NL1034464C2

NL1034464C2 - Raman- en fotoluminescentiespectroscopie.

Info

Publication number: NL1034464C2
Application number: NL1034464A
Authority: NL
Inventors: Woo Sik Yoo
Original assignee: Wafermasters Inc
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2009-04-03
Also published as: US7362426B1; DE102007043484A1; US20080084555A1; JP2008096432A; KR20110015666A; KR20080031829A; NL1034464A1

Description

Korte aanduiding: Raman- en fotoluminescentiespectroscopie.

BESCHRIJVING

5 TECHNISCH GEBIED

[0100] De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op spectroscopie. ACHTERGROND

[0101] In veel toepassingen is het begrijpen van de eigenschappen van materialen belangrijk. Spectroscopische technieken kunnen worden gebruikt voor 10 het verkrijgen van belangrijke informatie omtrent materialen in het bijzonder op of nabij het materiaaloppervlak.

[0102] Eén spectroscopietechniek is Raman-spectroscopie die op het Raman-effect is gebaseerd. Het Raman-effect treedt op als een resultaat van moleculaire vervormingen in een elektrische veld E, die worden bepaald door de 15 moleculaire polariseerbaarheid a. Een laserbundel kan worden beschouwd als een oscillerende elektromagnetische golf met een elektrische vector E. Bij wisselwerking met het proefmonster induceert deze een elektrisch dipoolmoment P = a*E, dat de moleculen vervormt. Periodiek vervormde moleculen beginnen te vibreren met een karakteristieke frequentie vm. De amplitude van de vibratie is bekend als nucleaire 20 verplaatsing. Met andere woorden exciteert monochromatisch laserlicht met een frequentie v0 moleculen en transformeert dit deze in oscillerende dipolen.

[0103] Een andere spectroscopietechniek is fotoluminescentie (waaraan hierin soms wordt gerefereerd als “PL”).

Fotoluminescentie is de optische emissie die door foto-excitatie wordt verkregen, 25 typisch met behulp van een laser. De energie van fotonen van de excitatielichtbron exciteren elektronen van het materiaal van lagere energietoestanden in hogere energietoestanden. De elektronen keren vervolgens terug naar de lagere energietoestand en emitteren elk een foton met een frequentie die evenredig is aan het verschil in energie tussen de toestanden van hoge energie en lage energie. 30 Fotoluminescentietechnieken kunnen worden gebruikt voor het niet-destructief karakteriseren van materialen zoals halfgeleiders. Een normaal gebruik van fotoluminescentiespectroscopie is het bepalen van de materiaalsamenstelling aangezien verschillende materialen fotonen van verschillende golflengtes emitteren afhankelijk van de betreffende overgang die het foton genereert.

1034464 ; 2

SAMENVATTING

[0104] Systemen en technieken die hierin zijn beschreven verschaffen spectroscopie met een hoge doelmatigheid en een hoge kwaliteit. Zowel Raman- als fotoluminescentiespectra kunnen gedurende een enkele aftasting van het 5 proefmonster worden verkregen met behulp van detectoren in een reeks die zijn gepositioneerd en ingericht voor het ontvangen van de Raman- en fotoluminescentiegolflengtecomponenten van licht dat met een proefmonster wisselwerkte.

[0105] In het algemeen, volgens een aspect, omvat een spectroscopie-10 systeem een apertuur (een optische ingangspoort naar het spectroscopiesysteem) die is gepositioneerd voor het ontvangen van licht van het proefmonster, waarbij het licht een aantal golflengtecomponenten bevat dat fotoluminescentie-golflengtecomponenten en Raman-verschoven componenten omvat. Het systeem kan verder een dispersie-element omvatten dat is gepositioneerd in de optische weg 15 van het licht en is ingericht voor het ruimtelijk verspreiden van de golflengtecomponenten van het licht. Het systeem kan verder een eerste lijndetector omvatten die is gepositioneerd voor het ontvangen van Raman-verschoven componenten en het generen van één of meer signalen die een aanduiding vormen van de intensiteit van de Raman-verschoven componenten, alsmede een tweede 20 lijndetector die is gepositioneerd voor het ontvangen van fotoluminescentie- componenten en het genereren van één of meer signalen die een aanduiding vormen van de intensiteit van de fotoluminescentiecomponenten.

[0106] Het systeem kan verder een gekromde spiegel omvatten die is gepositioneerd voor het ontvangen van het licht van de apertuur en het reflecteren 25 van het licht naar het dispersie-element. Het systeem kan verder een spiegel omvatten die is gepositioneerd voor het ontvangen van licht van het dispersie-element en het reflecteren van het licht naar de eerste lijndetector en de tweede detector.

[0107] Het systeem kan een eerste spiegel omvatten die is gepositioneerd 30 voor het ontvangen van licht van het dispersie-element en het reflecteren van het licht naar de eerste lijndetector, en een tweede spiegel die is gepositioneerd voor het ontvangen van licht van het dispersie-element en het reflecteren van het licht naar de tweede lijndetector. De eerste lijndetector omvat een eerste detector-materiaal, en de tweede lijndetector kan hetzelfde materiaal ofwel een tweede 3 verschillende detectormateriaal omvatten. Het eerste detectormateriaal kan silicium omvatten, en het tweede verschillende detectormateriaal kan een materiaal omvatten met een bandafstand die groter is dan één electronvolt.

[0108] Het systeem kan zijn ingericht voor het uitvoeren van in de tijd 5 opgeloste Raman- en PL-spectroscopie. Het systeem kan ten minste één van een optische chopper en gepulste laser omvatten voor het intermitterend uitstralen van licht naar het proefmonster.

[0109] Het systeem kan zijn ingericht voor het sonderen van een proefmonster met een aantal excitatiegolflengten. Het systeem kan een lichtbron 10 omvatten die is ingericht voor het genereren van licht met een aantal golflengtes voor het intermitterend of constant uitstralen van licht naar het proefmonster.

[0110] Het systeem kan een tafel omvatten die is ingericht voor het positioneren van het proefmonster ten opzichte van het inkomende excitatielicht. Het systeem kan het proefmonster omvatten dat op de tafel is gepositioneerd.

15 [0111] In het algemeen, volgens een ander aspect, kan een spectroscopie- systeem een eerste apertuur omvatten die is gepositioneerd voor het ontvangen van licht van een gebied van een proefmonster op een bepaalde tijd, waarbij het licht een aantal golflengtecomponenten bevat inclusief Raman-golflengte-componenten. Het systeem kan een tweede apertuur omvatten die is gepositioneerd voor het 20 ontvangen van licht van het gebied van het proefmonster op de bepaalde tijd, waarbij het licht een aantal golflengtencomponenten bevat inclusief fotoluminescentie-verschoven componenten. Het systeem kan een eerste dispersie-element omvatten dat is gepositioneerd in de optische weg van het licht dat door de eerste apertuur wordt ontvangen en dat is ingericht voor het ruimtelijk verspreiden 25 van de Raman-golflengtecomponenten van het door de eerste apertuur ontvangen licht. Het systeem kan een tweede dispersie-element omvatten dat is gepositioneerd in de optische weg van het licht dat door de tweede apertuur wordt ontvangen en dat is ingericht voor het ruimtelijk verspreiden van de fotoluminescentie-golflengtecomponenten van het door de tweede apertuur ontvangen licht.

30 [0112] Het systeem kan een eerste lijndetector omvatten die is gepositioneerd voor het ontvangen van verspreide Raman-verschoven componenten en het genereren van één of meer signalen die een aanduiding vormen van de intensiteit van de verspreide Raman-verschoven componenten. Het systeem kan een tweede lijndetector omvatten die is gepositioneerd voor het ontvangen van 4 verspreide fotoluminescentiecomponenten en het genereren van één of meer signalen die een aanduiding vormen van de intensiteit van de verspreide fotoluminescentiecomponenten.

[0113] Het systeem kan verder een eerste gekromde spiegel omvatten die 5 is gepositioneerd voor het ontvangen van het licht van de eerste apertuur en het reflecteren van het licht naar het eerste dispersie-element, alsmede een tweede gekromde spiegel die is gepositioneerd voor het ontvangen van het licht van de tweede apertuur en het reflecteren van het licht naar het tweede dispersie-element.

[0114] Het systeem kan een spiegel omvatten die is gepositioneerd voor 10 het ontvangen van licht van het eerste dispersie-element en het reflecteren van het licht naar de eerste lijndetector. Het eerste dispersie-element kan een buigings-rooster met een eerste lijnbreedte, en het tweede dispersie-element kan een buigingsrooster met een eerste lijnbreedte ofwel een verschillende lijnbreedte zijn.

[0115] Een optische weglengte tussen het eerste dispersie-element en de 15 eerste lijndetector kan groter zijn dan een optische weglengte tussen het tweede dispersie-element en de tweede lijndetector.

[0116] Het systeem kan verder ten minste één van een optische chopper en een gepulste laser omvatten voor het intermitterend uitstralen van licht naar het proefmonster. Het systeem kan verder een lichtbron omvatten die is ingericht voor 20 het genereren van licht met een aantal golflengtes voor het intermitterend of constant uitstralen van licht naar het proefmonster. Het systeem kan verder een tafel omvatten die is ingericht voor het positioneren van het proefmonster ten opzichte van inkomend excitatielicht. Het systeem kan verder het proefmonster omvatten dat op de tafel is gepositioneerd.

25 [0117] Het systeem kan verder een filter van een eerste filtertype omvatten dat is gepositioneerd voor het filteren van het licht dat door de eerste apertuur wordt ontvangen, alsmede een filter van een tweede filtertype dat is gepositioneerd voor het filteren van het licht dat door de tweede apertuur wordt ontvangen. Het eerste filtertype kan zijn gekozen uit een kerffilter en een randfilter.

30 [0118] Deze en andere kenmerken en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen gemakkelijker duidelijk worden uit de gedetailleerde beschrijving van de voorbeelduitvoeringsvormen die hieronder zijn uiteengezet, genomen in samenhang met de bijgaande tekening.

5

KORTE BESCHRIJVING VAN DE TEKENING

[0119] Figuur 1 is een schematische diagram van een spectroscopisch systeem volgens sommige uitvoeringsvormen;

[0120] Figuur 2 is een grafiek van een Raman-spectrum en een PL-5 spectrum;

[0121] Figuur 3A illustreert de penetratiediepte van drie verschillende excitatiegolflengten;

[0122] Figuur 3B is een grafiek van een Raman-spectrum en een PL-spectrum voor elk van de drie excitatiegolflengten van figuur 3A; 10 [0123] Figuur 4A is een grafiek van een gemeten PL-spectrum voor vier verschillende excitatiegolflengten;

[0124] Figuren 4B tot en met 4E zijn grafieken van gemeten Raman-spectra voor vier verschillende excitatiegolflengten;

[0125] Figuur 5 is een schematisch diagram van een spectroscopie- 15 systeem volgens sommige uitvoeringsvormen;

[0126] Figuur 6 is een schematisch diagram van een spectroscopie-systeem volgens sommige uitvoeringsvormen;

[0127] Figuur 7 is een schematisch diagram van een spectroscopie-systeem volgens sommige uitvoeringsvormen; 20 [0128] Figuren 8A en 8B zijn grafieken van intensiteit versus tijd voor vier verschillende PL-pieken die in de tijd opgeloste spectroscopie illustreren;

[0129] Figuur 9 is een schematisch diagram van een spectroscopie-systeem volgens sommige uitvoeringsvormen; en

[0130] Figuur 10 is een schematisch diagram van een spectroscopie- 25 systeem volgens sommige uitvoeringsvormen.

[0131] Dezelfde verwijzingssymbolen in de verscheidene figuren duiden dezelfde elementen aan.

GEDETAILLEERDE BESCHRIJVING

[0132] Systemen en technieken die hierin zijn beschreven verschaffen een 30 uitstekende materiaalkarakterisering met een doelmatig spectroscopiesysteem tegen lage kosten.

[0133] De systemen omvatten detectoren die zijn ingericht en gepositioneerd voor het ontvangen van licht dat met een proefmonster wisselwerkte. Na wisselwerking met het proefmonster bevat het licht een aantal golflengte- 6 componenten, omvatten fotoluminescentiecomponenten en Raman-verschoven componenten. Eén of meer dispersie-elementen van het systeem verspreiden de golflengtecomponenten van het licht ruimtelijk, zodat de positie in de bundel overeenkomt met de golflengte van het licht. Een eerste lijndetector is 5 gepositioneerd voor het ontvangen van de Raman-componenten, zodat het Raman-spectrum van een bijzonder gebied van het proefmonster op een bepaalde tijd kan worden verkregen. Een tweede lijndetector is gepositioneerd voor het ontvangen van de fotoluminescentiecomponenten, zodat het PL-spectrum voor hetzelfde gebied en dezelfde tijd kan worden verkregen.

10 [0134] Door het gebruikmaken van lijndetectoren kan de intensiteit als een functie van de golflengte worden verkregen zonder een relatieve aftasting tussen de detector en het inkomende licht. Bovendien, door het mogelijk maken van gelijktijdige Raman- en PL-spectroscopie, is de karakterisering van verschillende gebieden van het proefmonster nauwkeuriger, omdat de gegevens niet op een later 15 tijdstip behoeven te worden gecorreleerd. Een aantal andere voordelen kan worden verkregen met behulp van verschillende uitvoeringsvormen zoals die welke hieronder zijn beschreven.

[0135] Figuur 1 illustreert een spectroscopiesysteem 100 met een continue golf (CW) dat kan worden gebruikt voor gelijktijdige Raman- en 20 fotoluminescentiemeting (PL) voor het karakteriseren van een proefmonster.

[0136] Teneinde informatie te verschaffen omtrent bepaalde gebieden van het proefmonster 102, of het gehele oppervlak van het proefmonster 102, wordt een relatieve beweging tussen het inkomende excitatielicht en het proefmonster 102 toegepast. In de voorbeelduitvoeringsvorm van figuur 1 is het proefmonster 102 25 gepositioneerd op een tafel 101 die is ingericht voor het positioneren van het proefmonster 102 ten opzichte van inkomend licht. De tafel 101 maakt het mogelijk om licht te zwaaien over in wezen het gehele proefmonster (bijvoorbeeld in een rasteraftastpatroon), en/of te zwaaien over één of meer gebieden van interesse van het proefmonster 102. In sommige uitvoeringsvormen is de tafel 101 een 30 proefmonstertafel die X- en Y-translatie uitvoert, alsmede rotatie.

[0137] In de uitvoeringsvorm van figuur 1 wordt inkomend excitatielicht verschaft middels een lichtbron zoals een multigolflengte- of ééngolflengte-laserbron 105. Het gegenereerde laserlicht kan worden gewijzigd middels een laserlijnfilter of een bundelconditioneringsinrichting 106.

7

[0138] Een halfspiegel 108 richt licht van de laserbron 105 naar het proefmonster 102 via een objectieflens 109. Inkomend licht wisselwerkt met een deel van het proefmonster 102, en licht van het proefmonster 102 wordt dan teruggestraald naar de halfspiegel 108. Het licht van het proefmonster 102 kan een 5 aantal verschillende golflengtecomponenten bevatten, zoals hieronder meer volledig is beschreven.

[0139] Een deel van het licht van het proefmonster 102 wordt door de halfspiegel 108 doorgelaten en valt in op de spiegel 112. Het licht kan worden gefocusseerd middels een focusseringslens 113 en worden gefilterd middels een 10 filter 114 (zoals een Raman-randfilter, kerffilter of andere filters) voordat dit via een apertuur wordt geleid in een monochromator of spectrograafsysteem 120. Natuurlijk zijn vele andere uitvoeringsvormen mogelijk; bijvoorbeeld kan ten minste een deel van de optische modificatie worden uitgevoerd door elementen die met systeem 120 zijn geïntegreerd. Aanvullende en/of verschillende optische modificatie kan ook 15 worden uitgevoerd (bijvoorbeeld middels filters, lenzen, conditioneringsinrichtingen, blokken of andere optische modificatie-elementen).

[0140] Het systeem 120 verspreidt het licht van het proefmonster 120 ruimtelijk afhankelijk van de golflengte, zodat verschillende golflengtes in een detectiesysteem 130 kunnen worden onderscheiden. In de in figuur 1 geïllustreerde 20 uitvoeringsvorm omvat het systeem 120 één of meer gekromde focusserings-spiegels 121 die licht van het proefmonsters 102 richten naar een golflente-dispersiemechanisme zoals een buigingsrooster 122.

[0141] Het verspreide licht valt in op een spiegel 123 om naar het detectiesysteem 130 te worden gericht. Merk op dat door het opnemen van één of meer 25 spiegels in het systeem 120 de weglengte van het licht toeneemt voor het verhogen van de ruimtelijke scheiding van de verschillende golflengtecomponenten in het detectiesysteem 130.

[0142] In de uitvoeringsvorm van figuur 1, omvat het detectiesysteem 130 een Raman-signaaldetector 131 en een PL-signaaldetector 132. Door het 30 verschaffen van afzonderlijke signaaldetectoren voor Raman- en PL-signalen kunnen gegevens voor elk daarvan tegelijk worden verkregen en doelmatig worden verwerkt.

[0143] De detectoren 131 en 132 kunnen groeperingsdetectoren zijn zoals detectoren met een ladingsgekoppelde inrichting (CCD) en/of fotodiode- 8 groeperingsdetectoren. Het opnemen van groeperingsdetectoren verschaft een voordeel boven sommige eerdere spectroscopiesystemen die detectoren gebruiken die niet onderscheiden over het gebied van de detector (zoals fotovermenigvuldigings-buizen). Het gebruik van een groeperingsdetector maakt het 5 mogelijk golflengten over een breed bereik in éénmaal te detecteren zodat de detector niet behoeft te worden afgetast.

[0144] Verschillende detectormaterialen kunnen voor de detectoren 131 en 132 worden gebruikt, afhankelijk van de omstandigheden (bijvoorbeeld het te onderzoeken materiaal). Bijvoorbeeld, teneinde het fotoluminescentiespectrum van 10 silicium te detecteren, kan een siliciumdetector ongeschikt zijn omdat deze niet de nodige elektron-gatparen kan genereren. In dit geval kan een niet-silicium-detectormateriaal voor de detector 132 worden gebruikt, zoals InGaAs (indium-galliumarsenide). Evenzo, als het materiaal van interesse een materiaal met een grote bandafdstand is, kan een siliciumdetector de beste keuze zijn. De detector 15 131 kan gebruikmaken van hetzelfde detectormateriaal als detector 132 of kunnen deze verschillende detectormaterialen gebruiken.

[0145] Het detectiesysteem 130 staat in communicatie met een verwerkingseenheid 140 (die kan zijn gescheiden van of ten minste voor een deel kan zijn geïntegreerd met het detectiesysteem 130). De verwerkingseenheid 140 20 omvat een signaalverwerkingseenheid voor het ontvangen van signalen die een aanduiding vormen van het PL-signaal van de detector 132 , alsmede signalen die een aanduiding vormen van het Raman-signaal van de detector 131, en voor het genereren van gegevens die een aanduiding vormen van het PL-signaal en het Raman-signaal. De verwerkingseenheid 140 omvat ook een geheugen voor het 25 opslaan van gegevens en instructies en kan ook een gegevensverwerkingseenheid omvatten. De gegevensverwerkingseenheid kan de gegevens die een aanduiding vormen van het PL-signaal en de gegevens die een aanduiding vormen van het Raman-signaal verwerken voor het genereren van spectruminformatie voor het PL-signaal en spectruminformatie voor het Raman-signaal.

30 [0146] Figuur 2 toont een illustratie van Raman- en PL-signalen (in willekeurige intensiteitseenheden) versus de golflengte (in nanometers) die met behulp van een systeem zoals het systeem 100 van figuur 1 in de CW-mode kunnen worden verkregen. Figuur 2 illustreert dat er een wezenlijk verschil is tussen de spectrale karakteristieken van de Raman- en PL-signalen.

9

[0147] Zoals hierboven is vermeld, bij het Raman-effect, exciteert monochromatisch licht met een excitatiefrequentie v0 moleculen en transformeert dit deze in oscillerende dipolen. De oscillerende dipolen emitteren in het algemeen licht met de volgende drie frequenties: 5 [0148] Elastische Rayleigh-verstrooiing: een molecuul zonder Raman- actieve modes kan een foton met de frequentie v0 absorberen. De geëxiteerde moleculen keren terug naar de oorspronkelijke fundamentele vibratietoestand en emitteren licht met dezelfde frequentie als de geabsorbeerde foton (v0). De meerderheid van de invallende fotonen in spontane Raman ondergaan elastische 10 Rayleigh-verstrooiing (ongeveer 99,999%).

[0149] Stokes-Raman-verstrooiing: een foton met een frequentie v0 wordt door een Raman-actief molecuul dat ten tijde van de wisselwerking in de fundamentele vibratietoestand is, geabsorbeerd. Een deel van de energie van de foton wordt overgedragen aan de Raman-actieve mode met de frequentie vm en de 15 resulterende frequentie van het verstrooide licht wordt verminderd tot v0-vm.

[0150] Anti-Stokes-Raman-verstrooiing: een foton met een frequentie v0 wordt geabsorbeerd door een Raman-actief molecuul dat ten tijde van de wisselwerking in de geëxiteerde vibratietoestand is. Overmatige energie van een geëxiteerde Raman-actieve mode wordt vrijgegeven, en het molecuul keert terug 20 naar de fundamentele vibratietoestand, en de resulterende frequentie van het verstrooide licht wordt verhoogd tot v0+vm. Hierin refereert de frase “Raman-signaal” aan het Stokes-signaal, het anti-Stokes-signaal of beide.

[0151] Het detecteren van het Raman-signaal kan zeer moeilijk zijn. De meeste invallende fotonen ondergaan elastische Rayleigh-verstrooiing zodat de 25 intensiteit van het Rayleigh-verstrooide licht veel groter is dan de intensiteit van het Raman-sign(a)al(en) (Stokes en/of anti-Stokes). Bovendien is het verschil in golflengte tussen het Raman-signaal en het Rayleigh-signaal zeer gering. Teneinde het Raman-signaal met een voldoend oplossend vermogen te detecteren voor het nauwkeurig bepalen van factoren zoals de verandering in frequentie, intensiteit, en 30 volledige breedte op het halve maximum (FWHM), moet ruis vanwege het Rayleigh-signaal worden gereduceerd of worden weggenomen.

[0152] Een aantal verschillende technieken kunnen worden gebruikt voor het reduceren van het effect van Rayleigh-verstrooiing op het detecteren van het Stokes- en anti-Stokes-verstrooide licht. Een techniek is het verhogen van de focus- 10 lengte van de spectograaf, opdat de ruimtelijke scheiding tussen de Rayleigh- en Stokes-golflengtes groot genoeg is dat het Rayleigh-signaal doelmatig kan worden geblokkeerd. Voor een bepaalde testgolflengte en spectograafconfiguratie, kan de ruimtelijke positie van de Rayleigh-piek worden bepaald op één of meer plaatsen in 5 de spectograaf 120, en een blok worden gepositioneerd voor het in wezen verhinderen dat het Rayleigh-verstrooide licht wordt gedetecteerd. In sommige uitvoeringsvormen kan een blok dicht bij de detector 131 worden gepositioneerd waar de ruimtelijke scheiding tussen de Rayleigh- en Raman-signalen het grootste is.

10 [0153] Een andere techniek is het gebruikmaken van één of meer filters voor het in wezen verwijderen van het Rayleigh-signaal uit het licht. Bijvoorbeeld kunnen kerffilters, afstembare filters, randfilters of andere filters worden gebruikt. In uitvoeringsvormen waarin een randfilter wordt gebruikt, wordt het anti-Stokes-signaal gefilterd tezamen met het Rayleigh-signaal. Veel toepassingen gebruiken 15 echter alleen de Stokes-component van het Raman-signaal.

[0154] Een andere uitdaging in Raman-spectroscopie is de relatieve smalheid van de Raman-piek. Teneinde het Raman-signaal voldoende te karakteriseren, moeten de Raman-detector en de spectograaf zo zijn ingericht dat het intensiteitsprofiel kan worden bepaald met de nauwkeurigheid die voor de 20 toepassing nodig is. Sommige technieken die kunnen worden gebruikt voor het verbeteren van het detecteren van het Raman-signaal omvatten het vergroten van de focuslengte van de spectograaf en het vergroten van de golflengtedispersie van de Raman-componenten.

[0155] Zoals hierboven is vermeld, refereert fotoluminescentie aan de 25 optische emissie die door fotonexitatie wordt verkregen. De energie van het inkomende licht veroorzaakt een elektronovergang van één of meer elektronen in het materiaal van een lagere energietoestand in een hogere energietoestand. Het materiaal emitteert licht als een resultaat van de overgang van een elektron van de hogere energie-toestand in een lagere energietoestand. De spectrale signatuur die 30 wordt verkregen uit het detecteren van het licht verschaft informatie omtrent materiaalcomponenten en dergelijke.

[0156] Het fotoluminescentiesignaal stelt een andere uitdaging dan het Raman-signaal. Zoals figuur 2 illustreert, is het golflengtebereik dat verschillende pieken omvat, voor het fotoluminescentiesignaal relatief groot, zodat de PL-detector 11 en de spectrograaf moeten zijn gepositioneerd en zijn ingericht voor het invangen van signalen van de verschillende van belang zijnde golflengtes

[0157] Hoewel sommige eerdere systemen Raman- en PL-spectroscopie mogelijk maken, bieden de huidige systemen en technieken een verbeterd 5 rendement alsmede betere signaal-tot-ruisverhoudingen voor de verkregen spectrale informatie. Deze voordelen kunnen worden gebruikt middels een geïntegreerde monochromator en spectograaf (zoals de spectrograaf 120 van figuur 1) en gedifferentieerde detectie-elementen (zoals de detectoren 131 en 132 van het detectiesysteem 130 van figuur 1), of door gebruik te maken van gedifferentieerde 10 spectografen en detectiesystemen (bijvoorbeeld zoals is getoond in figuur 6) en hieronder is beschreven.

[0158] Aanvullende voordelen kunnen worden verkregen door het uitvoeren van spectrometrie als de laserbron 105 licht met een aantal golflengtes genereert met behulp van één of meer lasers. Figuur 3A illustreert het effect op de 15 lichtpenetratiediepte van de golflengte voor een siliciumproefmonster. Licht met een golflengte van 458 nanometer dringt het proefmonster tot ongeveer 140 nanometer binnen, terwijl licht van 488 nanometer indringt tot ongeveer 240 nanometer. Licht van 515 nanometer dringt in tot een diepte van ongeveer 330 nanometer. Teneinde een materiaal als een functie van de diepte te karakteriseren kan dus een geschikte 20 excitatie(test)golflengte worden gekozen.

[0159] Figuur 3B toont berekende intensiteit-versus-golflengtegrafieken voor de Raman- en PL-signalen op drie verschillende golflengtes. Het PL-signaal verandert voor het weerspiegelen van het geïntegreerde signaal van de verschillende dieptes die door de verschillende excitatiegolflengtes worden 25 gesondeerd. De Raman-signalen verschuiven met verschillende excitatiegolflengtes en verwerven informatie omtrent materiaaleigenschappen als een functie van de diepte.

[0160] De figuren 4A tot en met 4E tonen experimenteel verkregen PL- en Raman-spectra voor vier verschillende excitatiegolflengtes: 457,9 nm, 488,0 nm, 30 514,5 nm en 647,1 nm. Zoals figuur 4A toont, is het algehele effect van de golflengte op het PL-spectrum voor het proefmonster dat wordt gekarakteriseerd relatief gering. De figuren 4B tot en met 4E tonen echter dat de vorm en de hoogte van de Raman-piek voor het proefmonster beduidend verandert. Bijvoorbeeld is de piekhoogte van de excitatiegolflengte van 514,5 nm ongeveer tweemaal de 12 piekhoogte van de excitatiegolflengte van 488,0 nm afhankelijk van de inhomogeniteit van de kristal(of materiaaljkwaliteit van het proefmonster in de diepterichting. Voor meer homogene materialen zal het verschil tussen de Raman-signalen voor verschillende excitatiegolflengtes kleiner zijn.

5 [0161] Veel verschillende uitvoeringsvormen kunnen worden gebruikt die één of meer verschillende of aanvullende elementen omvatten (of één of meer elementen weglaten). Figuur 5 toont een andere uitvoeringsvorm van een spectroscopiesysteem 500 met een continue golf (CW) dat kan worden gebruikt voor gelijktijdige Raman- en fotoluminescentie-(PL)-meting.

10 [0162] In figuur 5 integreert de spectrograaf 520 optica voor het modificeren van licht van een proefmonster 502 dat zowel PL- als Raman-verstrooide componenten bevat. Eerder dan een enkele focusseringsspiegel zoals de spiegel 123 van figuur 1, omvat de spectrograaf 520 echter afzonderlijke (verdeelde) focusseringsspiegels 523 (1) en 523 (2). In de uitvoeringsvorm van 15 figuur 5 richt de focusseringsspiegel 523 (1) PL-licht naar de PL-signaaldetector 531, terwijl de focusseringsspiegel 523 (2) Raman-verstrooid licht naar de Raman-signaaldetector 532 richt.

[0163] De uitvoeringsvorm van figuur 5 kan een betere differentiatie tussen PL- en Raman-signalen mogelijk maken, waardoor de mogelijkheid van de gebruiker 20 één of meer materiaaleigenschappen van het proefmonster 502 te bepalen, wordt verbeterd. Hoewel is getoond dat de spiegels 523(1) en 523(2) dezelfde zijn, en op vergelijkbare afstanden van de detectoren 531 en 532 zijn gepositioneerd, behoeven deze dit niet te zijn. Het ontwerp en het positioneren van de spiegels 523(1) en 523(2) kan worden gekozen gebaseerd op het materiaal dat wordt getest, 25 de golflengte(s) van het gebruikte licht, de configuratie en de positionering van de gebruikte detectoren of een andere parameter.

[0164] Bovendien kunnen één of meer elementen van het systeem 520 (of andere spectroscopiesysteemuitvoeringsvormen) beweegbaar zijn. Bijvoorbeeld kan het buigingsrooster 522 roteerbaar zijn zodat de focus van de signalen kan worden 30 geoptimaliseerd. Bovendien (of in plaats daarvan), kunnen de ene of de andere of beide spiegels 523(1) en 523(2) beweegbaar zijn om zich te voegen naar de betreffende spectroscopietoepassing.

[0165] De geïntegreerde spectrograaf in de hierboven beschreven uitvoeringsvormen maakt spectroscopie die doelmatig is in kosten en ruimte 13 mogelijk. Voor sommige toepassingen echter kan de voorkeur worden gegeven aan gedifferentieerde spectrografen (systemen waarin de golflengtedispersie voor de PL- en Ramansignalen worden uitgevoerd ten minste gedeeltelijk in verschillende spectrograafsub-systemen). Bijvoorbeeld, voor een toepassing waarin het 5 proefmonster een siliciumproefmonster is, kan het verschil in van belang zijnde golflengtes voor het Raman-spectrum en het PL-systeem groot genoeg zijn dat afzonderlijke spectrografen een wezenlijk voordeel kunnen bieden. De bandafstand van silicium is ongeveer 1,1 eV, zodat de van belang zijnde fotoluminescentie-golflengtes in het infraroodgebied van het spectrum (ongeveer 1 micron tot 10 ongeveer 1,4 micron) liggen. Dat wil zeggen, dat zowel de golflengte als het golflengtebereik voor het fotoluminescentiesignaal relatief groot is. In tegenstelling daartoe heeft Raman-verstrooid licht een golflengte die zeer dicht ligt bij de golflengte van het excitatielicht en zich uitstrekt over een smal golflengtebereik.

[0166] Figuur 6 toont een uitvoeringsvorm van een spectroscopiesysteem 15 600 met een continue golf (CW) dat kan worden gebruikt voor gelijktijdige Raman- en fotoluminescentie(PL)meting, en dat gedifferentieerde spectrografen omvat.

[0167] In het systeem 600 wordt licht van een proefmonster 602 doorgelaten door een halfspiegel 608. Het valt dan in op een laagdoorfilter of spiegel 612B. Een deel van het invallende licht wordt door het filter of de spiegel 20 612B naar een spiegel 612A doorgelaten. Licht dat door de spiegel 612A wordt gereflecteerd gaat door een lens 613A en een filter zoals een laagdoorlaatfilter 614A en in een spectrograaf 620A via een apertuur. Bovendien wordt een deel van het invallende licht via een lens 613B en een Raman-randfilter 614B overgedragen aan een monochromator of spectrograaf 620B.

25 [0168] In de spectrograaf 620A wordt licht gereflecteerd door een gekromde focusseringsspiegel 621A naar een dispersie-element 622A zoals een buigingsrooster. Het licht van het dispersie-element 622A wordt gereflecteerd naar een PL-signaaldetector 632 middels een focusseringsspiegel 623A.

[0169] In de spectrograaf 620B wordt licht gereflecteerd door een 30 gekromde focusseringsspiegel 621B naar een dispersie-element 622B zoals een buigingsrooster. Het licht van dispersie-element 622B wordt gereflecteerd naar een Raman-signaaldetector631 middels een focusseringsspiegel 623B.

[0170] De uitvoeringsvorm van figuur 6 kan een aantal voordelen verschaffen. Allereerst kunnen de spectrografen 620A en 620B op maat zijn 14 gemaakt voor de betreffende spectroscopie die wordt uitgevoerd. Bijvoorbeeld, voor het Raman-signaal, kan een buigingsrooster met een hoge lijndichtheid (bijvoorbeeld 1200 mm'1) als een dispersie-element 622B worden gebruikt. Als dispersie-element 622A kan echter een rooster met een lagere lijndichtheid 5 (bijvoorbeeld 300 mm'1 of 600mm'1) geschikt zijn. Bovendien kunnen het type detector, de positie van de detector, de typen van elementen en de posities van de elementen worden gekozen voor een verbeterde detectie van het PL- of Raman-signaal.

[0171] De onderhavige uitvinder heeft ingezien dat in de tijd-opgeloste 10 spectroscopie een aantal extra voordelen kan brengen. In sommige uitvoeringsvormen kan daarom de lichtbron een gepulste lichtbron zijn. Dat wil zeggen een gepulste laser en/of optische chopper kan worden gebruikt zodat licht intermitterend op het proefmonster invalt eerder dan continu.

[0172] Sporen van piekposities en de gebieden tussen lichtpulsen 15 verschaffen informatie omtrent: materiaalhomogeniteit, samenstelling, en spanning (Raman-signaal), alsmede elektron-gatrecombinatieprocessen (wegen) en recombinatiemechanismen voor het proefmonster, doteringsenergieniveau(s), doteringsspecies, doteringsconcentratie, defectniveaus, defecttypes, materiaal-kwaliteit en optische eigenschappen (PL-signaal).

20 [0173] Figuur 7 toont een uitvoeringsvorm van een systeem 700 voor het uitvoeren van gepulste PL- en Raman-spectroscopie. In de uitvoeringsvorm van figuur 7 is een optische chopper 707 gepositioneerd in de optische weg van het licht van een laserbron 705. Als een resultaat valt gepulst licht in op het oppervlak 702 en genereert dit Raman- en PL-signaalpulsen. De Raman- en PL-signalen worden in de 25 spectrograaf gescheiden en in een detectiesysteem 730 gedetecteerd.

[0174] Het detectiesysteem 730 staat in communicatie met een verwerkingseenheid 740 (die kan zijn gescheiden van of ten minste gedeeltelijk kan zijn geïntegreerd met het detectiesysteem 730). De verwerkingseenheid 740 omvat een signaalverwerkingseenheid voor het ontvangen van signalen die een aanduiding 30 vormen van het PL-signaal van de detector 732, alsmede signalen die een aanduiding vormen van het Raman-signaal van de detector 731, en voor het genereren van gegevens die een aanduiding vormen van het PL-signaal en het Raman-signaal. De verwerkingseenheid 740 omvat ook een geheugen voor het opslaan van gegevens en instructies en kan ook een gegevensverwerkingseenheid 15 omvatten. De gegevens-verwerkingseenheid kan de gegevens die een aanduiding vormen van het PL-signaal alsmede de gegevens die een aanduiding vormen van het Raman-signaal verwerken voor het genereren van in de tijd opgeloste spectrale informatie voor het PL-signaal en in de tijd opgeloste spectrale informatie voor het 5 Raman-signaal.

[0175] De figuren 8A en 8B tonen het fotoluminescentiesignaal dat kan worden verkregen door middel van een in de tijd opgelost systeem zoals het systeem 700 van figuur 7. De figuren 8A en 8B tonen dat in de loop van de tijd de piekhoogte voor een bepaalde lijn verandert, en ook het verschil tussen 10 verschillende piekhoogtes verandert. Het meten met het PL-systeem in de loop van de tijd verschaft derhalve informatie omtrent de energieniveaus en de overgangs-snelheden voor verschillende toestanden.

[0176] In de tijd opgeloste spectroscopie kan worden gerealiseerd met andere uitvoeringsvormen van gecombineerde PL- en Raman-spectroscopie- 15 systemen. Figuur 9 toont een systeem 900 dat is ingericht voor het uitvoeren van in de tijd opgeloste spectroscopie dat verdeelde focusseringsspiegels 923(1) en 923(2) omvat. Figuur 10 toont een systeem 1000 dat is ingericht voor het uitvoeren van in de tijd opgeloste spectroscopie dat gedifferentieerde spectrografen 1020A en 1020B omvat.

20 [0177] In uitvoeringsvormen kunnen de bovenbeschreven technieken en varianten daarvan worden gerealiseerd ten minste gedeeltelijk als computer-programmainstructies. Dergelijke instructies kunnen worden opgeslagen in één of meer machineleesbare opslagmedia of inrichtingen en worden uitgevoerd door één of meer computerverwerkingseenheden, of de machine ertoe brengen de 25 voorschreven functies en werkingen uit te voeren.

[0178] Een aantal uitvoeringsvormen zijn beschreven. Hoewel slechts enkele uitvoeringsvormen hierboven in detail zijn geopenbaard zijn andere modificaties mogelijk, en deze openbaarmaking is bedoeld voor het afdekken van al dergelijke modificaties, en, het meest in het bijzonder, elke modificatie die voor een 30 vakman voorspelbaar kan zijn. Bijvoorbeeld kunnen verschillende of aanvullende optische elementen worden gebruikt (of elementen kunnen in sommige gevallen worden weggelaten). Veel alternatieven zijn aan de vakman bekend. Verder wordt opgemerkt dat het woord “licht” dat hierin wordt gebruikt, niet enig bijzonder deel van het elektromagnetische spectrum aanduidt. Bijvoorbeeld refereert de frase 16 “zichtbaar licht” aan licht in het zichtbare spectrum, terwijl “licht" kan refereren aan zichtbaar licht, infraroodlicht, of licht in andere golflengtengebieden.

[0179] Verder is het de bedoeling dat alleen die conclusies die het woord “middelen" gebruiken, onder 35 USC 112 , zesde paragraaf worden vertolkt. In de 5 conclusies omvat het woord “een” configuraties met één of meer elementen, terwijl de frase “een enkele" configuraties omvat met slechts één element, niettegenstaande het gebruik van frasen zoals “ten minste één van” elders in de conclusies. Bovendien is het niet de bedoeling dat beperkingen uit de beschrijving in de conclusies worden gelezen, tenzij die beperkingen uitdrukkelijk in de conclusies 10 zijn opgenomen. Dienovereenkomstig liggen andere uitvoeringsvormen binnen het kader van de volgende conclusies.

15 17

Verwijzingslijst 100 CW-werking spectroscopiesysteem 101 proefmonstertafel X, Y & rotatie 5 105 multi-golflengte of één-golflengtelaser 106 laserlijnfilter of bundelconditioneringsinrichting 113 focuseringslens 120 monochromator of spectrograaf 122 buigingsrooster 10 140 verwerkingseenheid 200 Raman

210 PL

220 Rayleigh 230 Stokes 15 300 lichtpenetratiediepte 310 materiaalkarakterisatie in diepterichting door het selecteren van geschikte excitatie (sonderings)-golflengte 320 Raman

330 PL

20 340 Rayleigh 350 Stokes 360 Ramanfilter-afsnijfrequentie 370 golflengte behorend bij bandafstandenergie 500 CW-werking spectroscopiesysteem 25 501 proefmonstertafel X, Y & rotatie 505 multi-golflengte of één-golflengtelaser 506 laserlijnfilter of bundelconditioneringsinrichting 513 focuseringslens 520 monochromator of spectrograaf 30 540 verwerkingseenheid 600 CW-werking spectroscopiesysteem 601 proefmonstertafel X, Y & rotatie 605 multi-golflengte of één-golflengtelaser 606 laserlijnfilter of bundelconditioneringsinrichting 18 620A, 620B monochromators of spectrografen 640 verwerkingseenheid 700 systeem met gepulste werking 701 proefmonstertafel X, Y & rotatie 5 705 multi-golflengte of één-golflengtelaser 706 laserlijnfilter of bundelconditioneringsinrichting 710 gepulste laser of optische chopper 713 focuseringslens 720 monochromator of spectrograaf 10 721 gekromde focusseringsspiegels 722 buigingsrooster 740 verwerkingseenheid 800 lichtpuls 900 systeem met gepulste werking 15 901 proefmonstertafel X, Y & rotatie 905 multi-golflengte of één-golflengtelaser 906 laserlijnfilter of bundelconditioneringsinrichting 910 gepulste laser of optische chopper 913 focuseringslens 20 920 monochromator of spectrograaf 921 gekromde focusseringsspiegels 923(1), 923(2) verdeelde focusseringsspiegels 940 verwerkingseenheid 1000 systeem met gepulste werking 25 1001 proefmonstertafel X, Y & rotatie 1005 multi-golflengte of één-golflengtelaser 1006 laserlijnfilter of bundelconditioneringsinrichting 1010 gepulste laser of optische chopper 1014A laagdoorlaatfilter 30 1020A, 1020B monochromators of spectrografen 1021 A, 1021B gekromde focusseringsspiegels 1040 verwerkingseenheid 1034464

Claims

1. Spectroscopiesysteem omvattende: een apertuur die is gepositioneerd voor het ontvangen van licht van 5 een proefmonster, waarbij het licht een aantal golflengtecomponenten bevat, omvattende fotoluminescentiegolflengtecomponenten en Raman-verschoven componenten; een dispersie-element dat is gepositioneerd in de optische weg van het licht en is ingericht voor het ruimtelijk verspreiden van de golflengte-10 componenten van het licht; een eerste groeperingsdetector die is gepositioneerd voor het ontvangen van Raman-verschoven componenten en het genereren van één of meer signalen die een aanduiding vormen van de intensiteit van de Raman-verschoven componenten; en 15 een tweede groeperingsdetector die is gepositioneerd voor het ontvangen van fotoluminescentiecomponenten en het genereren van één of meer signalen die een aanduiding vormen van de intensiteit van de fotoluminescentiecomponenten.

2. Systeem volgens conclusie 1, verder omvattende een gekromde 20 spiegel die is gepositioneerd voor het ontvangen van het licht van de apertuur en het reflecteren van het licht naar het dispersie-element.

3. Systeem volgens conclusie 2, verder omvattende een spiegel die is gepositioneerd voor het ontvangen van licht van het dispersie-element en het reflecteren van het licht naar de eerste groeperingsdetector en de tweede 25 groeperingsdetector.

4. Systeem volgens conclusie 2, verder omvattende: een eerste spiegel die is gepositioneerd voor het ontvangen van licht van het dispersie-element en het reflecteren van het licht naar de eerste groeperingsdetector; en 30 een tweede spiegel die is gepositioneerd voor het ontvangen van licht van het dispersie-element en het reflecteren van het licht naar de tweede groeperingsdetector.

5. Systeem volgens conclusie 1, waarbij de eerste groeperingsdetector een eerste detectormateriaal omvat en waarbij de tweede 1 03 4 464 groeperingsdetector een tweede verschillend detectormateriaal omvat.

6. Systeem volgens conclusie 1, waarbij het eerste detector-materiaal silicium omvat, en waarbij het tweede verschillende detectormateriaal een materiaal omvat met een bandafstand die groter is dan één elektronvolt.

7. Systeem volgens conclusie 1, verder omvattende ten minste één van een optische chopper en een gepulste laser voor het intermitterend uitstralen van licht naar het proefmonster.

8. Systeem volgens conclusie 1, verder omvattende een lichtbron die is ingericht voor het genereren van licht met een aantal golflengten voor het 10 intermitterend of constant uitstralen van licht naar het proefmonster.

9. Systeem volgens conclusie 1, verder omvattende een tafel die is ingericht voor het positioneren van het proefmonster ten opzichte van het inkomende excitatielicht.

10. Spectroscopiesysteem omvattende: 15 een eerste apertuur die is gepositioneerd voor het ontvangen van licht van een gebied van een proefmonster op een bepaalde tijd, waarbij het licht een aantal golflengtecomponenten bevat, omvattende Raman-golflengte-componenten; een tweede apertuur die is gepositioneerd voor het ontvangen van 20 licht van het gebied van het proefmonster op een bepaalde tijd, waarbij het licht een aantal golflengtecomponenten bevat, omvattende fotoluminescentie-verschoven componenten; een eerste dispersie-element dat is gepositioneerd in de optische weg van het licht dat wordt ontvangen door de eerste apertuur, en dat is ingericht 25 voor het ruimtelijk verspreiden van de Raman-golflengtecomponenten van het door de eerste apertuur ontvangen licht; een tweede dispersie-element dat is gepositioneerd in de optische weg van het licht dat wordt ontvangen door de tweede apertuur, en dat is ingericht voor het ruimtelijk verspreiden van de fotoluminescentiegolflengtecomponenten van 30 het licht dat door de tweede apertuur wordt ontvangen; een eerste groeperingsdetector die is gepositioneerd voor het ontvangen van verspreide Raman-verschoven componenten en het genereren van één of meer signalen die een aanduiding vormen van de intensiteit van de verspreide Raman-verschoven componenten; en een tweede groeperingsdetector die is gepositioneerd voor het ontvangen van verspreide fotoluminescentie-verschoven componenten en het genereren van één of meer signalen die een aanduiding vormen van de intensiteit van de verstrooide fotoluminescentie-verschoven componenten 5

11. Systeem volgens conclusie 10, verder omvattende: een eerste gekromde spiegel die is gepositioneerd voor het ontvangen van het licht van de eerste apertuur en het reflecteren van het licht naar het eerste dispersie-element; en een tweede gekromde spiegel die is gepositioneerd voor het 10 ontvangen van het licht van de tweede apertuur en het reflecteren van het licht naar het tweede dispersie-element.

12. Systeem volgens conclusie 11, verder omvattende een spiegel die is gepositioneerd voor het ontvangen van licht van het eerste dispersie-element en het reflecteren van het licht naar de eerste groeperingsdetector.

13. Systeem volgens conclusie 10, waarbij het eerste dispersie-element een buigingsrooster is met een eerste lijnbreedte, en waarbij het tweede dispersie-element een buigingsrooster is dat een tweede verschillende lijnbreedte heeft.

14. Systeem volgens conclusie 10, waarbij een optische weglengte tussen het eerste dispersie-element en de eerste groeperingsdetector groter is dan 20 een optische weglengte tussen het tweede dispersie-element en de tweede groeperingsdetector.

15. Systeem volgens conclusie 1, verder omvattende ten minste één van een optische chopper en een gepulste laser voor het intermitterend uitstralen van licht naar het proefmonster.

16. Systeem volgens conclusie 10, verder omvattende een lichtbron die is ingericht voor het genereren van licht van een aantal golflengten voor het intermitterend of constant uitstralen van licht naar het proefmonster.

17. Systeem volgens conclusie 10, verder omvattende een tafel die is ingericht voor het positioneren van het proefmonster ten opzichte van het 30 inkomende excitatielicht.

18. Systeem volgens conclusie 17, verder omvattende het proefmonster dat op de tafel is gepositioneerd.

19. Systeem volgens conclusie 10, verder omvattende: een filter van een eerste filtertype dat is gepositioneerd voor het filteren van het licht dat door de eerste apertuur wordt ontvangen; en een filter van een tweede filtertype dat is gepositioneerd voor het filteren van het licht dat door de tweede apertuur wordt ontvangen.

20. Systeem volgens conclusie 19, waarbij het eerste filtertype is 5 gekozen uit een kerffilter en een randfilter. 1034464