特許 7700232 測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-06-20

(45)【発行日】2025-06-30

(54)【発明の名称】測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/64 20060101AFI20250623BHJP

【ＦＩ】

G01N21/64 Z

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023529487

(86)(22)【出願日】2022-02-09

(86)【国際出願番号】 JP2022005179

(87)【国際公開番号】W WO2022264495

(87)【国際公開日】2022-12-22

【審査請求日】2024-08-07

(31)【優先権主張番号】P 2021101384

(32)【優先日】2021-06-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 健吾

(72)【発明者】

【氏名】池村 賢一郎

(72)【発明者】

【氏名】井口 和也

【審査官】嶋田 行志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１４２１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００３／０６７２３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１４／１７８２９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１２４５４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０７７１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】Internal quantum efficiency of radiation in a bulk CH3NH3PbBr3 perovskite crystal quantified by usin，APL Materials，米国，AIP Publishing，2019年07月31日，Vol. 7，071116，doi: 10.1063/1.5110652

【文献】Demonstration of omnidirectional photoluminescence (ODPL) spectroscopy for precise determination of，Applied Physics Letters，米国，AIP Publishing，2017年07月21日，Vol. 111，032111，doi: 10.1063/1.4995398

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／００－Ｇ０１Ｎ ２１／９５８

Ｇ０２Ｂ ５／２０

Ｇ０２Ｂ ２１／００－Ｇ０２Ｂ ２１／３６

Ａ６１Ｂ １／００

Ｇ０１Ｊ ３／００－Ｇ０１Ｊ ３／５２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０ （ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

ＡＣＳ ＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮＳ

Ｓｃｉｔａｔｉｏｎ

ＳＰＩＥ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｂｒａｒｙ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定物に向けて励起光を導光する励起光学系と、
前記測定物に照明光による照明スポットを形成する照明光学系と、
前記測定物上の前記照明スポットを撮像する撮像部と、を備え、
前記照明光学系は、第１の色を有する中心領域と、第１の色とは異なる第２の色を有して前記中心領域を囲う周辺領域とを有する光透過部材を含んで構成され、
前記励起光学系と前記照明光学系とは、前記撮像部の視野内において、前記測定物における前記励起光の照射スポットが前記中心領域を通った前記照明光による中心スポット領域に含まれ、且つ前記周辺領域を通った前記照明光による周辺スポット領域に囲まれるように光学的に接続されている測定装置。

【請求項2】

前記光透過部材は、前記中心領域が開口する色付きピンホールである請求項１記載の測定装置。

【請求項3】

前記周辺領域は、前記中心領域の周りに環状に設けられている請求項１又は２記載の測定装置。

【請求項4】

前記中心領域及び前記周辺領域の形状は、前記撮像部における撮像領域の形状と一致している請求項１～３のいずれか一項記載の測定装置。

【請求項5】

前記光透過部材は、前記第２の色とは異なる第３の色を有して前記周辺領域を囲う周辺領域を更に有する請求項１～４のいずれか一項記載の測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体ウェハなどの測定物の検査に用いられる測定手法として、例えばフォトルミネッセンス測定（以下「ＰＬ測定」と記す）が知られている。ＰＬ測定は、例えば半導体材料に対してバンドギャップより高いエネルギーを持つ光を照射することで生じた電子とホールとの再結合によって放出される光を測定する手法である。ＰＬ測定では、結晶の構造欠陥の分布を検出可能である一方、半導体ウェハの品質担保の観点からは、欠陥の定量性や再現性の向上が求められている。

【0003】

別の測定手法として、全方位フォトルミネッセンス測定（以下「ＯＤＰＬ測定」と記す）が知られている（例えば非特許文献１参照）。ＯＤＰＬ測定は、積分球を用いて測定物に吸収された励起光のフォトン数及び全方位への発光フォトン数を測定する手法である。ＯＤＰＬ測定では、不純物密度や点欠陥密度等を含む非輻射再結合に影響されるバンド端発光の発光量子効率を算出できるため、欠陥の定量化が可能となっている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】“Demonstration of omnidirectional photoluminescence (ODPL) spectroscopy for precise determination of internal quantum efficiency of radiation in GaN single crystals” Kazunobu Kojima et al., Applied Physics Letter 111, 032111 (2017)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述したＰＬ測定或いはＯＤＰＬ測定のように測定物に励起光を照射する場合、励起光の照射スポットの調整の容易性を確保する等の観点から、視野内の測定物上の励起光の照射スポットを観察できることが好ましい。励起光の照射スポットの観察には、例えばカメラ等で構成された撮像部を用いることができる。しかしながら、測定物に向かう励起光の光軸が撮像軸に対して傾斜する場合には、励起光の照射スポットを撮像部で直接観察することが難しくなる。撮像部のセンサが励起光の波長或いは励起光の照射によって測定物で発生する光の波長に対して十分な感度を持たない場合にも、励起光の照射スポットを撮像部で直接観察することが難しくなる。

【0006】

また、励起光が紫外光のような比較的高いエネルギーを有する光である場合、励起光の照射によって測定物に劣化が生じることが考えられる。この場合、測定物への励起光の照射の機会は極力減らすことが好ましく、励起光の照射スポットの観察のために測定とは別に測定物に励起光を照射することを回避したいという事情も存在する。

【0007】

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、測定物に励起光を照射することなく視野内の測定物上の励起光の照射スポットを観察できる測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一側面に係る測定装置は、測定物に向けて励起光を導光する励起光学系と、測定物に照明光による照明スポットを形成する照明光学系と、測定物上の照明スポットを撮像する撮像部と、を備え、照明光学系は、第１の色を有する中心領域と、第１の色とは異なる第２の色を有して中心領域を囲う周辺領域とを有する光透過部材を含んで構成され、励起光学系と照明光学系とは、撮像部の視野内において、測定物における励起光の照射スポットが中心領域を通った照明光による中心スポット領域に含まれ、且つ周辺領域を通った照明光による周辺スポット領域に囲まれるように光学的に接続されている。

【0009】

この測定装置では、照明光学系に含まれる光透過部材により、照明光が照射された測定物において、中心スポット領域の周りに第１の色とは異なる第２の色で周辺スポット領域が形成される。したがって、励起光の照射スポットを照明光の中心スポット領域に予め合わせておくことで、測定物に励起光を照射することなく視野内の測定物上の励起光の照射スポットを観察できる。この構成では、測定時以外の測定物への励起光の照射の機会を減らせるため、励起光が紫外光のような比較的高いエネルギーを有する光である場合であっても、励起光の照射による測定物の劣化を抑えることが可能となる。また、中心スポット領域を囲む周辺スポット領域が第１の色とは異なる第２の色で形成されるため、測定物の全体像の観察も容易となる。

【0010】

光透過部材は、中心領域が開口する色付きピンホールであってもよい。この場合、中心領域の寸法を小さくする場合でも、光透過部材の製造が容易となる。

【0011】

光透過部材において、周辺領域は、中心領域の周りに環状に設けられていてもよい。この場合、測定物上の励起光の照射スポットの視認性が高められる。

【0012】

中心領域及び周辺領域の形状は、撮像部における撮像領域の形状と一致していてもよい。この場合、中心領域の形状が撮像部での撮像画像の形状と同じとなるため、撮像領域の全体を観察することが容易となる。

【0013】

光透過部材は、第２の色とは異なる第３の色を有して周辺領域を囲う周辺領域を更に有していてもよい。この場合、測定物の全体像の観察が一層容易となる。

【発明の効果】

【0014】

本開示によれば、測定物に励起光を照射することなく視野内の測定物上の励起光の照射スポットを観察できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本開示の一実施形態に係る測定装置の構成を示す概略図である。

【図2】外部量子効率の算出手法を示す図である。

【図3】標準ＰＬスペクトルの一例を示す図である。

【図4】分離光学素子の構成の一例を示す模式的な図である。

【図5】標準ＰＬスペクトル測定における励起光学系と第１の検出光学系との光学的な接続状態を示す模式的な図である。

【図6】切替部の構成の一例を示す模式的な図である。

【図7】照明光学系の要部を示す模式的な図である。

【図8】（ａ）は、励起光学系と照明光学系との光学的な接続状態を示す模式的な図であり、（ｂ）は、撮像部の視野における測定物上の励起光の照射スポットと照明スポットとの位置関係を示す模式的な図である。

【図9】図１に示した測定装置を用いたＯＤＰＬ測定のフローチャートである。

【図10】準備ステップのフローチャートである。

【図11】励起光照射スポット確認ステップのフローチャートである。

【図12】標準ＰＬスペクトル測定ステップのフローチャートである。

【図13】外部量子効率測定ステップのフローチャートである。

【図14】内部量子効率算出ステップのフローチャートである。

【図15】励起光学系と照明光学系との光学的な接続状態の変形例を示す模式的な図である。

【図16】（ａ）～（ｃ）は、光透過部材の変形例を示す模式的な図である。

【図17】（ａ）～（ｃ）は、光透過部材の他の変形例を示す模式的な図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る測定装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
［測定装置の概略］

【0017】

図１は、本開示の一実施形態に係る測定装置の構成を示す概略図である。同図に示す測定装置１は、例えば測定物Ｓの非破壊検査を行う装置として構成されている。本実施形態では、測定物Ｓとして、化合物半導体結晶を例示する。より具体的には、測定物Ｓは、窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体結晶である。ＧａＮ半導体は、可視／紫外の発光デバイスのほか、高周波デバイス、パワーデバイスへの応用が期待される材料である。ＧａＮ半導体を用いたデバイスの特性は、貫通転位のような構造欠陥、点欠陥、微量不純物の混入によって大きく影響を受けることが知られている。測定装置１は、デバイスの歩留まりを改善し、量産化を推進すべく、ＧａＮ半導体結晶の構造欠陥の分布及び欠陥の定量性の双方を検査する装置として構成されている。

【0018】

測定装置１では、ＧａＮ半導体結晶の構造欠陥の分布及び欠陥の定量性の双方を検査するにあたり、測定物に対する全方位フォトルミネッセンス測定（以下「ＯＤＰＬ測定」と記す）を実施する。ＯＤＰＬ測定では、前段のステップとして、積分球を用いた測定物Ｓの外部量子効率（ＥＱＥ）の測定を実施する。また、後段のステップとして、測定物の標準フォトルミネッセンススペクトル（以下「標準ＰＬスペクトル」と記す）を用いた測定物Ｓの内部量子効率（ＩＱＥ）の算出を実施する。

【0019】

外部量子効率は、測定物で吸収された励起光のフォトン数に対する測定物の外部に放出された発光フォトン数の割合である。図２に示すグラフは、積分球にサンプルを配置しない状態で励起光を積分球に入力した場合に積分球から出力される被測定光のスペクトル（図２のグラフＡ）と、積分球にサンプルを配置した状態で励起光を積分球に入力した場合に積分球から出力される被測定光のスペクトル（図２のグラフＢ）とを一例として示したものである。測定物で吸収された励起光のフォトン数は、励起光の波長領域におけるグラフＡのスペクトルとグラフＢのスペクトルとの差分（図２の領域Ｄ１）に相当する。測定物の外部に放出された発光フォトン数は、被測定光の発光波長領域におけるグラフＡのスペクトルとグラフＢのスペクトルとの差分（図２の領域Ｄ２）に相当する。

【0020】

内部量子効率は、測定物で吸収された励起光のフォトン数に対する測定物で発生した発光フォトン数の割合である。内部量子効率に測定物からの光取出効率の影響を考慮したものが外部量子効率となる。測定物からの光取出効率は、当該測定物の材料によって定まる既知の値である。例えばＧａＮ結晶の光取出効率は、２．５５％であると見積もられる（”Determination of absolute value of quantum efficiency of radiation in high quality GaN single crystals using an integrating sphere” Kazunobu Kojima et al., Journal of Applied Physics 120, 015704 (2016) 参照）。

【0021】

したがって、測定物の標準ＰＬスペクトルと外部量子効率とが得られれば、測定物の内部量子効率を導出できる。例えばＧａＮ結晶では、結晶性が高く、欠陥数が少ない材料であるほど内部量子効率が高くなる傾向が見られる（例えば上述した非特許文献１参照）。つまり、内部量子効率は、その材料の結晶品質を直接反映しているのであり、ウェハ製造時にウェハ材料の結晶品質を評価することで、デバイスの寿命や性能に繋がる因子の評価が可能となる。

【0022】

内部量子効率の算出には、測定物の標準ＰＬスペクトルの測定が必要となる。積分球を用いた測定は、当該積分球に入射した光及び測定物から発生した全方位の光を検出することになる。積分球を用いて標準ＰＬスペクトルの測定を実施しようとした場合、例えば図３に示すように、全方位の発光を検出するため、標準ＰＬスペクトルが本来有するピーク（図３のピークＡ）の他にスペクトルのピーク（図３のピークＢ）が生じてしまうこととなる。このため、一般的には、測定物の標準ＰＬスペクトルの測定を実施する際に積分球は用いられていない。これに対し、測定装置１では、測定の利便性の観点から、積分球に測定物を配置したままの状態で測定物の標準ＰＬスペクトルの測定を実施できるように構成に工夫がなされている。以下、この測定装置１の構成について詳述する。
［測定装置の構成］

【0023】

測定装置１は、図１に示すように、励起光源２と、励起光学系３と、積分球４と、ＸＹステージ５と、光検出器６と、第１の検出光学系７と、第２の検出光学系８と、照明光源９と、照明光学系１０と、撮像部１１と、演算部１２とを備えて構成されている。本実施形態では、金属等の部材によって構成された筐体１３内に、励起光学系３、積分球４、光検出器６、第１の検出光学系７、第２の検出光学系８、照明光源９、照明光学系１０、及び撮像部１１が収容されている。励起光源２、ＸＹステージ５、及び演算部１２は、筐体１３に対して外付けとなっている。

【0024】

励起光源２は、測定物Ｓに対する励起光Ｌ１を出力する装置である。励起光源２は、コヒーレント光源及びインコヒーレント光源のいずれであってもよい。コヒーレント光源としては、例えばエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、ＹＡＧレーザ第２高調波（波長５３２ｎｍ）、ＹＡＧレーザ第４高調波（波長２６６ｎｍ）、ＨｅＣｄレーザ（波長３２５ｎｍ）、半導体励起全固体ＵＶレーザ（波長３２０ｎｍ）、半導体レーザ（例えばＩｎＧａＮ半導体レーザ（波長３７５ｎｍ～５３０ｎｍ）、赤色半導体レーザ、赤外半導体レーザ）などを用いることができる。インコヒーレント光源としては、例えば水銀ランプ（波長３６５ｎｍ）、ＬＥＤ光源、ＳＬＤ光源などを用いることができる。励起光源２から出力される励起光Ｌ１は、パルス光及びＣＷ光のいずれであってもよい。測定物ＳがＧａＮ半導体結晶である場合、励起光源２としては、上記光源のうち、例えばＹＡＧレーザ第４高調波、ＨｅＣｄレーザ、半導体励起全固体ＵＶレーザが用いられる。

【0025】

励起光学系３は、測定物Ｓに向けて励起光Ｌ１を導光する光学系である。励起光学系３は、例えば可変減衰フィルタ１６と、ミラー１７と、分離光学素子１８と、レンズ１９とを含んで構成されている。可変減衰フィルタ１６は、測定物Ｓに照射する励起光Ｌ１の強度を変化させるための素子であり、測定物Ｓに向かう励起光Ｌ１の強度を調整する。

【0026】

分離光学素子１８は、積分球４内の測定物Ｓに向かう励起光Ｌ１の光軸と、励起光Ｌ１の照射によって測定物Ｓで生じた被測定光Ｌ２の光軸とを分離する素子である。本実施形態では、分離光学素子１８は、図４に示すように、いわゆる孔開きミラーによって構成されており、励起光Ｌ１を通過させる開口部２１と、後述の被測定光Ｌ２及び照明光Ｌ３を反射する反射面２２とを有している。反射面２２において、被測定光Ｌ２は、開口部２１からずれた位置で反射する。これにより、積分球４内の測定物Ｓに向かう励起光Ｌ１の光軸と、積分球４から出力して光検出器６に向かう被測定光Ｌ２の光軸とが分離される。

【0027】

レンズ１９は、例えば凸レンズによって構成されている。レンズ１９は、積分球４に向かう励起光Ｌ１及び照明光Ｌ３を測定物Ｓの表面に集光する。すなわち、レンズ１９は、積分球４内の測定物Ｓ上に励起光Ｌ１の照射スポットＬａ及び照明光Ｌ３の照明スポットＬｂを形成する（図８（ａ）参照）。また、レンズ１９は、積分球４からの被測定光Ｌ２及び照明光Ｌ３を平行光化する。

【0028】

積分球４は、反射コーティングが施された球体内壁で光を拡散反射させて空間的に積分する装置である。積分球４の形状は、球状に限られず、半球状であってもよい。積分球４の内部には、測定物Ｓが配置されている。本実施形態では、ＸＹステージ５に接続されたアーム２３の先端部分が積分球４の内部に延びており、当該アーム２３の先端部分に測定物Ｓが保持されている。これにより、測定物Ｓは、積分球４の内部においてＸＹ面内方向に走査可能となっている。

【0029】

積分球４は、第１のポート２４及び第２のポート２５を有している。第１のポート２４は、ＸＹステージ５による測定物Ｓの走査面（ＸＹ面）に直交する方向に開口している。第２のポート２５は、第１のポート２４の開口方向と直交する方向（Ｘ方向又はＹ方向）に開口している。本実施形態では、第１のポート２４が標準ＰＬスペクトル測定用のポートとなっており、第２のポート２５が外部量子効率測定用のポートとなっている。標準ＰＬスペクトル測定では、励起光学系３によって測定物Ｓに向かう励起光Ｌ１と、積分球４内の測定物Ｓで生じた被測定光Ｌ２とが、いずれも積分球４の第１のポート２４を通るようになっている。外部量子効率測定では、励起光学系３によって測定物Ｓに向かう励起光Ｌ１が第１のポート２４を通り、積分球４内で拡散反射した被測定光Ｌ２が第２のポート２５を通るようになっている。

【0030】

光検出器６は、励起光Ｌ１の照射によって積分球４内の測定物で生じた被測定光Ｌ２を検出する装置である。光検出器６は、切替部３１を介し、第１の検出光学系７及び第２の検出光学系８の一方に対して光学的に接続されている。光検出器６としては、例えばＣＭＯＳ、ＣＣＤ、ＥＭ－ＣＣＤ、光電子増倍管、ＳｉＰＭ（ＭＰＰＣ）、ＡＰＤ（ＳＰＡＤ）、フォトダイオード（アレイ状のものも含む）などを用いることができる。本実施形態では、光検出器６は、ＢＴ－ＣＣＤ（裏面入射型ＣＣＤを内蔵したマルチチャンネル光検出器）によって構成されている。光検出器６は、検出結果に基づく信号を演算部１２に出力する。光検出器６には、被測定光Ｌ２の飽和を抑制するための素子（例えば可変減衰フィルタ）が内蔵されていてもよい。

【0031】

第１の検出光学系７は、標準ＰＬスペクトル測定において、積分球４から光検出器６に向けて被測定光Ｌ２を導光する光学系である。第１の検出光学系７は、励起光学系３と共通のレンズ１９及び分離光学素子１８に加え、ダイクロイックミラー３２と、ミラー３３と、レンズ３４とを含んで構成されている。積分球４の第１のポート２４から出力した被測定光Ｌ２は、第１の検出光学系７によって導光され、光検出器入力端３５を介して光検出器６に入力される。

【0032】

図５は、標準ＰＬスペクトル測定における励起光学系と第１の検出光学系との光学的な接続状態を示す模式的な図である。同図に示すように、標準ＰＬスペクトル測定では、積分球４に測定物Ｓを配置したままの状態で標準ＰＬスペクトルの測定を実施するにあたり、測定物Ｓに向かう励起光Ｌ１の光軸と、励起光Ｌ１の照射によって測定物Ｓで生じた被測定光Ｌ２の光軸とが上述した分離光学素子１８によって分離されている。このため、励起光学系３においてレンズを介して積分球４内の測定物Ｓに入射する励起光Ｌ１の光軸と、第１の検出光学系７において積分球４から出射する被測定光Ｌ２の光軸とが一定の角度を持って斜交した状態となっている。

【0033】

図５の例では、積分球４に入射する励起光Ｌ１の光軸が測定物Ｓの表面（ＸＹ面）に対して傾斜しており、積分球４から出射する被測定光Ｌ２の光軸が測定物Ｓの表面（ＸＹ面）に対して垂直となっている。このように、励起光Ｌ１の光軸と被測定光Ｌ２の光軸とが斜交することで、積分球４内の測定物Ｓで反射した励起光Ｌ１が光検出器６で直接検出されることを防止できる。

【0034】

第１の検出光学系７には、光検出器６における被測定光Ｌ２の検出範囲を制限する開口部３６が設けられている。本実施形態では、光検出器６は、ファイバ入力型の検出器となっている。また、光検出器入力端３５は、光ファイバの素線を束ねたバンドルファイバ３７によって構成されている。したがって、本実施形態では、バンドルファイバ３７の端面３７ａが光検出器６における被測定光Ｌ２の検出範囲を制限する開口部３６に相当する。

【0035】

図５に示すように、測定物Ｓに向かう励起光Ｌ１は、レンズ１９によって集光され、測定物Ｓの表面に結像する。励起光Ｌ１の照射によって測定物Ｓで生じた被測定光Ｌ２は、レンズ１９によって平行光化された後、レンズ３４によって集光され、バンドルファイバ３７の端面３７ａ（開口部３６）に結像する。すなわち、測定物Ｓ上の励起光Ｌ１の照射スポットＬａと開口部３６とは、光学的に共役な関係となっている。照射スポットＬａと開口部３６とが光学的に共役な関係となっていることで、積分球４内での多重散乱の影響を抑制でき、励起光Ｌ１の入射によって測定物Ｓの表面で発生した被測定光Ｌ２のみを積分球４から取り出して検出することが可能となる。したがって、測定装置１では、積分球４に測定物Ｓを配置したままの状態で測定物Ｓの標準ＰＬスペクトルの測定を実施できる。

【0036】

第２の検出光学系８は、外部量子効率測定において、積分球４内で拡散反射した被測定光Ｌ２を積分球４から光検出器６に向けて導光する光学系である。第２の検出光学系８では、積分球４の第２のポート２５から出力した被測定光Ｌ２は、第１の検出光学系７とは別の光検出器入力端３８を介して光検出器６に入力される。光検出器入力端３８は、例えば第１の検出光学系７の光検出器入力端３５と同様に、光ファイバの素線を束ねたバンドルファイバ３９（図６参照）によって構成されている。

【0037】

切替部３１は、光検出器６に対して第１の検出光学系７及び第２の検出光学系８の一方を光学的に接続する部分である。切替部３１は、例えば図６に示すように、一対のライトガイド４１Ａ，４１Ｂと、軸外し放物面ミラー４２とを含んで構成されている。ライトガイド４１Ａには、第１の検出光学系７側の光検出器入力端３５（バンドルファイバ３７）が光学的に接続されている。ライトガイド４１Ｂには、第２の検出光学系８側の光検出器入力端３８（バンドルファイバ３９）が光学的に接続されている。軸外し放物面ミラー４２は、例えばステッピングモータ等の駆動手段によって反射面の向きが可変となっている。軸外し放物面ミラー４２がライトガイド４１Ａ，４１Ｂの一方と光学的に結合することで、ライトガイド４１Ａからの励起光Ｌ１及びライトガイド４１Ｂからの励起光Ｌ１の一方のみが光検出器６に向けて導光される。

【0038】

測定装置１は、測定物Ｓ上の励起光Ｌ１の照射スポットを観察するための構成として、図１に示すように、照明光源９と、撮像部１１と、照明光学系１０とを備えている。照明光源９は、測定物Ｓに対する照明光Ｌ３を出力する装置である。照明光源９としては、例えば白色光を出力可能なＬＥＤを用いることができる。撮像部１１は、照明光Ｌ３による測定物Ｓ上の照明スポットＬｂ（図８（ａ）及び（ｂ）参照）を撮像する部分である。撮像部１１としては、例えば可視域に感度を有する装置を用いることができる。かかる装置としては、例えばカラーＣＭＯＳ、カラーＣＣＤカメラなどが挙げられる。

【0039】

照明光学系１０は、第１の検出光学系７と共通のレンズ１９、分離光学素子１８、及びダイクロイックミラー３２に加え、光透過部材４５と、ダイクロイックミラー４６と、レンズ４７，４８とを含んで構成されている。光透過部材４５は、照明光Ｌ３に励起光Ｌ１の照射スポットの識別のための色を付すための部材である。光透過部材４５は、アクリル或いはガラスなどの光透過性を有する部材によって円盤状に形成されている。

【0040】

光透過部材４５は、図７に示すように、第１の色を有する円形の中心領域５１と、第１の色とは異なる第２の色を有して中心領域５１を囲う円環状の周辺領域５２とを有している。ここでは、光透過部材４５は、中心領域５１が開口する色付きピンホール５３によって構成されており、第１の色は無色である。周辺領域５２の第２の色は、任意の色を用いることができ、例えば緑色である。光透過部材４５を経た照明光Ｌ３では、中心領域５１を通った部分の色は、白色のままであり、周辺領域５２を通った部分の色は、白色から緑色に変化する。

【0041】

図８（ａ）は、励起光学系と照明光学系との光学的な接続状態を示す模式的な図である。同図に示すように、光透過部材４５を経た照明光Ｌ３は、ダイクロイックミラー３２等によって積分球４内の測定物Ｓに導光される。照明光Ｌ３は、レンズ４７によって平行光化された後、レンズ１９によって集光され、測定物Ｓの表面に結像する。これにより、測定物Ｓの表面に照明光Ｌ３による照明スポットＬｂが形成される。

【0042】

図８（ａ）及び図８（ｂ）の例では、積分球４内の測定物Ｓに向かう照明光Ｌ３の光軸は、積分球４から出力する被測定光Ｌ２の光軸と一致している。このため、測定物Ｓに向かう励起光Ｌ１の光軸は、測定物Ｓに向かう照明光Ｌ３の光軸と斜交している。ここでは、測定物Ｓに入射する励起光Ｌ１の光軸は、上述したように測定物Ｓの表面（ＸＹ面）に対して傾斜しており、照明光Ｌ３の光軸は、測定物Ｓの表面（ＸＹ面）に対して垂直となっている。測定物Ｓの表面で反射した照明光Ｌ３は、ダイクロイックミラー３２等によって撮像部１１に導光される。照明光Ｌ３は、レンズ１９によって平行光化された後、レンズ４８によって集光され、撮像部１１の撮像面に結像する。

【0043】

励起光学系３と照明光学系１０とは、図８（ｂ）に示すように、撮像部１１の視野内において、測定物Ｓにおける励起光Ｌ１の照射スポットＬａが中心領域５１を通った照明光Ｌ３による中心スポット領域Ｌｃに含まれ、且つ周辺領域５２を通った照明光Ｌ３による周辺スポット領域Ｌｄに囲まれるように光学的に接続されている。図８（ｂ）の例では、白色をなす円形の中心スポット領域Ｌｃの略中心に励起光Ｌ１の照射スポットＬａが位置し、その周囲に緑色をなす円環状の周辺スポット領域Ｌｄが位置している。

【0044】

積分球４に測定物Ｓと同等のターゲットを配置し、励起光Ｌ１の照射スポットＬａを照明光Ｌ３の中心スポット領域Ｌｃに予め合わせておくことで、実際の標準ＰＬスペクトル測定及び外部量子効率測定を行う際に、測定物Ｓに励起光Ｌ１を照射することなく視野内の測定物Ｓ上の励起光Ｌ１の照射スポットＬａを観察できる。また、中心スポット領域Ｌｃを囲う周辺スポット領域Ｌｄが第２の色をなすことで、励起光Ｌ１の照射スポットＬａ周辺の測定物Ｓの構造を撮像部１１で観察することも可能となる。

【0045】

励起光Ｌ１の照射スポットＬａと照明光Ｌ３の中心スポット領域Ｌｃとの位置合わせを行う場合、例えば積分球４に測定物Ｓと同等のターゲット治具を配置する。ターゲット治具の中心には、例えば丸型などの印を付しておく。この状態で分離光学素子１８及びダイクロイックミラー４６の角度を調整し、照射スポットＬａの位置及び照明光Ｌ３の中心スポット領域Ｌｃの位置をそれぞれターゲット治具の印に合わせることで、励起光Ｌ１の照射スポットＬａと照明光Ｌ３の中心スポット領域Ｌｃとの位置合わせを実施できる。

【0046】

演算部１２は、光検出器６から出力される信号に基づいて、測定物Ｓの外部量子効率及び内部量子効率を算出する部分である。物理的には、ＲＡＭ、ＲＯＭなどのメモリ、ＣＰＵなどのプロセッサ（演算回路）、通信インターフェイス、ハードディスクなどの格納部、ディスプレイなどの表示部を備えて構成されたコンピュータシステムである。コンピュータシステムとしては、例えばパーソナルコンピュータ、クラウドサーバ、スマートデバイス（スマートフォン、タブレット端末など）などが挙げられる。演算部１２は、ＰＬＣ（programmable logic controller）によって構成されていてもよく、ＦＰＧＡ（Field-programmable gate array）等の集積回路によって構成されていてもよい。

【0047】

演算部１２は、標準ＰＬスペクトル測定において、光検出器６から出力される信号に基づいて標準ＰＬスペクトルの測定データを生成し、当該測定データを格納部に保存する。演算部１２は、外部量子効率測定において、光検出器６から出力される信号（測定信号及びリファレンス信号）に基づいて測定物Ｓの外部量子効率を算出し、算出データを格納部に保存する。また、演算部１２は、標準ＰＬスペクトルの測定データと外部量子効率の算出データとに基づいて測定物Ｓの内部量子効率を算出し、算出データを格納部に保存する。演算部１２は、得られた標準ＰＬスペクトルの測定データ、外部量子効率の算出データ、及び内部量子効率の算出データをモニタ等に出力してもよい。
［測定装置を用いたＯＤＰＬ測定の実施手順］

【0048】

図９は、測定装置を用いたＯＤＰＬ測定のフローチャートである。同図に示すように、測定装置１を用いたＯＤＰＬ測定では、準備ステップ（ステップＳ０１）、励起光照射スポット確認ステップ（ステップＳ０２）、標準ＰＬスペクトル測定ステップ（ステップＳ０３）、外部量子効率測定ステップ（ステップＳ０４）、内部量子効率算出ステップ（ステップＳ０５）を順に実施する。

【0049】

準備ステップＳ０１では、図１０に示すように、まず、切替部３１の設定を行う（ステップＳ１１）。ここでは、切替部３１の軸外し放物面ミラー４２を駆動し、光検出器６に対して第２の検出光学系８を光学的に接続する。次に、励起光源２から励起光Ｌ１を出力し（ステップＳ１２）、励起光Ｌ１の強度の調整を行う（ステップＳ１３）。励起光Ｌ１の強度の調整は、励起光Ｌ１の入射によって積分球４から出力される光が光検出器６で飽和しないように、可変減衰フィルタ１６或いは光検出器６に内蔵される可変減衰フィルタ等を調整することによって実施される。励起光Ｌ１の強度の調整後、励起光Ｌ１の出力を停止する（ステップＳ１４）。そして、ＸＹステージ５のアーム２３を積分球４から外してから測定物Ｓを保持し、アーム２３に保持された状態で測定物Ｓを積分球４内に配置する（ステップＳ１５）。

【0050】

励起光照射スポット確認ステップＳ０２では、図１１に示すように、まず、照明光源９から照明光Ｌ３を出力する（ステップＳ２１）。次に、照明光Ｌ３の照射によって積分球４内の測定物Ｓ上に形成される照明光Ｌ３の照明スポットＬｂを撮像部１１によって撮像する（ステップＳ２２）。視野内の測定物Ｓ上の照射スポットＬａにおける中心領域５１及び周辺領域５２を観察することで、測定物Ｓにおける励起光Ｌ１の照射スポットＬａを確認できる。励起光Ｌ１の照射スポットＬａを確認した後、必要に応じてＸＹステージ５による測定物Ｓの位置調整を行い（ステップＳ２３）、照射光の出力を停止する（ステップＳ２４）。

【0051】

標準ＰＬスペクトル測定ステップＳ０３では、図１２に示すように、まず、切替部３１の設定を行う（ステップＳ３１）。ここでは、切替部３１の軸外し放物面ミラー４２を駆動し、光検出器６に対して第１の検出光学系７を光学的に接続する。次に、励起光源２から励起光Ｌ１を出力して積分球４内の測定物Ｓに励起光Ｌ１を入射し（ステップＳ３２）、光検出器６の露光時間の設定を行う（ステップＳ３３）。光検出器６の露光時間を設定した後、励起光Ｌ１の照射によって積分球４の第１のポート２４から出力される被測定光Ｌ２を第１の検出光学系７によって光検出器６に導光し、測定物Ｓの標準ＰＬスペクトル測定を実施する（ステップＳ３４）。測定終了後、励起光の出力を停止し（ステップＳ３５）、測定データを保存する（ステップＳ３６）。

【0052】

外部量子効率測定ステップＳ０４では、図１３に示すように、まず、切替部３１の設定を行う（ステップＳ４１）。ここでは、切替部３１の軸外し放物面ミラー４２を駆動し、光検出器６に対して第２の検出光学系８を光学的に接続する。次に、励起光源２から励起光Ｌ１を出力して積分球４内の測定物Ｓに励起光Ｌ１を入射し（ステップＳ４２）、光検出器６の露光時間の設定を行う（ステップＳ４３）。光検出器６の露光時間を設定した後、励起光Ｌ１の照射によって積分球４の第２のポート２５から出力される被測定光Ｌ２を第２の検出光学系８によって光検出器６に導光し、拡散反射光の測定を実施する（ステップＳ４４）。測定終了後、励起光Ｌ１の出力を停止し（ステップＳ４５）、積分球４から測定物Ｓを取り出す（ステップＳ４６）。

【0053】

測定物Ｓを取り出した後、再び励起光Ｌ１の出力を開始し（ステップＳ４６）、リファレンス測定を実施する（ステップＳ４７）。リファレンス測定では、積分球４に測定物Ｓを配置しない状態で、積分球４の第２のポート２５から出力される被測定光Ｌ２を第２の検出光学系８によって光検出器６に導光し、拡散反射光の測定を実施する（ステップＳ４８）。測定終了後、励起光Ｌ１の出力を停止する（ステップＳ４９）。その後、ステップＳ４４の測定結果とステップＳ４８の測定結果に基づいて、測定物Ｓで吸収された励起光Ｌ１のフォトン数に対する測定物Ｓの外部に放出された発光フォトン数の割合を算出する。これにより、測定物Ｓの外部量子効率を算出し（ステップＳ５０）、算出データを保存する（ステップＳ５１）。

【0054】

内部量子効率算出ステップＳ０５では、図１４に示すように、ステップＳ３６で保存した標準ＰＬスペクトル測定の測定データと、ステップＳ５１で保存した外部量子効率の算出データとをそれぞれ読み込む（ステップＳ６１）。次に、読み込みを行った標準ＰＬスペクトル測定の測定データと、外部量子効率の算出データと、材料によって既知である測定物Ｓの光取出効率とに基づいて、測定物Ｓの内部量子効率を算出する（ステップＳ６２）。算出データを保存し、処理が完了する（ステップＳ６３）。
［測定装置の作用効果］

【0055】

以上説明したように、測定装置１では、照明光学系１０に含まれる光透過部材４５により、照明光Ｌ３が照射された測定物Ｓにおいて、中心スポット領域Ｌｃの周りに第１の色とは異なる第２の色で周辺スポット領域Ｌｄが形成される。したがって、励起光Ｌ１の照射スポットＬａを照明光Ｌ３の中心スポット領域Ｌｃに予め合わせておくことで、測定物Ｓに励起光Ｌ１を照射することなく視野内の測定物Ｓ上の励起光Ｌ１の照射スポットＬａを観察できる。この構成では、測定時以外の測定物Ｓへの励起光Ｌ１の照射の機会を減らせるため、励起光Ｌ１が紫外光のような比較的高いエネルギーを有する光である場合であっても、励起光Ｌ１の照射による測定物Ｓの劣化を抑えることが可能となる。また、中心スポット領域Ｌｃを囲む周辺スポット領域Ｌｄが第１の色とは異なる第２の色で形成されるため、測定物Ｓの全体像の観察も容易となる。

【0056】

本実施形態では、光透過部材４５は、中心領域５１が開口する色付きピンホールによって構成されている。この場合、中心スポット領域Ｌｃの寸法を小さくする場合でも、光透過部材の製造が容易となる。また、光透過部材４５において、周辺領域５２が中心領域５１の周りに環状に設けられているため、測定物Ｓ上の励起光Ｌ１の照射スポットＬａの視認性が高められる。
［変形例］

【0057】

本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、ＯＤＰＬ測定によって半導体ウェハの構造欠陥の分布及び欠陥の定量性を検査する測定装置１を例示したが、本開示は、測定物に向けて励起光を導光する励起光学系を備えた他の測定装置に対して適用することができる。他の測定装置は、必ずしも積分球を備えた装置に限られない。かかる他の測定装置としては、例えば蛍光顕微鏡、フォトルミネッセンス測定装置などが挙げられる。上記実施形態では、図８（ａ）に示したように、積分球４に向かう励起光Ｌ１の光軸が積分球４に向かう照明光Ｌ３の光軸と斜交する態様となっているが、他の測定装置では、例えば図１５に示すように、ダイクロイックミラー５５を用いることにより、測定物Ｓに向かう励起光Ｌ１の光軸と、測定物Ｓに向かう照明光Ｌ３の光軸とが一致していてもよい。

【0058】

測定物Ｓ上に中心スポット領域Ｌｃ及び周辺スポット領域Ｌｄを形成する光透過部材４５についても、種々の変形を採用し得る。例えば図７の例では、中心領域５１が開口する色付きピンホール５３によって光透過部材４５が構成されているが、中心領域５１がピンホールによる空間ではなく、例えば無色のアクリルによって形成されていてもよい。このような構成においても、測定物Ｓに励起光Ｌ１を照射することなく視野内の測定物Ｓ上の励起光Ｌ１の照射スポットＬａを観察できる。

【0059】

光透過部材４５の中心領域５１及び周辺領域５２の配置パターンも種々の変形を採用し得る。例えば図１６（ａ）に示す光透過部材４５Ａのように、第１の色をなす円形の中心領域５１の周囲に、第２の色をなす円環状の周辺領域５２が配置されていてもよい。例えば図１６（ｂ）に示す光透過部材４５Ｂのように、第１の色をなす円形の中心領域５１の周囲に、当該中心領域５１から径方向に延びる第２の色の周辺領域５２が配置されていてもよい。図１６（ｂ）の例では、４つの帯状の周辺領域５２が中心領域５１の周囲に９０°の位相角をもって配置されている。これらの構成によれば、視野内の測定物Ｓ上の励起光Ｌ１の照射スポットＬａを観察するにあたって、照明光Ｌ３の照明スポットＬｂの視認性を十分に確保できる。

【0060】

また、例えば図１６（ｃ）に示す光透過部材４５Ｃのように、第２の色とは異なる第３の色を有して周辺領域５２を囲う周辺領域５４を更に有していてもよい。この場合、周辺領域５２の外側に周辺領域５４が更に拡張されるため、測定物Ｓの全体像の観察が一層容易となる。周辺領域５２に付与される第３の色は、第１の色と同じであってもよく、第１の色と異なっていてもよい。

【0061】

例えば図１７（ａ）に示す光透過部材４５Ｄのように、中心領域５１及び周辺領域５２の形状が、撮像部１１の撮像領域の形状と一致していてもよい。図１７（ａ）の例では、撮像部１１の撮像領域（撮像部１１を構成する撮像素子の画素領域）は、長方形となっている。これに対応して、中心領域５１及び周辺領域５２の形状がいずれも長方形となっている。このような構成によれば、中心領域５１の形状が撮像部１１での撮像画像の形状と同じとなるため、撮像領域の全体を観察することが容易となる。

【0062】

例えば図１７（ｂ）に示す光透過部材４５Ｅのように、周辺領域５２が中心領域５１との境界部分のみに配置されていてもよい。また、例えば図１７（ｃ）に示す光透過部材４５Ｆのように、中心領域５１との境界部分に配置された周辺領域５２が周方向に非連続となっていてもよい。図１７（ｃ）の例では、周辺領域５２は、光透過部材４５Ｆの周方向に４分割されている。これらの構成においても、視野内の測定物Ｓ上の励起光Ｌ１の照射スポットＬａを観察するにあたって、照明光Ｌ３の照明スポットＬｂの視認性を十分に確保できる。

【符号の説明】

【0063】

１…測定装置、３…励起光学系、１０…照明光学系、１１…撮像部、４５，４５Ａ～４５Ｆ…光透過部材、５１…中心領域、５３…色付きピンホール、５２，５４…周辺領域、Ｌ１…励起光、Ｌａ…照射スポット、Ｌｂ…照明スポット、Ｌｃ…中心スポット領域、Ｌｄ…周辺スポット領域、Ｓ…測定物。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】