JPH05281141A - 結晶内のフォトルミネッセンス計測方法及び装置 - Google Patents
結晶内のフォトルミネッセンス計測方法及び装置Info
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- JPH05281141A JPH05281141A JP4074723A JP7472392A JPH05281141A JP H05281141 A JPH05281141 A JP H05281141A JP 4074723 A JP4074723 A JP 4074723A JP 7472392 A JP7472392 A JP 7472392A JP H05281141 A JPH05281141 A JP H05281141A
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- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 シリコン等の結晶の内部まで測定可能なフォ
トルミネッセンス計測方法及び装置を提供する。高価な
パルスレーザ源を使用することなく、蛍光発生キャリア
の放射寿命を数学的手法で評価可能とする。また、蛍光
の入射波長依存性、偏光依存性等を簡便な方法で評価可
能とする。 【構成】 結晶内に透過可能な波長のレーザを被検結晶
に投射し、結晶内部での発生光から蛍光のみを透過させ
る周波数帯域を有するフィルタを用いることにより、蛍
光を分離する。蛍光の強度及び広がりを結晶表面からの
深さの関数として求めることにより、蛍光発生センター
の寿命を数学的に評価する。峡帯域フィルタを回転させ
ることにより蛍光の投射光波長依存性を、また偏光フィ
ルタを光路中に適宜挿入することにより、偏光依存性を
評価する。
トルミネッセンス計測方法及び装置を提供する。高価な
パルスレーザ源を使用することなく、蛍光発生キャリア
の放射寿命を数学的手法で評価可能とする。また、蛍光
の入射波長依存性、偏光依存性等を簡便な方法で評価可
能とする。 【構成】 結晶内に透過可能な波長のレーザを被検結晶
に投射し、結晶内部での発生光から蛍光のみを透過させ
る周波数帯域を有するフィルタを用いることにより、蛍
光を分離する。蛍光の強度及び広がりを結晶表面からの
深さの関数として求めることにより、蛍光発生センター
の寿命を数学的に評価する。峡帯域フィルタを回転させ
ることにより蛍光の投射光波長依存性を、また偏光フィ
ルタを光路中に適宜挿入することにより、偏光依存性を
評価する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はシリコン等の結晶のフォ
トルミネッセンス計測方法及び装置に関する。
トルミネッセンス計測方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】結晶内の欠陥の分布等を測定をする方法
としてフォトルミネッセンス(photoluminescence)測定
法がある。シリコン(Si)結晶の場合、Ar(488.514nm)あ
るいはHe-Neレーザ(633nm)を用いたフォトルミネッセン
ス法が知られる。図１は、このようなArまたはHe-Neレ
ーザを投射し、発生する蛍光を顕微鏡下で分光測定する
従来技術にかかるフォト・ルミネッセンス測定器を示
す。水平方向から投射されたArまたはHe-Neレーザ光は
ハーフミラー１によって９０度方向を変えられ、対物レ
ンズによって被検物体３上に集光する。投射されたレー
ザ光によって励起された発光センターが発する蛍光はハ
ーフミラーを透過し、分光器４に設けられたピンホー
ル、あるいはスリット５に結像レンズ１１を介して結像
する。分光器４内に設けられた回折格子６によって回折
した蛍光は受光素子７に導かれ、その周波数分布に従っ
て素子上に分布する。制御コンピュータ８は受光素子の
受光像を解析するとともに、ステージコントローラ９を
制御し、被検物体３を２次元的に動かして発生する蛍光
の分布を画像表示装置上に表示する。
としてフォトルミネッセンス(photoluminescence)測定
法がある。シリコン(Si)結晶の場合、Ar(488.514nm)あ
るいはHe-Neレーザ(633nm)を用いたフォトルミネッセン
ス法が知られる。図１は、このようなArまたはHe-Neレ
ーザを投射し、発生する蛍光を顕微鏡下で分光測定する
従来技術にかかるフォト・ルミネッセンス測定器を示
す。水平方向から投射されたArまたはHe-Neレーザ光は
ハーフミラー１によって９０度方向を変えられ、対物レ
ンズによって被検物体３上に集光する。投射されたレー
ザ光によって励起された発光センターが発する蛍光はハ
ーフミラーを透過し、分光器４に設けられたピンホー
ル、あるいはスリット５に結像レンズ１１を介して結像
する。分光器４内に設けられた回折格子６によって回折
した蛍光は受光素子７に導かれ、その周波数分布に従っ
て素子上に分布する。制御コンピュータ８は受光素子の
受光像を解析するとともに、ステージコントローラ９を
制御し、被検物体３を２次元的に動かして発生する蛍光
の分布を画像表示装置上に表示する。
【０００３】フォトルミネッセンス法においては発光粒
子の放射寿命(Life Time)を測定することが重要であ
る。放射寿命の測定は、図２に示すように、投射光とし
てパルスレーザあるいは、パルス光源を用い、受光した
パルス光の減衰状況を評価することによって行なわれる
のが一般的である。また、放射寿命の他の測定方法とし
て、励起エネルギーとして半導体レーザ光を入射し、マ
イクロウエーブによって励起子の減衰を観察する方法も
ある。
子の放射寿命(Life Time)を測定することが重要であ
る。放射寿命の測定は、図２に示すように、投射光とし
てパルスレーザあるいは、パルス光源を用い、受光した
パルス光の減衰状況を評価することによって行なわれる
のが一般的である。また、放射寿命の他の測定方法とし
て、励起エネルギーとして半導体レーザ光を入射し、マ
イクロウエーブによって励起子の減衰を観察する方法も
ある。
【０００４】フォトルミネッセンス法に関する他の先行
技術としては、レーザによって欠陥の散乱像あるいは蛍
光像を得るものとして、特願昭５４ー１０９４８８号、
特開昭６２ー１１９４４６号等がある。また、YAGレー
ザによってシリコン結晶内の欠陥の散乱像を得るものと
して、特願昭６０ー５３３６８号がある。また、関連技
術としてK.Moriya and T.Ogawa, Jpn.J.Appl.Phys., 22
(1983)L207がある。
技術としては、レーザによって欠陥の散乱像あるいは蛍
光像を得るものとして、特願昭５４ー１０９４８８号、
特開昭６２ー１１９４４６号等がある。また、YAGレー
ザによってシリコン結晶内の欠陥の散乱像を得るものと
して、特願昭６０ー５３３６８号がある。また、関連技
術としてK.Moriya and T.Ogawa, Jpn.J.Appl.Phys., 22
(1983)L207がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来、例
えばシリコンのフォトルミネッセンス計測はAr・He-Ne
レーザを照射することによって行なわれているが、これ
らのレーザ光源は波長が比較的短く、結晶内部に十分到
達することができないため結晶表面近傍（約1〜2μ）し
か測定できない。また、結晶の表面では表面再結合準位
(Surface Recombination Center)が生じており、本来の
結晶内部構造とは異なる状態となっている。従って、表
面近傍の測定しかできない従来技術では正確な結晶内部
物性の測定は期待できない。また、シリコン結晶はIG(I
ntrinsic Gettering)処理等が施されているから、ウエ
ハの深さ方向に欠陥の分布を持っている。このような深
さ方向の欠陥の分布測定のために結晶を劈開して断面形
状を観察しても、やはり断面の影響が出てしまい、正確
な測定はできない。
えばシリコンのフォトルミネッセンス計測はAr・He-Ne
レーザを照射することによって行なわれているが、これ
らのレーザ光源は波長が比較的短く、結晶内部に十分到
達することができないため結晶表面近傍（約1〜2μ）し
か測定できない。また、結晶の表面では表面再結合準位
(Surface Recombination Center)が生じており、本来の
結晶内部構造とは異なる状態となっている。従って、表
面近傍の測定しかできない従来技術では正確な結晶内部
物性の測定は期待できない。また、シリコン結晶はIG(I
ntrinsic Gettering)処理等が施されているから、ウエ
ハの深さ方向に欠陥の分布を持っている。このような深
さ方向の欠陥の分布測定のために結晶を劈開して断面形
状を観察しても、やはり断面の影響が出てしまい、正確
な測定はできない。
【０００６】従って、本願発明の第一の課題は、結晶の
内部まで測定できるフォトルミネッセンス計測方法及び
装置を提供することにある。
内部まで測定できるフォトルミネッセンス計測方法及び
装置を提供することにある。
【０００７】また、前述の如く、発光センターの蛍光寿
命の測定は通常パルスレーザを投射し、蛍光の変化を観
察することによって行なわれるが、パルスレーザを用い
た測定系は複雑で、高価である。また、結晶内部まで到
達するような吸収の少ない励起光によって発生する蛍光
は極めて暗いので、測定可能な強度の蛍光を得ようとす
れば尖頭値（エネルギー強度）の高いパルスレーザを使
用せねばならず、結晶そのものにダメージを与えるおそ
れがある。
命の測定は通常パルスレーザを投射し、蛍光の変化を観
察することによって行なわれるが、パルスレーザを用い
た測定系は複雑で、高価である。また、結晶内部まで到
達するような吸収の少ない励起光によって発生する蛍光
は極めて暗いので、測定可能な強度の蛍光を得ようとす
れば尖頭値（エネルギー強度）の高いパルスレーザを使
用せねばならず、結晶そのものにダメージを与えるおそ
れがある。
【０００８】本願発明の第２の課題は、パルスレーザ源
を使用せずに蛍光の寿命測定を行ない得る装置を提供す
ることにある。
を使用せずに蛍光の寿命測定を行ない得る装置を提供す
ることにある。
【０００９】さらに、従来、図１に示す如く観察用光学
系として波長分散型の分光器が使用されているが、分光
器は暗く、微弱な蛍光の測定には不向きである。また、
光学系としても高価で規模的に大きくなる。
系として波長分散型の分光器が使用されているが、分光
器は暗く、微弱な蛍光の測定には不向きである。また、
光学系としても高価で規模的に大きくなる。
【００１０】本願発明の他の目的は分光器を使用せず、
簡略な光学系で測定可能なフォトルミネッセンス測定器
を提供することにある。
簡略な光学系で測定可能なフォトルミネッセンス測定器
を提供することにある。
【００１１】シリコン結晶から発生する蛍光は微弱であ
り、結晶内部への透過率に優れた、800〜1500nmの吸収
係数の小さな領域の波長のレーザでは、その発光強度は
極めて小さい。さらに、上記波長のレーザ光で励起され
る蛍光の波長は0.9〜2μであり、投射レーザの散乱光の
波長と部分的に重複する。
り、結晶内部への透過率に優れた、800〜1500nmの吸収
係数の小さな領域の波長のレーザでは、その発光強度は
極めて小さい。さらに、上記波長のレーザ光で励起され
る蛍光の波長は0.9〜2μであり、投射レーザの散乱光の
波長と部分的に重複する。
【００１２】従って、本願発明のさらに他の目的は、微
弱な蛍光を投射レーザ光による散乱光と分離して評価で
きるフォトルミネッセンス装置を提供することにある。
弱な蛍光を投射レーザ光による散乱光と分離して評価で
きるフォトルミネッセンス装置を提供することにある。
【００１３】また、例えばシリコンの場合、発光には90
0nmから1300nmの間と、1400nmから1800nmの間とに二つ
の発光のピークが存在するが、これらのピークはそれぞ
れその発光のメカニズムが相違する。これらの発光はそ
れぞれ相互作用をするから、入射波長を変化させること
で波長依存性を調べることが必要となる。同様に、散乱
光や蛍光はそれぞれ特有の偏光依存性を持つから、この
偏光依存性を調べることも重要である。従って、本願発
明の更に他の目的は、発生する蛍光の入射光波長依存
性、偏光依存性等を簡単な構成で評価できるフォトルミ
ネッセンス計測方法及び装置を提供することにある。
0nmから1300nmの間と、1400nmから1800nmの間とに二つ
の発光のピークが存在するが、これらのピークはそれぞ
れその発光のメカニズムが相違する。これらの発光はそ
れぞれ相互作用をするから、入射波長を変化させること
で波長依存性を調べることが必要となる。同様に、散乱
光や蛍光はそれぞれ特有の偏光依存性を持つから、この
偏光依存性を調べることも重要である。従って、本願発
明の更に他の目的は、発生する蛍光の入射光波長依存
性、偏光依存性等を簡単な構成で評価できるフォトルミ
ネッセンス計測方法及び装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決する手段】上記課題を解決するために、本
願発明においては、被検体結晶を透過可能な波長を有す
るレーザ光を直径数ミクロンに絞って照射し、結晶内で
発生する光の中から励起された蛍光のみを峡帯域透過フ
ィルタを通して分離し、観察する。シリコン結晶の場
合、投射レーザ光の波長は800〜1500nmが好ましく、該
範囲の波長であればレーザ光は結晶内に十分に進入す
る。
願発明においては、被検体結晶を透過可能な波長を有す
るレーザ光を直径数ミクロンに絞って照射し、結晶内で
発生する光の中から励起された蛍光のみを峡帯域透過フ
ィルタを通して分離し、観察する。シリコン結晶の場
合、投射レーザ光の波長は800〜1500nmが好ましく、該
範囲の波長であればレーザ光は結晶内に十分に進入す
る。
【００１５】このようにして得られた蛍光を撮像素子等
を用いて画像化すれば、結晶内の特定位置の蛍光の発生
状況を知ることができる。
を用いて画像化すれば、結晶内の特定位置の蛍光の発生
状況を知ることができる。
【００１６】レーザ光源もしくは試料を走査することに
よって試料全域にわたる蛍光の二次元像の発生状況を調
べることができる。蛍光発生励起子の発光寿命は、この
ようにして得られた二次元像から蛍光強度(I)及び蛍光
像の広がり(L)をレーザ光の結晶内進入深さの関数とし
て求めることによって決定する。
よって試料全域にわたる蛍光の二次元像の発生状況を調
べることができる。蛍光発生励起子の発光寿命は、この
ようにして得られた二次元像から蛍光強度(I)及び蛍光
像の広がり(L)をレーザ光の結晶内進入深さの関数とし
て求めることによって決定する。
【００１７】レーザ光投射光学系または受光光学系内に
偏光フィルタを挿入すれば、蛍光の偏光依存性を調べる
ことができる。また、干渉フィルタを用いれば、透過光
の中心波長を変化させることができるから、蛍光の波長
依存性を調べることができる。
偏光フィルタを挿入すれば、蛍光の偏光依存性を調べる
ことができる。また、干渉フィルタを用いれば、透過光
の中心波長を変化させることができるから、蛍光の波長
依存性を調べることができる。
【００１８】
【実施例】図３は本願発明の第１の実施例である。被検
物である結晶体はシリコンであるものとして説明する。
物である結晶体はシリコンであるものとして説明する。
【００１９】波長800〜1500nmのレーザ光を集光レンズ
２０を介してシリコン結晶のポリッシュ面から結晶内に
投射する。集光レンズ２０はレーザ光を直径3〜20μに
絞る。結晶内で散乱した光は対物レンズ２及び結像レン
ズ１１を介して撮像素子２１上に結像する。撮像素子に
よってピックアップされた画像情報は画像処理装置２２
によって処理され、必要な情報が制御コンピュータ８に
送られる。
２０を介してシリコン結晶のポリッシュ面から結晶内に
投射する。集光レンズ２０はレーザ光を直径3〜20μに
絞る。結晶内で散乱した光は対物レンズ２及び結像レン
ズ１１を介して撮像素子２１上に結像する。撮像素子に
よってピックアップされた画像情報は画像処理装置２２
によって処理され、必要な情報が制御コンピュータ８に
送られる。
【００２０】２３は、対物レンズ２、結像レンズ１１、
及び撮像素子２１とで構成される受光光学系内に挿入さ
れた透過フィルタである。該フィルタは、シリコン結晶
内で投射レーザ光によって励起されたキャリアが発生す
る蛍光のみを散乱光から選択、透過せしめる峡帯域特性
を有する。シリコンの場合、発生する蛍光の波長は0.9
〜2ミクロンであるから、フィルタはこの帯域に対して
透過特性を有していればよい。
及び撮像素子２１とで構成される受光光学系内に挿入さ
れた透過フィルタである。該フィルタは、シリコン結晶
内で投射レーザ光によって励起されたキャリアが発生す
る蛍光のみを散乱光から選択、透過せしめる峡帯域特性
を有する。シリコンの場合、発生する蛍光の波長は0.9
〜2ミクロンであるから、フィルタはこの帯域に対して
透過特性を有していればよい。
【００２１】９は投射レーザの投射位置を変えるための
レーザ移動ステージ２４、あるいは被検物を移動させる
ための被検物移動ステージ２３を制御するステージコン
トローラである。蛍光の発光状態を二次元的に観察する
ためにステージコントローラ９がレーザ光源と被検物の
位置を適宜制御し、得られた画像情報から２次元的な撮
像情報を解析する。
レーザ移動ステージ２４、あるいは被検物を移動させる
ための被検物移動ステージ２３を制御するステージコン
トローラである。蛍光の発光状態を二次元的に観察する
ためにステージコントローラ９がレーザ光源と被検物の
位置を適宜制御し、得られた画像情報から２次元的な撮
像情報を解析する。
【００２２】２５は投射レーザ光、あるいは受光される
散乱光を偏光させる偏光素子である。該偏光素子を適宜
光路中に挿入し、回転させて所要の偏光状態を得ること
によって発生する蛍光の偏光依存性を調べることができ
る。偏光素子を調整して散乱強度の最も小さくなる方位
に合わせれば、微弱な蛍光を検出し易くすることができ
る。図３の例では、紙面に平行な偏光方向（電界方向）
のとき、微小析出物（直径<λ/10)からの散乱強度が小
さくなる。なお、散乱光と蛍光では偏光依存性が異な
る。一般に、散乱光は方向依存性が 強いが、蛍光は依
存性が低い傾向がある。従って、蛍光を観察するときに
は散乱の弱くなる偏光方向に設定し、散乱光を観察する
ときには強くなる偏光方向とすれば、適切な測定をする
ことができる。
散乱光を偏光させる偏光素子である。該偏光素子を適宜
光路中に挿入し、回転させて所要の偏光状態を得ること
によって発生する蛍光の偏光依存性を調べることができ
る。偏光素子を調整して散乱強度の最も小さくなる方位
に合わせれば、微弱な蛍光を検出し易くすることができ
る。図３の例では、紙面に平行な偏光方向（電界方向）
のとき、微小析出物（直径<λ/10)からの散乱強度が小
さくなる。なお、散乱光と蛍光では偏光依存性が異な
る。一般に、散乱光は方向依存性が 強いが、蛍光は依
存性が低い傾向がある。従って、蛍光を観察するときに
は散乱の弱くなる偏光方向に設定し、散乱光を観察する
ときには強くなる偏光方向とすれば、適切な測定をする
ことができる。
【００２３】一般に帯域透過フィルタ２３の表面には干
渉膜が塗布されており、フィルタを適宜回転させれば、
みかけ上干渉膜厚さが変わり、透過中心波長を可変とす
ることができる。従って、フィルタ面と光軸との角度を
変化させれば、透過中心波長を変化させることができる
ので、蛍光の発生状態の波長依存性を調べることができ
る。対物レンズとして、無限遠補正したものを用いれ
ば、対物レンズと結像レンズの間は平行ビームとなり、
干渉フィルタを入れるのに都合がよい。また、干渉フィ
ルタを傾けても、像の横ずれは起こらない。図７は干渉
フィルタ２３を光軸に対して傾けた場合の透過光の中心
波長の変化を示す図、図８は中心波長を変化させた場合
のピーク透過率及び半値幅の変化の様子を示す図であ
る。なお、波長可変レーザを用いれば、容易に蛍光の波
長依存性を測定できることは当然である。
渉膜が塗布されており、フィルタを適宜回転させれば、
みかけ上干渉膜厚さが変わり、透過中心波長を可変とす
ることができる。従って、フィルタ面と光軸との角度を
変化させれば、透過中心波長を変化させることができる
ので、蛍光の発生状態の波長依存性を調べることができ
る。対物レンズとして、無限遠補正したものを用いれ
ば、対物レンズと結像レンズの間は平行ビームとなり、
干渉フィルタを入れるのに都合がよい。また、干渉フィ
ルタを傾けても、像の横ずれは起こらない。図７は干渉
フィルタ２３を光軸に対して傾けた場合の透過光の中心
波長の変化を示す図、図８は中心波長を変化させた場合
のピーク透過率及び半値幅の変化の様子を示す図であ
る。なお、波長可変レーザを用いれば、容易に蛍光の波
長依存性を測定できることは当然である。
【００２４】図４は本願発明の第２実施例である。図３
の実施例ではレーザビームの入射面に対して９０度交差
した方向から観測した場合であるが、本実施例では入射
面と同一平面側から観測する場合の例である。レーザ光
は結晶表面に対して入射角60〜77度（θ=13〜30度）で
入射する。入射レーザ光は結晶表面で屈折し、屈折角
（α）１６度程度で結晶内部に進入する。入射したレー
ザ光の一部の成分は結晶表面で反射するから、この反射
光が受光素子２２に入らないような方向（β=1０〜35
度）から観察する。
の実施例ではレーザビームの入射面に対して９０度交差
した方向から観測した場合であるが、本実施例では入射
面と同一平面側から観測する場合の例である。レーザ光
は結晶表面に対して入射角60〜77度（θ=13〜30度）で
入射する。入射レーザ光は結晶表面で屈折し、屈折角
（α）１６度程度で結晶内部に進入する。入射したレー
ザ光の一部の成分は結晶表面で反射するから、この反射
光が受光素子２２に入らないような方向（β=1０〜35
度）から観察する。
【００２５】図５は被検物体に励起レーザを照射した際
の、蛍光の発生状態を模式的に示した図である。図６は
発生した蛍光の広がり（L）及び蛍光の強度（I）を、横
軸に被検物表面からのレーザ光の進入深さを取って示し
た図であり、このL、Iを結晶表面からの深さの関数とし
て求めることによって、励起キャリアの寿命（Life Tim
e）を深さの関数として評価することができる。ここ
で、蛍光像の広がり（L）は蛍光強度が1/eになる位置等
によって計算する。
の、蛍光の発生状態を模式的に示した図である。図６は
発生した蛍光の広がり（L）及び蛍光の強度（I）を、横
軸に被検物表面からのレーザ光の進入深さを取って示し
た図であり、このL、Iを結晶表面からの深さの関数とし
て求めることによって、励起キャリアの寿命（Life Tim
e）を深さの関数として評価することができる。ここ
で、蛍光像の広がり（L）は蛍光強度が1/eになる位置等
によって計算する。
【００２６】一般に、励起されたキャリアの拡散計数
は、アインシュタインの関係式より、次のように表わさ
れる。 Dn=μekBT/e, Dp=μpkBT/e kBはボルツマン定数、Tは温度、eは電荷、μeは電子
の、μpは正孔の移動度である。また、少数キャリアの
再結合寿命（τ）は次式で与えられる。 τ-1=Nr・S・vth ここに、Nrは再結合中心の密度、Sは捕獲断面積、vthは
少数キャリアの熱速度である。結論として、励起された
少数キャリアが距離R進むとその存在確率は、 EXP(-R/M) となる。ここで、キャリアの拡散距離（M）と再結合寿
命（τ）の間には、 M=√(Dnτ) の関係があるから、蛍光強度分布の広がり（L）が測定
できればキャリアの拡散距離（M）が求まる。即ち、蛍
光強度が1/eになる位置がMに相当する。
は、アインシュタインの関係式より、次のように表わさ
れる。 Dn=μekBT/e, Dp=μpkBT/e kBはボルツマン定数、Tは温度、eは電荷、μeは電子
の、μpは正孔の移動度である。また、少数キャリアの
再結合寿命（τ）は次式で与えられる。 τ-1=Nr・S・vth ここに、Nrは再結合中心の密度、Sは捕獲断面積、vthは
少数キャリアの熱速度である。結論として、励起された
少数キャリアが距離R進むとその存在確率は、 EXP(-R/M) となる。ここで、キャリアの拡散距離（M）と再結合寿
命（τ）の間には、 M=√(Dnτ) の関係があるから、蛍光強度分布の広がり（L）が測定
できればキャリアの拡散距離（M）が求まる。即ち、蛍
光強度が1/eになる位置がMに相当する。
【００２７】本願発明によれば連続発光のレーザ光源
（Continuous Wave Laser）で励起子の発光寿命を数学
的手法で解析することが可能であることは上述の通りで
あるが、パルスレーザ光源を用いれば、蛍光像の広が
り、キャリアの寿命をより正確に測定することができ
る。図９は、このようなパルスレーザを光源とする本願
発明の第３の実施例を示す。
（Continuous Wave Laser）で励起子の発光寿命を数学
的手法で解析することが可能であることは上述の通りで
あるが、パルスレーザ光源を用いれば、蛍光像の広が
り、キャリアの寿命をより正確に測定することができ
る。図９は、このようなパルスレーザを光源とする本願
発明の第３の実施例を示す。
【００２８】パルスレーザ光源３０はパルス発生器３１
の発生するトリガ信号によって発光する。発生した蛍光
の時間依存性の測定はゲート付き画像増幅器３２を用い
て行なう。即ち、パルスレーザの発光後、所定時間
（t）遅れてゲートを短時間開き、tを変化させながら複
数回の計測を行なうことにより、蛍光の発生状態を経時
的に観察するものである。
の発生するトリガ信号によって発光する。発生した蛍光
の時間依存性の測定はゲート付き画像増幅器３２を用い
て行なう。即ち、パルスレーザの発光後、所定時間
（t）遅れてゲートを短時間開き、tを変化させながら複
数回の計測を行なうことにより、蛍光の発生状態を経時
的に観察するものである。
【００２９】図１０は図９の装置によって一定時間パル
スレーザを投射した場合の励起蛍光像の発生状態を示す
図であり、図１１は蛍光像の広がり（L）の経時変化を
グラフ化したものである。同図により、再結合寿命
（τ）を正確に計測することができる。
スレーザを投射した場合の励起蛍光像の発生状態を示す
図であり、図１１は蛍光像の広がり（L）の経時変化を
グラフ化したものである。同図により、再結合寿命
（τ）を正確に計測することができる。
【００３０】図１２乃至図１４は本発明にかかる装置で
シリコン結晶内部を計測した実験結果を示す。
シリコン結晶内部を計測した実験結果を示す。
【００３１】充分に集光した（2〜4μ程度）、波長1.06
4μ、強度400mWのCWYAGレーザをSi結晶のポリッシュ面
から入射して蛍光発生センタを励起し、発生する散乱光
及び蛍光をそれぞれ中心波長1064nm、950nm、半値幅20n
mのフィルタを介して劈開面から観察した。このとき、
レーザ光は表面から100μ程度の深さに入射し、内部の
発光が表面でトラップされてしまうことを防いだ。
4μ、強度400mWのCWYAGレーザをSi結晶のポリッシュ面
から入射して蛍光発生センタを励起し、発生する散乱光
及び蛍光をそれぞれ中心波長1064nm、950nm、半値幅20n
mのフィルタを介して劈開面から観察した。このとき、
レーザ光は表面から100μ程度の深さに入射し、内部の
発光が表面でトラップされてしまうことを防いだ。
【００３２】試料には欠陥の多いＩＧ（Intrinsic Gett
ering）処理を施したウエハと、欠陥のほとんどないAs-
Grownのウエハを用いた。図１２は蛍光像と散乱像の相
関関係を示す。欠陥のないAs-Grownのウエハでは、蛍光
像の広がりが大きいことがわかる。図１３は、蛍光像及
び散乱光の強度分布を深さの関数として示す。図１４
(a)は散乱強度と蛍光強度、図１４(b)は散乱強度と蛍光
像の広がりの関係をグラフ化した図である。散乱光の強
度と蛍光像の広がり幅には逆相関関係があることがわか
る。このように、本発明によれば、結晶内部の欠陥がキ
ャリアの拡散距離（M）に与える影響を、結晶表面から
の深さの関数として定量的に把握することができる。従
って、結晶内部に発生させる欠陥（IG処理）の分布をど
のようにすれば結晶表面のキャリアの移動に対する影響
を低減することができるかを評価することが可能とな
る。
ering）処理を施したウエハと、欠陥のほとんどないAs-
Grownのウエハを用いた。図１２は蛍光像と散乱像の相
関関係を示す。欠陥のないAs-Grownのウエハでは、蛍光
像の広がりが大きいことがわかる。図１３は、蛍光像及
び散乱光の強度分布を深さの関数として示す。図１４
(a)は散乱強度と蛍光強度、図１４(b)は散乱強度と蛍光
像の広がりの関係をグラフ化した図である。散乱光の強
度と蛍光像の広がり幅には逆相関関係があることがわか
る。このように、本発明によれば、結晶内部の欠陥がキ
ャリアの拡散距離（M）に与える影響を、結晶表面から
の深さの関数として定量的に把握することができる。従
って、結晶内部に発生させる欠陥（IG処理）の分布をど
のようにすれば結晶表面のキャリアの移動に対する影響
を低減することができるかを評価することが可能とな
る。
【００３３】図１５は蛍光の深さ方向及びそれに直角な
方向の強度分布を計測した結果を示す。図面中に記載し
た丸印は前述した計算によって求めた計算値であり、キ
ャリアの拡散距離（M）を85μとしたときのものであ
る。計測値とよく一致していることがわかる。
方向の強度分布を計測した結果を示す。図面中に記載し
た丸印は前述した計算によって求めた計算値であり、キ
ャリアの拡散距離（M）を85μとしたときのものであ
る。計測値とよく一致していることがわかる。
【００３４】好ましい実施例に基づいて本願発明を説明
したが、本発明は以上例示した実施例に限定して適用す
べきでないことは明らかである。特に、被検物としてシ
リコン結晶を例示して説明したが、投射レーザ光の波長
や帯域フィルタの透過波長を適宜選択すれば他の様々な
被検物結晶（例えばGaAs、InP）に対しても本発明が適
用可能であることに留意すべきである。また、峡帯域フ
ィルタとしては、干渉フィルタ等の透過光帯域の狭いバ
ンドパスフィルタでもよいし、分光器のような可変フィ
ルタでもよい。また、間隙の調整が可能なエタロン板を
使用してもよい。
したが、本発明は以上例示した実施例に限定して適用す
べきでないことは明らかである。特に、被検物としてシ
リコン結晶を例示して説明したが、投射レーザ光の波長
や帯域フィルタの透過波長を適宜選択すれば他の様々な
被検物結晶（例えばGaAs、InP）に対しても本発明が適
用可能であることに留意すべきである。また、峡帯域フ
ィルタとしては、干渉フィルタ等の透過光帯域の狭いバ
ンドパスフィルタでもよいし、分光器のような可変フィ
ルタでもよい。また、間隙の調整が可能なエタロン板を
使用してもよい。
【００３５】
【発明の効果】本発明によれば、簡単な構成で結晶内の
フォトルミネッセンス発光強度分布を測定することがで
きる。レーザビームは結晶内に充分な深さで透過するか
ら、結晶表面のリコンビネーションセンターの影響を受
けることなく、本来の結晶内部の発光を計測することが
できる。また、蛍光寿命はキャリアのライフタイムと密
接な関係があり、重要な計測要素であるが、本願発明に
よれば測定された蛍光の分布から数学的手法でライフタ
イムを推定することができる。なお、投射光をパルスレ
ーザとすれば発光強度の衰退時間を直接測定できるか
ら、より正確な測定が可能となる。
フォトルミネッセンス発光強度分布を測定することがで
きる。レーザビームは結晶内に充分な深さで透過するか
ら、結晶表面のリコンビネーションセンターの影響を受
けることなく、本来の結晶内部の発光を計測することが
できる。また、蛍光寿命はキャリアのライフタイムと密
接な関係があり、重要な計測要素であるが、本願発明に
よれば測定された蛍光の分布から数学的手法でライフタ
イムを推定することができる。なお、投射光をパルスレ
ーザとすれば発光強度の衰退時間を直接測定できるか
ら、より正確な測定が可能となる。
【図１】従来技術にかかる蛍光観察装置を示す図であ
る。
る。
【図２】パルスレーザにより発生した蛍光の発光寿命を
示す説明図である。
示す説明図である。
【図３】本発明にかかる装置の第１実施例の説明図であ
る。
る。
【図４】本発明の第２実施例の説明図である。
【図５】蛍光の発生状態の模式図である。
【図６】蛍光像の広がりと強度の相関図である。
【図７】フィルタを傾斜させた場合の透過中心波長の変
化を示す図である。
化を示す図である。
【図８】フィルタの回転角に対する中心波長、ピーク透
過率、半値幅の相関を示す図である。
過率、半値幅の相関を示す図である。
【図９】本発明の第３実施例の説明図である。
【図１０】発生した蛍光の時間的な変化を示す図であ
る。
る。
【図１１】蛍光像の広がりの時間的な変化を示すグラフ
である。
である。
【図１２】蛍光像と散乱像の相関を示す図である。
【図１３】蛍光像及び散乱像の強度分布を示すグラフで
ある。
ある。
【図１４】散乱光強度と蛍光像の相関を示すグラフであ
る。
る。
【図１５】蛍光強度の実験による計測値と計算値の関係
を示す図である。
を示す図である。
１ ハーフミラー ２ 対物レンズ ３ 被検物 ４ 分光器 ８ コンピュータ ９ ステージコントローラ ２３ 峡帯域透過フィルタ ２５ 偏光素子
Claims (22)
- 【請求項１】 被検体結晶内部に透過可能な波長のレー
ザ光を発生するレーザ光源と、該レーザ光を所定の直径
に集光し、結晶内部に向けて投射する投射光学系と、該
投射レーザ光による結晶内の発生光を受光する受光光学
系と、前記受光光学系内に設けられ、前記発生光のう
ち、蛍光のみを透過させる帯域透過特性を備えたフィル
タと、前記フィルタを透過した蛍光を評価し、結晶の内
部構造を解析する処理装置とを備えたことを特徴とする
フォトルミネッセンス計測装置。 - 【請求項２】 前記処理装置は、発生する蛍光像の広が
り及び強度を結晶表面からの深さ方向に測定し、キャリ
アの平均移動距離を前記深さの関数として評価すること
を特徴とする請求項１項に記載のフォトルミネッセンス
計測装置。 - 【請求項３】 前記処理装置は、入射したレーザ光によ
って発生する散乱光及び蛍光を画像化して散乱強度と蛍
光の強度及び広がりの相関を評価することを特徴とする
請求項２項に記載のフォトルミネッセンス計測装置。 - 【請求項４】 前記処理装置は前記レーザ光源または被
検体結晶を所定位置に移動させる駆動手段を備え、該駆
動手段を適宜移動させることにより、前記蛍光の蛍光強
度あるいは蛍光像の広がりを二次元的に観測することを
特徴とする請求項２項に記載のフォトルミネッセンス計
測装置。 - 【請求項５】 前記投射レーザ光と同一波長を有する結
晶内散乱光の二次元像と、蛍光の強度及び分布の二次元
像との相関を評価することを特徴とする請求項４項に記
載のフォトルミネッセンス計測装置。 - 【請求項６】 前記レーザ光源は所定の波長域内を任意
に連続的に変化させ得る波長可変レーザであり、該波長
を適宜変化させることにより、散乱像、蛍光像の入射波
長依存性を計測することを特徴とする請求項１乃至５項
に記載のフォトルミネッセンス計測装置。 - 【請求項７】 前記投射光学系及び/又は受光光学系は
偏光手段を具備し、投射レーザ光及び散乱光あるいは蛍
光の偏光方向を変化させることにより、散乱像、蛍光像
の偏光依存性を計測することを特徴とする請求項１乃至
６項に記載のフォトルミネッセンス計測装置。 - 【請求項８】 前記帯域透過フィルタを傾斜させること
により、投射レーザ光の透過中心波長を変化させ、散乱
像及び蛍光像の波長依存性を計測することを特徴とする
請求項１乃至７項に記載のフォトルミネッセンス計測装
置。 - 【請求項９】 前記レーザ光源としてパルスレーザを用
い、パルスレーザにより発生した蛍光を経時的に計測す
ることにより蛍光像の時間依存性を測定することを特徴
とする請求項１乃至８項に記載のフォトルミネッセンス
計測装置。 - 【請求項１０】 前記被検体結晶はシリコン結晶である
ことを特徴とする請求項１乃至９項に記載のフォトルミ
ネッセンス計測装置。 - 【請求項１１】 前記投射レーザ光の波長は800乃至150
0nmであり、発生する蛍光像の波長は0.9乃至2μである
ことを特徴とする請求項１０項に記載のフォトルミネッ
センス計測装置。 - 【請求項１２】 被検体結晶内部に、該結晶内を透過可
能な波長のレーザ光を所定の直径に絞って投射し、投射
されたレーザ光による結晶内の発生光を受光し、前記発
生光のうち、結晶内の励起子の発生する蛍光のみをフィ
ルタにより透過させ、前記蛍光を評価することにより結
晶の内部構造を解析することを特徴とするフォトルミネ
ッセンス計測方法。 - 【請求項１３】 前記蛍光像の広がり及び強度を結晶表
面からの深さ方向に測定し、キャリアの平均移動距離を
結晶の深さの関数として評価することを特徴とする請求
項１２項に記載のフォトルミネッセンス計測方法。 - 【請求項１４】 前記散乱光及び蛍光を画像化して散乱
強度と蛍光の強度及び広がりの相関を評価することを特
徴とする請求項１３項に記載のフォトルミネッセンス計
測方法。 - 【請求項１５】 前記投射レーザ光または被検体結晶を
適宜移動することにより蛍光の蛍光強度あるいは蛍光像
の広がりを二次元的に観測することを特徴とする請求項
１２乃至１３項に記載のフォトルミネッセンス計測方
法。 - 【請求項１６】 前記投射レーザ光と同一波長を有する
結晶内散乱光の二次元像と、蛍光の強度及び分布の二次
元像との相関を評価することを特徴とする請求項１２乃
至１５項に記載のフォトルミネッセンス計測方法。 - 【請求項１７】 前記レーザ光は所定の波長域内を任意
に連続的に変化させ得る波長可変レーザであり、該波長
を適宜変化させることにより、散乱像、蛍光像の入射波
長依存性を計測することを特徴とする請求項１２乃至１
６項に記載のフォトルミネッセンス計測方法。 - 【請求項１８】 前記投射レーザ光及び散乱光あるいは
蛍光の偏光方向を変化させることにより、散乱像、蛍光
像の偏光依存性を計測することを特徴とする請求項１２
乃至１７項に記載のフォトルミネッセンス計測方法。 - 【請求項１９】 投射レーザ光の透過中心波長を変化さ
せることにより、散乱像及び蛍光像の波長依存性を計測
することを特徴とする請求項１２乃至１８項に記載のフ
ォトルミネッセンス計測方法。 - 【請求項２０】 前記レーザ光としてパルスレーザを用
い、パルスレーザにより発生した蛍光を経時的に測定す
ることにより蛍光像の時間依存性を測定することを特徴
とする請求項１２乃至１９項に記載のフォトルミネッセ
ンス計測方法。 - 【請求項２１】 前記被検体結晶はシリコン結晶である
ことを特徴とする請求項１２乃至２０項に記載のフォト
ルミネッセンス計測方法。 - 【請求項２２】 前記投射レーザ光の波長は800乃至150
0nmであり、発生する蛍光像の波長は0.9乃至2μである
ことを特徴とする請求項２１項に記載のフォトルミネッ
センス計測方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4074723A JP2975476B2 (ja) | 1992-03-30 | 1992-03-30 | 結晶内のフォトルミネッセンス計測方法及び装置 |
| US08/037,994 US5381016A (en) | 1992-03-30 | 1993-03-25 | Method and apparatus for measuring photoluminescence in crystal |
| DE69315877T DE69315877T2 (de) | 1992-03-30 | 1993-03-29 | Methode und Vorrichtung zum Messen der Photoluminiszenz in einem Kristall |
| EP93105194A EP0563863B1 (en) | 1992-03-30 | 1993-03-29 | Method and apparatus for measuring photoluminescence in crystal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4074723A JP2975476B2 (ja) | 1992-03-30 | 1992-03-30 | 結晶内のフォトルミネッセンス計測方法及び装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP37507698A Division JP3275022B2 (ja) | 1998-12-11 | 1998-12-11 | 結晶内のフォトルミネッセンス計測装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05281141A true JPH05281141A (ja) | 1993-10-29 |
| JP2975476B2 JP2975476B2 (ja) | 1999-11-10 |
Family
ID=13555434
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4074723A Expired - Fee Related JP2975476B2 (ja) | 1992-03-30 | 1992-03-30 | 結晶内のフォトルミネッセンス計測方法及び装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5381016A (ja) |
| EP (1) | EP0563863B1 (ja) |
| JP (1) | JP2975476B2 (ja) |
| DE (1) | DE69315877T2 (ja) |
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| KR20170081910A (ko) * | 2016-01-05 | 2017-07-13 | 삼성전자주식회사 | 통신 연결을 형성하는 방법 및 장치 |
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