JP5825635B2

JP5825635B2 - 光学測定装置および光学測定方法

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Publication number: JP5825635B2
Application number: JP2012041169A
Authority: JP
Inventors: 多田　哲也; 哲也多田; ウラディミルポボルチィ
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: JP2013178115A

Description

本発明は、試料へ向けて励起光を照射し、励起光によって励起されて試料から放射される信号光を検出する光学測定装置および光学測定方法に関する。

Ｓｉデバイスの性能は、デバイス領域にかかる応力により大きく影響される。例えば、トランジスタのチャネル領域に加わる応力は電子や正孔の易動度に大きな影響を与えるので、近年、意図的に応力をかけることにより、デバイスの特性向上が図られるようになっている。しかしながら、トランジスタごとに加わる応力が異なると、特性がばらついてしまう。特に、シリコンなどの半導体のバンドギャップは応力に敏感に依存するので、応力の変動があると、トランジスタのしきい値電圧が変化し、集積回路が動作しなくなる。したがって、デバイス中にどのような応力が入っているのかを測定する手段の開発が重要な研究開発テーマとなっている。

ラマン散乱法は、Ｓｉデバイス領域の応力分布を非破壊測定できる方法の一つとして大きな注目を集めている。５２０ｃｍ^-1に現れるＳｉのラマンピークは、引っ張り応力が作用すると低波数側にシフトし、圧縮応力が作用すると高波数側シフトする。したがって、ラマンスペクトルのピーク波数シフトの空間分布を測定することにより、原理的には、応力分布を測定できる可能性がある。

ところが、ラマン散乱光のシフト量は、応力の大きさだけでなく、種類(応力が、一軸性あるいは二軸性の張力あるいは圧縮、または剪断応力などのいずれか)や方向に依存するので、通常、ラマンシフト量の測定だけでは、１軸性応力なのか、２軸性応力なのか、まして、どの方向の応力であるのか等の情報は分からず、応力の大きさの定量測定も不可能であった。このような理由により、従来のラマン散乱測定は、応力分布の定性的な測定に留まっていた。

ここで、Ｓｉ等、ダイヤモンド格子の結晶のラマンモードは、３重に縮退しており、縦光学(ＬＯ)フォノンに起因する一つのモード（以下、ＬＯフォノンモードと記載する。）と横光学(ＴＯ)フォノンに起因する二つのモード（以下、ＴＯフォノンモードと記載する。）とからなる。この縮退は、応力を印加すると分裂し、その分裂の仕方は応力の種類や方向により異なるため、特許文献１や非特許文献１に記載されているように、ラマンモードの分裂の仕方を解析すれば、応力の種類や、方向、大きさを評価することが可能になる。例えば、非特許文献１では、Ｓｉの(１１０)面での測定をもとに応力解析を行っている。(１１０)面では、ＬＯフォノンモードとＴＯフォノンモードの双方を測定することが可能となる。

特開２００９−１４５１４８号公報

T.Tada, V. Poborchii, and T. Kanayama; Journal of Applied Physics, 107, 113539,(2010) VladimirPoborchii, Tetsuya Tada, and Toshihiko Kanayama; Applied Physics Letters, 97,041915, (2010)

通常、Ｓｉデバイスは、Ｓｉ(００１)表面に作製されるが、(００１)面での後方散乱配置では、三つのラマンモードのうちＬＯフォノンモードしか検出することはできない。これは、(００１)面における後方散乱配置では、励起光の偏光方向は、試料表面である(００１)面に平行になるが、ラマン選択則によると、(００１)面に平行な光による励起では、ＬＯフォノンモードしか検出できず、ＴＯフォノンモードは、(００１)面に垂直な偏光を用いないと励起できないからである。

したがって、Ｓｉでも、(００１)面に垂直な偏光成分を有する光で励起してやれば、二つのＴＯフォノンモードを検出することが可能になり、(００１)面に平行な偏光で励起して得られるＬＯフォノンモードの情報と合わせて、応力の種類や方向、大きさに関する解析を行うことが可能になる。

ここで、後方散乱配置の顕微ラマン測定では、高い開口数(ＮＡ)の対物レンズを用いると、対物レンズ周辺部を通ってきた光は、Ｓｉ(００１)面に浅い角度で入射するため、大きな垂直方向(［００１］方向)の偏光成分を有することになるため、垂直方向の偏光成分で励起されるＴＯフォノンモードも検出することが可能になる。

ところが、図２(ａ)に示されているように、対物レンズ中心に対して互いに１８０度反対側(すなわち対物レンズの中心に関して点対称な位置)を通ってきた光は、焦点において、集光された光の垂直方向(詳細には試料面に垂直な方向)の偏光成分が打ち消される一方、横方向(試料面に平行な方向)の偏光成分は強め合うようになっているため、横方向の偏光で励起されるラマンモードの信号が極めて大きくなり、垂直方向の偏光成分で励起される信号成分が覆い隠されてしまうという問題点があった。

よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題点を解消して、光学測定において、試料表面に垂直な偏光方向の光で励起することを可能にすることにある。また、他の目的は、ラマン測定において、試料表面に垂直な偏光方向の光で励起して、様々なラマンモードの信号を検出することにより、結晶中の内部応力の方向や種類、大きさを評価することを可能にすることにある。

上記目的に鑑み、本発明は、第１の態様として、試料へ向けて励起光を照射し、励起光によって励起されて試料から放射される信号光を検出器によって検出する光学測定装置であって、前記試料へ向かう前記励起光の光路上に配置されるＺ偏光子と、前記Ｚ偏光子により偏光された励起光を試料面に集光する対物レンズと、前記試料から前記検出器へ向かう前記信号光の光路上に配置される直線偏光子とを備え、前記Ｚ偏光子を用いた偏光と前記対物レンズによる集光とにより、前記試料面に垂直な偏光方向の励起光を前記試料面に入射させると共に、前記直線偏光子を用いた偏光で、前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起された前記信号光のうちの予め定められた偏光方向の前記信号光を前記検出器に入射させ、検出させるようにした光学測定装置を提供する。

上述したように、従来の光学測定装置では、図２(ａ)に示されているように、対物レンズ中心に関して点対称な位置を通ってきた光は、焦点において、集光された光の垂直方向の偏光成分が打ち消される一方、横方向(試料面に平行な方向)の偏光成分は強め合うようになっており、試料面に垂直な方向の偏光成分を十分に含んだ光を試料に照射することができなかった。そこで、上記光学測定装置では、励起光の光路中にＺ偏光子を配置し、対物レンズの中心に関して点対称な位置を通過する光の電場ベクトルの方向(偏光方向)を１８０度反転させた後に対物レンズで集光させている。これにより、図２(ｂ)のように、試料面に対して垂直方向の偏光成分は強め合い、横方向(試料面に対して平行な方向)の偏光成分は打ち消し合うことになる。したがって、試料面に垂直な方向の偏光成分を十分に含んだ励起光を試料に照射することが可能になる。

上記光学測定装置では、前記信号光が前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起されたラマン散乱光であることが好ましい。この場合、前記検出器によって検出されたラマン散乱光のスペクトルのピークのシフト量に基づいて、前記試料に作用する応力を測定することができる。

上述したように、上記光学測定装置では、励起光の光路中にＺ偏光子を配置することによって、試料面に対して垂直方向の偏光成分は強め合い、横方向(試料面に対して平行な方向)の偏光成分は打ち消し合うことができるので、信号光としてラマン散乱光を利用するラマン散乱測定において、試料面に垂直な方向の偏光成分で励起されるＴＯフォノンモードをより強く検出することができるようになり、詳細な応力解析が可能となる。

前記Ｚ偏光子は、例えば、二つの半波長板によって構成することができる。

上記光学測定装置は、前記試料へ向かう前記励起光の光路上であって前記Ｚ偏光子の後ろに配置される直線偏光子をさらに備え、前記Ｚ偏光子によって偏光された励起光のうちの予め定められた偏光方向の励起光を前記試料面に照射させるようになっていることが好ましい。

また、上記光学測定装置は、前記対物レンズの中央部を通る光を遮断し且つ前記対物レンズの中央部の周辺部で励起光の通過を許容する絞りをさらに備えることが好ましい。

さらに、本発明は、第２の態様として、試料へ向けて励起光を照射し、励起光によって励起されて試料から放射される信号光を検出する光学測定方法であって、Ｚ偏光子で偏光した励起光を対物レンズで試料面に集光し、入射させると共に、直線偏光子を用いた偏光で、前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起された前記信号光のうちの予め定められた偏光方向の前記信号光を検出するようにした光学測定方法を提供する。

上記光学測定方法では、前記信号光が前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起されたラマン散乱光であることが好ましい。この場合、検出されたラマン散乱光のスペクトルのピークのシフト量に基づいて、前記試料に作用する応力を測定することができる。

例えば、二つの半波長板によってＺ偏光子を構成することができる。

さらに、前記Ｚ偏光子を通った励起光をさらに直線偏光子に通して、前記Ｚ偏光子によって偏光された励起光のうちの予め定められた偏光方向の励起光を前記試料面に照射させることが好ましい。

また、前記対物レンズの中央部を通る光を遮断し且つ前記対物レンズの中央部の周囲で励起光の通過を許容するようにすることが好ましい。

前記試料は、ダイヤモンド構造又は閃亜鉛鉱型構造を有する結晶としてもよく、Ｓｉ、Ｇｅ及びＩＩＩ−Ｖ族結晶からなる群の一つとすることもできる。

さらに、上記光学測定方法では、例えば、前記Ｚ偏光子による偏光と前記対物レンズによる集光とにより前記試料の＜１１０＞方向に偏光した励起光を前記試料に入射させて前記信号光を励起し、前記信号光の光路上に配置された前記直線偏光子によって前記試料の＜１１０＞方向と垂直な偏光方向の信号光を前記検出器に入射させてもよく、また、前記Ｚ偏光子による偏光と前記対物レンズによる集光とにより前記試料の＜１００＞方向に偏光した励起光を前記試料に入射させて前記信号光を励起し、前記信号光の光路上に配置された前記直線偏光子によって前記試料の＜１００＞方向と平行な偏光方向の信号光を前記検出器に入射させてもよい。

本発明の光学測定装置及び方法によれば、試料面に垂直な方向の偏光成分で励起されるＴＯフォノンモードをより強く検出することができるようになり、試料面に平行な方向の偏光成分で励起されるＬＯフォノンモードの情報と併せれば、応力の種類や方法、大きさに関する詳細な応力解析が可能となる。

本発明の一実施形態による光学測定装置の全体構成図である。試料に照射される偏光の状態について、Ｚ偏光子を用いない従来の光学測定装置及び方法とＺ偏光子を用いた本発明による光学測定装置及び方法とを対比して示した模式図であり、(ａ)が従来の光学測定装置における偏光の状態を示し、(ｂ)が本発明による光学測定装置における偏光の状態を示す。Ｚ偏光子の構造の模式図であり、(ａ)は８枚の半波長板を組み合わせてＺ偏光子を構成した場合、(ｂ)は２枚の半波長板を組み合わせてＺ偏光子を構成した場合を示している。Ｚ偏光子が透過前後で偏光方向をどのように回転するかを示した説明図である。試料であるＳｉに入射する励起光を示した模式図である。Ｚ偏光子を用いない場合と１２個の波長板からなるＺ偏光子を用いた場合とを比較して示したＳｉのラマンスペクトルである。Ｓｉのラマンスペクトルの実測データをローレンツ曲線でフィットした結果と共に示しており、(ａ)はＺ偏光子と直線偏光子を用いた場合のラマンスペクトルであり、(ｂ)は直線偏光子のみを用いた場合のラマンスペクトルである。Ｚ偏光子及び直線偏光子に加えて、対物レンズの中心部を通る励起光を遮断し且つその周辺部において励起光の通過を許容するように絞りを用いた場合に測定されたラマンスペクトルを二つのローレンツ曲線でフィットした結果と共に示している。

以下、図面を参照して、本発明による光学測定装置及び方法を説明する。

最初に、図１を参照して、本発明の一実施形態による顕微光学測定装置の全体構成を説明する。
図１を参照すると、顕微光学測定装置１０は、試料１２へ向かって励起光を出射する励起用光源１４と、Ｚ偏光子１６と、第１の直線偏光子１８と、ノッチフィルタ２０と、対物レンズ２２と、第２の直線偏光子２４と、分光器２６と、検出器２８とを備える。励起用光源１４としては、連続発振又はパルス発振するレーザー光源が用いられる。顕微光学測定装置１０では、励起用光源１４から出射された励起光は、励起光光路に沿って試料１２へ導かれ、励起光によって励起されて試料から放射された信号光が信号光光路に沿って検出器２８に入射されて、検出される。

励起光光路上には、Ｚ偏光子１６と、第１の直線偏光子１８と、ノッチフィルタ２０と、対物レンズ２２と、ミラー３０とが配置されており、Ｚ偏光子１６及び第１の直線偏光子１８によって偏光された励起光がミラー３０及びノッチフィルタ２０によって反射されて励起光光路に沿って進み、対物レンズ２２によって試料面に集光される。一方、信号光光路上には、対物レンズ２２と、ミラー３０と、ノッチフィルタ２０と、第２の直線偏光子２４と、分光器２６と、検出器２８とが配置されている。励起光によって励起され試料から放射された信号光は、対物レンズ２２及びミラー３０を介してノッチフィルタ２０へ導かれる。ノッチフィルタ２０は、特定の波長範囲の光を透過させる一方で、特定の波長範囲以外の光を反射させるフィルタであり、ここでは、励起光を反射させる一方で、励起光の波長以外の光を透過させるように選択されている。すなわち、ノッチフィルタ２０は、励起光光路に沿って進んできた励起光や試料１２で反射された励起光は反射する一方、励起光によって励起された信号光は透過させて、励起光と信号光とを分離させる。そして、ノッチフィルタ２０を透過した信号光は信号光光路に沿って進んで、第２の直線偏光子１８によって信号光のうちの特定の偏光方向の信号光が分光器２６に入射されて分光された後、検出器２８によって測定される。なお、ノッチフィルタ２０に代えて、エッジフィルタを用いても同様の作用を得ることができる。

ところで、高い開口数(ＮＡ)の対物レンズを用いる場合、対物レンズの周辺部(すなわち周縁側)を通ってきた光は、試料面に浅い角度で入射するため、垂直方向の偏光成分が大きくなる。したがって、特に、顕微ラマン測定では、垂直方向の偏光成分で励起されるＴＯフォノンモードも検出することが可能になる。ところが、図２(ａ)に示されているように、対物レンズ２２の中心に関して点対称の位置(対物レンズ２２の中心に対して互いに１８０度反対側の位置)を通ってきた光は、焦点において、集光された光の垂直方向の偏光成分が打ち消されるようになっていると共に、横方向(試料面に平行な方向)の偏光成分は強め合うようになっている。このため、横方向の偏光で励起される信号光成分が極めて大きくなり、垂直方向の偏光成分で励起される信号光成分が覆い隠されてしまい、例えばＴＯフォノンモードを実際に検出することは困難であった。そこで、上記顕微光学測定装置１０では、励起光光路上においてノッチフィルタ２０及び対物レンズ２２の前段にＺ偏光子１６を配置し、図２(ｂ)に示されているように、対物レンズ２２の中心に関して点対称の位置を通る光の電場ベクトルの方向(偏光方向)を１８０度反転させている。これにより、Ｚ偏光子１６の進相軸が９０度ずれた部分を通った光は、互いに電場ベクトルの位相が１８０度ずれるため、励起光が対物レンズ２２によって試料面に集光される焦点位置では試料面に平行な方向の偏光成分を打ち消す一方で試料面に垂直な方向の偏光成分を強めることができるようになる。

なお、図２では、光線が太い実線の矢印で、光の電場ベクトルの方向（偏光方向）が点線の矢印で示されており、また、図２の拡大図中では、細い実線の矢印で平行成分と垂直成分が示されている。

ここで、Ｚ偏光子１６とは、図３(ａ)及び(ｂ)に示されているように、中心角が１８０°／ｎ（ｎは正の整数）の扇形２ｎ個の半波長板あるいは１８０°／ｎの頂点を持つ多角形２ｎ個の半波長板が１８０°／ｎの頂点を互いに共有するように接して並べられ、隣合う半波長板の進相軸の角度が右回りに９０°／ｎずつ回転していく構造となっている光学素子である。図３(ａ)には、８枚の半波長板を組み合わせることによって構成されたＺ偏光子１６の例が示されており、図３(ｂ)には、２枚の半波長板を組み合わせることによって構成されたＺ偏光子１６の例が示されている。

半波長板は、通過した光の進相軸に平行な電場ベクトル成分の位相が、(進相軸と９０°の角度をなす)遅相軸に平行な電場ベクトルの位相に対して１８０°進むという性質を有している。したがって、Ｚ偏光素子の０°の進相軸に平行な偏光が入射すると、０°のセグメントを通った光の偏光方向は変化しないが、(９０°／ｎ)×ｍ(ｍは１〜ｎの整数)の進相軸のセグメントを通ると、電場ベクトルの方向が(１８０°/ｎ)×ｍだけ回転するため、偏光方向が放射状に広がることになる(図４参照)。このＺ偏光子を通ってきた光が、開口数ＮＡの高い対物レンズを透過すると、焦点位置において試料面と平行な偏光成分(平行偏光成分)は焦点位置で互いに打ち消し合う一方、試料面に垂直な方向の偏光は互いに強め合うため、垂直偏光で試料を強く励起することができることになる。Ｚ偏光子で組み合わせる半波長板の枚数は図３(ａ)及び(ｂ)から分かるように、枚数が多いほど隣り合う半波長板のセグメントを通った偏光方向が、より細かい角度ステップで回転していき、焦点位置でより効率的に垂直方向の偏光が強められる。しかし、後述するように、本目的のためには半波長板が２枚であれば十分である。

次に、第１の直線偏光子１８と第２の直線偏光子２４の作用を説明する。

例えば、Ｓｉの高空間分解能ラマン顕微分光測定では、波長３６４ｎｍの励起光が使われるが、この波長におけるＳｉの屈折率は、ｎ_Si＝６.５と非常に大きい。そのため、例えば、ＮＡ＝１.４の高開口数の対物レンズを使っても、実効的な開口数ＮＡ_eff＝ＮＡ／ｎ_Siが０.２２と小さくなってしまう。これでは、浅い角度でＳｉに励起光が入射しても、図５に示すように、入射角度が屈折により試料面にほぼ垂直になり、垂直偏光成分が非常に小さくなってしまう。このため、平行偏光成分で励起される信号光の強度が垂直偏光成分で励起される信号の強度よりも非常に大きくなってしまう。この結果、ラマン散乱光を用いた応力測定などでは、Ｚ偏光子１６で取り切れなかった平行偏光成分で励起されるＬＯフォノンモードの強度が、垂直偏光成分で励起されるＴＯフォノンモードよりも非常に大きくなってしまい、結果としてＴＯフォノンモードの検出が困難になってしまう。

ここで、ラマン散乱光は、ラマン選択則により励起光の偏光方向に対してある一定の偏光方向をもっているため、信号光光路上に第２の直線偏光子を配置して、信号光中のＬＯフォノンモードの信号を遮断すれば、ＴＯフォノンモードのラマン散乱光を選択的に検出することができる。しかしながら、図４に示すように、Ｚ偏光子を挿入すると励起光の偏光方向の試料面に水平な成分は、回転して、一定の偏光方向ではなくなるため、信号光光路上にＬＯフォノンモードの信号を遮断するように直線偏光子を設置することは不可能である。そこで、図１のように、励起光光路上でＺ偏光子１６の後段に第１の直線偏光子１８を導入し、偏光方向を一定方向に制限すれば、検出光側にＬＯフォノンモードの信号をカットするように直線偏光子を設置することが可能となる。

例えば、Ｓｉにおけるラマン選択則によると、[１１０]に平行な偏光の励起光を入射する場合は、ＬＯフォノンモードの信号の偏光方向は、励起光の偏光方向と垂直な[１−１０]方向の偏光方向を有する。したがって、励起光光路上(すなわち入射側)に［１１０］偏光を透過させる直線偏光子を配置した場合は、［−１１０］偏光を透過させる直線偏光子を信号光光路上（すなわち出射側）に挿入することにより、ＬＯフォノンモードの信号をカットできる。同様に、［１００］偏光の励起光を入射させる場合は、［１００］偏光に平行な偏光を通す直線偏光子を励起光光路上と信号光光路上に挿入することによりＬＯフォノンモードをカットすることができる。

なお、図３（ｂ）に示されているように、２枚の半波長板を組み合わせてＺ偏光子１６を構成している場合は、偏光方向が１８０°反転するだけなので、励起光光路上の第１の直線偏光子１８を省略することも可能である。しかしながら、この場合でも、Ｚ偏光子１８を透過した後に偏光が乱れることがあるので、それを修正する観点から第１の直線偏光子１８を挿入しておいても良い。

また、対物レンズ２２の中心部を通過する光は、深い角度で入射するため、平行偏光成分が大きく、垂直偏光成分が小さい。よって、対物レンズ２２の中央部を通過する光を遮断し、中央部の周辺部で光の通過を許容するような絞り３２を挿入することにより、ＴＯフォノンモードをより選択的に検出することができるようにすることが好ましい。図１に示されている顕微光学測定装置１０では、絞り３２が対物レンズ２２の前段に挿入されているが、絞り３２を挿入する位置は、対物レンズ２２の後段でもよい。

非特許文献２に、高い開口数の対物レンズと直線偏光子のみを用いて、ＴＯフォノンモードを測定する例が記載されているが、この場合、ＴＯフォノンモードの信号強度より、ＬＯフォノンモードの信号強度の方が強く観測されている。これに対して、Ｚ偏光子と直線偏光子を用いる本発明による光学測定装置及び方法によれば、ＴＯフォノンモードをより選択的に検出することができるため、印加されている応力が小さく、ＴＯフォノンモードとＬＯフォノンモードのピーク位置の差が小さい場合でも、ＴＯフォノンモードをより強く検出できるので、ピーク位置を正確に決めることができ、応力解析に威力を発揮する。

また、本発明による光学測定装置及び方法の対象は、Ｓｉに限らず、ダイヤモンド構造閃亜鉛鉱型構造をもつ結晶、Ｇｅ、ＩＩＩ−Ｖ族結晶のように、ラマン選択則により、試料面に垂直な偏光をもつ励起光を用いた場合と、試料面に平行な偏光をもつ励起光を用いた場合とでは、異なるラマンモードが検出されるような試料に対しても有効である。さらに、検出する信号光も、ラマン散乱に限らず、試料面に垂直な偏光で励起される信号光が、試料面に平行な偏光で励起される信号が異なる場合、試料面に垂直な偏光で励起される信号を選択的に検出するのに有効である。

このように、本発明にの光学測定装置及び光学測定方法によれば、ＴＯフォノンモードのラマン散乱光を検出することができるようになり、検出されたラマン散乱光のスペクトルのピークのシフト量に基づいて、試料に作用する応力を測定することが可能になる。

以上、図１に示される顕微光学測定装置１０を参照して、本発明による光学測定装置及び方法について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、光学測定装置の構造は、図１に示されている顕微光学測定装置１０の構造に限定されるものではなく、例えば第１の直線偏光子１８を省略したり、絞り３２を省略してもよい。

ＢＯＸ（ＢｕｒｉｅｄＯｘｉｃｉｄｅ）層の上に、８０ｎｍのＳｉＧｅ層、その上に、１５ｎｍの歪みＳｉ層が形成されたＳＳＧＯＩ基板を試料とした。ラマンスペクトルは、ＮＡ＝１.４の油浸の対物レンズ２２を装着した共焦点顕微ラマン分光システムを用いて測定した。励起光の波長は３６４ｎｍ、偏光方向はＳｉ［１１０］に平行とした。

このＳＳＧＯＩ基板の顕微ラマンスペクトルを、励起用光源１４から発せられた励起レーザー光が励起光光路上において対物レンズ２２に入射する前に１２セグメント（１２枚の半波長板）からなるＺ偏光子１６を挿入した場合と、挿入しなかった場合について測定してみたところ、図６に示されているように、測定された顕微ラマンスペクトルは両者とも同じ形状で、５１３.３ｃｍ^-1にピークを有するローレンツ曲線一つでフィットできた。すなわち、何れの場合でも、ほとんど、ＬＯモードしか検出されなかったことがわかる。これは上述したように、Ｓｉの３６４ｎｍにおける屈折率が６.５と非常に大きいため、ＮＡ＝１.４の対物レンズ２２を用いても、実効的な開口数ＮＡ_eff＝ＮＡ／ｎ_Siが０.２２と小さくなって、垂直偏光成分が非常に小さくなってしまい、Ｚ偏光子１６で取りきれなかった励起光の平行偏光成分によって励起されたＬＯモードの信号強度が、ＴＯモードの信号強度に比べ、極めて大きくなってしまうためである。

実施例１で測定した試料において、［１１０］偏光で励起されたＬＯモードのラマン散乱光は、［１１０］方向の偏光成分を有するため、偏光方向が［１１０］方向になるように励起光光路上であってＺ偏光子１６の後段に第１の直線偏光子１８を設置し、励起光光路上に［１１０］方向の偏光成分をカットするように第２の直線偏光子２４を挿入すれば、ＴＯモードの信号を選択的に検出できる。１２セグメント(１２枚の半波長板)からなるＺ偏光子１６と第１の直線偏光子１８及び第２の直線偏光子２４とを用いて測定した結果を図７(ａ)に示し、第１の直線偏光子１８及び第２の直線偏光子２４のみを用いて測定した結果を図７(ｂ)に示す。双方とも、ＴＯモードとＬＯモードを検出することができているが、Ｚ偏光子１６を用いずに第１の直線偏光子１８及び第２の直線偏光子２４のみを用いた場合は、ＬＯフォノンモードの強度が、ＴＯフォノンモードの強度よりも強いが、Ｚ偏光子１６と第１の直線偏光子１８及び第２の直線偏光子２４とを用いた場合は、ＴＯフォノンモードの方を強く検出することができた。

なお、２セグメントからなるＺ偏光子１６を用いる場合、励起レーザーの偏光方向を正確に［１１０］方向に調整すれば、励起光光路上の第１の直線偏光子１８を省略することが可能である。

実施例２で測定した試料において、Ｚ偏光子１６と第１の直線偏光子１８及び第２の直線偏光子２４に加え、対物レンズ中心部を通過する励起光を遮断し、周辺部(中心部よりも外側の部分)を通過する光を通すような絞り３２を、対物レンズ２２の前に挿入し、ラマンスペクトルを測定した。図８に示されているように、ＴＯフォノンモードが、ＬＯフォノンモード対して、さらに強く検出することができた。測定された、ＬＯフォノンモード、ＴＯフォノンモードのそれぞれのピーク位置、５１３.４ｃｍ^-1、５１４.９ｃｍ^-1から、ＳＳＧＯＩ基板には１.６ＧＰａの等方的２軸張力が印加されていることが分かった。

本発明は、計測機器、半導体産業、例えば、シリコン基板・デバイスのひずみ分布測定装置等に広く利用することが可能である。

１０顕微光学測定装置
１２試料
１４励起用光源
１６Ｚ偏光子
１８第１の直線偏光子
２０ノッチフィルタ
２２対物レンズ
２６分光器
２８検出器
３０ミラー
３２絞り

Claims

試料へ向けて励起光を照射し、励起光によって励起されて試料から放射される信号光を検出器によって検出する光学測定装置であって、
前記試料へ向かう前記励起光の光路上に配置されるＺ偏光子と、前記Ｚ偏光子により偏光された励起光を試料面に集光する対物レンズと、前記試料から前記検出器へ向かう前記信号光の光路上に配置される直線偏光子とを備え、前記Ｚ偏光子を用いた偏光と前記対物レンズによる集光とにより、前記試料面に垂直な偏光方向の励起光を前記試料面に入射させると共に、前記直線偏光子を用いた偏光で、前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起された前記信号光のうちの予め定められた偏光方向の前記信号光を前記検出器に入射させ、検出させるようにしたことを特徴とする光学測定装置。
前記信号光が前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起されたラマン散乱光である、請求項１に記載の光学測定装置。
前記光学測定装置は、前記検出器によって検出されたラマン散乱光のスペクトルのピークのシフト量に基づいて、前記試料に作用する応力を測定する、請求項２に記載の光学測定装置。
前記Ｚ偏光子は二つの半波長板からなる、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の光学測定装置。
前記試料へ向かう前記励起光の光路上であって前記Ｚ偏光子の後ろに配置される直線偏光子をさらに備え、前記Ｚ偏光子によって偏光された励起光のうちの予め定められた偏光方向の励起光を前記試料面に照射させる、請求項１から請求項４の何れか一項に記載の光学測定装置。
前記対物レンズの中央部を通る光を遮断し且つ前記対物レンズの中央部の周辺部で励起光の通過を許容する絞りをさらに備える、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の光学測定装置。
試料へ向けて励起光を照射し、励起光によって励起されて試料から放射される信号光を検出する光学測定方法であって、
Ｚ偏光子で偏光した励起光を対物レンズで試料面に集光し、入射させると共に、直線偏光子を用いた偏光で、前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起された前記信号光のうちの予め定められた偏光方向の前記信号光を検出するようにしたことを特徴とする光学測定方法。
前記信号光が前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起されたラマン散乱光である、請求項７に記載の光学測定方法。
検出されたラマン散乱光のスペクトルのピークのシフト量に基づいて、前記試料に作用する応力を測定する、請求項８に記載の光学測定方法。
二つの半波長板によってＺ偏光子を構成するようにした、請求項７に記載の光学測定方法。
前記Ｚ偏光子を通った励起光をさらに直線偏光子に通して、前記Ｚ偏光子によって偏光された励起光のうちの予め定められた偏光方向の励起光を前記試料面に照射させる、請求項７又は請求項１０に記載の光学測定方法。
二つの半波長板によってＺ偏光子を構成するようにした、請求項８又は請求項９に記載の光学測定方法。
前記Ｚ偏光子を通った励起光をさらに直線偏光子に通して、前記Ｚ偏光子によって偏光された励起光のうちの予め定められた偏光方向の励起光を前記試料面に照射させる、請求項８、請求項９又は請求項１２の何れか一項に記載の光学測定方法。
前記対物レンズの中央部を通る光を遮断し且つ前記対物レンズの中央部の周囲で励起光の通過を許容するようにする、請求項７から請求項１３の何れか一項に記載の光学測定方法。
前記試料は、ダイヤモンド構造又は閃亜鉛鉱型構造を有する結晶である、請求項８、請求項９、請求項１２又は請求項１３の何れか一項に記載の光学測定方法。
前記試料はＳｉ、Ｇｅ及びＩＩＩ−Ｖ族結晶からなる群の一つである、請求項８、請求項９、請求項１２又は請求項１３の何れか一項に記載の光学測定方法。
前記Ｚ偏光子による偏光と前記対物レンズによる集光とにより前記試料の＜１１０＞方向に偏光した励起光を前記試料に入射させて前記信号光を励起し、前記信号光の光路上に配置された前記直線偏光子によって前記試料の＜１１０＞方向と垂直な偏光方向の信号光を前記検出器に入射させる、請求項１５又は請求項１６に記載の光学測定方法。
前記Ｚ偏光子による偏光と前記対物レンズによる集光とにより前記試料の＜１００＞方向に偏光した励起光を前記試料に入射させて前記信号光を励起し、前記信号光の光路上に配置された前記直線偏光子によって前記試料の＜１００＞方向と平行な偏光方向の信号光を前記検出器に入射させる、請求項１５又は請求項１６に記載の光学測定方法。