JP3925380B2

JP3925380B2 - 走査プローブ顕微鏡

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Publication number: JP3925380B2
Application number: JP2002288203A
Authority: JP
Inventors: 正浩渡辺; 俊彦中田; 修一馬塲; 武新井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: JP2004125540A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査プローブ顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微細立体形状の計測技術として、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：ＳｃａｎｎｉｎｇＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。これは先端のとがった探針を制御しながら、接触力を非常に小さな値に保ちながら試料を走査する技術で、原子オーダーの微細立体形状が計測できる技術として、広く用いられている。従来から、試料を物理的にスキャンするために速度が上げ難いという走査プローブ顕微鏡特有の問題に対して、いろいろな改善が行われてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１および特許文献２には、高速化と解像度を両立するために、探針のたわみの信号と試料の駆動信号の両者から形状データを補正する技術が開示されている。また、特許文献３では、探針を高速に試料に近づけるために、探針を振動させながら試料に近づけると音響的相互作用によって５マイクロメートル程度離れたところから、探針の振幅が減少するように構成できることを利用して、試料の近くまで高速に探針を近づける技術が開示されている。しかし、上記技術では、探針を振動させる構成の走査プローブ顕微鏡装置でしか使用できないという問題と、試料に数マイクロメートルまで近づかなければ近接を感知できないため、数マイクロメートルの距離まで高速に探針を近づけるためには、さらに別のセンサを必要とするという問題があった。
【０００４】
一方、現在、ＬＳＩの微細パターン形成プロセスではCD-SEM（測長ＳＥＭ）を用いた寸法管理を行っているが、パターンの微細化に伴い、下記の限界がきている。(1) 測定精度の問題。2003年に主流になるとされる、90nmノードＬＳＩのゲート幅は80nmであり、許容ばらつきを10％、測定精度をその20％とすると、必要とされる測定精度は1.6nmとなる。(2) プロファイル計測の要請。線幅の高精度制御のためにAPC（Advanced Process Control）化の必要性が高まっているが、このために、パターン線幅だけでなく、電気特性に大きく影響する断面形状の計測技術が必要とされている。(3) 測定対象の問題。DUV（深紫外光）用レジスト、low-k（低誘電率）膜材料等、電子線耐性の弱い材質に対する測定ニーズが増大している。
【０００５】
また、次世代の高密度光ディスクメモリのピットの計測に対しても、同様の測定精度、プロファイル計測の必要性、マスター作成のためのレジストパターンの計測といった、同様のニーズが考えられる。
【０００６】
上記の課題に対しては、現状のCD-SEMでは対応できない。このために、走査プローブ顕微鏡技術が有望と思われる。この場合に必要となるのが、既述の探針アプローチの高速化のほかに、軟脆材料にたいしてダメージの少なく、また、表面の材質に関する情報が得られる走査プローブ顕微鏡技術である。
【０００７】
これに対して、特許文献４では、試料または探針を一定の振幅で振動させて探針を周期的に試料にぶつけながら走査し、軟脆試料および探針のダメージ軽減をはかる方法が開示されている。
【０００８】
さらに、特許文献５では、飛び飛びの測定点のみで探針のサーボをかけて高さを測り、探針を引き上げた状態で次の測定点に向かう走査方法が開示されており、この方法はさらに接触回数が小さく、軟脆試料および探針へのダメージが少ない。また、探針を引きずらないために段差部での形状を忠実に計測できるという利点がある。ただし、高速化のためには、各測定点毎に探針の退避と接近を繰り返すため、高速な測定が行えないという問題があった。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−１４２２４０号公報
【特許文献２】
特開２０００−１６２１１５号公報
【特許文献３】
特開平６−７４７５４号公報
【特許文献４】
特開平１１−３５２１３５号公報
【特許文献５】
特開２００１−３３３７３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記説明したように、従来技術では試料にダメージを与えない計測と高速計測の両立に課題があった。
【００１１】
本発明の目的は、上記課題を解決するために、試料にダメージを与えない高精度計測がおこなえる、測定点ごとに探針の退避・接近を繰り返す測定方法をもちいて、高速な測定を実現することである。
【００１２】
また、本発明の別の目的は、半導体試料のパターンを計測しプロセス条件にフィードバックすることで、安定で高精度なデバイスの製造を実現することである。
【００１３】
また、本発明の別の目的は、記録メディアのパターンを計測しプロセス条件にフィードバックすることで、安定で高精度な記録メディアの製造を実現することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決するために、試料にダメージを与えない高精度計測がおこなえる測定点ごとに探針の退避・接近を繰り返す測定方法をもちいながら、センサの信号を解析することによって探針退避量を最低限に押さえ、探針の横移動を速やかに完了させる駆動パターンを用い、探針の接近と接触の制御方法を変えるといった手段を用いて、高速な測定を実現した。
【００１５】
また、本発明では、半導体試料あるいは光記録媒体のパターンを計測しプロセス条件にフィードバックすることで、安定で高精度なパターンの形成を実現する。
さらに、本発明では、光学式の高さ検出により高感度な近接センサを具備して探針の試料へのアプローチが高速な走査プローブ顕微鏡を実現した。
【００１６】
また、本発明では、傾斜の急な試料段差部に対して、探針を傾斜させて走査を行うことによって段差部の正確な形状の計測を実現した。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明を説明する。
【００１８】
図１は、本発明にかかわる走査プローブ顕微鏡の構成を示す図である。図２は探針周りの一実施例の拡大図である。Ｘ、Ｙ、Ｚに駆動が可能な試料ステージ３０２上に試料５０１が載せられており、走査制御部２０１によって制御されている。この上には探針１０３があり、探針駆動部２０２からの制御により探針１０３を取り付けた探針移動機構２５２はＸ、Ｙ、Ｚに駆動され、これによって走査プローブ顕微鏡のプローブ走査を行う。
【００１９】
２５２は、探針ホルダー１０１に取り付けられていて、探針ホルダー１０１は探針ホルダー上下機構２５３によって、鏡筒１０２に取り付けられており、探針ホルダー駆動部２０３からの制御によってＺ方向に粗動駆動される。探針移動機構２５２は微動機構であり、動作距離が大きくないために、探針の試料への接近は、探針ホルダー上下機構２５３によって行う。あるいは、別の実施例として、試料ステージ３０２側を駆動することによって、探針を試料へ接近させるようにしてもよい。また、走査プローブ顕微鏡のプローブ走査も、試料ステージ３０２側を駆動させることにより行ってもよい。
【００２０】
近接センサ２０４は、探針の先端付近の高さを高感度で計測するためのセンサであり、これによって、探針の試料への接触を事前に検出して接近速度を制御することで、探針を試料にぶつけることなく高速な試料への接近を実現できる。
【００２１】
近接センサ２０４は、後述するように、光を用いてもよいが、検出範囲が数十マイクロメートル以上あり、１マイクロメートル程度の感度で試料との距離を検出できるセンサであれば、ほかのセンサを用いてもよい。たとえば、試料ホルダー１０１あるいは探針１０３のカンチレバー部と試料５０１との間に交流電圧をかけることによって、静電容量を測り、距離を検出する静電容量式センサや、試料ホルダー１０１と試料５０１との間に空気を流して圧力を検出するエアマイクロセンサを用いてもよい。
【００２２】
走査制御部２０１は、探針のたわみ検出センサ２０５、近接センサ２０４、探針ホルダー駆動部２０３、探針駆動部２０２試料ステージ３０２を制御して、探針の近接、試料の走査等を実現する。このとき、試料の走査時の信号をＳＰＭ像形成装置２０８に送ることによって、試料の表面形状像を得ることができる。
【００２３】
また、信号印加装置２０７は、探針を高周波数で加振して応答をたわみ検出センサ２０５で検出することにより、試料の表面の弾性などを計測したり、探針と試料の間に交流あるいは直流電圧をかけて電流を測定し、容量あるいは抵抗を計測したりする。これを探針のスキャンと同時に行い、得られた信号をＳＰＭ像形成装置２０８で処理することにより、表面形状像のほかに、付加的性質の分布像を得ることが出来る。
【００２４】
探針ホルダー１０１に対物レンズを組み込んだ場合には、光学像センサ２０６で試料の光学像を得ることによるＳＰＭ測定エリアの同時観察、探針１０３の取り付け時の調整に用いることが出来る。
【００２５】
装置全体の動作は、全体制御装置２５０によって制御され、表示・入力装置２５１によって、操作者の指示を受けたり、光学像やＳＰＭ像を提示したりすることが出来る。
【００２６】
図３は、光学系の一実施例を示す図である。光源１１１から出射した光は、レンズ１１２で平行光に変えられてミラー１１３で反射され、探針ホルダー１０１の内部に組み込まれた対物レンズ（図示せず）に入射し、試料５０１上に焦点を結ぶ。光源１１１に組み込む開口の形状によって、スポットあるいはスリットなど、任意の形状の像を形成できる。
【００２７】
試料で反射した光は、再び対物レンズを通り、ミラー１１４で反射され、結像レンズ１１５により検出器１１６上に像を結ぶ。像の位置は、試料５０１の高さによって移動する。移動量は、試料への検出光１１０の入射角をθ、レンズ１１５による結像倍率をｍ、試料の高さをＺとすると、２ｍＺtanθとなるので、この移動量を計測すれば、試料の高さＺを算出することができる。検出器１１６は、像の位置が検出できればいいので、ＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなどでもよい。
【００２８】
上記説明は、検出光１１０が対物レンズを通るという構成での説明であったが、検出光１１０が対物レンズの外部を通り、もう一枚の図示されていないミラーで折り曲げられて、試料上に結像される構成も考えられる。このとき、レンズ１１２および１１５はそれぞれ光源１１１およびセンサ１１６を試料５０１と結像関係になるように調整される。この場合のセンサ１１６上の像の移動量は、２ｍＺsinθとなる。
【００２９】
以下、探針のたわみ検出系について説明する。光源１３１から発射された光は、レンズ１３２を通ってビームスプリッタ１３３で光路が変換されてビームスプリッタ１３４に入射し、このビームスプリッタ１３４で再度光路が変換されて探針ホルダー１０１の内部に配置されている対物レンズ（図示せず）に入射し、この対物レンズを通過した後に探針のカンチレバー部１０３に照射される。ここで反射した光は、同じ道を戻ってビームスプリッタ１３３を通過し、レンズ１３５を介してセンサ１３６に照射される。
【００３０】
レンズ１３５は、対物レンズの射出瞳とセンサ１３６が結像関係になるように構成され、これによってカンチレバーの反射面の傾きに比例した位置変化が、センサ１３６上の光に生起される。これを１３６の位置に置いたＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなどによって検出することによって、カンチレバーの傾き（たわみ）を検出することが可能になる。また、二次元型のＰＳＤ、イメージセンサ、４分割フォトダイオードなどの何れかを用いることにより、たわみと同時に、ねじれを検出することも可能になる。検出光１３０を試料観察系の光と分離するために、光源１３１は単色のレーザとして、この光だけを通すようにレンズ１３５の前後に干渉フィルターを設けるのが望ましい。
【００３１】
さらに効率を上げるために、ビームスプリッタ１３４の代りに、ダイクロイックミラーを用いてもよい。また、ビームスプリッタ１３３の代りに、偏光ビームスプリッタを用い、レーザ１３１の偏光方向を、３３によって反射されるＳ偏光とし、ビームスプリッタ１３３と１３４の間に１／４波長板（図示せず）を置くことによって、Ｓ偏光を円偏光に変換して探針１０３の反射面に当て、反射光を再び１／４波長板でＰ偏光に変えて偏光ビームスプリッタ１３３を透過させてもよい。
【００３２】
試料観察系は照明光源１５４より出射し、コンデンサレンズ１５３を通り、ビームスプリッタ１５５で反射し、ビームスプリッタ１３４を透過し、１０１内の対物レンズを通って試料５０１を照明する。試料の反射光は再び対物レンズを透過し、ビームスプリッタ１３４と１５５を透過して結像レンズ１５２で結像され、イメージセンサ１５１で検出される。
【００３３】
以上、図３を用いて説明したように、探針と試料観察系と試料高さセンサと探針たわみ検出光学系を同軸で構成することにより、ＳＰＭ計測位置の同時観察、探針の調整の容易化、高速な探針と試料との接近が可能になる。また、探針たわみ検出光学系を同軸で構成したことによって、カンチレバー部の幅の小さい探針に対しても、検出光１３０を照射できるようになり、より軽くて共振周波数の高い探針を用いることによって、走査の高速化を可能とする。すべて対物レンズを通して検出するようにしたことにより、対物レンズを探針と近づけることが可能になり、高解像度の試料の光学観察が可能となる。
【００３４】
また一方、作動距離の長い対物レンズを用いて、試料高さセンサと探針たわみセンサの少なくとも一方を対物レンズと試料の間の隙間を通して斜めから光を投影・検出するオフアクシス構成とする実施例ももちろん考えられる。図２１を用いてこれについては後述する。
【００３５】
また、別の構成として、ヘテロダイン干渉法を用いて探針１０３のたわみを検出する方法も考えられる。光源１３１の位置に周波数ｆｏの点光源と周波数ｆで周波数シフトした周波数ｆｏ＋ｆの点光源を配置する。点光源の配置のためにはレーザをレンズで絞っても、ファイバーの出射端をここに置いてもいい。この像を探針１０３の二点に形成するように光学系を調整する。
【００３６】
図９に示すように、一方は探針のカンチレバー部の先端に、もう一方は根元に像を形成させる、この反射光は１３６の位置で交差するので１３６にフォトダイオードを置くと、二本の光は干渉して周波数ｆのビートを発生する。このビート信号を周波数シフタに与えた周波数ｆの信号を基準としてロックイン検出して位相を求めると、この位相の変化がすなわちカンチレバーの傾きの変化となる。これによって、カンチレバーのたわみを検出できる。あるいは、周波数シフタに与えた信号を用いる代わりに、レンズ１３２を通ってからビームスプリッタ１３３で反射されずに透過した光を二本のビームがクロスするところで別のフォトダイオード（図示せず）で検出して、周波数ｆの基準信号としてよい。
【００３７】
また、別の構成として、ひずみゲージのようなひずみの変化を反映する信号を得られるものを探針に組み込んで、光学式たわみセンサの替わりとして用いてもよい。
【００３８】
図２１は、光学系の別の実施例を示す図である。光源１１１から出射した光はレンズ１１２で平行光に変えられてミラー１１３で反射され、ミラーでの反射を経てレンズ１８２に入射し、試料上５０１上に焦点を結ぶ。光源１１１に組み込む開口の形状によって、スポットあるいはスリットなど、任意の形状の像を形成できる。試料で反射した光はミラーでの反射を経てレンズ１８５を通り、結像レンズ１１５で検出器１１６上に像を結ぶ。像の位置は試料５０１の高さによって移動する。移動量は試料への検出項１１０の入射角をθ、レンズ１１５による結像倍率をｍ、試料の高さをＺとすると、２ｍＺsinθとなるので、この移動量を計測すれば試料の高さＺが検出できる。検出器１１６は像の位置が検出できればいいので、ＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなど何でもよい。
【００３９】
以下、図２１の実施例における探針のたわみ検出系について説明する。光源１３１から出た光はレンズ１３２を通り、ミラーでの反射を経て、探針のカンチレバー部１０３に照射される。ここで反射した光は、ミラーでの反射を経てセンサ１３６に照射する。カンチレバー１０３のたわみは反射光の角度変化となり、これによってカンチレバーの反射面の傾きに比例した位置変化がセンサ１３６上の光に生起される。これを１３６の位置に置いたＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなどによって検出することによってカンチレバーの傾き（たわみ）を検出することが可能になる。
【００４０】
また、二次元型のＰＳＤ、イメージセンサ、４分割フォトダイオードを用いることにより、たわみと同時にねじれを検出することも可能になる。本検出光１３０を試料観察系の光と分離するために光源１３１は単色のレーザとして、この光だけを通すように検出器１３６の前に干渉フィルターを設けるのが望ましい。なお、１０９は試料観察系の対物レンズである。
【００４１】
以下、図８を用いて本発明による試料高さセンサを用いた探針と試料の高速接近制御について説明する。まず探針微動機構（探針移動機構２５２）は伸ばした状態（探針微動高さの低い状態）にしておく。つぎに試料高さセンサ２０４をモニタしながら、高速で（１〜１０ｍｍ／ｓ程度）探針粗動機構（探針ホルダー上下機構２５３）を駆動して探針をおろす（探針粗動高さを下げる）。試料高さセンサ２０４の出力が１０〜数十マイクロメートルになったところで低速接近に切り替える（０．１ｍｍ／ｓ程度）。探針のたわみ検出センサ２０５の出力を監視して、これが大きくなりだした所で、探針微動機構を一気に縮める（図８の探針高速退避）のと同時に探針粗動機構を止める。
【００４２】
通常行われている探針をＳＰＭサーボモードにして近づける方法では探針の制御帯域に縛られて低速接近時の速度を上げるのが難しいのに比べて、このように、サーボモードにせずに接触を感知した瞬間に一気に縮めることによって、低速接近の速度をあげられる利点がある。このあと、探針微動機構のサーボをＯＮにすることによって、ゆっくりと探針を試料に対して接触状態に持っていく。なお、以上の説明は探針側を駆動する前提で説明したが、試料ステージ３０２側を駆動して探針を接近させる場合も同様であることはいうまでもない。
【００４３】
つぎに、レジストパターンのようなアスペクトが高い軟脆材料サンプルの計測に適した探針スキャンモードについて図４を用いて説明する。（ｂ）のように探針を引き上げてはおろして接触圧（すなわち探針たわみ）が一定になるようなサーボをかけるという動作（Ｔｃの区間）を試料と探針の水平方向の相対位置を変化させながら繰り返すことによって、飛び飛びの測定点のみで試料の高さを測ってゆく。繰り返し周期はＴｓである。これによって探針が試料を引きずらないために試料に対するダメージが少なく、また、段差部での形状を忠実に計測できる探針走査が実現できる。これ自身は特開２００１−３３３７３などに開示されている方法であるが、レジストパターンなどの計測に適した実施例として、以下の発明を説明する。
【００４４】
探針の先端はあるテーパ角を持っており、これよりも切り立った段差部の形状は走査プローブ顕微鏡では従来正確には計測できなかったが、段差を検出した場合に（ａ）に点線で図示したように探針を傾斜させてスキャンさせるようにする。探針を傾斜させる方法としては探針のホルダーに微小回転機構を設ける方法もあるが、「Ｔ．Ｒ．Ａｌｂｒｅｃｈｔ、Ｓ．Ａｋａｍｉｎｅ、Ｍ．Ｊ．Ｚｄｅｂｌｉｃｋ、Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ８（１）、３１７（Ｊａｎ．／Ｆｅｂ．、１９９０）」に開示されているような図５に示した圧電薄膜型カンチレバーを用いる方法もある。いわゆるバイモルフ構造になっており、中間電極Ｇの上下に圧電体が設けられ、その反対側に電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが形成されている。ここで、Ａ−Ｇ、Ｄ−ＧとＢ−Ｇ、Ｃ−Ｇに逆方向の電圧変化を与えるとねじれ変形が生起され、探針を傾けることができる。探針のねじれは、探針のたわみ検出器１３６に４分割フォトダイオードを用いれば簡単に検出することが可能である。
【００４５】
また、近年カーボンナノチューブが細くて耐久性の高い探針材料として注目されている。これはナノメートルから１０ナノメートルオーダーの円柱状のカーボン原子で構成された材料である。これを使えば、切り立った段差状の形状の走査プローブ顕微鏡による正確な計測の可能性があるが、９０度以上のオーバーハングした段差は計測ができない、また、探針の角度と段差の角度が類似していると静電力によって探針が試料段差部に吸着されて曲がり正確な形状が計測できないという問題がある。
【００４６】
これに対して、図２４に示すように、カーボンナノチューブを静電力によって曲げて段差部を正確に計測する実施例を示す。１９５がカーボンナノチューブである。この左右に電極１９７と１９６を配し、この周りを絶縁体１９８で覆う。電極１９７と１９６の何れかに電圧を印加すると、カーボンナノチューブ１９８静電力によって吸着されて曲げられる。
【００４７】
図の例では、１９６側に電圧が印加されている。これによって、切り立った段差部を正確に計測することが可能となる。
【００４８】
またレジストパターンの計測に対してはレジストパターン底部にレジストが残っているかどうかを検出するニーズが高い。また、近年の半導体においては、平坦化構造が一般化してきたために、研削によって表面の凹凸を無くしたパターンに対して、その材質の境界を知るニーズも高くなっている。これらのニーズに応えるためには、立体表面形状の計測と同時に表面の容量、光学特性、弾性などの機械的性質の分布を測定する技術が必要となる。
【００４９】
図４（ｂ）で説明した走査方式では、各測定周期Ｔｓの間に試料表面に探針が接触している期間Ｔｃがあるので、この期間に同期して各種表面物性の計測を行うことによって、表面形状像と同時に各種物性分布計測を行うことができる。
【００５０】
図４（ｃ）は探針と試料の間に交流電圧を掛け、流れる電流を同期検波することで局所的な容量を計測する実施例である。
【００５１】
また、図４（ｄ）は探針内部を光が透過するようにしておき、試料を照明しておいて探針の先端から光をファイバー１７０に導いてレンズ１７１を介してセンサ１７２に導きＴｃの期間に光量検出することで、試料の局所光学特性の分布を求める実施例である。
【００５２】
このようにすることによって、例として、図４（ｃ）（ｄ）に示したようなシリコンに酸化シリコンを埋め込んで研磨した平坦な試料に対しても、観察・計測が行える。
【００５３】
さらに、図６はＴｃの期間に探針を周期Ｔで微小振動させている実施例である。このときのＴはＴｓあるいはＴｃに比べて十分小さいものとする。このときの探針のたわみ信号を得て加振入力信号に対して同期検出して、振幅および位相を求めることにより試料表面の局所的機械的性質に対する分布を得ることができる。また、探針先端を照明しておいて、先端からの散乱光あるいは図４（ｄ）のような光学系で集光した光を検出して、探針の振動に対して同期検出することにより、試料の局所光学特性の分布を求めることもできる。
【００５４】
あるいは、図７のように常に探針を周期Ｔ（ただしＴ≪Ｔｃ）で加振しておき、探針の試料との接触による振幅の減少を検出することにより、試料の高さを検出することも可能である。
【００５５】
次に、図１０を用いて、レジストパターンを計測する例を示す。レジストパターンの計測では（ａ）のように垂直にパターンが切れているか、（ｂ）のようにレジストが薄く残っているか、（ｃ）のように溝あるいは穴の下部が狭まっているかを見分ける必要がある。本発明によれば、これらを見分けることが可能になる。
【００５６】
さらに図１１では、本発明を用いたデバイス製造方法について示す。ウェハ６２０をプロセス装置６０１、６０１‘に流してデバイスを形成していく。プロセス装置６０１、６０１’は場合によってエッチャーであったり、ＣＭＰ装置であったり、露光装置であったり、現像装置であったりする。これらの工程を経た抜き取りウェハあるいはダミーウェハ６２１をもちいて、本発明の走査プローブ顕微鏡６０３によってウェハ上に形成されたパターンを観察・計測する。あるいは、スループットが大きいので全ウェハを本発明の走査プローブ顕微鏡６０３で観察・計測してもよい。本発明では、パターンの立体形状や表面の状態の分布を試料にダメージを与えることなく正確に観察・計測できるので、観察・計測結果をプロセス装置６０１、６０１‘のプロセス条件にフィードバックすることで、安定に高精度なデバイスを製造できる。場合によってはフィードバックの経路６１０に専用のデータ処理サーバ（図示せず）を介してもよい。
【００５７】
次に、図２０を用いて装置全体構成を示す。３１３が対物レンズ１０９と探針１０３とその駆動系、検出系を含んだ検出ヘッド部である。ステージ３０２上に試料５０１を搭載して計測を行う。３１０は基板を搭載したカセットを載せる台で、ロボットアーム３１１はここから基板をとりだして、プリアライナ３１２で基板の回転角度を検出してから、所定の方向となるように基板をステージ３０２に搭載し計測を行う。装置全体の動作は全体制御装置２５０によって制御され、表示・入力装置２５１によって、操作者の指示を受けたり、光学像やＳＰＭ像を提示したりすることが出来る。また、全体制御装置２５０はＬＡＮ装置につながり、計測データなどをやり取りしてもよい。
【００５８】
図１９（ａ）は、計測のシーケンスを示す。基板を搭載したカセットからロボットアーム３１１は基板をとりだして、プリアライナ３１２で基板のプリアライメントすなわち回転角度を検出してから、所定の方向となるように基板をステージ３０２に搭載する、対物レンズ１０９で基板上の複数の位置だしマークを観察し、基板の位置・回転を精密に計測（アライメント）する。この情報を元に、既登録の計測位置に移動して、計測を開始する。まず、探針をおろして基板に接触させる。つぎに、ここで走査プローブ顕微鏡による走査（ＳＰＭスキャン）をおこない計測データを得る。探針を退避し、全指定計測点を計測完了するまで、次の測定位置に戻っては、上記動作を繰り返す。全指定計測点の計測が完了すると、アンロード位置にステージを移動して、ロボットアーム３１１がこれをとりだしてカセットに格納して、１枚の基板の計測が終わる。
【００５９】
あるいは、計測対象パターンが局在していてステージの位置精度、あるいは、アライメント精度が不足する場合には、ＳＰＭスキャン範囲に計測対象パターンが入らない場合があるので、このばあいは、図１９（ｂ）に示すように光顕でパターンを観察するか、ＳＰＭで大きいスキャン範囲で荒くスキャンするかして登録された測定対象パターンの位置を特定してから、精密なＳＰＭスキャンを行う。
本発明では、探針のアプローチとＳＰＭスキャンを高速に行えるようにしたため、全体の測定の所要時間の短縮が可能になった。
【００６０】
次に、試料にダメージを与えない高精度計測がおこなえる、図４で概説した測定点ごとに探針の退避・接近を繰り返す測定方法をもちいて、高速な測定を実現するための実施例を以下に示す。
【００６１】
図１２は、ステージの残留振動を抑え高速駆動を実現するための方法の実施例を示すものである。上図は試料と探針の間の横方向相対位置Ｘ（試料ステージあるいは探針を取り付けたステージの横方向位置）の時間的変化を示す図であり、下の図は探針の高さＺの時間変化を示す図である。
【００６２】
図４で説明したような探針の移動を実現するためには、まずＺ軸を引き上げてからＸ軸を移動させ次にＺ軸を接近させることが必要である。このとき、Ｘ軸の駆動はＺ軸に対して駆動対象の慣性質量が大きく、図１３に示すように残留振動が残るために、探針の位置精度が悪化したり、あるいは、残留振動が収まるのを待ってからＺ軸の再接近を行なうためにスキャン速度が上げられない要因の一つになっていた。
【００６３】
そこで、図１２上図に示されているようにＸ軸を駆動する。まず一次駆動量だけＸ軸指示位置をステップ状に変化させる、これによってＸ軸は曲線で示したような応答をする、このまま、一次駆動量のまま、指示位置を変えなければ、点線の曲線のように残留振動をおこし、静定までしばらく待つ必要がるが、最初の最大行き過ぎ位置で、行き過ぎ量に等しい２次駆動量を与えてやると、丁度この点でＸ軸の速度がゼロになっているため、現在位置と指示位置が一致することによって、この点で静定させることができる。この時点以降に探針が試料に接触するのであれば、接触する瞬間における探針のＸ方向位置の精度が保証でき。これによって高速な駆動と精度を両立させることができる。
【００６４】
もう少し詳しく説明すると、まず、走査制御部２０１は探針駆動部２０２にたいして探針の退避指示を行い、探針退避待ち時間だけ待った後にＸ軸を一次駆動量だけ駆動する。この駆動指示は走査制御部２０１から探針駆動部２０２に行って探針を横方向に駆動してもよいし、試料ステージ２０２に行って試料を横方向に駆動してもよい。このときに一次駆動量はＸ軸の最大行き過ぎ量が設定移動量と一致するように設定移動量よりも小さく設定する。探針退避待ち時間は探針がほぼ試料から離れる時間とする。ここで、Ｘ軸は急には動き出さないために、探針が完全に試料から離れるよりも若干早くＸ軸一次駆動を行ってもよい。
【００６５】
Ｘ軸一次駆動のあと、Ｘ軸移動待ち時間だけ待った後、走査制御部２０１は探針駆動部２０２に対して探針接近制御開始指示を出し、探針は接近動作を開始する。探針退避移動量は探針先端と試料表面との吸着力に打ち勝つために余分に引き上げる分、探針の先端が再度試料表面に接触するまで時間があるため、この分Ｘ軸移動完了よりも早く探針接近制御開始指示を早くだすことが可能である。探針接近制御開始指示後一定時間たった後にＺ軸変位計を読み取ってその点の試料の高さを求める。
【００６６】
なお、この探針接近待ち時間は探針が試料に接触して一定接触圧で接触している状態になるまでの待ち時間である。この探針接近待ち時間はタイマーで一定時間を測ってもよいし、探針たわみ信号あるいはＺ軸駆動信号あるいはＺ変位計信号の変化が停止して一定になった状態をモニターすることによって、接近待ちの終了を判断してもよいことは言うまでもない。
【００６７】
次に、図１４を用いてさらに高速な駆動の方法について説明する。前述のように探針の吸着を離脱するためにＺ軸は吸着離脱高さ分以上余分に引き上げる必要がある。探針接近時に余分に引き上げた分は探針を接近させても試料に接触しないはずなので、急速接近を行うようにして、高速化を実現することができる。
【００６８】
この時のたわみ信号を図１４に示したが、更に、たわみ信号を解析することによって、吸着の離脱のタイミングを知り、次の動作に移るタイミングを知ることができる。すなわち、吸着時はたわみ信号の符号が引っ張り力によって反転し。これが離脱時には急に０に戻るため、図１４の下のようにひげ状のバターンが現れるので、この信号パターンを検出する。
【００６９】
吸着離脱時のたわみ信号のパターンを検出した後、試料の段差が小さいとわかっている場合には即座に探針の接近を開始しても良い。段差がある程度ある場合には、このあと、吸着離脱時に必要となった吸着離脱高さを最大段差から差し引いた分だけ、さらに探針を退避してから、探針の接近を始める。
【００７０】
次に、図２２、２３を用いて、探針高速接近駆動および、低接触力での安定制御の方法を示す。図２２は図４で示した走査動作時のＺ軸変位計とたわみセンサの信号を２測定点分だけ示したものである。このように、退避時はＺ軸変位が上昇すると同時にたわみセンサが一度吸着によってひげ状の変化をしてから探針が自由状態になる。再び、接近を始めてしばらくして探針が試料に接触すると、たわみセンサの信号が再び斥力を示す。さらに探針の押し込み量が設定接触力になるとサーボによってたわみセンサの値が一定に保足れるように制御される。このときに、以下に示す問題がある。
【００７１】
まず、干渉の問題である。探針の上下がたわみ信号に干渉して、たわみ信号に変動をもたらす。一般的には、たわみセンサ信号＝探針たわみ量＋ｋ×Ｚ軸変位計信号＋定数項、と表される。ｋは干渉係数である。これによって、接触力の設定精度が悪くなる。特にＺ軸を探針側に持つ構成ではこの影響は大きい。また、たわみセンサ信号のゼロ点が経時変化によってゆっくりと変動することによっても、接触力の設定精度が悪くなる。
【００７２】
試料の変形を起こさず高精度の計測を行うためには、なるべく接触力を小さく保ちたいが、上記問題によって一般的には接触力を数ｎＮ以下に安定に保つのは困難なことが多い。また、設定接触力が小さい状態では、探針接近時のサーボの偏差信号が充分大きくないために、接近速度が上がらないという問題があった。なぜなら、通常圧電素子の制御では偏差信号の時間積分値に比例した信号を圧電素子に印可するため、偏差信号が小さい状態では圧電素子印可信号の変化速度が小さい、すなわち、探針位置の変化速度が小さいことになるためである。
【００７３】
これらの問題に対応するための実施例を、図２３に示す。（ａ）は探針接近制御時の制御ブロック図である。設定接触力と整形たわみ信号の偏差が制御手段に入力される、制御手段では積分器などを通した電圧信号Ｖｚを圧電素子に印可する。なお、別の実施例として、比例制御器を通した信号を電流増幅器で増幅して圧電素子に印可しても良い。また圧電素子の代わりにボイスコイルモータ、磁歪素子などを用いる場合も、比例制御器を通した信号を電流増幅器で増幅して、Ｚ軸駆動手段に印可すれば良い。このように、探針移動機構２５２のＺ軸駆動手段としてなにを選んでも、本実施例は成り立つことを注記しておく。
【００７４】
この結果生じた探針のＺ軸変位は試料の高さより低い場合にはたわみ信号が生じる。それ以外の場合にはたわみ信号は０である。実際には、Ｚ軸変位に干渉係数ｋを掛けたものが干渉項として加わる。また、ドリフトが加えられる。最終的にはこれらを加えた信号が、たわみ信号として検出される。
【００７５】
通常は、たわみ信号と設定接触力の偏差が制御手段に加えられるが、本実施例では信号整形手段を附加して、整形たわみ信号を生成してこれと設定接触力の偏差を制御手段に渡すことにより、信号整形手段中で前述したたわみ信号の干渉と経時変化の問題、探針接近速度が速くならない問題に対応する。信号整形手段中の動作ブロック図が（ｂ）に示されている。このように、たわみ信号に加えて変位計信号を入力する、変位計信号は干渉補正係数１／ｋを掛けられてからたわみ信号から引かれることによって、干渉補正を実現する。さらに、干渉補正されたたわみ信号はゼロ点トラック手段に入力される。
【００７６】
ゼロ点トラック手段では、探針が自由状態で、たわみ信号が一定の値である状態を検知して、この期間の信号の平均値を求める。この値がゼロ点になるので、これを干渉補正されたたわみ信号から引くことによって探針の自由状態では常に０に保たれたたわみ信号が実現する。これによって、たわみ信号の経時変化や干渉に影響されず、安定に弱い接触力で試料をスキャンすることが可能となる。
【００７７】
さらに、（ｃ）で示したように接近速度を上げるために探針が試料に接触していない自由状態では、探針高さの制御ゲインをあげて高速で接近するようにする。これは、信号整形手段をもちいて探針自由状態を検知してこれを制御手段に伝えて、探針自由状態の期間だけゲインを上げることで実現できる。
【００７８】
別の実施例として、図２３（ｂ）（ｃ）で示しているのは、たわみ信号自体を整形して制御手段に入力する方法である。すなわち、探針自由状態のときに大きい引力（斥力と反対符号のたわみ信号）となるようにたわみ信号を整形する方法である。探針自由状態の検出は例えば、単純にゼロ点にマイナス一定値のしきい値を設定してここを超えたときにたわみ信号を引力を示すある大きい値に置き換えることで実現できる。なお、本明細書では、たわみ信号はプラスが引力、マイナスが斥力として説明してある。当然、この符号のとり方が反対になった場合にも上記説明中の大小関係を適切に置き換えれば同様に適用できることは自明である。
【００７９】
次に、図１５を用いて、探針の退避距離を可変にして、さらに高速な計測を実現する実施例について示す。図１５（ａ）のように、従来、試料の最大段差に対応してこれ以上の退避距離をとっては次の測定点に接近するようにすることが正確な段差の計測に必要であった。これに対して、半導体・光ディスクの記憶ピットのように、対象物の段差構造がある程度わかっている場合は、これを利用して（ｂ）に示すように探針距離を小さくすることが可能である。このように探針が試料の高い面をスキャンしている間は、退避距離を探針と試料の吸着を離脱するのに最低限必要な距離にとどめ、探針が低い面をスキャンしている間は、退避距離を試料の段差に対して少し余裕を持ってとるようにすることで、全体のスキャン時間を短くすることが可能である。
【００８０】
さらに、別の実施例として、（ｃ）に示すように、探針の退避距離をつねに吸着を離脱するのに最低限必要な距離に保っておき、段差部を検出した場合は、退避距離を一時的に増加する方法を提案する。この図のように、段差部の検出方法の実施例としてねじれ信号を用いる方法をしめす。探針のねじれをたわみ信号と同時に検出する構成は既述してある。これを利用して段差部で右ねじれ信号を検出した場合に、段差に乗り上げていく個所をスキャンしていると判断して、退避量を大きくして再度接近を行う。精度は若干落ちるが、再測定は行わずに次の点の測定時に退避量を大きくして、再度同じ点の測定を行わない方法も考えられる。また、測定高さがある変化率以上高い方向に変化したら、段差部にさしかかったと判断して退避距離を増す方法を用いてもよい。
【００８１】
さらに、別の段差検出の方法を図１６、１７を用いて以下に示す。
図１６は近接場光を用いる方法である。探針の側面の微細な点に光を光ファイバーなどで導く。試料の段差部に近づくと探針側面から出ている近接場光（エバネッセント光）が散乱され、集光レンズを介して検出される光量が変化する。（ａ）では光源に変調をかけて検出された光をロックインアンプで変調周波数に同期検出し、微小な光量変化を検出する。（ｂ）では単色光源で照明して照明光の波長のみ透過することによって、微小な光量変化を検出する。近接場光をもちいる方法は、段差に実際に接触する前に段差への近接を検出できるという利点がある。なお、近接場光の照明・検出にはこのほかにもさまざまな構成が知られており、このいずれを用いても探針の側面における近接場光を用いて段差を検出することが可能であり、これを用いた実施例は容易に考えられる。
【００８２】
図１７（ａ）は、探針と段差の接近による静電容量の変化を探針と試料の間にかけておいた交流電圧による電流の変化によって検出する方法である。図１７（ｂ）は、細孔から気体を流すことで探針と段差の接近による気体圧力の変化を検出する方法である。図１７（ｃ）は、探針退避時に探針を横振動させて、段差との近接による振幅あるいは位相の変化を歪みゲージあるいは圧電素子自体の起電力によって計測する方法である。図１７（ｄ）は、探針と段差の接近によるトンネル電流を検出する方法である。図１７（ｅ）は、探針と段差の接触による歪みを探針の側面に形成した歪みゲージによって検出する方法である。
【００８３】
図１８は、上記説明したように段差に接触する前に段差の接近を検出した場合の、探針の移動の模式図である。このように図１５（ｃ）とは異なり、段差部で再度探針退避動作と接近動作をやりなおすことをせず、より高速な計測が可能となる。
【００８４】
なお、本実施例中では探針を駆動するように説明をしたが、ここで、重要なのは試料に対する探針の相対的な駆動であり、探針側にＸ、Ｙ、Ｚ軸をもつ構成を前提としていたわけではない。例えば、試料側にＸ、Ｙ軸を持つ構成や、試料側にＸ、Ｙ、Ｚ軸を持つ構成でも、本実施例中の議論は成り立つことはいうまでもない。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、高感度な近接センサを具備することによって、試料と探針の高速な接近を実現でき、計測のスループットを向上できるという効果を奏する。また、本発明によれば、プローブを間欠的に試料に接触させて探針を試料上で引きずらないようにして、軟脆材料や段差の急なパターンに対して高精度な計測を実現しながら、高速な試料のスキャンを実現できるという効果を奏する。
【００８６】
また、本発明によれば、傾斜の急な試料段差部に対して、探針を傾斜させて走査を行うことによって段差部の正確な形状の計測を実現できるという効果を奏する。
【００８７】
また、本発明によれば半導体パターンを高スループットで計測出来るので、安定に高精度なデバイスを製造できるようになる。
【００８８】
また、本発明によれば光記録メディアパターンを高スループットで計測出来るので、安定に高精度な記録メディアを製造できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】走査プローブ顕微鏡の全体の構成を示す図である。
【図２】探針周りの一実施例の拡大図である。
【図３】光学系の一実施例を示す図である。
【図４】探針の制御方法を示す図である。
【図５】探針の傾きを制御可能なカンチレバーの構造を示す図である。
【図６】試料と探針の接触期間中に探針を加振した状態を示す図である。
【図７】常に高周波数で微小振動させながら微小振動の周波数より十分遅い周期Ｔｃで試料高さの計測を行うようすを示す図である。
【図８】探針―試料間距離の高速接近制御の方法を示す図である。
【図９】ヘテロダイン干渉によって、探針のたわみを計測する原理を示す図である。
【図１０】本発明によって判別できるレジストパターンの例を示す図である。
【図１１】本発明によって、半導体のプロセスの条件制御を行う実施例を示す図である。
【図１２】高速X軸駆動を実現する制御を示す図である。
【図１３】従来のX軸駆動を示す図である。
【図１４】高速X軸駆動と探針の近接・退避のタイミングを示す図である。
【図１５】退避距離の最適制御を行う方法を示す図である。
【図１６】段差への接近を近接場光を用いて検出する方法を示す図である。
【図１７】段差への接近を検出する別の方法を示す図である。
【図１８】段差への接近を検出することによって探針の退避距離を制御した場合の探針軌跡を示す図である。
【図１９】本発明によって、半導体ウェハの計測を行う場合の実施例を示すフローチャートである。
【図２０】本発明によって、半導体ウェハの計測を行う場合の装置構成の実施例を示す図である。
【図２１】本発明の光学系の別の実施例を示す図である。
【図２２】低接触力で測定を行うときの課題を示す図である。
【図２３】たわみ信号の整形によって低接触力で安定して高速に計測を行う方法の実施例を示す図である。
【図２４】探針の傾きを制御可能なカンチレバーの別の構造を示す図である。
【符号の説明】
１０１…探針ホルダー、１０２…鏡筒、１０３…探針、１０９…対物レンズ、１１１…光源、１１２…レンズ、１１３…ミラー、１１４…ミラー、１１５…レンズ、１１６…検出器、１３１…光源、１３２…レンズ、１３３…ビームスプリッタ、１３４…ビームスプリッタ、１３５…レンズ、１３６…検出器、１５４…照明光源、１５３…コンデンサレンズ、１５５…ビームスプリッタ、１５２…結像レンズ、１５１…イメージセンサ、１７０…光ファイバー、１７１…レンズ、１７２…検出器、１８２…レンズ、１８５…レンズ、１９５…カーボンナノチューブ、１９６…右側電極、１９７…左側電極、１９８…絶縁体、２０１…走査制御部、２０２…探針駆動部、２０３…探針ホルダー駆動部、２０４…近接センサ、２０５…たわみ検出センサ、２０６…光学像センサ、２０７…信号印加装置、２０８…ＳＰＭ像形成装置、２５０…全体制御装置、２５１…入力・表示装置、２５２…探針移動機構、２５３…探針ホルダー上下機構、３０２…試料ステージ、３１１…ロボットアーム、３１２…プリアライメント手段、３１３…検出ヘッド部、３１４…ＬＡＮ装置、５０１…試料、６０１…プロセス装置、６０３…走査プローブ顕微鏡、６１０…フィードバック情報、６２０…ウェハ、６２１…抜き取りあるいはダミーウェハ

Claims

試料の表面形状を観察する走査プローブ顕微鏡であって、試料を載置する試料台と、探針と、前記探針のたわみ量を検出するたわみ量検出手段と、前記探針を前記試料に対してＸＹＺ方向に駆動させる駆動手段と、前記探針が所定の測定場所毎に接近、退避または移動の各動作を繰り返すように前記駆動手段を制御するための制御手段と、前記たわみ量検出手段で検出された前記探針のたわみ量の信号情報を用いて前記試料の表面形状像を得る処理手段とを備え、前記たわみ量検出手段が検出する前記試料に対して前記探針が吸着されている状態からゼロに変化した信号を用いて前記探針を所定量退避させるように、前記制御手段が前記駆動手段を制御することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
前記たわみ量検出手段は更に対物レンズ部を備え、前記探針のたわみ量の信号情報が前記レンズ部を介して検出されることを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
前記たわみ量検出手段は更に前記探針のねじれ量を検出するねじれ量検出手段を備え、該ねじれ量検出手段から検出した信号を用いて前記試料の段差を上回る高さに前記探針を退避させるように前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
前記探針が試料表面の段差上部領域に位置している場合、前記探針の退避量を前記探針が前記試料表面に対する吸着状態から開放されるまでの高さになるように、前記探針が試料表面の段差下部領域に位置している場合、前記探針の退避量が前記段差を上回る高さになるように、前記制御手段が前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
前記たわみ量検出手段は前記試料と前記探針との間に作用する静電容量変化、空気圧変化、近接場光による光量変化、またはトンネル電流変化の何れかを検出する手段を更に備え、前記静電容量変化、空気圧変化、近接場光による光量変化、またはトンネル電流変化の何れかの検出手段から検出した信号を用いて、前記探針が前記試料の段差の側壁に接触する前に前記探針を前記段差を上回る高さに引き上げるように前記制御手段が前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
前記制御手段は、前記たわみ量検出手段が検出した前記探針のたわみ量信号を整形する信号整形手段を更に備え、前記探針の高さ位置とたわみ量信号との間の干渉補正処理、検出された探針のたわみ量信号の中立点の経時変動に対する補正処理、前記探針を駆動させる際の探針高さの制御ゲインの拡大補正処理のうち、少なくともひとつの補正処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。