JP2001305037A - 走査型プローブ顕微鏡及びこれを用いた光吸収物質の検出方法並びに顕微分光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）探針を用い
て光吸収物質をナノスケールで直接検出する新しい装置
／方法を提供する。 【解決手段】 チョッパー６は、ＳＴＭの定電流制御が
追随できないほど高い変調周波数でp−GaAs１０表面に
ギャップ光（波長788nm，12mW/mm²）を入射角45°で断
続照射する。ロックインアンプ３は、変調トンネル電流
波形Itをロックイン検波して、トンネル電流振幅△Ｉを
求める。これによる二次元分布像には、通常のＳＴＭト
ポ像には存在しない明るいコントラスト部分が観察され
る。これは、試料１０の表面下の孤立欠陥における非発
光再結合により局所的に発生した熱が周囲に拡散し、欠
陥付近の表面で特に大きな熱膨張変位を起こすためであ
る。このことにより試料１０中の欠陥を検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は光熱膨張などの現
象を利用して測定を行う走査型プローブ顕微鏡及びこれ
を用いた光吸収物質の検出方法並びに顕微分光方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】探針と試料間に流れるトンネル電流を利
用して試料表面を観察する装置（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔ
ｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，以下「ＳＴ
Ｍ」と記す）が知られている。

【０００３】ＳＴＭは電子のトンネル現象を利用して試
料表面の形状及び電子状態に関する情報を原子オーダー
の空間分解能で検出可能な装置であり、顕微鏡としての
用途のほかに微細加工装置、情報記録再生装置等の類似
装置への応用が可能である。

【０００４】ＳＴＭでは先端の尖った探針で試料面上を
走査しながら、探針と試料間の距離が数ｎｍ以下で発生
するトンネル電流をサーボ信号として距離を制御するこ
とによって測定信号を検出している。

【０００５】ＳＴＭの従来技術について説明する。図１
０は特開平６−１３７８１０号公報に開示されたＳＴＭ
の機能ブロック図である。

【０００６】図１０において、５１は、先端が尖った探
針、５２は、探針５１と対向して配置された試料で、図
示しないＸＹ走査信号発生回路およびＸＹ走査駆動機構
によってＸＹ軸方向に走査される。５３は、探針制御用
アクチュエータで探針５１をＺ軸方向に移動させる。５
４は、探針と試料との間に電圧を印加するバイアス回
路、５５は、バイアス印加状態で探針５１と試料５２と
を接近させると発生するトンネル電流を検出し電圧に変
換する電流電圧変換回路、５６は、変換された電圧をさ
らに対数変換して出力する対数変換回路、５７は、所望
のトンネル電流値を設定値とし、入力との差分信号を検
出する差分回路、５９は差分信号の高周波分を除去し、
トポ信号を出力するローパスフィルター、５８は、探針
Ｚ制御信号発生回路で、ＬＰＦ５９の出力よりサーボ信
号を形成し、探針制御用アクチュエータ５３に出力し
て、探針試料間の距離制御を行なわせる。６１はローパ
スフィルター５９から出力されるトポ（Topograph Imag
e）信号、６２は対数変換回路５６から出力されるカレ
ント信号で、画面情報信号として用いられる。

【０００７】バイアス回路５４によって先端の尖った探
針５１と試料５２間にバイアスを印加した状態で、探針
５１を試料面に対して１ｎｍ付近まで接近させるとトン
ネル電流が探針―試料間に流れ始める。このトンネル電
流を電流電圧変換回路５５によって電圧に変換し、対数
変換回路５６を経て差分回路５７によって所望の設定ト
ンネル電流値との差分信号を検出し、ローパスフィルタ
ー５９、探針Ｚ制御信号発生回路５８を通してサーボ信
号を形成する。このサーボ信号を圧電素子などで構成さ
れる探針制御用アクチュエータ５３に入力し距離制御す
ると同時に、図示しないＸＹ走査信号発生回路によって
ＸＹ走査信号を入力し、試料面内方向に沿って走査しな
がら差分回路５７、ローパスフィルター５９を介して形
成されるトポ信号６１、又は対数変換回路５６の出力信
号であるカレント信号６２をモニターし、画像処理を施
すことによって試料表面の形状、及び電子状態を反映す
る観察像を得ることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、半導体装置
に用いられる半導体は欠陥がないことが求められる。半
導体の製造工程において欠陥が生じないように配慮され
るとともに、製造後の半導体を検査し欠陥を発見するこ
とが行われている。

【０００９】結晶欠陥があるとさまざまな問題が生じ
る。例えば、特開平１０−１３５５６７号公報「半導体
レーザ素子」は次のことを開示する。半導体レーザ素子
において、従来使用されているII族元素であるＭｇ、Ｚ
ｎ、Ｂｅなどのｐ型ドーパントでは、拡散係数が大きい
ため高濃度ドーピングができないという問題があった。
なぜなら、活性層まで拡散が起こると、活性層内部に非
発光センターを形成するために、発光効率が低下し、信
頼性に対して悪影響を及ぼし、また、コンタクト層から
の拡散によるキャリア濃度の低下で動作電圧増大の問題
を生じる。また、ｐ型ドーパントとして拡散係数が小さ
いカーボンは、拡散効率を上げるため低温で成長させる
必要があるが、その場合に半導体に結晶欠陥が生じるた
め、非発光センターを形成する問題があった。

【００１０】このような非発光センターが試料表面にあ
るときにはＳＴＭで検出できても、試料内部に存在する
ときには検出が困難であった。また、非発光センターを
ナノスケールで直接検出することは困難であった。

【００１１】この発明は係る課題を解決するためになさ
れたもので、半導体中の欠陥をナノスケールで直接検出
できる走査型プローブ顕微鏡及びこれを用いた非発光セ
ンターもしくはより一般的には光吸収物質の検出方法を
提供することを目的とする。また、新規なナノ分解能顕
微分光法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係る走査型プ
ローブ顕微鏡は、試料に近接して設けられる探針と、前
記探針が前記試料の表面に近づいたときに生じるトンネ
ル電流を受けて前記トンネル電流を一定に保持するよう
に前記探針と前記試料間の距離を制御する負帰還制御器
と、光源と、前記光源の出射光を所定の時間間隔で透過
させる変調器と、前記光源の出射光から所定の波長の光
を取り出す分光器と、前記分光器の出射光を前記試料に
照射する照射手段と、前記変調器の変調信号と同期をと
ることにより前記トンネル電流の振幅を検出して出力す
る増幅器とを備えるものである。

【００１３】好ましくは、前記増幅器の出力に基づき前
記試料における光吸収物質を検出する検出部を備え、前
記検出部は前記試料中の光吸収物質における光吸収にと
もなう光熱膨張効果を利用して検出を行う。

【００１４】好ましくは、前記検出部は、トンネル電流
振幅が通常のトンネル電流振幅よりも大きいときに光吸
収物質と判定する。

【００１５】好ましくは、前記増幅器の出力に基づき二
次元分布画像を生成する画像処理部を備え、前記検出部
は、前記二次元分布画像においてコントラストの高い部
分を光吸収物質と判定する。

【００１６】好ましくは、前記検出部は、前記変調器の
変調周波数を増加させたときに、トンネル電流振幅が小
さくなり、かつ前記二次元分布画像におけるコントラス
トの高い部分が縮小するときに光吸収物質と判定する。

【００１７】好ましくは、前記増幅器の出力に基づき前
記試料における光吸収物質を検出する検出部を備え、前
記検出部は前記試料中の光吸収物質における光の照射に
伴うチャージの変化を利用して検出を行う。

【００１８】好ましくは、前記増幅器の出力に基づき前
記試料における光吸収物質を検出する検出部を備え、前
記検出部は前記試料中の光吸収物質における光の照射に
伴う試料収縮を利用して検出を行う。

【００１９】好ましくは、前記増幅器の出力に基づき前
記試料における光吸収物質を検出する検出部を備え、前
記検出部は前記試料中の光吸収物質における光の照射に
伴う温度上昇が双安定性欠陥の準安定構造での滞在時間
を増加させることによる変位を利用して検出を行う。

【００２０】好ましくは、前記分光器は、予め定められ
た範囲において取り出す波長を走査する。

【００２１】この発明に係る光吸収物質の検出方法は、
変調された所定の波長の光を試料に照射するステップ
と、前記試料の光吸収物質付近の表面で熱膨張変位を生
じさせるステップと、前記試料に探針を近接させ、前記
探針が前記試料の表面に近づいたときに前記熱膨張変位
によって生じるトンネル電流を変調信号と同期をとるこ
とにより前記トンネル電流の振幅を検出して出力するス
テップと、前記トンネル電流の振幅に基づき前記試料に
おける光吸収物質を検出するステップとを備えるもので
ある。

【００２２】この発明に係る光吸収物質の検出方法は、
変調された所定の波長の光を試料に照射するステップ
と、前記試料の光吸収物質付近の表面で光の照射に伴う
チャージの変化を生じさせるステップと、前記試料に探
針を近接させ、前記探針が前記試料の表面に近づいたと
きに前記光の照射に伴うチャージの変化によって生じる
トンネル電流を変調信号と同期をとることにより前記ト
ンネル電流の振幅を検出して出力するステップと、前記
トンネル電流の振幅に基づき前記試料における光吸収物
質を検出するステップとを備えるものである。

【００２３】この発明に係る光吸収物質の検出方法は、
変調された所定の波長の光を試料に照射するステップ
と、前記試料の光吸収物質付近の表面で光の照射に伴う
試料収縮を生じさせるステップと、前記試料に探針を近
接させ、前記探針が前記試料の表面に近づいたときに前
記光の照射に伴う試料収縮によって生じるトンネル電流
を変調信号と同期をとることにより前記トンネル電流の
振幅を検出して出力するステップと、前記トンネル電流
の振幅に基づき前記試料における光吸収物質を検出する
ステップとを備えるものである。

【００２４】この発明に係る光吸収物質の検出方法は、
変調された所定の波長の光を試料に照射するステップ
と、前記試料の光吸収物質付近の表面で光の照射に伴う
温度上昇が双安定性欠陥の準安定構造での滞在時間を増
加させることによる変位を生じさせるステップと、前記
試料に探針を近接させ、前記探針が前記試料の表面に近
づいたときに前記変位によって生じるトンネル電流を変
調信号と同期をとることにより前記トンネル電流の振幅
を検出して出力するステップと、前記トンネル電流の振
幅に基づき前記試料における光吸収物質を検出するステ
ップとを備えるものである。

【００２５】この発明に係る顕微分光方法は、変調され
た所定の波長の光を試料に照射するステップと、前記試
料の光吸収物質を直接励起するステップと、前記試料に
探針を近接させ、前記探針が前記試料の表面に近づいた
ときに生じるトンネル電流を変調信号と同期をとること
により前記トンネル電流の振幅を検出して出力するステ
ップと、予め定められた範囲において前記光の波長を走
査しつつ上記ステップを繰り返すステップと、前記トン
ネル電流の振幅と波長の特性を求めるステップとを備え
るものである。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下では、光吸収物質を便宜上
「欠陥」と呼び説明に用いる。図１はこの発明の実施の
形態に係る、光熱膨張などの現象を用いたナノ分光顕微
鏡の構成図である。

【００２７】符号１は超高圧走査型トンネル顕微鏡（Ｕ
ＨＶ−ＳＴＭ）、符号２はフィードバック回路である。
ＵＨＶ−ＳＴＭ１は、図１０に示した探針５１、探針制
御用アクチュエーター５３及びバイアス回路５４あるい
はこれらの相当部分を備える。フィードバック回路２
は、図１０に示した電流電圧変換回路５５、対数変換回
路５６、差分回路５７、探針Ｚ制御信号発生回路５８及
びＬＰＦ５９あるいはこれらの相当部分を備える。

【００２８】探針を試料面に対して１ｎｍ付近まで接近
させるとトンネル電流が探針―試料間に流れ始め、この
トンネル電流を電流電圧変換回路、対数変換回路、差分
回路及びＬＰＦにより探針Ｚ制御信号発生回路のフィー
ドバック信号を発生し、探針のＺ方向の位置を制御す
る。図示しないＸＹ走査信号発生回路によってＸＹ走査
信号を入力し、試料面内方向に沿って走査しながらフィ
ードバック回路２の出力信号であるトポ信号モニター
し、画像処理を施すことによって試料表面の形状、及び
電子状態を反映する観察像を得ることができる。

【００２９】符号３はロックインアンプ、符号４は光源
であるハロゲンランプ、符号５はレンズ、符号６は光線
を一定間隔で断続するチョッパー（chopper）、符号７
はハロゲンランプ４の光から特定の狭い波長帯域の光を
分離するためのモノクロメーター（monochromator）、
符号８はモノクロメーター７からの光を導く光ファイ
バ、符号９は光ファイバ８の出射光を試料１０上に集光
するための集光レンズである。ロックインアンプ３は、
外部参照信号との同期検波を行うための増幅器であり、
参照周波数で変調された信号を，非常に高い雑音レベル
の中から検出し測定することができる。ロックインアン
プ３は、チョッパー６の断続周波数信号ｆを参照信号と
してトンネル電流信号Ｉtを取り込み、振幅イメージ（A
mplitude Image）信号として出力する。

【００３０】単色光により電流振幅の二次元画像のみ得
るばあいは、上記において、ハロゲンランプ４、レンズ
５、チョッパー６、モノクロメータ７のかわりに、適当
な波長の断続光を発し得る単色光源（例えばレーザ）を
用いてもよい。

【００３１】図１の光ファイバ８およびレンズ９は、光
源から試料に光を導く適当な光学系で置き換えてもよ
い。

【００３２】照射光の断続周波数は、トンネル電流を一
定に保つフィードバック回路の応答周波数より十分高く
することによって、光照射に伴う変調信号がトンネル電
流に現れるようにする。

【００３３】また、照射光の断続周波数は、光照射を受
けた探針および試料の巨視的熱膨張が十分平滑化される
ほど高くする。

【００３４】図１の装置は、一定間隔で試料１０上に特
定波長の光を集光させる集光光学系を備えるとともに、
断続周波数信号ｆを参照信号としてトンネル電流信号Ｉ
tを取り込み、振幅イメージ信号として出力するロック
インアンプ３を備える点で、従来のＳＴＭとは相違す
る。ハロゲンランプ４、レンズ５、チョッパー６、モノ
クロメーター７、光ファイバ８及び集光レンズ９からな
る集光光学系と、ロックインアンプ３とを備えることに
より、試料（例えば半導体）中の非発光再結合センター
をナノスケールで直接検出することができる。

【００３５】次に、この発明の実施の形態の装置／方法
について、図２のフローチャート、図３の動作原理の説
明図、図４の変調トンネル電流波形、図５の変調周波数
を変えたときのトンネル電流振幅ΔＩのグラフ及び図６
の電流振幅ΔＩの二次元分布像の模式図に基づいて説明
する。

【００３６】図２に示すように、まず、所定の波長の断
続光を試料に照射する（Ｓ１）。例えば、p−GaAs試料
１０の（110）表面に半導体レーザを用いて波長７８８
ｎｍ、１２ｍＷ／ｍｍ^２のギャップ光を入射角４５°で
断続的に照射する。照射される光は、チョッパー６によ
りＳＴＭの定電流制御が追随できないほど高い変調周波
数で変調される。

【００３７】所定の光を試料に照射することにより、試
料１０の欠陥付近の表面で熱膨張変位を生じさせる（Ｓ
２）。光が照射されると、図３に示すように、試料１０
の表面下の孤立欠陥において非発光再結合により局所的
に熱が発生し、この熱が周囲に拡散して欠陥付近の表面
で特に大きな熱膨張変位を起こす。この熱膨張変位によ
りトンネル電流が変化するので、この変化を観察するこ
とにより熱膨張、すなわち欠陥の存在を検知することが
できる。

【００３８】ＳＴＭで観察し、変調トンネル電流波形
（図４参照）をロックインアンプ３によりロックイン検
波し、電流振幅ΔＩを求める（Ｓ３）。変調周波数を変
えたときのトンネル電流振幅ΔＩのグラフを図５に示
す。Ｄは欠陥部分のトンネル電流振幅のグラフであり、
Ｐは欠陥がない部分のトンネル電流振幅である。欠陥が
ない場合は変調周波数を変えてもトンネル電流振幅は小
さい値のままほぼ一定であり、熱膨張がないことを示し
ている。欠陥がある場合はトンネル電流振幅は、欠陥が
ない場合よりも大きく、しかも変調周波数が高くなると
トンネル電流振幅は小さくなる。これは欠陥の部位にお
いて熱膨張して試料の表面と探針との距離が短くなった
こと、及び、変調周波数が高くなるのにともない、前記
熱膨張が平滑化され、トンネル電流の変調振幅が小さく
なることを示している。

【００３９】図４の電流波形の周期は約０．６ｍｓ〜
０．７ｍｓである。これはチョッパー６のチョッピング
周期に対応している。熱膨張応答の特徴として、電流の
増加部と減少部のカーブが対称になっている。

【００４０】電流振幅△Iの二次元分布像を求める（Ｓ
４）。試料１０の表面を走査しながらステップＳ３の処
理を繰り返して電流振幅△Iの二次元分布像を求める。
二次元分布像の模式図を図６（ａ）（ｂ）、実例を図７
（ａ）（ｂ）に示す。図６（ａ）及び図７（ａ）は、図
５のグラフのＡ点（変調周波数：約１．３ｋＨｚ）にお
けるトンネル電流振幅ΔＩの二次元分布を示し、図６
（ｂ）及び図７（ｂ）は、図５のグラフのＢ点（変調周
波数：約１．９ｋＨｚ）におけるトンネル電流振幅ΔＩ
の二次元分布を示す。図６（ａ）（ｂ）のＤの領域は同
じ位置を中心とするが、図６（ａ）のＤ領域の大きさは
図６（ｂ）のそれよりもはるかに大きい。これは、チョ
ッピング周期が長いと欠陥で発生した熱が拡散して周囲
に広がり、チョッピング周波数で変調された熱膨張領域
が拡大するためであると考えられる。図６のような二次
元分布画像のＤの領域は、従来のＳＴＭのトポ像（Topo
graph Image）には存在しない明るいコントラストを有
する。

【００４１】前記理由により、チョッピング周期を短く
すると分解能が高くなる。一方、あまり間隔を短くする
とトンネル電流振幅は小さくなるので検出が難しくな
る。

【００４２】上記観測結果により孤立欠陥の有無及びそ
の位置を判定する（Ｓ５）。以上説明した、（１）欠陥
部位のトンネル電流振幅は欠陥がない部位のそれよりも
はるかに大きいこと、（２）変調周波数を増加するにつ
れて欠陥部位のトンネル電流振幅は小さくなるが、欠陥
がない部位のそれはほとんど変化しないこと、（３）二
次元分布画像における明るいコントラストの部分の存
在、（４）変調周波数を増加するにつれて前記コントラ
ストの部分が小さくなること、はいずれも孤立した非発
光欠陥の存在を示すものである。これらの現象は、表面
下の孤立欠陥で非発光再結合により局所的に発生した熱
が周囲に拡散し、欠陥付近の表面で特に大きな熱膨張変
位を起こすためとして良く説明できる。そこで、上記
（１）〜（４）の組み合わせを判断基準として観測結果
を評価し、孤立欠陥の有無及びその位置を判定すること
ができる。

【００４３】以上のように、この発明の実施の形態１の
装置／方法によれば、光音響分光と同じ原理にもとづき
ＳＴＭ探針を用いて半導体中の非発光再結合センターを
ナノスケールで直接検出することができる。従来の装置
／方法では、数十μｍ程度の分解能しかなかったが、こ
の発明の実施の形態１によれば、十nm以下のはるかに高
い分解能で検出できる。

【００４４】なお、上記説明において、本発明の実施の
形態１の装置／方法がもっぱら熱膨張効果に起因する現
象をとらえるものとして述べてきたが、本発明の実施の
形態１の装置／方法は熱膨張効果に限定されない（例え
ば、欠陥の光誘起変形そのものに起因する現象をとらえ
るものであってもよい）。

【００４５】具体的には次のような現象であってもよ
い。 （１）光の照射に伴うチャージの変化 試料に光を照射するとキャリアが発生する。これがバン
ドギャップのなかの欠陥にトラップされ、そのたびにチ
ャージの状態が変わる。これをＳＴＭで検出することが
できる。この現象は実効的にバイアス電圧の変化を誘起
し、電流が変化するのでこれを検出できる。 （２）光の照射に伴う試料収縮（表面が凹む） 試料に光を照射すると欠陥部分の荷電（チャージ）状態
が変わる。これに伴い欠陥構造が不安定化して原子変位
を起こすことに起因すると思われる。 （３）光の照射に伴う温度上昇が双安定性欠陥の準安定
構造での滞在時間を増加させることによる変位 双安定性（異なる構造の２つの状態を（準）安定配置と
して取り得る現象）を示す欠陥の安定構造と準安定構造
のエネルギー差が比較的小さい場合、温度が上昇すると
準安定状態の滞在時間が長くなる（一方の状態から他方
の状態にチャージが移動する）。このことにより、安定
配置と準安定配置の間の原子変位が表面変位を引き起こ
し、これが観測される。

【００４６】発明の実施の形態２．次に、この発明の実
施の形態２に係る装置／方法について、図８のフローチ
ャート及び図９の波長を変えたときのトンネル電流振幅
ΔＩのグラフに基づき説明する。

【００４７】所定の波長の断続光を試料に照射する（Ｓ
１０）。図１の装置を用いて発明の実施の形態１の場合
と同様に光を照射する。

【００４８】非発光センターを直接励起する（Ｓ１
１）。所定の波長の光が照射されると、GaAsの試料１０
のバンド間吸収以外にも非発光センターが直接励起さ
れ、特有のトンネル電流振幅特性を示す。

【００４９】トンネル電流振幅を求める（Ｓ１２）。図
１の装置を用いて発明の実施の形態１の場合と同様にト
ンネル電流振幅を求める。

【００５０】照射光の波長をスキャンする（Ｓ１３）。
予め定められた範囲、例えばλ＝８００ｎｍ〜１３００
ｎｍの範囲においてモノクロメーター７が出力する光の
波長を少しづつ変化させて、ステップＳ１０〜Ｓ１２を
繰り返す。この発明の実施の形態２では、図１の装置に
波長を段階的に変化させるスキャン装置を備える（図示
せず）。

【００５１】ステップＳ１０〜Ｓ１３からトンネル電流
振幅−波長特性を求める（Ｓ１４）。例えば、図９のよ
うなグラフが得られる。波長λを８００ｎｍ〜１３００
ｎｍの範囲でスキャンさせたときに、１１２０ｎｍ付近
でトンネル電流振幅のピークが観測される。

【００５２】ステップＳ１４のトンネル電流振幅−波長
特性からピーク波長を求め分析を行う（Ｓ１５）。この
手法により種々の物質の光エネルギー吸収に関する分析
が可能になり、これまでにないナノ分解能顕微分光法を
提供することができる。

【００５３】この発明の実施の形態２の装置／方法によ
れば、GaAs（試料１０）のバンド間吸収以外に非発光セ
ンターの直接励起に由来すると考えられるトンネル電流
振幅の励起波長依存性に基づき分光分析をＳＴＭ像の取
得と同時にナノスケールで行うことができる。この手法
は従来なかったものである。

【００５４】なお、以上の説明において欠陥を検出する
場合を例にとり説明してきたが、本発明の実施の形態
１、２は、対象は欠陥に限定されず、一般に光吸収物質
で吸収にともない熱を発生するもの及び／又は欠陥の光
誘起変形を生じるもの、チャージの変化を生じるもので
あれば適用可能である。例えば、生体分子、化学分子、
不純物原子などを光吸収波長によって同定することが可
能である。また吸収スペクトルの微細構造から原子分子
の結合状態、電子状態を原子スケールで測定可能であ
る。これらの特徴は、極めて高い空間分解能をもつＳＴ
Ｍに、従来なかった元素分析機能を付与する。

【００５５】本願発明は、光→熱振動膨張の現象を利用
してナノスケールの分析を行う装置／方法全般に適用で
きる。

【００５６】本発明は、以上の実施の形態に限定される
ことなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内
で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内
に包含されるものであることは言うまでもない。

【００５７】また、本明細書において、手段とは必ずし
も物理的手段を意味するものではなく、各手段の機能
が、ソフトウェアによって実現される場合も包含する。
さらに、一つの手段の機能が、二つ以上の物理的手段に
より実現されても、若しくは、二つ以上の手段の機能
が、一つの物理的手段により実現されてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１に係るナノ分光顕微
鏡の機能ブロック図である。

【図２】 この発明の実施の形態１に係る非発光再結合
センターを例にした光吸収物質の観察方法のフローチャ
ートである。

【図３】 この発明の実施の形態１に係る装置／方法の
動作原理の説明図である。

【図４】 この発明の実施の形態１に係る装置／方法に
よる変調トンネル電流波形である。

【図５】 この発明の実施の形態１に係る装置／方法に
よる、変調周波数を変えたときのトンネル電流振幅ΔＩ
のグラフである。

【図６】 この発明の実施の形態１に係る装置／方法に
よる電流振幅ΔＩの二次元分布像の模式図である。

【図７】 この発明の実施の形態１に係る装置／方法に
よる電流振幅ΔＩの二次元分布像の実例である。

【図８】 この発明の実施の形態２に係る非発光再結合
センターを例にした光吸収物質の観察方法のフローチャ
ートである。

【図９】 この発明の実施の形態１に係る装置／方法に
よる、波長を変えたときのトンネル電流振幅ΔＩのグラ
フである。

【図１０】 従来の走査型プローブ顕微鏡の機能ブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１ 走査型プローブ顕微鏡 ２ フィードバック回路 ３ ロックインアンプ ４ ハロゲンランプ ５ レンズ ６ チョッパー ７ モノクロメーター ８ 光ファイバ ９ 集光レンズ １０ 試料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F063 AA02 AA43 BB06 DA01 DA30 DB05 DD02 EA16 EB23 FA07 JA10 LA07 LA11 2F069 AA12 AA60 BB15 BB40 DD30 GG04 GG06 GG07 GG52 GG62 HH02 HH30 JJ07 JJ14 LL03 NN09 QQ05 QQ11

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に近接して設けられる探針と、前記
   探針が前記試料の表面に近づいたときに生じるトンネル
   電流を受けて前記トンネル電流を一定に保持するように
   前記探針と前記試料間の距離を制御する負帰還制御器
   と、光源と、前記光源の出射光を所定の時間間隔で透過
   させる変調器と、前記光源の出射光から所定の波長の光
   を取り出す分光器と、前記分光器の出射光を前記試料に
   照射する照射手段と、前記変調器の変調信号と同期をと
   ることにより前記トンネル電流の振幅を検出して出力す
   る増幅器と、を備える走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記増幅器の出力に基づき前記試料にお
   ける光吸収物質を検出する検出部を備え、前記検出部は
   前記試料中の光吸収物質における光吸収にともなう光熱
   膨張効果を利用して検出を行う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. 【請求項３】 前記検出部は、トンネル電流振幅が通常
   のトンネル電流振幅よりも大きいときに光吸収物質と判
   定することを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ
   顕微鏡。
4. 【請求項４】 前記増幅器の出力に基づき二次元分布画
   像を生成する画像処理部を備え、前記検出部は、前記二
   次元分布画像においてコントラストの高い部分を光吸収
   物質と判定することを特徴とする請求項２記載の走査型
   プローブ顕微鏡。
5. 【請求項５】 前記検出部は、前記変調器の変調周波数
   を増加させたときに、トンネル電流振幅が小さくなり、
   かつ前記二次元分布画像におけるコントラストの高い部
   分が縮小するときに光吸収物質と判定することを特徴と
   する請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記増幅器の出力に基づき前記試料にお
   ける光吸収物質を検出する検出部を備え、前記検出部は
   前記試料中の光吸収物質における光の照射に伴うチャー
   ジの変化を利用して検出を行う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。
7. 【請求項７】 前記増幅器の出力に基づき前記試料にお
   ける光吸収物質を検出する検出部を備え、前記検出部は
   前記試料中の光吸収物質における光の照射に伴う試料収
   縮を利用して検出を行う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。
8. 【請求項８】 前記増幅器の出力に基づき前記試料にお
   ける光吸収物質を検出する検出部を備え、前記検出部は
   前記試料中の光吸収物質における光の照射に伴う温度上
   昇が双安定性欠陥の準安定構造での滞在時間を増加させ
   ることによる変位を利用して検出を行うことを特徴とす
   る請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. 【請求項９】 前記分光器は、予め定められた範囲にお
   いて取り出す波長を走査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。
10. 【請求項１０】 変調された所定の波長の光を試料に照
    射するステップと、 前記試料の光吸収物質付近の表面で熱膨張変位を生じさ
    せるステップと、 前記試料に探針を近接させ、前記探針が前記試料の表面
    に近づいたときに前記熱膨張変位によって生じるトンネ
    ル電流を変調信号と同期をとることにより前記トンネル
    電流の振幅を検出して出力するステップと、 前記トンネル電流の振幅に基づき前記試料における光吸
    収物質を検出するステップとを備える光吸収物質の検出
    方法。
11. 【請求項１１】 変調された所定の波長の光を試料に照
    射するステップと、 前記試料の光吸収物質付近の表面で光の照射に伴うチャ
    ージの変化を生じさせるステップと、 前記試料に探針を近接させ、前記探針が前記試料の表面
    に近づいたときに前記光の照射に伴うチャージの変化に
    よって生じるトンネル電流を変調信号と同期をとること
    により前記トンネル電流の振幅を検出して出力するステ
    ップと、 前記トンネル電流の振幅に基づき前記試料における光吸
    収物質を検出するステップとを備える光吸収物質の検出
    方法。
12. 【請求項１２】 変調された所定の波長の光を試料に照
    射するステップと、 前記試料の光吸収物質付近の表面で光の照射に伴う試料
    収縮を生じさせるステップと、 前記試料に探針を近接させ、前記探針が前記試料の表面
    に近づいたときに前記光の照射に伴う試料収縮によって
    生じるトンネル電流を変調信号と同期をとることにより
    前記トンネル電流の振幅を検出して出力するステップ
    と、 前記トンネル電流の振幅に基づき前記試料における光吸
    収物質を検出するステップとを備える光吸収物質の検出
    方法。
13. 【請求項１３】 変調された所定の波長の光を試料に照
    射するステップと、 前記試料の光吸収物質付近の表面で光の照射に伴う温度
    上昇が双安定性欠陥の準安定構造での滞在時間を増加さ
    せることによる変位を生じさせるステップと、 前記試料に探針を近接させ、前記探針が前記試料の表面
    に近づいたときに前記変位によって生じるトンネル電流
    を変調信号と同期をとることにより前記トンネル電流の
    振幅を検出して出力するステップと、 前記トンネル電流の振幅に基づき前記試料における光吸
    収物質を検出するステップとを備える光吸収物質の検出
    方法。
14. 【請求項１４】 変調された所定の波長の光を試料に照
    射するステップと、 前記試料の光吸収物質を直接励起するステップと、 前記試料に探針を近接させ、前記探針が前記試料の表面
    に近づいたときに生じるトンネル電流を変調信号と同期
    をとることにより前記トンネル電流の振幅を検出して出
    力するステップと、 予め定められた範囲において前記光の波長を走査しつつ
    上記ステップを繰り返すステップと、 前記トンネル電流の振幅と波長の特性を求めるステップ
    とを備える顕微分光方法。