CN112703586A - 光测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式具备：光源(9a)，其生成包含第一波长的测量光；光源(9b)，其生成包含第二波长的刺激光；作为WDM光耦合器的光耦合部(11)，其包含在输出端(11a2)与输入端(11a1、11b1)之间分叉设置的光纤(11a、11b)，输入端(11a1)与光源(9a)的输出光学耦合，输入端(11b1)与光源(9b)的输出光学耦合，将测量光与刺激光合波而生成合波光，将合波光从输出端(11a2)输出；光检测器(29)，其检测来自DUT(10)的反射光的强度；光照射/导光系统(5)，其将合波光向DUT(10)上的测定点(10a)导光，将来自测定点(10a)的反射光向光检测器(29)导光；和电流镜(19)，其使测定点移动，光纤(11a、11b)对第一波长以单模传输光。

Description

光测量装置
技术领域
本发明涉及一种评估测定对象物的光测量装置。
背景技术
历来，已知有使用共焦点光学系统将测量光和刺激光同轴地向测定对象物照射，利用测量光的反射光导出测定对象物的热物理特性值的检查装置(例如，参照下述专利文献1)。该检查装置具有使用半透半反镜，将测量光与刺激光合成向测定对象物照射的结构。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-308513号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在上述那样的现有的检查装置中，存在在将波长相互不同的测量光与刺激光在同轴上合波时半透半反镜等的光学系统的调节困难的倾向。此外，还存在由于长时间的使用而在光学系统中产生偏离，在测量光与刺激光之间产生光轴的偏离的情况。其结果是，存在在向测定对象物照射的测量光与刺激光之间产生测定对象物上的照射位置的偏离，测定对象物的评估的精度下降的倾向。
实施方式是鉴于该问题而完成的，其目的在于提供一种能够减少测定对象物上的测量光和刺激光的照射位置的偏离，提高测定对象物的评估的精度的光测量装置。
用于解决问题的方式
本发明的一个方式为一种光测量装置，其特征在于：具备：第一光源，其生成包含第一波长的测量光；第二光源，其生成包含比第一波长短的第二波长的刺激光；作为WDM光耦合器的光耦合部，其包含在输出端与第一输入端和第二输入端之间分叉设置的光纤，第一输入端与第一光源的输出光学耦合，第二输入端与第二光源的输出光学耦合，将测量光与刺激光合波而生成合波光，将合波光从输出端输出；光检测器，其检测来自测定对象物的反射光或透射光的强度并输出检测信号；光学系统，其将合波光向测定对象物上的测定点导光，将来自测定点的反射光或透射光向光检测器导光；和扫描部，其使测定点移动，光纤至少对第一波长具有以单模传输光的性质。
根据上述一个方式，包含第一波长的测量光与包含比第一波长短的第二波长的刺激光通过光耦合部合波而向测定对象物上的测定点照射，检测来自测定对象物上的测定点的反射光或透射光的强度。此外，测定对象物上的测定点通过扫描部移动。该光耦合部由包含光纤的WDM光耦合器构成，由于该光纤具有以单模使测量光传输的性质，因此测量光的光斑稳定，能够减少合波光中的作为波长相互不同的光的测量光与刺激光之间的光轴的偏离。其结果是，能够减少测定对象物上的测定点的测量光和刺激光的照射位置的偏离，能够减提高测定对象物的评估的精度。
发明的效果
根据实施方式，能够减少测定对象物上的测量光和刺激光的照射位置的偏离，提高测定对象物的评估的精度。
附图说明
图1是实施方式所涉及的光测量装置1的概略结构图。
图2是表示图1的光耦合部11的结构的图。
图3是表示图1的控制器37的功能结构的框图。
图4是表示光测量装置1的输出图像的一个例子的图。
图5是表示比较例的输出图像的一个例子的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在说明中，对同一要素或具有同一功能的要素，使用同一附图标记，省略重复的说明。
图1是实施方式所涉及的光测量装置1的概略结构图。图1所示的光测量装置1是以半导体器件等的作为测定对象物的被检查器件(DUT：Device Under Test)10为对象进行光测量的装置。在本实施方式中，实行对由DUT10的刺激光引起的发热进行测定的热反射。作为光测量装置1的测定对象，能够列举裸晶圆、以一定的掺杂密度进行外延生长的基板、形成有阱或扩散区域等的晶圆基板、形成有晶体管等的电路元件的半导体基板等。
该光测量装置1由配置有DUT10的载置台3、向DUT10上的测定点10a照射光和进行导光并且对来自DUT10上的测定点10a的反射光进行导光的光照射/导光系统(光学系统)5、和控制光照射/导光系统5并且检测和处理来自DUT10的反射光的控制系统7构成。载置台3是以与光照射/导光系统5相对的方式支撑DUT10的支撑部。该光照射/导光系统5既可以将测定点10a设定于DUT10的表面(光照射/导光系统5侧的面)附近，也可以设定于DUT10的内部或者背面附近。此外，载置台3也可以具备能够将DUT10上的测定点10a相对于光照射/导光系统5相对地移动的移动机构(扫描部)。另外，在图1中，以单点划线表示光的行进路径，以实线的箭头表示控制用信号的传达路径、检测信号和处理数据的传达路径。
光照射/导光系统5包括光源(第一光源)9a、光源(第二光源)9b、光耦合部11、准直仪13、偏振光分束器15、1/4波长板17、电流镜(扫描部)19、光瞳投影透镜21、物镜23、光学滤镜25和准直仪27。
光源9a将适合于DUT10的由加熱而产生的光学的特性的变化(例如，反射率的变化)的检测的第一波长和强度的光作为测量光(探测光)生成并射出。例如，在DUT10由Si(硅)基板构成的情况下，第一波长为1300nm。光源9b将适合于DUT10的加熱的、比第一波长短的第二波长和强度的光作为刺激光(激励光)生成并射出。具体而言，光源9b以生成包含具有与作为构成DUT10的基板的材料的半导体的带隙能量相比高的能量的第二波长的刺激光的方式设定。例如，在DUT10由Si基板构成的情况下，第二波长为1064nm、780nm等。进一步地，该光源9b以能够生成基于来自外部的电信号调制强度的刺激光而构成。另外，光源9a、光源9b例如既可以为半导体激光等的相干光源，也可以为SLD(Super Luminescent Diode：超辐射发光二极管)等的不相干光源。
光耦合部11是将从光源9a射出的测量光与从光源9b射出的刺激光合波而生成合波光，并输出该合波光的WDM(Wavelength Division Multiplexing：波分复用)光耦合器。图2表示光耦合部11的结构的一个例子。如该图所示，光耦合部11通过2根光纤11a、11b在它们的中央部熔合延伸而形成。即，光耦合部11通过在制造时控制熔合时间和熔合温度来调节2根光纤11a、11b的熔合度，由此将从光纤11a的一个端部(第一输入端)11a1射入的第一波长的光与从光纤11b的一个端部(第二输入端)11b1射入的第二波长的光合波而生成包含第一波长和第二波长的合波光，从而能够将合波光从光纤11a的另一个端部(输出端)11a2射出地构成。而且，光纤11b的另一个端部11b2为终端，光纤11a、11b构成在端部11a2与端部11a1、11b1之间分叉的光纤。在该光耦合部11，端部11a1与光源9a的输出光学耦合，端部11b1与光源9b的输出光学耦合。
此处，构成光耦合部11的2根光纤11a、11b具有至少将第一波长的光以单模传输的性质。即，光纤11a、11b是设定了至少使第一波长的光以单模传输那样的纤芯直径的光纤。此外，光纤11a、11b优选具有使第二波长的光也以单模传输的性质。进一步地，光纤11a、11b还是偏振保持光纤。偏振保持光纤是指，通过使在纤芯产生复折射率性来提高传输的光的偏波面保持特性的光纤。
返回图1，准直仪13与光耦合部11的端部11a2光学耦合，对从光耦合部11的端部11a2射出的合波光进行准直，将准直后的合波光向偏振光分束器15输出。偏振光分束器15使合波光中的直线偏振光成分透射，1/4波长板17变更从偏振光分束器15透射后的合波光的偏振光状态，将合波光的偏振光状态设定为圆偏振光。电流镜19将成为圆偏振光的合波光扫描并输出，光瞳投影透镜21将从电流镜19输出的合波光的光瞳从电流镜19中继至物镜23的光瞳。物镜23将合波光聚光至DUT10上。根据这样的结构，能够使合成为合波光的测量光和刺激光扫描(移动)照射至DUT10上的所期望的位置的测定点10a。此外，也可以通过使载置台3移动，而能够以电流镜19不能覆盖的范围为对象地使测量光和刺激光扫描至测定点10a地构成。另外，电流镜19作为能够扫描合波光的装置，也可以换成MEMS(MicroElectro Mechanical Systems：微电子机械系统)反射镜、多边形镜等。
此外，在上述结构的光照射/导光系统5中，能够将来自DUT10的测定点10a的反射光与合波光同轴地导光至1/4波长板17，能够通过1/4波长板17将反射光的偏振光状态从圆偏振光变更为直线偏振光。进一步地，成为直线偏振光的反射光被偏振光分束器15向光学滤镜25和准直仪27反射。光学滤镜25以仅使反射光中的与测量光相同的波长成分向准直仪27透射，而遮挡反射光中的与刺激光相同的波长成分的方式构成。准直仪27对反射光进行准直，将其反射光经由光纤等向控制系统7输出。
控制系统7包括光检测器29、放大器31、调制信号源(调制部)33、网络分析仪35、控制器37和激光扫描控制器39。
光检测器29是PD(Photodiode：光电二极管)、APD(Avalanche Photodiode：雪崩光电二极管)、光电子倍增管等的光检测元件，通过光照射/导光系统5接受被导光的反射光，检测该反射光的强度而输出检测信号。放大器31将从光检测器29输出的检测信号放大而向网络分析仪35输出。调制信号源33以生成由控制器37设定的波形的电信号(调制信号)，基于该电信号对刺激光进行强度调制的方式控制光源9b。具体而言，调制信号源33生成所设定的重复频率(预设频率)的矩形波的电信号，基于该电信号控制光源9b。此外，调制信号源33还具有重复生成多个重复频率的矩形波的电信号的功能。
网络分析仪35基于从放大器31输出的检测信号和在调制信号源33设定的重复频率，提取和检测与重复频率对应的波长成分的检测信号。进一步地，网络分析仪35以由调制信号源33生成的电信号为基准检测检测信号相对于强度调制后的刺激光的相位滞后。而且，网络分析仪35将以检测信号为对象检测的相位滞后的信息输入控制器37。此处，网络分析仪35既可以改成频谱分析仪，也可以改成锁相放大器，还可以改成组合了数字化仪与FFT分析仪的结构。
控制器37是整体控制控制系统7的动作的装置，且是物理上包括作为处理器的CPU(Central Processing Unit：中央处理器)、作为记录介质的RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)和ROM(Read Only Memory：只读存储器)、通信模块以及显示器、鼠标、键盘等的输入输出器件的计算机等的控制装置。图3表示控制器37的功能结构。如图3所示，控制器37包括调制控制部41、移动控制部43、扫描控制部45、相位差检测部47和输出部49作为功能性的构成要素。
控制器37的调制控制部41设定用于对刺激光进行强度调制的电信号的波形。具体而言，调制控制部41以使电信号的波形成为规定的重复频率的矩形波的方式进行设定。该“规定的重复频率”既可以是预先在控制器37内存储的值的频率，也可以是经由输入输出器件而从外部输入的值的频率。
移动控制部43和扫描控制部45以在DUT10上扫描测量光和刺激光合波成的合波光的方式，分别控制载置台3和电流镜19。此时，移动控制部43以一边进行以DUT10的各测定点为对象的相位差检测处理一边扫描合波光的方式进行控制。
相位差检测部47基于从网络分析仪35输出的相位滞后的信息，以DUT10的各测定点为对象实行相位差检测处理。具体而言，相位差检测部47将DUT10的各个测定点的每一个的相位滞后的值映射于图像上，生成表示相位滞后的分布的输出图像。输出部49将由相位差检测部47生成的输出图像向输入输出器件输出。
以下，说明光测量装置1的光学测量处理的顺序的详细情况。
首先，将DUT10载置在载置台3上。另外，DUT10既可以以能够从表面侧照射合波光的方式载置，也可以以能够从背面侧照射合波光的方式载置。此外，DUT10还可以根据需要进行面的研磨，在其观察中使用固浸透镜(Solid Immersion Lens)。
之后，从光照射/导光系统5向DUT10照射测量光和刺激光合波成的合波光。此时，光照射/导光系统5设为色差非常小的光学系统。此时，以使DUT10的表面或者背面相对于合波光的光轴成为垂直的方式进行角度调节，合波光的焦点也以与DUT10的测定点一致的方式设定。
进一步地，通过控制器37的控制，以通过矩形波对刺激光强度调制的方式来控制。该矩形波的重复频率既可以由预先在控制器37内存储的值设定，也可以由经入输出器件从外部输入的值设定。
接着，在控制系统7的光检测器29，检测来自DUT10的测定点的反射光而生成检测信号，该检测信号由放大器31放大。而且，通过控制系统7的网络分析仪35，从检测信号提取重复频率的成分。
此外，在控制系统7的网络分析仪35，以提取出的检测信号的波形为对象，检测相对于刺激光的调制信号的相位滞后。进一步地，从网络分析仪35对控制器37，输出检测出的相位滞后的信息。此外，上述的检测信号的相位滞后的检测和与其相关的相位滞后的信息的输出，通过控制器37的控制，一边扫描DUT10上的测定点一边重复进行。
之后，通过控制器37，使用与DUT10上的多个测定点相关的相位滞后的信息，与多个测定点对应的相位滞后的值映射于图像上，生成表示DUT10上的相位滞后的分布的输出图像的数据。此时，控制器37也可以基于通过使光源9b的输出为断开，仅向DUT10照射测量光而得到的检测信号生成DUT10的图案图像。而且，控制器37基于该数据将输出图像向输入输出器件输出。根据该输出图像，能够测量DUT10上的散热特性的斑点。在得到图案图像的情况下，控制器37也可以在相位滞后的分布的输出图像重叠图案图像而生成重叠图像，并输出该重叠图像。
根据以上说明的光测量装置1和使用它的光学测量方法，包含第一波长的测量光与包含比第一波长短的第二波长的刺激光，由光耦合部11合波而向DUT10上的测定点10a照射，检测来自DUT10上的测定点10a的反射光的强度。此外，DUT10上的测定点10a通过电流镜19移动。由于该光耦合部11由包含光纤11a、11b的WDM光耦合器构成，该光纤11a、11b具有使测量光以单模传输的性质，因此测量光的光斑稳定，能够减少合波光中的作为波长相互不同的光的测量光与刺激光之间的光轴和焦点的偏离。其结果是，能够减少DUT10上的测定点10a的测量光和刺激光的照射位置的偏离，能够提高DUT10的评估的精度。
在上述实施方式中，光纤11a、11b对第二波长也具有以单模传输光的性质。因此，刺激光的光斑也稳定，能够进一步减少合波光中的作为波长相互不同的光的测量光与刺激光之间的光轴和焦点的偏离。其结果是，能够进一步提高DUT10的评估的精度。
此外，还优选光纤11a、11b为偏振保持光纤。根据该结构，除了保持测量光的偏振光状态还能够生成合波光。其结果是，能够防止测量光的偏振光状态的波动，能够降低来自DUT10的反射光的检测信号的噪声，能够进一步提高DUT10的评估的精度。
进一步地，第二波长设定为与比构成DUT10的半导体的带隙能量高的能量对应的波长。在这种情况下，能够通过刺激光的照射利用DUT10高效地生成载流子，能够基于检测出的相位滞后的信息推测DUT10的杂质浓度。
此外，在上述实施方式中，以包含规定频率的调制信号对刺激光进行强度调制。根据这样的结构，能够通过测定检测信号相对于调制信号的相位滞后，适当地评估DUT10的散热特性。
此处，与比较例相比较地表示光测量装置1的输出图像的一个例子。在图4中，表示由光测量装置1输出的输出图像的一个例子，在图5中，通过比较例表示以与图4相同的DUT10为对象输出的输出图像的一个例子。与比较例的光测量装置1的不同点在于，取代光耦合部11，使用将测量光与刺激光在同一轴上合成而输出的二向色镜。在这些输出图像中，将相位滞后的信息对每像素转换为表示亮度和颜色的像素值。
如这些结果所示，在比较例中，由于在DUT10上的刺激信号与测量信号的照射位置容易产生偏离，因此DUT10的光学特性引起的相位滞后的信息难以正确地在输出图像反映。特别是在图5的例子中，在图像的左端的相位整体地观测到偏离。与此相对，在本实施方式中，由于DUT10上的刺激信号与测量信号之间的照射位置的偏离减少，因此在图像整体中观测到比较均匀的相位。即，在本实施方式中，能够期待DUT10的光学的特性的评估的精度的提高。
以上，对本发明的各种实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式，也可以在不改变各请求项中记载的主旨的范围进行变形，或者应用于其它的方式。
上述实施方式的光照射/导光系统5能够将来自DUT10的反射光向控制系统7导光地构成，不过也可以能够将因测量光从DUT10透射而产生的透射光向控制系统7导光地构成。在这种情况下，基于通过在控制系统7检测透射光从而生成的检测信号，评估DUT10的散热特性。
此外，在上述实施方式中，如果以光检测器29仅对测量光具有感度的方式构成，则光学滤镜25也可以省略。
此外，在上述实施方式中使用以矩形波强度调制的刺激光进行了测量，不过也可以使用以正弦波、三角波等其它波形的信号强度调制的刺激光。
此外，在上述实施方式中，第二波长也可以设定为与比构成DUT10的半导体的带隙能量低的能量对应的波长。在这种情况下，能够抑制对基板而言不需要的载流子的生成。
此外，在上述实施方式的光测量装置1中，控制器37，在将用于调制刺激光的调制信号的重复频率多次变更而重复进行的基础上实行光学测量，不过也可以以基于按每多个重复频率得到的相位滞后的信息，推测DUT10的测定点10a的杂质等的浓度的方式进行处理。
详细而言，控制器37基于每多个频率的相位滞后的值推测相位滞后成为45度的频率。该频率称为截止频率，此时的时间常数τ成为与该频率对应的周期的1/(2π)倍。该时间常数τ相当于DUT10的内部的载流子寿命。一般而言，载流子的寿命τ，以B为比例常数，以p0为多数载流子浓度(＝杂质浓度)，以n0为少数载流子浓度，以Δn为过剩载流子浓度时，以下述式：
τ＝1/{B(n0+p0+Δn)}～1/(B·p0)
表示。利用该性质，控制器37从相位滞后成为45度的频率计算载流子寿命τ，通过对上述式进行逆算而从载流子寿命τ计算杂质浓度(＝p0)作为推测值。
此外，在上述实施方式的光测量装置1中，并不一定以对刺激光进行强度调制的方式构成，也可以如美国专利2015/0002182号公报中记载的结构那样，以在驱动DUT10的状态下向将测量光和刺激光向DUT10照射，其结果检测产生的来自DUT10的反射光的方式构成。
在上述实施方式中，优选光纤具有对第二波长也以单模光传输的性质。在这种情况下，刺激光的光斑也稳定，能够进一步减少合波光中的作为波长相互不同的光的测量光与刺激光之间的光轴的偏离。其结果是，能够进一步提高测定对象物的评估的精度。
此外，优选光纤为偏振保持光纤。根据该结构，能够在保持测量光的偏振光状态的基础上生成合波光。其结果是，能够降低来自测定对象物的反射光或者透射光的检测信号中的噪声，能够进一步提高测定对象物的评估的精度。
进一步地，优选第二波长为与比构成测定对象物的半导体的带隙能量高的能量对应的波长。在这种情况下，能够通过刺激光的照射利用测定对象物高效地生成载流子，也能够实现测定对象物的杂质浓度的推测。
此外，优选第二波长为与比构成测定对象物的半导体的带隙能量低的能量对应的波长。在这种情况下，能够抑制对基板而言不需要的载流子的生成。
进一步地，此外还优选进一步具备以包含规定频率的调制信号对刺激光进行强度调制的调制部。根据该结构，能够向测定对象物照射按调制信号强度调制后的刺激光，能够通过测定检测信号相对于调制信号的相位滞后，适当地评估测定对象物。
工业上的可利用性
实施方式以评估测定对象物的光测量装置为使用用途，降低测定对象物上的测量光和刺激光的照射位置的偏离，提高测定对象物的评估的精度。
符号说明：
1……光测量装置；5……光照射/导光系统(光学系统)；7……控制系统；9a……光源(第一光源)；9b……光源(第二光源)；10a……测定点；11……光耦合部；11a、11b……光纤；11a1、11b1……输入端；11a2……输出端；19……电流镜(扫描部)；29……光检测器；33……调制信号源(调制部)；35……网络分析仪；37……控制器。

Claims (6)

1.一种光测量装置，其特征在于：
具备：
第一光源，其生成包含第一波长的测量光；
第二光源，其生成包含比所述第一波长短的第二波长的刺激光；
作为WDM光耦合器的光耦合部，其包含在输出端与第一输入端和第二输入端之间分叉设置的光纤，所述第一输入端与所述第一光源的输出光学耦合，所述第二输入端与所述第二光源的输出光学耦合，将所述测量光与所述刺激光合波而生成合波光，将所述合波光从所述输出端输出；
光检测器，其检测来自测定对象物的反射光或透射光的强度并输出检测信号；
光学系统，其将所述合波光向所述测定对象物上的测定点导光，将来自所述测定点的反射光或透射光向所述光检测器导光；和
扫描部，其使所述测定点移动，
所述光纤至少对所述第一波长具有以单模传输光的性质。
2.如权利要求1所述的光测量装置，其特征在于：
所述光纤对所述第二波长也具有以单模传输光的性质。
3.如权利要求1或2所述的光测量装置，其特征在于：
所述光纤是偏振保持光纤。
4.如权利要求1～3中的任一项所述的光测量装置，其特征在于：
所述第二波长是与比构成所述测定对象物的半导体的带隙能量高的能量对应的波长。
5.如权利要求1～3中的任一项所述的光测量装置，其特征在于：
所述第二波长是与比构成所述测定对象物的半导体的带隙能量低的能量对应的波长。
6.如权利要求1～5中的任一项所述的光测量装置，其特征在于：
还具备调制部，其以包含规定频率的调制信号对所述刺激光进行强度调制。
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