(57)【要約】【課題】従来のラマン散乱を利用した分析装置において、試料がランダム周期の振動を伴う場合、有効なデータが得られないという課題がある。【解決手段】この発明に係る分析装置は、試料面上にレーザー光を照射し、ラマン散乱光の測定により試料を分析する分析装置において、前記レーザー光を集光する対物レンズと、該対物レンズと前記試料との間に設けられ、２つの開口部を有する板状体と、前記レーザー光の前記試料からの反射光及びラマン散乱光の強度データを同時に検出する検出装置と、該検出結果を時系列で記憶する記憶装置と、記憶された前記検出結果から前記反射光の強度データが所定の値以上となる場合に測定された前記ラマン散乱光の強度データを積算する演算装置とを有するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料面上にレーザー光を照射し、ラマン散乱光の測定により試料を分析する分析装置において、前記レーザー光を集光する対物レンズと、該対物レンズと前記試料との間に設けられ、２つの開口部を有する板状体と、前記レーザー光の前記試料からの反射光及びラマン散乱光の強度データを同時に検出する検出装置と、該検出結果を時系列で記憶する記憶装置と、記憶された前記検出結果から前記反射光の強度データが所定の値以上となる場合に測定された前記ラマン散乱光の強度データを積算する演算装置とを有することを特徴とする分析装置。
【請求項２】
前記試料が半導体であって、前記板状体の２つの開口部の間隔が前記半導体の金属電極と分析位置との間隔に等しいことを特徴と前記請求項１記載の分析装置。
【請求項３】
試料面上にレーザー光を照射し、ラマン散乱光の測定により試料を分析する分析方法であって、対物レンズにより前記レーザー光を集光する工程と、前記対物レンズと前記試料との間に設けられた２つの開口部を有する板状体により前記レーザー光を分岐する工程と、前記レーザー光の前記試料からの反射光及びラマン散乱光の強度データを同時に検出する工程と、該検出結果を時系列で記憶する工程と、記憶された前記検出結果から前記反射光の強度データが所定の値以上となる場合に測定された前記ラマン散乱光の強度データを積算する工程とを備えたことを特徴とする分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラマン散乱を測定することにより試料を分析する装置及びその方法に係るものであり、特に試料の振動による分析位置ずれの影響を低減する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のラマン散乱を利用した光学顕微鏡では、レーザー光を１μｍ程度の微小スポットに集光させて試料面に照射し、ラマン散乱光を測定することにより試料の材質等を分析する。ラマン散乱を利用した分析は、空間分解能に優れ、半導体デバイスの微小領域の結晶性評価等に用いられる。
【０００３】
このようなラマン散乱を利用した分析装置では、レーザー光の集光箇所は固定されているので、測定条件に応じてステージや試料本体に振動を伴うような場合には、分析面が移動する。そのため、分析したい箇所のみならず周辺箇所からのラマン散乱光も一緒に計測されてしまい、局所的なデータではなく、平均的なデータが得られる結果となり適切な分析が行えなかった。
【０００４】
例えば、試料の温度を制御しながら測定を行うクライオスステージでは大きな振動を伴う。クライオスステージに固定された試料はクライオスステージ上で数十μｍの振幅で振動するため、得られたラマン散乱のデータは数十μｍの幅を持つ領域の平均的なデータになる。
【０００５】
そこで、ラマン散乱を利用した分析装置ではないが、顕微鏡の観察光学系または照明光学系の少なくとも一方の光学系を横切る開口部を有するディスクを試料の振動周期と同期し回転させ、分析面が開口の直下に来るタイミングで撮像し試料の一定位置からの反射光のみを取得することで、像ぶれを低減させたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−８４２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記方法はラマン散乱を利用した分析装置にも応用の可能性はある。しかしながら、試料が固定周期の振動を伴う場合には有効であるが、ランダム周期の振動を伴う場合には平均的なデータしか得られないという問題がある。
【０００８】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、ラマン散乱を利用した分析装置において、試料がランダム周期の振動を伴う場合であっても、有効なデータが得られるようにしたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る分析装置は、試料面上にレーザー光を照射し、ラマン散乱光の測定により試料を分析する分析装置において、前記レーザー光を集光する対物レンズと、該対物レンズと前記試料との間に設けられ、２つの開口部を有する板状体と、前記レーザー光の前記試料からの反射光及びラマン散乱光の強度データを同時に検出する検出装置と、該検出結果を時系列で記憶する記憶装置と、記憶された前記検出結果から前記反射光の強度データが所定の値以上となる場合に測定された前記ラマン散乱光の強度データを積算する演算装置とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ランダム周期の振動を伴うクライオステージ上の試料に対して、分析したい箇所以外のラマン散乱光を測定しないようにすることができる。そのため、試料がランダム周期の振動を伴う場合であっても有効なデータが得られ適切な分析ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る分析装置の光学系を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る分析工程を示すフロー図である。
【図３】試料としてのシリコンｐｎダイオードの断面図である。
【図４】反射光強度がほぼ最大となる場合の試料と板状体の位置関係を示す模式図である。
【図５】分析位置と目印が板状体に遮られ、レーザー光が照射できない場合を示す模式図である。
【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、同一又は類似する部分には、同一又は類似の符号を用いている。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。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌した上で判断すべきであり、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場合もありうることは当然である。
【００１３】
図１は、この発明の実施の形態１に係る分析装置の光学系を示す構成図である。図において、レーザー光を照射するレーザー光源１から照射されたレーザー光１ａが、後述する試料１４からのラマン散乱光と反射光（以下、ラマン散乱光／反射光とも記載）１ｂを略直角に反射し、照射されたレーザー１ａから分離するために設けられたビームスプリッタ２を透過し、その透過光は対物レンズ３により集光され、所定の位置に開口部４ａ、４ｂが設けられた板状体４により分岐され、試料１４に照射される。
【００１４】
試料１４からのラマン散乱光／反射光１ｂは、板状体４の開口部４ａ、４ｂを通過した後、ビームスプリッタ２により略直角に反射され集光レンズ５により集光される。集光されたラマン散乱光／反射光１ｃは、分光器６で分光され、それぞれの光はマルチチャンネル検出器７により検出される。マルチチャンネル検出器７により検出されたラマン散乱光及び反射光に係る各データは、時系列的に記憶装置を有する計算装置８に記録され、記録データに基づき所定の演算が施される。
なお、本実施例において、ビームスプリッタ２ではラマン散乱光／反射光１ｂを直角に反射する構成としているが、集光レンズ５の位置、分光器６の位置等により、鋭角に反射する構成であったり、鈍角に反射する構成であったりすることが考えられる。
【００１５】
上記説明したとおり、板状体４には所定の位置に開口部４ａ、４ｂが設けられているが、その他の部分は、例えばカーボンブラックのようなレーザー光の波長を吸収するコーティングが施されている。板状体４の形状は略円形であり、大きさは直径１０ｍｍ程度でよい。開口部４ａ、４ｂの大きさは後述の位置合わせ作業による制約を受けるため、直径５μｍ〜１０μｍの範囲となり、開口部４ａと開口部４ｂの間隔は測定対象に合わせるものとする。開口部４ａは板状体４の中心にあり、レーザー光軸と同軸に配置されている。
なお、ここでは、板状体４の形状を略円形の板状としているが、特に円形とする必要はない。例えば、四角形、六角形、八角形等であってもよく、上記開口部を有する構造であれば、特に形状は規定する必要はなく設計事項である。
【００１６】
分光器６は、集光レンズ５により集光されたラマン散乱光／反射光１ｃが入射する入射スリット９と、焦点位置を過ぎ拡散する光を所定幅の平行光にするコリメートミラー１０と、平行光を波長に基づき分光する回折格子１１と、回折格子１１からの平行光を再び集光するための集光ミラー１２と、集光が出射するための出射スリット１３とで構成される。
【００１７】
マルチチャンネル検出器７はＣＣＤカメラやＩｎＧａＡｓ検出器などのマルチピクセル検出器である。マルチピクセル検出器はラマン散乱光／反射光１ｃとがそれぞれ異なるピクセルで検出できる。すなわち、ラマン散乱光／反射光１ｃとを同時検出することが可能である。本発明では、ラマン散乱光及び反射光とを同時検出することが必須である。例えば、分光器６として逆線分散が４０ｃｍ−１／ｍｍのものを用い、マルチチャンネル検出器７として１０２４ｐｉｘｅｌで素子サイズが２６μｍ×２６μｍのマルチピクセル検出器を用いることで、理論上１０４０ｃｍ−１の周波数帯域が確保でき、半導体デバイスを対象とした場合、ラマン散乱光及び反射光とを同時検出可能となる。
【００１８】
計算装置８は記憶装置を有し、マルチチャンネル検出器７で検出されたラマン散乱光及び反射光の強度データを同時に時系列的に記録する。また、計算装置８は記録された反射光の強度の時系列データの内、強度が所定の閾値を超えている時刻を抽出し、その時刻と同時刻に検出されたラマン散乱の強度を抽出して積算する演算機能を有する。なお、上記記憶装置は必ず計算装置８内に有する必要はなく、外付け装置であっても構わない。
【００１９】
次に、この発明の実施の形態１に係る分析方法を示す。図２はこの発明の実施の形態１に係る分析工程を示すフロー図である。本フローは、図３に示されたシリコンｐｎダイオードのｐｎ接合界面のバッファー層の結晶性評価をクライオステージで温度コントロールした状況で行なう事例に添って説明する。図３はシリコンｐｎダイオードの断面図であり、表面と裏面にそれぞれ表面電極１６と裏面電極１７を有する。ここで、表面電極１６はＡｌ、裏面電極１７がＡｕで構成され、結晶性評価をするｎ−層１８とｐ＋基板１９とのｐｎ接合界面のバッファー層２０の厚みは１０μｍである。
【００２０】
図２において、１ｓｔ工程として、クライオステージの中央に試料を貼り付ける。次に、２ｎｄ工程として、板状体を固定する。ここで、まずバッファー層２０と相対的な位置関係が決まっている目印となる構造を決定する作業を行なう。目印の位置は周囲と比べて反射率が高いことが必要である。例に挙げた試料では、Ａｌで構成される表面電極１６を目印とする。分析位置であるバッファー層２０と目印となる表面電極１６との間の距離はデバイス構造から一意的に定まる。
【００２１】
そこで、分析位置であるバッファー層２０と目印となる表面電極１６との間の距離と等しい間隔の開口部４ａと開口部４ｂとを設けた板状体４を対物レンズ３と試料１４との間に設ける。板状体４と試料１４との間の距離は、光の回折を減らすために１ｍｍ以下に設定することが望ましい。この設定は対物レンズ３と試料１４との間に３次元的に位置を変えることができるホルダーを設け、そのホルダーに板状体４をはめ込み、マイクロメータで板状体位置を調整することで実施できる。この際、レーザーの光軸と板状体の中心が同軸となるように水平方向の位置調整を行なう。
【００２２】
次に、３ｒｄ工程として、試料１４の表面と板状体４の位置合わせをステージに付属しているマイクロメータで行なう。この作業は光学顕微鏡で開口を通して、板状体４の開口の直下に表面電極１６であるＡｌの目印がおおよそ存在する程度のことを確認する程度の素調整でよい。
【００２３】
次に、４ｔｈ工程として、試料ステージのマイクロメータでステージを動かし試料面の微調整を行なう。このときレーザー光を試料１４に照射する（４−１工程）。試料１４からはレーザー光の反射光と試料固有の波長を有するラマン散乱光が発生する。レーザー光を試料１４に照射し、反射光強度を測定（４−２工程）し、強度が最大でないと判断した場合（図のｎｏのフロー）は、強度が最大となるように試料位置を変更する（４−３工程）。４ｔｈ工程を強度が最大となるまで繰り返す。強度が最大であると判断した場合（図のｙｅｓのフロー）は、次工程（５ｔｈ工程）に移る。反射光強度がほぼ最大となる場合の試料と板状体の位置関係を図４に示す。図において、分析位置であるバッファー層２０と目印となる表面電極１６が板状体の開口部のほぼ直下の位置となる。
【００２４】
ここで、反射光強度がほぼ最大であるか否かの判断は、例えば、ピーク値を検出する方法で簡単に求められる。試料位置を動かし、反射光強度が増加から減少に転ずる位置がほぼ最大と判断される。また、予め反射光強度の最大値を別途設けた記憶装置に記憶しておき、試料位置を動かし、その記憶された最大値との差が最小となる場合を反射光強度がほぼ最大と判断してもよい。
【００２５】
次に，５ｔｈ工程として、クライオステージの電源を入れる。この時点から試料１４が振動し始める。試料１４と板状体４の位置関係は変化し、図５の模式図で示されるように分析位置であるバッファー層２０と目印となる表面電極１６が板状体４に遮られ、レーザー光が照射できない場合が生じる。
【００２６】
次に，６ｔｈ工程として、反射光及びラマン散乱光を分光器６で分光して、マルチチャンネル検出器７で検出する。検出器がマルチチャンネルなので反射光及びラマン散乱光の光強度データは同時に検出することができる。反射光強度は試料と板状体４の位置関係で変化する。
【００２７】
次に、７ｔｈ工程として、反射光とラマン散乱光の光強度を時系列的に記録する。
最後に、８ｔｈ工程として、反射光の光強度データが所定の閾値を超えているタイミングで得られたラマン散乱光の光強度データを積算することでバッファー層２０からのラマン散乱光の光強度データを擬似的に積算した結果とみなすことができる。
【００２８】
すなわち、反射光の光強度データが所定の閾値を超えている場合にはレーザー光が分析位置に適切に照射されている状態であり、この間のラマン散乱光の光強度データを積算することで、分析位置からのラマン散乱光の光強度データのみを適切に得ることができる。
ここで、所定の閾値を設定するにあたって、分析したい箇所のみならず周辺箇所からのラマン散乱光が及ぼす影響を考慮する必要がある。周辺箇所からのラマン散乱光が及ぼす影響が少なければ閾値を低くすることができ、影響が大きければ閾値を高くする必要がある。このように閾値は測定感度及び周辺からの影響を考慮し、当業者が容易に設定できる値であることは自明である。
【符号の説明】
【００２９】
１  レーザー光源、１ａ  レーザー光、１ｂ  ラマン散乱光／反射光、１ｃ  ラマン散乱光／反射光、２  ビームスプリッタ、３  対物レンズ、４  板状体、４ａ  開口部、４ｂ  開口部、５  集光レンズ、６  分光器、７  検出器、８  計測装置、９  入射スリット、１０  コリメートミラー、１１  回折格子、１２  集光ミラー、１３  出射スリット、１４  試料、１５  クライオステージ、１６  表面電極、１７  裏面電極、１８  ｎ−層、１９  ｐ＋基板、２０  バッファー層
【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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