［研究報告］

SQUID 応用計測システムの開発＊
菊地利雄＊＊、大坊 真洋＊＊＊、田中慎造＊＊

半導体の検査を主目的としたレーザーSQUID 顕微鏡の開発を行っている。非侵襲、非接触の計測が可能であり、高温超伝導 SQUID マグネットメータとレーザーダイオードを組み合わせることにより、空間分解能の向上を図っている。レーザーダイオードに 684、783、809、851nm と複数波長を使用することにより、ｐ−ｎ接合を有する単結晶シリコンの少数キャリア拡散長を精度よく算出することが可能となった。また、太陽電池で多用される多結晶シリコンの結晶粒界を検出することができることも明らかとなった。
キーワード：SQUID、レーザー、顕微鏡、キャリア拡散長

Development of Applied Measurement System Using Laser SQUIDKIKUCHI Toshio, DAIBO Masahiro and TANAKA Shinzou
We have been developing a laser SQUID microscope for mainly evaluation of semiconductors. Itconsists of a high temperature superconductor SQUID magnetometer and laser diodes, which provides
nondestructive measurement as well as the improvement of the resolution. The minority carrier
diffusion length was obtained for p-n junction structure using four laser diodes; 684nm, 783nm, 809nm
and 851nm. We also demonstrated that the laser SQUID microscope detected grain boundary forpoly-crystal silicon.
key words : SQUID, laser, microscope, carrier diffusion length
１ 緒

させることは難しい。したがって、従来の SQUID 顕微鏡

言Interference

では、半導体の検査に使えるようなミクロンレベルの分Device：超伝導量子干渉素子）は、現存する磁気センサ

解能は望めない。そこで、我々は対象物にレーザー光をーの中で最も高い磁気感度を有するため、微弱な電磁気照射することで微少領域に磁場の変化を誘発させ、その現象の計測には効果的なセンサーである。このため、磁場を SQUID で計測する原理のレーザーSQUID 顕微鏡をSQUID は脳磁場や心臓磁場の検出などの先端医療への提案し、開発を進めてきた 1‑7)。ほぼ同時期に PTB8,9)と応用が積極的に研究されている。医療以外の分野では、

NEC10,11)から全く独立に類似の研究が報告され、現在で近年、微少領域の非常に微弱な磁場分布を画像化するも研究が進められている。レーザーと SQUID の組み合わSQUID 顕微鏡が注目されており、超伝導材料中の磁束のせによって、半導体が SQUID の産業応用のよいターゲッ観察やプリント基板の電流分布の計測などに応用されトになったと考えられる。

SQUID （ Superconducting Quantumてきている。

レーザーSQUID 顕微鏡では磁気信号の発生と変調領しかし、SQUID 顕微鏡の室温の対象物に対する空間分域が、最小の場合、レーザースポットサイズとキャリア解能は、数百ミクロンから数ミリ程度でありこの短所が、の拡散長とを加算した程度の距離に限定できるため、適用できる対象の範囲を著しく制限している。一般に

SQUID 顕微鏡の低空間分解能を改善することができる。

SQUID 顕微鏡の空間分解能は、SQUID の受感部のサイズ

また、レーザー光を半導体に照射することで生じる磁場か、SQUID と計測対象物の距離のいずれか大きい方の値を SQUID で計測するため、非接触な計測であり、対象物で決定される。したがって、SQUID 顕微鏡の空間分解能の破壊や汚染が一切ないという長所がある。さらに、アが低い原因は、センサーである SQUID の超伝導状態を保クティブ型の計測なので、ノイズ除去が容易となり、簡つための低温と、計測対象物が置かれている室温状態と易な磁気シールドでも計測が可能である。の断熱に要する物理的な距離に起因する。SQUID の超伝本報告では、対象物としてｐ−ｎ接合を有する単結晶導状態を保つためには外界と断熱する必要があり、検査シリコンウェハーを用い、低濃度側の不純物濃度を定量

対象物が超伝導体のように低温であれば SQUID と対象的に計測した結果を報告する。また、太陽電池で多用さ物を近接して配置できる。しかし、産業応用上、一般的れる多結晶シリコンの結晶粒界を検出した結果を報告な対象物は室温状態にあるため、SQUID と対象物を近接する。

＊

ネットワーク型磁気活用研究拠点形成推進事業（地域結集型共同研究事業）＊＊

電子機械部（現在電子機械技術部）＊＊＊岩手大学工学部電気電子工学科

17岩手県工業技術センター研究報告第１０号（２００３）ープ）のロックが外れることはない。サーボ制御により２ 実験方法

0.2μm の位置合わせ精度を実現している。SQUID

図１にレーザーＳＱＵＩＤ顕微鏡のシステムブロッ
ク図を示す。

ロックイン

電磁ｼｰﾙﾄﾞアンプ

磁気ｼｰﾙﾄﾞ

パーソナル

CCD
FLL

コンピュータ
白色光源

HM
SQUID
測定

ファンクション

ｻﾝﾌﾟﾙ

ﾚﾝｽﾞ

ジェネレータ
ﾌｨﾙﾀｰ

絞りXY
ｽﾃｰｼﾞ

ﾐﾗｰ

半導体

HM

ﾚｰｻﾞｰ
ｺﾘﾒｰﾀﾊﾟﾜｰﾒｰﾀ

FLL: 磁束ロックループ回路
図１ システムブロック図

HM: 半透明ミラー

半導体レーザーには、波長が 684nm、783nm、809nm、（Tristan Technology 社製）は、高温超伝導体(YBCO)851nm の４種類を用いた。半導体レーザーはペルチェ素であり液体窒素に浸して冷却するタイプである。SQUID子で一定温度に制御されており、測定結果に及ぼす出力、とレーザースポット間の距離は、約 10.2mm であり、波長変動の影響が最小になるようにしている。測定サン

SQUID のサイズは 8mm である。磁気感度のある方向 Bz

プルに照射されるレーザー光のパワーは各波長とも２は、試料に対して垂直な方向である。

mW 程度である。半導体レーザーは、磁気シールドボックス及び電磁シールドルームの外に配置し、レーザー光をシングルモード光ファイバーで試料近傍まで導光することによって、半導体レーザーからのノイズ混入が最小になるようにしている。半導体レーザーをデューティー比 50％、周波数３kHz で直接変調した状態で、レーザー光を遮光板で遮ったときのノイズレベルは、検波帯域
幅 0.25Hz の条件 170fT/Hz(1/2)であった。レーザー光を変調することにより、ロックインアンプ(Lock‑in)を用いて低ノイズで狭帯域検出し、微弱信号を検出した。レーザーの駆動電流を変化させて光束量を制御すると、ノイズレベルも若干変化するので、光束量はフィルターで光学的に調整した。光ファイバーの先端に接続したコリ

図２ 実験装置外観

メータレンズでレーザー光を平行光に調整し、倍率 50倍、N.A. 0.8 の対物レンズで試料表面に集光した。ス

磁気シールド環境は、厚さ 0.8mm のパーマロイ２層ポットサイズは 20μm が得られている。光学部は倒立顕と厚さ 5mm のアルミニウムから構成される磁気シール微鏡の構成となっており、ピント調整や試料表面の光学ドボックス（シールド率‑20dB@150Hz）と、厚さ 20mm観察は、ＣＣＤカメラで随時行うことができる。のアルミニウム製の電磁シールドルームの２重構成とレーザー照射位置の走査は、試料を移動させて行っなっている。アクティブ計測の場合、ロックが外れないた。試料を移動させるステージ（京セラ製）の主構成材

限り、信号検出が可能なので、生体計測のような厳重な料はセラミクスであり、ピエゾアクチュエータで駆動しシールドは不要であり、このような簡易シールドでも十て、磁気ノイズが最小になるようにしている。フルスト分である。

ローク（20mm）量を移動させても、FLL（磁束ロックル

18SQUID 応用計測システムの開発てはまった。特に，短波長側の 684nm の磁場分布にはｐ３ 実験結果−ｎ接合の側壁部で鋭いピークが現れた。

３−１ ｐ−ｎ接合を有する単結晶シリコン
図３にｐ−ｎ接合を有する単結晶シリコン試料の磁図３(a)では左右ほぼ対称となっている典型的な磁場分布の波長依存性を示す。レーザー照射位置を 20μ場分布を示したが、図３(b)のように左右が非対称となm 毎に移動させて１波長あたり 250 サンプル点を測定るチップも数割の割合で存在する。このようなチップは、した。試料はプレーナー型のダイオード構造（p /ｎ）

チップ内の何らかの要因により、電流分布が非対称になであり、ｐ型アイランドが周期的に配置されたものであっていると思われる。単純な接触式の計測ではチップ全る。この一つのアイランドを横切るように直接的にスキ体の平均値しか測定できないので、このようなチップ内＋の分布に関する情報は、従来の測定方法では得られない。
本レーザーSQUID 法ならば、同一アイランド内部の分布も計測できることがわかる。
ステージを移動させてから、ロックインアンプの値が定常的な状態になるまで、およそ２秒程度必要であり、多点計測では長時間かかる。そこで、レーザーの波長を切り替えて、磁場のレーザー波長依存性を利用することにした。この効果を利用して少数キャリアの拡散長 Lpを算出した。
図４は不純物濃度が異なる２種類のサンプルの 1/ Bと 1/αの関係を図示したものである。各波長（４波長）の時の 1/ B と 1/αを求め、４点を最小自乗で直線近似して、外挿した X 切片から Lp を得ている。４つの波長について、それらの関係が直線状になり、その X 切片（1/α軸）が拡散長を示していることを確認できる。磁場の大きさが異なる４箇所のデータ（それぞれのサンプルで４本の直線に対応）は、いずれも一定の拡散長に収束している。すなわち、波長を変化させて測定すれば、ｐ−ｎ接合の空間的な分布を測定しなくても、一点の測定だけで、キャリア拡散長の測定が可能であることがわかる。
図５にはこのようにして算出した、全測定点での拡散長分布を示した。波長依存性を使うと、グローバルな磁場分布のシフトに影響されずに、安定に少数キャリア拡散

図３

ｐ−ｎ接合を有する単結晶シリコンの磁場分布の波長依存性ャンした。図３(a)は sample‑1 でありｎ型の不純物濃度が 1×1014cm‑3 である。図３(b)は sample‑2 であり、ｎ型の不純物濃度は 6×1014cm‑3 である。ｐ型アイランドの不純物濃度はいずれのサンプルも 1×1018cm‑3 であり、接合深さは 4μm である。空乏層厚さ d は、
SRP(Spreading Resistance Profiling method)の測定結果により、１μm と仮定した。縦軸の磁束密度 Bz は、SQUID の出力をロックインアンプで位相検波した振幅α：光吸収係数に対応している。BZ が極大となる場所（図中で４箇所）

図４ １／B と１／αの関係がｐ−ｎ接合の側壁部である。図３(a)の磁場分布をみると、ｐ型アイランドの両端で磁場が最大となり、中央長を抽出できることがわかる。ｐ−ｎ接合が存在するｐ部で最小となっている。この傾向は全てのサンプルに当型アイランド上にレーザーを照射すれば、S/N が極端に19

岩手県工業技術センター研究報告第１０号（２００３）悪化する磁場が最小となる領域を除いて、一定の拡散長なっている。試料外周部で磁場が大きくなるグローバルが得られている。これにより、高速で定量的な計測が可な磁場分布の中に、局所的に不連続な部分があるが、こ能になる。試料は基板の不純物濃度の異なる２種類であの部分が結晶粒界と考えられる。

14‑3り、不純物濃度の低い Sample‑1(1×10 cm )では長い拡散長（44μm）、不純物濃度の高い Sample‑2（6×1014cm‑3）

４ 結レーザーと高温超伝導 SQUID を組み合わせたレーザ

では短い拡散長（22μm）が得られた。これらの値は、

ーSQUID 顕微鏡を開発し、半導体の非接触評価を行った。

接触式の SRP 法で得られた値と良く一致した。

多波長のレーザー光を用いることによって、ｐ−ｎ接合

100拡Sample-1を有する単結晶シリコンウエハーの少数キャリアの拡Sample-2散長を定量的に評価する方法を示した。さらに、多結晶シリコンの太陽電池セルの結晶粒界を検出できること

散長言を示した。本方法では、電気的な接触も試料表面の前処50理も必要としないので、ウエハーに汚染やダメージを与[μm]えることはない。そのため、半導体（LSI、低温ポリシリコン TFT、ワイドバンドギャップ材料等）を製造プロセスの途中で検査する用途に好都合である。検査汚染が001234ないので、検査後に製造ラインに復帰でき、抜取検査用5のダミーウェハーが不要で、検査によるスクラップウェ

Position x [mm]ハーが排出されない。本システムは半導体産業の効率化

図５ 少数キャリアの拡散長分布にとっても、また、SQUID の産業応用を加速する上でも有益と思われる。

３−２ 多結晶シリコン
太陽電池で多用される多結晶シリコンの結晶粒界に

文は内部電界が存在しており、光照射した場合にはｐ−ｎ

献接合と同様に光電流の駆動源となる。またそれと同時に、

1) 大坊真洋，小高正，志子田有光，2000 年秋季第６１応キャリアの再結合領域となる場合もあり、不均一な光電用物理学会学術講演会講演予稿集，3p‑ZM‑14 ，210
(2000)

流分布となる。結晶粒界は太陽電池の性能を劣化させて

2) 大坊真洋，小高正，志子田有光，計測自動制御学会第おり、これを評価することは重要である。通常、結晶粒

１７回センシングフォーラム資料，227(2000)

界は光学的にも観察可能である。しかし、全ての結晶粒

3) 大坊真洋，小高正，志子田有光，電気学会センサ・マ界が電気的特性を劣化させるのではなく、存在していても電気的には不活性で問題のない場合もある。したがっイクロマシン準部門平成１２年度総合研究会，て、電気的な結晶粒界を評価するのが好ましい。図６にPHS‑00‑28 28，65 (2000)
4) 大坊真洋，泉田福典，小高正，志子田有光，岩手県工多結晶シリコンサンプルの磁場分布を測定した結果を業技術センター研究報告，8，13 (2001)示す。試料はｐ型基板の表面全体にｎ型を設けた構造と

5) 大坊真洋，泉田福典，志子田有光，岩手県工業技術センター研究報告，9，25 (2002)
6) M. Daibo, T. Kotaka and A. Shikoda, Physica C,
20357‑360 360, pp.1483‑1487, 2001.

Bz

7) M. Daibo, A. Shikoda and M. Yoshizawa, Physica C（in press）[pT]

8) J. Beyer, H. Mats, D. Drung and Th. Schurig, Applied
10Physics Letters 74‑19 19, 2863 (1999)
9) T. Schurig, J. Beyer, D. Drung, F. Ludwig, A. Ludge
and H. Riemann, IEICE Trans. Electron. E85‑C C, 665

002468(2002)

1010) K. Nikawa and S. Inoue, Technical Report of IEICE,
Position [mm]Osaka, ICD2000‑174 174, 1 (2000)
11) K. Nikawa, IEICE Trans. Electron. E85‑C C, 746

図６ 多結晶シリコンの磁場分布(2002)

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