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1. WO1991007666 - CAPTEUR DE POTENTIEL UTILISANT UN CRISTAL ELECTRO-OPTIQUE ET PROCEDE DE MESURE DE POTENTIEL

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[ JA ]
明 細 書

電気光学結晶を用いた電位センサ及び電位測定方法

技 術 分 野

本発明は電界に応じて電気光学結晶の光学異方性が変化す ることを利用して被測定体の電位を求めるようにした電気光 学結晶を用いた電位測定装置及び電位測定方法に関するもの である。

背 景 技 術

第 5図に示すように電気光学結晶 1 に透明電極 2を貼りつ けて接地し、 被測定体 3に近づけると、被測定体が所定の表 面電位をもっているとすれば、 被測定体からの電気力線は電 気光学結晶を通して電極 2に終端するので、電気光学結晶 1 には所定の電界が加わり、 そのため光学異方性が変化する。 光学異方性の変化は電界の大きさに比例するので、 例えば、 偏光 4を照射すると、その反射光または透過光の偏光状態が 変化する。 今、レ夕デ一シヨンの変化を Δ 0、屈折率を η、 電気光学定数を 7、電界強度を Ε、光路長を^、波長を; I と したとき、

2 π

Δ φ = η 5 γ Ε £ 一…(1) λ

で表わされる。 いま、電気光学結晶、空隙、被測定体の厚み、 誘電率をそれぞれ ( d , , £ , ) 、 ( d 2 , ε 2 ) , ( d 3

, ε 3 ) 、被測定体の電位を V s とすると、

V s = ( d 1 + — d 3 + — d 2 ) E …… (2) 被測定体が電気光学結晶に接し (d2 = 0 ) 、かつ被測定体 が金属的な場合 ( d 3 = 0 ) には、

V s = E d! -(3) となる。すなわち、(1)式の E ^は V sに対応し、反射型の場 合には^ = 2 d ! 、透過型の場合には^ = d , となり、△ ø を求めることにより被測定体の表面電位 V sを求めることが できる。

このような光学電位センサは、 従来第 6図に示すように、 ガラス支持体 6上に透明電極 ( I TO) 2をスパッタ法等に より形成し、 その上に接着剤 7で L i Nb 03 1を張りつけ て必要な厚さに研磨し、 その後薄膜技術により誘電体反射膜 8を形成して作製していた。 このように、従来の光学電位セ ンサは構造が複雑であるとともに、接着工程や研磨工程があ るために製作工程が複雑で加工性が悪く、 接着や研磨により 厚みむらが生じて面精度も低く、 その結果測定精度も低下す るという問題がある。さらに、 L i Nb 03 は 3方向に全て 異なる光学的性質を有しているために、 結晶の Z軸を光の入 射方向に対して正確に 5 5 ° 傾かせるのが難しく、さらに L i Nb 03 が光劣化するという問題があった。

本発明の目的は、 製作工程が容易な気光学結晶を用いて電 位測定を可能にすることである。

本発明の他の目的は、 電気光学結晶を用い、光劣化が生ぜ ず、高精度な電位測定を可能にすることである。

発 明 の 開 示

本発明の電位センサは、 低抵抗化合物半導体基板上にェピ タキシャル成長により、高抵抗化合物半導体層を形成した電 気光学結晶を用いて電位を測定することを特徴とする。

また、本発明の電位センサは、低抵抗化合物半導体及び高 抵抗化合物半導体のバン ドギャップを大きくしたことを特徵 とする。

また、本発明の電位センサは、高抵抗化合物半導体層上に 誘電体反射膜を形成したことを特徴とする。

また、本発明の電位センサは、被測定体に近接して対向配 置すると共に低抵抗化合物半導体基板を接地し、 直線偏光、 楕円偏光、 あるいは円偏光を照射して偏光状態の変化から被 測定体の電位を測定することを特徵とする。

図面の簡単な説明

第 1 図は本発明の電位センサの構成を示す図、

第 2図、第 3図は本発明のセンサを使用した測定装置の構 成を示す図、

第 4図は電位センサの電位検出例を説明するための図、 第 5図は光学電位センサの説明図、

第 6図は従来の電位センサの構成を示す図である。

発明を実施するための最良の形態 第 1 図は本発明のセンサの構成を示す図である。図中、 1

0はセンサ本体、 1 1 は低抵抗化合物半導体、 1 2は高抵抗 化合物半導体、 1 3は誘電体反射膜である。

本発明は化合物半導体が電界中に置かれると光学的に複屈 折性を生じること、 光劣化がほとんどないこと、低抵抗化合 物半導体が導体として機能することに着目したもので、 低抵 抗化合物半導体ウェハ上に高抵抗化合物半導体 1 2をェピ夕 キシャル成長させ、 この上に誘電体反射膜 1 3を形成してモ ノシリックのセンサを構成する。

低抵抗化合物半導体 1 1 としてはプローブ光が吸収されず に透過する必要があるので、 バンドギャップが大きいこと、 ェピタキシャル成長させる高抵抗化合物半導体に格子定数、 熱膨張係数が近いことが望ましく、 また、電極を兼ねるので 1 0 +1Ωαη以下の抵抗率であることが望ましい。

高抵抗化合物半導体 1 1 としては、例えば上記化合物半導 体のノ ンド一プのものや、 G a A sに C rをドープしたり、 C dT eに をドープしたような深い準位を有する ドーパ ン トをド一プして高抵抗にしたものを用いればよい。そして (1)式から分かるように使用するプローブ光の波長が短いほど レ夕デーシヨンの変化が大きく、信号出力を大きぐできるの で、短波長光が使用できるようにバン ドギャップが大きいこ と、また電気光学定数が大きいものが望ましく、電界を大き くかけたいので 1 05 Ω η以上の抵抗値を有することが望ま しい。

使用する化合物半導体としては、 G aA s、 G a P、 G a N、 I nA s、 I n S b等の Π— V族化合物またはこれらの 混晶、 Z n S、 Zn S e、 C d S、 C d S e、 C dT e、 Z nT e等の ]!—^族化合物またはこれらの混晶、 C u C ^、 C u B r等の I一 1族化合物またはこれらの混晶を使用し、 皿一 V族化合物の場合、例えば、 P型 G a A sでは Z n、 M g、 Mn、 B eをド一プすることにより、 N型 G a Pでは、 S、 S e、 T e、 S i、 G e、 S nをド一プすることにより 低抵抗化合物半導体とし、 I一^族化合物の場合には、 例え ば、 Z n S、 2113 6に Nをドープすることにより P 型、 C ^をドープすることにより N型の低抵抗化合物半導体 とする。また、 C u G a S2 、 C u A ^ S e 2 等の I一 m— VT2 族化合物またはこれらの混晶、 Z n S i P2 、 Z n G e P2 、 C d S i P 2 等の丑一 YT— V2 族化合物またはこれら の混晶を使用してもよい。

また、低抵抗化合物半導体と高抵抗化合物半導体とはホモ 構造でもへテロ構造でもよく、 低抵抗化合物半導体と高抵抗 化合物半導体の役割が異なるので、 それぞれに適したものを 使用すると、 一般的にはへテロ構造となる。

なお、高抵抗化合物半導体中にキャリアが生成すると、キ ャ リァは外部電界を打ち消すように作用するので、高抵抗化 合物半導体中の電界を弱め、 検出感度を低下させることにな る。 このような感度低下を生じさせないようにする為には、 高抵抗化合物半導体を光キヤ リアを生じせしめるような光に 曝さないこ と、また、熱キャリアが生じる温度にしないこと が必要である。

このような構成とすることにより、 低抵抗化合物半導体と して適当な濃度の不純物をドープした半導体ウェハを使用す れば面精度は極めて良く、 また高抵抗化合物半導体はこの上 にェピタキシャル成長させるので、 結晶軸はウェハの状態で 決定され、 これをあらかじめ所定方向のものを選択しておけ ばェピタキシャル成長した層の結晶軸は最適な値に自動的に

設定される。 なお、上記説明では反射光を利用して電位測定 する例について説明したが、 透過光を利用しても同様に測定 でき、その場合は当然誘電反射膜は不要であり、 また被測定 物も測定光を透過する必要がある。

第 2図は本発明のセンサを用いた電位測定装置の一実施例 の構成を示す図である。

レーザダイオー ド 2 0からの直線偏光を集光レンズ 2 1で コ リメートし、ハーフミラ一 2 2、対物レンズ 2 3を通して 本発明のセンサ 1 0に照射する。センサ 1 0は対向して近接 配置された被測定物体 2 4の電位に応じて光学異方性が変化 し、その結果、反射光は所定の光学軸方向の成分がレターデ ーシヨ ンを起こして楕円偏光となる。楕円偏光はハーフミラ — 2 2を介して、例えば 1 Z 2波長板 2 5を通してセンサ 1 0でレタデーシヨ ンを受けた成分とこれに直交方向の成分と を混合し、 偏光ビームスプリッタ 2 6で二分してそれぞれレ ンズ 2 7、 2 8で集光して受光素子 2 9、 3 0で検出し、検 出出力を差動増幅器 3 1で増幅することにより、光源の光量 変動があった場合でも変動分が除去されて信号成分のみ検出 することができる。 このとき差動増幅器 3 1 の出力は、

s i n ( Δ + α )

に比例する。 ここで、 Δ øは(1)式で与えられるものであり、 αは位相因子である。 出力の電位に対する線形性の最も良好 なのは△ ø =— αの近傍である。従って、光路上の、例えば 集光レンズ 2 1 とハーフミラ一 2 2の間に適当な位相補償板 を置き、 αを動かすことにより線形性を必要とする電位範囲

を決めることができる。 1 Z 4波長板を用いた場合、理想的 な光学系では α = 0 となり、電位が 0の近傍で線形性が最も 良く なる。

また、 レーザダイオードの出射光が楕円形をしており、ビ —ムスポットを円形にしたい場合にはビーム整形用のプリズ ムを、例えば集光レンズ 2 1 とハーフミラー 2 2の間の光路 に揷入すればよい。

第 3図は本発明のセンサを用いた電位測定装置の他の実施 例の構成を示す図である。

本実施例においては、 偏光子 3 1 を介して特定方向に偏光 した光をセンサに照射し、反射楕円偏光を検光子 3 2を通し て検出することにより、 センサにより生じた偏光角の変化分 を検出して被測定体の電位を測定している。 この場合の電位 測定装置の出力は、

s i η Η Δ ø + α )

に比例し、 第 1 図の装置に比して感度が低い。

第 2図、第 3図に示す装置においては、被測定物上の 1 ケ 所の電位が測定でき、 被測定物体の表面全体の測定を連続し て行う場合は光学系と被測定物体とを相対的に運動させて表 面全体を走査する必要がある。 この場合、センサ部の電気光 学結晶は光学系に対して相対的に静止していてもよいし、 被 測定物体に対して相対的に静止していてもよい。

なお、解像度は電気光学結晶が薄いほど高くなり、対物レ ンズの Ν . Α (開口数)を最適化する必要があり、一方、感 度は電気光学結晶が厚いほど高くなり、 解像度とは両立しな い。

また、測定に当たつては電気光学結晶と被測定物との間の ギャップを決めておく必要があり、 そのためにはサーボ機構 を用いてギャップコン トロールを行うようにすればよい。ギ ヤップコン トロールは、被測定物と電気光学結晶の一方また は両方を動かして行う ことができ、電気光学結晶も動かす場 合には分割したフオ トダイォードで電気光学結晶からの反射 光を受光し、 各フォトダイォ一ドの受光量の差が小さくなる ようにサーボ機構にフィ一ドバックをかけて電気光学結晶へ のフ ォーカシングを行うようにすることが必要である。

〔実施例一 1〕

3 0 0 mの厚みの G a Pからなる低抵抗化合物半導体基 板 ( 1 0 0 ) 上に高抵抗 Z nT eを MO CVD法により 2 0 〃m厚にェピタキシャル成長させ、 第 4図に示すように導体 4 0に電源 Vより 1 0 0 Vを印加したとき、第 2図の測定装 置で検出したところ入射光強度に対して 1 %の出力変化が得 られ、また、用いる光の波長に応じて数%〜数 1 0 %の出力 変化が得られた。

〔実施例一 2〕

低抵抗 G a P ( 1 0 0 ) 基板上に M 0 C V D法により高抵 抗 C u G a S 2 を 1 0 〃m厚にェピタキシャル成長させ、そ の上に S i 02 と C a F2 の多層誘電体反射膜を電子線加熱 蒸着により作製した。

以上のように本発明によれば、 化合物半導体の複屈折性を 利用し、 不純物をドープすることにより低抵抗とした半導体 上に高抵抗化合物半導体をェピタキシャル成長させるように したので、加工性がよく、しかも面精度は極めて高く、光劣 化の少ないセンサを構成することが可能となる。

産業上の利用可能性

本発明は、被測定体の電位、特に電圧を印加して面像露光 することにより画像記録した電荷保持媒体の静電画像を高精 度に読み出す場合に利用することが可能である。