JP3628640B2 - 物性測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物性測定装置に関し、さらに詳細には、半導体などの固体の被測定物の物性を測定する際に用いて好適な物性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体などの物性、例えば、エネルギーバンド構造などを変調分光法により測定することが知られている。
【０００３】
こうした変調分光法による物性の測定装置においては、例えば、測定試料たる半導体に電極を配設して交流電界を加えたり、または、ピエゾ素子を配設して歪みを加えたり、あるいは、半導体に光をパルス的に照射するなどして、半導体を変調する。そして、変調による半導体の反射率の変化などを波長の関数（スペクトル）として記録することにより、測定試料たる半導体の物性が測定されるようになされている。
【０００４】
しかしながら、こうした変調分光法により半導体の物性の測定を行う従来の測定装置においては、測定試料たる半導体全体に、交流電界や歪みが加えられたり、あるいは光照射が行われてしまうので、測定試料全体の平均値しか得ることができず、測定試料の微小な領域における測定、即ち、測定試料の局所的な物性を測定する行うことができないという問題点があった。
【０００５】
【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、半導体などの被測定物の局所的な物性を測定することができるようにした物性測定装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【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、プローブを用いて被測定物の局所的領域に電界を加えたり、または、歪みを加えたりして被測定物の局所的領域を変調し、当該被測定物の局所的領域における変調によって生ずる変調信号（例えば、被測定物からの反射光）を検出することができるようにして、変調分光法に従って被測定物の物性を測定するという原理に基づいてなされたものである。
【０００８】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは先端部を鋭く尖らせた金属からなるようにしたものである。
【０００９】
従って、本発明のうち請求項２に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射し、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物の前記局所的領域に照射した光の反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
【００１０】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域からの光を受光し、前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
【００１１】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射するとともに前記被測定物の前記局所的領域からの反射光を受光し、前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
【００１２】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の吸収係数の変化を検出するようにしたものである。
【００１３】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の発光を検出するようにしたものである。
【００１４】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、被測定物の局所的領域に当接して振動し、前記被測定物の前記局所的領域に歪みを加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を前記歪みにより変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の前記歪みによる変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有するようにしたものである。
【００１５】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項７に記載の発明において、前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなるようにしたものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項７に記載の記載の発明において、前記プローブは先端部を鋭く尖らせた金属からなるようにしたものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、本発明のうち請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の発明において、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射し、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物の前記局所的領域に照射した光の反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
【００１８】
また、本発明のうち請求項１１に記載の発明は、本発明のうち請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の発明において、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射し、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物の前記局所的領域に照射した光の反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
【００１９】
また、本発明のうち請求項１２に記載の発明は、本発明のうち請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の発明において、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域からの光を受光し、前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
【００２０】
また、本発明のうち請求項１３に記載の発明は、本発明のうち請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の発明において、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射するとともに前記被測定物の前記局所的領域からの反射光を受光し、前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項１４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１または請求項１２のいずれか１項に記載の発明において、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の吸収係数の変化を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項１５に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１または請求項１２のいずれか１項に記載の発明において、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の発光を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項１６に記載の発明は、光を出射する光源と、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記光源から出射された光が導入されると前記光を被測定物の局所的領域に照射し、前記被測定物の前記局所的領域からの反射光を受光するプローブと、前記プローブに電圧を印加する電源と、前記プローブが受光した前記被測定物の表面からの反射光を、前記プローブに印加された電圧の周波数と同期して検出する検出手段とを有し、前記プローブは、前記電源により電圧を印加されると、前記被測定物の前記局所的領域に電界を加え、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項１７に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３、請求項１４、請求項１５または請求項１６のいずれか１項に記載の発明において、前記プローブの前記先端部の略円形の開口部の直径は３μｍ以下であるようにしたものである。
また、本発明のうち請求項１８に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３、請求項１４、請求項１５、請求項１６または請求項１７のいずれか１項に記載の発明において、さらに、前記プローブを前記被測定物の表面に近づけて走査する走査手段とを有するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項１９に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射し、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物の前記局所的領域に照射した光の反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項２０に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域からの光を受光し、前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項２１に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射するとともに前記被測定物の前記局所的領域からの反射光を受光し、前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項２２に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の吸収係数の変化を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項２３に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の発光を検出するようにしたものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による物性測定装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００２３】
図１には、本発明による物性測定装置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。
【００２４】
即ち、図１には本発明による物性測定装置の実施の形態の一例の概念構成説明図が示されており、この物性測定装置１０は、白色光を出射する光源１２と、光源１２から出射された白色光がレンズ１４によって集光されて導入される光ファイバー１６と、光ファイバー１６から出射された光線がレンズ１８によって集光されて導入されるプローブ２０と、プローブ２０と対向する位置に配設される半導体などの固体である被測定物の測定試料１００と、所定の信号に基づいてプローブ２０を測定試料１００の表面１００ａに近づけて表面を走査させるプローブ走査駆動装置２２と、プローブ２０に所定の信号（以下、「波形信号」と称する。）を出力する波形発生器２４と、プローブ２０が受光した測定試料１００からの反射光が導入される分光器２６と、分光器２６から出力された信号（以下、「測定信号」と称する。）を波形発生器２４と同期させて増幅して出力するロックインアンプ２８と、ロックインアンプ２８から出力された測定信号を処理して測定試料１００の表面１００ａにおける反射率の変化データなどを出力する制御コンピューター３０とを有して構成されている。
【００２５】
なお、上記した制御コンピューター３０は、上記した制御信号の処理を含む物性測定装置１０全体の動作の制御も行うものである。
【００２６】
また、この実施の形態においては、固体である測定試料１００として、量子ドット（ＱＤ）構造あるいは量子井戸（ＱＷ）構造を有する半導体を用いるものとして、以下の説明を行うこととする。
【００２７】
ここで、図２に示すように、プローブ２０は、先端部２０ｃが尖鋭化された光ファイバー２０ａの外周側に金属２０ｂをコーティングすることにより形成されている。
【００２８】
なお、金属２０ｂとしては、例えば、金（Ａｕ）あるいは白金（Ｐｔ）などを用いることができる。
【００２９】
そして、金属２０ｂの先端の略円形の開口部の直径Ｒ（図２ならびに図３（ａ）参照）は、２μｍ〜３μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
このため、測定試料１００の表面１００ａにおけるプローブ２０から出射された白色光の照射領域は、実効的な直径がおよそ３００ｎｍの略円形の領域となり、測定試料１００の表面１００の極めて局所的な領域に白色光が照射されることになる。従って、プローブ２０における測定試料１００の表面１００ａからの反射光の受光領域も、実効的な直径がおよそ３００ｎｍの略円形の領域となり、測定試料１００の表面１００の極めて局所的な領域における反射光がプローブ２０に受光されることになる。
【００３１】
こうした白色光の照射や反射光の受光の他に、プローブ２０には波形発生器２４から所定の波形信号が出力されるようになされている。このため、プローブ２０には波形信号に応じた電圧が印加され、金属２０ｄを有するプローブ２０は交流電源たる波形発生器２４の電極として、測定試料１００の表面１００の極めて局所的な領域に電界を加わえることができる。
【００３２】
なお、波形発生器２４にから出力される波形信号の周波数などは、制御コンピューター３０によって制御されるようになされている。
【００３３】
プローブ走査駆動装置２２としては、例えば、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。
【００３４】
分光器２６には、プローブ２０が受光した反射光が導入され、反射光を分光検出した測定信号をロックインアンプ２８に出力するものである。なお、この分光器２６には、測定信号の送信のための光電子増倍管（ＰＭＴ）やあるいはアバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）、また、ＣＣＤなどを配設するようにしてもよい。
【００３５】
以上の構成において、物性測定装置１０を用いて測定試料１００の物性を測定するには、まず、プローブ走査駆動装置３２によってプローブ２０を測定試料１００の表面１００ａ上に沿って走査させ、プローブ２０の先端部２０ｃを測定試料１００の表面１００ａの所定の位置に対向させる。この際、プローブ２０の先端部２０ｃは、測定試料１００の表面１００ａと所定の間隔Ｈ（例えば、０．１ｎｍ〜１０ｎｍ）を有した状態で位置させる。
【００３６】
それから、測定試料１００の表面１００ａの所定の位置に対向しているプローブ２０に対して、波形発生器２４から所定の波形信号を出力し、プローブ２０に波形信号に応じた電圧を印加する。その結果、プローブ２０の先端部２０ｃが対向している測定試料１００の表面１００ａ、即ち、測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域に電界が加わえられ、測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域のみが変調される。
【００３７】
こうしてプローブ２０により測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域を変調せながら、光源１２より白色光を出射させ、出射された白色光をレンズ１４によって集光して光ファイバー１６へ導入する。
【００３８】
さらに、光ファイバー１６に導入された白色光は、光ファイバー１６から出射され、レンズ１８によって集光されてプローブ２０に導入される。
【００３９】
こうしてプローブ２０に導入された白色光は、測定試料１００の表面１００ａと所定の間隔Ｈを有して対向しているプローブ２０の先端部２０ｃから、測定試料１００の表面１００ａに向けて照射される（図３（ａ）における破線矢印参照）。
【００４０】
ここで、プローブ２０においては、例えば、直径Ｒが２μｍ〜３μｍ以下の先端部２０ｃのみから白色光が出射されるものであるので、プローブ２０が対向する測定試料１００の表面１００ａにおける実効的な直径がおよそ３００ｎｍの略円形の局所的な領域のみに白色光が照射される。
【００４１】
そして、この測定試料１００の表面１００ａにおける白色光が照射された局所的な領域からのみの反射光が、プローブ２０に受光される（図３（ｂ）における破線矢印参照）。
【００４２】
つまり、プローブ２０が波形発生器２４の電極として電界を加えて変調させている測定試料１００の表面１００の極めて局所的な領域に対して、プローブ２０の先端部２０ｃから局所的に白色光が照射され、さらに、照射された白色光の反射光がプローブ２０に受光される。
【００４３】
こうしてプローブ２０に受光された測定試料１００の表面１００ａからの反射光は、分光器２６に導入される。そして、分光器２６において、測定試料１００の表面１００ａからの反射光を分光検出した測定信号がロックインアンプ２８に出力される。
【００４４】
分光器２６から出力された測定信号はロックインアンプ２８に入力されると、波形発生器２４からプローブ２０に出力された波形信号の周波数と同期して増幅されて、制御コンピューター３０に出力される。
【００４５】
そして、制御コンピューター３０においては、入力された測定信号が処理されて測定試料１００の表面１００ａにおける反射率の変化データなどが算出される。
【００４６】
上記したように、本発明による物性測定装置１０においては、プローブ２０によって、測定試料１００の表面１００ａにおける局所的な領域にのみ電界が加えられるようにしたため、測定試料１００が局所的に変調されて、当該変調された測定試料１００の表面１００ａの局所的な領域からの反射光に基づいて、半導体などの固体の測定試料１００の局所的な物性を変調分光法に従って測定することができる。
【００４７】
また、本発明による物性測定装置１０においては、プローブ２０が測定試料１００の表面１００ａと所定の間隔Ｈ（図３（ａ）参照）を有した状態で、測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域に電界を加わえて変調することができるので、電極を測定試料１１０の表面１００ａに直接配設する必要がない。このため、本発明による物性測定装置１０によれば、電極の取り付けが困難な測定試料、例えば、基板上に単分子などの薄膜が形成された測定試料の物性の測定を行うことができる。
【００４８】
さらに、本発明による物性測定装置１０においては、プローブ２０は電界を加えて測定試料１００を変調させる電極として機能するとともに、当該変調された被測定物１００の反射率の変化を測定するための白色光の照射とその反射光の受光とを行うので、測定試料を変調する手段と変調による測定試料の反射率の変化を測定するための手段とを個別に配設する必要がなく、装置の簡略化、コストの低減、ならびに装置全体の小型化を実現することができる。
【００４９】
さらにまた、本発明による物性測定装置１０においては、プローブ走査駆動装置３２によってプローブ２０を測定試料１００の表面１００ａ全面にわたって走査させることができる。このため、プローブ２０の先端部２０ｃが対向する位置を、測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域毎に変更するようにして、プローブ走査駆動装置３２がプローブ２０を移動することにより、測定試料１００の表面１００ａ全面にわたる物性値のマッピングを行うことができる。しかも、こうして得られた物性値のマッピング結果は、プローブ２０により極めて局所的な領域毎での物性の測定結果の集積となるので高精度なものとなる。
【００５０】
また、本発明による物性測定装置１０においては、プローブ２０をナノプローブとして用いることにより物性の測定とは異なる他の測定を行うことができ、例えば、フォトルミネセンスの比較対照やトンネル電流の大きさの比較対照などもできる。
【００５１】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に説明するように変形することができる。
【００５２】
（１）上記した実施の形態においては、プローブ２０により測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域に電界が加わえられて測定試料１００が変調されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、プローブ２０により測定試料１００に歪みを加えたり、あるいは、プローブ２０により測定試料１００にレーザー光の光照射を行うなどして、プローブ２０により測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域のみを変調するようにしてもよい。
【００５３】
具体的には、図４（ａ）に示すようにして、プローブ走査駆動装置３２によってプローブ２０を測定試料１００の表面１００ａ上に沿って走査させ、プローブ２０の先端部２０ｃを測定試料１００の表面１００ａの所定の位置に当接させる。 こうして測定試料１００の表面１００ａに当接している状態のプローブ２０を振動させることにより、プローブ２０が当接している測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域のみに歪みを加えることができる。
【００５４】
なお、プローブ２０によって歪みを加えて測定試料１００を変調する場合には、プローブ２０によって測定試料１００に電界を加える必要はないので、上記した実施の形態におけるプローブ２０に限られることなしに、例えば、図５（ａ）（ｂ）に示すような外周側に金属によるコーティングがなされていない先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなるプローブ（図５（ａ）参照）や、あるいは、先端部を鋭く尖らせた注射針様の中空のメタルチップからなるプローブ（図５（ｂ）参照）などを用いることができる。
【００５５】
一方、プローブ２０により測定試料１００に光をパルス的に照射して、測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域のみを変調する場合には、例えば、チョッパーによってレーザー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によって集光してプローブ２０へ導入するようにする。
【００５６】
その結果、プローブ２０から連続光が照射されるのに代わって、プローブ２０からはパルスレーザー光（図４（ｂ）における実線矢印参照）が断続して照射される。こうしたパルスレーザー光の断続の周波数に応じて、プローブ２０が対向している測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域のみを変調することができる。
【００５７】
この際、プローブ２０から照射されたレーザー光によって、極めて局所的な領域のみが変調されている測定試料１００の表面１００ａに、当該変調された被測定物１００の反射率の変化を測定するための白色光（図４（ｂ）における破線矢印参照）をプローブ２０からではなく外部から照射して、測定試料１００の表面１００ａからの反射光（図４（ｂ）における破線矢印参照）をプローブ２０以外の受光手段によって受光するように変更する。
【００５８】
上記したようにして測定試料１００の変調のために光（即ち、プローブ２０から照射されたレーザー光）を用いるとともに、反射率の変化の測定のためにも光（即ち、プローブ２０以外から照射された白色光）を用いるフォトレフレクタンス法（変調分光法の一種である。）によっても、本発明による物性測定装置１０においては物性の測定を行うことができる。
【００５９】
なお、プローブ２０によってレーザー光の光照射を行って測定試料１００を変調する場合には、プローブ２０によって測定試料１００に電界を加える必要はないので、上記した実施の形態におけるプローブ２０に限られることなしに、例えば、図５（ａ）に示すような外周側に金属によるコーティングがなされていない先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなるプローブなどを用いるようにしてもよい。
【００６０】
（２）上記した実施の形態においては、プローブ２０が電界を加えて局所的に変調した測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域に白色光（図６（ａ）に示す測定のための光Ａ参照）を照射し、その反射光（図６（ａ）に示す測定のための光Ｂ参照）をプローブ２０が受光するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、白色光のような測定のための光Ａや反射光のような測定のための光Ｂがプローブ以外の手段によって照射あるいは受光されるようにしてもよい。
【００６１】
具体的には、図６（ｂ）に示すように、測定のための光Ａ（即ち、白色光）はプローブから照射するが、測定のための光Ｂ（即ち、反射光）はプローブが受光せずに他の受光手段によって受光する場合においても、プローブが測定のための光Ａを照射する領域が測定試料の表面における局所的な領域なので、測定試料の局所的な物性を測定することができる。
【００６２】
また、図６（ｃ）に示すように、測定のための光Ａ（即ち、白色光）はプローブから照射せずに他の照射手段によって照射し、測定のための光Ｂ（即ち、反射光）をプローブが受光する場合においても、プローブが測定試料の表面における局所的な領域から測定のための光Ｂを受光するので、測定試料の局所的な物性を測定することができる。
【００６３】
さらに、図６（ｄ）に示すように、測定のための光Ａ（即ち、白色光）はプローブから照射せずに他の照射手段によって照射するとともに、測定のための光Ｂ（即ち、反射光）はプローブが受光せずに他の受光手段によって受光する場合においても、測定試料の表面における局所的な領域のみをプローブが電界を加えて変調しているので、測定試料１００の局所的な物性を測定することができる。
【００６４】
ここで、図６（ｄ）に示す状態は、上記（１）において図４（ｂ）を用いて説明したようにして、プローブから変調のための光（即ち、レーザー光）を照射して、フォトレフレクタンス法により測定試料の局所的な物性を測定する場合に対応するものである。
【００６５】
さらに、図４（ｂ）を用いて説明したようにして、プローブ２０により測定試料１００に歪みを加えることにより測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域のみを変調する場合においても、プローブが電界を加える場合と同様に、図６（ａ）〜（ｄ）に示す各種タイプの測定が可能である。
【００６６】
また、図６（ａ）、（ｂ）ならびに（ｃ）に示す場合はいずれも、プローブが測定のための光Ａを照射する領域が測定試料の表面における局所的な領域であったり、あるいは、プローブが測定試料の表面における局所的な領域から測定のための光Ｂを受光する。このため、測定試料の全体に交流電界や歪みが加えられたり、あるいは光照射が行われている場合においても、測定試料の局所的な物性を測定することができる（図７（ａ）（ｂ）（ｃ）参照）。
【００６７】
（３）上記した実施の形態においては、プローブ２０によって受光された測定試料１００の表面１００ａからの反射光が分光器２６において分光されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、分光器２６をプローブ２０の前段に配設するようにして、光源１２から出射された白色光を分光器２６によって分光した後、分光された光がプローブ２０に導入されるようにしてもよい。
【００６８】
さらには、物性測定装置１０において分光器２６を配設することなしに、光源１２から単色光が出射されるようにしてもよい。つまり、光源１２としては、白色光を出射する光源に限られるものではなく、単色光を出射する光源やあるいは連続発振レーザー光を出射する光源、変調された変調光を出射する光源などを用いることができる。こうした光源の変更に応じて、プローブ２０には白色光、単色光、連続光あるいは変調光などが導入されることになり、こうした各種の光がプローブ２０によって測定試料１００の表面１００の極めて局所的な領域に照射される。
【００６９】
（４）上記した実施の形態においては、測定試料１００を半導体としたが、これに限られるものではないことは勿論であり、本発明による物性測定装置１０においては、例えば、絶縁体、有機薄膜、金属などの各種の固体あるいは基板に吸着した分子（表面吸着分子）など被測定物の物性を測定することができる。この際、被測定物の種類に応じて、被測定物に対してプローブ２０により電界を加えるかあるいは歪みを加えるかなどの各種変更を行うようにするとよい。
【００７０】
（５）上記した実施の形態においては、測定試料１００の表面１００ａにおける反射率の変化を検出することにより物性の測定が行われるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、測定試料１００の表面１００ａにおける吸収係数の変化や、あるいは、発光の変化を検出することにより変調分光法に従って物性の測定を行うことができる。
【００７１】
つまり、プローブによって測定試料が変調されて生ずる変調信号としては、反射光や吸収あるいは発光などを検出すればよい。さらに、こうした変調信号の検出は同期検出するようにしてもよいし、あるいは周波数セレクトするようにしてもよい。
【００７２】
また、測定試料１００の表面１００ａにおける反射率の変化などを検出するのに限られることなしに、測定試料の種類や変調信号の種類などによっては、測定試料の表面より下層における界面などの反射率の変化などを検出するようにしてもよい。
【００７３】
（６）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００７４】
【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、半導体などの被測定物の局所的な物性を測定す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】本発明による物性測定装置の実施の形態の一例の概念構成説明図である。
【図２】プローブの拡大概略断面説明図である。
【図３】プローブの先端部の拡大概略断面説明図であり、（ａ）はプローブから照射される白色光を示す説明図であり、（ｂ）はプローブに受光される白色光を示す説明図である。
【図４】本発明による物性測定装置の実施の形態の他の例を示すプローブの先端部の拡大概略断面説明図であり、（ａ）はプローブによって測定試料に歪みを加える場合を示す説明図であり、（ｂ）はプローブによって測定試料にレーザー光を照射する場合を示す説明図である。
【図５】本発明による物性測定装置の実施の形態の他の例を示すプローブの拡大概略断面説明図であり、（ａ）は外周側に金属によるコーティングがなされていない先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなるプローブの拡大概略断面説明図であり、（ｂ）は先端部を鋭く尖らせた注射針様の中空のメタルチップからなるプローブの拡大概略断面説明図である。
【図６】本発明による物性測定装置における各種タイプの異なる測定を模式的に示す説明図であり、（ａ）はプローブが測定のための光の照射と受光とを行う場合を示す説明図であり、（ｂ）はプローブが測定のための光の照射のみを行う場合を示す説明図であり、（ｃ）はプローブが測定のための光の受光のみを行う場合を示す説明図であり、（ｄ）はプローブが測定のための光の照射と受光とをいずれも行わない場合を示す説明図である。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明による物性測定装置の実施の形態の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 物性測定装置
１２ 光源
１４，１８ レンズ
１６ 光ファイバー
２０ プローブ
２０ａ 光ファイバー
２０ｂ 金属
２０ｃ 先端部
２２ プローブ走査駆動装置
２４ 波形発生器
２６ 分光器
２８ ロックインアンプ
３０ 制御コンピューター
１００ 測定試料
１００ａ 表面
【発明の属する技術分野】
本発明は、物性測定装置に関し、さらに詳細には、半導体などの固体の被測定物の物性を測定する際に用いて好適な物性測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体などの物性、例えば、エネルギーバンド構造などを変調分光法により測定することが知られている。
【０００３】
こうした変調分光法による物性の測定装置においては、例えば、測定試料たる半導体に電極を配設して交流電界を加えたり、または、ピエゾ素子を配設して歪みを加えたり、あるいは、半導体に光をパルス的に照射するなどして、半導体を変調する。そして、変調による半導体の反射率の変化などを波長の関数（スペクトル）として記録することにより、測定試料たる半導体の物性が測定されるようになされている。
【０００４】
しかしながら、こうした変調分光法により半導体の物性の測定を行う従来の測定装置においては、測定試料たる半導体全体に、交流電界や歪みが加えられたり、あるいは光照射が行われてしまうので、測定試料全体の平均値しか得ることができず、測定試料の微小な領域における測定、即ち、測定試料の局所的な物性を測定する行うことができないという問題点があった。
【０００５】
【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、半導体などの被測定物の局所的な物性を測定することができるようにした物性測定装置を提供しようとするものである。
【０００６】
【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、プローブを用いて被測定物の局所的領域に電界を加えたり、または、歪みを加えたりして被測定物の局所的領域を変調し、当該被測定物の局所的領域における変調によって生ずる変調信号（例えば、被測定物からの反射光）を検出することができるようにして、変調分光法に従って被測定物の物性を測定するという原理に基づいてなされたものである。
【０００８】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは先端部を鋭く尖らせた金属からなるようにしたものである。
【０００９】
従って、本発明のうち請求項２に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射し、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物の前記局所的領域に照射した光の反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
【００１０】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域からの光を受光し、前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
【００１１】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射するとともに前記被測定物の前記局所的領域からの反射光を受光し、前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
【００１２】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の吸収係数の変化を検出するようにしたものである。
【００１３】
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の発光を検出するようにしたものである。
【００１４】
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、被測定物の局所的領域に当接して振動し、前記被測定物の前記局所的領域に歪みを加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を前記歪みにより変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の前記歪みによる変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有するようにしたものである。
【００１５】
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項７に記載の発明において、前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなるようにしたものである。
【００１６】
また、本発明のうち請求項９に記載の発明は、本発明のうち請求項７に記載の記載の発明において、前記プローブは先端部を鋭く尖らせた金属からなるようにしたものである。
【００１７】
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明は、本発明のうち請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の発明において、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射し、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物の前記局所的領域に照射した光の反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
【００１８】
また、本発明のうち請求項１１に記載の発明は、本発明のうち請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の発明において、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射し、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物の前記局所的領域に照射した光の反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
【００１９】
また、本発明のうち請求項１２に記載の発明は、本発明のうち請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の発明において、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域からの光を受光し、前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
【００２０】
また、本発明のうち請求項１３に記載の発明は、本発明のうち請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の発明において、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射するとともに前記被測定物の前記局所的領域からの反射光を受光し、前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項１４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１または請求項１２のいずれか１項に記載の発明において、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の吸収係数の変化を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項１５に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１または請求項１２のいずれか１項に記載の発明において、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の発光を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項１６に記載の発明は、光を出射する光源と、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記光源から出射された光が導入されると前記光を被測定物の局所的領域に照射し、前記被測定物の前記局所的領域からの反射光を受光するプローブと、前記プローブに電圧を印加する電源と、前記プローブが受光した前記被測定物の表面からの反射光を、前記プローブに印加された電圧の周波数と同期して検出する検出手段とを有し、前記プローブは、前記電源により電圧を印加されると、前記被測定物の前記局所的領域に電界を加え、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項１７に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３、請求項１４、請求項１５または請求項１６のいずれか１項に記載の発明において、前記プローブの前記先端部の略円形の開口部の直径は３μｍ以下であるようにしたものである。
また、本発明のうち請求項１８に記載の発明は、本発明のうち請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３、請求項１４、請求項１５、請求項１６または請求項１７のいずれか１項に記載の発明において、さらに、前記プローブを前記被測定物の表面に近づけて走査する走査手段とを有するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項１９に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射し、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物の前記局所的領域に照射した光の反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項２０に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域からの光を受光し、前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項２１に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射するとともに前記被測定物の前記局所的領域からの反射光を受光し、前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項２２に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の吸収係数の変化を検出するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項２３に記載の発明は、被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段とを有し、前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の発光を検出するようにしたものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面に基づいて、本発明による物性測定装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。
【００２３】
図１には、本発明による物性測定装置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。
【００２４】
即ち、図１には本発明による物性測定装置の実施の形態の一例の概念構成説明図が示されており、この物性測定装置１０は、白色光を出射する光源１２と、光源１２から出射された白色光がレンズ１４によって集光されて導入される光ファイバー１６と、光ファイバー１６から出射された光線がレンズ１８によって集光されて導入されるプローブ２０と、プローブ２０と対向する位置に配設される半導体などの固体である被測定物の測定試料１００と、所定の信号に基づいてプローブ２０を測定試料１００の表面１００ａに近づけて表面を走査させるプローブ走査駆動装置２２と、プローブ２０に所定の信号（以下、「波形信号」と称する。）を出力する波形発生器２４と、プローブ２０が受光した測定試料１００からの反射光が導入される分光器２６と、分光器２６から出力された信号（以下、「測定信号」と称する。）を波形発生器２４と同期させて増幅して出力するロックインアンプ２８と、ロックインアンプ２８から出力された測定信号を処理して測定試料１００の表面１００ａにおける反射率の変化データなどを出力する制御コンピューター３０とを有して構成されている。
【００２５】
なお、上記した制御コンピューター３０は、上記した制御信号の処理を含む物性測定装置１０全体の動作の制御も行うものである。
【００２６】
また、この実施の形態においては、固体である測定試料１００として、量子ドット（ＱＤ）構造あるいは量子井戸（ＱＷ）構造を有する半導体を用いるものとして、以下の説明を行うこととする。
【００２７】
ここで、図２に示すように、プローブ２０は、先端部２０ｃが尖鋭化された光ファイバー２０ａの外周側に金属２０ｂをコーティングすることにより形成されている。
【００２８】
なお、金属２０ｂとしては、例えば、金（Ａｕ）あるいは白金（Ｐｔ）などを用いることができる。
【００２９】
そして、金属２０ｂの先端の略円形の開口部の直径Ｒ（図２ならびに図３（ａ）参照）は、２μｍ〜３μｍ以下であることが好ましい。
【００３０】
このため、測定試料１００の表面１００ａにおけるプローブ２０から出射された白色光の照射領域は、実効的な直径がおよそ３００ｎｍの略円形の領域となり、測定試料１００の表面１００の極めて局所的な領域に白色光が照射されることになる。従って、プローブ２０における測定試料１００の表面１００ａからの反射光の受光領域も、実効的な直径がおよそ３００ｎｍの略円形の領域となり、測定試料１００の表面１００の極めて局所的な領域における反射光がプローブ２０に受光されることになる。
【００３１】
こうした白色光の照射や反射光の受光の他に、プローブ２０には波形発生器２４から所定の波形信号が出力されるようになされている。このため、プローブ２０には波形信号に応じた電圧が印加され、金属２０ｄを有するプローブ２０は交流電源たる波形発生器２４の電極として、測定試料１００の表面１００の極めて局所的な領域に電界を加わえることができる。
【００３２】
なお、波形発生器２４にから出力される波形信号の周波数などは、制御コンピューター３０によって制御されるようになされている。
【００３３】
プローブ走査駆動装置２２としては、例えば、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。
【００３４】
分光器２６には、プローブ２０が受光した反射光が導入され、反射光を分光検出した測定信号をロックインアンプ２８に出力するものである。なお、この分光器２６には、測定信号の送信のための光電子増倍管（ＰＭＴ）やあるいはアバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）、また、ＣＣＤなどを配設するようにしてもよい。
【００３５】
以上の構成において、物性測定装置１０を用いて測定試料１００の物性を測定するには、まず、プローブ走査駆動装置３２によってプローブ２０を測定試料１００の表面１００ａ上に沿って走査させ、プローブ２０の先端部２０ｃを測定試料１００の表面１００ａの所定の位置に対向させる。この際、プローブ２０の先端部２０ｃは、測定試料１００の表面１００ａと所定の間隔Ｈ（例えば、０．１ｎｍ〜１０ｎｍ）を有した状態で位置させる。
【００３６】
それから、測定試料１００の表面１００ａの所定の位置に対向しているプローブ２０に対して、波形発生器２４から所定の波形信号を出力し、プローブ２０に波形信号に応じた電圧を印加する。その結果、プローブ２０の先端部２０ｃが対向している測定試料１００の表面１００ａ、即ち、測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域に電界が加わえられ、測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域のみが変調される。
【００３７】
こうしてプローブ２０により測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域を変調せながら、光源１２より白色光を出射させ、出射された白色光をレンズ１４によって集光して光ファイバー１６へ導入する。
【００３８】
さらに、光ファイバー１６に導入された白色光は、光ファイバー１６から出射され、レンズ１８によって集光されてプローブ２０に導入される。
【００３９】
こうしてプローブ２０に導入された白色光は、測定試料１００の表面１００ａと所定の間隔Ｈを有して対向しているプローブ２０の先端部２０ｃから、測定試料１００の表面１００ａに向けて照射される（図３（ａ）における破線矢印参照）。
【００４０】
ここで、プローブ２０においては、例えば、直径Ｒが２μｍ〜３μｍ以下の先端部２０ｃのみから白色光が出射されるものであるので、プローブ２０が対向する測定試料１００の表面１００ａにおける実効的な直径がおよそ３００ｎｍの略円形の局所的な領域のみに白色光が照射される。
【００４１】
そして、この測定試料１００の表面１００ａにおける白色光が照射された局所的な領域からのみの反射光が、プローブ２０に受光される（図３（ｂ）における破線矢印参照）。
【００４２】
つまり、プローブ２０が波形発生器２４の電極として電界を加えて変調させている測定試料１００の表面１００の極めて局所的な領域に対して、プローブ２０の先端部２０ｃから局所的に白色光が照射され、さらに、照射された白色光の反射光がプローブ２０に受光される。
【００４３】
こうしてプローブ２０に受光された測定試料１００の表面１００ａからの反射光は、分光器２６に導入される。そして、分光器２６において、測定試料１００の表面１００ａからの反射光を分光検出した測定信号がロックインアンプ２８に出力される。
【００４４】
分光器２６から出力された測定信号はロックインアンプ２８に入力されると、波形発生器２４からプローブ２０に出力された波形信号の周波数と同期して増幅されて、制御コンピューター３０に出力される。
【００４５】
そして、制御コンピューター３０においては、入力された測定信号が処理されて測定試料１００の表面１００ａにおける反射率の変化データなどが算出される。
【００４６】
上記したように、本発明による物性測定装置１０においては、プローブ２０によって、測定試料１００の表面１００ａにおける局所的な領域にのみ電界が加えられるようにしたため、測定試料１００が局所的に変調されて、当該変調された測定試料１００の表面１００ａの局所的な領域からの反射光に基づいて、半導体などの固体の測定試料１００の局所的な物性を変調分光法に従って測定することができる。
【００４７】
また、本発明による物性測定装置１０においては、プローブ２０が測定試料１００の表面１００ａと所定の間隔Ｈ（図３（ａ）参照）を有した状態で、測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域に電界を加わえて変調することができるので、電極を測定試料１１０の表面１００ａに直接配設する必要がない。このため、本発明による物性測定装置１０によれば、電極の取り付けが困難な測定試料、例えば、基板上に単分子などの薄膜が形成された測定試料の物性の測定を行うことができる。
【００４８】
さらに、本発明による物性測定装置１０においては、プローブ２０は電界を加えて測定試料１００を変調させる電極として機能するとともに、当該変調された被測定物１００の反射率の変化を測定するための白色光の照射とその反射光の受光とを行うので、測定試料を変調する手段と変調による測定試料の反射率の変化を測定するための手段とを個別に配設する必要がなく、装置の簡略化、コストの低減、ならびに装置全体の小型化を実現することができる。
【００４９】
さらにまた、本発明による物性測定装置１０においては、プローブ走査駆動装置３２によってプローブ２０を測定試料１００の表面１００ａ全面にわたって走査させることができる。このため、プローブ２０の先端部２０ｃが対向する位置を、測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域毎に変更するようにして、プローブ走査駆動装置３２がプローブ２０を移動することにより、測定試料１００の表面１００ａ全面にわたる物性値のマッピングを行うことができる。しかも、こうして得られた物性値のマッピング結果は、プローブ２０により極めて局所的な領域毎での物性の測定結果の集積となるので高精度なものとなる。
【００５０】
また、本発明による物性測定装置１０においては、プローブ２０をナノプローブとして用いることにより物性の測定とは異なる他の測定を行うことができ、例えば、フォトルミネセンスの比較対照やトンネル電流の大きさの比較対照などもできる。
【００５１】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（６）に説明するように変形することができる。
【００５２】
（１）上記した実施の形態においては、プローブ２０により測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域に電界が加わえられて測定試料１００が変調されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、プローブ２０により測定試料１００に歪みを加えたり、あるいは、プローブ２０により測定試料１００にレーザー光の光照射を行うなどして、プローブ２０により測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域のみを変調するようにしてもよい。
【００５３】
具体的には、図４（ａ）に示すようにして、プローブ走査駆動装置３２によってプローブ２０を測定試料１００の表面１００ａ上に沿って走査させ、プローブ２０の先端部２０ｃを測定試料１００の表面１００ａの所定の位置に当接させる。 こうして測定試料１００の表面１００ａに当接している状態のプローブ２０を振動させることにより、プローブ２０が当接している測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域のみに歪みを加えることができる。
【００５４】
なお、プローブ２０によって歪みを加えて測定試料１００を変調する場合には、プローブ２０によって測定試料１００に電界を加える必要はないので、上記した実施の形態におけるプローブ２０に限られることなしに、例えば、図５（ａ）（ｂ）に示すような外周側に金属によるコーティングがなされていない先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなるプローブ（図５（ａ）参照）や、あるいは、先端部を鋭く尖らせた注射針様の中空のメタルチップからなるプローブ（図５（ｂ）参照）などを用いることができる。
【００５５】
一方、プローブ２０により測定試料１００に光をパルス的に照射して、測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域のみを変調する場合には、例えば、チョッパーによってレーザー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によって集光してプローブ２０へ導入するようにする。
【００５６】
その結果、プローブ２０から連続光が照射されるのに代わって、プローブ２０からはパルスレーザー光（図４（ｂ）における実線矢印参照）が断続して照射される。こうしたパルスレーザー光の断続の周波数に応じて、プローブ２０が対向している測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域のみを変調することができる。
【００５７】
この際、プローブ２０から照射されたレーザー光によって、極めて局所的な領域のみが変調されている測定試料１００の表面１００ａに、当該変調された被測定物１００の反射率の変化を測定するための白色光（図４（ｂ）における破線矢印参照）をプローブ２０からではなく外部から照射して、測定試料１００の表面１００ａからの反射光（図４（ｂ）における破線矢印参照）をプローブ２０以外の受光手段によって受光するように変更する。
【００５８】
上記したようにして測定試料１００の変調のために光（即ち、プローブ２０から照射されたレーザー光）を用いるとともに、反射率の変化の測定のためにも光（即ち、プローブ２０以外から照射された白色光）を用いるフォトレフレクタンス法（変調分光法の一種である。）によっても、本発明による物性測定装置１０においては物性の測定を行うことができる。
【００５９】
なお、プローブ２０によってレーザー光の光照射を行って測定試料１００を変調する場合には、プローブ２０によって測定試料１００に電界を加える必要はないので、上記した実施の形態におけるプローブ２０に限られることなしに、例えば、図５（ａ）に示すような外周側に金属によるコーティングがなされていない先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなるプローブなどを用いるようにしてもよい。
【００６０】
（２）上記した実施の形態においては、プローブ２０が電界を加えて局所的に変調した測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域に白色光（図６（ａ）に示す測定のための光Ａ参照）を照射し、その反射光（図６（ａ）に示す測定のための光Ｂ参照）をプローブ２０が受光するようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、白色光のような測定のための光Ａや反射光のような測定のための光Ｂがプローブ以外の手段によって照射あるいは受光されるようにしてもよい。
【００６１】
具体的には、図６（ｂ）に示すように、測定のための光Ａ（即ち、白色光）はプローブから照射するが、測定のための光Ｂ（即ち、反射光）はプローブが受光せずに他の受光手段によって受光する場合においても、プローブが測定のための光Ａを照射する領域が測定試料の表面における局所的な領域なので、測定試料の局所的な物性を測定することができる。
【００６２】
また、図６（ｃ）に示すように、測定のための光Ａ（即ち、白色光）はプローブから照射せずに他の照射手段によって照射し、測定のための光Ｂ（即ち、反射光）をプローブが受光する場合においても、プローブが測定試料の表面における局所的な領域から測定のための光Ｂを受光するので、測定試料の局所的な物性を測定することができる。
【００６３】
さらに、図６（ｄ）に示すように、測定のための光Ａ（即ち、白色光）はプローブから照射せずに他の照射手段によって照射するとともに、測定のための光Ｂ（即ち、反射光）はプローブが受光せずに他の受光手段によって受光する場合においても、測定試料の表面における局所的な領域のみをプローブが電界を加えて変調しているので、測定試料１００の局所的な物性を測定することができる。
【００６４】
ここで、図６（ｄ）に示す状態は、上記（１）において図４（ｂ）を用いて説明したようにして、プローブから変調のための光（即ち、レーザー光）を照射して、フォトレフレクタンス法により測定試料の局所的な物性を測定する場合に対応するものである。
【００６５】
さらに、図４（ｂ）を用いて説明したようにして、プローブ２０により測定試料１００に歪みを加えることにより測定試料１００の表面１００ａの極めて局所的な領域のみを変調する場合においても、プローブが電界を加える場合と同様に、図６（ａ）〜（ｄ）に示す各種タイプの測定が可能である。
【００６６】
また、図６（ａ）、（ｂ）ならびに（ｃ）に示す場合はいずれも、プローブが測定のための光Ａを照射する領域が測定試料の表面における局所的な領域であったり、あるいは、プローブが測定試料の表面における局所的な領域から測定のための光Ｂを受光する。このため、測定試料の全体に交流電界や歪みが加えられたり、あるいは光照射が行われている場合においても、測定試料の局所的な物性を測定することができる（図７（ａ）（ｂ）（ｃ）参照）。
【００６７】
（３）上記した実施の形態においては、プローブ２０によって受光された測定試料１００の表面１００ａからの反射光が分光器２６において分光されるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、分光器２６をプローブ２０の前段に配設するようにして、光源１２から出射された白色光を分光器２６によって分光した後、分光された光がプローブ２０に導入されるようにしてもよい。
【００６８】
さらには、物性測定装置１０において分光器２６を配設することなしに、光源１２から単色光が出射されるようにしてもよい。つまり、光源１２としては、白色光を出射する光源に限られるものではなく、単色光を出射する光源やあるいは連続発振レーザー光を出射する光源、変調された変調光を出射する光源などを用いることができる。こうした光源の変更に応じて、プローブ２０には白色光、単色光、連続光あるいは変調光などが導入されることになり、こうした各種の光がプローブ２０によって測定試料１００の表面１００の極めて局所的な領域に照射される。
【００６９】
（４）上記した実施の形態においては、測定試料１００を半導体としたが、これに限られるものではないことは勿論であり、本発明による物性測定装置１０においては、例えば、絶縁体、有機薄膜、金属などの各種の固体あるいは基板に吸着した分子（表面吸着分子）など被測定物の物性を測定することができる。この際、被測定物の種類に応じて、被測定物に対してプローブ２０により電界を加えるかあるいは歪みを加えるかなどの各種変更を行うようにするとよい。
【００７０】
（５）上記した実施の形態においては、測定試料１００の表面１００ａにおける反射率の変化を検出することにより物性の測定が行われるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、測定試料１００の表面１００ａにおける吸収係数の変化や、あるいは、発光の変化を検出することにより変調分光法に従って物性の測定を行うことができる。
【００７１】
つまり、プローブによって測定試料が変調されて生ずる変調信号としては、反射光や吸収あるいは発光などを検出すればよい。さらに、こうした変調信号の検出は同期検出するようにしてもよいし、あるいは周波数セレクトするようにしてもよい。
【００７２】
また、測定試料１００の表面１００ａにおける反射率の変化などを検出するのに限られることなしに、測定試料の種類や変調信号の種類などによっては、測定試料の表面より下層における界面などの反射率の変化などを検出するようにしてもよい。
【００７３】
（６）上記した実施の形態ならびに上記（１）乃至（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【００７４】
【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、半導体などの被測定物の局所的な物性を測定す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】本発明による物性測定装置の実施の形態の一例の概念構成説明図である。
【図２】プローブの拡大概略断面説明図である。
【図３】プローブの先端部の拡大概略断面説明図であり、（ａ）はプローブから照射される白色光を示す説明図であり、（ｂ）はプローブに受光される白色光を示す説明図である。
【図４】本発明による物性測定装置の実施の形態の他の例を示すプローブの先端部の拡大概略断面説明図であり、（ａ）はプローブによって測定試料に歪みを加える場合を示す説明図であり、（ｂ）はプローブによって測定試料にレーザー光を照射する場合を示す説明図である。
【図５】本発明による物性測定装置の実施の形態の他の例を示すプローブの拡大概略断面説明図であり、（ａ）は外周側に金属によるコーティングがなされていない先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなるプローブの拡大概略断面説明図であり、（ｂ）は先端部を鋭く尖らせた注射針様の中空のメタルチップからなるプローブの拡大概略断面説明図である。
【図６】本発明による物性測定装置における各種タイプの異なる測定を模式的に示す説明図であり、（ａ）はプローブが測定のための光の照射と受光とを行う場合を示す説明図であり、（ｂ）はプローブが測定のための光の照射のみを行う場合を示す説明図であり、（ｃ）はプローブが測定のための光の受光のみを行う場合を示す説明図であり、（ｄ）はプローブが測定のための光の照射と受光とをいずれも行わない場合を示す説明図である。
【図７】（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明による物性測定装置の実施の形態の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 物性測定装置
１２ 光源
１４，１８ レンズ
１６ 光ファイバー
２０ プローブ
２０ａ 光ファイバー
２０ｂ 金属
２０ｃ 先端部
２２ プローブ走査駆動装置
２４ 波形発生器
２６ 分光器
２８ ロックインアンプ
３０ 制御コンピューター
１００ 測定試料
１００ａ 表面
Claims (23)
- 被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、
前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段と
を有し、
前記プローブは先端部を鋭く尖らせた金属からなる
ことを特徴とする物性測定装置。 - 被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、
前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段と
を有し、
前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射し、
前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物の前記局所的領域に照射した光の反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、
前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段と
を有し、
前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域からの光を受光し、
前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、
前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段と
を有し、
前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射するとともに前記被測定物の前記局所的領域からの反射光を受光し、
前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、
前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段と
を有し、
前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の吸収係数の変化を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、
前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段と
を有し、
前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の発光を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 被測定物の局所的領域に当接して振動し、前記被測定物の前記局所的領域に歪みを加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を前記歪みにより変調するプローブと、
前記プローブによる前記被測定物の前記歪みによる変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段と
を有することを特徴とする物性測定装置。 - 請求項７に記載の物性測定装置において、
前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなる
ことを特徴とする物性測定装置。 - 請求項７に記載の記載の物性測定装置において、
前記プローブは先端部を鋭く尖らせた金属からなる
ことを特徴とする物性測定装置。 - 請求項７に記載の物性測定装置において、
前記プローブは、先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなる
ことを特徴とする物性測定装置。 - 請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の物性測定装置において、
前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射し、
前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物の前記局所的領域に照射した光の反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の物性測定装置において、
前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域からの光を受光し、
前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 請求項７、請求項８または請求項９のいずれか１項に記載の物性測定装置において、
前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射するとともに前記被測定物の前記局所的領域からの反射光を受光し、
前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 請求項１、請求項２、請求項３、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１または請求項１２のいずれか１項に記載の物性測定装置において、
前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の吸収係数の変化を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 請求項１、請求項２、請求項３、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１または請求項１２のいずれか１項に記載の物性測定装置において、
前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の発光を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 光を出射する光源と、
外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、前記光源から出射された光が導入されると前記光を被測定物の局所的領域に照射し、前記被測定物の前記局所的領域からの反射光を受光するプローブと、
前記プローブに電圧を印加する電源と、
前記プローブが受光した前記被測定物の表面からの反射光を、前記プローブに印加された電圧の周波数と同期して検出する検出手段と
を有し、
前記プローブは、前記電源により電圧を印加されると、前記被測定物の前記局所的領域に電界を加え、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３、請求項１４、請求項１５または請求項１６のいずれか１項に記載の物性測定装置において、
前記プローブの前記先端部の略円形の開口部の直径は３μｍ以下である
ことを特徴とする物性測定装置。 - 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３、請求項１４、請求項１５、請求項１６または請求項１７のいずれか１項に記載の物性測定装置において、さらに、
前記プローブを前記被測定物の表面に近づけて走査する走査手段と
を有することを特徴とする物性測定装置。 - 被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、
前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段と
を有し、
前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、
前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射し、
前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物の前記局所的領域に照射した光の反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、
前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段と
を有し、
前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、
前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域からの光を受光し、
前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、
前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段と
を有し、
前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、
前記プローブは、前記被測定物の前記局所的領域に光を照射するとともに前記被測定物の前記局所的領域からの反射光を受光し、
前記検出手段は、前記プローブが受光した前記被測定物の前記局所的領域からの反射光に基づいて、前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、
前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段と
を有し、
前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、
前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の吸収係数の変化を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。 - 被測定物の局所的領域に電界を加えて、前記被測定物の前記局所的領域において前記被測定物を変調するプローブと、
前記プローブによる前記被測定物の変調によって生ずる変調信号を検出する検出手段と
を有し、
前記プローブは、外周側に金属がコーティングされ先端部を鋭く尖らせた光ファイバーからなり、
前記検出手段は、前記プローブが前記被測定物を変調したときの前記被測定物の発光を検出する
ことを特徴とする物性測定装置。
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