JPH039207A - カンチレバー微小変位センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、ＰＶＤ法やＣＶＤ法などで形成される薄膜
の厚さ測定に使用するカンチレバー微小変位センサーに
関する。

（従来の技術） 従来、膜厚を測定する方法としては、薄膜の質量を測定
して膜厚を決める多重反射干渉法や水晶振動子法などが
ある。

多重反射干渉法について説明する。膜厚が知りたい基板
、即ち試料の近傍に膜厚測定用の基板を置いて薄膜を形
成すると、膜厚測定用の基板上にも試料と同じ厚さの薄
膜が形成される。薄膜を形成する際に、膜厚７ＴＩｌ］
定用の基板の半分をマスクしておいて、膜厚測定用の基
板上に薄膜形成領域と非形成領域とを隣接させて形成す
る。薄膜形成領域と非形成領域とが形成された膜厚測定
用の基板の全面に一様に高反射率の金属膜を形成する。

この金属膜が形成された膜厚測定用の基板の上に半透膜
を角θだけ傾けて配置し、基板面に対してほぼ垂直に波
長λの単色光を照射すると、段差のある所で距離すだけ
ずれた直線の干渉編が間隔ａたけおいて平行にできる。

膜厚ｄ即ち段差の高さは、次式から求まる。

ｄ−（λ／２）　　　（ｂ／ａ） 次に水晶振動子による膜厚測定について説明する。電極
を備える水晶振動子板上に薄膜を形成すると、水晶振動
子板の固有振動数は薄膜の膜厚に比例して減少する。水
晶振動子法はこの性質を利用したもので、試料に薄膜を
形成する際に試料付近に配置した水晶振動子板の固有振
動数を測定することによって、水晶振動子上の膜厚は試
料上の膜厚と等しいとして、薄膜の膜厚が求まる。

（発明が解決しようとする課題） 多重反射干渉法では、膜厚測定用の基板上に薄膜が形成
された後に於て測定が初めて可能となり、薄膜形成中に
膜厚をリアルタイムで測定することはできない。しかも
、薄膜が形成された膜厚測定用の基板の上に高反射率の
金属薄膜をさらに形成する必要があり、膜厚の測定に非
常に手間がかかる。また、２０〜３０人程度の膜厚まで
は精度よく測定できるが、それ以下の膜厚になると測定
誤差が非常に大きくなり、実質的には測定できない。

一方、水晶振動子法では、薄膜を形成する最中（例えば
蒸着中）に水晶振動子板の温度は必然的に上昇する。水
晶振動子板の電気振動の周波数は温度によって変化しや
すいため、蒸着中の温度上昇にともなって水晶振動子板
の周波数にずれが生じる。すなわち、水晶振動子法では
温度変化が誤差原因になり、測定精度が悪い。

この発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、
薄膜形成時の膜厚をリアルタイムで測定でき、しかも非
常に薄い薄膜の厚さも精度よく測定できる薄膜測定装置
に用いるカンチレバー微小変位センサーを提供すること
を目的とする。

（課題を解決するための手段） この発明のカンチレバー微小変位センサーは、一端が固
定された微小形状の薄膜で形成され、自由端部に検出領
域を有するカンチレバーと、検出領域に作用する物質に
よって発生されるカンチレバーの変位を検出する微小変
位検出手段と、微小変位検出手段で検出されたカンチレ
バーの変位に基づいて、物質のカンチレバーへの作用量
を算出する演算手段とを備える。

このようなカンチレバーは、例えば半導体回路装置に使
用されるシリコン基板に蒸着、異方性エツチング、等方
性エツチング等のマイクロッアプリケーションを適用し
て得られる厚さ数μｍのＳｉの薄膜で形成される。

カンチレバーの変位を検出する微小変位検出手段は、例
えば、カンチレバーの自由端部から延出する探針と、こ
の探針に直交する基準面と、探針と基準面との間にバイ
アス電圧を印加する電源と、探針と基準面との間に流れ
るトンネル電流を検出する検出器とを備え、カンチレバ
ーの変位は探針と基準面との間にトンネル電流の大きさ
から求められる。

また、他の微小変位検出手段は、カンチレバーの自由端
部に設けられた探針、この探針に直交する基準面、及び
、探針と基準面との間に作用する原子間力を検出する手
段とを有し、カンチレバーの変位は検出手段で検出され
る原子間力がら求められる。

さらに別の微小変位検出手段は、カンチレバーの自由端
部の上面に設けられた反射面と、この反射面に可干渉性
の光を照射し検出する光学系を有する干渉計とを備え、
反射面に照射される光学系の光路長の変化からカンチレ
バーの変位を検出する。

また、さらに別の微小変位検出手段は、カンナレバーを
所定の振動数（固有振動数）で振動させる励振手段と、
カンチレバーの固有振動数からのずれを検出する手段と
を備え、カンチレバーの実効質量の変化による固有振動
数からのずれから自由端部に形成された膜の質量が求め
られる。

（作　用） この発明のカンチレバー微小変位センサーを用いた膜厚
測定装置は、カンチレバーの上面が被加工面（試料の表
面）と同じ高さになるようにして試料の近傍に配置され
る。薄膜が形成される間、カンチレバーの自由端部の上
面には、試料表面に形成される薄膜と同じ厚さの薄膜が
形成される。

カンチレバーは、その自由端部の上面に薄膜が形成され
ると、その重量によって下方に変位する。

この変位は、上述したように、探針と基準面との間に流
れるトンネル電流、探針の先端と基準面との間に作用す
る原子間力、あるいは、カンチレバーの自由端部に光が
照射される光学系の光路長の変化を検出することによっ
て求められる。または、カンチレバーの実効質量の変化
、すなわちカンチレバーの自由端部に形成された膜の質
量が、カンチレバーの振動数（詳細には固有振動数から
ずれた量）から求められる。

上述の変位検出方法（または薄膜の質量の検出方法）は
、非常に高い感度を有するので、非常に薄い膜の厚さを
も正確に測定することができる。

この発明を実施する際、測定精度を向上させるために、
カンチレバーの上面の所定領域にのみ薄膜が形成される
ように、カンチレバーの上方に選択的に薄膜を形成する
ための開口部を有するマスクを設けることで十分である
。

（実施例） この発明の実施例について、第１図及び第２図を参照に
しながら説明する。図に示すように、膜厚測定装置の基
体１０と、カンチレバーを保持する保持部材を兼ねるハ
ウジング１２と、ハウジング１２の内壁から延出したカ
ンチレバー１４と、カンチレバー１４の上面の所定領域
に薄膜を形成するためのマスクとして機能する開口部２
０を有する上面部１６とが一体的に形成されている。す
なわち、この実施例の膜厚測定装置は中空の箱体をなし
、さらに箱体内部で一側面から延出したカンチレバー１
４を有し、カンチレバー１４の先端部の上部に位置する
箱体上面の領域に開口部２０が設けられている。カンチ
レバー１４の先端部の下面には探針１８が設けられ、こ
の探針１８は基体１０から１０人離されて保持されてい
る。これらの基体１０と探針１８は図示しない電源に接
続されていて、基体１０と探針１８との間には１■のバ
イアス電圧が印加されている。この結果、基体１０と探
針１８との間に１ｎＡのトンネル電流が流れる。さらに
電源線の途中には、電流検出器が設けられていて、基体
１０と探針１８との間に流れるトンネル電流の変化が検
出される。

次に膜厚の測定動作について説明する。この膜厚測定装
置は、薄膜形成時にカンチレバー１４の上面が試料の加
工面と同じ高さになるようにして試料の近傍に配置され
る。このため、薄膜形成時には開口部を通過した薄膜形
成材料がカンチレバー１４の先端部の上面に堆積される
。カンチレバー１４の先端部の所定領域に形成されたこ
の薄膜の膜厚は、試料の加工面に形成される薄膜の膜厚
に等しい。開口部を通過した薄膜形成材料が堆積して、
カンチレバー１４の先端部上面に薄膜か形成されると、
堆積した薄膜の重量によってカンチレバー１４が下方に
たわみ、探針１８と基体１０との間隔が狭くなる。この
結果、探針１８と基体１０との間を流れるトンネル電流
の値は大きくなる。このトンネル電流の変化を電流検出
部で読みとることによって、その時点におけるカンチレ
バー１４上に形成された薄膜の膜厚、すなわち試料の加
工面上に形成された薄膜の膜厚が測定される。

さらに詳しく数量的に説明する。カンチレバー１４のた
わみｆｆ１ｗは、カンチレバー１４のヤング率Ｅ１断面
２次モーメント■、カンチレバー１４の先端部にかかる
荷重ｐ１カンチレバー１４の長さｌから、 Ｗ＝１）１３／３Ｅ　Ｉ で決まる。カンチレバー１４の幅をｂ１厚さをｈとする
と、 １−ｂｈ３　／１２ であるから、カンチレバー１４のたわみ量Ｗは、ｗ−（
４／Ｅ）　　　（１／ｈ）３　　（ｐ／ｂ）となる。こ
の実施例のカンチレバー１４は、厚さｈ−１μｍ、幅ｂ
　−０，１ｍｍ　ｓ長さ１　＝　０．５＋ｎｍのＡＩの
カンチレバー１４である。このカンチレバー１４上に幅
ｂ　−０，１ｍｍ　、長さａ　−０，１ｍｍの開口部を
通過したクロムが１０人蒸着されたとき、クロムの密度
を７．２０　［ｇ／ｃＪ、重力加速度を９．８［ｍ／ｓ
ｅｅ　２コとすると、ＡＩのヤング率は７．０３Ｘ　１
０１０［Ｎ／ｍコであるから、カンチレバー１４は、ｗ
−０，５人た′け下方にたわむ。この結果、基体１０と
探針１８との間に流れるトンネル電流の値は３ｎＡに変
化する。

基体１０と探針１８との間に流れるトンネル電流の値は
、基体１０の表面と探針１８との距離に対応して変化す
るから、逆にトンネル電流の値を検出することによりカ
ンチレバー１４上に蒸着されたクロムの荷重が求まる。

当然、クロムは開口部の大きさで均一に蒸着されると考
えられるから、クロムの荷重から膜厚が求まる。

第３図は、５ｔ（Ｌ、０，０）基板２２に薄膜カンチレ
バ一部３２及び圧電バイモルフ部３４を形成する半導体
プロセスを説明する図である。Ｓｉ基板２２の上下面に
は例えば０．２５μｍ厚の５層０２層２４が形成され、
その上面に更に例えば０．５μｍ厚のＡＩ層２６及び０
．２５μｍ厚の８１０２層２４が積層される。この５層
０２層２４の所定の領域には、Ｚｎ０層２８．５１０２
層２４、ＡＩ層２６及びＳｉＯ□層２４が順に２回づつ
積層され、圧電バイモルフ部３４が形成される。一方、
基板は、所定の厚さになるまで異方性エツチングによっ
て、所定の領域の５層０２層２４及びＳｉ基板２２が下
面からエツチングされた後に図中の線Ｂで切断され、厚
さ数μｍ１長さ１０００〜１５００μｍの薄膜カンチレ
バ一部３２が形成される。

この発明によるカンチレバー微小変位センサーを用いた
他の膜厚測定装置の実施例が第４図に示される。カンチ
レバー１４は、カンチレバー１４の固有振動数ω０にほ
ぼ等しい周波数を出力する励振回路４１に接続されたバ
イモルフ圧電体４０を固定端の近傍に備えている。また
、カンチレバー１４から所定の間隔をおいて平行に支持
される電極で形成された容量センサー４２は、ヘテロダ
イン周波数検知回路４３に接続されている。また、ヘテ
ロダイン周波数検知回路４３は、励振回路４１（または
ローカル発振器）からの出力波の振動数ω０が入力され
る。

カンチレバー１４には、例えば、周知のＡＦＭに使用さ
れる１０−１２　Ｎの力にも応答する安定した軽量な薄
膜が使用される。カンチレバー１４の実効質量をｍＯ１
弾性係数をｋとすると、初期状態に於けるカンチレバー
１４の固有振動数ω０は、ω０−（１／２π）Ｖｒ７百
丁である。カンチレバー１４の自由端部に蒸着物が堆積
して、実効質量がｍＯからｍＯ＋Δｍに変化すると、Δ
ω−ω−ω０←１／２　・６ｍ　／　ｍ　Ｑ　・ω０だ
け固有振動数が増加する。カンチレバー１４には、固有
振動数５００〜１０．０００Ｈｚを有するものが使用さ
れる。この固有振動数からのずれを検出することによっ
て、カンチレバー１４に形成された薄膜の質量を測定で
き、これによって薄膜の厚さを求めることができる。

カンチレバーの変位の検出は、探針を用いて行うことも
できる。すなわち、探針とカンチレバーとの間に所定の
バイアス電圧を印加するとともに、堆積によってカンチ
レバーが変位する間、両者間に流れるトンネル電流の値
が一定になるように、カンチレバーの一端を支持する圧
電体をフィードバック制御し、フィードバック量を積分
した値から測定することもできる。

または、原子プローブ顕微鏡の一種である磁気力顕微鏡
ＭＦＭの原理に基づいて、Ｎｉコートの施された探針と
、探針と対向する面（上面）に磁性物質がコーティング
されたカンチレバーとを使用し、カンチレバーの変位を
探針とカンチレバーとの間に作用する磁気力変化として
検出することもできる。

第５図は、光を用いてカンチレバーの変位を検出する別
の実施例を示す。カンチレバー１４は、分子線の照射さ
れる領域（即ち薄膜形成領域）および反射膜４６を自由
端部に有し、他端は基板１０に設けられた圧電体１１に
よって固定され、基板に対して水平に支持される。干渉
縞の明暗からカンチレバーの変位を検出するための干渉
計に連結された光ファイバー４４の一端が反射膜４６の
上方に配置され、変位を検出する光学系の検出光が反射
膜４６に垂直に照射される。開口部２０を通過した蒸着
物がカンチレバー１４の自由端部に堆積すると、カンチ
レバー１４はわん曲しその自由端部は下方に変位する。

検出光の光路長は、カンチレバー１４の先端部が変位し
た距離だけ増加し、この増加分は干渉計によって測定さ
れる。

結果的にカンチレバーの変位が測定される。

この発明のカンチレバー微小変位センサーを用いた膜厚
測定装置によれば、薄膜形成中にトンネル電流を検出す
ることによって、現在形成中の薄膜の膜厚がリアルタイ
ムで測定できる。しかも、カンチレバー検出器は、原子
プローブ顕微鏡で用いられる安定で高感度の素子を用い
て、検出して膜厚をａ］定するので測定精度が非常に高
く、原子または分子オーダーの非常に薄い薄膜の成膜制
御にも適用することが可能になる。さらに、この膜厚測
定装置は非常に小さく構成されるので、試料の周りに多
数配置でき、これによって広範囲の膜厚の分布がわかる
ようになる。

（発明の効果） この発明によれば、薄膜形成中における薄膜の膜厚がリ
アルタイムで測定できる膜厚測定装置が提供される。し
かも、測定精度が非常に高い。これにより、従来では不
可能であった原子１分子オーダーの非常に薄い膜の成膜
コントロールが可能になる。さらに、装置自体が非常に
小さく構成されるので、試料近傍に多数配置でき、広範
囲にわたる膜厚の分布が測定できるようになる。従って
、半導体プロセス等において重要な成膜技術の進歩に大
いに貢献する。

この発明のカンチレバー微小変位センサーは、従来例で
述べた水晶振動子を用いた計測方法と同じ原理に基づく
が、水晶振動子板が熱の影響を受けやすいのに対し、カ
ンチレバーを構成するシリコンなどは温度変化による影
響がないため安定した。’３１１１定結果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の膜厚測定装置の斜視図、第２図は、
第１図に示される膜厚測定装置のＡ−Ａ断面図、 第３図は、Ｓｉ基板に薄膜カンチレバ一部及び圧電バイ
モルフ部を形成する半導体プロセスを説明する図、 第４図は、この発明のカンチレバー微小変位センサーを
用いた他の膜厚測定装置を示す図、第５図は、光を用い
てカンチレバーの変位を検出する別の実施例を示す図で
ある。 （符号の説明） １０・・・基体、１２・・・ハウジング、１４・・・カ
ンチレバー　１６・・・上面部、１８・・・探針、２０
・・・開口部、４０・・・バイモルフ圧電体、４１・・
・励振回路、４３・・・周波数検知回路、４４・・・光
ファイバー４５・・・干渉計、４６・・・反射膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）一端が固定された微小形状の薄膜よりなるカンチ
   レバーと、 上記カンチレバーの他の自由端面上に設けられた検出領
   域と、 上記カンチレバーの検出領域に作用する物質によるカン
   チレバーの変位を検出する微小変位検出手段と、 上記微小変位検出手段により検出したカンチレバーの微
   小変位から上記物質のカンチレバーへの作用量を算出す
   る演算手段とを備え、 上記検出領域に形成される薄膜の厚さなどを測定するカ
   ンチレバー微小変位センサー。 （２）上記微小変位検出手段は、カンチレバーの変位を
   、上記カンチレバーの自由端面に立設した導電性探針と
   この探針と対向して設けた導電性基準面との間にバイア
   ス電圧を印加した時に流れるトンネル電流の変化から検
   出することを特徴とする請求項１記載のカンチレバー微
   小変位センサー。 （３）上記微小変位検出手段は、カンチレバーの変位を
   、上記カンチレバーの自由端面に立設した探針とこの探
   針と対向して設けた基準面とを接近させた時に生じる原
   子間力の変化から検出することを特徴とする請求項１記
   載のカンチレバー微小変位センサー。 （４）上記微小変位検出手段は、カンチレバーの変位を
   、上記カンチレバーの自由端面に立設した磁性探針とこ
   の探針と対向して設けた磁性基準面とを接近させた時に
   生じる磁気力の変化から検出することを特徴とする請求
   項１記載のカンチレバー微小変位センサー。（５）上記
   微小変位検出手段は、カンチレバーをカンチレバー自身
   の固有振動数で励振する励振振動源と、上記カンチレバ
   ーに作用する物質により生じるカンチレバーの固有振動
   数の変移量を検出する変移周波数検知手段を有しており
   、カンチレバーの変移を、この固有振動数の変移量から
   検出することを特徴とする請求項１記載のカンチレバー
   微小変位センサー。 （６）上記微小変位検出手段は、上記カンチレバー上に
   設けた反射面と、上記反射面に光源からの光を合焦する
   照射光学系と、上記照射光の上記反射面からの反射光の
   光路長の変化から上記照射光の焦点位置と反射面との位
   置ずれを検出する合焦ずれ検出手段とを有しており、カ
   ンチレバーの変位を、この焦点位置のずれから検出する
   ことを特徴とする請求項１記載のカンチレバー微小変位
   センサー。 （７）上記微小変位検出手段は、カンチレバーの変位を
   、上記カンチレバーの固定端部に介在して設けた圧電体
   の逆起電力から検出することを特徴とする請求項１記載
   のカンチレバー微小変位センサー。 （８）一端が圧電駆動体を介して固定された微小形状の
   薄膜よりなるカンチレバーと、 上記カンチレバーの他の自由端面上に設けられた検出領
   域と、 上記カンチレバーの検出領域に作用する物質によるカン
   チレバーの変位を補償する方向に上記圧電駆動体により
   カンチレバーを駆動するサーボ制御手段と、 上記サーボ制御手段のサーボ量を検出するサーボ量検出
   手段と、 上記検出されたサーボ量から上記物質のカンチレバーへ
   の作用量を算出する演算手段とを備え、上記検出領域に
   形成される薄膜の厚さなどを測定するカンチレバー微小
   変位センサー。 （９）上記サーボ制御手段は、上記カンチレバーの自由
   端面に立設した導電性探針とこの探針と対向して設けた
   導電性基準面との間にバイアス電圧を印加した時に流れ
   るトンネル電流を検出し、これを一定に保つサーボ制御
   を行うことを特徴とする請求項８記載のカンチレバー微
   小変位センサー。 （１０）上記サーボ制御手段は、上記カンチレバーの自
   由端面に立設した探針とこの探針と対向して設けた基準
   面とを近接させた時に生じる原子間力を検出し、これを
   一定に保つサーボ制御を行うことを特徴とする請求項８
   記載のカンチレバー微小変位センサー。 （１１）上記サーボ制御手段は、上記カンチレバーの自
   由端面に立設した磁性探針とこの探針と対向して設けた
   磁性基準面とを接近させた時に生じる磁気力を検出し、
   これを一定に保つサーボ制御を行うことを特徴とする請
   求項８記載のカンチレバー微小変位センサー。 （１２）上記サーボ制御手段は、上記カンチレバー上に
   設けた反射面と、上記反射面に光源からの光を合焦する
   照射光学系と、上記照射光の上記反射面からの反射光の
   光路長の変化から上記照射光の焦点位置と反射面との位
   置ずれを検出する焦点ずれ検出手段とを有しており、こ
   の焦点位置のずれをなくす、あるいは一定に保つサーボ
   制御を行うことを特徴とする請求項８記載のカンチレバ
   ー微小変位センサー。 （１３）上記サーボ制御手段は、カンチレバーをカンチ
   レバー自身の固有振動数で励振する励振振動源と、上記
   カンチレバーに作用する物質により生じるカンチレバー
   の固有振動数の変移量を検出する変移周波数検知手段と
   を有しており、この固有振動数の変移を検出し、これを
   なくすサーボ制御を行うことを特徴とする請求項８記載
   のカンチレバー微小変位センサー。 （１４）上記検出領域は、前記カンチレバーを覆うごと
   く設けられたハウジングのカンチレバー先端部と対応す
   る壁部に設けられた開口によって規定されることを特徴
   とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のカンチレ
   バー微小変位センサー。