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JP4928694B2 - Method for identifying the structure of a thin film polycrystal - Google Patents

Method for identifying the structure of a thin film polycrystal Download PDF

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JP4928694B2
JP4928694B2 JP2001284051A JP2001284051A JP4928694B2 JP 4928694 B2 JP4928694 B2 JP 4928694B2 JP 2001284051 A JP2001284051 A JP 2001284051A JP 2001284051 A JP2001284051 A JP 2001284051A JP 4928694 B2 JP4928694 B2 JP 4928694B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜多結晶の膜構造の同定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
太陽電池等を構成する薄膜特性の最適化には、膜構造に起因する電気伝導等の特性、および前記特性と関係のある膜物性を予測できることが望ましい。これらの予測には、薄膜が多結晶体で構成される薄膜多結晶の場合、個々の結晶粒を扱う必要がある。
【0003】
近年、薄膜多結晶の形成には、CVD(化学的気相堆積)法やPVD(物理的気相堆積)法が広く用いられている。CVD法またはPVD法を用いる場合、製膜条件に応じて薄膜多結晶の特性・膜構造を同定する必要がある。この同定は、電子後方散乱回折像法(EBSP)を用いた測定によって、薄膜を構成する各結晶粒の方位・粒界等をマッピングすることで行なうことができる。しかし、この測定に通常用いられるEBSP装置を付加した走査型電子顕微鏡(SEM)では、電子ビーム径に限度がある。そのため、小さい結晶粒径で構成される薄膜多結晶に対して、各結晶粒を分離して測定することが不可能である。また透過型電子顕微鏡(TEM)では、各結晶粒ごとに測定することができるが、測定試料の準備に多大な労力を要するために、多くの試料を評価することが難しい。
【0004】
このため測定の手間を省くために、X線回折等の測定手法を用いて、多結晶を構成する結晶粒の配向分布等を求める方法が開発されている。
【0005】
特開昭55−78233に示された装置では、X線ビームを試料に対してスキャンしてマッピングを行なう。しかしX線ビーム径の最小値に限度があるため、小さい結晶粒径で構成される薄膜多結晶の各結晶粒を分離して評価できない。
【0006】
特開平5−256799や特開平9−178675で用いられているX線回折で測定される多結晶の極図形(pole figure)や、特開平9−281061に用いられているθスキャニングによるロッキングカーブは、多結晶全体の平均データである。そのため、結晶粒が配向する方位の頻度については把握できるが、多結晶内部の粒界についての情報は得られない。従ってこの結果だけでは、薄膜多結晶の膜構造を把握するには不十分である。
【0007】
そこで、粒界等を含めた膜構造の詳細な同定をするためには、薄膜多結晶の膜構造についての適切なモデルを用いて、X線回折等の測定結果を分析するプロセスを導入することが必要である。
【0008】
膜構造の同定に用いる薄膜多結晶の特性および膜構造のモデルには、以下のようなものがある。
【0009】
第1のモデルは、個々の結晶粒についての平均的な特性を求めることで、薄膜多結晶を均質な薄膜として扱うものである。このモデルでは、薄膜全体を見た場合には個々の結晶粒の差異は影響しないとしている。しかし、個々の結晶粒の平均的特性を求めるための別個のモデルが必要であるとともに、平均的特性からのバラツキを扱うことができない。
【0010】
第2のモデルは、図16に示すように、製膜開始から個々の結晶粒が成長するに従い、結晶粒がお互いに衝突したときには、基板の法線方向の成長速度が最も速い特定の結晶粒のみが優先的に成長する”geometric selection”機構に基づいて、薄膜多結晶が成長し、膜構造が決まるというモデルである(図16の出典元はA. Van der Drift, Philips Res. Repts. Vol.22 (1967) p.267、また”geometric selection”機構はA. A. Chernov, Modern Crystallography III: Crystal Growth, Springer-Verlag, Berlin (1984) p.284を参照)。このモデルを用いたシミュレーション例としては、A. Van der Drift, Philips Res. Repts. Vol.22 (1967) p.267、および C. Wild et al., Diamond and Related Materials Vol.2 (1993) p.158がある。しかし、これらの例では結晶粒を2次元空間で扱うため、本来3次元空間で扱うことのみで表現できる結晶粒の面方位等を正確にモデル化できない。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、薄膜多結晶の成長に伴う、上記”geometric selection”機構に基づいた結晶粒間の相互作用モデルを用いつつ、第1・第2モデルにはなかった、個々の結晶粒の3次元空間表現を実現した薄膜多結晶の膜構造モデルを用いた成長シミュレーションを併用することで、X線回折等の結晶解析の測定から薄膜多結晶の膜構造を同定する方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明によれば、対象となる薄膜多結晶について結晶解析データを測定する工程と、前記薄膜多結晶の製膜条件に基づいて薄膜多結晶の膜構造をシミュレーションし、前記結晶解析データと一致するように膜構造を指定するパラメータを調整することによって、前記薄膜多結晶の膜構造を推定する工程とを含むことを特徴とする薄膜多結晶の膜構造同定方法が提供される。
【0013】
本発明においては、前記薄膜多結晶の膜構造シミュレーションが、複数のセルによって分割されたシミュレーション空間を用意する工程と、前記空間内において、基板上に、製膜条件に従って成長形が割り当てられた複数の初期結晶粒を配置する工程と、各初期結晶粒の成長形を、前記空間内で単位成長ステップごとに相似拡大する工程と、各ステップごとに、拡大された結晶粒の増加分に含まれたセルが、他の結晶粒の増加分と共有されない場合には、そのセルは該結晶粒の構成要素であると判定し、他の結晶粒の増加分と共有される場合には、そのセルはそれらの結晶粒間の粒界であると判定する工程とを含むことが好ましい。
【0014】
また本発明においては、基板上に配置された各初期結晶粒に対して、基板と平行な面の面方位を製膜条件に従って割り当て、前記結晶粒の構成要素であると判定されたセルに、該結晶粒に割り当てられた面方位を与えることが好ましい。
【0015】
また本発明においては、面方位が割り当てられたセル集団のセル配列に基づいて、各結晶粒の形状を求めて薄膜多結晶の膜構造を算出し、および各結晶粒の面方位、体積、粒径を求めて薄膜多結晶の結晶解析データを算出することが好ましい。
【0016】
さらに本発明においては、単位成長ステップごとに、二次核となる双晶を各結晶粒の成長面上で発生確率に従って発生させ、前記双晶の面方位は、双晶が発生した結晶粒の面方位からその発生面を鏡面とした鏡映操作によって定めることが好ましい。
【0017】
さらに本発明においては、前記結晶解析データと一致するように調整する前記膜構造指定パラメータが、基板上に配置する初期結晶粒の密度であることが好ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明では、X線回折または中性子回折等を用いた結晶解析による薄膜多結晶の膜構造の測定と、薄膜多結晶の膜構造のシミュレーションとを併用して、薄膜多結晶の膜構造を同定する。具体的には、X線回折スペクトル等の測定結果とシミュレーションから求めたスペクトルの計算結果とが一致するように、シミュレーションのパラメータを調整して、薄膜多結晶の膜構造を同定する。
【0019】
本発明の膜構造シミュレーションにおいては、セルで分割した3次元シミュレーション空間内で、基板上に配置した初期結晶粒から成長形を保ちながら仮想的に結晶粒を拡大する。そして、拡大した仮想結晶粒に含まれるセルに結晶粒の属性(基板と平行な面の面方位など)を与え、仮想結晶粒同士が衝突したセルには粒界の属性を与えていく。こうして得られた、結晶粒および粒界の属性を有する3次元セル群から、実際に成長した結晶粒の形状および面方位を決定し、X線回折スペクトル等を計算する。また本発明の膜構造シミュレーションでは、結晶成長の2次核となる双晶が製膜途中に発生する影響も取り入れることができる。 なお本明細書においては、結晶粒または双晶の基板に対する面方位とは、結晶粒または双晶が有する結晶面のうち基板に平行な結晶面の面方位を指す。
【0020】
まず、本発明の第1の実施形態について説明する。
【0021】
図1に、本発明に係る薄膜多結晶の膜構造同定方法の流れ図を示す。本方法は、以下の第1〜第6手順からなる。
【0022】
第1手順では、膜構造を同定する対象となる薄膜多結晶について、X線回折または中性子回折等による結晶解析、例えばθ−2θ法等を用いたX線回折スペクトルの計測を行なう。
【0023】
第2手順では、膜構造シミュレーションで用いる膜構造モデル(後述する)に対するパラメータの初期設定を行なう。設定するパラメータは、たとえば製膜時間t、製膜開始時に発生する初期核密度ρ1st(基板上の初期結晶粒の密度)である。なお、製膜条件として扱うパラメータ、例えば製膜時の基板温度、製膜室の圧力等も設定する。
【0024】
第3手順では、前述したように、膜構造モデルを用いて膜構造シミュレーションを行ない、第2手順で与えたパラメータ条件における薄膜多結晶の膜構造を計算する。
【0025】
第4手順では、第3手順でシミュレーションによって得られた薄膜多結晶の膜構造を用いて、対象となる薄膜多結晶についてX線回折スペクトルを計算する。
【0026】
第5手順では、シミュレーション時間が第2手順で設定したtに達したか否かを判断する。シミュレーション時間tに達した場合には、シミュレーションを終了する。時間tにまだ達していない場合には、時間をさらにシミュレーションの単位時間ステップΔtだけ進めて、上記第3手順および第4手順を繰り返す。
【0027】
第6手順では、上述の膜構造シミュレーションで得られたX線回折スペクトルの計算結果が、第1手順で得られた計測スペクトルと一致しているかどうかを判定する。両者が一致しない場合は、前述の初期核密度ρ1stを変化させて第3手順から再計算を行なう。
【0028】
次に、本発明による膜構造シミュレーションで用いる膜構造モデルについて説明する。図2は、この膜構造モデルの原理を説明するための模式図である。
【0029】
図2(a)は、薄膜多結晶の成長に伴う結晶粒間の相互作用を表現する、”geometric selection”機構に基づいた結晶粒間の相互作用モデルを、本発明に適用するために表現方法を改良して示したものである。
【0030】
図2(a)では、簡単のために、薄膜多結晶の成長初期に、基板11上に初期結晶粒a、b(12、13)が発生し、それぞれ基板と平行な面が任意の面方位を有する場合を示している。これらの結晶粒は、同一製膜条件の下での各結晶表面の成長速度から定まる成長形と呼ばれる任意形状を保ちながら成長するが、製膜条件が局所的・時間的に異なれば異なった成長形をとる。
【0031】
”geometric selection”機構では、各結晶粒は各々の成長形を保って成長を続け、結晶粒が十分に大きくなりお互いに衝突する場合には、衝突位置を粒界としてその場所での成長をお互いに停止する。このとき各結晶粒のもつ面方位や位置に依存して、結晶粒がさらに成長を続けるか、他の結晶粒のために粒界において成長が止まるかの成長競合作用が起こる。この成長競合作用により、初期結晶粒が有していた成長形は保たれなくなるが、他の結晶粒との衝突が起こっていない部分では成長形の一部がそのまま保たれる。その結果、図2(a)に示すように、初期結晶粒a(12)が成長した結晶粒a(19)と、初期結晶粒b(13)が成長した結晶粒b(20)とが、粒界18を介して存在して、薄膜多結晶の表面17が形成されることになる。
【0032】
本発明の薄膜多結晶成長シミュレーションにおいては、薄膜多結晶を構成する実際の個々の結晶粒a、b(19、20)に対して、仮想的に各結晶粒a、b(19、20)が初期結晶粒の成長形を保ち続けた場合の仮想結晶粒a、b(14、15)を仮定する。そして、成長を続けるうちに各仮想結晶粒の増分16の一部がお互いに衝突した部分を粒界18とみなし、粒界18を超えた部分には成長しないと仮定して、上述の”geometric selection”機構を表現する。
【0033】
図2(b)は、”geometric selection”機構を本発明の膜構造シミュレーション方法に適用するために、セル要素を用いて3次元空間を表現したものを説明するための図である。
図2(b)において、各仮想結晶粒a、b(14、15)を、成長時間に従って成長形を保ちながら拡大していく。そして、仮想結晶粒の拡大に伴って取り込まれた空間のうち、他の仮想結晶粒と衝突していない空間には当該仮想結晶粒の属する結晶粒の属性を保持し、他の仮想結晶粒と衝突した空間には粒界の属性を保持する。これらの情報の保持には膨大な記憶領域を必要とする。しかし実際には、対象とする多結晶材料の格子定数や製膜で扱う結晶粒の大きさより小さい領域を扱う必要はないことが多い。
【0034】
このため本発明においては、扱う最小領域を単位として、3次元空間を図2(b)に示すようにセル要素21で分割する。
そして、各成長ステップにおいて、たとえば仮想結晶粒b(15)の増分16中に取り込まれたセルが、他のどの仮想結晶粒の増分にも含まれていなければ(たとえば図のセル23)、このセル23に仮想結晶粒b(15)の属する結晶粒の属性を与える。具体的には結晶粒の属性として、この結晶粒の基板に対する面方位、またセル23が薄膜多結晶の表面に露出する場合には露出する結晶面などの情報を、セル23に付与する。同様に、仮想結晶粒a(14)の増分中に取り込まれたセル22に、仮想結晶粒a(14)の属する結晶粒の属性を与える。
【0035】
逆に、仮想結晶粒b(15)の増分16に取り込まれたセルが、他の仮想結晶粒a(14)の増分にも含まれていれば(図のセル24)、このセル24に粒界の属性を与える。具体的には、2つの仮想結晶粒a、bがそれぞれ属する結晶粒の基板に対する面方位などの情報を、セル24に付与する。
【0036】
こうして、図2(a)に示す”geometric selection”機構による結晶粒間の相互作用を含む薄膜多結晶の成長モデルを、必要な精度で表現することができる。ここで一旦結晶粒または粒界の属性が与えられたセル23または24の内容は基本的に変更せずに保持する。ただし、膜構造シミュレーションから得たX線スペクトルの計算結果と計測スペクトルとを比較したときに、結晶成長中に飛来粒子によるエッチング等の影響を受けて結晶粒が縮小したと考えられるような場合には、セルに与えた結晶粒の属性を取り消すなどの変更をする。
【0037】
図3は、前述の図1に示した手順のうち、膜構造シミュレーションに関する第2〜第5手順の詳細について説明した流れ図である。
【0038】
図3の第2手順において、前述したように、膜構造シミュレーションに必要なパラメータの初期設定を行なう。
まず初期設定として、成長シミュレーションを行なう時間(製膜時間)t、成長の単位時間ステップΔtを与える。
次に、初期結晶粒を構成する結晶表面(成長表面)、および各結晶表面iの成長速度Viを与える。
結晶粒を構成する結晶表面は、成長させる結晶の種類によって結晶学的に定まる。一般的に高指数の結晶面は成長速度が速く、定常的に表面に存在することができない。そのため、様々な条件で結晶成長する結晶面は{100}面等の低指数の結晶面であることが結晶学で明らかにされている。但し個々の製膜条件でどの低指数の結晶面が露出するかはわからないので、対象物質について、これまで観察された低指数の結晶面すべてを考慮に入れられるようにする。たとえば、シリコン結晶の成長シミュレーションを行なう場合には、各初期結晶粒に{100}、{111}などの結晶表面を与える。なお、結晶粒ごとに異なる結晶表面を与える場合もあるし、同じ結晶粒上で異なる複数種の結晶表面を共存させる場合もある。
【0039】
各結晶表面iの成長速度Viは、製膜条件を元に分子動力学法等を利用して計算によって求める。なお、成長途上でも製膜種の拡散等で局所的に成長条件が異なる場合には、該当する成長速度Viを適宜変更する。
続いて、3次元セルの単位セル長ΔLを与え、3方向それぞれのセル数を与えてセル空間を設定する。最後に仮想粒の配列を設定する。この配列は、仮想粒の中心の位置、仮想粒の半径、仮想粒が成長可能かを示すフラグを記憶し、第3手順で結晶粒成長を行なう場合に用いる仮想結晶粒(仮想粒)の情報を保持するものである。
【0040】
次に初期結晶粒の設定を行なう。
まず初期結晶粒の個数を決める。これは、前述の初期核密度ρ1stから、(初期核密度ρ1st)×(基板面積)=(初期結晶粒の個数)によって算出する。 次に各初期結晶粒の径と位置を決める。ここで径とは、基板と平行な方向での初期結晶粒の直径(または半径)であり、あらかじめ定めた確率分布に基づいて乱数を用いて決める。また各初期結晶粒の位置は、初期結晶粒がお互いに重ならないように、上述のようにして決めた各初期結晶粒の径と、あらかじめ与えた確率分布に基づく初期結晶粒間の間隔とが実現するように決める。
【0041】
次に、各初期結晶粒の基板に対する面方位を、製膜条件に従って(具体的には、製膜使用とする基板の面方位や、表面清浄度等の表面状態に強く依存する。但し、表面近傍の化学種の組成の違いにより変動する可能性がある)、あらかじめ与えた確率分布に基づいて決める。たとえばシリコン結晶の成長シミュレーションを行なう場合には、{111}、{220}、{100}などの面方位を与える。また確率分布は、初期結晶粒の基板に対する面方位が、基板の面方位の影響を受けることなどを考慮して設定される。
【0042】
次に各初期結晶粒について、前述の初期設定で与えた結晶表面と各結晶表面iの成長速度Viとから、成長形の形状を決める。
【0043】
たとえば前述したように、成長面として{100}または{111}の面を与えた場合を考える。周知のとおり{100}には6つの等価な面があり、{111}には8つの等価な面がある。等価な面の成長速度Viは同じであるので、{100}の結晶表面が与えられた結晶粒の成長形は、6つの面からなる正六面体をなし、{111}の結晶表面が与えられた結晶粒の成長形は、8つの面からなる正八面体をなす。
【0044】
図4は、結晶表面によって成長速度Viが異なる場合の成長形の決め方を説明するための模式図である。図4では簡単のために2次元で示している。
図4(a)においては、初期結晶粒は6つの結晶表面を有し、立方体(図では4辺からなる正方形100)をなしている例を示す。この6面のうち相対する2面(図では2辺110)の成長速度Vi130が、他の4面(図では2辺120)の成長速度Vi140の2倍であるとする。この場合、この初期結晶粒100は成長し続けると最終的には、前記2つの面110を結ぶ上下方向が2つの面120を結ぶ方向の2倍となる直方体(図では長方形150)になる。従ってこの場合には、初期結晶粒100の成長形として、図4(b)に示すように、上下方向が他の方向の2倍である直方体(図4(b)では長方形200)が定められる。このようにして、結晶表面によって成長速度Viが異なる初期結晶粒の成長形が決定される。
【0045】
次に、上述のようにして初期結晶粒に与えた成長形を、前述のようにして決めた初期結晶粒の基板に対する面方位が実現するように位置決めをして、初期結晶粒の形状を決める。
【0046】
図5は、成長形の位置決めの仕方を説明するための模式図である。図5(a)に示すように、成長形が、等価な8つの結晶表面{111}から構成される正八面体300である場合を考える。また図5(b)に示すように、初期結晶粒300の基板に対する面方位が{100}である場合を考える。このような場合、図5(b)に示すように、成長形の内部の{100}の面が基板11に対して平行になるように、正八面体300を位置決めする。その結果、同図に示すように、初期結晶粒の形状は、基板11の表面上にピラミッドが露出した形状となる。
【0047】
図3に戻って、第2手順においては、上述にようにして仮想結晶粒で表した初期結晶粒内部に含まれるセルに、初期結晶粒の属性(基板と平行な面の面方位など)を与えて、初期結晶粒をセルで表現する。
最後に、製膜条件として扱うパラメータ(製膜時の基板温度、製膜室の圧力等)を設定する。
【0048】
図3の第3手順においては、単位時間ステップΔtごとの結晶粒成長を行なう。すなわち初期結晶粒から、単位時間ステップΔtごとに成長形の相似形を保ちながら仮想結晶粒を拡大(相似拡大)する。前述の図2(b)に示したように、仮想結晶粒a、b(14、15)を用いてセル操作を行なって実際の結晶粒の成長を表現し、セル操作のできなかった仮想結晶粒は、薄膜多結晶の表面上から消滅したと判定する。
【0049】
図6に、このセル操作の具体的手順の流れを示す。まず各仮想結晶粒を、単位時間ステップΔtごとに拡大する。そして拡大する度に、各仮想結晶粒の体積増加分である増分(図2(b)の増分16)に含まれたセルの中に、空セル(結晶粒の属性を持たないセル)があるかどうかを判定する。
【0050】
仮想結晶粒の増分中に空セルが含まれていた場合には、その空セルが他の仮想結晶粒の増分にも同時に含まれるかどうかを判定する。すなわちその空セルを増分中に含む仮想結晶粒が1種類(空セルが共有されていない)か、2種類以上(空セルが共有されている)かを判定する。その空セルを増分中に含む仮想結晶粒が1種類である場合には、その空セルに、その仮想結晶粒が属する結晶粒の属性(面方位など)を与える。空セルを増分中に含む仮想結晶粒が2種類以上の場合には、その空セルの領域で2種類以上の仮想結晶粒が衝突して粒界が形成されることになるので、その空セルに粒界の属性を与える。こうして単位時間ステップごとに、3次元空間の各空セルに、結晶粒の属性または粒界の属性を与えて埋めていく。
【0051】
また、仮想結晶粒の増分の中に空セルが全く含まれない場合には、その仮想結晶粒の拡大は行なわず停止する。これは、前回の成長ステップにおいて、その仮想結晶粒の属する結晶粒が、周囲を他の結晶粒(すなわち粒界)によって囲まれたために、今回のステップでは成長できなかったことを意味する。こうして成長を停止された結晶粒は、最終的に薄膜多結晶の表面には露出せず、すなわち薄膜多結晶の表面から消滅したことになる。
【0052】
図3に再び戻って、上述のようにして結晶粒を成長させた第3手順の後の第4手順においては、結晶粒または粒界の属性が与えられた各3次元セルの属性を参照して、個々の結晶粒の実際の形状および面方位を推定する。(ここでは、結晶粒の形状を推定するとともに、その形状内に含まれるセルの属性である基板に平行な面の面方位をもって結晶粒の面方位と推定する。)そして、この推定結果を用いて、結晶粒の粒径、体積、X線積分強度、X線ピークの半値幅、および薄膜多結晶表面に露出した結晶表面の分布等、たとえばX線回折のθ−2θ法についての計算を行なう。
【0053】
図7は、この計算の仕方を説明するための図である。同図に示すように、結晶粒の粒径、結晶粒の体積、結晶粒のX線積分強度は下式(1)、(2)、(3)を用いて計算する。
結晶粒の粒径=結晶粒を構成するセル集団の基板からの高さの平均・(1)
結晶粒の体積=結晶粒を構成するセルの総数×単位セル体積 ・・・(2)
結晶粒のX線積分強度=結晶粒の基板に対する面方位に依存する定数×結晶粒の体積 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)
なお、上式(3)のX線積分強度は個々の結晶粒についての値である。従って、実際のX線の計測スペクトル結果と比較するためには、上式(3)の積分強度を、同じ面方位を有する全ての結晶粒について合計した値を算出する。
また結晶粒の粒径を用いて、その結晶粒の面方位に由来するX線ピークの半値幅を算出する。具体的には、個々の結晶粒からは、X線ピークの高さ∝結晶粒の体積×粒径×回折面方位固有の定数、X線ピークの半値幅∝1/粒径の関係をもつガウス曲線でX線ピークが表現できるので、すべての結晶粒についてガウス曲線の和をとって得られた曲線の半値幅をもってX線ピークの半値幅とする。
【0054】
こうして、算出されたX線回折スペクトルの各ピークについてのX線積分強度と半値幅とを、後述するように、計測スペクトルとの間で比較する。
【0055】
図3に戻って、上述のようにして個々の結晶粒の実際の形状、X線積分強度等を計算した第4手順の後の第5手順においては、シミュレーション時間が前述の第2手順で設定したtに達したか否かを判断する。シミュレーション時間tに達した場合には、当該シミュレーションを終了して、第6手順に移る。まだ達していない場合には、時間をさらにステップΔtだけ進めて仮想結晶粒を拡大し、上記第3手順および第4手順を繰り返す。
【0056】
第6手順では、図1に示したように、シミュレーションによって得られたX線回折スペクトルの計算結果(X線積分強度と半値幅)が、第1手順で得られた計測スペクトルと一致しているかどうかを判定する。計算結果と測定結果との誤差が、事前に決めたある誤差の範囲に入った時点で、両者が一致していると判定する。両者が一致しない場合は、初期核密度ρ1stを変化させて前述の第3手順から再計算させる。初期核密度ρ1stの変化は、X線回折スペクトルの計算結果と計測スペクトルとの誤差が小さくなるように行ない、最終的に計算と計測との間でスペクトルが一致するように行なう。
【0057】
図8に、計算および計測スペクトルの一致の判定および再計算の方法を示す。図8(a)は判定の流れ図であり、図8(b)はスペクトルを構成する各ピークについての計算および計測スペクトルの差を表す模式図である。
【0058】
まず図8(a)の(i)において、図8(b)に示すように、スペクトル全体について計算スペクトルと計測スペクトルとを比較して、スペクトルを構成する各ピークについて差を算出する。すなわち前述したように、計算スペクトルと計測スペクトルとのそれぞれにおいて、各ピークのX線積分強度(ピーク面積)と半値幅(ピーク幅)とを算出し、計算スペクトルと計測スペクトルとの間で差を出す。なお実際には、各ピークの積分強度の代わりに、特定のピークの積分強度に対する各ピークの積分強度の比を用いる。
【0059】
次に(ii)において、(i)で求めた計算と計測との間での各ピークの差(積分強度比と半値幅の差)が小さくなるように、各ピークが由来する特定方位に配向した面方位(基板と平行な面の面方位)を有する結晶粒群の粒径・体積等の変化すべき修正量を計算する。回折ピークの積分強度はピークが由来する面方位の結晶粒の体積に比例し、ピークの半値幅は結晶粒の粒径にほぼ反比例する。
【0060】
最後に(iii)において、(ii)で求めた結晶粒群の粒径・体積等の修正量を満たすように、パラメータである初期核密度ρ1stを変化させる量を予測して、図1および図3の第3手順から再計算させる。すなわち、初期核密度ρ1stの変化の方向および変化量について微小に振ったいくつかの候補を用意して、各候補について第3手順から再計算させ、前述の積分強度比と半値幅の誤差が最小になる候補を選ぶ。
【0061】
初期核密度ρ1stを小さくした場合、基板上の初期結晶粒の個数が減るため、成長シミュレーション中に結晶粒が互いに衝突して成長を妨げ合うことが減る。そのため、各結晶粒は大きく成長するようになり、各結晶粒の粒径(高さ方向の粒径)・体積が大きくなる。従って前述したように、各結晶粒の面方位に由来するピークの積分強度の計算値は大きくなり、反対に半値幅は小さくなる。また初期核密度ρ1stを大きくした場合には、上述とは逆に、各ピークの積分強度は小さくなり、半値幅は大きくなる。
【0062】
以上のようにして、X線回折スペクトルの計算結果と計測スペクトルとが一致した時点で、図1および図3の第4手順で得られた個々の結晶粒の実際の形状および面方位から、対象とする薄膜多結晶の膜構造を同定する。
【0063】
以上詳述したように、本発明に係る薄膜多結晶の膜構造同定方法では、X線回折等からの測定データ、例えばX線回折スペクトルを用いて、製膜条件に基づいた薄膜多結晶の膜構造を同定する。膜構造を同定するために必要な成長シミュレーションを行なうにあたり、製膜条件から計算した各結晶表面の成長速度を用いる。様々な製膜条件から得られた結晶表面の成長速度のデータベース等の情報を利用できる場合には、計算時間が少なくて済む。また単位セル長ΔLを調整することによって、任意の精度と計算時間で結果を得ることができる。すなわち、ΔLを小さくすれば精度は高くなり、ΔLを大きくすれば計算時間は短くなる。
【0064】
本発明に係る薄膜多結晶の膜構造同定方法の要点は、薄膜多結晶の成長シミュレーションであるので、シミュレーションが同定に与える効果について説明する。薄膜多結晶を構成する個々の結晶粒の特性を、平均値だけでなくバラツキも含めて成長シミュレーションに考慮できる。そのため、少ない計算時間で正確な膜構造の同定を行なうことができる。具体的には、初期結晶粒の位置や径の従う分布、さらに基板に平行な面の面方位の従う分布を考慮して、成長シミュレーション上で薄膜多結晶の膜構造に及ぼす影響を求めることができる。そのため、製膜終了後の膜構造の同定に加え、製膜初期・中期の構造も同定可能である。
【0065】
また、薄膜多結晶を構成する結晶粒は、仮想結晶粒と3次元セルにより表現され、図2(b)に示したモデルを用いている。そのため、薄膜多結晶の成長およびそれに伴う結晶粒間の相互作用の結果与えられる複雑な表面形状・粒界構造を、必要な精度で模擬できる。いわゆるセルオートマトン(CA)モデルでは、セルで近似したことに由来する誤差が周囲に伝播していく。しかし本発明の図2(b)に示したモデルでは、セルに結晶粒の属性を与えて影響を及ぼすのは仮想結晶粒だけであり、CAモデルと比較してセルの誤差は周囲に伝播しにくい。そのため本発明においては、膜構造の同定における誤差は小さくなる。
【0066】
また本発明においては、計算結果は3次元セルに記憶されるため、この記憶データから、薄膜多結晶を構成する個々の結晶粒の形状、X線回折等に基づく面方位の配向性等を容易に計算することができる。
【0067】
次に、本発明の第2の実施形態について、説明する。
【0068】
薄膜多結晶の製膜では、製膜初期に発生した初期結晶粒が成長して薄膜を構成するだけでなく、製膜途中に別個の結晶粒(2次核)が新たに発生してその結晶粒が成長する場合がある。2次核の発生は膜構造に影響を与えるため、薄膜多結晶の膜構造同定において2次核発生モデルを組み込むことが必要である。
【0069】
特に有力な2次核の原因として双晶がある。双晶は結晶成長途中に生じる欠陥の一種であり、結晶粒の特定結晶面上だけで発生し、シリコン等では{111}面上に容易に発生する。従って2次核の主因の1つである双晶の発生モデルを組み込むことが、薄膜多結晶全般の膜構造同定に必要である。
【0070】
図9は、本発明に係る製膜途中に発生する双晶による2次核を含む薄膜多結晶の膜構造同定方法の流れ図である。同図は、前述した図1に変更を加えたものである。
図9の第1手順では、図1の第1手順と同様に、膜構造を同定する対象となる薄膜多結晶についてX線回折スペクトルの計測等を行なう。
第2手順では、図1の第2手順で設定した、膜構造シミュレーションで用いるパラメータの初期設定(製膜時間t、初期核密度ρ1st)に加えて、双晶が発生する結晶面上での単位面積当りの双晶の発生確率R2ndを設定する。
第3手順では、図1の第3手順で用いた膜構造モデルに双晶発生モデルを組み込んだものを用いて、薄膜多結晶の成長シミュレーションを行なう。
【0071】
第4手順では、図1の第4手順と同様に、第3手順で得られた膜構造を用いて、対象となる薄膜多結晶についてX線回折スペクトルを計算する。
第5手順では、図1の第5手順と同様に、シミュレーション時間が第2手順で設定したtに達したか否かを判断する。
第6手順では、図1の第6手順と同様に、上述の膜構造シミュレーションで得られたX線回折スペクトルの計算結果が、計測スペクトルと一致しているかどうかを判定する。ただし図1の場合とは異なり、両者が一致しない場合には、初期核密度ρ1stとともに双晶の発生確率R2ndを変更して、第3手順から再計算を行なう。
【0072】
図10は、上述した手順のうち、双晶発生モデルを組み込んだ膜構造シミュレーションに関する第2〜第5手順の詳細について説明した流れ図であり、前述の図3の流れ図に変更を加えたものである。
【0073】
図10の第2手順において、図3の第2手順と同様に、膜構造シミュレーションに必要なパラメータの初期設定を行なう。ただし、図3の第2手順で設定したシミュレーション時間t、単位時間ステップΔtなどに加えて、単位面積当りの双晶の発生確率R2ndもあらかじめ与える。また製膜条件に基づいて、双晶の発生可能な結晶表面を同定しておく。また単位セル上に発生する双晶の個数は最大1個となるように、単位セル長ΔLを設定しておく。より具体的には、双晶が発生可能な仮想結晶粒の結晶表面が含まれた単位セルの1つの面の面積に、前述した単位面積当りの双晶の発生確率R2ndをかけた値が1以下となるように、単位セル長を設定する。さらに、熱力学的に安定な双晶の最低限の大きさが結晶学的に求まるので、この大きさを用いて、発生する結晶表面に沿っての双晶の初期径を設定する。
【0074】
また図3の第2手順と同様に、製膜条件から双晶の各結晶表面の成長速度を求め、この成長速度から双晶の成長形を求める。双晶に与える結晶表面の種類は、前述した初期結晶粒に与える結晶表面の種類と同様である。こうして求めた双晶の成長形から、双晶の仮想結晶粒の形状を定義する。
【0075】
図10の第3手順においては、図3の第3手順と同様に、単位時間ステップΔtごとの結晶粒成長を行なう。ただし、成長形を保ちながら仮想結晶粒を相似拡大するセル操作は、後述するように、初期結晶粒に対してだけでなく、成長途中に発生する双晶に対しても行なう。また前述した単位面積当りの双晶の発生確率R2ndに従って、双晶の発生可能な結晶表面上に双晶を発生させる。
【0076】
図11に、双晶を発生させる手順の詳細を示す。
まず仮想結晶粒を拡大する成長ステップΔtごとに、3次元セル空間において、仮想結晶粒の増分に含まれる空セルのうちで、双晶が発生可能な仮想結晶粒の結晶表面を含む空セルを探す。
【0077】
次に、このような空セルの1つの面の面積に双晶の発生確率R2ndをかけた値に基づいて、該当セル上で双晶を発生させるか否かを乱数を用いて決定する。双晶を発生させない場合には、図10の第4手順に移る。
双晶を発生させる場合には、双晶が発生するセルが属する結晶粒(母結晶)の基板に対する面方位に従って、以下のようにして、双晶の基板に対する面方位を設定する。
【0078】
図12に、双晶の面方位を設定する方法の一例を示す。同図は、シリコン{111}面上に双晶が発生する場合の例である。母結晶の面方位を表すベクトルに対してシリコン{111}面を鏡面とした鏡映操作を行なえば、双晶の面方位を表すベクトルが得られる。つまり両者は{111}面について鏡像の関係にあるという対称性をもつので、この性質を利用して、母結晶の面方位から双晶の面方位を設定する。たとえば図12に示すように、母結晶の面方位のベクトルがaρ[001]ならば双晶の面方位のベクトルはbρ[001]になり、母結晶のベクトルがaρ[100]ならば双晶のベクトルはbρ[100]になる。他の物質についても、双晶のもつ対称性を利用して双晶の面方位を設定する。
【0079】
図11に戻って、上述のようにして双晶に与えた面方位と、前述した図10の第2手順で設定した双晶の成長形とに基づいて、双晶の仮想結晶粒を設定する。
次に、双晶の仮想結晶粒内部に含まれるセルのうち、他の結晶粒の属性を持たない空セルに対して、双晶の属性(双晶の基板に対する面方位など)を与える。
【0080】
図13に、3次元セルで表された双晶の仮想結晶粒の形状の例を示す。同図に示すように、母結晶400の仮想結晶粒410が有する結晶表面のうち、双晶の発生可能な結晶表面420上に双晶430の仮想結晶粒440を発生させている。仮想結晶粒440の形状は、前述したように、母結晶400の面方位から求めた双晶430の面方位と、双晶400の成長形とに基づいて設定される。双晶430の仮想結晶粒440に含まれる3次元セル450に双晶430の属性を与える。
【0081】
図11において、最後に、上述のようにしてセルで表現された双晶の仮想結晶粒を、初期結晶粒から成長し続けている他の仮想結晶粒のグループに入れる。こうして、双晶の仮想結晶粒に対しても、図10の第3手順で示した単位時間ステップΔtごとの結晶粒成長を行なって、双晶を成長させる。
【0082】
図10に戻って、上述のようにして結晶粒を成長させた第3手順の後の第4手順および第5手順は、図3の第4および第5手順と同様である。すなわち第4手順では、結晶粒または粒界の属性が与えられた各3次元セルの属性を参照して、個々の結晶粒の実際の形状および面方位を推定し(前述したように、結晶粒の形状を推定するとともに、その形状内に含まれるセルの属性である基板に平行な面の面方位をもって結晶粒の面方位と推定する)、この推定結果から結晶粒の粒径、体積、X線積分強度、X線ピークの半値幅等の計算を行なう。また第5手順では、シミュレーション時間が設定値tに達したか否かを判断し、時間tに達した場合にはシミュレーションを終了して、第6手順に移る。達していない場合には時間をさらにステップΔtだけ進めて、第3手順および第4手順を繰り返す。
【0083】
第6手順では、図9に示したように、シミュレーションで得られたX線回折スペクトルの計算結果と第1手順で得られた計測スペクトルとについて、各ピークのX線積分強度と半値幅とが一致しているかを判定する。両者が一致しない場合には、初期核密度ρ1stとともに双晶の発生確率R2ndを変更して、第3手順から再計算を行なう。
【0084】
以上のようにして、X線回折スペクトルの計算結果と計測スペクトルとが一致した時点で、第4手順で得られた個々の結晶粒の実際の形状および面方位から、対象とする薄膜多結晶の膜構造を同定する。
【0085】
以上詳述したように、第1の実施形態の膜構造同定方法に双晶の発生メカニズムを組み込むことで、多様な製膜条件に対して薄膜多結晶の成長シミュレーションを行なうことが可能になる。その結果、より正確な薄膜多結晶の膜構造同定が可能になる。
【0086】
また、2次核の主因である双晶の発生メカニズムを薄膜多結晶の成長シミュレーションに導入することにより、薄膜多結晶の膜構造をより正確に同定することができる。さらに、双晶の面方位を母結晶の面方位に基づいて正確に設定し、双晶のもつ対称性に由来する結晶粒間の成長競合の影響を成長シミュレーションに考慮できるため、薄膜多結晶の膜構造に対する双晶の影響の程度を定量的に評価することができる。
【0087】
【実施例】
(実施例1)
CVD法で製膜した薄膜多結晶シリコンの膜構造を同定した。
【0088】
まず、この薄膜多結晶のX線回折スペクトルを測定した。下表1に、各ピークについての積分強度比と半値幅との測定結果を示す。
【0089】
【表1】

Figure 0004928694
【0090】
次に、本発明の膜構造シミュレーション法を用いて、この薄膜多結晶の膜構造をシミュレーションした。
【0091】
初期結晶粒の成長結晶面は(100)面と(111)面とが共存するとした。また初期結晶粒の基板に対する面方位は、(111)面、(220)面、(311)面、(400)面からあらかじめ与えた確率分布に従って決定した。
【0092】
初期パラメータは、シミュレーション時間t=100秒、単位時間ステップΔt=0.72秒、成長速度Viは(100)面=4nm/sおよび(111)面=4nm/s、単位セル長ΔL=5mm、セル空間=50×50×50、初期核密度ρ1st=10-3/nm2である。
【0093】
そして、膜構造シミュレーションによって計算した積分強度比と半値幅とが表1に示した測定結果に一致するように初期核密度ρ1stを変化させて、最終的に薄膜多結晶の膜構造を同定した。
【0094】
図14(a)に膜構造の同定結果を示す。同図は、結晶粒の形状とX線回折に基づく面方位の配向性とのシミュレーション結果を、ソフトウェアで可視化したものである。面方位を逆極図で示した図14(b)に基づいて、個々の結晶粒を面方位で分類してマッピングしている。図14(a)に示されるように、薄膜多結晶の表面形状、結晶粒形状、粒界などの3次元膜構造が、十分な精度で同定されていることが確認された。
【0095】
(実施例2)
CVD法で製膜した別の薄膜多結晶シリコンの膜構造を、双晶の発生を考慮して同定した。
【0096】
まず、この薄膜多結晶のX線回折スペクトルを測定した。下表2に、各ピークについての積分強度比と半値幅との測定結果を示す。
【0097】
【表2】
Figure 0004928694
【0098】
次に、本発明の双晶の発生を考慮した膜構造シミュレーション法を用いて、この膜構造をシミュレーションした。
【0099】
初期結晶粒の成長結晶面は(100)面と(111)面とが共存するとし、初期結晶粒の基板に対する面方位は、(111)面、(220)面、(311)面、(400)面からあらかじめ与えた確率分布に従って決定した。
【0100】
本実施例における初期パラメータは、シミュレーション時間t=100秒、単位時間ステップΔt=0.72秒、成長速度Viは(100)面=4nm/sおよび(111)面=4nm/s、単位セル長ΔL=5mm、セル空間=50×50×50、初期核密度ρ1st=10-3/nm2 双晶発生確率R2nd=2.73×10-4/nm2/sである。
【0101】
そして、膜構造シミュレーションによって計算した積分強度比と半値幅とが表2に示した測定結果に一致するように初期核密度ρ1stと双晶発生確率R2ndとを変化させて、最終的に薄膜多結晶の膜構造を同定した。
【0102】
図15に膜構造の同定結果を示す。同図は、実施例1の図14(a)と同様に、シミュレーション結果をソフトウェアで可視化したものであり、図14(b)に示した面方位に基づいて、個々の結晶粒を面方位で分類している。図15に示されるように、やはり薄膜多結晶の表面形状、結晶粒形状、粒界などの3次元膜構造が、十分な精度で同定されていることが確認された。
【0103】
【発明の効果】
以上のように、本発明においては、薄膜多結晶を構成する個々の結晶粒の成長と結晶粒間の相互作用とを、任意の精度で表現することが可能である。また、薄膜多結晶の製膜条件から各結晶表面の成長速度を計算した結果を組み合せることで、あらゆる薄膜多結晶の成長をシミュレーションすることができる。そのため、あらゆる物質の薄膜多結晶構造の同定に適用可能である。そして同定した薄膜多結晶の膜構造から所望の物性値を計算することで、ある製膜条件における薄膜多結晶の性質を、製膜・計測試験することなく計算から求めることができる。
【0104】
さらに、今までの分子動力学法や分子軌道法等では、計算可能な空間・時間スケールが実際の製膜時間と比べてはるかに小さかったため、製膜メカニズムの全貌を扱うことはできず、膜構造の同定は事実上不可能であった。しかし、本発明においては、気相・表面反応を分子動力学法や分子軌道法等で計算してパラメータ化した結果(結晶表面の成長速度など(表面上の結晶面の成長速度の値と、初期核密度の大まかなオーダ等))を用いることで、実用的な計算時間と空間スケールで膜構造の同定を行なうことができるため、製膜条件の最適化を行なうことができる。
【0105】
また本発明では、2次核の主因である双晶の発生メカニズムを成長シミュレーションに導入することで、薄膜多結晶の膜構造を正確に同定することができる。さらに、双晶のもつ対称性に由来する結晶粒間の成長競合の影響を成長シミュレーションに考慮できるため、薄膜多結晶の膜構造に対する双晶の影響を定量的に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る薄膜多結晶の膜構造同定方法の一例を示す流れ図。
【図2】本発明に係る薄膜多結晶の膜構造同定方法で用いる膜構造の成長シミュレーションモデルの原理を説明するための図。
【図3】本発明に係る膜構造シミュレーション方法の一例を示す流れ図。
【図4】本発明に係る初期結晶粒の成長形の決め方の一例を説明するための図。
【図5】本発明に係る初期結晶粒の成長形の位置決めの仕方の一例を説明するための図。
【図6】本発明に係るセル操作の手順の一例を示す流れ図。
【図7】本発明に係る結晶粒の物性値の計算方法の一例を説明するための図。
【図8】本発明に係るシミュレーション結果について計算および計測スペクトルの一致の判定および再計算の方法の一例を示す図。
【図9】本発明に係る製膜途中に発生する2次核を含む薄膜多結晶の膜構造同定方法の一例を示す流れ図。
【図10】本発明に係る双晶の発生モデルを組み込んだ膜構造シミュレーション方法の一例を示す流れ図。
【図11】本発明に係る双晶の発生手順の一例を示す流れ図。
【図12】本発明に係る双晶の面方位の設定方法の一例を説明する図。
【図13】本発明に係る双晶の仮想結晶粒の形状の一例を示す図。
【図14】本発明の実施例で得られた膜構造の同定結果の一例を示す中間調画像。
【図15】本発明の実施例で得られた膜構造の同定結果の他の例を示す中間調画像。
【図16】従来技術における膜構造のシミュレーション結果を示す図。
【符号の説明】
11…基板
12、13、100…初期結晶粒
14、15、410、440…仮想結晶粒
16…仮想結晶粒の増分
17…実際の薄膜多結晶の表面
18…粒界
19、20…実際の結晶粒の形状
21、22、23、24、450…3次元セル
130、140…結晶面の成長速度
200、300…成長形
400…母結晶
420…結晶表面
430…双晶[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for identifying a film structure of a thin film polycrystal.
[0002]
[Prior art]
In order to optimize the characteristics of the thin film that constitutes a solar cell or the like, it is desirable to be able to predict characteristics such as electrical conduction resulting from the film structure, and film properties related to the characteristics. For these predictions, when the thin film is a thin film polycrystal composed of a polycrystal, it is necessary to handle individual crystal grains.
[0003]
In recent years, a CVD (chemical vapor deposition) method and a PVD (physical vapor deposition) method are widely used for forming a thin film polycrystal. When using the CVD method or the PVD method, it is necessary to identify the characteristics and film structure of the thin film polycrystal according to the film forming conditions. This identification can be performed by mapping the orientation, grain boundary, and the like of each crystal grain constituting the thin film by measurement using electron backscatter diffraction imaging (EBSP). However, a scanning electron microscope (SEM) to which an EBSP apparatus usually used for this measurement is added has a limit on the electron beam diameter. Therefore, it is impossible to measure each crystal grain separately for a thin film polycrystal composed of a small crystal grain size. In addition, with a transmission electron microscope (TEM), measurement can be performed for each crystal grain, but it is difficult to evaluate a large number of samples because preparation of a measurement sample requires a lot of labor.
[0004]
For this reason, in order to save the trouble of measurement, a method has been developed for obtaining the orientation distribution of crystal grains constituting a polycrystal using a measurement technique such as X-ray diffraction.
[0005]
In the apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 55-78233, mapping is performed by scanning an X-ray beam with respect to a sample. However, since there is a limit to the minimum value of the X-ray beam diameter, it is impossible to separate and evaluate each crystal grain of a thin film polycrystal having a small crystal grain size.
[0006]
The polycrystal pole figure measured by X-ray diffraction used in JP-A-5-256799 and JP-A-9-178675, and the rocking curve by θ scanning used in JP-A-9-281061 are as follows: It is the average data of the whole polycrystal. Therefore, although the frequency of the orientation in which the crystal grains are oriented can be grasped, information on the grain boundaries inside the polycrystal cannot be obtained. Therefore, this result alone is insufficient to grasp the film structure of the thin film polycrystal.
[0007]
Therefore, in order to identify in detail the film structure including grain boundaries, etc., a process for analyzing measurement results such as X-ray diffraction using an appropriate model for the film structure of a thin-film polycrystal should be introduced. is required.
[0008]
Examples of the characteristics of the thin film polycrystal used for identifying the film structure and the model of the film structure include the following.
[0009]
In the first model, thin film polycrystals are handled as a homogeneous thin film by obtaining average characteristics of individual crystal grains. In this model, the difference in individual crystal grains does not affect the entire thin film. However, a separate model is required for determining the average characteristics of individual grains, and variations from the average characteristics cannot be handled.
[0010]
As shown in FIG. 16, the second model is a specific crystal grain having the fastest growth rate in the normal direction of the substrate when the crystal grains collide with each other as the individual crystal grains grow from the start of film formation. This is a model in which thin film polycrystals are grown and the film structure is determined based on the “geometric selection” mechanism in which only the film grows preferentially (the source of FIG. 16 is A. Van der Drift, Philips Res. Repts. Vol. .22 (1967) p.267 and the “geometric selection” mechanism is described in AA Chernov, Modern Crystallography III: Crystal Growth, Springer-Verlag, Berlin (1984) p.284). Examples of simulations using this model include A. Van der Drift, Philips Res. Repts. Vol. 22 (1967) p. 267, and C. Wild et al., Diamond and Related Materials Vol. 2 (1993) p. There are .158. However, in these examples, since crystal grains are handled in a two-dimensional space, it is not possible to accurately model the plane orientation of the crystal grains that can be expressed only by handling them in a three-dimensional space.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention uses an interaction model between crystal grains based on the above-mentioned “geometric selection” mechanism accompanying the growth of a thin film polycrystal, but does not exist in the first and second models. The purpose is to provide a method for identifying the film structure of a thin film polycrystal from the measurement of crystal analysis such as X-ray diffraction by using a growth simulation using a film structure model of a thin film polycrystal that realizes spatial representation. To do.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, according to the present invention, the process of measuring crystal analysis data for a target thin film polycrystal and the film structure of the thin film polycrystal are simulated based on the film forming conditions of the thin film polycrystal. A method for identifying a film structure of a thin film polycrystal, comprising adjusting a parameter for designating the film structure so as to match the crystal analysis data, thereby estimating the film structure of the thin film polycrystal Provided.
[0013]
In the present invention, the thin film polycrystalline film structure simulation includes a step of preparing a simulation space divided by a plurality of cells, and a plurality of growth forms assigned to the substrate in accordance with the film forming conditions in the space. The initial crystal grains are arranged, the growth form of each initial crystal grain is similarly expanded for each unit growth step in the space, and the increment of the enlarged crystal grains is included in each step. If a cell is not shared with an increase in another crystal grain, the cell is determined to be a constituent of the crystal grain, and if it is shared with an increase in another crystal grain, the cell Preferably includes a step of determining that the grain boundary is between the crystal grains.
[0014]
Further, in the present invention, for each initial crystal grain arranged on the substrate, the plane orientation of the plane parallel to the substrate is assigned according to the film forming conditions, and the cell determined to be a component of the crystal grain, It is preferable to give the plane orientation assigned to the crystal grains.
[0015]
Further, in the present invention, based on the cell arrangement of the cell group to which the plane orientation is assigned, the shape of each crystal grain is obtained to calculate the film structure of the thin film polycrystal, and the plane orientation, volume, grain of each crystal grain It is preferable to calculate the crystal analysis data of the thin film polycrystal by obtaining the diameter.
[0016]
Furthermore, in the present invention, twins serving as secondary nuclei are generated according to the probability of occurrence on the growth surface of each crystal grain at each unit growth step, and the plane orientation of the twins is the same as that of the crystal grains where twins are generated. It is preferable to determine from the surface orientation by a mirroring operation in which the generation surface is a mirror surface.
[0017]
In the present invention, it is preferable that the film structure designation parameter adjusted so as to coincide with the crystal analysis data is a density of initial crystal grains arranged on the substrate.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, the film structure of the thin film polycrystal is identified by using the measurement of the film structure of the thin film polycrystal by crystal analysis using X-ray diffraction or neutron diffraction and the simulation of the film structure of the thin film polycrystal. . Specifically, the parameters of the simulation are adjusted so that the measurement result of the X-ray diffraction spectrum or the like matches the calculation result of the spectrum obtained from the simulation, and the film structure of the thin film polycrystal is identified.
[0019]
In the film structure simulation of the present invention, the crystal grains are virtually enlarged while maintaining the growth form from the initial crystal grains arranged on the substrate in the three-dimensional simulation space divided by the cells. Then, a crystal grain attribute (such as a plane orientation of a plane parallel to the substrate) is given to the cell included in the enlarged virtual crystal grain, and a grain boundary attribute is given to the cell where the virtual crystal grains collide with each other. From the three-dimensional cell group having the crystal grain and grain boundary attributes obtained in this way, the shape and plane orientation of the actually grown crystal grain are determined, and the X-ray diffraction spectrum and the like are calculated. The film structure simulation of the present invention can also take into account the effect that twins, which are secondary nuclei for crystal growth, occur during film formation. Note that in this specification, the plane orientation with respect to a crystal grain or twin crystal substrate refers to the plane orientation of a crystal plane parallel to the substrate among crystal planes of the crystal grain or twin crystal.
[0020]
First, a first embodiment of the present invention will be described.
[0021]
FIG. 1 shows a flowchart of a method for identifying a thin film polycrystalline film structure according to the present invention. This method includes the following first to sixth procedures.
[0022]
In the first procedure, a thin film polycrystal for which the film structure is to be identified is subjected to crystal analysis by X-ray diffraction or neutron diffraction, for example, X-ray diffraction spectrum measurement using the θ-2θ method or the like.
[0023]
In the second procedure, initial setting of parameters for a film structure model (described later) used in the film structure simulation is performed. The parameters to be set are, for example, film formation time t, initial nuclear density ρ generated at the start of film formation1st(Density of initial crystal grains on the substrate). Note that parameters handled as film forming conditions, such as the substrate temperature during film formation, the pressure in the film forming chamber, and the like are also set.
[0024]
In the third procedure, as described above, the film structure simulation is performed using the film structure model, and the film structure of the thin film polycrystal under the parameter conditions given in the second procedure is calculated.
[0025]
In the fourth procedure, an X-ray diffraction spectrum is calculated for the target thin film polycrystal using the thin film polycrystal film structure obtained by the simulation in the third procedure.
[0026]
In the fifth procedure, it is determined whether or not the simulation time has reached t set in the second procedure. When the simulation time t is reached, the simulation is terminated. If the time t has not yet been reached, the time is further advanced by the unit time step Δt of the simulation, and the third and fourth procedures are repeated.
[0027]
In the sixth procedure, it is determined whether or not the calculation result of the X-ray diffraction spectrum obtained in the above-described film structure simulation matches the measurement spectrum obtained in the first procedure. If they do not match, the initial nuclear density ρ1stAnd recalculate from the third procedure.
[0028]
Next, a film structure model used in the film structure simulation according to the present invention will be described. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the principle of the film structure model.
[0029]
FIG. 2A shows a method for expressing an interaction model between crystal grains based on a “geometric selection” mechanism, which expresses an interaction between crystal grains accompanying the growth of a thin film polycrystal, in order to apply to the present invention. This is an improved version.
[0030]
In FIG. 2 (a), for the sake of simplicity, initial crystal grains a and b (12, 13) are generated on the substrate 11 at the initial stage of the growth of the thin film polycrystal, and the planes parallel to the respective substrates have arbitrary plane orientations. Is shown. These crystal grains grow while maintaining an arbitrary shape called a growth shape determined from the growth rate of each crystal surface under the same film-forming conditions. However, if the film-forming conditions differ locally and temporally, they grow differently. Take shape.
[0031]
In the “geometric selection” mechanism, each crystal grain keeps growing in its own growth form, and when the crystal grains become sufficiently large and collide with each other, the growth at that location is performed with the collision position as the grain boundary. To stop. At this time, depending on the plane orientation and position of each crystal grain, a growth competing action occurs in which the crystal grain continues to grow further or another crystal grain stops growing at the grain boundary. By this growth competition action, the growth form that the initial crystal grains had cannot be maintained, but a part of the growth form is maintained as it is in a portion where no collision with other crystal grains occurs. As a result, as shown in FIG. 2A, the crystal grain a (19) in which the initial crystal grain a (12) has grown and the crystal grain b (20) in which the initial crystal grain b (13) has grown A thin film polycrystal surface 17 is formed through the grain boundaries 18.
[0032]
In the thin film polycrystal growth simulation of the present invention, each of the crystal grains a, b (19, 20) is virtually compared to the actual individual crystal grains a, b (19, 20) constituting the thin film polycrystal. Assume hypothetical crystal grains a and b (14, 15) when the initial crystal grain growth form is maintained. Assuming that a part of each virtual crystal grain increment 16 collides with each other while continuing the growth is regarded as a grain boundary 18, it is assumed that the part does not grow beyond the grain boundary 18. Represents the “selection” mechanism.
[0033]
FIG. 2B is a diagram for explaining a representation of a three-dimensional space using cell elements in order to apply the “geometric selection” mechanism to the film structure simulation method of the present invention.
In FIG. 2B, the virtual crystal grains a and b (14, 15) are enlarged while maintaining the growth shape according to the growth time. And among the spaces taken in with the expansion of the virtual crystal grains, the space that does not collide with other virtual crystal grains retains the attributes of the crystal grains to which the virtual crystal grains belong, The collision space retains the grain boundary attributes. Holding such information requires an enormous storage area. However, in practice, it is often unnecessary to handle a region smaller than the lattice constant of the target polycrystalline material or the size of the crystal grain handled in film formation.
[0034]
Therefore, in the present invention, the three-dimensional space is divided by the cell elements 21 as shown in FIG.
Then, in each growth step, for example, if the cell taken in the increment 16 of the virtual grain b (15) is not included in any other virtual grain increment (for example, the cell 23 in the figure), The cell 23 is given the attribute of the crystal grain to which the virtual crystal grain b (15) belongs. Specifically, as the attributes of the crystal grains, information such as the plane orientation of the crystal grains with respect to the substrate and the exposed crystal plane when the cell 23 is exposed on the surface of the thin film polycrystal is given to the cell 23. Similarly, the attribute of the crystal grain to which the virtual crystal grain a (14) belongs is given to the cell 22 taken in the increment of the virtual crystal grain a (14).
[0035]
On the contrary, if the cell taken into the increment 16 of the virtual crystal grain b (15) is also included in the increment of the other virtual crystal grain a (14) (cell 24 in the figure), the cell 24 has a grain. Gives the attributes of the world. Specifically, information such as the plane orientation of the crystal grains to which the two virtual crystal grains a and b belong to the substrate is given to the cell 24.
[0036]
In this way, the growth model of the thin film polycrystal including the interaction between crystal grains by the “geometric selection” mechanism shown in FIG. 2A can be expressed with necessary accuracy. Here, the contents of the cell 23 or 24 once given the attribute of the crystal grain or grain boundary are basically kept unchanged. However, when the X-ray spectrum calculation result obtained from the film structure simulation is compared with the measured spectrum, the crystal grains are considered to have shrunk due to the influence of etching by flying particles during crystal growth. Changes such as canceling the attribute of the crystal grain given to the cell.
[0037]
FIG. 3 is a flowchart illustrating the details of the second to fifth procedures related to the film structure simulation among the procedures shown in FIG.
[0038]
In the second procedure of FIG. 3, as described above, initial setting of parameters necessary for the film structure simulation is performed.
First, as an initial setting, a growth simulation time (film formation time) t and a growth unit time step Δt are given.
Next, the crystal surface (growth surface) constituting the initial crystal grains, and the growth rate V of each crystal surface iigive.
The crystal surface constituting the crystal grain is determined crystallographically depending on the type of crystal to be grown. In general, a crystal face with a high index has a high growth rate and cannot constantly exist on the surface. For this reason, crystallography reveals that crystal planes that grow under various conditions are low-index crystal planes such as {100} planes. However, since it is not known which low index crystal plane is exposed under each film forming condition, all the low index crystal planes observed so far are taken into consideration for the target substance. For example, when a silicon crystal growth simulation is performed, a crystal surface of {100}, {111}, etc. is given to each initial crystal grain. Note that different crystal surfaces may be provided for each crystal grain, and different types of crystal surfaces may coexist on the same crystal grain.
[0039]
Growth rate V of each crystal surface iiIs obtained by calculation using a molecular dynamics method or the like based on the film forming conditions. If the growth conditions are locally different due to diffusion of the film-forming species even during the growth, the corresponding growth rate ViAs appropriate.
Subsequently, the unit cell length ΔL of the three-dimensional cell is given, and the cell space is set by giving the number of cells in each of the three directions. Finally, an array of virtual grains is set. This array stores the center position of the virtual grain, the radius of the virtual grain, and a flag indicating whether the virtual grain can be grown, and information on the virtual crystal grain (virtual grain) used when the crystal grain growth is performed in the third procedure. Is to hold.
[0040]
Next, initial crystal grains are set.
First, the number of initial crystal grains is determined. This is the initial nuclear density ρ described above.1stFrom (initial nuclear density ρ1st) × (substrate area) = (number of initial crystal grains). Next, the diameter and position of each initial crystal grain are determined. Here, the diameter is the diameter (or radius) of the initial crystal grain in a direction parallel to the substrate, and is determined using a random number based on a predetermined probability distribution. Also, the position of each initial crystal grain is determined by the diameter of each initial crystal grain determined as described above so that the initial crystal grains do not overlap each other and the interval between the initial crystal grains based on the probability distribution given in advance. Decide to make it happen.
[0041]
Next, the surface orientation of each initial crystal grain with respect to the substrate is strongly dependent on the film formation conditions (specifically, the surface orientation of the substrate used for film formation, the surface condition such as surface cleanliness, etc. However, the surface It may vary depending on the composition of nearby chemical species) and is determined based on the probability distribution given in advance. For example, when performing a silicon crystal growth simulation, plane orientations such as {111}, {220}, {100} are given. The probability distribution is set in consideration of the fact that the plane orientation of the initial crystal grains with respect to the substrate is affected by the plane orientation of the substrate.
[0042]
Next, for each initial crystal grain, the growth rate V of the crystal surface and each crystal surface i given by the above-mentioned initial setting.iThen, determine the shape of the growth shape.
[0043]
For example, as described above, consider a case where a {100} or {111} plane is given as a growth plane. As is well known, {100} has six equivalent surfaces, and {111} has eight equivalent surfaces. Equivalent surface growth rate ViTherefore, the growth form of a crystal grain given a {100} crystal surface is a regular hexahedron having six faces, and the growth form of a crystal grain given a {111} crystal surface is It is a regular octahedron consisting of eight faces.
[0044]
FIG. 4 shows the growth rate V depending on the crystal surface.iIt is a schematic diagram for demonstrating how to determine the growth form in case where is different. In FIG. 4, it is shown in two dimensions for simplicity.
FIG. 4A shows an example in which the initial crystal grains have six crystal surfaces and form a cube (a square 100 having four sides in the figure). Growth speed V of two opposite faces (two sides 110 in the figure) among these six faces.i130 is the growth rate V of the other four surfaces (two sides 120 in the figure).iSuppose that it is twice 140. In this case, when the initial crystal grain 100 continues to grow, the vertical direction connecting the two surfaces 110 finally becomes a rectangular parallelepiped (rectangle 150 in the drawing) in which the direction connecting the two surfaces 120 is doubled. Accordingly, in this case, as a growth form of the initial crystal grains 100, a rectangular parallelepiped (rectangle 200 in FIG. 4B) whose vertical direction is twice as large as the other direction is determined as shown in FIG. 4B. . In this way, the growth rate V depends on the crystal surface.iThe growth forms of initial crystal grains having different values are determined.
[0045]
Next, the shape of the initial crystal grain is determined by positioning the growth form given to the initial crystal grain as described above so that the plane orientation of the initial crystal grain determined as described above with respect to the substrate is realized. .
[0046]
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a method of positioning the growth shape. As shown in FIG. 5A, consider a case where the growth form is a regular octahedron 300 composed of eight equivalent crystal surfaces {111}. Further, as shown in FIG. 5B, a case where the plane orientation of the initial crystal grain 300 with respect to the substrate is {100} is considered. In such a case, as shown in FIG. 5B, the regular octahedron 300 is positioned so that the {100} plane inside the growth shape is parallel to the substrate 11. As a result, as shown in the figure, the shape of the initial crystal grain is a shape in which the pyramid is exposed on the surface of the substrate 11.
[0047]
Returning to FIG. 3, in the second procedure, the attributes (such as the plane orientation of the plane parallel to the substrate) of the initial crystal grains are assigned to the cells included in the initial crystal grains represented by the virtual crystal grains as described above. Given, the initial crystal grain is expressed by a cell.
Finally, parameters (substrate temperature at the time of film formation, pressure in the film formation chamber, etc.) handled as film formation conditions are set.
[0048]
In the third procedure of FIG. 3, crystal grain growth is performed for each unit time step Δt. That is, the virtual crystal grains are enlarged (similar enlargement) from the initial crystal grains while maintaining the growth-like similarity at every unit time step Δt. As shown in FIG. 2 (b) described above, the cell operation is performed using the virtual crystal grains a and b (14, 15) to express the growth of the actual crystal grain, and the virtual crystal in which the cell operation cannot be performed. It is determined that the grains have disappeared from the surface of the thin film polycrystal.
[0049]
FIG. 6 shows the flow of a specific procedure for this cell operation. First, each virtual crystal grain is enlarged every unit time step Δt. And every time it expands, among the cells included in the increment (increment 16 in FIG. 2B) which is the volume increase of each virtual crystal grain, there is an empty cell (a cell having no crystal grain attribute). Determine whether or not.
[0050]
If the empty cell is included in the increment of the virtual crystal grain, it is determined whether or not the empty cell is also included in the increment of the other virtual crystal grain. That is, it is determined whether the number of virtual crystal grains including the empty cell in the increment is one (no empty cell is shared) or two or more (an empty cell is shared). When there is one kind of virtual crystal grain including the empty cell in the increment, the attribute (plane orientation, etc.) of the crystal grain to which the virtual crystal grain belongs is given to the empty cell. When there are two or more types of virtual crystal grains including an empty cell in an increment, two or more types of virtual crystal grains collide with each other in the empty cell region, and a grain boundary is formed. Gives the grain boundary attribute. Thus, every unit time step, each empty cell in the three-dimensional space is filled with a crystal grain attribute or grain boundary attribute.
[0051]
Further, when no empty cell is included in the increment of the virtual crystal grains, the virtual crystal grains are stopped without being enlarged. This means that in the previous growth step, the crystal grains to which the virtual crystal grains belong were surrounded by other crystal grains (that is, grain boundaries) and thus could not be grown in this step. The crystal grains whose growth has been stopped in this way are not finally exposed on the surface of the thin film polycrystal, that is, disappeared from the surface of the thin film polycrystal.
[0052]
Returning to FIG. 3 again, in the fourth procedure after the third procedure in which crystal grains are grown as described above, the attributes of each three-dimensional cell to which the attributes of crystal grains or grain boundaries are given are referred to. Thus, the actual shape and plane orientation of each crystal grain are estimated. (Here, the shape of the crystal grain is estimated, and the plane orientation of the plane parallel to the substrate, which is an attribute of the cell included in the shape, is estimated as the plane orientation of the crystal grain.) Then, for example, the X-ray diffraction θ-2θ method is calculated, such as the grain size, volume, X-ray integral intensity, half-width of the X-ray peak, and distribution of the crystal surface exposed on the thin film polycrystal surface. .
[0053]
FIG. 7 is a diagram for explaining the calculation method. As shown in the figure, the crystal grain size, the crystal grain volume, and the X-ray integral intensity of the crystal grain are calculated using the following equations (1), (2), and (3).
Crystal grain size = average height of the cell group constituting the crystal grain from the substrate (1)
Volume of crystal grains = total number of cells constituting crystal grains × unit cell volume (2)
X-ray integrated intensity of crystal grains = constant dependent on crystal plane orientation with respect to substrate x crystal grain volume ...・ (3)
Note that the X-ray integrated intensity of the above equation (3) is a value for each crystal grain. Therefore, in order to compare with the actual X-ray measurement spectrum result, a value obtained by summing up the integrated intensity of the above equation (3) for all crystal grains having the same plane orientation is calculated.
Further, the half width of the X-ray peak derived from the plane orientation of the crystal grain is calculated using the grain size of the crystal grain. Specifically, from each crystal grain, the Gaussian relationship in which the height of the X-ray peak ∝ the volume of the crystal grain × grain size × a constant specific to the diffraction plane orientation, the half width of the X-ray peak ∝ 1 / grain size Since an X-ray peak can be expressed by a curve, the half-value width of the curve obtained by taking the sum of Gaussian curves for all crystal grains is taken as the half-value width of the X-ray peak.
[0054]
In this way, the calculated X-ray integrated intensity and half-value width for each peak of the X-ray diffraction spectrum are compared with the measured spectrum, as will be described later.
[0055]
Returning to FIG. 3, in the fifth procedure after the fourth procedure in which the actual shape of each crystal grain, the X-ray integrated intensity, etc. are calculated as described above, the simulation time is set in the second procedure described above. It is determined whether or not t has been reached. When the simulation time t is reached, the simulation is terminated and the sixth procedure is started. If not yet reached, the time is further advanced by step Δt to enlarge the virtual crystal grains, and the third and fourth procedures are repeated.
[0056]
In the sixth procedure, as shown in FIG. 1, is the calculation result (X-ray integrated intensity and half-value width) of the X-ray diffraction spectrum obtained by the simulation consistent with the measurement spectrum obtained in the first procedure? Determine if. When the error between the calculation result and the measurement result falls within a predetermined error range, it is determined that the two match. If they do not match, the initial nuclear density ρ1stAnd recalculate from the third procedure described above. Initial nuclear density ρ1stThe change is performed so that the error between the calculation result of the X-ray diffraction spectrum and the measurement spectrum becomes small, and finally the spectrum matches between the calculation and the measurement.
[0057]
FIG. 8 shows a method for determining and recalculating the coincidence of the calculated and measured spectra. FIG. 8A is a flowchart of determination, and FIG. 8B is a schematic diagram showing a difference between calculation and measurement spectrum for each peak constituting the spectrum.
[0058]
First, in (i) of FIG. 8 (a), as shown in FIG. 8 (b), the calculated spectrum and the measured spectrum are compared for the entire spectrum, and the difference is calculated for each peak constituting the spectrum. That is, as described above, in each of the calculated spectrum and the measured spectrum, the X-ray integrated intensity (peak area) and half-value width (peak width) of each peak are calculated, and the difference between the calculated spectrum and the measured spectrum is calculated. put out. In practice, the ratio of the integrated intensity of each peak to the integrated intensity of a specific peak is used instead of the integrated intensity of each peak.
[0059]
Next, in (ii), each peak is oriented in a specific orientation so that the difference between the calculation and measurement obtained in (i) (difference between the integrated intensity ratio and the half width) is reduced. A correction amount to be changed such as a grain size and a volume of a crystal grain group having the above-described plane orientation (plane orientation of a plane parallel to the substrate) is calculated. The integrated intensity of the diffraction peak is proportional to the volume of the crystal grain in the plane orientation from which the peak is derived, and the half width of the peak is almost inversely proportional to the grain size of the crystal grain.
[0060]
Finally, in (iii), the initial nuclear density ρ, which is a parameter, is satisfied so as to satisfy the correction amount such as the grain size and volume of the crystal grain group obtained in (ii).1stThe amount of change is predicted and recalculated from the third procedure of FIGS. That is, initial nuclear density ρ1stA number of candidates that are slightly changed with respect to the direction and amount of change are prepared, and each candidate is recalculated from the third procedure, and a candidate that minimizes the error between the integrated intensity ratio and the half-value width is selected.
[0061]
Initial nuclear density ρ1stWhen is reduced, the number of initial crystal grains on the substrate is reduced, so that it is less likely that crystal grains collide with each other during growth simulation and hinder growth. Therefore, each crystal grain grows large, and the grain size (grain size in the height direction) and volume of each crystal grain become large. Therefore, as described above, the calculated value of the integrated intensity of the peak derived from the plane orientation of each crystal grain is increased, and the half-value width is decreased. The initial nuclear density ρ1stWhen is increased, contrary to the above, the integrated intensity of each peak is reduced and the half-value width is increased.
[0062]
As described above, when the calculation result of the X-ray diffraction spectrum and the measured spectrum coincide with each other, from the actual shape and plane orientation of the individual crystal grains obtained by the fourth procedure in FIGS. The film structure of a thin film polycrystal is identified.
[0063]
As described above in detail, in the thin film polycrystalline film structure identification method according to the present invention, a thin film polycrystalline film based on film forming conditions using measurement data from X-ray diffraction or the like, for example, an X-ray diffraction spectrum is used. Identify the structure. In performing the growth simulation necessary for identifying the film structure, the growth rate of each crystal surface calculated from the film forming conditions is used. If information such as a database on the growth rate of the crystal surface obtained from various film forming conditions can be used, the calculation time can be reduced. Further, by adjusting the unit cell length ΔL, a result can be obtained with arbitrary accuracy and calculation time. That is, if ΔL is reduced, the accuracy is increased, and if ΔL is increased, the calculation time is shortened.
[0064]
Since the main point of the thin film polycrystal film structure identification method according to the present invention is the thin film polycrystal growth simulation, the effect of the simulation on the identification will be described. The characteristics of the individual crystal grains constituting the thin film polycrystal can be considered in the growth simulation including not only the average value but also the variation. Therefore, accurate film structure identification can be performed with less calculation time. Specifically, considering the distribution according to the position and diameter of the initial crystal grains and the distribution according to the plane orientation of the plane parallel to the substrate, the influence on the film structure of the thin-film polycrystal can be obtained on the growth simulation. it can. Therefore, in addition to the identification of the film structure after completion of the film formation, it is also possible to identify the structure in the initial and intermediate stages of film formation.
[0065]
The crystal grains constituting the thin film polycrystal are represented by virtual crystal grains and a three-dimensional cell, and the model shown in FIG. 2B is used. Therefore, the complex surface shape and grain boundary structure given as a result of the growth of the thin film polycrystal and the accompanying interaction between crystal grains can be simulated with the required accuracy. In a so-called cellular automaton (CA) model, an error derived from approximation by a cell propagates to the surroundings. However, in the model shown in FIG. 2B of the present invention, only the virtual crystal grains have an influence by giving the crystal grain attributes to the cell, and the cell error propagates to the surroundings as compared with the CA model. Hateful. Therefore, in the present invention, the error in identifying the film structure is reduced.
[0066]
In the present invention, since the calculation results are stored in a three-dimensional cell, the shape of individual crystal grains constituting the thin film polycrystal, the orientation of the plane orientation based on X-ray diffraction, etc. can be easily obtained from the stored data. Can be calculated.
[0067]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0068]
In thin-film polycrystalline film formation, not only the initial crystal grains generated in the initial stage of film formation grow to form a thin film, but also separate crystal grains (secondary nuclei) are newly generated in the middle of the film formation to produce the crystals. Grain may grow. Since the generation of secondary nuclei affects the film structure, it is necessary to incorporate a secondary nucleation model in the identification of the film structure of a thin-film polycrystal.
[0069]
There is twinning as a cause of particularly effective secondary nuclei. Twins are a type of defect that occurs during crystal growth, occur only on specific crystal planes of crystal grains, and easily occur on {111} planes in silicon and the like. Therefore, it is necessary to incorporate the twinning generation model, which is one of the main causes of the secondary nuclei, to identify the film structure of the thin film polycrystal in general.
[0070]
FIG. 9 is a flowchart of the film structure identification method for a thin film polycrystal including secondary nuclei due to twins generated during film formation according to the present invention. This figure is a modification of FIG. 1 described above.
In the first procedure of FIG. 9, as in the first procedure of FIG. 1, measurement of an X-ray diffraction spectrum or the like is performed on a thin film polycrystal for which a film structure is to be identified.
In the second procedure, initial settings of parameters used in the film structure simulation set in the second procedure of FIG. 1 (film formation time t, initial nuclear density ρ1st) In addition to the twin generation probability R per unit area on the crystal plane where twins are generated.2ndSet.
In the third procedure, a thin film polycrystal growth simulation is performed using a film structure model in which a twinning generation model is incorporated into the film structure model used in the third procedure of FIG.
[0071]
In the fourth procedure, similarly to the fourth procedure in FIG. 1, an X-ray diffraction spectrum is calculated for the target thin film polycrystal using the film structure obtained in the third procedure.
In the fifth procedure, as in the fifth procedure of FIG. 1, it is determined whether or not the simulation time has reached t set in the second procedure.
In the sixth procedure, as in the sixth procedure of FIG. 1, it is determined whether the calculation result of the X-ray diffraction spectrum obtained by the above-described film structure simulation matches the measurement spectrum. However, unlike the case of FIG. 1, if the two do not match, the initial nuclear density ρ1stAnd the probability of twin formation R2ndAnd recalculate from the third procedure.
[0072]
FIG. 10 is a flowchart illustrating the details of the second to fifth procedures related to the film structure simulation incorporating the twinning generation model among the procedures described above, and is a modification of the flowchart of FIG. 3 described above. .
[0073]
In the second procedure of FIG. 10, as in the second procedure of FIG. 3, initial setting of parameters necessary for the film structure simulation is performed. However, in addition to the simulation time t and unit time step Δt set in the second procedure of FIG. 3, the twin generation probability R per unit area2ndAlso give in advance. Further, based on the film forming conditions, a crystal surface capable of generating twins is identified. The unit cell length ΔL is set so that the maximum number of twins generated on the unit cell is one. More specifically, the generation probability R of twins per unit area described above is added to the area of one face of the unit cell including the crystal surface of the virtual crystal grains capable of generating twins.2ndThe unit cell length is set so that the value multiplied by 1 is 1 or less. Furthermore, since the minimum size of a thermodynamically stable twin crystal can be found crystallographically, the initial diameter of the twin crystal along the generated crystal surface is set using this size.
[0074]
Similarly to the second procedure of FIG. 3, the growth rate of each twin crystal surface is obtained from the film forming conditions, and the twin growth form is obtained from this growth rate. The kind of crystal surface given to twins is the same as the kind of crystal surface given to initial crystal grains described above. The shape of the twin virtual crystal grains is defined from the twin growth form thus obtained.
[0075]
In the third procedure of FIG. 10, crystal grain growth is performed for each unit time step Δt, as in the third procedure of FIG. However, the cell operation for enlarging the virtual crystal grains while maintaining the growth form is performed not only on the initial crystal grains but also on twins generated during the growth, as will be described later. The twin generation probability R per unit area described above.2ndThus, twins are generated on the crystal surface where twins can be generated.
[0076]
FIG. 11 shows the details of the procedure for generating twins.
First, for each growth step Δt for enlarging the virtual crystal grain, in the three-dimensional cell space, among the empty cells included in the increment of the virtual crystal grain, an empty cell including the crystal surface of the virtual crystal grain capable of generating a twin crystal is obtained. look for.
[0077]
Next, the probability of twin formation R in the area of one face of such an empty cell2ndWhether or not to generate twins on the corresponding cell is determined using a random number based on the value multiplied by. When twins are not generated, the process proceeds to the fourth procedure in FIG.
When twins are generated, the plane orientation of the twin crystal substrate is set as follows according to the plane orientation of the crystal grain (mother crystal) to which the cell in which the twin crystal occurs belongs.
[0078]
FIG. 12 shows an example of a method for setting the plane orientation of twins. This figure shows an example in which twins are generated on the silicon {111} plane. If a mirroring operation is performed with the silicon {111} plane as a mirror surface with respect to the vector representing the plane orientation of the mother crystal, a vector representing the plane orientation of the twin crystal can be obtained. That is, since both have the symmetry that they are mirror images of the {111} plane, the plane orientation of the twin crystal is set from the plane orientation of the mother crystal using this property. For example, as shown in FIG. 12, the plane orientation vector of the mother crystal is aρIf [001], the twin plane orientation vector is bρ[001] and the mother crystal vector is aρIf [100], the twin vector is bρ[100]. For other materials, the plane orientation of twins is set using the symmetry of twins.
[0079]
Returning to FIG. 11, the virtual crystal grains of twins are set based on the plane orientation given to the twins as described above and the twin growth forms set in the second procedure of FIG. .
Next, of the cells contained in the twin virtual crystal grains, twin attributes (such as plane orientation with respect to the twin substrate) are given to empty cells that do not have other crystal grain attributes.
[0080]
FIG. 13 shows an example of the shape of twin virtual crystal grains represented by a three-dimensional cell. As shown in the figure, the virtual crystal grains 440 of twins 430 are generated on the crystal surface 420 capable of generating twins among the crystal surfaces of the virtual crystal grains 410 of the mother crystal 400. The shape of the virtual crystal grain 440 is set based on the plane orientation of the twin 430 obtained from the plane orientation of the mother crystal 400 and the growth form of the twin crystal 400 as described above. The twin 430 attribute is given to the three-dimensional cell 450 included in the virtual crystal grain 440 of the twin 430.
[0081]
In FIG. 11, finally, the twin virtual crystal grains expressed by the cells as described above are put into a group of other virtual crystal grains that continue to grow from the initial crystal grains. Thus, the twin crystal is grown by performing the crystal grain growth for each unit time step Δt shown in the third procedure of FIG. 10 also for the twin virtual crystal grains.
[0082]
Returning to FIG. 10, the fourth procedure and the fifth procedure after the third procedure in which the crystal grains are grown as described above are the same as the fourth and fifth procedures in FIG. That is, in the fourth procedure, the actual shape and plane orientation of each crystal grain are estimated by referring to the attributes of each three-dimensional cell given the attributes of crystal grains or grain boundaries (as described above, the crystal grains The shape of the crystal grain is estimated from the plane orientation of the plane parallel to the substrate, which is an attribute of the cell included in the shape, and the crystal grain size, volume, X Calculation of line integral intensity, half width of X-ray peak, etc. is performed. In the fifth procedure, it is determined whether or not the simulation time has reached the set value t. If the simulation time has reached t, the simulation is terminated and the sixth procedure is started. If not, the time is further advanced by step Δt, and the third and fourth procedures are repeated.
[0083]
In the sixth procedure, as shown in FIG. 9, the X-ray integrated intensity and the half-value width of each peak are calculated for the calculation result of the X-ray diffraction spectrum obtained by the simulation and the measurement spectrum obtained by the first procedure. Determine whether they match. If they do not match, the initial nuclear density ρ1stAnd the probability of twin formation R2ndAnd recalculate from the third procedure.
[0084]
As described above, when the calculation result of the X-ray diffraction spectrum agrees with the measurement spectrum, the actual thin film polycrystal of the target thin film polycrystal is obtained from the actual shape and plane orientation of the individual crystal grains obtained in the fourth procedure. Identify the membrane structure.
[0085]
As described above in detail, by incorporating the twinning generation mechanism into the film structure identification method of the first embodiment, it is possible to perform thin film polycrystal growth simulations under various film forming conditions. As a result, the film structure of the thin film polycrystal can be identified more accurately.
[0086]
Further, by introducing the generation mechanism of twins, which is the main cause of secondary nuclei, into the growth simulation of the thin film polycrystal, the film structure of the thin film polycrystal can be identified more accurately. Furthermore, since the plane orientation of twins is accurately set based on the plane orientation of the mother crystal and the effects of growth competition between grains derived from the symmetry of twins can be considered in the growth simulation, The degree of twin effects on the film structure can be quantitatively evaluated.
[0087]
【Example】
Example 1
The film structure of thin-film polycrystalline silicon formed by CVD was identified.
[0088]
First, the X-ray diffraction spectrum of this thin film polycrystal was measured. Table 1 below shows the measurement results of the integrated intensity ratio and the half width for each peak.
[0089]
[Table 1]
Figure 0004928694
[0090]
Next, the film structure of this thin film polycrystal was simulated using the film structure simulation method of the present invention.
[0091]
It is assumed that the (100) plane and the (111) plane coexist as the growth crystal plane of the initial crystal grains. The plane orientation of the initial crystal grains with respect to the substrate was determined according to a probability distribution given in advance from the (111) plane, the (220) plane, the (311) plane, and the (400) plane.
[0092]
The initial parameters are simulation time t = 100 seconds, unit time step Δt = 0.72 seconds, growth rate Vi(100) plane = 4 nm / s and (111) plane = 4 nm / s, unit cell length ΔL = 5 mm, cell space = 50 × 50 × 50, initial nuclear density ρ1st= 10-3/ Nm2It is.
[0093]
Then, the initial nuclear density ρ is set so that the integrated intensity ratio and the half width calculated by the film structure simulation agree with the measurement results shown in Table 1.1stFinally, the film structure of the thin polycrystalline film was identified.
[0094]
FIG. 14A shows the identification result of the film structure. The figure visualizes the simulation results of the crystal grain shape and the orientation of the plane orientation based on X-ray diffraction by software. Based on FIG. 14B in which the plane orientation is shown as an inverse polar diagram, individual crystal grains are classified and mapped by the plane orientation. As shown in FIG. 14A, it was confirmed that the three-dimensional film structure such as the surface shape, crystal grain shape, and grain boundary of the thin film polycrystal was identified with sufficient accuracy.
[0095]
(Example 2)
The film structure of another thin film polycrystalline silicon formed by the CVD method was identified in consideration of the generation of twins.
[0096]
First, the X-ray diffraction spectrum of this thin film polycrystal was measured. Table 2 below shows the measurement results of the integrated intensity ratio and half width for each peak.
[0097]
[Table 2]
Figure 0004928694
[0098]
Next, this film structure was simulated using the film structure simulation method considering the generation of twins according to the present invention.
[0099]
It is assumed that the (100) plane and the (111) plane coexist in the growth crystal plane of the initial crystal grains, and the plane orientations of the initial crystal grains with respect to the substrate are (111) plane, (220) plane, (311) plane, (400 ) Determined according to the probability distribution given in advance from the surface.
[0100]
The initial parameters in this example are: simulation time t = 100 seconds, unit time step Δt = 0.72 seconds, growth rate Vi(100) plane = 4 nm / s and (111) plane = 4 nm / s, unit cell length ΔL = 5 mm, cell space = 50 × 50 × 50, initial nuclear density ρ1st= 10-3/ Nm2 ,Twin generation probability R2nd= 2.73 × 10-Four/ Nm2/ S.
[0101]
Then, the initial nuclear density ρ is set so that the integrated intensity ratio and the half width calculated by the film structure simulation agree with the measurement results shown in Table 2.1stAnd twin generation probability R2ndAnd finally the film structure of the thin film polycrystal was identified.
[0102]
FIG. 15 shows the identification result of the film structure. This figure visualizes the simulation result with software, as in FIG. 14A of Example 1, and based on the plane orientation shown in FIG. Classification. As shown in FIG. 15, it was confirmed that the three-dimensional film structure such as the surface shape, crystal grain shape, and grain boundary of the thin film polycrystal was identified with sufficient accuracy.
[0103]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the growth of individual crystal grains constituting the thin film polycrystal and the interaction between the crystal grains can be expressed with arbitrary accuracy. Moreover, the growth of all thin film polycrystals can be simulated by combining the results of calculating the growth rate of each crystal surface from the thin film polycrystal film forming conditions. Therefore, it can be applied to the identification of the thin film polycrystalline structure of any substance. Then, by calculating desired physical property values from the film structure of the identified thin film polycrystal, the properties of the thin film polycrystal under certain film forming conditions can be obtained from the calculation without performing a film forming / measurement test.
[0104]
Furthermore, in the conventional molecular dynamics method and molecular orbital method, the space and time scale that can be calculated is much smaller than the actual film formation time. The identification of the structure was virtually impossible. However, in the present invention, the results of parameterization by calculating the gas phase / surface reaction by the molecular dynamics method or the molecular orbital method (such as the growth rate of the crystal surface (the value of the growth rate of the crystal plane on the surface, By using a rough order of the initial nuclear density, etc.), it is possible to identify the film structure on a practical calculation time and space scale, so that the film forming conditions can be optimized.
[0105]
Moreover, in the present invention, the film structure of a thin film polycrystal can be accurately identified by introducing the generation mechanism of twins, which is the main cause of secondary nuclei, into the growth simulation. Furthermore, since the influence of the growth competition between crystal grains derived from the symmetry of twins can be considered in the growth simulation, the influence of twins on the film structure of the thin film polycrystal can be quantitatively evaluated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing an example of a method for identifying the structure of a thin-film polycrystal according to the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining the principle of a growth simulation model of a film structure used in the thin film polycrystalline film structure identification method according to the present invention.
FIG. 3 is a flowchart showing an example of a film structure simulation method according to the present invention.
FIG. 4 is a view for explaining an example of how to determine the growth form of initial crystal grains according to the present invention.
FIG. 5 is a view for explaining an example of a method of positioning a growth form of initial crystal grains according to the present invention.
FIG. 6 is a flowchart showing an example of a procedure for cell operation according to the present invention.
FIG. 7 is a view for explaining an example of a method for calculating physical properties of crystal grains according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an example of a calculation and measurement spectrum coincidence determination and recalculation method for simulation results according to the present invention.
FIG. 9 is a flowchart showing an example of a method for identifying a film structure of a thin film polycrystal including secondary nuclei generated during film formation according to the present invention.
FIG. 10 is a flowchart showing an example of a film structure simulation method incorporating a twinning generation model according to the present invention.
FIG. 11 is a flowchart showing an example of a twin generation procedure according to the present invention.
FIG. 12 is a diagram for explaining an example of a twin plane orientation setting method according to the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing an example of the shape of twin virtual crystal grains according to the present invention.
FIG. 14 is a halftone image showing an example of a film structure identification result obtained in an example of the present invention.
FIG. 15 is a halftone image showing another example of the identification result of the film structure obtained in the example of the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing a simulation result of a film structure in the prior art.
[Explanation of symbols]
11 ... Board
12, 13, 100 ... initial crystal grains
14, 15, 410, 440 ... virtual crystal grains
16 ... virtual grain increment
17 ... Actual thin film polycrystal surface
18 ... Grain boundary
19, 20 ... Actual crystal grain shape
21, 22, 23, 24, 450 ... 3D cell
130, 140 ... crystal plane growth rate
200, 300 ... Growth type
400 ... Mother crystal
420 ... crystal surface
430 ... Twins

Claims (5)

対象となる薄膜多結晶について結晶解析データを測定する工程と、前記薄膜多結晶の製膜条件に基づいて薄膜多結晶の膜構造をシミュレーションし、前記結晶解析データと一致するように膜構造を指定するパラメータを調整することによって、前記薄膜多結晶の膜構造を推定する工程とを含み、
前記薄膜多結晶の膜構造シミュレーションが、複数のセルによって分割されたシミュレーション空間を用意する工程と、
前記空間内において、基板上に、製膜条件に従って成長形が割り当てられた複数の初期結晶粒を配置する工程と、
各初期結晶粒の成長形を、前記空間内で単位成長ステップごとに相似拡大する工程と、
各ステップごとに、拡大された結晶粒の増加分に含まれたセルが、他の結晶粒の増加分と共有されない場合には、そのセルは該結晶粒の構成要素であると判定し、他の結晶粒の増加分と共有される場合には、そのセルはそれらの結晶粒間の粒界であると判定する工程と
を含むことを特徴とする薄膜多結晶の膜構造同定方法。
Measure the crystal analysis data for the target thin film polycrystal, and simulate the film structure of the thin film polycrystal based on the film forming conditions of the thin film polycrystal, and specify the film structure to match the crystal analysis data by adjusting the parameters, see contains a step of estimating the thin polycrystalline film structure,
Preparing a simulation space in which the thin film polycrystalline film structure simulation is divided by a plurality of cells;
In the space, arranging a plurality of initial crystal grains to which a growth shape is assigned according to a film forming condition on a substrate;
A step of enlarging the growth form of each initial crystal grain for each unit growth step in the space; and
At each step, if the cell included in the enlarged crystal grain increment is not shared with the other crystal grain increment, it is determined that the cell is a component of the crystal grain, and the other Determining that the cell is a grain boundary between the grains, if shared with the increase in grain size of
Film structure identification process of a thin film polycrystalline characterized by containing Mukoto a.
基板上に配置された各初期結晶粒に対して、基板と平行な面の面方位を製膜条件に従って割り当て、前記結晶粒の構成要素であると判定されたセルに、該結晶粒に割り当てられた面方位を与えることを特徴とする請求項記載の薄膜多結晶の膜構造同定方法。For each initial crystal grain arranged on the substrate, the plane orientation of the plane parallel to the substrate is assigned according to the film forming conditions, and the crystal grain is assigned to the cell determined to be a component of the crystal grain. film structure identification method of a thin film polycrystalline according to claim 1, characterized in providing a plane orientation was. 面方位が割り当てられたセル集団のセル配列に基づいて、各結晶粒の形状を求めて薄膜多結晶の膜構造を算出し、および各結晶粒の面方位、体積、粒径を求めて薄膜多結晶の結晶解析データを算出することを特徴とする請求項記載の薄膜多結晶の膜構造同定方法。Based on the cell arrangement of the cell population to which the plane orientation is assigned, the shape of each crystal grain is obtained to calculate the film structure of the thin film polycrystal, and the plane orientation, volume, and grain size of each crystal grain are obtained to obtain the thin film polycrystal. 3. The method for identifying a film structure of a thin film polycrystal according to claim 2 , wherein crystal analysis data of the crystal is calculated. 単位成長ステップごとに、二次核となる双晶を各結晶粒の成長面上で発生確率に従って発生させ、前記双晶の面方位は、双晶が発生した結晶粒の面方位からその発生面を鏡面とした鏡映操作によって定めることを特徴とする請求項ないしいずれか1項記載の薄膜多結晶の膜構造同定方法。At each unit growth step, twins serving as secondary nuclei are generated according to the probability of occurrence on the growth surface of each crystal grain, and the plane orientation of the twin is determined from the plane orientation of the crystal grain where the twin is generated. claims 1 to 3 film structure identification method of a thin film polycrystalline any one of claims, characterized in that determined by the mirror image operation with a mirror surface. 前記結晶解析データと一致するように調整する前記膜構造指定パラメータが、基板上に配置する初期結晶粒の密度であることを特徴とする請求項ないしいずれか1項記載の薄膜多結晶の膜構造同定方法。The film structure specified parameters be adjusted to match with the crystallography data, we claim 1, characterized in that the density of the initial crystal grains disposed on the substrate 4 to any one of claims thin polycrystalline Membrane structure identification method.
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