(57)【要約】【課題】高い空間分解能を有する共焦点ラマン分光分析装置では、実際に半導体検査を目的とした物性測定を行う場合、所望の２次元空間分解能を得るための光学系をセットすると、半導体材料自体の表面構造や反りによる歪みにより、測定中にジャストフォーカスを維持することが困難となる問題があった。【解決手段】この発明に係る半導体評価装置は、所定の波長の励起光を発する励起光源と、評価対象の試料を設置するステージと、複数のレンズを有し、試料に照射する励起光の焦点深度を深くする焦点機構を設けたレンズユニットと、試料からの散乱光の内、励起光が有する波長から変化した所定の波長を有する非弾性散乱光成分を分離するエッジフィルタと、非弾性散乱光成分に係る波長および光強度を測定する測定部とを備えたものである。【選択図】図１
2015040752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長の励起光を発する励起光源と、
評価対象の試料を設置するステージと、
複数のレンズを有し、前記試料に照射する前記励起光の焦点深度を深くする焦点機構を設けたレンズユニットと、
前記試料からの散乱光の内、前記励起光が有する波長から変化した波長を有する非弾性散乱光成分を分離するエッジフィルタと、
前記非弾性散乱光成分に係る波長および光強度を測定する測定部とを、
備えた半導体評価装置。
【請求項２】
前記焦点機構は、球面収差調整用レンズを用いて構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項３】
前記焦点機構は、多焦点レンズを用いて構成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体評価装置。
【請求項４】
所定の波長の励起光を発する工程と、
評価対象の試料を設置する工程と、
前記励起光を前記試料に対する焦点深度を深くした状態で照射する工程と、
前記試料からの散乱光の内、前記励起光が有する波長から変化した波長を有する非弾性散乱光成分を分離する工程と、
前記非弾性散乱光成分に係る波長および光強度を測定する工程とを、
備えた半導体評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、顕微ラマン分光法による半導体材料の物性測定、特に、半導体材料の結晶性や残留応力を測定するための装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体産業においては、原価低減を図ることを主目的とした半導体ウエハの大口径化や半導体チップの薄板化、および微細構造化が進んでいる。それに伴い、半導体の検査装置にも高空間分解能が求められるようになっている。光学分析において高空間分解能を実現するためには、共焦点光学系を用いる例がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
共焦点光学系は、向かい合った対物レンズの焦点のうち、試料とは反対側に設けられたピンホールにより、デフォーカス部からの信号をカットし、ジャストフォーカス部に存在している物質からの光学信号のみを選択的に取得するため、高空間分解能の実現に有効である。その具体的な応用例としては、共焦点ラマン分光分析装置があげられる。共焦点ラマン分光分析装置を用いた測定は、３次元にわたり高い空間分解能を有することから、数μｍオーダーの微小領域における半導体結晶品質評価や、微小領域に残留する応力に関する解析に有効である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
この場合の空間分解能は、光学レンズの倍率と、焦点に設けられたピンホールないしアパーチャー径に依存する。光学レンズの空間分解能は、そのレンズの開口数と、レンズを通過する光の波長に依存し、δ＝λ／ＮＡにより表せる。ここで、δは分解能、λは波長、ＮＡは開口数を示す。
【０００５】
ここでの開口数とは、レンズに対して入射する光軸が取りうる最大角度をθ、レンズの屈折率をｎとした場合、ＮＡ＝ｎＳｉｎθとなる。
これらの式から、励起光源の波長により励起できる物質が決まってしまうため、分解能を高めるためには開口数を大きくとる必要があることが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３０１７８号公報
【非特許文献１】Ｗ．Ｌ．  Ｚｈｕ，  Ｊ．Ｌ．  Ｚｈｕ，  Ｓ．  Ｎｉｓｈｉｎｏ  ａｎｄ  Ｇ．  Ｐｅｚｚｏｔｔｉ  “Ｓｐａｔｉａｌｌｙ  ｒｅｓｏｌｖｅｄ  ｒａｍａｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｒｅｓｉｄｕａｌ  ｓｔｒｅｓｓｅｓ  ｉｎ  ３Ｃ−ＳｉＣ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ  ｏｎ  Ｓｉ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ｗｉｔｈ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ  ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ  ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｓ”  Ａｐｐｌ．  Ｓｕｒｆ．  Ｓｃｉ，  Ｖｏｌ．  ２５２  Ｉｓｓｕｅ  ６，  ２３４６-２３５４  （２００６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のような高い空間分解能を有する共焦点ラマン分光分析装置では、共焦点系と対物レンズの開口数に起因する高空間分解能により、２次元的な空間分解能にとどまらず、深さ方向の空間分解能も高くなっている。しかし、実際に半導体検査を目的とした物性測定を行う場合、所望の２次元空間分解能を得るための光学系をセットすると、半導体材料自体の表面構造や反りによる歪みにより、測定中にジャストフォーカスを維持することが困難となる問題があった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、半導体材料の表面形状や反りによる歪みの影響を受けずに半導体物性、つまり、結晶性や残留応力を測定し評価する手法を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る半導体評価装置は、所定の波長の励起光を発する励起光源と、評価対象の試料を設置するステージと、複数のレンズを有し、試料に照射する励起光の焦点深度を深くする焦点機構を設けたレンズユニットと、試料からの散乱光の内、励起光が有する波長から変化した所定の波長を有する非弾性散乱光成分を分離するエッジフィルタと、非弾性散乱光成分に係る波長および光強度を測定する測定部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、２次元空間分解能を維持したまま、半導体材料の表面形状や反りによる歪みの影響を受けない半導体材料の物性評価が可能となる、従来にない顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体評価装置の概略図である。
【図２】この発明の実施の形態１による半導体評価装置において、焦点深度を深くするための機構の一例を示した概略図である。
【図３】この発明の実施の形態１による半導体評価装置を用いることにより得られる焦点深度の深さを示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１による半導体評価装置において、焦点深度を深くするための機構の一例を示した概略図である。
【図５】この発明の実施の形態２による半導体評価装置の半導体材料搬送装置一例を示した概略図である。
【図６】この発明の実施の形態３による半導体評価装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施の形態１．
次に、図面を用いて、この発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１３】
図１は、この発明の実施の形態１に係る半導体評価装置である顕微ラマン分光装置を示す概要図である。図において、主たる構成要素は、試料３３である半導体材料を搭載するステージ１と、試料３３に対して、赤外光よりも波長の短い単色光である励起光２を照射する励起光源３と、励起光２を試料３３に対して照射する際に励起光２を数μｍ程度に収束させ、かつ、対物レンズの焦点深度を深くするための機構を有し、試料３３表面で励起光２が散乱することで得られる散乱光５を受光する機能を有する対物レンズユニット４と、対物レンズユニット４を通過する光と同一光軸上に存在し、励起光２と散乱光５に含まれる弾性散乱光成分を通過させ、散乱光５に含まれる非弾性散乱光成分のみを選択的に抽出するためのビームスプリッタ９と、散乱波長毎に分光してスペクトル化する測定部６である。
【００１４】
励起光源３の励起光波長は、試料３３となる半導体材料の種類に応じて選択する。例えば、層厚１０ｎｍ程度のシリコン層の物性評価を行う場合、波長３２５ｎｍ程度の波長の励起光２を用いる。励起光２は、励起光源３から発せられ、ステージ１上の試料３３表面に照射される単色光であり、試料３３に照射されるまでに、励起光２をステージ１上の試料３３方向へ導くための光軸調整用ミラー８、ビームスプリッタ９、および、対物レンズユニット４を通過する。光軸調整用ミラー８は、励起光源３の光軸を試料３３の表面に対して垂直にするために設置されるものであり、励起光源３の光軸を試料３３の表面に対して垂直にするために設置した場合には省いてもよく、励起光源３を複数個用いた場合には、それに合わせて複数枚設置してもよい。
【００１５】
励起光２は、試料３３に照射され、試料３３表面で散乱し、散乱光５となる。光の発光波長と、光の持つエネルギーの間には、相関があることが一般的に知られており、ある特定の波長を有する光は、その発光波長に応じた特定のエネルギーを有している。励起光源３は、ある特定の波長の単色光を発生させる能力を有しているため、そこから発せられる励起光２は、必然的にある特定のエネルギーを有している光と言い換えることができる。
【００１６】
散乱光５には、試料３３が持つエネルギーの影響を受けず、励起光２と同じエネルギーおよび波長を保持したまま散乱した成分である弾性散乱光成分と、励起光２が持つエネルギーの一部を試料３３に奪われる、ないしは、試料３３が持つエネルギーの一部が励起光２の持つエネルギーに加わることで波長が変化した非弾性散乱光成分１０の２種類の散乱光成分が混在する。つまり、散乱光に含まれる非弾性散乱光成分１０は、試料３３が有しているエネルギー状態を反映したエネルギー分だけ、弾性散乱光の波長から変化した光であるため、非弾性散乱光成分１０を調査することで、試料３３が有するエネルギー状態、具体的には試料３３たる物質の結晶性の乱れや応力など、結晶構造に起因する半導体の物性値情報を得ることができる。
【００１７】
試料３３表面で発生した散乱光５は、再度対物レンズユニット４を介してビームスプリッタ９に導かれる。ビームスプリッタ９は、任意に定められた波長Ａｎｍ以下の光を透過させ、波長がＡｎｍよりも長波長域の光を反射するエッジフィルタである。
【００１８】
例えば、励起光２の波長を３２５ｎｍ、エッジフィルタの設定波長をＡ＝３３０ｎｍとすると、励起光２が単色光であるため、励起光源３側からステージ１方向に励起光２が通過する際には光を通過させるが、逆方向からの散乱光５に対しては、弾性散乱光成分と非弾性散乱光成分１０のうち、波長３３０ｎｍ以上の非弾性散乱光成分１０のみを反射し、測定部６方向に導くことができる。このとき、選択した励起光２の波長と、エッジフィルタの設定波長との差分を大きく取りすぎると、非弾性散乱光成分１０のうち、エッジフィルタの設定波長以下の波長成分がカットされてしまうことに注意が必要である。
【００１９】
測定部６では、導入された非弾性散乱光成分１０を、分光結晶１２により各波長成分に分光し、それぞれの波長の光強度をセンサー１３により電気信号として捕らえ、制御装置１４において、具体的には波長成分毎の光強度に変換する。センサー１３は、選択した励起光２の波長により選択可能である。例えば、波長３２５ｎｍの励起光２を用いた場合、ＣＣＤ検出器を用いることができる。こうして得られた非弾性散乱光成分１０の波長と各波長における光強度の関係がラマンシフトである。
【００２０】
図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体評価装置である顕微ラマン分光装置において、焦点深度を深くするための焦点機構の一例である。本機構は、試料に対して焦点を結び、励起光２を集束させるための対物レンズ２１と、対物レンズ２１を挟んで試料と反対側に設けたピンホールないしアパーチャー２３の穴部に焦点を有する凸レンズ２２の少なくとも二つの光学レンズを有し、共焦点光学系の成立条件を満たしつつ、かつ対物レンズ２１と凸レンズ２２間に設置された球面収差調整用レンズ２４からなり、対物レンズユニット４を構成するものである。
【００２１】
顕微ラマン分光分析装置には、空間分解能を高めることと焦点が合っている部分からの信号を選択的に取得するために、共焦点光学系が用いられることが多い。共焦点光学系は、その構成上、深さ方向の分解能が高いことを特長とする。
【００２２】
ただし、深さ方向の分解能が高いということは、焦点深度が浅いと言い換えることができる。対物レンズ２１と凸レンズ２２間を通過する光の向きは、共焦点光学系が成立した状態では平行光となる。本機構では、対物レンズ２１と凸レンズ２２間の平行光通過部に対して、平行光が僅かに方向を変えて対物レンズ２１へ入射するように球面収差調整用レンズ２４を挿入することを特長としている。対物レンズ２１へ入射する平行光の一部が向きを変えることで、対物レンズ２１の焦点部における集光性が低下し、焦点以外の点で集光する光成分が発生する。この作用により、深さ方向の分解能が低下し、疑似的に焦点深度が深くなる。
【００２３】
図３は、図２に示した例により深くなった焦点深度に関するグラフである。縦軸が焦点距離、横軸が励起光強度（信号強度）を示している。本グラフの例では焦点距離が１．０ｍｍとなっている。焦点が合っていると定義する条件を、対物レンズから有意の距離を有する各地点において、対物レンズ２１を通過した励起光２が、初期強度の１／ｅ倍以上の光強度を維持する領域と定義する。本発明によらない光学系の場合は、焦点深度がａ−ａ’間の長さと等しくなり、約２００μｍとなる。一方で、本発明により対物レンズ２１への入射光を意図的に操作することにより、対物レンズ２１が本来もつ焦点以外の点で結像する光成分が発生するため、焦点深度がｂ−ｂ’間の約５００μｍと拡がることになる。
【００２４】
図４は、この発明の実施の形態１による顕微ラマン分光装置において、焦点深度を深くするための機構の一例である。図２で示した対物レンズ２１の代わりに多焦点レンズ２５を用いても同様な効果が得られる。多焦点レンズ２５を用いることにより、従来のように２つのレンズを用いた構成で、図２のように球面収差調整用レンズ２４を新たに追加することなく、焦点深度を深くすることが可能となる。
【００２５】
上記説明したように、上記実施の形態によれば、本来であれば焦点深度が浅く、空間分解能が高いことを特徴とする共焦点光学系を有する顕微ラマン分光装置において、あえて空間分解能を低く抑え、代わりに焦点深度を深くする新たな機構を構成することで、試料たる半導体材料の表面形状や反りに起因するデフォーカスの影響を受けることなく、安定した信号強度のラマンシフトを得ることが可能となる。
【００２６】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、試料をステージ上に設置して測定を行っていたが、ステージの代わりに、試料を搬送する搬送装置を設けて次から次へと搬送される資料を順次測定できるように構成しても構わない。図５は、この発明の実施の形態２に係る半導体評価装置である顕微ラマン分光装置における半導体材料搬送装置の一例である。この装置は、試料３３を運搬する際にそれらを搭載する搭載部３１と、搭載部３１に作用して半導体材料を運搬する駆動部３２からなる。図において、上記実施の形態１で示した番号が付された部分については、上記実施の形態１で記載した構成と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００２７】
搭載部３１はシート状であり、かつ駆動部の形状に合わせて湾曲できるような硬度を有していればよく、好ましくは、半導体材料である試料３３に対して汚染や静電気破壊などの有害要素を起こしにくい材料であれば良い。駆動部３２は、搭載部３１を送りだすための動力であって、好ましくはローラー状の駆動体であり、振動なく搭載部を送り出すことができればよい。駆動体３２はローラー状に駆動することで搭載部３１を巻き込み、送り出すことで試料３３が運搬される。ただし、本装置は半導体材料を搬送する搬送装置であって、半導体製造ラインを構成する要素に含まれ、かつ半導体材料の表面に対して、実施の形態１による顕微ラマン分光装置より励起光の照射が可能なように半導体材料表面が露出していればよく、その搬送法は問わない。
【００２８】
この構成によれば、半導体製造ラインにおいて、製造された半導体材料のラマンスペクトルをインラインで測定することで半導体材料の物性を評価し、物性値の変化をモニタリング可能となり、半導体製造プロセス条件へのフィードバックを通じて製品の特性ばらつきを管理することができる。
【００２９】
本搬送装置を用いた際のデータ取得時、搬送を停止して測定することにより、半導体材料のうちのある特定箇所の物性値、例えば、結晶性や応力値を測定することが可能であり、搬送を停止せずに測定することにより、測定中に焦点部を通過した半導体材料の各部の物性値の総和を求めることができるため、局所的な物性値ではなく、製造された半導体材料の物性値ばらつきやトレンドの変化についての情報が得られる。また、焦点深度が深いことにより、試料たる半導体材料の厚さばらつきに対する尤度が大きいことから、試料毎のフォーカス調整が必須なく、かつ、短時間でデータの収集が可能であることから、連続的な評価が可能である。
【００３０】
実施の形態３．
上記実施の形態１では、励起光を試料の真上から照射し、その光軸と同一の光軸を持つ散乱光をビームスプリッタにより分光する構成としていたが、励起光を斜め方向から照射し、励起光の照射方向と反対方向に反射される散乱光を測定するような構成としても構わない。
【００３１】
図６は、この発明の実施の形態３に係る半導体評価装置である顕微ラマン分光装置である。図において、図１における対物レンズユニット４およびビームスプリッタ９の代わりに、ステージ１方向へ励起光２を投射するためのミラー１７および照射用対物レンズユニット１５と、励起光２の試料への照射により発生した散乱光５を受光するための受光用対物レンズユニット１６と、受光した散乱光５から弾性散乱光成分を除去し、非弾性散乱光成分１０のみを受光ユニット６方向へ導くためのビームスプリッタ１８により構成されている。
【００３２】
励起光源３より発せられた励起光２は、ミラー８を介して照射用対物レンズユニット１５方向へ導くためのミラー１７へ導かれる。ミラー８による導光が充分であれば、ミラー１７は省略できるし、ミラー１７が単一では不充分な場合は、複数のミラーを用いても良い。
【００３３】
ミラー１７から導かれた励起光２は、照射用対物レンズユニット１５により、ステージ１上に搭載された試料の表面で結んだ焦点に対して照射される。試料に照射された励起光２は、試料表面にて散乱を起こし、散乱光５を発する。散乱光５は、受光用対物レンズユニット１６により集光され、散乱光５に含まれる弾性散乱光成分と非弾性散乱成分を分離し、受光部６に対して非弾性散乱光成分１０のみを導入するためのビームスプリッタ１８へ送られる。
【００３４】
上記実施の形態１では、単一の対物レンズユニット４によって励起光２の照射と散乱光５の受光を実施しているため、対物レンズユニットは、必然的に照射倍率・受光倍率が同じとなっていたが、この構成によれば、励起光２の照射を照射用対物レンズユニット１５で実施し、散乱光５の受光を受光用対物レンズユニット１６で実施するため、照射用対物レンズユニットの倍率と、受光用対物レンズユニットの倍率を任意で選択でき、異なる倍率を用いることができる。
【００３５】
このとき、照射用対物レンズユニット１５と、受光用対物レンズユニット１６の構成は、対物レンズユニット４と同一の構成であれば、焦点はステージ１上の試料表面において同一の点であるだけでよく、照射用対物レンズユニット１５と半導体材料のなす角と、受光用対物レンズユニット１６と半導体材料のなす角は必ずしも一致する必要はない。
【符号の説明】
【００３６】
１  ステージ、２  励起光、３  励起光源、４  対物レンズユニット、５  散乱光、６  測定部、８  ミラー、９  ビームスプリッタ、１０  非弾性散乱光成分、１２  分光結晶、１３  センサー、１４  制御装置、２１  対物レンズ、２２  凸レンズ、２３  ピンホールないしアパーチャー、２４  球面収差調整用レンズ、２５  多焦点レンズ、３１  搭載部、３２  駆動部、３３  試料、１５  照射用対物レンズユニット、１６  受光用対物レンズユニット、１７  ミラー、１８  ビームスプリッタ
【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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