(57)【要約】一実施形態は、基板から得られるスペクトルルミネセンスマッピングデータを処理する、コンピュータで実行する方法であって、基板が、多重量子ウェルを含むエピタキシャル層スタックを有する、方法に関する。基板上の場所についてのスペクトルルミネセンスおよびエピ厚さが得られる。エピ厚さおよび材料屈折率が与えられた場合、場所についてのスペクトル変調を計算することができる。次いで、スペクトル変調によって測定されたスペクトルルミネセンスを分割することによって、基底ルミネセンススペクトルを生成することができる。続いて、基底ルミネセンススペクトルからピーク波長および他のパラメータを得ることができる。別の一実施形態において、首尾一貫した手法を用いて、エピ厚さを測定することなく基底ルミネセンススペクトルを決定することができる。別の一実施形態は、スペクトルルミネセンスマッピングおよびエピタキシャル厚さ測定のための装置に関する。他の実施形態、態様および特徴も開示される。
2015514208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板から得られたスペクトルルミネセンスマッピングデータを処理する、コンピュータで実行する方法であって、前記基板が多重量子ウェルを含むエピタキシャル層スタックを有し、
前記基板上の場所におけるスペクトルルミネセンスを得ること、
前記場所におけるエピタキシャル層スタックの厚さを得ること、
前記厚さおよび材料屈折率が与えられた場合の前記場所についてのスペクトル変調を計算すること、および
基底ルミネセンススペクトルを生成するために前記スペクトル変調によって前記スペクトルルミネセンスを分割すること
を含む方法。
【請求項２】
前記基底ルミネセンススペクトルの位置に基づいて前記場所についてのピーク波長を決定すること
を更に含む、請求項１の方法。
【請求項３】
前記基底ルミネセンススペクトルについての最大強度に基づいて前記場所についてのピーク強度を決定すること
を更に含む、請求項１の方法。
【請求項４】
前記場所についての半値全幅（ＦＷＨＭ）を、前記基底ルミネセンススペクトルについての前記ＦＷＨＭに基づいて決定すること
を更に含む、請求項１の方法。
【請求項５】
前記場所における前記スペクトルルミネセンスを測定すること
を更に含む、請求項１の方法。
【請求項６】
前記場所における前記エピタキシャル層の厚さを測定すること
を更に含む、請求項５の方法。
【請求項７】
前記場所における前記スペクトルルミネセンスおよび前記厚さを同時に測定する、請求項６の方法。
【請求項８】
前記ルミネセンスマッピングデータがフォトルミネセンスマッピングデータを含む、請求項１の方法。
【請求項９】
前記ルミネセンスマッピングデータがエレクトロルミネセンスマッピングデータを含む、請求項１の方法。
【請求項１０】
多重量子ウェルを含むエピタキシャル層スタックを有するターゲット基板のためのスペクトルルミネセンスマップを処理する、コンピュータで実行する方法であって、
前記ターゲット基板上の場所についての測定されたスペクトルルミネセンスを得ること、
基底局所的ルミネセンススペクトルについての線形を制約すること、
シードエピ層厚さの値を用いて前記場所についての計算されたスペクトルルミネセンスを生成すること、
前記計算されたスペクトルルミネセンスと前記場所についての前記測定されたスペクトルルミネセンスの間の差を最小化するように、局所的厚さパラメータと、前記基底局所的ルミネセンススペクトルのパラメータとを決定すること
を含む方法。
【請求項１１】
前記計算されたスペクトルルミネセンスが、前記基底局所的ルミネセンススペクトルと局所的スペクトル変調との乗算であり、更に、前記局所的スペクトル変調が、前記局所的厚さパラメータに基づいたファブリ−ペロ−キャビティ型計算によって生成される、請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記基底局所的ルミネセンススペクトルのパラメータが、前記場所についてのピーク波長を含む、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記基底局所的ルミネセンススペクトルのパラメータが、前記場所についてのピーク強度および半値全幅（ＦＷＨＭ）を更に含む、請求項１２の方法。
【請求項１４】
前記場所における前記局所的に測定されたスペクトルルミネセンスを測定すること
を更に含む、請求項１０の方法。
【請求項１５】
前記ルミネセンスマッピングデータがフォトルミネセンスマッピングデータを含む、請求項１０の方法。
【請求項１６】
前記ルミネセンスマッピングデータがエレクトロルミネセンスマッピングデータを含む、請求項１０の方法。
【請求項１７】
前記シードエピ層厚さの値が、以前の知識または以前の測定からのものである、請求項１０の方法。
【請求項１８】
スペクトルルミネセンスマッピングおよびエピタキシャル厚さの測定のための装置であって、
ターゲット基板を保持するためのステージと、
レーザービームを出力するレーザー源と、
広帯域光を出力する光源と、
フォトルミネセンス検出器と、
エピタキシャル厚さ検出器と、
前記レーザービームと前記広帯域光とを前記ターゲット基板の表面上に導き、かつフォトルミネセンス検出器にフォトルミネセンス光を、エピタキシャル厚さ検出器に反射広帯域光を導くための光学素子の配列と、
を含む装置。
【請求項１９】
前記フォトルミネセンス検出器からフォトルミネセンススペクトルを、前記エピタキシャル厚さ検出器からエピタキシャル厚さを受信するデータ処理システムと、
を更に含み、前記データ処理システムが、基底ルミネセンススペクトルを決定するために前記フォトルミネセンススペクトルを処理する、請求項１８の装置。
【請求項２０】
前記基底ルミネセンススペクトルが、ファブリ−ペロ型式および計算を用いて更に決定される、請求項１９の装置。
【請求項２１】
前記厚さ検出器が広帯域反射計である、請求項１８の装置。
【請求項２２】
前記フォトルミネセンス検出器および前記広帯域反射計の両方として単一の統合スペクトロメータを用い、前記スペクトロメータが、フォトルミネセンス検出のための第１のスペクトルバンドにおいて、および広帯域反射計測のための第２のスペクトルバンドにおいて作動する、請求項２１の装置。
【請求項２３】
前記データ処理システムが、前記基底ルミネセンススペクトルからピーク波長を生成する、請求項１８の装置。
【請求項２４】
散乱光検出器を更に含む、請求項１８の装置。
【請求項２５】
鏡面反射光検出器を更に含む、請求項１８の装置。
【請求項２６】
基板から得られるスペクトルルミネセンスマッピングデータを処理するためのコンピュータ装置であって、前記基板が、多重量子ウェルを含むエピタキシャル層スタックを有し、
データを処理するようにコンピュータ可読命令コードを実行するためのプロセッサと、
コンピュータ可読命令コードと前記データとを保存するためのデータ記憶部と、
前記基板上の場所におけるスペクトルルミネセンスを得て、前記場所における前記エピタキシャル層スタックの厚さを得て、前記厚さおよび材料屈折率が与えられた場合の前記場所についてのスペクトル変調を計算し、前記基底ルミネセンススペクトルを生成するために前記スペクトル変調によって前記スペクトルルミネセンスを分割するための前記データ記憶部内に保存されるコンピュータ可読命令コードと、
を含むコンピュータ装置。
【請求項２７】
ターゲット基板から得られるスペクトルルミネセンスマッピングデータを処理するためのコンピュータ装置であって、前記ターゲット基板が、多重量子ウェルを含むエピタキシャル層スタックを有し、
データを処理するようにコンピュータ可読命令コードを実行するためのプロセッサと、
コンピュータ可読命令コードと前記データとを保存するためのデータ記憶部；および
前記ターゲット基板上の場所についての測定されたスペクトルルミネセンスを得て、基底局所的ルミネセンススペクトルについての線形を制約し、シードエピ層厚さの値を用いて前記場所についての計算されたスペクトルルミネセンスを生成し、前記場所についての前記計算されたスペクトルルミネセンスと前記測定されたスペクトルルミネセンスの間の差を最小化するように、局所的厚さパラメータと、前記基底局所的ルミネセンススペクトルのパラメータとを決定するための前記データ記憶部内に保存されるコンピュータ可読命令コードと、
を含むコンピュータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年３月１９日に出願された「厚さおよびスペクトルＰＬを同時にマッピングするための方法および装置（Methods and Apparatus for Simultaneous Thickness and Spectral PL Mapping）」と題する米国仮特許出願第６１／６１２，６６９号の利益を主張するものであり、該仮特許出願の開示は、参照により本明細書に取り込まれる。
【０００２】
本発明は、一般に、発光ダイオード（ＬＥＤ）において見られるもの等の透明フィルムにおけるスペクトルフォトルミネセンスマッピングの分野に関する。また、本発明は、透明フィルムにおけるスペクトルエレクトロルミネセンスマッピングにも適用可能である。フィルムを蒸着させる基板は透明であってもよく、または不透明であってもよい。
【背景技術】
【０００３】
フォトルミネセンス（ＰＬ）およびエレクトロルミネセンス（ＥＬ）は、半導体材料の電気的および光学的性質、例えば、バンドギャップ、発光波長、組成、欠陥等に関する情報を提供するスペクトロスコピー技術である。ＰＬマッパーは、バンドギャップを超えるエネルギーで励起された材料からの光学的ルミネセンス発光を測定することによってウェーハ上にパラメータマップを生成するために用いられるレーザーに基づいた機器である。ＥＬマッパーは、レーザー源ではなく、直流電流注入を用いて過剰キャリヤを励起する。ＥＬマッパーは、通常、電気的接触パッドが既に存在する最終装置に用いられるが、ＭＯＣＶＤ蒸着ステップ後のエピ層に用いることもできる。ＥＬ測定の値は、それが順電圧、逆電流、完成ＬＥＤの中心を構成する接合部のＩ（Ｖ）曲線等の電気的性質をルミネセンス測定に加えるということである。
【０００４】
活性層の金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）の後の典型的な発光ダイオード（ＬＥＤ）ウェーハは、基板（通常、直径２〜６インチのサファイアウェーハ）、ＧａＮバッファ層（サファイアと臨界層の間の格子不整合の収容に役立つ）、負にドーピングした（ｎ−ＧａＮ）接触層、多重量子ウェル（ＭＱＷ）多層ヘテロ構造、任意の電子ブロック層、および正にドーピングした（ｐ−ＧａＮ）接触層を含む。
【０００５】
ＭＯＣＶＤ後のＬＥＤエピタキシャル（ｅｐｉ）層の全域のサンプルをとる計測器具は、フォトルミネセンス（ＰＬ）マッパーと呼ぶことができる。これらの器具の動作原理は、発光波長より短い波長でＭＱＷを励起し、それによって活性領域内に電子正孔対を生成させ、ウェーハ上の場所の関数として電子および正孔の放射再結合からのスペクトル放射線を検出することを含む。ＰＬマッパーは、局所的ルミネセンススペクトルを記載する重要な統計量、例えば、観測された局所的発光スペクトルのピーク波長、ピーク強度、半値全幅（ＦＷＨＭ）を報告することができる。そのようなマッピングのための典型的な空間分解能は、発光波長の典型的な空間変動に対して一般に充分な１ミリメートル程度であるが、その理由は、これらの変化が主にミリメートル以上の長さの尺度で生じるＭＯＣＶＤ温度勾配に由来するからである。「ピーク波長」は、通常、ＭＯＣＶＤ蒸着の実行から全てのエピウェーハの全面に亘って測定され、プロセス制御エンジニアによって、そのウェーハに対するＭＯＣＶＤプロセス中に存在した温度勾配に直接目印をつけるために用いられる：予想される典型的な波長シフトは、1ケルビン度につきおよそ２ナノメートル（ｎｍ／Ｋ）程度であり、しかるに最終装置のためのビン収率に影響を及ぼす１度程度の蒸着温度勾配をとるだけである。従って、リアクタ内で見られる上昇した増大温度で非常にタイトな温度ドリフトおよび勾配制御が命令され、送出される各ウェーハのための系統的制御は、その個別の温度の均一性がそのウェーハがどれくらいよくＭＯＣＶＤキャリヤポケット内に位置したかについての関数でもあるので、必要である。所定のウェーハ内のかなりの範囲のピーク波長変動は、ＭＯＣＶＤリアクタのウェーハキャリヤが洗浄または取替えが必要であることを示すことができる。ＦＷＨＭおよびピーク強度（輝度）も重要であり、エピ層およびＭＱＷの組成および構造の質および均一性に関連がある可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／００４９０８５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
出願人は、現行のＰＬマッピングの解決がピーク波長、ＦＷＨＭおよびピーク強度の測定において短所および限界を有すると考える。現行のＰＬマッパーへの限界としては、以下のものが挙げられる。
【０００８】
１）現行のＰＬマッパーの精度は、通常、ダイレベルにおけるフィードフォワードの使用に不十分である。フィードフォワードは、ＭＯＣＶＤプロセスステップより数週間後であってよい、一度切り離され、接触した最終ＬＥＤダイのルミネセンス特性の予測を可能にするので重要である。ダイレベルにおけるＰＬフィードフォワードの使用のために、局所的なピーク波長の精度は、通常、最終装置（ＬＥＤ）のための標的とされた色ビンの一部であることを必要とする。それは、４ｎｍ以下のビンには、そして固体状態照明（ＳＳＬ）のために将来的な２ｎｍビンには、およそ０．５ｎｍのＰＬ波長の精度が必要とされることを意味する。
【０００９】
２）現行のＰＬマッパーは、望ましくない変調（縞）を有するＰＬスペクトルを生成する。これらの望ましくない縞は、厚さに関連した縞である。基板（通常はサファイア、青色域内でｎは約１．７８）とエピ層（有効な構造はちょうどＧａＮに近似する。青色域内でｎはおよそ２．５）の間の指数不整合のため、ＭＱＷ構造は、ファブリ−ペロ−キャビティと光学的に同等なものの範囲内である。出願人は、ファブリ−ペロ−キャビティが、ＭＱＷ構造からのＰＬ放射に相当するＦＷＨＭにおいて約２０ｎｍである典型的な波長バンド内で厚さに関連した縞を生じさせることを決定した。
【００１０】
３）現行のＰＬマッパーによって用いられ得るフーリエフィルタリング、ならびに他の型の信号処理およびフィルタリング技術は、厚さに関連した縞を除去する際に不十分である。更に、これらの従来のフィルタリング技術は、通常、フィルタリングステップの後で得られるピーク波長パラメータをシフトする好ましくない効果を有する。典型的なシフトは、０．５ｎｍ〜２ｎｍの範囲であってよい。ピーク波長のそのようなシフトによって、上記で強調された０．５ｎｍ以上のＰＬ精度の必要性の下における装置の完全な作製の後で出光される光の波長ビンの正確な予測が妨げられる。不正確さは、測定されたルミネセンススペクトルから抽出されるＦＷＨＭおよびピーク強度にまで拡大する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施形態は、基板から得られたスペクトルルミネセンスマッピングデータを処理する、コンピュータで実行する方法であって、基板が多重量子ウェルを含むエピタキシャル層スタックを有する、方法に関する。提案される処理は、測定されたルミネセンススペクトルに悪影響を与える厚さ効果（光学的キャビティ）によるスペクトル変調を除去することを意図するものである。基板上の場所のルミネセンススペクトルおよびエピ厚さが得られる。最初の基底ルミネセンススペクトルを設定することができ、所与のエピ厚さおよび材料の屈折率で場所についてのスペクトル変調を計算することができる。次いで、測定されたスペクトルルミネセンスをスペクトル変調によって分割することによって、基底ルミネセンススペクトルを生成することができる。続いて、基底ルミネセンススペクトルから正確なピーク波長および他のパラメータを得ることができる。
【００１２】
別の一実施形態において、首尾一貫した手法を用いて、エピ厚さを測定することなく基底ルミネセンススペクトルを決定することができる。この手法において、基底局所的ルミネセンススペクトルのための線形を（例えばガウスプロフィルに）限定することが可能であり、最適化パラメータとしてのエピ層厚さを用いて、計算されたスペクトルルミネセンスと各場所についての測定されたスペクトルルミネセンスとの間の差を最小にすることによって、基底局所的ルミネセンススペクトルの位置、ＦＷＨＭおよびピーク強度を決定することができる。次いで、方法の収束の後で得られる局所的エピ厚さの値を提供することも可能であり、それは、加算値であってもよいエピ厚さ測定値を構成する。
【００１３】
別の一実施形態は、スペクトルルミネセンスマッピングおよびエピタキシャル厚さの測定のための装置に関する。装置は、ターゲット基板を保持するためのステージと、レーザービームを出力するレーザー源と、広帯域光源と、フォトルミネセンス検出器と、エピタキシャル厚さ検出器と、光学素子の配列とを含むことができる。光学素子の配列は、レーザー源からのレーザービームと広帯域光源からの光とをターゲット基板の表面上に導き、かつフォトルミネセンス検出器に散乱レーザー光を、エピタキシャル厚さ検出器に散乱広帯域光を導くように構成される。
【００１４】
他の実施形態、態様および特徴も開示される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態によるスペクトルルミネセンスマッピングの基底ピーク抽出の第１の方法のフローチャートである。
【図２】本発明の一実施形態によるスペクトルルミネセンスマッピングの基底ピーク抽出の第２の方法のフローチャートである。
【図３】量子ウェル活性領域を含むＬＥＤエピタキシャル層の簡略化されたバージョンを示す。
【図４】測定されたフォトルミネセンススペクトルに対するガウシアンフィッティングを示す。
【図５】本明細書に開示される方法の内の１つを用いた、測定されたフォトルミネセンススペクトルに対する向上したフィッティングの例を示す。
【図６】本発明の一実施形態による、フォトルミネセンススペクトル、エピタキシャル層の厚さ、ならびにエピ層の欠陥性およびトポグラフィを同時に測定するための一例となる装置の高レベルの図である。
【図７】本発明の一実施形態による、一例となるコンピュータ装置７００の簡略化された形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
出願人は、現行のＰＬマッピングの解決がピーク波長、ＦＷＨＭおよびピーク強度の測定において短所および限界を有すると考える。現行のＰＬマッパーへの限界としては、以下のものが挙げられる。
【００１７】
１）現行のＰＬマッパーの精度は、通常、ダイレベルにおけるフィードフォワードの使用に不十分である。フィードフォワードは、ＭＯＣＶＤプロセスステップより数週間後であってよい、一度切り離され、接触した最終ＬＥＤダイのルミネセンス特性の予測を可能にするので重要である。ダイレベルにおけるＰＬフィードフォワードの使用のために、局所的なピーク波長の精度は、通常、最終装置（ＬＥＤ）のための標的とされた色ビンの一部であることを必要とする。それは、４ｎｍ以下のビンには、そして固体状態照明（ＳＳＬ）のために将来的な２ｎｍビンには、およそ０．５ｎｍのＰＬ波長の精度が必要とされることを意味する。
【００１８】
２）現行のＰＬマッパーは、望ましくない変調（縞）を有するＰＬスペクトルを生成する。これらの望ましくない縞は、厚さに関連した縞である。基板（通常はサファイア、青色域内でｎは約１．７８）とエピ層（有効な構造はちょうどＧａＮに近似する。青色域内でｎはおよそ２．５）の間の指数不整合のため、ＭＱＷ構造は、ファブリ−ペロ−キャビティと光学的に同等なものの範囲内である。出願人は、ファブリ−ペロ−キャビティが、ＭＱＷ構造からのＰＬ放射に相当するＦＷＨＭにおいて約２０ｎｍである典型的な波長バンド内で厚さに関連した縞を生じさせることを決定した。
【００１９】
３）現行のＰＬマッパーによって用いられ得るフーリエフィルタリング、ならびに他の型の信号処理およびフィルタリング技術は、厚さに関連した縞を除去する際に不十分である。更に、これらの従来のフィルタリング技術は、通常、フィルタリングステップの後で得られるピーク波長パラメータをシフトする好ましくない効果を有する。典型的なシフトは、０．５ｎｍ〜２ｎｍの範囲であってよい。ピーク波長のそのようなシフトによって、上記で強調された０．５ｎｍ以上のＰＬ精度の必要性の下における装置の完全な作製の後で出光される光の波長ビンの正確な予測が妨げられる。不正確さは、測定されたルミネセンススペクトルから抽出されるＦＷＨＭおよびピーク強度にまで拡大する。
【００２０】
上述した限界が、産業において用いられる主要な材料システム（平坦なサファイア、ＳｉＣ、Ｓｉ）の全てにおいて存在すると共に、厳密性の度合いは変化する。限界は、基板−エピ界面反射率が低下するパターニングされたサファイア基板においてはあまり問題とならない。限界は、ＧａＮ−ｏｎ−Ｓｉの場合、測定されたルミネセンススペクトルの非常に顕著で、問題がある変調をもたらすＧａＮ／Ｓｉ界面の高い界面反射率のため、最も厳密である。
【００２１】
ここで提案される方法は、ＰＬマッパーによって得られるピーク波長および他のパラメータにおいて望ましくないシフトを生じさせることなく、望ましくない縞を正確に減らすことができるか、またはより正確に除去することができる。出願人は、エレクトロルミネセンス（ＥＬ）マッピングを同様に向上させるために、本明細書において開示される手法を適用することもできると考える。そのようなエレクトロルミネセンスプロービングは、典型的な最終ＬＥＤダイにおいて実施され得るが、時にはＭＯＣＶＤの直後に実施される。方法は、一実施形態において記載される通りの反復モードで用いられる場合にその最良のものを生じさせることができると共に、非常に速い収束が期待され、第１の反復の後で非常に良好な結果を得ることができる。提案された方法がフーリエまたは適用可能な他の型のフィルタより好まれる理由は、提案されたアプローチ法が、物理的で、かつよく計算することができる実際の光学的効果に基づくからである。それに対して、フーリエまたは低域通過フィルタリングは、変調縞の物理的起源を無視し、しかるに真の基底ルミネセンススペクトルの推定をゆがめる可能性が最も高い数値演算である。そのゆがみが特に悪い可能性がある理由は、波長の関数としての縞間隔が対象のスペクトルルミネセンス（ルミネセンススペクトル）の特性よりそれほど小さくないからである。スペクトル変調縞の期間は、エピ層の厚さの減少のため、基底スペクトルのＦＷＨＭと同じ程度であり得る。故に、まさに低域通過フィルタリング手法を適用することは、抽出されたルミネセンススペクトルに影響を及ぼすので、困難であり、正当なものではない。提案された方法は、基底信号に影響を及ぼすことなく大規模なスペクトル変調を正当に除去することができる完全に物理的なアプローチ法である。更に、本明細書において開示される手法の例示的な一実施形態は、フォトルミネセンスおよび厚さを同時に効率的に測定することを可能にし、表面上の欠陥を検出し、かつそのトポグラフィおよび反射率を測定することを可能にする。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態によるスペクトルルミネセンスマッピングの基底スペクトル抽出の第１の方法１００のフローチャートである。多重量子ウェルを含むエピタキシャル層スタックを有する基板から、処理されるスペクトルルミネセンスマッピングデータを得ることができる。一実施形態において、スペクトルルミネセンスデータは、スペクトルフォトルミネセンスデータであってもよい。別の一実施形態において、スペクトルルミネセンスデータは、エレクトロルミネセンスデータであってもよい。
【００２３】
図１の方法１００は、スペクトルルミネセンスデータおよびエピ厚さデータの両方の測定を必要とするが、ここで「エピ厚さ」は、エピタキシャル層のスタックの全体の厚さを指し、図３に関して更に以下で記載される。一実施形態において、各場所におけるスペクトルルミネセンスおよびエピ厚さは、同時に測定することができる。一実施態様において、同時測定は、図６に関して以下に記載される装置６００を用いて達成することができる。別の一実施形態において、スペクトルルミネセンスおよび厚さは、別々に測定することができる。
【００２４】
ブロック１０２により、基板の表面上の場所は、スペクトルルミネセンスおよびエピ厚さデータから選択することができる。一実施態様において、スペクトルルミネセンスおよびエピ厚さデータは、基板の表面上の螺旋状の走査パターンに沿った場所を含み、これらの場所の内の１つをこのステップにおいて選択することができる。
【００２５】
ブロック１０４により、場所におけるスペクトルルミネセンスが得られる。スペクトルルミネセンスは、測定機器によって、または以前の測定後に保存された測定データから得ることができる。
【００２６】
ブロック１０６により、場所におけるエピ厚さが得られる。エピ厚さは、測定機器によって、または以前の測定後に保存された測定データから得ることができる。別の一実施形態において、そのステップにおいて、例えば偏光解析検出器を用いて屈折率を得ることもできる。
【００２７】
ブロック１１０により、スペクトル変調を計算することができる。場所についてのスペクトル変調は、場所についてのエピ厚さおよび材料屈折率から計算することができる。スペクトル変調の計算は、ファブリ−ペロ−キャビティ型計算であってもよい。幾つかの単純な場合（補遺Ａ）、それは、解析的であることが可能であり、ちょうど式によって得ることが可能である。他の場合において、それは、例えば、測定を実施するための実際の光学的設定の使用をより良好に表すことができる入射光線角度の範囲に亘る統合化によって、数値的に計算することを必要とする可能性がある。
【００２８】
ブロック１１２により、基底ルミネセンススペクトルを生成することができる。基底ルミネセンススペクトルの生成は、例えば、場所についてのスペクトル変調によって場所についての測定されたスペクトルルミネセンスを分割することによって実施することができる。
【００２９】
ブロック１１６により、より多くの場所を処理することになっているかどうかについての決定を行う。処理すべき場所がより多い場合、方法１００は、ブロック１０２により次の場所を選択するために戻ることができる。そうでない場合、基板上の所望の場所についての基底スペクトル抽出は完了していると考えることができ、方法１００はブロック１１８に進むことができる。
【００３０】
ブロック１１８により、所望の場所について決定された基底ルミネセンススペクトルから、各種のスペクトルパラメータを決定することができる。例えば、１つの場所についてのピーク波長は、各場所について基底ルミネセンススペクトルの位置に基づいて決定することができる。更に、ピーク強度、半値全幅（ＦＷＨＭ）である。そして、各場所について得られた基底ルミネセンススペクトルに基づいて、あらゆる他の関連したパラメータを決定することができる。
【００３１】
別の一実施形態において、図２のブロック２０８に関して以下に記載されるもの等の反復回帰法をシードするために、ブロック１０６からの測定厚さを用いることができる。
【００３２】
図２は、本発明の一実施形態によるスペクトルルミネセンスマッピングの基底ピーク抽出の第２の方法２００のフローチャートである。図１の方法１００とは対照的に、図２の方法２００は、測定されたスペクトルルミネセンスデータを必要とするが、測定されたエピ厚さデータを必要としない。
【００３３】
ブロック２０２により、スペクトルルミネセンスデータから基板の表面上の場所を選択することができる。一実施態様において、スペクトルルミネセンスデータは、基板の表面上の螺旋状の走査パターンに沿った場所を含み、これらの場所の内の１つをこのステップにおいて選択することができる。
【００３４】
ブロック２０４により、場所におけるスペクトルルミネセンスが得られる。スペクトルルミネセンスは、測定機器によって、または以前の測定後に保存された測定データから得ることができる。
【００３５】
ブロック２０６により、基底ルミネセンスピークについての関数的な線形（しかし、ピーク位置でなく）を制約することができる。例えば、線形をガウス形に制約することができる。ガウス以外の線形を用いてもよい。例えば、用いる線形は、同じ型の基板上の同様のエピ層の実験データから得ることができる。線形は、パラメータを決めることができ、かつＭＱＷの基底物理的ルミネセンススペクトルを表すことができるいずれの関数であってもよい。
【００３６】
ブロック２０８により、局所的厚さパラメータ、ならびに計算されたスペクトルルミネセンスと測定されたスペクトルルミネセンスの間の差を最小化する、パラメータが決められた線形の位置、ＦＷＨＭおよびピーク強度の決定を、反復回帰を用いて行うことができる。一実施態様において、この決定を行うために回帰法を適用することができる。エピ厚さは、最初の予想値を有するフリーパラメータとして用いることができるか、またはアプリオリな知識（例えば公称エピ厚さ）もしくは厚さ測定によってシードすることができる。
【００３７】
ブロック２１０により、より多くの場所を処理することになっているかどうかについての決定を行う。処理すべき場所がより多い場合、方法２００は、ブロック２０２により次の場所を選択するために戻ることができる。そうでない場合、基板上の所望の場所についての基底ルミネセンススペクトルおよびエピ厚さを見出すための処理は完了していると考えることができ、方法２００はブロック２１２に進むことができる。
【００３８】
ブロック２１２により、所望の場所について決定された基底ルミネセンススペクトルから、各種のスペクトルパラメータを決定することができる。例えば、１つの場所についてのピーク波長は、各場所について基底ルミネセンススペクトルの位置に基づいて決定することができる。更に、各場所についての基底ルミネセンススペクトルからピーク強度および半値全幅（ＦＷＨＭ）を決定することもできる。更に、エピ厚さを（場合によって）決定することもできる。
【００３９】
図３は、多重量子ウェル（ＭＱＷ）活性領域を含むＬＥＤエピタキシャル層を示す。この例において、基板は、（約１．８の屈折率（ｎ）を有する）サファイア基板であり、（約２．５の屈折率（ｎ）を有する）窒化ガリウム（ＧａＮ）層を用いて全厚ｔのエピタキシャル層構造を形成する。エピ厚さｔは、通常、約４ミクロン〜約９ミクロンの範囲であってよく、基板厚さは、通常、０．４ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲であってよい。
【００４０】
ＭＱＷヘテロ構造であってよいＭＱＷ活性領域は、エピタキシャル層構造内にある。ＭＱＷ活性領域の上方にあるエピタキシャル層は、ｄの厚さまたは深さを有してよい。エピタキシャル層構造の上方にあるのは、（約１の屈折率（ｎ）を有する）空気であってもよい。上向きのＰＬ光線３０２から、そして、下向きのＰＬ光線３０４から開始する光線路が示される。この略図には、幾つかの光線だけが示される。これらの光線は、ＭＱＷによって出光された光線が受けるファブリ−ペロ−キャビティ光学的挙動を示すが、それはキャビティの界面において多重反射を伴う。ここでモデル化された幾何学的形状と伝統的なファブリ−ペロ−キャビティとの間の顕著な差は、通常の場合は、キャビティの外側で光源をモデル化して、前記キャビティの透過係数または反射係数を計算しているのに対して、ルミネセンス光源がファブリ−ペロ−キャビティの内部にあることである。
【００４１】
本発明の一実施形態によれば、図３に示される構造に基づいて、ファブリ−ペロ−キャビティ型計算を行ってルミネセンス縞または変調を生成することができる。一実施態様において、ファブリ−ペロ−キャビティ型計算の目的のため、エピスタックを以下のように光学的に記載することができる。
【００４２】
第１に、ＭＱＷ構造を除くエピスタックの全ての層は可視波長の出力光を透過すると考えることができ、一方で、ＭＱＷ構造は特定の波長の範囲以下の光を吸収および出光することができる。例えば、特定の波長の範囲は、青色光（即ち、４２０〜４８０ｎｍの波長範囲）を包含することができる。
【００４３】
第２に、簡略化の目的のため、エピスタックの中の全ての層は同様のまたは同じ屈折率を有すると考えることができる。例えば、ＭＱＷ内のＩｎｘＧａ１−ｘＮ層は、ＧａＮと同じ実数の屈折率を有すると考えることができる。この簡略化の結果は、エピスタックが主に「有効なＧａＮ」材料の１枚の層として挙動することができ、第１の（そして、おそらく充分な）近似において構造の詳細を無視することができるということである。一実施態様において、エピ材料のこの効果的な単層の分散は、第一近似として、特定の分散、調整係数を伴うエピスタックのための主要材料（上記例のＧａＮ）の分散としてとることが可能であり、ここで調整係数は、例えば広帯域分光反射率計を用いて測定することができる。
【００４４】
補遺Ａに示される式は、本発明の一実施形態によるフォトルミネセンス縞の簡略化された計算に関する。補遺Ａによるこの簡略化された計算において、出光された全ＰＬ光Ｉｔｏｔａｌ（λ，ｔ）についての単純な例において我々が導く式の中のＩＰＬの前で導かれる前因子によってスペクトル変調またはスペクトル縞を表すことができる。本明細書に開示されるように、この型の物理学的前因子の式は、波長依存的な厚さ効果を除去し、基底ＰＬ放射をより正確に抽出するために用いることができる。その最も完全な実施態様において、使用中の実際の光学的システムを適切に説明するために、例えばサンプルに対する入射光線角度の範囲に亘る統合化によって効果を数値的に計算することが必要となる可能性がある。小さい虚数部分をＧａＮの有効屈折率に加えることによって提案された方法の一実施形態においてモデル化することができたわずかなルミネセンス光をＭＱＷ自体が再吸収することも可能である。
【００４５】
図４は、測定されたフォトルミネセンススペクトルに対するガウシアンフィッティングを示す。この例において、ＭＱＷ（ＬＥＤ）を有するサファイア上のＧａＮエピから、測定された（「未処理」）ＰＬスペクトルが得られる。図４に、ガウス関数による未処理のスペクトルデータおよび最小自乗フィッティングを示す。フィッティングとしてそのようなガウススペクトルルミネセンスプロフィルを用いて、未処理のスペクトルデータにおける縞の振幅によってピーク波長、ＦＷＨＭまたはピーク強度の正確な抽出が妨げられる可能性があることは、図４から明らかである。示されたケースは、ＧａＮ−ｏｎ−サファイアについてである。現在では一般照明のための高輝度ＬＥＤの幅広い採択を制限するものである製造原価を低下させることに役立ち得るＬＥＤ産業のための重要な台頭しつつある材料システムであるシリコン基板（ＧａＮ−ｏｎ−Ｓｉ  ＬＥＤ技術）の場合、測定されたルミネセンススペクトルにおいて観測される変調縞は、更に非常に悪いものであるという点に留意する必要がある。
【００４６】
図５は、本明細書に開示される方法の内の１つを用いた、測定されたフォトルミネセンススペクトルに対する向上したフィッティングの例を示す。特に、用いた方法は、図１に関して上記で記載した方法１００であった。この目的のためのエピ厚さ（即ち、エピ厚さについての概算）を用い、最初の線形および位置についてはガウシアンフィッティングを用いた。補遺ＡにおけるＩｔｏｔａｌ（λ，ｔ）についての式を用いて出力をモデル化した。向上したマッチングが、「方法（第１の反復）」と標識した曲線として示される。最初の反復の後で認められるスペクトルの特徴における合理的な一致によって、ファブリ−ペロ−ＰＬが図３による縞変調を誘導したことが裏付けられ、補遺Ａは、実際に起きるものであり、本方法を用いることによって適切に対象とすることができる。ガウス放射線形（ＭＱＷ放射線は、一般にガウスでない）の制約を用いないことにより、測定されたＰＬスペクトルとの更に非常に良好な収束および一致を得ることができたという点に留意する必要がある。また、収束の質をも限定し得る（補遺Ａに記載した通りの）最も単純な形の式の使用もこの例で限定する。方法のより完全な実行は、照明光線角度の範囲、ならびに実験的な設定（波長だけでなく、強度のスペクトロメータキャリブレーション）およびサンプル（ここで想定される一定の指数とは異なり、用いる波長「分散曲線」の関数としての指数）の他の詳細をも説明することができる。
【００４７】
図６は、本発明の一実施形態による、フォトルミネセンススペクトルおよびエピタキシャル層の厚さを同時に測定するための一例となる装置６００の高レベルの図を示す。装置６００は、ステージによって保持されるターゲット基板６０１からのＰＬスペクトルおよびエピ厚さを測定するものであって、ここでステージを走査目的のために制御可能に移動することができる。
【００４８】
示されるように、装置６００は、レーザー源６０２と広帯域発光ダイオード（例えば白色ＬＥＤ）または他の広帯域光源６０４とを含むことができる。装置６００は、更に、スペクトルフォトルミネセンス（ＰＬ）検出器６１２と、統合フォトルミネセンス検出器６１３（例えば４２０〜５００ｎｍ等の広い波長バンドのルミネセンスの一部を検出器上に光学的に合計し、それによってＰＬの全体の輝度レベルをマッピングする）と、暗視野（欠陥）検出器６１４と、エピタキシャル厚さ検出器６１６と、鏡面反射（トポグラフィ）検出器６１８とを更に含むことができる。レーザー源６０２は、スペクトルＰＬ検出器６１２と、統合ＰＬ検出器６１３と、暗視野検出器６１４と、鏡面反射検出器６１８とを用いた欠陥検出およびフォトルミネセンス測定のための源であってもよい。広帯域光源６０４は、エピタキシャル厚さ検出器６１６を用いたエピ厚さ測定のための源であってもよい。
【００４９】
源、ターゲット基板および検出器は、各種光学的素子を用いて光学的に相互接続される。図６に示される例示的な配置に示すように、各種光学的素子は、反射鏡（６２２、６２３、６２４、６２５および６２６）、部分反射鏡（６２１、６２７、６２８および６２９）、光学フィルタ（６４０、６４１、６４２および６４３）、アパーチャ（６５１および６５２）、ビームダンプ（６３０）およびレンズ（６６１および６６２）を含むことができる。
【００５０】
図６に１つの光学的配置が示されるが、他の光学的配置を用いてもよい。別の一実施形態において、厚さ検出方法は赤色スペクトル領域内の広帯域反射計測であるが、一方でスペクトルルミネセンス検出は青色スペクトル領域内である。これによって、有利には、厚さおよびスペクトルルミネセンスの両方を測定するために単一のスペクトロメータを使用することが可能になり、それによって装置費用および複雑さを減少させることができる。それによって、ＰＬおよび厚さデータを順次測定するためにサンプルに対して二パスを通常は必要とする現行のＰＬおよび厚さマッピング作製計量機器を超える顕著な向上も構成される。
【００５１】
図７は、本発明の一実施形態による、一例となるコンピュータ装置７００の簡略化された形態を示す。例えば、上記の方法の一部または全部を実行し、実施するために、そのようなコンピュータ装置を用いることができる。この図は、そのようなコンピュータ装置の簡略化された一例のみを示す。
【００５２】
示されるように、コンピュータ装置７００は、カリフォルニア州サンタクララのインテル社からのもの等の１つ以上のプロセッサ７０１を含んでよい。コンピュータ装置７００は、その各種の構成要素を通信で相互接続する１つ以上のバス７０３を有してよい。コンピュータ装置７００は、例えば、１つ以上のユーザー入力装置７０２（例えば、キーボード、マウス等）と、ディスプレイモニタ７０４（例えば、液晶ディスプレイ、フラットパネルモニタ等）と、コンピュータネットワークインターフェース７０５（例えば、ネットワークアダプタ、モデム）と、ハードドライブ、半導体ベースのメモリ、光学ディスクまたは他の非一時的なタンジブルコンピュータ可読記憶媒体上にデータを保存することができる１つ以上のデータ記憶装置７０６とランダムアクセスメモリを使用して実行され得るメインメモリ７１０とを含むことができるデータ記憶システムとを含むことができる。
【００５３】
この図に示される例において、メインメモリ７１０は、命令コード７１２およびデータ７１４を含む。命令コード７１２は、プロセッサ７０１によってデータ記憶装置７０６の非一時的なタンジブルコンピュータ可読媒体から実行用メインメモリ７１０にロードされ得る実行可能コンピュータ可読プログラムコード（即ち、ソフトウェア）構成要素を含むことができる。特に、コンピュータ装置７００が本明細書に記載された方法におけるデータ処理ステップを実施するように命令コード７１２をプログラムすることができる。
【００５４】
上記の図は、必ずしも一定の比率であるというわけではなく、例証となるものであって、特定の実行に限定されるものではないことが意図される。上記の記載において、多くの特定の詳細は、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために与えられる。しかし、本発明の図で示された実施形態の上記の記載は、網羅的であることを意図したものではなく、開示される正確な形態に本発明を限定することを意図したものではない。当業者は、特定の詳細の内の１つ以上なしで、または他の方法、構成要素等と共に、本発明を実施することができることを認識するであろう。他の例において、本発明の態様を不明瞭にすることを回避するために、周知の構造または動作は、詳細に示されないか、または記載されない。本発明の特定の実施形態および実施例は、本明細書において説明の便宜上記載されるものであり、各種の均等の変更は、当業者が認識するように、本発明の範囲内で可能である。
【００５５】
これらの変更は、上記の詳細な記載を考慮して、本発明に対してなすことができる。以下の請求項において使用される用語は、明細書および請求項に開示される特定の実施形態に本発明を限定するものと解釈してはならない。むしろ、本発明の範囲は、請求項の解釈の確立された原則に従って解釈されるべき以下の請求項によって決定されるべきである。
【００５６】
補遺Ａ
ここで、最も単純な平行照明の場合（数値的アパーチャ−またはＮＡ−ゼロに等しい、垂直入射（入射角ＡＯＩ−ゼロに等しい）およびＰＬ光の放射の単一方向におけるフォトルミネセンス縞／式を考えよう。これは、エピ層内部における全方向のＭＱＷの出光として粗い近似であるが、高指数によって光の小さい部分が垂直入射周辺で漏出する（ＧａＮ内部の２０度くらいを超える光線の全内部反射）ことを可能にするだけである。しかし、ここでの目的は、その最も単純な実行における提案された方法を示すことであり、しかるに我々は、この場合の計算を始める。
【００５７】
我々の表記法において、
【数１】
2015514208.tif 000003
は、エピの厚さｔによる電磁波（ＰＬ）のラウンドトリップ光学パスからの位相ずれに相当する。しかるに、それらが遭遇する第１のインターフェースにおけるアップおよびダウンそれぞれのＰＬ（それぞれエピの上部および底部）についての、φ（λ，ｄ／２）およびφ（λ，ｔ／２−ｄ／２）の位相である。アップおよびダウンは、図３において模式的に示される通りの上向きおよび下向きのＰＬ光線を指す。
【００５８】
以下の式および計算をよりコンパクトにするため、我々は、以下のように反射率の式を単純化する。
【数２】
2015514208.tif 000004
を短縮してｒ１、
【数３】
2015514208.tif 000005
ｒ２とする。
【００５９】
次いで、我々は、アップ（Ｅ１）およびダウン（Ｅ２）についてサンプルから反射した光の振幅を計算する（我々は、ＭＱＷからの初期ＰＬ振幅ＥＰＬが両方向で同じであると仮定する）。我々は、ＰＬ強度に相当するその二乗ＩＰＬを波長の関数と呼ぶ。ＩＰＬは、我々が本文で参照する基底ルミネセンススペクトルに正比例する。エピ（「キャビティ」）内部の全放射ＭＱＷ  ＰＬは、２である。下および上方向で出光されたＰＬとしてのこの記法のおけるＩＰＬは、インコヒーレントであると仮定する。
【数４】
2015514208.tif 000006
【００６０】
インコヒーレントのＰＬ事象についてのエピを超えて測定される総強度は、以下の通りに得られる。
【数５】
2015514208.tif 000007
【００６１】
これは、我々が図５に示される第１の反復を生成するために使用した式であり、単純なガウススペクトル形状は、上記で計算されたスペクトル変調を適用することによって変換された。図２のブロック２０８に示される最小化の精神において、観測されるスペクトル特性に最もよく適合するように厚さを選択した。ここでの目的は、ファブリ−ペロおよび物理的な厚さに基づいた計算が、どのようにして測定されたＰＬスペクトルからスプリアス縞を除去する物理的に正当なアプローチ法を構成するかについて説明することである。提案された方法のより完全な実行は、ガウスよりも現実的な線形、上記の式のより完全な計算の形（例えば、入射光および放射されたＭＱＷ光についての角度範囲の統合）、ＭＱＷにおける可能な再吸収効果等を含む。
【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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【図７】
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【国際調査報告】
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