(57)【要約】  【課題】材料表面近傍における微小な同一領域における材料の電気的・光学的特性を測定する方法として、光励起による発光、または電流励起による発光を測定する方法等が知られているが、同一微小領域に対してこれら両測定を実施することは極めて困難であった。このため、同一装置でプローブ位置を変えることなくこれらの測定を可能にする装置の実現を目的とした。  【解決手段】先端が光透過性と導電性とを有するプローブと、照射光と試料が発光した光とを導光する光伝送路を有し、照射光の試料への入射系と反射系および試料が発光した光をこれら照射系の光から分離し光検出器に導光する光学系と不要光波長成分を除去する光バンドパス・フィルタとを有する光分波器を上記光伝送路の途中に挿入した構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が光透過性と導電性とを有するプローブを有し、
該プローブの先端は被測定試料表面の直近に配置され、
かつ、前記プローブと前記被測定試料表面との間に所定の電位を与えるための電圧を印加する電源を有し、
前記所定の電位の印加により発生した前記被測定試料表面の光を検出する光検出器を有し、
前記プローブと前記光検出器とは光伝送路により光学的に接続されており、
前記被測定試料表面の所定の領域に光を照射する照射光源と、
該照射光源からの光を前記被測定試料表面に導光し、該照射光源からの光により発生した前記被測定試料表面の材料情報を含む信号光を前記光検知器に選択的に導光する光分波器とを有し、
前記光伝送路を第１および第２の光伝送路に２分割し、該第１の光伝送路の１端を前記プローブに他端を前記光分波器の第１のコネクタにそれぞれ接続し、該第２の光伝送路の１端を前記光分波器の第２のコネクタに他端を前記光検知器に接続し、前記照射光源を第３の光伝送路を介して前記光分波器の第３のコネクタに接続し、
前記光分波器は、前記信号光の光成分の中から前記照射光源の光成分を選択的に低減する光バンドパス・フィルタと、前記照射光源からの光を前記プローブに導光する光伝送路とを有していることを特徴とするプローブ型光測定装置。
【請求項２】
プローブ電流励起による発光を測定する場合に、照射光による発光が生じることがないように照射光源の光強度を低減または停止させる機能を有することを特徴とする請求項１に記載のプローブ型光測定装置。
【請求項３】
照射光励起による発光を測定する場合に、プローブ電流励起による発光が生ずることがなく、かつ安定なプローブ走査を確保できるようにプローブ電流あるいはプローブバイアス電圧を低減または零とする機能を有することを特徴とする請求項１に記載のプローブ型光測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料表面近傍の微小な同一領域に光の照射や電流の注入を行うことにより、当該材料の微小領域における電気的・光学的特性を高精度・光分解能で測定するプローブ型光測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、物質のナノメータサイズ領域の特性を利用した、いわゆるナノテクノロジーが進展している。半導体分野では量子構造等の研究開発がすでに進んでいるが、近年では微小電子回路への応用が期待されるカーボンナノチューブや、フラットパネルディスプレー等への使用が期待される有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）材料、あるいは生体への適用が期待されるバイオ材料等が注目されている。このような構造や材料の開発や性能改善等には原子・分子からナノメータサイズの微小領域における電気的・光学的特性を精密に測定することが重要である。これらの特性は、微小領域における光照射や電流注入によって試料の情報を持って生じる散乱光や発光等の光（以下、信号光と呼ぶ）を測定することによって調べることができる。そのため、個々の単一原子や分子あるいはナノ構造の光特性や電気特性を測定できる極限的に高い空間分解能を持ち、かつ分光や画像化ができる光測定装置が強く求められていた。
【０００３】
光照射や電流注入により信号光を検出する方法では、試料の信号光の発生過程によってそれぞれ多くの手法に分類されている。たとえば、光照射ではフォトルミネッセンス（ＰＬ：Photoluminecsence）やラマン散乱等、電流注入ではカソードルミネッセンス（ＣＬ：Cathodeluminescense）やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ：Electroluminescense）等である。ただし、これらは光の照射あるいは電流の注入によって信号光が生じるという点では同じであるが、以下の説明において光の発生過程の区別をする場合は、それぞれ光照射光測定および電流注入光測定と総称することにする。
【０００４】
従来から、光測定の空間分解能や測定領域に光の波長サイズよりも小さいナノメータレベルが要求される場合には、光の波長サイズより小さな微小開口を持つプローブから光を照射する走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）（例えば参考文献１）や導電性プローブから微小領域へ電流を注入するトンネル発光顕微鏡（ＴＬ）（例えば参考文献２）がそれぞれ使用されていた。
【０００５】
トンネル発光顕微鏡（ＴＬ）装置では集光効率を改善するため、光を収集する機能と電流を供給する機能とを合わせ持つ導電透明プローブが用いられている。この導電透明プローブは光ファイバの先端を先鋭化して、その表面に導電加工したものである。この導電透明プローブを用いれば、プローブ先端から試料の微小領域に大きな電流を注入し、それによって試料から発せられた光を光源の直近に位置する同じプローブ先端で高効率に受光することができる。そのため、トータルで高効率の光測定が可能である。（例えば参考文献３）
光照射光測定と電流注入光測定にはそれぞれ特徴がある。光照射の場合、通常の照射光源で利用できるレーザ光は紫外線から赤外線にわたる領域にあり、エネルギーの単色性は非常に高いが調整可能なエネルギー範囲が１〜３電子ボルト（ｅＶ）程度とわずかなため、数ｅＶの範囲にわたる物質のエネルギー帯にわたって広範囲に同調させることは困難である。一方、電流注入の場合、電流のエネルギーの単色性はあまり高くないが、バイアス電圧の調整により電流のエネルギーをほとんどの物質のエネルギー帯が存在する０〜１０ｅＶ程度の範囲にわたって容易に同調できる。さらに高いエネルギーも簡単に与えることができる。
【０００６】
また、電流注入の場合、原子レベルが高い空間分解能を持つモホロジー（ＳＴＭ像）像と光像とを同時に取ることが可能である。したがって、同一点で光照射と電流注入で生じる信号光の両方を相補的に測定できる装置が実現できれば、原子からナノメータレベルの微小領域で物質の多様な特性を精密に測定することが可能となる。  
ところが、現状では電流注入で生じる信号光を測定するＴＬ装置と光照射で生じる信号光を測定するＳＮＯＭ装置はそれぞれ独立した別の装置となっており、両方の測定を同一微小位置について高効率で両立できる装置はなかった。別々の装置では同じ微小領域を測定することは極めて困難である。そのため、電流注入光測定と光照射光測定との両方の動作を同一装置で可能とする高効率のプローブ型光測定装置の実現が求められていた。
【０００７】
【非特許文献１】R.  Toledo-Crow,  P.  C.  Yang,  Y.  Chen,  and  M.  Vaez-Iravani,  “Near-field  differential  scanning  optical  microscope  with  atomic  force  regulation”  Appl.  Phys.  Lett.  60  (24),  15  June  1992
【非特許文献２】村下  達、「探針集光型トンネル電子発光顕微鏡による半導体ナノメートル領域評価」応用物理  第70巻  第10号  2001
【非特許文献３】T.  Murashita,  “Novel  conductive  transparent  tip  for  low-temperature  tunneling-electron  luminescence  microscopy  using  tip  collection”  J.  Vac.  Sci.  Technol.  B  15(1),  Jan/Feb  1997
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする主要な技術的課題は、試料の同一領域で電流注入で生じる信号光と光照射で生じる信号光との両方の測定を可能にするＴＬ装置の新しい装置構成を実現することにある。すなわち、本発明の目的は導電透明プローブの性質を活用して、同一の装置で同一の微小領域において確実かつ容易に電流注入光測定と光照射光測定との両方を行うことができるプローブ型光測定装置を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために同一プローブで光照射および電流注入の両方法で信号光の発生と検出を可能とする構成としている。このため、
請求項１においては、先端が光透過性と導電性とを有するプローブを有し、該プローブの先端は被測定試料表面の直近に配置され、かつ、前記プローブと前記被測定試料表面との間に所定の電位を与えるための電圧を印加する電源を有し、前記所定の電位の印加により発生した前記被測定試料表面の光を検出する光検出器を有し、前記プローブと前記光検出器とは光ファイバ等の光伝送路により光学的に接続されており、前記被測定試料表面の所定の領域に光を照射する照射光源と、該照射光源からの光を前記被測定試料表面に導光し、該照射光源からの光により発生した前記被測定試料表面の材料情報を含む信号光を前記光検知器に選択的に導光する光分波器とを有し、前記光伝送路を第１および第２の光伝送路に２分割し、該第１の光伝送路の１端を前記プローブに他端を前記光分波器の第１のコネクタにそれぞれ接続し、該第２の光伝送路の１端を前記光分波器の第２のコネクタに他端を前記光検知器に接続し、前記照射光源を第３の光伝送路を介して前記光分波器の第３のコネクタに接続し、前記光分波器は、前記信号光の光成分の中から前記照射光源の光成分を選択的に低減する光バンドパス・フィルタと、前記照射光源からの光を前記プローブに導光する光伝送路とを有するプローブ型光測定装置について規定している。
【００１０】
請求項２においては、プローブ電流励起による発光を測定する場合に、照射光による発光が生じることがないように照射光源の光強度を低減または停止させる機能を有する請求項１に記載のプローブ型光測定装置について規定している。
【００１１】
請求項３においては、照射光励起による発光を測定する場合に、プローブ電流励起による発光が生ずることがなく、かつ安定なプローブ走査を確保できるようにプローブ電流あるいはプローブバイアス電圧を低減または零とする機能を有する請求項１に記載のプローブ型光測定装置について規定している。
【発明の効果】
【００１２】
以上述べたように、本発明においては、先端部が透明で導電性を有するプローブと光検出器および照射光源を設置し、これらを結ぶ光伝送系の経路中に照射光のみを反射または減衰させ、信号光を低損失で透過させる光バンドパス・フィルタを設置する構成とすることにより、試料上の任意の同一微小領域において光照射で生じる信号光と電流注入で生じる信号光との両方の測定を同一プローブで効率良く実行することを可能にしている。
【００１３】
本発明によるこの構成により、試料上の同一の微小領域において光照射で生じる信号光と電流注入で生じる信号光との両信号光を、プローブを交換することなく同一プローブで検出することを可能としている。この際、プローブを交換したり試料を移動したりすることがないので、両者の測定位置をナノメータ以下の精度で正確に重ねることができる。また、測定位置を試料上の任意の位置へ移動させてもプローブから電流を注入する位置と、光を照射する位置とは常に同一位置で重なるので、各測定毎のプローブ位置調整が不要で正確かつ迅速な測定が実現できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。図１は本実施の形態における装置構成を説明する図である。図１において、１はプローブ、２は試料、３は容器、４ａ、４ｂおよび４ｃはそれぞれ光ファイバ、５は照射光源（レーザ）、６は光検出器、７は光分波器、８はハーフミラー、９は光バンドパス・フィルタ、１０は照射光となるレーザ光、１１は信号光、１２は電流注入のプローブ電流、１３はプローブバイアス用電源、１４は照射光１０が試料２の表面で反射された照射光１０の反射成分である。
【００１５】
プローブ１はピエゾ効果を有する材料等を用いた特に図示しないが精密駆動機構に搭載され、この精密駆動機構は容器３に固定されている。プローブ１の先端は試料２上の直近に配置してある。  
プローブ１の後端には、光伝送用の光ファイバ４ａが取り付けられている。一方、容器３の外には照射光源５となるレーザと光検出器６が設置されている。光検出器６は図示しないが分光器と光電変換器等とから構成されている。光検出器６および照射光源５には光の入出力用として光ファイバ４ｂおよび４ｃがそれぞれ接続されている。
【００１６】
プローブ１、光検出器６および照射光源５に接続されている光ファイバは光分波器７のコネクタｃ１，ｃ２，ｃ３のそれぞれ対応する位置に接続されている。このようにプローブ１と光検出器６の間の光伝送路中に照射光源５と、照射光１０が光検出器６へ入るのを阻止し、かつ信号光１１を低損失で透過させる機能を持つ光分波器７を設置したことが、本発明の特徴である。
【００１７】
光励起の発光を測定する場合には、光励起発光が生じる程度に強い照射光１０を照射光源５であるレーザからの光で照射する一方で、プローブ電流１２による発光が生じないようにプローブ電流を弱め、あるいはプローブバイアス電源１３の電圧を低くする。なお、ここでプローブバイアス電源１３の極性としては、プローブ１を正極あるいは負極の何れに設定するものであってもよい。  
また、プローブ電流励起の発光を測定する場合は、プローブ電流励起発光が生じる程度に大きなプローブ電流１２で、かつ高いプローブバイアス電源１３の電圧を供給する一方で、照射光１０による発光が生じないように照射光源５におけるレーザ光の強度を低くしたりあるいは停止したりする。
【００１８】
まず、光励起の発光を測定する場合の実施の形態について述べる。  
この場合には光励起発光が生じる程度に強い照射光（レーザ光）１０を照射するとともに、プローブ電流１２による発光が生じないようにプローブ電流１２を弱めあるいはプローブバイアス電源１３の電圧を低くする。また、光分波器７には、プローブ１、照射光源５および光検出器６の３方向に光ファイバを接続するためのコネクタｃ１、ｃ２およびｃ３が取り付けられており、コネクタｃ１にはプローブ１を、コネクタｃ２には光検出器６を、ｃ３には照射光源５をそれぞれ光ファイバ４ａ，４ｂ，４ｃを介して接続する。
【００１９】
コネクタｃ１、ｃ２およびｃ３の延長線が交差する位置および光検出器に向かうコネクタｃ２の前の位置にハーフミラー８と光バンドパス・フィルタ９を設置する。光バンドパス・フィルタ９は照射光を選択的に減衰させ、信号光成分は高効率で透過させる。ハーフミラー８は光路に対して４５°の角度で設置されていて、照射光源５からコネクタｃ３を経由して出射された照射１０はハーフミラー８で反射され直角に光路を曲げられてコネクタｃ１に入る。コネクタｃ１に入った照射光１０は光ファイバ４ａを通ってプローブ１に伝送されプローブ１から試料２に向かって放射される。また、光バンドパス・フィルタ９はコネクタｃ１を経由して導光されてきた信号光１１と、試料２の表面で反射され戻ってきた照射光１０の反射成分１４とが混合した光がコネクタｃ２に入る直前に、この光のうち照射光１０の反射成分１４のみを減衰させ信号光１１の成分を透過させる働きをする。
【００２０】
次に、試料２から発せられた信号光１１はプローブ１で集光され光ファイバ４ａを介してコネクタｃ１に照射光１０である入射光とは逆方向に伝送される。コネクタｃ１から出た信号光１１は特に図示しないが光分波器７内でレンズにより平行光にコリメートされてから直進してハーフミラー８に達する。ハーフミラー８は、反射光の波長に対しては反射率が、信号光１１の波長に対しては透過率が高くなるように設定されているため、信号光１１はハーフミラー８を透過してコネクタｃ２に入り、光ファイバー４ｂを介して光検出器６に至る。
【００２１】
一方、プローブ１からは信号光１１と共に、試料２から反射した照射光１０の反射成分１４の一部も入ってくる。この混入した反射光１４は信号光１１に比べてはるかに強いのでこのまま光検出器６に入れると信号光１１の測定に悪影響を与えるため除去しなくてはならない。試料２で反射してプローブ１を経由して戻ってくる照射光１０の反射成分１４も信号光１１と同様にコネクタｃ１から出てハーフミラー８に到達するが、ハーフミラー８は照射光１０であるレーザ光に対しては高い反射率を持つので、ハーフミラー８によってこの反射成分１４はコネクタｃ３の方向に反射され、コネクタｃ２の方向には透過せず、これにより、信号光１１のみが光検出器６に伝送される。ここで、バンドパス・フィルタ９は前記のようにハーフミラー８を透過した信号光１１以外の不要光成分を除去するためのものである。
【００２２】
ハーフミラー８の効果により信号光１１を主成分とする光がコネクタｃ２に入り、光ファイバ４ｂで光検出器６に導かれる。光検出器６に入った信号光は光検出器６に内蔵の分光器でスペクトルに分光され、高感度の光検出器に入射して測定信号に変換され、測定回路へ送られる。  
一方、電流注入で生じる信号光１１を測定する場合は、レーザ光励起による発光が生じない程度に同じ測定位置でレーザ光の照射を弱めあるいは停止させたのち、信号光１１の強度が十分になるまでプローブバイアス電源１３からのプローブ電流１２を大きくする。この場合、信号光１１は光照射測定の場合と同様にハーフミラー８を透過してコネクタｃ２を経由して光検出器６に入るが、照射光１０は無いので高感度に信号光の検出ができる。すなわち、この光分波器７が組み込まれたプローブ型光測定装置では光照射と電流注入の両方の場合で信号光の高感度の測定が可能となる。
【００２３】
本発明による装置をカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の測定に用いた場合の測定例を以下に説明する。  
ＣＮＴは太さが数ナノメータから数十ナノメータ程度と細く、発光特性は太さや周囲の環境に大きく影響される。一般的にＣＮＴを調べる試料は平坦な基板上に多数のＣＮＴを散布したものである。個々のＣＮＴは太さや層構造などにばらつきがあり、着目した同一のＣＮＴを測定しないと正確な特性は得られない。したがって、同一のＣＮＴに対してＰＬ（フォトルミネッセンス）とＴＬ（トンネル電子ルミネッセンス）を行うにはナノメータ・レベルの精度で位置合わせをしなくてはならない。ところが従来のようにＰＬとＴＬを別々の測定状置で測定した場合には、このような精度の位置合わせは事実上不可能である。例えば、測定されたＰＬスペクトルとＴＬスペクトルの間の関連性は保証されない。
【００２４】
しかし、本発明を用いることによりプローブ１の位置を変えることなくＰＬ測定とＴＬ測定を実行することが可能になる。そのため、測定されたＰＬスペクトルとＴＬスペクトルは同一のＣＮＴに対するものであることが保証される。それゆえその結果を用いて意味のある分析ができる。また、本発明では同一環境で両測定を実施することができるので、別々の装置で測定した時に問題となる試料表面の汚染や試料温度の差異等も生じない利点がある。  
なお、「背景技術」の項で述べたように信号光１１の発生過程としては光照射の場合はフォトルミネッセンスあるいはラマン散乱等があり、電流注入の場合でもカソードルミネッセンス、エレクトロルミネッセンス等があるが、これら発光過程に差があっても、何れも本発明に同様に適用可能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明によるプローブ型光測定装置の構成図。
【符号の説明】
【００２６】
１：プローブ            ２：試料            ３：容器
４ａ：光ファイバ（プローブ−光分波器間）
４ｂ：光ファイバ（光検出器−光分波器間）
４ｃ：光ファイバ（照射光源−光分波器間）
５：照射光源（レーザ光源）            ６：光検出器
７：光分波器        ８：ハーフミラー（バンドパス・フィルタ効果あり）
９：光バンドパス・フィルタ          １０：照射光（レーザ光）
１１：信号光                          １２：プローブ電流
１３：プローブバイアス電源            １４：照射光反射成分
ｃ１，ｃ２，ｃ３：光ファイバのコネクタ
【図１】
2006112988.tif 000003