JP4160910B2 - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、試料の帯電を確実に除去するための除電装置を備えた走査型プローブ顕微鏡に関する。

走査型プローブ顕微鏡は、従来、原子のオーダ（等級）またはサイズの微細な対象物を観察できる測定分解能を有する測定装置として知られる。近年、走査型プローブ顕微鏡は、半導体デバイスが作られた基板やウェハの表面の微細な凹凸形状の測定など各種の分野に適用されている。測定に利用する検出物理量に応じて各種のタイプの走査型プローブ顕微鏡がある。例えばトンネル電流を利用する走査型トンネル顕微鏡、原子間力を利用する原子間力顕微鏡、磁気力を利用する磁気力顕微鏡等があり、それらの応用範囲も拡大しつつある。

上記のうち原子間力顕微鏡は、試料表面の微細な凹凸形状を高分解能で検出するのに適し、半導体基板、ディスクなどの分野で実績を上げている。最近ではインライン自動検査工程の用途でも使用されてきている。

原子間力顕微鏡は、基本的な構成として、原子間力顕微鏡の原理に基づく測定装置部分を備える。通常、圧電素子を利用して形成されたトライポッド型あるいはチューブ型のＸＹＺ微動機構を備え、このＸＹＺ微動機構の下端に、先端に探針が形成されたカンチレバーが取り付けられている。探針の先端は試料の表面に対向している。上記カンチレバーに対して例えば光てこ式光学検出装置が配備される。すなわち、カンチレバーの上方に配置されたレーザ光源（レーザ発振器）から出射されたレーザ光がカンチレバーの背面で反射され、光検出器より検出される。カンチレバーにおいて捩れや撓みが生じると、光検出器におけるレーザ光の入射位置が変化する。従って探針およびカンチレバーで変位が生じると、光検出器から出力される検出信号で当該変位の方向および量を検出できる。上記の原子間力顕微鏡の構成について、制御系として、通常、比較器、制御器が設けられる。比較器は、光検出器から出力される検出電圧信号と基準電圧とを比較し、その偏差信号を出力する。制御器は、当該偏差信号が０になるように制御信号を生成し、この制御信号をＸＹＺ微動機構内のＺ微動機構に与える。こうして、試料と探針の間の距離を一定に保持するフィードバックサーボ制御系が形成される。上記の構成によって探針を試料表面の微細凹凸に追従させながら走査し、その形状を測定することができる（例えば、特許文献１参照）。

原子間力顕微鏡が発明された当時は、その高分解能性を利用してｎｍ（ナノメートル）以下のオーダの表面微細形状の測定が中心課題であった。しかしながら、現在では、走査型プローブ顕微鏡は半導体デバイスのインライン製作装置の途中の段階で検査を行うインライン自動検査までその使用範囲が拡大してきている。このような状況になると、実際の検査工程では、基板またはウェハの表面を所定の間隔毎に検査することが要求される。そのために、基板またはウェハの表面を迅速に検出する自動測定も求められつつある。また、実際の検査工程の前には、種々の工程があり、それらの工程において処理された基板またはウェハ等の試料が帯電することがある。

一般に、原子間力顕微鏡では、観察対象である試料が帯電している場合、カンチレバーが帯電した試料から静電気による引力（または斥力）を受け、試料に接近できなくなり、測定不能状態に陥ることが知られている。

また一般に、試料の帯電は、除電装置（帯電除去装置）に試料を暴露することで除電できることが知られている。そのため、従来の原子間力顕微鏡では、装置内外に除電装置が備えられ、検査前に試料の除電を行う（特許文献２）。しかしながら、試料の除電が不十分な状態で無理にカンチレバーの先端の探針を接近させると、探針と試料の最初の接触時に探針と試料との間でマイクロスパーク（微小な火花）が発生し、探針が損傷し、測定が不能になったり、あるいは測定ができたとしても測定データにノイズを生じる可能性が高い。それ故、原子間力顕微鏡では、試料の帯電量が大きい場合には探針を接近させられず、測定が中断されたり、あるいは無理に接近させると探針が損傷するという問題があった。

前述のインライン自動検査によれば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、半導体工場の製造ラインにおいて各工程での抜取り検査（ラインＱＣ）や、製造装置の条件出し等に用いられる。

半導体の製造ラインでは上記のごとくその製造工程（プロセス）によりウェハが帯電することがある。例えばスクラブ洗浄工程の直後はウェハが帯電している場合が多い。

さらに製造プロセスの一部変更や、製造装置の不具合のために条件が変わり、ウェハの帯電量が増加する場合がある。この場合、初期に設定された除電時間では除電が不足してウェハを完全に除電することができず、その結果、探針を接近できず、検査装置が停止することになる。半導体の製造ラインは２４時間稼動であり、装置停止はラインスケジュールに影響を与え、最悪はライン停止に陥る。装置停止時に、現場に原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を熟知した管理者が居るとは限らないため、新たに除電時間の再設定が行えない可能性が高い。
特許第３３６４５３１号公報 特開２０００−１７１４７１号公報（例えば段落００４６）

本発明の課題は、上記のような運用環境での走査型プローブ顕微鏡に基づく帯電したウェハ等の検査で、検査装置が動作停止に陥ったり、探針が損傷を受けてしまうのを防止することにある。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、ウェハ等のインライン自動検査工程でたとえ試料が帯電していたとしても、当該ウェハ等の検査で、検査装置が動作停止に陥らず、探針が損傷を受けることなく安定かつ信頼性の高い動作が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項１に対応）は、カンチレバーの先端に探針を設け、探針を試料に対して接近させて、試料表面の情報を得る測定ユニットと、試料の帯電を除去するための除電装置を備えた走査型プローブ顕微鏡であり、カンチレバーの変位から試料の帯電状態を知る手段（帯電状態判定部）と、試料の帯電状態がしきい値以上の場合は追加除電を行う手段（追加除電制御部）とを備えるように構成される。

第２の走査型プローブ顕微鏡（請求項２に対応）は、上記の第１の装置構成において、好ましくは、除電装置は、電極針に電圧をかけることにより、電極針から正と負のイオンを交互に発生させる除電器であることで特徴づけられる。
さらに第３の走査型プローブ顕微鏡（請求項３に対応）は、上記の第１の装置構成において、好ましくは、上記除電装置は、Ｘ線または紫外線を照射することにより試料の近傍のガスを電離し正と負のイオンを発生させる除電器であることで特徴づけられる。

第４の走査型プローブ顕微鏡（請求項４に対応）は、上記の装置構成において、好ましくは、カンチレバーの変位から試料の帯電状態を知る手段は、光検出器の出力信号に基づいて試料の帯電状態を知ることで特徴づけられる。

第５の走査型プローブ顕微鏡（請求項５に対応）は、上記の装置構成において、好ましくは、追加除電を行ったときは、追加除電に係る情報を表示手段に表示する手段を有することで特徴づけられる。

本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、試料の帯電を除去するための除電装置を備えるものであって、さらに試料の帯電状態を知る手段と、試料の帯電状態がしきい値以上の場合は繰り返し追加除電を行う手段を備え、これにより試料の帯電状態を判定し、試料の帯電状態に応じて試料の帯電を除去することが可能である。従来の走査型プローブ顕微鏡では、試料の帯電状態に応じて繰り返し追加除電する手段がないため、測定する試料が帯電していた場合、帯電状態に応じて追加除電をすることができず、完全には除電されないために、探針を試料表面に接近させることができなくなることがある。これに対して本発明では、上記の構成に基づき、試料の帯電を確実に除去することができる。すなわち、接近手段により、カンチレバーと試料は数ｍｍ離れた状態から接近を始めたとき、この距離においても、試料の帯電状態によっては、静電気力によりカンチレバーは変位し、微小区間接近させた際のカンチレバー変位より、次の微小区間を接近させた際のカンチレバー変位、すなわちウェハ等の試料の表面電位を予測できる。予測値がしきい値を超えている場合は追加除電を行う。この過程を必要に応じて繰り返すことで、しきい値以下の変位で接近完了し、人手を要さずに検査を続けることが可能となる。

本発明によれば、半導体デバイスのインライン自動検査工程で、突発的なウェハ帯電等により検査が中断すること、また探針が損傷を受けることを防止でき、経済的で検査信頼性の高い原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等によるを検査を行うことができる。また追加除電プロセスによってウェハ等ごとの帯電量情報を蓄積することによってウェハ等ごとの事前除電を最適化できる。

以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図１０に従って、本発明の代表的な実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を説明する。図１は走査型プローブ顕微鏡の装置全体の外観図と装置内部の概略構造の透視図を示している。この走査型プローブ顕微鏡は代表的な例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を想定している。

図１に示されるごとく、本実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡は、測定ユニット１と搬送ユニット２から構成される。測定ユニット１は、試料ステージ１１、ＡＦＭセンサユニット３、第１制御装置３３、第２制御装置３４、表示装置３５、入力装置３６、除電器（イオナイザ）３０１、および除電器制御装置３０２から成る除電装置（帯電除去装置）を備えている。また搬送ユニット２は、搬送ロボット３０３、アライナ３０４、ロードポート３０５を備えている。

図２は、測定ユニット１の構成を示す図である。ＡＦＭセンサユニット３と除電器３０１の下方には試料ステージ１１が設けられている。試料ステージ１１の上に搬送ロボット３０３により搬送された試料１２が置かれている。試料ステージ１１は、直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸で成る３次元座標系１３で試料１２の位置を変えるための機構である。試料ステージ１１はＸＹステージ１４とＺステージ１５と試料ホルダ１６とから構成されている。試料ステージ１１は、通常、試料側で変位（位置変化）を生じさせる粗動機構部として構成される。試料ステージ１１の試料ホルダ１６の上面には、比較的大きな面積でかつ薄板形状の上記試料１２が置かれ、保持されている。試料１２は、例えば、表面上に半導体デバイスが製作された基板またはウェハである。試料１２は試料ホルダ１６上に固定されている。試料ホルダ１６は試料固定用チャック機構を備えている。この試料ステージ１１は、試料１２の除電を行うときは、除電器３０１の直下に試料１２を配置させ、他方、ＡＦＭ測定を行うときはＡＦＭセンサユニット３の直下に試料１２を配置するように動作する。図２では、試料ホルダ１６はＡＦＭ測定時の配置状態で図示されている。

図３に従って試料ステージ１１の具体的な構成例を説明する。図３で、１４はＸＹステージであり、１５はＺステージである。ＸＹステージ１４は水平面（ＸＹ平面）上で試料を移動させる機構であり、Ｚステージ１５は垂直方向に試料１２を移動させる機構である。Ｚステージ１５は、例えば、ＸＹステージ１４の上に搭載されて取り付けられている。

ＸＹステージ１４は、Ｙ軸方向に向けて配置された平行な２本のＹ軸レール２０１とＹ軸モータ２０２とＹ軸駆動力伝達機構２０３から成るＹ軸機構部と、Ｘ軸方向に向けて配置された平行な２本のＸ軸レール２０４とＸ軸モータ２０５とＸ軸駆動力伝達機構２０６から成るＸ軸機構部とから構成されている。上記ＸＹステージ１４によって、Ｚステージ１５はＸ軸方向またはＹ軸方向に任意に移動させられる。またＺステージ１５には、試料ホルダ１６をＺ軸方向に昇降させるための駆動機構が付設されている。図３では当該駆動機構は隠れており、図示されていない。試料ホルダ１６の上には試料１２を固定するためのチャック機構２０７が設けられる。チャック機構２０７には、通常、機械式、吸着や静電等の作用を利用した機構が利用される。

再び図２において、ＡＦＭセンサユニット３には、駆動機構１７を備えた光学顕微鏡１８が配置されている。光学顕微鏡１８は駆動機構１７によって支持されている。駆動機構１７は、光学顕微鏡１８を、Ｚ軸方向に動かすためのフォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａと、ＸＹの各軸方向に動かすためのＸＹ方向移動機構部１７ｂとから構成されている。取付け関係として、Ｚ方向移動機構部１７ａは光学顕微鏡１８をＺ軸方向に動かし、ＸＹ方向移動機構部１７ｂは光学顕微鏡１８とＺ方向移動機構部１７ａのユニットをＸＹの各軸方向に動かす。ＸＹ方向移動機構部１７ｂはフレーム部材に固定されるが、図２で当該フレーム部材の図示は省略されている。光学顕微鏡１８は、その対物レンズ１８ａを下方に向けて配置され、試料１２の表面を真上から臨む位置に配置されている。光学顕微鏡１８の上端部にはカメラ１９が付設されている。カメラ１９は、対物レンズ１８ａで取り込まれた試料表面の特定領域の像を撮像して取得し、画像データを出力する。

試料１２の上側には、先端に探針２０を備えたカンチレバー２１が接近した状態で配置されている。カンチレバー２１は取付け部２２に固定されている。取付け部２２は、例えば、空気吸引部（図示せず）が設けられると共に、この空気吸引部は空気吸引装置（図示せず）に接続されている。カンチレバー２１は、その大きな面積の基部が取付け部２２の空気吸引部で吸着されることにより、固定され装着される。

上記の取付け部２２は、Ｚ方向に微動動作を生じさせるＺ微動機構２３に取り付けられている。さらにＺ微動機構２３はカンチレバー変位検出部２４の下面に取り付けられている。

カンチレバー変位検出部２４は、支持フレーム２５にレーザ光源２６と光検出器２７が所定の配置関係で取り付けられた構成を有する。カンチレバー変位検出部２４とカンチレバー２１は一定の位置関係に保持され、レーザ光源２６から出射されたレーザ光２８はカンチレバー２１の背面で反射されて光検出器２７に入射されるようになっている。上記カンチレバー変位検出部は光てこ式光学検出装置を構成する。この光てこ式光学検出装置によって、カンチレバー２１で捩れや撓み等の変形が生じると、当該変形を検出することができる。

カンチレバー変位検出部２４はＸＹ微動機構２９に取り付けられている。ＸＹ微動機構２９によってカンチレバー２１および探針２０等はＸＹの各軸方向に微小距離で移動される。このとき、カンチレバー変位検出部２４は同時に移動されることになり、カンチレバー２１とカンチレバー変位検出部２４の位置関係は不変である。

上記において、Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９は、通常、圧電素子で構成されている。Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９によって、探針２０の移動について、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各々へ微小距離（例えば数〜１０μｍ、最大１００μｍ）の変位を生じさせる。

上記の取付け関係において、光学顕微鏡１８による観察視野には、試料１２の特定領域の表面と、カンチレバー２１における探針２０を含む先端部（背面部）とが含まれる。

また図２において、試料ステージ１１の上方には、前述した除電器（イオナイザ）３０１が配置されている。そして後に述べるように除電器３０１とこれを制御する除電器制御装置３０２により除電装置を構成する。

図４は、除電装置の構成と動作を解説する図である。図４（ａ）で示すように除電装置は、除電器３０１と除電器制御装置３０２から構成される。除電器３０１は、複数のイオン発生部３０１ａを備え、各イオン発生部３０１ａは電極針３０１ｂを有する。図４（ｂ）に示すように電極針３０１ｂは電源３０１ｃにより高電圧を印加され、電極針３０１ｂと接地面の間にコロナ放電を発生させ、正イオン３０１ｄと負イオン３０１ｅを多数生成する。これらのイオンにより、帯電している試料を電気的に中和し除電する。ここで、除電器３０１はＡＣ方式の除電器であり、図４（ｃ）で示すように電極針３０１ｂに曲線Ｃ１０で示した交流電圧をかける。これにより、点線Ｌ１１で示す正側のしきい値電圧（例えば３ｋＶ）以上の電圧になったとき正イオンを発生し、点線Ｌ１２で示す負側のしきい値電圧（例えば−３ｋＶ）以下の電圧になったとき負イオンを発生する。このように電極針３０１ｂから正イオンと負イオンを交互に発生させる。図４（ｃ）での縦軸は印加電圧（Ｖ）を示し、横軸は時間（ｔ）を示す。通常、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電源を使用し、正イオンと負イオンは５０Ｈｚまたは６０Ｈｚで交互に発生する。除電処理は、除電時間、すなわち電極針３０１ｂに交流電圧をかける時間により制御される。

次に、再び図２を参照して走査型プローブ顕微鏡の制御系を説明する。制御系の構成としては、比較器３１、制御器３２、第１制御装置３３、第２制御装置３４、除電器制御装置３０２が設けられる。制御器３２は、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定機構を原理的に実現するための制御器である。また第１制御装置３３は複数の駆動機構等のそれぞれの駆動制御用の制御装置であり、除電器制御装置３０２は除電器３０１の動作を制御する装置であり、第２制御装置３４は上位の制御装置である。

比較器３１は、光検出器２７から出力される電圧信号Ｖdと予め設定された基準電圧（Ｖref）とを比較し、その偏差信号ｓ１を出力する（ｓ１＝Ｖref−Ｖd）。通常、探針に力が加わっていない状態では、Ｖdは０Ｖ近傍の電圧を示し、基準電圧（Ｖref）は通常測定状態ではプラス数Ｖに設定されている。探針に斥力が加わりカンチレバーが反試料側に変形すると、Ｖdはプラス側に変位し、探針に引力が加わりカンチレバーが試料側に変形すると、Ｖdはマイナス側に変形する。制御器３２は、偏差信号ｓ１が０になるように制御信号ｓ２を生成し、この制御信号ｓ２をＺ微動機構２３に与える。制御信号ｓ２を受けたＺ微動機構２３は、カンチレバー２１の高さ位置を調整し、探針２０と試料１２の表面との間の距離を一定の距離に保つ。上記の光検出器２７からＺ微動機構２３に到る制御ループは、探針２０で試料表面を走査するとき、光てこ式光学検出装置によってカンチレバー２１の変形状態を検出しながら、探針２０と試料１２との間の距離を上記の基準電圧（Ｖref）に基づいて決まる所定の一定距離に保持するためのフィードバックサーボ制御のループである。この制御ループによって探針２０は試料１２の表面から一定の距離に保たれ、この状態で試料１２の表面を走査すると、試料表面の凹凸形状を測定することができる。

次に、第１制御装置３３を説明する。第１制御装置３３は次のような機能部を備えている。

光学顕微鏡１８は、フォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂとから成る駆動機構１７によって、その位置が変化させられる。第１制御装置３３は、上記のＺ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂのそれぞれの動作を制御するための第１駆動制御部４１と第２駆動制御部４２を備えている。

光学顕微鏡１８によって得られた試料表面やカンチレバー２１の像は、カメラ１９によって撮像され、画像データとして取り出される。光学顕微鏡１８のカメラ１９で得られた画像データは第１制御装置３３に入力され、内部の画像処理部４３で処理される。

制御器３２等を含む上記のフィードバックサーボ制御ループにおいて、制御器３２から出力される制御信号ｓ２は、走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）における探針２０の高さ信号を意味するものである。探針２０の高さ信号すなわち制御信号ｓ２によって探針２０の高さ位置の変化に係る情報を得ることができる。探針２０の高さ位置情報を含む上記制御信号ｓ２は、前述のごとくＺ微動機構２３に対して駆動制御用に与えられると共に、制御装置３３内のデータ処理部４４に取り込まれる。

カンチレバー変位検出部（変位検出装置）２４の光検出器２７から出力される電圧信号Ｖdは、モニタ部４９によってモニタされる。

試料１２の表面の測定領域について探針２０による試料表面の走査は、ＸＹ微動機構２９を駆動することにより行われる。ＸＹ微動機構２９の駆動制御は、ＸＹ微動機構２９に対してＸＹ走査信号ｓ３を提供するＸＹ走査制御部４５によって行われる。

また試料ステージ１１のＸＹステージ１４とＺステージ１５の駆動は、Ｘ方向駆動信号を出力するＸ駆動制御部４６とＹ方向駆動信号を出力するＹ駆動制御部４７とＺ方向駆動信号を出力するＺ駆動制御部４８とによって制御される。

なお第１制御装置３３は、必要に応じて、設定された制御用データ、入力した光学顕微鏡画像データや探針の高さ位置に係るデータ等を記憶・保存する記憶部を備える。

除電器制御装置３０２は、第２制御装置３４からの指令に基づいて除電器３０１の動作を制御する装置である。

上記第１制御装置３３と除電器制御装置３０２に対して上位に位置する第２制御装置３４が設けられている。第２制御装置３４は、通常の計測プログラムの記憶・実行および通常の計測条件の設定・記憶、自動計測プログラムの記憶・実行およびその計測条件の設定・記憶、計測データの保存、計測結果の画像処理および表示装置（モニタ）３５への表示等の処理を行う。特に、本発明の場合には、試料の帯電状態を知る機能と、試料の帯電状態がしきい値以上の場合に繰り返し追加除電を行う機能と、除電装置を駆動する機能とを実現するプログラムを備える。すなわち、試料がＡＦＭセンサユニット３の直下にセット完了後、光検出器から出力される検出信号をモニタし、モニタした検出信号により試料の帯電状態を判定し、試料の帯電状態がしきい値以上の場合に繰り返し追加除電を行うためのプログラムを備えている。また試料カセット３０７がセットされた後の試料の搬送から、ＡＦＭ測定までの一連のプロセスを行うプログラムを備えている。さらに通信機能を有するように構成し、外部装置との間で通信を行える機能を持たせることもできる。

第２制御装置３４は、上記の機能を有することから、処理装置であるＣＰＵ５１と記憶部５２とから構成される。記憶部５２には上記のプログラムおよび条件データ等が記憶・保存される。また、ＣＰＵ５１と記憶部５２により、試料がＡＦＭセンサユニット直下にセット完了後、光検出器から出力される検出信号をモニタし、モニタした検出信号により試料の帯電状態を判定し、試料の帯電状態がしきい値以上の場合に繰り返し追加除電を行う機能と、試料カセットがセットされた後の試料の搬送から、ＡＦＭ測定までの一連のプロセスを行う機能を実現する。さらに第２制御装置３４は、画像表示制御部５３と通信部等を備える。加えて第２制御装置３４にはインタフェース５４を介して入力装置３６が接続されており、入力装置３６によって記憶部５２に記憶されるプログラム、条件、データ等を設定・変更することができるようになっている。また第２制御装置３４には、インタフェース５６を介して搬送ロボット３０３が接続される。

第２制御装置３４のＣＰＵ５１は、バス５５を介して、第１制御装置３３の各機能部に対して上位の制御指令等を提供し、また画像処理部４３とデータ処理部４４とモニタ部４９等から画像データや探針の高さに係るデータ等を提供される。さらに、除電器制御装置３０２に対して事前除電と追加除電のための上位の制御指令を提供する。

次に、図１および図５を参照して搬送ユニット２を説明する。搬送ユニット２は、ロードポート３０５とアライナ３０４と搬送ロボット３０３を備えている。ロードポート３０５は試料カセットを設置するためのものである。アライナ３０４は、ウェハの方向の調整を行うものである。搬送ロボット３０３は、試料（ウェハ）をロードポート３０５からアライナ３０４および試料ステージ１１に搬送するものである。この搬送ユニット２での動作を図５を用いて説明すると、被検体である試料１２はカセット３０７に入った状態で装置のロードポート３０５にセットされる。ロードポート３０５にセットされた試料１２を搬送ロボット３０３が先端に取り付けられたロボットハンド３０８で、試料１２を試料カセット３０７から取り出す。取り出された試料１２は、いったんアライナ３０４上に置かれ、角度およびＸＹ面内の位置合わせが行われる。このように、アライナ３０４に載せ、試料の位置調整を行った後、試料１２はロボットハンド３０８で、アライナ３０４上から測定ユニット１の試料ステージ１１の試料ホルダ１６上に搬送する。チャック機構２０７は試料１２を空気負圧で吸着する。

次に、測定ユニット１での装置の動作について説明する。搬送ロボット３０３により搬送された試料１２を除電器３０１の直下の位置に移動させ、ＡＦＭセンサユニット３による検査に入る前に、最初に除電器３０１によって一定時間試料１２の除電（事前除電）を行う。

事前除電が終わると、ＸＹステージ１１を駆動してチャック機構２０７および試料１２をＡＦＭセンサユニット３の位置へ移動させる。この際に、探針２０と試料１２とはＺ方向に数ｍｍ以上離れている。ＡＦＭセンサユニット３による検査のためには、探針２０が試料１２に対して所定距離になるまで両者を接近させなければならない。そのため、試料ステージ１１のＺステージ１６を駆動して両者を接近させる。その際、試料１２が帯電していると、カンチレバー２１は静電気力による変位を受け、両者の距離が近づくほど、また、帯電量が多いほど変位量も大きくなる。この様子を図６に示す。静電気力は距離の２乗に反比例する長距離力で、数百ミクロン離れていてもカンチレバー２１が大きな変位を受け、接近終了と誤認することがある。

図６の縦軸は光検出器２７の出力信号Ｖdの絶対値であり、横軸は探針２０と試料１２間の距離を表す。曲線Ｃ２０は、試料１２の帯電が大きい場合の出力信号と距離の関係を示し、曲線Ｃ２１は試料１２の帯電が小さい場合の出力信号と距離の関係を示す。静電気力には斥力と引力があり、どちらが働くかは試料１２の帯電状態により異なる。このため、Ｖdの絶対値であるｌＶdｌを試料帯電量の指標とする。

光検出器２７は、探針２０に作用する原子間力によるカンチレバー２１の微小変位（撓み）を電気信号に変換するが、静電気力によるカンチレバー変位による信号と区別が付かず、探針２０が試料１２に接触して力を受けた、すなわち接近が終了したと誤判定し、接近が中断してしまいＡＦＭセンサユニット３による検査に至らないという問題がある。また、静電気力によるＶdのオフセットを相殺して接近を継続させたとしても、本当に探針２０が試料１２に対して所定距離になった際に、試料１２に帯電した電荷が、探針２０を通じて一気に放電されるマイクロスパークが発生して、探針２０に大きな損傷を与えることがある。

前者は継続するためには人の介入が必要になり、インライン自動検査装置としてはまずい状況である。後者は一見検査が継続しているように見えるため、さらに、悪い結果をもたらす。

本実施形態では、帯電量が多く事前除電だけでは除電が不十分な場合に自動的に追加除電を行う機能を実現する。その仕組みを図７〜図９を用いて説明する。

図７は、前述した追加除電制御機構のブロック構成図である。追加除電制御機構３０９は接近終了判定部３１０と帯電状態判定部３１１と追加除電制御部３１２から構成される。接近終了判定部３１０は、第２制御装置３３内に機能部として実現され、モニタ部４９からの出力信号に基づいて探針２０と試料１２との間に働く原子間力が、設定値（＝Ｖref）に達しているか否かで判定する。その接近終了の情報を帯電状態判定部３１１に出力する。帯電状態判定部３１１は、出力信号Ｖdの絶対値としきい値Ｖｔとの大小を比較し、Ｖdの絶対値とＶｔの大小関係の情報を、追加除電制御部３１２に出力する。追加除電制御部３１２は、Ｖdの絶対値がＶｔより小さいという信号を受けたときは、除電を停止し、Ｖdの絶対値がＶｔより大きいという信号を受信したときは、追加除電プログラムを実行する。追加除電プログラムは、まず、ＸＹステージ１５を除電器３０１の直下に試料１２が配置されるように移動し、その後、除電器３０１を駆動し、除電を行い、再び、ＸＹステージ１５を駆動し、試料１２をＡＦＭセンサユニット３の直下に移動するという動作をさせるためのプログラムである。

図８は、実際の追加除電を行うときの探針２０と試料１２間の距離と、出力信号Ｖdの絶対値の変化を示す。横軸は探針２０と試料１２の間の距離を示し、縦軸は出力信号Ｖdの絶対値を示す。また直線Ｌ３０は、しきい値Ｖｔであり、帯電量がこれ以下であればＡＦＭセンサユニット３による検査に影響を与えず、探針にも損傷（ダメージ）を与えない値である。まず曲線Ｃ３０に従って、探針２０の試料１２への接近によって徐々に出力電圧Ｖdの絶対値が増加する。そして、距離ｄ１でしきい値Ｖｔに達したら、追加除電を行い、出力電圧Ｖdの絶対値がＶLになり、さらなる探針２０の接近で曲線Ｃ３１のように変化する。点線Ｃ３２は、除電を行わない場合のＶdの絶対値の変化を示す。探針をｄZ接近させた際のＶdの変化をｄＶdとすると、次の区間（＝ｄZ）の接近によるＶdの増加もおよそｄＶdであると予測できる。この予測値がＶｔを超えている場合は、接近を一時中断し、試料を除電器（帯電除去装置）３０１の直下位置に移動させ、追加除電を行った後で、元の位置に戻り接近を継続する。

上記の事前除電と追加除電のプロセスに関するアルゴリズムを図９のフローチャートに従って説明する。まず事前除電が行われ（ステップＳ１１）、次にＡＦＭセンサユニット３の直下で試料１２上で探針２０の接近が行われ（ステップＳ１２）、このステップＳ１２で接近終了か判定される。接近終了の判定は、探針２０と試料１２との間に働く原子間力が、設定値（＝Ｖref）に達しているか否かで判定される。ＶrefとＶｔの間にはＶref＞Ｖｔの関係がある。この判定は図７の接近終了判定部３１０により行われる。接近終了の場合は、この工程は終了し、ＡＦＭセンサユニット３によるＡＦＭ測定のプロセスに入る。また接近終了ではない場合、探針２０の試料１２への接近が行われる（ステップＳ１３）。ステップＳ１４で図９中のｌＶdｌ＞Ｖｔの判定は、図７の帯電状態判定部３１１により行われる。Ｖdの絶対値がＶｔより小さいときは、ステップＳ１２を実行する。これは図８での場合であり１回の追加除電で試料１２の電位が下がり、接近終了まで至っている。Ｖdの絶対値がＶｔより大きいとき、すなわち、試料帯電量がまだ多く残存し、除電しても接近によりしきい値Ｖｔを超える場合は、追加除電を繰り返し行う（ステップＳ１５）。接近終了までに要した追加除電の回数は、第２制御装置３４の記憶部５２に記録され、表示装置３５に出力される。ステップＳ１６では除電回数が設定値より大きいかどうか判断し、追加除電の回数が設定値を超えた場合は、十分な除電が不可能であるとしてエラー（ステップＳ１７）を出して、接近動作を停止する。

また、試料１２に対して探針２０を接近させる際は、スループットを落とさないために、途中までは大きなステップ（単位移動距離：本実施形態では例えばｄZ＝１００μｍ）で接近させ、或る点からは小さなステップ（例えばｄZ＝１０μｍ）に切り替える。接近開始時に探針２０と試料１２の間の正確な距離がわかっているわけではない。つまり、正確な接近終了位置はわかっていない。このステップ変更点は、ウェハ等の厚みのばらつきを考慮して決められる。

本実施形態によれば、突発的な原因（製造プロセスの修正、製造装置の不具合等）によりウェハ等の試料の帯電量が増え、装置管理者が設定した事前除電時間では十分に除電できなかった場合にも、自動的に追加除電を行い、ＡＦＭによる検査を継続することができる。設定された回数の追加除電を行っても除電できない場合はエラーを出して停止するため、マイクロスパーク等により探針に損傷を受ける可能性が低く、探針寿命の延長による経済性の向上、検査データの信頼性の向上に貢献する。

また追加除電の実施状況に係るデータを記憶・蓄積し、さらに当該実施状況を表示することにより、製造プロセスに変化があったことを装置管理者に知らせることができる。装置管理者はこれを受けて、事前除電時間を延長するか、または除電プロセスを見直すかを判断する。

ＡＦＭによる検査では、通常は、１枚のウェハ等につき、数カ所を測定する場合が多い。例えば５箇所の場合は、ウェハ中心、左端、右端、上端、下端と対称的に測定するのが通例である。本実施形態によれば、各々の測定点に関して、追加除電の実施状況を知ることができるため、ウェハ等上の帯電のバランスを知ることができる。

上記のような追加除電のプロセスが完了すると、試料ステージ１１における試料ホルダ１６および試料１２に対して、ＡＦＭセンサユニット３のＺ軸方向微動部とＺステージ１５を駆動して両者の接近を行い、ＡＦＭ測定に基づく検査を行う。

次に上記走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）の基本動作を説明する。

試料ステージ１１上に置かれた半導体基板等の試料１２の表面の所定領域に対してカンチレバー２１の探針２０の先端を臨ませる。通常、探針接近用機構であるＺステージ１５によって探針２０を試料１２の表面に近づけ、原子間力を作用させてカンチレバー２１に撓み変形を生じさせる。カンチレバー２１の撓み変形による撓み量を、前述した光てこ式光学検出装置によって検出する。この状態において、試料表面に対して探針２０を移動させることにより試料表面の走査（ＸＹ走査）が行われる。探針２０による試料１２の表面のＸＹ走査は、探針２０の側をＸＹ微動機構２９で移動（微動）させることによって、または試料１２の側をＸＹステージ１４で移動（粗動）させることによって、試料１２と探針２０の間で相対的なＸＹ平面内での移動関係を作り出すことにより行われる。

探針２０側の移動は、カンチレバー２１を備えるＸＹ微動機構２９に対してＸＹ微動に係るＸＹ走査信号ｓ３を与えることによって行われる。ＸＹ微動に係る走査信号ｓ３は第１制御装置３３内のＸＹ走査制御部４５から与えられる。他方、試料側の移動は、試料ステージ１１のＸＹステージ１４に対してＸ駆動制御部４６とＹ駆動制御部４７から駆動信号を与えることによって行われる。

上記ＸＹ微動機構２９は、圧電素子を利用して構成され、高精度および高分解能な走査移動を行うことができる。またＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査で測定される測定範囲については、圧電素子のストロークによって制約されるので、最大でも約１００μｍ程度の距離で決まる範囲となる。ＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査によれば、微小範囲の測定となる。他方、上記のＸＹステージ１４は、通常、駆動部として電磁気モータを利用して構成するので、そのストロークは数百ｍｍまで大きくすることができる。ＸＹステージ１４によるＸＹ走査によれば、ワイド範囲の測定となる。

上記のごとくして試料１２の表面上の所定の測定領域を探針２０で走査しながら、フィードバックサーボ制御ループに基づいてカンチレバー２１の撓み量（撓み等による変形量）が一定になるように制御を行う。カンチレバー２１の撓み量は、常に、基準となる目標撓み量（基準電圧Ｖrefで設定される）に一致するように制御される。その結果、探針２０と試料１２の表面との距離は一定の距離に保持される。従って探針２０は試料１２の表面の微細凹凸形状（プロファイル）をなぞりながら移動することになり、探針の高さ信号を得ることによって試料１２の表面の微細凹凸形状を計測することができる。

上記のごとき走査型プローブ顕微鏡は、例えば、図１０に示すごとく、半導体デバイス（ＬＳＩ）のインライン製作装置の途中段階でウェハまたは基板の検査を行う自動検査工程９２として組み込まれる。図示しない基板搬送装置によって、前段の製作処理工程９１から検査対象であるウェハ（試料１２）を搬出し、自動検査工程９２の上記走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の基板ホルダ１６上に置くと、走査型プローブ顕微鏡により基板表面の所定領域の微細凹凸形状が自動的に計測され、前段での基板製作の処理内容の合否が判定され、その後、再び基板搬送装置によって後段の製作処理工程９３へ搬出される。

なお、事前除電を行うときに、予め試料の種類を知ることにより、或る程度の除電条件を設定し、除電を行うようにした場合にも、上記のような追加除電を行うことにより、より確実に試料の除電を行うことができる。さらに上記の実施形態の説明では、除電装置として電極針を有するタイプの例を説明したが、他のタイプの除電装置としてＸ線や紫外線を照射して試料の近傍の気体を電離してイオンを発生させるタイプのものも用いることができる。

上記の各実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、ウェハ等のインライン自動検査工程で、帯電したウェハ等の検査でも検査装置が動作停止に陥らず、探針が損傷を受けることなく安定かつ信頼性の高い動作をする検査装置として利用される。

本発明の代表的な実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体的な構成（装置が概略的内部構造）を示す構成図である。 測定ユニットの詳細な構成を示す図である。 試料ステージの具体的な構成を示す斜視図である。 除電装置の構成と動作を示す図であり、（ａ）は除電装置の構成を示し、（ｂ）は電極針からイオンが放出する様子を示し、（ｃ）は印加電圧の時間変化とイオンの発生を示す図である。 搬送ユニットによる動作を説明する図である。 光検出器の出力信号の絶対値と探針・試料間距離との関係を示すグラフである。 追加除電制御機構のブロック構成図である。 追加除電を行ったときの出力信号の絶対値と探針・試料間距離との関係を示すグラフである。 除電の工程を示すフローチャートである。 本発明に係る走査型プローブ顕微鏡がインライン自動検査工程として用いられる構成を示したブロック図である。

符号の説明

１ 測定ユニット
２ 搬送ユニット
３ ＡＦＭセンサユニット
１１ 試料ステージ
１２ 試料
１６ 試料ホルダ
１７ 駆動機構
１８ 光学顕微鏡
１９ カメラ
２０ 探針
２１ カンチレバー
２２ 取付け部
２３ Ｚ微動機構
２９ ＸＹ微動機構
３３ 第１制御装置
３４ 第２制御装置
３０１ 除電器
３０２ 除電器制御装置
３０３ 搬送ロボット
３０４ アライナ
３０５ ロードポート
３１０ 接近終了判定部
３１１ 帯電状態判定部
３１２ 追加除電制御部

Claims (5)

1. カンチレバーの先端に探針を設け、この探針を試料に対して接近させて、試料表面の情報を得る測定ユニットと、前記試料の帯電を除去するための除電装置とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
   前記カンチレバーの変位から前記試料の帯電状態を知る手段と、
   前記試料の帯電状態がしきい値以上の場合は追加除電を行う手段と、
   を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記除電装置は、電極針に電圧をかけることにより前記電極針から正と負のイオンを交互に発生させる除電器であることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記除電装置は、Ｘ線または紫外線を照射することにより前記試料の近傍のガスを電離し正と負のイオンを発生させる除電器であることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記カンチレバーの変位から試料の帯電状態を知る前記手段は、光検出器の出力信号に基づいて前記試料の帯電状態を知ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記追加除電を行ったときは前記追加除電に係る情報を表示する表示手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。