(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線を観察したい結晶に照射し、その回折Ｘ線をＸ線検出器で検出するＸ線回折を用いた結晶の観察方法において、
湾曲モノクロメータを用いて回折Ｘ線の入射角に有限の角度を持たせて、該回折Ｘ線をコンポジションスプレッド薄膜結晶上に直線状に集光し、二次元Ｘ線検出器を用いることによって、前記有限の回折角度にわたって前記コンポジションスプレッド薄膜結晶の直線状の回折Ｘ線を同時に測定することにより、Ｘ線回折強度、回折角度及び半値幅を空間的にマッピングし、前記コンポジションスプレッド薄膜結晶の対称面および非対称面を測定することにより、前記コンポジションスプレッド薄膜結晶の面内および面に垂直な格子定数を高速に測定することを特徴とするＸ線回折を用いた結晶の観察方法。
【請求項２】
Ｘ線を観察したい結晶に照射し、その回折Ｘ線をＸ線検出器で検出するＸ線回折を用いた結晶の観察装置において、
（ａ）湾曲モノクロメータと、
（ｂ）水平方向に複数列配置されるコンポジションスプレッド薄膜結晶を搭載するとともに、水平方向に駆動可能なステージと、
（ｃ）前記コンポジションスプレッド薄膜結晶からの回折Ｘ線を検出する二次元Ｘ線検出器と、
（ｄ）前記湾曲モノクロメータを用いて前記回折Ｘ線の入射角に有限の角度を持たせて、該回折Ｘ線を前記コンポジションスプレッド薄膜結晶上で垂直方向の直線状に集光し、前記二次元Ｘ線検出器を用いることによって、前記有限の回折角度にわたって前記コンポジションスプレッド薄膜結晶の垂直方向の直線状の回折Ｘ線を同時に測定することにより、Ｘ線回折強度を空間的にマッピングし、前記コンポジションスプレッド薄膜結晶の対称面および非対称面を測定することにより、前記コンポジションスプレッド薄膜結晶の面内および面に垂直な格子定数を高速に測定し、前記コンポジションスプレッド薄膜結晶を評価する手段とを具備することを特徴とするＸ線回折を用いた結晶の観察装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、収束角をもって線状に集光するＸ線と二次元検出器を用いることにより、異なる複数の点でのＸ線回折を同時に測定できる、結晶の観察方法及びその観察装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的には、これまで、薄膜デバイス検査など薄膜結晶やバルク結晶の観察は、主に光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡で行われてきた。
【０００３】
最近、材料探索の効率化のために高速に試料を作成する様々な方法が開発されている。この方法では、単結晶基板上に様々な組成の薄膜を集積したコンビナトリアル試料を作成する。Ｘ線回折は格子定数や不純物相の有無、超格子周期などの重要な情報を得ることができる（例えば、特開２０００−３３８０６１号）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に用いられているＸ線回折装置では、Ｘ線のビーム径は数ｍｍ程度の大きさを持ち、一回に一種類の試料の回折角の強度しか得ることができないので、上記のようなコンビナトリアル試料を測定するためには、測定を集積された試料の数だけ繰り返さなければならない。そのため、測定を高速化するには新しい手法の開発が必要となる。Ｉｓａａｃｓ等は、シンクロトロン線源から出て集光したＸ線ビームを用いて、蛍光Ｘ線、回折Ｘ線、Ｘ線の吸収端近傍の吸収の三つの測定を同時にする方法を報告しているが、放射光を用いているためにその使用は制限されると考えられる。
【０００５】
また、従来の光学顕微鏡装置では光学的に透明な材料が観察できず、表面が不透明なもので覆われていて観測したい結晶が表面に露出していないときは観察できないといった問題があった。さらに、電子顕微鏡装置では絶縁体が観察できず、表面が何かに覆われている場合、すなわち、観測したい結晶が表面に露出していないときは観察できないといった問題があった。
【０００６】
本発明は、上記状況に鑑みて、直線状に数度の入射角をもつＸ線と二次元Ｘ線検出器を採用することによって、Ｘ線回折の原理により結晶を高速に観察することができるＸ線回折を用いた結晶の観察方法及びその観察装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕Ｘ線を観察したい結晶に照射し、その回折Ｘ線をＸ線検出器で検出するＸ線回折を用いた結晶の観察方法において、湾曲モノクロメータを用いて回折Ｘ線の入射角に有限の角度を持たせて、その回折Ｘ線をコンポジションスプレッド薄膜結晶上に直線状に集光し、二次元Ｘ線検出器を用いることによって、前記有限の回折角度にわたって前記コンポジションスプレッド薄膜結晶の直線状の回折Ｘ線を同時に測定することにより、Ｘ線回折強度、回折角度及び半値幅を空間的にマッピングし、前記コンポジションスプレッド薄膜結晶の対称面および非対称面を測定することにより、前記コンポジションスプレッド薄膜結晶の面内および面に垂直な格子定数を高速に測定することを特徴とする。
【０００８】
〔２〕Ｘ線を観察したい結晶に照射し、その回折Ｘ線をＸ線検出器で検出するＸ線回折を用いた結晶の観察装置において、湾曲モノクロメータと、水平方向に複数列配置されるコンポジションスプレッド薄膜結晶を搭載するとともに、水平方向に駆動可能なステージと、前記コンポジションスプレッド薄膜結晶からの回折Ｘ線を検出する二次元Ｘ線検出器と、前記湾曲モノクロメータを用いて前記回折Ｘ線の入射角に有限の角度を持たせて、その回折Ｘ線を前記コンポジションスプレッド薄膜結晶上で垂直方向の直線状に集光し、前記二次元Ｘ線検出器を用いることによって、前記有限の回折角度にわたって前記コンポジションスプレッド薄膜結晶の垂直方向の直線状の回折Ｘ線を同時に測定することにより、Ｘ線回折強度を空間的にマッピングし、前記コンポジションスプレッド薄膜結晶の対称面および非対称面を測定することにより、前記コンポジションスプレッド薄膜結晶の面内および面に垂直な格子定数を高速に測定し、前記コンポジションスプレッド薄膜結晶を評価する手段とを具備することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、上記したように、収束角をもって線状に集光するＸ線と二次元検出器を用いることによって、異なる複数の点でのＸ線回折を同時に測定できる一括Ｘ線回折装置により、バルク結晶や単結晶基板上に組成が変化している薄膜結晶のＸ線回折を測定できることに加えて、Ｘ線回折強度を空間的にマッピングすることが可能である。この手法により、バルク結晶やエピタキシャル薄膜で作られたデバイスを高速に評価することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明の実施例を示す結晶の観察装置（一括Ｘ線回折装置）の模式図である。
【００１２】
１．２ｋｗの回転式Ｃｕ陽極Ｘ線源（点Ｘ線源）１から０．１ｍｍ角のＸ線を発生させ、アパーチャ２により、そのＸ線を絞り、Ｊｏｈａｎ型の湾曲結晶（湾曲モノクロメータ）３によりアパーチャ４を介して２度の収束角をもって試料台（水平方向移動及びω回転機構付き試料台）５に搭載される試料（結晶）６に略０．１×１０ｍｍ2 で集光させる。
【００１３】
これにより、ＣｕのＫα2 線とＫβ線は除去され、Ｋα1 線のみが集光される。試料台５と二次元検出器〔２θ回転可能な二次元Ｘ線検出器（ＣＣＤカメラ）〕７はそれぞれ２サークルのゴニオメーターのωと２θステージ（図示なし）上に配置されている。試料６により回折されたＸ線は二次元Ｘ線検出器７にイメージとして取り込まれるが、そのイメージの二つの軸は試料６の位置とＸ線回折の２θにそれぞれ対応している。
【００１４】
現在の光学系ではイメージの空間分解能は約０．１ｍｍで主に二次元Ｘ線検出器７により決まっており、角度分解能は約０．０２度となっている。このように、収束角を持って線状に集光したＸ線と二次元Ｘ線検出器７を使うことにより、一回の測定でＸ線回折を回折角と線方向の位置情報を同時に得ることができ、かかる時間は僅かに数分である。
【００１５】
Ｘ線を観察したい結晶６に照射し、回折Ｘ線を二次元Ｘ線検出器７で検出する。湾曲モノクロメータ３を用いて回折Ｘ線の入射角に有限の角度を持たせて回折Ｘ線を直線状に集光し、二次元Ｘ線検出器７を用いることによって有限の回折角度にわたって試料（結晶）６の直線上の回折Ｘ線を同時に測定することができるため、高速な測定ができる。また、試料（結晶）６に特有の回折角の強度分布をマッピングすることにより、試料（結晶）６の形状を観察することができる。
【００１６】
図３は本発明の薄膜結晶の観察装置による第１の観察例を示す図である。
【００１７】
図３（Ａ）は、図３（Ｃ）に示すように、ＳｒＴｉＯ3 （００１）基板上の｛〔（ＳｒＴｉＯ3 ）n ／（ＢａＴｉＯ3 ）4 〕30（ｎ＝４，６，８，１０，１２）｝の５つの超格子を集積したコンビナトリアル試料の測定結果の生データであり、縦軸と横軸はそれぞれ薄膜の位置と回折角度２θを示しており、色が回折強度を示している。縦方向の直線と階段状のイメージはそれぞれ基板と超格子のサテライトピークのＸ線回折を示している。縦軸方向を比較すると明らかに６つのエリアに分かれており、基板と図３（Ｃ）で模式的に示される５種類の薄膜のコンビナトリアルＸ線回折測定が実際に測定可能である（例えば特開２０００−３３８０６１）。横軸方向の断面図を縦軸方向の変化に即して任意の位置で各々読み取ったものが、図３（Ｂ）に示すデータであり、これを比較することにより、図３（Ｃ）で模式的に示される５種類の薄膜のデータ解析ができる。
【００１８】
図４は本発明の薄膜結晶の観察装置による第２の観察例を示す図である。
【００１９】
図４（Ａ）から薄膜の面に垂直方向の格子定数ｃが求まる。図４（Ａ）の薄膜および基板の対称面の（００１）面の測定データに加えて、非対称面である（１０３）面と（−１０３）面の測定データが得られるが、それを図３（Ｂ）と同様に任意の位置において横軸方向の断面図を読み取ると、各非対称面の測定データに対して、模式図の図５のようなプロットデータが得られる。すると結晶が立方晶あるいは正方晶の場合次式を用いることにより、薄膜の任意の位置における面内の格子定数ａが求まる。
【００２０】
〔ａ／√（ｈ2 ＋ｋ2 ）〕／  （ｃ／ｌ）＝ｔａｎ（α＋Δα）
ここで、（ｈ  ｋ  ｌ）は測定した非対称面の指数、αは対称面と非対称面のなす角度〔例えば（００１）面と（１０３）面もしくは（−１０３）面のなす角度〕、Δα＝（Δω２−Δω１）／２であり、Δω１、Δω２は図５にあるように各非対称面のプロットの薄膜の回折ピークと基板の回折ピークの差の角度である。ｘの増加、ＳｒをＢａに置換する量の増加に伴い、薄膜の体積は増加しているが、基板からのエピタキシャル歪みにより面内の格子定数は変化していない。
【００２１】
従って、面外の格子定数のみが大きくなっている。ｘの値が０．６を越えると、弾性変形のエネルギーがエピタキシャル歪みによるエネルギーより大きくなるために、面内の格子定数を維持することができなくなる。結果として、転位が出現し突然面外の格子定数が小さくなる。このように、格子不整合基板上の薄膜の格子定数が不整合性の増加とともに変化している様子が分かる。この結果から、薄膜結晶の面内および面に垂直方向の格子定数が、ｘ（位置情報）の関数で高速に求められることが分かった。
【００２２】
このように本発明によれば、図３や図４のようなイメージから２θのピーク位置やピーク強度、半値幅を得ることができるので、基板での位置の関数として格子定数や結晶性を表すことができる。
【００２３】
図６は本発明の薄膜結晶の観察装置による第３の観察例を示す図であり、図６（Ａ）は、不均質な膜質を持ったＹＢａ2 Ｃｕ3 Ｏ7-δ薄膜の写真である。
【００２４】
図６（Ｂ）は、薄膜の（００５）ピークの強度を一括Ｘ線回折によりマッピングしたものである。このマッピングは試料台５を水平方向に１００μｍステップで１６０回動かしながら取った一括Ｘ線回折イメージを解析して得たものである。回折強度は位置の関数であり、中心付近で最大値を取り、角に向かうにつれて減少している。図６に示されるような回折強度のマッピングはエピタキシャル薄膜を使用したデバイスの検査にも有用である。
【００２５】
図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）はそれぞれ同様に得られたＸ線回折ピーク角度位置とＸ線回折ピークの半値幅のマッピングである。Ｘ線回折ピークの角度位置から格子定数を求めることができるため、図６（Ｃ）は面外の格子定数のマッピングに相当する。
【００２６】
図７は本発明の薄膜結晶の観察装置による第４の観察例を示す図である。
【００２７】
図７（Ａ）はＳｃＡｌＭｇＯ4 基板上に透明導電体であるＺｎＯ薄膜でホールバーのアレイを作成して、ホールバーの一部分に金電極を積層したものの写真である。一般的に、薄膜は物質固有のある決まった回折角度で強い回折強度を示すため、その決まった回折角度における回折強度のマッピングを行うことにより、薄膜の形状を画像化できる。
【００２８】
図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のホールバーに対して図６（Ｂ）と同様な測定を行って得たマッピングである。ホールバーの目では見えない部分から金電極で覆われている部分まで明瞭に観察することができた。図７（Ｂ）の赤い円で囲まれている部分からわかるように、ホールバーに亀裂が入っていることが観察されている。
【００２９】
本発明のＸ線回折装置は、標準的なＸ線回折装置に改造を加えて開発したために、研究室での使用が可能である。コンビナトリアル試料を高速に測定できるだけでなく、バルク結晶やエピタキシャル薄膜の結晶性の空間分布やデバイス構造などを検査することができる。現在、この装置の空間分解能は約１００μｍであるが、Ｘ線光学系の改良やＸ線源に放射光を用いることにより分解能を向上させることができるので、顕微鏡装置としての改良が見込まれる。
【００３０】
図２は本発明の実施例を示す薄膜結晶積層構造を示す模式図であり、図２（ａ）にはその積層構造が示され、図２（ｂ）はＡ層の平面図、図２（ｃ）はＢ層の平面図、図２（ｄ）はＣ層の平面図である。
【００３１】
図２に示すように、異なる化合物の薄膜結晶の積層構造（つまり、それぞれの薄膜結晶が異なる回折角度にピークを持つことが必要）、ここでは、薄膜結晶のＡ層１１、薄膜結晶のＢ層１２、薄膜結晶のＣ層１３を作製すると、上記の原理により、各回折角度での強度をマッピングすることで、図２（ｂ）〜図２（ｄ）に示すように、各薄膜結晶のＡ層１１，Ｂ層１２、Ｃ層１３を独立して観察することができる。つまり、複数の薄膜が積層された薄膜積層デバイスにおいても、各層の観察を行い、形状の検査をすることができる。
【００３２】
また、そのような積層薄膜の各層に対して、任意のパターニングを施し、本発明を用いて各層のパターンを観察することにより、情報の読み書きができる。すなわち、面内方向に加えて面間方向（積層方向）にも情報を記録できる記録媒体を作製することができる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００３５】
（Ａ）収束角をもって線状に集光するＸ線と二次元Ｘ線検出器を用いることにより、異なる複数の点でのＸ線回折を同時に測定し、そのデータ解析をすることができる。
【００３６】
（Ｂ）バルク結晶および単結晶基板上の薄膜結晶のＸ線回折を測定できることに加えて、Ｘ線回折強度を空間的にマッピングすることが可能であり、本発明によって、バルク結晶およびエピタキシャル薄膜で作られたデバイスを高速に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す結晶の観察装置（一括Ｘ線回折装置）の模式図である。
【図２】  本発明の実施例を示す薄膜結晶積層構造を示す模式図である。
【図３】  本発明の結晶の観察装置による第１の観察例を示す図である。
【図４】  本発明の結晶の観察装置による第２の観察例を示す図である。
【図５】  本発明の結晶の観察装置による回折角度に対する回折強度特性図である。
【図６】  本発明の結晶の観察装置による第３の観察例を示す図である。
【図７】  本発明の結晶の観察装置による第４の観察例を示す図である。
【符号の説明】
１    １．２ｋｗの回転式Ｃｕ陽極Ｘ線源（点Ｘ線源）
２，４    アパーチャ
３    湾曲モノクロメータ
５    試料台
６    試料（結晶）
７    ２θ回転可能な二次元Ｘ線検出器（ＣＣＤカメラ）
１１    薄膜結晶のＡ層
１２    薄膜結晶のＢ層
１３    薄膜結晶のＣ層
【図１】
0003676249.tif 000002
【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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