JAIMA Season 2023

No.20

機器分析が支える、豊かな暮らしと産業のフロンティア

X 線によるイメージング技術の進展

株式会社リガク

X 線研究所表 和彦

体パッケージや複合材料などの観察にμmレベル１．はじめにの高い分解能が要求されるようになってきた。

X線は高いエネルギーを持つ電磁波であり、非一方、X線技術も数μm以下の焦点サイズを持つ破壊で物質を透過する特性がある。また、物質を微焦点X線管やサブμmの分解能を持つX線検出器

構成する原子間距離と同程度の波長を持ち、結晶が開発され、その要求に応える製品が開発されて格子の周期性による干渉効果によって特定の方向きている。に回折が生じる。本稿では X線の持つ上記二つの図１に高分解能X線 CT撮影を可能にする２つの特徴を生かしたイメージング技術を紹介する。

方式（a）拡大投影法、（b）
光学拡大法を示す。

一つは、高輝度のX線源とX線撮像技術および（CT）画像処理技術
computed tomography1, 2）の著しい進展による、μmレベルの物質内部の３次元観察である。これによって、特に近年研究開発や実用化が進んでいる複合材料の内部構造や生体組織の構造を立体的に鮮明に描写することが可能になった。
もう一つは、X線の回折現象とイメージング技術を融合した X線トポグラフである。この歴史は古く、1950年代には Siウェーハ内の転位を直接観測することに成功している 3）。その後、Si 結晶の図１ X 線顕微鏡の原理。
（a）拡大投影法では、微小焦点 X線源を用い、試料とスクリーンの距離を離して影絵を拡大する。
線源、試料と検出器間距離の幾何学的関係によって、拡大率を調整することができる。
（b）光学拡大法では、試料と検出器を近づけ、シンチレータで発光した光を光学レンズで拡大する。
光学顕微鏡に近い分解能が得られる。

無転位化や GaAsなどの化合物半導体結晶の高品質化においても多大な貢献をしてきた 4）。近年では SiCや GaNなどのデバイス応用が進み、その評価への要請が高まっている。これについても、X線撮像技術の進展により迅速なウェーハ品質評価

これらの顕微鏡の分解能δは、X 線源の焦点サや転位の３次元構造評価も可能になってきた。本

イズ s 、X 線源 - 試料距離 LS 、X 線源 - 検出器距

稿ではこれら２つの可視化技術について、近年の離 LD 、検出器の分解能を∆とすると、おおよそ進展を紹介する。

δ=２．高分解能 X 線 CT 装置（X 線顕微鏡）
2s2(LD − LSLD)2+ ∆2LS 2( LD )で与えられる。
（a）の場合、小さな焦点サイズの X 線源を用い、幾何拡大率

LD − LS
LS 22 + ∆22
δ= s
レントゲンが 1895年にX線を発見し、ベルタ夫
LDL−D LS )( LDS )2 LD − LSLS 2(2 +mδ = s2∆
δ 2= s 2 を大きく取ることによって、+ ∆22∆〜数十μm程度−LL()(LDS ( LD )LD )( DLD S )
δ = s2+ ∆2
人の手の透視像を発表して以来、X線透視法は医( LD )( LD )
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療、非破壊検査、空港セキュリティなど多くの分の検出器を使っても、高分解能の画像を取得する

野で活用されている。特に近年、複雑化した半導ことが可能となる。例えば、s =0.5μm となる微JAIMA Season 2023 Spring3

小な X 線源が得られれば、m=50、∆=20μm、とした場合、δ〜 0.6μmの画像を得ることが可能となる。ただし、極めて微小で安定した X 線源を必要とする点が課題である。
一方（b）の場合は、光学レンズと X 線シンチレータを組み合わせ、∆ ＜ 1μmとなるような高分解能X 線検出器を用いる。試料と検出器の距離を近づ
け m=1.01とすれば、比較的大きな焦点（例えば、s =50 μm）の X 線源を採用しても、∆= 0.5 μm の図３ 炭素繊維強化樹脂の回転角度 0°から 150°までの 30°ごとに撮影した投影像、異なった方向の炭素繊維が積層している様子がわかる。

検出器を用いた場合、δ〜 0.7μm の画像を得ることが可能となる。ここでは高分解能検出器の性能が課題であるが、我々は（b）の方式を採用し、極めて安定してサブミクロンの分解能が得られる
X 線顕微鏡を開発した 5）。
図２に銅ターゲットの X 線源を用いて測定した 0.6 μm 分解能チャートおよび蟻の頭部の投影像を示す。

図４ 炭素繊維強化樹脂 800 枚の投影像から再構成した CT断層像。白、灰色、黒い領域がそれぞれ炭素繊維、樹脂、およびボイドに対応する。投影像に較べ、炭素繊維の配向や微小なボイド領域が明瞭に観察される。

このような投影像を 800 枚撮影し、３次元画像を再構成した結果の断層像を図４に示す。
白い部分が炭素繊維、灰色の部分が樹脂、黒い
図２ 光学拡大方式による取得画像の例、0.6 μm のチャートと蟻の頭部の透過像。直径 1 μm 程度の蟻の微細な毛も確認できる。

部分は空隙である。方位の異なった積層状態がわかるだけでなく、異なった径の炭素繊維によって構成されている点や不均一な充填状況、さらに樹僅か１μm 程度の非常に細い毛までも観察さ脂が充填されていない空隙の存在などが明確に観れ、δ＜ 1μm が実現されていることがわかる。こ察される。このように X 線顕微 CT により、非の測定における検出器の画像ピクセルサイズは、破壊で、内部のμmオーダーの詳細な構造を観察0.27μm である。X 線 顕微 CT 測定のためには上できることが大きな特徴である。

記分解能を保持したまま試料を360°あるいは180°の角度範囲で少しずつ回転させながら投影像を撮影する必要がある。

３．X 線顕微 CT の観察例
カーボンニュートラルな社会の実現に向けて、図３に自転車フレーム素材である炭素繊維強化

さまざまなエネルギー技術の研究開発が進められ樹脂の例を示す。炭素繊維が異なった方向で積層ている。その中で注目を集めている、水素を使っされていることがわかる。て電気を発生する燃料電池の高分解能 CT 画像を紹介する 6）。
図５（a）に固体高分子型燃料電池の基本構造を

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JAIMA Season 2023 Spring示す。燃料となる水素を負極の触媒層で水素イオ

ところが本試料の場合、図６（b）に見られるようンに変換、電解質膜を通して正極の触媒層へ移動に 10μmを超す塊となって析出していることがわし、そこで酸素と反応、H2O を生成する。そのかった。このように、X 線顕微 CT によるμmレ際に生じた電位差によって電池として機能し、負ベルの内部構造非破壊観察は、複雑な構造を持つ極から外部の回路を通じて電子が移動する。この試料の評価に極めて有効であることがわかる。

反応をスムーズに、連続的に進めるには、ガス拡散層で水素や酸素がスムーズに供給され、発生した H2O が滞らずに排出される必要がある。また、触媒（Pt/C）層においては、触媒が均一に分散され、効率良く反応を促進することが重要となる。
図５（b）に燃料電池セルを X 線顕微 CT で測定し、同じ部分の断層像を示した。実際には電解質膜は 20μm程度と非常に薄く、また触媒層は数μmとさらに薄い。ガス拡散層は、μm以下の微細な空孔を持つマイクロポーラス層とカーボン繊維で編まれた疎な層によって形成されていることもわかる。

図６ X 線 CT 再構成された MEA の（a）３次元構造。構成するそれぞれの層間の構造がよくわかる。
（b）
カソード触媒層の断層像。触媒中の Pt ナノ粒子が析出し、径 10μmを超す塊となった領域の存在が確認される。

次に、疾病研究のためのマウスの腎臓観察例に関して紹介する。まず、正常および疾病マウスの腎臓組織から生検針で検体を取り出し、ホルマリン液で固定、その後、エタノールで脱水した組織をパラフィンブロックに固定した。
この手順によって、生体内の水が密度の低いパラフィンに置き換えられることにより、生体組織のコントラストを向上させた高分解能 CT 像を得ることができる 7）。
図７（a）に正常（上段）および疾病（下段）マウス
図５ 燃料電池セルの (a) 模式図および (b) CT 断層像。実際の触媒層は数μmと極めて薄いため、電解質膜の両側に僅かに認められる。また、ガス拡散層は、疎な炭素繊維で形成されている。の腎小体周辺の断層像を示す。スケールバーは５同様な CT 測定によって得られた、セパレータの血管で形成された糸球体を立体的に取り出したを除いた膜電極複合体（MEA）の３次元像を図６のが図７（b）、さらにそこから（c）低密度および（d）（a）に示す。これによって、それぞれの層の立体高密度領域を取り出した。それに基づいて、それ的な構造が可視化され、全体像の把握が容易になぞれの体積比を計算した結果、正常マウスでは低る。ところで、ここで示した触媒層内に白い領域

密度 / 高密度領域の体積比が 0.296/0.042 であっが認められ、CT 像の色の濃さは、X 線の吸収係たのに対し、疾病マウスではその比が 0.185/0.089数の違いを表し、密度が高いほど白く表示されてとなり、明らかに低密度領域が減少し、高密度領いる。つまり触媒層における白く表示されている域が増大していることが観測された。X 線 CT 像

領域は、重元素の Pt 触媒と考えられる。本来触を得ることにより各組織の立体的な構造が可視化

媒粒子は、できるだけ反応に寄与する表面積を増され、体積計測のような光学顕微鏡による 2 次元やすことが重要であり、その大きさは数 nmであ観察では得られない重要な情報を得ることが可能り、それが均一に分散していることが望ましい。

である。

μmである。疾病マウスの腎小体が縦長に変形していることがわかる。得られた３次元像から内部JAIMA Season 2023 Spring5図７ パラフィン包埋した正常および疾病マウス腎臓の腎小体近傍の（a）CT 断層像と（b）内部の糸球体３次元像。
そこから（c）低密度領域および（d）高密度領域を抽出し、それぞれの体積比を計算した。

４．X 線トポグラフ単結晶ウェーハ欠陥評価
単結晶ウェーハにブラッグ回折条件を満たす X線を入射すると、図８（a）に示すように、内部の格子欠陥のある場所において、回折強度に変化が生じる。それを写真フィルムなどの２次元検出器上に写し出すことにより、欠陥を観測することができる。その際、試料と検出器を同期させてスキャ

図８ （a）X 線トポグラフにより、結晶欠陥が可視化される概念図、（b）Lang 法により測定した 4H SiC 基板のトポグラフ像。
トポグラフ像には、結晶内部の多数の転位が写っている。

ンすれば、広い範囲における結晶の回折像を１つ6の画像として得ることができる（Lang 法）3）。それに近傍で格子面が歪んだ領域では、それより広い角よって得られた 4H SiC のトポグラフ像を図８（b）

度範囲の X 線も回折条件を満たし、回折強度がに示す。回折ベクトル g は 2240 である。SiC 結増加する。Lang 法では、発散角 10-4 rad オーダー

晶内に存在する転位は、基底面転位（BPD）、貫の X 線を入射するので、転位によって歪んだ領域

通らせん転位（TSD）、および貫通刃状転位（TED）で回折され、X線強度の強い像として現れる。一方、であり、それぞれ図中で、濃い線状、濃い点状、入射側に結晶コリメータを入れて平行度を向上さおよび薄く短い線状の像として同定される。このせたり、放射光を用いて入射ビームの平行度を10-5ように、X 線トポグラフによって結晶内の転位をrad 程度まで向上させたトポグラフでは、転位像は、画像化できる理由は、以下のように説明される。

単純に強度が増大するのではなく、濃淡の混ざっ結晶性が良い単結晶に対しては、X 線の回折幅はた複雑なパターンとなる。このパターンを上手く利極めて狭く、ほぼ 10-5 rad のオーダーである。一用することにより、転位のバーガースベクトルを方、転位近傍では、10-4 rad を超える格子面の傾決めることも可能である 8）。

きが起こっていると考えられる。したがって、転例えば SiC においては、ドーパントの種類や位から十分離れた領域では、平行性の高い成分濃度を制御するため、表面のエピタキシャル膜上（parallel beam）のみが回折する。しかし、転位にデバイスを形成する。そこでの欠陥を評価する

JAIMA Season 2023 Spring上では、反射法によるトポグラフが有効である。

子がわかる。このように、セクショントポグラフ

図９は、（0001）面が 4°オフセットしてカットされを用いれば転位の深さ方向の位置が特定でき、結た 4H SiC 上に 10μmのエピタキシャル膜を形成

晶中の伝播を３次元的に把握することが可能になした試料の反射トポグラフの例である。図９（a）

る 10）。

で見られる縦方向の黒い線は基板とエピタキシャル膜界面にできたミスフィット転位である。
また、
図９（b）に見られる黒い面上の領域は、エピタキシャル膜内の（0001）面に沿って発生した積層欠陥であると見なされる。その原因と考えられるのは、基板内に存在していた基底面転位（線状の像）である。特に、積層欠陥はデバイス特定に大きな影響を与えるため、その評価は重要である。
図 10 （a）セクショントポグラフによって、結晶内部における欠陥の位置が特定される原理、および（b）短い間隔で撮影することによって、内部の転位位置が変わっていく様子が観察される。

図 11 は同じく SiC 結晶内における転位の伝播を 2240 反射で測定し、３次元表示したものである。結晶の裏面から表面まで真っ直ぐ伸びているのが TED、内部で丸くカーブしているものがBPD、そして表面でのみ塊として見えているの
図９ 4H SiC の Si 面に厚さ 10 μmのエピタキシャル膜を成膜した試料の反射トポグラフ像、（a） 1128 反射および（b）1107 反射像。前者には、エピタキシャル膜界面における格子定数の差によるミスフィット転位（縦長の黒い線）が、後者には、エピタキシャル膜内部に積層欠陥（黒い面上の領域）が観測されている。

５．セクショントポグラフによる転位の３次元像 9)
ここまで紹介してきたのは、透過トポグラフにが TSD である。TSD が表面でのみ見えているのは、内部では反射の回折ベクトル g と転位のバーガースベクトル b=（000c ）が（4H SiC の c 軸○長 =10.05 A）直交し、コントラストが消失しているためである 11）。ただし、表面においては歪みが解放され、回折ベクトルと平行な［1120］方向にも歪みが生じていることが強いコントラストが観測される原因と考えられる。

よる結晶基板内全体あるいは反射法による表面の欠陥観測であった。さらに、結晶内部での欠陥の位置を決めるためには、セクショントポグラフといわれる方法を使う。その概略を図 10（a）に示す。幅 10μm程度に細く絞った X 線ビームを入射し、回折 X 線像を測定すると、そのパターン位置から欠陥の深さを知ることができる。図 10（b）には、SiC 単結晶を５ μmずつシフトしながら連続的に撮影した像を示す。左が結晶の検出器（表）側、右が X 線（裏）側に相当しており、個々の転位が黒い点として検出されている。それぞれの点をよく見ると、画像毎に少しずつ移動している様図 11 セクショントポグラフを 10 μm間隔で撮影し、得られた画像を処理した 4H SiC ウェーハにおける転位の３次元像。

JAIMA Season 2023 Spring7

図 12 （a）熱処理によって転位が発生した Si 基板の透過トポグラフ像、および（b）50 μm間隔で測定したセクショントポグラフ像。後者によって、結晶表面起源の転位が，結晶内部を伝播する様子が観察される。

次に、シリコンウェーハに加熱プロセスを加えに活用の幅が拡がると考えられる。また、高コた場合に発生した欠陥を透過の Lang 法で測定しントラストの高分解能 X 線 CT 装置も開発され、た例を図 12（a）に示す 12）。ウェーハの端近くで生体組織の観察や生検への応用も拡がっていくも大量の転位（真黒くなっている部分）が発生し、のと期待される。一方、X 線回折顕微鏡＝ X線トポ

そこから、［100］および［110］方向に多数の転位グラフに関しても、高分解能化や転位の３次元立列が延びている。ただし、この像からはウェーハ体像の取得が可能となってきており、近年注目さ内部で転位がどのように伝播しているかの詳細はれている新しい結晶材料（SiC, GaN, Ga2O3 など）分からない。そこで、図で赤くハッチした部分を、の評価にも広く活用されていくものと考えられる。

50μmごとにセクショントポグラフで測定した結果を図 12（b）に示す。結晶端部では、表面に大量◉参考文献の転位が発生し、黒い塊となっているが、そこか

1）G. H. Hounsfield, British J. of Radiography, 46,

ら離れるにつれ、発生した転位は結晶の中央部に集まって伝播している。また、2 つの〈100〉方向に

2）平尾芳樹 , 国立科学博物館技術の系統化調査報告 , 12

延びる転位の列は、それぞれは繋がっておらず、（医療用 CT 技術の系統化調査報告）, March（2008）.

独立に結晶の表面から裏面へ貫通している。した（https://sts.kahaku.go.jp/diversity/document/system/

がって、これらの転位は、〈100〉方向に延びる応

pdf/045.pdf）

力場により誘起されたものと理解できる。以上述

3）Lang, A.R. Lang, Acta. Cryst., 12, 249（1959）.

べてきたように、セクショントポグラフおよびそ4）岸野正剛，日本結晶成長学会誌 , 18, 285（1975）.

れを短い（例えば５μm）間隔で測定することによ5）武田佳彦，リガクジャーナル，44（1）, 16（2013）.

り、転位の伝播を３次元的に可視化することが可6）表和彦，岩田知之，武田佳彦，リガクジャーナル，能となり、結晶成長条件による転位伝播状況への影響なども評価することが可能になってきた。

６．まとめ
本稿では、近年の X 線源、光学素子および X線検出器の進歩により可能になった、２種類の X線イメージング技術に関し、その進展を概説した。

48（1）, 12（2017）.
7）Naoki Kunishima, et.al., Scientific Reports, 12,9436（2022）.
8）N. A. Mahadik, et.al., APL Materials, 7, 022513（2019）.
9）梶原堅太郎，飯田敏，向出太平，川戸精爾，日本結晶学会誌，54, 12（2012）.

１つは、レントゲンの発見に始まる透視技術

10）稲葉克彦，リガクジャーナル，51（1）, 6（2020）.

で、医療やセキュリティ検査では欠かせないもの

11）A. Authier, “Dynamical Theory of X-Rayとなっている。近年では、特に検出器技術の進展

Diffraction”, Oxforfd, 2001, ISBN 0 19 855960 7,

でサブミクロンの分解能を持つ CT 装置が入手可

Chap. 17, p. 544.

能となり、今後、先端材料・デバイス開発にさら81016（1973）.

JAIMA Season 2023 Spring12）表和彦，表面と真空 , 64, 236（2021）.