JP2006337379A - Scanning probe microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、走査プローブ顕微鏡、および、これを用いた試料観察方法とデバイ
ス製造方法に関する。
The present invention relates to a scanning probe microscope, a sample observation method using the same, and a device manufacturing method.
微細立体形状の計測技術として走査プローブ顕微鏡(SPM:Scannin
g Probe Microscope)が知られている。これは先端のとがっ
た探針を制御しながら、接触力を非常に小さな値に保ちながら試料を走査する技
術で、原子オーダーの微細立体形状が計測できる技術として、広く用いられてい
る。従来から、試料を物理的にスキャンするために速度が上げ難いという走査プ
ローブ顕微鏡特有の問題に対して、いろいろな改善が行われてきた。
Scanning probe microscope (SPM: Scannin)
g Probe Microscope) is known. This is a technique for scanning a sample while controlling the probe with a sharp tip while keeping the contact force at a very small value, and is widely used as a technique capable of measuring a fine three-dimensional shape on the atomic order. Conventionally, various improvements have been made to the problem peculiar to a scanning probe microscope that it is difficult to increase the speed for physically scanning a sample.
例えば、特開平10−142240号公報および特開2000−162115
号公報には、高速化と解像度を両立するために、探針のたわみの信号と試料の駆
動信号の両者から形状データを補正する技術が開示されている。また、特開平6
−74754号公報では、探針を高速に試料に近づけるために、探針を振動させ
ながら試料に近づけると音響的相互作用によって5マイクロメートル程度離れた
ところから、探針の振幅が減少するように構成できることを利用して、試料の近
くまで高速に探針を近づける技術が開示されている。しかし上記技術では、探針
を振動させる構成の走査プローブ顕微鏡装置でしか使用できないという問題と、
試料に数マイクロメートルまで近づかなければ近接を感知できないため、数マイ
クロメートルの距離まで高速に探針を近づけるためにはさらに別のセンサを必要
とするという問題があった。
For example, JP-A-10-142240 and JP-A-2000-162115.
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2000-260260 discloses a technique for correcting shape data from both a probe deflection signal and a sample drive signal in order to achieve both high speed and resolution. JP-A-6
In JP-A-74754, in order to bring the probe close to the sample at high speed, when the probe is brought close to the sample while being vibrated, the amplitude of the probe decreases from a distance of about 5 micrometers due to acoustic interaction. A technique for bringing the probe close to the sample at high speed by utilizing the ability to be configured is disclosed. However, with the above technology, there is a problem that it can only be used with a scanning probe microscope apparatus configured to vibrate the probe,
Since the proximity cannot be detected unless the sample is approached to several micrometers, there is a problem that another sensor is required to bring the probe close to the distance of several micrometers at high speed.
一方、現在、LSIの微細パターン形成プロセスではCD-SEM(測長SEM)を
用いた寸法管理を行っているが、パターンの微細化に伴い、下記の限界がきてい
る。(1) 測定精度の問題。2003年に主流になるとされる、90nmノードLSIのゲ
ート幅は80nmであり、許容ばらつきを10%、測定精度をその20%とすると、必要
とされる測定精度は1.6nmとなる。(2) プロファイル計測の要請。線幅の高精度
制御のためにAPC(Advanced Process Control)化の必要性が高まっているが、
このために、パターン線幅だけでなく、電気特性に大きく影響する断面形状の計
測技術が必要とされている。(3) 測定対象の問題。DUV(深紫外光)用レジスト
、low-k(低誘電率)膜材料等、電子線耐性の弱い材質に対する測定ニーズが増
大している。また、次世代の高密度光ディスクメモリのピットの計測に対しても
、同様の測定精度、プロファイル計測の必要性、マスター作成のためのレジスト
パターンの計測といった、同様のニーズが考えられる。
On the other hand, at present, in the fine pattern formation process of LSI, dimension management using CD-SEM (length measurement SEM) is performed, but the following limitations have come with the miniaturization of patterns. (1) Measurement accuracy problem. The 90 nm node LSI, which is expected to become mainstream in 2003, has a gate width of 80 nm. If the allowable variation is 10% and the measurement accuracy is 20%, the required measurement accuracy is 1.6 nm. (2) Request for profile measurement. There is a growing need for APC (Advanced Process Control) for high-precision line width control.
For this reason, not only the pattern line width but also a cross-sectional shape measurement technique that greatly affects electrical characteristics is required. (3) Problem of measurement object. Measurement needs for materials with weak electron beam resistance, such as resists for DUV (deep ultraviolet light) and low-k (low dielectric constant) film materials, are increasing. Further, for the measurement of the pits of the next-generation high-density optical disc memory, the same needs such as the same measurement accuracy, the necessity for profile measurement, and the measurement of the resist pattern for creating the master can be considered.
上記の課題に対しては、現状のCD-SEMでは対応できない。このために、走査プ
ローブ顕微鏡技術が有望と思われる。この場合に必要となるのが、既述の探針ア
プローチの高速化のほかに、軟脆材料にたいしてダメージの少なく、また、表面
の材質に関する情報が得られる走査プローブ顕微鏡技術である。
The current CD-SEM cannot deal with the above issues. For this reason, scanning probe microscope technology appears promising. What is needed in this case is a scanning probe microscope technique that can reduce the damage to soft and brittle materials and obtain information on the surface material, in addition to speeding up the probe approach described above.
これに対して、特開平11−352135号公報では、試料または探針を一定
の振幅で振動させて探針を周期的に試料にぶつけながら走査し、軟脆試料および
探針のダメージ軽減をはかる方法が開示されている。さらに、特開2001−3
3373号公報では、飛び飛びの測定点のみで探針のサーボをかけて高さを測り
、探針を引き上げた状態で次の測定点に向かう走査方法が開示されており、この
方法はさらに接触圧が小さく、軟脆試料および探針へのダメージが少ない。また
、探針を引きずらないために段差部での形状を忠実に計測できるという利点があ
る。ただし、レジストのようなパターンの計測の場合にパターン底部の形状の計
測、さらには、レジストが底部に残っているかどうかという情報の計測が可能な
望ましいが、この必要性に対しては応えきれていなかった。また、高速化のため
には探針の共振周波数を高く、しかも、探針の慣性を小さくする必要があったが
、このためには、探針の先端のカンチレバー部を小さくする必要があったが、従
来の光てこ方式ではレーザの反射面の確保と調整のため50マイクロメートル程
度のエリアが必要であり、高速化に限界があった。
On the other hand, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-352135, the sample or the probe is vibrated with a constant amplitude, and the probe is scanned while periodically hitting the sample to reduce damage to the soft and brittle sample and the probe. A method is disclosed. Furthermore, JP 2001-3
Japanese Patent No. 3373 discloses a scanning method in which the height of the probe is measured by applying the servo of the probe only at the flying measurement point, and the probe is pulled up to the next measurement point. And small damage to soft and brittle samples and probes. Further, since the probe is not dragged, there is an advantage that the shape at the step portion can be measured faithfully. However, in the case of measuring a pattern such as a resist, it is desirable to measure the shape of the bottom of the pattern and to measure whether or not the resist remains on the bottom, but this need has been met. There wasn't. In order to increase the speed, it was necessary to increase the resonance frequency of the probe and reduce the inertia of the probe. To this end, however, it was necessary to reduce the cantilever at the tip of the probe. However, the conventional optical lever method requires an area of about 50 micrometers for securing and adjusting the reflecting surface of the laser, and there is a limit to speeding up.
上記説明したように、従来技術では測定スループット向上のための探針の試料
へのアプローチの高速化の課題があった。
As described above, the prior art has a problem of speeding up the approach of the probe to the sample for improving the measurement throughput.
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、高感度な近接センサを備えて探針の
試料へのアプローチが高速な走査プローブ顕微鏡及びこれを用いた資料観察方法
を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope having a high-sensitivity proximity sensor and a high-speed approach to a sample, and a data observation method using the same, in order to solve the above problems.
また、本発明の別の目的は、レジストパターンなどの脆弱な試料に対してダメ
ージの少ない走査方式を用いて立体形状像を得ると同時に、試料材質に対する、
電気容量、弾性、光学的性質といった付加的情報の分布を立体像と同時にスルー
プットを落とさずに得ることである。また、本方式による走査を高速化するため
に、プローブ先端のカンチレバーサイズを小さくしてもたわみが検出可能で調整
が容易な走査プローブ顕微鏡を提供することである。
Another object of the present invention is to obtain a three-dimensional image using a scanning method with little damage to a fragile sample such as a resist pattern, and at the same time,
It is to obtain a distribution of additional information such as electric capacity, elasticity, and optical properties at the same time as a stereoscopic image without reducing the throughput. Another object of the present invention is to provide a scanning probe microscope which can detect deflection and can be easily adjusted even if the cantilever size at the tip of the probe is reduced in order to increase the scanning speed according to this method.
また、本発明の別の目的は、傾斜の急な試料段差部に対して正確な形状を計測
するために探針傾斜スキャン機能を付与することである。
Another object of the present invention is to provide a probe tilt scanning function for measuring an accurate shape with respect to a sample step portion having a steep inclination.
また、本発明の別の目的は、半導体試料のパターンを計測しプロセス条件にフ
ィードバックすることにより、安定で高精度なデバイスの製造方法を提供するこ
とである。
Another object of the present invention is to provide a stable and highly accurate device manufacturing method by measuring a pattern of a semiconductor sample and feeding it back to process conditions.
上記した目的を達成するために、本発明では、走査プローブ顕微鏡に光学式の
高さ検出機能を備えた高感度な近接センサを具備することにより探針の試料への
アプローチを高速に行えるようにした。
In order to achieve the above-described object, in the present invention, the scanning probe microscope is provided with a high-sensitivity proximity sensor having an optical height detection function so that the probe can approach the sample at high speed. did.
また、本発明では、走査プローブ顕微鏡において、プローブを間歇的に試料に
接触させて探針を試料上で引きずらないようにしながら試料高さデータを得ると
同時に、試料への接触期間に、探針に電圧を掛けたり、探針を振動させて応答を
計測したり、試料表面の局所的光強度を検出したりして、スループットを落とさ
ずに試料上の材質の分布に関する付加的情報を得られる構成とした。
Further, according to the present invention, in the scanning probe microscope, the probe is intermittently brought into contact with the sample so that the sample height data is obtained while the probe is not dragged on the sample. You can apply additional voltage, measure the response by vibrating the probe, or detect the local light intensity on the sample surface to obtain additional information on the material distribution on the sample without reducing the throughput The configuration.
また、本発明では、走査プローブ顕微鏡において、傾斜の急な試料段差部に対
して、探針を傾斜させて走査を行うことによって段差部の正確な形状の計測を可
能にした。
Further, according to the present invention, in the scanning probe microscope, it is possible to measure the accurate shape of the stepped portion by scanning the sample stepped portion having a steep inclination while tilting the probe.
更に、本発明では、半導体デバイスなどの極微細な構造を備えた試料を製造す
る方法において、上記した走査プローブ顕微鏡を用いて、半導体パターンあるい
はレジストパターンを観察し、この観察の結果をプロセス装置の動作条件にフィ
ードバックすることにより、半導体デバイスなどの極微細な構造のデバイスを安
定して製造できるようにした。
Furthermore, in the present invention, in the method of manufacturing a sample having an extremely fine structure such as a semiconductor device, the above-described scanning probe microscope is used to observe the semiconductor pattern or the resist pattern, and the result of this observation is obtained from the process apparatus. By feeding back to the operating conditions, it was possible to stably manufacture devices with extremely fine structures such as semiconductor devices.
本発明によれば、高感度な近接センサを具備することによって、試料と探針の
高速な接近を実現でき、計測のスループットを向上できるという効果を奏する。
According to the present invention, by providing a high-sensitivity proximity sensor, it is possible to realize a high-speed approach between the sample and the probe and to improve the measurement throughput.
また、本発明によれば、プローブを間歇的に試料に接触させて探針を試料上で
引きずらないようにしながら試料高さデータを得ると同時に、スループットを落
とさずに試料上の材質の分布に関する付加的情報が得られるという効果を奏する
。
Further, according to the present invention, the sample height data is obtained while the probe is intermittently brought into contact with the sample so that the probe is not dragged on the sample, and at the same time, the material distribution on the sample is not reduced. There is an effect that additional information can be obtained.
また、本発明によれば、傾斜の急な試料段差部に対して、探針を傾斜させて走
査を行うことによって段差部の正確な形状の計測を実現できるという効果を奏す
る。
In addition, according to the present invention, it is possible to realize measurement of the accurate shape of the stepped portion by scanning the sample stepped portion having a steep inclination while tilting the probe.
また、本発明によれば半導体パターンを高スループットで計測出来るので、安
定に高精度なデバイスを製造できるようになる。
In addition, according to the present invention, a semiconductor pattern can be measured with high throughput, so that a highly accurate device can be stably manufactured.
図1は本発明にかかわる走査プローブ顕微鏡の構成を示す図である。図2は探
針周りの一実施例の拡大図である。X、Y、Zに駆動が可能な試料ステージ30
2上に試料501が載せられており、走査制御部201によって制御されている
。この上には探針103があり、探針駆動部202からの制御により探針103
を取り付けた探針移動機構252はX、Y、Zに駆動され、これによって走査プ
ローブ顕微鏡のプローブ走査を行う。252は探針ホルダー101に取り付けら
れていて、探針ホルダー101は探針ホルダー上下機構253によって、鏡筒1
02に取り付けられており、探針ホルダー駆動部203からの制御によってZ方
向に粗動駆動される。探針移動機構252は微動機構であり、動作距離が大きく
ないために、探針の試料への接近は探針ホルダー上下機構253によって行う。
あるいは、別の実施例として試料ステージ302側の駆動によって短針の試料へ
の接近を行ってもいい。また、走査プローブ顕微鏡のプローブ走査も試料ステー
ジ302側の駆動によってもよい。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a scanning probe microscope according to the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of an embodiment around the probe. Sample stage 30 that can be driven to X, Y, and Z
A
The
02, and is coarsely driven in the Z direction under the control of the probe
Alternatively, as another example, a short needle may be approached to the sample by driving on the
近接センサ204は探針の先端付近の高さを高感度で計測するためのセンサで
あり、これによって、探針の試料への接触を事前に検出して接近速度を制御する
ことで、探針を試料にぶつけることなく高速な試料への接近を実現できる。近接
センサ204は後述するように光を用いてもいいが、検出範囲が数十マイクロメ
ートル以上あり、1マイクロメートル程度の感度で試料との距離を検出できるセ
ンサであればほかのセンサを用いてもよい。たとえば、試料ホルダー101ある
いは探針103のカンチレバー部と試料501との間に交流電圧をかけることに
よって、静電容量を測り、距離を検出する静電容量式センサや、試料ホルダー1
01と試料501との間に空気を流して圧力を検出するエアマイクロセンサを用
いてもよい。
The
An air microsensor that detects the pressure by flowing air between 01 and the
走査制御部201は探針のたわみ検出センサ205、近接センサ204、探針
ホルダー駆動部203、探針駆動部202試料ステージ302を制御して探針の
近接、試料の走査等を実現する。このとき、試料の走査時の信号をSPM像形成
装置208に送ることによって、試料の表面形状像を得る。また、信号印加装置
207は探針を高周波数で加振して応答をたわみ検出センサ205で検出し表面
の弾性などを計測したり、探針と試料の間に交流あるいは直流電圧をかけて電流
を測定し、容量あるいは抵抗を計測したりする。これを探針のスキャンと同時に
行うことによってSPM像形成装置207に表面形状像のほかに、付加的性質の
分布像を得ることが出来る。
The
探針ホルダー101に対物レンズを組み込んだ場合には、光学像センサ206
で試料の光学像を得ることによるSPM測定エリアの同時観察、探針103の取
りつけ時の調整に用いることが出来る。
When an objective lens is incorporated in the
Thus, it can be used for simultaneous observation of the SPM measurement area by obtaining an optical image of the sample and for adjustment when the
装置全体の動作は全体制御装置209によって制御され、表示・入力装置25
1によって、操作者の指示を受けたり、光学像やSPM像を提示したりすること
が出来る。
The operation of the entire apparatus is controlled by the overall control apparatus 209 and the display / input apparatus 25
1 can receive an instruction from the operator or present an optical image or an SPM image.
図3は光学系の一実施例を示す図である。光源111から出射した光はレンズ
112で平行光に変えられてミラー113で反射され、探針ホルダー101の内
部に形成された対物レンズに入射し、試料上501上に焦点を結ぶ。光源111
に組み込む開口の形状によって、スポットあるいはスリットなど、任意の形状の
像を形成できる。試料で反射した光は再び対物レンズを通り、ミラー114で反
射され、結像レンズ115で検出器116上に像を結ぶ。像の位置は試料501
の高さによって移動する。移動量は試料への検出項110の入射角をθ、レンズ
115による結像倍率をm、試料の高さをZとすると、2mZtanθとなるので
、この移動量を計測すれば試料の高さZが検出できる。検出器116は像の位置
が検出できればいいので、PSD(ポジションセンシティブデバイス)・分割型
ホトダイオード・リニアイメージセンサなど何でもよい。
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of the optical system. Light emitted from the
An image having an arbitrary shape such as a spot or a slit can be formed depending on the shape of the opening incorporated in the lens. The light reflected by the sample passes through the objective lens again, is reflected by the
It moves according to the height. If the incident angle of the
また、上記説明は検出光110が対物レンズを通るという構成での説明であっ
たが、検出光110が対物レンズの外部を通りもう一枚の図示されていないミラ
ーで折り曲げられて、試料上に結像される構成も考えられる。このとき、レンズ
112および115はそれぞれ光源111およびセンサ116を試料501と結
像関係になるように調整される。この場合のセンサ116上の像の移動量は2m
Zsinθとなる。
In addition, the above description is an explanation of a configuration in which the detection light 110 passes through the objective lens. However, the detection light 110 passes through the outside of the objective lens and is bent by another mirror (not shown) to be placed on the sample. A configuration in which an image is formed is also conceivable. At this time, the
Zsinθ.
以下探針のたわみ検出系について説明する。光源131から出た光はレンズ1
32とビームスプリッタを通り、さらにビームスプリッタ134を通って対物レ
ンズを通過して探針のカンチレバー部に照射される。ここで反射した光は同じ道
を戻ってビームスプリッタ133を通過し、レンズ135を介してセンサ136
に照射される。レンズ135は対物レンズの射出瞳とセンサ136が結像関係に
なるように構成され、これによってカンチレバーの反射面の傾きに比例した位置
変化がセンサ136上の光に生起される。これを136の位置に置いたPSD(
ポジションセンシティブデバイス)・分割型ホトダイオード・リニアイメージセ
ンサなどによって検出することによってカンチレバーの傾き(たわみ)を検出す
ることが可能になる。
The probe deflection detection system will be described below. The light emitted from the
32 and the beam splitter, and further passes through the
Is irradiated. The
It is possible to detect the inclination (deflection) of the cantilever by detecting with a position sensitive device), a divided photodiode, a linear image sensor, or the like.
また、二次元型のPSD、イメージセンサ、4分割フォトダイオードを用いる
ことにより、たわみと同時にねじれを検出することも可能になる。本検出光13
0を試料観察系の光と分離するために光源131は単色のレーザとして、この光
だけを通すようにレンズ135の前後に干渉フィルターを設けるのが望ましい。
In addition, by using a two-dimensional PSD, an image sensor, and a four-division photodiode, it becomes possible to detect torsion at the same time as deflection. Main detection light 13
In order to separate 0 from the light of the sample observation system, it is desirable that the
さらに効率を上げるためにビームスプリッタ134はダイクロイックミラーと
してもよい。また、ビームスプリッタ133を偏光ビームスプリッタとしてレー
ザ131の偏光方向を133によって反射されるS偏光とし、ビームスプリッタ
133と134の間に1/4波長板(図示せず)を置くことによって、S偏光を
円偏光に変換して探針103の反射面に当て、反射光を再び1/4波長板でP偏
光に変えて偏光ビームスプリッタ133を透過させてもよい。
In order to further increase efficiency, the
試料観察系は照明光源154より出射し、コンデンサレンズ153を通り、ビ
ームスプリッタ155で反射し、ビームスプリッタ134を透過し、101ない
の対物レンズを通って試料501を照明する。試料の反射光は再び対物レンズを
透過し、ビームスプリッタ134と155を透過して結像レンズ152で結像さ
れ、イメージセンサ151で検出される。
The sample observation system emits from the
以上、図3を用いて説明したように、探針と試料観察系と試料高さセンサと探
針たわみ検出光学系を同軸で構成することにより、SPM計測位置の同時観察、
探針の調整の容易化、高速な探針と試料との接近が可能になる。また、探針たわ
み検出光学系を同軸で構成したことによって、カンチレバー部の幅の小さい探針
に対しても、検出光130を照射できるようになり、より軽くて共振周波数の高
い探針を用いることによって、走査の高速化を可能とする。すべて対物レンズ1
01を通して検出するようにしたことにより、対物レンズを探針と近づけること
が可能になり、高解像度の試料の光学観察が可能となる。また一方、作動距離の
長い対物レンズを用いて、試料高さセンサと探針たわみセンサの少なくとも一方
を対物レンズと試料の間の隙間を斜めから光を投影・検出するオフアクシス構成
ももちろん考えられる。
As described above with reference to FIG. 3, by simultaneously configuring the probe, the sample observation system, the sample height sensor, and the probe deflection detection optical system, simultaneous observation of the SPM measurement position,
This makes it easy to adjust the probe, and allows the probe to approach the sample at high speed. Further, since the probe deflection detection optical system is configured coaxially, it becomes possible to irradiate the
By detecting through 01, it is possible to bring the objective lens closer to the probe, and optical observation of the sample with high resolution becomes possible. On the other hand, using an objective lens with a long working distance, of course, an off-axis configuration is also conceivable in which at least one of the sample height sensor and the probe deflection sensor projects and detects light obliquely through the gap between the objective lens and the sample. .
また、別の構成として、ヘテロダイン干渉法を用いて探針103のたわみを検
出する方法も考えられる。光源131の位置に周波数foの点光源と周波数fで
周波数シフトした周波数fo+fの点光源を配置する。点光源の配置のためには
レーザをレンズで絞っても、ファイバーの出射端をここに置いてもいい。この像
を探針103の二点に形成するように光学系を調整する。
As another configuration, a method of detecting the deflection of the
図9に示すように、一方は探針のカンチレバー部の先端に、もう一方は根元に
像を形成させる、この反射光は136の位置で交差するので136にフォトダイ
オードを置くと、二本の光は干渉して周波数fのビートを発生する。このビート
信号を周波数シフタに与えた周波数fの信号を基準としてロックイン検出して位
相を求めると、この位相の変化がすなわちカンチレバーの傾きの変化となる。こ
れによって、カンチレバーのたわみを検出できる。あるいは、周波数シフタに与
えた信号を用いる代わりに、レンズ132を通ってからビームスプリッタ133
で反射されずに透過した光を二本のビームがクロスするところで別のフォトダイ
オード(図示せず)で検出して、周波数fの基準信号としてよい。
As shown in FIG. 9, one forms an image at the tip of the cantilever portion of the probe and the other forms an image at the root. Since this reflected light intersects at the
The light transmitted without being reflected by the light beam may be detected by another photodiode (not shown) where the two beams cross, and used as a reference signal of frequency f.
また、別の構成として、ひずみゲージのようなひずみの変化を反映する信号を
得られるものを探針に組み込んで、光学式たわみセンサの替わりとして用いても
よい。
As another configuration, a signal that reflects a change in strain such as a strain gauge may be incorporated in the probe and used as an alternative to the optical deflection sensor.
以下、図8を用いて本発明による試料高さセンサを用いた探針と試料の高速接
近制御について説明する。まず探針微動機構(探針移動機構252)は伸ばした
状態(探針微動高さの低い状態)にしておく。つぎに試料高さセンサ204をモ
ニタしながら、高速で(1〜10mm/s程度)探針粗動機構(探針ホルダー上
下機構253)探針をおろす(探針粗動高さを下げる)。試料高さセンサ204
の出力が10〜数十マイクロメートルになったところで低速接近に切り替える(
0.1mm/s程度)。探針のたわみ検出センサ205の出力を監視して、これ
が大きくなりだした所で、探針微動機構を一気に縮める(図8の探針高速退避)
。
Hereinafter, the high-speed approach control between the probe and the sample using the sample height sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. First, the probe fine movement mechanism (probe moving mechanism 252) is in an extended state (a state in which the probe fine movement height is low). Next, while monitoring the
When the output of becomes 10 to several tens of micrometers, switch to low speed approach (
About 0.1 mm / s). The output of the probe
.
通常行われている探針をSPMサーボモードにして近づける方法では探針の制
御帯域に縛られて低速接近時の速度を上げるのが難しいにの比べて、このように
、サーボモードにせずに接触を感知した瞬間に一気に縮めることによって、低速
接近の速度をあげられる利点がある。このあと、探針高速退避を行った後、サー
ボをONにすることによって、ゆっくりと探針を試料に対して接触状態に持って
いく。なお、以上の説明は探針側を駆動する前提で説明したが、試料ステージ3
02側を駆動して探針を接近させる場合も同様であることはいうまでもない。
Compared to the conventional method of approaching the probe in the SPM servo mode, it is difficult to increase the speed when approaching at a low speed due to the control band of the probe. There is an advantage that the speed of the low-speed approach can be increased by contracting at a moment at the moment of sensing. Thereafter, after the probe is retracted at high speed, the servo is turned on to slowly bring the probe into contact with the sample. The above description is based on the assumption that the probe side is driven.
Needless to say, the same applies to the case where the probe is moved closer by driving the 02 side.
つぎに、レジストパターンのようなアスペクトが高い軟脆材料サンプルの計測
に適した探針スキャンモードについて図4を用いて説明する。(b)のように探
針を引き上げてはおろして接触圧(すなわち探針たわみ)が一定になるようなサ
ーボをかけるという動作(Tcの区間)を試料と探針の水平方向の相対位置を変
化させながら繰り返すことによって、飛び飛びの測定点のみで試料の高さを測っ
てゆく。繰り返し周期はTsである。これによって探針が試料を引きずらないた
めに試料に対するダメージが少なく、また、段差部での形状を忠実に計測できる
探針走査が実現できる。これ自身は特開2001−33373などに開示されて
いる方法であるが、レジストパターンなどの計測に適した実施例として、以下の
発明を説明する。
Next, a probe scan mode suitable for measuring a soft and brittle material sample having a high aspect such as a resist pattern will be described with reference to FIG. As shown in (b), the probe is lifted and lowered to apply a servo (Tc interval) so that the contact pressure (ie, probe deflection) becomes constant. By repeating while changing, the height of the sample is measured only at the measurement points. The repetition period is Ts. Accordingly, since the probe does not drag the sample, damage to the sample is small, and probe scanning capable of faithfully measuring the shape at the stepped portion can be realized. Although this is a method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-33373, the following invention will be described as an example suitable for measuring a resist pattern and the like.
探針の先端はあるテーパ角を持っており、これよりも切り立った段差部の形状
は走査プローブ顕微鏡では従来正確には計測できなかったが、段差を検出すると
(a)に点線で図示したように探針を傾斜させてスキャンさせるようにする。探
針を傾斜させる方法としては探針のホルダーに微小回転機構を設ける方法もある
が、「T.R.Albrecht、S.Akamine、M.J.Zdebli
ck、C.F.Quate、J.Vac.Sci.Technol.A8(1)
、317(Jan./Feb.、1990)」に開示されているような図5に示
した圧電薄膜型カンチレバーを用いる方法もある。いわゆるバイモルフ構造にな
っており、中間電極Gの上下に圧電体が設けられ、その反対側に電極A、B、C
、Dが形成されている。ここで、A−G、D−GとB−G、C−Gに逆方向の電
圧変化を与えるとねじれ変形が生起され、探針を傾けることができる。探針のね
じれは、探針のたわみ検出器136に4分割フォトダイオードを用いれば簡単に
検出することが可能である。
The tip of the probe has a certain taper angle, and the shape of the stepped portion that stands out from this tip could not be accurately measured with a scanning probe microscope, but when a step was detected, as shown in FIG. Tilt the probe to make it scan. As a method for inclining the probe, there is a method in which a micro-rotation mechanism is provided on the probe holder, but “TR Albrecht, S. Akamine, M. J. Zdebli
ck, C.I. F. Quate, J.A. Vac. Sci. Technol. A8 (1)
317 (Jan./Feb., 1990) ", there is also a method using the piezoelectric thin film type cantilever shown in FIG. It has a so-called bimorph structure, piezoelectric bodies are provided above and below the intermediate electrode G, and electrodes A, B, C on the opposite side.
, D are formed. Here, when a voltage change in the reverse direction is applied to AG, DG, BG, and CG, torsional deformation occurs, and the probe can be tilted. The twist of the probe can be easily detected by using a quadrant photodiode for the
またレジストパターンの計測に対してはレジストパターン底部にレジストが残
っているかどうかを検出するニーズが高い。また、近年の半導体においては、平
坦化構造が一般化して研削によって表面の凹凸を無くしたパターンに対して、そ
の材質の境界を知るニーズも高くなっている。これらのニーズに応えるためには
、立体表面形状の計測と同時に表面の容量、光学特性、弾性などの機械的性質の
分布を測定する技術が必要となる。
Further, there is a high need for detecting whether or not the resist remains at the bottom of the resist pattern for measuring the resist pattern. Further, in recent semiconductors, there is a growing need for knowing the boundary of the material for a pattern in which the planarized structure is generalized and the surface irregularities are eliminated by grinding. In order to meet these needs, it is necessary to have a technique for measuring the distribution of mechanical properties such as surface capacity, optical properties, elasticity, etc. simultaneously with measurement of the three-dimensional surface shape.
図4(b)で説明した走査方式では各測定周期Tsの間に試料表面に探針が接
触している期間Tcがあるので、この期間に同期して各種表面物性の計測を行う
ことによって、表面形状像と同時に各種物性分布計測を行うことができる。図4
(c)は探針と試料の間に交流電圧を掛け、流れる電流を同期検波することで局
所的な容量を計測する実施例である。また、図4(d)は探針内部を光が透過す
るようにしておき、試料を照明しておいて探針の先端から光をファイバー170
に導いてレンズ171を介してセンサ172に導きTcの期間に光量検出するこ
とで、試料の局所光学特性の分布を求める実施例である。このようにすることに
よって、例として、図4(c)(d)に示したようなシリコンに酸化シリコンを
埋め込んで研磨した平坦な試料に対しても、観察・計測が行える。
In the scanning method described in FIG. 4B, there is a period Tc in which the probe is in contact with the sample surface during each measurement period Ts. By measuring various surface properties in synchronization with this period, Various physical property distribution measurements can be performed simultaneously with the surface shape image. FIG.
(C) is an embodiment in which a local capacitance is measured by applying an alternating voltage between the probe and the sample and synchronously detecting the flowing current. In FIG. 4D, light is transmitted through the probe, the sample is illuminated, and light is transmitted from the tip of the probe to the fiber 170.
This is an embodiment in which the distribution of the local optical characteristics of the sample is obtained by guiding the light to the
さらに図6はTcの期間に探針を周期Tで微小振動させている実施例である。
このときのTはTsあるいはTcに比べて十分小さいものとする。このときの探
針のたわみ信号を得て加振入力信号に対して同期検出して、振幅および位相を求
めることにより試料表面の局所的機械的性質に対する分布を得ることができる。
また、探針先端を照明しておいて、先端にからの散乱光あるいは図4(d)のよ
うな光学系で就航した光を検出して、探針の振動に対して同期検出することによ
り、試料の局所光学特性の分布を求めることもできる。
FIG. 6 shows an embodiment in which the probe is vibrated with a period T during the period Tc.
At this time, T is sufficiently smaller than Ts or Tc. The probe deflection signal at this time is obtained, synchronously detected with respect to the excitation input signal, and the amplitude and phase are obtained to obtain a distribution with respect to the local mechanical properties of the sample surface.
Further, by illuminating the tip of the probe, the scattered light from the tip or the light operated by the optical system as shown in FIG. 4D is detected and detected synchronously with the vibration of the probe. The distribution of the local optical characteristics of the sample can also be obtained.
あるいは、図7のように常に探針を周期T(ただしT≪Tc)で加振しておき
、探針の試料との接触による振幅の減少を検出することにより、試料の高さを検
出することも可能である。
Alternatively, as shown in FIG. 7, the height of the sample is detected by constantly vibrating the probe at a period T (where T << Tc) and detecting a decrease in amplitude due to contact of the probe with the sample. It is also possible.
次に図10を用いて、レジストパターンを計測する例を示す。レジストパター
ンの計測では(a)のように垂直にパターンが切れているか、(b)のようにレ
ジストが薄く残っているか、(c)のように溝あるいは穴の下部が狭まっている
かを見分ける必要がある。本発明によれば、これらを見分けることが可能になる
。
Next, an example in which a resist pattern is measured will be described with reference to FIG. In the measurement of the resist pattern, it is necessary to distinguish whether the pattern is cut vertically as shown in (a), whether the resist remains thin as shown in (b), or whether the lower part of the groove or hole is narrowed as shown in (c). There is. According to the present invention, these can be distinguished.
さらに図11では、本発明を用いたデバイス製造方法について示す。ウェハ6
20をプロセス装置601、601'に流してデバイスを形成していく。プロセ
ス装置601、601'は場合によってエッチャーであったり、CMP装置であ
ったり、露光装置であったり、現像装置であったりする。これらの工程を経た抜
き取りウェハあるいはダミーウェハ621をもちいて、本発明の走査プローブ顕
微鏡603によってウェハ上に形成されたパターンを観察・計測する。あるいは
、スループットが大きいので全ウェハを本発明の走査プローブ顕微鏡603で観
察・計測してもよい。
Further, FIG. 11 shows a device manufacturing method using the present invention. Wafer 6
20 is passed through the
本発明では、パターンの立体形状や表面の状態の分布を試料にダメージを与え
ることなく正確に観察・計測できるので、観察・計測結果をプロセス装置601
、601'のプロセス条件にフィードバックすることで、安定に高精度なデバイ
スを製造できる。場合によってはフィードバックの経路610に専用のデータ処
理サーバを介してもよい。
In the present invention, the three-dimensional shape of the pattern and the distribution of the state of the surface can be accurately observed and measured without damaging the sample.
, By feeding back to the process conditions of 601 ′, a highly accurate device can be manufactured stably. In some cases, a dedicated data processing server may be connected to the
また、本発明の走査プローブ顕微鏡603で観察・計測して得られたデータを
、回線を介して他のデータ処理装置へ送って他の検査・観察・分析装置で得られ
たデータと組合わせて処理することもできる。例えば、本発明の走査プローブ顕微
鏡603で観察・計測して得られたデータを他の分析装置で得られた試料の分析
データと組合わせて解析することにより、試料表面の欠陥や組成の2次元的又は
3次元的な分布などのより詳細な情報を得ることが可能になる。
In addition, data obtained by observation / measurement with the
101…探針ホルダー、102…鏡筒、103…探針、111…光源、112…
レンズ、113…ミラー、114…ミラー、115…レンズ、116…検出器、
131…光源、132…レンズ、133…ビームスプリッタ、134…ビームス
プリッタ、135…レンズ、136…検出器、154…照明光源、153…コン
デンサレンズ、155…ビームスプリッタ、152…結像レンズ、151…イメ
ージセンサ、170…光ファイバー、171…レンズ、172…検出器、201
…走査制御部、202…探針駆動部、203…探針ホルダー駆動部、204…近
接センサ、205…たわみ検出センサ、206…光学像センサ、207…信号印
加装置、208…SPM像形成装置、250…全体制御装置、251…入力・表
示装置、252…探針移動機構、253…探針ホルダー上下機構、302…試料
ステージ、501…試料、601…プロセス装置、603…走査プローブ顕微鏡
、610…フィードバック情報、620…ウェハ、621…抜き取りあるいはダ
ミーウェハ
101 ... Probe holder, 102 ... Tube, 103 ... Probe, 111 ... Light source, 112 ...
Lens, 113 ... Mirror, 114 ... Mirror, 115 ... Lens, 116 ... Detector,
131 ... light source, 132 ... lens, 133 ... beam splitter, 134 ... beam splitter, 135 ... lens, 136 ... detector, 154 ... illumination light source, 153 ... condenser lens, 155 ... beam splitter, 152 ... imaging lens, 151 ... Image sensor, 170 ... optical fiber, 171 ... lens, 172 ... detector, 201
DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Scan control part, 202 ... Probe drive part, 203 ... Probe holder drive part, 204 ... Proximity sensor, 205 ... Deflection detection sensor, 206 ... Optical image sensor, 207 ... Signal application apparatus, 208 ... SPM image formation apparatus, 250 ... Overall control device, 251 ... Input / display device, 252 ... Probe moving mechanism, 253 ... Probe holder up / down mechanism, 302 ... Sample stage, 501 ... Sample, 601 ... Process device, 603 ... Scanning probe microscope, 610 ... Feedback information, 620 ... wafer, 621 ... sampling or dummy wafer
Claims (4)
A driving mechanism capable of controlling the mutual position between the sample and the probe, a sample height sensor for measuring a distance between the sample surface and the probe, and a contact state between the sample surface and the probe. A scanning probe microscope provided with a probe deflection sensor for measurement and a control mechanism, and when the output of the sample height sensor becomes 10 to several tens of micrometers, the drive speed of the drive mechanism is reduced. When the output of the probe deflection sensor increases, the control mechanism controls the drive mechanism so that the probe is separated from the sample surface.
Priority Applications (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008281550A (en) * | 2007-04-10 | 2008-11-20 | Hitachi Ltd | Scanning probe microscope |
-
2006
- 2006-08-01 JP JP2006209354A patent/JP2006337379A/en active Pending
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