近接場ラマン分光法を用いた半導体ナノデバイスの分析・評価技術の開発

チップ増強近接場ラマン(TERS)顕微鏡は原子間力顕微鏡とラマン散乱分光法を組み合わせた分光分析手法のひとつであり、ナノメートルの空間分解能で分子や結晶の種類や組成を明らかにすることができる手法である。AFMプローブ先端の金属部分に光を照射することで、先端の局在プラズモンポラリトンを誘起し、その周囲に増強電場を生成する。この局所増強電場を用いることで、金属先端下の数ナノメートル領域のみのラマン信号を選択的に増強し、検出することができる。これまでに最適化したTERS顕微鏡や金属プローブを適用し、実際のデバイスとして使用されている歪みシリコンナノデバイス表面上の結晶方位分布の観察を行い、そのナノスケールの欠陥状態や結晶特性変化をナノラマンイメージングにより調べてきた。しかし、歪みシリコンのラマン信号は弱く、歪みの大きさによってシリコンのラマン信号から数nmだけシフトして現れるため、より高い増強度と空間分解能が必要となった。金属プローブを再現性高く作製するための改良が、測定時間の短縮や測定領域の拡大に繋がる不可欠な要素として挙げられた。そこで、形状な金属ナノ粒子を金属プローブ先端にのみ付着させる方法を検討した。化学合成法に基づいて作製した金属ナノ粒子は、均一な形状で大量生産が可能である。粒子の大きさや形状によって相互作用する光の波長が異なるため、励起波長に応じた粒子を選択することでラマン散乱光を効率良く増強させることができる。作製した金属ナノ粒子をAFMプローブに接着させることによって、試料に最適な励起光に対して増強度の高い金属プローブを作製することが可能となった。さらに、金ナノ粒子に局所的に誘起される増強光電場を計算によって求め、光硬化性樹脂を用いることによってその増強光電場を実験的に示した。

チップ増強近接場ラマン(TERS)顕微鏡は原子間力顕微鏡とラマン散乱分光法を組み合わせた分光分析手法のひとつであり、ナノメートルの空間分解能で分子や結晶の種類や組成を明らかにすることができる手法である。AFMプローブ先端の金属部分に光を照射することで、先端の局在プラズモンポラリトンを誘起し、その周囲に増強電場を生成する。この局所増強電場を用いることで、金属先端下の数ナノメートル領域のみのラマン信号を選択的に増強し、検出することができる。これまでに最適化したTERS顕微鏡や金属プローブを適用し、実際のデバイスとして使用されている歪みシリコンナノデバイス表面上の結晶方位分布の観察を行い、そのナノスケールの欠陥状態や結晶特性変化をナノラマンイメージングにより調べてきた。しかし、歪みシリコンのラマン信号は弱く、歪みの大きさによってシリコンのラマン信号から数nmだけシフトして現れるため、より高い増強度と空間分解能が必要となった。金属プローブを再現性高く作製するための改良が、測定時間の短縮や測定領域の拡大に繋がる不可欠な要素として挙げられた。そこで、形状な金属ナノ粒子を金属プローブ先端にのみ付着させる方法を検討した。化学合成法に基づいて作製した金属ナノ粒子は、均一な形状で大量生産が可能である。粒子の大きさや形状によって相互作用する光の波長が異なるため、励起波長に応じた粒子を選択することでラマン散乱光を効率良く増強させることができる。作製した金属ナノ粒子をAFMプローブに接着させることによって、試料に最適な励起光に対して増強度の高い金属プローブを作製することが可能となった。さらに、金ナノ粒子に局所的に誘起される増強光電場を計算によって求め、光硬化性樹脂を用いることによってその増強光電場を実験的に示した。