JPH1048159A - Method and apparatus for analyzing structure - Google Patents
Method and apparatus for analyzing structureInfo
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- JPH1048159A JPH1048159A JP21789496A JP21789496A JPH1048159A JP H1048159 A JPH1048159 A JP H1048159A JP 21789496 A JP21789496 A JP 21789496A JP 21789496 A JP21789496 A JP 21789496A JP H1048159 A JPH1048159 A JP H1048159A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、X線を試料に照射
し、この試料からの回折現象によって得られた回折X線
のエネルギー、回折方向及び強度の空間分布を検出する
ことにより、試料の電子構造及び原子構造を解析する構
造解析方法及び構造解析装置に関し、特に、試料の表
面、表面近傍及び表面近傍の界面の構造の解析に適用し
て好適である。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of irradiating a sample with X-rays and detecting a spatial distribution of energy, diffraction direction and intensity of the diffracted X-rays obtained by a diffraction phenomenon from the sample. The present invention relates to a structure analysis method and a structure analysis apparatus for analyzing an electronic structure and an atomic structure, and is particularly suitably applied to the analysis of the structure of the surface of a sample, the vicinity of the surface, and the interface near the surface.
【0002】[0002]
【従来の技術】X線回折法は、他の主要な構造解析方法
の一つである電子線回折法と比較すると、多様な測定雰
囲気が選択でき、その場における観察が可能であること
や、多重散乱が少ないために、回折強度の定量が比較的
容易であるために精密な構造解析が容易である等の利点
を有している。2. Description of the Related Art The X-ray diffraction method has a variety of measurement atmospheres and can be observed on the spot, as compared with the electron beam diffraction method which is one of the other main structural analysis methods. It has the advantage that the quantitative analysis of the diffraction intensity is relatively easy because the multiple scattering is small, so that precise structural analysis is easy.
【0003】このような利点を有するX線回折法を、特
に、表面近傍の構造解析に応用する方法としては、X線
を試料の数度の微小角度で入射させて、X線の試料への
侵入深さを比較的小さくして、表面近傍からの回折強度
を大きくする微小角入射X線回折法が用いられていた。As a method of applying the X-ray diffraction method having such advantages to, in particular, structural analysis near the surface, X-rays are incident on the sample at a small angle of several degrees, and X-rays are applied to the sample. A grazing incidence X-ray diffraction method in which the penetration depth is made relatively small and the diffraction intensity from the vicinity of the surface is increased has been used.
【0004】このような、従来の微小角入射X線回折法
においては、試料表面と直交若しくはそれに近い角度を
なす面内の方向に回折されるX線を検出していた。その
X線を検出するために、試料表面と直交若しくはそれに
近い角度をなす面内に0次元又は1次元型の検出器を回
転させながら測定していた。さらに、二次元型検出器を
用いて測定する場合には、前記面内方向に回転可能なゴ
ニオメーターと特殊スクリーンを用い、且つ回折線の出
射角度を限定して測定する必要があった(特開平6−2
22017号公報)。In such a conventional grazing incidence X-ray diffraction method, X-rays diffracted in a direction in a plane perpendicular to or close to the sample surface are detected. In order to detect the X-rays, measurement was performed while rotating a zero-dimensional or one-dimensional detector in a plane perpendicular to or close to the surface of the sample. Further, when measuring using a two-dimensional detector, it is necessary to use a goniometer rotatable in the in-plane direction and a special screen, and to limit the angle of emission of the diffraction line. Kaihei 6-2
No. 22017).
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】材料の表面の構造を調
べる従来の微小角入射X線回折法としては、図7に示す
ように、 (a)散乱ベクトルが試料表面と垂直な面内にある光学
系(以下、表面光学系(I)と称する。) (b)散乱ベクトルが前記面内にある光学系(以下、表
面光学系(II)と称する。)の2種類の測定法があっ
た。これらの特徴を以下の表1に示す。The conventional grazing incidence X-ray diffraction method for examining the structure of the surface of a material is described as follows. As shown in FIG. 7, (a) the scattering vector is in a plane perpendicular to the sample surface. Optical system (hereinafter referred to as surface optical system (I)) (b) There are two kinds of measurement methods of an optical system having a scattering vector in the plane (hereinafter referred to as surface optical system (II)). . These features are shown in Table 1 below.
【0006】[0006]
【表1】 [Table 1]
【0007】表面光学系(I)では、X線の入射角度を
数度に限定し、検出器を表面と垂直に近い面内でスキャ
ンさせる。その結果得られる情報は表面近傍のバルク領
域の情報、即ち、表面深さが数μm;数千原子層程度ま
での厚い領域の平均情報である。In the surface optical system (I), the incident angle of the X-ray is limited to several degrees, and the detector is scanned in a plane almost perpendicular to the surface. The information obtained as a result is information on a bulk region near the surface, that is, average information on a thick region having a surface depth of several μm;
【0008】一方、表面光学系(II)では、X線の入
射角度を臨界角度αc 近傍に固定試料、検出器を表面と
平行に近い面内でスキャンさせる。その結果得られる情
報は最表面(100Å以下;20原子層以下)の表面内
方向の二次元構造、即ち、表面深さが極めて小さい最表
面域の面内の原子配列の情報である。On the other hand, the surface optical system (II), X-ray incident angle of the critical angle alpha c vicinity to the fixed sample, scanning the detector surface in nearly parallel to plane. The information obtained as a result is information on the two-dimensional structure in the in-plane direction of the outermost surface (100 ° or less; 20 atomic layers or less), that is, information on the in-plane atomic arrangement in the outermost surface region having a very small surface depth.
【0009】ところが、従来の微小角入射X線回折法の
表面光学系(I)で0次元の検出器をスキャンさせて測
定する方法では、検出器を表面と垂直な面内にスキャン
させるために、その回折角度によって観察される周期性
の方向が異なるため、表面近傍の結晶粒が特定の方位に
優先的に配向する場合には、定量的な解析が困難であっ
た。However, in the conventional method of scanning and measuring a zero-dimensional detector with the surface optical system (I) of the grazing incidence X-ray diffraction method, it is necessary to scan the detector in a plane perpendicular to the surface. Since the direction of the periodicity observed differs depending on the diffraction angle, quantitative analysis is difficult when the crystal grains near the surface are preferentially oriented in a specific direction.
【0010】さらに、微弱な信号を測定するうえで多く
の問題があった。これは、通常のバルクのX線回折法に
比べて、入射角度αを微小角に固定した表面回折法で
は、回折に寄与する表面層中の原子数が少なく、その回
折強度が極めて弱く、信号/バックグラウンド比(S/
B比)が小さいからである。Furthermore, there are many problems in measuring a weak signal. This is because, compared to the ordinary bulk X-ray diffraction method, the surface diffraction method in which the incident angle α is fixed to a small angle has a smaller number of atoms in the surface layer contributing to diffraction, the diffraction intensity is extremely weak, and the signal intensity is lower. / Background ratio (S /
B ratio) is small.
【0011】さらに、異なる深さの構造変化を調べるた
めには、入射角度αを変えて測定する必要があり、更に
長い測定時間を必要とした。Further, in order to examine structural changes at different depths, it is necessary to change the incident angle α, and a longer measurement time is required.
【0012】また、従来の表面光学系(I)で二次元型
の検出器をスキャンさせて測定する方法(特開平6−2
22017号公報)においても、特殊スクリーンを用
い、且つ回折線の出射角度を限定して測定する必要があ
るために、一度に測定出来るのは三次元に広がる回折線
の一部であり、広い領域の回折線を同時に測定すること
は不可能であった。そのために、測定に長時間を要する
場合には、測定の途中で試料の構造が変化してしまい
(例えば、大気中の水分との反応)、精密な構造解析が
不可能であった。A method of scanning a two-dimensional detector with a conventional surface optical system (I) for measurement (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-2).
Also in Japanese Patent No. 22017), since it is necessary to use a special screen and measure the diffraction beam at a limited angle, only one part of the diffraction line that can be measured at a time can be measured at a time. Cannot be measured simultaneously. Therefore, when the measurement requires a long time, the structure of the sample changes during the measurement (for example, a reaction with moisture in the atmosphere), and precise structural analysis is impossible.
【0013】一方、従来の表面光学系(II)では、0
次元型の検出器をスキャンさせて測定しており、微弱な
信号を測定するうえで、測定時間が非常に長い、その長
時間の測定中に構造が変化する可能性がある、三次元に
広がる回折線の一点を測定するためノイズ・バックグラ
ウンドとの識別が困難である、等の多くの問題があっ
た。これは、通常のバルクのX線回折法に比べて、入射
角度αを微小角に固定した表面回折法では、回折に寄与
する表面層中の原子数が少なく、その回折強度が極めて
弱く、信号/バックグラウンド比(S/B比)が小さい
からである。そのため、精度の良い回折データを測定す
るためには長時間を要した。On the other hand, in the conventional surface optical system (II), 0
The measurement is performed by scanning a two-dimensional detector, and when measuring a weak signal, the measurement time is very long, the structure may change during the long time measurement, it spreads in three dimensions There are many problems such as difficulty in distinguishing from the noise background because one point of the diffraction line is measured. This is because, compared to the ordinary bulk X-ray diffraction method, the surface diffraction method in which the incident angle α is fixed to a small angle has a smaller number of atoms in the surface layer contributing to diffraction, the diffraction intensity is extremely weak, and the signal intensity is lower. This is because the background ratio (S / B ratio) is small. Therefore, it took a long time to measure accurate diffraction data.
【0014】例えば、単結晶の金(001)表面を、電
力2kWの封入型のX線発生装置を用いて、入射角度α
を臨界角度αc 近傍に保ち、シンチレーションカウンタ
ーなどの0次元検出器を表面とほぼ平行な面内にスキャ
ンさせて測定する従来の表面回折法においては、一つの
回折ピークを測定するのに一日以上の時間を必要とし、
表面構造の同定のために全回折ピークを測定するには数
日を要する。更に非晶や微量含有物のように、S/B比
が更に小さい場合には、このような方法では長時間測定
しても回折線の検出が不可能なことも多かった。そのた
め、定量的な解析はもちろん定性的な結晶構造の同定に
も大きな問題となっていた。For example, the surface of a single crystal gold (001) is irradiated with an incident angle α using an enclosed X-ray generator with a power of 2 kW.
In the conventional surface diffraction method in which the measurement is performed by scanning a zero-dimensional detector such as a scintillation counter in a plane substantially parallel to the surface, and measuring the diffraction peak in the vicinity of the critical angle α c , it takes one day to measure one diffraction peak. Need more time,
It takes several days to measure all diffraction peaks for identification of the surface structure. Further, when the S / B ratio is still smaller, such as in the case of an amorphous substance or a trace content, it is often impossible to detect a diffraction line by such a method even if measurement is performed for a long time. For this reason, not only quantitative analysis but also qualitative crystal structure identification has been a major problem.
【0015】さらに、従来の表面光学系(I)及び表面
光学系(II)の双方において、0次元型の検出器をス
キャンさせて測定する場合に共通する問題として、結晶
粒が特定の方位に優先的に配向した材料での測定が非常
に困難若しくは不可能である点が挙げられる。これは、
材料が多結晶(結晶方位がランダム)な場合には任意の
方向に検出器をスキャンさせても回折線の測定が可能で
あるが、結晶粒が特定の方位に優先的に配向した材料で
は回折線が特定の方向にのみ現れるので、ある特定の方
向に走査しても回折線の現れる方向と一致していなけれ
ばこの回折線を捕らえることができないからである。し
かし、こうした材料表面の結晶粒に優先配向性が見られ
る場合は多い。このような材料としては、膜が成長する
際に基板の結晶構造の影響を受け、基板の結晶構造と整
合性を有する優先的な結晶方位に成長するエピタキシャ
ル成長薄膜がある。このようなエピタキシャル膜は電子
材料に多く、その表面解析による解析は極めて重要であ
る。Further, in both the conventional surface optical system (I) and the surface optical system (II), a problem common to the case where the measurement is performed by scanning a 0-dimensional detector is that the crystal grains are oriented in a specific direction. Measurements with preferentially oriented materials are very difficult or impossible. this is,
If the material is polycrystalline (the crystal orientation is random), the diffraction line can be measured even if the detector is scanned in any direction. This is because the line appears only in a specific direction, and even if scanning is performed in a specific direction, the diffraction line cannot be captured unless it coincides with the direction in which the diffraction line appears. However, there are many cases where preferential orientation is observed in the crystal grains on the surface of such a material. As such a material, there is an epitaxially grown thin film which is influenced by the crystal structure of the substrate when the film is grown and grows in a preferential crystal orientation having consistency with the crystal structure of the substrate. Such an epitaxial film is often present in electronic materials, and its analysis by surface analysis is extremely important.
【0016】さらに、従来の次元又は1次元検出器を用
いる微小角入射X線回折法によって、表面光学系(I)
と表面光学系(II)の測定を1台の回折装置で行うに
は、検出器の走査の仕方が全く異なるために、大掛かり
な構造解析システムを用いる必要があった。また、異な
る回折線を同時に測定することは、従来の方法では原理
的に不可能であるため、それぞれの情報を別途調べるし
かなく、表面近傍の二次元構造の深さ方向の変化や、動
的な変化を観察することは困難であった。Further, the surface optical system (I) can be obtained by a grazing incidence X-ray diffraction method using a conventional dimensional or one-dimensional detector.
In order to perform the measurement of the surface optical system (II) with a single diffraction device, it is necessary to use a large-scale structural analysis system because the manner of scanning by the detector is completely different. In addition, since it is impossible in principle to measure different diffraction lines using the conventional method, it is inevitable to examine each information separately. It was difficult to observe any significant changes.
【0017】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るために成されたものであり、材料表面からの回折現象
によって得られた回折X線のエネルギー、回折方向、回
折強度の空間分布を検出する方法において、試料の表面
・表面近傍の界面の原子構造や電子構造の試料面に平行
な二次元構造とその深さ方向の変化の情報を同時に、短
時間で、高精度に解析する構造解析方法及び構造解析装
置を提供することを目的とする。The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and is intended to reduce the spatial distribution of the energy, diffraction direction, and diffraction intensity of diffracted X-rays obtained by the diffraction phenomenon from the material surface. In the detection method, a two-dimensional structure parallel to the sample surface, such as the atomic structure and electronic structure of the surface of the sample and the interface near the surface, and information on changes in the depth direction are simultaneously analyzed in a short time and with high accuracy. An object of the present invention is to provide an analysis method and a structure analysis device.
【0018】[0018]
【課題を解決するための手段】本発明では、上述した従
来の問題を解決するために鋭意検討した結果、試料に対
するX線の入射角度を限定し、且つ、検出器として二次
元型検出器を用い、必要に応じて二次元型検出器を試料
表面と平行な面内方向に移動させて再び測定することに
より、表面からの回折線を短時間で効率的に測定でき、
更に試料面に平行な二次元構造とその深さ方向の変化の
情報を同時に測定できるという知見を得た。本発明は、
この知見に基づいてなされたものである。According to the present invention, as a result of diligent studies to solve the above-mentioned conventional problems, the angle of incidence of X-rays on a sample is limited, and a two-dimensional detector is used as a detector. By using, and if necessary, moving the two-dimensional detector in the in-plane direction parallel to the sample surface and measuring again, diffraction lines from the surface can be measured efficiently in a short time,
In addition, it was found that the information on the two-dimensional structure parallel to the sample surface and the change in the depth direction can be measured simultaneously. The present invention
This is based on this finding.
【0019】本発明の構造解析方法は、X線を試料に照
射し、この試料から回折されたX線のエネルギー及び/
又は回折強度の空間分布を検出することにより前記試料
の原子及び/又は電子の構造を解析するものであって、
入射X線と前記試料の表面とがなす角度αが0°<α≦
5°の範囲内でX線を入射し、回折されたX線を二次元
型検出器で検出する手法である。According to the structure analysis method of the present invention, a sample is irradiated with X-rays, and the energy of X-rays diffracted from the sample and / or
Or analyzing the structure of atoms and / or electrons of the sample by detecting the spatial distribution of diffraction intensity,
The angle α between the incident X-ray and the surface of the sample is 0 ° <α ≦
This is a technique in which X-rays are incident within a range of 5 ° and diffracted X-rays are detected by a two-dimensional detector.
【0020】本発明の構造解析方法の一態様例において
は、αc を入射X線に対する試料の臨界角度としたと
き、入射X線と試料面とがなす角度αを0°<α≦2α
c の範囲内の値とする。In one embodiment of the structure analysis method of the present invention, when α c is the critical angle of the sample with respect to the incident X-ray, the angle α between the incident X-ray and the sample surface is 0 ° <α ≦ 2α.
The value must be within the range of c .
【0021】本発明の構造解析方法の一態様例において
は、前記二次元型検出器を前記試料の表面と平行な面内
方向に移動させて再び測定する操作を繰り返す。In one embodiment of the structural analysis method of the present invention, the operation of moving the two-dimensional detector in an in-plane direction parallel to the surface of the sample and measuring again is repeated.
【0022】本発明の構造解析装置は、X線を試料に照
射し、この試料から回折されたX線のエネルギー及び/
又は回折強度の空間分布を検出することにより前記試料
の原子及び/又は電子の構造を解析するためのものであ
って、入射X線と前記試料の表面とがなす角度αが0°
<α≦5°の範囲内でX線を入射させることができ、且
つ前記試料から回折されたX線を二次元型検出器で検出
する装置である。The structure analyzing apparatus of the present invention irradiates a sample with X-rays, and obtains energy and / or energy of X-rays diffracted from the sample.
Or for analyzing the structure of atoms and / or electrons of the sample by detecting the spatial distribution of diffraction intensity, wherein the angle α between the incident X-ray and the surface of the sample is 0 °.
This is an apparatus that can make X-rays incident within the range of <α ≦ 5 ° and detects X-rays diffracted from the sample by a two-dimensional detector.
【0023】本発明の構造解析装置は、試料の表面がx
−y平面内となるようにx,y,zの直交座標系を設定
するときに、前記試料をx,yの各軸の周りに回転さ
せ、且つx,y,zの各軸の方向に平行移動することが
できる試料ホルダーと、前記試料にX線を照射させたと
きにこの試料から生じる回折X線を検出する二次元型検
出器と、z軸の周りに前記試料ホルダーを回転させる第
1の角度制御部と、前記二次元型検出器が結合されてお
り、この二次元型検出器を前記第1の角度制御部の回転
軸の周りの任意の位置に配置させる第2の角度制御部
と、z軸と直交する軸の周りに前記試料ホルダー、前記
第1及び第2の角度制御部を回転させる第3の角度制御
部と、前記二次元型検出器並びに前記第1、第2及び第
3の角度制御部を制御するための制御部とを有する。In the structure analyzing apparatus of the present invention, the surface of the sample is x
When setting the x, y, z orthogonal coordinate system to be within the y plane, rotate the sample around each of the x, y axes, and in the directions of the x, y, z axes. A sample holder that can be translated, a two-dimensional detector that detects diffracted X-rays generated from the sample when the sample is irradiated with X-rays, and a second unit that rotates the sample holder around the z-axis. A first angle control unit and the two-dimensional detector are coupled to each other, and a second angle control for disposing the two-dimensional detector at an arbitrary position around a rotation axis of the first angle control unit Part, a third angle controller for rotating the sample holder, the first and second angle controllers about an axis orthogonal to the z-axis, the two-dimensional detector, and the first and second detectors. And a control unit for controlling the third angle control unit.
【0024】[0024]
【作用】上述した構成の発明により目的が達成できるの
は、以下の理由による。The object of the present invention can be achieved for the following reasons.
【0025】X線の入射角度を限定することによりX線
の侵入深さを極めて小さく保つことができる。そして、
二次元型検出器により深さ方向の周期性からの情報を含
む回折線(表面回折線:ID と称する)と表面内方向の
周期性からの情報を含む回折線(表面回折線:IP と称
する)とを同時に測定する。二次元型検出器に測定され
た回折線は、表面回折線ID 及びIP の双方の成分を含
む集合体であるため、深さ方向と表面内方向の情報の割
合が種々に混合された回折線を同時に測定することがで
きる。By limiting the incident angle of the X-ray, the penetration depth of the X-ray can be kept extremely small. And
A two-dimensional detector uses a diffraction line containing information from the periodicity in the depth direction (surface diffraction line: referred to as ID ) and a diffraction line containing information from the periodicity in the surface direction (surface diffraction line: I P). ) Are measured at the same time. Two-dimensional detector to the measured diffraction lines are the aggregate containing both components of surface diffraction lines I D and I P, the ratio of the depth and the surface in the direction information is variously mixed Diffraction lines can be measured simultaneously.
【0026】具体的には、試料表面と平行な方向はIP
成分のみであり、それと直交する試料表面と垂直方向は
ID 成分のみであって、それ以外の方向は両者が種々の
割合で混在する領域である。即ち、二次元型検出器によ
り求められた強度分布は、試料表面の二種類の情報(深
さ方向の周期性及び表面内方向の周期性)を変数とする
関数F(ID ,IP )に対応する。そして、回折理論か
ら回折強度であるID及びIP を構造に変換することに
より、種々の深さ、面内方向の構造が決定できる。Specifically, the direction parallel to the sample surface is I P
Only the component, the perpendicular direction to the sample surface and the direction perpendicular thereto is only the ID component, and the other directions are regions where both are mixed at various ratios. That is, the intensity distribution obtained by the two-dimensional detector is a function F ( ID , IP ) using two types of information (the periodicity in the depth direction and the periodicity in the in-surface direction) of the sample surface as variables. Corresponding to Then, by converting the diffraction intensities I D and I P from the diffraction theory to the structures, the structures in various depths and in-plane directions can be determined.
【0027】より広い範囲の情報を得るために、特定の
位置に二次元型検出器を配置して測定した後、この二次
元型検出器を試料表面と平行な面内方向に移動させ再び
測定する。この操作を繰り返すことにより、種々の深さ
の面内方向の構造を明らかにするのに十分な情報が集め
られることになる。In order to obtain a wider range of information, a two-dimensional detector is arranged at a specific position for measurement, and then the two-dimensional detector is moved in an in-plane direction parallel to the sample surface to measure again. I do. By repeating this operation, sufficient information will be gathered to reveal structures in the in-plane direction at various depths.
【0028】[0028]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。Embodiments of the present invention will be described below.
【0029】表面回折法において、X線の入射角度αを
0°<α≦5°の範囲内の値に限定する(以下、入射条
件1と称する)のは、以下の理由による。In the surface diffraction method, the X-ray incident angle α is limited to a value within the range of 0 ° <α ≦ 5 ° (hereinafter referred to as “incident condition 1”) for the following reason.
【0030】dを回折を起こす面の面間隔、αを入射X
線と試料面とがなす角度とすると、入射X線の試料11
中の光路長lが、l∝d/cos(α)で表される。そ
のため、表面近傍の情報を強調するためには、X線の入
射深さを限定し、且つX線が完全に減衰するまでの経路
(光路)を表面近傍に限定すればよい。X線の入射角度
αを0°<α≦5°に限定すると、表面近傍の情報が通
常の2θ−θの光学系に比べて10倍以上強調されるの
で、目的を達成するために必要な要件となるのである。D is the distance between the surfaces causing diffraction and α is the incident X
Assuming that the angle between the line and the sample surface is made, the sample 11 of the incident X-ray
The medium optical path length l is represented by l∝d / cos (α). Therefore, in order to emphasize the information near the surface, the incident depth of the X-ray may be limited, and the path (optical path) until the X-ray is completely attenuated may be limited to the vicinity of the surface. When the incident angle α of the X-ray is limited to 0 ° <α ≦ 5 °, information near the surface is enhanced 10 times or more as compared with a normal 2θ-θ optical system, so that it is necessary to achieve the object. It is a requirement.
【0031】表面回折法において、特に、X線の入射角
度αを0°<α≦2αc の範囲内に限定(以下、入射条
件2と称する)のは、以下の理由による。[0031] In the surface diffraction method, in particular, limit the incidence angle alpha of the X-ray in the range of 0 ° <α ≦ 2α c (hereinafter, referred to as incident condition 2) is given to the following reason.
【0032】入射条件1よりも更に表面近傍の領域の二
次元構造を調べるためには、X線の入射深さを更に限定
し、且つ表面内の二次元構造からの回折線を検出する必
要がある。そのためには、入射角度αを入射が表面によ
って全反射される臨界角度αc 近傍に保つ必要がある。
このような条件では入射したX線が全反射され入射線の
試料11への侵入深さが約100Å(約20原子層)以
下であり、且つ入射X線と回折X線との干渉による強調
効果により最表面の二次元構造に関する情報を表面光学
系(II)での測定が可能となる。In order to investigate the two-dimensional structure in a region near the surface more than the incident condition 1, it is necessary to further limit the X-ray incident depth and to detect diffraction lines from the two-dimensional structure in the surface. is there. For this purpose, it is necessary to keep the incident angle α close to the critical angle α c at which the incident light is totally reflected by the surface.
Under such conditions, the incident X-rays are totally reflected, the penetration depth of the incident rays into the sample 11 is about 100 ° (about 20 atomic layers) or less, and the enhancement effect due to the interference between the incident X-rays and the diffracted X-rays Thus, information on the two-dimensional structure of the outermost surface can be measured by the surface optical system (II).
【0033】表面回折法において、更に、X線の入射角
度αを2αc 以下に保つのは、それより大きい角度にお
いては、試料11への侵入深さが急激に大きくなり、且
つ上述した回折X線の干渉による強調効果が著しく弱く
なるからである。入射角度αの下限が0°より大きいの
は、これ以下では測定が不能となるからである。また、
試料11表面が完全な平面でない場合や、複数の層から
構成されている場合には、表面粗さや複数層の荷重平均
による臨界角度を臨界値αc として採用すればよい。In the surface diffraction method, the reason why the incident angle α of X-rays is kept at 2α c or less is that at a larger angle, the penetration depth into the sample 11 becomes sharply large and the diffraction X This is because the emphasis effect due to the line interference is significantly reduced. The lower limit of the incident angle α is larger than 0 ° because measurement becomes impossible below this value. Also,
And if the sample 11 surface is not completely flat, if it is composed of a plurality of layers may be employed a critical angle by the weighted average of the surface roughness and a plurality of layers as the critical value alpha c.
【0034】入射条件1又は入射条件2の方法を用いる
ことにより、X線の入射深さを限定できるため、この条
件でにしたX線からの回折線を検出することにより表面
・界面の構造を解析することができる。この実施の形態
の入射条件では、上述したようにX線の侵入深さは十分
に小さく、表面の信号のみを効果的に取り出すことがで
きる。そのため、従来(特開平6−222017号公
報)必要とされていた特殊スクリーンを用いたり、回折
線の出射角度を限定して測定する必要はない。Since the X-ray incident depth can be limited by using the method of the incident condition 1 or the incident condition 2, the structure of the surface / interface can be reduced by detecting the diffraction line from the X-ray under the condition. Can be analyzed. Under the incidence conditions of this embodiment, as described above, the penetration depth of X-rays is sufficiently small, and only signals on the surface can be effectively extracted. Therefore, there is no need to use a special screen, which has been conventionally required (Japanese Patent Laid-Open No. 6-222017), or to perform measurement by limiting the emission angle of diffraction rays.
【0035】二次元型検出器としては、例えばイメージ
ングプレートやCCDカメラを用いる。イメージングプ
レートの場合には同時にシンチレーション型等の検出器
によりモニターしながら測定することが便利な場合もあ
る。また、二次元型検出器としてイメージングプレート
等を用いる場合、逆格子空間を歪みなしで測定するため
に湾曲させることが有効である。As the two-dimensional detector, for example, an imaging plate or a CCD camera is used. In the case of an imaging plate, it may be convenient to simultaneously perform measurement while monitoring with a detector such as a scintillation type. When an imaging plate or the like is used as a two-dimensional detector, it is effective to bend the reciprocal lattice space in order to measure it without distortion.
【0036】この解析方法を具体的な構造解析装置の構
成を挙げて説明する。図1にこの構造解析装置を例示す
る。This analysis method will be described with reference to a specific structure analysis apparatus. FIG. 1 illustrates this structural analysis apparatus.
【0037】この構造解析装置は、試料ホルダー1と、
角度制御部2〜4と、二次元型検出器5と、制御部6
と、アーム7とから構成されている。This structural analysis apparatus comprises a sample holder 1 and
Angle control units 2 to 4, two-dimensional detector 5, control unit 6
And an arm 7.
【0038】試料ホルダー1は、試料11を保持し、入
射X線に対する試料11の向きと位置を制御するもので
ある。その機能として、試料11表面がx−y平面内に
なるようにx,y,zの直交座標系をとるときに、試料
11をx,yの各軸の周りに回転させ、且つ、x,y,
zの各軸の方向に平行移動させることができる。この試
料ホルダー1は、角度制御部2の回転中心軸(z軸)上
に設置されている。The sample holder 1 holds the sample 11 and controls the direction and the position of the sample 11 with respect to the incident X-ray. As its function, when taking a rectangular coordinate system of x, y, z so that the surface of the sample 11 is in the xy plane, the sample 11 is rotated around each of the x, y axes, and y,
It can be translated in the direction of each axis of z. The sample holder 1 is installed on a rotation center axis (z axis) of the angle control unit 2.
【0039】角度制御部2は、z軸の周りに試料ホルダ
ー1を回転させる機能を有し、角度制御部3上に設置さ
れている。The angle control unit 2 has a function of rotating the sample holder 1 around the z-axis, and is installed on the angle control unit 3.
【0040】角度制御部3は、角度制御部2の回転軸の
周りの任意の位置に二次元型検出器5を設置させるもの
である。通常は、その回転軸から垂直方向に伸びたアー
ム7上に二次元型検出器5を設置すればよい。このアー
ム7の長さは、測定条件によって可変であることが望ま
しい。通常、アーム7の長さが大きくなると、回折線の
測定精度は向上するが、その反面、二次元型検出器5に
より一度に測定可能な範囲が小さくなり、測定される回
折強度が小さくなる。また、アーム7と二次元型検出器
5との結合方法については、簡易的には、アーム7と垂
直な方向に二次元型検出器5を取り付ければよい。より
回折強度の測定精度を上げるためには、アーム7に対し
て垂直方向に円弧を描く軌跡上に二次元型検出器5を配
置するとよい。この配置により、回折X線を歪みなく測
定することができる。この配置を実現するには、図2に
示すように、アーム7に対して垂直方向に円弧を描く軌
跡の形状を有する湾曲レール8をアーム7の先端に設置
し、この湾曲レール8上に二次元型検出器5を移動・配
置できるようにすればよい。或いは、アーム7に直交す
る湾曲レール8とこの湾曲レール8の先端に設置された
回転器の上に二次元型検出器5を設置してもよい。The angle control section 3 is for installing the two-dimensional detector 5 at an arbitrary position around the rotation axis of the angle control section 2. Normally, the two-dimensional detector 5 may be installed on the arm 7 extending vertically from the rotation axis. It is desirable that the length of the arm 7 be variable depending on measurement conditions. Usually, as the length of the arm 7 increases, the measurement accuracy of the diffraction line improves, but on the other hand, the range that can be measured by the two-dimensional detector 5 at a time decreases, and the measured diffraction intensity decreases. As for the method of connecting the arm 7 and the two-dimensional detector 5, the two-dimensional detector 5 may be simply attached in a direction perpendicular to the arm 7. In order to further improve the measurement accuracy of the diffraction intensity, the two-dimensional detector 5 may be arranged on a locus that draws an arc in a direction perpendicular to the arm 7. With this arrangement, diffraction X-rays can be measured without distortion. In order to realize this arrangement, as shown in FIG. 2, a curved rail 8 having a shape of a locus that draws an arc in a direction perpendicular to the arm 7 is installed at the tip of the arm 7, and two curved rails 8 are placed on the curved rail 8. What is necessary is just to be able to move and arrange the dimensional detector 5. Alternatively, the two-dimensional detector 5 may be installed on a curved rail 8 orthogonal to the arm 7 and a rotator installed at the tip of the curved rail 8.
【0041】角度制御部4は、試料ホルダー1、角度制
御部2及び角度制御部3の全体を入射X線に対して回転
させるものであり、これにより、X線の試料11に対す
る入射角を制御する。The angle controller 4 rotates the whole of the sample holder 1, the angle controller 2, and the angle controller 3 with respect to the incident X-ray, and thereby controls the incident angle of the X-ray to the sample 11. I do.
【0042】二次元型検出器5は、例えばイメージング
プレートやCCDカメラであり、イメージングプレート
の場合には、図3に示すように、シンチレーション検出
器9を設置して回折線をモニターしながら測定すること
が便利な場合もある。また、二次元型検出器5としてイ
メージングプレートを用いる場合には、逆格子空間を歪
みなしで測定するために湾曲させて取り付けることが有
効である。The two-dimensional detector 5 is, for example, an imaging plate or a CCD camera. In the case of an imaging plate, as shown in FIG. 3, a scintillation detector 9 is installed and measurement is performed while monitoring diffraction lines. Sometimes it is convenient. When an imaging plate is used as the two-dimensional detector 5, it is effective to bend and attach the reciprocal lattice space for measurement without distortion.
【0043】制御部6は、角度制御部2〜4及び二次元
型検出器5を制御するためのものである。The controller 6 controls the angle controllers 2 to 4 and the two-dimensional detector 5.
【0044】このような構成の構造解析装置を用いて試
料11の表面構造を解析するには、先ず、試料11を試
料ホルダー1に、試料11表面が角度制御部2の回転軸
に対して垂直となるように設置する。その後、入射X線
が試料11の測定する位置に照射されるように、試料1
1の位置を試料ホルダー1の平行移動によりセットす
る。In order to analyze the surface structure of the sample 11 using the structure analyzing apparatus having such a configuration, first, the sample 11 is placed on the sample holder 1 and the surface of the sample 11 is perpendicular to the rotation axis of the angle control unit 2. Installed so that After that, the sample 1 is irradiated with the incident X-ray so that the position to be measured on the sample 11 is irradiated.
The position 1 is set by the parallel movement of the sample holder 1.
【0045】表面光学系(I)で測定するには、角度制
御部2により試料11表面をz軸(角度制御部3の回転
軸)に平行となるように配置する。その後、角度制御部
4により入射角度αを目的とする角度にセットした後
に、試料11に入射X線を照射し、二次元型検出器5の
回折角度を角度制御部3により変えながら測定する。For measurement with the surface optical system (I), the surface of the sample 11 is arranged by the angle control unit 2 so as to be parallel to the z-axis (the rotation axis of the angle control unit 3). Then, after setting the incident angle α to a target angle by the angle controller 4, the sample 11 is irradiated with incident X-rays, and measurement is performed while changing the diffraction angle of the two-dimensional detector 5 by the angle controller 3.
【0046】表面光学系(I)で測定するもう一つの方
法が、試料11をその表面が角度制御部2の回転軸に対
して垂直となるようにセットしたままとし、その代わり
に角度制御部3により二次元型検出器5をスキャンさせ
る際に、試料11表面と平行な回転(即ち、角度制御部
2の回転軸の周りの回転)に加えて、それと直交する軸
の周りの回転(2θ’)を加えることにより、行う方法
である。この場合には、検出器角度2θ=0°として
(図1参照)測定するのが高い強度を得る点から望まし
いが、測定する結晶面の方位が試料11表面と著しくず
れている場合には、その回折強度が最大となる角度2θ
で測定を行えばよい。この測定では2θ’の角度が回折
角度に対応する。Another method of measuring with the surface optical system (I) is to leave the sample 11 set so that its surface is perpendicular to the rotation axis of the angle control unit 2, and instead use the angle control unit. 3 scans the two-dimensional detector 5 in addition to rotation parallel to the surface of the sample 11 (that is, rotation around the rotation axis of the angle control unit 2), and rotation around an axis perpendicular to the rotation (2θ). ') Is a way to do this. In this case, it is desirable to measure with the detector angle 2θ = 0 ° (see FIG. 1) from the viewpoint of obtaining a high intensity. However, when the orientation of the crystal plane to be measured is significantly deviated from the surface of the sample 11, Angle 2θ at which the diffraction intensity is maximized
The measurement may be performed at. In this measurement, the angle of 2θ ′ corresponds to the diffraction angle.
【0047】2θ’回転の動きは、角度制御部3にその
機能として付加させてもよいし、角度制御部3から伸び
るアーム7の先端にこのアーム7と直交する直線又は曲
線状のアームを配置し、その後者のアーム上を二次元型
検出器5でスキャンしてもよい。The rotation of 2θ ′ may be added to the angle controller 3 as its function, or a straight or curved arm perpendicular to the arm 7 is disposed at the tip of the arm 7 extending from the angle controller 3. Then, the latter arm may be scanned by the two-dimensional detector 5.
【0048】表面光学系(II)で測定するためには、
上述したように、試料をその表面が角度制御部2の回転
軸に対して略垂直となるようにセットする。その後、入
射角度αと出射角度α’を高精度に決定して制御するた
めには、検出器角度2θ=0°として、検出器角度α’
を変えながら反射率を測定することにより求められる臨
界角度αc を基準として角度を求めればよい。In order to measure with the surface optical system (II),
As described above, the sample is set so that its surface is substantially perpendicular to the rotation axis of the angle control unit 2. Thereafter, in order to determine and control the incident angle α and the outgoing angle α ′ with high accuracy, the detector angle 2θ = 0 ° and the detector angle α ′
The angle may be obtained based on the critical angle α c obtained by measuring the reflectance while changing the angle.
【0049】その後に、入射X線を照射させ、二次元型
検出器5の回折角度2θを角度制御部3により変えなが
ら回折線の強度を測定する。After that, the incident X-ray is irradiated, and the intensity of the diffraction line is measured while changing the diffraction angle 2θ of the two-dimensional detector 5 by the angle control unit 3.
【0050】以上、表面光学系(I)及び表面光学系
(II)における測定方法について説明してきたが、表
面光学系(I)及び表面光学系(II)との2つの情報
を同時に測定するためには、二次元型検出器5を試料の
表面を含む方向に設置し、試料表面と平行な方向の回折
線と試料表面と垂直な方向の回折線とを同時に観測すれ
ばよい(詳しくは後述する。)。The measurement method in the surface optical system (I) and the surface optical system (II) has been described above. However, since the two information of the surface optical system (I) and the surface optical system (II) are measured at the same time. In this case, the two-dimensional detector 5 may be installed in a direction including the surface of the sample, and simultaneously observe a diffraction line in a direction parallel to the sample surface and a diffraction line in a direction perpendicular to the sample surface (details will be described later). I do.)
【0051】これまでは、結晶面と試料表面とが厳密に
一致するものとして「試料表面」と称してきたが、実際
の試料では両者に角度のずれがある。その際には試料ホ
ルダー1又は角度制御部2〜4により、結晶面がBragg
条件を満たすように、その差の補正を行えばよい。Until now, the crystal surface and the sample surface have been referred to as “sample surface” as being exactly coincident with each other, but in an actual sample, there is an angle deviation between them. In this case, the crystal plane is changed to Bragg by the sample holder 1 or the angle controllers 2 to 4.
The difference may be corrected so as to satisfy the condition.
【0052】以上述べた方法により測定を行うのである
が、そのなかで二次元型検出器を用いることにより従来
の課題がどのように解決されるかを次に説明する。The measurement is performed by the method described above. Among them, how the conventional problem is solved by using the two-dimensional detector will be described below.
【0053】二次元型の検出器を用いると測定時間が大
幅に短縮されるのは以下の理由による。従来の0次元型
の検出器(例えばシンチレーション検出器)を回折角度
(2θ又はα’)を変えながらスキャンする方法では、
逆格子空間内の広い範囲の情報を測定するのに非常に時
間がかかる。標準的な例を挙げると、10cm×10c
mの二次元型の検出器を試料からの距離20cmの位置
に設置して測定する場合、0次元型の検出器を用いて同
等のデータを得るためにステップ角度0.1°でスキャ
ンすると78400点測定することが必要がある。即
ち、二次元型の検出器と点型の検出器との感度差にもよ
るが、二次元型の検出器を用いると点型の検出器に比べ
て1/1000以上短い時間での測定が可能である。同
様の理由で二次元型の検出器は一次元型の検出器に比べ
て1/100以上短い時間での測定が可能である。The reason why the measurement time is greatly reduced when a two-dimensional detector is used is as follows. In a conventional method of scanning a zero-dimensional detector (for example, a scintillation detector) while changing the diffraction angle (2θ or α ′),
Measuring a wide range of information in reciprocal lattice space is very time consuming. To give a standard example, 10cm x 10c
When a two-dimensional detector of m is placed at a distance of 20 cm from the sample and measured, a 0400-dimensional detector is used to scan at a step angle of 0.1 ° in order to obtain equivalent data. It is necessary to measure points. That is, although it depends on the sensitivity difference between the two-dimensional detector and the point-type detector, the measurement in a time shorter than 1/1000 or more using the two-dimensional type detector is more difficult than the point-type detector. It is possible. For the same reason, a two-dimensional type detector can perform measurement in 1/100 or more times shorter than a one-dimensional type detector.
【0054】更に、二次元型の検出器により微弱な信号
を検出できるのは、二次元情報のパターン認識法により
情報を解析できるからである。非常に微弱な表面からの
散乱の解析は極めて困難であり、ある一点での測定や、
ある一次元方向のスキャンによる測定だけからでは、散
乱線と認識することが困難である。しかし、二次元型検
出器によって同時に測定した空間内全方向への散乱強度
を二次元のパターンすることにより、従来の方法では判
別できなかった微小な信号も測定することができるよう
になる。Further, the reason why a weak signal can be detected by a two-dimensional detector is that information can be analyzed by a two-dimensional information pattern recognition method. It is extremely difficult to analyze the scattering from a very weak surface.
It is difficult to recognize scattered radiation only from measurement by scanning in a certain one-dimensional direction. However, by forming a two-dimensional pattern of the scattered intensity in all directions in the space measured simultaneously by the two-dimensional detector, it becomes possible to measure a minute signal which cannot be determined by the conventional method.
【0055】また、二次元型の検出器を用いると表面の
結晶粒の優先配向が見られる場合にも測定が容易なのは
以下の理由による。回折線を検出するためには、回折線
が観測される方位を検出器でスキャンする必要がある
が、同じ構造であってもこの方位は異なり、単結晶の場
合には点状、多結晶の場合にはリング状となる。即ち、
単結晶の場合には特定の方位を計算により求めることが
可能であり、多結晶の場合にはどの方向にスキャンして
もリングを横切ることが可能であることから、点型の検
出器を用いた測定も容易である。結晶粒の優先配向があ
る場合には、回折線リングが不連続となるため、点型の
検出器では回折線を見い出す方位を予想してスキャンす
ることが必要となって測定が非常に困難となる。それに
対して、二次元型の検出器では、ある方位を同時に測定
するために、結晶粒の優先配向がある場合でも測定が可
能となる。The reason why the two-dimensional detector is easy to measure even when the preferential orientation of the crystal grains on the surface is observed is as follows. In order to detect a diffraction line, it is necessary to scan the direction in which the diffraction line is observed with a detector, but this direction is different even for the same structure. In this case, it becomes ring-shaped. That is,
In the case of a single crystal, it is possible to obtain a specific orientation by calculation, and in the case of a polycrystal, it is possible to cross the ring regardless of the scanning direction, so a point-type detector is used. Measurement is also easy. If there is a preferential orientation of crystal grains, the diffraction line ring will be discontinuous, so it is necessary to scan with a point-type detector in anticipation of the azimuth where the diffraction line is found, making measurement very difficult. Become. On the other hand, in the two-dimensional detector, since a certain direction is measured at the same time, the measurement can be performed even when there is a preferential orientation of the crystal grains.
【0056】二次元型の検出器を用いると、その場観察
が可能となるのは、全ての測定点が同時に、しかも短時
間で測定できるからである。そのため、測定中に試料の
構造が変化する場合(例えば、高温でも反応)に、点型
又は線状の検出器を用いて測定する際に生じるスキャン
の初期と終期とでは構造が異なるという問題を回避でき
る。When a two-dimensional detector is used, in-situ observation is possible because all measurement points can be measured simultaneously and in a short time. Therefore, when the structure of the sample changes during the measurement (for example, reaction even at a high temperature), there is a problem that the structure is different between the initial stage and the final stage of a scan that occurs when measuring using a point-type or linear detector. Can be avoided.
【0057】二次元型の検出器を用いると、従来の方法
では不可能であった、表面光学系(I)と表面光学系
(II)の2つの情報を同時に測定することが可能であ
るのは、二次元型検出器を試料表面を含む方向に設置す
ることにより、試料表面に平行な方向の回折線と試料表
面に垂直な方向の回折線とが同時に観測されるので、双
方の情報が測定可能であるからである。そして、表面内
の二次元方向の周期性と深さ方向の情報とを併せること
により、表面及び表面近傍の異なる深さの立体(三次
元)情報が得られる。When a two-dimensional detector is used, it is possible to simultaneously measure two pieces of information of the surface optical system (I) and the surface optical system (II), which were impossible with the conventional method. By installing a two-dimensional detector in a direction including the sample surface, diffraction lines in a direction parallel to the sample surface and diffraction lines in a direction perpendicular to the sample surface are observed at the same time. This is because measurement is possible. Then, by combining the periodicity in the two-dimensional direction in the surface and the information in the depth direction, three-dimensional (three-dimensional) information at different depths on the surface and near the surface can be obtained.
【0058】具体的な光学系の配置としては、上述した
表面光学系(II)で測定するように配置する。即ち、
試料をその表面が角度制御部2の回転軸に対して垂直と
なるようにセットし、二次元型検出器を試料の表面を含
み且つ表面に垂直な成分も含むように設置する。その
後、入射角度α及び出射角度α’を角度制御部3及び角
度制御部4により目的とする角度に設置する。そして、
試料表面と平行な方向の回折線と試料表面と垂直な方向
の回折線とを同時に観測すればよい。As a specific arrangement of the optical system, the optical system is arranged so as to be measured by the above-mentioned surface optical system (II). That is,
The sample is set so that its surface is perpendicular to the rotation axis of the angle control unit 2, and the two-dimensional detector is installed so as to include the surface of the sample and also include components perpendicular to the surface. Thereafter, the angle of incidence α and the angle of emission α ′ are set to target angles by the angle control unit 3 and the angle control unit 4. And
A diffraction line in a direction parallel to the sample surface and a diffraction line in a direction perpendicular to the sample surface may be simultaneously observed.
【0059】より広い範囲の二次元構造の情報を得るに
は、測定後に、二次元型検出器5の回折角度2θを角度
制御部3により変えながら回折線の強度を測定する。ま
た、より広い範囲の深さ方向の構造の情報を得るには、
角度制御部4により入射角度αを大きくし、同時に二次
元型検出器5をアーム7上にスキャンさせ、より大きな
出射角度α’に対する回折線を測定すればよい。In order to obtain a wider range of information on the two-dimensional structure, the intensity of the diffraction line is measured after the measurement while changing the diffraction angle 2θ of the two-dimensional detector 5 by the angle control unit 3. Also, to obtain information on the structure in the depth direction over a wider range,
The angle of incidence α may be increased by the angle controller 4, and at the same time, the two-dimensional detector 5 may be scanned on the arm 7 to measure a diffraction line for a larger emission angle α ′.
【0060】得られた結果の解析処理としては以下に示
すような方法がある。測定された回折線は、深さ方向の
周期性からの情報を含む回折線(表面回折線:ID )
と、表面内方向の周期性からの情報を含む回折線(表面
回折線:IP )との集合体である。そこでこれらを2成
分とする仮想的な二次元空間を導入すると、表面近傍の
構造の深さ方向の変化は関数f(ID ,IP )で表現で
きる。そして、測定された回折線の全てをこの空間に割
り当てて解析することにより、種々の深さ、面愛方向の
構造が決定できる。As a process of analyzing the obtained result, there is the following method. The measured diffraction line is a diffraction line containing information from the periodicity in the depth direction (surface diffraction line: ID ).
And a diffraction line (surface diffraction line: I P ) including information from the periodicity in the in-surface direction. Therefore, when a virtual two-dimensional space having these as two components is introduced, a change in the depth direction of the structure near the surface can be expressed by a function f ( ID , IP ). Then, by allocating all the measured diffraction lines to this space and analyzing the space, it is possible to determine the structures in various depths and in the direction of love.
【0061】勿論、異なる深さの構造の情報を得るため
には、角度αを変化させることによっても可能であり、
複数の角度αに対してそれぞれ二次元型検出器5で角度
αを連続的に測定することにより、更なる詳細な情報を
得ることができる。Of course, it is also possible to obtain information on structures at different depths by changing the angle α.
More detailed information can be obtained by continuously measuring the angle α with the two-dimensional detector 5 for each of the plurality of angles α.
【0062】このような深さ方向の情報を得ることによ
り、表面近傍に複数の表面薄膜がある場合には、各々の
層の構造及びこれらの層の間の界面構造に関する情報も
得られる。一般に、複数の界面が存在するとき、それら
の臨界角度αc は異なる。そこで、それに対応する入射
角度と回折角度について、各層及び界面の構造を調べる
ことにより、複数の界面の構造を同時に非破壊で調べる
とができる。By obtaining such information in the depth direction, when there are a plurality of surface thin films near the surface, information on the structure of each layer and the interface structure between these layers can also be obtained. Generally, when there are multiple interfaces, their critical angles α c are different. Therefore, by examining the structure of each layer and the interface with respect to the corresponding incident angle and diffraction angle, the structure of a plurality of interfaces can be examined simultaneously and nondestructively.
【0063】従来(特開平6−222017号公報)に
おいて必要とされていた特殊スクリーンを用いたり、回
折線の出射角度を限定して測定することが不必要である
のは、この実施の形態の入射条件においては、上述した
ようにX線の侵入深さが十分に小さく、表面の信号のみ
を効果的に取り出すことができるからである。It is unnecessary to use a special screen, which is required in the prior art (JP-A-6-222017), or to limit the angle of emission of the diffracted rays. This is because, under the incidence condition, the penetration depth of the X-ray is sufficiently small as described above, and only the signal on the surface can be effectively extracted.
【0064】[0064]
【実施例】以下、本発明のいくつかの実施例について、
比較例との比較に基づいて説明する。EXAMPLES Hereinafter, some examples of the present invention will be described.
Description will be made based on comparison with a comparative example.
【0065】(実施例1)マグネトロンスパッタリング
蒸着法により、シリコン単結晶基板の上に膜厚約500
nmの純鉄薄膜を形成し、続いてこの純鉄薄膜の上に膜
厚約1nmのFe2 O3 自然薄膜(酸化鉄層)が形成さ
れた状態として、試料11を作成する。そして、この試
料11に8keVの単色X線を入射角α=1°で入射
し、2次元検出器5としてイメージングプレートを用い
て測定した。測定結果を図3に示す。表面近傍の酸化鉄
層の結晶粒は特定方位に配向しているが、回折線がはっ
きりと確認できる。なお、測定時間を90秒とした。Example 1 A film thickness of about 500 was formed on a silicon single crystal substrate by magnetron sputtering evaporation.
A pure iron thin film having a thickness of 1 nm is formed, and then a sample 11 is prepared in a state where a natural thin film of Fe 2 O 3 (iron oxide layer) having a thickness of about 1 nm is formed on the pure iron thin film. Then, a monochromatic X-ray of 8 keV was incident on the sample 11 at an incident angle α = 1 °, and measurement was performed using an imaging plate as the two-dimensional detector 5. FIG. 3 shows the measurement results. Although the crystal grains of the iron oxide layer near the surface are oriented in a specific direction, diffraction lines can be clearly confirmed. The measurement time was 90 seconds.
【0066】(比較例1)実施例1と同様の試料を用い
て同様の測定条件で0次元検出器であるシンチレーショ
ンカウンターをスキャンさせて測定した。測定結果を図
4に示す。ここで、スキャンさせた方向は実施例1にお
ける図3中に破線で表示した方向に対応している。表面
近傍の酸化鉄層の結晶粒は特定方位に配向しているた
め、回折線が確認できない(図4中の矢印は計算から予
想させる回折線の位置を示す。)。測定時間を30時間
とした。(Comparative Example 1) Using a sample similar to that of Example 1, measurement was performed by scanning a scintillation counter as a 0-dimensional detector under the same measurement conditions. FIG. 4 shows the measurement results. Here, the scanning direction corresponds to the direction indicated by the broken line in FIG. 3 in the first embodiment. Since the crystal grains of the iron oxide layer near the surface are oriented in a specific direction, no diffraction line can be confirmed (the arrow in FIG. 4 indicates the position of the diffraction line predicted from the calculation). The measurement time was 30 hours.
【0067】(実施例2)実施例1と同様の試料(作成
時に基板を加熱したため、膜に結晶性が若干異なると考
えられる。)を、同様のX線源を用いて、入射角α=
0.3<αc で2次元検出器5(イメージングプレー
ト)を図1に示したように試料11の表面の延長面を含
む方向に設置し、表面光学系(I)及び表面光学系(I
I)の2つの情報を同時に測定した。測定結果を図5に
示す。表面近傍の酸化鉄層がはっきりと確認でき、表面
内の2次元方向の周期性(図5中、<試料表面内方向>
と表示)と深さ方向(図5中、<表面からの深さ方向>
と表示)との両方の情報が得られている。測定時間を2
分とした。(Example 2) The same sample as in Example 1 (it is considered that the film is slightly different in crystallinity because the substrate was heated at the time of preparation) was used and the incident angle α =
When 0.3 <α c , the two-dimensional detector 5 (imaging plate) is installed in the direction including the extension of the surface of the sample 11 as shown in FIG. 1, and the surface optical system (I) and the surface optical system (I
The two pieces of information I) were measured simultaneously. FIG. 5 shows the measurement results. The iron oxide layer near the surface can be clearly confirmed, and the periodicity in the two-dimensional direction within the surface (in FIG. 5, <inside of the sample surface>
And the depth direction (in FIG. 5, <the depth direction from the surface>).
And display) are obtained. Measurement time 2
Minutes.
【0068】(比較例2)実施例2と同様の試料を用い
て同様の測定条件でシンチレーションカウンターをスキ
ャンさせて測定した。測定結果を図6に示す。ここで、
スキャンさせた方向は実施例2における図5中に破線で
表示した方向に対応している。表面近傍の酸化鉄層から
の回折ピークは確認できない(図6中の矢印は計算から
予想させる回折線の位置を示す。)。測定時間を35時
間とした。なお、これら実施例1,2及び比較例1,2
の結果を以下の表2にまとめて記載する。(Comparative Example 2) Using a sample similar to that of Example 2, measurement was performed by scanning a scintillation counter under the same measurement conditions. FIG. 6 shows the measurement results. here,
The scanning direction corresponds to the direction indicated by the broken line in FIG. 5 in the second embodiment. The diffraction peak from the iron oxide layer near the surface cannot be confirmed (the arrow in FIG. 6 indicates the position of the diffraction line predicted from the calculation). The measurement time was 35 hours. These Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2
Are summarized in Table 2 below.
【0069】[0069]
【表2】 [Table 2]
【0070】(実施例3)図1に示す構造解析装置を作
成した。X線源として回転対陰極型(Cu)の装置(出
力:60kV,600mA)、2次元検出器5としてイ
メージングプレートを用いた。この構造解析装置の大き
さは、横2m×奥行き1.5m×高さ1.5m程度であ
る。Example 3 A structural analysis apparatus shown in FIG. 1 was prepared. A rotating anti-cathode (Cu) device (output: 60 kV, 600 mA) was used as the X-ray source, and an imaging plate was used as the two-dimensional detector 5. The size of this structural analysis device is about 2 m in width × 1.5 m in depth × 1.5 m in height.
【0071】[0071]
【発明の効果】本発明によれば、材料表面内の2次元方
向の周期性と深さ方向の情報とが同時に測定でき、表面
及び表面近傍の異なる深さの構造の立体(3次元)情報
が得られる。また、この測定時間を大幅に短縮すること
が可能である。さらに、二次元のパターン解析によって
極めて微弱な信号を検出することが可能となる。また、
時間的な変化を伴う測定についても、測定中の変化の平
均値が同等に各測定点で観測されるために定量的な測定
が可能である。According to the present invention, the periodicity in the two-dimensional direction and the information in the depth direction in the material surface can be simultaneously measured, and the three-dimensional (three-dimensional) information of the structure at the surface and the different depths near the surface can be measured. Is obtained. In addition, the measurement time can be significantly reduced. Furthermore, it is possible to detect an extremely weak signal by two-dimensional pattern analysis. Also,
As for the measurement involving a temporal change, a quantitative measurement is possible because the average value of the change during the measurement is equally observed at each measurement point.
【図1】本発明の実施の形態に係る構造解析装置の一例
を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a structural analysis device according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施の形態に係る構造解析装置の他の
例を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing another example of the structural analysis device according to the embodiment of the present invention.
【図3】実施例1の測定結果を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing measurement results of Example 1.
【図4】比較例1の測定結果を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing measurement results of Comparative Example 1.
【図5】実施例2の測定結果を示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing measurement results of Example 2.
【図6】比較例2の測定結果を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing measurement results of Comparative Example 2.
【図7】X線解析法により材料表面を調べる2つの光学
系を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing two optical systems for examining a material surface by an X-ray analysis method.
1 試料ホルダー 2〜4 角度制御部 5 二次元型検出器 6 制御部 7 アーム 8 湾曲レール 9 シンチレーション検出器 11 試料 12 X線源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sample holder 2-4 Angle control part 5 Two-dimensional detector 6 Control part 7 Arm 8 Curved rail 9 Scintillation detector 11 Sample 12 X-ray source
Claims (6)
されたX線のエネルギー及び/又は回折強度の空間分布
を検出することにより前記試料の原子及び/又は電子の
構造を解析する構造解析方法であって、 入射X線と試料面とがなす角度αが0°<α≦5°の範
囲内でX線を入射し、回折されたX線を二次元型検出器
で検出することを特徴とする構造解析方法。1. A structure for irradiating a sample with X-rays and detecting the spatial distribution of energy and / or diffraction intensity of X-rays diffracted from the sample to analyze the structure of atoms and / or electrons of the sample. An analysis method, wherein an X-ray is incident within an angle α between an incident X-ray and a sample surface within a range of 0 ° <α ≦ 5 °, and the diffracted X-ray is detected by a two-dimensional detector. A structural analysis method characterized by the following.
としたとき、入射X線と試料面とがなす角度αを0°<
α≦2αc の範囲内の値とすることを特徴とする請求項
1に記載の構造解析方法。2. When α c is the critical angle of the sample with respect to the incident X-ray, the angle α between the incident X-ray and the sample surface is 0 ° <
2. The method according to claim 1, wherein the value is in a range of α ≦ 2α c .
器を前記試料の表面と平行な面内方向に移動させて再び
測定する操作を繰り返すことを特徴とする請求項1に記
載の構造解析方法。3. The method according to claim 1, wherein after measuring the diffraction line, the operation of moving the two-dimensional detector in an in-plane direction parallel to the surface of the sample and measuring again is repeated. Structural analysis method.
器を前記試料の表面と平行な面内方向に移動させて再び
測定する操作を繰り返すことを特徴とする請求項2に記
載の構造解析方法。4. The method according to claim 2, wherein after measuring the diffraction line, the operation of moving the two-dimensional detector in an in-plane direction parallel to the surface of the sample and measuring again is repeated. Structural analysis method.
されたX線のエネルギー及び/又は回折強度の空間分布
を検出することにより前記試料の原子及び/又は電子の
構造を解析するための構造解析装置であって、 入射X線と試料面とがなす角度αが0°<α≦5°の範
囲内でX線を入射させることができ、且つ前記試料から
回折されたX線を二次元型検出器で検出することを特徴
とする構造解析装置。5. A method for analyzing the structure of atoms and / or electrons of a sample by irradiating the sample with X-rays and detecting a spatial distribution of energy and / or diffraction intensity of X-rays diffracted from the sample. Wherein the angle α formed between the incident X-ray and the sample surface can be made to enter the X-ray within a range of 0 ° <α ≦ 5 °, and the X-ray diffracted from the sample is A structural analysis device characterized by detecting with a two-dimensional detector.
x,y,zの直交座標系を設定するときに、前記試料を
x,yの各軸の周りに回転させ、且つx,y,zの各軸
の方向に平行移動することができる試料ホルダーと、 前記試料にX線を照射させたときにこの試料から生じる
回折X線を検出する二次元型検出器と、 z軸の周りに前記試料ホルダーを回転させる第1の角度
制御部と、 前記二次元型検出器が結合されており、この二次元型検
出器を前記第1の角度制御部の回転軸の周りの任意の位
置に配置させる第2の角度制御部と、 z軸と直交する軸の周りに前記試料ホルダー、前記第1
及び第2の角度制御部を回転させる第3の角度制御部
と、 前記二次元型検出器並びに前記第1、第2及び第3の角
度制御部を制御するための制御部とを有することを特徴
とする構造解析装置。6. When the x, y, z orthogonal coordinate system is set so that the surface of the sample is in the xy plane, the sample is rotated around the x, y axes, and x , A sample holder capable of moving in parallel in the directions of the axes y, z, a two-dimensional detector for detecting diffracted X-rays generated from the sample when the sample is irradiated with X-rays, a z-axis A first angle control unit for rotating the sample holder around the first angle control unit, and the two-dimensional detector is coupled to the first angle control unit. A second angle control unit disposed at the position of: the sample holder around the axis orthogonal to the z-axis;
And a third angle control unit for rotating the second angle control unit; and a control unit for controlling the two-dimensional detector and the first, second, and third angle control units. Characteristic structural analysis device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21789496A JPH1048159A (en) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | Method and apparatus for analyzing structure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21789496A JPH1048159A (en) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | Method and apparatus for analyzing structure |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1048159A true JPH1048159A (en) | 1998-02-20 |
Family
ID=16711433
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21789496A Withdrawn JPH1048159A (en) | 1996-07-31 | 1996-07-31 | Method and apparatus for analyzing structure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH1048159A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH11287773A (en) * | 1998-04-03 | 1999-10-19 | Rigaku Denki Kk | Method and device for analyzing x-ray diffraction |
JP2002148219A (en) * | 2000-11-08 | 2002-05-22 | Mac Science Co Ltd | X-ray diffractometer |
US6798863B2 (en) * | 2001-05-29 | 2004-09-28 | Sii Nanotechnology Inc. | Combined x-ray analysis apparatus |
JP2006284187A (en) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Japan Synchrotron Radiation Research Inst | Rapid structure analyzing method by x-ray for interfacial structure of solution and solid |
US9201027B2 (en) | 2014-02-19 | 2015-12-01 | Globalfoundries Inc. | Evaluating semiconductor wafers for pitch walking and/or epitaxial merge |
JP2018205247A (en) * | 2017-06-08 | 2018-12-27 | 富士通株式会社 | X-ray diffraction analysis method and device |
-
1996
- 1996-07-31 JP JP21789496A patent/JPH1048159A/en not_active Withdrawn
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