(57)【要約】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。何らかの原因でバンドベンディング（ＢＢ）している半導体表面に禁制帯幅以上のエネルギーの光を照射すると、生成した光キャリアはＢＢに起因する電場によってドリフトし、ＢＢを低下させるような電荷分離が起こる。このＢＢの低下量を表面光起電力（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｈｏｔｏ　Ｖｏｌｔａｇｅ＝ＳＰＶ）と呼ぶ。ＳＴＭで観察する試料にＳＰＶが発生すると、探針―試料間にかかるバイアス電圧に実効的にＳＰＶが加わり、トンネル電流が変化する。変調器１２でバイアス電圧を変調して表面電場を変調すると、これによってバンド構造が変調される。このときバンド間遷移を起こす光を連続的に照射すると、光照射に伴い発生するＳＰＶは電場変調に同期して変化する。従って、連続光の波長の関数としてトンネル電流変調信号の振幅を測定すると、バンド深部の電子構造を調べる手段として広く使われているＥＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）法と同様のスペクトルが得られる。
2002023159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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、前記試料の表面の電場を変調するための表面電場変調手段と、前記変調手段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、前記試料に照射される光は禁制帯幅以上のエネルギーを有する走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記照射手段は、所定波長の光を集光させる集光光学系を備え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。
【請求項３】
前記表面電場変調手段は、前記試料にバイアス電圧を加えるバイアス電源と、前記バイアス電圧を変調する変調器とを備え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。
【請求項４】
前記表面電場変調手段は、第２の光源と、前記第２の光源の出射光を所定の時間間隔で透過させる光変調器と、前記第２の光源の出射光から所定の波長の光を取り出す第２の分光器と、前記第２の分光器の出射光を前記試料に照射する第２の照射手段とを備え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。
【請求項５】
前記表面電場変調手段は、試料の禁制帯幅以上のエネルギーを有する光を発するレーザーと、前記レーザーの出射光を所定の時間間隔で透過させる光変調器と、前記レーザーの出射光を前記試料に照射する第２の照射手段とを備え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。
【請求項６】
前記表面電場変調手段は、試料の禁制帯幅以上のエネルギーを有する光を発するレーザーと、前記レーザーを所定の時間間隔で断続的に発振させる電源と、前記レーザーの出射光を前記試料に照射する第２の照射手段とを備え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。
【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。
【請求項８】
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係数が電場変調を受けていると判定することを特徴とする請求項７記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
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の光吸収係数が電場変調を受けていると判定することを特徴とする請求項７記載の走査型ブローブ顕微鏡。
【請求項１０】
前記分光器は、予め定められた範囲において前記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。
【請求項１１】
禁制帯幅以上のエネルギーを有する所定の波長の光を試料に照射するステップと、
前記試料の表面の電場を変調するステップと、
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物質のバンド構造を検出するステップとを備える物質のバンド構造の測定方法。
【請求項１２】
禁制帯幅以上のエネルギーを有する所定の波長の光を試料に照射するステップと、
前記試料の表面の電場を変調するステップと、
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。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）及びこれを用いた物質のバンド構造の測定方法並びに顕微分光方法に関し、特に、ＥＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）法やＰＲ（Ｐｈｏｔｏ−Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）法における反射光強度のかわりにトンネル電流を測定して空間分解能を著しく改善した、新規なＳＴＭ−ＥＦＭＳ（ＳＴＭ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｆｉｅｌｄ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）に関する。
背景技術
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　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，以下「ＳＴＭ」と記す）が知られている。
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。　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。
ＳＴＭの従来技術について説明する。図８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。
図８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ある。５３は探針制御用アクチュエータで、図示しないＸＹ走査信号発生回路によって探針５１をＸＹ軸方向に走査し、Ｚ軸方向に移動させる。５４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　Ｉｍａｇｅ）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。
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、又は電流電圧変換回路５５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。
ところで、結晶に電場を加えると、図９のようにバンドが傾き、バンド端からの波動関数の浸み出しにより吸収端よりも低いエネルギーの光子でも光吸収が起こることが知られている（Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｉｓｈ効果）。このような見かけのバンド構造の変形は吸収端以外でも起こり、電場によって光の吸収係数αに図１０（ａ）のような振動的変化が誘起される。電場変調した表面にさらに連続光を照射し、光反射率（光吸収係数）の変調成分を掃引波長の関数として測定すると、図１０（ｂ）のようにバンド構造の特異点に対応して鋭いスペクトル構造が現れる。これを利用したＥｌｅｃｔｒｏ−Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ＝ＥＲ法やＰｈｏｔｏ−Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ＝ＰＲ法［Ｄ．Ｅ．Ａｓｐｎｅｓ，Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｎ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　ｖｏｌ．２，ｅｄ．Ｂｙ　Ｔ．Ｓ．Ｍｏｓｓ（Ｎｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌａｎｄ，Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，１９８０）ｐ．１０９．］は、バンド端からバンド深部にわたる電子構造を調べる手段として広く使われている。
さて、同じ原理にもとづいて、ＳＴＭ探針を使って局所的に電場変調を行い顕微的にＥＲ測定をする方法が可能であるように思えるかもしれない。しかし、マクロな反射光の極めて微小な変化を検出するのは、Ｓ／Ｎ比の点でほとんど不可能である。
発明の開示
そこで、この発明は、反射光強度のかわりにトンネル電流を測定してＳ／Ｎ比を桁違いに稼ぐことにより、きわめて高い空間分解能を得ることができる装置／方法を提供することを目的とする。これが、新規なＳＴＭ−ＥＦＭＳ（ＳＴＭ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｆｉｅｌｄ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）あるいはＳＰＭ−ＥＦＭＳである（走査プローブ顕微鏡でもトンネル電流を測定できるタイプ、例えば、導電性プローブを備えるものには適用可能である）。この装置／方法は、例えば、半導体のバンド構造をナノスケールで測定したり、半導体中の欠陥によるバンド構造変化をナノスケールで直接検出したり、より一般的には光吸収物質をナノスケールで検出するために用いられる。
半導体素子が複合化・微細化するにつれ、１００ｎｍ以下の分解能で、素子内に混在する異物質を検出・同定し、所望の組成・バンド構造が実現しているか否か、欠陥など予期しない構造が局所的に存在しないか、など半導体の製造工程で評価する必要性、もしくは製造後の半導体を検査し構造的欠陥を発見する必要性が増大している。
局所的バンド構造測定の必要性は、例えば半導体井戸構造や超格子における各層の禁制帯幅の測定、拡散による層境界のぼけの評価、結晶欠陥による歪みの評価などにおいてある。
従来このような局所バンド構造を測定する手段として、カソードルミネッセンス法があるが、分解能は少数キャリアの拡散長で決まり、一般に１ミクロン程度と高くない。
従来このような局所バンド構造を測定する手段として、走査トンネル分光法（ＳＴＳ）があり、ナノスケールの測定が可能である。しかし、ＳＴＳのスペクトル形状は探針の状態に敏感に依存し、またエネルギー位置が真の値とずれるなど、測定結果の解釈に不確実性があり、また実験を制御してこれを除くことも困難であることが多いという欠点がある。
この発明は、係る課題を解決するためになされたもので、半導体のバンド構造をナノスケールで測定したり、半導体中の異物質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物質のバンド構造の測定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。
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、前記試料の表面の電場を変調するための表面電場変調手段と、前記変調手段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。
この発明に係る物質のバンド構造の測定方法は、
禁制帯幅以上のエネルギーを有する所定の波長の光を試料に照射するステップと、
前記試料の表面の電場を変調するステップと、
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物質のバンド構造を検出するステップとを備える。
この発明に係る顕微分光方法は、
禁制帯幅以上のエネルギーを有する所定の波長の光を試料に照射するステップと、
前記試料の表面の電場を変調するステップと、
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。
発明を実施するための最良の形態
以下では、光吸収物質を便宜上「異物質」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ＳＴＭ−ＥＦＭＳ（ＳＴＭ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｆｉｅｌｄ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）の構成図である。
符号１は超高真空走査トンネル顕微鏡（ＵＨＶ−ＳＴＭ）である。なお、本発明の実施の形態はＵＨＶ−ＳＴＭ以外にも適用できる。例えば、グラファイトのような不活性表面ならば空気中でも測定可能であり、高真空を必要としない。符号２はフィードバック回路である。ＵＨＶ−ＳＴＭ１は、図８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８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。
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。
符号１１は探針―試料間にバイアス電圧を加えるための直流電源、符号１２はバイアス電圧を適当な振幅と周波数で変調させるための変調器である。
符号３はロックインアンプ、符号４は光源である白色ランプ、符号５はレンズ、符号７は白色ランプ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、変調されたバイアス電圧を参照信号としてトンネル電流信号Ｉｔを取り込み、電流振幅信号として出力する。
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。
図１の装置は、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、変調されたバイアス電圧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、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、バイアス電圧を変調するための変調器１２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）中のバンド構造をナノスケールで直接検出することができる。
次に、図１の装置の動作について説明する。
何らかの原因でバンドベンディング（ＢＢ）している半導体表面に禁制帯幅以上のエネルギーの光を照射すると、生成した光キャリアはＢＢに起因する電場によってドリフトし、ＢＢを低下させるような電荷分離が起こる。このＢＢの低下量を表面光起電力（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｈｏｔｏ　Ｖｏｌｔａｇｅ＝ＳＰＶ）と呼ぶ。ＳＴＭで観察する試料にＳＰＶが発生すると、探針―試料間にかかるバイアス電圧に実効的にＳＰＶが加わり、トンネル電流が変化する。いっぽう適当な方法で（例えば、図１に示すように変調器１２でバイアス電圧を変調して）表面電場を変調すると、これによってバンド構造が変調される。このときバンド間遷移を起こす光を連続的に照射すると、連続光照射に伴い発生するＳＰＶは電場変調に同期して変化する。従って、連続光の波長の関数としてトンネル電流変調信号の振幅を測定すると、ＥＲと同様のスペクトル（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｆｉｅｌｄ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ＝ＥＦＭＳスペクトル）が得られる。
その手順を図２のフローチャートに示す。
Ｓ１：例えば、表面光起電力の発生に必要な表面バンドベンディングを人為的に誘起するため、探針―試料間に適当な極性と大きさをもった直流バイアス電圧を加える。
Ｓ２：バイアス電圧を変調する。これにより、試料表面電場がバイアスに同期し、従ってバンド構造がバイアスに同期して変化する。
Ｓ３：バンド間遷移を起こす光を連続的に照射する。これにより発生するＳＰＶ（Ｓｕｒｆａｃｅ　ＰｈｏｔｏＶｏｌｔａｇｅ：表面光起電力）がバイアス変調に同期して変化する。
Ｓ４：連続光の波長の関数としてトンネル電流変調信号の振幅を測定する。具体的には、変調トンネル電流波形をバイアス電圧でロックイン検波して得た電流振幅ΔＩを求める。
Ｓ５：バンド構造の特異点に対応して鋭いスペクトル構造が現れるＥＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）と同様のスペクトルを得る。
Ｓ６：異物質の判定
異物質がない場合は、スペクトルは場所によらず一様である。異物質がある場合はスペクトルがその周りと異なる。なお実際の測定例については、下記の発明の実施の形態２で説明する。
さらに、電流振幅ΔＩの二次元分布像を求めてもよい。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ΔＩの二次元分布像を求める。ある適当な波長に固定して二次元分布像を測定することにより、異物質の有無及びその位置を判定する。
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、ＳＴＭ探針を用いて半導体中のバンド構造（あるいは異物質や構造不整・欠陥）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μｍ前後の空間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空間分解能で検出できる。
また、この発明の実施の形態１の装置／方法によれば、ＧａＡｓへき開面のように表面バンドベンディングが起こっておらず、そのままではＳＰＶが発生しないため変調分光が適用できないような試料表面に対しても、探針―試料間バイアスによって人為的に表面バンドベンディング（Ｔｉｐ−ｉｎｄｕｃｅｄ　Ｂａｎｄ　Ｂｅｎｄｉｎｇ＝ＴＩＢＢ）を起こさせることにより、変調分光測定が可能となる。
発明の実施の形態２．
上記発明の実施の形態１では、バンド構造を変調するために探針のバイアス電圧を変調したが、これに代えて、試料にギャップエネルギー以上の単色光（例えばレーザー光）を照射してＳＰＶ（本発明の実施の形態で本質的な役割をする連続光で誘起されるＳＰＶと混同しないようにされたい）を発生させてもよい。この単色光を断続照射して表面電場変調を起こさせる。これはＰｈｏｔｏ−Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ＝ＰＲ法と同じであり、この場合、電場変調は一様で、空間分解能は検出系＝トンネル電流プローブだけで実現している。
発明の実施の形態２の装置の構成例を図３に示す。図３の装置は、図１の装置のバイアス電源１１の変調器１２に代えて、チョッパー６を含む第２の照射光学系を備える。
図３において、符号４ａは第１の光源である白色ランプ、符号５ａはレンズ、符号６ａは光線を一定間隔で断続するチョッパー（ｃｈｏｐｐｅｒ）、符号７ａは白色ランプ４ａの光から特定の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８ａはモノクロメーター７ａからの光を導く光ファイバ、符号９ａは光ファイバ８ａ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、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、電流振幅信号として出力する。
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。
また、照射光の断続周波数は、光照射に伴う探針の熱膨張収縮によるトンネル電流変化を小さくするよう十分高くする。
この発明の実施の形態２の装置／方法によれば、探針―試料間バイアスによって人為的に表面バンドベンディング（ＴＩＢＢ）を起こさせることにより、光変調分光測定が可能となる利点がある。
この発明の実施の形態では、試料にギャップエネルギー以上の単色光を照射してＳＰＶを発生させ、この単色光をチョップして表面電場変調を起こさせる。さらに分光した連続光を試料に照射し、トンネル電流変調成分ΔＩを照射光波長の関数として測定する。試料には、例えば、ｎ−ＧａＡｓ基板上にＭＢＥ低温成長したホモエピタキシャル膜を超高真空へき開した得た（１１０）断面を用い、ＳＰＶを発生させるためにサンプルバイアス電圧Ｖｓ＞０にしＴＩＢＢを誘起した状態に保って、室温で測定を行う。
その手順を図４のフローチャートに示す。
Ｓ１１：例えば、試料にレーザー光を照射してＳＰＶ（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｈｏｔｏ　Ｖｏｌｔａｇｅ：表面光起電力）を発生させ、このレーザー光をチョップして表面電場変調を起こさせる。
なお、レーザー光に代えて図３に示されたモノクロメータを通して得た単色光を用いてもよい。一般的には、レーザーを含め、試料のバンドギャップ以上のエネルギーの光であればここで用いることができる。ただし、ある程度強い光であることが望ましい。他方、あまりにも強いとチョッピングに伴い探針が熱膨張と収縮を繰り返し、ＥＦＭＳスペクトルのバックグラウンドが上昇してしまう。これを抑えるためには、前述のように変調周波数の熱膨張の応答周波数（約１ｋＨｚ）より高くするとよい。
Ｓ１２：バンド間遷移を起こす光を連続的に照射する。これにより照射波長に依存して付加的に発生するＳＰＶが電場変調に同期して変化する。
Ｓ１３：連続光の波長の関数としてトンネル電流変調信号の振幅を測定する。具体的には、変調トンネル電流波形をバイアス電圧でロックイン検波して得た電流振幅ΔＩを求める。
Ｓ１４：バンド構造の特異点に対応して鋭いスペクトル構造が現れるＰＲ（Ｐｈｏｔｏ−Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）と同様のスペクトルを得る。
Ｓ１５：異物質の判定
図５は、基板部に探針を固定して測定したＥＦＭＳスペクトルの一例である。光子エネルギーに依存しないバックグラウンドは断続照射したレーザー光によるものである。図５には、スピン・軌道相互作用により分裂したＧａＡｓのバンド端の構造が明瞭に観測される。図６はサンプルバイアス電圧Ｖｓを変えて測定したＥＦＭＳスペクトルである。Ｖｓの増大に伴い信号は強くなるが、バンド端の位置は変化しない。サブバンドギャップには振動構造が現れるのも観測される。
図７は、エピ膜と基板の界面付近で、波長をバンド端に固定しながら探針を走査して得た変調信号像（便宜的にＥＦＭＳ像と呼ぶ）（図７（ａ））と、同時に記録したＳＴＭトポグラフ像である（図７（ｂ））。界面に存在する非常に乱れた界面層で、ＥＦＭＳ像のコントラストが異なることが分かる。図７（ａ）で界面層内にコントラストのムラが観察されるが、この原因の一部はバンドギャップＥｇ（ＥＦＭＳスペクトルで測定）が基板と異なる場所があることに起因する。それぞれのムラの大きさはナノメートルスケールで、ＥＦＭＳ像の空間分解能が非常に高いことが分かる。
図６において、Ｖｓの増大に伴い信号が強くなる理由は、ＴＩＢＢの増大→断続光で誘起されるＳＰＶ変調の増大→バンド構造の変調度の増大→電流変調幅の増大、を考えればよく理解できる。サブバンドギャップ振動構造はヘテロエピ膜で良く観測されるものと似ているが、普通その原因は膜の表裏で反射する光の干渉効果に帰せられている［Ｎ．Ｋａｌｌｅｒｇｉ，Ｂ．Ｒｏｕｇｈａｎｉ，Ｊ．Ａｕｂｅｌ　ａｎｄ　Ｓ．Ｓｕｎｄａｒａｍ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６８，０４６５６（１９９０）］。本発明の実施の形態のような断面観察で同様な説明が可能かどうかは、Ｒｅｄ　Ｓｈｉｆｔの原因も含めて今後の課題である。
ＳＴＭ−ＥＦＭＳは、バンドギャップをナノスケールで測定できる意味で、物質の顕微分析など広い応用を持った新手法として期待できる。
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。
なお、以上の説明においては原子配列構造の違いによるバンド構造の差異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、対象はこのような例に限定されない。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ＳＴＭに、従来なかった元素分析機能を付与するものである。
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。
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。
以上のように、この発明に係る新規なＳＴＭ−ＥＦＭＳ（ＳＴＭ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｆｉｅｌｄ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によれば、半導体のバンド構造をＳＴＭの針を使いｎｍオーダーの高分解能で測定することができる。この発明は、いわゆる走査トンネル分光（ＳＴＳ）とは異なり、バンドの深部構造をエネルギー分解能も高く、また信頼性・再現性をもって測定できる。この発明は、例えば、半導体の分析に広く適用できる。この発明は、ＳＴＳのような解釈上のあいまいさが生じない。
産業上の利用可能性
この装置／方法は、例えば半導体の検査装置に応用される。
【図面の簡単な説明】
図１は、この発明の実施の形態１に係る装置の機能ブロック図である。
図２は、この発明の実施の形態１に係る観察方法のフローチャートである。
図３は、この発明の実施の形態２に係る装置の機能ブロック図である。
図４は、この発明の実施の形態２に係る観察方法のフローチャートである。
図５は、この発明の実施の形態２に係る装置／方法により測定したＥＦＭＳスペクトルの一例である。
図６は、この発明の実施の形態２に係る装置／方法により測定したＥＦＭＳスペクトルである。
図７は、エピ膜と基板の界面付近で、波長をバンド端に固定しながら探針を走査して得たＥＦＭＳ像（図７（ａ））と、同時に記録したＳＴＭ像である（図７（ｂ））。
図８は、従来の走査型プローブ顕微鏡の機能ブロック図である。
図９は、Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｉｓｈ効果の説明図である。
図１０は、電場変調分光（ＥＲ）の原理の説明図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７（ａ）】
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【図７（ｂ）】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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