JP2005274536A - Method and system for evaluating crystal - Google Patents

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JP2005274536A JP2004092354A JP2004092354A JP2005274536A JP 2005274536 A JP2005274536 A JP 2005274536A JP 2004092354 A JP2004092354 A JP 2004092354A JP 2004092354 A JP2004092354 A JP 2004092354A JP 2005274536 A JP2005274536 A JP 2005274536A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for evaluating a crystal, which can acquire accurate information required for evaluating a crystal property or an orientation of the crystal material and can carry out its evaluation appropriately by using the acquired information. <P>SOLUTION: The method for evaluating the crystal irradiates a sample with radiation, measures diffraction radiation reflected by the sample and evaluates the sample from the measurement. In the method, a coordinate system is set, wherein total three variables which are used as mutually independent axes, are composed of one variable 2θ and two variables selected from ϕ, ψ and ω, and a diffraction image of the sample is expressed as a function having the above three variables. The variables respectively represent a rotation angle (ϕ) so defined that its axis of rotation is perpendicular to the sample plane; a tilt angle (ψ) formed in a plane perpendicular to the incidence axis of the incident radiation; an incident angle (ω) between the sample plane and the incident radiation under the condition that ψ is zero degree; and an included angle (2θ) between the incident radiation and the diffraction radiation. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、薄膜結晶材料などの結晶の結晶性や配向分布を、X線などの回折現象を利用して評価する結晶の評価方法、および結晶の評価システムに関するものである。   The present invention relates to a crystal evaluation method and a crystal evaluation system for evaluating crystallinity and orientation distribution of a crystal such as a thin film crystal material by utilizing a diffraction phenomenon such as X-ray.

従来、この種の結晶材料の評価方法としては、被測定試料にX線を照射し、結晶面からのブラッグ(Bragg)反射による反射X線を測定することにより、結晶材料の結晶構造などを評価するものが知られている。
すなわち、この結晶材料の評価方法では、X線の入射方向を少しずつ変化させ、ブラッグ反射光を測定することにより、逆格子空間における逆格子点を検出し、その分布特性(2次元逆格子空間マップ)を作成し、これにより結晶材料の結晶構造を評価するものが知られている。
Conventionally, as a method for evaluating this type of crystal material, the crystal structure of the crystal material is evaluated by irradiating a sample to be measured with X-rays and measuring reflected X-rays by Bragg reflection from the crystal plane. What to do is known.
That is, in this crystal material evaluation method, the incident direction of X-rays is changed little by little, and the Bragg reflected light is measured to detect reciprocal lattice points in the reciprocal space and its distribution characteristics (two-dimensional reciprocal space) It is known to create a map) and thereby evaluate the crystal structure of the crystal material.

しかし、従来の方法では、作成されるのは2次元逆格子空間マップである。このため、例えば、結晶基板上に成膜した薄膜材料の結晶性や配向性の評価、あるいは界面(結晶基板とその上に形成された薄膜の接合部)における格子整合等に関する正確な情報を非破壊で取得することが困難であるという不具合がある。
なお、従来、上記の界面の評価は、断面TEM(透過型電子顕微鏡)を用いて行われている。しかし、そのような手法では、試料の作製が困難なこと、局所的な情報しか得られないこと等の不具合がある。
However, in the conventional method, a two-dimensional reciprocal lattice space map is created. For this reason, for example, accurate information regarding the evaluation of crystallinity and orientation of a thin film material deposited on a crystal substrate, or lattice matching at the interface (the junction between the crystal substrate and the thin film formed thereon) is not displayed. There is a problem that it is difficult to acquire by destruction.
Conventionally, the evaluation of the interface has been performed using a cross-sectional TEM (transmission electron microscope). However, such a method has problems such as difficulty in preparing a sample and obtaining only local information.

そこで、本発明の目的は、結晶材料の結晶性や配向性の評価などに必要な正確な情報を取得でき、この取得した情報によりその評価を適切に行うことができる結晶の評価方法、および結晶の評価システムを提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to obtain accurate information necessary for evaluation of crystallinity and orientation of a crystal material, and to perform appropriate evaluation based on the acquired information, and a crystal It is to provide an evaluation system.

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、以下のような構成からなる。
すなわち、第1の発明は、試料に放射線を照射し、試料で反射された回折放射線を測定し、その測定に基づいて試料を評価する結晶の評価方法において、試料面と垂直方向を回転軸とした回転角(φ)と、入射放射線の入射方向に対して直角方向のあおり角(ψ)と、ψ=0°の状態での試料面と入射放射線とがなす入射角(ω)と、入射放射線と回折放射線とのなす挟角(2θ)とのうち、2θおよびφ、ψ、ωの中から選ばれた2つの変数からなる全3変数を互いに独立な軸とした座標系を用いて、前記試料からの回折像を前記3変数の関数として表現するようにした。
In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, each invention has the following configuration.
That is, the first invention is a crystal evaluation method in which a sample is irradiated with radiation, diffracted radiation reflected by the sample is measured, and the sample is evaluated based on the measurement. Rotation angle (φ), tilt angle (ψ) perpendicular to the incident direction of incident radiation, incident angle (ω) formed by the sample surface and incident radiation in the state of ψ = 0 °, and incidence Of the included angle (2θ) formed by radiation and diffracted radiation, using a coordinate system with all three variables consisting of two variables selected from 2θ and φ, ψ, ω as independent axes, A diffraction image from the sample was expressed as a function of the three variables.

第2の発明は、第1の発明において、前記3変数からなる軸で構成される空間座標内で表現された試料からの回折強度分布から、該空間内の任意の平面への垂線上で最も該回折強度の値が大きなデータを代表点として射影するようにした。
第3の発明は、第1の発明において、前記3変数からなる軸で構成される空間座標内で表現された試料からの回折強度分布から、該空間内の任意の平面へ射影を得る際に、前記空間内で最も強度の値が大きな点の付近を通り、該平面に平行な面で裁断した裁断面の回折強度分布を射影値とするようにした。
According to a second invention, in the first invention, from the diffraction intensity distribution from the sample expressed in the space coordinates constituted by the axes composed of the three variables, the highest on the perpendicular to an arbitrary plane in the space. Data having a large value of the diffraction intensity is projected as a representative point.
According to a third invention, in the first invention, when obtaining a projection from a diffraction intensity distribution from a sample expressed in space coordinates composed of the three axes, to an arbitrary plane in the space. The diffraction intensity distribution of the cut surface that passes through the vicinity of the point having the largest intensity value in the space and is cut by a plane parallel to the plane is used as the projection value.

第4の発明は、第1乃至第3のうちのいずれかの発明において、前記放射線は、X線、電子線または中性子線のいずれかである。
第5の発明は、試料の構造解析に必要な所定の3次元逆格子空間のマップの作成の指示があると、この指示に従って、前記試料に対してX線を照射し、その試料から反射されるブラッグの条件を満たす回折X線を受光し、これにより回折強度データを測定するX線回折手段と、前記X線回折手段が測定する回折強度データを収集し、これに基づいて前記3次元逆格子空間マップを作成し、かつ、その3次元逆格子空間マップの作成の際に蓄積された3次元逆格子空間内の逆格子点の回折強度データを3次元的に画像表示化するデータ処理を少なくとも行う回折強度データ処理手段と、前記回折強度データ処理手段のデータ処理により得られた画像を3次元的に表示する表示手段と、を備えている。
According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the radiation is any one of an X-ray, an electron beam, and a neutron beam.
In the fifth aspect of the invention, when there is an instruction to create a map of a predetermined three-dimensional reciprocal lattice space necessary for the structural analysis of the sample, X-rays are irradiated to the sample in accordance with this instruction and reflected from the sample. X-ray diffracting means for receiving diffracted X-rays satisfying Bragg's condition and measuring diffraction intensity data thereby, and collecting diffraction intensity data measured by the X-ray diffracting means, and based on this, the three-dimensional inverse Data processing for creating a lattice space map and displaying the diffraction intensity data of reciprocal lattice points in the 3D reciprocal lattice space accumulated at the time of creating the 3D reciprocal lattice space as a three-dimensional image display At least diffraction intensity data processing means for performing, and display means for three-dimensionally displaying an image obtained by data processing of the diffraction intensity data processing means.

第6の発明は、第5の発明において、前記所定の3次元逆格子空間は、前記試料面と垂直方向を回転軸とした回転角(φ)と、入射X線の入射方向に対して直角方向のあおり角(ψ)と、ψ=0°の状態での試料面と入射X線とがなす入射角(ω)と、入射X線と回折X線とのなす挟角(2θ)とのうち、2θおよびφ、ψ、ωの中から選ばれた2つの変数からなる全3変数を互いに独立な軸とした座標系で構成される。   In a sixth aspect based on the fifth aspect, the predetermined three-dimensional reciprocal lattice space is perpendicular to the rotation angle (φ) about the direction perpendicular to the sample surface and the incident direction of incident X-rays. The tilt angle (ψ) of the direction, the incident angle (ω) formed by the sample surface and the incident X-ray in the state of ψ = 0 °, and the included angle (2θ) formed by the incident X-ray and the diffracted X-ray Of these, a coordinate system is used in which all three variables composed of two variables selected from 2θ and φ, ψ, and ω are independent axes.

このような構成からなる本発明では、結晶材料の構造の解析に必要な逆格子空間の逆格子点の分布を3次元で表現でき、すなわち3次元の逆格子空間マップを取得でき、かつ、必要に応じてその任意表面の射影を表現できる。
このため、本発明によれば、結晶材料の結晶性や配向性の評価などに必要な正確な情報を取得でき、この取得した情報に基づいてその結晶材料の各種の評価を適切に行うことができる。
In the present invention having such a structure, the distribution of the reciprocal lattice points in the reciprocal space necessary for the analysis of the structure of the crystal material can be expressed in three dimensions, that is, a three-dimensional reciprocal lattice space map can be obtained and necessary. Depending on, the projection of the arbitrary surface can be expressed.
For this reason, according to the present invention, accurate information necessary for evaluating the crystallinity and orientation of the crystal material can be acquired, and various evaluations of the crystal material can be appropriately performed based on the acquired information. it can.

以下、本発明の結晶の評価方法および結晶の評価システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の結晶の評価方法は、結晶材料などの構造解析に必要な逆格子空間の逆格子点の分布を3次元で表現した3次元逆格子空間マップを作成するとともに、そのマップの作成の際に3次元逆格子空間内に蓄積された逆格子点の強度データ(回折強度データ)の3次元的な画像表示、またはその任意断面などの画像表示を行うようにし、結晶材料などの評価の際に必要な正確な情報を視覚的に取得できるようにしたものである。
Embodiments of a crystal evaluation method and a crystal evaluation system according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
The crystal evaluation method of the present invention creates a three-dimensional reciprocal lattice space map representing the distribution of reciprocal lattice points in a reciprocal space necessary for structural analysis of crystal materials and the like in three dimensions, and at the time of creating the map. In order to evaluate crystal materials, etc., three-dimensional image display of intensity data (diffraction intensity data) of reciprocal lattice points accumulated in the three-dimensional reciprocal lattice space or an arbitrary cross section thereof is displayed. It is designed to obtain the accurate information necessary for the operation.

このため、この実施形態に係る結晶の評価システムは、図1に示すように、X線回折装置1と、回折強度データ処理装置2と、表示装置3と、入力装置4とを少なくとも備えている。
X線回折装置1は、後述のように、測定対象である試料aの構造解析に必要な3次元逆格子空間マップの作成の指示が入力装置4からあると、その指示に従って、試料aに対して放射線であるX線を照射し、その試料aから反射されるブラッグの条件を満たす回折X線を受光し、これにより回折強度データを測定するものである。
Therefore, the crystal evaluation system according to this embodiment includes at least an X-ray diffractometer 1, a diffraction intensity data processor 2, a display device 3, and an input device 4, as shown in FIG. .
As will be described later, when the X-ray diffractometer 1 receives an instruction from the input device 4 to create a three-dimensional reciprocal lattice space map necessary for the structural analysis of the sample a to be measured, Then, X-rays that are radiation are irradiated, diffracted X-rays that satisfy the Bragg condition reflected from the sample a are received, and diffraction intensity data is thereby measured.

すなわち、X線回折装置1は、図1に示すように、試料aをセットするステージ11と、その試料aに対してX線を照射するX線照射部12と、試料aから反射される回折X線を受光する受光部13とを少なくとも備え、後述のように3次元逆格子空間マップを作成するための回折強度データを測定するものである。
ここで、試料aは、薄膜結晶材料などの結晶材料、シリコン基板の表面にプラチナなどの膜を形成したものなどである。
That is, as shown in FIG. 1, the X-ray diffraction apparatus 1 includes a stage 11 on which a sample a is set, an X-ray irradiation unit 12 that irradiates the sample a with X-rays, and diffraction reflected from the sample a. It includes at least a light receiving unit 13 that receives X-rays, and measures diffraction intensity data for creating a three-dimensional reciprocal lattice space map as described later.
Here, the sample a is a crystal material such as a thin film crystal material, or a film in which a film of platinum or the like is formed on the surface of a silicon substrate.

回折強度データ処理装置2は、コンピュータなどから構成され、X線回折装置1が測定した回折強度データを収集し、これに基づいて試料の構造解析に必要である後述のような3次元逆格子空間マップを作成するものである。
また、回折強度データ処理装置2は、3次元逆格子空間マップの作成の際に蓄積された3次元逆格子空間内の逆格子点の回折強度データの3次元的な画像表示化、またはその任意断面などを画像表示化するためのデータ処理を行うものである。
The diffraction intensity data processing device 2 is composed of a computer or the like, collects the diffraction intensity data measured by the X-ray diffraction device 1, and based on this collects the three-dimensional reciprocal lattice space as will be described later, which is necessary for the structural analysis of the sample. Create a map.
Further, the diffraction intensity data processing device 2 displays a three-dimensional image of the diffraction intensity data of reciprocal lattice points in the three-dimensional reciprocal lattice space accumulated when creating the three-dimensional reciprocal lattice space map, or an arbitrary display thereof. Data processing for displaying a cross section as an image is performed.

表示装置3は、回折強度データ処理装置2のデータ処理に基づいて得られた画像を、例えば2次元的または3次元的にカラー表示するものである。
入力装置4は、この結晶の評価システムに使用して結晶の評価を行う際に、X線回折装置1および回折強度データ処理装置2に対して、後述のような測定条件などの各種の指示を行うものである。
The display device 3 displays an image obtained based on the data processing of the diffraction intensity data processing device 2 in two-dimensional or three-dimensional color display, for example.
When the input device 4 is used in this crystal evaluation system to evaluate a crystal, the input device 4 gives various instructions such as measurement conditions to be described later to the X-ray diffraction device 1 and the diffraction intensity data processing device 2. Is what you do.

次に、このような構成からなる実施形態に係る結晶の評価システムを使用して行う結晶の評価方法について説明する。
この実施形態により表現される3次元逆格子空間マップは、図2に定義した実空間内の表記のうち、2 θ、ω、φ、ψから選ばれた3つのパラメータで構成される逆格子空間内のX線の回折( 反射) 点の集合として表示(描画)するものである。
Next, a crystal evaluation method performed using the crystal evaluation system according to the embodiment having such a configuration will be described.
The three-dimensional reciprocal space map expressed by this embodiment is a reciprocal space composed of three parameters selected from 2θ, ω, φ, and ψ among the notations in the real space defined in FIG. Are displayed (drawn) as a set of X-ray diffraction (reflection) points.

ここで、φは試料a面と垂直方向を回転軸とした回転角、ψは入射X線(入射放射線)の入射方向に対して直角方向のあおり角である。また、ωはψ=0°の状態での試料a面と入射X線とがなす入射角、2 θは入射X線と回折X線とのなす挟角である。
従って、このように得られる3次元逆格子空間は、例えば、図3(a)に示すような2
θ、ω、ψの各軸からなるもの、図3(b)に示すような2 θ、ψ、φの各軸からなるもの、図3(c)に示すような2 θ、φ、ωの各軸からなるものが挙げられる。
Here, φ is a rotation angle with the direction perpendicular to the surface of the sample a as the rotation axis, and ψ is a tilt angle perpendicular to the incident direction of incident X-rays (incident radiation). Further, ω is an incident angle formed between the sample a surface and incident X-rays in the state of ψ = 0 °, and 2θ is an included angle formed between the incident X-rays and the diffracted X-rays.
Therefore, the three-dimensional reciprocal lattice space obtained in this way is, for example, 2 as shown in FIG.
Of the axes of θ, ω, ψ, those of the axes of 2 θ, ψ, φ as shown in FIG. 3B, and those of 2 θ, φ, ω as shown in FIG. The thing which consists of each axis is mentioned.

なお、図3(a)(b)(c)は、図3の中央図の座標中に示される小球A,B,Cからなる微小空間を拡大して3次元で表したものである。また、図3の中央の座標系中に描かれているかまぼこ型の図形E,Fの平面内は、X線が入射して出て行く平面である。
次に、上記のような3次元逆格子空間マップを作成する際に、X線回折装置1が行う測定について説明する。
FIGS. 3A, 3B, and 3C are three-dimensionally enlarged views of a minute space composed of small spheres A, B, and C shown in the coordinates of the central view of FIG. Further, the planes of the kamaboko-shaped figures E and F drawn in the central coordinate system of FIG. 3 are planes from which X-rays enter and exit.
Next, the measurement performed by the X-ray diffraction apparatus 1 when creating the three-dimensional reciprocal lattice space map as described above will be described.

この例では、入力装置4からの操作者の指示に基づき、図3(b)に示すような各軸からなる3次元逆格子空間マップを作成する場合について説明する。
この場合には、試料aをステージ11にセットすると、X線回折装置1は、図2に示す挟角2θを固定状態にするが、これは3次元逆格子空間の座標の原点からの距離を固定することに相当する。そして、X線回折装置1は、その挟角2θを固定した状態で、あおり角ψを固定して、この状態で入射角ωをわずかに変化させて、試料aの回折強度データを測定する。
In this example, a case will be described in which a three-dimensional reciprocal lattice space map including respective axes as shown in FIG. 3B is created based on an operator's instruction from the input device 4.
In this case, when the sample a is set on the stage 11, the X-ray diffractometer 1 sets the included angle 2θ shown in FIG. 2 to a fixed state, which is the distance from the origin of the coordinates of the three-dimensional reciprocal lattice space. It corresponds to fixing. The X-ray diffractometer 1 measures the diffraction intensity data of the sample a by fixing the tilt angle ψ while fixing the included angle 2θ and slightly changing the incident angle ω in this state.

その後、X線回折装置1は、挟角2θを固定した状態で、あおり角ψをわずかに変化させて再び固定し、この状態で入射角ωをわずかに変化させ、試料aの回折強度データを測定する。
このような測定を繰り返すことにより、回折強度データ処理装置2は、上記の回折強度データを収集し、2つのパラメータからなる平面(レイヤー)内におけるX線の回折強度分布を作成する。
Thereafter, the X-ray diffractometer 1 fixes the tilt angle ψ slightly by changing the tilt angle 2θ slightly, and fixes it again. In this state, the incident angle ω is changed slightly, and the diffraction intensity data of the sample a is obtained. taking measurement.
By repeating such measurement, the diffraction intensity data processing apparatus 2 collects the above diffraction intensity data and creates an X-ray diffraction intensity distribution in a plane (layer) composed of two parameters.

さらに、X線回折装置1は、挟角2θをわずかに変化させて固定状態とし、上記のようにあおり角ψと入射角ωとを僅かに変化させて、そのたびに試料aの回折強度データを測定する。
この測定の結果、回折強度データ処理装置2は、平面内でのX線の回折強度分布が微小間隔で積層された、3次元逆格子空間マップを作成する(図3(b)参照)。
Furthermore, the X-ray diffraction apparatus 1 slightly changes the included angle 2θ to be in a fixed state, changes the tilt angle ψ and the incident angle ω slightly as described above, and the diffraction intensity data of the sample a each time. Measure.
As a result of this measurement, the diffraction intensity data processing device 2 creates a three-dimensional reciprocal lattice space map in which X-ray diffraction intensity distributions in a plane are stacked at a minute interval (see FIG. 3B).

なお、図3(a)または図3(c)に示す各軸からなる3次元逆格子空間マップを作成する場合にも、図3(b)示す各軸からなる3次元逆格子空間マップを作成する場合と同様の測定により実現できる。
次に、回折強度データ処理装置2は、3次元逆格子空間マップの作成の際に蓄積された3次元逆格子空間内の逆格子点の回折強度データの3次元的な画像表示化、またはその任意断面などを画像表示化するためのデータ処理を行う。
Note that when creating a three-dimensional reciprocal lattice space map consisting of the axes shown in FIG. 3A or FIG. 3C, a three-dimensional reciprocal lattice space map consisting of the axes shown in FIG. This can be realized by the same measurement as in the case of.
Next, the diffraction intensity data processing device 2 displays a three-dimensional image of diffraction intensity data of reciprocal lattice points in the three-dimensional reciprocal lattice space accumulated at the time of creating the three-dimensional reciprocal lattice space map, or Data processing for image display of an arbitrary cross section or the like is performed.

この回折強度データ処理装置2が行うデータ処理には、先端医療現場においてCT( Computed Tomography ) 、MRI( Magnetic Resonance Imaging )の画像診断で利用される取得データの3次元画像処理法が適用され、これには、MPR( Multi Planer Reconstruction ) 、MIP( Maximum Intensity Projection )、およびVR( Volume Rendering )などがある。   For the data processing performed by the diffraction intensity data processing apparatus 2, a three-dimensional image processing method of acquired data used in CT (Computed Tomography) and MRI (Magnetic Resonance Imaging) image diagnosis is applied in the advanced medical field. Examples include MPR (Multi Planer Reconstruction), MIP (Maximum Intensity Projection), and VR (Volume Rendering).

ここで、MPRは、3次元空間内で蓄積された強度データを任意の場所・向きでスライスし、断面の強度分布を2次元平面内にカラーマップ、等高線等で表示させる方法である。スライス面の方位に応じて、図4に示すような名称が使われる。
MIPは、任意の壁面に3次元空間内で蓄積された強度データを射影するに際し、該壁面への垂線上で最も強度の大きなデータを代表点として射影する方法である。
Here, MPR is a method of slicing intensity data accumulated in a three-dimensional space at an arbitrary location and orientation, and displaying a cross-sectional intensity distribution in a two-dimensional plane with a color map, contour lines, and the like. The names shown in FIG. 4 are used according to the orientation of the slice plane.
MIP is a method of projecting, as a representative point, data having the highest intensity on a perpendicular to a wall surface when projecting intensity data accumulated in a three-dimensional space on an arbitrary wall surface.

VRは、特定の強度データ値を閾値として表面を作り、これに光の陰影をつけて立体感覚の描画をする方法である。静止画のみならず、回転をはじめとする動画も作製でき、必要に応じてこれらの組み合わせでカットモデルで表現することも可能である。
次に、図1に示す実施形態に係る結晶の評価システムにより3次元逆格子空間マップを具体的に作成したので、その具体例と、そのときに蓄積された回折強度データを用いて作成された結晶の評価のための各種の画像表示例について説明する。
VR is a method in which a surface is created using a specific intensity data value as a threshold value, and a three-dimensional sensation is drawn by adding a shadow of light to the surface. In addition to still images, moving images such as rotation can be created, and if necessary, they can be expressed in a cut model by combining them.
Next, since the three-dimensional reciprocal lattice space map was specifically created by the crystal evaluation system according to the embodiment shown in FIG. 1, it was created using the specific example and diffraction intensity data accumulated at that time. Various image display examples for crystal evaluation will be described.

この例では、試料aは、シリコン基板上にPt(プラチナ)を成膜させたものである。いずれのPtもほぼ(111)配向であるので、3次元逆格子空間マップの作成は、次の手順で行った。
まず、X線回折装置1は、Pt(111)面の間隔に対応する挟角2θ(CuKα:〜40°)を固定し、入射角ωとあおり角ψのスキャンを適宜な範囲で行う。これにより収集された回折強度データを使用して、回折強度データ処理装置2は2次元レイヤを作成する。次に、X線回折装置1は、挟角2θを僅かにずらし、再びω−ψスキャンを行う。これを適宜の2θの範囲内で繰り返し、この得られた各2次元レイヤを積層することで、回折強度データ処理装置2は3次元逆格子空間マップを作成する。
In this example, the sample a is obtained by depositing Pt (platinum) on a silicon substrate. Since any Pt is almost (111) oriented, the three-dimensional reciprocal lattice space map was created by the following procedure.
First, the X-ray diffraction apparatus 1 fixes the included angle 2θ (CuKα: ˜40 °) corresponding to the interval of the Pt (111) plane, and scans the incident angle ω and the tilt angle ψ within an appropriate range. Using the diffraction intensity data collected in this way, the diffraction intensity data processing apparatus 2 creates a two-dimensional layer. Next, the X-ray diffraction apparatus 1 slightly shifts the included angle 2θ and performs ω-ψ scanning again. The diffraction intensity data processing device 2 creates a three-dimensional reciprocal lattice space map by repeating this within an appropriate range of 2θ and stacking the obtained two-dimensional layers.

次に、回折強度データ処理装置2は、上記のように3次元逆格子空間マップの作成の際に蓄積された3次元逆格子空間内の逆格子点の回折強度データの3次元の画像表示化、またはその任意断面などを画像表示化するためのデータ処理を行う。
表示装置4は、データ処理に基づいて得られた画像の表示を行うので、その具体的な画像表示例について図5〜図8を参照して説明する。
Next, the diffraction intensity data processing device 2 converts the diffraction intensity data of the reciprocal lattice points in the three-dimensional reciprocal lattice space accumulated when the three-dimensional reciprocal lattice space map is created as described above into a three-dimensional image display. Or data processing for converting the arbitrary cross section into an image.
Since the display device 4 displays an image obtained based on data processing, a specific image display example will be described with reference to FIGS.

図5(a)(b)は、異なる成膜条件で作ったPtに対する、Pt(111)近傍3次元逆格子分布のVRである。ここで、図5は、白黒の濃淡画像で表現されているが、実際にはカラー画像で表現され、以下の図6〜図8についても同様である。
CTやMRIの強度データと、この測定に係る回折強度データとの違いは、後者はかなり連続的な変化をする強度データの集まりであるので、明確な境界面が存在しない。従って、ここでは、最高強度の半値を閾値としてVRを描いた。
FIGS. 5A and 5B are VRs of a three-dimensional reciprocal lattice distribution in the vicinity of Pt (111) with respect to Pt made under different film forming conditions. Here, although FIG. 5 is expressed as a black and white grayscale image, it is actually expressed as a color image, and the same applies to FIGS. 6 to 8 below.
The difference between the CT and MRI intensity data and the diffraction intensity data related to this measurement is that the latter is a collection of intensity data that changes fairly continuously, so there is no clear boundary surface. Therefore, here, VR is drawn with the half-value of the maximum intensity as a threshold value.

図5の(a)(b)間での分布の相違は、視覚的に瞬時に区別がつく。楕円体の長軸方向の分布(ωまたはψ方向またはこれらの軸を含む平面内の任意の方向)は、結晶配向の分布(乱れ)を表す。一方、短軸方向(2θ方向)の分布は、結晶性の良し悪し(原子配列の周期性の乱れや応力による結晶歪み分布)に対応する。従来は、このような評価はできなかったが、本発明による3次元表示では、上述の結晶状態に関する情報を正確に収集、視覚化することが可能となった。   The difference in distribution between (a) and (b) in FIG. 5 can be visually distinguished instantaneously. The distribution of the ellipsoid in the major axis direction (ω or ψ direction or any direction in a plane including these axes) represents the distribution (disturbance) of crystal orientation. On the other hand, the distribution in the minor axis direction (2θ direction) corresponds to good or bad crystallinity (disturbance of periodicity of atomic arrangement or crystal strain distribution due to stress). Conventionally, such an evaluation could not be performed. However, in the three-dimensional display according to the present invention, it has become possible to accurately collect and visualize information related to the above-described crystal state.

なお、両者とも、カットモデルとすることにより、中心付近の強度分布も見えるようにした。
図6は、VR(4)に、3 枚のMPRを重ねて表現したものである。図6中の(1)(2)はCTにおけるサジタル像、コロナル像に対応し( ここではいずれも断面は表示していないが) 、図6中の(3)はオブリーク像に対応する。
In both cases, the intensity distribution near the center can be seen by using cut models.
FIG. 6 shows VR (4) with three MPRs superimposed. (1) and (2) in FIG. 6 correspond to a sagittal image and a coronal image in CT (although neither section is shown here), and (3) in FIG. 6 corresponds to an oblique image.

図7は、直交する3面へのMIPを示す。この画像は、3次元逆格子空間内で表現された上記試料からの回折強度分布から、その空間内の任意の平面への垂線上で最もその回折強度の値が大きなデータを代表点として射影したものである。
なお、射影面は任意の向きに選ぶことができ、このことは、後述する基板とこの基板上のエピタキシャル膜との界面格子整合を評価する上で非常に役立ち、従来では考えられなかった極めて重要な情報を提供してくれる。
FIG. 7 shows MIP on three orthogonal surfaces. This image is projected from the diffraction intensity distribution from the sample expressed in the three-dimensional reciprocal space with the data having the largest value of the diffraction intensity on the perpendicular to an arbitrary plane in the space as a representative point. Is.
The projection plane can be selected in any orientation, which is very useful for evaluating the interfacial lattice matching between the substrate described later and the epitaxial film on this substrate, and is extremely important that has not been considered in the past. Provides useful information.

図8は、VRで表現されたPt(111)逆格子点分布を、測定軸( ここでは、2 θ、ω、ψ軸:図3(a)参照) に対して傾斜した面でスライスした断面、即ちオブリーク像を示したものである。
この図8は、3次元逆格子空間内で表現された上記試料からの回折強度分布から、その空間内の任意の平面へ射影を得る際に、その空間内で最も強度の値が大きな点の付近を通り、その平面に平行な面で裁断した裁断面の回折強度分布を射影値とした画像である。
FIG. 8 shows a cross section obtained by slicing a Pt (111) reciprocal lattice point distribution expressed in VR with a plane inclined with respect to a measurement axis (here, 2θ, ω, ψ axes: see FIG. 3A). That is, an oblique image is shown.
FIG. 8 shows the point of the highest intensity value in the space when the projection is obtained from the diffraction intensity distribution from the sample expressed in the three-dimensional reciprocal lattice space to an arbitrary plane in the space. It is an image in which the diffraction intensity distribution of a cut surface that passes through the vicinity and is cut by a plane parallel to the plane is a projection value.

この断面強度分布もMIPと共に、基板上とエピタキシャル膜との界面格子整合を評価する際のプローブとして活用できると思われる。
次に、基板上のエピタキシャル膜の界面格子整合評価への応用例について、以下に説明する。
基板表面に平行な逆格子面への結晶薄膜の3 次元逆格子点強度分布のMIPと、基板の逆格子点との重なり具合で、基板とこの基板上のエピタキシャル膜との界面格子整合を評価することができる。
This cross-sectional intensity distribution can be used together with MIP as a probe for evaluating the interfacial lattice matching between the substrate and the epitaxial film.
Next, an application example to the interface lattice matching evaluation of the epitaxial film on the substrate will be described below.
Evaluation of interfacial lattice matching between the substrate and the epitaxial film on this substrate based on the overlap between the MIP of the 3D reciprocal lattice point intensity distribution of the crystal thin film on the reciprocal lattice plane parallel to the substrate surface and the reciprocal lattice point of the substrate can do.

ここで、結晶薄膜の3次元逆格子点強度分布(点)は、対称面の反射分布ではなく(図3の中央図の小球A) 、非対称面の反射分布を使うことになる(図3の中央図の小球Bまたは小球C)。
また、MIPの替わりに、図8に示したような傾斜(オブリーク)像で基板表面に平行なスライス面での強度分布を使用しても良い。その場合は、スライス面に3次元逆格子点強度分布の最強度点が含まれることが望ましい。
Here, the three-dimensional reciprocal lattice point intensity distribution (point) of the crystal thin film uses not the reflection distribution on the symmetric surface (the small sphere A in the center diagram of FIG. 3) but the reflection distribution on the asymmetric surface (FIG. 3). Small sphere B or small sphere C in the middle figure of FIG.
Further, instead of MIP, an intensity distribution on a slice plane parallel to the substrate surface in an oblique image as shown in FIG. 8 may be used. In that case, it is desirable that the highest intensity point of the three-dimensional reciprocal lattice point intensity distribution is included in the slice plane.

図9に、本発明の評価手法のイメージ図を示す。図9(a)が結晶薄膜の3次元逆格子点強度分布のVRであり、そのQx−Qy面へのMIPが図9(b)である。Qx−Qy面上の点Gは(単結晶)基板の逆格子点の一つである。例えば,両者の強度の重なり積分値等で定量的な評価を行い、格子整合の良し悪しの度合いを判定する尺度とすることなどが考えられる。   FIG. 9 shows an image diagram of the evaluation method of the present invention. FIG. 9A shows the VR of the three-dimensional reciprocal lattice point intensity distribution of the crystal thin film, and FIG. 9B shows the MIP to the Qx-Qy plane. The point G on the Qx-Qy plane is one of the reciprocal lattice points of the (single crystal) substrate. For example, it is conceivable that a quantitative evaluation is performed based on an overlap integral value of the intensities of the two and a scale for determining the degree of lattice matching is good or bad.

以上説明したように、この実施形態によれば、結晶材料の結晶性や配向性の評価などに必要な正確な情報を取得でき、この取得した情報に基づいてその結晶材料の各種の評価を適切に行うことができる。
なお、上記の実施形態の説明では、試料の評価に使用する3次元逆格子空間マップを、X線を使用するようにしたが、X線等の電磁波の他に、電子、中性子等の粒子線などの放射線を使用するようにしても良い。
As described above, according to this embodiment, accurate information necessary for evaluating the crystallinity and orientation of a crystal material can be acquired, and various evaluations of the crystal material can be appropriately performed based on the acquired information. Can be done.
In the description of the above embodiment, X-rays are used for the three-dimensional reciprocal lattice space map used for sample evaluation. However, in addition to electromagnetic waves such as X-rays, particle beams such as electrons and neutrons are used. You may make it use radiation, such as.

なお、本発明の技法は、逆格子空間内の局所部を3次元で拡大表現している。そのため、例えば相境界でいくつかの結晶系が複雑に混在している場合、従来分離できないほどの僅かな相違も、より分解能良く判別可能となる。   In the technique of the present invention, the local part in the reciprocal lattice space is enlarged and expressed in three dimensions. For this reason, for example, when several crystal systems are complicatedly mixed at the phase boundary, even a slight difference that cannot be separated conventionally can be determined with higher resolution.

本発明の結晶の評価システムに係る実施形態の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of embodiment which concerns on the crystal evaluation system of this invention. 実空間で定義される各パラメータの説明図である。It is explanatory drawing of each parameter defined in real space. 3次元逆格子空間を説明するための図である。It is a figure for demonstrating three-dimensional reciprocal lattice space. MPRを説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating MPR. 異なる成膜条件で作ったPtに対する、Pt(111)近傍3次元逆格子分布のVRを示す画像の一例である。It is an example of the image which shows VR of Pt (111) vicinity three-dimensional reciprocal lattice distribution with respect to Pt produced on different film-forming conditions. VR(4)に、3 枚のMPRを重ねて表現した画像の一例である。It is an example of an image expressed by superimposing three MPRs on VR (4). 直交する3面へのMIPを示す画像の一例である。It is an example of the image which shows MIP to three orthogonal surfaces. VRで表現されたPt(111)逆格子点分布を、測定軸に対して傾斜した面でスライスした断面を示す画像の一例である。It is an example of the image which shows the cross section which sliced the Pt (111) reciprocal lattice point distribution expressed by VR by the surface inclined with respect to the measurement axis. 本発明に係る評価手法のイメージを示す図である。It is a figure which shows the image of the evaluation method which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

a・・・試料、1・・・X線回折装置、2・・・回折強度データ処理装置、3・・・表示装置、4・・・入力装置。11・・・ステージ11、12・・・X線照射部、13・・・受光部。   a ... sample, 1 ... X-ray diffraction device, 2 ... diffraction intensity data processing device, 3 ... display device, 4 ... input device. 11... Stages 11, 12... X-ray irradiation unit, 13.

Claims (6)

試料に放射線を照射し、試料で反射された回折放射線を測定し、その測定に基づいて試料を評価する結晶の評価方法において、
試料面と垂直方向を回転軸とした回転角(φ)と、入射放射線の入射方向に対して直角方向のあおり角(ψ)と、ψ=0°の状態での試料面と入射放射線とがなす入射角(ω)と、入射放射線と回折放射線とのなす挟角(2θ)とのうち、2θおよびφ、ψ、ωの中から選ばれた2つの変数からなる全3変数を互いに独立な軸とした座標系を用いて、前記試料からの回折像を前記3変数の関数として表現するようにしたことを特徴とする結晶の評価方法。
In the crystal evaluation method, the sample is irradiated with radiation, the diffracted radiation reflected by the sample is measured, and the sample is evaluated based on the measurement.
The rotation angle (φ) with the direction perpendicular to the sample surface as the rotation axis, the tilt angle (ψ) perpendicular to the incident direction of the incident radiation, and the sample surface and incident radiation in the state where ψ = 0 ° Of the incident angle (ω) formed and the included angle (2θ) between the incident radiation and the diffracted radiation, all three variables consisting of two variables selected from 2θ and φ, ψ, and ω are independent of each other. A crystal evaluation method, wherein a diffraction image from the sample is expressed as a function of the three variables using a coordinate system with axes.
前記3変数からなる軸で構成される空間座標内で表現された試料からの回折強度分布から、該空間内の任意の平面への垂線上で最も該回折強度の値が大きなデータを代表点として射影することを特徴とする請求項1に記載の結晶の評価方法。   From the diffraction intensity distribution from the sample expressed in the spatial coordinates composed of the three axes, the data having the largest value of the diffraction intensity on the perpendicular to an arbitrary plane in the space is used as a representative point. The crystal evaluation method according to claim 1, wherein the crystal is projected. 前記3変数からなる軸で構成される空間座標内で表現された試料からの回折強度分布から、該空間内の任意の平面へ射影を得る際に、前記空間内で最も強度の値が大きな点の付近を通り、該平面に平行な面で裁断した裁断面の回折強度分布を射影値とすることを特徴とする請求項1に記載の結晶の評価方法。   When the projection is obtained from the diffraction intensity distribution from the sample expressed in the space coordinates composed of the three-variable axes to an arbitrary plane in the space, the point having the largest intensity value in the space 2. The crystal evaluation method according to claim 1, wherein a diffraction intensity distribution of a cut surface that is cut by a plane parallel to the plane passing through the vicinity of the plane is used as a projection value. 前記放射線は、X線、電子線または中性子線のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至3記載のうちのいずれかに記載の結晶の評価方法。   4. The crystal evaluation method according to claim 1, wherein the radiation is any one of an X-ray, an electron beam, and a neutron beam. 試料の構造解析に必要な所定の3次元逆格子空間のマップの作成の指示があると、この指示に従って、前記試料に対してX線を照射し、その試料から反射されるブラッグの条件を満たす回折X線を受光し、これにより回折強度データを測定するX線回折手段と、
前記X線回折手段が測定する回折強度データを収集し、これに基づいて前記3次元逆格子空間マップを作成し、かつ、その3次元逆格子空間マップの作成の際に蓄積された3次元逆格子空間内の逆格子点の回折強度データを3次元的に画像表示化するデータ処理を少なくとも行う回折強度データ処理手段と、
前記回折強度データ処理手段のデータ処理により得られた画像を3次元的に表示する表示手段と、
を備えていることを特徴とする結晶の評価システム。
When there is an instruction to create a map of a predetermined three-dimensional reciprocal lattice space necessary for the structural analysis of the sample, X-rays are applied to the sample in accordance with this instruction, and the conditions of Bragg reflected from the sample are satisfied. X-ray diffracting means that receives diffracted X-rays and thereby measures diffraction intensity data;
Diffraction intensity data measured by the X-ray diffracting means is collected, the three-dimensional reciprocal lattice space map is created based on the collected data, and the three-dimensional inverse lattice stored when the three-dimensional reciprocal lattice space map is created. Diffraction intensity data processing means for performing at least data processing for three-dimensionally displaying diffraction intensity data of reciprocal lattice points in the lattice space;
Display means for three-dimensionally displaying an image obtained by data processing of the diffraction intensity data processing means;
A crystal evaluation system comprising:
前記所定の3次元逆格子空間は、
前記試料面と垂直方向を回転軸とした回転角(φ)と、入射X線の入射方向に対して直角方向のあおり角(ψ)と、ψ=0°の状態での試料面と入射X線とがなす入射角(ω)と、入射X線と回折X線とのなす挟角(2θ)とのうち、2θおよびφ、ψ、ωの中から選ばれた2つの変数からなる全3変数を互いに独立な軸とした座標系で構成されることを特徴とする請求項5に記載の結晶の評価システム。
The predetermined three-dimensional reciprocal lattice space is
The rotation angle (φ) with the direction perpendicular to the sample surface as the rotation axis, the tilt angle (ψ) perpendicular to the incident direction of the incident X-ray, and the sample surface and the incident X in the state where ψ = 0 ° Of the incident angle (ω) formed by the line and the included angle (2θ) formed by the incident X-ray and the diffracted X-ray, all three of two variables selected from 2θ and φ, ψ, and ω 6. The crystal evaluation system according to claim 5, comprising a coordinate system having variables as independent axes.
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