JP2005195547A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウェハ等のインライン自動検査工程でたとえ試料が帯電していたとしても、短時間で最適にかつ正確に除電し、探針の接近を中断することなく、安定した動作で測定・検査を行える走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【解決手段】 この走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバー２１の先端に探針２０を設け、探針を試料１２に対して接近させて試料表面の情報を得る測定ユニット１と、試料の帯電を除去するための除電装置（３０１，３０２）とを備える走査型プローブ顕微鏡であり、さらに試料の種類を知る試料種類検知部３１０と、知得した試料の種類の情報に応じて上記除電装置の除電条件を設定する除電条件設定部３１１を備えるように構成される。
【選択図】 図６

Description

本発明は走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、試料の帯電を短時間で最適に除去するための除電装置を備えた走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、従来、原子のオーダ（等級）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。

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あるいはチューブ型の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（例えば、特許文献１参照）。

原子間力顕微鏡が発明された当時は、その高分解能性を利用してｎｍ（ナノメートル）以下のオーダの表面微細形状の測定が中心課題であった。しかしながら、現在では、走査型プローブ顕微鏡は半導体デバイスのインライン製作装置の途中の段階で検査を行うインライン自動検査までその使用範囲が拡大してきている。このような状況になると、実際の検査工程では、基板またはウェハの表面を所定の間隔毎に検査することが要求される。そのために、基板またはウェハの表面を迅速に検出する自動測定も求められつつある。また、実際の検査工程の前には、種々の工程があり、それらの工程において処理された基板またはウェハ等の試料が帯電することがある。

一般に、原子間力顕微鏡では、観察対象である試料が帯電している場合、カンチレバーが帯電した試料から静電気による引力（または斥力）を受け、試料に接近できなくなり、測定不能状態に陥ることが知られている。このような試料の帯電は上記のごときインライン自動検査ではその前段の工程での接触摩擦等で生じやすい現象である。例えばスクラブ洗浄工程の直後はウェーハが帯電している場合が多い。

一般に、試料の帯電は、除電装置（帯電除去装置）に試料を暴露することで除電できることが知られている。そのため、従来の原子間力顕微鏡では、装置内外に除電装置が備えられ、検査前に試料の除電を行う（特許文献２）。しかしながら、試料の除電が不十分な状態で無理にカンチレバーの先端の探針を接近させると、探針と試料の最初の接触時に探針と試料との間でマイクロスパーク（微小な火花）が発生し、探針が損傷し、測定が不能になったり、あるいは測定ができたとしても測定データにノイズを生じる可能性が高い。それ故、原子間力顕微鏡では、試料の帯電量が大きい場合には探針を接近させられず、測定が中断されたり、あるいは無理に接近させると探針が損傷するという問題があった。
特許第３３６４５３１号公報 特開２０００−１７１４７１号公報（例えば段落００４６）

本発明の課題は、走査型プローブ顕微鏡において、試料の帯電量が大きい場合に試料の除電を行って探針の接近を可能にし、測定の中断を防止し、あるいは探針の損傷を防止することにある。特に、試料の帯電量は、試料の種類によって決まるという特性があることから、試料の種類の情報を事前に得て、可能な限り１回の除電処理で試料の帯電を正確に除去することを達成しようとするものである。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、ウェハ等のインライン自動検査工程でたとえ試料が帯電していたとしても、短時間で最適にかつ正確に除電することにより、探針の接近を中断することなく、安定した動作で測定・検査を行うことができる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項１に対応）は、カンチレバーの先端に探針を設け、探針を試料に対して接近させて試料表面の情報を得る測定ユニットと、試料の帯電を除去するための除電装置とを備える走査型プローブ顕微鏡であり、さらに試料の種類を知る手段（試料種類検知部）と、知得した試料の種類の情報に応じて上記除電装置の除電条件を設定する手段（除電条件設定部）を備えるように構成される。

第２の走査型プローブ顕微鏡（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、除電装置は、電極針に電圧をかけることにより、電極針から正と負のイオンを交互に発生させる除電器であることで特徴づけられる。
さらに第３の走査型プローブ顕微鏡（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、上記除電装置は、Ｘ線または紫外線を照射することにより試料の近傍のガスを電離し正と負のイオンを発生させる除電器であることで特徴づけられる。

第４の走査型プローブ顕微鏡（請求項４に対応）は、上記の装置構成において、好ましくは、試料の種類を知る手段は、試料カセットにマークされたＩＤを読み取るカセットＩＤ読取り装置からの信号によって試料の種類を知ることで特徴づけられる。

第５の走査型プローブ顕微鏡（請求項５に対応）は、上記の装置構成において、好ましくは、試料の種類を知る手段は、試料にマーキングされたマークを読み取るマーキング読取り装置からの信号によって試料の種類を知ることで特徴づけられる。

第６の走査型プローブ顕微鏡（請求項６に対応）は、上記の装置構成において、好ましくは、試料の種類を知る手段は、ホストコンピュータから与えられるＩＤ情報によって試料の種類を知ることで特徴づけられる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、試料の帯電を除去するための除電装置を備えるものにおいて、試料の種類を知る手段と、試料の種類に応じて除電装置の除電条件を設定する手段とを備え、試料の種類を読み取り、試料の種類に応じた除電条件で試料の帯電を最適に除去することが可能である。従来のこの種の走査型プローブ顕微鏡では、試料の種類に応じて除電条件を設定する手段がないため、測定する試料が帯電していた場合、最適な条件で除電をすることができず、完全には除電されないために、探針を試料表面に接近させることができなくなることがある。これに対して本発明による構成では、試料の種類を知る手段と、試料の種類に応じて除電装置の除電条件を設定する手段とを備えるため、試料の帯電を短時間で最適かつ確実に除去することが可能となる。

本発明によれば、半導体デバイスのインライン自動検査工程で、ウェハ等の試料の種類ごとに適した除電条件を用いて好ましくは１回の除電処理によって試料の除電が行えるので、測定・検査の中断を防止でき、また探針の損傷を防止できる。

以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図９に従って、本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を説明する。図１は走査型プローブ顕微鏡の装置全体の外観図と装置内部の概略構造の透視図を示している。この走査型プローブ顕微鏡は代表的な例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を想定している。

図１に示されるごとく、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、測定ユニット１と搬送ユニット２から構成される。測定ユニット１は、試料ステージ１１、ＡＦＭセンサユニット３、第１制御装置３３、第２制御装置３４、表示装置３５、入力装置３６、除電器（イオナイザ）３０１、および除電器制御装置３０２から成る除電装置（帯電除去装置）を備えている。また搬送ユニット２は、搬送ロボット３０３、アライナ３０４、ロードポート３０５を備えている。

図２は、測定ユニット１の構成を示す図である。ＡＦＭセンサユニット３と除電器３０１の下方には試料ステージ１１が設けられている。試料ステージ１１の上に搬送ロボット３０３により搬送された試料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ＸＹステージ１４とＺステージ１５と試料ホルダ１６とから構成されている。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は試料固定用チャック機構を備えている。この試料ステージ１１は、試料１２の除電を行うときは、除電器３０１の直下に試料１２を配置させ、他方、ＡＦＭ測定を行うときはＡＦＭセンサユニット３の直下に試料１２を配置するように動作する。図２では、試料ホルダ１６はＡＦＭ測定時の配置状態で図示されている。なお図２で、除電器３０１は試料により相当に高い位置に位置するように示されているが、実際の高さは試料１２の除電を可能にする適切な高さに設定されている。

図３に従って試料ステージ１１の具体的な構成例を説明する。図３で、１４はＸＹステージであり、１５はＺステージである。ＸＹステージ１４は水平面（ＸＹ平面）上で試料を移動させる機構であり、Ｚステージ１５は垂直方向に試料１２を移動させる機構である。Ｚステージ１５は、例えば、ＸＹステージ１４の上に搭載されて取り付けられている。

ＸＹステージ１４は、Ｙ軸方向に向けて配置された平行な２本のＹ軸レール２０１とＹ軸モータ２０２とＹ軸駆動力伝達機構２０３から成るＹ軸機構部と、Ｘ軸方向に向けて配置された平行な２本のＸ軸レール２０４とＸ軸モータ２０５とＸ軸駆動力伝達機構２０６から成るＸ軸機構部とから構成されている。上記ＸＹステージ１４によって、Ｚステージ１５はＸ軸方向またはＹ軸方向に任意に移動させられる。またＺステージ１５には、試料ホルダ１６をＺ軸方向に昇降させるための駆動機構が付設されている。図３では当該駆動機構は隠れており、図示されていない。試料ホルダ１６の上には試料１２を固定するためのチャック機構２０７が設けられる。チャック機構２０７には、通常、機械式、吸着や静電等の作用を利用した機構が利用される。

再び図２において、ＡＦＭセンサユニット３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２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の上端部にはカメラ１９が付設されている。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、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。

上記において、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。

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。

また図２において、試料ステージ１１の上方には、前述した除電器（イオナイザ）３０１が配置されている。そして後に述べるように、除電器３０１とこれを制御する除電器制御装置３０２により除電装置が構成される。

図４は、除電装置の構成と動作を解説する図である。図４（ａ）で示すように除電装置は、除電器３０１と除電器制御装置３０２から構成される。除電器３０１は、複数のイオン発生部３０１ａを備え、各イオン発生部３０１ａは電極針３０１ｂを有する。図４（ｂ）に示すように電極針３０１ｂは電源３０１ｃにより高電圧を印加され、電極針３０１ｂと接地面の間にコロナ放電を発生させ、正イオン３０１ｄと負イオン３０１ｅを多数生成する。これらのイオンにより、帯電している試料を電気的に中和し除電する。ここで、除電器３０１はＡＣ方式の除電器であり、図４（ｃ）で示すように電極針３０１ｂに曲線Ｃ１０で示した交流電圧をかける。これにより、点線Ｌ１１で示す正側のしきい値電圧（例えば３ｋＶ）以上の電圧になったとき正イオンを発生し、点線Ｌ１２で示す負側のしきい値電圧（例えば−３ｋＶ）以下の電圧になったとき負イオンを発生する。このように電極針３０１ｂから正イオンと負イオンを交互に発生させる。図４（ｃ）での縦軸は印加電圧（Ｖ）を示し、横軸は時間（ｔ）を示す。通常、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電源を使用し、正イオンと負イオンは５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで交互に発生する。除電処理は、除電時間、すなわち電極針３０１ｂに交流電圧をかける時間により制御される。

次に、再び図２を参照して走査型プローブ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、除電器制御装置３０２が設けられる。制御器３２は、例えば原子間力顕微鏡（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、除電器制御装置３０２は除電器３０１の動作を制御する装置であり、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（ｓ１＝Ｖref−Ｖd）。通常、探針に力が加わっていない状態では、Ｖdは０Ｖ近傍の電圧を示し、基準電圧（Ｖref）は通常測定状態ではプラス数Ｖに設定されている。探針に斥力が加わりカンチレバーが反試料側に変形すると、Ｖdはプラス側に変位し、探針に引力が加わりカンチレバーが試料側に変形すると、Ｖdはマイナス側に変形する。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を説明する。第１制御装置３３は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、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、走査型プローブ顕微鏡（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。

カンチレバー変位検出部（変位検出装置）２４の光検出器２７から出力される電圧信号Ｖdは、探針の退避動作が完了後、モニタ部４９によってモニタされる。

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・保存する記憶部を備える。

除電器制御装置３０２は、第２制御装置３４からの指令に基づいて除電器３０１の動作を制御する装置である。

上記の第１制御装置３３と除電器制御装置３０２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、試料の種類を知る機能と、試料の種類に応じて除電条件を設定する機能と、その除電条件により除電装置を駆動する機能を実現するプログラムを備える。すなわち、試料カセット３０７がロードポート３０５にセット完了後、後述のカセットＩＤ読取り装置３０６から出力される検出信号をモニタし、モニタした検出信号により試料の種類を特定し、除電条件を設定するためのプログラムを備えている。さらに試料カセット３０７がセットされた後の試料１２の搬送からＡＦＭ測定までの一連のプロセスを行うプログラムを備えている。加えて、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・保存される。また、ＣＰＵ５１と記憶部５２により、後述の試料の種類を知る機能と、試料の種類に応じて除電条件を設定する機能と、その除電条件により除電装置を駆動する機能と、試料カセットがセットされた後の試料の搬送からＡＦＭ測定までの一連のプロセスを行う機能が実現される。さらに第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に記憶されるプログラム、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。また第２制御装置３４には、インタフェース５６を介してカセットＩＤ読取り装置３０６および搬送ロボット３０３が接続されている。

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とデータ処理部４４とモニタ部４９等から画像データや探針の高さに係るデータ等を提供される。さらに、除電器制御装置３０２に対して除電条件に従った上位の制御指令を提供する。

次に、図１および図５を参照して前述した搬送ユニット２の説明を行う。搬送ユニット２は、ロードポート３０５とアライナ３０４と搬送ロボット３０３を備えている。ロードポート３０５には試料カセット３０７にマークされたカセットＩＤを読み取るカセットＩＤ読取り装置３０６が設けられている。アライナ３０４は、試料（ウェハ）の方向の調整を行うものである。搬送ロボット３０３は、試料１２をロードポート３０５からアライナ３０４および試料ステージ１１に搬送するものである。この搬送ユニット２での動作を図５を用いて説明する。被検体である試料１２はカセット３０７に入った状態で装置のロードポート３０５にセットされる。カセットＩＤ読取り装置３０６で、試料カセット３０７に組み込まれているＲＦタグの信号を読み出すことで、カセットＩＤを読み取ることができる。本実施形態では、試料カセット３０７内の試料は全て同品種である。ロードポート３０５にセットされた試料１２を搬送ロボット３０３が先端に取り付けられたロボットハンド３０８で、試料１２を試料カセット３０７から取り出す。取り出された試料１２は、いったんアライナ３０４上に置かれ、角度およびＸＹ面内の位置合わせが行われる。このように、アライナ３０４に載せ、試料の位置調整を行った後、試料１２はロボットハンド３０８で、アライナ３０４上から測定ユニット１の試料ステージ１１の試料ホルダ１６上に搬送する。試料チャック２０７は試料１２を空気負圧で吸着する。

図６は、第２制御装置３４によって実施される前述した除電条件設定機構のブロック構成図である。除電条件設定機構３０９は試料種類検知部３１０と除電条件設定部３１１から構成される。試料種類検知部３１０は、第２制御装置３３内で機能部として実現され、試料カセット３０７のロードポートへのセットが完了後、カセットＩＤ読取り装置３０６から出力される検出信号から試料の種類を判別し、その試料の種類の情報を除電条件設定部３１１に出力する。除電条件設定部３１１は、予め記憶された試料の種類毎（例えば石英基板、シリコン基板）に定められた除電時間テーブルから、除電時間を検索し、除電器制御装置３０２に出力する。上記の除電時間テーブルの設定は、装置管理者により行われる。

ＡＦＭセンサユニット３にによる検査に入る前に、試料１２を除電器３０１の直下の位置に移動させ、除電条件設定機構により設定された除電条件で除電器３０１により一定時間試料１２の除電（事前除電）を行う。

事前除電が終わると、ＸＹステージ１４を駆動して試料ホルダ１６および試料１２をＡＦＭセンサユニット３の位置へ移動させ、Ｚステージ１５のＺ軸を駆動して両者を接近させＡＦＭセンサユニット３による検査を行う。

次に上記走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）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１４によるＸＹ走査によれば、ワイド範囲の測定となる。

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。

上記のごとき走査型プローブ顕微鏡は、例えば、図７に示すごとく、半導体デバイス（ＬＳＩ）のインライン製作装置の途中段階ウェハまたは基板の検査を行う自動検査工程９２として組み込まれる。図示しない基板搬送装置によって、前段の製作処理工程９１から検査対象であるウェハ等（試料１２）を搬出し、自動検査工程９２の上記走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の基板ホルダ１６上に置くと、走査型プローブ顕微鏡により基板表面の所定領域の微細凹凸形状が自動的に計測され、前段での基板製作の処理内容の合否が判定され、その後、再び基板搬送装置によって後段の製作処理工程９３へ搬出される。

次に、この走査型プローブ顕微鏡での検査の流れを図８のフローチャートを用いて説明する。処理プログラムは測定開始と共にスタートし、ロードポート３０８に試料カセット３０７がセットされると（ステップＳ１１）、カセットＩＤ読取り装置３０６によりＩＤが読み取られ（ステップＳ１２）、除電条件が設定され、その除電条件を記憶する（ステップＳ１３）。その後、搬送ロボット３０３により試料１２がアライナ３０４に搬送され（ステップＳ１４）。試料の位置合わせを行う（ステップＳ１５）。位置合わせ後、搬送ロボット３０３により試料ホルダ１６に試料１２を搬送し（ステップＳＴ１６）、試料はチャック機構で吸着される（ステップＳ１７）。その後、ステップＳ１３で記憶された除電条件により除電を行う（ステップＳ１８）。除電終了後、試料ステージ１１を試料がＡＦＭセンサユニット３の直下に位置するように移動し（ステップＳ１９）、ＡＦＭ検査を行う（ステップＳ２０）。その後、ＡＦＭ検査を終了した試料を試料カセットに戻す（ステップＳ２１）。そして次の判断ステップＳ２２で試料カセット３０７内の試料のＡＦＭ測定が終了していなければ、再び、ステップＳ１４に戻り、処理を行う。ステップＳ２２で試料カセット３０７内の試料１２の測定がすべて終了したならば、処理プログラムの実行を終了する。

このように、本実施形態によれば、試料の種類ごとに適した除電条件に従って除電が行われるので、最も帯電量が多い試料に必要な除電時間をすべての種類の試料に適用していた従来の除電方法と比べて、スループットの向上という利点が得られる。

次に、図９と図１０を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態では、カセットＩＤ読取り装置３０６を用いたが、第２の実施形態では、パターン認識等を用いて各ウェハにレーザマーキングされている情報（ウェハＩＤ等）により除電条件を決める。この第２実施形態では、図９に示すように、アライナ３０４の上部にマーキング読取り装置３１２を有している。それ以外の構成は、第１の実施形態での構成と同様であるので、同様の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

次に、第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡での検査の流れを図１０のフローチャートを用いて説明する。処理プログラムは測定開始とともにスタートし、ロードポート３０５に試料カセット３０７がセットされる（ステップＳ３１）。その後、搬送ロボット３０３により試料１２がアライナ３０４に搬送され（ステップＳ３２）。マーキング読取り装置３１２によりＩＤが読み取られ（ステップＳ３３）、除電条件が設定され、その除電条件を記憶する（ステップＳ３４）。試料の位置合わせを行う（ステップＳ３５）。位置合わせ後、搬送ロボット３０３により試料ホルダ１６に試料１２を搬送し（ステップＳＴ３６）、試料１２はチャック機構で吸着される（ステップＳ３７）。その後、ステップＳ３４で記憶された除電条件により除電を行う（ステップＳ３８）。除電終了後、試料ステージ１１を試料がＡＦＭセンサユニット３の直下に位置するように移動し（ステップＳ３９）、ＡＦＭ検査を行う（ステップＳ４０）。その後、ＡＦＭ検査の終了した試料を試料カセット３０７に戻す（ステップＳ４１）。そして次の判断ステップＳ４１で試料カセット３０７内のすべての試料のＡＦＭ測定が終了していなければ、再び、ステップＳ３２に戻り、処理を行う。試料カセット３０７内の試料の測定がすべて終了したならば、処理プログラムの実行を終了する。

このように第２の実施形態においても、試料の種類ごとに適した除電条件に従って除電が行われるので、最も帯電量が多い試料に必要な除電時間をすべての種類の試料に適用していた従来の除電方法と比べて、スループットの向上という利点が得られる。

次に、第３の実施形態を説明する。インラインのＡＦＭ自動検査では、工場全体の製造装置および検査装置を管理するホストコンピュータからの指示によりカセットＩＤ（またはウェハＩＤ）が通知される場合もある。試料カセットは、ホストコンピュータからの指令により無人搬送車によりセットされる。第３の実施形態では、さらに上位のホストコンピュータからの情報に基づき除電条件を設定する。

次に、第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡での検査の流れを図１１のフローチャートを用いて説明する。処理プログラムは測定開始と共にスタートし、ロードポート３０５に試料カセット３０７がセットされると（ステップＳ５１）、ホストコンピュータからのＩＤ情報が第２制御装置３４に入力され（ステップＳ５２）、そのＩＤ情報に基づいて除電条件が設定され、その除電条件を記憶する（ステップＳ５３）。その後、搬送ロボット３０３により試料がアライナ３０４に搬送され（ステップＳ５４）。試料の位置合わせを行う（ステップＳ５５）。位置合わせ後、搬送ロボット３０３により試料ホルダ１６に試料１２を搬送し（ステップＳＴ５６）、試料は吸着される（ステップＳ５７）。その後、ステップＳ５３で記憶された除電条件により除電を行う（ステップＳ５８）。除電終了後、試料ステージを試料がＡＦＭセンサユニット３の直下に位置するように移動し（ステップＳ５９）、ＡＦＭ検査を行う（ステップＳ６０）。その後、ＡＦＭ検査が終了した試料を試料カセットに戻す（ステップＳ６１）。そして次の判断ステップＳ６２で試料カセット内のすべての試料のＡＦＭ測定が終了していなければ、再び、ステップＳ５４に戻り、処理を行う。試料カセット内の試料の測定がすべて終了したならば、処理プログラムの実行を終了する。

このように、第３の実施形態においても、試料の種類ごとに適した除電条件に従って除電が行われるので、最も帯電量が多い試料に必要な除電時間をすべての種類の試料に適用していた従来の除電方法と比べて、スループットの向上という利点が得られる。

なお、ホストコンピュータと未接続の場合も、作業者が試料カセットを装置にセットして、キーボード（図示せず）からカセットＩＤ等を入力して動作させることも可能である。また、除電条件の指定方法は、カセットＩＤやウェハＩＤでの指定のみならず、静電気に関する条件での指定も含む。さらに上記の実施形態の説明では、除電装置として電極針を有するタイプの例を説明したが、他のタイプの除電装置としてＸ線や紫外線を照射して試料の近傍の気体を電離してイオンを発生させるタイプのものも用いることができる。

上記の各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・実施できる程度に概略的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、上記の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、ウェハ等の試料の品種ごとに適した除電条件に従って試料の除電ができ、探針の接近が中断することがない安定な動作をする走査型プローブ顕微鏡として利用される。

本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体的な構成（装置外観と概略内部構造）を示す構成図である。 測定ユニットの詳細な構成を示す図である。 試料ステージの具体的な構成を示す斜視図である。 除電装置の構成と動作を示す図であり、（ａ）は除電装置の構成を示し、（ｂ）は電極針からイオンが放出する様子を示し、（ｃ）は印加電圧の時間変化とイオンの発生を示す図である。 搬送ユニットによる動作を説明する図である。 除電条件設定機構のブロック構成図である。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡がインライン自動検査工程として用いられる構成を示したブロック図である。 第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡での検査の流れを示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の搬送ユニットでの動作を説明する図である。 第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡での検査の流れを示すフローチャートである。 第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡での検査の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 測定ユニット
２ 搬送ユニット
３ ＡＦＭセンサユニット
１１ 試料ステージ
１２ 試料
１６ 試料ホルダ
１７ 駆動機構
１８ 光学顕微鏡
１９ カメラ
２０ 探針
２１ カンチレバー
２２ 取付け部
２３ Ｚ微動機構
２９ ＸＹ微動機構
３３ 第１制御装置
３４ 第２制御装置
３０１ 除電器
３０２ 除電器制御装置
３０３ 搬送ロボット
３０４ アライナ
３０５ ロードポート
３０６ カセットＩＤ読取り装置
３１０ 試料種類検知部
３１１ 除電条件設定部
３１２ マーキング読取り装置

Claims (6)

1. カンチレバーの先端に探針を設け、この探針を試料に対して接近させて、試料表面の情報を得る測定ユニットと、前記試料の帯電を除去するための除電装置とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
   前記試料の種類を知る手段と、
   知得した前記試料の種類の情報に応じて前記除電装置の除電条件を設定する手段と、
   を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記除電装置は、電極針に電圧をかけることにより前記電極針から正と負のイオンを交互に発生させる除電器であることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記除電装置は、Ｘ線または紫外線を照射することにより前記試料の近傍のガスを電離し正と負のイオンを発生させる除電器であることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 試料の種類を知る前記手段は、試料カセットにマークされたＩＤを読み取るカセットＩＤ読取り装置からの信号によって前記試料の種類を知ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 試料の種類を知る前記手段は、試料にマーキングされたマークを読み取るマーキング読取り装置からの信号によって試料の種類を知ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 試料の種類を知る前記手段は、ホストコンピュータから与えられるＩＤ情報によって試料の種類を知ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。