(57)【要約】【課題】結晶表面に局在したナノスケールの歪みなどのような歪みを高感度かつ選択的に検出することを可能にする。【解決手段】測定対象の結晶表面にレーザー光を照射して、顕微ラマン分光により上記結晶表面に存在する歪みを測定する結晶表面の歪み測定方法において、測定対象の結晶表面上に微小金属構造体を形成し、上記微小金属構造体を形成された上記結晶表面にレーザー光を照射することにより表面増強ラマン散乱を生じさせて顕微ラマン分光を行い、上記結晶表面に存在する歪みを測定する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の結晶表面にレーザー光を照射して、顕微ラマン分光により前記結晶表面に存在する歪みを測定する結晶表面の歪み測定方法において、
測定対象の結晶表面上に微小金属構造体を形成し、
前記微小金属構造体を形成された前記結晶表面にレーザー光を照射することにより表面増強ラマン散乱を生じさせて顕微ラマン分光を行い、前記結晶表面に存在する歪みを測定する
ことを特徴とする結晶表面の歪み測定方法。
【請求項２】
測定対象の結晶表面にレーザー光を照射して、顕微ラマン分光により前記結晶表面に存在する歪みを測定する結晶表面の歪み測定装置において、
表面上に微小金属構造体を形成した測定対象の結晶を備え、
前記測定対象の結晶の表面にレーザー光を照射することにより表面増強ラマン散乱を生じさせて顕微ラマン分光を行い、前記結晶表面に存在する歪みを測定する
ことを特徴とする結晶表面の歪み測定装置。
【請求項３】
測定対象の結晶表面にレーザー光を照射して、顕微ラマン分光により前記結晶表面に存在する歪みを測定する結晶表面の歪み測定方法において、
レーザー光を照射された測定対象の結晶表面上に金属プローブチップを配置し、プラズモン励起に伴う増強電場を前記金属プローブチップの先端に形成し、前記金属プローブチップの先端に形成された増強電場を前記結晶表面上の局所部位からのラマン分光の励起光源として用いて表面増強ラマン散乱を生じさせて顕微ラマン分光を行い、前記結晶表面に存在する歪みを測定する
ことを特徴とする結晶表面の歪み測定方法。
【請求項４】
測定対象の結晶表面にレーザー光を照射して、顕微ラマン分光により前記結晶表面に存在する歪みを測定する結晶表面の歪み測定装置において、
測定対象の結晶表面上に配置される金属プローブチップを備え、
前記金属プローブチップを前記結晶表面上に配置してレーザー光を照射し、プラズモン励起に伴う増強電場を前記金属プローブチップの先端に形成し、前記金属プローブチップの先端に形成された増強電場を前記結晶表面上の局所部位からのラマン分光の励起光源として用いて表面増強ラマン散乱を生じさせて顕微ラマン分光を行い、前記結晶表面に存在する歪みを測定する
ことを特徴とする結晶表面の歪み測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶表面の歪み測定方法およびその装置に関し、さらに詳細には、結晶表面に局在したナノスケール歪みを測定する際に用いて好適な結晶表面の歪み測定方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代半導体超大規模集積回路（ＵＬＳＩ）に用いる基板として、歪みシリコン基板が非常に注目を集めている。
【０００３】
この歪みシリコン基板とは、シリコン基板上に格子間隔の広いゲルマニウムを混ぜたシリコンゲルマニウムを結晶成長させ、その上にシリコンを結晶成長させることによって、当該シリコンゲルマニウム結晶上に結晶成長されたシリコン結晶の格子間隔が、引っ張り応力によって広がったシリコン基板のことを意味する。なお、本明細書においては、歪みシリコン基板の表面に形成された格子間隔の広がったシリコン結晶を「歪みシリコン結晶」と称し、歪みシリコン結晶の層を「歪みシリコン結晶層」と称することとする。
【０００４】
こうした歪みシリコン基板においては、表面に形成されたシリコン結晶、即ち、歪みシリコン結晶の格子間隔が広がっているため、歪みシリコン基板中では電子の有効質量が小さくなりトランジスタの高速動作が可能となることが知られている（非特許文献１を参照する。）。
【０００５】
ところで、ＵＬＳＩの製造プロセスにおいては、シリコン基板表面での応力に局所的な歪みが生じることとなるが、この局所的な歪みによりそのシリコン基板表面に形成されたＭＯＳトランジスタの性能や電気特性が大きく影響を受けることになるため、素子の性能の制御および機能向上のためには、このシリコン基板表面における局所的な歪みを検出する手法の導入が不可欠であった。
【０００６】
一方、歪みシリコン基板においては、歪みシリコン結晶がシリコンゲルマニウム結晶による引っ張り応力によって形成されるため、当該歪みシリコン結晶をシリコンゲルマニウム結晶上に厚く成長させるようにすると引っ張り応力が緩和してしまうため、その厚さは非常に薄いものとせざるを得ないものであった。
【０００７】
このため、歪みシリコン基板表面に形成された歪みシリコン結晶の局所的な歪みを検出するためには、当該歪みシリコン基板表面のみを高感度かつ高空間分解能で検出することが要求され、これにより歪みシリコン基板表面に形成された歪みシリコン結晶表面における局所的な歪みに関する知見を得る必要があった。
【０００８】
従来より、こうした結晶表面における歪みの検出に際しては、一般に、顕微ラマン分光が広く用いられている（非特許文献２、非特許文献３を参照する。）。
【０００９】
ここで、ラマン分光とは、結晶格子がそれぞれ特有な格子振動（フォノン）をもっていることに起因して、ある特定波長のレーザー光を結晶に照射すると、そのフォノンエネルギーに等しいエネルギーを失った光が散乱される（これをラマン散乱という。）ため、これを分光器により検出することでフォノンエネルギーに対する知見を得ることができるという手法である。また、通常、こうしたラマン分光においては、空間分解能を得るために、レーザー光をレンズで集光して試料に照射するという、所謂、顕微ラマン分光が用いられている。
【００１０】
この顕微ラマン分光は、フォノンエネルギーに対する知見を得るにあたっては、非常に有効な手法ではあると認識されているが、以下の（１）乃至（３）に示す、
（１）非常に散乱効率が悪い
（２）空間分解能は光の回折限界で制限される（非特許文献４を参照する。）
（３）表面選択性がない
という３つの問題点を内在するものであることが指摘されていた。
【００１１】
これら３点の問題点についてより詳細に説明すると、まず、問題点（１）の「非常に散乱効率が悪い」という点については、例えば、ラマン散乱の散乱断面積は１０−３０ｃｍ２であり、蛍光のそれが１０−１６ｃｍ２であり、赤外吸収のそれが１０−２０ｃｍ２である点と比較すると、これらに比べてラマン散乱は非常に非効率なものであった。
【００１２】
また、問題点（２）の「空間分解能は光の回折限界で制限される」という点については、レーザー光をレンズで集光した場合には、光の波動性により集光スポットは点にはならずある特定の広がりを持つことになり、これを光の回折限界と称するが、この光の回折限界のために、集光スポットは光の波長の半分程度よりも小さくすることができないものであった。
【００１３】
さらに、問題点（３）の「表面選択性がない」という点については、歪みシリコン基板をレーザー光により照射すると、歪みシリコン結晶層が非常に薄いため、下層の厚いシリコンゲルマニウム結晶層からのフォノンモードがより多く検出されるようになり、歪みシリコン基板の表面に存在する歪みシリコン結晶層のみから選択的に情報を取り出すことは極めて困難であった。
【００１４】
例えば、波長４８８ｎｍ、レーザーパワー９ｍＷのレーザー光を用いた顕微ラマン分光測定により歪みシリコン基板を測定した結果のスペクトルが、図１において図中で“Ｒａｍａｎ”と記して示したスペクトルである。このスペクトルを観察すると、５０５ｃｍ−１および５１５ｃｍ−１にピークが観測されているが、これらピークの中で低波数側（５０５ｃｍ−１）がシリコンゲルマニウム結晶中のシリコンのフォノンモードに対応するラマンピークであり、これらピークの中で高波数側（５１５ｃｍ−１）が歪みシリコン結晶中のシリコンのフォノンモードに対応するラマンピークである。それぞれのピークはローレンツ型の波形によりカーブフィッティングされ、破線で図中に示している。歪みシリコン基板の下層のシリコンゲルマニウム結晶からのシリコンの振動モードにより、上層の薄い歪みシリコン結晶層からのシリコンの振動モードが覆い隠されていることがわかる。
【００１５】
また、上記した３点の問題点は相互に関連し合っている点もあり、例えば、上記（１）のようにラマン散乱は非常に非効率であるため、仮に上記（２）の問題点を克服して空間分解能が回折限界を超えるようになったとしても、信号強度が非常に微弱になり検出不可能であり、また、仮に上記（３）のように表面選択性を発揮できるとしても、これは検出ボリュームの微小化を意味することになって検出が困難である。
【非特許文献１】Ｍ．Ｖ．Ｆｉｓｃｈｅｔｔｉ  ａｎｄ  Ｓ．Ｅ．Ｌａｕｘ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８０，２２３４（１９９６）
【非特許文献２】浜口宏夫、平川暁子編「ラマン分光法」日本分光学会  測定法シリーズ１７、学会出版センター
【非特許文献３】伊藤忠、東博純、野田正治「ラマン分光法によるＬＳＩの局所応力の解析」豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビューｖｏｌ．２９，Ｎｏ．４（１９９４）
【非特許文献４】Ｍａｘ  Ｂｏｒｎ  ａｎｄ  Ｅｍｉｌ  Ｗｏｌｆ著“Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ”第７版Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ（１９９９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記した問題点（１）および問題点（３）を解決する結晶表面の歪み測定方法およびその装置を提供しようとするものである。
【００１７】
さらに、本発明の目的とするところは、上記した問題点（１）、問題点（２）および問題点（３）の全ての問題点を解決する結晶表面の歪み測定方法およびその装置を提供しようとするものである。
【００１８】
即ち、本発明の目的とするところは、結晶表面に局在したナノスケールの歪みなどのような歪みを高感度かつ選択的に検出することを可能にした結晶表面の歪み測定方法およびその装置を提供しようとするものである。
【００１９】
また、本発明の目的とするところは、結晶平面方向（Ｘ、Ｙ方向）および結晶面に垂直方向（Ｚ方向）全てに空間分解能が高く、かつ、この検出ボリュームの微小化に伴う信号の微弱化を補って明瞭に結晶表面の歪みを検出することを可能にした結晶表面の歪み測定方法およびその装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明による結晶表面の歪み測定方法およびその装置は、表面増強ラマン散乱（ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＥＲＳ）を利用するものである。なお、ＳＥＲＳとは、ナノメートルオーダーの微小金属構造体に光を照射した場合に、金属内部に局在モードのプラズモンが励起されることにより、金属構造近傍に局所的に増強電場が形成されるというものである（Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｋ．Ｃｈａｎｇ  ａｎｄ  Ｔｈｏｍａｓ  Ｅ．Ｆｕｒｔａｋ編集“Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ”Ｐｌｅｎｕｍ  Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ（１９８２）  ならびに  Ｓ．Ｋａｗａｔａ編集“Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  ａｎｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ”Ｓｐｒｉｎｇｅｒ（２００１）を参照する。）。なお、本明細書においては、上記した表面増強ラマン散乱の作用によって得られる光も「ＳＥＲＳ」と称することとする。
【００２１】
こうした本発明による結晶表面の歪み測定方法およびその装置によれば、歪みシリコン基板などの結晶表面における局所的な歪みをラマン分光法によりフォノンモードの変化量として高感度かつ選択的に強度増幅して検出することができるようになる。
【００２２】
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、測定対象の結晶表面にレーザー光を照射して、顕微ラマン分光により上記結晶表面に存在する歪みを測定する結晶表面の歪み測定方法において、測定対象の結晶表面上に微小金属構造体を形成し、上記微小金属構造体を形成された上記結晶表面にレーザー光を照射することにより表面増強ラマン散乱を生じさせて顕微ラマン分光を行い、上記結晶表面に存在する歪みを測定するようにしたものである。
【００２３】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、測定対象の結晶表面にレーザー光を照射して、顕微ラマン分光により上記結晶表面に存在する歪みを測定する結晶表面の歪み測定装置において、表面上に微小金属構造体を形成した測定対象の結晶を備え、上記測定対象の結晶の表面にレーザー光を照射することにより表面増強ラマン散乱を生じさせて顕微ラマン分光を行い、上記結晶表面に存在する歪みを測定するようにしたものである。
【００２４】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、測定対象の結晶表面にレーザー光を照射して、顕微ラマン分光により上記結晶表面に存在する歪みを測定する結晶表面の歪み測定方法において、レーザー光を照射された測定対象の結晶表面上に金属プローブチップを配置し、プラズモン励起に伴う増強電場を上記金属プローブチップの先端に形成し、上記金属プローブチップの先端に形成された増強電場を上記結晶表面上の局所部位からのラマン分光の励起光源として用いて表面増強ラマン散乱を生じさせて顕微ラマン分光を行い、上記結晶表面に存在する歪みを測定するようにしたものである。
【００２５】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、測定対象の結晶表面にレーザー光を照射して、顕微ラマン分光により上記結晶表面に存在する歪みを測定する結晶表面の歪み測定装置において、測定対象の結晶表面上に配置される金属プローブチップを備え、上記金属プローブチップを上記結晶表面上に配置してレーザー光を照射し、プラズモン励起に伴う増強電場を上記金属プローブチップの先端に形成し、上記金属プローブチップの先端に形成された増強電場を上記結晶表面上の局所部位からのラマン分光の励起光源として用いて表面増強ラマン散乱を生じさせて顕微ラマン分光を行い、上記結晶表面に存在する歪みをナノメートルオーダーで測定するようにしたものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、以上説明したように構成されているので、上記した問題点（１）および問題点（３）あるいは上記した問題点（１）、問題点（２）および問題点（３）の全ての問題点を解決することができるという優れた効果を奏する。
【００２７】
即ち、本発明によれば、結晶表面に局在したナノスケールの歪みなどのような歪みを高感度かつ選択的に検出することが可能になるという優れた効果が奏される。
【００２８】
また、本発明によれば、結晶平面方向（Ｘ、Ｙ方向）および結晶面に垂直方向（Ｚ方向）全てに空間分解能が高く、かつ、この検出ボリュームの微小化に伴う信号の微弱化を補って明瞭に結晶表面の歪みを検出することが可能になるという優れた効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による結晶表面の歪み測定方法およびその装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００３０】
なお、以下の説明においては、それぞれ同一または相当する構成などについては、それぞれ同一の符号を付して示すことにより、それらの重複する説明は適宜に省略する。
【００３１】
本発明による結晶表面の歪み測定方法およびその装置は、上記したように、表面増強ラマン散乱を利用するものであり、このＳＥＲＳとは、ナノメートルオーダーの微小金属構造体に光を照射した場合に、金属内部に局在モードのプラズモンが励起されることにより、金属構造近傍に局所的に増強電場が形成されるというものである。
【００３２】
まず、はじめに、本発明による結晶表面の歪み測定方法およびその装置の第１の実施の形態として、上記した問題点（１）および問題点（３）を解消することのできる結晶表面の歪み測定方法およびその装置について説明する。
【００３３】
この本発明の第１の実施の形態による結晶表面の歪み測定方法は、測定対象の結晶の表面上に微小金属構造体として金属薄膜をコートして形成するようにしたものであり、こうした金属薄膜をコートするなどして表面に微小金属構造体を形成された結晶に対してレーザー光を照射することにより表面増強ラマン散乱を利用して、顕微ラマン分光を行うようにしたものである。
【００３４】
図２には、上記した本発明の第１の実施の形態による結晶表面の歪み測定方法を実施するための本発明による結晶表面の歪み測定装置の構成説明図が示されており、また、図３（ａ）には、図２に示す本発明の第１の実施の形態による結晶表面の歪み測定装置における試料を中心として示した要部拡大構成説明図が示されており、また、図３（ｂ）には、試料の原子間力顕微鏡写真が示されている。
【００３５】
この結晶表面の歪み測定装置（以下、単に「歪み測定装置」と適宜に称する。）１０は、試料１００を測定対象として測定するものである。
【００３６】
ここで、この実施の形態において、試料１００は、図３（ａ）に示すように、歪みシリコン基板２００の表面に微小金属構造体たる金属薄膜として銀フィルム３００を蒸着したものである。
【００３７】
歪みシリコン基板２００は、シリコン基板（Ｓｉ基板）２０２上にシリコンゲルマニウム結晶層（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（厚さ〜２．０μｍ））２０４を徐々にゲルマニウム濃度を増加させながら結晶成長させ、このシリコンゲルマニウム結晶層２０４上にシリコンゲルマニウム結晶層（Ｓｉ１−ｘＧｅｘ（厚さ〜１．０μｍ））２０６を一定のゲルマニウム濃度でさらに結晶成長させ、シリコンゲルマニウム結晶層２０６上に歪みシリコン結晶層２０８を厚さ３０ｎｍで結晶成長させて構成してなるものである。この歪みシリコン基板２００の歪みシリコン結晶層２０８の表面には、銀が厚さ１０ｎｍでフィルム状に蒸着によりコーティングされて銀フィルム３００が形成されている。
【００３８】
なお、歪みシリコン結晶層２０８の表面に銀フィルム３００を蒸着するに際しては、真空蒸着装置を使用し、真空度が１ｘ１０−６ｔｏｒｒ、蒸着速度が０．５Å／ｓにて蒸着した。
【００３９】
ここで、歪みシリコン基板２００を作製する手法について、以下にさらに詳細に説明する。
【００４０】
即ち、シリコン基板２０２上に徐々にゲルマニウム濃度をあげてシリコンゲルマニウムを結晶成長させ、最終的にはゲルマニウム濃度を２５％にしたものであって厚さ約２μｍのシリコンゲルマニウム結晶層２０４を形成する。その後に、ゲルマニウム濃度を２５％で一定に保って、シリコンゲルマニウム結晶層２０６を約１．０μｍの厚さで結晶成長させた。そして、このシリコンゲルマニウム結晶層２０６上に、シリコンを結晶成長させることにより歪みシリコン結晶層２０８を形成した。なお、歪みシリコン結晶層２０８は、厚さ３０ｎｍに形成した。
【００４１】
従って、歪みシリコン結晶層２０８においては、シリコンゲルマニウムの格子間隔に合わせるようにシリコンの格子間隔に歪みが生じることになる。
【００４２】
図３（ｂ）には、上記のようにして歪みシリコン結晶層２０８の表面に銀を厚さ１０ｎｍでフィルム状に蒸着によりコーティングして銀フィルム３００を形成したものの原子間力顕微鏡写真である。
【００４３】
ところで、上記した銀フィルム３００のような薄膜の金属蒸着膜においては、金属蒸着膜はランダムなフラクタル状のパンケーキ構造をとっており、各々の微小金属構造体が表面増強ラマン散乱効果を誘起できる。
【００４４】
即ち、試料１００においては、厚さ１０ｎｍの銀フィルム３００は、ランダムなフラクタル状のパンケーキ構造をとっており、各々の銀微粒子３００ａが表面増強ラマン散乱効果を誘起できる。なお、銀微粒子３００ａは、歪みシリコン基板２００の平面方向の直径が２０〜４０ｎｍである。
【００４５】
また、その増強電場は、微小金属構造体たる金属薄膜としての銀フィルム３００の近傍にのみ局在してるので、歪みシリコン結晶層２０８のフォノンモードによるラマン散乱のみを効果的に増強することができる。
【００４６】
こうした銀フィルム３００のようなランダムな金属薄膜は、その微小金属構造体各々で異なる局所的な増強度を示すと考えられるが、回折限界による光のフォーカススポット内では多数の微小金属構造体からの寄与があり平均化されることになり、その結果、回折限界のフォーカススポットでは均一な増強度を与えることになる。
【００４７】
図２を参照しながら、試料１００の歪みシリコン結晶層２０８に局在したナノスケール歪みを測定する歪み測定装置１０の構成を説明すると、この歪み測定装置１０における測定対象として用いる試料１００を除く各構成部位は、顕微ラマン分光に用いる従来の顕微ラマン分光装置の構成と同様である。
【００４８】
即ち、歪み測定装置１０は、波長４８８ｎｍのレーザー光を出射するレーザー１２と、ＮＤフィルター１４と、ビームエキスパンダー１６と、偏光子１８と、半波長板２０と、無偏光ビームスプリッター２２と、開口数１．４の油浸対物レンズ２４と、集光レンズ２６と、分光器２８と、冷却ＣＣＤカメラ３０と、アバランシェフォトダイオード３２と、周波数カウンター３４と、パーソナルコンピューター３６と、ピエゾステージ３８とを有して構成されている。なお、符号４０はカバーガラスを示し、符号４２はオイルを示す。
【００４９】
次に、本願発明者が行った実験について説明すると、実験手順としては、レーザー１２から出射された波長４８８ｎｍのレーザー光をＮＤフィルター１４によりレーザーパワーを９ｍＷに調整し、ビームエキスパンダー１６によってそのビーム径を広げ、偏光子１８によって偏光方向をそろえた後に、半波長板２０により任意の方向の直線偏光に回転させる。
【００５０】
その後に、レーザー光は無偏光ビームスプリッター２２により油浸対物レンズ２４に導入され、試料１００に集光される。この油浸対物レンズ２４は、集光効率を高めるために、倍率１００倍、開口数１．４のものを用いた。
【００５１】
ここで、試料１００は歪みシリコン結晶層２０８上に銀フィルム３００を１０ｎｍの厚さで蒸着しており、カバーガラス４０と銀フィルム３００と間には、油浸対物レンズ２４用の油浸オイルと同じオイル４２を満たして、屈折率のマッチングを行っている。
【００５２】
この歪み測定装置１０においては、試料１００からのラマン散乱光およびＳＥＲＳは同じ油浸対物レンズ２４により高効率で集光され、無偏光ビームスプリッター２２を通過した後に、集光レンズ２６によってＦマッチングを考慮し分光器２８に導入される。そして、分光器２８において波長分散した光は、冷却ＣＣＤ３０もしくはアバランシェフォトダイオード３２によって検出される。
【００５３】
そして、冷却ＣＣＤ３０は、図１の実験結果で示したようなスペクトルの測定が可能であり、こうしたスペクトルを測定する。
【００５４】
一方、アバランシェフォトダイオード３２は、ある特定波長の光のみ、即ち、ある特定のラマン散乱光のみを選択的に検出することができ、アバランシェフォトダイオード３２からの信号は周波数カウンター３４によってカウントされてパーソナルコンピューター３６に取り込まれる。従って、パーソナルコンピューター３６によって、周波数カウンター３４によるカウントの取り込みと同時に、試料１００をピエゾステージ３８によって２次元走査することにより、特定波長での試料１００表面のイメージングを達成することができる。
【００５５】
ここで、冷却ＣＣＤ３０によりＳＥＲＳスペクトルの測定を行った結果が、図１において図中で“ＳＥＲＳ”と記して示したスペクトルである。
【００５６】
図１から理解されるように、歪みシリコン結晶層２０８のフォノンモードによるラマン散乱のみが選択的に増強検出されており、シリコンゲルマニウム結晶層２０６からのフォノンモードと同程度の強度が得られていることがわかる。
【００５７】
次に、図４（ａ）には、アバランシェフォトダイオード３２によって波長４８８ｎｍの光を検出し、周波数カウンター３４によってカウントし、パーソナルコンピューター３６によってイメージングを行った結果を示す。このアバランシェフォトダイオード３２による測定は、比較のために銀フィルム３００を形成された領域（銀フィルム有り）と銀フィルム３００を形成されていない領域（銀フィルム無し）、即ち、歪みシリコン結晶層２０８との境界部分で行っている。なお、銀フィルム３００を形成された領域（銀フィルム有り）と銀フィルム３００を形成されていない領域（銀フィルム無し）とを図１に関していえば、“ＳＥＲＳ”と記して示したスペクトルが銀フィルム３００を形成された領域（銀フィルム有り）のスペクトルを示し、“ＲＡＭＡＮ”と記して示したスペクトルが銀フィルム３００を形成されていない領域（銀フィルム無し）のスペクトルを示す。
【００５８】
これら図４（ａ）は試料１００の反射率を示すものであり、図４（ａ）から、銀フィルム３００を形成された領域（銀フィルム有り）では明るく、一方、銀フィルム３００を形成されていない領域（銀フィルム無し）たる歪みシリコン結晶層２０８の表面では暗くなっていることがわかる。これは、銀フィルム３００の反射率が、歪みシリコン結晶層２０８の反射率よりも高いためである。
【００５９】
次に、図１において示したシリコンゲルマニウム結晶中のシリコンのフォノンモード （５０５ｃｍ−１のピーク）をアバランシェフォトダイオード３２により検出し、試料１００を２次元走査した結果が図４（ｂ）に示すものである。
【００６０】
図１において、銀フィルム３００を形成された領域（銀フィルム有り）と銀フィルム３００を形成されていない領域（銀フィルム無し）とでは、シリコンゲルマニウム結晶中のシリコンのフォノンモードによるラマン強度（５０５ｃｍ−１）はほぼ同じであるので、図４（ｂ）においても、銀フィルム３００を形成された領域（銀フィルム有り）と銀フィルム３００を形成されていない領域（銀フィルム無し）とでは、両者の間に強度の差はほとんどない。
【００６１】
次に、図１において示した歪みシリコン結晶中のシリコンのフォノンモード（５１５ｃｍ−１のピーク）をアバランシェフォトダイオード３２により検出し、試料１００を２次元走査した結果が図４（ｃ）に示すものである。
【００６２】
図１における強度比からもわかるように、歪みシリコン結晶層２０８のラマン散乱が選択的に銀フィルム３００によって増強されるため、銀フィルム３００のある部分において歪みシリコン結晶層２０８のラマン強度が明るく検出されていることがわかる。
【００６３】
以上のことから、上記した本発明の第１の実施の形態による結晶表面の歪み測定方法および歪み測定装置１０によれば、歪みシリコン結晶のフォノンモードによるラマン散乱のみが選択的に増強検出されることになり、上記した問題点（１）および問題点（２）が解決されることになる。
【００６４】
ところで、歪みには偏光特性があるため、入射光の偏光方向を変えると、異なる像が見えるはずである。
【００６５】
ここで、図４（ｄ）は歪みシリコン結晶中のシリコンのフォノンモードについての測定であるが、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に対して入射光の偏光方向を９０度回転させている。なお、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）中の矢印は、入射光たるレーザー光の方向を示している。
【００６６】
こうした図４（ｃ）と図４（ｄ）とを比較すると、両者における像には顕著な差異が見られないため、上記した本発明の第１の実施の形態による結晶表面の歪み測定方法および歪み測定装置１０によれば、問題点（２）ついては未だ改善の余地があり、空間分解能をさらに向上することが望ましい。
【００６７】
次に、本発明による結晶表面の歪み測定方法およびその装置の第２の実施の形態として、上記した問題点（１）、問題点（２）および問題点（３）の全ての問題点を解消することのできる結晶表面の歪み測定方法およびその装置について説明する。
【００６８】
この本発明の第２の実施の形態による結晶表面の歪み測定方法は、図５乃至図６を参照しながら後に詳述するように、先鋭化した金属プローブチップを銀フィルム３００などの金属薄膜の変わりに用いることにより、上記した問題点（１）、問題点（２）および問題点（３）を解決することができる。即ち、この本発明の第２の実施の形態による結晶表面の歪み測定方法は、銀フィルム３００における多数の銀微粒子の一つにして、これを試料１００上でポイント走査することにより、銀微粒子１個に対応した空間分解能を達成できるようにしたことに相当する。
【００６９】
この本発明の第２の実施の形態による結晶表面の歪み測定方法によれば、金属プローブチップの先端が増強電場を有するナノスケール光源として働くため、それを用いて試料上を走査することにより、ナノスケール分解能を有し、かつ、表面選択性があり、さらにその表面からの信号を増幅し明瞭に検出できることになる。
【００７０】
図５には、上記した本発明の第２の実施の形態による結晶表面の歪み測定方法を実施するための本発明による結晶表面の歪み測定装置の構成説明図が示されており、また、図６には、図５に示す本発明の第２の実施の形態による結晶表面の歪み測定装置おける試料を中心として示した要部拡大概念構成説明図が示されている。
【００７１】
この結晶表面の歪み測定装置（以下、単に「歪み測定装置」と適宜に称する。）４００は、試料５００を測定対象として測定するものである。
【００７２】
この実施の形態において、試料５００は、歪みシリコン基板２００である。即ち、試料５００は、微小金属構造体たる金属薄膜として銀フィルム３００が形成されていない歪みシリコン基板２００そのものである。
【００７３】
歪み測定装置４００は、試料走査部６００と、光源部７００と、検出器部８００と、制御部９００とから構成されている。
【００７４】
ここで、試料走査部６００は、先端部を先鋭化した金属プローブチップ６０２ａａを備えた金属カンチレバー６０２ａを備えた原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）６０２と、ピエゾステージ３８とを有して構成されている。これら原子間力顕微鏡６０２とピエゾステージ３８とは、制御部９００を構成するパーソナルコンピューター３６により任意に制御可能である。なお、この実施の形態においては、金属プローブチップ６０２ａａの径は、３０ｎｍ以下に形成されている。
【００７５】
また、光源部７００は、波長４８８ｎｍのレーザー光を出射するレーザー１２と、ＮＤフィルター１４と、ビームエキスパンダー１６と、ファイバーカップリング７０２と、光ファイバー７０４と、コリーメート用レンズ７０６と、偏光子１８と、半波長板２０と、無偏光ビームスプリッター２２と、長作動対物レンズ７０８と、検出用ファイバーカップル用レンズ７１０とを有して構成されている。
【００７６】
さらに、検出器部８００は、検出用光ファイバー８０２と、コリメートレンズ８０４と、分光器集光用レンズ８０６と、分光器２８と、冷却ＣＣＤカメラ３０と、アバランシェフォトダイオード３２と、周波数カウンター３４とを有して構成されている。
【００７７】
次に、本願発明者が行った実験について説明すると、実験手順としては、試料５００（この実施の形態においては、歪みシリコン基板２００である。）をピエゾステージ３８上に載置する。
【００７８】
それから、原子間力顕微鏡６０２を制御して、金属カンチレバー６０２ａを試料５００上に近接させる。そして、レーザー１２から出射されたレーザー光の強度をＮＤフィルター１４により調整した後に、ビームエキスパンダー１６によりビーム径を広げ、ファイバーカップリング７０２のレンズにより光ファイバー７０４に導入する。
【００７９】
光ファイバー７０４により導波されたレーザー光は、コリーメート用レンズ７０６によりコリメートされ、偏光子１８により偏光方向を整えた上で、半波長板２０により偏光方向を制御する。
【００８０】
半波長板２０により偏光方向を制御されたレーザー光は、無偏光ビームスプリッター２２を通過したのち長作動対物レンズ７０８により、試料５００上に近接した金属カンチレバー６０２ａの先端の金属プローブチップ６０２ａａに集光される。
【００８１】
これにより、金属カンチレバー６０２ａの先端の金属プローブチップ６０２ａａにおいて、プラズモン励起に伴う増強電場が金属プローブチップ６０２ａａの先端に形成される。このときの増強電場サイズは、金属プローブチップ６０２ａａの径にほぼ対応する。このため、空間分解能は、長作動対物レンズ７０８により集光スポット（回折限界により制限されるため、光の波長程度である。）により決まるのではなく、増強電場の大きさで決まる高空間分解能が達成できる。
【００８２】
歪み測定装置４００においては、この金属プローブチップ６０２ａａの形成される微小増強電場を、試料５００の局所部位からのラマン分光の励起光源として用いるものである。
【００８３】
試料５００の局所からのラマン散乱光は、長作動対物レンズ７０８により集光され、無偏光ビームスプリッター２２により反射された後に、検出用ファイバーカップル用レンズ７１０により検出用光ファイバー８０２に導入される。
【００８４】
この検出用光ファイバー８０２を導波したラマン散乱光は、コリメートレンズ８０４によりコリメートされ、分光器２８のＦマッチングを考慮した上で分光器２８の入射スリットへ導入される。
【００８５】
分光器２８により波長分散したラマン散乱光は、冷却ＣＣＤ３０によりスペクトル検出される。また、分光器２８により波長分散したラマン散乱光は、出射スリット後に配されたアバランシェフォトダイオード３２により、ある特定周波数のラマン散乱光のみを選択的に検出される。そして、アバランシェフォトダイオード３２からの信号は周波数カウンター３４によりカウントされ、パーソナルコンピューター３６にとりこまれる。
【００８６】
即ち、試料５００上の任意の点でのスペクトルは、冷却ＣＣＤ３０により測定されることになる。
【００８７】
一方、アバランシェフォトダイオード３２により光を検出しながら、パーソナルコンピューター３６により同期させながらピエゾステージ３８を２次元走査することにより、２次元イメージングが達成される。このとき、金属カンチレバー６０２ａは、試料５００上でＡＦＭ制御（コンタクトモードまたはノンコンタクトモードのいずれでもよい。）により距離制御されている。
【００８８】
従って、本発明の第２の実施の形態による結晶表面の歪み測定方法ならびに歪み測定装置４００によれば、上記した問題点（１）、問題点（２）および問題点（３）の全てが解決され、結晶平面方向（Ｘ、Ｙ方向）および結晶面に垂直方向（Ｚ方向）の全てに空間分解能が高く（空間分解能は、金属プローブチップ６０２ａａの径に一致する。）、かつ、この検出ボリュームの微小化に伴う信号の微弱化を補って明瞭に検出することができる。
【００８９】
本発明の第２の実施の形態による結晶表面の歪み測定方法ならびに歪み測定装置４００は、反射型でかつ原子間力顕微鏡を金属プローブチップの制御に用いるものであり、歪みシリコン結晶の測定に限られるものでなく、あらゆる結晶に適応でき、さらに常温、大気中、低温、高温、真空中すべての環境で適応できるものである。
【００９０】
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（３）に示すように変形することができるものである。
【００９１】
（１）上記した実施の形態においては、本発明を歪みシリコン基板の測定に用いた場合について説明したが、本発明により測定可能な対象物は歪みシリコン基板に限られるものではないことは勿論であり、本発明はあらゆる結晶の測定に用いることができ、さらに、本発明は常温、大気中、低温、高温、真空中など全ての環境における測定に用いることができる。
【００９２】
（２）上記した実施の形態においては、波長４８８ｎｍのレーザー光を用いたが、レーザー光の波長は４８８ｎｍに限られるものではなく、特に波長は制限されるものではない。例えば、波長５３２ｎｍや波長８００ｎｍのレーザー光を用いるようにしてもよい。
【００９３】
（３）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（２）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明は、結晶などの開発における生産ラインでの結晶表面の歪み測定に利用することができ、特に、次世代半導体基板である歪みシリコン基板の生産ラインでの非破壊での物性評価や、歪みシリコン基板上に形成されたＬＳＩの接合部などでの歪みの状態などの評価に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】図１は、本願発明者による実験結果を示す歪みシリコン基板のスペクトルである。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態による結晶表面の歪み測定方法を実施するための本発明による結晶表面の歪み測定装置の構成説明図である。
【図３】図３（ａ）は、図２に示す本発明の第１の実施の形態による結晶表面の歪み測定装置における試料を中心として示した要部拡大構成説明図であり、図３（ｂ）は、試料の原子間力顕微鏡写真である。
【図４】図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本願発明者による実験結果を示す散乱光強度分布の２次元イメージングである。
【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態による結晶表面の歪み測定方法を実施するための本発明による結晶表面の歪み測定装置の構成説明図である。
【図６】図６は、図５に示す本発明の第２の実施の形態による結晶表面の歪み測定装置における試料を中心として示した要部拡大構成説明図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０        結晶表面の歪み測定装置
１００        試料
２００        歪みシリコン基板
２０２        シリコン基板
２０４        シリコンゲルマニウム結晶層
２０６        シリコンゲルマニウム結晶層
２０８        歪みシリコン結晶層
３００        銀フィルム
３００ａ      銀微粒子
４００        結晶表面の歪み測定装置
５００        試料
６００        試料走査部
６０２        原子間力顕微鏡
６０２ａ      金属カンチレバー
６０２ａａ    金属プローブチップ
【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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