JP4811568B2 - パターン寸法計測方法およびパターン寸法計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、フォトマスク、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ：極端紫外光）マスク、電子線マスク等の半導体リソグラフィ用マスクおよび半導体デバイス等の微細なパターン寸法の計測方法およびパターン寸法計測装置に関する。

半導体デバイスの高集積化に伴い、半導体デバイスの微細パターンの設計ルールは９０ｎｍの世代から６５ｎｍ、４５ｎｍの世代へと開発が進められている。これらのマスクやデバイスの微細パターンの寸法を計測するには、走査型電子顕微鏡と共に原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以後、ＡＦＭと記す）を用いたパターン寸法測定機（ＡＦＭ型寸法測定機）が利用されている。特にＡＦＭは、大気圧下で高分解能を有する顕微鏡であり、観察対象が導電性試料だけでなく、金属蒸着のような前処理なしにレジスト等の絶縁性試料も測定することができ、試料表面の高さ方向の情報も高分解能で得られるので、微細なパターン寸法の計測に適している。

図１２に、従来のＡＦＭ型寸法測定機の一例としての測定原理図と、測定用の探針周辺の模式図を示す。図１２（ａ）に示すように、片持ち梁（カンチレバーと称する）構造を有する微小な探針１２１を試料１２２に徐々に近づけていくと、ある距離で両者の間に引力あるいは斥力が働き、探針１２１を備えたカンチレバー１２３に歪みが生じる。歪みはカンチレバー１２３の背面に当てられたレーザ光１２４の反射角の変化により光センサー１２５で検出され、探針１２１を試料１２２表面で走査したときにカンチレバー１２３の歪み量が一定となるように、探針１２１と試料１２２間の距離が制御される。試料１２２表面の走査（Ｘ方向、Ｙ方向）と、探針１２１と試料１２２間の距離の制御（Ｚ方向）はピエゾスキャナー１２６により行われ、各スキャナーに印加された電圧を解析処理することで試料１２２表面の像が得られる。測定に用いる探針１２１は、図１２（ｂ）に示すように、シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、ポリシリコン、カーボンナノチューブ、あるいはダイヤモンド等で作製され、長さ約３〜３０μｍ程度、先端曲率半径５〜１５ｎｍと非常に微細でカンチレバー１２３上に設けられる。

しかしながら、従来のＡＦＭ型寸法測定機による半導体デバイスのパターン寸法測定は、ラインやスペース等の直線パターンの計測は精度良くできたが、円柱形状のドットパターンや円柱穴形状のホールパターン等の非直線パターンの最大幅を正確に計測することが困難であるという問題があった。

図１３は、ＡＦＭ型寸法測定機において、ドットパターン１３１を寸法測定する従来のパターン寸法計測方法を説明する上面模式図である。ＡＦＭ型寸法測定機によるドットパターンやホールパターンの寸法計測において、正確に計測することが困難である最大の理由は、図１３に示すように、ＡＦＭの探針の走査ライン１３２が、ＡＦＭの探針の間引き走査方式により、パターン最大幅を的確に捉えることができなかったことにあった。すなわち、図１３において、ドットパターンの直径ａがパターンの本当の最大幅でありドットパターン寸法であるのに対し、間引き走査することにより、計測値上の最大幅であるＬをドットパターンの寸法としてしまうという問題があったことによる。この問題は、ＡＦＭの探針の走査線数を増やすことにより、計測値の正確性をより高くすることができるが、検査時間の増大につながり、実用的に問題であった。

一方、梁構造の触針を用いた微細表面形状測定装置が開示されている（特許文献１参照）。図１４（ａ）に、特許文献１に示される測定装置の触針１４１周辺の部分模式図を示す。上記の表面形状測定装置においては、図１４（ｂ）に示すように、梁構造の触針１４１を制御させるスキャンヘッド１４４を、円柱形状のパターンである測定対象１４５の周りに３６０度回転させることで、微細表面の形状測定が可能である。

しかしながら、特許文献１に記載された図１４に示すような表面形状測定装置による寸法計測では、基板面に垂直方向（Ｚ方向とする）に対して触針の振動を行わないため、被計測パターンの底部を正確に特定することができず、パターンの高さ計測が困難となる。そのため、前記の図１３に示すＡＦＭ型寸法測定機ではＺ方向にも探針を振動することにより、パターン高さを高精度に計測できるのに対し、図１４に示す特許文献１の表面形状測定装置は、例えば、パターン高さの５０％位置での寸法計測というような厳密な計測が実施できないという問題があった。
特開２０００−９７６９１号公報

上記のように、円柱形状のドットパターンあるいは円柱穴形状のホールパターン等の非直線パターンの寸法計測方法において、従来のＡＦＭ型寸法測定機による従来の寸法計測方法は、パターンの高さは計測できるものの、パターンの最大幅を正確に計測することが困難であるという問題があり、また、特許文献１に記載されるような触針式の表面形状測定装置による寸法計測方法では、被計測パターンの底部を正確に特定することができないため、パターン高さの位置を特定した状態での厳密な計測が実施できないという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ＡＦＭ型寸法測定機による寸法計測方法において、円柱形状のドットパターンや円柱穴形状のホールパターン等の非直線パターンの最大幅寸法を正確に計測するパターン寸法計測方法を提供するものであり、また、その計測方法を行い得るパターン寸法計測装置を提供するものである。

請求項１の発明は、基板表面に垂直方向に励起振動する探針をカンチレバーに設けた原子間力顕微鏡で前記基板表面のパターンを寸法計測するパターン寸法計測方法において、前記探針の走査方向にほぼ垂直方向で、かつ前記基板表面に平行に前記探針を正弦波状またはジグザグ状に一定の振幅で振動させて前記パターンのエッジを検出し、前記探針が、前記パターンのエッジを検出した後、前記走査方向と直交する方向に一定距離移動し、再び走査し、前記パターンの前記エッジと異なるエッジを検出する動作を繰り返して寸法計測することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のパターン寸法計測方法において、前記カンチレバー全体を、前記探針の走査方向にほぼ垂直方向で、かつ前記基板表面に平行に振動させることにより、前記探針を振動させることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のパターン寸法計測方法において、前記探針の前記基板表面に垂直方向の励起振動が前記探針の共振周波数付近であり、前記探針の走査方向にほぼ垂直方向で、かつ前記基板表面に平行な前記探針の振動が、前記共振周波数よりも低周波であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のパターン寸法計測方法において、前記パターンが非直線パターンであり、該非直線パターンの最大幅を寸法計測することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のパターン寸法計測方法において、前記パターンが非直線パターンであり、前記探針が前記非直線パターンの最外周に沿って走査され、前記非直線パターンの最外周輪郭を特定することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のパターン寸法計測方法において、前記パターンが直線パターンであり、該直線パターンのエッジ粗さを寸法計測することを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のパターン寸法計測方法において、前記基板が半導体リソグラフィ用マスク基板または半導体デバイス基板であり、前記パターンがドットパターンまたはホールパターンであることを特徴とする。

請求項８の発明は、基板表面に垂直のＺ方向に励起振動する探針をカンチレバーに設けた原子間力顕微鏡で前記基板表面のパターンを寸法計測するパターン寸法計測装置において、前記カンチレバーに接して前記探針をＸ方向およびＹ方向に正弦波状またはジグザグ状に一定の振幅で振動させる振動手段と、前記探針をＺ方向に励起振動させる振動手段と、前記探針の歪を検出する検出手段と、検出された歪み量が一定となるように前記探針をＺ方向に制御する制御手段と、前記探針と前記パターンとの相対的な位置決めをする移動手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明のパターン寸法計測方法によれば、ドットパターンやホールパターン等の非直線パターンの最大寸法を、迅速かつ正確に寸法計測ができるようになる。
また、探針のＸ方向振動の振幅を調整することで、パターン外周に沿って探針を走査することが可能となり、非直線パターンのパターン寸法だけでなく、パターン最外周輪郭も示すことが可能となる。
また、本発明のパターン寸法計測方法によれば、直線パターンにおいても、パターンエッジ部に存在する微小な凸または凹欠陥も検出することができるようになり、直線パターンのパターンエッジの粗さを精度良く計測できる。
さらに、本発明のパターン寸法計測方法によれば、探針の走査回数を従来の方法よりも少なくすることができるので、検査時間が短縮され、探針の摩耗が抑えられ、計測検査コストの低減が可能となる。

本発明のパターン寸法計測装置によれば、従来のＡＦＭ型寸法測定機に比べ、非直線パターンの最大寸法を迅速かつ正確に寸法計測することが可能となる。また、検査時間が短縮され、探針の摩耗が抑えられ、計測検査コストの低減が可能となる。

以下、本発明のパターン寸法計測方法およびパターン寸法計測装置について、図面を参照して説明する。

（パターン寸法計測装置）
図１は、本発明のパターン寸法計測装置の構成図である。
図１に示すように、本発明のパターン寸法計測装置は、通常のＡＦＭ装置の構成に、新たにＸ方向とＹ方向の両方向、またはＸ、Ｙのいずれかの片方向に振動するＸ、Ｙ方向振動ユニット１９を搭載したものである。
本発明において、基板（被計測物）１２の表面を探針１１で走査するに際し、探針１１の走査方向をＹ方向、探針１１の走査方向に垂直で、かつ基板１２表面に平行な方向をＸ方向、基板１２表面に垂直な方向をＺ方向と定義する。以後の説明においても、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向は、上記の意味で用いる。

すなわち、本発明のパターン寸法計測装置は、カンチレバーに探針を設けた原子間力顕微鏡で基板表面のパターンを寸法計測するパターン寸法計測装置において、カンチレバー１３に接して探針１１をＸ、Ｙ方向に振動させる振動手段であるＸ、Ｙ方向振動ユニット１９と、探針１１をＺ方向に励起振動させる振動手段と、探針１１の歪を検出する検出手段である探針Ｚ位置検出器１５と、検出された歪み量が一定となるように前記探針１１をＺ方向に制御する制御手段１６ａと、探針１１と基板１２のパターンとの相対的な位置決めをする移動手段１６ｂと、を備えたものである。

Ｚ方向には、通常のＡＦＭ装置の原理に基づき、探針１１が高周波共振（励起振動）する。Ｘ、Ｙ方向の振動は、Ｚ方向の共振周波数よりも低周波の振動を発生させる装置構成である。本発明のパターン寸法計測装置において、Ｚ方向の励起振動周波数は、通常のＡＦＭと同様に、２００〜６００ｋＨｚの範囲で用いられ、ＸおよびＹ方向の振動周波数は４００ｋＨ以下とし、Ｚ方向の共振周波数よりも低周波にするのが好ましい。本発明において、ＸおよびＹ方向の振動振幅は、1μｍ以下とするのが好ましい。

微小な探針１１を有するカンチレバー１３は、Ｘ、Ｙ方向振動ユニット１９に取り付けられている。すなわち、本発明のパターン寸法計測装置では、従来のＡＦＭ型寸法測定機のようにＸ、Ｙ方向走査ユニットが基板側のステージに備わっているのではなく、走査ヘッドであるカンチレバー１３側に備わっている。Ｚ方向、Ｘ方向およびＹ方向は各々のピエゾスキャナー１６ａ、１６ｂで制御される。このような構成とすることにより、通常のＡＦＭ型寸法測定機では、１本のＡＦＭ探針走査につき、探針が走査された微細な走査線上に存在する立体情報しか得られないのに対し、本発明のパターン寸法計測装置は、１本のＡＦＭ探針走査ラインでも、Ｘ、Ｙ振動ユニットの振幅範囲上に存在する立体情報を得ることができ、幅広い情報を得ることができる。

（パターン寸法計測方法）
図２は、本発明のパターン寸法計測方法を説明する説明図であり、基板（図２の紙面に
相当する）上のドットパターン２１を上面から見た模式図である。探針（図示していない
）の走査ライン２２（Ｙ方向で紙面の下から上に走査）にほぼ垂直方向で、かつ前記基板
表面に平行（Ｘ方向）に前記探針を振動させ、ドットパターンのエッジを正確に検出して
寸法計測する方法を示すものである。図２には振動による探針の軌跡を一例として正弦波
状に示してあるが、振動はジグザグ状でもよく、一定の振幅で振動していれば、本発明
の寸法計測方法に用いることができる。振幅は計測するパターン寸法により変えること
ができる。

図３および図４は、本発明のパターン寸法計測方法における探針の動作と信号アウトプットを説明する説明図であり、ドットパターンを例にしている。本発明のパターン寸法計測装置において、フォトマスクや半導体ウェハ上のドットパターンの最大幅（直径Ｒ）を計測する際には、図３に示すように、探針３１をＸ方向に振動させ、Ｙ方向（紙面の上から下方向）に走査されている探針３１が、ドットパターン３２を検出していないときには、探針３１のＺ方向励起振動は正弦波を描いている。

一方、図４に示すように、走査されている探針３１が、ドットパターン３２のエッジａ点を検出すると、Ｚ方向励起振動の正弦波振幅に乱れが発生する。図４では、Ｘ方向振動が＋Ｘ方向に振れたとき、探針３１が原子間力を検出するため、Ｚ方向励起振動が小さくなる様子を表している。
このとき、Ｚ方向励起振動振幅が、設定値より小さくなった（Ｚ方向励起振動振幅に、一定量の乱れが発生）ら、そのときの探針３１の位置を、パターンエッジとして定義し、ＸＹコントロールにより、−Ｘ方向へカンチレバー３３に設けられた探針走査ヘッドが移動する。移動する距離は、設定値または、Ｚ方向励起振動振幅が乱れを生じない状態の正弦波になるまで移動する。探針３１は−Ｘ方向移動後、再度−Ｙ方向への探針走査を実施し、ａ点と異なるパターンエッジｂ点を検出する。次いで、この動作を繰り返し、最終的にパターンの最大幅のエッジに相当するｃ点を検出する。

探針３１はパターンエッジを検出したときには、エッジから離れるＸ方向に移動するように予め設定しておき、上記はパターンの左エッジに探針が接した場合を説明したが、探針３１がパターンの右エッジに接した場合には、探針３１は＋Ｘ方向に移動する。同様にして、最終的にパターンの最大幅のエッジに相当する点を検出する。

上記のパターン寸法計測方法により、ドットパターンの直径寸法Ｒが容易に、かつ正確に計測される。図１３で説明したように、従来技術では、ドットパターンのパターン最端部を検出するには、ＡＦＭ探針の走査ラインの間隔を、非常に細かくする必要があり多大の計測時間を必要としたが、本発明では、ＡＦＭ探針の走査間隔を、探針のＸ方向振幅程度にするだけでよく、ＡＦＭ探針の走査数を少なくすることができ、計測時間の短縮が可能となる。
また、パターン設計値あるいは顕微鏡観察による概算値に基づいて、予めＡＦＭ探針の走査位置と走査間隔を設定しておくのが、計測時間の短縮と計測精度の向上の点から好ましい。

本発明の寸法計測方法において、ＡＦＭ探針の振動方法を図５に示して説明する。図５に示すように、カンチレバー５３全体を探針の走査方向（Ｙ方向）にほぼ垂直方向（Ｘ方向）で、かつ基板表面に平行に探針を振動させることにより、探針を振動させて被対象物の基板、この場合はドットパターン５１を計測する方法であり、探針を制御するピエゾ素子等でカンチレバー５３全体を振動させ探針を振動させることができる。

本発明において、対象とする被計測物となる基板は、必ずしも限定されるものではないが、微細パターンを有する半導体デバイス基板、フォトマスク基板等の半導体リソグラフィ用マスク基板が好適である。基板は、製品である半導体デバイス、フォトマスクそのものだけではなく、それらの製造工程における中間段階の基板をも含むものである。また、寸法計測する対象物としては、金属薄膜等の導電物、ガラス等の絶縁物、電子線レジスト等の有機物が測定可能である。本発明において、計測するパターンとしては、ドットパターンやホールパターン等の非直線パターンが好適である。
次に、ドットパターンとホールパターンの計測例について説明する。

（ドットパターン計測例）
ドットパターン寸法を計測する場合、探針の動きにより２つの方式がある。
〔第一の方式〕
図６は、本発明のパターン寸法計測方法によるドットパターンの計測例を示す。このパターン寸法計測方法では、図３および図４で説明した原理により、Ｙ方向（紙面の上から下）の探針走査と、走査ヘッドのＸ方向振動を組み合わせることにより、ドットパターンのＸ方向の最外周を検出することができる。また、Ｙ方向の最外周の寸法計測をする場合には、Ｘ方向の探針走査と、走査ヘッドのＹ方向振動を組み合わせることにより計測される。

図６で、ｓ６は設定した探針の走査間隔を示す。図６において、走査ライン１は、ドットパターン６１のエッジは検出しない。走査ライン２は、探針がドットパターン６１を検出した際、Ｘ方向ピエゾスキャナーにより探針が−Ｘ方向に移動することを表している。探針が−Ｘ方向に移動し、パターンエッジを検出しなくなると、再度−Ｙ方向への探針走査を行い、ドットパターン６１の左エッジを検出する。走査ライン３は、探針がドットパターン６１を検出した際、探針が＋Ｘ方向に移動することを表し、次いで−Ｙ方向への探針走査を行い、ドットパターン６１の右エッジを検出する。このようにして、ドットパターンの最外周を特定し、最大幅を計測することができる。

〔第二の方式〕
また、図７は、本発明のパターン寸法計測方法における探針の別な動きを示す説明図であり、Ｘ方向振動の振幅を調整することで、パターン外周に沿って探針を走査することを表している。ｓ７は設定した探針の走査間隔を示す。
図７において、走査ライン１は、ドットパターン７１のエッジは検出しない。走査ライン２は、探針がドットパターン７１を検出した際、Ｘ方向ピエゾスキャナーにより探針が−Ｘ方向に移動することを表している。探針が−Ｘ方向に移動し、パターンエッジを検出しなくなると、再度−Ｙ方向への探針走査を行い、ドットパターン７１の左エッジを検出する。次いで探針はＸ方向振動により＋Ｘ方向に移動し、再度−Ｙ方向への探針走査を行い、ドットパターン７１の外周に沿って順次走査される。走査ライン３は、探針がドットパターン７１を検出した際、探針が＋Ｘ方向に移動することを表し、次いで−Ｙ方向への探針走査を行い、ドットパターン７１の右エッジを検出し、走査ライン２同様に外周に沿って走査される。この第二の方式においては、最大幅パターン寸法だけでなく、ドットパターンの最外周輪郭を特定することができる。

さらに、上記の両方式とも、あらかじめ通常のラフな探針走査を実施し、おおまかなパターンエッジ位置を検出しておき、続いて詳細なエッジ検出するために、本方式で追加探針走査する方法も適用できる。

（ホールパターンの計測例）
ホールパターン寸法を計測する場合、探針の動きにより２つの方式がある。
〔第一の方式〕
図８は、本発明のパターン寸法計測方法によるホールパターンの計測例を示す。このパターン寸法計測方法では、図３および図４で説明した原理により、Ｙ方向の探針走査と、走査ヘッドのＸ方向振動を組み合わせることにより、ホールパターンのＸ方向の最外周を検出することができる。Ｙ方向の最外周の寸法計測をする場合は、Ｘ方向の探針走査と、走査ヘッドのＹ方向振動を組み合わせることにより計測される。

図８で、ｓ８は設定した探針の走査間隔を示す。図８において、走査ライン１は、ホールパターン８１のエッジは検出しない。走査ライン２は、探針がホールパターン８１を検出し、さらに少し進行した後、Ｘ方向ピエゾスキャナーにより探針が−Ｘ方向に移動することを表している。探針が−Ｘ方向に移動し、再びパターンエッジを検出すると、再度−Ｙ方向への探針走査を行い、この動作を繰り返してホールパターン８１の左エッジを検出する。次いで探針はＸ方向振動により＋Ｘ方向に移動し、再度−Ｙ方向への探針走査を行い、この動作を繰り返してホールパターン８１の外周に沿って順次走査される。走査ライン３は、探針がホールパターン８１を検出した際、探針が＋Ｘ方向に移動することを表し、次いで−Ｙ方向への探針走査を行い、ホールパターン８１の右エッジを検出する。このようにして、パターンの最外周を特定し、最大幅を計測することができる。

〔第二の方式〕
また、図９は、本発明のパターン寸法計測方法における探針の別な動きを示す説明図であり、Ｘ方向振動の振幅を調整することで、パターン外周に沿って、ホールの内側から探針を走査することを表している。ｓ９は設定した探針の走査間隔を示す。
図９において、走査ライン１は、ホールパターン９１のエッジは検出しない。走査ライン２は、探針がホールパターン９１を検出し、さらに少し進行した後、Ｘ方向ピエゾスキャナーにより探針が−Ｘ方向に移動することを表している。探針が−Ｘ方向に移動し、再びパターンエッジを検出すると、再度−Ｙ方向への探針走査を行い、この動作を繰り返してホールパターン９１の左エッジを検出する。走査ライン３は、探針がホールパターン９１を検出した際、探針が＋Ｘ方向に移動することを表し、次いで−Ｙ方向への探針走査を行い、ホールパターン９１の右エッジを検出する。この第二の方式においては、最大幅パターン寸法だけでなく、ホールパターンの最外周輪郭を特定することができる。

さらに、上記の２つの方式とも、あらかじめ最初に通常のラフな探針走査を実施し、おおまかなパターンエッジ位置を検出しておき、続いて詳細なエッジ検出をするために、本方式で追加探針走査する方法も適用できる。

図１０は、従来のパターン寸法計測方法による探針の走査間隔ｓと、計測対象物の設計半径ｒと探針による計測値との差ｄとを表したものであり、ｄは、図１１に示すように、設計値と測定値の誤差を示すものである。図１０において、計測対象物の直径（２ｒ）が、２６０ｎｍと６５ｎｍとの二通りの場合を例示している。
図１０に示される通り、ｄの値を極力小さくして測定値の精度を高めようとするほど、探針の走査間隔ｓを小さくする必要があり、図１１の関係式からも測定精度を向上するためには走査間隔ｓを小さくすることが示される。
例えば、ｄ＜０．３ｎｍとしようとしたとき、従来の測定方法では、直径２６０ｎｍの測定対象物では、探針の走査間隔を１８ｎｍに、６５ｎｍの測定対象物では、探針の走査間隔を９ｎｍ以下にする必要があることがわかる。走査間隔が小さくなるほど計測時間は長くなる。

これに対し、本発明のパターン寸法計測方法においては、Ｘ、Ｙ方向振動ユニットの振幅によって、探針の走査本数を減らすことが可能となる。例えば、振幅を４０ｎｍに設定したとき、ｄ＜０．３ｎｍとなる探針の走査間隔は、振幅の４０ｎｍを加算し、直径２６０ｎｍおよび６５ｎｍの測定対象物に対して、それぞれ５８ｎｍ、４９ｎｍとなり、上記の従来方法に比べ、大幅に測定時間の短縮が見込まれる。
今後、測定対象物の微細化が進むにつれて、従来のパターン寸法計測方法と本発明のパターン寸法計測方法による計測効率の差はさらに開いていく。
また、本発明のパターン寸法計測方法によれば、従来のパターン寸法計測方法では困難であった微小欠陥のＡＦＭ画像の取得も容易となる。

また、本発明のパターン寸法計測方法によれば、直線パターンにおいて、直線パターンと平行に探針を走査し、かつ、パターン表面に平行で探針走査方向に垂直方向に探針を振動させることで、少ない探針走査本数で、非常に多くのパターンエッジの位置情報を得ることができる。これによって、エッジ粗さ（ＬＥＲ；Ｌｉｎｅ Ｅｄｇｅ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）を、より正確に計測することができるようになる。
さらに、本発明の寸法計測方法によれば、検査時間が短縮され、探針の摩耗が抑えられ、計測検査コストが低減される。
以下、実施例により、本発明をさらに詳しく述べる。

露光波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ用の位相シフトマスクとして、設計値１００ｎｍのコンタクトホールパターンを形成した位相シフトマスクを作製した。マスクパターンは、石英ガラス基板上に、半透過膜として厚さ７０ｎｍのモリブデンシリサイド膜で形成されたものを使用した。

本発明のパターン寸法計測方法を用い、コンタクトホールの寸法計測を行なった。ピエゾ素子を用い、探針の走査方向に垂直で、かつ石英ガラス基板表面に平行にカンチレバー全体を振動させることにより、探針を振動させ、コンタクトホールの寸法を計測した。探針の走査速度は５０００ｎｍ／秒、探針の振動の振幅は５０ｎｍ、探針の走査範囲は、1辺１ミクロンの視野範囲であった。計測の結果、コンタクトホールの寸法として設計値である１００ｎｍが得られた。このコンタクトホールパターンを有する位相シフトマスクの検査時間は、従来の寸法計測方法に比べ、９０％時間短縮された。

本発明のパターン寸法計測装置の構成図である。 本発明のパターン寸法計測方法を説明する説明図である。 本発明のパターン寸法計測方法における探針の動作と信号アウトプットの説明図であり、パターンを検出していない場合を示す。 図３に続いて、探針がパターンを検出したときの、パターン寸法計測方法における探針の動作と信号アウトプットの説明図である。 本発明のパターン寸法計測方法における探針の振動方法を説明する説明図である。 本発明のパターン寸法計測方法におけるドットパターンの計測例を説明する図である。 本発明のパターン寸法計測方法におけるドットパターンの別な計測例を説明する図である。 本発明のパターン寸法計測方法におけるホールパターンの計測例を説明する図である。 本発明のパターン寸法計測方法におけるホールパターンの別な計測例を説明する図である。 従来のパターン寸法計測方法による探針の走査間隔と計測対象物の設計値と測定値との差を示す図である。 探針の走査間隔と計測対象物の設計値と測定値との差を説明する図である。 ＡＦＭ型寸法測定機の一例としての測定原理図と測定用の探針周辺の模式図である。 ＡＦＭ型寸法測定機において、従来のパターン寸法計測方法を説明する上面模式図である。 従来の梁構造の触針を用いた微細表面形状測定装置の触針の部分模式図と、その測定方法の説明図である。

符号の説明

１１、３１ 探針
１２ 基板（被計測物）
１２ａ ステージ
１３、３３、５３ カンチレバー
１４ レーザ光
１４ａ レーザ光源
１５ 探針Ｚ位置検出器
１６ａ Ｚ方向ピエゾスキャナー
１６ｂ Ｘ、Ｙ方向ピエゾスキャナー
１７ａ Ｘ、Ｙ位置検出器
１７ｂ Ｘ、Ｙ走査システム
１７ｃ Ｚ方向制御システム
１８ 制御コンピュータ
１９ Ｘ、Ｙ方向振動ユニット
２１、３２、５１、６１、７１ ドットパターン
２２、５２ 探針の走査ライン
８１、９１ ホールパターン
ｓ６、ｓ７、ｓ８、ｓ９ 探針の走査間隔
１２１ 探針
１２２ 試料（被計測物）
１２３ カンチレバー
１２４ レーザ光
１２５ 光センサー
１２６ ピエゾスキャナー
１２７ａ Ｘ、Ｙ軸走査システム
１２７ｂ Ｚ軸サーボシステム
１２８ コンピュータ
１２９ プリアンプ
１３０ モニター
１３１ ドットパターン
１３２ ＡＦＭ走査ライン
１４１ 触針
１４２ 圧電素子
１４３ Ｗステージ
１４４ スキャンヘッド
１４５ 測定対象

Claims (8)

1. 基板表面に垂直方向に励起振動する探針をカンチレバーに設けた原子間力顕微鏡で前記基板表面のパターンを寸法計測するパターン寸法計測方法において、前記探針の走査方向にほぼ垂直方向で、かつ前記基板表面に平行に前記探針を正弦波状またはジグザグ状に一定の振幅で振動させて前記パターンのエッジを検出し、前記探針が、前記パターンのエッジを検出した後、前記走査方向と直交する方向に一定距離移動し、再び走査し、前記パターンの前記エッジと異なるエッジを検出する動作を繰り返して寸法計測することを特徴とするパターン寸法計測方法。
   
2. 前記カンチレバー全体を、前記探針の走査方向にほぼ垂直方向で、かつ前記基板表面に平行に振動させることにより、前記探針を振動させることを特徴とする請求項１に記載のパターン寸法計測方法。
3. 前記探針の前記基板表面に垂直方向の励起振動が前記探針の共振周波数付近であり、前記探針の走査方向にほぼ垂直方向で、かつ前記基板表面に平行な前記探針の振動が、前記共振周波数よりも低周波であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパターン寸法計測方法。
4. 前記パターンが非直線パターンであり、該非直線パターンの最大幅を寸法計測することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のパターン寸法計測方法。
5. 前記パターンが非直線パターンであり、前記探針が前記非直線パターンの最外周に沿って走査され、前記非直線パターンの最外周輪郭を特定することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のパターン寸法計測方法。
6. 前記パターンが直線パターンであり、該直線パターンのエッジ粗さを寸法計測することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のパターン寸法計測方法。
7. 前記基板が半導体リソグラフィ用マスク基板または半導体デバイス基板であり、前記パターンがドットパターンまたはホールパターンであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のパターン寸法計測方法。
8. 基板表面に垂直のＺ方向に励起振動する探針をカンチレバーに設けた原子間力顕微鏡で前記基板表面のパターンを寸法計測するパターン寸法計測装置において、
   前記カンチレバーに接して前記探針をＸ方向およびＹ方向に正弦波状またはジグザグ状に一定の振幅で振動させる振動手段と、前記探針をＺ方向に励起振動させる振動手段と、前記探針の歪を検出する検出手段と、検出された歪み量が一定となるように前記探針をＺ方向に制御する制御手段と、前記探針と前記パターンとの相対的な位置決めをする移動手段と、を備えたことを特徴とするパターン寸法計測装置。
   

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