論
博 士論文題 目
氏
名
実 験 室 用 硬X線
小畠
文
内
容
の
要
旨
光電子分光装置の開発
雅明
（論 文 内 容 の 要 旨 ）
X線 光 電 子 分 光 法
（X−rayPhotoelectronSpectroscopy：XPS）
は 、 各 種 材 料 の 表 面 分 析 ・評
価 に 広 く 用 い ら れ て い る 重 要 な 分 析 法 で あ る。 し か し な が ら 、従 来 のXPSで
ギ ー が 低 い だ め 平 均 自 由 行 程 が 短 く 、試 料 表 面 か ら2nm程
限 界 で あ る 。 硬X線
Spectroscopy：HAXPES）
を プ ロ ー ブ に 用 い る 硬X線
は 光 電 子 運 動 エネ ル
度 の深 さま で の 化 学 結 合 状 態 の 検 出 が
光電子分光
（HardX−rayPhotoelectron
に お い て は 、光 電 子 が 大 き な 運 動 エ ネ ル ギ ー を 持 つ の で 平 均 自 由 行 程 が
長 く 、ゲ ー ト絶 縁 膜 等 の よ うに 膜 厚 の 大 き い 多 層 薄 膜 に も応 用 で き る とい う メ リ ッ トが あ る。 し
か し な が ら 、励 起 エ ネ ル ギ ー が 高 く な る と 光 イ オ ン 化 断 面 積 が 急 激 に 減 少 す る と い う問 題 が あ る
た め 、実 用 化 に 限 界 が あ っ た 。 そ こ で 本 論 文 で は 、実 験 室 に お い て も 実 用 的 な ス ル ー プ ッ ト （
信
号 強 度 ま た は 感 度 ） と エ ネ ル ギ ー 分 解 能 で 測 定 可 能 な ラ ボ 用HAXPES装
（1）
高 輝 度 で か つ 微 小 ス ポ ッ トが 得 られ る 単 色X線
ア ル バ ッ ク フ ァ イ 社 のVersaProveのAlKα
さ れ たCrタ
置 開発 を行 っ た 。
源 の 開発
線 源 を べ 一 ス に 新 た にX線
源 を 設 計 した 。 水 冷
ー ゲ ッ トに 集 束 電 子 ビー ム を 照 射 し た 。 分 光 結 晶 に はGe（422） を 用 い 、 直 径300㎜
ロ ー ラ ン ド円 上 に お か れ た 楕 円 湾 曲 形 状 に 磨 い た ガ ラ ス ブ ロ ッ ク 表 面 に 貼 り つ け た 。タ ー ゲ ッ ト
上 のCrKαX線
（5414．7eV） の 発 生 点 を ロ ー ラ ン ド円 の 上 の 湾 曲 分 光 結 晶 の 焦 点 に 配 し 、 も う
一 方 の 焦 点 に 回 折 され たCrKαX線
が 集 束 す る よ う に した 。 タ ー ゲ ッ トに 照 射 す る 電 子 ビー ム を
走 査 す る こ と で 、 集 束X線
ら200μm（50W）
は 試 料 上 で 走 査 可 能 で あ る 。X線
の ビー ム 径 は 、10μm（1．25W）
か
の 間 で可 変 で あ る。
2） 高 い 角 度 分 解 能 で 広 取 込 立 体 角 を 持 つ 対 物 レ ン ズ の 開 発
広 取 込 立 体 角 対 物 レ ン ズ は 、松 田 ら に よ っ て 開 発 され た 回 転 楕 円 体 メ ッ シ ュ を 用 い る 広 角 対 物
レ ン ズ の 基 本 設 計 を 採 用 し、こ れ を 高 エ ネ ル ギ ー 用 に 改 良 し た 。高 精 度 に 加 工 され た 回 転 楕 円 体
形 状 の 金 属 メ ッ シ ュ を レ ン ズ の 初 段 に 設 置 した 対 物 レ ン ズ を 製 作 し、最 大 取 込 立 体 角90° を 実 現
べした
。こ の 対 物 レ ン ズ の 性 能 評 価 装 置 を 作 成 し 、透 過 率 の 入 射 角 度 依 存 性 、集 束 ス ポ ッ トの 形 状 、
エ ネ ル ギー 収 差 な どの 特性 評 価 を行 った 。
広 取 込 立 体 角 対 物 レ ン ズ と ア ナ ラ イ ザ ー を 組 み 合 せ 、 ±35°の 角 度 範 囲 で 測 定 で き る こ と を 確
認 した 。 角 度 分 解 能 は0．54° が 得 られ た 。 分 光 器 の 入 射 ス リ ッ ト幅 が0．8mmの
子 帯 ス ペ ク トル の 測 定 時 間 は 約12時
間 で あ っ た 。 エ ネ ル ギ ー 分 解 能 は0．56eVと
と き、 金 の 価 電
見積 も った 。
本 結 果 か ら実 用 的 な 感 度 と エ ネ ル ギ ー 分 解 能 で あ る こ と が 確 認 で き た 。
SiO2（ 厚 さ25nm）
／Si（001）試 料 基 板 か ら のSilsピ
され て い る こ と か ら 、従 来 のXPSよ
ー ク が 膜 厚25nmのSiO2を
通 して も 観 測
り も深 い 領 域 か らの 信 号 の 検 出 が 可 能 で あ り、バ ル ク 敏 感 な
測 定 が 可 能 で あ る こ とが確 認 で きた 。
上 記 の よ う に 、 今 回 開 発 を 行 っ た 単 色 化CrKα
ネ ル ギ ー 分 光 器 の 構 成 の 実 験 室HAXPES装
た 。 ま た 、20nm以
sio2／si（oo1）に お け るsio2膜
置 は 、 実 用 上 十 分 な 感 度 と分 解 能 で あ る こ と が 分 か っ
定 が 可 能 で あ る こ と を 示 せ た 。 応 用 例 と し て 、4nm−25nmの
厚 測 定 、多 層 膜 試 料 評 価 ・高 エ ネ ル ギ ー 光 電 子 回 折 ・バ イ ア ス 印 加
ア ン ビエ ン トプ レ ッ シ ャ ーHAXPES用
験 室 で のHAXPES解
源 、 広 取 込 立 体 角 対 物 レ ンズ 、 高 エ
上 の 薄膜 物 質 の 深 さ情 報 が検 出 可 能 で あ る こ とが確 認 で き た。 これ に よ り 、
実 験 室 規 模 で バ ル ク 敏 感XPS測
HAXPES・
集 束X線
析 を 可 能 と し、 数 十nmの
セ ル の 開 発 に 成 功 した 。 こ の よ うに 、 本 研 究 は 実
深 さま で の表 面分 析 に 大 き な道 を拓 い た。
氏
名
小畠
雅明
（
論 文 審 査結 果 の 要 旨）
X線 光 電 子 分 光 法 （X−rayPhotoelectronSpectroscopy：XPS）
は 、各 種 材 料 の 表 面 分 析 ・
評 価 に 広 く 用 い られ て い る重 要 な 分 析 法 で あ る。 しか しな が ら 、 従 来 のXPSで
は光 電 子 運 動
エ ネ ル ギ ー が 低 い た め 平 均 自 由 行 程 が 短 く 、 試 料 表 面 か ら2nm程
度 の 深 さまで の化 学 結 合 状
態 の 検 出 が 限 界 で あ る 。 硬X線
PhotoelectronSpectroscopy：HAXPES）
を プ ロ ー ブ に 用 い る 硬X線
光 電 子 分 光 （HardX−ray
に お い て は 、 光 電 子 が 大 き な運 動 エ ネ ル ギ ー を持 つ
の で 平 均 自 由 行 程 が 長 く、 ゲ ー ト絶 縁 膜 等 の よ うに 膜 厚 の 大 き い 多 層 薄 膜 に も 応 用 で き る と
い う メ リ ッ トが あ る 。 しか し な が ら 、 励 起 エ ネ ル ギ ー が 高 く な る と 光 イ オ ン 化 断 面 積 が 急 激
に 減 少 す る と い う問 題 が あ る た め 、 実 用 化 に 限 界 が あ っ た 。 そ こ で 本 論 文 で は 、 実 験 室 に お
い て も実 用 的 な ス ル ー プ ッ ト （
信 号 強度 また は感 度 ） とエ ネ ル ギ ー分 解 能 で 測 定 可能 な ラ ボ
用HAXPES装
置 開 発 を行 っ た 。
（1） 高 輝 度 で か つ 微 小 ス ポ ッ トが 得 られ る 単 色X線 源 の 開 発
ア ル バ ッ ク フ ァ イ 社 のVersaProveのAIKα
線 源 を ベ ー ス に 新 た にX線
源 を設 計 した 。
水 冷 され たCrタ ー ゲ ッ トに集 束 電 子 ビー ム を 照 射 した 。 分 光 結 晶 に はGe（422） を 用 い 、 直 径
300㎜
ロー ラ ン ド円 上 に お か れ た 楕 円 湾 曲 形 状 に 磨 い た ガ ラ ス ブ ロ ッ ク表 面 に 貼 りつ け た 。
タ ー ゲ ッ ト上 のCrKαX線
（5414．7eV） の 発 生 点 を ロ ー ラ ン ド円 の 上 の 湾 曲 分 光 結 晶 の 焦 点
’に 配 し
、 も う一 方 の 焦 点 に 回 折 され たCrKαX線
が 集 束 す る よ うに した 。 タ ー ゲ ッ トに 照 射
す る 電 子 ビー ム を 走 査 す る こ とで 、 集 束X線
10μm（1．25W）
か ら200μm（50W）
は 試 料 上 で 走 査 可 能 で あ る 。X線 の ビー ム 径 は 、
の 間 で 可変 で あ る。
（2）高 い角度分解能 で広取込立体角 を持つ対物 レンズの開発
広 取 込 立 体 角 対 物 レ ン ズ は 、 松 田 ら に よ っ て 開 発 され た 回 転 楕 円 体 メ ッ シ ュ を 用 い る広
角 対 物 レ ン ズ の 基 本 設 計 を 採 用 し、 こ れ を 高 エ ネ ル ギ ー 用 に 改 良 した 。 高 精 度 に加 工 され た
回 転 楕 円 体 形 状 の 金 属 メ ッ シ ュ を レ ン ズ の 初 段 に 設 置 した 対 物 レ ン ズ を 製 作 し、 最 大 取 込 立
体 角90° を 実 現 し た 。 こ の 対 物 レ ン ズ の 性 能 評 価 装 置 を 作 成 し 、透 過 率 の 入 射 角 度 依 存 性 、集
束 ス ポ ッ トの 形 状 、 エ ネ ル ギ ー 収 差 な どの 特 性 評 価 を行 っ た 。
広 取 込 立 体 角 対 物 レ ン ズ とア ナ ラ イ ザ ー を 組 み 合 せ 、 ±35° の 角 度 範 囲 で 測 定 で き る こ と を
確 認 した 。 角 度 分 解 能 は0．54°が 得 られ た 。 分 光 器 の 入 射 ス リ ッ ト幅 が0．8㎜
の とき 、金 の
価 電 子 帯 ス ペ ク トル の 測 定 時 間 は 約12時 間 で あ っ た 。一
エ ネ ル ギ ー 分 解 能 は0．56eVと
っ た 。 本 結 果 か ら実 用 的 な感 度 とエ ネ ル ギ ー 分 解 能 で あ る こ とが 確 認 で き た 。
SiO2（ 厚 さ25nm）
／Si（001）
試 料 基 板 か らのSilsピ
測 され て い る こ とか ら、 従 来 のXPSよ
ー ク が 膜 厚25nmのSiO2を
見積 も
通 し て も観
りも 深 い 領 域 か ら の 信 号 の 検 出 が 可 能 で あ り、 バ ル ク
敏 感 な測 定 が 可 能 で あ る こ とが確 認 で きた。
上 記 の よ うに 、 今 回 開 発 を 行 っ た 単 色 化CrKα
集 束X線 源 、 広 取 込 立 体 角 対 物 レ ン ズ 、 高
エ ネ ル ギ ー 分 光 器 の 構 成 の 実 験 室HAXPES装
置 は 、 実 用 上 十 分 な 感 度 と分 解 能 で あ る こ と が 分
か っ た 。 ま た 、20nm以
上 の 薄 膜 物 質 の 深 さ情 報 が 検 出 可 能 で あ る こ と が 確 認 で き た 。 応 用 例
と して 、4nm−25nmのSiO2／Si（001）
に お け るSiO2膜
厚 測 定 、 多 層 膜 試 料 評 価 ・高 エ ネ ル ギ ー 光
電子回折 ・
バ イ ア ス 印 加HAXPES・ ア ン ビエ ン トプ レ ッ シ ャ ーHAXPES用 セ ル の 開 発 に 成 功 し た 。
こ の よ う に 、 本 研 究 は 実 験 室 で のHAXPES解
析 を 可 能 と し、 数 十nmの
深 さま で の表 面 分 析 に
大 き な 道 を 拓 い た も の で あ り、 学 術 的 に 大 き な 意 義 を 有 す る 。 よ っ て 、 審 査 員 一 同 、 本 論 文
が博士 （
理 学 ） の 学 位 論 文 と して 価 値 が あ る も の と認 め た 。

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