JP2005069762A - 走査型表面計測装置およびその計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板やウェハ等の表面上の広域の表面形状の計測で広域の平坦度計測での測定精度を向上できる走査型表面計測装置およびその計測方法を提供する。
【解決手段】 走査型表面計測装置は、試料１２に対向する探針２０を有するカンチレバー２１、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる原子間力等を測定する測定部、走査動作を行わせる広域測定用ＸＹステージ１４、試料固定用チャック機構１６Ａを備える。走査型表面計測装置は、測定部で物理量を一定に保ちながらＸＹステージにより探針で試料の表面を走査して試料の表面を測定する。さらに、試料の表面測定で設定される測定領域とほぼ同じ測定領域を設定して本来の試料測定前に装置誤差分を測定させ、試料の表面に係る測定値から装置誤差に係る測定値を減算する制御部を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、走査型表面計測装置およびその計測方法に関し、特に、広域の表面形状を測定するときその平坦度の精度を高めるのに適した走査型表面計測装置およびその計測方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡は走査型表面計測装置の一例である。この走査型プローブ顕微鏡は、原子のオーダまたはサイズの微細な対象物を観察できる測定分解能を有する測定装置として知られる。近年、走査型プローブ顕微鏡は、半導体デバイスが作られた基板やウェハの表面の微細な凹凸形状の測定など各種の分野に適用されている。測定に利用する検出物理量に応じて各種のタイプの走査型プローブ顕微鏡がある。例えばトンネル電流を利用する走査型トンネル顕微鏡、原子間力を利用する原子間力顕微鏡、磁気力を利用する磁気力顕微鏡等があり、それらの応用範囲も拡大しつつある。

上記のうち原子間力顕微鏡は、試料表面の微細な凹凸形状を高分解能で検出するのに適し、半導体基板、ディスクなどの分野で実績を上げている。最近ではインライン自動検査工程の用途でも使用されてきている。

特に次世代半導体プロセスの評価用原子間力顕微鏡は、ＳＥＭ−ＩＴＲＳロードマップ（2001 Edition, Metrology Table 101a）にも示される通り、その要求性能が極限に達しつつある。平坦性計測精度では、例えば２５×２５ｍｍの半導体チップエリアで１０ｎｍレベルの精度が要求されている。この平坦性計測精度は、比率に換算すると、10/25,000,000に相当する。

上記のような広域の平坦性計測の分野では、従来、光学的干渉現象を利用した計測装置が多かった。しかし、半導体素子表面の薄膜積層構造では、従来の計測装置では必要な計測精度を確保することが困難であった。そこで半導体素子表面の薄膜積層構造では、触針式表面粗さ計や原子間力顕微鏡といった、探針を利用して試料表面の凹凸を直接になぞるという直接計測法が主流になりつつある。また触針式表面粗さ計は、平坦性計測分野では広く用いられてきたが、表面形状の微細化に伴ってその分解能および精度が不足し、近年では、原子間力の原理を利用した計測装置に急速にシフトしつつある。なお、原子間力顕微鏡における微動機構に基づく通常の測定可能範囲は、一般的に１０〜１００μｍと狭いものであり、それよりも広い範囲を測定する広域計測分野に適用することは難しいと考えられていた。しかしながら、ここ数年の技術進歩に基づき広域ＡＦＭ測定が実用的になりつつある。

広域測定を行うことができる原子間力顕微鏡等の走査型表面計測装置は、例えば特許文献１に開示されている。

原子間力顕微鏡は、基本的な構成として、原子間力顕微鏡の原理に基づく測定装置部分を備える。通常、圧電素子を利用して形成されたトライポッド型、チューブ型、または平行平板型のＸＹＺ微動機構を備え、このＸＹＺ微動機構の下端に、先端に探針が形成されたカンチレバーが取り付けられている。探針の先端は試料の表面に対向している。上記カンチレバーに対して例えば光てこ式光学検出装置が配備される。すなわち、カンチレバーの上方に配置されたレーザ光源（レーザ発振器）から出射されたレーザ光がカンチレバーの背面で反射され、光検出器より検出される。カンチレバーにおいて捩れや撓みが生じると、光検出器におけるレーザ光の入射位置が変化する。従って探針およびカンチレバーで変位が生じると、光検出器から出力される検出信号で当該変位の方向および量を検出できる。上記の原子間力顕微鏡の構成について、制御系として、通常、比較器、制御器が設けられる。比較器は、光検出器から出力される検出電圧信号と基準電圧とを比較し、その偏差信号を出力する。制御器は、当該偏差信号が０になるように制御信号を生成し、この制御信号をＸＹＺ微動機構内のＺ微動機構に与える。こうして、試料と探針の間の距離を一定に保持するフィードバックサーボ制御系が形成される。上記の構成によって探針を試料表面の微細凹凸に追従させながら走査し、その形状を測定することができる。

上記の原子間力顕微鏡に対して観察対象である試料が用意される。試料は、例えば、表面に多数の半導体デバイスが作りこまれた基板またはウェハである。この試料は試料ステージ上に設けられた試料ホルダ（試料チャック機構）の上に配置され、真空吸着または静電力で固定される。試料ステージは、それ自体、試料を移動させるための移動機構としてＸＹ移動機構およびＺ移動機構を備える。ＸＹ移動機構およびＺ移動機構は、前述したＸＹＺ微動機構に比較して、相対的に大きな距離の移動を可能にする粗動機構である。さらに上記原子間力顕微鏡では、試料表面等で広い範囲の観察を可能にする光学顕微鏡、および光学顕微鏡で得られた像を撮影するＴＶカメラ等が装備される。

上記特許文献１に開示される表面測定装置では、上記の原子間力顕微鏡の基本的構成に加えて、試料表面における広域を測定できるようにするため、走査のための移動状態を生じさせるとき、探針またはカンチレバー側のＸＹＺ微動機構を駆動するのではなく、試料側の試料ステージを動作させるようにしている。この構成によって、試料ステージ上に配置された試料を例えば１００ｍｍ程度移動させることができ、広域の形状を計測することができる。

さて、例えば１辺の２５ｍｍの正方形領域を１０ｎｍの精度でその平坦性を評価する場合には、測定データにおいて、試料の表面形状データの他に、装置としての計測誤差が集積されることに注意を要する。通常、シリコンウェハの表面には１００ｎｍ以下の凹凸やうねりが存在する。このようなシリコンウェハの表面形状を例えば１０ｎｍ以下の精度で計測しなければならない。装置誤差を厳密に１０ｎｍ以下にすることは極めて困難である。１０ｎｍという長さは、原子１００個分の大きさにすぎないからである。

次に上記装置誤差と計測との関係の問題を図７を参照して説明する。図７で、（Ａ）は試料ホルダ（試料チャック機構）の試料載置部を示す平面図、（Ｂ）は試料ホルダ（試料チャック機構）の縦断面図、（Ｃ）は試料ホルダに試料を搭載した状態の縦断面図、（Ｄ）は試料チャック機構の１つの突起の拡大縦断面図（（１），（２））、（Ｅ）は試料を搭載した試料ステージの全体を示す一部を縦断面で示した側面図である。図７によって、基準面１０１、基準面１０１上に置かれた試料ステージ１０２、試料ホルダ１０３、試料チャック機構１０３Ａ、基板のごとき試料１０４の関係、および試料１０４を固定する機構が示される。試料ホルダ１０３の上面部が試料チャック機構１０３Ａとして形成されている。

試料チャック機構１０３Ａの上面である試料載置部にはピン状の多数の突起１０５が形成されている。多数の突起１０５は好ましくは均等な間隔で上面に分散的に設けられている。多数の突起１０５の上に平板状の試料１０４が載置されている。突起１０５の内部には通路（孔）１０５ａが形成されており、この通路１０５ａを介して図示しない排気装置により矢印１０６のごとき排気・吸引して試料１０４を多数の突起１０５の上に吸着し固定する（（Ｄ）の（１））。なお（Ｄ）の（２）に示すように、実際には、通路１０５ａを突起１０５以外の部分に設ける場合が多い。このように試料チャック機構１０３Ａの上に試料を固定した状態で、基準面１０１上で移動する試料ステージ１０２でＸＹ平面内で走査移動を行って、試料１０４の表面の測定が開始される。試料１０４の表面形状を測定する場合、当該測定で得られる測定値Ｆ（ｘ，ｙ）には、試料自身の表面形状による要素Ｆ１（ｘ，ｙ），試料チャック機構１０３Ａの多数の突起１０５から成る表面形状による要素Ｆ２（ｘ，ｙ）、試料ステージ１０２の移動精度による要素Ｆ３（ｘ，ｙ）が重なって含まれることになる。

試料１０４の測定値Ｆ（ｘ，ｙ）に含まれる３つの要素Ｆ１（ｘ，ｙ），Ｆ２（ｘ，ｙ），Ｆ３（ｘ，ｙ）について図８を参照して説明する。図８に示されるごとく、測定値Ｆ（ｘ，ｙ）は、３つの要素、すなわち、試料１０４の表面形状Ｆ１（ｘ，ｙ），試料チャック機構１０３Ａの表面形状Ｆ２（ｘ，ｙ）、試料ステージ１０２の移動精度Ｆ３（ｘ，ｙ）が合計されたものとして測定される。このうち、試料チャック機構１０３Ａの表面の加工精度、および試料ステージ１０２に関する基準面１０１の加工精度は、現在の技術では限界があり、広域測定において１０ｎｍ以下の精度を確保することは不可能である。従って従来の技術では、試料１０４の表面形状のみを分離して正確に計測することは不可能な状態にある。

上記の問題を解決する従来技術の１つは、特許文献２に記載される基準面サンプル方式である。この技術的アイデアによれば、予め厳密に加工された基準面を有するサンプルを用意しておき、そのサンプルの測定結果が装置誤差を表すものとする。例えば、半導体プロセスにおける平坦化処理の前後で同一サンプルの計測を行い、加工前を基準面として評価するものである。しかし、この技術の場合には、サンプルの基準面自身の問題が大きくなる。例えば２５ｍｍの寸法のサンプルで１０ｎｍ以下の平坦度精度を有する基準サンプルを作ること自体が難しい話である。さらに、このような基準面を有するサンプルを作ることができたとしても、時間の変化によりあるいは温度環境などの外乱により変化しないという保証を確保することは極めて困難である。

原子間力顕微鏡による試料１０４の表面形状の測定において、実稼動の状態で、試料チャック機構１０３Ａの表面形状の測定、試料ステージ１０２の移動精度をそれぞれ測定することができれば、試料１０４の表面形状に係る測定値から各測定値を減算することにより、高精度の測定を行うことができる。すなわち、測定装置の実際の稼動状態で、試料チャック機構１０３Ａの突起１０５の表面形状を測定することができれば、この目的を達成することができる。しかしながら、従来の原子間力顕微鏡による測定方式では、試料チャック機構１０３Ａの突起１０５のみを測定する技術が実現されていない。

上記の理由は次の通りである。図９に示す通り、試料チャック機構１０３Ａの突起１０５の高さ（ｈ１）と、カンチレバー１０７の先端に形成された探針１０８の長さ（ｈ２）との関係において、ｈ１》ｈ２である。原子間力による測定方式には各種方式が開発・提案されているが、基本的には或るラインに沿って試料表面をなぞるものである。１０９は計測軌跡である。従って、探針の長さよりも深い段差があると、その境界部で探針の追従が不連続になり、探針１０８と突起１０５の側面が衝突し、探針１０８の先端で破損が生じ、広域測定の間に探針１０８自身が消耗してしまうという問題がある。

今まではｍｍ単位の広域測定ができる原子間力顕微鏡装置がなかったことから上記の誤差要素Ｆ２（ｘ，ｙ），Ｆ３（ｘ，ｙ）が問題になることはなかったが、広域測定が可能な原子間力顕微鏡装置において測定値から誤差要素Ｆ２（ｘ，ｙ），Ｆ３（ｘ，ｙ）を除く方式という課題は新規なものである。さらに試料チャック機構１０３Ａの突起１０５は、直径が１ｍｍ以下の形状で、例えば直径３００ｍｍの試料搭載面の全面に多数形成されている。いかなる測定方式であれ、多数の突起１０５のすべての高さを測定することは時間的にも非効率である。このため、広域測定を行うことができる原子間力顕微鏡装置で測定値Ｆ（ｘ，ｙ）から誤差要素Ｆ２（ｘ，ｙ），Ｆ３（ｘ，ｙ）を除く測定方式では、突起１０５の形状測定を効率よく行う方法が必要とされる。さらに、測定で極めて高い精度を確保するためには、時間的かつ環境的なドリフト現象を最低限に抑える新たな方式が望まれている。
特開２０００−２６６７７０号公報 特表２００１−５１７７７７号公報

本発明の課題は、広域測定を可能にする構成を有した原子間力顕微鏡等の走査型表面計測装置およびその計測方法において、得られた試料表面形状に係る測定値から試料チャック機構の表面形状および試料ステージの移動精度に起因する誤差要素を除く測定方式であり、当該誤差要素を正確にかつ効率よく測定することにより、試料表面形状に係る上記測定値から減算し、もって時間的かつ環境的なドリフト現象を最低限に抑え、広域測定で極めて高い平坦度精度を確保しようとすることにある。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、基板やウェハ等の試料の表面上の広域の表面形状を計測することにおいて、広域の平坦度計測における測定精度を向上させることができる走査型表面計測装置およびその計測方法を提供することにある。

本発明に係る走査型表面計測装置およびその計測方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の走査型表面計測装置（請求項１に対応）： 試料に対向する探針を有する探針部（カンチレバー等）と、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量（原子間力等）を測定する測定部（光てこ式光学検出装置、フィードバックサーボ制御系、走査装置、ＸＹＺの微動機構、データ処理等の制御装置等）と、探針と試料の位置を相対的に変化させ走査動作を行わせる広域測定用移動機構（試料ステージ側のＸＹステージ）と、試料を固定するチャック機構とを備える。走査型表面計測装置は、上記測定部で物理量を一定に保ちながら移動機構により探針で試料の表面を走査して試料の表面を測定する。走査型表面計測装置は、さらに、試料の表面測定で設定される測定領域と例えば同じ測定領域またはほぼ同じ測定領域を設定して本来の試料測定前に装置誤差（試料チャック機構の平坦度等）を測定させ、試料の表面に係る測定値から装置誤差に係る測定値を減算する制御部を備えている。上記の構成によって、好ましくは、原子間力顕微鏡等の走査型表面計測装置で、試料表面を広域測定する場合に、本来の試料の表面測定の前の段階で事前に装置誤差分に起因する平坦度測定を行って、試料表面の本来の測定値から装置誤差分を減算するようにし、試料の平面度の測定で高い精度の測定値を得ることが可能となる。さらに上記において、試料表面での測定領域と装置誤差を測定するための測定領域については、必ずしも同じ場所である必要はない。例えば同じ場所が含まれる測定を行って、装置誤差を除く処理の際に同じ場所に関して当該処理を行うようにすればよい。

第２の走査型表面計測装置（請求項２に対応）は、上記の第１の装置構成において、好ましくは、装置誤差に係る測定値は、試料を搭載して固定するためのチャック機構の複数の突起に係る測定値であることで特徴づけられる。この構成によって、予め決められた所定の突起の高さ位置等を測定することで、試料が搭載されるチャック機構より下側の装置部分の平坦度を測定することが可能となる。

第３の走査型表面計測装置（請求項３に対応）は、上記の第１の装置構成において、好ましくは、上記の測定部は原子間力顕微鏡の原理に基づく測定部であることで特徴づけられる。この構成により、原子レベルの微細な凹凸を有する平面の平坦度を装置誤差分を除いて高い精度で測定することが可能となる。

第１の走査型表面計測装置の計測方法（請求項４に対応）は、試料に対向する探針を有する探針部と、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量を測定する測定部と、探針と試料の位置を相対的に変化させ走査動作を行わせる広域測定用移動機構と、試料を固定するチャック機構とを備える走査型表面計測装置に適用される。この走査型表面計測装置は、測定部で物理量を一定に保ちながら移動機構により探針で試料の表面を走査して試料の表面を測定する表面計測方法を実行する。上記表面計測方法は、さらに、探針と測定部と移動機構により、試料搭載前のチャック機構の試料搭載面を測定するステップと、試料をチャック機構に搭載して固定した後、同じ測定箇所またはほぼ同じ測定箇所にて、試料の表面を測定するステップと、試料の表面に係る測定値からチャック機構の試料搭載面に係る測定値を減算するステップと、を含んでいる。この走査型表面計測装置の計測方法では、試料を広域測定を行うとき、事前に試料が搭載されるチャック機構以下の装置部分の平坦度を測定しておき、その後で試料表面に係る測定値から装置部分の平坦度に係る測定値を減算し、装置誤差分を除去しておくことにより、高い平坦度精度で試料表面の広域測定を可能にするものである。さらに上記において、試料表面での測定箇所と装置誤差を測定するための測定箇所については、必ずしも同じ場所である必要はない。例えば同じ場所が含まれる測定を行って、装置誤差を除く処理の際に同じ場所に関して当該処理を行うようにすればよい。

第２の走査型表面計測装置の計測方法（請求項５に対応）は、上記の第１の計測方法において、好ましくは、上記の測定箇所はライン状領域または平面状領域であることを特徴とする。

第３の走査型表面計測装置の計測方法（請求項６に対応）は、上記の第１の計測方法において、好ましくは、チャック機構の試料搭載面は複数の突起が形成された面であることで特徴づけられる。

本発明によれば、試料における広域範囲の本来のＡＦＭ測定等において、試料が搭載・固定されるチャック機構の試料搭載面の平面性（平坦度）をほぼ同一測定領域にて事前にＡＦＭ測定等を行うことにより、装置誤差分（試料ステージの移動誤差および試料搭載面の平坦度）のデータを知得し、その後に実行される測定で得られた試料表面に係る測定値から装置誤差分を減算するようにしたため、試料の広域の平坦度計測における測定精度を非常に高めることができる。表面に多数の突起を有して成るチャック機構の場合には所定の突起を測定することによって、試料ステージの移動誤差とチャック機構の平坦性を同時に測定することができる。また本発明によれば、時間的変化あるいは温度等の環境変化に対するドリフト現象を低減することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１に従って本発明に係る走査型表面計測装置の一例として原子間力顕微鏡装置（ＡＦＭ装置）の全体構成を説明する。なお走査型表面計測装置は、これに限定されず、触針式表面プロファイラ等を含む。

原子間力顕微鏡装置の下側部分は試料ステージ１１が設けられている。試料ステージ１１は基準面１０上に滑らかに自在に移動できるように配置されている。試料ステージ１１は、それ自体がＸＹ移動部であり、かつその内部にＺステージ１５を有している。ＸＹ移動部として試料ステージ１１を基準面１０上で移動させるのは、基準面１０上に固定されたＸＹステージ１４である。ＸＹステージ１４はＸステージ１４ａとＹステージ１４ｂから成る。また試料ステージ１１とＸＹステージ１４は連結部１４ｃで連結されている。

上記の試料ステージ１１の上に試料１２が置かれている。試料ステージ１１は、直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸で成る３次元座標系１３で試料１２の位置を変えるための機構である。試料ステージ１１は、上記のごとくＸＹステージ１４とＺステージ１５を備え、さらに試料ホルダ１６を備える。試料ステージ１１は、通常、試料側で変位（位置変化）を生じさせる粗動機構部として構成される。試料ステージ１１の試料ホルダ１６の上面には、比較的大きな面積でかつ薄板形状の上記試料１２が置かれ、保持されている。試料１２は、例えば、表面上に半導体デバイスの集積回路パターンが製作された基板またはウェハである。試料１２は試料ホルダ１６上に固定されている。

試料ホルダ１６は、その上面部分に、試料固定用チャック機構（１６Ａ）を備えている。このチャック機構は、図７等を参照して背景技術で説明した構造と同じ構造を有し、その上面に多数の突起（１０５）が形成された試料載置部を有している。多数の突起は内部に通路（１０５ａ）を有し、当該通路で空気を吸引することにより真空吸着で試料１２を固定するものである。本実施形態の試料ホルダ１６のチャック機構（１６Ａ）については後述される。

図１において、試料１２の上方位置には、駆動機構１７を備えた光学顕微鏡１８が配置されている。光学顕微鏡１８は駆動機構１７によって支持されている。駆動機構１７は、光学顕微鏡１８を、Ｚ軸方向に動かすためのフォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａと、ＸＹの各軸方向に動かすためのＸＹ方向移動機構部１７ｂとから構成されている。取付け関係として、Ｚ方向移動機構部１７ａは光学顕微鏡１８をＺ軸方向に動かし、ＸＹ方向移動機構部１７ｂは光学顕微鏡１８とＺ方向移動機構部１７ａのユニットをＸＹの各軸方向に動かす。ＸＹ方向移動機構部１７ｂはフレーム部材に固定されるが、図１で当該フレーム部材の図示は省略されている。光学顕微鏡１８は、その対物レンズ１８ａを下方に向けて配置され、試料１２の表面を真上から臨む位置に配置されている。光学顕微鏡１８の上端部にはＴＶカメラ（撮像装置）１９が付設されている。ＴＶカメラ１９は、対物レンズ１８ａで取り込まれた試料表面の特定領域の像を撮像して取得し、これによって画像データを出力する。

試料１２の上側には、先端に探針２０を備えたカンチレバー２１が接近した状態で配置されている。カンチレバー２１は取付け部２２に固定されている。取付け部２２は、例えば、空気吸引部（図示せず）が設けられると共に、この空気吸引部は空気吸引装置（図示せず）に接続されている。カンチレバー２１は、その大きな面積の基部が取付け部２２の空気吸引部で吸着されることにより、固定され装着される。

上記の取付け部２２は、Ｚ方向に微動動作を生じさせるＺ微動機構２３に取り付けられている。さらにＺ微動機構２３はカンチレバー変位検出部２４の下面に取り付けられている。

カンチレバー変位検出部２４は、支持フレーム２５にレーザ光源２６と光検出器２７が所定の配置関係で取り付けられた構成を有する。カンチレバー変位検出部２４とカンチレバー２１は一定の位置関係に保持され、レーザ光源２６から出射されたレーザ光２８はカンチレバー２１の背面で反射されて光検出器２７に入射されるようになっている。上記カンチレバー変位検出部は光てこ式光学検出装置を構成する。この光てこ式光学検出装置によって、カンチレバー２１で捩れや撓み等の変形が生じると、当該変形による変位を検出することができる。

カンチレバー変位検出部２４はＸＹ微動機構２９に取り付けられている。ＸＹ微動機構２９によってカンチレバー２１および探針２０等はＸＹの各軸方向に微小距離で移動される。このとき、カンチレバー変位検出部２４は同時に移動されることになり、カンチレバー２１とカンチレバー変位検出部２４の位置関係は不変である。Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９は、通常、圧電素子で構成されている。Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９によって、探針２０の移動について、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各々へ微小距離（例えば数〜１０μｍ、最大１００μｍ）の変位を生じさせる。なおＸＹ微動機構２９は、図示しない上記フレーム部材に固定されている。

上記の取付け関係において、光学顕微鏡１８による観察視野には、試料１２の特定領域の表面と、カンチレバー２１における探針２０を含む先端部（背面部）とが含まれる。

次に原子間力顕微鏡の制御系を説明する。制御系の構成としては、比較器３１、制御器３２、第１制御装置３３、第２制御装置３４が設けられる。制御器３２は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定機構を原理的に実現するための制御器である。また第１制御装置３３は複数の駆動機構等のそれぞれの駆動制御用の制御装置であり、第２制御装置３４は上位の制御装置である。

比較器３１は、光検出器２７から出力される電圧信号Ｖdと予め設定された基準電圧（Vref）とを比較し、その偏差信号ｓ１を出力する。制御器３２は、偏差信号ｓ１が０になるように制御信号ｓ２を生成し、この制御信号ｓ２をＺ微動機構２３に与える。制御信号ｓ２を受けたＺ微動機構２３は、カンチレバー２１の高さ位置を調整し、探針２０と試料１２の表面との間の距離を一定の距離に保つ。上記の光検出器２７からＺ微動機構２３に到る制御ループは、探針２０で試料表面を走査するとき、光てこ式光学検出装置によってカンチレバー２１の変形状態を検出しながら、探針２０と試料１２との間の距離を上記の基準電圧（Vref）に基づいて決まる所定の一定距離に保持するためのフィードバックサーボ制御のループである。この制御ループによって探針２０は試料１２の表面から一定の距離に保たれ、この状態で試料１２の表面を走査すると、試料表面の凹凸形状を測定することができる。

次に第１制御装置３３は、原子間力顕微鏡の各部を駆動させるための制御装置であり、次のような機能部を備えている。

光学顕微鏡１８は、フォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂとから成る駆動機構１７によって、その位置が変化させられる。第１制御装置３３は、上記のＺ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂのそれぞれの動作を制御するための第１駆動制御部４１と第２駆動制御部４２を備えている。

光学顕微鏡１８によって得られた試料表面やカンチレバー２１の像は、ＴＶカメラ１９によって撮像され、画像データとして取り出される。光学顕微鏡１８のＴＶカメラ１９で得られた画像データは第１制御装置３３に入力され、内部の画像処理部４３で処理される。

制御器３２等を含む上記のフィードバックサーボ制御ループにおいて、制御器３２から出力される制御信号ｓ２は、原子間力顕微鏡における探針２０の高さ信号を意味するものである。探針２０の高さ信号すなわち制御信号ｓ２によって探針２０の高さ位置の変化に係る情報を得ることができる。探針２０の高さ位置情報を含む上記制御信号ｓ２は、前述のごとくＺ微動機構２３に対して駆動制御用に与えられると共に、制御装置３３内のデータ処理部４４に取り込まれる。

試料１２の表面の測定領域について探針２０による試料表面の走査は、ＸＹ微動機構２９を駆動することにより行われる。ＸＹ微動機構２９の駆動制御は、ＸＹ微動機構２９に対してＸＹ走査信号ｓ３を提供するＸＹ走査制御部４５によって行われる。

また試料ステージ１１のＸＹステージ１４とＺステージ１５の駆動は、Ｘ方向駆動信号を出力するＸ駆動制御部４６とＹ方向駆動信号を出力するＹ駆動制御部４７とＺ方向駆動信号を出力するＺ駆動制御部４８とによって制御される。

なお第１制御装置３３は、必要に応じて、設定された制御用データ、入力した光学顕微鏡画像データや探針の高さ位置に係るデータ等を記憶・保存する記憶部（図示せず）を備える。

上記第１制御装置３３に対して上位に位置する第２制御装置３４が設けられている。第２制御装置３４は、通常の計測プログラムの記憶・実行および通常の計測条件の設定・記憶、自動計測プログラムの記憶・実行およびその計測条件の設定・記憶、計測データの保存、計測結果の画像処理および表示装置（モニタ）３５への表示等の処理を行う。特に本発明の場合には、自動計測において、チャック機構１６の突起部分の自動計測アルゴリズム、試料１２またはチャック機構１６における同一箇所測定の自動計測アルゴリズムを含んでいる。計測条件の設定では、測定範囲、測定スピードといった基本項目、自動計測の条件の設定が行われ、それらの条件は設定ファイルに記憶され、管理される。さらに、通信機能を有するように構成し、外部装置との間で通信を行える機能を持たせることもできる。

第２制御装置３４は、上記の機能を有することから、処理装置であるＣＰＵ５１と記憶部５２とから構成される。記憶部５２には上記のプログラムおよび条件データ等が記憶・保存されている。また第２制御装置３４は、画像表示制御部５３と通信部等を備える。加えて第２制御装置３４にはインタフェース５４を介して入力装置３６が接続されており、入力装置３６によって記憶部５２に記憶される測定プログラム、測定条件、データ等を設定・変更することができるようになっている。

第２制御装置３４のＣＰＵ５１は、バス５５を介して、第１制御装置３３の各機能部に対して上位の制御指令等を提供し、また画像処理部４３やデータ処理部４４等から画像データや探針の高さ位置に係るデータを提供される。

次に上記の原子間力顕微鏡装置の基本動作を説明する。試料ステージ１１上に置かれた半導体基板等の試料１２の表面の所定領域に対してカンチレバー２１の探針２０の先端を臨ませる。通常、探針接近用機構であるＺステージ１５によって探針２０を試料１２の表面に近づけ、原子間力を作用させてカンチレバー２１に撓み変形を生じさせる。カンチレバー２１の撓み変形による撓み量を、前述した光てこ式光学検出装置によって検出する。この状態において、試料表面に対して探針２０を移動させることにより試料表面の走査（ＸＹ走査）が行われる。探針２０による試料１２の表面のＸＹ走査は、探針２０の側をＸＹ微動機構２９で移動（微動）させることによって、または試料１２の側をＸＹステージ１４で移動（粗動）させることによって、試料１２と探針２０の間で相対的なＸＹ平面内での移動関係を作り出すことにより行われる。

探針２０側の移動は、カンチレバー２１を備えるＸＹ微動機構２９に対してＸＹ微動に係るＸＹ走査信号ｓ３を与えることによって行われる。ＸＹ微動に係る走査信号ｓ３は第１制御装置３３内のＸＹ走査制御部４５から与えられる。他方、試料側の移動は、試料ステージ１１のＸＹステージ１４に対してＸ駆動制御部４６とＹ駆動制御部４７から駆動信号を与えることによって行われる。

上記のＸＹ微動機構２９は、圧電素子を利用して構成され、高精度および高分解能な走査移動を行うことができる。またＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査で測定される測定範囲については、圧電素子のストロークによって制約されるので、最大でも約１００μｍ程度の距離で決まる範囲となる。ＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査によれば、微小な狭域範囲の測定となる。他方、上記のＸＹステージ１４は、通常、駆動部として電磁気モータを利用して構成するので、そのストロークは数百ｍｍまで大きくすることができる。ＸＹステージによるＸＹ走査によれば、広域範囲の測定を行うことができる。

上記のごとくして試料１２の表面上の所定の測定領域を探針２０で走査しながら、フィードバックサーボ制御ループに基づいてカンチレバー２１の撓み量（撓み等による変形量）が一定になるように制御を行う。カンチレバー２１の撓み量は、常に、基準となる目標撓み量（基準電圧Ｖrefで設定される）に一致するように制御される。その結果、探針２０と試料１２の表面との距離は一定の距離に保持される。従って探針２０は、例えば、試料１２の表面の微細凹凸形状（プロファイル）をなぞりながら移動（走査）することになり、探針の高さ信号を得ることによって試料１２の表面の微細凹凸形状を計測することができる。

次に、図２〜図４を参照して、上記の原子間力顕微鏡において広域範囲の測定に基づいて試料１２の表面を測定する自動計測の時、その測定値Ｆ（ｘ，ｙ）から前述した誤差要素Ｆ２（ｘ，ｙ），Ｆ３（ｘ，ｙ）を除去する方法について説明する。これによって、試料１２の表面形状に関して装置誤差分を含まない正確な測定値Ｆ１（ｘ，ｙ）を得ることができる。

図４に示したフローチャートで最初にステップＳ１１で、試料ホルダ１６のチャック機構１６Ａの突起６１の計測が行われる。図２によってチャック機構１６Ａの突起６１の計測の仕方を説明する。チャック機構１６Ａを上部に有する試料ホルダ１６は、試料ステージ１１の上に設けられている。原子間力顕微鏡の探針２０およびカンチレバー２１は、チャック機構１６Ａの上方に位置している。チャック機構１６Ａの上面には多数の突起６１が形成されている。チャック機構１６Ａの上面は、基板である試料１２の形状に対応しており、例えば円形の形状を有している。チャック機構１６Ａの多数の突起６１に対して探針２０の先端は臨んでいる。最初に、探針２０によって複数の突起６１が計測される（ステップＳ１１）。計測すべき突起６１は予め選択されている。この例の場合には、例えば１本のラインを設定し、かつこのラインに沿って１つ飛ばしで計測するようにしている。通常、探針２０側は動かさず、探針２０およびカンチレバー２１はＸＹ方向に関して固定された状態に保持される。チャック機構１６Ａの上面に対して探針２０がＸＹ方向に走査を行うとき、試料ステージ１１の側を移動させ、矢印（１），（２）で示される軌跡で突起６１の測定が行われる。軌跡（１）は、探針２０が各突起６１に接近して測定を行い、その後退避する状態を示す。軌跡（１）の移動は探針２０の上下動作６２で生じる。軌跡（２）は、測定点である突起６１から次の測定点である他の突起６１へ移動する状態を示す。軌跡（２）の移動は、試料ステージ１１のＸＹ動作６３で生じる。こうして、ライン上の最初の突起から最後の突起まで１つ飛びで突起６１の計測が自動的に行われる。この突起のＡＦＭ測定によって、測定値ＡとしてＦ２（ｘ，ｙ）＋Ｆ３（ｘ，ｙ）を得ることができる。

次のステップＳ１２では、測定対象である試料１２が搬入される。試料１２は図示しない搬送装置で搬入され、試料ステージ１１上に設けられた試料ホルダ１６のチャック機構１６Ａの上に配置される。試料１２はチャック機構１６Ａの多数の突起６１の上に置かれる。各突起６１の通路を経由して図示しない排気装置で真空排気されることにより、試料１２は突起６１の上に吸着され、固定される。

次に固定状態の上記試料１２に対して原子間力顕微鏡による表面計測が行われる（ステップＳ１３）。この状態が図３に示される。試料ホルダ１６のチャック機構１６Ａによって固定された試料１２の表面に対して探針２０が臨み、試料表面の形状に関してＡＦＭ測定が行われる。試料１２は例えばシリコンウェハである。試料１２の表面の形状測定において、図２で示されたチャック機構１６Ａの突起６１のＡＦＭ測定の場合と同じ箇所にて試料１２の表面を測定する。図３における探針２０の移動に関する軌跡（１），（２）は、前述したものと同じである。この試料表面の計測によって測定値Ｂは、Ｆ１（ｘ，ｙ）＋Ｆ２（ｘ，ｙ）＋Ｆ３（ｘ，ｙ）が得られる。

次のステップＳ１４では、上記の測定値Ｂから測定値Ａの差が演算される。この結果、装置誤差分を含まない測定値Ｆ１（ｘ，ｙ）を得ることができる。つまり、２つの測定値の差分をとることによって、試料表面形状のみを分離して取り出すことができる。

上記の場合において、試料１２がシリコンウェハ等のような板状形状を有するとき、ＡＦＭ計測によって試料１２の厚み情報も得ることができる。

上記のごとく、本実施形態では、チャック機構１６Ａの突起６１の広域自動計測（ステップＳ１１）およびチャック機構１６Ａ上に固定された試料１２の広域自動計測（ステップＳ１２）を同じ箇所について行い、両者の測定値の差分をとることにより、装置誤差を除いた精度の高い表面形状測定値を得ることができる。この場合において、同一の測定箇所の例を図５と図６に示す。図５ではチャック機構１６Ａの上面の矩形領域７１ａと試料１２の矩形領域７１ｂを同一の測定箇所とし、図６ではチャック機構１６Ａの上面のライン状領域８１ａと試料１２のライン状領域８１ｂを同一の測定箇所としている。

なお、図４で示したフローチャートではチャック機構１６Ａの突起測定は試料１２の測定ごと毎回行うようにしたが、これに限定されない。通常、複数枚の試料の自動計測で一度行えば十分である。またインライン計測として利用する場合には、管理基準を定め、例えば或る期間ごとにチャック機構の突起測定を行うようにしてもよい。さらに上記の説明では、試料とチャック機構に関して同一の測定箇所について説明したが、これに限定されない。試料表面の測定場所とチャック機構に関する測定箇所はほぼ同一の場所であればよい。すなわち、試料表面での測定領域と装置誤差を測定するためのチャック機構に関する測定領域については、必ずしも同じ場所である必要はない。例えば、同じ場所が含まれる測定を行って、装置誤差を除く処理の際に同じ場所に関して当該処理を行うようにすればよい。さらに例えば、チャック機構１６Ａの上面の全面を時間をかけて予め計測しておき、測定しようとする試料の測定箇所の位置関係に応じて差分をとるための計測データを選択し、差分補正するようにすることもできる。

また上記ではチャック機構１６Ａの突起６１としてピン型のものを説明したが、これには限定されず、リング型、セラミックポーラス型などに本発明を適用することもできる。ピン型においての測定アルゴリズムについても、１つ飛ばしの場合についてのみ述べたが、測定したい範囲、ピン構造、ピン数などに合わせて任意に選択し、測定することができる。突起６１の位置に関する位置決めについても、予め設定された座標の管理に基づいて行われる。さらに光学顕微鏡１８やＴＶカメラ１９等を利用した画像処理により突起位置をパターン認識するなど、通常の半導体検査装置で用いられている方法を用いることができる。

前述した本発明の計測手法は、温度等の各種外乱によるドリフト補正や、温度を計測して測定結果を補正するなどの方向にも適用できる。

さらに本発明の計測手法では、或るプロセス装置のチャック機構の試料搭載部のチャック平坦度を知得し、本来の計測時のチャック平坦度との差分により、当該プロセス装置でのウェハ平坦度を計算でき、プロセス制御効率の向上を役立てることができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、基板またはウェハ等の試料の広域測定に基づく表面形状計測において装置誤差や時間的または環境的なドリフト現象等を確実に除去して精度の高い平坦度計測に利用される。

本発明に係る走査型表面計測装置の代表例である原子間力顕微鏡装置の全体的な構成を示す構成図である。 チャック機構の上面の突起をＡＦＭ測定する状態を示す側面図である。 試料ホルダに搭載された試料の試料表面をＡＦＭ測定する状態を示す側面図である。 本発明に係る表面計測方法の工程を示すフローチャートである。 同一測定領域の第１の例を示す斜視図である。 同一測定領域の第２の例を示す斜視図である。 従来の表面平坦度の計測方法の問題を説明する図である。 測定値に含まれる装置誤差を説明する図である。 チャック機構の突起のＡＦＭ測定の問題を説明する図である。

符号の説明

１０ 基準面
１１ 試料ステージ
１２ 試料
１４ ＸＹステージ
１５ Ｚステージ
１６ 試料ホルダ
１６Ａ 試料チャック機構
１８ 光学顕微鏡
１９ ＴＶカメラ
２０ 探針
２１ カンチレバー
６１ 突起

Claims (6)

1. 試料に対向する探針を有する探針部と、前記探針が前記試料の表面を走査するとき前記探針と前記試料の間で生じる物理量を測定する測定部と、前記探針と前記試料の位置を相対的に変化させ走査動作を行わせる広域測定用移動機構と、前記試料を固定するチャック機構とを備え、前記測定部で前記物理量を一定に保ちながら前記移動機構により前記探針で前記試料の表面を走査して前記試料の表面を測定する走査型表面計測装置において、
   前記試料の表面測定とほぼ同じ測定領域を設定して装置誤差を測定させ、前記試料の表面に係る測定値から前記装置誤差に係る測定値を減算する制御手段を備えることを特徴とする走査型表面計測装置。
2. 前記装置誤差に係る測定値は、前記試料を搭載して固定するための前記チャック機構の複数の突起に係る測定値であることを特徴とする請求項１記載の走査型表面計測装置。
3. 前記測定部は原子間力顕微鏡の原理に基づく測定部であることを特徴とする請求項１または２記載の走査型表面計測装置。
4. 試料に対向する探針を有する探針部と、前記探針が前記試料の表面を走査するとき前記探針と前記試料の間で生じる物理量を測定する測定部と、前記探針と前記試料の位置を相対的に変化させ走査動作を行わせる広域測定用移動機構と、前記試料を固定するチャック機構とを備える走査型表面計測装置における、前記測定部で前記物理量を一定に保ちながら前記移動機構により前記探針で前記試料の表面を走査して前記試料の表面を測定する表面計測方法であり、
   前記探針と前記測定部と前記移動機構により、試料搭載前の前記チャック機構の試料搭載面を測定するステップと、
   前記試料を前記チャック機構に搭載して固定した後、ほぼ同じ測定箇所にて、前記試料の表面を測定するステップと、
   前記試料の表面に係る測定値から前記チャック機構の前記試料搭載面に係る測定値を減算するステップと、
   を含むことを特徴とする走査型表面計測装置の計測方法。
5. 前記測定箇所はライン状領域または平面状領域であることを特徴とする請求項４記載の走査型表面計測装置の計測方法。
6. 前記チャック機構の前記試料搭載面は複数の突起が形成された面であることを特徴とする請求項４または６記載の走査型表面計測装置の計測方法。
   

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