JPH05231863A - 限界寸法測定装置及び方法 - Google Patents

限界寸法測定装置及び方法

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JPH05231863A
JPH05231863A JP4216049A JP21604992A JPH05231863A JP H05231863 A JPH05231863 A JP H05231863A JP 4216049 A JP4216049 A JP 4216049A JP 21604992 A JP21604992 A JP 21604992A JP H05231863 A JPH05231863 A JP H05231863A
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ヨアヒム・ゲルハルト・クラーベス
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フィリップ・チャールズ・ダンビー・ホブス
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ラスロ・ランドステイン
Martin P O'boyle
マーティン・パトリック・オーボイル
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ヘーマンタ・クマル・ヴィクラマシンヘ
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サンドラ・ケイ・ウォルターマン
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 サンプルにおけるトレンチの深さ及び幅を測
定する、走査型力マイクロプローブと光学顕微鏡測定シ
ステムの組合せを提供する。 【構成】 サンプル１２がプローブ１４に対して相対的
に移動しているとき、プローブは固定したままになる。
このシステムは、プローブのサンプルに対する近接度、
及びプローブのトレンチの側壁に対する近接度を検出
し、プローブとサンプルの垂直及び水平関係を示す出力
信号を提供する。このシステムは、サンプルの相対位置
を、出力信号の関数として垂直に及び水平に調整する。
このシステムではトレンチの深さ及び幅を検出するため
に各種のプローブを使用することができる。プローブ
は、トレンチの底面を感知するために下に延びる少なく
とも１つの突起をもつ。プローブのティップは、トレン
チの側壁を検出するためにプローブから反射方向に（ト
レンチの幅を横切って）延びる側面突起をもつことがで
きる。これらの突起にかかる力を測定して、トレンチの
側壁の深さ及び位置を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には測定装置に
関し、より具体的には走査型力顕微鏡と光学式測定装置
の新しい組合せを使用する、線幅、トレンチ及びオーバ
ーレイの測定に関する。ティップを有する片持ち梁が、
光電子フィードバック・システムを使用して測定領域ま
で下げられる。片持ち梁は、その自然振動数またはその
付近の振動数で振動される。サンプルまたはプローブが
移動され、位置の変化がレーザ干渉測定フィードバック
・システムまたは光学式フィードバック・システムを使
用して測定される。次いでサンプルの限界寸法を正確に
得るために、フィードバック信号がシステム制御装置に
供給される。
【０００２】
【従来の技術】走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）技術は、
表面をマップするためにプローブ式アプローチを使用す
る測定において新しいコンセプトを導入した。原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）技術は、この技術の変形である。ＡＦ
Ｍ及びＳＴＭにおける困難は、トレンチを２次元で測定
することである。どちらも２次元のティップの動きを検
出するために精巧な多数台接続した干渉計を必要とす
る。
【０００３】最初の原子間力マイクロプローブでは、サ
ブミクロン級の半径を有する極小プローブ・ティップ
が、サンプルの表面領域を解析するために、ナノメート
ル・レベルの変位で緩く波打つ表面を横切って浮動して
いた。このティップは、表面に垂直に振動し、表面から
の距離に応じて、表面とティップの間のファンデルワー
ルス力によって片持ち梁ティップの共鳴の変化が起こっ
た。この共鳴の変化が、レーザ・ヘテロダイン干渉計で
感知された。ティップは、フィードバック・ループを介
して固定した高さに維持でき、または共鳴の変化が高さ
信号に変換できた。この共鳴の変化の感度のために、ナ
ノメートル・レベルの精密な高さ測定が可能であった。
ティップとサンプルの間隔は、数十ナノメートルの範囲
であった。この動作モードでは、サンプルが圧電走査ス
テージを使って走査されるとき、ティップとサンプルの
間隔が一定に維持された。この操作モードの大きな欠点
は、ティップの幾何形状のために水平Ｘ方向の測定の解
像度及び精度が制限されることであった。
【０００４】G.ビンニヒ（Binnig）、C.F.クェイト（Qu
ate）及びC.ガーバー（Gerber）の論文 "Atomic Force
Microscope", Physics Review Letters, Vol.56,pp.930
〜933（1986）は、原子スケールで絶縁体の表面を調査
できる原子間力顕微鏡を記述している。それは、走査ト
ンネル顕微鏡の原理とスタイラス・プロフィロメータの
原理を組み合わせたものである。このシステムでは、テ
ィップとサンプルの間の力は、反発し、交流振動技法を
ティップに適用する場合に達成可能な力より４桁大きか
った。
【０００５】その後、Y.マーティン（Martin）、C.C.ウ
ィリアムズ（Williams）及びH.K.ウィクラマシンヘ（Wi
ckramasinghe）の論文 "Atomic Force Microscope-Forc
e Mapping and Profiling on a Sub-100 Angstrom Scal
e",Journal of Applied Physics,Vol.61(10),pp.4723〜
4729（15 May 1987）は、圧電変換器上に装着されたワ
イヤの端にあるタングステン・ティップを使用する、修
正された原子間力顕微鏡を記述している。この変換器
は、片持ち梁として機能するワイヤの共鳴振動数でティ
ップを振動させる。レーザ・ヘテロダイン干渉計で、交
流振動の振幅を精密に測定した。ティップとサンプルの
間の長距離力は、ファンデルワールス型の引力である。
ティップがサンプルにきわめて接近すると、この引力は
大きくなって、ティップがサンプルにくっつき、サンプ
ルの表面からティップを引き離すのに必要な力を測定す
ることができる。偏光されたレーザ・ビームは、ティッ
プを担持するワイヤで反射されるので、片持ち梁が数百
オングストロームの振幅をもつ振動に励起されても、片
持ち梁の振動を監視することができる。
【０００６】米国特許第４７２４３１８号は、原子の解
像度で表面を結像するための原子間力顕微鏡及び方法を
開示している。尖った先端の頂点にある原子とサンプル
表面にある原子の間に生じる力によってバネ状の片持ち
梁がたわむように、尖った先端を、調査されるサンプル
の表面に接近させる。片持ち梁は、トンネル顕微鏡の一
方の電極を形成し、他方の電極は尖ったティップであ
る。片持ち梁のたわみが、トンネル電流の変動を引き起
こし、その変動を使って補正信号を発生させる。また、
サンプルを静止点に対してＸ、Ｙ及びＺ方向に変位させ
る、ＸＹＺドライブも開示されている。
【０００７】米国特許第４７４７６９８号は、走査型熱
プロファイラを開示している。関与する材料に関係なく
表面構造を調査するための装置が提供される。圧電駆動
手段が、走査ティップを、表面構造を横切って、また表
面構造に平行に移動させる。フィードバック制御によ
り、走査ティップの適切な横方向の位置決め、及びそれ
によって電圧が調査される表面構造のレプリカを発生さ
せることが保証される。また、３つの圧電駆動手段をも
つものなど、サンプルと走査用ティップが適切に３次元
で相対的に移動できることも開示されている。圧電駆動
手段は、水平方向Ｘ及びＹで動作し、またＺ方向でのサ
ンプルと走査ティップの相対位置を調節することもでき
る。別法として、プローブを固定し、サンプルを走査テ
ィップに対して相対的に移動させることもできる。
【０００８】米国特許第４８０６７５５号は、超小型機
械式原子間力センサ・ヘッドを開示している。超小型機
械式センサ・ヘッドは、１０-13Ｎまでの小さな力を測
定できるように設計されており、片持ち梁及び梁部材が
そこから平行に伸びる共通のベースを含む。片持ち梁
は、硬質材料製の尖ったティップを担持する。ティップ
・ヘッドがティップに通電しなければならない走査トン
ネル顕微鏡とは対照的に、この場合、ティップは、導体
または非導体のどんな固体材料製でもよい。ティップと
表面の間の距離は、通常、ナノメートルの１／１０、す
なわち１オングストローム程度である。
【０００９】米国特許第４８８３９５９号は、ファンデ
ルワールス力を検出できるプローブ・ティップを記述し
ている。プローブ・ティップは、マイクロバランス装置
の一部分であるバランス・バー上に置かれる。磁気要素
が磁界を制御して、マイクロバランス装置の平衡を制御
する。プローブにかかる原子間力が、マイクロバランス
を、プローブ・ティップとサンプル表面の間の負の力に
よって変位させる。上記特許では、負の力を使用し、マ
ーティンらのシステムでは正の力が使用されることに留
意されたい。
【００１０】"Microprobe-Based CD Measurement Too
l",IBM Technical Disclosure Bulletin,Vol.32,No.7,
p.168（Dec.1989）は、「表面センサとして原子間力マ
イクロプローブ（ＡＦＭ）を使用し、トレンチの深さ及
び幅を測定するために特に設計された測定装置」を記述
している。このシステムは、振動するプローブ・ティッ
プが表面に接近したとき、その振動するプローブ・ティ
ップの共鳴の変化を検出する、２次元レーザ・ヘテロダ
イン・システムに加えて、２軸レーザ干渉計などの２次
元長さ測定システムを組み込んでいる。プローブ・ティ
ップは、どの表面に接近するかに応じて、水平または垂
直方向に振動する。プローブ・ティップの平均位置は静
止状態に保持され、測定されるウェーハまたは他の部品
がその表面に平行または垂直に移動され、変位が測定さ
れる。この論文は、トレンチの下端及び左右の縁部を検
出するための明確なセンサ・ポイントを有する３点プロ
ーブ・ティップの使用を記述している。プローブ・ティ
ップは、ロボット運動を使用してトレンチ内に下げられ
る。次に、プローブ・ティップが、トレンチの下端より
上の特定の高さの所で左から右に移動される。それによ
って、トレンチの幅が、高さの関数として測定され、エ
ッジの勾配を決定することができる。ティップの寸法が
既知のとき、トレンチ寸法の正確な測定が可能である。
さらに、このシステムは、ティップ位置の正確な制御を
提供するので、偶然のティップ損傷を防止することがで
きる。
【００１１】上記の諸技法ならびに関連するすべての方
法は、表面形状が浅い限り、分子表面をマップできる解
像力をもつ。トレンチ及び複雑な表面形状の場合は、測
定されるトレンチまたは線幅の傾斜部でのティップのた
たみ込み効果のために、これらのアプローチには限界が
ある。
【００１２】放物線形タングステン・ティップなど現在
のティップは、ティップ半径が約０．１μｍであるが、
０．０１μｍ以下のティップが、電子ビーム付着技法を
使用して他の材料中に製造されている。深いトレンチ及
び狭いトレンチの測定が可能な、関連の米国特許出願第
０７／５６８４５１号及び第０７／６１９３７８号を参
照されたい。
【００１３】さらに、現在のＳＦＭ技術は、単軸プロー
ブ探査に限定されており、２軸プローブ探査は、位置情
報用に外部レーザ干渉測定感知手段の使用を必要とす
る。一方、本発明は、光学式測定技法の結果得られる光
学的プロフィルからまず線幅またはトレンチ表面が得ら
れ、ＳＦＭを使って表面をより高いナノメートル・オー
ダまで迅速にプロフィル処理できる３次元マッピング技
法を提供する。
【００１４】本発明の走査型力顕微鏡（ＳＦＭ）は、
０．３５マイクロメートル以下のサブハーフマイクロメ
ートルの微細形状寸法のＣＤ（限界寸法）線幅及びオー
バーレイの測定に使用することができる。ティップの幾
何形状は、以前の機器における唯一の問題ではない。測
定法の点から見ると、（任意の高さでの）独立した水平
方向（Ｘ）及び高さ（Ｚ）次元の測定が必要である。Ｘ
方向での共鳴の変化に対して振動及び干渉測定感知シス
テムを追加しても、以前に説明した操作モードには第２
の問題がある。すなわち、険しいエッジ勾配をもつ線ま
たはトラックを横切って走査するとき、ティップがＸ方
向の力の範囲に入ったり出たりする。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、限界
寸法の線幅及びオーバーレイ測定に必要な、正確かつ独
立なＸ、Ｙ及びＺ方向の距離測定を実施するための測定
機器を提供することである。
【００１６】本発明の別の目的は、光学顕微鏡技法及び
非接触式ＡＦＭの両方による線幅の同時直接（in sit
u）測定である。これによって、ＳＦＭ測定と光学的測
定の直接比較が可能になる。
【００１７】本発明の別の目的は、通常の測定装置に結
合できるように、走査ティップ・バイブレータを通常の
対物レンズに取り付けることである。
【００１８】本発明の別の目的は、遠隔ヘテロダイン干
渉計を使用して、干渉計と光学式測定装置の間の相対的
振動レベルとは独立に、光学顕微鏡タレット・システム
を介してティップ振動を第１オーダで測定することであ
る。
【００１９】本発明の別の目的は、ウェーハの独立した
粗調節及び精密調節（位置決め及び走査）が可能なシス
テムを提供することである。
【００２０】本発明の別の目的は、精密走査ステージ上
で完全に実行されるサンプル位置の独立した測定であ
る。
【００２１】本発明の別の目的は、サンプル・ホルダ上
の真空アクチュエータと結合された、レンズによる光学
顕微鏡システムを利用して行う、ウェーハの自動焦点合
せである。
【００２２】本発明の別の目的は、ＳＦＭから光学式測
定ルーチンに線走査データを入力して線幅数を得ること
が可能な、通常の光学式測定装置への結合である。
【００２３】本発明の別の目的は、測定装置に組み込ま
れた光学式ビデオ・カメラ・システムによるＳＦＭ走査
フィールドの同時観測である。
【００２４】本発明の別の目的は、干渉計位置合せ機構
または観測用光学系を妨害せずにレーザ・ビームを片持
ち梁上に置く新規な方法を可能にする、本発明の一部分
であるビーム操向光学系を提供することである。
【００２５】本発明の別の目的は、光学顕微鏡の対物レ
ンズに対するウェーハの粗及び精密テスト・サイト位置
合せ及び合焦である。
【００２６】本発明の別の目的は、測定されるトレンチ
または線幅にティップが完全に位置合せされた後でティ
ップを下ろすだけで、ティップの衝突破壊を防止するこ
とである。
【００２７】本発明の別の目的は、光学顕微鏡技法及び
非接触式走査型力顕微鏡（ＳＦＭ）の両方を用いた線幅
の同時直接測定によって、サンプル上の構造の寸法を測
定し、ＳＦＭ測定と光学式測定ならびにサンプル・プロ
フィルの精密な詳細の直接比較を可能にする、測定シス
テムを提供することである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】１態様では、本発明は、
サンプルにおける限界寸法を測定するための測定装置で
あって、 ａ）少なくとも１つのティップを有するプローブと、 ｂ）前記プローブの前記サンプルに対する近接度を検出
するための白色光を送る少なくとも１つの白色光源と、 ｃ）前記プローブの前記サンプルに対する近接度を検出
するための光ビームを送る少なくとも１つのビーム操向
手段と、 ｄ）前記白色光及び前記光ビームが共線的に前記プロー
ブに達することを保証するための少なくとも１つの手段
と、 ｅ）前記プローブの前記サンプルに対する位置関係を示
す少なくとも１つの出力信号とを含み、 ｆ）サンプル表面で前記プローブの少なくとも一部分を
振動させ、少なくとも１つの出力信号を得、それによっ
て前記サンプルの前記限界寸法を得ることを特徴とす
る。
【００２９】別の態様では、本発明は、サンプルにおけ
る限界寸法を測定するための測定装置であって、 ａ）少なくとも１つのティップを有するプローブと、 ｂ）前記プローブの前記サンプルに対する近接度を検出
するための光ビームを送る少なくとも１つの光ファイバ
手段と、 ｃ）前記プローブと前記サンプルの位置関係を示す少な
くとも１つの出力信号とを含み、 ｄ）サンプル表面で前記プローブの少なくとも一部分を
振動させ、前記の少なくとも１つの出力信号を得、それ
によって前記サンプルの前記限界寸法を得ることを特徴
とする。
【００３０】本発明のさらに別の態様は、線幅の限界寸
法を測定するための方法であって、 ａ）白色光源を線の少なくとも一部分に合焦させ、前記
線幅を光学的解像度で測定する段階と、 ｂ）その後、ＳＦＭプローブを下ろし、同じ線幅を原子
の解像度で測定する段階とを含む。
【００３１】本発明のさらに別の態様は、ティップの衝
突破壊を避けるようにプローブを下げる前にサンプルの
測定及び位置を電子的に解析することによって、ティッ
プの衝突破壊を避ける方法である。
【００３２】本発明の前記その他の目的、特徴及び利点
は、以下に記す本発明の好ましい実施例のより具体的な
説明から明らかになろう。
【００３３】
【実施例】本発明は、システムに多次元能力を追加する
ことによって、ウェーハ測定に技術を拡張する各種の技
法を提供する。この能力がなければ、凹んだ側面を有す
る深いトレンチのマッピングは不可能である。
【００３４】また本発明は、ＸまたはＹ及びＺ平面内の
ティップ位置を監視できる、特別の切替え可能なレーザ
光路を導入する。
【００３５】本発明は、独自のレーザ・ヘテロダイン・
システムを利用して瞬間的ティップ位置を監視する。本
発明は、導体表面のＳＴＭ技術の一部分としてＩＢＭチ
ューリヒ研究所が発明した、走査トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）の派生物である。走査型力顕微鏡（ＳＦＭ）は、プ
ローブ・ティップとターゲット表面の間のファンデルワ
ールス力を測定する。フィードバック・ループが、この
ギャップ（表面が走査されているとき約５０オングスト
ローム）を制御する。
【００３６】また本発明は、サンプルの表面をマップす
るために使用できる３つの異なるアプローチを開示し記
述する。第１は、レーザ・ヘテロダイン・システムを使
用してティップ位置を検出し、マイクロプロセッサによ
ってフィードバック制御を行うものである。ティップ位
置は、単一のレーザ光路によって監視される。
【００３７】第２は、２つの光路用の１対の切替え可能
な光学系を使用する、第１のアプローチの変形である。
交互にＺ圧電素子及びＸ圧電素子で振動を発生させて、
まず垂直表面形状を検出し、次に第２の光路に切り替え
ることによって、トレンチ側面の表面形状を検出する。
もう１つのアプローチは、２次元"Ｚ"及び"Ｘ"圧電素子
を等しい振動数または振幅、あるいは各々異なる振動数
または振幅で「同時に」駆動して、２次元軌道の走査テ
ィップ運動を作り出し、たたみ込みなしで変調信号から
上端表面、下端表面及び傾斜表面を抽出するものであ
る。
【００３８】第３のアプローチは、光ファイバを異なる
形で使用して、ターゲットを超えて光ファイバの平面端
からレーザ・エネルギの一部分を跳ね返すものである。
これは、従来設計におけるミラーに置き代わるものであ
る。
【００３９】本発明の最後の２つのアプローチは、"Ｘ"
方向でＡＦＭアプローチを使って、トレンチの傾斜を直
接検出するので側壁上でのティップのたたみ込み誤差が
なくなる。さらに、本発明は、任意のタイプの表面また
は表面材料に使用できる。
【００４０】たとえば２００ｎｍ未満の近未来の高密度
チップに関連する基本原則によって課される要件のよう
な、進んだ測定要件に対しては、ＳＥＭ以外の既知の測
定技術はない。これらの要件は、線幅プロフィルの深さ
が１ミクロンを超える場合に、ＣＤ次元を横切ってアス
ペクト比５：１で３σの信頼限界で１０ｎｍの範囲内の
測定精度が達成されることを要求する。
【００４１】本発明の１つの態様は、ティップとトレン
チまたは線幅あるいはその両方の表面の間で一定のギャ
ップを維持するＳＦＭの表面形状追跡コンセプトを、従
来型の広帯域白色光光学顕微鏡と組み合わせる技法であ
る。
【００４２】このシステムの利点のいくつかは以下の通
りである。 １）ＳＦＭと光学顕微鏡の両方によるサンプル表面の同
時直接測定。 ２）このシステムは、ＳＴＭシステムによって開示され
論じられた導電性材料だけに制限されない。 ３）この本発明では、特別の表面処理は必要でない。 ４）本発明は、室温で使用でき、真空環境は必要でな
い。 ５）光学顕微鏡でサンプル上の微細形状を位置合せし、
合焦させ、測定することによって、ティップが精密に下
げられるので、ティップの衝突破壊がなくなる。 ６）本発明では、オングストロームまたは原子スケール
での構造の測定が可能になる。 ７）さらに、ティップは、ターゲット表面をマップする
間にターゲット表面と物理的に接触しないので、ターゲ
ットもティップも損傷や破壊を受けない。 ８）レーザ・ヘテロダイン・システムがティップ位置を
監視する。 ９）ティップとサンプルの間の力が監視され、一定に維
持される。ギャップが変化した場合、ティップはギャッ
プを維持するように補償する。したがって、ティップ位
置が表面形状をマップする。 １０）力が一定だということは、ギャップが一定である
ことを意味し、サンプルの良好なマッピングを意味す
る。 １１）軌道走査ティップ運動の２次元ティップ制御、及
び結果として得られる変調されたＳＦＭ信号からたたみ
込み誤差なしで側面の傾斜表面プロフィルを抽出するた
めの信号フィードバック。
【００４３】このシステムは、トレンチに沿った様々な
（Ｙ）位置でトレンチの幅（Ｘ）及び深さ（Ｚ）を測定
できるように適合されている。トレンチを、まずトレン
チに平行な測定システムのＹ軸と整列させる。
【００４４】図１は、光学式測定装置と組み合わせた１
次元ＳＦＭシステムの走査プローブ・ティップ・アタッ
チメントの概略図である。図１は、図２及び図３とあい
まって、片持ち梁１６の詳細図を示す。片持ち梁１６
は、バイモルフ圧電素子４８及びティップ支持構造１８
を介してミラー／レンズ・ハウジング２２に取り付けら
れた、走査ティップまたはプローブ・ティップ１４を有
する。バイモルフ圧電素子４８が、取り付けられた片持
ち梁１６を振動させ、片持ち梁１６がプローブ・ティッ
プ１４をＺ方向に振動させる。
【００４５】またバイモルフ圧電素子４８は、"Ｚ"方向
に平行移動して、サンプルまたはターゲット１２上のト
レンチ４０または線幅４２にまでティップを下げ、サン
プル１２が走査されるとき、サンプル１２の表面形状に
追従することができる。走査ティップ１４は、通常は、
片持ち梁１６の端部に装着されるが、片持ち梁１６の適
切などんな位置に取り付けることもできる。ティップ支
持構造１８は、ミラー／レンズ・ハウジング２２の本体
に固定されている。
【００４６】サンプル１２は、通常、側壁傾斜部９３及
び９４を有する少なくとも１つのトレンチ４０、及び線
幅４２をもつ。その表面をマップすべきサンプル１２
は、導電性であろうと非導電性であろうとどんな材料で
できていてもよい。またサンプルは、穴、隆起線、メサ
などその他の幾何形状を含んでいてもよい。
【００４７】トレンチ４０または線幅４２あるいはその
両方を横切ってティップ１４を移動することにより、表
面領域のプロフィル全体がマップでき、したがって、タ
ーゲットに応じてトレンチ４０または線幅もしくはオー
バーレイ４２あるいはその両方の絶対値を計算すること
ができる。
【００４８】このシステムは、広帯域白色光光学顕微鏡
による光学的合焦、光学的位置合せ、及び光学的測定の
実施から開始する。このため、白色光源３４からの広帯
域白色光が、ビーム・スプリッタ３８を経て白色光出経
路４４に沿ってトレンチ４０または線幅４２に送られ
る。白色光は、サンプル１２で反射されて白色光経路４
５に入り、ビーム・スプリッタ・ハウジング３７に収納
されているビーム・スプリッタ３８に戻り、ここでビデ
オ・カメラ３６などによって検出される。次に、信号
が、ビデオ・ディスプレイ５６上で表示され、かつディ
ジタル化されて、システム制御装置５８に送られる。ま
たプローブの位置を、少なくとも１台の光学顕微鏡を使
って測定することができる。その実施後、ティップを好
ましくはその自然振動数で振動させる。この振動するテ
ィップを位置合せ済みのターゲット上の所望の位置まで
下げる。その位置は、ターゲットまたはサンプルの表面
から通常約５０オングストローム程度離れている。
【００４９】これらの位置から、トレンチ４０の中心を
決定することができ、下面がティップ１４の力感知範囲
内に入るまで、ティップ１４を傾斜部の近くに自動的に
下ろすことができる。（サンプルは予め粗かつ微細に位
置合せされており、Ｙ方向に関して位置決めされている
と仮定する。必要ならばレベリングを実行することがで
きる。）
【００５０】プローブ・ティップはＸ方向及びＺ方向の
両方向で力感知範囲に慎重に出入りできなければならな
いので、プローブ位置を追跡する追加の手段が必要であ
る。これは、サブナノメートル範囲まで正確な、Ｘ方向
及びＺ方向の干渉測定を追加することによって達成され
る。
【００５１】従来の走査モードでは、水平方向の測定値
が不正確なことに加えて、水平方向の移動に対するフィ
ードバック及び制御システムがない。したがって、プロ
ーブ・ティップ１４は、トレンチ４０の垂直側壁に衝突
することによって容易に損傷を受ける可能性がある。上
記のシステムでは、高アスペクト比のティップ１４がト
レンチ４０内に下り、ティップ１４が臨界力の範囲内に
入ったとき、側壁がティップ１４によって安全に感知さ
れる。ティップ１４の完全制御が達成され、それによっ
てティップの損傷がなくなる。
【００５２】精密合焦機構の場合と同様に、このシステ
ムは一連の精密運動制御システム及び感知システムを使
用する。たとえば、粗位置決めには、白色光測定光学シ
ステムを使って、プローブ・ティップ１４を上面の臨界
力の範囲近くに持ってくることができる。光学的パター
ン認識技法を使って、測定される微細形状の位置を決定
し、粗位置決め用の機械的ステージとの位置合せを行
う。また光学的文字認識と結合された圧電ステージが、
本発明に含まれる白色光測定システムの一部分として提
供され、その後の精密位置決め及び測定に使用される。
【００５３】レーザ・シングル・ヘテロダイン干渉計制
御装置３２内のレーザ光源から、レーザ・ビーム４６な
どの光ビームが、ビーム操向機構２６に送られる。出て
いくレーザ・ビーム４６は、部分反射性ミラー２４で反
射され、対物レンズ２０によって、プローブ・ティップ
１４の真上の片持ち梁１６の上面に合焦される。レーザ
・ビーム４６は、次に図１に示すように、片持ち梁１６
で反射され、対物レンズ２０を通り、部分反射性ミラー
２４で反射されて戻り、ビーム操向機構２６に入り、レ
ーザ・ヘテロダイン制御装置３２に達する。
【００５４】ビーム操向機構２６は、図２及び図３によ
り詳細に示されている。ビーム操向機構２６は、反射さ
れた、または入ってくるレーザ・ビーム４７が、出てい
くレーザ・ビーム４６と共線的にレーザ・ヘテロダイン
制御装置３２に戻ることを保証する。レーザ・ヘテロダ
イン制御装置３２は、ティップ１４の位相と振幅、片持
ち梁１６の近くでの振動、共鳴振動数の測定値を提供す
る。ティップ１４とサンプル１２の間の間隔またはギャ
ップは、共鳴近くでのティップ振動からの信号の振幅ま
たは位相のシフトを測定することによって制御される。
ギャップは、振幅または位相信号の変化を利用すること
によって制御され、一定の振動振幅または位相を維持す
るために、バイモルフ圧電素子４８に関する"Ｚ"移動の
フィードバックを提供する。
【００５５】このように、通常の測定では、プローブ・
ティップ１４が所与の方向（ＸまたはＺ）からサンプル
１２の表面に接近するとき、ディジタル化された位置デ
ータ（ＸまたはＺ）がレーザ・ヘテロダイン干渉計制御
装置３２から得られ、それと共にレーザ位置干渉計制御
装置６０からディジタル化された電圧信号（接近方向に
対応する）が得られる。この電圧は、片持ち梁１６を活
動化する基準振動数に対するヘテロダイン干渉計信号ビ
ームの側波帯振幅に比例する。プローブ・ティップ１４
がサンプル１２に接近すると、片持ち梁１６及びティッ
プ１４の共鳴振動数がシフトして、側波帯振幅電圧の降
下を引き起こす。システムが（振動及び雑音から）十分
に安定な場合、接近がなされる前の値の約１０％に側波
帯振幅が下がるまでデータをとることができる。別法と
して、トレンチ表面全体を増分式にマップすることもで
きる。
【００５６】図２はビーム操向ハウジング１２０からな
るレーザ・ビーム操向光学機械システムの概略図を示
す。第１のレンズ・ハウジング１２８及び第２のレンズ
・ハウジング１３８が、それぞれ第１のレンズ・ブラケ
ット１２４及び第２のレンズ・ブラケット１３４によっ
て装着プレート１２２に固定されている。ＸＹＺトラン
スレータ１２６が、第１のレンズ・ハウジング１２８に
取り付けられている。トランスレータ１２６は、第１の
レンズ１２９をＸまたはＹまたはＺ方向に移動させる。
同様のＸＹＺトランスレータを、第２のレンズ・ハウジ
ング１３８にも取り付けることが可能である。装着プレ
ート１２２自体は、ビーム操向ハウジング１２０に固定
されている。
【００５７】図３は、ビーム操向光学系１３０を示す。
光学系１３０は、２つの共焦点対物レンズ、すなわち焦
点距離がそれぞれｆ1及びｆ2である第１のレンズ１２９
及び第２のレンズ１３９からなる。第１のレンズ１２９
はＸＹＺトランスレータ１２６に接続されている。Ｚ方
向の平行移動を用いて、対物レンズ１２９及び１３９が
共焦点であることを保証する。第１のレンズ１２９がＸ
またはＹ方向に平行移動した場合、ＸまたはＹ方向の平
行移動距離をΔとすると、第２のレンズ１３９からの出
力ビームは次式によって与えられる小さい角度（α）だ
け偏向される。 Ｓｉｎ α ＝ Δ ／ ｆ2
【００５８】次に出ていくレーザ・ビーム４６をＳＦＭ
対物レンズ２０に向ける。レーザ・ビーム４６の傾斜角
αのために、片持ち梁１６上で点１０に合焦されるスポ
ットの位置がシフトする。片持ち梁１６における位置の
シフトΔはｆ0ｓｉｎαで与えられる。ただし、ｆ0はＳ
ＦＭ対物レンズ２０アセンブリの焦点距離である。入っ
てくるレーザ・ビーム４７は、片持ち梁１６の上面で反
射されてビーム操向光学系１３０を通って元の経路を戻
り、出ていくレーザ・ビーム４６と平行にレーザ・ヘテ
ロダイン干渉計制御装置３２に入る。これによって、片
持ち梁１６上の点１０における合焦されたスポットの位
置とは独立な、適切なヘテロダイン混合を得るために位
相フロントが合致することが保証される。
【００５９】第２レンズ１３９の中心からレンズ２０の
入射瞳孔までの距離Ｌは、第１レンズ１２９が小さい
量、たとえばΔだけ横に移動したとき、レンズ２０の入
射瞳孔に当たるレーザ・ビーム４６の物理的位置が不変
のままとなるように選択しなければならない。以下の検
討から距離Ｌについての簡単な式を導くことが出きる。
【００６０】第１レンズ１２９がその軸上の位置からΔ
だけ横に移動した場合、第２レンズ１３９の射出瞳孔で
のレーザ・ビーム４６の物理的位置の平行移動距離はΔ
（１＋ｆ２／ｆ１）となる。対物レンズ２０アセンブリ
の入射瞳孔におけるレーザ・ビーム４６の固定位置を維
持するには、次式が成立しなければならない。 Ｌ×ｓｉｎ（α）＝ Δ（１＋ｆ２／ｆ１）
【００６１】ｓｉｎ（α）に数式１を代入すると、次式
が得られる。 Ｌ＝ｆ２（１＋ｆ２／ｆ１）
【００６２】数式３に従ってＬを選択することによっ
て、レーザ・スポット１０が片持ち梁１６を横切って移
動するとき、レーザ・ビームがレンズ２０アセンブリの
入射瞳孔の同じ物理的領域に入り、その結果、合焦によ
る収差が最小になる。
【００６３】図４は、本発明による制御システムを含む
プローブ測定システムを示す。Ｘ−Ｙ圧電ステージ６４
は、サンプル１２を担持するサンプル・ホルダ６２を支
持する。本発明のステージは、米国特許第４５０６１５
４号で開示された微小位置決めステージに類似してい
る。その開示を引用により本明細書に合体する。Ｘ、Ｙ
ステージは、精密Ｚ移動用の３個１組の別々のアクチュ
エータによって支持される。Ｘ軸サブステージ６８及び
Ｙ軸サブステージ７０がある。この２つのステージは、
Ｘ及びＹ粗位置決めに使用される。Ｘ及びＹ軸サブステ
ージを使用して、最初にトレンチ４０をプローブ・ティ
ップ１４の下に心合せする。トレンチ４０の位置は、測
定中、レーザ位置干渉計制御装置６０システムによって
監視される。Ｚ圧電ステージまたは変換器６６は、Ｘ軸
サブステージ６８の上方でＸ−Ｙ圧電ステージ６４を担
持する要素を支持する。Ｘ軸サブステージ６８は、ステ
ージ６８と７０の間でのスライド可能な位置関係で、Ｙ
軸サブステージ７０上に支持される。
【００６４】圧電ステージに詳しい当業者なら理解する
ように、１本の線で、システム制御装置５８によって制
御される高電圧電源を、Ｘ−Ｙ圧電ステージ６４の内部
に埋め込まれたＸ圧電素子に接続する。Ｘ圧電素子は、
サンプル・ホルダ６２にＸ方向の微小運動を与える。同
様に、１本の線が、Ｚ圧電ステージまたは変換器６６を
アクチュエートするために、システム制御装置５８によ
って制御される高電圧電源と接続する。こうして、シス
テム制御装置５８は、Ｘ−Ｙ圧電ステージ６４の表面の
下でＺ圧電ステージ６６をアクチュエートする。システ
ム制御装置５８からの線が高電圧電源を制御して、Ｘ−
Ｙ圧電ステージ６４上のＹ位置圧電素子アクチュエータ
への電圧を制御する。こうして、システム制御装置５８
は、Ｘ−Ｙ圧電ステージ６４の内部のＹ圧電素子をアク
チュエートする。すなわち、要約すると、システム制御
装置５８は、ステージ６４のＸ及びＹ圧電素子、ならび
にＺ圧電ステージ６６をアクチュエートする。電源への
線上の信号は、位置干渉計制御装置６０からシステム制
御装置５８にフィードバックされるデータに基づいて
（それが受け取る位置情報の関数として）発生される。
Ｘ、Ｙ圧電ステージ６４の精密位置決めのためのフィー
ドバックが、所望に応じてシステム制御装置５８に提供
される。
【００６５】バイモルフ制御装置５０からの線５２は、
片持ち梁１６をＸ方向に振動させるために、バイモルフ
圧電素子４８に接続する。バイモルフ制御装置５０は、
システム制御装置５８からの線によって付勢される。線
５２は、片持ち梁１６をＺ方向に振動させることによっ
て類似の機能を提供する。プローブまたはティップを、
互いに独立に、または互いに同時にＸとＺの両方向にア
クチュエートすることができる。プローブまたはティッ
プが同時にアクチュエートされると、ティップ１４また
は片持ち梁１６の軌道運動を生ずる。もちろん、バイモ
ルフ制御装置５０からの適切な信号によって、ティップ
または片持ち梁の運動の振動数及び振幅を共に、Ｘ、Ｙ
または両方向に変動させることができる。
【００６６】本明細書で使用する「軌道運動」という言
葉は、円運動または楕円運動を意味するだけでなく、た
とえば矩形運動または多角形運動などのその他のタイプ
の運動をも意味する。これはもちろんＸ及びＺ方向のテ
ィップの振幅を変動させることによって達成される。
「軌道運動」の方向または経路の速度は、バイモルフ圧
電素子４８または２４８からの片持ち梁１６の入力振動
数をＺまたはＸ方向で変化させることによって変動させ
ることができる。
【００６７】レーザ・シングル・ヘテロダイン干渉計制
御装置３２（これは偏光ビーム・スプリッタ、ミラー及
び１／４波長板をも含む）から出ていくレーザ・ビーム
４６は、部分反射性ミラー２４によって９０度曲げら
れ、片持ち梁１６上のスポット１０に向かう。レーザ・
ビーム４６は、プローブ・ティップ１４の共鳴を検出す
るために片持ち梁１６からＸ方向に反射される。レーザ
・ビーム４６を反射する片持ち梁１６の表面、及び片持
ち梁１６自体は、ミラー２４を収容するのに必要な角度
を得るためにわずかに傾斜している。レーザ・ビーム４
６から反射されたレーザ・ビーム４７は、ビーム操向機
構２６に行き、さらにレーザ・ヘテロダイン制御装置３
２に行く。
【００６８】Ｘ軸ステージ検出器８８、及びＺ軸ステー
ジ検出器７８によってそれぞれＸ位置、及びＺ位置に関
する測定の結果が検出され、レーザ・ヘテロダイン干渉
計制御装置３２にその出力が供給され、制御装置３２は
出力を線上でシステム制御装置５８に供給し、サンプル
１２に関するプローブのＸ及びＺ共鳴を検出する。１本
の線が、レーザ位置干渉計制御装置６０からの供給信号
をシステム制御装置５８に接続する。制御装置６０は、
二重軸レーザ・ヘテロダイン干渉計制御装置３２からの
出力信号を受け取るように接続されている。
【００６９】サンプル１２のＸ、Ｙ及びＺ位置が、レー
ザ位置干渉計制御装置６０を使って、測定される。レー
ザ位置制御装置６０からのレーザ・ビームは、ビームＸ
ＹＺステージ・スプリッタ・ミラー８０によって３本の
ビームに分割される。第１ビームはサンプルのＸ位置を
検出し、第２ビームはＹ位置を検出し、第３ビームはＺ
位置を検出するために使用される。図４はこのシステム
の２次元概略図である。したがって、Ｘ及びＺ位置を検
出するための成分だけが示されている。１本のレーザ・
ビームが、Ｚ軸基準ミラー７６、及びＺ軸ミラー７４を
経て反射板またはミラー７２に行く。次に、レーザ・ビ
ームは、Ｘ軸サブステージ６８内のウィンドウ（図示せ
ず）を通ってＺ位置基準ミラー９０に達する。次に、レ
ーザ・ビームは、反射されてミラー７２に戻り、Ｚ軸ミ
ラー７４を通って、Ｚ軸基準ミラー７６に行き、Ｚ軸ス
テージ検出器７８に達する。Ｚ軸ステージ検出器７８
は、出力信号をレーザ位置干渉計制御装置６０に供給す
る。制御装置６０はシステム制御装置５８への３本の出
力線をもつ。
【００７０】レーザ・ビームの残りの部分は、ビーム・
スプリッタ８０を通過し、第２の測定を得るためにその
一部分がミラー８２に送られる。レーザ・ビームは、Ｘ
軸基準ミラー８６を通過してＸ軸ミラー８４に達する。
レーザ・ビームは、反射されてＸ軸基準ミラー８６に戻
り、出力レーザ・ビームを生ずる。この出力ビームがＸ
軸ステージ検出器８８で検出されて、レーザ位置干渉計
制御装置６０への出力をもたらす。
【００７１】同様に、Ｙ位置については、レーザ・ビー
ムは、ミラー８２で反射されて、Ｙ位置ステージ検出器
への出力レーザ・ビームをもたらし、検出器は出力信号
を位置干渉計６０に提供する。
【００７２】次に、ティップ１４、トレンチ４０または
線幅４２との衝突を防止するためにサンプル１２がＺ圧
電ステージ６６を介して下げられた後に、Ｘ軸ステージ
６８及びＹ軸ステージ７０を平行移動させることができ
る。図１及び図４に示すように、白色光または広帯域測
定チャネルがＳＦＭチャネルと組み合わせて提供され
る。このチャネルは、白色光源３４、ビーム・スプリッ
タ３８、対物レンズ２０、及びビデオ・カメラ３６から
なる。このチャネルは、サンプル１２上のトレンチ４０
または線幅４２を測定するために使用される。また、こ
のチャネルは、サンプル１２上の測定されるテスト・サ
イトまたは構造を粗位置合せし、続いて高い精度で精密
位置合せするためにも使用される。
【００７３】次に、サンプル１２を"Ｚ"圧電ステージ６
６を介して持ち上げ、原子スケールの拡大率及び解像度
で測定する。白色光モードでは、光学的合焦は、ビデオ
・カメラ３６を介する自動合焦システムを使用して得ら
れる。光学顕微鏡チャネル用の照明システム３４は、図
１及び図４に示されている。白色光は、ビーム・スプリ
ッタ３８、及び対物レンズ２０を経てサンプル１２上に
合焦される。ビーム４４は、サンプル１２から反射さ
れ、ソリッド・ステート・ビデオ・カメラ３６上に光学
的像を形成する。この像は、図７に示すように、測定中
の線幅を横切るビデオ走査を描く強度プロフィルに容易
に変換される。データはシステム制御装置５８に送られ
る。制御装置５８は、コンピュータ内にあるアルゴリズ
ムを使って少なくとも１つの測定信号を解析して、限界
寸法を決定するための少なくとも１つの手段をもつ。シ
ステム制御装置５８内にある適切なしきい値アルゴリズ
ムを使用して、線幅４２が決定される。
【００７４】Ｘ−Ｙ圧電ステージ・アクチュエータ６４
を使ってサンプル１２を移動することによって、図６に
示すような線幅４２の走査信号が生成される。この信号
は、レーザ位置干渉計制御装置６０から来るＸ−Ｙ圧電
ステージ６４の位置データとともに、Ｘ−Ｙ圧電ステー
ジ６４からシステム制御装置５８に供給される。このよ
うにして、図６に示すような２次元走査型力マイクロプ
ローブ走査を得ることができる。線幅４２は、１０２と
して示されており、傾斜１０３及び１０４はそれぞれ傾
斜９３及び９４に対応する。トレンチ１００は、サンプ
ル１２上のトレンチ４０に対応する。
【００７５】図７は、図５の構造またはサンプル１２の
イメージ・プロフィル応答を示す。このサンプルは、サ
ンプル１２の問題とする構造から光学的に反射された光
強度プロフィルから得られる。このプロフィルは、戻り
光路４５を経てビデオ・カメラ３６に送られる。システ
ム制御装置５８内にある適切なエッジ検出アルゴリズム
の適用によって、サンプル１２の以前の層／レベルにあ
る先行する構造に対する構造の適切な線幅またはオーバ
ーレイが計算される。イメージ１１０はトレンチ４０に
対応し、イメージ１１３及び１１４はそれぞれサンプル
１２上の傾斜９３及び９４に対応する。線幅４２はイメ
ージ１１２として示される。
【００７６】図８及び図９は、広帯域白色光光学式測定
装置と組み合わされたティップ・アタッチメントを有す
る、２次元ＳＦＭシステム２１０を示す。このシステム
は、Ｘ及びＺの両方向でＳＦＭ能力を実現する。デュア
ル・バイモルフ制御装置２５０によって片持ち梁をＺ及
びＸ方向に振動させるためにデュアル・バイモルフ４８
及び２４８が提供される。バイモルフ制御装置は、軌道
ティップ走査運動を行うために、Ｘ及びＺを異なる時間
に個別にまたは同時に制御するために駆動される。追加
の第２のレーザ経路２４６を扱うための、デュアル・ビ
ーム操向システム２２６、及びレーザ・デュアル・ヘテ
ロダイン干渉計片持ち梁２３２が提供される。また、片
持ち梁２１６の垂直側面上に光を偏向させ合焦させるた
めに、第２の対物レンズ２２０が、部分反射性ミラー２
２４とともに提供される。したがって、片持ち梁２１６
側壁からの反射光が得られ、経路２４７を経てデュアル
・ビーム操向システム２２６に戻り、デュアル・ヘテロ
ダイン制御装置に達する。このＸ位置信号は、トレンチ
９３、９４または線幅側壁の真実の表現を提供する。ト
レンチの寸法は、レーザ・デュアル・ヘテロダイン干渉
計制御装置２３２で得られる変調された信号から抽出さ
れる。こうして、１次元ＳＦＭ（図１及び図４）で得ら
れる通常のたたみ込み信号誤差がなくなる。このシステ
ムは、好ましくは、測定中の加工物内のトレンチ内部で
Ｘ及びＺの両方向で表面を感知できるように適合され
た、プローブ・ティップを有する２軸レーザ・ヘテロダ
イン干渉計を含む２次元または３次元プローブ感知シス
テムを組み込んでいる。この場合は、３ローブ・ティッ
プ２１４が振動され、ティップ２１４の共鳴の変化が、
レーザ・ヘテロダイン干渉測定によってＸ及びＺの両方
向で感知される。
【００７７】レーザ・デュアル・ヘテロダイン干渉計制
御装置２３２（やはり偏向ビーム・スプリッタ、ミラ
ー、及び１／４波長板を含む）から出ていく第１のレー
ザ・ビーム１４６は、デュアル・ビーム操向システム２
２６を通過し、部分反射性ミラー２４によって９０度曲
げられて、第１の対物レンズ２０に向かう。次に、レー
ザ・ビームは、プローブ・ティップ２１４のＸ方向の共
鳴を検出するために、片持ち梁２１６で反射される。同
様に、第２のレーザ・ビーム２４６は、デュアル・ヘテ
ロダイン干渉計制御装置２３２から、デュアル・ビーム
操向システム２２６を経て、ミラー２４に送られる。第
２のレーザ・ビーム２４６は、反射されて下向きに第２
の対物レンズ２２０に向かい、Ｚ方向のプローブ・ティ
ップ２１４の共鳴を検出するために、第２の部分反射性
ミラー２２４で反射されて、片持ち梁２１６に達する。
レーザ・ビーム２４６を反射する片持ち梁２１６の表
面、及び片持ち梁２１６自体は、ミラー２２４を取り付
けるのに必要な角度を得るためにわずかに傾斜されてい
る。レーザ・ビーム１４６及び２４６からそれぞれ反射
されたレーザ・ビーム１４７及び２４７は、デュアル・
ビーム操向機構２２６に行き、さらに共線的にレーザ・
デュアル・ヘテロダイン制御装置２３２に達する。処理
された情報は、さらにシステム制御装置５８に送られ
る。
【００７８】デュアル・バイモルフ制御装置２５０は、
線２５１及び２５２を介して片持ち梁２１６を振動させ
るための信号を送る。Ｘバイモルフ２４８は片持ち梁２
１６をＸ方向に振動させ、Ｚバイモルフ４８は片持ち梁
２１６をＺ方向に振動させる。両方のバイモルフ４８及
び２４８が付勢されると、片持ち梁２１６は軌道回転す
る。片持ち梁２１６の動きによって、表面プロフィルを
検出する３ローブ・ティップ２１４が移動する。この装
置は、ビーム操向手段に入る戻り光ビームとの共線性を
維持しながら、光ビームによって片持ち梁の上面に生成
される光スポット１０を調節する少なくとも１つの手段
をもたなければならない。
【００７９】図１０は、光路信号伝送のために光ファイ
バ２５４、２６４を利用し、光ファイバを有するデュア
ル・ビーム操向システム２６０を介してレーザ・デュア
ル・ヘテロダイン干渉計制御装置２６２で受信する、２
次元ＳＦＭシステム２８０用の走査プローブ・ティップ
・アタッチメントを示す。矢印２５６、２５７、２６６
及び２６７は、光ファイバを通過する光の方向を示す。
対物レンズ２０、２２０及びミラー２２４はもはや利用
されていないことに留意されたい。制御装置２６２及び
デュアル・ビーム操向システム２６０はともに、先に論
じたものと類似しているが、光ファイバ２５４及び２６
４に適合するように修正されている。
【００８０】図８及び図９に示すミラー／レンズ・ハウ
ジング２２２は、光ファイバ２５４及び２６４に適合す
るように修正できる。これは、たとえば、対物レンズ２
０及び２２０をそれぞれ光ファイバ２５４及び２６４に
置き換えることによって達成され、片持ち梁２１６から
レーザ・デュアル・ヘテロダイン干渉計制御装置２６２
への所望の光信号を得ることができる。光ファイバ２５
４は、片持ち梁２１６からのＺ軸光信号を提供し、光フ
ァイバ２６４はＸ軸光信号を提供する。もちろん、対物
レンズ２０及び２２０を光ファイバ２５４及び２６４と
組み合わせて使用することは当業者には明かであろう。
【００８１】図１、図４、図８、図９及び図１０に示し
た原子間力マイクロプローブは、いつプローブが感知さ
れる表面から所与の距離にあるかを示す、深さ及び幅セ
ンサである。測定の場合には、この原子間力マイクロプ
ローブは通常の走査モードで使用する。ティップの幾何
形状は、米国特許出願第０７／６１９３７８号の図２に
示された形状とすることが好ましい。原子間力マイクロ
プローブ・システムで使用できる別のティップ幾何形状
は、米国特許出願第０７／６０８０４３号に開示されて
いる。またヨーロッパ特許出願第４１３０４０号、第４
１３０４１号、及び第４１３０４２号は、ＡＦＭ／ＳＴ
Ｍ用の超小型機械式センサ及び超小型機械式センサ・ヘ
ッドを製造する方法を開示している。これらすべての文
献の開示を、引用により本明細書に組み込む。
【００８２】ティップの振動は、２つの平面内で１対の
圧電素子（バイモルフ）によって発生される。Ｚバイモ
ルフ４８はフレクシャを垂直に振動させ、Ｘバイモルフ
２４８はフレクシャを横方向に振動させる。このアプロ
ーチでは、特別のティップ設計が必要である。トレンチ
４０の側壁をマップするために、ティップ測定値を順
に、すなわち最初に垂直トラッキング、次にサイド・ト
ラッキングを取り、あるいはティップに軌道を描かせる
ことによって同時に取る。
【００８３】したがって、ユーザは、ティップ／片持ち
梁を変化させることができ、レーザ・ビームをプローブ
の背部に置くことができる。
【００８４】このシステムの解像力はティップ・サイズ
の関数である。電子ビーム及び超小型機械式アプローチ
は、必要なティップ幾何形状を作り出すことができる。
【００８５】図８及び図１０のティップ１４の厳密な形
状は、ティップ１４のローブ・ポイントが測定中にプロ
ーブの力の範囲内にくる限り、重要ではない。したがっ
て、ティップ１４は、回転対称とすることができ、ある
いはテーパが垂直なＹ方向で、同じ断面形状を維持する
ことができる。
【００８６】高アスペクト比のナノメートル・スケール
のティップを、通常のシリコン・ティップの上面に成長
させる。ティップ・シャフト直径は、１００ｎｍの範囲
にあるが、円錐頂点ティップ直径は２５ｎｍのオーダで
ある。高アスペクトのティップ・シャフト長は４マイク
ロメートルのオーダである。この高アスペクト比ティッ
プは、０．２５マイクロメートルすなわち２５０ｎｍ程
度のトレンチの測定が可能である。
【００８７】マイクロプローブを使用する寸法測定の基
本的問題の１つは、ティップの較正である。すなわち、
通常の広角度ティップの場合、ティップ寸法の決定、よ
り具体的にはプローブのティップの幾何形状が問題にな
る。
【００８８】タングステン・ティップの形状はほぼ放物
線であり、製造方法によって半径が変わる。深いエッジ
のトレンチを走査するとき、最大の力及びその結果生ず
る共鳴の変化を決定するタングステン・ティップの先端
は、高さとともに変動し、ある高さでは力の範囲内に全
く納まらない。正確な測定は、トレンチの上端における
幅においてのみ実行可能であり、それもティップの厳密
な幾何形状が既知であり、かつ測定されたプロフィルか
らたたみ込み解除できるときに限って行える。
【００８９】現在追求されている改良型ティップ設計
は、結晶平面に沿ってシリコンをエッチングすることに
よって得られ、その結果きわめて小さいティップ半径を
有する周知のティップ幾何形状が得られる。ただし、テ
ィップの角度は、エッジ傾斜がティップ角度より険しい
場合にティップが力の範囲内にこないような値である。
【００９０】小さな寸法のティップを制御可能に作成す
るための好ましい方法は、J.Vac.Sci.Technol.B7（6)、
pp.1941〜1946（Nov/Dec 1989）に所載のリー（Lee）及
びハツァキス（Hatzakis）の論文、及び米国特許出願第
０７／５６８４５１号、第０７／６０８０４３号に記載
されている。これらすべての文献の開示を、引用により
本明細書に組み込む。
【００９１】別法として、シリコン・ティップの選択的
エッチングに使用されるものと類似のマイクロリソグラ
フィ技法を使用することができるが、そのエッチングは
結晶面に沿ってではない。金属層をパターン付けして、
アンビル状構造を作成する。厚い金属層のエッチングに
よってＹ方向にテーパが生じることが望ましい。
【００９２】図８及び図１０のプローブ・ティップ２１
４は、３ローブ・ティップである、すなわち図に示した
相対位置に３つの突き出た先端をもつ。ティップ２１４
の最大寸法は、測定される最も狭いトレンチの幅より小
さくすべきである。たとえば、ティップ２１４は、０．
５マイクロメートルのトレンチの場合、０．３５マイク
ロメートルより小さくすることが好ましい。
【００９３】本発明により、限界寸法の線幅及びオーバ
ーレイ測定に必要な、正確かつ独立なＸ、Ｙ及びＺ方向
の距離測定を実施するための測定機器が得られる。本発
明は、データ処理などの技術分野で適用可能であり、パ
ーソナル・コンピュータ、ミニコンピュータ、大型コン
ピュータ及びその他のデータ処理機器用の半導体製品を
製造する際に使用することができる。特に、このシステ
ム及び方法は、産業用及び家庭用電子装置用のＶＬＳＩ
チィップの製造に適用できる。連続監視及び類似の機能
用のデータ処理システムを組み込んだ輸送及び制御シス
テムなどの電子製品に、本発明を使用して製造される製
品を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学式測定装置と結合された"Ｚ"方向の１次元
ＳＦＭシステム用の走査プローブ・ティップ・アタッチ
メントの概略図である。
【図２】レーザ・ビーム操向用光学機械システムの概略
図である。
【図３】図２のビーム操向用光学系を示す図である。
【図４】１次元ＳＦＭプローブ探査用のＳＦＭと光学式
測定装置の組合せの概略図である。
【図５】トレンチまたは線幅の物理構造の概略図であ
る。
【図６】ＳＦＭプローブを使用した、図５の構造のイメ
ージ・プロフィル応答の概略図である。
【図７】光学式測定チャネルを使用した、図５の構造の
イメージ・プロフィル応答の概略図である。
【図８】光学式測定装置と組み合わせた"Ｚ"方向及び"
Ｘ"方向の２次元ＳＦＭシステム用の走査プローブ・テ
ィップ・アタッチメントの概略図である。
【図９】２次元ＳＦＭプローブ探査用のＳＦＭと光学式
測定装置の組合せ概略図である。
【図１０】光ファイバを使用した２次元ＳＦＭシステム
用の走査プローブ・ティップ・アタッチメントの概略図
である。
【符号の説明】
１２ サンプル １４ 走査ティップ １６ 片持ち梁 １８ 支持構造 ２０ 対物レンズ ２２ ミラー／レンズ・ハウジング ２４ 半反射性ミラー ２６ ビーム操向機構 ３２ レーザ・ヘテロダイン干渉計制御装置 ３４ 白色光源 ３６ ビデオ・カメラ ３８ ビーム・スプリッタ ４８ バイモルフ圧電素子 ５０ バイモルフ制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キャルヴィン・ケイ−ピン アメリカ合衆国11373、ニューヨーク州エ ルムハースト、グリーン・ストリート 42 −09番地 (72)発明者 ヨアヒム・ゲルハルト・クラーベス アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨ ークタウン・ハイツ、コーディング・ロー ド 420番地 (72)発明者 フィリップ・チャールズ・ダンビー・ホブ ス アメリカ合衆国10510、ニューヨーク州ブ ライアクリフ・マナー、オーチャード・ロ ード 55番地 (72)発明者 ラスロ・ランドステイン アメリカ合衆国10562、ニューヨーク州オ スィニング、タヴァノ・ロード 15番地 (72)発明者 マーティン・パトリック・オーボイル アメリカ合衆国10566、ニューヨーク州ピ ークスヴィル、タマラック・ドライブ 24 番地 (72)発明者 ヘーマンタ・クマル・ヴィクラマシンヘ アメリカ合衆国10514、ニューヨーク州チ ャパクワ、キング・ストリート 600番地 (72)発明者 サンドラ・ケイ・ウォルターマン アメリカ合衆国12510、ニューヨーク州ビ リングス、マージョリー・レーン 11番地

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】サンプルにおける限界寸法を測定するため
    の測定装置において、 ａ）少なくとも１つのティップを有するプローブと、 ｂ）前記プローブの前記サンプルに対する近接度を検出
    するための白色光を送る少なくとも１つの白色光源と、 ｃ）前記プローブの前記サンプルに対する近接度を検出
    するための光ビームを送る少なくとも１つのビーム操向
    手段と、 ｄ）前記白色光及び前記光ビームが共線的に前記プロー
    ブに達することを保証するための少なくとも１つの手段
    と、 ｅ）前記プローブの前記サンプルに対する位置関係を示
    す少なくとも１つの出力信号とを含み、 ｆ）サンプルの表面で前記プローブの少なくとも一部分
    を振動させ、前記の少なくとも１つの出力信号を得、そ
    れによって前記サンプルの前記限界寸法を得ることを特
    徴とする、測定装置。
  2. 【請求項２】前記プローブの前記の少なくとも一部分が
    その自然振動数で振動することを特徴とする、請求項１
    に記載の測定装置。
  3. 【請求項３】前記プローブの前記サンプルに対する位置
    関係を示す前記の少なくとも１つの出力信号が、コンピ
    ュータ内にある、前記限界寸法を決定するための少なく
    とも１つのアルゴリズムで解析されることを特徴とす
    る、請求項１に記載の測定装置。
  4. 【請求項４】前記装置が、光学的技法及びＳＦＭ技法を
    使用して表面プロフィルを同時に決定するための少なく
    とも１つの手段をもつことを特徴とする、請求項１に記
    載の測定装置。
  5. 【請求項５】前記装置が、前記ビーム操向手段に入る戻
    り光ビームとの共線性を維持しながら、前記プローブの
    上面に前記光ビームによって作られる光スポットを調節
    する少なくとも１つの手段をもつことを特徴とする、請
    求項１に記載の測定装置。
  6. 【請求項６】前記プローブを少なくとも１つの方向にア
    クチュエートするための少なくとも１つの手段が前記プ
    ローブ内に設けられることを特徴とする、請求項１に記
    載の測定装置。
  7. 【請求項７】前記装置が、同時に前記プローブを振動さ
    せ、かつ前記プローブの前記相対位置を測定する手段を
    もつことを特徴とする、請求項１に記載の測定装置。
  8. 【請求項８】前記装置がさらに、前記サンプルを前記テ
    ィップに対して相対的に移動することによって、前記サ
    ンプルを位置決めする手段を含むことを特徴とする、請
    求項１に記載の測定装置。
  9. 【請求項９】サンプルの限界寸法を測定するための測定
    装置において、 ａ）少なくとも１つのティップを有するプローブと、 ｂ）前記プローブの前記サンプルに対する近接度を検出
    するために光ビームを送る少なくとも１つの光ファイバ
    手段と、 ｃ）前記プローブの前記サンプルに対する位置関係を示
    す少なくとも１つの出力信号とを含み、 ｄ）サンプルの表面で前記プローブの少なくとも一部分
    を振動させ、前記の少なくとも１つの出力信号を得、そ
    れによって前記サンプルの前記限界寸法を得ることを特
    徴とする、測定装置。
  10. 【請求項１０】ａ）白色光源を線の少なくとも一部分に
    合焦させ、前記線幅を光学的解像度で測定する段階と、 ｂ）その後でＳＦＭプローブを下げ、同じ線幅を原子解
    像度で測定する段階とを含む、線幅の限界寸法を測定す
    る方法。
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