DE4437081A1

DE4437081A1 - Gerät und Verfahren zur Adhäsionsmessung und Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen

Info

Publication number: DE4437081A1
Application number: DE4437081A
Authority: DE
Inventors: Takao Yasue; Tadashi Nishioka
Original assignee: Renesas Semiconductor Engineering Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Renesas Semiconductor Engineering Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1993-10-18
Filing date: 1994-10-17
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2014-10-18
Also published as: DE4437081C2; JPH07113741A; US5477732A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät und ein Ver fahren zum Messen der Adhäsionskraft einer Proben oberfläche. Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen unter Anwendung des Adhäsionsmeßverfahrens.

Ein herkömmliches Interatomarkraft-Mikroskop ist in Fig. 20 dargestellt. Ein von einem Halbleiterlaser 4 abgegebener Laserstrahl wird auf einer oberen Fläche eines Auslegers 1 fokussiert und ein von dem Ausleger 1 reflektierter Strahl fällt auf einen Photodiodende tektor 5. Der Photodiodendetektor 5 erfaßt eine Lage verschiebung des von dem Ausleger 1 reflektierten Strahls, um dadurch eine winzige Biegung des Ausle gers 1 zu ermitteln, welche durch die interatomare Kraft verursacht wird, die zwischen einem an dem ab liegenden Ende des Auslegers 1 angebrachten Meßfühler 2 und einer zu messenden Probe 3 wirkt.

Es wird nun der Vorgang zum Messen eines Bildes von Oberflächenungleichmäßigkeiten der Meßprobe 3 mittels eines solchen Interatomarkraft-Mikroskops beschrie ben. Zuerst wird durch eine Steuereinheit 7 an eine Z-Elektrode eines zylindrischen piezoelektrischen Elements 6 eine Spannung zur Rückführungsregelung an gelegt, wobei die Meßprobe 3 in der vertikalen Z- Richtung derart bewegt wird, daß der von dem Ausleger 1 reflektierte Strahl auf eine festgelegte Stelle an dem Photodiodendetektor 5 fällt. Während das zylin drische piezoelektrische Element 6 auf diese Weise unter Rückführungsregelung in der Z-Richtung gesteu ert wird, werden durch einen Computer 8 über die Steuereinheit 7 an eine X-Elektrode und eine Y-Elek trode des zylindrischen piezoelektrischen Elements 6 Spannungen derart angelegt, daß die Meßprobe 3 gleichzeitig in der X-Richtung und der Y-Richtung ab getastet wird. Durch Erfassen der von der Steuerein heit 7 an das zylindrische piezoelektrische Element 6 jeweils für die X-Richtung, die Y-Richtung und die Z- Richtung angelegten Spannungen kann ein Bild von Un gleichförmigkeiten der Probenoberfläche erzeugt wer den.

Gemäß der Beschreibung in der früher eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 5-26841 wurde ein Verfahren zum Messen der Oberflächenadhäsion der Meß probe 3 mittels des in Fig. 20 dargestellten Inter atomarkraft-Mikroskops vorgeschlagen. Der hier verwendete Ausdruck "Oberflächenadhäsion" hat die Bedeutung einer Adhäsionskraft zwischen einem Material, das die Probenoberfläche bildet, und einem Material, das auf die Probenoberfläche aufzubringen ist. Die Oberflächenadhäsion wird beispielsweise dadurch gemessen, daß die Meßprobe 3 zum Ändern der Lage der Oberfläche der Meßprobe 3 in bezug auf den Meßfühler 2 vertikal bewegt wird und dabei eine Durchbiegung des Auslegers 1 in bezug auf eine Versetzung der Meßprobe 3 in der Z-Richtung ermittelt wird. Die Durchbiegung des Auslegers 1 in bezug auf die Versetzung der Meßprobe 3 in der Z-Richtung wird durch den Photodiodendetektor 5 als Ausmaß der Verschiebung der Einfallstelle gemessen, an welcher der von dem Ausleger 1 reflektierte Laserstrahl auf den Photodiodendetektor 5 auftrifft.

Im einzelnen wird die Oberflächenadhäsion in nachste henden aufeinanderfolgenden Schritten S1 bis S7 ge messen:
S1: Zuerst wird der Meßfühler 2 zu einem Meßpunkt an der Meßprobe 3 bewegt.
S2: Es sei hier angenommen, daß eine Ausgangsspannung des Photodiodendetektors 5 Vd ist und eine beliebig eingestellte Spannung Vs ist. Ein (nicht dargestell ter) Schrittmotor für das Bewegen des zylindrischen piezoelektrischen Elements 6 in der Z-Richtung wird derart betrieben, daß die Meßprobe 3 näher an den Meß fühler 2 des Auslegers 1 herankommt.
S3: Wenn die Meßprobe 3 eine Lage nahe an dem Meßfüh ler 2 erreicht, wird durch die Steuereinheit 7 zum Bewegen des piezoelektrischen Elements 6 in der Z- Richtung eine Spannung an das piezoelektrische Ele ment 6 angelegt, wodurch die Meßprobe 3 noch näher an dem Meßfühler 2 herankommt. Hierdurch entsteht eine zwischen der Meßprobe 3 und dem Meßfühler 2 wirkende interatomare Kraft für das Durchbiegen des Auslegers 1. Dadurch wird die Einfallstelle des Laserstrahls an den Photodiodendetektor 5 versetzt, wodurch sich die Ausgangsspannung Vd des Photodiodendetektors 5 än dert. Wenn die durch die Summe Vd + Vs aus der Aus gangsspannung Vd und der eingestellten Spannung Vs dargestellte Versetzungsspannung zu Null wird, wird in der Steuereinheit 7 eine Rückführungsschaltung eingeschaltet, um zur automatischen Regelung in der Weise, daß die Versetzungsspannung auf Null gehalten wird, aus der Steuereinheit 7 an die Z-Elektrode des piezoelektrischen Elements 6 eine Spannung Vz anzule gen. Die bei einer derartigen Rückführungslage ange legte Spannung Vz wird als Vc angenommen.
S4: Die Rückführungsschaltung in der Steuereinheit 7 wird abgeschaltet.
S5: An die Z-Elektrode des piezoelektrischen Elements 6 wird zusätzlich eine Dreieckwellenspannung von ± 160 V mit der anliegenden Spannung Vc als Mitte angelegt, um die Meßprobe 3 in der Z-Richtung aufwärts und abwärts zu bewegen. Die dabei durch den Photodiodendetektor 5 gemessene Biegung des Auslegers 1 in bezug auf die Versetzung der Meßprobe 3 in der Z-Richtung wird durch einen Wert der Ausgangsspannung des Photodiodendetektors 5 erfaßt. Die graphische Darstellung der Abhängigkeit der Versetzungsspannung Vd + Vs von der an das piezoelektrische Element an gelegten Spannung Vz wird als Kraftkurve bezeichnet.
S6: Die Rückführungsschaltung in der Steuereinheit 7 wird wieder eingeschaltet, um die Meßprobe 3 in der Z-Richtung in die ursprüngliche Rückführungslage bzw. Regellage zu bewegen.
S7: Die vorstehend beschriebenen Schritte S1 bis S6 werden für einen Meßpunkt mehrmals wiederholt.

Die auf die vorstehend beschriebene Weise erhaltene Kraftkurve ist in Fig. 21 dargestellt. Die Lagen des Auslegers 1 an Punkten A bis G der Kraftkurve nach Fig. 21 sind jeweils in Fig. 22A bis 22G gezeigt. In Fig. 21 stellt die vertikale Achse die Versetzungs spannung Vd + Vs, nämlich die zwischen dem Fühler 2 und der Meßprobe 3 wirkende Kraft F dar. An einer be stimmten Stelle in der Richtung der vertikalen Achse gilt F = 0. In einem in der Richtung der vertikalen Achse von F = 0 weg positiven Bereich entsteht eine Abstoßung, wogegen in einem in Richtung der vertika len Achse von F = 0 weg negativen Bereich eine Anzie hung entsteht. Je größer der Abstand von der geraden Linie für F = 0 ist, umso stärker ist die jeweilige Kraft. Andererseits stellt die horizontale Achse die an die Z-Elektrode des zylindrischen piezoelektri schen Elements 6 angelegte Spannung Vz dar. Wenn sich ein Punkt an der Kurve nach links gemäß Fig. 21 be wegt, kommen die Meßprobe 3 und der Fühler 2 des Auslegers 1 einander näher.

Zuerst wirkt gemäß Fig. 22A an dem Punkt A auf der geraden Linie für F = 0 keine Kraft zwischen dem Aus leger 1 und der Meßprobe 3. Wenn die an das piezo elektrische Element 16 angelegte Spannung Vz allmäh lich erhöht wird, um die Meßprobe 3 näher an den Aus leger 1 heranzubringen, wirkt an dem Punkt B nach Fig. 21 an dem Ausleger 1 plötzlich eine Anziehungs kraft, da der Fühler 2 von einer Schicht von Schmutz stoffen wie Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Meß probe 3, nämlich von einer sogenannten Schmutzschicht 3a adsorbiert wird. Daher kommt gemäß Fig. 22B der Fühler 2 des Auslegers 1 in eine der Meßprobe 3 am nächsten kommende Lage. Wenn die Meßprobe 3 weiter in der Z-Richtung angehoben wird, wird die zwischen dem Fühler 2 und der Meßprobe 3 wirkende Anziehungskraft verringert, was F = 0 an dem Punkt C ergibt. Danach wirkt zwischen dem Fühler 2 und der Meßprobe 3 eine Abstoßungskraft. Somit wird gemäß Fig. 22C die Ver biegung des Auslegers 1 an dem Punkt C aufgehoben und dann der Ausleger 1 gemäß Fig. 22D an dem Punkt D in der Richtung zum Trennen des Fühlers 2 von der Meß probe 3 gebogen.

Wenn unter diesen Umständen die an das piezoelektri sche Element 6 angelegte Spannung Vc nunmehr allmäh lich verringert wird, um die Meßprobe 3 weiter von dem Ausleger 1 wegzubringen, wird auch dementspre chend die Abstoßungskraft verringert, wodurch sich F = 0 an dem Punkt E ergibt, an welchen gemäß Fig. 22E die Biegung des Auslegers 1 wegfällt. Wenn die Meß probe 3 noch weiter von dem Fühler 2 weg versetzt wird, wirkt zwischen den beiden Teilen eine Anzie hungskraft. Die Anziehungskraft wird allmählich grö ßer, wodurch gemäß Fig. 22F der Ausleger 1 zu der Meßprobe 3 hin gebogen wird. Bei dem Erreichen des Punktes F tritt jedoch ein plötzlicher Sprung aus dem Anziehungsbereich zu dem Punkt G auf, woraufhin sich der Fühler 2 des Auslegers 1 von der Schmutzschicht 3a an der Meßprobe 3 löst, so daß der Ausleger 1 ge mäß Fig. 22G eine im wesentlichen von jeglicher Bie gung freie geradlinige Form annimmt.

Aufgrund der Biegung des Auslegers 1, die der zwi schen dem Punkt E für F = 0 und dem Punkt F der auf die vorstehend beschriebene Weise erhaltenen Kraft kurve auftretenden Änderung Vz der an das piezoelek trische Element 6 angelegten Spannung Vz entspricht, wird die Oberflächenadhäsion zwischen der Meßprobe 3 und dem Fühler 2 quantitativ nach folgender Gleichung gemessen:

Oberflächenadhäsion = Federkonstante × Auslegerbie gung.

Da die Kraftkurve die zwischen Atomen an der Oberflä che des Fühlers 2 und Atomen an der Oberfläche der Meßprobe 3 wirkende interatomare Kraft darstellt, ist die sich ergebende Kraftkurve in Abhängigkeit von Ma terialien des Fühlers 2 und/oder der Meßprobe 3 un terschiedlich. In Jpn. J. Appl. Phys., Band 32 (1993) L295 sind beispielsweise zwei typische Kraftkurven C1 und C2 gemäß der Darstellung in Fig. 23 abgebildet, welche mittels des herkömmlichen Interatomarkraft-Mi kroskops gemessen wurden. Diese Kraftkurven C1 und C2 wurden dadurch erhalten, daß an der gleichen Proben oberfläche mittels zweier Fühler gemessen wurde, de ren Oberflächen aus voneinander verschiedenen Mate rialien bestanden. Es ist ersichtlich, daß sich die Oberflächenadhäsion zwischen der Probe und dem Fühler in Abhängigkeit von Unterschieden hinsichtlich des Materials der Fühleroberfläche selbst bei gleicher Probe ändert.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung wurde in der ja panischen Patentanmeldung Nr. 5-26841 vorgeschlagen, die Oberflächenadhäsion zwischen einem Fühler und einer Meßprobe durch Messen der Kraftkurve zu bestim men. Während es aber der besondere Zweck des Intera tomarkraft-Mikroskops ist, zum dreidimensionalen Er fassen der Form der Probenoberfläche ein Bild von Oberflächenungleichmäßigkeiten zu erzeugen, wird die Oberflächenadhäsion nur als eine physikalische Größe in Betracht gezogen, die abhängig von einem Material der Probenoberfläche und einem Material des Fühlers bestimmt ist. Infolge dessen wurde bisher nur vorge schlagen, die Kraftkurve an einem beliebigen Punkt an der Oberfläche der Meßprobe zu messen, um dadurch die Oberflächenadhäsion zu bestimmen.

Wenn jedoch durch eine Anzahl von Prozessen, wie sie beispielsweise bei üblichen Halbleitervorrichtungen erforderlich sind, eine mehrschichtige Struktur ge bildet wird, sind manchmal an der Oberfläche einer bestimmten Schicht infolge des vorangehenden Prozes ses restliche Teilchen vorhanden. In einem solchen Fall kann zwar mit einem Bild von Oberflächenun gleichmäßigkeiten die Form der Schichtoberfläche er faßt werden, aber es kann nicht festgestellt werden, ob an der Oberfläche Fremdstoffe von anderen Bestand teilelementen vorhanden sind oder nicht. Ferner ist auch wegen des Unterschieds hinsichtlich der Bestand teilelemente die Oberflächenadhäsion zwischen dem Be reich, an dem Restteilchen liegen, und dem Bereich unterschiedlich, an dem keine Restteilchen vorhanden sind. Demzufolge besteht die Gefahr, daß durch die Messung an nur einem einzigen Punkt die genaue Adhä sionskraft nicht ermittelt werden kann.

Somit treten bei dem Interatomarkraft-Mikroskop und dem Adhäsionsmeßverfahren nach dem Stand der Technik Schwierigkeiten hinsichtlich des genauen Erfassens des Zustandes der Probenoberfläche auf atomarem Ni veau auf.

Zum Lösen dieses bei dem Stand der Technik auftreten den Problems liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, ein Gerät und ein Verfahren zur Adhäsionsmes sung, mit denen der Zustand der Oberfläche einer Probe auf genaue Weise auf atomarem Niveau erfaßt werden kann, sowie ein Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen unter Anwendung des Adhäsi onsmeßverfahrens zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Adhäsions meßgerät gemäß Patentanspruch 1, einem Adhäsionsmeß verfahren gemäß Patentanspruch 3 bzw. einem Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrichtungen gemäß Pa tentanspruch 13 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gerätes bzw. Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausfüh rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Darstellung eines Adhäsionsmeßgerätes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm, das die Funktion des er sten Ausführungsbeispiels veranschaulicht.

Fig. 3 ist eine Darstellung eines bei dem ersten Aus führungsbeispiel erzeugten Bildes von Oberflächenun gleichmäßigkeiten eines InP-Halbleitersubstrats.

Fig. 4A und 4B sind jeweils eine Darstellung eines durch das erste Ausführungsbeispiel erzeugten Bildes der Oberflächenadhäsion-Verteilung des InP-Halblei tersubstrates und eine Darstellung einer Skala für die Verteilung.

Fig. 5 ist eine Darstellung eines durch das erste Ausführungsbeispiel erzeugten Bildes von Oberflä chenungleichmäßigkeiten eines InGaAsP-Halbleitersub strates.

Fig. 6A und 6B sind jeweils eine Darstellung eines durch das erste Ausführungsbeispiel erzeugten Bildes der Oberflächenadhäsion-Verteilung des InGaAsP-Halb leitersubstrates und eine Darstellung einer Skala für die Verteilung.

Fig. 7 ist ein Zeitdiagramm, das die Funktion eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung veran schaulicht.

Fig. 8 ist ein Zeitdiagramm, das die Funktion eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung veran schaulicht.

Fig. 9 ist ein Zeitdiagramm, das die Funktion eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung veran schaulicht.

Fig. 10 ist ein Zeitdiagramm, das die Funktion eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung veran schaulicht.

Fig. 11 ist eine Darstellung, die das Funktionsprin zip bei einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfin dung veranschaulicht.

Fig. 12 ist eine graphische Darstellung von Kraftkur ven, die an Meßpunkten A bis C nach Fig. 11 gemessen werden.

Fig. 13 ist ein Zeitdiagramm, das die Funktion des sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung veran schaulicht.

Fig. 14 ist eine Darstellung, die ein Prüfungsverfah ren gemäß einem siebenten Ausführungsbeispiel der Er findung veranschaulicht.

Fig. 15 ist eine Schnittansicht einer gemäß dem sie benten Ausführungsbeispiel zu untersuchenden Halblei tervorrichtung.

Fig. 16 ist eine Schnittansicht einer gerade gemäß dem siebenten Ausführungsbeispiel untersuchten Halb leitervorrichtung.

Fig. 17 ist eine Schnittansicht der Halbleitervor richtung, die nach der Untersuchung gemäß dem sieben ten Ausführungsbeispiel einem nächsten Herstellungs schritt unterzogen wurde.

Fig. 18 ist eine Schnittansicht der Halbleitervor richtung, die nach der Untersuchung gemäß dem sieben ten Ausführungsbeispiel einem weiteren Herstellungs schritt unterzogen wurde.

Fig. 19 ist eine Schnittansicht der Halbleitervor richtung, die nach der Untersuchung gemäß dem sieben ten Ausführungsbeispiel noch einem weiteren Herstel lungsschritt unterzogen wurde.

Fig. 20 ist eine Blockdarstellung eines herkömmlichen Interatomarkraft-Mikroskops.

Fig. 21 ist eine graphische Darstellung einer mittels des herkömmlichen Interatomarkraft-Mikroskops gemes senen Kraftkurve.

Fig. 22A bis 22G sind jeweils Seitenansichten eines Auslegers an Punkten A bis G nach Fig. 21.

Fig. 23 ist eine graphische Darstellung von typischen Kraftkurven, die mit dem herkömmlichen Interatomar kraft-Mikroskop gemessen wurden.

Erstes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 1 zeigt die Gestaltung eines Adhäsionsmeßge rätes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin dung. Unterhalb eines Halbleiterlasers 4 ist ein Aus leger 1 angeordnet, unter dem ein zylindrisches pie zoelektrisches Element 6 angeordnet ist. Oberhalb des Auslegers 1 ist ein Photodiodendetektor 5 angeordnet an den eine Steuerschaltung 70 für das Auslenken des piezoelektrischen Elements 6 in X-Richtung, Y-Rich tung und Z-Richtung angeschlossen ist. An die Steuer schaltung 70 ist über A/D-Umsetzer 73 und 75 und D/A- Umsetzer 74 und 76 ein Computer 71 angeschlossen, an welchem ein Plattenspeicher 72 angeschlossen ist. An dem freien Ende des Auslegers 1 ist ein Fühler 2 aus einem Material angebracht, welches auf die Oberfläche einer Probe 3 aufgebracht werden soll und an welchen eine Adhäsion zu der Probenoberfläche gemessen werden soll.

Die Steuerschaltung 70 enthält ein Filter 9, das an den Ausgang des Photodiodendetektors 5 angeschlossen ist. An das Filter 9 ist über Schalter 15 und 16 ein Differenzverstärker 10 angeschlossen. An den Diffe renzverstärker 10 sind ferner parallel eine Inter gral-Verstärkerschaltung 11 und eine Proportional- Verstärkerschaltung 12 angeschlossen, an deren Aus gänge ein Addierer 13 angeschlossen ist. Der Ausgang des Addierers 13 ist mit einem Ausgangsanschluß T1 für ein Interatomarkraft-Mikroskopbildsignal und fer ner über einen Hochspannungsverstärker 14a mit einer Z-Elektrode des piezoelektrischen Elements 6 verbun den. Mit dem Eingang des Hochspannungsverstärkers 14a ist ein Eingangsanschluß T2 verbunden, über den aus dem Computer 71 über den D/A-Umsetzer 74 eine Z-An steuerungs-Dreieckwellenspannung angelegt wird. Die Steuerschaltung 70 enthält ferner einen Hochspan nungsverstärker 14b für das jeweilige Anlegen einer X-Ablenkspannung und einer Y-Ablenkspannung an eine X-Elektrode bzw. eine Y-Elektrode des piezoelektri schen Elements 6 entsprechend Befehlen aus dem Compu ter 71.

Die Funktion dieses Adhäsionsmeßgerätes für das Mes sen von Bilddaten für Oberflächenungleichmäßigkeiten ist grundlegend der Funktion des vorangehend be schriebenen herkömmlichen Interatomarkraft-Mikroskops gleichartig. Zuerst wird in der Steuerschaltung 70 nach Fig. 1 der Schalter 15 eingeschaltet und der Schalter 16 ausgeschaltet. Ein von dem Halbleiterla ser 4 abgegebener Laserstrahl wird auf die obere Flä che des Auslegers 1 aufgestrahlt und ein von dem Aus leger 1 reflektierter Strahl trifft auf den Photodi odendetektor 5. Der Photodiodendetektor 5 erfaßt eine Lageverschiebung des von dem Ausleger 1 reflektierten Strahls, um dadurch eine winzige Verbiegung des Aus legers 1 zu ermitteln, die durch die interatomare Kraft verursacht ist, welche zwischen einer an dem piezoelektrischen Element 6 festgelegten zu messenden Probe 3 und einem Fühler 2 wirkt, der an dem freien Ende des Auslegers 1 angebracht ist. Ein Ausgangssi gnal des Photodiodendetektors 5 wird in der Steuer schaltung 70 über das Filter 9 zu dem Differenzver stärker 10 übertragen und durch diesen mit einer Be zugsspannung verglichen, die dem Differenzverstärker 10 über den D/A-Umsetzer 76 aus dem Computer 71 zuge führt wird. Das Ausgangssignal des Differenzverstär kers 10 wird durch die Integral-Verstärkerschaltung 11 und die Proportional-Verstärkerschaltung 12 ver stärkt und deren jeweilige Ausgangssignale werden durch den nachgeschalteten Addierer 13 addiert. Die Spannung des Ausgangssignals des Addierers 13 wird durch den Hochspannungsverstärker 14a weiter erhöht und das sich ergebende Signal wird als Z-Richtung- Steuerspannung an die Z-Elektrode des piezoelektri schen Elements 6 angelegt. Auf diese Weise wird eine Rückkopplungsschleife gebildet.

Über die Rückkopplungsschleife wird die Lage der Probe 3 in Z-Richtung derart geregelt, daß der Aus gangspegel des Photodiodendetektors 5 konstant gehal ten wird. Aus dem an den Ausgang des Addierers 13 an geschlossenen Ausgangsanschluß T1 werden über den A/D-Umsetzer 73 in den Computer 71 Daten für ein Un gleichmäßigkeitsbild aufgenommen.

Es wird nun ein Vorgang für das Messen einer Kraft kurve zum Bestimmen einer Oberflächenadhäsion be schrieben. Hierbei hat der Ausdruck "Oberflächen adhäsion" die Bedeutung einer Adhäsionskraft zwischen einem die Probenoberfläche bildenden Material und einem auf die Probenoberfläche aufzubringenden Material. Zuerst wird zum Öffnen der Rück kopplungsschleife in der Steuerschaltung 70 der Schalter 15 ausgeschaltet und der Schalter 16 einge schaltet. Dann wird die an den Differenzverstärker 10 angelegte Bezugsspannung auf 0 V eingestellt, so daß die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 10 zu 0 V wird. Infolge dessen hält das Ausgangssignal des Addierers 13 die Spannung fest, die entwickelt wurde, bevor die Rückkopplungsschleife geöffnet wurde. Das heißt, es wird der relative Abstand zwischen der Oberfläche der Meßprobe 3 und dem Fühler an dem freien Ende des Auslegers 1 festgelegt. Unter diesen Bedingungen wird aus dem Computer 71 über den D/A-Um setzer 74, den Eingangsanschluß T2 und den Hochspan nungsverstärker 14a an die Z-Elektrode des piezoelek trischen Elements 6 die Dreieckwellenspannung für die Z-Ansteuerung angelegt. Aufgrund der an das piezo elektrische Element 6 angelegten Dreieckwellenspan nung für die Z-Ansteuerung und des zu diesem Zeit punkt von dem Photodiodendetektor 5 abgegebenen Si gnals wird die Kraftkurve bezüglich eines Meßpunktes an der Oberfläche der Meßprobe 3 erhalten. Ein Ver fahren zum Berechnen der Oberflächenadhäsion aus der Kraftkurve ist dem herkömmlichen Verfahren gleichar tig, welches vorangehend unter Bezugnahme auf die Fig. 22A bis 22G beschrieben wurde.

Nach dem erfindungsgemäßen Adhäsionsmeßverfahren wer den sowohl die Messung der Bilddaten für die Oberflä chenungleichmäßigkeiten als auch die Messung der Kraftkurve für alle von einer Vielzahl von Meßpunkten ausgeführt, die auf der Oberfläche der Meßprobe 3 an gesetzt sind. Daher ist der zeitliche Zusammenhang zwischen dem Vorgang zum Messen der Bilddaten für die Oberflächenungleichmäßigkeiten und dem Vorgang zum Messen der Kraftkurve, insbesondere die Zeitsteuerung wichtig, mit der die Rückkopplungsschleife geöffnet und geschlossen wird. Die Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm für die Messung bei dem ersten Ausführungsbeispiel. In Fig. 2 stellt die vertikale Achse die an die Z- Elektrode des piezoelektrischen Elements 6 angelegte Spannung Vz dar und die horizontale Achse stellt die Zeit t dar.

Zuerst wird unter der Bedingung, daß die Rückkopp lungsschleife geschlossen ist, um die interatomare Kraft zwischen dem Fühler 2 des Auslegers 1 und der Meßprobe 3 konstant zu halten, ein erster Meßpunkt P1 an der Oberfläche der Meßprobe 3 zu einer Stelle un terhalb des Fühlers 2 versetzt. Dann werden zu einem Zeitpunkt t1 Bilddaten für Ungleichmäßigkeiten der Oberfläche gemessen und die gemessenen Daten werden in dem Plattenspeicher 72 gespeichert. Danach wird zu einem Zeitpunkt t2 die Rückkopplungsschleife geöffnet und an das piezoelektrische Element 6 die Dreieckwel lenspannung für die Z-Ansteuerung mit beispielsweise einer Frequenz von 20 Hz und einer Amplitude von ± 160 V angelegt, um die Messung der Kraftkurve vorzunehmen. Dabei wird die Probe über einen Bereich von ± 320 V in der Z-Richtung bewegt. Nach beendeter Messung der Kraftkurve wird zu einem Zeitpunkt t3 die Rückkopplungsschleife geschlossen und der Computer 71 berechnet aus der gemessenen Kraftkurve eine Oberflächenadhäsion, wobei das Rechenergebnis in dem Plattenspeicher 72 gespeichert wird. Es ist anzumerken, daß gemäß der vorangehenden Beschreibung in Zusammenhang mit dem Stand der Technik die Oberflächenadhäsion durch Multiplizieren der Federkonstante des Auslegers 1 mit der Biegung des Auslegers 1 berechnet wird. Nachdem die Oberflächenadhäsion berechnet worden ist, bewegt der Computer 71 die Meßprobe 3 in X-Richtung und Y- Richtung während einer Zeitdauer zwischen Zeitpunkten t4 und t5 derart, daß unter den Fühler 2 ein nächster zweiter Meßpunkt P2 an der Meßprobe 3 angeordnet wird. Darauf folgend werden zu einem Zeitpunkt t6 die Bilddaten für die Ungleichmäßigkeiten der Oberfläche für den zweiten Meßpunkt P2 erfaßt.

Auf gleiche Weise wird die vorstehende Ablauffolge wiederholt für alle innerhalb eines zu beobachtenden Oberflächenbereich der Meßprobe 3 angesetzten Meß punkte, beispielsweise für jeden von 64 × 64 oder 128 × 128 Punkten ausgeführt. Dann bildet der Computer 71 aus den an allen Meßpunkten erhaltenen Bilddaten für die Ungleichmäßigkeiten der Oberfläche ein Bild der Oberflächenungleichmäßigkeiten für den beobachteten Bereich und auch aus den an allen Meßpunkten erhalte nen Werten für die Oberflächenadhäsion ein Bild der Oberflächenadhäsion-Verteilung. Da das Bild der Ober flächenungleichmäßigkeiten und das Bild der Oberflä chenadhäsion-Verteilung aufgrund der Daten erzeugt werden, die im wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt von dem gleichen Meßpunkt aufgenommen werden, kann der Oberflächenzustand der Meßprobe 3 auf genaue Weise dadurch erfaßt werden, daß die beiden Bilder miteinander verglichen werden. Die Fig. 3 und 4A zei gen jeweils ein Bild der Oberflächenungleichmäßigkei ten und ein Bild der Oberflächenadhäsion-Verteilung für ein InP-Halbleitersubstrat, die nach dem Verfah ren gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel erzeugt werden. Der hierbei verwendete Fühler besteht aus Si liziumnitrid (Si₃N₄). Das untersuchte InP-Halbleiter substrat wurde einer Behandlung mit HBr und einem Wa schen mit Wasser unterzogen und es verblieben an der Substratoberfläche Restteilchen. Der untersuchte Be reich war 440 nm × 440 nm groß und die Anzahl von Meßpunkten betrug 64 × 64. Die Oberflächenadhäsion an einem jeweiligen Punkt kann durch Bezugnahme auf eine in Fig. 4B dargestellte Skala aus dem in Fig. 4A dar gestellten Bild der Oberflächenadhäsion-Verteilung erfaßt werden. Die maximale Höhe der restlichen Teil chen beträgt 7 nm und die Oberflächenspannung hat einen Minimalwert von 155,3 × 10^-8 N und einen Maxi malwert von 359,7 × 10^-8 N. Aus dem Vergleich zwi schen dem Bild für die Oberflächenungleichmäßigkeiten und dem Bild für die Oberflächenadhäsion-Verteilung ist ersichtlich, daß die Oberflächenadhäsion in Be reichen, in denen Restteilchen vorhanden sind, unge fähr halb so groß ist wie diejenige in Bereichen, in denen keine Restteilchen vorhanden sind.

Die Fig. 5 und 6A zeigen jeweils ein nach dem Verfah ren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erzeugtes Bild von Oberflächenungleichmäßigkeiten und ein nach dem Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erzeugtes Bild der Oberflächenadhäsion-Verteilung für ein Resistmuster auf der Oberfläche eines InGaAsP- Halbleitersubstrat. Der hierbei verwendete Fühler 2 besteht gleichfalls aus Siliziumnitrid (Si₃N₄). Das Resistmuster ist ein Muster mit einer Dicke von 90 nm mit Linien und Abständen, die jeweils 100 nm breit sind. Der untersuchte Bereich beträgt 440 nm × 440 nm und die Anzahl von Meßpunkten ist 64 × 64. Aus dem in Fig. 6A dargestellten Bild für die Oberflächenadhä sion-Verteilung kann unter Bezugnahme auf eine in Fig. 6B dargestellte Skala die Oberflächenadhäsion an einem jeweiligen der Punkte erfaßt werden. Die Ober flächenspannung hat einen Minimalwert von 86,3 × 10^-8 N und einen Maximalwert von 485,6 × 10^-8 N. Für diese Probe ist ersichtlich, daß die Oberflächenadhäsion in Resistbereichen 5- bis 6mal so stark ist wie die in den Untergrundbereichen des InGaAsP-Halbleitersub strats. Somit ist die Adhäsion der Probenoberfläche in Abhängigkeit von den Materialien der Probe unter schiedlich.

Zweites Ausführungsbeispiel

Bei dem vorangehenden ersten Ausführungsbeispiel wird die Adhäsion unmittelbar nach dem Messen der Kraft kurve an jedem der Meßpunkte berechnet und das Rechen ergebnis wird in den Plattenspeicher 72 eingespei chert. Die für das Berechnen der Adhäsion benötigte Zeit beträgt jedoch für jeden Meßpunkt ungefähr 50 ms. Daher ist allein für das Berechnen der Adhäsion dann, wenn beispielsweise die Adhäsion für alle 64 × 64 Meßpunkte berechnet wird, eine Gesamtzeit von un gefähr 3 Minuten und 30 Sekunden erforderlich. Wenn ein Bild für Oberflächenungleichmäßigkeiten erfaßt wird, ist hinsichtlich des Verhinderns von einer be einträchtigenden Wirkung wie einem Driften der Probe eine für eine Ablauffolge der Messung erforderliche kürzere Zeitdauer vorteilhafter. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird daher nach dem Erfassen der Kraftkurve an jedem Meßpunkt an der Oberfläche der Meßprobe 3 die Adhäsion nicht sofort berechnet, son dern es werden die Meßdaten für die Kraftkurve zunächst einmal alle in dem Plattenspeicher 72 ge speichert. Danach wird nach beendeter Messung für alle Meßpunkte die Adhäsion für alle Meßpunkte ge meinsam berechnet.

Die Fig. 7 ist ein Zeitdiagramm für die Messung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Zuerst wird unter der Bedingung, daß die Rückkopplungsschleife ge schlossen ist, um die interatomare Kraft zwischen dem Fühler 2 des Auslegers 1 und der Meßprobe 3 konstant zu halten, ein erster Meßpunkt P1 an der Oberfläche der Meßprobe 3 zu einer Stelle unterhalb des Fühlers 2 versetzt. Dann werden zu einem Zeitpunkt t1 Bildda ten für Oberflächenungleichmäßigkeiten erfaßt und die erfaßten Daten in den Plattenspeicher 72 eingespei chert. Danach wird zu einem Zeitpunkt t2 die Rück kopplungsschleife geöffnet und es wird an das piezo elektrische Element 6 zum Ausführen der Erfassung der Kraftkurve die Dreieckwellenspannung für die Z-An steuerung beispielsweise mit einer Frequenz von 20 Hz und einer Amplitude von 340 V angelegt. Nach beende ter Erfassung der Kraftkurve wird zu einem Zeitpunkt t3 die Rückkopplungsschleife geschlossen und der Com puter 71 speichert die Meßdaten für die Kraftkurve in den Plattenspeicher 72 ein. Auf die Abspeicherung der Meßdaten für die Kraftkurve folgend bewegt der Compu ter 71 die Meßprobe 3 während des Zeitabschnitts zwi schen Zeitpunkten t4 und t5 in X-Richtung und Y-Rich tung derart, daß unter dem Fühler 2 ein nächster zweiter Meßpunkt P2 an der Meßprobe 3 angeordnet wird. Darauf folgend werden zu einem Zeitpunkt t6 Bilddaten für Oberflächenungleichmäßigkeiten an dem zweiten Meßpunkt P2 erfaßt.

Gleichermaßen wird die vorstehend beschriebene Ab lauffolge für alle Meßpunkte wiederholt, die in einem zu untersuchenden Oberflächenbereich der Meßprobe 3 angesetzt sind, z. B. für jeden von 64 × 64 Punkten oder 128 × 128 Punkten. Wenn die Messung für alle Meßpunkte abgeschlossen ist, liest der Computer 71 die in dem Plattenspeicher 72 gespeicherten Meßdaten für die Kraftkurve für jeden der Meßpunkte aus und berechnet aus den Meßdaten eine Oberflächenadhäsion an einem jeweiligen Meßpunkt. Dann erzeugt der Compu ter 71 aus den berechneten Werten für die Oberflä chenadhäsion ein Bild der Oberflächenadhäsion-Vertei lung sowie auch aus den an allen Meßpunkten erhalte nen Bilddaten für die Oberflächenungleichmäßigkeiten ein Bild der Oberflächenungleichmäßigkeiten für den untersuchten Bereich.

Drittes Ausführungsbeispiel

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird bei dem Er fassen der Kraftkurve an jedem Meßpunkt nur ein Zyklus der Dreieckwelle für die Z-Ansteuerung an das zylindrische piezoelektrische Element 6 angelegt. Falls jedoch aus der Kraftkurve die Oberflächenadhä sion nur in einem einzigen Zyklus bestimmt wird, be steht die Gefahr, daß bei dem Vorliegen von Störungen wie Vibrationen, Geräuschen und elektrischen Störun gen die Oberflächenadhäsion nicht bestimmt werden kann. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel wird da her an das piezoelektrische Element 6 die Dreieck spannung für die Z-Ansteuerung an jedem Meßpunkt auf einanderfolgend in zwei Zyklen angelegt. Dies ermög licht es, die Oberflächenadhäsion zuverlässiger zu bestimmen. Es ist anzumerken, daß die Anzahl von Zy klen der angelegten Dreieckwellenspannung für die Z- Ansteuerung nicht auf zwei begrenzt ist, sondern in Aufeinanderfolge drei oder mehr betragen kann.

Die Fig. 8 ist ein Zeitdiagramm für die Messung bei dem dritten Ausführungsbeispiel. Zuerst wird unter der Bedingung, daß die Rückkopplungsschleife ge schlossen ist, um die interatomare Kraft zwischen dem Fühler 2 des Auslegers 1 und der Meßprobe 3 konstant zu halten, ein erster Meßpunkt P1 an der Oberfläche der Meßprobe 3 zu einer Stelle unterhalb des Fühlers 2 versetzt. Dann werden zu einem Zeitpunkt t1 Bildda ten für Oberflächenungleichmäßigkeiten erfaßt und die Meßdaten in den Plattenspeicher 72 eingespeichert. Danach wird zu einem Zeitpunkt t2 die Rückkopplungs schleife geöffnet und zum Erfassen der Kraftkurve an das piezoelektrische Element 6 in zwei Zyklen die Dreieckwellenspannung für die Z-Ansteuerung bei spielsweise mit einer Frequenz von 20 Hz und einer Amplitude von t 160 V angelegt. Nach beendeter Erfas sung der Kraftkurve wird zu einem Zeitpunkt t3 die Rückkopplungsschleife geschlossen und der Computer 71 berechnet aus jeder der beiden erfaßten Kraftkurven eine Oberflächenadhäsion. Die Rechenergebnisse werden gemittelt und der Mittelwert wird in den Plattenspei cher 72 eingespeichert. Nachdem die Oberflächenadhä sion berechnet worden ist, bewegt der Computer 71 in einem Zeitabschnitt zwischen Zeitpunkten t4 und t5 die Meßprobe 3 in X-Richtung und Y-Richtung derart, daß ein nächster zweiter Meßpunkt P2 an der Meßprobe 3 unter dem Fühler 2 angeordnet wird. Darauf folgend werden zu einem Zeitpunkt t6 die Bilddaten für Ober flächenungleichmäßigkeiten für den zweiten Meßpunkt P2 erfaßt.

Gleichermaßen wird die vorstehend beschriebene Ab lauffolge für alle Meßpunkte wiederholt ausgeführt, die innerhalb eines zu untersuchenden Oberflächenbe reichs der Meßprobe 3 angesetzt sind, z. B. für jeden von 64 × 64 Punkten oder 128 × 128 Punkten. Danach erzeugt der Computer 71 jeweils aus den Bilddaten für Oberflächenungleichmäßigkeiten und den Rechenwerten für die Oberflächenadhäsion, die an allen Meßpunkten ermittelt werden, ein Bild der Oberflächenungleichmä ßigkeiten und ein Bild der Oberflächenadhäsion-Ver teilung.

Viertes Ausführungsbeispiel

Bei dem vorstehend beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsbeispiel werden nach dem Bewegen der Meß probe 3 in der Weise, daß ein neuer Meßpunkt unter den Fühler 2 gebracht wird, zuerst die Bilddaten für die Oberflächenungleichmäßigkeiten erfaßt. Falls je doch die Bilddaten für die Oberflächenungleichmäßig keiten unmittelbar nach dem Bewegen der Probe 3 ein gelesen werden, besteht in Anbetracht der Stabilität der Interatomarkraft-Mikroskopie die Gefahr, daß die Zuverlässigkeit der Daten verringert ist. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel wird daher nach dem Bewe gen der Probe 3 zuerst die Kraftkurve erfaßt und dann werden die Bilddaten für die Oberflächenungleichmä ßigkeit gemessen.

Die Fig. 9 ist ein Zeitdiagramm für die Messung bei dem vierten Ausführungsbeispiel. Zuerst wird unter der Bedingung, daß die Rückkopplungsschleife ge schlossen ist, um die interatomare Kraft zwischen dem Fühler 2 des Auslegers 1 und der Meßprobe 3 konstant zu halten, ein erster Meßpunkt P1 an der Oberfläche der Meßprobe 3 zu einer Stelle unterhalb des Fühlers 2 versetzt. Dann wird zu einem Zeitpunkt t1 die Rück kopplungsschleife geöffnet und es wird zum Erfassen der Kraftkurve an das piezoelektrische Element 6 in zwei Zyklen die Dreieckwellenspannung für die Z-An steuerung beispielsweise mit einer Frequenz von 20 Hz und einer Amplitude von ± 160 V angelegt. Nach been deter Erfassung der Kraftkurve wird zu einem Zeit punkt t2 die Rückkopplungsschleife geschlossen und von dem Computer 71 aus jeder der beiden erfaßten Kraftkurven eine Oberflächenadhäsion berechnet. Die Rechenergebnisse werden gemittelt und der Mittelwert wird in den Plattenspeicher 72 eingespeichert. Nach dem die Oberflächenadhäsion berechnet worden ist, er faßt der Computer 71 zu einem Zeitpunkt t3 Bilddaten für Oberflächenungleichmäßigkeiten und speichert die Meßdaten in den Plattenspeicher 72 ein. Danach wird in einem Zeitabschnitt zwischen Zeitpunkten t4 und t5 von dem Computer 71 die Meßprobe 3 in X-Richtung und Y-Richtung derart bewegt, daß ein nächster zweiter Meßpunkt P2 an der Meßprobe 3 in die Lage unter dem Fühler 2 gebracht wird. Darauf folgend wird die Rück kopplungsschleife geöffnet, um die Erfassung der Kraftkurve für den zweiten Meßpunkt P2 auszuführen.

Auf gleichartige Weise wird diese Ablauffolge für alle Meßpunkte wiederholt ausgeführt, die in einem zu untersuchenden Oberflächenbereich der Meßprobe 3 an gesetzt sind, z. B. für jeden von 64 × 64 Punkten oder 128 × 128 Punkten. Danach erzeugt der Mikrocomputer 71 aus den Bilddaten für Oberflächenungleichmäßigkei ten und den Rechenwerten für die Oberflächenadhäsion, die an allen Meßpunkten erhalten wurden, jeweils ein Bild der Oberflächenungleichmäßigkeiten und ein Bild der Oberflächenadhäsion-Verteilung.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel die Oberflä chenadhäsion bei dem Erfassen der Kraftkurve an ir gendeinem Meßpunkt selbst dann nicht berechnet werden kann, wenn an das piezoelektrische Element 6 die Dreieckwellenspannung für die Z-Ansteuerung in zwei Zyklen angelegt wird, wird die Meßprobe 3 nicht zu dem nächsten Meßpunkt bewegt, sondern an dem gleichen Meßpunkt an das piezoelektrische Element 6 wieder die Dreieckwellenspannung für die Z-Ansteuerung angelegt. Dies ergibt eine höhere Zuverlässigkeit der Daten für die Oberflächenadhäsion.

Die Fig. 10 ist ein Zeitdiagramm der Messung bei dem fünften Ausführungsbeispiel. Zuerst wird unter der Be dingung, daß die Rückkopplungsschleife geschlossen ist, um die interatomare Kraft zwischen dem Fühler 2 des Auslegers 1 und der Meßprobe 3 konstant zu hal ten, ein erster Meßpunkt P1 an der Oberfläche der Meßprobe 3 zu einer Stelle unterhalb des Fühlers 2 versetzt. Dann werden zu einem Zeitpunkt t1 die Bild daten für Oberflächenungleichmäßigkeiten erfaßt und die erfaßten Daten werden in den Plattenspeicher 72 eingespeichert. Danach wird zu einem Zeitpunkt t2 die Rückkopplungsschleife geöffnet und es wird für das Erfassen der Kraftkurve an das piezoelektrische Ele ment 6 in zwei Zyklen die Dreieckwellenspannung für die Z-Ansteuerung beispielsweise mit einer Frequenz von 20 Hz und einer Amplitude von ± 160 V angelegt. Nach beendeter Erfassung der Kraftkurven wird zu einem Zeitpunkt t3 die Rückkopplungsschleife ge schlossen und von dem Computer 71 wird aus jeder der beiden erfaßten Kraftkurven eine Oberflächenadhäsion berechnet. Die Rechenergebnisse werden gemittelt und der Mittelwert wird in den Plattenspeicher 72 einge speichert. Wenn dabei die Oberflächenadhäsion nicht berechnet werden kann, wird zu einem Zeitpunkt t4 die Rückkopplungsschleife geöffnet und es wird für eine erneute Erfassung der Kraftkurve an das piezoelektri sche Element 6 in zwei Zyklen die Dreieckwellenspan nung für die Z-Ansteuerung angelegt. Danach wird zu einem Zeitpunkt t5 die Rückkopplungsschleife ge schlossen und von dem Computer 71 wird aus jeder der beiden erfaßten Kraftkurven eine Oberflächenadhäsion berechnet. Die Rechenergebnisse werden gemittelt und der Mittelwert wird in den Plattenspeicher 72 einge speichert. Nachdem die Oberflächenadhäsion berechnet worden ist, wird in einem Zeitabschnitt zwischen Zeitpunkten t6 und t7 von dem Computer 71 die Meß probe 3 in X-Richtung und Y-Richtung derart versetzt, daß ein nächster zweiter Meßpunkt P2 an der Meßprobe 3 unter den Fühler 2 gebracht wird. Darauf folgend werden die Bilddaten für Oberflächenungleichmäßigkei ten für den zweiten Meßpunkt P2 erfaßt.

Auf gleichartige Weise wird die vorstehend beschrie bene Ablauffolge für alle Meßpunkte wiederholt ausge führt, die innerhalb eines zu untersuchenden Oberflä chenbereichs der Meßprobe 3 angesetzt sind, z. B. für jeden von 64 × 64 Punkten oder 128 × 128 Punkten. Dann erzeugt der Computer 71 jeweils aus den Bildda ten für Oberflächenungleichmäßigkeiten und den be rechneten Werten für die Oberflächenadhäsion, die an allen Meßpunkten erhalten wurden, ein Bild der Ober flächenungleichmäßigkeiten und ein Bild der Oberflä chenadhäsion-Verteilung.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Gemäß der Beschreibung in Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel wird bei der Messung der Kraft kurve die Rückkopplungsschleife zunächst einmal ge öffnet und die an den Differenzverstärker 10 in der Steuerschaltung 70 angelegte Bezugsspannung wird auf 0 V eingestellt, so daß der relative Abstand zwischen der Oberfläche der Meßprobe 3 und dem Fühler an dem freien Ende des Auslegers 1 festgelegt wird. Im Ge gensatz dazu ist das sechste Ausführungsbeispiel zu einer derartigen Steuerung bei der Messung der Kraft kurve gestaltet, daß eine absolute Lage der Oberflä che der Meßprobe 3 in bezug auf eine "Tunneleinheitsbasis" festgelegt gehalten wird.

Wenn die Rückkopplungsschleife geöffnet wird, um die Steuerspannung für die Z-Richtung festzulegen, wird stets eine absolute Lage der Oberfläche der Meßprobe 3 in bezug auf die Tunneleinheitsbasis festgelegt ge halten. Das heißt, daß gemäß Fig. 11 der relative Ab stand zwischen dem Fühler des Auslegers 1 und der Oberfläche der Meßprobe 3 in Abhängigkeit von Meß punkten A, B und C verändert ist. In diesem Fall er gibt das Erfassen der Kraftkurve an jedem der Meß punkte A, B und C drei Kraftkurven, die gleiche Form und Größe haben, aber gegeneinander auf der horizon talen Achse in Richtung der Z-Versetzung verschoben sind. Infolge dessen wird auch bei dem Berechnen der Oberflächenadhäsion aus jeder der Kraftkurven für die Meßpunkte A, B, und C das gleiche Rechenergebnis er halten. Das heißt, eine Verschiebung der Kraftkurve auf der horizontalen Achse führt zu keiner Auswirkung auf die Berechnung der Adhäsion zwischen dem Fühler 2 und der Oberfläche der Meßprobe 3.

Der Betriebsvorgang zum Messen der Kraftkurve bei dem sechsten Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf die Schaltung nach Fig. 1 beschrieben. Zum Öffnen der Rückkopplungsschleife wird in der Steuerschaltung 70 ein Schalter 17 ausgeschaltet und ein Schalter 18 eingeschaltet, wodurch die Integral-Verstärkerschal tung 11 eine konstante Spannung abgibt. Dadurch wird eine absolute Lage der Oberfläche der Meßprobe 3 in bezug auf die Tunneleinheitsbasis festgelegt gehal ten. Als nächstes wird nach dem Ausschalten des Schalters 15 und dem Einschalten des Schalter 16 an den Differenzverstärker 10 über den D/A-Umsetzer 76 statt der Bezugsspannung die Dreieckwellenspannung für die Z-Ansteuerung des piezoelektrischen Elements 6 angelegt. Über den Differenzverstärker 10, die Pro portional-Verstärkerschaltung 12, den Addierer 13 und den Hochspannungsverstärker 14a wird für die Messung der Kraftkurve die Dreieckwellenspannung für die Z- Ansteuerung an die Z-Elektrode des piezoelektrischen Elements 6 angelegt.

Die Fig. 13 ist ein Zeitdiagramm für die Messung bei dem sechsten Ausführungsbeispiel. Zuerst wird unter der Bedingung, daß die Rückkopplungsschleife ge schlossen ist, um die interatomare Kraft zwischen dem Fühler 2 des Auslegers 1 und der Meßprobe 3 konstant zu halten, ein erster Meßpunkt P1 an der Oberfläche der Meßprobe 3 zu einer Stelle unterhalb des Fühlers 2 bewegt. Dann werden zu einem Zeitpunkt t1 Bilddaten für Oberflächenungleichmäßigkeiten gemessen und die gemessenen Daten werden in den Plattenspeicher 72 eingespeichert. Danach wird zu einem Zeitpunkt t2 die Rückkopplungsschleife geöffnet und die Steuerspannung für die Z-Richtung auf beispielsweise 10 V festge legt. Dann wird zu einem Zeitpunkt t3 für das Erfas sen der Kraftkurve an das piezoelektrische Element 6 in zwei Zyklen die Dreieckwellenspannung für die Z- Ansteuerung beispielsweise mit einer Frequenz von 20 Hz und einer Amplitude von 340 V angelegt. Nach been deter Erfassung der Kraftkurve wird zu einem Zeit punkt t4 die Steuerspannung für die Z-Richtung wieder auf 10 V festgelegt. Dann wird zu einem Zeitpunkt t5 die Rückkopplungsschleife geschlossen und von dem Computer 71 aus jeder der beiden erfaßten Kraftkurven eine Oberflächenadhäsion berechnet. Die Rechenergeb nisse werden gemittelt und der Mittelwert wird in den Plattenspeicher 72 eingespeichert. Nachdem die Ober flächenadhäsion berechnet worden ist, bewegt der Com puter 71 während eines Zeitabschnitts zwischen Zeit punkten t6 und t7 die Meßprobe 3 in X-Richtung und Y- Richtung derart, daß ein nächster zweiter Meßpunkt P2 an der Meßprobe 3 unter den Fühler 2 versetzt wird. Darauf folgend werden zu einem Zeitpunkt t8 die Bild daten für Oberflächenungleichmäßigkeiten für den zweiten Meßpunkt P2 erfaßt.

Diese Ablauffolge wird gleichermaßen für alle Meß punkte wiederholt ausgeführt, die innerhalb eines zu untersuchenden Oberflächenbereichs der Meßprobe 3 an gesetzt sind, z. B. für jeden von 64 × 64 Punkten oder 128 × 128 Punkten. Dann erzeugt der Computer 71 je weils aus den Bilddaten für Oberflächenungleichmäßig keiten und den berechneten Werten der Oberflächenad häsion, die an allen Meßpunkten erhalten wurden, ein Bild der Oberflächenungleichmäßigkeiten und ein Bild der Oberflächenadhäsion-Verteilung.

Siebentes Ausführungsbeispiel

Während bei dem vorstehend beschriebenen ersten bis sechsten Ausführungsbeispiel als Meßprobe 3 an dem zylindrischen piezoelektrischen Element 6 ein ver hältnismäßig kleines Scheibchen angebracht wird, kann als Meßprobe statt des Scheibchens beispielsweise ein Halbleiterwafer verwendet werden. In diesem Fall kann das erfindungsgemäße Oberflächenmeßverfahren als "In line"-Meßverfahren bei dem Halbleiterherstellungspro zeß angewandt werden.

Bei dem siebenten Ausführungsbeispiel wird gemäß Fig. 14 während des Prozesses zum Herstellen einer Halb leitervorrichtung ein Bild der Oberflächenadhäsion- Verteilung an der Oberfläche eines auf einem Halblei terwafer 19 gebildeten Halbleiterelements 20 erfaßt, um zu prüfen, ob eine Oberflächenadhäsion über einem vorbestimmten Wert erreicht ist oder nicht. Das Bild der Oberflächenadhäsion-Verteilung wird dadurch ge messen, daß das Halbleiterelement 20 nahe an einen Fühler 2 an dem freien Ende eines Auslegers 1 eines Adhäsionsmeßgerätes gebracht wird. Dieses Adhäsions meßgerät ist gemäß der Darstellung in Fig. 1 derart gestaltet, daß ein Laserstrahl aus einem Halbleiter laser 4 auf den Ausleger 1 gestrahlt wird und mittels eines Photodiodendetektors 5 eine Lageverschiebung eines von dem Ausleger 1 reflektierten Strahls erfaßt wird.

Hierbei hat das Halbleiterelement 20 beispielsweise im Schnitt einen in Fig. 15 dargestellten Aufbau. An dem Halbleiterwafer 19 ist jeweils ein Transistor mit einem Polysilizium-Gate 21, einem Gate-Isolierfilm 22, einer Source-Zone 23 und einer Drain-Zone 24 aus gebildet. Auf diesem Transistor sind ein Zwischen schicht-Isolierfilm 25 und eine metallische Leiter schicht 26 ausgebildet, die mit der Source-Zone 23 verbunden ist. Ferner ist auf der metallischen Lei terschicht 26 ein zweiter Zwischenschicht-Isolierfilm 27 ausgebildet, auf dem eine zweite metallische Lei terschicht 28 gebildet ist.

In einem nachfolgenden Schritt wird die zweite metal lische Leiterschicht 28 zu einem zweiten Leitermuster geformt. Vor diesem Schritt wird die Oberflächenadhä sion der zweiten metallischen Leiterschicht 28 fol gendermaßen untersucht: Zuerst werden gemäß Fig. 16 der Ausleger 1 und der Fühler 2 des Adhäsionsmeßgerä tes nahe an die Oberfläche der zweiten metallischen Leiterschicht 28 herangebracht, um nach einem der vorstehend bei dem ersten bis sechsten Ausführungs beispiel beschriebenen Verfahren ein Bild der Ober flächenadhäsion-Verteilung zu erfassen.

Wenn aus dem Erfassungsergebnis festgestellt wird, daß eine Oberflächenadhäsion über einem vorbestimmten Wert erreicht ist, schreitet der Prozeß zu dem näch sten Schritt weiter. Im einzelnen wird gemäß Fig. 17 auf die zweite metallische Leiterschicht 28 ein Pho toresist 29 aufgebracht und das Halbleiterelement wird belichtet, um den Photoresist 29 zu einem Muster gemäß Fig. 18 zu formen. Danach wird gemäß Fig. 19 die zweite metallische Leiterschicht 28 mit dem Pho toresist 29 als Maske zu einem Muster geformt, wonach der Photoresist 29 entfernt wird. Dadurch wird das zweite Leitermuster gebildet.

Falls andererseits aus dem Ergebnis der Erfassung des Bildes der Oberflächenadhäsion-Verteilung festge stellt wird, daß die Oberflächenadhäsion über dem vorbestimmten Wert nicht erreicht ist, wird das Halb leiterplättchen in dem Zustand nach Fig. 15 als feh lerhaft bewertet und aus der Fertigungsstraße ausge schieden. Dies geschieht deshalb, weil zwischen der zweiten metallischen Leiterschicht 28 und dem daran gebildeten Photoresist 29 ein Abblättern hervorgeru fen wird, wenn nicht die Oberflächenadhäsion über dem vorbestimmten Wert erreicht ist.

Es kann ohne tatsächliches Aufbringen des Photore sists 29 auf die zweite metallische Leiterschicht 28 mit dem vorstehend beschriebenen Untersuchungsverfah ren vorausgesagt werden, ob zwischen diesen ein Ab blättern auftreten wird oder nicht. Daher kann die Halbleitervorrichtung mit hohem Wirkungsgrad herge stellt werden. Gleichermaßen ist es auch möglich, die Adhäsion zwischen der Oberfläche eines Materials ei nes Substrates, eines Isolierfilms, einer Leiter schicht, einer Elektrodenschicht und/oder einer Re sistschicht, die eine Halbleitervorrichtung bilden, und einem als nächstes auf die Oberfläche des erste ren Materials aufzubringenden Material zu messen, um dadurch zu untersuchen, ob eine Oberflächenadhäsion über dem vorbestimmten Wert erreicht ist oder nicht. Es ist anzumerken, daß ein solcher Kontrollschritt entweder in die Fertigungsstraße für Halbleitervor richtungen als "In-line"-Kontrolle eingegliedert oder als Schritt gesondert von der Fertigungsstraße ausge führt werden kann.

Achtes Ausführungsbeispiel

Bei jedem der vorstehenden Ausführungsbeispiele wird zum Ablenken und Bewegen der Meßprobe 3 das zylindri sche piezoelektrische Element 6 verwendet. Das piezo elektrische Element 6 ist jedoch nicht auf ein zylin drische Element eingeschränkt und es können die glei chen Vorteile auch mittels eines piezoelektrischen Elements in Dreibeinausführung, Schichtenausführung oder Turmausführung erzielt werden.

Ein Adhäsionsmeßgerät enthält eine Meßvorrichtung für das Messen einer Kraftkurve an jedem von einer Viel zahl von Meßpunkten an einer Probenoberfläche mittels eines Auslegers, der an seinem freien Ende mit einem Fühler versehen ist, welcher aus einem auf die Pro benoberfläche aufzubringenden Material besteht, und eine Verteilungsbilderzeugungseinrichtung zum Berech nen einer Adhäsion zwischen einem die Probenoberflä che bildenden Material und dem auf die Probenoberflä che aufzubringenden Material aus einem Ausgangssignal der Meßvorrichtung und zum Erzeugen eines Bildes der Adhäsionsverteilung an der Probenoberfläche. Ein Ad häsionsmeßverfahren umfaßt die Schritte zum Einstel len des Abstands zwischen einem Fühler, der an dem freien Ende eines Auslegers angebracht ist und aus einem auf eine Probenoberfläche aufzubringenden Mate rial besteht, und der Probenoberfläche, um dadurch an jedem von einer Vielzahl von Meßpunkten an der Pro benoberfläche eine Kraftkurve zu messen, Berechnen einer Adhäsion zwischen einem die Probenoberfläche bildenden Material und dem auf die Probenoberfläche aufzubringenden Material an jedem der Meßpunkte aus dem Ergebnis der Erfassung der Kraftkurve und Erzeu gen eines Bildes der Adhäsionsverteilung an der Pro benoberfläche aus der für jeden der Meßpunkte berech neten Adhäsion. Mit diesem Gerät und diesem Verfahren zur Adhäsionsmessung kann der Zustand der Probenober fläche auf genaue Weise auf atomarem Niveau erfaßt werden.

Claims

1. Adhäsionsmeßgerät, gekennzeichnet durch
eine Meßvorrichtung (1 bis 6, 70) zum Messen einer Kraftkurve an jedem von einer Vielzahl von Meßpunkten an einer Probenoberfläche (3) mittels eines Auslegers (1), der an seinem freien Ende mit einem Fühler (2) versehen ist, welcher aus einem auf die Probenober fläche aufzubringenden Material besteht, und
eine Verteilungsbild-Erzeugungseinrichtung (71) zum Berechnen einer Adhäsion zwischen einem die Probenoberfläche bildenden Material und dem auf die Probenoberfläche aufzubringenden Material aus einem Ausgangssignal der Meßvorrichtung und zum Erzeugen eines Bildes der Adhäsionsverteilung auf der Probenoberfläche.

2. Adhäsionsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßvorrichtung
ein piezoelektrisches Element (6) zum Auflegen einer Probe (3),
den Ausleger (1), der an seinem freien Ende mit dem Fühler (2) versehen ist, welcher aus dem auf die Probenoberfläche aufzubringenden Material besteht,
eine Lasereinheit (4) zum Aufstrahlen eines Laser strahls auf den Ausleger,
einen Detektor (5) zum Erfassen eines von dem Ausleger reflektierten Laserstrahls und
eine Steuerschaltung (70) aufweist, die zum Messen der Kraftkurve an jedem der Vielzahl der Meßpunkte an der Probenoberfläche eine Spannung an das piezoelek trische Element anlegt.

3. Adhäsionsmeßverfahren, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen einem Fühler, der an dem freien Ende eines Auslegers angebracht ist und aus einem auf eine Probenoberfläche aufzubringenden Material be steht, und der Probenoberfläche eingestellt wird, um dadurch an jedem von einer Vielzahl von Meßpunkten an der Probenoberfläche eine Kraftkurve zu erfassen,
daß aus dem Ergebnis der Erfassung der Kraftkurve eine Adhäsion zwischen einem die Probenoberfläche bildenden Material und dem auf die Probenoberfläche aufzubringenden Material an jedem der Meßpunkte be rechnet wird und
daß aus der für jeden der Meßpunkte berechneten Adhäsion ein Bild der Adhäsionsverteilung an der Probenoberfläche erzeugt wird.

4. Adhäsionsmeßverfahren nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß an jedem der Meßpunkte an der Probenoberfläche Interatomarkraft-Mikroskop-Bilddaten erfaßt werden, während an dem gleichen Meßpunkt die Kraftkurve er faßt wird, und
daß aus den an jedem der Meßpunkte erfaßten Interatomarkraft-Mikroskop-Bilddaten ein dem Bild der Adhäsionsverteilung entsprechendes Interatomarkraft- Mikroskopbild der Probenoberfläche erzeugt wird.

5. Adhäsionsmeßverfahren nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Interatomarkraft-Mikroskop- Bilddaten bei einem Zustand erfaßt werden, bei dem der Abstand zwischen dem Fühler und der Probenober fläche festgelegt gehalten wird.

6. Adhäsionsmeßverfahren nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß nach dem Erfassen der Interatomar kraft-Mikroskop-Bilddaten an einem der Meßpunkte eine Kraftkurve an dem gleichen Meßpunkt erfaßt wird und aus der erfaßten Kraftkurve eine Adhäsion an diesem Meßpunkt berechnet wird, wonach zu dem nächsten Meß punkt fortgeschritten wird.

7. Adhäsionsmeßverfahren nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Meßdaten für die Kraftkurve an jedem Meßpunkt gespeichert werden und nach beendeter Messung an allen Meßpunkten eine Adhäsion an dem je weiligen Meßpunkt aus den gespeicherten Meßdaten be rechnet wird.

8. Adhäsionsmeßverfahren nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kraftkurve an jedem der Meß punkte mehrmals erfaßt wird.

9. Adhäsionsmeßverfahren nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kraftkurve an einem der Meß punkte erfaßt wird und dann die Interatomarkraft-Mi kroskop-Bilddaten erfaßt werden, wonach zu dem näch sten Meßpunkt fortgeschritten wird.

10. Adhäsionsmeßverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftkurve an einem der Meß punkte zweimalig erfaßt wird und die Adhäsion an die sem Meßpunkt berechnet wird, wonach dann, wenn die Adhäsion berechenbar ist, sofort zu dem nächsten Meß punkt fortgeschritten wird, oder aber dann, wenn die Adhäsion nicht berechnet werden kann, zu dem nächsten Meßpunkt fortgeschritten wird, nachdem erneut an dem gleichen Meßpunkt die Kraftkurve erfaßt und die Adhä sion berechnet wurde.

11. Adhäsionsmeßverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftkurve erfaßt wird, nach dem an jedem der Meßpunkte der Abstand zwischen dem Fühler und der Probenoberfläche auf einen vorbestimm ten Wert eingestellt wurde.

12. Adhäsionsmeßverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftkurve erfaßt wird, nach dem an jedem der Meßpunkte die absolute Lage der Pro benoberfläche festgelegt wurde.

13. Verfahren zum Herstellen von Halbleitervorrich tungen, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem Prüfschritt eine Adhäsion zwischen der Oberfläche eines ersten Materials eines Substrates, eines Isolierfilmes, einer Leiterschicht, einer Elektrodenschicht und/oder einer Resistschicht, die eine Halbleitervorrichtung bilden, und einem auf die Oberfläche des ersten Materials aufzubringenden zweiten Material gemessen und ein Bild der Adhäsionsverteilung erzeugt wird und
daß das zweite Material auf die Oberfläche des ersten Materials aufgebracht wird, wenn bei dem Prüfschritt festgestellt wird, daß die gemessene Adhäsion größer als ein vorbestimmter Wert ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß bei dem Prüfschritt
der Abstand zwischen einem Fühler, der an dem freien Ende eines Auslegers angebracht ist und der aus dem zweiten Material besteht, und der Oberfläche des ersten Materials eingestellt wird, um dadurch an jedem einer Vielzahl von Meßpunkten an der Oberfläche des ersten Materials eine Kraftkurve zu erfassen,
aus dem Ergebnis der Erfassung der Kraftkurve an jedem der Meßpunkte eine Adhäsion zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material berechnet wird und
aus der für jeden der Meßpunkte berechneten Adhäsion ein Bild der Adhäsionsverteilung auf der Oberfläche des ersten Materials erzeugt wird.