JPH02268254A - Apparatus for inspecting fluorescence characteristic - Google Patents

Apparatus for inspecting fluorescence characteristic

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JPH02268254A
JPH02268254A JP8947889A JP8947889A JPH02268254A JP H02268254 A JPH02268254 A JP H02268254A JP 8947889 A JP8947889 A JP 8947889A JP 8947889 A JP8947889 A JP 8947889A JP H02268254 A JPH02268254 A JP H02268254A
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Abstract

PURPOSE:To make it possible to measure the fluorescence intensity and the life of a sample or the correlation of both at the same time at a high speed by moving the measuring position of the sample, and analyzing and processing the data of the time intensity waveforms at a plurality of measuring points. CONSTITUTION:A pulse light source 12 is used and a sample 10 is excited. The data of the time intensity waveforms of photoluminescence generated in synchronization with the pulse light source 12 from a sample 10 are detected at time resolution of picoseconds - microseconds. Then, the measuring position of the sample is moved with an X-Y stage 16. The data of the time intensity waveform at each measuring point are analyzed and processed in a signal processing device 22. Thus, the space intensity distribution and the life of the photoluminescence or correlation distributions of both are obtained. Therefore, the fluorescence intensity and the life of the sample 10 or the correlation of both can be measured at a high speed. The quality of a GaAs wafer and the like can be accurately evaluated. Furthermore, local defects and the like can be readily inspected.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention] 【産業上の利用分野】[Industrial application field]

本発明は、試料の螢光特性を検査するための装置に係り
、特に、発光ダイオード(LED) 、レーザダイオー
ド(LD)、’I界効果トランジスタ(FET) 、フ
ォトダイオード(PD)、光学電気集積素子(OEIC
)、集積素子(IC)等に使用されるGaAsウェハ等
の半導体ウェハの品質を評価する際に用いるのに好適な
、試料から発生するフォトルミネッセンスの空間的な強
度分布像及び寿命分布像を得ることが可能な螢光特性検
査装置に関するものである。
The present invention relates to an apparatus for testing the fluorescent properties of a sample, and in particular, a device for testing the fluorescent properties of a sample, particularly for light emitting diodes (LEDs), laser diodes (LDs), 'I field effect transistors (FETs), photodiodes (PDs), optoelectronic integrated devices, etc. element (OEIC
), obtain spatial intensity distribution images and lifetime distribution images of photoluminescence generated from a sample, which are suitable for use in evaluating the quality of semiconductor wafers such as GaAs wafers used in integrated devices (ICs), etc. The present invention relates to a fluorescent property testing device that can perform the following steps.

【従来の技術】[Conventional technology]

LED,LD,FET,PD,OE  rc,  IC
等の製造に用いられるGaAsウェハの品質は、これら
の製造業者にとって最大の問題であり、現状では決して
安心できるものではない。 一般に、半導体結晶に禁止帯幅よりも大きなエネルギー
を持つ光ビームを照射して価電子帯から電子を励起する
と、励起された電子が再結合でエネルギーを失う過程で
螢光が観測され、この発光が7オトルミネツセンスと呼
ばれている。このフォトルミネッセンスにおける螢光の
寿命は、結晶の品質、表面処理、表面の歪、疵等によっ
ても決まる。従って、研磨→エッチングと加工工程が進
むに従って、表面の再結合中心が減少し、螢光寿命が長
くなる場合もある。これは、表面再結合速度を見ている
ことに相当する。一般的には、螢光寿命が変化するのは
、結晶の品質、結晶欠陥、表面状態、表面処理等の影響
のためであり、これらの状況が良好な、即ち品質の良い
ウェハは、第17図に実線Aで示す如く螢光寿命が長く
なるのに対して、品質の低いウェハは、同じく第17図
に実線Bで示す如く、螢光寿命が短くなっている。 従って、Ga Asウェハの品質評価に際しては、その
螢光寿命を測定することが重要である。 又、Qa Asウェハの品質は、螢光寿命だけでなく、
螢光効率(1子効率、螢光の絶対値即ち螢光強度)も重
要である。通常は、第17図に示すように、螢光効率と
寿命は相関があるが、そうでない場合もあり得るので、
螢光強度を測ることも重要である。
LED, LD, FET, PD, OE rc, IC
The quality of the GaAs wafers used to manufacture these products is the biggest issue for these manufacturers, and the current situation is far from reliable. In general, when a semiconductor crystal is irradiated with a light beam with energy greater than the forbidden band width to excite electrons from the valence band, fluorescence is observed as the excited electrons lose energy through recombination, and this light emission occurs. is called 7 otoluminescence. The lifetime of the fluorescence in this photoluminescence is also determined by the quality of the crystal, surface treatment, surface distortion, flaws, etc. Therefore, as the processing process progresses from polishing to etching, the number of recombination centers on the surface decreases and the lifetime of the fluorescence may become longer. This corresponds to looking at the surface recombination rate. In general, the fluorescence lifespan changes due to the effects of crystal quality, crystal defects, surface conditions, surface treatment, etc., and wafers with good conditions, that is, good quality, are While the fluorescence lifespan is longer as shown by the solid line A in the figure, lower quality wafers have a shorter fluorescence lifespan as shown by the solid line B in FIG. Therefore, when evaluating the quality of GaAs wafers, it is important to measure their fluorescence lifetime. In addition, the quality of QaAs wafers is determined not only by the fluorescence lifetime but also by
Fluorescence efficiency (single-child efficiency, absolute value of fluorescence, ie, fluorescence intensity) is also important. Normally, as shown in Figure 17, there is a correlation between fluorescent efficiency and lifetime, but there may be cases where this is not the case.
It is also important to measure the fluorescence intensity.

【発明が達成しようとする課題】[Problem to be achieved by the invention]

しかしながら、フォトルミネッセンスを利用して結晶の
品質を調べるための従来の装置は、試料に波長λ1の連
続光(DC光)を照射し、発生する波長λ2く〉λ1)
のフォトルミネッセンスの強度分布から、試料の評価を
行うものであった。 又、モード同期パルスレーザ又は半導体レーザのパルス
光を試料に当て、サンプリング型ストリークカメラを用
いて、発生したフォトルミネッセンスの螢光寿命を測定
する技術も提案されている。 しかしながら、測定結果は単一の測定点についてのみし
か得られないので、局所的な欠陥の検出が困難であると
いう問題点を有していた。 本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、試料から発生するピコ秒からマイクロ秒領域のフ
ォトルミネッセンスの螢光強度及び螢光寿命又は両者の
相関の空間的な分布像を高速で得ることが可能な螢光特
性検査装置を提供することを課題とする。
However, conventional equipment for examining the quality of crystals using photoluminescence irradiates the sample with continuous light (DC light) of wavelength λ1, and generates a wavelength of λ2〉λ1).
The sample was evaluated based on the intensity distribution of photoluminescence. A technique has also been proposed in which a sample is irradiated with pulsed light from a mode-locked pulsed laser or a semiconductor laser, and the fluorescence lifetime of the generated photoluminescence is measured using a sampling streak camera. However, since measurement results can only be obtained from a single measurement point, there is a problem in that it is difficult to detect local defects. The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and it is possible to obtain a spatial distribution image of the fluorescence intensity and fluorescence lifetime of photoluminescence generated from a sample in the picosecond to microsecond range, or the correlation between the two. An object of the present invention is to provide a fluorescent property inspection device that can be obtained at high speed.

【課題を達成するための手段】[Means to achieve the task]

本発明は、螢光特性検査装置において、第1図にその基
本構成を示す如く、試料10を励起するためのパルス光
源12と、該パルス光源12の光を試料10に照射する
照射光学系14と、前記試料10の測定位置を移動する
ための移動手段(図ではX−Yステージ16)と、試料
10から発生するフォトルミネッセンスを抽出して検出
器(20)に導く集光光学系18と、前記パルス光ai
12に同期して、前記フォトルミネッセンスの時間強度
波形に関する情報を得るための高速光検出器20と、試
料測定位置を移動しながら検出した、各測定点における
前記時間強度波形に関する情報を解析、処理して、フォ
トルミネッセンスの空間的な強度分布及び寿命分布又は
両者の相関分布を求める信号処理装置22とを備えるこ
とにより、前記課題を達成したものである。 又、前記高速光検出器20を、ストリークカメラ装置と
して、数ピコ−数十ピコ秒の時間分解能を有するように
したものである。 又、前記高速光検出器20を、時間相関光子計数装置と
して、数十ピコ秒の時間分解能を有するようにしたもの
である。 又、前記高速光検出器20を、高速フォトダイオードと
波形メモリを組合せたものとして、数百ピコ秒の時間分
解能を有するようにしたものである。 又、前記測定位置の移動手段を、試料を機械的に移動す
るものとしたものである。 又、前記測定位置の移動手段を、パルス光源からの光ビ
ームを走査するものとしたものである。 又、前記測定位置の移動手段を、試料を機械的に移動し
、且つ、パルス光源からの光ビームを走査するものとし
たものである。 又、前記高速光検出器の直前に分光手段を設け、波長毎
の空間的な強度分布及び寿命分布又は両者の相関分布が
求められるようにしたものである。 又、前記集光光学系を共焦点光学系とすると共に、前記
高速光検出器又は分光手段の入力結像面にアパーチャを
設け、試料深さ方向の分解能を有するようにしたもので
ある。 [作用及び効果1 本発明にかかる螢光特性検査装置では、パルス光源12
を用いて試料10を励起し、該パルス光源12に同期し
て、高速光検出器20により、試料中から発生するフォ
トルミネッセンスの時間強度波形に関する情報をピコ秒
〜マイクロ秒の時間分解能で検出し、試料測定位置を移
動しながら検出した、各測定点における前記時間強度波
形に関する情報を解析、処理して、フォトルミネッセン
スの空間的な強度分布及び寿命分布又は両者の相関分布
を求めるようにしている。従って、試料の螢光強度及び
寿命又は両者の相関を同時に高速で測定することができ
、Ga Asウェハ等の品質を正確に評価することが可
能となる。更に、該螢光強度及び寿命又は両者の相関の
空間的な分布像が得られるので1局所的な欠陥等も容易
に検査することができる。 又、前記高速光検出器20をストリークカメラ装置とし
た場合には、前記時間強度波形をピコ秒領域の時間分解
能で、容易に得ることができる。 又、前記高速光検出器20を時間相関光子計数装置とし
た場合には、前記時間強度波形を単一光子のレベルで、
高感度、高時間分解能(数十ピコ秒)、広いダイナミッ
クレンジにより検出することができる。 又、前記高速光検出器20を、高速フォトダイオードと
波形メモリを組合せたものとした場合には、数百ピコ秒
の時間分解能で、前記時間的光強度波形を検出すること
ができる。 又、前記測定位置の移動手段を、試料を喋械的に移動す
るものとした場合には、光学系を走査する必要がなく、
光学系に最も有利な条件で測定することができる。 又、前記測定位置の移動手段を、パルス光源からの光ビ
ームを走査するものとした場合には、試料を移動する必
要がなく、微小部分の高速走査が可能である。 又、前記測定位置の移動手段を、試料を機械的に移動し
、且つ、パルス光源からの光ビームを走査するものとし
た場合には、例えば、それぞれを、互いに直交する1次
元方向に走査することによって、2次元方向の走査が可
能となる。又、微小部分は光ビームを走査し、機械的走
査で大まかな移動を行うことが可能となる。 又、前記高速光検出器20の直前に分光手段を設けた場
合には、フォトルミネッセンスの波長毎の空間的な強度
分布及び寿命分布を得ることが可能となり、特に、波長
によって螢光寿命が異なる試料を検査する際に好適であ
る。 又、前記集光光学系を共焦点光学系とし、前記高速光検
出器20又は分光手段の入力結像面にアパーチャを設け
た場合には、合焦点面の情報だけが得られるので、試料
深さ方向についても分解能が得られる。 [実施例] 以下図面を参照して、半導体ウェハ評価装置に適用した
、本発明に係る螢光特性検査装置の実施例を詳細に説明
する。 本発明の第1実施例は、第1図に示した如く、GaAS
半導体ウェハ等の試料10を励起するためのパルス光源
12と、該パルス光源12の光を試料10に照射する照
射光学系14と、前記パルス光源12に対する試料10
の位置を2次元方向に移動させることによって、前記試
料10の測定位置(パルス光照射位置)を2次元方向に
移動するためのX−Yステージ16と、試料10から発
生するフォトルミネッセンスを抽出して検出器に導くた
めの、ビームスプリッタ18A1フオトルミネツセンス
の波長成分を抽出するためのフィルタ18B及びレンズ
18Cを含む集光光学系18と、前記パルス光源12の
出力をトリが信号として、前記フォトルミネッセンスの
時間強度波形(以下、螢光波形と称する)に関する情報
を得るための高速光検出器20と、前記X−Yステージ
16を移動することによって、試料測定位置を移動しな
がら検出した、例えば格子状の各測定点(第2図参照)
における前記螢光波形に関する情報を解析、処理して、
フォトルミネセンスの空間的な強度分布及び寿命分布を
求める信号処理装置22と、該信号処理装置22によっ
て得られた空間的な強度分布像及び寿命分布像又はそれ
らの相関分布像を表示する表示装置24とから構成され
ている。 前記パルス光源12としては、例えば波長600〜68
0r++n程度でパルス幅3 Q psec程度のパル
ス光を安定して発振可能なレーザダイオ−・ド(LD)
を用いることができる。又、数ナノ秒以下の比較的遅い
螢光を測定する場合は、発光ダイオード(LED)を用
いることができる。 該パルス光源12からトリガ信号を得る方法としては、
例えばパルス光源12のパルス光を分岐し、その一方の
光をアバランシュフォトダイオード<APD)等の高速
フォトダイオードで電気信号に変換して、高速光検出器
20のトリガ信号とすることができる。 前記高速光検出器20としては、例えばストリークカメ
ラを用いることができる。 該ストリークカメラは、数ピコ秒という橿めて高い時間
分解能を有する光検出器であり、GaASウェハのよう
に数十ピコ秒という短い螢光寿命成分を持つ試料の評価
に適している。このストリークカメラは、第3図に基本
的な構成を示す如く、例えばスリット板30及びレンズ
32からなる入力光学系を介して、入射光をストリーク
管34の光電面36に当てて電子に変換し、偏向電極3
8の間を光電子が通過する際に高速掃引することによっ
て、時間的に変化する入射光強度を螢光面42上の位置
における輝度変化として測定するものである。図におい
て、40は、螢光面42の直前で光電子を僧侶するため
のマイクロチャンネルプレート(MCP’)である。 このようにして出力螢光面42上に現れた像はストリー
ク像と呼ばれ、これを、例えば第4図に示す如く、ビジ
コンやCOD等を使用したテレビカメラ25で撮像した
後、この出力像の時間軸方向に沿った明るさの分布を定
量することによって、被測定光の強度の経時変化を知る
ことができる。 具体的には、例えば、前記テレビカメラ25の出力をア
ナログ/デジタル(A/D>変換器26でA/D変換し
、−時記憶装置27に保持した後、前記信号処理装置2
2に出力する。なお、テレビカメラ25の代わりに1次
元フォトダイオードアレイを用いてもよい。 前記ストリークカメラを用いた場合には、各測定点毎に
、例えば第5図に示すような螢光波形を得て、これから
得られた測定点毎の螢光強度及び寿命を、測定点に対応
させて2次元的にプロットすることにより空間的な強度
分布像及び寿命分布像が得られる。 又、前記高速光検出器20としては、第6図に示す如く
、前記ストリークカメラにおいて、そのストリーク像を
空間的に制限するスリット板39を偏向電極38と螢光
面42の間に設けることによって、ストリーク像を電子
的にサンプリングし、後で必要に応じて合成するように
したサンプリング型ストリークカメラも使用できる。 この場合には、例えば第7図に示す如く、サンプリング
された輝点の強度を光電子増倍管28又はフォトダイオ
ードで検出し、必要に応じて増幅器29で増幅した後、
A/D変換器26及び−時記憶装置27を経て、前記信
号処理装置22に出力する。 又、前記高速光検出器20として時間相関光子計数装置
を用いることもできる。この時間相関光子計数装置は、
第8図に基本構成を示す如く、試料10から発生した光
子1個レベルのフォトルミネッセンスを検出する光電子
増倍管(PMT)50と、パルス光源12から入力され
るトリガ信号によって時間計測を開始し、前記PMT5
0で光子が検出されたときに該時間計数を停止すること
によって、2つのパルス信号の間の時間差に比例する高
さを持つ電圧パルスを出力する時間−振幅変換器(TA
C)52と、該TAC52の出力パルスの高さを量子化
して記憶する波高分析器(PHA)54とから構成され
ている。 前記PMT50への入射光量は、例えばパルス光強度を
調整するか、もしくは、PMT50の前にフィルタを設
けることによって、1回のパルス光照射につきせいぜい
1個の光電子しか検出されないレベルに調節される。 前記PHA54には、どの高さのパルスがそれぞれ何回
やってきたかが記憶されるので、光源が何千回か光った
後のPHA54の記憶内容は、第9図に示す如くとなる
。第9図の横軸は、光源が光ってから螢光の光子が1つ
検出されるまでの時間差に比例し、縦軸は、その時刻に
光子が検出される確率、即ちその時刻の螢光強度に比例
するので、第9図は、そのまま螢光波形を表わしている
。 この時間相関光子計数装置を用いた場合には、光の最低
単位である光子が一個一個検出されるので、高感度の検
出が可能である。又、時間分解能も優れている。更に、
ダイナミックレンジも広い。 フォトルミネッセンスの強度分布は、所定時間内の波形
の値1 (t )を積分することにより求めることが可
能であるが、この強度分布のみを高速に又はS/N良く
取得する場合、PMT50の出力パルス信号を、例えば
第10図に示す如く、別に設けられた高速のパルス計数
器56により計数し、信号処理回路22で強度分布画像
を得ることも可能である。この時、時間情報は不要なた
め、パルス光源12は直流(DC)点灯してもよく、計
数レートは、PMT、アンプ、又はパルス計数器の最大
計数率まで高めることができる。これによれば、例えば
螢光寿命分布の測定に先立って、短時間に強度分布画像
を取得し、その画像から螢光寿命分布の測定範囲を決め
ることができる。即ち、一般の時間相関計数法では、主
にTACの最大計数率によりシステムの計数率が制限さ
れる(通常、数100kcps)が、第10図に示した
実施例の光子計数法では100MCI)S程度が可能な
ため、測定時間を大幅に短縮できる。 又、前記高速光検出器2oとして、例えばアバランシュ
フォトダイオード(APD)のような高速フォトダイオ
ードと波形メモリを組合わせて用いることもできる。 前記信号処理装置22における螢光波形に関する情報の
解析及び処理は、次のようにして行われる。 即ち、前出第5図に示したような螢光波形に基づいて、
まず螢光強度! (t )が1/e (約37%)とな
る迄の時間である螢光寿命τを求める。 具体的には、螢光寿命τが1種類である場合には、前記
螢光波形の縦軸を対数で表わした波形は第11図に示す
如くとなるので、この波形に対して、次式に示すような
式を当て填めて、例えば最小二乗法等により一番近い係
数項A及び寿命τを求める。 1 (t ) −A、  exp(−t /r)  −
(1)又、螢光寿命が複数(τ1、τ2、τ3、・・・
)ある場合には、螢光波形を対数で表わした波形は第1
2図に示す如くとなるので、これに対応させて、次式に
示すような式を当て填めることによって、各螢光寿命τ
1、τ2、τ3、・・・を求めることができる。 I (t )−A+   exp(t/τ1)+A 2
 ・eXp(−t /τ2) +A3・ exa(−t/τ3) +・・・     ・・・・・・・・・(2)一方、螢
光のく全)強度は、前記波形の全面積(第11図及び第
12図に斜線で示す)に相当するので、前記波形の値1
 (t )を全範囲に亘って積分するか、又は、次式を
用いて、螢光寿命を求める際に求められた定数A+及び
螢光寿命τ1から計算によって求めることができる。 fl(t)=Atτ1+A2τ2+A3τ3+・・・ 
     ・・・・・・・・・(3)このようにして求
められた螢光寿命及び螢光強度が、前記表示装置24に
空間的分布像として表示される。螢光寿命の表示像の一
例を第13図に示す。この第13図においては、螢光寿
命τの分布が、例えば濃淡によって表わされている。 なお、フォトルミネッセンス強度及び寿命を画像化する
に際しては、白黒濃度で表示する他、カラー画像で色を
変えて表示したり、あるいは3次元表示を行うことも可
能である。又、螢光寿命に、第2機成分τ2、第3機成
分τ3もある場合には、例えば1次式分τ1のみを緑で
マツピングし、1次及び2次式分τ1、τ2を赤でマツ
ピングし、1次、2次及び3次式分τ1、τ2、τ3を
黄でマツピングすることができる。又、1次式分τ1を
赤とし、2次式分τ2を緑とし、3次式分τ3を青とし
、順次重ねることによって、結果的に、1次式分τ1を
赤、2次式分τ2を黄、3次式分τ3を白で表示するこ
とも可能である。更に、画像表示に際しては、適宜スム
ージング処理を行って、見易くすることも可能である。 又、信号処理装置22は、異なる強度分布像及び寿命分
布像の間での相関、例えば比を求める等の演算を行い、
演算結果(即ち相関分布像)につき表示することもでき
る。 次に、第14図を参照して、本発明の第2実施例を詳細
に説明する。 この第2実施例は、前記第1実施例と同様の、パルス光
源12と、照射光学系14と、X−Yステージ16と、
集光光学系18と、高速光検出器20と、信号処理装@
22と、表示装置24とを備えた半導体ウェハ評価装置
において、更に、前記高速光検出器20の直前に、試料
10から発生するフォトルミネッセンスを分光する分光
器60を設け、高速光検出器20で、波長毎の螢光波形
を検出して、波長毎の空間的な強度分布像及び寿命分布
像が得られるようにしたものである。 この第2実施例によれば、波長情報も同時に測定するこ
とができ、例えば第15図に示す如く、波長によって螢
光寿命が異なる場合であっても、波長毎の螢光寿命τ1
、τ2を正確に求めることができる。 この第2実施例においては、前記高速光検出器20とし
て、2次元ストリークカメラを用いれば、波長情報を含
む螢光波形が直ちに得られるので、分光器60における
波長走査は不要である。 なお、前記実施例においては、いずれも、試料10の測
定位置を移動するための手段として、X−Yステージ1
6が用いられていたが、試料測定位置を移動するための
移動手段はこれに限定されない。例えば、試料10がベ
ルトコンベア等の上を流れている場合には、パルス光源
12を該ベルトコンベアの流れ方向と直交する1次元方
向に移動する手段とすることができる。 又、機械的な走査手段によらず、パルス光を電気光学的
に偏向して走査する構成としたり、このパルス光走査と
試料移動を組合わせてもよい。 更に、前記高速光検出器20又は分光器60の入力結像
面に、第1図や第14図に破線で示す如く、アパーチャ
62を設けて共焦点系とすることにより、走査方向(2
次元方向)だけでなく、試料の深さ方向にも分解能を持
たせることもできる。 又、第16図に示す第3実施例の如く、パルス光源12
とは別に落射照明光源80を設けて、例えばレンズ80
Aを介して試料10を照射し、この反射光をミラー82
A及びレンズ82CでTVカメラ84に導き、該TVカ
メラ84で反射画像を撮像し、A/D変換器86でA/
D変換後、信号処理装@22に入力し、これを画像メモ
リ(図示省略)に記憶し、表示装置24上に画像を表示
して、試料10上のパルス光の位置の確認や、測定領域
の状態をモニタすることもできる。 又、この反射画像とフォトルミネッセンスの寿命分布画
像、強度分布画像等を重ねて表示することも可能である
。 又、前記落射照明光源80に、試料10の吸収波長に合
わせた波長フィルタ80Bを設け、試料10を全面照射
して、その時発生するフォトルミネッセンス像を所定の
波長フィルタ82Bを介して、前記TVカメラ84によ
り撮像し、2次元のフォトルミネッセンス強度分布を求
めることも可能である。 更に、試料1oの裏面側に透過照明のための光源90、
レンズ90A、90C及び波長フィルタ90Bを設け、
試料の透過光による画像を前記TVカメラ84又は高速
光検出器20により取得して、フォトルミネッセンスの
寿命、強度分布画像等と比較することも可能である。こ
の時、高速光検出器20の前に設けられた分光手段60
により、試料10の非線形性による第2高調波(SHG
)成分を抽出し、試料10を走査して非線形光学特性画
像を得ることもできる。 又、前記実施例においては、いずれも、本発明が半導体
ウェハの欠陥を検査するための半導体ウェハ評価装置に
適用されていたが、本発明の適用範囲はこれに限定され
ず、誘電体、螢光面、薬剤、紙、生体検査等、他の螢光
特性を検査するための装置にも同様に適用できることは
明らかである。
The present invention provides a fluorescence property testing apparatus, as shown in FIG. , a moving means (XY stage 16 in the figure) for moving the measurement position of the sample 10, and a condensing optical system 18 that extracts photoluminescence generated from the sample 10 and guides it to a detector (20). , the pulsed light ai
12, a high-speed photodetector 20 for obtaining information on the time-intensity waveform of the photoluminescence, and analyzing and processing information on the time-intensity waveform at each measurement point detected while moving the sample measurement position. The above object has been achieved by including a signal processing device 22 that determines the spatial intensity distribution and lifetime distribution of photoluminescence or the correlation distribution thereof. Further, the high-speed photodetector 20 is configured as a streak camera device having a temporal resolution of several picoseconds to several tens of picoseconds. Further, the high-speed photodetector 20 is configured as a time-correlated photon counting device having a time resolution of several tens of picoseconds. Further, the high-speed photodetector 20 is a combination of a high-speed photodiode and a waveform memory, and has a time resolution of several hundred picoseconds. Moreover, the means for moving the measurement position mechanically moves the sample. Moreover, the means for moving the measurement position scans a light beam from a pulsed light source. Further, the measurement position moving means mechanically moves the sample and scans the light beam from the pulsed light source. Further, a spectroscopic means is provided immediately before the high-speed photodetector, so that the spatial intensity distribution and lifetime distribution for each wavelength or the correlation distribution between the two can be determined. Further, the condensing optical system is a confocal optical system, and an aperture is provided on the input imaging plane of the high-speed photodetector or spectroscopy means to provide resolution in the depth direction of the sample. [Operations and Effects 1] In the fluorescent property testing device according to the present invention, the pulsed light source 12
is used to excite the sample 10, and in synchronization with the pulsed light source 12, the high-speed photodetector 20 detects information regarding the time-intensity waveform of photoluminescence generated in the sample with a time resolution of picoseconds to microseconds. , the information regarding the time-intensity waveform at each measurement point detected while moving the sample measurement position is analyzed and processed to determine the spatial intensity distribution and lifetime distribution of photoluminescence or the correlation distribution between the two. . Therefore, the fluorescence intensity and lifetime of a sample, or the correlation between the two, can be simultaneously measured at high speed, making it possible to accurately evaluate the quality of GaAs wafers and the like. Furthermore, since a spatial distribution image of the fluorescence intensity and lifetime or the correlation between the two can be obtained, even a single local defect can be easily inspected. Furthermore, when the high-speed photodetector 20 is a streak camera device, the time-intensity waveform can be easily obtained with a time resolution in the picosecond region. Further, when the high-speed photodetector 20 is a time-correlated photon counting device, the time-intensity waveform is at the level of a single photon,
It can be detected with high sensitivity, high temporal resolution (several tens of picoseconds), and wide dynamic range. If the high-speed photodetector 20 is a combination of a high-speed photodiode and a waveform memory, the temporal light intensity waveform can be detected with a temporal resolution of several hundred picoseconds. Furthermore, when the means for moving the measurement position is one that mechanically moves the sample, there is no need to scan the optical system;
Measurements can be made under the most advantageous conditions for the optical system. Furthermore, when the means for moving the measurement position is one that scans a light beam from a pulsed light source, there is no need to move the sample, and it is possible to scan minute parts at high speed. In addition, when the measurement position moving means is one that mechanically moves the sample and scans a light beam from a pulsed light source, for example, each of them is scanned in a one-dimensional direction orthogonal to each other. This enables scanning in two-dimensional directions. Furthermore, it is possible to roughly move a minute part by scanning a light beam and mechanically scanning it. Furthermore, if a spectroscopic means is provided immediately before the high-speed photodetector 20, it becomes possible to obtain the spatial intensity distribution and lifetime distribution for each wavelength of photoluminescence, and in particular, the fluorescence lifetime differs depending on the wavelength. Suitable for inspecting samples. In addition, when the condensing optical system is a confocal optical system and an aperture is provided on the input imaging plane of the high-speed photodetector 20 or the spectroscopic means, only information on the focused plane can be obtained, so the sample depth can be adjusted. Resolution can also be obtained in the horizontal direction. [Example] Hereinafter, with reference to the drawings, an example of the fluorescent property inspection apparatus according to the present invention applied to a semiconductor wafer evaluation apparatus will be described in detail. The first embodiment of the present invention, as shown in FIG.
a pulsed light source 12 for exciting a sample 10 such as a semiconductor wafer; an irradiation optical system 14 for irradiating the sample 10 with light from the pulsed light source 12;
By moving the position of the sample 10 in a two-dimensional direction, the X-Y stage 16 for moving the measurement position (pulsed light irradiation position) of the sample 10 in the two-dimensional direction and the photoluminescence generated from the sample 10 are extracted. A condensing optical system 18 including a filter 18B and a lens 18C for extracting the wavelength component of the photoluminescence of the beam splitter 18A1 and guiding it to the detector; Detection was performed while moving the sample measurement position by moving the high-speed photodetector 20 and the X-Y stage 16 for obtaining information regarding the time-intensity waveform of photoluminescence (hereinafter referred to as fluorescence waveform). For example, each measurement point in a grid (see Figure 2)
Analyzing and processing information regarding the fluorescence waveform in
A signal processing device 22 that obtains the spatial intensity distribution and lifetime distribution of photoluminescence, and a display device that displays the spatial intensity distribution image and lifetime distribution image obtained by the signal processing device 22, or their correlation distribution image. It consists of 24. The pulsed light source 12 has a wavelength of 600 to 68, for example.
A laser diode (LD) that can stably oscillate pulsed light with a pulse width of about 3 Q psec at about 0r++n.
can be used. Furthermore, when measuring relatively slow fluorescence of several nanoseconds or less, a light emitting diode (LED) can be used. The method for obtaining the trigger signal from the pulsed light source 12 is as follows:
For example, the pulsed light from the pulsed light source 12 can be branched, and one of the lights can be converted into an electrical signal by a high-speed photodiode such as an avalanche photodiode (APD) to be used as a trigger signal for the high-speed photodetector 20. As the high-speed photodetector 20, for example, a streak camera can be used. The streak camera is a photodetector that has an extremely high time resolution of several picoseconds, and is suitable for evaluating samples such as GaAS wafers that have fluorescence lifetime components as short as several tens of picoseconds. As shown in the basic configuration of FIG. 3, this streak camera converts incident light into electrons by applying it to a photocathode 36 of a streak tube 34 through an input optical system consisting of, for example, a slit plate 30 and a lens 32. , deflection electrode 3
By sweeping photoelectrons at high speed as they pass through the fluorescent surface 42, the time-varying incident light intensity is measured as a change in brightness at a position on the fluorescent surface 42. In the figure, 40 is a microchannel plate (MCP') for collecting photoelectrons just before the fluorescent surface 42. The image that appears on the output fluorescent surface 42 in this way is called a streak image, and after capturing this image with a television camera 25 using a vidicon, COD, etc., as shown in FIG. By quantifying the brightness distribution along the time axis direction, it is possible to know the change in the intensity of the measured light over time. Specifically, for example, the output of the television camera 25 is A/D converted by an analog/digital (A/D>converter 26 and stored in the - time storage device 27, and then the signal processing device 2
Output to 2. Note that a one-dimensional photodiode array may be used instead of the television camera 25. When the streak camera is used, a fluorescence waveform as shown in Fig. 5 is obtained for each measurement point, and the fluorescence intensity and lifespan obtained for each measurement point are calculated corresponding to the measurement point. By plotting these two-dimensionally, spatial intensity distribution images and lifetime distribution images can be obtained. Furthermore, as shown in FIG. 6, the high-speed photodetector 20 is constructed by providing a slit plate 39 between the deflection electrode 38 and the fluorescent surface 42 to spatially limit the streak image in the streak camera. A sampling type streak camera that electronically samples streak images and later synthesizes them as necessary can also be used. In this case, for example, as shown in FIG. 7, the intensity of the sampled bright spot is detected by a photomultiplier tube 28 or a photodiode, and after being amplified by an amplifier 29 as necessary,
The signal is outputted to the signal processing device 22 via the A/D converter 26 and the -time storage device 27. Furthermore, a time-correlated photon counting device can also be used as the high-speed photodetector 20. This time-correlated photon counting device
As shown in the basic configuration of FIG. 8, time measurement is started by a photomultiplier tube (PMT) 50 that detects photoluminescence at the level of one photon generated from the sample 10 and a trigger signal input from the pulsed light source 12. , said PMT5
A time-to-amplitude converter (TA) outputs a voltage pulse with a height proportional to the time difference between the two pulse signals by stopping the time counting when a photon is detected at zero.
C) 52, and a pulse height analyzer (PHA) 54 that quantizes and stores the height of the output pulse of the TAC 52. The amount of light incident on the PMT 50 is adjusted to a level such that at most one photoelectron is detected per pulsed light irradiation, for example, by adjusting the pulsed light intensity or by providing a filter in front of the PMT50. Since the PHA 54 stores information on how many pulses of different heights have arrived, the contents stored in the PHA 54 after the light source has emitted thousands of times will be as shown in FIG. The horizontal axis in Figure 9 is proportional to the time difference between when the light source emits light and when one fluorescent photon is detected, and the vertical axis is the probability that a photon will be detected at that time, that is, the fluorescence at that time. Since it is proportional to the intensity, FIG. 9 directly represents the fluorescence waveform. When this time-correlated photon counting device is used, each photon, which is the lowest unit of light, is detected one by one, so highly sensitive detection is possible. Furthermore, the time resolution is also excellent. Furthermore,
The dynamic range is also wide. The intensity distribution of photoluminescence can be obtained by integrating the value 1 (t) of the waveform within a predetermined time, but when acquiring only this intensity distribution at high speed or with good S/N, the output of PMT50 It is also possible to count the pulse signals using a separately provided high-speed pulse counter 56 and obtain an intensity distribution image using the signal processing circuit 22, as shown in FIG. 10, for example. At this time, since time information is not required, the pulse light source 12 may be lit with direct current (DC), and the counting rate can be increased to the maximum counting rate of the PMT, amplifier, or pulse counter. According to this, for example, prior to measuring the fluorescence lifetime distribution, an intensity distribution image can be obtained in a short time, and the measurement range of the fluorescence lifetime distribution can be determined from the image. That is, in the general time correlation counting method, the counting rate of the system is limited mainly by the maximum counting rate of TAC (usually several 100 kcps), but in the photon counting method of the embodiment shown in FIG. Since the measurement time can be reduced significantly, the measurement time can be significantly reduced. Further, as the high-speed photodetector 2o, a combination of a high-speed photodiode such as an avalanche photodiode (APD) and a waveform memory can be used. Analysis and processing of information regarding the fluorescence waveform in the signal processing device 22 is performed as follows. That is, based on the fluorescence waveform as shown in FIG. 5 above,
First, the fluorescence intensity! The fluorescence lifetime τ, which is the time until (t) becomes 1/e (approximately 37%), is determined. Specifically, when there is one type of fluorescence life τ, the waveform in which the vertical axis of the fluorescence waveform is expressed logarithmically is as shown in FIG. 11, so for this waveform, the following equation By applying the equation shown in , the nearest coefficient term A and the life τ are determined by, for example, the method of least squares. 1 (t) −A, exp(−t/r) −
(1) Also, there are multiple fluorescent lifetimes (τ1, τ2, τ3,...
) In some cases, the logarithmic waveform of the fluorescence waveform is
As shown in Figure 2, by applying the following equation, each fluorescent life τ
1, τ2, τ3, . . . I (t)−A+ exp(t/τ1)+A 2
・eXp(-t/τ2) +A3・exa(-t/τ3) +... ・・・・・・・・・(2) On the other hand, the total intensity of the fluorescence is the total area of the waveform ( (shown with diagonal lines in Figures 11 and 12), the value of the waveform is 1.
(t) can be calculated over the entire range, or by calculation from the constant A+ obtained when determining the fluorescence lifetime and the fluorescence lifetime τ1 using the following equation. fl(t)=Atτ1+A2τ2+A3τ3+...
(3) The fluorescence lifetime and fluorescence intensity thus determined are displayed on the display device 24 as a spatial distribution image. An example of a display image of the fluorescent life is shown in FIG. 13. In FIG. 13, the distribution of the fluorescence lifetime τ is represented by, for example, shading. Note that when visualizing the photoluminescence intensity and lifetime, in addition to displaying in black and white density, it is also possible to display a color image with different colors, or to perform three-dimensional display. Also, if the fluorescence lifetime also has a second component τ2 and a third component τ3, for example, only the linear component τ1 is mapped in green, and the linear and quadratic components τ1 and τ2 are mapped in red. The linear, quadratic, and cubic equation components τ1, τ2, and τ3 can be mapped in yellow. Also, by making the linear equation component τ1 red, the quadratic equation component τ2 green, and the cubic equation component τ3 blue, and sequentially overlapping them, the linear equation component τ1 becomes red and the quadratic equation component τ1 becomes red, and the quadratic equation component τ1 becomes red. It is also possible to display τ2 in yellow and the cubic equation component τ3 in white. Furthermore, when displaying an image, it is possible to perform appropriate smoothing processing to make it easier to see. Further, the signal processing device 22 performs calculations such as calculating a correlation between different intensity distribution images and lifetime distribution images, for example, calculating a ratio.
It is also possible to display the calculation results (ie, the correlation distribution image). Next, a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. This second embodiment includes a pulsed light source 12, an irradiation optical system 14, an XY stage 16, and the like as in the first embodiment.
Condensing optical system 18, high-speed photodetector 20, and signal processing device @
22 and a display device 24, the semiconductor wafer evaluation apparatus further includes a spectrometer 60 for dispersing photoluminescence generated from the sample 10 immediately before the high-speed photodetector 20. By detecting the fluorescence waveform for each wavelength, a spatial intensity distribution image and a lifetime distribution image for each wavelength can be obtained. According to this second embodiment, wavelength information can also be measured at the same time. For example, even if the fluorescence lifespan differs depending on the wavelength, as shown in FIG. 15, the fluorescence lifespan τ1 for each wavelength
, τ2 can be determined accurately. In this second embodiment, if a two-dimensional streak camera is used as the high-speed photodetector 20, a fluorescence waveform containing wavelength information can be obtained immediately, so wavelength scanning in the spectrometer 60 is not necessary. In each of the above embodiments, the X-Y stage 1 is used as a means for moving the measurement position of the sample 10.
6 was used, but the moving means for moving the sample measurement position is not limited to this. For example, when the sample 10 is flowing on a belt conveyor or the like, the pulsed light source 12 can be used as means for moving in a one-dimensional direction perpendicular to the flow direction of the belt conveyor. Furthermore, instead of using mechanical scanning means, a configuration may be adopted in which pulsed light is electro-optically deflected and scanned, or this pulsed light scanning and sample movement may be combined. Furthermore, by providing an aperture 62 on the input imaging plane of the high-speed photodetector 20 or the spectrometer 60 to form a confocal system, as shown by broken lines in FIGS.
It is possible to provide resolution not only in the dimensional direction) but also in the depth direction of the sample. Further, as in the third embodiment shown in FIG.
Separately, an epi-illumination light source 80 is provided, for example, a lens 80.
The sample 10 is irradiated through the mirror 82, and this reflected light is sent to the mirror 82.
A and a lens 82C to guide the TV camera 84, the TV camera 84 captures a reflected image, and the A/D converter 86
After D conversion, it is input to the signal processing device @ 22, stored in an image memory (not shown), and displayed on the display device 24 to confirm the position of the pulsed light on the sample 10 and the measurement area. You can also monitor the status of Further, it is also possible to display this reflection image, a photoluminescence lifetime distribution image, an intensity distribution image, etc. in an overlapping manner. Further, the epi-illumination light source 80 is provided with a wavelength filter 80B matching the absorption wavelength of the sample 10, and the entire surface of the sample 10 is irradiated, and the photoluminescence image generated at that time is transmitted to the TV camera through a predetermined wavelength filter 82B. It is also possible to take an image using 84 and obtain a two-dimensional photoluminescence intensity distribution. Furthermore, a light source 90 for transmitted illumination is provided on the back side of the sample 1o,
Lenses 90A, 90C and wavelength filter 90B are provided,
It is also possible to obtain an image of the transmitted light of the sample using the TV camera 84 or the high-speed photodetector 20 and compare it with the photoluminescence lifetime, intensity distribution image, etc. At this time, the spectroscopic means 60 provided in front of the high-speed photodetector 20
The second harmonic (SHG) due to the nonlinearity of the sample 10 is
) component and scan the sample 10 to obtain a nonlinear optical characteristic image. Furthermore, in each of the above embodiments, the present invention is applied to a semiconductor wafer evaluation device for inspecting semiconductor wafers for defects, but the scope of application of the present invention is not limited to this, and is applicable to dielectrics, fluorescent materials, etc. It is clear that the present invention is equally applicable to devices for testing other fluorescent properties such as light surfaces, drugs, paper, biological tests, etc.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明に係る螢光特性検査装置の第1実施例
の構成を示すブロック線図、 第2図は、第1実施例における試料表面上の測定点の一
例を示す平面図、 第3図は、本発明で用いられる高速光検出器の一例であ
るストリークカメラの基本的な構成を示す断面図、 第4図は、高速光検出器としてストリークカメラを用い
た場合の信号処理系の例を示すブロック線図、 第5図は、励起光と螢光波形の一例を示す線図、第6図
は、本発明で用いられる高速光検出器の他の一例である
サンプリング型ストリークカメラの基本的な構成を示す
断面図、 第7図は、高速光検出器としてサンプリング型ストリー
クカメラを用いた場合の信号処理系の例を示すブロック
線図、 第8図は、本発明で用いられる高速光検出器の他の一例
である時間相関光子計数装置の基本原理を説明するため
のブロック線図、 第9図は、該時間相関光子計数装置によって得られる螢
光波形の一例を示す線図、 第10図は、時間相関光子計数装置の変形例を示すブロ
ック線図、 第11図及び第12図は、螢光寿命を求める方法を説明
するための線図、 第13図は、螢光寿命の空間的な分布の表示例を示す平
面図、 第14図は、本発明の第2実施例の構成を示すブロック
線図、 第15図は、第2実施例によって測定可能な螢光寿命の
波長依存性の例を示す線図、 第16図は、本発明の第3実施例の構成を示すブロック
線図、 第17図は、半導体ウェハの品質と螢光波形の関係の例
を示す線図である。 10・・・試料、 12・・・パルス光源、 14・・・照射光学系、 16・・・X−Yステージ、 18・・・集光光学系、 18B・・・フィルタ、 20・・・高速光検出器、 22・・・信号処理装置、 60・・・分光器、 62・・・アパーチャ。 第 図 fフ 第 2図 第 図 死 第 図 第6図 第 図 /2 〃 第9 図 液高a:晴f4 第 図 第 四召 第 区 第13図 第14図 第15図 第17図 第 図
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a first embodiment of a fluorescent property testing device according to the present invention; FIG. 2 is a plan view showing an example of measurement points on a sample surface in the first embodiment; FIG. 3 is a sectional view showing the basic configuration of a streak camera, which is an example of a high-speed photodetector used in the present invention. FIG. 4 is a signal processing system when a streak camera is used as a high-speed photodetector. 5 is a diagram showing an example of excitation light and fluorescence waveforms, and FIG. 6 is a sampling type streak camera which is another example of the high-speed photodetector used in the present invention. 7 is a block diagram showing an example of a signal processing system when a sampling streak camera is used as a high-speed photodetector, and FIG. 8 is a sectional view showing the basic configuration of the system used in the present invention. A block diagram for explaining the basic principle of a time-correlated photon counting device, which is another example of a high-speed photodetector, and FIG. 9 is a diagram showing an example of a fluorescence waveform obtained by the time-correlated photon counting device. , FIG. 10 is a block diagram showing a modified example of the time-correlated photon counting device, FIGS. 11 and 12 are diagrams for explaining the method of determining the fluorescence lifetime, and FIG. 13 is a diagram showing the fluorescence lifetime. FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of the second embodiment of the present invention; FIG. 15 is a plan view showing a display example of the spatial distribution of lifetime; FIG. FIG. 16 is a block diagram showing the configuration of the third embodiment of the present invention. FIG. 17 is a diagram showing an example of the relationship between semiconductor wafer quality and fluorescence waveform. It is a line diagram. DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Sample, 12... Pulse light source, 14... Irradiation optical system, 16... X-Y stage, 18... Condensing optical system, 18B... Filter, 20... High speed Photodetector, 22... Signal processing device, 60... Spectrometer, 62... Aperture. Fig. f Fig. 2 Fig. Death Fig. 6 Fig./2 〃 9 Fig. Liquid height a: Clear f4 Fig. 4 Fig. 13 Fig. 14 Fig. 15 Fig. 17 Fig.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)試料を励起するためのパルス光源と、該パルス光
源の光を試料に照射する照射光学系と、 試料の測定位置を移動するための移動手段と、試料から
発生するフォトルミネッセンスを抽出して検出器に導く
集光光学系と、 前記パルス光源に同期して、前記フォトルミネッセンス
の時間強度波形に関する情報を検出するための高速光検
出器と、 試料測定位置を移動しながら検出した、各測定点におけ
る前記時間強度波形に関する情報を解析、処理して、フ
ォトルミネッセンスの空間的な強度分布及び寿命分布又
は両者の相関分布を求める信号処理装置と、 を含むことを特徴とする螢光特性検査装置。
(1) A pulsed light source for exciting the sample, an irradiation optical system for irradiating the sample with light from the pulsed light source, a moving means for moving the measurement position of the sample, and a means for extracting photoluminescence generated from the sample. a high-speed photodetector for detecting information regarding the time-intensity waveform of the photoluminescence in synchronization with the pulsed light source; A signal processing device that analyzes and processes information regarding the time-intensity waveform at a measurement point to obtain a spatial intensity distribution and a lifetime distribution of photoluminescence, or a correlation distribution between the two. Device.
(2)請求項1において、前記高速光検出器がストリー
クカメラ装置であることを特徴とする螢光特性検査装置
(2) The fluorescent property testing device according to claim 1, wherein the high-speed photodetector is a streak camera device.
(3)請求項1において、前記高速光検出器が時間相関
光子計数装置であることを特徴とする螢光特性検査装置
(3) The fluorescence property testing device according to claim 1, wherein the high-speed photodetector is a time-correlated photon counting device.
(4)請求項1において、前記、高速光検出器が、高速
フォトダイオードと波形メモリを組合せたものであるこ
とを特徴とする螢光特性検査装置。
(4) A fluorescence characteristic testing device according to claim 1, wherein the high-speed photodetector is a combination of a high-speed photodiode and a waveform memory.
(5)請求項1において、前記測定位置の移動手段が、
試料を機械的に移動するものであることを特徴とする螢
光特性検査装置。
(5) In claim 1, the means for moving the measurement position:
A fluorescent property testing device characterized by mechanically moving a sample.
(6)請求項1において、前記測定位置の移動手段が、
パルス光源からの光ビームを走査するものであることを
特徴とする螢光特性検査装置。
(6) In claim 1, the means for moving the measurement position:
1. A fluorescent property testing device, characterized in that it scans a light beam from a pulsed light source.
(7)請求項1において、前記測定位置の移動手段が、
試料を機械的に移動し、且つ、パルス光源からの光ビー
ムを走査するものであることを特徴とする螢光特性検査
装置。
(7) In claim 1, the means for moving the measurement position:
1. A fluorescence property testing device that mechanically moves a sample and scans a light beam from a pulsed light source.
(8)請求項1において、前記高速光検出器の直前に分
光手段が設けられ、波長毎の空間的な強度分布及び寿命
分布が求められることを特徴とする螢光特性検査装置。
(8) A fluorescence characteristic testing device according to claim 1, characterized in that a spectroscopic means is provided immediately before the high-speed photodetector, and a spatial intensity distribution and a lifetime distribution for each wavelength are determined.
(9)請求項1又は8において、前記集光光学系が共焦
点光学系とされると共に、前記高速光検出器又は分光手
段の入力結像面にアパーチャが設けられ、試料深さ方向
の分解能を有することを特徴とする螢光特性検査装置。
(9) In claim 1 or 8, the condensing optical system is a confocal optical system, and an aperture is provided on the input imaging plane of the high-speed photodetector or spectroscopy means, and the resolution in the sample depth direction is A fluorescent property testing device comprising:
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