JP2004047284A - Cathode luminescence composite device and measuring method using the same - Google Patents

Cathode luminescence composite device and measuring method using the same Download PDF

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JP2004047284A
JP2004047284A JP2002203643A JP2002203643A JP2004047284A JP 2004047284 A JP2004047284 A JP 2004047284A JP 2002203643 A JP2002203643 A JP 2002203643A JP 2002203643 A JP2002203643 A JP 2002203643A JP 2004047284 A JP2004047284 A JP 2004047284A
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cathodoluminescence
probe
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composite device
light
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Ryuichi Sugie
杉江 隆一
Masanobu Yoshikawa
吉川 正信
Keiko Matsuda
松田 景子
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Toray Research Center Inc
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Toray Research Center Inc
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/26Electron or ion microscopes
    • H01J2237/28Scanning microscopes
    • H01J2237/2803Scanning microscopes characterised by the imaging method
    • H01J2237/2808Cathodoluminescence

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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To confirm a measuring position and to analyze a sample at high spatial resolution. <P>SOLUTION: An atomic force microscope with a probe in its light condensing system is installed in the cathode luminescence composite device which detects light from a sample irradiated by a electron beam. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カソードルミネッセンス複合装置に関するものであり、特に、試料に電子線を照射してその電子線照射により試料から発生した光を分析するカソードルミネッセンス複合装置および該装置を用いた測定方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
試料に電子線を照射して、その電子線照射により試料から発生した光を分析するカソードルミネッセンス装置は、既に市販されている。また、試料に光を照射して、その光により試料から発生した光を分析するフォトルミネッセンス分光装置やラマン分光装置も、これまでにいくつか市販されている。
【0003】
電子機器用の各種素子は、高集積化、微小化の一途をたどっており、微小領域の分析に対するニーズは、年々、高まってきている。しかしながら、現在市販中のカソードルミネッセンス装置、フォトルミネッセンス分光装置、あるいはラマン分光装置では、空間分解能や位置確認の精度が必ずしも十分とは言えない問題がある。試料に光を照射してその光によりさらに試料から発生した光を分析するフォトルミネッセンス分光装置、あるいはラマン分光装置では、光の回折限界により、その空間分解能は、せいぜい1μm程度に限られるからである。
【0004】
空間分解能を向上させる方法としては、空間中を伝播しないエバネッセント場と呼ばれる光を用いると、光の回折限界以下の空間分解能が達成可能であることが、シンゲ(Synge)により、Philos.Mag.6,356(1928)に開示されている。この原理を応用した近接場顕微鏡が、すでにいくつか市販されている。しかし、測定位置の確認は光学顕微鏡で行われており、高い空間分解能での位置確認はできないという問題があった。そのため、細密化された各種電子機器用素子の分析には、必ずしも十分ではなかった。
【0005】
一方、電子線を細く絞り励起源として用いるカソードルミネッセンス装置では、測定位置の確認は2次電子像(SEM像)や透過電子像(TEM像)で容易に行うことができる。カソードルミネッセンスは、一般的に、(1)電子線によるキャリヤの生成、(2)生成キャリヤの拡散、(3)キャリヤの輻射再結合、のプロセスを経て発生する。
【0006】
市販のカソードルミネッセンス装置においては、例えば、山本直紀「応用物理」第69巻 第10号(2000年)に記載されているように、集光部に楕円ミラーあるいは放物面ミラーを用いている。集光部に楕円ミラーあるいは放物面ミラーを用いたカソードルミネッセンス装置の空間分解能は、主に電子線の侵入長と電子線により発生したキャリアの拡散長により決定される。
【0007】
ここで、電子線の侵入長は加速電圧でほぼ決定され、低加速電圧ほど侵入長が短くなる。このため、キャリアの拡散長の短い試料を低加速電圧で測定した場合においては、最高100nm程度の空間分解能が達成可能である。
【0008】
しかしながら、楕円ミラーあるいは放物面ミラーを用いて集光しているために、試料のほぼ全域からの光を集光し、集光量は多いが、キャリアの拡散長の長い試料では空間分解能は数μm〜数十μm程度まで低下してしまうという問題があった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高空間分解能で測定位置の確認ができ、かつ、高空間分解能で試料の分析ができるカソードルミネッセンス複合装置および該装置を用いた測定方法を提供することをその課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、集光システムに探針をプローブとする原子間力顕微鏡を用いたカソードルミネッセンス複合装置とすることで、かかる目的を達成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【0011】
すなわち、本発明は、試料に電子線を照射して、その電子線照射により試料から発生した光を検出するカソードルミネッセンス装置において、集光システムとして探針をプローブとする原子間力顕微鏡を設けたことを特徴とするカソードルミネッセンス複合装置をその骨子とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明に使用できる電子線としては、電子線のビーム径を数十nm以下に絞ることが可能な電子線であれば特に限定されない。これらの電子線を供給できる装置としては、2次電子像、反射電子像および透過電子像のうちの一つ以上を観察可能な市販の電子顕微鏡が挙げられ好ましく使用される。
【0013】
電子線を放射する電子銃の方式にも特に制約はなく、例えば、熱電子放出型、電界放出型、ショットキーエミッション型、サーマル電界放出型等の任意の電子銃を用いることができる。なかでも、高空間分解能かつ高電流密度である点から、ショットキーエミッション型あるいはサーマル電界放出型の電子銃が好ましく使用される。
【0014】
本発明においては、集光システムとして探針をプローブとする原子間力顕微鏡を用いることが必要である。探針をプローブとする原子間力顕微鏡であれば特に制約はなく、市販の原子間力顕微鏡が好ましく用いられる。その制御方式にも特に制約はなく、光てこ方式やシェアフォース方式等、公知の方式を用いることができる。探針をプローブとする原子間力顕微鏡を使用すると、試料の特定の位置からの光のみを集光することができ、キャリヤの拡散の影響を受けないため、空間分解能を飛躍的に向上させることができる。
【0015】
本発明において、電子線照射により試料から発生した光のどの波長領域を検出するかは特に限定されないが、好ましくは50〜4000nmの領域、より好ましくは100〜2000nmの紫外、可視、近赤外域の電磁波を検出する。
【0016】
探針の構成材料は特に限定されないが、好ましくは、主たる構成材料が石英ガラスである。石英ガラスであれば、光を効率良く集光することができる。ここで、主たるとは、60重量%以上であることを言う。探針は、石英ガラスのみから構成されていても良いが、本発明の効果を損なわない範囲かつ40重量%未満であればその他の成分を含んでいても良い。なかでもGeを添加し、中心部分の屈折率を大きくした構造の石英ガラスファイバは、集光効率が高まるため、より好ましい。
【0017】
本発明に使用する探針の別の好ましい態様として、探針が内部を空洞化した金属または内部を空洞化した半導体からなる態様がある。用いる金属または半導体の種類に特に限定はないが、一般的に原子間力顕微鏡に用いられる材料であるWやSiやGaAsなどが好ましく使用される。内部を空洞化することで、試料からの光が空洞内部を伝わって効率的に伝播、検出できるようになる。
【0018】
本発明で使用する探針は、2本以上用いることが好ましい。2本以上の探針を用いることで光の集光効率を大きく向上させることができる。さらに集光効率の向上に伴って、測定時間を短縮することが可能となり、試料ドリフトや試料ダメージを最小限に抑えることが可能となる。さらには、2本以上の探針が探針先端を中心として放射状に配置されていることがより好ましい。放射状に配置されていることで、集光効率を大幅に向上できるだけでなく、表面凹凸の大きな試料においても高い集光効率を保つことができる。さらには、例えば、カソードルミネッセンスとラマン散乱の同一場所の同時測定やカソードルミネッセンスとフォトルミネッセンスの同一場所の同時測定を行うこともできる。
【0019】
本発明で使用する探針には、表面に0.1nm〜100nmの厚みの金属薄膜を設けることが好ましい。金属薄膜を設けることで、試料と探針の間で表面増強ラマン効果が生じるため、信号強度が飛躍的に増大する。さらに、探針の集光効率も大幅に向上する。さらには、金属薄膜を設けることで、2次電子像の観察の際に、電子線により探針がチャージアップすることを防止する効果も期待できる。
【0020】
金属薄膜の材質は、Ag、Cu、Auよりなる群から選ばれる一つの材料を主たる構成材料とすることが好ましい。Ag、Cu、Auは金属材料のなかでも表面増強ラマン効果が大きく、信号強度の増大が著しいからである。ここで、主たるとは、60重量%以上であることを言う。
【0021】
本発明のカソードルミネッセンス複合装置は、探針を通して試料に入射光を照射できることが好ましい。探針を通して試料に入射光を照射することができれば、例えば、カソードルミネッセンス測定だけでなく、ラマン散乱測定やフォトルミネッセンス測定も可能となる。さらには、2本以上の探針を用いることで、例えば、カソードルミネッセンスとラマン散乱の同一場所の同時測定やカソードルミネッセンスとフォトルミネッセンスの同一場所の同時測定を行うことができる。また、探針から周期的に変調された光を導入することで、各種変調測定も可能になる。
【0022】
本発明のカソードルミネッセンス複合装置には、探針で集光した光を分光するため、分光装置を設けていることが好ましい。分光装置は、回折格子型分光器、プリズム型分光器、光学フィルター型分光器、ダイクロイックミラー型分光器よりなる群から選ばれる少なくとも一つの分光装置が好ましい。分光装置を設けることで、強度像だけではなく、スペクトルを測定することができるようになり、試料のより詳細な情報を得ることが可能となる。さらには、例えば、すべての測定点でスペクトルを測定し解析することで、強度像だけでなく、信号強度のピーク位置の場所依存性や信号線の半値幅の場所依存性を可視化することも可能となる。
【0023】
本発明のカソードルミネッセンス複合装置を用いて測定する測定項目は、試料から発生した光から得られる情報であれば特に限定されないが、好ましくはカソードルミネッセンススペクトル、カソードルミネッセンス強度分布像、ラマンスペクトル、ラマン強度分布像、フォトルミネッセンススペクトル、フォトルミネッセンス強度分布像の少なくとも一つである。
【0024】
本発明のカソードルミネッセンス複合装置で分析可能な試料に特に制限はないが、半導体、酸化物、窒化物、強誘電体などの分析に特に有効である。なかでも、半導体、酸化物、窒化物および強誘電体から選ばれる少なくとも1種を使用した各種電子機器用素子は、年々高集積化、微小化の一途をたどっているため、微小部の分析が可能な本発明のカソードルミネッセンス複合装置を用いた分析に好適な試料である。
【0025】
本発明のカソードルミネッセンス複合装置は、各種電子機器用素子のなかでも特に、半導体レーザー、発光ダイオード、フォトダイオード、トランジスタ、半導体集積回路、CCD素子、光ファイバ、セラミックスコンデンサ、液晶表示(LCD)素子、プラズマディスプレイ(PDP)パネル、有機EL素子、ダイヤモンド膜等の分析に有効に用いられる。
【0026】
本発明のカソードルミネッセンス複合装置を、例えば、各種電子機器用素子製造のインラインまたはオフラインに設置することにより、歩留まり向上と飛躍的な品質向上が期待できる。
【0027】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明の効果をさらに説明する。
【0028】
(実施例1)
日立製作所製S−4300SE走査型電子顕微鏡に、集光システムとして、1本の光ファイバを探針として用いた原子間力顕微鏡を設け、さらに探針からの光をジョバン・イボン製HR−320分光器で分光するカソードルミネッセンス複合装置を作製した。原子間力顕微鏡部分は、日本電子製JSPM4210を走査型電子顕微鏡内部に設置できるように改造して作製した。光ファイバ探針は表面にAgを5nm蒸着したものを使用した。本装置により、測定温度30K、電子線加速電圧5kV、試料電流0.1nAで、GaAs20nm/AlGaAs60nmからなる多重量子井戸へき開断面のカソードルミネッセンススペクトルおよびカソードルミネッセンス強度分布像を測定した。AlGaAs層中央付近のカソードルミネッセンススペクトルからは、GaAs層の信号は検出されなかった。また、カソードルミネッセンス強度分布像から得られた活性層の厚みは、平均で22.0nmであった。
【0029】
(比較例1)
光の集光システムとして楕円ミラーを用いた他は、実施例1と同様の装置を用いて、GaAs20nm/AlGaAs60nmからなる多重量子井戸へき開断面のカソードルミネッセンス強度分布像およびカソードルミネッセンススペクトルを測定した。カソードルミネッセンス強度分布像からは、GaAs層とAlGaAs層を明確に区別することができなかった。
【0030】
(実施例2)
日立製作所製S−4300SE走査型電子顕微鏡に、集光システムとして表面にAgを5nm蒸着した4本の光ファイバ探針を用いた原子間力顕微鏡を設け、さらに探針からの光をジョバン・イボン製HR−320分光器で分光するカソードルミネッセンス複合装置を作製した。なお、4本の光ファイバ探針は、探針先端を中心として放射状になるように配置した。本装置により、測定温度30K、電子線加速電圧10kV、試料電流1nAで、平均粒径200nm程度のチタン酸バリウム焼結体からなるセラミックスコンデンサ研磨断面を測定した。チタン酸バリウム焼結体からの発光は1本の光ファイバを用いた場合に比べて平均で10倍程度強くなり、測定時間が約1/10に短縮された。
【0031】
(実施例3)
実施例2のカソードルミネッセンス複合装置を用い、そのうちの1本の光ファイバ探針に波長514.5nmのレーザー光を導入し、平均粒径200nm程度のチタン酸バリウム焼結体からなるセラミックスコンデンサ研磨断面に照射した。別の1本の光ファイバ探針を使用して試料から生じたラマン散乱スペクトルを測定した。測定は室温で行った。結晶粒界ではラマン散乱光強度が弱くなっており、かつカソードルミネッセンス強度も弱くなっていることが観測された。本測定により、平均粒径200nm程度のチタン酸バリウム焼結体の結晶粒界の構造評価を行うことができた。
【0032】
(比較例2)
ジョバンイボン製T−64000ラマン分光装置を用い、室温で、励起波長514.5nmで、平均粒径200nm程度のチタン酸バリウム焼結体からなるセラミックスコンデンサ研磨断面の顕微ラマン散乱スペクトルを測定した。スペクトルは得られたものの、光学顕微鏡で結晶粒界を確認することができず、測定位置の特定を行うことができなかった。
【0033】
【発明の効果】
本発明により、細密化された各種電子機器用素子のカソードルミネッセンススペクトル、カソードルミネッセンス強度分布像、ラマンスペクトル、ラマン強度分布像、フォトルミネッセンススペクトル、フォトルミネッセンス強度分布像を高空間分解能で得ることができる。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a cathodoluminescence composite apparatus, and more particularly to a cathodoluminescence composite apparatus that irradiates a sample with an electron beam and analyzes light generated from the sample by the electron beam irradiation, and a measurement method using the apparatus. It is.
[0002]
[Prior art]
A cathodoluminescence device that irradiates a sample with an electron beam and analyzes light generated from the sample by the electron beam irradiation is already commercially available. Some photoluminescence spectrometers and Raman spectrometers that irradiate a sample with light and analyze the light generated from the sample by the light have been commercially available.
[0003]
Various elements for electronic devices have been steadily becoming more highly integrated and miniaturized, and the need for analysis of minute regions has been increasing year by year. However, the currently available cathode luminescence device, photoluminescence spectroscopy device, or Raman spectroscopy device has a problem that the spatial resolution and the accuracy of position confirmation are not always sufficient. This is because, in a photoluminescence spectrometer or a Raman spectrometer that irradiates a sample with light and further analyzes light generated from the sample, the spatial resolution is limited to at most about 1 μm due to the diffraction limit of light. .
[0004]
As a method for improving the spatial resolution, using light called an evanescent field that does not propagate in space, a spatial resolution equal to or less than the diffraction limit of light can be achieved. Mag. 6,356 (1928). Some near-field microscopes applying this principle are already commercially available. However, the measurement position is confirmed with an optical microscope, and there is a problem that the position cannot be confirmed with high spatial resolution. Therefore, it has not always been sufficient for the analysis of various miniaturized electronic device elements.
[0005]
On the other hand, in a cathodoluminescence device that uses an electron beam as a narrow excitation source, the measurement position can be easily confirmed with a secondary electron image (SEM image) or a transmission electron image (TEM image). Cathodoluminescence generally occurs through the process of (1) generation of carriers by an electron beam, (2) diffusion of generated carriers, and (3) radiative recombination of carriers.
[0006]
In a commercially available cathodoluminescence device, for example, as described in Naoki Yamamoto, “Applied Physics,” Vol. 69, No. 10, (2000), an elliptical mirror or a parabolic mirror is used for the light-collecting portion. The spatial resolution of a cathodoluminescence device using an elliptical mirror or a parabolic mirror for the light condensing part is mainly determined by the penetration length of the electron beam and the diffusion length of carriers generated by the electron beam.
[0007]
Here, the penetration length of the electron beam is substantially determined by the acceleration voltage, and the penetration length becomes shorter as the acceleration voltage becomes lower. Therefore, when a sample with a short carrier diffusion length is measured at a low acceleration voltage, a spatial resolution of up to about 100 nm can be achieved.
[0008]
However, since light is condensed using an elliptical mirror or a parabolic mirror, light from almost the entire area of the sample is condensed. There is a problem that the thickness is reduced to about μm to several tens μm.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
It is an object of the present invention to provide a cathodoluminescence composite device capable of confirming a measurement position with high spatial resolution and analyzing a sample with high spatial resolution, and a measuring method using the device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, have found that such an object can be achieved by using a cathodoluminescence composite device using an atomic force microscope with a probe as a probe in a light collection system. Thus, the present invention has been completed.
[0011]
That is, the present invention provides an atomic force microscope using a probe as a light-collecting system in a cathodoluminescence device that irradiates a sample with an electron beam and detects light generated from the sample by the electron beam irradiation. The cathodoluminescence composite device characterized by the above features is the gist thereof.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The electron beam that can be used in the present invention is not particularly limited as long as the beam diameter of the electron beam can be reduced to several tens of nm or less. As a device capable of supplying these electron beams, a commercially available electron microscope capable of observing one or more of a secondary electron image, a reflected electron image, and a transmitted electron image is used, and is preferably used.
[0013]
There is no particular limitation on the type of electron gun that emits an electron beam. For example, any electron gun such as a thermionic emission type, a field emission type, a Schottky emission type, or a thermal field emission type can be used. Among them, a Schottky emission type or a thermal field emission type electron gun is preferably used because of its high spatial resolution and high current density.
[0014]
In the present invention, it is necessary to use an atomic force microscope using a probe as a probe as a light collection system. There is no particular limitation as long as it is an atomic force microscope using a probe as a probe, and a commercially available atomic force microscope is preferably used. The control method is not particularly limited, and a known method such as an optical lever method or a share force method can be used. Using an atomic force microscope with a probe as a probe, it is possible to collect only light from a specific position on the sample, and it is not affected by carrier diffusion, so that spatial resolution can be dramatically improved. Can be.
[0015]
In the present invention, which wavelength region of light generated from the sample by electron beam irradiation is not particularly limited, but is preferably in the range of 50 to 4000 nm, more preferably 100 to 2000 nm in the ultraviolet, visible, and near infrared regions. Detects electromagnetic waves.
[0016]
The constituent material of the probe is not particularly limited, but preferably the main constituent material is quartz glass. With quartz glass, light can be efficiently collected. Here, “mainly” means that the content is 60% by weight or more. The probe may be composed only of quartz glass, but may contain other components as long as the effects of the present invention are not impaired and less than 40% by weight. Above all, a silica glass fiber having a structure in which Ge is added and the refractive index of the central portion is increased is more preferable because the light collection efficiency is increased.
[0017]
As another preferred embodiment of the probe used in the present invention, there is a mode in which the probe is formed of a metal having a hollow inside or a semiconductor having a hollow inside. Although there is no particular limitation on the type of metal or semiconductor used, W, Si, GaAs, and the like, which are generally used for an atomic force microscope, are preferably used. By hollowing the interior, light from the sample propagates inside the cavity and can be efficiently propagated and detected.
[0018]
Preferably, two or more probes are used in the present invention. By using two or more probes, the light collection efficiency can be greatly improved. Further, with the improvement of the light collection efficiency, the measurement time can be shortened, and the sample drift and the sample damage can be minimized. Further, it is more preferable that two or more probes are radially arranged around the tip of the probe. By being arranged radially, not only can the light-collecting efficiency be significantly improved, but also high light-collecting efficiency can be maintained for a sample having large surface irregularities. Furthermore, for example, simultaneous measurement of the same location of cathodoluminescence and Raman scattering, and simultaneous measurement of the same location of cathodoluminescence and photoluminescence can also be performed.
[0019]
It is preferable to provide a metal thin film having a thickness of 0.1 nm to 100 nm on the surface of the probe used in the present invention. By providing the metal thin film, a surface-enhanced Raman effect occurs between the sample and the probe, so that the signal intensity is dramatically increased. In addition, the light collection efficiency of the probe is greatly improved. Further, by providing a metal thin film, an effect of preventing the probe from being charged up by an electron beam during observation of a secondary electron image can be expected.
[0020]
It is preferable that the material of the metal thin film be one material selected from the group consisting of Ag, Cu, and Au as a main constituent material. This is because Ag, Cu, and Au have a large surface-enhanced Raman effect among metal materials, and the signal intensity is significantly increased. Here, “mainly” means that the content is 60% by weight or more.
[0021]
The cathodoluminescence composite device of the present invention is preferably capable of irradiating a sample with incident light through a probe. If the sample can be irradiated with incident light through the probe, for example, not only cathodoluminescence measurement but also Raman scattering measurement and photoluminescence measurement can be performed. Furthermore, by using two or more probes, for example, simultaneous measurement of cathodoluminescence and Raman scattering at the same location and simultaneous measurement of cathodoluminescence and photoluminescence at the same location can be performed. In addition, by introducing periodically modulated light from the probe, various types of modulation can be measured.
[0022]
It is preferable that the cathodoluminescence composite device of the present invention is provided with a spectroscopic device for dispersing the light collected by the probe. The spectroscopic device is preferably at least one spectroscopic device selected from the group consisting of a diffraction grating type spectrometer, a prism type spectrometer, an optical filter type spectrometer, and a dichroic mirror type spectrometer. By providing a spectroscopic device, not only an intensity image but also a spectrum can be measured, and more detailed information of a sample can be obtained. Furthermore, for example, by measuring and analyzing spectra at all measurement points, it is possible to visualize not only the intensity image but also the location dependence of the signal intensity peak position and the location dependence of the signal line half-width. It becomes.
[0023]
The measurement items to be measured using the cathodoluminescence composite device of the present invention are not particularly limited as long as the information is obtained from light generated from the sample. Preferably, the cathodoluminescence spectrum, the cathodoluminescence intensity distribution image, the Raman spectrum, the Raman intensity It is at least one of a distribution image, a photoluminescence spectrum, and a photoluminescence intensity distribution image.
[0024]
The sample that can be analyzed by the cathodoluminescence composite device of the present invention is not particularly limited, but is particularly effective for analyzing semiconductors, oxides, nitrides, ferroelectrics, and the like. In particular, elements for various electronic devices that use at least one selected from semiconductors, oxides, nitrides, and ferroelectrics are becoming ever more highly integrated and miniaturized year by year. It is a sample suitable for analysis using a possible cathodoluminescence combined device of the present invention.
[0025]
The cathodoluminescence composite device of the present invention is a semiconductor laser, a light emitting diode, a photodiode, a transistor, a semiconductor integrated circuit, a CCD device, an optical fiber, a ceramic capacitor, a liquid crystal display (LCD) device, among other devices for various electronic devices. It is effectively used for analyzing plasma display (PDP) panels, organic EL elements, diamond films, and the like.
[0026]
By installing the cathodoluminescence composite device of the present invention, for example, in-line or off-line for manufacturing various electronic device elements, it is possible to expect an improvement in yield and a dramatic improvement in quality.
[0027]
【Example】
Hereinafter, the effects of the present invention will be further described with reference to examples.
[0028]
(Example 1)
An atomic force microscope using a single optical fiber as a probe is provided as a focusing system on an S-4300SE scanning electron microscope manufactured by Hitachi, Ltd., and the light from the probe is subjected to HR-320 spectroscopy manufactured by Joban Yvon. A cathodoluminescence composite device for spectroscopy was prepared. The atomic force microscope was manufactured by modifying JEOL's JSPM4210 so that it could be installed inside the scanning electron microscope. The optical fiber probe used was one in which 5 nm of Ag was deposited on the surface. Using this apparatus, the cathodoluminescence spectrum and cathodoluminescence intensity distribution image of the cleaved cross section of the multiple quantum well consisting of GaAs 20 nm / AlGaAs 60 nm were measured at a measurement temperature of 30 K, an electron beam acceleration voltage of 5 kV, and a sample current of 0.1 nA. No signal of the GaAs layer was detected from the cathode luminescence spectrum near the center of the AlGaAs layer. The thickness of the active layer obtained from the cathodoluminescence intensity distribution image was 22.0 nm on average.
[0029]
(Comparative Example 1)
A cathodoluminescence intensity distribution image and a cathodoluminescence spectrum of a cleaved cross section of a multiple quantum well composed of GaAs 20 nm / AlGaAs 60 nm were measured using the same apparatus as in Example 1 except that an elliptical mirror was used as a light focusing system. The GaAs layer and the AlGaAs layer could not be clearly distinguished from the cathodoluminescence intensity distribution image.
[0030]
(Example 2)
The S-4300SE scanning electron microscope manufactured by Hitachi, Ltd. was equipped with an atomic force microscope using four optical fiber probes with 5 nm of Ag deposited on the surface as a light-collecting system. A cathodoluminescence composite device for performing spectroscopy with an HR-320 spectrometer manufactured by Hitachi, Ltd. was produced. The four optical fiber probes were arranged so as to be radial with the probe tip as the center. Using this apparatus, a polished section of a ceramic capacitor made of a barium titanate sintered body having an average particle size of about 200 nm was measured at a measurement temperature of 30 K, an electron beam acceleration voltage of 10 kV, and a sample current of 1 nA. The light emission from the barium titanate sintered body was about 10 times stronger on average than the case where one optical fiber was used, and the measurement time was reduced to about 1/10.
[0031]
(Example 3)
Using the cathodoluminescence composite device of Example 2, a laser beam having a wavelength of 514.5 nm was introduced into one of the optical fiber probes, and a polished cross section of a ceramic capacitor made of a barium titanate sintered body having an average particle size of about 200 nm was used. Irradiation. The Raman scattering spectrum generated from the sample was measured using another optical fiber probe. The measurement was performed at room temperature. It was observed that the Raman scattered light intensity was weak at the crystal grain boundaries and the cathodoluminescence intensity was also weak. By this measurement, it was possible to evaluate the structure of the crystal grain boundaries of the barium titanate sintered body having an average particle diameter of about 200 nm.
[0032]
(Comparative Example 2)
Using a T-64000 Raman spectrometer manufactured by Joban Yvon, at room temperature, a microscopic Raman scattering spectrum of a polished section of a ceramic capacitor made of a barium titanate sintered body having an excitation wavelength of 514.5 nm and an average particle size of about 200 nm was measured. Although a spectrum was obtained, the crystal grain boundaries could not be confirmed with an optical microscope, and the measurement position could not be specified.
[0033]
【The invention's effect】
According to the present invention, a cathodoluminescence spectrum, a cathodoluminescence intensity distribution image, a Raman spectrum, a Raman intensity distribution image, a photoluminescence spectrum, and a photoluminescence intensity distribution image of a miniaturized element for various electronic devices can be obtained with high spatial resolution. .

Claims (15)

試料に電子線を照射して、その電子線照射により試料から発生した光を検出するカソードルミネッセンス装置において、集光システムとして探針をプローブとする原子間力顕微鏡を設けたことを特徴とするカソードルミネッセンス複合装置。A cathode luminescence device for irradiating a sample with an electron beam and detecting light generated from the sample by the electron beam irradiation, wherein an atomic force microscope using a probe as a probe is provided as a light collecting system. Luminescence composite device. 探針の主たる構成材料が石英ガラスであることを特徴とする請求項1記載のカソードルミネッセンス複合装置。The cathodoluminescence composite device according to claim 1, wherein a main constituent material of the probe is quartz glass. 探針が内部を空洞化した金属または内部を空洞化した半導体からなることを特徴とする請求項1記載のカソードルミネッセンス複合装置。2. The combined cathode luminescence device according to claim 1, wherein the probe is made of a metal having a hollow inside or a semiconductor having a hollow inside. 2本以上の探針を設けたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか記載のカソードルミネッセンス複合装置。The cathodoluminescence composite device according to any one of claims 1 to 3, wherein two or more probes are provided. 2本以上の探針が探針先端を中心として略放射状に配置されていることを特徴とする請求項4記載のカソードルミネッセンス複合装置。The cathodoluminescence composite device according to claim 4, wherein two or more probes are arranged substantially radially around the tip of the probe. 探針の表面に、0.1nm〜100nmの厚みの金属薄膜を設けたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか記載のカソードルミネッセンス複合装置。The combined cathode luminescence device according to any one of claims 1 to 5, wherein a metal thin film having a thickness of 0.1 nm to 100 nm is provided on a surface of the probe. 金属薄膜の主たる構成材料がAg、Cu、Auよりなる群から選ばれる一つの材料であることを特徴とする請求項6記載のカソードルミネッセンス複合装置。The composite device according to claim 6, wherein a main constituent material of the metal thin film is one material selected from the group consisting of Ag, Cu, and Au. さらに、探針を通して試料に入射光を照射することができることを特徴とする請求項1〜7のいずれか記載のカソードルミネッセンス複合装置。The cathodoluminescence composite device according to any one of claims 1 to 7, wherein the sample can be irradiated with incident light through a probe. 探針で集光した光を分光するため、回折格子型分光器、プリズム型分光器、光学フィルター型分光器、ダイクロイックミラー型分光器よりなる群から選ばれる少なくとも一つの分光装置を設けていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか記載のカソードルミネッセンス複合装置。At least one spectroscopic device selected from the group consisting of a diffraction grating type spectrometer, a prism type spectrometer, an optical filter type spectrometer, and a dichroic mirror type spectrometer to disperse the light collected by the probe The cathodoluminescence composite device according to any one of claims 1 to 8, wherein 請求項1〜9のいずれか記載のカソードルミネッセンス複合装置を用いてカソードルミネッセンススペクトルまたはカソードルミネッセンス強度分布像を測定する測定方法。A measuring method for measuring a cathodoluminescence spectrum or a cathodoluminescence intensity distribution image using the cathodoluminescence composite device according to claim 1. 請求項1〜9のいずれか記載のカソードルミネッセンス複合装置を用いてラマンスペクトル、ラマン強度分布像、フォトルミネッセンススペクトル、フォトルミネッセンス強度分布像の少なくとも一つを測定する測定方法。A measurement method for measuring at least one of a Raman spectrum, a Raman intensity distribution image, a photoluminescence spectrum, and a photoluminescence intensity distribution image using the cathodoluminescence composite device according to claim 1. 試料が半導体であることを特徴とする請求項10または11記載の測定方法。The method according to claim 10, wherein the sample is a semiconductor. 試料が酸化物または窒化物であることを特徴とする請求項10または11記載の測定方法。The method according to claim 10, wherein the sample is an oxide or a nitride. 試料が強誘電体であることを特徴とする請求項10または11記載の測定方法。The measurement method according to claim 10, wherein the sample is a ferroelectric substance. 試料が各種電子機器用の素子であることを特徴とする請求項12〜14のいずれか記載の測定方法。The method according to any one of claims 12 to 14, wherein the sample is an element for various electronic devices.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2017131132A1 (en) * 2016-01-28 2018-11-22 株式会社堀場製作所 Sample analyzer and condenser mirror unit for sample analyzer

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