JP2002098634A - 半導体の電気特性評価装置および電気特性評価方法 - Google Patents
半導体の電気特性評価装置および電気特性評価方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 被測定物である半導体材料を汚染したりキズ
を付けたりしないで、その電気的物性量（キャリア密
度，移動度，抵抗率，電気伝導度など）を測定・検査す
る電気特性評価装置および電気特性評価方法を提供する
こと。 【解決手段】 テラヘルツパルス光を半導体材料５に照
射するテラヘルツパルス光源２と、半導体材料５からの
透過パルス光または反射パルス光を検出する光検出手段
６と、透過パルス光または反射パルス光の電場強度の時
系列波形から分光透過率または分光反射率を得るテラヘ
ルツ時間領域計測手段７，８と、分光透過率または分光
反射率に基づいてその半導体材料の電気的特性パラメー
タを算出する演算手段９とを備える。
を付けたりしないで、その電気的物性量（キャリア密
度，移動度，抵抗率，電気伝導度など）を測定・検査す
る電気特性評価装置および電気特性評価方法を提供する
こと。 【解決手段】 テラヘルツパルス光を半導体材料５に照
射するテラヘルツパルス光源２と、半導体材料５からの
透過パルス光または反射パルス光を検出する光検出手段
６と、透過パルス光または反射パルス光の電場強度の時
系列波形から分光透過率または分光反射率を得るテラヘ
ルツ時間領域計測手段７，８と、分光透過率または分光
反射率に基づいてその半導体材料の電気的特性パラメー
タを算出する演算手段９とを備える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェハ、イ
ンゴット、エピタキシャル成長膜などの半導体材料のキ
ャリア密度、移動度、抵抗率、電気伝導度などの電気特
性を非破壊かつ非接触で測定し、画像化する電気特性評
価装置および電気特性評価方法に関するものである。
ンゴット、エピタキシャル成長膜などの半導体材料のキ
ャリア密度、移動度、抵抗率、電気伝導度などの電気特
性を非破壊かつ非接触で測定し、画像化する電気特性評
価装置および電気特性評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体デバイス産業において、デバイス
を作製する半導体材料の電気的特性に係わるキャリア密
度、移動度、抵抗率、電気伝導度などの物性量は半導体
デバイスの性能を左右する重要な因子となっている。従
来、これらの物性量の測定は、四探針法などの電気的測
定法で行われている。
を作製する半導体材料の電気的特性に係わるキャリア密
度、移動度、抵抗率、電気伝導度などの物性量は半導体
デバイスの性能を左右する重要な因子となっている。従
来、これらの物性量の測定は、四探針法などの電気的測
定法で行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の電気的測定法は
多くの場合、半導体材料を測定しやすいように加工した
り、測定器の測定端子を電気的に半導体材料に接触させ
て測定していた。したがって、測定後には被測定物たる
半導体材料を使用できなくなったり、汚染やキズなどの
原因となっていた。さらに、従来の電気的測定において
は、測定端子間の平均的な物性量は測定できるが、材料
全体における物性量の空間的分布を測定するには長時間
を要し、また、物性量の空間的分布（特に不均一性）に
関する情報をイメージとして捉えることは困難であっ
た。
多くの場合、半導体材料を測定しやすいように加工した
り、測定器の測定端子を電気的に半導体材料に接触させ
て測定していた。したがって、測定後には被測定物たる
半導体材料を使用できなくなったり、汚染やキズなどの
原因となっていた。さらに、従来の電気的測定において
は、測定端子間の平均的な物性量は測定できるが、材料
全体における物性量の空間的分布を測定するには長時間
を要し、また、物性量の空間的分布（特に不均一性）に
関する情報をイメージとして捉えることは困難であっ
た。
【０００４】本発明は、被測定物を汚染したりキズを付
けたりしないで、その電気的物性量を測定・検査する電
気特性評価装置および電気特性評価方法を提供すること
を目的とする。
けたりしないで、その電気的物性量を測定・検査する電
気特性評価装置および電気特性評価方法を提供すること
を目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体の電気特
性評価装置は、テラヘルツパルス光を半導体材料に照射
するテラヘルツパルス光源と、半導体材料からの透過パ
ルス光または反射パルス光を検出する光検出手段と、透
過パルス光または反射パルス光の電場強度の時系列波形
から分光透過率または分光反射率を得るテラヘルツ時間
領域計測手段と、分光透過率または分光反射率に基づい
てその半導体材料の電気的特性パラメータを算出する演
算手段と、を備えて構成される（請求項１）。
性評価装置は、テラヘルツパルス光を半導体材料に照射
するテラヘルツパルス光源と、半導体材料からの透過パ
ルス光または反射パルス光を検出する光検出手段と、透
過パルス光または反射パルス光の電場強度の時系列波形
から分光透過率または分光反射率を得るテラヘルツ時間
領域計測手段と、分光透過率または分光反射率に基づい
てその半導体材料の電気的特性パラメータを算出する演
算手段と、を備えて構成される（請求項１）。
【０００６】前記演算手段は、ドルーデの光吸収理論に
基づく解析手法を実行するように構成することができる
（請求項２）。また、前記演算手段は、誘電関数理論に
基づく解析手法を実行するように構成できる（請求項
３）。さらに、本発明の半導体の電気特性評価装置は、
電気的特性パラメータを空間的分布として二次元画像化
する画像処理手段をさらに備えることができる（請求項
４）。また、本発明の半導体の電気特性評価装置は、集
光されたテラヘルツパルス光束が半導体材料の表面を二
次元的に走査するように構成してもよいし（請求項
５）、テラヘルツパルス光の径を拡大して、半導体材料
に対して一括照射するように構成してもよい（請求項
６）。さらに、本発明の半導体の電気特性評価装置は、
半導体材料に導く光束（集光光束または拡大光束）と半
導体材料とを相対的に回転させる回転機構と、各々の回
転角度における複数の二次元画像から三次元断層像を合
成するコンピュータグラフィック手段とをさらに備える
ことができる（請求項７,請求項８）。
基づく解析手法を実行するように構成することができる
（請求項２）。また、前記演算手段は、誘電関数理論に
基づく解析手法を実行するように構成できる（請求項
３）。さらに、本発明の半導体の電気特性評価装置は、
電気的特性パラメータを空間的分布として二次元画像化
する画像処理手段をさらに備えることができる（請求項
４）。また、本発明の半導体の電気特性評価装置は、集
光されたテラヘルツパルス光束が半導体材料の表面を二
次元的に走査するように構成してもよいし（請求項
５）、テラヘルツパルス光の径を拡大して、半導体材料
に対して一括照射するように構成してもよい（請求項
６）。さらに、本発明の半導体の電気特性評価装置は、
半導体材料に導く光束（集光光束または拡大光束）と半
導体材料とを相対的に回転させる回転機構と、各々の回
転角度における複数の二次元画像から三次元断層像を合
成するコンピュータグラフィック手段とをさらに備える
ことができる（請求項７,請求項８）。
【０００７】また、本発明の半導体の電気特性評価方法
は、テラヘルツパルス光を集光して集光光束を半導体材
料に照射し、集光光束と半導体材料とを半導体材料の表
面内で相対的に移動させ、半導体材料の各点からの透過
パルス光または反射パルス光を順次検出し、透過パルス
光または反射パルス光の電場強度の時系列波形からそれ
ぞれ分光透過率または分光反射率を算出し、分光透過率
または分光反射率に基づいて半導体材料の電気的特性パ
ラメータを算出するものである（請求項９）。
は、テラヘルツパルス光を集光して集光光束を半導体材
料に照射し、集光光束と半導体材料とを半導体材料の表
面内で相対的に移動させ、半導体材料の各点からの透過
パルス光または反射パルス光を順次検出し、透過パルス
光または反射パルス光の電場強度の時系列波形からそれ
ぞれ分光透過率または分光反射率を算出し、分光透過率
または分光反射率に基づいて半導体材料の電気的特性パ
ラメータを算出するものである（請求項９）。
【０００８】さらに、本発明の半導体の電気特性評価方
法は、テラヘルツパルス光の径を拡大して拡大光束を半
導体材料の全面に一括照射し、拡大光束が照射された半
導体材料からの透過パルス光または反射パルス光を一括
で検出し、上記方法と同様に、分光透過率または分光反
射率を算出し、半導体材料の電気的特性パラメータを算
出するものである（請求項１０）。
法は、テラヘルツパルス光の径を拡大して拡大光束を半
導体材料の全面に一括照射し、拡大光束が照射された半
導体材料からの透過パルス光または反射パルス光を一括
で検出し、上記方法と同様に、分光透過率または分光反
射率を算出し、半導体材料の電気的特性パラメータを算
出するものである（請求項１０）。
【０００９】また、本発明の半導体の電気特性評価方法
は、透過パルス光または反射パルス光を検出する光路に
半導体材料を挿入した状態での電場強度の時系列波形
と、検出する光路から半導体材料を取り除いた状態での
電場強度の時系列波形とに基づいて、分光透過率または
分光反射率を算出するものである（請求項１１）。
は、透過パルス光または反射パルス光を検出する光路に
半導体材料を挿入した状態での電場強度の時系列波形
と、検出する光路から半導体材料を取り除いた状態での
電場強度の時系列波形とに基づいて、分光透過率または
分光反射率を算出するものである（請求項１１）。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
形態を詳細に説明する。
形態を詳細に説明する。
【００１１】本発明は、テラヘルツ周波数領域のパルス
光（テラヘルツパルス光）を半導体材料に照射し、その
透過パルス光または反射パルス光を検出し、各々から分
光透過率または分光反射率（分光特性）を演算し、半導
体材料の電気特性パラメータを測定・評価する電気特性
評価装置である。さらに、透過パルス光または反射パル
ス光の二次元分布（電場強度分布）、すなわち透過イメ
ージまたは反射イメージから、半導体材料の電気特性に
係わる物性量の空間イメージを光の波長オーダーの分解
能で再生することも可能である。具体的には、透過イメ
ージまたは反射イメージの時間的変化を測定し、これを
フーリエ変換して周波数毎の二次元投影画像（分光画
像）を得て、その分光画像を解析することによって、半
導体材料の電気特性パラメータの分布を測定し、電気特
性を検査するものである。
光（テラヘルツパルス光）を半導体材料に照射し、その
透過パルス光または反射パルス光を検出し、各々から分
光透過率または分光反射率（分光特性）を演算し、半導
体材料の電気特性パラメータを測定・評価する電気特性
評価装置である。さらに、透過パルス光または反射パル
ス光の二次元分布（電場強度分布）、すなわち透過イメ
ージまたは反射イメージから、半導体材料の電気特性に
係わる物性量の空間イメージを光の波長オーダーの分解
能で再生することも可能である。具体的には、透過イメ
ージまたは反射イメージの時間的変化を測定し、これを
フーリエ変換して周波数毎の二次元投影画像（分光画
像）を得て、その分光画像を解析することによって、半
導体材料の電気特性パラメータの分布を測定し、電気特
性を検査するものである。
【００１２】上記解析手法として、後述するドルーデ
（Drude）の光吸収理論を用いる場合を例に説明する。
本発明の電気特性評価装置で用いられるテラヘルツパル
ス光としては、０.１×１０12Ｈｚ〜８０×１０12Ｈｚ
の周波数領域の光が望ましい。テラヘルツパルス光を用
いて半導体材料の透過イメージまたは反射イメージを得
る測光光学系として、走査型イメージング光学系と非走
査型イメージング光学系の二種類の光学系がある。
（Drude）の光吸収理論を用いる場合を例に説明する。
本発明の電気特性評価装置で用いられるテラヘルツパル
ス光としては、０.１×１０12Ｈｚ〜８０×１０12Ｈｚ
の周波数領域の光が望ましい。テラヘルツパルス光を用
いて半導体材料の透過イメージまたは反射イメージを得
る測光光学系として、走査型イメージング光学系と非走
査型イメージング光学系の二種類の光学系がある。
【００１３】図１は、テラヘルツパルス光を半導体材料
の一点に集光して照射する走査型イメージング測光方式
を説明するための模式図である。以下、透過イメージを
得る方式を例として説明する。不図示のテラヘルツパル
ス光源から半導体材料５に照射された集光光束（テラヘ
ルツパルス光）は、半導体材料５の一点（画素ａij）を
透過してテラヘルツパルス検出器６（光検出手段）に達
する。テラヘルツパルス検出器６は、１つの画素に相当
する受光面を有する。半導体材料５の一点（画素ａij)
からの透過パルス光は、半導体材料５の電気的特性に応
じて発生した光である。この透過パルス光のパルス幅
は、通常、半導体材料５に照射されるテラヘルツパルス
光のパルス幅に比べて長くなっている。
の一点に集光して照射する走査型イメージング測光方式
を説明するための模式図である。以下、透過イメージを
得る方式を例として説明する。不図示のテラヘルツパル
ス光源から半導体材料５に照射された集光光束（テラヘ
ルツパルス光）は、半導体材料５の一点（画素ａij）を
透過してテラヘルツパルス検出器６（光検出手段）に達
する。テラヘルツパルス検出器６は、１つの画素に相当
する受光面を有する。半導体材料５の一点（画素ａij)
からの透過パルス光は、半導体材料５の電気的特性に応
じて発生した光である。この透過パルス光のパルス幅
は、通常、半導体材料５に照射されるテラヘルツパルス
光のパルス幅に比べて長くなっている。
【００１４】テラヘルツパルス検出器６では、半導体材
料５からの透過パルス光を受光し、透過パルス光の電場
強度Ｅ(ｉ,ｊ)に比例する信号をコンピュータ１０Ａ
（後述する）に出力する。次に、テラヘルツ時間領域計
測手段によって如何に電場強度の時系列波形が計測され
るのかを説明する。図２は、時系列波形計測の原理を説
明するためのブロック図(ａ)および時系列波形の一例を
示すグラフ(ｂ)である。
料５からの透過パルス光を受光し、透過パルス光の電場
強度Ｅ(ｉ,ｊ)に比例する信号をコンピュータ１０Ａ
（後述する）に出力する。次に、テラヘルツ時間領域計
測手段によって如何に電場強度の時系列波形が計測され
るのかを説明する。図２は、時系列波形計測の原理を説
明するためのブロック図(ａ)および時系列波形の一例を
示すグラフ(ｂ)である。
【００１５】時刻ｔ0に、入力パルスによってテラヘル
ツパルス光源２からパルス光（テラヘルツパルス光）が
放射され、半導体材料５を透過した透過パルス光５ａが
テラヘルツパルス検出器６に達する。入力パルスとは、
テラヘルツパルス光を発生させるために、レーザー２１
からテラヘルツパルス光源２へ入力されるパルスである
（後述する）。
ツパルス光源２からパルス光（テラヘルツパルス光）が
放射され、半導体材料５を透過した透過パルス光５ａが
テラヘルツパルス検出器６に達する。入力パルスとは、
テラヘルツパルス光を発生させるために、レーザー２１
からテラヘルツパルス光源２へ入力されるパルスである
（後述する）。
【００１６】一方、この入力パルスは、透過パルス光５
ａの電場強度の時系列波形を計測するためのサンプリン
グパルスとして、時間遅延装置２７を経由してテラヘル
ツパルス検出器６に送られる。テラヘルツパルス検出器
６では、サンプリングパルスが送られた時点での透過パ
ルス光５ａの電場強度を読み出し、コンピュータ１０Ａ
に出力する。
ａの電場強度の時系列波形を計測するためのサンプリン
グパルスとして、時間遅延装置２７を経由してテラヘル
ツパルス検出器６に送られる。テラヘルツパルス検出器
６では、サンプリングパルスが送られた時点での透過パ
ルス光５ａの電場強度を読み出し、コンピュータ１０Ａ
に出力する。
【００１７】サンプリングパルスを送るタイミングを時
間遅延装置２７によりΔｔだけ遅らせると、テラヘルツ
パルス検出器６は、時刻ｔ0＋Δｔにおける透過パルス
光５ａの電場強度Ｅ(ｔ0＋Δｔ)を読み出す（図２(ｂ)
参照）。このようにして、時間遅延装置２７における遅
延時間Δｔを変えることによって、任意の時刻ｔにおけ
る電場強度Ｅ(ｔ)を求めることができ、透過パルス光５
ａの電場強度の時系列波形が得られる。
間遅延装置２７によりΔｔだけ遅らせると、テラヘルツ
パルス検出器６は、時刻ｔ0＋Δｔにおける透過パルス
光５ａの電場強度Ｅ(ｔ0＋Δｔ)を読み出す（図２(ｂ)
参照）。このようにして、時間遅延装置２７における遅
延時間Δｔを変えることによって、任意の時刻ｔにおけ
る電場強度Ｅ(ｔ)を求めることができ、透過パルス光５
ａの電場強度の時系列波形が得られる。
【００１８】続いて、本発明の電気特性評価装置の主要
構成について説明する。図３は、本発明の走査型イメー
ジング手法による電気特性評価装置の概略構成図であ
る。測定室１は、テラヘルツパルス光源２、試料室３お
よびテラヘルツパルス検出器６から構成される。測定室
１のテラヘルツパルス検出器６には、コンピュータ１０
Ａが接続されている。図３において、図２(ａ)で説明し
たレーザー２１および時間遅延装置２７を図示省略し
た。
構成について説明する。図３は、本発明の走査型イメー
ジング手法による電気特性評価装置の概略構成図であ
る。測定室１は、テラヘルツパルス光源２、試料室３お
よびテラヘルツパルス検出器６から構成される。測定室
１のテラヘルツパルス検出器６には、コンピュータ１０
Ａが接続されている。図３において、図２(ａ)で説明し
たレーザー２１および時間遅延装置２７を図示省略し
た。
【００１９】試料室３の中には、半導体材料５の一点で
測光する測光光学系３ａと、半導体材料５を二次元平面
上で移動させる機械的走査機構４（例えば、Ｘ−Ｙステ
ージ）とが収納されており、テラヘルツ周波数領域にお
ける半導体材料５の二次元投影画像を得るための走査が
行われる。
測光する測光光学系３ａと、半導体材料５を二次元平面
上で移動させる機械的走査機構４（例えば、Ｘ−Ｙステ
ージ）とが収納されており、テラヘルツ周波数領域にお
ける半導体材料５の二次元投影画像を得るための走査が
行われる。
【００２０】半導体材料５は機械的走査機構４によって
支持されている。機械的走査機構４を用い、半導体材料
５を集光光束の光軸Ｌ３にほぼ直交するＸ−Ｙ面に沿っ
て走査することで、半導体材料５の各点からの透過パル
ス光をテラヘルツパルス検出器６で順次受光することが
できる。そして、コンピュータ１０Ａにおいて、半導体
材料５の各点からの電場強度を空間的に合成することに
よって、電場強度の二次元分布が得られる（透過イメー
ジ）。
支持されている。機械的走査機構４を用い、半導体材料
５を集光光束の光軸Ｌ３にほぼ直交するＸ−Ｙ面に沿っ
て走査することで、半導体材料５の各点からの透過パル
ス光をテラヘルツパルス検出器６で順次受光することが
できる。そして、コンピュータ１０Ａにおいて、半導体
材料５の各点からの電場強度を空間的に合成することに
よって、電場強度の二次元分布が得られる（透過イメー
ジ）。
【００２１】コンピュータ１０Ａは、計測・記憶装置７
と、データ処理装置８と、演算装置９と、画像処理装置
１０とで構成されている。計測・記憶装置７は、一画素
毎に、テラヘルツパルス検出器６から出力される電場強
度の時系列信号を計測して記憶する装置である。データ
処理装置８は、一画素毎に電場強度の時系列信号をフー
リエ変換し、周波数スペクトルに変換する演算を行い、
分光透過率を得る装置である。計測・記憶装置７および
データ処理装置８はテラヘルツ時間領域計測手段に対応
する。
と、データ処理装置８と、演算装置９と、画像処理装置
１０とで構成されている。計測・記憶装置７は、一画素
毎に、テラヘルツパルス検出器６から出力される電場強
度の時系列信号を計測して記憶する装置である。データ
処理装置８は、一画素毎に電場強度の時系列信号をフー
リエ変換し、周波数スペクトルに変換する演算を行い、
分光透過率を得る装置である。計測・記憶装置７および
データ処理装置８はテラヘルツ時間領域計測手段に対応
する。
【００２２】演算装置９（演算手段）は、データ処理装
置８で求めた分光透過率の周波数依存性から、後述する
ドルーデの光吸収理論を利用して、半導体材料５の電気
的特性パラメータ（キャリア密度、移動度、抵抗率、電
気伝導度）を算出する装置である。画像処理装置１０
は、演算装置９で得られた各画素に対応する数値データ
をコンピュータで再構成し、二次元画像化する装置であ
る（画像処理手段）。さらに、画像処理装置１０は、線
型変換演算を行い、複数枚の二次元投影画像から三次元
断層像を合成する装置でもある（請求項７のコンピュー
タグラフィック手段）。
置８で求めた分光透過率の周波数依存性から、後述する
ドルーデの光吸収理論を利用して、半導体材料５の電気
的特性パラメータ（キャリア密度、移動度、抵抗率、電
気伝導度）を算出する装置である。画像処理装置１０
は、演算装置９で得られた各画素に対応する数値データ
をコンピュータで再構成し、二次元画像化する装置であ
る（画像処理手段）。さらに、画像処理装置１０は、線
型変換演算を行い、複数枚の二次元投影画像から三次元
断層像を合成する装置でもある（請求項７のコンピュー
タグラフィック手段）。
【００２３】図４は、時系列透過イメージ(ａ)から分光
特性(ｂ)が得られる原理を説明するための概念図であ
る。時間遅延装置２７（図２(ａ)）のΔｔを０に設定
し、半導体材料５をＸ−Ｙ走査することで全画素につい
て（つまりｉ×ｊ回）電場強度を測定すれば、時刻ｔ0
における透過パルス光のＸ−Ｙ面内の電場強度分布（透
過イメージ）３１が得られる。時間遅延装置２７の時間
遅延をｔ0＋Δｔ＝ｔ1と設定し、同様に電場強度を測定
すれば、時刻ｔ1における透過イメージ３２が得られ
る。このように、遅延時間Δｔを変えることによって、
任意の時刻（ｔ0〜ｔk）における透過イメージ３１,３
２,…が計測できる。
特性(ｂ)が得られる原理を説明するための概念図であ
る。時間遅延装置２７（図２(ａ)）のΔｔを０に設定
し、半導体材料５をＸ−Ｙ走査することで全画素につい
て（つまりｉ×ｊ回）電場強度を測定すれば、時刻ｔ0
における透過パルス光のＸ−Ｙ面内の電場強度分布（透
過イメージ）３１が得られる。時間遅延装置２７の時間
遅延をｔ0＋Δｔ＝ｔ1と設定し、同様に電場強度を測定
すれば、時刻ｔ1における透過イメージ３２が得られ
る。このように、遅延時間Δｔを変えることによって、
任意の時刻（ｔ0〜ｔk）における透過イメージ３１,３
２,…が計測できる。
【００２４】このようにして得られた時系列透過イメー
ジ３１,３２,…の数値データを、ある画素(ａij)に注目
して時間軸に沿って見ると、図４(ａ)に示すように、時
刻ｔ 0から時刻ｔkまでの時系列波形Ｅ(ｔ,ｉ,ｊ)が得ら
れる。時間遅延装置２７を導入することにより、Ｘ−Ｙ
面内の透過パルス光の電場強度分布の時間変化があたか
もムービーのように見られる。
ジ３１,３２,…の数値データを、ある画素(ａij)に注目
して時間軸に沿って見ると、図４(ａ)に示すように、時
刻ｔ 0から時刻ｔkまでの時系列波形Ｅ(ｔ,ｉ,ｊ)が得ら
れる。時間遅延装置２７を導入することにより、Ｘ−Ｙ
面内の透過パルス光の電場強度分布の時間変化があたか
もムービーのように見られる。
【００２５】以上の操作により、計測・記憶装置７にお
いて各画素(ａij)毎の電場強度の時系列波形Ｅ(ｔ,ｉ,
ｊ)が得られたので、さらに、データ処理装置８では、
計測・記憶装置７に記憶された時系列波形Ｅ(ｔ,ｉ,ｊ)
を各画素(ａij)毎にフーリエ変換演算する。この結果、
図４(ｂ)に示すように、半導体材料５の各画素(ａij)に
おける分光特性Ｅ(ω,ｉ,ｊ)が得られる。この数値デー
タを画像処理装置１０で再構成すれば、ω0からωkの周
波数にわたるＸ−Ｙ面内の電場強度イメージ、すなわち
二次元投影画像（分光画像）が得られる。
いて各画素(ａij)毎の電場強度の時系列波形Ｅ(ｔ,ｉ,
ｊ)が得られたので、さらに、データ処理装置８では、
計測・記憶装置７に記憶された時系列波形Ｅ(ｔ,ｉ,ｊ)
を各画素(ａij)毎にフーリエ変換演算する。この結果、
図４(ｂ)に示すように、半導体材料５の各画素(ａij)に
おける分光特性Ｅ(ω,ｉ,ｊ)が得られる。この数値デー
タを画像処理装置１０で再構成すれば、ω0からωkの周
波数にわたるＸ−Ｙ面内の電場強度イメージ、すなわち
二次元投影画像（分光画像）が得られる。
【００２６】また、一連の二次元投影画像には半導体材
料５の電気的特性に係わる情報が含まれており、演算装
置９において、後述するドルーデの光吸収理論を利用し
て解析することにより、半導体材料の電気的特性の物性
量に関する二次元投影画像情報に変換できる。なお、半
導体材料５をＸ−Ｙ走査せずに、測光光学系３ａ（テラ
ヘルツパルス光を半導体材料５に照射すると共に、半導
体材料５からの透過パルス光をテラヘルツパルス検出器
６へ導く光学系）を連動動作させても、同様に透過イメ
ージ３１,３２,…が得られる。
料５の電気的特性に係わる情報が含まれており、演算装
置９において、後述するドルーデの光吸収理論を利用し
て解析することにより、半導体材料の電気的特性の物性
量に関する二次元投影画像情報に変換できる。なお、半
導体材料５をＸ−Ｙ走査せずに、測光光学系３ａ（テラ
ヘルツパルス光を半導体材料５に照射すると共に、半導
体材料５からの透過パルス光をテラヘルツパルス検出器
６へ導く光学系）を連動動作させても、同様に透過イメ
ージ３１,３２,…が得られる。
【００２７】以上述べた装置を使用して、半導体材料５
のキャリア密度、移動度、抵抗率、電気伝導度を算出す
るための解析方法を図５および図６を用いて説明する。
図５は、本発明の電気特性評価装置による解析手法の一
つの過程を説明するための図である。図６は、半導体材
料５の電気的物性値（キャリア密度、移動度、抵抗率、
電気伝導度等）を算出するための解析方法の手順を示す
プロセス図である。この解析手順では、ドルーデの光吸
収理論が用いられる。簡単のために一画素について考え
る。
のキャリア密度、移動度、抵抗率、電気伝導度を算出す
るための解析方法を図５および図６を用いて説明する。
図５は、本発明の電気特性評価装置による解析手法の一
つの過程を説明するための図である。図６は、半導体材
料５の電気的物性値（キャリア密度、移動度、抵抗率、
電気伝導度等）を算出するための解析方法の手順を示す
プロセス図である。この解析手順では、ドルーデの光吸
収理論が用いられる。簡単のために一画素について考え
る。
【００２８】テラヘルツパルス光を半導体材料５の一点
（一画素に相当）に照射し、半導体材料５から透過して
きたテラヘルツパルス光（透過パルス光）の電場強度の
時系列波形Ｅ(ｔ)を記録し（計測・記憶装置７）、その
フーリエ変換から光の振幅｜Ｅ(ω)｜と位相θとを算出
する（データ処理装置８）。同様に、位相の周波数特性
も得られる。
（一画素に相当）に照射し、半導体材料５から透過して
きたテラヘルツパルス光（透過パルス光）の電場強度の
時系列波形Ｅ(ｔ)を記録し（計測・記憶装置７）、その
フーリエ変換から光の振幅｜Ｅ(ω)｜と位相θとを算出
する（データ処理装置８）。同様に、位相の周波数特性
も得られる。
【００２９】ここで、時系列波形Ｅ(ｔ)と光の振幅｜Ｅ
(ω)｜と位相θとの関係は、次式(１)のフーリエ変換で
定義される。
(ω)｜と位相θとの関係は、次式(１)のフーリエ変換で
定義される。
【数１】 測定の順序としては、まず、図５(ａ)に示すように、測
光光学系３ａの光路に半導体材料５（被測定物）を挿入
しない状態で、電場強度の時系列波形Ｅref(ｔ)を測定
し（計測・記憶装置７）、これをフーリエ変換して参照
用の振幅｜Ｅref(ω)｜および位相θrefを得る（データ
処理装置８）。
光光学系３ａの光路に半導体材料５（被測定物）を挿入
しない状態で、電場強度の時系列波形Ｅref(ｔ)を測定
し（計測・記憶装置７）、これをフーリエ変換して参照
用の振幅｜Ｅref(ω)｜および位相θrefを得る（データ
処理装置８）。
【００３０】次に、図５(ｂ)に示すように、半導体材料
５を測光光学系３ａの光路に挿入した状態で、電場強度
の時系列波形Ｅsam(ｔ) を測定し（計測・記憶装置
７）、これをフーリエ変換して被測定物挿入時の振幅｜
Ｅsam(ω)｜および位相θsamを得る（データ処理装置
８）。以下、半導体材料５を透過した透過パルス光ある
いは透過イメージを例として詳細に説明する。
５を測光光学系３ａの光路に挿入した状態で、電場強度
の時系列波形Ｅsam(ｔ) を測定し（計測・記憶装置
７）、これをフーリエ変換して被測定物挿入時の振幅｜
Ｅsam(ω)｜および位相θsamを得る（データ処理装置
８）。以下、半導体材料５を透過した透過パルス光ある
いは透過イメージを例として詳細に説明する。
【００３１】半導体材料５の複素振幅透過率ｔ(ω)は、
次式(２)で定義される。Ｅsam(ω)およびＥref(ω)は、
それぞれ、半導体材料５を測光光学系３ａの光路に挿入
した時（図５(ｂ)）と挿入しない時（図５(ａ)）の光の
電場強度のフーリエ成分であり、実測される量である。
式(２)の複素振幅透過率ｔ(ω)は、Ｅsam(ω)とＥ
r ef(ω)との比で表されるため、同様に実測される量で
ある（図６のＳ１）。
次式(２)で定義される。Ｅsam(ω)およびＥref(ω)は、
それぞれ、半導体材料５を測光光学系３ａの光路に挿入
した時（図５(ｂ)）と挿入しない時（図５(ａ)）の光の
電場強度のフーリエ成分であり、実測される量である。
式(２)の複素振幅透過率ｔ(ω)は、Ｅsam(ω)とＥ
r ef(ω)との比で表されるため、同様に実測される量で
ある（図６のＳ１）。
【数２】 一方、半導体材料５の複素屈折率をｎ＋ｉｋで表すと、
厚みｄの半導体材料５を光路に挿入したとき（図５
(ｂ)）の理論的な複素振幅透過率ｔ(ω)は、次式(３)で
計算される（図６のＳ１）。ただし、ｃは光速である。
厚みｄの半導体材料５を光路に挿入したとき（図５
(ｂ)）の理論的な複素振幅透過率ｔ(ω)は、次式(３)で
計算される（図６のＳ１）。ただし、ｃは光速である。
【数３】 また、上記の式(２)と式(３)とを比較することにより、
次の式(４)と式(５)とが得られる。式(４)および式(５)
の左辺は実測量であるから、半導体材料５の厚みｄが既
知であれば、式(４)からｎが計算でき、式(５)からｋが
計算できる。つまり、半導体材料５の複素屈折率ｎ＋ｉ
ｋが求められる（図６のＳ２）。
次の式(４)と式(５)とが得られる。式(４)および式(５)
の左辺は実測量であるから、半導体材料５の厚みｄが既
知であれば、式(４)からｎが計算でき、式(５)からｋが
計算できる。つまり、半導体材料５の複素屈折率ｎ＋ｉ
ｋが求められる（図６のＳ２）。
【数４】 テラヘルツ時間領域計測手段（計測・記憶装置７,デー
タ処理装置８）は、これまでの光計測のように光の強度
（すなわち電場の二乗）を計測せずに、光の振幅と位相
に係る情報を直接計測できる特徴を持つ（B.B.Hu and
M.C.Nuss, OPTICS LETTERS Vol.20,No.16,P.1716,(199
5)）。このため従来のように、クラーマス−クローニッ
ヒ（Kramers-Kronig）の式（工藤恵栄 著、「光物性の
基礎」オーム社）を用いた複雑な計算を行わなくても、
半導体材料５の複素屈折率ｎ＋ｉｋを計算できる。
タ処理装置８）は、これまでの光計測のように光の強度
（すなわち電場の二乗）を計測せずに、光の振幅と位相
に係る情報を直接計測できる特徴を持つ（B.B.Hu and
M.C.Nuss, OPTICS LETTERS Vol.20,No.16,P.1716,(199
5)）。このため従来のように、クラーマス−クローニッ
ヒ（Kramers-Kronig）の式（工藤恵栄 著、「光物性の
基礎」オーム社）を用いた複雑な計算を行わなくても、
半導体材料５の複素屈折率ｎ＋ｉｋを計算できる。
【００３２】さらに、半導体材料５の複素屈折率ｎ＋ｉ
ｋと複素誘電率ε(ω)の一般的な関係は、次式(６)で表
される（図６のＳ３）。
ｋと複素誘電率ε(ω)の一般的な関係は、次式(６)で表
される（図６のＳ３）。
【数５】 また、半導体材料５に不純物を添加してキャリアを生成
した場合のドルーデの光吸収理論から導かれる複素誘電
率ε(ω)は、次式(７)のように表される。
した場合のドルーデの光吸収理論から導かれる複素誘電
率ε(ω)は、次式(７)のように表される。
【数６】 上記の式(６)と式(７)との関係から、次の式(８)および
式(９)が得られる（図６のＳ４）。式(８)における光学
的な誘電率ε∞と、式(８),式(９)におけるキャリアの
有効質量ｍ*とは物質定数であり、その値は元素半導体
（Ｓｉ,Ｇｅ）や化合物半導体によって異なる。
式(９)が得られる（図６のＳ４）。式(８)における光学
的な誘電率ε∞と、式(８),式(９)におけるキャリアの
有効質量ｍ*とは物質定数であり、その値は元素半導体
（Ｓｉ,Ｇｅ）や化合物半導体によって異なる。
【数７】 テラヘルツ時間領域計測手段（計測・記憶装置７,デー
タ処理装置８）によって半導体材料５の複素屈折率ｎ＋
ｉｋが実測できる（図６のＳ２）ため、上記式(８)およ
び式(９)における未知数は、キャリア密度Ｎとキャリア
の散乱時間τとである。
タ処理装置８）によって半導体材料５の複素屈折率ｎ＋
ｉｋが実測できる（図６のＳ２）ため、上記式(８)およ
び式(９)における未知数は、キャリア密度Ｎとキャリア
の散乱時間τとである。
【００３３】上記式(８)および式(９)から、キャリアの
散乱時間τと複素屈折率ｎ＋ｉｋとの関係は、次の式
(１０)で表される。
散乱時間τと複素屈折率ｎ＋ｉｋとの関係は、次の式
(１０)で表される。
【数８】 したがって、演算装置９における演算によって、上記の
式(１０)からキャリアの散乱時間τが求まり、式(９)の
関係からキャリア密度Ｎの値が得られる（図６のＳ
５）。
式(１０)からキャリアの散乱時間τが求まり、式(９)の
関係からキャリア密度Ｎの値が得られる（図６のＳ
５）。
【００３４】さらに、演算装置９では、得られたキャリ
ア密度Ｎおよびキャリアの散乱時間τの値をオームの法
則（次の式(１１)〜式(１３)）に代入することにより
（図６のＳ６）、移動度μ、抵抗率ρ、電気伝導度σを
算出することができる（Ｓ７）。
ア密度Ｎおよびキャリアの散乱時間τの値をオームの法
則（次の式(１１)〜式(１３)）に代入することにより
（図６のＳ６）、移動度μ、抵抗率ρ、電気伝導度σを
算出することができる（Ｓ７）。
【数９】 以上の手順により得られた数値データから、濃淡画像化
あるいはカラー画像化することにより、半導体の電気的
特性パラメータ（キャリア密度Ｎ、移動度μ、抵抗率
ρ、電気伝導度σ）に関する二次元投影画像が得られる
（画像処理装置１０）。
あるいはカラー画像化することにより、半導体の電気的
特性パラメータ（キャリア密度Ｎ、移動度μ、抵抗率
ρ、電気伝導度σ）に関する二次元投影画像が得られる
（画像処理装置１０）。
【００３５】また、画像処理装置１０では、テラヘルツ
パルス光が半導体材料５を照射する角度を変えて複数枚
の二次元投影画像を取得し、ラドン変換に代表される線
型変換演算を行うことにより、複数枚の二次元投影画像
から、半導体材料５の電気的特性パラメータ（キャリア
密度Ｎ、移動度μ、抵抗率ρ、電気伝導度σ）に関する
三次元断層像を得ることもできる。
パルス光が半導体材料５を照射する角度を変えて複数枚
の二次元投影画像を取得し、ラドン変換に代表される線
型変換演算を行うことにより、複数枚の二次元投影画像
から、半導体材料５の電気的特性パラメータ（キャリア
密度Ｎ、移動度μ、抵抗率ρ、電気伝導度σ）に関する
三次元断層像を得ることもできる。
【００３６】図７は、二次元投影画像から三次元断層像
を得る過程を示す概念図である。テラヘルツパルス光が
半導体材料５を照射する角度を変えるには、Ｘ−Ｙステ
ージ４に回転機構を付加してもよいし、別途に回転機構
を設けてもよい。各々の回転角度での二次元投影画像か
ら、ラドン変換で代表されるような線型変換演算をコン
ピュータ１０Ａ（画像処理装置１０）上で行うことによ
り、三次元断層像を得ることができる。言わば、テラヘ
ルツＣＴ(Computerized Tomography)法である。
を得る過程を示す概念図である。テラヘルツパルス光が
半導体材料５を照射する角度を変えるには、Ｘ−Ｙステ
ージ４に回転機構を付加してもよいし、別途に回転機構
を設けてもよい。各々の回転角度での二次元投影画像か
ら、ラドン変換で代表されるような線型変換演算をコン
ピュータ１０Ａ（画像処理装置１０）上で行うことによ
り、三次元断層像を得ることができる。言わば、テラヘ
ルツＣＴ(Computerized Tomography)法である。
【００３７】ラドン変換とは、一次元投影データを測定
し、そこからもとの物体の二次元断面を再構成したり、
二次元投影データを測定し、そこからもとの物体の三次
元分布を再構成する手法である（河田聡／南茂夫 編
著、「画像データ処理」ＣＱ出版社）。以下、本発明の
電気特性評価装置を用いて、半導体の電気的特性パラメ
ータに関わる二次元投影画像を得る具体例を述べる。
し、そこからもとの物体の二次元断面を再構成したり、
二次元投影データを測定し、そこからもとの物体の三次
元分布を再構成する手法である（河田聡／南茂夫 編
著、「画像データ処理」ＣＱ出版社）。以下、本発明の
電気特性評価装置を用いて、半導体の電気的特性パラメ
ータに関わる二次元投影画像を得る具体例を述べる。
【００３８】図８は、本発明の実施の形態に係る走査型
イメージング方式を用いた電気特性評価装置の部品構成
を示す図である。フェムト秒可視光パルスレーザー（以
下、可視光パルスレーザーという）２１からの可視光パ
ルスは、半透過ミラー２８により２方向に分岐され、一
方はテラヘルツパルス光源２２を照射し、他方は時間遅
延可動ミラー２４に入射する。前者は、テラヘルツパル
ス光源２２からテラヘルツパルス光２２ａを放射させ、
後者は、時間遅延可動ミラー２４によってテラヘルツパ
ルス検出器２６への到達時間が変えられ、サンプリング
パルス２１ａとしてテラヘルツパルス検出器２６に入射
する。
イメージング方式を用いた電気特性評価装置の部品構成
を示す図である。フェムト秒可視光パルスレーザー（以
下、可視光パルスレーザーという）２１からの可視光パ
ルスは、半透過ミラー２８により２方向に分岐され、一
方はテラヘルツパルス光源２２を照射し、他方は時間遅
延可動ミラー２４に入射する。前者は、テラヘルツパル
ス光源２２からテラヘルツパルス光２２ａを放射させ、
後者は、時間遅延可動ミラー２４によってテラヘルツパ
ルス検出器２６への到達時間が変えられ、サンプリング
パルス２１ａとしてテラヘルツパルス検出器２６に入射
する。
【００３９】テラヘルツパルス光２２ａを半導体ウエハ
２５の一点に照射する走査型イメージング測光方式に採
用されるテラヘルツパルス光源２２としては、一般的に
半導体光スイッチ素子が用いられる。
２５の一点に照射する走査型イメージング測光方式に採
用されるテラヘルツパルス光源２２としては、一般的に
半導体光スイッチ素子が用いられる。
【００４０】半導体光スイッチ素子は、可視光パルスレ
ーザー２１からの可視光パルス２１ｂが照射されたとき
に高速光応答をする半導体材料上に、アンテナ(例えば
金属合金アンテナ)を形成したものである。可視光パル
ス２１ｂは、前述の「入力パルス」と称したものであ
る。テラヘルツパルス光２２ａを発生させるには、この
他に、化合物半導体に可視光パルスを照射することによ
っても実現できる。
ーザー２１からの可視光パルス２１ｂが照射されたとき
に高速光応答をする半導体材料上に、アンテナ(例えば
金属合金アンテナ)を形成したものである。可視光パル
ス２１ｂは、前述の「入力パルス」と称したものであ
る。テラヘルツパルス光２２ａを発生させるには、この
他に、化合物半導体に可視光パルスを照射することによ
っても実現できる。
【００４１】測光光学系２３ａを構成するテラヘルツ光
学素子（軸外し放物面鏡）には、酸化防止を施したアル
ミ蒸着ミラー、金蒸着ミラー、銀蒸着ミラーが一種類以
上用いられる。また、測光光学系２３ａは、シリコンレ
ンズ、ゲルマニウムレンズ、ポリエチレンレンズ等と組
み合わせて構成することもできる。偏光子としては、ワ
イヤグリットが用いられる。
学素子（軸外し放物面鏡）には、酸化防止を施したアル
ミ蒸着ミラー、金蒸着ミラー、銀蒸着ミラーが一種類以
上用いられる。また、測光光学系２３ａは、シリコンレ
ンズ、ゲルマニウムレンズ、ポリエチレンレンズ等と組
み合わせて構成することもできる。偏光子としては、ワ
イヤグリットが用いられる。
【００４２】テラヘルツパルス検出器２６には、テラヘ
ルツパルス光源２２と同じ型の半導体光スイッチ素子が
用いられる。この半導体光スイッチ素子には、透過パル
ス光２５ａのみが照射されてサンプリングパルス２１ａ
が照射されないとき、電場が誘起される。このときの半
導体光スイッチ素子には電流は流れない。しかし、透過
パルス光２５ａが照射されている半導体光スイッチ素子
にサンプリングパルス２１ａが照射されると、そのとき
のサンプリングパルス２１ａがトリガーとなって、サン
プリングパルス２１ａによる光生成キャリアが生じ、半
導体ウエハ２５からの透過パルス光２５ａを受光したこ
とによる電場強度に応じた電流が流れる。この電流をロ
ックイン増幅器（不図示）で増幅して、前述の計測・記
憶装置７（図３）に電流値（∝電場強度値）を記憶させ
る。
ルツパルス光源２２と同じ型の半導体光スイッチ素子が
用いられる。この半導体光スイッチ素子には、透過パル
ス光２５ａのみが照射されてサンプリングパルス２１ａ
が照射されないとき、電場が誘起される。このときの半
導体光スイッチ素子には電流は流れない。しかし、透過
パルス光２５ａが照射されている半導体光スイッチ素子
にサンプリングパルス２１ａが照射されると、そのとき
のサンプリングパルス２１ａがトリガーとなって、サン
プリングパルス２１ａによる光生成キャリアが生じ、半
導体ウエハ２５からの透過パルス光２５ａを受光したこ
とによる電場強度に応じた電流が流れる。この電流をロ
ックイン増幅器（不図示）で増幅して、前述の計測・記
憶装置７（図３）に電流値（∝電場強度値）を記憶させ
る。
【００４３】ここで、電流値とは、半導体ウエハ２５か
らの透過パルス光２５ａの電場強度に比例する。計測・
記憶装置７では、透過パルス光２５ａの電場強度を計測
する。さらに、計測・記憶装置７では、サンプリングパ
ルス２１ａを送るタイミングを時間遅延可動ミラー２４
により変化させながら電流値を読み取り、透過パルス光
２５ａの電場強度を計測してゆく。
らの透過パルス光２５ａの電場強度に比例する。計測・
記憶装置７では、透過パルス光２５ａの電場強度を計測
する。さらに、計測・記憶装置７では、サンプリングパ
ルス２１ａを送るタイミングを時間遅延可動ミラー２４
により変化させながら電流値を読み取り、透過パルス光
２５ａの電場強度を計測してゆく。
【００４４】具体的には、サンプリングパルス２１ａを
テラヘルツパルス検出器２６に入力する時刻をΔｔづつ
ずらして、その度に透過パルス光２５ａの電場強度を読
み込む。この動作をｋ回繰り返すことにより、時刻ｔ0
から時刻ｔkまでの間（図４(ａ)）にわたり電場強度が
読み込まれる。さらに、二次元投影画像を取得するため
に、半導体ウエハ２５の全面にわたって上記動作を必要
な画素数に相当する回数（ｉ×ｊ回）繰り返す。
テラヘルツパルス検出器２６に入力する時刻をΔｔづつ
ずらして、その度に透過パルス光２５ａの電場強度を読
み込む。この動作をｋ回繰り返すことにより、時刻ｔ0
から時刻ｔkまでの間（図４(ａ)）にわたり電場強度が
読み込まれる。さらに、二次元投影画像を取得するため
に、半導体ウエハ２５の全面にわたって上記動作を必要
な画素数に相当する回数（ｉ×ｊ回）繰り返す。
【００４５】なお、時刻ｔ0に固定して全画素の電場強
度を読み込んた後に、サンプリングパルス入力時刻をΔ
ｔずらして全画素の電場強度を読み込むという方法もあ
る。読み込まれた電場強度の数値データは計測・記憶装
置７（図３）に保存される。その結果、図９に示すよう
な透過パルス光２５ａの電場強度の時系列波形が得られ
る。図９は、１つの画素(ａij)に注目して時間軸に沿っ
てみた電場強度の時系列波形の一例である。２本の曲線
Ｅsam(ｔ),Ｅref(ｔ) は、測光光学系２３ａの光路に半
導体材料２５を挿入したときと挿入しないときの波形を
表す。
度を読み込んた後に、サンプリングパルス入力時刻をΔ
ｔずらして全画素の電場強度を読み込むという方法もあ
る。読み込まれた電場強度の数値データは計測・記憶装
置７（図３）に保存される。その結果、図９に示すよう
な透過パルス光２５ａの電場強度の時系列波形が得られ
る。図９は、１つの画素(ａij)に注目して時間軸に沿っ
てみた電場強度の時系列波形の一例である。２本の曲線
Ｅsam(ｔ),Ｅref(ｔ) は、測光光学系２３ａの光路に半
導体材料２５を挿入したときと挿入しないときの波形を
表す。
【００４６】この時系列波形をデータ処理装置８（図
３）でフーリエ変換することにより、式(１)で定義され
た電場強度の振幅と位相の周波数依存性が得られる。図
１０は、電場強度の振幅の周波数依存性を示すグラフで
ある。２本の曲線｜Ｅsam(ω)｜,｜Ｅref(ω)｜は、測
光光学系２３ａの光路に半導体材料２５を挿入したとき
と挿入しないときの時系列波形に対応する。同様に、電
場強度の位相の周波数特性も得られる。
３）でフーリエ変換することにより、式(１)で定義され
た電場強度の振幅と位相の周波数依存性が得られる。図
１０は、電場強度の振幅の周波数依存性を示すグラフで
ある。２本の曲線｜Ｅsam(ω)｜,｜Ｅref(ω)｜は、測
光光学系２３ａの光路に半導体材料２５を挿入したとき
と挿入しないときの時系列波形に対応する。同様に、電
場強度の位相の周波数特性も得られる。
【００４７】測定の順序としては、まず、測光光学系２
３ａ（図８）の光路に半導体材料２５を入れないで時系
列波形Ｅref(ｔ)を測定し、参照用の振幅｜Ｅref(ω)｜
および位相θrefを得る。次に、半導体材料２５を光路
に挿入した状態で時系列波形Ｅsam(ｔ) を測定し、被測
定物挿入時の振幅｜Ｅsam(ω)｜および位相θsamを得る
（図９,図１０参照）。
３ａ（図８）の光路に半導体材料２５を入れないで時系
列波形Ｅref(ｔ)を測定し、参照用の振幅｜Ｅref(ω)｜
および位相θrefを得る。次に、半導体材料２５を光路
に挿入した状態で時系列波形Ｅsam(ｔ) を測定し、被測
定物挿入時の振幅｜Ｅsam(ω)｜および位相θsamを得る
（図９,図１０参照）。
【００４８】そして、得られた｜Ｅref(ω)｜，｜Ｅsam
(ω)｜，θref ，θsam の測定値を次の式(１４)および
式(１５)に代入することにより、半導体材料２５の複素
屈折率ｎ＋ｉｋを求めることができる。式(１４),式(１
５)は、上記の式(４),式(５)を変形したものである。
(ω)｜，θref ，θsam の測定値を次の式(１４)および
式(１５)に代入することにより、半導体材料２５の複素
屈折率ｎ＋ｉｋを求めることができる。式(１４),式(１
５)は、上記の式(４),式(５)を変形したものである。
【数１０】 さらに、求めた複素屈折率ｎ＋ｉｋを上記の式(１０)に
代入すれば、キャリアの散乱時間τが求められる。キャ
リアの散乱時間τが求まれば、上記の式(９)を利用して
キャリア密度Ｎが求まり、上記の式(１１)〜式(１３)を
利用することにより、移動度μ，抵抗率ρ，電気伝導度
σが算出される。得られた電気的特性に関するパラメー
タの値を濃淡画像やカラー画像によって表示すれば二次
元投影画像が得られる。
代入すれば、キャリアの散乱時間τが求められる。キャ
リアの散乱時間τが求まれば、上記の式(９)を利用して
キャリア密度Ｎが求まり、上記の式(１１)〜式(１３)を
利用することにより、移動度μ，抵抗率ρ，電気伝導度
σが算出される。得られた電気的特性に関するパラメー
タの値を濃淡画像やカラー画像によって表示すれば二次
元投影画像が得られる。
【００４９】図１１は、半導体ウェハの中の電気的特性
が異なる領域を可視光で見た時の写真(ａ)と、テラヘル
ツパルス光で見た時の二次元投影画像(ｂ)である。図１
１(ｂ)は、電気的特性パラメータである抵抗率ρに対す
る二次元投影画像を示したものであり、左半分と右半分
のコントラストの違いは抵抗率ρの違いを示しており、
それぞれｎ型半導体とｐ型半導体になっていることを明
確に示している。
が異なる領域を可視光で見た時の写真(ａ)と、テラヘル
ツパルス光で見た時の二次元投影画像(ｂ)である。図１
１(ｂ)は、電気的特性パラメータである抵抗率ρに対す
る二次元投影画像を示したものであり、左半分と右半分
のコントラストの違いは抵抗率ρの違いを示しており、
それぞれｎ型半導体とｐ型半導体になっていることを明
確に示している。
【００５０】本実施形態から、本発明の電気特性評価装
置は、半導体材料の電気的特性パラメータの評価法に対
して強力な手段となることが示された。以上では、走査
型イメージング方式の実施形態について述べたが、結像
光学系を使った非走査型イメージング方式を採用するこ
とにより計測時間を大幅に短縮できる。
置は、半導体材料の電気的特性パラメータの評価法に対
して強力な手段となることが示された。以上では、走査
型イメージング方式の実施形態について述べたが、結像
光学系を使った非走査型イメージング方式を採用するこ
とにより計測時間を大幅に短縮できる。
【００５１】次に、もう一つの測光光学系である非走査
型イメージング方式について説明する。図１２は、非走
査型イメージング測光方式を説明するための模式図であ
る。図示のように、この方式は、テラヘルツパルス光の
ビーム径を広げて拡大光束とし、半導体材料１５の全体
に一括照射して透過イメージを得るものである。
型イメージング方式について説明する。図１２は、非走
査型イメージング測光方式を説明するための模式図であ
る。図示のように、この方式は、テラヘルツパルス光の
ビーム径を広げて拡大光束とし、半導体材料１５の全体
に一括照射して透過イメージを得るものである。
【００５２】そして、透過パルス光のＸ−Ｙ面内の電場
強度分布をイメージングカメラ３６（結像光学系＋二次
元撮像デバイス）およびコンピュータ２０Ａを用いて一
括で計測する。この方式の長所は、被測定物（半導体材
料１５）を機械的走査機構を用いて移動させる必要がな
いので、極めて短時間で透過イメージを得ることができ
る点にある。
強度分布をイメージングカメラ３６（結像光学系＋二次
元撮像デバイス）およびコンピュータ２０Ａを用いて一
括で計測する。この方式の長所は、被測定物（半導体材
料１５）を機械的走査機構を用いて移動させる必要がな
いので、極めて短時間で透過イメージを得ることができ
る点にある。
【００５３】時間遅延装置（不図示）からイメージング
カメラ３６に送るサンプリングパルスのタイミングΔｔ
を変化させながらＸ−Ｙ面内の電場強度分布を計測する
ことで、時系列透過イメージが得られる。コンピュータ
２０Ａでは、走査型イメージング測光方式の場合と同様
のフーリエ変換演算を行うことにより、二次元投影画像
（分光画像）を得ることができる。また、半導体材料１
５のテラヘルツパルス光に対する角度を変えて、各角度
での二次元投影画像からラドン変換で代表されるような
線型変換演算をコンピュータ上で行うことにより、三次
元断層像を得ることができる。
カメラ３６に送るサンプリングパルスのタイミングΔｔ
を変化させながらＸ−Ｙ面内の電場強度分布を計測する
ことで、時系列透過イメージが得られる。コンピュータ
２０Ａでは、走査型イメージング測光方式の場合と同様
のフーリエ変換演算を行うことにより、二次元投影画像
（分光画像）を得ることができる。また、半導体材料１
５のテラヘルツパルス光に対する角度を変えて、各角度
での二次元投影画像からラドン変換で代表されるような
線型変換演算をコンピュータ上で行うことにより、三次
元断層像を得ることができる。
【００５４】図１３は、本発明の非走査型イメージング
手法による電気特性評価装置の概略構成図である。測定
室１１は、テラヘルツパルス光源１２、試料室１３およ
びイメージ検出器１６（二次元撮像デバイス）から構成
される。測定室１１のイメージ検出器１６には、コンピ
ュータ２０Ａが接続されている。試料室１３の中には、
半導体材料１５の全体で測光する測光光学系１３ａと、
半導体材料１５からの透過パルス光を結像する結像光学
系１４とが収納されており、これらはテラヘルツ周波数
領域における半導体材料１５の二次元投影画像を一括で
得るための光学系である。
手法による電気特性評価装置の概略構成図である。測定
室１１は、テラヘルツパルス光源１２、試料室１３およ
びイメージ検出器１６（二次元撮像デバイス）から構成
される。測定室１１のイメージ検出器１６には、コンピ
ュータ２０Ａが接続されている。試料室１３の中には、
半導体材料１５の全体で測光する測光光学系１３ａと、
半導体材料１５からの透過パルス光を結像する結像光学
系１４とが収納されており、これらはテラヘルツ周波数
領域における半導体材料１５の二次元投影画像を一括で
得るための光学系である。
【００５５】テラヘルツパルス光源１２から発生したテ
ラヘルツパルス光は、測光光学系１３ａにより拡大光束
となり、半導体材料１５の全体に一括照射され、半導体
材料１５を透過して結像光学系１４で結像され、イメー
ジ検出器１６（光検出手段）に入射する。先に述べたよ
うに、イメージ検出器１６は、透過イメージを一括で検
出し、電場強度に比例する信号をコンピュータ２０Ａへ
送出する。
ラヘルツパルス光は、測光光学系１３ａにより拡大光束
となり、半導体材料１５の全体に一括照射され、半導体
材料１５を透過して結像光学系１４で結像され、イメー
ジ検出器１６（光検出手段）に入射する。先に述べたよ
うに、イメージ検出器１６は、透過イメージを一括で検
出し、電場強度に比例する信号をコンピュータ２０Ａへ
送出する。
【００５６】コンピュータ２０Ａは、計測・記憶装置１
７と、データ処理装置１８と、演算装置１９と、画像処
理装置２０とで構成されている。計測・記憶装置１７
は、イメージ検出器１６によって検出された透過イメー
ジを取り込み、透過パルス光の電場強度分布を求めると
共に、その時系列波形を計測し記憶する装置である。デ
ータ処理装置１８は、一画素毎に時系列波形のフーリエ
変換演算を行い、周波数スペクトルに変換して分光透過
率画像（分光画像）を得る装置である。計測・記憶装置
１７およびデータ処理装置１８はテラヘルツ時間領域計
測手段に対応する。
７と、データ処理装置１８と、演算装置１９と、画像処
理装置２０とで構成されている。計測・記憶装置１７
は、イメージ検出器１６によって検出された透過イメー
ジを取り込み、透過パルス光の電場強度分布を求めると
共に、その時系列波形を計測し記憶する装置である。デ
ータ処理装置１８は、一画素毎に時系列波形のフーリエ
変換演算を行い、周波数スペクトルに変換して分光透過
率画像（分光画像）を得る装置である。計測・記憶装置
１７およびデータ処理装置１８はテラヘルツ時間領域計
測手段に対応する。
【００５７】演算装置１９（演算手段）は、データ処理
装置１８で求めた分光透過率画像から、後述するドルー
デの光吸収理論を利用して、半導体材料１５中のキャリ
ア密度、移動度、抵抗率、電気伝導度を算出する装置で
ある。画像処理装置２０は、演算装置１９によって得ら
れた上記の数値データを用いて、電気特性に関する二次
元投影画像（分光画像）を得るための装置である（画像
処理手段）。さらに、画像処理装置２０は、二次元投影
画像をコンピュータ上でデジタル画像処理を行い再構成
して、半導体材料内部の三次元断層像を再生する装置で
もある（請求項８のコンピュータグラフィックス手
段）。
装置１８で求めた分光透過率画像から、後述するドルー
デの光吸収理論を利用して、半導体材料１５中のキャリ
ア密度、移動度、抵抗率、電気伝導度を算出する装置で
ある。画像処理装置２０は、演算装置１９によって得ら
れた上記の数値データを用いて、電気特性に関する二次
元投影画像（分光画像）を得るための装置である（画像
処理手段）。さらに、画像処理装置２０は、二次元投影
画像をコンピュータ上でデジタル画像処理を行い再構成
して、半導体材料内部の三次元断層像を再生する装置で
もある（請求項８のコンピュータグラフィックス手
段）。
【００５８】非走査型イメージング方式の問題点は、テ
ラヘルツパルス光のイメージ検出器１６であり、現在の
ところテラヘルツパルス光を直接受光できる二次元撮像
デバイスは存在しない。しかしながら、文献（Q.Wu et.
al, Appl.Phys.Lett. Vol.69,No.8,P.1026(1996)）にお
いて指摘されている電気光学サンプリング方式を採用す
ることにより、リアルタイムのテラヘルツイメージング
が可能となる。
ラヘルツパルス光のイメージ検出器１６であり、現在の
ところテラヘルツパルス光を直接受光できる二次元撮像
デバイスは存在しない。しかしながら、文献（Q.Wu et.
al, Appl.Phys.Lett. Vol.69,No.8,P.1026(1996)）にお
いて指摘されている電気光学サンプリング方式を採用す
ることにより、リアルタイムのテラヘルツイメージング
が可能となる。
【００５９】原理的には、電気光学結晶で作られたイメ
ージングプレート上に半導体材料のテラヘルツ透過イメ
ージを映し出し、テラヘルツパルス光の電場強度に依存
して電気光学結晶の屈折率が変化するポッケルス効果を
利用してテラヘルツパルス光のイメージ情報を可視光の
偏光情報に変換して画像化する方法である。この計測手
段とドルーデの光吸収理論を用いた解析手段を兼ね備え
た装置を構成することにより、半導体材料の電気特性評
価をリアルタイムで行うことが可能となる。
ージングプレート上に半導体材料のテラヘルツ透過イメ
ージを映し出し、テラヘルツパルス光の電場強度に依存
して電気光学結晶の屈折率が変化するポッケルス効果を
利用してテラヘルツパルス光のイメージ情報を可視光の
偏光情報に変換して画像化する方法である。この計測手
段とドルーデの光吸収理論を用いた解析手段を兼ね備え
た装置を構成することにより、半導体材料の電気特性評
価をリアルタイムで行うことが可能となる。
【００６０】また、上記実施形態では、半導体材料のキ
ャリア密度、移動度、抵抗率、電気伝導度を算出するに
当たって、ドルーデの光吸収理論を用いる解析方法（図
６）を説明したが、ドルーデの光吸収理論に代えて、半
導体材料内部の格子振動と自由キャリアの存在を考慮し
た誘電関数理論を用いることもできる。誘電関数理論の
適用は、格子振動が赤外活性な（赤外線電磁波を吸収す
る）化合物半導体に対して特に有効である。
ャリア密度、移動度、抵抗率、電気伝導度を算出するに
当たって、ドルーデの光吸収理論を用いる解析方法（図
６）を説明したが、ドルーデの光吸収理論に代えて、半
導体材料内部の格子振動と自由キャリアの存在を考慮し
た誘電関数理論を用いることもできる。誘電関数理論の
適用は、格子振動が赤外活性な（赤外線電磁波を吸収す
る）化合物半導体に対して特に有効である。
【００６１】図１４は、走査型イメージング手法による
電気特性評価装置の概略構成図である。図１４に示す測
定室４１とコンピュータ４５Ａ内の計測・記憶装置４
２，データ処理装置４３，画像処理装置４５とは、各
々、図３に示す測定室１，計測・記憶装置７，データ処
理装置８，画像処理装置１０と構成が同じである。ここ
では、図１４に示す電気特性評価装置の特徴箇所である
演算装置４４について主に説明する。
電気特性評価装置の概略構成図である。図１４に示す測
定室４１とコンピュータ４５Ａ内の計測・記憶装置４
２，データ処理装置４３，画像処理装置４５とは、各
々、図３に示す測定室１，計測・記憶装置７，データ処
理装置８，画像処理装置１０と構成が同じである。ここ
では、図１４に示す電気特性評価装置の特徴箇所である
演算装置４４について主に説明する。
【００６２】演算装置４４（演算手段）は、データ処理
装置４３で得られた分光透過率の周波数依存性から、後
述する誘電関数理論を利用して、半導体材料５のキャリ
ア密度、移動度、抵抗率、電気伝導度を算出する装置で
ある。演算装置４４によって得られた数値データは、画
像処理装置４５において、二次元投影画像化され、さら
に、コンピュータ上でのデジタル画像処理によって再構
成されて、半導体材料内部の三次元断層像が再生され
る。
装置４３で得られた分光透過率の周波数依存性から、後
述する誘電関数理論を利用して、半導体材料５のキャリ
ア密度、移動度、抵抗率、電気伝導度を算出する装置で
ある。演算装置４４によって得られた数値データは、画
像処理装置４５において、二次元投影画像化され、さら
に、コンピュータ上でのデジタル画像処理によって再構
成されて、半導体材料内部の三次元断層像が再生され
る。
【００６３】図１５は、図１４の電気特性評価装置にお
いて、半導体材料５の電気的物性値（キャリア密度、移
動度、抵抗率、電気伝導度等）を算出するための解析方
法の手順を示すプロセス図である。図１５に示す解析手
順のうちＳ１１〜Ｓ１３，Ｓ１５〜Ｓ１７は、各々、図
６に示すＳ１〜Ｓ３，Ｓ５〜Ｓ７と同じである。ここで
は、図１５に示すＳ１４（誘電関数理論を用いるステッ
プ）について主に説明する。簡単のために一画素につい
て考える。
いて、半導体材料５の電気的物性値（キャリア密度、移
動度、抵抗率、電気伝導度等）を算出するための解析方
法の手順を示すプロセス図である。図１５に示す解析手
順のうちＳ１１〜Ｓ１３，Ｓ１５〜Ｓ１７は、各々、図
６に示すＳ１〜Ｓ３，Ｓ５〜Ｓ７と同じである。ここで
は、図１５に示すＳ１４（誘電関数理論を用いるステッ
プ）について主に説明する。簡単のために一画素につい
て考える。
【００６４】図１５のＳ１１,Ｓ１２を経て求められた
半導体材料の複素屈折率ｎ＋ｉｋと、複素誘電率ε(ω)
との一般的な関係は、既に述べたように、上記式(６)で
表される（図１５のＳ１３）。また、半導体材料（化合
物半導体材料）に不純物を添加してキャリアを生成した
場合の誘電関数理論から導かれる複素誘電率ε(ω)は、
次式(１６)のように表される。
半導体材料の複素屈折率ｎ＋ｉｋと、複素誘電率ε(ω)
との一般的な関係は、既に述べたように、上記式(６)で
表される（図１５のＳ１３）。また、半導体材料（化合
物半導体材料）に不純物を添加してキャリアを生成した
場合の誘電関数理論から導かれる複素誘電率ε(ω)は、
次式(１６)のように表される。
【数１１】 上記の式(６)と式(１６)との関係から、次の式(１７)お
よび式(１８)が得られる（図１５のＳ１４）。式(１
７),式(１８)における光学的な誘電率ε∞と、光学的な
格子振動の振動数ωTOと、減衰因子γと、振動子強度Ｓ
と、キャリアの有効質量ｍ*とは物質定数であり、その
値は化合物半導体によって異なる。
よび式(１８)が得られる（図１５のＳ１４）。式(１
７),式(１８)における光学的な誘電率ε∞と、光学的な
格子振動の振動数ωTOと、減衰因子γと、振動子強度Ｓ
と、キャリアの有効質量ｍ*とは物質定数であり、その
値は化合物半導体によって異なる。
【数１２】 テラヘルツ時間領域計測手段（図１４の計測・記憶装置
４２およびデータ処理装置４３）によって半導体材料の
複素屈折率ｎ＋ｉｋが実測できる（図１５のＳ１２）た
め、上記式(１７)および式(１８)における未知数は、キ
ャリア密度Ｎとキャリアの散乱時間τとである。
４２およびデータ処理装置４３）によって半導体材料の
複素屈折率ｎ＋ｉｋが実測できる（図１５のＳ１２）た
め、上記式(１７)および式(１８)における未知数は、キ
ャリア密度Ｎとキャリアの散乱時間τとである。
【００６５】上記式(１７)および式(１８)を連立させる
ことにより、キャリアの散乱時間τと複素屈折率ｎ＋ｉ
ｋとの関係は、解析的に、次の式(１９)で表される。
ことにより、キャリアの散乱時間τと複素屈折率ｎ＋ｉ
ｋとの関係は、解析的に、次の式(１９)で表される。
【数１３】 したがって、上記の式(１９)からキャリアの散乱時間τ
が求まり、式(１８)の関係からキャリア密度Ｎの値が得
られる（図１５のＳ１５）。
が求まり、式(１８)の関係からキャリア密度Ｎの値が得
られる（図１５のＳ１５）。
【００６６】さらに、得られたキャリア密度Ｎおよびキ
ャリアの散乱時間τの値をオームの法則（上記の式(１
１)〜式(１３)）に代入することにより（図１５のＳ１
６）、移動度μ、抵抗率ρ、電気伝導度σを算出するこ
とができる（Ｓ１７）。
ャリアの散乱時間τの値をオームの法則（上記の式(１
１)〜式(１３)）に代入することにより（図１５のＳ１
６）、移動度μ、抵抗率ρ、電気伝導度σを算出するこ
とができる（Ｓ１７）。
【００６７】以上の手順により得られた数値データは、
図１４の演算装置４４から画像処理装置４５に出力さ
れ、画像処理装置４５において濃淡画像化あるいはカラ
ー画像化することにより、半導体の電気的特性パラメー
タ（キャリア密度Ｎ、移動度μ、抵抗率ρ、電気伝導度
σ）に関する二次元投影画像が得られる。また、テラヘ
ルツパルス光が半導体材料を照射する角度を変えて何枚
かの二次元投影画像を取得し、ラドン変換に代表される
線型変換演算を行うことにより、半導体材料の電気的特
性パラメータ（キャリア密度Ｎ、移動度μ、抵抗率ρ、
電気伝導度σ）に関する三次元断層像が得られる（画像
処理装置４５）。
図１４の演算装置４４から画像処理装置４５に出力さ
れ、画像処理装置４５において濃淡画像化あるいはカラ
ー画像化することにより、半導体の電気的特性パラメー
タ（キャリア密度Ｎ、移動度μ、抵抗率ρ、電気伝導度
σ）に関する二次元投影画像が得られる。また、テラヘ
ルツパルス光が半導体材料を照射する角度を変えて何枚
かの二次元投影画像を取得し、ラドン変換に代表される
線型変換演算を行うことにより、半導体材料の電気的特
性パラメータ（キャリア密度Ｎ、移動度μ、抵抗率ρ、
電気伝導度σ）に関する三次元断層像が得られる（画像
処理装置４５）。
【００６８】なお、上記式(１７)および式(１８)におけ
る２つの未知数（キャリア密度Ｎ,キャリアの散乱時間
τ）を求めるに当たっては、未知数（Ｎ,τ）を最適化
パラメータとして用い、一般的な非線形最小二乗法など
の最適化演算を行ってもよい。また、上記した走査型イ
メージング方式（図１４）に限らず、結像光学系を使っ
た非走査型イメージング方式を採用した場合でも、半導
体材料（化合物半導体材料）のキャリア密度、移動度、
抵抗率、電気伝導度を算出するに当たって誘電関数理論
を用いることができる。
る２つの未知数（キャリア密度Ｎ,キャリアの散乱時間
τ）を求めるに当たっては、未知数（Ｎ,τ）を最適化
パラメータとして用い、一般的な非線形最小二乗法など
の最適化演算を行ってもよい。また、上記した走査型イ
メージング方式（図１４）に限らず、結像光学系を使っ
た非走査型イメージング方式を採用した場合でも、半導
体材料（化合物半導体材料）のキャリア密度、移動度、
抵抗率、電気伝導度を算出するに当たって誘電関数理論
を用いることができる。
【００６９】図１６は、非走査型イメージング手法によ
る電気特性評価装置の概略構成図である。図１６に示す
測定室５１とコンピュータ５５Ａ内の計測・記憶装置５
２，データ処理装置５３，画像処理装置５５とは、各
々、図１３に示す測定室１１，計測・記憶装置１７，デ
ータ処理装置１８，画像処理装置２０と構成が同じであ
る。ここでは、図１６に示す電気特性評価装置の特徴箇
所である演算装置５４について主に説明する。
る電気特性評価装置の概略構成図である。図１６に示す
測定室５１とコンピュータ５５Ａ内の計測・記憶装置５
２，データ処理装置５３，画像処理装置５５とは、各
々、図１３に示す測定室１１，計測・記憶装置１７，デ
ータ処理装置１８，画像処理装置２０と構成が同じであ
る。ここでは、図１６に示す電気特性評価装置の特徴箇
所である演算装置５４について主に説明する。
【００７０】演算装置５４（演算手段）は、データ処理
装置５３で得られた分光透過率画像（分光画像）から、
上述した誘電関数理論を利用して、半導体材料１５のキ
ャリア密度、移動度、抵抗率、電気伝導度を算出する装
置である。演算装置５４によって得られた数値データ
は、画像処理装置５５において、二次元投影画像化さ
れ、さらに、コンピュータ上でのデジタル画像処理によ
って再構成されて、半導体材料内部の三次元断層像が再
生される。
装置５３で得られた分光透過率画像（分光画像）から、
上述した誘電関数理論を利用して、半導体材料１５のキ
ャリア密度、移動度、抵抗率、電気伝導度を算出する装
置である。演算装置５４によって得られた数値データ
は、画像処理装置５５において、二次元投影画像化さ
れ、さらに、コンピュータ上でのデジタル画像処理によ
って再構成されて、半導体材料内部の三次元断層像が再
生される。
【００７１】この非走査型イメージング方式によれば、
テラヘルツパルス光を半導体材料１５の全体に一括照射
すると共に、透過パルス光のＸ−Ｙ面内の電場強度分布
（透過イメージ）を一括で計測するため、計測時間を大
幅に短縮できる。上記した実施形態では、半導体材料を
透過したテラヘルツパルス光（透過パルス光,透過イメ
ージ）から分光透過率または分光透過率画像を求め、半
導体材料の電気特性パラメータを測定・評価する装置に
ついて具体的に説明したが、本発明は、半導体材料で反
射したテラヘルツパルス光（反射パルス光,反射イメー
ジ）から分光反射率または分光反射率画像を求め、半導
体材料の電気特性パラメータを測定・評価する装置にも
適用できる。
テラヘルツパルス光を半導体材料１５の全体に一括照射
すると共に、透過パルス光のＸ−Ｙ面内の電場強度分布
（透過イメージ）を一括で計測するため、計測時間を大
幅に短縮できる。上記した実施形態では、半導体材料を
透過したテラヘルツパルス光（透過パルス光,透過イメ
ージ）から分光透過率または分光透過率画像を求め、半
導体材料の電気特性パラメータを測定・評価する装置に
ついて具体的に説明したが、本発明は、半導体材料で反
射したテラヘルツパルス光（反射パルス光,反射イメー
ジ）から分光反射率または分光反射率画像を求め、半導
体材料の電気特性パラメータを測定・評価する装置にも
適用できる。
【００７２】
【発明の効果】本発明の電気特性評価装置および電気特
性評価方法によれば、半導体材料の電気的特性に敏感な
テラヘルツ周波数領域の光を用い、透過または反射して
きたテラヘルツパルス光の情報に基づいて半導体材料の
電気的特性に係わるキャリア密度、移動度、抵抗率、電
気伝導度を算出できる。したがって、半導体材料の破壊
や接触を全くともなわずに、簡便且つリアルタイムな測
定・評価が可能となる。
性評価方法によれば、半導体材料の電気的特性に敏感な
テラヘルツ周波数領域の光を用い、透過または反射して
きたテラヘルツパルス光の情報に基づいて半導体材料の
電気的特性に係わるキャリア密度、移動度、抵抗率、電
気伝導度を算出できる。したがって、半導体材料の破壊
や接触を全くともなわずに、簡便且つリアルタイムな測
定・評価が可能となる。
【００７３】また、テラヘルツ時間領域計測手段とドル
ーデの解析手法または誘電関数理論を利用することによ
り、半導体材料の複素屈折率から光吸収係数が容易に算
出できる。また、電気的物性値の空間分布として二次元
画像化することにより、測定・評価時間の短縮が図れ
る。
ーデの解析手法または誘電関数理論を利用することによ
り、半導体材料の複素屈折率から光吸収係数が容易に算
出できる。また、電気的物性値の空間分布として二次元
画像化することにより、測定・評価時間の短縮が図れ
る。
【００７４】また、集光光束を用い、機械的走査機構を
備えることにより、半導体材料の測定領域を任意に選択
することができる。また、半導体材料全面に一括照射す
る拡大光束を用い、拡大光束が照射された半導体材料全
面からの透過パルス光または反射パルス光を一括で検出
する二次元光検出手段を備えることにより、短時間で光
検出が完了する。
備えることにより、半導体材料の測定領域を任意に選択
することができる。また、半導体材料全面に一括照射す
る拡大光束を用い、拡大光束が照射された半導体材料全
面からの透過パルス光または反射パルス光を一括で検出
する二次元光検出手段を備えることにより、短時間で光
検出が完了する。
【図１】本実施形態の電気特性評価装置の走査型イメー
ジング測光方式を説明するための模式図である。
ジング測光方式を説明するための模式図である。
【図２】本実施形態の電気特性評価装置による時系列波
形計測の原理を説明するためのブロック図である。
形計測の原理を説明するためのブロック図である。
【図３】本実施形態の走査型イメージング測光方式の電
気特性評価装置の全体構成図である。
気特性評価装置の全体構成図である。
【図４】本実施形態の電気特性評価装置による時系列透
過イメージ(ａ)と分光特性(ｂ)の関係を示す図である。
過イメージ(ａ)と分光特性(ｂ)の関係を示す図である。
【図５】本実施形態の電気特性評価装置による解析手法
の原理を示す図である。
の原理を示す図である。
【図６】本実施形態の電気特性評価装置による解析手法
（ドルーデの光吸収理論を用いた手法）を示すプロセス
図である。
（ドルーデの光吸収理論を用いた手法）を示すプロセス
図である。
【図７】本実施形態の電気特性評価装置によって三次元
断層像を得る過程を示す概念図である。
断層像を得る過程を示す概念図である。
【図８】本実施形態の走査型イメージング測光方式の電
気特性評価装置の部品構成を示す全体図である。
気特性評価装置の部品構成を示す全体図である。
【図９】本実施形態の電気特性評価装置によって得られ
た電場強度の時系列波形である。
た電場強度の時系列波形である。
【図１０】本実施形態の電気特性評価装置によって得ら
れた電場振幅の周波数依存性のグラフである。
れた電場振幅の周波数依存性のグラフである。
【図１１】本実施形態の電気特性評価装置によって得ら
れた半導体の電気的特性を表す画像である。
れた半導体の電気的特性を表す画像である。
【図１２】本実施形態の電気特性評価装置の非走査型イ
メージング測光方式を説明するための模式図である。
メージング測光方式を説明するための模式図である。
【図１３】本実施形態の非走査型イメージング測光方式
の電気特性評価装置の全体構成図である。
の電気特性評価装置の全体構成図である。
【図１４】走査型イメージング測光方式を用いた電気特
性評価装置の別の構成を示す図である。
性評価装置の別の構成を示す図である。
【図１５】電気特性評価装置による別の解析手法（誘電
関数理論を用いた手法）を示すプロセス図である。
関数理論を用いた手法）を示すプロセス図である。
【図１６】非走査型イメージング測光方式を用いた電気
特性評価装置の別の構成を示す図である。
特性評価装置の別の構成を示す図である。
１，１１，４１，５１ 測定室 ２，１２，２２ テラヘルツパルス光源 ３，１３ 試料室 ３ａ，１３ａ，２３ａ 測光光学系 ４ 機械的走査機構（Ｘ−Ｙステージ） ５，１５，２５ 半導体材料 ６，２６ テラヘルツパルス検出器 ７，１７，４２，５２ 計測・記憶装置 ８，１８，４３，５３ データ処理装置 ９，１９，４４，５４ 演算装置 １０，２０，４５，５５ 画像処理装置 １０Ａ，２０Ａ，４５Ａ，５５Ａ コンピュータ １４ 結像光学系 １６ イメージ検出器 ２１ フェムト秒可視光パルスレーザー ２４ 時間遅延可動ミラー ２７ 時間遅延装置 ２８ 半透過ミラー ３６ イメージングカメラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G059 AA05 BB16 CC20 DD13 EE01 EE02 EE12 FF02 FF04 GG01 GG08 HH02 JJ01 JJ11 JJ13 KK04 MM01 MM09 MM10 4M106 AA01 AA10 AA20 BA05 BA20 CA10 CB01 CB12 DH09 DH12 DH32 DJ04 DJ11 DJ23
Claims (11)
- 【請求項１】 テラヘルツパルス光を半導体材料に照射
するテラヘルツパルス光源と、 前記半導体材料からの透過パルス光または反射パルス光
を検出する光検出手段と、 前記透過パルス光または反射パルス光の電場強度の時系
列波形から分光透過率または分光反射率を得るテラヘル
ツ時間領域計測手段と、 前記分光透過率または分光反射率に基づいて前記半導体
材料の電気的特性パラメータを算出する演算手段とを備
えたことを特徴とする半導体の電気特性評価装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の半導体の電気特性評価
装置において、 前記演算手段は、ドルーデの光吸収理論に基づく解析手
法を実行することを特徴とする半導体の電気特性評価装
置。 - 【請求項３】 請求項１に記載の半導体の電気特性評価
装置において、 前記演算手段は、誘電関数理論に基づく解析手法を実行
することを特徴とする半導体の電気特性評価装置。 - 【請求項４】 請求項１から請求項３の何れか１項に記
載の半導体の電気特性評価装置において、 前記電気的特性パラメータを空間的分布として二次元画
像化する画像処理手段をさらに備えたことを特徴とする
半導体の電気特性評価装置。 - 【請求項５】 請求項１から請求項４の何れか１項に記
載の半導体の電気特性評価装置において、 前記テラヘルツパルス光を集光して集光光束を前記半導
体材料に導く集光光学系と、 前記集光光束と前記半導体材料とを前記半導体材料の表
面内で相対的に移動させる機械的走査機構とをさらに備
えたことを特徴とする半導体の電気特性評価装置。 - 【請求項６】 請求項１から請求項４の何れか１項に記
載の半導体の電気特性評価装置において、 前記テラヘルツパルス光の径を拡大して拡大光束を前記
半導体材料の全面に一括で導く拡大光学系をさらに備
え、 前記光検出手段は、前記拡大光束により照射された前記
半導体材料からの透過パルス光または反射パルス光を二
次元的に検出する二次元光検出手段であることを特徴と
する半導体の電気特性評価装置。 - 【請求項７】 請求項５に記載の半導体の電気特性評価
装置において、 前記集光光束と前記半導体材料とを相対的に回転させる
回転機構と、各々の回転角度における複数の前記二次元
画像から三次元断層像を合成するコンピュータグラフィ
ック手段とをさらに備えたことを特徴とする半導体の電
気特性評価装置。 - 【請求項８】 請求項６に記載の半導体の電気特性評価
装置において、 前記拡大光束と前記半導体材料とを相対的に回転させる
回転機構と、 各々の回転角度における複数の前記二次元画像から三次
元断層像を合成するコンピュータグラフィック手段とを
さらに備えたことを特徴とする半導体の電気特性評価装
置。 - 【請求項９】 テラヘルツパルス光を集光して集光光束
を半導体材料に照射し、前記集光光束と前記半導体材料
とを前記半導体材料の表面内で相対的に移動させ、前記
半導体材料の各点からの透過パルス光または反射パルス
光を順次検出し、前記透過パルス光または反射パルス光
の電場強度の時系列波形からそれぞれ分光透過率または
分光反射率を算出し、前記分光透過率または分光反射率
に基づいて前記半導体材料の電気的特性パラメータを算
出することを特徴とする半導体の電気特性評価方法。 - 【請求項１０】 テラヘルツパルス光の径を拡大して拡
大光束を半導体材料の全面に一括照射し、前記拡大光束
が照射された前記半導体材料からの透過パルス光または
反射パルス光を一括で検出し、前記透過パルス光または
反射パルス光の電場強度の時系列波形からそれぞれ分光
透過率または分光反射率を算出し、前記分光透過率また
は分光反射率に基づいて前記半導体材料の電気的特性パ
ラメータを算出することを特徴とする半導体の電気特性
評価方法。 - 【請求項１１】 請求項９または請求項１０に記載の半
導体の電気特性評価方法において、 前記透過パルス光または前記反射パルス光を検出する光
路に前記半導体材料を挿入した状態での前記電場強度の
時系列波形と、前記検出する光路から前記半導体材料を
取り除いた状態での電場強度の時系列波形とに基づい
て、前記分光透過率または前記分光反射率を算出するこ
とを特徴とする半導体の電気特性評価方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000282497A JP4476462B2 (ja) | 2000-03-27 | 2000-09-18 | 半導体の電気特性評価装置 |
| KR1020010008070A KR20010091010A (ko) | 2000-03-27 | 2001-02-19 | 반도체의 전기특성 평가장치 및 전기특성 평가방법 |
| US09/816,085 US20010029436A1 (en) | 2000-03-27 | 2001-03-26 | Semiconductor electrical characteristics evaluation apparatus and semiconductor electrical characteristics evaluation method |
| TW90107195A TW571106B (en) | 2000-03-27 | 2001-03-27 | Evaluation device for electrical characteristics of semiconductor and evaluation method for electrical characteristics |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000085982 | 2000-03-27 | ||
| JP2000-218673 | 2000-07-19 | ||
| JP2000-85982 | 2000-07-19 | ||
| JP2000218673 | 2000-07-19 | ||
| JP2000282497A JP4476462B2 (ja) | 2000-03-27 | 2000-09-18 | 半導体の電気特性評価装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002098634A true JP2002098634A (ja) | 2002-04-05 |
| JP4476462B2 JP4476462B2 (ja) | 2010-06-09 |
Family
ID=27342802
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000282497A Expired - Lifetime JP4476462B2 (ja) | 2000-03-27 | 2000-09-18 | 半導体の電気特性評価装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20010029436A1 (ja) |
| JP (1) | JP4476462B2 (ja) |
| KR (1) | KR20010091010A (ja) |
| TW (1) | TW571106B (ja) |
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| WO2005019809A1 (ja) | 2003-08-22 | 2005-03-03 | Japan Science And Technology Agency | 時系列変換パルス分光計測装置の時系列信号取得のための光路差補償機構 |
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| JP2006133178A (ja) * | 2004-11-09 | 2006-05-25 | Tochigi Nikon Corp | 測定装置 |
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| KR100787988B1 (ko) * | 2003-06-25 | 2007-12-24 | 캐논 가부시끼가이샤 | 고주파 전기 신호 제어 장치 및 센싱 시스템 |
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| JP2008249695A (ja) * | 2007-03-07 | 2008-10-16 | Canon Inc | 画像形成装置、及び画像形成方法 |
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| JP2009276080A (ja) * | 2008-05-12 | 2009-11-26 | Hamamatsu Photonics Kk | テラヘルツ波周波数分解イメージング装置 |
| JP2009287960A (ja) * | 2008-05-27 | 2009-12-10 | Denso Corp | 非接触測定装置 |
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| JP2011054863A (ja) * | 2009-09-04 | 2011-03-17 | Institute Of Physical & Chemical Research | 移動度測定装置及びその方法、並びに、抵抗率測定装置及びその方法 |
| WO2011040350A1 (ja) * | 2009-09-30 | 2011-04-07 | 株式会社アドバンテスト | 電磁波測定装置 |
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