JPS62251640A - サンプルの表面および表面下の特性を評価する装置及び方法 - 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】 本発明はプローブ・ビームの散乱を検出することによっ
て、サンプルの表面および表面下の特性を評価する新し
い改良された方法および装置に関する。さらに詳しく述
べれば、本発明は光散乱の現象による熱波またはプラズ
マ波もしくは両方の検出に関する。装置は熱波またはプ
ラズマ波もしくは両方を発生させるようにサンプルの表
面にエネルギを供給する周期励起源を含む。放射線プロ
ーブは周期励起される区域内のサンプルの表面に、プロ
ーブ・ビームが励起区域から散乱されるように向けられ
る。散乱プローブ・ビームの輝度の変化は検出・処理さ
れて、サンプルの表面および表面下の特性が評価される
。

材料の非破壊分析の手段を開発するのに大きな努力が費
やされてきた。これまで、電気、光および音響検出装置
を用いる多くの装置が、サンプルのいろいろなパラメー
タを評価するために開発されてきた。

最近、サンプル内に発生されてサンプルのいろいろな熱
特性と共に相互作用する熱波を検出することによって情
報を得ることができる新しい方法が開発された。かかる
方法は、１９８２年発行のサイエンス・マガジン、第２
１８巻、第２２３頁のアラン・ローゼンクエイグ（Ａｌ
ｌａｎ　Ｒｏｓｅｎｃｗａｉｇ）による「熱波結像Ｊに
記載されており、参考のため本明細書に含める。

または電子ビームが集束されてサンプルの表面に走査さ
れる。ビームはｌ　Ｇ　Ｈｚ　＝　１０　Ｍ　Ｉｆ　ｚ
の範囲の周波数で輝度変調される。ビームがサンプルを
走査するにつれて、それは表面またはその近くに吸収さ
れ、ビーム変調周波数で周期発熱が生じる。この周期発
熱は、加熱された領域から伝搬する熱波源である。熱波
は渦電流波、エバネッセント波、および輝度が無視でき
る程小さくなる前にｌ波長または２波長しか進行しない
他の臨界減衰現象に似た拡散波である。それにもかかわ
らず、熱波はその範囲内で、在来の伝搬波の散乱および
反射プロセスと数学的に同等な方法で熱特性と相互作用
する。かくて、これらの熱波の範囲内にありかつ周囲と
異なる熱特性を有するサンプルの表面または表面下のす
べての特性は熱波を反射・散・乱し、したがって目に見
えるようになる。

サンプル内の熱波を測定することによって、表面および
表面下の特性の変化を評価することができる。例えば、
在来の光および音響プローブではよって検出することが
できる。機械的なきす、亀裂、欠落、および剥離のよう
な他の熱特性を検出することができる。熱波結像は、非
破壊深さ側面像作りおよび薄膜層厚さ決定の機会をも与
える。

これらの熱波を検出する多くの方法が提案されている。

第１の方法は、熱波により作られる音波搬送波の測定で
あった。この方法は１９８１年３月１７日にローゼンク
エイグに対して発行された米国特許第４，２５５，９７
１号に記載されている。上記の方法は正確であるが、サ
ンプルに圧電変換器を接続する必要がある「接触」法で
ある。

さらに最近、数多くの非接触熱波測定法が開発された。

１つの方法では、放射線プローブが鏡面反射されるよう
にサンプルの表面の周期励起区域内に向けられている。

このプローブ・ビームは、サンプルの表面状態の周期局
部角変化が熱波の存在によって生じるので、周期角変位
を受ける。これらの周期角変位は、分離すなわちバイセ
ル検出器を用いて検出することができる。この方法は、
１９８２年７月２６日出願の米国出願第４０１，５１１
号、いまでは米国特許第　　　　号に記載されている。

この方法の好適な実施例は、１９８３年４月１日出願の
米国出願第４８１，２７５号、いまでは米国特許第　　
　　号に記載されている。後者の特許は参考のため本明
細書に含める。

プローブ・ビームの反射度の変化の検出を含むもう１つ
の非接触法が最近開発された。さらに詳しく述べれば、
サンプルの屈折率はサンプルが周期加熱されるにつれて
変化する。したがってプローブ・ビームがサンプルの表
面から反射されると、反射されたプローブ・ビームはサ
ンプルの表面の屈折率の変化に対応するように輝度が変
化する。

屈折率の変化は熱波により誘起される表面温度の変化の
関数であるので、プローブ・ビームの輝度の変化を検出
することによって熱波を検出するこ、とができる。光反
射度の変化に基づき熱波を検出する装置は、本発明と同
じ譲受人に譲渡されかつ参考として本明細書に含まれて
いる。１９８４年５月２１日出願の同時係属出願、米国
出願第６１２．０７５号に記載されている。

最近、上記に開示された装置に似た、半導体内にプラズ
マ波を発生させて検出する装置も使用されている。さら
に詳しく述べれば、輝度変調されたエネルギ・ビームが
半導体の表面に集束されると、電子ホール・プラズマが
作られる。このプラズマは　　　　　　において出版さ
れた（かつ本明細書で後述する）ジョン・オプサル（Ｊ
ｏｎ　０ｐｓａｌ）およびアラン・ローゼンクエイグに
よる　「シリコン内の熱波およびプラズマ波」に記載さ
れるような波状特性を表わすことがある。

この中で記載される通り、サンプル表面のプラズマ密度
はサンプルの特性に基づいて変化する。

さらに、プラズマ密度の変化はサンプル表面の屈折率に
影響する。屈折率の変化は、熱波の測定で前に成功を収
めた非接触法のいくつかを利用して測定することができ
る。さらに詳しく述べれば、放射線プローブはサンプル
表面から反射され、プラズマ誘起の屈折率の変化によっ
て放射線プローブに誘起される変化はサンプルの表面お
よび表面’ＴＩ−曲士１祷如ル泪スナー詔ｌ−町幻六れ
Ｘ−プラズマ密度分析は、イオン・ドープ剤の特性およ
びサンプルを横切ってサンプル表面下の深さの関数とし
ても変化する他の特性を評価するのに用いられる。プラ
ズマ密度の変化を検出する装置は、本発明と同じ譲受人
に譲渡されかつ参考のため本明細書に含まれる１９８５
年３月１日出願の同時係属出願、米国出願第７０７，４
８５号に記載されている。

上記の測定方法は極めて高感度であり、微視用に適して
いる。おのおのの場合において、「鏡面反射」されたプ
ローブ・ビームの輝度または反射角が測定される。鏡面
反射はプローブ・ビームの入射角および捕捉する検出器
の位置次第であるので、反射されるプローブ・ビームは
正確に制御されなければならない。サンプルが著しく変
化する表面トポロジーを有する場合は、反射ビームを必
ず捕捉するように検出器の位置の正確な制御を保つこと
が困難なことがある。例えば、サンプルが平らでない場
合は、ブｌ’７−ブ・ビームおよび検出器の方向はプロ
ーブ・ビームがサンプルの表面で走査されるにつれて絶
えず変えられなければならない。さらに、比較的粗い表
面を持つサンプルはビームの大部分を散乱させ、それに
よって鏡面反射を呈するプローブ・ビームの部分が減少
される。

したがって、プローブ・ビームの鏡面反射に依存しない
熱波またはプラズマ波らしくはその両方を検出する別の
方法を開発することが望まれる。

これらの別法も、製造状況において評価を可能にする非
接触変化によるものであることが望ましい。

したがって本発明の１つの目的は、熱波またはプラズマ
波もしくは両方を検出する新しい改良された装置を提供
することである。

本発明のもう１つの目的は、サンプルの表面および表面
下の特性を評価する新しい改良された装置を提供するこ
とである。

本発明のもう１つの目的は、プローブ・ビームの光散乱
を検出することによって熱波またはプラズマ波もしくは
両方を測定する新しい改良された装置を提供することで
ある。

本発明のもう１つの目的は、プローブ・ビームの測定可
能な鏡面反射を得るのが困難な状況において利用し得ろ
熱波またはプラズマ波らしくは両方を検出する新しい改
良された装置を提供することである。

上記および他の多くの目的により、本発明はサンプルの
表面および表面下の状態を評価する新しい改良された方
法ならびに装置を提供する。本発明はサンプル内の熱波
またはプラズマ波らしくは両方を検出するのに特に適し
ている。

装置は、サンプルの表面にエネルギを供給して熱波また
はプラズマ波もしくは両方の密度変化を作る周期励起源
を備えている。エネルギ源によって周期励起される区域
内にあるサンプルの表面に向けられる放射線プローブを
具備している。サンプルの表面の周期励起される領域か
らのプローブ・ビームの光散乱による放射線プローブの
密度変化を測定する検出器を具備している。最後に、測
定された密度変化を処理してサンプルを評価する装置を
具備している。処理装置は、周期励起の関数である密度
変化を隔離する機能を果たす。処理モードは一部、熱波
またはプラズマ波もしくは両方が検出されているかどう
かに左右される。

処理方法は、求められる情報の形式によっても左右され
る。上記の特許および特許出願にはいろいろな処理方法
が示されている。熱波分析の詳細に関する追加情報は、
ローゼンクエイグに対して１９８５年４月２３日に発行
され、参考として本明細書に含まれる米国特許第４，５
１３．’２８４号にも見られる。後者の特許は、励起源
の変調周波数を変えて熱波の変化を観測することによっ
て、サンプルに関する追加情報を得る方法を示している
。

同様な形の分析は、プラズマ波を観測するときら実行す
ることができる。

本発明は、サンプルの表面が強散乱媒体であるような測
定情況で特に適している。例えばサンプルの表面が粗い
場合、鏡面反射のプローブ・ビームの良好な測定を得ろ
ように光学部品を配列することは困難であろう。

本方法は、サンプルが平面でなく、シたがってな状況に
ら適している。上述の通り、プローブ・ビームがサンプ
ルの表面をラスタするにつれて、鏡面反射ビームの位置
は変わる。この作用は光学部品かサンプルの表面から遠
くに移動されるとき増大される。光学部品がサンプルの
表面から離されなければならないとき、鏡面反射のプロ
ーブ・ビームを測定することがますます困難になる。逆
に、本発明は焦点合わせなしに使用することができ、検
出器をサンプル表面からかなり離して置くことができる
。

本発明の上記以外の目的および利点は、添付図面及び下
記の詳細な説明から明らかになるであろう。

第１図には、本発明の方法を実行する装置２０が示され
ている。そこに示される通り、サンプル２２は可動段２
４の上に置かれている。段２４は矢印ＡおよびＢによっ
て示される通り、２次元にラスタされることができる。

かかる可動段は先行技術において周知である。しかし、
サンプルは静ｌ二状聾に偏向法を用いてサンブノＣを走
査する、ことに注目すべきである。

本発明には、サンプルを周期励起する装置が具備されて
いる。好適な実施例では、本装置はレーザを用いる。レ
ーザ３０はアルゴン・イオン・レーザでもよい。エネル
ギ源すなわちポンプは、電子ビームのような任意の適当
な電磁放射線または粒子ビームからも提供される。ビー
ムのエネルギは、問題の熱波またはプラズマ波もしくは
両方の密度変化を発生させるに足るものでなければなら
ない。

レーザ３０は、周波数変調器３４を通過するビーム３２
を出す。周波数変調器は、可変でしかも処理装置３８の
制御を受ける周波数でビームを周期的にヂョップしたり
輝度変調するようにされている。

次にビーム３２は、グイクロイック・ミラー３６を通っ
てサンプルの表面に進む。グイクロイック・ミラーは下
記の通り、アルゴン・イオン・レーザ３０から出た光の
波長を通すとともにプローブ・レーザ４０の光を反射す
るように設計されている。

ビーム３２は、サンプルをその表面で周期励起するよう
にサンプルの表面に向けられる。どんなサンプルにでも
、周期エネルギ・ビームは変調器３４の周波数に対応す
る周波数を持つ熱波を作る働きをする。これらの熱波は
臨界減衰されろ間、！つまたは２つの波長だけ進むが、
遂には検出できない程弱くなる。ザンプル内で波が進む
距離は下記の式によって与えられる。

（１）　　　ｕ＝（２に／ρｃω）ｙまただしＵは熱拡
散の長さ、ｋは熱伝導度、ρは密度、Ｃは比熱、ωはビ
ームの変調周波数である。

半導体材料が評価されている場合、エネルギ・ビームは
電子ホール・プラズマを作ることができる。電子ホール
・プラズマは、ビームのエネルギが価電子帯から伝導帯
まで電子を上げるに足るならば作られ、それによって電
子ホール対を作る。

入力エネルギが帯間隙エネルギを越える場合は、熱波も
作られる。いかなる場合でも、エネルギが帯間隙エネル
ギを越えると、伝導帯を越えて励起された電子は比較的
短い時間の周期で（タウ１τ１は約ｒｏ−１３秒に等し
い）、そのエネルギの一部を非放射性変移により伝導帯
の底に近い非占有状態まで格子に引き渡す。はるかに長
時間（τ＝　１０−’〜１０−８秒）がたってから、こ
れらのキャリヤはそのエネルギの残りを価電子帯のホー
ルと再結合することによって格子に引き渡す。この再結
合前に、熱源からの熱の流れに似た方法で拡散によって
支配される空間密度を持つ電子およびホールのプラズマ
が存在する。

周期プラズマ密度の変化の拡散長さを示す式が下記に示
される。さらに詳しく述べ・れば、遅延時間タウ　（τ
）（電子ホール対が再結合するに要する時間）は変調周
期ｌ／ωに比べて比較的短いが、ここでωはラジアン７
秒で表わす変調周波数であり（すなわちωτくｌ）、次
にプラズマの拡散長さは下記の式で与えられる： （２）ｕ−（Ｄτ）ｙま ただしＤはプラズマの拡散度である。この状況では、プ
ラズマ波が作られないことが注目される。

しかし、プラズマ密度の変化は依然として検出され、サ
ンプルに関する情報を得るために使用される。

減衰時間（τ）がエネルギ・ビームの変調の周期に比べ
て長い場合（ωτ＞１）、プラズマ波が作られ、拡散長
さは下記の式で与えられる：（３）　　ｕ　−（２Ｄ／
（＆ｌ）’ 拡散長さを定める上記の式は、「周期励起」されている
サンプルの区域を定めるために提供される。

さらに詳しく述べれば、下記の通り、熱波またはプラズ
マ密度もしくは両方の変化を検出するために、・プロー
ブ・レーザ４０からのビーム４２はサンプル表面の周期
励起区域内に向けられなければならない。この周期励起
区域は下記の式によって励起直径ｒＤＪとして定めるこ
とができる：（４）Ｄ＝２　　（スポット半径Ｒ６）２
＋（拡散長さ）まただしスポット半径Ｒ０は変調エネル
ギ・ビームの半径によって定められる。式の第２項、す
なわち拡散長さは上記の公式（１〜３）の１つによって
与えられ、かつ特別の測定状況に左右される。特に熱波
だけが測定されている場合、熱拡散の長さＵは第（１）
式で示されている。同様に、プラズマ波拡散長さの式は
適当な環境において代替される。

熱波とプラズマ波がいずれら存在する場合は、励起区域
は最大の計算領域と定義される。

再び第１図を参照すると、本発明はさらに光ビームによ
って定められる放射線プローブ４０を含むことが分かる
であろう。放射線プローブは光散乱の可能なビームを出
す。好適な実施例では、プローブ・レーザ４０はヘリウ
ム−ネオン・レーザによって形成される。

ビーム４２はミラー４４により、グイクロイック・ミラ
ー３６の上に偏向される。グイクロイック・ミ゛　ラー
は、プローブ・レーザ４０によって出される波長に対し
て光反射する。第１図に示された通り、プローブ・レー
ザ・ビーム４２はポンプ・レーザ・ビーム３２と一致す
るように向けられろ。しかし、プローブ・レーザ・ビー
ム４２は変調されたビーム３２から出て第（４）式に示
されるような距離にわたって周期励起領域内に向けられ
ることが唯一の必要事項である。拡散長さが極めて短い
場合、周期励起領域は本質的に周期エネルギ・ビームと
一致することか注目される。

大部分の状況において、プローブ・ビームはサンプルの
表面から鏡面反射される。さらに、ビー′ムの部分ら散
乱される。プローブ・ビームの散乱は一般に、エネルギ
・ビームがサンプルに衝突すると否とにかかわらず生じ
る。かくて、一般に、プローブ・レーザの強さおよびサ
ンプル表面の局部散乱特性に左右される定信号すなわち
ＤＣ散乱信号が存在する。下記に説明される通り、周期
励起源であるレーザ３０がサンプルの表面に向けられろ
とき、周期散乱現象も生じるが、これはサンプル表面上
の熱波またはプラズマ波もしくは両方の密度変化の関数
である。

プローブ・ビームの散乱は光子検出器５０によって検出
される。光子検出器５０は例えば、検出器または光電子
増倍管であることができる。フィルタ５２は、プローブ
・レーザからの光エネルギを通す検出器５０の入力の前
に具備されるが、ポンプ・レーザ・ビーム３２からのど
んな放射線からも検出器を遮蔽することが望ましい。認
められる通り、衝突する光子を検出するようにされる検
出器５０はｒＤｃＪ散乱を測定するとともに、熱波また
はプラズマ波もしくは両方の存在によって誘起される周
期散乱をも測定する。

散乱が熱波またはプラズマ波もしくは両方の存在によっ
て影響される理由は、サンプルの光特性が周期変調され
ていることに関係がある。例えば、屈折率の変調の場合
、この依存は下記の式によって表わされる： （５）　　５＝Ｓｏ＋ΔＳ ただしＳは全散乱、ＳｏはＤＣ散乱である。項ΔＳは第
（６）式で定義される。

（６）　　ΔＳ　＝　（ｄＳ／　ｄｎ）ΔｎただしΔＳ
は光散乱の変化、Δｎは熱波またはプラズマ波のいずれ
かによって誘起された変化を表わす複屈折率の変化であ
る。上記の式から、全散乱は下記の通り定義されること
が分かる：（７）　　Ｓ　＝　Ｓｏ［１＋　１／５ｏ（
ｄｓ／ｄｎ）Δｎ〕１／５ｏ（ｄＳ／ｄｎ）は散乱の複
反射像数を表わす。

とがある。特に、ＤＣ散乱を作る表面の祖さは熱波から
のサンプルの局部熱弾性膨張によっである程度まで変調
されることもある。サンプル表面の粗さのこの外形変調
はＡＣ散乱信号にも貢献することがある。かかる作用は
プラズマ波では観測されない。

ＤＣ散乱がある場合、検出器５０によって作られる出力
信号は、このＤＣ散乱と輝度の周波数による変化との両
方を含む。サンプルがポンプおよびプローブ・ビームを
越えて移動されると、光子検出器に入るＤＣ散乱の量Ｓ
。は局部ＤＣ散乱特性が変わるにつれて変化する。その
結果、第（７）式に見られる通り、散乱の固定屈折率１
／５ｏ（ｄＳ／ｄｎ）について、ＡＣ信号もＳ。につれ
て変化する。

散乱の熱波またはプラズマ波誘起変調の純然たる結果で
ある輝度の変化を得るために、信号は正規化される。さ
らに詳しく述べれば、問題の信号は励起変調周波数また
はその調波のどれでもと同期しない検出器からのすべて
の出力信号を正規化小ツーＬＩ−トー′ＩＩＩＡす、１
輛ツ　光ＩＪハ巖ｃｌ　？−佃プ１つの方法は、ＤＣ信
号を検出された信号に分割することである。正規化され
た出力は、サンプル中の熱波またはプラズマ波の活動の
大きさを与える。

次に正規化された出力信号は、サンプルに関する情報を
得る上述の特許または出願のどれにでも記載された方法
で分析することができる。例えば、信号は既知サンプル
の前に記録された信号に比較される。所定の信号と測定
された信号との間の変化は、材料の組成の変化を示す。

ドープ剤の濃度を測定する場合は、プローブおよびエネ
ルギ・ビームがサンプル表面を走査されるときの信号の
変化が、２次元像に描かれる変化するドープ剤濃度、を
表わす。

上記の測定は、ある定常状態すなわちＤＣ散乱Ｓｏがあ
るものと想定する。しかしある状況では、定常状態の光
散乱はほとんどまたは全くない。例えば、サンプル表面
がよく磨かれている場合は、はとんどすべてのプローブ
・ビーム・エネルギは散乱ではなく「鏡面」反射される
。かかる場合には、熱波またはプラズマ波らしくは両方
によって誘起される散乱光をｄ（１１定するごとは困難
であるからしれない。しかし本方法は、集束レーザ・ビ
ームが使用されるならば、依然として実行可能であるこ
とを立証する。さらに詳しく述べれば、プローブおよび
ポンプ・レーザがほぼ光の波長まで集束されるならば、
測定可能な熱波またはプラズマ波により誘起される散乱
が存在する。この場合には熱波またはプラズマ波もしく
は両方そのものである散乱の形状がプローブ・ビームの
波長に接近するからである。これもまた、短い波長の熱
波またはプラズマ波もしくは両方を発生さＵ−る高変調
周波数の使用を必要とする。

ビームを集束するために、ミラー３６とサンプル２２と
の間にレンズ系（図示されていない）を具備することが
必要である。もちろんかかる集束は、表面および表面下
の特性の調査を微視的な尺度で行う必要があるならば、
ＤＣ散乱を伴うサンプルの通常な場合でさえ要求される
。

認められる通り、上記の制限のある場合（定常状態の散
乱がほとんどまたは全く存在しない場合）光学装置およ
び検出器はサンプルに十分近づける必要がある。大部分
のサンプルは定常状態散乱を作るので、熱波またはプラ
ズマ波もしくは両方を検出する他の光学方法で要求され
る厳密な並べ合わせは不要である。後者の理由で、本発
明は製造状況において全く望み通りである。さらに、そ
れは巨視的な調査にも不規則な形のサンプルにも望み通
りである。

要するに、サンプルの表面および表面下の特性を評価す
る新しい改良された装置が提供された。

本装置はサンプル内に熱波またはプラズマ波もしくは両
方を発生させる周期励起源を備えている。

放射線プローブは、周期励起される区域内にあるサンプ
ルの表面に向けられる。光散乱されたプローブ・ビーム
の一部を測定する装置が具備されている。最後に、周期
変化の関数である散乱されたプローブ・ビームの輝度変
化に対応する出力信号を処理する装置が具備されている
。

うまでもなく特許請求の範囲に定められた本発明の範囲
および主旨から逸脱せずに当業者によりいろいろな変更
ならびに変形が作られる。

続いて、上述したカリフォルニア９４５３９．フレモン
トにあろザーマ・ウェブ社のジぢン・オプサル及・びア
ラン・ローゼンクエイグによる　「シリコン内の熱波お
よびプラズマ波」を以下に掲げる。内容は、まず要約す
ると、熱波に似た臨界減衰伝搬波として変調されだレー
ザにより半導体内に発生されたフリー・キャリヤ・プラ
ズマの密度に関するものである。

次に本文を続ける。

輝度変調エネルギ・ビーム（例えば電子またはレーザ）
の吸収が臨界減衰伝搬波、すなわち熱波の特性を持つ変
調温度プロフィールを生じることは周知の通りである。

半導体内で変調されたレーザ・ビームによって作られる
光励起されたキャリヤの分布も臨界減衰伝搬波、この場
合はプラズマ波として特徴づけられる我々の最近の観察
１はあが然機能のプローブとし七の熱波に似て、その伝
搬に影響を及ぼす材料特性を質問するのに用いられるこ
とである。

早期の半導体の光音響研究ｔ−ｓにおいて、変調された
プラズマ密度の特性は非放射性再結合が全光音響レスポ
ンスにどう影響するかについて調査された。特に、プラ
ズマ拡散の長さ、表面再結合速度、おいて内部再結合存
続時間のような要素を決定する光音響作用を使用できる
ことが、少なくとも原理的に示された。もちろんこれは
、信号にも寄与する熱特性の完全な知識を示す。ここで
我々が指摘したいことは、このプラズマ密度が実際には
臨界減衰波でもあること、およびそれが熱波と同様に材
料の分析に用いられることである。

定性入門として、レーザ・ビームが半導体に入射すると
きどんなことが起こるかを考えてみる。

光子当たりのエネルギＥが帯間隙エネルギＥｇを越える
ならば、電子は価電子帯から伝導帯の縁を上回るエネル
ギＥ−Ｅｇまで励起される。これらの光励起されたフリ
ー・キャリヤは、ピコ秒の分数以内で、そのエネルギ（
Ｅ　−Ｅｇ）の一部を伝導帯の底に近い非占有の状態へ
の非放射性変移により格子に引き渡Ｖ。それに比較して
長い時間、普通マイクロ秒程度の時間が経過してから、
これらの光励起キャリヤは価電子帯のホールと再結合し
て、その残りのエネルギ６ｇ４格子に引き渡す。この再
結合の前に、熱源からの熱の流れに似て拡散に左右され
る密度を持つ電子およびホールのプラズマが存在する。

かくて、入射レーザ・ビームが輝度変調される場合、我
々は熱波に加えて、臨界減衰波すなわちプラズマ波の空
間プロフィールを有する変調されたプラズマ密度を観察
したいと思う。

１次元の場合では、熱源が表面に置かれているものと想
定すれば、サンプル表面下の距離Ｘの関数としての温度
は下記の式で与えられる。

’Ｉ”　（ｘ）−（ｉＱｏ／ｑｋ）ｉｑｘ（１）ただし
ｑは下記によって定められる熱波ベクトルｑ−（ｔ＋　
ｉ）（ωｐ　Ｃ／２ｋ）’＝　（ｔ＋　ｉ）／ｕｔ　（
２）ｋは熱伝導度、Ｑ、は我々が正弦波時間従属ｅ−ｉ
ｍ　ｔを想定した熱源である。第（２）式において、ρ
は密度、Ｃは比熱、ｕｔは熱拡散の長さである。プラズ
マ密度Ｎ　（ｘ）について、我々は下記の類似式で表わ
す。

Ｎ　（Ｘ）−（ｉＰｏ／ρＤ　）ｅ”ｘ（３）ただしρ
は下記によって定められるプラズマ波ベクトルである ％ ρ−（１＋　１）（（ωτ＋ｉ）／２Ｄτ〕（４）Ｄは
両極拡散係数、Ｐ、は表面に置かれると考えられるプラ
ズマ源の項、では再結合時間である。プラズマ波と熱波
との間の１つの本質的な相違は、再結合時間の存在であ
る。制限ωτ（ｌにおいて、プラズマ密度はその波状特
性を失って、純拡散性になるとともにプラズマ拡散長さ
Ｉ２．＝　（Ｄτ）ｙ２の変調周波数に無関係となる。

しかしＳｉおよび、Ｍｌｌｚ制の変調周波数では、我々
はωτ＞１　　（およびしばしばωτ＞１）を有し、プ
ラズマ密度はそのとき温度が熱波であるのと同様に臨界
減衰波である。

この制限内で、実際に、我々はプラズマ波拡散長拡散係
数りによって第（２）式の熱拡散度に／ρＣを置き替え
ることによって熱拡散長さと外形上同じである。

プラズマ波はらちるん、それが検出され測定される場合
に限り実際に意義がある。赤外線プローブ・ビーム７の
吸収に及ぼす作用によりプラズマを観察することができ
るが、これはドルード作用である。もう１つの直接法は
光反射度に及ぼすプラズマの作用を監視することである
。これも基本的にはドルード作用であり、その負の反射
係数６はピコ秒９・Ｉｏおよびフェムト秒１１の持続時
間を持つ強いレーザ・パルスを用いて説明され、観察さ
れてきた。１ｌｅ−Ｎｅレーザ・プローブ・ビームでは
、我々はプラズマの反射係数（１／Ｒ，）（ｄＲ／ｄＮ
）＝−１０−”ＣＩ’を得るが、ただしＲ８は動揺しな
い反射度である。

両極拡散係数Ｄ　＝　２０ｃｍ”／秒および再結合時間
τ〉１０秒の純Ｓｉでは、Ｎｏ＝　ｔｏ”／ａｍ３の表
面プラズマ密度はｍＷ（ミリワット）の集束電力を持つ
変調Ａｒイオン・レーザを用いて容易に作られる。その
とマ波誘起変調を意味する。この大きさの変調反射塵は
、例えば金属内の熱波誘起変調反射塵Ｈに関する最近の
報告書で我々が示したように、容易に測定される。

Ｓｉにおいては、考慮する必要のある反射度に及ぼす重
大な熱波の影響ら存在する。測定された熱反射係数”　
（１／ＲｏＸｄＲ／ｄＴ）＝　＋　１．５ｘ　１０−’
／’Ｃを用いると、Ｔｏ＝１．０℃の変調された表面温
度は光反射塵ΔＲ／ＲＯ＝＋１．５Ｘ１Ｇ−’の熱波誘
起変調を生じることが分かる。これは、対応するプラズ
マ波作用と大きさが同じで符号が反対である。これらの
理由により、５Ｘ　１０−’のＳｉの光反射塵の正味変
調を予想することができる。Ｓｉに関する我々の実験結
果はこの観察と一致している。すなわち、我々がＳｉサ
ンプルについて測定する反射信号は、材料内に熱波だけ
があることに基づき予想されたものよりも通常小さい　
（ときには大きさがひとまわり小さい）。我々が指摘す
べきことは、ポンプ・ビームの波長を変えることによっ
て、原則的に、変調された反射信号に及ぼす熱波および
プラズマ波の作用の相対量を制御することができる点で
ある。

帯間隙に接近した波長および十分高い変調周波数では、
プラズマ波は信号より完全に抜きん出るようにされる。

波長を短くすることによって熱波作用は増大し、変調周
波数が低くなるにつれて熱波に及ぼす再結合作用が研究
される。

３次元作用の分析１４を含めて、我々はすべての純然た
る熱波作用で要求されたように増大する変調周波数と共
に、変調反射信号が必ずしも単調に減少しないことら発
見した。第２回において我々は６０Ω−ｃ＋ａ（三角）
および０．０１Ω−ｃｍ（四角）の体積抵抗率を持つｐ
ドープ処理されたＳｉウェーハの実験結果を示す。いず
れの場合にも、信号は非単調であり、Ｉ　Ｍｌｌｚ以上
の増加する変調周波数とｊ１２に増加している。曲線は
データに３次元モデルを当てはめた結果であり、データ
に最もよく合った理論モデルをあられす６０Ω−ｃｍの
サンプルでは、我々はに＝　１．４２Ｗ／ａｍ−’Ｃの
熱伝導度を想定し、Ｄ　＝　４．０６ｃｍ”７秒の両極
拡散係数に対して当てはめた値を得ることができる。両
パラメータを変えると、０．０１Ω−ｃｍのサンプルで
はｋ　＝　０　、８９　Ｗ　／　ｃ　ｍ　−℃およびＤ
＝２．６２ｃｍ”７秒が求めラレル。

結論として、我々は臨界減衰波による半導体内の周期発
生フリー・キャリヤ・プラズマ密度について説明した。

熱機能の局部変化のプローブとして熱波に似た、このプ
ラズマ波は、その伝搬に影響する材料特性の変化を検出
・測定するのに用いられる点で実際に有意義である。あ
る場合、特にイオン注入の半導体において、我々は熱波
よりもはるかにプラズマ波の方が影響が大きいと考える
。

半導体を伴う大部分の場合、我々はプラズマ波が材料特
性の決定方法として熱波に補完能力を供給するものと信
じる。

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Ａｐｐｌ、　Ｏｐｔ、η−１３１６９　（１９８３））

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実行する装置の概略図、第２図
は変調周波数の関数としてのＳｉの変調された反射信号
を示す図であって、白い三角は６０Ω−ａｍのサンプル
、白い四角は０．Ｏ２０−ｃｍのサンプルに関するもの
を表わす図である。 ２〇−評価装置：２２−サンプル、　　３０．４０−レ
ーザ；装置、　　５０−光子検出器；５２−フィルタ、
　　３２．４２−ビーム 特許出願代理人

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）サンプルの表面および表面下の特性を評価する装
   置であって： サンプルの表面にエネルギを供給する周期励起源と、 放射線プローブ・ビームと、 前記プローブ・ビームの一部が周期励起区域から散乱さ
   れるように周期励起されているサンプル表面上の区域の
   少なくとも一部の中に前記プローブ・ビームを向ける装
   置と、 散乱されたプローブ・ビーム放射線の輝度変化を監視す
   るとともに、それに対応する出力信号を発生させる装置
   と、 散乱されたプローブ・ビームの測定された輝度変化に対
   応する出力信号を処理してサンプルを評価する装置と、 を含むことを特徴とする評価装置。
2. （２）前記処理装置は監視装置からの出力信号を正規化
   して、周期励起源の関数である輝度変化を得ることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載による評価装置。
3. （３）前記処理装置は励起変調周波数またはその調波の
   どれにも同期しない一部の出力信号を正規化することに
   よって、周期励起源の関数である輝度変化を得ることを
   特徴とする特許請求の範囲第２項記載による評価装置。
4. （４）前記周期励起源は光ビームであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載による評価装置。
5. （５）前記周期励起源は輝度変調レーザ・ビームによっ
   て形成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載による評価装置。
6. （６）前記放射線プローブ・ビームは光ビームであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載による評価装
   置。
7. （７）前記放射線プローブ・ビームはレーザ・ビームに
   よって形成されることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載による評価装置。
8. （８）前記監視装置は検出器によって形成されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載による評価装置。
9. （９）前記監視装置は光電子増倍管であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載による評価装置。
10. （１０）サンプルの表面および表面下の特性を評価する
    方法であって： サンプルの表面に周期エネルギを供給する段階と、 プローブ・ビームの一部が周期励起区域から散乱される
    ように、周期励起されているサンプルの表面上の区域の
    少なくとも一部に放射線プローブを向ける段階と、 散乱されたプローブ・ビームの輝度変化を監視する段階
    と、 測定された輝度変化に対応する出力信号を発生させる段
    階と、 散乱されたプローブ・ビームの測定された輝度変化に対
    応する出力信号を処理して、サンプルを評価する段階と
    、 を含むことを特徴とする評価方法。
11. （１１）前記処理段階は周期励起源の関数である輝度変
    化を得るために出力信号を正規化する段階を含むことを
    特徴とする特許請求の範囲第１０項記載による方法。
12. （１２）処理段階は励起変調周波数またはその調波のど
    れとも同期しない測定された一切の出力信号を正規化す
    る段階を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１０項
    記載による方法。