JP2000046715A - 非発光過程走査プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体などの固体の表面のどの部位に光または
電子線が照射されたときに非発光プロセスが生じて非発
光になるかという、固体の表面における非発光領域の局
所的な分布を得る。 【解決手段】固体表面の局所的領域に光または電子線を
断続的に照射するプローブと、プローブを固体表面に近
づけて走査する走査手段と、プローブから断続的に照射
される光または電子線により固体表面に生成される非発
光プロセスに起因して生ずる弾性波を検出する検出手段
と、検出手段によって弾性波が検出された際に、プロー
ブから断続的に光または電子線が照射された固体表面の
領域を非発光領域として出力する出力手段とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非発光過程走査プ
ローブ顕微鏡に関し、さらに詳細には、半導体などの固
体の表面に光や電子を入射させた際に生じる非発光プロ
セスの局所的な分布を観測するために用いて好適な非発
光過程走査プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、図１（ａ）（ｂ）に示すように
（なお、図１（ｂ）は、図１（ａ）の斜視図であ
る。）、半導体などの固体１００の表面に対して光や電
子線を入射させると、励起プロセスによって固体１００
の表面付近で電子−正孔対（以下、「キャリア」と称す
る。）が生成する。

【０００３】ところで、これらのキャリアは、発光プロ
セスにより光としてエネルギーを放出するか、あるい
は、非発光プロセスにより熱（格子振動）としてエネル
ギーを放出するかして消失する。

【０００４】ここで、図２（ａ）に示すように固体１０
０の表面に入射させる光や電子線を断続させると、その
断続の周波数で上記した発光プロセスによる光や非発光
プロセスによる熱が生じ、この熱による格子振動の大小
が、図１（ａ）（ｂ）ならびに図２（ｂ）に示すように
固体１００中を弾性波として伝搬することになる。

【０００５】そして、従来においては、固体１００の裏
面側に取り付けた電極を設けられたＰＺＴなどの圧電素
子１０２により、固体中を伝搬する弾性波を電気信号に
変換して計測し、この計測した電気信号に基づいて固体
１００における熱の発生を測定することが行われてい
た。

【０００６】しかしながら、上記した従来の測定手法に
おいては、固体１００の表面のどの部位に光または電子
線が照射されたときに熱が発生するかという固体１００
の表面における局所的な分布、即ち、固体１００の表面
のどの部位に光または電子線が照射されたときに非発光
プロセスが生じるかという非発光プロセスの局所的な分
布を得ることができないという問題点があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
の有する上記したような問題点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、半導体などの固体の表
面のどの部位に光または電子線が照射されたときに非発
光プロセスが生じて非発光になるかという、固体の表面
における非発光領域の局所的な分布を得ることができよ
うにした非発光過程走査プローブ顕微鏡を提供しようと
するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、固体の表面に局所的に光または電子線を
入射することを可能にして固体の表面に局所的にキャリ
ア励起プロセスを生じさせ、固体の表面のどの部位に光
または電子線が照射されたときに非発光プロセスが生じ
て非発光になるかを検出することができるようにして、
固体の表面における局所的な非発光領域の分布を得ると
いう原理に基づいてなされたものである。

【０００９】即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明
は、固体表面の局所的領域に光または電子線を断続的に
照射するプローブと、上記プローブを上記固体表面に近
づけて走査する走査手段と、上記プローブから断続的に
照射される光または電子線により上記固体表面に生成さ
れる非発光プロセスに起因して生ずる弾性波を検出する
検出手段と、上記検出手段によって弾性波が検出された
際に、上記プローブから断続的に光または電子線が照射
された上記固体表面の領域を非発光領域として出力する
出力手段とを有するようにしたものである。

【００１０】また、本発明のうち請求項２に記載の発明
は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記
出力手段は、上記固体表面の非発光領域の分布データを
出力するものとしたものである。

【００１１】また、本発明のうち請求項３に記載の発明
は、本発明のうち請求項１または２に記載の発明におい
て、上記プローブは、光ファイバーまたは導電線の先端
部であるようにしたものである。

【００１２】また、本発明のうち請求項４に記載の発明
は、本発明のうち請求項１、２または３に記載の発明に
おいて、上記固体表面における上記プローブから出射さ
れる光または電子線の照射領域は、直径が１０μｍ以下
の略円形の領域であるようにしたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面に基づいて、本
発明による非発光過程走査プローブ顕微鏡の実施の形態
の一例を詳細に説明するものとする。

【００１４】図３には、本発明による非発光過程走査プ
ローブ顕微鏡の実施の形態の一例を示す概略構成説明図
が示されている。

【００１５】即ち、図３には本発明による非発光過程走
査プローブ顕微鏡の実施の形態の一例の概念構成説明図
が示されており、この非発光過程走査プローブ顕微鏡
は、固体表面にキャリア励起プロセスを生じさせるため
のレーザー光を出射するレーザー１２と、レーザー１２
から出射されたレーザー光を断続させるチョッパー１４
と、光ファイバー１８へレーザー光を集光して導入する
ためレンズ１６と、図４に示すように先端部１８ａが鋭
く尖らせられるとともに金属でコーディングされた光フ
ァイバー１８と（なお、光ファイバー１８の先端部１８
ａはプローブとして機能するものであるので、以下にお
いては、先端部１８ａを「プローブ１８ａ」と称するこ
ととする。）、内部にある各装置を冷却するためのクラ
イオスタット２０と、プローブ１８ａを後述する測定試
料２４の表面２４ａに近づけて表面２４ａ上で走査させ
るピエゾ素子機構２２と、半導体などの固体である測定
試料２４と、測定試料２４の裏面２４ｂに貼り付けられ
て測定試料２４を伝搬する弾性波を検出して電気信号
（以下、「測定信号」と称する。）に変換する圧電素子
２６と、圧電素子２６から出力された測定信号を増幅し
て出力するプリアンプ２８と、プリアンプ２８から出力
された測定信号をチョッパー１４と同期させて増幅して
出力するロックインアンプ３０と、ピエゾ素子機構２２
に電気信号を与えてプローブ１８ａを測定試料２４の表
面２４ａに近づけて表面２４ａを走査させるプローブ走
査駆動装置３２と（なお、プローブ走査駆動装置３２と
しては、一般のＳＴＭ駆動装置あるいはＡＦＭ駆動装置
を用いることができる。）、プローブ１８ａの走査とロ
ックインアンプ３０から出力された測定信号とを処理し
て測定試料２４の表面２４ａにおける非発光プロセスが
行われる非発光領域の分布データなどを出力する制御コ
ンピューター３４とを有して構成されている。

【００１６】なお、符号３６は、測定試料２４を保持す
るための支持台である。

【００１７】ここで、プローブ１８ａは、図４に示すよ
うに、鋭く尖らされていてその先端の小さな、例えば、
直径が１０μｍ以下の断面が略円形の開口部のみからレ
ーザー光が出るように金属コーティングされている。従
って、測定試料２４の表面２４ａにおけるプローブ１８
ａから出射されたレーザー光の照射領域も、直径が１０
μｍ以下の略円形の領域となり、測定試料２４の表面２
４ａの極めて局所的な領域がレーザー光により照射され
ることになる。

【００１８】また、図５には、圧電素子２６の測定試料
２４の裏面２４ｂへの取り付け状態が示されている。

【００１９】即ち、圧電素子２６を測定試料２４の裏面
２４ｂへ貼り付け、圧電素子２６の裏面２４ｂへ張り付
けた面２６ａと面２６ａと対向する面２６ｂとの両面の
電極から、測定信号を得るようになされている。

【００２０】以上の構成において、チョッパー１４によ
ってレーザー１２から出力されたレーザー光を断続さ
せ、さらに、この断続されたレーザー光をレンズ１６に
よって集光して光ファイバー１８へ導入する。

【００２１】こうして光ファイバー１８に導入された断
続したレーザー光は、プローブ走査駆動装置３２によっ
て測定試料２４の表面２４ａ上を走査されるプローブ１
８ａから、測定試料２４の表面２４ａに向けて照射され
る。

【００２２】ここで、プローブ１８ａにおいては、例え
ば、直径が１０μｍ以下の開口部からのみレーザー光が
出射されるものであるので、測定試料２４の表面２４ａ
の局所的な領域のみにレーザー光を断続して照射でき、
このレーザー光が断続して照射された局所的な領域のみ
に、レーザー光の断続の周波数に応じて励起プロセスに
よりキャリアを生成することができ、このキャリアによ
り発光プロセスまたは非発光プロセスが生じることにな
る。

【００２３】そして、非発光プロセスに伴って発生され
た弾性波を測定することにより、当該弾性波の発生の起
因となるレーザー光が照射された測定試料２４の表面２
４ａが非発光領域であることが検出される。

【００２４】そして、制御コンピューター３４からは、
例えば、図６に概念的に示すような、測定試料２４の表
面２４ａにおける非発光領域の分布データを得ることが
できる。

【００２５】こうして得た非発光プロセスの分布データ
を用いることにより、非発光プロセスの多い領域を局所
的に観察することができるようになる。

【００２６】また、図６に示すような非発光領域の分布
データと、従来の技術により得られる、例えば、図７に
示すような発光プロセスが行われる発光領域の分布デー
タとを比較対照することにより、固体の発光に関する研
究を促進することができる。

【００２７】なお、非発光プロセスに伴い生成されて測
定試料２４を伝搬する弾性波の検出方法としては、図５
に示すような圧電素子２６を用いる方法の他に、例え
ば、図８に示すように、細棒をゆるく測定試料２４の裏
面２４ｂに接着するとともに、当該細棒をクオーツによ
って振動させ、測定試料２４を伝搬する弾性波による細
棒の振動の変化を、クオーツの共振振動数の変化として
検出するようにしてもよい。

【００２８】また、例えば、図９に示すように、プリズ
ムを測定試料２４の裏面２４ｂに貼り付け、当該プリズ
ムに多重反射でレーザー光を入射し、受光素子により当
該プリズムに入射されたレーザー光の反射光の強度の変
化として測定信号を得るようにしてもよい。

【００２９】なお、上記した実施の形態においては、光
ファイバー１８および光ファイバー１８の先端部である
プローブ１８ａを用いて、測定試料２４の表面２４ａに
レーザー光を照射するようにしたが、これに限られるこ
となしに、光ファイバー１８および光ファイバー１８の
先端部であるプローブ１８ａに代えて導電線および導電
線の先端部を用い、測定試料２４の表面２４ａに当該導
電線および導電線の先端部より電子線を照射するように
してもよい。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、半導体などの固体の表面のどの部位に光ま
たは電子線が照射されたときに非発光プロセスが生じて
非発光になるかという、固体の表面における非発光領域
の局所的な分布を得ることができるようになるという優
れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は固体の表面における発光プロセスなら
びに非発光プロセスを説明するための概略構成側面図で
あり、（ｂ）は（ａ）の斜視図である。

【図２】（ａ）は固体の表面に入射される断続する光や
電子線を示す説明図であり、（ｂ）は固体中を伝搬する
弾性波を示す説明図である。

【図３】本発明による非発光過程走査プローブ顕微鏡の
実施の形態の一例の概念構成説明図である。

【図４】プローブの拡大概略断面説明図である。

【図５】圧電素子の測定試料の裏面への取り付け状態を
示す概略構成側面図である。

【図６】測定試料の表面における非発光領域の分布の一
例を示す説明図である。

【図７】測定試料の表面における発光領域の分布の一例
を示す説明図である。

【図８】非発光プロセスに伴い生成されて測定試料を伝
搬する弾性波の検出方法を示す概略構成側面図である。

【図９】非発光プロセスに伴い生成されて測定試料を伝
搬する弾性波の検出方法を示す概略構成側面図である。

【符号の説明】

１２ レーザー１２ １４ チョッパー １６ レンズ １８ 光ファイバー １８ａ プローブ（先端部） ２０ クライオスタット ２２ ピエゾ素子機構 ２４ 測定試料 ２４ａ 表面 ２４ｂ 裏面 ２６ 圧電素子 ２８ プリアンプ ３０ ロックインアンプ ３２ プローブ走査駆動装置 ３４ 制御コンピューター ３６ 支持台

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体表面の局所的領域に光または電子線
   を断続的に照射するプローブと、 前記プローブを前記固体表面に近づけて走査する走査手
   段と、 前記プローブから断続的に照射される光または電子線に
   より前記固体表面に生成される非発光プロセスに起因し
   て生ずる弾性波を検出する検出手段と、 前記検出手段によって弾性波が検出された際に、前記プ
   ローブから断続的に光または電子線が照射された前記固
   体表面の領域を非発光領域として出力する出力手段とを
   有する非発光過程走査プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の非発光過程走査プロー
   ブ顕微鏡において、 前記出力手段は、前記固体表面の非発光領域の分布デー
   タを出力するものである非発光過程走査プローブ顕微
   鏡。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の非発光過程走
   査プローブ顕微鏡において、 前記プローブは、光ファイバーまたは導電線の先端部で
   ある非発光過程走査プローブ顕微鏡。
4. 【請求項４】 請求項１、２または３に記載の非発光過
   程走査プローブ顕微鏡において、 前記固体表面における前記プローブから出射される光ま
   たは電子線の照射領域は、直径が１０μｍ以下の略円形
   の領域である非発光過程走査プローブ顕微鏡。