JPH02268255A - 螢光特性検査装置 - Google Patents
螢光特性検査装置Info
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- JPH02268255A JPH02268255A JP8947989A JP8947989A JPH02268255A JP H02268255 A JPH02268255 A JP H02268255A JP 8947989 A JP8947989 A JP 8947989A JP 8947989 A JP8947989 A JP 8947989A JP H02268255 A JPH02268255 A JP H02268255A
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Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
本発明は、試料の螢光特性を検査するための装置に係り
、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ） 、レーザダイオー
ド（ＬＤ） 、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ） 、フ
ォトダイオード（ＰＤ） 、光学電気集積素子（ＯＥＩ
Ｃ）、集積素子（ＩＣ）等に使用されるＧａ ＡＳウェ
ハ等の半導体ウェハの品質を評価する際に用いるのに好
適な、試料から発生するフォトルミネッセンスの空間的
な強度分布像及び寿命分布像を得ることが可能な螢光特
性検査装置に関するものである。
、特に、発光ダイオード（ＬＥＤ） 、レーザダイオー
ド（ＬＤ） 、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ） 、フ
ォトダイオード（ＰＤ） 、光学電気集積素子（ＯＥＩ
Ｃ）、集積素子（ＩＣ）等に使用されるＧａ ＡＳウェ
ハ等の半導体ウェハの品質を評価する際に用いるのに好
適な、試料から発生するフォトルミネッセンスの空間的
な強度分布像及び寿命分布像を得ることが可能な螢光特
性検査装置に関するものである。
ＬＥＤ、ＬＤｌＦＥＴ、ＰＤ、ＯＥ ＩＣ，ＩＣ等の製
造に用いられるＱａ ＡＳウェハの品質は、これらの製
造業者にとって最大の問題であり、現状では決して安心
できるものではない。 一般に、半導体結晶に禁止帯幅よりも大きなエネルギー
を持つ光ビームを照射して価電子帯から電子を励起する
と、励起された電子が再結合でエネルギーを失う過程で
螢光が１！測され、この発光が７オトルミネツセンスと
呼ばれている。このフォトルミネッセンスにおける螢光
の寿命は、結晶の品質、表面処理、表面の歪、疵等によ
っても決まる。従って、研磨→エツチングと加工工程が
進むに従って、表面の再結合中心が減少し、螢光寿命が
長くなる場合もある。これは、表面再結合速度を見てい
ることに相当する。−殻内には、螢光寿命が変化するの
は、結晶の品質、結晶欠陥、表面状態、表面処理等の影
響のためであり、これらの状況が良好な、即ち品質の良
いウェハは、第１３図に実線Ａで示す如く螢光寿命が長
くなるのに対して、品質の低いウェハは、同じく第１３
図に実線Ｂで示す如く、螢光寿命が短くなっている。 従って、Ｇａ ＡＳウェハの品質評価に際しては、その
螢光寿命を測定することが重要である。 又、ＧａＡＳウェハの品質は、螢光寿命だけでなく、螢
光効率（量子効率、螢光の絶対値即ち螢光強度）も重要
である。通常は、第１３図に示すように、螢光効率と寿
命は相関があるが、そうでない場合もあり得るので、螢
光強度を測ることも重要である。
造に用いられるＱａ ＡＳウェハの品質は、これらの製
造業者にとって最大の問題であり、現状では決して安心
できるものではない。 一般に、半導体結晶に禁止帯幅よりも大きなエネルギー
を持つ光ビームを照射して価電子帯から電子を励起する
と、励起された電子が再結合でエネルギーを失う過程で
螢光が１！測され、この発光が７オトルミネツセンスと
呼ばれている。このフォトルミネッセンスにおける螢光
の寿命は、結晶の品質、表面処理、表面の歪、疵等によ
っても決まる。従って、研磨→エツチングと加工工程が
進むに従って、表面の再結合中心が減少し、螢光寿命が
長くなる場合もある。これは、表面再結合速度を見てい
ることに相当する。−殻内には、螢光寿命が変化するの
は、結晶の品質、結晶欠陥、表面状態、表面処理等の影
響のためであり、これらの状況が良好な、即ち品質の良
いウェハは、第１３図に実線Ａで示す如く螢光寿命が長
くなるのに対して、品質の低いウェハは、同じく第１３
図に実線Ｂで示す如く、螢光寿命が短くなっている。 従って、Ｇａ ＡＳウェハの品質評価に際しては、その
螢光寿命を測定することが重要である。 又、ＧａＡＳウェハの品質は、螢光寿命だけでなく、螢
光効率（量子効率、螢光の絶対値即ち螢光強度）も重要
である。通常は、第１３図に示すように、螢光効率と寿
命は相関があるが、そうでない場合もあり得るので、螢
光強度を測ることも重要である。
しかしながら、フォトルミネッセンスを利用して結晶の
品質を調べるための従来の装置は、試料に波長λ１の連
続光（ＤＣ光）を照射し、発生する波長λ２（〉λ１）
のフォトルミネッセンスの強度分布から、試料の評価を
行うものであった。 又、モード同期パルスレーザ又は半導体レーザのパルス
光を試料に当て、サンプリング型ストリークカメラを用
りて、発生したフォトルミネッセンスの螢光寿命を測定
する技術も提案されている。 しかしながら、測定結果は単一の測定点についてのみ又
単一波長についてしか得られないので、試料を移動して
各点の測定を行うのに時間がかかる等の問題点を有して
いた。 本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、試料から発生するフォトルミネッセンスの螢光強
度及び螢光寿命、又はその相関の空間的な分布像を高速
で得ることが可能な螢光特性検査装置を提供することを
課題とする。
品質を調べるための従来の装置は、試料に波長λ１の連
続光（ＤＣ光）を照射し、発生する波長λ２（〉λ１）
のフォトルミネッセンスの強度分布から、試料の評価を
行うものであった。 又、モード同期パルスレーザ又は半導体レーザのパルス
光を試料に当て、サンプリング型ストリークカメラを用
りて、発生したフォトルミネッセンスの螢光寿命を測定
する技術も提案されている。 しかしながら、測定結果は単一の測定点についてのみ又
単一波長についてしか得られないので、試料を移動して
各点の測定を行うのに時間がかかる等の問題点を有して
いた。 本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、試料から発生するフォトルミネッセンスの螢光強
度及び螢光寿命、又はその相関の空間的な分布像を高速
で得ることが可能な螢光特性検査装置を提供することを
課題とする。
本発明は、螢光特性検査゛装置において、第１図にその
基本構成を例示する如く、スリット状又は複数の光ビー
ムによって試料１０を励起するためのパルス光［１２と
、該パルス光源１２の光を試料１０に照射する照射光学
系１４と、試料１ｏの測定位置を移動するための移動手
段（図ではステージ１６）と、試料１０から発生するフ
ォトルミネッセンスを抽出して検出器（２０）に導く集
光光学系１８と、前記パルス光源１２に同期して、前記
フォトルミネッセンスの時間強度波形に関する情報を２
次元的に読出して、複数の測定点における情報を並列的
に検出するためのストリークカメラ２０と、試料測定位
置を移動しながら並列的に検出した、複数の測定点にお
ける前記時間強度波形に関する情報を解析、処理して、
フォトルミネッセンスの空間的な強度分布、寿命分布又
はその相関分布を求める信号処理装置２２とを備えるこ
とにより、前記課題を達成したものである。 又、例えば第２図に示す如く、前記ストリークカメラ２
０の前に分光手段（２６）を設け、分光方向（λ方向）
と垂直な方向に掃引して、測定点からのフォトルミネッ
センスの時間分解分光を行い、多波長の空間的な強度分
布、寿命分布又はその相関分布が並列的に求められるよ
うにしたものである。この場合、試料を励起するパルス
光はスポット状でもよい。 又、例えば第３図に示す如く、前記ストリークカメラ２
０の前に走査可能な分光手段（２６）を設け、分光方向
に掃引して、複数の測定点におけるフォトルミネッセン
スの所定波長毎の空間的な強度分布、寿命分布又はその
相関分布が並列的に求められるようにしたものである。 又、前記ストリークカメラのストリーク管を、スリット
状に形成された光電面又は加速電極を持つ構造として、
ストリークカメラの入射スリット及びリレーレンズを不
要としたものである。 ［作用及び効果］ 本発明にかかる螢光特性検査装置では、パルス光源１２
を用いてスリット状又は複数の光ビームにより試料１０
を励起し、該パルス光源１２に同期して、ストリークカ
メラ２０を２次元的に読出すことにより、試料中から発
生するフォトルミネッセンスの、複数の測定点における
時間強度波形に関する情報を並列的に検出し、試料測定
位置を移動しながら並列的に検出した、複数の測定点に
おける該時間強度波形に関する情報を解析、処理して、
フォトルミネッセンスの空間的な強度分布及び寿命分布
、又はその相関分布を求めるようにしている。従って、
試料の螢光強度及び寿命の両者を高速で同時に測定する
ことができ、Ｇａ Ａｓウェハ等の品質を正確に評価す
ることが可能となる。更に、該螢光強度及び寿命又はそ
の相関の空間的な分布像が得られるので、局所的な欠陥
等も容易に検査することができる。 又、例えば第２図に示す如く、前記ストリークカメラ２
０の前に分光手段（分光器２６）を設け、分光方向と垂
直な方向に掃引するようにした場合には、測定点からの
フォトルミネッセンスの時間分解分光を行って、多波長
の空間的な強度分布、寿命分布又はその相関分布を並列
的に求めることが可能となり、特に、波長によって螢光
寿命が異なる試料を検査する際に好適である。 更に、例えば第３図に示す如く、前記ストリークカメラ
２ｏの前に走査可能な分光手段（２６）を設けて分光方
向に掃引するようにした場合には、複数の測定点におけ
るフォトルミネッセンスの所定波長毎の空間的な強度分
布、寿命分布又はその相関分布を並列的に得ることが可
能となる。 又、前記ストリークカメラのストリーク管が、スリット
状に形成された光電面又は加速電極を持つ構造とした場
合には、ストリークカメラの入射スリット及びリレーレ
ンズを不要とすることができる。 即ち、通常、ストリークカメラは、ストリーク管の直前
に、入射スリットとリレーレンズで構成される入力光学
系が配されている。この入力光学系の目的は、入射光を
スリット状に切り出して、ストリーク管の光電面上に入
射光のスリット光を結像するためのものである。一方、
ＵＳＰ４６３０９２５には、ストリークカメラを用いて
時間分解分光測光を行う装置で、分光器の入力をピンホ
ールスリットとし、入力光学系なしで、試料のある点か
らの螢光の時間−波長の輝度変化を測定する技術が開示
されている。この方法の場合、面状の光電面を前提とし
、分光器の入力スリットをピンホールとして、分光器の
結像系により、ストリーク管の光電面上に波長分解され
た入射光のスリット像を結像することにより、入力光学
系なしで前記の測定を可能としている。しかしながら、
分光器のスリットをピンホールとすると試料の１点の測
定しかできない。そこで、例えば特公昭５８−５８００
５に示唆されている如く、分光器のスリットをピンホー
ルとせず、ストリーク管の光電面又は加速電極をスリッ
ト状に形成することによって、入力光学系を省略するこ
とができる。この場合には、入力光学系を省略して試料
の多点の測定を同時に行うことができる。 【実施例］ 以下図面を参照して、半導体ウェハ評価装置に適用した
、本発明に係る螢光特性検査装置の実施例を詳細に説明
する。 本発明の第１実施例は、第１図に示した如く、スリット
状の光によってＱａ Ａｓ半導体ウェハ等の試料１０を
励起するためのパルス光源１２と、該パルス光源１２の
光を試料１０に照射する照射光学系１４と、前記パルス
光源１２に対する試料１０の位置を微細にはスリット光
長手方向と垂直な方向に、粗くはスリット光長手方向に
移動させることによって、前記試料１０の測定位置（パ
ルス光照射位置）を移動するためのステージ１６と、試
料１０から発生するフォトルミネッセンスを抽出して検
出器に導くための、ビームスプリッタ１８Ａ、フォトル
ミネッセンスの波長成分を抽出するためのフィルタ１８
Ｂ及びレンズ１８Ｇを含む集光光学系１８と、前記パル
ス光ａ１１２の出力をトリガ信号として、前記フォトル
ミネッセンスの時間強度波形（以下、螢光波形と称する
）に関する情報を２次元的に読出すためのストリークカ
メラ２０と、前記ステージ１６を移動することによって
、試料測定位置を移動しながら並列的に検出した、スリ
ット状に並んだ複数の測定点（第４図参照）における前
記螢光波形に関する情報を解析、処理して、フォトルミ
ネッセンスの空間的な強度分布、寿命分布又はその相関
分布を求める信号処理装置２２と、該信号処理装置２２
によって得られた空間的な強度分布像、寿命分布像又は
その相関分布像を表示する表示装置２４とから構成され
ている。 前記パルス光８！１２としては、例えば波長６００〜６
８０ ｎＩｎ程度でパルス幅５０ ｐｓｅｃ程度のパル
ス光を安定して発撮可能なレーザダイオード（ＬＤ）を
用いることができる。該パルス光源１２からトリガ信号
を得る方法としては、例えばパルス光源１２のパルス光
を分岐し、その一方の光をアバランシュフォトダイオー
ド（ＡＰＤ）等の高速フォトダイオードで電気信号に変
換して、ストリークカメラ２０のトリガ信号とすること
ができる。 前記ストリークカメラ２０は、第５図に基本的な構成を
示す如く、例えば入射スリット板３０及びレンズ３２か
らなる入力光学系を介して、入射光をストリーク管３４
の光電面３６に当てて電子に変換し、偏向電極３８の間
を光電子が通過する際に高速掃引することによって、時
間的に変化する入射光強度を螢光面４２上の位置におけ
る輝度変化として測定するものである。図において、４
０は、螢光面４２の直前で光電子を増倍するためのマル
チチャンネルプレート（ＭＣＰ）である。 このようにして出力螢光面４２上に現れた像はストリー
ク像と呼ばれ、これを例えば第１図に示した如く、ビジ
コンやＣＯＤ等を使用したテレビカメラ５０でｍｅした
後、この出力像の時間軸方向に沿った明るさの分布を定
量することによって、被測定光の強度の経時変化を知る
ことができる。 具体的には例えばテレビカメラ５０の出力をアナログ／
デジタル＜Ａ／Ｄ）変換器５２でＡ／Ｄ変換し、−時記
憶装置５４に保持した後、前記信号処理装置２２に出力
する。 前記ストリークカメラ２０により、スリット状に並んだ
各測定点毎に、例えば第６図に示すような螢光波形を並
列に得て、これから得られた測定点毎の螢光強度及び寿
命を、測定点に対応させて２次元的にプロットすること
により、空間的な強度分布像及び寿命分布像が迅速に得
られる。 本実施例においては、スリット光の長さを測定範囲と一
致させているので、通常、スリット光長手方向への試料
移動は不要である。なお、更に広い範囲を測定する場合
は、ステージをスリット光の長手方向及び垂直方向に粗
く移動させることもできる。 前記信号処理装置２２における螢光波形に関する情報の
解析及び処理は、次のようにして行われる。 即ち、前出第６図に示したような螢光波形に基づいて、
まず螢光強度１ （ｔ ）が１／ｅ （約３７％）とな
る迄の時間である螢光寿命τを求める。 具体的には、螢光寿命でか１種類である場合には、前記
螢光波形の縦軸を対数で表わした波形は第７図に示す如
くとなるので、この波形に対して、次式に示すような式
を当て填めて、例えば最小二乗法等により一番近い係数
項Ａ及び寿命τを求める。 １ （ｔ ） −Ａ −ｅｘｐ（−ｔ ／τ） ・
（１）又、螢光寿命が複数（τ１、τ２、τ３、・・・
）ある場合には、螢光波形を対数で表わした波形は第８
図に示す如くとなるので、これに対応させて、次式に示
すような式を当て填めることによって、各螢光寿命τ１
、τ２、τ３、・・・を求めることができる。 Ｉ（ｔ）−Ａｊ ｅｘｐ（−ｔ／ｒ１）＋Ａ２ ・ｅ
ｘｐ（−ｔ ／τ２） ＋Ａ３ ・ｅＸＩ）（−ｔ ／τ３） ＋・・・ ・・・・・・・・・（２）一方、螢
光の（全）強度は、前記波形の全面積（第７図及び第８
図に斜線で示す）に相当するので、前記波形の値Ｉ （
ｔ ）を全範囲に亘って積分するか、又は、次式を用い
て、螢光寿命を求める際に求められた定数Ａｉ及び螢光
寿命τｉから計算によって求めることができる。 ｆＩ（ｔ）＝、Ａ＋τ１＋Ａ２τ２＋Ａ３τ３＋・・・
・・・・・・・・・（３）このようにして
求められた螢光寿命及び螢光強度が、前記表示装置２４
に空間的分布像として表示される。螢光寿命の表示像の
一例を第９図に示す。この第９図においては、螢光寿命
τの分布が、例えば濃淡によって表わされている。 なお、螢光強度及び寿命を画像化するに際しては、白黒
濃度で表示する他、カラー画像で色を変えて表示したり
、あるいは３次元表示を行うことも可能である。又、螢
光寿命に、第２吹成分τ２、第３火成分τ３もある場合
には、例えば１次成分て１のみを緑でマツピングし、１
次及び２次成分τ１、τ２を赤でマツピングし、１次、
２次及び３次成分τ１、τ２、τ３を黄でマツピングす
ることができる。又、１次成分τ１を赤とし、２次成分
τ２を緑とし、３次成分τ３を青とし、順次重ねること
によって、結果的に、１次成分で１を赤、２次成分τ２
を黄、３次成分τ３を白で表示することも可能である。 更に、画像表示に際しては、適宜スムージング処理を行
って、見易くすることも可能である。 又、信号処理装置２２は、異なる強度分布像及び寿命分
布像の間での相関、例えば比を求める等の演算を行い、
演算結果（即ち相関分布像）につき表示することもでき
る。 次に、第１０図を参照して、本発明の第２実施例を詳細
に説明する。 この第２実施例は、前記第１実施例と同様の、パルス光
ａｉ１２もしくはスポット状の光源と、照射光学系１４
と、ステージ１６と、集光光学系１８と、ストリークカ
メラ２０と、信号処理装置２２と、表示装置２４と、テ
レビカメラ５０と、Ａ／Ｄ変換器５２と、−時記憶装置
５２とを備えた半導体ウェハ評価装置において、更に、
前記ストリークカメラ２０の間に、信号処理装置２２で
制御され、試料１ｏから発生するフォトルミネッセンス
を分光する分光器２６を設け、第２図に示した如く、ス
トリークカメラ２０で分光方向と垂直な方向に掃引して
、測定点からのフォトルミネッセンスの時間分解分光を
行い、多波長の空間的な強度分布像及び寿命分布像が得
られるようにしたものである。この場合、１回の測定点
は１点となるが、多波長それぞれの寿命を並列的に測定
することができる。 第２図において、２６Ａは、結像面に配置される分光器
２６の入射スリット、３ｏは、ストリークカメラ２０の
入射スリット、３８は同じく偏向電極、４２は同じく螢
光面である。 この第２実施例によれば、多波長の情報を同時に測定す
ることができ、例えば第１１図に示す如く、波長によっ
て螢光寿命が異なる場合であっても、波長毎の螢光寿命
τ１、τ２を正確に求めることができる。 この第２実施例においては、波長情報を含む螢光波形が
直ちに得られるので、分光器２６における波長走査は不
要である。 次に、本発明の第３実施例を詳細に説明する。 この第３実施例は、前記第２実施例と同様の半導体ウェ
ハ評価装置において、第３図に示した如く、前記ストリ
ークカメラ２０で分光方向に掃弓して、複数の測定点に
おける波長毎の空間的な強度分布像及び寿命分布像又は
その相関分布像が並列的に得られるようにしたものであ
る。 他の点に関しては、第２実施例と同様であるので、詳細
な説明は省略する。 なお、前記実施例においては、いずれも、試料１０の測
定位置を移動するための移動手段として、１次元方向も
しくは２次元方向に移動するステージ１６が用いられて
いたが、試料測定位置を移動するための移動手段はこれ
に限定されない。例えば、試料１０がベルトコンベア等
の上を流れている場合には、１つの移動手段を省略する
ことができる。又、機械的な走査手段によらず、パルス
光を電気光学的に偏向して走査する構成としてもよい。 又、第１２図に示す第４実茄例の如く、パルス光源１２
とは別の落射照明光源８０を設けて、例えばレンズ８０
Ａを介して試料１０を照射し、この反射光をミラー８２
Ａ及びレンズ８２ＣでＴＶカメラ８４に導き、ＴＶカメ
ラ８４で反射画像を銀像し、Ａ／Ｄ変換器８６でＡ／Ｄ
変換後、信号処理装置２２に入力し、これを画像メモリ
（図示省略）に記憶し、表示装置２４上に画像を表示し
て、試料１０上のパルス光の位置の確認や、測定領域の
状態をモニタすることもできる。 又、この反射画像と、フォトルミネッセンスの寿命分布
画像、強度分布画像等を重ねて表示することも可能であ
る。 又、前記落射照明光ｉｆ！８０に試料１０の吸収波層に
合わせた波長フィルタ８０Ｂを設け、試料１０を全面照
射して、その時発止するフォトルミネッセンス像を、所
定の波長フィルタ８２Ｂを介して、前記ＴＶカメラ８４
によりｌｉｄ像し、２次元のフォトルミネッセンス強度
分布を求めることも可能である。 更に、試料１０の裏面側に透明照明のための光源９０．
レンズ９０Ａ、９０Ｃ及び波長フィルタ９０Ｂを設け、
試料の透過光による画像を前記ＴＶカメラ８４又は高速
光検出器２０により取得して、フォトルミネッセンスの
寿命、強度分布画像等と比較することも可能である。こ
の時、高速光検出器２０の前に設けられた分光手段６０
により試料１０の非線形性による第２高調波（ＳＨＧ）
成分を抽出し、試料１０を走査して非線形光学特性画像
を得ることもできる。 又、前記実施例においては、いずれも、本発明が半導体
ウェハの欠陥を検査するための半導体ウェハ評価装置に
適用されていたが、本発明の適用範囲はこれに限定され
ず、誘電体、螢光面、薬剤、紙、生体検査等、他の螢光
特性を検査するための装置にも同様に適用できることは
明らかである。
基本構成を例示する如く、スリット状又は複数の光ビー
ムによって試料１０を励起するためのパルス光［１２と
、該パルス光源１２の光を試料１０に照射する照射光学
系１４と、試料１ｏの測定位置を移動するための移動手
段（図ではステージ１６）と、試料１０から発生するフ
ォトルミネッセンスを抽出して検出器（２０）に導く集
光光学系１８と、前記パルス光源１２に同期して、前記
フォトルミネッセンスの時間強度波形に関する情報を２
次元的に読出して、複数の測定点における情報を並列的
に検出するためのストリークカメラ２０と、試料測定位
置を移動しながら並列的に検出した、複数の測定点にお
ける前記時間強度波形に関する情報を解析、処理して、
フォトルミネッセンスの空間的な強度分布、寿命分布又
はその相関分布を求める信号処理装置２２とを備えるこ
とにより、前記課題を達成したものである。 又、例えば第２図に示す如く、前記ストリークカメラ２
０の前に分光手段（２６）を設け、分光方向（λ方向）
と垂直な方向に掃引して、測定点からのフォトルミネッ
センスの時間分解分光を行い、多波長の空間的な強度分
布、寿命分布又はその相関分布が並列的に求められるよ
うにしたものである。この場合、試料を励起するパルス
光はスポット状でもよい。 又、例えば第３図に示す如く、前記ストリークカメラ２
０の前に走査可能な分光手段（２６）を設け、分光方向
に掃引して、複数の測定点におけるフォトルミネッセン
スの所定波長毎の空間的な強度分布、寿命分布又はその
相関分布が並列的に求められるようにしたものである。 又、前記ストリークカメラのストリーク管を、スリット
状に形成された光電面又は加速電極を持つ構造として、
ストリークカメラの入射スリット及びリレーレンズを不
要としたものである。 ［作用及び効果］ 本発明にかかる螢光特性検査装置では、パルス光源１２
を用いてスリット状又は複数の光ビームにより試料１０
を励起し、該パルス光源１２に同期して、ストリークカ
メラ２０を２次元的に読出すことにより、試料中から発
生するフォトルミネッセンスの、複数の測定点における
時間強度波形に関する情報を並列的に検出し、試料測定
位置を移動しながら並列的に検出した、複数の測定点に
おける該時間強度波形に関する情報を解析、処理して、
フォトルミネッセンスの空間的な強度分布及び寿命分布
、又はその相関分布を求めるようにしている。従って、
試料の螢光強度及び寿命の両者を高速で同時に測定する
ことができ、Ｇａ Ａｓウェハ等の品質を正確に評価す
ることが可能となる。更に、該螢光強度及び寿命又はそ
の相関の空間的な分布像が得られるので、局所的な欠陥
等も容易に検査することができる。 又、例えば第２図に示す如く、前記ストリークカメラ２
０の前に分光手段（分光器２６）を設け、分光方向と垂
直な方向に掃引するようにした場合には、測定点からの
フォトルミネッセンスの時間分解分光を行って、多波長
の空間的な強度分布、寿命分布又はその相関分布を並列
的に求めることが可能となり、特に、波長によって螢光
寿命が異なる試料を検査する際に好適である。 更に、例えば第３図に示す如く、前記ストリークカメラ
２ｏの前に走査可能な分光手段（２６）を設けて分光方
向に掃引するようにした場合には、複数の測定点におけ
るフォトルミネッセンスの所定波長毎の空間的な強度分
布、寿命分布又はその相関分布を並列的に得ることが可
能となる。 又、前記ストリークカメラのストリーク管が、スリット
状に形成された光電面又は加速電極を持つ構造とした場
合には、ストリークカメラの入射スリット及びリレーレ
ンズを不要とすることができる。 即ち、通常、ストリークカメラは、ストリーク管の直前
に、入射スリットとリレーレンズで構成される入力光学
系が配されている。この入力光学系の目的は、入射光を
スリット状に切り出して、ストリーク管の光電面上に入
射光のスリット光を結像するためのものである。一方、
ＵＳＰ４６３０９２５には、ストリークカメラを用いて
時間分解分光測光を行う装置で、分光器の入力をピンホ
ールスリットとし、入力光学系なしで、試料のある点か
らの螢光の時間−波長の輝度変化を測定する技術が開示
されている。この方法の場合、面状の光電面を前提とし
、分光器の入力スリットをピンホールとして、分光器の
結像系により、ストリーク管の光電面上に波長分解され
た入射光のスリット像を結像することにより、入力光学
系なしで前記の測定を可能としている。しかしながら、
分光器のスリットをピンホールとすると試料の１点の測
定しかできない。そこで、例えば特公昭５８−５８００
５に示唆されている如く、分光器のスリットをピンホー
ルとせず、ストリーク管の光電面又は加速電極をスリッ
ト状に形成することによって、入力光学系を省略するこ
とができる。この場合には、入力光学系を省略して試料
の多点の測定を同時に行うことができる。 【実施例］ 以下図面を参照して、半導体ウェハ評価装置に適用した
、本発明に係る螢光特性検査装置の実施例を詳細に説明
する。 本発明の第１実施例は、第１図に示した如く、スリット
状の光によってＱａ Ａｓ半導体ウェハ等の試料１０を
励起するためのパルス光源１２と、該パルス光源１２の
光を試料１０に照射する照射光学系１４と、前記パルス
光源１２に対する試料１０の位置を微細にはスリット光
長手方向と垂直な方向に、粗くはスリット光長手方向に
移動させることによって、前記試料１０の測定位置（パ
ルス光照射位置）を移動するためのステージ１６と、試
料１０から発生するフォトルミネッセンスを抽出して検
出器に導くための、ビームスプリッタ１８Ａ、フォトル
ミネッセンスの波長成分を抽出するためのフィルタ１８
Ｂ及びレンズ１８Ｇを含む集光光学系１８と、前記パル
ス光ａ１１２の出力をトリガ信号として、前記フォトル
ミネッセンスの時間強度波形（以下、螢光波形と称する
）に関する情報を２次元的に読出すためのストリークカ
メラ２０と、前記ステージ１６を移動することによって
、試料測定位置を移動しながら並列的に検出した、スリ
ット状に並んだ複数の測定点（第４図参照）における前
記螢光波形に関する情報を解析、処理して、フォトルミ
ネッセンスの空間的な強度分布、寿命分布又はその相関
分布を求める信号処理装置２２と、該信号処理装置２２
によって得られた空間的な強度分布像、寿命分布像又は
その相関分布像を表示する表示装置２４とから構成され
ている。 前記パルス光８！１２としては、例えば波長６００〜６
８０ ｎＩｎ程度でパルス幅５０ ｐｓｅｃ程度のパル
ス光を安定して発撮可能なレーザダイオード（ＬＤ）を
用いることができる。該パルス光源１２からトリガ信号
を得る方法としては、例えばパルス光源１２のパルス光
を分岐し、その一方の光をアバランシュフォトダイオー
ド（ＡＰＤ）等の高速フォトダイオードで電気信号に変
換して、ストリークカメラ２０のトリガ信号とすること
ができる。 前記ストリークカメラ２０は、第５図に基本的な構成を
示す如く、例えば入射スリット板３０及びレンズ３２か
らなる入力光学系を介して、入射光をストリーク管３４
の光電面３６に当てて電子に変換し、偏向電極３８の間
を光電子が通過する際に高速掃引することによって、時
間的に変化する入射光強度を螢光面４２上の位置におけ
る輝度変化として測定するものである。図において、４
０は、螢光面４２の直前で光電子を増倍するためのマル
チチャンネルプレート（ＭＣＰ）である。 このようにして出力螢光面４２上に現れた像はストリー
ク像と呼ばれ、これを例えば第１図に示した如く、ビジ
コンやＣＯＤ等を使用したテレビカメラ５０でｍｅした
後、この出力像の時間軸方向に沿った明るさの分布を定
量することによって、被測定光の強度の経時変化を知る
ことができる。 具体的には例えばテレビカメラ５０の出力をアナログ／
デジタル＜Ａ／Ｄ）変換器５２でＡ／Ｄ変換し、−時記
憶装置５４に保持した後、前記信号処理装置２２に出力
する。 前記ストリークカメラ２０により、スリット状に並んだ
各測定点毎に、例えば第６図に示すような螢光波形を並
列に得て、これから得られた測定点毎の螢光強度及び寿
命を、測定点に対応させて２次元的にプロットすること
により、空間的な強度分布像及び寿命分布像が迅速に得
られる。 本実施例においては、スリット光の長さを測定範囲と一
致させているので、通常、スリット光長手方向への試料
移動は不要である。なお、更に広い範囲を測定する場合
は、ステージをスリット光の長手方向及び垂直方向に粗
く移動させることもできる。 前記信号処理装置２２における螢光波形に関する情報の
解析及び処理は、次のようにして行われる。 即ち、前出第６図に示したような螢光波形に基づいて、
まず螢光強度１ （ｔ ）が１／ｅ （約３７％）とな
る迄の時間である螢光寿命τを求める。 具体的には、螢光寿命でか１種類である場合には、前記
螢光波形の縦軸を対数で表わした波形は第７図に示す如
くとなるので、この波形に対して、次式に示すような式
を当て填めて、例えば最小二乗法等により一番近い係数
項Ａ及び寿命τを求める。 １ （ｔ ） −Ａ −ｅｘｐ（−ｔ ／τ） ・
（１）又、螢光寿命が複数（τ１、τ２、τ３、・・・
）ある場合には、螢光波形を対数で表わした波形は第８
図に示す如くとなるので、これに対応させて、次式に示
すような式を当て填めることによって、各螢光寿命τ１
、τ２、τ３、・・・を求めることができる。 Ｉ（ｔ）−Ａｊ ｅｘｐ（−ｔ／ｒ１）＋Ａ２ ・ｅ
ｘｐ（−ｔ ／τ２） ＋Ａ３ ・ｅＸＩ）（−ｔ ／τ３） ＋・・・ ・・・・・・・・・（２）一方、螢
光の（全）強度は、前記波形の全面積（第７図及び第８
図に斜線で示す）に相当するので、前記波形の値Ｉ （
ｔ ）を全範囲に亘って積分するか、又は、次式を用い
て、螢光寿命を求める際に求められた定数Ａｉ及び螢光
寿命τｉから計算によって求めることができる。 ｆＩ（ｔ）＝、Ａ＋τ１＋Ａ２τ２＋Ａ３τ３＋・・・
・・・・・・・・・（３）このようにして
求められた螢光寿命及び螢光強度が、前記表示装置２４
に空間的分布像として表示される。螢光寿命の表示像の
一例を第９図に示す。この第９図においては、螢光寿命
τの分布が、例えば濃淡によって表わされている。 なお、螢光強度及び寿命を画像化するに際しては、白黒
濃度で表示する他、カラー画像で色を変えて表示したり
、あるいは３次元表示を行うことも可能である。又、螢
光寿命に、第２吹成分τ２、第３火成分τ３もある場合
には、例えば１次成分て１のみを緑でマツピングし、１
次及び２次成分τ１、τ２を赤でマツピングし、１次、
２次及び３次成分τ１、τ２、τ３を黄でマツピングす
ることができる。又、１次成分τ１を赤とし、２次成分
τ２を緑とし、３次成分τ３を青とし、順次重ねること
によって、結果的に、１次成分で１を赤、２次成分τ２
を黄、３次成分τ３を白で表示することも可能である。 更に、画像表示に際しては、適宜スムージング処理を行
って、見易くすることも可能である。 又、信号処理装置２２は、異なる強度分布像及び寿命分
布像の間での相関、例えば比を求める等の演算を行い、
演算結果（即ち相関分布像）につき表示することもでき
る。 次に、第１０図を参照して、本発明の第２実施例を詳細
に説明する。 この第２実施例は、前記第１実施例と同様の、パルス光
ａｉ１２もしくはスポット状の光源と、照射光学系１４
と、ステージ１６と、集光光学系１８と、ストリークカ
メラ２０と、信号処理装置２２と、表示装置２４と、テ
レビカメラ５０と、Ａ／Ｄ変換器５２と、−時記憶装置
５２とを備えた半導体ウェハ評価装置において、更に、
前記ストリークカメラ２０の間に、信号処理装置２２で
制御され、試料１ｏから発生するフォトルミネッセンス
を分光する分光器２６を設け、第２図に示した如く、ス
トリークカメラ２０で分光方向と垂直な方向に掃引して
、測定点からのフォトルミネッセンスの時間分解分光を
行い、多波長の空間的な強度分布像及び寿命分布像が得
られるようにしたものである。この場合、１回の測定点
は１点となるが、多波長それぞれの寿命を並列的に測定
することができる。 第２図において、２６Ａは、結像面に配置される分光器
２６の入射スリット、３ｏは、ストリークカメラ２０の
入射スリット、３８は同じく偏向電極、４２は同じく螢
光面である。 この第２実施例によれば、多波長の情報を同時に測定す
ることができ、例えば第１１図に示す如く、波長によっ
て螢光寿命が異なる場合であっても、波長毎の螢光寿命
τ１、τ２を正確に求めることができる。 この第２実施例においては、波長情報を含む螢光波形が
直ちに得られるので、分光器２６における波長走査は不
要である。 次に、本発明の第３実施例を詳細に説明する。 この第３実施例は、前記第２実施例と同様の半導体ウェ
ハ評価装置において、第３図に示した如く、前記ストリ
ークカメラ２０で分光方向に掃弓して、複数の測定点に
おける波長毎の空間的な強度分布像及び寿命分布像又は
その相関分布像が並列的に得られるようにしたものであ
る。 他の点に関しては、第２実施例と同様であるので、詳細
な説明は省略する。 なお、前記実施例においては、いずれも、試料１０の測
定位置を移動するための移動手段として、１次元方向も
しくは２次元方向に移動するステージ１６が用いられて
いたが、試料測定位置を移動するための移動手段はこれ
に限定されない。例えば、試料１０がベルトコンベア等
の上を流れている場合には、１つの移動手段を省略する
ことができる。又、機械的な走査手段によらず、パルス
光を電気光学的に偏向して走査する構成としてもよい。 又、第１２図に示す第４実茄例の如く、パルス光源１２
とは別の落射照明光源８０を設けて、例えばレンズ８０
Ａを介して試料１０を照射し、この反射光をミラー８２
Ａ及びレンズ８２ＣでＴＶカメラ８４に導き、ＴＶカメ
ラ８４で反射画像を銀像し、Ａ／Ｄ変換器８６でＡ／Ｄ
変換後、信号処理装置２２に入力し、これを画像メモリ
（図示省略）に記憶し、表示装置２４上に画像を表示し
て、試料１０上のパルス光の位置の確認や、測定領域の
状態をモニタすることもできる。 又、この反射画像と、フォトルミネッセンスの寿命分布
画像、強度分布画像等を重ねて表示することも可能であ
る。 又、前記落射照明光ｉｆ！８０に試料１０の吸収波層に
合わせた波長フィルタ８０Ｂを設け、試料１０を全面照
射して、その時発止するフォトルミネッセンス像を、所
定の波長フィルタ８２Ｂを介して、前記ＴＶカメラ８４
によりｌｉｄ像し、２次元のフォトルミネッセンス強度
分布を求めることも可能である。 更に、試料１０の裏面側に透明照明のための光源９０．
レンズ９０Ａ、９０Ｃ及び波長フィルタ９０Ｂを設け、
試料の透過光による画像を前記ＴＶカメラ８４又は高速
光検出器２０により取得して、フォトルミネッセンスの
寿命、強度分布画像等と比較することも可能である。こ
の時、高速光検出器２０の前に設けられた分光手段６０
により試料１０の非線形性による第２高調波（ＳＨＧ）
成分を抽出し、試料１０を走査して非線形光学特性画像
を得ることもできる。 又、前記実施例においては、いずれも、本発明が半導体
ウェハの欠陥を検査するための半導体ウェハ評価装置に
適用されていたが、本発明の適用範囲はこれに限定され
ず、誘電体、螢光面、薬剤、紙、生体検査等、他の螢光
特性を検査するための装置にも同様に適用できることは
明らかである。
第１図は、本発明に係る螢光特性検査装置の第１実施例
の構成を示すブロック線図、 第２図は、本発明の第２実施例の要部構成を示す斜視図
、 第３図は、本発明の第３実施例の要部構成を示す斜視図
、 第４図は、第１実施例における試料表面上の測定点の一
例を示す平面図、 第５図は、本発明で用いられるストリークカメラの基本
的な構成を示す断面図、 第６図は、励起光と螢光波形の一例を示す線図、第７図
及び第８図は、螢光寿命を求める方法を説明するための
線図、 第９図は、螢光寿命の空間的な分布の表示例を示す平面
図、 第１０図は、本発明の第２実施例の構成を示すブロック
線図、 第１１図は、第２、第３実施例によって測定可能な螢光
寿命の波長依存性の例を示す線図、第１２図は、本発明
の第４実施例の構成を示すブロック線図、 第１３図は、半導体ウェハの品質と螢光波形の関係の例
を示す線図である。 １０も・・試料、 １２・・・パルス光源、 １４・・・照射光学系、 １６・・・Ｘ−Ｙステージ、 １８・・・集光光学系、 １８Ｂ・・・フィルタ、 ２０・・・ストリークカメラ、 ２２・・・信号処理装置、 ２６・・・分光器。
の構成を示すブロック線図、 第２図は、本発明の第２実施例の要部構成を示す斜視図
、 第３図は、本発明の第３実施例の要部構成を示す斜視図
、 第４図は、第１実施例における試料表面上の測定点の一
例を示す平面図、 第５図は、本発明で用いられるストリークカメラの基本
的な構成を示す断面図、 第６図は、励起光と螢光波形の一例を示す線図、第７図
及び第８図は、螢光寿命を求める方法を説明するための
線図、 第９図は、螢光寿命の空間的な分布の表示例を示す平面
図、 第１０図は、本発明の第２実施例の構成を示すブロック
線図、 第１１図は、第２、第３実施例によって測定可能な螢光
寿命の波長依存性の例を示す線図、第１２図は、本発明
の第４実施例の構成を示すブロック線図、 第１３図は、半導体ウェハの品質と螢光波形の関係の例
を示す線図である。 １０も・・試料、 １２・・・パルス光源、 １４・・・照射光学系、 １６・・・Ｘ−Ｙステージ、 １８・・・集光光学系、 １８Ｂ・・・フィルタ、 ２０・・・ストリークカメラ、 ２２・・・信号処理装置、 ２６・・・分光器。
Claims (4)
- （１）スリット状又は複数の光ビームによつて試料を励
起するためのパルス光源と、 該パルス光源の光を試料に照射する照射光学系と、 試料の測定位置を移動するための移動手段と、試料から
発生するフォトルミネッセンスを抽出して検出器に導く
集光光学系と、 前記パルス光源に同期して、前記フォトルミネッセンス
の時間強度波形に関する情報を２次元的に読出して、複
数の測定点における情報を並列的に検出するためのスト
リークカメラと、 試料測定位置を移動しながら並列的に検出した、複数の
測定点における前記時間強度波形に関する情報を解析、
処理して、フォトルミネッセンスの空間的な強度分布、
寿命分布又はその相関分布を求める信号処理装置と、 を含むことを特徴とする螢光特性検査装置。 - （２）請求項１において、前記ストリークカメラの前に
分光手段を設け、分光方向と垂直な方向に掃引して、測
定点からのフォトルミネッセンスの時間分解分光を行い
、多波長の空間的な強度分布、寿命分布又はその相関分
布を並列的に求めることを特徴する螢光特性検査装置。 - （３）請求項１において、前記ストリークカメラの前に
走査可能な分光手段を設け、分光方向に掃引して、複数
の測定点におけるフォトルミネッセンスの所定波長毎の
空間的な強度分布、寿命分布又はその相関分布を並列的
に求めることを特徴とする螢光特性検査装置。 - （４）請求項１乃至３のいずれか１項において、前記ス
トリークカメラのストリーク管が、スリット状に形成さ
れた光電面又は加速電極を持つことを特徴とする螢光特
性検査装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8947989A JP2688040B2 (ja) | 1989-04-07 | 1989-04-07 | 螢光特性検査装置 |
| GB9007810A GB2231958A (en) | 1989-04-07 | 1990-04-06 | Measuring fluorescence characteristics |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8947989A JP2688040B2 (ja) | 1989-04-07 | 1989-04-07 | 螢光特性検査装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02268255A true JPH02268255A (ja) | 1990-11-01 |
| JP2688040B2 JP2688040B2 (ja) | 1997-12-08 |
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ID=13971873
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001094919A1 (fr) * | 2000-06-08 | 2001-12-13 | Hamamatsu Photonics K.K. | Procede et appareil de mesure de la fluorescence, et appareil pour evaluer un echantillon faisant appel a cet appareil de mesure |
| JP2006201133A (ja) * | 2005-01-24 | 2006-08-03 | Olympus Corp | 蛍光寿命測定装置 |
| JP2011185844A (ja) * | 2010-03-10 | 2011-09-22 | Fujifilm Corp | ｐＨ測定方法、異常領域検出方法、及び生体物質分析方法、並びに各装置 |
| CN115667888A (zh) * | 2020-05-19 | 2023-01-31 | 柯尼卡美能达株式会社 | 荧光指纹图像取得装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4630925A (en) | 1982-11-01 | 1986-12-23 | Hamamatsu Corp. | Compact temporal spectral photometer |
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-
1989
- 1989-04-07 JP JP8947989A patent/JP2688040B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| WO2001094919A1 (fr) * | 2000-06-08 | 2001-12-13 | Hamamatsu Photonics K.K. | Procede et appareil de mesure de la fluorescence, et appareil pour evaluer un echantillon faisant appel a cet appareil de mesure |
| US6897953B2 (en) | 2000-06-08 | 2005-05-24 | Hamamatsu Photonics K.K. | Method for measuring fluorescence, apparatus for measuring fluorescence and apparatus for evaluating sample using it |
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|---|---|
| JP2688040B2 (ja) | 1997-12-08 |
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