布を二次元検出器で測定し、その二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化するＸ線反射率曲線を求めることを特徴とするＸ線反射率曲線の測定方法。
【請求項２】
前記二次元検出器は、試料表面に平行な水平軸と試料表面に垂直な垂直軸とからなる二次元検出面を有し、前記二次元検出面上で前記水平軸に対して斜めの直線状に検出される各点のＸ線強度から、前記斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出される散漫散乱Ｘ線強度分布から求められるバックグラウンド強度を差し引いて前記Ｘ線反射率曲線を求めることを特徴とする請求項１記載のＸ線反射率曲線の測定方法。
【請求項３】
結晶表面垂線が水平面内に留まるように湾曲させた結晶の一端の結晶表面垂線が水平面から所定角度だけ下を向くように捻りが加えられ、湾曲面でＸ線を反射させて集束後発散し進行方向に依存して照射角が連続的に変化するＸ線束を試料表面に照射する湾曲結晶と、前記試料の後方に配置され、前記試料表面で反射した反射Ｘ線が入射する二次元検出器と、前記二次元検出器で検出された反射Ｘ線の二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化するＸ線反射率曲線を求める分析装置とを具備することを特徴とするＸ線反射率曲線の測定装置。
【請求項４】
試料上面から見て扇型に集束される中性子線束であって、水平方向の集束角に応じて鉛直面内で中性子線ビームと試料表面となす角度が連続的に変化する中性子線ビームを作成し、試料表面で反射された中性子線強度分布を二次元検出器で測定し、その二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化する中性子線反射率曲線を求めることを特徴とする中性子線反射率曲線の測定方法。
【請求項５】
前記二次元検出器は、試料表面に平行な水平軸と試料表面に垂直な垂直軸とからなる二次元検出面を有し、前記二次元検出面上で前記水平軸に対して斜めの直線状に検出される各点の中性子線強度から、前記斜めの直線上の各点を含む鉛直線上に検出される散漫散乱中性子線強度分布から求められるバックグラウンド強度を差し引いて前記中性子線反射率曲線を求めることを特徴とする請求項４記載の中性子線反射率曲線の測定方法。
【請求項６】
結晶表面垂線が水平面内に留まるように湾曲させた結晶の一端の結晶表面垂線が水平面から所定角度だけ下を向くように捻りが加えられ、湾曲面で中性子線を反射させて集束後発散し進行方向に依存して照射角が連続的に変化する中性子線束を試料表面に照射する湾曲結晶と、前記試料の後方に配置され、前記試料表面で反射した反射中性子線が入射する二次元検出器と、前記二次元検出器で検出された反射中性子線の二次元強度分布から試料表面に垂直な方向の散乱ベクトルの関数として変化する中性子線反射率曲線を求める分析装置とを具備することを特徴とする中性子線反射率曲線の測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１３６５９（Ｐ２０１２−１３６５９Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５３３１０（Ｐ２０１０−１５３３１０）
【出願日】平成２２年７月５日（２０１０．７．５）
【出願人】（５０４１５１３６５）大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (125)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月５日（２０１０．７．５）
【出願人】（５０４１５１３６５）大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構 (125)
【Ｆターム（参考）】
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