SNDMを用いた誘電率ナノイメージング手法の開発と材料・デバイス評価への展開

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04932
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 平永 良臣 東北大学, 電気通信研究所, 助教 (70436161)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: プローブ顕微鏡 / 走査型非線形誘電率顕微鏡 / 誘電体 / 誘電率イメージング / 半導体 / キャリア分布イメージング

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では，∂C/∂z-SNDM法の基礎を構築し，ナノスケール空間分解能で線形誘電率の分布の可視化，および絶対値計測が可能となる技術の確立を行うことを目的として，研究を遂行している．2019年度は，主に表面形状アーティファクトの影響に関する理論的・実験的評価，およびその補正法の確立に向けた基礎実験に注力し，研究を遂行した．具体的には，収束イオンビーム装置（FIB）を用いて平坦な石英ガラス基板表面上に人工的な周期溝状構造パターンを形成したサンプルを作製し，∂C/∂z-SNDM法による観察を行った．その結果，溝の深さおよび幅に依存した信号強度変化（アーティファクト信号）が観察された．一方，実験で用いた表面形状を模したモデルに対し，∂C/∂z-SNDM信号強度シミュレーションを実施した．実験結果とシミュレーション結果とを比較したところ，両者の間に相関関係が得られることを明らかにした．この結果は，実験的に得られた∂C/∂z-SNDM信号強度プロファイルに対し，同時に取得した表面形状プロファイルに基づく適切なモデルによる信号強度シミュレーション計算を併用することで，得られた信号強度変化がアーティファクトによるものであるのか，あるいは真の誘電率分布を反映したものであるのかを，ある判定できることを意味している．また，高調波信号検出法により表面形状アーティファクトの影響がある程度抑制されることも，上記実験を通じて明らかとなった．同様の傾向はシミュレーション結果においても見出された．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

【線形誘電率の定量計測の確立】シミュレーションで得られる校正曲線ならびに基準試料を用いて，∂C/∂z-SNDM信号強度を誘電率に換算することが可能であることを明らかにしており，当初の目標はおおむね達成したと言える．
【表面形状アーティファクトの補正方法の開発】実験結果と信号強度のシミュレーション結果を比較することで，得られた信号強度が真の誘電率分布によるものなのか，アーティファクトによるところが大きいのかを，ある程度判定できるようになりつつある．
【測定条件の最適化と吸着水の除去，ならびに高調波信号検出法による高分解能化】高調波信号検出法による高分解能化は実証できたので，一定の成果は得られたと言える．吸着水の除去の効果については未実施だったので，今年度以降検証する予定．
【多様な測定対象への展開】コンデンサ応用など工学的に重要なチタン酸バリウム系セラミックスへの適用可能性を実証できたことから，本手法の多様な測定対象への展開の可能性の一端を示すことができた．また，誘電体のみならず半導体デバイスへの適用可能であることも実証できた．
本研究課題は3年間で実施する計画であったが，2年目を終えた現時点で当初研究計画に対し70%程度の成果が得られている．

Strategy for Future Research Activity

【線形誘電率の定量計測の確立】はおおむね目標を達成しており，次の当面の最重要課題は【表面形状アーティファクトの補正方法の開発】である．2年目を終えた時点で，実験結果によって信号強度変化が真の誘電率変化によるものなのか，表面形状変化によるものなのかをある程度判定できるようになってきたので，最終年度は表面形状の寄与を定量的に補正できるところまで推し進めたい．
もう一つの重要課題は【さらなる高分解能化】である．未検証項目である吸着水除去の効果や極細導電性探針の導入について検討する．
【多様な測定対象への展開】についても，引き続き適用範囲の拡充を探求してゆきたい．

Causes of Carryover

本年度購入予定であった計算サーバーおよび電界計算ソフトウェアを保留としたため次年度使用額が生じた．当該製品は次年度に購入を持ち越す予定である．