JP2019095233A - 走査型マイクロ波顕微鏡、及びこれを用いた被測定物の表面の電気特性の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アクティブ素子を利用せず部品点数を減らした共振回路（干渉計）を用いた走査型マイクロ波顕微鏡の感度向上を図る。【解決手段】走査型マイクロ波顕微鏡は、被測定物の表面を走査能なＡＦＭプローブ１と、第１端４がＡＦＭプローブに接続するＴ分岐３と、Ｔ分岐の第２端５に接続する位相可変短絡器７と、Ｔ分岐の第３端６を介してＡＦＭプローブと位相可変短絡器に接続するベクトルネットワークアナライザ９と、を備える。ＡＦＭプローブと位相可変短絡器は１つの共振回路を構成し、位相可変短絡器は、ベクトルネットワークアナライザがＡＦＭプローブを介して被測定物１２の表面１３に照射した電磁波の反射波信号の共振周波数の位相を調整する。【選択図】図１

Description

本発明は、走査型マイクロ波顕微鏡に関し、より具体的には、位相可変型の共振回路を含む走査型マイクロ波顕微鏡、及びこれを用いた被測定物の表面の電気特性の測定方法に関する。

走査型マイクロ波顕微鏡（ＳＭＭ、以下単にＳＭＭとも呼ぶ）は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ、以下単にＡＦＭとも呼ぶ）をベースとした電磁波を用いた材料表面の電気特性評価装置である。ＳＭＭでは、電磁波信号をＡＦＭプローブの先端の針先（探針）から試料に照射し、その反射信号を検出して、試料表面のインピーダンスに伴う反射特性を測定する。また、ＡＦＭと同様の機能として表面を走査しながら測定することが可能であるため、試料表面の導電率、誘電率、あるいは透磁率などの電気特性の分布を測定することができる。これにより、試料である複合材における材料の分布や半導体などのキャリア濃度の分布を観察・解析することができる。

このため、材料表面からの電磁波信号を高精度で安定に測定する手法が必要である。しかし、ＳＭＭでは電磁波信号の測定にベクトルネットワークアナライザを用いるため、ただ繋ぐだけでは低インピーダンスおよび高インピーダンスの領域での微小な変化に対して十分な検出感度を得ることができない。また、装置自体は除振台に搭載する必要があり、スペースや重量に制限があるため、部品点数が少ない簡素な検出回路が必要となる。

従来技術としてこれまでに複数の検出回路が提案されてきた。例えば、比較的簡素な回路構造を含むＳＭＭとして、非特許文献１は、半波長共振器と並列接続された５０Ω抵抗による共振回路を含む反射型のＳＭＭを開示する。また、非特許文献２は、インピーダンス調整器と位相調整器による共振回路（干渉計）を含む反射型のＳＭＭを開示する。しかし、これらの従来のＳＭＭでは、十分な検出感度を得ることができていない。

感度を向上するために、他の従来技術として、各種の共振回路（干渉計）を含む複数の透過型のＳＭＭが提案されている。しかし、それらの従来のＳＭＭでは、その回路構成には電源を必要とするアンプ（アクティブ素子）を必要とし、さらには多くの部品を使用するなど、複雑な回路構成であり、回路のサイズも大きい。一般的には、高周波精密計測においてアクティブ素子の利用や回路の複雑さは、周辺温度の変化や振動などで安定性を低下させるなどの要因となる。結果として、感度と測定／検出回路の実現の容易性について両立した方法が確立されていない。

H. Tanbakuchi, et al., Semiconductor Material and Device Characterization via Scanning Microwave Microscopy, "IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), Pages: 1-5, 2013. A. Lewandowski, et al., "Wideband measurement of extreme impedances with a multistate reflectometer,"72nd ARFTG Microwave Measurement Symposium, Pages:45-49, 2008.

本発明の目的は、アクティブ素子を利用せず部品点数を減らした共振回路（干渉計）を用いた走査型マイクロ波顕微鏡の感度向上を図ることである。

本発明の一態様の走査型マイクロ波顕微鏡は、被測定物の表面を走査能なＡＦＭプローブと、第１端がＡＦＭプローブに接続するＴ分岐と、Ｔ分岐の第２端に接続する位相可変短絡器と、Ｔ分岐の第３端を介してＡＦＭプローブと位相可変短絡器に接続するベクトルネットワークアナライザと、を備える。ＡＦＭプローブと位相可変短絡器は１つの共振回路を構成し、位相可変短絡器は、ベクトルネットワークアナライザがＡＦＭプローブを介して被測定物の表面に照射した電磁波の反射波信号の共振周波数の位相を調整する。

本発明の一態様の走査型マイクロ波顕微鏡を用いた被測定物の表面の電気特性の測定方法は、（ａ）ＡＦＭプローブを介して被測定物の表面に所定範囲の周波数の電磁波を照射するステップと、（ｂ）被測定物の表面からの反射電磁波をＡＦＭプローブを介してベクトルネットワークアナライザにより検出するステップと、（ｃ）位相可変短絡器を用いて、反射電磁波の共振周波数の位相を調整するステップと、（ｄ）ベクトルネットワークアナライザにより、位相調整後の選択された共振周波数での反射電磁波の振幅変化または位相変化から、被測定物の表面の電気特性を求めるステップと、を含む。

本発明によれば、アクティブ素子を利用せず部品点数を減らした共振回路（干渉計）を用いた走査型マイクロ波顕微鏡の感度向上を図ることができる。さらに、共振回路（干渉計）の構成要素として位相可変型短絡素子を用いることで、観測する共振（干渉）周波数を自由に選択することができる。これにより、被測定物の表面状態や材料の性質等に応じた高感度／高精度で安定した測定を実現することができる。

本発明の一実施形態の走査型マイクロ波顕微鏡の構成を示す図である。 本発明の一実施形態の測定方法のフローを示す図である。 本発明の一実施形態の共振周波数の位相調整前の状態を説明する図である。 本発明の一実施形態の共振周波数の位相調整後の状態を説明する図である。 本発明の一実施例の測定結果（振幅変化による断面ＳＭＭ像）を示す図である。 本発明の一実施例の測定結果（位相変化による断面ＳＭＭ像）を示す図である。 本発明の一実施例の測定結果（振幅変化）を示す図である。 本発明の一実施例の測定結果（位相変化）を示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態の走査型マイクロ波顕微鏡（ＳＭＭ）の構成を示す図である。ＳＭＭ１００は、ＡＦＭプローブ１と、Ｔ分岐（回路）３、位相可変型短絡素子（Sliding short）７と、ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）９を備える。さらに、ＳＭＭ１００の一部として、あるいは外部装置（機構）として、被測定物１２を載置しＸＹＺ方向で移動するための駆動機構（図示なし）を有するステージ１１を備える。

ＡＦＭプローブ１は、一般にカンチレバーとも呼ばれ、先端の探針２を有し、半導体や金属等で形成されている。ＡＦＭプローブ１の自らの上下移動により、あるいはステージ１１の上下移動により、ＡＦＭプローブの先端の探針２が被測定物１２の表面１３に接触あるいはその近傍に非接触で位置するように調整される。Ｔ分岐３の第１端４は同軸ケーブルを介してＡＦＭプローブ１に接続し、第２端５は同軸ケーブルを介して位相可変型短絡素子７に接続し、第３端６は同軸ケーブルを介してＶＮＡ９の１つの入出力ポート（ＰＯＲＴ１）に接続する。ＡＦＭプローブ１と位相可変型短絡素子７は、Ｔ分岐３を介してＶＮＡ９の入出力ポートに対して並列接続し、両者で１つの共振（共鳴、干渉）回路、言い換えればインピーダンス調整回路を構成する。

ＶＮＡ９は、入出力ポート（ＰＯＲＴ１）に接続された同軸ケーブルを介してＡＦＭプローブ１と位相可変型短絡素子７に所定範囲（例えば、１−２０ＧＨｚの範囲）の周波数の電磁波を送信することができる。ＡＦＭプローブの先端の探針２から被測定物１２の表面１３にその電磁波が照射され、表面１３からの反射電磁波がＡＦＭプローブの探針２から受信される。ＶＮＡ９は、同軸ケーブルを介してＡＦＭプローブ１からの反射電磁波の信号（以下、反射電磁波信号とも呼ぶ）を受信し、その反射電磁波信号を演算処理して被測定物１２の表面１３の各種電気特性を算出する。その電気特性の測定結果は、ＶＮＡ９が内蔵する、あるいは外付けの表示部１０に表示される。

位相可変型短絡素子７は、例えば円筒型あるいは直方体型の空洞共振器７を備える。空洞共振器７内の可変短絡板８が垂直あるいは水平方向（図１では垂直方向）に移動して空洞の距離Ｄを変えることにより、空洞共振器７内にＴ分岐３を介してＶＮＡ９から入力される電磁波の共振周波数の位相を調整することができる。空洞共振器７内の可変短絡板８の移動は、手動または付随する駆動機構によって行うことができる。その位相可変型短絡素子７での共振周波数の位相調整によって、詳細は後述するように、共に１つの共振器を形成する並列接続するＡＦＭプローブ１から受信される反射電磁波信号の共振周波数の位相を調整することができる。

図２は、本発明の一実施形態の走査型マイクロ波顕微鏡を用いた被測定物の表面の電気特性の測定方法のフローを示す図である。以下の図２の測定フローの説明は、図１の実施形態のＳＭＭ１００を用いた場合の例を示すが、この測定フローは本発明の他の実施形態のＳＭＭを用いた場合にも同様に実行可能である。

図２のステップＳ１において、ステージ１１上に被測定物１２をセット（載置）する。被測定物１２としては、基本的にＡＦＭプローブ１によってその表面の電気特性が測定可能な任意の材料（半導体、金属、磁性体、誘電体等）からなる基板等を含むことができる。ステップＳ２において、ステージ１１及びＡＦＭプローブ１を移動させることにより、被測定物１２の表面１３の測定開始ポイント（測定領域のスタート位置）にＡＦＭプローブ１の探針２をセットする。ＡＦＭプローブ１の探針２は、被測定物あるいは測定条件等に応じて被測定物１２の表面１３に接触または非接触にセットされる。

ステップＳ３において、ＶＮＡ９がＡＦＭプローブ１の探針２から被測定物１２の表面１３へ所定範囲（例えば、１−２０ＧＨｚの範囲）で周波数を掃引させながら電磁波を照射する。その際、同時にＶＮＡ９からＴ分岐３の第２端５を介して位相可変型短絡素子７にも同じ周波数範囲の電磁波が入射される。ステップＳ４において、ＶＮＡ９がＡＦＭプローブ１の探針２を介して被測定物１２の表面１３からの反射電磁波信号を受信する。

ステップＳ５において、位相可変型短絡素子７によってＶＮＡ９で測定される反射電磁波信号の共振周波数の位相を調整して、ＶＮＡ９が電気特性を測定（算出）する反射電磁波信号の周波数を設定する。図３と図４を参照しながらその位相（周波数）調整について説明する。図３（ａ）と図４（ａ）は、いずれも被測定物１２上のＡＦＭプローブ１、Ｔ分岐３、及び位相可変型短絡素子７の等価回路である。被測定物１２は、その表面状態に応じて変化するインピーダンス（抵抗Ｒ１＋容量Ｃ２）を有する。ＶＮＡ９は、そのインピーダンス（の変化）を反射電磁波信号として測定することになる。ＡＦＭプローブ１はその材料等に応じて定まるプローブ容量Ｃ１を有する。位相可変型短絡素子７は、空洞共振器７内の可変短絡板８の位置（距離Ｄ）を変えることにより、等価的なインダクタンスＬ１を変えて、空洞共振器７内の共振周波数の位相を調整する。

図３（ｂ）は、共振周波数の位相調整前の状態を説明する図である。図４（ｂ）は、共振周波数の位相調整後の状態を説明する図である。図３（ｂ）の位相調整前にＶＮＡ９で測定された反射電磁波信号の周波数と振幅または反射係数Ｓ１１パラメータとの関係図では、共振周波数はｆ_０に設定されている。電気特性を得るために測定したい共振周波数はｆｓなので、位相をずらして（遅らせて）ｆ_０をｆｓに合せる必要がある。そこで、上述したように、図４（ａ）の位相可変型短絡素子７の等価的なインダクタンスＬ１を変えて空洞共振器７内の共振周波数の位相を調整することにより、図４（ｂ）に示すように、ＶＮＡ９で測定する共振周波数をｆｓに設定することができる。

図２のステップＳ６において、ステップＳ５で位相調整された共振周波数での反射電磁波信号の振幅及び位相を測定する。具体的には、ＶＮＡ９が位相調整後の共振周波数ｆｓでの反射電磁波信号の振幅及び位相を測定（検出）する。その振幅及び位相は、被測定物１２の表面１３の反射特性、すなわちインピーダンスを反映している。ステップＳ７において、ステップＳ６で得られた振幅及び位相から必要に応じて選択的に被測定物１２の表面１３の電気特性（静電容量、導電率、誘電率、透磁率、不純物レベル等）を算出する。

次のステップＳ８において、ＡＦＭプローブ１またはステージ１１を走査（移動）させながらステップＳ３〜Ｓ７を実行して、被測定物１２の表面の測定領域（一部または全体）での反射電磁波信号の振幅及び位相を測定し、さらには必要となる各種電気特性を算出する。なお、代替フローとして、ステップＳ８をステップＳ６とＳ７の間に入れて、ステップＳ３〜Ｓ６をＡＦＭプローブ１またはステージ１１を走査しながら実行して、先に被測定物１２の表面の測定領域（一部または全体）での反射電磁波信号の振幅及び位相を測定するようにしてもよい。

ステップＳ９において、ステップＳ８で得られた被測定物１２の測定領域での電気特性の分布を画像として表示部１０に表示する。この画像分布は、被測定物１２の測定領域の表面状態を反映したインピーダンスの変化（差異）の分布に相当している。

上述した図１に例示されるＳＭＭ及び図２に例示される測定方法フローを用いて、実際に被測定物の試料の表面を測定した。下記の測定では、試料としては、不純物としてＮ型ドーパントが選択された領域にドーピングされたＳｉ層を含むＳｉ基板を用いた。

図５と図６は、ドーピング濃度が異なるＳｉ層構造の断面のＳＭＭ画像である。各画像の横軸はＸＹ方向の距離（μｍ）で、縦軸はＺ（深さ）方向の距離（μｍ）である。図５は、振幅変化に対応した測定画像であり、図６は位相変化に対応した測定画像である。両図において、（ａ）は従来の非特許文献１で例示される半波長共振器と５０Ω抵抗による共振回路を含む反射型のＳＭＭを用いた測定結果であり、（ｂ）は従来の非特許文献２で例示されるインピーダンス調整器と位相調整器による共振回路（干渉計）を含む反射型のＳＭＭを用いた測定結果であり、（ｃ）は本発明のＳＭＭによる測定結果である。

各画像において白い部分がドーパント濃度の高い領域を示している。なお、図６（ｂ）の画像は画像処理の関係で白黒が反転しており、黒い部分がドーパント濃度の高い領域を示している。両図において、従来の（ａ）及び（ｂ）の画像と本発明の（ｃ）の画像を比較することにより、本発明の（ｃ）画像は、従来の（ａ）及び（ｂ）画像よりもより画像のブレ（ノイズ）が少なくより鮮明にドーパント濃度の高い領域（白領域）が示されており、検出感度（Ｓ／Ｎ比も）が高いことを示している。

図７と図８は、ドーピング濃度が異なるＳｉ層構造の１ラインの振幅と位相の測定結果を示すグラフである。図７の各グラフの横軸はＸＹ方向の距離（μｍ）で、縦軸は振幅（ｄＢ）である。図８の各グラフの横軸はＸＹ方向の距離（μｍ）で、縦軸は位相（ｄｅｇ）である。図７の（ａ）と（ｂ）のグラフの縦軸のレンジは、−０.００４〜０.０２ｄＢであり、（ｃ）のグラフの縦軸のレンジは、−０.４〜２.０ｄＢであって（ａ）及び（ｂ）のグラフよりも１００倍大きい。同様に、図８の（ａ）と（ｂ）のグラフの縦軸のレンジは、それぞれ−０.０１〜０.０３ｄｅｇと−０.５〜０.３であり、（ｃ）のグラフの縦軸のレンジは、−１〜４ｄｅｇであって（ａ）と（ｂ）のグラフよりも１００倍または１０倍大きい。両図において、（ａ）は従来の非特許文献１で例示される半波長共振器と５０Ω抵抗による共振回路を含む反射型のＳＭＭを用いた測定結果であり、（ｂ）は従来の非特許文献２で例示されるインピーダンス調整器と位相調整器による共振回路（干渉計）を含む反射型のＳＭＭを用いた測定結果であり、（ｃ）は本発明のＳＭＭによる測定結果である。

各グラフにおいて波形の振幅が大きいピーク波形部分がドーパント濃度の高い領域を示している。なお、図８（ｂ）のグラフは画像処理の関係でピーク波形が反転しており、波形の振幅が下側ピークの波形部分がドーパント濃度の高い領域を示している。両図において、従来の（ａ）及び（ｂ）のグラフと本発明の（ｃ）のグラフを比較することにより、本発明の（ｃ）グラフは、従来の（ａ）及び（ｂ）グラフよりもより波形の振幅が１０倍から１００倍程度大きく、かつ波形上のノイズが少なくなっており、ドーパント濃度の高い領域の検出感度（Ｓ／Ｎ比も）が高いことを示している。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

本発明の走査型マイクロ波顕微鏡は、アクティブ素子を利用せず部品点数を減らした共振回路（干渉計）を用いて、被測定物の表面状態や材料の性質等に応じた高感度／高精度で安定した測定を実現することができる走査型マイクロ波顕微鏡として利用することができる。

１：ＡＦＭプローブ
２：ＡＦＭプローブの探針（先端）
３：Ｔ分岐（回路）
４：Ｔ分岐（回路）の第１端
５：Ｔ分岐（回路）の第２端
６：Ｔ分岐（回路）の第３端
７：位相可変短絡器（空洞共振器）
８：可動短絡板
９：ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）
１０：表示部
１１：ステージ
１２：被測定物
１００：走査型マイクロ波顕微鏡（ＳＭＭ）

Claims (7)

1. 被測定物の表面を走査能なＡＦＭプローブと、
   第１端がＡＦＭプローブに接続するＴ分岐と、
   Ｔ分岐の第２端に接続する位相可変短絡器と、
   Ｔ分岐の第３端を介してＡＦＭプローブと位相可変短絡器に接続するベクトルネットワークアナライザと、を備え、
   ＡＦＭプローブと位相可変短絡器は１つの共振回路を構成し、位相可変短絡器は、ベクトルネットワークアナライザがＡＦＭプローブを介して被測定物の表面に照射した電磁波の反射波信号の共振周波数の位相を調整する、走査型マイクロ波顕微鏡。
2. 前記位相可変短絡器は、内蔵する可動短絡板の管軸方向の位置を変えることにより前記共振周波数の位相を調整する、請求項１に記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
3. 前記ベクトルネットワークアナライザは、前記ＡＦＭプローブを介して、前記被測定物の表面に電磁波を照射し、その電磁波の反射波信号を検出し、前記位相可変短絡器による位相調整後の選択された共振周波数での振幅変化または位相変化から、前記被測定物の表面の電気特性を求める、請求項１または２に記載の走査型マイクロ波顕微鏡。
4. 走査型マイクロ波顕微鏡を用いた被測定物の表面の電気特性の測定方法であって、
   （ａ）ＡＦＭプローブを介して被測定物の表面に所定範囲の周波数の電磁波を照射するステップと、
   （ｂ）被測定物の表面からの反射電磁波をＡＦＭプローブを介してベクトルネットワークアナライザにより検出するステップと、
   （ｃ）位相可変短絡器を用いて、反射電磁波の共振周波数の位相を調整するステップと、
   （ｄ）ベクトルネットワークアナライザにより、位相調整後の選択された共振周波数での反射電磁波の振幅変化または位相変化から、被測定物の表面の電気特性を求めるステップと、を含む測定方法。
5. 前記反射電磁波の共振周波数の位相を調整するステップは、前記位相可変短絡器が内蔵する可動短絡板の管軸方向の位置を変えることにより前記共振周波数の位相を調整するステップを含む、請求項４に記載の測定方法。
6. 前記ＡＦＭプローブと前記位相可変短絡器は、前記ベクトルネットワークアナライザに並列的に接続する、請求項４または５に記載の測定方法。
7. 前記ＡＦＭプローブを前記被測定物の表面上を走査しながら前記ステップ（ａ）〜（ｄ）を実行して、前記被測定物の表面の電気特性の分布を得るステップをさらに含む、請求項４〜６のいずれか一項に記載の測定方法。
   
   

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