JP2023079401A - 光学測定装置が装着された原子顕微鏡及びこれを利用して測定対象の表面の情報を得る方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子顕微鏡により得られる形状情報を利用して抽出された特性値を参照して光学測定装置により形状情報を得る。【解決手段】測定対象１を支持するＸＹスキャナ１２０を利用して測定対象をＸＹ平面上でスキャンしながらプローブ（ｐｒｏｂｅ）を測定対象１の表面に沿うようにして測定対象の表面の特性を得る原子顕微鏡１００と、測定対象の表面に光を入射させる照明部２１０と、測定対象１の表面から反射した光を検出する検出部２２０とを含み、ＸＹスキャナのスキャンを通じて測定対象１の表面に対する特性を得る光学測定装置２００と、原子顕微鏡１００及び光学測定装置２００の作動を制御し、原子顕微鏡１００及び光学測定装置２００から得られるデータの受信を受ける制御装置とを含む。制御装置は、原子顕微鏡１００により測定された位置と、光学測定装置２００により測定された位置とを互いにマッチングできるように制御される。【選択図】図３

Description

本発明は、光学測定装置が装着された原子顕微鏡及びこれを利用して測定対象の表面の情報を得る方法に関し、より具体的には、原子顕微鏡により得られる形状情報を利用して抽出された特性値を参照して光学測定装置により形状情報を得る、光学測定装置が装着された原子顕微鏡及びこれを利用して測定対象の表面の情報を得る方法に関する。

光学測定装置は、測定対象の表面上の繰り返した構造（格子）のシミュレーションモデルを構築し、回折、偏光などの光の特性を利用して測定された測定結果で構築されたシミュレーションモデルをフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）することを基盤とする、スキャトロメトリ（ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｒｙ）またはＯＣＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）技術により具現された測定装置をいう。

最近では、繰り返した構造だけでなく非周期的な構造に対しても、機械学習の方法論を使用する方式で光学測定装置が活用されることもある。勿論、かかる機械学習の方法論の使用は、繰り返した構造（周期的な構造）でも活用されている。

かかる光学測定装置は、高速測定が可能であり、繰り返して測定しても再現性に優れるという長所を有するが、測定を行う前にセットアップ時間が長く、複雑な形状の構造物を測定する場合、パラメータの個数が多くなることにより、フィッティング演算が複雑になり、正確な形状を得難いという短所を有する。

かかる光学測定装置の短所を補完するために、ＣＤ－ＳＥＭのような追加的な測定装置を活用することができるが、ＣＤ－ＳＥＭの正確性では光学測定装置の短所を補完するに足りないことが実情である。

本発明は、上記のような問題点を解決するために案出されたもので、本発明で解決しようとする課題は、原子顕微鏡により得られる形状情報を利用して抽出された特性値を参照して光学測定装置により形状情報を得る、光学測定装置が装着された原子顕微鏡及びこれを利用して測定対象の表面の形状情報を得る方法を提供することにある。

本発明の課題は、以上で言及した課題に制限されず、言及されなかったまた他の課題は、以下の記載から当業者に明確に理解できるであろう。

上記課題を解決するための本発明の一実施例による光学測定装置が装着された原子顕微鏡は、測定対象を支持するＸＹスキャナを利用して前記測定対象をＸＹ平面上でスキャンしながらプローブ（ｐｒｏｂｅ）を前記測定対象の表面に沿うようにして前記測定対象の表面の特性を得る原子顕微鏡と、前記測定対象の表面に光を入射させる照明部と、前記測定対象の表面から反射した光を検出する検出部とを含み、前記ＸＹスキャナのスキャンを通じて前記測定対象の表面に対する特性を得る光学測定装置と、前記原子顕微鏡及び前記光学測定装置の作動を制御し、前記原子顕微鏡及び前記光学測定装置から得られるデータの受信を受ける制御装置とを含む。前記制御装置は、前記原子顕微鏡により測定された位置と、前記光学測定装置により測定された位置とを互いにマッチングできるように制御される。

本発明の他の特徴によると、前記照明部は、前記プローブ近くに光を入射させるように構成される。

本発明のまた他の特徴によると、前記照明部と前記検出部との間に前記プローブが位置するように、前記照明部は斜めに前記測定対象の表面に光を入射させる。

本発明のまた他の特徴によると、前記照明部は、前記プローブの上側から垂直に光を入射させるように構成される。

本発明のまた他の特徴によると、前記プローブを前記測定対象の表面に対して移動させるか、前記光学測定装置を前記測定対象の表面に対して移動させることで、前記原子顕微鏡により測定される位置と前記光学測定装置により測定される位置とを一致できるように構成される。

本発明のまた他の特徴によると、前記原子顕微鏡により測定される位置と前記光学測定装置により測定される位置との間にオフセット（ｏｆｆｓｅｔ）が発生するように、前記原子顕微鏡と前記光学測定装置が配置される。

上記課題を解決するための本発明の一実施例による測定対象の表面の情報を得る方法は、上述した光学測定装置が装着された原子顕微鏡を利用して測定対象の表面の形状情報を得る方法であって、前記原子顕微鏡を利用して、前記測定対象の表面の特定地点の形状情報を得る原子顕微鏡測定段階と、前記原子顕微鏡測定段階で得られた特定地点の形状情報を通じて形状に対する特性値を抽出する段階と、前記特性値を参照しながら、前記光学測定装置を利用して、前記測定対象の表面のうち前記特定地点を含む領域の形状情報を得る光学測定段階とを含む。

本発明の他の特徴によると、前記特性値は、高さ、上面幅、下面幅、角のラウンディング半径、表面粗さ、周期及び側壁角（ＳＷＡ）のうち少なくとも一つである。

上記課題を解決するための本発明の他の実施例による測定対象の表面の情報を得る方法は、上述した光学測定装置が装着された原子顕微鏡を利用して測定対象の表面の形状情報を得る方法であって、前記光学測定装置で特定領域を測定する段階と、前記光学測定装置による測定データに基づいて、一部領域を前記原子顕微鏡で測定する段階とを含む。

上記課題を解決するための本発明の他の実施例による測定対象の表面の形状情報を得る方法は、上述した光学測定装置が装着された原子顕微鏡を利用して測定対象の表面の情報を得る方法であって、前記原子顕微鏡のプローブを前記測定対象の表面に近接させる段階と、前記光学測定装置の照明部を利用して前記プローブと前記測定対象の表面との間に光を照射することで局在表面プラズモン共鳴を起こす段階と、前記局在表面プラズモン共鳴により発生する電場と相互作用する前記プローブから前記測定対象に対する情報を得る段階と、前記光学測定装置の検出部から少なくとも増幅されたラマンスペクトル信号を含む信号を得る段階とを含み、前記プローブは金属でコーティングされる。

本発明の他の特徴によると、前記近接させる段階は、前記プローブを非接触モードでアプローチする段階である。

本発明のまた他の特徴によると、前記信号を得る段階において、吸収スペクトルに関する信号を得ることをさらに含む。

本発明の光学測定装置が装着された原子顕微鏡及びこれを利用して測定対象の表面の形状情報を得る方法によると、原子顕微鏡の長い測定時間という短所及び光学測定装置の複雑な形状に対する不正確なフィッティングという短所を相互補完して、速い時間内により正確なプロファイルの形状データを得ることができる。また、光学測定装置が原子顕微鏡に一体的に装着されることで、原子顕微鏡から得られるデータと光学測定装置から得られるデータとの組み合わせが容易である。また、光学測定装置の測定データに基づいて必要な部分だけ原子顕微鏡により測定して全体的な測定速度の向上を期待することができる。また、光学測定装置と原子顕微鏡が統合されることで、該二つの測定装置をいずれも使用することが頻繁な半導体、ディスプレイなどの部品製造会社で投資費、維持費、人件費などの費用を節減することができる。

ＸＹスキャナとＺスキャナが分離された原子顕微鏡の概略的な斜視図である。 光学システムを利用して測定対象を測定する方式を説明した概念図である。 本発明の一実施例による光学測定装置が含まれた原子顕微鏡を正面からみた概略的な概念図である。 本発明の他の実施例による光学測定装置が含まれた原子顕微鏡を正面からみた概略的な概念図である。 図３または図４の光学測定装置が装着された原子顕微鏡を利用して測定対象の表面の形状情報を得る方法を順に示したフローチャートである。 特性値の例示を示した概念図である。 ＣＤ－ＳＥＭを利用して物理的なモデルを生成したイメージ及び該物理的なモデルからの特性値を活用して測定したスペクトルのグラフである。 原子顕微鏡を利用して物理的なモデルを生成したイメージ及び該物理的モデルからの特性値を活用して測定したスペクトルのグラフである。 図５の方法とは異なる測定対象の表面の形状情報を得る方法を順に示したフローチャートである。 局在表面プラズモン共鳴による物性値を測定するために操作された、図３の光学測定装置が含まれた原子顕微鏡を正面からみた概略的な概念図である。 図１０の装置を活用して測定対象の表面の情報を得る方法のフローチャートである。

本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付の図面と共に詳しく後述する実施例を参照すれば明確になるであろう。しかし、本発明は、以下で開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現され、単に本実施例は本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によって定義されるだけである。

第１、第２などが多様な構成要素を敍述するために使用されるが、これらの構成要素はこれらの用語により制限されないことは勿論である。これらの用語は単に一つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用するものである。よって、以下で言及される第１構成要素は、本発明の技術的思想内で第２構成要素であってもよいことは言うまでもない。さらに、第１コーティング後に第２コーティングを行うという記載も、その反対の手順でコーティングを行うことも本発明の技術的思想内に含まれることは言うまでもない。

本明細書において図面符号を使用するにあたって、図面が異なる場合でも、同一の構成を図示している場合は、なるべく同一の図面符号を使用する。

図面で表れた各構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜のために図示されたものであり、本発明が図示された構成の大きさ及び厚さに必ずしも限定されるものではない。

＜原子顕微鏡の構成＞
先ず、光学測定装置が装着されていない原子顕微鏡の構成について説明する。

図１は、ＸＹスキャナとＺスキャナが分離された原子顕微鏡の概略的な斜視図であり、図２は、光学システムを利用して測定対象を測定する方式を説明した概念図である。

図１を参照すると、原子顕微鏡１００は、プローブ（ｐｒｏｂｅ）１１０と、ＸＹスキャナ１２０と、ヘッド１３０と、Ｚステージ１４０と、固定フレーム１５０と、コントローラ１６０とを含んで構成される。

プローブ１１０は、チップ（ｔｉｐ）とカンチレバー（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）とを具備し、チップが測定対象１の表面を接触または非接触状態で沿うように構成される。プローブ１１０は、原子顕微鏡で使用される多様な形態が自由に選定されることができる。

ＸＹスキャナ１２０は、チップが測定対象１の表面に対して少なくとも第１方向に相対移動するように、測定対象１を移動させるように構成される。具体的に、ＸＹスキャナ１２０は、測定対象１をＸＹ平面でＸ方向及びＹ方向にスキャンするように機能する。

ヘッド１３０は、プローブ１１０が装着できるように構成され、カンチレバーの振動または撓みを測定することができる光学システム、及び該光学システムにより得られるデータに基づいて、チップと測定対象の表面間の距離を制御するようにプローブ１１０を少なくとも第２方向及びその反対方向に移動させるように構成されるＺスキャナ１３１を含む。光学システムは、図２を参照して後述する。ここで、Ｚスキャナ１３１は、プローブ１１０を比較的小さい変位で移動させる。

Ｚステージ１４０は、プローブ１１０とヘッド１３０を相対的に大きい変位でＺ方向に移動させる。

固定フレーム１５０は、ＸＹスキャナ１２０とＺステージ１４０を固定する。

コントローラ１６０は、少なくともＸＹスキャナ１２０、ヘッド１３０及びＺステージ１４０を制御するように構成される。コントローラ１６０は、後述する制御装置そのものであってもよく、別途の制御装置に含まれる構成であってもよい。

一方、原子顕微鏡１１０は、大きい変位でＸＹスキャナ１２０をＸＹ平面上で移動できるように構成される図示しないＸＹステージをさらに含むことができる。この場合、ＸＹステージは、固定フレーム１５０に固定される。

原子顕微鏡１００は、測定対象１の表面をプローブ１１０でスキャンしてトポグラフィー（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）などのイメージを得る。測定対象１の表面とプローブ１１０間の相対移動は、ＸＹスキャナ１２０により行われることができ、測定対象１の表面に沿うようにプローブ１１０を上下に移動させることは、Ｚスキャナ１３１により行われることができる。一方、プローブ１１０とＺスキャナ１３１は、プローブアーム（ｐｒｏｂｅ ａｒｍ、１３２）により連結される。

図２を参照すると、ＸＹスキャナ１２０は、測定対象１を支持し、測定対象１をＸＹ方向にスキャンする。ＸＹスキャナ１２０の駆動は、例えば圧電アクチュエータ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ）により発生することができ、本実施例のようにＺスキャナ１３１と分離された場合は、積層された圧電駆動機（ｓｔａｃｅｄ ｐｉｅｚｏ）を使用することもできる。ＸＹスキャナ１２０については、本出願人が登録権者である韓国登録特許第１０－０５２３０３１号（発明の名称：走査探針顕微鏡におけるＸＹスキャナ及びその駆動方法）及び第１０－１４６８０６１号（発明の名称：スキャナの制御方法とこれを利用したスキャナ装置）を参照する。

Ｚスキャナ１３１は、プローブ１１０と連結され、プローブ１１０の高さを調節することができる。Ｚスキャナ１３１の駆動もＸＹスキャナ１２０のように圧電アクチュエータにより行われることもできる。Ｚスキャナ１３１については、本出願人が登録権者である韓国登録特許第１０－１４７６８０８号（発明の名称：スキャナ装置及びこれを含む原子顕微鏡）を参照する。Ｚスキャナ１３１が収縮すると、プローブ１１０は測定対象１の表面から遠くなり、Ｚスキャナ１３１が拡張すると、プローブ１１０は測定対象１の表面に近くなる。

ＸＹスキャナ１２０とＺスキャナ１３１は、図１及び図２のように分離して別個の部材として存在することで、ＸＹスキャナ１２０による測定対象１のスキャンによって光学測定装置の測定が可能となる。

ヘッド１３０は、プローブ１１０のカンチレバーの振動または撓みを測定することができる光学システムを有し、該光学システムは、レーザー発生ユニット１３３とデテクター（ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１３４とを含む。

レーザー発生ユニット１３３では、レーザー光（点線で図示）をプローブ１１０のカンチレバーの表面に照射し、カンチレバーの表面から反射したレーザー光は、ＰＳＰＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）のような２軸のデテクター１３４に映られる。このようなデテクター１３４で検出される信号は、制御のためにコントローラ１６０に送られる。

ＡＦＭコントローラ１６０は、ＸＹスキャナ１２０とＺスキャナ１３１と連結され、ＸＹスキャナ１２０とＺスキャナ１３１の駆動を制御する。また、ＡＦＭコントローラ１６０は、デテクター１３４から得られた信号をＡＤＣコンバータによりデジタル信号に変換し、これを活用してプローブ１１０のカンチレバーの撓め、捻れなどの程度を判断することができる。ＡＦＭコントローラ１６０には、コンピュータが統合されていてもよく、別途のコンピュータとコントローラ１６０と連結されていてもよい。ＡＦＭコントローラ１６０は、一つに統合されてラックに入れられてもよく、２個以上に分割して存在してもよい。

ＡＦＭコントローラ１６０は、測定対象１をＸＹスキャナ１２０によりＸＹ方向にスキャンできるようにＸＹスキャナ１２０を駆動する信号を送る一方、プローブ１１０が測定対象１の表面と一定の相互力を有するように（即ち、カンチレバーが一定程度の撓みを維持するように、またはカンチレバーが一定の振幅で振動するように）Ｚスキャナ１３１を制御する。即ち、ＡＦＭコントローラ１６０は、ソフトウェア的なまたは電気回路な閉ループフィードバックロジッグ（ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｇｉｃ）を有する。また、コントローラ１６０は、Ｚスキャナ１３１の長さ（または、Ｚスキャナ１３１に使用されるアクチュエータの長さ）を測定するか、Ｚスキャナ１３１に使用されたアクチュエータに印加される電圧などを測定することで、測定対象１の表面の形状データ（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）を得る。

ここで、プローブ１１０のチップは、測定対象１の表面と接触した状態で測定対象１の表面と相対移動をすることもでき（これを「接触モード」という）、表面と接触しない状態で振動しながら測定対象１の表面と相対移動をすることもでき（これを「非接触モード」という）、また、測定対象１の表面を叩く状態で振動しながら測定対象１の表面と相対移動をすることもできる（これを「タップピングモード」（ｔａｐｐｉｎｇ ｍｏｄｅ）という）。このような多様なモードは、既存に開発されたモードに該当するため、詳しい説明は省略する。

一方、ＡＦＭコントローラ１６０が得る測定対象１の表面に関するデータは、形状データ以外に多様であることができる。例えば、プローブ１１０に磁気力を浮かばせるか、静電力などを加える特殊な処理をすることで、測定対象１の表面の磁気力に関するデータ、静電気力に関するデータなどを得ることができる。このような原子顕微鏡のモードは、ＭＦＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、ＥＦＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）などがあり、これは、公知の方法を使用して具現されることができる。その他にも測定対象１の表面に関するデータは、表面の電圧、表面の電流などであってもよい。

一方、ヘッド１３０の構成は、説明の便宜上必須的な構成要素のみを記載しただけで、その他の光学システムなどの具体的構成は省略したことに留意すべきであり、例えば、ヘッド１３０には韓国登録特許第１０－０６４６４４１号に開示された構成がさらに含まれてもよい。

＜光学測定装置が含まれた原子顕微鏡の構成＞
以下、添付の図面を参考として本発明の光学測定装置が含まれた原子顕微鏡の実施例について説明する。

図３は、本発明の一実施例による光学測定装置が含まれた原子顕微鏡を正面からみた概略的な概念図であり、図４は、本発明の他の実施例による光学測定装置が含まれた原子顕微鏡を正面からみた概略的な概念図である。

参考として、図３及び図４は、図１のＹ方向に本発明の光学測定装置が含まれた原子顕微鏡をみたものである。

図３を参照すると、光学測定装置２００は、照明部２１０、検出部２２０及び光学コントローラ２３０を含む。例えば、光学測定装置２００は、スキャトロメータ（ｓｃａｔｔｅｒｏｍｅｔｅｒ）であることができ、領域（ａｒｅａ）を測定する方式及びスポット（ｓｐｏｔ）を測定する方式に関わらない。光学測定装置２００として、例えば、分光エリプソメータ（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ）が使用されることもできる。

照明部２１０は、光を生成して測定対象１に照射する構成であり、図示していないが、光源、偏光／位相調整ユニット及びレンズを含むことができる。即ち、照明部２１０は、光源から光を生成し、偏光または位相を調整して、レンズを利用して所望のビームの形態を作り、測定対象１に光を照射する。

照明部２１０の光源は、如何なる測定方式を適用するかによって適切に選定されることができるが、分光エリプソメータを例えて説明すると、光源は選択された波長範囲（例えば、１００～２５００ｎｍ）の光を生成するように構成されることができる。

一方、照明部２１０は、測定対象１に光がスポット（ｓｐｏｔ）形態で入射されるように構成されてもよく、領域（ａｒｅａ）を形成しながら入射されるように構成されてもよい。

検出部２２０は、測定対象１の表面で反射した光を受信するように構成される。検出部２２０は、図示していないが、偏光／位相調整ユニット及びスリット部が含まれることができる。検出部２２０は、検出された光の情報を光学コントローラ２３０に伝達する。

光学コントローラ２３０は、検出部２２０により得られたデータであり、測定対象１の表面の構造体の形状をフィッティングする。光学コントローラ２３０は、コンピュータシステムを含むことができ、前述したＡＦＭコントローラ１６０と統合されて制御装置として通称されることができる。

照明部２１０と検出部２２０を利用した光学測定装置として、以外にも光学レフレクトメータ（ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）、分光スキャトロメータ、オーバーレイスキャトロメータ、角度分解されたビームプロファイルレフレクトメータ、偏光分解されたビームプロファイルレフレクトメータ、ビームプロファイルレフレクトメータ、ビームプロファイルエリプソメータ、任意の角度または多重波長エリプソメータなどが非制限的に適用されることができる。

照明部２１０と検出部２２０は、その間にプローブ１１０が位置するように、照明部２１０は、斜めに測定対象１の表面に光を入射させる。即ち、光学測定装置２００により測定される位置は、原子顕微鏡１００により測定される位置と近く設定されることができる。

しかし、必ずしも斜めに照明部２１０が測定対象１の表面に光を入射しなければならないものではない。例えば、照明部２１０がプローブ１１０の上側から垂直に測定対象１の表面に光を入射させる方式で光学測定装置を構成しても良い。

さらに好ましくは、光学測定装置２００により測定される位置は、原子顕微鏡１００により測定される位置に一致させる方がよい。このような一致は、プローブ１１０を測定対象１の表面に対して移動させるか、光学測定装置２００を測定対象１の表面に対して移動させることで達成されることができる。

例えば、原子顕微鏡１００は図示していないが、プローブ１１０を上側からみられるように光学顕微鏡を含むが、このような光学顕微鏡を通じてプローブ１１０の位置を特定することができ、プローブ１１０の位置に光が映るように照明部２１０の入射角、位置を調節し、測定対象１の表面から反射した光が受信されるように検出部２２０の位置を調節することで、光学測定装置２００により測定される位置は、原子顕微鏡１００により測定される位置に一致させることができる。

測定対象１の表面に対する照明部２１０からの光の入射角は多様に設定されることができ、入射角を調節できるように照明部２１０を構成することが好ましい。

一方、図３とは異なり、図４のように、原子顕微鏡１００により測定される位置と光学測定装置２００により測定される位置との間にオフセット（ｏｆｆｓｅｔ）Ａが発生するように、原子顕微鏡１００と光学測定装置２００が配置されることもできる。

図４のように、オフセットＡが発生するように光学測定装置２００が原子顕微鏡１００に設置される場合、照明部２１０を通じた入射角は多様に設定されることができ、垂直に入射することも含まれる。垂直に入射する場合、照明部２１０と検出部２２０とが一つの部材で形成されることもできる。

制御装置（図示せず）は、ＡＦＭコントローラ１６０及び光学コントローラ２３０を含み、原子顕微鏡１００及び光学測定装置２００の作動を制御し、原子顕微鏡１００及び光学測定装置２００から得られるデータの受信を受ける。

制御装置は、原子顕微鏡１００により測定された位置と、光学測定装置２００により測定された位置とを互いにマッチングできるように制御される。例えば、制御装置は、図３のように原子顕微鏡１００により測定された位置と、光学測定装置２００により測定された位置とを物理的にマッチングさせるように、原子顕微鏡１００または光学測定装置２００を移動できるようにして各装置を制御することができる。また、例えば、制御装置は、図４のように物理的に互いに異なる測定位置における原子顕微鏡１００及び光学測定装置２００による測定をして得られたデータを、オフセットＡを考慮して事後的にマッチングさせることができる。即ち、マッチングは物理的マッチングであってもよく、物理的距離を考慮した事後的データマッチングであってもよい。

＜上述した光学測定装置を含む原子顕微鏡を利用して測定対象表面の形状情報を得る方法＞
図５は、図３または図４の光学測定装置が装着された原子顕微鏡を利用して測定対象の表面の形状情報を得る方法を順に示したフローチャートであり、図６は、特性値の例示を示した概念図である。

先ず、原子顕微鏡測定段階（Ｓ１１０）で上述した原子顕微鏡１００を利用して測定対象１の表面の特定地点の形状情報を得る。ここで特定地点とは、繰り返したパターンの一構造物であることができる。

以後、原子顕微鏡測定段階（Ｓ１１０）で得られた特定地点の形状情報を通じて形状に対する特性値を抽出する（Ｓ１２０）。図６を参照すると、形状に対する特性値は、高さ（ｈｅｉｇｈｔ）、上面幅（ｔｏｐ）、下面幅（ｂｏｔｔｏｍ）、角のラウンディング半径（ｒｏｕｎｄｉｎｇ １、ｒｏｕｎｄｉｎｇ ２）、表面粗さ（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）、周期（ｐｅｒｉｏｄ）及び側壁角（ＳＷＡ）のうち少なくとも一つであることができる。

光学測定段階（Ｓ１３０）でかかる特性値を参照しながら、上述した光学測定装置２００を利用して測定対象１の表面のうちかかる特定地点を含む領域の形状情報を得る。この時、原子顕微鏡１００のＸＹスキャナ１２０を利用して測定対象１をスキャンすることで、測定が行われる。

図７は、ＣＤ－ＳＥＭを利用して物理的なモデルを生成したイメージ及び該物理的なモデルからの特性値を活用して測定したスペクトルのグラフであり、図８は、原子顕微鏡を利用して物理的なモデルを生成したイメージ及び該物理的モデルからの特性値を活用して測定したスペクトルのグラフである。

先ず、図７の（ａ）を参照すると、高さ方向に離散化（ｄｉｓｃｒｅｔｉｚａｔｉｏｎ）が適用され、繰り返した構造物の物理的なモデルを形成する場合、ＣＤ－ＳＥＭのイメージを考慮すると、青色線のような外形を有する単位パターンの物理的なモデルが定義される。このような物理的なモデルの単位パターンを利用して、ＯＣＤ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）方法論を適用すると、図７の（ｂ）のように、実際測定されたｎスペクトル、ｃスペクトル及びｓスペクトル（それぞれ青色、赤色、緑色の実線で図示される）と理論値（または、シミュレーション値）（円、四角形、三角形状で図示される）と大きな差を表す。即ち、このような結果は、モデリングが誤っていることを表す。

一方、本実施例では、測定値としてｎ、ｃ、ｓを例示として説明したが、これに限られるものではなく、他の測定値を使用することもできる。例えば、Ｐｓｉ、ｄｅｌｔａを使用してもよく、Ｍｕｅｌｌｅｒ ｍａｔｒｉｘ値を使用してもよい。

このようなモデリングの誤りは、様々な要因により引き起こされるおそれがある。例えば、ＣＤ－ＳＥＭ自体の測定誤差により引き起こされることがあり、またＣＤ－ＳＥＭにより測定された地点と光学測定装置による測定された地点とが異なり引き起こされることもある。勿論、二つの要因が複合的に作用されることもある。

ＣＤ－ＳＥＭと光学測定装置間の測定位置のマッチングが容易でないため、図７のようなモデリングの誤りは容易に引き起こされ易い。

このような問題点は、本発明の装置のように、原子顕微鏡１００のＸＹスキャナ１２０を通じて原子顕微鏡１００の測定及び光学測定装置２００の測定が行われることにより、測定位置を互いにマッチングさせ易い構造を選ぶことで解決されることができる。

図８の（ａ）を参照すると、原子顕微鏡１００により得られたプロファイル形状データ（空色の実線）により形成された物理的なモデル（高さ方向に離散化された青色実線）は図７の（ａ）と多少異なる形状を有する。

このような物理的なモデルを通じて、ｎスペクトル、ｃスペクトル及びｓスペクトルを測定すると、図８の（ｂ）のように理論値と正確に一致することを分かる。

一方、ここでも測定値としてｎ、ｃ、ｓを例示として説明したが、これに限定されるものではなく、他の測定値を使用することもできる。例えば、Ｐｓｉ、ｄｅｌｔａを使用してもよく、Ｍｕｅｌｌｅｒ ｍａｔｒｉｘ値を使用してもよい。

敷衍すると、図７と図８間の差異点は、原子顕微鏡１００を活用することでＣＤ－ＳＥＭより正確なパターンの物理的形状を得ることができ、ＸＹスキャナ１２０の制御を通じて正確に同一の位置でモデリングされた形状をＯＣＤ方法論に適用することで発生したといえる。

このように信頼できる特性値としてＯＣＤ方法論を適用する場合、測定すべき変数を減らすことができ、これによりＯＣＤ方法論の適用による予測に対する精密度及び繰り返し度を向上させることができる。

図９は、図５の方法とは異なる測定対象の表面の形状情報を得る方法を順に示したフローチャートである。

図３、図４及び図９を参照すると、光学測定装置２００で先に広い特定領域を測定し（Ｓ２１０）、原子顕微鏡１００で一部領域を測定し（Ｓ２２０）、光学測定装置２００による測定データと原子顕微鏡１００による測定データを組み合わせることで（Ｓ２３０）、測定対象の表面の形状情報を得ることができる。

原子顕微鏡１００が測定する一部領域は、光学測定装置２００により測定された特定領域の一部であってもよく、特定領域に含まれていない領域であってもよい。

原子顕微鏡１００で測定する一部領域の選定は、測定対象１の特性によって適切に選定すればよいが、例えば、複雑かつ特徴的な形状を有する構造物を選定する方がよい。また、使用者が特別に確認したい領域を指定してもよい。

原子顕微鏡１００は、測定速度が相対的に長く所要されるため、速い測定速度を有する光学測定装置２００で広い領域を速く測定した後、光学測定装置２００による測定データに基づいて複雑な模様を有する構造物の位置を特定し、この位置で原子顕微鏡１００による測定が行われることにより、広い領域で正確性を補完しつつも速い測定速度を達成することができる。

＜局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ；Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）発生原理による測定対象の物性測定方法＞
局在表面プラズモン共鳴は、電場が光の波長より小さい大きさの金属ナノ構造体に印加される時、特定の波長で電場と金属の伝導電子と相互作用により発生する電子の集団振動現象が表面プルラズモンによる共鳴現象である。局在表面プラズモン共鳴は、金属ナノ構造体の大きさ、形態、配列、金属の種類、周囲環境に非常に大きな影響を受ける。

図１０は、局在表面プラズモン共鳴による物性値を測定するために操作された、図３の光学測定装置が含まれた原子顕微鏡を正面からみた概略的な概念図である。

図３で例示された光学測定装置が含まれた原子顕微鏡の構成から局在表面プラズモン共鳴現象を誘導し、これにより測定対象の特性を把握することができる。

図１０を参照すると、図３とは違って、プローブ１１０が測定対象１の表面に非常に近接して配置される。プローブ１１０は、局在表面プラズモン共鳴により増幅された電場に影響を受けることができる程度に測定対象１の表面と近接すればよい。例えば、プローブ１１０は、上述した非接触モードで測定対象１の表面と相互作用している状態（これを一般的にアプローチ状態という）で設定されることが好ましい。これは、電場を測定するＥＦＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）モードにおいて非接触モードで電場を測定する原理を活用するものである。

プローブ１１０は、電場を測定可能に測定対象１の表面にアプローチさせた後に、プローブ１１０と測定対象１の表面との間に照明部２１０を利用して光（例えば、レーザー）を照射させる。この時、電場を測定するためにプローブ１１０は金のような金属がコーティングされたものを活用することが好ましい。

光が照射されると、プローブ１１０と測定対象１の表面との間で局在表面プラズモン共鳴が発生する。具体的に、ナノ大きさの金属ナノ粒子にレーザーまたは多波長光源からの光が照射されると、局在表面プラズモン共鳴のエネルギーが励起され、この時、一定範囲内に電場が誘導される。誘導された電場により金属ナノ粒子近くに局所電場の増強現象を示す。このような局所電場は、金属ナノ粒子の大きさと模様、配列により異なって形成される。

このような局所電場は、プローブ１１０に影響を及ぼすと共に、検出部２２０にも影響を及ぼす。即ち、局所電場は、バイアス電圧が印加されたプローブ１１０の挙動変化を起こし、一般的な原子顕微鏡のＥＦＭモードなどを活用して局所電場の特性を測定することができる。もちろん、この時、同時にトポグラフィー（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）情報も共に得ることができる。これと共に、検出部２２０で反射された光のスペクトルや強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を測定することで、追加的な情報も得ることができる。特に、サンプルの化学的特性は、光の吸収スペクトルと密接な関連があるという点で、局在表面プラズモン共鳴による吸収スペクトルを測定すれば、測定対象１の表面物質が如何なるものであるかが分かり、また局在表面プラズモン共鳴により増幅されるスペクトル成分も存在するという点に着眼して、物質の固有特性と関連のあるラマンスペクトル信号を局在表面プラズモン共鳴で増幅して得ることができる。換言すると、測定対象１の表面の物質の固有性質による吸収スペクトルと増幅されるラマンスペクトルは検出部２２０を通じて測定することができ、これを通じて測定対象１の表面の物性が分かる。

ここで発生する局所電場は、プローブ１１０の表面の金属ナノ粒子及び／または測定対象１の表面の金属ナノ粒子により発生することができる。

図１１は、図１０の装置を活用して測定対象の表面の情報を得る方法のフローチャートである。

図１０及び図１１を参照すると、光学測定装置が装着された原子顕微鏡を利用して測定対象の表面の情報を得る方法は、原子顕微鏡のプローブ１１０を測定対象１の表面に近接させる段階（Ｓ３１０）と、光学測定装置の照明部２１０を利用してプローブと測定対象の表面との間に光を照射することで局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を引き起こす段階（Ｓ３２０）と、局在表面プラズモン共鳴により発生する電場と相互作用するプローブから測定対象に対する情報を得る段階（Ｓ３３０）と、光学測定装置の検出部２２０から少なくとも増幅されたラマンスペクトル信号を含む信号を得る段階（Ｓ３４０）とを含む。

原子顕微鏡のプローブを測定対象の表面に近接させる段階（Ｓ３１０）は、プローブ１１０を非接触モードでアプローチすることでなされることができる。また、信号を得る段階（Ｓ３４０）において吸収スペクトルに関する信号を得ることをさらに含むことができる。

勿論、プローブ１１０で情報を得る段階（Ｓ３３０）と検出部２２０から信号を得る段階（Ｓ３４０）は、同時に行われることができる。

このような局在表面プラズモン共鳴を利用した、本実施例の光学測定装置が含まれた原子顕微鏡の活用は、半導体製造工程で形成されるか加工されるナノパターンに対する品質計測及び不良分析、タンパク質、細胞などのバイオ物質特性の測定、ガス／環境／化学物質特性の測定などでなされることができる。

以上、添付の図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は本発明のその技術的思想や必須的な特徴を変更せずとも他の具体的な形態で実施できるということが理解できるであろう。従って、以上で記述した実施例は、全ての面で例示的なものであり、限定的ではないと理解すべきである。

１００：原子顕微鏡
１１０：プローブ
１２０：ＸＹスキャナ
１３０：ヘッド
１３１：スキャナ
１３２：プローブアーム
１３３：レーザー発生ユニット
１３４：デテクター
１４０：ステージ
１５０：固定フレーム
１６０：ＡＦＭコントローラ
２００：光学測定装置
２１０：照明部
２２０：検出部
２３０：光学コントローラ

Claims (12)

1. 測定対象を支持するＸＹスキャナを利用して前記測定対象をＸＹ平面上でスキャンしながらプローブ（ｐｒｏｂｅ）を前記測定対象の表面に沿うようにして前記測定対象の表面の特性を得る原子顕微鏡と、
   前記測定対象の表面に光を入射させる照明部と、前記測定対象の表面から反射した光を検出する検出部とを含み、前記ＸＹスキャナのスキャンを通じて前記測定対象の表面に対する特性を得る光学測定装置と、
   前記原子顕微鏡及び前記光学測定装置の作動を制御し、前記原子顕微鏡及び前記光学測定装置から得られるデータの受信を受ける制御装置とを含み、
   前記制御装置は、前記原子顕微鏡により測定された位置と、前記光学測定装置により測定された位置とを互いにマッチングできるように制御される、光学測定装置が装着された原子顕微鏡。
2. 前記照明部は、前記プローブ近くに光を入射させるように構成される、請求項１に記載の光学測定装置が装着された原子顕微鏡。
3. 前記照明部と前記検出部との間に前記プローブが位置するように、前記照明部は斜めに前記測定対象の表面に光を入射させる、請求項２に記載の光学測定装置が装着された原子顕微鏡。
4. 前記照明部は、前記プローブの上側から垂直に光を入射させるように構成される、請求項２に記載の光学測定装置が装着された原子顕微鏡。
5. 前記プローブを前記測定対象の表面に対して移動させるか、前記光学測定装置を前記測定対象の表面に対して移動させることで、前記原子顕微鏡により測定される位置と前記光学測定装置により測定される位置とを一致できるように構成される、請求項２に記載の光学測定装置が装着された原子顕微鏡。
6. 前記原子顕微鏡により測定される位置と前記光学測定装置により測定される位置との間にオフセット（ｏｆｆｓｅｔ）が発生するように、前記原子顕微鏡と前記光学測定装置が配置される、請求項１に記載の光学測定装置が装着された原子顕微鏡。
7. 請求項１の光学測定装置が装着された原子顕微鏡を利用して測定対象の表面の情報を得る方法であって、
   前記原子顕微鏡を利用して、前記測定対象の表面の特定地点の形状情報を得る原子顕微鏡測定段階と、
   前記原子顕微鏡測定段階で得られた特定地点の形状情報を通じて形状に対する特性値を抽出する段階と、
   前記特性値を参照しながら、前記光学測定装置を利用して、前記測定対象の表面のうち前記特定地点を含む領域の形状情報を得る光学測定段階とを含む、測定対象の表面の情報を得る方法。
8. 前記特性値は、高さ、上面幅、下面幅、角のラウンディング半径、表面粗さ、周期及び側壁角（ＳＷＡ）のうち少なくとも一つである、請求項７に記載の測定対象の表面の情報を得る方法。
9. 請求項１の光学測定装置が装着された原子顕微鏡を利用して測定対象の表面の情報を得る方法であって、
   前記光学測定装置で特定領域を測定する段階と、
   前記光学測定装置による測定データに基づいて、一部領域を前記原子顕微鏡で測定する段階とを含む、測定対象の表面の情報を得る方法。
10. 請求項３の光学測定装置が装着された原子顕微鏡を利用して測定対象の表面の情報を得る方法であって、
    前記原子顕微鏡のプローブを前記測定対象の表面に近接させる段階と、
    前記光学測定装置の照明部を利用して前記プローブと前記測定対象の表面との間に光を照射することで局在表面プラズモン共鳴を起こす段階と、
    前記局在表面プラズモン共鳴により発生する電場と相互作用する前記プローブから前記測定対象に対する情報を得る段階と、
    前記光学測定装置の検出部から少なくとも増幅されたラマンスペクトル信号を含む信号を得る段階とを含み、
    前記プローブは金属でコーティングされた、測定対象の表面の情報を得る方法。
11. 前記近接させる段階は、前記プローブを非接触モードでアプローチする段階である、請求項１０に記載の測定対象の表面の情報を得る方法。
12. 前記信号を得る段階において、吸収スペクトルに関する信号を得ることをさらに含む、請求項１０に記載の測定対象の表面の情報を得る方法。

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