JP2777147B2 - Surface analyzer - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、固体表面に付着した薄膜や微粒子の定性
的、定量的分析に有効な表面分析装置に関わり、特に半
導体集積回路素子等の不良解析に有効な表面分析装置に
関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial application field) The present invention relates to a surface analysis device effective for qualitative and quantitative analysis of thin films and fine particles adhered to a solid surface, and particularly to a semiconductor integrated device. The present invention relates to a surface analyzer effective for failure analysis of circuit elements and the like.
（従来の技術） 赤外吸収分光や可視吸収分光では、個々の物質に固有
の原子間固有振動や電子遷移を測定することが可能であ
り、分析方法として広く応用されている。(Prior art) In infrared absorption spectroscopy and visible absorption spectroscopy, it is possible to measure interatomic natural vibration and electronic transition peculiar to each substance, and it is widely applied as an analysis method.
ところで、半導体集積回路素子等の製造工程において
は、半導体表面に形成された薄膜の評価や、表面に付着
した不純物の分析が重要な課題となっている。このよう
な局所分析に上記分光法を応用するためにいくつかの努
力がなされている。By the way, in a manufacturing process of a semiconductor integrated circuit element or the like, evaluation of a thin film formed on a semiconductor surface and analysis of impurities attached to the surface are important issues. Some efforts have been made to apply the spectroscopy to such local analysis.
例えば、O.Berres S（Appl.Spectrosc 41 1000.198
7）は赤外光を集光して局所的な赤外吸収分光の開発を
試みている。しかし、赤外線の波長が比較的長いため、
空間分析能は10μｍ程度にとどまっている。For example, O.Berres S (Appl.Spectrosc 41 1000.198
7) focuses infrared light and attempts to develop local infrared absorption spectroscopy. However, because the wavelength of infrared rays is relatively long,
Spatial analysis ability is only about 10 μm.
これに対し、より高い空間分析能を得るために、赤外
光の照射に伴う試料の温度上昇を測定して吸収係数を見
積もる方法、例えば、Marc A.Taubenblalt.Appl.phys.L
ett.52）が報告されている。この手法においては、可視
光線を光源とする干渉顕微鏡を用いて温度上昇に伴う熱
膨張を試料面の位置変動として検出する。そして測定に
用いた光学顕微鏡の空間分析能に相当する１μｍ程度の
分析能を得ている。On the other hand, in order to obtain a higher spatial analysis ability, a method of estimating an absorption coefficient by measuring a temperature rise of a sample due to irradiation with infrared light, for example, Marc A. Taubenblalt.Appl.phys.L
ett.52) has been reported. In this method, thermal expansion due to a rise in temperature is detected as positional fluctuation of a sample surface using an interference microscope using visible light as a light source. And the analytical ability of about 1 μm corresponding to the spatial analytical ability of the optical microscope used for the measurement is obtained.
（発明が解決しようとする課題） しかし、現在の半導体集積回路素子の線幅は、１μｍ
以下に達しており、その評価のためにはもう１桁小さい
0.1μｍ程度の分解能が必要である。(Problems to be Solved by the Invention) However, the line width of the current semiconductor integrated circuit device is 1 μm.
Has reached and is an order of magnitude smaller for its assessment
A resolution of about 0.1 μm is required.
本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、その
目的は、0.1μｍ以下の空間分析能を有する局所吸収分
光測定機能を有する表面分析装置を提供することにあ
る。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a surface analyzer having a local absorption spectrometry function having a spatial analysis capability of 0.1 μm or less.
（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本願請求項１記載の発明
は、 被検査試料の表面に対し該被検査試料表面の高さを局
所的に測定するための探針を近接配置させる微動手段
と、 前記微動手段によって近接配置された前記探針と対向
する部位に特定の物質によって吸収される波長の放射線
を照射する照射手段と、 前記照射手段によって前記放射線が照射された部位に
おける前記被検査試料の高さ変化を検出する高さ変化検
出手段と、 前記高さ変化検出手段による検出結果に基づき、前記
被検査試料中に存在する前記特定の物質を検出する特定
物質検出手段とを具備することを特徴とする。(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present application is directed to a probe for locally measuring the height of the surface of a sample to be inspected with respect to the surface of the sample to be inspected. Finely irradiating means for irradiating a radiation having a wavelength absorbed by a specific substance to a portion opposed to the probe which is closely arranged by the finely irradiating means; and A height change detecting means for detecting a change in height of the test sample at a site which has been set, and a specific substance for detecting the specific substance present in the test sample based on a detection result by the height change detecting means. And a detecting means.
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明に
おいて、 前記放射線として赤外光を用い、その波長を掃引しな
がら局所的分光吸収特性を測定することを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, infrared radiation is used as the radiation, and local spectral absorption characteristics are measured while sweeping the wavelength.
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明に
おいて、 前記前記高さ変化検出手段は、 前記被検査試料と前記探針の間に流れトンネル電流を
検出するトンネル電流検出手段を具備することを特徴と
する。According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the height change detecting means includes a tunnel current detecting means for detecting a tunnel current flowing between the sample to be inspected and the probe. It is characterized by doing.
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明に
おいて、 前記高さ変化検出手段は、 前記被検査試料と前記探針の間に働く原子間力を測定
する原子間力測定手段を具備することを特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the height change detecting means includes an atomic force measuring means for measuring an atomic force acting between the test sample and the probe. It is characterized by having.
また、請求項５記載の発明は、 被検査試料の表面に対し該被検査試料の表面の高さを
検出するための探針を近接させる微動手段と、 前記被検査試料の前記探針に対向した部位にマイケル
ソン型の干渉計を通過した放射線を照射する照射手段
と、 前記マイケルソン型干渉計の固定反射鏡と可動反射鏡
で反射される放射線の光路差を掃引しながら、被検査試
料表面の高さ変動を前記探針を用いて検出する手段と、 この手段で検出した高さ変動の光路差依存性を計算処
理して局所分光吸収特性を求める手段とを有する。Further, the invention according to claim 5 is characterized in that fine movement means for bringing a probe for detecting the height of the surface of the sample to be inspected close to the surface of the sample to be inspected, and opposed to the probe of the sample to be inspected. Irradiating means for irradiating the irradiated portion with radiation having passed through a Michelson-type interferometer, and a sample to be inspected while sweeping an optical path difference of radiation reflected by a fixed reflecting mirror and a movable reflecting mirror of the Michelson-type interferometer. A means for detecting a height variation of the surface by using the probe; and a means for calculating an optical path difference dependency of the height variation detected by the means to obtain a local spectral absorption characteristic.
（作用） 放射線として可視光または赤外光を用い、被検査試料
の表面に照射することにより、放射線照射時と未照射時
の被検査試料表面の温度変化に伴う膨張収縮を試料表面
の高さ変動として検知し、放射線に対する局所的な分光
吸収特性を測定する。(Action) By irradiating the surface of the test sample with visible or infrared light as radiation, the expansion and contraction of the test sample surface due to temperature changes between the time of irradiation and the time of non-irradiation can be reduced by the height of the sample surface. This is detected as a change, and the local spectral absorption characteristic of the radiation is measured.
ここで、位置変動の測定には、試料と探針の間に流れ
るトンネル電流を測定するか、探針と試料の間に働く原
子間力を介して探針に伝達された変動を検知する方法を
用いる。この位置変動の検出手段としては、走査型トン
ネル電子顕微鏡（STM）または原子間力顕微鏡と呼ばれ
ているものと同じ原理を用いることができる。Here, the position variation is measured by measuring the tunnel current flowing between the sample and the probe, or detecting the variation transmitted to the probe via the atomic force acting between the probe and the sample. Is used. As a means for detecting the position change, the same principle as that called a scanning tunneling electron microscope (STM) or an atomic force microscope can be used.
探針による位置変動測定は高さ方向の検出感度が10-2
nm程度であり、また水平方向の分析能も10-1nm程度であ
るため、局所分析の分解能は極めて高い。Position change measurement with a probe has a detection sensitivity in the height direction of 10 -2
Since the resolution is about 10 nm and the analytical capability in the horizontal direction is about 10 -1 nm, the resolution of local analysis is extremely high.
例えば、シリコン等の放射線吸収率の比較的低い物質
上に、微小な吸収係数の高い物質が付着している場合、
実質的に付着物のみの吸収特性を測定することができ
る。これは、特に半導体素子の製造工程で表面に付着す
る不純物の同定や定量分析のために極めて有効なものと
なる。For example, if a substance with a small absorption coefficient is attached to a substance with a relatively low radiation absorption rate such as silicon,
It is possible to measure the absorption characteristics of substantially only the deposit. This is extremely effective especially for identification and quantitative analysis of impurities adhering to a surface in a semiconductor device manufacturing process.
第１図は本発明の一実施例を示す構成図であるが、そ
の前に走査型トンネル電子顕微鏡（STM）の構成につい
て第６図を参照して説明する。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. Before that, the configuration of a scanning tunneling electron microscope (STM) will be described with reference to FIG.
第６図において、11は被検査試料、12は金属の探針、
20はX,Y,Zの各方向の圧電素子21,22,23よりなる微動機
構、31は計算機、32はＸ−Ｙ駆動回路、33はＺ駆動回
路、34はトンネル電流検出回路、35はメモリ、36は表示
器である。In FIG. 6, 11 is a sample to be inspected, 12 is a metal probe,
20 is a fine movement mechanism composed of piezoelectric elements 21, 22, and 23 in X, Y, and Z directions, 31 is a computer, 32 is an XY drive circuit, 33 is a Z drive circuit, 34 is a tunnel current detection circuit, and 35 is A memory 36 is a display.
この構成において、導電性物質からなる試料11と、金
属の探針12の間に電圧を印加して1nm程度の距離まで近
付づけること、これらの間にトンネル電流が流れる。こ
の電流は、両者の間の距離変化に敏感であり、0.1nm程
度の距離変化に対してトンネル電流が１桁変化する。In this configuration, when a voltage is applied between the sample 11 made of a conductive substance and the metal probe 12 so as to approach a distance of about 1 nm, a tunnel current flows between them. This current is sensitive to a distance change between the two, and the tunnel current changes by one digit for a distance change of about 0.1 nm.
STMでは、微動機構20を用いてトンネル電流を一定に
保ちながら、探針12を試料11の表面に沿って走査する。
探針12が試料11の凸部分に来るとトンネル電流が増加す
るので、元も電流になるまで探針12を上げ、凹部分では
逆に探針12を下げる。この操作をくり返し、微動機構20
に加えた電圧変化を取出して画像化し、被検査試料11の
表面光像を原子のスケールで観察する。In the STM, the probe 12 scans along the surface of the sample 11 while keeping the tunnel current constant using the fine movement mechanism 20.
When the probe 12 comes to the convex portion of the sample 11, the tunnel current increases. Therefore, the probe 12 is raised until the current becomes the current, and the probe 12 is lowered for the concave portion. Repeat this operation until fine movement mechanism 20
The change in voltage applied to the sample 11 is extracted and imaged, and a surface light image of the sample 11 to be inspected is observed on an atomic scale.
このように探針12と被検査試料11の間のトンネル電流
の変動を利用すれば、上下方向、水平方向ともに高い分
析能で位置変動を検出できる。By using the variation of the tunnel current between the probe 12 and the test sample 11 as described above, the position variation can be detected with high analytical performance in both the vertical and horizontal directions.
本発明は、探針12を一定位置に保持して放射線をパル
ス状に照射しながらトンネル電流の変動を測定するか、
または放射線照射時にもトンネル電流が一定となるよう
Ｚ方向の微動機構を用いて探針12を上下動させ、その際
の電圧変化を取出すことにより、試料の放射線吸収によ
る温度変化に伴う熱膨張量を10-2nm以下の分析能で測定
するものである。さらに、入射するパルス放射線の波長
を掃引しながら照射することによって、試料11の表面の
局所的な分光吸収特性の測定を行うものである。また絶
縁物の被検査試料に対しては、探針２と試料の間に作用
する原子間力の変動を検出して分光吸収特性の測定を行
ったものである。The present invention measures the fluctuation of the tunnel current while irradiating radiation in a pulse shape while holding the probe 12 at a fixed position,
Alternatively, the probe 12 is moved up and down by using a fine movement mechanism in the Z direction so that the tunnel current becomes constant even during irradiation with radiation, and the voltage change at that time is taken out, whereby the amount of thermal expansion accompanying the temperature change due to radiation absorption of the sample is obtained. Is measured with an analytical ability of 10 -2 nm or less. Further, by irradiating the wavelength of the incident pulse radiation while sweeping it, local spectral absorption characteristics of the surface of the sample 11 are measured. Further, for an inspected sample of an insulator, a change in an atomic force acting between the probe 2 and the sample is detected to measure spectral absorption characteristics.
以上のことを背景として第１図の実施例を説明する。 The embodiment of FIG. 1 will be described with the above as background.
第１図において、11は試料であり、この試料11の表面
に金属の探針12が近接配置されている。探針12は、X,Y
（図示せず）、Ｚの各方向の微小移動を可能とする圧電
素子（アクチュエータ）21,22（図示せず）23からなる
微動機構20に取付けられており、この微動機構20は図示
しない粗動機構に取付けられている。なお、粗動機構は
探針12を取付けた微動機構20を移動し、探針12を試料11
の表面に充分近付けるためのものである。In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a sample, and a metal probe 12 is arranged close to the surface of the sample 11. Probe 12 is X, Y
(Not shown), and is attached to a fine movement mechanism 20 comprising piezoelectric elements (actuators) 21 and 22 (not shown) 23 capable of minute movement in each direction of Z. It is attached to the moving mechanism. The coarse movement mechanism moves the fine movement mechanism 20 to which the probe 12 is attached, and moves the probe 12 to the sample 11.
This is for bringing the surface sufficiently close to the surface.
圧電素子21、22は、計算機31により制御されたＸ−Ｙ
駆動回路32により駆動され、その駆動により探針12は試
料11表面の面内方向に走査される。また、圧電素子23は
計算機31により制御されたＺ軸駆動機構33により駆動さ
れ、この駆動により探針12は試料11表面と垂直に上下動
する。また、回折格子42及びシャッタ43は計算機31によ
り制御される。The piezoelectric elements 21 and 22 are controlled by an XY controlled by a computer 31.
The probe 12 is driven by a driving circuit 32, and the probe 12 is scanned in an in-plane direction of the surface of the sample 11 by the driving. Further, the piezoelectric element 23 is driven by a Z-axis drive mechanism 33 controlled by a computer 31, and by this drive, the probe 12 moves up and down perpendicular to the surface of the sample 11. The diffraction grating 42 and the shutter 43 are controlled by the computer 31.
試料11と探針12の間には、所定の電圧が印加されると
ともに、両者の間に流れる電流を検出するトンネル電流
検出回路34が接続されている。一方、試料11はＸ−Ｙ方
向に粗動可能なＸ−Ｙステージ14に置かれている。A predetermined voltage is applied between the sample 11 and the probe 12, and a tunnel current detection circuit 34 for detecting a current flowing between the two is connected. On the other hand, the sample 11 is placed on an XY stage 14 which can be roughly moved in the XY directions.
なお、第１図の実施例は、放射線に対してほぼ透明な
試料11の上の微小な付着物13の吸収特性を測定するため
のもので、放射線40は被検査試料の裏面より照射され
る。The embodiment shown in FIG. 1 is for measuring the absorption characteristics of the minute deposit 13 on the sample 11 which is almost transparent to the radiation, and the radiation 40 is irradiated from the back surface of the sample to be inspected. .
次に放射線40の照射系について説明する。光源41とし
てはシンクロトロン放射光源からの連続波長光を用いて
いる。放射線40は回折格子42により単色化された後、パ
ルス状の照射を行うためのシャッタ43、高調波光を遮断
するためのフィルタ44を通過した後、レンズ45により集
光された後、被検査試料11上の付着物13に照射される。
ここで、図示のように、放射線40のビーム径は付着物13
の径より小さくなっているが、ビーム径より小さな付着
物の分析も可能である。Next, an irradiation system of the radiation 40 will be described. As the light source 41, continuous wavelength light from a synchrotron radiation light source is used. The radiation 40 is monochromatized by the diffraction grating 42, passes through a shutter 43 for performing pulsed irradiation, a filter 44 for blocking harmonic light, is collected by a lens 45, and then is inspected. Irradiation is performed on the deposit 13 on the surface 11.
Here, as shown, the beam diameter of the radiation 40 is
Although the diameter is smaller than the diameter, it is also possible to analyze a deposit smaller than the beam diameter.
次にこの装置を用いて、付着物の放射線吸収特性を測
定する方法について第２図を参照しながら説明する。Next, a method for measuring the radiation absorption characteristics of the deposit using this apparatus will be described with reference to FIG.
第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれトンネル
電流、シャッタ43の開閉タイミング、回折格子42により
分光された放射線40の波長を時間の関数として示したも
のである。放射線40の波長は、時間に対して連続的に変
化しているが、時刻ｔ1でシャッタ43を開き、時刻ｔ2で
シャッタ43を閉じる。その間に付着物13は放射線40の波
長に対応した吸収係数で放射線40を吸収し、温度が上昇
する。それに伴い、付着物13は体積膨張を引き起こす。
その結果、探針12と付着物13の上部の距離が近くなり、
トンネル電流が増大する。このトンネル電流の増大の度
合は、波長λ1から波長λ2の間の平均的な吸収計数を反
映したものとなる。さらに波長を掃引しながらこの測定
をくり返し、トンネル電流の包絡線をたどると、吸収特
性のピークに対応したピークが現れる。2 (a), (b) and (c) show the tunnel current, the opening / closing timing of the shutter 43, and the wavelength of the radiation 40 dispersed by the diffraction grating 42 as a function of time, respectively. Wavelength of the radiation 40 is continuously changes with respect to time, to open the shutter 43 at time t 1, closes the shutter 43 at time t 2. During that time, the deposit 13 absorbs the radiation 40 with an absorption coefficient corresponding to the wavelength of the radiation 40, and the temperature rises. Accordingly, the attached matter 13 causes volume expansion.
As a result, the distance between the probe 12 and the upper part of the deposit 13 becomes shorter,
The tunnel current increases. The degree of increase of the tunnel current, results in reflecting the average absorption coefficient between the wavelength lambda 1 of the wavelength lambda 2. When this measurement is repeated while further sweeping the wavelength and following the envelope of the tunnel current, a peak corresponding to the peak of the absorption characteristic appears.
次にこの方法を用いて実際にウェハ上の付着物の分析
を行った例を説明する。第３図は被検査試料11の断面図
を示している。ここで、被検査試料としてはシリコンウ
ェハを用い，その上に付着物13として電子ビームレジス
トであるPMMA（ポリメチルメタクリレート）の細線を電
子ビーム描画により形成した。線の幅は0.5μｍ、高さ
は0.5μｍである。また、表面に導電性を付与するため
に試料11全面に金の蒸着膜15を0.1μｍの厚みで形成し
た。Next, an example of actually analyzing attached matter on a wafer by using this method will be described. FIG. 3 shows a sectional view of the sample 11 to be inspected. Here, a silicon wafer was used as a sample to be inspected, and fine lines of PMMA (polymethyl methacrylate), which is an electron beam resist, were formed on the silicon wafer by electron beam lithography. The width of the line is 0.5 μm and the height is 0.5 μm. In addition, a gold vapor-deposited film 15 having a thickness of 0.1 μm was formed on the entire surface of the sample 11 in order to impart conductivity to the surface.
この被検査試料１の赤外光吸収特性を第１図の装置を
用いて分析した放射線40の半値幅は10-1cmであり、強度
は1mwで約５μｍ位の領域に集光するようにした。ま
た、パルス間隔は1/100秒、波長掃引速度は10-1cm/秒と
して、500-1cmから1500-1cmの範囲で測定を行った。そ
の結果、PMMAのエステル基に特有のＣ−０伸縮振動、Ｃ
−０−Ｃ変角信号等の固有振動数に相当する波長でトン
ネル電流が最大３倍まで増大した。また、PMMAの吸収ピ
ークに相当しない500〜600-1cm付近でのトンネル電流の
変動は10％以下であった。The half-width of the radiation 40 obtained by analyzing the infrared light absorption characteristics of the sample 1 to be inspected using the apparatus shown in FIG. 1 is 10 -1 cm, and the intensity is 1 mw. did. The measurement was performed in the range of 500 -1 cm to 1500 -1 cm, with a pulse interval of 1/100 second and a wavelength sweep speed of 10 -1 cm / sec. As a result, C-0 stretching vibration specific to the ester group of PMMA, C
The tunnel current increased up to three times at a wavelength corresponding to the natural frequency such as the −0-C deflection signal. The fluctuation of the tunnel current around 500-600 -1 cm, which does not correspond to the absorption peak of PMMA, was less than 10%.
このように本実施例の装置を用いれば、基板上に付着
した１μ以下の付着物の放射線吸収特性を精度よく測定
することができる。As described above, with the use of the apparatus of the present embodiment, it is possible to accurately measure the radiation absorption characteristics of the attached matter of 1 μm or less attached to the substrate.
第４図は本発明の第２の実施例を示す構成図である。
この実施例は、試料部分、駆動機構20及び制御系は第１
の実施例と同じであるが、放射線40を単色化する代わり
にマイケルソン型の干渉計46を用いているのが特徴であ
る。マイケルソン干渉計46は、放射線40の光路を分ける
ためのハーフミラー47と、２枚の互いに直行する反射鏡
48,49より構成されている。反射鏡48は固定されている
のに対し、反射鏡49は光路に対して垂直に移動可能に構
成されている。FIG. 4 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention.
In this embodiment, the sample portion, the driving mechanism 20 and the control system are the first.
This embodiment is the same as the third embodiment except that a Michelson-type interferometer 46 is used instead of making the radiation 40 monochromatic. The Michelson interferometer 46 includes a half mirror 47 for dividing an optical path of the radiation 40, and two orthogonal reflecting mirrors.
It consists of 48,49. While the reflecting mirror 48 is fixed, the reflecting mirror 49 is configured to be vertically movable with respect to the optical path.
次に、この干渉計46を用いて分光特性を測定する方法
について説明する。Next, a method of measuring spectral characteristics using the interferometer 46 will be described.
まず、被検査試料11に探針12を接近させ、両者の間に
流れるトンネル電流を測定する。次に反射鏡49の位置を
上下動させ、固定の反射鏡48で反射した光との光路差γ
を掃引しながら被検査試料11の上面の高さｚ（Δγ）を
測定する。First, the probe 12 is brought close to the sample 11 to be inspected, and a tunnel current flowing between the two is measured. Next, the position of the reflecting mirror 49 is moved up and down, and the optical path difference γ from the light reflected by the fixed reflecting mirror 48 is changed.
Is measured while measuring the height z (Δγ) of the upper surface of the sample 11 to be inspected.
ここで、ｚ（Δγ）を測定するには、予め探針12と試
料11の距離とトンネル電流との関係を測定しておき、ト
ンネル電流をモニタしてその変動から推定してもよい
し、トンネル電流が一定となるようｚ駆動回路33に電圧
を印加し、その印加電圧から推定してもよい。Here, in order to measure z (Δγ), the relationship between the distance between the probe 12 and the sample 11 and the tunnel current may be measured in advance, and the tunnel current may be monitored and estimated from the fluctuation. A voltage may be applied to the z drive circuit 33 so that the tunnel current is constant, and the voltage may be estimated from the applied voltage.
ここで、光源の波長分布をＩ0（λ）とすると、試料1
1に照射される放射線の波長分布Ｉ0（λ0，γ）は干渉
計46を通過しているため、 Ｉ0（λ，γ） ＝Ｉ0（λ）（１−ｅ−２πΔγ／λ） ……（１） と表わせる。Here, assuming that the wavelength distribution of the light source is I 0 (λ), sample 1
Since the wavelength distribution I 0 (λ 0 , γ) of the radiation applied to 1 has passed through the interferometer 46, I 0 (λ, γ) = I 0 (λ) (1−e− 2πΔγ / λ ). ... (1)
ところで、変動量dz（Δγ）は、光の吸収係数ｓ
（λ）とＩ0（λ，γ）との間に次の関係がある。By the way, the variation dz (Δγ) is the light absorption coefficient s
The following relationship exists between (λ) and I 0 (λ, γ).
dz（γ） ＝Ａ∫Ｉ0（λ，Δγ）・ｓ（λ）ｄλ ……（２） ここで、Ａは比例定数であり、試料の形状，比熱，大
きさ，熱伝導率等の関数である。dz (γ) = A∫I 0 (λ, Δγ) · s (λ) dλ (2) where A is a proportional constant and is a function of the shape, specific heat, size, thermal conductivity, etc. of the sample. It is.
第（２）式に第（１）式を代入すると、 dz（γ） ＝Ａ∫Ｉ0（λ）,s（λ）（１−ｅ−２πΔγ／λ）ｄ
λ ＝Ａ｛∫Ｉ0（λ）ｓ（λ）ｄλ−∫ΣＩ0（λ）ｓ
（λ）ｅ−２πΔγ／λ）ｄλ｝ ……（３） となる。Substituting equation (1) into equation (2), dz (γ) = A∫I 0 (λ), s (λ) (1−e− 2πΔγ / λ ) d
λ = A ｛∫I 0 (λ) s (λ) dλ−∫ΣI 0 (λ) s
(Λ) e− 2πΔγ / λ ) dλ｝ (3)
ここで、右辺の第１項は光路差Δγ＝０の時の高さ変
動量dz（０）に相当する。従って、第（３）式は dz（０）−dz（γ） ＝Ａ∫Ｉ0（λ）ｓ（λ）ｅ−２πγ／λｄλ ……（４） となる。Here, the first term on the right side corresponds to the height variation dz (0) when the optical path difference Δγ = 0. Therefore, the equation (3) becomes dz (0) −dz (γ) = A∫I 0 (λ) s (λ) e− 2πγ / λdλ (4)
ここでdz（０）−dz（γ）＝dZ（γ）とおくと、 dZ（γ）＝Ｉ0（λ）ｓ（λ）ｅ−２πγ／λｄλ ……（５） となる。Here, if dz (0) −dz (γ) = dZ (γ), then dZ (γ) = I 0 (λ) s (λ) e− 2πγ / λdλ (5)
これをフーリエ変換すると、 となる。従って、光路差γを掃引しながら高さ方向の変
動量dz（γ）を複数の点について測定し、これをフーリ
エ変換することにより、Ｉ0（γ）ｓ（γ）を求めるこ
とができる。When this is Fourier transformed, Becomes Therefore, the fluctuation amount dz (γ) in the height direction is measured at a plurality of points while the optical path difference γ is swept, and I 0 (γ) s (γ) can be obtained by Fourier transforming the measured values.
実際には、第（６）式を次の式で近似して級数計算を
行う。Actually, the series is calculated by approximating the equation (6) by the following equation.
光源の波長分布を予め測定しておき第（７）式をこれ
で割ることにより、吸収係数ｓ（λ）を求めることがで
きる。なお、これらの計算は計算機31を用いて行なわれ
る。 By measuring the wavelength distribution of the light source in advance and dividing equation (7) by this, the absorption coefficient s (λ) can be obtained. Note that these calculations are performed using the computer 31.
この実施例では、光源１の全波長の光が常に試料11に
照射されているため、効率が高く、信号／雑音比の大き
な分光吸収特性を比較的短時間で測定できる特徴があ
る。In this embodiment, since the sample 11 is constantly irradiated with light of all wavelengths of the light source 1, there is a feature that the efficiency is high and the spectral absorption characteristic having a large signal / noise ratio can be measured in a relatively short time.
第５図は本発明の第３の実施例を示す構成図である。 FIG. 5 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention.
この実施例では、探針12としてはダイヤモンドを用
い、板バネ24により固定用ブロック25に接続している。
板バネ24の裏面には金属製の探針26が取付けられてい
る。探針12と被検査試料11の距離は、両者の間に働く原
子間の反発力により板バネ24に伝達され、板バネ24と金
属製探針26との間のトンネル電流の変化として検出され
る。またブロック25は圧電素子よりなるＺ微動機構23に
固定されている。高さ方向検出装置27は全体がX,Y,Zの
粗動機構（図示せず）に取付けられている。被検査試料
11に対しては斜め上方向から放射光40を照射する機構が
取付けられている。その構成、動作は第１の実施例で説
明したものと同じであるので省略する。In this embodiment, diamond is used as the probe 12, and the probe 12 is connected to the fixing block 25 by a leaf spring 24.
On the back surface of the leaf spring 24, a metal probe 26 is attached. The distance between the probe 12 and the sample 11 to be inspected is transmitted to the leaf spring 24 by the repulsive force between the atoms acting between them, and is detected as a change in the tunnel current between the leaf spring 24 and the metal probe 26. You. The block 25 is fixed to a Z fine movement mechanism 23 composed of a piezoelectric element. The height direction detection device 27 is entirely attached to an X, Y, Z coarse movement mechanism (not shown). Inspection sample
A mechanism for irradiating the radiated light 40 from an obliquely upward direction is attached to 11. The configuration and operation are the same as those described in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
この実施例によれば、絶縁物を測定する際にも金属膜
で被覆する必要がないため、非破壊検査に適している。
また、放射線40を試料11の上方向から照射するため、放
射線０に対して不透明の被検査試料上の付着物の測定も
可能となる。According to this embodiment, even when measuring an insulator, it is not necessary to cover the insulator with a metal film, which is suitable for nondestructive inspection.
In addition, since the radiation 40 is irradiated from above the sample 11, it is possible to measure the attached matter on the sample to be inspected which is opaque to the radiation 0.
なお、本発明は上述した各実施例に限定されるもので
はない。例えば、試料11に照射する光の光源はシンクロ
トロン放射光に限るものではなく、波長可変型のCO2レ
ーザや、ダイオード型半導体レーザ等のレーザ光等の単
色光源を用いてもよい。また、熱放射型の連続光源等あ
らゆる単色連続光源を利用できる。Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, the light source for irradiating the sample 11 is not limited to synchrotron radiation light, and a monochromatic light source such as a wavelength-variable CO 2 laser or a laser light such as a diode-type semiconductor laser may be used. In addition, any monochromatic continuous light source such as a heat radiation type continuous light source can be used.
また放射線の照射方法としては、パルス状であっても
よいし、連続に照射するものでもよい。The radiation may be irradiated in a pulsed manner or continuously.
また探針12の駆動機構は圧電素子を用いるものに限ら
ず、高い分解能で探針を移動できるものであればよい。The drive mechanism of the probe 12 is not limited to a mechanism using a piezoelectric element, but may be any mechanism that can move the probe with high resolution.
以上説明したように本発明によれば、放射線を照射し
た際の試料面の高さ変動を探針を用いて検出することに
より、微小部分の分光吸収特性を測定するように構成し
たため、0.1μｍ以下の分解能で試料面の分光吸収特性
を測定することができる。特に赤外領域の分光特性は物
体の同定に有効であるため、半導体素子製造工程の際に
付着する不純物の同定に極めて有効な効果を発揮する。As described above, according to the present invention, the height variation of the sample surface upon irradiation with radiation is detected using a probe, so that the spectral absorption characteristic of the minute portion is measured. The spectral absorption characteristics of the sample surface can be measured with the following resolution. In particular, since the spectral characteristics in the infrared region are effective for identifying an object, it is extremely effective for identifying impurities attached during a semiconductor element manufacturing process.
第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は第１
図の実施例の動作を説明するための波形図、第３図は第
１図の実施例で使用した被検査試料の断面構成図、第４
図は本発明の第２の実施例を示す構成図、第５図は本発
明の第３の実施例を示す構成図、第６図は走査型トンネ
ル電子顕微鏡の概略構成図である。 11……被検査試料、12……探針、13……付着物、14……
Ｘ−Ｙステージ、15……金薄膜、20……微動機構、21…
…Ｘ微動機構、22……Ｙ微動機構、23……Ｚ微動機構、
24……板バネ、25……固定用ブロック、26……金属探
針、27……高さ測定機構、31……計算機、32……Ｘ−Ｙ
駆動回路、33……Ｚ駆動回路、34……トンネル電流検出
回路、40……放射線、41……光源、42……回折格子、43
……シャッタ、44……フィルタ、45……レンズ、46……
マイケルソン干渉計、47……ハーフミラー、48……固定
の反射鏡、49……可動の反射鏡。FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 3 is a waveform diagram for explaining the operation of the embodiment shown in FIG. 3, FIG. 3 is a cross-sectional view of a sample to be inspected used in the embodiment shown in FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention, FIG. 5 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a schematic block diagram of a scanning tunneling electron microscope. 11 ... sample to be inspected, 12 ... probe, 13 ... attached matter, 14 ...
XY stage, 15: gold thin film, 20: fine movement mechanism, 21 ...
... X fine movement mechanism, 22 ... Y fine movement mechanism, 23 ... Z fine movement mechanism,
24: leaf spring, 25: fixing block, 26: metal probe, 27: height measuring mechanism, 31: calculator, 32: XY
Drive circuit 33 ... Z drive circuit 34 ... Tunnel current detection circuit 40 ... Radiation 41 ... Light source 42 ... Diffraction grating 43
…… Shutter, 44 …… Filter, 45 …… Lens, 46 ……
Michelson interferometer, 47… half mirror, 48… fixed reflector, 49… movable reflector.
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 25/16 G01N 37/00 G01B 7/34 G01B 21/30 H01J 37/28Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) G01N 25/16 G01N 37/00 G01B 7/34 G01B 21/30 H01J 37/28
Claims (5)
の高さを局所的に測定するための探針を近接配置させる
微動手段と、 前記微動手段によって近接配置された前記探針と対向す
る部位に特定の物質によって吸収される波長の放射線を
照射する照射手段と、 前記照射手段によって前記放射線が照射された部位にお
ける前記被検査試料の高さ変化を検出する高さ変化検出
手段と、 前記高さ変化検出手段による検出結果に基づき、前記被
検査試料中に存在する前記特定の物質を検出する特定物
質検出手段とを具備する ことを特徴とする表面分析装置。A fine movement means for closely arranging a probe for locally measuring a height of the surface of the sample to be inspected with respect to a surface of the sample to be inspected; and a probe closely arranged by the fine movement means. Irradiating means for irradiating a radiation of a wavelength absorbed by a specific substance to an opposing part; height change detecting means for detecting a height change of the test sample in a part irradiated with the radiation by the irradiating means; And a specific substance detecting means for detecting the specific substance present in the sample to be inspected based on a detection result by the height change detecting means.
を掃引しながら局所的分光吸収特性を測定することを特
徴とする請求項１記載の表面分析装置。2. The surface analyzer according to claim 1, wherein infrared radiation is used as the radiation, and local spectral absorption characteristics are measured while sweeping the wavelength.
出するトンネル電流検出手段を具備することを特徴とす
る請求項１記載の表面分析装置。3. The surface analyzer according to claim 1, wherein said height change detecting means comprises a tunnel current detecting means for detecting a tunnel current flowing between said sample to be inspected and said probe. .
る原子間力測定手段を具備することを特徴とする請求項
１記載の表面分析装置。4. The surface according to claim 1, wherein said height change detecting means comprises an atomic force measuring means for measuring an atomic force acting between said sample to be inspected and said probe. Analysis equipment.
面の高さを検出するための探針を近接させる微動手段
と、 前記被検査試料の前記探針に対向した部位にマイケルソ
ン型の干渉計を通過した放射線を照射する照射手段と、 前記マイケルソン型干渉計の固定反射鏡と可動反射鏡で
反射される放射線の光路差を掃引しながら、被検査試料
表面の高さ変動を前記探針を用いて検出する手段と、 この手段で検出した高さ変動の光路差依存性を計算処理
して局所分光吸収特性を求める手段とを有する表面分析
装置。5. A fine movement means for bringing a probe for detecting the height of the surface of the sample to be inspected close to the surface of the sample to be inspected; Irradiating means for irradiating the radiation passing through the interferometer of the type, and the height variation of the surface of the sample to be inspected while sweeping the optical path difference of the radiation reflected by the fixed reflecting mirror and the movable reflecting mirror of the Michelson interferometer And a means for calculating the optical path difference dependence of the height fluctuation detected by the means to obtain a local spectral absorption characteristic.
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