KR102566737B1 - 광 계측 장치 - Google Patents

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Abstract

실시 형태는 제1 파장을 포함하는 계측광을 생성하는 광원(9a)과, 제2 파장을 포함하는 자극광을 생성하는 광원(9b)과, 출력단 11a2와 입력단 11a1, 11b1의 사이에서 분기되어 마련된 광 파이버(11a, 11b)를 포함하고, 입력단 11a1이 광원(9a)의 출력과 광학적으로 결합되고, 입력단 11b1이 광원(9b)의 출력과 광학적으로 결합되며, 계측광과 자극광을 합파하여 합파광을 생성하고, 합파광을 출력단 11a2로부터 출력하는 WDM 광 커플러인 광 결합부(11)와, DUT(10)로부터의 반사광의 강도를 검출하는 광 검출기(29)와, 합파광을 DUT(10) 상의 측정점(10a)을 향하여 도광하고, 측정점(10a)으로부터의 반사광을 광 검출기(29)를 향하여 도광하는 광 조사/도광 시스템(5)과, 측정점을 이동시키는 갈바노 미러(19)를 구비하고, 광 파이버(11a, 11b)는 제1 파장에 대해서 싱글 모드로 광을 전파한다.

Description

광 계측 장치
본 개시는 측정 대상물을 평가하는 광 계측 장치에 관한 것이다.
종래부터, 공초점 광학계를 이용하여 계측광과 자극광을 동축으로 측정 대상물에 조사하고, 계측광의 반사광을 이용하여 측정 대상물의 열물성치를 도출하는 검사 장치가 알려져 있다(예를 들면, 하기 특허문헌 1 참조). 이 검사 장치는 하프 미러를 이용하여, 계측광과 자극광을 합성하여 측정 대상물에 조사하는 구성을 가지고 있다.
일본 특개 2006-308513호 공보
상술한 바와 같은 종래의 검사 장치에서는, 서로 파장이 다른 계측광과 자극광을 동축 상에서 합파(合波)하려면 하프 미러 등의 광학계의 조정이 곤란한 경향이 있었다. 또한, 장기간의 사용에 의해 광학계에 시프트가 발생하여, 계측광과 자극광의 사이에서 광축의 어긋남이 발생하는 경우도 있었다. 그 결과, 측정 대상물에 조사되는 계측광과 자극광의 사이에서 측정 대상물 상의 조사 위치의 어긋남이 발생하여, 측정 대상물의 평가의 정밀도가 저하되는 경향이 있었다.
실시 형태는 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 측정 대상물 상의 계측광 및 자극광의 조사 위치의 어긋남을 저감시켜, 측정 대상물의 평가의 정밀도를 높이는 것이 가능한 광 계측 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 개시의 일 형태는, 제1 파장을 포함하는 계측광을 생성하는 제1 광원과, 제1 파장보다 짧은 제2 파장을 포함하는 자극광을 생성하는 제2 광원과, 출력단과, 제1 입력단 및 제2 입력단의 사이에서 분기되어 마련된 광 파이버를 포함하고, 제1 입력단이 제1 광원의 출력과 광학적으로 결합되고, 제2 입력단이 제2 광원의 출력과 광학적으로 결합되며, 계측광과 자극광을 합파하여 합파광을 생성하고, 합파광을 출력단으로부터 출력하는 WDM 광 커플러인 광 결합부와, 측정 대상물로부터의 반사광 혹은 투과광의 강도를 검출하여 검출 신호를 출력하는 광 검출기와, 합파광을 측정 대상물 상의 측정점을 향하여 도광(導光)하고, 측정점으로부터의 반사광 혹은 투과광을 광 검출기를 향하여 도광하는 광학계와, 측정점을 이동시키는 주사부를 구비하고, 광 파이버는 적어도 제1 파장에 대해서 싱글 모드로 광을 전파하는 성질을 가진다.
상기 일 형태에 의하면, 제1 파장을 포함하는 계측광과 제1 파장보다 짧은 제2 파장을 포함하는 자극광이, 광 결합부에 의해서 합파되어 측정 대상물 상의 측정점에 조사되고, 측정 대상물 상의 측정점으로부터의 반사광 혹은 투과광의 강도가 검출된다. 또한, 측정 대상물 상의 측정점은 주사부에 의해서 이동된다. 이 광 결합부는 광 파이버를 포함하는 WDM 광 커플러에 의해서 구성되고, 그 광 파이버는 계측광을 싱글 모드로 전파시키는 성질을 가지므로, 계측광의 스팟이 안정되고, 합파광에 있어서의 서로 파장이 다른 광인 계측광과 자극광 사이의 광축의 어긋남을 저감시킬 수 있다. 그 결과, 측정 대상물 상의 측정점에 있어서의 계측광 및 자극광의 조사 위치의 어긋남을 저감시킬 수 있어, 측정 대상물의 평가의 정밀도를 높일 수 있다.
실시 형태에 의하면, 측정 대상물 상의 계측광 및 자극광의 조사 위치의 어긋남을 저감시켜, 측정 대상물의 평가의 정밀도를 높일 수 있다.
도 1은 실시 형태에 따른 광 계측 장치(1)의 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 광 결합부(11)의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 컨트롤러(37)의 기능 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 광 계측 장치(1)의 출력 화상의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 비교예에 의한 출력 화상의 일례를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 설명에 있어서, 동일 요소 또는 동일 기능을 가지는 요소에는, 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복되는 설명은 생략한다.
도 1은 실시 형태에 따른 광 계측 장치(1)의 개략 구성도이다. 도 1에 나타내는 광 계측 장치(1)는, 반도체 디바이스 등의 측정 대상물인 피검사 디바이스(DUT: Device Under Test)(10)를 대상으로 광 계측을 행하는 장치이다. 본 실시 형태에서는, DUT(10)에 있어서의 자극광에 의한 발열을 측정하는 서모리플렉턴스(thermo-reflectance)가 실행된다. 광 계측 장치(1)의 측정 대상으로서는, 베어 웨이퍼, 일정한 도핑 밀도로 애피택셜 성장시킨 기판, 웰 혹은 확산 영역 등을 형성한 웨이퍼 기판, 트랜지스터 등의 회로 소자가 형성된 반도체 기판 등을 들 수 있다.
이 광 계측 장치(1)는, DUT(10)가 배치되는 스테이지(3)와, DUT(10) 상의 측정점(10a)을 향하여 광을 조사 및 도광하는 것과 함께 DUT(10) 상의 측정점(10a)으로부터의 반사광을 도광하는 광 조사/도광 시스템(광학계)(5)과, 광 조사/도광 시스템(5)을 제어하는 것과 함께 DUT(10)로부터의 반사광을 검출 및 처리하는 제어 시스템(7)에 의해서 구성되어 있다. 스테이지(3)는 DUT(10)를 광 조사/도광 시스템(5)에 대향하도록 지지하는 지지부이다. 이 광 조사/도광 시스템(5)은, 측정점(10a)을, DUT(10)의 표면(광 조사/도광 시스템(5)측의 면) 근방에 설정해도 되고, DUT(10)의 내부 혹은 이면 근방에 설정해도 된다. 또한, 스테이지(3)는 DUT(10) 상의 측정점(10a)을 광 조사/도광 시스템(5)에 대해서 상대적으로 이동 가능한 이동 기구(주사부)를 구비하고 있어도 된다. 또한, 도 1에 있어서는, 광의 진행 경로를 일점 쇄선으로 나타내고, 제어용 신호의 전달 경로, 검출 신호 및 처리 데이터의 전달 경로를 실선의 화살표로 나타내고 있다.
광 조사/도광 시스템(5)은 광원(제1 광원)(9a), 광원(제2 광원)(9b), 광 결합부(11), 콜리메이터(13), 편광 빔 스플리터(15), 1/4 파장판(17), 갈바노 미러(주사부)(19), 동공(瞳)투영 렌즈(21), 대물 렌즈(23), 광학 필터(25), 및 콜리메이터(27)를 포함하고 있다.
광원(9a)은 DUT(10)에 있어서의 가열에 의한 광학적 특성의 변화(예를 들면, 반사율의 변화)의 검출에 적합한 제1 파장 및 강도의 광을, 계측광(프로브광)으로서 생성하여 출사한다. 예를 들면, DUT(10)가 Si(실리콘) 기판에 의해 구성되어 있는 것인 경우에는, 제1 파장은 1300nm이다. 광원(9b)은 DUT(10)의 가열에 적합한, 제1 파장보다 짧은 제2 파장 및 강도의 광을, 자극광(펌프광)으로서 생성하여 출사한다. 구체적으로는, 광원(9b)은 DUT(10)를 구성하는 기판의 재료인 반도체의 밴드 갭 에너지보다 높은 에너지를 가지는 제2 파장을 포함하는 자극광을 생성하도록 설정된다. 예를 들면, DUT(10)가 Si 기판에 의해 구성되어 있는 것인 경우에는, 제2 파장은 1064nm, 780nm 등이다. 또한, 이 광원(9b)은 외부로부터의 전기 신호를 기초로 강도 변조된 자극광을 생성 가능하게 구성된다. 또한, 광원(9a), 광원(9b)은 예를 들면 반도체 레이저 등의 코히런트 광원이어도 되고, SLD(Super Luminescent Diode) 등의 인코히런트 광원이어도 된다.
광 결합부(11)는 광원(9a)으로부터 출사된 계측광과, 광원(9b)로부터 출사된 자극광을 합파하여 합파광을 생성하고, 그 합파광을 출력하는 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 광 커플러이다. 도 2에는, 광 결합부(11)의 구조의 일례를 나타낸다. 동도에 나타내는 바와 같이, 광 결합부(11)는 2개의 광 파이버(11a, 11b)가 그것들의 중앙부에서 융착 연신(延伸)되어 형성된다. 즉, 광 결합부(11)는, 제조시에 융착 시간과 융착 온도를 제어함으로써 2개의 광 파이버(11a, 11b)의 융착도를 조정하는 것에 의해, 광 파이버(11a)의 한쪽의 단부(제1 입력단)(11a1)로부터 입사된 제1 파장의 광과, 광 파이버(11b)의 한쪽의 단부(제2 입력단)(11b1)로부터 입사된 제2 파장의 광을 합파하여 제1 파장 및 제2 파장을 포함하는 합파광을 생성하고, 합파광을 광 파이버(11a)의 다른 쪽의 단부(출력단)(11a2)로부터 출사 가능하게 구성된다. 그리고, 광 파이버(11b)의 다른 쪽의 단부(11b2)는 종단(終端)되어 있고, 광 파이버(11a, 11b)는 단부 11a2와 단부 11a1, 11b1과의 사이에서 분기된 광 파이버를 구성한다. 이 광 결합부(11)에 있어서, 단부 11a1은 광원(9a)의 출력과 광학적으로 결합되고, 단부 11b1은 광원(9b)의 출력과 광학적으로 결합된다.
여기서, 광 결합부(11)를 구성하는 2개의 광 파이버(11a, 11b)는, 적어도 제1 파장의 광을 싱글 모드로 전파하는 성질을 가진다. 즉, 광 파이버(11a, 11b)는 적어도 제1 파장의 광을 싱글 모드로 전파시키도록 하는 코어 지름이 설정된 광 파이버이다. 또한, 광 파이버(11a, 11b)는 제2 파장의 광도 싱글 모드로 전파하는 성질을 가지는 것이 바람직하다. 추가로, 광 파이버(11a, 11b)는 편파 유지 파이버이기도 하다. 편파 유지 파이버란, 코어에 있어서 복굴절성을 일으키게 함으로써 전파되는 광의 편파면 유지 특성이 높아진 광 파이버이다.
도 1로 되돌아가, 콜리메이터(13)는 광 결합부(11)의 단부 11a2에 광학적으로 결합되고, 광 결합부(11)의 단부 11a2로부터 출사된 합파광을 콜리메이트하고, 콜리메이트된 합파광을 편광 빔 스플리터(15)를 향하여 출력한다. 편광 빔 스플리터(15)는 합파광 중 직선 편광 성분을 투과시키고, 1/4 파장판(17)은 편광 빔 스플리터(15)를 투과한 합파광의 편광 상태를 변경하여, 합파광의 편광 상태를 원편광으로 설정한다. 갈바노 미러(19)는 원편광으로 된 합파광을 스캔하여 출력하고, 동공 투영 렌즈(21)는, 갈바노 미러(19)로부터 출력된 합파광의 동공을, 갈바노 미러(19)로부터 대물 렌즈(23)의 동공까지 전달한다. 대물 렌즈(23)는 합파광을 DUT(10) 상에 집광한다. 이와 같은 구성에 의해, 합파광으로 합성된 계측광 및 자극광을 DUT(10) 상의 원하는 위치의 측정점(10a)에 스캔하여(이동시켜) 조사시킬 수 있다. 또한, 스테이지(3)를 이동시킴으로써, 갈바노 미러(19)로 커버할 수 없는 범위를 대상으로 하여 계측광 및 자극광을 측정점(10a)에 스캔 가능하게 구성되어 있어도 된다. 또한, 갈바노 미러(19)는, 합파광을 스캔 가능한 장치로서, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 미러, 폴리곤 미러 등으로 치환되어도 된다.
또한, 상기 구성의 광 조사/도광 시스템(5)에 있어서는, DUT(10)의 측정점(10a)으로부터의 반사광을, 합파광과 동축으로 1/4 파장판(17)까지 도광할 수 있고, 1/4 파장판(17)에 의해서 반사광의 편광 상태를 원편광으로부터 직선 편광으로 변경할 수 있다. 또한, 직선 편광으로 된 반사광은 편광 빔 스플리터(15)에 의해서 광학 필터(25) 및 콜리메이터(27)를 향하여 반사된다. 광학 필터(25)는 반사광 중 계측광과 동일한 파장 성분만을 콜리메이터(27)를 향하여 투과시키고, 반사광 중 자극광과 동일한 파장 성분을 차단하도록 구성된다. 콜리메이터(27)는 반사광을 콜리메이트하고, 그 반사광을 광 파이버 등을 경유하여 제어 시스템(7)을 향하여 출력한다.
제어 시스템(7)은 광 검출기(29), 앰프(31), 변조 신호원(변조부)(33), 네트워크 애널라이저(35), 컨트롤러(37), 및 레이저 스캔 컨트롤러(39)를 포함하고 있다.
광 검출기(29)는 PD(Photodiode), APD(Avalanche Photodiode), 광전자 증배관 등의 광 검출 소자이며, 광 조사/도광 시스템(5)에 의해서 도광된 반사광을 받고, 그 반사광의 강도를 검출하여 검출 신호를 출력한다. 앰프(31)는 광 검출기(29)로부터 출력된 검출 신호를 증폭시켜 네트워크 애널라이저(35)에 출력한다. 변조 신호원(33)은 컨트롤러(37)에 의해서 설정된 파형의 전기 신호(변조 신호)를 생성하고, 그 전기 신호를 기초로 자극광을 강도 변조시키도록 광원(9b)을 제어한다. 구체적으로는, 변조 신호원(33)은 설정된 반복 주파수(기정 주파수)의 구형파의 전기 신호를 생성하고, 그 전기 신호를 기초로 광원(9b)을 제어한다. 또한, 변조 신호원(33)은 복수의 반복 주파수의 구형파의 전기 신호를 반복 생성하는 기능도 가진다.
네트워크 애널라이저(35)는 앰프(31)로부터 출력된 검출 신호와 변조 신호원(33)에서 설정되어 있는 반복 주파수를 기초로, 반복 주파수에 대응한 파장 성분의 검출 신호를 추출 및 검출한다. 또한, 네트워크 애널라이저(35)는 강도 변조된 자극광에 대한 검출 신호의 위상 지연을, 변조 신호원(33)에 의해서 생성되어 있는 전기 신호를 기준으로 검출한다. 그리고, 네트워크 애널라이저(35)는 검출 신호를 대상으로 검출한 위상 지연의 정보를 컨트롤러(37)에 입력한다. 여기서, 네트워크 애널라이저(35)는 스펙트럼 애널라이저로 변경되어도 되고, 로크인 앰프로 변경되어도 되고, 디지타이저와 FFT 애널라이저를 조합한 구성으로 변경되어도 된다.
컨트롤러(37)는 제어 시스템(7)의 동작을 통괄적으로 제어하는 장치로서, 물리적으로는, 프로세서인 CPU(Central Processing Unit)와, 기록 매체인 RAM(Random Access Memory) 및 ROM(Read Only Memory)과, 통신 모듈과, 디스플레이, 마우스, 키보드 등의 입출력 디바이스를 포함한 컴퓨터 등의 제어 장치이다. 도 3에는, 컨트롤러(37)의 기능 구성을 나타내고 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 컨트롤러(37)는, 기능적인 구성 요소로서, 변조 제어부(41), 이동 제어부(43), 스캔 제어부(45), 위상차 검출부(47), 및 출력부(49)를 포함하여 구성되어 있다.
컨트롤러(37)의 변조 제어부(41)는, 자극광을 강도 변조시키기 위한 전기 신호의 파형을 설정한다. 구체적으로는, 변조 제어부(41)는 전기 신호의 파형을, 소정의 반복 주파수의 구형파가 되도록 설정한다. 이 「소정의 반복 주파수」는, 미리 컨트롤러(37) 내에 기억된 값의 주파수여도 되고, 입출력 디바이스를 통해서 외부로부터 입력된 값의 주파수여도 된다.
이동 제어부(43) 및 스캔 제어부(45)는, 계측광 및 자극광이 합파된 합파광을 DUT(10) 상에서 스캔하도록, 스테이지(3) 및 갈바노 미러(19)를 각각 제어한다. 이때, 이동 제어부(43)는 DUT(10)의 각 측정점을 대상으로 한 위상차 검출 처리를 행하면서 합파광을 스캔하도록 제어한다.
위상차 검출부(47)는 네트워크 애널라이저(35)로부터 출력된 위상 지연의 정보를 기초로, DUT(10)의 각 측정점을 대상으로 하여 위상차 검출 처리를 실행한다. 구체적으로는, 위상차 검출부(47)는 DUT(10)의 각 측정점마다의 위상 지연의 값을 화상 상에 매핑하여 위상 지연의 분포를 나타내는 출력 화상을 생성한다. 출력부(49)는 위상차 검출부(47)에 의해서 생성된 출력 화상을 입출력 디바이스에 출력한다.
이하, 광 계측 장치(1)에 있어서의 광 계측 처리 절차의 상세를 설명한다.
우선, DUT(10)를 스테이지(3) 상에 재치한다. 또한, DUT(10)는 표면측으로부터 합파광을 조사 가능하도록 재치되어도 되고, 이면측으로부터 합파광을 조사 가능하도록 재치되어도 된다. 또한, DUT(10)는 필요에 따라서 면의 연마가 행해지고, 그 관찰에 고침렌즈(Solid Immersion Lens)가 사용되어도 된다.
그 후, 광 조사/도광 시스템(5)으로부터 DUT(10)를 향하여 계측광 및 자극광이 합파된 합파광을 조사한다. 이때, 광 조사/도광 시스템(5)은 색수차가 충분히 작은 광학계로 되어 있다. 이때, DUT(10)의 표면 혹은 이면을 합파광의 광축에 대해서 수직이 되도록 각도 조정이 이루어져, 합파광의 초점도 DUT(10)의 측정점에 맞도록 설정된다.
또한, 컨트롤러(37)의 제어에 의해, 자극광이 구형파에 의해서 강도 변조되도록 제어된다. 이 구형파의 반복 주파수는, 미리 컨트롤러(37) 내에 기억된 값으로부터 설정되어도 되고, 입출력 디바이스를 통해서 외부로부터 입력된 값으로부터 설정되어도 된다.
다음으로, 제어 시스템(7)의 광 검출기(29)에 있어서, DUT(10)의 측정점으로부터의 반사광이 검출되어 검출 신호가 생성되고, 그 검출 신호가 앰프(31)에 의해서 증폭된다. 그리고, 제어 시스템(7)의 네트워크 애널라이저(35)에 의해서, 검출 신호로부터 반복 주파수의 성분이 추출된다.
추가로, 제어 시스템(7)의 네트워크 애널라이저(35)에 있어서, 추출한 검출 신호의 파형을 대상으로, 자극광의 변조 신호에 대한 위상 지연이 검출된다. 또한, 네트워크 애널라이저(35)로부터 컨트롤러(37)에 대해서, 검출한 위상 지연의 정보가 출력된다. 또한, 상기의 검출 신호의 위상 지연의 검출 및 그것에 관한 위상 지연의 정보의 출력은, 컨트롤러(37)의 제어에 의해, DUT(10) 상의 측정점을 스캔하면서 반복 행해진다.
그 후, 컨트롤러(37)에 의해, DUT(10) 상의 복수의 측정점에 관한 위상 지연의 정보를 이용하여, 복수의 측정점에 대응하는 위상 지연의 값이 화상 상에 매핑 되어 DUT(10) 상의 위상 지연의 분포를 나타내는 출력 화상의 데이터가 생성된다. 이때, 컨트롤러(37)는 광원(9b)의 출력을 오프로 하여, 계측광만을 DUT(10)에 조사 함으로써 얻어진 검출 신호를 기초로 DUT(10)의 패턴 화상을 생성해도 된다. 그리고, 컨트롤러(37)는 그 데이터를 기초로 출력 화상을 입출력 디바이스에 출력한다. 이 출력 화상에 의해서, DUT(10) 상에서의 방열 특성의 불균일이 계측 가능하게 된다. 패턴 화상이 얻어지고 있는 경우에는, 컨트롤러(37)는 위상 지연의 분포의 출력 화상에 패턴 화상을 중첩시켜 중첩 화상을 생성하고, 그 중첩 화상을 출력해도 된다.
이상 설명한 광 계측 장치(1) 및 그것을 이용한 광 계측 방법에 의하면, 제1 파장을 포함하는 계측광과 제1 파장보다 짧은 제2 파장을 포함하는 자극광이, 광 결합부(11)에 의해서 합파되어 DUT(10) 상의 측정점(10a)에 조사되고, DUT(10) 상의 측정점(10a)으로부터의 반사광의 강도가 검출된다. 또한, DUT(10) 상의 측정점(10a)은 갈바노 미러(19)에 의해서 이동된다. 이 광 결합부(11)는 광 파이버(11a, 11b)를 포함하는 WDM 광 커플러에 의해서 구성되고, 그 광 파이버(11a, 11b)는 계측광을 싱글 모드로 전파시키는 성질을 가지므로, 계측광의 스팟이 안정되고, 합파광에 있어서의 서로 파장이 다른 광인 계측광과 자극광 사이의 광축 및 초점의 어긋남을 저감시킬 수 있다. 그 결과, DUT(10) 상의 측정점(10a)에 있어서의 계측광 및 자극광의 조사 위치의 어긋남을 저감시킬 수 있어, DUT(10)의 평가의 정밀도를 높일 수 있다.
상기 실시 형태에 있어서는, 광 파이버(11a, 11b)는, 제2 파장에 대해서도 싱글 모드로 광을 전파하는 성질을 가진다. 이 때문에, 자극광의 스팟도 안정되고, 합파광에 있어서의 서로 파장이 다른 광인 계측광과 자극광 사이의 광축 및 초점의 어긋남을 한층더 저감시킬 수 있다. 그 결과, DUT(10)의 평가의 정밀도를 더욱 높일 수 있다.
또한, 광 파이버(11a, 11b)는 편파 유지 파이버인 것도 바람직하다. 이러한 구성에 의하면, 계측광의 편광 상태를 유지시킨 다음에 합파광을 생성할 수 있다. 그 결과, 계측광의 편광 상태의 변동을 방지할 수 있고, DUT(10)로부터의 반사광의 검출 신호에 있어서의 노이즈를 저감시킬 수 있어, DUT(10)의 평가의 정밀도를 더욱 높일 수 있다.
추가로, 제2 파장은 DUT(10)를 구성하는 반도체의 밴드 갭 에너지보다도 높은 에너지에 대응하는 파장으로 설정되어 있다. 이 경우, 자극광의 조사에 의해 DUT(10)에 의해서 효율적으로 캐리어를 생성할 수 있고, 검출한 위상 지연의 정보를 기초로 DUT(10)의 불순물 농도도 추정할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 규정 주파수를 포함하는 변조 신호로 자극광이 강도 변조되어 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 변조 신호에 대한 검출 신호의 위상 지연을 측정함으로써, DUT(10)의 방열 특성을 적절히 평가할 수 있다.
여기서, 광 계측 장치(1)의 출력 화상의 일례를 비교예와 비교하여 나타낸다. 도 4에는, 광 계측 장치(1)에 의해서 출력된 출력 화상의 일례를 나타내고, 도 5에는, 비교예에 의해서 도 4와 동일한 DUT(10)를 대상으로 출력된 출력 화상의 일례를 나타내고 있다. 비교예의 광 계측 장치(1)와의 차이점은, 광 결합부(11) 대신에, 계측광과 자극광을 동일 축 상에 합성하여 출력하는 다이클로익 미러를 이용하고 있는 점이다. 이것들의 출력 화상에 있어서는, 위상 지연의 정보가 화소마다 밝기 및 색을 나타내는 화소값으로 변환되어 있다.
이것들의 결과로 나타내는 바와 같이, 비교예에서는, DUT(10) 상에 있어서의 자극 신호와 계측 신호의 조사 위치에 어긋남이 발생하기 쉽기 때문에, DUT(10)의 광학적 특성에 의한 위상 지연의 정보가 정확하게 출력 화상에 반영되기 어렵다. 특히, 도 5의 예에서는, 화상의 좌단의 위상에 전체적으로 어긋남이 관측되고 있다. 이에 대해, 본 실시 형태에서는, DUT(10) 상에 있어서의 자극 신호와 계측 신호 사이의 조사 위치의 어긋남이 저감되어 있으므로, 화상 전체에 있어서 비교적 균일한 위상이 관측되고 있다. 즉, 본 실시 형태에서는, DUT(10)의 광학적 특성의 평가의 정밀도의 향상을 기대할 수 있다.
이상, 본 발명의 다양한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니며, 각 청구항에 기재된 요지를 변경하지 않는 범위에서 변형하거나, 또는 다른 것에 적용한 것이어도 된다.
상기 실시 형태의 광 조사/도광 시스템(5)은, DUT(10)로부터의 반사광을 제어 시스템(7)을 향하여 도광 가능하게 구성되어 있었지만, 계측광이 DUT(10)를 투과함으로써 발생한 투과광을 제어 시스템(7)을 향하여 도광 가능하게 구성되어 있어도 된다. 이 경우, 제어 시스템(7)에 있어서 투과광을 검출함으로써 생성된 검출 신호를 기초로 DUT(10)의 방열 특성이 평가된다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서, 광 검출기(29)가 계측광에만 감도를 가지도록 구성되어 있으면, 광학 필터(25)는 생략되어 있어도 된다.
또한, 상기 실시 형태에 있어서는 구형파로 강도 변조된 자극광을 이용하여 계측되고 있었지만, 정현파, 삼각파 등의 다른 파형의 신호로 강도 변조된 자극광을 이용해도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 제2 파장은 DUT(10)를 구성하는 반도체의 밴드 갭 에너지보다도 낮은 에너지에 대응하는 파장으로 설정되어도 된다. 이 경우, 기판에 대한 불필요한 캐리어의 생성을 억제할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태의 광 계측 장치(1)에 있어서, 컨트롤러(37)가, 자극광을 변조시키기 위한 변조 신호의 반복 주파수를 복수로 변경하여 반복한 다음에 광 계측을 실행하고, 복수의 반복 주파수마다 얻어진 위상 지연의 정보를 기초로, DUT(10)의 측정점(10a)에 있어서의 불순물 등의 농도를 추정하도록 처리해도 된다.
상세하게는, 컨트롤러(37)는 복수의 주파수마다의 위상 지연의 값을 기초로 위상 지연이 45도가 되는 주파수를 추정한다. 이 주파수는 차단 주파수로 불리며, 이때의 시정수 τ는 이 주파수에 대응하는 주기의 1/(2π)배가 된다. 이 시정수 τ가 DUT(10)의 내부에서의 캐리어 수명에 상당한다. 일반적으로, 캐리어의 수명 τ는, B를 비례 상수로 하고, p0를 다수 캐리어 농도(=불순물 농도)로 하며, n0를 소수 캐리어 농도로 하고, Δn을 과잉 캐리어 농도로 하면, 하기 식;
τ = 1/{B(n0 + p0 + Δn)} ~ 1/(B·p0)
로 나타내진다. 이 성질을 이용하여, 컨트롤러(37)는 위상 지연이 45도가 되는 주파수로부터 캐리어 수명 τ을 계산하고, 상기 식을 역산함으로써 캐리어 수명 τ로부터 불순물 농도(=p0)를 추정값으로서 계산한다.
또한, 상기 실시 형태의 광 계측 장치(1)에 있어서는, 반드시 자극광을 강도 변조하도록 구성되어 있을 필요는 없고, 미국 특허 2015/0002182호 공보에 기재된 구성과 같이, DUT(10)를 구동시킨 상태에서 계측광 및 자극광을 DUT(10)에 조사하고, 그 결과 발생한 DUT(10)로부터의 반사광을 검출하도록 구성되어 있어도 된다.
상기 실시 형태에 있어서는, 광 파이버는 제2 파장에 대해서도 싱글 모드로 광을 전파하는 성질을 가지는 것이 바람직하다. 이 경우, 자극광의 스팟도 안정되고, 합파광에 있어서의 서로 파장이 다른 광인 계측광과 자극광 사이의 광축의 어긋남을 한층더 저감시킬 수 있다. 그 결과, 측정 대상물의 평가의 정밀도를 더욱 높일 수 있다.
또한, 광 파이버는 편파 유지 파이버인 것도 바람직하다. 이러한 구성에 의하면, 계측광의 편광 상태를 유지시킨 다음에 합파광을 생성할 수 있다. 그 결과, 측정 대상물로부터의 반사광 혹은 투과광의 검출 신호에 있어서의 노이즈를 저감시킬 수 있어, 측정 대상물의 평가의 정밀도를 더욱 높일 수 있다.
추가로, 제2 파장은 측정 대상물을 구성하는 반도체의 밴드 갭 에너지보다도 높은 에너지에 대응하는 파장인 것도 바람직하다. 이 경우, 자극광의 조사에 의해 측정 대상물에 의해서 효율적으로 캐리어를 생성할 수 있고, 측정 대상물의 불순물 농도의 추정도 가능하게 할 수 있다.
또한, 제2 파장은 측정 대상물을 구성하는 반도체의 밴드 갭 에너지보다도 낮은 에너지에 대응하는 파장인 것도 바람직하다. 이 경우, 기판에 대한 불필요한 캐리어의 생성을 억제할 수 있다.
게다가 또한, 규정 주파수를 포함하는 변조 신호로 자극광을 강도 변조시키는 변조부를 더 구비하는 것도 바람직하다. 이러한 구성에 의하면, 변조 신호로 강도 변조된 자극광을 측정 대상물에 조사할 수 있어, 변조 신호에 대한 검출 신호의 위상 지연을 측정함으로써, 측정 대상물을 적절히 평가할 수 있다.
실시 형태는 측정 대상물을 평가하는 광 계측 장치를 사용 용도로 하여, 측정 대상물 상의 계측광 및 자극광의 조사 위치의 어긋남을 저감시켜, 측정 대상물의 평가의 정밀도를 높이는 것이다.
1…광 계측 장치 5…광 조사/도광 시스템(광학계)
7…제어 시스템 9a…광원(제1 광원)
9b…광원(제2 광원) 10a…측정점
11…광 결합부 11a, 11b…광 파이버
11a1, 11b1…입력단 11a2…출력단
19…갈바노 미러(주사부) 29…광 검출기
33…변조 신호원(변조부) 35…네트워크 애널라이저
37…컨트롤러

Claims (6)

  1. 제1 파장을 포함하는 계측광을 생성하는 제1 광원과,
    상기 제1 파장보다 짧은 제2 파장을 포함하는 자극광을 생성하는 제2 광원과,
    출력단과, 제1 입력단 및 제2 입력단의 사이에서 분기되어 마련된 광 파이버를 포함하고, 상기 제1 입력단이 상기 제1 광원의 출력과 광학적으로 결합되고, 상기 제2 입력단이 상기 제2 광원의 출력과 광학적으로 결합되며, 상기 계측광과 상기 자극광을 합파하여 합파광을 생성하고, 상기 합파광을 상기 출력단으로부터 출력하는 WDM 광 커플러인 광 결합부와,
    측정 대상물로부터의 반사광 혹은 투과광의 강도를 검출하여 검출 신호를 출력하는 광 검출기와,
    상기 합파광을 상기 측정 대상물 상의 측정점을 향하여 도광하고, 상기 측정점으로부터의 반사광 혹은 투과광을 상기 광 검출기를 향하여 도광하는 광학계와,
    상기 측정점을 이동시키는 주사부를 구비하고,
    상기 광 파이버는 적어도 상기 제1 파장에 대해서 싱글 모드로 광을 전파하는 성질을 가지고,
    상기 제2 파장은, 상기 측정 대상물을 구성하는 반도체의 밴드 갭 에너지보다도 높은 에너지에 대응하는 파장 또는, 상기 측정 대상물을 구성하는 반도체의 밴드 갭 에너지보다도 낮은 에너지에 대응하는 파장인 광 계측 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 파이버는 상기 제2 파장에 대해서도 싱글 모드로 광을 전파하는 성질을 가지는 광 계측 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 광 파이버는 편파 유지 파이버인 광 계측 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    규정 주파수를 포함하는 변조 신호로 상기 자극광을 강도 변조하는 변조부를 더 구비하는 광 계측 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
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