JP2602523B2 - カソードルミネッセンス測定装置 - Google Patents

カソードルミネッセンス測定装置

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JP2602523B2 JP63060204A JP6020488A JP2602523B2 JP 2602523 B2 JP2602523 B2 JP 2602523B2 JP 63060204 A JP63060204 A JP 63060204A JP 6020488 A JP6020488 A JP 6020488A JP 2602523 B2 JP2602523 B2 JP 2602523B2
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【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は半導体結晶等に電子線およびレーザ光線を照
射し、その照射によって生ずる光(ルミネッセンス)ス
ペクトルおよびその強度を測定し、そのスペクトルの成
因である不純物、格子欠陥およびその複合体を同定する
ことによって半導体結晶等の品質を評価する装置に関す
るものである。
<従来の技術> ルミネッセンススペクトルおよびその強度を測定する
方法の主なものとして、カソードルミネッセンス法とフ
ォトルミネッセンス法があるが、それぞれの測定法から
得られる半導体結晶品質の情報はかならずしも一致せ
ず、むしろカソードルミネッセンス測定のデータとフォ
トルミネッセンス測定のデータは半導体結晶評価におい
て相補的な関係にある場合もある。このために試料の同
じ位置におけるカソードルミネッセンス測定とフォトル
ミネッセンス測定が要求されることが多々ある。しかし
ながら、従来の装置では、カソードルミネッセンス装置
とフォトルミネッセンス装置とは別個の装置となってい
ることが主であり、各測定毎に試料をそれぞれの装置に
設置しなおさなければならず、試料の同じ位置の判別が
煩雑であるという欠点があった。また、カソードルミネ
ッセンス装置にレーザ光線を導入して、カソードルミネ
ッセンス測定とフォトルミネッセンス測定とを同時に行
う方法も若干試みられているが、ルミネッセンス光学系
とレーザ光線導入光学系とが別々になっていることと、
これらの光学系の調整を真空中で行う構成となっている
ことの理由から、電子線とレーザ光線とを一致させるこ
とが困難であるという問題があった。さらには、真空装
置内での空間が少ないという制限のためにレーザ光線を
試料上で100μmφ程度にしか集光することができない
という欠点があった。すなわち、カソードルミネッセン
ス測定では、ビームサイズが〜1μmφであり、レーザ
光線の照射領域が電子線の照射領域を含むことはあって
も、同一場所の測定情報とはいいがたく、同一場所の情
報を得ることが困難であるという問題があった。
<発明が解決しようとする課題> 本発明はカソードルミネッセンス測定とフォトルミネ
ッセンス測定とを同一の装置で実現することを特徴と
し、その目的は同一試料の同一場所においてそれぞれの
ルミネッセンスを独立に、あるいは、同時に測定するこ
とにある。
<課題を解決するための手段> 斯かる目的を達成する本発明の構成は試料に電子線を
照射し、この照射によって生ずるルミネッセンスを測定
する装置において、前記電子線の照射位置を変位させる
電子線偏向器と、前記ルミネッセンスを焦光する回転楕
円ミラーと、該回転楕円ミラーの第1の焦点において前
記試料3次元的に移動させる保持装置と、前記回転楕円
ミラーの第2の焦点位置に着脱自在に設置されるピンホ
ールと、レーザ光の光源及び該レーザ光を前記ピンホー
ルへ導くミラーと、前記ピンホール内の前記ルミネッセ
ンスの像を撮影するモニタカメラと、該モニタカメラか
らの信号により前記ルミネッセンスの像を表示するディ
スプレイと、前記モニタカメラへ前記ルミネッセンスの
光路を切り替える光学素子とからなることを特徴とす
る。
<作用> ピンホールを通過したレーザ光は回転楕円ミラーに反
射されて、第1焦点にある試料に照射される。これによ
って生じるフォトルミネッセンスは、回転楕円ミラーに
よって集光されることになる。
<実 施 例> 以下、本発明の一実施例について図面を参照して詳細
に説明する。
第1図に本発明の一実施例を示す。同図に示されるよ
うに、真空容器1にはターボポンプ、イオンポンプなど
の排気系が付属して高真空となっている。真空容器1内
では電子銃3より発射された電子線Eが電子線光学系4
及び電子レンズ5によって集束され、XYZステージ6に
置かれた試料7にスポット状で照射する。照射位置は電
子線偏向器8によって変位させることができる。また、
XYZステージ6は試料7を3次元的に移動させることが
できる。試料7としては半導体結晶などが使用され、電
子線Eが照射された位置からカソードルミネッセンスが
発生する。このカソードルミネッセンスは回転楕円ミラ
ー9により集光され、光学窓10を介して大気中へ導出さ
れる。ここで、回転楕円ミラー9はX−Y−Zの3次元
座標系において、例えば下式で与えられる。
このようにして与えられる回転楕円ミラー9の1つの
焦点座標は(a−b,o,o)、もう1つの焦点座標は(a
+b,o,o)である。前者を第1焦点A、後者を第2焦点
Bとする。そして、第1図に示すように、試料7の表面
をX−Y平面とし、その高さ方向をZ方向とし、更に第
1焦点Aに試料7が大まかに一致するように調整されて
いる。
一方、大気中に導出されたカソードルミネッセンスは
第2焦点Bを通過し、レンズ19により収束されて分光器
15に導かれ、検出器16でその強度が測定されることにな
る。
更に、第2焦点Bにピンホール11が着脱自在に設けら
れ、この第2焦点Bとレンズ19との間には切替鏡12,17
が配置される。切替鏡17はレーザ光発生装置18からのレ
ーザ光Lを第2焦点Bに導く一方、切替鏡12はルミネッ
センスの光路を切り替えて、レンズ20、モニタカメラ13
へ導く。モニタカメラ13はピンホール11内のルミネッセ
ンスの像を撮影し、ディスプレイ14はその像を表示す
る。
上記構成を有する本実施例のカソードルミネッセンス
測定装置は次の様に使用する。
まず、真空容器1内において、電子線Eを試料7に照
射し、カソードルミネッセンスを発生させ、回転楕円ミ
ラー9により焦光して大気中へ導出する。この時、ピン
ホール11の取り外して、切替鏡12にて光路をモニタカメ
ラ13へと切り替えて、モニタカメラ13にてカソードルミ
ネッセンスの像を観察し、その像をディスプレイ14に表
示する。ここで、電子線偏向器8により照射位置をXY平
面で調整しておらず、試料7をX−Y−Z方向に調整し
ていないために、回転楕円ミラー9の第1焦点Aの位置
に試料7の発光点が正確に一致せず、このため、ディス
プレイ14上に表示されるルミネッセンス像は点となら
ず、広がった像となる。そこで、ディスプレイ14上のル
ミネッセンス像が点となるように、電子線偏光器8を用
いて電子線EをXY平面上で調整すると共にXYZステージ
6により試料7をX−Y−Z方向で調整する。このよう
にして、試料7上のカソードルミネッセンスの発光点を
回転楕円ミラー9の第1焦点Aに正確に一致させる。
次に、第2焦点Bにピンホール11を設置すると共にレ
ーザ光発生装置18から発生したレーザ光Lを切替鏡17を
介してピンホール11に照射する。ピンホール11を通過し
たレーザ光Lはカソードルミネッセンスと逆のコースす
なわち回転楕円ミラー9を経由して試料7に照射され
る。回転楕円ミラー9の光学的特性によれば、一方の焦
点を通過した光線は他方の焦点を通過する。上述したよ
うに電子線偏向器8、XYZステージ6の調整により回転
楕円ミラー9の第1焦点Aにカソードルミネッセンスの
発光点を正確に一致させているので、第2焦点Bに設置
されたピンホール11を通過するレーザ光Lは、回転楕円
ミラー9の第1焦点Aに位置する試料7上のカソードル
ミネッセンスの発光点に正確に照射されることになる。
しかも、レーザ光Lが回転楕円ミラー9により焦光さ
れて照射されるので、レーザ光のビームサイズが絞られ
る。即ち、第1図に示すように、レーザ光線が第2焦点
Bを通過して、回転楕円ミラー9上のC点で反射して、
第1焦点Aの試料に照射される場合、レーザの光路長は
AC+BCで与えられる。ここで、回転楕円ミラー9には、
回転楕円ミラー上のいづれの点において反射してもこの
光路長は一定2aであるという性質がある。また、像の倍
率は、光路長BCと光路長ACの比であらわされる。すなわ
ち、レーザ光線が反射するC点が第2焦点のB点より第
1焦点のA点の方に近ければ、像はAC/BCに縮小され
る。なぜなら、AC<BCであるからである。
回転楕円ミラー9の反射点Cを第1焦点の直上近傍と
すると、光路長ACは〜(a2−b2)/a、光路長BCは〜(a2
+b2)/aとなり、第2焦点Bでのレーザ光Lのビームサ
イズがDのとき、光路長ACは試料上でのビームサイズ
は、D×(a2−b2)/(a2+b2)程度に縮小される。具
体例としてa=115mm、b=110mmなる数値を有する回転
楕円ミラーを用いると、ビームサイズの縮小率は〜1/22
となり、第2焦点Bでのレーザ光線のサイズが100μm
φの場合、試料上では約4.5μmφに絞ることができ
る。第2図は試料上でのレーザ光のサイズを測定した実
施例である。回転楕円ミラーの設計値は、a=115mm、
b=110mmであり、第2焦点でのレーザ光の直径は約300
μmである。試料の端付近で試料を移動させながらフォ
トルミネッセンス強度を測定したものであり、試料から
レーザ光がずれるとフォトルミネッセンスの強度が大き
く低下するからレーザ光のサイズは約12μmφと見積る
ことができる。この値は設計値にほぼ一致する。これよ
り、従来は、真空装置1内での空間的な制限のためにレ
ーザ光Lを試料上で100μmφ程度にしか絞れなかった
のに対して、本発明によれば、回転楕円ミラー9の設計
によってレーザ光Lを10μmφ程度に容易に絞れるとい
う利点がある。
また、カソードルミネッセンスの測定に際してレーザ
光Lを同時に照射することによって、試料7である半導
体結晶中に過剰の電子・正孔を発生させ、特に、半絶縁
性結晶試料のカソードルミネッセンス強度を増すという
利点があり、レーザ光Lの光量を変えてカソードルミネ
ッセンスを測定することができるという利点がある。さ
らに、フォトルミネッセンスの測定に際して電子線Eを
同時に照射し、電子の加速エネルギーを変えてフォトル
ミネッセンスを測定することによって、電子線照射下の
試料の劣化プロセスをリアルタイムで解析できる利点が
ある。
尚、フォトルミネッセンスの測定はカソードルミネッ
センスの測定と同様に行う。即ちレーザ光Lの照射によ
り生じたフォトルミネッセンスを回転楕円ミラー9によ
り集光し光学窓10を介して大気中へ導出し、第2焦点B
に集束させる。次に、切替鏡12を介してモニタカメラ13
を用いて直接撮影し、その像をディスプレイ14に表示す
る。ここで、切替鏡15を調整して電子線Eによる発光の
位置とレーザ光Rによる発光の位置とを一致させる。そ
の後、試料上での電子線Eの照射位置とレーザ光Lの照
射位置とを一致させた後、切替鏡12を取り外して、それ
ぞれのルミネッセンスを分光器15に導入し、検出器16で
その強度を測定する。
<発明の効果> 以上説明したように、本発明のカソードルミネッセン
ス測定装置においてはルミネッセンス集光用の回転楕円
ミラーをレーザ光線の集光系としても共用し、電子線お
よびレーザ光線それぞれの発光点をモニタカメラで観測
する構造となっているために、電子線の照射位置とレー
ザ光線の照射位置を切替え鏡の調整だけで容易に一致さ
せることができる。よって、電子線照射で生ずるカソー
ドルミネッセンスとレーザ光線照射で生ずるフォトルミ
ネッセンスとを同一試料の同一点において測定すること
ができるという利点がある。尚、切替鏡12に代えてハー
フミラーを使用するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す説明図、第2図は移動
距離とフォトルミネッセンス強度の関係を示すグラフで
ある。 図面中、1は真空容器、2は排気系、3は電子銃、4は
電子線光学系、5は電子レンズ、6はxyzステージ、7
は試料、8は電子線偏向器、9は回転楕円ミラー、10は
光学用窓、12は切替鏡またはハーフミラー、13はモニタ
カメラ、14はディスプレイ、18はレーザ光線発生装置、
17は切替鏡、11はピンホール、15は分光器、16は検出
器、Aは第1焦点、Bは第2焦点、Eは電子線、Lはレ
ーザ光である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−55250(JP,A) 特開 昭58−155733(JP,A) 特開 昭56−27640(JP,A) 特開 昭61−284649(JP,A) 特開 昭63−61938(JP,A) 特開 昭61−195336(JP,A) 特開 昭60−247141(JP,A) 特開 昭60−122332(JP,A) 特開 平1−235141(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料に電子線を照射し、この照射によって
    生ずるルミネッセンスを測定する装置において、前記電
    子線の照射位置を変位させる電子線偏向器と、前記ルミ
    ネッセンスを焦光する回転楕円ミラーと、該回転楕円ミ
    ラーの第1の焦点において前記試料3次元的に移動させ
    る保持装置と、前記回転楕円ミラーの第2の焦点位置に
    着脱自在に設置されるピンホールと、レーザ光の光源及
    び該レーザ光を前記ピンホールへ導くミラーと、前記ピ
    ンホール内の前記ルミネッセンスの像を撮影するモニタ
    カメラと、該モニタカメラからの信号により前記ルミネ
    ッセンスの像を表示するディスプレイと、前記モニタカ
    メラへ前記ルミネッセンスの光路を切り替える光学素子
    とからなることを特徴とするカソードルミネッセンス測
    定装置。
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JPH0621189A (ja) * 1991-10-04 1994-01-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 材料の損傷の評価方法
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