(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶のブロックを柱状に形成して、その軸方向に貫通するように貫通孔を形成し、この貫通孔の内面をＸ線ビームの反射面としたＸ線モノクロメータ。
【請求項２】
単結晶のブロックの外形を多角柱にして、その軸方向に貫通するように断面が円形の貫通孔を形成し、この貫通孔の内面でＸ線ビームが偶数回反射するようにしたＸ線モノクロメータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＸ線モノクロメータにおいて、前記単結晶は立方晶であり、前記貫通孔の軸方向は前記立方晶の〈１１０〉方向に一致していることを特徴とするＸ線モノクロメータ。
【請求項４】
請求項２に記載のＸ線モノクロメータにおいて、前記多角柱は八角柱であり、この八角柱の側面は第１平面から第８平面までの８個の平面からなり、第１平面と第５平面は互いに平行であり、第２平面と第６平面は互いに平行であり、第３平面と第７平面が互いに平行であり、第４平面と第８平面は互いに平行であり、第１平面と第３平面は互いに垂直であり、第２平面と第４平面は互いに垂直であり、前記８個の平面は同一の仮想的な円筒面に外接していることを特徴とするＸ線モノクロメータ。
【請求項５】
請求項４に記載のＸ線モノクロメータにおいて、前記単結晶は立方晶であり、前記貫通孔の軸方向は前記立方晶の〈１１０〉方向に一致しており、前記第１平面と第５平面の法線方向は前記立方晶の〈１００〉方向に一致しており、前記第２平面と第６平面の法線方向は前記立方晶の〈１１１〉方向に一致しており、前記第１平面と第５平面の法線方向は前記立方晶の〈１１０〉方向に一致しており、前記第１平面と第５平面の法線方向は前記立方晶の〈２１１〉方向に一致していることを特徴とするＸ線モノクロメータ。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載のＸ線モノクロメータにおいて、前記柱状のブロックの側面に、前記貫通孔の内面で反射したＸ線ビームが出て行くための開口が形成されていることを特徴とするＸ線モノクロメータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は高分解能Ｘ線回折装置に使用するＸ線モノクロメータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高分解能Ｘ線回折装置は「二結晶法」と呼ばれる測定手法をもとにして発展してきた。二結晶法では、単結晶の試料のロッキングカーブ（回折ピークについて回折Ｘ線の強度と回折角度との関係をグラフにしたもの）を測定する場合に、第１結晶でＸ線を回折させて単色化してから、これを試料（第２結晶）に照射している。第１結晶としてはシリコン（Ｓｉ）やゲルマニウム（Ｇｅ）の完全結晶を用いるのが普通である。この二結晶法では、第１結晶として、試料結晶と同じ結晶でかつ被測定格子面と同じ格子面（同じｄ値：格子面間隔）を回折面とするものを用いると、ロッキングカーブの角度分解能が最も高くなることが知られている。このように、第１結晶と試料結晶とが同じｄ値となるようなＸ線光学系を「平行配置」と呼んでいる。このような理想的な状態にすると、得られるロッキングカーブの半値幅が最も狭くなり、そのときのロッキングカーブの形状は理論的に予想される形状とほぼ一致する。
【０００３】
あるいは、第１結晶と試料結晶とを全く同じにしなくても、ｄ値が試料結晶の被測定格子面とほぼ等しくなるような第１結晶を用いても（これを、擬似平行配置という）、分解能が高くなる。例えば、ＧａＡｓ単結晶やＩｎＰ単結晶の｛４００｝反射のロッキングカーブを得るために、第１結晶としてＧｅの完全結晶の｛４００｝反射を用いることができる。
【０００４】
第１結晶のｄ値と第２結晶のｄ値の差が大きくなると、波長分散による効果がコンボリューションの形で加わって、分解能が低下する。その結果、得られるロッキングカーブの半値幅も広くなってしまう。したがって、二結晶法を用いて最高の分解能でロッキングカーブを測定したいときには、試料結晶の種類と被測定格子面の面指数（反射面指数）とに応じて、そのｄ値にできるだけ近い第１結晶を選択するのが好ましい。ゆえに、試料結晶の種類と反射面指数とに応じて、第１結晶をこまめに交換して、その都度、Ｘ線光学系のアライメントを実施することが必要になる。
【０００５】
しかしながら、二結晶法の結晶配置を組み替えてアライメントをし直すことは面倒であり、また、熟練を要する作業である。そこで、この作業を容易にするために、第１結晶の回りに第２結晶を回転調整できるような光学系を採用したり、Ｘ線源を第１結晶の回りに回転調整できるようにした光学系を採用したりする工夫がなされてきた（例えば、特開平１−８６１００）。しかしなお、結晶の交換作業とアライメント作業は必要であり、作業の面倒さは残り、効率的とは言えない。
【０００６】
上述の第１結晶は普通は平板結晶であるが、これをチャンネルカットモノクロメータにすることも知られている。チャンネルカットモノクロメータは、モノリシックな単結晶のブロックに溝を加工したものであり、その溝の側面でＸ線を複数回回折させることで、単色化かつ平行化したＸ線ビームを取り出すことができる（例えば、特開平９−４９８９９）。そして、チャンネルカットモノクロメータで偶数回（例えば、２回）回折させると、入射Ｘ線ビームに対して「平行な方向に」単色化・平行化したＸ線ビームを取り出すことができる。このように第１結晶の出射Ｘ線ビームが入射Ｘ線ビームに平行になれば、第１結晶を変更した場合でも、変更前と変更後とで、第１結晶からやって来るＸ線ビームの方向が互いに平行になるので、第１結晶を変更しても、Ｘ線管や試料部（ゴニオメータ部）を「回転」してアライメントする作業が不要になり（並進移動によるアライメントは必要であるが）、装置の設置スペースを最小に抑えることができる。
【０００７】
チャンネルカットモノクロメータで得られるＸ線ビームは、基本的には、１回反射の平板結晶モノクロメータで得られるＸ線ビームと同等である。ただし、チャンネルカットモノクロメータを使ってＸ線ビームを「複数回」回折させると、出力されるＸ線ビームの反射率曲線の裾の部分の強度を極端に落とすことができ、これが複数回回折の効果である。チャンネルカットモノクロメータを使う場合でも、最高の分解能でロッキングカーブを測定するには、やはり、試料結晶の種類と反射面指数とに応じて、最適なｄ値のチャンネルカットモノクロメータに交換する必要がある。そして、チャンネルカットモノクロメータを交換すると、一般に、試料部を並進移動してアライメントする作業が必要になる。
【０００８】
さらに、試料部の並進移動も不要にしたのが４結晶モノクロメータである（例えば、特開昭５９−１０８９４５、特開平４−２６４２９９）。この４結晶モノクロメータは、２個のチャンネルカットモノクロメータを鏡面対称に組み合わせて構成することができる。この４結晶モノクロメータによって得られたＸ線ビームは、単色性・平行性ともに優れており、かつ、入射Ｘ線ビームと出射Ｘ線ビームとを同一直線上に配置することができる。４結晶モノクロメータで得られたＸ線ビームを用いて試料のロッキングカーブを測定すると、試料結晶の種類や反射面指数に依存せずに、常に、高分解能が得られる。しかしながら、この４結晶モノクロメータを使うと、二結晶法に比べて、Ｘ線強度が２桁くらい弱くなってしまう欠点がある。そのために、４結晶モノクロメータを使う場合は、（１）強力なＸ線源が必要になり、Ｘ線源が高価なものになってしまう、（２）強度をかせぐために測定時間を長くとる必要がある、などの問題点がある。したがって、モノクロメータの反射面としては、強度の大きなＸ線ビームを取り出せるような面指数しか使えない。
【０００９】
次に、高分解能Ｘ線回折装置を用いた評価法の現状について述べる。薄膜化技術が普及するに伴い、高分解能Ｘ線回折装置の測定対象も、従来のバルク結晶から基板上の薄膜結晶へと広がっている。そのような薄膜の結晶状態を分類すると、（１）完全エピタキシャル層（pseudomorphic layer）、（２）基板結晶とエピタキシャル層の界面で転移が発生して歪が緩和したエピタキシャル層、（３）方位分布（モザイシティ）を持ったエピタキシャル層、（４）強く配向した多結晶薄膜、（５）無配向の多結晶薄膜、（６）アモルファス状態の薄膜、など多様化している。このような状況の中で、高分解能Ｘ線回折装置は、これまでに述べてきたロッキングカーブ測定だけではなくて、反射率測定（低角入射による全反射の近傍での反射率の測定）や、多結晶薄膜回折測定にも適用できるように、１台の装置で多様な機能を兼ね備えたものが求められるようになった。
【００１０】
そこで、試料の状態に応じて、試料に照射するＸ線の平行性や波長域を調整するためのさまざまな入射光学系を用意する必要性が出てきている。そのための手段としては、モジュール化した入射光学ユニットを交換する方法や、結晶を取り外すことなく入射光学系を切り換える方法（例えば、特開平９−４９８１１）が採用されている。しかし、モジュール化した入射光学ユニットを交換する方法は、各種の光学ユニットを取り揃える必要があるのでコスト高になり、また、交換後のファインチューニングが煩わしい。
【００１１】
特開平９−４９８１１号公報に開示された入射光学系を切り換える方法では、例えば、次の４通りの入射光学系を選択できる。
（１）ダイレクト取り出し。すなわち、結晶で反射させることなく、そのままＸ線ビームを通過させる。この入射光学系は、主に多結晶薄膜回折に利用できる。
（２）チャンネルカットモノクロメータ光学系。この入射光学系は、Ｇｅ｛２２０｝を反射面とするチャンネルカット結晶でＸ線を２回反射させる。これにより、ＣｕＫα２をカットしてＣｕＫα１だけを取り出すことができる。この入射光学系は、主に反射率測定に利用できる。
（３）４結晶モノクロメータ高強度モード。この入射光学系は、Ｇｅ｛２２０｝を反射面とするチャンネルカット結晶を２個組み合わせており、例えば、エピタキシャル膜のロッキングカーブ測定に利用できる。
（４）４結晶モノクロメータ高分解能モード。この入射光学系は、Ｇｅ｛４４０｝を反射面とするチャンネルカット結晶を２個組み合わせており、分解能がきわめて良好なので、例えば、完全エピタキシャル層のロッキングカーブ測定に利用できる。
【００１２】
このような４通りの入射光学系の切り換えは、ＣＰＵ制御により、予め設定しておいた登録値になるように各調整軸を設定するだけでよい。したがって、切り換え作業は容易である。しかし、これ以外の入射光学系に設定しようとすると、オプション結晶が必要になる。オプション結晶を取り付けるには、次のような作業を実施することになる。まず、入射光学系に取り付けられている結晶を、機械的クランプを緩めることによって、保持ブロックごと取り外す。それから、オプション結晶を保持したブロックを機械的にクランプする。ただし、クランプされたときの結晶の位置および角度は、クランプの締め方の強さなどで変わるので、再現性は必ずしも良いとは言えない。したがって、光学系を再調整するか、あるいは、少なくとも以前の調整値に設定した後にファインチューニングする必要があり、手間がかかる。
【００１３】
上述のオプション結晶としては、次のようなものが考えられる。
（１）ビーム幅を圧縮する非対称反射のチャンネルカットモノクロメータ。このモノクロメータは、Ｘ線ビームの強度を稼ぐ目的で利用される。すなわち、入射Ｘ線ビームの幅よりも出射Ｘ線ビームの幅が小さくなるような非対称反射を利用することで、出射ビームの単位幅当たりのＸ線強度を稼ぐことができる。ただし、対称反射に比べて角度分解能は落ちる。このモノクロメータは薄膜のＸ線反射率を測定するのに利用できる。Ｘ線反射率法は、薄膜の厚さや密度、及び、表面・界面の密度を評価できる手法である。この手法を、非常に薄い膜まで適用して、高精度に解析するためには、薄膜から反射してくるＸ線強度の変化を、８桁以上のダイナミックレンジで、すれすれの入射角から１０度程度までの角度領域で測定する必要がある。そのためには、幅の狭い高強度の単色Ｘ線ビームが必要であり、そのために、このビーム幅圧縮用の非対称反射チャンネルカットモノクロメータを利用できる。
【００１４】
（２）ビーム幅を拡大する非対称反射のチャンネルカットモノクロメータ。このモノクロメータは、上述のビーム幅圧縮とは逆に、入射Ｘ線ビームの幅よりも出射Ｘ線ビームの幅が拡大するような非対称反射を利用する。出射ビームの単位幅当たりのＸ線強度は小さくなるが、角度分解能は向上する。このモノクロメータは、例えばＸ線トポグラフィに利用でき、一度に撮影可能な面積を大きくできる。
【００１５】
（３）擬似平行配置となるチャンネルカットモノクロメータ。すなわち、チャンネルカット結晶のｄ値と試料結晶のｄ値をほぼ等しくする。このモノクロメータを用いると、強度が強くて分解能も高いロッキングカーブを測定できる。エピタキシャル膜の厚さがどんどん薄くなる傾向があるので、エピタキシャル膜からの回折Ｘ線の強度が十分取れない場合があり、そのような場合に、このモノクロメータを利用できる。また、４結晶モノクロメータでは強度不足のためにまったく対応できないような次のような場合にも利用できる。（ａ）結晶に反りがある場合には、その影響を避けるために、試料上のＸ線照射幅を狭くすることがあり、そのような場合はＸ線の強度が小さくなる。（ｂ）選択成長させた膜の微小領域の評価においては、Ｘ線の照射野自身を幅、高さとも細く絞って、狙った領域にＸ線を当てる必要がある。このとき、Ｘ線ビームの断面は幅２０μｍ、高さ５０μｍ程度まで絞られるので、Ｘ線の強度が小さくなる。（ｃ）エピタキシャル薄膜結晶の状態を調べるために、ひとつの試料に対して二つ以上の回折ベクトルで調べる評価法が定着している。例えば、界面での歪みの緩和があるか否かを調べるために、｛４００｝対称反射を観察するほかに、｛５１１｝反射や｛４２２｝反射を用いた非対称反射を観察することが普通に行われている。このような評価法は、４結晶モノクロメータを導入することで、いずれの反射も分解能良く測定できて、一応の成功を見た。しかし、上述の（ａ）（ｂ）で説明したような強度不足が問題になる場合は、４結晶モノクロメータでは不十分であり、効率的に測定できない。結局、強度不足が問題となるこれらの場合には、分解能を良好に保ったまま強度のとれる「二結晶法」が有効な方法となり、試料結晶の格子面に対して擬似平行配置となるようなチャンネルカットモノクロメータが利用される。ただし、モノクロメータ結晶の交換とアライメントが必要である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上詳述したように、高分解能Ｘ線回折装置において、分解能を良好に保ったまま「強度」も十分に確保するには、二結晶法が適している。しかし、二結晶法を採用した場合に、さまざまな条件で測定を可能にするためには、入射光学ユニットを交換したり、入射光学系を切り換えたりする必要があって、作業性が悪い。
【００１７】
そこで、この発明の目的は、貫通孔を形成したひとつのモノクロメータを使うだけで反射面の面方位を切り換えることができるＸ線モノクロメータを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明のＸ線モノクロメータは、単結晶のブロックを柱状に形成して、その軸方向に貫通するように貫通孔を形成し、この貫通孔の内面をＸ線ビームの反射面としたものである。このようなモノクロメータを使うと、貫通孔の軸線の回りにモノクロメータを回転させることで、Ｘ線が反射する面方位を変えることができる。また、貫通孔の軸線に垂直な回転中心線の回りにモノクロメータを回転させることで、モノクロメータに対するＸ線の入射角を変えることができる。
【００１９】
このモノクロメータは、外形を多角柱にして、貫通孔の断面を円形にすることができる。外形を多角柱にすると、この多角柱の側面を利用することで、貫通孔の軸線の回りのモノクロメータの回転位置を特定の位置にセットするのが容易になる。好ましい実施形態では、外形を八角柱にする。単結晶としては立方晶を使うことができ、その場合、貫通孔の軸方向を立方晶の〈１１０〉方向に一致させて、八角柱の側面を構成する８個の平面の法線方位を〈１００〉〈１１１〉〈１１０〉〈２１１〉の４種類にすることができる。
【００２０】
このモノクロメータは、好ましくは、貫通孔の内面でＸ線ビームが２回反射してから出ていくように設計する。ただし、２回に限定するものではなく、その他の偶数回、例えば、４回または６回の反射をするようにしてもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
最初に、結晶の格子面の面指数（ミラー指数）の表現方法について簡単に説明する。この実施形態で使用しているシリコン結晶の結晶構造は立方晶なので、例えば（１００）面に等価な格子面は、これを含めて６個存在する。そして、一般に、それらを代表して｛１００｝というように波形のカッコで表現している。同様に、［１００］方向についても、これを含めて６個の等価な方向を代表させて〈１００〉というように山形のカッコで表現している。この明細書でも、そのような一般的な表現方法を採用している。シリコン結晶の代わりにゲルマニウム結晶を用いることもできるが、ゲルマニウム結晶も立方晶なので同様である。
【００２２】
図１はこの発明の実施形態の斜視図である。このＸ線モノクロメータ１０は、シリコンの単結晶ブロックを加工して作ったものである。このモノクロメータ１０は外観が八角柱の形状をしていて、その八角形の断面の中央位置には、軸方向に貫通する円形断面の貫通孔１１が形成されている。この貫通孔１１の内面をＸ線の反射面として使う。このモノクロメータ１０はトンネル状の貫通孔１１の内面を反射面として使うので、以下、トンネルモノクロメータと呼ぶことにする。このトンネルモノクロメータ１０は、断面がＬ形の支持台１２と組み合わせて使用する。
【００２３】
まず、トンネルモノクロメータ１０の外側の形状を説明する。トンネルモノクロメータ１０の側面は８個の平面１４、１６、１８、２０、２２、２４、２６、２８から形成されていて、トンネルモノクロメータ１０の横断面は八角形をしている。図２はトンネルモノクロメータ１０と支持台１２の正面図である。トンネルモノクロメータ１０の軸方向（図２の紙面に垂直な方向）はシリコン単結晶の〈１１０〉方向に一致している。トンネルモノクロメータ１０の側面を構成する８個の平面のそれぞれの向きは次のようになっている。第１平面１４（図２における上向きの平面）の法線方向はシリコン単結晶の〈１００〉方向に一致している。右上向きの第２平面１６の法線方向はシリコン単結晶の〈１１１〉方向に一致している。右向きの第３平面１８の法線方向はシリコン単結晶の〈１１０〉方向に一致している。右下向きの第４平面２０の法線方向はシリコン単結晶の〈２１１〉方向に一致している。下向きの第５平面２２は上向きの第１平面１４に平行である。左下向きの第６平面２４は右上向きの第２平面１６に平行である。左向きの第７平面２６は右向きの第３平面１８に平行である。左上向きの第８平面２８は右下向きの第４平面２０に平行である。このように、互いに平行な１対の平面が４組形成されている。これらの８個の平面は単一の仮想的な円筒面３０に外接している。貫通孔１１は円筒面３０と同心である。
【００２４】
右上向きの第２平面１６の法線方向〈１１１〉は右向きの第３平面１８の法線方向〈１１０〉に対して反時計回りに３５．２６°の角度をなしている。一方、右下向きの第４平面２０の法線方向〈２１１〉は右向きの第３平面１８の法線方向〈１１０〉に対して時計方向に５４．７４°の角度をなしている。したがって、これらの二つの法線方向〈１１１〉と〈２１１〉は互いに直交する。ゆえに、右上向きの第２平面１６と右下向きの第４平面２０は互いに直交する。また、上向きの第１平面１４の法線方向〈１００〉と右向きの第３平面１８の法線方向〈１１０〉は互いに直交するので、第１平面１４と第３平面１８は互いに直交する。
【００２５】
次に、Ｌ形の支持台１２とトンネルモノクロメータ１０との関係を説明する。Ｌ形の支持台１２は、第１基準面３２（図２では水平である）と、これに垂直な第２基準面３４とを備えている。トンネルモノクロメータ１０の下向きの第５平面２２を支持台１２の第１基準面３２の上に載せてから、このトンネルモノクロメータ１０を支持台１２の第２基準面３４に向かって押し付けると、トンネルモノクロメータ１０の右向きの第３平面１８が第２基準面３４にぴったりと接触する。トンネルモノクロメータ１０の第５平面２２と第３平面１８は互いに直交しているので、これらの平面は、支持台１２の二つの基準面３２、３４（互いに直交する）にぴったりと接触できる。トンネルモノクロメータ１０は、適当な押圧バネによってＬ形の支持台１２に軽く押し当てることで支持台１２に固定できる。ところで、このトンネルモノクロメータ１０は、支持台１２に対して４種類の姿勢をとることができる。すなわち、支持台１２の第１基準面３２に第５平面２２を載せた第１姿勢と、第６平面２４を載せた第２姿勢と、第４平面２０を載せた第３姿勢と、第３平面１８を載せた第４姿勢の４種類である。これらの４種類の姿勢を切り換えるということは、図１に示す回転中心線７６（貫通孔１１の軸線）の回りにトンネルモノクロメータ１０を所定角度だけφ回転させることと等価である。換言すれば、所定の角度位置になるようにトンネルモノクロメータをφ回転させるという作業を容易にするために、トンネルモノクロメータの外形を八角柱にしているのである。
【００２６】
次に、トンネルモノクロメータ１０の側面に形成したスリットを説明する。トンネルモノクロメータ１０の四つの平面２２、２４、２６、２８にはそれぞれスリット３６、３８、４０、４２が形成されている。図２ではこれらのスリットは破線で示されている。これらのスリットは、貫通孔１１の内面で反射したＸ線がモノクロメータから出て行くときの開口になっている。図２において、第１スリット３６は貫通孔１１の内面から第５平面２２までを貫通している。第２スリット３８、第２スリット４０、第３スリット４２は、それぞれ、貫通孔１１の内面から第６平面２４、第７平面２６、第８平面２８までを貫通している。図１では、第２スリット３８、第３スリット４０、第４スリット４２が見えている。各スリットは、トンネルモノクロメータ１０の軸方向においては、背面側の端面に開口している。各スリットの軸方向の長さは同じではない。これについては後述する。
【００２７】
次に、トンネルモノクロメータ１０とＸ線ビームとの位置関係を説明する。図３（ｂ）はトンネルモノクロメータ１０の第１姿勢を示す正面図である。この第１姿勢は、トンネルモノクロメータ１０の第５平面２２を支持台１２の第１基準面３２に載せて、第３平面１８を第２基準面３４に接触させた状態である。図３（ａ）は図３（ｂ）の３ａ−３ａ線断面図（水平断面図）である。図３（ｂ）において、トンネルモノクロメータ１０の貫通孔１１の中心位置の高さにある仮想的な水平面４４を考えると、この水平面４４内においてＸ線ビームがトンネルモノクロメータ１０に向かって進行してくる。図３（ａ）において、入射Ｘ線ビーム４６は貫通孔１１の内面上のＰ１点に入射する。Ｐ１点における接平面（貫通孔の内面に接する平面）は第３平面１８（第２基準面３４に接触している）に平行であり、その法線方向は〈１１０〉である。特性Ｘ線ＣｕＫα１線からなる入射Ｘ線ビーム４６を、Ｐ１点における接平面に対して入射角度θで入射させた場合、θ＝２３．６５°のときにシリコン単結晶の｛２２０｝面についての回折条件を満足して、Ｘ線が貫通孔１１の内面で反射する。Ｐ１点で反射したＸ線は、貫通孔１１の反対側の内面のＱ１点でも同様に反射して、出射Ｘ線ビーム４８として出ていく。この出射Ｘ線ビーム４８はトンネルモノクロメータの背面側の端面５４から出ていく。この出射Ｘ線ビーム４８はシリコン単結晶の｛２２０｝面で反射したＸ線なので、図３（ａ）において２２０と表示してある。
【００２８】
図３（ａ）において、入射角度θを５３．３５°にすると（これを入射Ｘ線ビーム５０とする）、別の回折条件を満足する。この場合は、シリコン単結晶の｛４４０｝面についての回折条件を満足する。この入射条件でＰ１点で反射したＸ線は、貫通孔１１の反対側の内面のＲ１点に到達し、このＲ１点でも同様に反射して、出射Ｘ線ビーム５２として出ていく。この出射Ｘ線ビーム５２は、今度は、第３スリット４０を通過していく。もし第３スリット４０を形成していなければ、２回反射の出射Ｘ線ビーム５２は貫通孔１１の内面に衝突してしまうが、第３スリット４０を形成してあるために、モノクロメータに邪魔されずに出ていくことができる。第３スリット４０の軸方向の長さＬは、出射Ｘ線ビーム５２がモノクロメータにぶつからないような長さにする必要がある。出射Ｘ線ビーム５２はシリコン単結晶の｛４４０｝面で反射したＸ線なので、図３（ａ）において４４０と表示してある。
【００２９】
次に、トンネルモノクロメータの第２姿勢を説明する。図４（ｂ）はトンネルモノクロメータ１０の第２姿勢を示す正面図である。この第２姿勢は、トンネルモノクロメータ１０の第６平面２４を支持台１２の第１基準面３２に載せて、第４平面２０を第２基準面３４に接触させた状態である。図４（ａ）は図４（ｂ）の４ａ−４ａ線断面図である。入射Ｘ線ビーム５６は貫通孔１１の内面上のＰ２点に入射する。Ｐ２点における接平面は第４平面２０（第２基準面３４に接触している）に平行であり、その法線方向は〈２１１〉である。特性Ｘ線ＣｕＫα１線からなる入射Ｘ線ビーム５６を、Ｐ２点における接平面に対して入射角度θで入射させた場合、θ＝４４．０２°のときにシリコン単結晶の｛４２２｝面についての回折条件を満足して、Ｘ線が反射する。Ｐ２点で反射したＸ線は、貫通孔１１の反対側の内面のＱ２点でも同様に反射して、出射Ｘ線ビーム５８として出ていく。この出射Ｘ線ビーム５８は第４スリット４２を通過していく。第４スリット４２の軸方向の長さは、出射Ｘ線ビーム５８がモノクロメータにぶつからないような長さにする必要がある。当然ながら、第３スリット４０（図３（ａ））の必要長さと第４スリット４２の必要長さは異なる。出射Ｘ線ビーム５８はシリコン単結晶の｛４２２｝面で反射したＸ線なので、図４（ａ）において４２２と表示してある。上述のＰ２点は、空間上の位置としては、図３（ａ）の状態のＰ１点と同一位置にある。ただし、トンネルモノクロメータ１０の貫通孔１１の内面上の位置としては、別の位置にある。
【００３０】
次に、トンネルモノクロメータの第３姿勢を説明する。図５（ｂ）はトンネルモノクロメータ１０の第３姿勢を示す正面図である。この第３姿勢は、トンネルモノクロメータ１０の第４平面２０を支持台１２の第１基準面３２に載せて、第２平面１６を第２基準面３４に接触させた状態である。図５（ａ）は図５（ｂ）の５ａ−５ａ線断面図である。入射Ｘ線ビーム６０は貫通孔１１の内面上のＰ３点に入射する。Ｐ３点における接平面は第２平面１６（第２基準面３４に接触している）に平行であり、その法線方向は〈１１１〉である。特性Ｘ線ＣｕＫα１線からなる入射Ｘ線ビーム６０を、Ｐ３点における接平面に対して入射角度θで入射させた場合、θ＝１４．２２°でシリコン単結晶の｛１１１｝面についての回折条件を満足して、Ｘ線が反射する。Ｐ３点で反射したＸ線は、貫通孔１１の反対側の内面のＱ３点でも同様に反射して、出射Ｘ線６２ビームとして出ていく。この出射Ｘ線ビーム６２はトンネルモノクロメータの背面側の端面５４のところから出ていく。この出射Ｘ線ビーム６２はシリコン単結晶の｛１１１｝面で反射したＸ線なので、図５（ａ）において１１１と表示してある。
【００３１】
図５（ａ）において、入射角度θを４７．４８°にすると（これを入射Ｘ線ビーム６４とする）、別の回折条件を満足する。この場合は、シリコン単結晶の｛３３３｝面についての回折条件を満足する。この入射条件でＰ３点で反射したＸ線は、貫通孔１１の反対側の内面のＲ３点に到達し、このＲ３点でも同様に反射して、出射Ｘ線ビーム６６として出ていく。この出射Ｘ線ビーム６６は第２スリット３８を通過していく。第２スリット３８の長さは、出射Ｘ線ビーム６６がモノクロメータにぶつからないような長さにする必要がある。出射Ｘ線ビーム６６はシリコン単結晶の｛３３３｝面で反射したＸ線なので、図５（ａ）において３３３と表示してある。
【００３２】
次に、トンネルモノクロメータの第４姿勢を説明する。図６（ｂ）はトンネルモノクロメータ１０の第４姿勢を示す正面図である。この第４姿勢は、トンネルモノクロメータ１０の第３平面１８を支持台１２の第１基準面３２に載せて、第１平面１４を第２基準面３４に接触させた状態である。図６（ａ）は図６（ｂ）の６ａ−６ａ線断面図である。入射Ｘ線ビーム６８は貫通孔１１の内面上のＰ４点に入射する。Ｐ４点における接平面は第１平面１４（第２基準面３４に接触している）に平行であり、その法線方向は〈１００〉である。特性Ｘ線ＣｕＫα１線からなる入射Ｘ線ビーム６８を、Ｐ４点における接平面に対して入射角度θで入射させた場合、θ＝３４．５７°のときにシリコン単結晶の｛４００｝面における回折条件を満足して、Ｘ線が反射する。Ｐ４点で反射したＸ線は、貫通孔１１の反対側の内面のＱ４点でも同様に反射して、出射Ｘ線ビーム７０として出ていく。この出射Ｘ線ビーム７０は第１スリット３６を通過していく。第１スリット３６の長さは、出射Ｘ線ビーム７０がモノクロメータにぶつからないような長さにする必要がある。この出射Ｘ線ビーム７０はシリコン単結晶の｛４００｝面で反射したＸ線なので、図６（ａ）において４００と表示してある。
【００３３】
以上説明した４種類の姿勢と、各姿勢における可能な反射面指数についての一覧表を図１２に示す。可能な反射面指数は全部で６種類あり、このトンネルモノクロメータは、取り出すＸ線を６通りに切り換えることができる。
【００３４】
次に、このトンネルモノクロメータをＸ線回折装置のＸ線源と試料との間に配置する方法を説明する。図１において、支持台１２は回転中心線７２の回りに回転可能な回転台（図示せず）の上に載っている。回転中心線７２の回りの回転をω回転と呼ぶことにする。このω回転は、トンネルモノクロメータ１０に対するＸ線ビームの入射角を調整するためのものである。回転中心線７２は図３に示すように、トンネルモノクロメータ１０の貫通孔１１の内面に接している。そして、回転中心線７２と貫通孔１１の内面とが接する位置がＰ１点である。このように回転中心線７２が貫通孔１１の内面に接していると、トンネルモノクロメータ１０をω回転させたときに、貫通孔１１の内面上のＸ線照射位置が変化しないという利点がある。ただし、回転中心線７２は、貫通孔１１の内面に接しない位置に設定することも可能である。
【００３５】
Ｘ線源を固定しておいて、トンネルモノクロメータを動かして、所定の回折条件を満足させるには、次のようにする。図７（ａ）において、支持台１２の上にトンネルモノクロメータ１０を第１姿勢の状態で載せて、支持台１２を回転中心線７２の回りにω回転させると、トンネルモノクロメータ１０を入射Ｘ線ビーム７４に対して傾斜させることができる。入射Ｘ線ビーム７４が貫通孔１１の内面に対して２３．６５°の入射角度で入射するようにトンネルモノクロメータ１０をω回転させれば、図３の｛２２０｝反射の状態と同じになる。
【００３６】
図７（ｂ）は第１姿勢のトンネルモノクロメータ１０を回転中心線７２の回りにω回転させて入射角度を５３．３５°にしたものである。こうすると図３の｛４４０｝反射と同じ状態になる。
【００３７】
図８は第２姿勢のトンネルモノクロメータ１０を回転中心線７２の回りにω回転させて入射角度を４４．０２°にしたものである。こうすると図４の｛４２２｝反射と同じ状態になる。
【００３８】
図９（ａ）は第３姿勢のトンネルモノクロメータ１０を回転中心線７２の回りにω回転させて入射角度を１４．２２°にしたものである。こうすると図５の｛１１１｝反射と同じ状態になる。
【００３９】
図９（ｂ）は第３姿勢のトンネルモノクロメータ１０を回転中心線７２の回りにω回転させて入射角度を４７．４８°にしたものである。こうすると図５の｛３３３｝反射と同じ状態になる。
【００４０】
図１０は第４姿勢のトンネルモノクロメータ１０を回転中心線７２の回りにω回転させて入射角度を３４．５７°にしたものである。こうすると図６の｛４００｝反射と同じ状態になる。
【００４１】
図１１は立方晶の（１１０）極を中心とした標準ステレオ投影図である。このステレオ投影図に示されている３個の数字の組は、結晶の格子面の面指数（ミラー指数）を表している。円周上に載っている面指数は、〈１００〉方向に垂直な面方位をもつ面指数のうちでブラッグ反射が得られる面指数である。図１２に示した６種類の面指数は、いずれも、上述の円周上に載っている面指数（あるいは、その整数倍の面指数）である。なお、面指数では、格子面の表裏を区別するために裏の場合には数字の上に横線を付けるのが普通であるが、この図面では数字の前にマイナス符号を付けている。
【００４２】
次に、各反射面で反射した６種類のＸ線の用途を説明する。｛２２０｝反射で得られるＸ線ビーム（図７（ａ））は、強度が比較的大きいので、反射率測定（試料表面に対してすれすれにＸ線を入射させて全反射近傍の反射率を測定するもの）に適している。また、この｛２２０｝反射は、２個のトンネルモノクロメータを鏡面対称に配置して４結晶モノクロメータとして使うこともでき、その場合は、ロッキングカーブを測定するのに適している。
【００４３】
｛４４０｝反射で得られるＸ線ビーム（図７（ｂ））は、｛２２０｝反射に比べて強度は小さいが高分解能であり、やはり、４結晶モノクロメータとして使って、ロッキングカーブを測定するのに適している。
【００４４】
｛４００｝反射で得られるＸ線ビーム（図１０）は、擬似平行配置として使うことにより、ロッキングカーブの測定に適している。すなわち、ＧａＡｓの｛４００｝面（あるいはその上に成長させたエピタキシャル膜）のロッキングカーブを測定するときに、シリコン結晶の｛４００｝面で回折させたＸ線を使うことで、二結晶法の擬似平行配置の状況を作り出すことができる。シリコン結晶の｛４００｝面のｄ値は、測定対象のＧａＡｓの｛４００｝面のｄ値に近い。
【００４５】
｛４２２｝反射で得られるＸ線ビーム（図８）は、擬似平行配置として使うことにより、ロッキングカーブの測定に適している。すなわち、ＧａＡｓの非対称反射｛４２２｝面（あるいはその上に成長させたエピタキシャル膜）のロッキングカーブを測定するときに、シリコン結晶の｛４２２｝面で回折させたＸ線を使うことで、二結晶法の擬似平行配置の状況を作り出すことができる。
【００４６】
｛１１１｝反射で得られるＸ線ビーム（図９（ａ））は、比較的強度が大きいので反射率測定に適している。
【００４７】
｛３３３｝反射で得られるＸ線ビーム（図９（ｂ））は、試料結晶の｛５１１｝反射に対する擬似平行配置として使うことにより、ロッキングカーブの測定に適している。｛３３３｝面の面間隔（ｄ値）は｛５１１｝面の面間隔と同じになるので、例えば、ＧａＡｓの非対称反射｛５１１｝面（あるいはその上に成長させたエピタキシャル膜）のロッキングカーブを測定するときに、シリコン結晶の｛３３３｝面で回折させたＸ線を使うことで、二結晶法の擬似平行配置の状況を作り出すことができる。
【００４８】
次に、実施形態のトンネルモノクロメータの寸法について説明する。図２において、仮想的な円筒面３０の直径は１０ｍｍから数十ｍｍである。貫通孔１１の内径は、円筒面３０の直径の３分の１から２分の１である。トンネルモノクロメータの軸方向（長手方向）の必要長さは、貫通孔１１の内径と反射のブラッグ角との関連で定まる。上述の６種類の反射の中でブラッグ角が最も低角のものは｛１１１｝反射であり、ＣｕＫα１のＸ線波長に対して、入射角は１４．２２°である（図９（ａ））。トンネルモノクロメータの必要長さは、この一番低角の反射によって定まる。この場合、貫通孔１１の内径を５ｍｍと仮定すると、貫通孔の内面で２回反射するために必要な最低距離（二つの反射点の間の長手方向の距離）は約２０ｍｍとなる。実際の設計では、Ｘ線の入り口と出口に数ｍｍ程度の余裕を持たせるので、トンネルモノクロメータの必要長さは３０ｍｍ程度となる。
【００４９】
図２において、貫通孔１１の内面の断面形状は円形ではなく、八角形としてもよい。すなわち、貫通孔１１の内面の八角形の各辺を、外面の八角形の各辺と平行になるようにしてもよい。
【００５０】
上述の実施形態では、八角柱のトンネルモノクロメータとＬ形の支持台とを組み合わせることで、４種類の姿勢を容易に設定できるようにしたが、トンネルモノクロメータを軸回りに自由に回転できて、かつ、任意の回転角度で停止できるような回転機構を設ければ（その場合は、八角柱である必要はない）、上述の６種類の反射よりも多くの反射を取り出すことができる。図２のような方位で切り出したトンネルモノクロメータの場合、原理的には、図１１のステレオ投影図の円周上に位置するすべての面指数での反射を取り出すことが可能である。その場合は、上述の図１２に示す６種類の反射のほかに、｛３１１｝｛３３１｝｛５１１｝の反射が可能である。また、非対称反射になるが｛５３１｝反射も可能である。
【００５１】
【発明の効果】
この発明のＸ線モノクロメータは、ひとつの単結晶ブロックにトンネル状の貫通孔を形成して、この貫通孔の内面を反射面としたので、貫通孔の軸線の回りにモノクロメータを回転することによって反射面の面方位を切り換えることができる。したがって、いろいろな面指数で反射したＸ線を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のモノクロメータの実施形態の斜視図である。
【図２】トンネルモノクロメータと支持台の正面図である。
【図３】第１の姿勢のトンネルモノクロメータとＸ線ビームとの位置関係を示す平面断面図と正面図である。
【図４】第２の姿勢のトンネルモノクロメータとＸ線ビームとの位置関係を示す平面断面図と正面図である。
【図５】第３の姿勢のトンネルモノクロメータとＸ線ビームとの位置関係を示す平面断面図と正面図である。
【図６】第４の姿勢のトンネルモノクロメータとＸ線ビームとの位置関係を示す平面断面図と正面図である。
【図７】入射Ｘ線の方向を一定にしたときの第１の姿勢のトンネルモノクロメータの二つの設定状態を示す水平断面図である。
【図８】入射Ｘ線の方向を一定にしたときの第２の姿勢のトンネルモノクロメータの設定状態を示す水平断面図である。
【図９】入射Ｘ線の方向を一定にしたときの第３の姿勢のトンネルモノクロメータの二つの設定状態を示す水平断面図である。
【図１０】入射Ｘ線の方向を一定にしたときの第４の姿勢のトンネルモノクロメータの設定状態を示す水平断面図である。
【図１１】立方晶の（１１０）面の標準ステレオ投影図である。
【図１２】可能な６種類の反射の面指数を示す一覧表である。
【符号の説明】
１０  トンネルモノクロメータ
１１  貫通孔
１２  支持台
１４  第１平面
１６  第２平面
１８  第３平面
２０  第４平面
２２  第５平面
２４  第６平面
２６  第７平面
２８  第８平面
３０  円筒面
３２  第１基準面
３４  第２基準面
３６  第１スリット
３８  第２スリット
４０  第３スリット
４２  第４スリット
７２  ω回転の回転中心線
７６  φ回転の回転中心線
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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