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SCATTERING INTENSITY DISTRIBUTION MEASUREMENT METHOD AND MEASUREMENT DEVICE

Patent code P150011329
File No. S2013-0150-N0
Posted date Feb 18, 2015
Application number P2012-273064
Publication number P2014-119294A
Patent number P6206901
Date of filing Dec 14, 2012
Date of publication of application Jun 30, 2014
Date of registration Sep 15, 2017
Inventor
  • (In Japanese)松下 正
  • (In Japanese)フォグリ ヴォルフガング
  • (In Japanese)白澤 徹郎
  • (In Japanese)▲高▼橋 敏男
  • (In Japanese)荒川 悦雄
Applicant
  • (In Japanese)大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
Title SCATTERING INTENSITY DISTRIBUTION MEASUREMENT METHOD AND MEASUREMENT DEVICE
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a scattering intensity distribution measurement method and a measurement device that can measure a scattering intensity distribution in a reciprocal lattice space in a short time.
SOLUTION: The scattering intensity distribution measurement method is configured to: make an X-ray to be radiated from an X-ray source (101) reflected by an X-ray optical element (102) so as to be converged in the vicinity of a specimen (SA), and make a monochromed X-ray incident on the specimen at a time at a different glancing angle (ω) according to each optical path in a state where there is a correlation between an angle formed with each of optical paths of the monochromed X-ray converged through a plurality of optical paths and a reference surface an angle formed between a perpendicular line of the reference surface and a surface including the optical path located at a central position of each optical path; detect scattering intensity of the monochromed X-ray to be scattered upon the specimen by a two-dimensional detector (103); and calculate a scattering intensity distribution in a reciprocal lattice space on the basis of a scattering intensity distribution to be detected by the two-dimensional detector and the correlation.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

近年、一般的な結晶材料とは異なる物性を示す量子井戸構造の研究が盛んに行われている。例えば、半導体薄膜が積層された超格子半導体は、層の周期(厚さ)や原子の種類などに応じて異なるバンド構造を示すので、様々なデバイスへの応用が期待されている。また、3次元的な量子閉じ込め構造である量子ドットは、状態密度(Density of states)が離散化されて特定の状態に集中されるので、理論的には極めて高効率なレーザー媒質を実現可能である。このような量子井戸構造の物性は、結晶格子の周期や乱れ具合などに応じて大きく変動されるので、その評価の際には、結晶格子に関する精度の高い情報を取得する必要がある。

結晶格子の規則性を評価するために、試料にX線(エックス線)を照射して逆格子空間での散乱強度分布を測定する方法が用いられている。逆格子マッピング(reciprocal space mapping)、又は逆格子マップ(reciprocal space map)と呼ばれるこの方法では、逆格子点近傍におけるX線の散乱強度をマッピングして散乱能の分布を得る。理想的な結晶構造では、逆格子点においてのみX線の回折強度は強くなるが、結晶格子に乱れがある場合には、逆格子点から離れた位置にも有意の散乱能が現れる。

逆格子マッピングの基本的な考え方について説明する。まず、実空間と逆格子空間との関係について簡単に説明する。図6は、2次元結晶における実空間と逆格子空間との関係を示す模式図である。図6Aでは、原子A1~A4による結晶格子が示されている。この結晶格子において、例えば、100面の面間隔はd100であり、010面の面間隔はd010であり、110面の面間隔はd110である。

図6Aの結晶格子を逆格子空間に変換すると、図6Bのようになる。逆格子空間は、実空間のフーリエ変換に対応しており、逆格子点は実空間における結晶格子の情報を含んでいる。例えば、図6Bに示すように、逆格子空間の原点Oと、ある逆格子点との距離は、対応する結晶面の面間隔の逆数に相当する。具体的には、逆格子空間の原点Oと、100点との距離は、100面の面間隔d100の逆数1/d100に相当し、逆格子空間の原点Oと、010点との距離は、010面の面間隔d010の逆数1/d010に相当する。

図7は、逆格子点とエヴァルト球との関係を示す模式図である。図7では、3次元結晶に対応する逆格子空間を、qx軸及びqz軸を含む平面に垂直なqy軸(不図示)方向から見た様子を示している。図7において、K0ベクトルは結晶構造に入射された入射X線の波数ベクトルを示し、Kベクトルは結晶構造で散乱された散乱X線の波数ベクトルを示す。また、図7において、規則的に配列された複数の白抜きの丸印は逆格子点を示している。

結晶格子に乱れのない理想的な結晶構造によるX線の散乱強度は、X線の波長(λ)の逆数の2π倍の半径(2π/λ)を有するエヴァルト球E0の球面上に逆格子点が存在する条件で強くなる。この場合、X線は、エヴァルト球E0の中心からエヴァルト球E0の球面上に位置する逆格子点を投影して得られる投影パターンで散乱される。結晶格子に乱れがある場合、その乱れの程度に応じて、逆格子点以外でも散乱強度は強くなる。このため、逆格子マッピングにより散乱強度の分布を得ることで、結晶格子の規則性を評価できる。

具体的には、例えば、試料内に間隔の異なる複数の結晶格子が混在し、qz軸上の逆格子点がエヴァルト球上にある場合には、原点と逆格子点とを結ぶ直線(図7のqz軸方向)に沿って散乱能が現れる。また、試料内において傾きの異なる複数の結晶面(格子面)が混在する場合には、逆格子空間において原点と逆格子点とを結ぶ直線と直交する方向(図7のq´x軸方向)に散乱能が現れる。このように、散乱能の分布を確認することで、結晶格子の規則性を評価できる。

逆格子マッピングでは、通常、対象となる逆格子点の近傍におけるX線の散乱強度分布が測定される。図8は、逆格子マッピングに用いられる測定装置の例を示す模式図である。図8に示す測定装置2において、X線源201から放射されてモノクロメータ202を通過した単色(単一波長)のX線は、視射角(入射角の角)ωで試料203に入射される。試料203において散乱されたX線は、コリメータ204を通じて検出器205に入射する。コリメータ204は、試料から2θ方向に散乱されるX線のみを選択的に検出器205へと導く。

測定装置2を用いる逆格子マッピングの測定モードの一例としてωスキャンがある。ωスキャンでは、2θを所定の値に固定した状態でωを変化させ、ω方向の散乱強度分布をスキャンする。このω方向のスキャンにより、逆格子空間において原点と逆格子点とを結ぶ直線と略直交する方向(図7のq´x軸方向)の散乱能の分布が検出される。ある2θについてのω方向のスキャンが終了すると、2θの値を僅かに変えて再びω方向のスキャンを行う。異なる2θの値を選ぶことは、逆格子空間のqz軸に沿って異なるqzの位置を選択することと同等の意味を持つ。このように、2θの値を異ならせてはω方向のスキャンを繰り返すことにより、qx-qz面内の領域RSM内の散乱能分布、すなわち逆格子マップに相当する2次元散乱強度分布が得られる。

測定モードの他の例としては、ω-2θスキャンがある。この測定モードでは、ωの変化量Δωと2θの変化量Δ(2θ)とが、常にΔω:Δ(2θ)=1:2の関係を満たすように散乱強度分布をスキャンする。また、ωの初期値ω0を異ならせては上記スキャンを繰り返す。Δω:Δ(2θ)=1:2を満たすスキャンは、逆格子空間の任意の点と原点とを通る直線方向の散乱能分布を測定することに相当する。ω0を異ならせることは、q´x軸上の異なる位置を指定することに相当する。このため、ω0を異ならせてはω-2θのスキャンを繰り返すことで、図7の領域RSM内での散乱能分布を測定できる。

図9は、逆格子マッピングに用いられる測定装置の別の例を示す模式図である。図9に示す測定装置3においても、X線源301から放射されてモノクロメータ302を通過した単色のX線は、視射角ωで試料303に入射される。試料303において散乱されたX線は、1次元検出器305に入射する。1次元検出器305は、広い散乱角(2θ方向)を一度に測定できるように構成されている。このため、この測定装置3を用いる逆格子マッピングでは、2θ方向のスキャンは不要となる。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、試料にX線を照射して逆格子空間での散乱強度分布を測定する散乱強度分布の測定方法及び測定装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
X線源から放射されるX線を、試料の表面近傍において集束させるようにX線光学素子で反射させ、複数の光路を経て集束される単色化されたX線の各光路が、前記試料の表面である基準面に対してなす角度と、前記各光路が、前記各光路の中央に位置する光路と前記基準面の垂線とを含む面に対してなす角度との間に相関のある状態で、前記単色化されたX線を前記試料に対して前記各光路に応じて異なる視射角で一度に入射させ、
前記試料で散乱される前記単色化されたX線の散乱強度を2次元検出器で検出し、
前記2次元検出器で検出される散乱強度分布及び前記相関に基づいて、逆格子空間での散乱強度分布を算出することを特徴とする散乱強度分布の測定方法。

【請求項2】
 
前記相関のある状態とは、前記X線の伝播される面が、前記基準面、及び前記各光路の中央に位置する光路と前記基準面の垂線とを含む面に対して任意の角度で傾斜された状態であることを特徴とする請求項1に記載の散乱強度分布の測定方法。

【請求項3】
 
前記X線源、前記X線光学素子、及び前記試料を、同一の円周に沿って配置することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の散乱強度分布の測定方法。

【請求項4】
 
前記X線として特性X線を用いることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の散乱強度分布の測定方法。

【請求項5】
 
前記X線光学素子として2重湾曲結晶を用いることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の散乱強度分布の測定方法。

【請求項6】
 
前記2次元検出器で検出された散乱強度分布を前記相関に基づいて座標変換することにより、前記逆格子空間での散乱強度分布を算出することを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の散乱強度分布の測定方法。

【請求項7】
 
X線源と、
前記X線源から放射されるX線を、試料の表面近傍において集束させるように反射させ、前記試料に対して異なる視射角で単色化されたX線を一度に入射させるX線光学素子と、
前記試料で散乱される前記単色化されたX線の散乱強度を検出する2次元検出器と、
前記2次元検出器で検出される散乱強度分布に基づいて、逆格子空間での散乱強度分布を算出する演算部と、を備え、
複数の光路を経て集束される前記単色化されたX線の各光路が、前記試料の表面である基準面に対してなす角度と、前記各光路が、前記各光路の中央に位置する光路と前記基準面の垂線とを含む面に対してなす角度との間に相関のある状態で、前記単色化されたX線を前記試料に入射させ、前記散乱強度分布及び前記相関に基づいて、逆格子空間での散乱強度分布を算出することを特徴とする測定装置。

【請求項8】
 
前記相関のある状態とは、X線束の伝播される面が、前記基準面、及び前記各光路の中央に位置する光路と前記基準面の垂線とを含む面に対して任意の角度で傾斜された状態であることを特徴とする請求項7に記載の測定装置。

【請求項9】
 
前記X線源、前記X線光学素子、及び前記試料は、同一の円周に沿って配置されることを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の測定装置。

【請求項10】
 
前記X線源は、前記X線として用いられる特性X線を発生可能に構成されたことを特徴とする請求項7から請求項9のいずれかに記載の測定装置。

【請求項11】
 
前記X線光学素子は、2重湾曲結晶であることを特徴とする請求項7から請求項10のいずれかに記載の測定装置。

【請求項12】
 
前記演算部は、前記2次元検出器で検出された散乱強度分布を前記相関に基づいて座標変換することにより、前記逆格子空間での散乱強度分布を算出することを特徴とする請求項7から請求項11のいずれかに記載の測定装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2012273064thum.jpg
State of application right Registered
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