(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
次の（イ）〜（ホ）を有するＸ線回折装置。
（イ）Ｘ線源。
（ロ）試料を保持するための試料ホルダーであって、試料の表面に平行なω軸の回りに回転可能な試料ホルダー。
（ハ）前記Ｘ線源で発生したＸ線のうちの所望の波長のＸ線を反射する結晶コリメータであって、その反射Ｘ線を前記試料に照射するようにした結晶コリメータ。
（ニ）前記試料からの回折Ｘ線を検出するための２次元の位置敏感型のＸ線検出器。
（ホ）前記試料の前記ω軸の回りの所望の回転角度ピッチごとに、前記Ｘ線検出器の検出面の各位置におけるＸ線検出強度を同時に記録して、これによって前記検出面の各位置におけるロッキングカーブを得るようにした記録装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＸ線回折装置において、前記Ｘ線検出器がＸ線用のＣＣＤカメラであることを特徴とするＸ線回折装置。
【請求項３】
次の（イ）〜（ニ）の各段階を有するＸ線ロッキングカーブの測定方法。
（イ）Ｘ線源から出たＸ線のうちの所望の波長のＸ線を結晶コリメータで反射させる段階。
（ロ）前記結晶コリメータで反射したＸ線を試料に照射する段階。
（ハ）前記試料からの回折Ｘ線の強度を２次元の位置敏感型のＸ線検出器で検出する段階。
（ニ）前記試料の表面に平行なω軸の回りの前記試料の所望の回転角度ピッチごとに、前記Ｘ線検出器の検出面の各位置における前記回折Ｘ線の強度を同時に記録して、これによって前記検出面の各位置におけるロッキングカーブを得る段階。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単結晶基板上のエピタキシャル薄膜の格子面間隔の面内分布を測定するためのＸ線回折装置及びＸ線ロッキングカーブの測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶基板上にエピタキシャル成長させた単結晶薄膜の格子定数を調べるために、Ｘ線回折を利用したＸ線ロッキングカーブ測定法が盛んに行われている。結晶の格子定数は、面指数とその格子面間隔が分かれば求めることができる。Ｘ線ロッキングカーブ測定法では、目的の面指数による回折ピークについて、その回折角度位置を精密に測定することで格子面間隔を求めることができる。この格子面間隔から結晶の格子定数を決定できる。
【０００３】
図１４は試料の格子面間隔の面内分布を精密に測定するための従来のＸ線回折装置の平面図である。このＸ線回折装置は、「実験物理学講座２０  Ｘ線回折」、高良和武・責任編集、共立出版、１９８８年、第４７７頁、に記載されている。このＸ線回折装置は、２結晶法を用いて試料のＸ線回折ロッキングカーブを精密に測定するものである。Ｘ線源１０から出たＸ線は、第１結晶１２で反射し、可動スリット１４の開口部を通り抜けて、試料２８（第２結晶に相当する）のＰ点に当たる。Ｐ点からの回折Ｘ線はＸ線検出器１８（例えばシンチレーションカウンタ）で検出される。試料２８を微小角度範囲でω回転させながら回折Ｘ線の強度をＸ線検出器１８で検出すると、目的の回折ピークのロッキングカーブ（試料へのＸ線入射角を横軸に、試料からの回折Ｘ線強度を縦軸にとって、回折ピークのピークプロファイルを表したもの）を求めることができる。このロッキングカーブから、試料によるＸ線の回折角度を求めることができ、その回折角度から試料の格子面間隔を求めることができる。
【０００４】
可動スリット１４をＸ線に対して垂直な方向に移動させると、試料２８の別の位置Ｑ点にＸ線を当てることができ、これにより、Ｑ点におけるロッキングカーブを測定できる。このように、可動スリット１４の位置を移動することで試料２８上のＸ線照射位置を変更することができるので、この方法によって試料２８の各位置におけるロッキングカーブを次々と測定していけば、試料２８の格子面間隔の面内分布を測定することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のＸ線回折装置には次の問題がある。（１）試料上の多くの地点についてそれぞれロッキングカーブを測定する（すなわち、エリアマップ測定をする）には、各地点について順番にロッキングカーブを測定していくので膨大な時間がかかる。このようなエリアマップ測定で得られた結果を、均一組成を得るための成膜条件にフィードバックするような場合には、測定結果を迅速に得る必要があるが、従来装置では時間がかかり過ぎる。
【０００６】
（２）可動スリット１４の開口部は通常、幅が０．５〜２．０ｍｍ程度で、高さが５〜１０ｍｍ程度である。第１結晶１２から試料２８まではＸ線は平行に進むので、試料２８上の照射領域の寸法は、可動スリット１４の開口部の寸法にほぼ等しい。Ｘ線検出器１８で検出される回折Ｘ線強度は、試料２８上のそのときのＸ線照射領域内のすべての地点からの回折Ｘ線強度の合計である。したがって、このロッキングカーブから得られる格子面間隔は、試料２８上のＸ線照射領域における平均的な値である。上述の標準的な照射領域よりももっと狭い領域について格子面間隔を精密に測定しようとすれば、可動スリットの開口部をもっと小さくする必要がある。試料上２８の照射領域の面積をいろいろと変更するには、開口部の面積を変えた多くの可動スリット１４を準備しなければならない。
【０００７】
（３）格子面間隔の面内分布を測定するには、可動スリット１４をその平面内で２次元的に移動させる必要があるので、可動スリット１４の移動機構が必要になる。なお、可動スリット１４を使う代わりに、試料２８をその平面内で移動させてもよい。その場合には、試料２８をその平面内で２次元的に移動させる機構が必要である。
【０００８】
（４）格子面間隔の面内分布を知るには、試料上のどの位置にＸ線が照射されているのかを確認する手段が必要となる。
【０００９】
（５）試料上の特定の微小領域（例えば数十μｍ程度の大きさ）だけにＸ線を照射したい場合には、Ｘ線ビームをスリットによって細く絞る必要がある。さらに、Ｘ線のわずかな発散角も照射野のボケとなるので、スリットをなるべく試料に近づける必要がある。したがって、特別のスリットが必要になる。
【００１０】
（６）試料上の特定の微小領域だけにＸ線を照射しようとすれば、細く絞ったＸ線ビームを、数μｍ程度の位置精度をもってその微小領域に正確にＸ線を照射しなければならない。このような位置精度でＸ線を照射するには、顕微鏡などの位置決め手段が必要になるし、また、可動スリットまたは試料の移動機構を非常に高精度にしなければならない。さらに、そのような位置決め作業の操作は面倒である。
【００１１】
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、試料の格子面間隔の面内分布を短時間で測定できるＸ線回折装置を提供することにある。本発明の別の目的は、スリットまたは試料を並進移動させるための機械的な移動機構を必要せずに試料の格子面間隔の面内分布を測定できるＸ線回折装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のＸ線回折装置は、次の（イ）〜（ホ）を有する。（イ）Ｘ線源。（ロ）試料を保持するための試料ホルダーであって、試料の表面に平行なω軸の回りに回転可能な試料ホルダー。（ハ）前記Ｘ線源で発生したＸ線のうちの所望の波長のＸ線を反射する結晶コリメータであって、その反射Ｘ線を前記試料に照射するようにした結晶コリメータ。（ニ）前記試料からの回折Ｘ線を検出するための２次元の位置敏感型のＸ線検出器。（ホ）前記試料の前記ω軸の回りの所望の回転角度ピッチごとに、前記Ｘ線検出器の検出面の各位置におけるＸ線検出強度を同時に記録して、これによって前記検出面の各位置におけるロッキングカーブを得るようにした記録装置。
【００１３】
また、本発明のＸ線ロッキングカーブの測定方法は、次の（イ）〜（ニ）の各段階を有する。（イ）Ｘ線源から出たＸ線のうちの所望の波長のＸ線を結晶コリメータで反射させる段階。（ロ）前記結晶コリメータで反射したＸ線を試料に照射する段階。（ハ）前記試料からの回折Ｘ線の強度を２次元の位置敏感型のＸ線検出器で検出する段階。（ニ）前記試料の表面に平行なω軸の回りの前記試料の所望の回転角度ピッチごとに、前記Ｘ線検出器の検出面の各位置における前記回折Ｘ線の強度を同時に記録して、これによって前記検出面の各位置におけるロッキングカーブを得る段階。
【００１４】
本発明によれば、格子定数の精密測定法において２次元の位置敏感型のＸ線検出器を用いたので、試料上の各位置におけるＸ線ロッキングカーブを一挙に得ることができて、試料上の格子定数のエリアマップを短時間で測定することが可能になった。
【００１５】
本発明における結晶コリメータは、単一の単結晶板に限るものではなくて、複数の結晶コリメータを組み合わせて配置したものであってもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施形態を示す斜視図であり、図２はその平面図である。このＸ線回折装置を説明するに当たって、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）単結晶基板の上に成膜したエピタキシャル薄膜の格子面間隔の面内分布を測定することを想定して説明する。図１において、Ｘ線源１０を出たＸ線は第１スリット２０の開口部２２を通過してから第１結晶１２に当たる。第１結晶１２で反射したＸ線は第２スリット２４の開口部２６を通過してから試料２８に当たる。試料２８で回折したＸ線は２次元の位置敏感型Ｘ線検出器３０で検出される。Ｘ線検出器３０の出力は記録装置で記録することができて、この記録装置によりロッキングカーブを得ることができる。
【００１７】
Ｘ線源１０のターゲット材質は銅であり、特性Ｘ線のＣｕＫαを測定に使っている。Ｘ線源１０の見かけの焦点サイズは、幅が１ｍｍ、高さが０．５ｍｍである。これは、通常のノーマルフォーカスＸ線管のポイントフォーカス取り出しの寸法である。
【００１８】
Ｘ線源１０から距離Ｌ３（＝５５０ｍｍ）だけ離れた位置に第１スリット２０がある。第１スリット２０の開口部２２の寸法は、幅が１ｍｍ（Ｘ線源の見かけの焦点サイズの幅と同じ）、高さがＨ３（＝約７ｍｍ）である。第１スリットの高さＨ３は、試料の大きさやＸ線検出器の有感面積を考慮に入れて決定する。第１結晶１２の中心から距離Ｌ４（＝１００ｍｍ）だけ離れた位置には第２スリット２４がある。第１スリット２４の開口部２６の寸法は、幅が１０ｍｍ、高さがＨ４（＝約９ｍｍ）である。
【００１９】
Ｘ線源１０から距離Ｌ１（＝６５０ｍｍ）だけ離れた位置に第１結晶１２の中心がある。第１結晶１２としてはＳｉ（シリコン）、Ｇｅ（ゲルマニウム）などの完全結晶を利用する。第１結晶１２は、試料２８に入射するＸ線を単色化する働きとともに、平行化するコリメータとしての働きを持つので、結晶コリメータと呼ばれる。第１結晶１２で反射するときの格子面間隔を、試料の測定対象の格子面間隔に近いものに設定すると、角度分解能の高い測定ができる。例えば、ＧａＡｓ試料の（００４）反射を測定する場合には、第１結晶１２としてＧｅの（００４）反射を用いるとよい。この場合、擬似的に、２結晶法の（＋，−）平行配置になっている。なお、本発明は非平行配置でも構わない。
【００２０】
第１結晶１２は、非対称反射を利用して、試料に照射するＸ線ビームの幅を広げている。すなわち、第２図に示すように、第１結晶１２の表面に対して、Ｘ線を入射角度α（＝５度）で入射すると、この入射Ｘ線に対して２θｍ（＝６６度）の角度の方向に反射Ｘ線が出てくるようになっている。この場合、第１結晶１２のＧｅ（００４）面は、結晶表面に対して２８度だけ傾斜している（すなわち、そのように作られている）。第１結晶１２に入射するＸ線の幅Ｆが１ｍｍのときに、この第１結晶１２から反射するＸ線の水平面内での幅Ｗは約１０ｍｍになる。したがって、第１結晶１２により、Ｘ線の幅が約１０倍になっており、単色化かつ平行化された幅広のＸ線ビームが得られる。
【００２１】
図１において、上下方向のＸ線の広がりを説明すると、Ｘ線源１０を出たＸ線は上下方向には単調に発散していき、第１結晶１２で反射した後もそのまま発散していく。Ｘ線の上下方向の広がりは、第１スリット２０の開口部２２と第２スリット２４の開口部２６のそれぞれの高さ寸法によって制限されることになる。例えば、試料２８上で所定の高さ（例えば１０ｍｍ）になるように、スリットの開口部２２、２６の高さが定められる。本実施形態では、第１スリット２０の開口部２２の高さ寸法Ｈ３は約７ｍｍであり、第２スリット２４の開口部２６の高さ寸法Ｈ４は約９ｍｍである。
【００２２】
第１結晶１２の中心から距離Ｌ２（＝１５０ｍｍ）だけ離れた位置に試料２８の中心がある。試料２８はＧａＡｓ単結晶基板上にＧａＡｓ系の薄膜をエピタキシャル成長させたものである。測定対象はＧａＡｓ（００４）面に該当する結晶格子面からの回折ピークである。なお、測定対象の結晶格子面は試料２８の表面に対して平行である。試料２８は試料ホルダーに保持されていて、この試料ホルダーはω軸３２の回りを回転できる。このω回転により、試料２８の表面に入射するＸ線の入射角ωを変更できる。ω軸は、試料２８の表面に平行であって上下方向に延びている。また、試料２８をχ軸３４（水平方向に延びている）の回りに回転させることができて、これにより試料２８のチルト角χを調整することができる。ω角とχ角を正しく調整すると、回折条件が整い、試料２８上のＸ線照射領域から回折Ｘ線が出てくる。
【００２３】
図２において、第１結晶１２からやって来るＸ線は、試料２８の表面に対して入射角度ωで入射する。この入射角度ωが、ブラッグの反射条件を満足する特定の入射角度θ（＝約３３度）に等しくなると、入射Ｘ線に対して２θ（＝約６６度）の角度の方向に回折Ｘ線が出てくる。試料２８はω軸３２の回りを微小角度の範囲内で回転させる（すなわち、スキャンさせる）。このスキャンによってロッキングカーブを測定することができる。
【００２４】
図１において、試料２８の中心から距離Ｌ５（＝５０ｍｍ）の位置にＸ線検出器３０の検出面３１がある。Ｘ線検出器３０は２次元の位置敏感型Ｘ線検出器であり、この実施形態ではＸ線用のＣＣＤ（電荷結合素子）カメラを用いている。
このＸ線検出器３０を用いると、試料２８上の各位置からの回折Ｘ線の強度をそれぞれの位置毎に同時に検出することができる。Ｘ線検出器３０はω軸３２の回りに回転させることができる。この回転により、回折Ｘ線が出てくる角度方向にＸ線検出器３０を設定することができる。
【００２５】
次に、このＸ線回折装置の動作を説明する。図１において、Ｘ線源１０から出たＸ線は第１スリット２０で制限されて第１結晶１２に入射する。第１結晶１２上でのＸ線照射領域１３の寸法は、幅が約１０ｍｍ、高さが約８ｍｍである。第１結晶１２で反射したＸ線は第２スリット２４を通過して試料２８に当たる。試料２８上でのＸ線照射領域２９の寸法は、幅が約１０ｍｍ、高さが約１０ｍｍである。このＸ線照射領域２９は、図１３に示すように、ＡＢＣＤを頂点とするほぼ四角形の形をしている。このＸ線照射領域２９で回折したＸ線はＸ線検出器３０で検出される。その際、検出面３１の各画素毎にＸ線強度を検出することができる。Ｘ線照射領域２９で回折したＸ線は、Ｘ線検出器３０の検出面３１に到達するまで、互いに平行に進むので、試料２８上のＸ線照射領域２９内の位置と、Ｘ線検出器３０の検出面３１上の位置とは、１対１に対応する。すなわち、試料２８上のＡ点で反射したＸ線は検出面３１上のＡａ点に到達し、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点で反射したＸ線は、それぞれ、Ｂａ点、Ｃａ点、Ｄａ点に到達する。
【００２６】
ここで、試料２８として、ＧａＡｓ単結晶基板の上にＧａＡｓＰ系の薄膜をエピタキシャル成長したものを考える。そして、このエピタキシャル薄膜は、試料上の位置によってＡｓとＰの比率が少しずつ異なっているものとする。すなわち、試料上の位置によってエピタキシャル薄膜の格子面間隔がわずかに異なっている。このような試料２８を用いて、ＧａＡｓ（００４）面が反射条件を満足するような入射角度θ＝３３度の付近で試料２８を微小角度範囲だけスキャンさせて、試料２８からの回折Ｘ線の強度を検出する。そうすると、Ｘ線検出器３０の各画素において、エピタキシャル膜の回折ピークのロッキングカーブを同時に得ることができる。このように、本発明を用いると、多数の地点のロッキングカーブを一挙に得ることができる。従来装置では、試料へのＸ線照射位置を変えながら多数のスキャン測定を行わなければならなかったが、本発明では一度のスキャンで、原理的にはＣＣＤ画素の数だけのロッキングカーブを一度に測定できるので、大幅な時間短縮となる。
【００２７】
図３はこのようにして得られたロッキングカーブのグラフである。図３（Ａ）は検出面３１上のＡａ点で測定した（すなわち試料上のＡ点で回折した）Ｘ線のロッキングカーブである。縦軸は回折Ｘ線の検出強度であり、横軸は試料のω回転の角度である。回折ピーク３６は基板のＧａＡｓ結晶の（００４）面の回折ピークである。それよりも小さな回折ピーク３８ａはその上のエピタキシャル薄膜からの回折ピークである。このように、測定対象の回折ピーク３８ａと、基準となるＧａＡｓ（００４）面の回折ピーク３６とを同じロッキングカーブ上で測定すると、基板の回折ピーク３６の角度位置を基準として、測定対象の回折ピーク３８ａの角度位置を正確に決定することができる。
【００２８】
図３（Ｂ）は検出面３１上のＢａ点で測定した（すなわち試料上のＢ点で回折した）Ｘ線のロッキングカーブである。大きな回折ピーク３６は基板のＧａＡｓ結晶の（００４）面の回折ピークであって、図３（Ａ）と全く同じ回折角度位置に出現する。一方、それよりも小さな回折ピーク３８ｂはエピタキシャル薄膜の回折ピークであり、その回折角度位置は、図３（Ａ）における回折ピーク３８ａの位置からわずかにずれている。その理由は、試料上のＡ点とＢ点ではエピタキシャル薄膜の組成がわずかにずれている（格子面間隔がわずかに異なっている）からである。
【００２９】
図３（Ｃ）は検出面３１上のＣａ点で測定した（すなわち試料上のＣ点で回折した）Ｘ線のロッキングカーブである。図３（Ｃ）における回折ピーク３８ｃも、その角度位置が図３（Ａ）における回折ピーク３８ａとは角度位置がずれている。
【００３０】
図３では三つの地点ＡＢＣについてそのロッキングカーブを例示したが、実際には、試料２８からの回折Ｘ線が到達する検出面領域のすべての画素のそれぞれについて、同様のロッキングカーブを得ることができる。これらのロッキングカーブから、試料上の各位置におけるエピタキシャル薄膜の回折角度位置を正確に求めることができ、これに基づいて、試料上の各位置におけるエピタキシャル薄膜の格子面間隔を求めることができる。すなわち、格子面間隔のエリアマップを得ることができる。
【００３１】
なお、狭い角度範囲でロッキングカーブを得るのであれば、図１において、試料２８を所定の回転角度ピッチでステップ回転させて回折Ｘ線強度を測定していく間に、Ｘ線検出器３０は静止させておいても構わない。これに対して、超格子構造を調べる場合のように、数度の角度範囲にわたって試料２８をステップ回転させていくときは、Ｘ線検出器３０も試料２８に連動させるのが好ましい。すなわち、試料２８の回転角度ピッチの２倍の回転角度ピッチでＸ線検出器３０をステップ回転させていく。
【００３２】
得られたロッキングカーブ・データは、次のような処理をしている。まず、コサイン効果による距離の歪みを補正して（これについては後述する）、検出面上の位置を試料上の位置に換算し、ＣＣＤの画素と試料上の位置との対応付けをする。さらに、必要に応じて、複数の画素をひとまとめにして複数画素でのＸ線強度を平均化したり積算化したりする処理を施す。
【００３３】
選択成長をさせた試料（すなわち、試料上の特定の領域だけにエピタキシャル薄膜を成長させたような試料）では、その選択成長させた領域だけからの回折Ｘ線像をトポグラフ的に確認できる。その場合、その選択成長領域に対応する検出面上の画素（複数個の画素であってもよい）をあらかじめ調べておいて、その画素についてのＸ線強度データをプロットすれば、極めて容易にロッキングカーブを得ることができる。
【００３４】
ウェーハ内の薄膜の均一性を調べるには、広い面積についての測定が必要になるが、その場合は、ビーム幅をさらに広げる工夫をしたり、大口径のＣＣＤカメラを使ったりすることで対応できる。
【００３５】
ＣＣＤカメラで取り込んだＸ線強度情報は、試料上の各位置に注目すれば、回折角度に応じたＸ線強度情報であり、これはロッキングカーブデータとなる。一方、試料の特定の回転角度位置に注目すれば、そのときの２次元のＸ線強度情報は、その角度位置における試料のＸ線トポグラフ像となる。したがって、本発明は、Ｘ線トポグラフ法とロッキングカーブ測定法とを包含するものになる。このような観点で言えば、本発明は、従来は定量的評価法とはみなされていないＸ線トポグラフ法を、一挙に定量性を持たせた手法に格上げしたものと言える。
【００３６】
次に、このＸ線回折装置を数値的に解析して説明する。図７において、第１結晶１２で反射したＸ線ビームの幅Ｗは次式で与えられる。
Ｗ＝Ｆ・sin(２θｍ−α)/sinα
ここで、ＦはＸ線源１０の見かけの焦点の幅、θｍは第１結晶１２のブラッグ反射角、αは第１結晶１２の表面に対するＸ線の入射角である。使用する特性Ｘ線をＣｕＫα１とし、第１結晶１２の反射格子面をＧｅ（００４）面とすると、２θｍ＝約６６度となる。第１結晶１２のＧｅ（００４）面が結晶表面に対して２８度だけ傾斜するように第１結晶１２を作ると、この第１結晶１２に対してＸ線を入射角α＝５度で入射させたときに、ＣｕＫα１線が第１結晶１２で反射する。Ｘ線源１０の見かけの焦点の幅Ｆを１ｍｍにすると、第１結晶１２で反射するＸ線ビームの幅Ｗは約１０ｍｍになる。すなわち、非対称反射の第１結晶１２によりＸ線ビームの幅を約１０倍にすることができる。
【００３７】
次に、図２において、試料２８上のＸ線照射領域の幅Ｓは次式で与えられる。
Ｓ＝Ｗ/sinω
ここで、ωは試料２８の表面に対するＸ線の入射角である。このωが、ＣｕＫα１線を用いたときのＧａＡｓ（００４）面のブラッグ反射角θ＝約３３度に等しくなったときに、試料２８でＸ線が回折し、Ｘ線検出器３０で検出される。Ｗ＝１０ｍｍ、ω＝θ＝３３度を上式に代入すると、Ｓ＝約１８ｍｍとなる。
【００３８】
次に、図２において、Ｘ線検出器３０の検出面３１上のＸ線像の幅Ｔは次式で与えられる。
Ｔ＝Ｓ・cosΦ＝Ｓ・cos(９０°−２θ＋ω）
ここで、角度Φは図２に示した部分の角度である。ω＝θ＝３３度を代入すると、Ｔ＝約９．８ｍｍとなる。すなわち、試料上の幅Ｓ＝約１８ｍｍの照射領域がＸ線検出器の検出面３１上では、コサイン効果によりＴ＝約９．８ｍｍに圧縮される。
【００３９】
次に、ＣｕＫα１線とＣｕＫα２線の分離について説明する。図４は第１結晶を用いてＣｕＫα１線とＣｕＫα２線を分離するときの条件を説明するための平面図である。まず、理想的な点状（見かけの焦点幅がゼロ）のＸ線源１０ａを考えると、このＸ線源１０ａを出たＸ線は第１結晶１２ａに入射する。ＣｕＫα１線は入射角θ１のときにブラッグ条件を満足して第１結晶１２ａ上のＰ１点で回折する。一方、ＣｕＫα２線は入射角θ２のときにブラッグ条件を満足して第１結晶１２ａ上のＰ２点で回折する。したがって、二つの特性Ｘ線は第１結晶１２ａ上の異なる位置でブラッグ条件を満足する。第１結晶１２ａでＣｕＫα１線だけを反射させて、ＣｕＫα２線を反射させないようにするには、第１スリットを用いてＣｕＫα２線の入射方向をさえぎればよい。
【００４０】
一方、第１スリットの開口部の幅については、次のような考えから、あらかじめ定まっている。実際にはＸ線源１０ａには有限の幅Ｆがあり、Ｘ線源１０ａからのＸ線を有効に活用するには、第１スリットの幅をＸ線源１０ａの幅と同程度にする。
【００４１】
このような状況において、二つの特性Ｘ線を分離するための条件を考えると、
第１結晶１２ａのところでの分離幅εが第１スリットの開口部の幅（Ｆに等しい）を越えればよいことになる。したがって、次式が成立する。
ε＝Ｌ・Δθ＞Ｆ
ここで、Δθはθ１とθ２の角度差である。第１結晶１２ａの反射面をＧｅ（００４）面とすると、θ１＝３２．９１度、θ２＝３３．０１度である。Ｆ＝１ｍｍを代入すると、Ｌ＞５７３ｍｍとなる。そこで、本実施形態では、余裕を見て、図１のＬ１を６５０ｍｍとしている。このようにＬ１を長くすることにより、ＣｕＫα１線だけを第１結晶で反射させることができる。以上の説明は、対称反射の第１結晶を用いた場合であるが、非対称反射の第１結晶でも同様である。
【００４２】
次に、このＸ線回折装置の分解能を説明する。本発明の装置は試料の各位置での格子面間隔のエリアマップを得るものであるから、空間分解能も重要である。
図５は縦分解能（上下方向の分解能）を説明する正面図である。縦分解能は、Ｘ線源１０の焦点の高さＦｖに依存しており、いわゆる幾何ボケである。Ｘ線源１０の焦点は有限の高さを持っているので、試料上の一点からの情報は、検出面３１上ではＲｖの広がりをもつ。この点を以下に詳しく説明する。上下方向のＸ線の進行に関しては、上述のように、第１結晶１２及び試料２８は影響を与えない。したがって、図５に示すように、Ｘ線源１０の見かけの焦点の高さＦｖは、試料２８上の特定の地点で反射した後は、Ｘ線検出器の検出面３１において高さＲｖの像となる。Ｒｖは次式で与えられる。
Ｒｖ＝Ｆｖ・Ｌ５/(Ｌ１＋Ｌ２)
ここで、Ｆｖ＝０．５ｍｍ、Ｌ５＝５０ｍｍ、Ｌ１＝６５０ｍｍ、Ｌ２＝１５０ｍｍを代入すると、Ｒｖは約３０μｍとなる。したがって、Ｘ線源の見かけの焦点の大きさに起因する、検出器上での縦分解能は、約３０μｍである。
【００４３】
次に、横分解能を説明する。図６は横分解能（水平方向の分解能）を説明する平面図である。横分解能は、Ｘ線源の焦点の大きさには無関係で、ＣｕＫα１の波長分散に起因する広がりである。この点を以下に詳しく説明する。試料２８上の特定の地点で回折するＸ線は、ＣｕＫα１線の波長分散の影響で、Ｘ線検出器３０の検出面３１上では幅Ｒｈの広がりとなる。Ｒｈは次式で与えられる。
Ｒｈ＝Ｌ５・Δθ＝Ｌ５・(Δλ/λ)tanθＢ
ここで、(Δλ/λ)はＣｕＫα１線の波長分散を表わし、３．８×１０のマイナス４乗である。θＢは試料基板のＧａＡｓ（００４）面のブラッグ反射角（３３度）である。Ｌ５は５０ｍｍである。これらの値を代入すると、Ｒｈ＝約１２μｍとなる。
【００４４】
上述の説明から明らかなように、縦分解能においても横分解能においても、距離Ｌ５を小さくすれば（すなわち、Ｘ線検出器３０を試料２８に近づければ）、分解能は向上する。
【００４５】
次に、試料結晶に反りがある場合を説明する。図８は試料結晶に反りがあるときの状況を示す平面図である。試料結晶に反り（その曲率半径をＲとする。）があると、試料２８上の位置によって結晶格子面に対するＸ線入射角が異なる。したがって、試料２８を回転していった場合に、試料上のＸ線照射領域のうちの特定の地点の近傍だけがブラッグの反射条件を満足することになる。ここでは、試料表面は凸に湾曲していると仮定する。試料２８を回転していった場合に、ある回転角度位置では、試料２８上のＰ点の近傍だけがブラッグの反射条件を満足する。ほかの位置ではブラッグの反射条件を満足しない。Ｐ点の近傍で回折したＸ線は、Ｘ線検出器３０の検出面３１上のＰａ点に到達する。次に、試料２８をω軸の回りにΔωだけ回転させると、今度は試料２８上のＱ点の近傍だけがブラッグの反射条件を満足する。Ｑ点の近傍で回折したＸ線は、検出面３１上のＱａ点に到達する。Δω回転前のＰ点とΔω回転後のＱ点との距離はΔＳである。なお、図８及び後述の図９では、図面を見易くするために試料結晶の反りを誇張して描いてある。
【００４６】
本発明のＸ線回折装置を利用すると、上述のΔＳをもとにして試料結晶の曲率半径を求めることができる。図９は図８の試料付近を拡大して示した拡大図である。試料２８の曲率半径はＲであり、曲率の中心はＯ点である。試料２８上のＰ点においてブラッグの反射条件を満足していたものが、試料２８をΔωだけ回転させると、今度はＱ点でブラッグの反射条件を満足する。Ｐ点を中心にして試料２８をΔωだけ回転させたと仮定すると、試料２８の曲率の中心はＯ点からＯａ点に移る。Δω回転前のＰ点におけるＸ線入射角とΔω回転後のＱ点におけるＸ線入射角は等しいので、Ｏ点とＰ点を結ぶ直線と、Ｏａ点とＱ点を結ぶ直線は、互いに平行である。したがって、Ｏａ点とＰ点を結ぶ直線とＯａ点とＱ点を結ぶ直線とのなす角度はΔωに等しい。ゆえに、曲率半径Ｒは次式で求められる。
Ｒ＝ΔＳ/Δω
そして、ΔＳは、図８のＸ線検出器３０の検出面３１上のＰａ点とＱａ点との距離ΔＴから簡単に求めることができる。結局、反りのある試料結晶があった場合に、この試料をΔωだけ回転させて、回転前における回折Ｘ線の検出位置Ｐａと、回転後における回折Ｘ線の検出位置Ｑａとを確認すれば、その試料結晶の反りの曲率半径Ｒを知ることができる。さらに、反りが試料表面に対して凸か凹かも、回転後の検出位置ＱａがＰａの位置からどちらの方向に移動したかで分かる。
【００４７】
ところで、単結晶基板上のエピタキシャル薄膜の格子面間隔を精密に測定する場合に、単結晶基板に反りがあると、得られた格子面間隔のデータに、反りの影響による誤差が生じる恐れがある。しかしながら、この点は次のように問題がない。図１０はＸ線検出器の検出面上のＰａ点とＱａ点で測定したロッキングカーブを模式的に示したグラフである。Ｐａ点で測定したロッキングカーブでは、単結晶基板の回折ピーク４２ａと、その上のエピタキシャル薄膜の回折ピーク４４ａとが現れている。一方、Ｑｂ点で測定したロッキングカーブでは、単結晶基板の回折ピーク４２ｂと、エピタキシャル薄膜の回折ピーク４４ｂとが現れている。もし単結晶基板に反りがなければ、本来、回折ピーク４２ａと４２ｂは同じ回折角度位置に現れるはずである。しかし、反りがあるために、両者はΔωだけ回折角度位置がずれている。ところで、エピタキシャル薄膜の回折ピーク４４ａ、４４ｂの角度位置は、単結晶基板の回折ピーク４２ａ、４２ｂの角度位置を基準にして、偏差Δθとして測定することができる。なぜならば、エピタキシャル薄膜も単結晶基板と同じように反っているからである。これにより、単結晶基板の反りの影響を排除して、エピタキシャル薄膜の格子面間隔を精密に測定できる。
【００４８】
検出面上の位置が異なると基板結晶からの反射が同じ角度位置に現れない現象は、上述の反り以外の原因でも生じることがある。例えば、マグネシア（ＭｇＯ）基板は、方位がわずかに異なるいくつかのドメインで構成されていることがある。また、α−Ａｌ2Ｏ3やＳｒＴｉＯ3の基板では、場所によって方位が連続的に変化している、いわゆるリネージ構造を示す場合がある。さらに、非平行配置の２結晶法では、高さ方向の中心付近と上下位置とではブラッグ反射の角度にわずかな相違がある。このように、試料上の場所によって基板結晶からの反射の角度位置がわずかに異なるさまざまな状況が想定されるが、基板結晶からの回折ピーク位置を基準にしてその上のエピタキシャル薄膜の回折ピークの角度位置を決定するようにすれば、測定精度には問題がない。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。図１１は第２の実施形態を示す平面図である。この実施形態では試料２８とＸ線検出器３０の間にアナライザ結晶４６を挿入している。アナライザ結晶４６とＸ線検出器３０は２θ回転台４８に載っている。試料２８はω回転台５０に載っている。試料２８からの回折Ｘ線はアナライザ結晶４６で反射してから、２次元の位置敏感型のＸ線検出器３０で検出される。アナライザ結晶４６を挿入すると、格子定数の変化（格子歪み）と方位変化とを区別して観察できる。通常は、逆格子空間強度マップの形でデータを得る。逆格子空間強度マップは、多数のスキャンを組み合わせて行うために、１本のデータを得るだけでも１〜１０時間がかかる。したがって、従来装置を使って逆格子空間強度マップのエリアマップを得ようとすれば、膨大な時間を必要とする。本発明のように２次元の位置敏感型のＸ線検出器を用いれば、１本のデータを得るだけで、エリアマップを作ることができる。
【００５０】
図１２は本発明の第３の実施形態におけるＸ線源と結晶コリメータとを示した平面図である。これ以外の部分は第１の実施形態と基本的に同じである。この第３の実施形態では、試料に幅の広いＸ線ビームを照射するために、ライン状のＸ線源を使用している。ライン状のＸ線源５２の見かけの焦点サイズの寸法は、幅Ｆが１０ｍｍで高さが０．０５ｍｍのものがよく使われる。このようなライン状のＸ線ビームを用いると、Ｋα２の除去が問題となる。これについては（＋，＋）配置を含む複結晶配置の結晶コリメータを用いることで、Ｋα２を簡単に除去できる。ライン状のＸ線源５２から出たＸ線は第１スリット５４を通過してから第１の結晶コリメータ５６に入射する。この第１の結晶コリメータ５６は対称反射の結晶である。第１の結晶コリメータ５６で反射したＸ線は、さらに第２の結晶コリメータ５８で反射することでＸ線ビームの幅Ｗが広がる。第２の結晶コリメータ５８は非対称反射の結晶であり、これにより１０ｍｍの幅のＸ線ビームが５０ｍｍの幅のＸ線ビームとなる。このような結晶コリメータ・システムを使うことで、例えば２〜３インチのウェーハの全域をカバーするような幅広のＸ線ビームを照射することも可能になる。もし（＋，＋）配置でビームが回り込んでくるのが気に入らなければ、このような結晶コリメータ・システムを使う代わりに、チャンネルカット結晶素子を使う方法もある。さらに、ワイドビーム幅の４結晶モノクロ・コリメータを使う方法もある。
【００５１】
次に、２次元の位置敏感型のＸ線検出器について述べる。上述の実施形態で使用したＸ線用ＣＣＤカメラは、最近、急速に発達してきた技術であり、本発明における２次元の位置敏感型のＸ線検出器として十分実用になるレベルに達している。Ｘ線用ＣＣＤカメラにはいろいろな種類があるが、上述の実施形態で用いたものは、Ｘ線を直接、ＣＣＤ素子に入射させるタイプのものである。このタイプは高効率であり、分解能も画素サイズである。受光面の寸法は１０〜２０ｍｍ角程度であり、画素サイズは１２μｍや２４μｍである。このような画素が縦横に５１２個ないし１０２４個配列されて受光面が形成されている。このようなＣＣＤ素子は、ペルチェ効果を利用した電子冷却装置や液体窒素によって冷却するのが一般的である。このような冷却により、データを時間蓄積しても、素子間に電荷のにじみが生じなくなり、４桁程度のダイナミックレンジを確保できる。
【００５２】
広い受光面積が必要な場合には、いったんＸ線像を蛍光体層で光に変換して、この光をテーパーファイバー（入り口が広い面積であり、出口が狭い面積である）を通してからＣＣＤに入射させる方法もある。あるいは、レンズで縮小撮像する方法もある。
【００５３】
Ｘ線用ＣＣＤカメラ以外の２次元の位置敏感型Ｘ線検出器としては、アモルファスＳｅやアモルファスＳｉを用いた検出器や、ＭＳＧＣ（Micro Strip Gas Chamber）や、ＭＷＰＣ（Multi-Wire Proportional Counter）を利用できる。Ｘ線イメージインテンシファイアとＣＣＤ・ＴＶを組み合わせたシステムを用いてもよい。この場合は、ＣＣＤは蓄積モードではなくて、ＴＶレートで動作する。ダイナミックレンジは小さいけれども、従来からある高感度Ｘ線テレビカメラを用いる方法もある。回折ピークの位置さえ分かれば十分だというような応用分野もあるので、そのような場合には高感度Ｘ線テレビカメラで高速に測定することにも意味がある。
【００５４】
また、イメージングプレート（蓄積性蛍光体）やＸ線フィルムは、Ｘ線検出強度を即時的に得ることはできないが、原理的には本発明におけるＸ線検出器として利用できる。
【００５５】
試料の格子面間隔の面内分布を測定する用途としては次のようなものが考えられる。（１）Ｇａ−Ａｓ−Ｐ系（ガリウム・砒素・リン系）の化合物半導体では、その組成と格子面間隔との間に特定の法則が成立する。したがって、格子面間隔を精密に測定することにより、ＡｓとＰの比率を求めることができる。このことを利用すると、基板上に成膜したＧａ−Ａｓ−Ｐ系化合物半導体薄膜について、その格子面間隔の面内分布を測定することにより、組成比の面内分布を得ることができ、組成比が均一な薄膜であるかどうかの評価が可能になる。
【００５６】
（２）いろいろな機能性材料を効率良く探索するために、共通の単結晶基板上に組成の異なる多数のエピタキシャル薄膜を領域毎に分けて成長させる手法がある。このような場合に、共通の単結晶基板上の薄膜について格子面間隔の面内分布を測定することにより、それぞれのエピタキシャル薄膜の格子面間隔を求めることができる。
【００５７】
（３）半導体デバイスの製造においては、選択成長領域や特定のデバイス領域についての情報を得たいことがある。その場合、数十〜数百μｍの幅と長さを持った限られた領域だけから情報を得る必要がある。そのようなときに本発明のＸ線回折装置を利用すると、Ｘ線ビームを細く絞って目的の領域だけにＸ線を照射するといった作業をせずに、単に、２次元の位置敏感型のＸ線検出器の検出面上の特定の領域についてのＸ線強度情報を取り出すだけで、目的の領域からの情報を得ることができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、格子定数の精密測定法において２次元の位置敏感型のＸ線検出器を用いたので、試料上の各位置におけるＸ線ロッキングカーブを一挙に得ることができて、試料上の格子定数のエリアマップを短時間で測定することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のＸ線回折装置の平面図である。
【図３】Ｘ線ロッキングカーブのグラフである。
【図４】第１結晶で二つの特性Ｘ線を分離する条件を説明するための平面図である。
【図５】図１のＸ線回折装置の縦分解能を説明する正面図である。
【図６】図１のＸ線回折装置の横分解能を説明する平面図である。
【図７】第１結晶での反射を示した拡大平面図である。
【図８】試料結晶に反りがあるときの状況を示す平面図である。
【図９】図８の試料付近を拡大して示した拡大図である。
【図１０】Ｘ線検出器の検出面上の二つの地点で測定したロッキングカーブを模式的に示したグラフである。
【図１１】本発明の第２の実施形態を示す平面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態におけるＸ線源と結晶コリメータとを示した平面図である。
【図１３】試料上のＸ線照射領域とＸ線検出器の検出面上の検出位置との対応関係を示した斜視図である。
【図１４】試料の格子面間隔の面内分布を精密に測定するための従来のＸ線回折装置の平面図である。
【符号の説明】
１０  Ｘ線源
１２  第１結晶
２０  第１スリット
２４  第２スリット
２８  試料
３０  ２次元の位置敏感型Ｘ線検出器
３２  ω軸
【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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【図８】
0003944330.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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