JP2004219170A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アスペクト比（高さ／幅又は高さ）が大きい測定対象に対し、適切な測定ができる表面形状測定装置を提供するもので、特に、高分解能な表面形状測定装置である原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡などのプローブ顕微鏡の提供を目的とする。
【解決手段】プローブを用いて試料形状を測定する形状測定装置において、試料側及びプローブ側に角度補正機構を設け、角度が既知の試料の測定結果と、実際に測定する試料の傾き度合いとにより、試料側及びプローブ側の設けた角度補正機構により角度を修正して形状を測定する構成とした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプローブ（探針）を用いて、穴または溝形状を測定するプローブ顕微鏡等の表面形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体においてより微細化がすすみ、微細形状の評価としての形状測定として、原子分解能を有する、プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡が期待されている。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）はＳＴＭの発明者であるＧ．Ｂｉｎｎｉｇらによって考案されて以来、新規な絶縁性物質の表面形状観察手段として期待され、研究が進められている。その原理は先端を充分に鋭くした検出チップと試料間に働く原子間力を前記検出チップが取り付けられているばね要素の変位として測定し、前記ばね要素の変位量を一定に保ちながら前記試料表面を走査し、前記ばね要素の変位量を一定に保つための制御信号を形状情報として、前記試料表面の形状を測定するものである。
【０００３】
ばね要素の変位検出手段としては光学的方式及び、バネ要素の変形ひずみを電気信号として検出する自己検出方式がある。
【０００４】
光学的方式にはいわゆる干渉法そのものを使った例としてＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ６（２）ｐ２６６ Ｍａｒ／Ａｐｒ １９８８（非特許文献１）で、レーザー光をばね要素に照射しその反射光の位置ずれを光検出素子で検出して変位信号とする光てこ方式と呼ばれる例としてＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ６５（１），１ ｐ１６４ Ｊａｎｕａｒｙ １９８９（非特許文献２）が報告されている。現在では、プローブ顕微鏡の検出方式として、光てこ方式が主に用いられている。また、カンチレバーのたわみ量を抵抗値の変化としてとらえ、電気的出力をするタイプ、いわゆる、自己検出型としては特開２０００−１１１５６３号公報（特許文献１）や特開２００１−３３７０２５号公報（特許文献２）に記載のものがある。
【０００５】
プローブ顕微鏡は試料に相対する位置に配置されたプローブが試料から原子間力を受けるものならば原子間力顕微鏡と称され、磁気力ならば磁気力顕微鏡と称される様に試料から生じる様々な力を検出して試料の状態を観察できるものである。プローブ顕微鏡の構成として、観察試料が小さいものでは、電圧を印可することで変形する圧電素子を組み込んだ三次元に動作する微動機構側に試料を配置するものが主であるが、一方ではハードデイスクや半導体関連のウェハ試料を小片にせずに観察したいというニーズがある。そこで、微動機構側に変位検出系を設けた構成のプローブ顕微鏡がある。プローブ顕微鏡は基本動作として微動機構を面内に動作させバネ要素に構成された探針を試料面に対し面内に移動させる、それにより、試料と探針間に働く物理力によるバネ要素の変形をモニタし微動機構を鉛直方向に動作させた結果により試料表面形状及び状態を視覚化するものである。
【０００６】
プローブ顕微鏡に用いられるプローブは、図２に示す様なカンチレバーと称される片持ち梁状の部材の先端部に形成されており、主に図３に示す様な四角垂状をしている。材質はシリコンであり、異方性エッチング技術を用いて加工される。通常、カンチレバーは、先端に形成されるプローブの高さは１〜２μｍ程度と低いため、カンチレバーベース部が試料面にあたらないように、プローブ顕微鏡に傾けて取り付けられる。一方、前記形状のプローブでは半導体等で形成される穴や溝、特にアスペクト比（高さ／幅）が大きい、深い形状の時、また、試料角度がプローブの形状角度より大きい角度を有した場合、適切な形状測定ができない（図４）。一方、プローブ形状をさらに加工して、棒状にしたものやタングステンやカーボン等の他の物質をプローブ先端に形成させたものが考案されている（図５）。前記棒状プローブにより、アスペクト比が大きい形状が測定可能であるが、試料及びＺ方向追従に対する前記棒状プローブと試料傾きの角度関係によっては、図６に示すような、測定対象の形状側壁にプローブがあたり、形状の底まで到達せず、正しい測定が出来ないことになる。棒状プローブを製作する時に、角度を管理することは考えられるが、装置に取り付けた時は少なからず、角度変化は生じてしまう。また、試料においても、試料を搭載する試料台や試料面の平坦度や表面の角度によって角度変化が生じてしまう。試料の角度を調整する機構をつけたものやプローブ側を調整する機構をつけたものはある（特許文献３，４，５参照）。しかし、試料表面に対して角度調整しただけでは、棒状プローブがＺ方向動作に対して傾いても、試料表面は測定できるが、アスペクト比が大きい形状の場合、底面に到達する前に、棒状プローブが側面に接触してしまい、正確な形状測定ができない。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１１１５６３号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２００１−３３７０２５号公報
【０００９】
【特許文献３】
特開２００２−３１５８９号公報（第６図）
【００１０】
【特許文献４】
特開平５−２８５４５号公報（第１図、第１３図）
【００１１】
【特許文献５】
特開平４−３５９１０５号公報（第１図）
【００１２】
【特許文献６】
特開平１０−２８８６１８
【００１３】
【非特許文献１】
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ６（２）ｐ２６６ Ｍａｒ／Ａｐｒ １９８８
【００１４】
【非特許文献２】
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ６５（１），１ ｐ１６４ Ｊａｎｕａｒｙ １９８９
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、アスペクト比（高さ／幅又は高さ）が大きい測定対象に対し、適切な測定ができる表面形状測定装置を提供するもので、特に、高分解能な表面形状測定装置である原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡といったプローブ顕微鏡の提供を目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試料側及びプローブ側に角度補正機構を設け、角度が既知の試料の測定結果と、実際に測定する試料の傾き度合いとにより、試料側及びプローブ側の少なくとも一方に設けた角度補正機構により、プローブ及び試料間の角度を修正して、形状を測定することにした。
【００１７】
（作用）
本発明は、上記の手段を講じることにより、アスペクト比（高さ／幅又は高さ）が大きい測定対象に対し、棒状のプローブが測定対象の側壁にあたることを減少させ、底面まで到達できるように補正して測定するため、アスペクト比も大きい試料形状においても、プローブの長さが許される範囲で適切な測定が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明はプローブを用いて試料形状を測定する形状測定装置において、試料側またはプローブ側の少なくとも一方に角度補正機構を設け、角度が既知の試料の測定結果と、実際に測定する試料の傾き度合いとにより、角度補正機構により角度を修正して、形状を測定することにした。なお、試料の傾き補正機構としてはＸ，Ｙ二方向対応の傾斜ステージを用いても良い。また、角度補正機構としては電圧印加により変形を生じる圧電素子を用いた機構であってもよいし、熱印加により変形を生じる材料を用いた機構、磁気印加により変形を生じる材料を用いた機構、磁気的力の印加により変形を生じる機構、気体印加により変形を生じる機構のいずれを用いたものあってもよい。
表面形状測定装置が、高感度、高分解能を有する試料表面の形状及び物理状態を観察するプローブ顕微鏡ならば、尚良い。
また、プローブ側に設けられる角度補正機構は、プローブとして試料表面の形状及び物理状態から受ける力により変形したひずみ量を電気信号として検出する自己検知型のカンチレバーを用い、前記自己検知型カンチレバーに、電圧印加によりカンチレバー部の角度を補正できる機構を付加した構成にしてもよい。
角度が既知の試料としてシリコン基板を異方性エッチングによりで作製した試料であってもよい。
角度を補正する手順は以下である。角度が既知の試料は、測定対象の試料を搭載する試料台の所定の位置に、設置されている。試料台は面内移動可能な機構（電動または手動ステージ）上に構成された２方向の角度補正機構を介して取り付けられている。本実施例では試料台の端に市販の角度既知の試料を設置できる様にした。（角度５４．７度±１度）
以下、本発明の補正手順を概略図である図１を用いて説明をする。
【００１９】
図１において、プローブを三次元に微細位置決めする圧電素子からなる微動機構１の先端に、プローブの傾きを変えるプローブ傾き補正機構部２及びカンチレバー固定台３を介してカンチレバー４が固定されている。補正機構部２は、Ｘ，Ｙ二方向の傾き補正が可能である。カンチレバーの固定は、図示しない接着、ネジなどに機械的固定、磁石を用いた固定、真空吸着などにより行なう。微動機構の他端は筐体に固定されている。カンチレバー４の先端には棒状のプローブ５が形成されている。そして、棒状プローブ５と相対する位置に試料６が配置される。簡単な構造にできるため、本実施例では自己検知型のカンチレバーに棒状プローブ５を形成したものを用いた。光てこ機構を用いた場合、小型の光てこ機構を微動機構の先端に形成し、微動機構と小型光てこ機構との間にプローブ傾き補正機構部が構成されることになる。また、光てこ機構のレーザー光源と反射光検出のフォトディテクタ部が分離している場合、プローブを傾けた分、フォトディテクタ部の位置または反射用ミラーを補正することになる。
【００２０】
まず、プローブが追従するＺ方向に対して、プローブの傾きを補正する。
１．角度が既知の試料６の角度形状がない上面の平面部を測定する。（図１ａ）２．試料台側の角度補正機構により、角度補正試料の傾きを補正し、角度形状がない上面の平面部が水平に測定できるようにする。（図１ｂ）
３．既知角度形状部７を測定する。（図１ｃ）
４．プローブ側の角度補正機構２により、角度が適切に測定できるようにプローブ側の角度を補正する。（図１ｄ）
以上の作業によりプローブが追従するＺ方向に対してプローブの傾きが補正されたことになる。
次に、測定対象試料の傾き補正をおこなう。
５．測定対象の形状がない上面の平面部を測定する。（図１ｅ）
６．試料台側の角度補正機構により、測定対象試料８の傾きを補正し、形状がない上面の平面部が水平に測定できるようにしたのち、測定対象の溝形状９を測定する。（図１ｆ）
以上の作業により、試料とプローブの傾き補正ができたことになり、測定対象の試料形状に対し、プローブが適切に試料形状を追従することになる。
【００２１】
次に、本実施例の装置構成を説明する。本実施例では、プローブ側が試料に対してＸ，Ｙ，Ｚ三次元に走査する構造にした。もちろん、本発明は、試料側でＸ，Ｙ，Ｚ三次元に走査してもよいし、試料側でＸ，ＹまたはＺ方向走査し、プローブ側でＺまたはＸ，Ｙ走査する組み合わせでも可能なことは容易に言えることである。半導体分野における観察対象の試料はウェハ形状していることが大半で、大きさも、直径で１００、２００、３００ｍｍと大きいものがほとんどである。その点から試料側をＸ，Ｙステージ等の移動手段で走査させて試料を広範囲に測定することも考えられるが、微細形状の測定には、プローブ側をＸ，Ｙ，Ｚ三次元に走査させるタイプが有効と考えられる。
【００２２】
試料を搭載する試料台はＸ，Ｙ、Ｚステージ、試料側角度補正ステージを介して構成されている。Ｘ，Ｙステージはプローブに対して、試料上の観察対象位置への試料移動に用いられる。Ｚステージは試料表面に対し、プローブを測定可能位置まで接近させるのに用いる。原子間力顕微鏡ではフォースエリアへプローブを接近させることを意味する。また、装置構成上、Ｚステージがプローブを走査させる、微動機構側に構成されてもよい。試料と相対する位置にプローブが構成されており、プローブはプローブ固定機構、プローブ角度補正機構を介して、プローブを試料表面に対して三次元に走査する微動機構に固定されている。本実施例では、電圧を印加すると変形する圧電素子材を用いた中空円筒形状の微動機構を使用いている。また、微動機構は中空円筒形状のものを用いたが、プローブ先端の円弧エラーを考慮すると、三軸独立型の微動機構が有効である。しかし、微細部測定の場合、走査領域が小さく、円弧エラーが無視できる。円弧エラーが小さい場合、比較的剛性が上げられる中空円筒形状を本実施例では使用した。また、寸法精度を高めるには、微動機構を他の変位検出手段（静電容量型の変位センサ等）と組み合わせて変位をモニタしたり、フィードバック制御（クローズドループ制御）したりすることは有効であることは良く知られている。一方、微動機構は筐体を介し、本体アームに固定用のネジにて、機械的に固定されている。本実施例の構造は、試料位置決め用機構（Ｘ、Ｙステージ）及び試料の位置を特定する為の光学顕微鏡、光学顕微鏡の焦点調整及び試料をプローブ測定可能な位置に位置合わせする機構（Ｚステージ）が前記Ｘ，Ｙステージ上に構成されている。前記光学顕微鏡及びプローブを３次元（Ｘ、Ｙ，Ｚ）に走査する微動機構はアームを介して試料に相対する位置に配置される。そして、前記部材はプレートを介して床からの振動を防ぐための除振機構上に構成されている。そして、全体的には外部音響ノイズが入らない様にするための防音カバーで覆われているといった構造である、例えば、特開平１０−２８８６１８（特許文献６）に記載のプローブ顕微鏡装置に本特許の特徴となる機構を付加した。
【００２３】
また、プローブ作製時に角度管理をするため、プローブ取り付け時に大きな角度差が出ないこと、及び剛性の面を考慮して、プローブ角度補正機構は圧電素子を用いた機構とした。圧電素子は電圧印加によりクリープ現象で変位が変わることがある。厳密に変位を管理するには、容量制御をする必要がる。また、変位センサと組み合わせて制御（クローズドループ制御）することが必要である。本実施例では圧電素子は積層状のものを用いた。プローブの角度調整機構として、調整量が少なくなるように装置構成を追い込めれば、変位量が少ないが、クリープも少なく、線形性の良い圧電素子を用いることができる。変位量が必要な場合は圧電素子に拡大機構を組み合わせることで可能であるが、剛性の低下を生じないように注意が必要である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は試料傾き及びプローブ傾きを補正することでアスペクト比（高さ／幅又は高さ）が大きい測定対象に対し、プローブ先端を測定対象の底面まで到達させ、深さ、高さを主とする形状測定ができる様になる有効な表面形状測定装置を提供でき、これにより、より微細化が進む半導体デバイス構造の形状評価が断面を切って顕微鏡で観察することなく、比較的に容易に測定が可能になる効果がある。また、その結果を用いて、半導体等の加工上の条件だしや仕上がり具合の評価が正確にできる様になるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概要を示した図である。
【図２】代表的なカンチレバーを示した図である。
【図３】代表的なカンチレバーのプローブを示した図である。
【図４】代表的なプローブによる形状測定を示した図である。
【図５】代表的なカンチレバー棒状プローブを示した図である。
【図６】棒状プローブ先端が形状測定対象の側壁にあたっている状態を示した図である。
【符号の説明】
１・・・微動素子
２・・・プローブ傾き補正機構部
３・・・カンチレバー固定台
４、１０・・・カンチレバー
５・・・棒状プローブ
６・・・角度既知試料
７・・・既知の角度形状
８・・・試料
９、１２、１３・・・溝及び穴形状
１１・・・プローブ

Claims (10)

1. プローブを備え、該プローブを用いて試料形状を測定する表面形状測定装置において、試料側とプローブ側の少なくとも一方に角度補正機構を備え、角度が既知の参照試料の測定結果と、測定する試料の傾き度合いとにより、前記角度補正機構により角度を修正して、形状を測定することを特徴とする表面形状測定装置。
2. 請求項１記載の表面形状測定装置において、試料から受ける原子間力等の物理量を検出する検出機構と、試料と該検出機構を３次元的に相対運動させ粗い位置決めを行なう粗動機構及び微細な位置決めを行なう微動機構と、物理量検出機構間を一定の距離に保つ距離制御手段と、装置への振動伝達を低減させる除振機構と、装置全体を制御する制御部を備え、試料表面の形状あるいは物理状態を観察することを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。
3. 前記角度補正機構は、試料側に設けられたＸ，Ｙ二方向対応の傾斜ステージであることを特徴とする請求項１または２に記載の表面形状測定装置。
4. 前記角度補正機構は、電圧印加により変形を生じる圧電素子を有する機構であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面形状測定装置。
5. 前記角度補正機構は、熱印加により変形を生じる材料を有する機構であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面形状測定装置。
6. 前記角度補正機構は、磁気的力の印加により変形を生じる機構であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面形状測定装置。
7. 前記角度補正機構は、気体印加により変形を生じる機構を有することを特徴とする請求項１または２に記載の表面形状測定装置。
8. 前記プローブは、試料表面の形状及び物理状態から受ける力により変形したひずみ量を電気信号として検出する自己検知型のカンチレバーであり、該自己検知型カンチレバーは角度補正機構を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の表面形状測定装置。
9. 前記プローブの形状が円柱または多角形の棒状形状からなることを特徴とする請求項１または２に記載の表面形状測定装置。
10. 前記参照試料は、シリコン基板を異方性エッチングによりで作製した試料であることを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定装置。

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