JP6025211B2 - Ｘ線トポグラフィ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、単結晶試料の内部結晶欠陥構造に対応してＸ線を用いて２次元画像を形成するＸ線トポグラフィ装置に関する。
従来、例えば特許文献１により、Ｘ線トポグラフィ装置が知られている。この文献には１枚の単独のＸ線トポグラフィ像を撮影することが開示されている。しかしながら、特許文献１には、１つの試料に関して複数のＸ線トポグラフィ像を取得することは開示されていない。
特許文献２には、Ｘ線を用いて複数のセクショントポグラフィ（すなわち２次元断面画像）を取得し、それらを多重露出することが記載されている。しかしながら、多重露出の詳細は説明されていない。一般的な解釈によれば、大きなステップ移動によって１つの２次元検出器に複数の画像を多重露光することであろうと考えられる。
特許文献３には、１０〜５０μｍの小さなＸ線源からＸ線を出射すること、そのＸ線の幅をスリットによって規制すること、及び試料をステップ移動させて複数の回折像を得ることが開示されている。しかしながら、引用文献３では、試料に照射されるＸ線の強度については触れられていない。Ｘ線源が小さく、しかもＸ線の幅をスリットによって規制した場合は、試料に到達するＸ線の強度が非常に弱くなり、所望の１枚のＸ線像を得るために極めて長時間、例えば数時間〜十時間を必要とする。従って、数百といった多数枚のＸ線像を取得しようという考えは全く起こり得なかった。
非特許文献１には、試料を放射光に対してステップ移動させながら各ステップ位置において放射光によって試料の断面トポグラフィ画像（section topograph）を取得すること、及びそれらの断面トポグラフィ画像を重ねることによって３Ｄ（３次元）画像を得ることが開示されている。放射光はもともと強度の強いＸ線を含んでおり、複数の断面トポグラフィ画像を比較的短時間で得ることができる。そのため複数の断面トポグラフィ画像を得るための時間もかなり短縮できる。しかしながら、放射光施設を一般的な企業の研究現場や製造現場で活用することは不可能である。
非特許文献１には、実験室レベルのＸ線源を用いることについては全く触れられていない。実験室レベルのＸ線源は強度が弱いので、このＸ線源を用いて実用的な時間内に複数の断面トポグラフィ画像を取得する等という発想は全く想定外であるということである。
非特許文献２には、試料を走査しながらその試料のいくつかの部分の断面像を放射光を用いて撮影し、これらの像をコンピュータ上で積み重ねることによって、結晶中の格子歪みの３次元分布を推測することが開示されている。この非特許文献２においても実験室レベルのＸ線源を用いることについては全く触れられていない。実験室レベルのＸ線源は強度が弱いので、このＸ線源を用いて実用的な時間内に複数の断面トポグラフィ画像を取得する等という発想は全く想定外であるということである。
特許文献４には、ゾーンプレート等といったＸ線集光手段を用いて試料に集光されたＸ線を照射するようにしたＸ線トポグラフィ装置が開示されている。この特許文献４には、微小焦点からＸ線を出射すること、Ｘ線を単色化すること、Ｘ線を平行ビームにすること、及びＸ線の強度を高めること、のいずれの技術についても触れられていない。従って、特許文献４の装置では多数枚のセクショントポグラフィ像を短時間で取得することはできない。
特開平８−１２４９８３号公報 特開２００６−２８４２１０号公報 ＷＯ２００８／０５２２８７Ａ１ 特開２００７−２４０５１０号公報
http://cheiron2010.spring8.orjp/text/bl/11_BL19B2.pdf(ファイルスタンプ日時:30-Sep-2010)「放射光施設Spring-8 ビームラインBL19B2」 Spring-8 利用者情報／２００８年１月号／利用者懇談会研究会報告「Ｘ線トポグラフィ研究会の現状報告」／富山大学理学部 飯田敏、大阪大学大学院工学研究科 志村考功、財団法人高輝度光科学研究センター産業利用推進室 梶原堅太郎
本発明は、上述した従来の各Ｘ線トポグラフィ装置における問題点に鑑みて成されたものであって、数百枚といった多数枚のセクショントポグラフィ像を実験室レベルのＸ線源を用いて実用的に許容される短時間内、例えば１時間〜十数時間内で取得できるようにすることを目的とする。
本発明に係るＸ線トポグラフィ装置は、単結晶試料の内部結晶欠陥構造に対応してＸ線を用いて２次元画像を形成するＸ線トポグラフィ装置において、前記試料を照射するＸ線を発生するＸ線源と、前記試料と前記Ｘ線源との間に設けられた多層膜ミラーと、前記試料と前記Ｘ線源との間に設けられておりＸ線の幅を規制するスリットを備えたスリット部材と、前記試料から出たＸ線を２次元的に検出する２次元Ｘ線検出手段と、前記試料と当該試料を照射するＸ線とを相対的にステップ的に移動させることにより、前記試料を複数のステップ位置へ順次に移動させる試料移動手段とを有しており、前記Ｘ線源は微小焦点からＸ線を発生し、前記多層膜ミラーは、前記Ｘ線源から出たＸ線から単色で平行で強度の強いＸ線を形成し、前記多層膜ミラーがＸ線を平行化する方向は前記スリット部材のスリットの幅方向であり、前記スリットの幅は前記試料の厚さに対して十分に細くなっており、前記試料移動手段によって移動する試料のステップ幅は前記スリットの幅よりも小さくなっており、前記微小焦点の大きさの値、前記スリットの幅の値、及び前記多層膜ミラーから出射されるＸ線の強度の値の各値の組み合わせは、前記２次元Ｘ線検出手段が１分以下の所定時間内でＸ線を受光したときに得られるＸ線画像のコントラストを、当該Ｘ線画像を観察する上で十分なコントラストとすることができる値の組み合わせであることを特徴とする。
このＸ線トポグラフィ装置によれば、放射光施設のような巨大なＸ線源を用いることなく、実験室レベルのＸ線源により、数百枚等といった多数の２次元断面画像（いわゆる、セクショントポグラフィ）を産業界での研究過程及び製造過程で許容される時間内（例えば１時間〜十数時間内）で作成することが可能となる。そしてこれら多数の２次元断面画像を観察することにより、試料結晶内の構造を知ることができる。
上記構成において、Ｘ線強度の値は、Ｘ線源が微小焦点であったり、試料に照射されるＸ線がスリットによって細く絞られる場合であっても、１分以下の所定時間内でＸ線画像において十分なコントラストが得られるようなＸ線強度の値である。このようなＸ線強度は多層膜モノクロメータを用いることによって安定して獲得できる。
また、１分以下に限定したのは、１分以上だとすると数百枚の２次元断面画像を得るために非常に長い時間がかかってしまい、実用的でないからである。
上記構成において、微小焦点のＸ線源、単色で平行なＸ線、細いスリットは分解能の高い鮮明なセクショントポグラフィ像を得るための要件である。多層膜ミラーは単色で平行で、しかも強度が強いＸ線を形成するための要素である。多層膜ミラーによってＸ線の強度を強くすることにより、Ｘ線源の焦点を微小焦点にし、その微小焦点から出たＸ線を細いスリットに通す場合でも、実用上で許容される短い所定時間内においてＸ線画像に関して十分なコントラストを得ることができる。
一般に、Ｘ線解析の分野で十分なコントラストとは、図４において、シグナル（Ｓ０）がノイズ（Ｎ）よりも十分に大きいことである。ノイズ（Ｎ）は通常、ばらつきの平均値の３倍の値である。そして、十分なシグナル（Ｓ０）は通常、ノイズ（Ｎ）の１．５倍以上、すなわち
Ｓ≧１．５Ｎ
である。
図５及び図６は測定データのコントラストの例を示している。図５の例及び図６の例は、いずれも、観察する上で十分なコントラストが得られている例である。いずれの例でも転位が明瞭に抽出されている。画像上では転位が黒い点で表されている。ラインに沿ったプロファイルにおいては画像上の黒い点に対応したピークが見えている。ＳＮ比はピーク強度によって変わる。ノイズレベルは１００程度と考えられるので、図５の弱いピークでＳＮ比は４程度である。図６の強いピークではＳＮ比＞１０となる。図５及び図６の測定に関して１枚あたりの測定時間は６０秒である。
Ｘ線の光子統計に基づくと、ＳＮ比は測定時間の１／２乗で向上するので、測定時間の６０秒をその１／４である１５秒に減らしても、図５の弱いピークの場合において、なおＳＮ比２を確保できる計算になる。
多層膜モノクロメータは、図２に符号５０示すように、重元素層５１と軽元素層５２とを滑らかな表面を持った基板５３上に交互に複数回積層することによって形成されるモノクロメータである。重元素層５１と軽元素層５２は適宜の成膜法、例えばスパッタリング法によって適宜の厚さで交互に周期的に積層される。重元素層５１と軽元素層５２との積層構造を周期的に複数層繰り返すことにより、特性Ｘ線、例えばＣｕＫα線をその多層膜の周期構造に起因して効率良く回折できる。その結果、出射側に強度の強い回折Ｘ線Ｒ０を得ることができる。
多層膜モノクロメータ５０の表面Ｐ１は放物面状に形成することができる。こうすれば、その表面Ｐ１の全面において入射Ｘ線Ｒ１を平行方向に回折させることができる。また、異なる入射角で入射するＸ線Ｒ１が多層膜モノクロメータ５０の表面Ｐ１の全てで反射するよう、多層膜モノクロメータ５０の格子面間隔は、場所によって異ならせてある。具体的には、入射角の大きくなるＸ線入射側の格子面間隔が小さく、入射角が小さくなるＸ線出射側の格子面間隔が大きくなり、それらの中間位置で格子面間隔が連続的に変化する。
以上のように多層膜モノクロメータ５０の表面Ｐ１を放物面とし、その放物面内の各位置での格子面間隔を調整することにより、モノクロメータ５０は強度の強い平行Ｘ線ビームＲ２を出射する。さらに、Ｘ線出射側における一対の重元素層５１及び軽元素層５２の合計の厚さ、すなわち１周期分の積層厚さＴ２を、Ｘ線入射側の積層厚さＴ１よりも大きくすることにより、モノクロメータ５０から出射され、スリットを通過して試料に照射するＸ線強度を多層膜ミラーを用いない場合のＸ線強度よりも強くすることができる。
なお、重元素としては、例えばＷ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｉ（ニッケル）等が考えられる。軽元素としては、例えばＳｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｂ４Ｃ等が考えられる。また、積層構造としては、２種類の元素を用いた２層構造や、３種類以上の元素を用いた複数層構造が考えられる。また、重元素層５１と軽元素層５２の積層数は、例えば２００層程度とすることができる。また、１つの重元素層５１及び１つの軽元素層５２から成る１周期の層厚は、例えば２０Å〜１２０Å程度に設定できる。
本発明に係るＸ線トポグラフィ装置においては、前記複数のステップ位置における各ステップ位置で前記試料にＸ線を前記所定時間照射し、そのときに当該試料から出るＸ線を前記２次元Ｘ線検出手段によって検出することにより各ステップ位置に関する２次元断面画像を取得し、それら複数の２次元断面画像を並べて３次元画像を形成し、当該３次元画像に関して測定によって得られた面とは別の平面に沿ってデータを取り出して第２の２次元画像を取得することができる。
本発明に係るＸ線トポグラフィ装置においては、前記第２の２次元画像に基づいて転位密度を算出することができる。
本発明に係るＸ線トポグラフィ装置において、前記微小焦点は直径が１００μｍの円に収まる大きさの焦点とすることができ、前記スリットの幅は１０〜５０μｍとすることができる。
本発明に係るＸ線トポグラフィ装置によれば、放射光施設のような巨大なＸ線源を用いることなく、実験室レベルのＸ線源により、数百枚等といった多数の２次元断面画像（いわゆる、セクショントポグラフィ）を産業界での研究過程及び製造過程で許容される時間内（例えば１時間〜十数時間内）で作成することが可能となる。そしてこれら多数の２次元断面画像を観察することにより、試料内の結晶欠陥構造を知ることができる。
本発明に係るＸ線トポグラフィ装置の一実施形態を示す図である。 図１に示したＸ線トポグラフィ装置の主要部品である多層膜ミラーの一例を示す断面図である。 図１のＸ線トポグラフィ装置によって行われる動作の流れを示すフローチャートである。 Ｘ線画像における転位像とバックグランドとのコントラストを示すグラフである。 コントラストが良い場合の一例であるＸ線画像とその画像に対応した回折Ｘ線プロファイルを示す図である。 コントラストが良い場合の他の一例であるＸ線画像とその画像に対応した回折Ｘ線プロファイルを示す図である。 図１のＸ線トポグラフィ装置によって求められる２次元断面画像（セクショントポグラフィ像）の一例を示す図である。 図１のＸ線トポグラフィ装置によって求められる３次元画像の一例を示す図である。 図１のＸ線トポグラフィ装置によって求められる第２の２次元画像の一例を示す図である。 実験によって求められたエピタキシャル膜表面近傍における第２の２次元画像を示す図である。 実験によって求められたエピタキシャル膜基板界面の１ヶ所における第２の２次元画像を示す図である。 実験によって求められたエピタキシャル膜基板界面の他の１ヶ所における第２の２次元画像を示す図である。 実験によって求められた基板内部の１ヶ所における第２の２次元画像を示す図である。 実験によって求められた基板内部の他の１ヶ所における第２の２次元画像を示す図である。 実験によって求められた基板裏側における第２の２次元画像を示す図である。
以下、本発明に係るＸ線トポグラフィ装置を実施形態に基づいて説明する。なお、本発明がこの実施形態に限定されないことはもちろんである。また、本明細書に添付した図面では特徴的な部分を分かり易く示すために実際のものとは異なった比率で構成要素を示す場合がある。
図１は本発明に係るＸ線トポグラフィ装置の一つの実施形態を示している。ここに示すＸ線トポグラフィ装置１は、測定系２と制御系３とを有している。測定系２は、入射光学系４と、試料台５と、受光光学系６とを有している。
（入射光学系）
入射光学系４は、Ｘ線管１１と、多層膜ミラー１２と、スリット部材１３とを有している。Ｘ線管１１は、陰極であるフィラメント１４と、陽極であるターゲット１５とを有している。通電によってフィラメント１４から電子が放出され、その電子がターゲット１５の表面に当たった領域がＸ線焦点Ｆであり、このＸ線焦点ＦからＸ線が放射される。Ｘ線焦点ＦがＸ線源として機能する。放射されたＸ線はＸ線窓１６からポイントフォーカスのＸ線として取り出される。こうして取り出されたＸ線の焦点は微小焦点であり、その焦点サイズは直径１００μｍの円に収まる大きさである。Ｘ線焦点Ｆから試料Ｓまでの距離Ｄ１は８００ｍｍである。
多層膜ミラー１２は、図２に示した多層膜モノクロメータ５０によって形成されている。この多層膜ミラー１２はＸ線管１１から出たＸ線を単色化し、平行化し、さらに強度を強くする。ここでの平行化は、スリット部材１３のスリット１３ａの幅方向Ｈに沿った方向で達成されている。多層膜ミラー１２によってＸ線を単色化、平行化、及び高強度化することにより、後述するように、４００枚程度といった多数枚のセグメントトポグラフィ像（すなわち２次元断面画像）を短時間内で作成できるようになった。
スリット１３ａの幅は、例えば１０〜５０μｍの範囲内の所定の幅である。スリット１３ａの幅が１０μｍ未満であると、Ｘ線強度が弱くなり過ぎて鮮明なセグメントトポグラフィ像を得ることができなくなるおそれがある。一方、スリット１３ａの幅が５０μｍを超えると、シャープなセグメントトポグラフィ像を得ることができなくなるおそれがある。
（試料台）
試料台５に測定対象である試料結晶（以下、単に試料ということがある）Ｓが取り付けられている。試料台５は模式的に描かれている。試料Ｓの厚さｄ１は例えば、０．２〜２．０ｍｍである。試料Ｓは図１の紙面を貫通する方向へ延在している。試料Ｓ内に存在する複数の結晶格子面ｋのそれぞれはおおよそ試料Ｓの厚さｄ１の方向に沿って延びている。また、それらの結晶格子面ｋは試料Ｓの厚さｄ１の方向におおよそ直交する方向に沿って互いに等間隔で平行に並んでいる。
試料台５には試料移動装置２０が付設されている。試料移動装置２０は試料台５を矢印Ａ方向へ間欠的すなわちステップ的に直線移動させることができる。そして矢印Ａ’方向へ復帰のために直線移動させることができる。Ａ−Ａ’方向は試料表面と平行な方向である。試料移動装置２０は任意の直線駆動機構を用いて構成されている。そのような直線駆動機構は、例えばパルスモータ等といった動力源によって駆動される送りねじ軸を用いた機構によって構成できる。パルスモータは、その出力軸の回転角度を制御可能なモータの１つである。
スリット部材１３のスリット１３ａを通過したＸ線Ｒ3-1 は試料Ｓを幅方向（ｄ１方向）に貫通する。試料台５がＡ方向へ所定のステップ幅で移動して、それに応じて試料Ｓが同じステップ幅でＡ方向へ移動すると、試料Ｓの次のステップ位置にＸ線Ｒ3-2が入射する。以後、試料Ｓが一定のステップ幅で移動するごとに、Ｘ線Ｒ3-3、3-4，…が試料Ｓの各ステップ位置に入射する。
試料Ｓのステップ移動（すなわち間欠移動）のステップ幅Ｓｄはスリット部材１３のスリット１３ａの幅よりも小さくなっている。これにより、Ｘ線Ｒ3-1、Ｘ線Ｒ3-2、…Ｘ線Ｒ3-nによって形成される複数のセクショントポグラフィ像（すなわち２次元断面画像）のうちの互いに隣り合うもの同士の間に隙間が出来てしまうことを防止して、それらのセクショントポグラフィ像を連続してつなげることができる。
（受光光学系）
受光光学系６は２次元Ｘ線検出器２１を有している。２次元Ｘ線検出器２１は図１の紙面を貫通する方向へ延在しており、試料Ｓから出たＸ線、すなわち回折Ｘ線Ｒ４を平面的、すなわち２次元的に受光する。この２次元Ｘ線検出器２１は、例えばフォトンカウンティング型ピクセル２次元Ｘ線検出器（すなわち、パルス計数型ピクセルアレイ２次元検出器）や、２次元ＣＣＤ検出器によって形成できる。
フォトンカウンティング型ピクセル２次元Ｘ線検出器は、Ｘ線によって励起されるフォトンを直接に電気信号に変換して出力するピクセル（画素）を複数個、２次元的に配列して成るＸ線検出器である。２次元ＣＣＤ検出器は、複数のＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）素子を平面的に並べて成るＸ線検出器である。
（制御系）
制御系３は、本実施形態ではコンピュータによって構成されている。具体的には、制御系３は、ＣＰＵ２４と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２５と、ＲＡＭ（Random Access Memory）２６と、メモリ２７と、それらを結ぶバス２８とを有している。メモリ２７はハードディスク等といった機械式メモリや、半導体メモリ、等によって形成されている。バス２８には、画像表示手段の１つであるプリンタ２９及び画像表示手段の他の１つであるディスプレイ３０が接続されている。
測定系２の構成要素であるＸ線管１１、２次元Ｘ線検出器２１及び試料移動装置２０はインターフェース３１を介してバス２８に接続されている。メモリ２７の内部には、測定系２を動かして所望のトポグラフィ測定を実現するための機能実現手段であるトポグラフィ実現ソフトウエア３４、及び測定によって求められたデータを解析するためのソフトウエアである転位密度解析ソフトウエア３５がインストールされている。また、メモリ２７の内部には、測定されたデータや解析されたデータを記憶するための領域であるデータファイル３６が設けられている。
（動作）
次に、図１のＸ線トポグラフィ装置１の動作を図３のフローチャートを用いて説明する。まず、ステップＳ１において初期調整を行って図１の各要素を所定の初期位置に配置する。次に、オペレータによって開始の指示がされていれば（ステップ２でＹＥＳ）測定を開始する。
具体的には、ステップＳ３において図１のＸ線管１１からＸ線を放射する。放射されたＸ線は多層膜ミラー１２によって単色化され、平行化され、さらに強度が高められる。それらの処理を受けたＸ線はその後、スリット部材１３のスリット１３ａによって幅が狭められた上で試料Ｓに入射する。この入射Ｘ線は図１では符号Ｒ3-1 で示されている。このＸ線照射は所定時間、例えば１分以下の所定時間にわたって行われる。このとき、入射Ｘ線Ｒ3-1と結晶格子面ｋとの間で回折条件が満足されると、回折Ｘ線Ｒ４が発生する。このＸ線Ｒ４は２次元Ｘ線検出器２１によって検出される（ステップＳ４）。
図７は、図１の２次元Ｘ線検出器２１によって検出される２次元断面画像（いわゆるセクショントポグラフィ像）の一例を示している。図中、符号Ｇ１で示される１つの細長い長方形状の画像が図１の入射Ｘ線Ｒ3-1 によって得られた２次元断面画像を示している。図１において入射Ｘ線Ｒ3-1の進行路上に格子欠陥Ｄが存在すると、その部分において欠陥に対応した強度の強い回折Ｘ線Ｒ4-1 が発生し、この高強度の回折Ｘ線により２次元断面画像Ｇ１内に黒い点が形成される。つまり、２次元断面画像Ｇ１内で黒い点が形成された位置に対応する試料Ｓ内の位置に格子欠陥が存在していることが分かる。
図７において、矢印Ｂで示す方向が図１におけるＸ線Ｒ3-1の進行方向（すなわち試料Ｓの厚さ方向）に対応している。図７の２次元断面画像Ｇ１の幅Ｌ１は図１において入射Ｘ線Ｒ3-1 が試料Ｓを通過する経路に対応している。図７において矢印Ｃで示す方向が図１における走査方向Ｃに対応している。図７において符号Ｅで示す方向は、図１において紙面を貫通する方向（すなわち試料Ｓの走査方向Ｃに直交する方向）である。
入射Ｘ線Ｒ3-1 が試料Ｓに照射される上記の所定時間とは、２次元Ｘ線検出器２１によって作成される２次元断面画像Ｇ１においてバックグランドと黒い点との間で十分なコントラスト、すなわち十分なＳＮ比を得ることができる時間である。本実施形態では入射光学系４の中のＸ線光路上に多層膜ミラー１２を設けてＸ線の強度を高めているので、多層膜ミラーを用いていない従来の装置に比べてＸ線照射時間を著しく短くすることができた。具体的には、従来のＸ線トポグラフィ装置では１つの２次元断面画像Ｇ１を得るのに数十分かかったことに対し、本実施形態では１分以下の所定時間、好ましくは１０〜２０秒、より好ましくは１０秒によって十分なコントラストが得られるようにＸ線源１１と多層膜ミラー１２の特性を最適化した。
このようにしてＸ線露光のための所定時間が経過すると（図３のステップＳ５でＹＥＳ）、ＣＰＵ２４（図１）は２次元Ｘ線検出器２１からＸ線強度信号を取り出し（図３のステップＳ６）、その信号データ（すなわち図７の２次元断面画像Ｇ１に相当するデータ）をメモリ２７のデータファイル３６内に記憶する（図３のステップＳ７）。
試料Ｓに対する１つの位置において入射Ｘ線Ｒ3-1 による撮影が終了すると、ＣＰＵ２４は試料移動装置２０に指令して試料台５従って試料Ｓを所定のステップ幅Ｓｄだけ矢印Ａ方向へ移動させ、その移動後の位置に停止させる（図３のステップＳ８でＮＯ、ステップＳ９）。このステップ幅Ｓｄは例えば１０μｍである。このステップ幅Ｓｄはスリット部材１３のスリット１３ａの幅よりも小さい値として設定される。
これにより、ステップ幅Ｓｄだけ隔たった隣のステップ位置に入射Ｘ線Ｒ3-2 が入射する状態になる。この状態で図３のステップＳ３からステップＳ７が繰り返されて、図７の２次元断面画像Ｇ２がＸ線強度信号のデータとして得られ、記憶される。入射Ｘ線Ｒ3-2 の進行路上に格子欠陥Ｄが存在すれば、その欠陥に対応して強度の強い回折Ｘ線Ｒ4-2 が発生し、その回折Ｘ線によって２次元断面画像Ｇ２内に黒い点が現れる。
これ以降、２次元断面画像Ｇ１、Ｇ２、…Ｇｎが所定の多数枚、例えば４００枚得られるまで、試料Ｓのステップ移動及びＸ線測定が繰り返して行われる（図３のステップＳ８でＮＯ、ステップＳ９）。これにより、図７に示すように、試料Ｓの各ステップ位置に関する多数枚の２次元断面画像Ｇ１、Ｇ２、…Ｇｎが記憶される。
所定枚数の測定が終了して（ステップＳ８でＹＥＳ）、さらにオペレータによって解析の指令がなされると（ステップＳ１０でＹＥＳ）、ＣＰＵ２４は図３のステップＳ１１において図８に模式的に示すような３次元画像Ｊを生成し、それをメモリ内に記憶する。この３次元画像Ｊは、試料Ｓの各ステップ位置に関する多数枚（本実施形態では４００枚）の２次元断面画像Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，…Ｇｎを３次元座標Ｚ内で重ねて並べることによって形成されている。３次元座標Ｚは、横軸が移動距離Ｘであり、縦軸が試料走査方向に直交する方向Ｅであり、高さ軸がＸ線の進行方向（又は試料の厚さｄ１の方向）である。
ＣＰＵ２４はその後、ステップＳ１２において第２の２次元画像を生成して、それをメモリ内に記憶する。具体的には、測定した面とは別の平面で３次元画像Ｊを切り出して、その平面内での転位像（黒点）のデータを集めてメモリ内に記憶する。例えば、図８において３次元画像Ｊの表面Ｐ２内に属するデータを集めて記憶したり、表面から距離ｄ２だけ離れた平面Ｐ３内に属するデータを集めて記憶する。
このような第２の２次元画像は、例えば図９の左側の写真のように表される。この写真は、ＳｉＣウエハを図１の試料Ｓとして測定を行って図８に示したような３次元画像Ｊを生成し、さらに表面Ｐ２又はその近傍の表面内の転位データを集めたものを画像として表示したものである。測定条件は、次の通りであった：
ステップ移動間隔：１０μｍ
取得した２次元断面画像（セクショントポグラフィ像）：４００枚
１枚の２次元断面画像のための測定時間：５０秒
視野：４ｍｍ×６ｍｍ
この写真において長い線は転位がこの平面内で延びていることを示しており、ドットは転位が試料の厚さ方向に延びていることを示している。
図９の右側の写真は比較のため、試料の同じ場所をトラバーストポグラフィの手法を用いて測定して得られた２次元画像を示している。トラバーストポグラフィにおいては断面内のデータが２次元Ｘ線検出器によって積算されるので、試料内に存在するすべての転位が重なって現れてしまう。そのため、試料の内部のある深さにおける転位情報を正確に反映することが出来なかった。これに対し、図９の左側に示した本実施形態の場合は、当該深さの平面における転位情報を極めて正確に反映している。このため、本実施形態によれば、基底面転位、貫通らせん転位、貫通刃状転位を正確に区別して識別できることが明らかになった。
次に、ＣＰＵは図３のステップＳ１３において転位密度の計算を行う。すなわち、図９の左側の写真のようにして得られた平面内の転位像に基づいて転位密度（個／ｃｍ２）を計算する。その後、必要に応じてディスプレイ３０を用いた画像表示を行い（ステップＳ１４、Ｓ１５）、さらに必要に応じてプリンタ２９を用いた画像の印刷を行う（ステップＳ１６、Ｓ１７）。
以上のように、本実施形態によれば、Ｘ線入射ビームに沿った断面に存在する転位像をコントラスト高く測定することが可能である。セクショントポグラフィ像を照射断面を少しずつずらしながら多数回測定し、それらを解析することにより、ウエハ内部における転位の３次元的な構造が得られる。得られた３次元画像を表面に平行な方向に切り出し、深さ一定の面内に存在する転位像を得ることが出来る。
本実施形態によれば、表面付近に存在する転位や表面から一定の深さに存在する転位のみを観測することが可能であり、放射光を用いた反射Ｘ線トポグラフィとの比較により、貫通刃状転位が観測可能であることが証明された。また、本実施形態によれば、転位がどのように走っているかを明確に知ることが出来る。例えば、表面に平行であるとか、裏から表へ延びているとか、表から裏側に延び、再び向きを変えて表側に出ていくとか、を判定できる。また、表面は貫通転位による点が多いとか、内部は基底面転位による線が多いとかを明確に判定できる。
（その他の実施形態）
以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。
例えば、図１の多層膜ミラー１２は図２に示した形状の多層膜ミラーに限られず、必要に応じて任意の形状とすることができる。また、図３に示した制御の流れは１つの実施例であり必要に応じて改変できる。
（実施例）
ＳｉＣ基板上にＳｉＣエピタキシャル膜を約１０μｍ成長させて成る結晶、すなわち基板と膜が同じ結晶であるホモエピタキシャル結晶を試料として、図１のＸ線トポグラフィ装置によって測定を行った。その結果、エピタキシャル膜の表面近傍において図１０に示す第２の２次元画像が得られた。エピタキシャル膜と基板の１つの界面において図１１に示す第２の２次元画像が得られた。エピタキシャル膜と基板の他の１つの界面において図１２に示す第２の２次元画像が得られた。基板の内部の１ヶ所において図１３に示す第２の２次元画像が得られた。基板の内部の他の１ヶ所において図１４に示す第２の２次元画像が得られた。そして、基板の裏側において図１５に示す第２の２次元画像が得られた。
１．Ｘ線トポグラフィ装置、２．測定系、３．制御系、４．入射光学系、５．試料台、６．受光光学系、１１．Ｘ線管、１２．多層膜ミラー、１３．スリット部材、１３ａ．スリット、１４．フィラメント（陰極）、１５．ターゲット（陽極）、１６．Ｘ線窓、２０．試料移動装置、２１．２次元Ｘ線検出器、２７．メモリ、２８．バス、２９．プリンタ（画像表示手段）、３０．ディスプレイ（画像表示手段）、３１．インターフェース、３４．トポグラフィ実現ソフトウエア、３５．転位密度解析ソフトウエア、３６．データファイル、５０．多層膜モノクロメータ、５１．重元素層、５２．軽元素層、５３．基板、Ｂ．厚さ方向、Ｃ．走査方向、Ｄ．格子欠陥、Ｄ１．距離、ｄ１．試料の厚さ、ｄ２．面の隔たり距離、Ｅ．走査方向に直交する方向、Ｆ．Ｘ線焦点、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３、…Ｇｎ．２次元断面画像、Ｈ．スリット幅方向、Ｊ．３次元画像、ｋ．結晶格子面、Ｌ１．２次元断面画像の幅、Ｐ１：表面、Ｐ２，Ｐ３．３次元画像の切出し表面、Ｒ１：入射Ｘ線、Ｒ２：回折Ｘ線、Ｒ3-1，Ｒ3-2，入射Ｘ線、Ｒ4-1，4-2．回折Ｘ線、Ｓ．試料結晶、Ｓｄ．ステップ幅、Ｔ１：入射側の厚さ、Ｔ２：出射側の厚さ、Ｘ．試料移動軸、Ｚ．３次元座標

Claims (4)

  1. 試料の内部構造に対応してＸ線を用いて２次元画像を形成するＸ線トポグラフィ装置において、
    前記試料を照射するＸ線を発生するＸ線源と、
    前記試料と前記Ｘ線源との間に設けられた多層膜ミラーと、
    前記試料と前記Ｘ線源との間に設けられておりＸ線の幅を規制するスリットを備えたスリット部材と、
    前記試料から出たＸ線を２次元的に検出する２次元Ｘ線検出手段と、
    前記試料と当該試料を照射するＸ線とを相対的にステップ的に移動させることにより、前記試料を複数のステップ位置へ順次に移動させる試料移動手段と、
    を有しており、
    前記Ｘ線源は微小焦点からＸ線を発生し、
    前記多層膜ミラーは、前記Ｘ線源から出たＸ線から単色で平行で強度の強いＸ線を形成し、
    前記多層膜ミラーがＸ線を平行化する方向は前記スリット部材のスリットの幅方向であり、
    前記試料移動手段によって移動する試料のステップ幅は前記スリットの幅よりも小さくなっており、
    前記微小焦点の大きさの値、前記スリットの幅の値、及び前記多層膜ミラーから出射されるＸ線の強度の値の各値の組み合わせは、前記２次元Ｘ線検出手段が１分以下の所定時間内でＸ線を受光したときに得られるＸ線画像のコントラストを、当該Ｘ線画像を観察する上で十分なコントラストとすることができる値の組み合わせである
    ことを特徴とするＸ線トポグラフィ装置。
  2. 前記複数のステップ位置における各ステップ位置で前記試料にＸ線を前記所定時間照射し、そのときに当該試料から出るＸ線を前記２次元Ｘ線検出手段によって検出することにより、各ステップ位置に関する２次元断面画像を取得し、
    それら複数の２次元断面画像を並べて３次元画像を形成し、
    当該３次元画像に関して測定によって得られた面とは別の平面に沿ってデータを取り出して第２の２次元画像を取得する
    ことを特徴とする請求項１記載のＸ線トポグラフィ装置。
  3. 前記第２の２次元画像に基づいて転位密度を算出することを特徴とする請求項２記載のＸ線トポグラフィ装置。
  4. 前記微小焦点は直径が１００μｍの円に収まる大きさの焦点であり、前記スリットの幅は１０〜５０μｍである
    ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載のＸ線トポグラフィ装置。
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