JPH1048159A - 構造解析方法及び構造解析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 表面回折法において、二次元型検出器５
を用い、試料１１の表面に対するＸ線の入射角度αを０
°＜α≦５°に、特に、０°＜α≦２α_c の範囲内に限
定する。ここで、α_c は入射Ｘ線に対する試料の臨界角
度である。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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）。

【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。

【０００６】

【表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。

【０００８】一方、表面光学系（ＩＩ）では、Ｘ線の入
射角度を臨界角度α_c 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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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α_c 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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００２０】本発明の構造解析方法の一態様例において
は、α_c 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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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：Ｉ_D 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：Ｉ_P 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Ｉ_D 及びＩ_P 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。

【００２６】具体的には、試料表面と平行な方向はＩ_P
成分のみであり、それと直交する試料表面と垂直方向は
Ｉ_D 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（Ｉ_D ，Ｉ_P ）に対応する。そして、回折理論か
ら回折強度であるＩ_D及びＩ_P 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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００３１】表面回折法において、特に、Ｘ線の入射角
度αを０°＜α≦２α_c 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。

【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α_c 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。

【００３３】表面回折法において、更に、Ｘ線の入射角
度αを２α_c 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α_c として採用すればよい。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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α_c を基準として角度を求めればよい。

【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。

【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。）。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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：Ｉ_D ）
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：Ｉ_P ）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（Ｉ_D ，Ｉ_P ）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。

【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。

【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α_c 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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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＜α_c 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。

【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。

【００６９】

【表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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【図３】実施例１の測定結果を示す特性図である。

【図４】比較例１の測定結果を示す特性図である。

【図５】実施例２の測定結果を示す特性図である。

【図６】比較例２の測定結果を示す特性図である。

【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。

【符号の説明】

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

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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。
2. 【請求項２】 α_c 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ことを特徴とする請求項
   １に記載の構造解析方法。
3. 【請求項３】 回折線を測定した後、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ことを特徴とする請求項１に記
   載の構造解析方法。
4. 【請求項４】 回折線を測定した後、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ことを特徴とする請求項２に記
   載の構造解析方法。
5. 【請求項５】 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。
6. 【請求項６】 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ことを特徴
   とする構造解析装置。