JP3559828B2 - 振動に感応しないプロファイル計スタイラスアセンブリ - Google Patents

Description

技術分野
この発明はパターニングされた半導体ウェハの表面特徴のプロファイルを測定する、または柔らかい基板上の微細組織を測定するための器具に関する。
背景技術
プロファイル器具は粗さ、うねりおよび形状によって表面を特徴付ける目的のために1930年代に最初に開発された。近年では、これらの器具は半導体装置の建築用ブロックである薄膜加工物の測定および生産制御の正確な度量衡のために改良されてきた。半導体産業は製品の世代が新しくなるごとにより小さな寸法になってきたので、より感度がよくかつ正確なプロファイル器具に対する要求が高まってきている。加工物が小さくなるにつれて、これらを完全に分析するためにはより小さい半径のスタイラスを使用しなければならない。しかしながら、半径が小さくなると接触圧力がより高くなり、より低いスタイラス力を使用することが必要になる。非常に低いスタイラス力を使用すると、器具は測定される表面の粗さから生じる、および回りの振動源からも生じるノイズの影響をより受けやすくなる。出力にノイズが存在すると器具の有効感度が下がり、その痕跡の正確さに傷を付けることになる。正確さはまたスタイラス圧力の表面耐力に対する比率が表面の塑性変形が生じ、表面のばらつきの細部が取り除かれる程度まで上がるたびに失われる。スタイラス力を低減することがこの問題に対する唯一の解決策である。
この発明の譲受人に譲渡されたウイーラ（Wheeler）らの米国特許第4,103,542号において、軸受を中心に枢支されたカウンタバランスされたスタイラスアームが開示され、このアームにおいてはスタイラス力はカウンタバランスを移動させることによって調節できる。力は、スタイラスアームに結合されたコア、およびアームとは関係なく支持された、その中をコアが移動するコイルを有する線形可変差動トランスを使用して測定される。ウイーラの米国特許第4,391,044号では、線形走査のために支持された類似のスタイラスアームが開示される。
非常に低いスタイラス力でプロファイラを動作させることが望ましいことは明らかである。市販されているプロファイラの現在の技術水準では1.0mg.までの力での動作が可能である。しかしながら、その力でよい結果を出すためには相対的に静かな環境が必要であり、そのような条件はユーザの環境では常に得られるというわけではない。ここで必要になるのは源が何であろうとそれからスタイラス／センサアセンブリに到達する振動または衝撃エネルギパルスに対するスタイラス／センサアセンブリの反応を少なくすることである。
この発明の目的は改良された振動および衝撃絶縁特性を有するプロファイル計のためのスタイラスアセンブリを工夫することである。
発明の概要
上の目的はプロファイル計スタイラスアセンブリであって、アセンブリの慣性モーメントを実質的に下げることによって振動および衝撃エネルギパルスの効果を低減するプロファイル計スタイラスアセンブリにおいて達成された。エネルギパルスがスタイラスアーム構造に達すると、エネルギパルスは加速力を発生し、この力はパルスの前端、または加速力が設定されたスタイラス力を超える場合にはパルスが跳ね返ってくるところでサンプル表面からスタイラスを持ち上げる傾向にある。生じた加速力はスタイラスアーム構造の慣性モーメントに比例し、したがってそれを低減することによってより低いスタイラス力を使用することが可能になる。
現存する設計において従来から行なわれているのは、コイルとともに作用するコアの場合もある測定センサを枢支されたスタイラスアーム上でスタイラスに近づけて配置することである。静的つりあいを達成するためにアームの反対側の端部にはしばしばカウンタウエートが使用される。この設計法によりセンサは確実にスタイラス運動を正確に追跡し、かつまた運動パルスがスタイラスアームピボットを介して導入された場合にはいくらかの運動量効果が確実に回避される。
標準的な設計に反して、この発明のスタイラス支持アームおよび測定センサはピボットを中心に反対の位置に配置される。スタイラスと反対のピボットによって支持された羽根は２つのより大きな平行キャパシタプレート間の空気中で移動する。プレート間にトラップされた空気は羽根の運動を減衰させ、それによって大きなスタイラス運動を止める一方で、羽根とともにこの２つのプレートは運動の測定のための差動キャパシタを形成する。重要な特徴は回転軸を中心とした慣性モーメントが非常に小さくされ得るということである。ピボットからの距離が最大のところで質量を低減することが非常に重要である。
【図面の簡単な説明】
図１はこの発明のプロファイル計スタイラスアセンブリの側面斜視図である。
図２は図１に示されたプロファイル計スタイラスアセンブリの正面斜視図である。
図３は図１に示されたプロファイル計スタイラスアセンブリの上面図である。
図４は図１に示されたプロファイル計スタイラスアセンブリの側面図である。
図５は図１に示されたプロファイル計スタイラスアセンブリで使用されるキャパシタプレートの側面図である。
発明を実施するためのベストモード
図１−４を参照して、0.01mm.の半径を有するダイヤモンドチップ11は直角で曲げられる細いステンレス鋼ワイヤ13の端部に付着される。ワイヤの半径は約0.25mmである。このダイヤモンドチップはワイヤの四角にされた端部に粘着性を持って装着され、ワイヤの反対側の端部は中空のアルミニウムアーム15に挿入される。アーム15は約2cmの長さ、および約0.018cmの壁内径を有する。このアルミニウムアームは段差の高さを検知する場合に曲がらないように十分な剛性を有するが、それでもその慣性モーメントが低く保たれるように十分低い質量を有する。アーム、ワイヤおよびダイヤモンドチップの全質量は約0.05グラムを超えてはならない。アーム15はピボット部材19の溝17に嵌合する。ワッシャ21はアームを溝17の所定位置に保持し、小さなねじ23はワッシャをピボット部材19の壁に対して所定位置に保持する。支持梁25は下方向に延びる柱27を有し、それに対して湾曲したピボット29が装着され、ピボット部材19を柱27に接続する。この態様で、アルミニウムアーム15は湾曲したピボット29を中心に回転中心を有する。湾曲したピボット29はスタイラスチップ11を測定される表面に対して下方向に軽く保持するのに十分な捩じりを有する。ピボットのスタイラス側の全質量は以下に説明するレバーを含んで0.50グラムを超えてはならない。
フレーム31はウイーラの先行特許に記載されるように、傾斜補償またはレベリング機構に接続されてもよい。フレーム31の下側は１対の間隔をおいて設けられた平行なキャパシタプレート35および37に対する高さ調節として作用する。これらのプレート間の間隔は約0.7mm.であり、その間には空気の隙間がある。
図５は単一のキャパシタプレートの細部を示す。このようなプレートはシルクスクリーンされ、その後セラミック部材上で火を付けられてキャパシタプレートを形成する１対の導電膜を有する平面のセラミック部材61を特徴とする。２つのプレートは同一であるので、一方しか図示しない。セラミック部材にバイオアホール65を介して延びる導電金属膜63が示される。図面の上部表面は図１の可動羽根41に面するプレートの側を示す。バイアホール65の目的は外表面はんだパッド上にはんだ付けされ、キャパシタプレートから関連の電子装置に信号を伝える細いワイヤへの電気的接続を与えることである。図４のワイヤ39はそのようなワイヤである。第２の電動金属膜71は金属層63に対して絶縁関係にあるが、やはりセラミック部材61上に堆積されている。この層は第２のバイア73を介してめっきされ、キャパシタプレートの裏側にボンディングリング75を有する。層71はバイア65によって終端されるワイヤのシールドを終わらせる役目をする。シールドは電気ノイズピックアップを低減する。
図１−４に戻って、図示されていない小さな絶縁スペースはプレート35をプレート37から分離し、ねじが２つのプレートをフレーム31に締め付ける。プレートの面積は外の空気から羽根を遮蔽するのに十分な大きさでなければならず、その結果羽根には密接に間隔をおいて設けられたプレート間に瞬間的にトラップされた空気の圧縮によって運動に対して抵抗がある。１対の電気リード39は各プレートに１つずつ平行プレートに接続される。平行プレート間には、低質量の導電羽根41が間隔をおいて設けられ、平行プレート35および37の各々についてキャパシタを形成する。図４の矢印Ａによって示される羽根の運動の範囲はプラスまたはマイナス0.16mmである。さらに、羽根41はピボット部分19に接続されることによって、羽根が平行プレート間の空気を圧縮しようとするときピボット運動を減衰させる。この羽根の減衰運動はアーム15に伝えられる可能性のある振動および衝撃を分離する役割をする。
羽根41はパドル43に接続され、これはピボット部材19の後部の張り出しであってアーム15の反対側にあり、アームとカウンタバランスするように働く。ピボットの羽根側のピボット部材、パドルおよび羽根の総質量は約0.6gを超えてはならない。羽根41は接地されているので、抵抗プレート35および37とそのそれぞれの電気リード39に対してキャパシタの差動対が形成される。このようなキャパシタの対はバランスされたブリッジの形状で較正されるであろう。プレート35および37の間の羽根の運動はブリッジのバランスを崩し、そのキャパシタンスの変化がスタイラスチップの運動を示す。
電気ソレノイドコイル51は中央強磁性コア53を有し、これはワイヤ55によってコイル51に電流が印加されると磁化される。磁化された中央強磁性コア53はレバー59の強磁性チップ57を引き付け、このレバーの強磁性チップと反対側の端部はピボット部材19に固定されている。ワイヤ55に電流を与えコア53を磁化することにより、磁力がレバー59に作用し、図４の矢印Ｂで示されるような回転の形で、バイアスを引き起こす。レバー59は軽量でなければならないが、磁力を加えられたときに曲がらないように、レバーは硬くなくてはならない。
動作において、スタイラスチップ11はパターニングされた半導体ウェハ等の測定すべき表面を走査する。走査は固定されたウェハの位置に対してフレーム31を移動することによって行なわれてもよく、またはスタイラスの位置を固定したままウェハをＸ−Ｙウェハステージ上で移動させることによって行なわれてもよく、またはこれら２つの運動を組合せてなされてもよい。後者の場合には、スタイラスアームをＸ方向に線形に移動し、一方でウェハを、Ｘ方向の長さに沿った走査ごとにＹ方向に進めてもよい。スタイラスチップ11はコイル51およびコア53を介してレバー59に与えられる適切なバイアスによって、ウェハの表面と接したまま維持される。バイアスは接触を維持するのに十分な大きさでなければならないが、測定すべき表面に損傷を与えてはならない。測定される表面の地形の変化によってチップ11の撓みが引起こされ、これはピボット部材19を介して羽根41へと後方へ運ばれるが、これは平行プレート35および37の間の空気の変位のために振動による不所望の大きな振幅の運動に抵抗する。しかしながら、空気は圧縮され変位されるので、羽根41はわずかに動き、これらのワイヤに接続された電気ブリッジ回路内の変化を反映して、電気リード39内に信号を引起こす。走査の終了で、チップ11は持上げられ、ウェハの交換の際にそれが損傷を受けることから守られる。
アーム15、ワイヤ13およびチップ11を製作する際には、慣性モーメントをできるだけ小さく維持することが重要である。質量−半径二乗積は約0.5g−cm²を超えてはならず、発明者らは0.42g−cm²の質量−半径二乗積を達成した。半径はスプリングピボット29の中心からスチールワイヤ13の最も遠い半径方向の範囲で測定された。同様の慣性モーメントが羽根41とレバー59についても計算された。モーメントの和は、全スタイラスアームの慣性モーメントと呼ばれる。慣性モーメントを低く維持することにより、スタイラスアームは振動の影響を受けにくくなり、薄膜等のプロファイル測定においてより高い解像度が達成できる。

Claims (13)

1. 基板のプロファイルを計測するためのプロファイル計スタイラスアセンブリであって、
   長手のスタイラスアームおよびカウンタバランスであって、アームの下に位置付けられた基板と接するように設けられた硬いスタイラスを備えた第１の端部と、第１の端部と反対側の、２枚の平行プレート間を移動する羽根を備えた第２の端部とを有するものを含み、スタイラスアームは第１および第２の端部間にピボットを有し、前記平行プレートは前記羽根とともにスタイラス変位測定トランスデューサを形成し、前記アセンブリはさらに
   スタイラスアームの第１の端部と関連付けられて第１の端部を前記基板と接触させるよう付勢する可変力部材と、
   前記トランスデューサが基板のプロファイルを計測するように、前記基板に対して前記スタイラスを走査させる手段を含む、プロファイル計アセンブリ。
2. 前記可変力部材はスタイラスアームの第１の端部に接続されたレバーからある距離だけ間隔を開けられて位置付けられた強磁性コアを有し、レバーは前記コアからある距離で磁気的に起動され得る強磁性チップを有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記ピボットは１対の対向する端部を有するピボット部材内に位置付けられ、一方の端部はスタイラスアームを支持し、他方の端部は前記羽根を支持する、請求項１に記載の装置。
4. 前記平行プレートは空気中で配置され、羽根を外気から遮蔽するあの領域の広がりを有する、請求項１に記載の装置。
5. プロファイル計アセンブリであって、
   アームの端部に、基板と接触するように設けられた測定スタイラスと、
   対向する前方および後方側を有しその間に中央領域が比較的質量のある部材から規定される軸上を回転するように設けられたピボット部材とを含み、ピボット部材は前方側で前記アームを支持し、後方側でカウンタウエイト部材を支持し、カウンタウエイトはピボット部材の運動を信号で知らせるための手段を有する力トランスデューサを含み、前記アセンブリはさらに
   ピボット部材の前方側を調整可能にバイアスさせる手段を含み、それによって前記スタイラスが前記基板と接触するように付勢され、前記ピボット部材をバイアスさせる手段は、前記ピボット部材から間隔を開けられたコイルと、コイルを介して延びる強磁性コアと、コアと磁気的に連通し、コイルによって引起こされた力をピボットの前方側に伝達するためのレバーとを含み、レバーはピボット部材に接続されるが前記コイルおよびコアからは間隔を開けられる、プロファイル計アセンブリ。
6. プロファイル計アセンブリであって、
   アームの端部に、基板と接触するように設けられた測定スタイラスと、
   対向する前方および後方側を有しその間の中央領域が比較的質量のある部材から規定される軸上を回転するように設けられたピボット部材とを含み、ピボット部材は前方側で前記アームを支持し、後方側でカウンタウエイト部材を支持し、カウンタウエイトはピボット部材の運動を信号で知らせるための手段を有する力トランスデューサを含み、前記アセンブリはさらに
   ピボット部材の前方側を調整可能にバイアスさせる手段を含み、それによって前記スタイラスが前記基板と接触するように付勢され、
   力トランスデューサ手段は１対の間隔を開けられた、その間に可動羽根を備えた平行プレートを含み、羽根はピボット部材の後部側に接続され、スタイラス部材の運動はピボット部材を介して羽根に伝達される、プロファイル計アセンブリ。
7. 前記羽根および前記平行プレートはブリッジ回路を形成する、請求項６に記載の装置。
8. 前記アーム、レバーおよび羽根はピボット部材と組合されて回転慣性モーメントを形成し、前記慣性モーメントは0.5gm−cm²未満である、請求項５に記載の装置。
9. 前記ピボット部材は後方に延びるパドルを有し、前記羽根は前記パドルに接続される、請求項５に記載の載置。
10. プロファイル計アセンブリであって、
    基板の段差の高さを測定するためのスタイラスアームと、
    スタイラスアームを支持するピボット部材と、
    ピボット部材に支持され、スタイラスアームの後方にあり、部分的にスタイラスアームをカウンタバランスし、スタイラスアームと組合された質量−半径二乗積が0.5gm−cm²以下である羽根とを含み、
    羽根は２の平行プレート間の空気中を一般に２の平行プレートに平行に移動し、平行プレート間の空気が羽根の運動を減衰し、
    基板への損傷を減じるためにアームのモーメントが最小にされている、プロファイル計アセンブリ。
11. 前記羽根および前記平行プレートは前記ピボットの回転量を差動的に感知するように構成された２のキャパシタを規定し、前記スタイラスアームの撓みを感知する、請求項10に記載の装置。
12. 前記アームから間隔を開けられ、磁界を生成するソレノイドコイルと、一端が前記ピボット部材に接続され自由端が前記磁界と連通する強磁性チップを有するレバーとを含み、前記磁界は前記アームを基板に対して相対的にバイアスさせる、請求項10に記載の装置。
13. 前記羽根は２の固定された平行プレート電極間を移動する、請求項10に記載の装置。

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