JPH0868757A - 試料表面評価方法 - Google Patents

試料表面評価方法

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JPH0868757A
JPH0868757A JP20319294A JP20319294A JPH0868757A JP H0868757 A JPH0868757 A JP H0868757A JP 20319294 A JP20319294 A JP 20319294A JP 20319294 A JP20319294 A JP 20319294A JP H0868757 A JPH0868757 A JP H0868757A
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JP
Japan
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sample
semiconductor substrate
light
photoluminescence
laser beam
Prior art date
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Pending
Application number
JP20319294A
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English (en)
Inventor
Makoto Yamashita
眞 山下
Masashi Nakao
正史 中尾
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡便かつ迅速に試料表面状態だけに関する発
光スペクトルを検出する。 【構成】 微動台14上に内部が真空であるクライオス
タット8を設け、クライオスタット8内にヒートシンク
12を設け、ヒートシンク12に液体窒素を貯蔵するタ
ンク13を設け、ヒートシンク12上にマウント用真空
グリース11により半導体基板試料7を取り付け、レー
ザビーム1を対物レンズ4によってビーム径を数μm程
度まで集光させて半導体基板試料7の端面を照射し、半
導体基板試料7からのフォトルミネッセンス光および反
射光を対物レンズ4を通して受光し、ビームスプリッタ
3でフォトルミネッセンス光2と反射光とを分離させた
後、分光器5および光検出器6によってフォトルミネッ
センス光2のスペクトルを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は試料表面状態を評価す
る試料表面評価方法、特に半導体結晶成長時やプロセス
処理時に発生する半導体基板の表面付近の各種準位を評
価する試料表面評価方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】結晶成長やプロセス処理の際に生ずる表
面付近のダメージは半導体デバイスの特性を決定づける
重要な要因である。このため、近年の高集積化の要求に
伴い、高品質の微小デバイスを制作するためには、簡便
で正確な試料表面評価方法が必要不可欠とされている。
【0003】従来においては、走査型電子顕微鏡(SE
M)、走査トンネル顕微鏡(STM)、原子間力顕微鏡
(AFM)による試料の表面凹凸の直接観察や、フォト
ルミネッセンス(PL)法、カソードルミネッセンス
(CL)法による結晶試料の表面付近の光学特性測定に
よって、試料表面状態の評価がなされてきた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、走査型
電子顕微鏡、走査トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡によ
る試料表面評価方法では、試料表面の凹凸に関する情報
しか得られず、半導体基板の表面付近の光学的特性を評
価する際には不十分である。
【0005】一方、フォトルミネッセンス法、カソード
ルミネッセンス法では、半導体基板の表面の光学的特性
を評価することができるが、従来技術では励起光を結晶
試料の表面に対して垂直に照射していたため、試料表面
状態に関する発光と試料の内部に侵入した励起光による
バルク状態に関する発光とを分離して評価することが困
難であるから、試料表面状態だけに関する発光スペクト
ルを検出することができないという問題点がある。
【0006】この発明は上述の課題を解決するためにな
されたもので、簡便かつ迅速に試料表面状態だけに関す
る発光スペクトルを検出することができる試料表面評価
方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、この発明においては、試料表面にビーム状の励起光
を照射して、フォトルミネッセンス光を検出する試料表
面評価方法において、上記励起光を上記試料表面にほぼ
平行に照射する。
【0008】この場合、上記励起光の波長を変化させ
る。
【0009】また、上記励起光の照射位置を変化させ
る。
【0010】また、上記フォトルミネッセンス光を光フ
ァイバを介して検出する。
【0011】
【作用】この試料表面評価方法においては、励起光によ
り試料表面近傍のみを選択的に励起することができる。
【0012】また、励起光の波長を変化させたときに
は、励起光の試料表面への浸入深さを変化させることが
できる。
【0013】また、励起光の照射位置を変化させたとき
には、各照射位置からのフォトルミネッセンス光を検出
することができる。
【0014】また、フォトルミネッセンス光を光ファイ
バを介して検出したときには、有効にフォトルミネッセ
ンス光を受光することができる。
【0015】
【実施例】以下にこの発明に係る試料表面評価方法の実
施例を図面を参照にしながら説明する。
【0016】(1)試料端面上方励起上方受光型方式 図1はこの発明に係る試料表面評価方法を実施するため
の装置を示す概略断面図である。図に示すように、微動
台14上に内部が真空であるクライオスタット8が設け
られ、クライオスタット8に窓9が設けられ、クライオ
スタット8内に銅製のヒートシンク12が設けられ、ヒ
ートシンク12に冷却用の液体窒素を貯蔵するタンク1
3が設けられ、ヒートシンク12上に熱伝導の良いマウ
ント用真空グリース11により半導体基板試料7が取り
付けられ、窓9の上方にレーザビーム発生装置17が設
けられ、レーザビーム発生装置17は発生するレーザビ
ーム1の波長を変化させることができ、レーザビーム発
生装置17と窓9との間にビームスプリッタ3、対物レ
ンズ4が設けられ、ビームスプリッタ3の近傍に分光器
5が設けられ、分光器5で分光された光を検出する光検
出器6が設けられている。
【0017】図1に示した装置によって半導体基板試料
7の表面状態を評価するには、まず励起光であるレーザ
ビーム1を対物レンズ4によってビーム径を数μm程度
まで集光させ、図2に示すように、半導体基板試料7の
端面15を照射する。そして、半導体基板試料7からの
フォトルミネッセンス光および反射光を対物レンズ4を
通して受光し、ビームスプリッタ3でフォトルミネッセ
ンス光2と反射光とを分離させた後、分光器5および光
検出器6によってフォトルミネッセンス光2のスペクト
ルを検出する。
【0018】図3は図1に示した装置を用いて81Kの
低温で測定したノンドープ(non-dope)InPからなる
半導体基板試料7の端面(へき開面)15付近でのフォ
トルミネッセンススペクトルを示すグラフである。レー
ザビーム1としてはHe−Neレーザビーム(波長0.
633μm)を使用し、対物レンズ4によってレーザビ
ーム1は焦点位置で約3μm程度に絞られている。図3
中の線a、b、cで示されたスペクトルはそれぞれ半導
体基板試料7に対するレーザビーム1の照射位置が図4
に示されたA、B、Cの場合に対応している。
【0019】図3の線aは半導体基板試料7の上面16
にレーザビーム1が垂直に照射した場合のスペクトルで
あり、半導体基板試料7の内部のバルク状態からの発光
であるメインピーク(ピーク波長904nm)と表面状
態からの発光に対応する長波側の幅の広いサブピーク
(ピーク波長920nm付近)とが合わさったスペクト
ルとなっている。レーザビーム1を半導体基板試料7に
対して垂直に入射させていた従来のフォトルミネッセン
ス法では、このようなスペクトルが得られており、表面
状態のみを分離して評価することが困難であった。とこ
ろが、レーザビーム1の照射位置が半導体基板試料7の
端面15付近にある場合には、発光スペクトルの形状が
大きく変化する。
【0020】図3の線bは照射位置が端面15にある場
合のスペクトルである。この場合には、レーザビーム1
の一部分しか半導体基板試料7の内部に侵入していない
から、バルク状態からの発光であるメインピークの強度
が線aの場合と比較して半分近くに減少している。一
方、長波側のサブピークの強度は減少しておらず、表面
状態のみが選択的に励起されつつあることがわかる。
【0021】図3の線cは照射位置が半導体基板試料7
の端面15よりさらに15μm程度離れ、レーザビーム
1が端面15に対してほぼ平行に照射し、表面状態のみ
を励起している場合のスペクトルである。線aの場合の
スペクトルと線cの場合のスペクトルとを比較すれば明
らかなように、線cの場合にはバルク状態からの発光で
あるメインピークは完全に消失しており、表面状態から
の発光である長波側の幅の広いサブピークのみが観測さ
れている。したがって、レーザビーム1を端面15に対
してほぼ平行に照射すれば、従来のフォトルミネッセン
ス法では困難であった半導体基板試料7の内部のバルク
状態からの発光と表面状態からの発光とを完全に分離で
き、端面15の表面状態のみの光学特性を測定すること
が可能である。
【0022】このように、図1に示した装置を使用した
試料表面評価方法においては、表面状態のみの光学特性
を測定することが可能であり、表面状態のみの光学特性
の中には、表面近傍での化学組成の変化やダメージなど
に関する有益な情報が含まれているため、得られた結果
を結晶成長条件あるいはプロセス条件に反映させれば、
結晶の品質向上ならびにプロセス技術の進歩、ひいては
半導体デバイスの特性向上に飛躍的発展が期待できる。
また、レーザビーム1の波長を変化させることができ、
レーザビーム1の波長に応じて半導体基板試料7の内部
への侵入長を変化させることができるから、端面15の
表面状態の深さ方向の変化についての知見を得ることも
可能である。また、クライオスタット8は微動台14の
上に設置されており、クライオスタット8をX、Y、Z
方向にμmオーダで迅速に移動することができるから、
レーザビーム1の照射位置を半導体基板試料7の各面に
対してμmオーダで走査できるので、レーザビーム1が
端面15に対してほぼ平行に入射し、端面15の表面状
態のみを励起できる条件を容易に見出すことができると
ともに、照射エリア18を端面15内で走査できるた
め、端面15内での表面状態の分布を調べることも可能
である。また、半導体基板試料7を液体窒素温度(77
K)付近まで冷却することができるから、熱的擾乱によ
ってかき消されていた表面状態に対するより詳細な情報
を得ることができる。
【0023】(2)試料上面上方励起側方受光型方式 図5はこの発明に係る他の試料表面評価方法を実施する
ための装置の一部を示す概略斜視図である。図に示すよ
うに、図1に示すヒートシンク12上に試料取付治具3
5が取り付けられ、試料取付治具35のあおり角θを微
調整する機構(図示せず)が設けられ、試料取付治具3
5に半導体基板試料30が取り付けられ、半導体基板試
料30の上面31の近傍に受光用の光ファイバ33が設
けられている。
【0024】図5に示した装置を用いた試料表面評価方
法においては、半導体基板試料30は水平面(XY面)
に対してほぼ垂直に立った配置となる。したがって、上
方からのレーザビーム1は半導体基板試料30の上面3
1に対してほぼ平行に入射し、上面31の表面近傍のみ
が選択的に光励起される。ここで、上面31はドライプ
ロセスや結晶成長等による処理を施された結晶面であ
り、デバイス特性を決定するようなダメージを含んだ面
であるから、照射エリア32からのフォトルミネッセン
ス光34をモニタすれば、上面31の表面付近のダメー
ジに関する直接的な知見が得られる。ただし、通常半導
体基板試料30としては上面31の面積が数cm2程度
の大きさのものを扱うため、照射エリア32はかなり拡
がっているから、光ファイバ33を通してフォトルミネ
ッセンス光34を受光することにより、空間分解能を上
げることができ、より正確に測定することができる。さ
らに、微動台14を用いて照射エリア32を試料面31
内で走査すれば、ダメージ等の面内分布を測定すること
が可能となる。また、あおり角θを微調整する機構が設
けられているから、レーザビーム1の上面31に対する
入射角度を調整できるので、平行励起の条件を容易に探
すことができる。
【0025】なお、上述実施例においては、試料として
半導体基板試料7、30を用いたが、試料として各種発
光材料を用いてもよい。また、上述実施例においては、
ビーム状の励起光としてレーザビーム1を用いたが、白
色光源をレンズで集光したものなどの他のビーム状の励
起光を用いてもよい。また、上述実施例においては、ヒ
ートシンク12に冷却用の液体窒素を貯蔵するタンク1
3を設けたが、ヒートシンクに液体ヘリウムを貯蔵する
タンクを設けてもよい。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、この発明に係る試
料表面評価方法においては、励起光により試料表面近傍
のみを選択的に励起することができるから、簡便かつ迅
速に試料表面状態だけに関する発光スペクトルを検出す
ることができる。
【0027】また、励起光の波長を変化させたときに
は、励起光の試料表面への浸入深さを変化させることが
できるから、試料表面状態の深さ方法の変化を評価する
ことができる。
【0028】また、励起光の照射位置を変化させたとき
には、各照射位置からのフォトルミネッセンス光を検出
することができるから、表面状態の面内分布を測定する
ことができる。
【0029】また、フォトルミネッセンス光を光ファイ
バを介して検出したときには、有効にフォトルミネッセ
ンス光を受光することができるから、より正確に測定す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る試料表面評価方法を実施するた
めの装置を示す概略断面図である。
【図2】図1に示した装置の一部を示す斜視図である。
【図3】図1に示した装置を用いて測定されたフォトル
ミネッセンススペクトルを示すグラフである。
【図4】半導体基板試料に対するレーザビームの照射位
置を示す図である。
【図5】この発明に係る他の試料表面評価方法を実施す
るための装置の一部を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
1…レーザビーム 2…フォトルミネッセンス光 7…半導体基板試料 30…半導体基板試料 33…光ファイバ 34…フォトルミネッセンス光

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料表面にビーム状の励起光を照射して、
    フォトルミネッセンス光を検出する試料表面評価方法に
    おいて、上記励起光を上記試料表面にほぼ平行に照射す
    ることを特徴とする試料表面評価方法。
  2. 【請求項2】上記励起光の波長を変化させることを特徴
    とする請求項1に記載の試料表面評価方法。
  3. 【請求項3】上記励起光の照射位置を変化させることを
    特徴とする請求項1または2に記載の試料表面評価方
    法。
  4. 【請求項4】上記フォトルミネッセンス光を光ファイバ
    を介して検出することを特徴とする請求項1、2または
    3に記載の試料表面評価方法。
JP20319294A 1994-08-29 1994-08-29 試料表面評価方法 Pending JPH0868757A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004504595A (ja) * 2000-07-18 2004-02-12 ゲルザン エスタブリッシュメント 宝石を検査する機器
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