(57)【要約】【課題】光変調励起反射分光法において、測定波長範囲に含まれる波長を有する安価な励起光光源を用いることができ、且つノイズを有効に除去できる技術を提供する。【解決手段】試料Ｓへ分光されたプローブ光を照射するプローブ光照射部３０と、試料Ｓのプローブ光が照射される領域へ、該プローブ光を変調するための励起光を照射する励起光照射部３２とを備え、プローブ光と励起光とが、共に直線偏光されたものである光変調励起反射分光装置において、これらプローブ光と励起光との直線偏光方向を、６０度以上、１２０度以下の角度だけ相互にずらすために、直線偏光方向ずらし手段として、第１の直線偏光フィルタ４０、及び第３の直線偏光フィルタ４４を設けた。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料へ分光されたプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、
前記試料の前記プローブ光が照射される領域へ、該プローブ光を変調するための励起光を照射する励起光照射手段と、を備え、
前記プローブ光と前記励起光とが、共に直線偏光されたものである光変調励起反射分光装置において、
これらプローブ光と励起光との直線偏光方向を、６０度以上、１２０度以下の角度だけ相互にずらす直線偏光方向ずらし手段を備えたことを特徴とする光変調励起反射分光装置。
【請求項２】
請求項１記載の光変調励起反射分光装置において、
前記励起光照射手段が、当該励起光の光源として半導体レーザを備え、
前記直線偏光方向ずらし手段が、前記半導体レーザから前記試料へ至る光路上に配置されて、該半導体レーザからの出射光を直線偏光する第１の直線偏光手段を含んで構成されていることを特徴とする光変調励起反射分光装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光変調励起反射分光装置において、
前記試料から前記検出手段へ至る光路上に、前記反射光を直線偏光する第２の直線変更手段を備えたことを特徴とする光変調励起反射分光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置のバンド構造の評価等に用いることができる光変調励起反射分光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体装置のバンド構造の解析等に光変調励起反射分光法が用いられている（例えば、特許文献１，２参照）。図４は、従来の光変調励起反射分光装置を示す。この装置において、プローブ光光源２からのプローブ光は、分光器４によって分光され、可変ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ６によってその強度が調整され、集光レンズ８によって集光されて試料Ｓに照射される。また、励起光光源１０からの励起光も、該励起光を所定の周期でパルス化するチョッパ１２を介して、試料Ｓ上のプローブ光が照射されている領域に断続的に照射される。これにより、プローブ光が変調される。尚、励起光光源１０としては、ガスレーザが用いられる。
【０００３】
一方、試料Ｓからの反射光は、レンズ１４等を介して検出器１６に入射される。検出器１６では、これに入射した反射光の強度を表す電気信号が検出される。その電気信号はロックインアンプ１８及びコンピュータ２０へ出力される。ロックインアンプ１８には、該電気信号の他、チョッパ１２の変調周期に等しい同期パルス信号も入力される。従って、該ロックインアンプ１８では、該電気信号を該同期パルス信号に位相同期させて増幅することにより、反射光中の変調成分の強度ΔＲを取り出すことができる。
【０００４】
コンピュータ２０には、その変調成分ΔＲの他、前述した反射光の強度を表す電気信号も入力される。従って、該コンピュータ２０では、反射光の強度の直流成分ＲでもってΔＲを規格化（割算）してΔＲ／Ｒを求めながら、モータ制御部２２を介して分光器４の選別波長を走査することにより、波長λ又はフォトンエネルギＥに対する規格化された変調成分（ΔＲ／Ｒ）の変化を測定できる。尚、コンピュータ２０により、モータ制御部２２を介して可変ＮＤフィルタ６における透過光量も制御される。
【０００５】
該方法では、半導体装置（試料）の反射スペクトルを測定する際に、該半導体装置のバンドギャップよりも大きなエネルギを有する励起光を変調して照射し、変調に同期した反射光のスペクトル変化を測定する。この変化分から半導体のさまざまなバンド構造パラメータや、内部電界強度を解析できる。具体的には、インジウム・ガリウム・リンを使用したヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウエハにおいては、該方法によって非接触、且つ非破壊でエミッタ層であるインジウム・ガリウム・リン層のバンドギャップが測定でき、またｐ−ｎ接合界面の内部電界強度を解析できる。更に、内部電界強度からは、トランジスタの特性上重要なエミッタ容量及びコレクタ容量を推定できる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−３７９５８号公報（第３−４頁，第１図）
【特許文献２】
特開平７−４３２９４号公報（第３−４頁，第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光変調励起反射分光法において検出する反射光の変化（変調成分）は微弱である。従って、励起光光源等からの漏洩光が存在する場合には、これが相対的に大きなノイズとなって、測定精度を悪化させることになる。そこでその対策として、バンドパス（ローパス）フィルタを検出器１６の直前に設置したり、つや消し処理した金属等で光路を覆うこと等によって、漏洩光を除去することが考えられる。
【０００８】
しかしながら、この方法では、励起光の波長を、スペクトルを測定したい波長範囲よりも常に短波長としなければならない。例えば、試料Ｓがインジウム・ガリウム・リンである場合には、測定波長範囲が９２０〜５５０［ｎｍ］であるから、励起光光源１０としては、５３０［ｎｍ］より短い波長を有するものが必要となる。従って、安価な半導体レーザを励起光光源１０として使用できず、高価で、且つ付帯設備の必要となるガスレーザを使用せざるを得ない。
【０００９】
また将来、チッ化ガリウム系の試料を評価する場合には、３００［ｎｍ］以下の更に短波長測定が必要となり、一層高価なガスレーザを選択しなければならなくなる。
【００１０】
そこで本発明は、光変調励起反射分光法において、反射光の変調成分の測定波長範囲に含まれる波長を有する安価な励起光光源を用いることができ、且つノイズを有効に除去できる技術の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、試料へ分光されたプローブ光を照射するプローブ光照射手段と、前記試料の前記プローブ光が照射される領域へ、該プローブ光を変調するための励起光を照射する励起光照射手段とを備え、前記プローブ光と前記励起光とが、共に直線偏光されたものである光変調励起反射分光装置において、これらプローブ光と励起光との直線偏光方向を、６０度以上、１２０度以下の角度だけ相互にずらす直線偏光方向ずらし手段を備えたことを特徴とする光変調励起反射分光装置が提供される。
【００１２】
前記励起光照射手段は、当該励起光の光源として半導体レーザを備え、前記直線偏光方向ずらし手段は、前記半導体レーザから前記試料へ至る光路上に配置されて、該半導体レーザからの出射光を直線偏光する第１の直線偏光手段を含んで構成するのが好ましい。
【００１３】
前記試料から前記検出手段へ至る光路上には、前記反射光を直線偏光する第２の直線変更手段を備えるのが好ましい。この第２の直線偏光手段は、その直線偏光方向が、当該第２の直線偏光フィルタを透過する前記反射光の強度が最大となるように配置するのが好ましい。
【００１４】
【作用】
励起光照射手段から照射される励起光のみならず、プローブ光照射手段から照射されるプローブ光も直線偏光されたものとすると共に、両者の直線変更方向を異ならしめることにより、試料から反射する光のうち、変調されたプローブ光だけを、励起光の漏洩光等から確実に分離して取り出すことができるようになる。またノイズレベルは、プローブ光と励起光とにおける直線偏光方向の角度差に依存するところ、該角度差が６０度以上、１２０度以下の範囲内においては、特にノイズレベルを有効に低減できる。このようにして、バンドパスフィルタ等を用いずにノイズレベルを低減できるから、励起光の波長を、スペクトルを測定したい波長範囲よりも常に短波長とする必要がなくなる。従って、反射光の変調成分の測定波長範囲に含まれる波長を有する安価な励起光光源を用いることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、実施の形態による光変調励起反射分光装置の構成を示す。図４に示したものと名称が同じ要素については便宜的に同じ符号を付している。この装置は、試料Ｓへ分光されたプローブ光を照射するプローブ光照射部３０と、試料Ｓのプローブ光が照射される領域へ、該プローブ光を変調するためのパルス化された励起光を照射する励起光照射部３２と、試料Ｓからの変調されたプローブ光を受光して、その強度を検出する検出器１６とを有し、該検出器１６の検出結果に基づいて、反射光の変調周期に同期した成分を求めるものである。
【００１６】
そしてこの装置は、プローブ光照射部３０から照射されるプローブ光と、励起光照射部３２から照射される励起光とが共に直線偏光されたものであり、且つ両者の直線偏光方向が、６０度以上、１２０度以下の角度だけ相互にずらされるように構成されていることを最大の特徴としている。この装置において、図４に示す従来の装置との主な相違点は、第１の直線偏光フィルタ４０、第２の直線偏光フィルタ４２、及び第３の直線偏光フィルタ４４を備えた点にある。
【００１７】
励起光照射部３２は、励起光を出射する励起光光源１０、チョッパ１２、及び第１の直線偏光フィルタ４０を備える。励起光光源１０としては、６５０［ｎｍ］よりも短波長の単色光を出射するものを用いることができる。具体的には、励起光源１０としては半導体レーザ（例：ＡｌＧａＩｎＰ−ＬＤ）が好適に用いられる。一実施例では、励起光光源１０として、ＤＶＤ用等として市販されている安価なレーザダイオードを用いることができる。
【００１８】
第１の直線偏光フィルタ４０は、励起光光源１０から試料Ｓへ至る光路上、詳細には、励起光光源１０とチョッパ１２との間の光路上に配置されている。従って、励起光光源１０からの出射光は第１の直線偏光フィルタ４０によって直線偏光されて、チョッパ１２に入射する。尚、第１の直線偏光フィルタ４０は、試料Ｓとチョッパ１２との間の光路上に配置してもよい。
【００１９】
ところで、励起光光源１０としての半導体レーザには、その出射光がもともと直線偏光性を示すものもある。そのような半導体レーザを用いる場合には、必ずしも第１の直線偏光フィルタ４０を備えなくてもよい。ただ、そのような半導体レーザを用いる場合であっても、第１の直線偏光フィルタ４０を備えることにより、その出射レーザ光の直線偏光度をより向上できるから好ましい。励起光光源１０として、もともと略直線偏光された励起光を出射するものを採用する場合には、第１の直線偏光フィルタ４０の透過軸は、そのような励起光光源１０からの出射光の振動面に合致させる。
【００２０】
また、励起光光源１０としては、半導体レーザではなく気体（ガス）レーザを採用することもできる。但し、その場合、ガスレーザからの出射光はもともと直線偏光されていないから、第１の直線偏光フィルタ４０を設ける。
【００２１】
次に、第２の直線偏光フィルタ４２は、試料Ｓから検出器１６に至る光路上、詳細には、レンズ１４と検出器１６との間の光路上、より詳細には、検出器１６の直前に配置されている。この第２の直線偏光フィルタ４２における直線偏光方向（透過軸の向き）については後述する。
【００２２】
尚、仮に第３の直線偏光フィルタ４４を具備しないとしても、例えば第２の直線偏光フィルタ４２を、その直線偏光方向が第１の直線偏光フィルタ４０に対して略垂直となるよう挿入することにより、試料Ｓから反射する光のうち、励起光の漏洩光の大部分を除去することはできる。しかしながら、該漏洩光は、図示せぬ種々の治具や試料Ｓ表面での散乱光の集合体であり、鏡面での反射のように偏光特性が保存されない。従って、単に第２の直線偏光フィルタ４２を、その直線偏光方向が第１の直線偏光フィルタ４０に対して略垂直となるよう挿入するだけでは、励起光の漏洩光を必ずしも全て除去できるとは言い難い。
【００２３】
そこで、ノイズの影響をより最小限に抑えるために、プローブ光も直線偏光する。即ち、プローブ光照射部３０は、プローブ光を出射するプローブ光光源２、分光器４、可変ＮＤフィルタ６、レンズ８、及び第３の直線偏光フィルタ４４を備える。尚、プローブ光光源２としては、９２０［ｎｍ］よりも短波長の赤外光、可視光、及び紫外光領域において連続なスペクトルを有する白色光を出射するものを用いることができる。一実施例においては、プローブ光光源２としてタングステンハロゲンランプを用いることができる。
【００２４】
第３の直線偏光フィルタ４４は、プローブ光光源２から試料Ｓに至る光路上、詳細には、分光器４と可変ＮＤフィルタ３４との間の光路上に配置されている。従って、分光されたプローブ光は、第３の直線偏光フィルタ４４によって直線偏光されて可変ＮＤフィルタへ入射する。尚、第３の直線偏光フィルタ４４は、プローブ光光源２と分光器４との間の光路上、又は可変ＮＤフィルタ６よりも試料Ｓ側の光路上に配置してもよい。
【００２５】
この第３の直線偏光フィルタ４４の透過軸方向（直線偏光方向）は、第１の直線偏光フィルタ４０の透過軸方向との関係において決定する。即ち、第３の直線偏光フィルタ４４は、その直線偏光方向が、励起光の直線偏光方向に対して、検出器１６に入射する反射光のノイズレベルが最小となるような角度分だけずらした状態で配置する。具体的には、第３の直線偏光フィルタ４４の直線偏光方向は、励起光の直線偏光方向に対して６０〜１２０度、好ましくは７５〜８０度又は１００〜１０５度だけずらす。
【００２６】
つまり、本実施の形態においては、第１の直線偏光フィルタ４０と第３の直線偏光フィルタ４４とによって、直線偏光方向ずらし手段を構成している。但し、前述したように、励起光光源１０として、もともと直線偏光された励起光を出射するものを採用する場合には、第３の直線偏光フィルタ４４のみによっても直線偏光方向ずらし手段を構成できる。
【００２７】
次に、前述した第２の直線偏光フィルタの直線偏光方向について説明する。第２の直線偏光フィルタ４２は、その直線偏光方向（透過軸）を、試料Ｓから反射する光のうち、必要な信号成分（変調されたプローブ光）は良好に透過させる一方、励起光の漏洩光等のノイズ成分は遮断しうる向きに配置する。
【００２８】
また第２の直線偏光フィルタ４２は、その透過軸を、検出器１６に入射する反射光の強度が最大となるような向きに配置する。即ち、第１の直線偏光フィルタ４０と、第３の直線偏光フィルタ４４とは、互いの直線偏光方向の角度差が６０〜１２０度の範囲内におさまるよう固定しておいて、試料Ｓからの反射信号の強度が最大となるように、検出器１６側における第２の直線偏光フィルタ４２の偏光特性を調整する。
【００２９】
以上説明した光変調励起反射分光装置の作用は次の通りである。
【００３０】
プローブ光光源２から出射されたプローブ光（白色光）は、分光器４によって波長別に分光されて所望の波長成分のみが選択された後、第３の直線偏光フィルタ４４によって所定方向に直線偏光される。そして、分光され、且つ直線偏光されたプローブ光は、可変ＮＤフィルタ６によってその光量が調整され、集光レンズ８によって集光されて試料Ｓに照射される。
【００３１】
また、励起光源１０から出射された励起光（単色レーザ光）は、第１の直線偏光フィルタ４０によって所定方向に直線偏光された後、チョッパ１２によって所定周期でパルス化されて、試料Ｓ上のプローブ光が照射されている領域に断続的に照射される。これにより、試料Ｓにおいて、電子正孔対の生成による電場変調が起きるから、プローブ光の強度が変調される。
【００３２】
一方、試料Ｓからの反射光（変調されたプローブ光）は、レンズ１４を介して第２の直線偏光フィルタ４２に入射する。また、変調されたプローブ光の他、励起光の漏洩光等の迷光も第２の直線偏光フィルタ４２に入射する。第２の直線偏光フィルタ４２は、これに入射した光のうち、ノイズ成分（迷光）をカットし、必要な信号成分（変調されたプローブ光）のみを透過させて検出器１６に射出する。
【００３３】
検出器１６は、フォトダイオード（例：Ｓｉ−ＰＤ）等によって構成されており、これに入射した反射光の強度を表す電気信号を検出する。その電気信号はロックインアンプ１８及びコンピュータ２０へ出力される。ロックインアンプ１８には、該電気信号の他、チョッパ１２の変調周期に等しい同期パルス信号も入力される。従って、該ロックインアンプ１８では、該電気信号を同期パルス信号に位相同期させて増幅することにより、反射光中の変調成分の強度ΔＲを取り出すことができる。
【００３４】
コンピュータ（例：パソコン）２０には、その変調成分ΔＲの他、前述した反射光の強度を表す電気信号も入力される。従って、該コンピュータ２０では、反射光の強度の直流成分ＲでもってΔＲを規格化（割算）してΔＲ／Ｒを求めながら、モータ制御部２２を介して分光器４の選別波長を走査することにより、波長λ又はフォトンエネルギＥに対する規格化された変調成分（ΔＲ／Ｒ）の変化を測定できる。尚、コンピュータ２０により、モータ制御部２２を介して可変ＮＤフィルタ６における透過光量も制御される。
【００３５】
このようにして、試料Ｓとしてインジウム・ガリウム・リン系へテロバイポーラトランジスタ用エピタキシャルウエハを用いた場合における、フォトンエネルギＥ（＝ｈλ）に対する変調成分（ΔＲ／Ｒ）のスペクトル変化を測定した。該測定結果をプロットしたグラフを図２に示す。
【００３６】
〔実施例〕
励起光とプローブ光との直線偏光方向の角度差に対するノイズレベル（Ｓ／Ｎ）比の依存性を調べた。これは例えば、第１の直線偏光フィルタ４０と、第３の直線偏光フィルタ４４との少なくとも何れか一方における直線偏光方向を変化させながら試料Ｓを測定することにより行える。
【００３７】
その結果を図３に示す。同図において、縦軸にはノイズレベル（Ｓ／Ｎ）比［ｄＢ］をとり、横軸には励起光とプローブ光との直線偏光方向の角度差［°］（以下、角度差という）をとっている。ノイズレベルは−２０［ｄＢ］以下であるのが好ましいところ、図示のように、角度差６０〜１２０［°］の範囲内において、ノイズレベルが−２０［ｄＢ］以下になった。その中でも特に、角度差７５〜８０［°］の範囲内、及び角度差１００〜１０５［°］範囲内においてグラフが極小となっており、それらの範囲が、ノイズレベルを略−２５［ｄＢ］まで低減できるときの最適範囲であることが判明した。
【００３８】
従って、プローブ光照射部３０から照射されるプローブ光と、励起光照射部３２から照射される励起光との直線偏光方向の角度差は、好ましくは６０度以上，１２０度以下であり、より好ましくは７５度以上，８０度以下、又は１００度以上，１０５度以下であるといえる。これらの範囲内において反射光のノイズレベルを有効に低減できる。
【００３９】
尚、図示のように、角度差が９０度のときには、ノイズレベル−２０［ｄＢ］以下の基準を満たしてはいるものの、これが必ずしも最適値とはなっていない。これは、試料Ｓの表面で励起光の直線偏光方向以外の偏光成分を有する散乱光が発生することに因るものと考えられる。
【００４０】
そこで、試料Ｓ表面における散乱の状態は、試料Ｓの表面状態等の要素を加味して、測定毎にチェックするのが好ましい。そして、必要に応じて角度差を調節してもよい。その場合は、直線偏光方向ずらし手段として、角度差を少なくとも６０〜１２０度の範囲内で可変に調整できる手段を採用するとよい。
【００４１】
尚、試料Ｓが等方性であって、偏光方向にスペクトルが存在しない場合には、第１の直線偏光フィルタ４０と、第３の直線偏光フィルタとにおける直線偏光方向を相対的に回転させながら測定を行い、測定結果を平均化処理することによって、ノイズレベルを更に低下させることができる。
【００４２】
以上説明した光変調励起反射分光装置によれば、次のような効果が得られる。
【００４３】
（１）励起光照射部３２から照射される励起光のみならず、プローブ光照射部３０から照射されるプローブ光も直線偏光されたものとすると共に、両者の直線変更方向を異ならしめることにより、第２の直線偏光フィルタ４２において、試料Ｓから反射する光のうち、変調されたプローブ光だけを励起光の漏洩光から確実に分離して取り出すことができるようになる。
【００４４】
（２）ノイズレベルは、プローブ光と励起光とにおける直線偏光方向の角度差に依存するところ、前述のように、該角度差が６０度以上、１２０度以下の範囲内においては、特にノイズレベルを有効に低減できる。
【００４５】
（３）またこのようにして、バンドパスフィルタ等を用いずにノイズレベルを低減できるから、励起光の波長を、スペクトルを測定したい波長範囲よりも常に短波長とする必要がなくなる。従って、反射光の変調成分の測定波長範囲に含まれる波長を有する安価な励起光光源１０（例：レーザダイオード）を用いることができる。
【００４６】
（４）以上のように、より精度の高い試料Ｓの測定が可能となるから、本発明が適用された光反射励起分光法は、品質管理手法のひとつとして採用できるレベルになる。
【００４７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、第１の直線偏光手段、第２の直線偏光手段、及び第３の直線偏光手段としては、それぞれ直線偏光フィルタ４０，４２，４４のみならず、直線偏光プリズム、直線偏光板、又は偏光コントローラ等を用いることもできる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、光変調励起反射分光法において、反射光の変調成分の測定波長範囲に含まれる波長を有する安価な励起光光源を用いることができ、且つノイズを有効に除去できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態による光変調励起反射分光装置の要部構成を模式的に示す図。
【図２】試料としてインジウム・ガリウム・リン系へテロバイポーラトランジスタ用エピタキシャルウエハを用いた場合におけるΔＲ／Ｒの測定結果を示す図。
【図３】励起光とプローブ光とにおける直線偏光方向の角度差に対するＳ／Ｎ比の依存性を示す図。
【図４】従来の光変調励起反射分光装置の構成を示す図。
【符号の説明】
２　プローブ光光源
４　分光器
６　可変ＮＤフィルタ
８　レンズ
１０　励起光光源
１２　チョッパ
１４　レンズ
１６　検出器
１８　ロックインアンプ
２０　コンピュータ
２２　モータ制御部
３０　プローブ光照射部（プローブ光照射手段）
３２　励起光照射部（励起光照射手段）
４０　第１の直線偏光フィルタ（第１の直線偏光手段）
４２　第２の直線偏光フィルタ（第２の直線偏光手段）
４４　第３の直線偏光フィルタ
Ｓ　試料
【図１】
2004125584.tif 000003
【図２】
2004125584.tif 000004
【図３】
2004125584.tif 000005
【図４】
2004125584.tif 000006