(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の薄膜結晶の第１の極性に関して、膜異常分散を示す2θ０（θ-2θ法における回折角２ｄｓｉｎθ＝λを満たす角度）より大きい2θ１におけるＸ線回折強度と異常分散を示す2θ０より小さい2θ２におけるＸ線回折強度の比と膜厚の関係を示す第１の検量線を求め、測定対象の薄膜結晶の第２の極性に関して、膜異常分散を示す2θ０より大きい2θ１におけるＸ線回折強度と異常分散を示す2θ０より小さい2θ２におけるＸ線回折強度の比と膜厚の関係を示す第２の検量線を求める検量線取得ステップと、
測定対象の薄膜結晶のＸ線回折強度をθ-2θ法によって測定することと、
上記測定対象の薄膜結晶に関して、上記2θ１におけるＸ線回折強度と上記2θ２におけるＸ線回折強度の比を演算することと、
上記測定対象の薄膜結晶に関して求めたＸ線回折強度の比を上記第１の検量線と上記第２の検量線のいずれの直線上に乗るのかを調べることと、
を含む薄膜結晶の極性の判定方法。
【請求項２】
請求項１記載の薄膜結晶の極性の判定方法において、上記検量線取得ステップは、薄膜の膜厚を測定することと、第１及び第２の極性の面におけるＸ線回折線の広がりを測定することと、装置関数を求めることと、異常分散の項を含めて計算により回折強度の真のスペクトルを求めることと、上記薄膜の膜厚、Ｘ線回折線の広がり、装置関数、及び、回折強度の真のスペクトルから検量線を作成することと、を含むことを特徴とする薄膜結晶の極性の判定方法。
【請求項３】
請求項１記載の薄膜結晶の極性の判定方法において、上記検量線取得ステップは、
第１の極性の膜を有する試料のＸ線回折強度をθ-2θ法によって測定することと、
上記第１の極性の膜を有する試料に関して、異常分散を示す2θ０より大きい2θ１におけるＸ線回折強度と異常分散を示す2θ０より小さい2θ２におけるＸ線回折強度の比を演算することと、
上記第１の極性の膜を有する試料に関して、上記Ｘ線回折強度の比の値と膜厚の関係をプロットし、それを通る直線を第１の検量線とすることと、
第２の極性の膜を有する試料のＸ線回折強度をθ-2θ法によって測定することと、
上記第２の極性の膜を有する試料に関して、上記2θ１におけるＸ線回折強度と上記2θ２におけるＸ線回折強度の比を演算することと、
上記第２の極性の膜を有する試料に関して、上記Ｘ線回折強度の比の値と膜厚の関係をプロットし、それを通る直線を第２の検量線とすることと、を含むことを特徴とする薄膜結晶の極性の判定方法。
【請求項４】
請求項１記載の薄膜結晶の極性の判定方法において、上記測定対象の薄膜結晶は閃亜鉛鉱構造の結晶又はウルツ鉱構造の結晶であることを特徴とする薄膜結晶の極性の判定方法。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１記載の薄膜結晶の極性の判定方法をコンピュータに実行させるためにコンピュータによって読み取り可能なプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は結晶の極性の判定方法に関し、特に、薄膜結晶の極性の判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
結晶の極性とは、GaAs等の閃亜鉛鉱構造の結晶では<111>方向、GaNやZnO等のウルツ鉱
構造の結晶では<0001>方向の結晶軸に沿った、結晶の表裏のことを指す。薄膜結晶は通常基板上に形成されている。基板上の薄膜結晶の極性を判別するには、通常、特別な方法が用いられる。例えば、エッチング、イオン散乱法、走査型プローブ顕微鏡等を利用した方法が知られている。一方、バルク結晶の極性の判別方法には、上述の方法に加え、異常散乱を利用したX線回折も用いられてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
異常散乱を利用したX線回折は非破壊的に結晶の極性を判別することができるが、基板
上に形成された薄膜結晶の極性の判別には、用いられていなかった。
【０００４】
本発明の目的は、簡便で非破壊的に薄膜結晶の極性を判別する手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
薄膜結晶としてウルツ鉱構造の結晶であるZnOの薄膜を例に説明する。先ず、O極性面を有する試料とZn極性面を有する試料を用意し、Ｘ線回折実験を行い、２つの試料に対して、それぞれ、2θ１における回折強度と2θ２における回折強度の比を求める。但し、異常分散を示す2θ０に対して、θ２＜θ０＜θ１である。縦軸に、回折強度の比をとり、横
軸に膜厚をとり、２つの試料に対して、それぞれ、回折強度の比をプロットし、それを通る直線を求める。こうして、O極性面に対する検量線と、Zn極性面に対する検量線が求め
られる。
【０００６】
測定対象の薄膜結晶に対して、2θ１における回折強度と2θ２における回折強度の比を求め、それがO極性面に対する検量線とZn極性面に対する検量線のいずれかの上に乗るか
を調べる。回折強度の比がO極性面に対する検量線上にあれば、測定対象の薄膜結晶の表
面はO極性面であると判定する。回折強度の比がZn極性面に対する検量線上にあれば、測
定対象の薄膜結晶の表面はZn極性面であると判定する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、簡便で非破壊的に薄膜結晶の極性を判別することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
先ず、異常散乱を用いたX線回折による結晶の極性を判別する方法を説明する。ある結
晶面(hkl)におけるX線回折の強度I(hkl)は構造因子F(hkl)の絶対値の２乗に比例するが、結晶面(hkl)の反対側の結晶面におけるX線回折の強度は、結晶面(hkl)におけるX線回折の強度I(hkl)と同一である。即ち、フリーデルの則が成り立つ。従って、通常、X線回折の
強度から、結晶の極性は判定できない。しかしながら、結晶の所定の構成原子のX線吸収
端（例えば、ZnOのZnのK吸収端）前後で回折実験を行うと、原子散乱因子の異常散乱の効果が大きくなる。従って、２つの結晶面におけるX線回折の強度は同一とはならない。そ
のため、２つの結晶面におけるX線回折の強度の比較により、極性を判別できる。
【０００９】
しかしながら、薄膜結晶は、通常基板の上に製膜される。従って、薄膜結晶の表裏両面のＸ線回折を行うことはできない。薄膜結晶の一方の面、即ち、表面のＸ線回折の結果を得ることはできる。そこで、薄膜結晶の表面のＸ線回折の結果から、その薄膜結晶の極性を判定する必要がある。
【００１０】
本発明による薄膜結晶の極性の判定方法を以下に実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１１】
ここでは、薄膜結晶としてウルツ鉱構造の結晶であるZnOの薄膜を用いた。図１は、ZnOの結晶構造を示す。ZnOは、Zn極性面とO極性面を有する。ZnOの極性とは、測定した極性
面がZn極性面であるか又はO極性面であるかを判定することである。先ず、３つの試料を
作成した。試料１は、ａサファイヤ基板にO極性のZnO膜を成長させることにより作成した。試料２は、ｃサファイヤ基板にO極性のZnO膜を成長させることにより作成した。試料３は、ｃサファイヤ基板にZn極性のZnO膜を成長させることにより作成した。試料１及び試
料２はO極性面を有し、試料３はZn極性面を有する。
【００１２】
次に、３つの試料にX線を照射し回折強度を測定した。図２は、X線回折実験を示す模式図である。回折強度の測定には、通常用いられるθ-2θ法を用いた。Ｘ線発生装置１からのＸ線と試料３の表面のなす角をθとする。試料の回転角θを変化させ、Ｘ線受光装置２の回転角2θを変化させる配置で、各2θに対する回折強度をプロットした。回折に使用したX線は、銅の回転陰極管により発生させた連続X線である。連続X線のうち回折に寄与す
るX線の波長λは、次のブラッグの式によって求められる。
【００１３】
2dsinθ=λ
【００１４】
ここに、dは特定の回折面の面間隔であり、本実施例においては｛００２｝面間隔の値
を用いた。尚、｛００２｝面はZn極性面とO極性面の両者を表わす。上式より２θの変化
は連続Ｘ線の波長λの変化に対応する。また、入射X線の形状、発散角を一定にするため
にスリット４，５を設けた。スリットを設ける代わりに、サンプル上にシャドーマスクを設けることにより、入射X線の形状等を制限しても良い。
【００１５】
図３は試料１、３の回折強度の測定結果を示す。左側の縦軸は、試料１、３の回折強度、右側の縦軸は、２つの試料１、３の回折強度の比である。両者とも正規化した値を用いている。横軸は2θである。O極性面を有する試料として、試料１を用い、Zn極性面を有する試料として試料３を用いた。2θが約２８．５度より大きいと、２つの試料１、３の回
折強度曲線３１は略同一であるが、2θが約２８．５度より小さいと、２つの試料１、３
の回折強度曲線は互いに異なる。これは、2θが約２８．５度より小さいときX線の異常散乱に起因する。
【００１６】
従って、2θが約２８．５度より小さいときの回折強度の測定値からZn極性面とO極性面を識別することができる。
【００１７】
２つの試料１、３の回折強度の比の曲線３２は、2θが約２８．５度のとき、大きく変
化している。これは、ZnのK吸収端における異常分散を示す。このZnのK吸収端における回折強度比は理論計算から求めた値に非常に近い。
【００１８】
この手法は、2つの回折線の比をとることにより、装置に起因する影響をキャンセルす
ることができる。しかしながら、両極性の薄膜を同時に用意しなければならない。さらに、以下に示すとおり薄膜の膜厚により結果が異なるため、ほぼ同じ膜厚の薄膜を用意しなければならない。
【００１９】
図４はZnO膜の膜厚と回折強度比の関係を示す。縦軸は各試料の2θ＝２７．００度における回折強度と2θ＝２９．５０度における回折強度の比、横軸は各試料のZnO膜の膜厚である。2θ＝２７．００度は、異常分散を示す2θ＝約２８．５度より小さい2θの代表値
である。2θ＝２７．００度の代わりに、2θ＝約２８．５度より小さい他の値を用いてもよい。2θ＝２９．５０度は、異常分散を示す2θ＝約２８．５度より大きい2θの代表値
である。2θ＝２９．５０度の代わりに、2θ＝約２８．５度より大きい他の値を用いてもよい。
【００２０】
３つの試料１，２，３について、膜厚と回折強度比の関係をプロットしたところ、略、直線上に乗ることが判る。即ち、ZnO膜の膜厚が大きくなると、回折強度比は減少する。
回折強度比が小さいことは、2θが小さいときに回折強度が減少しZn極性面とO極性面を識別することが容易になることを意味する。一方、回折強度比が大きい（１に近い）ことは、2θが小さいときに回折強度が減少しないため、Zn極性面とO極性面を識別することが困難になることを意味する。
【００２１】
図４に示すように、Zn極性面とO極性面のそれぞれに対してプロットした点を通る直線
を求め、それを検量線とする。検量線は例えば最小二乗法により求めてよい。こうしてZn極性面とO極性面のそれぞれに対する検量線４１、４２を求めることにより、一方の極性
面の回折強度を測定するだけで、そのZnO膜の極性を判定することができる。例えば、基
板上に形成された薄膜結晶に対して、2θ＝２７．００度における回折強度と2θ＝２９．５０度における回折強度の比を求め、その値が、Zn極性面を表わす検量線４１上に乗れば、薄膜結晶の表面は、Zn極性面であると判定することができる。その値が、O極性面を表
わす検量線４２上に乗れば、薄膜結晶の表面は、O極性面であると判定することができる
。
【００２２】
ここでは実験結果から検量線を求めたが、計算から検量線を求めてもよい。即ち、検量線は、装置関数（固定、制御可能）と薄膜の膜厚（別途測定が必要）、および特定の回折線の広がり（実測値で今回の場合ZnO｛002｝面のCu Ka線による回折）から作成できる。
数学的には、真のスペクトル、装置関数、膜厚、回折線の広がりのそれぞれの畳み込みで表現されたスペクトルを用いて、検量線の作成が出来る。
【００２３】
具体的には、薄膜の膜厚を入力し、同じX線回折装置により、測定で使用する回折面か
らの特性X線による回折線の広がりを測定し、それらの情報と、あらかじめ用意されてい
る真のスペクトルとの畳み込みを行なうことにより、検量線を作成する。計算によって求めた検量線を用いて、一方の極性の薄膜のみを用いて、極性の決定を行なう。
【００２４】
上述の例を用いて説明すると、ZnO薄膜の膜厚を別途測定する。X線発生装置はCuターゲットを用いているので、Cu Ka線によるZnO{002}面の回折線の広がりを測定する。あらか
じめ装置関数を、非常に結晶性の良いSi等を用いて求めておく。さらに、異常分散の項を含めて計算により回折強度の真のスペクトルを得る。ZnO薄膜の膜厚、ZnO{002}面の回折
線の広がり、装置関数、及び、回折強度の真のスペクトルの畳み込みにより、スペクトルを計算し、測定されたスペクトルと比較することにより、測定した薄膜の極性を決定する。
【００２５】
ここで説明した方法は全てコンピュータに実行させることができる。ここで説明した方法をコンピュータに実行させるためのプログラムは本発明の範囲である。
【００２６】
ここでは、ウルツ鉱構造の結晶であるZnOの薄膜を例に説明したが、閃亜鉛鉱構造の結
晶についても同様である。ほぼすべてのIII-V族半導体やII-VI族半導体は極性を有する閃
亜鉛鉱構造やウルツ鉱構造である。従って、本発明による薄膜結晶の極性の判定方法は、半導体の技術分野で広く利用できる。ZnO薄膜からの変更点は、注目する薄膜の元素を変
更し、その元素の吸収端で測定を行なうことである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ウルツ鉱構造であるZnOの構造を示す模式図である。
【図２】試料にX線を照射し、回折Ｘ線を検出する方法の概念を示す図である。
【図３】本発明によるＸ線回折強度の測定結果を示す図である。
【図４】ZnO膜の膜厚と回折強度比の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…Ｘ線発生装置、２…Ｘ線受光装置、３…試料、４，５…スリット
【図１】
0004452807.tif 000002
【図２】
0004452807.tif 000003
【図３】
0004452807.tif 000004
【図４】
0004452807.tif 000005