JP2002507281A - 改良形探針表面形状測定装置およびアレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 小型の探針アセンブリを表面形状測定装置用に用いるもので、この探針アセンブリは切欠き付きのシリコン材料またはシリコン化合物の板からなるため、探針アームは表面形状測定中に切欠き部分でのみ曲折する。この探針アームのアレイはシリコンの単一片から製造され標本表面上にある多数の線の表面形状を測定するために用いることにより、表面領域の形状が同時に測定される。微分干渉計または光レバーセンサを用いて探針アームの変位，すなわち表面形状を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】 改良形探針表面形状測定装置およびアレイ発明の背景 本発明は一般的に、試料または標本を走査するための器具に関し、さらに詳し く言えば、種々の特性をさらに高めた表面形状測定装置(profiler)に関する。 表面形状測定器具は元々、粗さ，波形および形状の点から表面を特徴付けるこ とを目的として開発されたものである。近年では、半導体材料および半導体装置 を正確に測定するためにさらに改良されてきた。また、半導体産業以外では、例 えば、光学ディスク，フラットパネルディスプレイ等の装置を走査するために使 用されている。上述の用途を目的として使用する探針プロフィロメータまたは表 面形状測定装置は、カリフォルニア州，ミルピタスのテンカーインスツルメンツ 社(Tencor Instruments)や他の製造元から入手できる。 半導体産業において新世代製品の形態がますます小型化の方向に進むにつれ、 分解能が極めて高い状態で試料を繰り返し走査することが可能な走査器具への需 要が高まっている。したがって、表面形状測定装置は大きさが横寸法サブマイク ロメートル，縦寸法ナノメートルの特徴を高速かつ非破壊的に測定するために用 いられるようになってきた。重要な測定用途の中には、横寸法が約０．１μｍの 特徴の測定が必要とされる場合がある。これらの測定では横分解能を０．０１μ ｍにする必要がある。この種の測定を行うには非常に鋭利な探針を使用しなけれ ばならない。同時に、これらの特徴が存在するウェーハや個々のダイの大きさも 増大しつづけている。また、測定用途の中には、ウェーハ径の大部分に対して測 定を実行しなければならない場合がある。このため、表面形状測定装置は０．０ １μｍ〜０．１ｍ，横方向の動的範囲が１０⁷の範囲にある空間的特徴を測定で きるものでなければならない。この要求は高性能表面形状測定装置で使用される スキャナ，探針アセンブリやトランスデューサには制約が大きすぎる。 探針が非常に鋭利なものを使用するには、先端面の相互作用力が非常に小さい 状態（約０．１ｍｇより小）で表面形状を測定する必要がある。相互作用力を低 い状態に保つことは、探針アセンブリの撓みを柔らかく（低剛性）すれば容易に 達成できる。探針アセンブリの有効質量，剛性および減衰は表面形状の測定中に 生じる動力に影響を及ぼすため、表面形状測定装置を高速走査および低相互作用 力で動作させると動力に問題が生じることがある。これらの動力は表面形状測定 装置のスループットを制限してしまう場合がある。 したがって、上述した問題を解消または緩和する探針プロフィロメータまたは 表面形状測定装置を提供することが望まれる。本発明の要約 本発明の１つの態様は、小型の探針アセンブリを用いて低相互作用力（例えば ，接触力）および高スループットを達成可能にすることである。この小型探針ア センブリが低質量，高共振周波数を有し適宜に減衰されると、システムのスルー プットを相互作用力が低い状態でも高めることが可能である。探針アセンブリの 質量が低いと、それよりも高質量のアセンブリに比べて表面の先端の慣性荷重を 下げることができる。また、探針アセンブリの質量が低いことで、一定の先端面 相互作用力を維持するのに高速制御システムを用いることも可能である。さらに 低質量の探針プローブアセンブリを位相遅延なしに高速でＸＹステージで動かす ことが可能である。これら３つの特性すべてが走査速度をあげるために有益なも のである。 したがって、本発明の１つの態様は、撓みピボットを規定する切欠きを有し、 相互作用力により標本と相互作用するための探針チップを有する細長い探針アー ムと、探針チップと標本との間に相対運動を惹起させ、探針チップが標本を測定 する手段であって、探針チップと標本との間の相互作用力により探針チップは切 欠きを回動する相対運動惹起手段と、探針チップが標本全体を移動するときに標 本に対する探針チップの位置を示すために位置信号を供給するための探針変位測 定手段とからなる微細構造検査用表面形状測定装置に関する。 本発明の別の態様は、切欠きを有する細長い探針アームであって、相互作用力 で標本と相互作用するための探針チップを有する細長い探針アームを提供するス テップと、探針チップと標本との間に相対運動を惹起させ、相互作用力により探 針チップが切欠きを回動する相対運動惹起ステップとからなる探針力制御方法に 関する。この方法はさらに、標本を測定するステップを含む。 現在テンカーインスツルメンツ社から販売されている表面形状測定装置では、 静電容量ゲージを用いて探針アームの変位を測定する。本発明の別の態様は、静 電容量ゲージを用いる代わりに、表面形状測定装置の探針アームの変位測定用に 干渉計または光レバーセンサを用いることが望ましい場合の応用に基づいたもの である。よって、本発明の別の態様は、相互作用力により標本と相互作用するた めの探針チップと、ピボットを有する細長い探針アームと、探針チップと標本と の間に相対運動を惹起させ、探針チップはピボットを回動し標本を測定する相対 運動惹起手段と、探針チップと標本が互いに相対的に動くときに標本に対する探 針チップの位置を示すために、位置信号を供給するための干渉計または光レバー センサを含む探針変位測定手段とかなる微細構造の検査用表面形状測定装置に関 する。 本発明のさらなる態様は、相互作用力により標本と相互作用するための探針チ ップと、ピボットを有する細長い探針アームを提供するステップと、および探針 チップと標本を相対運動を惹起させ、相互作用力により探針チップは標本を測定 するためにピボットを回動する相対運動惹起ステップと、探針チップと標本が干 渉計または光レバーセンサにより互いに動きとき、標本に対する探針チップの位 置情報を示すために位置信号を供給するステップとからなる表面形状測定装置の 探針量制御方法に関する。 本発明のさらなる別の態様は、少なくとも２つの表面形状測定装置と、標本お よび少なくとも２つの表面形状測定装置との間に相対運動を惹起させるための手 段とからなる微細構造の検査用表面形状測定装置に関する。 本発明のさらなる態様は、直角に偏光された２つのビームを供給するための手 段と、前記直角に偏光された２つのビームの間に第１の可変または実質的に一定 の位相差を導入する手段とからなる変位感知測定装置に関する。この装置はさら に、第１の位相差の導入後、直角に偏光した２つのビームを試料に向けることで 、ビームは試料により修正（例えば、反射）される方向付け手段と、２つの修正 されたビーム間の第２の位相差をモニタする手段とからなる変位感知測定装置。 本発明のさらなる別の態様は、直角に偏光された２つのビームを供給するステ ップと、直角に偏光された２つのビームの間に第１の可変または実質的に一定の 位相差を導入するステップとからなる変位感知方法に関する。この方法はさらに 、第１の位相差の導入後、直角に偏光した２つのビームを標本に向けることで、 ビームは標本により修正される方向付けステップと、２つの修正されたビーム間 の第２の位相差をモニタするステップとからなる変位感知方法。図面の簡単な説明 図１Ａは、本発明を説明するために有益な親出願からの試料に対して探針チッ プに所望の力を適用させるための磁気手段を用いるセンサアセンブリの側面斜視 図である。 図１Ｂは、図１Ａのセンサアセンブリの一部の断面図である。 図１Ｃは、図１Ａのセンサアセンブリの磁気探針力バイアス手段の詳細を示す 後部斜視図である。 図１Ｄは、本発明を説明するために有益な探針力調整用の電子機器のブロック 図である。 図２は、本発明の１つの態様を説明するもので、低相互作用力で動作可能な小 型探針アセンブリを示すミクロ機械加工された探針アームと，ピボットと指示フ レームの平面図である。 図３は、本発明の実施形態を説明するもので、表面形状測定装置の探針アーム の変位を測定するための微分干渉計の使用法を示す、微分干渉計および図２の探 針アームおよびピボットの一部の斜視図である。 図４Ａは、本発明の別の態様を説明するもので、微分干渉計の一部および図１ Ａ〜１Ｃのタイプの表面形状測定装置の探針アームの一部を示す略図である。 図４Ｂは、表面形状測定装置の探針アームの位置および変位を検出するために 使用される干渉計の別の実施形態を説明するもので、方解石ビームディスプレイ サーの斜視図である。 図５は、本発明の別の態様を説明するもので、表面形状測定装置の探針アーム の位置および変位を検出するたの光レバーセンサの使用法を示ために、光レバー センサおよび図２の探針アームアンブリの一部を示す略図である。 図６は、本発明の好適な実施形態を説明するもので、表面形状測定装置の探針 アームの変位を感知する微分干渉コントラスト（ＤＩＣ）変位干渉計センサの略 図である。 図７は、本発明の実施形態を説明するもので、切欠き撓み表面形状測定装置の 探針アームのアレイの平面図である。 図８は、図７の探針アームの側面図である。 図９は、表面を走査および測定するための図７，８の表面形状測定装置の探針 アームのアレイを用いた表面形状測定装置アセンブリの略図である。 図１０は、本発明の実施形態を説明するもので、探針アームの位置および変位 の測定用に干渉計を用いた干渉計の一部および図７および図８の探針アームの１ つのアームの一部を示す略図である。 図１１は、図７および図８の切欠き撓み表面形状測定装置の探針アームのアレ イを移動し較正させるための表面形状測定装置システムのブロック図である。 図１２は、標本の走査および測定用のアームの使用法を説明するために、図７ および図８の探針アームと標本の平面図である。 図１３は、図１２の３つの探針アームにより測定された標本表面の３つの異な る経路に沿って標本表面の外形を示すグラフである。 図１４は、標本測定用にチップを用いる場合、表面形状測定装置の探針チップ と標本との間にかかる相互作用力を制御するためのフィードバック制御システム のブロック図である。 図１５Ａ〜１５Ｄは、本発明を説明するもので、４つの異なる断面図の切欠き を示す切欠き付き探針アームの一部を示す断面図である。 図１６Ａおよび１６Ｂはそれぞれ、本発明を説明するもので、底面図では実質 的に矩形形状である探針アームの底面図および側面図を示す。 図１７Ａおよび１７Ｂはそれぞれ、本発明の好適な実施形態を説明するもので 、底面図では実質的に三角形である探針アームの底面図および側面図である。 記載を簡潔にするために、同一の要素には同じ参照番号を付している。好適な実施形態の詳細な説明 図１Ａ〜１Ｄを参照した表面形状測定装置の以下の説明は、親出願からのもの である。 図１Ａを参照すると、半径０．０１ｍｍ以下のダイヤモンド探針チップ１１を 直角に曲折した細長いステンレススチール製のワイヤ１３の端部に固着する。ワ イヤ半径は約０．２５ｍｍである。ダイヤモントチップをワイヤ１３の方形化端 部に固着設置し、またワイヤ１３の他端部を、長さ約２ｃｍ，壁内径約０．０１ ８ｃｍの細長い中空アルミニウムアーム１５に挿入する。アルミニウムアームの 剛性は非常に強いものであるため、段の高さを感知するさいに曲折することがな く、また質量もかなり小さいため、慣性モーメントを低く保持できる。アーム， ワイヤおよびダイヤモンドチップの全質量は約０．０５グラムを超えないものが 好ましい。アーム１５は支持ブロック１９内に嵌着されて撓みピボット２１に操 作可能に接続され、このピボットも支持ブロック１９内に嵌着される。このよう にして、アルミニウムアーム１５は撓みピボット２１を中心として回転する。た わみピボット２１は、標本または試料１０等の被測定表面に対して下側に探針チ ップ１１を容易に保持できるほどのねじり力を有する。ピボットの探針側の全質 量は、以下に記載するレバー５９を含んで０．５０グラムを超えないものが好ま しい。 電気ソレノイドコイル５１は、プラスチックボビン５０の周りにあるワイヤコ イル５３からなる。使用するワイヤは、数千巻きの良質銅線であるものが好まし い。図１Ｂに示すように、コイル５１はワイヤ５５を用いて電流を印加し磁気を 帯びる。磁化コイル５１はアルミニウムレバー５９の強磁性チップを引きつける 。レバー５９は、支持ブロック１９に固着させた強磁性チップとは反対の端部を 有する。強磁性チップは、ネオジウム−鉄−ホウ素磁石のような、磁気的に非常 に硬性でその大きさに対して非常に強い磁界を有する材料からなる磁石であるこ とが好ましい。磁石５７は、図１Ａ〜１Ｃにおいて支持ブロック１９とは反対側 にあるレバー５９の端部に引きつけられたホルダ５２に示されている。レバー５ ９は磁石５７が撓みピボット２１の上側に直接配置されるように曲折されること が好ましい。電流をワイヤ５５にかけコイル５１を磁化させることにより、磁力 をレバー５９にかけ、コイル５１の中心の方かまたは中心から離して引くような 形でバイアス力を生じさせる。レバー５９は軽量かつ剛性であるため、レバーは 磁力をかけられても曲折しない。磁石５７および磁気コイル５１は本発明の探針 力バイアス手段の一部である。 ピーク磁界勾配の位置付近、すなわちコイル５１の軸上にありコイル巻取機の 端部平面に近接した位置に磁石５７を配置することにより、磁石５７が移動する につれてかかる力の変化を最小限に抑え、また力の大きさを最大にする。磁石５ ７はコイル巻取機５１から間隔をとって離されて配置し、コイルの中心孔内に進 まないようにしている。最も接近した位置で、磁石５７はコイル５１にほとんど 接触しそうな状態である。このように磁石５７を配置することにより磁石の位置 を容易に調節することができる。 磁石５７にネオジウム−鉄−ホウ素材料等の非常に強い材料を使用することに より、有効磁力を損なうことなく磁石の小型化および軽量化が達成できる。磁石 は直径３ｍｍ，厚み１．５ｍｍである。対応する低電流要求によりコイル内で放 散される力が最小になり、発生する熱を最小限に抑える。また、これによりセン サアセンブリの材料の熱誘導拡張および収縮が最小となる。これらの熱誘導サイ ズの変化により、試料または標本の被測定外形に不所望のドリフトが生じる場合 がある。 支持体７１の下側にはトランスデューサ支持体７２を取付け、間隔を保って平 行に配置した一対のコンデンサ板３５，３７の高さを調節するように作用する。 コンデンサ板間の間隔は約０．７ｍｍで板間にはエアギャップがある。板３５と 板３７を小型スペーサ（図示せず）で引き離し、２枚の板をトランスデューサ支 持体７２にねじで嵌合させる。板領域の大きさは外気からベーン４１を被覆でき る大きさであるため、ベーンは近接して設けられた板間に瞬間的に取られられる 空気圧縮による運動に対しての抵抗を受ける。図１Ｂの一対の導電線３９は２枚 の平行板に接続され、それぞれが各板に接続されている。平行板間には、低質量 の導電性ベーン４１が介在し、各平行板３５および３７に対してコンデンサを形 成している。ベーンの運動範囲は図１Ｂの矢印Ａで示すもので、±０．１６ｍｍ である。さらに、支持ブロック１９と撓みピボット２１に接続されたベーン４１ は、ベーンが平行板間の空気を圧縮しようとするときにピボット運動を弱める。 このベーンの制動運動により、アーム１５に伝わる振動および衝撃が減少される 。ベーン４１は、探針アーム１５とは反対側にある支持ブロック１９の後方延長 部であるパドル４３に接続され、アームを平衡させる働きをする。ピボットのベ ーン側にあるベーン，パドルおよびピボット部材は約０．６ｇを超えないものが 好ましい。板３５と３７間のベーンが動くことにより、探針チップ動作を示す静 電容量が変化する。Wheelerの米国特許第５，３０９，７５５号にこのような動 作のトランスデューサが記載されている。 図示した支持体７１，Ｌ形ブラケット７３およびトランスデューサ支持体７２ の構造は、親出願の発明のセンサ探針アセンブリの支持体の例のみに関するもの である。さらに、探針チップに対して配置した記載した探針変位測定手段または 運動トランスデューサは好ましいものであるが、以下に説明するように、探針チ ップ運動を示すための同等の手段と置き換える場合もある。 動作中、探針チップ１１はパターン化された半導体ウェーハ等の被測定表面を 走査する。探針位置を固定して微調整および／または粗調整ステージ等のＸ−Ｙ 位置決めウェーハステージ上で、固定ウェーハ位置に対して探針アームフレーム を移動するかその代わりにウェーハを移動するか、またはそれら２つの動きを組 み合わせることにより走査を行う。後者の場合、探針アームはＸ方向の横方向に 移動させ、ウェーハは長いＸ方向の走査をそれぞれ終了させた後にＹ方向に進ま せる。探針チップ１１は、コイル５１を介してレバー５９に加えた適切なバイス によって一定の力レベルでウェーハ表面に接触させるかまたは近接させて保持す る。バイアスは接触を維持する程度であるものが好ましいが、被測定表面に傷を つけるほどのものであってはならない。チップ１１の偏向は、被測定表面の外形 の変化により生じ、これらは撓みピボット２１を介してベーン４１へと後方に伝 えられる。ベーン４１は、平行板３５と３７間の空気変位により生じる振動によ る不所望の大きな振幅動作に対して耐性である。しかしながら、空気が圧縮され 変位されると、ベーン４１は僅かに動き、導電線に接続された電気ブリッジ回路 （図示せず）に変化をもたらす導電線３９に信号を生じさせる。走査終了時には 、探針チップ１１はウェーハを変更するときに損傷を与えないように保護するた めに持ち上げられる。 親出願の発明は、先行技術の改良に重点をおいたもので、探針が垂直方向に移 動するさいの力コイル電流の動的変化を可能にすることで、従来の装置の探針力 の変化をなくすことができるものであった。表面形状測定装置は駆動電流を供給 して非接合状態の探針（すなわち、標本と接触していない探針）を規則的な間隔 をもつ位置に移動させることで較正し、位置対電流設定の表を作るものである。 この表により多項式曲線適合の近似値が得られる。図１Ｄのディジタル信号プロ セッサ８４は曲線適合を用いて標本を適切な位置において位置測定を行うさいの 力の設定を大幅に変更する。直接な適合では力は零になるため、一定の電流オフ セットを適合多項式に加えることによって正の一定の力が発生される。 図１Ｄは、上記の探針力調整電子装置を説明するブロック図である。運動トラ ンスデューサ８１，すなわち平行板３５と３７を組み合わせたベーン４１により 発生した電気信号は選択され、特定の垂直位置用の信号調整回路８２内に記録さ れてデータ点を作りだし、この間は探針チップ１１は標本１０と接合していない 状態である。探針チップはたわみ，すなわちねじりばねにより支持されているの で、データ点はばねの法則Ｆ＝ｋｘにより力レベルに直接比例する。次いで信号 は変換器８３によりディジタル形式に変換され、データ点に関する多項式曲線を ディジタル信号プロセッサ８４が発生する。次いで曲線はプロセッサ８４により 調整されて、表面形状の測定中に探針チップ１１に望ましい力を示す。調整され た曲線は変調指示，すなわち、フィードバック信号を供給し、変換器８５でアナ ログ形式に変換されて、回路８６にコイル５１を駆動させる信号を出してコイル 内の電流８７を変調して、一定の探針力を得る。 センサアセンブリ６０の上述の記載は親出願からのものである。 上述のセンサアセンブリ６０は多くの用途で利点となるが、半導体装置の大き さが減少しつづけ、さらにナノメートル寸法の縦方向の測定およびサブミクロン の横方向の測定を行うことに対する需要は高まる一方であるため、相互作用力が 低い状態で非常に鋭利な探針を用いて測定を行うことが必要となってくる。図１ Ａ〜１Ｃを参照して上述した探針アームは比較的軽量のものではあるが、図２に 示すようなさらに小型の探針アセンブリを用いることが望まれる。全センサアセ ンブリ１００の製造は、シリコンまたは絶縁体上シリコン（ＳＯＩ）の平坦片か ら始める。半導体産業で使用している従来の技術を用いて、シリコンまたはＳＯ Ｉのウェーハをエッチングし、幅広部１０２’と幅狭部１０２''を有するアーム １０２を形成する。幅狭部１０２''の端部には好ましくはダイヤモンドから作ら れるチップ１０４が取り付けられている（図２には図示せず）。その代わりに、 チップ１０４を幅狭部１０２''と同じ材料で作る場合には、チップは幅狭部と一 体化させて形成する。アーム１０２と一体化して形成するのは力コイル（図示せ ず）を支持するために用いる支持体１０６である。アーム１０２と共に支持体１ ０６は撓みヒンジ１０８を用いてウェーハまたは板の残りの枠部分１１０に接続 される。力コイルは支持体１０６の表面に設けられるかまたは埋め込まれた導電 材料の層からなる。材料の層は螺旋形状であるものが好ましい。次いで、磁石８ （図示せず）は力コイルに近接させて枠部分１１０に取り付けられる。このよう にして、電流が力コイルを通過するとき、力コイルと磁石間の電磁相互作用によ り支持体１０６に力が加えられる。支持体１０６はアーム１０２と一体に形成さ れヒンジ１０８を介して枠部分１１０に取り付けられるため、支持体１０６に加 えられる力はアームにも加えられる。言い換えれば、磁石と力コイルは、米国特 許第５，３０９，７５５号の磁石５７およびソレノイドコイル５１と同じ役割を 果たすことになる。Gustafsson et al．の「光学化ビーム検出用に最適に処理さ れた走査力顕微鏡ばねおよび制御された破断で作られたチップ」"Scanning For- ce Microscope Springs Optomized for Opticalizing Beam Detection and With Tips Made by Controlled Fracture"，J．Appl．Phys．７６（１），１９９４ 年７月１日，１７２〜１８１頁の記事には図６を参照して、図２の構成と少し類 似したデザインのシリコンまたは窒化シリコンからなるねじりばねのデザインが 開示されている。このタイプのデザインにより低質量かつ高速応答をプロフィロ メータが構成することができる。 図１Ａ〜１Ｃに示すように静電容量ゲージを用いる代わりに、位置すなわちチ ップ１０４の変位が図３に示すように微分干渉計を用いて検出測定される。T.C ．Bristowによる「表面外形状」"Surface Topography"１（１９８８年）８５〜 ８９にノマルスキー式の微分干渉計が記載されている。微分干渉計１２０は上述 したBristowの記事に記載されたノマルスキー式のものである。干渉計１２０に より、位置すなわち探針アーム１０２の変位が常時検出され測定される。干渉計 １ ２０はアーム１０２を支持する外側枠部分１１０に固定され接続されている（図 示せず）。 ウォラストンプリズムを用いるノマルスキー式微分干渉計はまた、図４Ａに示 すような図１Ａ〜１Ｃの表面形状測定装置６０の探針アームの位置すなわち変位 を測定するためにも用いられる。したがって図４Ａに示すように、ウォラストン プリズム１３２を含む微分干渉計の一部１３０を用いて、探針チップ１１が上下 に動くときの探針アームの位置すなわち変位を検出し、撓みピボット２１で回転 することにより表面の外形をたどる。干渉計１３０は、その一部でアーム１５の 変位を測定する。 図４Ｂは、方解石ビームディスプレイサの斜視図であり、図３および図４Ａの 構成要素のうちウォラストンプリズムと対物レンズの代わりに用いるものであり 、探針アームの変位を測定するためのものである。方解石ビームディスプレイサ は以下に記載する図６の構成に示されている。図４Ｂに示すように、方解石プリ ズムは入射光ビームを２つの直角に偏光されたビームに分離して、２つのビーム の反射を１つのビームに再結合する。 図５は、光レバーセンサの略図であり、探針アーム１０２の位置および変位を 検出測定するために用いられる。図５にある光レバーセンサ１４０は、Meyer et al.の「原子力顕微鏡使用法の新規光学アプローチ」"Novel Optical Approach to Atomic Force Microscopy"Appl．Phys．Lett.,第５３巻，第１２号，１９８ ８年９月１９日，第１０４５〜１０４７頁に記載されている。センサ１４０には アーム１０２に光を供給しこのアームがビームを反射するレーザ１４２と、アー ム１０２から反射されたレーザ１４２からの光を位置感知検出機１４６へと反射 するミラー１４４を含む。しかしながら、Meyer et al.の記事と異なりそれを改 善させた点として、ミラー１４４は検出機１４６で信号を無効にするアクチュエ ータ／トランスデューサにより制御されて回転させられ、以下に記載するように 検出の動的範囲と精度を高める。 探針アーム１０２がシリコン製である場合、表面を機械加工して光等の放射を 反射するミラー表面を形成する。その代わりとして、ミラー（図示せず）をアー ム１０２に接続して、このミラーからの反射を光レバーシステム１４０（または 以下に記載する干渉計）と共に用いて、チップ１０４の位置を感知する。光レバ ーシステム１４０は、図５に示すように、１または２の直角自由度のいずれかで アクチュエータ／トランスデューサを有するミラー１４４，スプリットまたは四 分円光検出器１４６，コントローラ１５０および中央演算処理装置（ＣＰＵ）１ ５２からなる。レーザ１４２からのレーザビームはアーム１０２からミラー１４ ４へと鏡面反射される。チップ１０４とアーム１０２が最初にそれらの参照位に ある場合、ミラー１４４の位置はアーム１０２から光検出器１４６の中心へと反 射されたビームをたどることで、検出器１４６はスプリットまたは四分円検出器 部分から等電圧を供給する。これは一般に零状態と呼ばれる。探針チップが表面 形状を測定するとき、それにより生じる探針アーム１０２の垂直運動は、アーム 上に供給する光源１４２からの入射角度を偏光する。 フィードバックがなければ、アーム１０２とミラー１４４からの反射されたビ ームは光検出器１４６の中心から逸れ、検出器の出力が零状態から逸れる。検出 器１４６の出力電圧は検出器結果から駆動電圧を引き出してミラー１４４のアク チュエータ／トランスデューサに送るコントローラ１５０に供給してミラー１４ ４を回転させ、それによってリフレクタビームは再度検出器１４６で中心合わせ されて検出器出力を零状態に戻す。次いで、コントローラ１５０からの駆動電圧 またはミラー１４４に取り付けられたトランスデューサの出力は、アーム１０２ の動きとチップ１０４の位置の表示を提供する。駆動電圧は、駆動電圧からチッ プ１０４の位置を引き出すＣＰＵ１５２に供給される。 探針アームよりも光検出器に近い場所にミラー１４４を位置づけすることによ って、ミラーの方向付けを探針アームの角度の変化よりも大幅に変更して、検出 器の出力を零状態に維持しなければならない。よって、この増幅により標準の一 般的に使用されているアクチュエータおよびトランスデューサを使用することが できる。コントローラ１５０およびミラー１４４のアクチュエータ／トランスデ ューサからなるフィードバックループを用いて、探針アームと光検出器でレーザ の初期調整を実行する。 スプリットまたは四分円光検出器からなる位置／感知検出器を用いることが好 ましく、さらに光レバーセンサ１４０が零状態に動作することが好ましいが、こ れは必須要件ではなく他の検出器の使用も可能であり、そして零状態で動作しな い光レバーセンサも使用することができ本発明の範囲内であることを理解された い。 図２，３および図５のセンサまたは探針アセンブリが図１Ａ〜１Ｃの探針アー ム１５と比較して異なる構造であっても、探針アセンブリの力制御と較正は図１ Ｄを参照した探針アーム１５のものと同じ方法で実行される。言い換えれば、探 針アセンブリ１００は異なる電流を支持体１０６の力コイルにかけて較正するこ とにより、探針１０４は異なる量変位される。次いで、電流すなわち印加される 力およびチップ１０４の対応する変位はデータ点として記録され、それに応じて データプロセッサはデータ点に関する多項式曲線を発生する。次いで曲線はプロ セッサにより調整されて、表面形状測定中に標本の表面に対して探針チップ１０ ４によりかけられる所望の力を示す。次いで変調指示を調整された曲線から引出 して電流と力コイルを制御することにより、チップ１０４は接触モードで表面を 走査するときに標本表面に実質的に一定の力を加える。 図６は、微分干渉コントラスト（ＤＩＣ）変位センサの略図であり、図７に示 される構造の探針アームの変位を感知する。図６において、ＤＩＣセンサは探針 アームの変位を感知するために用いられるが、あらゆる変位を感知するためにＤ ＩＣセンサを用いることもあり、そのような用途も本発明の範囲内であることを 理解されたい。ＤＩＣセンサにおいて、実質的に同軸で直角に偏光された２つの ビーム間に第１の可変位相差が導入される。光ビームは特定の距離で剪断され、 次いで被測定表面に向けられて、ビームは表面に反射される。次いで２つのビー ムの反射間の第２の位相差は、第１の位相差が変化する（または以下に説明する ように変化しない）場合にモニタされて、表面の変位を測定する。直角に偏光さ れたビームを発生させるために、光源１６２は円形に偏光された光を線形偏光器 １６４に供給し、偏光器は線形に偏光されたビームを四分の一波長板１６６に通 過させる。四分の一波長板１６６の高速軸および低速軸は、方解石またはウォラ ストンプリズム１６８の高速軸および低速軸に対して実質的に４５°方向付けさ れている。四分の一波長板１６６により偏光器１６４からの線形偏光ビームが変 換されて直角に偏光した２つのビームになる。これらのビームの各々はプリズム １６８により探針アーム１７２に入射する実質的に等強度の２つの別々のビーム に分離される。四分の一波長板１６６からの出力ビームは振幅ビームスプリッタ １７０を通過して、プリズム１６８の方向にミラー１７１によって反射される。 アーム１７２からの２つのビーム１７４，１７６の反射はプリズム１６８によ り単一のビームに結合され、ミラー１７１とビームスプリッタ１７０により反射 されて偏光ビームスプリッタ１８２の方へと向かい、ここで入射ビーム内に含ま れる２つの偏光に対して４５度で方向付けられる。したがって、ビームスプリッ タは２つの入射偏光を混合し、混合されたビームは互いに干渉しあって検出器Ｐ Ｄ１，ＰＤ２で検出される強度を変調する２つの出力ビームを発生する。これら ２つの出力ビームのうちの１つのビームは経路１８４を通って検出器ＰＤ１へと 進み、もう１つの出力ビームは経路１８６を通って検出器ＰＤ２へと進む。ビー ムスプリッタから放出される混合要素を含む２つの出力ビームは、四分の一波長 板１６６とプリズム１６８に対する線形偏光子１６４の方向付けに関係なく、実 質的に１８０度位相がずれている。検出器ＰＤ１，ＰＤ２は経路１８４，１８６ を通る２つのビームの強度を検出し、それらと比例する信号を差動増幅器１８８ に送り、ここで２つの混合されたビームの強度のＤＣ項が共通した部分を削除す る。したがって、差動増幅器１８４の出力はＣＯＳ（Δβ−δ＋θ）に比例し、 ここにおいて、 Δβ：システムの光路に関する任意の定数位相， δ：アーム１７２がピボット１９４を回動することによって生じる２つの測 定ビーム１７４，１７６との間の光路長の差に比例する位相項， θ：線形偏光子の角度変位または方向に比例した位相差， とする。 四分の一波長板の高速軸と低速軸がプリズム１６８の対応する軸に対して実質 的に４５°に方向付けられているため、ビーム１７４，１７６の強度は線形偏光 子の角度方向にかかわらず実質的に等しいものとなる。また、線形偏光子１６６ がある角度で回転すれば、２つのビーム１７４，１７６間にあるこのような線形 偏光子の回転角度の２倍に等しい位相差が発生する。差動増幅器１８４はこのよ うにして出力を制御ソフトウェアおよび電子機器１９０に供給し、ここでは偏光 子１６４を回転するために制御信号をモータ／エンコーダ１９２に発生してビー ムスプリッタ１８２で分離された２つのビーム間の位相差を制御する。探針１７ ２が回転するとき、初期状態において検出器ＰＤ１，ＰＤ２によって検出される ２つのビーム間に位相差がまったくなければ、２つのビーム１７４と１７６に位 相差を生じさせるため、増幅器１８８の出力は０にはならないことになる。次い でこの出力信号を制御ソフトウェアおよび電子機器１９０に供給し、ここで偏光 子１６４の回転を制御するために制御信号をモータ／エンコーダ１９２に送るこ とで、偏光子が回転することで導入された位相差により、アーム１７２が回転す ることによって生じた位相差が相殺されることになる。こうして、増幅器１８８ の出力は再び０になる。これをセンサ１６０の零状態と呼ぶ。 上述の零動作の場合、ＤＩＣセンサ１６０は広範囲の測定に対応できる。偏光 子１６４に取り付けられたモータ／エンコーダ１９２は偏光子の瞬時の方向付け をモニタする。偏光子の方向付けの変化は、探針１７２が表面全体を移動すると きに生じる探針の変位に関係する場合がある。 零形状でセンサ１６０を動作する代わりに、開ループでセンサを動作させるこ とも可能である。この場合、フィードバック信号を供給せずに実質的に静止状態 にある線形偏光子の回転を制御する。したがって、四分の一波長板１６６により 導入された位相差も実質的に一定である。このモードで動作する場合、ＤＩＣセ ンサ１６０は約１マイクロメートルの範囲に対する探針１７２のサブオングスト ロームの変位を測定することができる。測定範囲はセンサ１６０の光路で用いる 光の波長の約４分の１のビーム１７４，１７６間における高さ変化と一致するも のである。探針アームはビームシアー(beam shear)よりも数倍の長さであり、セ ンサ１６０の範囲は比例して調整される。したがって、チップからピボット（切 欠き）までのアームの長さがＬであれば、ビームシアーはΔ，レーザ１６２の波 長はλ，そして探針範囲はおよそＬλ／４Δで与えられるものである。 別の開ループモードにおいて、フィードバック信号を供給せずに偏光子１６４ の回転を制御するが、線形偏光子は回転しつづけ、そして上述した量ＣＯＳ（Δ β−δ＋θ）に比例する差動増幅器１８８の出力をモニタしてビーム１８４とお １８６間の特定の相対位相を検出する。例えば、増幅器１８８の出力に関する上 述した式の増分がπ／２に等しくなるように初期状態を設定すれば、制御ソフト ウェアおよび電子機器１９０は増幅器１８８の出力が零になる状態をモニタする 。このとき、制御ソフトウェアおよび電気機器１９０によりモータ／エンコーダ １９２が線形偏光子１６４の方向づけを記録する。次いで初期設定に対して線形 偏光子により導入された位相差はθに関する値を発生する。このθの値からビー ム１７４，１７６間の光路長の差（アーム１７２が回転する距離に等しい）は、 θに比例する量として計算される。 好適な実施形態において、プリズム１６８に与えられる直角に偏光された２つ のビームは円形に偏光された光を線形偏光子および四分の一偏光板にあてること によって形成されるが、直角に偏光される２つのビームを発生させる他の手段も 使用でき本発明の範囲内のものである。例えば、直角に偏光された２つのビーム 間の制御位相差を発生させるためのモニタされた線形偏光子の代替として、液晶 可変遅延器(retarder)およびソレイユ−バビネー補償板を用いる場合がある。 図２の探針アセンブリ１００は小型かつ軽量という長所を有するが、さらにア センブリを単純化することも可能である。図７は、本発明の実施形態を説明する もので、３つの探針アームを含む切欠き付き撓み表面形状測定装置の探針アーム アレイの平面図である。図８は、図７の探針アームの側面図である。図７および 図９に示されているように、各探針アーム２０２は図８に最適に示されているよ うに、切欠き２０４が付いた細長い板またはビームをその平面の片面上に含む。 アーム２０２の相対断面または寸法は、切欠き２０４でのビームの少なくとも１ つの寸法が切欠きから離れた位置にあるアームの別の部分の寸法の少なくとも３ 分の１であるものが好ましい。このように、切欠きが図７および図８に示すよう にアームの平面の片面上にある場合、切欠き部分のアームの厚みは、板状アーム の全体の厚みまたは平均した厚みの少なくとも３分の１である。切欠き部分のア ームの厚みを無視すれば、アーム全体の厚みは図８に示されるようにアームの厚 みｔであるが、切欠きの厚みを平均化処理工程で考慮すると、アームの平均の厚 みは僅かにｔよりも小さくなる。 切欠き２０４はアーム２０２に対して撓みピボットとして作用する。言い換え れば、図１Ａに示す撓みばねピボット２１上に設けた切欠きが付いていない剛性 アーム１４を用いる代わりに、それらを組み合わせた構造（１５，２１）ではな く同じように作用する切欠き２０４付きのアーム２０２を用いる。探針アーム１ ５と同じ方法で、チップ１０４が標本全体を移動するとき、チップと標本間の相 互作用力によりチップが切欠きを回動し、そして力バイアス手段によりチップの 変位（すなわち、回転）に応じて力がアームとチップにかけられることにより、 チップと標本間の相互作用力を制御する。一定の相互作用力が望ましい場合は、 バイアス手段により力がアームにかけられて、チップが一定の力で標本表面をた どる間でも、切欠き周りのアームの曲折量が変化することによって生じる相互作 用力の変化が実質的になくなる。 各探針アーム２０２は、探針チップ１０４が表面形状測定中に標本と接触する 場合、アームの残りの部分は実質的に剛性のまま切欠き２０４部分でのみアーム を曲折させる。このようにして、探針アーム２０２は、図２，３および図６の探 針アーム１０２とさらに図１Ａ〜１Ｃおよび図４の探針アーム１５と本質的に同 じ方法で動作機能する。チップ１０４と被測定表面との間の相互作用力により各 アームが実質的に切欠き部分でのみ曲折するものであれば、切欠き２０４はアー ム２０２のどの位置に設けられてもよい。切欠きはチップを運ぶ各アームの端部 と支持体に接続される他端部との間の中間位置に設けられることが好ましい。 アーム２０２の変位はノモルスキー式微分干渉計によって測定され、これは図 １０の部分１３０として示されている。図９を参照すると、探針アームのアレイ ２００は微調整動作ステージ２１０に設けられ、これはまたアレイを上下に移動 させるためのＺ昇降器２１２に接続されている。試料１０は、表面形状測定され る試料１０の表面に実質的に平行な平面，すなわちＸＹ平面に試料を移動させる ための粗調整動作ステージ２１４により支持されており、ここで試料１０の表面 に垂直な方向はＺ方向またはＺ軸に沿ったものである。したがって、微調整動作 ステージ２１０はＸＹ平面にある試料に対してアレイ全体２００を移動させて試 料の表面形状を測定する。多数の微分干渉計を用いて、それぞれが対応する探針 アーム２０２の位置および変位をモニタおよび測定する。言い換えれば、複数の 干渉計の各々（図１０に示される部分１３０のみを用いて対応する探針アーム２ ０２の位置および変位を測定する。探針アームの変位は光レバーを用いても測定 することができる。この場合、光ビームは各アームから反射される。次いで反射 されたビームは別々の検出器または単一の像検出器（例えば、帯電結合装置）に 衝突する。ビームは上述したような方法で回転自在のミラーおよびフィードバッ クを用いて方向付けすることもできるが必須要件ではない。 図１１は、標本の表面形状を測定するためのもので、図７および図８のアレイ ２００を用いる表面形状測定システムのブロック図である。探針アーム１５また は１０２の場合のように、アーム２０２の撓み特性は図１Ｄに示されているもの と同様の方法で較正され、切欠き２０４部分での探針アームの撓みにより探針力 の変化を補償および相殺できる。したがって、ディジタルデータプロセッサ２５ ０により電源（図示せず）からの駆動電流が力コイル２５２に印加される。磁気 フィルム２５６をアーム２０２に設置または固着させる。フィルム２５６上にあ る力コイル２５２により生じる磁力により、アーム２０２は切欠き２０４部分で 曲折し、そしてアーム２０２の変位がＺ変位信号として干渉計１２０により感知 される。この信号をプロセッサ２５０に送り、ここで力コイルに印加した電流を Ｚ変位信号で相関して、メモリ２６２に記録されているプロット２６０上のデー タデータ点をだす。プロット２６０は複数のデータ点をとることによって得られ る。次いでプロセッサ２５０はプロットまたは曲線２６０を調整して、実質的に 一体または他の所定の相互作用力がチップ１０４と標本表面との間にかけられる 。次いで、前述したように、チップ１０４が表面を測定している間、干渉計１２ ０からのＺ変位信号を用いて、チップにかかる力の量を制御する。探針アーム１ ５，１０２に関して上述したものと同様の方法で、切欠き２０４部分でアームが 曲折することによりアーム２０２にかかる力の変化を、調整したプロットまたは 曲線を用いることによって考慮し、次いでプロセッサ２５０により対応する駆動 電流を力コイル２５２に印加してコイルにかける電流を変化させることにより、 切欠き部分でアームが撓むことによりチップにかけられる力の変化を平衡および 相殺できる。このようにして、チップ２０４により実質的に一定（または所定の 可変）力を標本表面に対してかける。その代わりとして、相互作用力が一定でな いものが望ましい場合、プロット２６０はそれに応じて調整することができる。 また、プロセッサ２５０が探針アームを制御することにより、接触，断続的接触 または表接触モードで表面を走査することもできる。 図１１において、磁気フィルム２５６はアームに直接設置される薄肉の超常磁 性材料とすることができる。もしくは、小型の磁石をアームに接着させることも ある。その代わりとして、磁気性の微粒子をアームに「塗る」こともある。結合 剤を磁界の存在下で乾燥させて、磁気性粒子の方向を制御することもできる。 図１２は、標本１０を走査および表面継続測定するために用いる探針アレイ２ ００の平面図である。３つの探針アレイはそれぞれ標本表面の異なる部分に接触 しており、そして各探針アームの位置および変位は他の探針アームから個々に測 定されるので、３つの探針アームに対応する干渉計は図１３に示される３つの異 なる変位信号を発生させる。このように、図１２の３つの探針アームのチップ１ ０４は行２７０を形成し、チップは行２７０を横断する走査方向に走査されるの で、チップを用いて標本表面の領域を覆う走査岐路２７２，２７４，２７６に沿 って表面形状を測定する。 図１４は、探針チップと標本間に所望の相互作用力を維持するための制御シス テムを示すブロック図である。上述した力コイルと永久磁石との間にかける磁力 を用いて探針アーム上にバイアス力をかけるが、バイアス力をかけるための他の 手段もまた用いることができる。したがって、図１４を参照すると、探針アーム ３０２はアーム内に切欠き３０４を有し、この切欠き３０４はある用途では利点 となる実質的に矩形の断面をもち、また三角形の断面の切欠き２０４もこれらの 用途または他の用途で利点となる場合がある。他の断面形状をもつ切欠き，例え ばガウス断面または鐘状断面の形状のものも使用可能である。 このように図１４を参照すると、圧電または磁歪層３０６を用いており、この 層は切欠き３０４上に直接あるかまたはその近辺にあるアーム３０２上に接触し ている。その代わりとして、フィルム（層）は切欠きの撓み部分の底部もしくは 撓み部分の頂部か底部の両方に設置されている。次いでアクチュエータ３１０は 電圧（圧電層３０６に対して）または磁界（磁歪層３０６の場合）を層３０６に 印加する。層３０６は電圧または磁界に応じて拡張または縮小することによって 、アーム３０２とチップ１０４が切欠き３０４を回動し、チップ１０４と標本１ ０との間にかかる相互作用力を制御することができる。チップ１０４の変位を変 位センサ３２０で感知し、ここでのセンサは上述したセンサのどれでもよく、例 えば容量性センサ，光レバーセンサ，干渉計センサまたはＤＩＣセンサ等がある 。アーム３０２は、アーム２０２に関して上述したものと同じ方法で較正され、 そして力較正データはブロック３６０に記録される。次いで制御電子機器および ソフトウェア３５０は、変位センサ３２０からのチップ１０４の変位を較正デー タ３６０と合わせて、力制御信号をアクチュエータ３１０に発生させ、ここでチ ップ１０４と標本１０との間の相互作用力を制御する。 図１５Ａ〜１５Ｄは、アームにある切欠きの種々の形状を示すもので、探針ア ームとその支持体の一部の略図的断面図であり、ここでの切欠きは図７，８，１ ０〜１２の切欠き２０４と図１４の切欠き３０４と実質的に同じように作用する ものである。図１５Ｃに示すような丸形表面２０２ｃを有する切欠きは切欠き部 分の応力点を下げるものであり、また図１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｄに示すようなよ り角張ったタイプの切欠き２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｄは製造が容易である。 図１５Ａ〜１５Ｄには切欠きがアームの表面の片面にしか示されていないが、２ 以上の表面，例えばアーム２０２の上面および底面上に切欠きを設ける場合もあ ることを理解されたい。 図１６Ａおよび１６Ｂは、本発明のさらなる別の実施形態を説明するもので、 探針アームの底図と側面図をそれぞれ示すものである。図１６Ａおよび１６Ｂに 示されているように、アーム４０２は一端部４０２ａに近い位置にあるチップ１ ０４と、端部４０２ａと支持体（図示せず）に接続される他端部４０２ｂとの間 の中間位置に切欠き４０４を有する。アーム４０２上にあるチップ１０４によっ て走査される表面が例えばアーム上にねじり力を生じさせれば、アームはねじれ る。さらに、端部４０２ａの角はいくつかの表面に接触することになる。 図１７Ａおよび１７Ｂはそれぞれ、実質的に三角形の形状であるアーム５０２ の底図と側面図である。アーム５０２は頂点５０２ａに設けられたチップ１０４ と切欠き５０４を有し、頂点とは反対の三角形の底辺５０２ｂは支持体５１０に 接続されている。アーム５０２はアームの一部を中心で取り除き、アームを軽量 化するために空間５１２を設けている。 本発明は種々の実施形態を参照して記載してきたが、変化および変更は本発明 の範囲から逸脱することなく可能であり、本発明の範囲は添付の請求の範囲およ びそれと同等のものによりのみ規定されるものであることを理解されたい。した がって、上述した相互作用力は接触に関する力（例えば、ファンデルワースル力 ）や電磁力または磁力等を含むものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 サムサバー，アミン アメリカ合衆国、95128、カリフォルニア 州、サンノゼ、ピーチツリー レーン 2447 (72)発明者 ウェバー，マイケル アメリカ合衆国、94087、カリフォルニア 州、サニーヴェル、ラ クロセ コート 825 (72)発明者 クァン，ウィリアム ピー. アメリカ合衆国、85749―9446 アリゾナ 州、ツクソン イー．オコスティロ ドラ イブ 9181

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．微細構造を検査するための表面形状測定装置であって、 撓みピボットを規定する切欠きを有し、相互作用力により標本と相互作用する ための探針チップを有する細長い探針アームと、 前記探針チップと前記標本との間に相対運動を惹起させ、探針チップが標本表 面をたどり測定する手段であって、探針チップと標本表面との間の相互作用力に より探針チップは前記切欠きを回動する相対運動惹起手段と、 探針チップが標本全体を移動するときに探針チップの位置を示すために位置信 号を供給するための探針変位測定手段とからなる微細構造検査用表面形状測定装 置。 ２．前記装置において、探針チップが標本に接触しているかまたは標本に近接 しているとき、相互作用力によりアームが前記切欠き部分でのみ実質的に曲折す る請求項１記載の表面形状測定装置。 ３．前記装置において、切欠き部分の前記アームの寸法は切欠き部分から離れ たアームの別の位置の寸法の少なくとも３分の１である請求項１記載の表面形状 測定装置。 ４．前記装置において、切欠き部分の前記アームの寸法は少なくとも１ｍｍで ある請求項３記載の表面形状測定装置。 ５．前記装置において、前記アームは全厚みまたは平均化した厚みをもつ細長 い板状であり、切欠き部分の前記アームの厚みは前記板の全厚みまたは平均化し た厚みの少なくとも３分の１である請求項１記載の表面形状測定装置。 ６．前記装置において、チップが標本に接触しているかまたは標本に近接して いるとき、前記アームは切欠き部分を除いて実質的に剛性である請求項１記載の 表面形状測定装置。 ７．前記装置においてさらに、アームを支持するための手段からなり、前記探 針変位測定手段は前記支持手段に固定して接続する請求項１記載の表面形状測定 装置。 ８．前記装置において、前記惹起手段によりチップは標本に接触するか，断続 的に接触するかまたは接触しない請求項１記載の表面形状測定装置。 ９．前記装置において、前記探針変位測定手段は干渉計または光レバーセンサ を含む請求項１記載の表面形状測定装置。 １０．前記装置において、前記光レバーセンサは反射要素，光源および位置感 知検出器を含む請求項９記載の表面形状測定装置。 １１．前記装置においてさらに、反射要素を回転させその回転をモニタするた めの手段からなる請求項１０記載の表面形状測定装置。 １２．前記装置において、前記回転手段は反射要素を回転させて位置感知検出 器の出力を零にする請求項１１記載の表面形状測定装置。 １３．前記装置において、位置感知検出器の出力を零にするために、反射要素 がアームよりも大きな角度で回転させられるように反射要素を配置する請求項１ ２記載の表面形状測定装置。 １４．前記装置において、前記干渉計であって、 直角に偏光される２つのビームを供給する手段と、 前記直角に偏光する２つのビーム間に第１の位相差を導入する手段と、 前記第１の位相差を導入した後に前記直角に偏光された２つのビームを表面に 向けることにより、ビームが表面により修正される手段と、 前記２つの反射されたビーム間の第２の位相差をモニタするための手段とから なる請求項９記載の表面形状測定装置。 １５．前記装置において、前記導入手段は前記直角に偏光された２つのビーム 間に可変または実質的に一定の位相差を導入する請求項１４記載の表面形状測定 装置。 １６．前記装置において、前記導入手段は前記直角に偏光された２つのビーム 間に導入された第１の位相差を変更し、前記第１の位相差が変更されて表面の変 位を測定するときに前記モニタ手段は前記修正された２つのビーム間の第２の位 相差をモニタする請求項１４記載の表面形状測定装置。 １７．前記装置において、前記導入手段が前記第１の位相差を変更することに よって、前記第２の位相差は実質的に一定である請求項１６記載の表面形状測定 装置。 １８．前記装置においてさらに、 探針チップと表面間の力を制御するために探針アームに接続することにより、 探針チップが標本に接触するかまたは標本に近接する位置を維持するようにする 探針力バイアス手段と、 探針変位測定手段からの位置信号に応じて前記探針力バイアス手段を制御する ことにより、標本に所望のレベルの力をかけるフィードバック手段とからなる請 求項１記載の表面形状測定装置。 １９．前記装置において、前記フィードバック手段は複数の参照値を記録する 装置を含み、前記フィードバック手段は前記記録した参照値に応じて探針力バイ アス手段を制御する請求項１８記載の表面形状測定装置。 ２０．前記装置において、前記参照値は探針チップの参照位置を示す請求項１ ９記載の表面形状測定装置。 ２１．前記装置において、前記フィードバック手段はディジタル回路からなる 請求項１８記載の表面形状測定装置。 ２２．前記装置において、前記探針力バイアス手段であってさらに、 切欠きに近接してアームに接続される磁気要素もしくは圧電または磁歪性要素 と、 電圧，磁界，または電磁界を前記要素に印加する手段とからなる請求項１８記 載の表面形状測定装置。 ２３．前記装置において、前記磁気要素は永久磁石または導電性コイルである 請求項２２記載の表面形状測定装置。 ２４．表面形状測定装置の探針力を制御するための方法であって、前記方法は 、 切欠きを有する細長い探針アームであって、相互作用力で標本と相互作用する ための前記アーム上に設けられた探針チップを有する細長い探針アームを提供す るステップと、 前記探針チップと前記標本との間に相対運動を惹起させ、探針チップが相互作 用力に応じて切欠きを回動する相対運動惹起ステップと、 前記標本を測定するステップとからなる探針力制御方法。 ２５．前記方法であってさらに、 チップが表面全体を移動するとき、探針チップの位置情報を示すために位置信 号を提供するステップと、 標本に所望のレベルの力をかけるために、位置情報の関数として探針チップに よって標本にかける力を変調するステップとからなる請求項２４記載の探針力制 御方法。 ２６．前記方法であってさらに、探針チップの複数の位置を記録するステップ からなり、前記変調ステップは記録された参照位置の関数として力を変調するこ とを含む請求項２５記載の探針力制御方法。 ２７．前記方法であってさらに、 異なる大きさの力をかけて切欠き部の周りにある接触していない探針チップを 曲折することによって、チップが複数の特定の垂直位置にある力を加えるステッ プと、 前記垂直位置のそれぞれに対応する信号を発生し、前記記録ステップは前記位 置から導出した前記１つの信号または複数の信号および加えられた力の大きさを 記録するステップとからなる請求項２６記載の探針力制御方法。 ２８．前記方法ににおいて、前記変調ステップはディジタル信号処理ステップ を含む請求項２５記載の探針力制御方法。 ２９．前記方法において、前記探針アームは光反射表面をもつかまたはそれに 接続されており、前記位置信号供給手段は反射要素を含む光レバーセンサ，光源 および位置感知検出器を使用し、前記供給ステップは反射要素を回転させるステ ップを含む請求項２５記載の探針力制御方法。 ３０．前記方法において、前記回転ステップは位置感知検出器の出力を零にす るために反射要素を回転させる請求項２９記載の探針力制御方法。 ３１．前記方法において、前記位置信号供給ステップであって、 直角に偏光された２つのビームを供給するステップと、 前記直角に偏光された２つのビーム間に第１の可変または実質的に一定の位相 差を導入するステップと、 前記第１の位相差が導入された後に前記直角に偏光された２つのビームを探針 アーム表面に向けることによって、ビームが表面に反射されるステップと、 前記２つの修正されたビーム間の第２の位相差をモニタするステップとからな る請求項２５記載の探針力制御方法。 ３２．前記方法において、前記導入ステップは第１の位相差を変更することに より、第２３の位相差が実質的に一定になる請求項３１記載の探針力制御方法。 ３３．前記方法において、前記惹起ステップは探針チップを標本と接触するか 断続的に接触するかまたは接触しない状態にする請求項２４記載の探針力制御方 法。 ３４．前記方法において、前記測定ステップは探針チップにより標本表面を測 定する請求項２４記載の探針力制御方法。 ３５．微細構造を検査するための表面形状測定装置であって、 相互作用力により標本と相互作用するための探針チップと、ピボットを有する 細長い探針アームと、 前記探針チップと前記標本との間に相対運動を惹起させ、前記探針チップは相 互作用力に対してピボットを回動し、標本表面を測定する相対運動惹起手段と、 前記探針チップと前記標本が互いに相対的に動くときに探針チップの位置を示 すために、位置信号を供給するための干渉計または光レバーセンサを含む探針変 位測定手段とかなる微細構造の検査用表面形状測定装置。 ３６．前記装置においてさらに、 探針チップを標本に接触させるかまたは近接させるために探針アームに接続さ れた探針力バイアス手段と、 前記探針力バイアス手段を制御するための探針変位測定手段からの位置信号に 応じることにより、標本に所望のレベルの力をかけるフィードバック手段とから なる請求項３５記載の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ３７．前記装置において、前記アームをピボットに接続することによって、探 針チップが標本上を移動するときにアームがピボットを回動する請求項３５記載 の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ３８．前記装置において、前記アームはアームの中間位置に切欠きをもち、前 記切欠きは撓みピボットを規定することにより、探針チップが標本に接触するか または近接するときにアームは切欠き部分でのみ実質的に曲折する請求項３５記 載の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ３９．前記装置において、前記干渉計は微分干渉計である請求項３５記載の微 細構造を検査するための表面形状測定装置。 ４０．前記装置において、前記探針アームは光反射表面をもつかまたはそれに 接続され、前記光レバーセンサは反射要素，光源および位置感知検出器を含む請 求項３５記載の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ４１．前記装置においてさらに、反射要素を回転させるための手段からなる請 求項４０記載の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ４２．前記装置において、前記回転手段は位置感知検出器の出力を零にするた めに反射要素を回転させる請求項４１記載の微細構造を検査するための表面形状 測定装置。 ４３．前記装置において、位置感知検出器の出力を零にするために、反射要素 をアームよりも大きな角度で回転させるように反射要素を配置する請求項４２記 載の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ４４．前記装置において、前記干渉計であって、 直角に偏光させた２つのビームを供給する手段と、 前記直角に偏光させた２つのビーム間に第１の可変または実質的に一定の位相 差を導入するための手段と、 前記第１の位相差が導入された後に前記直角に偏光された２つのビームを探針 アームの表面に向けることにより、ビームが表面により修正される手段と、 前記２つの反射されたビームの間の第２の位相差をモニタするための手段とか らなる請求項３５記載の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ４５．前記装置において、導入手段は第１の位相を変更することによって、第 ２の位相差は実質的に一定である請求項４４記載の微細構造を検査するための表 面形状測定装置。 ４６．前記装置において、第１の位相差が実質的に一定にされるとき、前記モ ニタ手段は前記２つの修正されたビーム間の第２の位相差をモニタする請求項４ ４記載の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ４７．表面形状測定装置の探針力を制御するための方法であって、 相互作用力により標本と相互作用するための探針チップと、ピボットを有する 細長い探針アームを提供するステップと、 前記探針チップと前記標本に相対運動を惹起させ、探針チップは標本を測定す るために相互作用力に応答して前記ピボットを回動する相対運動惹起ステップと 、 前記探針チップと前記標本が干渉計または光レバーセンサにより互いに動くと き、探針チップの位置情報を示すために位置信号を供給するステップとからなる 表面形状測定装置の探針力制御方法。 ４８．前記方法においてさらに、標本に所望のレベルの力をかけるために、位 置情報の関数として相互作用力を変調するステップからなる請求項４７記載の表 面形状測定装置の探針力制御方法。 ４９．前記方法において、前記探針アームは光反射表面をもち、前記位置信号 供給ステップは反射要素を含む光レバーセンサ，光源および位置感知検出器を使 用し、前記位置信号供給ステップは反射要素を回転するステップを含む請求項４ ７記載の表面形状測定装置の探針力制御方法。 ５０．前記方法において、前記回転ステップは、位置感知検出器の出力を零に するために反射要素を回転させる請求項４９記載の表面形状測定装置の探針力制 御方法。 ５１．前記方法において、前記位置信号供給ステップであって、 直角に偏光された２つのビームを供給するステップと、 前記直角に偏光された２つのビーム間に第１の可変または実質的に一定の位相 差を導入するステップと、 前記第１の位相差が導入された後に前記直角に偏光された２つのビームを探針 アーム表面に向けることにより、ビームが表面に修正されるステップと、 前記２つの反射されたビーム間の第２の位相差をモニタするステップとからな る請求項４７記載の表面形状測定装置の探針力制御方法。 ５２．前記方法において、前記導入ステップは第１の位相差を変更することに より、第２の位相差は実質的に一定である請求項５１記載の表面形状測定装置の 探針力制御方法。 ５３．微細構造を検査するための表面形状測定装置であって、 少なくとも２つの表面形状測定装置と、 標本および前記少なくとも２つの表面形状測定装置との間に相対運動を惹起さ せるための手段とからなる微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ５４．前記装置において、前記惹起手段により少なくとも２つの表面形状測定 装置が少なくとも２つの経路に沿って走査することにより装置のスループットが 高まる請求項５３記載の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ５５．前記装置において、前記少なくとも２つの表面形状測定装置は行に配列 したチップをもち、前記惹起手段により前記行に交差する方向に標本全体を移動 させることで、標本領域を実質的に同時に検査する請求項５４記載の微細構造を 検査するための表面形状測定装置。 ５６．前記装置において、前記表面形状測定装置のそれぞれであって、 アームの中間部分に切欠きを有する細長い探針アームであり、撓みピボットを 規定する前記切欠きと、そして標本と接触するようにアーム上に設けられている 探針アームと、 探針チップと標本間に相対運動が惹起されるとき探針チップの位置を示す位置 信号を供給するための探針変位測定手段とからなる請求項５３記載の微細構造を 検査するための表面形状測定装置。 ５７．前記装置においてさらに、 探針チップを標本に接触させるための探針アームに接続される探針力バイアス 手段と、 探針力バイアス手段を制御するために探針変位測定手段からの位置信号に応じ ることにより、標本に所定のレベルの力をかけるフィードバック手段とからなる 請求項５６記載の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ５８．前記装置において、前記表面形状測定装置の探針アームは実質的に共平 面である請求項５６記載の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ５９．前記装置において、前記表面形状測定装置の探針アームはシリコン材料 またはシリコン化合物もしくはダイアモンド材料からなる請求項５６記載の微細 構造を検査するための表面形状測定装置。 ６０．前記装置において、前記惹起手段であって、 被検査標本の表面に実質的に平行な方向にアレイを移動させるための微調整ス テージと、 前記標本表面に実質的に平行かつ垂直の方向に標本を移動する１以上のステー ジとからなる請求項５６記載の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ６１．前記装置において、前記探針変位測定手段は干渉計または光レバーセン サを含む請求項５６記載の微細構造を検査するための表面形状測定装置。 ６２．測定装置であって、 直角に偏光された２つのビームを供給するための手段と、 前記直角に偏光された２つのビームの間に第１の可変または実質的に一定の位 相差を導入する手段と、 前記第１の位相差の導入後、前記直角に偏光した２つのビームを表面に向ける ことで、ビームは表面により修正される方向付け手段と、 前記２つの修正されたビーム間の第２の位相差をモニタする手段とからなる測 定装置。 ６３．前記装置において、前記導入手段が第１の位相差を変更することによっ て、第２の位相差は実質的に一定である請求項６２記載の測定装置。 ６４．前記装置において、第１の位相差が実質的に一定にされるとき、前記モ ニタ手段は前記２つの修正されたビームの第２の位相差をモニタする請求項６２ 記載の測定装置。 ６５．前記装置において、前記供給手段であって、 線形偏光された光を発生させるための手段と、 四分の一波長板とからなる請求項６２記載の測定装置。 ６６．前記装置において、前記発生手段は円形に偏光された光源および線形偏 光子を含む請求項６５記載の測定装置。 ６７．前記装置において、前記供給手段はさらに高速軸および低速軸が四分の 一波長板のものに対して実質的に４５度のものである方解石またはウォラストン プリズムを含む請求項６６記載の測定装置。 ６８．前記装置において、前記導入手段は線形偏光子を回転させるための手段 を含む請求項６６記載の測定装置。 ６９．前記装置においてさらに、第２の位相差に応じて線形偏光子の回転を制 御することで、第２の位相差を零にするための手段からなる請求項６８記載の測 定装置。 ７０．前記装置において、前記導入手段は液晶可変遅延器および／またはソレ イユーバビネー補償板を含む請求項６２記載の測定装置。 ７１．変位感知方法であって、 直角に偏光された２つのビームを供給するステップと、 前記直角に偏光された２つのビームの間に第１の可変または実質的に一定の位 相差を導入するステップと、 前記第１の位相差の導入後、前記直角に偏光した２つのビームを表面に向ける ことで、ビームは表面により修正される方向付けステップと、 前記２つの修正されたビーム間の第２の位相差をモニタするステップとからな る変位感知方法。 ７２．前記方法において、前記導入ステップが第１の位相差を変更することに より、第２の位相差は実質的に一定である請求項７１記載の変位感知方法。 ７３．前記方法において、前記導入ステップは第２の位相差に応じて導入ステ ップにより導入された第１の位相差を変更することにより第２の位相差を零にす るステップを含む請求項７２記載の変位感知方法。 ７４．前記方法において、前記供給ステップは円形に偏光された光を線形偏光 子に供給して線形偏光子を回転させるステップを含む請求項７２記載の変位感知 方法。 ７５．前記方法において、前記導入ステップは導入された位相差を持続的に増 加または減少させ、第２の位相差が実質的に所定の値であるとき、前記モニタ手 段は第１の位相差を検出する請求項７２記載の変位感知方法。 ７６．前記方法において、第１の位相差が実質的に一定にされるとき、前記モ ニタステップは前記修正された２つのビーム間の第２の位相差をモニタする請求 項７１記載の変位感知方法。