WO2020054176A1 - 光計測装置 - Google Patents

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WO2020054176A1
WO2020054176A1 PCT/JP2019/025229 JP2019025229W WO2020054176A1 WO 2020054176 A1 WO2020054176 A1 WO 2020054176A1 JP 2019025229 W JP2019025229 W JP 2019025229W WO 2020054176 A1 WO2020054176 A1 WO 2020054176A1
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共則 中村
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浜松ホトニクス株式会社
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    • G02B6/29331—Optical coupling means having data bus means, i.e. plural waveguides interconnected and providing an inherently bidirectional system by mixing and splitting signals with wavelength selective means operating by evanescent wave coupling
    • G02B6/29332—Wavelength selective couplers, i.e. based on evanescent coupling between light guides, e.g. fused fibre couplers with transverse coupling between fibres having different propagation constant wavelength dependency

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical measurement device that evaluates an object to be measured.
  • Embodiments have been made in view of such a problem, and optical measurement capable of reducing the displacement of the irradiation position of the measurement light and the stimulating light on the measurement target and increasing the accuracy of the evaluation of the measurement target. It is an object to provide a device.
  • One embodiment of the present disclosure provides a first light source that generates measurement light including a first wavelength, a second light source that generates stimulation light including a second wavelength shorter than the first wavelength, and an output terminal.
  • a photodetector that detects the intensity of the reflected or transmitted light from the object and outputs a detection signal, and guides the combined light toward a measurement point on the object to be measured, and the reflected or transmitted light from the measurement point
  • An optical system that guides the light toward the photodetector; and a scanning unit that moves the measurement point. It has the property of transmitting light in a single mode with respect to the wavelength.
  • the measurement light including the first wavelength and the stimulating light including the second wavelength shorter than the first wavelength are multiplexed by the optical coupling unit and irradiated to the measurement point on the measurement target. Then, the intensity of the reflected light or transmitted light from the measurement point on the measurement object is detected.
  • the measurement point on the measurement target is moved by the scanning unit.
  • This optical coupling section is composed of a WDM optical coupler including an optical fiber, and the optical fiber has a property of propagating the measurement light in a single mode, so that the spot of the measurement light is stable, and light having different wavelengths in the multiplexed light is used. It is possible to reduce the deviation of the optical axis between certain measurement light and stimulation light. As a result, it is possible to reduce the displacement of the irradiation position of the measurement light and the stimulating light at the measurement point on the measurement target, and to improve the accuracy of the evaluation of the measurement target.
  • the displacement of the irradiation position of the measurement light and the stimulation light on the measurement target can be reduced, and the accuracy of the evaluation of the measurement target can be increased.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical measurement device 1 according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a structure of an optical coupling unit 11 of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a functional configuration of a controller 37 in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an output image of the optical measurement device 1.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of an output image according to a comparative example.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical measurement device 1 according to the embodiment.
  • the optical measurement device 1 illustrated in FIG. 1 is a device that performs optical measurement on a device under test (DUT: Device @ Under @ Test) 10, which is a measurement target such as a semiconductor device.
  • DUT Device @ Under @ Test
  • thermoreflectance for measuring heat generated by the stimulating light in the DUT 10 is executed.
  • the measurement target of the optical measurement device 1 includes a bare wafer, a substrate epitaxially grown with a constant doping density, a wafer substrate having a well or a diffusion region formed thereon, a semiconductor substrate having a circuit element such as a transistor formed thereon, and the like.
  • the optical measurement device 1 includes a stage 3 on which a DUT 10 is arranged, and a light irradiation / light irradiation / light guide that irradiates and guides light toward a measurement point 10a on the DUT 10 and guides reflected light from the measurement point 10a on the DUT 10. It comprises a light guide system (optical system) 5, and a control system 7 that controls the light irradiation / light guide system 5 and detects and processes the reflected light from the DUT 10.
  • the stage 3 is a support that supports the DUT 10 so as to face the light irradiation / light guide system 5.
  • the measurement point 10a may be set near the front surface of the DUT 10 (the surface on the light irradiation / light guide system 5 side), or may be set inside the DUT 10 or near the rear surface.
  • the stage 3 may include a moving mechanism (scanning unit) that can move the measurement point 10 a on the DUT 10 relatively to the light irradiation / light guide system 5.
  • the traveling path of light is indicated by a chain line
  • the transmission path of the control signal, the transmission path of the detection signal, and the transmission path of the processing data are indicated by solid arrows.
  • the light irradiation / light guide system 5 includes a light source (first light source) 9a, a light source (second light source) 9b, an optical coupling unit 11, a collimator 13, a polarizing beam splitter 15, a quarter-wave plate 17, a galvanomirror ( (Scanning section) 19, pupil projection lens 21, objective lens 23, optical filter 25, and collimator 27.
  • the light source 9a generates and emits light having a first wavelength and intensity suitable for detecting a change in optical characteristics (for example, a change in reflectance) of the DUT 10 due to heating as measurement light (probe light).
  • the first wavelength is 1300 nm.
  • the light source 9b generates and emits light having a second wavelength and intensity shorter than the first wavelength, which is suitable for heating the DUT 10, as stimulation light (pump light).
  • the light source 9b is set so as to generate the stimulating light including the second wavelength having energy higher than the band gap energy of the semiconductor which is the material of the substrate constituting the DUT 10.
  • the second wavelength is 1064 nm, 780 nm, or the like.
  • the light source 9b is configured to be able to generate stimulus light whose intensity is modulated based on an external electric signal.
  • the light sources 9a and 9b may be coherent light sources such as semiconductor lasers or incoherent light sources such as SLD (Super Luminescent Diode).
  • the optical coupling unit 11 generates a multiplexed light by multiplexing the measurement light emitted from the light source 9a and the stimulating light emitted from the light source 9b, and outputs a WDM (Wavelength Division Multiplexing) optical coupler that outputs the combined light.
  • FIG. 2 shows an example of the structure of the optical coupling unit 11.
  • the optical coupling section 11 is formed by fusing and stretching two optical fibers 11a and 11b at their central portions. That is, the optical coupling unit 11 adjusts the fusion degree between the two optical fibers 11a and 11b by controlling the fusion time and the fusion temperature during the manufacturing, so that one end (the second end) of the optical fiber 11a is formed.
  • the first wavelength input light from the first input end 11a1 and the second wavelength light incident from one end (second input end) 11b1 of the optical fiber 11b are multiplexed.
  • the multiplexed light including the first wavelength and the second wavelength is generated, and the multiplexed light can be emitted from the other end (output end) 11a2 of the optical fiber 11a.
  • the other end 11b2 of the optical fiber 11b is terminated, and the optical fibers 11a and 11b constitute an optical fiber branched between the end 11a2 and the ends 11a1 and 11b1.
  • the end 11a1 is optically coupled to the output of the light source 9a
  • the end 11b1 is optically coupled to the output of the light source 9b.
  • the two optical fibers 11a and 11b constituting the optical coupling section 11 have a property of transmitting at least the light of the first wavelength in a single mode. That is, the optical fibers 11a and 11b are optical fibers whose core diameters are set such that at least light of the first wavelength propagates in a single mode. Further, it is preferable that the optical fibers 11a and 11b have a property that light of the second wavelength also propagates in a single mode. Further, the optical fibers 11a and 11b are also polarization maintaining fibers.
  • the polarization maintaining fiber is an optical fiber in which the polarization maintaining property of the propagating light is enhanced by generating birefringence in the core.
  • the collimator 13 is optically coupled to the end 11a2 of the optical coupling unit 11, collimates the combined light emitted from the end 11a2 of the optical coupling unit 11, and converts the collimated combined light into a polarized beam.
  • the signal is output to the splitter 15.
  • the polarization beam splitter 15 transmits the linearly polarized light component of the combined light, and the quarter-wave plate 17 changes the polarization state of the combined light transmitted through the polarization beam splitter 15 to change the polarization state of the combined light to a circle. Set to polarization.
  • the galvanomirror 19 scans and outputs the combined light that has been circularly polarized, and the pupil projection lens 21 relays the pupil of the combined light output from the galvanomirror 19 to the pupil of the objective lens 23 from the galvanomirror 19. .
  • the objective lens 23 focuses the combined light on the DUT 10.
  • the measurement light and the stimulus light combined with the combined light can be scanned (moved) and irradiated on the measurement point 10a at a desired position on the DUT 10.
  • the measurement light and the stimulus light may be scanned to the measurement point 10 a in a range that cannot be covered by the galvanomirror 19.
  • the galvanometer mirror 19 may be replaced with a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror, a polygon mirror, or the like as a device capable of scanning the combined light.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the reflected light from the measurement point 10a of the DUT 10 can be guided to the quarter wave plate 17 coaxially with the multiplexed light. 17 allows the polarization state of the reflected light to be changed from circularly polarized light to linearly polarized light.
  • the linearly polarized reflected light is reflected by the polarization beam splitter 15 toward the optical filter 25 and the collimator 27.
  • the optical filter 25 is configured to transmit only the same wavelength component as the measurement light in the reflected light toward the collimator 27 and block the same wavelength component as the stimulus light in the reflected light.
  • the collimator 27 collimates the reflected light and outputs the reflected light to the control system 7 via an optical fiber or the like.
  • the control system 7 includes a photodetector 29, an amplifier 31, a modulation signal source (modulation unit) 33, a network analyzer 35, a controller 37, and a laser scan controller 39.
  • the photodetector 29 is a photodetector such as a PD (Photodiode), an APD (Avalanche Photodiode), or a photomultiplier tube.
  • the photodetector 29 receives reflected light guided by the light irradiation / light guide system 5 and reflects the reflected light. And outputs a detection signal.
  • the amplifier 31 amplifies the detection signal output from the photodetector 29 and outputs it to the network analyzer 35.
  • the modulation signal source 33 generates an electric signal (modulation signal) having a waveform set by the controller 37, and controls the light source 9b to modulate the intensity of the stimulating light based on the electric signal.
  • the modulation signal source 33 generates a rectangular wave electric signal having a set repetition frequency (predetermined frequency), and controls the light source 9b based on the electric signal.
  • the modulation signal source 33 also has a function of repeatedly generating a square wave electric signal having a plurality of repetition frequencies.
  • the network analyzer 35 extracts and detects the detection signal of the wavelength component corresponding to the repetition frequency based on the detection signal output from the amplifier 31 and the repetition frequency set by the modulation signal source 33. Further, the network analyzer 35 detects the phase delay of the detection signal with respect to the intensity-modulated stimulating light based on the electric signal generated by the modulation signal source 33. Then, the network analyzer 35 inputs the information of the phase delay detected for the detection signal to the controller 37.
  • the network analyzer 35 may be changed to a spectrum analyzer, a lock-in amplifier, or a combination of a digitizer and an FFT analyzer.
  • the controller 37 is a device that comprehensively controls the operation of the control system 7. Physically, the controller 37 is a CPU (Central Processing Unit) as a processor, and a RAM (Random Access Memory) and a ROM (Read Only Only) as recording media. Memory), a communication module, and input / output devices such as a display, a mouse, and a keyboard.
  • FIG. 3 shows a functional configuration of the controller 37. As illustrated in FIG. 3, the controller 37 includes a modulation control unit 41, a movement control unit 43, a scan control unit 45, a phase difference detection unit 47, and an output unit 49 as functional components. .
  • the modulation control unit 41 of the controller 37 sets a waveform of an electric signal for intensity-modulating the stimulating light. Specifically, the modulation control unit 41 sets the waveform of the electric signal to be a rectangular wave having a predetermined repetition frequency.
  • the “predetermined repetition frequency” may be a frequency having a value stored in the controller 37 in advance, or may be a frequency having a value externally input via an input / output device.
  • the movement control unit 43 and the scan control unit 45 control the stage 3 and the galvanomirror 19, respectively, so that the combined light obtained by combining the measurement light and the stimulation light is scanned on the DUT 10. At this time, the movement control unit 43 controls to scan the multiplexed light while performing the phase difference detection processing for each measurement point of the DUT 10.
  • the phase difference detection unit 47 performs a phase difference detection process for each measurement point of the DUT 10 based on the information on the phase delay output from the network analyzer 35. Specifically, the phase difference detection unit 47 maps the value of the phase delay for each measurement point of the DUT 10 on an image to generate an output image indicating the distribution of the phase delay.
  • the output unit 49 outputs the output image generated by the phase difference detection unit 47 to an input / output device.
  • the DUT 10 is placed on the stage 3.
  • the DUT 10 may be mounted so that combined light can be emitted from the front side, or may be mounted so that combined light can be emitted from the back side.
  • the DUT 10 may have its surface polished as necessary, and a solid immersion lens (Solid Immersion Lens) may be used for the observation.
  • the light irradiation / light guide system 5 irradiates the DUT 10 with the combined light obtained by combining the measurement light and the stimulation light.
  • the light irradiation / light guide system 5 is an optical system having sufficiently small chromatic aberration.
  • the angle of the front surface or the back surface of the DUT 10 is adjusted so as to be perpendicular to the optical axis of the combined light, and the focal point of the combined light is set so as to match the measurement point of the DUT 10.
  • control is performed such that the intensity of the stimulating light is modulated by the rectangular wave.
  • the repetition frequency of this rectangular wave may be set from a value stored in the controller 37 in advance, or may be set from a value externally input via an input / output device.
  • reflected light from the measurement point of the DUT 10 is detected to generate a detection signal, and the detection signal is amplified by the amplifier 31. Then, the component of the repetition frequency is extracted from the detection signal by the network analyzer 35 of the control system 7.
  • the network analyzer 35 of the control system 7 detects a phase delay with respect to the modulated signal of the stimulating light for the waveform of the extracted detection signal. Further, information on the detected phase delay is output from the network analyzer 35 to the controller 37. The detection of the phase delay of the detection signal and the output of the information on the phase delay related thereto are repeatedly performed while scanning the measurement points on the DUT 10 under the control of the controller 37.
  • the controller 37 uses the information of the phase lags related to the plurality of measurement points on the DUT 10 to map the phase lag values corresponding to the plurality of measurement points on the image, and to output the phase lag distribution on the DUT 10.
  • Image data is generated.
  • the controller 37 may turn off the output of the light source 9b and generate a pattern image of the DUT 10 based on a detection signal obtained by irradiating the DUT 10 with only measurement light. Then, the controller 37 outputs an output image to the input / output device based on the data. With this output image, it is possible to measure the unevenness of the heat radiation characteristic on the DUT 10.
  • the controller 37 may generate a superimposed image by superimposing the pattern image on the output image having the phase delay distribution, and output the superimposed image.
  • the measurement light including the first wavelength and the stimulation light including the second wavelength shorter than the first wavelength are combined by the optical coupling unit 11.
  • the multiplexed light is radiated to the measurement point 10a on the DUT 10, and the intensity of the reflected light from the measurement point 10a on the DUT 10 is detected.
  • the measurement point 10 a on the DUT 10 is moved by the galvanometer mirror 19.
  • the optical coupling section 11 is composed of a WDM optical coupler including optical fibers 11a and 11b, and the optical fibers 11a and 11b have the property of propagating the measurement light in a single mode.
  • the shift of the optical axis and the focus between the measurement light and the stimulation light which are lights having different wavelengths from each other, can be reduced. As a result, it is possible to reduce the deviation of the irradiation position of the measurement light and the stimulus light at the measurement point 10a on the DUT 10, and to improve the accuracy of the evaluation of the DUT 10.
  • the optical fibers 11a and 11b have the property of transmitting light in a single mode even for the second wavelength. Therefore, the spot of the stimulating light is also stabilized, and the shift of the optical axis and the focus between the measuring light and the stimulating light, which are lights having different wavelengths in the combined light, can be further reduced. As a result, the accuracy of the evaluation of the DUT 10 can be further improved.
  • the optical fibers 11a and 11b are polarization maintaining fibers. According to this configuration, it is possible to generate the multiplexed light while maintaining the polarization state of the measurement light. As a result, fluctuations in the polarization state of the measurement light can be prevented, noise in the detection signal of the reflected light from the DUT 10 can be reduced, and the evaluation accuracy of the DUT 10 can be further increased.
  • the second wavelength is set to a wavelength corresponding to energy higher than the band gap energy of the semiconductor constituting the DUT 10.
  • carriers can be efficiently generated by the DUT 10 by irradiating the stimulation light, and the impurity concentration of the DUT 10 can also be estimated based on the detected information of the phase delay.
  • the intensity of the stimulating light is modulated by the modulation signal including the specified frequency. According to such a configuration, it is possible to appropriately evaluate the heat radiation characteristics of the DUT 10 by measuring the phase delay of the detection signal with respect to the modulation signal.
  • FIG. 4 illustrates an example of an output image output by the optical measurement device 1
  • FIG. 5 illustrates an example of an output image output to the same DUT 10 as in FIG. 4 according to a comparative example.
  • the difference from the optical measurement device 1 of the comparative example is that, instead of the optical coupling unit 11, a dichroic mirror that combines and outputs measurement light and stimulation light on the same axis is used.
  • phase delay information is converted into pixel values representing brightness and color for each pixel.
  • the light irradiation / light guide system 5 of the above embodiment is configured to be able to guide the reflected light from the DUT 10 toward the control system 7, it controls the transmitted light generated by transmitting the measurement light through the DUT 10. It may be configured to be able to guide light toward the system 7. In this case, the heat radiation characteristic of the DUT 10 is evaluated based on the detection signal generated by detecting the transmitted light in the control system 7.
  • the optical filter 25 may be omitted if the photodetector 29 is configured to have sensitivity only to the measurement light.
  • the measurement is performed using the stimulating light intensity-modulated by the rectangular wave, but the stimulating light intensity-modulated by a signal having another waveform such as a sine wave or a triangular wave may be used.
  • the second wavelength may be set to a wavelength corresponding to an energy lower than the band gap energy of the semiconductor constituting the DUT 10. In this case, generation of unnecessary carriers on the substrate can be suppressed.
  • the controller 37 changes the repetition frequency of the modulation signal for modulating the stimulating light to a plurality of frequencies, repeats the measurement, and performs the optical measurement. Processing may be performed to estimate the concentration of impurities or the like at the measurement point 10a of the DUT 10 based on the obtained information on the phase delay.
  • the controller 37 estimates a frequency at which the phase delay is 45 degrees based on the value of the phase delay for each of a plurality of frequencies.
  • This frequency is called a cutoff frequency
  • the time constant ⁇ at this time is 1 / (2 ⁇ ) times the period corresponding to this frequency.
  • This time constant ⁇ corresponds to the carrier lifetime inside the DUT 10.
  • the DUT 10 is driven as in the configuration described in US Pat. No. 2015/0002182.
  • the measuring light and the stimulating light may be irradiated to the DUT 10 in a state where the light is reflected, and the resulting reflected light from the DUT 10 may be detected.
  • the optical fiber has a property of transmitting light in a single mode even for the second wavelength.
  • the spot of the stimulating light is also stabilized, and the shift of the optical axis between the measuring light and the stimulating light, which are lights having different wavelengths in the combined light, can be further reduced. As a result, the accuracy of the evaluation of the measurement object can be further improved.
  • the optical fiber is a polarization maintaining fiber. According to this configuration, it is possible to generate the multiplexed light while maintaining the polarization state of the measurement light. As a result, noise in a detection signal of reflected light or transmitted light from the measurement target can be reduced, and the accuracy of evaluation of the measurement target can be further increased.
  • the second wavelength is a wavelength corresponding to an energy higher than the band gap energy of the semiconductor constituting the object to be measured.
  • the carrier can be efficiently generated by the measurement object by irradiation of the stimulating light, and the impurity concentration of the measurement object can be estimated.
  • the second wavelength is a wavelength corresponding to an energy lower than the band gap energy of the semiconductor constituting the object to be measured. In this case, generation of unnecessary carriers on the substrate can be suppressed.
  • the apparatus further includes a modulator for intensity-modulating the stimulating light with a modulation signal including a specified frequency.
  • a modulator for intensity-modulating the stimulating light with a modulation signal including a specified frequency it is possible to irradiate the measurement object with the stimulating light intensity-modulated by the modulation signal, and to appropriately evaluate the measurement object by measuring the phase delay of the detection signal with respect to the modulation signal. it can.
  • the embodiment uses an optical measurement device that evaluates an object to be measured, reduces the displacement of the irradiation position of the measurement light and the stimulating light on the object to be measured, and increases the accuracy of the evaluation of the object to be measured.
  • SYMBOLS 1 Light measuring device, 5 ... Light irradiation / light guide system (optical system), 7 ... Control system, 9a ... Light source (1st light source), 9b ... Light source (2nd light source), 10a ... Measurement point, 11 ... Optical coupling parts, 11a, 11b ... optical fibers, 11a1, 11b1 ... input ends, 11a2 ... output ends, 19 ... galvanometer mirrors (scanning parts), 29 ... photodetectors, 33 ... modulation signal sources (modulation parts), 35 ... network analyzer, 37 ... controller.

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Abstract

実施形態は、第１の波長を含む計測光を生成する光源９ａと、第２の波長を含む刺激光を生成する光源９ｂと、出力端１１ａ２と入力端１１ａ１，１１ｂ１との間で分岐して設けられた光ファイバ１１ａ，１１ｂを含み、入力端１１ａ１が光源９ａの出力と光学的に結合され、入力端１１ｂ１が光源９ｂの出力と光学的に結合され、計測光と刺激光を合波して合波光を生成し、合波光を出力端１１ａ２から出力するＷＤＭ光カプラである光結合部１１と、ＤＵＴ１０からの反射光の強度を検出する光検出器２９と、合波光をＤＵＴ１０上の測定点１０ａに向けて導光し、測定点１０ａからの反射光を光検出器２９に向けて導光する光照射／導光システム５と、測定点を移動させるガルバノミラー１９と、を備え、光ファイバ１１ａ，１１ｂは第１の波長に対してシングルモードで光を伝搬する。

Description

光計測装置
　本開示は、測定対象物を評価する光計測装置に関する。
　従来から、共焦点光学系を用いて計測光と刺激光とを同軸で測定対象物に照射し、計測光の反射光を利用して測定対象物の熱物性値を導出する検査装置が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。この検査装置は、ハーフミラーを用いて、計測光と刺激光とを合成して測定対象物に照射する構成を有している。
特開２００６－３０８５１３号公報
　上述したような従来の検査装置では、互いに波長の異なる計測光と刺激光とを同軸上で合波するにはハーフミラー等の光学系の調整が困難な傾向にあった。また、長期間の使用により光学系にずれが生じ、計測光と刺激光との間で光軸のずれが生じる場合もあった。その結果、測定対象物に照射される計測光と刺激光との間で測定対象物上の照射位置のずれが生じ、測定対象物の評価の精度が低下する傾向にあった。
　実施形態は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、測定対象物上の計測光及び刺激光の照射位置のずれを低減して、測定対象物の評価の精度を高めることが可能な光計測装置を提供することを課題とする。
　本開示の一形態は、第１の波長を含む計測光を生成する第１の光源と、第１の波長より短い第２の波長を含む刺激光を生成する第２の光源と、出力端と第１の入力端及び第２の入力端との間で分岐して設けられた光ファイバを含み、第１の入力端が第１の光源の出力と光学的に結合され、第２の入力端が第２の光源の出力と光学的に結合され、計測光と刺激光を合波して合波光を生成し、合波光を出力端から出力するＷＤＭ光カプラである光結合部と、測定対象物からの反射光あるいは透過光の強度を検出して検出信号を出力する光検出器と、合波光を測定対象物上の測定点に向けて導光し、測定点からの反射光あるいは透過光を光検出器に向けて導光する光学系と、測定点を移動させる走査部と、を備え、光ファイバは、少なくとも第１の波長に対してシングルモードで光を伝搬する性質を有する。
　上記一形態によれば、第１の波長を含む計測光と第１の波長より短い第２の波長を含む刺激光とが、光結合部によって合波されて測定対象物上の測定点に照射され、測定対象物上の測定点からの反射光あるいは透過光の強度が検出される。また、測定対象物上の測定点は走査部によって移動される。この光結合部は光ファイバを含むＷＤＭ光カプラによって構成され、その光ファイバは計測光をシングルモードで伝搬させる性質を有するので、計測光のスポットが安定し、合波光における互いに波長が異なる光である計測光と刺激光との間の光軸のずれを低減することができる。その結果、測定対象物上の測定点における計測光及び刺激光の照射位置のずれを低減することができ、測定対象物の評価の精度を高めることができる。
　実施形態によれば、測定対象物上の計測光及び刺激光の照射位置のずれを低減して、測定対象物の評価の精度を高めることができる。
実施形態にかかる光計測装置１の概略構成図である。 図１の光結合部１１の構造を示す図である。 図１のコントローラ３７の機能構成を示すブロック図である。 光計測装置１の出力画像の一例を示す図である。 比較例による出力画像の一例を示す図である。
　以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
　図１は、実施形態にかかる光計測装置１の概略構成図である。図１に示す光計測装置１は、半導体デバイス等の測定対象物である被検査デバイス（ＤＵＴ：Device　Under　Test）１０を対象に光計測を行う装置である。本実施形態では、ＤＵＴ１０における刺激光による発熱を測定するサーモリフレクタンスが実行される。光計測装置１の測定対象としては、ベアウェーハ、一定のドーピング密度でエピタキシャル成長させた基板、ウェルあるいは拡散領域等を形成したウェーハ基板、トランジスタ等の回路素子が形成された半導体基板等が挙げられる。
　この光計測装置１は、ＤＵＴ１０が配置されるステージ３と、ＤＵＴ１０上の測定点１０ａに向けて光を照射および導光するとともにＤＵＴ１０上の測定点１０ａからの反射光を導光する光照射／導光システム（光学系）５と、光照射／導光システム５を制御するとともにＤＵＴ１０からの反射光を検出および処理する制御システム７とによって構成されている。ステージ３は、ＤＵＴ１０を光照射／導光システム５に対向するように支持する支持部である。この光照射／導光システム５は、測定点１０ａを、ＤＵＴ１０の表面（光照射／導光システム５側の面）近傍に設定してもよいし、ＤＵＴ１０の内部あるいは裏面近傍に設定してもよい。また、ステージ３は、ＤＵＴ１０上の測定点１０ａを光照射／導光システム５に対して相対的に移動可能な移動機構（走査部）を具備していてもよい。なお、図１においては、光の進行経路を一点鎖線で示し、制御用信号の伝達経路、検出信号及び処理データの伝達経路を実線の矢印で示している。
　光照射／導光システム５は、光源（第１の光源）９ａ、光源（第２の光源）９ｂ、光結合部１１、コリメータ１３、偏光ビームスプリッタ１５、１／４波長板１７、ガルバノミラー（走査部）１９、瞳投影レンズ２１、対物レンズ２３、光学フィルタ２５、及びコリメータ２７を含んでいる。
　光源９ａは、ＤＵＴ１０における加熱による光学的特性の変化（例えば、反射率の変化）の検出に適した第１の波長及び強度の光を、計測光（プローブ光）として生成して出射する。例えば、ＤＵＴ１０がＳｉ（シリコン）基板により構成されているものである場合には、第１の波長は１３００ｎｍである。光源９ｂは、ＤＵＴ１０の加熱に適した、第１の波長より短い第２の波長及び強度の光を、刺激光（ポンプ光）として生成して出射する。具体的には、光源９ｂは、ＤＵＴ１０を構成する基板の材料である半導体のバンドギャップエネルギーより高いエネルギーを有する第２の波長を含む刺激光を生成するように設定される。例えば、ＤＵＴ１０がＳｉ基板により構成されているものである場合には、第２の波長は１０６４ｎｍ、７８０ｎｍ等である。さらに、この光源９ｂは、外部からの電気信号を基に強度変調された刺激光を生成可能に構成される。なお、光源９ａ、光源９ｂは例えば半導体レーザ等のコヒーレント光源でよく、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）等のインコヒーレント光源でもよい。
　光結合部１１は、光源９ａから出射された計測光と、光源９ｂから出射された刺激光とを合波して合波光を生成し、その合波光を出力するＷＤＭ（Wavelength　Division　Multiplexing）光カプラである。図２には、光結合部１１の構造の一例を示す。同図に示すように、光結合部１１は、２本の光ファイバ１１ａ，１１ｂがそれらの中央部で融着延伸されて形成される。すなわち、光結合部１１は、製造時に融着時間と融着温度を制御することで２本の光ファイバ１１ａ，１１ｂの融着度を調整することにより、光ファイバ１１ａの一方の端部（第１の入力端）１１ａ１から入射された第１の波長の光と、光ファイバ１１ｂの一方の端部（第２の入力端）１１ｂ１から入射された第２の波長の光とを合波して第１の波長及び第２の波長を含む合波光を生成し、合波光を光ファイバ１１ａの他方の端部（出力端）１１ａ２から出射可能に構成される。そして、光ファイバ１１ｂの他方の端部１１ｂ２は終端されており、光ファイバ１１ａ，１１ｂは、端部１１ａ２と端部１１ａ１，１１ｂ１との間で分岐された光ファイバを構成する。この光結合部１１において、端部１１ａ１は光源９ａの出力と光学的に結合され、端部１１ｂ１は光源９ｂの出力と光学的に結合される。
　ここで、光結合部１１を構成する２本の光ファイバ１１ａ，１１ｂは、少なくとも第１の波長の光をシングルモードで伝搬する性質を有する。すなわち、光ファイバ１１ａ，１１ｂは、少なくとも第１の波長の光をシングルモードで伝搬させるようなコア径が設定された光ファイバである。また、光ファイバ１１ａ，１１ｂは、第２の波長の光もシングルモードで伝搬する性質を有することが好ましい。さらに、光ファイバ１１ａ，１１ｂは偏波保持ファイバでもある。偏波保持ファイバとは、コアにおいて複屈折率性を生じさせることで伝搬する光の偏波面保持特性が高められた光ファイバである。
　図１に戻って、コリメータ１３は、光結合部１１の端部１１ａ２に光学的に結合され、光結合部１１の端部１１ａ２から出射された合波光をコリメートし、コリメートした合波光を偏光ビームスプリッタ１５に向けて出力する。偏光ビームスプリッタ１５は、合波光のうちの直線偏光成分を透過させ、１／４波長板１７は、偏光ビームスプリッタ１５を透過した合波光の偏光状態を変更して、合波光の偏光状態を円偏光に設定する。ガルバノミラー１９は、円偏光となった合波光をスキャンして出力し、瞳投影レンズ２１は、ガルバノミラー１９から出力された合波光の瞳を、ガルバノミラー１９から対物レンズ２３の瞳までリレーする。対物レンズ２３は、合波光をＤＵＴ１０上に集光する。このような構成により、合波光に合成された計測光及び刺激光をＤＵＴ１０上の所望の位置の測定点１０ａにスキャンして（移動させて）照射させることができる。また、ステージ３を移動させることにより、ガルバノミラー１９でカバーできない範囲を対象にして計測光及び刺激光を測定点１０ａにスキャン可能に構成されていてもよい。なお、ガルバノミラー１９は、合波光をスキャン可能な装置として、ＭＥＭＳ（Micro　Electro　Mechanical　Systems）ミラー、ポリゴンミラー等に置換されてもよい。
　また、上記構成の光照射／導光システム５においては、ＤＵＴ１０の測定点１０ａからの反射光を、合波光と同軸で１／４波長板１７まで導光することができ、１／４波長板１７によって反射光の偏光状態を円偏光から直線偏光に変更することができる。さらに、直線偏光にされた反射光は偏光ビームスプリッタ１５によって光学フィルタ２５及びコリメータ２７に向けて反射される。光学フィルタ２５は、反射光のうちの計測光と同一の波長成分のみをコリメータ２７に向けて透過させ、反射光のうちの刺激光と同一の波長成分を遮るように構成される。コリメータ２７は、反射光をコリメートし、その反射光を光ファイバ等を経由して制御システム７に向けて出力する。
　制御システム７は、光検出器２９、アンプ３１、変調信号源（変調部）３３、ネットワークアナライザ３５、コントローラ３７、及びレーザスキャンコントローラ３９を含んでいる。
　光検出器２９は、ＰＤ（Photodiode）、ＡＰＤ（Avalanche　Photodiode）、光電子増倍管等の光検出素子であり、光照射／導光システム５によって導光された反射光を受けて、その反射光の強度を検出して検出信号を出力する。アンプ３１は、光検出器２９から出力された検出信号を増幅してネットワークアナライザ３５に出力する。変調信号源３３は、コントローラ３７によって設定された波形の電気信号（変調信号）を生成し、その電気信号を基に刺激光を強度変調させるように光源９ｂを制御する。具体的には、変調信号源３３は、設定された繰り返し周波数（既定周波数）の矩形波の電気信号を生成し、その電気信号を基に光源９ｂを制御する。また、変調信号源３３は、複数の繰り返し周波数の矩形波の電気信号を繰り返し生成する機能も有する。
　ネットワークアナライザ３５は、アンプ３１から出力された検出信号と変調信号源３３で設定されている繰り返し周波数を基に、繰り返し周波数に対応した波長成分の検出信号を抽出及び検出する。さらに、ネットワークアナライザ３５は、強度変調された刺激光に対する検出信号の位相遅れを、変調信号源３３によって生成されている電気信号を基準に検出する。そして、ネットワークアナライザ３５は、検出信号を対象に検出した位相遅れの情報をコントローラ３７に入力する。ここで、ネットワークアナライザ３５は、スペクトラムアナライザに変更されてもよいし、ロックインアンプに変更されてもよいし、デジタイザとＦＦＴアナライザを組み合わせた構成に変更されてもよい。
　コントローラ３７は、制御システム７の動作を統括的に制御する装置であり、物理的には、プロセッサであるＣＰＵ（Central Processing Unit）と、記録媒体であるＲＡＭ（Random　Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）と、通信モジュールと、ディスプレイ、マウス、キーボード等の入出力デバイスとを含んだコンピュータ等の制御装置である。図３には、コントローラ３７の機能構成を示している。図３に示すように、コントローラ３７は、機能的な構成要素として、変調制御部４１、移動制御部４３、スキャン制御部４５、位相差検出部４７、及び出力部４９を含んで構成されている。
　コントローラ３７の変調制御部４１は、刺激光を強度変調させるための電気信号の波形を設定する。具体的には、変調制御部４１は、電気信号の波形を、所定の繰り返し周波数の矩形波になるように設定する。この「所定の繰り返し周波数」は、予めコントローラ３７内に記憶された値の周波数であってもよいし、入出力デバイスを介して外部から入力された値の周波数であってもよい。
　移動制御部４３及びスキャン制御部４５は、計測光及び刺激光が合波された合波光をＤＵＴ１０上でスキャンするように、ステージ３及びガルバノミラー１９をそれぞれ制御する。このとき、移動制御部４３は、ＤＵＴ１０の各測定点を対象とした位相差検出処理を行いながら合波光をスキャンするように制御する。
　位相差検出部４７は、ネットワークアナライザ３５から出力された位相遅れの情報を基に、ＤＵＴ１０の各測定点を対象として位相差検出処理を実行する。具体的には、位相差検出部４７は、ＤＵＴ１０の各測定点ごとの位相遅れの値を画像上にマッピングして位相遅れの分布を示す出力画像を生成する。出力部４９は、位相差検出部４７によって生成された出力画像を入出力デバイスに出力する。
　以下、光計測装置１における光計測処理の手順の詳細を説明する。
　まず、ＤＵＴ１０をステージ３上に載置する。なお、ＤＵＴ１０は、表面側から合波光を照射可能なように載置されてもよいし、裏面側から合波光を照射可能なように載置されてもよい。また、ＤＵＴ１０は、必要に応じて面の研磨が行われて、その観察に固浸レンズ（Solid　Immersion　Lens）が使用されてもよい。
　その後、光照射／導光システム５からＤＵＴ１０に向けて計測光及び刺激光が合波された合波光を照射する。このとき、光照射／導光システム５は色収差の十分小さい光学系とされている。この際、ＤＵＴ１０の表面あるいは裏面を合波光の光軸に対して垂直となるように角度調整がされ、合波光の焦点もＤＵＴ１０の測定点に合うように設定される。
　さらに、コントローラ３７の制御により、刺激光が矩形波によって強度変調されるように制御される。この矩形波の繰り返し周波数は、予めコントローラ３７内に記憶された値から設定されてもよいし、入出力デバイスを介して外部から入力された値から設定されてもよい。
　次に、制御システム７の光検出器２９において、ＤＵＴ１０の測定点からの反射光が検出されて検出信号が生成され、その検出信号がアンプ３１によって増幅される。そして、制御システム７のネットワークアナライザ３５によって、検出信号から繰り返し周波数の成分が抽出される。
　加えて、制御システム７のネットワークアナライザ３５において、抽出した検出信号の波形を対象に、刺激光の変調信号に対する位相遅れが検出される。さらに、ネットワークアナライザ３５からコントローラ３７に対して、検出した位相遅れの情報が出力される。また、上記の検出信号の位相遅れの検出及びそれに関する位相遅れの情報の出力は、コントローラ３７の制御により、ＤＵＴ１０上の測定点をスキャンしながら繰り返し行われる。
　その後、コントローラ３７により、ＤＵＴ１０上の複数の測定点に関する位相遅れの情報を用いて、複数の測定点に対応する位相遅れの値が画像上にマッピングされてＤＵＴ１０上の位相遅れの分布を示す出力画像のデータが生成される。このとき、コントローラ３７は、光源９ｂの出力をオフにして、計測光のみをＤＵＴ１０に照射することで得られた検出信号を基にＤＵＴ１０のパターン画像を生成してもよい。そして、コントローラ３７は、そのデータを基に出力画像を入出力デバイスに出力する。この出力画像によって、ＤＵＴ１０上での放熱特性の斑が計測可能とされる。パターン画像が得られている場合には、コントローラ３７は、位相遅れの分布の出力画像にパターン画像を重畳して重畳画像を生成し、その重畳画像を出力してもよい。
　以上説明した光計測装置１及びそれを用いた光計測方法によれば、第１の波長を含む計測光と第１の波長より短い第２の波長を含む刺激光とが、光結合部１１によって合波されてＤＵＴ１０上の測定点１０ａに照射され、ＤＵＴ１０上の測定点１０ａからの反射光の強度が検出される。また、ＤＵＴ１０上の測定点１０ａはガルバノミラー１９によって移動される。この光結合部１１は光ファイバ１１ａ，１１ｂを含むＷＤＭ光カプラによって構成され、その光ファイバ１１ａ，１１ｂは計測光をシングルモードで伝搬させる性質を有するので、計測光のスポットが安定し、合波光における互いに波長が異なる光である計測光と刺激光との間の光軸及び焦点のずれを低減することができる。その結果、ＤＵＴ１０上の測定点１０ａにおける計測光及び刺激光の照射位置のずれを低減することができ、ＤＵＴ１０の評価の精度を高めることができる。
　上記実施形態においては、光ファイバ１１ａ，１１ｂは、第２の波長に対してもシングルモードで光を伝搬する性質を有する。このため、刺激光のスポットも安定し、合波光における互いに波長が異なる光である計測光と刺激光との間の光軸及び焦点のずれを一層低減することができる。その結果、ＤＵＴ１０の評価の精度をさらに高めることができる。
　また、光ファイバ１１ａ，１１ｂは、偏波保持ファイバである、ことも好適である。かかる構成によれば、計測光の偏光状態を保持させた上で合波光を生成することができる。その結果、計測光の偏光状態のゆらぎを防止でき、ＤＵＴ１０からの反射光の検出信号におけるノイズを低減することができ、ＤＵＴ１０の評価の精度をさらに高めることができる。
　さらに、第２の波長は、ＤＵＴ１０を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーに対応する波長に設定されている。この場合、刺激光の照射によってＤＵＴ１０によって効率的にキャリアを生成することができ、検出した位相遅れの情報を基にＤＵＴ１０の不純物濃度をも推定することができる。
　また、上記実施形態では、規定周波数を含む変調信号で刺激光が強度変調されている。このような構成によれば、変調信号に対する検出信号の位相遅れを測定することによって、ＤＵＴ１０の放熱特性を適切に評価することができる。
　ここで、光計測装置１の出力画像の一例を比較例と比較して示す。図４には、光計測装置１によって出力された出力画像の一例を示し、図５には、比較例によって図４と同一のＤＵＴ１０を対象に出力された出力画像の一例を示している。比較例の光計測装置１との相違点は、光結合部１１の代わりに、計測光と刺激光とを同一軸上に合成して出力するダイクロイックミラーを用いている点である。これらの出力画像においては、位相遅れの情報が画素毎に明るさ及び色を表す画素値に変換されている。
　これらの結果に示すように、比較例では、ＤＵＴ１０上における刺激信号と計測信号との照射位置にずれが生じやすいために、ＤＵＴ１０の光学的特性による位相遅れの情報が正確に出力画像に反映されにくい。特に、図５の例では、画像の左端の位相に全体的にずれが観測されている。これに対して、本実施形態では、ＤＵＴ１０上における刺激信号と計測信号との間の照射位置のずれが低減されているので、画像全体において比較的均一な位相が観測されている。つまり、本実施形態では、ＤＵＴ１０の光学的特性の評価の精度の向上が期待できる。
　以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
　上記実施形態の光照射／導光システム５は、ＤＵＴ１０からの反射光を制御システム７に向けて導光可能に構成されていたが、計測光がＤＵＴ１０を透過することによって生じた透過光を制御システム７に向けて導光可能に構成されていてもよい。この場合、制御システム７において透過光を検出することによって生成された検出信号を基にＤＵＴ１０の放熱特性が評価される。
　また、上記実施形態において、光検出器２９が計測光にのみ感度を有するように構成されていれば、光学フィルタ２５は省略されていてもよい。
　また、上記実施形態においては矩形波で強度変調された刺激光を用いて計測されていたが、正弦波、三角波等の他の波形の信号で強度変調された刺激光を用いてもよい。
　また、上記実施形態では、第２の波長は、ＤＵＴ１０を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーに対応する波長に設定されてもよい。この場合、基板に対する不要なキャリアの生成を抑制することができる。
　また、上記実施形態の光計測装置１において、コントローラ３７が、刺激光を変調させるための変調信号の繰り返し周波数を複数に変更して繰り返したうえで光計測を実行し、複数の繰り返し周波数毎に得られた位相遅れの情報を基に、ＤＵＴ１０の測定点１０ａにおける不純物等の濃度を推定するように処理してもよい。
　詳細には、コントローラ３７は、複数の周波数毎の位相遅れの値を基に位相遅れが４５度となる周波数を推定する。この周波数は遮断周波数と呼ばれ、このときの時定数τはこの周波数に対応する周期の１／（２π）倍となる。この時定数τがＤＵＴ１０の内部でのキャリアライフタイムに相当する。一般に、キャリアのライフタイムτは、Ｂを比例定数とし、ｐ０を多数キャリア濃度（＝不純物濃度）とし、ｎ０を少数キャリア濃度とし、Δｎを過剰キャリア濃度とすると、下記式；
τ＝１／｛Ｂ（ｎ０＋ｐ０＋Δｎ）｝～１／（Ｂ・ｐ０）
で表される。この性質を利用して、コントローラ３７は、位相遅れが４５度となる周波数からキャリアライフタイムτを計算し、上記式を逆算することによりキャリアライフタイムτから不純物濃度（＝ｐ０）を推定値として計算する。
　また、上記実施形態の光計測装置１においては、必ずしも刺激光を強度変調するように構成されている必要はなく、米国特許２０１５／０００２１８２号公報に記載された構成のように、ＤＵＴ１０を駆動させた状態で計測光及び刺激光をＤＵＴ１０に照射し、その結果生じたＤＵＴ１０からの反射光を検出するように構成されていてもよい。
　上記実施形態においては、光ファイバは、第２の波長に対してもシングルモードで光を伝搬する性質を有する、ことが好適である。この場合、刺激光のスポットも安定し、合波光における互いに波長が異なる光である計測光と刺激光との間の光軸のずれを一層低減することができる。その結果、測定対象物の評価の精度をさらに高めることができる。
　また、光ファイバは、偏波保持ファイバである、ことも好適である。かかる構成によれば、計測光の偏光状態を保持させた上で合波光を生成することができる。その結果、測定対象物からの反射光あるいは透過光の検出信号におけるノイズを低減することができ、測定対象物の評価の精度をさらに高めることができる。
　さらに、第２の波長は、測定対象物を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーに対応する波長である、ことも好適である。この場合、刺激光の照射によって測定対象物によって効率的にキャリアを生成することができ、測定対象物の不純物濃度の推定をも可能にすることができる。
　また、第２の波長は、測定対象物を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーに対応する波長である、ことも好適である。この場合、基板に対する不要なキャリアの生成を抑制することができる。
　さらにまた、規定周波数を含む変調信号で刺激光を強度変調する変調部をさらに備える、ことも好適である。かかる構成によれば、変調信号で強度変調された刺激光を測定対象物に照射することができ、変調信号に対する検出信号の位相遅れを測定することによって、測定対象物を適切に評価することができる。
　実施形態は、測定対象物を評価する光計測装置を使用用途とし、測定対象物上の計測光及び刺激光の照射位置のずれを低減して、測定対象物の評価の精度を高めるものである。
　１…光計測装置、５…光照射／導光システム（光学系）、７…制御システム、９ａ…光源（第１の光源）、９ｂ…光源（第２の光源）、１０ａ…測定点、１１…光結合部、１１ａ，１１ｂ…光ファイバ、１１ａ１，１１ｂ１…入力端、１１ａ２…出力端、１９…ガルバノミラー（走査部）、２９…光検出器、３３…変調信号源（変調部）、３５…ネットワークアナライザ、３７…コントローラ。

Claims (6)

  1. 　第１の波長を含む計測光を生成する第１の光源と、
    　前記第１の波長より短い第２の波長を含む刺激光を生成する第２の光源と、
    　出力端と第１の入力端及び第２の入力端との間で分岐して設けられた光ファイバを含み、前記第１の入力端が前記第１の光源の出力と光学的に結合され、前記第２の入力端が前記第２の光源の出力と光学的に結合され、前記計測光と前記刺激光を合波して合波光を生成し、前記合波光を前記出力端から出力するＷＤＭ光カプラである光結合部と、
    　測定対象物からの反射光あるいは透過光の強度を検出して検出信号を出力する光検出器と、
    　前記合波光を前記測定対象物上の測定点に向けて導光し、前記測定点からの反射光あるいは透過光を前記光検出器に向けて導光する光学系と、
    　前記測定点を移動させる走査部と、
    を備え、
    　前記光ファイバは、少なくとも前記第１の波長に対してシングルモードで光を伝搬する性質を有する、
    光計測装置。
  2. 　前記光ファイバは、前記第２の波長に対してもシングルモードで光を伝搬する性質を有する、
    請求項１に記載の光計測装置。
  3. 　前記光ファイバは、偏波保持ファイバである、
    請求項１又は２に記載の光計測装置。
  4. 　前記第２の波長は、前記測定対象物を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーに対応する波長である、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の光計測装置。
  5. 　前記第２の波長は、前記測定対象物を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりも低いエネルギーに対応する波長である、
    請求項１～３のいずれか１項に記載の光計測装置。
  6. 　規定周波数を含む変調信号で前記刺激光を強度変調する変調部をさらに備える、
    請求項１～５のいずれか１項に記載の光計測装置。
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