(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶のブロックに溝を加工することで複数の反射面が形成されたＸ線用のチャンネルカットモノクロメータにおいて、次の特徴を備えるチャンネルカットモノクロメータ。
（ａ）第１の反射面と第２の反射面の間でＸ線ビームが偶数回反射するように構成された反射面ペアが、共通の単結晶ブロックに、少なくとも２種類形成されていて、これにより、少なくとも２種類の異なる結晶格子面でＸ線ビームを反射させることができる。
（ｂ）少なくとも２種類の前記反射面ペアの前記第１の反射面と前記第２の反射面は、共通の基準平面に対して垂直である。
（ｃ）このチャンネルカットモノクロメータは、前記基準平面に対して垂直な回転中心の回りに回転可能である。
（ｄ）前記回転中心から入射Ｘ線ビーム光路までの垂線の距離で引ける仮想円を想定すると、少なくとも２種類の前記反射面ペアにおいて、その反射面ペアに入射する共通の前記入射Ｘ線ビームまたはその延長線が、前記回転中心を中心とした共通の前記仮想円に接するようになっている。
（ｅ）少なくとも２種類の前記反射面ペアについて、第１の反射面ペアが反射を意図する結晶格子面のミラー指数が｛ｈ１ｋ１ｌ１｝であり、第ｎ（ｎは２以上の自然数）の反射面ペアが反射を意図する結晶格子面のミラー指数が｛ｈｎｋｎｌｎ｝であるとき、前記第１の反射面ペアの前記第１の反射面に対する前記第ｎの反射面ペアの前記第１の反射面の角度位置は｛ｈ１ｋ１ｌ１｝面と｛ｈｎｋｎｌｎ｝面の角度差から決定される。
（ｆ）少なくとも２種類の前記反射面ペアについて、前記反射面ペアで偶数回の反射が可能となるような入射方向を有するＸ線ビームのうち、そのＸ線ビームまたはその延長線が前記仮想円に接するＸ線ビームは、当該反射面ペアに入射する前及び当該反射面で反射した後においてチャンネルカットモノクロメータに遮られない。
【請求項２】
請求項１に記載のチャンネルカットモノクロメータにおいて、チャンネルカットモノクロメータに接触することなしに前記仮想円に接してＸ線ビームが通過することのできるダイレクト通路が存在することを特徴とするチャンネルカットモノクロメータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のチャンネルカットモノクロメータにおいて、前記反射面ペアが少なくとも５種類形成されていることを特徴とするチャンネルカットモノクロメータ。
【請求項４】
請求項３に記載のチャンネルカットモノクロメータにおいて、前記ブロックがシリコンまたはゲルマニウムの単結晶であり、少なくとも、｛２２０｝反射用、｛４００｝反射用、｛４２２｝反射用、｛５１１｝反射用及び｛１１１｝反射用の５種類の反射面ペアを備えることを特徴とするチャンネルカットモノクロメータ。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項に記載のチャンネルカットモノクロメータにおいて、少なくともひとつの前記反射面ペアが非対称反射の反射面を備えることを特徴とするチャンネルカットモノクロメータ。
【請求項６】
請求項１に記載のチャンネルカットモノクロメータにおいて、少なくとも２種類の反射面ペアを備えるシリコンの単結晶のブロックと、少なくとも２種類の反射面ペアを備えるゲルマニウムの単結晶のブロックとが、互いに固定されていて、それぞれのブロックが前記回転中心と前記仮想円とを共通にすることを特徴とするチャンネルカットモノクロメータ。
【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チャンネルカット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、ひとつのチャンネルカットモノクロメータに複数のチャンネルを加工することで、結晶を回転するだけで、反射指数を切り換えたり、対称反射と非対称反射とを切り換えたりできるようなチャンネルカット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】
この発明のチャンネルカットモノクロメータは、共通の単結晶ブロックに、少なくとも２種類、好ましくは３種類以上の反射面ペアを形成したものである。各反射面ペアは、第１の反射面と第２の反射面の間でＸ線ビームが偶数回反射するように構成されている（典型的には２回反射。４回反射や６回反射でもよい）。このチャンネルカットモノクロメータは、基準平面に垂直な回転中心の回りに回転させることで、Ｘ線を反射させる反射面ペアを切り換えることができる。そのためには、少なくとも２種類の反射面ペアについて、それを構成する反射面は、基準平面に対して垂直になるように形成されている。そして、前記回転中心から入射Ｘ線ビーム光路までの垂線の距離で引ける仮想円を想定すると、少なくとも２種類の前記反射面ペアにおいて、その反射面ペアに入射する共通の前記入射Ｘ線ビームまたはその延長線が、前記回転中心を中心とした共通の前記仮想円に接するようになっている。さらに、少なくとも２種類の反射面ペアについて、第１の反射面ペアが反射を意図する結晶格子面のミラー指数が｛ｈ１ｋ１ｌ１｝であり、第ｎ（ｎは２以上の自然数）の反射面ペアが反射を意図する結晶格子面のミラー指数が｛ｈｎｋｎｌｎ｝であるとき、前記第１の反射面ペアの前記第１の反射面に対する前記第ｎの反射面ペアの前記第１の反射面の角度位置は｛ｈ１ｋ１ｌ１｝面と｛ｈｎｋｎｌｎ｝面の角度差から決定される。さらに、少なくとも２種類の反射面ペアについて、反射面ペアで偶数回の反射が可能となるような入射方向を有するＸ線ビームのうち、そのＸ線ビームまたはその延長線が前記仮想円に接するＸ線ビームは、当該反射面ペアに入射する前及び当該反射面で反射した後においてチャンネルカットモノクロメータに遮られないようになっている。このような構成により、チャンネルカットモノクロメータをその回転中心の回りに回転するだけで、反射面ペアを切り換えることができて、いろいろな面指数で回折させたＸ線ビームを選択的に取り出すことができる。
【００１９】
このチャンネルカットモノクロメータには、チャンネルカットモノクロメータに接触することなしに前記仮想円に接してＸ線ビームが通過することができるようなダイレクト通路を設けることができる。このようにすると、チャンネルカットモノクロメータを光軸から退避させなくても、Ｘ線ビームをそのまま通過させることができる。
【００２０】
このチャンネルカットモノクロメータは、より好ましくは、５種類以上の反射面ペアを設けることができる。例えば、このチャンネルカットモノクロメータをシリコンまたはゲルマニウムの単結晶で作って、少なくとも、｛２２０｝反射用、｛４００｝反射用、｛４２２｝反射用、｛５１１｝反射用及び｛１１１｝反射用の５種類の反射面ペアを設けることができる。｛２２０｝反射用の反射面ペアは、｛４４０｝反射のＸ線ビームを取り出すのにも利用できる。｛２２０｝反射、｛４４０｝反射は４結晶モノクロメータとして、また｛１１１｝反射及び｛２２０｝反射によるＸ線ビームは、比較的強度が大きいので、反射率測定に使うことができる。一方、｛４００｝反射、｛４２２｝反射及び｛５１１｝反射によるＸ線ビームは、二結晶法の平行配置あるいは擬似平行配置のモノクロメータとして使うことができる。
【００２１】
このチャンネルカットモノクロメータは、少なくともひとつの反射面ペアを非対称反射の反射面を備えるようにしてもよい。その場合、ビーム幅を圧縮させるタイプの非対称反射面としてもよいし、ビーム幅を拡大させるタイプの非対称反射面としてもよい。さらに、反射面ペアを構成する二つの反射面の一方だけを非対称反射にしてもよいし、両方とも非対称反射にしてもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
最初に、結晶の格子面の指数（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ゲルマニウム結晶と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。
【００２３】
図１はこの発明の第１の実施形態の平面図であり、第２図はその斜視図である。第２図において、このチャンネルカットモノクロメータ１０は、ゲルマニウムの単結晶のブロックでできている。縦３５ｍｍ×横２０ｍｍ×高さ２５ｍｍの直方体のブロックに溝を加工することで５種類の反射面ペアを形成してある。溝の深さは２０ｍｍであり、したがって、各反射面の高さも２０ｍｍである。このチャンネルカットモノクロメータ１０の下面を基準平面とすることができる。このブロックは、図に示した結晶方向になるように直方体に切り出されている。すなわち、長手方向の稜線５２が〈１００〉方向に平行に、幅方向の稜線５４が〈１１０〉方向に平行に、高さ方向の稜線５６が〈１１０〉方向に平行になるように切り出されている。このブロックに溝を加工するには、ダイアモンドホイールによる加工、ダイアモンドツールＮＣフライス盤による加工、超音波による加工などを用いることができる。
【００２４】
図１において、第１の反射面ペア１１は互いに平行な二つの反射面１２、１４で構成されており、これはゲルマニウム結晶の｛２２０｝面または｛４４０｝面でＸ線を回折させるためのものである。すなわち、反射面１２、１４はゲルマニウムの単結晶の｛２２０｝面及び｛４４０｝面に平行になるように形成されている。｛２２０｝面と｛４４０｝面は互いに平行であり、その格子面間隔（ｄ値）だけが異なっている。反射面１２、１４は、単結晶ブロックの長手方向の側面９０に平行である。
【００２５】
第２の反射面ペア１６は互いに平行な二つの反射面１８、２０で構成されており、これはゲルマニウム結晶の｛４００｝面でＸ線を回折させるためのものである。すなわち、すなわち、反射面１８、２０はゲルマニウムの単結晶の｛４００｝面に平行になるように形成されている。反射面１８、２０は、長手方向の側面９０に対して垂直である。
【００２６】
第３の反射面ペア２２は互いに平行な二つの反射面２４、２６で構成されており、これはゲルマニウム結晶の｛４２２｝面でＸ線を回折させるためのものである。すなわち、反射面２４、２６はゲルマニウムの単結晶の｛４２２｝面に平行になるように形成されている。反射面２４、２６は、長手方向の側面９０に対して５４．７度だけ傾斜している。
【００２７】
第４の反射面ペア２８は互いに平行な二つの反射面３０、３２で構成されており、これはゲルマニウム結晶の｛５１１｝面でＸ線を回折させるためのものである。すなわち、反射面３０、３２はゲルマニウムの単結晶の｛５１１｝面に平行になるように形成されている。反射面３０、３２は、長手方向の側面９０に対して７４．４度だけ傾斜している。
【００２８】
第５の反射面ペア３４は二つの反射面３６、３８で構成されており、これはゲルマニウム結晶の｛１１１｝面でＸ線を回折させるためのものである。反射面３６はゲルマニウム結晶の｛１１１｝面に平行になるように形成されている。しかし、反射面３８はゲルマニウム結晶の｛１１１｝面に対して非平行である。すなわち、反射面３８はビーム幅圧縮用の非対称反射の反射面になっている。反射面３６は、長手方向の側面９０に対して３５．３度だけ傾斜している。
【００２９】
また、第１の反射面ペア１１の二つの反射面１２、１４の間はダイレクト通路になっていて、このダイレクト通路をＸ線ビーム４２がいずれの反射面にも接触することなく通過できるようになっている。
【００３０】
これまでに説明してきた反射面以外の側面、例えば、図３に示す側面８６、８８は、各種の入射Ｘ線ビームや出射Ｘ線ビームをさえぎらないように適切にカットされている。
【００３１】
図１において、このチャンネルカットモノクロメータ１０は回転中心４０（図１の紙面に垂直に延びている）の回りを回転できるようになっている。そして、５種類の反射面ペアは、回転中心４０を中心とする仮想円４６を基準にして設計されている。すなわち、各反射面ペアに入射するＸ線ビームまたはその延長線が仮想円４６に接するように各反射面ペアが設計されている。仮想円４６の半径は２．５ｍｍである。そして、この実施形態では、５種類の反射面ペアのいずれにおいても、Ｘ線ビームは２回反射してから（すなわち、各反射面で１回ずつ反射してから）出て行くようになっている。上述の５種類の反射面ペアの反射面は、いずれも、基準平面に対して垂直になっている。そして、チャンネルカットモノクロメータの回転中心４０も基準平面に対して垂直である。
【００３２】
図３は図１に示すチャンネルカットモノクロメータに対して７種類の方向から入射したＸ線ビームが反射または通過する様子を示した平面図である。directと示されたＸ線ビームは、いずれの反射面にも接触せずに、チャンネルカットモノクロメータ１０を通過するものである。２２０と示されたＸ線は、ゲルマニウム結晶の｛２２０｝面で反射するものである。同様に、４４０、４００、４２２、５１１、１１１と示されたＸ線は、それぞれ、ゲルマニウム結晶の｛４４０｝面、｛４００｝面、｛４２２｝面、｛５１１｝面、｛１１１｝面、｛２２０｝面で反射するものである。なお、紙面に垂直な方向はゲルマニウム結晶の〈１１０〉方向である。
【００３３】
この図３では、チャンネルカットモノクロメータ１０を固定して、入射するＸ線ビームの方向を変えて図示しているが、実際の高分解能Ｘ線回折装置では、普通は、入射するＸ線ビームの方向が常に同じであるので、チャンネルカットモノクロメータ１０を回転することで、チャンネルカットモノクロメータに対する入射Ｘ線ビームの入射方向を変更している。以下、７種類の入射方向のそれぞれについて、チャンネルカットモノクロメータを回転してＸ線ビームの入射方向を変更したときの状況を図面を参照して説明する。
【００３４】
図４はＸ線ビーム４２がダイレクト通路を通過する状況を示している。この場合、チャンネルカットモノクロメータ１０は、反射面１２、１４がＸ線ビーム４２に平行になるように回転中心４０の回りに位置決めされている。Ｘ線ビーム４２は、仮想円４６に接するようにチャンネルカットモノクロメータ１０を通過して、いずれの反射面にも接触しない。反射面１２とＸ線ビーム４２との距離は１ｍｍに設定されている。このようなダイレクトＸ線は、多結晶薄膜のＸ線回折測定に利用できる。
【００３５】
図５はゲルマニウム結晶の｛２２０｝面でＸ線を回折させる状況を示している。この場合、第１の反射面ペアの第１の反射面１２がＸ線ビーム４２に対して２２．６５度の角度をなすようにチャンネルカットモノクロメータ１０を回転中心４０の回りに回転させてある。具体的には、チャンネルカットモノクロメータ１０を、図４の状態から時計方向に２２．６５度だけ回転させる。第１の反射面１２に対するＸ線入射角度は、使用する特性Ｘ線の波長（この実施形態ではＣｕＫα１）と、ゲルマニウム結晶の｛２２０｝面のｄ値と、ブラッグの反射条件とから定まる数値である。Ｘ線ビーム４２は仮想円４６に接するように入射する。第１の反射面１２に入射したＸ線ビーム４２はゲルマニウム結晶の｛２２０｝面で回折して、第２の反射面１４に入射する。第２の反射面１４でも同様に｛２２０｝面で回折して、出射Ｘ線ビーム４８として出ていく。出射Ｘ線ビーム４８は入射Ｘ線ビーム４２に対して平行になる。ただし、入射Ｘ線ビーム４２に対して距離Ｌだけ平行移動する。したがって、図４の状態で試料の所望位置にＸ線が照射されていたとすると、図５のように入射光学系を変更したときは、試料の同じ所望位置にＸ線を照射するためには、試料を距離Ｌだけ並進移動する必要がある。当然ながら、Ｘ線源の位置は変更しなくてもよい。この｛２２０｝反射で得られるＸ線ビーム４８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、後述の図１１に示すように、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も適している。
【００３６】
図６はゲルマニウム結晶の｛４４０｝面でＸ線を回折させる状況を示している。この場合、使用する反射面ペアは図５に示す｛２２０｝反射の場合と同じ第１の反射面ペア（反射面１２、１４）である。｛４４０｝面と｛２２０｝面は互いに平行なので、同じ反射面ペアを使うことができる。ただし、ｄ値が異なるので、反射面１２に入射するＸ線ビーム４２の角度は変える必要がある。すなわち、反射面１２がＸ線ビーム４２に対して５０．３８度の角度をなすようにチャンネルカットモノクロメータ１０を回転中心４０の回りに回転させてある。具体的には、チャンネルカットモノクロメータ１０を、図４の状態から時計方向に５０．３８度だけ回転させる。Ｘ線ビーム４２は仮想円４６に接するように入射する。第１の反射面１２に入射したＸ線ビーム４２はゲルマニウム結晶の｛４４０｝面で回折して、第２の反射面１４に入射する。第２の反射面１４でも同様に｛４４０｝面で回折して、出射Ｘ線ビーム４８として出ていく。出射Ｘ線ビーム４８は、入射Ｘ線ビーム４２に対して平行であり、入射Ｘ線ビーム４２に対して所定距離だけ平行移動するが、その移動距離は図５の場合とは異なっている。この｛４４０｝反射で得られるＸ線ビーム４８は、｛２２０｝反射に比べて強度は小さいが高分解能であり、後述の図１１に示すように、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。
【００３７】
図７はゲルマニウム結晶の｛４００｝面でＸ線を回折させる状況を示している。この場合、第２の反射面ペアの第１の反射面１８がＸ線ビーム４２に対して３３．０度の角度をなすようにチャンネルカットモノクロメータ１０を回転中心４０の回りに回転させてある。具体的には、チャンネルカットモノクロメータ１０を、図４の状態から反時計方向に５７．０度だけ回転させる。Ｘ線ビーム４２は、その延長線５０が仮想円４６に接するように入射する。第１の反射面１８に入射したＸ線ビーム４２はゲルマニウム結晶の｛４００｝面で回折して、第２の反射面２０に入射する。第２の反射面２０でも同様に｛４００｝面で回折して、出射Ｘ線ビーム４８として出ていく。この｛４００｝反射で得られるＸ線ビーム４８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、ゲルマニウム結晶の｛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。ゲルマニウム結晶の｛４００｝面のｄ値は、測定対象のＧａＡｓの｛４００｝面のｄ値に近い。
【００３８】
図８はゲルマニウム結晶の｛４２２｝面でＸ線を回折させる状況を示している。この場合、第３の反射面ペアの第１の反射面２４がＸ線ビーム４２に対して４１．８４度の角度をなすようにチャンネルカットモノクロメータ１０を回転中心４０の回りに回転させてある。具体的には、チャンネルカットモノクロメータ１０を、図４の状態から反時計方向に８３．４６度だけ回転させる。Ｘ線ビーム４２は、その延長線が仮想円４６に接するように入射する。第１の反射面２４に入射したＸ線ビーム４２はゲルマニウム結晶の｛４２２｝面で回折して、第２の反射面２６に入射する。第２の反射面２６でも同様に｛４２２｝面で回折して、出射Ｘ線ビーム４８として出ていく。この｛４２２｝反射で得られるＸ線ビーム４８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、ゲルマニウム結晶の｛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。
【００３９】
図９はゲルマニウム結晶の｛５１１｝面でＸ線を回折させる状況を示している。この場合、第４の反射面ペアの第１の反射面３０がＸ線ビーム４２に対して４５．０３度の角度をなすようにチャンネルカットモノクロメータ１０を回転中心４０の回りに回転させてある。具体的には、チャンネルカットモノクロメータ１０を、図４の状態から反時計方向に２９．３７度だけ回転させる。Ｘ線ビーム４２は、その延長線５０が仮想円４６に接するように入射する。第１の反射面３０に入射したＸ線ビーム４２はゲルマニウム結晶の｛５１１｝面で回折して、第２の反射面３２に入射する。第２の反射面３２でも同様に｛５１１｝面で回折して、出射Ｘ線ビーム４８として出ていく。この｛５１１｝反射で得られるＸ線ビーム４８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｛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、ゲルマニウム結晶の｛５１１｝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。
【００４０】
図１０（ａ）はゲルマニウム結晶の｛１１１｝面でＸ線を回折させる状況を示している。この場合、第５の反射面ペアの第１の反射面３６がＸ線ビーム４２に対して１３．６４度の角度をなすようにチャンネルカットモノクロメータ１０を回転中心４０の回りに回転させてある。具体的には、チャンネルカットモノクロメータ１０を、図４の状態から時計方向に１５８．３４度だけ回転させる。Ｘ線ビーム４２は、その延長線が仮想円４６に接するように入射する。第１の反射面３６に入射したＸ線ビーム４２はゲルマニウム結晶の｛１１１｝面で回折して、第２の反射面３８に入射する。この第２の反射面３８は第１の反射面３６に対して非平行である。この点を詳しく説明する。図１０（ｂ）は第５の反射面ペアの近傍を拡大して示した平面図である。第１の反射面３６はゲルマニウム結晶の｛１１１｝面５８に平行であるが、第２の反射面３８は｛１１１｝面５８に対してα＝１０．７度だけ反時計方向に傾斜している。この場合、第２の反射面３８においてＸ線ビームがゲルマニウム結晶の｛１１１｝面５８で回折すると、Ｘ線ビームの幅が８分の１に圧縮される。すなわち、出射Ｘ線ビーム４８のビーム幅Ｗ２は入射Ｘ線ビーム４２のビーム幅Ｗ１の８分の１になる。例えば、入射Ｘ線ビーム４２のビーム幅が０．８ｍｍのときに、出射Ｘ線ビーム４８のビーム幅は０．１ｍｍになる。この｛１１１｝の非対称反射で得られる圧縮Ｘ線ビーム４８は、比較的強度が大きいので、反射率測定に適している。
【００４１】
この第５の反射面ペアは、二つの反射面を両方とも非対称反射にすることができる。図１８はそのような変更例を示す拡大平面図である。第１の反射面６０は、ゲルマニウム結晶の｛１１１｝面５８に対して７．２度だけ時計方向に傾斜しており、一方、第２の反射面６２は、ゲルマニウム結晶の｛１１１｝面５８に対して７．２度だけ反時計方向に傾斜している。このようにすると、入射Ｘ線ビーム４２は第１の反射面６０において｛１１１｝面５８で回折して、ビーム幅が１／３．１６（１０分の１の平方根）に圧縮される。さらに、第２の反射面６２においても｛１１１｝面５８で回折して、ビーム幅がさらに１／３．１６に圧縮される。その結果、出射Ｘ線ビーム４８のビーム幅Ｗ２は入射Ｘ線ビーム４２のビーム幅Ｗ１の１０分の１になる。
【００４２】
このチャンネルカットモノクロメータは、非対称反射の反射面を備える反射面ペアを２種類以上設けることもできる。また、ビーム幅を圧縮するタイプの非対称反射だけでなくて、ビーム幅を拡大するタイプの非対称反射を用いることもできる。
【００４３】
図１に示すチャンネルカットモノクロメータは、これを二つ組み合わせて４結晶モノクロメータとして使うこともできる。図１１はそのような使用方法を示す平面図である。二つのチャンネルカットモノクロメータ１０ａ、１０ｂを互いに鏡面対称になるように配置している。どちらのチャンネルカットモノクロメータもゲルマニウム結晶の｛２２０｝面でＸ線が回折するような姿勢に位置決めされている。入射Ｘ線ビーム４２は、第１のチャンネルカットモノクロメータ１０ａの第１の反射面ペアで反射し、さらに、第２のチャンネルカットモノクロメータ１０ｂの第１の反射面ペアで反射して、出射Ｘ線ビーム４８として出ていく。出射Ｘ線ビーム４８は入射Ｘ線ビーム４２と同じ直線上に位置する。なお、右側のチャンネルカットモノクロメータ１０ｂは、｛２２０｝反射用の単一の反射面ペアだけを備える普通のチャンネルカットモノクロメータとしてもよい。同様に、ゲルマニウム結晶の｛４４０｝面反射を組み合わせた４結晶モノクロメータとして使ってもよい。
【００４４】
以上の説明では、チャンネルカットモノクロメータ１０をゲルマニウムの単結晶で作っていたが、これをシリコンの単結晶としてもよい。その場合にも、｛４００｝面、｛４２２｝面、｛５１１｝面で反射させたＸ線ビームは、ゲルマニウムの場合と同様に、ＧａＡｓ試料に対して二結晶法の擬似平行配置のモノクロメータとして使うことができる。
【００４５】
図１２はこの発明の第２の実施形態の平面図であり、図１３はその斜視図である。図１２において、このハイブリッド型のチャンネルカットモノクロメータ６７は、シリコンの単結晶で形成したチャンネルカットモノクロメータ６４と、ゲルマニウムの単結晶で形成したチャンネルカットモノクロメータ６６とを一体に結合した（貼り合わせた）ものである。二つのチャンネルカットモノクロメータ６４、６６は同じ形状であり、それらを回転中心４０に対して点対称になるように結合してある。このハイブリッド型のチャンネルカットモノクロメータ６７は、測定対象の試料として、代表的な半導体結晶であるところのシリコンまたはＧａＡｓを想定しており、二結晶法の平行配置または擬似平行配置を使ってそのロッキングカーブを測定できるようにしたものである。シリコン単結晶（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には、シリコンのチャンネルカットモノクロメータ６４を使って二結晶法の平行配置で測定する。ＧａＡｓ単結晶（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には、ゲルマニウムのチャンネルカットモノクロメータ６６を使って二結晶法の擬似平行配置で測定する。
【００４６】
まず、シリコンのチャンネルカットモノクロメータ６４の形状を説明する。第１の反射面ペア６８は互いに平行な二つの反射面７０、７２で構成されており、これはシリコン結晶の｛４００｝面でＸ線を回折させるためのものである。第２の反射面ペア７４は互いに平行な二つの反射面７６、７８で構成されており、これはシリコン結晶の｛４２２｝面でＸ線を回折させるためのものである。第３の反射面ペア８０は互いに平行な二つの反射面８２、８４で構成されており、これはシリコン結晶の｛５１１｝面でＸ線を回折させるためのものである。これらの３種類の反射面ペアは、回転中心４０を中心とする仮想円４６に基づいて設計されている。すなわち、各反射面ペアに入射するＸ線ビームまたはその延長線が仮想円４６に接するように反射面ペアが設計されている。これらの点は図１に示す第１の実施形態と同じである。ゲルマニウムのチャンネルカットモノクロメータ６６についても、同じように３種類の反射面ペアが形成されている。なお、このハイブリッド型のチャンネルカットモノクロメータ６７にはダイレクト通路は存在しない。
【００４７】
図１４は図１２に示すハイブリッド型のチャンネルカットモノクロメータ６７に対して６種類の方向から入射したＸ線が反射する様子を示した平面図である。Ｓｉ４００と示されたＸ線は、シリコン結晶の｛４００｝面で反射するものである。同様に、Ｓｉ４２２、Ｓｉ５１１と示されたＸ線は、それぞれ、シリコン結晶の｛４２２｝面、｛５１１｝面で反射するものである。また、Ｇｅ４００、Ｇｅ４２２、Ｇｅ５１１と示されたＸ線は、それぞれ、ゲルマニウム結晶の｛４００｝面、｛４２２｝面、｛５１１｝面で反射するものである。紙面に垂直な方向は、シリコン結晶及びゲルマニウム結晶の〈１１０〉方向である。
【００４８】
この図１４では、チャンネルカットモノクロメータ６７を固定して、入射するＸ線ビームの方向を変えているが、実際の高分解能Ｘ線回折装置では、普通は、入射するＸ線ビームの方向が常に同じであって、チャンネルカットモノクロメータ６７を回転することで、チャンネルカットモノクロメータ６７に対する入射Ｘ線ビームの入射方向を変更している。以下、６種類の入射方向のそれぞれについて、チャンネルカットモノクロメータ６７を回転することでＸ線ビームの入射方向を変更したときの状況を説明する。
【００４９】
図１５はシリコン結晶の｛５１１｝面でＸ線を回折させる状況を示している。図１６はシリコン結晶の｛４００｝面でＸ線を回折させる状況を示している。図１７はシリコン結晶の｛４２２｝面でＸ線を回折させる状況を示している。いずれの場合も、チャンネルカットモノクロメータ６７を回転中心４０の回りに所定の角度だけ回転させることで、それぞれの反射面に対して入射Ｘ線ビームが所定の入射角度（ブラッグ条件を満足する入射角度）になるようにしている。同様にして、ゲルマニウム結晶についても、チャンネルカットモノクロメータ６７を回転させることで、その｛５１１｝面、｛４００｝面、｛４２２｝面でＸ線を回折させることができる。
【００５０】
【発明の効果】
この発明のチャンネルカットモノクロメータは、共通の単結晶ブロックに少なくとも２種類の反射面ペアを形成して、チャンネルカットモノクロメータを回転させるだけで反射面ペアを切り換えることができるようにしたので、いろいろな面指数で回折させたＸ線ビームを選択的に取り出すことができる。特に、反射率測定や４結晶モノクロメータによる測定に適した面指数をもった反射面ペアと、二結晶法を適用する必要のある面指数をもった反射面ペアとを、共通の単結晶ブロック上に形成することができて、これらの面指数を容易に切り換えることができる。しかも、面指数の切換えは、チャンネルカットモノクロメータの回転と、必要に応じて試料部の並進移動とが必要になるだけなので、面指数の切換え作業が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態の平面図である。
【図２】図１のチャンネルカットモノクロメータの斜視図である。
【図３】図１のチャンネルカットモノクロメータに７種類の方向から入射したＸ線が反射または通過する様子を示した平面図である。
【図４】図１のチャンネルカットモノクロメータを回転させてＸ線ビームがダイレクト通路を通過するようにした状況を示す平面図である。
【図５】図１のチャンネルカットモノクロメータを回転させてＸ線ビームが｛２２０｝面で回折するようにした状況を示す平面図である。
【図６】図１のチャンネルカットモノクロメータを回転させてＸ線ビームが｛４４０｝面で回折するようにした状況を示す平面図である。
【図７】図１のチャンネルカットモノクロメータを回転させてＸ線ビームが｛４００｝面で回折するようにした状況を示す平面図である。
【図８】図１のチャンネルカットモノクロメータを回転させてＸ線ビームが｛４２２｝面で回折するようにした状況を示す平面図である。
【図９】図１のチャンネルカットモノクロメータを回転させてＸ線ビームが｛５１１｝面で回折するようにした状況を示す平面図である。
【図１０】図１のチャンネルカットモノクロメータを回転させてＸ線ビームが｛１１１｝面で回折するようにした状況を示す平面図である。
【図１１】図１のチャンネルカットモノクロメータを二つ組み合わせて４結晶モノクロメータとして使うことを示す平面図である。
【図１２】この発明の第２の実施形態の平面図である。
【図１３】図１２のチャンネルカットモノクロメータの斜視図である。
【図１４】図１２のチャンネルカットモノクロメータに６種類の方向から入射したＸ線が反射する様子を示した平面図である。
【図１５】図１２のチャンネルカットモノクロメータを回転させてＸ線ビームがシリコン結晶の｛５１１｝面で回折するようにした状況を示す平面図である。
【図１６】図１２のチャンネルカットモノクロメータを回転させてＸ線ビームがシリコン結晶の｛４００｝面で回折するようにした状況を示す平面図である。
【図１７】図１２のチャンネルカットモノクロメータを回転させてＸ線ビームがシリコン結晶の｛４２２｝面で回折するようにした状況を示す平面図である。
【図１８】図１のチャンネルカットモノクロメータの第５の反射面ペアを構成する二つの反射面を両方とも非対称反射にした変更例を示す平面図である。
【符号の説明】
１０  チャンネルカットモノクロメータ
１１  第１の反射面ペア
１６  第２の反射面ペア
２２  第３の反射面ペア
２８  第４の反射面ペア
３４  第５の反射面ペア
４０  回転中心
４６  仮想円
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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