JP4615022B2 - 単結晶試料の極性判定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線回折法を用いて単結晶試料の極性を判定する方法及び装置に関する。

ＧａＡｓなどの３−５族半導体結晶では，その結晶構造において極性（結晶の向き）が存在する。図５はＧａＡｓ結晶の代表的な結晶格子面を示す斜視図である。ＧａＡｓの結晶構造は立方晶であり，図５における上面を（１００）面とすると，単純立方晶と考えた場合における（１１１）面に等価な８個の結晶格子面（図５においてクロスハッチングで示した面，これらをＧａ｛１１１｝面と表す）は，Ｇａ原子だけが並ぶ面（Ｇａ面）か，Ａｓ面だけが並ぶ面（Ａｓ面）となる。そして，その結晶格子面に垂直な方向（極性の軸）に，Ｇａ面とＡｓ面が３対１の間隔で交互に現れる。Ｇａ面からそれに最も近いＡｓ面を見る方向と，Ａｓ面からそれに最も近いＧａ面を見る方向とは互いに逆向きとなり，その向きによって物理的・化学的性質が異なるとされている。このような結晶の向きの違いを極性と呼ぶ。Ｇａ｛１１１｝面に属する８個の結晶格子面のうち，（１１１），（１−１−１），（−１１−１）及び（−１−１１）の４個の等価な結晶格子面はＧａ面であり，これを「オモテ面」と定義する。一方，（−１−１−１），（１１−１），（１−１１）及び（−１１１）の４個の結晶格子面はＡｓ面であり，これを「ウラ面」と定義する。カッコの中の数値はミラー指数であり，マイナス符号はその後ろの数字に付くものとする。オモテ面が結晶の表面にあるときは，Ｇａ原子が結晶表面に露出し，ウラ面が結晶の表面にあるときは，Ａｓ原子が結晶表面に露出する。

上述の極性の違いは，通常のＸ線回折法による測定では区別できない。ところで，次の非特許文献１には，特殊なＸ線回折法を用いて極性を判定することが開示されている。
R. L. Barns，ほか２名，"X-ray Determination of Polarity Sense by Anomalous Scattering at an Absorption Edge", J. Appl. Cryst. (1970) 3, 27, p.27-32

この非特許文献１では，ＧａまたはＡｓのＫ吸収端の付近で，ＧａＡｓ結晶の回折Ｘ線強度の波長依存性を測定している。吸収端よりも短波長側での回折Ｘ線強度を検討すると，オモテ面とウラ面ではＸ線回折強度が異なっており，その違いによって，ＧａＡｓ結晶の極性を判定することができる。Ｘ線回折強度のＸ線波長依存性を測定するには，試料に照射するＸ線の波長を変える必要があるが，そのために，この非特許文献１では，重金属ターゲットのＸ線管から発生する連続波長部分と，単結晶分光装置とを組み合わせている。

上述の非特許文献１は，Ｘ線回折強度のＸ線波長依存性を測定するために単結晶分光装置を用いているので，かなり大掛かりなＸ線入射光学系を必要とする。しかも，特殊なＸ線入射光学系なので，極性判定以外の用途に切り換えることが難しいと考えられる。

この発明の目的は，簡単な構造のＸ線入射光学系を用いて，単結晶試料の回折Ｘ線強度の波長依存性を測定し，これにより，単結晶試料の極性を判定できるようにした極性判定方法及び装置を提供することにある。

本発明の極性判定方法は次の各段階を備えている。（ア）複数の元素から構成されていて極性を有する単結晶試料を準備する段階。（イ）前記複数の元素のいずれかの元素の吸収端の波長を挟んだ所定の波長範囲のＸ線を発生させることのできるＸ線源を準備する段階。（ウ）前記Ｘ線源から出射された発散性のＸ線ビームを放物面多層膜ミラーで反射させて，前記所定の波長範囲のＸ線を含む平行ビームを作る段階。（エ）前記平行ビームを入射Ｘ線として前記単結晶試料に照射して，前記単結晶試料からの回折Ｘ線の強度をＸ線検出器で検出する段階。（オ）前記入射Ｘ線に対する前記単結晶試料の表面がなす角度ωと，前記入射Ｘ線に対する前記回折Ｘ線のなす角度２θとを，１対２の角速度比で連動してスキャンすることにより，前記複数の元素のいずれかの元素の吸収端の波長を挟んだ波長範囲で，前記回折Ｘ線の強度の波長依存性を測定する段階。（カ）前記吸収端よりも長波長側での回折Ｘ線強度に対する，前記吸収端よりも短波長側での回折Ｘ線強度の比率を求めて，その比率の値に基づいて前記極性を判定する段階。

本発明を実施するに当たっては，極性を有しない標準試料を用いて，回折Ｘ線強度を規格化してもよい。すなわち，極性を有しない標準試料についても，極性を有する前記単結晶試料と同様に回折Ｘ線強度を求めて，前記単結晶試料の各波長での回折Ｘ線強度を，前記標準試料の同じ波長での回折Ｘ線強度で割り算することで，規格化した回折Ｘ線強度を求めて，この規格化した回折Ｘ線強度に基づいて，前記比率を求めることができる。

単結晶試料はウエハーの形状であってもよいし，基板上に成膜した単結晶膜であってもよい。

単結晶試料はＧａ，Ｚｎ，Ｇｅ及びＡｓのいずれかを含む化合物とすることができ，その場合，Ｘ線源のターゲットの材質はＡｕ，Ｗ及びＰｔのいずれかとすることができる。そして，多層膜ミラーは，Ｇａ，Ｚｎ，Ｇｅ及びＡｓのいずれかのＫ吸収端の付近の波長を反射できるように調整される。また、単結晶試料はＴａを含む化合物とすることができ，その場合も，Ｘ線源のターゲットの材質はＡｕ，Ｗ及びＰｔのいずれかとすることができる。そして，多層膜ミラーは，ＴａのＬ吸収端の付近の波長を反射できるように調整される。

また，本発明の単結晶試料の極性判定装置は次の構成を備えている。（ア）所定の材質のターゲットを有するＸ線管。（イ）前記Ｘ線管から出射されるＸ線を反射して平行ビームに変換する放物面の多層膜ミラー。（ウ）複数の元素から構成されていて極性を有する単結晶試料を保持する試料ホルダー。（エ）前記単結晶試料からの回折Ｘ線を検出するＸ線検出器。（オ）前記平行ビームに対する前記単結晶試料のなす角度ωと，前記平行ビームに対する前記Ｘ線検出器とのなす角度２θとを連動してスキャンする制御装置。（カ）前記平行ビームを入射Ｘ線として前記単結晶試料に照射して，前記単結晶試料からの回折Ｘ線の強度をＸ線検出器で検出する作業を実施し，前記角度ωと前記角度２θとを１対２の角速度比で連動してスキャンすることにより，前記複数の元素のいずれかの元素の吸収端の波長を挟んだ波長範囲で，前記回折Ｘ線の強度の波長依存性を測定する測定指令手段。（キ）前記吸収端よりも長波長側での回折Ｘ線強度に対する，前記吸収端よりも短波長側での回折Ｘ線強度の比率を求めて，その比率の値に基づいて前記極性を判定する判定手段。

本発明によれば，放物面多層膜ミラーを用いて平行ビームを作ってこれを入射Ｘ線としているので，適度の波長範囲を含む入射Ｘ線を得ることができて，比較的簡易な構成の入射光学系を用いて単結晶試料の極性判定が可能となる。そして，放物面多層膜ミラーを有する入射光学系は，特性Ｘ線を反射するように調整し直せば，極性判定以外の多様なＸ線分析（例えば，特性Ｘ線を用いた高分解能のＸ線回折測定）にも使えるので，極性判定のためのＸ線回折装置を，高分解能のＸ線分析装置として使うこともできる。また，極性を有しない標準試料を用いて回折Ｘ線強度を規格化すると，入射Ｘ線強度の波長依存性の影響を排除することができる。

本発明の極性判定方法を実施するためのＸ線回折装置の構成例を示す平面図である。 図１の装置でＧａＡｓ（３３３）面を測定するときの斜視図である。 図１の装置でＧａＡｓ（３３−３）面を測定するときの斜視図である。 多層膜ミラーの姿勢を変化させて，取り出す波長領域を変更することを説明する説明図である。 ＧａＡｓ結晶の代表的な結晶格子面を示す斜視図である。 オモテ面の測定結果とウラ面の測定結果を重ね合わせて示したものである。 オモテ面の測定結果だけを示したグラフである。 ウラ面の測定結果だけを示したグラフである。 極性判定比率の計算式である。 極性判定と高分解能のＸ線分析とを切り換えることのできるＸ線分析装置の構成を示す平面図である。 図４（Ａ）の状態でＸ線を取り出したときの平行ビームのＸ線強度の波長依存性と，図４（Ｂ）の状態でＸ線を取り出したときの平行ビームのＸ線強度の波長依存性とを比較して示したグラフである。 極性判定の手順を示したフローチャートである。 極性判定の別の手順を示したフローチャートである。 極性判定をする試料の一例である。

符号の説明

１０ 回転対陰極
１１ Ｘ線焦点
１２ Ｘ線ビーム
１４ 多層膜ミラー
１６ 平行ビーム
１８ 試料
２０ 回折Ｘ線
２２ Ｘ線検出器
２４ φ軸
２６ ω軸
２８ χ軸
３８ 入射スリット
３９ ４結晶モノクロメータ
４０ ゴニオメータ・ベース
４２ ２θ回転台
４４ 試料台
４８ 受光スリット

以下，図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。図１は，本発明の極性判定方法を実施するためのＸ線回折装置の構成例を示す平面図である。回転対陰極Ｘ線管の回転対陰極１０のＸ線焦点１１から出射された発散性のＸ線ビーム１２は，放物面の人工多層膜ミラー１４で平行ビーム１６（入射Ｘ線）に変換されて，試料１８に照射される。試料１８で回折された回折Ｘ線２０はＸ線検出器２２で検出される。入射Ｘ線１６に対する回折Ｘ線２０のなす角度は２θである。

この装置の使用方法を説明する。試料として（００１）面が試料表面に平行になっているＧａＡｓの単結晶試料を考える。そして，使用するＸ線の波長として，ＧａのＫ吸収端の波長（０．１１９５７ｎｍ）を想定する。まず，極性判定の対象となる結晶格子面のブラッグ角θの２倍の角度（２θ）のところに，Ｘ線検出器２２をもってくる。例えば，ＧａＡｓ単結晶の（３３３）面を測定対象の結晶格子面とすると，ＧａのＫ吸収端の波長（０．１１９５７ｎｍ）でのブラッグ角θは３３．３度である。そして，目的の結晶格子面（必ずしも試料表面に平行とは限らない）でＸ線が回折するように，試料１８の姿勢を定める。ところで，ブラッグ角θは，Ｘ線の波長に応じて変化するので，Ｘ線の波長が変われば，回折Ｘ線２０が検出されるＸ線検出器２０の角度位置（すなわち，２θ）が異なるはずである。逆に言えば，もし入射Ｘ線が連続波長のＸ線であれば，２θが変化するようにＸ線検出器２０を動かして，それと同時に，入射Ｘ線１６に対する試料１８の回転角度ωを，Ｘ線検出器２０の２分の１の角速度で連動回転させれば（２θ／ωスキャン），回折Ｘ線強度の波長依存性を測定することができる。

放物面の人工多層膜ミラー１４は，発散性のＸ線ビーム１２を平行ビーム１６に変換することができて，かつ，この平行ビーム１６は，ある程度の波長の広がりをもっている。平行性については，例えば，Ｘ線の発散角が０．０５度以内である。また，波長の広がりは，極性判定に十分な程度の広がりである。例えば，Δλ／λ＝２０％程度の広がりをもっている。波長の広がりは，もっと小さくても（例えば，１％程度であっても），極性判定にとっては十分である。そして，単結晶試料自体に分光機能の役割を果たさせることで（すなわち，２θ／ωスキャンを実行することで），回折強度の波長依存性を測定できる。したがって，ＥＸＡＦＳ装置で使うような大掛かりな単結晶分光装置を用いることなく，多層膜ミラー１４を使うだけで，回折強度の波長依存性を測定することができる。

次に，ＧａＡｓウエハーを用いた測定例を説明する。図２はＧａＡｓウエハーの｛３３３｝面のオモテ面，すなわち（３３３）面，を測定するときにおける，図１の装置の斜視図である。回転対陰極１０のターゲット材質はＡｕ（金）である。ＧａＡｓウエハー１８は，３軸回転が可能な試料ホルダーに取り付けられている。３軸回転について説明すると，まず，ゴニオメータの回転中心線（鉛直方向に延びている）に一致するω軸２６があり，このω軸２６の周りにウエハー１８（試料）をω回転させることができる。次に，ウエハー１８の表面を通過して水平に延びるχ軸２８の周りにウエハー１８をχ回転させることができる。さらに，ウエハー１８の表面の法線に垂直なφ軸２４の周りにウエハー１８をφ回転させることができる。ウエハー１８はオリフラ３０が真下にくる姿勢をとるものとし，ウエハーの表面にＧａＡｓの（００１）面が平行であるとする。このような条件のときに，χ軸２８を（すなわち，ウエハー１８を），入射Ｘ線１２に平行な状態から，ω軸２８の周りに，上から見て時計方向に，３３．３度だけ回転し，さらに，ウエハー１８をχ軸２８の周りに，図２の右方向から見て時計回りに，５３．７度だけ回転する。このような姿勢にすると，ＧａのＫ吸収端の波長（０．１１９５７ｎｍ）を有するＸ線が，ＧａＡｓ（３３３）面でＸ線回折して，その回折Ｘ線２０がＸ線検出器２２で検出される。ωが３３．３度の付近において，２θ／ωスキャンをしてＸ線回折プロファイルを測定すると，ＧａＡｓ（３３３）面による回折Ｘ線強度の波長依存性を測定することができる。このとき，上述の２θ／ωスキャンは，制御装置からの指令により，自動的に実行される。そして，制御装置に付属する測定指令手段により，ＧａのＫ吸収端の波長を挟んだ所定の波長範囲について，回折Ｘ線強度の波長依存性が自動的に測定される。

次に，ウラ面の測定について説明する。図２の状態から，ウエハー１８をφ軸２４の周りに，時計方向に，９０度だけ回転すると，ウエハー１８の姿勢は図３の状態になる。すなわち，オリフラ３０がウエハー１８の左側に来る。この状態で，図２のときと同様にＸ線回折測定を実施すると，ＧａＡｓ（３３−３）面による回折Ｘ線強度の波長依存性を測定することができる。

図６はオモテ面の測定結果とウラ面の測定結果を重ね合わせて示したものである。オモテ面の回折Ｘ線強度はＩ（ＧａＡｓ，３３３）で表している。そして，Ｉ（ＧａＡｓ，３３３）を，標準試料としてのＳｉ（シリコン）の（３３３）面での同一波長での回折Ｘ線強度Ｉ（Ｓｉ，３３３）で割り算して，回折強度を規格化している。このように規格化することで，入射Ｘ線強度の波長依存性の影響をなくしている。したがって，縦軸は，このような相対Ｘ線強度である。横軸はＸ線の波長である。図６のグラフは，０．１１５ｎｍから０．１２５ｎｍの波長範囲のデータを示している。この波長範囲は，Ａｕ−Ｌη特性Ｘ線の近傍の波長帯の連続波長部分に相当する。

図２及び図３の状態でＸ線回折測定を実施すると，２θの変化に対して，回折Ｘ線強度の変化が求まるが，２θを波長λに換算することで，図６のグラフを描くことができる。２θを波長λに換算するには，Ｇａ（３３３）の格子面間隔の数値を用いて，ブラッグの式で計算する。ウラ面の回折Ｘ線強度Ｉ（ＧａＡｓ，−３−３−３）についても同様である。なお，図３において実際に測定したのはＧａ（３３−３）であるが，その測定結果はＧａ（−３−３−３）のデータとして表示している。Ｇａ（３３−３）とＧａ（−３−３−３）は，どちらもウラ面に属する，等価な結晶格子面である。

図６において，ＧａのＫ吸収端よりも波長の長い領域（エネルギーの小さい領域）では，オモテ面とウラ面とで，回折Ｘ線強度はほぼ同じである。これに対して，ＧａのＫ吸収端よりも波長の短い領域（エネルギーの大きい領域）では，オモテ面とウラ面とでは，回折Ｘ線強度がかなり異なる。この差異を利用して，オモテ面とウラ面を判定することができる。

図７は，オモテ面の測定結果だけを示したグラフである。ＧａのＫ吸収端（λ＝０．１１９５７ｎｍ）よりも短波長のλ１（＝０．１１６ｎｍ）とλ２（＝０．１１７ｎｍ）において，相対Ｘ線強度を求めると，それらは，それぞれ，Ｉ（ＧａＡｓ，３３３，λ１）／Ｉ（Ｓｉ，３３３，λ１）と，Ｉ（ＧａＡｓ，３３３，λ２）／Ｉ（Ｓｉ，３３３，λ２）になる。それらの値は，どちらも，約１．１である。同様にして，ＧａのＫ吸収端よりも長波長のλａ（＝０．１２１ｎｍ）とλｂ（＝０．１２２ｎｍ）において，相対Ｘ線強度を求めると，それらは，それぞれ，Ｉ（ＧａＡｓ，３３３，λａ）／Ｉ（Ｓｉ，３３３，λａ）と，Ｉ（ＧａＡｓ，３３３，λｂ）／Ｉ（Ｓｉ，３３３，λｂ）と表すことができ，それらの値は，どちらも，約２．０である。

これらの数値をもとにして，オモテ面について，吸収端よりも長波長側の回折Ｘ線強度に対する，吸収端よりも短波長側の回折Ｘ線強度の比率（以下，極性判定比率という）を求めると，図９の（１）式のように，約０．５５となる。

図８は，ウラ面の測定結果だけを示したグラフである。ＧａのＫ吸収端（λ＝０．１１９５７ｎｍ）よりも短波長のλ１（＝０．１１６ｎｍ）とλ２（＝０．１１７ｎｍ）で，相対Ｘ線強度を求めると，それらは，それぞれ，Ｉ（ＧａＡｓ，−３−３−３，λ１）／Ｉ（Ｓｉ，３３３，λ１）と，Ｉ（ＧａＡｓ，−３−３−３，λ２）／Ｉ（Ｓｉ，３３３，λ２）と表すことができる。それらの値は，どちらも，約１．７である。同様にして，ＧａのＫ吸収端よりも長波長のλａ（＝０．１２１ｎｍ）とλｂ（＝０．１２２ｎｍ）で，相対Ｘ線強度を求めると，それらは，それぞれ，Ｉ（ＧａＡｓ，−３−３−３，λａ）／Ｉ（Ｓｉ，３３３，λａ）と，Ｉ（ＧａＡｓ，−３−３−３，λｂ）／Ｉ（Ｓｉ，３３３，λｂ）と表すことができて，それらの値は，どちらも，約２．０である。

これらの数値をもとにして，ウラ面について，極性判定比率を求めると，図９の（２）式のように，約０．８５となる。

以上述べたように，オモテ面とウラ面について極性判定比率を求めたところ，約０．５５と約０．８５という，明確な違いが得られた。そこで，オモテ面かウラ面かが不明なＧａ｛１１１｝面について，その極性判定比率を測定することで，オモテ面かウラ面かを判定することができる。すなわち，極性判定比率が０．５５付近になればオモテ面であり，０．８５付近になればウラ面である。

図１２は，極性判定の手順を示したフローチャートである。ステップＳ１で，極性のオモテとウラの存在位置が既知の試料（例えば，ＧａＡｓ単結晶）を準備して，極性を判定したい結晶格子面（例えば，ＧａＡｓの｛３３３｝面）のオモテとウラの両方について，試料に含まれるひとつの元素（例えば，Ｇａ）の吸収端（例えば，Ｋ吸収端）の波長の付近で，図１に示すように２θ／ωスキャンを実施して，回折Ｘ線強度の波長依存性を測定する。ステップＳ２では，標準試料（例えば，Ｓｉ単結晶）の所定の結晶格子面（例えば，（３３３）面）について，同様の２θ／ωスキャンを実施して，回折Ｘ線強度の波長依存性を測定する。ステップＳ３では，ステップＳ１で求めた既知試料のオモテとウラの回折Ｘ線強度を，同一の波長における，ステップＳ２で求めた標準試料の回折Ｘ線強度で，割り算して，回折Ｘ線強度を規格化する。ステップＳ４では，その規格化した回折Ｘ線強度を用いて，吸収端の長波長側の強度に対する短波長側の強度の比率を計算して，これを，極性判定比率とする。そして，オモテとウラについて，それぞれ，極性判定比率を求める。ステップＳ５では，対象試料（すなわち，オモテとウラの位置が不明のＧａＡｓ単結晶）について，ステップＳ１と同様にしてＸ線回折測定を実施する。ステップＳ６では，ステップＳ３と同様に回折Ｘ線強度を規格化する。ステップＳ７では，規格化したあとの対象試料の回折Ｘ線強度を用いて，極性判定比率を計算する。ステップＳ８では，ステップＳ７で取得した極性判定比率と，ステップＳ４で取得したオモテとウラの極性判定比率とを比較して，対象試料の測定部分の極性がオモテなのか，ウラなのかを判定する。ステップ４及びステップ７における極性判定比率の取得作業，並びに，ステップ８における判定作業は，制御装置に付属する判定手段によって，自動的に実行される。

図１３は極性判定の別の手順を示したフローチャートである。図１２の手順では，オモテとウラの存在位置が既知の試料を用いて，あらかじめ，オモテの極性判定比率とウラの極性判定比率とを実測しているが，実測する代わりに理論値を用いることもできる。図１３の手順において，ステップＳ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２は，図１２の手順におけるステップＳ５，Ｓ２，Ｓ６，Ｓ７と同じである。そして，図１３のステップＳ１３では，結晶構造因子を計算している。ステップＳ１４では吸収補正を計算している。結晶構造因子と吸収補正は，対象試料の目的の結晶格子面で回折するＸ線の強度を理論的に計算するために必要なものである。そして，ステップＳ１５で極性判定比率の理論値を計算する。すなわち，極性を判定したい結晶格子面について，まず，オモテ面であると仮定して，所定の吸収端の長波長側でのどれかひとつのＸ線波長における理論的な回折Ｘ線強度を計算し，さらに，所定の吸収端の短波長長側でのどれかひとつのＸ線波長における理論的な回折Ｘ線強度を計算して，両者の比率を計算する。これにより，オモテ面についての理論的な極性判定比率が求まる。次に，ウラ面であると仮定した場合の理論的な極性判定比率も同様に計算する。次に，ステップＳ６で，ステップＳ１２で取得した極性判定比率と，ステップＳ１４で取得したオモテとウラの理論的な極性判定比率とを比較して，対象試料の測定部分がオモテなのか，ウラなのかを判定する。なお，この図１３の手順では，理論的に求めた極性判定比率の信頼性が重要であるので，極性を有する少なくともひとつの試料について，理論的な極性判定比率と，実測した極性判定比率とが，極性判定に使えるほど十分に接近していることを確認する必要がある。

図１４は極性判定をする試料の一例である。図１４（Ａ）はＧａＡｓ単結晶のウエハー１８（試料）であり，ウエハー１８の表面が（００１）面に平行である。オリフラ３０の方向には，図５に示す（１１１）面または（−１−１−１）面，すなわちオモテ面，が存在する。そして，そこからウエハー表面の法線の周りに時計方向に９０度回転した方向にウラ面が，１８０度回転した方向にオモテ面が，２７０度回転した方向にウラ面が存在する。ところで，あらかじめオリフラ３０の方向に｛１１１｝面が来るように作ったウエハーは，図１４（Ａ）のほかに，図１４（Ｂ）のタイプも存在する。この図１４（Ｂ）のウエハー１８は，オリフラ３０の方向に，図５に示す（１１−１）面または（１−１１）面，すなわちウラ面，が存在する。そして，そこからウエハー表面の法線の周りに時計方向に９０度ずつ回転した方向に，順に，オモテ面，ウラ面，オモテ面が存在する。本発明の極性判定方法によれば，図２に示すウエハー姿勢で回折Ｘ線の波長依存性を測定して極性判定をすれば，そのＧａＡｓウエハーが図４（Ａ）のタイプなのか，図４（Ｂ）のタイプなのかを判別することができる。

図１４に示す試料は単結晶ウエハー自体の極性を判定するものであるが，基板上に成膜した単結晶膜（例えば，エピタキシャル成長膜）を極性判定の対象とすることもできる。なお、基板上の薄膜を極性判定対象とする場合は、測定された回折データ（薄膜の回折データに基板の回折データが重なっていることがある）から基板の回折データを引き算してから、上述の極性判定をするのが好ましい。

次に，連続波長のＸ線を用いた極性判定と，特性Ｘ線を用いた高分解能のＸ線分析との切り換え作業について説明する。図１の装置構成において，入射Ｘ線１２に対する多層膜ミラー１４の姿勢をわずかに変更すると，平行ビーム１６として，連続波長のＸ線を取り出せると状態と，特性Ｘ線を取り出せる状態とに切り換えることができる。そのようなことを可能にするためには，特性Ｘ線のすぐ近くに存在するような連続波長部分を極性判定に使うことが大切になる。上述の実施例では，ＧａＡｓ｛３３３｝面のオモテとウラの極性判定をするために，Ａｕのターゲットを使っているが，その理由は，Ａｕターゲットによる特性Ｘ線の波長と，ＧａのＫ吸収端の波長とが，近くにあることにある。

図４は多層膜ミラーの姿勢を変化させて，取り出す波長領域を変更することを説明する説明図である。図４（Ａ）において，多層膜ミラー１４の姿勢を調整することで，Ｘ線焦点１１から出射された入射Ｘ線１２は，多層膜ミラー１４で反射して，ＧａのＫ吸収端よりも少し波長の短い領域の連続波長の平行ビーム１６が取り出される。多層膜ミラー１４は，その反射面の中央の回転中心線３２の周りに回転することで，その姿勢を調節することができる。

上述の図４（Ａ）は極性判定のための平行ビーム１６を取り出す状態であるが，これを図４（Ｂ）に示すように，特性Ｘ線の平行ビーム１６を取り出す状態に変更することができる。例えば，ＧａのＫ吸収端の波長付近を取り出せるようにした図４（Ａ）の状態から，ＡｕＬα１の特性Ｘ線の波長をうまく取り出せるようにした図４（Ｂ）の状態にするには，多層膜ミラー１４を回転中心線３２の周りに，反時計方向に０．０５７度だけ回転させる。このように，必要な回転角度はわずかなものである。

図１１は，図４（Ａ）の状態でＸ線を取り出したときの平行ビーム１６のＸ線強度の波長依存性と，図４（Ｂ）の状態でＸ線を取り出したときの平行ビーム１６のＸ線強度の波長依存性とを比較して示したグラフである。細線で描いた曲線３４が図４（Ａ）のときのＸ線強度であり，太線で描いた曲線３６が図４（Ｂ）のときのＸ線強度である。これらのグラフは，この波長領域に吸収端を持たないＳｉ単結晶の（００４）面を分光結晶として用いて測定したものである。ＧａのＫ吸収端の波長（図１１ではＧａＫと表示している）は，０．１１９５７ｎｍであり，一方，ＡｕＬα１（Ａｕの特性Ｘ線のひとつ）の波長は，０．１２７６３ｎｍであり，両者はかなり近い位置にある。したがって，多層膜ミラーの角度をわずかに変更するだけで，ＧａのＫ吸収端付近のＸ線を取り出す状態から，ＡｕＬα１を取り出す状態へと切り換えることができる。

図１０（Ａ）は極性判定と高分解能のＸ線分析とを切り換えることのできるＸ線分析装置の構成を示す平面図であり，図１の構成図を，より具体化したものである。多層膜ミラー１４と試料１８の間には入射スリット３８がある。多層膜ミラー１４と入射スリット３８の間には，４結晶モノクロメータ３９を挿入したり，外したりすることができる。多層膜ミラー１４は回転中心線３２の周りに回転可能である。入射スリット３８は図１０の上下方向に移動可能である。ゴニオメータ・ベース４０には２θ回転台４２と試料台４４が回転可能に搭載さいされていて，それらは，ゴニオメータの回転中心線４６の周りに，それぞれ，独立して回転できる。２θ回転台４２には受光スリット４８とＸ線検出器２２が取り付けられている。ゴニオメータ・ベース４０は図１０の上下方向に移動可能である。

図１０（Ａ）は，ＧａＡｓウエハーの極性判定をするための装置状態を示している。多層膜ミラー１４は図４（Ａ）の状態にある。この状態から，ＡｕＬα１を用いる高分解能のＸ線分析が可能な状態に切り換える方法を説明する。図１０（Ｂ）において，４結晶モノクロメータ３９を多層膜ミラー１４と入射スリット３８の間に挿入する。そして，多層膜ミラー１４を図４（Ｂ）に示すように，反時計方向に０．０５７度だけ回転させる。多層膜ミラー１４を回転させると，平行ビーム１６の出てくる方法がわずかに変化するので，その平行ビーム１６がゴニオメータの回転中心線４６を通過するように，ゴニオメータ・ベース４０を図１０の上方向にわずかに移動させる。同様に，入射スリット３８も，平行ビーム１６がうまく通過するように，図１０の上方向にわずかに移動させる。このような調整を実施することで，ＡｕＬα１からなる平行ビームを取り出すことができて，さらにこれを４結晶モノクロメータで単色化かつ平行化して，この平行ビームを用いて高分解能のＸ線分析を実施することができる。

高分解能のＸ線分析とは，０．０１度以下の角度分解能が必要な測定を意味しており，例えば，粉末試料のＸ線回折測定や，薄膜試料の結晶性を評価するためのロッキングカーブ測定や，逆格子マップ測定などのＸ線回折測定など，あるいは，Ｘ線反射率測定がこれに該当する。

ところで，多層膜ミラーの角度の変更を省略することもできる。図１１のグラフにおいて，曲線３６（特性Ｘ線ＡｕＬα１に合うように多層膜ミラーが調整された場合）を使っても，ＧａのＫ吸収端付近での波長のＸ線強度はそこそこにあることが分かる。もしこの程度のＸ線強度でも極性判定に支障がなければ，曲線３６の状態で極性判定をすることもできる。この場合は，図１０に示すような切り換え作業が不要になり，図１０（Ｂ）に示す状態で，まず，４結晶モノクロメータ３９を外して極性判定を実施し，次に，４結晶モノクロメータ３９を挿入して高分解能のＸ線分析を実施できる。

本発明は上述の実施例に限定されず，次のような変更が可能である。
（１）図９の（１）式及び（２）式において，吸収端の長波長側の回折Ｘ線強度は二つの波長の平均をとっており，短波長側の回折Ｘ線強度も二つの波長の平均をとっているが，それぞれ，単一の波長の回折Ｘ線強度を用いてもよいし，三つ以上の波長についての回折Ｘ線強度の平均をとってもよい。

（２）上述の実施例では，極性のある試料としてＧａＡｓを例示しているが，本発明はその他の単結晶試料にも適用できる。例えば，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｔａを含む化合物の単結晶で，極性のあるものについては，Ａｕターゲットを用いて，極性判定をすることができる。Ｚｎを含む化合物の場合，ＺｎのＫ吸収端の波長は０．１２８３ｎｍである。この波長付近で調整されている多層膜ミラーを，図４（Ａ）の状態から図４（Ｂ）の状態（ＡｕＬα１を取り出す状態）に切り換えるには，多層膜ミラーを時計方向に０．００５０１４度だけ回転させればよい。同様に，Ｇｅを含む化合物の場合，ＧｅのＫ吸収端の波長は０．１１１７ｎｍである。この波長付近で調整されている多層膜ミラーを，図４（Ａ）の状態から図４（Ｂ）の状態（ＡｕＬα１を取り出す状態）に切り換えるには，多層膜ミラーを反時計方向に０．１１３８９度だけ回転させればよい。さらに，Ａｓを含む化合物の場合，ＡｓのＫ吸収端の波長は０．１０４５ｎｍである。この波長付近で調整されている多層膜ミラーを図４（Ａ）の状態から図４（Ｂ）の状態（ＡｕＬα１を取り出す状態）に切り換えるには，多層膜ミラーを反時計方向に０．１６５４６度だけ回転させればよい。Ｚｎ，Ｇｅ，ＡｓのＫ吸収端の波長とＡｕＬα１との位置関係は図１１のグラフに示してある。また、Ｔａを含む化合物の場合は、ＴａのＬ吸収端の波長（Ｌ_１＝０．１０５９ｎｍ，Ｌ_２＝０．１１１２４ｎｍ，Ｌ_３＝０．１２５４２ｎｍ）の付近を使うように多層膜ミラーを調整する。そして、多層膜ミラーをわずかに回転することで、この波長付近で調整されている多層膜ミラーを、ＡｕＬα１を取り出す状態に切り換えることができる。

Ｚｎを含む化合物で極性のある結晶としては，ＺｎＯ，及び，固溶体結晶として，ＺｎＯ−ＭｇＯ，ＺｎＯ−ＣｏＯ，ＺｎＯ−ＣｄＯがある。Ｇａを含む化合物で極性のある結晶としては，「ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＧａＳｂ，及び，これらとＩｎＡｓ，ＡｌＰなどの多くの閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するものの固溶体結晶である，３−５族化合物半導体結晶」，「Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４，Ｌａ_３Ｇａ_５．５Ｔａ_０．５Ｏ_１４などのいわゆるランガサイト型結晶構造の固溶体結晶」，「ＧａＮ及びウルツ型の結晶構造を有する３族−窒化物化合物半導体結晶」，並びに，「ＬｉＧａＯ_２，ＬｉＧａＯ_２−ＬｉＡｌＯ_２などの固溶体結晶」がある。Ｇｅを含む化合物で極性のある結晶としては，Ｌａ_３Ｇａ_５ＧｅＯ_１４などのいわゆるランガサイト型結晶構造の固溶体結晶がある。Ａｓを含む化合物で極性のある結晶としては，ＧａＡｓ，ＩｎＡｓ，ＡｌＡｓ，及び，これらとＧａＰ，ＩｎＳｂなどの多くの閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するものの固溶体結晶である，３−５族化合物半導体結晶がある。Ｔａを含む化合物で極性のある結晶としては，ＬｉＴａＯ_３−ＬｉＮｂＯ_３やＫＴａＯ_３−ＫＮｂＯ_３などの固溶体がある。

（３）上述の実施例では，Ｘ線源としてＡｕターゲットを用いているが，吸収端波長と特性Ｘ線波長との位置関係から，Ｗ（タングステン）ターゲットや，Ｐｔ（白金）ターゲットを用いても，極性判定がうまくいく場合がある。

（４）試料はバルクの単結晶だけではなく，単結晶基板上に成長させたエピタキシャル薄膜であってもよい。

（５）上述の実施例では，Ｓｉ単結晶の回折Ｘ線強度を用いて規格化しているが，入射Ｘ線強度の波長依存性が小さい場合には，このような規格化を省略してもよい。

（６）図１の実施例では，Ｘ線源として回転対陰極Ｘ線管を例示したが，封入管式のＸ線管を用いてもよい。

Claims (12)

1. 次の各段階を備える単結晶試料の極性判定方法。
   （ア）複数の元素から構成されていて極性を有する単結晶試料（１８）を準備する段階。
   （イ）前記複数の元素のいずれかの元素の吸収端の波長を挟んだ所定の波長範囲のＸ線を発生させることのできるＸ線源（１０）を準備する段階。
   （ウ）前記Ｘ線源から出射された発散性のＸ線ビーム（１２）を放物面多層膜ミラー（１４）で反射させて，前記所定の波長範囲のＸ線を含む平行ビーム（１６）を作る段階。
   （エ）前記平行ビームを入射Ｘ線として前記単結晶試料に照射して，前記単結晶試料からの回折Ｘ線（２０）の強度をＸ線検出器（２２）で検出する段階。
   （オ）前記入射Ｘ線に対する前記単結晶試料の回転角度ωと，前記入射Ｘ線に対する前記回折Ｘ線のなす角度２θとを，１対２の角速度比で連動してスキャンすることにより，前記複数の元素のいずれかの元素の吸収端の波長を挟んだ波長範囲で，前記回折Ｘ線の強度の波長依存性を測定する段階。
   （カ）前記吸収端よりも長波長側での回折Ｘ線強度に対する，前記吸収端よりも短波長側での回折Ｘ線強度の比率を求めて，その比率の値に基づいて前記極性を判定する段階。
2. 請求項１に記載の極性判定方法において，極性を有しない標準試料についても，極性を有する前記単結晶試料と同様に回折Ｘ線強度を求めて，前記単結晶試料の各波長での回折Ｘ線強度を，前記標準試料の同じ波長での回折Ｘ線強度で割り算して，規格化した回折Ｘ線強度を求めて，この規格化した回折Ｘ線強度に基づいて，前記比率を求めることを特徴とする極性判定方法。
3. 請求項１に記載の極性判定方法において，前記単結晶試料はウエハーの形状であることを特徴とする極性判定方法。
4. 請求項１に記載の極性判定方法において，前記単結晶試料は基板上に成膜した単結晶膜であることを特徴とする極性判定方法。
5. 請求項１に記載の極性判定方法において，前記単結晶試料はＧａ，Ｚｎ，Ｇｅ及びＡｓのいずれかを含む化合物であり，前記Ｘ線源のターゲットの材質はＡｕ，Ｗ及びＰｔのいずれかであり，前記多層膜ミラーはＧａ，Ｚｎ，Ｇｅ及びＡｓのいずれかのＫ吸収端の付近の波長を反射させるように調整されることを特徴とする極性判定方法。
6. 請求項１に記載の極性判定方法において，前記単結晶試料はＴａを含む化合物であり，前記Ｘ線源のターゲットの材質はＡｕ，Ｗ及びＰｔのいずれかであり，前記多層膜ミラーはＴａのＬ吸収端の付近の波長を反射させるように調整されることを特徴とする極性判定方法。
7. 次の構成を備える単結晶試料の極性判定装置。
   （ア）所定の材質のターゲットを有するＸ線管（１０）。
   （イ）前記Ｘ線管から出射されるＸ線（１２）を反射して平行ビーム（１６）に変換する放物面の多層膜ミラー（１４）。
   （ウ）複数の元素から構成されていて極性を有する単結晶試料（１８）を保持する試料ホルダー。
   （エ）前記単結晶試料からの回折Ｘ線（２０）を検出するＸ線検出器（２２）。
   （オ）前記平行ビームに対する前記単結晶試料の回転角度ωと，前記平行ビームに対する前記Ｘ線検出器とのなす角度２θとを連動してスキャンする制御装置。
   （カ）前記平行ビームを入射Ｘ線として前記単結晶試料に照射して，前記単結晶試料からの回折Ｘ線の強度をＸ線検出器で検出する作業を実施し，前記角度ωと前記角度２θとを１対２の角速度比で連動してスキャンすることにより，前記複数の元素のいずれかの元素の吸収端の波長を挟んだ波長範囲で，前記回折Ｘ線の強度の波長依存性を測定する測定指令手段。
   （キ）前記吸収端よりも長波長側での回折Ｘ線強度に対する，前記吸収端よりも短波長側での回折Ｘ線強度の比率を求めて，その比率の値に基づいて前記極性を判定する判定手段。
8. 請求項７に記載の極性判定装置において，前記多層膜ミラーは前記Ｘ線管から出射されるＸ線に対して角度を変更可能であることを特徴とする極性判定装置。
9. 請求項７に記載の極性判定装置において，前記ターゲットの材質はＡｕ，Ｗ及びＰｔのいずれかであり，前記多層膜ミラーはＧａ，Ｚｎ，Ｇｅ及びＡｓのいずれかのＫ吸収端の付近の波長を反射するように調整可能であることを特徴とする極性判定装置。
10. 請求項７に記載の極性判定装置において，前記ターゲットの材質はＡｕ，Ｗ及びＰｔのいずれかであり，前記多層膜ミラーはＴａのＬ吸収端の付近の波長を反射するように調整可能であることを特徴とする極性判定装置。
11. 請求項７に記載の極性判定装置において，前記ターゲットの材質はＡｕ，Ｗ及びＰｔのいずれかであり，前記多層膜ミラーは，Ｇａ，Ｚｎ，Ｇｅ及びＡｓのいずれかのＫ吸収端の付近の波長と，前記ターゲットの特性Ｘ線の波長，のいずれかを選択的に反射するように調整可能であることを特徴とする極性判定装置。
12. 請求項７に記載の極性判定装置において，前記ターゲットの材質はＡｕ，Ｗ及びＰｔのいずれかであり，前記多層膜ミラーは，ＴａのＬ吸収端の付近の波長と，前記ターゲットの特性Ｘ線の波長，のいずれかを選択的に反射するように調整可能であることを特徴とする極性判定装置。

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