JP2008241286A - 走査型プローブ顕微鏡の探針制御の装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サーボ追従性からくる上り・下りの特性差を解消して計測精度を向上できる走査型プローブ顕微鏡の探針制御の装置および方法を提供する。
【解決手段】走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法は、探針部と、試料・探針間に作用する物理量を検出する検出部２４と、検出部で検出される物理量に基づき試料の表面情報を測定する測定部と、移動機構を備え、移動機構によって探針と試料の相対的な位置関係を変化させ、試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用され、試料の表面の高低差の有無を検出する高低差検出工程と、この高低差検出工程で高低差を検出したとき、高低差の存する箇所で探針を移動させ低い側から高い側へ探針で試料表面の形状を測定する形状測定工程とを含み、高低差の存するいずれの箇所でも、探針の移動方向は低い側から高い側へまたは高い側から低い側へのいずれか一方に統一する方法である。
【選択図】図８

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡の探針制御の装置および方法に関し、特に、表面に凹凸形状を有する試料を探針で走査して測定するときに好適な走査型プローブ顕微鏡の探針制御の装置および方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、従来、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ている。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（ＳＴＭ）、原子間力を利用する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力を利用する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）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的課題であった。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造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上に作られた半導体デバイスの表面の微細凹凸形状において非常に急峻な凹凸の計測が必須になってきている。例えば、表面にライン・スペースパターンの形状を有する試料の当該段差部の傾斜や、ラインエッジラフネス等を高い精度で測定することが求められている。

上記において、「ライン・スペースパターン」とは、３次元の立体形状として、線（ライン）と溝（スペース）が交互に繰り返される格子状パターンのことを意味している。また「ラインエッジラフネス」とは、上記の線（ライン）を形成する表面凸部の縁部の滑らかさの程度を意味している。

凹凸形状を有する試料表面を計測する従来の技術として特許文献１に記載された走査型プローブ顕微鏡がある。この走査型プローブ顕微鏡では、探針で試料の表面を走査するとき、試料の凹凸表面に対して探針の表面方向での相対速度が一定になるように制御を行っている。これにより、試料表面の突部等における傾斜部の斜面における探針の追従不足を補っている。
特開２００２−１４０２４号公報

上記の特許文献１に開示される走査型プローブ顕微鏡による制御方式によれば、試料に対する探針の追従性不足に注目し、傾斜面の表面方向の線速度が一定になるように制御していた。しかしながら、試料表面から探針先端にかかる試料からの反力の方向は、試料表面の高低差からくる上がり・下がりの方向から成る試料の形状により異なる。このため、高い精度での計測を考えた場合には、上昇側と下降側のサーボの応答特性の違いが無視することができなくなっている。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、サーボ追従性からくる上り・下りの特性差を解消して計測精度を向上することができる走査型プローブ顕微鏡の探針制御の装置および方法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の探針制御の装置および方法は、上記の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の探針制御方法（請求項１に対応）は、試料に対向する探針を有する探針部と、試料と探針の間に作用する物理量を検出する検出部と、探針が試料の表面を走査するとき検出部で検出される物理量に基づき試料の表面情報を測定する測定部と、少なくとも２自由度を有する移動機構を備え、移動機構によって探針と試料の相対的な位置関係を変化させ、探針が試料の表面を走査しながら測定部によって試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用される方法であり、試料の表面の高低差の有無を検出する高低差検出工程と、この高低差検出工程で高低差を検出したとき、高低差の存する箇所で探針を移動させ低い側から高い側へ探針で試料表面の形状を測定する形状測定工程とを含み、高低差の存するいずれの箇所でも、探針の移動方向は低い側から高い側へまたは高い側から低い側へのいずれか一方に統一する方法である。

第２の走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法（請求項２に対応）は、上記の方法において、好ましくは、高低差検出工程は、探針が一定間隔で試料の表面に接近しながら走査移動するステップインモードで実行されることを特徴とする。

第３の走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法（請求項３に対応）は、上記の方法において、好ましくは、形状測定工程は、探針が試料の表面に接触した状態を維持しながら走査移動するコンタクトモードで実行されることを特徴とする。

第１の走査型プローブ顕微鏡（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、試料と探針の間に作用する物理量を検出する検出部と、探針が試料の表面を走査するとき検出部で検出される物理量に基づき試料の表面情報を測定する測定部と、少なくとも２自由度を有する移動機構を備え、移動機構によって探針と試料の相対的な位置関係を変化させ、探針が前記試料の表面を走査しながら測定部によって試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡であり、試料の表面の高低差の有無を検出し、高低差を検出したとき高低差の存する箇所で探針を移動させ試料表面の形状を測定し、高低差の存するいずれの箇所でも、探針の移動方向は低い側から高い側へまたは高い側から低い側へのいずれか一方に統一するように制御する制御手段を備えるように構成される。

本発明によれば次の効果を奏する。試料表面の高低差の形状測定では、高低差の存する箇所を検出し、検出した高低差の形状測定で上り方向または下り方向に測定方向を統一することにより、サーボ追従性からくる上り下りの特性差を解消することができ、計測精度を向上することができる。

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に基づいて、本発明に係る探針制御方法が適用される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の全体の構成を説明する。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。しかし、本発明が適用される走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡に限定されない。

走査型プローブ顕微鏡の下側部分には試料ステージ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軸から成る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は試料移動用移動機構であり、通常、試料側で変位（位置変化）を生じさせる粗動機構として構成されている。

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は試料固定用チャック機構を備えている。

試料ステージ１１では、具体的に、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（高さ方向）に試料１２を移動させる機構である。Ｚステージ１５はＸＹステージ１４上に設けられている。上記試料ステージ１１による移動距離については、ＸＹ方向には例えば数百ｍｍ、Ｚ方向には例えば数十ｍｍである。

図１で、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、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・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における支持フレーム２５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微動機構の部分に取り付けられている。ＸＹ微動機構はＸ微動機構２９とＹ微動機構３０によって構成される。ＸＹ微動機構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、また図示していない光学ミラーを使用してＺ軸方向の変位を相殺することによりカンチレバー２１とカンチレバー変位検出部２４の光学的位置関係は不変である。

上記において、Ｚ微動機構２３とＸ微動機構２９とＹ微動機構３０は、通常、圧電素子で構成されている。Ｚ微動機構２３とＸ微動機構２９とＹ微動機構３０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（例えば数オングストローム（Å）〜１０μｍ、最大１００μｍ）の変位を生じさせる。特に、Ｚ軸方向には、数十μｍである。上記のＹ微動機構３０はさらに図示しないフレーム機構に取り付けられている。

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、通常、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、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、第１制御装置３３、第２制御装置３４が設けられる。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手段は、第１制御装置３３においてソフト的に実現される。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る。さらに、第２制御装置３４は上位の制御装置である。

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手段は、次の通り構成される。力フィードバック信号処理部４０等で、光検出器２７から出力される電圧信号（信号ｓ１）を入力し、この信号と予め設定された基準電圧とを比較し、その偏差信号を出力する。内部の偏差制御手段で、当該偏差信号が０になるように制御信号（ｓ２等）を生成し、この制御信号をＺ微動機構２３等に与える。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。例えば、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、例えばＺ軸方向については、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。

Ｘ微動機構２９およびＹ微動機構３０については、それぞれの変位計をフィードバック信号として一般的なフィードバックサーボ制御ループが形成される。図１で、信号ｓ３はＸ走査信号であると共に上記Ｘフィードバック信号である。また信号ｓ４はＹ走査信号であると共に上記Ｙフィードバック信号である。

次に第１制御装置３３は、走査型プローブ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、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。

原則的に、Ｚ微動機構２３について、上記のフィードバックサーボ制御ループに基づき得られる制御信号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。制御信号ｓ２はＺ移動制御部４４から与えられる。

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、Ｘ微動機構２９とＹ微動機構３０を駆動することにより行われる。Ｘ微動機構２９の駆動制御は、Ｘ微動機構２９に対してＸ走査信号を提供しかつＸフィードバック信号を受けるＸ移動制御部４５によって行われ、Ｙ微動機構３０の駆動制御は、Ｙ微動機構３０に対してＹ走査信号を提供しかつＹフィードバック信号を受けるＹ移動制御部４９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。

特に本実施形態の場合には、自動計測において、試料１２の表面の凹凸形状部で高低差（段差）が存する箇所を検出し、当該高低差の存する部分の斜面に対して探針の送り方向または戻し方向における移動を変更制御して当該高低差の部分の試料表面の形状を測定する計測プロセスを含んでおり、探針の送り方向等の位置・姿勢等を自動的に変化させて斜面部を上り方向または下がり方向に移動する測定を行うためのプログラムを備えている。

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、移動方向の設定と計測条件など、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Ｘ微動機構２９とＹ微動機構３０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Ｘ微動機構２９に対してＸ微動に係るＸ走査信号ｓ３を与え、かつＹ微動機構３０に対してＹ微動に係るＹ走査信号ｓ４を与えることによって行われる。Ｘ微動に係る走査信号ｓ３は第１制御装置３３内のＸ移動制御部４５から与えられ、Ｙ微動に係る走査信号ｓ４は第１制御装置３３内のＹ移動制御部４９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Ｘ微動機構２９とＹ微動機構３０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Ｘ微動機構２９とＹ微動機構３０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。Ｘ微動機構２９とＹ微動機構３０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以上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２ ０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。

上記のごとき走査型プローブ顕微鏡は、例えば、半導体デバイス（ＬＳＩ）のインライン製作装置の途中段階で基板（ウェハ）の検査を行う自動検査工程として組み込まれる。

図２に基づいて光てこ式光学的検出装置による変位検出の原理を説明する。上記カンチレバー２１は、先端の探針２０に作用する原子間力等に基づいて例えばＨＡ１方向とＨＢ１方向のいずれか一方または両方に変位が生じる。その結果、カンチレバー２１に撓みや捩れ等の変形が生じる。カンチレバー変位検出部２４において、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の背面に照射され、当該背面で反射されて光検出器２７に入射される。図２で、２７ａは受光面を示すものとする。初期条件では、探針２０に力が加わっていない状態で反射レーザ光２８の光検出器２７の受光面２７ａでの入射スポット位置を記憶しておく。その後、カンチレバー２１の変形による光検出器２７の受光面２７ａでの当該スポット位置の移動方向を捉えることによって探針２０に加わった力の大きさと方向を精度よく検出することができる。例えば図２で、探針２０にＨＡ１方向の力が加わったときには、光検出器２７の受光面２７ａでＨＡ２方向のスポット位置の変化を捉えることができる。また探針２０にＨＢ１方向の力が加わったときには、同受光面２７ａでＨＢ２方向のスポット位置の変化を捉えることができる。ＨＡ１方向の力を捩れ方向力といい、ＨＢ１方向の力を撓み方向力という。

なお試料表面から探針２０に加わる原子間力等を検出する方式には、上記の光てこ式光学検出装置の他、光干渉などの光学的原理、あるいはカンチレバーに付設された歪み検出素子を利用する方式がある。

次に、図３〜図５を参照して、本実施形態による走査型プローブ顕微鏡の自動計測における特徴的な探針制御の装置構成および方法を説明する。

この探針制御では、試料１２の表面で高低差（段差）が存する箇所を検出したとき、高低差の存する箇所の傾斜部での探針の位置・姿勢の制御方法である。

図３は試料１２の表面の凸部斜面に沿って探針２０が上って行く時の探針制御の仕方を示し、図４は図３に示した探針送り制御時の送り方向（移動方向）の制御方法を実施するための制御ブロックを示し、図５は図３に示した探針送り制御時の押し付け方向の制御方法を実施するための制御ブロックを示す。

本実施形態に係る探針制御方法では、例えば、ウェハの表面上で規則正しい周期的パターンとして形成された凹凸領域の凸部の送り方向の登りの傾斜部での探針の位置制御の仕方を説明する。特に、ウェハ表面上に形成されたライン・スペースパターンの段差部の傾斜や、溝のラインエッジラフネスを正確に測定する観点で、重要な探針位置制御の仕方を説明する。

図３において、探針２０は、カンチレバー２１の先端側から見た図を示している。探針２０およびカンチレバー２１に関係する周辺の構造部分の図示は省略する。また探針２０は計測に必要な十分な長さを有する。

また図３では、探針２０は、初期に試料１２の表面から離れた位置（Ｐｎ）にあって、試料表面に接近し、さらに試料表面に接触した状態で図３中左側から右側へ移動しているものとする。

さらに図３で、試料１２の表面における水平部１２ａは試料表面の凸部の下側の平坦領域であり、傾斜部１２ｂは凸部（段差部）が形成される下部分が途中まで示されている。なお水平部１２ａは凹部の底を示している。

傾斜部１２ｂの傾斜面はほぼ９０°に近いものであるが、図３では所定の傾斜角を有するように描かれている。

試料１２の表面において、水平部１２ａから傾斜部１２ｂに移行する過渡的な場所では、力フィードバック信号に基づいて、探針２０の走査の領域が傾斜部１２ｂの傾斜面であるということが判明した段階で、探針２０の送り方向の移動の仕方に関する制御が変更される。

すなわち、図３に示された試料１２の表面の任意の傾斜部１２ｂを含む箇所の測定について、探針２０を試料表面に対して接近させ、接触させながら走査移動させる。このとき、図３に示された探針２０の移動の順序（１）〜（３）（以下では移動（１）〜（３）という）に従って、探針２０の位置は、Ｐ_ｎ，Ｐ_ｎ＋１，Ｐ_ｎ＋２，Ｐ_ｎ＋３と変化していく。探針２０の位置Ｐ_ｎは探針の初期位置である。

上記の探針２０の移動動作の制御手順について説明する。この制御手順を実現する装置機能として第２制御装置３４によって実現される制御ブロックを図４と図５に示す。

図４に示す送り方向制御の制御ブロックにおいて、ここではＸ軸方向に送るとすれば、微動機構４０１は前述のＸ微動機構２９の機構部分である。捩れ力検出部４０２は前述の光てこ式光学検出装置から成る部分である。捩れ力検出部４０２から出力される力フィードバック信号は上記の信号ｓ１に含まれる信号である。変位検出部４０３は、図示しないＸ軸変位計の部分である。変位検出部４０３から出力される位置フィードバック信号は上記の信号ｓ３に含まれる信号である。制御ブロックでは、力フィードバック信号に対して捩れ力目標値が設定され、演算器４０４でその差が求められる。ここでは、探針を試料に押付けながら接触状態で送ったときに捩れる方向を＋としている。また位置フィードバック信号に対しては位置目標値が設定され、演算器４０５でその差が求められる。

演算器４０４で得られた信号は変換部４０６−１を経由してを経由して加算器４０８に与えられる。演算器４０５で得られた信号は、そのままあるいは図示しないが適当なゲインを乗じて加算器４０８に与えられる。変換部４０６−１は、不感帯処理と、目標より大きく捩れたときに送り速度を減じる処理を行う。加算器４０８から出力される信号４０９は、第１のＰＩＤ制御部４０７を経由して走査信号として、アンプ４１０を経て適宜に微動機構の圧電素子４１１に供給され、微動機構４０１を動作させる。

図５に示す押し付け方向制御の制御ブロックにおいて、図４で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付し、説明を省略する。ここでは、押付け方向としてＺ軸方向を想定しており、微動機構４０１は前述のＺ微動機構の機構部分である。この制御ブロックでは、撓み力検出部４１２を含む。この撓み力検出部４１２も前述の光てこ式光学検出装置から成る部分である。撓み力検出部４１２から出力される力フィードバック信号は上記の信号ｓ１に含まれる信号である。この制御ブロックでは演算器４１３が設けられる。演算器４１３では、撓み力検出部４１２から出力される力フィードバック信号に対して、撓み力目標値が基準値として与えられている。演算器４１３では、撓み力目標値と上記力フィードバック信号との偏差が算出される。演算器４１３から出力される偏差に係る信号は加算器４０８に入力され、第２のＰＩＤ制御部４１４を経由してアンプ４１０に入力される。変換部４０６−２は不感帯処理と、目標を大きく捩れたときには撓み力を軽減し捩れが少ないときには撓み力を増加する処理を行い、針の撓みによる姿勢を一定に保つ。

図４に示した送り方向制御ブロックによる制御と、図５に示した押し付け方向制御ブロックによる制御は、そのいずれか一方あるいは両方が使用される。

図４に示した送り方向制御ブロックによる制御と、図５に示した押し付け方向制御ブロックによる制御とに基づいて、図３に示した探針２０の移動（１）〜（３）が実行される。

次に、図３に戻って探針２０の移動を説明する。

移動（１）：計測開始接近位置Ｐ_ｎから探針２０を試料１２に接近させる。試料表面から離れた状態にある探針２０を原子間力が作用する程度に接近させる移動動作は、通常は、この移動ではＺ微動機構２３が動作させられる。第１制御装置３３のＺ移動制御部４４からＺ走査信号を試料接近方向に発生させる。試料表面に探針が接触すると、撓み方向の力がカンチレバー２１にかかり、反力ｆｂを検出し、これを一定量に制御して位置Ｐ_ｎ＋１で停止する。

次に、捩れ方向の力が規定値以上にないことを確認し、探針２０の先端の位置を、このときの変位量（位置）をＺフィードバック信号で検知して、表面位置を記録する。この際に、撓み方向と捩り方向の力の量からカンチレバー２１と探針２０の変形量を加味してもよい。

移動（２）：次に探針２０を、試料表面１２ａ上において、反力ｆｂを検出した状態を保ちながら、送り方向に移動させる。それにより、当該移動に伴って摩擦力により捩れ力ｆｔが検出される。

探針２０が段差開始位置Ｐ_ｎ＋２に到達すると、凸部の傾斜部１２ｂの斜面による反力方向が変化する。これにより探針２０における捩れ力が増大し、探針２０に捩れが生じる。

移動（３）：探針２０は傾斜部１２ｂの斜面に沿って上るように移動する。この移動の際、探針２０の捩れ力が増加した分に比例して、探針２０の移動速度を減少する。これにより、位置Ｐ_ｎ＋３では探針２０の捩れが解消し、これにより探針２０の姿勢も元に戻り、正確な計測を行うことが可能となる。

上記の移動（３）において、反力方向の押し付け力を減少させてもよく、この場合も探針の捩れが解消する。なお、移動速度の減少と、反力方向の押し付け力の減少の両方を行ってもよい。

上記の移動（１）〜（３）の制御において、図４に示した制御ブロックの変換器４０６−１では、不感帯域処理が行われ、その後で送り速度のフィードバックループに戻している。これによって、移動（３）のように、探針２０の移動において探針２０が大きく捩れた状態が発生したときには、探針２０の送り速度を減少させることができる。

また図５に示した制御ブロックの場合に、変換器４０６−２での不感帯処理により、撓み力のフィードバックループに戻している。これによって、探針２０が大きく捩れたときには、押し付け力を減少させることができる。

図６に、切欠き付きのカンチレバー６１を示す。カンチレバー６１の長手方向の両側側片にはそれぞれ切欠き６２が形成されている。この切欠き６２によって、カンチレバー６１に捩れが生じやすいようになっている。捩れ方向の力を積極的に利用するため、このような構造を採用することにより、通常的に使用するカンチレバーに対して捩れ方向の力の検出感度を上げることが好ましい。

以上のごとく、試料表面に高低差（段差）が存し、当該高低差の存する箇所の形状を測定する場合、傾斜部での探針の走査移動で上記のような探針の位置・姿勢の制御が実行される。この探針の位置・姿勢の制御を基礎にして、ライン・スペースパターンの段差部の傾斜や、溝のラインエッジラフネスの測定が実行される。

次に、上記の構成および動作機能を有する走査型プローブ顕微鏡に基づく探針制御の方法を図７〜図９を参照して説明する。

図７は、試料１２の表面の凹部７１と凸部７２が繰り返し形成された領域７３において左段差（左側高低差）を検出する状態と工程を示している。探針２０は、走査時、試料表面の凸部７２によりも高い位置に配置され、送り方向に移動しながら一定間隔で試料１２の表面に接近して接触し、その後退避するというステップインモードで移動している。図７では、接近・退避を行う測定点の例としてＡ，Ｂ，Ｃが示されている。さらに図７では、探針２０の移動軌跡として順番に移動ステップＳＴ１〜ＳＴ８が示されている。この探針２０の走査移動に基づく測定によれば、測定点であるＢとＣの間に有意な上り段差（左段差）を検出することができる。

図８では、左段差の形状測定の状態および工程と、凸部７２の右段差（右側高低差）を検出する状態および工程とを示している。図７に示した検出工程で有意な左段差を検出したため、図８では、移動ステップＳＴ９によりＢ点上空まで探針２０が戻される。その後、移動ステップＳ１０で探針２０を試料表面に接近させ、探針２０の先端が試料表面に接触する状態にする。その後の移動ステップＳＴ１１では、図３で説明した探針移動による斜面部の形状測定方法に基づき凸部７２の左段差の斜面の形状を細かく測定する。この場合の形状測定は、左段差において低い側から高い側へ探針２０を移動させ、かつ試料表面の形状になぞってコンタクトモードによる測定となっている。移動ステップＳＴ１１で探針２０がＣ点まで到達すると、その時点で移動ステップＳＴ１２に示すごとく探針２０を上空に持ち上げる。これにより、凸部５２の左段差の形状の測定が終了する。その後は、移動ステップＳＴ１３〜ＳＴ１８に示されるように、測定点Ｄ，Ｅでステップインモードによる測定を継続して行う。移動ステップＳＴ１３〜ＳＴ１８による測定で凸部７２の右段差が検出される。

上記の移動ステップＳＴ１７で有意な右側面の下り段差が検出されたため、図９に示すごとくその後の移動ステップＳ１９，ＳＴ２０を実行し、移動ステップＳＴ２０で段差の検出されなかったＣ点まで図３で説明した測定方法で戻る。すなわち移動ステップＳＴ２０では、図３で説明した探針移動による斜面部の形状測定方法に基づき凸部７２の右段差の斜面の形状を細かく測定する。この場合の形状測定でも、右段差において低い側から高い側へ探針２０を移動させ、かつ試料表面の形状になぞってコンタクトモードによる測定となる。

その後、移動ステップＳＴ２１，ＳＴ２２を実行して探針２０をＦ点まで移動させる。

以上によって、試料１２の表面における段差（高低差）が存する箇所、すなわち凸部７２の左右の段差を検出し、当該段差の斜面形状の測定が実行される。

なお前述の実施形態の説明では、凸部７２の左右の段差の形状測定で低い側から高い側へ探針２０を移動させたが、その代わりに、高い側から低い側へ探針２０を移動させることも可能である。

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、半導体デバイスが作られるシリコンウェハ等の試料の表面形状を計測する原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡で、探針移動を制御するとき力フィードバック制御を利用して試料表面に対する探針の移動を適宜に制御し、試料表面の高低差の箇所を検出し、その後その形状測定の精度を高めるのに利用される。

本発明に係る探針制御方法が実行される走査型プローブ顕微鏡の測定部と制御部の全体的な装置構成を示す構成図である。 走査型プローブ顕微鏡におけるカンチレバーおよび探針と光てこ式光学検出装置の関係を示す説明図である。 本発明の実施形態に係る探針制御方法での探針の走査・測定動作の例を説明するための図である。 本実施形態に係る探針制御方法を実施するための探針送り方向の制御ブロックを示すブロック図である。 本実施形態に係る探針制御方法を実施するための探針押し付け方向の制御ブロックを示すブロック図である。 カンチレバーの他の変形例を示す斜視図である。 試料表面の高低差を検出する工程を示す図である。 試料表面で検出した左段差の表面形状を測定する工程と右段差を検出する工程とを示す図である。 試料表面で検出した右段差の表面形状を測定する工程を示す図である。

符号の説明

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
２０ 探針
２１ カンチレバー
２３ Ｚ微動機構
２９ Ｘ微動機構
３０ Ｙ移動機構
３３ 第１制御装置
３４ 第２制御装置

Claims (4)

1. 試料に対向する探針を有する探針部と、前記試料と前記探針の間に作用する物理量を検出する検出部と、前記探針が前記試料の表面を走査するとき前記検出部で検出される前記物理量に基づき前記試料の表面情報を測定する測定部と、少なくとも２自由度を有する移動機構を備え、前記移動機構によって前記探針と前記試料の相対的な位置関係を変化させ、前記探針が前記試料の表面を走査しながら前記測定部によって前記試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡に適用される探針制御方法であり、
   前記試料の表面の高低差の有無を検出する高低差検出工程と、
   前記高低差検出工程で前記高低差を検出したとき、前記高低差の存する箇所で前記探針を移動させ低い側から高い側へ前記探針で試料表面の形状を測定する形状測定工程と、を含み、
   前記高低差の存するいずれの箇所でも、前記探針の移動方向は低い側から高い側へまたは高い側から低い側へのいずれか一方に統一することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法。
2. 前記高低差検出工程は、前記探針が一定間隔で前記試料の表面に接近しながら走査移動するステップインモードで実行され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の探針制御方法。
3. 前記形状測定工程は、前記探針が前記試料の表面に接触した状態を維持しながら走査移動するコンタクトモードで実行されることを特徴とする請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡の探針制御方法。
4. 試料に対向する探針を有する探針部と、前記試料と前記探針の間に作用する物理量を検出する検出部と、前記探針が前記試料の表面を走査するとき前記検出部で検出される前記物理量に基づき前記試料の表面情報を測定する測定部と、少なくとも２自由度を有する移動機構を備え、前記移動機構によって前記探針と前記試料の相対的な位置関係を変化させ、前記探針が前記試料の表面を走査しながら前記測定部によって前記試料の表面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、
   前記試料の表面の高低差の有無を検出し、前記高低差を検出したとき前記高低差の存する箇所で前記探針を移動させ試料表面の形状を測定し、前記高低差の存するいずれの箇所でも、前記探針の移動方向は低い側から高い側へまたは高い側から低い側へのいずれか一方に統一するように制御する制御手段を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針制御装置。

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