JP2012132854A - Analyzer and analytic method - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an apparatus and method for analyzing a sample by measuring Raman scattering, and more particularly to a technique for reducing the influence of an analysis position shift caused by vibration of a sample.
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。 In a conventional optical microscope using Raman scattering, laser light is focused on a minute spot of about 1 μm, irradiated on the sample surface, and the material of the sample is analyzed by measuring Raman scattered light. Analysis using Raman scattering is excellent in spatial resolution, and is used for evaluation of crystallinity of a minute region of a semiconductor device.
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。 In such an analysis apparatus using Raman scattering, the condensing part of the laser beam is fixed, so that the analysis surface moves when the stage or the sample body is vibrated according to the measurement conditions. For this reason, not only the portion to be analyzed but also the Raman scattered light from the surrounding portion is measured together, resulting in average data, not local data, and appropriate analysis cannot be performed.
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。 For example, a cryos stage that performs measurement while controlling the temperature of a sample is accompanied by a large vibration. Since the sample fixed on the cryos stage vibrates with an amplitude of several tens of μm on the cryos stage, the obtained Raman scattering data becomes average data of a region having a width of several tens of μm.
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)。 Therefore, although it is not an analysis device using Raman scattering, a disk having an opening crossing at least one of the observation optical system and illumination optical system of a microscope is rotated in synchronization with the vibration period of the sample, and the analysis surface is opened. In some cases, image blurring is reduced by taking an image at a timing immediately below the image and acquiring only reflected light from a certain position of the sample (see, for example, Patent Document 1).
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。 The above method may also be applied to analyzers using Raman scattering. However, it is effective when the sample has a fixed period of vibration, but there is a problem that only average data can be obtained when the sample has a random period of vibration.
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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in an analyzer using Raman scattering, effective data can be obtained even when a sample is accompanied by random-period vibration. Is.
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。 The analyzer according to the present invention is an analyzer that irradiates a sample surface with laser light and analyzes the sample by measuring Raman scattered light, and includes an objective lens that collects the laser light, the objective lens, and the sample. , A plate-like body having two openings, a detection device that simultaneously detects intensity data of reflected light and Raman scattered light from the sample of the laser light, and stores the detection results in time series And a computing device that integrates the intensity data of the Raman scattered light measured when the intensity data of the reflected light is greater than or equal to a predetermined value from the stored detection result. .
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。 According to the present invention, it is possible to prevent measurement of Raman scattered light other than a portion to be analyzed on a sample on a cryostage accompanied by random-period vibration. Therefore, effective data can be obtained and appropriate analysis can be performed even when the sample is accompanied by vibration of a random period.
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。
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 reference numerals are used for the same or similar parts. However, 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, and it is natural that the relationship and ratio of the dimensions may be different between the drawings.
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。
1 is a block diagram showing an optical system of an analyzer according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, a
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。
The Raman scattered light / reflected
In the present embodiment, the
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。
As described above, the plate-
Here, the shape of the plate-
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。
The
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。
The
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。
The
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。
Next, an analysis method according to Embodiment 1 of the present invention will be described. FIG. 2 is a flowchart showing an analysis process according to Embodiment 1 of the present invention. This flow will be described with reference to an example in which the crystallinity evaluation of the buffer layer at the pn junction interface of the silicon pn diode shown in FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of a silicon pn diode, which has a
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。
In FIG. 2, a sample is attached to the center of the cryostage as the first step. Next, as a 2nd step, the plate-like body is fixed. Here, first, an operation of determining a structure serving as a mark whose relative positional relationship with the
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。
Therefore, the plate-
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。
Next, as a 3rd step, the surface of the
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。
Next, as a 4th step, the stage is moved with a micrometer of the sample stage to finely adjust the sample surface. At this time, the
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。 Here, the determination of whether or not the reflected light intensity is substantially maximum can be easily obtained by, for example, a method of detecting a peak value. The position where the sample position is moved and the reflected light intensity starts to decrease is determined to be almost maximum. In addition, the maximum value of the reflected light intensity is stored in advance in a separate storage device, the sample position is moved, and when the difference from the stored maximum value is minimum, the reflected light intensity is determined to be almost maximum. May be.
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。
Next, as a 5th process, the cryostage is turned on. From this point, the
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。
Next, as a 6th step, the reflected light and the Raman scattered light are separated by the
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。
Next, as the 7th step, the light intensities of the reflected light and the Raman scattered light are recorded in time series.
Finally, as the 8th step, the light intensity data of the Raman scattered light from the
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。
That is, when the light intensity data of the reflected light exceeds a predetermined threshold, the laser light is appropriately irradiated to the analysis position, and by integrating the light intensity data of the Raman scattered light during this period, Only the light intensity data of the Raman scattered light from the analysis position can be appropriately obtained.
Here, in setting the predetermined threshold value, it is necessary to consider the influence of Raman scattered light not only from the part to be analyzed but also from the peripheral part. The threshold can be lowered if the influence of the Raman scattered light from the surrounding portion is small, and the threshold needs to be increased if the influence is large. Thus, it is obvious that the threshold value can be easily set by those skilled in the art in consideration of the measurement sensitivity and the influence from the surroundings.
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 1 laser light source, 1a laser light, 1b Raman scattered light / reflected light, 1c Raman scattered light / reflected light, 2 beam splitter, 3 objective lens, 4 plate, 4a opening, 4b opening, 5 condenser lens, 6 Spectrometer, 7 Detector, 8 Measuring device, 9 Entrance slit, 10 Collimator mirror, 11 Diffraction grating, 12 Condensing mirror, 13 Exit slit, 14 Sample, 15 Cryostage, 16 Front electrode, 17 Back electrode, 18 n - layer, 19 p + substrate, 20 a buffer layer
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