試料の評価方法及び評価装置
【課題】測定対象となる薄膜等の試料を破壊すること無く、品質をより正確に評価することが可能な試料の評価方法及び評価装置を提供する。
【解決手段】本発明の試料の評価方法は、試料保持部２にて保持された試料Ｓを、移動部４によりその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動するとともに、この移動しつつある試料Ｓに電子線発生源５により電子線Ｅを照射し、ＣＬ分光検出器６により試料Ｓから発生するカソードルミネッセンスＣＬを検出し、このカソードルミネッセンスＣＬの検出結果に基づき試料Ｓを評価する。
【解決手段】本発明の試料の評価方法は、試料保持部２にて保持された試料Ｓを、移動部４によりその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動するとともに、この移動しつつある試料Ｓに電子線発生源５により電子線Ｅを照射し、ＣＬ分光検出器６により試料Ｓから発生するカソードルミネッセンスＣＬを検出し、このカソードルミネッセンスＣＬの検出結果に基づき試料Ｓを評価する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の評価方法及び評価装置に関し、更に詳しくは、オプティカルデバイス用または高周波デバイス用の窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜等の化合物半導体薄膜、あるいはプラズマディスプレイ（ＰＤＰ）用の絶縁保護膜である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）薄膜等の金属酸化物薄膜等の試料の面内特性を非破壊にて評価することが可能な試料の評価方法及び評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、オプティカルデバイス用または高周波デバイス用の半導体薄膜としては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜が知られている。
このＧａＮ薄膜は、有機金属化学気相堆積法（ＭＯ−ＣＶＤ法）やクロライド法等の化学的蒸着法、あるいは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）や反応性蒸着法等の物理的蒸着法により成膜される。このＧａＮ薄膜の特性評価は、電気的特性を測定して評価するのが一般的であり、電気的特性としては、通常、キャリヤー濃度と電子移動度が用いられ、これらキャリヤー濃度及び電子移動度の測定結果により膜の品質を評価するのが一般的である。
ＧａＮ薄膜の電気的特性を評価する場合、例えば、４インチウェーハの大きさに対応した特性分布を測定するためには、測定点を７５点確保する必要がある。そこで、この４インチウェーハから１０ｍｍ角の評価用試料を７５点切り出して測定する方法が採られる。
【０００３】
また、ＧａＮ薄膜の結晶性を評価する方法としては、この薄膜に電子線を照射し、この薄膜から発生するカソードルミネッセンス（ＣＬ）を検出し、この検出結果に基づき結晶性を評価する方法が提案されている（特許文献１）。このＧａＮのバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）は３．４ｅＶであり、カソードルミネッセンス（ＣＬ）の場合、膜の結晶性が波長３６０ｎｍ付近に現れる波形の形状に影響を及ぼす。例えば、膜の結晶性が良好な場合には、鋭くかつ強いピークが観察され、膜の結晶性が良くない場合には、ブロードかつ弱いピークが観察される。また、この薄膜に不純物が含まれている場合、５５０ｎｍ付近にピークが出現するために、このピークの有無により、ＧａＮ薄膜の結晶性の良否を判定することができる。
さらに、ＧａＮ薄膜の品質管理の方法として、膜中の不純物を二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectroscopy:SIMS）により評価する方法も提案されている。
【０００４】
一方、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）用の絶縁保護膜としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）薄膜が広く知られており、このＭｇＯ薄膜の成膜法としては、蒸着法、スパッタリング法、粉末塗布法等が知られており、現在では、一般的に、蒸着法が主流となっている。
このＭｇＯ薄膜の膜質特性は、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）の放電開始電圧やパネル寿命に非常に大きな影響を与える。この膜質特性は、成膜条件や膜中の不純物濃度により異なるために、成膜条件や膜中の不純物濃度がその後のＰＤＰの特性や寿命等に非常に大きな影響を与えることになる。そこで、実パネルとする前の段階で、このＭｇＯ薄膜がＰＤＰ用絶縁保護膜として適するか否かを判断する必要があるが、現在では、成膜条件の経験値から膜の結晶構造や屈折率等を類推し、適否を判断するのが一般的である。
【０００５】
また、光学半導体結晶では、この結晶から発生するカソードルミネッセンス（ＣＬ）を測定し、この測定結果に基づき種々の特性評価を行うことが行われており、ＭｇＯ薄膜についても、その成膜条件による膜質の変化を、カソードルミネッセンス（ＣＬ）を用いて評価する試みが提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００１−８３０８７号公報
【特許文献２】特開２００５−３５３４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した従来のＧａＮ薄膜の評価方法では、次のような問題点があった。
（１）電気的特性による評価方法では、評価の対象となるウェーハから一定の大きさの評価用試料を複数個切り出すために破壊的な測定となる。したがって、非破壊にて測定することができない。
（２）カソードルミネッセンス（ＣＬ）による評価方法では、非破壊にて測定することはできるものの、電子線の照射により試料が加熱されるので、カソードルミネッセンス（ＣＬ）の測定結果に電子線による加熱効果も含まれることとなり、薄膜自体の正確な評価を行うことができない。
（３）二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による評価方法では、ＧａＮ薄膜中の不純物濃度が極めて低い場合、評価が難しい。特に、最近の成膜法によるＧａＮ薄膜中の不純物濃度は、検出限界に近いために、この方法では評価が困難である。
【０００７】
一方、上述した従来のＭｇＯ薄膜の評価方法では、次のような問題点があった。
（１）成膜条件の経験値から判断する評価方法では、成膜条件の経験値から膜の結晶構造や屈折率等を類推して適否を判断しているために、実際に得られたＭｇＯ薄膜の膜質が成膜条件の経験値から類推されたＭｇＯ薄膜の膜質と異なる場合も多く、実際には、ＭｇＯ薄膜の正確な膜質はパネル化してみないと分からない。
（２）カソードルミネッセンス（ＣＬ）を用いて評価する方法では、ＭｇＯ薄膜が有する結晶構造及び幾何学的構造のために、カソードルミネッセンス（ＣＬ）を測定しただけでは、膜質を評価するのに必要な測定結果を得ることができない。
このように、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）のパネル特性を左右するＭｇＯ薄膜については、より高機能性のＭｇＯ薄膜を開発する際に、パネル化後の特性の指針を与える様なＭｇＯ薄膜の膜特性の評価方法が求められていた。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、測定対象となる薄膜等の試料を破壊すること無く、品質をより正確に評価することが可能な試料の評価方法及び評価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】
【０００９】
本発明者等は、カソードルミネッセンス（ＣＬ）を用いて試料の特性を評価する際に、この試料をその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動し、この移動しつつある試料から発生するカソードルミネッセンスを検出することとすれば、試料に照射される単位時間当たりの電子線のエネルギー量が抑制され、よって、試料を非破壊的に評価することが可能であり、この試料の特性の面内分布が容易に得られ、しかも、この試料の特性と、この試料を所望のデバイスに適用した場合のデバイス特性との間に相関があれば、この試料の特性によりデバイス特性の指針を与えることが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明の試料の評価方法は、試料をその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動するとともに、この移動しつつある試料に電子線を照射して該試料から発生するカソードルミネッセンスを検出し、このカソードルミネッセンスの検出結果に基づき前記試料を評価することを特徴とする。
【００１１】
この試料の評価方法では、電子線のスポットが試料上をその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動することにより、この電子線が試料上の特定の一点に集中して照射することがなくなり、よって、試料に照射される単位時間当たりの電子線のエネルギー量が抑制され、この電子線のエネルギーによる試料へのダメージが小さくなる。これにより、試料を非破壊的に評価することが可能になる。
また、移動しつつある試料に電子線を照射して該試料から発生するカソードルミネッセンスを検出することにより、この試料の特性の面内分布が容易に得られる。
また、この試料の特性と、この試料を所望のデバイスに適用した場合のデバイス特性との間に相関があれば、この試料の特性に基づきデバイス特性への指針を与えることが可能になる。
【００１２】
前記試料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物またはＩＩ−ＶＩ族化合物からなる試料であることが好ましい。
前記試料は、金属酸化物からなる試料であることが好ましい。
前記速度は、０．５ｍｍ／分以上かつ５ｍｍ／分以下であることが好ましい。
前記速度を０．５ｍｍ／分以上かつ５ｍｍ／分以下とすることにより、電子線のエネルギーによる試料へのダメージが極めて小さくなる。
【００１３】
本発明の試料の評価装置は、真空容器と、この真空容器内に設けられ試料を保持する試料保持手段と、この試料保持手段を所定の方向へ一定の速度で移動する移動手段と、前記試料保持手段に保持される試料に電子線を照射する電子線発生手段と、前記試料から発生するカソードルミネッセンスを検出する検出手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１４】
この試料の評価装置では、移動手段により試料を保持する試料保持手段を所定の方向へ一定の速度で移動し、電子線発生手段により試料保持手段に保持される試料に電子線を照射し、検出手段により試料から発生するカソードルミネッセンスを検出する。
これにより、電子線のスポットが試料上をその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動することとなり、よって、試料に照射される単位時間当たりの電子線のエネルギー量が抑制され、試料に電子線のエネルギーによるダメージを与えることなく、試料を非破壊的かつ容易に評価することが可能になる。
また、移動しつつある試料に電子線を照射して該試料から発生するカソードルミネッセンスを検出することにより、この試料の特性の面内分布を容易に測定する。
【００１５】
前記試料保持手段は、保持する前記試料を加熱する加熱手段を備えてなることを特徴とする。
この試料の評価装置では、試料保持手段に試料を加熱する加熱手段を備えたことにより、試料を所望の温度範囲内に加熱することが可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の試料の評価方法によれば、試料をその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動するとともに、この移動しつつある試料に電子線を照射して該試料から発生するカソードルミネッセンスを検出し、このカソードルミネッセンスの検出結果に基づき前記試料を評価するので、試料を非破壊的に評価することができ、この試料の特性の面内分布を容易に得ることができる。したがって、より高品質の試料を得ることができる。
また、この試料の膜特性と、この試料を所望のデバイスに適用した場合のデバイス特性との間の相関を取ることで、この試料の特性によりデバイス特性に指針を与えることができる。
【００１７】
本発明の試料の評価装置によれば、試料を保持する試料保持手段を所定の方向へ一定の速度で移動する移動手段と、前記試料保持手段に保持される試料に電子線を照射する電子線発生手段と、前記試料から発生するカソードルミネッセンスを検出する検出手段とを備えたので、試料に電子線によるダメージを与えることなく、試料を非破壊的かつ容易に評価することができる。
また、移動しつつある試料に電子線を照射して該試料から発生するカソードルミネッセンスを検出するので、この試料の特性の面内分布を容易に測定することができる。
【００１８】
前記試料保持手段に、保持する前記試料を加熱する加熱手段を備えることにより、試料を所望の温度範囲内に加熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の試料の評価方法及び評価装置を実施するための最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【００２０】
図１は、本実施形態の試料の評価装置を示す模式図であり、図において、１は真空チャンバー（真空容器）、２は真空チャンバー１内に設けられて試料Ｓを保持する試料保持部（試料保持手段）、３は試料保持部２に内蔵されたヒータ（加熱手段）、４は試料保持部２を移動させる移動部（移動手段）、５は試料保持部２に保持される試料Ｓに電子線Ｅを照射して励起する電子線発生源（電子線発生手段）、６は試料Ｓから発生するカソードルミネッセンス（ＣＬ）を検出するカソードルミネッセンス（ＣＬ）分光検出器（検出手段）、７は真空封止窓を兼ねる石英製カソードルミネッセンス（ＣＬ）集光レンズ、８は試料Ｓ表面にレーザ光等を照射するための予備窓、９はターボ分子ポンプ排気系である。
【００２１】
ヒータ３は、試料保持部２に保持された試料Ｓを所定の温度、例えば、室温（２５℃）以上かつ４００℃以下の温度範囲に加熱するもので、例えば、タングステン（Ｗ）線、タンタル（Ｔａ）線等が好適に用いられる。
移動部４は、試料保持部２を試料Ｓの面内の一方向に沿って（図１中矢印方向）一定の速度で移動させるもので、この速度としては、０．５ｍｍ／分以上かつ５ｍｍ／分以下が好ましく、より好ましくは１ｍｍ／分以上かつ２ｍｍ／分以下である。
【００２２】
ここで、試料Ｓ、すなわち試料保持部２の移動速度を０．５ｍｍ／分以上かつ５ｍｍ／分以下と限定した理由は、速度が０．５ｍｍ／分より遅いと、試料に照射される単位時間当たりの電子線のエネルギー量が多くなり過ぎて試料にダメージを与えてしまい、破壊に至る虞があるからである。一方、速度が５ｍｍ／分より速いと、試料から発生するカソードルミネッセンス（ＣＬ）が不安定なものになり、このカソードルミネッセンス（ＣＬ）の測定結果が試料の特性を正確に反映しなくなってしまうからである。
また、５ｍｍ／分以下という速度範囲は、移動部４を構成する機構部品を高精度で制御するのに望ましい範囲であり、速度が５ｍｍ／分を越えると、機構部品の制御精度が低下し、試料保持部２の移動速度が極めて不安定になる。
【００２３】
電子線発生源５は、１×１０−３より小さい変動幅を持つ安定度があればよく、ホットフィラメント、サーマルフィールドエミッタ等が好適に用いられる。
この電子線発生源５から発生される電子線Ｅのエネルギーは１０ｋｅＶ、電子線量は８０ｎＡ以下であり、そのビーム径は、１００μｍ以上かつ２００μｍ以下が好ましく、より好ましくは１４０μｍ以上かつ１６０μｍ以下である。
ここで、電子線Ｅのビーム径を１００μｍ以上かつ２００μｍ以下と限定した理由は、ビーム径が１００μｍ未満であると、試料に電子線照射によるダメージが生じ易くなるからであり、一方、ビーム径が２００μｍを越えると、集光の焦点位置外となるからである。
【００２４】
ターボ分子ポンプ排気系９は、真空チャンバー１内を所定の真空度、例えば１０−３〜１０−４Ｐａの範囲内で安定させることができるものであればよく、補助真空ポンプに油回転ポンプまたはドライポンプを用いたものが用いられる。
ＣＬ分光検出器６は、波長範囲が２００ｎｍ以上かつ９００ｎｍ以下のカソードルミネッセンス（ＣＬ）を検出するものである。
ＣＬ集光レンズ７は、カソードルミネッセンス（ＣＬ）をＣＬ分光検出器６に集光させるもので、このＣＬ集光レンズ７の替わりに放物面の凹面鏡を用いてもよい。
【００２５】
次に、本実施形態の試料の評価方法について説明する。
まず、試料保持部２に試料Ｓを固定し、この試料保持部２を真空チャンバー１内の所定位置に固定し、真空チャンバー１内を気密にする。次いで、ターボ分子ポンプ排気系９を駆動させて真空チャンバー１内を所定の真空度、例えば１０−３〜１０−４Ｐａの範囲内の真空度とする。
試料Ｓとしては、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＺｎＳ等のＩＩ−ＶＩ族化合物、ＭｇＯ等の金属酸化物、等からなる試料、特に薄膜が好ましい。
次いで、移動部４を駆動させて試料保持部２を試料Ｓの面内の一方向に沿って０．５ｍｍ／分以上かつ５ｍｍ／分以下の範囲内の一定の速度で移動させると同時に、電子線発生源５により試料Ｓに電子線Ｅを照射する。
【００２６】
ここでは、電子線Ｅのエネルギーを１０ｋｅＶ、電子線量を８ｎＡ、ビーム径を１００μｍ以上かつ２００μｍ以下、より好ましくは１４０μｍ以上かつ１６０μｍ以下に調整する。
この試料Ｓがその面内の一方向に沿って一定の速度で移動する間に、電子線Ｅの照射により励起され、この励起によりカソードルミネッセンスＣＬが発光し、放射される。
このようにして放射されたカソードルミネッセンスＣＬは、石英製ＣＬ集光レンズ７にて集光され、ＣＬ分光検出器６にて検出される。
【００２７】
このＣＬ分光検出器６にて検出されたＣＬ分光特性を、標準試料から検出されたＣＬ分光特性と比較することにより、試料Ｓの特性を評価することができる。
このＣＬ分光特性により、試料Ｓの結晶性、微小不純物等の膜特性を評価することができる。
また、予め、試料ＳのＣＬ分光特性と電気的特性との相関を調べておき、この試料ＳのＣＬ分光特性を上記の相関と比較することにより、試料Ｓのデバイス化後あるいはパネル化後の特性を推定することができる。
また、試料Ｓの所定の領域内にジグザグ状に電子線Ｅを照射することにより、試料Ｓの所定の領域内におけるＣＬ分光特性の面内分布を得ることができ、試料Ｓの面内の特性分布を知ることができる。
【００２８】
本実施形態の試料の評価方法によれば、試料Ｓをその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動しつつ試料Ｓに電子線Ｅを照射し、この試料Ｓから発生するカソードルミネッセンスＣＬを検出し、このカソードルミネッセンスＣＬの検出結果に基づき試料Ｓの特性を評価するので、試料Ｓの結晶性、微小不純物等の膜特性、あるいは電気的特性を、破壊することなく評価することができる。
また、この試料Ｓの特性により、この試料ＳをＰＤＰや光学素子等の所望のデバイスに適用した場合のデバイス特性を正確に推定することができ、この試料Ｓの特性に基づきデバイス特性に指針を与えることができる。
【００２９】
本実施形態の試料の評価装置によれば、試料Ｓを保持する試料保持部２と、試料保持部２を移動させる移動部４と、試料Ｓに電子線Ｅを照射して励起する電子線発生源５と、試料Ｓから発生するカソードルミネッセンスＣＬを検出するＣＬ分光検出器６とを備えたので、試料Ｓに電子線Ｅによるダメージを与えることなく、試料Ｓを非破壊的かつ容易に評価することができる。
また、この試料Ｓの特性の面内分布をも容易に測定することができる。
また、試料保持部２にヒータ３を内蔵することで、試料Ｓの表面温度を精度良く制御することができる。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
「実施例１」
まず、試料Ｓとして、ＭＯＣＶＤ法により３種類のＧａＮ薄膜（ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ）をサファイア基板上に成膜し、これらＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ各々の移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）の温度依存性を調べた。
【００３１】
図２は、ＧａＮ−Ａにおける移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）の温度依存性を示す図であり、図３は、ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々における移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）の温度依存性を示す図である。これらの図では、温度範囲は室温（３００Ｋ）から７７Ｋまでとしてある。
図３中、「●」及び「□」はＧａＮ−Ｂを、「○」、「△」及び「×」はＧａＮ−Ｃをそれぞれ示している。
図２及び図３によれば、室温（３００Ｋ）における移動度は、ＧａＮ−Ａ＞＞ＧａＮ−Ｂ＞ＧａＮ−Ｃの順で優れていることが分かる。この傾向は、低温になればなるほど顕著になっていることが分かる。
【００３２】
次いで、３種類のＧａＮ薄膜（ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ）各々の微量不純物を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した。
ここでは、微量不純物として、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）及びガリウム（Ｇａ）の４元素を選んだ。
図４はＧａＮ−Ａの微量不純物のＳＩＭＳ強度を示す図、図５はＧａＮ−Ｂの微量不純物のＳＩＭＳ強度を示す図、図６はＧａＮ−Ｃの微量不純物のＳＩＭＳ強度を示す図である。
これらＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ各々の試料では、炭素（Ｃ）の強度に若干の相違があるのみで不純物に差異は認められないことが分かる。
【００３３】
次いで、３種類のＧａＮ薄膜（ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ）各々を一定の速度で移動しつつ電子線Ｅを照射したときの、ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度を測定した。
ここでは、真空チャンバー１の真空度を５．０×１０−４Ｐａ、ＧａＮ薄膜の移動速度を１．０ｍｍ／分、ＧａＮ薄膜の表面温度を３０℃、電子線Ｅのエネルギーを１０ｋｅＶ、電子線量を２０ｎＡ、ビーム径を１５０μｍとした。
【００３４】
図７は、ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ各々のＣＬ強度を示す図であり、３６０ｎｍ付近のバンド端の発光強度は、ＧａＮ−Ａが最も強く、ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々のバンド端の発光強度は、移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）に対応して低下していることが分かる。なお、７２０ｎｍ付近の発光は、ＣＬ分光検出器６にグレーティングを用いていることから生じる発光であり、３６０ｎｍの発光の干渉によるピークである。
【００３５】
次いで、比較のために、３種類のＧａＮ薄膜（ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ）各々の位置を固定した状態で電子線Ｅを３０分照射したときの、ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度を測定した。
図８は、ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ各々のＣＬ強度を示す図であり、３６０ｎｍ付近のバンド端の発光強度は、ＧａＮ−Ａは変化していないが、ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々のバンド端の発光強度は、１．０ｍｍ／分の移動速度にて移動した場合と比べて逆転していることが分かる。
【００３６】
また、新たに５５０ｎｍ付近にピークを有する発光が現れるが、これらの発光は炭素（Ｃ）等の不純物によるもので、図４〜図６のＳＩＭＳによる炭素（Ｃ）強度とは異なる挙動を示している。
この図７及び図８に示すように、電子線Ｅの照射時間を制御することにより、ＧａＮ薄膜の膜特性である結晶性、不純物、電子線照射によるダメージ等を容易に評価することができる。
【００３７】
次いで、３種類のＧａＮ薄膜（ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ）各々の位置を固定した状態で電子線Ｅを照射したときの、ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々のバンド端の発光ピーク強度と電子線照射時間との関係を調べた。
図９は、ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ各々の電子線照射時間に対するバンド端のＣＬ強度を示す図であり、電子線照射時間を変化させることによりバンド端のＣＬ強度が変化することが分かる。よって、電子線照射時間を厳密に制御することにより、ＧａＮ薄膜から発生するバンド端のＣＬ強度を正確に測定することができ、この測定結果によりＧａＮ薄膜の結晶性、不純物、ダメージ等の膜質の評価を行うことができる。
【００３８】
「実施例２」
まず、試料Ｓとして、蒸着法により２種類のＭｇＯ薄膜（ＭｇＯ−Ａ、ＭｇＯ−Ｂ）をサファイア基板上に成膜し、これらＭｇＯ−Ａ、ＭｇＯ−Ｂ各々におけるカソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルを測定した。
ここでは、不純物濃度が数１０ｐｐｍ以下の高純度のＭｇＯ蒸発母材を用いて成膜したものをＭｇＯ−Ａ、不純物濃度が０．５重量％のＭｇＯ蒸発母材を用いて成膜したものをＭｇＯ−Ｂとした。
また、真空チャンバー１の真空度を５．０×１０−４Ｐａ、ＭｇＯ薄膜の移動速度を１．０ｍｍ／分、ＭｇＯ薄膜の温度を３０℃、電子線Ｅのエネルギーを１０ｋｅＶ、電子線量を８０ｎＡ、ビーム径を１５０μｍとした。
【００３９】
図１０は、ＭｇＯ−Ａ及びＭｇＯ−Ｂにおけるカソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルを示す図である。
ＭｇＯ薄膜では、膜中の酸素欠陥が膜特性に大きく影響することが知られており、この酸素欠陥量がＣＬスペクトルに反映することにより、３８０ｎｍ、４５０ｎｍ及び７００ｎｍ付近に主ピークを有するＣＬスペクトルとして観察される。図１０では、３８０ｎｍ付近のピークが酸素欠陥に電子が１つ注入されたＦ＋センター（発光中心）による発光であり、４５０ｎｍ付近のピークが酸素欠陥に電子が２つ注入されたＦセンター（発光中心）による発光であり、７００ｎｍ付近のピークが金属不純物による発光である。この金属不純物による発光は、サファイア基板における金属不純物によるルビー発光と類似している。
【００４０】
ＭｇＯ薄膜のＣＬスペクトルでは、３８０ｎｍと４５０ｎｍ付近の発光強度がＰＤＰの発光特性と関連性があり、３８０ｎｍ及び４５０ｎｍにおける発光強度が強いほど、ＰＤＰの輝度及び解像度が向上する。
図１０では、ＭｇＯ−Ａの３８０ｎｍ及び４５０ｎｍにおける発光強度が、ＭｇＯ−Ｂに比べて強く、ＭｇＯ−Ａは酸素欠陥型のＭｇＯ薄膜であることが分かる。また、このＣＬスペクトルでは、７００ｎｍ付近のピークが弱く、金属不純物の量が極めて少ないことが分かる。
よって、このＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した場合、膜質に優れた絶縁保護膜となることが分かる。
【００４１】
図１１は、ＭｇＯ−Ａにおける真空導入後の経過時間に対するカソードルミネッセンス（ＣＬ）ピーク強度を示す図である。
この図によれば、真空導入後１０時間経過すれば、ＣＬピーク強度が安定することが分かる。したがって、１０時間経過した後にＣＬ強度を測定すれば、安定したＣＬ特性が得られることが分かる。
【００４２】
次いで、上記のＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した場合の特性について調べた。
図１２は上記のＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した場合のＣＬスペクトルを示す図である。
このＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した場合においても、上記のＭｇＯ−ＡのＣＬスペクトルと同様のＣＬスペクトルを示しており、膜質に優れた絶縁保護膜となっていることが分かる。
【００４３】
次いで、酸素欠陥型ＭｇＯと酸素無欠陥型ＭｇＯとの特性の違いをＣＬスペクトルを用いて調べた。
図１３はＭｇＯ単結晶基板におけるＣＬスペクトルを示す図である。ここでは、酸素欠陥型（Ｏ／Ｍｇ＝０．９９２）のＭｇＯ単結晶基板を用いた。
このＭｇＯ単結晶基板は、Ｆ＋センターやＦセンターによる発光が金属不純物による発光と比べて弱く、上記のＭｇＯ−Ａと比べて酸素欠陥量が少ないことが分かる。
【００４４】
図１４は上記の酸素欠陥型（Ｏ／Ｍｇ＝０．９９２）のＭｇＯ単結晶基板を１０５０℃にて２時間焼成した後におけるＣＬスペクトルを示す図である。
このＭｇＯ単結晶基板は、Ｆ＋センター、Ｆセンター等の酸素欠陥に起因する発光中心からの発光が消失しており、酸素無欠陥型（Ｏ／Ｍｇ＝１．０００）のＭｇＯ単結晶基板になっていることが分かる。
【００４５】
図１５は上記のＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した後におけるＦ＋センターからのＣＬ強度に対する書き込み速度を、図１６はＦセンターからのＣＬ強度に対する書き込み速度を、それぞれ示す図である。
これらの図によれば、ＣＬ強度と書き込み速度との間に強い相関があることが分かる。したがって、ＣＬ強度を測定すれば、ＰＤＰに適用した場合の書き込み速度を推定することができる。
【００４６】
このように、ＭｇＯ薄膜のＣＬスペクトルを測定することにより、発光中心がＦ＋センター、Ｆセンター、金属不純物のいずれかであるかを判断することができ、この発光中心に対応するＣＬスペクトルにより、ＭｇＯ薄膜をＰＤＰに適用した場合の膜特性を容易に知ることができることが分かった。その結果、ＭｇＯ薄膜のＣＬスペクトルを測定すれば、ＰＤＰに適用する以前にＭｇＯ薄膜の膜質を容易に評価できることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態の試料の評価装置を示す模式図である。
【図２】ＧａＮ−Ａにおける移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）の温度依存性を示す図である。
【図３】ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々における移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）の温度依存性を示す図である。
【図４】ＧａＮ−Ａの微量不純物のＳＩＭＳ強度を示す図である。
【図５】ＧａＮ−Ｂの微量不純物のＳＩＭＳ強度を示す図である。
【図６】ＧａＮ−Ｃの微量不純物のＳＩＭＳ強度を示す図である。
【図７】ＧａＮ薄膜のＣＬ強度を示す図である。
【図８】ＧａＮ薄膜のＣＬ強度を示す図である。
【図９】ＧａＮ薄膜の電子線照射時間に対するバンド端のＣＬ強度を示す図である。
【図１０】ＭｇＯ薄膜におけるＣＬスペクトルを示す図である。
【図１１】ＭｇＯ−Ａにおける真空導入後の経過時間に対するＣＬピーク強度を示す図である。
【図１２】ＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した後におけるＣＬスペクトルを示す図である。
【図１３】ＭｇＯ単結晶基板におけるＣＬスペクトルを示す図である。
【図１４】ＭｇＯ単結晶基板を１０５０℃にて２時間焼成した後のＣＬスペクトルを示す図である。
【図１５】ＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した後のＦ＋センターからのＣＬ強度に対する書き込み速度を示す図である。
【図１６】ＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した後のＦセンターからのＣＬ強度に対する書き込み速度を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 真空チャンバー
２ 試料保持部
３ ヒータ
４ 移動部
５ 電子線発生源
６ ＣＬ分光検出器
７ 石英製ＣＬ集光レンズ
８ 予備窓
９ ターボ分子ポンプ排気系
Ｓ 試料
Ｅ 電子線
ＣＬ カソードルミネッセンス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の評価方法及び評価装置に関し、更に詳しくは、オプティカルデバイス用または高周波デバイス用の窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜等の化合物半導体薄膜、あるいはプラズマディスプレイ（ＰＤＰ）用の絶縁保護膜である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）薄膜等の金属酸化物薄膜等の試料の面内特性を非破壊にて評価することが可能な試料の評価方法及び評価装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、オプティカルデバイス用または高周波デバイス用の半導体薄膜としては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である窒化ガリウム（ＧａＮ）薄膜が知られている。
このＧａＮ薄膜は、有機金属化学気相堆積法（ＭＯ−ＣＶＤ法）やクロライド法等の化学的蒸着法、あるいは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）や反応性蒸着法等の物理的蒸着法により成膜される。このＧａＮ薄膜の特性評価は、電気的特性を測定して評価するのが一般的であり、電気的特性としては、通常、キャリヤー濃度と電子移動度が用いられ、これらキャリヤー濃度及び電子移動度の測定結果により膜の品質を評価するのが一般的である。
ＧａＮ薄膜の電気的特性を評価する場合、例えば、４インチウェーハの大きさに対応した特性分布を測定するためには、測定点を７５点確保する必要がある。そこで、この４インチウェーハから１０ｍｍ角の評価用試料を７５点切り出して測定する方法が採られる。
【０００３】
また、ＧａＮ薄膜の結晶性を評価する方法としては、この薄膜に電子線を照射し、この薄膜から発生するカソードルミネッセンス（ＣＬ）を検出し、この検出結果に基づき結晶性を評価する方法が提案されている（特許文献１）。このＧａＮのバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）は３．４ｅＶであり、カソードルミネッセンス（ＣＬ）の場合、膜の結晶性が波長３６０ｎｍ付近に現れる波形の形状に影響を及ぼす。例えば、膜の結晶性が良好な場合には、鋭くかつ強いピークが観察され、膜の結晶性が良くない場合には、ブロードかつ弱いピークが観察される。また、この薄膜に不純物が含まれている場合、５５０ｎｍ付近にピークが出現するために、このピークの有無により、ＧａＮ薄膜の結晶性の良否を判定することができる。
さらに、ＧａＮ薄膜の品質管理の方法として、膜中の不純物を二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectroscopy:SIMS）により評価する方法も提案されている。
【０００４】
一方、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）用の絶縁保護膜としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）薄膜が広く知られており、このＭｇＯ薄膜の成膜法としては、蒸着法、スパッタリング法、粉末塗布法等が知られており、現在では、一般的に、蒸着法が主流となっている。
このＭｇＯ薄膜の膜質特性は、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）の放電開始電圧やパネル寿命に非常に大きな影響を与える。この膜質特性は、成膜条件や膜中の不純物濃度により異なるために、成膜条件や膜中の不純物濃度がその後のＰＤＰの特性や寿命等に非常に大きな影響を与えることになる。そこで、実パネルとする前の段階で、このＭｇＯ薄膜がＰＤＰ用絶縁保護膜として適するか否かを判断する必要があるが、現在では、成膜条件の経験値から膜の結晶構造や屈折率等を類推し、適否を判断するのが一般的である。
【０００５】
また、光学半導体結晶では、この結晶から発生するカソードルミネッセンス（ＣＬ）を測定し、この測定結果に基づき種々の特性評価を行うことが行われており、ＭｇＯ薄膜についても、その成膜条件による膜質の変化を、カソードルミネッセンス（ＣＬ）を用いて評価する試みが提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００１−８３０８７号公報
【特許文献２】特開２００５−３５３４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した従来のＧａＮ薄膜の評価方法では、次のような問題点があった。
（１）電気的特性による評価方法では、評価の対象となるウェーハから一定の大きさの評価用試料を複数個切り出すために破壊的な測定となる。したがって、非破壊にて測定することができない。
（２）カソードルミネッセンス（ＣＬ）による評価方法では、非破壊にて測定することはできるものの、電子線の照射により試料が加熱されるので、カソードルミネッセンス（ＣＬ）の測定結果に電子線による加熱効果も含まれることとなり、薄膜自体の正確な評価を行うことができない。
（３）二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）による評価方法では、ＧａＮ薄膜中の不純物濃度が極めて低い場合、評価が難しい。特に、最近の成膜法によるＧａＮ薄膜中の不純物濃度は、検出限界に近いために、この方法では評価が困難である。
【０００７】
一方、上述した従来のＭｇＯ薄膜の評価方法では、次のような問題点があった。
（１）成膜条件の経験値から判断する評価方法では、成膜条件の経験値から膜の結晶構造や屈折率等を類推して適否を判断しているために、実際に得られたＭｇＯ薄膜の膜質が成膜条件の経験値から類推されたＭｇＯ薄膜の膜質と異なる場合も多く、実際には、ＭｇＯ薄膜の正確な膜質はパネル化してみないと分からない。
（２）カソードルミネッセンス（ＣＬ）を用いて評価する方法では、ＭｇＯ薄膜が有する結晶構造及び幾何学的構造のために、カソードルミネッセンス（ＣＬ）を測定しただけでは、膜質を評価するのに必要な測定結果を得ることができない。
このように、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）のパネル特性を左右するＭｇＯ薄膜については、より高機能性のＭｇＯ薄膜を開発する際に、パネル化後の特性の指針を与える様なＭｇＯ薄膜の膜特性の評価方法が求められていた。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、測定対象となる薄膜等の試料を破壊すること無く、品質をより正確に評価することが可能な試料の評価方法及び評価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】
【０００９】
本発明者等は、カソードルミネッセンス（ＣＬ）を用いて試料の特性を評価する際に、この試料をその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動し、この移動しつつある試料から発生するカソードルミネッセンスを検出することとすれば、試料に照射される単位時間当たりの電子線のエネルギー量が抑制され、よって、試料を非破壊的に評価することが可能であり、この試料の特性の面内分布が容易に得られ、しかも、この試料の特性と、この試料を所望のデバイスに適用した場合のデバイス特性との間に相関があれば、この試料の特性によりデバイス特性の指針を与えることが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明の試料の評価方法は、試料をその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動するとともに、この移動しつつある試料に電子線を照射して該試料から発生するカソードルミネッセンスを検出し、このカソードルミネッセンスの検出結果に基づき前記試料を評価することを特徴とする。
【００１１】
この試料の評価方法では、電子線のスポットが試料上をその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動することにより、この電子線が試料上の特定の一点に集中して照射することがなくなり、よって、試料に照射される単位時間当たりの電子線のエネルギー量が抑制され、この電子線のエネルギーによる試料へのダメージが小さくなる。これにより、試料を非破壊的に評価することが可能になる。
また、移動しつつある試料に電子線を照射して該試料から発生するカソードルミネッセンスを検出することにより、この試料の特性の面内分布が容易に得られる。
また、この試料の特性と、この試料を所望のデバイスに適用した場合のデバイス特性との間に相関があれば、この試料の特性に基づきデバイス特性への指針を与えることが可能になる。
【００１２】
前記試料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物またはＩＩ−ＶＩ族化合物からなる試料であることが好ましい。
前記試料は、金属酸化物からなる試料であることが好ましい。
前記速度は、０．５ｍｍ／分以上かつ５ｍｍ／分以下であることが好ましい。
前記速度を０．５ｍｍ／分以上かつ５ｍｍ／分以下とすることにより、電子線のエネルギーによる試料へのダメージが極めて小さくなる。
【００１３】
本発明の試料の評価装置は、真空容器と、この真空容器内に設けられ試料を保持する試料保持手段と、この試料保持手段を所定の方向へ一定の速度で移動する移動手段と、前記試料保持手段に保持される試料に電子線を照射する電子線発生手段と、前記試料から発生するカソードルミネッセンスを検出する検出手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１４】
この試料の評価装置では、移動手段により試料を保持する試料保持手段を所定の方向へ一定の速度で移動し、電子線発生手段により試料保持手段に保持される試料に電子線を照射し、検出手段により試料から発生するカソードルミネッセンスを検出する。
これにより、電子線のスポットが試料上をその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動することとなり、よって、試料に照射される単位時間当たりの電子線のエネルギー量が抑制され、試料に電子線のエネルギーによるダメージを与えることなく、試料を非破壊的かつ容易に評価することが可能になる。
また、移動しつつある試料に電子線を照射して該試料から発生するカソードルミネッセンスを検出することにより、この試料の特性の面内分布を容易に測定する。
【００１５】
前記試料保持手段は、保持する前記試料を加熱する加熱手段を備えてなることを特徴とする。
この試料の評価装置では、試料保持手段に試料を加熱する加熱手段を備えたことにより、試料を所望の温度範囲内に加熱することが可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の試料の評価方法によれば、試料をその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動するとともに、この移動しつつある試料に電子線を照射して該試料から発生するカソードルミネッセンスを検出し、このカソードルミネッセンスの検出結果に基づき前記試料を評価するので、試料を非破壊的に評価することができ、この試料の特性の面内分布を容易に得ることができる。したがって、より高品質の試料を得ることができる。
また、この試料の膜特性と、この試料を所望のデバイスに適用した場合のデバイス特性との間の相関を取ることで、この試料の特性によりデバイス特性に指針を与えることができる。
【００１７】
本発明の試料の評価装置によれば、試料を保持する試料保持手段を所定の方向へ一定の速度で移動する移動手段と、前記試料保持手段に保持される試料に電子線を照射する電子線発生手段と、前記試料から発生するカソードルミネッセンスを検出する検出手段とを備えたので、試料に電子線によるダメージを与えることなく、試料を非破壊的かつ容易に評価することができる。
また、移動しつつある試料に電子線を照射して該試料から発生するカソードルミネッセンスを検出するので、この試料の特性の面内分布を容易に測定することができる。
【００１８】
前記試料保持手段に、保持する前記試料を加熱する加熱手段を備えることにより、試料を所望の温度範囲内に加熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の試料の評価方法及び評価装置を実施するための最良の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
【００２０】
図１は、本実施形態の試料の評価装置を示す模式図であり、図において、１は真空チャンバー（真空容器）、２は真空チャンバー１内に設けられて試料Ｓを保持する試料保持部（試料保持手段）、３は試料保持部２に内蔵されたヒータ（加熱手段）、４は試料保持部２を移動させる移動部（移動手段）、５は試料保持部２に保持される試料Ｓに電子線Ｅを照射して励起する電子線発生源（電子線発生手段）、６は試料Ｓから発生するカソードルミネッセンス（ＣＬ）を検出するカソードルミネッセンス（ＣＬ）分光検出器（検出手段）、７は真空封止窓を兼ねる石英製カソードルミネッセンス（ＣＬ）集光レンズ、８は試料Ｓ表面にレーザ光等を照射するための予備窓、９はターボ分子ポンプ排気系である。
【００２１】
ヒータ３は、試料保持部２に保持された試料Ｓを所定の温度、例えば、室温（２５℃）以上かつ４００℃以下の温度範囲に加熱するもので、例えば、タングステン（Ｗ）線、タンタル（Ｔａ）線等が好適に用いられる。
移動部４は、試料保持部２を試料Ｓの面内の一方向に沿って（図１中矢印方向）一定の速度で移動させるもので、この速度としては、０．５ｍｍ／分以上かつ５ｍｍ／分以下が好ましく、より好ましくは１ｍｍ／分以上かつ２ｍｍ／分以下である。
【００２２】
ここで、試料Ｓ、すなわち試料保持部２の移動速度を０．５ｍｍ／分以上かつ５ｍｍ／分以下と限定した理由は、速度が０．５ｍｍ／分より遅いと、試料に照射される単位時間当たりの電子線のエネルギー量が多くなり過ぎて試料にダメージを与えてしまい、破壊に至る虞があるからである。一方、速度が５ｍｍ／分より速いと、試料から発生するカソードルミネッセンス（ＣＬ）が不安定なものになり、このカソードルミネッセンス（ＣＬ）の測定結果が試料の特性を正確に反映しなくなってしまうからである。
また、５ｍｍ／分以下という速度範囲は、移動部４を構成する機構部品を高精度で制御するのに望ましい範囲であり、速度が５ｍｍ／分を越えると、機構部品の制御精度が低下し、試料保持部２の移動速度が極めて不安定になる。
【００２３】
電子線発生源５は、１×１０−３より小さい変動幅を持つ安定度があればよく、ホットフィラメント、サーマルフィールドエミッタ等が好適に用いられる。
この電子線発生源５から発生される電子線Ｅのエネルギーは１０ｋｅＶ、電子線量は８０ｎＡ以下であり、そのビーム径は、１００μｍ以上かつ２００μｍ以下が好ましく、より好ましくは１４０μｍ以上かつ１６０μｍ以下である。
ここで、電子線Ｅのビーム径を１００μｍ以上かつ２００μｍ以下と限定した理由は、ビーム径が１００μｍ未満であると、試料に電子線照射によるダメージが生じ易くなるからであり、一方、ビーム径が２００μｍを越えると、集光の焦点位置外となるからである。
【００２４】
ターボ分子ポンプ排気系９は、真空チャンバー１内を所定の真空度、例えば１０−３〜１０−４Ｐａの範囲内で安定させることができるものであればよく、補助真空ポンプに油回転ポンプまたはドライポンプを用いたものが用いられる。
ＣＬ分光検出器６は、波長範囲が２００ｎｍ以上かつ９００ｎｍ以下のカソードルミネッセンス（ＣＬ）を検出するものである。
ＣＬ集光レンズ７は、カソードルミネッセンス（ＣＬ）をＣＬ分光検出器６に集光させるもので、このＣＬ集光レンズ７の替わりに放物面の凹面鏡を用いてもよい。
【００２５】
次に、本実施形態の試料の評価方法について説明する。
まず、試料保持部２に試料Ｓを固定し、この試料保持部２を真空チャンバー１内の所定位置に固定し、真空チャンバー１内を気密にする。次いで、ターボ分子ポンプ排気系９を駆動させて真空チャンバー１内を所定の真空度、例えば１０−３〜１０−４Ｐａの範囲内の真空度とする。
試料Ｓとしては、ＧａＮ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物、ＺｎＳ等のＩＩ−ＶＩ族化合物、ＭｇＯ等の金属酸化物、等からなる試料、特に薄膜が好ましい。
次いで、移動部４を駆動させて試料保持部２を試料Ｓの面内の一方向に沿って０．５ｍｍ／分以上かつ５ｍｍ／分以下の範囲内の一定の速度で移動させると同時に、電子線発生源５により試料Ｓに電子線Ｅを照射する。
【００２６】
ここでは、電子線Ｅのエネルギーを１０ｋｅＶ、電子線量を８ｎＡ、ビーム径を１００μｍ以上かつ２００μｍ以下、より好ましくは１４０μｍ以上かつ１６０μｍ以下に調整する。
この試料Ｓがその面内の一方向に沿って一定の速度で移動する間に、電子線Ｅの照射により励起され、この励起によりカソードルミネッセンスＣＬが発光し、放射される。
このようにして放射されたカソードルミネッセンスＣＬは、石英製ＣＬ集光レンズ７にて集光され、ＣＬ分光検出器６にて検出される。
【００２７】
このＣＬ分光検出器６にて検出されたＣＬ分光特性を、標準試料から検出されたＣＬ分光特性と比較することにより、試料Ｓの特性を評価することができる。
このＣＬ分光特性により、試料Ｓの結晶性、微小不純物等の膜特性を評価することができる。
また、予め、試料ＳのＣＬ分光特性と電気的特性との相関を調べておき、この試料ＳのＣＬ分光特性を上記の相関と比較することにより、試料Ｓのデバイス化後あるいはパネル化後の特性を推定することができる。
また、試料Ｓの所定の領域内にジグザグ状に電子線Ｅを照射することにより、試料Ｓの所定の領域内におけるＣＬ分光特性の面内分布を得ることができ、試料Ｓの面内の特性分布を知ることができる。
【００２８】
本実施形態の試料の評価方法によれば、試料Ｓをその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動しつつ試料Ｓに電子線Ｅを照射し、この試料Ｓから発生するカソードルミネッセンスＣＬを検出し、このカソードルミネッセンスＣＬの検出結果に基づき試料Ｓの特性を評価するので、試料Ｓの結晶性、微小不純物等の膜特性、あるいは電気的特性を、破壊することなく評価することができる。
また、この試料Ｓの特性により、この試料ＳをＰＤＰや光学素子等の所望のデバイスに適用した場合のデバイス特性を正確に推定することができ、この試料Ｓの特性に基づきデバイス特性に指針を与えることができる。
【００２９】
本実施形態の試料の評価装置によれば、試料Ｓを保持する試料保持部２と、試料保持部２を移動させる移動部４と、試料Ｓに電子線Ｅを照射して励起する電子線発生源５と、試料Ｓから発生するカソードルミネッセンスＣＬを検出するＣＬ分光検出器６とを備えたので、試料Ｓに電子線Ｅによるダメージを与えることなく、試料Ｓを非破壊的かつ容易に評価することができる。
また、この試料Ｓの特性の面内分布をも容易に測定することができる。
また、試料保持部２にヒータ３を内蔵することで、試料Ｓの表面温度を精度良く制御することができる。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって限定されるものではない。
「実施例１」
まず、試料Ｓとして、ＭＯＣＶＤ法により３種類のＧａＮ薄膜（ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ）をサファイア基板上に成膜し、これらＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ各々の移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）の温度依存性を調べた。
【００３１】
図２は、ＧａＮ−Ａにおける移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）の温度依存性を示す図であり、図３は、ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々における移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）の温度依存性を示す図である。これらの図では、温度範囲は室温（３００Ｋ）から７７Ｋまでとしてある。
図３中、「●」及び「□」はＧａＮ−Ｂを、「○」、「△」及び「×」はＧａＮ−Ｃをそれぞれ示している。
図２及び図３によれば、室温（３００Ｋ）における移動度は、ＧａＮ−Ａ＞＞ＧａＮ−Ｂ＞ＧａＮ−Ｃの順で優れていることが分かる。この傾向は、低温になればなるほど顕著になっていることが分かる。
【００３２】
次いで、３種類のＧａＮ薄膜（ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ）各々の微量不純物を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定した。
ここでは、微量不純物として、水素（Ｈ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）及びガリウム（Ｇａ）の４元素を選んだ。
図４はＧａＮ−Ａの微量不純物のＳＩＭＳ強度を示す図、図５はＧａＮ−Ｂの微量不純物のＳＩＭＳ強度を示す図、図６はＧａＮ−Ｃの微量不純物のＳＩＭＳ強度を示す図である。
これらＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ各々の試料では、炭素（Ｃ）の強度に若干の相違があるのみで不純物に差異は認められないことが分かる。
【００３３】
次いで、３種類のＧａＮ薄膜（ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ）各々を一定の速度で移動しつつ電子線Ｅを照射したときの、ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度を測定した。
ここでは、真空チャンバー１の真空度を５．０×１０−４Ｐａ、ＧａＮ薄膜の移動速度を１．０ｍｍ／分、ＧａＮ薄膜の表面温度を３０℃、電子線Ｅのエネルギーを１０ｋｅＶ、電子線量を２０ｎＡ、ビーム径を１５０μｍとした。
【００３４】
図７は、ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ各々のＣＬ強度を示す図であり、３６０ｎｍ付近のバンド端の発光強度は、ＧａＮ−Ａが最も強く、ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々のバンド端の発光強度は、移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）に対応して低下していることが分かる。なお、７２０ｎｍ付近の発光は、ＣＬ分光検出器６にグレーティングを用いていることから生じる発光であり、３６０ｎｍの発光の干渉によるピークである。
【００３５】
次いで、比較のために、３種類のＧａＮ薄膜（ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ）各々の位置を固定した状態で電子線Ｅを３０分照射したときの、ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々のカソードルミネッセンス（ＣＬ）強度を測定した。
図８は、ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ各々のＣＬ強度を示す図であり、３６０ｎｍ付近のバンド端の発光強度は、ＧａＮ−Ａは変化していないが、ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々のバンド端の発光強度は、１．０ｍｍ／分の移動速度にて移動した場合と比べて逆転していることが分かる。
【００３６】
また、新たに５５０ｎｍ付近にピークを有する発光が現れるが、これらの発光は炭素（Ｃ）等の不純物によるもので、図４〜図６のＳＩＭＳによる炭素（Ｃ）強度とは異なる挙動を示している。
この図７及び図８に示すように、電子線Ｅの照射時間を制御することにより、ＧａＮ薄膜の膜特性である結晶性、不純物、電子線照射によるダメージ等を容易に評価することができる。
【００３７】
次いで、３種類のＧａＮ薄膜（ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ）各々の位置を固定した状態で電子線Ｅを照射したときの、ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々のバンド端の発光ピーク強度と電子線照射時間との関係を調べた。
図９は、ＧａＮ−Ａ、ＧａＮ−Ｂ、ＧａＮ−Ｃ各々の電子線照射時間に対するバンド端のＣＬ強度を示す図であり、電子線照射時間を変化させることによりバンド端のＣＬ強度が変化することが分かる。よって、電子線照射時間を厳密に制御することにより、ＧａＮ薄膜から発生するバンド端のＣＬ強度を正確に測定することができ、この測定結果によりＧａＮ薄膜の結晶性、不純物、ダメージ等の膜質の評価を行うことができる。
【００３８】
「実施例２」
まず、試料Ｓとして、蒸着法により２種類のＭｇＯ薄膜（ＭｇＯ−Ａ、ＭｇＯ−Ｂ）をサファイア基板上に成膜し、これらＭｇＯ−Ａ、ＭｇＯ−Ｂ各々におけるカソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルを測定した。
ここでは、不純物濃度が数１０ｐｐｍ以下の高純度のＭｇＯ蒸発母材を用いて成膜したものをＭｇＯ−Ａ、不純物濃度が０．５重量％のＭｇＯ蒸発母材を用いて成膜したものをＭｇＯ−Ｂとした。
また、真空チャンバー１の真空度を５．０×１０−４Ｐａ、ＭｇＯ薄膜の移動速度を１．０ｍｍ／分、ＭｇＯ薄膜の温度を３０℃、電子線Ｅのエネルギーを１０ｋｅＶ、電子線量を８０ｎＡ、ビーム径を１５０μｍとした。
【００３９】
図１０は、ＭｇＯ−Ａ及びＭｇＯ−Ｂにおけるカソードルミネッセンス（ＣＬ）スペクトルを示す図である。
ＭｇＯ薄膜では、膜中の酸素欠陥が膜特性に大きく影響することが知られており、この酸素欠陥量がＣＬスペクトルに反映することにより、３８０ｎｍ、４５０ｎｍ及び７００ｎｍ付近に主ピークを有するＣＬスペクトルとして観察される。図１０では、３８０ｎｍ付近のピークが酸素欠陥に電子が１つ注入されたＦ＋センター（発光中心）による発光であり、４５０ｎｍ付近のピークが酸素欠陥に電子が２つ注入されたＦセンター（発光中心）による発光であり、７００ｎｍ付近のピークが金属不純物による発光である。この金属不純物による発光は、サファイア基板における金属不純物によるルビー発光と類似している。
【００４０】
ＭｇＯ薄膜のＣＬスペクトルでは、３８０ｎｍと４５０ｎｍ付近の発光強度がＰＤＰの発光特性と関連性があり、３８０ｎｍ及び４５０ｎｍにおける発光強度が強いほど、ＰＤＰの輝度及び解像度が向上する。
図１０では、ＭｇＯ−Ａの３８０ｎｍ及び４５０ｎｍにおける発光強度が、ＭｇＯ−Ｂに比べて強く、ＭｇＯ−Ａは酸素欠陥型のＭｇＯ薄膜であることが分かる。また、このＣＬスペクトルでは、７００ｎｍ付近のピークが弱く、金属不純物の量が極めて少ないことが分かる。
よって、このＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した場合、膜質に優れた絶縁保護膜となることが分かる。
【００４１】
図１１は、ＭｇＯ−Ａにおける真空導入後の経過時間に対するカソードルミネッセンス（ＣＬ）ピーク強度を示す図である。
この図によれば、真空導入後１０時間経過すれば、ＣＬピーク強度が安定することが分かる。したがって、１０時間経過した後にＣＬ強度を測定すれば、安定したＣＬ特性が得られることが分かる。
【００４２】
次いで、上記のＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した場合の特性について調べた。
図１２は上記のＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した場合のＣＬスペクトルを示す図である。
このＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した場合においても、上記のＭｇＯ−ＡのＣＬスペクトルと同様のＣＬスペクトルを示しており、膜質に優れた絶縁保護膜となっていることが分かる。
【００４３】
次いで、酸素欠陥型ＭｇＯと酸素無欠陥型ＭｇＯとの特性の違いをＣＬスペクトルを用いて調べた。
図１３はＭｇＯ単結晶基板におけるＣＬスペクトルを示す図である。ここでは、酸素欠陥型（Ｏ／Ｍｇ＝０．９９２）のＭｇＯ単結晶基板を用いた。
このＭｇＯ単結晶基板は、Ｆ＋センターやＦセンターによる発光が金属不純物による発光と比べて弱く、上記のＭｇＯ−Ａと比べて酸素欠陥量が少ないことが分かる。
【００４４】
図１４は上記の酸素欠陥型（Ｏ／Ｍｇ＝０．９９２）のＭｇＯ単結晶基板を１０５０℃にて２時間焼成した後におけるＣＬスペクトルを示す図である。
このＭｇＯ単結晶基板は、Ｆ＋センター、Ｆセンター等の酸素欠陥に起因する発光中心からの発光が消失しており、酸素無欠陥型（Ｏ／Ｍｇ＝１．０００）のＭｇＯ単結晶基板になっていることが分かる。
【００４５】
図１５は上記のＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した後におけるＦ＋センターからのＣＬ強度に対する書き込み速度を、図１６はＦセンターからのＣＬ強度に対する書き込み速度を、それぞれ示す図である。
これらの図によれば、ＣＬ強度と書き込み速度との間に強い相関があることが分かる。したがって、ＣＬ強度を測定すれば、ＰＤＰに適用した場合の書き込み速度を推定することができる。
【００４６】
このように、ＭｇＯ薄膜のＣＬスペクトルを測定することにより、発光中心がＦ＋センター、Ｆセンター、金属不純物のいずれかであるかを判断することができ、この発光中心に対応するＣＬスペクトルにより、ＭｇＯ薄膜をＰＤＰに適用した場合の膜特性を容易に知ることができることが分かった。その結果、ＭｇＯ薄膜のＣＬスペクトルを測定すれば、ＰＤＰに適用する以前にＭｇＯ薄膜の膜質を容易に評価できることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態の試料の評価装置を示す模式図である。
【図２】ＧａＮ−Ａにおける移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）の温度依存性を示す図である。
【図３】ＧａＮ−Ｂ及びＧａＮ−Ｃ各々における移動度（ｃｍ２／Ｖ・ｓ）の温度依存性を示す図である。
【図４】ＧａＮ−Ａの微量不純物のＳＩＭＳ強度を示す図である。
【図５】ＧａＮ−Ｂの微量不純物のＳＩＭＳ強度を示す図である。
【図６】ＧａＮ−Ｃの微量不純物のＳＩＭＳ強度を示す図である。
【図７】ＧａＮ薄膜のＣＬ強度を示す図である。
【図８】ＧａＮ薄膜のＣＬ強度を示す図である。
【図９】ＧａＮ薄膜の電子線照射時間に対するバンド端のＣＬ強度を示す図である。
【図１０】ＭｇＯ薄膜におけるＣＬスペクトルを示す図である。
【図１１】ＭｇＯ−Ａにおける真空導入後の経過時間に対するＣＬピーク強度を示す図である。
【図１２】ＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した後におけるＣＬスペクトルを示す図である。
【図１３】ＭｇＯ単結晶基板におけるＣＬスペクトルを示す図である。
【図１４】ＭｇＯ単結晶基板を１０５０℃にて２時間焼成した後のＣＬスペクトルを示す図である。
【図１５】ＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した後のＦ＋センターからのＣＬ強度に対する書き込み速度を示す図である。
【図１６】ＭｇＯ−ＡをＰＤＰに適用した後のＦセンターからのＣＬ強度に対する書き込み速度を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ 真空チャンバー
２ 試料保持部
３ ヒータ
４ 移動部
５ 電子線発生源
６ ＣＬ分光検出器
７ 石英製ＣＬ集光レンズ
８ 予備窓
９ ターボ分子ポンプ排気系
Ｓ 試料
Ｅ 電子線
ＣＬ カソードルミネッセンス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料をその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動するとともに、この移動しつつある試料に電子線を照射して該試料から発生するカソードルミネッセンスを検出し、このカソードルミネッセンスの検出結果に基づき前記試料を評価することを特徴とする試料の評価方法。
【請求項２】
前記試料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物またはＩＩ−ＶＩ族化合物からなる試料であることを特徴とする請求項１記載の試料の評価方法。
【請求項３】
前記試料は、金属酸化物からなる試料であることを特徴とする請求項１記載の試料の評価方法。
【請求項４】
前記速度は、０．５ｍｍ／分以上かつ５ｍｍ／分以下であることを特徴とする請求項１、２または３記載の試料の評価方法。
【請求項５】
真空容器と、この真空容器内に設けられ試料を保持する試料保持手段と、この試料保持手段を所定の方向へ一定の速度で移動する移動手段と、前記試料保持手段に保持される試料に電子線を照射する電子線発生手段と、前記試料から発生するカソードルミネッセンスを検出する検出手段とを備えてなることを特徴とする試料の評価装置。
【請求項６】
前記試料保持手段は、前記試料を加熱する加熱手段を備えてなることを特徴とする請求項５記載の試料の評価装置。
【請求項１】
試料をその面内の一方向に沿って一定の速度にて移動するとともに、この移動しつつある試料に電子線を照射して該試料から発生するカソードルミネッセンスを検出し、このカソードルミネッセンスの検出結果に基づき前記試料を評価することを特徴とする試料の評価方法。
【請求項２】
前記試料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物またはＩＩ−ＶＩ族化合物からなる試料であることを特徴とする請求項１記載の試料の評価方法。
【請求項３】
前記試料は、金属酸化物からなる試料であることを特徴とする請求項１記載の試料の評価方法。
【請求項４】
前記速度は、０．５ｍｍ／分以上かつ５ｍｍ／分以下であることを特徴とする請求項１、２または３記載の試料の評価方法。
【請求項５】
真空容器と、この真空容器内に設けられ試料を保持する試料保持手段と、この試料保持手段を所定の方向へ一定の速度で移動する移動手段と、前記試料保持手段に保持される試料に電子線を照射する電子線発生手段と、前記試料から発生するカソードルミネッセンスを検出する検出手段とを備えてなることを特徴とする試料の評価装置。
【請求項６】
前記試料保持手段は、前記試料を加熱する加熱手段を備えてなることを特徴とする請求項５記載の試料の評価装置。
【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】
【公開番号】特開２００８−４６０４０（Ｐ２００８−４６０４０Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２３３１５（Ｐ２００６−２２３３１５）
【出願日】平成１８年８月１８日（２００６．８．１８）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１８日（２００６．８．１８）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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