JP4143513B2 - 分光分析光度計及び分光分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光等の励起光を照射された試料から発生する二次光を分光分析する分光分析光度計及び分光分析方法に関するものである。

半導体プロセス等における品質管理やプロセス制御用に、ラマン分光分析光度計を用いた応力測定や温度測定技術の導入が検討されている。一般に単結晶シリコンではラマンスペクトルの１／ｃｍのシフトで応力は１ＧＰａ、温度は４０℃程度変化するため、数１０ＭＰａオーダ、１℃以下の精度で応力や温度を測定する場合は、ラマン分光光度計には０．０１／ｃｍ程度の分解能が必要であるといわれている。実際は、測定されたラマンスペクトルに対してガウスあるいはローレンツ関数をフィッティングさせることで波長精度を向上させることが可能であることから、必要な検出分解能は０．５／ｃｍ程度でも十分となる。この０．５／ｃｍの分解能は波長に換算すると０．０１ｎｍ程度であり、このオーダの分解能は比較的高分解能といえる。この程度の分解能を有する分光分析光度計においては、室温のわずかな変動でも、その影響が分光器等に現れて、測定される波長にずれが生じやすいため、正確な応力・温度測定を行うには光学系を温度制御された雰囲気に設置する必要がある。

そこで、従来、前記ラマン散乱光と既知のピーク波長を有する参照光とを同時に光検出器に入射し、その光検出器で検出された参照光のピーク波長に基づいてラマンスペクトルの波長校正を行うことで、算出する温度や応力の精度を向上させる手法が特許文献１で提案されている。「同時に」測定するのは、ラマン散乱光の測定環境と参照光の測定環境とをできるだけ合致させるためである。

この特許文献１では、例えば励起光としてアルゴンレーザ等のガスレーザを用い、多数存在するプラズマラインをフィルタなどによりカットすることなく参照光とし、波長校正に用いるようにしている。また、特許文献２では、２波長を発振するアルゴンレーザを用いる方法、及び単色光を発振する２つのアルゴンレーザを用いる方法が提案されている。さらに、水銀ランプやネオンランプといった輝線スペクトルを有するランプを波長校正用光源（参照光光源）として用いることも可能である。
特開２００１−６６１９７公報 特開２０００−５５８０９公報

ところで、例えばラマン分光光度計による単結晶シリコンの応力・温度測定に関し、半導体プロセス装置に組み込めるようなモニタとしての適用が検討されているが、これを実現するためには、光学系の小型化、測定の高速化が重要になってくる。

前記小型化に関して言えば、上述のアルゴンレーザ等のガスレーザは、確かに、プラズマライン等の複数波長光を発振でき、１つの光源から励起光及び参照光を取り出せるものの、例えばラマン分光に必要なレーザパワーを発振できるものは寸法的に大きいものが多く、小型化することが難しい。またプラズマラインが測定対象物（試料）からでるラマンスペクトルのピーク波長近傍に出ない場合に、波長校正が困難となる。

これに対し、小型レーザ（例えばＤＰＳＳ等の固体レーザ）を用いることが考えられる。しかしながら、この種の小型固体レーザは単一波長のみを発振できるものがほとんどであり、波長校正を行うには、参照光を射出する別の光源が必要となって、やはり小型化を阻害する要因となる。また複数光源を用いると、各光源で別々に生じる揺らぎ等に起因して測定誤差が生じる可能性もある。

一方、測定の高速化に関して言えば、例えば前記参照光と、二次光とのピーク波長が大きく離れていると、分光器に広い範囲でスペクトルを測定できるものが必要となる。この要求を満たすものとして、回折格子を回転させて分光測定を行うタイプの分光器が挙げられる。このものは、高分解能が可能で波長精度もよいが、回折格子を回転させるという機構上、１回の測定を数秒で行うといった高速化が困難で、さらに回転機構を必要とするため小型化が難しい。この他に、ＣＣＤ検出器等を用いたポリクロメータ型のものも知られているが、このものは、確かに高速測定が可能であるものの、広い範囲でスペクトル測定をすると、分解能が低下し、応力・温度測定に十分な精度が得られなくなるおそれがある。このようなことから、高速化のためには、参照光にスペクトル幅の狭く且つ二次光のピーク波長からあまり離れていない特定波長の光を用いる必要がある。

そこで本発明は、この種の分光分析光度計乃至分光分析方法において、励起光の一部を蛍光材料等で構成した光発生素子に照射し、その光発生素子から発生する光から励起光とは異なる特定波長の参照光を取り出すようにしたものであって、光源として例えば固体レーザ等の単波長小型レーザを用いることができるようにし、装置の小型化や測定高速化が可能となるようにすることをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明に係るラマン分光分析光度計は、試料に励起光を照射して生じるラマン光を分光分析するにあたり、特定波長を有する参照光を利用して波長校正を行うようにしたラマン分光分析光度計であって、前記励起光の一部を分岐させる光分岐部と、その光分岐部で分岐した励起光を照射され、当該励起光とは異なる波長であり、所定の波長幅を有する光を発生する光発生素子と、その光発生素子で発生する光を分光する波長選択素子と、を備えてなり、前記波長選択素子によって、分光された光の中から、前記ラマン光の波長と重ならず且つ前記ラマン光のピーク波長近傍の特定波長を有し、前記光発生素子で発生した光よりスペクトル幅が狭い参照光を選択可能に構成したことを特徴とする。

このように構成した本発明によれば、励起光に含まれない波長の光を参照光として用いることができるため、励起光の光源の選択の自由度が増し、分光分析光度計の小型化に適した光源を用いることができる。また光源から射出される励起光の一部を適切に選んだ光発生素子へ入射させることで、二次光の波長校正を容易とする参照光を取り出すことができ、波長校正の高速化が期待できる。更に、単一の光源から励起光と参照光とを取り出すことで、参照光及び二次光の光源に起因する揺らぎの影響をキャンセルでき、新たな測定誤差の要因とはなりにくい。このように、参照光を用いた二次光の波長校正を行うことで測定精度を損なわずに、分光分析光度計の小型化と測定の高速化を行うことが可能であり、例えば半導体プロセス装置へ組み込むに適したものを提供できる。

具体的に、このような光度計の小型化に適した光源としては、励起光として単一波長のレーザ光を射出する小型固体レーザ等が挙げられる。

また、光発生素子として適切なものが利用できない等の理由で、その発生する光が所定範囲以上の広い波長幅を有するものであるなら、発生する光を回折格子やプリズム等の波長選択素子へ入射させることで、スペクトル幅の狭い特定波長の参照光を取り出すことが可能である。このような参照光であれば高速な分光器を高い分解能で用いることが可能となる。

好ましい光発生素子として波長変換素子又は蛍光材料を用いるのが良い。

上記の様な二次光の波長校正を行う高精度の分光分析光度計は、計測したスペクトルシフト量から試料の温度、構造、欠陥又は応力等の試料状態を算出する場合に最も有効に利用できる。

以下に本発明の第一の実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態にかかる分光分析光度計は、励起光であるレーザ光Ｌ１を出射する光源たる単一波長のレーザ光源１（半導体レーザ）を備え、そのレーザ光Ｌ１を試料４に照射し、その試料４から発生する二次光であるラマン散乱光Ｌ３を分光分析し、その結果得られたラマンスペクトルから試料４の温度、構造、欠陥又は応力等の試料状態を測定するもので、この実施形態では、前記分光分析にあたって既知のスペクトルを有した参照光Ｌ２を波長校正のために利用するようにしている。

図１はこの分光分析光度計を模式的に表したもので、この図中、符号１はレーザ光Ｌ１を発振するレーザ光源であり、また符号２は、レーザ光源１からのレーザ光Ｌ１を受けて参照光Ｌ２を発生する参照光発生用光学系、符号３はレーザ光Ｌ１を照射された試料４で発生するラマン散乱光Ｌ３及び前記参照光Ｌ２を受光して分光分析する光度計本体をそれぞれ示している。

ここで符号６はレーザ光Ｌ１及び参照光Ｌ２をそれぞれ試料４及び光度計本体３へ導くためのハーフミラー６である。

より詳細に説明を行うと、参照光発生用光学系２は、レーザ光Ｌ１の一部を分岐する光分岐部２１と、レーザ光Ｌ１を受け付け、受け付けたレーザ光Ｌ１とは異なる波長の光である参照光Ｌ２を発生する光発生素子２２と、参照光Ｌ２を受け付け、受け付けた参照光Ｌ２に含まれる特定波長の光のみを選択的に出射する波長選択素子２３とを備えたものである。

そして、光分岐部２１であるハーフミラー２１で分岐したレーザ光Ｌ１のどちらか一方（本実施形態では反射光Ｌ１）の光路上に光発生素子２２と波長選択素子２３とを、参照光Ｌ２を発生させそこから特定波長の光を取り出すように配置することで、参照光発生用光学系２がレーザ光Ｌ１とは異なるスペクトル幅の狭い特定波長の参照光Ｌ２を出力するように構成してある。

ここで、光発生素子２２は例えば蛍光ガラス等の蛍光材料を用いて構成したものであり、波長選択素子２３は例えば回折格子である。

また、光度計本体３は、入射した参照光Ｌ２及びラマン光Ｌ３を波長毎に分ける分光器３１と、前記波長毎の強度を検出するＣＣＤ等の検出器３２と、前記波長毎の強度より算出される参照光のスペクトルである参照光スペクトルとラマン光のスペクトルであるラマン光スペクトルとを識別し、参照光スペクトルに基づいてラマン光スペクトルを波長校正し、前記ラマンスペクトルに基づいて試料４の温度又は応力などを算出する図示しない演算処理部とを備えている。

このように構成した分光分析光度計による測定手順は、次のようになる。

レーザ光源１から発生したレーザ光Ｌ１は、参照光発生用光学系２に送られ、ハーフミラー２１によって励起用のレーザ光Ｌ１と参照光発生用のレーザＬ１に分けられる（光分岐ステップ）。励起用のレーザ光Ｌ１は第２のハーフミラー６で反射し対物レンズ５を介して試料４に照射される。レーザ光Ｌ１の照射により試料４から発生したラマン光Ｌ３は、再び対物レンズ４で集光され、ハーフミラー６を透過し、分光器３１へ導かれる。

一方、参照光発生用のレーザ光Ｌ１は光発生素子２２に照射され、レーザ光Ｌ１とは別の波長である参照光Ｌ２が出射される（異波長光発生ステップ）。そして、光発生素子２２から出射した参照光Ｌ２から波長選択素子２３により特定の単一の波長が取り出され（参照光抽出ステップ）、参照光発生用光学系２から出射され、第２のハーフミラー６で反射し分光器３１へ導かれる。

参照光Ｌ２はラマン光Ｌ３と同時に分光器３１内へ導かれ、分光器３１で波長毎に分けられ、検出器３２で光のスペクトルを表す強度信号に変換され、図示しない演算処理部で参照光スペクトルに基づいて波長校正されたラマン光スペクトルから試料４の温度又は応力などが算出される。

このように構成した分光分析光度計であれば、小型のレーザ光源１（例えば半導体レーザ）を用いることができるため、装置全体を小型なものとすることができる。

また、光発生素子２２より試料４から発生するラマン光Ｌ３の波長と重ならず且つあまり離れていない参照光Ｌ２を発生させ、前記参照光Ｌ２を波長選択素子２３を用いて特定波長を有するスペクトル幅が狭い参照光Ｌ２とすることで、スペクトル測定の必要な範囲を狭くできるので、測定の高精度化及び高速化が可能になる。

次に第二の実施形態について説明する。なお、この図中、前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付している。

図２は図１と類似した光学系２を有することを特徴とし、光の伝送に光ファイバｆ１，ｆ２，ｆ３を用いたラマン分光光度計の第二の実施形態の概略図である。

以下に図面を参照して説明する。

レーザ光源１及び分光光度計本体３は本発明の第一の実施形態と同様である。

参照光発生用光学系２は、レーザ光Ｌ１の一部を透過し一部を反射するハーフミラー２１を備えており、参照光用光学カプラ２４２を介して参照光用光ファイバｆ２の光導入端部が、又励起光用光学カプラ２４１を介して励起光用光ファイバｆ１の光導入端部がそれぞれ接続してあり、各光ファイバｆ１，ｆ２の光導出端部は、試料４に臨ませて設けられた光学ヘッド７に接続してある。この光学ヘッド７は、前記励起光用光ファイバｆ１から射出されるレーザ光Ｌ１を試料４に照射するものであって、その試料４から発生するラマン散乱光Ｌ３及び前記参照光用光ファイバｆ２から射出される参照光Ｌ２を前記光度計本体３に導くための光ファイバｆ３の光導入端部が接続してある。

そして、ハーフミラー２１で分岐した一方のレーザ光Ｌ１（本実施形態では反射光Ｌ１）の光路上に第一の実施形態と同様の前記光発生素子２２と前記波長選択素子２３とを参照光Ｌ２を発生させそこから特定波長の光を取り出すように配置してある。

このように構成した分光分析光度計による測定手順は、次のようになる。

レーザ光源１から発生したレーザ光Ｌ１は参照光発生用光学系２に送られる。参照光発生用光学系２で、レーザ光Ｌ１はハーフミラー２１によって励起用のレーザ光Ｌ１と参照光発生用のレーザ光Ｌ１に分けられる（光分岐ステップ）。励起用のレーザ光Ｌ１は光学カプラ２４１によって励起光用ファイバｆ１に導入され、光学ヘッド７に送られる。光学ヘッド７はレーザ光Ｌ１を試料４に照射し試料４からのラマン光Ｌ３を集光する。

一方、参照光発生用のレーザＬ１は、光発生素子２２に照射され、レーザ光Ｌ１とは別の波長である参照光Ｌ２が出射される（異波長光発生ステップ）。そして、光発生素子２２から出射した参照光Ｌ２から波長選択素子２３により特定の単一の波長が取り出され（参照光抽出ステップ）、光学カプラ２４２に取り込まれ、参照光用ファイバｆ２を介し、光学ヘッド７に導かれる。光学ヘッド７では試料４からのラマン光Ｌ３と共に光ファイバｆ３へ導かれ、分光器３１へ至る。ラマン光Ｌ３及び参照光Ｌ２は分光器３１で波長毎に分けられ、検出器３２で光のスペクトルを表す強度信号に変換され、図示しない演算処理部で参照光スペクトルに基づいて波長校正されたラマン光スペクトルから試料４の温度又は応力などが算出される。

このように構成した分光分析光度計であれば、第一の実施形態と同様の効果が得られるのに加え、更に光ファイバｆ１，ｆ２，ｆ３を用いて各光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を導くことで、分光分析光度計を構成する各部品の配置の自由度が増し、例えば半導体プロセス装置への取り付けに有利なものとなる。

次に第三の実施形態について説明する。なお、この図中、前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付している。

図３は、図２と同じく光ファイバｆ１，ｆ２，ｆ３を用いたラマン分光高度計の別の実施形態の概略図であるが、参照光発生用光学系２において、波長選択素子としてファイバグレーティング２３を用いたものである。

図２と異なる点は、参照光Ｌ２の参照光用ファイバｆ２への入射光である。すなわち、図３では光発生素子２２から発生した様々な波長の光は光学カプラ２４２によって参照光用ファイバｆ２に導かれるが、ファイバグレーティング２３を通過することで、波長校正用の単一波長の光のみが光学ヘッド７に導かれる。

このように構成した分光分析光度計であれば、第二の実施形態と同様の効果が得られる。

その他本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、光源として単一波長の小型固体レーザは分光分析光度計の小型化に適しているが、小型のガスレーザ等を用いることもできる。

また光発生素子は、所望の波長の参照光を作り出せるなら、蛍光材料によるものでなく、波長変換素子等であっても構わないし、波長選択素子はプリズム等であっても構わない。

更に、光分岐部において、ハーフミラーを透過する光を参照光発生用レーザ、反射する光を励起光とするように参照光発生用光学系を構成しても構わない。

本発明の第一の実施形態におけるラマン分光光度計の概略を示す構成図。 本発明の第二の実施形態におけるファイバ型ラマン分光光度計の概略を示す構成図 本発明の別の実施形態におけるファイバ型ラマン分光光度計の概略を示す構成図

符号の説明

２１…分岐部
２２…光発生素子
２３…波長選択素子
４…試料
Ｌ１…レーザ光
Ｌ２…参照光
Ｌ３…二次光

Claims (5)

1. 試料に励起光を照射して生じるラマン光を分光分析するにあたり、特定波長を有する参照光を利用して波長校正を行うようにしたラマン分光分析光度計であって、
   前記励起光の一部を分岐させる光分岐部と、その光分岐部で分岐した励起光を照射され、当該励起光とは異なる波長であり、所定の波長幅を有する光を発生する光発生素子と、その光発生素子で発生する光を分光する波長選択素子と、を備えてなり、前記波長選択素子によって、分光された光の中から、前記ラマン光の波長と重ならず且つ前記ラマン光のピーク波長近傍の特定波長を有し、前記光発生素子で発生した光よりスペクトル幅が狭い参照光を選択可能に構成したことを特徴とするラマン分光分析光度計。
2. 前記励起光が、単一波長のレーザ光である請求項１記載のラマン分光分析光度計。
3. 前記光発生素子が波長変換素子又は蛍光材料を用いて構成されている請求項１又は２記載のラマン分光分析光度計。
4. 前記二次光の波長校正後のスペクトルシフト量から前記試料の温度、構造、欠陥又は応力等の試料状態を算出するものである請求項１、２又は３記載のラマン分光分析光度計。
5. 試料に励起光を照射して生じるラマン光を分光分析するにあたり、既知のスペクトル分布を有する参照光を利用して波長校正を行うようにした分光分析方法であって、前記励起光の一部を分岐させる光分岐ステップと、その光分岐ステップで分岐した励起光を光発生素子に照射し、当該励起光とは異なる波長の光であり、所定の波長幅を有する光を発生させる異波長光発生ステップと、その異波長光発生ステップで発生した光の中から、前記ラマン光の波長と重ならず且つ前記ラマン光のピーク波長近傍の特定波長を有し、前記光発生素子で発生した光よりスペクトル幅が狭い参照光を選択する参照光選択ステップとを含むことを特徴とするラマン分光分析方法。