(57)【要約】      （修正有）【課題】位置分解能を持たず強度情報しか得られない通常のＸ線検出器によっても、同じ試料のなかの薄膜・多層膜の深さ方向の構造の違いを画像化できるＸ線撮像装置を提供すること。【解決手段】線状のＸ線ビームに対する面内回転ステージ４の傾斜角度を調整して、試料２上で反射したＸ線ビームのうち、得ようとする空間分解能の多数の開口を符号化規則で配置したアダマールマスク１０を通過するＸ線の積分強度を測定するＸ線検出器３と、アダマールマスク１０の走査によって取得される積分強度の時系列データに対して、符号化に対する逆変換を行って反射Ｘ線の１次元強度プロファイルを取得して、各面内回転角度で当該測定を繰り返して集積されるデータの画像再構成演算を行う画像化演算装置とを備える。【選択図】図１
2014035325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の特定深さの電子密度について面内の不均一分布をＸ線反射率法により取得し画像化する方法であって、
所定厚さで所定幅を有する線状の単色Ｘ線ビームまたは連続スペクトルを有する白色Ｘ線ビームを前記試料に照射し、
前記試料から反射された前記Ｘ線ビームを、Ｘ線検出器の分解能と比較して小さな形状の開口部が所定の符号化規則で配置されたアダマールマスクによって符号化し、
前記アダマールマスクを前記反射されたＸ線ビームの長手方向と平行な方向に走査し、
前記アダマールマスクの走査によって得たＸ線強度プロファイルデータを記憶し、
画像化演算装置に、前記Ｘ線強度プロファイルデータを入力して、前記画像化演算装置が前記符号化規則に対する逆変換を行うと共に、画像再構成演算を行うことを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項２】
請求項１に記載のＸ線撮像方法において、
さらに、前記試料を前記Ｘ線ビームに対して所定ピッチの角度で回転し、
前記Ｘ線強度プロファイルデータは、前記試料の回転した角度毎に記憶されることを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項３】
試料の特定深さの核散乱長密度について面内の不均一分布を中性子反射率法により取得し画像化する方法であって、
所定厚さで所定幅を有する線状の単色中性子ビームまたは連続スペクトルを有する白色パルス中性子ビームを前記試料に照射し、
前記試料から反射された前記中性子ビームを、中性子検出器の分解能と比較して小さな形状の開口部が所定の符号化規則で配置されたアダマールマスクによって符号化し、
前記アダマールマスクを前記反射された中性子ビームの長手方向と平行な方向に走査し、
前記アダマールマスクの走査によって得た中性子強度プロファイルデータを記憶し、
画像化演算装置に、前記時系列の中性子強度プロファイルデータを入力して、前記画像化演算装置が前記符号化規則に対する逆変換を行うと共に、画像再構成演算を行うことを特徴とする中性子撮像方法。
【請求項４】
請求項３に記載の中性子撮像方法において、
さらに、前記試料を前記中性子ビームに対して所定ピッチの角度で回転し、
前記中性子強度プロファイルデータは、前記試料の回転した角度毎に記憶されることを特徴とする中性子撮像方法。
【請求項５】
試料の特定深さの電子密度について面内の不均一分布をＸ線反射率法により取得し画像化するＸ線撮像装置であって、
前記試料が載せられる面内回転ステージと、
所定厚さで所定幅を有する線状の単色Ｘ線ビームまたは連続スペクトルを有する白色Ｘ線ビームに対する前記面内回転ステージの傾斜角度を調整して、前記Ｘ線ビームが前記試料上で反射するように調整する傾斜角調整部と、
前記反射したＸ線ビームの前記幅方向の強度プロファイルを測定するＸ線検出器と、
前記Ｘ線検出器の入射側に設けられると共に、前記試料からの反射Ｘ線を符号化して前記Ｘ線検出器に出射するために、前記Ｘ線検出器の分解能と比較して小さな形状の開口部が前記符号化の規則で配置されたアダマールマスクと、
前記アダマールマスクを前記反射されたＸ線ビームの長手方向と平行な方向に走査するマスク走査部と、
前記強度プロファイルの集積されたデータを入力して、前記符号化に対する逆変換を行うと共に、画像再構成演算を行う画像化演算装置と、
を備えるＸ線撮像装置。
【請求項６】
請求項５に記載のＸ線撮像装置において、さらに所定厚さで所定幅を有する線状の単色Ｘ線ビームを供給する単色Ｘ線源を有することを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項７】
請求項６に記載のＸ線撮像装置において、前記単色Ｘ線源は一点と見なせる微小なＸ線源から単色Ｘ線ビームを発散させることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項８】
請求項５乃至７の何れか１項に記載のＸ線撮像装置において、さらに前記アダマールマスクの入射側に設けられると共に、前記試料からの反射方向以外のＸ線を遮断するソーラースリットが設けられていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項９】
試料の特定深さの核散乱長密度について面内の不均一分布を中性子反射率法により取得し画像化する中性子撮像装置であって、
前記試料が載せられる面内回転ステージと、
所定厚さで所定幅を有する線状の単色中性子ビームまたは連続スペクトルを有する白色パルス中性子ビームに対する前記面内回転ステージの傾斜角度を調整して、前記中性子ビームが前記試料上で反射するように調整する傾斜角調整部と、
前記反射した中性子ビームの前記幅方向の強度プロファイルを測定する中性子検出器と、
前記中性子検出器の入射側に設けられると共に、前記試料からの反射中性子線を符号化して前記中性子検出器に出射するために、前記開口部の形状と比較して小さな形状の開口部が前記符号化の規則で配置されたアダマールマスクと、
前記アダマールマスクを前記反射された中性子ビームの長手方向と平行な方向に走査するマスク走査部と、
前記強度プロファイルの集積されたデータを入力して、前記符号化に対する逆変換を行うと共に、画像再構成演算を行う画像化演算装置と、
を備える中性子撮像装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の中性子撮像装置において、さらに所定厚さで所定幅を有する線状の単色中性子ビームを供給する単色中性子線源を有することを特徴とする中性子撮像装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の中性子撮像装置において、さらに所定厚さで所定幅を有する線状の白色パルス中性子ビームを供給する白色パルス中性子線源を有することを特徴とする中性子撮像装置。
【請求項１２】
請求項９乃至１１の何れか１項に記載の中性子撮像装置において、さらに前記アダマールマスクの入射側に設けられると共に、前記試料からの反射方向以外の中性子ビームを遮断するソーラースリットが設けられていることを特徴とする中性子撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射Ｘ線の１次元プロファイル形状を迅速かつ正確に計測するＸ線撮像装置に関し、特に超小型・可搬型のＸ線システムに適用する場合のように、空間分解能を持たない検出器を用いる場合の改良に関する。
また本発明は、反射中性子線の１次元プロファイル形状を迅速かつ正確に計測する中性子撮像装置に関し、特に加速器からの白色パルス中性子を用いる場合のように、空間分解能を持たない検出器を用いる場合の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線又は中性子の反射率測定法は、Ｘ線または中性子を微小角で薄膜・多層膜試料の表面に入射させた時の反射強度を測定し、そのプロファイルから薄膜・多層膜の深さ方向の構造（膜厚、それぞれの膜の密度、表面および界面のラフネス等、別の言い方では、深さ方向の電子密度分布または核散乱長密度分布）を精密に決定する技術であり、半導体の層間絶縁膜やハードディスク等の磁性材料の多層膜、表示デバイスの多層膜等、多くの産業分野で活用されている。
【０００３】
Ｘ線又は中性子の反射率測定法は、Ｘ線または中性子の照射する領域全体が均一であることを前提としているが、その面積は、Ｘ線で１〜数ｃｍ２程度、中性子では１０〜数１０ｃｍ２程度と広い場合が多い。もっと微小な試料を評価したい、さらには、同じ試料のなかの薄膜・多層膜の深さ方向の構造の違いを画像化したいというニーズは以前からあり、ナノテクノロジー全盛のいま、更にその要求は高まっている。この課題を解決するためのもっとも単純明快な方法は、微小ビームを用い、試料上の各点を走査する方法である。出願人は、実際にこの課題に取り組み、公益財団法人高輝度光科学研究センターが運転管理を行う大型放射光施設（ＳＰｒｉｎｇ−８）の高エネルギー放射光を用いることで、当該手法を確立した。
【０００４】
しかし、産業分野で広く応用するためには、大型放射光施設のような特殊な高性能Ｘ線源ではなく、微小ビームが容易には得られない小型・普及型のＸ線源でも実施可能な技術も必要である。また中性子では、もともと線源強度が弱いため、微小ビームの作製・利用はきわめて難しいので、微小ビームによらない他の技術が必要である。
【０００５】
本発明者らは、特許文献１でＸ線撮像装置を提案しており、また特許文献２でＸ線反射率測定装置を提案し、特許文献３で不均一な結晶構造を有する試料の局所構造情報を得るためのＸ線回折分析装置を提案している。そして、同じ試料のなかの薄膜・多層膜の構造の違いを画像化することを目的として、反射Ｘ線または反射中性子線の１次元プロファイル形状を測定し、画像再構成の数学的処理を用いる方法を開発し、非特許文献１に発表していると共に、特願２０１１−２８４３２号にて特許出願もしている。また、非特許文献２、３で、薄膜・多層膜の深さ方向の構造の違いを非破壊的に解析するという課題の認識を開示している。
【０００６】
しかし、非特許文献１および特願２０１１−２８４３２号の方法では、位置分解能のあるＸ線または中性子検出器により反射強度の場所依存性を測定し、次に投影切断面定理を適用しているため、十分な空間分解能が得られる検出器が利用できない場合、検出器の有する位置分解能以上の空間分解能を得ることはできないという制約があった。位置分解能があるとされる検出器でも、それが１〜数ミリ程度にとどまるのであれば、実際の応用に必要と考えられる数〜数１００ミクロンの分解能での画像化を行うことができない。更には、強度情報しか得られない通常のＸ線又は中性子の検出器によっては、同じ試料のなかの薄膜・多層膜の構造の違いを画像化できないという課題があった。また、非特許文献２、３では、課題の存在を指摘しているが、解決手段については開示がない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３６６３４３９号公報
【特許文献２】特許第３９０３１８４号公報
【特許文献３】特許第４５８１１２６号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Vallerie Ann Innis-Samson, Mari Mizusawa, and Kenji Sakurai； X-ray Reflection Tomography: A New Tool for Surface Imaging, Anal. Chem., 2011, 83 (20), pp 7600-7602
【非特許文献２】桜井健次著、「埋もれた層・界面のvisualizationを実現するための技術開発について」、日本中性子科学会第８回年会・2008年12月
【非特許文献３】桜井健次他、「ヴィジュアルな中性子反射率法の開発」、独立行政法人日本原子力研究開発機構、平成２１年度実施報告・中性子ビーム利用
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記課題を解決するもので、十分な空間分解能が得られる検出器が利用できない場合にも対応する為に、強度情報しか得られない通常のＸ線又は中性子の検出器によっても、同じ試料のなかの薄膜・多層膜の構造の違いを画像化できるＸ線又は中性子の撮像装置及び方法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】
【００１０】
上記課題を解決する本発明のＸ線撮像方法は、例えば図１、図２に示すように、試料の特定深さの電子密度について面内の不均一分布をＸ線反射率法により取得し画像化するＸ線撮像方法であって、所定厚さで所定幅を有する線状の単色Ｘ線ビームまたは連続スペクトルを有する白色Ｘ線ビームを試料２に照射し、試料２から反射されたＸ線ビームを、Ｘ線検出器３の分解能と比較して小さな形状の開口部が所定の符号化規則で配置されたアダマールマスク１０によって符号化し、アダマールマスク１０を反射されたＸ線ビームの長手方向と平行な方向に走査し、アダマールマスク１０を走査して得たＸ線強度プロファイルデータを記憶し、画像化演算装置に、時系列のＸ線強度プロファイルデータをアダマールマスク１０の走査状態と共に入力して、画像化演算装置が符号化規則に対する逆変換を行うと共に、画像再構成演算を行うことを特徴とする。
【００１１】
このように構成されたＸ線撮像方法によれば、試料２から反射された単色Ｘ線ビームまたは連続スペクトルを有する白色Ｘ線ビームを、Ｘ線検出器３の分解能と比較して小さな形状の開口部が所定の符号化規則で配置されたアダマールマスク１０によって符号化しているので、Ｘ線検出器３の分解能よりも高分解能の１次元Ｘ線強度プロファイルデータとして取得できる。アダマールマスク１０は、反射されたＸ線ビームの長手方向と平行な方向に走査するので、試料のＸ線強度プロファイルデータが正確に得られる。
【００１２】
本発明のＸ線撮像方法において、好ましくは、さらに、試料をＸ線ビームに対して所定ピッチの角度で回転し、Ｘ線強度プロファイルデータは、前記試料の回転した角度毎に記憶されるとよい。
このような方法によると、Ｘ線強度プロファイルは、試料の面内回転に応じて取得されるので、試料を所定ピッチの角度で回転することで、全ての試料の面内回転角度に応じたＸ線強度プロファイルデータが取得できる。この取得されたＸ線強度プロファイルデータは、画像化演算装置により符号化規則に対する逆変換を行うと共に、画像再構成演算される。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の中性子撮像方法は、例えば図９、図１０に示すように、試料の特定深さの核散乱長密度について面内の不均一分布を中性子反射率法により取得し画像化する中性子撮像方法であって、所定厚さで所定幅を有する線状の単色中性子ビームまたは連続スペクトルを有する白色パルス中性子ビームを試料１２に照射し、試料１２から反射された中性子ビームを、中性子検出器１３の分解能と比較して小さな形状の開口部が所定の符号化規則で配置されたアダマールマスク２０によって符号化し、アダマールマスク２０を反射された中性子ビームの長手方向と平行な方向に走査し、アダマールマスク２０の走査によって得た時系列の中性子強度プロファイルデータを記憶し、画像化演算装置に、前記時系列の中性子強度プロファイルデータを入力して、画像化演算装置が符号化規則に対する逆変換を行うと共に、画像再構成演算を行うことを特徴とする。
【００１４】
このように構成された中性子撮像方法によれば、試料１２から反射された単色中性子ビームを、中性子検出器１３の分解能と比較して小さな形状の開口部が所定の符号化規則で配置されたアダマールマスク２０によって符号化しているので、中性子検出器１３の分解能よりも高分解能の一次元中性子強度プロファイルデータとして取得できる。アダマールマスク２０を反射された中性子ビームの長手方向と平行な方向に走査しているので、試料１２の中性子強度プロファイルデータが正確に得られる。なお、白色パルス中性子ビームを用いる場合は、中性子検出器１３には、飛行時間法の信号処理回路を用いてデータ取得する。
【００１５】
本発明の中性子撮像方法において、好ましくは、さらに、試料を中性子ビームに対して所定ピッチの角度で回転し、中性子強度プロファイルデータは、前記試料の回転した角度毎に記憶されるとよい。
このような方法によると、中性子強度プロファイルは、試料の面内回転に応じて取得されるので、試料を所定ピッチの角度で回転することで、全ての試料の面内回転角度に応じた中性子強度プロファイルデータが取得できる。この取得された中性子強度プロファイルデータは、画像化演算装置により符号化規則に対する逆変換を行うと共に、画像再構成演算される。
【００１６】
上記課題を解決する本発明のＸ線撮像装置は、例えば図１、図２に示すように、試料の特定深さの電子密度について面内の不均一分布をＸ線反射率法により取得し画像化するＸ線撮像装置であって、試料２が載せられる面内回転ステージ４と、所定厚さで所定幅を有する線状の単色Ｘ線ビームに対する面内回転ステージ４の傾斜角度を調整して、この単色Ｘ線ビームを試料２上で反射するように調整される傾斜角調整部（７、８）と、反射したＸ線ビームの幅方向の強度プロファイルを測定するＸ線検出器３と、Ｘ線検出器３の入射側に設けられると共に、試料２からの反射Ｘ線を符号化してＸ線検出器３に出射するために、Ｘ線検出器３の分解能と比較して小さな形状の開口部が符号化の規則で配置されたアダマールマスク１０と、当該アダマールマスクを試料２の走査方向に走査するマスク走査部と、強度プロファイルの集積されたデータとマスク走査部の走査状態を入力して、符号化に対する逆変換を行うと共に、画像再構成演算を行う画像化演算装置とを備えるものである。
【００１７】
好ましくは、本発明のＸ線撮像装置において、さらに所定厚さで所定幅を有する線状の単色Ｘ線ビームを供給する単色Ｘ線源５を有するとよい。
好ましくは、本発明のＸ線撮像装置において、単色Ｘ線源５は一点と見なせる微小なＸ線源から単色Ｘ線ビームを発散させるものであるとよい。
好ましくは、本発明のＸ線撮像装置において、さらにアダマールマスク１０の入射側に設けられると共に、試料２からの反射方向以外のＸ線を遮断するソーラースリット９が設けられているとよい。
【００１８】
上記課題を解決する本発明の中性子撮像装置は、例えば図９、図１０に示すように、試料の特定深さの核散乱長密度について面内の不均一分布を中性子反射率法により取得し画像化する中性子撮像装置であって、試料１２が載せられる面内回転ステージ１４と、所定厚さで所定幅を有する線状の単色中性子ビームに対する面内回転ステージ１４の傾斜角度を調整して、この単色中性子ビームを試料１２上で反射するように調整される傾斜角調整部（１７、１８）と、反射した中性子ビームの前記幅方向の強度プロファイルを測定する中性子検出器１３と、中性子検出器１３の入射側に設けられると共に、試料２からの反射Ｘ線を符号化して中性子検出器１３に出射するために、中性子検出器１３の分解能と比較して小さな形状の開口部が符号化の規則で配置されたアダマールマスク２０と、アダマールマスク２０を試料１２の走査方向に走査するマスク走査部と、強度プロファイルの集積されたデータとマスク走査部の走査状態を入力して、符号化に対する逆変換を行うと共に、画像再構成演算を行う画像化演算装置とを備えるものである。
【００１９】
好ましくは、本発明の中性子撮像装置において、さらに所定厚さで所定幅を有する線状の単色中性子ビームを供給する単色中性子源１５を有するとよい。
好ましくは、本発明の中性子撮像装置において、さらに所定厚さで所定幅を有する線状の白色パルス中性子ビームを供給する白色パルス中性子線源１５を有するとよい。
好ましくは、本発明の中性子撮像装置において、さらにアダマールマスク２０の入射側に設けられると共に、試料１２からの反射方向以外の中性子を遮断するソーラースリット１９が設けられているとよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のＸ線撮像装置では、Ｘ線検出器の空間分解能が低い場合でも、アダマールマスクにより得られる高分解能の反射したＸ線ビームの強度プロファイルを、画像化演算装置によって符号化に対する逆変換を行って画像を再構成するので、高分解能の反射したＸ線ビームの画像が得られる。そこで、Ｘ線検出器の空間分解能が低い場合でも、同じ試料のなかの薄膜・多層膜の構造の違いを画像化できるＸ線撮像装置及び方法が得られる。
【００２１】
本発明の中性子撮像装置では、中性子検出器の空間分解能が低い場合でも、アダマールマスクにより得られる高分解能の反射した中性子ビームの強度プロファイルを、画像化演算装置によって符号化に対する逆変換を行って画像を再構成するので、高分解能の反射した中性子ビームの画像が得られる。そこで、中性子検出器の空間分解能が低い場合でも、同じ試料のなかの薄膜・多層膜の構造の違いを画像化できる中性子撮像装置及び方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は本発明の第１の実施形態を説明するＸ線撮像装置の構成図で、水平回転軸の場合を示している。
【図２】図２は本発明の第２の実施形態を説明するＸ線撮像装置の構成図で、垂直回転軸の場合を示している。
【図３】図３は図１及び図２のＸ線撮像装置に用いられるアダマールマスクの一例を示す構成図である。
【図４】図４はデコーディングの演算処理の一例を示す構成図である。
【図５】図５はアダマールマスクによる符号化と、演算処理による逆変換の一例を示す構成図である。
【図６】図６は本発明のＸ線撮像方法によるイメージング法の実施例を示す説明図である。
【図７】図７は本発明の第３の実施形態を説明するＸ線撮像装置の構成図で、水平回転軸の場合を示している。
【図８】図８は本発明の第４の実施形態を説明するＸ線撮像装置の構成図で、垂直回転軸の場合を示している。
【図９】図９は本発明の第５の実施形態を説明する中性子撮像装置の構成図で、水平回転軸の場合を示している。
【図１０】図１０は本発明の第６の実施形態を説明する中性子撮像装置の構成図で、垂直回転軸の場合を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を用いて本発明を説明する。
図１は本発明の第１の実施形態を説明するＸ線撮像装置の構成図で、水平回転軸の場合を示している。図２は本発明の第２の実施形態を説明するＸ線撮像装置の構成図で、垂直回転軸の場合を示している。図において、Ｘ線１は、所定厚さで所定幅を有する線状のＸ線で、平行ビームの場合を示している。試料２は、薄膜・多層膜の深さ方向の構造を精密に測定する対象となる試料で、例えば半導体の層間絶縁膜やハードディスク等の磁性材料の多層膜、表示デバイスの多層膜等を含む。
試料２からの反射Ｘ線の持つ１次元の強度プロファイルを測定して情報を得ようとする際、Ｘ線ビーム１の角度分散（図１では水平方向、つまりＸ線ビームの長手方向）により生じるぼけが、最終的に得られる画像の空間分解能を制約する。従って、できるだけ水平方向の角度分散の少ない平行なビームを用い、かつ試料２と検出器３の間の距離を短くすることが必要になる。なお、ぼけの量は、簡単な近似では、水平方向の角度分散と試料２と検出器３の間の距離の積になる。
【００２４】
Ｘ線検出器３は、例えば反射Ｘ線の強度の測定ができる検出器で、従来のＸ線の反射率測定用と同様に、特段の位置分解能を持たない検出器で足りる。ガスフロー型比例係数管、シンチレーション検出器、半導体検出器、フォトダイオード等を用いることができる。もちろん、Ｘ線検出器として、１次元または２次元の位置分解能を持つ検出器であるＸ線フォトダイオードアレイ、Ｘ線ＣＣＤカメラ、Ｘ線ＣＭＯＳカメラ、Ｘ線ピクセル検出器、Ｘ線イメージングプレート等を使用し、その総積分強度を主に用いつつ、画素ごとに得られる強度を参考情報とするのも有望である。連続スペクトルを有する白色Ｘ線を使用する場合は、Ｘ線検出器３は、半導体検出器とし、白色Ｘ線をスペクトルとして分析するだけのエネルギー分解能を備えており、マルチチャンネルアナライザーもしくはデジタルスペクトロメータ等の信号処理回路を含むものとする。
面内回転ステージ４は、試料の面内回転を行うもので、自動回転ステージ等を用いて行う。面内回転ステージ４は、１／１００度程度の精度を持ち、偏心の小さい、ステッピングモータ駆動の自動回転ステージ等の使用が望ましい。走査範囲は０度から１８０度まで、角度刻みは１度から５度程度である。
【００２５】
Ｘ線源５としては、例えば真空容器内に陰極である電子源と金属板である陽極からなり、電子を加速して金属板に衝突させて得られるＸ線を利用する封入式もしくは組立式のＸ線管が利用される。また超パルスレーザーを金属ターゲットに照射して得られるレーザープラズマＸ線源や、赤外線レーザーと電子線を衝突させて得られる逆コンプトン散乱Ｘ線源、さらにはテーブルトップのシンクロトロン放射Ｘ線源を用いることもできる。低出力で小型、可搬型のもので、Ｘ線強度があまり高くないものであっても、本願発明の技術を用いることができる。Ｘ線源５に含まれるスペクトル成分のうち、連続スペクトルを有する白色Ｘ線ではなく単色Ｘ線を使用する場合は、Ｘ線源５は、結晶モノクロメータ、多層膜ミラー、フィルター等、単色化を行うための手段を含む必要がある。結晶モノクロメータは、結晶のブラッグ反射の条件を利用し、特定の単色Ｘ線のみを取り出す分光器である。結晶の代わりに人工的に周期構造を積層して作成される多層膜ミラーでも同じ目的を達成できる。Ｘ線源としてＸ線管を用い、そのなかの特性Ｘ線のＫα線を用いる場合は、管電圧を下げて白色の高エネルギーＸ線成分を大幅に減少させた上で、金属箔のフィルターによって特性Ｘ線のうちのＫβ線を除去することにすると、単純な構造ながら、結晶モノクロメータや多層膜ミラーによって単色化させるのに近い効果が得られる。
【００２６】
入射スリット６は、Ｘ線源５から放射されるＸ線をビームにする細長い一定幅の窓で、Ｘ線を透過しない材料で製作される。入射スリット６の開口部の厚さにより、Ｘ線の厚さが定まる。典型的なサイズとしては、長手方向が３〜１５ミリ（実験室系で最も多いのは１０ミリ前後）、短手方向が０．０２〜０．１ミリ程度である。
なお、入射スリット６の形状は、図示してあるような矩形のものに限定されず、縦だけ制限するものと横だけ制限するもの、あるいは４象限スリット（ＸＹスリット）で一方向ずつの刃で制限するものでもよい。更には、入射スリットを２つ以上、複数用いて、ビームの品質を多少なりとも向上させてもよい。更に、入射スリットと同じ大きさ程度のスリットを反射側に置いてもよい。ほとんどの反射率測定装置では、受光スリットと呼ばれる名称のスリットをＸ線検出器３の直前に設けている。本実施例では、アダマールマスク１０をＸ線検出器３の直前に用いているので、受光スリットを入れるとすれば、その少し上流側か、ソーラースリット９の更に上流の位置になる。本実施例では、アダマールマスク１０を、スリットの短手方向の大きさと同じ程度にすると、受光スリットは省略してもよい。アダマールマスク１０がスリットの短手方向の大きさと同じ程度であっても、受光スリットを設けて差し支えない。この場合、受光スリットは水平、垂直を分けたり、４象限スリット（ＸＹスリット）を用いてもよく、さらには複数設けてもよい。
【００２７】
傾斜角調整部としてのθ回転ステージ７と２θ回転ステージ８は、ゴニオメータを二台組み合わせたものである。ゴニオメータとは、ステージ面上のある高さに位置する軸を中心に、光学部品の回転（ティルト）を行うものをいう。ゴニオメータは、回転軸がマウント面に直交する標準の回転ステージとは異なり、ゴニオメータの回転軸はマウント面に対して平行であるため、光学部品の配置が容易となる利点がある。θ回転ステージ７と２θ回転ステージ８は、θ／２θ走査、すなわち、視射角と脱出角がともにθとなるような条件で、θを非常に浅い角度範囲で変化させることができる。これにより、傾斜角調整部は単色Ｘ線ビームに対する面内回転ステージ４の傾斜角度を精密に調整できる。
【００２８】
ソーラースリット９は、薄い金属板を互いに接近して平行に重ねて作られたスリットで，試料２からの反射方向以外のＸ線を遮断するために用いられる。ソーラースリット９は、平行性を高める目的で使用され、多くの回折装置、反射率測定装置に実際に採用されている。実施例では、反射側に設けてあるが、入射側に設けてもよく、更には入射、反射の両方に設けてもよい。ソーラースリットでＸ線の平行性が決まり、測定の１次元の強度プロファイルの空間分解能（ぼけ）は、Ｘ線の平行性に左右される。なお、ソーラースリットよりももっとよい平行性を得るためには、結晶やミラーなどの光学素子を用いるとよい。
【００２９】
アダマールマスク１０は、マイクロコードマスクとも呼ばれるもので、入射される信号に対してアダマール（Hadamart）変換による符号化変調を行うもので、例えば１周期のスロット数が所定数（Ｍ）個のものが所定数（Ｎ）の周期分設けられている。アダマールマスク１０には、アダマールマスク１０を試料２の走査方向に走査する位置走査機構を設けてある。位置走査機構によるアダマールマスクの移動走査方向は、反射Ｘ線の長手方向に平行な方向であり、例えば、図１の水平回転軸の場合には左右に見える方向、図２の垂直回転軸の場合には上下に見える方向である。
【００３０】
このように構成された装置において、試料が均一であれば、反射Ｘ線のプロファイルを調べたとしても一定値であり、従って、検出器には空間分解能は特に必要ではなく、反射Ｘ線の強度だけを測定すればよい。
従って、試料２の極一部の領域のみを照射する狭い幅の線状のＸ線が用いられ、照射される領域内は均一であるという前提のもとに、θ／２θ走査、すなわち、視射角と脱出角がともにθとなるような条件で、θを非常に浅い角度範囲で変化させる。従って、所定厚さで所定幅を有する線状のＸ線とは、試料２の極一部の領域のみを照射するに足りる幅と厚みであればよい。そして、当該Ｘ線の反射プロファイルを解析することにより、薄膜・多層膜の膜面垂直方向の構造に関する情報を得ることができる。
【００３１】
試料が均一ではなく、分布があり、あるいはパターン化されていたものである場合は、試料２から反射された単色Ｘ線ビームを、Ｘ線検出器３の分解能と比較して小さな形状の開口部が所定の符号化規則で配置されたアダマールマスク１０によって符号化して、Ｘ線検出器３の分解能よりも高分解能のＸ線強度プロファイルデータが得られる。アダマールマスク１０を試料２の走査方向に走査しているので、試料２の全表面のＸ線強度プロファイルデータが得られる。
Ｘ線反射率法は、Ｘ線が平坦、平滑な表面で全反射が生じるという現象を利用する技術である。ただ、全反射の意味はほぼ１００％の反射で、臨界角より浅い領域で生じるものに限られ、Ｘ線反射率法は、全反射領域も含めた広範囲の角度領域で、反射強度が１０の−６乗とか、−８乗とかの反射まで測定している。
【００３２】
単色Ｘ線の場合は、通常のＸ線反射率測定で行うθ/２θ角度走査を行わないで、そのなかの特定の注目する角度にて、その角度における反射率の画像化を画像化演算装置により行うとよい。薄膜・多層膜では、例えば、金などの貴金属がコーティングされている箇所とコーティングのない箇所では、その臨界角等に注目して、反射強度が大きく異なる。そこで、貴金属の臨界角に固定した上で、本願発明を適用すると、コーティングされている部分とそうでない部分を高いコントラストで画像化できる。
【００３３】
これに対して、連続スペクトルを有する白色Ｘ線ビームを用いる場合は、エネルギー分解能（波長分解能）を有する検出器を用いて測定するので、θ/２θ角度走査を行うことなく固定角度のままで、上述の単色Ｘ線の場合にθ/２θ角度走査して得られる全情報を含んでいる。具体的には、アダマールマスクの１次元走査によって得られる強度プロファイルも、単色Ｘ線の場合には１つだけであるが、連続スペクトルを有する白色Ｘ線の場合は、そのエネルギー（波長）ごとに得ているので、例えば１０２４個の異なる内容の１次元データを一度に取得したことに相当する。面内回転を繰り返して、例えば、５度ステップで合計３７の１次元強度プロファイルを得る場合にも、それが３７セット、３７Ｘ１０２４個のデータとなる。
【００３４】
図３は図１及び図２のＸ線撮像装置に用いられるアダマールマスクの一例を示す構成図である。
アダマールマスクは、図３に示すように、決まったサイズの開口をある規則で配列したものであり、Ｘ線は、その開口部分だけ通過して検出器に到達し、それ以外の部分は通らない。ピンホールのように開口が１つしかない場合は、その開口の位置走査によってプロファイルを得ることができる。しかし、ピンホールは強度損失が大きいため、超小型、可搬・携帯型のＸ線装置では採用することが実質的に難しい。
【００３５】
そこで、多数の開口を作ることにより、ある程度統計的に恵まれた条件下での強度測定を可能にする。このアダマールマスクを動かしながら、強度測定を繰り返すと「コード化されたプロファイル」が得られる。この時空間分解能は、アダマールマスクの開口サイズによってほぼ決まる。例えば、１０〜１００ミクロン程度の大きさの開口のあるアダマールマスクを作成すれば、そのサイズに見合った空間分解能でプロファイルを測定することができる。
【００３６】
図４はデコーディングの演算処理の一例を示す構成図である。得られたデータは、アダマールマスクによる符号化に対して、その逆変換に相当するデコーディング演算を行うことで、本来の強度プロファイルを再生できる。
【００３７】
図５はアダマールマスクによる符号化と、演算処理による逆変換の一例を示す構成図である。コーディング、デコーディングを経て、元のプロファイルが再生されていることが確認できる。
【００３８】
図６は本発明のＸ線撮像方法によるイメージング法の実施例を示す説明図である。すなわち、試料を面内回転させ、各回転角度で、反射Ｘ線の強度プロファイルを収集する。この強度プロファイルの収集は、空間分解能を持たないＸ線検出器３を用いながら、アダマールマスク１０の位置走査を行って得られる「コード化されたプロファイル」をデコーディングする。デコーディングされた強度プロファイルを面内回転角度ごとに集め、画像再構成の演算によって、試料のイメージを取得する。
【００３９】
図７は本発明の第３の実施形態を説明するＸ線撮像装置の構成図で、水平回転軸の場合を示している。図８は本発明の第４の実施形態を説明するＸ線撮像装置の構成図で、垂直回転軸の場合を示している。
上記第３と第４の実施形態では、Ｘ線ビーム１を平行ビームとせず、発散ビームを利用していると共に、ソーラースリットを設けない。これらの実施形態では、Ｘ線源５ａが微小焦点である場合に該当する。なお、非破壊検査用のＸ線ＣＴ装置では、透過と反射の違いを別にすれば、図７や図８の構成が取られている。空間分解能は、平行性とか、試料２−検出器３の間の距離で決まるのではなく、Ｘ線源１の大きさおよびアダマールマスク１０の１つのチャンネルの大きさの大きい方で決まる。Ｘ線源５ａとして、５〜５０ミクロン程度の微小焦点のＸ線源は市販されているので、これら実施形態では、当該構成をとることで、Ｘ線源５ａと同程度の空間分解能の画像が得られる。
【００４０】
図９は本発明の第５の実施形態を説明する中性子撮像装置の構成図で、水平回転軸の場合を示している。図において、中性子ビーム１１は、所定厚さで所定幅を有する線状の中性子のビームである。中性子検出器１３は、例えば反射中性子線の１次元的な強度分布の測定ができる検出器で、従来の中性子反射率測定用と同様に、特段の位置分解能を持たない検出器で足りる。ヘリウム３検出器、シンチレーション検出器等を用いることができる。白色パルス中性子を用いる場合は、飛行時間法の信号処理回路によって波長の識別を行う。単色中性子を用いる場合は、検出器側で波長の識別を行う必要はないため、中性子イメージングプレートのような中性子検出器として2次元の位置分解能を持つ検出器を用いて、その総積分強度を主に用いつつ、画素ごとに得られる強度を参考情報とするのも有望である。
【００４１】
中性子反射率の測定では、原子炉から得られる中性子をモノクロメータなどで単色化する単色中性子のほか、加速器においてパルス粒子ビームをターゲットに衝突させ原子核を破砕することにより生じる白色中性子が利用される。後者は、Ｘ線の場合には、エネルギー分解能のあるＸ線検出器（半導体検出器）を用いるところ、中性子では、波長により速度が異なり、従って中性子源から試料までの到達時間が異なる点に注目して、飛行時間法が用いられる。従って、検出器自体は同じ検出器であっても、飛行時間法の信号処理エレクトロニクスが用いられている。
【００４２】
中性子源１５には、原子炉内でウラン等の核分裂反応によって定常的に生成する中性子を利用する定常中性子源、加速器によって加速された１０〜２５ヘルツ程度のパルス状陽子ビームを金属ターゲットに衝突させ原子核を破砕させて得られる中性子を利用するパルス中性子源が用いられる。前者の定常中性子源の場合には、単色中性子線を使用するため、中性子源１５は、結晶モノクロメータ、多層膜ミラー等、単色化を行うための手段を含む必要がある。結晶モノクロメータは、結晶のブラッグ反射の条件を利用し、特定の単色中性子線のみを取り出す分光器である。結晶の代わりに人工的に周期構造を積層して作成される多層膜ミラーでも同じ目的を達成できる。後者のパルス中性子源の場合には、白色のまま、すなわち、多くの波長成分を含む中性子をそのまま使用し、中性子が波長によって異なる運動エネルギー、すなわち異なる速度を持つ点に着目して、検出器側で飛行時間法によって分析する。
入射スリット１６は、中性子源１５から放射される中性子をビームにする細長い一定幅の窓で、中性子線を透過しない材料で製作される。入射スリット１６の開口部の厚さにより、中性子線の厚さが定まる。入射スリット１６の典型的なサイズとしては、長手方向が１５〜３０ミリ、短手方向が０．１〜０．２ミリ程度である。
【００４３】
試料１２と面内回転ステージ１４は試料２と面内回転ステージ４と同様である。θ回転ステージ１７と２θ回転ステージ１８は、θ回転ステージ７と２θ回転ステージ８と同様である。そこで、図３において、前記図１及び図２と同一作用を実質的に行うものであるため、これらについては、説明を省略する。
なお、通常の中性子反射率測定法では、ソーラースリットは使用されない。原子炉の場合も、加速器の場合も、距離を大きく取っており、また複数のスリットを使用しているため、ある程度の平行性は確保されていることや、もともと十分な強度があるとは言えない状況で更に強度を失うことを嫌って省略している。なお、原理的には、中性子の場合にも、本発明の第１や第２の実施形態のように、ソーラースリットを設けてもよい。現時点では、中性子では微小焦点の中性子源が存在しないので、本発明の第３や第４の実施形態のような構成は取りにくい状況にある。
【００４４】
図１０は本発明の第６の実施形態を説明する中性子撮像装置の構成図で、垂直回転軸の場合を示している。中性子撮像装置においては、Ｘ線撮像装置と同様に、水平回転軸と垂直回転軸のいずれのレイアウトでも実施可能である。
【００４５】
なお、上記の実施例においては、傾斜角調整部としてθ／２θゴニオメータを使用している場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、事実上θ／２θ走査と同等の機能の走査が行える機構であればよい。
【００４６】
また、上記の実施例においては、Ｘ線検出器や中性子検出器の分解能として、Ｘ線検出器や中性子検出器の位置分解能を使用している場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、Ｘ線検出器や中性子検出器の分解能はＸ線や中性子の角度分解能や他の特性に関するものでも良い。
さらに、上記の実施例においては、試料の回転した角度として、試料の面内回転した角度を使用している場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、試料の回転した角度には面外回転の角度が含まれていても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本願発明のＸ線撮像装置や中性子撮像装置を使用することにより、半導体集積回路デバイス、磁気デバイス、表示デバイス等に用いられるパターン化された薄膜・多層膜の製品の検査・評価技術としての応用が期待される。密度、膜厚、表面・界面ラフネスの場所による違いを画像化することにより、製品が設計通りであるかどうかを確認し、あるいは性能が不良である場合の原因を検討することにより、製品の品質向上に役立てることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  Ｘ線
２、１２  試料
３  Ｘ線検出器
４、１４  面内回転ステージ
５  Ｘ線源（単色Ｘ線又は連続スペクトルを有する白色Ｘ線）
５ａ  微小焦点のＸ線源（単色Ｘ線又は連続スペクトルを有する白色Ｘ線）
６、１６  入射スリット
７、１７  θ回転ステージ、傾斜角調整部
８、１８  ２θ回転ステージ、傾斜角調整部
９、１９  ソーラースリット
１０、２０  アマダールマスク、マイクロコードマスク
１１  中性子線
１３  中性子検出器
１５  中性子源（単色中性子線又は白色パルス中性子線）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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