計測自動制御学会東北支部40周年記念学術講演会
2004 年12 月22 日，23 日 日本大学工学部

講演番号：A05

紫外線レーザーSQUID 顕微鏡○上和野 大輔, 黒澤 崇央, 大坊 真洋（岩手大学）

UV-Laser SQUID Microscope
D. Kamiwano, T. Kurosawa, M. Daibo (Iwate University)
Abstract- We developed UV-laser SQUID microscope that consists of a high temperature superconductor SQUID
magnetometer and a UV-laser. The SQUID detects photo-induced magnetic signals on semiconductors with amplitudesof several hundred femto-teslas. Micrometer-level spatial resolution can be realized by using a focused laser.
We carried out visualizations of the photo-induced magnetic field distribution for GaN blue light-emitting diodes.
The UV-laser SQUID microscope has the potential to become a new tool for evaluation of wide-bandgap semiconductor,
because it does not require ohmic contact.

キーワード: SQUID, UV-Laser, Wide Bandgap Semiconductor, Ohmic Contact

1. はじめにである。また、励起物理量はフォトンであるためノSQUID( Superconducting QUantum Interference

イズフリーである。さらに、検査のためにプローブ

Device )は非常に感度がよい磁気センサーであり、針を立てる必要がなく、試料に対しての前処理も不地磁気の 10 億分の 1 以下の微弱磁場を検出すること要となるため、試料に汚染やダメージを与えることが可能である。感度は液体窒素で素子を冷却するタは一切ない。

イプの高温超伝導( HTS )SQUID では 100fT/√Hz 以

これまでの主な研究内容としては、p-n 接合単結下、また液体ヘリウムで冷却するタイプの低温超伝晶シリコンの少数キャリア拡散長計測 1)3)、多結晶シ導( LTS ) SQUID では 10fT/√Hz 以下である。特にリコンの太陽電池セルの結晶粒界の画像化 2)などがHTS-SQUID が出現してからは産業界でも応用可能な挙げられる。
現在、GaN(窒化ガリウム)、ZnO(酸化亜鉛)などの段階になり、磁場はもちろんのこと、磁気勾配、電流などの計測用途に使用され、脳磁計、心磁計など

ワイドバンドギャップ半導体は Si(シリコン)に変の医療分野、亀裂検出、腐食検出などの非破壊検査わるデバイスとして注目され、盛んに研究が行われ分野、重力波検出などの基礎物理・精密計測分野とている。そのワイドバンドギャップ半導体では、特様々な場面で応用されている。に p 型の場合、オーミック接触が困難であり、電極接触などによる接触式検査が難しい。

これまでに、SQUID 磁束計の弱点であった「低空間分解能」を改善するため、レーザーと SQUID を組

本報告では、紫外線レーザーと SQUID を組み合わみ合わせた「レーザーSQUID 顕微鏡」を開発した。

せた「UV レーザーSQUID 顕微鏡」を開発し、非破壊・これは試料にレーザー光を照射し、発生する磁場を非接触で GaN 青色 LED の光誘発磁場を計測した結果SQUID で計測するというものである。レーザー光はについて述べる。

対物レンズで集光するため、高空間分解能化が可能

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MB: magnetically shield box

FLL

Ref.

SQUID

Lock-in Amp

XY

XY Controller

XY: ceramic X-Y stageSample

OL: objective lens

OL

WLS

HM

FFT Analyser

UVL
PC

CCD

HM: half mirror
OM: optical microscope
WLS: halogen lamp source
UVL: UV laser (He-Cd laser)
MC: mechanical chopper

OM

MCFig.1 Diagram of UV-laser SQUID microscope.

2. 測定方法

ズ、狭帯域検出するため Lock-in アンプに取り込み、実験方法を Fig.1 を用いて説明する。試料はサフ変調周波数で位相検波した。

ァイア基板上に GaN 青色 LED チップ（チップサイ

また、測定の際にはノイズが問題となる。そのたズ:350x340µm2）が配列された 2 インチウエハーであめ、測定は磁気シールド内で行った。この磁気シーる。

ルドは厚さ t=2mm のアルミニウム 2 層と t=1mm のパ

最近の SQUID 顕微鏡では、高空間分解能化のためーマロイ 2 層から構成されている。また、ノイズ源にサファイア窓と伝導冷却を利用した薄底のデュアとなる計測機器はシールド外部に設置する。さらに、ーを使用している。このようなデュアーでは断熱がレーザー照射ポイントの移動はピエゾ素子駆動の非十分にできないため、動作時間を長くできない。そ磁性セラミクスステージ（京セラ製）を移動させる

れに対し、レーザーSQUID 顕微鏡では、対物レンズことにより、磁気ノイズの発生を抑えている。

で集光したレーザー光を試料に照射することで高空間分解能となるので、薄底デュアーは必要ない。今3. 結果

回使用した SQUID（Tristan Technology 社製）は高3.1 チップ内の磁場分布

温超伝導（YBCO）SQUID であり、デュアーの真空状

Fig.2 は LED チップの光学像である。上側の電極態が良好な場合、最長で 5 日間連続動作可能である。

が陰極、下側の電極が陽極であり、左側に見える円SQUID とレーザースポット間の距離は約 12mm、素子形部はレーザースポット(≈15µm)である。このチッサイズは約 8mm である。

プを 2 次元スキャニングし、得られた磁場の強度値

紫外線レーザーには He-Cd レーザー（λ=325nm）から画像化（以下、磁場分布）したものと、位相のを用い、光チョッパーで 3kHz に変調後、倍率が 10値から画像化（以下、位相分布）したものを Fig.3、倍、N.A.=0.2 の石英対物レンズで集光した。光照射

Fig.4 に示す。

時に発生する磁場 (Bz 成分)を SQUID で電圧に変換

Fig.3 は良品チップ内の分布である。磁場分布はし、FLL で線形化した。線形化された出力を低ノイチップ中心付近を境にして、両電極に近づくにつれ

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Fig.2 Microscopic photograph of a GaN LED

Fig.3 Magnetic field distributions of normal

chip.

chip. （20 x 20 pixel, 17.5・µm step）て磁場が増加する分布（最大値≈180fT）であった。
また、位相分布はチップ中心を境に位相の符号が逆転した分布であった。
それに対し、Fig.4 は不良品チップ内の分布である。(a)の磁場分布では、電極金属のエッチング残渣箇所（図中 X 印）を境にして、電極に近づくにつれて磁場が増加する分布(最大値≈280fT)であった。位相分布は残渣の箇所を境にして位相の符号が反転する分布であった。(b)の磁場分布は、残渣があった陰極（図中 X 印）とは反対の陽極に近づくにつれて磁Fig.4 Magnetic field distributions of failed

場が増加する分布(最大値≈540fT)であった。位相分chips. （64 x 64 pixel, 6・µm step）

布は位相が同一符号に片寄っている分布であった。
以上のように、良品チップ内の磁場分布は 1 通りしかなかったのに対し、不良品チップでは残渣の箇所によりチップ内の磁場分布が変化している。

3.2 ウェハー内の磁場分布
次に、レーザースポットをチップの中心箇所に合わせて、2 インチウエハー内の 45x45 個のチップの磁場を測定した(Fig.5)。
Fig.5 では、1 画素がウエハー内に配列されているワンチップに相当し、45x45 個のチップが並んでいる。ウェハー中心部は Fig.5 で左上であり、そこから外側に向かうほど磁場の大きなチップ、すなわち不良品チップが多く分布していた。

Fig.5 Magnetic field distributions in wafer

発光現象が生じる良品チップでは、電極に対象的scale.に磁場が分布するため磁場が小さい。それに対し、

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5. まとめ発光現象が生じない不良品チップでは残渣箇所、すなわちショートしている箇所で磁場が小さい。磁場

UV レーザーSQUID 顕微鏡を開発した。その結果、が小さく現れるのは、ショート箇所か電極間の中央発光現象の生じる良品チップでは磁場が小さく、発部である。ショートが存在すると、チップ内の電流光現象の生じない不良品チップではチップ中央部の分布が変化し、チップ中央部の磁場が相対的に大き磁場が大きい事が明らかになった。また、良品・不くなる。そのためチップ中央部の１点で評価しても、良品チップにおける磁場分布を画像化し、両チップ良品と不良品の区別が可能となる。良品チップと不に磁場分布の傾向を確認した。これにより、電極エ

良品チップでの磁場の絶対値は約 1.5～3.2 倍の違

ッチング残渣により光電流の経路が変化し、磁場分いがある。但し、チップ中央部にショートがあった布が変化することが分かった。
本手法は非接触計測法であるので、試料に汚染や場合には検出できない。

ダメージを与えることは一切ない。また、ワイドバ

4. 考察

ンドギャップ半導体の検査におけるオーミック接触

不良品チップを光学顕微鏡で観察してみると、p-nの問題を解決することが期待できる。

接合の境界にまたがったエッチング残りによる電極今後の課題として、磁場と発光パワーの同時測定残渣が多数確認された。先にも述べた通り、残渣がによる相関関係の調査、ベクトル計測の導入を検討存在すると、そこでショート（短絡）する。これは中である。

プロービングによる I-V 特性の評価で確認している。
＜参考文献＞

まず、不良品チップについて考える。ショートしていない箇所にレーザー光を照射した場合、発生し1)

大坊真洋、菊池利雄:レーザーSQUID 顕微鏡の開発とたキャリアはショートしている箇所に向かって、拡半導体検査への応用、計測自動制御学会産業論文集、散→ドリフト→誘電緩和→再注入→再結合の順序でVol. 2,No. 3, 19/26, 2003

光電流のループを作り、垂直成分の磁場が多く発生

2)

Masahiro Daibo, Arimitsu Shikoda and Masahito

する。我々の SQUID 配置は垂直成分に対して感度がYoshizawa,

良いため、この場合の磁場は大きくなるのではない

Semiconductors using a Laser SQUID Microscope”,

かと考えられる。また、ショートしている箇所にレPhysica C, Vol.372-376, pp.263-266, 2002.

ーザーを照射した場合、生成されたキャリアは拡散

3)“Non-contact

EvaluationofMasahiro Daibo, Toshio Kikuchi, and Masahitoなどで広がったりはせず、すぐに再結合する。発生

Yoshizawa, “Minority Carrier Diffusion Length

する磁場は水平成分が多いため、この場合の磁場は

Measurements小さくなるのではないかと考えられる。

Multi-Wavelength Laser SQUID Microscope”, IEEE

それに対し、良品チップでは残渣などの不良箇所

ofSemiconductors

usingaTransactions on Applied Superconductivity, Vol.13,

はなく、光照射により発生したキャリアはチップ内No.2, pp.223-226, 2003.に等方的に流れる。この時、チップの中央部に光照射すると光電流は発生するが磁場が互いにキャンセルされるため、中央部の磁場が小さくなるのではないかと考えられる。

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