JPH01235836A - カソードルミネッセンス測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分計〉 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）のス
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。

く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。

く作　　　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ｇＥ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。乙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、例文ば下式で与えられろ。

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Ａ１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焦点已にピンホール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ｆｉ１
２．１７が配置される。

切替［１７はレーザ光発生装置１８からのレーザ光りを
第２焦点已に導（一方、切替＃１１２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＠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を取り外して、切替ｆ！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、電子線偏光器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によゆ試ｇ７をｘ−ｙ−ｚ方向で
ｙ４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焦点已にピンホール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りを切替鋺１
７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り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ＩＩｐｓ向Ｍ８、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
りは、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、レーザ光りが回転楕円ミラー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、レーザ光綿が第２焦点Ｂ
を通過して、回転楕円ミラー９上の０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Ａ
Ｃ＋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の比であられされる
。すなわち、レーザ光線が反射する０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くＢＣであるからである
。

回転楕円ミラー９０反射点Ｃを第１焦点の直上近傍とす
ると、光路長ＡＣは〜（ａ”−ｂ”）／ａ、光路長ＢＣ
は〜（ａ２＋ｂ２）／ａとなり、第２焦点Ｂでのレーザ
光りのビームサイズがＤのとき、光路長ＡＣは試料上で
のビームサイズは、ＤＸ　（ａ”−ｂ２）　／　（ａ２
＋ｂ２）程度に縮小される。

具体例としてａ　＝１１５ｎｖａ、　ｂ＝１１０ｍ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１００μｍφの場合、試料上では約４．５
μｍφ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＝１１５ｎｍ、　ｂ＝１１０ｍであり、第
２焦点でのレーザ光の直径は約３００μｍ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７オトルミネツ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ろ。

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りを試料
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
ザ光りを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
り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、レーザ光り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！！ｉ＋
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。即ちレーザ光りの照射により
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
に焦束させる。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
光り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
びレーザ光綿それぞれの発光点をモニタカメラでＩＩＩ
潤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
させろことができる。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＄３１１２に代
、えてハーフミラ−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、１
０は光学用窓、１２は切替鏡またはハーフミラ−１１３
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。 待　　許　　出　　願　　人 日本電信電話株式会社 代　　　　理　　　　人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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。