JP2005300387A - 微細表面性状検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出対象の物理的挙動の検出系から信号処理系を経て得られる検出信号に含まれる位相遅れを低減し、ナノインプロセスにおいても、検出値の不確かさを十分に低減させる。
【解決手段】 検出器３は、対物先端部を被検体表面に沿って走査させたときの対物先端部に外部から作用する物理量Ｘを検出して検出信号ｘ（Ｘ）を出力する。信号処理部４は、検出信号の変化の基本波からその高調波成分が占める所定の周波数までの周波数帯域にわたって検出信号を信号処理して被検体表面のナノメートルオーダーの起伏の有為情報を抽出する。信号処理部４の後段には、検出信号ｘ（Ｘ）の周波数帯域の所定範囲において、検出器３及び信号処理部４で発生する信号の時間遅れを補償するための位相進み手段５が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物体表面の粗さ、うねり等の起伏の状態、又は物体表面に形成された微細構造の形状を測定する表面性状測定器に関し、特にナノインプロセスにおける微細表面性状検出装置に関する。

近年、各種装置の微細化のための研究が進められ、計測の分野においても、計測対象の表面微細構造を計測するための微細表面性状検出装置の開発が進められている。マイクロスクラッチ、マイクロラフネス、ローカル・シックネス・ヴァリエーション等の概念によれば、２００３〜２００５年以降に市場に登場すると予想される次世代の半導体装置（デザインルール；７０ｎｍ以下）の微細回路構造物の表面微細形状に関しては、チップサイズ□３０ｍｍを計測対象として、微細回路構造物又はその欠陥のサイズは、前記マイクロスクラッチで、概ね５ｎｍ程度の微細な深さ又は段差と、１０ｎｍ以下の幅の検出が必要になると見込まれている。また、微細回路構造物が構築された面の平面度としては、その起伏幅が約１５０ｎｍ以下の検出が必要になると見込まれている。

一方、従来、研削、ラッピング等の機械加工で生成された平面形状を機械的に計測する粗さ、形状測定においては、対物先端球を備えたステム（探針）を被計測対象の表面に沿って走査して、ステムに生じた変位を検出することにより、被計測対象の表面の粗さ及び形状を測定する。従来の被計測対象では、一見、鏡面のように一様に見える面であっても、その粗さは１００ｎｍｐｖ（ピーク〜ヴァレイ）で、その空間的周期のピッチは１μｍ程度にも達することが知られている。しかも、うねりの値は、粗さの値よりも遥かに大きな値となることが普通である。
従って、このような形状測定の分野で用いられてきた計測技術を、そのままナノインプロセスに適用しようとしても、対物先端球のサイズを小さくするだけでは、ステムの挙動を受動的に検出するだけであるため、性能的に１桁以上届かず、所要の性能を満たすことはできない。

ナノインプロセスでは、形状表面の構造物に対して、検出性能は表面に垂直な方法の縦分解能ばかりでなく、表面に沿った方向の２次元的な横分解能も重視される。従って、ナノインプロセスの計測では、対物先端に微細な先端形状（角錐、半球等）を有するステムを使用し、先端形状に作用する力（原子間力も含む）をステムの弾性変形により検出するか、又は対物先端部に投入した光が先端部の微細口径より滲み出る近接場光を放射させ、その反射強度を検出する。このとき、被検体と対物先端部との間の微細測定力又は微小間隔を維持する制御の仕組みが必須である。

特許文献１には、原子間力を利用した走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）が開示されている。原子間力顕微鏡は、半導体基板（ウェハ）の表面凹凸のように、探針と試料表面との間に作用する原子間力を利用して、微細な凹凸形状を測定・観察するようにしたものである。

一方、検出信号には、通常、真値の他に様々なノイズが含まれる。検出信号のＳ／Ｎ改善及び検出信号のサンプリングの際のエリアジング回避のためには、検出信号が存在する周波数帯域を集中的に通過させる低域通過特性又はノッチ特性を有するフィルタを使用する。フィルタの特性は、信号伝達系の許容遅れが、前述した微細測定力又は微小間隔維持のための制御に必要なゲインと位相の余有を確保可能となるように定められる。

特開平１３−９９７７３号公報（段落０００２、図１） 「ボールベアリング支持型検出器のヒステリシス特性について」、日高、西村、１９９８年度精密工学会秋季大会論文集、Ｍ０９，１９９８

しかしながら、ナノインプロセスでは、制御における追従性能や応答特性の面では許容される信号伝達系の許容遅れが、検出信号から如何に真値を取出すかという観点からは、真値が低い周波数に限定されている場合でも、検出信号より得られた検出物理量の真値に対する不確かさ増大の致命的な要因となる。

この不確かさの発生に関しては、前掲の非特許文献１に、次の点が述べられている。即ち、ボールベアリング支持機構の弾性変形又は支持ボールの転がり及び滑りによる回転中心の変位が、機械的に信号の伝達系における位相進みをもたらす。一方、電気的には、信号の伝達系において位相遅れが生じる。そして、表題の「検出器のヒステリシス」は、これらの位相進みと位相遅れの差及び信号の振幅に比例して発生する。

ここで、機械的な位相進みは、ボールベアリングの持つ不安定要素により生じるものであるため、検出器をボールベアリング支持型ではなく、弾性ヒンジ支持型とすることにより解決され、ナノインプロセスにも適用可能であることは既に知られている。従って、ここでは、電気的な位相遅れのみによってもたらされるヒステリシスに着目する。この場合、ヒステリシスの幅は、位相遅れと信号の振幅に比例する。

いま、図６において、検出対象の物理的挙動をｘとし、このｘを次のように表わす。

［数１］
ｘ＝Ａx sinωｔ

但し、Ａxは振幅、ωは角速度、ｔは時間である。ここで信号検出時の時間的遅延と信号処理時の時間的遅延とを合わせて位相遅れα（radian）で表せば、信号処理後に得られる出力ｙは、位相αだけ遅れるので、次のようになる。

［数２］
ｙ＝Ａy sin（ωｔ−α）

但し、Ａyは、出力の振幅である。ここで挙動ｘをｘ軸にとり、出力ｙをｙ軸にとると、図６のようなヒステリシス曲線が描かれる。このヒステリシス曲線は、挙動ｘに対する出力ｙのずれを表わしている。ヒステリシス曲線とｙ軸との２つの交点の距離ｄがヒステリシスの幅であり、これが大きいほど、検出値の不確かさが大きくなる。以下、その理由について説明する。
いま、説明を簡単にするため、Ａx＝Ａy＝Ａとし、位相遅れαが十分小さいとすると、sinα≒αとすることができるので、ヒステリシスの幅ｄは、

［数３］
ｄ＝２Ａα

となる。
（１）α＝０の場合
この場合には、ｄ＝０、ｘ＝ｙとなるので、出力ｙを得て、一義的にｘを同定することができる。この場合、ｘの不確かさは存在しない。
（２）α＞０の場合
この場合には、図示のように、１つの出力ｙに対して、ｘの値がｘ１，ｘ２と２つ対応してしまうので、いずれが真値であるかを決定することができない。この２つの値ｘ１，ｘ２の距離δが不確かさを示す値となる。

加えて、振幅Ａは実際には一定ではないため、真値を得ることを益々難しくしている。振幅Ａが変化する状況では、振幅Ａが最大値のときに描かれるヒステリシス曲線の内側のいずれかに（ｘ，ｙ）が存在するとしか特定することができない。

ナノインプロセスにおいては、Ａ＝１μｍ、α＝１deg（＝π／180 rad）の極めて小さい場合でも、不確かさδ＝３５ｎｍに達し、前掲の必要精度に関して、極めて大きな不確かさをもたらすことが判る。
なお、対物先端部の被検体表面に沿った走査速度を同一のままにしても、微細計測になればなるほど、微細な被検体表面の起伏の変化速度は増大し、この増大に対応する位相遅れαの値は一定ではなく、ωに対応して決定される。従って、通常の半導体ウェハ平面のような場合でも、１トラック０．１秒の高速回転計測では、前記角速度ωは最低でも１０Ｈｚであり、この１０Ｈｚに対応するαの値は、通常の検出系並びに信号処理系では、数十degに達することが予想される。例えば微細構造のため、振幅の最大値Ａが１００ｎｍであっても、α＝１８degでは、δ≒６２．８ｎｍに達し、ナノインプロセスの高精度要求には応えられない。

このように１０ナノメートル以下程度の領域において、精度を保証できる測定を行おうとしても、検出器自体或いは制御ループの位相遅れに起因して数１０ナノメートルオーダーのヒステリシスが発生し、高精度測定が困難であるという問題がある。これに対して、精度を上げるためには、測定時の走査速度を低下させる必要があり、多大な測定時間を有することから、インプロセス測定の要求に応えられないという問題がある。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、検出対象の物理的挙動の検出系から信号処理系を経て得られる検出信号に含まれる位相遅れを低減し、ナノインプロセスにおいても、検出値の不確かさを十分に低減させることができる微細表面性状検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る微細表面性状検出装置は、対物検出部を被検体表面に沿って走査させたときの前記対物検出部に外部から作用する物理量を検出して検出信号を出力する検出手段と、前記検出信号の変化の基本波からその高調波成分が占める所定の周波数までの周波数帯域にわたって前記検出信号を信号処理して前記被検体表面のナノメートルオーダーの起伏の有為情報を抽出する信号処理手段とを備えた微細表面性状検出装置において、前記周波数帯域の所定範囲において、前記検出手段及び前記信号処理手段で発生する信号の時間遅れを補償するための位相進み手段を設けたことを特徴とする。

本発明の一実施形態においては、前記対物検出部を駆動する駆動手段を更に備え、前記検出手段で検出される物理量を所定値に維持するように前記被検体表面の起伏の有意情報で前記被検体表面に対する前記対物検出部の位置を制御する制御系を更に備えたことを特徴とする。

前記位相進み手段は、前記制御系の内部の前記検出手段又は前記信号処理手段の後段に挿入されていても良いし、前記検出手段又は前記信号処理手段の後段で、前記制御系の外部に設けられていても良い。

また、本発明の他の実施形態においては、前記検出手段から出力される検出信号を数値データとして記憶する記憶手段を備え、前記信号処理手段及び位相進み手段は、前記記憶手段に記憶された数値データを演算処理して位相補償された前記被検体表面の起伏の有意情報を算出する演算手段により構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、検出対象の物理的挙動ｘの検出系から信号処理系を経て得られる検出信号ｙに含まれる位相遅れαを許容値ε以内に低減、又は限定された周波数帯ではゼロにする位相進み手段を挿入、又はこれまでの出力ｙの後段に追加することにより、検出値ｘの不確かさを著しく低減することが可能になるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態に係る微細表面性状検出装置の構成を示すブロック図である。

この装置は、図示しない対物先端部が被検体表面に近接し、制御された微細測定力の下で、又は非接触で微細間隔を維持する制御系を備えている。制御系は、比較器１、接近・退去アクチュエータ２、検出器３、信号処理部４、位相進み手段５及び変換器６により構成され、これらが一巡制御ループを構成している。ここでＸは、対物先端部と被検体表面との関係で決まる外部作用であり、例えば微小測定力、微細間隔等である。この外部作用Ｘは、検出器３によって検出され、検出信号ｘ（Ｘ）として出力される。この検出信号ｘ（Ｘ）に対しては、信号処理部４においてＳ／Ｎ改善等の種々の信号処理が施されると共に、検出信号ｘ（Ｘ）の変化の基本波からその高調波成分が占める所定の周波数までの周波数帯域にわたって検出信号ｘ（Ｘ）を信号処理して被検体表面のナノメートルオーダーの起伏の有為情報を抽出する。信号処理部４の出力ｙｏ（ｘ）は、位相進み手段５に入力されている。位相進み手段５は、信号処理部４の出力信号ｙｏ（ｘ）を入力とし、位相進み操作を施して信号ｙ（ｙｏ）を出力する。この信号ｙ（ｙｏ）は、検出出力信号として外部に出力されると共に、変換器６に入力されている。変換器６は、出力信号ｙ（ｙｏ）を、外部作用Ｘの計画値ｒ（Ｘ）と同一次元の信号ｒｘにするための変換を実行する。比較器１は、信号ｒｘを外部作用Ｘの計画値ｒ（Ｘ）と比較して誤差出力ｅを出力する。この誤差出力ｅは、接近・退去アクチュエータ２に供給される。アクチュエータ２は、外部から供給されるエネルギーを用いて、誤差出力ｅに対応する物理的操作量Ｅで検出器３を駆動する。この物理的操作量Ｅは、検出器３の検出値ｘ（Ｘ）が計画値ｒ（Ｘ）に対応した値を維持するように外部作用Ｘの変化に反応するため、検出器３に供給される。

この第一の実施形態の装置は、制御系の特性のゲイン余有、位相余有が十分で、位相進み手段５を制御系の制御ループの内部に挿入しても、制御系の追従応答の挙動が振動的、又は不安定にならないケースを想定している。この例の場合は、ｘの検出系（検出器３）、もしくは信号処理部４の直後の制御ループ内に位相進み手段５を挿入し、挿入部の出力段より外部に位相遅れの改善された出力ｙ（ｙｏ）を取り出すことができる。

図２は、この装置に用いられる位相進み手段５の特性の一例を示すグラフである。位相進み手段５の最も単純な例を周波数特性で示せば、“１＋ｊωＴ”（ここで、ｊは虚数記号、Ｔは折れ点周波数の逆数、単位、秒）となる。
ここで、ｘの検出器３、もしくはその後段の信号処理部４での合成の原周波数特性が、図３の―●―で示されているような特性であるとすると、位相進み手段５の特性は、―×―で示されるようになるので、最終的な合成特性は、図３の―■―のようになる。この結果、許容位相遅れεが０．０１４degの場合、検出対象ｘの許容周波数は、想定振幅に対して許容不確かさδを実現するのに、原特性の０．５Ｈｚから１８０Ｈｚに大きく改善することができる。

次に、図２の特性における時定数Ｔ（折れ点周波数の逆数）の決定過程を説明する。先ずｘの最大振幅（例えば４μｍ）と許容不確かさδ（例えば２ナノメートル）を設定する。次に、ヒステリシス曲線のｄ＝２Ａαの式と、制御系の原特性―●―のグラフからωに対応してαの限界である許容位相遅れεを決定する。即ち、許容位相遅れεに対して、ｘの最大周波数（ω／２πの最大値）を設定し、許容位相遅れεが最大周波数以下で維持できる時定数Ｔを定める。
具体的には、ω／２πの最大値を１８０Ｈｚ、許容位相遅れεを０．０１４degとすると、図２および図３の例では、Ｔ＝０．０００４２秒となった。図３には、図２の特性の位相進み手段５の特性（―×―で示す）と、これを接続した合成特性（―■―で示す）が示されている。

図４は、本発明の第二の実施形態に係る微細表面性状検出装置の構成を示すブロック図である。
この実施形態が先に示した第一の実施形態と異なる点は、信号処理部４の後段に接続された位相進み手段５が、制御ループの外部に配置されている点である。従って、変換器６には、信号処理部４からの位相補償されていない出力ｙｏ（ｘ）が入力されている。

この第二の実施形態は、制御系の特性のゲイン余有、位相余有が十分でなく、この位相進み手段５を制御系の一巡制御ループの内部に挿入した場合、制御系の追従応答の挙動が振動的、又は不安定になる場合を想定している。この場合にはは、この実施形態のように、位相進み手段５を、一巡制御ループの内部に挿入せず、ｘの検出器３、もしくはその後段の信号処理部４の後より信号、もしくは信号を数値化した情報を取り出し、一巡制御ループの外部において、本発明の位相進み手段５を接続し、その出力段より外部に位相遅れの改善された出力ｙ（ｙｏ）を取り出すようにすれば良い。

図５は、本発明の第三の実施形態に係る微細表面性状検出装置の構成を示すブロック図である。
この実施形態は、制御系を持たない簡単な例である。この場合、外部作用Ｘは、例えば被検体の表面の起伏に応じた変位である。検出器１３は、ステムの対物先端部などであり、被検体の表面の起伏に応じて変位をなし、その変位を変位検出手段で検出し、検出信号ｘ（Ｘ）を発生する。また、弾性ヒンジを主体に構成される復元機構であるステム１２は、外部作用Ｘが無ければ、力学的平衡位置に、対物先端部を位置決めする。この場合も、単に信号処理部４の出力ｙｏ（ｘ）を、後段に設けた位相進み手段５に導き、出力ｙ（ｙｏ）は、位相進み手段５より取り出すようにしている。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
例えば、これらの実施形態において、制御系のリアルタイム動作とは関係なしに、信号処理部４を経てＳ／Ｎを改善した出力ｙｏ（ｘ）を、一旦、ディジタルデータ化して記憶させ、コンピュータによる演算処理により、位相進み手段５と等価な演算処理を施して、検出値の不確かさを低減させた、コンピュータの数値データ形式の出力ｙ（ｙｏ）を得るようにしても良い。

この発明の実施に必要な位相進み手段は、極めて効果が著しいにも拘らず、簡単に実現することができる。また、その適用範囲は極めて広範囲にわたり、ナノインプロセスに限らず、通常の幾何計測における、粗さ、形状の計測を含む広い技術範囲で、不確かさの大幅な低減に寄与することは明らかである。
また、検出系が制御系の一部を構成する場合でも、構成しない場合でも本発明は適用でき、前者の場合、本位相進み手段の接続を、制御系の閉ループには関与せずに実施できるので、後者の場合と同様に、本位相進み手段と元来設けられている信号処理部共々、コンピュータのアルゴリズム演算で実現することもできる。

本発明の第一の実施形態に係る微細表面性状検出装置の構成を示すブロック図である。 同装置に使用される位相進み手段のゲインおよび位相特性の一例を示すグラフである。 同位相進み手段を用いた場合の許容位相遅れを満たす許容周波数の改善例を示すグラフである。 本発明の第二の実施形態に係る微細表面性状検出装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第三の実施形態に係る微細表面性状検出装置の構成を示すブロック図である。 出力の位相遅れとこれにより生じる検出値の不確かさを示すグラフである。 検出系と信号処理系の周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１…比較器、２…近接・退去アクチュエータ、３，１３…検出器、４…信号処理部、５…位相進み手段、６…変換器、１２…弾性ヒンジ支持のステム。

Claims (5)

1. 対物検出部を被検体表面に沿って走査させたときの前記対物検出部に外部から作用する物理量を検出して検出信号を出力する検出手段と、
   前記検出信号の変化の基本波からその高調波成分が占める所定の周波数までの周波数帯域にわたって前記検出信号を信号処理して前記被検体表面のナノメートルオーダーの起伏の有為情報を抽出する信号処理手段と
   を備えた微細表面性状検出装置において、
   前記周波数帯域の所定範囲において、前記検出手段及び前記信号処理手段で発生する信号の時間遅れを補償するための位相進み手段を設けたことを特徴とする微細表面性状検出装置。
2. 前記対物検出部を駆動する駆動手段を更に備え、
   前記検出手段で検出される物理量を所定値に維持するように前記被検体表面の起伏の有意情報で前記被検体表面に対する前記対物検出部の位置を制御する制御系を更に備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の微細表面性状検出装置。
3. 前記位相進み手段は、前記制御系の内部の前記検出手段又は前記信号処理手段の後段に挿入されている
   ことを特徴とする請求項２記載の微細表面性状検出装置。
4. 前記位相進み手段は、前記検出手段又は前記信号処理手段の後段で、前記制御系の外部に設けられている
   ことを特徴とする請求項２記載の微細表面性状検出装置。
5. 前記検出手段から出力される検出信号を数値データとして記憶する記憶手段を備え、
   前記信号処理手段及び位相進み手段は、前記記憶手段に記憶された数値データを演算処理して位相補償された前記被検体表面の起伏の有意情報を算出する演算手段により構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の微細表面性状検出装置。

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