JPH05126553A

JPH05126553A - 形状測定プローブおよびその製造方法

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Publication number: JPH05126553A
Application number: JP29174091A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Nonaka; 義史野中; Masato Negishi; 真人根岸
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-11-07
Filing date: 1991-11-07
Publication date: 1993-05-21
Anticipated expiration: 2014-10-06
Also published as: JP2960592B2

Abstract

(57)【要約】【目的】形状測定プローブを高速化と追随性とが同時
に図れるようにする。【構成】形状測定プローブ１０は、同一シリコン基板
１１上に形成された、てこ１２と、触針１３と、変位検
出手段と、測定荷重調節手段と、データ処理転送部２０
とからなる。ここで、変位検出手段は、触針１３の上方
に形成された静電容量型の変位センサ１５と電流電圧変
換回路１６とからなり、形状測定時の触針１３の変位を
直接測定することができるようになっている。また、測
定荷重調節手段は、てこ１２の触針１３と反対側に形成
されたヨーク１７と、ヨーク１７を中心として同心円状
に形成されたコイル１８と、コイル１８を駆動する駆動
回路１９とからなる。コイル１８は、導電性の同心円状
パターンと絶縁層とが、シリコン基板１１上に別途設け
たシリコン基板上に交互に積層されて形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、形状測定プローブおよ
びその製造方法に関し、特に、接触式の表面形状測定用
の形状測定プローブおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、被測定物のサブミクロンオーダの微
細な表面形状を測定する表面形状測定機としては、干渉
計を用いた非接触式表面形状測定機（「機械の研究」，
３７，ｐ．１００５〜１０１２，１９８５年９月）と、
表面粗さ・表面形状測定機，薄膜段差測定機および微小
硬度計などに応用されている鋭利なダイヤモンド触針を
用いた接触式表面形状測定機（「精密機械」，５１，
ｐ．６７４〜６８０，１９８５年４月など）とがある。

【０００３】干渉計を用いた非接触式表面形状測定機
は、測定時間が短い、縦分解能が高いなどの長所を有す
る反面、使用する光源の波長に横分解能が依存するた
め、横分解能を縦分解能と同程度に高くすることができ
ないという短所がある。

【０００４】一方、ダイヤモンド触針を用いた接触式表
面形状測定機は、約半世紀にわたる技術の蓄積があり、
最も理論的に明確で信頼性が高いとされており、（１）高い横分解能を有し、被測定物の断面形状の情報
を直接的に得ることができる。（２）被測定物の表面形状以外の表面状態（たとえば、
反射率および導電性など）に影響されない。（３）走査距離が長い。という長所を有する反面、（１）測定荷重の大きさによっては被測定物の表面にき
ずを発生させる。（２）被測定物の断面形状に対するダイヤモンド触針の
追随性を高めるようとすると、走査速度を上げることが
できない。という短所を有する。

【０００５】以上の点から、半導体などの微細構造の評
価を行う場合には、ダイヤモンド触針の先端半径を小さ
くすることで横分解能を高くすることができる点で、接
触式表面形状測定機の方が非接触式表面形状測定機より
も有利である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ダイヤ
モンド触針を用いた接触式表面形状測定機で半導体など
の微細構造の評価を行う場合には、ダイヤモンド触針の
先端半径を小さくすると接触面積が小さくなるため、接
触部における応力がかなり高い値となり、被測定物の表
面にきずをより発生し易くなるという問題がある。すな
わち、ダイヤモンド触針の先端形状を概ね半径１０μｍ
以下の球とし、被測定物の表面を平面とした場合に、被
測定物の表面にきずが発生しない（塑性変形が生じな
い）押し付け力はμＮオーダーとなる。

【０００７】また、ダイヤモンド触針を用いた接触式表
面形状測定機で超精密加工面や微細構造の評価を行う場
合には、被測定物の表面形状に対するダイヤモンド触針
のより高い追随性が求められるが、ダイヤモンド触針の
追随性を高めるためには、ダイヤモンド触針およびそれ
を支持する機構系の質量を小さくする必要があり、さら
に、要求される測定精度および分解能が高度化するなか
で、測定の高速化とダイヤモンド触針の追随性とを両立
することは難しい。すなわち、従来の接触式表面形状測
定機では、機構系が機械部品から構成されるので、各機
械部品の自重による影響や測定荷重の不十分な調節のた
めに測定時に発生するきずの抑制や触針の追随性を高め
ることが困難である。

【０００８】本発明は、高速化と追随性とが同時に図れ
る形状測定プローブおよびその製造方法を提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の形状測定プロー
ブは、てこと、該てこの先端に、該てこと一体に形成さ
れた触針と、該触針の測定荷重を調節する測定荷重調節
手段とを含み、前記てこと前記触針と前記測定荷重調節
手段とが同一シリコン基板上に形成されている。

【００１０】ここで、前記測定荷重調節手段が、導電性
の同心円状パターンと絶縁層とが交互に積層されたコイ
ルを含んでもよい。

【００１１】本発明の形状測定プローブの製造方法は、
前記測定荷重調節手段が導電性の同心円状パターンと絶
縁層とが交互に積層されたコイルを含んだ本発明の形状
測定プローブを製造する形状測定プローブの製造方法に
おいて、前記コイルを形成する工程が、前記同心円状パ
ターンの接続部を一層ごとにずらしながら、前記同心円
状パターンと前記絶縁層とを交互に積層する積層工程を
含む。

【００１２】

【作用】本発明の形状測定プローブは、半導体リソグラ
フィ技術を利用したマイクロメカトロニクス技術（藤
田，「マイクロメカトロニクスの現状と将来」，ＫＡＳ
ＴＲｅｐｏｒｔ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．４，１９９１）を
用いて、てこと触針と測定荷重調節手段とを同一シリコ
ン基板上に形成することにより、てこ，触針および測定
荷重調節手段の大幅な軽量化を図ることができるため、
測定荷重の範囲を極低荷重域にまで容易に設定すること
ができる。

【００１３】本発明の形状測定プローブの製造方法は、
コイルを形成する工程が同心円状パターンの接続部を一
層ごとにずらしながら同心円状パターンと絶縁層とを交
互に積層する積層工程を含むことにより、てこと触針と
測定荷重調節手段とを同一シリコン基板上に形成するこ
とができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１５】図１（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、本発明の
形状測定プローブの第１の実施例を示す概略構成図であ
る。

【００１６】形状測定プローブ１０は、同一シリコン基
板１１上に形成された、てこ１２と、触針１３と、変位
検出手段と、測定荷重調節手段と、データ処理転送部２
０とからなる。以下、各構成要素について詳しく説明す
る。

【００１７】（１）てこ１２および触針１３てこ１２および触針１３は、図示中央部の２つの弾性ヒ
ンジ部１４₁，１４₂を介してシリコン基板１１と一体的
に形成されている。

【００１８】（２）変位検出手段変位検出手段は、触針１３の上方に形成された静電容量
型の変位センサ１５と電流電圧変換回路１６とからな
り、形状測定時の触針１３の変位を直接測定することが
できるようになっている。ここで、電流電圧変換回路１
６は、変位センサ１５から出力される電流を電圧に変換
して、出力信号（触針１３の変位データ）をデータ処理
転送部２０に供給する。

【００１９】（３）測定荷重調節手段測定荷重調節手段は、てこ１２の触針１３と反対側に形
成されたヨーク１７と、ヨーク１７を中心として同心円
状に形成されたコイル１８と、コイル１８を駆動する駆
動回路１９とからなる。ここで、コイル１８は、導電性
の同心円状パターンと絶縁層とが、シリコン基板１１上
に別途設けたシリコン基板上に交互に積層されて形成さ
れている。なお、触針１３の測定荷重は、駆動回路１９
からコイル１８に電流を流してヨーク１７を同図（Ｂ）
図示上下方向に移動させることにより行うが、駆動回路
１９からコイル１８に流す電流値によって、測定荷重値
を任意に設定することができる。

【００２０】（４）データ処理転送部２０電流電圧変換回路１６から送られてくる触針１３の変位
データと駆動回路１９からコイル１８に流している電流
値（測定荷重値に相当）とから測定データを作成し、作
成した測定データを後続の装置（測定結果の表示装置ま
たは測定結果の処理を行うコンピュータなど）に出力す
る。

【００２１】形状測定プローブ１０は、たとえば、シリ
コン基板１１上に多結晶シリコン，酸化シリコン膜また
は窒化シリコン膜などの薄膜とリン珪素ガラスなどの犠
牲層を順次成長させて上述した各構成要素を構成したの
ち、犠牲層を溶解除去することにより（すなわち、半導
体リソグラフィ技術を利用したマイクロメカトロニクス
技術を用いることにより）、各構成要素をシリコン基板
１１上に構成することができるため、寸法を非常に小さ
くすることができるとともに、てこ１２，各弾性ヒンジ
部１４₁，１４₂およびヨーク１７の大幅な軽量化を図る
ことができる。その結果、形状測定プローブ１０は、以
下に示す利点を有する。

【００２２】（１）測定荷重の範囲を極低荷重域にまで
設定することが容易であるため、微細構造の被測定物の
表面形状測定時において、触針１３の測定点（接触点）
での弾性変形量を抑制することができる。

【００２３】（２）測定荷重調節手段による測定荷重値
の調節により、触針１３の走査時の被測定物の測定面に
おけるきずの発生を抑制できる。

【００２４】（３）触針１３の追随性を確保するには、
被測定物の測定面の形状に忠実に触針１３が動くこと
と、走査時に触針１３が安定して被測定物の測定面と接
触を続けていることが要求されるため、測定荷重値は被
測定物の測定面にきずを発生しない範囲でなるべく大き
いことが望ましい。表面形状プローブ１０では、触針機
構系が軽量化されているとともに測定荷重値を極低荷重
値から設定することができるため、触針１３の走査速度
に応じてきずを発生させない最適な測定荷重値に設定す
ることができる。また、測定点における触針１３の弾性
変形量が変位センサ１５の分解能に影響を与えない大き
さになるよう測定荷重値を調節することもできる。

【００２５】図２（Ａ）〜（Ｊ）はそれぞれ、本発明の
形状測定プローブの製造方法の一実施例を示すコイル１
８を形成する工程を説明するための図である。

【００２６】図１に示したコイル１８を形成する工程
は、同心円状のパターンの接続部を一層ごとにずらしな
がら、前記シリコン基板上に同心円状パターンと絶縁層
とを交互に積層する積層工程を含むものであり、以下に
示すようにして、コイル１８を形成する。

【００２７】図２（Ａ），（Ｆ）にそれぞれ示すよう
に、半導体フォトリソグラフィ技術を用いて、一層目の
導電性の同心円状パターン３１₁ を前記シリコン基板上
に形成する。ここで、同心円状パターン３１₁ は、駆動
回路１９に接続されるリード線３０₁ と第１の空隙部３
２₁とを図示左側に有する。続いて、同図（Ｂ），
（Ｇ）にそれぞれ示すように、一層目の同心円状パター
ン３１₁ と後述する二層目の同心円状パターン３１₂ と
の接続部である第１の接続部３３₁ を、第１の空隙部３
２₁ の同図（Ａ）図示下側の一層目の同心円状パターン
３１₁ 上に同様にして形成する。このとき、同図（Ｇ）
に示すように、第１の接続部３３₁ を除く一層目の同心
円状パターン３１₁ 上には、第１の絶縁部３４₁ を形成
する。

【００２８】続いて、同図（Ｃ），（Ｈ）にそれぞれ示
すように、二層目の導電性の同心円状パターン３１₂ を
一層目の同心円状パターン３１₁ 上に同様にして形成す
る。このとき、同図（Ｃ）に示すように、二層目の同心
円状パターン３１₂ の第２の空隙部３２₂ は、第１の空
隙部３２₁ と重なることがないようにずらして形成され
る。

【００２９】その後、同図（Ｄ），（Ｉ）にそれぞれ示
すように、第２の接続部３３₂ と第２の絶縁部３４₂ と
を、前述した第１の接続部３３₁ と第１の絶縁部３４₁
と同様にして形成する。続いて、同図（Ｅ），（Ｊ）に
それぞれ示すように、三層目の導電性の同心円状パター
ン３１₃ を二層目の同心円状パターン３１₂ 上に同様に
して形成する。このとき、同図（Ｅ）に示すように、三
層目の同心円状パターン３１₃ の第３の空隙部３２₃
は、第１および第２の空隙部３２₁，３２₂と重なること
がないように同じ方向にずらして形成される。また、駆
動回路１９に接続されるリード線３０₂ も同時に形成さ
れる。

【００３０】図１に示したヨーク１７の作成は、以下の
ようにして行われる。

【００３１】ヨーク１７を作成する部分に多結晶シリコ
ン，酸化シリコン膜または窒化シリコン膜などの薄膜を
円柱状に成長させたのち、ヨーク１７を作成する部分以
外にリン珪素ガラスなどの犠牲層を成長させる。続い
て、円柱状の薄膜に強磁性体を蒸着させたのち、犠牲層
を溶解除去する。

【００３２】図３は、本発明の形状測定プローブの第２
の実施例の概略構成を示す斜視図である。

【００３３】形状測定プローブ４０は、てこ４２と、て
こ４２の先端にてこ４２と一体に形成された触針４３
と、触針４３の測定荷重を調節する測定荷重調節手段で
ある圧電素子４５とを含み、半導体リソグラフィ技術を
利用したマイクロメカトロニクス技術を用いて、てこ４
２と触針４３と圧電素子４５とを同一シリコン基板４１
上に形成したものであり、触針４３に作用する垂直荷重
（すなわち、測定荷重）と触針４３および被測定物の測
定点の間に働く摩擦力とが比例することを利用したもの
である。ここで、シリコン基板４１はＬ字状の形状を有
し、本体部４１₁と腕部４１₂ とからなる。てこ４２
は、シリコン基板４１の本体部４１₁ から腕部４１₂ と
互いに対向して形成されている。また、シリコン基板４
１の腕部４１ ₂ のてこ４２側の側面の先端には、変位セ
ンサ４４が取り付けられている。さらに、圧電素子４５
は、シリコン基板４１の本体部４１₁ 上に形成されてい
る。

【００３４】次に、形状測定プローブ４０による被測定
物の表面形状を測定する原理について説明する。

【００３５】触針４３を図示矢印方向で示す走査方向に
走査したときの触針４３に作用する摩擦力とてこ４２の
変位量とは比例関係にある。また、触針４３に作用する
摩擦力は触針４３に働く垂直荷重（すなわち、測定荷
重）に比例する。このため、触針４３と一体に形成され
たてこ４２の変位量を一定に保つことは、触針４３に働
く測定荷重を一定に保つことに等しい。したがって、表
面形状の測定中に変位センサ４４によって検出されるて
こ４２の変位量が一定になるように、圧電素子４５を駆
動して触針４３に働く測定荷重を一定に保つことによ
り、このときの圧電素子４５の移動量（すなわち、圧電
素子４５の印加電圧の大きさ）により被測定物の形状を
測定することができる。

【００３６】以上説明では、シリコン基板上に一つの形
状測定プローブを製造したが、多数個の形状測定プロー
ブを同一シリコン基板上に２次元的に配置して同様にし
て製造してもよい。

【００３７】

【発明の効果】本発明は、上述のとおり構成されている
ので、次に示す効果を奏する。

【００３８】請求項１および請求項２の発明は、半導体
リソグラフィ技術を利用したマイクロメカトロニクス技
術を用いて、てこと触針と測定荷重調節手段とを同一シ
リコン基板上に形成することにより、測定荷重の範囲を
極低荷重域にまで容易に設定することができるため、被
測定物の測定面のきずの発生の抑制が図れるので、高速
化と追随性とが同時に図れる。

【００３９】請求項３の発明は、コイルを形成する工程
が同心円状パターンの接続部を一層ごとにずらしながら
同心円状パターンと絶縁層とを交互に積層する積層工程
を含むことにより、てこと触針と測定荷重調節手段とを
同一シリコン基板上に形成することができるため、高速
化と追随性とが同時に図れる形状測定プローブの製造す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の形状測定プローブの第１の実施例を示
す概略構成図であり、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）
のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図２】本発明の形状測定プローブの製造方法の一実施
例を示す、図１に示したコイルを形成する工程を説明す
るための図であり、（Ａ）〜（Ｅ）はそれぞれ上面図、
（Ｆ）は（Ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、（Ｇ）は
（Ｂ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（Ｈ）は（Ｃ）のＣ−
Ｃ線に沿う断面図、（Ｉ）は（Ｄ）のＤ−Ｄ線に沿う断
面図、（Ｊ）は（Ｅ）のＥ−Ｅ線に沿う断面図である。

【図３】本発明の形状測定プローブの第２の実施例の概
略構成を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０，４０形状測定プローブ１１，４１シリコン基板１２，４２てこ１３，４３触針１４₁，１４₂ 弾性ヒンジ部１５，４４変位センサ１６電流電圧変換回路１７ヨーク１８コイル１９駆動回路２０データ処理転送部３０₁，３０₂ リード線３１₁〜３１₃ 同心円状パターン３２₁，３２₂ 空隙部３３₁，３３₂ 接続部３４₁，３４₂ 絶縁部４１₁ 本体部４１₂ 腕部４５圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】てこと、該てこの先端に、該てこと一体に形成された触針と、該触針の測定荷重を調節する測定荷重調節手段とを含
み、前記てこと前記触針と前記測定荷重調節手段とが同一シ
リコン基板上に形成されている形状測定プローブ。
【請求項２】前記測定荷重調節手段が、導電性の同心
円状パターンと絶縁層とが交互に積層されたコイルを含
む請求項１記載の形状測定プローブ。
【請求項３】請求項２記載の形状測定プローブを製造
する形状測定プローブの製造方法において、前記コイルを形成する工程が、前記同心円状パターンの接続部を一層ごとにずらしなが
ら、前記同心円状パターンと前記絶縁層とを交互に積層
する積層工程を含む形状測定プローブの製造方法。