JP2005265647A - ホール形状測定方法およびホール面積見積方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 フォトマスクのホール形状を短時間で測定して、ホールの面積を速く正確に見積もれるようにする。
【解決手段】 探針が検出する原子間力の方向を探針の走査方向と平行な方向に設定する。探針を、内壁からの力が検出される位置（Ａ点）から、その内壁に対面する内壁からの力が検出される位置（Ｂ点）まで走査し、走査距離からホール幅を求める。続いて、探針が検出する原子間力の方向を、探針の走査方向と垂直な方向に設定する。測定面を、探針によって、探針により検出される原子間力を一定の値に制御できる範囲（Ｂ点〜Ｃ点）で走査しながら探針の軌跡を測定して、コーナー部分の曲率半径を求める。同様にして、他の方向、他のコーナーについてもホール幅と曲率半径を求め、それらの値から、ホールの面積を計算する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、微小ホールの形状を測定する方法と、測定された形状に基づいてホールの面積を見積もる方法に関する。

半導体装置の製造工程で用いられるフォトマスクの品質は、ホール幅の設計値に対する誤差が規格で定められた所定の範囲内であることをもって保証されている。このため、フォトマスクの検査では、通常ホール幅の測定が行われている。

フォトマスクのホール幅を測定する手段としては、光学顕微鏡、電子顕微鏡が知られている。例えば、特許文献１には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて、半導体ウェーハ試料のパターンピッチを側長する方法が示されている。フォトマスクのホール幅の測定も、同様に、走査型電子顕微鏡を用いて行うことができる。

一方、近年、探針（プローブ）を試料表面に沿って走査することにより試料表面の立体構造を観察することができる走査型プローブ顕微鏡が注目されている。光学顕微鏡や電子顕微鏡による観察では試料表面の傷と汚れを区別できないが、走査型プローブ顕微鏡を用いれば、試料表面の凹凸を正確に測定することができる。例えば、特許文献２では、フォトマスク表面の欠陥部の段差を測定する手段の１つとして、走査型プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が例示されている。
特開２０００−３３７８４６号公報 特開２００４−１２６１９号公報

前述のとおり、現在、フォトマスクの品質はホール幅により保証されている。しかし、一般にフォトマスクのホールは完全な矩形ではなく、コーナーに丸みを帯びた形状をしている。このため、ホール幅が同じでも、コーナーの丸みの度合いが異なれば、転写されるパターンの面積は異なることになる。特に、今後さらにパターンの微細化が進めば、ホールのコーナー部の形状の差が転写パターンに与える影響は相対的に大きくなる。このため、フォトマスクの品質を、ホール幅ではなくホール面積により保証する必要性が高まっている。

本発明は、上記事情に鑑みて、コーナー形状を含むホールの詳細形状を測定する方法、さらには測定された形状からホールの面積を見積もる方法を提案することを目的とする。

本発明のホール形状測定方法は、原子間力顕微鏡を用いて基体表面のホールの形状を、測定する方法である。具体的には、まず、ホール内の前記基体表面と平行な測定面に、その測定面に平行な方向に働く原子間力を検出し得る探針を配置する。原子間力は斥力の場合もあれば引力の場合もある。

次に、その探針が検出する原子間力の方向を、その探針の走査方向と垂直な方向に設定する。そして、測定面を、探針によって、その探針により検出される原子間力が一定の値になる範囲で走査しながら、探針の軌跡を測定する。軌跡は、探針の移動経路の座標を所定の測定間隔で取得することによって測定する。探針の走査方向を異ならせて原子間力の方向の設定および軌跡の測定を繰り返せば、ホールの全体的な形状あるいは所望の部分の形状を表すデータを取得することができる。

さらに、内壁に沿った形状測定とは別に、ホールの幅も測定しておくことが好ましい。ホールの幅を測定するためには、上記測定の場合と異なり、探針が検出する原子間力の方向を探針の走査方向と平行な方向に設定する。そして、測定面を、その探針によって、内壁との間に生じる原子間力が検出される位置から、その内壁に対面する内壁との間に生じる原子間力が検出される位置まで走査する。すなわち、探針がホール内を横断するように走査を行う。走査時の走査距離を測定すれば、走査距離により表される前記ホールの幅を求めることができる。

また、本発明のホール面積見積方法は、上記方法により測定されたホール形状やホール幅に基づいて、ホール面積を計算して見積もる方法である。例えば、探針の軌跡からホールコーナー部分の曲率半径を得、さらにホール幅を測定し、曲率半径とホール幅の値を利用して、ホール面積を見積もる方法が考えられる。

この際、ホール形状の測定とホール幅の測定を行う順番は特に限定されない。また、ホール形状の測定は、ホールの一部分に対して行っても、ホール全体に対して行ってもよい。ホール幅の測定も一方向についてのみ行っても、複数の方向について行ってもよい。これらの測定処理は、ホール面積の計算に必要な値を取得するために行うものであるため、その目的が達成できれば、順番や回数は特に限定されない。

本発明のホール形状測定方法は、原子間力顕微鏡の探針とホールの内壁の間に生じる原子間力を利用してホールの内壁の形状を測定するため、探針をラスタ走査する方法に比べ、短時間で効率的にホールの形状を測定することができる。

また、本発明のホール面積見積方法は、上記ホール形状測定方法により得られる値を用いてホール面積を計算するので、短時間で正確なホール面積を求めることができる。

本発明を実施するための最良の形態を示すにあたり、先に、本発明に至るまでに発明者が行った検討の経緯を示す。

発明者は、ホールの面積を測定する手段として、まず、従来からホールの幅の測定に用いられている光学顕微鏡や電子顕微鏡を利用することを検討した。しかし、光学顕微鏡は光の干渉などの影響を受けやすく、また、電子顕微鏡による測定もコンタミネーションや帯電の影響があるため、ホール面積の測定には適さないとの結論に至った。そこで、発明者は、次に、測定対象に与える影響が少ない原子間力顕微鏡に着目した。

図１は、原子間力顕微鏡の原理について説明するための図である。原子間力顕微鏡は、振動可能な支持体１の先端に取り付けられた探針２により試料表面を走査することによって、試料表面の凹凸を測定する顕微鏡である。原子間力顕微鏡は、試料表面の原子４と探針２の間に生じる原子間力を探針２により検出し、検出した原子間力が常に一定となるように探針２を振動させ、その探針２の位置変位を変位検出器３によって検出する。

例えば、図に示すように試料の表面に凹凸がある場合、探針２は、図の破線５で示されるように走査方向に移動しながら上下に振動する。変位検出器３は、所定の測定間隔で探針２の変位を検出する。検出された変位のデータは凹凸像の生成に用いられ、その凹凸像が画面に表示されることによって、試料表面の形状測定が可能になる。

この原子間力顕微鏡を用いて、ホール面積を測定する方法としては、図２に示すように、ホール６を含みホール６よりも少し広い測定領域７を設定し、その測定領域７内で、探針２を所定の送り量で往復走査（ラスタ走査）し、ホール６を凹部、その周辺を凸部として検出し、凹部の面積を求める方法が考えられる。この際、十分な精度を得るためには、測定間隔、送り量ともに１ｎｍ程度と、十分小さく設定する必要がある。

しかし、この方法では、最新の原子間力顕微鏡を使用しても、１μｍ程度の幅を有するホールの面積の測定に３０分以上の時間を要してしまう。測定精度を高めるためには、ホールの全面に対し一方向にラスタ走査を行った後に、その方向と垂直な方向でもラスタ走査を行うことが好ましいが、その場合にはさらに倍の時間、すなわち１時間以上の時間を要することになる。また、測定対象が、より大きなホールである場合には、さらに多くの時間を要することになる。

そこで、発明者は、平面ではなく垂直に立つ側壁の形状測定に用いられる特殊な探針を利用することを検討した。図３は、側壁測定用の探針と、それを用いた測定方法について説明するための図である。図に示すように、側壁測定用の探針８は先端ほど径が大きいフレア形状をしている。言い換えれば、円錐の底面側が探針の先端となる形状をしている。側壁の凹凸の測定は、このフレア形状の探針８を、側壁から受ける原子間力が一定に保たれるような位置に調整しながら、側壁に沿って走査することにより行われる。

このフレア形状の探針８によれば、ホール内壁からの原子間力を検出することが可能である。しかし、既存の原子間力顕微鏡では、走査を行いながら検出する原子間力の方向を任意の方向に変更することはできない。すなわち、探針８の走査範囲は、設定された操作方向と設定された原子間力の方向により制限される。このため、ホールの内壁に沿って探針を一巡させることは不可能である。

そこで発明者はさらなる検討を行い、本発明のホール寸法測定方法およびホール面積見積方法を発明するに至った。以下、本発明の一実施の形態におけるホール寸法測定方法と、ホール面積見積方法について説明する。なお、以下に説明する方法では、先端の直径が１００ｎｍのフレア形状の探針を備え、その探針により側壁から原子間力を検出する機能（ＣＤモードと称される機能）を備えた原子間力顕微鏡を用いるものとする。

はじめに、本実施の形態におけるホール形状測定方法について説明する。図４は、ホール６の断面と、探針８の走査開始時の位置を表した図である。図５は、ホール６の上面図と、探針８の軌跡を示す図である。なお、以下の説明では、ホールの深さ方向（図４の下方向）をＺ方向、フォトマスク面に平行な一方向（図４および図５の右方向）をＸ方向、その逆方向（図の左方向）を−Ｘ方向、フォトマスク面に平行でＸ方向と垂直な方向（図５の上方向）をＹ方向、その逆方向（図の下方向）を−Ｙ方向と称することとする。

まず、探針８をホール６内の走査開始点Ａにセットする。具体的には、探針８を、図４に示すようにフォトマスクの表面に沿って、フォトマスク表面から受ける原子間力（ここでは斥力とする。但し引力の場合もある。）が一定となるように位置を調整しながら移動させる。この場合、ホールのエッジ部分では探針８が受ける原子間力の大きさが変化するため、その変化により探針８がホールのエッジ部分に到達したことを検出することができる。

探針８がホールのエッジ部分に到達したら、次にその探針８をホール側壁に沿ってＺ方向に移動し、所定の走査開始点Ａにセットする。走査開始点Ａへの探針８のセットは、予めフォトマスク表面からの下降距離を設定しておき、設定された距離だけ探針８がＺ方向に移動するように探針８の動きを制御すればよい。あるいは、ホールの底から受ける原子間力に基づいてホール底から所定の高さの位置にセットされるように探針８の動きを制御する方法も考えられる。さらには、ホールの内壁から受ける原子間力に基づいて、内壁の特徴部分（例えば突出部）を検出して、その位置に探針８をセットする方法も考えられる。本実施の形態では、走査開始点Ａはホール６の深さの約半分の深さのところに位置する。

次に、探針８の走査方向をＸ方向に設定し、検出する原子間力（斥力）の方向を−Ｘ方向に設定する。但し、ここで、検出する原子間力の方向を−Ｘ方向に設定するとは、探針８に対し−Ｘ方向の力が加わったときに探針８がその力および大きさを検知できるようにすることを意味する。

そして、図に示すように、走査開始点Ａに配置された探針８を、対面のエッジに向かってホール内を横断するように走査し、対面のエッジから受ける原子間力が検出される点Ｂまで移動する。この際、Ａ点からＢ点までの走査距離はホール幅とほぼ同じといってよい。この走査距離は、Ａ点とＢ点の座標を測定すれば簡単に求めることができるため、これにより、図の横方向のホール幅を求めることができる。

次に、探針８の走査方向を−Ｘ方向に設定し、検出する原子間力の方向を−Ｙ方向に設定する。この状態で、探針８をＹ方向に少し移動させると、探針８は、図に示すように、ホール内壁から受ける原子間力が一定となるようにホール内壁との距離を保ちながら、−Ｘ方向に移動する。すなわち、探針８は、図に示すように、ホールの内壁に沿って、図のＣ点の方向へと移動する。

この探針８の動きを追跡すれば、ホールのＢ点からＣ点にかけての内壁の形状を探針の軌跡として認識することができる。すなわち、探針８が内壁に沿って移動している間、所定の間隔で探針の位置座標を取得すれば、内壁の形状を表すデータが得られ、そのデータからコーナー部分の曲率半径を求めることができる。但し、Ｂ点に到達した後の探針８の移動方向は、図に示すようにＹ方向であってもよいし、−Ｙ方向であってもよい。

ここで、探針８の走査方向を−Ｘ方向、検出する原子間力の方向を−Ｙ方向に設定した状態のまま探針８を追跡すれば、探針８は最終的に走査開始点Ａに到達する。しかし、本実施の形態では、探針８の−Ｘ方向への移動量が、Ａ点からＢ点までの走査により得られたホール幅の１／２に達した時点で一旦走査を中断する。上記Ｃ点は、そのようにして定められた点である。

なお、本実施の形態で、Ｃ点に到達したことを原子間力ではなく距離に基づいて判定するのは、探針が内壁に沿って移動している状態では、原子間力に基づく判定よりも、距離に基づく判定のほうが容易だからに過ぎない。したがって、Ｃ点への到達の判定は他の方法により行ってもよく、またＣ点の位置も必ずしもホール幅の中間である必要はない。例えばホール内壁の突起などの特徴がある点をＣ点とし、内壁から原子間力により探針位置の変位によりＣ点への到達を判定する方法なども考えられる。

探針８がＣ点に到達したら、探針の走査方向を−Ｙ方向に設定する。検出する原子間力の方向はＹ方向に設定する。この状態で、探針８を、対面のエッジに向かってホール内を縦断するように走査し、対面のエッジからの原子間力が検出される点Ｄまで移動する。この際、Ｃ点からＤ点までの走査距離を測定すれば、図の縦方向のホール幅を求めることができる。

次に、検出する原子間力の方向をＸ方向に設定し、探針８の走査方向をＹ方向に設定する。この状態で、探針８を−Ｘ方向に少し移動させると、探針８は、図に示すように、ホール内壁からの原子間力が一定となるようにホール内壁との距離を保ちながら、Ｙ方向に移動する。すなわち、探針８は、ホールの内壁に沿って、図のＡ点の方向へと移動する。この探針８の動きを追跡すれば、ホールのＤ点からＡ点にかけての内壁の形状を探針８の軌跡として認識することができコーナー部分の曲率半径を求めることができる。

同様に、Ａ点からＢ点、Ｂ点からＤ点、Ｄ点からＣ点、Ｃ点からＡ点の順に、探針の走査方向および検出する原子間力の方向の設定、探針の走査、設定変更点の検出を繰り返して行えば、Ｘ方向、Ｙ方向のホール幅および四隅のコーナー部分の曲率半径を求めることができる。但し、探針により四隅のコーナーを走査するときの順番は、例示した順番に限定されるものではない。前述のとおり、例えばＢ点に到達した後に、探針をＹ方向へ移動させるか、−Ｙ方向へ移動させるかは、制御プログラムにより任意に定めることができる。

表１は、上記方法において、探針８が移動する経路、その際設定されている走査方向と検出する原子間力の方向、および測定対象の関係をまとめた表である。

表１に示すように、本実施の形態の方法では、ホール幅を測定するときには、検出する原子間力の方向を走査方向と平行な方向に設定し、コーナー部分の形状を測定するときには、検出する原子間力の方向を走査方向と垂直な方向に設定している。また、同じコーナー部分の形状測定でも、コーナーが異なれば、探針の走査方向と検出する原子間力の方向の設定は異なる。すなわち、測定したい対象、範囲によって適宜設定を変更する。

図１および図３を参照して説明したように、従来の原子間力顕微鏡による測定では、探針はある方向に往復走査されるだけであり、測定の途中で走査方向が変更されることはなかった。また、通常、検出する原子間力の方向は探針の走査方向に垂直であり、検出する原子間力の方向と平行に探針を走査しながら測定を行うこともなかった。すなわち、本実施の形態の方法は、原子間力顕微鏡を、従来と異なる使用方法で使用することによって、ホール形状の測定およびホール幅の測定を可能にしたものといえる。

次に、ホール面積の見積方法について説明する。原子間力顕微鏡による測定で求められたホール幅、およびコーナー部分の曲率半径を用いれば、ホール面積を計算により求めることができる。

以下、図６を参照して、ホール面積の計算方法の一例を示す。図に示すように、測定により得られたＸ方向のホール幅をｄ１、Ｙ方向のホール幅をｄ２、各コーナー部分の曲率半径をそれぞれｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４とすると、ホール面積は、下記式（１）により見積もることができる。

表２は、図２を参照して説明したようにホール全体にわたるラスタ走査を行ってホール面積を測定した場合（全面測定）と、本実施の形態のホール形状測定方法およびホール面積の見積方法によりホール面積を求めた場合（本実施の形態の方法）の、測定（見積）精度および測定時間を対比したものである。

全面測定は、測定間隔１ｎｍ、送り量１ｎｍという測定条件で、測定領域は領域の各辺がホール幅の１．２５倍となるように設定して行った。また、本実施の形態の方法による測定および見積もりは、測定間隔１ｎｍ、測定位置をホールの深さの中間として行った。なお、表の測定時間には、上記（１）式に基づく面積の計算時間は含まれていないが、コンピュータを用いた上記（１）式の計算時間は原子間力顕微鏡による測定時間に比べれば非常に短いため、対比する上では問題ない。

対比は、ホール幅が２．０μｍ、１．５μｍ、１．０μｍ、０．５μｍのホールを対象として行った。表中の数値が示すとおり、全面測定の測定時間がホール幅２．０μｍで２４０分（４時間）、ホール幅０．５μｍでも２０分と非常に長いのに対し、本実施の形態の方法によれば、ホール幅に拘わらず５〜６分でホール面積を求めることができる。また、本実施の形態の方法により得られるホール面積の値は、全面測定により得られるホール面積の値と±１００ｎｍ^２以下の範囲内であり、精度的にも問題がないことが確認された。

通常フォトマスクには、多数のホールが形成されているが、上記方法によれば、短時間で各ホールの面積を求めることができ、フォトマスクの検査に要する時間を大幅に短縮することができる。さらには、個々の検査時間が短縮された分、より詳細な検査をすることも可能になり、フォトマスクの品質向上にもつながる。

なお、本発明の方法は、フォトマスクに限らず半導体ウエハその他あらゆる基体の表面の凹部あるいは貫通孔の形状測定および面積見積もりに適用可能である。凹部や貫通孔は、人為的に形成されたものに限らず、例えば傷（欠陥）の面積の測定にも適用可能である。

側壁の形状測定機能を備えた原子間力顕微鏡は現状世界に数台しかないと言われているが、そのような機能を備えた原子間力顕微鏡が普及すれば、本発明の有用性が、より広く認識されることは確実である。

原子間力顕微鏡の原理について説明するための図 ラスタ走査によるホール面積の測定方法について説明するための図 側壁測定用の探針と、それを用いた測定方法について説明するための図 ホールの断面と探針の位置を表す図 ホールの上面図と、探針の軌跡を示す図 ホール面積の見積方法について説明するための図

符号の説明

１ 支持体、 ２，８ 探針、 ４ 原子 ５ 探針の経路、 ６ ホール、 ７ 測定領域

Claims (3)

1. 原子間力顕微鏡を用いて基体表面のホールの形状を測定する方法であって、
   ホール内の前記基体表面と平行な測定面に、該測定面に平行な方向に働く原子間力を検出し得る探針を配置し、
   前記探針が検出する原子間力の方向を該探針の走査方向と垂直な方向に設定し、
   前記測定面を、前記探針によって、該探針により検出される原子間力が一定の値になる範囲で走査しながら該探針の軌跡を測定し、
   前記探針の走査方向を異ならせて前記原子間力の方向の設定および前記軌跡の測定を繰り返すことによって、ホール形状を表すデータを取得することを特徴とするホール形状測定方法。
2. 請求項１記載のホール形状測定方法において、さらに、
   前記探針が検出する原子間力の方向を該探針の走査方向と平行な方向に設定し、
   前記測定面を、前記探針によって、前記内壁との間に生じる原子間力が検出される位置から該内壁に対面する内壁との間に生じる原子間力が検出される位置まで走査し、
   前記走査時の走査距離を測定することによって、該走査距離により表される前記ホールの幅を求めることを特徴とするホール形状測定方法。
3. 原子間力顕微鏡を用いて基体表面のホールの面積を見積もる方法であって、
   ホール内の前記基体表面と平行な測定面に、該測定面に平行な方向に働く原子間力を検出し得る探針を配置し、
   前記探針が検出する原子間力の方向を該探針の走査方向と垂直な方向に設定し、
   前記測定面を、前記探針によって、該探針により検出される原子間力が一定の値になる範囲で走査しながら該探針の軌跡を測定し、
   前記探針の走査方向を異ならせて前記原子間力の方向の設定および前記軌跡の測定を繰り返すことによって、ホール形状を表すデータを取得するとともに、
   前記探針が検出する原子間力の方向を該探針の走査方向と平行な方向に設定し、
   前記測定面を、前記探針によって、前記内壁との間に生じる原子間力が検出される位置から該内壁に対面する内壁との間に生じる原子間力が検出される位置まで走査し、
   前記走査時の走査距離を測定することによって、該走査距離により表される前記ホールの幅を求め、
   前記ホール形状のデータと前記ホールの幅から、計算により前記ホールの面積を求めることを特徴とするホール面積見積方法。
   
   
   

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