JPH04294255A - フォト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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体や蛍光体にレー
ザ光等の励起光（可視光の他に紫外光も含む）を照射し
、それにより発生する蛍光を分析するフォトルミネッセ
ンス測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６に従来のフォトルミネッセンス測定
装置の概略の構成を示す。測定対象である半導体等の試
料５２を所定の試料台上に置き、測定したい箇所に対物
レンズ５１で細く絞った励起光（レーザ光）５０を照射
する。このレーザ光照射により、その箇所の試料から蛍
光５３（フォトルミネッセンス）が発生する。試料から
の蛍光５３は、対物レンズ５４、集光レンズ５５等によ
り構成される蛍光光学系によりスリット面５６に集光さ
れ、スリット孔５７から蛍光分析部５８に導入される。 ここで、試料５２から発生する蛍光に対して入射レーザ
光の方がはるかに強度が強いため、試料に照射するレー
ザ光が蛍光分析部５８に入ると正確なフォトルミネッセ
ンスの測定を行うことができない。そこで、図６に示す
ように、レーザ光５０の入射角度を試料５２の表面に対
して傾け、反射光が直接蛍光光学系に入らないようにし
ているが、このようにしても、試料５２の表面が鏡面で
ない場合には照射面で散乱されたレーザ光が蛍光光学系
に入る。このようなレーザ光成分の蛍光分析部５８への
侵入を防止するため、従来、蛍光光学系の光路中にフィ
ルタ６０を置いて励起光成分を遮断するようにしている
。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】試料で発生する蛍光が
非常に弱い場合には、蛍光分析部５８に入る光の内、フ
ィルタを用いてもなお僅かに透過する励起光の成分が蛍
光成分に対して無視し得ない量となる。特に、励起光源
としてガスレーザ（例えば、Ａｒ＋レーザ）を用いた場
合には、蛍光の波長に近いプラズマライン（本来生成さ
れるべきレーザの波長以外の波長を有する光）が生成す
る可能性があり、蛍光との分離が困難となる。また、励
起レーザ光の波長自体が分析すべき蛍光の波長に近い場
合には、強い励起レーザ光による蛍光分析部５８内部で
の迷光が蛍光分析の精度を低下させる。

【０００４】本発明はこのような問題点を解決し、励起
光の侵入を排除して、蛍光のみの測定を行うことのでき
るフォトルミネッセンス測定装置を提供することを目的
とする。さらに、本発明ではそれに加え、従来のフォト
ルミネッセンス測定装置では得ることのできなかった測
定対象試料の物性に関する新しい情報を得ることのでき
るフォトルミネッセンス測定装置をも提供する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
、本発明に係るフォトルミネッセンス測定装置は、測定
対象試料に励起光を照射することにより試料で生成され
る蛍光を測定するフォトルミネッセンス測定装置であっ
て、 （１）細く絞った励起光を測定対象試料の表面に照射す
る励起光照射手段 （２）測定対象試料の励起光が照射された箇所及びその
周辺の像Ｉｍを所定の像面Ｐｉｍに結像する蛍光光学系
（３）上記像面Ｐｉｍに配置されたスリット孔（４）上
記像Ｉｍとスリット孔とを、上記像面Ｐｉｍ内で相対的
に、スリット孔の長手方向に対して垂直方向に移動させ
る移動手段 （５）スリット孔を通過した光を分析する蛍光分析手段
の各要素を備えることを特徴とするものである。

【０００６】

【作用】励起光照射手段により測定対象試料の表面に励
起光を照射すると、試料の照射された箇所及びその周辺
から蛍光が発生するとともに、励起光が試料表面で反射
及び（試料表面が粗い場合には）散乱される。ここで、
蛍光が励起光が照射された箇所のみならず、その周辺か
らも発生するのは、一つには、励起光が試料内部で散乱
し、照射箇所よりも広い領域で試料物質を励起するため
である。また、もう一つの理由は、励起により生成した
電子及び正孔が再結合するまでの間に試料中をある程度
の距離だけ移動するためである。なお、上記（１）で言
う励起光を「細く絞った」状態とは、励起光の照射領域
の大きさが、その周辺の蛍光が発生する領域の大きさ（
これは、励起光のエネルギや測定対象試料の物性等によ
って定まる）に対して比較的に小さいことを意味するも
のである。励起光自体の反射光あるいは散乱光は、当然
、励起光が照射された領域のみで生ずる。蛍光光学系は
試料表面の励起光照射箇所周辺の像Ｉｍを所定の像面Ｐ
ｉｍに結像し、蛍光分析手段は像面Ｐｉｍに置かれたス
リット孔を通過する光に対して分光等の操作を行って種
々の分析及び測定を行う。ここで、上述の通り、像面Ｐ
ｉｍ上に形成された像Ｉｍを構成する光の中には、試料
により生成された蛍光の他に、照射光の反射・散乱光が
含まれる。移動手段はスリット孔と像Ｉｍのいずれか又
は双方を移動させることにより両者の相対的な移動を行
うのであるが、両者の位置関係を次のように設定するこ
とにより、２種のモードでフォトルミネッセンス測定を
行うことができる。 （Ａ）スリット孔を、像面Ｐｉｍにおける励起光照射箇
所の像から僅かに外れた箇所に置く。これにより、蛍光
のみがスリット孔を通過することになるため、蛍光分析
手段では照射光の反射光又は散乱光の影響の無い、純粋
に蛍光のみによるフォトルミネッセンス測定を行うこと
ができる。 （Ｂ）スリット孔を像面Ｐｉｍ内でスキャンさせる。こ
れにより、試料の励起光照射箇所周辺における蛍光の空
間的（２次元的）発生分布を測定することができ、試料
内部における励起光散乱及び電子及び正孔の移動度に関
する情報を得ることができる。

【０００７】

【実施例】図１に本発明の第１の実施例であるスリット
移動型フォトルミネッセンス測定装置の概略構成を示す
。ガスレーザ、半導体レーザ等の発生源で生成された励
起レーザ光１０はレンズＡ１１により集光され、試料１
２の表面に照射される。試料表面における照射箇所の近
傍を図２に模式的に示す。試料１２の内部では、励起光
が照射された箇所２０で価電子帯の電子が励起光のエネ
ルギにより伝導帯に励起され、電子・正孔対が生成され
る。これら電子及び正孔はそれぞれ試料中を移動し、短
い時間の後に同様にして生成した正孔及び電子と再結合
して、エネルギを蛍光として放出する。従って、電子及
び正孔の移動のため、試料表面の励起光が照射された箇
所２０のみならず、その周辺の部分２１からも蛍光が発
生する。また、照射された励起光が試料１２の内部で散
乱することによる蛍光発生領域の広がりもある。試料１
２の励起光照射箇所２０及びその周辺部２１からの光１
３はレンズＢ１４及びレンズＣ１５によりスリット板１
６の面上に結像される。なお、これらレンズＢ１４及び
レンズＣ１５が前記蛍光光学系を構成する。スリット板
１６にはスリット孔１７が刻線されており、このスリッ
ト孔１７を通過した光のみが蛍光分析部１８に入り、分
析・測定等が行われる。本実施例では、このスリット板
１６（及び蛍光分析部１８）がその面内でスリット孔１
７の長手方向に対して垂直な方向に移動可能となってい
る。従って、スリット板１６が置かれている面に形成さ
れた励起光照射箇所２０及びその周辺部２１を含む試料
表面の像に対して、スリット孔１７は図２のａ、ｂ、ｃ
のように移動する。このようにスリット板１６を移動す
る間にスリット孔１７を通過した光の分光分析等を連続
的に行うことにより、図３に模式的に示すように、照射
箇所２０を中心とした試料表面の位置と各種分光分析結
果のパラメータとの関係を示すグラフを描くことができ
る。このようなグラフを異なった試料あるいは同一試料
の異なった場所について作成することにより、例えばあ
る波長の蛍光についてｄとｅのようなグラフが得られた
ときは、その波長に対応するエネルギを持つ電子・正孔
に関しては、ｄの方が電子・正孔の移動度が小さく、ｅ
の方が大きいという試料の物性に関する情報を得ること
ができる。なお、縦軸のパラメータとして別のものをと
ることにより、その他にも種々の物性情報を得ることが
可能となる。

【０００８】また、本実施例のフォトルミネッセンス測
定装置では次のような使い方をすることもできる。図２
において、スリット孔１７が丁度励起光照射箇所２０の
所（ｂの位置）にあるときには、上述の通り、蛍光分析
部には蛍光の他、試料１２の表面で散乱したレーザ光（
プラズマラインを含む）が入射している。しかし、スリ
ット孔１７がａ及びｃの位置にあるときには蛍光分析部
１８には蛍光のみが入射し、照射レーザ光の影響は排除
されている。従って、スリット孔１７がａ又はｃ（特に
ｃが望ましい）の位置にあるときに分光分析を行うこと
により、正確なフォトルミネッセンス測定を行うことが
できるようになる。本実施例のフォトルミネッセンス測
定装置により半導体試料の蛍光分光測定を行った結果を
従来のフォトルミネッセンス測定装置によって測定した
結果と対比して図５に示す。図５のグラフは横軸に波長
、縦軸に強度をとったものであり、上の方の分析線ｆが
従来のフォトルミネッセンス測定装置による結果、下の
方の分析線ｇが本実施例のフォトルミネッセンス測定装
置による結果である。従来の装置では、レーザ光成分の
蛍光分析部内部の迷光により特に短波長側（左側）で大
きなバックグラウンドノイズが発生している。また、フ
ィルタによってもレーザ光成分が十分に除去されていな
いため、プラズマラインによるピークが大きく現れてい
る。それに対し、本実施例のフォトルミネッセンス測定
装置による測定結果では、それらのノイズ等がよく抑え
られていることがわかる。

【０００９】なお、本実施例のフォトルミネッセンス測
定装置で以上のような使い方をするためには、レーザ光
照射箇所２０の大きさはその周辺部２１の大きさに対し
て相対的に小さくにしておく必要がある。周辺部２１の
大きさは、励起光の試料内部での散乱の度合い及び電子
・正孔の移動度に依存するが、通常の半導体では数μｍ
程度であるため、レンズＡ１１による励起レーザの絞り
込みの大きさ（すなわち、レーザ光照射箇所２０の大き
さ）も、その程度以下にしておくことが望ましい。

【００１０】図４に本発明の第２実施例であるミラー移
動型フォトルミネッセンス測定装置の構成を模式的に示
す。本実施例ではレンズＢ４４及びレンズＣ４５の間に
傾動可能な全反射鏡４９を置き、試料表面からの像を反
射させてスリット板４６の面上に結像するようにしてい
る。本実施例の場合は反射鏡４９の傾斜角を変化させる
ことにより、スリット板４６の面上において試料表面の
像とスリット孔との関係を上記第１実施例の場合と全く
同様に相対的に変化させることができる。本実施例では
スリット板４６を移動させる必要がないため蛍光分析部
も移動する必要がなく、分光分析の精度維持に有利であ
る。

【００１１】

【発明の効果】本発明のフォトルミネッセンス測定装置
では、励起光照射位置からの距離に対する蛍光の特性の
変化という、電子・正孔の移動度等に依存する測定対象
試料の新しい特性を測定することができるようになる。 また、試料表面の像が形成される面においてスリット孔
の位置を励起光照射箇所から外すことにより、励起光の
反射光や散乱光に影響されずに、純粋に蛍光のみのフォ
トルミネッセンス測定を行うことができるようになる。 これは特に、蛍光の波長が励起光の波長に近い場合、あ
るいは励起光のプラズマラインが測定対象とする蛍光の
波長領域に入っている場合に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の第１実施例であるスリット移動型
フォトルミネッセンス測定装置の概略構成図。

【図２】　　レーザ光照射箇所及びその周辺とスリット
孔との位置関係を示す模式図。

【図３】　　レーザ光照射箇所を中心とした試料面上の
位置と分光測定パラメータとの関係の一例を示すグラフ
。

【図４】　　本発明の第２実施例であるミラー移動型フ
ォトルミネッセンス測定装置の概略構成図。

【図５】　　本発明によるフォトルミネッセンス測定装
置と従来のフォトルミネッセンス測定装置との測定結果
を対比したグラフ。

【図６】　　従来のフォトルミネッセンス測定装置の概
略構成図。

【符号の説明】

１０…励起レーザ光　　１１、１４、１５、４４、４５
…レンズ １２…測定対象試料　　１３…試料表面からの光１６、
４６…スリット板　　１７…スリット孔１８…蛍光分析
部　　４９…全反射鏡

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　測定対象試料に励起光を照射すること
   により試料で生成される蛍光を分析するフォトルミネッ
   センス測定装置であって、細く絞った励起光を測定対象
   試料の表面に照射する励起光照射手段と、測定対象試料
   の励起光が照射された箇所及びその周辺の像を所定の像
   面に結像する蛍光光学系と、上記像面に配置されたスリ
   ット孔と、上記像とスリット孔とを上記像面内で相対的
   に、スリット孔に対して垂直方向に移動させる移動手段
   と、スリット孔を通過した光を分析する蛍光分析手段と
   を備えることを特徴とするフォトルミネッセンス測定装
   置。