JPS61500509A - 光ルミネセンス分析のための装置および方法 - 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】 ルミネセンス　のための−よび この出願は、１９８３年１１月２８日に提出したアウス（Ａｕｔｈ）の米国特許 出願第５５５．６０７号の一部継続出願である。

又里り１旦 本発明は、光源を使用して試料を励起し、そして試料が放射する光子を所望のス ペクトル情報を提供する分光系に通過させる光ルミネセンス（Ｐ　Ｌ）の分野に 関する。

その潜在的使用は非常に広いが、本発明の主な関心事は、単結晶ケイ素（Ｓ　ｉ ）中の不純物が意図的にあるいは意図的でなく存在するかどうか、このようなケ イ素内の不純物の濃度を決定することに関する。これらの不純物の決定は、集積 回路のチップにおける電子装置の特性を評価する重要な手段である。ＰＬ分析の 使用は木質的に表面特性の決定に向けられるが、これに対して他の型の分析は全 体のケイ素の特性の決定に使用される。

また本出願人により（１９８２年８月２６日に）提出された、米国特許出願第４ １１，６０３号、において、ケイ素の結晶不純物の表面分析のためのＰＬ技術の 使用が詳しく論じられている。この技術の価値および検出器への十分な放射線ス ループッ）（ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｔｈｒｏｕｇｐｕｔ）を得゛るという問題の 両者がその出願において指摘されている。

出願第４１１，６０３号に開示された改良を用いてさえ、ケイ素チップの不純物 のＰＬ分析は重大な欠陥を有する０本出願は、ケイ素（および潜在的に、他の材 料）のＰＬ分析の問題に対して基本的に困難なアプローチを提供することにより 、それらの欠陥を処理することを意図している。

測定を必要とする放射線の波長範囲はスペルトルの非常に「扱いにくい」部分で ある。それはほぼ１．０７〜１．１２７ミクロンの範囲を包含し、これによりス ペクトルの可視部分および赤外線部分の両者の測定の問題のすべてにこのシステ ムはさらされる。

主要な問題は、入手可能な光増幅器（ＰＭ）検出器管の波長の制限である。これ らの管、例えば、Ｓｔ光陰極管は、大きい本質的に雑音を含まない増幅を与える ため、非常に望ましいＳＮ比を有する。しかし、それらの感度はとくにケイ素表 面の不純物のＰＬ分析に関連するスペクトルの部分において急速に低下し始める ０図面の第１図は、入手可能なＰＭ管の応答特性を破線Ａで示すグラフである。

波長はＸ軸にプロ＞）され、そして管の応答率はＹ軸にプロットされている。第 １図から明らかなように、最良な入手可能なＰＭ管であるＳｌ管からの信号は、 約０゜９ミクロンの波長において急速に低下し始める。

ケイ素ＰＬ分析においてスペクトルの有意な部分を満足に含む波長範囲を有する 検出器を提供するためには、ＰＭ管およびその増幅（または利得）の利点を明ら かに排除することが必要である。所望の波長特性を有する光電池検出器、例えば 、ゲルマニウムを代わりに使用すると、ＰＭ管の高い雑音のない内部増幅から誘 導される信号対雑音の利益が排除される。

米田特許出願第４１１．６０３号に開示されている型のシステムにおける有用な 信号の減少は、格子モノクロメータ−を有するＰＬケイ素分析システムにおいて 固有の放射線スループットの欠点を悪化する。それゆえ、試料と検出器との間の 放射線スルーブツトを実質的に増加する手段はＰＬ分析技術の発展に必要である 。この出願およびその新出願の特許出願環５５５，６０７号は、上記の問題の解 決を提供する。

ざらに、出願第５５５，６０７号に開示されているシステムの連続的使用は、モ ノクロメータ−のシステムにおいて従来思いも寄らない制限、または欠陥が明ら かとなったようなＰＬ分析にお（する大きくかつ予期されない改良を生じた。従 来予測されなかった３つの主要な欠陥が今回明らかとなった。

モノクロメータ−のＰＬシステムにおける１つのこのような欠陥は、半導体結晶 中の励起子のきわめて急速な拡散のためである。励起子は結晶中の一時的な実在 物であり、レーザー励起光子により生じ、更に、結晶によって光子の放射を生ず る。励起子の拡散、および引き続く結晶放射光子のより広い空間的分布の拡散の ために、ＰＬ分析に使用されるモノクロメータ−は、事実、不適ちと見なされた 。なぜなら、それは結晶放射光を十分に捕捉できないからである。半導体結晶中 の励起子の特性は、ウォルフェ（Ｗｏｌｆｅ）およびミシロウイクズ（Ｍｙｓｙ ｒｏｗｉｃｚ）の論文「励起子の物質（Ｅｘｅｉｔｏｎｉｃ　Ｍ　ａ　ｔ　ｔ　 ｅｒ）」　、サイエンティフィック・アメリカン（ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＡｍｅ 　ｒ　ｉ　ｃａｎ）、１９８４年（第９８頁〜第１０７頁）に論じられている。

この論文は「各レーザーパルスは新しい励起子の雲をつくり。

この雲は次のパルスが発生される前に拡散および崩壊する」と述べている。さら に、この論文は「励起子は原子の希薄ガスのように拡散する」と述べている。し かしながら、励起子ガスの拡散係数は通常の原子のガスのそれよりも非常に大き い、［、、、、］励起子のきわめて速い拡散は、質量が小さくかつ低温における 他の粒子による散乱が比較的まれにしか起こらない結果である。」と説明してい る。

モノクロメータ−ＰＬシステムにおける第２の欠陥は、本発明が開発されるまで 認識されず、許容されうる検量（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）すなわち試料毎の比 較結果の不存在である０本発明の装置の使用により達成される感度すなわちＳＮ 比のスペクトル的改良、ならびにスペクトルの範囲の拡張の結果、「電子空孔ド ロプレッ）（ｅｌｃｔｒｏｎ　ｈｏｌｅ　ｄｒｏｐｌｅｔ）Ｊ　（ＥＨＤ）の現 象が従来試料対試料の検量を効果的に破壊してきたことが今回明らかとなった。

ＥＨＤ現象は前述の論文およびハモンド（Ｈａｍｍｏｎｄ）およびシルバー（Ｓ ｉ１ｖｅｒ）の論文「ＳｉにおけるＥ）１０ルミネセンスの開始（Ｏｎｓｅｔ　 。

ｆ　ｔｈｅ　ＥＨＤ　Ｌｕｍ１ｎｅｓｃｅｎｃｅ　ｉｎ　Ｓｔ）　」　。

フィジカル・レビュー・レターズ（Ｐｈｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅ ｒｓ）［アメリカン・フィジヵルーソサイアティ（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｐｈｙｓ ｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ）］、Ｖｏ１．４２゜Ｎｏ　、９　（１９７９年２月 １９日、第５２３頁〜第５２６頁）中に論じられている。後者の論文は、外挿に より、ＥＨＤルミネセンスの開始の時点を、半導体表面上のレーザーの強度が増 加するとき、予測している。ＥＨＤ効果の意義は試料中に誘導される励起子ガス の密度に関係する。このガス密度は所定のレーザー励起水準について試料毎に著 しく変化し、拘束された励起子のラインに対する自由励起子の相対的強度に影響 を及ぼすように思われてきた。不純物の濃度の定量的測定値はこれらの相対的強 度から計算されるので、変化する励起子ガスの密度は測定値の検量を効果的に破 壊する。

モノクロメータ−ＰＬシステムにおける本発明が注意を喚起した第３の欠陥は、 きわめて重大であると考えられるものについての釣合としである種のパラメータ ーを大きく犠牲にする必要性によって強制された結果の制限である。詳しくは、 スペクトル測定において、望ましい目標を表わす４つのパラメーターが存在する ー（１）感度、（２）データ獲得の速度、（３）分解能、および（４）スペルト ルの範囲、モノクロメータ−ＰＬシステムにおいて、感度およびデータ獲得の速 度を最高にすることが必要である、したがって、このようなシステムにとって、 他の２つのパラメーター−分解能およびスペクトルの範囲において入手可能であ るものはなんでも受入れることが必要であった。これは、本発明の出現まで推測 さえされない程度に、モノクロメータ−ＰＬシステムにより生成される情報をき びしく制限した。

＆王立！幻 本発明は、試料からの光ルミネセンス入力を干渉計（格子モノクロメータ−の代 わりに使用する）および所望のスペクトル情報を供給するのに完全に適切な波長 感度帯を有する検出器と組み合わせることにより、従来従われてきた仮説を論駁 する。換言すると、非分散的分光学を分散的分光学の代わりに用いる。下に論す る理由のため、従来ケイ素表面の分析用ＰＬシステムは干渉計のための（すなわ ち非分散的分光学のための）適当な用途を構成しないと考えられてきた。

本発明は、また、前の節に記載した新しいＰＬシステムに固有の２つの主要な問 題の解決を取り扱う：（１）無関係の放射線（すなわち試料が放射する光子以外 の放射線）が検出器に到達するを防止すること；および（２）増倍型光電管の利 益を得ないで、検出器出力において満足すべきＳＮ比を得ること。

本発明は、データ収集パラメーターの所定の選択についてモノクロメータ−ＰＬ システムよりも少なくとも３桁すぐれたＳＮ比（感度）を有することが明らかに された。この驚くべき利点、その理由および結果は後述する１本発明のＰＬシス テムはパラメーター間の釣合（ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）を本質的に回避し、かつす べての４つのパラメーター：感度、データ獲得速度１分解能、およびスペクトル 範囲、におし１て放射線的にすぐれた結果を提供することができる。

さらに、本発明により提供される非常に広範な改良は電子空孔ドロプレット（Ｅ ＨＤ）の問題の影響をスペクトルに明瞭に表示する；そしてそれらの改良は、ま た、ＥＨＤの問題が実質的に消滅するまでレーザー励起ビームのパワー（ｐ　ｏ ｗｅ　ｒ）を減少することによりその問題を実質的に排除する手段を提供した。

要約すると、本発明は、フーリエ変換光ルミネセンス［Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａ ｎｓｆｏｒｍ　Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ　（ＦＲＰＬ）］システム と呼ばれ、先行ＰＬシステムよりもすぐれた次の利点を有する： （ａ）より高い感度−ＦＴＰＬは「スペクトル品質」またはデータ収集時間を犠 牲にしないで減少した励起力の使用を可能とする。

（ｂ）分解能−より高い分解能は、モノクロメータ−システムの場合におけるよ うに光学的スループ−、トを犠牲にしないで、ＰＴＰＬにより得ることができる 。

（Ｃ）スペクトル範囲−ＦＴＰＬはデータ収集時間を犠牲にしないで、モノクロ メータ−よりもより大きいスペクトル範囲を可能にする。

（ｄ）速度−データ獲得速度は異る励起強度において１つの試料の多くのスペク トルを得ることを可能とし、オペレーターは所定の試料について最適なパワーレ ベルを選択することができる。この速度は、また、より多くの高い情報含量のス ペクトルを得ることを可能とし、ＰＬ分析における技術状態を非常により急速に 進展させることができる。これはよりすぐれたハードウェアおよびソフトウェア の開発を包含するばかりでなく、かつまたこの現象に含まれる基礎的な励起子の 力学の理解を増大する。

ＦＴＰＬに関連する発見の価値、あるいは半導体分析のＰＩ、技術の成熟および 向上についてのＦＴＰＬの潜在力を誇張してのべることは困難であろう。

Ｘ血二厨皇皇説Ｊ 第１図は、典型的な光電子増倍管および典型的なゲルマニウムのフォトダイオー ドのスペクトル応答曲線を比較するグラフである：たは２アーム）の干渉計を有 する分析部分とを組み合わせてたケイ素表面分析９置（Ｆ　Ｔ　Ｐ　Ｌ）を示す 線図である；第３図は、ＰＬ分析システムの使用に適する高性能干渉計を示すよ り詳しい線図である； 第４Ａ図および第４Ｂ図は１本発明のＦＴＰＬ分析装置からのスペクトル情報と 先行ＰＬ分析装置からのスペクトル情報とのグラフの比較を提供している； 第５図は、雑音制御の目的で冷却構造体中に取り付けられたＦＴＰＬシステムの 信号出力部分の検出器およびプリアンプを示す：第６Ａ図は検出器で始まる出力 電子回路の冷却された部分を示し、そして第６Ｂ図は同じ回路の冷却されない部 分を示す：第７図は、連続的スペルトル走査の間の事象の順序を示すタイミング 線図である。

第８図は、システム全体を取囲むカバーを示すシステムのハードウェアの輪郭図 面である； 第９Ａ図〜第９Ｅ図は、同一の試料に基づくが、試料へのレーザー励起の強度を 変化させたｌ系列のＦＴＰＬスペクトルであり、目的はＥＮＤ現象の制御を例示 することである； 第１０Ａ図〜第１０Ｅ図は、第９Ａ図〜第９Ｅ図に示すものに類似するデータを 示すが、異る試料に基づく１系列のＦＴＰＬある。

第１１図は、異常な微細な分解能と、高い感度および広いスペクトル走査との組 み合わせの利益を例示している単一のＦＴＰＬスペクトログラフを示す； 第１２Ａ図〜第１２Ｄ図は、第１１図において使用したのと同一の生データを使 用するが、順次に粗い分解能の値を有し、そしてスペクトルの光子でない領域に 限定されている： 第１３Ａ図〜第１３Ｃ図は、３つのモノクロメータ−の基づ＜ＰＬスペクトログ ラフであ１す、各々はスペクトルの異る部分を示す：第１４Ａ図および第１４Ｂ 図は、本発明の装置を用いて発見された新しい光ルミネセンスの特色を有するス ペクトログラフを示す；第１５Ａ図〜第１５ｃ図は、異る不純物の「競争的（ｃ ｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ）」性質を検出する本発明の能力を例示しているスペクト ログラフである； 第１６図は、ＦＴＰＬシステムにより記録されるような、ヒ化ガリウムの試料の 特徴を例示している広い帯のスペクトログラフである。

ましい　燕　−細な″ 第２図はＦＴＰＬの発明を線図の形で示しており、ここで垂直の破線１２は光ル ミネセンスの入力部分と、スペルトル的に走査されたスルーブツトを検出器へ提 供する干渉計および電子出力部分とに分離するために使用されている。

米国特許出願第４１１，６０３号に記載されているように、試料１４（ケイ素の 結晶）はデユワ−（Ｄｅｗａｒ）容器１６内の液体ヘリウム中に浸漬されており 、ここでその温度は試料の有効な光ルミネセンス（Ｐ　Ｌ）励起のために要求さ れる低い温度に維持される。ＰＬ法の詳細な説明は前記先行出願を参照されたい 、ＰＬ法は、放射線源が試料を照明した後の放射線源の分析よりはむしろ、情報 のための試料放射光子の分析に頼っている。ＰＬ法は、（試料放射「励起」放射 線よりはむしろ）源放射放射線の試料による「吸収」を検出器で測定する「全体 の（ｂｕｌｋ）Ｊ分析法において容易に得ることのできない情報を提供するため にとくに有用である。

ケイ素試料の励起を得るために使用する放射線源は好ましくはアルゴンイオンの レーザー１８であり、その単色放射線ビーム２０ｔ−１鏡２２により試料１４へ 向けて反射される。レーザービーム２０は、前記先ｔ〒出願に記載されているよ うに、デユワ−容器１６へ適切な窓２４を通って入る。

レーザービーム２０のエネルギーは、前記先行出願に記載されてしλる方法に従 い、試料１４の表面の光励起を起こし、試料１４が光子を放射する。散乱した光 子の実質的な部分はレンズ（または多レンズのオブチクス）２６により収束され かつ平行にされる；そして収束／平行化レンズ２６を去る平行にされたビーム２ ８は鏡３０によりこの装置の干渉計部分へ向けて反射される。鏡３０は開口３２ を有し、この間口３２ｔ±レーザービーム２０を試料に到達させ、かつまたレー ザービーム（試料表面からの）の正反射を分光計へ入らせる代わりにこのシステ ムから外に出させる。

開口３４は収束／平行化レンズ２６の中央に設けられている。この開口はレンズ ２６がレーザービーム２０のための焦点レンズとして作用するのを防止するため に重要である。レーザービームがレンズ２６を通過する場合、試料におけるビー ムのエネルギーの集中は試料に対する破壊的作用を有する傾向があるであろう、 レーザー発生器１８からの放射線はキャビティ内のレーザーの囲いによりかつレ ーザービーム２０をフィルター３６に通過させることにより干渉計から隔離され ており、フィルター３６はプラズマ線を除去し、この装置において放射線の所望 の緑の線のみを残す（試料表面の光励起のために）。

レンズ（またはレンズ系）２６により収束されかつ平行にされた試料が放射する 光子は、鏡３０により反射されて干渉計に入る平行にされた放射線ビーム２８を 提供する。干渉計は通常のビームスプリッタ−４０を有する。このビームスプリ ッタ−４０は入る放射線を部分的に反射しかつ部分的に透過し、放射線を干渉計 の２つのアームに入らせる。固定された鏡４２は放射線を１つの干渉計のアーム 中に戻し、そして可動鏡４４は他の干渉計のアーム中に放射線を戻す。

２つの干渉計のアームへ戻る放射線はビームスプリッタ−４０において再結合さ れ、そして再結合された放射線の実質的な部分は平行にされたビーム４６を提供 し、これはレンズ（またはレンズ系）４８により検出器５０に焦点を合わされる 。検出器からの電子信号はプリアンプ５２ヘインプツトされ、このプリアンプ５ ２の出力は、アナログディジタル変換器５４およびデータ処理システム５６を含 む電子処理システムへインプットされる。

入力放射線の特徴のため、本出願に開示されている方法において使用される干渉 計は次のことを必要とする＝（ａ）放射線の短波長を収容するために非常に精確 な機械的／光学的機能化；および（ｂ）検出器５０における入力の誤伝（ｆａｌ ｓｔｆｉｃａｔｉｏｎ）を回避するためのｆｉｌｓ８係の放射線の全く完全な遮 断。

この出願の譲受人のミダック・フーポレーシ、ン（Ｍｉｄａｃ　Ｃ。

ｒｐｏｒａｔｉｏｎ）が販売する高性能干渉計は、開示されたシステムにおける 使用に適当であることが明らかになった。ミダックの干渉計の線図が第３図に示 されている。それについて下に詳述する。

無関係の、あるいは望ましくない放射線の４つの源が存在し、それらのすべてが 検出器５０へ接近するのを遮断することが必要である。それらは周囲の放射線、 試料励起レーザー１８からの放射線、および干渉計自体における３つの放射線ビ ームの２つを包含する。干渉計は一般に３つの放射線サブシステムを包含する： （１）基本的分析ビームを構成する放射線；　（２）コンピューターシステムに よる検出器信号のサンプリングを「クロック（ｃｌｏｃｋ）Ｊするために周期的 フリンジ（ｆｒｉｎｇｅ）パターンからパルスを誘導する単色（レーザー）ビー ム；および（３）分析用干渉写真中の同一の（かつ適切な）点における基本的分 析ビームの各スペクトル走査スイープ（ｓｗｅ　ｅ　ｐ）を開始するために使用 される広い帯、または「白色」の光ビーム。

後者の２つは本発明のシステムにおける特別の取扱いを必要とする。

レーザーのクロシフ提供ビームは濾光されることができ、そしてそれを放射する レーザー発生器を取囲むことができる０分析走査を開始するためにのみ必要であ る白色光ビームは１分析走査中にオフにし１次いで連続走査間の可動鏡本４の戻 り中にオンにすることができる。

干渉計は一般に遠ないし中間（ｆａｒ−ｔｏ−ｍｉｄ）の赤外放射線領域におけ る使用に限定されてきており、そして可視放射線領域またはその付近において望 ましいと考えられてきていない、この主な理由はより短い波長が含まれるときの 機械的許容差の問題である０本発明の装置において、干渉計の整合の精度は、可 能ならば、信号の波長の０．１に維持されるべきである。これは、干渉計使用の 標準の赤外領域において必要とされるものよりも非常に厳格な許容差の引線（ｓ ｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ）である。

また、干渉計の利点の１つは、従来、短い波長の領域において意味をなさなかっ た。格子モノクロメータ−よりすぐれた干渉計の主要な利点は、次の通りである ：（ａ）それらの「スループ７ト」の利点（また。

「ジャクイノット（Ｊａｃｑｕｉｎｏｔ）Ｊの利点と呼ばれる）、および（ｂ） それらの「多重（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ）Ｊの利点（また。

［フェルゲラ）　（Ｆｅｌｌｇｅｔｔ）Ｊの利点と呼ばれる）、多重の利点すな わちすべての波長が検出器において連続的に「見」られるという事実は、出力の ＳＮ比を改良するとき有用である。しかしながら、短い波長のシステムにおいて 、従来光電子増倍管が一般に使用されてきた。

光電子増倍管の固有の高いＳＮ比の出力は、干渉計の多重の利点を実質的に無意 味にさせる（それはスループットの利点の価値を減少しないが）。

干渉計はケイ素物質の分析において使用されてきたが、赤外線の全体の分析装Ｍ （表面分析と区別される）においてのみ、および検出される放射線が試料以外の 源から発する試料照明放射線である装置のおいてのみ使用されてきた０本発明は 、ケイ素のＰＬ表面分析と干渉計とを組み合わせようとする最初の努力であると 思われる。

本発明のフーリエ変換ＰＬシステム（ＦＴＰＬ）から期待される感度（すなわち 、ＳＮ比）の初期の分析は、モノクロメータ−ＰＬシステムと比較して、約２対 ｌの改良を予言した。その代わり、放射線的に増大した感度が経験され、３桁の 大きさく１０００対１）の有効改良になった。この出願に開示されたＦＴＰＬの 性能は、次のことを提供する：（１）　ｒｉｍ−の分解能およびデータ獲得時間 において動作するモノクロメータ−に基づくシステムよりも少なくとも１０００ 倍大きいＳＮ比の性能、（２）拡張されたスペクトル範囲（約０．７５１Ｌｍ− Ｌ、Ｓｇｍ、Ｇｅのフォトダイオードの検出器で）、および（３）より高い分解 能（０，０５ｃｍ−’ｍａｘ）、本発明のＦＴＰＬをまさに真実に高性能の光ル ミネセンスシステムとする能力。

増大した感度はより低い試料の励起強度の使用を可能とし、電子空孔の液体また はドロブレラ）　（ＥＨＤ）の形成を防止する上で重要である。ＥＨＤは浅い不 純物放射の強度を「奪い（ｒｏｂ）」、それゆえ定量的分析のために制御されな ければならない、拡張されたスペクトル範囲は他の深い水準（ｄｅｅｐ−１ｅｖ ｅｌ）の現象の観測を可能とし。

それらの現象の多くはこの時に大きい興味をもたれた研究の話題である。また、 データ表現およびスペクトルの特徴の拡大の容易さは、浅い不純物の種（ｓｈａ ｌｌｏｗ−１ｍｐｕｒｉｔｙ　５ｐｅｃｉｅｓ）の確実な決定を可能とし、こと にスペクトルの「光子でない」領域における鮮鋭な密接な間隔の特徴に対して重 要である。

励起子の拡散の問題のための干渉計の視野（ｆｉｅｌｄ−ｏｆ−ｖｉｅｗ）の補 償はモノクロメータ−ＰＬシステムよりすぐれた感度の改良の主な原因であると 信じられる。他の可能な原因は光学素子、とくに被覆された素子数の減少であり 、これは感度を増大する。さらに、モノクロメータ−に基づくシステムにおいて 使用されるＰＭ管は実行されずまた想定されなかったようである。

発明の背景において論じたように、半導体結晶中でレーザー光子により生成され た励起子のきわめて急速な拡散は、結晶が放射する光子を非常に広げさせるので 、モノクロメータ−は検出器への適切なスルーブツトを得ることができないこと が認識された。干渉計は十分に大きい受容区域、すなわち、試料上に検出器の画 像を有していて、励起子の拡散を補償する。

励起子の拡散は、ｌ軸性の応力を加えられたケイ素においてかなりなものである ことがｍ測された。先行のモノクロメータ−に基づ＜ＰＬシステムを用いる最近 の実験により、応力が加えられていないケイ素中の励起子の拡散の程度は予測す るよりも大きいことが示された。モノクロメータ−のシステムにおいて、ルミネ センスの焦点合せ可能性（ｆｏｃｔｓａｂｉｌｉｔｙ）は、最良の光学的スルー プットを得るとき、すなわち、ルミネセンス光のほとんどをシステムを通して検 出器へ行かせるとき重要であった。励起子は拡散するので、信号の多くはモノク ロメータ−の入力スリットにおいて失われる。干渉計の大きい受容区域はこの拡 散した励起子放射線を検出器へ非常に効率よく到達することができるようにする 。これはＦＴＰＬを用いて得られる感度の劇的な（ｄｒａｍａｔｉｃ）改良のた めの主な理由である。

干渉計と放射線のＰＬ源との組み合わせは、ケイ素の表面分析においてとくに重 要である放射線を効果的に測定するために適切な波長範囲を有する検出器の使用 を可能とする。所望の測定値が検出器の範囲内に満足に残留するようにするため には、それは約１．５ミクロンの波長へ拡張される範囲をもつべきであり、これ は光電子増倍管では一般に達成できない。

いくつかの型の光検出器が波長の適切な範囲を提供する０本発明の装置の目的に とくに有用な検出器はゲルマニウムのフォトダイオードであるように思われる。

このような光電池ダイオードの典型的な性能曲線は第１図に実線で示されており 、これは波長０．８ミクロンと波長１．４５ミクロンとの間の実質的に平担な性 能曲線を示す（０，８より下において、この性能曲線は急速に低下しないであろ う）、ケイ素表面のＰＬ分析におてｗＩ、ｌに重要な波長は、ゲルマニウムのフ ォトダイオードの範囲内に良好に入る。（考えられる他の型のフォトダイオード はアンチモン化インジウム、セレニウム拳メルカト（ｓｅｌｅｎｉｕｍ　ｍｅｒ ｃａｄ）およびヒ化インジウムである）。

ＰＭ管と比較すると、ゲルマニウムのフォトダイオードはＳＮ比の観点から比較 的劣った性能を有する。しかしながら、干渉計の多重の利点はこの欠点の克服に 役立っている。さらに、検出器５ｏから出力信号を受取るプリアンプ５２の第１ 段階を、検出器と同一の冷却された容器中に配置することにより、雑音の問題は 減少する。

干渉計は固有に格子モノクロメータ−よりすぐれた異常なスルーブツトの利点、 すなわち、５０対１程度の改良を提供する。前に説明したように、励起子の拡散 作用はこのスループットの利点の意味（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ）を倍増する 。これは、スペクトルの情報出力における所望の波長の範囲内に満足に含まれる という利点に加えて、この装置により提供される情報の品質を大きく増大する。

光電子増倍管はフォトダイオード中に存在しない高い増幅係数を有するが、フォ トダイオードは問題の波長範囲において光電子増倍管よりもすぐれた非常に印象 的な量子効率の利点（はぼｔｏ、ｏｏｏ対１の比）を有することによって補償す る。これに対して、はぼ１０．０００個の入って来る光子について光電子増倍管 の光陰極によってただ１個の光電子が発生されるだけであるが、フォトダイオー ドの量子効率はｌに近づく、すなわち、ダイオードにより発生される空孔電子対 の比は入って来る光子の数のほぼ０．８である。

ゲルマニウムのフォトダイオードの利点はコンパクトさである。第５図に示すよ うに、検出器５０は「側面監視（ｓｉｄｅ−１ｏｏｋｅｒ）」デユワ−容器６０ 内に取り付けられており、デユワ−容器６０は入って来る放射線を検出器へ入れ る窓６２を有している。デユワ−容器６０は好ましくは液体窒素で冷却されてい る。すなわち、はぼ７７°にの温度を有する：５０′″に〜１５０°にの温度範 囲は許容されうるように思われる。この検出器は回路板６４上に支持されたいる ことが示されている０回路板６４は、また、プリアンプ回路の冷却された部分を 保持する。その保護のために、検出器はＴｏ−３）テンシスターカン（Ｃａｎ） ６６内に存在する。検出器５０およびプリアンプ回路の第１段階を熱放射から遮 蔽するために、金属の放射線遮蔽６８を使用することができる。

＠６Ａ図は、プリアンプの冷却された第１段階、すなわち、デユワ−容器６０の 内部の回路板６４により保持された回路を線図で示してい　・る、光検出器５０ はそれぞぞれ導体７０および７２により２接合（ｊｕｎｅｔｉｏｎ）の電界効果 トランジスター７８および８０のゲート７４および７６へ接続されており、それ らのトランジスターは差動増幅器を構成する。トランジスター７８および８０の 源は両者共ライン８２により負の基準電圧（第６Ｂ図参照）へ接続されている。

８６８図は、プリアンプの温かい、もしくは冷却されていないＷ４２段階、すな わち、デユワ−容器６０内に配置されていないプリアンプ回路の部分を線図で示 している。プリアンプの第２段階はオペアンプ８４を有し、その第１入力８６は 導体８８により抵抗器９０を介して接合器ＦＥＴ８０（第６Ａ図）のドＬ／−７ （ｄｒａｉ　ｎ）　ヘ接続されており、そしてその第２人力９２は導体９４によ り抵抗器９６を介して接合器ＦＥＴ７８（第６Ａ図）のドレーンへ接続されてい る。フィードバック−ループ９８はオペアンプ８４の出力をその人力８６へ接続 する。プリアンプのフィードバック・ループは導体１００により提供され、導体 １゜Ｏはオペアンプ８４の出力をゲルマニウムのフォトダイオード５０（第６図 ）へ接続する。

フィードバック導体１００は非常に高い値の抵抗器１０２を含む、この抵抗器の 満足すべき値は１ギガオームであることが明らかにされた。

実験によると、プリアンプにおける主荘雑音の問題はフィードバック抵抗器の「 ジョンソン（Ｊｏｈｎｓｏｎ）Ｊ雑音であることが示された。

したがって、高い抵抗値は、この抵抗器が約７７′″Ｋに冷却されたとき、ＳＮ 比を改良する作用を有する。

第６Ｂ図における抵抗ネットワーク１０４は、プリアンプの第４もしくは入力の 段階の利得を設定する作用を有し、こうしてその第１段階および第２段階におけ る利得の比を確立する。抵抗器１０６および１０８は正の基準電圧と導体９４と の間において並列に接続されている：そして抵抗器１１０および１１２は正の基 準電圧と導体８８との間において並列に接続されている。ＪＦＥＴＳ７８および ８０の源は抵抗器１１４オヨヒ導体１１６を介して負の基準電圧へ接続されてい る。フォトダイオード５０へおよびＪＦＥＴ８０のゲートへ接続されている導体 ７２は、接地されている（第６Ｂ図）、抵抗器およびコンデンサーの値は開示さ れたシステムにおいて有効なプリアンプの一例を提供する；しかじ、種々の他の 回路の設計を代わりに使用することができるであろう。

オペアンプ８４を構成するトランジスターは好ましくはバイポーラトランジスタ ーである。

明らかなように、第６Ａ図に示されたプリアンプの冷却された！１段階は電圧増 幅を提供する：そして、第６Ｂ図に示された冷却されない第２段階はさらにの電 圧信号増幅を提供する。全体のフィードバック・ループは入る電流（ｃｕｒｒｅ ｎｔ−ｉｎ）および出る電圧（ｖｏｌｔａｇｅ−ｏｕｔ）の特性を提供する。

前述のように、ゲルマニウムの光検出器はコンパクトである利点を有している。

こうして、デユワ−容器６０の大きさはＰＭ管を取囲むデユワ−容器の大きさの 小部分であることが必要であるだけである。ＰＭ管は扱いにくい中間の温度に常 時維持しなくてはならないという付加的な欠点を有するが、これに対してゲルマ ニウムのフォトダイオードは液体窒素の温度（７７°Ｋ）において良好にはたら く。

第３図は１本願において問題の短波長領域における使用に必要な精度を有するこ とが明らかにされた、ＭＩＤＡＣ高性能干渉計を示している。その主要なビーム スプリッタ−４０＆は入って来るビーム２８ａを受取り、放射線の一部を一方の アームに沿って固定鏡４２ａに向けて反射し、そして残りの放射線を他方のアー ムに沿って可動「走査ｊ鏡４４ａへ向けて透過する。

干渉計の高い精度は可動鏡４４ａの整合およびバランスに大きく依存し、鏡４４ ａは可動キャリヤー１２０の前部へ取り付けられている。

キャリヤー１２０は２つの空気軸受け１２２および１２４によりその運動軸の対 向する側に支持されており、空気軸受け１２２および１２４の各々は運動軸に対 して平行に伸びる棒１２Ｂに支持されかつそれにより案内される。２つの空気軸 受は使用は、１つの使用とは反対に、可動構造体がその採動軸のまわりに回転す るのを防止する。リニアアクチュエイタ−１２８は可動構造体を往復モードで駆 動する。

可動構造体の重心は、空気軸受けの前後方向の「圧力中心」または「支持中心」 と一致して、可動鏡の通路の「傾斜（ｔＩｐｐｉｎｇ）Ｊの偏りを回避しなくて はならない、可動構造体の重心を適切に位置決めするために１重り１３０は、実 験の実施態様においては、可動構造体に取り付けられている。干渉計の固有の横 方向の安定性は、可動構造体の重心が空気軸受けの圧力中心（または支持中心） かられずかに変位することがあっても、可動鏡の通路のいかなる横方向または「 振れ」をも防止する・例えば、各走査の開始に使用される「白色」光の干渉計の 一部である可動鏡１３２は、可動構造体によって、可動鏡４４＆の１′の側にお いて支持されている：そしてその重りは横方向のバランスを必要としない。

鏡４２ａおよび４４ａによって反射される主な放射線ビームはビームスジ９．タ ー４０＆において再結合される：そして再結合されたビーム４６ａは干渉計を出 て検出器へ向かう。

前述のように、干渉計は、実際に、３つの放射線サブシステムを有する。説明し た基本的分析放射線システムに加えて、それは「白色光」の走査開始放射線サブ システムおよびレーザーサブシステムを有すしており、レーザーサブシステムは データサンプリング頻度を制御するクロックを提供する。第３図に示すように、 白色光システムは源１３４：ビームスプリッタ−１°３６：１つの干渉計アーム の端における固定鏡１３８：可動鏡４４　ａと同一のキャリヤー１２０へ取り付 けられた前述の可動鋳１３２：および白色光検出器１４０を具備する。この独立 の白色光干渉計ビームは、分析ビームのゼロ通路差点ピーク（ｚｅｒｏ　ｐａｔ ｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｐｏｉｎｔ　ｐｅａｋ）から片寄ったそのゼロ通路 差点ピークを有量るように配置されているので、それは連続する分析走査に適切 な、かつ同一の、出発点を提供する。

第３ｒＩ４におけるレーザークローｌり提供サブシステムは、ヘリウムネオンレ ーザ−発生器１４２；レーザーど−ムを分析ビームの中心に沿って向ける鏡１４ ４：［よびレーザー検出器１４６を含む、レーザービームは同一のビームスプリ ッタ−４０ａ、固定鏡４２ａ、および可動鏡４４ａを分析ビームとして利用する 。主要な分析開口の中心におけるレーザービームのこの配置は、干渉計をいくつ かの潜在的誤差源に対して不感受性とする。

第３図に示された干渉計のより詳しい説明については、１９８１年８月３１日に 出願の７ウス（Ａｕｔｈ）の米国特許出願第２９７，５４７号を参照することが できる。

短波長の試料が放射する放射線のためのＰＬシステムにおいて干渉計を使用する と、顕著な利点が得られることを明らかにしたが、種々の保護手段を使用するこ とが必要となる。前述のように、これらの対策は標準の干渉計使用に必要きする 非常に厳格な干渉計の性能規格（ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　５ｐｅｃｉｆｉｃａ ｔｉｏｎ）を固守することを包含する。他の！要な対策は、試料からの光子によ り提供されないすべての放射線を、できるだけ最高な程度に、検出器５０から遮 断することである。

上に論じた特色を具備するＭＩＤＡＣ干渉計は必要な性能の許容差を維持できる ことが明らかにされた。前記許容差は標準的な使用における干渉計に許される許 容差のほぼ２倍位に厳格である。

試料が放射する光子以外のすべての光の遮断は、いくつかの手段を含む・前述の ように、試料へ励起放射線を供給するアルゴンイオンのレーザービーム１８（第 ２図）は、おおわれ（ｓｈｒｏｕｄ）かつ濾光される。データサンプリングを制 御するための干渉計のクロックパルスを提供するヘリウムネオンレーザ−１４２ （＄３図）は、同様におおわれかつ濾光される。それは金属容器（図示せず）内 に囲われ、セして９ましくないプラズマ線を遮断するフィルター１４８を有する 。

分析走査の出発点を決定するサブシステムにおいて使用される白色光は、分析走 査の間に自動的にオフにされる。タイミングダイヤグラムが８７図に示されてい る。第７図の１部の水平セグメントＡは、「走査限界の開始Ｊ　（ＳＯ３Ｌ）か ら「走査限界の終りＪ　（ＥＯＳＬ）までの可動鏡４４ａの位置の変化を示す、 走査方向の鏡の動きは１図示の如く。

徐々であり、これに対して鏡のもとの位置への戻りは比較的急速である１次の水 平セグメントＢは、モーターを走査方向に動かす前進の駆動パルスを示す、水平 セグメントＣは、白色光の干渉計がその２つのアームにおけるゼロ通路差、すな わち、そのピーク出力点を有する点を表わす垂直矢印を含む、水平セグメントＤ は、白色光のオンおよびオフの期間を示す、白色光は可動鏡の戻りストロークの 開始時に自動的にオンにされる。それは、そのピーク出力点の後、次のクロック 信号において自動的にオフにされる。水平セグメントＥはデータ採取期間を示し 、それは白色光がオフにされた後、１つのクロックパルスを開始し、そして可動 鏡の前進ストロ−・りが終了したとき、終る。前述のように、各白色光のピーク の作用はどのクロックパルスにおいて分析データの採取が開始するかを決定する ことである。水平セグメントＦは、分析干渉計がその２つのアームにおいてゼロ 通路差を有する点を表わす垂直矢印を含む。

白色光をオンおよびオフにスイッチングする手段が第２図に線図で含められてお り、ここでデータシステム５６は白色光源１３４をオンおよびオフにする電子ス イッチ１５２を制御することが示されている。白色光はビームスプリッタ−１３ ６により固定鏡１３８および可動鏡１３２へ向けられる：そして再結合されたビ ームは白色光検出器１４０により受取られる。検出器の出力は１５４において増 幅され、そしてその信号は干渉計の電子制御システムの中へ向けられる。

残りの望ましくない放射線源は周囲光である。第５図に示すように、デユワ−容 器６０内の窓を覆うフィルター１５６を使用してほぼ０．８ミクロンより下の放 射線の波長を濾光して除＜（ｆｉｌｔｅｒ　ｏ　ｕｔ）ことができる。

第８図は、ＰＬ入力部分、干渉計部分および検出器出力部分を含む全体のＦＴＰ Ｌ分析システムを取囲む金属カバー１５８を示している。カバー１５８の主要な 機能は１分析システムへの周囲雰囲気の変化の影響を最小にすることである。し かし、それはまた周期光を遮断する利点を有する。

第１図は、光電子増倍管よりすぐれたゲルマニウム光検出器の重要な波長範囲の 利点を示す、Ｘ軸の目盛は放射線波長（ミクロン）である。

Ｙ軸の目盛は検出器の応答（アンペア／ワット）を表わすｌｏｇ目盛である。５ １管の応答は破線Ａにより示されている：そしてゲルマニウム光検出器の応答は 実線Ｂにより例示されている。光検出器の非常に高い応答水準は、それが管によ り提供される内部増幅に欠けるので、その主要な利へではない。

しかしながら、ミクロン範囲の比較は非常に重要である。Ｘ軸に示された水平に 延びるカッコＣは、ケイ素表面のＰＬ分析において第１に重要な範囲を表わす、 （この明細書において、第１に重要な範囲はほぼ１．０７〜１．２７ミクロンで あることが示されている）、第１図のグラフから明らかなように、ＰＭ管からの 応答は１．１ミクロンの波長において急激に低下し、ここでケイ素のルミネセン スが起こる。他方において、ゲルマニウム光検出器の応答は絶えず高い状態にあ り、かつ約０．８から１．４ミクロン以上の波長において実質的に水平である。

本発明のＦＴＰＬシステムと従来のＰＬケイ素表面の分析システムとの比較が、 第４Ａ図および第４Ｂ図によって例示されている。第４Ａ図は、出願＠４１１． ６０３号のＰＬ分析システムにより生成されたスペクトログラフを示す、第４Ｂ 図は、この出願に開示したＦＴＰＬ分析システムにより生成されたスペクトログ ラフを示す、本発明を用いる徹底的に減少された雑音水準（ｎｏｉｓｅ　１ｅｖ ｅｌ）は、第４Ａ図における基（下）線Ａ１および第４Ｂ図におけるＡ２から容 易に明らかである。

第４Ａ図および第４Ｂ図において、波長の値はｘｔ＊にプロー７トされており、 波長（より高い周波数）は左から右へ減少する。各図面において、真性の（ｉｎ ｔｒｉｎｓｉｃ）８号はＩ　（ＦＥ）でしるされておＯ す、これは「真正の（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）Ｊ、「横方向の光学的（ｔｒａｎｓ ｖｅ　ｒｓｅ　ｏｐｔ　ｉｃａ’ｌ）Ｊおよび「自由励起子（ｆｒｅ６　ｅｘｃ ｉｔｏｎ）Ｊを意味する。各図面においてＢ　でしるされてＯ いる線はホウ素を表わし、そして各図面においてＰ　でしるされている丁０ 線はリンを表わす、ＢおよびＰの線は「拘束された励起子（ｂｏｕｎｄｅｘｃｆ ｔｏｎ）Ｊの線である。第４Ｂ図のＢおよびＰの線が第４Ａ図のＢおよびＰの線 よりも非常に明瞭でありかつより顕著であるという事実は、本発明の著しい利点 を立証する。さらに、第４Ｂ図中の「クラッタ−（ｃｌｕｔｔｅｒ）Ｊの不存在 は、３本の追加の線、すなわち、２本のリン（Ｐ　ｂ、およびＰｂｚ）ｔ３よび １本のホウ素ＴＯＴ。

（ｎｂ、）の識別を可能とする。

Ｏ 本発明のＦＴＰＬシステムを用いて生成された引き統〈スペクトログラフが第９ Ａ図〜第９Ｅ図に示されており、各々は同一試料からのちのであるが、異るパワ ーのレーザービームを試料に向けて使用している。

第９Ａ図は１００ｍＷのレーザーパワーを用いて生成した：第９Ｂ図は５０ｍＷ のレーザーパワーを用いて生成した；第９Ｃ図は２５ｍＷのレーザーパワーを用 いて生成した：第９Ｂ図は１２ｍＷのレーザーパワーを用いて生成した：そして 第９Ｅ図は６ｍＷのレーザーパワーを用いて生成した。第９Ａ図〜第９Ｅ図のす べては２．０ｃｍ−”の分解能（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を有する。

２つの系列の第９Ａ図〜第９Ｅ図および第１０Ａ図〜第１０Ｅ図の目的は、主と して、半導体結晶中の電子空孔ドロプレット（ＥＨＤ）の形成の減少により得ら れた劇的な差を示すことにある。レーザービームのパワーが減少すると、ＥＨＤ の形成は減少する傾向があり、これにより−ｅすぐれた検査された（ｃａｌｉｂ ｒａｔｅｄ）データが得られる。

レーザービームパワーの減少は、本発明により提供される異常な感度の利点のた めに可能である。

ＥＨＤ効果の意味はケイ素中の励起子物質の複雑な力学に関係する。

ＰＬ分析における重要なパラメーターの１つは、励起子ガス密度である。この励 起子ガス密度は、試料へ入射する励起力、試料中の不純物の濃度水準、存在する 不純物のタイプ、および存在する結晶構造の欠陥の関数である。ＥＨＤの形成は 限界励起子ガス密度より上において起こる。所定のレーザー励起水準について試 料毎のＥＨＤ形成水準の劇的な受動が観測された。このＥＨＤの変動は、次の事 実を示す：励起子ガス密度は試料毎に変化する：そして励起子ガス密度の生ずる 変化は、また、遊離（ｆｒｅｅ）励起子および拘束（ｂｏｕｎｄ）励起子のルミ ネセンスの特徴の相対的強度を変化する。また、Ｅ）ＩＤは明瞭には理解されな い方法で拘束励起子と相互作用する。不純物濃度の定量的測定値はこれらの相対 的強度から計算されるので、変化する励起子ガス密度は効果的に測定値の検査（ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）を破壊する傾向がある。

第９Ａ図〜第９Ｅ図の各々において、真正の（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）（遊離励起 子−■Ｔ。）信号の高さをほぼ同一に保持するようにしてデータはプロー２トさ れている。ＥＨＤ現象力作用は２つの方法で観測することができる。（１）各図 面の左下における［小山（ｈｉｌｌ）ＪはＥＨＤの体積を表わす、その大きさは 第９Ａ図においてとくに大きい：そしてそれは各連続する図面において減少し、 第９Ｃ図、第９Ｄ図および第９Ｅ図から実質的に消える。（２）ＥＨＤの体積は レーザービームパワーを図面から図面へ減少させることにより減少するので、拘 束励起子の信号、例えば、Ｐ　（リン）およびＢ　（ホウ素）の高さは劇的に増 Ｔｏ　Ｔ。

加する。不純物濃度の決定は拘束励起子の信号対遊離励起子の信号の比に基づく ので、明らかに結果の差は非常に重要である。

拘束励起子対遊離励起子の比の絶対値は、検査（ｃａ　１　ｉ　ｂｒａｔ　１ｏ ｎ）において決定的な因子ではない、しかし、試料毎のＰＬシステムの性能の一 致性は決定的である。したがって、変化したレーザーパワーの等級において同一 の試料を試験する目的は、どのパワー等級において、ＥＨＤ現象を無視できるか を決定することである。これが起こる最大のパワーはその試料について最適な試 験結果を提供するであろう、この最適なパワーの水準は各試料について再決定さ れるべきである。こうして、ＥＨＤ効果がデータ出力から実質的に消滅するまで 、レーザーパワーを変化させる方法を使用し、次いでＥＨＤ効果を導入しない最 大のレーザーパワーにおいて所♀のデータを取ることによって、検査（Ｃａｌｉ ｂｒａｔｉｏｎ）は高められるであろう。

第９Ａ図〜第９Ｅ図に示されたスペクトルの系列に基づいて、試料に対する好ま しい励起水車は２５ｍＷであると思われ、これは第９Ｃ図のスペクトルを生成す る。この好ましさの理由は、次の通りである＝（ａ）ＥＨＤ現蒙はレーザー強度 が２５ｍＷに減少するにつれて実質的に消滅する：そして（ｂ）ＳＮ比はこのレ ーザー強度において低い強度におけるよりもすぐれている。

第１０Ａ図〜第１０Ｅ図は、異る試料におけるＥＨＤ現象へのレーザー強度の影 響を示す、それぞれのレーザー強度の値は、次の通りである：第１０Ａ図−５０ ｍＷ＝第１０Ｂ図−２５ｍＷ；第１０Ｃ図−１２ｍＷ；第１０Ｄ図−６ｍＷ；お よび第１０Ｅ図−３ｍＷ、ＥＨＤの効果は、各図面の左下における小山Ａによっ て示されており、第１０Ａ図（５０ｍＷ）において顕著であり、第１０Ｂ図（２ ５ｍＷ）において実質的に減少し、！ＩＯｃ図（１２ｍＷ）においてさらに減少 し、そして第１００図および第１０Ｅ図において木質的に消滅する。実質的にゼ ロのＥＨＤ効果を有する最高のレーザー強度において試料を分析する実施と一致 して、この試料に対する好ましい強度水準は６ｍＷ（第１０Ｄ図）であろう。

本発明により提供される異常な感度の利点は変化する励起強度において多くのス ペクトルを急速に収集することを可能とし、これから所定の試料について最適な 励起水準（通常非常に低い）が見出すことができる。この簡単な手順は各測定さ れる試料について実施することができ、こうして測定において重要な変数：励起 子ガス密度を拘束する（ｃｏｎｓｔｒａｉｎ）ことができる、徹底的に減少した レーザーパワー水準において鮮鋭なスペクトログラフを得る能力は、従来のモノ クロメータ−に基づくシステムよりすぐれた感度の劇的な（ｄｒａｍａｔｉｃ） 改良を証明している。

本発明のＦＴＰＬシステムと先行技術との間の目ざましい性能の差は、それを現 在使用されている典型的なモノクロメータ−に基づ＜　（Ｍ−Ｂ）システムと比 較することにより明らかにすることができる。Ｍ−Ｂシステムはほぼ２０分／ス ペクトルを費やし、そして各試料についてのスペクトルの非常に小さい部分を見 るだけである。その感度は限界的（ｍａｒｇｉｎａｌ）である、これと対照的に 、ＦＴＰＬシステムは４倍大きい分解能、３〜４分のデータ獲得、およびほぼ２ 桁すぐれた感度（ＳＮ比）を提供する。これらの３つの値を結合すると、少なく とも３桁の全体のシステムの性能の改良を提供する。さらに、スペクトル範囲は ほぼ２桁広い。

換言すると、印象的な改良は、すべての主要な特徴−感度１分解能、スペクトル 範囲、およびデータ獲得速度において同時に得られた。このことが意味するよう に、モノクロメータ−ＰＬシステムにおいて必要な釣合（ｔ　ｒａｄｅ−ｏｆｆ ）は本発明では本質的に不必要である。

モノクロメータ−では１分解能は入口および出口のスリット幅の関数であるニス リットが小さくなればなるほど、分解能は狭くなる。不都合なことには、スルー プットもスリットの関数である。スリットの幅が減少するにつれて、゛それに応 じてモノクロメータ−を通して得られる光の量は減少する。このことは改良され た分解能は光学的スループットを犠牲にし、それゆえＳＮ比またはデータ収集時 間あるいは両者を犠牲にする必要があることを意味している。本発明のＦＴＰＬ は、主として干渉計がより高い分解能を取り扱う方法のため、釣合状態（ｔａｋ ｅ　ｏｆｆ　５ｉｔｕａｔｉｏｎ）を改良する。木質的に、ビームの開口は高い 分解能の走査のための変化させる必要はない：鏡を遠くに動かし、従って得られ る干渉像の情報の量を増加させることが必要であるだけである。

適切な分解能は、スペクトルの高い周波数の端に現れる狭い間隔の「光子でない レプリカ（ｎｏ−ｐｈｏｎｏｎ　ｒｅｐｌｉｃａ）Ｊの特徴を分解するために重 要である。これは本発明のＦＴＰＬを用いて容易に達成される。

ＦＴＰＬの達成の中には次のことがある：（ａ）今までに文献に述べられていな い、ケイ素試料内の欠陥又は不純物の異なる形式に関連したいくつかの新しいル ミネセンス線の発見。

（ｂ）ケイ素中の問題のルミネセンス線の励起強度の依存性の程度の理解の増大 。

（Ｃ）ケイ素中の不純物濃度の定量的分析の発展についての重要である、ケイ素 中の異る不純物の競合する性質についての多くの知識。

（ｄ）ＦＴＰＬの増大した感度にともなう、ドーピング剤（ｄｏｐａｎｔ）不純 物に対する、より低い濃度の検出限界の劇的な改良。

（ｅ）ＦＴＰＬの増大した分解能力にともなう、（とくに光子でない領域におい て）密接な間隔の浅い不純物のルミネセンス線を明確に識別する姫力の劇的な改 良。

残りの図面が、本発明のために作成された請求の範囲の妥当性をさらに立証して いる。第１１図は、分解能の力およびＦＴＰＬによって走査されたスペクトルの 幅を例示している単一のスペクトログラフを示す。

第１１図の分解能は５６単位であり、Ｏ，Ｏｌｃｍ−’の単位当りの値を有する ；そしてレーザーパワーは８ｍＷである。換言すると、分解能ハホ＋ｆｆｉ　１ 　／　２波数であり、これに対してモノクロメータ−ＰＬシステムにける利用可 能な分解能は通常５波数である。

この高い分解能のスペクトログラフのとくに印象的な結果は１図面の右端に存在 する光子でない領域のデータである。３つの明瞭に区別されるピークが見られ、 これらはそれぞれ（マークされた如く）ヒ素、アルミニウムおよびリンを表わす 、光子でない領域からのデータの価値は、スペクトログラフの中央領域（より広 い特徴を示し、かつこの試料においてアルミニウムを開示していない）において 分離さることができないｌまたは２以との特徴の識別を可能とするいう事実にあ る。光子でない領域におけるより鮮鋭な利用可能な線についての１つの理由は、 そのφ域に、再び現われない、ある主の複製された（ｒｅｐｌｉｅａｔｅｄ）デ ータ、例えば、ホウ素が存在しないことである。

第１２Ａ図〜第１２０図は、第１１図と同一の生データを使用するが、これ等は 徐々に粗い分解能の値を示す：およびそれらは光子でない領域のみを示す、第１ ２Ａ図は０．５６ｃｍ−１（第１１図と同じ）の分解能を有する：第１２Ｅ図は １．０ｃｍ−’の分解能を有する：第１２Ｃ図は１．５ｃｍ−”の分解能を有す る：そして第１２０図は２．０ｃｍ−”の分解能を有する。第１２Ａ図中に示さ れている分解能から第１２０図中に示されている分解能に、分解能の微細度が減 少するにつれて、アルミニウムのピークはヒ素のピーク中に徐々に合同し、こう して消失する。ＦＴＰＬシステムを用いる一般的実施は、２披数（ａｍ−”）お よび１／２波数（ｃｍ−”）の両者においてスペクトルを得ることである。

第１１図および第１２Ａ図〜第１２Ｄにおいて分析した試料と同一の試料が、ま た、ＰＬシステムで分析された。結果は第１３Ａ図〜第４３Ｃ図に示されている 。第１３Ａ図〜第１３Ｃ図は３つの別々のスペクトログラフであり、それらの各 々は第１１図に含まれるスペクトルの小さい部分を示すのみである。第１３Ａ図 は８６３０ｃｍ″′五で開始し、モして５Ａのステップ・サイズ（データ点間の 距離）を有した。第１３Ｂ図は８７９５ｃｍ−’で開始し、モしてＩＡの非常に 小さいステップ争サイズを有した。＠１３Ｃ図は９２７３ｃｍ−”で開始し、そ して０゜５Ａの小さいステップ−サイズを有した。第１３Ｃ図は光子でない領域 に存在する。その大きく減少したステップ・サイズおよび非常に小さいスペクト ル幅を用いてさえ、第１１図において明瞭に見ることができる３種類の不純物を 区別することは不可能である。

第１３Ａ図〜第１３Ｃ図を第１１図と比較すると１本発明により提供される利点 の犬きさの追加の証拠が得られる。劇的に明らかにされた感度の差が存在するば かりでなく、かつまた第１１図の単一のスペクトログラフは第１３Ａ図〜＠１３ Ｃ図に示された３つのスペクトログラフの間およびそれらを越えた広範なスペク トルデータを提供する。

第１４Ａ図および第１４Ｂ図は、本発明が従来文献に報告されず、そレユえ、多 分観測されなかた新しい光ルミネセンスの特徴を記録したことを示すので、重要 である。＠１４Ａ図は１９８４年１月１７日に最初に観測されたデータを示し、 そして矢印は４つの新しい（従来報告されなかった）光ルミネセンスの特徴を示 す、第１４Ｂ図は１９８４年４月６日に最初に観測されたデータを示し、そして 矢印は３つの新しい（従来報告されなかった）光ルミネセンスの特徴を示す。

第１５Ａ図〜第１５Ｃ図は、ＰＬ分析のとくに複雑なかつ微妙な面におけるＦＴ ＰＬシステムの性能を示す、この面はＰＬ分析におけるケイ素中の異る不純物の 「競争的（ｃｏｍｐｅｔ　ｉ　ｔ　ｉ　ｗｅ）Ｊ性質である。第１５Ａ図〜第１ ５Ｃ図は、各々が木質的に同一のホウ素濃度を有する３種類の異るケイ素試料に 基づ＜ＦＴＰＬが生成したスペクトログラフを示す、（この情報は、試料の装造 方法から予測されるホウ素の量と標準の透邊型分光測定を用いるケイ素試料の全 体の分析との両者から誘導される）、すべての３つの図面において、試料上への レーザーパワーは１６ｍＷであり、そして分解能は０．５６ｃｍ’″ｌであった 。

第１５Ａ図および第１５Ｂ図において、Ｂ　（ＢＥ）で表示されていＯ たホウ素濃度の信号はＩ　（ＦＥ）で表示されている真正の信号と実質Ｏ 的に同一の高さである。しかしながら、第１５Ｃ図において、ホウ素の信号は真 正の信号よラリも有意に（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｌｙ）低い、第１５Ｃ図に おけるこのホウ素の信号の差は、光子でない領域におぃてＡｓ　（ＢＥ）で表示 された信号により示された如く、この試料中ＮＰ のヒ素の存在により生ずると思われる。

＄１６図は、５ｏｏｏ波数から１３０００に及ぶ、きわめて広いスペクトル範囲 を有するＦＴＰＬシステムにより生成されるスペクトログラフの一例として含ま れている。第１６図において分析された物質は、テルルをドーピングしたヒ化ゲ ルマニウムである。ゲルマニウムダイオード検出器は、第１６図のスペクトルの 下端、とくに６５００波数以下において低下する傾向がある。

以上の説明から明らかなように１本願に開示した装置および方法はこの明細書の 緒言の部分において要約した重要な機能的利点を提供する。

以下の請求の範囲は、開示した特定の実施態様を包含するばかりでなく、かつま たここに説明された発明の概念を先行技術により許される最大の広さおよび解釈 を包含することが意図されている。

請求の範囲のあるものにおいて、４つの主要な特性−一感度１分解爺、スペクト ル範囲、およびデータ獲得速度−一の１または２以上の量を表わす最小値が述べ られている。このような請求の範囲の目的は、先行技術の光ルミネセンス分析シ ステムからの差を増大することである。

使用された数値は必然的に任意に選択されたものである。なぜなら、本発明は、 性能差の程度を、実際に、種類が異るようになるが、劇的な切換え点が存在しな いような大きさで表わすからである０例えば、分解能力について述べると、より 広い分解能の請求の範囲の債は「２波数よりも粗くない」値を特定し、そしてよ り狭い請求の範囲の値は「Ｉ工ｒ１１　／２波数」の値を特定している。スペル トル走査の幅につ１１）て述べると、より広い請求の範８値は［少なくとも８６ ００〜９３００波数」の値を特定し、そしてより狭い請求の範囲の値はｒ６５０ ０−１３，５００波数」の値を特定している。データ獲得時間について述べると 、「６分より長くない期間の間ＸＸＸ蓄積されたデータを必要とする」と（１う より広い値が特定され、モして「３分の期間の間に得られた蓄積されたデータの みを必要とする」というより狭い値が特定されてしする。感度につｌ、Ｘて述べ ると、　「少なくとも２５のＳＮ感度比」とし１うより広し１値が特定され、そ して「少なくとも１００のＳＮｉ！度比」と（Ｘうより狭−１値が特定されてい る。

ＯＩｊ　Ｏ す　ず　巴 ＦＩＧ、　４ａ ＦＩＧ、４ｂ ＦＩＧ、６ａ ＦＩＧ、６ｂ ＦＩＧ、　７ ＦＩＧ、　９ａ ＠ｓｏｏ　６７００　ｅａｏｏ　８９００　９０００　９に＋０　、　９２００ 　ｓｘ。

ＦＩＧ、　９ｂ ８６００　８７００　１１１１００　．１１９００　．９０ＣＸ）　９１００　 ９２００　９３００ＦＩＧ、　９ｄ ８６００　８７００　８８００　８９００　！０００　９１００　９２００　９ ３００ＦＩＧ、９ｅ ＦＩＧ、　１ｏａ ＦＩＧ、　Ｊｏｂ ＦＩＧ、　１０ｄ ＦＩＧ、ＩＯｅ 、Ｏ 国際調査報告 ＋１１１＃１ｌｌＩｌｌｌＩＡＩｌｈｅｅｌ＋（シーＩツ一−−−ｗｍｐＣ〒／ ＵＳＱＡ／ＱＩＲＧＡ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．試料中の不純物を光ルミネセンス分析する装置において、放射線を試料の表 面へ適用して試料によって光子を放射させる手段と、 試料が放射した光子を集めかつ光子ビームを干渉計の入力に提供する手段と、 入力の光子ビームを受取りかつスベクトク的に符号化された光子ビームを出力す る干渉計と、 干渉計の出力ビームを受取りかつそれを電子信号に変換する検出器と、 を具備することを特徴とする装置。 ２．試料が結晶質ケイ素である請求の範囲１に記載の装置。 ３．干渉計の出力ビームの放射線の波長が０．８〜１．４ミクロンの範囲内であ り、そして ０．８〜１．４ミクロンの範囲内のすべての放射線の波長に対する検出器の応答 率がその最大応答率の少なくとも８０％である、請求の範囲２に記載の装置。 ４．検出器がゲルマニウムの光検出器である請求の範囲３に記載の装置。 ５．試料が放射する光子以外の放射線が検出器に到達するのを防止する手段をさ らに具備する請求の範囲２に記載の装置。 ６．試料が放射する光子以外の放射線が検出器に到達するのを防止する手段をさ らに具備する請求の範囲３に記載の装置。 ７．ゲルヤニウムの光検出器を取囲みかつそれをほぼ液体窒素の温度より高くな い温度に維持する冷却容器と、また前記容器内に取囲まれておりかつその入力と して検出器の電子信号の出力を有するプリアンプと、 をさらに具備する請求の範囲４に記載の装置。 ８．試料の表面における不純物を光ルミネセンス分析する装置におい試料に光子 を放射させる目的で、収束された放射線を試料の表面へ供給する手段と、 試料が放射する光子を集めかつ出力の光子放射線ビームを提供する手段と、 干渉計のビームスプリッターと、但し、前記ビームスプリッターへ前記光子放射 線ビームが向けられ、そして前記ビームスプリッターは前記光子放射線ビームを 部分的に反射しかつ部分的に透過する、２枚の鏡と、但し、前記鏡は１枚が固定 されておりそして１枚が走査の目的で可動であり、ビームスプリッターが部分的 に反射した光子ビームおよび部分的に透過した光子ビームをビームスプリッター へ戻す、再結合された光子ビームをビームスプリッターから受取りかつそのビー ムの強さを電子出力信号に変換する検出器と、を具備することを特徴とする装置 。 ９．単色放射線サブシステムと、但し前記サブシステムは、このような放射線源 を含み、且つ干渉計の動作により、検出器の出力信号のサンプリングの頻度を決 定するクロック信号を与えられる、単色放射線が光子放射線ビームに影響を与え るのを防止する手段と、但し、前記手段は単色放射線源を実質的に取囲む手段お よび前記放射線源からの放射線をクロック機能に必要な波長に制限するフィルタ ー手段を含む、 をさらに具備している請求の範囲８に記載の装置。 １０．広帯域の放射線サブシステムと、但し、前記サブシステムは、このような 放射線源を含み、且つ干渉計の動作によって、干渉計に入る光子放射線ビームの 分析のための走査開始信号を与えられる；そして前記広帯域の放射線が光子放射 線ビームに影響を及ぼすのを防止する手段と、但し、前記手段は光子放射線ビー ムの各走査の間広い帯域源をオフにする手段および光子放射線ビームの連続的走 査の間広い帯域源をオンにする手段を含む、 をさらに具備する請求の範囲８に記載の装置。 １１．広帯域の放射線のサブシステムと、但し、前記サブシステムは、このよう な放射線源を含み、且つ干渉計の動作によって、干渉計に入る光子放射線ビーム の分析のための走査開始信号を与えられる；そして 前記広い帯域の放射線が光子放射線ビームに影響を及ぼすのを防止する手段と、 但し、前記手段は光子放射線ビームの各走査の間広い帯域源をオフにする手段お よび光子放射線ビームの連続的走査の間広い帯域源をオンにする手段を含む、 をさらに具備する請求の範囲９に記載の装置。 １２．検出器と関連しており、検出器がある所望範囲外の放射線を受取るのを実 質的に防止する手段と；そして全体の光子ルミネセンス、干渉計および検出器の 装置をおおいつていて、前記装置を周囲の雰囲気および放射線の状態から隔離す る手段と、 をさらに具備する請求の範囲８に記載の装置。 １３．検出器と関連しており、検出器がある所望範囲外の放射線を受取るのを防 止する手段と；そして 全体の光子ルミネセンス、干渉計および検出器の装置をおおつており、前記装置 を周囲の雰囲気および放射線の状態から隔離する手段と、 をさらに具備する請求の範囲９に記載の装置。 １４．検出器と関連しており、検出器がある所望範囲外の放射線を受取るのを防 止する手段と；そして 全体の光子ルミネセンス、干渉計および検出器の装置をおおつており、前記装置 を周囲の雰囲気および放射線の状態から隔離する手段と、 をさらに具備する請求の範囲８に記載の装置。 １５．検出器を取囲んでおり、かつそれを実質的に液体窒素の温度に維持する冷 却容器と；そして 前記冷却容器内に配置されており、検出器からの電子出力信号を受取り、かつそ れらの信号の予備増幅の第１段階を提供する電子回路と、をさらに具備する請求 の範囲８に記載の装置。 １６．検出器が０．８ミクロン〜１．４ミクロンの波長からの放射線に対し実質 的に平担な範囲の感度を有するゲルマニウムの光ダイオードである請求の範囲８ に記載の装置。 １７．検出器が０．８ミクロン〜１．４ミクロンの波長からの放射線に対し実質 的に平担な範囲の感度を有するゲルマニウムの光ダイオードである請求の範囲１ ５に記載の装置。 １８．試料が結晶質ケイ素であり、そして分析されるべき波長が１．１ミクロン 付近である請求の範囲８に記載の装置。 １９．集中された放射線を試料の表面へ供給する手段が試料の表面に対して垂直 であるアルゴンイオンのレーザービームであり；そして試料が放射する光子を集 める手段がレンズ（またはレンズ系）であり、前記レンズがアルゴンイオンのレ ーザービームを通過させてそれを試料へ到達させるための開口を有している、請 求の範囲８に記載の装置。 ２０．鏡をさらに具備しており、前記鏡が試料からの光子放射線ビームをビーム スプリッターへ向け、且つ開口を有ており、前記開口を通過して（ａ）アルゴン イオンのレーザービームが試料へ行き、そして（ｂ）試料からの鏡の反射がシス テムを出る請求の範囲１９に記載の装置。 ２１．検出器の電子信号の出力信号から、２波数より粗くない分解能を有するス ペクトログラフを誘導する手段をさらに具備する請求の範囲８に記載の装置。 ２２．検出器の電子信号の出力信号から、少なくとも８６００から９３００に及 ぶ波数の走査幅を有するスペクトログラフを誘導する手段をさらに具備する請求 の範囲８に記載の装置。 ２３．検出器の電子信号の出力信号から、６分より長くない期間の間に得られる 連続的走査からの蓄積データを必要とするスペクトログラフを誘導する手段をさ らに具備する請求の範囲８に記載の装置。 ２４．検出器の電子信号の出力信号から、少なくとも２５のＳＮ感度比を有する スペクトログラフを誘導する手段をさらに具備する請求の範囲８に記載の装置。 ２５．分解能がほぼ１／２波数である請求の範囲２１に記載の装置。 ２６．スペクトログラフが６５００から１３，５００に及ぶ波数の走査幅を有す る請求の範囲２２に記載の装置。 ２７．スペクトログラフが３分の期間の間に得られる蓄積データのみを必要とす る請求の範囲２３に記載の装置。 ２８．スペクトログラフが少なくとも１００のＳＮ感度比を有する請求の範囲２ ４に記載の装置。 ２９．スペクトログラフが８６００から９３００に及ぶ波数の走査幅を有する請 求の範囲２１に記載の装置。 ３０．スペクトログラフが６分より長くない期間の間に得られる連続的走査から の蓄積チータを必要とする請求の範囲２１に記載の装置。 ３１．スペクトログラフが少なくとも２５のＳＮ感度比を有する請求の範囲２１ に記載の装置。 ３２．スペクトログラフが６分よリ長くない期間の間に得られる連続的走査から の蓄積データを必要とする請求の範囲２２に記載の装置。 ３３．スペクトログラフが少なくとも２５のＳＮ感度比を有する請求の範囲２２ に記載の装置。 ３４．スペクトログラフが少なくとも２５のＳＮ感度比を有する請求の範囲２３ に記載の装置。 ３５．スペクトログラフが６分より長くない期間の間に得られる連続的走査から の蓄積データを必要とし；そしてスペクトログラフが少なくとも２５のＳＮ感度 比を有する、請求の範囲２９に記載の装置。 ３６．光ルミネセンスのデータに基づく試料のスペクトログラフ分析を検査する 方において、 あるパワーを有するレーザービームを試料の表面へ向けること；レーザーの励起 により生ずる試料からの光子を集めること；集めた光子をフーリエ変換分光器に 通過させてスペクトログラフを提供すること； スペクトログラフから、選択したレーザービームのパワーにおいて試料中に実質 的な電子空孔−ドロプレットの形成が存在するかどうかを決定すること；そして 試料中の電子空孔−ドロプレットの形成が実質的に除去されるレーザービームの パワーが本質的に決定されるまで、前記工程を反復すること、 含むことを特徴とする方法。 ３７．電子空孔−ドロプレットの形成がスペクトログラフ上にもはや明らかとな くなるまで、連続的スペクトログラフに使用されるレーザーのパワーが徐々に減 少される請求の範囲３６に記載の分法。 ３８．試料から取った引き続くスペクトログラフが、明らかな電子空孔−ドロプ レットの形成を生成しない最大のレーザーのパワーを実質的に使用する請求の範 囲３７に記載の方法。 ３９．光ルミネセンスのデータに基づく試料のスペクトログラフ分析から新しい 情報を得る方法において、 あるパワーを有するレーザービームを試料の表面へ向け、レーザーの励起により 生じた試料からの光子を集めること；そして集めた光子をフーリエ変換分光器に 通過させてスペクトログラフを提供すること； とを含み、 前記スペクトルの範囲が光子でない領域を包含するために十分に高い周波数にま で及び、そして スペクトログラフのデータの分解能が、スペクトルの低い周波数部分において識 別不可能である光子でない領域における１またはそれ以上の不純物を識別するた めに十分なほど微細である、ことを特徴とする方法。 ４０．分解能の微細度がほぼ１／２波数である請求の範囲３９に記載の方法。