JP2015040752A - Semiconductor evaluation apparatus and semiconductor evaluation method - Google Patents

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和幸 須藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem with a confocal Raman Spectroscopic analyzer having a high spatial resolution that it is difficult to maintain just-focus during measurement by a surface structure of a semiconductor material itself or warping if an optical system for obtaining a desired two-dimensional spatial resolution is set to the confocal Raman spectroscopic analyzer in a case of actually measuring physical properties intended at semiconductor inspection.SOLUTION: A semiconductor evaluation apparatus according to this invention includes: an excitation light source emitting excitation light at a predetermined wavelength; a stage installing thereon an evaluation target sample; a lens unit including a plurality of lenses and having a focus mechanism increasing a focal depth of the excitation light radiated onto the sample; an edge filter separating a non-elastic scattering light component at a predetermined wavelength changing from the wavelength of the excitation light, from scattering light from the sample; and a measuring unit measuring a wavelength and a light intensity related to the non-elastic scattering light component.

Description

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。   The present invention relates to an apparatus and method for measuring physical properties of a semiconductor material by micro-Raman spectroscopy, particularly for measuring crystallinity and residual stress of a semiconductor material.

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）。   In recent years, in the semiconductor industry, the diameter of semiconductor wafers, the thinning of semiconductor chips, and the miniaturization of semiconductor wafers, which are mainly aimed at cost reduction, are progressing. Along with this, high spatial resolution is also required for semiconductor inspection apparatuses. In order to realize high spatial resolution in optical analysis, there is an example using a confocal optical system (see, for example, Patent Document 1).

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）。   The confocal optical system cuts the signal from the defocused part by a pinhole provided on the opposite side of the sample from the focal point of the objective lens facing the optical system. Since only the signal is selectively acquired, it is effective for realizing a high spatial resolution. A specific application example thereof is a confocal Raman spectroscopic analyzer. The measurement using the confocal Raman spectroscopic analyzer has a high spatial resolution over three dimensions, so that it is effective for semiconductor crystal quality evaluation in a micro area on the order of several μm and analysis regarding stress remaining in the micro area (for example, Non-Patent Document 1).

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。   The spatial resolution in this case depends on the magnification of the optical lens and the pinhole or aperture diameter provided at the focal point. The spatial resolution of an optical lens depends on the numerical aperture of the lens and the wavelength of light passing through the lens, and can be expressed by δ = λ / NA. Here, δ represents the resolution, λ represents the wavelength, and NA represents the numerical aperture.

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。 The numerical aperture here is NA = nSinθ, where θ is the maximum angle that the optical axis incident on the lens can take and n is the refractive index of the lens.
From these equations, it can be seen that the substance that can be excited is determined by the wavelength of the excitation light source, so that it is necessary to increase the numerical aperture in order to increase the resolution.

特開２００６−３０１７８号公報JP 2006-30178 A 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）W. L. Zhu, J. et al. L. Zhu, S .; Nishino and G.H. Pezzotti “Spatially resolved raman spectroscopic evaluation of residual stresses in 3C-SiC layer deposited on Si substratates with diffractive crystallization. Surf. Sci, Vol. 252 Issue 6, 2346-2354 (2006)

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。   In the confocal Raman spectroscopic analyzer having a high spatial resolution as described above, the spatial resolution in the depth direction is not limited to the two-dimensional spatial resolution due to the high spatial resolution caused by the numerical aperture of the confocal system and the objective lens. Is also high. However, when actually measuring physical properties for the purpose of semiconductor inspection, if an optical system for obtaining the desired two-dimensional spatial resolution is set, the surface structure of the semiconductor material itself and distortion due to warping may cause a just focus during measurement. There was a problem that was difficult to maintain.

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。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and measures and evaluates semiconductor physical properties, that is, crystallinity and residual stress, without being affected by the surface shape of semiconductor materials and warping due to warping. The purpose is to obtain a technique.

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。   The semiconductor evaluation apparatus according to the present invention includes an excitation light source that emits excitation light of a predetermined wavelength, a stage on which a sample to be evaluated is installed, and a plurality of lenses, and increases the depth of focus of the excitation light that irradiates the sample. A lens unit provided with a focusing mechanism, an edge filter that separates inelastic scattered light components having a predetermined wavelength changed from the wavelength of excitation light among scattered light from the sample, and wavelengths related to the inelastic scattered light components And a measuring unit for measuring the light intensity.

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。   According to the present invention, it is possible to evaluate the physical properties of a semiconductor material that is not affected by the distortion caused by the surface shape or warpage of the semiconductor material while maintaining the two-dimensional spatial resolution. .

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。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the schematic of the semiconductor evaluation apparatus by Embodiment 1 of this invention. 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。In the semiconductor evaluation apparatus according to Embodiment 1 of the present invention, it is a schematic diagram showing an example of a mechanism for increasing the depth of focus. 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。It is a figure which shows the depth of the focal depth obtained by using the semiconductor evaluation apparatus by Embodiment 1 of this invention. 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。In the semiconductor evaluation apparatus according to Embodiment 1 of the present invention, it is a schematic diagram showing an example of a mechanism for increasing the depth of focus. 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。It is the schematic which showed an example of the semiconductor material conveyance apparatus of the semiconductor evaluation apparatus by Embodiment 2 of this invention. 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。It is the schematic of the semiconductor evaluation apparatus by Embodiment 3 of this invention.

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。 Embodiment 1 FIG.
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and ratios of dimensions and the like are different from actual ones. Therefore, specific dimensions and the like should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

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。   1 is a schematic diagram showing a microscopic Raman spectroscopic apparatus which is a semiconductor evaluation apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, main components are a stage 1 on which a semiconductor material that is a sample 33 is mounted, an excitation light source 3 that irradiates the sample 33 with excitation light 2 that is monochromatic light having a wavelength shorter than infrared light, and When the excitation light 2 is irradiated onto the sample 33, the excitation light 2 has a mechanism for converging the excitation light 2 to about several μm and increasing the depth of focus of the objective lens, and the excitation light 2 is scattered on the surface of the sample 33. The objective lens unit 4 having a function of receiving the scattered light 5 obtained by doing this, and the elastic scattered light that is present on the same optical axis as the light passing through the objective lens unit 4 and is included in the excitation light 2 and the scattered light 5 There are a beam splitter 9 for allowing the components to pass through and selectively extracting only the inelastic scattered light component contained in the scattered light 5, and a measuring unit 6 for performing spectral analysis for each scattered wavelength.

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。   The excitation light wavelength of the excitation light source 3 is selected according to the type of semiconductor material to be the sample 33. For example, when evaluating physical properties of a silicon layer having a thickness of about 10 nm, excitation light 2 having a wavelength of about 325 nm is used. The excitation light 2 is monochromatic light emitted from the excitation light source 3 and applied to the surface of the sample 33 on the stage 1. The excitation light 2 is guided toward the sample 33 on the stage 1 until the sample 33 is irradiated. The optical axis adjusting mirror 8, the beam splitter 9, and the objective lens unit 4 are passed through. The optical axis adjusting mirror 8 is installed to make the optical axis of the excitation light source 3 perpendicular to the surface of the sample 33, and the optical axis of the excitation light source 3 is perpendicular to the surface of the sample 33. In the case where a plurality of excitation light sources 3 are used, a plurality of them may be installed accordingly.

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。   The excitation light 2 is irradiated onto the sample 33, scattered on the surface of the sample 33, and becomes scattered light 5. It is generally known that there is a correlation between the light emission wavelength and the light energy, and light having a specific wavelength has a specific energy corresponding to the light emission wavelength. Yes. Since the excitation light source 3 has the ability to generate monochromatic light of a specific wavelength, the excitation light 2 emitted from the excitation light source inevitably can be paraphrased as light having a specific energy. .

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。   The scattered light 5 is not affected by the energy of the sample 33, and includes an elastic scattered light component that is a component scattered while maintaining the same energy and wavelength as the excitation light 2, and a part of the energy of the excitation light 2. Two types of scattered light components, the inelastic scattered light component 10 whose wavelength has been changed by mixing part of the energy of the sample 33 with the energy of the excitation light 2, are mixed. That is, since the inelastic scattered light component 10 included in the scattered light is light that has changed from the wavelength of the elastic scattered light by an amount of energy that reflects the energy state of the sample 33, the inelastic scattered light component 10 By investigating the above, it is possible to obtain information on the physical property values of the semiconductor resulting from the crystal structure, such as the energy state of the sample 33, specifically, the disorder of the crystallinity and stress of the substance as the sample 33.

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。   The scattered light 5 generated on the surface of the sample 33 is guided again to the beam splitter 9 through the objective lens unit 4. The beam splitter 9 is an edge filter that transmits light having a wavelength Anm or less that is arbitrarily determined and reflects light having a wavelength longer than Anm.

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。   For example, if the wavelength of the excitation light 2 is 325 nm and the setting wavelength of the edge filter is A = 330 nm, the excitation light 2 is a monochromatic light. Therefore, when the excitation light 2 passes from the excitation light source 3 side toward the stage 1, Although light is allowed to pass through, the scattered light 5 from the opposite direction reflects only the inelastic scattered light component 10 having a wavelength of 330 nm or more out of the elastic scattered light component and the inelastic scattered light component 10, and the measuring unit 6 Can lead to direction. At this time, if the difference between the wavelength of the selected excitation light 2 and the set wavelength of the edge filter is excessively large, the wavelength component below the set wavelength of the edge filter is cut out of the inelastic scattered light component 10. It is necessary to pay attention to.

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。   In the measurement unit 6, the introduced inelastically scattered light component 10 is dispersed into each wavelength component by the spectral crystal 12, and the light intensity of each wavelength is captured as an electrical signal by the sensor 13. Converts to light intensity for each wavelength component. The sensor 13 can be selected according to the wavelength of the selected excitation light 2. For example, when the excitation light 2 having a wavelength of 325 nm is used, a CCD detector can be used. The relationship between the wavelength of the inelastically scattered light component 10 thus obtained and the light intensity at each wavelength is the Raman shift.

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。   FIG. 2 is an example of a focus mechanism for increasing the depth of focus in the microscopic Raman spectroscopic device that is the semiconductor evaluation device according to the first embodiment of the present invention. This mechanism has a focus on the hole of an objective lens 21 for focusing the excitation light 2 and focusing the excitation light 2 and a pinhole or an aperture 23 provided on the opposite side of the sample across the objective lens 21. The objective lens unit 4 is composed of a spherical aberration adjusting lens 24 that is provided between the objective lens 21 and the convex lens 22 and has at least two optical lenses of the convex lens 22 and satisfies the conditions for establishing the confocal optical system. To do.

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。   A micro Raman spectroscopic analyzer often uses a confocal optical system in order to selectively acquire a signal from a portion in focus with increasing spatial resolution. The confocal optical system is characterized by high resolution in the depth direction due to its configuration.

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。   However, a high resolution in the depth direction can be rephrased as a shallow depth of focus. The direction of light passing between the objective lens 21 and the convex lens 22 becomes parallel light when the confocal optical system is established. This mechanism is characterized in that the spherical aberration adjusting lens 24 is inserted so that the parallel light enters the objective lens 21 while changing its direction slightly with respect to the parallel light passage portion between the objective lens 21 and the convex lens 22. Yes. When a part of the parallel light incident on the objective lens 21 changes its direction, the light condensing property at the focal point of the objective lens 21 is lowered, and a light component that is condensed at a point other than the focal point is generated. By this action, the resolution in the depth direction is lowered, and the depth of focus is artificially increased.

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。   FIG. 3 is a graph relating to the depth of focus deepened in the example shown in FIG. The vertical axis represents the focal length, and the horizontal axis represents the excitation light intensity (signal intensity). In the example of this graph, the focal length is 1.0 mm. The condition that defines the in-focus state is a region where the excitation light 2 that has passed through the objective lens 21 maintains a light intensity of 1 / e or more of the initial intensity at each point having a significant distance from the objective lens. Define. In the case of the optical system not according to the present invention, the depth of focus is equal to the length between a and a ′, which is about 200 μm. On the other hand, by intentionally manipulating the incident light on the objective lens 21 according to the present invention, a light component that forms an image at a point other than the focal point that the objective lens 21 originally has is generated, so that the depth of focus is bb ′. It expands to about 500 μm.

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。   FIG. 4 is an example of a mechanism for increasing the depth of focus in the microscopic Raman spectroscopic device according to Embodiment 1 of the present invention. The same effect can be obtained by using a multifocal lens 25 instead of the objective lens 21 shown in FIG. By using the multifocal lens 25, it is possible to increase the focal depth without adding a new spherical aberration adjusting lens 24 as shown in FIG. Become.

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。   As described above, according to the above-described embodiment, in a microscopic Raman spectroscopic apparatus having a confocal optical system, which is originally characterized by a shallow depth of focus and a high spatial resolution, the spatial resolution is intentionally kept low. Instead, by constructing a new mechanism to increase the depth of focus, it is possible to obtain a stable signal intensity Raman shift without being affected by defocusing caused by the surface shape and warpage of the semiconductor material as the sample. It becomes.

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。 Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, the sample is placed on the stage and the measurement is performed. Instead of the stage, a transport device for transporting the sample is provided so that the materials transported from one to the next can be sequentially measured. You may comprise. FIG. 5 is an example of a semiconductor material transfer apparatus in a micro Raman spectroscopic apparatus which is a semiconductor evaluation apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. This apparatus includes a mounting portion 31 that mounts the samples 33 when transporting them, and a drive portion 32 that acts on the mounting portions 31 to transport the semiconductor material. In the figure, the portions denoted by the numbers shown in the first embodiment are the same as the configurations described in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted here.

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。   The mounting portion 31 is in the form of a sheet and has a hardness that can be bent in accordance with the shape of the drive portion. Preferably, the sample 33 that is a semiconductor material is harmful to the sample 33 such as contamination and electrostatic breakdown. Any material that does not easily cause stagnation. The drive unit 32 is power for feeding the mounting unit 31, and is preferably a roller-like driving body as long as the mounting unit can be sent out without vibration. The driving body 32 is driven in a roller shape so that the mounting portion 31 is rolled up and the sample 33 is transported by sending it out. However, this apparatus is a transport apparatus for transporting a semiconductor material, and is included in the elements constituting the semiconductor production line, and the surface of the semiconductor material is irradiated with excitation light from the microscopic Raman spectroscopic apparatus according to the first embodiment. As long as the surface of the semiconductor material is exposed so that it is possible, the transport method is not limited.

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。   According to this configuration, in the semiconductor manufacturing line, the Raman spectrum of the manufactured semiconductor material can be measured in-line to evaluate the physical property of the semiconductor material and monitor the change in the physical property value, which is fed back to the semiconductor manufacturing process conditions. It is possible to manage product characteristic variations through

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。   At the time of data acquisition when using this transport device, by measuring by stopping the transport, it is possible to measure the physical property value of a certain specific part of the semiconductor material, for example, crystallinity and stress value, By measuring without stopping the transport, it is possible to determine the sum of the physical properties of each part of the semiconductor material that has passed through the focal point during the measurement, so the physical properties of the manufactured semiconductor material, not the local physical properties Information about changes in values and changes in trends can be obtained. In addition, because the depth of focus is deep, the likelihood of variations in the thickness of the semiconductor material that is the sample is large, so focus adjustment for each sample is not essential, and data can be collected in a short time. Evaluation is possible.

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。 Embodiment 3 FIG.
In the first embodiment, the excitation light is irradiated from right above the sample, and the scattered light having the same optical axis as the optical axis is dispersed by the beam splitter. However, the excitation light is irradiated from an oblique direction, A configuration in which scattered light reflected in the direction opposite to the direction of excitation light irradiation may be measured.

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。   FIG. 6 shows a microscopic Raman spectroscopic apparatus which is a semiconductor evaluation apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. In the figure, instead of the objective lens unit 4 and the beam splitter 9 in FIG. 1, the mirror 17 for projecting the excitation light 2 in the direction of the stage 1 and the irradiation objective lens unit 15 and the sample of the excitation light 2 are irradiated. A light receiving objective lens unit 16 for receiving the generated scattered light 5 and a beam splitter for removing the elastic scattered light component from the received scattered light 5 and guiding only the inelastic scattered light component 10 toward the light receiving unit 6. 18.

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。   The excitation light 2 emitted from the excitation light source 3 is guided to the mirror 17 for guiding it toward the irradiation objective lens unit 15 via the mirror 8. If the light guide by the mirror 8 is sufficient, the mirror 17 can be omitted. If a single mirror 17 is insufficient, a plurality of mirrors may be used.

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。   The excitation light 2 guided from the mirror 17 is irradiated by the irradiation objective lens unit 15 to the focal point connected with the surface of the sample mounted on the stage 1. The excitation light 2 irradiated on the sample causes scattering on the sample surface and emits scattered light 5. The scattered light 5 is collected by the light-receiving objective lens unit 16, separates the elastic scattered light component and the inelastic scattered component contained in the scattered light 5, and introduces only the inelastic scattered light component 10 to the light receiving unit 6. Is sent to the beam splitter 18.

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。   In the first embodiment, since the single objective lens unit 4 irradiates the excitation light 2 and receives the scattered light 5, the objective lens unit inevitably has the same irradiation magnification and light reception magnification. However, according to this configuration, since the irradiation of the excitation light 2 is performed by the irradiation objective lens unit 15 and the reception of the scattered light 5 is performed by the light reception objective lens unit 16, the magnification of the irradiation objective lens unit is increased. And the magnification of the objective lens unit for light reception can be arbitrarily selected, and different magnifications can be used.

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。   At this time, if the configurations of the irradiation objective lens unit 15 and the light receiving objective lens unit 16 are the same as those of the objective lens unit 4, the focal point only needs to be the same point on the sample surface on the stage 1. The angle between the irradiation objective lens unit 15 and the semiconductor material and the angle between the light-receiving objective lens unit 16 and the semiconductor material do not necessarily have to coincide with each other.

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   1 stage, 2 excitation light, 3 excitation light source, 4 objective lens unit, 5 scattered light, 6 measuring section, 8 mirror, 9 beam splitter, 10 inelastic scattered light component, 12 spectral crystal, 13 sensor, 14 control device, 21 Objective Lens, 22 Convex Lens, 23 Pinhole or Aperture, 24 Spherical Aberration Adjustment Lens, 25 Multifocal Lens, 31 Mount Unit, 32 Drive Unit, 33 Sample, 15 Irradiation Objective Lens Unit, 16 Light-Reception Objective Lens Unit, 17 Mirror, 18 beam splitter

Claims (4)

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。 An excitation light source that emits excitation light of a predetermined wavelength;
A stage on which the sample to be evaluated is placed;
A lens unit having a plurality of lenses and provided with a focal mechanism that deepens the focal depth of the excitation light applied to the sample;
An edge filter for separating an inelastic scattered light component having a wavelength changed from a wavelength of the excitation light in the scattered light from the sample;
A measurement unit for measuring the wavelength and light intensity according to the inelastically scattered light component,
A semiconductor evaluation apparatus provided. 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。   The semiconductor evaluation apparatus according to claim 1, wherein the focusing mechanism is configured using a spherical aberration adjusting lens. 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。   The semiconductor evaluation apparatus according to claim 1, wherein the focus mechanism is configured using a multifocal lens. 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。 Emitting excitation light of a predetermined wavelength;
A step of installing a sample to be evaluated;
Irradiating the excitation light with a depth of focus on the sample increased;
Separating the inelastic scattered light component having a wavelength changed from the wavelength of the excitation light in the scattered light from the sample;
Measuring the wavelength and light intensity associated with the inelastically scattered light component,
A semiconductor evaluation method provided.
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WO2022177373A1 (en) * 2021-02-19 2022-08-25 주식회사 앤서레이 Raman spectroscopic device

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