JPH0682098B2 - 応力評価装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、応力評価装置に関し、特に半導体などの物
性を評価するために用いられ、物質中に内在する応力を
評価する応力評価装置に関するものである。

［従来の技術］ 熱膨張を伴なう工程で製造され、その内部に熱応力を内
在する半導体などの応力を評価する方法としては、たと
えば、応用物理学会発行「応用物理」第50巻第１号（19
81）；レーザラマン分光法による半導体の評価,69頁に
示されるような応力評価装置が用いられている。

第５図は従来から用いられている散乱光のラマンスペク
トルを測定する応力評価装置の概略機器構成図である。

図において、１はArイオンレーザ光、He−Neレーザ光な
どの励起光を発生する光源、９は光源１から発生された
励起光、10は励起光９を反射させるミラー、11aは励起
光９を評価対象物質３の測定点上に集光するためのレン
ズ、11bは評価対象物質３の測定点からの散乱光を集光
するためのレンズ、12は散乱光、13は散乱光12を分光す
るダブルモノクロメータなどの分光器、14は分光された
光を検出する検知器、15はマイクロコンピュータ、16は
レコーダである。

従来の応力評価装置は、上記のように構成され、ラマン
スペクトルの測定は次のように行なわれる。光源１から
発生された励起光９はミラー10によって方向が変えられ
た後、レンズ11aによって集束され、評価対象物質３の
測定点上に集光照射される。評価対象物質３の測定点か
ら散乱された散乱光12はレンズ11bを通過し、分光器13
の入射スリット上へ集光される。分光器13によって分光
された光は検知器14でラマンスペクトルが検知され、電
気信号としてマイクロコンピュータ15に入力され、格納
される。次に、この電気信号はマイクロコンピュータ15
によってデータ処理された後、レコーダ16に送られ、ラ
マンスペクトルが波形として、あるいはそのピーク波数
値として記録される。

上述のような装置によるラマンスペクトルの測定につい
てフローチャートを参照して説明する。第６図は従来の
ラマンスペクトル測定処理を示すフローチャートであ
る。

まず、601で評価対象物質を設定し、602でレンズ、ミラ
ーなどの光学系の調整を行ない、603でラマンスペクト
ルの測定条件を設定する。次に、604で評価対象物質か
ら散乱された光のラマンスペクトルの測定を行なう。こ
こで、ラマンスペクトルの測定処理ルーチンをフローチ
ャートを用いて説明する。

第7A図は光電子増倍管を検知器14に用いた場合のスペク
トル測定ルーチンを示すフローチャートである。

まず、701にて分光器の波数を測定開始波数ω_１に設定
する。次に、702を参照して、その波数に対応するラマ
ン散乱強度を測定する。ここでは、ラマン散乱光の強度
を光電子増倍管で電圧信号に変換して測定している。70
3では得られたラマン散乱強度データと設定された分光
器の波数をマイクロコンピュータに送る。704を参照し
て、これらのデータはA/D変換されてディジタル信号と
してマイクロコンピュータ内のメモリに格納される。そ
して、705では分光器の波数が測定終了波数ω_２と比較
され、分光器の波数が測定終了波数ω_２よりも小さけれ
ば、706において分光器の波数がΔω分、増加させられ
る。分光器の波数が測定終了波数ω_２以上になるまで、
第7B図で示すように各波数に対応するラマン散乱強度の
測定が繰返され、ディジタル信号としてマイクロコンピ
ュータ内のメモリに格納される。分光器の波数が測定終
了波数ω_２以上になると、第６図で示される処理に移
る。605においては、メモリ内に格納されたデータに基
づき、スペクトル波形がレコーダへ出力される。その
後、606では出力されたスペクトル波形からピーク波数
を読取る。この例では、記録されたスペクトル波形から
ピーク波数を人間が読取っているが、マイクロコンピュ
ータにピーク波数値を計算させ、その値をレコーダへ出
力させる方法もある。

ラマンスペクトルは前述のように測定されるが、この測
定されたラマンスペクトルから対象物質の内在する応力
を評価する方法について説明する。ラマン散乱光は、対
象物質に当たった励起光の一部がその物質の構成原子や
分子などの振動エネルギとしてエネルギを失い、もとの
励起光の波長と異なった光として出てくるものである。
このエネルギ変化量は対象物質の格子振動や分子振動の
エネルギに対応しており、対象物椎に内在している応力
によって変化するものである。この変化量は測定された
ラマンスペクトルのピークにおける波数の変化に対応す
る。この現象は、たとえば、対象物質がシリコンの場合
については第８図に示される。図を参照して、80は応力
が内在していない単結晶のシリコンのラマンスペクトル
のピーク波数を示す１点鎖線で、ピーク波数値は520.5c
m^-1である。ところが、応力が内在しているシリコンで
は、たとえば、レーザ光の照射によって再結晶化された
SOI（Silicon on Insulator;シリコン酸化物の上に堆
積されたポリシリコン）構造のラマンスペクトルを測定
すると、ピーク波形81で示すようにそのピーク波数は、
単結晶シリコンのピーク波数80よりも低波数側にシフト
する。これは、SOI構造のものには引張応力が内在して
いるからである。また、サファイヤ基板上にに堆積され
たポリシリコンであるSOS（Silicon on Sapphire）で
は、圧縮応力が内在しているためにピーク波形82で示す
ようにそのピーク波数はピーク波数80よりも高波数側に
シフトする。

このように、物質に内在する応力はラマンスペクトルの
ピーク波数の変化量を対応することを利用して、応力を
評価する。

［発明が解決しようとする問題点］ 上述のように、従来から物質に内在している応力を評価
するのに、応力が内在していない物質のラマンスペクト
ルと応力が内在している同じ物質のラマンスペクトルと
の間におけるピーク波数の差を用いている。しかしなが
ら、この値は応力の大きさだけでなく、物質の温度差に
よっても影響を受ける。たとえば、第９図に示すよう
に、対象物質の同一測定点に照射する励起光の出力を変
えると測定されるラマンスペクトルのピーク波数が変化
する。これは、励起光の出力を変えることによって対象
物質の温度が変化するからである。しかし、この現象は
同一出力の励起光を用いていても、第10図に示すような
断面構造の物質を測定する場合には起こり得る。シリコ
ン薄膜101に励起光を照射すると、シリコン酸化膜102の
熱伝導度が低いために照射による温度上昇が大きくな
る。一方、シリコン基板103に同一出力の励起光を照射
すると、照射による熱はシリコン基板103の内部へ放散
し、温度上昇はシリコン薄膜101に比べて小さい。その
ため、シリコン薄膜101とシリコン基板103に内在してい
る応力の大きさが同じであっても、照射による温度上昇
が異なるために、応力評価のために用いるラマンスペク
トルのピーク波数に差が生じるという問題点があった。

そこで、この発明は、上記のような問題点を解消するた
めになされたもので、評価対象物質の測定点の温度差に
よるラマンスペクトルのピーク波数変化を補正して、高
精度に応力の大きさを評価することができる応力評価装
置を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に従った応力評価装置は、散乱光のラマンスペ
クトルにおけるピーク波数の差により、物質に内在する
応力を評価する応力評価装置であって、以下のものを備
える。

（ａ） 励起光を発生する光源。

（ｂ） 励起光を評価対象物質の測定点にまで導く入射
光学系。

（ｃ） 測定点からの散乱光を集束する散乱光学系。

（ｄ） 散乱光のラマンスペクトルにおけるピーク波数
を測定する散乱光測定手段。

（ｅ） 測定点の温度を変化させる温度変化手段。

（ｆ） 測定点の温度変化により変動するピーク波数の
複数個の測定値を測定点ごとに統計的に処理する統計処
理手段。

（ｇ） 統計処理手段によって算出された統計値に基づ
いて、測定点の温度変化とピーク波数の変化との関係を
決定し、所定の基準値におけるピーク波数を求める演算
手段。

［作用］ この発明における温度変化手段は評価対象物質の測定点
の温度を変化させる。測定点の温度変化によって変動す
るピーク波数は複数個測定されるので、それらの測定値
は測定点ごとに統計的に処理される。測定点ごとに統計
処理された値によって測定点の温度変化とピーク波数の
変化との関係が決定される。そのため、この関係により
所定の基準値におけるピーク波数を求めることができ
る。したがって、求められたピーク波数は、測定点の温
度変化の影響が取除かれたデータとして応力評価に用い
られ得る。

［実施例］ 第１図は、この発明による応力評価装置の一実施例を機
能的に示した全体構成図である。この実施例は第１図か
ら明らかなように、光源１から発生する励起光は入射光
学系２を経て評価対象物質３に照射される。評価対象物
質３によって散乱させられた散乱光は散乱光学系４によ
って集光され、散乱光測定手段５によって測定される。
散乱光測定手段５は分光手段5a、検知手段5bおよび解析
手段5cによって構成される。散乱光は分光手段5aによっ
て分光され、分光された光はラマンスペクトルとして検
知手段5bによって検知され、その後、解析手段5cによっ
て解析されることによってラマンスペクトルのピーク波
数が求められる。一方、温度変化手段８は評価対象物質
３の測定点の温度を変化させる。その温度変化と解析手
段5cで求められたピーク波数の変化との関係は統計処理
手段６で統計処理され、演算手段７によってその関係が
決定づけられるとともに、所定の基準値におけるピーク
波数が求められる。

第２図は、さらに第１図で示される全体構成図に基づ
き、機器構成の一実施例を示す応力評価装置の概略機器
構成図である。

図において、１は光源、９は励起光、10はミラー、11a,
11bはレンズ、12は散乱光、13は分光器、14は検知器、1
5はマイクロコンピュータ、16はレコーダである。17は
評価対象物質３の測定点の温度を変化させるために励起
光の出力を制御することができる出力調整器、18は出力
調整器によって出力が制御された励起光を示す。

上記のように構成された応力評価装置では光源１を出た
励起光９は出力調整器17によって出力が制御される。そ
の後、制御された励起光18はミラー10によって方向が変
えられ、レンズ11aで集束されて、評価対象物質３の測
定点の上に集光照射される。評価対象物質３からの散乱
光12はレンズ11bによって集束され、分光器13のスリッ
ト上に入射された後、分光される。分光された光は検知
器14によりラマンスペクトルが検知され、電気信号に変
換されてマイクロコンピュータ15に格納される。このよ
うにして、ある測定点に対して１つのラマンスペクトル
が測定される。このとき、出力調整器17で励起光９の出
力を変えることによって、１測定点につき、励起光の異
なる出力に対応する複数個のラマンスペクトルを測定す
る。この実施例では、励起光９の出力の変更指示がマイ
クロコンピュータ15から出力調整器17へ出力されてい
る。測定された複数個のラマンスペクトルが電気信号と
してマイクロコンピュータ15内に格納される。これらの
電気信号は解析されることによって各ラマンスペクトル
のピーク波数が求められる。その後、第９図で示すよう
に、励起光の出力に対応する各ピーク波数値は統計処理
される。励起光の出力変化とピーク波数変化との関係が
評価対象物質の測定点ごとに第９図で示されるような回
帰直線、またはスプライン関数を用いて決定される。そ
して、この決定された関係を用いて測定点ごとに、所定
の基準値におけるピーク波数が測定点相互の応力評価比
較のためのデータとして求められる。この実施例では第
９図に示すように励起光出力値0mWにおけるピーク波数
を外挿法を用いて求めている。なお、上述のような統計
処理および演算はマイクロコンピュータ15内で処理が行
なわれ、その結果はレコーダ16に送られ、記録される。

次に、上述のような本発明に従った応力評価装置による
ラマンスペクトルの測定について、フローチャートを参
照して説明する。第３図、第4A図は本発明の装置による
ラマンスペクトル測定処理を示すフローチャートであ
る。

まず、301を参照して評価対象物質を設定し、302でレン
ズ、ミラーなどの光学系の調整を行ない、303でラマン
スペクトルの測定条件を設定する。次に、304で励起光
の出力を測定開始出力V₀に設定する。そして、前述した
ように第7A図のスペクトル測定ルーチンに従って305で
ラマンスペクトルが測定される。この処理が完了する
と、ある測定点において励起光の１つの出力値に対応す
るラマンスペクトルが測定されたことになる。次に、30
6を参照して励起光の出力が測定終了出力Vfと比較さ
れ、励起光の出力が測定終了出力よりも小さければ、30
7において励起光の出力がΔＶだけ増加させられる。励
起光の出力が測定終了出力Vf以上になるまで、各出力値
に対応するラマンスペクトルの測定が繰返され、ディジ
タル信号としてマイクロコンピュータ内のメモリに格納
される。励起光の出力が測定終了出力Vf以上になると、
第4A図で示される処理に移る。401では、メモリ内に格
納されている、励起光の各出力値におけるラマンスペク
トルデータが解析され、第4B図に示すようにピーク波数
ω_Ｐが求められる。ここでは、第4B図でｘ印で示される
各ラマン強度データに対してローレンツフィッティング
を行ない、最適なレーレンツ曲線のパラメータからピー
ク波数ω_Ｐを求める。求められたピーク波数ω_Ｐは402
にて励起光の各出力値に対応して統計的に処理され、そ
れらの間の関係が決定される。一例として、第4C図に示
すように最小２乗法により最適な回帰直線を求める。そ
して、403を参照して第4C図で示されるような回帰直線
を外挿することにより、励起光の出力値0mWにおけるピ
ーク波数ω_P0を求める。

このようにして、比較対象データとなる１測定点のピー
ク波数が求められる。以上の処理はすべてマイクロコン
ピュータで実現され得る。

なお、上記実施例では、励起光の出力を制御するために
励起光発生後、出力調整器17を用いているが、もとの光
源１の出力を調整してもよい。また、出力調整器17を用
いて励起光の出力を制御することによって、評価対象物
質３の測定点における温度を変化させているが、外部か
ら励起光とは別の光、たとえば、加熱光19を評価対象物
質３に照射するなどして測定点の温度を変化させてもよ
い。さらに、光源はレーザ光に限定されることはなく、
ラマンスペクトル観測用の光源として適するものであれ
ばよい。この装置は半導体に限らず、幅広く種々の物質
を評価対象とすることができることは言うまでもない。
また、演算手段は実施例で示した外挿法以外の方法によ
ってもよい。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、各測定点ごとに異な
る温度で評価対象物質のラマンスペクトルを複数個測定
し、温度によるピーク波数変化の影響を取除く統計・演
算処理を行なうので、高精度に応力評価を行なうことが
できるデータを得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による応力評価装置の一実施例を機能的
に示す全体構成図、第２図は本発明による応力評価装置
の機器構成の一例を示す概略機器構成図、第３図、第4A
図は本発明の装置によるラマンスペクトル測定処理を示
すフローチャート、第4B図、第4C図は第4A図を説明する
ための図、第５図は従来の応力評価装置の概略機器構成
図、第６図は従来の応力評価装置によるラマンスペクト
ル測定処理を示すフローチャート、第7A図はラマンスペ
クトル測定ルーチンを示すフローチャート、第7B図は第
7A図を説明するための図、第８図は内在する応力による
ラマンスペクトルのピーク波数の変化を示す図、第９図
はラマンスペクトルのピーク波数の励起光出力依存性を
示す図、第10図は励起光の照射によって温度変化が異な
る構造を有する物質の断面図である。 図において、１は光源、２は入射光学系、３は評価対象
物質、４は散乱光学系、５は散乱光測定手段、６は統計
処理手段、７は演算手段、８は温度変化手段、９は励起
光、12は散乱光である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当する部分を示
す。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】散乱光のラマンスペクトルにおけるピーク
   波数の差により、物質に内在する応力を評価する応力評
   価装置であって、 励起光を発生する光源と、 前記励起光を評価対象物質の測定点にまで導く入射光学
   系と、 前記測定点からの散乱光を集束する散乱光学系と、 前記散乱光のラマンスペクトルにおけるピーク波数を測
   定する散乱光測定手段と、 前記測定点の温度を変化させる温度変化手段と、 前記測定点の温度変化により変動するピーク波数の複数
   個の測定値を、前記測定点ごとに統計的に処理する統計
   処理手段と、 前記統計処理手段によって算出された統計値に基づい
   て、前記測定点の温度変化とピーク波数の変化との関係
   を決定し、所定の基準値におけるピーク波数を求める演
   算手段とを備えた、応力評価装置。
2. 【請求項２】前記温度変化手段は、前記測定点に照射す
   る励起光の出力を制御することによって前記測定点の温
   度を変化させる手段を含む、特許請求の範囲第１項記載
   の応力評価装置。
3. 【請求項３】前記温度変化手段は、前記励起光とは別の
   光を前記評価対象物質に照射することによって前記測定
   点の温度を変化させる手段を含む、特許請求の範囲第１
   項または第２項記載の応力評価装置。
4. 【請求項４】前記演算手段は、外挿法を用いて演算する
   ものである、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいず
   れかに記載の応力評価装置。
5. 【請求項５】前記散乱光測定手段は、散乱光を分光する
   分光手段と、分光された散乱光のラマンスペクトルを検
   知する検知手段と、検知されたラマンスペクトルを解析
   する解析手段とを含む、特許請求の範囲第１項ないし第
   ４項のいずれかに記載の応力評価装置。
6. 【請求項６】前記光源は、レーザ光である、特許請求の
   範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の応力評価装
   置。
7. 【請求項７】前記評価対象物質は、半導体である、特許
   請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の応力
   評価装置。