CN1727871A - 探针显微镜的操作方法 - Google Patents

Abstract

提高探针显微镜的精度和速度的方法。对相关数据点的直接几何测量允许更快地确定关键尺寸，同时通过最小化系统漂移提高测量精度。通过基于偏斜的测量进一步提高精度和生产能力。通过对探针尖(20)使用斜逼近轨迹，提高了对软接触的灵敏度。并且通过使用横向力检测在提高生产能力的同时降低了针尖和/或表面损伤的危险性。

Description

探针显微镜的操作方法

技术领域

本发明涉及探针显微术领域，尤其涉及使用探针显微镜的关键尺寸度量的改进的方法。

背景技术

高级集成电路的制造需要在半导体晶片上形成极小、极精确的特征。这种特征通常首先通过光刻工艺在光致抗蚀剂的临时层中形成，然后该光致抗蚀剂特征用于在晶片上制造永久结构。例如，孔在绝缘层中形成并且之后用导电材料填充以产生电路中各层之间的连接。沟槽也在绝缘层中形成并且之后用导电材料填充以形成电容器。形成薄导电线路的组以制造将信号从芯片的一个区域传送到另一个区域的总线。导体组的特征在于每个导体的宽度和间距(导体之间的距离)。

随着半导体工艺对精度需要的增加，需要不断地监测制造过程以保证其满足严格的要求。在一些情况下，每个经过生产线的晶片在有时候被称为在线度量的过程中被测量。工程师可以监测临时光致抗蚀剂层上的特征以及在晶片上制造的永久特征。晶片上的特征是三维结构且完整的特征必须不仅仅描述表面尺寸(诸如孔或导体的顶部宽度)，而必须描述特征的完整三维轮廓。例如，理想特征通常具有垂直侧壁，实际侧壁可能具有过多的倾斜，该倾斜使其顶面以下的特征变窄或变宽。工艺工程师必须能够准确地测量这种表面特征的关键尺寸(CD)以精调制造工艺并保证获得理想的器件几何结构。

渐渐地，制造商转向诸如探针显微术的度量工具，探针显微镜使用很小的探针尖与样品表面的相互作用，以允许具有亚纳米分辨率的表面3-D成像。一种类型的探针显微镜通常被称为扫描探针显微镜(SPM)。SPM使用很小的探针尖在衬底的表面上扫描。压电扫描器(能够极精细地移动)通常用作定位台以在样品上方精确定位探针尖。扫描器将探针尖在第一扫描线上移动，然后回来。其然后沿垂直方向步进到第二扫描线，在其上移动并回来，然后到第三线，等等。

当扫描器将探针尖沿扫描线移动时，SPM在等间隔隔开的间隔处收集关于样品表面的数据。数据点之间的间隔也称为步长或者象素尺寸。可以通过使用较小的象素尺寸(这导致更大数量的数据点，也称为象素密度)增加扫描的准确性。然而，使用较大象素密度的扫描需要更长的时间来完成并且需要更多用以存储和处理的资源。

有很多类型的SPM，包括几种类型的原子力显微镜(AFM)。SPM可以在两种不同的模式下工作-接触模式或者非接触模式。在接触模式中，针尖与样品表面物理接触。在非接触模式中，针尖不实际接触样品表面。相反，针尖接近样品表面并且测量针尖和表面之间的相互作用力。

在用于半导体工艺的一种类型的AFM中，探针尖连接到悬臂，该悬臂又连接到压电传动器。通过将激光束从悬臂的背表面反射到光电二极管传感器来监测在靠近谐振频率驱动的悬臂的振幅。悬臂的振幅的变化引起在相同频率下光学传感器的读出信号的变化。该幅度对针尖-样品相互作用(通常是针尖和样品之间的距离变化的结果)敏感。传动器保持针尖-样品相互作用的水平。针尖响应于样品表面上的峰和谷上、下移动。在或者靠近接触的垂直位置被列表并且提供该表面的轮廓。

基于悬臂的AFM仪器的很多缺点限制了其对于大量生产的CD度量应用的有效性。接触模式AFM，尤其是那些其中探针尖保持与样品表面不断接触的AFM，易于针尖磨损并且从样品到探针尖上的污染的逐渐积累。非接触AFM没有针尖磨损的问题，但是，它们对于由局部电荷、湿度或者甚至粒子污染引起的误差更敏感。这两种基于悬臂的AFM也有可能引起针尖或样品损坏，因为针尖必须与样品表面保持很近。甚至更显著的是，这两种类型的基于悬臂的AFM有生产能力低的缺点。当在足够的分辨率下操作以精确测量当前关键尺寸时，需要几分钟在一个特征上测量以及几个小时来测量50μm见方的区域。由于这些原因，现有技术AFM在生产操作中只能描绘半导体芯片上有限区域的轮廓。

另一种类型的探针显微镜是针式纳米轮廓测定仪(stylusNanoProfilometer)(SNP)，其可从本发明的受让者FEI公司、Hillsboro、Oregon购买。与悬臂系统相反，SNP利用连接到摇摆平衡梁上的探针尖，类似于Griffith等在美国专利5,307,693(“Force-Sensing System，Including a Magnetically Mounted RockingElement”)以及Bryson等在美国专利5,756,887(Mechanism forChanging a Probe Blance Beam in a Scanning Probe Microscope)中公开的内容。最近开发的探针尖具有尺寸为0.2μm或更小的柱形或近似方形横截面。这种小探针尖通常相对短(在微米的量级)，并且在其极端上由更厚重的针尖支撑。

图1中示意性示出了一个典型的探针尖。在SNP的操作中，探针尖20不连续地沿一条线水平移动。在通常周期性间隔的多个位置，探针尖20的水平移动停止并且其被小心地降低直到其被衬底表面12阻止。后面将简述的电路测量探针尖停止的高度。SNP探针尖20然后从表面12缩回足以跳过任何垂直特征的距离，水平移动预定距离，并且然后垂直向表面12移动回来。一系列这种围绕被探测的特征的测量(例如，在沟槽10内以及在其两侧上)，提供了样品的轮廓或构形。

在图2中示意性示出了现有技术SNP的侧视图。要被检查的衬底30或其它样品支撑在支撑表面32上，支撑表面32连续支撑在倾斜台34、x-滑座36、y-滑座38上，所有这些可沿它们各自的轴移动以便提供对衬底的水平二维和倾斜控制。倾斜台也能够在垂直Z方向移动10mm或更多。虽然这些机械台提供相对大范围的移动，它们的分辨率与探测的分辩查找(sought)相比相对粗糙。底部y滑座38坐落在提供振动稳定性的重花岗岩板40上。龙门架42支撑在花岗岩板40上。探针头44通过中间压电传动器45从龙门架42沿垂直z方向悬挂，该传动器45通过压力驱动3轴弯曲系统46提供在x和y方向上大约30μm以及在z方向上15μm的运动，该弯曲系统46由闭合回路中的线性电容器控制。探针头44包括小的附着探针尖20，该探针尖20从探针头44向下突出，以便探针尖20能够选择性与衬底30的顶表面啮合，并且因此确定其垂直和水平尺寸。

图3和图4中示出了探针头44的主要部件的侧视图。固定到压电传动器45的底部的介电支架50在其顶端(相对于图2的视图)包括磁铁52。在介电支架50的底部上沉积了两个单独的电容器板54、56以及两个互连接触垫58。导电横梁60从中间固定到其两侧端并且电连接到两个金属且铁磁的球支撑点62、64。球支撑点62、64放在接触垫58上并且通常在电容器板54、56之间并且由磁铁52保持位置。

横梁60保持在通常平行于介电支架50的位置，在电容器板54、56和横梁60之间有大约25μm的平衡垂直间隙66。两个电容器在各个电容器垫54、56和导电横梁60之间形成。都电连接到导电横梁60的电容器垫54、56和接触垫58，也连接到外部测量和控制电路(后面将描述)的三端。横梁60在其离中心端支撑玻璃薄片70，针72固定到该玻璃薄片70，针72的探针尖20向下突出以选择性啮合探测中的衬底30的表面。在横梁60的另一端的未示出的伪针(dummy stylus)或者替代物重量能够使横梁大概机械平衡在中性位置。

该典型SNP通过使用力平衡系统工作，所以从外部施加的力(诸如当探针遇到特征时产生的力)作用在感应装置上，该感应装置的输出产生局部产生的反作用力以驱动该传感器输出回到零。电容器板54、56和两个接触垫58通过三根未示出的电线分开连接到外部测量和控制电路的三端。该伺服系统测量这两个电容并向这两个电容器板54、56施加差动电压以保持它们在平衡位置。当压电传动器45将针72降低到探针尖20遇到探测中的特征的表面的点时，一旦探针尖20与衬底30接触横梁60就摇摆。板54、56之间电容的差别被检测到，并且伺服电路意图通过在这两个电容器上施加不同的电压来重新平衡横梁60。

因此，在SNP工作期间，两个不同的反馈环路工作。降低探针头44直至探针尖20触到衬底30，横梁通常将被撞成略微偏离平衡。该双反馈系统工作以通过压电传动器45调整针尖20的垂直位置并且通过在两个电容器上施加不同的电压使横梁60回到平衡。当作用在探针尖20上的力(通过施加的电压测量以平衡横梁)低于某一力设定点的任何时候，压电传动器45将降低探针头。如果作用在探针尖20上的力高于该力设定点，压电传动器45将升高探针头44。当这两个反馈环路达到平衡时，作用在探针尖20上的力将处于该力设定点并且横梁60将回到平衡状态。当这种情况发生时，压电传动器45的垂直位置可以用作正在测量的特定数据点处的特征的深度和高度的指示。

SNP，诸如上面所讨论的，提出了基于悬臂的探针显微镜的一些缺点，即，不断改变针尖和样品之间的几何关系、持续扫描带来的针尖磨损、污染的逐渐积累以及不断变化的针尖到样品几何结构。然而，现有技术的SNP也遇到一些缺点，限制其在大量生产应用中的使用。

首先，如基于悬臂的AFM的情况一样，当使用现有技术的扫描技术时，由于其慢的成像速率，SNP的生产能力低。使用SNP需要花费相对大量的时间来描绘数据点。为了避免探针尖的偶尔损伤，针尖必须很慢地向衬底表面降低并且在其移向下一个数据点时必须升高到衬底上方相当的高度。一旦探针尖与衬底表面接触，在能够收集精确的数据之前横梁必须被平衡并且竞争反馈环路必须平衡。

此外，现有技术SNP需要大量的数据点来充分描绘特征的轮廓。如上所讨论的，通常使用扫描线的步进模式扫描特征周围的区域。典型地，1-2微米见方的区域通常使用5-100条扫描线描绘轮廓，沿着每条扫描线有200-400个数据点。

描绘特征的轮廓所需的大量时间也导致系统漂移的问题。扫描器位置的漂移可以由温度变化引起或者由扫描器和其安装硬件内的应力引起。无论漂移的来源是什么，它通常将趋向于随时间变坏。因此，其完成一个区域的分析所花的时间越长，将出现越多的系统漂移。

现有技术SNP也难以“软”接触，诸如探针尖和接近垂直的侧壁之间的接触。如上所讨论的，当探针尖垂直向下移动遇到平面表面时，针尖上向上的力将随着探针尖连续向下的移动快速增加，SNP的力设定点将快速达到。当探针尖垂直向下移动遇到陡峭的倾斜表面(诸如接近垂直的侧壁)时，情况会有所不同。由于针尖和倾斜表面之间的角度，针尖将倾向于刚好经过初始接触点向下滑。

如图5示意性所示，当窄的探针尖20遇到倾斜侧壁14时，探针尖20可能在点80物理上遇到倾斜侧壁14；但是，由于探针尖20在侧向相对有弹性，当针尖进一步降低时施加到其上的斜力使其被壁14的斜坡弯曲。对由倾斜侧壁14提供的力反应，该装置的其它部分可能也移动。因此，如果遇到的表面是平面，则初次接触后遇到的力不会快速增加。直到探针尖显著降低到侧壁14更下方的点82，阐值才会被超过。这导致对在探针尖20的初始水平位置处的侧壁80的错误测量，或者导致对这种侧壁深度的水平位置的错误测量。

最后，由于现有技术SNP只沿纯粹的垂直方向向衬底表面移动，SNP不能用于描绘完全垂直的壁的轮廓或者倒凹的特征的轮廓。

因此，需要改进的技术来实现使用探针显微镜进行快速且精确的CD度量。

发明内容

因此，本发明的目的是实现适于大量生产应用的快速且精确的探针度量。此处描述和声明的本发明的优选实施例包括使用相关特征数据点的直接测量、基于偏斜的扫描、倾斜探针尖逼近轨迹的任何组合以及侧向力检测来实现该目标。

前面已经相当广泛地概述了本法的特征和技术优点，以便更容易理解随后对本发明的详细描述。本发明的其它特征和优点将在下文中描述。本领域的技术人员应当理解，所公开的原理和具体实施例可以容易地用作修改或设计执行本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员也应当认识到，这些等效结构并未脱离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更充分地理解本发明及其优点，现在参照下面结合附图的描述，在附图中，

图1是典型探针尖描绘衬底上特征的轮廓的示意性截面视图。

图2是现有技术探针显微镜的侧视图。

图3是图2的探针头的侧视图。

图4是图2的探针头的端视图。

图5是图1的探针尖描绘倾斜侧壁的轮廓的示意性截面视图。

图6A是一个衬底特征截面的示意性表示，该衬底特征示出了根据本发明的粗糙定位数据点的位置。

图6B是一个衬底特征截面的示意性表示，该衬底特征示出了根据本发明的用于计算该特征的深度的相关数据点的位置。

图6C是一个衬底特征截面的示意性表示，该衬底特征示出了根据本发明的关键尺寸测量的理想深度。

图6D是一个衬底特征截面的示意性表示，该衬底特征示出了根据本发明的用于计算关键尺寸测量的相关数据点的位置。

图7A的曲线图表示对于一个典型的数据点使用现有技术力平衡测量的电压差。

图7B的曲线图代表在图7A的时间周期期间压电传动器的垂直位置。

图7C的曲线图代表对于图7A和7B所示的相同的典型数据点，横梁偏斜作为时间的函数以及作为横梁偏斜数据的统计操作的输出的函数。

图7D的曲线图代表在图7C的时间周期期间，压电传动器的垂直位置。

图8A示意性表示现有技术探针尖20向陡峭侧壁垂直降低的截面图。

图8B示意性表示根据本发明的探针尖斜着向相同侧壁降低的截面图。

图9的曲线图表示对于图8A的垂直逼近轨迹和图8B的斜逼近轨迹，施加到探针尖上的力作为时间的函数。

图10示意性示出了一个垂直特征的截面图并说明了根据本发明的侧向力检测和最小z缩回的方法。

具体实施方式

本发明的优选实施例针对使用探针显微镜的改进的度量方法。虽然下面的很多描述是针对利用连接到摇摆平衡横梁上的探针尖的针式纳米表面轮廓测量仪(SNP)，本发明的方法的同样可以使用任何类型的探针显微镜来使用。

本发明的优选方法有很多新颖的方面，且因为本发明在用于不同目的不同方法中体现，因此不需要在每个实施例中出现每个方面。此外，所描述实施例的很多方面可以分别取得专利。

如前所讨论的，现有技术SPM通常通过收集沿等间距的间隔(称为象素)处的线的数据点来扫描整个数据线。在这种应用中，“数据点”用来指特定的x-y-z坐标，而不指单独的x-y坐标。技术人员将会认识到对于倒凹或者垂直特征，在给定x-y坐标可能有多个不同的z值。

根据本发明的一个方面，本发明从将数据点限制到那些与所需测量最相关的数据点的方法得出显著的优点。根据一个优选实施例，自适应算法用于将测量的相关点定位在已知的关注的特征上，例如在制造期间在半导体衬底上的已知x-y坐标处形成的具有期望构形轮廓(诸如深度、宽度、或者斜坡)的沟槽。SPM探针尖可以直接在相关数据点之间跳跃，而不是通过在沿扫描线的各个连续的数据点测量来描绘特征的轮廓。

在一个优选实施例中，本发明使用自适应算法来定位用于特定特征的测量的相关点。SPM探针尖然后能够直接在相关点之间移动。根据本发明的该实施例，SNP可使用现有技术中的公知方法(包括例如光学图案识别)定位到特征的近似x-y坐标。一旦到达该近似坐标，几个粗糙定位数据点用于更精确地定位该特征。该过程在图6A-6D中示出，这些图是形成在半导体衬底中的沟槽的截面的示意性表示600。

在一个优选实施例中，自适应算法使用该特征的尺寸和期望位置来选择定位数据点P₁-P₁₂，这些数据点用于粗略地定位期望特征，诸如沟槽601。之后，该算法可以选择要测量的相关位置处的一些数据点。例如，为了确定沟槽601的深度，可以测量在该沟槽两侧上的一些数据点Z以及沿该沟槽底部的一些数据点Z’。然后可以容易地确定沟槽601的深度(Z高度)而不测量沿扫描线的每个象素。测量沿该沟槽的顶部的数据点并且然后直接移动以测量该沟槽底部上的数据点(不必描绘侧壁的轮廓)，这允许更快的分析。如在下面更详细的讨论，更快的分析将为发生漂移或者打滑留出更少的时间。

这种只测量相关数据点的方法也能够用于确定其它关键尺寸(CD)，诸如特征宽度。为了之后确定该沟槽的宽度，可以测量一些在右侧壁上的数据点S以及沿左侧壁的数据点S’。通常，为了测量诸如沟槽宽度的CD，该宽度将在特定深度602(或者诸如导线的特征的特定高度)处测量。特定高度或者深度可以规定为绝对值或者为整个特征高度或宽度的百分比。根据本发明，一旦特征已经被粗略地定位，探针尖可以在靠近该特定高度的相对侧壁之间来回跳动以便进行CD测量。

通常，一些测量的数据点将在理想高度之上并且一些在其下。技术人员将认识到某种程度的“分散”(数据点在特定深度之上和之下)通常是理想的，因为这允许对粗糙侧壁进行更精确地测量。此外，如现有技术中已知的，精确AFM测量通常需要计入针尖几何形状的效应，该计入是通过已知为erosion或者去卷积的数学运算将针尖从初始图像中减去实现的。点在略高于以及略低于特定高度的分散使得erosion校正数据更加可能包括该特定高度处的数据。在一个优选实施例中，自适应算法将能够测量在特定高度之上和之下的适当数量的数据点。在对数据进行针尖形状的校正后，这些数据点能用来确定特征的宽度(通常通过最小平方分析)。

如果，例如特征的期望构形是具有倾斜侧壁的沟槽，从而底部比顶部窄，且第一数据点在用于CD测量的特定高度的略上方，该算法将优选调整相邻数据点以便其更加略微朝向沟槽的中心(由于该数据点期望比前述数据点略低)。因为构形中不可预料的变化或者数据点过冲的可能性，每个数据点将不必比前面的点更接近特定高度。然而，优选相对小数量的数据点(与现有技术SPM相比)足以在期望测量上调整归零。

本发明的该实施例提供了相对于现有技术的很多优点。优选地，将仅仅需要10-20个数据点来粗略定位特征，以及另外的20-40个数据点用来确定特征的关键尺寸。如前面所讨论的，现有技术SNP通常使用每扫描线200-400个数据点。由于实际测量较少的数据点，生产能力将大幅度增加。此外，通常，更快的分析将为漂移或打滑的发生留出更少的时间，优选地，交替测量侧壁数据点(一个壁上的数据点之后是另一个壁上的数据点)。在这种情况下，对每个侧壁上相关点的测量的发生可以是现有技术的沿整条线扫描的方法的约10-100倍。这大大减小了漂移或者打滑的量并且能够增加CD测量的精度和准确性。因为部分地使用多条扫描线来克服诸如系统漂移的精度问题，对于一些应用，更快地测量数据点也可以减少描绘特征的轮廓所需的总的扫描线的数量。

虽然本发明的该实施例可以使用任何类型的探针显微镜等效应用，但是本发明的这方面特别适于通过SNP使用。这是因为SNP被设计成使探针尖离开象素之间的特征，这与基于悬臂的AFM相反(被设计成使探针尖密切跟随特征的轮廓)。

通过使用基于偏斜的测量而不是现有技术中已知的力平衡测量，可以进一步提高精度和生产能力，如前面所讨论的，现有技术SNP通过在使用预定的力将针尖推进表面时测量探针位置，来收集轮廓中的每个数据点。当探针头被降低到探针尖遇到正被探测的特征的表面的那点时，横梁将立刻失去平衡。检测到板之间的电容差，表示横梁倾斜。然后伺服电路意图通过到这两个电容器板的差动电压来重新平衡该横梁。该电压差动与衬底表面施加到探针尖上的力成比例。力平衡测量意图通过从一个象素到另一象素提供恒定的针尖-样品畸变来最小化轮廓描绘失真。不幸的是，高度变化的构形、弹性有限的针尖以及困难的传感器平衡无论如何都使得力平衡方法容易显著失真。

图7示出的曲线图代表对于特定数据点使用力平衡测量的电压差动。线710示出了施加在探针尖上的力作为时间的函数。如该曲线图所示，0-0.02秒的力的值近似为0.4伏特。在该时间帧期间的值示出了基线，换言之，即当针尖正在向表面下降时的力。在0.02秒之后不久开始，该曲线开始上升直至其达到力设定点，如水平线712所示，这表示针尖与表面接触。针尖保持与表面接触一段时间间隔714。然后，力的值逐渐回到基线，这表示针尖离开表面。

图7B的曲线图代表在与图7A相同的时间段期间压电传动器的垂直位置(线716)。如图7A中力数据表示的，时间间隔714代表探针尖在表面上的时间段。时间段714期间的垂直位置数据可以如图所示地被水平线715平均以提供该特定数据点的值。

根据一个优选实施例的另一方面，由本发明示范的基于偏斜的测量通过在探针尖逼近表面期间同时测量探针位置和代表平衡横梁的偏斜的信号，来识别表面的位置。通过平衡信号中的突变来识别碰撞的点，而不是使用现有技术中的力设定点。可以使用快速统计分析来精确识别恰在碰撞点处的探针尖位置。因此，对接触的响应由传感器带宽控制，并且从对力传感器的有限物理响应中分离。通过允许由平衡横梁的物理特性定义的软物理接触，而同时具有对平衡横梁位置的高带宽的了解，这种分离提供了显著的优点。

参照图7C，线720示出了对于与图7A和图7B所示的相同的典型数据点，横梁偏斜作为时间的函数。根据本发明，可以使用已知为F测试的统计操作来处理横梁偏斜数据，该操作比较两个对象总体并且确定它们相互有多么不同。此处，使用环形缓冲器，将拖尾的基线信号与超前偏斜信号比较以确定何时从基线的偏离变得显著。线722示出了使用与用于线720的相同的时间尺度的统计输出。该统计输出表示基线与信号之间最显著的不同发生在事件时间724。发生在事件时间724的线720中的尖峰是探针尖和衬底表面之间的碰撞点的指示。

图7D是与图7B所示的相同的代表在与图7C相同的时间段期间压电传动器716的垂直位置的曲线图。如图7D所示，线716(表示探针位置)与事件时间724(由偏斜信号的统计分析确定)的交叉点用于提供该数据点的值，在该曲线图上示为报告z值726。

或者，在图7A中示出的力数据可以受到相同种类的统计操作以确定何时从力曲线上的基线的偏离变得显著。该力曲线数据的这种统计操作的输出曲线将表现出尖峰，该尖峰表示碰撞的时间，类似于图7C中线720上看到的尖峰。然而，由于力数据是通过将偏斜数据通过PI电路传递产生的，将力数据用于这种统计分析将更慢并且更不直接。

技术人员将认识到使用本发明示范的偏斜模式分析可使得测量数据点所需的时间显著减少。因为平衡不是必需的，探针尖不必在图7B和7D所示的延长的周期保持与衬底表面接触。相反，探针尖几乎可以立即从衬底表面撤回，如图7D中线717所示。

除了实现测量时间的减少之外，使用本发明示范的偏斜模式分析也使得软接触(诸如沿近垂直侧壁的数据点)的灵敏度和精度增加。如前所讨论的，现有技术的力平衡系统在确定水平位置之前，需要由样品施加到探针尖上的力达到某一设定点。当描绘陡峭侧壁时，诸如针尖弯曲和滑动的轮廓失真会降低测量精度和准确性。因为本发明示范的偏斜模式分析识别探针尖和表面之间的初始碰撞，后来的针尖弯曲或滑动将不会影响深度或者水平位置的测量。

根据本发明的一个优选实施例的另一方面，还可以通过使探针尖沿斜的路径逼近衬底表面，而不是现有技术中的纯粹垂直逼近，进一步增加对软接触的灵敏度。如上所述，在现有技术SNP中，探针尖沿纯粹垂直方向移向衬底表面。通常，将样品放入现有技术SNP中以便样品表面(作为整体)垂直于扫描器的z轴。象素定位在特定象素上方并且然后小心地下降直至其被衬底表面阻止。针尖然后从表面缩回到足以跳过任何垂直特征的距离、移动预定水平距离，并且然后垂直向表面移动回来。

不幸的是，也如上面所述，当现有技术意图描绘陡峭侧壁的轮廓时会出现问题。图8A示意性示出了典型现有技术针尖20向陡峭侧壁14垂直降低。如果探针尖20垂直碰撞侧壁14，直到滑动积累起足够的应力和摩擦力，力的垂直分量(SNP测量的)都相对小。因为该典型的探针尖也在侧向有些柔韧性，所以当针尖进一步降低时，通过与斜表面接触而施加在其上的斜力会引起其被该壁的斜坡弯曲。因此，初始接触后遇到的垂直力并不象如果遇到的表面是平面时那样快速增加。直到探针尖20降低到从初始接触点更显著向下的点，力设定点才会被超过，这会导致显著的测量误差。

为了解决这个问题，根据本发明的操作SNP的方法可以使用斜逼近衬底表面。图8B示意性示出了探针尖20根据本发明的这一方面降低。探针尖20不象现有技术中所示范的那样只垂直移动，而是将同时在横向移动，导致向侧壁14斜逼近。在一个优选实施例中，逼近的角度应当垂直或者接近垂直于局部表面角。由于使用倾斜，应力和摩擦力建立得更快，使得更容易检测到垂直力以及防止打滑。技术人员将认识到根据本发明的SNP可能难以检测纯横向力，因为这种力不会使SNP的摇摆平衡横梁不平衡。因此，对于每个陡峭侧壁(接近90度)，优选以小于垂直于取样表面的轨迹移动探针尖，以便可以出现垂直力分量。在任何情况下，甚至对于很陡峭的侧壁，逼近角度将优选为大约30-60度的角度，以避免与侧壁掠接触。最优选地，对于每个侧壁的逼近角将大约为45度。

在一个优选实施例中，可以使用自适应算法预测对于已知的所关心的特征(例如，具有期望构形轮廓的沟槽)的每个数据点的近似表面角。或者，可以使用先前数据点的测量值来计算连续数据点的近似表面斜度。

图9的曲线图代表对于两个不同的向着软接触(诸如陡峭的侧壁)的逼近矢量。线902示出了产生于纯垂直逼近矢量的力的值。线904示出了产生于根据本发明的斜逼近矢量的力值。如图9所示，斜逼近轨迹导致在针尖碰撞侧壁表面之后力曲线更陡地爬行。

根据本发明的优选实施例的这一方面，可以使用更准确的侧向位置传感器来跟踪探针尖的持续变化的横向分量。优选地，扫描器具有足够的横向响应以防止任何有害的横向移动。

现有技术SNP没有能力完整描绘垂直侧壁或者倒凹特征。然而，对于今天的高级掩模，凹角结构的表征是关键。斜逼近轨迹的横向移动使得可能使用SNP来描绘这些类型的结构的轮廓。标准的柱形针尖可用于使用斜逼近轨迹描绘垂直侧壁。为了获得外伸顶下的数据点，凹角轮廓将需要某些程度的横向移动以及长靴状探针尖。如下面将详细讨论的，本发明的一个优选实施例将使用垂直接触传感器来检测非垂直(横向)碰撞。在一些情况下，这种垂直接触传感器甚至可以用于检测纯横向碰撞。这将允许准确描绘垂直和凹角结构的轮廓。

根据本发明的一个优选实施例的一方面，采用横向力检测的方法来防止由于不期望的横向接触导致的针尖损坏。如上所讨论的，现有技术SNP只检测垂直力。因此，为了避免针尖和/或样品损坏，针尖必须升高到衬底上相当的高度以保证针尖在其能够移动到新数据点之前避开所有垂直特征。对于每个被测量的数据点，花费相当大量的时间把针尖从表面上相对大的距离降低并且然后在移向下一个数据点之前将针尖升高回那个相对大的距离。如果能在针尖和/或样品损坏发生之前检测到横向接触，则这些类型的花费大量时间的跳跃将不必要。本发明的一个优选实施例允许比现有技术更快(快3-5倍)地跨越高方位(high aspect)的特征(包括凹角结构)。测量时间的减少也通过最小化漂移误差提高了精度。

根据优选实施例的一个方面，本发明利用自适应算法和横向力检测方法来检测侧壁接触。图10示意性示出了垂直特征的截面图，在这种情况下是半导体芯片上的导电线1001的截面。在每个数据点1010，探针尖(未示出)沿路径V降低到表面，检测接触(使用现有技术的力平衡方法或者本发明的偏斜控制方法)并且收集数据。然后，在开始横向移向下一个数据点前，探针尖沿路径V轻轻缩回。探针尖不是直接移到下一数据点，而是移动更小的分步S₁-S₅，优选为1-5nm。在每个分步之后，垂直上下调整探针尖一段距离，该距离优选为2-10nm。如果横向分步使探针尖与侧壁接触，探针尖的上和/或下调整将导致当探针尖向下压时导致摩擦。该摩擦将被记录为垂直力(再次使用现有技术的力平衡方法或者本发明的偏斜控制方法)。这样，垂直力可用于检测横向接触。

如果检测到横向力，在沿路径L再次逼近表面前，探针尖横向缩回并且爬得更高。按需要重复该步骤以跳过特征。如果没有检测到横向力，探针尖继续下一分步或者下一数据点。在这种模式中，系统动态调整以描绘构形。这种模式的优点包括独立于特征高度和构形的参数。不需要设定跳跃高度或者特征高度。大大降低了针尖或者样品损坏的危险性，而同时由于针尖不必移到远离样品表面，测量速度得到提高。因此，花费更少的时间从一个线边缘移到另一个线边缘，并且CD精度和生产能力提高。另一个好处是可以安全地分析任何构形，而不用操作员预先知道最大特征高度。

虽然图10示出了本发明的这一方面(其中探针尖要么垂直移动要么横向移动)的静态描述，技术人员将认识到也可使用结合同时的横向和垂直移动的动态描述。静态逼近本质上将具有限于横向分步的尺寸的分辨率。对于每个横向接触，通常有某些程度的过冲。使用动态“三角逼近”，数据将会更准确，因为数据点可以通过探针尖与壁的初始接触获得，而不是再预定分步距离获得。

根据本发明的另一方面，自适应算法也可用于防止在描绘倒凹结构的轮廓时的针尖损坏。当长靴形针尖用于描绘倒凹结构时，针尖可能被钩在倒凹结构的顶下。在这种情况下，该算法也必须识别向上接触并且按需要后退多个横向步。更通常地，针尖必须这样响应于任何方向的接触以保证沿该轮廓前进。该算法也可以提供一种装置，该装置在特征上的向下前进期间通过以向后的一定间距测试横向接触来识别横向接触。这样，可以在每个方向描绘外伸(overhung)结构。

优选地，该算法也将能够补偿针尖-样品相互作用的滞后效应，以防止反馈环。如果，例如当使用长靴形针尖描绘倒凹结构的侧壁的壁轮廓时，该针尖横向移动并与该壁接触。如上所讨论的，该探针尖将优选被倒回并且上升或下降(根据该特征的期望构形)并且然后再次逼近该壁。然而，有时候有瞬间的吸引使得针尖与侧壁接触，从而当其最终释放时，针尖从该侧壁迅速跳回几步(滞后效应)。如果探针尖向前移动一步并且没有横向接触，则正常算法将引导该针尖降低到样品表面(在该处其将很快开始再次爬相同的侧壁)。为了防止这样的无限循环，将优选该算法能够识别探针尖是否已经爬该特征，以及即使当探针向该壁移回时没有初始横向接触，探针尖必须保持向前移动直至其与侧壁接触。

在一些情况下，探针尖的纯横向移动可能是理想的，输入描绘倒凹特征的侧壁的轮廓时。虽然可能不像前面讨论的实施例那么灵敏，在本发明的另一个优选实施例中，沿纯水平方向移动的探针尖也可用于检测横向力。再次参照图3，因为针尖20不位于与平衡横梁60的支点相同的平面内，施加在针尖上的纯横向力将趋向于摇动该平衡横梁。只要考虑到针尖移动的方向，该属性允许横梁的偏斜被正确地解释为或者垂直或者水平接触。在现有技术中，平衡横梁的偏斜通常解释为垂直接触或力。然而，当针尖沿纯横向移动时，这种偏斜将表示横向力而不是垂直力。

本发明的优选系统具有很多新颖的方面，并且因为本发明可以在用于不同目的的不同方法中体现，并不是每个方面都必须出现在每个实施例中。此外，所描述的实施例的很多方面可分别获得专利。此处描述的本发明的技术的方面可以单独使用或者以任何可能的结合使用。

例如，参考图6A-6D，根据本发明的一个优选实施例，自适应算法使用特征的期望位置和尺寸来选择定位数据点P₁-P₁₂，这些数据点用来粗糙定位期望特征(诸如沟槽601)。为了提高生产能力、精度以及灵敏度(尤其在侧壁上)，可以使用上述的偏斜控制模式测量这些数据点。也可以采用横向力检测来在数据点之间移动，以便进一步提高生产能力以及减少由意外的特征的变化导致的针尖和/或样品损坏的危险性。

在定位到特征后，该算法可以选择一些在相关位置的数据点来测量，以便测量想得到的尺寸。为了之后确定沟槽的宽度(CD)，测量右侧壁上的一些数据点S以及沿左侧壁的数据点S’。通常，为了测量诸如沟槽宽度的CD，将在特定深度602测量该宽度。一旦特征被粗略定位，探针尖可以在特定高度附近的相对侧壁之间来回跳以便进行CD测量。同样，偏斜模式和横向力检测可以用来测量相关数据点。对于沟槽侧壁上的数据点(这些数据点将用来确定该特征的宽度(CD))，斜逼近轨迹可以用来增加对陡峭侧壁上的软接触的灵敏度。因此本发明的这些方面的组合期望提供生产能力、精度和灵敏度的相对于现有技术的显著提高。

虽然已经详细描述了本发明及其优点，应当理解可以对此处所描述的实施例进行各种变化、替代和改变，而不脱离由所附权利要求所定义的本发明的精神和范围。此外，本发明应用的范围不意图限于本说明书中描述的过程、机械、制造、物质的成分、装置、方法和步骤的组合的特定实施例。本领域的普通技术人员将容易理解从本发明的公开，可以根据本发明使用现有的或者以后将要开发出的执行与此处所描述的相应实施例基本相同的功能或者获得基本相同的结果的过程、机械、制造、物质的成分、装置、方法或者步骤。因此，所附权利要求意图在其范围内包括这些过程、机械、制造、物质的成分、装置、方法或者步骤。

Claims (37)

1、用于确定样品上的特征的至少一个尺寸的方法，所述特征具有期望的构形以及已知的近似位置，该方法包括：

将样品装入具有探针尖的探针显微镜；

确定足以定位该特征的多个定位数据点的数量和位置；

在每个定位数据点测量与所述样品的高度相关的数据；

从与每个定位数据点处的所述样品的高度相关的数据确定该特征的位置；

从该特征的期望的构形和所述特征的位置确定足以确定所述特征的至少一个尺寸的多个相关数据点的数量和位置；

测量与每个相关数据点处所述样品的高度相关的数据；以及

从与每个相关数据点处所述样品的高度相关的数据的值确定所述特征尺寸。

2、根据权利要求1的方法，其中确定样品上的特征的至少一个尺寸包括确定该特征的高度、深度、宽度或者侧壁斜度。

3、根据权利要求1的方法，其中确定样品上的特征的至少一个尺寸包括确定该特征在侧壁上的特定高度或深度的特征的宽度。

4、根据权利要求3的方法，其中测量与每个相关数据点处的所述样品的高度相关的数据包括：测量该特征的第一侧壁上的数据点，然后立即测量在该特征的相对侧壁上的对应数据点。

5、权利要求4的方法，进一步包括：

(a)测量该特征的第一侧壁上的另一数据点，然后立即测量该特征的相对侧壁上的另一对应数据点；以及

(b)重复步骤(a)直至第一侧壁上以及相对侧壁上的所有相关数据点都被测量。

6、权利要求3的方法，其中确定足以确定所述特征的至少一个尺寸的多个相关数据点的数量和位置包括：

使用自适应算法来试图选择近似位于该特征的相对侧壁上的特定测量高度或者深度的数据点的数量，以便每个侧壁上的数据点在从略高于该特定高度到略微低于该特定高度之间的范围。

7、权利要求1的方法，其中确定足以定位该特征的多个定位数据点的数量和位置包括：使用自适应算法从该特征的期望位置和尺寸确定足以定位该特征的多个定位数据点的数量和位置。

8、权利要求1的方法，其中从该特征的期望构形和所述特征的近似位置确定足以确定所述特征的至少一个尺寸的多个相关数据的数量和位置包括：使用自适应算法从该特征的期望构形和所述特征的近似位置确定足以确定所述特征的至少一个尺寸的多个相关数据点的数量和位置。

9、权利要求1的方法，其中确定足以定位该特征的多个定位数据点的数量和位置包括：以每微米5-20个数据点的数据点间隔沿扫描线定位所述定位数据点。

10、权利要求1的方法，其中确定足以确定特征的至少一个尺寸的多个相关数据点的数量和位置包括沿扫描线定位20-40个相关数据点。

11、权利要求1的方法，其中确定足以确定特征的至少一个尺寸的多个相关数据点数量和位置包括沿多条扫描线中的每条定位20-40个相关数据点，所述扫描线具有每微米5-100条扫描线的线间距。

12、操作探针显微镜的方法，包括：

远离样品表面定位探针尖；

向该样品移动探针尖；

确定探针尖和样品之间的初始接触点；以及

确定在所述初始接触点探针尖的水平和垂直位置。

13、权利要求12的方法，其中所述探针显微镜包括具有摇摆平衡横梁传感器的探针显微镜。

14、权利要求13的方法，其中确定探针尖和样品之间的初始接触点包括：

测量当探针尖向样品降低时该探针尖经历的力值；以及

对该力值数据进行统计分析以便确定探针尖和衬底之间的初始接触点。

15、权利要求14的方法，其中执行所述力值数据的统计分析以便确定探针尖和样品之间的初始接触点包括：F测试，将拖尾基线力值数据与超前力值数据比较以确定与基线的偏离何时变得显著。

16、权利要求13的方法，其中确定探针尖和样品之间的初始接触点包括：

测量当探针尖向样品降低时平衡横梁的偏斜；以及

对平衡横梁偏斜数据进行统计分析以便确定探针尖和样品之间的初始接触点。

17、权利要求16的方法，其中对平衡横梁偏斜数据进行统计分析以便确定探针尖和样品之间的初始接触点包括：F测试，将拖尾基线平衡横梁偏斜数据与超前平衡横梁偏斜数据比较以确定与基线的偏离何时变得显著。

18、操作探针显微镜的方法，包括：

将样品装入具有探针尖的探针显微镜；

远离该样品上的特征上的位置定位探针尖，所述特征具有期望构形和已知的近似位置；

沿相对于在所述位置的样品表面大于或等于45度的逼近角向所述特征上的该位置移动该探针尖，直至所述探针尖在该期望位置与样品接触；以及

探针尖在该期望位置与样品接触时，测量与该探针尖的水平和垂直位置相关的数据。

19、权利要求18的方法，进一步包括在多个位置重复所有步骤以便获得该特征的图像。

20、权利要求18的方法，其中沿相对于在所述位置的样品表面大于或等于45度的逼近角向所述特征的该位置移动该探针尖包括：沿基本垂直于所述位置的样品表面的角度向所述特征上的所述位置移动该探针尖。

21、权利要求18的方法，其中探针尖在该期望位置与样品接触时测量与该样品高度相关的数据包括：在该探针与样品在期望的位置接触时测量该探针的垂直和横向位置。

22、操作探针显微镜的方法，包括：

(a)将样品装入具有探针尖的探针显微镜；

(b)确定样品表面上的多个数据点的数量和位置；

(c)向一个数据点处的样品表面移动探针尖；

(d)测量与在所述数据点的探针尖的水平和垂直位置相关的数据；

(e)移动探针尖离开样品表面；

(f)以多个分离的分步横向向下一数据点移动探针尖；

(g)在每个分步上下振动探针尖；

(h)在所述振动期间确定探针尖是否推撞样品表面；

(i)如果探针尖在所述振荡期间不推撞样品表面，将探针尖横向移向下一分步并且重复步骤(h)-(j)直到达到下一数据点；

(j)如果探针尖在所述振荡期间推撞样品表面，在探针尖与样品表面接触时确定探针尖的横向和垂直位置，然后在将探针尖横向移向下一分步或者下一数据点前将探针尖移离样品表面；

(k)将探针尖移到下一数据点处的衬底表面并且确定在该数据点探针尖的横向和垂直位置；

(l)重复步骤(e)-(k)直到所有数据点已经测量。

23、权利要求22的方法，其中当探针尖上升或下降时，其连续在横向方向上移动。

24、权利要求22的方法，其中所述分离分步是1-5nm。

25、权利要求22的方法，其中所述分离分步足够小以防止由于探针尖和样品表面之间的横向接触导致的针尖和/或样品损坏。

26、权利要求22的方法，其中上下振荡探针尖包括上下振荡探针尖通过2-10nm的距离。

27、权利要求22的方法，其中将探针尖移离样品表面包括将探针尖升高到表面上基本小于样品表面上的特征的最大高度的高度。

28、权利要求22的方法，其中将探针尖移离样品表面包括升高探针尖距离样品表面10-50nm。

29、权利要求22的方法，其中所述探针显微镜包括具有摇摆平衡横梁传感器的探针显微镜。

30、权利要求29的方法，其中在所述振荡期间确定探针尖是否推撞样品表面包括：

当探针尖上下振荡时测量探针尖经历的力值；以及

对该力值数据进行统计分析以便确定探针尖和样品表面之间的初始接触点。

31、权利要求30的方法，其中对所述力值数据进行统计分析以便确定探针尖和样品表面之间的初始接触点包括：F测试，将拖尾基线力值数据与超前力值数据比较以确定与基线的偏离何时变得显著。

32、权利要求29的方法，其中在所述振荡期间确定探针尖是否接触样品表面包括：

当探针尖上下振荡时测量平衡横梁的偏斜；以及

对平衡横梁偏斜数据进行统计分析以便确定探针尖和样品表面之间的初始接触点。

33、权利要求32的方法，其中对所述平衡横梁偏斜数据进行统计分析以便确定探针尖和样品表面之间的初始接触点包括：F测试，将拖尾基线平衡横梁偏斜数据与超前平衡横梁偏斜数据比较以确定与基线的偏离何时变得显著。

34、权利要求22的方法，其中在将探针尖横向移向下一分步或者下一数据点前将探针尖移离样品表面包括：

(a)确定探针尖和样品表面之间的接触是向上接触还是向下接触的接触，如果是向上接触则探针尖和样品表面之间的初始接触发生在探针尖向上振荡时，而如果是向下接触则探针尖和样品表面之间的初始接触发生在探针尖向下振荡时；

(b)对于向下接触，横向移回探针尖并且在将探针尖横向向前移向下一分步或者下一数据点之前将探针尖升高得更高；

(c)对于向上接触，降低探针尖并且横向移回探针尖，然后升高探针尖并且在其被升高时确定探针尖是否与样品表面接触；

(i)如果在探针尖被升高时探针尖与样品表面接触，重复步骤(c)；

(ii)如果在探针尖被升高时探针尖不与样品表面接触，将探针尖横向移动到下一分步或者下一数据点。

35、操作具有摇摆平衡横梁传感器的探针显微镜的方法，所述方法包括：

(a)将样品装入具有探针尖的探针显微镜；

(b)在样品表面确定多个数据点的数量和位置；

(c)向一个数据点处的样品表面降低探针尖；

(d)当探针尖移动时测量平衡横梁的偏斜以确定探针尖和样品表面之间的初始接触点；

(e)确定在所述初始接触点探针尖的垂直和水平位置；

(f)从样品表面升高探针尖；

(g)继续将探针尖横向移向下一数据点，同时上下振荡探针尖；

(h)当探针尖上下振荡时，测量平衡横梁的偏斜以确定何时探针尖与样品表面接触；

(i)如果在达到下一数据点之前探针尖与样品表面接触，确定在探针尖与样品表面接触的点处的探针尖的垂直和水平位置；

(j)确定该接触是向上还是向下；

(k)从特征的期望构形和接触方向，确定要移动探针尖的适当方向以将探针尖移离样品表面并且继续向下一数据点的横向移动；

(l)重复步骤(g)-(k)直至达到下一数据点；

(m)一旦探针尖在所述下一数据点上方定位，将探针尖降低到该数据点处的衬底表面并且确定探针尖的横向和垂直位置；

(n)重复步骤(f)-(m)，直至所有数据点已被测量。

36、权利要求35的方法，其中确定要移动探针尖的适当方向以将探针尖移离样品表面并且继续向下一数据点的横向移动包括：使用自适应算法来确定要移动探针尖的适当方向以将探针尖移离样品表面并且继续向下一数据点的横向移动。

37、当使用具有摇摆平衡横梁传感器的探针显微镜时的横向力检测方法，所述方法包括：

在上下调整探针尖时连续横向移动探针尖，以便如果探针尖与样品表面接触，探针尖的上下调整将导致当探针尖推撞样品表面时有摩擦；以及

测量平衡横梁的偏斜以确定探针尖何时与样品表面横向接触。

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