結晶歪み度合いの分析方法

【課題】薄膜の組成比が未知の場合はロッキングカーブ測定により基板と薄膜の膜厚方向の格子定数の差を評価することはできるが、結晶歪み度合いを評価することはできない。格子定数が組成比、結晶歪みの両方の影響を受けている場合に、それらを切り分けて結晶歪み度合いを評価する方法を提供する。
【解決手段】ＸＲＤによるロッキングカーブと蛍光Ｘ線ファンダメンタル・パラメータ法の併用により、結晶性の基板または層上に製膜された、格子定数のミスマッチによる結晶歪みを有する組成比未知の結晶性固溶体薄膜の結晶歪み度合いを分析する。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は格子定数のミスマッチによる結晶歪みを有する、組成比が未知の結晶性固溶体薄膜の結晶歪み度合いを分析する分析方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】格子定数の異なる基板または層上に製膜された薄膜は、格子定数のミスマッチにより結晶格子歪みを生じる場合があり、その度合いは組成比、膜厚、結晶の種類、結晶成長条件などに依存する。この結晶格子歪み度合いは、基板の膜面方向の格子定数をa_A、緩和状態の薄膜の膜面方向の格子定数をa_B、歪んだ状態の薄膜の膜面方向の格子定数をa_B'とした時に、リラックスの程度を表すリラックス値は下記式（１）で算出される値で定義される。
リラックス値＝(a_B'-a_A)/(a_B-a_A)×100(%) (1)
【０００３】基板や薄膜の膜厚方向の格子定数の分析手法としてはＸ線回折によるロッキングカーブ測定が一般的である。緩和状態の薄膜の格子定数はベガード則により固溶成分組成比が０および１の各々の格子定数と該薄膜の組成比を用いて算出される。また、膜厚方向の格子定数から膜面方向の格子定数を算出するのに必要となる結晶歪みの縦横比もベガード則により固溶成分組成比が０および１の各々の弾性率と該薄膜の組成比を用いて算出される。従って、ロッキングカーブ測定から結晶性薄膜の結晶歪み度合いを評価できるのは該薄膜の組成比が既知の場合に限られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、薄膜の組成比が未知の場合はロッキングカーブ測定により基板と薄膜の膜厚方向の格子定数の差を評価することはできるが、結晶歪み度合いを評価することはできない。結晶歪み度合いを評価するには何らかの手法で組成比の情報を得る必要がある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明では、組成比を求める手段として公知であるファンダメンタル・パラメータ法を提案する。薄膜の膜厚はロッキングカーブに観測される、薄膜によるＸ線の干渉による振動パターンの周期より求めることができる。この膜厚を利用すればファンダメンタル・パラメータ法による計算における未知数が減るため、計算に必要な蛍光Ｘ線の強度測定数を減らすことができる。ここで求めた組成比を利用してベガード則により薄膜の緩和状態の格子定数および結晶歪みの縦横比を計算することで結晶歪み度合いを評価することが可能となる。
【０００６】すなわち、本発明は、（１）Ｘ線回折および蛍光Ｘ線のファンダメンタル・パラメータ法の併用により、結晶性の基板または層上に製膜された、格子定数のミスマッチによる結晶歪みを有する組成比未知の結晶性固溶体薄膜の結晶歪み度合いを分析する分析方法に関する。さらに、本発明は、（２）（１）記載の分析方法であって、１）Ｘ線回折により基板の回折ピーク位置を基準としたロッキングカーブを測定し、２）ロッキングカーブに観測される、薄膜によるＸ線の干渉による振動パターンの周期より該薄膜の膜厚を算出し、３）未知の組成比と同数の蛍光Ｘ線強度を測定し、４）該２）で求めた膜厚および該３）で求めた蛍光Ｘ線強度を用いてファンダメンタル・パラメータ法により薄膜の組成比を算出し、５）該４）で求めた組成比を用いてベガード則により該薄膜の緩和状態の膜面方向の格子定数および該薄膜の結晶歪みの縦横比を算出し、６）該ロッキングカーブの薄膜による回折ピーク位置より該薄膜の膜厚方向の格子定数を算出し、７）該５）で求めた該薄膜の結晶歪みの縦横比および該６）でもとめた該薄膜の膜厚方向の格子定数より該薄膜の膜面方向の格子定数を算出し、８）該５）で求めた該薄膜の緩和状態の膜面方向の格子定数、該７）で求めた該薄膜の膜面方向の格子定数、および基板の膜面方向の格子定数から結晶歪み度合いを算出するステップを備えることを特徴とする分析方法に関する。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態について図を用いて説明する。図１に本発明により結晶歪みを評価するまでのフローチャートを示す。■で、基板の回折ピークを基準にロッキングカーブ測定を行う。■で、薄膜の膜厚を反映した振動パターン周期から膜厚の算出を行う。■で、組成比および膜厚が既知である標準試料と被検試料の蛍光Ｘ線の強度測定を行う。■で、■で求めた膜厚および■で測定した蛍光Ｘ線強度を用いて公知であるファンダメンタル・パラメータ法により組成比を算出する。■で、■で求めた組成比によりベガード則から完全緩和状態、即ちリラックス値１００％の薄膜の格子定数および結晶歪みの縦横比を算出する。■で、該ロッキングカーブの薄膜による回折ピーク位置より該薄膜の膜厚方向の格子定数を算出し、■で、■で求めた結晶歪みの縦横比、および■で求めた該薄膜の膜厚方向の格子定数から該薄膜の膜面方向の格子定数を算出し、■で■で求めた薄膜の完全緩和状態、即ちリラックス値１００％での膜面方向の格子定数、■で求めた薄膜の膜面方向の格子定数、および基板の膜面方向の格子定数から該薄膜の結晶歪み度合いを算出する。
【０００８】図２に組成比xが０．２、リラックス値が１００％で膜厚tが５００ｎｍ、１０００ｎｍのロッキングカーブの膜厚依存性シミュレーション評価結果を示した。このように振動パターンの周期は膜厚を反映するため、この周期を用いて膜厚を評価できる。図３に膜厚tが５００ｎｍ、リラックス値１００％で組成比xが０．２、０．３、０．４のロッキングカーブの組成依存性シミュレーション評価結果を示した。このように格子定数は組成比に依存し、薄膜による回折ピーク位置は変化する。図４に膜厚tが５００ｎｍ、組成比xが０．２でリラックス値が０％、５０％、１００％のロッキングカーブの結晶歪み依存性シミュレーション評価結果を示した。このように格子定数は結晶歪みにも依存し、薄膜による回折ピーク位置は変化する。図２〜４のロッキングカーブシミュレーションは理学電機株式会社のロッキングカーブシミュレーションソフトウェアを用いて行った。
【０００９】
【実施例】以下に、本発明を実施例に基づいて説明する。図５に実施例の試料構造を示す。本実施例では、薄膜の組成比x、膜厚t、結晶歪みは未知であるAl_xGa_1-xAsの薄膜がGaAs基板上に製膜された試料を用いた。図１のフローチャートに基づき、■で基板のGaAsの膜厚方向の結晶面(004)の回折ピークを基準にロッキングカーブ測定を行った。■で薄膜の膜厚を反映した振動パターン周期から膜厚tの算出を行った。■で標準試料（Al/Ga比および膜厚既知）と被検試料の蛍光Ｘ線測定を行った。該試料の場合はGaとAsは基板成分であるため、薄膜の組成比の変化に対して感度がよいAlKαを選択した。■で■で求めた膜厚を用いて公知であるファンダメンタル・パラメータ法によりAl/Ga組成比を求めた。■で■で求めた組成比によりベガード則から緩和状態(relax100%)の薄膜の格子定数を算出した。■で該ロッキングカーブの薄膜による回折ピークより該薄膜の格子定数を算出し、■で■で求めた薄膜の緩和状態の格子定数、■で求めた薄膜の格子定数、および基板の格子定数から結晶歪み度合いを算出した。実際には、■から■に相当する結晶歪みのシミュレーションはファンダメンタル・パラメータ法で求めた組成比を既知のパラメータとして理学電機株式会社製ロッキングカーブシミュレーションソフトウェアＷＲＯＣＫを用いて行った。本実施例では、該薄膜について膜厚４５０ｎｍ、Al/Ga=0.35/0.65、結晶ひずみ＝relax80%の計算結果を得た。
【００１０】
【発明の効果】本発明によれば、組成比が未知で且つ結晶歪みがある結晶性固溶体薄膜において、ロッキングカーブにより評価した基板と薄膜の格子定数の差を組成比と結晶歪みに切り分け、該薄膜の結晶格子歪み度合いを評価することが可能となる。ロッキングカーブから膜厚が求まるために、ファンダメンタル・パラメータ法により組成を求めるための蛍光Ｘ線の強度測定数が減少し、測定に要する時間を減ずることができる。従って、実施例のように薄膜成分に基板成分以外の元素が一つしかなく、ファンダメンタル・パラメータ法のみを用いる方法では困難な、薄膜の組成及び膜厚の両方の評価についても精度の高い算出結果を得ることができる。また、ロッキングカーブ測定および蛍光Ｘ線強度測定はどちらもＸ線による分析であり、透過型顕微鏡や湿式分析など他の格子定数または組成比の分析手法に比較して非破壊分析であり、かつ短時間で測定ができるという特徴をもつ。従って、本発明は、例えば、電子デバイス用途のエピタキシャル成長単結晶半導体薄膜について、その研究開発の過程で組成比および結晶格子歪みを明確にする場合や、実際に製造する工程においてそれらの値を管理するにあたり、簡便で短時間で確実な算出結果が得られるなど、産業上有益な手法である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実行手順のフローチャート。
【図２】組成比xが０．２、リラックス値が１００％で膜厚tが５００ｎｍ、１０００ｎｍのロッキングカーブの膜厚依存性シミュレーション評価結果を示すグラフ。
【図３】膜厚tが５００ｎｍ、リラックス値１００％で組成比xが０．２、０．３、０．４のロッキングカーブの組成依存性シミュレーション評価結果を示すグラフ。
【図４】膜厚tが５００ｎｍ、組成比xが０．２でリラックス値が０％、５０％、１００％のロッキングカーブの結晶歪み依存性シミュレーション評価結果を示すグラフ。
【図５】実施例の試料構造図。

【特許請求の範囲】
【請求項１】Ｘ線回折および蛍光Ｘ線のファンダメンタル・パラメータ法の併用により、結晶性の基板または層上に製膜された、格子定数のミスマッチによる結晶歪みを有する組成比未知の結晶性固溶体薄膜の結晶歪み度合いを分析する分析方法。
【請求項２】請求項１記載の分析方法であって、１）Ｘ線回折により基板の回折ピーク位置を基準としたロッキングカーブを測定し、２）ロッキングカーブに観測される、薄膜によるＸ線の干渉による振動パターンの周期より該薄膜の膜厚を算出し、３）未知の組成比と同数の蛍光Ｘ線強度を測定し、４）該２）で求めた膜厚および該３）で求めた蛍光Ｘ線強度を用いてファンダメンタル・パラメータ法により薄膜の組成比を算出し、５）該４）で求めた組成比を用いてベガード則により該薄膜の緩和状態の膜面方向の格子定数および該薄膜の結晶歪みの縦横比を算出し、６）該ロッキングカーブの薄膜による回折ピーク位置より該薄膜の膜厚方向の格子定数を算出し、７）該５）で求めた該薄膜の結晶歪みの縦横比および該６）でもとめた該薄膜の膜厚方向の格子定数より該薄膜の膜面方向の格子定数を算出し、８）該５）で求めた該薄膜の緩和状態の膜面方向の格子定数、該７）で求めた該薄膜の膜面方向の格子定数、および基板の膜面方向の格子定数から結晶歪み度合いを算出するステップを備えることを特徴とする分析方法。

【図１】