JP2017207522A - 顕微ラマン分光装置および顕微ラマン分光システム - Google Patents

Abstract

【課題】ラマン励起光の波長以下のサイズを有する微小試料の位置検出およびラマン測定ができる顕微ラマン分光装置、ならびに顕微ラマン分光システムを提供する。
【解決手段】顕微ラマン光学系１００は、半導体ウェハの主面上の微小試料１０の位置を検出するためのレーザ光を、微小試料１０へ照射する斜射光学系１３０と、ラマン散乱光を励起するためのレーザ光を、微小試料１０へ照射する落射光学系と、を有する。微小試料１０の位置を検出するためのレーザ光は、半導体ウェハの主面に対して斜め方向から微小試料１０へ照射され、ラマン散乱光を励起するためのレーザ光は、半導体ウェハの主面に対して垂直に微小試料１０へ照射され、微小試料１０の位置は、暗視野顕微画像によって認識される。
【選択図】図１

Description

本発明は、顕微ラマン分光装置および顕微ラマン分光システムに関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００１−２１５１９３号公報（特許文献１）がある。この公報には、異物検査装置によって得られた異物情報を利用できる顕微ラマン分光システムが記載されている。この顕微ラマン分光システムは、予め別の異物検査装置により求められた異物の位置情報に基づいて、光学顕微鏡の下にその異物の像を再現する機能を備えたステージを採用する。また、この顕微ラマン分光システムは、内蔵されたデータベースに基いて、測定された異物のラマンスペクトルから異物の物質名を検索する機能を備える。

特開２００１−２１５１９３号公報

しかしながら、異物のサイズがラマン励起光の波長以下、例えば１μｍ以下の場合、異物検査装置ではその位置が分かっても、前述の特許文献１の顕微ラマン分光システムではその位置を検出することが難しい。

また、異物が微小であるため、バックグランドのラマン信号が強いまたはＳＮ比が悪いと、ラマン測定ができない可能性がある。

また、異物が微小であるため、ラマン測定点が小さく、かつ露光時間が長くなるので、温度などによる異物のドリフトまたは異物自体の移動により、ラマン測定ができない可能性がある。

上記課題を解決するために、本発明による顕微ラマン光学系は、検査体の面上の試料の位置を検出するための第１レーザ光を、試料へ照射する１つまたは２つ以上の第１光学系と、ラマン散乱光を励起するための第２レーザ光を、試料へ照射する１つまたは２つ以上の第２光学系と、を有する。第１レーザ光は、検査体の面に対して９０度未満の第１角度を有する第１方向から試料へ照射され、試料の位置は、暗視野顕微画像によって認識される。

本発明によれば、ラマン励起光の波長以下のサイズを有する微小試料の位置検出およびラマン測定ができる顕微ラマン分光装置、ならびに顕微ラマン分光システムを提供することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

実施例１による顕微ラマン分光装置に備わる顕微ラマン光学系の一例を示す構成図である。 実施例１による微小試料の位置を検出するためのレーザ光およびラマン散乱光を励起するためのレーザ光の種々の照射の態様を説明する模式図である。（ａ）は、ラマン励起光を分岐して、斜射照明と落射照明とを採用した光学系を示す模式図である。（ｂ）は、ラマン励起光を分岐して、複数の斜射照明を採用した光学系を示す模式図である。（ｃ）は、ラマン励起光を分岐せず、斜射照明を採用した光学系を示す模式図である。（ｄ）は、ラマン励起光を分岐せず、微小試料を傾けて落射照明を採用した光学系を示す模式図である。 実施例１による顕微ラマン分析システムの一例を示す斜視図である。 実施例１による顕微ラマン分析システムの一例を示す断面図である。 実施例１による第１の顕微ラマン光学系（斜射光学系および落射光学系のそれぞれの対物レンズより先の領域）を拡大して示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）はそれぞれ、実施例１による微小粒子の走査型電子顕微鏡像、明視野像、暗視野像、およびラマンイメージの一例を示す画像図である。 実施例１による第２の顕微ラマン光学系（斜射光学系および落射光学系のそれぞれの対物レンズより先の領域）を拡大して示す模式図である。 実施例１による第３の顕微ラマン光学系（斜射光学系および落射光学系のそれぞれの対物レンズより先の領域）を拡大して示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、実施例１による微小試料のラマン測定の一例を示す模式図、および実施例１による微小試料のラマン測定の他の例を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、実施例１による斜射光学系のレーザ光を広視野範囲に照射した場合の画像図、および実施例１による斜射光学系のレーザ光を狭視野範囲に照射した場合の画像図である。 実施例１による斜射光学系のレーザ光を狭視野範囲に照射した場合のカメラの全視野像を示す画像図である。 実施例１による微小試料の追従機能を説明する画像図である。 実施例１によるラマンイメージングの走査方法を説明する画像図である。 実施例１による顕微ラマン分光装置の動作フローの一例を説明するフロー図である。 実施例２によるロードポート型の顕微ラマン分光装置を備える顕微ラマン分析システムの一例を示す断面図である。 実施例３による簡易型の顕微ラマン分光装置の一例を示す断面図である。

以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

実施例１では、半導体ウェハ上の微小試料をラマン測定する顕微ラマン分光装置および顕微ラマン分光システムの一例について説明する。

ここで、半導体ウェハ上の微小試料とは、製造歩留りを下げる微小異物、デバイス特性に影響を及ぼす局所歪、またはキャリア濃度などを示し、ラマン活性があることが条件となる。また、微小試料とは、特にレーザ光の回折限界を超える微細な試料または微細な部位などを示し、微小試料のサイズはラマン励起光の波長以下、例えば１μｍ以下である。

また、検査体として、半導体ウェハを例示したが、これに限定されるものではない。すなわち、ラマン分析は、半導体ウェハ上の微小試料の分析だけでなく、炭素系材料、例えばカーボンナノチューブまたはグラフィンなどの分析を行うことができる。例えばカーボンナノチューブの応力をラマンスペクトルに現れるピークのシフトから検出することができる。または、グラフィンの層数をラマンスペクトルの一のバンドの強度と他のバンドの強度との比から検出することができる。

図１は、実施例１による顕微ラマン分光装置に備わる顕微ラマン光学系の一例を示す構成図である。

顕微ラマン光学系１００の光軸１５０を、図１中の太線で示している。

レーザ１０１から射出されたラマン励起光は、ビームスプリッタ１３４を介して分岐し、２つのレーザ光（照明光）となる。そして、一方のレーザ光は斜射光学系を通り、他方のレーザ光は落射光学系を通り、２つのレーザ光は半導体ウェハ上の微小試料１０に照射される。ここでは、微小試料１０を有する検査体の面（実施例１では半導体ウェハの主面）に対して一定の角度（９０度未満）を有して斜めにレーザ光を照射することを斜射照明と言い、その光学系を斜射光学系と言う。また、微小試料１０を有する検査体の面（実施例１では半導体ウェハの主面）に対して垂直にレーザ光を照射することを落射照明と言い、その光学系を落射光学系と言う。

実施例１では、レーザ１０１から射出されたラマン励起光を分岐して、それぞれを斜射光学系と落射光学系とへ導いているが、分岐せずに、互いに波長の異なる２つ以上のレーザを実装してもよい。複数のレーザを実装することにより、蛍光をさける波長帯域を用いることができる、または斜射光学系と落射光学系とでそれぞれ異なる波長帯域を用いることができるので、ラマンスペクトルの広範囲帯域を同時に測定することができる。

照射されたレーザ光により、微小試料１０から放出されたラマン散乱光は、共焦点光学系を通り、分光器１２５へ導かれる。分光器１２５には、高感度冷却ＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの検出器１２６が実装されており、検出したラマン散乱光をスペクトル表示することができる。

実施例１では、半導体ウェハ上の微小試料１０のラマン測定を例示しているため、顕微ラマン光学系１００に正立型顕微鏡（金属顕微鏡）の構成を用いているが、倒立型顕微鏡の構成を用いることもできる。

次に、顕微ラマン光学系１００について詳細に説明する。

ラマン励起光は、レーザ１０１から射出され、偏光板または波長板などの偏光調整器１０２により偏光調整され、減衰フィルター１０３により強度調整される。さらに、ラマン励起光は、レーザラインフィルター１０４により波長帯域を制限され、空間フィルター１０５により任意の強度分布に調整されて、ビーム形成される。

ビーム形成されたラマン励起光は、ビームスプリッタ１３４により分岐され、一方のレーザ光は斜射光学系１３０へ、他方のレーザ光は落射光学系へと導かれる。ビームスプリッタ１３４は強度調整機構を実装しており、レーザ光の強度分配比率を変更することができる。レーザ光の強度分配比率は、例えばビームスプリッタ１３４を入れ替えるまたは偏光回転させることにより、変更することができる。

斜射光学系１３０は、ラマン検出光学系および落射光学系から独立している。斜射光学系１３０のレーザ光は、微小試料１０の位置を検出するための暗視野顕微の照明光として用いられる。

斜射光学系１３０では、レーザ光を偏光調整器１３３により偏光調整し、ガルバノミラーなどによって構成された走査光学系１３２により任意の位置に照射することを可能とする。さらに、斜射光学系１３０では、レーザ光を対物レンズ１３１により回折限界付近まで絞って、微小試料１０に照射することができる。

対物レンズ１３１は、液浸レンズを用いてもよい。また、対物レンズ１３１には、フォーカス調整機構（図示は省略）が実装されており、フォーカスおよびデフォーカスが可能である。フォーカス調整機構以外に、レボルバなどのレンズ交換機構（図示は省略）が実装されており、任意のレンズに変換することができる。

斜射光学系１３０のレーザ光は、デフォーカスして視野内の全部を照らすようにして、暗視野顕微の照明に用いられる。暗視野顕微の照明は視野内の一部を照らすようにしてもよい。また、斜射光学系１３０のレーザ光は、回折限界付近まで、対物レンズ１３１の性能の限りに絞って照射されて、ラマン散乱光の励起にも用いることができる。

この斜射光学系１３０により、ラマン励起光の波長以下、例えば１μｍ以下の微小試料１０の位置検出およびラマン測定ができる。微小試料１０の位置検出およびラマン測定については後述する。

落射光学系は、ラマン検出光学系と兼用している。落射光学系とは別にラマン検出光学系を実装してもよい。落射光学系のレーザ光は、ラマン散乱を励起するための照明光として用いられる。

落射光学系のレーザ光は、ビームスプリッタ１１５により微小試料１０側へ反射され、走査光学系１１０により任意の位置に照射することが可能となり、対物レンズ１１１により微小試料１０へ照射される。

走査光学系１１０は、例えばガルバノミラー１１４、走査レンズ１１３、および結像レンズ１１２によって構成される。また、走査光学系１１０の結像レンズ１１２は視野像の結像レンズと兼用している。すなわち、周辺領域を含む微小試料１０のラマン散乱光などをビームスプリッタ１４１によって分岐し、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）またはＣＣＤなどのカメラ（ビデオカメラ）１４２へ導いて、光学顕微像（明視野像または暗視野像）を観察している。

レーザ光は、斜射光学系または落射光学系によって導かれて、微小試料１０へ照射される。微小試料１０によって散乱した光の中には、とても微弱だが、レイリー散乱光とは波長または振動数の異なる非弾性散乱光のラマン散乱光が含まれている。このラマン散乱光は、落射光学系のレーザ光と逆のルートを通り、分光器１２５へと導かれる。

ラマン散乱光は、対物レンズ１１１によって集光され、走査光学系１１０を介して、ビームスプリッタ１１５を透過し、結像レンズ１２１により集光される。集光されたラマン散乱光は、さらに、共焦点ピンホール１２２を通り、コリメートレンズ１２３により平行光にされ、ラマンフィルター１２４を介して分光器１２５へ導かれ、高感度冷却ＣＣＤなどの検出器１２６によって検出される。

結像レンズ１２１、共焦点ピンホール１２２、コリメートレンズ１２３、および対物レンズ１１１を共焦点光学系と称する。一般に、共焦点レーザ顕微鏡などに用いられる機構では、対物レンズの焦点位置以外の光は、共焦点ピンホールにより取り除くことにより、鮮明な像を得ることができる。顕微ラマン分光の場合も同様にして、焦点（ピント）の合った部分（点）のみラマン測定をする。走査光学系１１０で走査することにより、視野内の別の点を測定することができる。

ラマンフィルター１２４では、弾性散乱光であるレイリー散乱光を除去し、非弾性散乱光であるラマン散乱光のみを透過する。

分光器１２５へ導かれたラマン散乱光は分光され、検出器１２６へ導かれてラマンスペクトルとなる。ラマン散乱光の振動数とラマン励起光の振動数との差はラマンシフトと呼ばれ、ラマンスペクトルの横軸に用いられる。一般に、ラマンシフトを用いることにより、ラマン励起光の波長に依存しないラマンスペクトルを得ることができる。

実施例１においてラマン測定とは、ラマンスペクトルの測定である。ラマンスペクトルは物質固有のスペクトルを示し、物質の同定や定量に用いられる。

実施例１においてラマン分析とは、例えばラマン測定で得たラマンスペクトルからピーク波数、バンド幅、ピークシフト量、およびバンド面積などを取得ること、または算出することである。その他、ラマンスペクトルをデータベースから検索すること、視野内の複数点のラマンスペクトルからラマンイメージを作成することもラマン分析と言う。ここで、ラマンイメージとは、ラマンスペクトルから得た任意の分析データをマッピングしたものを言い、例えば後述の図６（ｄ）にラマンイメージの画像を示す。

なお、図１に示した顕微ラマン光学系１００では、レーザ１０１から射出されたラマン励起光を分岐して、微小試料１０の位置を検出するためのレーザ光を斜射光学系へ、ラマン散乱光を励起するためのレーザ光を落射光学系とへ導いているが、これに限定されるものではない。

図２は、実施例１による微小試料の位置を検出するためのレーザ光およびラマン散乱光を励起するためのレーザ光の種々の照射の態様を説明する模式図である。

図２（ａ）は、前述の図１を用いて説明した顕微ラマン光学系１００を示す光学系の模式図であり、微小試料１０の位置を検出するためのレーザ光ＬＡＰを斜射照明とし、ラマン散乱光を励起するためのレーザ光ＬＡＥを落射照明としている。

図２（ｂ）は、レーザから射出されたラマン励起光を分岐して、複数のレーザ光を微小試料に斜射照射する光学系の模式図である。微小試料１０の位置を検出するためのレーザ光ＬＡＰとラマン散乱光を励起するためのレーザ光ＬＡＥとは斜射照明としているが、これらは互いに異なる斜射光学系から微小試料１０へ照射される。なお、図２（ｂ）に示した光学系については、後述の図８を用いて詳細に説明する。

図２（ｃ）は、レーザから射出されたラマン励起光を分岐せずに、レーザ光を微小試料１０に斜射照射する光学系の模式図である。すなわち、微小試料１０の位置を検出するためのレーザ光ＬＡＰをラマン散乱光を励起するためのレーザ光ＬＡＥと兼用している。

図２（ｄ）は、レーザから射出されたラマン励起光を分岐せずに、レーザ光を微小試料１０に落射照射する光学系の模式図である。すなわち、微小試料１０を傾けることにより、落射照明は微小試料１０に対して斜射照明となり、実質的に、図２（ｃ）と同じ光学系となる。

図３は、実施例１による顕微ラマン分析システムの一例を示す斜視図である。

顕微ラマン分析システム２００は、顕微ラマン分光装置２０１と、システムコントローラ２０２と、ミニエンバイロメントウェハ搬送システム２０３と、を有している。

システムコントローラ２０２は、顕微ラマン分析システム２００の全てを制御している。システムコントローラ２０２は、顕微ラマン分光装置２０１の制御を兼ねているが、顕微ラマン分光装置２０１を制御する別のシステムコントローラを実装して、このシステムコントローラとシステムコントローラ２０２とを互いに通信してもよい。

ミニエンバイロメントウェハ搬送システム２０３は、ロードポート２０４と、ファンフィルターユニット２０７と、ウェハ搬送ロボット２０９と、アライナー２１１と、ディスプレイ２１２と、を有している。

アライナー２１１は、半導体ウェハ２０６の偏芯量およびノッチ向きを検出し、これらをそろえる機能を有している。

ディスプレイ２１２は、入力も兼ねたタッチパネルであり、顕微ラマン分光システム２００のインターフェースとしての役割を有している。生産工場のホストへの通信以外に、ラマン分析の結果をディスプレイ２１２に表示し、ただちに生産プロセスへフィードバックすることが可能である。

ロードポート２０４は、半導体ウェハ２０６を収納するカセット、例えばＦＯＵＰ（Front Opening Unified Pod）２０５を開閉する機構を有している。

ファンフィルターユニット２０７は、ミニエンバイロメントウェハ搬送システム２０３内および顕微ラマン分光装置２０１内をクリーンな環境にするためのファンとフィルターとを有しており、また、筺体内を陽圧にするため、ダウンフローを行う機能を有している。

ウェハ搬送ロボット２０９は、半導体ウェハ２０６の顕微ラマン分光装置２０１への供給および顕微ラマン分光装置２０１からの排出をするためのウェハ搬送機構を有している。また、ウェハ搬送ロボット２０９は、アライナー２１１が検出した偏芯量を補正した形で、半導体ウェハ２０６の試料室への搬送を行い、半導体ウェハ２０６のラマン測定の大まかな位置決めを行う。

図４は、実施例１による顕微ラマン分析システムの一例を示す断面図である。

顕微ラマン分光装置２０１は、顕微ラマン光学系１００と、試料室３０１と、試料室雰囲気調整器および検出器３０２と、ステージ３０３と、除振装置３０５と、ベース３０６と、を有している。

試料室３０１は、試料周囲の雰囲気を安定にするために筺体で囲われており、半導体ウェハ２０６を載置する。試料室３０１内はどのような環境でもかまわないことから、試料室３０１内は、真空、窒素パージ、または高圧とすることができる。ただし、温度または試料室３０１の環境による微小試料１０のドリフトは小さい方が好ましいことから、試料室雰囲気調整器および検出器３０２として、温度調整器および温度測定器を実装している。

試料室雰囲気調整器は、測定環境を構築する機構であり、例えば真空または高圧などの圧力を調整する場合は圧力計、例えば窒素パージする場合は酸素濃度計が用いられる。ただし、試料室３０１の環境によって微小試料がドリフトしても、走査光学系（前述の図１の走査光学系１１０，１３２）を用いることによって、微小試料が対物レンズの視野内から外れなければ追従して測定することができる。また、ステージ３０３を用いて、微小試料が対物レンズの視野内から外れないようにしてもよい。

ステージ３０３は、ウェハ搬送ロボット２０９と併用して、微小試料を視野内へ移動する機構を有している。

ここで、例えばステージ３０３に微小試料を傾斜する機構を設ければ、微小試料を傾けることにより、前述の図２（ｄ）に示したように、落射照明は微小試料に対して斜射照明となる。また、微小試料の位置を検出する光学系とラマン散乱光を励起する光学系とを共用すれば、光学系は１つで良い。

除振装置３０５は、顕微ラマン光学系１００、試料室３０１、およびステージ３０３を浮かせる機構であり、外乱の振動を除去することができる。

ベース３０６は、除振装置３０５を介して顕微ラマン光学装置２０１を支えている。ベース３０６にシステムコントローラを実装してもよい。

図５は、実施例１による第１の顕微ラマン光学系を拡大して示す模式図である。図５では、斜射光学系および落射光学系のそれぞれの対物レンズより先の領域を拡大して示している。

図５には、斜射光学系の光軸６０５の光を微小試料の位置検出に用い、落射光学系の光軸６０３の光をラマン散乱光の励起およびラマン散乱光の検出に用いた例を示している。対物レンズ１３１はあえてデフォーカスしており、顕微視野（対物レンズ１１１の視野）の範囲６０２より広い斜射照明範囲６０４を照射している。この場合、デフォーカスではなく、対物レンズ１３１を倍率の低いものに変換して、顕微視野の範囲６０２を照射してもよい。

スポット６０１は、落射光学系のレーザ光のスポットであり、ラマン検出光学系の共焦点の測定範囲（ラマン散乱光の検出範囲）である。

顕微視野の範囲６０２で、スポット６０１を走査光学系（前述の図１に示す走査光学系１１０）によって走査することができる。

図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、および（ｄ）はそれぞれ、実施例１による微小粒子の走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）像、明視野像、暗視野像、およびラマンイメージの一例を示す画像図である。微小粒子の直径は、０．１μｍである。

図６（ａ）に、走査型電子顕微鏡により得られた微小試料１０のＳＥＭ像を示す。微小試料１０は、その直径が０．１μｍの粒子であり、電子顕微鏡または原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：ＡＦＭ）などによって、その形状を認識できるサイズの試料である。

図６（ｂ）に、微小試料１０を落射光学系の照明によって測定した画像（明視野像）を示す。明視野像では、微小試料１０の位置を把握することができない。このとき、白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）（図示は省略）を光源とした光を、ビームスプリッタによって落射光学系に導入している。この白色ＬＥＤの照射範囲は、前述の図５に示したスポット６０１と同じである。

また、明視野用の光源は、微小試料１０のラマン測定には邪魔になることが多い。明視野用の光源は、ノイズとして検出器１２６に入ってしまうため、ラマン測定時は消すことになる。これでは、微小試料１０の位置を検出し続けて追従するようなことはできない。

しかし、実施例１による顕微ラマン光学系では、ラマン散乱光の励起に用いるレーザ光と同様の波長のレーザ光を斜射照明することによって、ラマン測定の邪魔をしないで、微小試料１０の位置を検出し続けることができる。

図６（ｃ）に、微小試料１０を斜射光学系の照明によって測定した画像（暗視野像）を示す。暗視野像では、明視野像では検出することのできなかった微小試料１０の位置を検出することができる。

明視野像ではその位置を検出しにくい微小試料１０であっても、ラマン散乱光を観察する暗視野像であれば、その位置を検出することができる。微小試料１０の形状は、ＳＥＭまたはＡＦＭなどにより確認することができる。また、微小試料１０の形状が予め分かっていれば、ラマン散乱光から微小試料１０の形状をモデリング（計算）することも可能である。

ところで、ラマン散乱光は、微小試料１０の形状、レーザ光の偏光、およびレーザ光の入射角に大きく依存する。そのため、前述の図１には省略したが、偏光調整器１０２，１３３（前述の図１参照）には、例えば偏光調整機構を有している。ラマンスペクトルを測定している間（例えば高感度冷却ＣＣＤを露光している間）は、偏光状態を変更することまたは変更し続けることにより、ラマン散乱光の平均値を得ることができる。

また、顕微ラマン分光装置は、レーザ光の入射角を変更できる機構を備えており、その機構は、例えば斜射光学系の実装ベースがステージで傾斜できる機構であり、最適なラマン散乱光を得るための角度調整機構を有している。これらの機構は、例えば、ＳＥＭまたはＡＦＭでないとその形状が分からない微小試料１０のラマン測定の際に有効である。

図６（ｄ）に、斜射照明にて検出した微小試料１０の位置を走査光学系１１０（前述の図１参照）、またはステージ３０３（前述の図４参照）によって走査し、ラマンイメージングを行った画像（ラマンイメージ）を示す。

ラマンイメージは、微小試料１０に特有のラマンスペクトルのピークの強度分布を示した画像である。図６（ｄ）に示すように、微小試料１０のラマン測定ができていることが分かる。

さらに、微小試料１０のラマン測定においては、微小試料１０の位置を検出できない問題の他に、微小試料１０のラマン散乱光がバックグランドのラマン信号に埋もれてしまう、ラマン活性が弱い、またはＳＮ比が悪いなどの問題がある。

その場合は、斜射光学系から微小試料１０に照射するレーザ光を、回折限界近くまで絞って、斜めから照射する。

図７は、実施例１による第２の顕微ラマン光学系を拡大して示す模式図である。図７では、斜射光学系および落射光学系のそれぞれの対物レンズより先の領域を拡大して示している。

回折限界近くまで絞ったレーザ光を斜射光学系により微小試料に照射し、ラマン散乱光の検出には、前述の図５を用いて説明した落射光学系を用いる。これにより、ＳＮ比をよくして、バックグランドの情報を削減することができる。

その理由は、バックグラウンドのラマン散乱光または蛍光などは斜射照明によって励起されるので、斜射光学系から微小試料に照射するレーザ光を回折限界近くまで絞ることにより、ラマン検出光学系にバックグランドのラマン信号が入らない、または入りにくい構造にすることができるからである。また、同様に、他のノイズに対しても、微小試料の位置を検出する光学系とラマン散乱光を励起する光学系とが別となるため、必要な信号のみを選択することができる。

さらに、斜射光学系によるラマン散乱光の励起と落射光学系によるラマン散乱光の励起とを併用することにより、微小試料のラマン測定が可能である。斜射照明のレーザ強度と落射照明のレーザ強度との比を任意に調整し、微小試料ごとに適宜変更することにより、微小試料のラマン測定を行う。

これらの場合、斜射光学系のレーザ光のスポットとラマン散乱光の検出位置とは同じ位置のスポット７０１となり、両者の位置の一致は、それぞれの軸に用意された走査光学系１１０，１３２（前述の図１参照）およびステージ３０３（前述の図４参照）によって実現される。

このとき、落射光学系のレーザ光のスポットとラマン散乱光の検出位置とが同じになるように、顕微ラマン光学系は構成されているため、落射光学系のレーザ光はラマン散乱光の検出位置（共焦点位置）を的確に把握するためにも用いることができる。スポット７０１の合致は、斜射照明と落射照明との両者の画像処理により行う。

この第２の光学系では、微小試料の位置を検出する光学系とラマン散乱光を励起する光学系とを別々に設けているが、例えば前述の図２（ｃ）および（ｄ）に示したラマン励起光を分岐しない光学系にも回折限界近くまで絞ったレーザ光を用いることができる。

図８は、実施例１による上面から見た第３の顕微ラマン光学系を拡大して示す模式図である。図８では、斜射光学系および落射光学系のそれぞれの対物レンズより先の領域を拡大して示している。

斜射照明を２系統実装しており、一方は、微小試料の位置を検出する照明であり、他方は、ラマン散乱光を励起する照明であり、落射光学系を介して、分光器によりラマン測定が行われる。このため、斜射光学系には対物レンズ８０２が追加されている。また、斜射光学系の一方のレーザ光のスポットと落射光学系のレーザ光のスポットとは同じ位置のスポット８０１となる。

このように複数の斜射光学系を用いる、または落射光学系と斜射光学系との両方を用いる場合は、それぞれの光学系のレーザ光の波長を互いに異なる波長としておけば、光学系の切り替えにより、複数の波長をレーザ光に用いることができる。複数の波長のレーザ光を用いることは、蛍光対策など微小試料にとっては有効な対策となる場合がある。

また、複数の斜射光学系で同時に照明できることにより、微小試料の位置を検出しつつ、ラマン測定ができるので、後述する追従機能を斜射照明のみで実現することができる。

また、斜射照明と落射照明とによるラマン散乱光の励起を行いつつ、微小試料の位置を検出できるという利点もある。

図９（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、実施例１による微小試料のラマン測定の一例を示す模式図、および実施例１による微小試料のラマン測定の他の例を示す模式図である。

図９（ａ）に示すように、斜射光学系の光軸６０５および落射光学系の光軸６０３のスポット７０１に対して、微小試料１０は十分小さい。

そこで、図９（ｂ）に示すように、チップ増強ラマン分析または表面増強ラマン分析の照明にも、実施例１による顕微ラマン光学系を用いることができる。

ここで、チップ増強ラマン分析においては、チップ（探針）９０３の先端９０２を近づけた微小試料１０へのレーザ光を的確に照射することができる。または、表面増強ラマン分析においては、微粒子群基板９０１上の微小試料１０へのレーザ光を的確に照射することができる。これにより、チップ９０３による増強部分のラマン信号のみ、または微粒子群基板９０１の増強部分のラマン信号のみを検出することができる。

図１０（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、実施例１による斜射光学系のレーザ光を広視野範囲に照射した場合の画像図、および実施例１による斜射光学系のレーザ光を狭視野範囲に照射した場合の画像図である。

図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、半導体ウェハ上に多くの突起がある場合は、測定部を限定するには広視野範囲に照射するよりも、狭視野範囲に照射する方が有効である。

図１１は、実施例１による斜射光学系のレーザ光を狭視野範囲に照射した場合のカメラの全視野像を示す画像図である。図中、符号１１０２は、前述の図１０（ｂ）で示した狭視野範囲を示す。

図１１に示すように、ラマン散乱光により、微小試料をスポット１２０２として、その位置を認識することができる。

図１２は、実施例１による微小試料の追従機能を説明する画像図である。

ラマン測定の対象が微小試料の場合、微小試料のラマン散乱光がバックグランドのラマン信号に埋もれてしまう、ラマン活性が弱い、またはＳＮ比が悪いなどの問題の他に、温度などによるドリフトにより、微小試料の位置が光学系に対して移動するという問題がある。

スポット１２０２は、レーザ光の波長および光学系にもよるが、可視光の場合は１μｍ程度である。これに対して、微小試料を載置するステージおよび光学系を支える部材は、１℃温度が変化するだけで、伸縮により０．１〜３μｍ程度動くことが多いため、微小試料の位置が変化して、微小試料の位置を検出するためのレーザ光およびラマン散乱光を励起するためのレーザ光から外れることがある。

また、ラマン活性の強い微小試料であっても、長時間の露光が必要となる場合が多い。そのため、レーザ光を照射してラマン散乱光を検出している間に、スポットの位置と微小試料の位置とがずれることがある。

しかし、暗視野による狭視野範囲の照明は、システムコントローラにより、走査光学系を用いて自動で微小試料の位置を追従することができるので、微小試料の位置ずれを回避することができる。例えば図１２に示すように、スポット１２０２をスポット１３０１へ移動させることができる。

この機能は、微小試料が生体、細胞、または細菌などで動く場合にも用いることができる。また、追従機能により、露光時間を長くとることができるので、ラマン活性の弱い微小試料に対しても有効な機能である。

図１３は、実施例１によるラマンイメージングの走査方法を説明する画像図である。この走査方法によって得られた画像が前述の図６（ｄ）に示すラマンイメージである。

暗視野像による微小粒子のラマン散乱光を目印にして、微小試料の位置検出およびラマン散乱光の励起に用いるスポット１２０２を、走査光学系またはステージによりスキャン方向１４０２へ走査することにより、ラマンイメージが得られる。

次に、顕微ラマン分析システムの動作の一例を前述の図３を用いて説明する。

作業者は、システムコントローラ２０２への命令をディスプレイ２１２によって行う。システムコントローラ２０２のインターフェースを介してＰＣ（Personal Computer）などからコマンド指令を送ってもよい。

顕微ラマン分析システム２００は、システムコントローラ２０２へ出された命令をもとにラマン測定を開始する。ラマン測定は、システムコントローラ２０２に予め実装されたプログラムによって自動で行われる。

半導体ウェハ２０６が収納されたＦＯＵＰ２０５がミニエンバイロメントウェハ搬送システム２０３のロードポート２０４に載置されると、ミニエンバイロメントウェハ搬送システム２０３がＦＯＵＰ２０５を開けて、ウェハ搬送ロボット２０９が半導体ウェハ２０６を把持する。ウェハ搬送ロボット２０９は半導体ウェハ２０６を試料室へ搬送する。

その後、顕微ラマン分光装置２０１によるラマン測定がスタートする。

次に、顕微ラマン分析装置の動作フローの一例を図１４ならびに前述の図１、図３、および図４を用いて説明する。図１４は、実施例１による顕微ラマン分光装置の動作フローの一例を説明するフロー図である。

各動作は、システムコントローラ２０２に予め設定された命令およびデータをもとに、自動で行われる。

＜ステップＰ１＞
ウェハ搬送ロボット２０９またはステージ３０３によって、測定試料を顕微視野の範囲へ移動する。

＜ステップＰ２＞
測定試料によって、狭範囲照射（スポット照射）か広範囲照射かを選択する。対物レンズ１３１を入れ替える機構またはオートフォーカス機構により、斜射照明の照射範囲を選択する。

＜ステップＰ３＞
減衰フィルター１０３によって、斜射照明の強度を調整する。

＜ステップＰ４＞
斜射照明の偏光可変を設定する。ラマン散乱光は測定試料の形状によって強度が変化するため、適切な偏光方向に設定する必要がある。しかし、測定試料が粒子試料１０の場合は、測定試料の形状を電子顕微鏡などで確認しない限り把握することができない。そこで、ラマン測定中の高感度冷却ＣＣＤを露光している間に、斜射光学系は偏光方向を少しふることができる機構を備えている。偏光方向をふることで平均値を得ることができる。その偏光可変を有効にするか無効にするかを設定する。可変動作をしない場合は、カメラ１４２で検出するレイリー散乱光の強度が一番大きいところで固定する。予め測定試料の形状が分かっていれば、固定のままスキップする。

＜ステップＰ５＞
斜射照明の照射位置を設定する。測定試料の位置検出またはラマン散乱光の励起のための照明光として、照射位置は決定される。照射位置は走査光学系１３２によって設定される。

＜ステップＰ６＞
斜射照明の照射位置の設定が終了したか否かを確認する。斜射光学系が２つ以上ある場合は、もう一度別の軸に対して、ステップＰ２からステップＰ５を繰り返す。

＜ステップＰ７＞
落射照明の強度を設定する。落射照明の強度設定は、ビームスプリッタ１３４で分配率を変える、または分岐後の減衰フィルターで強度を調整することにより行う。ここでは、例えば測定試料の検出位置の目印用として落射照明の強度は微弱に設定される、またはラマン散乱光の励起用として落射照明の強度は強く設定される。ラマン測定とは別に明視野顕微の照明が必要な場合は、同一の落射光学系においてランプまたはＬＥＤなどの照明の調整を行う。

＜ステップＰ８＞
落射照明の照射位置および測定点を走査光学系１１０により決定する。

＜ステップＰ９＞
測定試料のドリフトまたは測定試料自体の移動が生じた場合、レーザ光を追従させるか否かの追従機能の設定を行う。

＜ステップＰ１０＞
レーザ光を測定試料に照射して、ラマン測定を開始する。検出器１２６の測定（高感度冷却ＣＣＤの露光）を開始する。

＜ステップＰ１１＞
前記ステップＰ４に従い、必要があれば、ラマン測定中に偏光方向をふる（偏光方向を変化させる）。

＜ステップＰ１２＞
前記ステップＰ９に従い、必要があれば、測定試料の位置を常時監視し、レーザ光が常に照射するように、走査光学系１１０，１３２により追従する。

＜ステップＰ１３＞
検出器１２６の測定（高感度冷却ＣＣＤの露光）を終了する。ラマン励起光を停止し、ラマン測定を終了する。

＜ステップＰ１４＞
分光器１２５および検出器１２６によって測定したラマン散乱光をスペクトル表示し、格納する。

＜ステップＰ１５＞
スペクトル評価および分析を行い、例えば任意の波数の強度を格納する。ここで、例えば前述の図６（ｄ）に示したラマンイメージの画素の一点が測定できたことになる。

スペクトル評価および分析は、様々に利用することができる。例えば任意のピークのシフト量を検出する、ラマンスペクトルから物質を特定する、または複数のピークの強度比から構造を理解するなどの利用がある。測定試料は、必ずしも粒子である必要はなく、半導体ウェハであれば、局所的な歪（応力）の測定などにも有効である。

図１４を用いて説明した動作フローでは、１つの測定点を測定する例を示したが、ラマンイメージングの場合は、レーザ走査、ステージ走査、または繰り返しのラマン測定が必要となる。必要がなければ、この設定部分は省略可能であり、他の測定点へ移動した後に同一の条件で、ステップＰ１０からステップＰ１４までを繰り返すこととなる。ここでは、ラマンイメージングのように複数点のラマンスペクトルを取得する動作フローは省略している。

なお、実施例１では、微小試料の位置を検出する１つの光学系、およびラマン散乱光を励起する１つの光学系を備える顕微ラマン光学系について説明したが、これに限定されるものではなく、顕微ラマン光学系は、微小試料の位置を検出する１つの光学系、およびラマン散乱光を励起する１つの光学系を備える顕微ラマン光学系をそれぞれ２つ以上の備えてもよい。

このように、実施例１によれば、明視野像では認識できない微小試料であっても、その位置を検出することができるので、ラマン測定およびラマン分析を行うことができる。

また、微小試料であるために、バックグラウンドのラマン信号またはノイズに埋もれてしまうラマン散乱光も、斜射照明を用いることによって、検出することができる。

また、微小試料がドリフトして位置ずれを起こしてしまう場合、または微小試料自体が移動してしまう場合でも、同一の測定点を追従することができる。追従することによって、ＳＮ比が向上し、露光時間を短くすることができる。露光時間を短くできることは、微小試料を焼失させてしまうようなミスを回避することができる。

実施例２では、ロードポートと同じサイズの顕微ラマン分光装置について説明する。前述の図３に示した顕微ラマン分光システム２００および顕微ラマン分光装置２０１のうち、既に説明した同一の符号を付された構成、および同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図１５は、実施例２によるロードポートと同じサイズのロードポート型の顕微ラマン分光装置を備える顕微ラマン分析システムの一例を示す断面図である。ロードポート型の顕微ラマン分光装置の基本構成は、前述の図３に示した顕微ラマン分光装置２０１と同様である。

実装できる構成部品の数が少なくなるため、ラマン測定は目的が絞られたものとなり、測定試料が限定される。

しかしながら、半導体メーカのファウンドリでは、フットプリントを小さくすることが求められており、例えば他の半導体製造装置または半導体検査装置４０１の空きポートに、ロードポート型の顕微ラマン分光装置４０２を実装することができれば、都合がよい。また、別の装置のオプションとしても利用できる。

実施例３では、ＦＯＵＰと同じサイズの簡易型の顕微ラマン分光装置について説明する。前述の図３に示した顕微ラマン分光システム２００および顕微ラマン分光装置２０１のうち、既に説明した同一の符号を付された構成、および同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

図１６は、ＦＯＵＰと同じサイズの簡易型の顕微ラマン分光装置の一例を示す断面図である。簡易型の顕微ラマン分光装置の基本構成は、前述の図３に示した顕微ラマン分光装置２０１と同様である。

実装スペースに限りがあるため、ラマン測定の位置はウェハ搬送ロボット２０９（前述の図３参照）とステージ３０３によって決まる。

簡易型の顕微ラマン分光装置５０１は、手軽に持ち運びできるサイズであるため、ファウンドリに１台あればよく、必要になったときにテスタ感覚でラマン測定に使用することができる。

簡易型の顕微ラマン分光装置５０１の分解能およびスループットなどは、前述の図３に示した顕微ラマン分光装置２０１と比べて低くなる。しかし、簡易型の顕微ラマン分光装置５０１は、フットプリントを小さくすることができ、また、安価に製造することが可能である。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば前記実施の形態では、測定試料として、ラマン励起光の波長以下、例えば１μｍ以下のサイズを有する微小試料を例示したが、これに限定されるものではなく、ラマン励起光の波長よりも大きいサイズの試料に対しても、本発明を適用することができる。

１０ 微小試料
１００ 顕微ラマン光学系
１０１ レーザ
１０２ 偏光調整器
１０３ 減衰フィルター
１０４ レーザラインフィルター
１０５ 空間フィルター
１１０ 走査光学系
１１１ 対物レンズ
１１２ 結像レンズ
１１３ 走査レンズ
１１４ ガルバノミラー
１１５ ビームスプリッタ
１２１ 結像レンズ
１２２ 共焦点ピンホール
１２３ コリメートレンズ
１２４ ラマンフィルター
１２５ 分光器
１２６ 検出器
１３０ 斜射光学系
１３１ 対物レンズ
１３２ 走査光学系
１３３ 偏光調整器
１３４，１４１ ビームスプリッタ
１４２ カメラ
１５０ 光軸
２００ 顕微ラマン分光システム
２０１ 顕微ラマン分光装置
２０２ システムコントローラ
２０３ ミニエンバイロメントウェハ搬送システム
２０４ ロードポート
２０５ ＦＯＵＰ
２０６ 半導体ウェハ
２０７ ファンフィルターユニット
２０９ ウェハ搬送ロボット
２１１ アライナー
２１２ ディスプレイ
３０１ 試料室
３０２ 試料室雰囲気調整器および検出器
３０３ ステージ
３０５ 除振装置
３０６ ベース
４０１ 半導体製造装置または半導体検査装置
４０２ ロードポート型の顕微ラマン分光装置
５０１ 簡易型の顕微ラマン分光装置
６０１ スポット
６０２ 顕微視野の範囲
６０３ 落射光学系の光軸
６０４ 斜射照明範囲
６０５ 斜射光学系の光軸
７０１，８０１ スポット
８０２ 対物レンズ
９０１ 微粒子群基板
９０２ チップの先端
９０３ チップ（探針）
１２０２，１３０１ スポット
１４０２ スキャン方向
ＬＡＥ，ＬＡＰ レーザ光

Claims (5)

1. 検査体の面上の試料の位置を検出し、かつラマン散乱光を励起するためのレーザ光を、前記試料へ照射する１つまたは２つ以上の光学系、を有し、
   前記レーザ光は、前記検査体の面に対して９０度未満の第１角度を有する第１方向から前記試料へ照射され、
   前記試料の位置は、暗視野顕微画像によって認識される、顕微ラマン分光装置。
2. 請求項１記載の顕微ラマン分光装置において、
   前記光学系は、前記レーザ光が顕微視野内を走査する走査機構を有する、顕微ラマン分光装置。
3. 請求項２記載の顕微ラマン分光装置において、
   前記レーザ光が前記試料の位置を追従する、顕微ラマン分光装置。
4. 請求項１記載の顕微ラマン分光装置において、
   前記光学系は、前記レーザ光の偏光を変える機構を有し、
   前記レーザ光の偏光を変えながら、前記レーザ光を前記試料へ照射する、顕微ラマン分光装置。
5. 請求項３記載の顕微ラマン分光装置において、
   前記１つまたは２つ以上の光学系は、フォーカス調整機構および入射角調整機構を有する、顕微ラマン分光装置。