JP2018197657A

JP2018197657A - 面間隔の評価方法

Info

Publication number: JP2018197657A
Application number: JP2017101391A
Authority: JP
Inventors: 慧平井; Satoshi Hirai; 一弥徳田; Kazuya Tokuda
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2018-12-13

Abstract

【課題】単結晶試料の面間隔を短時間で評価することが可能な面間隔の評価方法を提供する。【解決手段】面間隔の評価方法は、単結晶試料を準備するステップ（Ｓ１０）と、単結晶試料にＸ線源からの入射Ｘ線を入射させ、第１の結晶面により回折された回折Ｘ線を、多次元検出器にて、Ｘ線源、単結晶試料および多次元検出器を固定した状態で検出するステップ（Ｓ２０）と、多次元検出器にて検出された回折Ｘ線の回折角および入射Ｘ線の波長に基づき、第１の結晶面の面間隔を導出するステップと、を備える。回折Ｘ線を検出するステップ（Ｓ２０）では、単結晶試料を構成する材料に基づいて想定される回折Ｘ線の回折角の範囲内において、回折Ｘ線が多次元検出器によって検出可能となるように波長が調整された入射Ｘ線を単結晶試料に入射させる。【選択図】図１

Description

本発明は、面間隔の評価方法に関するものである。

単結晶試料に対して入射角を変化させつつＸ線を入射させ、単結晶試料において回折したＸ線を、入射角の変化に合わせて検出部の向きを変化させつつ検出器にて検出することにより、単結晶試料の面間隔を評価する方法が知られている（たとえば、特許文献１および２参照）。

特開平９−８０００１号公報特開２００６−１６２４０７号公報

上記特許文献１および２に記載の格子定数などの面間隔の評価方法においては、回折Ｘ線の所定の結晶面に対応するピーク位置を測定するために、単結晶試料に対してＸ線源および検出器をスキャンさせる必要がある。そのため、ピーク位置の測定に長時間を要するという問題がある。特に、たとえば基板上に形成されたエピタキシャル膜（以下、「エピ膜」という）の面間隔の面内分布を評価する場合や、面間隔の時分解測定を行う場合など、一回あたりの測定時間を短くする必要がある場合には、上記測定方法の適用は難しい。

そこで、単結晶試料の面間隔を短時間で評価することが可能な面間隔の評価方法を提供することを目的の１つとする。

本発明に従った面間隔の評価方法は、第１の結晶面を有する単結晶試料を準備するステップと、単結晶試料にＸ線源からの入射Ｘ線を入射させ、第１の結晶面により回折された回折Ｘ線を、多次元検出器にて、Ｘ線源、単結晶試料および多次元検出器を固定した状態で検出するステップと、多次元検出器にて検出された回折Ｘ線の回折角および入射Ｘ線の波長に基づき、第１の結晶面の面間隔を導出するステップと、を備える。回折Ｘ線を検出するステップでは、単結晶試料を構成する材料に基づいて想定される回折Ｘ線の回折角の範囲内において、回折Ｘ線が多次元検出器によって検出可能となるように波長が調整された入射Ｘ線を単結晶試料に入射させる。

上記面間隔の評価方法によれば、単結晶試料の面間隔を短時間で評価することができる。

面間隔の評価方法の概略手順を示すフローチャートである。逆格子空間における格子点を示す概略図である。（１００）ＩｎＰ基板上に（１００）成長させたエピ膜の（３−１−１）面に対応する回折ピークの測定例を示す図である。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の面間隔の評価方法は、第１の結晶面を有する単結晶試料を準備するステップと、単結晶試料にＸ線源からの入射Ｘ線を入射させ、第１の結晶面により回折された回折Ｘ線を、多次元検出器にて、Ｘ線源、単結晶試料および多次元検出器を固定した状態で検出するステップと、多次元検出器にて検出された回折Ｘ線の回折角および入射Ｘ線の波長に基づき、第１の結晶面の面間隔を導出するステップと、を備える。回折Ｘ線を検出するステップでは、単結晶試料を構成する材料に基づいて想定される回折Ｘ線の回折角の範囲内において、回折Ｘ線が多次元検出器によって検出可能となるように波長が調整された入射Ｘ線を単結晶試料に入射させる。

本願の面間隔の評価方法においては、単結晶試料にＸ線源からの入射Ｘ線を入射させ、回折Ｘ線を、多次元検出器にて、Ｘ線源、単結晶試料および多次元検出器を固定した状態で検出する。ここで、多次元検出器とは、上記特許文献１および２に開示された測定方法において採用される特定の回折角のＸ線のみを検出する０次元検出器とは異なり、所定の範囲の回折角のＸ線を同時に検出可能な１次元検出器や２次元検出器を意味する。つまり、本願の面間隔の評価方法では、所定の範囲の回折角を有する回折Ｘ線が多次元検出器において同時に（ワンショットで）検出される。

ここで、回折角を２θとすると、多次元検出器の検出部において、試料への入射Ｘ線の入射角とθとが等しくなる領域では、回折条件が満たされ、回折Ｘ線が検出される。しかし、検出部の他の領域では、回折条件が満たされないため、回折Ｘ線は検出されないこととなる。評価対象の試料が多結晶体または粉体である場合、多数の結晶粒がランダムな向きで存在するため、いずれかの結晶粒で回折条件が満たされ、所定の範囲の回折角を有する回折Ｘ線が検出される。しかし、試料が単結晶体である場合、結晶の向きが単一であるため、何ら対応策を講ずることなく試料にＸ線を入射させても、多次元検出器の検出部において試料への入射Ｘ線の入射角とθとが等しくなる領域でのみ回折Ｘ線が検出され、他の領域では検出されない。

これに対し、本発明者らは以下のような対応策を見出し、本願発明に想到した。すなわち、単結晶試料を構成する材料が既知であれば、特定の結晶面（第１の結晶面）に対応するおよその回折角と、当該回折角と実際の回折角との差の範囲を想定することができる。つまり、単結晶試料を構成する材料に基づいて、第１の結晶面に対応する回折角の範囲を想定することができる。一方、回折Ｘ線が多次元検出器にて検出可能となる回折角の範囲を、入射Ｘ線の波長を調整することにより変動させることができる。そのため、入射Ｘ線の波長を調整して、想定される回折角の範囲を、回折Ｘ線が多次元検出器にて検出可能となる範囲内とすることにより、回折Ｘ線のピーク位置を特定することができる。

本願の面間隔の評価方法では、回折Ｘ線を検出するステップで、単結晶試料を構成する材料に基づいて想定される回折Ｘ線の回折角の範囲内において、回折Ｘ線が多次元検出器によって検出可能となるように波長が調整された入射Ｘ線を単結晶試料に入射させる。そのため、想定される範囲の回折角を有する回折Ｘ線が多次元検出器においてワンショットで検出され、第１の結晶面に対応する回折Ｘ線のピーク位置が導出される。その結果、本願の面間隔の評価方法によれば、単結晶試料の面間隔を短時間で評価することができる。

上記面間隔の評価方法において、上記単結晶試料は、単結晶基板上に形成されたエピ膜であってもよい。単結晶基板上のエピ膜は、評価対象となる単結晶試料として好適である。

上記面間隔の評価方法において、上記回折Ｘ線を検出するステップでは、面間隔を導出するステップにおいて面間隔の導出が可能な強度の回折Ｘ線が検出可能な範囲で、単結晶試料の逆格子空間において面間方向の指数の絶対値が最も小さく面内方向の指数の絶対値が最も大きい面指数を有する格子点に対応して回折された回折Ｘ線が多次元検出器にて検出されるように、入射Ｘ線の波長が調整されてもよい。このようにすることにより、たとえば単結晶試料が単結晶基板上に形成されたエピ膜であって、単結晶基板が反っている場合のように、結晶面に変形が存在する場合であっても、面間隔の評価においてその影響を抑制することができる。

上記面間隔の評価方法において、上記入射Ｘ線は放射光であってもよい。入射Ｘ線は、管球から出射したものであってもよいが、放射光を採用することにより、波長の調整が容易となる。

［本願発明の実施形態の詳細］
次に、本発明にかかる面間隔の評価方法の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。

図１を参照して、本実施の形態における面間隔の評価方法では、まず単結晶試料が準備される（Ｓ１０）。単結晶試料は、特に限定されるものではないが、本実施の形態では評価対象として単結晶基板上に形成されたエピ膜が準備されるものとする。

次に、ステップ（Ｓ１０）において準備されたエピ膜にＸ線源からの入射Ｘ線を入射させ、所望の結晶面（第１の結晶面）により回折された回折Ｘ線を多次元検出器にて検出する（Ｓ２０）。このステップ（Ｓ２０）は、Ｘ線源、単結晶試料としてのエピ膜および多次元検出器が固定された状態で実施される。また、本実施の形態において、入射Ｘ線としては、放射光が採用される。すなわち、Ｘ線源は、放射光を出射させる放射光設備である。また、ステップ（Ｓ２０）では、上記エピ膜を構成する材料に基づいて想定される回折Ｘ線の回折角の範囲内の全域において、回折Ｘ線が多次元検出器によって検出可能となるように波長が調整された入射Ｘ線がエピ膜に入射する。

具体的には、以下のように逆格子空間にて適切な入射Ｘ線の波長を考えることができる。図２は、エピ膜の第１の結晶面の面内方向をＱ_ｘ、面間方向をＱ_ｙとして表した逆格子空間（ただし、Ｑ_ｙ≧０、半径１の半円）を示す図である。図中のドットは、逆格子空間における格子点に対応する。

単結晶試料が単結晶基板上に形成されたエピ膜である場合、エピ膜の第１の結晶面に対応する回折角は、単結晶基板の同一指数を有する結晶面に対応する回折角からわずかにずれたものであると想定される。このように想定されるエピ膜の回折角の範囲において、回折Ｘ線を多次元検出器で検出可能とするための条件としては、式（１）に示すように、入射Ｘ線の入射角ωをＱ_ｙで偏微分して０になる条件
∂ω／∂Ｑ_ｙ＝０・・・（１）
が適切である。

任意の格子点の回折条件を満たす回折角を２θ、右回りを正としたＱ_ｙ軸からの回転角をφ、入射Ｘ線の入射角をωとすると、
θ−φ＝ω・・・（２）
が成立する。

上記式（１）を式（２）の条件の下で解くと、
∂（θ−φ）／∂Ｑ_ｙ＝０
∂（ａｒｃｓｉｎ（Ｑ_ｘ ^２＋Ｑ_ｙ ^２）^１／２−ａｒｃｔａｎ（Ｑ_ｘ／Ｑ_ｙ））／∂Ｑ_ｙ＝０
（Ｑ_ｘ＋１／２）^２＋Ｑ_ｙ ^２＝（１／２）^２・・・（３）
となる。すなわち、ステップ（Ｓ２０）では、式（３）を表す図２の破線で示される検出可能領域１１上に格子点が重なるように入射Ｘ線の波長を調整する。

次に、ステップ（Ｓ２０）において多次元検出器にて検出された回折角（ピーク位置）および入射Ｘ線の波長に基づいて、第１の結晶面の面間隔が導出される（Ｓ３０）。以上の手順により、単結晶試料の第１の結晶面の面間隔が導出される。

本実施の形態の面間隔の評価方法では、ステップ（Ｓ２０）で、単結晶試料であるエピ膜を構成する材料に基づいて想定される回折Ｘ線の回折角２θの範囲内において、回折Ｘ線が多次元検出器によって検出可能となるように波長が調整された入射Ｘ線をエピ膜に入射させる。そのため、想定される範囲の回折角２θを有する回折Ｘ線が多次元検出器においてワンショットで検出され、第１の結晶面に対応する回折Ｘ線のピーク位置が導出される。その結果、エピ膜の所望の結晶面（第１の結晶面）の面間隔を短時間で評価することができる。面間隔を短時間で評価できることから、本実施の形態の面間隔の評価方法は、たとえば多数回の面間隔の導出が必要なエピ膜の面間隔の面内分布の評価や、時間の経過とともに面間隔が変化するような場合における面間隔の時分解測定などに応用することができる。

上記面間隔の評価方法のステップ（Ｓ２０）では、基板の反りなどの影響を低減することが好ましい。ここで、基板の反りなどの影響を低減するためには、上記式（３）の条件を満たしつつ、入射Ｘ線の入射角ωをＱ_ｘで偏微分した値を大きくするように入射Ｘ線の波長を調整する必要がある。

∂ω／∂Ｑ_Ｘ
＝∂（θ−φ）／∂Ｑ_Ｘ
＝∂（ａｒｃｓｉｎ（Ｑ_ｘ ^２＋Ｑ_ｙ ^２）^１／２−ａｒｃｔａｎ（Ｑ_ｘ／Ｑ_ｙ））／∂Ｑ_Ｘ
＝（−（（−Ｑ_ｘ）^１／２）／（１＋Ｑ_ｘ）^１／２）−Ｑ_ｘ−１・・・（４）
（ただし、−１＜Ｑ_ｘ＜０）
すなわち、上記式（４）の値が大きくなるように、入射Ｘ線の波長を調整することが好ましいといえる。つまり、ステップ（Ｓ３０）において面間隔の導出が可能な強度の回折Ｘ線が検出可能な範囲で、図２において、Ｑ_ｘの値がなるべく小さい格子点２１と検出可能領域１１とが重なるように入射Ｘ線の波長を調整することが好ましいといえる。これは、ステップ（Ｓ３０）において面間隔の導出が可能な強度の回折Ｘ線が検出可能な範囲で、単結晶試料の逆格子空間において面間方向（Ｑ_ｙ方向）の指数の絶対値が最も小さく面内方向（Ｑ_ｘ）の指数の絶対値が最も大きい面指数を有する格子点に対応して回折された回折Ｘ線が多次元検出器にて検出されるように、入射Ｘ線の波長を調整することを意味する。

ＩｎＰ（インジウムリン）単結晶基板上に形成されたエピ膜を単結晶試料として、上記実施の形態のステップ（Ｓ２０）を実施し、（３−１−１）面に対応する回折Ｘ線のピークを導出する実験を行った。実験結果を図３に示す。

図３において、横軸は回折角２θ、縦軸は回折Ｘ線の強度（相対値）である。また、図中の丸印はデータ点、実線は、データ点に対するフィッティングにより得られたピーク位置を示している。図３を参照して、上記実施の形態のステップ（Ｓ２０）により、（３−１−１）面に対応する回折Ｘ線のピークが回折角５１．７１２°に明確に存在していることが分かる。このことから、本実施の形態の面間隔の評価方法によれば、単結晶試料であるエピ膜の所望の結晶面（（３−１−１）面）の面間隔を短時間で評価できることが確認された。

なお、上記実施の形態および実施例においては、単結晶試料として単結晶基板上のエピ膜が採用される場合について説明したが、単結晶試料はこれに限られず、たとえば単結晶基板など、種々の単結晶体からなる試料を採用することができる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本願の面間隔の評価方法は、短時間での評価が求められる単結晶試料の面間隔の評価に、特に有利に適用され得る。

１１検出可能領域
２１格子点

Claims

第１の結晶面を有する単結晶試料を準備するステップと、
前記単結晶試料にＸ線源からの入射Ｘ線を入射させ、前記第１の結晶面により回折された回折Ｘ線を、多次元検出器にて、前記Ｘ線源、前記単結晶試料および前記多次元検出器を固定した状態で検出するステップと、
前記多次元検出器にて検出された前記回折Ｘ線の回折角および前記入射Ｘ線の波長に基づき、前記第１の結晶面の面間隔を導出するステップと、を備え、
前記回折Ｘ線を検出するステップでは、前記単結晶試料を構成する材料に基づいて想定される前記回折Ｘ線の回折角の範囲内において、前記回折Ｘ線が前記多次元検出器によって検出可能となるように波長が調整された前記入射Ｘ線を前記単結晶試料に入射させる、面間隔の評価方法。
前記単結晶試料は、単結晶基板上に形成されたエピ膜である、請求項１に記載の面間隔の評価方法。
前記回折Ｘ線を検出するステップでは、前記面間隔を導出するステップにおいて前記面間隔の導出が可能な強度の前記回折Ｘ線が検出可能な範囲で、前記単結晶試料の逆格子空間において面間方向の指数の絶対値が最も小さく面内方向の指数の絶対値が最も大きい面指数を有する格子点に対応して回折された前記回折Ｘ線が前記多次元検出器にて検出されるように、前記入射Ｘ線の波長が調整される、請求項１または請求項２に記載の面間隔の評価方法。
前記入射Ｘ線は放射光である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の面間隔の評価方法。