JP3654571B2

JP3654571B2 - Temperature measurement method using micro Raman spectrophotometer

Info

Publication number: JP3654571B2
Application number: JP24229799A
Authority: JP
Inventors: 朋也吉澤; 数敏貝沼
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2019-08-27
Also published as: JP2001066197A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、顕微ラマン分光光度計を用いて、シリコンウェーハなどの試料の温度を測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、シリコンウェーハなど半導体結晶よりなる試料の温度を測定する手法の一つとして、顕微ラマン分光光度計を用い、試料にレーザ光を照射したときに得られるラマンスペクトルのピーク位置に基づいて試料の温度を測定するものがある。これは、試料としての物体に波長λのレーザ光を照射したときに生ずるストークス光は、波長λ＋Δλの部分に最も強いピーク（ラマンシフト）が表れることを利用したものである。
【０００３】
図３は、温度調整器によってシリコンウェーハを所定の温度に保持し、これにレーザ光を照射したときに得られるラマンスペクトルを示すもので、横軸は波数（ｃｍ^-1）を、縦軸は強度をそれぞれ示し、符号ａ〜ｇで表される曲線は、試料を温度調整器によってそれぞれ１００℃、２００℃、３００℃、４００℃、５００℃、６００℃、７００℃、８００℃、９００℃、１０００℃に保持したときに得られるラマンスペクトルを示している。この図から分かるように、ラマンスペクトルのピーク位置は、Δλおよび強度が試料の温度によって変化し、その変化の割合は必ずしも直線的ではない。なお、このラマンスペクトルのシフトは、試料によって固有のものである。
【０００４】
そして、レーザ光には、プラズマラインと呼ばれる微小な光が含まれており、前記図３において符号ｐで示すように、試料の温度にかかわらず一定の位置（基準位置）に現れることが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記ラマンスペクトルのピーク位置のシフト量が極めて僅かであるとともに、温度変化に敏感であるところから、高分解能の分光器を用いる必要がある。しかしながら、分光器は、一般に、周囲の温度影響を受けやすく、光軸がずれるなどして誤差が生じやすくなり、高分解能のものほどこの度合いが大きくなる。このため、顕微ラマン分光光度計によって試料温度を測定する場合、周囲温度の影響を極めて受けやすく、同一試料を測定しても、図４に示すように、バラツキが生ずる。この図は、シリコンウェーハの温度を、温度調整器によって種々の温度に保持し、その変化させた温度においてそれぞれ３回測定したときに得られるラマンシフトのピーク位置をプロットしたもので、横軸は温度（温度調整器の指示値）、縦軸は波数を示している。この場合、前記プラズマラインも、顕微ラマン分光光度計を構成する分光器が周囲温度の影響を受けることから、前記基準位置からずれた位置に現れる。
【０００６】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、顕微ラマン分光光度計を用いて試料の温度測定を行う場合、ハードである顕微ラマン分光光度計の周囲温度に起因する測定誤差を補正し、試料温度を精度よく測定することができる顕微ラマン分光光度計を用いた温度測定方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、試料にレーザ光を照射したときに得られるラマンスペクトルのピーク位置に基づいて試料の温度を測定するようにした顕微ラマン分光光度計を用いた温度測定方法において、前記レーザ光に含まれているプラズマラインのピーク位置の温度による位置ずれに基づいて、前記分光光度計の周囲温度および／または光学的な誤差の影響を補正するようにしている。
【０００８】
上記顕微ラマン分光光度計を用いた温度測定方法（以下、単に温度測定方法という）においては、例えば、プラズマラインのピークは、本来、試料温度の如何にかかわらず一定の位置に現れるが、これがずれた位置に現れたとき、主として周囲温度が変化したために周囲温度および／または光学的な誤差の影響と思われる誤差が含まれているとみなし、測定よって得られたラマンスペクトルのピーク位置をずれた波数分だけ補正し、これに見合う量だけ温度を補正するのである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。まず、図１はこの発明の温度測定方法を実施するための顕微ラマン分光光度計Ａの構成を概略的に示す図で、この図において、１はレーザ光源で、例えば波長４９６５Åのレーザ２を発する。３はハーフミラーで、その一方の側には対物レンズ４を介して試料５が設けられる。この試料５は温度調節機能を備えた試料保持部６によって所定の状態に保持される。７はハーフミラー３の他方の側（試料５と対向する側）に設けられる分光器で、試料５表面において発生したラマン散乱光を分光するもので、その出射側にはラマンスペクトルを測定するためのＣＣＤ検出器８が設けられている。
【００１０】
上記装置が一般的な顕微ラマン分光光度計と異なる点は、通常のラマン測定では除去されるプラズマラインを基準として用いるため、通常は用いられる光学フィルタをレーザ光源１とハーフミラー３の光路から除去したことである。
【００１１】
上記構成の顕微ラマン分光光度計Ａを用いて例えばシリコンウェーハの温度を測定する場合、試料保持部６にシリコンウェーハを試料５として保持させる。その状態でレーザ光源１からのレーザ光２を発する。このレーザ光２は、ハーフミラー３および対物レンズ４を経てシリコンウェーハ５の表面に集光される。このレーザ光２の照射によってシリコンウェーハ５においてラマン散乱光が生じ、このラマン散乱光は、ハーフミラー３を経て分光器７に導入され、ＣＣＤ検出器８に受光され、ラマンスペクトルが測定される。
【００１２】
そして、前記ラマンスペクトルは、コンピュータなど信号処理装置（図示していない）に入力され、ラマンスペクトルのピーク位置に基づいてシリコンウェーハ５の温度を求めることができる。そして、装置全体が周囲温度などにより影響を受けている場合、前記ラマンスペクトルにおけるプラズマラインの位置も、本来の位置より前記周囲温度に見合う分だけずれている。
【００１３】
そこで、前記プラズマラインの本来の位置と温度影響によってずれた位置との量に基づいて前記測定値を補正することにより、温度影響を補償した温度値が得られる。図２は、上述のようにして温度の補正を行ったときの測定の再現性を示すもので、１００℃〜１０００℃までの温度範囲において、１００℃間隔でそれぞれ４回測定したときのピーク位置のプラズマラインからの位置を、それぞれ、記号◇（１回目），□（２回目），△（３回目），×（４回目）で示している。この図において、横軸は温度調整器の指示値である。この図から、この発明の温度測定方法によれば、極めて再現性よく温度を測定できることがわかる。
【００１４】
上述の実施の形態においては、温度測定対象の試料５としてシリコンウェーハを例示していたが、試料５としては、半導体結晶やその他のラマン散乱を起こしやすい結晶であればよい。
【００１５】
また、レーザ光２の波長は、上記４９６５Åに限られるものではなく、任意のものに設定できるが、プラズマラインが好ましい位置に表れるように選定するのが好ましい。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の温度測定方法によれば、周囲温度および／または光学的な誤差の影響をうけることなく試料の温度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の顕微ラマン分光光度計を用いた温度測定方法に用いる装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】前記温度測定方法による測定結果を示す図である。
【図３】シリコンウェーハにおける温度とラマンスペクトルとの関係を示す図である。
【図４】顕微ラマン分光光度計を用いた温度測定方法において周囲温度が与える影響を説明するための図である。
【符号の説明】
２…レーザ光、５…試料、Ａ…顕微ラマン分光光度計、ａ〜ｊ…ラマンスペクトル、ｐ…プラズマライン。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring the temperature of a sample such as a silicon wafer using a microscopic Raman spectrophotometer.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method for measuring the temperature of a sample made of a semiconductor crystal such as a silicon wafer, a sample is based on the peak position of the Raman spectrum obtained when the sample is irradiated with laser light using a microscopic Raman spectrophotometer. Some measure the temperature. This utilizes the fact that the Stokes light generated when the object as the sample is irradiated with the laser light having the wavelength λ has the strongest peak (Raman shift) in the wavelength λ + Δλ portion.
[0003]
FIG. 3 shows a Raman spectrum obtained when a silicon wafer is held at a predetermined temperature by a temperature controller and irradiated with laser light. The horizontal axis represents the wave number (cm ⁻¹ ), and the vertical axis represents The curves respectively indicating the strengths and represented by symbols a to g are 100 ° C., 200 ° C., 300 ° C., 400 ° C., 500 ° C., 600 ° C., 700 ° C., 800 ° C., 900 ° C., respectively. The Raman spectrum obtained when it hold | maintains at 1000 degreeC is shown. As can be seen from this figure, the peak position of the Raman spectrum changes in Δλ and intensity depending on the temperature of the sample, and the rate of the change is not necessarily linear. This Raman spectrum shift is unique to each sample.
[0004]
The laser light contains minute light called a plasma line and is known to appear at a fixed position (reference position) regardless of the temperature of the sample, as indicated by the symbol p in FIG. ing.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, since the shift amount of the peak position of the Raman spectrum is very small and sensitive to temperature change, it is necessary to use a high-resolution spectrometer. However, in general, a spectroscope is easily affected by the ambient temperature, and an error is likely to occur due to a shift in the optical axis, and this degree increases as the resolution becomes higher. For this reason, when the sample temperature is measured by a microscopic Raman spectrophotometer, it is extremely susceptible to the influence of the ambient temperature, and even if the same sample is measured, variation occurs as shown in FIG. This figure plots the peak position of the Raman shift obtained when the temperature of the silicon wafer is held at various temperatures by the temperature controller and measured three times at each changed temperature. Temperature (indicated value of the temperature regulator), the vertical axis indicates the wave number. In this case, the plasma line also appears at a position shifted from the reference position because the spectroscope constituting the microscopic Raman spectrophotometer is affected by the ambient temperature.
[0006]
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned matters, and its purpose is derived from the ambient temperature of the microscopic Raman spectrophotometer, which is hard when measuring the temperature of the sample using the microscopic Raman spectrophotometer. To provide a temperature measurement method using a micro-Raman spectrophotometer capable of correcting a measurement error and accurately measuring a sample temperature.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the present invention, a temperature measurement method using a microscopic Raman spectrophotometer that measures the temperature of a sample based on the peak position of a Raman spectrum obtained when the sample is irradiated with laser light. In the above, the influence of the ambient temperature of the spectrophotometer and / or optical error is corrected based on the position shift caused by the temperature of the peak position of the plasma line included in the laser beam.
[0008]
In the temperature measurement method using the above-mentioned micro Raman spectrophotometer (hereinafter simply referred to as the temperature measurement method), for example, the peak of the plasma line originally appears at a fixed position regardless of the sample temperature, but this is shifted. When it appears at a certain position, it was assumed that the ambient temperature and / or errors that seemed to be affected by optical errors were included mainly because the ambient temperature changed, and the peak position of the Raman spectrum obtained by measurement was shifted. The correction is made by the wave number, and the temperature is corrected by an amount corresponding to this.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a micro-Raman spectrophotometer A for carrying out the temperature measuring method of the present invention. In this figure, 1 is a laser light source, for example, a laser 2 having a wavelength of 4965 nm is emitted. . Reference numeral 3 denotes a half mirror, and a sample 5 is provided on one side thereof through an objective lens 4. The sample 5 is held in a predetermined state by a sample holder 6 having a temperature adjustment function. 7 is a spectroscope provided on the other side of the half mirror 3 (the side facing the sample 5), which separates the Raman scattered light generated on the surface of the sample 5, and for measuring the Raman spectrum on the emission side thereof. CCD detector 8 is provided.
[0010]
The difference between the above-mentioned apparatus and a general microscopic Raman spectrophotometer is that a plasma line that is removed in normal Raman measurement is used as a reference, so that an optical filter that is usually used is removed from the optical path of the laser light source 1 and the half mirror 3. It is that.
[0011]
For example, when the temperature of a silicon wafer is measured using the micro Raman spectrophotometer A having the above configuration, the sample holding unit 6 holds the silicon wafer as the sample 5. In this state, the laser light 2 from the laser light source 1 is emitted. The laser beam 2 is condensed on the surface of the silicon wafer 5 through the half mirror 3 and the objective lens 4. Irradiation of the laser light 2 generates Raman scattered light in the silicon wafer 5. The Raman scattered light is introduced into the spectroscope 7 through the half mirror 3 and received by the CCD detector 8 to measure the Raman spectrum.
[0012]
The Raman spectrum is input to a signal processing device (not shown) such as a computer, and the temperature of the silicon wafer 5 can be obtained based on the peak position of the Raman spectrum. When the entire apparatus is affected by the ambient temperature or the like, the position of the plasma line in the Raman spectrum is also shifted from the original position by an amount corresponding to the ambient temperature.
[0013]
Therefore, by correcting the measured value based on the amount of the original position of the plasma line and the position shifted due to the temperature effect, a temperature value that compensates for the temperature effect can be obtained. FIG. 2 shows the reproducibility of measurement when the temperature is corrected as described above, and the peak position when measured four times at 100 ° C. intervals in the temperature range from 100 ° C. to 1000 ° C. The positions from the plasma line are indicated by symbols ◇ (first time), □ (second time), Δ (third time), and × (fourth time), respectively. In this figure, the horizontal axis is the indicated value of the temperature regulator. From this figure, it can be seen that the temperature can be measured with extremely reproducibility according to the temperature measuring method of the present invention.
[0014]
In the above-described embodiment, a silicon wafer is exemplified as the sample 5 to be measured for temperature. However, the sample 5 may be a semiconductor crystal or other crystals that easily cause Raman scattering.
[0015]
Further, the wavelength of the laser beam 2 is not limited to the above 4965 mm, but can be set arbitrarily, but is preferably selected so that the plasma line appears at a preferable position.
[0016]
【The invention's effect】
As described above, according to the temperature measurement method of the present invention, the temperature of the sample can be measured without being affected by the ambient temperature and / or optical errors.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of an apparatus used for a temperature measurement method using a micro Raman spectrophotometer according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a measurement result obtained by the temperature measurement method.
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between temperature and Raman spectrum in a silicon wafer.
FIG. 4 is a diagram for explaining the influence of ambient temperature in a temperature measurement method using a microscopic Raman spectrophotometer.
[Explanation of symbols]
2 ... laser light, 5 ... sample, A ... micro Raman spectrophotometer, aj ... Raman spectrum, p ... plasma line.

Claims

In a temperature measurement method using a micro-Raman spectrophotometer that measures the temperature of a sample based on the peak position of the Raman spectrum obtained when the sample is irradiated with laser light, the plasma contained in the laser light Temperature measurement using a micro-Raman spectrophotometer characterized by correcting the influence of the ambient temperature and / or optical error of the spectrophotometer based on the position shift due to the temperature at the peak position of the line Method.