DE68914733T2

DE68914733T2 - Anordnung zum Charakterisieren von Halbleitern durch Hoch-Resolution-Elektro-Lumineszenz bei niedriger Temperatur.

Info

Publication number: DE68914733T2
Application number: DE68914733T
Authority: DE
Inventors: Marko Societe Civile S P Erman; Gerard Societe Civil Gillardin; Bris Jean Societe Civile S Le
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-07-08
Filing date: 1989-07-03
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2009-07-04
Also published as: FR2634026B1; DE68914733D1; KR900002312A; EP0350123A1; JPH0254149A; EP0350123B1; US4954713A; FR2634026A1; JPH0786460B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Charakterisierung von Scheiben aus Halbleitermaterial durch räumlich hochauflösende Photolumineszenz bei niedriger Temperatur, wobei diese Vorrichtung mindestens enthält:
a) eine kryostatische Vakuumkammer, mit einem gekühlten Probenhalter zum Aufnehmen der Scheiben und mit mindestens einem Fenster zum Hindurchlassen des für das Photolumineszenz- Verfahren verwendeten Lichtbündels
b) optische Mittel, um, ausgehend von einem Laserstrahlenbündel, einen Lichtfleck auf der Scheibe zu erzeugen und um das zurückgestrahlte Photolumineszenzstrahlenbündel zu einem Detektor zu übertragen.
Die Erfindung findet Anwendung bei der Untersuchung der Verteilung von inhärenten Fehlern und Verunreinigungen infolge von Versetzungen in nicht dotierten Halbleiterkristallen, sowie bei der Untersuchung der gleichmäßigen Verteilung und der Konzentration von Dotierungsstoffen bei dotierten Halbleiterkristallen.
Eine Vorrichtung zur Charakterisierung von Proben mittels hochauflösender Photolumineszenz ist bereits durch die Veröffentlichung "Photoluminescence Measurement in GaAs with high Spatial Resolution" von Tsuguru SHIRIKAWA et alii in JPN. J. APPL. PHYS. Bd. 24, (1985) Nr. 11, S. 1565-1566, bekannt.
Eine weitere Vorrichtung zur Charakterisierung von Proben mittels hochauflösender Photolumineszenz ist durch die Veröffentlichung "Photoluminescence at Dislocations in GaAs and InP" von K.Böhm und B.Fisher in J. APPL. PHYS. 50(8), August 1979, American Institute of Physics, S. 5453-5460, ebenfalls bekannt.
Bei beiden dieser bekannten Vorrichtungen befindet sich die zu charakterisierende Probe in einer kleinen kryostatischen Vakuumkammer, die mit einem einzigen Fenster ausgestattet ist.
Ein Mikroskop wird dabei zweifach benutzt: erstens zur Fokussierung eines Laserstrahlenbündels auf die zu untersuchende Oberfläche der heruntergekühlten Probe in der kryostatischen Kammer, und zweitens zur Umwandlung des von der Probe mit einer anderen Wellenlänge als derjenigen des einfallenden Strahlenbündels zurückgestrahlten Photolumineszenzstrahlenbündels in ein paralleles Strahlenbündel.
Da sich das Mikroskop außerhalb der kryostatischen Vakuumkammer, befindet, sind sowohl das einfallende Strahlenbündel als auch das zurückgestrahlte Strahlenbündel beim Durchgang durch das Fenster dieser kryostatischen Vakuumkammer konvergent.
Das einfallende Laserstrahlenbündel wird durch ein halbdurchlässiges Reflexionsplättchen in die optische Achse des Mikroskops umgelenkt und das zurückgestrahlte Photolumineszenzstrahlenbündel gelangt nach Durchgang durch das Mikroskop mittels eines zweiten, hinter dem halbdurchlässigen Plättchen in der optischen Achse des Mikroskops angeordneten Reflexionsplättchens zu einem Monochromator.
Am Ausgang des Monochromators sendet ein Detektor die Meßergebnisse zu einer Datenverarbeitungsanlage.
Um das zeilenweise Abtasten der Probenscheibe durch das einfallende Laserstrahlenbündel zu ermöglichen, ist das Kryostatgebilde auf einem beweglichen XY-Koordinatenschlitten angeordnet. Aus diesem Grunde müssen die Abmessungen des Fensters der Vakuumkammer und die der Probenscheibe etwa dieselbe Größenordnung aufweisen.
Da andererseits, wie oben ausgeführt, die das Fenster durchquerenden Strahlenbündel konvergent sind, muß dieses Fenster aus einer möglichst dünnen, planparallelen durchsichtigen Scheibe bestehen, um den Verlauf der konvergenten Strahlenbündel möglichst wenig zu stören.
Allerdings unterliegt dieses Fenster auch anderen Anforderungen, da es ja die Vakuumkammer nach außen abschließt. Um dem Unterdruck standzuhalten, muß das Fenster also umso dicker sein, je größer sein Durchmesser ist.
Aus diesem Grunde und weil die nach dem bekannten Stand der Technik ausgeführte Vorrichtung so vorgesehen ist, daß die das Fenster der kryostatischen Vakuumkammer durchquerenden Strahlenbündel konvergent sind, weist diese Vorrichtung die folgenden Nachteile auf:
- das Fenster muß dünn sein, infolgedessen kann es nur einen kleinen Durchmesser aufweisen. Die durch dieses Fenster hindurch zu untersuchenden Proben dürfen also ebenfalls nur einen kleinen Durchmesser aufweisen.
Da anderseits das Kryostatgebilde verschoben werden muß, um das Abtasten der Probe mit dem Lichtfleck zu erlauben, und da der einfallende Lichtfleck sehr klein sein muß können die Messungen nur mit geringer Geschwindigkeit stattfinden.
Zu diesen Nachteilen kommt jedoch noch ein weiterer und sehr viel schwerwiegenderer Nachteil hinzu, der mit dem Prinzip der verwendeten Photolumineszenz-Bilderzeugung zusammenhängt:
Wie bereits oben gesagt, dient das Mikroskop dazu, aus dem hinlänglich parallelen Laserstrahlenbündel durch Fokussierung einen kleinen Lichtfleck auf der zu untersuchenden Oberfläche zu bilden. Anschließend nimmt dasselbe Mikroskop die von diesem kleinen Lichtfleck zurückgestrahlten Lichtstrahlen auf. Die räumliche Auflösung der Vorrichtung hängt also direkt vom Durchmesser des Lichtflecks ab, sobald die Abmessungen dieses Lichtflecks größer sind als die Diffusionstiefe der Minoritätsträger im zu untersuchenden Wafer. Da das Mikroskop mit optischen Linsen ausgestattet ist, kann der Lichtfleck keinesfalls kleiner als 2 um sein. Diese Abmessung liegt in derselben Größenordnung wie die Diffusionstiefe und begrenzt infolgedessen das räumliche Auflösungsvermögen. Mit dieser Vorrichtung läßt sich die größtmögliche Auflösung somit nicht erreichen.
Schließlich kann ein Linsen-Mikroskop keinen breiten Spektralbereich abdecken. Je stärker das Mikroskop in der praktischen Anwendung sich dem Beugungsgrenzbereich nähert, umso schmaler ist dabei sein Spektralbereich infolge von Streuungen im Brechungsindex des Glases, d.h. Brechungsindexänderungen je nach Lichtwellenlänge.
Da für die Untersuchung von Halbleitermaterialien mit Hilfe von Laserquellen deren Wellenlängen im Bereich zwischen 0,51 um und 1,06 um liegen werden können, können die Wellenlängen der Photolumineszenz von 0,8 um bis 1,6 um variieren. In der Tat hängt die Photolumineszenz-Wellenlänge von der Art der untersuchten Halbleiterverbindung, von den Dotierungsstoffen und von den Verunreinigungen usw. ab. Man muß folglich für die Untersuchung der vorgesehenen Halbleitermaterialien über einen breiten Spektralbereich verfügen, und offensichtlich können die nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen nicht gleichzeitig das Problem der hohen räumlichen Auflösung und des breiten Spektralbereiches lösen.
Außerdem kann die Untersuchung von Halbleitermaterialien durch hochauflösende Photolumineszenz-Verfahren die erwarteten Ergebnisse nur liefern, wenn sich die Probe unter Vakuum bei sehr tiefen Temperaturen (in der Größenordnung von 10ºK) befindet.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP-A-0216077 ist nach dem Stand der Technik eine weitere Vorrichtung zur Charakterisierung von Scheiben bekannt. Dieses zweite angeführte Dokument beschreibt eine Vorrichtung, mit der, berührungsfrei mit anderweitiger Spannungsversorgung, die Knotenpunkte einer Scheibe für einen integrierten Schaltkreis mit einem gepulstem Laserstrahlenbündel im ultravioletten Bereich getestet werden können, wobei Photoelektronen in Abhängigkeit vom elektrischen Potential an diesen Knotenpunkten emittiert werden. Diese Vorrichtung enthält Mittel zur Umwandlung des so erhaltenen zweidimensionalen elektronischen Bildes in ein optisches Bild, das anschließend durch eine Videoanlage aufgezeichnet und durch einen Computer ausgewertet wird. Die zu testende Scheibe wird dabei in einer Probenhalterung gehalten. Ein gepulstes Laserstrahlenbündel wird dabei auf den Wafer gerichtet und mittels eines optischen Linsensystems so aufgeweitet, daß es den gesamten Wafer beleuchtet. An allen unter Spannung stehenden Knotenpunkten der zu untersuchenden Schaltung findet nun eine Photoemission statt. Die Stärke des an den Knotenpunkten photoemittierten Signals hängt dabei vom Wert der Spannung ab, die während der Laseremission an ihnen anliegt. Das Bild der Photoemission wird anschließend durch einen phosphoreszierenden oder fluoreszierenden Bildschirm in ein optisches Bild umgewandelt, das seinerseits anschließend verarbeitet wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Charakterisierung von Proben mittels Photolumineszenz vorzuschlagen, die alle obengenannten Probleme löst.
Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung vorzustellen, mit der Messungen unter den erforderlichen Vakuumbedingungen, bei niederen Temperaturen in Höhe von ca. 10ºK und an mindestens 2 Zoll (ca. 5 cm) bis zu 4 Zoll (ca. 10 cm) großen Probenscheiben möglich sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu liefern, die diese Messungen mit besserer räumlicher Auflösung als der aus dem ersten angeführten Dokument bekannten ermöglicht.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu liefern, mit der die Messungen schneller durchgeführt werden können.
Schließlich ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu liefern, die im Beugungsgrenzbereich und in einem breiten Spektralbereich arbeitet.
Erfindungsgemaß werden diese Aufgaben durch eine Vorrichtung gelöst, die mit den im einleitenden Teil von Anspruch 1 aufgeführten Elementen versehen ist und die weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vakuumkammer mindestens zwei Fenster enthält, nämlich ein erstes seitliches Fenster, durch das das Laserstrahlenbündel eintritt, sowie ein zweites Fenster, das in einer Halterung im oberen Teil der Vakuumkammer befestigt ist, und durch das das Photolumineszenzsftahlenbündel diese wieder verläßt,
daß die optischen Mittel die folgenden Teile enthalten:
- erste optische Mittel, durch die das nicht fokussierte Laserstrahlenbündel durch das erste seitliche Fenster schräg auf die Oberfläche der Scheibe auftrifft, um dort einen breiten Lichtfleck zu bilden,
- sowie zweite optische Mittel durch die mit einer Vergrößerung größer als 1 auf der lichtempfindlichen Fläche eines Detektors das Photolumineszenz-Bild des Lichtflecks erzeugt wird, wobei diese zweiten optischen Mittel eine innerhalb der Vakuumkammer im Strahlengang des Photolumineszenzstrahlenbündels angeordnete hochauflösende Optik enthalten, die durch das zweite obere Fenster hindurch ein quasi-paralleles Strahlenbündel des Photolumineszenz-Bildes auf den Detektor projiziert, daß mechanische Verschiebemittel mit den optischen Mitteln und dem Lichtdetektor verbunden sind, während die Scheibe und die Vakuumkammer ortsfest bleiben, und daß der Detektor aus dem Photolumineszenz-Bild ein digitalisiertes Bild liefern kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die hochauflösende Optik eine katadioptrische Spiegeloptik mit großer numerischer Apertur ist, die im Beugungsgrenzbereich arbeitet und so im Photolumineszenz-Strahlengang angeordnet ist, daß sie aus einem breiten zentralen Bereich des Lichtflecks, der als Objekt angesehen wird, mit starker Vergrößerung und bei der Wellenlänge der Photolumineszenz das quasi-parallele Bild-Strahlenbündel erzeugt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die ersten optischen Mittel ein im Strahlengang des einfallenden Laserstrahlenbündels angeordnetes System aus Planspiegeln enthalten, um dieses Laserstrahlenbündel durch das erste seitliche Fenster hindurch zu leiten, und daß die zweiten optischen Mittel därüberhinaus ein im Photolumineszenz-Strahlengang angeordnetes Planspiegelsystem enthalten, um das aus der kryostatischen Vakuumkammer ausgetretene Photolumineszenzstrahlenbündel auf die lichtempfindliche Fläche des Detektors zu lenken.
In dieser vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung dergestalt, daß die mechanischen Mittel zusammenwirken, um eine in Betrag und Richtung gleichzeitige Verschiebung der ersten optischen Mittel und der zweiten optischen Mittel in zwei zur Ebene der Probenscheibe parallelen Richtungen X und Y sowie eine Verschiebung des Detektors zu erreichen, und daß die mechanischen Mittel zusammenwirken, um eine Verschiebung der zweiten optischen Mittel, in einer zur Ebene der Scheibe senkrechten Richtung Z sowie eine Verschiebung des Detektors zu ermöglichen.
Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend anhand der beigefügten schematischen Figur 1 beschrieben.
Zur Erinnerung sei zunächst die Entstehung von Photolumineszenz-Bildern erläutert.
Eine Pumpstrahlung, d.h. ein Laserstrahlenbündel, das die Oberfläche des Halbleitermaterials beleuchtet, wird von diesem absorbiert und erzeugt Elektronen- Loch-Paare. Jedes dieser Paare diffundiert ein wenig in das Material hinein und verliert dabei ein wenig Energie. Die Wahrscheinlichkeit sich wieder zu rekombinieren und dabei ein Photon auszusenden ist dabei größer als Null.
Dieser Vorgang führt zur Emission eines Photolumineszenzstrahlenbündels, dessen Wellenlänge λ sich von der Wellenlänge λ&sub0; des Laserstrahlenbündels aufgrund des Energieverlustes durch Diffusion vor der Rekombination unterscheidet.
Dieser Energieverlust im Material ist keine beliebige Größe, sondern die Restenergie bei der Rekombination ist nicht nur kennzeichnend für das Material, sondern auch für Verunreinigungen, für seine Dotierung, für die Legierung, aus der es besteht usw...
Wird die Temperatur des Materials gesenkt, so steigt der Wirkungsgrad der Photolumineszenz. Betrachtet man insbesondere die Intensität des Photolumineszenzstrahlenbündels in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge bei Raumtemperatur, so erhält man eine Kurve mit einem Maximum, dessen Breite bei halber Intensität groß ist, während diese Kurve bei tiefen Temperaturen schmale Spitzen aufweist, die beispielsweise den Verunreinigungen oder bestimmten elementaren Bestandteilen des Materials entsprechen.
Das Photolumineszenz-Verhalten bei tiefen Temperaturen erlaubt somit zum Beispiel eine chemische Analyse des Materials.
Die Charakterisierung durch Photolumineszenz ist auf zweierlei Arten möglich: beim ersten Verfahren wird die gesamte zu untersuchende Probe abgetastet - diese kartographische Erfassung erfolgt mit niedriger Auflösung. Diese kartographische Erfassung ist beispielsweise bekannt durch die Veröffentlichung "Computer-Controlled Mapping of Photoluminescence Intensities" von Masamichi YOKOGAWA et al., in JPN. J. APPL. PHYS. Bd. 23 (1984), Nr. 5, S. 663.
Für die zweite, sog. hochauflösende Charakterisierung wird nur ein relativ kleiner Teil der Oberfläche bei jeder Messung erfaßt.
Nach den eingangs als Beispiele für den Stand der Technik angeführten Dokumenten sollte sogar ein sehr kleiner Laser-Lichtfleck in der Größenordnung von 2 um erzeugt werden, wobei dann die Größe des Lichtflecks maßgeblich für die Auflösungsgrenze war.
Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß ein großer Laser-Lichtfleck erzeugt. Dieser große Lichtfleck wird erreicht, indem man das nicht fokussierte Laserstrahlenbündel schräg auf die Probe richtet. Dadurch erhält man einen Lichtfleck mit Abmessungen in der Größenordnung von 2 mm x 5 mm. In der Nähe des Zentrums dieses Lichtflecks wird nun ein Bereich mit den Abmessungen 300 um x 300 um ausgewahlt.
Dieser 300 um x 300 um große Bereich dient als Objekt für eine hochauflösende Optik, die dessen Bild auf die lichtempfindliche Fläche einer Kamera projiziert, die ihrerseits daraus ein digitalisiertes Bild erzeugen kann.
Diese hochauflösende Optik ist eine katadioptrische Spiegeloptik mit großer numerischer Apertur, die im Beugungsgrenzbereich arbeitet.
Außerdem ist diese Optik so angeordnet, daß zwischen Optik und der Probe kein Glasfenster liegt.
Wenn nämlich eine Optik, die im Beugungsgrenzbereich arbeitet, selbst Glaslinsen enthält oder vom zu untersuchenden Objekt durch ein Glasfenster getrennt ist, wird der Spektralbereich, in dem die Optik arbeiten kann, durch Streuungen im Brechungsindex des Glases sehr schmal.
Gemäß der Erfindung befindet sich die zu Probe in einer kryostatischen Vakuumkammer, damit die Probe gekühlt werden kann im Hinblick auf die obengenannten Vorteile bezüglich der Charakterisierung der Elemente im Material. Um zu vermeiden, daß das Strahlenbündel ein Glasfenster durchquert, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird einerseits für die Optik ein Spiegelsystem verwendet und ist andererseits diese Optik in der kryostatischen Vakuumkammer selbst angeordnet.
Auf diese Weise wird es möglich, eine Laserstrahlung zu verwenden, deren Wellenlänge 0,51 um (Ar) oder 1,06 um (YAG) betragen kann, je nach dem zu untersuchenden physikalischen System. Man erhält dabei je nach Legierung Wellenlängen von 0,8 um bis 1,6 um für die vom Halbleiter zurückgestrahlte Photolumineszenz. Erfindungsgemäß kann man also in einem breiten Spektralbereich arbeiten.
Dadurch, daß die Optik im Inneren der kryostatischen Vakuumkammer untergebracht ist, sind die Strahlen, die von dieser Optik kommend die kryostatische Vakuumkammer durch ein Fenster verlassen, dort praktisch parallel. Sie werden deshalb durch das Durchqueren des Glasfensters nicht gestört. Wie bereits gesagt, war dies bei den früheren Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht so: das Fenster war in das stark divergente Photolumineszenzstrahlenbündel sowie in das Beleuchtungs-Laserstrahlenbündel eingefügt, das an dieser Stelle ebenfalls divergent war.
Erfindungsgemaß wird ein 300 um x 300 um großer Bereich der Probe mittels dieser Optik auf die lichtempfindliche Fläche mit ca. 25 mm Durchmesser (1 Zoll) beispielsweise einer CCD-Kamera oder eines beliebigen anderen Detektors projiziert, der in der Lage ist, Informationen parallel zu verarbeiten. Auf diese Art und Weise läßt sich die Charakterisierung sehr viel schneller als nach dem bisherigen Stand der Technik durchführen, bei der die Oberfläche mit einem 2 um großen Lichtfleck abgetastet werden mußte.
Im vorliegenden Fall beträgt die Auflösung des von der Optik projizierten Bildes 1 um. Die Vergrößerung auf der lichtempfindlichen Fläche der Kamera ist ca. 60fach. Die Kamera erzeugt daraus ein digitalisiertes Bild mit einer Auflösung von maximal 1024 x 1024 Bildpunkten.
Für eine Zeile von 300 um Länge wird damit die Photolumineszenz in Abständen von jeweils 0,3 um erfaßt.
Wie bereits ausgeführt, unterscheidet die Spiegeloptik lediglich Einzelheiten in der Größe von 1 um. Durch eine Erfassung in 0,3 um-Abständen findet also eine "Überabtastung" statt, d.h. es werden mehr Bildpunkte erfaßt, als für die herkömmliche Signalbearbeitung erforderlich wären. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt jedoch in der besseren Möglichkeit, Rauscheffekte zu unterdrücken.
Anderseits führt die mehr als 1 um betragende Diffusion der durch die Bestrahlung erzeugten Ladungsträger, d.h. der Elektron-Loch-Paare, dazu, daß lokale Störstellen im Halbleiter (z.B. Verunreinigungen, Dotierungsstoffe usw.) ebenfalls Photolumineszenz-Signale mit mehr als 1 um Ausdehnung erzeugen, so daß die größtmögliche Auflösung des Photolumineszenz-Bildes durch die Optik nicht eingeschränkt wird.
Weiterhin wird die hohe Auflösung der Optik dazu verwendet, die sich auf der Halbleiteroberfläche befindlichen Technologie-Strukturen, die ihrerseits im Submikronbereich liegen können sichtbar zu machen. Die hohe Auflösung von 1 um ist also nicht uuberflüssig.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Wie Figur 1 darstellt, enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung zunächst die Vakuumkammer 1, mit einer unteren Grundplatte 7 und einer oberen Abschlußplatte 8. Die Vakuumkammer 1 ist vorzugsweise zylindrisch und liegt mit der unteren Grundplatte 7 und einer Vakuumdichtung auf einer ebenen Halterung 6 auf.
Die Vakuumkammer enthält zwei seitliche Fenster 9 und 9', durch das erste Fenster 9 fallt das Laserstrahlenbündel 40 ein, und durch das zweite Fenster 9' tritt das Laserstrahlenbündel 40' nach Reflexion durch die Probe 201 aus.
Die Vakuumkammer enthält eine in der Halterung 6 angebrachte Öffnung 10. Durch diese Öffnung 10 kann der mit dem Kryostat 2 verbundene Probenhalter 101 mit der eingelegten Probe 201 eingeführt werden. Der Kryostat 2 enthält in seinem Innern eine Kühlschlange, die durch die Zufuhr 4 mit flüssigem Helium versorgt werden kann. Eine nicht dargestellte Pumpe sorgt für die Umwälzung des flüssigen Heliums in der Kühlschlange. Das flüssige Helium verläßt den Kryostat 2 durch eine nicht dargestellte Rücklaufieitung. Der Probenhalter ist vorzugsweise aus Kupfer ausgeführt und enthält weiterhin ein nicht abgebildetes Thermoelement zur Messung der Temperatur der Probe. Mit dieser Kühlanlage kann die auf der Oberfläche des Probenhalters liegende Probe aus Halbleitermaterial, oder auch die Scheibe für den integrierten Schaltkreis, in der Figur mit 201 bezeichnet, bis auf ca. 10ºK herabgekühlt werden.
Für die Ausführung der Erfindung kann ein handelsüblicher Kryostat, z.B. des Typs "Helium type Bidon" der Firma SMC TBT (Frankreich) verwendet werden. Für die Herstellung der Fenster 9 und 9' lassen sich z.B. einschweißbare (einlötbare) Fenstereinsätze mit 40 mm Durchmesser, Bestell-Nr. "HV 405" der Firma SVT (Frankreich) verwenden.
Die Fenstereinsätze 9 und 9' sind seitlich so an der Vakuumkammer 1 angebracht, daß der Einfallswinkel des Laserstrahlenbündels 40 etwa 70º beträgt.
Die Halterung 6 für die Vakuumkammer und den Kryostat kann mittels der Säulen 11 auf einer optischen Bank oder auf einem Meßtisch befestigt werden. Der Kryostat selbst ist vakuumdicht an der Halterung 6 befestigt.
Die Mittel zur Erzeugung des Vakuums in der Vakuumkammer 1 sind in der Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Die Vakuumkammer 1 enthält in der oberen Abschlußplatte 8 eine Öffnung 109. Diese Öffnung ist groß genug, um die weiter unten beschriebenen Verschiebungen in X- und Y-Richtung zu erlauben und bietet Durchlaß für ein als Objektivträger dienendes Hohlrohr 103', an dessen unterem Ende sich die katadioptrische Spiegeloptik 103 befindet, die so über der Probe 201 gehalten wird. Der obere Teil des Objektivträgers 103' ist fest mit der oberen Halterung 13 verbunden.
Ein Metall-Faltenbalg 105 dichtet diese obere Halterung 13 gegen die obere Abschlußplatte 8 ab. Das Fenster 108 in der oberen Halterung 13 dichtet die Vakuumkammer nach oben ab und läßt das von der Spiegeloptik 103 kommende Strahlenbündel durch.
Mit Hilfe der Säulen 11' ist eine Halterung 12 auf der Halterung 6 befestigt. An dieser Halterung 12 ist ein Mikromanipulator mit drei Freiheitsgraden X, Y und Z befestigt, dessen oberer Schlitten 74, der die Z-Bewegung ausführt, mit der oberen Halterung 13 fest verbunden ist. Durch diese Vorrichtung kann die obere Halterung 13 auch die durch den Schlitten 73 in X-Richtung, die durch den Schlitten 72 in Y- Richtung und die durch den oberen Schlitten 74 in Z-Richtung ausgeführten Bewegung gen mitmachen. Diese Bewegungen werden durch die obere Halterung 13 und den Objektivträger 103' an die Spiegeloptik 103 übertragen, die dadurch in X- und Y-Richtung parallel zur Ebene der Probe 201 und senkrecht dazu in Z-Richtung zum Zwecke der Fokussierung verfahren werden kann. Der Metall-Faltenbalg 105, dessen oberer Teil sich gleichzeitig in denselben Richtungen und um dieselben Wege bewegt, dient zur Aufrechterhaltung des Vakuums in der Vakuumkammer 1 während die Optik über der Probe verschoben wird. Zu diesem Zweck ist ein vakuumdichter Metall-Faltenbalg mit 60 Rippen bei der Firma CALORSTAT (Frankreich) erhältlich.
Die Bewegungen in X-, Y- und Z-Richtung sind mit handelsüblichen Vorrichtungen zu bewerkstelligen. Die X- und Y-Bewegung sind mit einem 2-Koordinaten-Referenzschlitten des Typs "UT 100 PP" der Firma MICROCONTROLE (Frankreich) und die Bewegung in Z-Richtung mit einem Vertikal-Schlitten des Typs "MV 80" der Firma MICROCONTROLE (Frankreich) zu realisieren.
Wie durch die Beschreibung ersichtlich, wird erfindungsgemäß die Spiegeloptik 103, die das Photolumineszenzstrahlenbündel 41 transportiert, bezüglich der Probe bewegt, wobei die Probe und die Vakuumkammer ortsfest bleiben, im Gegensatz zu den nach Stand der Technik hergestellten bekannten Vorrichtungen.
Durch diese Bewegungen kann die Optik die gesamte Oberfläche der Probe abfahren und in dem Maße erfassen, wie diese durch die Laserstrahlung angeregt wird. Zu diesem Zwecke wird das Laserstrahlenbündel 40 über die Planspiegel 20 und 21 auf die Probe 201 umgelenkt. Diese Spiegel sind dergestalt befestigt, daß Spiegel 20 über seinen Halter 80 die Y-Bewegung des Schlittens 72, und daß Spiegel 21 über seinen Halter 81 die X-Bewegung des Schlittens 73 mitausführt. Der Laser-Lichtfleck auf der Oberfläche der Probe wandert infolgedessen in Richtung und Betrag genau mit dem Objektiv der katadioptrischen Spiegeloptik 103 mit.
Wie ersichtlich, ist das Laserstrahlenbündel 40 nicht fokussiert. Er bildet auf der Probe einen breiten Lichtfleck von ca. 2 mm x 5 mm.
Die katadioptrische Spiegeloptik 103 ist so ausgerichtet, daß sie im Bereich des Laserlichtflecks einen Bereich von 300 um x 300 um abdeckt. Als katadioptrische Spiegeloptik mit großer numerischer Apertur läßt sich eine handelsübliche Optik, z.B. des Typs "Planopochromat 40/0,5, katadioptrische Brennweite 6,3 mm" der Firma ZEISS verwenden. Mit dieser Optik ist eine Auflösung bis 1 um erreichbar.
Das Photolumineszenzstrahlenbünde1 41, das von der Spiegeloptik 103 aufgefangen wird, verläßt die Vakuumkammer praktisch parallel durch Fenster 108 und wird daher durch das Fensterglas nicht gestört. Die Glasscheibe kann somit ausreichend groß und insbesondere ausreichend dick dimensioniert werden, um dem Unterdruck des Vakuums standzuhalten.
Nach Austritt aus der Vakuumkammer durch Fenster 108 verläuft das Photolumineszenzstrahlenbündel durch Filter 19, der alle Lichtanteile in der Wellenlänge des Laserlichts ausfiltert, so daß nur Lichtanteile in der Photolumineszenz-Wellenlänge hindurchgehen.
Nach Umlenkung durch den Spiege1 22 gelangt das Photolumineszenzstrahlenbündel 41 auf die lichtempfindliche Fläche 76 der Kamera 75, auf der so ein Bild von ca. 18 mm x 18 mm Größe erzeugt wird. Dieser Spiegel 22 ist durch Halter 82 mit der oberen Halterung 13 fest verbunden und führt daher alle Bewegungen der Halterung 13 ebenfalls aus. Damit das Bild des von der Optik beobachteten Bereichs auf der Probe stets in fester Weise auf der Fläche 76 erzeugt wird, führt die Kamera 75 mittels einer in Figur 1 nicht dargestellten Vorrichtung ebenfalls alle Bewegungen in X- , Y- und Z-Richtung aus.
Für die Aufnahme des Photolumineszenzstrahlenbündels und die oben beschriebene anschließende Digitalisierung des Bildes kann eine handelsübliche Kamera, z.B. "C 1000, type 02" der Firma HAMAMATSU (Japan) benutzt werden.
Über eine Steuereinheit werden die Bild-Daten einerseits zu einem Computer (z.B. des Typs "PDP 11.73" der Firma DIGITAL EQUIPMENT CORPORATION) im direkten Speicherzugriffs-Modus (DMA) übertragen und andererseits zu einem Video-Bildschirm. Die typische Erfassungszeit für ein Bild mit 1024 x 1024 Bildpunkten beträgt etwa 30 Sekunden.
Schließlich können die X-, Y- und Z-Bewegungen mit Antrieben versehen werden, um die Erfassung zu automatisieren.
Als Laserlichtquellen können die nachfolgenden Geräte verwendet werden:
- Argon-Laser der Firma SPECTRA PHYSICS, "Modell 165".
- YAG-Laser der französischen Firma MICROCONTROLE, Modell "YAG 904".
Zur anfänglichen Justierung des gesamten optischen Systems kann ein HeNe-Laser verwendet werden. Dabei soll erreicht werden, daß sich der Lichtfleck, dessen Lage von der Justierung der Planspiegel 20 und 21 abhängt, die Spiegeloptik 103, der Planspiege1 22 und die Kamera 75 völlig synchron bewegen, da hierdurch die Stabilität des Bildes auf der Fläche 76 der Kamera 75 entscheidend bestimmt wird.
Die Auswahl der Laserquellen richtet sich nach den zu charakterisierenden Proben.

Claims

1. Vorrichtung zur Charakterisierung von Scheiben (201) aus Halbleitermaterial durch räumlich hochauflösende Photolumineszenz bei niedriger Temperatur, wobei diese Vorrichtung mindestens enthält:

a) eine kryostatische Vakuumkammer (1), mit einem gekühlten Probenhalter (101) zum Aufnehmen der Scheiben und mit mindestens einem Fenster zum Hindurchlassen des für das Photolumineszenz-Verfahren verwendeten Lichtbündels;

b) optische Mittel, um, ausgehend von einem Laserstrahlenbündel, einen Lichtfleck auf der Scheibe (201) zu erzeugen und um das zurückgestrahlte Photolumineszenzstrahlenbündel zu einem Detektor zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer mindestens zwei Fenster enthält, nämlich ein erstes seitliches Fenster (9), durch das das Laserstrahlenbündel (40) eintritt, sowie ein zweites Fenster (108), das in einer Halterung (13) im oberen Teil der Vakuumkammer befestigt ist, und durch das das Photolumineszenzstrahlenbündel diese wieder verläßt,

daß die optischen Mittel die folgenden Teile enthalten:

- erste optische Mittel (20, 21), durch die das nicht fokussierte Laserstrahlenbündel (40) durch das erste seitliche Fenster (9) schräg auf die Oberfläche der Scheibe (201) auftrifft, um dort einen breiten Lichtfleck zu bilden,

- sowie zweite optische Mittel (103,19, 22) durch die mit einer Vergrößerung größer als 1 auf der lichtempfindlichen Fläche (76) eines Detektors (75) das Photolumineszenz-Bild des Lichtflecks erzeugt wird, wobei diese zweiten optischen Mittel eine innerhalb der Vakuumkammer (1) im Strahlengang des Photolumineszenzstrahlenbündels angeordnete hochauflösende Optik (103) enthalten, die durch das zweite obere Fenster (108) hindurch ein quasi-paralleles Strahlenbündel des Photolumineszenz-Bildes auf den Detektor projiziert, daß mechanische Verschiebemittel (72, 73, 74) mit den optischen Mitteln (20, 21, 103, 22) und dem Lichtdetektor (75) verbunden sind, während die Scheibe (201) und die Vakuumkammer (1) ortsfest bleiben, und daß der Detektor (75) aus dem Photolumineszenz-Bild ein digitalisiertes Bild liefern kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochauflösende Optik eine katadioptrische Spiegeloptik (103) mit großer numerischer Apertur ist, die im Beugungsgrenzbereich arbeitet und so im Photolumineszenz-Strahlengang angeordnet ist, daß sie aus einem breiten zentralen Bereich des Lichtflecks, der als Objekt angesehen wird, mit starker Vergrößerung und bei der Wellenlänge der Photolumineszenz das quasi-parallele Bild-Strahlenbündel erzeugt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten optischen Mittel ein im Strahlengang des einfallenden Laserstrahlenbündels (40) angeordnetes System aus Planspiegeln (20, 21) enthalten, um dieses Laserstrahlenbündel durch das erste seitliche Fenster (9) hindurch zu leiten, und daß die zweiten optischen Mittel darüberhinaus ein im Photolumineszenz-Strahlengang angeordnetes Planspiegelsystem (22) enthalten, um das aus der kryostatischen Vakuumkammer ausgetretene Photolumineszenzstrahlenbündel (41) auf die lichtempfindliche Fläche (76) des Detektors (75) zu lenken.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Mittel (72, 73, 74) zusammenwirken, um eine in Betrag und Richtung gleichzeitige Verschiebung der ersten optischen Mittel (20, 21) und der zweiten optischen Mittel (103, 22) in zwei zur Ebene der Probenscheibe (201) parallelen Richtungen X und Y sowie eine Verschiebung des Detektors (75) zu erreichen, und daß die mechanischen Mittel zusammenwirken, um eine Verschiebung der zweiten optischen Mittel (103, 22), in einer zur Ebene der Scheibe (201) senkrechten Richtung Z sowie eine Verschiebung des Detektors (75) zu ermöglichen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Mittel einen Koordinatenschlitten mit drei Freiheitsgraden (72, 73, 74) enthalten, der an der Halterung (13) des zweiten Fensters (108) befestigt ist, daß die Verschiebebewegungen mittels des mit der Halterung (13) des zweiten Fensters (108) fest verbundenen Objektivträgers (103') an die katadioptrische Optik (103) in der Vakuumkammer übertragen werden, und daß zum Aufrechterhalten des Vakuums während der Bewegungen ein vakuumdichter Faltenbalg (105) die Halterung (13) des zweiten Fensters mit dem Gehäuse der kryostatischen Vakuumkammer (1) verbindet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, um die gleichzeitige Verschiebung der ersten optischen Mittel (20, 21) und der zweiten optischen Mittel (103, 22) zu erreichen, die ersten optischen Mittel aus zwei in den Strahlengang des einfallenden Laserstrahlenbündels angeordneten Planspiegeln (20, 21) bestehen, die jeweils mit einem mechanischen Teil des Koordinatenschlittens mit drei Freiheitsgraden fest verbunden sind, so daß jeder von ihnen einer Bewegung parallel zur X- oder Y-Richtung unterliegt, um eine Verschiebung des Lichtflecks auf der Scheibenoberfläche um einen bestimmten Betrag in X- bzw. Y-Richtung zu erreichen, daß innerhalb dieser zweiten optischen Mittel die Umlenkvorrichtung für das Photolumineszenzstrahlenbündel aus einem Planspiegel (22) besteht, und daß diese zweiten optischen Mittel (22, 103, 103') und der Detektor (75) mit der Halterung (13) des zweiten Fensters verbunden sind, die die Bewegungen in X- und Y-Richtung auf sie überträgt, um den Verschiebungen des Laser-Lichtflecks zu folgen, sowie die Bewegung in Z-Richtung übefträgt, um die katadioptrische Optik (103) scharfzustellen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten optischen Mittel außerdem ein in den Strahlengang des Strahlenbündels (41) zwischen der kryostatischen Vakuumkammer (1) und dem Detektor (75) eingefügtes optisches Filter (19) enthalten, um Strahlung mit anderen Wellenlängen als die Wellenlänge der Photolumineszenz auszufiltern.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenhalter (101) an einen Kryostat (2) angeschlossen ist, der die Probenscheibe (201) kühlt, wobei dieser Kryostat fest mit der Vakuumkammer (1) verbunden ist, um die Dichtheit dieser Kammer aufrechtzuerhalten.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kryostat (2) mit flüssigem Helium arbeitet, so daß Probenscheibentemperaturen in der Größenordnung von 10ºK erreicht werden können.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß, um die Kühlung des Probenhalters (101) und der Probe (201) mittels des flüssigen Heliums zu erreichen, der Kryostat mit einer Kühlschlange ausgerüstet ist, durch die mittels einer Pumpe flüssiges Helium fließt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenhalter (101) zur Überwachung der Temperatur mit einem Thermoelement ausgerüstet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Probenhalter (101) aus Kupfer ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (75) eine digitale CCD-Kamera ist, deren Daten an einen Computer und einen Video-Bildschirm übermittelt werden.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Mittel mit Antrieben ausgerüstet sind.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das einfallende Laserstrahlenbündel (40) je nach Wahl aus einem Argon- Laser oder aus einem YAG-Laser stammt, wobei Einfallsstrahlung mit einer Wellenlänge von 0,51 um bzw. 1,06 um erzeugt werden kann.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für die optische Justierung verwendete Quelle ein Helium-Neon-Laser ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer außerdem für den Austritt des von der Scheibe (201) reflektierten Laserstrahlenbündels (40') ein weiteres, symmetrisch zum ersten seitlichen Fenster (9) angeordnetes, seitliches Fenster (9') umfaßt.