光学反射測定による表面導電性の評価


-背景-
 さらに微細化の一途をたどる電子回路や自己組織化手法により生成される量子ドットなどのサブミクロン構造を評価対象とする必要性が高まってきている。
 しかし、そういった試料を光学顕微鏡で観察・評価することは光の回折限界により空間分解能に制限を受ける事から不可能なことと言える。
 空間分解能を向上させるには光速vを遅くするか振動数ωを高くするしかないが、それでは試料表面にダメージを与えたり限られた環境下でしか測定することが出来ないという問題点がある。
 そこで用いられるのが近接場顕微鏡(SNOM)で、光の波長以下の開口をもつプローブを用いることで入射光よりも高い空間周波数を持つ近接場に変換して、それを測定に用いることで光の回折限界を超える空間分解能(数百nm)を実現する。

 また、微細化された試料の物性は従来のマクロな物性とは異なることが知られており、それを観察するに局所的に調べることのできる近接場顕微鏡による観察が最も適切である




画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  何か試料の導電率を測定しようとした場合その試料サイズが大きいものであれば電極を取り付けて電気的に導電率を測定することが可能であるが、試料サイズが微小な場合電極の取り付けは困難であり電気的に導電率を測定することは不可能となる。
 そこで用いられる手法が、試料に光を照射して反射率(試料表面電子の光学応答)を測定することで導電率を評価すると言うものである。
 これを近接場顕微鏡と組み合わせて、近接場による反射を測定することで局所的な導電率評価の実現を目指した。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  光学反射率と導電率の関係をここに述べる。
 測定により得られるパワー反射率をRとすると振幅反射率rr=R1/2exp(iθ)と表すことが出来る。ここでパワー反射率Rと位相差θの間にはクラマースクローニヒ(KK)の関係式が成り立つ。
 波長掃引しながら反射率を測定して、周波数ωとそれに対するパワー反射率R(ω)を代入しながら積分することで、ある周波数に対する位相θ(ω')を導き出すことが出来る。これを測定した全周波数で繰り返す。
 このようにして求めたR(ω)θ(ω)から屈折率nと消光係数κを求め、そこからさらに複素誘電率εを求めることが出来る。
 ここで、複素誘電率の実部が0を横切る周波数ω'からプラズマ振動数ωpと電子の運動緩和時間τをドルーデモデルとフィッティングすることにより求め、そこから導電率を導き出すことが出来る。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  左図はマクロに反射率測定を行ったときのもので、このとき用いた装置は透過型分光光度計を改造して反射率測定を行えるようにしたものである。
 光源としてハロゲンランプとD2ランプの二つを用意しこれをミラーで切り換え用いる。光源の光は高次回折光を除去するための光学フィルターを透過し、波長選択用のグレーティングで波長毎に光を空間的に分けて、その先にあるスリットを通すことで必要な波長の光だけを選択的に試料ステージへと導く。
 測定は、まず(1)の個所で入射光を直接PDで測定することでベースラインをとって、次に(2)の個所にPDを移動させレーザー用金・銀蒸着ミラーの反射率を測定した。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  これが上の装置を用いて45度入射により測定した反射率である。
 次にこれからKK変換して位相差を求める事になるが、ここで斜め入射であることから光のs偏光・p偏光という二つの偏光について考慮しなければならない。
 そこで、入射光をそれら変更毎にわけて反射率測定をしようと試みた。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  しかし本来この装置は偏光方向を分けて測定するようには作られておらず、今回は偏光板を試料ステージの前に設置して、これを用いてs偏光とp偏光それぞれの反射率を測定しようとした。
 左に示した図は反射測定システムの(1)の個所にPDを置いてs偏光・p偏光それぞれの偏光方向で偏光板を透過してくる光の透過率を測定したものである。しかしここで本来は二つの偏光をあわせて1にならなければならないはずの透過率が400nm以下の短波長側と800nm以上の長波長側でその関係が崩れている。
 このことから偏光板を用いて、s偏光・p偏光分けて反射率を測定することは不可能であるという結論を得た。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  そこで次にs偏光・p偏光を考えなくても良いように、反射測定システムの試料ステージを入射光に垂直から少し角度をつけて配置し、ほぼ垂直に入射させて反射率を測定した。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  垂直入射による金銀蒸着ミラーの反射率測定結果を左に示す。
 実線が測定値。点線は文献値で、真空中で蒸着を行った直後に垂直入射による反射率を測定したものである。
 ここで測定値が文献値に比べ約50%になっているのは、上の装置で検出するときのPDの位置の関係で反射率が約半分しか受光されていないためだと考えられた。
 それを踏まえて考えると、短波長側の反射率が金銀ともに文献値と異なっていることがわかる。これは今回用いた試料がレーザー用のミラーであるということから、ミラーを保護する薄膜が蒸着されており、それと金属表面の干渉の影響でこのような結果になったと考えられる。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  次に垂直入射の反射率測定データからKK変換を行った。(これより先はKK変換の都合上横軸を周波数とする。)ただしここで金のデータに関してはKK変換行った結果短波長側での反射率の波が後々大きく影響して文献値との比較が出来ない状態だったので、今回は銀についてのみ考察する。
 また、今回のKK変換では測定した反射率を2倍して行った。
 結果は左図。赤いグラフが反射率。青いグラフが位相差。また点線はいずれも文献値である。これから位相差が6×1015を中心にして大きく異なっていることがわかる。この原因としてはやはり高周波数側(短波長側)でのミラー保護膜による干渉の影響での反射率低下が考えられた。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  次に測定値のパワー反射率RとKK変換で求めた位相差θから導出した屈折率nと消光係数κのグラフを示す。赤いグラフがn、青いグラフがκで、いずれも実線が測定値、点線が文献値である。
 このグラフから、nは文献値とほぼ同じなのに対してκは文献値に比べ少し低い数値となっていることが分かる。
 次に、測定値・文献値のnκが交差する点をプラズマ振動数ωpとしてその比をとるとωp測/ωp文=0.947という結果を得た。これにより定性的にωpの誤差は非常に小さいものであるということが分かる。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  次に上で求めたnκから複素誘電率εを求めた。このグラフで赤のグラフが実部ε1、青のグラフが虚部ε2である。
 グラフより虚部ε2が短波長側でその立ち上がり位置がずれていることが分かる。ここで、ε2の短波長側での立ち上がりがω3に反比例すると仮定すると、ε2=ωp/τ・ω3と表すことが出来る。これを用いて、測定値・文献値の虚部が同じ値をとるときのそれぞれの周波数からωp/τの比をとると(ωp/τ/(ωp/τ=13.262となり、これとωpの比率からσの比率をσ/σ=0.064となる。
 これにより今回の一連の測定では文献値と比較して1/100で一致しているということが言える。ここで、プラズマ振動数ωpはほぼ一致していることから、誤差の原因はτであるということが言える。τは金属内自由電子が金属イオンに衝突を繰り返す時間間隔で、これを正確に測定しようとすると低い振動数の外部電場による自由電子の光学応答を測定する必要があると言える。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  次に反射測定システムを用いて近接場反射測定を行った。
 左に示すのがシステム概要図で光源としてYAGレーザー(波長532nm)を使用している。光源から出た光は対物レンズで集光されて光ファイバーへ導入され、近接場光プローブへと導かれる。近接場での反射を再び光プローブで集光して、光ファイバーを通し、光ファイバーから出てきた反射光はビームスプリッターで反射されてPDで検出される。
 このとき、試料からの反射光以外に対物レンズ、ファイバー端面や連結部での反射光(寄生反射)が同時に同じPDで検出されるので試料からの反射光検出が非常に困難であった。そこで光ファイバーを連結せずに、ファイバーをアルミ蒸着ミラーと対向させ、以下で説明する3つの手法により試料からの反射光を効率よく検出できるよう光学調整を行った。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  (1)遅延時間による選別
 アルミ蒸着ミラーからの反射とその他のヶ所からの寄生反射は、その反射位置が異なることからPDに検出されるときに時間遅延が生じる。このとき1630mmの光ファイバーを用いて16nsの時間遅延を経てある見蒸着ミラーからの反射光を検出したので、光はファイバー中を204nm/nsの速度で進むことがわかり、今後測定に用いるファイバー長が分かっていれば遅延時間を特定することで反射光を選別出来る。

 (2)偏光による選別
 LDから発振されるレーザー光は一定の偏光方向を持っている、この偏光は対物レンズやファイバー端面での反射では乱れることなくPDに検出されるが、一度ファイバーから出てアルミ蒸着ミラーで反射した光の偏光方向はランダムになってPDで検出される。これを利用してPDの手前に偏光板を置き光源のレーザー光の偏光方向の光と遮断するようにすることで試料からの反射光を選別出来る。

 (3)選択的集光による選別
 試料で反射して反射測定システム側のファイバー端面から出てくる反射光を対物レンズで集光して、PD受光面で焦点を結ぶようにファイバーポジショナーを調整することで、焦点を結ばない場合に比べ非常に強く試料からの反射光を検出することが出来る。




画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  反射光を特定出来たので次にSNOMと連結して近接場反射の検出を試みた。
 光プローブ先端で発生する近接場は試料表面電子を励振し、それにより発生する電場振動の非伝播成分を近接場反射として、光プローブ先端でこれを散乱し伝播光に変換し受光する。
 ここで近接場反射測定するためには光プローブ先端に局所的に発生している近接場が試料表面に届く距離まで光プローブを近づけ、かつ光プローブ−試料間の距離を一定に保つように制御しなければならない。
 SNOMでは光プローブをその共振周波数で共振させ試料に近づけ、プローブ先端と試料表面原子の間で働く原子間力・シアフォースの影響で変動する振幅を、レーザー光をプローブに照射してそこからの反射光を2分割PDで受光することで検出し、それを距離の情報(シアフォース値)として距離制御に用いる。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  左にシアフォース値に対する反射率のグラフを示す。このとき光ファイバー2000mmに光ファイバプローブ1500mmを連結して用いたので遅延時間は35nsと計算でき、測定された反射光も35nsの時間遅延を経ていたので、試料からの反射光であると断定できた。ただしここで示した反射率は図中にあるように対物レンズからの反射光をI0とし、資料からの反射光をIとして、I/I0を名目上反射率として扱っているものである。
 このグラフでは、シアフォースが1Vから0.1Vまであまり反射率も高くなく同じくらいの値であるが、シアフォース値0.09V以下から反射率が著しく上がっている。このことから0.09V以下で近接場領域に入っていると考えられ、これからの近接場の測定はシアフォース値0.1Vから始めればいいことがわかる。



画像をクリックすると、拡大画像が新しいウインドウに表示されます。  以上を踏まえ今後の課題として、まず試料表面形状をスキャンし、次に数箇所でいくつかの波長により反射率を測定し場所と反射光強度変化を照らし合わせてその違いをみる。
 波長可変レーザーを光源として用い、試料上の数箇所で波長掃引しての反射光測定を行う。
 その結果よりKK変換を行い導電率を求める。