(57)【要約】【課題】試料を回転させる際に試料表面が歳差運動を生じないようにし、試料の回転などにより測定する場合に正確なデータが取得できる試料台の提供。【解決手段】この発明は、基準平板１と試料を装着する試料装着用平板２とを備えている。試料装着用平板２は、圧電素子２１、２２の印加電圧を独立に制御することにより、連結棒２３を支点として基準平板１に対する傾斜角度が調整できるようになっている。基準平板１は、その基準平板１を試料の面と略平行な仮想の回転軸Ｂを中心として回転させる第１回転装置３と、その基準平板１を面内で回転させる第２回転装置４と、その基準平板１をその面に対して略垂直方向に移動させる移動装置５とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を用いて試料を測定するための試料台であって、
所定の２軸の回転と所定方向の移動により位置決めされる基準平板と、
前記基準平板と対向して設けられ、試料を装着する平坦な表面を有する試料装着用平板と、
前記基準平板と前記試料装着用平板のなす角度を任意に調整する角度調整装置と、
を備えていることを特徴とする試料台。
【請求項２】
前記角度調整装置は、
前記基準平板と前記試料装着用平板を、所定の一端側において連結する連結部材と、
前記基準平板と前記試料装着用平板との間に介在させ、前記連結部材を支点に前記両平板の間隔を調整する調整部材と、
からなることを特徴とする請求請１に記載の試料台。
【請求項３】
前記調整部材は、圧電素子からなることを特徴とする請求項２に記載の試料台。
【請求項４】
光を用いて試料を測定するための試料台であって、
所定の２軸の回転と所定方向の移動により位置決めされる基準平板と、
前記基準平板と対向して設けられ、試料を装着する平坦な表面を有する試料装着用平板と、
前記基準平板上の略中央に回転自在に設けられ、上端側を前記試料装着用平板の裏面側の略中央と連結する連結部材と、
前記連結部材を回転させるための回転機構と、
前記基準平板と前記試料装着用平板との間に介在させ、前記連結部材を支点に前記両平板の間隔を調整する調整部材と、
を備えていることを特徴とする試料台。
【請求項５】
前記基準平板は、
その基準平板を前記試料の面と略平行な仮想の軸を中心として回転させる第１回転手段と、
前記基準平板を面内で回転させる第２回転手段と、
前記基準平板をその面に対して略垂直方向に移動させる移動手段と、
を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の試料台。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶性材料の結晶性や結晶方位などを決定する光回折装置やラマン分光装置などに使用される、対象試料の設置方位を精密に制御できる試料台に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光回折装置やラマン分光装置では、検査対象となる結晶性試料表面に光源より特定波長の光を当て、その反射光もしくは散乱光を検出器で検出する。この検出された光の強度、エネルギー、方位などの情報に基づき、試料の結晶性や結晶方位を決定することができる。
【０００３】
とりわけ、対象試料が単結晶であったり、結晶性基板上に成長させたエピタキシャル膜や強配向性膜などの場合、結晶方位を精密に測定することが重要となり、そのためには、対象試料そのものや、試料の任意の結晶面を所望の方位に調整できる機構を有する試料台が必要となる。
従来、そのような方位調整機構を有する試料台としては、試料台の表面近傍の一点を通る直交した２種類の独立した回転軸によって方位調整を可能とする、いわゆる２軸方式のものが知られている。
【０００４】
例えば、試料として結晶面（１００）を表面に持つ単結晶シリコン（慣例によりＳｉ（１００）基板と表記する）を考える。その大きさは、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形で、厚さが１ｍｍ程度とする。
まず、測定開始前に、その試料を試料台に無造作に置いたとする。この時、Ｓｉ（１００）基板は、試料台に略平行となるが、厳密にはそうはならない。回折や散乱現象を利用する上述の装置では、光源（あるいはその偏光面）と、試料の結晶面（ここではＳｉ基板の（１００）面）と、検出器（あるいは検出時の検出光の偏光面）との間の位置関係（なす角度や方位）を正確に所望の状態にする必要がある。
【０００５】
上述の２軸方式の場合、２軸は互いに独立に制御可能であるので、これらで試料台の方位を微調整（回転）し、試料の結晶面を正確に所望の状態にすることができる。この作業は、いわゆる軸立て作業と呼ばれている。
このような軸立てを正確に行える試料台としては、例えば、特許文献１に開示される多軸試料台が知られている。ここで、多軸とは、試料の方位に加えて、３次元空間内の位置（ｘ，ｙ，ｚ）の制御機構も含めており、試料の方位の制御は２軸で行っている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−６２３６４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、実際の測定では、試料の方位を連続的に変えたり回転させながらデータを取得したい場合がある。すなわち、着目している試料の結晶面を、正確に回転軸の周りに回転させる必要が生じる場合がある。この場合、着目している結晶面の垂直方向が、その回転軸の軸方向（長さ方向）と正確に一致していなければならない。
【０００８】
ところが、上述の特許文献１も含めた従来の２軸方式の場合には、仮にそのうちの１つの回転軸の方向が試料台の表面の垂直方向に一致していたとすると、着目している試料の結晶面、例えば上述のＳｉ（１００）の垂直方向と回転軸の方向が軸立てを行ったことでずれてしまうことがある。
このような状態で回転軸を回すと、その回転軸の周りを対象結晶面が歳差運動（軸の傾いた独楽の動き）してしまい、所望の観測データが取得できなかったり、その得られてデータの解釈を誤るという不具合があることを見出した。
【０００９】
そこで、本発明は、上記の知見に基づき、試料を回転させる際に試料表面が歳差運動が生じないようにし、試料の回転などにより測定する場合に正確なデータが取得でき、または着目している被測定面を正確に所望の方位に変更できる試料台を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、各発明は、以下のように構成した。
すなわち、第１の発明は、光を用いて試料を測定するための試料台であって、所定の２軸の回転と所定方向の移動により位置決めされる基準平板と、前記基準平板と対向して設けられ、試料を装着する平坦な表面を有する試料装着用平板と、前記基準平板と前記試料装着用平板のなす角度を任意に調整する角度調整装置と、を備えている。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明の試料台において、前記角度調整装置は、前記基準平板と前記試料装着用平板を、所定の一端側において連結する連結部材と、前記基準平板と前記試料装着用平板との間に介在させ、前記連結部材を支点に前記両平板の間隔を調整する調整部材と、からなる。
第３の発明は、第２の発明の試料台において、前記調整部材は、圧電素子からなる。
【００１２】
第４の発明は、光を用いて試料を測定するための試料台であって、所定の２軸の回転と所定方向の移動により位置決めされる基準平板と、前記基準平板と対向して設けられ、試料を装着する平坦な表面を有する試料装着用平板と、前記基準平板上の略中央に回転自在に設けられ、上端側を前記試料装着用平板の裏面側の略中央と連結する連結部材と、前記連結部材を回転させるための回転機構と、
前記基準平板と前記試料装着用平板との間に介在させ、前記連結部材を支点に前記両平板の間隔を調整する調整部材と、を備えている。
【００１３】
第５の発明は、第１の発明乃至第４の発明のうちのいずれかの試料台において、前記基準平板は、その基準平板を前記試料の面と略平行な仮想の軸を中心として回転させる第１回転手段と、前記基準平板を面内で回転させる第２回転手段と、前記基準平板をその面に対して略垂直方向に移動させる移動手段と、を含んでいる。
【００１４】
このような構成からなる本発明によれば、試料を回転させる際に、試料表面が歳差運動を生じないようにすることができる。このため、試料の回転などにより測定する場合に正確なデータが取得でき、または着目している被測定面を正確に所望の方位に変更できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の試料台の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の試料台の第１実施形態の構成を示す斜視図である。
この第１実施形態に係る試料台は、図１に示すように、基準平板１と、この基準平板１に対向して設けられ、試料を装着する平坦な表面を有する試料装着用平板２とを備え、その基準平板１と試料装着用平板２とは、独立して動作させる装置（機構）を有している。
【００１６】
まず、基準平板１を回転または移動させて、基準平板１を所望の方向と位置に位置決めする装置について説明する。
すなわち、基準平板１は、その基準平板１を試料の面と略平行な仮想の回転軸Ｂを中心として回転させる第１回転装置３と、その基準平板１を面内で回転させる第２回転装置４と、その基準平板１をその面に対して略垂直方向に移動させる移動装置５とを備えている。
【００１７】
第１回転装置３は、試料台本体（図示せず）に固定される円弧状の案内経路（クルードル）１１と、この案内経路１１に沿って移動自在な移動部材１２と、第１駆動モータ（図示せず）とを少なくとも有している。そして、移動部材１２が、第１駆動モータからの駆動力により、案内経路１１の円弧に沿って移動するように構成されている。
【００１８】
移動装置５は、移動部材１２上に、上下方向に移動可能な上下移動部材１３、第２駆動モータ（図示せず）などが搭載され、その第２駆動モータからの駆動力により上下移動部材１３が上下するように構成されている。
第２回転装置４は、上下移動部材１３上に、回転自在に軸受けされる回転軸１４、第３駆動モータ（図示せず）などが搭載され、その回転軸１４の上端が基準平板１の裏面側に固定されている。そして、その第３駆動モータからの駆動力により、回転軸１４を回転させることにより、基準平板１が回転されるように構成されている。
【００１９】
このように第１実施形態では、第２回転装置４の回転軸１４は、その軸方向が基準平板１の表面と直交するように構成されている。そして、その回転軸１４は、案内経路１１の円弧の接線に対して垂直方向となるように構成されている。
一方、第１回転装置３は、基準平板１を試料の面と略平行な仮想の回転軸Ｂを中心として回転させるように構成されている。そして、仮想の回転軸Ｂは、円弧状の案内経路１１の曲率半径の中心を通り、その円弧を含む平面に垂直な方向となることができるようになっている。
【００２０】
従って、回転軸１４と仮想の回転軸Ｂは、互いに直交するとともに、試料装着用平板２の表面近傍の一点で交わることができるようになっている。
このため、第１実施形態によれば、第１回転装置３、第２回転装置４、および移動装置５により、基準平板１を任意の位置に任意の方向で位置決めすることができる。
【００２１】
次に、試料装着用平板２の基準平板１に対する傾斜角度を調整する傾斜角度調整装置について、図２を参照して説明する。
この傾斜角度調整装置は、図２に示すように、基準平板１と試料装着用平板２との間に設けられ、連結部材としての連結棒２３と、調整部材としての２つの圧電素子２１、２２とから構成される。
【００２２】
連結棒２３と圧電素子２１、２２は、基準平板１と試料装着用平板２を対向させ、この状態で両者を３箇所で連結させている。連結棒２３と圧電素子２１、２２の各連結位置は、基準平板１と試料装着用平板２の外周側寄りの所定の位置である。その各連結位置は、図２に示すように、各位置を直線で結んだときに２等辺３角形ができる場合が好ましい。
【００２３】
圧電素子２１、２２は、圧電材料とこれを含む一対の電極とからなり、その電極間に電圧を加えると伸縮変形するものであり、その印加電圧を調整することで変形量（自己の長さ）を調整できる。一方、連結棒２３は、その長さが調整できずに一定である。
従って、試料装着用平板２は、圧電素子２１、２２の印加電圧を独立に制御することにより、連結棒２３を支点として基準平板１に対する傾斜角度が調整できるようになっている。
【００２４】
なお、この例では、試料装着用平板２を変位させる手段として圧電素子２１、２２を使用しているが、その変位手段としては、長さを調整できる機能を備えていれば、他の機械的な手段などを使用するようにしても良い。
また、この例では、２つの圧電素子２１、２２を使用するようにしたが、これを１つの圧電素子にしても良い。この場合には、連結棒と圧電素子は、例えば基準平板１の中心を挟んで対向する位置に設けるようにする（図２参照）。
【００２５】
次に、このような構成からなる第１実施形態おいて、試料装着用平板２に板状の結晶試料を載せ、その試料表面（上面）を所望の角度に調整する手順について説明する。
ここで、光回折測定やラマン散乱測定では、被測定面は試料の表面とは限らず、表面にほぼ平行な、あるいは結晶面の向きを調整し、これを測定することが多いが、ここでは簡単のために試料表面と、ある結晶面とが正確に平行であると仮定する。また、角度を調整したい結晶面は一般的に測定しながら探索することが可能であるので、そのように仮定しても一般性を失わない。
【００２６】
まず、試料装着用平板２は、初期状態では基準平板１に対して平行になっている。この初期状態は、図２に示すようになる。また、試料１００は、図２に示すようにくさび型をしており、その上面１０１と下面１０２とが平行になっていないものとする。そして、試料１００の被測定面は上面１０１とする。
図２に示すように、このような試料１００の下面１０２を試料装着用平板２上に密着させると、その上面１０１は試料装着用平板２の表面または基準平板１の表面に対してわずかに傾斜する。
【００２７】
次に、圧電素子２１、２２にそれぞれ独立に電圧を加えると、圧電素子２１、２２が伸縮変形するので、試料装着用平板２の基準平板１に対する相対的な傾きが調整できる。そこで、その印加電圧を制御することにより、試料１００の上面１０１が基準平板１の表面に対して平行になるように調整する。この傾きの調整終了後の状態は、図３に示すようになる。
【００２８】
続いて、移動装置５を動作させて上下移動部材１３を移動させると、これに伴って回転軸１４が長さ方向に移動するので、これにより、試料１００の上面１０１内の一点が、正確に案内経路１１の曲率半径の中心になるように調整する。すなわち、試料１００の上面１０１内に、仮想の回転軸Ｂが存在するように調整する。
【００２９】
ここで、試料装着用平板２の上面と試料１００の下面１０２は密着しているので互いに平行であるが、これらの２つの面は回転軸１４に対して垂直ではない。一方、基準平板１と試料１００の上面１０１は平行であり、これらの面は回転軸１４に対して垂直である。
いま、着目している被測定面は、試料１００の上面１０１である。そこで、試料１００に着目すると、第２回転装置４を動作させて回転軸１４を回転させた場合に、その上面１０１は歳差運動をすることなく回転することができる。
【００３０】
次に、第１回転装置３を動作させて仮想の回転軸Ｂを中心に基準平板１を回転させる場合について検討する。
先に述べたように、試料１００の上面１０１は、その上面１０１内の１点が案内経路１１の曲率半径の中心にくるように調整済みである。このため、第１回転装置３が動作して移動部材１２を案内経路１１の円弧に沿って移動させる場合には、試料１００は、その上面１０１が偏心することなく仮想の回転軸Ｂを中心に回転運動を行うことができる。
【００３１】
なお、このときには、回転軸１４と回転Ｂとは交差し、その交差点が試料１００の上面１０１内に存在している。
以上の説明からわかるように、この第１実施形態によれば、試料１００を試料装着用平板２に装着して一連の調整を行うことで、測定対象であるその上面１０１は、その上面１０１内の一点で、互いに直交する回転軸１４と回転軸Ｂの交点に一致させることができ、しかもその上面１０１を回転軸１４の軸方向と垂直にすることができる。このため、その回転軸１４または回転軸Ｂを回転させても、試料１００の上面１０１が歳差運動することなく正確に所望の方位に向けたり、連続的に方位を変えながらデータを取得することができる。
【００３２】
次に、本発明の試料台の第２実施形態について、図４〜図７を参照して説明する。
上述の第１実施形態では、連結棒２３と圧電素子２１、２２からなる傾斜角度調整装置を用いて、従来のような歳差運動を伴わない軸立てが可能となる。しかし、軸立て作業前に、試料表面上の任意の一点を回転軸１４と回転軸Ｂの交点に一致するように移動装置５を用いて合わせたとして、軸立てを行うと、試料表面の位置が変化してしまうことがある。つまり、軸立て作業後、もう一度移動装置５で試料表面上の任意の一点を回転軸１４と回転軸Ｂとの交点に一致するように試料表面の高さを再調整する必要がある。
【００３３】
そこで、この第２実施形態は、上記のような手間を回避できるようにしたものであり、図１に示す連結棒２３と圧電素子２１、２２を、図４に示すように連結棒２３Ａと圧電素子２１Ａに置き換えるとともに、図４に示すように治具３１を追加するようにしたものである。
ここで、この第２実施形態は、図１に示す第１実施形態と共通部分を有するので、その共通部分の構成要素には同一符号を付してその説明は省略する。従って、以下ではその構成が異なる部分について説明する。
【００３４】
連結棒２３Ａは、基準平板１と試料装着用平板２を対向させ、この状態で両者を連結させている。また、連結棒２３Ａは、回転軸１４の軸方向の延長線上に位置し、基準平板１と試料装着用平板２を連結するようにしている。
また、連結棒２３Ａは、基準平板１上に回転自在に設けられ、その上端が試料装着用平板２の下面（裏面）側に固定され、試料装着用平板２を独立して回転できるように構成されている。その連結棒２３Ａを回転駆動するための回転機構は、図面では省略されている。
【００３５】
圧電素子２１Ａは、基準平板１と試料装着用平板２の間であって、連結棒２３Ａの中心から距離ｘだけ離れた位置に配置されている（図５参照）。この圧電素子２１Ａは、その底面が基準平板１の表面に固定され、その上部は試料装着用基板２の裏面に接触しているだけで固定されないように構成されている。また、圧電素子２１Ａの基準基板１上の固定位置は、案内経路１１の円弧が作る平面内とする。なお、圧電素子２１Ａは、図１に示す圧電素子２１と同じものである。
【００３６】
治具３１は、その先端で第２移動装置４の回転軸１４と第１移動装置３の仮想の回転軸Ｂの交点を指定するものである。この治具３１は、使用時には、図４に示すように後端側が案内経路１１の先端内側に支持され、その先端側が上記の交点を指定するため使用されるが、その使用後には、図４の位置から適宜手段で移動して試料の測定に邪魔にならないようになっている。
【００３７】
次に、このように構成される第２実施形態による軸立て作業の手順について、図７を参照して説明する。
まず、ステップＳ１では、図５に示すように、基準平板１と試料装着用平板２を平行に配置し、試料装着用平板２の表面が、第２移動装置４の回転軸１４と第１移動装置３の仮想の回転軸Ｂの交点と一致するように、試料装着用平板２の表面が治具３１の先端に接触する状態に、移動装置５の上下移動部材１３を移動させる。
【００３８】
ステップＳ２では、試料１００を試料装着用平板２にセットし、その試料１００の上面１０１が回転軸１４と回転軸Ｂの交点に一致するように、再び移動装置５と治具３１で調整する。この操作で、回転軸１４と回転軸Ｂの交点での試料１００の厚みｄが求まる。
ステップＳ３では、その求めた厚みｄに試料装着用平板２の厚み（予め既知）を加算することで、連結棒２３Ａの上端から試料１００の上面（表面）１０１までの距離ｈを求める。
【００３９】
ステップＳ４では、連結棒２３Ａをβ度回転させ、試料１００の最大傾斜方位を案内経路１１の面内に一致させる。その試料１００の最大傾斜方位は、回折測定の場合は、測定を行いながら連結棒２３Ａを回転させれば検出反射強度の変化で簡単に決定されるし、あるいは、光反射方位等で試料の最大傾斜方位を決定できる独立の検出器を設けることで角度βを求めるようにしても良い。
【００４０】
ステップＳ５では、第１回転装置３が、案内経路１１の円弧に沿って移動部材１２を移動させることにより、回転軸１４をα度回転させ、一旦仮の軸立てを行う。
ステップＳ６では、再び第１回転装置３が、案内経路１１の円弧に沿って移動部材１２を先程とは逆方向に移動させることにより、回転軸１４を−α度回転させて元の位置に戻す。
【００４１】
ステップＳ７では、その得られた角度αにより、ｄ１、ｄ２を次の（１）（２）式により算出する。
ｄ１＝ｘ・ｔａｎα      ・・・・（１）
ｄ２＝ｈ（１−ｃｏｓα）・・・・（２）
ところで、圧電素子２１Ａをその求めたｄ１で伸長させることで、基準平板１と試料装着用平板２との挟角がα度となる。しかし、このままであると、試料表面の位置が、回転軸１４の長さ方向（軸方向）にｄ２だけ回転軸１４と回転軸Ｂの交点よりも低くなってしまうので、補正する必要がある。
【００４２】
そこで、ステップＳ８では、圧電素子２１Ａをｄ１だけ伸長させ、移動装置５により回転軸１４をｄ２だけ伸長させる。
以上のステップＳ１〜ステップＳ８をそれぞれ実行することで、軸立て作業が完了する。
なお、これらの手順で試料表面の高さの変化は補正できるが、より厳密には、試料面内の測定位置が軸立て前にわずかにずれている。しかし、実際の測定では、評価に使用する入射光がある程度の拡がりを持ち、測定点を厳密に特定する必要がない場合が多いので、実用上は問題とならない。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、試料を回転させる際に、試料表面が歳差運動を生じないようにすることができる。このため、試料の回転などにより測定する場合に正確なデータが取得でき、または着目している被測定面を正確に所望の方位に変更できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】その第１実施形態の基準平板と試料装着用平板の構成を示す側面図である。
【図３】その第１実施形態における試料装着用平板の位置調整完了の状態を示す側面図である。
【図４】本発明の第２実施形態の構成を示す斜視図である。
【図５】その第２実施形態の基準平板と試料装着用平板の構成を示す側面図である。
【図６】その第２実施形態における試料装着用平板の位置調整完了の状態を示す側面図である。
【図７】その第２実施形態で軸立て作業を行う場合の手順を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１は基準平板、２は試料装着用平板、３は第１回転装置、４は第２回転装置、５は移動装置、１１は案内経路、１２は移動部材、１３は上下移動部材、１４は回転軸、２１、２２は圧電素子、２３は連結棒、３１は治具、１００は試料、１０１は上面、１０２は下面である。
【図１】
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【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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