JP3401444B2 - 微細形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＳＩ、その他の
半導体ウェハ等の表面形状を精密に測定するための微細
形状測定装置に関する。

【０００２】

【背景技術】半導体ウェハ等の表面形状を精密に測定す
るために特殊な装置が用いられるが、この装置の従来例
として、特表平8-502357号あるいはアメリカ特許530975
5号がある。この従来例は、アームが弾性ヒンジを介し
てフレームに回動可能に支持され、このアームの一端に
ダイヤモンドチップからなる触針が設けられ、アームの
他端には可動プレートが設けられた構造である。

【０００３】可動プレートはベースに固定された２枚の
平行プレートの間で移動するものであり、これらの平行
プレートとともにブリッジ構成の電極を形成し、一対の
キャパシタとなる。このアームが回動運動するとブリッ
ジの平衡が失われ、これにより触針先端の変位量が計測
されることになる。可動プレートは２枚の平行プレート
の間で運動するため空気の抵抗を受け、適度な減衰効果
を期待できる。アームの中央部分にはレバーアームが設
けられており、このレバーアームの先端に設けられたチ
ップがバイアス機構の磁界によって制御されることでス
タイラス先端の測定力は一定に保たれる。この制御は、
触針先端の変位量がフィードバックされてなされる。

【０００４】即ち、バイアス機構でのフィードバック制
御がされないと仮定すると、アームは弾性ヒンジによっ
て回転支持されるために、図７のグラフの実線Ｐで示さ
れる通り、アームの回転角度により測定力が相違する。
つまり、触針の位置あるいは被測定物の凹凸の大きさに
より測定力が異なることになる。そこで、レバーアーム
にバイアス機構の磁力を付与することで、図７のグラフ
の点線Ｑで示される特性に改善することができれば、グ
ラフ中、Ｄで示すアーム回転角度において、測定力がf1
からf2に大幅に低減することができる。この改善のため
に、触針先端の変位量がレバーアーム先端部の磁界にフ
ィードバックされる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来例では、触針と被
測定物に作用する測定力を直接制御するのではなく可動
プレートの位置に応じて制御するため、被測定物表面の
凹凸に応じて触針が正確に追随できないという不都合が
ある。触針を被測定物表面に正確に追随させるには測定
力自体を大きくすることも考えられるが、それでは、被
測定物表面の微細形状を触針で傷つけることになる。

【０００６】また、従来例では、レバーアームの先端で
測定力を制御するため、触針とレバーアーム先端との間
の機械的な剛性が弱くなり、応答性が高められないとい
う不都合がある。以上のことから、従来例では、触針と
被測定物との間に作用する測定力が最小50μgf程度であ
り、これより低い測定力やアームの動きが速くなる場合
には測定が困難となる。

【０００７】本発明の目的は、測定力を低減して被測定
物表面の微細形状を傷つけることがなく、しかも、高速
で測定できる微細形状測定装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は、触
針本体を有する触針機構を加振形触針とし、この加振形
触針で被測定物表面との間に作用する測定力を直接求め
て前記目的を達成しようとするものである。具体的に
は、本発明の微細形状測定装置は、軸受けを中心として
揺動自在とされたアームと、このアームの端部に設けら
れ被測定物と接触する触針本体を有する触針機構と、前
記触針本体と前記被測定物との間に作用する測定力を調
整するための測定力調整機構と、前記アームの位置を検
出する変位検出器と、前記測定力調整機構を制御する測
定力制御回路とを備え、前記触針機構は、前記アームの
一部に設置されるホルダと、このホルダに取り付けられ
た前記触針本体と、前記触針本体を共振状態で加振する
加振手段と、前記触針本体が前記被測定物との接触に際
して変化する振動状態を検出する検出手段とを含んで構
成され、前記測定力制御回路は、前記検出手段から送ら
れる出力信号に基づいて前記測定力調整機構をフィード
バック制御することを特徴とする。

【０００９】この構成の本発明では、触針機構の触針本
体を被測定物の表面に当接させるとともに、当該表面に
沿って相対移動しながら測定作業を行う。触針本体が被
測定物の表面の凹凸形状に追随しながら相対移動する際
に、触針本体が設けられたアームは揺動される。このア
ームの位置は変位検出器で検出され、この位置から触針
本体の変位量が求められる。アームに設けられた触針本
体は測定力調整機構によって被測定物との間の測定力が
調整される。この測定力調整機構は測定力制御回路で制
御されて触針本体が適正な測定力で被測定物に当接する
ことになる。

【００１０】即ち、触針機構の加振手段を作動させる
と、触針本体は振動モードで共振状態となる。この状態
で触針本体を被測定物の表面に当接すると、触針本体の
振動が規制され、この振動の変化が検出手段で検出され
る。すると、検出手段からの出力信号は測定力制御回路
に送られ、この回路から測定力をフィードバック制御す
る信号が測定力調整機構に送られる。従って、本発明で
は、触針機構を触針本体、加振手段及び検出手段を含ん
で構成された加振形触針としたため、触針本体と被測定
物との間に作用する測定力を直接検出することができ
る。しかも、直接検出された信号によって測定力制御回
路を介して測定力調整機構がフィードバック制御され
る。そのため、被測定物の凹凸表面による測定力の変動
を極めて小さく抑えて正確な高速測定を行うことができ
る。

【００１１】ここで、本発明では、前記触針機構は、前
記触針本体がその軸方向に共振状態で振動するタイプで
もよく、あるいは、触針本体が曲げ振動するタイプでも
よいが、触針本体が軸方向に振動するタイプが好まし
い。一般に、曲げの固有振動数は軸方向の固有振動数よ
り低くなるので、軸方向に振動させるタイプは曲げ振動
させるタイプに比べて応答性が高くなり、測定力の検出
を正確に行うことができる。

【００１２】また、前記アームを挟んで前記触針機構と
前記測定力調整機構及び前記変位検出器とが対向配置さ
れている構成が好ましい。この構成では、前記触針機構
と前記測定力調整機構及び前記変位検出器とが略一直線
上に配置されることでアームの長さにかかわらず測定誤
差（アッベの誤差）を少なくすることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて、添付図面を参照して詳細に説明する。本発明は
ＬＳＩ、その他の半導体ウェハ等の表面形状を精密に測
定する微細形状測定装置である。ここで、各実施形態の
同一構成部分は同一符号を付して説明を省略もしくは簡
略にする。図１から図４には本発明の第１実施形態が示
されている。図１は第１実施形態にかかる微細形状測定
装置の概略構成図である。図１において、微細形状測定
装置は、図示しないフレームに軸受け１を介して揺動自
在とされたアーム２と、このアーム２の一端部下面に取
付部２Ａを介して設けられ図示しない被測定物と接触す
るスタイラス３１を有する触針機構３と、スタイラス３
１と被測定物との間に作用する測定力を調整するための
測定力調整機構４と、アーム２の位置を検出する変位検
出器５と、測定力調整機構４を制御する測定力制御回路
６とを備えて構成されている。アーム２の他端側には、
軸受け１を中心として触針機構３との重量的なバランス
をとるバランスウェイト７が設けられている。

【００１４】触針機構３の具体的な構造が図２及び図３
に示されている。これらに図において、触針機構３はア
ーム２の取付部２Ａ（図１参照）に設置され金属材料で
成形されたホルダ３０と、このホルダ３０に取り付けら
れ触針本体を構成する前記スタイラス３１と、ホルダ３
０に設けられた２枚の圧電素子３２とを備えて構成され
ている。ホルダ３０はアーム２の取付部２Ａに取り付け
られるための略平板状の固定部３０Ａと、この固定部３
０Ａに連結されスタイラス３１を取り付けるための取付
部３０Ｂとから構成され、この取付部３０Ｂは二股に分
かれており、この二股部分でスタイラス３１の２箇所が
支持されている。この取付部３０Ｂは同一形状に形成さ
れ、スタイラス３１の２箇所の支持点における機械的イ
ンピーダンスが等しくなるように取付部３０Ｂと固定部
３０Ａとは大きく括れている。

【００１５】スタイラス３１は、細長い棒状部材の一端
部に被測定物と接触する接触部３１Ａを設け、その他端
部に接触部３１Ａと同重量のカウンタバランサ３１Ｂを
設けた構造である。接触部３１Ａは図２及び図３に示さ
れる通り、球状のものを採用することができるが、その
具体的形状は限定されるものではない。ただし、極めて
微細な形状を測定する場合には、接触部３１Ａの曲率半
径を小さくする必要があるため、図４に示されるよう
に、接触部３１Ａを先端が非常に尖った先端チップある
いは先端針とする。また、カウンタバランサ３１Ｂは図
２及び図３に示される通り、球状のものを採用すること
ができるが、他にも立方体状のもの、その他の形状を採
用することができる。

【００１６】２枚の圧電素子３２は互いに対向するよう
に取付部３０Ｂの二股部分に跨って設けられ、接着、半
田付け等によって固着されている。これらの圧電素子３
２は、それぞれスタイラス３１を共振状態で加振する加
振手段としての加振用電極３２Ａと、スタイラス３１が
被測定物との接触に際して変化する振動状態を検出する
検出手段としての検出用電極３２Ｂと、共通電極３２Ｃ
とから構成されている。加振用電極３２Ａ及び検出用電
極３２Ｂは圧電素子３２の外側面に形成され、共通電極
３２は２枚の圧電素子３２の互いに対向する内側面に形
成されている。加振用電極３２Ａに適当な周波数の駆動
電圧を加振制御回路３３（図１参照）によって印加する
と、スタイラス３１は、その軸方向に支持された２箇所
の中央部を振動の節とし、接触部３１Ａ及びカウンタバ
ランサ３１Ｂを振動の腹として振動される。接触部３１
Ａに被測定物が接触すると、共振状態が変化し、この変
化が検出用電極３２Ｂで検出され、この信号が検出回路
３４を介して測定力制御回路６に送られる（図１参
照）。

【００１７】図１において、触針機構３と測定力調整機
構４及び変位検出器５とはアーム２を挟んで対向配置さ
れている。即ち、触針機構３の真上には変位検出器５が
配置され、この変位検出器５に隣接して測定力調整機構
４が配置されている。測定力調整機構４は、アーム２の
上面に固定された磁性体４１と、この磁性体４１の直上
に配置された電磁石４２とを備え、この電磁石４２に通
電されると磁性体４１との間で反発力あるいは吸引力が
生じて触針機構３のスタイラス３１と被測定物との間に
所定の測定力が付与される構成である。電磁石４２に通
電される電流を制御することで、測定力が調整される。

【００１８】変位検出器５はスタイラス３１の変位量を
検出し、その結果を形状算出部（コンピュータ）５１で
表示できるものであり、その具体的な構成は限定されな
い。例えば、変位検出器５から超音波、光線等をアーム
２の上面に照射し、この上面から反射した超音波や光線
等を検出してスタイラス３１の変位量を検出するもので
もよい。

【００１９】測定力制御回路６は、検出回路３４から送
られる検出信号を受けて測定力調整機構４の電磁石４２
に供給される電流を制御するものである。検出回路３４
では、検出用電極３２Ｂで検出される共振状態の変化が
振幅変化に対応する信号として測定力制御回路６に出力
され、測定力制御回路６では、予め設定された測定力に
対応する信号値と検出回路３４からの出力信号との差が
演算され、必要に応じて演算された微分値や積分値とと
もに測定力調整機構４に送られる。そのため、測定力制
御回路６は、スタイラス３１に実際にかかる測定力が既
定値より大きくなると、スタイラス３１を被測定物から
離隔させるように測定力調整機構４を制御し、スタイラ
ス３１に実際にかかる測定力が既定値より小さくなる
と、スタイラス３１を被測定物に押圧するように測定力
調整機構４を制御する。

【００２０】この構成の第１実施形態の微細形状測定装
置では触針機構３のスタイラス３１を被測定物の表面に
当接させるとともに、当該表面に沿って相対移動させて
測定作業が行われる。この際、スタイラス３１が被測定
物の表面の凹凸形状に追随しながら相対移動することで
スタイラス３１が設けられたアーム２は軸受け１を回転
中心として揺動される。このアーム２の所定位置の変位
はスタイラス３１の変位として変位検出器５で検出され
る。アーム２に設けられた触針機構３のスタイラス３１
は、その測定力が検出用電極３２Ｂで検出され、この検
出信号は検出回路３４を介して測定力制御回路６に送ら
れる。この測定力制御回路６では測定力調整機構４をフ
ィードバック制御してスタイラス３１と被測定物との間
の測定力を所定値に維持する。

【００２１】従って、第１実施形態では、(1)揺動自在
とされたアーム２と、このアーム２に設けられ被測定物
と接触するスタイラス３１を有する触針機構３と、スタ
イラス３１と被測定物との間に作用する測定力を調整す
るための測定力調整機構４と、アーム２の位置を検出す
る変位検出器５と、測定力調整機構４を制御する測定力
制御回路６とを備えて微細形状測定装置が構成されてい
るので、この装置を被測定物の表面に沿って移動させる
ことで、被測定物の表面の凹凸形状を測定することがで
きる。

【００２２】さらに、(2)触針機構３は、アーム２の一
部に設置されるホルダ３０と、このホルダ３０に取り付
けられたスタイラス３１と、スタイラス３１を共振状態
で加振する加振用電極３２Ａと、スタイラス３１が被測
定物との接触に際して変化する振動状態を検出する検出
用電極３２Ｂとを含んで構成されるので、加振用電極３
２Ａで加振されたスタイラス３１の振動の変化が検出用
電極３２Ｂで直接検出されることになり、スタイラス３
１と被測定物との間に作用する測定力を直接検出するこ
とができる。そのため、測定力を低減（具体的には50μ
gf以下）しても、スタイラス３１を被測定物表面に正確
に追随させて精度の高い高速測定を行うことができる。

【００２３】また、(3)測定力制御回路６は、検出用電
極３２Ｂから送られる出力信号に基づいて測定力調整機
構４をフィードバック制御する構成であるから、被測定
物の凹凸表面による測定力の変動を極めて小さく抑えて
正確な測定を行うことができる。さらに、(4)触針機構
３は、スタイラス３１がその軸方向に共振状態で振動す
る構成としたので、軸方向の固有振動数が曲げの固有振
動数より高いことにより、応答性が高くなり、測定力の
検出を正確に行うことができる。

【００２４】また、(5)アーム２を挟んで触針機構３と
測定力調整機構４及び変位検出器５とが対向配置された
構造であるため、触針機構３と測定力調整機構４及び変
位検出器５とが略一直線上に配置されることでアーム２
の長さにかかわらず測定誤差（アッベの誤差）を少なく
することができる。特に、(6)触針機構３の直上に変位
検出器５が配置されていることから、スタイラス３１の
変位を誤差なく検出することができる。さらに、(7)ア
ーム２の軸受け１を挟んだ一端部に触針機構３を設け、
他端部にバランスウェイト７を設けたから、アーム２の
軸受け１からスタイラス３１までの長さを長くしてもア
ーム２のバランスを容易にとることができる。そのた
め、軸受け１からスタイラス３１との長さを長くできる
ことから、アーム２の揺動に伴うスタイラス３１の変位
を直線運動に近似させて正確な変位を測定することがで
きる。

【００２５】次に、本発明の第２実施形態を図５に基づ
いて説明する。第２実施形態は触針機構３が第１実施形
態と相違するが、他の構成は第１実施形態と同じであ
る。図５において、触針機構３は、アーム２の取付部２
Ａ（図１参照）に設置されたスタイラスホルダ３５と、
このスタイラスホルダ３５に支持される振動子３６Ａと
この振動子３６Ａの先端に設けられ被測定物と接触する
接触部３６Ｂとを有する触針本体３６と、この触針本体
３６を一軸方向に共振状態で振動させる加振手段３７
と、接触部３６Ｂが被測定物と接触するに際して生じる
振動の変化を検出する検出手段３８とを備えた構成であ
る。加振手段３７は加振制御回路３３（図１参照）と接
続され、検出手段３８は検出回路３４（図１参照）と接
続されている。

【００２６】スタイラスホルダ３５と振動子３６Ａとは
チタンからなる一枚の薄い板状体から一体構造に形成さ
れる。スタイラスホルダ３５は平面コ字型に形成された
平板とされ、振動子３６Ａは、その長手方向が振動方向
とされ、かつ、スタイラスホルダ３５の開口端部に支持
点３５Ａを介して振動の節となる中央部が支持された細
長い平板とされる。これらの平板は同一平面上に配置さ
れる。スタイラスホルダ３５及び触針本体３６は、振動
の軸を中心として板状体の面方向に略軸対称構造とされ
ている。スタイラスホルダ３５の開口端側には取付孔３
５Ｂが２箇所形成されている。

【００２７】振動子３６Ａは、スタイラスホルダ３５の
開口部に配置された基端部が平面矩形状とされ、スタイ
ラスホルダ３５の開口部から突出した先端部が支持点３
５Ａから接触部３６Ｂに向かうに従って幅が細くなるホ
ーン形状とされる。このホーン形状は、図５に示される
通り、湾曲形状であてもよく、あるいは、直線状であっ
てもよい。接触部３６Ｂは振動子３６Ａの先端面におい
て振動の軸方向に延びて設けられた針状部材であり、よ
り具体的には、先端に従って径が細くなる円錐状の微少
針である。この微少針はダイアモンドチップ等から構成
される。

【００２８】加振手段３７は、振動子３６Ａの表面全面
とスタイラスホルダ３５の一部の表面に設けられＰＺＴ
薄膜から構成された圧電材料膜３７Ａと、この圧電材料
膜３７Ａの上面のうち振動子３６Ａの基端側及びスタイ
ラスホルダ３５側に設けられた導電材料層３７Ｂとを備
えて構成されている。加振手段３７の導電材料層３７Ｂ
は、金等からなるものであって加振用電極として機能す
るものであり、振動子３６Ａとの間に電圧を印加し、圧
電材料膜３７Ａに電界を作用させて歪ませるものであ
る。検出手段３８は、振動子３６Ａ及びスタイラスホル
ダ３５の裏面に設けられる点以外は加振手段３７と同じ
構造である。検出手段３８の導電材料層は、検出用電極
として機能するものであり、振動子３６Ａとの間にある
圧電材料膜に生じる電圧の変化を検出するものである。

【００２９】従って、第２実施形態では、第１実施形態
の(1)から(7)の作用効果を奏することができる他、次の
作用効果を奏することができる。即ち、(8)スタイラス
ホルダ３５と触針本体３６とを板状体から一体構造とし
たから、支持点３５Ａにおけるエネルギー損失を少なく
することができるので、検出感度を向上させることがで
きる。また、(9)振動子３６Ａは、スタイラスホルダ３
５に支持された点から接触部３６Ｂが設けられた先端に
向かうに従って幅が細くなるホーン形状を有する構造で
あるため、触針本体３６の端部で大きな振幅を得ること
ができることになり、検出感度を向上させることができ
る。さらに、(10)スタイラスホルダ３５及び振動子３６
Ａを構成する板状体はチタンであるため、耐食性が良好
となる。

【００３０】なお、本発明は前述の各実施形態に限定さ
れるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲であ
れば次に示す変形例を含むものである。例えば、前記各
実施形態では、触針機構３の真上に変位検出器５を配置
したが、本発明では、図６に示される通り、触針機構３
の真上に測定力調整機構４を配置し、この測定力調整機
構４に隣接して変位検出器５を配置してもよく、あるい
は、触針機構３の真上が測定力調整機構４と変位検出器
５との中間位置となるようにこれらを配置するものでも
よい。要するに、触針機構３に近接して測定力調整機構
４と変位検出器５とを配置すればよい。ただし、図６に
示される構造とすれば、触針機構３の真上から測定力調
整機構４からの力が直接加えられることになるため、図
１に示される触針機構３と測定力調整機構４との位置が
アーム２の長手方向にオフセットされる場合に比べて機
械的な剛性を高めることができる。

【００３１】また、本発明は必ずしもアーム２の一端部
にバランスウェイト７を設けることを要しない。バラン
スウェイト７を設けない場合にはアーム２の一端部を長
くすることでバランスをとることができる。さらに、前
記各実施形態では測定力調整機構４をアーム２に固定さ
れた磁性体４１と、この磁性体４１に配置された電磁石
４２とを備えた可動鉄片タイプのアクチュエータとした
が、本発明では永久磁石に磁力により力を与えるムービ
ングコイルタイプのアクチュエータであってもよく、あ
るいは、静電力により力を与えるタイプのアクチュエー
タであってもよい。

【００３２】また、前記各実施形態では、触針機構３は
触針本体３１，３６がその軸方向に共振状態で振動する
タイプとしたが、本発明では、触針本体３１，３６が曲
げ振動するタイプでもよい。さらに、第２実施形態では
振動子３６Ａ及びスタイラスホルダ３５を構成する材質
はチタンである必要がなく、他の金属材料であってもよ
い。また、振動子３６Ａの先端部はホーン形状でなくて
もよく、例えば、平面矩形状であってもよい。

【００３３】

【発明の効果】本発明では、揺動自在とされたアーム
と、このアームに設けられ被測定物と接触する触針本体
を有する触針機構と、前記触針本体と前記被測定物との
間に作用する測定力を調整するための測定力調整機構
と、前記アームの位置を検出する変位検出器と、前記測
定力調整機構を制御する測定力制御回路とを備え、前記
触針機構は、前記アームの一部に設置されるホルダと、
このホルダに取り付けられた前記触針本体と、前記触針
本体を共振状態で加振する加振手段と、前記触針本体が
前記被測定物との接触に際して変化する振動状態を検出
する検出手段とを含んで構成され、前記測定力制御回路
は、前記検出手段から送られる出力信号に基づいて前記
測定力調整機構をフィードバック制御する構成であるか
ら、触針機構を触針本体、加振手段及び検出手段を含ん
で構成することで触針本体と被測定物との間に作用する
測定力を直接検出することができ、しかも、測定力制御
回路で測定力調整機構をフィードバック制御すること
で、被測定物の凹凸表面による測定力の変動を極めて小
さく抑えて正確な測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態にかかる微細形状測定装
置の概略構成図である。

【図２】第１実施形態の触針機構を示す分解斜視図であ
る。

【図３】第１実施形態の触針機構を示す斜視図である。

【図４】前記触針機構の触針本体であるスタイラスの先
端形状の一例を拡大して示す斜視図である。

【図５】本発明の第２実施形態の触針機構を示す斜視図
である。

【図６】本発明の変形例を示す概略構成図である。

【図７】従来例の問題点を説明するためのグラフであ
る。

【符号の説明】 ２ アーム ３ 触針機構 ４ 測定力調整機構 ５ 変位検出器 ６ 測定力制御回路 30,35 ホルダ 31,36 スタイラス（触針本体） 32A,37 加振用電極（加振手段） 32B,38 検出用電極（検出手段） ３３ 加振制御回路 ３４ 検出回路

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸受けを中心として揺動自在とされたアー
   ムと、このアームの端部に設けられ被測定物と接触する
   触針本体を有する触針機構と、前記触針本体と前記被測
   定物との間に作用する測定力を調整するための測定力調
   整機構と、前記アームの位置を検出する変位検出器と、
   前記測定力調整機構を制御する測定力制御回路とを備
   え、 前記触針機構は、前記アームの一部に設置されるホルダ
   と、このホルダに取り付けられた前記触針本体と、前記
   触針本体を共振状態で加振する加振手段と、前記触針本
   体が前記被測定物との接触に際して変化する振動状態を
   検出する検出手段とを含んで構成され、 前記測定力制御回路は、前記検出手段から送られる出力
   信号に基づいて前記測定力調整機構をフィードバック制
   御することを特徴とする微細形状測定装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の微細形状測定装置におい
   て、前記触針機構は、前記触針本体がその軸方向に共振
   状態で振動することを特徴とする微細形状測定装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２に記載の微細形状測定装置
   において、前記アームを挟んで前記触針機構と前記測定
   力調整機構及び前記変位検出器とが対向配置されている
   ことを特徴とする微細形状測定装置。