JP3103761B2 - 光励起を用いた半導体材料の応答分析の方法及び装置 - Google Patents
光励起を用いた半導体材料の応答分析の方法及び装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光励起を用いた半導
体材料の応答分析の方法及び装置に関し、電子エネルギ
ーの蓄積はレーザ・ビームによって対象物内で実行さ
れ、同電子エネルギーの緩和は対象物から出射する光ル
ミネセント放射の形態で測定される。
体材料の応答分析の方法及び装置に関し、電子エネルギ
ーの蓄積はレーザ・ビームによって対象物内で実行さ
れ、同電子エネルギーの緩和は対象物から出射する光ル
ミネセント放射の形態で測定される。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】測定技
術に関する課題、即ち、高い局部分解能（hoher Ortsau
floesung）をともなう固体、主に半導体内の再結合チャ
ネルの分析は接触法及び非接触法を用いて試みられてい
る。
術に関する課題、即ち、高い局部分解能（hoher Ortsau
floesung）をともなう固体、主に半導体内の再結合チャ
ネルの分析は接触法及び非接触法を用いて試みられてい
る。
【０００３】ロックイン検出（周波数定義域の場合）ま
たはボックスカー積分（Boxcar-Integration）（時間定
義域の場合）を用いた簡単な変調を利用する電気的方法
または光電子的方法の基本的な問題点としては、接触の
必要性が挙げられる。非接触法では、光ルミネセンスの
測定は放射再結合の特徴づけを行う最も古い方法のうち
の１つである（例：１９７８年に発行された応用物理学
通信（Appl. Phys. Lett.）第３３巻９９２頁に記載さ
れているダブリュ．ディ．ジョンストンの記述を参
照）。１９８６年に発行された応用物理学通信第４９巻
１７３２頁に記載されているジェイ．マレックの記述が
開示するように、変調された励起（modulierte Anregun
g）は要求された測定感度を保証し、変調周波数の選択
は高い局部分解能を可能にする。局部分解された光ルミ
ネセンス（ortsaufgeloeste Photolumineszenz）は変調
されたレーザ放射により、電荷担体波の低い励起密度を
ともなって一般的に形成される。この場合、強度評価に
は実質的な誤差が生ずる。このため、分光学的分析のみ
が行われる。更に、直接光の成分の単純な分離に起因し
て、変調は低い周波数に限定される。
たはボックスカー積分（Boxcar-Integration）（時間定
義域の場合）を用いた簡単な変調を利用する電気的方法
または光電子的方法の基本的な問題点としては、接触の
必要性が挙げられる。非接触法では、光ルミネセンスの
測定は放射再結合の特徴づけを行う最も古い方法のうち
の１つである（例：１９７８年に発行された応用物理学
通信（Appl. Phys. Lett.）第３３巻９９２頁に記載さ
れているダブリュ．ディ．ジョンストンの記述を参
照）。１９８６年に発行された応用物理学通信第４９巻
１７３２頁に記載されているジェイ．マレックの記述が
開示するように、変調された励起（modulierte Anregun
g）は要求された測定感度を保証し、変調周波数の選択
は高い局部分解能を可能にする。局部分解された光ルミ
ネセンス（ortsaufgeloeste Photolumineszenz）は変調
されたレーザ放射により、電荷担体波の低い励起密度を
ともなって一般的に形成される。この場合、強度評価に
は実質的な誤差が生ずる。このため、分光学的分析のみ
が行われる。更に、直接光の成分の単純な分離に起因し
て、変調は低い周波数に限定される。
【０００４】更に、非接触法として高い励起エネルギー
をともなう光熱分光学の各種プロセスが周知であり、こ
の代表例としては米国特許第４，５７９，４６３号、ド
イツ特許第４０３５２６６号及びドイツ特許第４２２３
３３７号が挙げられる。これらのプロセスにおける問題
点としては温度波の優勢が挙げられる。このため、材料
の熱特性の影響は測定パラメータを支配し、１μｓ未満
の電荷担体寿命を備えた電荷担体波の影響がゼロに近づ
く。これは電気的特性を決定する能力を大きく低減させ
る。
をともなう光熱分光学の各種プロセスが周知であり、こ
の代表例としては米国特許第４，５７９，４６３号、ド
イツ特許第４０３５２６６号及びドイツ特許第４２２３
３３７号が挙げられる。これらのプロセスにおける問題
点としては温度波の優勢が挙げられる。このため、材料
の熱特性の影響は測定パラメータを支配し、１μｓ未満
の電荷担体寿命を備えた電荷担体波の影響がゼロに近づ
く。これは電気的特性を決定する能力を大きく低減させ
る。
【０００５】従って、本発明の目的は高い励起出力及び
短い電荷担体寿命を備えた電荷担体波を十分に高い精度
で検出することを可能にする光励起を用いた半導体材料
の応答分析の方法及び装置を提供することにある。
短い電荷担体寿命を備えた電荷担体波を十分に高い精度
で検出することを可能にする光励起を用いた半導体材料
の応答分析の方法及び装置を提供することにある。
【０００６】本発明の別の目的は半導体の光励起を利用
して電荷担体再結合の放射チャネル及び非放射チャネル
（strahlende und strahlungslose Kanaele）を検出す
るとともに、同チャネルの個々の評価を可能にすること
にある。
して電荷担体再結合の放射チャネル及び非放射チャネル
（strahlende und strahlungslose Kanaele）を検出す
るとともに、同チャネルの個々の評価を可能にすること
にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】電子エネルギーの蓄積が
レーザ・ビームによって対象物内で実行され、同電子エ
ネルギーの緩和が対象物から出射するルミネセント放射
の形態で測定される半導体材料の光励起を用いた応答分
析を行う方法において、本発明の目的は励起用レーザ・
ビームの強度を変調し、その際、周波数スペクトルが２
つの不連続な変調周波数を有し、対象物から出射するル
ミネセント光線を変調周波数の混合周波数、即ち、和周
波数または差周波数について測定し、ルミネセント光線
を変調周波数の算術平均の関数として分析する方法によ
って達成される。
レーザ・ビームによって対象物内で実行され、同電子エ
ネルギーの緩和が対象物から出射するルミネセント放射
の形態で測定される半導体材料の光励起を用いた応答分
析を行う方法において、本発明の目的は励起用レーザ・
ビームの強度を変調し、その際、周波数スペクトルが２
つの不連続な変調周波数を有し、対象物から出射するル
ミネセント光線を変調周波数の混合周波数、即ち、和周
波数または差周波数について測定し、ルミネセント光線
を変調周波数の算術平均の関数として分析する方法によ
って達成される。
【０００８】変調周波数のうちのいづれか一方でそれぞ
れ強度が変調された２つの部分ビームから励起用レーザ
・ビームを形成することにより、２つの変調周波数が励
起用レーザ・ビーム内に効果的に形成される。
れ強度が変調された２つの部分ビームから励起用レーザ
・ビームを形成することにより、２つの変調周波数が励
起用レーザ・ビーム内に効果的に形成される。
【０００９】モデルをベースとした計算を用いて半導体
の電気的パラメータを直接決定し得る測定値の簡単なル
ミネセンス・マッピング（局部的に分解されたルミネセ
ンス測定）から卒業するために、励起用レーザ・ビーム
の複数の変調周波数を広範囲内において変化（周波数掃
引）させることが望ましい。この際、複数の変調周波数
の差は一定に維持される。
の電気的パラメータを直接決定し得る測定値の簡単なル
ミネセンス・マッピング（局部的に分解されたルミネセ
ンス測定）から卒業するために、励起用レーザ・ビーム
の複数の変調周波数を広範囲内において変化（周波数掃
引）させることが望ましい。この際、複数の変調周波数
の差は一定に維持される。
【００１０】２つの部分ビームは互いに直交する方向へ
それぞれ偏光される。更に、電荷担体の寿命を測定する
ために、２つの部分ビームは空間的に互いに分離し、か
つ互いに隣接する対象物上の複数の入射点へフォーカス
することが好ましい。これを実現すべく、２つの部分ビ
ームは対象物上へそれぞれフォーカスされ、同対象物上
における両部分ビームの間隔は励起された複数の電荷担
体の予測拡散距離の最大で２倍をなす。
それぞれ偏光される。更に、電荷担体の寿命を測定する
ために、２つの部分ビームは空間的に互いに分離し、か
つ互いに隣接する対象物上の複数の入射点へフォーカス
することが好ましい。これを実現すべく、２つの部分ビ
ームは対象物上へそれぞれフォーカスされ、同対象物上
における両部分ビームの間隔は励起された複数の電荷担
体の予測拡散距離の最大で２倍をなす。
【００１１】励起用レーザ・ビーム内に２つの不連続な
変調周波数を形成する別の効果的な方法としては、レー
ザ・ビームを搬送周波数ｆ1＝（Ω1＋Ω2）／２及び基
本クロック周波数ｆ2＝Ω1−Ω2で変調し、搬送周波数
及び側帯波（ｆ1±ｆ2）から得られた混合周波数と同位
相をなす基本クロック周波数の成分を同成分を妨害量
（Stoergroesse）として変調プロセスへフィードバック
することによって検出し、かつ排除することが挙げられ
る。励起用レーザ・ビームの二重変調の例において、２
つの変調周波数は対象物の電気的パラメータの決定を可
能にすべく、相互の差を一定に保ちながら広範囲内で変
化（周波数掃引）させることが好ましい。
変調周波数を形成する別の効果的な方法としては、レー
ザ・ビームを搬送周波数ｆ1＝（Ω1＋Ω2）／２及び基
本クロック周波数ｆ2＝Ω1−Ω2で変調し、搬送周波数
及び側帯波（ｆ1±ｆ2）から得られた混合周波数と同位
相をなす基本クロック周波数の成分を同成分を妨害量
（Stoergroesse）として変調プロセスへフィードバック
することによって検出し、かつ排除することが挙げられ
る。励起用レーザ・ビームの二重変調の例において、２
つの変調周波数は対象物の電気的パラメータの決定を可
能にすべく、相互の差を一定に保ちながら広範囲内で変
化（周波数掃引）させることが好ましい。
【００１２】一般的に、ルミネセンス放射を検出する３
つの効果的な例が存在する（励起の種類に左右されな
い）。一般的に効果的な例、特に厚い半導体対象物に対
する例は、同対象物の励起面上でルミネセンスを検出す
ることを含む。励起用レーザ・ビームが対象物によって
自動的かつ効果的に遮断されるため、ルミネセンスは対
象物の励起面の反対側、即ち裏面で励起について記録さ
れることが望ましい。光ルミネセンスは対象物の励起面
に対する任意の側面、例えば半導体ウェハの外周面上で
測定される。
つの効果的な例が存在する（励起の種類に左右されな
い）。一般的に効果的な例、特に厚い半導体対象物に対
する例は、同対象物の励起面上でルミネセンスを検出す
ることを含む。励起用レーザ・ビームが対象物によって
自動的かつ効果的に遮断されるため、ルミネセンスは対
象物の励起面の反対側、即ち裏面で励起について記録さ
れることが望ましい。光ルミネセンスは対象物の励起面
に対する任意の側面、例えば半導体ウェハの外周面上で
測定される。
【００１３】前記の問題を解決すべく、ルミネセント光
線を測定する以外に、光熱応答（photothermischen Res
ponse）を対象物と相互作用した後のレーザ・ビームか
ら記録するとともに、その分析及び相関関係の算定が行
われる。この結果、対象物の非放射応答を光熱応答及び
ルミネセンス応答（Lumineszenzresponse）から分離し
得る。光熱応答はドイツ特許第４０３５２６６号及び第
４２２３３３７号に開示されている方法に代表される従
来の方法に基づいて検出される。
線を測定する以外に、光熱応答（photothermischen Res
ponse）を対象物と相互作用した後のレーザ・ビームか
ら記録するとともに、その分析及び相関関係の算定が行
われる。この結果、対象物の非放射応答を光熱応答及び
ルミネセンス応答（Lumineszenzresponse）から分離し
得る。光熱応答はドイツ特許第４０３５２６６号及び第
４２２３３３７号に開示されている方法に代表される従
来の方法に基づいて検出される。
【００１４】光ルミネセンス応答及び光熱応答の組み合
わされた同時検出において、２つの測定値を対象物の異
なる面で測定することにより測定信号を空間的に分離し
て効果的に記録できる。多くの場合、対象物はレーザを
あまり透過しないため、光熱応答を励起面上で測定し、
ルミネセンスを対象物の他の面（例：裏面または側面）
で記録することが望ましい。
わされた同時検出において、２つの測定値を対象物の異
なる面で測定することにより測定信号を空間的に分離し
て効果的に記録できる。多くの場合、対象物はレーザを
あまり透過しないため、光熱応答を励起面上で測定し、
ルミネセンスを対象物の他の面（例：裏面または側面）
で記録することが望ましい。
【００１５】電子エネルギーを対象物内に蓄積すべく同
対象物上にレーザ・ビームをフォーカスし、さらには同
対象物から出射するルミネセント放射を測定すべくルミ
ネセンス検出器を有する半導体材料の光励起を用いた応
答分析のための装置において、本発明の目的はレーザ・
ビームの強度を変調し、同レーザ・ビームが２つの不連
続な変調周波数を自身の変調スペクトル内に有し、ルミ
ネセンス検出器が周波数選択装置に対して接続され、対
象物内において生じる周波数変調から得られたルミネセ
ント放射の成分のみが変調周波数の混合周波数、和周波
数及び差周波数のうちのいづれか１つについて検出可能
であり、周波数選択可能な方法で変調周波数の算術平均
の関数として検出された検出器信号を分析する信号処理
装置がルミネセンス検出器の下流側に配置されている装
置によって達成される。
対象物上にレーザ・ビームをフォーカスし、さらには同
対象物から出射するルミネセント放射を測定すべくルミ
ネセンス検出器を有する半導体材料の光励起を用いた応
答分析のための装置において、本発明の目的はレーザ・
ビームの強度を変調し、同レーザ・ビームが２つの不連
続な変調周波数を自身の変調スペクトル内に有し、ルミ
ネセンス検出器が周波数選択装置に対して接続され、対
象物内において生じる周波数変調から得られたルミネセ
ント放射の成分のみが変調周波数の混合周波数、和周波
数及び差周波数のうちのいづれか１つについて検出可能
であり、周波数選択可能な方法で変調周波数の算術平均
の関数として検出された検出器信号を分析する信号処理
装置がルミネセンス検出器の下流側に配置されている装
置によって達成される。
【００１６】レーザ光源は二重変調されたレーザ・ビー
ムを形成すべく効果的に使用され、モジュレータ構成グ
ループ、即ちサブアセンブリはレーザ光源を２つの変調
周波数で変調すべく提供されている。二重変調されたレ
ーザ・ビームを形成する別の例において、レーザ・ビー
ムは２つの部分ビームから形成され、各部分ビームは変
調周波数のうちのいづれか一方で変調され、同変調はモ
ジュレータ・サブアセンブリによって制御される。
ムを形成すべく効果的に使用され、モジュレータ構成グ
ループ、即ちサブアセンブリはレーザ光源を２つの変調
周波数で変調すべく提供されている。二重変調されたレ
ーザ・ビームを形成する別の例において、レーザ・ビー
ムは２つの部分ビームから形成され、各部分ビームは変
調周波数のうちのいづれか一方で変調され、同変調はモ
ジュレータ・サブアセンブリによって制御される。
【００１７】その一方、２つの部分ビームは光分割器
と、変調周波数のうちのいづれか１つで変調すべく各部
分ビーム内に配置された光モジュレータと、複数の部分
ビームを統合するためにモジュレータの下流側に配置さ
れた光学手段とによってレーザ光源から効果的に形成さ
れる。部分ビームが互いに直交する方向へそれぞれ偏光
されるように偏光手段を部分ビーム内へ配置することが
望ましい。
と、変調周波数のうちのいづれか１つで変調すべく各部
分ビーム内に配置された光モジュレータと、複数の部分
ビームを統合するためにモジュレータの下流側に配置さ
れた光学手段とによってレーザ光源から効果的に形成さ
れる。部分ビームが互いに直交する方向へそれぞれ偏光
されるように偏光手段を部分ビーム内へ配置することが
望ましい。
【００１８】また、部分ビームは２つの独立したレーザ
光源を提供することによって効果的に形成でき、各レー
ザ光源は変調周波数のうちのいづれか一方で駆動され
る。この場合、自身が放射する偏光が互いに直交する方
向へそれぞれ偏光された部分ビームを形成する２つのレ
ーザ・ダイオードを使用することは効果的である。最も
単純なケースでは、これによって形成された複数の部分
ビームを互いに平行に案内し、かつ対象物表面上の対応
する各点へフォーカスすべく同部分ビームは共通の光学
システム内へ案内される。複数の部分ビームを同時に案
内することが望ましい。
光源を提供することによって効果的に形成でき、各レー
ザ光源は変調周波数のうちのいづれか一方で駆動され
る。この場合、自身が放射する偏光が互いに直交する方
向へそれぞれ偏光された部分ビームを形成する２つのレ
ーザ・ダイオードを使用することは効果的である。最も
単純なケースでは、これによって形成された複数の部分
ビームを互いに平行に案内し、かつ対象物表面上の対応
する各点へフォーカスすべく同部分ビームは共通の光学
システム内へ案内される。複数の部分ビームを同時に案
内することが望ましい。
【００１９】特別な構成において、２つの部分ビームは
非平行状態にて共通の光学システム内へ案内され、これ
により同部分ビームの互いに隣接し、かつ空間的に分離
した複数の励起中心が対象物上に形成される。これによ
り、励起された電荷担体の拡散距離及び移動度を確定し
得る。２重変調されたレーザ・ビームの準備において、
複数の変調周波数を広範囲内で変更（周波数掃引）する
駆動装置がモジュレータ・サブアセンブリに付随する場
合、電気材料パラメータ（elektrischen Materialparam
eter）の計算に有利である。この変調周波数の変更で
は、同変調周波数の算術差は常に一定に維持される。半
導体内の放射緩和プロセスの特性はルミネセンス強度測
定値の周波数依存から決定し得る。
非平行状態にて共通の光学システム内へ案内され、これ
により同部分ビームの互いに隣接し、かつ空間的に分離
した複数の励起中心が対象物上に形成される。これによ
り、励起された電荷担体の拡散距離及び移動度を確定し
得る。２重変調されたレーザ・ビームの準備において、
複数の変調周波数を広範囲内で変更（周波数掃引）する
駆動装置がモジュレータ・サブアセンブリに付随する場
合、電気材料パラメータ（elektrischen Materialparam
eter）の計算に有利である。この変調周波数の変更で
は、同変調周波数の算術差は常に一定に維持される。半
導体内の放射緩和プロセスの特性はルミネセンス強度測
定値の周波数依存から決定し得る。
【００２０】本発明に基づく別の装置はルミネセンス検
出器の他に、対象物と相互作用した後のレーザ・ビーム
を検出すべくレーザ検出器を有する。ドイツ特許第４０
３５２６６号及び第４２２３３３７号に開示されている
温度波応答（Thermowellenresponse）の原理を応用した
本発明の装置は励起された電荷担体のルミネセント信号
成分が信号全体（レーザ検出器から出力された信号）か
ら分離することを可能にする。この分離は光熱応答及び
ルミネセント応答の測定に基づいて行われる。そして、
同光熱応答及びルミネセント応答は対象物の光励起の変
調周波数の広範囲にわたって互いに関連している。測定
結果は半導体の放射チャネル及び非放射チャネルの割合
に関する情報を提供する。
出器の他に、対象物と相互作用した後のレーザ・ビーム
を検出すべくレーザ検出器を有する。ドイツ特許第４０
３５２６６号及び第４２２３３３７号に開示されている
温度波応答（Thermowellenresponse）の原理を応用した
本発明の装置は励起された電荷担体のルミネセント信号
成分が信号全体（レーザ検出器から出力された信号）か
ら分離することを可能にする。この分離は光熱応答及び
ルミネセント応答の測定に基づいて行われる。そして、
同光熱応答及びルミネセント応答は対象物の光励起の変
調周波数の広範囲にわたって互いに関連している。測定
結果は半導体の放射チャネル及び非放射チャネルの割合
に関する情報を提供する。
【００２１】励起用レーザ放射がルミネセンス検出器内
においてルミネセンス信号に悪影響を及ぼすことを防止
すべく、反射されたルミネセンス及び伝搬されたルミネ
センスの測定に特に適する２つの工程を含み得る。即
ち、レーザ光線は一方においてダイクロイック・ミラー
によって分離され、他方では吸収フィルタによって分離
される。これらの２つの分離工程を組み合わせて使用し
得る。しかし、対象物がレーザ放射を適切に遮断し得る
場合は、同２つの工程の削除が可能である。
においてルミネセンス信号に悪影響を及ぼすことを防止
すべく、反射されたルミネセンス及び伝搬されたルミネ
センスの測定に特に適する２つの工程を含み得る。即
ち、レーザ光線は一方においてダイクロイック・ミラー
によって分離され、他方では吸収フィルタによって分離
される。これらの２つの分離工程を組み合わせて使用し
得る。しかし、対象物がレーザ放射を適切に遮断し得る
場合は、同２つの工程の削除が可能である。
【００２２】本発明の基本概念は半導体内における電荷
担体の放射緩和メカニズムとしてのルミネセンスに関す
る知識に基づく。この知識は材料内において生じる他の
全ての緩和プロセスにも同様に適用される。
担体の放射緩和メカニズムとしてのルミネセンスに関す
る知識に基づく。この知識は材料内において生じる他の
全ての緩和プロセスにも同様に適用される。
【００２３】ルミネセンスの測定では、周期的及び非周
期的にそれぞれ変調された光による材料励起の各種方法
が周知である。この例としては、欧州特許第０５４５５
２３号に開示された方法が挙げられる。その一方におい
て、複数の周波数による励起は測定技術に関する利点を
提供する。複数の周波数で励起を行う最も簡単なケース
では、２つの周波数Ω1，Ω2が励起に使用される。励起
プロセス及び緩和プロセスの本質的に非直線状をなす特
性を利用することにより、励起周波数範囲から好ましい
測定周波数への周波数変換を実現する効果が得られる。
励起強度に対するルミネセンス強度の二次の依存関係
（quadratischen Abhaengigkeit）が存在する最も基本
的なケースでは、測定対象物から出射するルミネセント
放射は励起のオリジナル周波数Ω1，Ω2の他に和周波数
Ω1＋Ω2及び差周波数Ω1−Ω2を有する。従って、一定
の差周波数Ω1−Ω2において成分を検出することによ
り、緩和の分析を励起の広い周波数範囲内で簡単に実施
できる。この結果、従来の方法ではアクセスが困難であ
り、かつ測定精度の低下を招来した高周波及びデシメー
トル波でも分析が可能である。放射緩和プロセスの特
性、即ち時間に対するその特性は測定されたルミネセン
ト光線の強度の周波数依存から決定し得る。
期的にそれぞれ変調された光による材料励起の各種方法
が周知である。この例としては、欧州特許第０５４５５
２３号に開示された方法が挙げられる。その一方におい
て、複数の周波数による励起は測定技術に関する利点を
提供する。複数の周波数で励起を行う最も簡単なケース
では、２つの周波数Ω1，Ω2が励起に使用される。励起
プロセス及び緩和プロセスの本質的に非直線状をなす特
性を利用することにより、励起周波数範囲から好ましい
測定周波数への周波数変換を実現する効果が得られる。
励起強度に対するルミネセンス強度の二次の依存関係
（quadratischen Abhaengigkeit）が存在する最も基本
的なケースでは、測定対象物から出射するルミネセント
放射は励起のオリジナル周波数Ω1，Ω2の他に和周波数
Ω1＋Ω2及び差周波数Ω1−Ω2を有する。従って、一定
の差周波数Ω1−Ω2において成分を検出することによ
り、緩和の分析を励起の広い周波数範囲内で簡単に実施
できる。この結果、従来の方法ではアクセスが困難であ
り、かつ測定精度の低下を招来した高周波及びデシメー
トル波でも分析が可能である。放射緩和プロセスの特
性、即ち時間に対するその特性は測定されたルミネセン
ト光線の強度の周波数依存から決定し得る。
【００２４】 本発明における基本概念の第１の拡張例
では、対象物内における励起された電荷担体の拡散距離
及び移動度に関する情報の入手が可能である。２つの部
分ビームの組み合わせが励起に使用される。各部分ビー
ムは２つの周波数Ω1，Ω2のうちのいづれか一方で強度
が変調される。更に、各部分ビームは空間的に互いに分
離した対象物上の複数の点へそれぞれ入射するように光
学手段によって案内される。励起中心において形成され
た電荷担体の濃度（Ladungstraegerkonzentration）は
衝突する部分ビームに基づいて周波数Ω1，Ω2のうちの
いづれか一方で変調される。この場合、差周波数Ω1−
Ω2で変調されたルミネセント光線は周波数Ω1，Ω2の
うちのいづれか一方で変調された電荷担体の濃度が増大
する領域内においてのみ生じる。十分な濃度の増大は励
起位置間の相対距離が、最大で励起された電荷担体の２
つの拡散距離に等しい際に生じる。励起用レーザ・ビー
ムの２つの入射点間の距離の変化は、部分ビーム間の距
離に対する差周波数Ω1−Ω2におけるルミネセント光線
の強度の依存関係と、その平均変調周波数（Ω1＋Ω2）
／２との分析によって空間領域の大きさを簡単に測定す
ることを可能にする。
では、対象物内における励起された電荷担体の拡散距離
及び移動度に関する情報の入手が可能である。２つの部
分ビームの組み合わせが励起に使用される。各部分ビー
ムは２つの周波数Ω1，Ω2のうちのいづれか一方で強度
が変調される。更に、各部分ビームは空間的に互いに分
離した対象物上の複数の点へそれぞれ入射するように光
学手段によって案内される。励起中心において形成され
た電荷担体の濃度（Ladungstraegerkonzentration）は
衝突する部分ビームに基づいて周波数Ω1，Ω2のうちの
いづれか一方で変調される。この場合、差周波数Ω1−
Ω2で変調されたルミネセント光線は周波数Ω1，Ω2の
うちのいづれか一方で変調された電荷担体の濃度が増大
する領域内においてのみ生じる。十分な濃度の増大は励
起位置間の相対距離が、最大で励起された電荷担体の２
つの拡散距離に等しい際に生じる。励起用レーザ・ビー
ムの２つの入射点間の距離の変化は、部分ビーム間の距
離に対する差周波数Ω1−Ω2におけるルミネセント光線
の強度の依存関係と、その平均変調周波数（Ω1＋Ω2）
／２との分析によって空間領域の大きさを簡単に測定す
ることを可能にする。
【００２５】本発明の概念の第２の拡張例において、放
射緩和（光ルミネセンス）の分析は光熱応答信号の分析
と組み合わされる。励起された電荷担体が対象物の応答
全体にかなり貢献することは光熱測定、特に半導体の光
熱測定における一般的な問題として知られている。電荷
担体の再結合によって形成された放射を独立して測定す
ることにより、励起された電荷担体の放射緩和によって
得られた信号成分を信号全体から分離し得る。この分離
は光励起の広い変調周波数範囲にわたる対象物の互いに
関連する光熱応答及びルミネセンス信号の測定に基づい
て行われる。この測定プロセスにおいて、光熱応答分析
は１９９１年に発行された測定科学技術（Meas. Sci. T
echnol.）第２巻の１０８８〜１０９３頁に開示されて
いる周波数変換（光熱ヘテロダイン）に基づいて同様に
実施される。
射緩和（光ルミネセンス）の分析は光熱応答信号の分析
と組み合わされる。励起された電荷担体が対象物の応答
全体にかなり貢献することは光熱測定、特に半導体の光
熱測定における一般的な問題として知られている。電荷
担体の再結合によって形成された放射を独立して測定す
ることにより、励起された電荷担体の放射緩和によって
得られた信号成分を信号全体から分離し得る。この分離
は光励起の広い変調周波数範囲にわたる対象物の互いに
関連する光熱応答及びルミネセンス信号の測定に基づい
て行われる。この測定プロセスにおいて、光熱応答分析
は１９９１年に発行された測定科学技術（Meas. Sci. T
echnol.）第２巻の１０８８〜１０９３頁に開示されて
いる周波数変換（光熱ヘテロダイン）に基づいて同様に
実施される。
【００２６】対象物から出射した励起用ビームの一部は
周波数変換された成分であり、同成分は非放射緩和プロ
セス及び放射緩和プロセスの相互作用によってマークさ
れている。対象物のルミネセント光線内における周波数
変換は放射プロセスから開始される。従って、互いに関
連する両方の応答を測定することにより、放射プロセス
の応答成分を分離し、非放射成分に関する情報を入手す
ることが可能である。
周波数変換された成分であり、同成分は非放射緩和プロ
セス及び放射緩和プロセスの相互作用によってマークさ
れている。対象物のルミネセント光線内における周波数
変換は放射プロセスから開始される。従って、互いに関
連する両方の応答を測定することにより、放射プロセス
の応答成分を分離し、非放射成分に関する情報を入手す
ることが可能である。
【００２７】本発明の方法を使用することにより、信号
対雑音比に関する空間的に高い分解能を備えたルミネセ
ンス測定は高周波励起及び短い電荷担体寿命（１μｓ未
満）をともなう放射緩和プロセスによって生じる周波帯
推移（Band-Band-Uebergangs）の範囲から簡単に得られ
る。これらの測定は測定対象物（例：半導体基板）が高
い温度を有する場合にも確実に実施し得る。本発明の方
法及び同方法を実施するための装置は、半導体内におけ
るルミネセント・チャネル及び非放射チャネルに関する
情報、並びに各種の電気材料パラメータに関する情報を
得るために、電荷担体波の周波数分析を実施すること
と、励起された電荷担体の拡散距離及び移動度に関する
情報を得ることと、対象物の放射応答及び非放射応答の
信号成分を分離することを可能にする。
対雑音比に関する空間的に高い分解能を備えたルミネセ
ンス測定は高周波励起及び短い電荷担体寿命（１μｓ未
満）をともなう放射緩和プロセスによって生じる周波帯
推移（Band-Band-Uebergangs）の範囲から簡単に得られ
る。これらの測定は測定対象物（例：半導体基板）が高
い温度を有する場合にも確実に実施し得る。本発明の方
法及び同方法を実施するための装置は、半導体内におけ
るルミネセント・チャネル及び非放射チャネルに関する
情報、並びに各種の電気材料パラメータに関する情報を
得るために、電荷担体波の周波数分析を実施すること
と、励起された電荷担体の拡散距離及び移動度に関する
情報を得ることと、対象物の放射応答及び非放射応答の
信号成分を分離することを可能にする。
【００２８】
【発明の実施の形態】本発明の方法の基本的な例は、２
つの変調周波数Ω1，Ω2で強度が変調されたレーザ放射
によって対象物内へエネルギーを加えることと、和周波
数（Ω1＋Ω2）または差周波数（Ω1−Ω2）において対
象物から出射したルミネセント光線を検出することと、
検出されたルミネセント光線を変調周波数の算術平均の
関数として分析することを含む。この方法は図１に示す
装置によって実現される。
つの変調周波数Ω1，Ω2で強度が変調されたレーザ放射
によって対象物内へエネルギーを加えることと、和周波
数（Ω1＋Ω2）または差周波数（Ω1−Ω2）において対
象物から出射したルミネセント光線を検出することと、
検出されたルミネセント光線を変調周波数の算術平均の
関数として分析することを含む。この方法は図１に示す
装置によって実現される。
【００２９】レーザ・ビームはレーザ光源１によって形
成され、同レーザ光源１はモジュレータ・サブアセンブ
リ２によって２つの変調周波数Ω1，Ω2で強度が変調さ
れる。変調周波数Ω1，Ω2は任意にて１００ｋＨｚ〜２
ＭＨｚの周波数範囲内において効果的に供給可能であ
り、さらには互いに接近した数値となるように選択され
る（例：（Ω1−Ω2）≒１０ｋＨｚ）。これについては
モジュレータ・サブアセンブリ２においてΩ1及びΩ2と
ともに入力矢印によって示す。レーザ・ビームは光学シ
ステム３によって対象物４上へフォーカスされる。対象
物４の裏面から出射するルミネセント光線はルミネセン
ス検出器５によって検出される。ルミネセント光線は平
行に出射しないため、検出器５は信号損失を最小限に抑
制すべく最大限の空間角度を検出する必要がある。この
ため、検出器５は対象物４の裏面に可能な限り隣接して
配置される。測定信号はルミネセンス検出器５からロッ
クイン増幅器６へ入力される。ロックイン増幅器６は差
周波数（Ω1−Ω2）へ同調される。そして、ロックイン
増幅器６の基準信号はモジュレータ・サブアセンブリ２
から受信される。その後の信号処理は信号プロセッサ７
によって実行され、同信号プロセッサ７はロックイン増
幅器６の出力信号を検出し、同信号をΩ1及びΩ2の関数
として記録及び評価する。
成され、同レーザ光源１はモジュレータ・サブアセンブ
リ２によって２つの変調周波数Ω1，Ω2で強度が変調さ
れる。変調周波数Ω1，Ω2は任意にて１００ｋＨｚ〜２
ＭＨｚの周波数範囲内において効果的に供給可能であ
り、さらには互いに接近した数値となるように選択され
る（例：（Ω1−Ω2）≒１０ｋＨｚ）。これについては
モジュレータ・サブアセンブリ２においてΩ1及びΩ2と
ともに入力矢印によって示す。レーザ・ビームは光学シ
ステム３によって対象物４上へフォーカスされる。対象
物４の裏面から出射するルミネセント光線はルミネセン
ス検出器５によって検出される。ルミネセント光線は平
行に出射しないため、検出器５は信号損失を最小限に抑
制すべく最大限の空間角度を検出する必要がある。この
ため、検出器５は対象物４の裏面に可能な限り隣接して
配置される。測定信号はルミネセンス検出器５からロッ
クイン増幅器６へ入力される。ロックイン増幅器６は差
周波数（Ω1−Ω2）へ同調される。そして、ロックイン
増幅器６の基準信号はモジュレータ・サブアセンブリ２
から受信される。その後の信号処理は信号プロセッサ７
によって実行され、同信号プロセッサ７はロックイン増
幅器６の出力信号を検出し、同信号をΩ1及びΩ2の関数
として記録及び評価する。
【００３０】図２に示す装置において、レーザ・ビーム
はレーザ・ダイオード１によって形成される。レーザ・
ダイオード１はモジュレータ・サブアセンブリ２によっ
て２つの変調周波数Ω1，Ω2で強度が変調される。レー
ザ・ビームはダイクロイック・ミラー８及び光学システ
ム３によって対象物４上へ案内される。ダイクロイック
・ミラー８はレーザ光線の波長を透過する一方で、ルミ
ネセント光線に対する比較的高い反射率を有する。対象
物４の正面から出射したルミネセント光線は光学システ
ム３によって平行化され、ダイクロイック・ミラー８に
おいて反射され、さらにはレンズ部分１０によってルミ
ネセンス検出器５上へ案内される。ダイクロイック・ミ
ラー８がレーザ光線を分割する十分な能力を有さない場
合、吸収フィルタ９が光路上へ配置される。測定信号は
ルミネセンス検出器５からロックイン増幅器６へ入力さ
れる。その後の信号処理は図１に関する前記の記述に基
づいて行われる。
はレーザ・ダイオード１によって形成される。レーザ・
ダイオード１はモジュレータ・サブアセンブリ２によっ
て２つの変調周波数Ω1，Ω2で強度が変調される。レー
ザ・ビームはダイクロイック・ミラー８及び光学システ
ム３によって対象物４上へ案内される。ダイクロイック
・ミラー８はレーザ光線の波長を透過する一方で、ルミ
ネセント光線に対する比較的高い反射率を有する。対象
物４の正面から出射したルミネセント光線は光学システ
ム３によって平行化され、ダイクロイック・ミラー８に
おいて反射され、さらにはレンズ部分１０によってルミ
ネセンス検出器５上へ案内される。ダイクロイック・ミ
ラー８がレーザ光線を分割する十分な能力を有さない場
合、吸収フィルタ９が光路上へ配置される。測定信号は
ルミネセンス検出器５からロックイン増幅器６へ入力さ
れる。その後の信号処理は図１に関する前記の記述に基
づいて行われる。
【００３１】本発明に基づく方法は周波数掃引によって
更に拡大され、同周波数掃引は検出における変更をとも
なうことなく容易に実現し得る。変調周波数Ω1，Ω2は
広い周波数範囲にわたって変更される。変調周波数
Ω1，Ω2を変更する際、周波数差（Ω1−Ω2）を一定に
維持する必要がある。この結果、測定値の評価の可能性
は以下に詳述する理論的考察に基づいて大きく拡大され
る。
更に拡大され、同周波数掃引は検出における変更をとも
なうことなく容易に実現し得る。変調周波数Ω1，Ω2は
広い周波数範囲にわたって変更される。変調周波数
Ω1，Ω2を変更する際、周波数差（Ω1−Ω2）を一定に
維持する必要がある。この結果、測定値の評価の可能性
は以下に詳述する理論的考察に基づいて大きく拡大され
る。
【００３２】本発明の別の構成は、対象物４との相互作
用後におけるレーザ・ビームからの光熱応答の記録をル
ミネセント光線の検出と組み合わせることを含む。両方
の応答プロセスは同時に記録される。この結果、これら
の応答は対象物４上の同一位置に関する。評価モードに
ついて以下に詳述する。
用後におけるレーザ・ビームからの光熱応答の記録をル
ミネセント光線の検出と組み合わせることを含む。両方
の応答プロセスは同時に記録される。この結果、これら
の応答は対象物４上の同一位置に関する。評価モードに
ついて以下に詳述する。
【００３３】本発明に基づく差周波数または基本クロッ
ク周波数でのルミネセンス応答の検出は許容し得る最大
限のインターバル内において励起周波数を変更すること
により、電荷担体波の周波数分析を可能にする。但し、
全てのケースにおいて、同最大限のインターバルは電荷
担体寿命τの逆数をカバーする。次いで、入力されたル
ミネセント光線出力を示す信号Ｓは検出器が検出した全
てのルミネセンス成分の空間積分（Aufintegration）に
よって得られる（放射は半空間ＨＳ内で検出されること
が理想的である）。
ク周波数でのルミネセンス応答の検出は許容し得る最大
限のインターバル内において励起周波数を変更すること
により、電荷担体波の周波数分析を可能にする。但し、
全てのケースにおいて、同最大限のインターバルは電荷
担体寿命τの逆数をカバーする。次いで、入力されたル
ミネセント光線出力を示す信号Ｓは検出器が検出した全
てのルミネセンス成分の空間積分（Aufintegration）に
よって得られる（放射は半空間ＨＳ内で検出されること
が理想的である）。
【００３４】
【数１】 電子波ｎ（ベクトルｒ；ｔに応じて変化）または孔波ｐ
（ベクトルｒ；ｔに応じて変化）は、振幅ｎまたはｐ
（周波数帯内の余剰な電荷担体の濃度）と、位相Ψ nま
たはΨpとに関して位置ベクトルｒに依存する。信号出
力は数１に基づいて、ルミネセント光線減衰率Ｌと、ル
ミネセント光線の平均エネルギーＥgと、ルミネセンス
・チャネル内の再結合割合β＝σLｖとによって得られ
る。後者は放射再結合に対する捕獲断面積σLと、周波
数帯内の電荷担体の熱運動速度ｖとによって得られ、
［ｍ3ｓ-1］の単位を有する。
（ベクトルｒ；ｔに応じて変化）は、振幅ｎまたはｐ
（周波数帯内の余剰な電荷担体の濃度）と、位相Ψ nま
たはΨpとに関して位置ベクトルｒに依存する。信号出
力は数１に基づいて、ルミネセント光線減衰率Ｌと、ル
ミネセント光線の平均エネルギーＥgと、ルミネセンス
・チャネル内の再結合割合β＝σLｖとによって得られ
る。後者は放射再結合に対する捕獲断面積σLと、周波
数帯内の電荷担体の熱運動速度ｖとによって得られ、
［ｍ3ｓ-1］の単位を有する。
【００３５】数１の三角関数を僅かに変換することによ
って、差周波数Ω12＝Ω1−Ω2によってのみ決定可能な
信号成分Ｓは以下の数２で表し得る。
って、差周波数Ω12＝Ω1−Ω2によってのみ決定可能な
信号成分Ｓは以下の数２で表し得る。
【００３６】
【数２】 電荷担体波（ｎ，ｐ）及び位相（Ψn，Ψp）の量は複素
変数ｃハットによって置換されており、同複素変数ｃハ
ットはｃｅの（ｉψ）乗に等しい。（複素共役は*によ
って示す）。
変数ｃハットによって置換されており、同複素変数ｃハ
ットはｃｅの（ｉψ）乗に等しい。（複素共役は*によ
って示す）。
【００３７】応答波に関する位相情報は分割不能であ
り、さらには余剰な電荷担体（Ψn≒Ψp）について完全
に消失することが予測される。しかし、電気材料パラメ
ータ、両極性拡散率Ｄ、表面再結合速度ｓ及び余剰な電
荷担体の寿命τはｎハット及びｐハットの積から得るこ
とができる。電荷担体波（球面波）の理想的なケースで
は、積分を簡単に計算できる。レーザ・スポット半径ｗ
に基づいて決定される吸収領域内に蓄積された変調レー
ザ出力Ｐが与えられた場合、信号は以下の数３に基づい
て決定される。
り、さらには余剰な電荷担体（Ψn≒Ψp）について完全
に消失することが予測される。しかし、電気材料パラメ
ータ、両極性拡散率Ｄ、表面再結合速度ｓ及び余剰な電
荷担体の寿命τはｎハット及びｐハットの積から得るこ
とができる。電荷担体波（球面波）の理想的なケースで
は、積分を簡単に計算できる。レーザ・スポット半径ｗ
に基づいて決定される吸収領域内に蓄積された変調レー
ザ出力Ｐが与えられた場合、信号は以下の数３に基づい
て決定される。
【００３８】
【数３】 これは絶対測定のための長さの測定値であるレーザ・ス
ポット半径ｗに基づいて変化する。数３において定義さ
れた変数ｐは一般的に電荷担体波の複合波数を示す。従
って、ｐを余剰な孔の濃度ｐ（ベクトルｒ，ｔに応じて
変化）と混同してはならない。［Ｗ-1ｍ-1］の単位をと
もなう以下の変数は差周波数におけるルミネセンス出力
の変換効率ＫLとして使用される。
ポット半径ｗに基づいて変化する。数３において定義さ
れた変数ｐは一般的に電荷担体波の複合波数を示す。従
って、ｐを余剰な孔の濃度ｐ（ベクトルｒ，ｔに応じて
変化）と混同してはならない。［Ｗ-1ｍ-1］の単位をと
もなう以下の変数は差周波数におけるルミネセンス出力
の変換効率ＫLとして使用される。
【００３９】
【数４】 無次元ルミネセンス形状関数ＦcL（Ω）は周波数掃引を
介して平均変調周波数Ω＝（Ω1＋Ω2）／２によって決
定される。余剰な電荷担体の寿命τは以下の数５に基づ
いてルミネセント（τL）チャネル及び非放射（τs）チ
ャネルから形成される。
介して平均変調周波数Ω＝（Ω1＋Ω2）／２によって決
定される。余剰な電荷担体の寿命τは以下の数５に基づ
いてルミネセント（τL）チャネル及び非放射（τs）チ
ャネルから形成される。
【００４０】
【数５】 形状関数を異なる従属について図１０及び図１１に示
す。図１０は平均変調周波数Ω及び余剰な電荷担体の平
均寿命τの積に対するルミネセンス形態関数ＦcLを示
す。曲線パラメータは表面再結合速度ｓ＝０においてレ
ーザ・スポット半径ｗに対して正規化された電荷担体拡
散距離ｌc＝√（２Ｄτ）である。
す。図１０は平均変調周波数Ω及び余剰な電荷担体の平
均寿命τの積に対するルミネセンス形態関数ＦcLを示
す。曲線パラメータは表面再結合速度ｓ＝０においてレ
ーザ・スポット半径ｗに対して正規化された電荷担体拡
散距離ｌc＝√（２Ｄτ）である。
【００４１】図１１は平均変調周波数Ω及び余剰な電荷
担体の平均寿命τの積に対するルミネセンス形状関数Ｆ
cLを示す。曲線パラメータはレーザ・スポット半径ｗ
と、固定拡散距離ｌcにおける拡散率Ｄとに対して正規
化された表面再結合速度ｓである。
担体の平均寿命τの積に対するルミネセンス形状関数Ｆ
cLを示す。曲線パラメータはレーザ・スポット半径ｗ
と、固定拡散距離ｌcにおける拡散率Ｄとに対して正規
化された表面再結合速度ｓである。
【００４２】ルミネセンス応答及び光熱応答の組み合わ
された評価に使用する各種の装置の例が存在する。図３
に示す装置において、励起用レーザ・ビームは２つの部
分ビームから形成されており、同部分ビームは互いに直
交する方向へそれぞれ偏光されている。そして、同部分
ビームはレーザ・ダイオード２１，２２によってそれぞ
れ形成される。レーザ・ダイオード２１，２２はモジュ
レータ・サブアセンブリ２によって周波数Ω1，Ω2で強
度がそれぞれ変調されている。２つの部分ビームは偏光
スイッチ１９を介して統合される。そして、同部分ビー
ムは分割板１２を通過し、さらには光学システム３によ
って対象物４上へフォーカスされる。対象物４から出射
するルミネセント光線以外に、レーザ・ビームが対象物
４との相互作用後に装置内で検出される。対象物４から
出射するレーザ光線は光学システム３によって平行化さ
れ、分割板１２上での反射後にレーザ検出器１３へ入射
する。偏光フィルタ２６はレーザ検出器１３の上流側に
配置されており、さらには対象物４から伝搬された２つ
の励起用部分ビームのうちの一方のみをレーザ検出器１
３において検出すべく配向されている。偏光フィルタを
通過するレーザ光線の成分は周波数変換による光熱応答
に関する全ての情報を含む。異なる偏光フィルタ２６
（例：偏光スイッチ）を使用する場合、この事実はレー
ザ検出器１３へ入力される応答信号の悪化をともなうこ
となく他の目的（例：基準検出器、自動焦点検出器等）
のために第２のレーザ光線成分を使用する可能性を提供
する。
された評価に使用する各種の装置の例が存在する。図３
に示す装置において、励起用レーザ・ビームは２つの部
分ビームから形成されており、同部分ビームは互いに直
交する方向へそれぞれ偏光されている。そして、同部分
ビームはレーザ・ダイオード２１，２２によってそれぞ
れ形成される。レーザ・ダイオード２１，２２はモジュ
レータ・サブアセンブリ２によって周波数Ω1，Ω2で強
度がそれぞれ変調されている。２つの部分ビームは偏光
スイッチ１９を介して統合される。そして、同部分ビー
ムは分割板１２を通過し、さらには光学システム３によ
って対象物４上へフォーカスされる。対象物４から出射
するルミネセント光線以外に、レーザ・ビームが対象物
４との相互作用後に装置内で検出される。対象物４から
出射するレーザ光線は光学システム３によって平行化さ
れ、分割板１２上での反射後にレーザ検出器１３へ入射
する。偏光フィルタ２６はレーザ検出器１３の上流側に
配置されており、さらには対象物４から伝搬された２つ
の励起用部分ビームのうちの一方のみをレーザ検出器１
３において検出すべく配向されている。偏光フィルタを
通過するレーザ光線の成分は周波数変換による光熱応答
に関する全ての情報を含む。異なる偏光フィルタ２６
（例：偏光スイッチ）を使用する場合、この事実はレー
ザ検出器１３へ入力される応答信号の悪化をともなうこ
となく他の目的（例：基準検出器、自動焦点検出器等）
のために第２のレーザ光線成分を使用する可能性を提供
する。
【００４３】空間の欠乏により対象物表面上へルミネセ
ンス検出器５を直接配置できない場合、対象物４の裏面
から出射するルミネセント光線は光ガイド１１内へ入射
し、かつルミネセンス検出器５上へ伝搬される。本実施
の形態において、ルミネセンス検出器５（その形状とは
無関係に）を常に対象物４の裏面に十分に隣接して配置
することは不可能なため、光ガイド１１が１つの例とし
て使用されている。例えば、全ての側面が研磨されたガ
ラス棒（Allseits polierter Glasstab）、または十分
な入射横断面積を備えたガラス・ファイバ束（Glasfase
rbuendel）を光ガイド１１として使用し得る。鋭く発散
するルミネセント光線を検出すべく十分な大きさの入射
開口を有し、かつ光線を平行にする光学システムを光ガ
イド１１に代えて使用し得る。対象物４が励起用レーザ
・ビームの周波数を高い透過度にて透過し、同周波数が
ルミネセンス光線の測定精度に悪影響を及ぼす場合、ル
ミネセント光線を透過する一方で、レーザ放射を吸収す
る吸収フィルタ９を光路内に配置し得る。測定信号はル
ミネセンス検出器５及びレーザ検出器１３からロックイ
ン増幅器６及びロックイン増幅器１４へそれぞれ入力さ
れる。ロックイン増幅器１４はレーザ検出器１３から出
力された信号の振幅及び位相を分析する。２つのロック
イン増幅器６，１４は差周波数（Ω1−Ω2）に対して同
調しており、さらには自身の基準信号をモジュレータ・
サブアセンブリ２から受信する。ロックイン増幅器６，
１４からの出力信号は信号プロセッサ７へ入力される。
信号プロセッサ７は前記のように励振周波数を用いて測
定信号の記録及び評価を行うことにより、ロックイン増
幅器６，１４から入力された測定信号の相関関係を確定
する。プロセッサは前記の適切な理論モデルのアルゴリ
ズムを用いることにより、対象物内の放射緩和メカニズ
ム及び非放射緩和メカニズムに関する別の情報を提供す
る。例えば、マイクロコンピュータ・システムはこの種
の広範な信号分析のための信号プロセッサとして使用で
きる。
ンス検出器５を直接配置できない場合、対象物４の裏面
から出射するルミネセント光線は光ガイド１１内へ入射
し、かつルミネセンス検出器５上へ伝搬される。本実施
の形態において、ルミネセンス検出器５（その形状とは
無関係に）を常に対象物４の裏面に十分に隣接して配置
することは不可能なため、光ガイド１１が１つの例とし
て使用されている。例えば、全ての側面が研磨されたガ
ラス棒（Allseits polierter Glasstab）、または十分
な入射横断面積を備えたガラス・ファイバ束（Glasfase
rbuendel）を光ガイド１１として使用し得る。鋭く発散
するルミネセント光線を検出すべく十分な大きさの入射
開口を有し、かつ光線を平行にする光学システムを光ガ
イド１１に代えて使用し得る。対象物４が励起用レーザ
・ビームの周波数を高い透過度にて透過し、同周波数が
ルミネセンス光線の測定精度に悪影響を及ぼす場合、ル
ミネセント光線を透過する一方で、レーザ放射を吸収す
る吸収フィルタ９を光路内に配置し得る。測定信号はル
ミネセンス検出器５及びレーザ検出器１３からロックイ
ン増幅器６及びロックイン増幅器１４へそれぞれ入力さ
れる。ロックイン増幅器１４はレーザ検出器１３から出
力された信号の振幅及び位相を分析する。２つのロック
イン増幅器６，１４は差周波数（Ω1−Ω2）に対して同
調しており、さらには自身の基準信号をモジュレータ・
サブアセンブリ２から受信する。ロックイン増幅器６，
１４からの出力信号は信号プロセッサ７へ入力される。
信号プロセッサ７は前記のように励振周波数を用いて測
定信号の記録及び評価を行うことにより、ロックイン増
幅器６，１４から入力された測定信号の相関関係を確定
する。プロセッサは前記の適切な理論モデルのアルゴリ
ズムを用いることにより、対象物内の放射緩和メカニズ
ム及び非放射緩和メカニズムに関する別の情報を提供す
る。例えば、マイクロコンピュータ・システムはこの種
の広範な信号分析のための信号プロセッサとして使用で
きる。
【００４４】図４に示す装置において、レーザ・ビーム
はモジュレータ・サブアセンブリ２により２つの変調周
波数Ω1,Ω2で強度が変調されたレーザ・ダイオード１
によって形成される。レーザ・ビームは分割板１２及び
ダイクロイック・ミラー８を通過し、さらには光学シス
テム３によって対象物４上へ案内される。対象物４から
出射したレーザ光線は光学システム３によって検出さ
れ、かつ平行化される。そして、同レーザ光線はダイク
ロイック・ミラー８を通過し、次いで分割板１２におい
て反射され、その後レーザ検出器１３へ入射する。対象
物４の正面側から出射したルミネセント光線は光学シス
テム３によって平行化され、次いでダイクロイック・ミ
ラー８において反射され、さらにはレンズ部分１０によ
ってルミネセンス検出器５上へ案内される。ダイクロイ
ック・ミラー８がレーザ光線を分離する十分な能力を備
えていない場合、吸収フィルタ９がビーム光路上へ配置
される。測定信号はルミネセンス検出器５及びレーザ検
出器１３からロックイン増幅器６及びロックイン増幅器
１４へそれぞれ入力される。その後の信号処理は図３に
関連して詳述した信号処理に基づいて行われる。
はモジュレータ・サブアセンブリ２により２つの変調周
波数Ω1,Ω2で強度が変調されたレーザ・ダイオード１
によって形成される。レーザ・ビームは分割板１２及び
ダイクロイック・ミラー８を通過し、さらには光学シス
テム３によって対象物４上へ案内される。対象物４から
出射したレーザ光線は光学システム３によって検出さ
れ、かつ平行化される。そして、同レーザ光線はダイク
ロイック・ミラー８を通過し、次いで分割板１２におい
て反射され、その後レーザ検出器１３へ入射する。対象
物４の正面側から出射したルミネセント光線は光学シス
テム３によって平行化され、次いでダイクロイック・ミ
ラー８において反射され、さらにはレンズ部分１０によ
ってルミネセンス検出器５上へ案内される。ダイクロイ
ック・ミラー８がレーザ光線を分離する十分な能力を備
えていない場合、吸収フィルタ９がビーム光路上へ配置
される。測定信号はルミネセンス検出器５及びレーザ検
出器１３からロックイン増幅器６及びロックイン増幅器
１４へそれぞれ入力される。その後の信号処理は図３に
関連して詳述した信号処理に基づいて行われる。
【００４５】図５に示す装置において、励起用レーザ・
ビームはレーザ・ダイオード１によって形成され、同レ
ーザ・ダイオード１はモジュレータ・サブアセンブリ１
５によって強度が変調されている。図６は時間に対する
レーザ・ビーム強度の変化を示すグラフであり、同レー
ザ・ビームはモジュレータ・サブアセンブリ１５によっ
て形成されたビームである。成分はビーム・スプリッタ
１６を介してレーザ・ビームから分離され、さらには光
学基準検出器１７上へ案内される。基準検出器１７はロ
ックイン増幅器１８及びモジュレータ・サブアセンブリ
１５とともに制御ループを形成する。制御ループは基準
検出器１７によって励起用レーザ・ビーム内に検出され
た成分を周波数ｆ2においてゼロにする。この種の変調
はドイツ特許第４２２３３３７号に開示されている。励
起用レーザ・ビームは偏光スイッチ１９及びλ／４−プ
レート２０を通過した後、光学システム３によって対象
物４上へ案内される。対象物４から出射したレーザ・ビ
ームの一部は光学システム３によって検出され、λ／４
−プレート２０を通過し、さらには偏光スイッチ１９に
おいてレーザ検出器１３へ向けて分離される。ルミネセ
ント光線は光ガイド１１により対象物４の裏面から集め
られ、さらにはルミネセンス検出器５上へ案内される。
対象物４によって伝搬された励起用レーザ光線の妨害成
分を分離すべく吸収フィルタ９をビーム光路内へ配置し
得る。信号はルミネセンス検出器５及びレーザ検出器１
３からロックイン増幅器６及びロックイン増幅器１４へ
それぞれ入力される。ロックイン増幅器６，１４は基本
クロック周波数ｆ2に対して同調され、さらには自身の
基準信号をモジュレータ・サブアセンブリ１５から受信
する。その後の信号処理は図３に関連して詳述した信号
処理に基づいて信号プロセッサ７によって行われる。
ビームはレーザ・ダイオード１によって形成され、同レ
ーザ・ダイオード１はモジュレータ・サブアセンブリ１
５によって強度が変調されている。図６は時間に対する
レーザ・ビーム強度の変化を示すグラフであり、同レー
ザ・ビームはモジュレータ・サブアセンブリ１５によっ
て形成されたビームである。成分はビーム・スプリッタ
１６を介してレーザ・ビームから分離され、さらには光
学基準検出器１７上へ案内される。基準検出器１７はロ
ックイン増幅器１８及びモジュレータ・サブアセンブリ
１５とともに制御ループを形成する。制御ループは基準
検出器１７によって励起用レーザ・ビーム内に検出され
た成分を周波数ｆ2においてゼロにする。この種の変調
はドイツ特許第４２２３３３７号に開示されている。励
起用レーザ・ビームは偏光スイッチ１９及びλ／４−プ
レート２０を通過した後、光学システム３によって対象
物４上へ案内される。対象物４から出射したレーザ・ビ
ームの一部は光学システム３によって検出され、λ／４
−プレート２０を通過し、さらには偏光スイッチ１９に
おいてレーザ検出器１３へ向けて分離される。ルミネセ
ント光線は光ガイド１１により対象物４の裏面から集め
られ、さらにはルミネセンス検出器５上へ案内される。
対象物４によって伝搬された励起用レーザ光線の妨害成
分を分離すべく吸収フィルタ９をビーム光路内へ配置し
得る。信号はルミネセンス検出器５及びレーザ検出器１
３からロックイン増幅器６及びロックイン増幅器１４へ
それぞれ入力される。ロックイン増幅器６，１４は基本
クロック周波数ｆ2に対して同調され、さらには自身の
基準信号をモジュレータ・サブアセンブリ１５から受信
する。その後の信号処理は図３に関連して詳述した信号
処理に基づいて信号プロセッサ７によって行われる。
【００４６】前記の全ての例において、ルミネセント光
線及びレーザ・ビームは請求項１に示す差周波数（Ω1
−Ω2）における対象物４との相互作用後に分析され
る。分析は２つの変調周波数Ω1，Ω2を一定に維持され
た周波数分離において同一方向へ同調させることによっ
て広範な周波数範囲にわたって簡単に行い得る。このた
め、この実施の形態は特に効果的である。しかし、同実
施の形態は応答の位相情報を検出されたルミネセント光
線から得られないという問題点を有し得る。位相情報を
得るために、和周波数（Ω1＋Ω2）において分析するこ
とが望ましい。この種のオペレーションは図７及び図８
に示す装置において特に効果を示す。しかし、本発明は
これら特定の装置によって限定されない。
線及びレーザ・ビームは請求項１に示す差周波数（Ω1
−Ω2）における対象物４との相互作用後に分析され
る。分析は２つの変調周波数Ω1，Ω2を一定に維持され
た周波数分離において同一方向へ同調させることによっ
て広範な周波数範囲にわたって簡単に行い得る。このた
め、この実施の形態は特に効果的である。しかし、同実
施の形態は応答の位相情報を検出されたルミネセント光
線から得られないという問題点を有し得る。位相情報を
得るために、和周波数（Ω1＋Ω2）において分析するこ
とが望ましい。この種のオペレーションは図７及び図８
に示す装置において特に効果を示す。しかし、本発明は
これら特定の装置によって限定されない。
【００４７】図７に示す装置では、２つのレーザ・ビー
ムは２つのレーザ・ダイオード２１，２２によってそれ
ぞれ形成される。同レーザ・ダイオード２１，２２の強
度はモジュレータ・サブアセンブリ２によって変調周波
数Ω1，Ω2のうちのいづれか一方でそれぞれ変調され
る。両レーザ・ビームは光学システム３へ入射し、さら
には空間的に分離された励起用部分ビームとして対象物
４上へそれぞれフォーカスされる。入射点間の距離は２
つのスライディング・レンズ２３，２４を用いて部分ビ
ームの入射角度を変化させることによって変更し得る。
対象物４の裏面から出射するルミネセント光線はルミネ
センス検出器５によって検出される。測定信号はルミネ
センス検出器５からロックイン増幅器６へ入力される。
ロックイン増幅器６は差周波数（Ω1−Ω2）へ同調さ
れ、さらには自身の基準信号をモジュレータ・サブアセ
ンブリ２から受信する。その後の信号処理は信号プロセ
ッサ７によって行われる。信号プロセッサ７はロックイ
ン増幅器６の出力信号を検出し、同信号を部分ビームの
入射点間の距離に基づいて変調周波数Ω1，Ω2の関数と
して記録及び評価する。
ムは２つのレーザ・ダイオード２１，２２によってそれ
ぞれ形成される。同レーザ・ダイオード２１，２２の強
度はモジュレータ・サブアセンブリ２によって変調周波
数Ω1，Ω2のうちのいづれか一方でそれぞれ変調され
る。両レーザ・ビームは光学システム３へ入射し、さら
には空間的に分離された励起用部分ビームとして対象物
４上へそれぞれフォーカスされる。入射点間の距離は２
つのスライディング・レンズ２３，２４を用いて部分ビ
ームの入射角度を変化させることによって変更し得る。
対象物４の裏面から出射するルミネセント光線はルミネ
センス検出器５によって検出される。測定信号はルミネ
センス検出器５からロックイン増幅器６へ入力される。
ロックイン増幅器６は差周波数（Ω1−Ω2）へ同調さ
れ、さらには自身の基準信号をモジュレータ・サブアセ
ンブリ２から受信する。その後の信号処理は信号プロセ
ッサ７によって行われる。信号プロセッサ７はロックイ
ン増幅器６の出力信号を検出し、同信号を部分ビームの
入射点間の距離に基づいて変調周波数Ω1，Ω2の関数と
して記録及び評価する。
【００４８】本発明に基づく変調周波数Ω1，Ω2の和周
波数Ω1＋Ω2における測定値の周波数選択記録（freque
nzselektiven Messwertaufnahme）を本装置の別例（以
下に詳述する図８に基づく装置を含め）において効果的
に実施し得る。同周波数選択記録では、ルミネセント光
線は固定された変調周波数Ω1，Ω2において励起用部分
ビームの入射点間の相対距離の関数として分析される。
波数Ω1＋Ω2における測定値の周波数選択記録（freque
nzselektiven Messwertaufnahme）を本装置の別例（以
下に詳述する図８に基づく装置を含め）において効果的
に実施し得る。同周波数選択記録では、ルミネセント光
線は固定された変調周波数Ω1，Ω2において励起用部分
ビームの入射点間の相対距離の関数として分析される。
【００４９】図８に示す装置では、２つのレーザ・ビー
ムは２つのレーザ・ダイオード２１，２２によってそれ
ぞれ形成される。レーザ・ダイオード２１，２２の強度
はそれぞれ前記の周波数（Ω1及びΩ2）のうちのいづれ
か一方で変調される。強度を変調するための信号はモジ
ュレータ・サブアセンブリ２によって形成される。両レ
ーザ・ビームは偏光スイッチ１９及びλ／４−プレート
２０を通過し、光学システム３へ入射し、さらには空間
的に分離された励起用部分ビームとして対象物４上にフ
ォーカスされる。入射点間の距離は２つのスライディン
グ・レンズ２３，２４を用いて部分ビームの入射角度を
変化させることによって変更し得る。対象物４から出射
した励起用ビームは光学システム３によって検出され、
そしてλ／４−プレート２０を通過し、偏光スイッチ１
９において分離され、さらにはレンズ２５によってレー
ザ検出器１３上へ案内される。対象物４の裏面から出射
したルミネセント光線は光ガイド１１によって検出さ
れ、さらにはルミネセンス検出器５上へ案内される。励
起用レーザ光線のうち測定を妨害する成分が対象物４内
を通過して伝搬される場合、吸収フィルタ９を光路内へ
配置し得る。測定信号はルミネセンス検出器５からロッ
クイン増幅器６へ入力される。ロックイン増幅器６は差
周波数（Ω1−Ω2）へ同調され、さらには自身の基準信
号をモジュレータ・サブアセンブリ２から受信する。そ
の後の信号処理は信号プロセッサ７によって行われる。
信号プロセッサ７はロックイン増幅器６の出力信号を検
出し、さらには同出力信号を部分ビームの入射点間の距
離に基づいてΩ1及びΩ2の関数として記録及び評価す
る。次いで、図３に示す実施の形態に基づいて検出器
５，１３から出力された信号の相関関係の分析が行われ
る。
ムは２つのレーザ・ダイオード２１，２２によってそれ
ぞれ形成される。レーザ・ダイオード２１，２２の強度
はそれぞれ前記の周波数（Ω1及びΩ2）のうちのいづれ
か一方で変調される。強度を変調するための信号はモジ
ュレータ・サブアセンブリ２によって形成される。両レ
ーザ・ビームは偏光スイッチ１９及びλ／４−プレート
２０を通過し、光学システム３へ入射し、さらには空間
的に分離された励起用部分ビームとして対象物４上にフ
ォーカスされる。入射点間の距離は２つのスライディン
グ・レンズ２３，２４を用いて部分ビームの入射角度を
変化させることによって変更し得る。対象物４から出射
した励起用ビームは光学システム３によって検出され、
そしてλ／４−プレート２０を通過し、偏光スイッチ１
９において分離され、さらにはレンズ２５によってレー
ザ検出器１３上へ案内される。対象物４の裏面から出射
したルミネセント光線は光ガイド１１によって検出さ
れ、さらにはルミネセンス検出器５上へ案内される。励
起用レーザ光線のうち測定を妨害する成分が対象物４内
を通過して伝搬される場合、吸収フィルタ９を光路内へ
配置し得る。測定信号はルミネセンス検出器５からロッ
クイン増幅器６へ入力される。ロックイン増幅器６は差
周波数（Ω1−Ω2）へ同調され、さらには自身の基準信
号をモジュレータ・サブアセンブリ２から受信する。そ
の後の信号処理は信号プロセッサ７によって行われる。
信号プロセッサ７はロックイン増幅器６の出力信号を検
出し、さらには同出力信号を部分ビームの入射点間の距
離に基づいてΩ1及びΩ2の関数として記録及び評価す
る。次いで、図３に示す実施の形態に基づいて検出器
５，１３から出力された信号の相関関係の分析が行われ
る。
【００５０】図９は図１に示す装置の変更例を示す。こ
の装置は対象物の分析に使用し得る。この場合、ルミネ
セント光線のうちの比較的大きな割合が対象物４の側方
から出射し、さらにはルミネセンス検出器５により同位
置で容易に検出される。これは例えば研磨された半導体
ウェハの分析に使用される。この際、ルミネセント光線
の比較的大きな割合が光伝導により材料内を伝搬され得
る。図９に示す装置において、レーザ・ビームはレーザ
・ダイオード１によって形成される。レーザ・ダイオー
ド１はモジュレータ・サブアセンブリ２により、２つの
周波数Ω1，Ω2で強度が変調される。レーザ・ビームは
光学システム３によって対象物４上へフォーカスされ
る。対象物４から側方へ出射したルミネセント光線はレ
ンズ１０によって集められ、さらにはルミネセンス検出
器５へ入射する。測定信号はルミネセンス検出器５から
ロックイン増幅器６へ入力される。ロックイン増幅器６
は差周波数（Ω1−Ω2）へ同調されるとともに、自身の
基準信号をモジュレータ・サブアセンブリ２から受信す
る。その後の信号処理は信号プロセッサ７によって行わ
れる。信号プロセッサ７はロックイン増幅器６の出力信
号を検出し、さらには同出力信号をΩ1及びΩ2の関数と
して記録及び評価する。
の装置は対象物の分析に使用し得る。この場合、ルミネ
セント光線のうちの比較的大きな割合が対象物４の側方
から出射し、さらにはルミネセンス検出器５により同位
置で容易に検出される。これは例えば研磨された半導体
ウェハの分析に使用される。この際、ルミネセント光線
の比較的大きな割合が光伝導により材料内を伝搬され得
る。図９に示す装置において、レーザ・ビームはレーザ
・ダイオード１によって形成される。レーザ・ダイオー
ド１はモジュレータ・サブアセンブリ２により、２つの
周波数Ω1，Ω2で強度が変調される。レーザ・ビームは
光学システム３によって対象物４上へフォーカスされ
る。対象物４から側方へ出射したルミネセント光線はレ
ンズ１０によって集められ、さらにはルミネセンス検出
器５へ入射する。測定信号はルミネセンス検出器５から
ロックイン増幅器６へ入力される。ロックイン増幅器６
は差周波数（Ω1−Ω2）へ同調されるとともに、自身の
基準信号をモジュレータ・サブアセンブリ２から受信す
る。その後の信号処理は信号プロセッサ７によって行わ
れる。信号プロセッサ７はロックイン増幅器６の出力信
号を検出し、さらには同出力信号をΩ1及びΩ2の関数と
して記録及び評価する。
【００５１】勿論、図９に示す対象物４から側方へ出射
するルミネセント光線の検出は、図２〜図８に関連して
詳述した本発明に基づく装置にも適用できる。以上詳述
したように、本発明によれば一定の差周波数Ω1−Ω2に
おいて成分を検出することにより、緩和の分析を励起の
広い周波数範囲内で簡単に実施できる。この結果、従来
の方法ではアクセスが困難であり、かつ測定精度の低下
を招来した高周波及びデシメートル波でも分析が可能で
ある。また、本発明の方法を使用することにより、信号
対雑音比に関する空間的に高い分解能を備えたルミネセ
ンス測定は高周波励起及び短い電荷担体寿命（１μｓ未
満）をともなう放射緩和プロセスによって生じる周波帯
推移の範囲から簡単に得られる。これらの測定は測定対
象物（例：半導体基板）が高い温度を有する場合にも確
実に実施し得る。本発明の方法及び同方法を実施するた
めの装置は、半導体内におけるルミネセント・チャネル
及び非放射チャネルに関する情報、並びに各種の電気材
料パラメータに関する情報を得るために、電荷担体波の
周波数分析を実施することと、励起された電荷担体の拡
散距離及び移動度に関する情報を得ることと、対象物の
放射応答及び非放射応答の信号成分を分離することを可
能にする。
するルミネセント光線の検出は、図２〜図８に関連して
詳述した本発明に基づく装置にも適用できる。以上詳述
したように、本発明によれば一定の差周波数Ω1−Ω2に
おいて成分を検出することにより、緩和の分析を励起の
広い周波数範囲内で簡単に実施できる。この結果、従来
の方法ではアクセスが困難であり、かつ測定精度の低下
を招来した高周波及びデシメートル波でも分析が可能で
ある。また、本発明の方法を使用することにより、信号
対雑音比に関する空間的に高い分解能を備えたルミネセ
ンス測定は高周波励起及び短い電荷担体寿命（１μｓ未
満）をともなう放射緩和プロセスによって生じる周波帯
推移の範囲から簡単に得られる。これらの測定は測定対
象物（例：半導体基板）が高い温度を有する場合にも確
実に実施し得る。本発明の方法及び同方法を実施するた
めの装置は、半導体内におけるルミネセント・チャネル
及び非放射チャネルに関する情報、並びに各種の電気材
料パラメータに関する情報を得るために、電荷担体波の
周波数分析を実施することと、励起された電荷担体の拡
散距離及び移動度に関する情報を得ることと、対象物の
放射応答及び非放射応答の信号成分を分離することを可
能にする。
【００５２】
【発明の効果】本発明によれば、高い励起出力及び短い
電荷担体寿命を備えた電荷担体波を十分に高い精度で検
出することが可能になるうえ、半導体の光励起を利用し
て電荷担体再結合の放射チャネル及び非放射チャネルを
検出し、かつ同チャネルの個々の評価を行い得るという
優れた効果を発揮する。
電荷担体寿命を備えた電荷担体波を十分に高い精度で検
出することが可能になるうえ、半導体の光励起を利用し
て電荷担体再結合の放射チャネル及び非放射チャネルを
検出し、かつ同チャネルの個々の評価を行い得るという
優れた効果を発揮する。
【図１】励起位置から離間した対象物の裏面上でルミネ
セント光線を検出する本発明に基づく装置を示す図。
セント光線を検出する本発明に基づく装置を示す図。
【図２】対象物の励起面上でルミネセント光線を検出す
る本発明に基づく装置を示す図。
る本発明に基づく装置を示す図。
【図３】周波数変換をともなう組み合わされたルミネセ
ンス及び光熱分光学のための装置を示す図であり、励起
用レーザ・ビームは互いに直交する方向へそれぞれ偏光
された２つの部分ビームからなる。
ンス及び光熱分光学のための装置を示す図であり、励起
用レーザ・ビームは互いに直交する方向へそれぞれ偏光
された２つの部分ビームからなる。
【図４】周波数変換をともなう組み合わされたルミネセ
ンス及び光熱分光学のための別の装置を示す図であり、
ルミネセント光線は対象物の励起側で検出される。
ンス及び光熱分光学のための別の装置を示す図であり、
ルミネセント光線は対象物の励起側で検出される。
【図５】組み合わされたルミネセンス及び光熱分光学の
ための装置を示す図であり、励起はクロックド変調（ge
takteter Modulation）をともなうレーザ・ビームによ
って実行される。
ための装置を示す図であり、励起はクロックド変調（ge
takteter Modulation）をともなうレーザ・ビームによ
って実行される。
【図６】図５に示す装置における時間に対する強度の変
調（Intensitaetsmodulation）を示す線図。
調（Intensitaetsmodulation）を示す線図。
【図７】空間的に互いに分離した励起中心において対象
物をそれぞれ励起する２つの部分ビームとともに本発明
に基づく装置を示す図。
物をそれぞれ励起する２つの部分ビームとともに本発明
に基づく装置を示す図。
【図８】２つの空間的に互いに分離した部分ビームとと
もに本発明に基づく別の装置を示す図。
もに本発明に基づく別の装置を示す図。
【図９】ルミネセント光線の側方検出をともなう本発明
に基づく装置を示す図。
に基づく装置を示す図。
【図１０】余剰な電荷担体の平均変調周波数Ω及び平均
寿命τの積に依存するルミネセンス形状関数ＦcLを示す
線図。
寿命τの積に依存するルミネセンス形状関数ＦcLを示す
線図。
【図１１】変更され、かつ正規化されたパラメータとと
もに図１０のルミネセント形状関数を示す線図。
もに図１０のルミネセント形状関数を示す線図。
１，２１，２２…レーザ光源、２…モジュレータ・サブ
アセンブリ、４…対象物、５…ルミネセンス検出器、
６，１４…周波数選択装置としてのロックイン増幅器、
７…信号プロセッサ、８…ダイクロイック・ミラー、１
３…レーザ検出器、ｆ1…搬送周波数、ｆ2…基本クロッ
ク周波数、Ω1，Ω2…変調周波数。
アセンブリ、４…対象物、５…ルミネセンス検出器、
６，１４…周波数選択装置としてのロックイン増幅器、
７…信号プロセッサ、８…ダイクロイック・ミラー、１
３…レーザ検出器、ｆ1…搬送周波数、ｆ2…基本クロッ
ク周波数、Ω1，Ω2…変調周波数。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハンス−ディーター ガイラー ドイツ連邦共和国 デー−07745 イェ ナ フリードリッヒ−シェリンク−シュ トラーセ 11 (56)参考文献 Ｍ．Ｗａｇｎｅｒ ａｎｄ Ｈ．Ｄ. Ｇｅｉｌｅｒ，「Ｓｉｎｇｌｅ−ｂｅａ ｍ ｔｈｅｒｍｏｗａｖｅ ｏｆ ｉｏ ｎ ｉｍｐｌａｎｔｅｄ ａｎｄ ｌａ ｓｅｒ ａｎｎｅａｌｅｄ ｓｅｍｉｃ ｏｎｄｕｃｔｏｒｓ」，ＭＥＡＳＵＲＥ ＭＥＮＴ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮ ＯＬＯＧＹ，２（1991），ｐｐ．1088− 1093，ＵＫ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/66 G01J 3/28 G01N 21/63
Claims (28)
- 【請求項１】 光励起を用いた半導体材料の応答分析の
方法であって、電子エネルギーの蓄積はレーザ・ビーム
によって対象物内で実行され、同電子エネルギーの緩和
は対象物から出射するルミネセント放射の形態で測定さ
れる方法において、 前記励起用レーザ・ビームの強度を変調する工程と、そ
の際、周波数スペクトルが２つの不連続な変調周波数
（Ω1，Ω2）を有することと、 前記対象物（４）から出射するルミネセント光線を変調
周波数（Ω1，Ω2）の差周波数（Ω1−Ω2）について測
定する工程と、 前記ルミネセント光線を変調周波数（Ω1，Ω2）の算術
平均の関数として分析する工程とを含み、前記励起用レ
ーザ・ビームの変調周波数（Ω 1 ，Ω 2 ）は広範囲内で変
更され、その際、２つの変調周波数（Ω 1 ，Ω 2 ）の差は
一定に維持されることを特徴とする方法。 - 【請求項２】 前記励起用レーザー・ビームの２つの変
調周波数（Ω1，Ω2）は２つの部分ビームからレーザ・
ビームを形成することによって生成され、前記部分ビー
ムはそれぞれ１つの変調周波数（Ω1，Ω2）で強度が変
調されている請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 前記２つの部分ビームは互いに直交する
方向へそれぞれ偏光されている請求項２に記載の方法。 - 【請求項４】 前記２つの部分ビームは空間的に互いに
分離し、かつ互いに隣接する対象物（４）上の複数の入
射点へそれぞれフォーカスされる請求項２に記載の方
法。 - 【請求項５】 前記２つの部分ビームは対象物（４）上
へそれぞれフォーカスされ、同対象物（４）上における
両部分ビームの間隔は励起された複数の電荷担体の予測
拡散距離の最大で２倍をなす請求項４に記載の方法。 - 【請求項６】 前記励起用レーザ・ビーム内の２つの変
調周波数（Ω1，Ω2）は、レーザ・ビームを搬送周波数
（ｆ1）及び基本クロック周波数（ｆ2）でそれぞれ振幅
変調することによって形成され、前記搬送周波数
（ｆ1）及び基本クロック周波数（ｆ2）は以下の規則 ｆ1＝（Ω1＋Ω2）／２ ｆ2＝Ω1−Ω2 に基づいてそれぞれ調整され、搬送周波数（ｆ1）及び
側帯波（ｆ1±ｆ2）から得られた混合周波数と同位相を
なす基本クロック周波数（ｆ2）の成分は同成分を変調
プロセスへフィードバックすることによって検出され、
かつ排除される請求項１に記載の方法。 - 【請求項７】 光励起を用いた半導体材料の応答分析の
方法であって、電子エネルギーの蓄積はレーザ・ビーム
によって対象物内で実行され、同電子エネルギーの緩和
は対象物から出射するルミネセント放射の形態で測定さ
れる方法において、 励起用レーザ・ビームの強度を変調する工程と、その
際、周波数スペクトルが２つの不連続な変調周波数（Ω
1，Ω2）を有することと、 対象物（４）から出射するルミネセント光線を変調周波
数（Ω1，Ω2）の和周波数（Ω1＋Ω2）を用いて測定す
る工程と、 ルミネセント光線を変調周波数（Ω1，Ω2）の算術平均
の関数として分析する工程とを含み、前記励起用レーザ
・ビームの変調周波数（Ω 1 ，Ω 2 ）は相互の差を一定に
保ちながら広範囲内で変化することを特徴とする方法。 - 【請求項８】 前記ルミネセント光線は空間的に互いに
分離し、かつ互いに隣接する対象物（４）上の複数の入
射点へそれぞれフォーカスされた２つの部分ビームを使
用することにより、固定された変調周波数（Ω1，Ω2）
を備えた励起用レーザ・ビームの入射点間の相対距離の
関数として分析される請求項７に記載の方法。 - 【請求項９】 前記ルミネセンス応答はレーザ・ビーム
によって励起された対象物（４）の表面上で測定される
請求項１に記載の方法。 - 【請求項１０】 前記ルミネセンス応答は対象物（４）
の裏面で励起について測定される請求項１に記載の方
法。 - 【請求項１１】 前記ルミネセンス応答は対象物（４）
の励起面に関して任意の側面上で測定される請求項１に
記載の方法。 - 【請求項１２】 ルミネセント光線の測定に加えて、光
熱応答を対象物（４）と相互作用した後のレーザ・ビー
ムから記録し、前記２つの応答プロセスの分析及び相関
関係の算定を行い、その結果として対象物（４）の非放
射応答の分離が可能な請求項１に記載の方法。 - 【請求項１３】 前記２つの測定プロセスは対象物
（４）の表裏面上で実施される請求項１２に記載の方
法。 - 【請求項１４】 半導体材料を光励起を用いて応答分析
する装置であって、電子エネルギーを蓄積すべくレーザ
・ビームが対象物上にフォーカスされ、対象物から出射
するルミネセント放射を測定すべくルミネセンス検出器
を有する装置において、二重変調されたレーザ・ビームを形成するレーザ光源
（１）と、前記レーザ光源（１）を２つの変調周波数
（Ω 1 ，Ω 2 ）で変調するためのモジュレータ・サブアセ
ンブリ（２）と、 前記レーザ・ビームの強度が変調され、そして２つの不
連続な変調周波数（Ω1，Ω2）を自身の変調スペクトル
内に有することと、 前記ルミネセンス検出器（５）は周波数選択装置（６）
に対して接続されており、対象物内において生じる周波
数変調から得られたルミネセント放射の成分のみを変調
周波数（Ω1，Ω2）の差周波数（Ω1−Ω2）について検
出し得ることと、 周波数選択可能な方法で変調周波数（Ω1，Ω2）の算術
平均の関数として検出された前記検出器信号を分析する
信号処理装置がルミネセンス検出器（５）の下流側に配
置され、 前記２つの変調周波数（Ω 1 ，Ω 2 ）を広範囲内で変更す
るための駆動装置を有し、同駆動装置はモジュレータ・
サブアセンブリ（２）に対して接続され、前記２つの変
調周波数（Ω 1 ，Ω 2 ）の算術差が常に一定に維持されて
いることを特徴とする 装置。 - 【請求項１５】 前記レーザ・ビームは２つの部分ビー
ムからなり、各部分ビームはそれぞれ前記変調周波数
（Ω1，Ω2）のうちのいづれか一方で変調され、同変調
はモジュレータ・サブアセンブリ（２）によって制御さ
れる請求項１４に記載の装置。 - 【請求項１６】 ２つの部分ビームを形成するために２
つのレーザ光源（２１，２２）は光分割板の前段に配置
され、光モジュレータは前記２つの変調周波数（Ω1，
Ω2）で変調を行うために前記２つのレーザ光源に接続
され、さらに前記２つの部分ビームを統合するための偏
光スイッチが前記光分割板と前記２つのレーザ光源との
間に配置されている請求項１５に記載の装置。 - 【請求項１７】 前記光分割板の下流側に偏光手段を配
置し、これにより前記２つの部分ビームが互いに直交す
る方向へそれぞれ偏光される請求項１６に記載の装置。 - 【請求項１８】 モジュレータ・サブアセンブリ（２）
に接続された２つの独立したレーザ光源（２１，２２）
を有し、これらレーザ光源（２１，２２）はそれぞれ前
記変調周波数（Ω1，Ω2）のうちのいづれか一方で駆動
される請求項１５に記載の装置。 - 【請求項１９】 前記レーザ光源（２１，２２）として
２つのレーザ・ダイオードを使用し、各レーザ・ダイオ
ードは自身が放射する偏光が互いに直交する方向へ偏光
された部分ビームを形成するように調整されている請求
項１８に記載の装置。 - 【請求項２０】 前記２つの部分ビームは互いに平行に
なるように共通の光学システム内へ案内され、さらには
対象物表面の点にフォーカスされる請求項１９に記載の
装置。 - 【請求項２１】 前記２つの部分ビームは統合される請
求項１９に記載の装置。 - 【請求項２２】 前記２つの部分ビームは非平行状態に
て共通の光学システム内へ案内されることにより、これ
ら部分ビームの互いに隣接し、かつ空間的に分離した複
数の入射点が対象物（４）上に形成される請求項１９に
記載の装置。 - 【請求項２３】 前記複数の入射点の間隔は励起された
複数の電荷担体の予測拡散距離の最大で２倍をなす請求
項２２に記載の装置。 - 【請求項２４】 差周波数（Ω1−Ω2）を検出するため
に、前記周波数選択装置（６）は対象物（４）内におい
て生じた周波数変調から得られたルミネセント放射の成
分のみを変調周波数（Ω1，Ω2）の和周波数（Ω1＋
Ω2）を用いて検出できるように任意で調整し得る請求
項２２に記載の装置。 - 【請求項２５】 前記対象物（４）と相互作用した後の
レーザ・ビームを検出すべく、ルミネセンス検出器
（５）以外にレーザ検出器（１３）を有する請求項１４
に記載の装置。 - 【請求項２６】 前記ルミネセンス検出器（５）及びレ
ーザ検出器（１３）の出力はそれぞれロックイン増幅器
（６，１４）へ入力され、周波数選択装置としての２つ
のロックイン増幅器（６，１４）は変調周波数（Ω1，
Ω2）の差周波数（Ω1−Ω2）へ同調され、さらには基
準信号の供給のためにモジュレータ・サブアセンブリ
（２）に対して接続され、前記信号処理装置は２つのロ
ックイン増幅器（６，１４）の出力信号の記録、評価及
び相関関係の算定を行うための信号プロセッサ（７）で
あり、さらには対象物（４）内の放射緩和プロセス及び
非放射緩和プロセスに関する独立した情報を提供する請
求項２５に記載の装置。 - 【請求項２７】 前記レーザ光線をルミネセント放射
から分離すべくダイクロイック・ミラー（８）を有する
請求項１４に記載の装置。 - 【請求項２８】 妨げとなるレーザ光線をルミネセント
放射から分離すべくルミネセンス検出器（５）の上流側
に吸収フィルタ（９）を有する請求項１４に記載の装
置。
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