JP2009125898A - 微小加工装置用プローブおよび微小加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体集積回路の形成に用いるフォトマスクの加工修正など、ごく微小な加工に使用される微小加工装置用プローブおよび微小加工装置を提供する
【解決手段】 カンチレバー２２と、カンチレバー姿勢維持機構３０とカンチレバー２２の基端部を先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備え、カンチレバー２２の先端には、尖鋭化された探針部２１がカンチレバー２２上から突出して設けられている微小加工装置用プローブとした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体集積回路の形成に用いるフォトマスクの加工修正など、ごく微小な加工に使用される微小加工装置用プローブおよび微小加工装置に関する。

一般に、半導体集積回路は、シリコンなどのウエハ等の基板上にフォトリソグラフィを用いて回路パターンを形成することによって作製される。

具体的には、シリコンなどのウエハに回路を焼き付けるため、ウエハ上にフォトレジストを塗布することによりフォトレジスト層を形成する。ここで、フォトレジストは光によって反応する化学物質を溶媒に溶かしたもので、現像時に感光した部分が溶解するポジタイプと、感光した部分が残るネガタイプのものがある。このフォトレジスト層に対して投影型露光装置を用いてフォトマスクのパターンを投影露光する。ここで、フォトマスクは、たとえば石英などからなる基板の表面のうち、露光パターンを構成する領域を除いた他の領域を、金属薄膜や酸化物薄膜等の薄膜からなるいわゆる遮光パターンで覆ったものであり、基板が露出している領域、いわゆる透光パターンのみ露光光の透過を許容するものである。

このようにして、フォトレジスト層のうち所定の領域のみ感光させて、現像することでフォトレジスト層のうち不要部分のみを除去可能とする。そして、フォトレジスト層の不要部分を除去した状態、すなわち基板表面を所定のパターンのフォトレジスト層によって覆った状態で、各種の処理を施すことにより基板上に所望の形状の回路パターンを形成する。

近年、半導体集積回路の高集積化が進んだことにより、ステッパーと呼ばれる縮小投影型露光装置を用いることで、フォトマスクのパターンを投影レンズにより1/4〜1/5に縮小して露光するタイプのものが主流となってきており、フォトリソグラフィに用いるフォトマスクのパターンもより微細化が進んでいる。

上記のように、フォトマスクのパターンは基板上に形成する回路パターンの原型であるので、フォトマスク上のパターンに欠陥が存在すると、この欠陥が基板上に形成される回路パターンに反映されてしまうことが、歩止まりを悪化させる原因となる。

このため、フォトマスクは、フォトリソグラフィに用いる前に、欠陥検査装置によって欠陥の有無や欠陥の位置が調べられ、欠陥が存在する場合には欠陥修正装置による欠陥修正が行われる。前述のように、近年はフォトマスクのパターン自体も微細化が進んでいるため、欠陥修正装置には、より微細な加工に対応することが求められている。

ここで、フォトマスクのパターンの欠陥としては、本来遮光されるべき部分に遮光パターンが存在しないという、いわゆる白欠陥と、本来透光されるべき部分に遮光パターンが形成されているという、いわゆる黒欠陥とがある。

ここで、黒欠陥の修正方法としては、例えば、レーザ光を用いて黒欠陥を加熱して蒸発させることによって黒欠陥を除去する方法（例えば、特許文献１参照）、あるいは、液体金属Ｇａ（ガリウム）イオン源を用いた収束イオンビーム装置によって、黒欠陥に収束イオンビームを照射することで黒欠陥をスパッタリングして除去したり、アシストガス雰囲気下で黒欠陥に収束イオンビームを照射することで黒欠陥をエッチングして除去したりする方法（例えば、特許文献２参照）、あるいは、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等のプローブ顕微鏡の探針によって黒欠陥を擦って削り落とす方法（例えば、特許文献３参照）があげられる。
特開２０００−１５５４０９号公報（段落［０００２］〜［０００５］，及び図２） 特開平３−１５０６８号公報（第２頁左上欄第６行〜第２頁右下欄第６行，及び図２） 特開２００３−４３６６９号公報（段落［００１６］〜［００１７］，及び図１）

しかし、特許文献１のように、レーザ光を用いて黒欠陥を除去する手法では、レーザ光による加熱によってフォトマスクのパターンの加工エッジ部に歪みが生じ、加工後の形状が良好でなくなる場合がある。また、レーザ光の収束径には、回折現象に由来する限界があり、微細加工は困難という課題がある。

また、特許文献２のように、収束イオンビームを用いて黒欠陥を除去する手法では、フォトマスクのパターンが高密度化するにつれて、修正した黒欠陥周辺にエッチングされたパターンの材料の再付着が起こりやすくなる。この再付着物質は、フォトマスクの洗浄等を行っても容易に除去できない場合があり、この場合には、欠陥修正箇所周辺における石英基板の光透過率が低下してしまい、フォトレジスト層の露光を良好に行うことができなくなる可能性がある。

また、この手法では、イオン源として用いたＧａのイオンがフォトマスクの石英基板に打ち込まれてガリウムステインを生じさせてしまうことや、黒欠陥周辺部の石英基板に対してもＧａイオンが照射されることでスパッタリングを生じさせてしまうことにより欠陥修正箇所周辺における石英基板の光透過率を低下させてしまう場合がある。

特許文献３のように、プローブ顕微鏡の探針によって黒欠陥を擦って削り落とす手法では、上記特許文献１，２に記載の技術が有する問題は生じず、フォトマスクにダメージを与えずに、黒欠陥も除去することが可能である。しかしながら、本方法では、欠陥除去のための加工時には、プローブに観察時と比較して大きな荷重をかけて欠陥をスクラッチするため、プローブを構成するカンチレバー自体がスクラッチする方向にねじれてしまうことで探針部の位置が加工のたびにぶれてしまい、結果として加工部の精度が悪くなってしまう場合がある。また、微細な加工も困難となる。ねじれを防止するためにカンチレバーを硬く形成することが考えられるが、その場合、観察時にフォトマスクの欠陥以外の部分にダメージを与えてしまう可能性がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、フォトマスクにダメージを与えず、微小加工を精度よく施すことができる微小加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。

本発明の微小加工装置用プローブは、カンチレバーと、前記カンチレバーの先端に設けられ、先鋭化された探針部と、前記カンチレバーの近傍に設けられたカンチレバー姿勢維持機構とを有している構造とした。例えば、前記カンチレバー姿勢維持機構は、前記カンチレバーの幅方向両側のそれぞれにおいて該カンチレバーの下面に対向するように、前記カンチレバーの長手方向に沿って延びているようにしてもよい。

上記発明に係る微小加工装置用プローブによれば、フォトマスクなどの被加工物における欠陥部特定など観察の際には、プローブを被加工物に押し付けることなく動作させるため、カンチレバーはカンチレバー姿勢維持機構と接触しない状態となる。つまり、この状態においては、被加工物にダメージを与えることなく観察することが可能である。通常の加工の際にはプローブを欠陥部に押し付けることにより、カンチレバーが撓むことで近傍に設けられたカンチレバーとカンチレバー姿勢維持機構と接触することでカンチレバーのねじれが防止できるため、探針部の位置が安定し、精度の高い加工が可能となる。

さらに、本発明の微小加工装置用プローブは、上記微小加工装置用プローブにおいて、カンチレバーの基端部に撓み易い応力集中部を有する構成とした。

この発明に係る微小加工装置用プローブによれば、カンチレバー姿勢維持機構の働きにより、加工時には大きな荷重をかけて加工を行ってもカンチレバーの安定した動作を可能とするため、観察時などカンチレバー姿勢維持機構と接触しない状態で動作させる場合においてはカンチレバーの基端部に撓み易い応力集中部が設けられていることにより、カンチレバーをバネ定数の低いやわらかい状態に形成しておくことを可能とし、被加工物にダメージを与えることなく高精度に観察することを可能とする。

また、本発明の微小加工装置は、前述した微小加工装置用プローブと、探針部を試料の被測定面に接近させて試料表面を走査することにより試料表面形状に応じて変位する探針部の変位データを検出する変位検出手段と、探針部を試料表面に平行で互いに直交する二方向及び試料表面に垂直な方向に試料に対して相対的に移動させる移動手段を備える構成とした。

この発明に係る微小加工装置によれば、凹凸を表面に有する試料表面の微小領域の形状を感度良く測定し、また、観察の結果特定した修正部位を精度よく加工することができる。

また、本発明の微小加工装置用は、探針部を任意の周波数で共振または強制振動させる加振手段を備え、変位検出手段は、探針部の振動状態を検出する構成とした。

この発明に係わる微小加工装置用によれば、ＤＦＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｏｄｅ）などのカンチレバーを振動させて試料の表面形状を測定する場合において、カンチレバーの共振周波数が高まり、試料との相互作用を感度良く測定することができる。

また、本発明の微小加工装置用プローブは、変位検出手段が、カンチレバー内に設けられた変位検出部に接続されている構成とした。さらには、変位検出部はピエゾ抵抗素子であることとした。

この発明に係る微小加工装置用プローブによれば、カンチレバーにレーザ光を反射させる反射面を設ける必要がないので、カンチレバーの形状に制限を受ける必要がなく、プローブの設計の自由度が向上し、製造し易い。また、レーザ光源等の大がかりな装置が不要なので、装置コスト及び装置スペースの削減を図ることができる。

本発明によれば、被加工物にダメージを与えず、かつ高精度に微小加工を施すことができる。

以下に本願発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１から図６は、この発明に係る第１の実施形態を示している。図１に微小加工装置のブロック図を示す。図２にプローブの斜視図、図３から図６には部分断面図を示す。

図１に示すように、微小加工装置１は、試料１００を支持する試料支持部９と、試料１００を移動させる試料移動手段３と、試料移動手段３によって試料１００の試料上面Ｓ上を相対的に走査される探針部２１を有するプローブ２０と、プローブ２０の探針部２１をカンチレバー２２が共振または強制振動する周波数で振動させる加振手段５００とを備えている。プローブ２０は、探針部２１が先端に突出して設けられるカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部を、該カンチレバー２２の先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備えている。なお、図１及び図２では、カンチレバー２２の上面が下向きとなるように図示されている。

試料移動手段３は、試料支持部９を支持し、試料上面Ｓに平行で互いに直交する２方向であるＸ、Ｙ方向及び試料上面Ｓに垂直な方向であるＺ方向に試料を移動させるものであり、試料移動手段３を駆動させる駆動装置４に接続されている。より詳しくは、試料移動手段３は、試料１００をＸ、Ｙ、Ｚ方向に粗動移動させる粗動機構と、微小移動させるＸＹスキャナ及びＺスキャナとで構成される。粗動機構に対応する駆動装置４としては、例えばステッピングモータなどである。また、ＸＹスキャナ及びＺスキャナに対応する駆動装置４としては、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であり、電圧が印加されると電圧印加量及び極性等に応じて試料１００をＸＹＺ方向に微小移動させることが可能である。また、加振手段５００は、プローブ２０に接続され所定の周波数及び振幅で振動するようにプローブ２０を加振するＰＺＴからなる圧電素子であり、圧電素子に電圧を印加して圧電素子を振動させる加振電源５に接続されている。

さらに、図１に示すように、微小加工装置１は、加振手段５００によって加振されたプローブ２０の探針部２１の振動状態を検出する変位検出手段６を備える。変位検出手段６からプローブ２０のカンチレバー２２の反射面にレーザ光を照射させる。カンチレバー２２は加振手段５００から伝達される振動によって上下に振動し、これによりカンチレバー２２で反射され変位検出手段６のフォトダイオードで検出されるレーザ光は一定の振幅及び周波数の振動波形を形成する。この状態で、コンピュータ７による制御のもと、駆動装置４を駆動させて、試料１００をＸ、Ｙ方向に走査させて試料１００の表面形状を測定する。

このように構成される微小加工装置１では、まず、微小加工装置１をプローブ顕微鏡として利用して試料１００の表面Ｓを観察し、試料１００の欠陥の有無や欠陥の存在場所を調べる。

具体的には、まず、コンピュータ７による制御のもとに加振電源５で加振手段５００を振動させるとともに、変位検出手段６からプローブ２０のカンチレバー２２の反射面にレーザ光を照射させる。カンチレバー２２は加振手段５００から伝達される振動によって上下に振動し、これによりカンチレバー２２で反射され変位検出手段６のフォトダイオードで検出されるレーザ光は一定の振幅及び周波数の振動波形を形成する。この状態で、コンピュータ７による制御のもと、駆動装置４を駆動させて、試料１００をＸ、Ｙ方向に走査させて試料１００の表面形状を測定する。

プローブ２０の探針部２１が走査された位置に凹凸があると、変位検出手段６のフォトダイオードで検出されるレーザ光の振動振幅が減衰される。この振動振幅は、ＤＩＦ信号としてプリアンプで増幅され、交流−直流変換器によって直流変換され、コンピュータ７に入力される。コンピュータ７には前述のＺ電圧フィードバック回路が備えられており、ＤＩＦ信号化された振動振幅がしきい値を超えた場合、入力されたＤＩＦ信号に基づいて駆動装置４を駆動させ、振動振幅がしきい値内で一定となるように試料移動手段３をＺ方向に移動し、調整する。これを駆動装置４によって試料１００をＸ、Ｙ方向に移動させて、繰り返すことによって試料１００の表面形状の測定を行う。

この試料１００の表面形状の測定結果は、試料１００のＸ、Ｙ方向の走査位置とともにコンピュータ７によって表示される。

上記試料１００の欠陥の有無や欠陥の存在場所を調べる観察工程にて、試料１００に黒欠陥が発見された場合には、加工を行って、黒欠陥を削り取る。

加工工程では、駆動装置４を駆動させ、試料移動手段３をＺ方向に移動し、黒欠陥に対して試料１００の欠陥の有無や欠陥の存在場所を調べて観察する際の圧力よりも強い所定の圧力で当接させる。これを駆動装置４によって試料１００をＸ、Ｙ方向に移動させて、繰り返すことによって試料１００の表面の黒欠陥を削り取る。

そして、ある程度切削加工を行ったのち、再度試料１００の加工領域を観察して、黒欠陥の除去状態を観察する。そして、修正状況により再度加工工程以降の工程を繰り返し、黒欠陥を完全に除去して、試料１００の加工を終了する。

次に、このような微小加工装置１に搭載されるプローブ２０の詳細の構成について説明する。

図２はプローブ２０の要部を示す部分斜視図である。

図２に示すように、プローブ２０は、カンチレバー２２と、カンチレバー姿勢維持機構３０と、カンチレバー２２の基端部を先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備えている。また、カンチレバー２２の先端には、尖鋭化された探針部２１がカンチレバー２２の上面から突出して設けられている。カンチレバー姿勢維持機構３０は、カンチレバー２２の幅方向両側のそれぞれにおいて該カンチレバー２２の下面に対向するように、カンチレバー２２の長手方向に沿って延びるとともに片持ち状態で本体部２３に一体的に固定されている。カンチレバー姿勢維持機構３０は、前述した加工時にカンチレバー２２が撓んだときに、カンチレバー２２の下面における幅方向両側に接触してこれを拘束するための拘束部３１を有している。なお、図２における拘束部３１は、カンチレバー２２の下面に対して傾斜する傾斜面として形成されている。

プローブ２０のカンチレバー２２及び本体部２３とカンチレバー姿勢維持機構３０とは、例えばシリコン基板から形成されている。探針部２１は、例えばシリコンあるいは窒化シリコンあるいはそれらを基材とし、その表面にダイヤモンドなどの硬質コーティングを施したものである。あるいはダイヤモンドにより作製した探針部２１をカンチレバー２２に接合、接着して形成してもよい。

また、図３は本実施形態に係るプローブ２０の観察時と加工時を示した部分断面図である。

図３（ａ）に示すように観察時にはカンチレバー２２はカンチレバー姿勢維持機構３０に干渉しない状態で動作する。加工時には図３（ｂ）に示すようにカンチレバー２２がカンチレバー姿勢維持機構３０に接触した状態で動作することにより加工時にカンチレバー２２がねじれてしまうことを防止できるため、探針部２１の位置がぶれることを防止でき、探針部２１が安定して黒欠陥を加工することを可能とする。

また、図４は、本実施形態に係るプローブの変形例を示す部分断面図であり、カンチレバー姿勢維持機構の形状の変更例を示したものである。図４におけるカンチレバー姿勢維持機構３０の拘束部３１は、カンチレバー２２の下面に対して傾斜する傾斜面に段差が形成されることにより、カンチレバー２２の下面に対して略平行な面として形成されている。動作については図３において示したものと同様であるので説明は省略する。

また、図５は、本実施形態に係るプローブの変形例を示す部分断面図であり、カンチレバー姿勢維持機構の形状の変更例を示したものである。図５におけるカンチレバー姿勢維持機構３０の拘束部３１は、カンチレバー２２の下面に対して略垂直な面に段差が形成されることにより、カンチレバー２２の下面に対して略平行な面として形成されている。動作については図３において示したものと同様であるので説明は省略する。

また、図６は本実施形態に係るプローブの変形例を示す部分断面図である。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）ともまずカンチレバー姿勢維持機構３０ａをまず形成し、後のプロセスで例えば接合などの方法によりカンチレバー姿勢維持機構３０ｂをカンチレバー姿勢維持機構３０ａ上に形成することとした形成例を示したものである。本変形例によれば、カンチレバー姿勢維持機構３０ｂの形状およびカンチレバー２２とカンチレバー姿勢維持機構３０ｂとの間隙も制御しやすくなることから、精度の高い加工が可能なプローブの作製を容易に行うことが可能となる。

図７から図８は、この発明に係る第２の実施形態を示している。図７に微小加工装置のブロック図を示す。図８は本第２実施形態のプローブの要部を示す部分斜視図である。この第２実施形態において前述した第１実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図７に示すように、本実施の形態における微小加工装置２は、試料１００を支持する試料支持部９と、試料１００を移動させる試料移動手段３と、試料移動手段３によって試料１００の試料上面Ｓ上を相対的に走査される探針部２１を有するプローブ２０１と、プローブ２０１の探針部２１をカンチレバー２２が共振または強制振動する周波数で振動させる加振手段５００とを備えている。プローブ２０１は、探針部２１が先端の上面から突出して設けられるカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部を先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備えている。

試料移動手段３は、試料支持部９を支持し、試料上面Ｓに平行で互いに直交する２方向であるＸ、Ｙ方向及び試料上面Ｓに垂直な方向であるＺ方向に移動する試料移動手段３と、試料移動手段３を駆動させる駆動装置４とを備える。より詳しくは、試料移動手段３は、試料１００をＸ、Ｙ、Ｚ方向に粗動移動させる粗動機構及び微小移動させるＸＹスキャナ、及びＺスキャナとで構成される。粗動機構に対応する駆動装置４としては、例えばステッピングモータなどである。また、ＸＹスキャナ及びＺスキャナに対応する駆動装置４としては、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であり、電圧が印加されると、電圧印加量及び極性等に応じて試料１００をＸＹＺ方向に微小移動させることが可能である。また、加振手段５００は、プローブ２０１に接続され所定の周波数及び振幅で振動するようにプローブ２０１を加振するＰＺＴからなる圧電素子と、圧電素子に電圧を印加して圧電素子を振動させる加振電源５とを備える。

また、探針部２１の変位を測定する変位検出手段６０は、カンチレバー２２の基端部に備えられ、カンチレバーの撓みを検出するピエゾ抵抗素子により検出した抵抗変化に基づいて探針部の変位を測定するものとした。

図８はプローブ２０１の要部を示す部分斜視図であるが、微小加工装置２に搭載される向きと上下逆となるように記載されている。

図８に示すように、プローブ２０１は、尖鋭化された探針部２１と、探針部２１が先端の上面から突出して設けられたカンチレバー２２と、カンチレバー姿勢維持機構３０と、カンチレバー２２の基端部を先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備える。カンチレバー２２およびカンチレバー姿勢維持機構３０および本体部２３の表面（上面）には絶縁層２８が形成されている。絶縁層２８は、例えばＳｉＯ₂からなるシリコン酸化膜である。カンチレバー２２の基端部には、カンチレバーの撓みを検出するピエゾ抵抗素子４０がその一部を本体部２３に跨らせるようにして形成され、本体部２３にはピエゾ抵抗素子４０の抵抗変化を検出するためのピエゾ抵抗素子用電極配線４１及び４２が形成されている。ピエゾ抵抗素子４０は、例えば、シリコン基板にボロンをイオンインプラントすることで形成されている。また、本体部２３からカンチレバー２２の基端部までに亘って、カンチレバー２２の長手方向に延びる素リッド２４が形成されている。

図８に示すように、カンチレバー２２の基端部に、スリット２４が形成されている構造とすることにより、カンチレバー２２の基端部が撓み易い応力集中部となり、更に精度の高い測定を可能とする。

なお、本実施形態においては、探針部の断面形状を円形つまり円錐状の探針としたが、これに限られることはなく、四角形や半円形などいずれの形状でも良い。

本発明の第１の実施形態に係る微小加工装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係るプローブの要部を示す部分斜視図である。 本発明の実施形態に係るプローブの要部を示す部分断面図である。 本発明の実施形態に係るプローブの要部を示す部分断面図である。 本発明の実施形態に係るプローブの要部を示す部分断面図である。 本発明の実施形態に係るプローブの要部の変形例を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る微小加工装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの要部を示す部分斜視図である。

符号の説明

１、２ 微小加工装置
３ 試料移動手段
４ 駆動装置
５ 加振電源
５００ 加振手段
６０ 変位検出手段
７ コンピュータ
８ 温度特性検出手段
９ 試料支持部
１０ 電気特性検出手段
２０、２０１ プローブ
２１ 探針部
２２ カンチレバー
２３ 本体部
２４ スリット
３０、３０ａ、３０ｂ カンチレバー姿勢維持機構
３１ 拘束部
２８ 絶縁層
４０ ピエゾ抵抗素子
４１、４２ ピエゾ抵抗素子用電極配線
１００ 試料

Claims (7)

1. カンチレバーと、
   前記カンチレバーの先端に設けられ、先鋭化された探針部と、
   前記カンチレバーの近傍に設けられたカンチレバー姿勢維持機構とを有していることを特徴とする微小加工装置用プローブ
2. 前記カンチレバー姿勢維持機構は、前記カンチレバーの幅方向両側のそれぞれにおいて該カンチレバーの下面に対向するように、前記カンチレバーの長手方向に沿って延びていることを特徴とする請求項１に記載の微小加工装置用プローブ。
3. 前記カンチレバーの基端部に撓み易い応力集中部を有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微小加工装置用プローブ
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小加工用プローブと、
   前記探針部を試料の被測定面に接近させて試料表面を走査することにより試料表面形状に応じて変位する前記探針部の変位データを検出する変位検出手段と、
   前記探針部を前記試料表面に平行で互いに直交する二方向及び前記試料表面に垂直な方向に前記試料に対して相対的に移動させる移動手段と、
   を備える微小加工装置。
5. 前記探針部を任意の周波数で共振または強制振動させる加振手段をさらに備え、
   前記変位検出手段は、前記探針部の振動状態を検出する請求項４に記載の微小加工装置。
6. 前記変位検出手段が、前記カンチレバー内に設けられた変位検出部に接続されている請求項４または請求項５に記載の微小加工装置。
7. 前記変位検出部はピエゾ抵抗素子である請求項６に記載の微小加工装置。

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