JPH03115957A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体結晶に光や電子等を照射したときに生ず
る発光（ルミネッセンス）を測定することにより、半導
体結晶中に含まれる不純物や格子欠陥等を分析するルミ
ネッセンス測定装置に関する。

〔従来の技術〕

半導体結晶に光や電子を照射すると、その結晶中に存在
する不純物や格子欠陥、さらには、それらの複合体に起
因してルミネッセンスが生じることはよく知られている
。光で励起した場合がフォトルミネッセンス、電子で励
起した場合はカソードルミネッセンスである。上記ルミ
ネッセンスを測定することにより半導体結晶中に含まれ
る不純物や欠陥等を評価できる。この方法においてはル
ミネッセンスを発生させる励起源として用いる光や電子
のビーム径を容易に絞れるため、試料の微小領域の分析
が可能である。さらに光や電子のビームを試料面上で走
査することにより、不純物や欠陥等の面内分布も測定で
きる。ここで、同−試料においてもフォトルミネッセン
スとカソードルミネッセンスは必ずしも同じものではな
い。従って、両ルミネッセンスを測定することにより不
純物や欠陥等に対するより多くの情報を得ることができ
る。

ところで、上記の如き通常のルミネッセンスとは別に、
電子やイオン等の粒子線を半導体結晶に照射するとその
粒子線の有するエネルギーによって結晶構成原子や不純
物の存在状態が変化し、この変化により、結晶中に存在
する不純物や欠陥等がルミネッセンスの新たな発光中心
を形成することが知られている。これらの発光中心から
のルミネッセンスを測定することにより、通常のルミネ
ッセンス測定では検出できなかった不純物や欠陥等が分
析できることに、なる。

ルミネッセンス測定装置の従来例として特開昭６２−１
．３３３３８号及び１３３３３９号公報に記載されてい
るものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

この従来技術は、電子線照射部と励起光照射部４ を同一装置内に組み込んだものであり、励起光を試料面
に対して斜めに入射する方式と垂直に入射する方式が示
されている。斜入射方式では、試料面における励起光の
損失が大きくなること、光学系の調整が面倒になること
という問題に加え、試料面における励起光のパターンが
楕円状になること、試料内部における励起光と電子線の
軌跡が−致しなくなることの問題がある。このため、励
起光、電子線ともに試料に垂直入射する方法が望ましい
。しかし、上記の発明で示されている垂直入射方法は、
電子線を通すための細孔のあいたミラーによって励起光
を反射させるものであり、励起光の中心部が上記細孔に
より損失し、試料面における励起光のパターンがリング
状になる問題があった・ また、試料に粒子線を照射することにより試料中に存在
する不純物や欠陥等を発光中心に変換し、そのルミネッ
センスを測定することにより不純物や欠陥等を分析する
方法については検討さ九ていない。

本発明の目的は、試料の同一場所に、試料面に対して垂
直に、同時にあるいは時系列的に励起光と粒子線を照射
し、それらにより発生するルミネッセンスを測定する装
置において、ルミネッセンス登発生させるための励起光
の損失を小さくし、試料面における励起光のパターンが
中空にならない装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、試料に粒子線を照射した後、ルミ
ネッセンスを測定することにより試料中の不純物や欠陥
等を分析する方法において、粒子線のエネルギーをルミ
ネッセンス発光用ではなく、ルミネッセンスの発光中心
を形成する程度のものとして該発光中心を試料の深さ方
向に変化させることにより、不純物や欠陥等の微小領域
における分析、さらには三次元的な分布測定の可能な装
置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために励起光のビーム径をビーム・
エクスパンダにより広げ１粒子線を通すための細孔のあ
いた励起光集光系により励起光の＝７ 光軸を粒子線の軸と一致させ、励起光を試料面上に集光
させるものである。

上記他の目的を達成するために粒子線のエネルギーを変
えることにより粒子線の照射により生ずる発光中心の生
成領域の深さを変え、発光中心に起因するルミネッセン
スを測定するものである。

すなわち、本発明に係るルミネッセンス測定装置は、励
起光源と、粒子線源と、試料台と、この試料台に置かれ
た試料に前記励起光源からの励起光又は前記粒子線源か
らの粒子線が該試料面に垂直に入射することによって試
料が発するルミネッセンスを集光するルミネッセンス集
光手段と、このルミネッセンス集光手段で集光したルミ
ネッセンスに基いて情報を処理する処理手段と、を備え
たルミネッセンス測定装置において、前記励起光源から
出た励起光のビーム径を拡げるビーム・エクスパンダと
、このビーム・エクスパンダで拡げられた励起光のビー
ム径を縮小するよう集光して前記試料面に導く励起光集
光手段と、を備え、該励起光集光手段は前記粒子線の線
路に設けられ且つ該粒子線が通過する通孔が穿設されて
いるものである。

また、本発明に係るルミネッセンス測定装置は、励起光
源と９粒子線源と、試料台と、この試料台に置かれた試
料に前記励起光源からの励起光又は前記粒子線源からの
粒子線が該試料面に垂直に入射することによって試料が
発するルミネッセンスを集光するルミネッセンス集光手
段と、このルミネッセンス集光手段で集光したルミネッ
センスに基いて情報を処理する処理手段と、を備えたル
ミネッセンス測定装置において、前記励起光源から出た
励起光のビーム径を拡げるビーム・エクスパンダと、こ
のビーム・エクスパンダで拡げられた励起光のビーム径
を縮／Ｊｌするよう集光して前記試料面に導く励起光集
光手段と、を備え、該励起光集光手段は前記粒子線の線
路に設けられ且つ該粒子線が通過する通孔が穿設されて
おり、前記粒子線源はその粒子線が試料に入射すること
によりルミネッセンスの新たな発光中心が形成される程
度のエネルギーを有する粒子線を出射可能に形成されで
いるものである。ここで、粒子ＩＩＡ源はルミネッセン
ス生成用の粒子線と、ルミネッセンスの新たな発光中心
形成用の粒子線とを出射可能であるものがよい。また、
新たな発光中心の位置が試料の深さ方向に変化するよう
粒子線のエネルギーが可変であるものがよい。

前記装置において、励起光集光手段で集光された励起光
の焦点位置は、前記励起光が通過する孔を有するルミネ
ッセンス集光手段と試料面との間の位置ないしは試料面
上であるものがよい。また、励起光集光手段は凹面鏡よ
り成るものであるもの、あるいは平面鏡と、この平面鏡
で反射された光を試料面に集光する集光レンズとから成
るものであるものがよい。

〔作用〕

本発明によれば励起光のビーム径を拡げた後。

細孔のあいた励起光集光手段により励起光を試料面上に
集光するので、上記細孔による励起光の損失を小さくで
き、さらに試料面上における励起光のパターンが中空状
にならない。

０ また、粒子線のエネルギーを変えることによりルミネッ
センスの発光中心の生成領域の深さを変え、この新たな
発光中心に起因するルミネッセンスを測定するので、任
意の深さの領域の不純物や欠陥等を分析できる。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を第１図により説明する。真空
容器１の内部は図示しない排気系により高真空に保たれ
ている。試料３は試料台２の上に載せられている。試料
台２は冷却装置と移動機構を含み、試料３を熱伝導で冷
却するとともに試料３を試料面内に平行に移動できる。

粒子線源４は図示しない粒子線発生装置、粒子線集束系
及び偏向系等から構成され、この粒子線源４から放出さ
れた粒子線は、励起光集光手段８及びルミネッセンス集
光手段９にあけられた各細孔を通り試料３に照射される
。一方、励起光源５から生じた励起光はビーム・エクス
パンダ６によりビーム径を拡げられ、光学窓７を透過し
て真空容器１内に入射し、励起光集光手段８により励起
光の光軸と前記１１− 粒子線の軸が一致し、試料３の面上に垂直に照射される
。この照射により試料３から生じたルミネッセンスは１
粒子線及び励起光を通すための細孔のあいたルミネッセ
ンス集光手段９により集光され、光学窓１０から真空容
器１の外に導かれた後、ルミネッセンスの情報を処理す
る手段に至る。すなわち、集光レンズ１１により分光器
１２に入射し、特定波長のルミネッセンスが光検出器１
３により検出される。試料３の面上の一つの領域の測定
が終ると、試料３を面内に平行移動させ、別の領域の測
定を行なう。このようにして二次元測定を行うことがで
きる。なお、上記励起光集光手段８としては、凹面鏡あ
るいは第２図に示すように平面鏡１４と集光レンズ１５
の組み合わせを用いることができる。上記励起光集光手
段８の焦点距離は長い方がルミネッセンス集光手段９の
細孔を小さくでき、ルミネッセンスを効率よく集光でき
る。これらを勘案して励起光集光手段８を構成するのが
よい。さらに励起光の試料面におけるスポットサイズが
多少大きくなってもよければ、第３１２ 図に示すように励起光の焦点位ｆｉ１６をルミネッセン
ス集光手段９と試料３の間に設定することが可能である
。これにより、ルミネッセンス集光手段９の細孔を小さ
くできる。なお、ビーム・エクスパンダ６は真空容器１
内に設置してもよい。

このような構成にすることにより、試料の同一場所に、
試料面に対して垂直に、同時にあるいは時系列的にルミ
ネッセンス発生用の励起光及び粒子線を照射でき、さら
にビーム・エクスパンダにより励起光の損失を小さくで
きるので、試料の同一場所におけるフォトルミネッセン
スとカソードルミネッセンスを続けて、しかも高感度に
測定できる。また、試料に新たな発光中心形成用の粒子
線を照射して試料中に存在する不純物や欠陥等を新たな
発光中心に変換し、それにルミネッセンス発生用の励起
光を当てそのルミネッセンスを測定することにより、通
常のルミネッセンス測定では検出できない不純物や欠陥
等も分析できる。さらに発光中心を形成させるための粒
子線のエネルギーを変えることにより、発光中心の生成
領域の深１３− さを変えることができるので、任意の深さの領域の不純
物や欠陥等を分析できる。この場合１種々のエネルギー
の粒子線を照射することにより、不純物や欠陥等の深さ
方向の分布の情報が得られる。

なお上記の粒子線照射により発光中心を形成し不純物や
欠陥等を分析する方法は、上記実施例で示した装置以外
によっても可能であり、加速エネルギーが可変の粒子線
源及びフォト（カソード）ルミネッセンス測定装置から
構成されているものであればよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば試料の同一場所に試料面に対して垂直に
、同時にあるいは時系列的に励起光と粒子線を照射でき
、しかも励起光の損失を小さくできるので、試料の同一
場所におけるフォトルミネッセンスとカソードルミネッ
センスを続けて、高感度に測定できる。

また、試料に粒子線を照射して新たな発光中心を形成し
、そのルミネッセンスを測定することにより、通常のル
ミネッセンス測定では検出できな１４− い不純物や欠陥等を分析できる。さらに発光中心形成の
ための粒子線のエネルギーを変えることにより、不純物
や欠陥等の深さ方向の分布の情報も得られる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例の装置の構成図、第２図は励
起光集光系を平面鏡と集光レンズで構成した場合の装置
の構成図、第３図は励起光の焦点位置をルミネッセンス
集光系と試料の間に設定した場合の装置の構成図である
。 １・・・真空容器、２・・・試料台、３・・・試料、４
・・・粒子線源、５・・励起光源、６・・・ビーム・エ
クスパンダ、７，１０・・・光学窓、８・・励起光集光
手段、９・・・ルミネッセンス集光手段、１１・・・集
光レンズ、１２・・・分光器、１３・光検出器、１４・
・平面鏡、１５・・集光レンズ、１６・・・焦点位置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、励起光源と、粒子線源と、試料台と、この試料台に
   置かれた試料に前記励起光源からの励起光又は前記粒子
   線源からの粒子線が該試料面に垂直に入射することによ
   って試料が発するルミネッセンスを集光するルミネッセ
   ンス集光手段と、このルミネッセンス集光手段で集光し
   たルミネッセンスに基いて情報を処理する処理手段と、
   を備えたルミネッセンス測定装置において、前記励起光
   源から出た励起光のビーム径を拡げるビーム・エクスパ
   ンダと、このビーム・エクスパンダで拡げられた励起光
   のビーム径を縮小するよう集光して前記試料面に導く励
   起光集光手段と、を備え、該励起光集光手段は前記粒子
   線の線路に設けられ且つ該粒子線が通過する通孔が穿設
   されていることを特徴とするルミネッセンス測定装置。 ２、励起光源と、粒子線源と、試料台と、この試料台に
   置かれた試料に前記励起光源からの励起光又は前記粒子
   線源からの粒子線が該試料面に垂直に入射することによ
   って試料が発するルミネッセンスを集光するルミネッセ
   ンス集光手段と、このルミネッセンス集光手段で集光し
   たルミネッセンスに基いて情報を処理する処理手段と、
   を備えたルミネッセンス測定装置において、前記励起光
   源から出た励起光のビーム径を拡げるビーム・エクスパ
   ンダと、このビーム・エクスパンダで拡げられた励起光
   のビーム径を縮小するよう集光して前記試料面に導く励
   起光集光手段と、を備え、該励起光集光手段は前記粒子
   線の線路に設けられ且つ該粒子線が通過する通孔が穿設
   されており、前記粒子線源はその粒子線が試料に入射す
   ることによりルミネッセンスの新たな発光中心が形成さ
   れる程度のエネルギーを有する粒子線を出射可能に形成
   されていることを特徴とするルミネッセンス測定装置。 ３、請求項２において、粒子線源はルミネッセンス生成
   用の粒子線と、ルミネッセンスの新たな発光中心形成用
   の粒子線とを出射可能であるルミネッセンス測定装置。 ４、請求項２又は３において、新たな発光中心の位置が
   試料の深さ方向に変化するよう粒子線のエネルギーが可
   変であるルミネッセンス測定装置。 ５、請求項１ないし４において、励起光集光手段で集光
   された励起光の焦点位置は、前記励起光が通過する孔を
   有するルミネッセンス集光手段と試料面との間の位置又
   は試料面上であるルミネッセンス測定装置。 ６、請求項１ないし５において、励起光集光手段は凹面
   鏡より成るものであるルミネッセンス測定装置。 ７、請求項１ないし５において、励起光集光手段は平面
   鏡と、この平面鏡で反射された光を試料面に集光する集
   光レンズとから成るものであるルミネッセンス測定装置
   。