JP2009156780A - 走査型プローブ顕微鏡、その測定順序決定方法、およびその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粘弾性特性を有する粗動Ｚ軸ステージを備えた走査型プローブ顕微鏡による測定で、スループットを下げることなく、クリープに起因する計測誤差を低減できる走査型プローブ顕微鏡、その測定順序決定方法、およびその測定方法を提供する。
【解決手段】この査型プローブ顕微鏡は、粘弾性特性を有する要素を含む粗動用Ｚ軸ステージ４２上に搭載された半導体ウェハ１１の測定エリアに含まれる複数の測定箇所（基端、中央、先端等）のを高さ位置を測定する顕微鏡検査装置（原子間力顕微鏡１０）であり、当該顕微鏡検査装置を完成した後に複数の測定箇所の各々のクリープ状態を事前に測定し、この測定結果に基づきクリープ量の小さい順に従って決められた複数の測定箇所の測定順序に従って測定を実行する制御部３０を備えるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡、その測定順序決定方法、およびその測定方法に関し、特に、試料の測定エリアに含まれる複数の測定箇所の表面形状を測定するときに、クリープによる計測誤差を低減するのに適した走査型プローブ顕微鏡、その測定順序決定方法、およびその測定方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、試料表面に探針を近づけた状態で探針を試料表面で走査し、試料と探針との間に作用する物理的作用（原子間力等）による信号を検出することにより、試料表面の微細構造を観察する装置である。この走査型プローブ顕微鏡はナノメートル（ｎｍ）以下の分解能を有し、検出する物理量により各種タイプの走査型プローブ顕微鏡がある。走査型プローブ顕微鏡の一つである原子間力顕微鏡は、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、半導体製造工場のインライン検査装置としてニーズが拡大している。

近年、半導体デバイスの製造プロセスの難易度は高まる一方であり、それに伴って検査装置に要求される精度も厳しくなってきている。平坦度計測性能を例にとれば、２５ｍｍ□の半導体チップエリアにおいて、数十ｎｍレベルの精度が要求されている。ミリメートル（ｍｍ）オーダーの広い領域に対し、ナノメートルオーダーの検査精度が必要という状況である。そのような厳しい要求を満たす検査装置として、ナノメートルオーダーの分解能を持つ原子間力顕微鏡の機構に、広範囲エリアを測定可能な機構を組み合わせたものが実用化されている。

広範囲エリアを測定可能な原子間力顕微鏡の構成については、例えば特許文献１に開示されるものがある。特許文献１の原子間力顕微鏡では、試料表面の広範囲エリアを測定できるようにするために、試料を載せる粗動ＸＹ軸ステージ側を動作させるようにしている。さらに、この粗動ＸＹ軸ステージ側に、高さ方向の位置決め機構として特許文献２に開示されているような、くさび機構を採用した粗動Ｚ軸ステージを組み合わせることで、高さ方向（Ｚ軸方向）に対して極めて高い剛性を確保した位置決め機構を実現することができる。上記ステージ構成を取ることで、ナノオーダーの分解能と広範囲エリア測定という性能を両立した原子間力顕微鏡を実現することができる。
特開２０００−２６６７７０号公報 特開平１１−１４２５５７号公報

くさび機構を採用した粗動Ｚ軸ステージにおいて、高さ方向（Ｚ軸方向）の剛性の確保のために、くさび間の摺動面をすべり案内にする方式が取られている。この場合、摺動材として固体潤滑材が使用されている。固体潤滑材には、フッ素樹脂やプラスチック等の材料が用いられる。

一般に金属のような材料と比較して、フッ素樹脂やプラスチックのような材料は、荷重を加えた時の変位の応答が時間に依存して変化することが知られている。このような樹脂の変化特性は粘弾性特性と呼ばれる。

粗動Ｚ軸ステージで目標高さまで位置決めを行う際に、固体潤滑材に作用する面圧が変化すれば、固体潤滑材の厚みの変化が生じる。この厚みの変化は、ステージの高さ方向の位置ずれとして作用する。さらに、固体潤滑材の粘弾性変形により、厚みの変化は時間をかけて生じるため、ステージの高さは時間をかけてずれていくことになる。この現象は「クリープ」と呼ばれ、走査型プローブ顕微鏡に代表されるような高分解能を持つ検査装置において、測定結果に計測誤差の発生する要因となる。

クリープが原因の測定異常の一例を以下に説明する。図９は、スーパーフラットウェハの表面の凹凸形状を原子間力顕微鏡で測定した際の結果を模式的に示すものである。スーパーフラットウェハは、本来図９の（Ａ）に示すように、フラットな表面として測定されるべき被検査試料９１である。それに対して図９の（Ｂ）は、測定中にクリープが発生した場合の測定結果である。ウェハ自体がフラットであっても、ベースとなるステージ上面の高さが時間をかけてずれていくため、結果として元々のウェハの表面形状が傾斜９２を有しているように測定されることになる。

クリープは時間に依存する現象であるため、クリープの従来の回避策は、測定を開始する時刻を遅らせ、測定前に待ち時間を設定するという手法が取られてきた。クリープ現象が収まるまで待ち時間を設け、その後に測定を行うことで、クリープに起因する画像のゆがみを見かけ上なくすことができる。

しかしながら、過度な待ち時間を設けるという従来の手法はスループットの著しい低下をもたらすという問題を提起する。また測定精度向上とスループット向上とはトレードオフの関係にあるので、両者を最適に調整することは難しいという問題がある。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、粘弾性特性を有する粗動Ｚ軸ステージを備えた走査型プローブ顕微鏡による測定で、スループットを下げることなく、クリープに起因する計測誤差を低減できる走査型プローブ顕微鏡、その測定順序決定方法、およびその測定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、その測定順序方法、およびその測定方法は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（請求項１に対応）は、粗動用Ｚ軸ステージ上に搭載された被測定物の測定エリアに含まれる複数の測定箇所の高さ位置を測定する顕微鏡装置であり、当該顕微鏡装置を完成した後に複数の測定箇所の各々のクリープ状態を事前に測定し、この測定結果に基づきクリープ量の小さい順に従って決められた複数の測定箇所の測定順序に従って測定を実行する制御手段を備えるように構成される。

走査型プローブ顕微鏡は、基本的な装置構造として、試料に対向する探針を有する探針部と、探針が試料の表面を走査するとき探針と試料の間で生じる物理量を測定する測定部と、探針と試料の位置を相対的に変化させ試料の位置決めおよび走査動作を行わせる粗動ＸＹ軸ステージと、探針と試料を接触・退避させるために試料側を昇降させる粗動Ｚ軸ステージを備えている。本願発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、当該粗動Ｚ軸ステージの構造上の特性（粘弾性特性）に起因して測定箇所に応じて異なった変化特性で生じるクリープが、測定結果に影響を与えるのを可能な限り排除する。このため、粗動Ｚ軸ステージ上に搭載された半導体ウェハ等の表面の複数箇所の高さ位置を測定する時、上記のごとく事前に複数の測定箇所の各々のクリープ状態を測定し、クリープ量の大小関係に基づいて所定順序で測定するように測定制御を実行する制御手段を備えた構成となっている。
粗動用Ｚ軸ステージの構造に起因して生じる高さ位置測定時に生じるクリープ現象は、時間に依存すると共に、場所に依存しているので、クリープ量の小さい順に従って決められた複数の測定箇所の測定順序に従って測定を実行することにより、クリープの影響を排除するようにしている。

本発明に係る第１の走査型プローブ顕微鏡の測定順序決定方法（請求項２に対応）は、粗動用Ｚ軸ステージ上に搭載された被測定物の測定エリアに含まれる複数の測定箇所の高さ位置を測定する走査型プローブ顕微鏡の測定順序決定方法であって、事前に複数の測定箇所の各々のクリープ量を測定する測定ステップと、複数の測定箇所の各々のクリープ量の測定結果に基づき、クリープ量の小さい順に従って複数の測定箇所の測定順序を決めるステップと、を有する方法である。

この走査型プローブ顕微鏡の測定順序決定方法では、クリープの場所依存性に着目し、最初のステップとして、事前に上記複数の測定箇所の各々のクリープ量を測定しておく。次のステップとして、上記測定結果に基づき試料表面上のクリープ量の分布を把握し、原則的に、複数の測定箇所の測定順序の最適化を行う必要があるのかを判定する。測定順序の最適化を行う必要があると判定したときには、次のステップとしてクリープ量の小さい場所から順に測定箇所を選択して測定を行う。測定箇所が重なるにつれて自然に時間は経過するため、上記のように測定箇所を決定することで、複数の測定箇所の中でもクリープ量の大きい測定箇所を測定する時点では、その時間依存性によってクリープ量は低減しているので、影響を可能限り低減することができる。最終的には、ユーザは、決定した測定順序に従って半導体ウェハ等の複数の測定箇所を実際に測定することになる。

第２の走査型プローブ顕微鏡の測定順序決定方法（請求項３に対応）は、上記の第１の方法において、粗動用Ｚ軸ステージは、くさび型構造で接触する上部材および下部材と、上部材と下部材の間に設けられる摺動板と、下部材を移動軸の方向に移動させる駆動装置とから成り、測定順序を決めるステップは、移動軸を基準にして移動軸の基端側箇所、中央箇所、先端側箇所の順序で測定箇所の測定順序を決めることを特徴とする。

第３の走査型プローブ顕微鏡の測定順序決定方法（請求項４に対応）は、上記の方法において、実際の測定ステップでは、粗動用Ｚ軸ステージで被測定物の高さ位置が設定された後、待ち時間を設けることなく、測定順序に従って複数の測定箇所の各々を測定することを特徴とする。決定した測定順序に従えば、即座に測定を行うことができるので、スループットを下げることなく測定を実行することが可能となる。

走査型プローブ顕微鏡の測定方法（請求項５に対応）は、くさび型構造で接触する上部材と下部材、上部材と下部材の間に設けられる摺動板、下部材を移動軸の方向に移動させる駆動装置からなる粗動用ステージ上に搭載された被測定物の測定エリアに含まれる複数の測定箇所の高さ位置を測定する走査型プローブ顕微鏡の測定方法であり、前記移動軸を基準にして前記移動軸の基端側箇所、中央箇所、先端側箇所の順序で前記複数の測定箇所の測定を実行することを特徴とする。

本発明によれば、粘弾性特性を有する粗動Ｚ軸ステージの上に半導体ウェハ等の被測定物を置き、この被測定物の表面上の測定エリアで複数の測定箇所の各々の高さ位置を探針で測定する走査型プローブ顕微鏡による当該測定で、制御手段により、当該顕微鏡装置を完成した後の段階で、事前に複数の測定箇所の各々のクリープ状態を測定し、その後、各測定箇所のクリープ量の大小関係に基づいて所定順序で測定するように測定制御を実行するようにしたため、測定を行う際に、従来のごとくクリープ現象の影響が低下するまで待つための待ち時間を設定することが不要になり、複数の測定箇所の各々を所定順序で即座に測定することができ、スループットを下げることなくクリープに起因する計測誤差を低減することができる。

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および図２に従って本発明の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の要部の構成について説明する。図１は、被測定物（試料）を搭載する試料ステージ装置と、探針およびカンチレバーを備えた探針部および測定部、制御部を図示している。図１では試料ステージ装置の構造は簡略化して示している。図２は、特に試料ステージ装置の構造の側面図を詳細に示している。この実施形態では、走査型プローブ顕微鏡として原子間力顕微鏡の例を説明するが、走査型プローブ顕微鏡はこれに限定されるものではない。また被測定物としては半導体ウェハの例で説明する。

図１において、原子間力顕微鏡１０では、半導体ウェハ１１を搭載する試料ステージ装置１２の上方に、先端に探針２１を備えたカンチレバー２２を配置している。カンチレバー２２は、その基端部が、例えばＸＹＺ微動機構２３の下端部に取り付けられている。ＸＹＺ微動機構２３は一般的には例えば圧電素子で作られており、試料表面上、直交する３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で定義される座標空間内で微動範囲にて任意に変位を生じる構造を有している。ＸＹＺ微動機構２３によって微動させる範囲は、測定箇所での測定のための移動範囲であり、例えば数μｍから数十μｍである。ここで３軸Ｘ，Ｙ，Ｚに関して、通常、Ｚ軸方向は図中上下方向、半導体ウェハ１１の測定面に対して高さ方向であり、試料ステージ装置１２上に配置された半導体ウェハ１１の表面に対して直角な方向である。Ｘ軸方向およびＹ軸方向は、Ｚ軸方向に対してそれぞれ直交する方向であり、ＸＹ軸で形成される平面、すなわちＸＹ平面は原則的に半導体ウェハ１１の表面に平行な平面である。カンチレバー２２の先端に設けられた探針２１の先端部は図１中下方に向き、半導体ウェハ１１の表面の測定エリアに臨むことになる。測定時、探針２１の先端は、例えばコンタクト方式の測定の場合には、半導体ウェハ１１の測定エリアの測定箇所に接触した状態で走査して測定を行う。２４は、ＸＹＺ微動機構２３が取り付けられるフレーム部分の一部を示す。

先端に探針２１を設けたカンチレバー２２と、ＸＹＺ微動機構２３とによって半導体ウェハ１１に対して測定を行う探針部が構成される。ＸＹＺ微動機構２３の動作は、制御部３０によって制御される。制御部３０は、ＸＹＺ微動機構２３のＸＹ微動部の動作を制御して測定エリアの表面に対して探針２１を走査移動させ、そのＺ微動部の動作を制御して、走査の間、半導体ウェハ１１と探針２１の先端との間の距離を設定された一定値に保持する。半導体ウェハ１１と探針２１の先端との間の距離は、半導体ウェハ１１の測定箇所の表面からの高さ位置として扱われる。制御部３０において、ＸＹ微動部を制御する部分は、例えばマイクロコンピュータ等で構成され、メモリに予め記憶された測定手順プログラムに基づいて、半導体ウェハ１１の面上の測定エリアでの予め定められた複数の測定箇所に探針２１を順次に移動させ、例えば必要な走査移動して測定を実行させる。またＺ微動部を制御する部分は、半導体ウェハ１１の表面と探針２１の先端との間に作用する物理量（原子間力）の影響に応じて片持ち梁構造のカンチレバー２２に生じる変位を、図示しない光てこ式光学系検出装置により検出し、その検出信号をフィードバックして半導体ウェハ１１と探針２１との距離を一定に保持する制御を行う。Ｚ微動部を制御する制御指令信号に基づいて、半導体ウェハ１１の測定箇所の凹凸情報（高さ情報）を得ることができる。

原子間力顕微鏡１０において、探針２１およびカンチレバー２２の下側には試料ステージ装置１２が配置される。試料ステージ装置１２は、半導体ウェハ１１を水平方向に移動させる粗動ＸＹステージ４１と、半導体ウェハ１１を探針２１に接触させるように高さ方向（Ｚ軸方向）に上下動させる粗動Ｚ軸ステージ４２とから構成される。粗動ＸＹステージ４１と粗動Ｚ軸ステージ４２は、通常、定盤装置（図示せず）の上に設けられている。ここで「粗動」とは、前述した「微動」に対して相対的に大きな移動動作を意味し、例えばミリ（ｍｍ）単位の移動動作を指している。粗動Ｚ軸ステージ４２はベース部材４３の上に設置されている。ベース部材４３は、粗動ＸＹステージ４１に結合されている。従って、粗動ＸＹステージ４１と粗動Ｚ軸ステージ４２とは、連結部４１Ａとベース部材４３を介して結合されている。Ｘ軸とＹ軸とで定義されるＸＹ平面は、上記のベース部材４２の上面と平行な面である。

粗動ＸＹステージ４１の動作と粗動Ｚ軸ステージ４２の動作は、前述した制御部３０によって制御される。粗動ＸＹステージ４１は、制御部３０による制御動作によって、連結部４１ＡをＹ軸方向に移動させる構造と、当該連結部４１Ａに沿ってベース部材４３をＸ軸方向に移動させる構造とを有している。かかる移動動作を生じさせる機構およびアクチュエータ等は、電気モータや圧電素子等を用いて任意に作ることができる。また粗動Ｚ軸ステージ４２は、特に図２に示すように、高さ方向の移動を可能にする昇降機構として例えばくさび機構４４が用いられている。くさび機構４４は、上側に位置するくさび上部４４ａと下側に位置するくさび下部４４ｂとから成り、くさび上部４４ａとくさび下部４４ｂは各々傾斜面で対向させて接触した状態にある。粗動Ｚ軸ステージ４２において、くさび機構４４のくさび上部４４ａとくさび下部４４ｂの各々の摺動面４４ａ−１，４４ｂ−１の間、およびくさび下部の下側の摺動面４４ｂ−２とベース部材４３の摺動面との間には、それぞれ、板状の摺動材４５，４６が介設されている。摺動材４５，４６は、例えばフッ素樹脂のような固体潤滑材の機能を有し、両側にある部材の摺動性を高める。

粗動Ｚ軸ステージ４２の駆動機構として、くさび下部４４ｂはボールネジ５１と連結されている。ボールネジ５１は図２中左右の支持部５２，５３の間に配置される。ボールネジ５１の右端部はモータ５４に駆動軸に連結されている。モータ５４を動力源としてボールネジ５１を時計回りまたは反時計回りに回転させると、くさび下部４４ｂはベース部材４３の面上でボールネジ５１の軸方向５１Ａに沿って水平方向に移動する。くさび機構４４のくさび上部４４ａは、支持部５２に設けたガイド部５５に従って上下方向（Ｚ軸方向）に移動自在である。従って、くさび下部４４ｂが上記のごとく水平方向に移動すると、くさび上部４４ａはくさび下部４４ｂの位置に応じて昇降する。上記モータ５４の回転動作は制御部３０によって制御される。くさび機構４４のくさび上部４４ａの上面にはチャック装置５６が設けられ、チャック装置５６の上面に測定対象である半導体ウェハ１１が搭載されている。

なお図１で示した粗動Ｚ軸ステージ４２では、ボールネジ駆動機構およびチャック装置等の構成の図示は省略されている。

上記の構成を有する原子間力顕微鏡１０では、半導体装置製造システム等の検査工程に備えられる。原子間力顕微鏡１０は、検査対象である半導体ウェハを１枚ごと試料ステージ装置１２の上にセットし、用意された測定プログラムにより必要な測定を行う。検査対象である１枚の半導体ウェハ１１の表面では、所定の測定エリアが設定され、当該測定エリアにおける複数の測定箇所、例えば３箇所の測定箇所の高さ位置が、それぞれ、後述する方法で決められた所定の順序に従って測定される。図１において検査装置としての原子間力顕微鏡１０では手前側が検査装置の正面側となり、図２において左側が検査装置の正面側となっている。検査装置としての原子間力顕微鏡１０による測定動作の制御は制御部３０によって実行される。半導体ウエハの測定エリアの複数の測定箇所の測定順序は、制御部３０から与えられる制御指令信号に基づいて指示される。複数の測定箇所の測定順序は後述するごとく事前に決定されており、その情報は制御部３０内のメモリに記憶されている。すなわち、探針２１を複数の測定箇所の各々に移動させるための粗動ＸＹステージ４１の動作を制御する部分に関して、マイクロコンピュータのメモリに記憶された測定手順プログラムと共に、複数の測定箇所の測定順序に係る情報が予め記憶されている。

次に、図３〜図６を参照して、上記構成を有する原子間力顕微鏡１０を使用して半導体ウェハ１１の面上の測定エリアにおける複数の測定箇所の測定方法を説明する。この測定方法では、前述した摺動材４５，４６で生じるクリープ現象による計測誤差を低減する観点で、複数の測定箇所の測定順序を事前に決定する方法に特徴がある。以下に、複数の測定箇所の測定順序の決定方法を説明する。

図３に、複数の測定箇所の測定順序の決定方法のフローチャートを示す。当該測定順序の決定方法のための手順は、本来の測定を実施する前の段階で行われる。摺動材４５等のクリープ現象に係る特性は、原則的に、原子間力顕微鏡１０を計測検査装置として完成した段階で、試料ステージ装置１の固有の特性として備わるものである。そのため、通常的には、原子間力顕微鏡１０が検査装置として完成した直後に、図３に示したフローチャートによる方法が実行され、複数の測定箇所の測定順序が決定される。

最初のステップＳ１１では、半導体ウェハ１１の面上に設定された測定エリアにおける複数の測定箇所の各々についてそのクリープ量を測定する。このときに用いられる半導体ウェハ１１は、サンプル試料が用いられるものとする。

原子間力顕微鏡１０によるクリープ量の測定では、通常的には、半導体ウェハ１１の表面のプロファイル（表面輪郭形状）や面形状を測定することになる。しかしながら、クリープ量を評価するという観点では、所要の測定時間の間、半導体ウェハ１１の面上の測定エリアの一点における高さの変化を測定することが望ましい。何故なら、プロファイルや面形状の測定の場合には、半導体ウェハ１１が本来的に持っているうねりや半導体ウェハを搭載するチャック装置５６の傾斜の影響が測定結果の高さ情報として現れるからである。さらに、半導体ウェハ１１の或る一点における高さの変化を、所要の測定時間の間、測定することで、半導体ウェハ１１の面上に形成されたパターンの有無を考慮することなくクリープ量を測定することができるからである。

原子間力顕微鏡１０の測定原理を利用して半導体ウェハ１１の測定エリア内の一点のクリープ量を測定するためには、例えばＸＹＺ微動機構２３のＸＹ微動部の動作制御を止めてＺ微動部のみを動作させるようにし、Ｚ軸のみを制御可能な状態にする。このような制御状態にすると、探針２１の先端を半導体ウェハ１１の表面の一点の測定箇所に接触させてからＺ軸のみの微動動作に係る制御が行われ、測定結果として得られた高さの変化特性は半導体ウェハ１１と探針２１とが接触した点での、所要の測定時間におけるクリープ量の変化特性を示すことになる。

なお、測定エリア内での１つの測定箇所のクリープ量の測定がハードウェアまたはソフトウェアの制約から実現できず、プロファイルや面形状の測定結果からしかクリープ量を評価できない場合には、面上にパターンのない平坦な表面を有する半導体ウェハを使用し、かつ測定長さや測定エリアを小さくして当該半導体ウェハに起因する高さ方向の計測誤差を低減した上で測定を行う。

半導体ウェハ１１について、複数の測定箇所の各々のクリープ量に関する事前測定のステップＳ１１が終了すると、次の判定ステップＳ１２が実行される。判定ステップＳ１２では、測定された複数の測定箇所の各々のクリープ量に基づいて、複数の測定箇所の測定順序を最適化する必要があるのか否かについて判定する。半導体ウェハ１１の測定エリアにおける複数の測定箇所については、仮的に予め標準的な測定順序が定められているものとし、その測定順序に係るデータは制御部３０のメモリに記憶されている。ステップＳ１１の事前の測定では、当該標準的な測定順序に従ってクリープ量の測定が行われる。複数の測定箇所の各々について測定されたクリープ量に係る測定データは制御部３０のメモリに記憶される。

図４に、複数の測定箇所の各々に関して得られたクリープ量に係る測定データのイメージを示す。判定ステップＳ１２における測定順序の最適化での判定指標は、図４に示すごとく、本来目的とする複数の測定箇所の測定データで、一回の測定の所要時間の範囲６１内でのクリープ量の変化特性６２を利用する。図４で示す値６３が判定に使用するクリープ量である。なお図４において、縦軸がクリープ量を意味し、横軸はクリープ発生時点からの経過時間を意味する。変化特性６２によれば、クリープ発生時点で最も大きなクリープ量の値を示し、その後、時間の経過と共にクリープの変化量は次第に減少していく。かかるクリープ変化量の変化特性６２において、クリープ量の許容値を決定しておき、複数の測定箇所の各々についていずれの測定箇所も許容値内に収まれば、本処理を終了し、測定順序を考慮せず、上記の標準的な測定順序で測定を実施し、許容値から外れる測定箇所があるのであれば、測定順序の最適化を行うため、次のステップＳ１３に移行する。

なお判定指標の例としては、その他に、測定した後の画像処理まで考慮すると、測定に要する時間の範囲内で傾斜補正等の画像処理を行っても除去できないクリープに起因する計測誤差を用いることもできる。

次のステップＳ１３では、ステップＳ１１で測定した複数の測定箇所の各々の判定指標であるクリープ量を用いて、クリープ量の小さい順序に従って測定順序を決定する。複数の測定箇所のクリープ量の大小を比較するには、ステップＳ１２と同様に、１回の測定の所要時間の範囲６１内での最終クリープ量（６３）を用いる。

図５に、試料ステージ装置１２の粗動Ｚ軸ステージ４２の上に搭載された半導体ウェハ１１の平面図を示す。図５で、図２中で説明した要素と同一のものは同一の符号を付している。図５に示される通り半導体ウェハ１１の表面上で、軸方向５１Ａにおいて、モータ５４側に近い基端７１、ほぼ中心に位置する中央７２、装置正面側の先端７３の３つの測定箇所を割り振って設定している。ブロック７４は、原子間力顕微鏡１０の装置全体のイメージを示す。

複数の測定箇所を上記のごとく基端７１、中央７２、先端７３として、それらのクリープ量を測定し、測定結果のデータを図４に示したクリープ量変化特性の形式で示すと、図６のごとくなる。基端７１、中央７２、先端７３の３つの測定箇所のクリープ量に関して図６に示されるような測定結果が得られたとすると、測定所要時間６１の経過後、クリープ量の最も小さい基端７１を第１番目の測定箇所に、クリープ量が次に少ない中央７２を第２番目の測定箇所に、クリープ量が最も大きい先端７３を第３番目の測定箇所として選択する。こうして３つの測定箇所７１〜７３についての測定順序が決定される。上記のクリープ量６３を判定指標として決定した測定順序は、制御部３０のメモリに記憶される。こうして、以後の半導体ウェハの検査工程での測定方法の実施の段階で、測定プログラムの実行と共にメモリに記憶された測定順序に従って３つの測定箇所（基端７１、中央７２、先端７３）の高さが測定される。

図３に示された測定順序決定のフローチャートにおいて、ステップＳ１１による複数の測定箇所のクリープ量の測定は、装置メーカ側で検査装置完成後に出荷前に行っておく。またその後のステップＳ１２，Ｓ１３については、好ましくは、ユーザ側においてステップＳ１１で得られたクリープ量に係る測定データに基づいて、かつユーザでの測定内容に合わせて実行される。さらに、ステップＳ１１のクリープ量の測定結果は、装置出荷前のデータで固定されるわけではなく、原子間力顕微鏡のセンサ調整作業の後に必ず行うようにしたり、あるいは期間を定めて定期的に行うようにしたりして装置の稼動状況に応じてクリープ量の変化を管理しておくことが望ましい。

次に、図７と図８を参照して、本願発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定順序決定方法に基づいて決定された測定順序に従った場合の効果を検証する。

図７は本願発明を適用して得られた測定結果を示し、図８は本願発明を適用せずに得られた測定結果を示している。以下では、図７の測定結果と図８の測定結果を比較することにより検証する。図７と図８によれば、平坦な半導体ウェハの平坦度をプロファイル測定により評価したものである。

図７の測定結果では、図７の（Ａ）に示すごとく前述した測定手順に反して意図的に先端７３、中央７２、基端７１の順序で測定を行った。図７の（Ａ）では、その左側に図５と同様な図の上において測定順序が矢印８１で示されている。さらに図７の（Ａ）の右側には、この測定順序の場合において、基端７１、中央７２、先端７３の各々に対応して、測定時間の経過に伴ってクリープ量変化が原因で生じる測定した高さの変化がグラフ８０１，８０２，８０３で示されている。クリープ量の発生状態は、先端７３での測定で顕著に生じ、プロファイル画像のクリープにより大きなうねりが発生している。その結果、図７の（Ｂ）に示すように、プロファイル画像のピーク・トゥー・ピークの値は３箇所の測定箇所においてすべて同じになるべきものが、先端７３だけが大きく値が外れている。

上記に対して図８の測定結果では、図７の（Ａ）に示すごとく前述した測定手順に従って基端７１、中央７２、先端７３の順序で測定を行った。図８の（Ａ）では、その左側に図５と同様な図の上において測定順序が矢印８２で示されている。さらに図８の（Ａ）の右側には、この測定順序の場合において、基端７１、中央７２、先端７３の各々に対応して、測定時間の経過に伴ってクリープ量変化が原因で生じる測定した高さの変化がグラフ８１１，８１２，８１３で示されている。クリープ量の発生状態は、図７（Ａ）のグラフに比較すると、先端７３での測定で、クリープによる計測誤差に低減し、プロファイル画像のうねりが小さくなっている。その結果、図８の（Ｂ）に示すように、先端７３のピーク・トゥー・ピークの値は低減され、かつ３箇所の測定箇所においてプロファイル画像のピーク・トゥー・ピークの値の３箇所の測定箇所においてばらつきも小さくなっている。

以上のごとく同じ半導体ウェハを、測定順序を変えて測定しているだけであるにも拘わらず、クリープ現象による計測誤差は大幅に低減することができることが判明した。図７および図８に示した測定結果では、測定時間について、複数の測定箇所の測定順序を変えているだけであるので、当然に差はなく、すなわちスループットには差は現れない。

以上の本発明の実施形態の説明では、走査型プローブ顕微鏡の中で原子間力顕微鏡の例で説明したが、これに限定されない。また測定のモードについては、半導体ウェハ等の検査試料の測定エリアに含まれる複数の測定箇所を測定する場合であって場所に応じてクリープ量が異なる場合に、特定の測定モードに限定されることなく、本発明の効果は発揮される。

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・実施できる程度に概略的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。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡等は、半導体装置の製造プロセスの検査工程において半導体ウェハを検査するための計測装置として利用され、粗動Ｚ軸ステージが含む摺動材によるクリープ現象の影響を抑制できる計測装置として利用される。

本発明の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の要部構成を示す斜視図である。 試料ステージ装置の粗動Ｚ軸ステージの側面図である。 本発明に係る実施形態に係る測定順序の決定方法を手順を示すフローチャートである。 クリープ量を説明するためのグラフである。 ３つの測定箇所（基端、中央、先端）の例についての測定順序を説明するための粗動Ｚ軸ステージの部分の平面図である。 ３つの測定箇所の各々のクリープ量の変化特性を示すグラフである。 本願発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定順序決定方法を検証するための図で、本願発明の方法に反する方法による場合での特性を説明する図である。 本願発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定順序決定方法を検証するための図で、本願発明の方法に従う方法による場合での特性を説明する図である。 従来のクリープ現象を説明するための図である。

符号の説明

１０ 原子間力顕微鏡
１１ 半導体ウェハ
１２ 試料ステージ装置
２１ 探針
２２ カンチレバー
２３ ＸＹＺ微動機構
３０ 制御部
４１ 粗動ＸＹステージ
４１Ａ 連結部
４２ 粗動Ｚ軸ステージ
４３ ベース部材
４４ くさび機構
４４ａ くさび上部
４４ｂ くさび下部
４５，４６ 摺動材
５１ ボールネジ
５２，５３ 支持部
５４ モータ
５５ ガイド部
５６ チャック装置

Claims (5)

1. 粗動用Ｚ軸ステージ上に搭載された被測定物の測定エリアに含まれる複数の測定箇所の高さ位置を測定する走査型プローブ顕微鏡であり、
   顕微鏡装置完成後に前記複数の測定箇所の各々のクリープ状態を事前に測定し、この測定結果に基づきクリープ量の小さい順に従って決められた前記複数の測定箇所の測定順序に従って測定を実行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。
2. 粗動用Ｚ軸ステージ上に搭載された被測定物の測定エリアに含まれる複数の測定箇所の高さ位置を測定する走査型プローブ顕微鏡の測定順序決定方法であり、
   事前に前記複数の測定箇所の各々のクリープ量を測定する測定ステップと、
   前記複数の測定箇所の各々の前記クリープ量の測定結果に基づき、クリープ量の小さい順に従って前記複数の測定箇所の測定順序を決めるステップと、
   を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定順序決定方法。
3. 前記粗動用Ｚ軸ステージは、くさび型構造で接触する上部材および下部材と、前記上部材と前記下部材の間に設けられる摺動板と、前記下部材を移動軸の方向に移動させる駆動装置とから成り、
   測定順序を決める前記ステップは、前記移動軸を基準にして前記移動軸の基端側箇所、中央箇所、先端側箇所の順序で前記測定箇所の測定順序を決めることを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡の測定順序決定方法。
4. 実際の測定ステップでは、前記粗動用Ｚ軸ステージで前記被測定物の高さ位置が設定された後、待ち時間を設けることなく、前記測定順序に従って前記複数の測定箇所の各々を測定することを特徴とする請求項２または３記載の走査型プローブ顕微鏡の測定順序決定方法。
5. くさび型構造で接触する上部材と下部材、前記上部材と前記下部材の間に設けられる摺動板、前記下部材を移動軸の方向に移動させる駆動装置からなる粗動用ステージ上に搭載された被測定物の測定エリアに含まれる複数の測定箇所の高さ位置を測定する走査型プローブ顕微鏡の測定方法であり、前記移動軸を基準にして前記移動軸の基端側箇所、中央箇所、先端側箇所の順序で前記複数の測定箇所の測定を実行することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。

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