(57)【要約】キャリア濃度と移動度を非接触測定する装置は、マイクロ波源(16)、測定位置のサンプル(59)（例、フラットパネルディスプレイのパネルや半導体ウエハ）にマイクロ波放射を伝送する円形導波管(50)、前進マイクロ波の電力を検出する第１検出器(18)、サンプルの反射マイクロ波の電力を検出する第２検出器(23)、及びホール効果電力を検出する第３検出器(95)を含む。ＴＥ11モードだけを搬送する円形導波管(50)はサンプル(95)で終端する。サンプルの後に短絡素子(58)を配置する。サンプル面に垂直に(円形導波管(50)軸に沿って)磁界を加える。この構成で、入射ＴＥ11波が２つの反射波を生じさせ、一方は入射波と同じ偏波の普通の反射波であり、他の反射波はホール効果により生じる。偏波は前の波に垂直で、それを検出するプローブ(70)を設ける。反射波はプローブ(70)で検出する。プローブの出力は単一の検出器において前進放射の減衰および移相された部分と組合される。
2005501224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性シート材料における移動度およびキャリア濃度を測定する装置であって、
マイクロ波供給源と、
上記マイクロ波供給源からマイクロ波放射を受信するよう配置された円形導波管と、
上記円形導波管から伝送されたマイクロ波放射を受信するために測定位置にシート材料品を配置するよう適合化されたマウントと、
試験位置に磁界を誘導するよう配置された磁石と、
上記マイクロ波放射供給源の電力を検出する第１の検出器と、
上記測定位置においてシート材料品から反射されたマイクロ波放射の電力を検出する第２の検出器と、
ホール効果マイクロ波電力を検出する第３の検出器と、
を具える、装置。
【請求項２】
さらに、上記円形導波管中に配置されていて上記第３の検出器に結合されたプローブを具える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
さらに、上記マイクロ波供給源からのマイクロ波放射を受信するよう配置された方向性結合器を具え、
上記方向性結合器はサイド・ブランチおよびメイン・ブランチに結合されており、上記メイン・ブランチは上記円形導波管に結合されており、上記サイド・ブランチは上記第３の検出器に結合されているものである、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
上記サイド・ブランチは可変減衰器および可変移相器を経て上記第３の検出器に結合されてるものである、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
さらに、上記検出器からのデータを受信し、該データに基づいて移動度およびキャリア濃度を計算する計算手段を含むものである、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
さらに、上記マイクロ波供給源と上記円形導波管の中間に介在する通常の導波管を具え、
上記円形導波管は上記通常の導波管に対して可調整的に配置されているものである、請求項1に記載の装置。
【請求項７】
上記第２の検出器が上記通常の導波管中における反射されたマイクロ波電磁界の強度を検出するよう配置されている、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
さらに、上記測定位置における磁界強度を検出する検出器を具えうる、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
導電性シート材料における移動度およびキャリア濃度を測定する方法であって、
マイクロ波供給源からマイクロ波放射を発生させるステップと、
上記発生されたマイクロ波放射のＴＥ１１モードのみを導電性短絡素子と測定位置に配置されたシート材料サンプルに連続的に伝送するステップと、
上記の伝送するステップの期間中に、第１の選択された強度の磁界を上記測定位置に供給するステップと、
第２の選択された強度の磁界を用いて、上記の磁界を供給するステップを反復するステップと、
上記の伝送するステップの期間中および上記の供給するステップの期間中に、前方向位置におけるマイクロ波電磁界の強度を検出するステップと、
上記の伝送するステップの期間中および上記の供給するステップの期間中に、上記導電性短絡素子およびサンプルの各々から反射された反射マイクロ波電磁界の強度を検出するステップと、
上記の伝送するステップの期間中および上記の供給するステップの期間中に、ホール効果反射マイクロ波電磁界の強度を検出するステップと、
検出されたマイクロ波電磁界の強度に基づいて移動度およびキャリア濃度を計算するステップと、
を含む、方法。
【請求項１０】
上記の伝送するステップは、円形導波管を通してマイクロ波放射を伝送することを含むものである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
上記のホール効果反射マイクロ波電磁界の強度を検出するステップは、上記円形導波管中にプローブを設け、該プローブからの信号を結合器に伝送し、同時に上記マイクロ波供給源からの信号の減衰され且つ移相された部分を上記結合器に伝送し、さらに上記結合器の出力を検出器に伝送することを含むものである、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
上記の伝送するステップは、マイクロ波放射を通常の導波管を通して円形導波管に伝送することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
上記の反射マイクロ波電磁界の強度を検出するステップは、上記通常の導波管におけるマイクロ波電磁界の強度を検出するよう配置された検出器において上記反射マイクロ波電磁界の強度を検出することを含むものである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
さらに、マイクロ波電磁界の値を検出している間に、上記円形導波管の位置を調整するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、上記の伝送するステップと同時に磁界強度を検出するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願に記載された発明は、材料の非破壊的測定およびマッピングに関するものであり、特に、半導体ウエハおよびフラット（平面）パネル・ディスプレイにおけるキャリア濃度（carrier concentration：キャリア集中度）および移動度（mobility：モビリティ）、およびシート抵抗の測定においてマイクロ波を使用する非破壊的測定およびマッピングに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓウエハのシート抵抗の測定にマイクロ波を用いる既存の装置は、薄いキャップ層（cap layer）を有するウエハを正確に測定できない３００オームの特性インピーダンスを有するＸバンド（帯域）導波管構成を用いる。そのような装置はノーマン  ブラスロー（Norman Braslau）氏に付与された米国特許第4,605,893号に記載されている。これらの装置の１つの欠点は、２次元（２Ｄ）チャンネル層とキャップ層とを含む例えば高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）ウエハのような層を含むウエハにおける複数の導電層の特性を各別に測定することができないことである。従って、そのような既存のシステムでは、キャップ層の導電度（コンダクタンス）に比してチャンネル層の移動度を増加させるためには絶対温度３００度Ｋより低い温度、例えば絶対温度７７度Ｋでシート抵抗および移動度を測定しなければならない。また、これらの装置では関係する較正（calibration）手順が必要となる。
【特許文献１】
米国特許第4,605,893号
【０００３】
シート抵抗および移動度を測定するための破壊的技術も知られている。しかし、そのような技術は必然的に測定されるウエハまたはその他の材料に損傷を与える。
【発明の開示】
【０００４】
発明の概要
シート材料の移動度およびキャリア濃度の非破壊的測定のための装置は、マイクロ波供給源と、このマイクロ波供給源から受信した（受け入れた）マイクロ波を、例えば半導体ウエハまたはフラット・パネル・ディスプレイのような導電性シート材料に伝送する（当てる）ように構成された円形導波管と、前進（前方向）マイクロ波電力（forward microwave power）を受信する第１の検出器と、その材料から反射されたマイクロ波電力を検出する第２の検出器と、ホール効果電力（Hall effect power）を検出する第３の検出器と、を含んでいる。円形導波管は、ＴＥ１１モードのみを搬送（carry）し、ウエハによって終端（成端）され、そのウエハの１／４波長分だけ背後の位置に短絡素子（short）が配置される。ウエハの面に垂直に（且つ導波管の軸に沿って）可変磁界が加えられている。この構成では、所与の入射ＴＥ１１波は２つの反射波を生じさせる。その１つは入射波と同じ偏波（polarization、偏波面）を有する通常の反射波である。この反射波はシート抵抗を測定するのに使用される。他の反射波はホール効果によって生じたものである。その偏波は、前者の反射波（の偏波）に垂直で、適当に構成されたプローブによって別に検出できる。
【０００５】
導電性シート材料における移動度およびキャリア濃度を測定する装置は、マイクロ波供給源と、そのマイクロ波供給源からのマイクロ波放射を受信するように配置された円形導波管と、その円形導波管から伝送されたマイクロ波放射を受信するために測定位置にシート材料物品（アイテム）を配置するように適合化されたマウント（取付け台）と、その測定位置に磁界を誘導するように配置された磁石（マグネット）と、そのマイクロ波放射供給源の電力を検出するように配置された第１の検出器と、その測定位置においてシート材料物品から反射されたマイクロ波放射の電力を検出するように配置された第２の検出器と、ホール効果マイクロ波電力を検出するように配置された第３の検出器と、を含んでいる。測定位置における磁界強度を検出するための第４の検出器を設けてもよい。
【０００６】
導電性シート材料における移動度およびキャリア濃度を測定する方法は、マイクロ波放射を発生させることと、その発生されたマイクロ波放射のＴＥ１１モードのもののみを導電性短絡素子とシート材料サンプルに連続的に伝送することと、その伝送ステップ期間中に或る選択された強度の磁界を供給することと、前方位置（forward position）においてマイクロ波電磁界の強度を検出することと、その導電性短絡素子およびサンプルの各々から反射されたマイクロ波電磁界の強度を検出することと、ホール効果マイクロ波電磁界の強度を検出することと、検出されたマイクロ波電磁界の強度に基づいて移動度およびキャリア濃度の値を計算することと、を含んでいる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、導電性材料におけるシート抵抗およびキャリア濃度（carrier concentration）を測定する装置および方法を含んでいる。この装置はマイクロ波供給源を含み、そのマイクロ波供給源の出力は導波管構成（導波管配列）に結合され、その導波管構成内で入射波の小量部分が向きを変えられ（diverted、変向され、転向され）、入射波の大部分はメイン・ブランチ（主分岐部分）に沿って伝送される。メイン・ブランチは円形導波管に結合される。円形導波管はマイクロ波放射のＴＥ１１モード（transverse electric １，１）のみを伝送する。円形導波管は接続部（インタフェース）において放射波を受信し、その放射波を、例えば短絡素子またはウエハのような導電性試験物品（アイテム、素子）、または試験すべきその他の導電性シート物品を支持するためのマウントを具えた試験領域に出力する。試験領域に磁界を与えるための磁石（マグネット）が設けられる。本発明の方法および装置では、シート抵抗およびキャリア濃度の計算において少なくとも４つの値が検出される。全マイクロ波電力の出力を検出するための検出器が設けられている。入射波と同じ偏波をもった通常の反射波の強度を検出するための第２の検出器が設けられている。入射波の偏波とは反対の（逆の、異なる）偏波の第２の反射波を検出するための第３の検出器が設けられている。この反射波を検出するために好ましくはホール効果（Hall Effect）プローブが設けられ、そのプローブは方向性結合器（カプラ）に電気的に結合される。入射波の変向された部分は、また、減衰器および移相器（位相偏移器、フェーズ・シフタ）を通過した後、較正のためにそのホール方向性結合器（Hall directional coupler）に結合される。次いで、このホール方向性結合器は検出器に結合される。第４の検出器が磁界強度を検出する。
【０００８】
図１および図２は本発明による装置１０の構成要素を概略的に示している。装置１０は、周波数約１０ＧＨｚのマイクロ波を供給し得るマイクロ波供給源モジュール１５を含んでいる。但し、その他の周波数が使用されてもよい。例えば、ウエハまたはその他の物品（アイテム）上のより小さい測定領域を試験することを可能にするために、より高い周波数が使用されてもよい。供給源モジュール１５は、例えばガンダイオード（Gunn Diode）を含んでいてもよく、また他の供給源が用いられてもよい。供給源モジュール１５は例えばガンダイオードのようなマイクロ波供給源１６を含み、そのマイクロ波供給源１６は導波管を通してアイソレータ（分離装置）１７に結合されている。アイソレータ１７は、放装置１０における他のいずれかの位置からの放射波が供給源１５に入るのを防止するための通常の設計または他の適当な設計のものであればよい。供給源モジュール１５は、さらに、マイクロ波電磁界の強度を検出するための電力検出器１８を含んでいる。検出器１８は前進（前方向）電力（forward power）検出器とも称される。
【０００９】
供給源モジュール１５の出力は前進電力の小部分をサイド・ブランチ（side branch、側方分岐部分）に変向する（divert）手段に結合されてもよい。前進電力の小部分をサイド・ブランチに変向する手段は結合器２１でよい。結合器２１は、例えばクロス・ガイド（cross guide、交差導波管）結合器でよく、具体的には例えば２０ｄＢのクロス・ガイド結合器でよい。前進電力の一部の変向は、加えられる磁界が存在しないときにホール効果プローブを適正に０（ゼロ）に較正するときに使用される。磁界が存在しないときにホール効果プローブを０（ゼロ）に超精密に相関させるのに使用できる適正な位相をもった非常に小さい信号を生成するために、サイド・ブランチ２２は単一のコンピュータ制御可変減衰器３５およびコンピュータ制御可変移相器４０を有する。可変減衰器および可変移相器は好ましくはコンピュータ制御であるので、調整は容易に行われる。原理的には可変減衰器および移相器は手動調整可能であることは理解されよう。
【００１０】
結合器２１の主出力はメイン・ブランチ２４と称される。メイン・ブランチ２４は好ましくはマイクロ波放射を転換部（transition、変換部、移行部、遷移部）２５に伝送するための導波管を有する。メイン・ブランチ２４は通常の矩形導波管２０を含んでいてもよい。図２に示されているように、メイン・ブランチ２４中に設けられた反射電力検出器２３が示されている。反射電力検出器２３は転換部２５から結合器２１に向けて伝送されるマイクロ波電力を検出する。反射電力検出器２３は、試験物品で反射されてメイン・ブランチ２４に戻された電力を検出する。
【００１１】
上述のように、円形導波管は供給源１５からのマイクロ波放射を受信するように配置される。具体的には、円形導波管５０は結合器２１およびメイン・ブランチ２４を経て供給源１５に結合される。通常の矩形導波管２０は、整合された転換部２５を経て円形導波管５０に結合される。円形導波管５０は円形断面をもった筒状（柱状）導波管である。円形導波管５０は放射波のＴＥ１１モードのもののみを伝送する。円形導波管接続部２５は例えば図２に示されているように円形導波管５０に結合される。円形導波管５０を通常の導波管２０に結合するためには、信号強度の反射および損失を最小にするように注意深く較正しなければならない。較正手順については以下で説明する。円形導波管５０は通常の導波管２０の長手軸に垂直になるように接続部２５上に取り付けられる。接続部２５に対してその長手軸に沿って円形導波管２５の位置を調整することによってその較正が行われる。一実施形態では、円形導波管５０は接続部２５上のネジ付き軌道（threaded track）中に設置される。円形導波管５０を回転させるハンドルの形態の円形導波管調整器５５が設けられ、これによって円形導波管５０の垂直位置が調整され得る。
【００１２】
円形導波管５０から伝送されたマイクロ波放射が受信される測定位置にシート材料のサンプルを保持するためのマウント６０が設けられている。そのサンプルはウエハまたはその他の導電性試験材料５９であればよい。マウント６０は真空チャックの形態のものでよい。マウント６０を正確に動かすための短い同調調整部６５が設けられている。接続部２５とは反対側の円形導波管５０の端部にウエハまたはシート形態のその他の材料を保持するように適合化されたマウント６０が設けられている。ウエハまたはその他の材料に対して円形導波管５０の開口部の反対側に移動式短絡素子５８が設けられている。短絡素子５８はウエハまたはその他の材料から１／４波長分だけ離して配置されている。短絡素子５８は、例えば銅被覆回路板のような導電性シート形態のものである。
【００１３】
上述のように、メイン・ブランチ２４およびサイド・ブランチ２２に分波される前の前進電力を検出するために供給源モジュール１５内に検出器１８が配置される。反射されたマイクロ波電力を検出するために検出器２３がメイン・ブランチ２４中に配置されている。検出器２３によって検出された反射放射波は前進マイクロ波放射と同じ偏波を有する。真空チャック内に配置された材料から反射されたホール効果マイクロ波放射を検出するためにホール・プローブ（Hall probe）７０が円形導波管５０に挿入されて配置される。ホール効果放射波は入射波の偏波に対して垂直な偏波有する。以下で説明するように、ホール効果放射波のみがホール検出器９５によって検出されるように較正処理が行われる。
【００１４】
ホール・プローブ７０は同軸ケーブル（ライン）７５を経て方向性結合器８０の入力に結合される。方向性結合器８０は２０ｄＢの方向性結合器であればよい。ブランチ２２の出力は、減衰器モジュールおよび可変移相器（位相シフタ）を通過した後、方向性結合器８０の入力に結合される。方向性結合器８０の出力はホール検出器９５に結合される。後で説明するように、ホール検出器９５が前進放射波の偏波に垂直な偏波を有する放射波のみを検出するように較正処理が行われる。従って、ホール検出器９５によって検出された放射波はサンプルから反射されたホール効果放射波である。
【００１５】
転換部、円形導波管およびマウントの典型例の実施形態について以下で詳細に説明する。図３は接続部２５の一部を切り欠いた等角斜視図である。図４は図３の線４−４に沿った断面図である。接続部２５は、その一端が通常の導波管２０に結合された１次（プライマリ）矩形チャンバ１００を有する。矩形チャンバ１００の上面には開孔が設けられており、これに円形導波管５０が取り付けられる。通常の導波管２０とは反対側の接続部２５の内部には開口を完全に満たすビーム・ストップ（beam stop）１１５が設けられており、その１２０で示す位置に好ましくは垂直に対して３０度の角度のテーパ面を有する。円形導波管５０と通常の導波管２０の間の接続部における反射および損失を最小にするために接続部２５を別の設計に変更できることは、当業者には明らかである。図３および図４において、円形導波管５０はその上端にプローブ・フランジ１０７を有し、その中の１１０においてプローブ用の開口が設けられていることが判る。ホール・プローブが１１０に挿入されていてもよい。
【００１６】
図５は、円形導波管５０、ホルダまたはマウント６０、および関連する典型例のハードウェアを含む典型例の構成を示す側面図である。ホルダまたはマウント６０は、円形導波管５０からのマイクロ波放射を受信するようにシート材料物品を配置するのに役立つ。接続部２５に結合された通常の導波管２０が示されている。接続部２５は円形導波管５０に結合された状態で示されている。プローブ・フランジ１０７は、接続部２５との結合部とは反対側の円形導波管の端部に配置されていて、真空チャックの形態でホルダ６０に対向（対面）してる。真空チャック６０はチャック・ホルダ６２であるアームによって支持される。チャック・ホルダ６２は可調整ネジ棒（screw）１２１、１２２によって支持され、それによって真空チャック６０の位置を２つの軸内で調整することができる。ネジ棒１２１、１２２はブリッジ１２４上に支持されており、ブリッジ１２４はそれ自体１２５、１２６で図示のように調整可能に取り付けられている。ブリッジ１２４中のいかなる振動が伝わるのを低減するためにスプリング１２３がネジ棒１２２上に設けられていてもよい。ホルダ６０を円形導波管５０に対して位置決めするためにその他の構成を用いてもよいは理解されるであろう。図５は必要な磁界を与える磁石１３０の位置を概略的に示している。磁界は、ウエハまたはその他のサンプルの面に垂直に且つ円形導波管５０の長手軸に沿って加えられる。所望の磁界強度を与えるための１つ以上の適当な磁石の設計はこの分野の専門家のレベルの範囲内のものである。以下で説明するように、一例では、ホルダ中に配置されたウエハまたはその他の物品における磁界強度は最大で９ｋＧまでであることが望ましい。
【００１７】
次に装置の較正（calibration）および動作について説明する。この処理の全体は室温で行えばよい。室温は人間が快適に作業することができる温度範囲を含んでいると理解される。室温は、大気圧での液体窒素の沸点のような低温を除く。ホール検出器ケーブル、入力または前進電力位置および反射電力位置に電圧計を接続することが好ましい。磁界の強度を測定するためにガウス・メータが設けられる。ＲＳ２３２またはＩＥＥＥ４８８バス通信（bus communication）を有する市販のメータが使用されることが好ましい。銅被覆ＰＣボード（ＰＣ板）のような短絡素子（short）５８が真空チャック上に置かれて配置が定められる。コンピュータ制御減衰調整器３５は最大値まで増大される。円形導波管５０の位置はホール検出器９５で最小の電圧が検出されるように調整される。次に、ホール検出器電圧計をモニタしながら、検出電圧を最小値にするようにコンピュータ制御減衰調整器３５が調整され、好ましくはコンピュータ・ソフトウェアを用いて自動的に調整される。次に、ホール検出電圧が最小値になるようにコンピュータ制御位相調整器４０が調整され、好ましくはコンピュータ・ソフトウェアを用いて自動的に調整される。減衰調整および位相調整は、ここで最小値が検出されるようにコンピュータ・ソフトウェアを用いて自動的に調整される。ホール検出器の電圧、前進検出器の電圧、および反射検出器の電圧が記録される。短絡素子は取り外されて、検査されるべきサンプルと置換される。真空チャック位置にある短い同調調整器６５は最小反射電力が得られるように調整される。円形導波管調整器５５、減衰調整器３５および位相調整器４０は、全て、ホール検出器で最小になるように調整される。次いで、これらの３つの電圧は、０（ゼロ）磁界強度に対して記録され、次に段階的（連続的）に増大するより大きな磁界に対して記録される。磁界の強度は最小で０〜９ｋＧの範囲にある。好ましくは、磁界は、所望の磁界が得られるように磁石への電力供給を制御するコンピュータ・ソフトウェアを用いて自動的に変化させられる。原理的には、更なる発展とともに、その方法に従ってかなり低い磁界強度を用いることもできるであろう。磁界の値の数と、磁界の値の相互間の間隔とは、分析の精度を最大にするように最適化することができる。
【００１８】
次いで、そのデータが解釈（分析）されて、移動度（mobility）およびシート抵抗の表示度数（readings）が得られる。図６を参照すると、ソフトウェアの概要が示されている。そのソフトウェアは、インテル・ペンティアム（Intel Pentium（登録商標））またはプロセッサとして互換性のあるチップ、およびＤＯＳまたはウィンドウズ（登録商標）（Windows（登録商標））ＯＳ（オペレーティング・システム）を用いてパーソナル・コンピュータに書き込めばよい。上述のハードウェア・システムは、全体がブロック６００によって示される。第１のモジュール６０５は信号捕捉および制御モジュールである。このモジュールは上述の装置中の検出器から信号を受信し、可変移相器および減衰器モジュール並びに磁石を制御する。受信した信号は、ホール電力検出信号、Ｃｕ短絡素子およびウエハの前進電力検出信号、Ｃｕ短絡素子およびウエハの反射電力検出信号、および磁界強度検出信号である。これらの信号はアナログ−デジタル変換器を通過し、モジュール６０５はデジタル出力からそれらの値を得る。いったんこれらの信号が捕捉されると、対応する電圧入力値が信号相関モジュール（Signal Correlation Module）６１０に渡されてさらに処理が施される。
【００１９】
信号相関モジュール６１０は信号捕捉モジュール６０５からの入力を生の入力電圧として受信する。これらの電圧は正しい工学単位（engineering units）で値を求めるためのアルゴリズムに入力される。このステップは直接的相関（straightforward correlation）である。
【００２０】
信号相関モジュール６１０の出力は変換モジュール（transformation module）６１５によって受信される。変換モジュールはその出力をシグマ出力ファイル構成（Sigma Output file structure）６２５に変換し、次いでその構成が移動度スペクトル分析モジュール（Mobility Spectral Analysis Module）６０３によって読み取られる。シグマ出力ファイルは一般的試験情報の１４本のラインからなり、典型的にはサンプル名、日付、および同様の情報を含み、その後にサンプルの厚さを含むラインが続き、その後にホール・データを収集した各磁界用のラインが続く。これらのデータ・ラインの各々は、磁界、シグマ＿ＸＸ（Sigma ＸＸ）、ＳＤ＿ＸＸ、シグマ＿ＸＹ（Sigma＿ＸＹ）およびＳＤ＿ＸＹに対するタブ分離エントリ（タブ分離項目：tab-separated  entries）を含む。ここで、ＳＤ＿ＸＸおよびＳＤ＿ＸＹは、それぞれシグマ＿ＸＸ値、およびシグマ＿ＸＹ値に対する標準偏差である。全てのエントリはＭＫＳＡ単位であり、即ち、厚さはメートル、磁界はテスラ（Tesla）、導電率はジーメンス／メートル（Siemens／meter）である。このファイルは、最終的な移動度の値および電荷キャリア密度（charge carrier density）を求めるための移動度スペクトル分析モジュール（Mobility Spectral Analysis Module）の入力として用いられる。このモジュールは２つの別々のプログラムを実行できるもので構成されており、それらのものは、磁界依存性ホール・データ（Hall data）を分析するために様々な数学的計算を実行する。これらのモジュールは、シグマ出力ファイル（Sigma Output file）からの入力データを読み取り、それぞれのピークが個々のキャリア・タイプの存在を表す移動度スペクトルを含む移動度スペクトル出力ファイル６３５と、これらのキャリア・タイプに対する最も可能性のある（最尤の）移動度および電荷キャリア密度値を含むマルチ・キャリア・フィット・ファイル（Multi-Carrier-Fit file、多キャリア適合性ファイル）６４０と、を発生する。
【００２１】
移動度スペクトルのピークより正確なまたは定量的な解を見つける唯一の方法は、標本中のキャリアについて仮定を行うことによって可能な解の範囲を限定することである。例えば、マルチキャリア・フィッティング（Multi-Carrier fitting）技法は、各々が個々の移動度を有する固定された数のキャリアが存在するという明示的仮定を行う。
【００２２】
ソフトウェアで実行される計算は次の原則に基づいている。ウエハの背後にある空洞の後部にあるマイクロ波短絡素子が適当な距離に調整されているとき、振幅反射係数Γ、ウエハのシート抵抗Ｒ、およびＴＥ11モードに対する円形導波管のインピーダンスＺの間の関係は、
Γ＝（Ｒ−Ｚ）／（Ｒ＋Ｚ）
である。
例えば半径が１．０４５ｃｍの円形導波管の場合、インピーダンスは６９７．５オーム／平方（Ohm／square）となることが判っており、薄いキャップの正確な測定が可能になる。
【００２３】
ウエハにおけるマイクロ波電界を決定しなければならない。例えばＥXのような種々の軸における電界の振幅は、ＥX＝（１+Γ）（Ｐincident／Ａ）1/2およびＥy＝（ＰHall／Ａ）1/2で表される。x方向では、振幅は入射波と反射波の振幅の和または伝送波（定在波）の振幅になる。ｙ方向では、唯一の伝播マイクロ波信号はホール波（Hall wave）で、これはウエハにおいて発生され、反射方向で検出される。値Ａは定数であり、この定数は導波管モードの円形断面を横断する積分によって決定される。軸に依存する導電率σxxまたはσxyは以下の値を用いて表すことができる。
σxx＝（１／Ｚ）（１-Γ2-Ｆ2）／（（１+Γ）2+Ｆ2）、および
σxy＝（Ｆ／（２Ｚ（１+Γ））（（１+Γ）（３-Γ）-Ｆ2）／（（１+Γ）2+Ｆ2）
ここで、Ｆ＝Ｅ-y1／Ｅ+x1である。また、励起されたＴＥ11モードに対して局部的に垂直な電流は直交ＴＥ11モードに正確に結合することはないので、Ｆの理論値に乗ずるのに用いる定数の係数が存在する。この定数は積分によって求めることができ、０と１の間の値を有する。上の分析では、ウエハの近傍で発生する別のＴＥ11モードは無視できると仮定している。ある場合にはこれは有効ではない。そのような場合に対して、マルチモード分析（multi-mode analysis）が開発され、その分析は反射マイクロ波電力からシグマ＿ＸＸ（Sigma＿ＸＸ）およびシグマ＿ＸＹ（Sigma＿ＸＹ）を決定するのに使用できる。
【００２４】
移動度を求めるために、上述の計算結果は検出された磁界強度Ｂと共に使用される。単一の導電層中の１つのキャリアの種に対して、キャリア移動度は、
μ＝（σxy／Ｂ）σxx
で与えられる。
【００２５】
マルチキャリア・フィッティング（Multi-Carrier fitting）手順は次のように動作する。第１に、プログラムはフィット（適合）したホール・データ（Hall data）と測定されたホールデータ（σxxおよびσxy）の間の最小２乗偏差（least-squares 1deviation）を最小にするシンプレックス法（単体法：Simplex method）を用いて単一キャリアに対する最適のフィット（適合性）を決定する。測定されたデータの各々の不確実性を用いて最小２乗和（least-squares sum）中の各項を重み付けし、それによって最適の（最も可能性のある、最尤の）解が求められる。導出された移動度およびキャリア密度の不確実性は、（解における）最小のヘッシアン・マトリックス（Hessian matrix）の各成分から推定される。
【００２６】
次に、プログラムは２つのキャリアを用いて最適フィットを決定する。シンプレックス手順における開始値は、予め決定された単一のキャリアを僅かにより高いおよびより低い移動度（のものに）に変位させることによって得られる。シンプレックス手順は、ここでは変化する２つの移動度が存在することを除けば、単一キャリアに対する手順と同じである。ここでも、導出された各パラメータの不確実性は、単一キャリアについて述べたように、再度決定される。また、プログラムは、統計的Ｆ試験（statistical F-test）を用いて、第２のキャリアの重要性（重み）を推定する。即ち、それは、第２のキャリアの付加によって、第２のキャリアがおそらく存在すると結論付けるのに充分なだけフィット（適合性）が改善されたかどうか、を推定する。これは、ユーザがサンプル中に存在する統計的に重要なキャリアの数を推定する（評価する）ことを可能にするので、非常に有用な特徴である。１回につき１つのキャリアを付加して、それまでの付加されたキャリアの重要性を推定するこの手順は、キャリアの数が磁界の数の２分の１を超えるまで継続され、超えた時点でこの手順は終了する。
【００２７】
前述の技法を既知の破壊的技法、即ち接触による単一磁界ＤＣホール技法（contacted single magnetic field ＤＣ Hall）と比較した試験結果の概要を以下に示す。
【００２８】
表
ＰＨＥＭＴ試験結果の要約
Ａ−接触形単一磁界ＤＣホール
Ｂ−非接触形多磁界ＲＦ
2005501224.tif 000003
【００２９】
分析ソフトウェアは、全体の半導体ウエハまたはフラット・パネル・ディスプレイ材料を非破壊的な非接触測定を行う際に、最小限の訓練しか積んでいない作業員（オペレータ）によって使用されるように提供され得る。経験を積んだ研究員には、利用可能な試験パラメータを容易に変化させることによって深い研究を行う能力が提供される。そのような試験パラメータには、ブランチに沿ったマイクロ波信号の磁界強度、減衰および位相が含まれる。また、そのソフトウェアは、移動度のスペクトルのプロットを、移動度の関数としての導電度および濃度と共に含んだグラフィック表示を行うようにしてもよい。
【００３０】
磁界の関数としてのキャリア濃度および移動度のプロットは、各磁界（フィールド）のデータに対する単一キャリア解を用いて表示される。単一キャリア解は分析の一般的なチェックとして使用され、単一キャリアを有するサンプルは、磁界に関係なく、同じキャリア濃度および移動度を呈する。逆に、１つより多い（２つ以上の）検出可能なキャリアを有するサンプルは、磁界の関数としての変化を示すことになる。
【００３１】
全ての結果は、ソフトウェアのテキスト・ウィンドウ中にシート濃度数値として表示されてもよい。電気的キャリアの容積測定濃度（volumetric concentration）の計算はソフトウェアの結果スクリーン（result screen）のウィンドウをチェックすることによって開始できる。この動作が選択されると、単一キャリア解がマルチキャリア技法によって抽出されて、層の厚さおよびキャリア・タイプに対するエントリ・フィールドと共に別のウィンドウ中に表示される。次に、この情報は上面およびエピ基板（epi-substrate、単結晶基板）界面からの空乏幅（depletion width）が計算されて、それによって導電層の真の厚みが得られる。
【００３２】
サンプルに対する試験を遂行し、円形導波管５０の中心軸に垂直な面内にあるマウント中でそのサンプルを移動させ、この試験を反復することによって、層を横切る移動度およびキャリア濃度の変化を検出し得ることが分かる。この処理は移動度およびキャリア濃度のマップを求めるために反復されてもよい。
【００３３】
以上、本発明を特定の実施形態について説明したが、本発明の精神および範囲内で変更および置換が可能なことは、この分野の専門家には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は本発明による装置の概略図である。
【図２】図２は本発明による装置の概略図である。
【図３】図３は本発明による装置の部分斜視図である。
【図４】図４は図３の装置の断面図である。
【図５】図５は本発明による装置を示す図である。
【図６】図６は本発明に従って使用されるソフトウェアのフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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