CN1854793A - 扫描探针显微镜、使用其的试样观察方法及装置制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扫描探针显微镜、使用其的试样观察方法及装置制造方法，可以高的总处理能力不破坏试样地测量试样的正确的立体形状信息，并且可测量包含垂直侧壁或悬垂的试样的正确的立体形状信息。在仅在测定点使探针接触，在朝向下一测定点时，一旦提升探针并使其退避之后，移动到下一测定点，然后通过使探针接近，不破环试样地使用正确的立体形状的方法中，进行高频、微小振幅的悬臂励振和振动检测，并且，为了提高在急倾斜部的接触力检测灵敏度，进行横方向励振或纵横两方向励振。具有与测定对象的倾斜相一致地使探针倾斜的部件和可对用于检测探针与试样的接触状态的光由悬臂反射后的方向随着探针的倾斜产生的很大变化进行吸收或调整的结构。

Description

扫描探针显微镜、使用其的 试样观察方法及装置制造方法

技术领域

本发明涉及一种扫描探针显微镜技术、使用其的试样观察方法以及装置制造方法。

背景技术

作为微观立体形状的测量技术，扫描探针显微镜(SPM：ScanningProbe Microscope)是已知的。这是一种一边控制尖头探针、一边使接触力保持在非常小的值来扫描试样的技术，被广泛用作可对原子量级的微观立体形状进行测量的技术。

另一方面，目前在LSI的微观图案形成过程中，进行使用了CD-SEM(测长SEM)的尺寸管理，但随着图案的微观化，出现下述极限。(1)测定精度的问题。在2007年将成为主流的65nm节点LSI的选通脉冲宽度是25nm，如果设允许误差为10％、测定精度为允许误差的20％，则必须的测定精度为0.5nm。(2)轮廓测量的要求。为了进行线宽的高精度控制，APC(先进过程控制，Advanced Process Control)化的必要性增强，但因此需要不仅是图案线宽、而且对电特性有很大影响的截面形状的测量技术。(3)测定对象的问题。对DUV(深紫外光)用保护膜、低K(低介电系数)膜材料等对电子射线的耐性弱的材质的测定需求增大。

对于上述问题及要求，利用现有的CD-SEM难以处理。因此，扫描探针显微镜技术被认为是有希望的。这种情况下需要的是可应对纵横尺寸比大、台阶状变形部的倾斜接近90度的图案的扫描探针显微镜技术。

针对这一点，在专利文献1中，公开了下述方法：使试样或探针以一定振幅振动，周期性地一边使探针与试样触碰一边进行扫描，从而减轻对软脆试样及探针的破坏。另外，专利文献2中公开的扫描方法是，仅在分散的测定点启动探针的伺服机构来测量高度，在提起探针的状态下朝向下一测定点，这种方法进一步减少了接触次数，从而减少了对软脆试样及探针的破坏。另外，由于不拖拉探针，因而具有可忠实地测量台阶状变形部的形状的优点。另外，在专利文献3中，还公开了组合上述两者的动作的方法。

专利文献1：特开平11-352135号公报

专利文献2：特开2001-33373号公报

专利文献3：特开2002-206999号公报

但是，使用上述方法也存在在急倾斜部探针产生若干滑动、测定出的形状变形的问题。还存在因探针的滑动及探针的振动而使探针磨损的问题。

换言之，在上述专利文献所公开的技术中，对于纵横尺寸比大的试样，在急倾斜部探针产生若干滑动、测定出的形状变形，从而难以测量正确的形状。另外，因探针的滑动及振动使探针磨损，从而难以稳定地、高精度地测量形状。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于通过使用针对每个测定点重复进行探针的退避·接近的测定方法，不破坏试样、并且高速地进行高精度的形状测量。另外，本发明的目的在于，通过测量半导体试样的图案，并反馈到加工条件中，实现稳定的、高精度的装置制造。

为了解决上述问题，本发明的扫描探针显微镜的特征在于：采用针对每个测定点重复进行探针的退避·接近的测定方法，以便可以进行不破坏试样的高精度测量，同时，使探针以原子量级的振幅进行高频微小振动，从而高速、高灵敏度地检测到接触、并且进行接触时无探针滑动的测定。另外，其特征在于：通过测量半导体试样的图案并反馈到加工条件中，形成稳定的、高精度的图案，并且对于急剧倾斜的试样的台阶状变形部，通过使探针倾斜来进行扫描，来测量台阶状变形部的正确形状，对于悬垂的台阶状变形形状，也可测量正确的形状。

本发明可产生的效果是，通过具备高灵敏度的非接触式传感器，可实现试样与探针的高速接近，从而可提高测量的总处理能力。

还可产生如下效果：使探针间断地接触试样，不在试样上拖拉探针，从而对于软脆材料或台阶状变形陡峭的图案可实现高精度的测量，同时实现高速的试样扫描，对于急剧倾斜的试样的台阶状变形部，通过使探针倾斜进行扫描，可实现台阶状变形部的正确形状的测量。

附图说明

图1是表示本发明实施例1的扫描探针显微镜的整体结构的图。

图2是表示探针动作的图，还对应本发明实施例17、18的、控制探针退避距离时探针的动作。

图3是表示探针与试样倾角的关系的图，还对应本发明实施例9的、适于半导体图案等纵横尺寸比高的样本的测量的关系。

图4是表示基于振动的接触状态检测的原理的图。

图5是表示带电对基于振动的接触状态检测的影响的图。

图6是表示本发明实施例2的扫描探针显微镜的光学系统的图。

图7是表示本发明实施例3的另一光学系统的图。

图8是表示利用外差干涉测量探针的挠度的原理的图。对应本发明的实施例4。

图9是表示本发明实施例5的另一光学系统的图。

图10是表示本发明实施例6的又一光学系统的图。

图11是表示本发明实施例7的又一光学系统的图。

图12是表示本发明实施例8的又一光学系统的图。

图13是表示本发明实施例10的、根据试样的倾角来改变探针的测量步骤的例子的图。

图14是表示本发明实施例11的、可控制倾角的探针的另一结构例子的图。

图15是表示本发明实施例12的、可控制倾角的探针的结构例子的图。

图16是表示可应对悬垂的探针结构例子的图。

图17是表示本发明实施例13的、可控制倾角的探针的另一结构例子的图。

图18是表示本发明实施例14的、可判别保护膜图案的例子的图。

图19是表示本发明实施例15的、进行半导体加工条件控制的例子的图。

图20是表示本发明实施例16的、进行半导体晶片测量时的装置结构的图。

图21是表示本发明实施例19的、对应悬臂倾角的光学系统的图。

图22是表示本发明实施例20的、对应悬臂倾角的光学系统的图。

图23是表示本发明实施例21的、对应悬臂倾角的光学系统的图。

图24是表示本发明实施例22的、对应悬臂倾角的光学系统的图。

图25是表示本发明实施例23的、对应悬臂倾角的光学系统的图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施方式。

(实施例1)

图1表示本发明实施例1的扫描探针显微镜的结构图。在可沿X、Y、Z驱动的试样台302上载有试样501，由扫描控制部201控制。由来自XYZ扫描驱动部203的信号沿X、Y、Z方向驱动安装了探针103的探针移动机构252，由此进行扫描探针显微镜的探针扫描。

利用来自探针驱动部202的信号，可在探针103本身或由配置于探针根部的压电元件等构成的致动器中产生微小振动。或者，作为另一实施例，也可将来自探针驱动部202的信号重叠在来自XYZ扫描驱动部203的信号上，通过在探针移动机构中引起微小振动，在所安装的探针103中激发振动。或者如后所述，也可通过将直接振动激励光照射到探针上，在探针103中激发微小振动。

在图1中，101是探针·试样观察透镜，通过该透镜从上方观察试样·探针、测定振动、激发振动、测定试样高度。该透镜在探针移动过程中始终聚焦到探针上来进行跟踪，所以最好与探针一体地由探针移动机构252驱动。

探针103与试样501的接近也可通过试样台302向Z方向的驱动控制、或探针移动机构252具有的Z方向粗调功能来实现。扫描控制部201利用由接触状态检测器205检测出的探针103与试样501的接触状态，控制探针103与试样501的接近。

非接触式传感器204是用于以高灵敏度来测量探针顶端附近的高度的传感器，在除了来自接触状态检测器的信息外还使用该传感器的情况下，通过提前检测到探针对试样的接触、从而控制接近速度，可在不使探针碰撞试样的情况下实现对试样的高速接近。也可如后所述在非接触式传感器204中使用光，但只要检测范围在几十微米以上、可以以1微米左右的灵敏度检测出与试样的距离的传感器，也可使用其他的传感器。

例如，也可使用如下传感器：通过在未图示的、设置于试样501之上的传感器头或探针103与试样501之间施加交流电压，来测量静电电容，从而检测距离的静电电容式传感器；或通过在未图示的、设置于试样501之上的传感器头与试样501之间使来自传感器头的空气流动，来检测压力的空气微型传感器。

扫描控制部201通过控制探针的接触状态检测器205、非接触式传感器204、探针支架驱动部203、探针驱动部202和试样台302，实现探针的接近、试样的扫描等。这时，通过向SPM像形成装置208发送试样扫描时的信号，可得到试样的表面形状像。另外，信号施加装置207以高频激振探针，利用接触状态检测器205检测出响应，从而测量表面弹性等，或在探针与试样之间施加交流或直流电压并测定电流，从而测量电容或电阻。

通过与探针的扫描同时地进行上述动作，在SPM像形成装置207中除了得到表面形状像之外，还可得到附加性质的分布像。

装置整体的动作由整体控制装置250控制，利用显示·输入装置251来接受操作者的指示，或提示光学像或SPM像。

由图1的接触状态检测器205检测出的光强度信号A(t)的交流分量为cos2π(Δft+2Z/λ)。这里，Z为探针103由于振动而产生的位移，λ为激光的波长，t为时间。因此，通过检测出该信号的相位，可求出探针103的位移。可以将在相位的检测中提供给双频光发生器701中的音响光学元件的频率Δf的信号、或者将通过使从双频光发生器701产生的2条光束中的一部分分支、然后不碰撞探针地使其直接干涉而得到的频率Δf的信号用作基准，与A(t)一起输入到相位检测电路。

或者，如果检测出光强度信号A(t)本身与使其延迟Δt后的信号A(t-Δt)的相位差，则该相位差的变化分量为2(Z(t)-Z(t-Δt))/λ，所以，可检测在Δt之间Z的变化，即Z的速度。

这里，设探针的振动频率为g、振幅为B，则表示为Z(t)＝Bsin2πgt。于是，ΔZ＝Z(t)-Z(t-Δt)＝(2πgBΔt)cos(2πgt)，只要提高探针的振动频率g，则可提高振动的检测灵敏度，所以更好的是检测与使A(t)本身延迟后的信号之间的相位差。

将这样检测出的探针103的振动提供给信号发生器207，由带通滤波器选择希望使其振荡的频带的信号，在提供了适当的相位差和增益之后，经由探针驱动部202反馈到探针103，从而激振探针103。或者，通过对提供给振动激励用光源702、并照射到探针103上的光强度进行调制，来直接激振探针103。如果适当地设定相位差和增益，则探针以必需的振幅产生振动。

图2是表示探针的轨迹的图。此前通常使用的方式是一边保持探针与试样的接触，一边使探针横向移动，从而描绘试样表面的方式。其中存在的问题是，在急斜面部分上，横向的力施加在探针上，从而使探针扭曲、或探针的振动停止，从而不能正确地检测出探针的接触状态。

而在本发明实施例1中，如图2所示，使探针朝向试样下降，在到达一定的接触状态时记录探针的高度，然后提升探针，沿水平方向移动探针，移动到下一测定点，再次使探针下降。重复该过程来测定试样的表面形状。通过使用这种方法，即使在如图3所示的急斜面部分，也可正确地测量试样的表面形状。

可是，即使使用这样的方法，也存在探针稍稍产生若干滑动、表面形状就变形的问题。另外，对此虽然具有如专利文献3中所公开的组合探针振动的方法，但仍存在如下问题：由于探针与试样接触时发生多次冲突，从而发生探针及试样的磨损、损坏，另外，如果不发生多次冲突，则探针的振动状态不变化，所以探针·试样间的接触检测的响应性能恶化，在进行高速的表面形状测定时，形状精度恶化、探针的磨损也变大。

在本发明中，通过使探针以原子量级的微小振幅高速地微小振动，来减少探针的磨损，提高接触检测的响应性能和灵敏度，从而实现高速、正确的表面形状测定。

图4是表示探针的接触状态检测原理的图。如上面的图所示，取探针顶端与试样的距离为横轴、取原子间力为纵轴，并以斥力为正时，若距离减小，则引力逐渐增加，但比某距离R更近时，引力开始减小，急剧地转变成斥力，并且斥力增大。

如图4的中间图所示，若以纵轴为力梯度进行重新绘图，则力梯度以R为界，距离比其近则急剧地增加。若在该力场中使探针振动，则将探针看作振子时的弹簧常数与探针振动方向的原子间力的梯度相对应地变化，如图4的下面图所示，在斥力增大区域，由于弹簧常数增加，共振频率上升；在引力增大区域，由于弹簧常数减小，共振频率降低。

如图4所示，通过在与共振频率fo错开了若干的f点激励振动，可设定成振动振幅与设置了探针后的力梯度的大小相对应地变化。利用该变化，可检测出力梯度。

以前，为了使探针稳定地振动，并且为了以探针接触为充分信号来进行检测，以从引力区域到斥力区域的几纳米至十几纳米这样大的振幅使探针振动，因此，在振动下端斥力急剧增大。

相反，在本发明实施例1中，通过将振动振幅抑制在原子量级的1纳米以下，而将接触力抑制得较小。减小振幅时，通常检测S/N比(信号对噪声比)恶化，但通过使振动频率增加，可增强信号。即，这是因为若设振幅为A、频率为g、以Asin2πgt表示振动，则对其进行微分后，位移速度为2πAgcos2πgt，位移速度的振幅与频率成正比变大。位移速度如后所述，利用激光多普勒测量可高灵敏度地进行检测。

或者，也可以通过利用照射到探针上的激光的反射角来检测另行后述的探针挠度的光杠杆信号的微分来求出。另外，除了振幅，相位或频率也随着接触状态而变化，所以也可将其检测出来。或者，在探针中组合应变仪等利用探针变形来产生信号的传感器，由此可检测探针的振动状态。

再一个问题是接触检测的响应速度。表示振动锐利度的Q值由振动频率f和为振动振幅一半的幅度w表示为Q＝f/w，但为使探针在检测到接触后振动状态发生变化，必须重复Q次量级的振动。即，作为响应的时间常数，要求T＝Q/f。Q通常是几百的量级，f通常是100～300kHZ左右，因此，要求T＝1ms左右。另外，在弹簧常数是k＝10～50N/m左右、高速地进行图2示出的探针的接近动作、从而以v＝10nm/ms左右的速度使探针接近时，由于在T期间内前进了vT＝10nm左右，所以产生kvT＝100～500n N左右的接触力，从而产生探针的滑动以及探针和试样的破坏。

为了不产生探针的滑动以及探针和试样的破坏，必须至少抑制在5n N以下的接触力，如果可能，则抑制在1nN以下。为了抑制接触力，必须降低T。因此而利用悬臂或进行励振控制来控制Q的方法使接触状态的检测灵敏度恶化，所以最多也只能降至20左右。因此，在探针的接近速度没有降至v＝1nm/ms左右时，无法以1nN左右的接触力来产生接近接触动作。

由于克服由试样与探针间的表面张力等引起的吸附力的必要性和为了应对试样的凹凸，退避·接近距离必须确保为10nm左右，因此，探针接近所需的时间为10ms左右，即使使探针的退避和横向移动实现高速化，退避·移动·接近总计最短也需要10ms多的时间，从而不能充分提高测量速度。

为进一步减小接触力，必须进一步降低接近速度，从而牵涉到测定时间的增大。为解决该问题，在本发明中提高振动频率。由此，响应的时间常数T＝Q/f与频率成反比地缩短，从而可高速地检测出接触状态的变化。例如若将f提高至400KHz以上，则与100KHz的情况相比，可使接触力降低至1/4，或使测量速度上升至4倍。

例如，如果将f提高至1MHz以上，则与100KHz的情况相比，可使接触力降低至1/10，或使测量速度上升至10倍。例如在后者的情况下，可在接近速度为10nm/ms的接近速度下、以1nN的接触力进行测量，从而在退避距离为10nm时，可以以每个点1～2ms左右的速度进行测量。另外，若使f提高至10MHz，则可以在相同的测量速度下，使接触力降低至0.1nN。

作为用于实现高速·高精度化的另一实施例，通过对表示接触状态的信号横穿设定阈值的瞬间的探针高度进行采样，即使是相同的接近速度，也可进行接触力更小状态下的测定点试样高度的测量。

下面示出其理由。在使探针朝向试样下降、在达到一定的接触状态时记录探针高度的方法中，由于接触状态检测的延迟，探针在试样斜面部分滑动，从而有时会测量到探针变形后的高度。可是，通过设定不同于最终接触状态的微小接触状态阈值，并在横穿该阈值的瞬间进行采样，可以测量到探针在试样斜面部分滑动、从而探针变形之前的正确高度。

第3个问题是对微观图案的处理。在测量微观图案的陡峭的沟的形状时，必须一边使探针振动，一边稳定地移动至沟底。这时，若振幅大，则在迫近两侧的侧壁上被卡住，难以使探针到达沟底。半导体图案在2007年为65nm，之后会进一步窄至35nm。因此，必须使探针的振动在1nm的量级。

为了提高探针的共振频率，考虑了各种方法。第一个是结合高次谐波的频率来激励振动的方法；第二个是不结合探针的弯曲振动、而是结合扭曲振动等其他模式的共振频率来激励振动的方法；第3个是提高探针的基本共振频率的方法。就第3个方法而言，单纯地增厚探针悬臂部的厚度时，共振频率增大，但弹簧常数也变大。若使悬臂部的形状形成为长方形，并设宽度为b、厚度为h、长度为L、杨氏模量为E，则弹簧常数K＝Ebh^3/(4L^3)。另外，若设悬臂密度为ρ，则共振频率为 $f=0.56(h/L^2)\sqrt{E/12\mathrm{\ρ}}.$

因此，例如，若一边保持宽度b恒定，一边按相同比例减小长度L和厚度h，则可在保持弹簧常数恒定的情况下，使共振频率与长度L成反比增加。由此，可提高接触状态检测灵敏度和响应性能。

并且，如图5所示，通过使用本方式，可减少试样带电的影响。与原子间力的变化方式相比较，因带电而产生的静电力从远距离开始慢慢增加。因此，斥力与距离的关系虽然偏差大，但由于静电力的变化缓慢，所以若变换成力梯度，则如图5的下面图表所示止于微小的偏移。因此，在利用弹簧常数小的悬臂检测探针—试样间的静态变形的方法中，探针变形大、接触力的测定精度恶化，但如果使用使探针振动来检测接触状态的本发明的方法，则可将静电影响抑制为较小。

(实施例2)

图6是表示本发明实施例2的扫描型探针显微镜的光学系统的图。从光源111射出的光由透镜112转变成平行光，由反射镜113反射，射入透镜101，然后在试样501上聚焦。根据组入光源111的孔径的形状的不同，可形成点或狭缝等任意形状的像。由试样反射的光再次通过物镜，由反射镜114反射，然后由成像透镜115成像于检测器116上。像的位置随着试样501的高度的不同而移动。设检测光110设向试样的入射角为θ、透镜115的成像倍率为m、试样的高度为Z，则移动量为2mZtanθ，所以如果测量该移动量，则可检测出试样的高度。

检测器116只要可检测像的位置即可，所以可以是PSD(位置灵敏装置)、分割型光电二极管、线性图像传感器等的任意一个。另外，上述说明是对检测光110通过物镜这样的结构的说明，但还考虑检测光110通过物镜的外部，由另一面未图示的反射镜折曲，然后在试样上成像的结构。这时，调整透镜112及115，以分别使光源111及传感器116与试样501成为成像关系。这时传感器116上的像的移动量为2mZsinθ。

下面说明探针的接触状态检测。从双频光发生器701产生频率为f1和频率为f1+Δf的、频率稍微偏离的2条光束(791和792)。2条光束例如如下产生：由分光镜分离来自激光器的光，使一个通过音响光学元件，从而使频率错开Δf。或者，产生偏振面互相正交的2条光束的双频激光器市场也有售。第一光束791在将由偏振光分光镜722反射的方向上偏振，并从双频光发生器701射出。由偏振光分光镜722反射后的光通过4分之一波长板725后变换成圆偏振光，在中途根据需要通过分光镜134、分色镜712后，作为检测光130，通过透镜101，照射到探针103的背面。

在此被反射的光返回原来来时的光路，通过4分之一波长板725后，变换成与从双频光发生器射出的光束791正交的方向上的直线偏振光。因此，该光透过偏振光分光镜722，并且还透过下一偏振光分光镜723。这里，若将从双频光发生器701射出的另一个频率为f1+Δf的光束792调整成偏振光方向为将由偏振光分光镜723反射的方向，则由723反射，所以在此与从探针103反射来的光合流，通过偏振片721后到达光电二极管720。

光束791和792通过偏振片721时的偏振方向直行，但通过使偏振片721倾斜成两光束偏振方向的中间角度，则两光束产生干涉，产生频率Δf的光强度变化，所以可由光电二极管720将其检测出来。另外，在光电二极管720之前，也可在感光面上设置用于会聚激光的透镜729。

在图6中，光源702是振动激励用的光源。最好使用半导体激光器，以便以高速进行调制。从这里射出的光通过透镜711之后，由制造成反射光源702的波长的分色镜712反射，朝向透镜101，由透镜101会聚后，照射到探针103上。通过对该光的强度进行调制，在探针103中产生应变，从而激发振动。由探针103反射的激励光再次返回原来来时的光路，但由于由分色镜712反射，所以没有到达检测用激光的光路上。

说明试样观察系统。观察用照明光从照明光源154射出，通过会聚透镜153，由分光镜155反射，透过分光镜134、分色镜712，通过透镜101照亮试样501及探针103。反射光再次透过物镜，透过分光镜134和155，由成像透镜152成像，然后由图像传感器151检测出来。

如上述利用图6说明的那样，通过同轴构成探针和试样观察系统、试样高度传感器、探针振动检测光学系统和探针振动激励光学系统，可实现SPM测量位置的同时观察、调整探针的容易、探针和试样的高速接近。另外，通过同轴构成探针挠度检测光学系统，对悬臂部的面积小的探针，也可照射检测光130及激励光710，并且通过使用更轻、共振频率高的探针，可实现扫描高速化和提高接触状态检测灵敏度。另外，通过全部通过物镜进行检测，可使物镜与探针接近，可实现高分辨率的试样的光学观察。

(实施例3)

图7表示本发明实施例3的光学系统。在实施例2中利用的是使用了双频光的所谓外差检测，但替代地也可使用采用了单一频率光的零差检测。这时，将频率f1的光分支后用作参照光792，然后在光电二极管上进行检测，这一点没有变化，但为了检测相位，如图7所示由半反射镜726使激光分支，另一方面由反射镜727反射，由λ/4板728使参照光和检测光的相位差错开90度之后，由偏振片721’使其产生干涉，通过透镜729’后，由第二光电二极管720’进行检测。来自第1和第2光电二极管720、720’的信号是相当于cos和sin的信号，在检测出相当于各信号共振频率的分量的振幅之后，取平方和的平方根，就可检测出探针的振动振幅。

(实施例4)

图8表示本发明实施例4的光学系统。作为另一实施例，如图8所示通过将参照光792也引导到探针的根部使其干涉，可以不受中途光路变动的影响地检测探针的倾角。由此，也可以进行不仅利用了探针的振动检测、而且还利用了静态探针的挠度检测的探针扫描控制。这时的参照光792既可以是提供Δf的频率变化地进行外差检测，也可以是不提供地进行零差检测。

(实施例5)

图9表示本发明实施例5的光学系统。在图9中，示出不是利用激光干涉、而是利用光杠杆的原理进行探针接触状态检测的方法。从光源131射出的光通过透镜132和分光镜，然后通过分光镜134、分色镜712后，通过物镜照射到探针的悬臂部103。在此反射的光返回同一光路，通过分光镜133，经由透镜135照射到传感器136上。

透镜135构成为物镜的射出瞳和传感器136大致为成像关系，由此，传感器136上的光产生与悬臂反射面的倾角成正比的位置变化。通过利用设置在136的位置上的PSD(位置灵敏装置)、分割型光电二极管、线性图像传感器等将其检测出来，可检测出悬臂的倾角(挠度)。

另外，通过使用二维型PSD、图像传感器、4分割光电二极管，可与挠曲同时地检测出扭曲。如果利用电路检测出该信号中共振频率的振动，则可检测出探针103的接触状态。为将本检测光130与试样观察系统的光分离，最好使光源131为单色激光，并在透镜135的前后设置干涉滤波器以只通过该光。

并且，为了提高效率，分光镜134也可作为分色镜。另外，也可以将分光镜133作为偏振光分光镜，以激光131的偏振方向为由133反射的S偏振光，通过在分光镜133和134之间设置1/4波长板(未图示)，将S偏振光变换成圆偏振光，碰到探针103的反射面后，再次利用1/4波长板将反射光变成P偏振光，然后使其透过偏振光分光镜133。

另外，当然还考虑离轴结构的实施例，即，使用工作距离长的物镜，通过物镜和试样之间的间隙，使试样高度传感器与探针挠度传感器中的至少一个倾斜，对光进行投影、检测。利用图10对该结构进行后述。

另外，虽然作为另一结构记述了使用外差干涉法检测探针103的挠度的方法，但作为具体的光学系统结构，在光源131的位置上配置频率f1的点光源和利用频率f进行频移后的频率f1+Δf的点光源。为了配置点光源，既可以利用透镜使激光光圈缩小，也可以在此设置光纤的射出端。调整光学系统，以在探针103的两点上形成其像。

例如，如图8所示，一方面在探针悬臂部的顶端形成像，另一方面在根部形成像，由于其反射光在136的位置上交叉，所以在136上设置光电二极管时，两束光干涉，从而产生频率Δf的差频。若以提供给移频器的频率Δf的信号作为基准，锁住检测该差频信号，从而求出相位，则该相位的变化即为悬臂倾角的变化。

由此，可检测出悬臂的挠度。或者，也可以不使用提供给移频器的信号，而是在通过透镜132之后，在2条光束交叉处利用其他的光电二极管(未图示)检测没有由分光镜133反射而透过的光，作为频率Δf的基准信号。

另外，作为另一结构，也可在探针中组入应变仪等可得到反映变形变化的信号的仪器，用作光学式挠度传感器的替代。

(实施例6)

图10是表示光学系统的实施例6的图。从光源111射出的光由透镜112变成平行光后，由反射镜113反射，经反射镜的反射后射入透镜182，在试样501上聚焦。根据组入光源111的孔径的形状的不同，可形成点或狭缝等任意形状的像。由试样反射的光经反射镜的反射，通过透镜185，由成像透镜115在检测器116上成像。像的位置随着试样501的高度的不同而移动。设检测光110向试样的入射角为θ、透镜115的成像倍率为m、试样的高度为Z，则移动量为2mZsinθ，所以如果测量该移动量，则可检测出试样的高度Z。检测器116只要可以检测像的位置即可，因而可以是PSD(位置灵敏装置)、分割型光电二极管、线性图像传感器等的任意一个。

说明图10的实施例6中探针的挠度检测系统。从光源131射出的光通过透镜132，经反射镜的反射，照射到探针的悬臂部103上。在此反射后经反射镜的反射照射到传感器136上。悬臂103的挠度为反射光的角度变化，由此传感器136上的光产生与悬臂反射面的倾角成正比的位置变化。通过利用设置在136的位置上的PSD(位置灵敏装置)、分割型光电二极管、线性图像传感器等对其进行检测，可检测出悬臂的倾角(挠度)。

另外，通过使用二维型PSD、图像传感器、4分割光电二极管，可与挠曲同时地检测出扭曲。为将本检测光130与试样观察系统的光分离，最好使光源131为单色激光，并在检测器136之前设置干涉滤波器以只通过该光。

另外，109是试样观察系统的物镜。本光学系统也可在检测器136之前由其他系统引导参照光，处理从136得到的外差或零差干涉信号，从而检测出探针的变形或振动状态。

(实施例7)

图11是表示光学系统的另一实施例7的图。与图6中说明的实施例相比，观察光学系统不同，由半反射镜902在横方向上折曲，由观察用透镜901来照明观察悬臂及试样。设置在图6的照明光源154和观察用图像传感器151的901的后方。101为探针振动激励、变形检测用的透镜，由于对像差的要求低，所以可以是比观察兼用的透镜小的透镜。与探针103的移动并行地驱动透镜101，从而始终在探针103上形成激光点。

就其他的结构而言，除1/4波长板725的位置出现在透镜101附近外，与图6的结构相同。波长板725的位置尽可能接近被比测定物时，可以除去中途光路中的散射光的影响，所以设置在该处。另外，在本图中，探针变形的测量利用光学干涉进行，但与图9的实施例相同，也可利用光杠杆检测。

(实施例8)

图12是表示光学系统的另一实施例8的图。与图11相比，振动激励光710和测定光130一旦由751会聚后，射入偏振面保持光纤750。射出的光经1/4波长板725，由透镜101在探针103上成像。由探针103反射的光再次按相同的光路返回偏振面保持光纤750，由透镜751变换成平行光。此后的动作与图11相同。

(实施例9)

下面，用图3说明适于测量半导体图案等纵横尺寸比高的样本的实施例。这样，力梯度大致沿试样表面法线方向产生。如前所述，通过利用力梯度使共振频率偏移来检测接触状态，所以，如果使在探针顶端与试样之间作用的粘性力和摩擦力的影响相对较小，则在探针的振动与力梯度的方向大致一致时，接触力检测灵敏度高。因此，在如图3右侧的图所示测定急倾斜部时，力梯度是横方向的，从而产生在纵方向的探针振动中检测灵敏度小、或在摩擦力强时探针及试样的磨损大的问题。

这样的情况下，如果左右地切换探针的振动方向，则可以高灵敏度地检测到接触，并且探针及试样的磨损也小。或者，同时产生纵方向和横方向的振动，通过检测各个振动模式的振动状态，可与力梯度的大小同时地检测出力的方向。

同时产生2方向振动的方法可以是重叠相当于两个振动模式的频率信号，将其提供给振动激励光702或探针驱动部202，也可以在振动状态检测中利用滤波器选择各个频率信号。另外，也可以不重叠2个频率的信号，而是一方面利用振动激励光、另一方面利用与探针驱动部不同的激励方法来激励探针振动。根据上述实施例，可无滑动或磨损地正确测量纵横尺寸比高的图案的急倾斜部。

(实施例10)

图13表示实施例10。如图13所示，为了细致地测量倾斜部的形状，还考虑根据力梯度的方向或测定形状的局部倾角，来细致地取下一测定点的实施例。具体地说，例如对应于试样表面的局部法线方向的角度θ(设垂直方向为0)，在水平面的扫描间隔为Δx时，以p+Δxcosθ的间隔移动到下一测定点。

另外，p是表示最小节距的修正项。并且，作为另一实施例，在θ非常大时，例如80度以上时，探针的下降方向与斜面的方向过于接近，从而无法使探针稳定地下降。这样的情况下，向下倾斜时，将p取得稍大地使探针下降，在比前次测定点下降了Δx或Δxsinθ的点，停止探针的下降，在此使探针向左方向移动，直至检测到接触，然后测量检测到接触的点的位置。相反，向上倾斜时，使探针向左方向移动p之后，使探针上升Δx或Δxsinθ，在此使探针向右方向移动，直至检测到接触，然后测量检测到接触的点的位置。

这样，即使在θ超过90度、斜面悬垂时，也可正确地测定斜面形状。

(实施例11)

并且，探针的顶端具有一定的锥角，以前利用扫描探针显微镜不能正确地测量比其还要陡峭的台阶状变形部的形状，但在检测出台阶状变形时，使探针倾斜地进行扫描。作为使探针倾斜的方法，具有在探针的支架上设置微小旋转机构的方法，还包括如“T.R.Albrecht、S.Akamine、M.J.Zdeblick、C.F.Quate、J.Vac.Sci.Technol.A8(1)、317(Jan./Feb.、1990)”中公开的、使用图14中示出的压电薄膜型悬臂的方法。

形成所谓的双压电晶片结构，在中间电极G的上下设置压电体，在其相反侧形成电极A、B、C、D。这里，若向A-G、D-G和B-G、C-G提供反方向的电压变化，则发生扭曲变形，从而可使探针倾斜。如果在探针的挠度检测器136中使用4分割光电二极管，则可简单地检测出探针的扭曲。

(实施例12)

另外，近年来碳纳米管作为细的、耐久性高的探针材料受到关注。它是由1纳米至10纳米量级的圆柱状的碳原子构成的材料。如果使用该碳纳米管，则有可能利用扫描探针显微镜正确地测量陡峭的台阶状变形状的形状，但存在的问题是，不能测量90度以上的悬垂的台阶状变形，并且，如果探针的角度和台阶状变形的角度相类似，则探针在静电力的作用下吸附于试样的台阶状变形部而弯曲，从而无法正确地测量形状。

对此，如图15所示，示出因静电力使碳纳米管弯曲、正确地测量台阶状变形部的实施例。195是碳纳米管。在其左右配置电极197和196，用绝缘体198覆盖其周围。若向电极197和196中的任意一个施加电压，则碳纳米管198因静电力而吸附并弯曲。

在图15的例子中，向196侧施加电压。由此，可正确地测量陡峭的台阶状变形部。另外，还考虑面向悬垂的探针使用如图16所示的顶端部扩展后的探针的结构。

(实施例13)

另外，作为另一实施例，还考虑如图17所示用联杆机构构成探针支架部。联杆的节最好由弹性铰链构成、且无松动。这时，若如图17右图所示使联杆变形，则可以不改变探针顶端的位置、仅使倾角变化。

(实施例14)

图18表示测量本发明实施例14的保护膜图案的例子。在保护膜图案的测量中，必须区分或如(a)所示垂直地切割图案、还是如(b)所示使保护膜稀薄地残留、还是如(c)所示使沟或洞的下部更窄。根据本发明，由于励振探针，所以通过检测出振动的相位，可检测材质的不同，从而区分上述情况。

(实施例15)

图19表示本发明实施例15的装置制造方法。使晶片620流过加工装置601、601’来形成装置。加工装置601、601’根据情况可以是蚀刻机，或是CMP装置，或是曝光装置，或是显像装置。使用经过了这些工序的抽样晶片或假晶片621，利用本发明的扫描探针显微镜603观察、测量在晶片上形成的图案。或者，由于总处理能力大，所以也可利用本发明的扫描探针显微镜603观察、测量全部晶片。

在本发明的实施例15中，由于可不破坏试样地、正确地观察·测量图案的立体形状或表面的状态分布，所以通过将观察·测量结果反馈到加工装置601、601’的加工条件中，可稳定地制造高精度的装置。根据情况，也可在反馈路径610中介入专用的数据处理服务器(未图示)。

(实施例16)

图20表示作为本发明实施例16的制造装置的整体结构。313是包含物镜109和探针103及其驱动系统、检测系统的检测头部。在工作台302上搭载试样501并进行测量。310是放置搭载有基板的盒子的台子，机械臂311从这里取出基板，由预对准器312检测出基板的旋转角度之后，使基板成规定方向地将其搭载在工作台302上来进行测量。装置整体的动作由整体控制装置250控制，通过显示·输入装置251可以接受操作者的指示，或提示光学像或SPM像。另外，整体控制装置250也可连接于LAN装置，从而交换测量数据等。

在将基板搭载于工作台302上以使试样501成规定方向之后，通过物镜109观察基板上的多个位置标记，精密地测量(对准)基板的位置·旋转。以该信息为基础，移动到已登记的测量位置后开始测量。首先，放下探针、使其接触基板。接着，在此利用扫描探针显微镜进行扫描(SPM扫描)，得到测量数据。使探针退避，返回下一测定位置，重复上述动作直到测量完全部的指定测量点。全部指定测量点的测量完毕后，将工作台移动到卸载位置，由机械臂311将其取出后存储在盒子中，从而结束1张基板的测量。

在本发明中，由于可以高速地进行探针的接近和SPM扫描，所以可缩短整体测定所需时间。

(实施例17)

下面，利用图2示出使探针的退避距离可变、实现更高速测量的实施例17。如图2(a)所示，以前对于试样的最大台阶状变形，采用更大的退避距离来接近下一测定点是测量正确的台阶状变形所必须的。对此，如半导体图案那样，在某种程度上已知对象物体的台阶状变形结构时，可利用其如图2(b)所示减小探针距离。

这样，在探针扫描试样高的面的期间内，为脱离探针和试样的吸附而使退避距离停留在最低必要限度的距离处，在探针扫描试样低的面的期间内，使退避距离针对试样的台阶状变形具有少许余裕，从而可缩短整体的扫描时间。

(实施例18)

另外，作为另一实施例18，提出如下方法：如图2(C)所示，为脱离吸附而使探针的退避距离始终保持在最低必要限度的距离处，在检测台阶状变形部时，临时增加退避距离。如图2(C)所示，作为台阶状变形部检测方法的实施例18，示出检测横向应力的方法。

同时检测探针的纵向应力和横向应力的结构已述。利用该结构在台阶状变形部检测到横向应力时，判断为将扫描碰到台阶状变形的部位，从而增大退避量后再次接近。还考虑如下方法：虽然精度有若干下降，但不进行再测定，而是在测定下一点时，增大退避量，而不再次测定同一点。

另外，如果测定高度沿高于某变化率以上的方向变化，则判断为到达了台阶状变形部，也可使用增加退避距离的方法。脱离吸附所需的最低必要限度的距离根据试样与探针的状态而变化，所以不取恒定值，由于在脱离吸附时探针周围的力场消失，所以利用探针的振动状态恢复的现象，也可以检测到脱离吸附。

另外，在本实施例18中，说明了驱动探针，但这里，重要的是探针相对试样的相对驱动，并非以在探针侧具有X、Y、Z轴的结构为前提。例如，在试样侧具有X、Y轴的结构、或在试样侧具有X、Y、Z轴的结构中，本实施例中的讨论当然也成立。

(实施例19)

接着，以下示出吸收由于探针倾斜导致的光路偏移的实施例19。在使探针倾斜的方法中，不是如图15中所示的仅使探针部分弯曲的方法，而是在如图14、图17所示的使安装有探针的悬臂部本身倾斜、或使悬臂部顶端扭曲的结构中，照射到悬臂背面的检测光的光路倾斜，光没有到达检测器。因此，检测光的光路即使倾斜，也必须使检测光到达检测器。下面说明实施例。图21是表示与图6相同的光学系统的结构的图。但是，为了表示由于探针的倾斜导致的光路偏移，变更中途光学部件的比例尺来描绘。若悬臂103倾斜角度θ，则照射到悬臂103的检测光130的反射光130’倾斜2θ。该光在透过焦距f的透镜101之后，相对于投影光130的光路偏移大约fθ的光路130’在通过反射镜712、134、722、721后，朝向检测器720。这时，通过在检测器720之前配置透镜729，使729的焦点位置与检测器720的感光面大致一致，从而如图示那样检测光与参照光在检测器720上重合，由此，即使使悬臂103倾斜、从而反射光倾斜，也可产生干涉。例如，为了应对试样501上的台阶状变形部的5度的悬垂，使探针倾斜至θ＝10度，从而反射光130’的倾角变为2θ＝20度，在检测光照射时的会聚角为±α＝3.5度时，检测光130’的边缘光倾斜至2θ+α＝23.5度，作为透镜101的数值孔径(NA)，可以是sin(2θ+α)＝0.4以上。另外，此时悬臂103上的检测光的光点尺寸由会聚角α决定，若设检测光的波长为λ＝0.63μm，则可缩小光圈至λ/2sinα＝5.2μm左右。

(实施例20)

下面利用图22示出另一应对探针倾斜的检测系统的实施例。对应悬臂103的倾角θ，沿水平方向使镜筒190偏移θf。这里，f是透镜101的焦距。由此，检测光130射入透镜101的光路偏移fθ，因而向悬臂103的照射角倾斜θ，由于照射角倾斜与悬臂103的倾角相同的倾角，所以反射光返回原来来时的倾斜θ的光路，从而向检测器720导入与倾斜探针前大致相同的光路。由此，与图21的实施例19相比，光路的最大倾角从2θ+α变为θ+α，约为一半，从而可应对更大的探针倾角。例如，设透镜的数值孔径(NA)为0.4、检测光的会聚角为α＝3.5度时，可以使探针倾斜至θ＝arcsin(NA)-α＝20度。使相对侧壁的角度还具有5度余裕来触碰探针时，通过使探针倾斜20度，可应对的侧壁的悬垂为15度。这时即使没有透镜729，由于检测光791和参照光792在720上重合，所以没有729也可以，但为了吸收探针的误差或伴随探针扫描的若干光路偏移，也可使透镜729起作用。

另外，在图中为了测量侧壁的右侧，在使探针向右倾斜的情况下进行描绘，但对于向左的侧壁，可以相反地使探针向左倾斜，并且与此一致地使镜筒190向左方向偏移θf。

(实施例21)

下面，利用图23说明对利用图22说明的实施例20进行了若干变更后的实施例21。在图22的实施例21中，使镜筒190整体与探针的倾角相一致地向左右移动，但替代地，也可仅使棱镜134及712左右移动。通过棱镜134的移动，可使检测光130的照射角与探针的倾角相一致地左右摆动。另外，通过棱镜712的移动，可使激励光710的照射角与探针的倾角一致地左右摆动。但是，由于不必检测照射到悬臂103上之后的反射光，所以激励光710也可以不一定与探针的倾角相一致地左右摆动，从而棱镜712也可以不是可动的。

(实施例22)

下面，作为另一实施例22，利用图24说明利用光杠杆进行悬臂的探针接触状态检测的方法。整体结构在图9中已经说明，但与图23同样地左右移动棱镜134及712时，可使从光源131射出的检测光碰到悬臂时的照射角与悬臂的倾角θ一致地变化。通过棱镜134的移动，检测光的位置也大致恒定地保持在传感器136上。因此，即使改变悬臂的倾角，也可将检测光的返回位置保持在传感器136的大致动作中心，由此，利用光杠杆原理，可始终检测出悬臂的微小挠度。

(实施例23)

下面，作为另一实施例23，利用图25示出在图12中说明的使用偏振面保持光纤时应对探针倾斜的实施例23。图25(a)与图21中说明的实施例同样，使用数值孔径(NA)大的透镜来吸收由探针倾角θ引起的反射方向的倾角2θ的方法。图25(b)是有效利用具有可挠性的光纤的特征，使波长板725、透镜101、悬臂103与光纤750的端部成为一体、从而倾斜θ的实施例。由于它们的相对位置关系没有改变，所以始终保持光纤端与悬臂间的共轭关系，无论悬臂的倾角如何，照射到悬臂上的光都再次返回到光纤750。另外，在该图25中，透镜101仅有一个，但也可使用2个以上的透镜，形成夹着波长板725的形状。这样，透过波长板的光线大致可变成收敛光，所以可更正确地得到基于波长板的偏振光旋转效果。

产业上的可利用性

根据本发明，通过使具备非接触式传感器的探针间断地接触软脆的材料或台阶状变形陡峭的图案形状、并进一步使探针倾斜，可以高精度地测量形状。通过在半导体电路图案的形状测定中使用该方式，可以极为稳定地生产具有微观电路的半导体产品。

Claims (20)

1、一种扫描探针显微镜，用于测量包含试样的立体表面形状的所述试样的表面分布，并且具备：驱动机构，控制搭载了试样的试样台与探针的相互位置关系；和传感器，测量所述探针的变形状态，其特征在于，所述扫描探针显微镜具备：

使所述探针以微小振幅高频振动的振动部件；和检测以微小振幅高频振动的所述探针与所述试样的接触状态的检测部件，其中在利用所述驱动机构将所述探针从所述试样的表面拉开、并使其移动到下一测定点附近后，连续进行利用所述驱动机构使所述探针接近所述试样的动作，直到所述检测部件针对所述试样的表面检测到一定的接触状态。

2、根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

具备：控制部件，通过检测所述探针的振动信号并解析所述探针与所述试样表面的接触状态，将所述探针的提升量控制在最小限度。

3、根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

所述振动部件使所述探针沿相对所述试样台的表面大致垂直以及大致水平的方向振动。

4、根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

所述振动部件通过对照射到所述探针上的光的强度进行调制，激发所述探针的振动。

5、根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

所述检测部件利用照射到所述探针上的激光的干涉来检测所述探针的振动。

6、根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

所述检测部件利用照射到所述探针上的光的反射角度的变化来检测所述探针的振动。

7、根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

具备：控制部件，对于包含半导体电路元件的规则的布线图案，识别所述图案的台阶状变形的上部和下部，在所述探针扫描所述台阶状变形的上部时，使所述探针的提升量停留在所述探针从所述图案表面脱离吸附所需的最小距离处，在所述探针扫描所述台阶状变形的下部时，停留在所述探针不接触所述台阶状变形侧面的距离处。

8、根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

具备：控制部件，通过检测到所述探针已接近或接触所述试样的台阶状变形的侧面，控制所述探针，以便增加所述探针的提升量，或者进一步提升所述探针。

9、根据权利要求1所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

具备：变更部件，根据所述试样表面的倾角，变更所述探针与所述试样的表面相接触的角度。

10、一种使用扫描探针显微镜的试样观察方法，所述扫描探针显微镜用于测量试样的立体表面形状，并且具备：驱动机构，控制搭载了试样的试样台与探针的相互位置关系；和传感器，测量所述探针的变形状态，其特征在于：

高速、高精度地检测以微小振幅高频振动的所述探针与所述试样的接触状态，在从所述试样的表面拉开所述探针、并使其移动到下一测定点附近后，连续进行使所述探针接近所述试样的动作，直到针对所述试样表面检测到一定的接触状态。

11、一种装置制造方法，其特征在于，具备如下步骤：

针对包含半导体电路元件的规则的布线图案，识别所述图案的台阶状变形的上部和下部，在所述探针扫描所述台阶状变形的上部时，使所述探针的提升量停留在所述探针从所述图案表面脱离吸附所需的最小距离处，在所述探针扫描所述台阶状变形的下部时，停留在所述探针不接触所述台阶状变形侧面的距离处，从而使用扫描探针显微镜来观察包含半导体电路元件的规则的布线图案。

12、一种扫描探针显微镜，用于测量包含试样的立体表面形状的所述试样的表面分布，并且具备：驱动机构，控制搭载了试样的试样台与探针的相互位置关系；和传感器，光学地检测所述探针的变形状态，其特征在于：具有使探针倾斜的机构，并且具有可以吸收由于探针的倾斜导致的检测用光学系统的光路偏移的结构。

13、根据权利要求12所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

可以吸收由于所述探针的倾斜导致的检测用光学系统的光路偏移的结构利用会聚角比探针倾角还大的透镜。

14、根据权利要求12所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

可以吸收由于所述探针的倾斜导致的检测用光学系统的光路偏移的结构利用会聚角比探针倾角的2倍还大的透镜。

15、根据权利要求12所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

作为可以吸收所述检测用光学系统的光路偏移的结构，光量信号检测器还具有相对于光路偏移大的幅度。

16、根据权利要求12所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

作为可以吸收所述检测用光学系统的光路偏移的结构，还在光量信号检测器之前使用会聚透镜，即使对于光路偏移，也使检测光会聚在相对于光量信号检测器大致相同的位置上。

17、根据权利要求12所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

作为可以吸收所述检测用光学系统的光路偏移的结构，通过使向悬臂进行直接会聚的透镜与其他光学系统间的相对位置偏移来进行吸收。

18、根据权利要求12所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

作为可以吸收所述检测用光学系统的光路偏移的结构，具有向悬臂进行直接会聚的透镜和从照明系统向该透镜引导光、并向检测光学系统引导来自该透镜的检测光的光纤，并且使上述悬臂、上述透镜和上述光纤的端部同时倾斜。

19、根据权利要求12所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

作为光学地检测所述探针的变形状态的传感器，使用检测照射到悬臂上的光的、由于悬臂的变形引起的反射光方向的变化的传感器。

20、根据权利要求12所述的扫描探针显微镜，其特征在于：

作为光学地检测所述探针的变形状态的传感器，利用照射到悬臂上的激光的、由于悬臂的变形引起的反射光相位的变化。

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