■第14回日本放射光学会奨励賞受賞研究報告
コヒーレント X 線回折散乱イメージング技術の開発とその応用橋幸生(大阪大学大学院工学研究科附属フロンティア研究センター）

1. はじめに
X 線をプローブとする顕微法は，可視光に比べて波長の短い X 線を使用するため空間分解能が高く，硬 X 線の高い透過力を利用し，物質内部を観察できるという点で他の顕微法と比べて潜在的に優位である。しかしながら，原子分解能を実現している電子顕微鏡と比べ， X 線顕微鏡は，空間分解能の点で電子顕微鏡に大きな遅れをとっている。これは， X 線は電子線のように容易にその進行方向を曲げることができない，すなわち，優れたレンズを作製することが困難であることに起因している。この問題を解決する一つの方法がコヒーレント X 線回折散乱と計算機手法を組み合わせたレンズレス X 線顕微法であり，その有望な手法として蛍光 X 線ホログラフィー1)やコヒーレ

Fig. 1

Experimental setup for the coherent x-ray diŠraction patternmeasurements of the Al alloy particle.

ント X 線回折顕微法2)が近年大いに注目を集めている。蛍光 X 線ホログラフィーは，蛍光 X 線を発する原子を中心の中で 2000 系合金に分類される。このような析出硬化合とした近接原子の情報をホログラムとして記録し，フーリ

金の設計には，メゾスコピック析出物の形状，空間分布をエ変換に似た解析手法で，特定原子周りの三次元原子配置理解することがとても大切である。ここでは，住友軽金属を可視化する。一方，コヒーレント X 線回折顕微法は試工業から提供して頂いた 2000 系アルミニウム合金粒子を料にコヒーレント X 線を照射し，回折強度をオーバーサ

コヒーレント X 線回折顕微法で観察した。Fig. 1 に実験配ンプリング条件の下で収集し，位相回復計算により試料像置を示す。アルミニウム合金粒子を滴下した30 nm 厚さのを再構成する。これらの手法の原理については，すでに本SiN メンブレンチップを真空チャンバー内の回転ステージ

会報に優れた解説記事3,4) があるのでそちらを参照していにマウントした。 5 keV に単色化された放射光 X 線を直ただけると幸いである。どちらの方法も，通常の X 線顕径 20 mm のピンホールスリットを通過させた。そして，微鏡では実現が困難とされる X 線波長分解能が原理的にガードスリットにより，ピンホールからの寄生散乱を除去可能である。筆者らは，これまで，蛍光 X 線ホログラフした。孤立したアルミニウム合金粒子に X 線を照射し，ィーによる磁性薄膜の構造解析5,6) ， X 線異常散乱を利用

1.32 m 下流に設置した直接照射型 CCD 検出器にて試料かした複素 X 線ホログラフィーの開発7,8)，コヒーレント Xらの散 乱強度を測定した。 CCD の直前に はダイレクト

線回折顕微法の電子密度定量化9)，元素識別化10)，高分解ビームストップを設置した。回折パターンは回転角度 a能化1113) 等の高度化に加え，材料科学，生物学分野でのの関数として測定され，－ 70 °から 70 °まで 5 °ステップで応用研究1419) を行ってきた。本稿では，特に，コヒーレ合計 29 枚のデータを取得した。各角度での測定時間は 2ント X 線回折顕微法の材料科学応用として行ってきたア時間であった。

ルミニウム合金の析出物解析14) と銅細線のエレクトロマイグレーションボイドの観察16,17)について紹介する。

での回折パターンを示す。ビームスト
Fig. 2 (a )に a＝0 °ップで測定できない箇所は部分的に回折パターンの中心対称性によって補完された。この回折パターンに Fienup の2. 析出硬化アルミニウム合金のメゾスコピック析出物の三次元観察2(b)に表示してある再構成像を得た。グレイスケールで表Hybrid Input Output (HIO) アルゴリズム20)を実行し，Fig.

析出硬化とは，過飽和固溶体から金属間化合物などの異示してあるこの再構成像はアルミニウム合金の電子密度分相が析出することによって起こる硬化のことで，析出物が布の投影に相当する。像の明領域は，周りと比べて厚いか転位運動の障害物となることで材料が硬化すると理解され高電子密度物体を含んでおり，この投影像からそれらを見ている。ジュラルミンで知られるアルミニウム合金は代表分けることはできない。そこで， 29 枚の回折データから的な析出硬化合金である。例えば，アルミニウム母相に三次元像の再構成を行った。三次元像の再構成を行うにあCu ， Mg に固溶させて作製する合金はアルミニウム合金たり，各角度での二次元再構成の結果に基づき，各回折強

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放射光ニュース ■ 第14回日本放射光学会奨励賞受賞研究報告

Fig. 3(a) SEM image of the Cu thin line fabricated on a SiN membrane chip. (b) Schematic of the system used for applying dc
to the thin line sample during diŠraction measurements.

ボイドは LSI の故障の原因となることが知られている。
エレクトロマイグレーションによる故障は質量流束の流束発散が大きな箇所で発生し，LSI では配線と配線を接続するビア周辺において顕著に見られる。ここでは，ビアをシFig. 2(a) Coherent x-ray diŠraction pattern of the Al alloy particle. The region of the central 37×37
in 801×801 pixels at a＝0°pixels is an unmeasurable area due to the direct beam stop. q
is deˆned as q＝2 sin (U/2)/l, where U is the scattering angle and l is the x-ray wavelength. (b) Image reconstructedfrom the diŠraction pattern of (a). The pixel size is 20.4 nm.
(c) Three-dimensional surface ˆgure of the Al alloy particle≦a ≦reconstructed from 29 diŠraction patterns within －70°
70°with 5°steps. A high-electron-density region resulting
from Al2CuMg precipitates, which is derived using theknown electron density, is drawn inside the particle image.
(d) Extracted high-electron-density region ˆgure. The voxel
size is 29.1 nm. These ˆgures are convoluted with a Gaussianfunction with a 2 voxel width.

ミュレートしたテスト試料を作製し，電流印加の下，コヒーレント X 線回折顕微法観察を行った。Fig. 3(a)にテスト試料の走査電子顕微鏡（ SEM ）像を示す。この試料はSiN メンブレン上に 1mm 厚の Cu 膜を蒸着した後，集束イオンビーム加工によって作製され，1 mm 幅の細線部と300 nm 幅の接続部から構成されている。この試料を Fig. 3(b)に示すように回折顕微法装置に設置し，32 mA の直流電流を印加し，抵抗値が 0, 0.05, 0.3, 0.7, 1.0, 1.5, 2.0 Q となったところで，電流印加を中断し，コヒーレント X 線回折パターンを測定し，再び電流印加を行った。コヒーレ
ント X 線回折パターンには，試料の外形に由来するスペックルに加え，抵抗値が0.7 Q に到達してからは，エレク度データの規格化を行い，561×561×561ピクセルの三次ロマイグレーションボイドに由来する特徴的なスペックル元の回折強度配列を作成した。この三次元回折データにが観測された17) 。 Fig. 4 ( a ) , 4 ( b )は電流印加前後の試料HIO アルゴリズムを実行し，三次元像を導出した。 Fig. 2SEM 像である。電流印加後に中心部分が傾いているの(c)に青色で示してあるのが，アルミニウム合金粒子の表は，電流印加による局所的な温度上昇で薄膜内部の歪が緩面のレンダリングであり，そのサイズは1280×850×1080和されたためであると考えられる。また，赤色と桃色の矢nm3 であった。Silcock ら21) は同種のアルミニウム合金中印で示してある箇所にボイドが確認できる。 Fig. 4 ( c )はに Al2CuMg 析出物（S 相）の存在すること報告しており，0.3 Q の回折パターンからの再構成像である。細線の一部

Al と Al2CuMg の既知の電子密度から析出物由来の領域をが極端に明るくなっているのは， X 線の空間コヒーレン特定した。 Fig. 2 ( c )のオレンジ色の領域が Al2CuMg 析出スが十分でないことに由来するアーティファクトである。

物由来の領域である。Fig. 2(d)にその析出物由来の高電子Fig. 4(c)の青い四角で囲まれた領域の再構成像の抵抗値依密度領域のみを抽出し，それが 780 × 480 × 220 nm3 の大存性を Figs. 4(d)4(g)に示す。抵抗値の上昇と共に赤色矢きさであることが判明した。この解析では，電子密度の既印で示した箇所のコントラストが暗くなっていく様子が分知情報を利用したが，現在では，参照試料を用いて入射る。これは，回折パターンに現れた変化に対応しており，

X 線光子密度を算出することで，絶対的な電子密度を決

エレクロマイグレーションによるボイド形成が 0.7 Q 以降定することが可能となっている9)。に進行したと考えられる。本研究では，位相回復の計算
で，試料に照射された X 線を平面波で近似しているた

3. 銅細線のエレクトロマイグレーションのその場観察

め，再構成像がやや不鮮明になってしまったが，試料位置エレクトロマイグレーションとは配線に電流を流した際での X 線の波動場をあらかじめ何らかの方法で決定し，に，配線中の原子が配線内を移動する一種の拡散現象であ

位相回復計算に反映させることで，再構成像の質は向上する。エレクトロマイグレーションによって配線内に生じるると考えられる22)。

放射光 March 2010 Vol.23 No.2 ● 125本稿で述べたコヒーレント X 線回折顕微法の研究は，理化学研究所播磨研究所放射光科学研究センターの石川哲也センター長，西野吉則専任研究員，京都大学工学研究科の松原英一郎教授，大阪大学工学研究科の山内和人教授との共同研究によるものである。放射光実験は， SPring-8の理化学研究所専用ビームライン BL29XUL を利用して行われた。大阪大学大学院生の古川隼人君（現富士通），久保英人君，堤良輔君，榊茂之君には放射光実験を手伝って頂いた。心から感謝を申し上げる。また，本稿では詳しく述べなかったが，蛍光 X 線ホログラフィーについては著者が大学院学生時代に東北大学金属材料研究所の林好一准教授から御指導頂いた。本研究は，科学技術振興調整費の委託事業「若手研究者の自立的研究環境整備促進」プログラムの支援の下，遂行された。
Fig. 4[(a) and (b)] SEM images of the Cu thin line observed (a)before and (b) after measuring all the diŠraction patterns. Adc was applied to the thin line from the upper side along thewhite arrow. (c) Image in 200×800 pixels reconstructedfrom diŠraction patterns at 0.3 Q. The pixel size is 30.2 nm.
The image is displayed in grayscale. [(d)(g)] Images in 200
×200 pixels reconstructed from diŠraction patterns in thearea surrounded by the blue square in (c). Pixels with intensity greater than 50 of the maximum intensity in eachreconstructed image are displayed in white.

参考文献
1)
2)
3)
4)
5)

6)

4. おわりにコヒーレント X 線回折顕微法による析出硬化アルミニ
ウム合金のメゾスコピック析出物の解析および銅細線のエ
レクトロマイグレーションのその場観察について紹介し

7)
8)
9)

た。現状では，電子顕微鏡の空間分解能に遠く及ばないが，“マイクロメーターオーダーの厚い試料の観察が可10)能”，“電子密度の定量が可能”といった特長を活かすことによって，本顕微法は他の構造評価法では得られないユニークな構造情報を提供してくれる。現在， X 線全反射集光ミラーによって形成された高密度コヒーレント X 線

11)
12)

ビームを利用した高分解能コヒーレント X 線回折顕微法の開発を行なっており，10 nm より優れた空間分解能での13)観察が可能になりつつある13)。
最後に，現在， SPring-8 サイトでの次世代光源 X 線自由電子レーザー施設が建設中である。この X 線自由電子レーザーはピーク輝度で SPring 8 の10億倍という高輝度

14)
15)

X 線源である。コヒーレント X 線回折顕微法は X 線自由電子レーザーを光源として利用することで，フェムト秒16)オーダーの時間分解イメージングや生体単粒子のシングルショットイメージングが実現すると期待されている。近い17)

将来， X 線自由電子レーザーを利用して究極的な空間分解能，時間分解能を有するコヒーレント X 線回折顕微法が実現することを願っている。
謝辞

126 ● 放射光 March 2010 Vol.23 No.218)

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19)● 著者紹介 ●橋幸生
大阪大学大学院工学研究科特任講師（常勤)
理化学研究所播磨研究所 客員研究員（兼務)
兵庫県立大学高度産業科学技術研究所特任講師（兼務)
E-mail: takahashi＠ wakate.frc.eng.osaka-u.ac.jp
専門コヒーレント X 線光学，位相回復，X 線構造解析［略歴］
2002 年 3 月東北大学大学院工学研究科修士課程修了， 2004 年 9 月同博士後期
課 程修 了 ，博 士（ 工 学) 期 間 短縮 ，2002年 4 月2004年 9 月日本学術振興会
特別研究員 DC1， 2004 年10 月2005 年 3月日本学術振興会特別研究員 PD ，2005
年 4 月2007 年 3 月理化学研究所 基礎科 学 特 別 研 究 員 ， 2007 年 4 月 よ り 現職。同年 4 月より理化学研究所播磨研究所 客員研究員（兼務)， 2010 年 2 月
より兵庫県立大学高度産業科学技術研究所 特任講師（ 兼務)。 2003 年 Jerome
B. Cohen Award, 2008年日本金属学会奨励賞（物性部門)， 2009 年コニカミノル
タ画像科学奨励賞， 2010 年日本放射光学会奨励賞，2010年 JIM/TMS Young
Leader International Scholar, 2010年光科学技術研究振興財団研究表彰。

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