EDX（エネルギー分散型X線分光）とは

Q: EDS とは同じものですか？

同じものです。EDS ともいいます。

THEME 05 検査・計測・歩留まり · 不良解析Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy

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EDX とは、対象物へ電子線を当て、放出される元素固有の特性X線のエネルギーを分析して構成元素を同定する手法です。 EDS とも呼ばれます。同じ形の異物でも由来する材料は複数あるため、成分まで調べてはじめて工程へ遡れます。EDXの強みは、全元素を一度に、短時間で、電子顕微鏡の上で見渡せることです。その代わり山の幅が広く、近い元素どうしの重なりと微量元素の検出限界が弱点になります。どこまでをEDXで済ませ、どこから波長で分ける方式に任せるかは、この二つで決まります。

内殻の空席へ外殻の電子が移るとき、元素ごとに決まったエネルギーのX線が出る

EDX は、欠陥領域など元素分析する対象物に電子線を当て、放出される元素固有の特性X線エネルギを分析して構成元素を同定します¹。当たった電子は、試料の原子の内側の殻にある電子を弾き飛ばします。内殻に空席ができると、エネルギーの高い外殻の電子が移ってきて原子を安定させます²。このとき、二つの殻のエネルギーの差がX線として出ます。差は元素ごとに決まっているので、出てきたX線のエネルギーが元素の名札になります。

仕組み

入射電子が内殻の電子をはじき出し、空席へ外殻の電子が移ります。二つの準位の差が特性X線のエネルギーになり、その値が元素ごとに決まっています。

検出器が全エネルギーを一度に数えるので、短時間で全元素を見渡せる

検出器は、入ってきたX線光子を光電吸収で電荷に変えて測ります³。光子は時間の順に一つずつ処理されますが、エネルギーの方向には並行に数えられ、測れる範囲はSi検出器で100 eVから25 keV、Ge検出器で100 keVまでです。いまの主流は液体窒素で冷やす必要のないシリコンドリフト検出器（SDD）で、保守が楽で分析時間も短い²ことから広く使われています。Oxford Instrumentsは、窓のないSDDならリチウムまで検出でき、リチウムイオン電池の開発に使われているとしています。

エネルギーごとに数えていくと、元素ごとに決まった位置に山が立ちます。山の位置で種類が分かり、スペクトルの強度から構成元素の濃度を算出できます⁴。日本電子は、Be〜Uまでの元素の定性分析と定量分析を簡便に短時間で行えるとしています。標準試料を別に用意しなくてよいのは、メーカーが標準試料のスペクトルを取得して装置のコンピューターに保存しているからです。試料による電子の散乱や、発生したX線の吸収・蛍光励起が標準試料と違う分を補うZAF法の補正も、コンピューターが自動で計算します。強度を視野の中で並べれば、元素の偏析を地図のように示すX線マッピングになります²。エネルギーで分ける方式であることは、EDS¹という別名にも入っています。

山の幅が広いので、近いエネルギーの元素が重なり、微量元素を拾いにくい

一度に受ける代わりに、山の幅は広がります。NISTは、EDSの主な人為的なずれとして、自然な線幅に対して約75倍の山の広がりと、エスケープピークや同時計数ピーク³を挙げています。日本電子によると、エネルギー分解能はMnのKα線（5.9 keV）に対して130〜140 eVです。

幅が広いと、近いエネルギーの元素どうしが重なって分けにくくなります。チタン酸バリウム（BaTiO3）では、TiKαがBaLαと、TiKβがBaLβと重なり、元素の同定が難しくなります⁴。さらに制動放射による連続X線がバックグラウンドを作るため、山とバックグラウンドの比（P/B比）が悪く、元素の検出限界は波長分散型X線分光（WDS）に比べて約2桁低くなります⁴。濃度が小数点以下1桁以下の微量元素は検出が難しくなります。重なりや微量元素が問題になる場面は、スペクトル線の波長で分けるEPMAの領分です。

山の広がり

EDXでは山の幅が自然な線幅の約75倍に広がるため、BaTiO3のTiKα線とBaLα線は一つのこぶに重なり、どちらの元素か同定しにくくなります。

測っている体積は、プローブより大きい数100 nm〜数 μm

電子線を細く絞っても、分析される領域はそれより広くなります。日本電子は、分析領域は水平方向・深さ方向ともに数100 nm〜数 μm程度で⁴、プローブ径より大きいのは入射電子が試料の中で拡散するためとしています。電子線を細く絞れば小さい領域を狙える一方、出てくるX線の量が減って統計が粗くなります。加速電圧を上げれば深い所からも信号が来ますが、測っている体積も広がります。分析領域がこの大きさなので、それより小さい異物や薄い層を狙うと、周りの材料の成分も一緒に数えることになります。

分析される領域

プローブは細くても、入射電子が試料の中で拡散するため、X線が出る領域は水平・深さともに数100 nm〜数 μmに広がります。

電子顕微鏡に載せ、異物の成分から工程へ遡る

走査型電子顕微鏡は、電子ビームを試料に照射し、二次電子の情報から試料の状態を観察する装置です¹。同じ電子線が二次電子と特性X線の両方を出すので、形を写す装置にこの分析を載せられます。日本電子は、EDSがWDSに比べて短時間で分析できるうえ、数 nA〜数10 nAの小さなプローブ電流で分析できて試料ダメージが少なく、表面を平滑にする前処理も要らず、装置が小型で複雑でない⁴ことを利点に挙げています。

自動欠陥レビューは、欠陥検査で取得された座標により、自動的に欠陥画像の取得とデータ保存を行います¹。形を集めた後、成分を調べる順序が組まれます。異物の正体がつかめれば、どの工程から来たかを追えます。金属なら装置の部材、樹脂なら搬送の系統、というように候補が絞れます。

表面に見えない層は、断面を開いて調べます。集束イオンビームは、局所的な加工と、加工断面や表面の観察ができます¹。掘って断面を開いてから、その面の成分を調べます。成膜後のパターンの評価でも、上面・側壁・底の膜厚やシーム、ボイドを見る方法として断面SEM・TEMと並んでEDXが挙がります。

成分は、壊れ方の証拠にもなります。電気的オーバーストレスでパルスの継続時間が長い場合⁵、配線のエレクトロマイグレーションや炭化した樹脂の付着が観察される例もあります。

よくある質問（FAQ）

EDX とは何ですか？

元素分析する対象物に電子線を当て、放出される元素固有の特性X線エネルギを分析して構成元素を同定する分析手法です。検出器が全エネルギーのX線を一度に数えるので、Be〜Uの元素を短時間で調べられます。

EDS とは同じものですか？

同じものです。EDS ともいいます。

なぜ元素が分かるのですか？

内殻の空席へ外殻の電子が移るときに出るX線のエネルギーが、元素ごとに決まっているためです。山の位置が、そのまま元素の名前になります。

量も分かりますか？

分かります。山の強度から構成元素の濃度を算出します。標準試料のスペクトルはメーカーが装置に保存しており、ZAF法の補正計算もコンピューターが自動で行います。ただし濃度が小数点以下1桁以下の微量元素は検出が難しくなります。

EPMA とは何が異なりますか？

分け方です。EDX はエネルギーで一度に受け、EPMA はスペクトル線の波長で分けます。EDXは速く、試料ダメージも前処理も少なく済み、波長で分ける方式は近い元素の分離と微量元素の検出で上回ります。

どんな場面で使いますか？

異物の正体を調べる場面です。成分が判明すれば、どの工程や材料から来たかを追えます。断面を開ければ、層の内側の成分も調べられます。

何と組み合わせますか？

試料の状態を観察する走査型電子顕微鏡です。同じ電子線が二次電子と特性X線の両方を出すので、形を写す装置にこの分析を併せます。

比較・違いを学ぶ

EPMAとは── 波長で分ける方式
集束イオンビームとは── 断面を作る手
ADR（自動欠陥レビュー）とは── 形を集める側
TEMとは── 内部構造を写す手

出典

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