超高輝度X線光源を用いたSi薄膜単結晶の非対称Bragg反射パターン測定

超高輝度X線光源を用いたSi薄膜単結晶の非対称

Bragg反射パターン測定

著者

大路 祐介

2011 年度 修士論文要旨

超高輝度

X 線光源を用いた Si 薄膜単結晶の

非対称

Bragg 反射パターン測定

関西学院大学大学院理工学研究科 物理学専攻 高橋功研究室 大路 祐介 半導体素子の小型化、高速化に伴い、半導体表面構造の短い時間領域における 変化のリアルタイム計測に多大な関心が寄せられている。大型放射光施設の登 場により、パルス性を持った高輝度なX 線が比較的簡便に得られるようになり、 時間分解X 線回折法の開発が進められ、第三世代放射光施設である SPring-8 で は、シリコン(Si)、ヒ化ガリウム(GaAs)といった基礎的な半導体結晶の結晶格子 のピコ秒で起こる動的歪みが放射光時間分解 X 線回折法により観測されるよう になり、反応中の物質構造変化の直接観測への更なる努力が進行中である1)_。ま た、2011 年には SPring-8 サイトにて第四世代放射光源である X 線自由電子レ ーザー（XFEL, SACLA）の増幅に成功し、X 線領域のレーザー光の利用フェー ズへの移行が目前のものとなっている。本論文では、バンドギャップを越える 光子エネルギーを持つ可視光レーザーを当てたときの超高速構造ダイナミクス を、XFEL を用いて調べる手法を開発することを目的として、厚さ 100nm の Si 貼り合わせ結晶に SACLA のパルス X 線を照射し、回折パターンの測定、解 析を行った。SACLA での測定は、高ピークパワーとその安定性などから、シン グルショットで結晶構造を測定できる方法が有効となると考えられる。その様 な測定法を念頭におき、今回は非対称Bragg 反射配置における散乱パターンを 二次元検出器を用いて観測した。X 線波長と入射角の最適化を行うことで、 SACLA においてシングルショットによる回折パターンの観測に成功すること ができた。また、励起レーザーを照射して損傷したSi 薄膜単結晶の結晶格子の 様子をSPring-8 でとらえることにも成功した。その散乱パターンの試料角度お よび位置依存性を解析することにより、励起レーザー光による損傷箇所の周辺 で、単結晶薄膜の膜厚が変化していること、層数が減っていること、薄膜の結 晶軸方向が傾いていること等が明らかになった。