JP2010038856A - Scanning probe microscope - Google Patents
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Description
本発明は、走査型プローブ顕微鏡を用いた測定におけるドリフトに起因する測定像の歪み補正技術に関する。 The present invention relates to a technique for correcting distortion of a measurement image caused by drift in measurement using a scanning probe microscope.
微細立体形状の計測技術の一つとして走査探針顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope)が知られている。これは、先鋭化された探針(プローブ)を、試料表面に近接もしくは接触させ、その際、探針と試料間に生じる原子間力等の物理的な相互作用の計測量を画像として表示するものである。その中のひとつであるAFM(Atomic Force Microscope)はカンチレバーと呼ばれる微小な片もち梁(板ばね)の先端にとりつけられた探針と試料の間に働く原子間力、つまり探針・試料間の接触力を、カンチレバーのたわみによる変位量によって検出し、これが一定になるように制御しながら試料表面を走査することにより、試料表面の微細形状を計測する技術であり、原子オーダーでの微細立体形状が測定できる技術として、生物、物理、半導体、ストレージ等の多岐の分野に亘って広く用いられている。 A scanning probe microscope (SPM) is known as one of measuring techniques for a fine three-dimensional shape. In this method, a sharpened probe (probe) is brought close to or in contact with the sample surface, and at that time, a measurement amount of physical interaction such as an atomic force generated between the probe and the sample is displayed as an image. Is. One of them, AFM (Atomic Force Microscope), is an atomic force acting between the probe attached to the tip of a minute cantilever beam called a cantilever and the sample, that is, between the probe and the sample. It is a technology that measures the fine shape of the sample surface by scanning the sample surface while detecting the contact force by the amount of displacement due to the deflection of the cantilever, and controlling this so that it becomes constant. As a technology that can measure the above, it is widely used in various fields such as biological, physical, semiconductor, and storage.
ただし、走査プローブ顕微鏡を用いた測定においては、走査プローブ顕微鏡特有の測定像の歪という問題が存在するため、特にパターンが微小化すればする程、高精度な測定結果を得ることができない。測定像の歪の原因としては、XYZ各軸のリニアリティー、各軸間の直交性、各軸間の干渉等、様々なものが存在するが、主な原因としては駆動アクチュエータとして用いる圧電素子の非線形性、また測定環境の変化に伴って起こる装置のドリフト等が知られている。 However, in the measurement using the scanning probe microscope, there is a problem of distortion of the measurement image peculiar to the scanning probe microscope. Therefore, as the pattern becomes finer, a highly accurate measurement result cannot be obtained. There are various causes of distortion of the measurement image, such as linearity of each axis of XYZ, orthogonality between each axis, interference between each axis, etc. The main cause is nonlinearity of the piezoelectric element used as a drive actuator. The drift of the apparatus etc. which occur with the change of a measurement property or a measurement environment are known.
これらの内、圧電素子の非線形性については、予め圧電素子の変位特性を測定しておき、得られた特性データを用いることによって取得したデータをソフト的に補正する方法、また機構に変位センサを付設し、変位センサによるフィードバック制御を行うことによって補正を行う方法等が知られており、最近ではアクチュエータとして圧電素子を使用せず、リニアリティーの高いボイスコイルモータを使用した機構も存在している。 Among these, with regard to the nonlinearity of the piezoelectric element, a method of correcting displacement data of the piezoelectric element by measuring the displacement characteristic of the piezoelectric element in advance and using the obtained characteristic data as a software, and a mechanism that uses a displacement sensor. A method of correcting by performing feedback control using a displacement sensor is known. Recently, there is a mechanism using a voice coil motor having high linearity without using a piezoelectric element as an actuator.
一方、ドリフトによる測定歪みを解消する方法として、特許文献1にはドリフトによる探針−試料間距離の相対位置変化を変位センサで直接測定し、測定歪みを補正する方法が開示されている。また、特許文献2には測定用探針の他にドリフト量を測定するための補正用探針を複数備え、これら探針によって試料もしくは試料台の特定位置を追従するように制御し、補正用探針の移動量からドリフト量を算出して、測定画像の補正を行う方法が開示されている。
上記ドリフトによる測定像の歪みは、今後更なる需要が高まる半導体やストレージ分野におけるナノメートルオーダーでのパターン形状・パターン配列の測定において、高精度な測定結果を得ることができない。ドリフト現象は、主に測定時間の経過に伴う測定室(以下、測定チャンバー)内の温度変化によって、図1に示すように装置の構成部材が熱膨張・収縮し、探針103と試料ステージ102上の試料101間の相対位置(XYZ位置)が変化することによって生じる。
The distortion of the measurement image due to the drift cannot provide a highly accurate measurement result in the measurement of the pattern shape / pattern arrangement on the nanometer order in the semiconductor and storage fields where further demand will increase in the future. The drift phenomenon is caused by thermal expansion / contraction of the constituent members of the apparatus as shown in FIG. This occurs when the relative position (XYZ position) between the
このため、例えば図2に示すL&S(Line and Space)パターン201を測定した場合、一般のラスタスキャンでは、L&S測定像202に示すように探針の走査方向(X軸)と垂直な方向(Y軸)、つまり測定時間が経過する方向(測定ラインが進む方向)に対しての位置ずれが顕著に観察される。 For this reason, for example, when the L & S (Line and Space) pattern 201 shown in FIG. 2 is measured, in a general raster scan, as shown in the L & S measurement image 202, the direction perpendicular to the probe scanning direction (X axis) (Y (Axis), that is, the positional deviation with respect to the direction in which the measurement time elapses (the direction in which the measurement line advances) is noticeable.
この際のドリフト量は、図1に示す各構成部材の熱膨張・収縮量の和となるため式(1)で表され、各構成部材の材質や大きさの他、配置方法によっても変化する。
Σ(Δli)=Σ(l0i・αi・ΔT)・・・(1)
(Δli:熱膨張による各部材の伸び量,l0i:各部材の初期長さ,αi:各部材の熱膨張係数、ΔT:温度変化)
The drift amount at this time is the sum of the thermal expansion and contraction amounts of the respective constituent members shown in FIG. 1, and is expressed by the formula (1). The drift amount also varies depending on the arrangement method in addition to the material and size of each constituent member. .
Σ (Δl i ) = Σ (l 0i · α i · ΔT) (1)
(Δl i : Elongation amount of each member due to thermal expansion, l 0i : Initial length of each member, α i : Thermal expansion coefficient of each member, ΔT: Temperature change)
従来のドリフト解消の方法では、探針と試料間の位置関係を測定している場所と実際の測定用探針の位置が異なっているため、それぞれの位置で生じるドリフト量に誤差が発生するとともに、探針と試料間を測定する別のセンサ、もしくは探針が必要となるため、センサ、機構部、制御回路が増えることになり、装置の製造コストが高くなるといった問題も生じる。 In the conventional drift elimination method, the location where the positional relationship between the probe and the sample is measured is different from the actual measurement probe position, so an error occurs in the drift amount generated at each position. Further, since another sensor for measuring the distance between the probe and the sample, or a probe is required, the number of sensors, mechanism units, and control circuits is increased, and there is a problem that the manufacturing cost of the apparatus is increased.
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、測定用の探針を用いて探針と試料間の位置ずれ量を特定し、補正する方法を提供する。
本発明の走査プローブ顕微鏡は、探針で試料表面を走査し、探針と試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料特性を測定する走査プローブ顕微鏡であって、前記試料特性を測定中のあるタイミングで、予め選択されたリファレンスパターン領域を適宜測定するリファレンスパターン測定部と、リファレンスパターン測定像から前記探針と前記試料間の位置ずれ量を特定する位置ずれ量特定部とを有し、前記探針の位置ずれ補正、もしくは前記試料特性の測定像の位置ずれ補正、もしくは前記探針及び前記試料特性の測定像の位置ずれ補正のいずれかを実施することを特徴とする。
具体的には、図3に示すように、走査プローブ顕微鏡を用いて試料特性の測定領域302を測定中のあるタイミングで予め選択されたリファレンスパターン領域301に移動して測定を行い、リファレンスパターン測定像から適宜XYZ軸方向の位置ずれ量を特定して探針の位置ずれ補正を行う。さらに、特定した位置ずれ量と測定チャンバー内の温度データを用いることによって、試料特性像の歪み補正を行う。これによって、上記で述べたドリフト量の測定誤差を解消し、装置の製造コストも低く抑えることができる。
The present invention has been made in view of the above points, and provides a method for specifying and correcting the amount of positional deviation between a probe and a sample using a measurement probe.
The scanning probe microscope of the present invention is a scanning probe microscope that measures a sample characteristic by scanning a sample surface with a probe and detecting an interaction between the probe and the sample surface, and measuring the sample characteristic. A reference pattern measuring unit that appropriately measures a preselected reference pattern region at a certain timing, and a positional deviation amount specifying unit that specifies a positional deviation amount between the probe and the sample from a reference pattern measurement image One of correction of the positional deviation of the probe, the positional deviation of the measurement image of the sample characteristic, or the positional deviation correction of the measurement image of the probe and the sample characteristic is performed.
Specifically, as shown in FIG. 3, measurement is performed by moving a sample
本発明によれば、ドリフトによる試料測定像の歪み量を除去することが可能となり、半導体製造におけるCMP(Chemical Mechanical Polishing)後の平坦性評価やエッチング後のラインエッジラフネス評価、もしくは、ストレージ分野におけるパターンドメディア製造におけるパターン形状評価やパターン配列評価等に寄与する。 According to the present invention, it is possible to remove the distortion amount of the sample measurement image due to drift, and the flatness evaluation after CMP (Chemical Mechanical Polishing) in semiconductor manufacturing, the line edge roughness evaluation after etching, or the storage field. This contributes to pattern shape evaluation and pattern arrangement evaluation in patterned media production.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本測定を行う装置の構成を図4に示す。装置は、測定試料401を載せ移動が可能な粗動ステージ402、試料上を走査する探針403、探針をXYZ方向に駆動する探針駆動部404、探針403を支持するカンチレバーのたわみ、ねじれの検出を行うたわみ・ねじれ検出部405、XYZ各軸の駆動変位を検出する駆動変位検出部406、検出した各センサ信号をサンプリングするサンプリング回路407、探針駆動部404に指令を出す探針制御部408、粗動ステージ402および測定シーケンス等の制御を行う全体制御部409、データの記録を行うデータ記憶部410、演算処理等を行う演算処理部411、演算処理部での処理結果の表示を行う結果表示部412、測定チャンバー内の温度を測定するための温度センサ413から構成される。
FIG. 4 shows the configuration of an apparatus that performs this measurement. The apparatus includes a
探針駆動部404は通常、印加電圧によって変形量が制御できる圧電素子を用いて構成されるが、ボイスコイルモータなど他の駆動素子を用いることもある。また、たわみ・ねじれ検出部405は一般にレーザと4分割受光素子から構成される光てこ検出が用いられる。光てこ検出では、探針403を支持するカンチレバーのたわみとねじれ量を受光素子上のレーザスポット位置の変化として検出することができる。XYZ方向の探針駆動部404については探針側に構成した例を示したが、粗動ステージ402のかわりに、試料側にXYZ方向の駆動部を構成しても本発明を実施する上での問題はない。
The
測定の際は、探針403を試料表面に近接もしくは接触させ、粗動ステージ402もしくは探針駆動部404によって探針と試料の相対位置を走査しながら、その際に生じる原子間力等の物理的な相互作用をたわみ・ねじれ検出部405のセンサによって測定する。各センサからの出力信号はサンプリング回路407によって一定のタイミングでサンプリングされ、たわみ・ねじれ検出部405及び駆動変位検出部406の出力に基づいて探針制御部408が探針駆動部404に駆動信号を出力して、探針位置を制御する。また、探針が各測定位置に到達した場合、各センサ信号は、データ記憶部410に記録され、演算処理部411での処理を経て結果表示部412において数値もしくは画像表示される。
At the time of measurement, the
次に本発明を実施する際の測定手順について詳細に説明する。上でも述べたとおり、本発明では試料特性を測定中のあるタイミングで予め選択されたリファレンスパターン領域の測定を行い、リファレンスパターン測定像から適宜XYZの位置ずれ量を特定して探針の位置ずれ補正を行う。さらに、特定した位置ずれ量と測定チャンバー内の温度データを用いることによって、試料特性像の歪み補正を行う。 Next, the measurement procedure when carrying out the present invention will be described in detail. As described above, in the present invention, the reference pattern region selected in advance is measured at a certain timing during the measurement of the sample characteristics, and the XYZ misalignment amount is appropriately specified from the reference pattern measurement image to thereby misalign the probe. Make corrections. Further, the distortion of the sample characteristic image is corrected by using the specified positional deviation amount and the temperature data in the measurement chamber.
最初に位置ずれ量を特定するためのリファレンスパターンを選択する。リファレンスパターン領域301は、測定領域302内から探針が移動可能な範囲内に存在し、図5に示すように直線状で互いに交差するエッジ部を有している数百nm〜数μmのパターン領域を選択できる。リファレンスパターンとしては、周辺部との高さが異なる凹凸パターンの他、凹凸はないが周辺部と材質が異なる領域で構成されるパターンでもよい。前者の場合は試料の表面形状を表す形状像でパターンの認識が可能であり、後者の場合はスキャン時に生じる探針の捩れ量が試料の表面材質によって異なるため、摩擦像(スキャン時の探針の捩れ量を表す)を用いて、パターンを認識することができる。リファレンスパターン選択の方法としては、光学顕微鏡もしくは走査プローブ顕微鏡等による観察像をもとにユーザがマニュアルで行っても良いし、設計データをもとに検索ツール等を用いて自動で行ってもよい。
First, a reference pattern for specifying the amount of displacement is selected. The
上記処理によってリファレンスパターンを選択した後、試料特性の測定前のリファレンスパターン領域501を走査プローブ顕微鏡で予備測定し、測定像からそれぞれのエッジ502、503のXY軸に対する角度504、505、およびエッジ交差位置506のXY座標を求める。さらに算出したエッジ交差位置506のXY座標を基準として、リファレンスパターン上の任意位置をリファレンス点507に決定し、リファレンス点507の座標(X0、Y0、Z0)を記録する。
After the reference pattern is selected by the above processing, the
上記リファレンスパターンの予備測定後、試料特性の測定を開始する。試料特性の測定中には予備測定で決定したリファレンス点507の測定を適宜行い、ドリフトによる各軸の位置ずれ量の特定を行う。また、各測定点における試料特性と併せて、測定チャンバー内の温度の測定も行う。
After preliminary measurement of the reference pattern, measurement of sample characteristics is started. During the measurement of the sample characteristics, the
以下でリファレンス点507の測定によって各軸の位置ずれ量を特定する方法について図6を用いて説明する。図6に示すように、リファレンスパターンの各エッジの方向に対してスキャンを行い、各エッジ上の位置の特定を行う。スキャン位置は、全方向のドリフトに対して各エッジを捉える確率が高くなるように、リファレンスパターン初期位置の中央点601を通過するスキャン(602、603)を行い、各エッジ方向の走査方向がエッジと交差する各エッジ上の任意点(604,605)を特定する。
Hereinafter, a method for specifying the positional deviation amount of each axis by measuring the
ただし、各エッジ上の任意点を特定するスキャン方法は上記のスキャン方法に限定されるものではなく、他のスキャン方法を用いて特定してもよい。リファレンスパターンにおける各エッジ上の任意位置604、605が特定されると、予備測定で特定した角度504、角度505から、位置ずれ後のエッジ交差位置606の座標を算出することができる。
However, the scanning method for specifying an arbitrary point on each edge is not limited to the above-described scanning method, and may be specified using another scanning method. When the
ここでエッジ交差位置606とリファレンス点の位置関係は予備測定によって既知であるため、算出したエッジ交差位置から位置ずれ後のリファレンス点607を特定し、リファレンス点における高さ(Z)の測定を行う。これにより、位置ずれ前のリファレンス点507の座標(X0、Y0、Z0)、および位置ずれ後のリファレンス点607の座標(X0+ΔX、Y0+ΔY、Z0+ΔZ)から、ドリフトによる位置ずれ量(ΔX、ΔY、ΔZ)を算出することができ、位置ずれ量をキャンセルするように探針の指令位置(VX、VY、VZ)を(VX−ΔX、VY−ΔY、VZ−ΔZ)に補正する。これによって、ドリフトの位置ずれで、評価パターンが測定領域から大きく外れてしまうことを防ぐことができる。
Here, since the positional relationship between the
ただし、上記で述べた探針位置ずれの補正のみでは、各リファレンスパターン測定間(i回目のリファレンスパターン測定から、i+1回目のリファレンスパターン測定を行うまでの間)に取得した試料測定像に歪みが生じているため、この歪みを補正する方法について図7を用いて説明する。式(1)で示したとおり、ドリフト量は測定チャンバー内の温度変化に比例するため、試料測定と同じタイミングで取得した測定チャンバー内の温度データを用いて補正を行う。 However, only by correcting the probe position deviation described above, the sample measurement image acquired between each reference pattern measurement (from the i-th reference pattern measurement to the i + 1th reference pattern measurement) is distorted. Since this occurs, a method of correcting this distortion will be described with reference to FIG. Since the drift amount is proportional to the temperature change in the measurement chamber as shown in the equation (1), correction is performed using the temperature data in the measurement chamber acquired at the same timing as the sample measurement.
まず、i回目のリファレンス測定と、i+1回目のリファレンスパターン測定で特定された探針の位置ずれ量の差(ΔX、ΔY、ΔZ)、およびi回目のリファレンスパターン測定時(701)と、i+1回目のリファレンスパターン測定時(702)における測定チャンバー内の温度差ΔTi(図7参照)から、式(2)を用いることによって、各リファレンス測定間における単位温度あたりの探針の位置ズレ量(dX、dY、dZ)を算出することができる。
dX=ΔX/ΔT, dY=ΔY/ΔT, dZ=ΔZ/ΔT・・・(2)
更に、i回目のリファレンスパターン測定時の測定チャンバー内温度データTi、およびk番目の試料測定像Pk=(Xk,Yk,Dk)の取得時(703)の温度データTkを用いることによって、式(3)から各画素の補正量(ΔCXk、ΔCYk、ΔCZk)を決定することができる。
ΔCXk=(Tk−Ti)dX,ΔCYk=(Tk−Ti)dY,
ΔCZk=(Tk − Ti)dZ ・・・(3)
First, the difference (ΔX, ΔY, ΔZ) of the positional deviation of the probe specified by the i-th reference measurement and the i + 1-th reference pattern measurement, and the i-th reference pattern measurement (701), and the i + 1-th time From the temperature difference ΔT i in the measurement chamber at the time of reference pattern measurement (702) (see FIG. 7), the positional deviation amount of the probe per unit temperature (dX) between each reference measurement by using Equation (2) , DY, dZ) can be calculated.
dX = ΔX / ΔT, dY = ΔY / ΔT, dZ = ΔZ / ΔT (2)
Furthermore, the temperature data T i in the measurement chamber at the time of the i-th reference pattern measurement, and the temperature data T k at the time of acquisition of the k th sample measurement image P k = (X k , Y k, D k ) (703) are obtained . By using it, the correction amount (ΔCX k, ΔCY k, ΔCZ k ) of each pixel can be determined from the equation (3).
ΔCX k = (T k −T i ) dX, ΔCY k = (T k −T i ) dY,
ΔCZ k = (T k −T i ) dZ (3)
ここで、試料特性像が表面形状像であった場合、(ΔCXk,ΔCYk,ΔCZk)を(Xk,Yk,Dk)にそれぞれ加算することによって、ドリフトによるXY平面と高さ方向の歪みを補正することができる。また、試料特性像が表面形状像以外の物理量、例えば摩擦特性、弾性特性、吸着力、電磁気特性、光学特性でも本発明は適用可能であり、この場合は式(3)で求めた(ΔCXk,ΔCYk)を(Xk,Yk,)に加算することによって、XY平面内の測定歪みを補正することができる。 Here, when the sample characteristic image is a surface shape image, by adding (ΔCX k , ΔCY k , ΔCZ k ) to (X k , Y k, D k ), respectively, the XY plane and height due to drift are added. Directional distortion can be corrected. In addition, the present invention can be applied even when the sample characteristic image is a physical quantity other than the surface shape image, for example, friction characteristics, elastic characteristics, attractive force, electromagnetic characteristics, and optical characteristics. In this case, the ΔCX k , ΔCY k ) can be added to (X k , Y k, ) to correct the measurement distortion in the XY plane.
リファレンスパターンの測定を行うタイミングとしては、ドリフトによる探針の位置ずれがリファレンスパターン領域501よりも小さくなるように、予め定められた一定ライン毎にリファレンスパターン領域の測定を行うように、一定の測定ライン周期を設定する。尚、一ラインあたりのドリフト量は、温度変化の振幅・周期、さらに1ライン測定時間(測定範囲、測定点数、走査速度等から算出)から見積もることが可能である。
As a timing for measuring the reference pattern, a constant measurement is performed so that the reference pattern area is measured for each predetermined line so that the positional deviation of the probe due to drift becomes smaller than the
もしくは、図7に示すように、測定チャンバー内の温度変化(ΔT)が予め決められた閾値(ΔTth)を超える(704)か、温度変化の方向(温度の上昇と下降)が変わる(705)場合に、その測定ラインの終了後、リファレンス測定を行う。この場合も、上記と同様に、ドリフトによる探針の位置ずれがリファレンスパターン領域よりも小さくなるように、温度変化の閾値を設定する。その他、1ラインあたりの測定時間が短く、1ライン測定間のドリフト量が非常に少ない場合は、リファレンスパターンの測定を1ライン毎に行い、各ラインで探針の位置ずれ補正のみを行うことによって、歪みのほとんどない測定像を取得することが可能となる。 Alternatively, as shown in FIG. 7, the temperature change (ΔT) in the measurement chamber exceeds a predetermined threshold (ΔT th ) (704), or the direction of temperature change (temperature rise and fall) changes (705). ), Perform reference measurement after the end of the measurement line. Also in this case, similarly to the above, the temperature change threshold is set so that the positional deviation of the probe due to drift is smaller than that of the reference pattern region. In addition, when the measurement time per line is short and the drift amount between one line measurements is very small, the reference pattern is measured for each line, and only the probe misalignment correction is performed for each line. It becomes possible to acquire a measurement image with almost no distortion.
本発明は、半導体製造におけるCMP後の平坦性評価やエッチング後のラインエッジラフネス評価、もしくは、ストレージ分野におけるパターンドメディア製造におけるパターン配列評価やパターン形状評価等に寄与する。 The present invention contributes to flatness evaluation after CMP in semiconductor manufacturing, line edge roughness evaluation after etching, or pattern arrangement evaluation and pattern shape evaluation in patterned media manufacturing in the storage field.
101 試料
102 試料ステージ
103 探針
201 L&Sパターン
202 L&S測定像
301 リファレンスパターン領域
302 測定領域
401 試料
402 粗動ステージ
403 探針
404 探針駆動部
405 たわみ・ねじれ検出部
406 駆動変位検出部
407 サンプリング回路
408 探針制御部
409 全体制御部
410 データ記憶部
411 演算処理部
412 結果表示部
413 温度センサ
501 リファレンスパターン領域
502 エッジ
503 エッジ
504 エッジのX軸に対する角度
505 エッジのY軸に対する角度
506 エッジ交差位置
507 リファレンス点
601 リファレンスパターン初期位置の中央点
602 中央点を通過するスキャン
603 中央点を通過するスキャン
604 スキャンとエッジの交差点
605 スキャンとエッジの交差点
606 エッジ交差位置
607 リファレンス点
701 i回目のリファレンス測定のタイミング
702 i+1回目のリファレンス測定のタイミング
703 k番目の試料測定像Pkの取得タイミング
704 温度変化が予め決められた閾値を超えたタイミング
705 温度変化の方向が変わったタイミング
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