JPH09329582A - 光走査型二次元濃度分布測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成が簡単で、安価であり、制御性がよく、
イオン濃度測定を簡便に行うことができる光走査型二次
元濃度分布測定装置を提供すること。 【解決手段】 半導体基板５の一方の面にセンサ面７を
形成するとともに、モータ１９の回転に基づいて二次元
を走査する二次元スキャナ３８を設け、この二次元スキ
ャナの機能素子設置部２９に光源部３２を設けて、光源
部３２を二次元方向に移動させるように構成し、この光
源部３２によって、前記半導体基板５に対してプローブ
光３３を照射するように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば光走査型
ｐＨ画像装置などの光走査型二次元濃度分布測定装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】前記光走査型ｐＨ画像装置として、例え
ば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３３
（１９９４）ｐｐ Ｌ３９４−Ｌ３９７に記載してある
ように、ＳＰＶ（Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔ
ａｇｅ）方式あるいはＬＡＰＳ（Ｌｉｇｈｔ−Ａｄｄｒ
ｅｓｓａｂｌｅ Ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｅ
ｎｓｏｒ）方式を採用して、界面での表面電位変化を測
定するものがある。このような装置においては、ＥＩＳ
（電解質Ｅ−絶縁体Ｉ−半導体Ｓ）構造を横切るように
光をスキャンし、このスキャンによって、半導体中にお
いて誘発された光電流を取り出すことにより測定を行う
ことができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えばＸ−
Ｙ平面など二次元平面を、赤外線や可視光線あるいは紫
外線などの電磁波によって照射する方法として、 互いに直交するＸ軸とＹ軸のそれぞれに機械的な可
動部分があり、それらの組合せによって前記電磁波の発
生源を機械的に移動させる方式、 １軸方向にアレー化した電磁波源を他の軸方向に機
械的に移動させる方式、などがある。

【０００４】しかしながら、前記の方法においては、
２軸の回転機構またはリニア移動機構が必要となり、構
成が大掛かりとなるため、小型軽量化が困難であるとと
もに、高精度な制御が困難で、高精度が要求されるに伴
い高価になるといった問題がある。

【０００５】そして、前記の方法では、機械的な特長
とデバイスな特長を生かすことができるが、これら両方
の欠点をも有するとともに、電磁波源の微細化と各素子
ごとの電気回路が必要となり、小型化および低コスト化
が困難であるといった問題がある。

【０００６】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、構成が簡単で、安価であり、制
御性がよく、イオン濃度測定を簡便に行うことができる
光走査型二次元濃度分布測定装置を提供することであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、半導体基板の一方の面にセンサ面を
形成し、前記半導体基板に対してプローブ光を照射する
ようにした光走査型二次元濃度分布測定装置において、
モータによって回転される原動歯車と、この原動歯車に
噛合する従動歯車と、この従動歯車の回転中心と同じ位
置に回転中心を有する太陽歯車と、前記従動歯車上であ
ってその回転中心から適宜離れた位置に回転中心を有
し、かつ前記太陽歯車に常に内接または外接しながら回
転する遊星歯車と、この遊星歯車上であってその回転中
心から適宜離れた位置に設けられる機能素子設置部とか
らなり、前記モータの回転により前記機能素子設置部が
二次元平面を一筆書き的に移動するように構成された二
次元スキャナの前記機能素子設置部に光源を設けて二次
元光照射部とし、この二次元光照射部を前記半導体基板
の一方の側に配置し、この二次元光照射部によって、半
導体基板に対してプローブ光を照射するように構成して
いる。

【０００８】上記構成の光走査型二次元濃度分布測定装
置においては、一つのモータの回転を、円回転以外の回
転を行わせる機構に伝え、この機構によって光源部に一
筆書き的な軌跡を描かせることにより、特定の広さの二
次元平面（Ｘ−Ｙ平面）をくまなく走査する二次元光照
射部を、半導体基板の一方の側に配置し、この二次元光
照射部によって半導体基板に対してプローブ光を照射す
ることにより、所望のイオン濃度を得ることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施例
を、図を参照しながら説明する。

【００１０】図１〜図４は、この発明の一実施例を示し
ている。まず、図１において、１は適宜の素材よりなる
フレームで、このフレーム１の上部には、光走査型二次
元濃度分布測定装置本体（以下、測定装置本体という）
２が設けられており、フレーム１の下部、より具体的に
は、測定装置本体２の下方には、二次元光照射部３が設
けられている。すなわち、この発明の光走査型二次元濃
度分布測定装置は、測定装置本体２と二次元光照射部３
とから構成されている。

【００１１】前記測定装置本体２は、例えば次のように
構成されている。すなわち、４はセンサ部で、このセン
サ部４は、シリコンなどの半導体よりなる基板５の一方
の面（図示例では上面）にはＳｉＯ₂ 層６、Ｓｉ₃ Ｎ₄
層７を熱酸化、ＣＶＤなどの手法によって順次形成して
なるもので、水素イオンに応答するよう形成されてい
る。８はセンサ部４の上面側に形成される試料収容部
で、適宜の樹脂などよりなる。９は溶液などの試料であ
る。

【００１２】そして、ＣＥ，ＲＥは対極、比較電極で、
これらの対極ＣＥ、比較電極ＲＥは、ともに後述するポ
テンショスタット１１の安定化バイアス回路１３に接続
されている。また、ＯＣは半導体基板５に設けられる電
流信号取出し用のオーミック電極で、後述する電流−電
圧変換器１４および演算増幅回路１５を介して安定化バ
イアス回路１３に接続されている。

【００１３】１０は測定装置本体２を制御するための制
御ボックスであって、半導体基板５に適宜のバイアス電
圧を印加し、そのときに得られる信号を電流信号として
取り出すポテンショスタット１１と、このポテンショス
タット１１と信号を授受したり、二次元光照射部３に対
する制御信号を出力するインターフェースボード１２よ
りなる。そして、ポテンショスタット１１は、安定化バ
イアス回路１３と半導体基板５に形成されたオーミック
電極ＯＣから取り出される電流信号を電圧信号に変換す
る電流−電圧変換器１４、この電流−電圧変換器１４か
らの信号が入力される演算増幅回路１５とから構成され
ている。

【００１４】１６はコンピュータ、１７，１８はコンピ
ュータ１６に接続される入力装置、表示装置である。

【００１５】前記二次元光照射部３は、例えば次のよう
に構成されている。すなわち、図１および図２におい
て、１９は適宜の部材を介してベース部材２０に取り付
けられたパルスモータで、その出力軸２１がベース部材
２０の上面から突出するように鉛直方向に設けられてお
り、この出力軸２１に原動歯車２２が水平に固着されて
いる。そして、パルスモータ１９は、インターフェース
ボード１２を介してコンピュータ１６によって制御され
る。

【００１６】２３は原動歯車２２に噛合する従動歯車
で、その回転軸２４が軸受部材２５を介してベース部材
２０に鉛直方向に突設されている。２６はこの従動歯車
２３と同軸上に回転中心を有する太陽歯車で、内周に複
数の歯を周設している。

【００１７】２７は従動歯車２３上であってその回転中
心２４から適宜離れた位置に立設されるピン部材２８に
枢支されて太陽歯車２６に常に内接しながら回転する遊
星歯車である。

【００１８】２９は遊星歯車２７上であってその回転中
心２８から適宜離れた位置に設けられた機能素子設置部
で、この機能素子設置部２９にはレーザ光源３０と集光
用レンズ３１とからなる光源部３２が設けられている。
この光源部３２は、前記測定装置本体２の半導体基板５
に対してプローブ光３３を照射するもので、集光用レン
ズ３１が半導体基板５の下面に接触しないように設けら
れている。

【００１９】３４は機能素子設置部２９に連設された板
状部材で、遊星歯車２７の移動に対応できる長さを有す
る長孔３５が開設され、この長孔３５を適宜の固定部３
６に立設されたピン部材３７が挿通している。なお、詳
細には図示してないが、レーザ光源３０への電源供給の
ための電源ケーブルは、板状部材３４に沿うようにして
設けられている。

【００２０】なお、上記符号１９〜２９によって表され
る部材からなる装置を、特に、二次元スキャナと呼び、
符号３８を付すこととする。図２は、この二次元スキャ
ナ３８の要部を概略的に示す斜視図である。

【００２１】ここで、上記光走査型二次元濃度分布測定
装置の動作説明に入る前に、二次元光照射部３によっ
て、半導体基板５に対して、プローブ光３３二次元的に
走査しながら照射するための描画方程式について、図３
を参照しながら説明する。

【００２２】図３において、Ｌは大円（前記太陽歯車２
６に相当する）、Ｓはこれに内接して回転する小円（前
記遊星歯車２７に相当する）である。また、 Ｌ_r ：大円Ｌの半径 Ｏ_L ：大円Ｌの中心 Ｓ_r ：小円Ｓの半径 Ｏ_S ：小円Ｓの中心 Ｑ ：小円Ｓの中心から距離ｒ離れた地点 Ａ ：大円Ｌと小円Ｓの初期状態において当接している
ときの大円Ｌ側の位置 Ｂ ：大円Ｌと小円Ｓの初期状態において当接している
ときの小円Ｓ側の位置 Ｃ ：小円Ｓが角度θ_L （ラジアン）回転したときにお
ける大円Ｌと小円Ｓとの当接位置 θ₁₀：線分ＣＯ_s と線分Ｏ_S Ｂとがなす角度（ラジア
ン） とする。

【００２３】点Ｃの座標は、（Ｌ_r ・ｃｏｓθ_L ，Ｌ_r
・ｓｉｎθ_L ）と表される。そして、大円Ｌ、小円Ｓの
矢印方向への回転に伴い、両者の接点は移動するが、両
者における移動長は互いに等しく、弧ＡＣ＝弧ＢＣであ
るから、 θ_L ・Ｌ_r ＝θ_S ・Ｓ_r ……（１） が成り立つ。

【００２４】小円Ｓの中心Ｏ_S は、小円Ｓの回転に伴
い、半径（Ｌ_r −Ｓ_r ）の円（図中、仮想線で示す）の
周上を移動し、その座標は、｛（Ｌ_r −Ｓ_r ）・ｃｏｓ
θ_L ，（Ｌ_r −Ｓ_r ）・ｓｉｎθ_L ）で表される。

【００２５】点Ｑの座標（Ｘ_Q ，Ｙ_Q ）は次のように表
される。すなわち、 Ｘ_Q ＝（Ｌ_r −Ｓ_r ）・ｃｏｓθ_L −ｒ・ｃｏｓ（θ_L −θ_S ）……（２） Ｙ_Q ＝（Ｌ_r −Ｓ_r ）・ｓｉｎθ_L −ｒ・ｓｉｎ（θ_L −θ_S ）……（３） となる。

【００２６】ところで、上述したように、弧ＡＣ＝弧Ｂ
Ｃであるから、（１）式から、 θ_S ＝Ｌ_r ・θ_L ／Ｓ_r ……（４） が得られ、これを上記（２），（３）式に代入すると、 Ｘ_P ＝（Ｌ_r −Ｓ_r ）・ｃｏｓθ_L −ｒ・ｃｏｓ｛θ_L ・（Ｓ_r −Ｌ_r ） ／Ｓ_r ｝ ……（５） Ｙ_p ＝（Ｌ_r −Ｓ_r ）・ｓｉｎθ_L −ｒ・ｓｉｎ｛θ_L ・（Ｓ_r −Ｌ_r ） ／Ｓ_r ｝ ……（６）

【００２７】そして、点Ｑが描く軌跡が大円Ｌの中心Ｏ
_L を通る場合、ｒ＝Ｌ_r −Ｓ_r であるから、上記（５）
_, （６）式は、 Ｘ_P ＝ｒ・｛ｃｏｓθ_L ＋ｃｏｓ（θ_L ・ｒ／Ｓ_r ）｝ ……（７） Ｙ_p ＝ｒ・｛ｓｉｎθ_L ＋ｓｉｎ（θ_L ・ｒ／Ｓ_r ）｝ ……（８） となる。

【００２８】上述のような描画方程式を有するプログラ
ムがコンピュータ１６に設けられており、二次元光照射
部３はこのプログラムに基づいて制御される。

【００２９】今、この発明で用いる原動歯車２２、従動
歯車２３、太陽歯車２６および遊星歯車２７のモジュー
ル、歯数ピッチが例えば下記表１のようなものであり、
従動歯車２３の中心からその半径の３／４の位置に遊星
歯車２７の中心があり、さらに、点Ｑ、すなわち、光源
部３２の描く軌跡が太陽歯車２６の中心２４を通るもの
とする。

【００３０】

【表１】

【００３１】前記二次元光照射部３による二次元平面走
査方法を、図１〜図４を参照しながら説明すると、 パルスモータ１９を回転させることにより、原動歯
車２２が図４において例えば矢印４１方向に回転し、こ
れに伴って、従動歯車２３が図４において矢印４２方向
に回転し、太陽歯車２６も矢印４３方向に回転する。

【００３２】 原動歯車２２を１回転させると、遊星
歯車２７が太陽歯車２６に内接しながら所定回転数（６
０５／４０３）だけ矢印４４方向に自転するとともに、
１回公転して元の位置に戻る。

【００３３】 遊星歯車２７を例えば６０５回自転さ
せると、遊星歯車２７は元の位置に戻るが、この回転に
伴って、光源部３２が曲線４５で表す軌跡を描きながら
二次元平面を一筆書き的に移動する。これによって、二
次元平面は、図５に示すように、光源部３２によって走
査されることになる。

【００３４】ここで、光源部３２が描く軌跡（特定軌
跡）が完結するまでを１フレーム（この語は、発明者の
造語である）とすると、この１フレームは太陽歯車２６
の回転中心２４を中心に、特定の二次元領域をくまなく
走査する軌跡となる。この軌跡は、上述した点Ｑ（図３
参照）が描く軌跡にほかならず、この軌跡の方程式か
ら、Ｘ軸、Ｙ軸の位置情報を予め演算で求めておき、回
転開始点や原点などを予め定めておく。そして、この原
点を基準として、動き始めからの時間によって、Ｘ座標
およびＹ座標を定めることによって、光源部３２を特定
の位置に連続的に移動することができる。

【００３５】そして、原動歯車２２を連続的に回転させ
て、光源部３２に二次元平面において１フレームの軌跡
を描かせる場合、そのフレーム面でのＸ軸、Ｙ軸で二次
元面を代表する特定位置あるいはその近傍（誤差範囲
内）を予め選び、位置を演算して原点時間（時間ゼロ）
から特定時間ごとに二次元を代表する多数のＸ，Ｙ位置
を、光源部３２がたどるようにして軌跡を描く。

【００３６】上記構成の光走査型二次元濃度分布測定装
置を用いて、溶液９のｐＨを測定する場合について説明
すると、試料収容部８に溶液９を収容し、この溶液９内
に対極ＣＥおよび比較電極ＲＥを浸漬する。

【００３７】そして、半導体基板５に空乏層が発生する
ように、ポテンショスタット１１からの電圧を比較電極
ＲＥとオーミック電極ＯＣとの間に印加して、半導体基
板５に所定のバイアス電圧を印加する。この状態で光源
部３２によって、半導体基板５に対してプローブ光３３
を一定周期（例えば、１０ｋＨｚ）で断続的に照射する
ことによって半導体基板５に交流光電流を発生させる。
この光電流は、半導体基板５の照射点に対応する点で、
センサ面（Ｓｉ₃ Ｎ₄ 層）７に接している溶液９におけ
るｐＨを反映した値であり、その値を測定することによ
り、この部分でのｐＨ値を知ることができる。

【００３８】さらに、プローブ光３３は、前記二次元走
査機構によって、半導体基板５の二次元方向に走査さ
れ、溶液９における位置信号（Ｘ，Ｙ）と、その場所で
観測された交流光電流値により、表示装置１８にｐＨ濃
度を表す二次元画像が表示される。また、必要により、
二次元画像のデータをメモリ（図示してない）に格納す
ることもできる。

【００３９】ところで、上述の実施例においては、プロ
ーブ光３３を半導体基板５に対してセンサ面７とは反対
側（下面側）から照射するようにしていたが、これに代
えて、センサ面７と同じ側から照射するようにしてもよ
い。

【００４０】上述の実施例においては、対極ＣＥのほか
に比較電極ＲＥを設けているが、対極ＣＥと比較電極Ｒ
Ｅとを兼用させるようにしてもよい。しかし、対極ＣＥ
のほかに比較電極ＲＥを設けた場合の方が、溶液９のｐ
Ｈをより正確に求めることができる。

【００４１】そして、パルスモータ１９に代えて、サー
ボモータを用いてもよい。

【００４２】また、光源部３２によるプローブ光３３
は、その波長が半導体基板５の空乏層に到達できるもの
であればよく、したがって、可視光、近赤外光、赤外
光、紫外光、Ｘ線などいずれの電磁波であってもよい
が、空乏層において完全に吸収されるように波長選択さ
れていればより好ましい。

【００４３】さらに、上述の実施例においては、機能素
子設置部２９に設けられた光源部３２の描く軌跡が太陽
歯車２６の中心２４を通るように構成されているが、機
能素子設置部２９の設置位置は、遊星歯車２７上であっ
て、その回転中心２８以外であれば任意である。このよ
うにした場合、機能素子設置部２９、すなわち、光源部
３２が描く軌跡は、太陽歯車２６の中心２４を必ずしも
通ることはないが、種々の軌跡を得ることができる。

【００４４】また、上述の実施例においては、遊星歯車
２７を、太陽歯車２６に常に内接しながら回転するよう
に設けてあったが、これに代えて、図６および図７に示
すように、遊星歯車２７’を、その回転中心２８’が従
動歯車２３上であってその回転中心２４から適宜離れた
位置にあり、しかも、従動歯車２３の回転中心２４と同
じ位置に回転中心を有する太陽歯車２６’に常に外接し
ながら回転するように設けてもよい。このようにした場
合においても、機能素子設置部２９に種々の軌跡を描か
せることができる。

【００４５】この発明は、上述の溶液のｐＨ測定のみな
らず、例えば、りんごなど物質に含まれている溶液にお
けるｐＨの二次元測定をも行うことができる。すなわ
ち、りんごを半分に切り、その切断面をセンサ面７に当
接させ、対極ＣＥおよび比較電極ＲＥをりんごに挿入
し、その状態でポテンショスタット１１によってバイア
ス電圧を印加し、その状態で、二次元光照射部３によっ
てプローブ光３３を半導体基板５に対して照射するので
ある。

【００４６】また、センサ面７の表面を、カリウムやカ
ルシウムなど他のイオンにそれぞれ応答する物質によっ
て修飾することにより、これらのイオン濃度についても
同様に二次元測定できることはいうまでもない。

【００４７】

【発明の効果】この発明は、以上のような形態で実施さ
れ、以下のような効果を奏する。

【００４８】この発明の光走査型二次元濃度分布測定装
置においては、一方の面にセンサ面を形成した半導体基
板に対してプローブ光を照射するのに、一軸のモータお
よびこれによって駆動される歯車機構よりなる二次元光
照射部を用いているので、構成が簡単であり、安価であ
る。そして、二次元光照射部の機械的動作部分は回転機
構であり、制御が容易であるとともに、連続的に使用す
ることが可能であり、位置再現性に優れている。したが
って、イオン濃度測定を簡便に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の光走査型二次元濃度分布測定装置の
一例を、その要部を断面して示す構成図である。

【図２】前記光走査型二次元濃度分布測定装置に組み込
まれる二次元スキャナの要部の構成を概略的に示す図で
ある。

【図３】前記二次元スキャナの動作原理を説明するため
の図である。

【図４】前記二次元スキャナの動作説明図である。

【図５】前記二次元スキャナによる軌跡の一例を示す図
である。

【図６】この発明の光走査型二次元濃度分布測定装置の
他の例の要部を示す断面図である。

【図７】前記光走査型二次元濃度分布測定装置に組み込
まれる二次元スキャナの要部の構成を概略的に示す図で
ある。

【符号の説明】

３…二次元光照射部、５…半導体基板、７…センサ面、
１９…モータ、２２…原動歯車、２３…従動歯車、２４
…従動歯車の回転軸、２６，２６’…太陽歯車、２７，
２７’…遊星歯車、２８，２８’…遊星歯車の回転中
心、２９…機能素子設置部、３２…光源部、３３…プロ
ーブ光、３８…二次元スキャナ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の一方の面にセンサ面を形成
   し、前記半導体基板に対してプローブ光を照射するよう
   にした光走査型二次元濃度分布測定装置において、モー
   タによって回転される原動歯車と、この原動歯車に噛合
   する従動歯車と、この従動歯車の回転中心と同じ位置に
   回転中心を有する太陽歯車と、前記従動歯車上であって
   その回転中心から適宜離れた位置に回転中心を有し、か
   つ前記太陽歯車に常に内接または外接しながら回転する
   遊星歯車と、この遊星歯車上であってその回転中心から
   適宜離れた位置に設けられる機能素子設置部とからな
   り、前記モータの回転により前記機能素子設置部が二次
   元平面を一筆書き的に移動するように構成された二次元
   スキャナの前記機能素子設置部に光源を設けて二次元光
   照射部とし、この二次元光照射部を前記半導体基板の一
   方の側に配置し、この二次元光照射部によって、半導体
   基板に対してプローブ光を照射するように構成したこと
   を特徴とする光走査型二次元濃度分布測定装置。