JP4858987B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、半導体中に存在するバンド内準位の空間分布を測定することができる走査型プローブ顕微鏡に関するものである。

半導体基板の表面下に存在する結晶欠陥やプロセス起因欠陥などは、バンド内に深い準位を形成し、キャリアの捕獲・放出源となるので、デバイスの信頼性には極めて深刻な影響を及ぼす。従来、これらバンド内に存在する準位の評価は、酸化膜で終端された半導体表面に金やアルミニウムなどの金属を直径１００μｍ程度に蒸着して金属・酸化膜・半導体（ＭＯＳ）ダイオードを形成し、そのうえに単色光を照射しつつ波長（すなわち光子エネルギー）を掃引して、ダイオードの静電容量の変動を測定する、という光容量（ＰＨＣＡＰ）法が採られてきた（例えば、非特許文献１参照）。この方法により簡便に、また精度よくバンド内準位のエネルギー準位を計測することができる。

Y. Furukawa et.al. Jpn. J. Appl. Phys. 6 (1967) 67（発行元は物理系学術誌刊行協会(IPAP)）,H. Kukimoto et.al. Phys. Rev. B 7 (1973) 2486（発行元はAmerican Physical Society）

前述の光容量（ＰＨＣＡＰ）法は、結晶欠陥やプロセス起因欠陥のエネルギー準位を、照射する光の波長から感度よく決定できるという利点があるが、その一方で、それら欠陥の空間分布についての知見は乏しいという欠点がある。これらの結晶欠陥やプロセス起因欠陥の空間分布は、半導体デバイスの歩留まりを左右する。また、多数の欠陥ではなく、個々の欠陥のエネルギー準位を個別に見ることができれば、半導体デバイス・プロセスの顕著な改善に繋がると期待されている。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、個々の結晶欠陥やプロセス起因欠陥のエネルギー準位を個別に見ることができる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、基本的に、励起光を導電性プローブの先端の直下および先端近傍周囲の酸化膜上に照射して、励起光の波長に応じたエネルギー準位を持つ半導体基板内部の結晶欠陥やプロセス起因欠陥などからキャリアを放出させ、多数キャリアの拡散による空乏層の広がりの偏差として検出することで、半導体基板内部に存在する結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布を解析する手段を採用する。

具体的には、以下のようになる。
（１）走査型プローブ顕微鏡は、導電性プローブと、被測定試料に対し所定間隔をとるように前記導電性プローブの位置を制御する手段と、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に電圧を印加する手段と、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に励起光を照射する手段と、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量情報を検出する光励起容量検出手段を有する走査型プローブ顕微鏡であって、
前記光励起容量検出手段で検出した前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量情報から、前記励起光の強度に依存した成分を取得する光励起容量差分検出手段を有する走査型プローブ顕微鏡において、
前記光励起容量差分検出手段は、前記光励起容量検出手段で検出した前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量情報の、差分信号であるΔＣ／ΔＺ信号を抽出し、さらに該ΔＣ／ΔＺ信号から、前記励起光の強度に依存した成分を抽出することを特徴とする。
（２）上記（１）記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記光励起容量差分検出手段は、前記導電性プローブが被測定試料表面に対して垂直方向に振動し、前記導電性プローブが前記被測定試料との間の距離を周期的に変調しているときの、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量のうち、前記導電性プローブの振動周波数で変化する成分を検出することを特徴とする。
（３）上記（１）記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記光励起容量差分検出手段は、前記被測定試料が導電性プローブに対してその位置を垂直方向に周期的に変位し、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の距離を周期的に変調しているときの、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量のうち、前記被測定試料の垂直方向位置の変位の周期に同調した成分を検出することを特徴とする。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡において、前記光励起容量差分検出手段は、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に照射する前記励起光の光強度が、間欠的に変調されているとき、その変調の周波数に同期した成分を検出することを特徴とする。
（５）上記（１）乃至（４）のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記光励起容量差分検出手段は、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に照射する前記励起光の光強度の変調周波数を、前記導電性プローブと前記試料の間の距離変調の周波数よりも低周波とすることを特徴とする。
（６）上記（１）乃至（５）のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記光励起容量差分検出手段は、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に照射する前記励起光の波長を掃引しながら測定するように構成したことを特徴とする。
（７）上記（１）乃至（６）のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記導電性プローブと前記被測定試料との間の相対的な位置を制御する手段は、前記導電性プローブと圧電素子によって構成された力学的共振器の、共振周波数又は共振振幅又は共振のＱ値の変化を検出することを特徴とする。

本発明では、導電性プローブの測定端を先鋭化したので、この先鋭化した測定端と対向する半導体基板の面積を極めて小さくできるので、被測定試料を極めて小さい面積ごとに測定することができるようになる。
各々の波長に応じたエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥が放出するキャリアを測定するので、各欠陥に対応した正確な測定が行える。

ＭＯＳキャパシタの静電容量は励起光強度の変化に応じて図３（ｄ）に示すタイミングで変化する。これらの変化を検出することで、半導体基板内部に存在する結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布が正確に解析できる。
また、励起光の波長を掃引すれば、その各々の波長に応じたエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥がキャリアを放出する。そのため、励起光の波長を掃引しながら測定することで、それぞれ異なったエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布に関する情報を得ることができる

本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の導電性プローブを用いた測定原理を説明するための実施例の要部断面図である。
図１では、導電性プローブ３と、半導体基板１上に形成された誘電体薄膜である酸化膜２との間で形成されるＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）キャパシタが説明されている。
導電性プローブ３は、極めて抵抗値の小さい金属材料から構成され、好ましくは弾性を有する金属材料から構成され、測定点を特定し易くするために先端が尖った形状に形成されている。

半導体基板１は、半導体基板１内部に空乏層が形成されるので、誘電体薄膜である酸化膜２由来の容量だけでなく、この空乏層由来の容量も測定に影響を与えてしまう。その場合は、半導体基板１に直流電圧を印加することにより電荷蓄積状態にすることで、この空乏層容量を打ち消すことができる。よって、基板１が金属の場合と同様に、誘電体薄膜２由来の容量のみを扱うことができる。
半導体基板１は、任意のものが適用でき、例えば周知のごとく有機又は無機材料中に不純物を均一に分散させたものでも適用できる。
直流電圧源６は、導電性プローブ３と半導体基板１の間にバイアス電圧を印加するために用いられ、導電性プローブ３の先端の直下になる半導体基板１中に多数キャリアの拡散による空乏層４を形成する。

このように半導体基板１中に多数キャリアの拡散による空乏層４を形成した状態で、励起光７を導電性プローブ３の先端の直下および先端近傍周囲の酸化膜２上に照射すると、励起光７の波長に応じたエネルギー準位を持つ半導体基板１内部の結晶欠陥やプロセス起因欠陥などがキャリアを放出するので、前記した多数キャリアの拡散による空乏層の広がりが、光励起によって変化した空乏層５のように変化する。すなわち、これらの空乏層の広がりの差を検出することで、半導体基板１内部に存在する結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布がわかる。

ここで励起光７を照射する範囲は、必ずしも導電性プローブの先端の正確に真下である必要はなく、導電性プローブ３の先端と酸化膜２が接する領域の周囲近傍、例えば最も広い場合は、空乏層５の酸化膜２と接する領域内で且つ導電性プローブ３の先端が酸化膜２と接する領域外の範囲内とする。この範囲内に励起光７を照射して空乏層の広がりの差を検出すれば半導体基板１内部の結晶欠陥やプロセス起因欠陥などの分布がわかる。

図２は、本発明の走査型プローブ顕微鏡のブロック構成図である。
図２の走査型プローブ顕微鏡は、空乏層形成手段として、誘電体の測定試料２を載置し平行移動自在に載置されている半導体基板１と、半導体基板１に対向する導電性プローブ３と、光源９、集光器１１および集光レンズ１２を有する。
図２において、導電性プローブ３は、抵抗値の極めて小さいＬ字状の弾性金属材で構成され、試料に対向する一端が先鋭化されている。

導電性プローブ３は、例えば直径〜５０μｍ程度のＷ（タングステン）、Ｐｔ（白金）／Ｉｒ（イリジウム）あるいはＮｉ（ニッケル）などの金属線材をＬ字状に折り曲げ加工し、その一端を例えば錐形のように先鋭化させて形成する。この先端の先鋭化は、金属線材に薬液エッチングによる電解研磨プロセス加工、あるいは放電加工プロセス加工等を施すことによって達成される。さらに、加工された先端の先端曲率半径は、薬液の濃度・印加電圧・エッチング時間、あるいは放電電圧・加工時間等によって制御することが可能であり、従って、先端の曲率半径は再現性よく実現できる。導電性プローブ３は、音叉型水晶振動子である圧電素子８との接触部位と導電性プローブ３の先端の間において、その先端が被測定試料である酸化膜２を有する半導体基板１の表面に対して垂直となる曲げ部を有している。

導電性プローブ３先端と被測定試料との間の電気的情報を検出するに際して、導電性プローブ３先端が被測定試料２に最近接した時にのみ電気的情報を取り込むようにする。
導電性プローブ３先端と被測定試料との間の電気的情報を検出するに際して、導電性プローブ３を励振する圧電素子８が、その振動状態においてある一定範囲の位相を保持した状態の場合にのみ、電気的情報を取り込むようにする。すなわち、振動検出装置によって検出されるところの圧電素子８の振動状態において、その振動の位相がπ/2となれば、導電性プローブ３先端が被測定試料２に最近接する。そこで、振動位相がπ/2の前後、例えばπ/4〜3π/4を保持した期間中にのみ、電気的情報を取り込むようにする。

圧電素子８としては音叉型水晶振動子を用いている。この音叉型水晶振動子は、圧電材料製であって、連結部（短辺部）の両端に直角に連結した２つの板状バネ部（以下「プロンジ」という；長辺部）を有し、全体でコ字形を呈する。音叉型水晶振動子である圧電素子５は、導電性プローブ３の長辺部と直交する方向（先鋭部の長さ方向）に振動する。導電性プローブ３はプロンジの長手軸線の方向に対して直角方向を向くように、プロンジの外縁部に軽く接触している。この圧電素子８は、導電性プローブ３を励振し、なおかつ同時に導電性プローブ３の振動を検出する用途で使用される。

圧電素子８には、この圧電素子８を振動させるために交流電圧源１０によって交流電圧（角周波数ω１）が印加されている。これにより、導電性プローブ３は、先鋭化した先端が半導体基板１上に形成された被測定試料表面に対して、垂直方向に接近離反するように角周波数ω１で振動する。

導電性プローブ３の他端（先鋭化された端部と反対側）は、容量検出器１７に電気的に接続されている。また、導電性プローブ３は容量検出器１７を通じてグランド電位に落ちている。この容量検出器１７は、導電性プローブ３と被測定試料である酸化膜２を有する半導体基板１の間の静電容量情報を検出する手段を構成し、導電性プローブ３と、半導体基板１上に形成された酸化膜２との間で形成されるＭＯＳキャパシタの容量を計測するのに用いられ、一般的にはＬＣＲメーターやＬＣ共振回路などが使用できる。この容量検出器１７は、導電性プローブと被測定試料の間の静電容量情報の、励起光の強度に依存した成分を取得する光励起容量検出手段でもある。

また、直流電圧源６は、導電性プローブ３と半導体基板１との間に電圧を印加する手段であり、直流電圧を印加する。

容量検出器１７からの出力信号のうち、導電性プローブ３の振動角周波数であるω１成分をロックインアンプＬＡ１（１９）により復調検波する。
導電性プローブ３は、周波数ω１で図中縦方向（つまりＺ方向）に振動している。このとき、導電性プローブ３と被測定試料である酸化膜２を有する半導体基板１の間の距離Ｚは周波数ω１で変調される。導電性プローブ３と被測定試料である酸化膜２を有する半導体基板１の間の静電容量Ｃもまた周波数ω１で変化する。ロックインアンプＬＡ１はこの静電容量Ｃの、周波数ω１の変化分を検波する。この検波信号は距離Ｚの変化に対する静電容量Ｃの変分、すなわちΔＣ／ΔＺ信号に相当する。）この検波信号は、導電性プローブ３と、半導体基板１上に形成された酸化膜２との間で形成されるＭＯＳキャパシタ静電容量の差分信号であるΔＣ／ΔＺ信号に相当する。
但し、ΔＣは容量の変化分、ΔＺは導電性プローブ３と被測定試料である酸化膜２を有する半導体基板１の間の距離を示す。また上記のように、測定はロックインアンプによる周波数検波を用いて行なうので、Ｚの絶対値を求める必要はない。
ロックインアンプＬＡ１（１９）は、導電性プローブと被測定試料の間の静電容量情報の、差分信号であるΔＣ／ΔＺ信号を抽出する。ブロック図に示しますように、励起光の強度に依存した成分を抽出するのはロックインアンプＬＡ２（２０）によって行なう。

圧電素子８からの圧力歪み−電圧信号は、振動検出装置１４に入力され、圧電素子８の振動振幅、あるいは圧電素子５の共振周波数、あるいは圧電素子８の力学共振のＱ値に関わる信号などの出力信号を得る。

ここで、導電性プローブ３が被測定試料である半導体基板１上に形成された酸化膜２表面に接近すると、導電性プローブ３先端と酸化膜２表面の間に働く相互作用力（振動している導電性プローブ３先端が酸化膜２表面に接触すると、酸化膜２表面から反発力を受ける。これが相互作用力である。）によって、導電性プローブ３に取付けられた圧電素子８の振動振幅、あるいは圧電素子８の共振周波数、あるいは圧電素子８の力学共振のＱ値に関わる信号が変化する。被測定試料である半導体基板１及びその上に形成された酸化膜２は、ＸＹＺ方向に移動させるための走査用ステージ１６の上に配置されている。走査制御装置１５は、導電性プローブ３のＸＹ面内の位置を定めるとともに、圧電素子８の振動数を検出する振動検出装置１４の出力信号を受けて、これら信号の変化が事前に定められたある一定値となるように、走査用ステージ１６に走査電圧を供給して導電性プローブ３と酸化膜２表面の間が一定の間隔を保つように制御する。詳しくは、上記のように、振動している導電性プローブ３先端が酸化膜２表面に接触すると、酸化膜２表面から反発力を受ける。すると、この反発力によって導電性プローブ３の振動振幅は小さくなる。また、導電性プローブ３の振動周波数は高くなる。ここで、導電性プローブ３は圧電素子８に固定されているがゆえに、導電性プローブ３の振動振幅及び振動周波数は、圧電素子８の振動振幅及び振動周波数と一致する。すなわち、振動検出装置１４によって検出される圧電素子８の振動振幅、あるいはその振動周波数がある一定値を保つように、走査用ステージ１６に走査電圧を供給すれば、導電性プローブ３と酸化膜２表面の間の距離は一定を保つ。
なお、走査用ステージ１６は、被測定試料が導電性プローブに対してその位置を垂直方向に周期的に変位させることによって、導電性プローブと試料の間の距離を周期的に変調するように動作してもよい。

この制御は、導電性プローブ３が酸化膜２表面を走査している期間中は常に実行されている。走査制御装置１５は、電圧を印加して走査用ステージ１３をＸＹ方向に駆動し、酸化膜２表面のあらかじめ定めた領域を導電性プローブ３が走査するように制御する。以上の制御により、導電性プローブ３は、導電性プローブ３と酸化膜２表面の間があらかじめ設定したある一定の間隔（上記のように、振動検出装置１４によって検出される圧電素子８の振動振幅、あるいはその振動周波数がある一定値を保つように、走査用ステージ１６に走査電圧を供給すれば、導電性プローブ３と酸化膜２表面の間の距離は一定を保つ。）を保つように制御しながら、酸化膜２表面を走査する。

表示装置１（１８）は、モニタおよびコンピュータ機能を有し、コンピュータ機能内の内蔵する記憶手段に、導電性プローブ３のＸＹ方向の位置と対応させて、ロックインアンプＬＡ１（１９）の出力であるΔＣ／ΔＺ信号を格納し、その記憶データを記憶および演算処理機能により画像処理して、被測定試料である半導体基板１上に形成された酸化膜２表面上の各点におけるΔＣ／ΔＺ（Ｚは導電性プローブ３と被測定試料である酸化膜２を有する半導体基板１の間の距離を示す。）信号の分布画像を作成しモニタ上に表示する。
ここで上記ΔＣ／ΔＺ信号の導出過程を説明する。上記のように、導電性プローブ３が、周波数ω１で図中縦方向（つまりＺ方向）に振動すると、導電性プローブ３と被測定試料である酸化膜２を有する半導体基板１の間の距離Ｚは周波数ω１で変調され、導電性プローブ３と被測定試料である酸化膜２を有する半導体基板１の間の静電容量Ｃもまた周波数ω１で変化する。ロックインアンプＬＡ１はこの静電容量Ｃの、周波数ω１の変化分を検波する。この検波信号は距離Ｚの変化に対する静電容量Ｃの変分、すなわちΔＣ／ΔＺ信号に相当する。

励起光源９から発する単色光の励起光１０は、光チョッパー１１によって周波数ω２を持つパルス光に分けられ、さらに集光レンズ１２によって導電性プローブ３の直下の酸化膜２に集光される。また、ここで励起光１０を照射する位置は、必ずしも導電性プローブ３の正確に直下である必要はなく、導電性プローブ３が接する酸化膜２の領域の近傍を照射すれば良い。励起光源９、光チョッパー１１および集光レンズ１２からなる光学系は、導電性プローブと被測定試料との間に励起光を照射する手段を構成し、導電性プローブ３の先端に対して予め所定以上の容量が検出されるように位置決めされている。この位置決め動作は容量出力をモニタしながら自動的に又は手動で行うことができる。

ロックインアンプＬＡ１（１９）からの出力信号であるΔＣ／ΔＺ信号のうち、前記パルス光の周波数であるω２成分をロックインアンプＬＡ２（２０）により復調検波する。
ここで上記ΔＣ／ΔＺ信号の導出過程を説明する。上記のように、導電性プローブ３は、周波数ω１で図中縦方向（つまりＺ方向）に振動する。したがって、導電性プローブ３と被測定試料である酸化膜２を有する半導体基板１の間の距離Ｚは周波数ω１で変調されるので、導電性プローブ３と被測定試料である酸化膜２を有する半導体基板１の間の静電容量Ｃもまた周波数ω１で変化する。さらに段落００２７で述べたように、励起光１０は、光チョッパー１１によって周波数ω２を持つパルス光に分けられて導電性プローブ３の直下の酸化膜２に集光されているので、導電性プローブ３と被測定試料である酸化膜２を有する半導体基板１の間の静電容量Ｃは周波数ω１だけでなく周波数ω２によっても2重に変調される。上記のように、ロックインアンプＬＡ１はこの静電容量Ｃの、周波数ω１の変化分を検波する。この検波信号は距離Ｚの変化に対する静電容量Ｃの変分、すなわちΔＣ／ΔＺ信号に相当する。またさらに、ロックインアンプＬＡ２（２０）はΔＣ／ΔＺ信号のうち、周波数ω２によって変調されている成分を復調検波する。この検波信号は、下記のようにΔ²Ｃ／ΔＺΔＩ信号に相当する。
この検波信号は、導電性プローブ３と、半導体基板１上に形成された酸化膜２との間で形成されるＭＯＳキャパシタ静電容量のうち、光によって変調される成分（基本的には、有り／無しをみる）、すなわちΔ²Ｃ／ΔＺΔＩ（ここでＩは励起光源９から発する単色光からの光強度を表す；変化するか否かをみる、ゼロは考慮対象外とする）に相当する。

このΔ²Ｃ／ΔＺΔＩ信号は、上記段落０００２に示すところの光励起による空乏層の変分に相当する（即ち、Δ²Ｃ／ΔＺΔＩ信号は励起光１０のパルス周波数ω２によって変調されている成分を復調検波した結果なので、物理的な意味としては導電性プローブ３と、半導体基板１上に形成された酸化膜２との間で形成されるＭＯＳキャパシタ静電容量のうち、光によって変調される成分となる。
示装置２（２１）は、内蔵する記憶手段に、導電性プローブ３のＸＹ方向の位置と対応させて、ロックインアンプＬＡ２（２０）の出力であるΔ²Ｃ／ΔＺΔＩ信号を格納することにより、被測定試料である半導体基板１上に形成された酸化膜２表面上の各点におけるΔ²Ｃ／ΔＺΔＩ信号の分布画像を作成し表示する。
次に、図面３について説明する。

図３は、導電性プローブ３と、半導体基板１上に形成された酸化膜２との間で形成されるＭＯＳキャパシタの静電容量測定のタイミングチャートである。図３（ａ）は導電性プローブの振動波形特性、図３（ｂ）は半導体基板に印加する直流電圧特性、図３（ｃ）は光チョッパーにより変調された励起光特性、図３（ｄ）はＭＯＳキャパシタの静電容量特性である。

図３の３１は導電性プローブの振動波形特性、３２は半導体基板に印加する直流電圧Ｖ_０特性、３３は光チョッパーによりＯＮまたはＯＦＦのレベルに変調された励起光強度を表す励起光特性、３４は励起光によって鋸歯状に変調された前記ＭＯＳキャパシタの静電容量特性である。

角周波数ω１で振動している導電性プローブに対して、測定期間中は一定の直流電圧が半導体基板に印加され、図１に示したように導電性プローブの直下に多数キャリアの拡散による空乏層を形成している。一方、段落００１１に記したように励起光は光チョッパーによって周波数ω２を持つパルス光に分けられる。

ここで、励起光の波長に応じたエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥などからのキャリアの放出は比較的ゆっくりとした過程なので、ω２＜ω１であることが望ましい。具体的には、ω１が５０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚ程度であるのに対し、ω２は５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度が測定に際して望ましい。

図１の説明ででも述べたように、励起光を照射すると、その波長に応じたエネルギー準位を持つ、半導体基板内部の結晶欠陥やプロセス起因欠陥などがキャリアを放出するので、前記した多数キャリアの拡散による空乏層の広がりが変化する。このため、前記ＭＯＳキャパシタの静電容量は励起光強度の変化に応じて図３（ｄ）に示すタイミングで変化する。これらの変化を検出することで、半導体基板１内部に存在する結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布がわかる。

また、励起光の波長を掃引すれば、その各々の波長に応じたエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥がキャリアを放出する。ゆえに、励起光の波長を掃引しながら測定することで、それぞれ異なったエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布に関する情報が得られる。

本発明では、走査制御装置１５により操作用ステージ１６をＸＹ方向に座標移動しながら各測定点で励起光の波長を掃引しながら測定する。これにより、それぞれ異なったエネルギー準位を持つ結晶欠陥やプロセス起因欠陥の分布に関する情報が得られる。

ＳＣＭの導電性プローブと、誘電体薄膜で表面を覆われた半導体基板によって形成されたＭｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ（ＭＯＳ）接合の様子を示す図である。 本発明による実施の形態を示す構成図である。 導電性プローブの振動と、半導体試料に印加する直流電圧、及び励起光パルスの発生を示す構成図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 酸化膜
３ 導電性プローブ
４ 多数キャリアの拡散による空乏層
５ 光励起によって変化した空乏層
６ 直流電圧源
７ 励起光
８ 圧電素子
９ 励起光源
１０ 励起光
１１ 光チョッパー
１２ 集光レンズ
１３ 交流電圧源
１４ 振動検出装置
１５ 走査制御装置
１６ 走査用ステージ
１７ 容量検出器
１８ 表示装置１
１９ ロックインアンプ１
２０ ロックインアンプ２
２１ 表示装置２
３１ 導電性プローブの振動
３２ 半導体基板に印加する直流電圧
３３ 励起光強度の変調
３４ 励起光によって変調される静電容量

Claims (7)

1. 導電性プローブと、被測定試料に対し所定間隔をとるように前記導電性プローブの位置を制御する手段と、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に電圧を印加する手段と、
   前記導電性プローブと前記被測定試料との間に励起光を照射する手段と、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量情報を検出する光励起容量検出手段を有する走査型プローブ顕微鏡であって、
   前記光励起容量検出手段で検出した前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量情報から、前記励起光の強度に依存した成分を取得する光励起容量差分検出手段を有する走査型プローブ顕微鏡において、
   前記光励起容量差分検出手段は、前記光励起容量検出手段で検出した前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量情報の、差分信号であるΔＣ／ΔＺ信号を抽出し、さらに該ΔＣ／ΔＺ信号から、前記励起光の強度に依存した成分を抽出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記光励起容量差分検出手段は、前記導電性プローブが被測定試料表面に対して垂直方向に振動し、前記導電性プローブが前記被測定試料との間の距離を周期的に変調しているときの、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量のうち、前記導電性プローブの振動周波数で変化する成分を検出することを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記光励起容量差分検出手段は、前記被測定試料が導電性プローブに対してその位置を垂直方向に周期的に変位し、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の距離を周期的に変調しているときの、前記導電性プローブと前記被測定試料の間の静電容量のうち、前記被測定試料の垂直方向位置の変位の周期に同調した成分を検出することを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記光励起容量差分検出手段は、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に照射する前記励起光の光強度が、間欠的に変調されているとき、その変調の周波数に同期した成分を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記光励起容量差分検出手段は、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に照射する前記励起光の光強度の変調周波数を、前記導電性プローブと前記試料の間の距離変調の周波数よりも低周波とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記光励起容量差分検出手段は、前記導電性プローブと前記被測定試料との間に照射する前記励起光の波長を掃引しながら測定するように構成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 前記導電性プローブと前記被測定試料との間の相対的な位置を制御する手段は、前記導電性プローブと圧電素子によって構成された力学的共振器の、共振周波数又は共振振幅又は共振のＱ値の変化を検出することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。

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