ここ10年来の間に、表面X線回折法は、表面・界面の構造を解析する有力な手段として認識されてきている。表面X線回折法の長所としては、まず、X線は物質との相互作用が弱いため、一回散乱の理論による結果の簡明な解釈が可能であることが挙げられる。さらに、X線は電子などに比べると物質中に深く侵入するため、表面から数層以上におよんでいる可能性のある基板のひずみをも解析の対象とすることができる。

　X線を用いて表面の研究をするためには、試料作成のための超高真空槽と、高精度の回折計とを組み合わせた装置が必要である。我々は、そのような装置を製作し、高エネルギー物理学研究所の放射光ビームラインAR-NE3に設置した。従来の表面X線回折計と比較した場合のこの装置の特色は、散乱ベクトルの表面垂直方向成分が大きいような配置での測定が容易におこなえることである。これにより、面内方向のみならず表面に垂直な方向への表面原子の変位も解析できる。

　この装置を用い、シリコン(001)面の清浄表面に見られる2×1再構成構造を解析した。この系については、これまで多くの実験的・理論的研究がなされているが、構造の詳細についてはいまなお議論が続いている。ここでおこなった解析は、表面に垂直な方向に伸びる逆格子ロッドに沿った回折X線の強度を測定するという手法に基づいている。仮定した構造モデルに基づく計算値と測定強度とを比較することにより、シリコン(001)表面の原子の三次元的座標を求めることができた。

　装置の概要を図1に示す。X線は図のBe窓を通して超高真空槽に出入りする。分子線エピタキシー用の装置を備えた超高真空槽は、ベローズを介して回折計と連結されている。真空槽が載った移動台を前後させることで、ベローズを伸縮させながら真空槽が移動する。ここで重要なことは、試料は回折計に対して固定されており、真空槽の移動中、動かないということである。X線による測定が行われているときは、ベローズはいっぱいに伸びた状態にあり、試料のある位置にはBe窓が位置している。一方、試料作成のときには、ベローズが180mm縮んで、分子線エピタキシーの諸装置が使用できるようになる。回折計の軸の回転は、差動排気機構を通じて真空中の試料へと伝達される。

図1:表面X線回折計の全体図。

　回折計は、従来からある五軸回折計をさらに拡張した、六軸回折計と呼ばれる型式のものである。六軸回折計は、五軸回折計と同様に、試料を回転させるために、、という3つの軸を、真空槽を含む回折計全体を回転させるためにa軸を、検出器を動かすために軸を有している。六軸回折計の特色は、これらの軸以外に、検出器を回転させるためにもう一つ、軸を持っていることである。この軸を利用することで、散乱ベクトルの表面垂直成分を大きくとることが容易になる。その結果、表面に垂直な方向への原子変位に対する感度を得られるのである。

　真空槽は、ベーキング後3×10^-10Torr以下の真空度に到達する。試料マニピュレータには、直径20mmの領域を1000℃まで加熱できる試料ヒーターが組み込まれている。2つのクヌーセン・セルは、真空槽が試料作成の位置にあるときばかりでなく、X線による測定のための位置にあるときでも蒸着ができるような方向に向けて取り付けられている。これにより、結晶成長中の構造をその場観察することが可能である。

　試料には、市販の鏡面仕上げされたシリコン(001)面のウェハを用いた。大気中であらかじめ白木法による化学処理を施したあと、真空槽に移送し、900℃で30分間の加熱をおこなった。室温まで温度を下げたあと、RHEEDパターンを観察することにより、目的とする構造ができていることを確認した。

　X線による測定は、「Z軸モード」と呼ばれる配置でおこなった。この配置では、試料表面の法線方向と軸とがつねに平行である。そのため、測定強度と計算値とを比較するために必要な補正が簡単な形になり、精度の高い解析ができる。各測定点では、軸を回転させながらロッキングカーブをとり、積分強度を求めた。これに照射面積の補正や、偏光因子の補正、幾何因子の補正を加えて、解析のためのデータとした。使用した波長は0.863Aで、ビームサイズは0.1×1.0mmである。

　測定データは、表面以下6層目までの変位を取り入れた非対称ダイマーモデルにより、よく再現される。さらに詳しい構造パラメーターを決定するため、最小自乗法による解析をおこなった。測定と解析の結果を図2に示す。グラフの横軸は、1/c(c＝5.431A)を単位とした逆格子ロッド上の位置を表す。黒丸で示した測定強度と実線で示した計算強度とはよく一致している。これに対応する構造パラメーターの値は、図3に模式的に示した。図中、矢印は、理想的なバルクの位置からの変位を表し、それに付した数字は、変位の大きさをA単位で表したものである。

図2:逆格子ロッドに沿った強度分布。

図3:求められた構造パラメーター。

　以上の結果から、表面原子の構成するダイマーは、2.37±0.06Aの結合長を持ち、表面に対して20±3°の傾きを持っていることがわかる。求められたダイマーの結合長は、シリコンのバルク中での原子の結合長2.35Aに近い。

　ダイマーの結合長が、バルクにおける結合長に近いということと、表面に対して20°程度の傾きを持っているということは、シリコンと同じ族に属する半導体ゲルマニウムの(001)表面が示す性質と共通するものである。すなわち、シリコン(001)表面は、ゲルマニウム(001)表面と相似な構造になっていると結論される。