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薄膜・微小領域X線回折装置( D8 DISCOVER )

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Academic year: 2021

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薄膜・微小領域X線回折装置( D8 DISCOVER )

理工学研究科物質科学部門 柿崎 浩一

1. 装置概要

本装置は超高速微小領域材料評価 X 線回折システム の一環として設置されたものであり,大面積の 2 次元半導 体検出器(VÅNTEC500)と全軸自動制御の可動軸として X,Y,Z,Phi,Psiをもつ5軸クレードルステージ(図2)を備 え,様々な測定・解析方法に対応できることが特徴である.

サンプルホルダーとしては,標準の傘型ホルダーに加えて,

マグネット固定ホルダー,真空チャックホルダー,ガラスキャ ピラリホルダー,クランプホルダー,テンションクランプホル ダー,粉末固定ホルダーが用意されており,ほぼ全ての試 料形態に対応可能となっている.X線源には高輝度アノー ド回転式X線源(TURBO X-RAY SOURCE: 6 kW)を採用 し,高輝度かつ強力な X 線をチャンネルカットモノクロメー ターや人工多層膜ミラーなどのアタッチメントにより単色,

平行ビーム化して試料に照射することで,薄膜,極微小領 域,小角散乱,In-Planeなどの高度な測定が高精度・高感 度かつ高速に可能である.微小領 域測定に際 しては,ビ デオ顕微鏡システムにより 10 µm の分解能で正確な測定 位置決定が可能であり,コリメーターによって絞られたX線 をピンポイントに照射して X 線回折測定が可能となってい る.加えて,X線検出器として0 次元シンチレーション検出 器も用意されており,2次元検出器と付け替えることにより,

多層構造膜の膜厚測定や表面ラフネスの評価も可能とな っ て い る . セ ッ テ ィ ン グ 変 更 は 装 置 制 御 ソ フ ト ウ ェ ア

(DIFFRAC.SUITE)の DAVINCI 機能により自動認識され,

特別な調整を行うことなく使用することが可能である.

また,解 析 ソフトウェア(DIFFRAC.EVA/LEPTOS)は,

データ処理・定性・定量分析機能はもとより,極点図解析,

逆格子空間マッピング解析,小角散乱解析など,より高度 な解析にも対応しており,測定結果から様々な情報を引き 出すことが可能である.

図1 D8DISCOVERの外観

図2 5軸クレードルステージ

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- 30 - 2. 2次元検出器による配向性薄膜の測定例

図3は,2次元検出器を用いて測定した配向性薄膜試料 の測定結果の一例である.検出器位置を200 mmとした場 合,図中に示した通り,通常の 2θ軸は 1 回の測定で約 30°をカバーできるため,短時間(この例では60 sec.)で回 折パターンを得ることができる.加えて,Psi 軸方向の回折,

すなわちロッキングカーブを同時に測定することが可能で あり,配向性を持つ薄膜の評価は大幅に省力化されること となる.ここで,ロッキングカーブとは,結晶学的に優先配 向を有する試料において,その結晶軸の分散(ゆらぎ)を 示す指標としてしばしば用いられる.このようにして 2 次元 検出器から得られた回折強度を所定の方向に積分するこ とで回折図形を得ることができる.図4(a)および(b)は,

それぞれ 2 次元検出器の回折強度を 2θ軸方向およ び Psi 軸方向に積分したものであり,X 線回折パター ンとロッキングカーブが得られている.

3. 逆格子マッピング

図5は,2次元検出器を用いて測定した配向性薄膜 試料の逆格子空間マップを 3D 表示した例である.ク レードルステージの Psi 軸を変化させ,試料における 回折面の角度を変えながら,その都度測定した回折 パターンを連続的に重ね合わせることで逆格子空間 マップを得ている.通常の 0 次元検出器を用いてこの 測定を行うためには,3D マップの各点を 1 点ずつ測 定することになり,膨大な時間を費やすこととなる.しか し,2 次元検出器を用いることで,2θ軸方向はスキャン する必要が無く,設定したPsi軸の測定点数分だけの 測定を行えば良く,大幅に測定時間の短縮が可能と なる.この例では,1 測定を 60 sec.とし,Psi 軸の角度 を 5º ステップで測定しているため,約 20 分の測定で 逆格 子空 間マップが得 られる.この試料では結 晶配 向がそれほど強くないため,単結晶のようなスポット的 な回折にはなっていないが,Psi 軸の角度によって各 回折面からの回折強度が変化していることがわかる.

なお,配向面ごとの逆格子空間マップがどのようにな るかは,PDF データを基にシミュレートするソフトウェア

(SMAP)が付属しており,解析する上での助けとなる.

図3 配向性薄膜試料の測定結果

図4 配向性薄膜試料の(a)回折パターン および(b)ロッキングカーブ

図5 逆格子空間マップの3D表示

参照

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