DE69315877T2

DE69315877T2 - Methode und Vorrichtung zum Messen der Photoluminiszenz in einem Kristall

Info

Publication number: DE69315877T2
Application number: DE69315877T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Moriya
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Raytex Corp Tama Tokio Jp
Priority date: 1992-03-30
Filing date: 1993-03-29
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2013-03-30
Also published as: DE69315877D1; JPH05281141A; EP0563863B1; US5381016A; EP0563863A1; JP2975476B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Photolumineszenz in einem Kristall jeweils gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 11 und 1.

Stand der Technik

Eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 11 ist aus einem Artikel in Applied Physics A: Solids and Surfaces, Band 50, Nr.6, Juni 1990, Seiten 531-540, mit dem Titel "Light Scattering Topography and Photoluminescence Topography" von E.F. Steigmeier und H. Anderset bekannt.
Das Photolumineszenzmeßverfahren ist ein Verfahren zum Messen einer Verteilung von Defekten in einem Kristall. Für einen Silizium-(Si)Kristall wird ein Ar-Laser (488,514 nm) oder ein Helium-Neon-Laser (633 nm) in dem Photolumineszenzverfahren verwendet. Fig. 1 zeigt eine herkömmliche Photolumineszenzvorrichtung, in der ein Argon- oder Helium-Neon-Laser auf einen Gegenstand projiziert wird und die in dem Gegenstand erzeugte Fluoreszenz spektroskopisch durch ein Mikroskop gemessen wird. Der Argon- oder Helium-Neon-Laserstrahl wird in der horizontalen Richtung projiziert, dann unter 90º durch einen Halbspiegel 1 reflektiert und auf einem Gegenstand 3 über eine Objektivlinse fokussiert. Der projizierte Laserstrahl regt Lumineszenzzentren an, die fluoreszieren. Das Fluoreszenzlicht tritt durch den Halbspiegel hindurch und bildet mittels einer Bilderzeugungslinse 11 auf einem Nadelloch oder Schlitz 5, das oder der an einem Spektroskop 4 vorgesehen ist, ein Bild. Das Fluoreszenzlicht wird dann durch ein Beugungsgitter 6, das innerhalb des Spektroskops 4 angeordnet ist, so gebeugt, daß es auf ein Lichtempfangselement 7 geführt wird, wobei es über das Element entsprechend seiner Frequenzverteilung ausgebreitet ist. Ein Steuereomputer 8 analysiert das durch das Lichtempfangselement empfangene Bild, während eine Schlittensteuerung 9 so gesteuert wird, daß sich der Gegenstand 3 zweidimensional bewegt, um somit eine Verteilung der erzeugten Fluoreszenz auf einer Anzeige darzustellen.
Es ist wichtig, die Lebensdauer eines Lumineszenzentrums in dem Photolumineszenzverfahren zu messen. Eine allgemeine Messung der Lebensdauer geschieht dadurch, daß ein Projektionsstrahl von einer gepulsten Laserquelle oder einer gepulsten Lichtquelle bereitgestellt wird und daß ein Abklingen der unter Bestrahlung mit dem gepulsten Strahl erzeugten Fluoreszenz ausgewertet wird, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Es gibt ein weiteres Verfahren zum Messen der Lebensdauer, bei dem ein Halbleiterlaserstrahl als Anregungsenergie eingegeben wird und ein Abklingen der Anregung durch Mikrowellen beobachtet wird.
Es gibt andere herkömmliche Verfahren, die das Photolumineszenzverfahren betreffen, wie z. B. in der japanischen Patentanmeldung Nr.54-109488 und der japanischen Patentanmeldungsoffenlegung Nr.61-119446 beschrieben ist, bei denen ein Streubild oder ein Fluoreszenzbild eines Defekts unter Verwendung eines Laserstrahls erhalten wird. Weiter beschreibt die japanische Patentanmeldung Nr.60-53368 ein Verfahren zum Erhalt eines Streubilds eines Defekts in einem Siliziumkristall unter Bestrahlung mit einem YAG-Laser. Zusätzlich wird Bezug genommen auf K. Moriya und T. Ogawa in Japanese Joumal of Applied Physics, 22(1 983)L207, die verwandten Stand der Technik beschreiben.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Wie oben beschrieben wurde, wird die Photolumineszenzmessung z.B. von Silizium ausgeführt unter Bestrahlung mit dem Ar- oder He-Ne-Laser in den herkömmlichen Verfahren. Die verwendeten Laserstrahlen haben jedoch relativ kurze Wellenlängen, die nicht vollständig in einen Kristall eindringen können. Somit war die Messung lediglich auf die Nähe der Kristalloberfläche beschränkt (ungefähr 1-2 µm von der Oberfläche). Weiter werden Oberflächenrekombinationszentren in der Nähe der Oberfläche eines Kristalls erzeugt, wobei sich der Aufbau der Oberfläche von der intrinsischen inneren Struktur eines Kristalls unterscheidet. Eine genaue Messung der physikalischen Eigenschaften des Kristallinneren kann durch die herkömmlichen Verfahren nicht erwartet werden, die nur Messungen in der Nähe der Oberfläche erlauben. Da ein Siliziumkristall normalerweise der IG-Behandlung (zur Ausbildung des intrinsischen Gettereffekts) ausgesetzt wird, besitzt es eine Defektverteilung in der Richtung der Tiefe eines Wafers. Sogar wenn man den Kristall brechen sollte, um eine derart gebrochene Oberfläche zu beobachten zur Messung der Verteilung der Defekte in der Tiefe, wäre eine genaue Messung aufgrund eines Einflusses der Bruchoberfläche unmöglich.
Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Photolumineszenz zu schaffen, die eine Messung des Kristallinneren ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren jeweils gemäß den Ansprüchen 1 und 11.
Wie oben beschrieben wurde, wird die Messung der Lebensdauer der Lumineszenzzentren normalerweise durch Projizieren eines gepulsten Lasers gegen ein Objekt und Beobachten der Zeitabhängigkeit der Fluoreszenz durchgeführt. Ein Meßsystem unter Verwendung des gepulsten Lasers ist jedoch kompliziert und teuer. Weiter ist die Fluoreszenz extrem dunkel, wenn sie durch Anregungslicht erzeugt wird, das zwar kaum absorbiert wird, aber dafür das Innere des Kristalls erreichen kann. Somit muß zum Erhalt einer Fluoreszenz mit meßbarer Intensität der verwendete gepulste Laser einen hohen Peakwert (Energiestärke) aufweisen, der Schaden an dem Kristall selbst hervorrufen könnte.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß eine Vorrichtung geschaffen wird, die eine Messung einer Lebensdauer ohne die Verwendung einer gepulsten Laserquelle ermöglicht.
Weiter wird in den herkömmlichen Verfahren ein wellenlängendispersives Spektroskop als ein optisches Beobachtungssystem verwendet, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Ein derartiges Spektroskop ist lichtschwach und ungeeignet zur Messung einer schwachen Fluoreszenz. Das optische System ist zudem teuer und groß im Maßstab.
Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß eine Photolumineszenzmeßvorrichtung geschaffen wird, die die Messung der Photolumineszenz durch ein einfaches optisches System ohne Verwendung eines Spektroskops ermöglicht.
Die in einem Siliziumkristall erzeugte Fluoreszenz ist sehr schwach und daher wäre eine Fluoreszenzintensität mit einem Laser mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 800-1500 nm, der einen kleinen Absorptionskoeffizienten, aber eine ausreichend hohe Transmissivität zum Erreichen des Kristallinneren aufweist, extrem niedrig. Weiter besitzt die durch die Anregung mit dem Laserstrahl mit einer Wellenlänge in dem oben angegebenen Bereich erzeugte Fluoreszenz eine Wellenlänge von 0,9-2 µm, was sich teilweise mit einem Wellenlängenbereich des gestreuten Lichts von dem projizierten Laser überlappt.
Es ist daher noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß eine Photolumineszenzvorrichtung geschaffen wird, die eine schwache Fluoreszenz auswerten kann unter Trennung von dem Streulicht von einem projizierten Laserstrahl.
Beispielsweise besitzt Silizium zwei Fluoreszenzspitzen zwischen 900 nm und 1300 nm und zwischen 1400 nm und 1800 nm, die sich voneinander im Fluoreszenzmechanismus unterscheiden. Die beiden Fluoreszenzen können eine Wechselwirkung besitzen, die eine Notwendigkeit zum Untersuchen einer Wellenlängenabhängigkeit davon hervorrufen, während eine Wellenlänge des Einfallsstrahls geändert wird. Ähnlich dazu besitzen jeweils das Streulicht und das Fluoreszenzlicht eine bestimmte Polarisationsabhängigkeit und daher wird es wichtig, die Polarisationsabhängigkeit zu studieren. Es ist daher noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Photolumineszenz geschaffen wird, die die Wellenlängenabhängigkeit des Einfallslichts und die Polarisationsabhängigkeit der erzeugten Fluoreszenz in einer einfachen Anordnung auswerten können.
In der vorliegenden Erfindung wird zur Erzielung der obigen Aufgabe und Vorteile ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge, die durch einen Gegenstandskristall durchtreten kann, auf einen Durchmesser von einigen Mikrometern fokussiert zur Bestrahlung des Kristalls, und innerhalb des Kristalls erzeugtes Licht wird durch einen schmalbandigen Transmissionsfilter geleitet, wodurch nur eine Anregungsfluoreszenz von anderem getrennt wird, um dann beobachtet zu werden. Die Wellenlänge des projizierten Laserstrahls beträgt 800-1500 nm. Der Laserstrahl mit einer Wellenlänge in diesem Bereich kann vollständig in den Kristall eindringen.
Die somit erhaltene Fluoreszenz kann sichtbar gemacht werden durch Verwendung einer Bildaufnahmevorrichtung&sub1; so daß das Erscheinen einer Fluoreszenz an einer bestimmten Position in dem Kristall beobachtbar ist.
Die Lebensdauer einer fluoreszenzerzeugenden Anregung wird bestimmt durch Erhalt einer Fluoreszenzintensität (I) und einer Ausdehnung oder Verbreiterung (L) des Fluoreszenzbilds als Funktion der Eindringtiefe des Laserstrahls in dem Kristall aus dem somit erhaltenen zweidimensionalen Bild auf der Grundlage eines innerhalb des Kristalls unter der Bedingung erzeugten zweidimensionalen Bilds, daß ein dünner fokussierter Laserstrahl in den Kristall projiziert wird.
Wenn ein polarisierender Filter in ein optisches Laserstrahlprojektionssystem oder in ein optisches Lichtempfangssystem eingefügt wird, kann man die Polarisationsabhangigkeit der Fluoreszenz ermitteln. Wenn weiter ein Interferenzfilter dazu verwendet wird, eine Mittenwellenlänge des transmittierten Lichts zu verändern, kann man die Wellenlängenabhängigkeit der Fluoreszenz ermitteln.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer herkömmlichen Fluoreszenzbeobachtungsvorrichtung;
Fig. 2 ist eine erläuternde Zeichnung zur Veranschaulichung einer Lebensdauer einer Fluoreszenz, die mit einem gepulsten Laser erzeugt wird;
Fig. 3 ist eine erläuternde Zeichnung zur Veranschaulichung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 4 ist eine erläuternde Zeichnung zur Veranschaulichung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 ist eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung eines erzeugten Fluoreszenzzustands;
Fig. 6 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer Korrelation zwischen einer Verbreiterung und einer Intensität in einem Fluoreszenzbild;
Fig. 7 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer Veränderung einer Transmissionsmittenwellenlänge, wenn ein Filter geneigt wird;
Fig. 8 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung von Korrelationen einer Mittenwellenlänge, einer Transmissionsspitze und einer Halbwertsbreite in bezug auf einen Drehwinkel des Filters;
Fig. 9 ist eine erläuternde Zeichnung zur Veranschaulichung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer Veränderung der erzeugten Fluoreszenz mit der Zeit;
Fig. 11 ist eine Grafik zur Veranschaulichung einer Veränderung der Verbreiterung des Fluoreszenzbilds mit der Zeit;
Fig. 12A bis 12D sind Zeichnungen, die jeweils eine Korrelation zwischen einem Fluoreszenzbild und einem Streubild zeigen;
Fig. 13A bis 13D sind Grafiken, die jeweils eine Intensitätsverteilung in einem Fluoreszenzbild oder in einem Streubild zeigen;
Fig. 14A und 14B sind Grafiken, die jeweils eine Korrelation zwischen einer Streulichtintensität und einem Fluoreszenzbild zeigen; und
Fig. 15 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen Meßwerten und berechneten Werten in einem Fluoreszenzintensitätsexperiment.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 3 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform. In der nachfolgenden Beschreibung wird die Verwendung von Silizium als Gegenstandskristall unterstellt.
Ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 800-1500 nm wird durch eine Kondensorlinse 20 und dann durch eine polierte Fläche eines Siliziumkristalls 3 in den Kristall projiziert. Die Kondensorlinse 20 kondensiert den Laserstrahl auf einen Durchmesser von 3-20 µm. In dem Kristall erzeugtes Licht tritt durch eine Objektivlinse 2 und eine Bilderzeugungslinse 11 hindurch zur Bildung eines Bilds auf einer Bildaufnahmevorrichtung 21. Durch die Bildaufnahmevorrichtung aufgenommene Bildinformation wird durch eine Bildbearbeitungsvorrichtung 22 bearbeitet und die notwendige Information wird an einen Steuercomputer 8 übertragen.
Bezugszeichen 23 bezeichnet ein Transmissionsfilter, das in ein aus der Objektivlinse 2, der Bilderzeugungslinse 11 und der Bildaufnahmevorrichtung 21 zusammengesetztes optisches Lichtempfangssystem eingefügt ist. Das Filter besitzt eine schmalbandige Charakteristik, um nur durch mit dem projizierten Laserstrahl in dem Siliziumkristall angeregte Träger erzeugte Fluoreszenz von dem Streulicht abzutrennen und zu übertragen. Da die erzeugte Fluoreszenz eine Wellenlänge von 0,9-2 µm im Falle von Silizium besitzt, muß das Filter eine Transmissionseigenschaft nur in diesem Band besitzen.
Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Schlittensteuerung zum Steuern eines Laserstrahlansteuerungsschlittens 24 zum Verändern einer Projektionsposition des projizierten Lasers oder eines Objektansteuerungsschlittens 24 zum Bewegen eines Objekts. Die Schlittensteuerung 9 steuert auf geeignete Weise eine relative Position zwischen der Laserstrahlquelle und dem Objekt zur zweidimensionalen Beobachtung eines Fluoreszenzzustands, und eine zweidimensionale Bildaufnahmeinformation wird aus der so erhaltenen Bildinformation analysiert.
Bezugszeichen 25 bezeichnet polarisierende Elemente zum Polarisieren des projizierten Laserstrahls oder des zu empfangenden gestreuten Lichts. Die polarisierenden Elemente können in den optischen Weg bei Bedarf eingefügt werden und gedreht werden, um einen gewünschten Polarisationszustand zu erhalten, wodurch die Polarisationsabhängigkeit der somit erzeugten Fluoreszenz beobachtet werden kann. Wenn die polarisierten Elemente so eingestellt sind, daß eine minimale Streuintensität erhalten wird, kann man eine schwache Fluoreszenz leicht feststellen. In dem Beispiel der Fig. 3 kann die Streumtensität von Mikroniederschlägen (Durchmesser < λ/10) minimiert werden, wenn die Polarisationsrichtung (elektrische Feldrichtung) parallel zur Blattebene der Zeichnung ist. Die Polarisationsabhängigkeit des Streulichts unterscheidet sich von der der Fluoreszenz. Im allgemeinen besitzt das gestreute Licht eine starke Richtungsabhängigkeit, während die Fluoreszenz eine schwache Abhängigkeit aufweist. Dementsprechend wird die Polarisationsrichtung so eingestellt, daß die Streuung geschwächt wird, wenn die Fluoreszenz beobachtet wird, während die Polarisationsrichtung so eingestellt wird, daß die Streuung erhöht wird, wenn das Streulicht beobachtet wird, wodurch geeignete Messungen ausführbar sind.
Eine Oberfläche des Bandtransmissionsfllters 23 ist auf normale Weise mit einem Interferenzfilm beschichtet. Wenn dann der Filter geeignet gedreht wird, verändert sich die scheinbare Interferenzfilmdicke, wodurch man die Transmissionsmittenwellenlänge verändern kann. Somit kann durch Verändern des Winkels zwischen der Filteroberfläche und der optischen Achse die Transmissionsmittenwellenlänge verändert werden, was die Beobachtung der Wellenlängenabhängigkeit der Fluoreszenzerzeugung erlaubt. Wenn die Objektivlinse derart ist, daß sie im Unendlichen korrigiert ist, kann ein paralleler Strahl zwischen der Objektivlinse und der Bilderzeugungslinse erhalten werden, was vorteilhaft ist zur Einfügung des Interferenzfilters. Es tritt keine Bildverschiebung auf, wenn das Interferenzfilter verkippt wird. Fig. 7 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung einer Veränderung der Mittenwellenlänge des transmittierten Lichts, wenn das Interferenzfilter 23 in bezug auf die optische Achse verkippt wird, und Fig. 8 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung von Veränderungen der Spitzentransmissivität und der Halbwertsbreite, wenn die Mittenwellenlänge verändert wird. Damit kann natürlich sofort die Wellenlängenabhängigkeit der Fluoreszenz gemessen werden, wie auch durch Verwendung eines Lasers mit veränderbarer Wellenlänge.
Eine Messung der Wellenlängenabhängigkeit der Fluoreszenz in einem Halbleiter ermöglicht ein Studium der Struktur von tiefen Niveaus in einem Band des Kristalls.
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Während in der wie in Fig. 3 gezeigten ersten Ausführungsform die Beobachtung in der Richtung senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls durchgeführt wird, wird die Beobachtung in der zweiten Ausführungsform auf der gleichen Ebene wie der Einfallsebene durchgeführt. Der Laserstrahl fällt unter einem Einfallswinkel von 60-77º (θ = 13-30º) auf die Oberfläche eines Kristalls ein. Der einfallende Laserstrahl wird an der Kristalloberfläche gebrochen und dringt in das Innere des Kristalls unter einem Brechungswinkel (α) von ungefähr 16º ein. Da ein Teil des einfallenden Laserstrahls an der Kristalloberfläche reflektiert wird, sollte die Beobachtung in einer solchen Richtung ausgeführt werden (β = 10-35º), daß das reflektierte Licht nicht in das Lichtempfangselement 22 eintritt.
Fig. 5 ist eine Zeichnung zur schematischen Veranschaulichung eines Fluoreszenzerzeugungszustands, wenn das Objekt mit dem Anregungslaser bestrahlt wird. Fig. 6 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung eines Ausbreitens (L) der erzeugten Fluoreszenz und einer Intensität (I) der Fluoreszenz in bezug auf eine Eindringtiefe des Laserstrahls von der Objektoberfläche an der horizontalen Achse. Unter Ermittlung von L und I als Funktion der Tiefe von der Kristalloberfläche kann die Lebensdauer der Anregungsträger als eine Funktion der Tiefe ermittelt werden. Die Verbreiterung (L) des Fluoreszenzbilds wird an einer Position gemessen, wo die Fluoreszenzintensität auf 1/e abfällt.
Im allgemeinen wird ein Diffüsionskoeffizient angeregter Träger wie folgt aus der Ein-. stein-Beziehung ausgedrückt:
Dn = µekBT/q; Dp = µpkBT/q,
wobei kB die Boltzmann-Konstante, T eine Temperatur, q eine Ladung, µe eine Elektronenbeweglichkeit und µp eine Lochbeweglichkeit ist.
Weiter ist die Rekombinationslebensdauer (T) der Minoritätsträger durch die folgende Gleichung gegeben.
τ&supmin;¹ = Nr S Vth,
wobei Nr eine Dichte von Rekombinationszentren, S ein Einfangquerschnitt und Vth eine thermische Geschwindigkeit der Minioritätsträger ist.
Folglich ist eine Wahrscheinlichkeit dafür, daß sich ein angeregter Minoritätsträger um eine Strecke R bewegt, wie folgt:
EXP(-R/M)
Es gibt die folgende Beziehung zwischen einer Diffusionslänge (M) der Träger und der Rekombinationslebensdauer (τ).
M = [Dnτ]
Wenn somit die Verbreiterung (L) der Fluoreszenzintensitätsverteilung gemessen werden kann, kann man die Diffusionslänge M der Träger erhalten. Dabei entspricht M der Position, wo die Fluoreszenzintensität zu 1/e wird.
Erfindungsgemäß kann die Anregungslebensdauer durch das oben beschriebene mathematische Verfahren mit einem Dauerstrichlaser analysiert werden. Auch unter Verwendung eines gepulsten Lasers kann die Verbreiterung des Fluoreszenzbilds und die Lebensdauer der Träger genauer gemessen werden. Fig. 9 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform, die einen solchen gepulsten Laser als Lichtquelle verwendet.
Die gepulste Laserquelle 30 emittiert einen Strahl durch ein durch einen Pulsgenerator 31 erzeugtes Auslösesignal. Eine Zeitabhängigkeit der erzeugten Fluoreszenz wird durch einen gegateten Bildverstärker 32 gemessen. Im einzelnen wird nach der Lichtemission des gepulsten Lasers ein Gate für eine kurze Zeit unter Verzögerung mit einer vorbestimmten Zeit (t) geöffnet, und die Messung wird mehrere Male wiederholt, während die Zeit t verändert wird, wodurch die Erzeugung von Fluoreszenz in Abhängigkeit von der Zeit beobachtbar ist.
Fig. 10 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung eines Zustands der Erzeugung eines Anregungsfluoreszenzbilds, wenn ein Laserpuls auf einen Gegenstand für eine bestimmte Zeit durch die wie in Fig. 9 gezeigte Vorrichtung projiziert wird, und Fig. 11 ist eine Grafik zur Veranschaulichung einer Veränderung der Verbreiterung (L) des Fluoreszenzbilds mit der Zeit. Die Rekombinationslebensdauer (er) kann aus Fig. 11 genau gemessen werden.
Die Figuren 12A-12D bis Fig. 15 zeigen Ergebnisse von Experimenten, bei denen das Innere eines Siliziumkristalls durch die erfindungsgemäße Vorrichtung beobachtet wurde.
Ein Dauerstrich-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1.064 µm und einer Intensität von 400 mW, der voll kondensiert war (in einem Durchmesser von ungefähr 2-4 µm), wurde so geführt, daß er in eine polierte Oberfläche eines Siliziumkristalls eindrang zur Anregung von Lumineszenzzentren, und gestreutes Licht und erzeugtes Fluoreszenzlicht wurden durch Filter mit Mittenwellenlängen jeweils von 1064 nm und 950 nm und mit einer Halbwertsbreite von 20 nm an einer Bruchoberfläche beobachtet. Man ließ den Laserstrahl bis in eine Tiefe von ungefähr 10 µm von der Oberfläche gehen, unter Verhinderung, daß Fluoreszenz innerhalb des Kristalls durch die Oberfläche eingeschlossen wird.
Die Proben beinhalteten einen Wafer, der einer IG-Behandlung unterworfen war, der viele Defekte aufwies, und einen wie gewachsenen Wafer, der kaum Defekte aufwies. Die Figuren 12A bis 12D zeigen eine Korrelation zwischen einem Fluoreszenzbild und einem Streubild. Man siebt, daß der defekffreie wie gewachsene Wafer eine große Verbreiterung des Fluoreszenzbilds aufweist. Die Figuren 13A bis 13D zeigen Intensitätsverteilungen im Fluoreszenzbild und im Streubild als Funktion der Tiefe. Fig. 14A ist eine Grafik zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen der Streumtensität und einer Fluoreszenzintensität, und Fig. 14B ist eine Grafik zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen einer Streuintensität und einer Verbreiterung des Fluoreszenzbilds. Man sieht, daß es eine umgekehrte Beziehung zwischen der Intensität des Streulichts und der Ausbreitungsbreite des Fluoreszenzbilds gibt. Somit kann erfindungsgemäß der Einfluß von Defekten innerhalb des Kristalls auf die Diffusionslänge (M) der Träger quantitativ als eine Funktion der Tiefe von der Kristalloberfläche ermittelt werden. Dementsprechend wird es möglich auszuwerten, wie man den Einfluß von Defekten auf die Bewegung der Träger in der Kristalloberfläche verringem kann, während eine Verteilung von Defekten (IG-Behandlung), die innerhalb des Kristalls erzeugt wird; ausgebildet wird.
Fig. 15 zeigt Fluoreszenzintensitätsverteilungen, die entlang der Richtung der Tiefe und entlang der Richtung senkrecht dazu gemessen wurden. In Fig. 15 veranschaulichen Punkte berechnete Werte, die durch die oben beschriebene Berechnung unter einer Trägerdiffusionslänge (M) von 85 µm erhalten wurden. Man sieht, daß die berechneten Werte eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten aufweisen.
Wie in Fig. 15 gezeigt ist, verringert sich in der Intensitätsverteilung die Intensität entlang der Tiefe gegen die Kristalloberfläche. Dies liegt darin begründet, daß die angeregten Träger, die durch den Laser erzeugt werden, in der Oberfläche absorbiert (rekombiniert) werden. Die Dichte der Rekombinationszentren in der Nähe der Oberfläche kann man somit durch Erhalt der Verteilung messen.
Die vorliegende Erfindung wurde auf Grundlage der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, und es ist nicht notwendig zu erwähnen, daß die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein soll. Obwohl in den obigen Beispielen insbesondere ein Siliziumkristall Gegenstandskristall war, sei bemerkt, daß die vorliegende Erfindung auch auf verschiedene andere Gegenstandskristalle anwendbar ist, z.B. GaAs, InP, unter geeigneter Auswahl der Wellenlänge des projizierten Laserstrahls und des Transmissionswellenlängenbands des Bandfilters. Zudem kann das schmalbandige Filter ein Bandpaßfilter mit einem engen Transmissionslichtband, wie ein Differenzfilter, oder ein veränderlicher Filter, wie ein Spektroskop, sein. Weiter kann das schmalbandige Filter ein Etalon mit einem einstellbaren Abstand sein.
Das Filter kann durch ein schmalbandiges Sperrfilter (Notch-Filter), das eine Transmissivität von 0 in der Nähe der Laserwellenlänge besitzt, wie auch durch ein Bandpaßfilter ersetzt werden.
Erfindungsgemäß kann die Photolumineszenzintensitätsverteilung in einem Kristall in einer einfachen Anordnung wie beschrieben gemessen werden. Da der Laserstrahl ausreichend tief in den Kristall eindringen kann, kann die Fluoreszenz in dem originalen Kristallinneren ohne den Einfluß von Rekombinationszentren in der Kristalloberfläche gemessen werden. Weiter besitzt die Fluoreszenzlebensdauer eine enge Beziehung mit der Trägerlebensdauer, die ein wichtiges Meßelement ist. Erfindungsgemäß kann die Lebensdauer nach dem mathematischen Verfahren aus der Verteilung der gemessenen Fluoreszenz abgeschätzt werden. Die Abklingzeit der Fluoreszenzintensität kann direkt mit dem Projektionslicht eines gepulsten Lasers gemessen werden, der eine genauere Messung ermöglicht.
In der Oberfläche eines Siliziumkristalls ist ohne eine darauf vorgesehen Oxidschicht eine nicht abgedeckte Bindung ausgebildet, die ein Absorptionszentrum (Rekombinationszentrum) werden könnte. Somit wird normalerweise bei herkömmlichen Verfahren die Messung der Lebensdauer durchgeführt, nachdem ein Oxidfilm auf der Oberfläche gebildet wurde. In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Diffusion ohne die Bildung eines derartigen Oxidfilms auf der Oberfläche analysiert werden, wodurch die Dichte von Rekombinauongzentren in der Oberfläche und die Diffusionslänge innerhalb des Kristalls genau getrennt meßbar sind. Die Bildung eines solchen Oxidfilms erfordert eine Wärmebehandlung bei einer hohen Temperatur (ungefähr 900ºC). Ein elektrischer Ofen für die Wärmebehandlung könnte zu einer Verunreinigungsquelle werden, die in großem Maße die Veränderung der Lebensdauer der Probe beeinflussen könnte.

Claims

1.Eine Photolumineszenzmeßvorrichtung mit:

einer Laserquelle (30) zum Emittieren eines Laserstrahls;

einem optischen Projektionssystem zum Kondensieren des Laserstrahls in einen vorbestimmten Durchmesser und zum Projizieren desselben in das Innere eines Gegenstandskristalls (3);

einem optischen Lichtempfangssystem (2,11, 21) zum Empfang von in dem Kristall (3) mit dem projizierten Laserstrahl erzeugtem Licht;

einem Filter (23), das in dem optischen Lichtempfangssystem vorgesehen ist und eine Bandtransmissionscharakteristik aufweist, die erlaubt, daß nur die Fluoreszenz in dem erzeugten Licht dadurch hindurchtritt; und

einer Verarbeitungseinheit (22, 8) zur Auswertung der durch den Filter hindurchgetretenen Fiuoreszenz zur Analyse der inneren Struktur des Kristalls,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Laserquelle geeignet ausgebildet ist zur Begrenzung des Laserstrahls so, daß er eine Wellenlänge von 800 nm bis 1500 nm aufweist, um dadurch zu ermöglichen, daß der Laserstrahl in das Innere des Gegenstandskristalls geht.

2. Eine Photolumineszenzmeßvorrichtung gemaß Anspruch 1, wobei die Verarbeitungseinheit (22, 8) eine Verbreiterung und eine Intensität des Bilds der erzeugten Intensität entlang einer Tiefe von einer Oberfläche des Kristalls (3) mißt zur Auswertung einer durchschnittlichen Bewegungslange der Träger als Funktion der Tiefe.

3. Eine Photolumineszenzmeßvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Verarbeitungseinheit (22, 8) ein Bild des gestreuten Lichts und ein Bild der mit dem Einfallslaserstrahl erzeugten Fluoreszenz bildet zur Auswertung einer Korrelation zwischen der Intensität oder der Verbreiterung der Fluoreszenz und der gestreuten Intensität.

4. Eine Photolumineszenzmeßvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Verarbeitungseinheit (22) Antriebsmittel (9, 26, 24) aufweist zum Bewegen der Laserque- lle oder des Gegenstandskristalls zu einer vorbestimmten Position, wobei die Verarbeitungseinheit die Intensität der Fluoreszenz oder die Verbreiterung des Bilds der Fluoreszenz zweidimensional beobachtet, während die Laserquelle oder der Gegenstandskristall durch die Antriebsmittel geeignet verschoben wird.

5. Eine Photolumineszenzmeßvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei eine Korrelation zwischen einem zweidimensionalen Bild des gestreuten Lichts in dem Kristall mit der gleichen Wellenlänge wie der projizierte Laserstrahl und einem zweidimensionalen Bildintensität und Verteilung der Fluoreszenz bestimmt wird.

6. Eine Photolumineszenzmeßvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Laserquelle ein Laser mit variabler Wellenlänge ist, der in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich beliebig kontinuierlich veränderbar ist, und wobei die Wellenlängenabhängigkeit des Streubilds oder des Fluoreszenzbilds von dem Einfallsstrahl gemessen wird unter geeigneter Veränderung der Wellenlänge.

7. Eine Photolumineszenzmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das optische Projektionssystem und/oder das optische Lichtempfangssystem mit Polarisationsmitteln (25) versehen sind, und wobei eine Polarisationsabhängigkeit des Streubilds oder des Fluoreszenzbilds durch Verändem der Polarisationsrichtung des projizierten Laserstrahls und/oder einer Polarisationsrichtung des Streulichts oder der Fluoreszenz gemessen wird.

8. Eine Photolumineszenzmeßvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei der Bandtransmissionsfilter (23) gekippt wird zur Veränderung der Transmissionsmittenwellenlänge des projizierten Laserstrahls, wobei eine Wellenlängenabhängigkeit des Streubilds oder des Fluoreszenzbilds gemessen wird.

9. Eine Photolumineszenzmeßvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei ein gepulster Laser als die Laserquelle verwendet wird, und wobei eine Zeitabhängigkeit des Fluoreszenzbilds gemessen wird durch Messen der mit dem gepulsten Laserstrahl erzeugten Fluoreszenz mit der Zeit.

10. Eine Photolumineszenzmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Gegenstandskristall (3) ein Siliziumkristall ist, wobei die Wellenlänge des erzeugten Fluoreszenzbilds 0,9-2 µm ist.

11. Ein Photolumineszenzmeßverfahren mit den Schritten:

Projizieren eines Laserstrahls in einen Gegenstandskristall (3) unter Kondensieren des Laserstrahls in einen vorbestimmten Durchmesser;

Empfangen von in dem Gegenstandskristall mit dem projizierten Laserstrahl erzeugtem Licht;

Durchlassen von nur der Fluoreszenz in dem Licht, die durch Anregung in dem Kristall erzeugt wird, durch ein Filter; und

Ermitteln der Fluoreszenz, um dadurch eine interne Struktur des Kristalls zu analysieren,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Laserstrahl mit einer Wellenlänge in dem Bereich von 800 nm bis 1500 nm erzeugt wird, um dadurch zu ermöglichen, daß der Laserstrahl in den Gegenstandskristall (3) geht.

12. Ein Photolumineszenzmeßverfahren gemäß Anspruch 11, wobei eine Verbreiterung und eine Intensität des Fluoreszenzbilds entlang einer Tiefe von einer Oberfläche des Kristalls gemessen werden, um eine durchschnittliche Bewegungsstrecke von Trägern als Funktion der Tiefe in dem Kristall zu ermitteln.

13. Ein Photolumineszenzmeßverfahren gemäß Anspruch 12, wobei Bilder des gestreuten Lichts und der Fluoreszenz gebildet werden zur Ermittlung einer Korrelation zwischen der Intensität oder der Verbreiterung der Fluoreszenz und der Streuintensität.

14. Ein Photolumineszenzmeßverfahren gemäß Anspruch 13, wobei der projizierte Laserstrahl oder der Gegenstandskristall geeignet bewegt werden zur zweidimensionalen Beobachtung der Fluoreszenzintensität der Fluoreszenz oder der Verbreiterung des Fluoreszenzbilds.

15. Ein Photolumineszenzmeßverfahren gemäß Anspruch 14, wobei eine Korrelation ermittelt wird zwischen einem zweidimensionalen Bild des Streulichts in dem Kristall mit der gleichen Wellenlänge wie der projizierte Laserstrahl und einem zweidimensionalen Bild der Intensität und Verteilung der Fluoreszenz.

16. Ein Photolumineszenzmeßverfahren gemäß Anspruch 15, wobei der Laserstrahl ein in der Wellenlänge veränderbarer Laserstrahl ist, der in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich beliebig kontinuierlich veränderbar ist und wobei eine Wellenlängenabhängigkeit des Streubilds oder des Fluoreszenzbilds von dem einfallenden Strahl gemessen wird unter geeigneter Veränderung der Wellenlänge.

17. Ein Photolumineszenzmeßverfahren gemäß Anspruch 16, wobei Polarisationsrichtungen des projizierten Laserstrahls und des Streulichts oder der Fluoreszenz verändert werden zur Messung einer Polarisationsabhängigkeit des Streubilds oder des Fluoreszenzbilds.

18. Ein Photolumineszenzmeßverfahren gemäß Anspruch 17, wobei eine Transmissionsmittenwellenlänge des projizierten Laserstrahls verändert wird zur Messung einer Wellenlängenabhängigkeit des Streubilds oder des Fluoreszenzbilds.

19. Ein Photolumineszenzmeßverfahren gemäß Anspruch 11, wobei ein gepulster Laser für die Laserstrahlquelle verwendet wird, und wobei eine Zeitabhängigkeit des Photolumineszenzbilds gemessen wird durch Messen der mit dem gepulsten Laser erzeugten Fluoreszenz mit der Zeit.

20. Ein Photolumineszenzmeßverfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Gegenstandskristall ein Siliziumkristall ist, wobei die Wellenlänge des erzeugten Fluoreszenzbilds 0,9-2 µm ist.