(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射層と、該反射層を形成する元素よりも原子番号の小さい元素を含むスペーサ層とを交互に複数組積層して構成された人工格子を基板上に備え、入射Ｘ線を回折して回折Ｘ線を発生させるＸ線分光素子において、
前記反射層及びスペーサ層が、エピタキシャル成長した立方晶の結晶構造を有し、
前記人工格子全体が実質的に単結晶であり、
下層側の前記反射層又は前記スペーサ層の上に上層側の前記スペーサ層又は前記反射層がストランスキー・クラスタノフ様式でエピタキシャル成長しており、
成長厚さの平均値が臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さを超えて成長した前記スペーサ層又は前記反射層の部分が三次元島状となり、
三次元島に覆われずに残された原子レベルで平滑な表面が反射層／スペーサ層の界面になっていることを特徴とするＸ線分光素子。
【請求項２】
スペーサ層としてのＡｌ及び反射層としてのＡｇ又はＩｒが複数層交互に積層され、立方晶の単位格子に関して前記反射層及び前記スペーサ層の結晶成長方位が＜１１１＞である請求項１記載のＸ線分光素子。
【請求項３】
スペーサ層としてのＡｌ及び反射層としてのＦｅ又はＣｒが複数層交互に積層され、立方晶の単位格子に関して前記反射層及び前記スペーサ層の結晶成長方位が＜００１＞である請求項１記載のＸ線分光素子。
【請求項４】
ＭｇＯ、Ｓｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕから選ばれた立方晶結晶を基板とし、立方晶単位格子に関して基板の表面方位が＜１１１＞である請求項１又は２記載のＸ線分光素子。
【請求項５】
ＭｇＯ、Ｓｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕから選ばれた立方晶結晶を基板とし、立方晶単位格子に関して基板の表面方位が＜００１＞である請求項１又は３記載のＸ線分光素子。
【請求項６】
膜厚５００Å以上のＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄから選ばれた緩衝層が基板と人工格子との間に形成されている請求項１，２又は４記載のＸ線分光素子。
【請求項７】
前記基板上に膜厚５００Å以上のＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄから選ばれた緩衝層又は膜厚１００Å以上のＦｅ、Ｃｒから選ばれた緩衝層が基板と人工格子との間に形成されている請求項１，３又は５記載のＸ線分光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、重元素からなる反射層及び軽元素からなるスペーサ層を交互に複数層積層した構造をもち、反射率が高いＸ線分光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線分光素子として、金属酸フタレート，熱分解グラファイト，ＬＢ法で成膜された結晶性構造体等が使用されている。しかし、これらの天然結晶性材料は、結晶格子の面間隔が定まっており、必要なＸ線波長及びビーム入射角を同時に満足するには厳しい制限があり、得られるＸ線反射率も低い。そこで、重元素からなる反射層及び軽元素からなるスペーサ層を交互に積層した多層膜や多層構造体（いわゆる人工格子）等がＸ線分光素子として開発されている。
反射層やスペーサ層の形成には、多源蒸着法，マグネトロンスパッタ堆積法，３極スパッタ堆積法，イオンビームスパッタ堆積法，反応性ガス注入蒸着法等、種々の蒸着法が採用されている。各層の厚さは、シャッターの開閉又は材料源に対する基板の相対移動により、更には両者の組合せによって制御される。従来の人工格子は、実質的に微細な多結晶及び／又は非晶質の層から構成されている。
【０００３】
人工格子のＸ線反射率は、積層物質の組合せ，積層周期の正確性，界面の急峻性，平滑性等に強く依存する。界面の急峻性を改善する方法は従来から種々提案されている。しかし、多層膜や多層構造体が依然として多結晶質又は非晶質であるため、仮に理想的に急峻な界面が形成されても構造体内で結晶格子原子面を広範囲に形成できないため、界面の凹凸高さを原子半径以下にすることは原理的に困難であり、平滑性の改善には限界がある。
ところで、Ｘ線分光素子においては、特定波長のＸ線に対する入射ビームの素子表面に対する入射角を大きくすると、角度分解能の向上や全反射Ｘ線によるバックグラウンドの低減に由来する信号／バックグラウンド比（いわゆるＳ／Ｎ比）の増大等、性能の向上が期待できる。このためには、多層構造体の積層周期を短くする必要があるが、積層周期を単に短くすると、界面平滑性の悪さ（界面粗度）が構造体のＸ線反射率に急激な影響を及ぼし始め、反射率を著しく劣化させる。
【０００４】
従来の多層構造Ｘ線分光性反射性構造体では、層間界面平均２乗根（ｒｍｓ）粗度は１．４Å程度が限界であり、理想的な構造体から期待されるＸ線反射率（理論反射率）の１／２以上の反射率を得ることが困難である。更に、多結晶又は非晶質であるため、界面が粗いことと相俟って、構成層の密度がバルク密度より小さくなって反射率が低下する影響も加わり、実用上十分な強度が得られない。特に、分析上重要で適切な天然結晶のない対象Ｘ線波長が十〜数十Åと長い軟Ｘ線領域で、入射角を数十度にする場合、積層周期を従来の人工格子より小さく１０Å程度にする必要がある。
【０００５】
そこで、入射Ｘ線を回折して回折Ｘ線を発生させるＸ線分光素子として、反射層形成元素よりも原子番号の小さいＡｌからなるスペーサ層を反射層と交互に複数組積層して構成された人工格子を基板上に設けたＸ線分光素子が提案された（特願平１０−０８９９０２号）。反射層及びスペーサ層は、エピタキシャル成長による立方晶の結晶構造をもち、結晶成長方位が立方晶の単位格子に関して＜００１＞であり、人工格子全体が単結晶をなしている。反射層及びスペーサ層が交互に複数層積層された多層構造であるため層間の電子密度のコントラストが大きく、人工格子全体が単結晶をなして層間の界面が原子レベルで平滑になっているので、短い積層周期でも反射率を向上させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、たとえば汎用の分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法で反射層及びスペーサ層をエピタキシャル成長させると、成長条件によっては積層した反射層又はスペーサ層の厚さが原子面間隔の正確な整数倍にならず、１原子層以下の厚さに相当する個数の過剰原子が原子レベルで平滑な表面の上に堆積し、１原子層高さのステップを表面に形成することがある。この場合、その後に積層したスペーサ層又は反射層との界面に凹凸が生じ、結果としてＸ線の反射率が低下する。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さを超えてエピタキシャル成長する際に生じる三次元島で覆われていない表面が原子レベルで平滑になっていることを利用することにより、反射層／スペーサ層の界面の平滑化を図り、作製が容易・確実であって原子レベルで平滑な界面を有して短い積層周期でも反射率を向上させたＸ線分光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、その目的を達成するため、反射層と、該反射層を形成する元素よりも原子番号の小さい元素を含むスペーサ層とを交互に複数組積層して構成された人工格子を基板上に備え、入射Ｘ線を回折して回折Ｘ線を発生させるＸ線分光素子において、
反射層及びスペーサ層が、エピタキシャル成長した立方晶の結晶構造を有し、
人工格子全体が単結晶をなし、
下層側の反射層又はスペーサ層の上に上層側のスペーサ層又は反射層がストランスキー・クラスタノフ様式でエピタキシャル成長しており、
平均厚さが臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さを超えて成長したスペーサ層又は反射層の部分が三次元島状となり、
三次元島に覆われずに残された原子レベルで平滑な表面が反射層／スペーサ層の界面になっていることを特徴とする。
【０００８】
スペーサ層としてＡｌ、反射層としてのＡｇ又はＩｒを使用する場合、立方晶の単位格子に関して反射層及びスペーサ層の結晶成長方位を＜１１１＞にする。スペーサ層としてＡｌ、反射層としてＦｅ又はＣｒを使用する場合、立方晶の単位格子に関して反射層及びスペーサ層の結晶成長方位を＜００１＞にする。
基板にＭｇＯ、Ｓｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕから選ばれた立方晶結晶を使用する場合、立方晶単位格子に関して基板の表面方位を反射層及びスペーサ層に応じて＜１１１＞又は＜００１＞にする。
【０００９】
基板と人工格子との間に緩衝層を設けてもよい。Ａｌ（スペーサ層）／Ａｇ又はＩｒ（反射層）の組合せでは、膜厚５００Å以上のＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄから選ばれた緩衝層が基板と人工格子との間に形成される。Ａｌ（スペーサ層）／Ｆｅ又はＣｒ（反射層）の組合せでは、膜厚５００Å以上のＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄから選ばれた緩衝層又は膜厚１００Å以上のＦｅ、Ｃｒから選ばれた緩衝層が基板と人工格子との間に形成される。
【００１０】
【作用】
本発明のＸ線分光素子においては、下層側の反射層又はスペーサ層の上に上層側のスペーサ層又は反射層をストランスキー・クラスタノフ様式でエピタキシャル成長させ、スペーサ層又は反射層の平均厚さ（公称成長厚さ）が臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さを超えるまで成長を継続させている。臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さを超えた部分は、三次元島状になる。三次元島に覆われずに残された表面は、原子レベルで平滑になっている。この平面を反射層／スペーサ層の界面とすることにより、層間の電子密度のコントラストが大きく、短い積層周期でも反射率が向上するため、分光素子に対する入射角が大きくでき、回折Ｘ線の強度が向上する。三次元島は、面積的にみて無視できる程度に小さく、回折Ｘ線強度に悪影響を及ぼすことはない。
【００１１】
スペーサ層にＡｌ，反射層にＡｇ又はＩｒを選択し、立方晶の単位格子に関して＜１１１＞に反射層及びスペーサ層の結晶成長方位を揃えるとき、反射層とスペーサ層との電子密度のコントラストが大きくなり、反射層とスペーサ層との界面が原子レベルで一層平滑化できるので、高品質のＸ線分光素子を高精度で且つ容易に作製できる。また、スペーサ層としてＡｌ，反射層としてＦｅ又はＣｒを選択し、立方晶の単位格子に関して反射層及びスペーサ層の結晶成長方位を揃えるとき、同様に高品質のＸ線分光素子を高精度で且つ容易に作製できる。
【００１２】
Ａｌ（スペーサ層）／Ａｇ又はＩｒ（反射層）の組合せでは、ＭｇＯ、Ｓｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕから選ばれた立方晶構造の単結晶を基板に使用し、立方晶単位格子に関して＜１１１＞に基板の表面方位を揃えることが好ましい。かかる基板の構成により、単結晶質の人工格子を基板上に形成することが容易となる。Ａｌ（スペーサ層）／Ｆｅ又はＣｒ（反射層）の組合せでは、ＭｇＯ，Ｓｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕから選ばれた立方晶構造の基板を使用し、立方晶単位格子に関して＜００１＞に基板の表面方位を揃えるとき、同様に単結晶質の人工格子の形成が容易になる。また、スペーサ層／反射層の組合せに応じて基板を選択することにより、基板の表面に人工格子を直接形成することも可能になる。
基板と人工格子との間に緩衝層を設けてもよい。緩衝層を介在させるとき、基板に表面凹凸があっても単結晶質の人工格子が基板上に形成される。
【００１３】
【実施の形態】
Ｘ線分光素子を利用した蛍光Ｘ線分析装置では、たとえば図１に示すように、試料ＳにＸ線源１から一次Ｘ線Ｌ１を照射し、試料Ｓから発生する二次Ｘ線Ｌ２をＸ線分光素子２で分光し、分光された蛍光Ｘ線Ｌ３の強度を検出器３で測定する。
Ｘ線分光素子２は、図２に示すように、基板２ａ上に人工格子２ｂを設けている。基板２ａと人工格子２ｂとの間には、必要に応じて緩衝層２ｃが形成される。人工格子２ｂは、複数の反射層２ｄｉ（ｉ＝１〜ｎ）及び反射層形成元素よりも原子番号の小さい元素を含むスペーサ層２ｅｉ（ｉ＝１〜ｎ）を交互に積層した多層構造をもつ。なお、理解を容易にするため、図２では実際とは異なる厚さ関係で各層を示している。Ｘ線源１から一次Ｘ線Ｌ１を試料Ｓに入射することにより発生した二次Ｘ線Ｌ２が照射されると、二次Ｘ線Ｌ２がＸ線分光素子２で回折され、回折Ｘ線（すなわち、分光された蛍光Ｘ線Ｌ３）が発生する。
【００１４】
反射層２ｄｉ及びスペーサ層２ｅｉは、エピタキシャル成長した立方晶の結晶構造を有している。たとえば、スペーサ層２ｅｉがＡｌ、反射層２ｄｉがＡｇ又はＩｒの組合せが採用され、立方晶の単位格子に関し反射層２ｄｉ及びスペーサ層２ｅｉの結晶成長方位が＜１１１＞であり、人工格子２ｂ全体が単結晶となっている。或いは、スペーサ層２ｅｉがＡｌ、反射層２ｄｉがＦｅ又はＣｒの組合せでは、立方晶の単位格子に関し＜００１＞に反射層２ｄｉ及びスペーサ層２ｅｉの結晶成長方位が揃えられる。
【００１５】
基板２ａには、ＭｇＯ，Ｓｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕから選ばれた１つの立方晶の結晶が使用される。人工格子２ｂ中の反射層２ｄｉがＡｇ又はＩｒの場合、立方晶単位格子に関し基板２ａの表面方位は＜１１１＞方位に揃えられ、厚さ５００Å以上のＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ選ばれた緩衝層２ｃが基板２ａ上に形成される。反射層２ｄｉがＦｅ又はＣｒの場合、立方晶単位格子に基板２ａの表面方位は＜００１＞に揃えられ、厚さ５００Å以上のＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｄ及び厚さ１００Å以上のＦｅ，Ｃｒから選ばれた緩衝層２ｃが基板２ａ上に形成される。具体的には、成長温度１００℃でＡｌ，Ｃｒ共に成長速度０．２Å／秒で成長させる。
【００１６】
Ｘ線分光素子２を構成する結晶膜の結晶方位は、成膜条件により制御される。たとえば、エピタキシャル膜の形成に採用されている分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法では、成膜温度，分子線束強度，成膜一時停止時間等の成膜条件を変化させる。超高真空マグネトロンスパッタ堆積法では、成膜温度，スパッタガス圧力，スパッタガス種，基板とスパッタ源の距離，スパッタリング電力を変化させる。超高真空イオンビームスパッタ堆積法では、成膜温度，イオンビーム電流，加速電圧，基板とスパッタ材料の距離等を変化させる。
【００１７】
使用する成膜装置の特質に応じて各種成膜条件を選定することにより、ヘテロエピタキシー膜が形成される。交互成膜の場合でも、組合せ物質の選定によっては膜全体が単結晶となる。分子線エピタキシー法では、Ｆｅ／Ａｕ人工格子において周期２原子層の単結晶人工格子が形成できる（Ｋ．  Ｔａｋａｎａｓｈｉ，  Ｓ．  Ｍｉｔａｎｉ，  Ｍ．  Ｓａｎｏ，  Ｈ．  Ｆｕｊｉｍｏｒ，  Ｈ．  Ｎａｋａｊｉｍａ  ａｎｄ  Ａ．  Ｏｓａｗａ：  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ６７  （１９９５）  １０１６．参照）。超高真空マグネトロンスパッタ堆積法でも単結晶人工格子の作製が可能である（Ｔ．  Ｋｉｎｇｅｔｓｕ  ａｎｄ  Ｆ．  Ｙｏｓｈｉｚａｋｉ：  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ３３  （１９９４）  ２０４１．  参照）。単結晶人工格子の作製は、超高真空イオンビームスパッタ堆積法でも可能である（Ｙ．  Ｓａｉｔｏ  ａｎｄ  Ｋ．  Ｉｎｏｍａｔａ：  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ３０  （１９９１）  Ｌ１７３３．  参照）。
【００１８】
人工格子２ｂの反射層２ｄｉ及びスペーサ層２ｅｉにおける結晶成長の方位を面心立方晶の単位格子に関して＜１１１＞又は＜００１＞とすることは、次の理由による。
面心立方（ＦＣＣ）構造のエピタキシーでは、一般論として＜１１１＞、＜００１＞、＜０１１＞の成長方位が可能であることが知られている。分子線エピタキシー法においては、成長中に反射高速電子回折（ＲＨＥＥＤ）法を使用して、成長膜の表面構造を監視できる他、電子ビームの鏡面反射強度を測定することにより、成長の様式を推定できる。二次元島状成長している場合には、反射強度が周期的に振動するＲＨＥＥＤ振動が観察される。
＜０１１＞成長方位では、面間隔が小さく、人工格子周期設定の自由度は大きくなるが、表面エネルギーが大きくなるので、表面エネルギーの低い（１１１）面のファセティングを伴う場合があり、ヘテロエピタキシーにおける界面の平滑性が損なわれることがある。
【００１９】
これに対し、＜１１１＞方位の成長では、（１１１）表面の表面エネルギーが低いので、一般に、成長が容易に進行する。
また、＜００１＞方位の成長では、ＲＨＥＥＤにおいてしばしばＲＨＥＥＤ振動が観察され、二次元成長となり、原子レベルで平滑なヘテロエピタキシー界面が得られやすい。さらに、＜００１＞方向の成長では、体心立方（ＢＣＣ）構造を有する物質をＦＣＣ結晶上に積層した場合、（００１）ＢＣＣ／／（００１）ＦＣＣ、［１１０］ＢＣＣ／／［１００］ＦＣＣの関係を満たし、且つ界面での二次元正方単位格子がほぼ一致すると、結晶面内の二次元等方的弾性変形により界面が整合する。この場合も単結晶と実質的に同様な結晶（すなわち、結晶面間隔が異なるものの、転位等の格子欠陥がほとんどない結晶）が得られる。この場合、２物質の成長面に平行な結晶面間隔が異なるため、人工格子周期設定の自由度が増す。以上のことから、結晶成長方向は＜００１＞が適していることが判る。これらの性質は、分子線エピタキシー法による人工格子成長に限られるものではなく、成膜中の環境がＲＨＥＥＤ観察に適していないためＲＨＥＥＤ振動は観察できないものの、超高真空スパッタ堆積法でも同様なメカニズムが適用できる。
【００２０】
下層の反射層２ｄｉ−１やスペーサ層２ｅｉ−１の上にスペーサ層２ｅｉ又は反射層２ｄｉがストランスキー・クラスタノフ様式でエピタキシャル成長し、スペーサ層２ｅｉ又は反射層２ｄｉの平均厚さが臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さを超えるとき、臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さを超えた部分が三次元島状になる。三次元島に覆われずに残された原子レベルで平滑な表面は、反射層２ｄｉとスペーサ層２ｅｉとの界面になり、回折Ｘ線強度を効果的に向上させる。この効果は、ＭＢＥ法に限ったものではなく、他の方法による人工格子２ｂのエピタキシャル成長に対しても有効である。
【００２１】
ストランスキー・クラスタノフ様式の成長とは、下地層の上に成長する層が、臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さと呼ばれるある厚さまでは層状に成長するが、それを超えて原子を積層していくと超えた部分に相当する原子が凝集し三次元の島を形成する成長である。ストランスキー・クラスタノフ様式の成長が生じる原因は明確には解明されていないが、成膜する物質の表面エネルギーが下地結晶の表面エネルギーよりも小さく、且つ膜原子と下地結晶原子の結合力が強く、膜の層状成長がある程度進行すると膜の内部エネルギーが初期状態から変化し、或いは膜の表面エネルギーが変化するため、層状成長から島状成長に変わるものと考えられる。
【００２２】
現在までに知られているストランスキー・クラスタノフ様式成長の場合、膜と下地結晶の格子定数が異なり、膜成長の初期には下地結晶と同じ格子定数で膜が成長するが、膜厚の増加と共に歪みエネルギーが増大するため、そのまま層状成長が継続すると、系のひずみエネルギーが非常に大きくなる。そこで、成長しても歪みエネルギーの増加を可能な限り抑える成長（換言すれば、島状成長）になることも一つの原因と考えられる。このとき、島の格子定数は膜物質本来の格子定数に戻る場合が多いが、島が小さな場合には下地結晶の格子定数と同じになることもある。
【００２３】
成長条件からみると、ストランスキー・クラスタノフ様式の成長は、成長速度が遅く系が平衡状態に近い場合に現れやすく、速い成長速度では島状成長が現れにくくなる。また、基板温度（成長温度）が低いと蒸着原子の表面拡散が遅く、原子の凝集が遅れるので島が形成され難くなる。更に、基板の結晶方位に応じて原子配列，ひいては膜の歪みエネルギーが異なるため、同じ膜物質と基板との組合せ、すなわち同じ格子不整合でもストランスキー・クラスタノフ様式成長の現れ方が異なる。
【００２４】
ストランスキー・クラスタノフ様式の成長では、過剰の原子数が１原子層厚よりも少ない場合、過剰の原子が凝集して形成される三次元島で覆われない部分は原子レベルで平滑化する。一方、臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さよりも薄い層厚で、成長を停止した場合、成長速度と成長時間を精密に制御したとしても、成長層の層の厚さを１原子層厚の正確に整数倍にすることは容易でない。僅かでも過不足があると成長層の表面に原子層高さのステップが形成され、その次の層（いま考えている層が反射層ならばスペーサ層、また、いま考えている層がスペーサ層ならば反射層）との界面に凹凸が生じ、Ｘ線の反射率の低下を招く。この点、ボルマー−ウェーバ様式の成長では、成長初期から膜物質が島状に成長するため、平滑な表面が得られず、更にその上に成長した異種物質との界面が平滑にならない。その結果、平滑な界面群をもつ人工格子を作製できない。
【００２５】
また、フランク・ファン・デル・メルベ様式の成長では、下地結晶の上に膜が層状成長するため、成長部分の原子面の枚数が正確に整数であるとき原子レベルで平滑な表面が形成され、交互積層によって原子レベルで平滑な界面をもつ理想的な人工格子が作製できることが予想される。しかし、膜が正確に整数の枚数になっている原子面からなることを必要とし、実際の成膜で枚数を正確に整数にコントロールすることは大きな技術的困難を伴う。具体的には、整数の枚数をｎ枚とし、実際にｎ枚を目標として成膜するとき、結果として生じる枚数がｎ±α（α：絶対値が１未満の非整数）となり、表面、ひいては界面に原子ステップが現れ平滑性が損なわれる。しかも、各層の厚さにｎ＋１枚の領域とｎ−１枚の領域が現れるため、周期性も悪化する。
【００２６】
これに対し、ストランスキー・クラスタノフ様式成長では、臨界ストランスキー・クラスタノフ膜厚が原子面の枚数でｎとすると、膜物質をｎより若干大きなｎ＋β分だけ蒸着することにより、β部分が凝縮して島を形成し、ｎ部分が原子レベルで平滑な層となる。実際の成膜では、実験上の揺らぎ等に起因して負にならない限度でβ値を小さく設定することにより、島のサイズ及び個数を少なくして大部分が原子レベルで平滑な界面が形成される。
臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さは、組み合わせる物質の格子不整合性及び成長方位によって実質的に定まってしまう。したがって、ｎ＋βを十分に制御することにより、層厚を常にｎ枚の一定に維持し、高精度の周期で交互積層させた周期性に優れた人工格子が作製できる。ｎ＋βは、現在の分子線エピタキシー技術で十分な高精度で制御できる。
【００２７】
原理上では成長速度を速めることによって臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さが変わるはずであるが、膜厚を数枚の原子面数で制御するとき成長速度をかなり遅く設定する必要があるため、成長速度による臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さの厚み制御は実際上ほとんど不可能である。成長温度に関しても、エピタキシーを実現し且つ異種物質間の相互拡散を防止する上で大きく上げることができないため、臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さの制御に使用することは困難である。
【００２８】
基板２ａにはＭｇＯ，Ｓｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕから選ばれた立方晶の単結晶が使用され、立方晶の単位格子に関して＜１１１＞又は＜００１＞に基板２ａの表面方位が選定される。すなわち、＜１１１＞又は＜００１＞方位の単結晶人工格子２ｂをヘテロエピタキシャル成長させる上で、単結晶の基板２ａが必要である。
基板２ａとして、立方晶単位格子に関して実質的に＜１１１＞方位の表面方位をもつ単結晶を基板２ａに使用すると、エピタキシャル成長が容易になる。なかでも、人工格子２ｂの結晶構造と同じＦＣＣ構造をもつＡｕ，Ａｇ又はＣｕの単結晶基板２ａでは、エピタキシャル成長が促進される。＜００１＞方位の単結晶人工格子２ｂをヘテロエピタキシャル成長させる場合、立方晶単位格子に関して実質的に＜００１＞方位の表面方位をもつ単結晶基板２ａが使用される。この場合も、人工格子２ｂの結晶構造と同じＦＣＣ構造をもつＡｕ，Ａｇ又はＣｕの単結晶が好ましく、ＭｇＯ又はＳｉ単結晶のエピタキシャル成長も可能になる。
【００２９】
基板２ａに緩衝層２ｃを形成するとき、結晶性に優れた反射層２ｄｉ及びスペーサ層２ｅｉの成長が容易になる。緩衝層２ｃは、基板２ａの表面にある凹凸が人工格子２ｂに伝播することを防止する作用を呈する。緩衝層２ｃを設けることなく、表面に凹凸のある基板２ａを使用すると、基板２ａの上に成長させた人工格子２ｂの反射層２ｄｉ，スペーサ層２ｅｉ間の界面に基板２ａの表面凹凸が引き継がれる。また、ＦＣＣ構造を有する金属とは異なるＭｇＯ，Ｓｉ等の基板２ａを用いる場合、基板２ａ上に金属をヘテロエピタキシャル成長させると、成長膜が三次元島状成長しやすく、成長の初期に連続膜とならないことが多い。
【００３０】
成長膜が厚くなるに従って、各島が合体し連続膜となる。成長中又は成長後に物質原子の表面拡散が活発となる条件を与えると、膜表面が原子レベルで平滑になっていくことがある。表面拡散を活発化する条件としては、成長温度の高温化，飛来分子の運動エネルギーの増加，成長層の高温保持等がある。
平滑になる条件として、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｄ等の緩衝層２ｃでは５００Å、Ｆｅ，Ｃｒ等の緩衝層２ｃでは厚さ１００Åと物質に依存した臨界膜厚がある。すなわち、緩衝層２ｃの厚さをＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｐｄで５００Å以上、Ｆｅ，Ｃｒで１００Å以上にすると、緩衝層２ｃの表面が原子レベルで平滑になりやすい。他方、緩衝層２ｃの現実的な厚さは５０００Å以下である。このように平滑化した緩衝層２ｃの上に人工格子２ｂを設けるとき、反射層２ｄｉ及びスペーサ層２ｅｉの層間界面も原子レベルで平滑化される。なお、基板２ａの表面の平滑度が十分で、且つ人工格子２ｂを構成する成長膜が三次元島状成長せず第１原子層から連続膜となる場合には、緩衝層２ｃを省略できる。
【００３１】
スペーサ層２ｅｉ及び反射層２ｄｉの材料は、以下のように選択される。
一般に、積層構造Ｘ線分光素子は、積層構造の基本構造としてスペーサーの役割を果たす軽元素から成る物質層と反射層の役割を果たす重元素からなる物質層に分類される。スペーサ層２ｅｉには、対象Ｘ線波長領域において比較的Ｘ線の吸収が少なくＦｒｅｓｎｅｌ反射係数の小さな物質が使用される。たとえば、ＦＣＣ構造をもつＡｌを反射層２ｄｉにするとき、Ａｌと格子整合性がよい立方結晶でＦｒｅｓｎｅｌ反射係数の大きなＡｇ、Ｉｒ、Ｆｅ，Ｃｒ等の物質が反射層２ｄｉに使用される。
【００３２】
Ａｌ，Ａｇ，Ｉｒ，Ｆｅ及びＣｒの格子整合性及び歪単結晶人工格子臨界周期（２層の界面に転位等が生じない周期の上限）は、表１に示す通りである。それぞれの対についての歪単結晶人工格子臨界周期をＪｅｓｓｅｒ  ａｎｄ  ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｍｅｒｅｗｅの式（Ｗ．Ａ．  Ｊｅｓｓｅｒ  ａｎｄ  Ｊ．Ｈ．  ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｍｅｒｗｅ：  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  ６３  （１９８８）  １９２８．参照）より評価すると、対象Ｘ線波長領域に対応する人工格子周期の範囲で単結晶成長することが判る。なお、表１では、立方晶金属ＭとＡｌとを組み合わせた際の条件として、ＭがＡｇ，Ｉｒの場合ではＭ（１００）／／Ａｌ（１００），Ｍ［１００］／／Ａｌ［１００］であり、Ｆｅ、Ｃｒの場合ではＭ（１００）／／Ａｌ（１００）、Ｍ［１１０］／／Ａｌ［１００］を採っている。
【００３３】
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【００３４】
次いで、Ｘ線分光素子２の反射率について検討する。反射層２ｄｉ及びスペーサ層２ｅｉの複数対で構成される周期約１０Åの人工格子２ｂのうち、理想的な構造をもつＡｌ／Ｃｒ人工格子について、層間界面平均２乗根（ｒｍｓ）粗度０Åの場合におけるＣｕＫα線に対する反射率（理論反射率）を物質の複素屈折率から導出されるＦｒｅｓｎｅｌ反射係数から求めた結果を表２に示す。比較のため、従来技術で作製したＡｌ／Ｃｒ人工格子についても併せ示している。
【００３５】
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【００３６】
表２では、基板２ａとしてＭｇＯ，緩衝層２ｃとしてＣｒを用い、Ｘ線が非偏光状態の場合を示している。理論反射率の絶対値が比較的小さいのは層対の数が少ないためであり、層対数の増加に応じて反射率の絶対値は表２の値より遥かに大きくなる。本発明に従ったＡｌ／Ｃｒ人工格子は、従来のＡｌ／Ｃｒ人工格子と比較すると反射率においてやや小さく、劣っているようにもみえる。
【００３７】
しかし、エピタキシャル成長の方法として、たとえば汎用されているＭＢＥ法を用いると、成長条件によっては、積層した反射層２ｄｉ又はスペーサ層２ｅｉの厚さが原子面間隔の正確な整数倍にならず、１原子層以下の厚さに相当する個数の過剰の原子が原子レベルで平滑な表面の上に堆積し、これが表面に１原子層高さのステップを形成することがある。この場合、その後に積層するスペーサ層２ｅｉ＋１又は反射層２ｄｉ＋１との界面に凹凸が生じるため、Ｘ線の反射率が低下することがある。これに対し、本発明例では、層間の界面が結晶格子面で構成されているため、原子レベルで平滑である。そのため、三次元島の存在により人工格子の表面積が基板の表面積より小さくなったとしても、表面積の減少による反射率の劣化は、比較例の界面凹凸に起因する劣化より遥かに小さくなる。
【００３８】
本発明に従って作製したＡｌ／Ｃｒ単結晶人工格子２ｂ（表２）のＣｕＫα線に対するＸ線回折プロファイルを図３に示す。他方、従来法で作製したＡｌ／Ｃｒ人工格子（表２）を同一回折条件下で測定したＸ線回折プロファイルを図４に示す。図３と図４を比較すると、本発明例のＡｌ／Ｃｒ単結晶人工格子２ｂでは、回折ピークｐが高いことが判る。同一回折条件では回折ピークｐの高さが反射率に比例することから、本発明例のＡｌ／Ｃｒ単結晶人工格子２ｂが高い反射率もつことを意味する。短い積層周期でも反射率が高いことから、蛍光Ｘ線分析装置（図２）にＸ線分光素子２を組み込む場合、試料ＳからＸ線分光素子２に入射する二次Ｘ線Ｌ２の入射角を大きく設定することが可能になる。その結果、Ｓ／Ｎ比が増大し、より正確な分光分析が可能となる。
【００３９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のＸ線分光素子は、層間の電子密度のコントラストが大きく、しかも人工格子全体が単結晶をなして層間の界面が原子レベルで平滑になっている。そのため、短い積層周期でも反射率を向上させることができる。更に、下層の反射層又はスペーサ層の上にエピタキシャル成長するスペーサ層又は反射層がストランスキー・クラスタノフ様式で成長し、スペーサ層又は反射層の平均厚さが臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さを超えると、臨界ストランスキー・クラスタノフ厚さを超えた部分が三次元島状となる。三次元島に覆われずに残された表面は原子レベルで平滑になっており、この面を反射層／スペーサ層の界面とすることにより、界面がより一層原子レベルで平滑になるので、製作が容易確実である。その結果、短い積層周期でも反射率の向上したＸ線分光素子が得られ、分光素子に対する入射角を大きくとることができるため、ＳＮ比が増大し、より正確な分光分析が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｘ線分光素子を使用した蛍光Ｘ線分析装置の概略図
【図２】本発明に従ったＸ線分光素子のモデル図
【図３】本発明に従ったＡｌ／Ｃｒ単結晶人工格子のＣｕＫα線に対するＸ線回折プロファイル
【図４】従来法で作製したＡｌ／Ｃｒ単結晶人工格子のＣｕＫα線に対するＸ線回折プロファイル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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