JPH1068713A

JPH1068713A - 光走査型二次元濃度分布測定装置

Info

Publication number: JPH1068713A
Application number: JP8247110A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nomura; 聡野村; Shuji Takamatsu; 修司高松; Motoi Nakao; 基中尾
Original assignee: CHIKYU KANKYO SANGYO GIJUTSU KENKYU KIKO; Horiba Ltd
Current assignee: CHIKYU KANKYO SANGYO GIJUTSU KENKYU KIKO; Horiba Ltd
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1996-08-28
Publication date: 1998-03-10

Abstract

(57)【要約】【課題】二次元濃度分布を時系列的に行うことができ
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
有し、前記半導体基板５に対して光源４からの光をプロ
ーブ光３として二次元的に照射するように構成するとと
もに、前記プローブ光３の照射を高速に行うことによ
り、時系列測定を行うようにしている。

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、溶液などの試料
におけるイオン濃度などを二次元的に測定することがで
きる光走査型二次元濃度分布測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術およびその問題点】従来、溶液のｐＨ値を
調べる場合、例えばｐＨ測定電極と比較電極液絡部とか
らなる複合型電極部を有するｐＨセンサを用い、このｐ
Ｈセンサの複合型電極部を、溶液中に浸漬している。こ
の場合、試料である溶液が均質であることを前提として
おり、一つの測定ポイントにおけるｐＨ値の時間的変化
の測定しか行えない。

【０００３】これに対して、測定用のプローブの寸法を
大きくし、これを多数本用いてもサブミリのオーダーで
の分解能をもつ二次元分布の時系列測定はほとんど不可
能であった。

【０００４】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、二次元濃度分布を時系列的に行
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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の光走査型二次元濃度分布測定装置は、半
導体基板の一方の面にセンサ面を有し、前記半導体基板
に対して光源からの光をプローブ光として二次元的に照
射するように構成するとともに、前記プローブ光の照射
を高速に行うことにより、時系列測定を行うようにして
いる。

【０００６】上記構成の光走査型二次元濃度分布測定装
置によれば、物質濃度の二次元分布を時系列的に測定す
ることができる。そして、コンピュータなどの画像出力
装置と組み合わせることにより、物質濃度の二次元分布
の時間的変化を連続可視画像として表示することができ
る。この場合、前記変化を時間軸に対して拡大したり縮
小して表示してもよい。また、物質濃度の二次元分布測
定を行っている領域中のある点における濃度変化を連続
可視画像として表示できるようにしてもよい。

【０００７】そして、半導体基板に対するプローブ光の
二次元照射方法としては、光源側を固定し、半導体基板を二次元的に走査し、
相対的に光源からの光を二次元的に走査しながら半導体
基板に照射する手法や、半導体基板を固定し、光源からの光を、ガルバノミ
ラーや音響光学素子を用いて二次元方向に走査しながら
半導体基板に照射する手法や、半導体基板を固定し、半導体基板に対してプローブ
光を照射するための光源を、ハイポトロコイドまたはハ
イポサイクロイドの曲線描画機構を用いて二次元方向に
走査する手法や、光源として平板型光源アレイを用い、この光源アレ
イからの光を、半導体基板に対して二次元方向に走査し
ながら照射する手法などがある。

【０００８】

【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。

【０００９】図１は、この発明の光走査型二次元濃度分
布測定装置の概要を示すもので、この図において、１は
センサ部で、センサ２とこれにプローブ光３を照射する
ための光照射部４とからなる。

【００１０】前記センサ２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ＳｉＯ₂
層６、センサ面としてのＳｉ₃Ｎ₄層７を熱酸化、ＣＶ
Ｄなどの手法によって順次形成してなるもので、センサ
面７は各種のイオンに応答するように形成されている。
８はセンサ面７に臨みこの周囲を囲むようにして設けら
れるセルである。

【００１１】ＣＥ、ＲＥはセンサ面７に接触するように
して配置される試料９に接触するようにして設けられる
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１３の安定化バ
イアス回路１５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１６および演算増幅回路
１７を介して安定化バイアス回路１５に接続されてい
る。

【００１２】そして、１０はセンサ２を二次元方向、つ
まり、Ｘ方向（図示例では左右方向）とＹ方向（図示例
では、紙面に垂直な方向）に走査するためのセンサ走査
機構としての透過型ＸＹステージで、走査制御装置１１
によって制御される。

【００１３】また、前記光照射部４は、例えば半導体レ
ーザからなるとともに、半導体基板５の下面側（センサ
面７とは反対側）に設けられており、後述するインター
フェイスボード１４を介して入力されるコンピュータ１
８（後述する）からの制御信号によって断続光を発する
とともに、ＸＹステージ１０によって二次元方向に走査
されるセンサ２の半導体基板５に対して最適なビーム径
になるように調整されたプローブ光３を照射するように
構成されている。

【００１４】１２はセンサ部１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１３と、このポテンショスタッ
ト１３と信号を授受したり、走査制御装置１１や光照射
部４に対する制御信号を出力するインターフェイスボー
ド１４よりなる。そして、ポテンショスタット１３は、
安定化バイアス回路１５と半導体基板６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１６、この電流−電圧変換
器１６からの信号が入力される演算増幅回路１７とから
構成されている。

【００１５】１８は各種の制御や演算を行うとともに、
画像処理および出力機能を有する画像出力装置としての
コンピュータ、１８Ａは例えばキーボードなどの入力装
置、１８Ｂはカラーディスプレイなどの表示装置、１８
Ｃはメモリ装置である。

【００１６】上記構成の光走査型二次元濃度分布測定装
置を用いて、溶液の水素イオン濃度（ｐＨ）を測定する
場合について説明すると、セル８内に試料９としての溶
液を入れる。これにより、センサ面７に溶液９が接す
る。そして、対極ＣＥおよび比較電極ＲＥを溶液９に浸
漬する。

【００１７】上記の状態で、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１３からの直流電圧
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
の状態で半導体基板５に対してプローブ光３を数ｋＨｚ
の周波数をかけて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。このプローブ光３の
断続照射は、コンピュータ１８の制御信号がインターフ
ェースボード１４を介して入力されることによって行わ
れる。前記光電流は、半導体基板６の照射点に対向する
点で、センサ面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。

【００１８】さらに、ＸＹステージ１０によって、セン
サ２をＸ，Ｙ方向に移動させることにより、半導体基板
５にはプローブ光３が二次元方向に走査されるようにし
て照射され、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
Ｂの画面上にｐＨを表す二次元画像が表示される。

【００１９】なお、上記光走査型二次元濃度分布測定装
置において、比較電極ＲＥを省略し、対極ＣＥを介して
バイアス電圧を印加してもよい。但し、比較電極ＲＥを
設けていた場合の方が半導体基板５にバイアス電圧をよ
り安定に印加することができる。

【００２０】また、上記光走査型二次元濃度分布測定装
置においては、光照射部４によるプローブ光３を半導体
基板５のセンサ面７から照射するようにしてもよい。

【００２１】次に、上記光走査型二次元濃度分布測定装
置のより具体的な実施例を第１実施例として、図２〜図
４を参照しながら説明する。

【００２２】まず、図２は光走査型二次元濃度分布測定
装置の具体的構成を示すもので、この図において、２０
センサ部で、センサ２１、センサ２１を二次元方向に走
査するＸＹステージ２２およびセンサ２１の例えば裏面
側に光を照射する光源２３とからなる。

【００２３】前記センサ２１は、図１に示したセンサ２
と同様に構成されている。このセンサ２１からの光電流
は、信号処理部２４の演算増幅回路２５を介して交流光
電流の振幅に比例した直流電流に変換され、さらに、Ａ
／Ｄ変換器２６により、１２ｂｉｔ（ビット）のディジ
タル信号に変換され、インターフェースボード２７の第
１ボード２８を介して、測定制御を司る第１パーソナル
コンピュータ（以下、第１パソコンという）２９に取り
込まれる。

【００２４】前記ＸＹステージ２２は、例えばパルスモ
ータ（図示してない）駆動の高速・高精度の光透過型Ｘ
Ｙステージからなり、１μｍ／１ステップで最高速度は
１２，５００ｐｐｓ（１２．５ｍｍ／ｓ）である。この
ＸＹステージ２２は、インターフェースボード２７の第
２ボード３０およびドライバーユニット３１を介して、
第１パソコン２９によって制御される。

【００２５】前記光源２３は、波長７８０ｎｍ、出力５
ｍＷの半導体レーザからなる。この光源２３からのレー
ザ光は、例えば５ｋＨｚの周波数変調がかけられてい
る。そして、センサ２１の出力の第１パソコン２９への
取り込みタイミングとレーザ光の変調の周波数を同調さ
せるため、信号処理部２４内にクロック回路３２を設
け、Ａ／Ｄ変換器２６およびレーザ出力のコントロール
を行っている。３３はコントローラである。

【００２６】３４，３５はそれぞれ、信号処理部２４内
に設けられるポテンショスタット、Ｄ／Ａ変換器であ
る。

【００２７】３６は画像処理を司る第２パソコンで、信
号処理部２４に接続された第１パソコン２９を測定制御
に専念させるために設けられるものである。両者２９，
３６の接続は、ＴＣＰ／ＩＰによって行われ、第１パソ
コン２９に一回の測定によるデータが蓄積されると、そ
のデータを第２パソコン３６に自動的に送信し、次の測
定が可能な状態になるように構成されている。そして、
この第２パソコン３６は、各照射点における光電流値を
照射点の座標と合わせて処理し、二次元画像に変換す
る。この画像変換に際しては、光電流値は８ｂｉｔのグ
レースケールデータに変換し、さらに、必要に応じて擬
似カラー変換できるようにしてある。

【００２８】次に、上記第１実施例の光走査型二次元濃
度分布測定装置を用いて、イオン交換樹脂からの水素イ
オン放出過程を測定した場合について、図３および図４
をも参照しながら説明する。

【００２９】イオン交換体として、十分に洗浄し乾燥さ
せた陽イオン交換樹脂を用意する。この洗浄および乾燥
は、例えば「分析化学」（長島弘三、冨田功著、裳
華房）の第２５５頁〜第２５６頁に記載してあるような
手法によるのがよい。そして、光走査型二次元濃度分布
測定装置のセル８（図１参照）内に０．１ＭのＫＣｌ溶
液を満たし、その中に一粒の陽イオン交換樹脂を入れ
る。

【００３０】前記陽イオン交換樹脂を浸漬した直後に、
光走査型二次元濃度分布測定装置によって、陽イオン交
換樹脂Ａが存在する近傍のＫＣｌ溶液の二次元ｐＨ分布
画像を測定する。この場合、画像の画素数が６４×６４
点となるように、画素のサイズを０．１ｍｍ四方として
いる。

【００３１】そして、２分間隔で、二次元ｐＨ画像を時
系列的に測定した。第１パソコン２９から第２パソコン
３６に送られた画像は、このパソコン３６において画像
処理ソフトにより８ｂｉｔのグレースケールデータに変
換され、さらに、擬似カラー化される。測定は１時間続
けて行い、得られた３０枚の画像全てについて前記処理
を行い、第２パソコン３６のハードディスクに画像デー
タとして保存される。前記画像は必要に応じて、時系列
で表示できるソフトウェアによって動画として表示した
り、また、ある断面におけるｐＨプロフィールを全てに
ついて表示するなどにより、詳細な解析を行うことがで
きる。

【００３２】すなわち、希望するタイミングで二次元ｐ
Ｈ分布画像を測定し、図３（Ａ）に示すように、一連の
画像３７ａ〜３７ｎを測定中に第２パソコン３６のディ
スプレイ３６Ａに順次画面表示したり、第２パソコン３
６のハードディスクに画像データとして保存するのであ
る。そして、同図（Ｂ）に示すように、前記画像３７ａ
〜３７ｎをディスプレイ３６Ａに並べて表示したり、同
図（Ｃ）に示すように、動画として順次表示を繰り返し
たり、また、同図（Ｄ）に示すように、差分して表示す
ることもできる。ここで差分表示とは、例えば画像３７
ｂと画像３７ａにおけるデータを引算して、画像３７ｂ
ａとして表示することである。

【００３３】前記保存された一連の画像データは、必要
に応じてその一部または全てを読み出すことにより、デ
ィスプレイ３６Ａに任意に表示することもできる。

【００３４】そして、解析については、表示された一連
の画像または一部の画像について、図４（Ａ）に示すよ
うに、興味のある点や領域の数や面積や濃度あるいは濃
度から導かれる物質量について、定性的な情報を得るこ
とができる。また、これらの値を計算し、定量的な情報
を得ることができる。図４（Ａ）は、前記興味のある領
域３８の面積の変化の一例を示すものであり、この面積
を計算するのである。また、同図（Ｂ）は、前記興味あ
る領域３９の数の変化を示すもので、この領域の数を計
算するのである。

【００３５】また、測定タイミングごとの前記値の変動
についても、定性的または定量的な情報も得ることがで
きる。

【００３６】さらに、前記変化を時間軸に対して拡大し
たり縮小して表示してもよい。

【００３７】なお、測定に際しては、センサ面に接する
ように試料を設けたときにおける測定開始時の初期デー
タを採取し、測定開始時からある時間経過後の測定デー
タから前記初期データを差し引くようにしてもよく、こ
のようにしたときは、バックグランドの影響を除去する
ことができ、測定試料の真の状態を検証することができ
る。

【００３８】また、センサ面に接するように試料を設け
たときにおける測定開始時から相異なる時間経過後の測
定データどうしを引算するようにした場合には、微小な
経時変化であっても確実に把握することができ、過渡的
な情報を得ることができるので、変化の様子をより細や
かに分析することができる。

【００３９】なお、上述の実施例においては、プローブ
光３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】上述の第１実施例では、光源２３を固定
し、半導体基板５（センサ２１）をＸＹステージ２２
を、Ｘ，Ｙ方向に二次元的に走査することにより、光源
２３からの光３を二次元的に走査しながら半導体基板５
に照射するようにしていたが、図５に示すように、透過
型ＸＹステージを設けず、半導体基板５（センサ２）を
固定し、光源４からの光３を光走査機構４０によって二
次元的に走査するようにしてもよい。なお、図５におい
て、４１は光走査機構４０を制御する走査制御装置であ
る。以下、このようにした光走査型二次元濃度分布測定
装置を、第２および第３実施例として、図６および図７
を参照しながら説明する。

【００４１】図６は、第２実施例を示し、特に、光走査
機構４０をガルバノミラーによって構成したものであ
る。すなわち、図６において、４２，４３は光源４から
の光３を、それぞれＸ方向、Ｙ方向に走査させるための
ガルバノミラーで、４４，４５はこれら４２，４３を駆
動するガルバノメータである。ガルバノメータ４４，４
５には、図示してない走査制御装置から走査制御信号が
入力される。４６は集光レンズである。

【００４２】上述のように構成された光走査機構４０に
おいては、ガルバノメータ４４，４５に走査制御信号が
入力されることによって、ガルバノミラー４２，４３が
その反射面を揺動させる。これによって、光源４からの
光３は、Ｘ，Ｙ方向にそれぞれ走査され、集光レンズ４
６を経て半導体基板５を二次元的に走査しながらこれを
照射するのである。

【００４３】図７は、第３実施例を示し、特に、光走査
機構４０を音響光学素子（ＡＯ素子）によって構成した
ものである。すなわち、図７において、４７，４８は光
源４からの光３を、それぞれＸ方向、Ｙ方向に走査させ
るための音響光学素子で、４９，５０はこれら４７，４
８をそれぞれ保持する保持部材である。音響光学素子４
９，５０には、図示してない走査制御装置から走査制御
信号が入力される。

【００４４】上述のように構成された光走査機構４０に
おいては、光源４からの光３は、音響光学素子４７，４
８に走査制御信号が入力されることにより、それらに入
射する光３が所定の角度だけ偏向されて出射され、これ
によって、光源４からの光３は、Ｘ，Ｙ方向にそれぞれ
走査され、集光レンズ４６を経て半導体基板５を二次元
的に走査しながらこれを照射するのである。

【００４５】第２および第３実施例に示す光走査機構４
０を用いた場合における動作は、第１実施例のそれと同
様であるので、その説明は省略する。そして、これら第
２および第３実施例における光走査型二次元濃度分布測
定装置においては、一つの画面の測定が数秒で行なえ、
非常に高速である。そのため、測定の能率が向上する。

【００４６】なお、上述の第２および第３実施例では、
二つのガルバノミラー４２，４３または二つの音響光学
素子４７，４８によって光走査機構４０を構成していた
が、これに代えて、光走査機構４０を、一つのガルバノ
ミラーと一つの音響光学素子とを組み合わせて構成する
ようにしてもよい。

【００４７】また、第２および第３実施例においても、
プローブ光３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。

【００４８】上述の第１〜第３実施例では、半導体基板
５を照射する光源４を固定し、半導体基板５にＸＹステ
ージ１０を設けて、半導体基板５を二次元方向に走査し
たり（第１実施例）、光源４と半導体基板５との間に光
走査機構４０を設けて、光源４からの光３を二次元方向
に走査するようにしていたが、半導体基板５に対してプ
ローブ光３を照射するための光源４を、ハイポトロコイ
ドまたはハイポサイクロイドの曲線描画機構を用いて二
次元方向に走査するようにしてもよい。以下、これを第
４実施例として、図８〜図１２を参照しながら説明す
る。

【００４９】まず、図８において、５１は適宜の素材よ
りなるフレームで、このフレーム５１の上部には、セン
サ２が設けられており、フレーム５１の下部、より具体
的には、センサ２の下方には、二次元光照射部５２が設
けられている。

【００５０】前記二次元光照射部５２は、例えば次のよ
うに構成されている。すなわち、図８および図９におい
て、５３は適宜の部材を介してベース部材５４に取り付
けられたパルスモータで、その出力軸５５がベース部材
５４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５５に原動歯車５６が水平に固着されて
いる。そして、パルスモータ５３は、インターフェース
ボード１４を介してコンピュータ（図示してない）によ
って制御される。

【００５１】５７は原動歯車５６に噛合する従動歯車
で、その回転軸５８が軸受部材５９を介してベース部材
５４に鉛直方向に突設されている。６０はこの従動歯車
５７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。

【００５２】６１は従動歯車５７上であってその回転中
心５８から適宜離れた位置に立設されるピン部材６２に
枢支されて太陽歯車６０に常に内接しながら回転する遊
星歯車である。

【００５３】６３は遊星歯車６１上であってその回転中
心６２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６３には光源としてのレーザ光
源６４と集光用レンズ６５とからなる光源部６６が設け
られている。この光源部６６は、センサ２の半導体基板
５に対してプローブ光６７を照射するもので、集光用レ
ンズ６５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。

【００５４】６８は機能素子設置部６３に連設された板
状部材で、遊星歯車６１の移動に対応できる長さを有す
る長孔６９が開設され、この長孔６９を適宜の固定部７
０に立設されたピン部材７１が挿通している。なお、詳
細には図示してないが、光源６４への電源供給のための
電源ケーブルは、板状部材６８に沿うようにして設けら
れている。

【００５５】なお、上記符号５３〜６３によって表され
る部材からなる装置を、特に、ハイポトロコイドまたは
ハイポサイクロイドの曲線描画機構と呼び、符号７２を
付すこととする。

【００５６】ここで、二次元光照射部５２によって、半
導体基板５に対して、プローブ光６７を二次元的に走査
しながら照射するための描画方程式について、図１０を
参照しながら説明する。

【００５７】図１０において、Ｌは大円（前記太陽歯車
６０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６１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_SＢとがなす角度（ラジア
ン）とする。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】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）

【００６２】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。

【００６３】上述のような描画方程式を有するプログラ
ムがコンピュータに設けられており、二次元光照射部５
２はこのプログラムに基づいて制御される。

【００６４】今、この発明で用いる原動歯車５６、従動
歯車５７、太陽歯車６０および遊星歯車６１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５７の中心からその半径の３／４の位置に遊星
歯車６１の中心があり、さらに、点Ｑ、すなわち、光源
部６６の描く軌跡が太陽歯車６０の中心５８を通るもの
とする。

【００６５】

【表１】

【００６６】前記二次元光照射部５２による二次元平面
走査方法を、図８〜図１１を参照しながら説明すると、パルスモータ５３を回転させることにより、原動歯
車５６が図１１において例えば矢印７３方向に回転し、
これに伴って、従動歯車５７が図１１において矢印７４
方向に回転し、太陽歯車６０も矢印７５方向に回転す
る。

【００６７】原動歯車５６を１回転させると、遊星
歯車６１が太陽歯車６０に内接しながら所定回転数（６
０５／４０３）だけ矢印７６方向に自転するとともに、
１回公転して元の位置に戻る。

【００６８】遊星歯車６１を例えば６０５回自転さ
せると、遊星歯車６１は元の位置に戻るが、この回転に
伴って、光源部６６が曲線７７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１２に示すように、光源部６６によって
走査されることになる。

【００６９】ここで、光源部６６が描く軌跡（特定軌
跡）が完結するまでを１フレームとすると、この１フレ
ームは太陽歯車６０の回転中心５８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１０参照）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６６を特定の位置に連続的に移動することが
できる。

【００７０】そして、原動歯車５６を連続的に回転させ
て、光源部６６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６６がたどるようにして軌跡を描く。

【００７１】上記第４実施例の光走査型二次元濃度分布
測定装置における動作は、上記第１実施例のそれと同様
であるので、その説明は省略する。そして、この第４実
施例における光走査型二次元濃度分布測定装置において
は、一つの画面の測定が３０秒以下で行なえ、非常に高
速である。そのため、測定の能率が向上する。

【００７２】ところで、上述の第４実施例においても、
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。

【００７３】そして、パルスモータ５３に代えて、サー
ボモータを用いてもよい。

【００７４】また、上述の実施例においては、機能素子
設置部６３に設けられた光源部６６の描く軌跡が太陽歯
車６０の中心５８を通るように構成されているが、機能
素子設置部６３の設置位置は、遊星歯車６１上であっ
て、その回転中心６２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６３、すなわち、光源部
６６が描く軌跡は、太陽歯車６０の中心５８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。

【００７５】また、上述の実施例においては、遊星歯車
６１を、太陽歯車６０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、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６３に種々の軌跡を描かせること
ができる。

【００７６】上述の第１〜第４実施例では、光源が単一
であったが、複数の光源を用いるようにしてもよい。す
なわち、複数の光源を二次元的に配置して光源アレイと
し、この光源アレイにおける光源素子を順次二次元的に
走査して点灯させ、半導体基板５を二次元的に走査しな
がら照射するのである。以下、このようにした光走査型
二次元濃度分布測定装置を、第５および第６実施例とし
て、図１３〜図１５を参照しながら説明する。

【００７７】まず、図１３は、第５実施例に係る光走査
型二次元濃度分布測定装置の一例を示し、この図におい
て、７８は半導体基板５を二次元的に照射するための光
源アレイである。この光源アレイ７８は、図１４に示す
ように、複数のＬＥＤ７９をＸ，Ｙ方向において例えば
それぞれ等間隔となるように形成した発光体基板８０
と、この発光体基板８０を保持するとともに、ＬＥＤ７
９を順次点灯するように制御するシフトレジスタ８１
Ｘ，８１Ｙを備えた走査制御部としてのプリント基板８
２とからなる。

【００７８】前記光源アレイ７８は、例えばセンサ２と
は別々に形成され、適宜の接着剤を用いたり、陽極接合
または直接接合などの手法によって、センサ２のセンサ
面７とは反対の面に、発光体基板８０が直接接するよう
にして接合され、これによって複合構造（ハイブリッド
構造）の光走査型二次元濃度分布測定装置が形成され
る。

【００７９】この第５実施例の光走査型二次元濃度分布
測定装置の動作は、第１実施例のそれと同様であるの
で、その説明は省略する。そして、この光走査型二次元
濃度分布測定装置によれば、１画素サイズが５００μｍ
以下であり、また、１画面を数秒で測定することができ
る。

【００８０】なお、図示は省略するが、センサ２と光源
アレイ７８との間に、複数のＬＥＤ７９のそれぞれに対
応するようにして複数のマイクロレンズを介装し、ＬＥ
Ｄ７９からのプローブ光３を半導体基板５の所定の位置
に集光させるようにしてもよい。

【００８１】上記第５実施例は、ハイブリッド構造の光
走査型二次元濃度分布測定装置であったが、図１５に示
すように、一体構造（モノリシック構造）に構成するこ
ともできる。すなわち、図１５は、第６実施例に係る光
走査型二次元濃度分布測定装置を示すもので、この図に
おいて、８３は半導体基板５のセンサ面７とは反対側の
面に形成されるＧａＡｓ層、８４はこのＧａＡｓ層８３
に重ねて形成されるＧｅ層、８５はこのＧｅ層８４に重
ねて形成されるＳｉ層で、これらによって、図１４に示
したようなＸ，Ｙ方向に広がった複数のＬＣＤ（液晶）
８６よりなる光源アレイ７８が形成される。なお、８７
は複数のＬＣＤ８６それぞれのシャッタを適宜開閉制御
するための制御部としてのアドレスデコーダである。

【００８２】この第６実施例に係るモノリシック構造に
構成した光走査型二次元濃度分布測定装置の動作は、第
５実施例の光走査型二次元濃度分布測定装置と同じであ
るので、その詳細な説明は省略する。そして、このよう
にモノリシック構造に構成された光走査型二次元濃度分
布測定装置においては、前記ハイブリッド構成のものの
効果に加えて、微細な部分まで測定が可能であり、高分
解能を有するので、顕微鏡的使用が可能である。

【００８３】なお、光源アレイ７８としては、ＬＥＤ、
ＬＣＤのほか、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）や固
体レーザなどを用いることもできる。

【００８４】上記第５および第６実施例においては、半
導体基板５に対してプローブ光３を照射する機構に機械
的部分がないので、小型かつ構成が簡単であり、位置情
報が固定しており、安定に動作する。

【００８５】そして、上記第５および第６実施例によれ
ば、在来の半導体製造プロセスを適用することができ、
したがって、大量生産することができる。

【００８６】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１３によってバイア
ス電圧を印加し、その状態で、プローブ光３を半導体基
板５に対して照射するのである。

【００８７】また、上述の実施例は、いずれもｐＨの測
定であったが、この発明は、これに限られるものではな
く、カリウムイオンや塩化物イオンの測定を行う場合に
も適用することができる。この場合、光走査型二次元濃
度分布測定装置のセンサ面７を、それぞれカリウムイオ
ンや塩化物イオンに応答する物質で修飾する必要があ
る。例えば、カリウムイオンに応答する物質としては、
バリノマイシンやクラウンエーテルが、また、塩化物イ
オンに応答する物質としては、４級アンモニウムがあ
り、これらの応答物質でセンサ面７を修飾するのであ
る。さらに、センサ面７を適宜の応答物質で修飾すると
ともに、用いる溶液を適宜選択することにより、他のイ
オンの測定にも対応することができる。

【００８８】さらに、光源４から半導体基板５に照射す
るプローブ光３は、赤外線、紫外線、可視光線など種々
の光線のうちから適宜選択して使用することができる。

【００８９】

【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。

【００９０】この発明の光走査型二次元濃度分布測定装
置は、半導体基板の一方の面にセンサ面を有し、前記半
導体基板に対して光源からの光をプローブ光として二次
元的に照射するように構成するとともに、前記プローブ
光の照射を高速に行うことにより、時系列測定を行うよ
うにしているので、各種の物質濃度の二次元分布を時系
列的に測定することができる。

【００９１】そして、コンピュータなどの画像出力装置
と組み合わせることにより、物質濃度の二次元分布の時
間的変化を連続可視画像として表示することができる。
また、前記変化を時間軸に対して拡大したり縮小して表
示することができ、さらには、物質濃度の二次元分布測
定を行っている領域中のある点における濃度変化を連続
可視画像として表示することもできる。

【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
概要を示す図である。

【図２】第１実施例の光走査型二次元濃度分布測定装置
の具体的構成を示すブロック図である。

【図３】第１実施例の動作説明図である。

【図４】第１実施例の動作説明図である。

【図５】第２および第３実施例を包括的に示した図であ
る。

【図６】第２実施例の要部を示す図である。

【図７】第３実施例の要部を示す図である。

【図８】第４実施例の光走査型二次元濃度分布測定装置
の具体的構成を示す図である。

【図９】第４実施例において用いられる曲線描画機構の
一例を示す斜視図である。

【図１０】前記曲線描画機構の動作原理を説明するため
の図である。

【図１１】前記曲線描画機構の動作説明図である。

【図１２】前記曲線描画機構によって描かれる軌跡の一
例を示す図である。

【図１３】第５実施例の光走査型二次元濃度分布測定装
置の具体的構成を示す図である。

【図１４】第５実施例において用いられる光源アレイの
一例を概略的に示す図である。

【図１５】第６実施例の光走査型二次元濃度分布測定装
置の具体的構成を示す図である。

【符号の説明】

３…光源、４…プローブ光、５…半導体基板、７…セン
サ面、１０…ＸＹステージ、１８…画像出力装置、４
２，４３…ガルバノミラー、４８，４９…音響光学素
子、７２…曲線描画機構、７８…平板型光源アレイ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中尾基京都府京都市南区吉祥院宮の東町２番地株式会社堀場製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の一方の面にセンサ面を有
し、前記半導体基板に対して光源からの光をプローブ光
として二次元的に走査しながら照射するように構成する
とともに、前記プローブ光の照射を高速に行うことによ
り、時系列測定を行うように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。
【請求項２】コンピュータなどの画像出力装置と組み
合わせることにより、時系列測定を行って得られる物質
濃度の二次元分布の時間的変化を連続可視画像として表
示できるようにした請求項１に記載の光走査型二次元濃
度分布測定装置。
【請求項３】半導体基板のセンサ面とは反対側に半導
体基板を二次元方向に走査するためのＸＹステージを設
けてある請求項１または２に記載の光走査型二次元濃度
分布測定装置。
【請求項４】半導体基板に対して、光源からの光を、
ガルバノミラーまたは／および音響光学素子を用いて二
次元方向に走査しながら照射するようにした請求項１ま
たは２に記載の光走査型二次元濃度分布測定装置。
【請求項５】半導体基板に対してプローブ光を照射す
るための光源を、ハイポトロコイドまたはハイポサイク
ロイドの曲線描画機構を用いて二次元方向に走査するよ
うにした請求項１または２に記載の光走査型二次元濃度
分布測定装置。
【請求項６】光源として平板型光源アレイを用い、こ
の光源アレイからの光を、半導体基板に対して二次元方
向に走査しながら照射するようにした請求項１または２
に記載の光走査型二次元濃度分布測定装置。