JPH06281658A - 集積チップ歪センサ - Google Patents
集積チップ歪センサInfo
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- G—PHYSICS
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に組み合わせて使
用される計測用プローブの集積チップ歪センサを提供す
る。 【構成】 集積チップ歪センサ１７は、表面を３次元で
プロファイルする一軸原子間力（ＡＦＭ）に組み合わさ
れている。カンチレバー・ビーム１１は、圧電薄膜歪セ
ンサを堆積された集積チップステム１２を担持する。高
分解能直接電子ビーム堆積処理は、Ｓｉカンチレバー構
造上へ先の尖ったチップを成長するために使用される。
直接電子ビーム堆積処理は、高アスペクト比のナノメー
タスケール構造の制御可能な製造を可能にする。４つの
圧電膜は、チップステム上に堆積される。圧電センサは
ＡＦＭのプローブの面と垂直の面において機能する。す
なわち、線幅表面とのチップ接触はチップたわみを生
じ、比例する電気信号出力を発生する。
用される計測用プローブの集積チップ歪センサを提供す
る。 【構成】 集積チップ歪センサ１７は、表面を３次元で
プロファイルする一軸原子間力（ＡＦＭ）に組み合わさ
れている。カンチレバー・ビーム１１は、圧電薄膜歪セ
ンサを堆積された集積チップステム１２を担持する。高
分解能直接電子ビーム堆積処理は、Ｓｉカンチレバー構
造上へ先の尖ったチップを成長するために使用される。
直接電子ビーム堆積処理は、高アスペクト比のナノメー
タスケール構造の制御可能な製造を可能にする。４つの
圧電膜は、チップステム上に堆積される。圧電センサは
ＡＦＭのプローブの面と垂直の面において機能する。す
なわち、線幅表面とのチップ接触はチップたわみを生
じ、比例する電気信号出力を発生する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、歪センサを使
用するサブミクロン範囲での線幅，トレンチ，オーバレ
イ（ｏｖｅｒｌａｙ）の計測に関し、特に、３次元で測
定するために原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）と組合わせて使
用されるプローブ・アセンブリに関する。
用するサブミクロン範囲での線幅，トレンチ，オーバレ
イ（ｏｖｅｒｌａｙ）の計測に関し、特に、３次元で測
定するために原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）と組合わせて使
用されるプローブ・アセンブリに関する。
【０００２】ＡＦＭは、Ｚ軸方向で測定を行うために使
用され、プローブ・アセンブリは、試料をプロファイル
するためにＺ軸方向に垂直なＸ−Ｙ面で使用される。
用され、プローブ・アセンブリは、試料をプロファイル
するためにＺ軸方向に垂直なＸ−Ｙ面で使用される。
【０００３】
【従来の技術】集積回路（ＩＣ）の製造における品質制
御は、ＩＣウエハの表面形状を測定する技術を必要とす
る。１つのこのような技術は、プローブ・チップを取り
付けられる大きな取り付け部材に固定された小さな薄い
圧電部材を使用する。プローブ・チップは、マッピング
される表面と接触し、これにより取り付け部材のたわみ
と圧電部材の対応する歪を生じ、電気信号を発生する。
この技術の例は、集積回路ウエハの品質制御テストにつ
いて使用されるマルチプローブ・チップ・アセンブリを
開示する米国特許第４，８８８，５５０号明細書に示さ
れている。この米国特許に記載のデバイスは、全チップ
構造を支持する基台に歪検出圧電素子を使用し、この構
造のため、垂直方向における検出のみに限られる。 実
際に、従来技術で知られているコンタクト・チップ技術
は、ミクロン・スケール以上の構造を測定するのに有益
であった。更にまた、これらの構造の感度は、相対的に
低く、新しいギガビット・チップのスケール構造のよう
なサブミクロン・スケール構造の測定に対して、これら
の構造は不適当とされる。
御は、ＩＣウエハの表面形状を測定する技術を必要とす
る。１つのこのような技術は、プローブ・チップを取り
付けられる大きな取り付け部材に固定された小さな薄い
圧電部材を使用する。プローブ・チップは、マッピング
される表面と接触し、これにより取り付け部材のたわみ
と圧電部材の対応する歪を生じ、電気信号を発生する。
この技術の例は、集積回路ウエハの品質制御テストにつ
いて使用されるマルチプローブ・チップ・アセンブリを
開示する米国特許第４，８８８，５５０号明細書に示さ
れている。この米国特許に記載のデバイスは、全チップ
構造を支持する基台に歪検出圧電素子を使用し、この構
造のため、垂直方向における検出のみに限られる。 実
際に、従来技術で知られているコンタクト・チップ技術
は、ミクロン・スケール以上の構造を測定するのに有益
であった。更にまた、これらの構造の感度は、相対的に
低く、新しいギガビット・チップのスケール構造のよう
なサブミクロン・スケール構造の測定に対して、これら
の構造は不適当とされる。
【０００４】走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）技術は、
プローブタイプのアプローチを用いて、新しい測定概念
を導入した。基本的なＳＴＭは、米国特許第４，３４
３，９９３号明細書に開示されている。これを簡単に説
明すると、シャープに先をとがらされた導電チップは、
調査される試料の導電性表面から約１ナノメータの距離
に設けられ、チップと表面とのギャップに適切な電位が
供給される。チップ先端および表面の原子の電子雲が接
触すると、電子の流れは、ギャップ幅の変化に極端に感
応するトンネル電流を発生する。ギャップ幅の変化をゼ
ロへ限りなく近づけるためには、フィードバック制御シ
ステムは、初期値からのトンネル電流の偏差を制御信号
として使用して、表面からのチップの距離を制御する。
この制御信号は、また、調査される表面のトポロジのプ
ロットを発生するために使用される。
プローブタイプのアプローチを用いて、新しい測定概念
を導入した。基本的なＳＴＭは、米国特許第４，３４
３，９９３号明細書に開示されている。これを簡単に説
明すると、シャープに先をとがらされた導電チップは、
調査される試料の導電性表面から約１ナノメータの距離
に設けられ、チップと表面とのギャップに適切な電位が
供給される。チップ先端および表面の原子の電子雲が接
触すると、電子の流れは、ギャップ幅の変化に極端に感
応するトンネル電流を発生する。ギャップ幅の変化をゼ
ロへ限りなく近づけるためには、フィードバック制御シ
ステムは、初期値からのトンネル電流の偏差を制御信号
として使用して、表面からのチップの距離を制御する。
この制御信号は、また、調査される表面のトポロジのプ
ロットを発生するために使用される。
【０００５】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、ＳＴＭ技術
の変形である。１つの構成では、一端を堅固に取り付け
られ、誘電性チップを自由端に持っているスプリング状
カンチレバーより成るセンサは、対象物の表面をプロフ
ァイルする。対象物の表面とチップとの間の力は、カン
チレバーをたわませ、このたわみを正確に測定できる。
３ｎｍの空間分解能が達成できる。
の変形である。１つの構成では、一端を堅固に取り付け
られ、誘電性チップを自由端に持っているスプリング状
カンチレバーより成るセンサは、対象物の表面をプロフ
ァイルする。対象物の表面とチップとの間の力は、カン
チレバーをたわませ、このたわみを正確に測定できる。
３ｎｍの空間分解能が達成できる。
【０００６】ＡＦＭの他のバージョン（ｖｅｒｓｉｏ
ｎ）は、ＳＴＭ検出の代わりに光学的検出を含む。この
バージョンでは、ワイヤ端のタングステン・チップは、
圧電振動子に取り付けられる。振動子は、カンチレバー
として作用するワイヤの共振周波数でチップを振動さ
せ、レーザ・ヘテロダイン干渉計は、ａ．ｃ．振動の振
幅を正確に測定する。チップと試料との間の力の傾斜
は、カンチレバーのコンプライアンス（ｃｏｍｐｌｉａ
ｎｃｅ）を変更し、それ故、レバー共振のシフトによる
振幅を導出する。カンチレバーの特性を知っていれば、
力の傾斜、したがって、力自身を推定するために、チッ
プと試料との間隔の関数として振幅を測定することがで
きる。
ｎ）は、ＳＴＭ検出の代わりに光学的検出を含む。この
バージョンでは、ワイヤ端のタングステン・チップは、
圧電振動子に取り付けられる。振動子は、カンチレバー
として作用するワイヤの共振周波数でチップを振動さ
せ、レーザ・ヘテロダイン干渉計は、ａ．ｃ．振動の振
幅を正確に測定する。チップと試料との間の力の傾斜
は、カンチレバーのコンプライアンス（ｃｏｍｐｌｉａ
ｎｃｅ）を変更し、それ故、レバー共振のシフトによる
振幅を導出する。カンチレバーの特性を知っていれば、
力の傾斜、したがって、力自身を推定するために、チッ
プと試料との間隔の関数として振幅を測定することがで
きる。
【０００７】ＡＦＭの最も重要な構成部品は、スプリン
グ状カンチレバーである。与えられた力に対する最大の
たわみが必要とされるので、カンチレバーは、可能な限
り柔らかいことが要求される。同時に、高次固有振動を
有する硬いカンチレバーが、建物からの振動ノイズに対
する感度を最小にするために必要となる。
グ状カンチレバーである。与えられた力に対する最大の
たわみが必要とされるので、カンチレバーは、可能な限
り柔らかいことが要求される。同時に、高次固有振動を
有する硬いカンチレバーが、建物からの振動ノイズに対
する感度を最小にするために必要となる。
【０００８】両方の要求を満足するためには、微細製造
技術によってのみ得ることのできるカンチレバー・ビー
ムの寸法が必要とされる。ＡＦＭの他の最も重要な構成
部品は、チップ自身である。チップの“破壊”は、ＡＦ
Ｍチップの最も生じる欠陥の原因であり、このような欠
陥はカタストロヒック（ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ）で
あり、カンチレバー・ビームとチップ・アセンブリの交
換を必要とする。これは、ＡＦＭの使用に対するおそら
く最大の制約である。
技術によってのみ得ることのできるカンチレバー・ビー
ムの寸法が必要とされる。ＡＦＭの他の最も重要な構成
部品は、チップ自身である。チップの“破壊”は、ＡＦ
Ｍチップの最も生じる欠陥の原因であり、このような欠
陥はカタストロヒック（ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ）で
あり、カンチレバー・ビームとチップ・アセンブリの交
換を必要とする。これは、ＡＦＭの使用に対するおそら
く最大の制約である。
【０００９】ＳＴＭとＡＦＭの両方は原子直径スケール
でプロファイルする潜在的能力を有するが、両方の難し
さは、２次元でトレンチの測定をすることである。ＳＴ
ＭおよびＡＦＭは、２次元チップ移動を検出するために
高性能マルチコネクト干渉計を必要とし、信頼性があり
精密な計測ツールとして有益なＡＦＭに対して、センサ
・チップは製造プロセスで高再現性があり、チップ形状
は高精度に知られねばならない。更に、１μｍ以上の深
さのサブミクロン・トレンチを有するシリコン（Ｓｉ）
メモリ・トレンチのプロファイリングおよび限界寸法
（ＣＤ）測定に対して、高アスペクト比のナノメータス
ケール・チップ形状が、必要とされる。
でプロファイルする潜在的能力を有するが、両方の難し
さは、２次元でトレンチの測定をすることである。ＳＴ
ＭおよびＡＦＭは、２次元チップ移動を検出するために
高性能マルチコネクト干渉計を必要とし、信頼性があり
精密な計測ツールとして有益なＡＦＭに対して、センサ
・チップは製造プロセスで高再現性があり、チップ形状
は高精度に知られねばならない。更に、１μｍ以上の深
さのサブミクロン・トレンチを有するシリコン（Ｓｉ）
メモリ・トレンチのプロファイリングおよび限界寸法
（ＣＤ）測定に対して、高アスペクト比のナノメータス
ケール・チップ形状が、必要とされる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ギガ
ビット・チップの寸法により課せられる計測条件を満足
できる測定技術を提供することにある。
ビット・チップの寸法により課せられる計測条件を満足
できる測定技術を提供することにある。
【００１１】本発明の他の目的は、サブミクロン形状を
高感度で３次元測定できるＡＦＭと組み合わされる歪セ
ンサデバイスを提供することにある。
高感度で３次元測定できるＡＦＭと組み合わされる歪セ
ンサデバイスを提供することにある。
【００１２】本発明の更に他の目的は、カタストロヒッ
クな“破壊”からカンチレバーのチップを保護するＡＦ
Ｍ測定装置を提供することにある。
クな“破壊”からカンチレバーのチップを保護するＡＦ
Ｍ測定装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明によると、圧電薄
膜歪センサが堆積される集積チップステムを担持するカ
ンチレバー・ビームが提供される。高分解能直接電子ビ
ーム（ｅ−ｂｅａｍ）堆積プロセスは、シリコン（Ｓ
ｉ）カンチレバー構造上へシャープなチップを成長する
ために使用される。直接電子ビーム堆積プロセスは、高
いアスペクト比，ナノメータスケール構造の制御可能な
製造を可能にする。４つの電気コンタクトが重ねられる
圧電膜は、チップ・ステム上に堆積される。圧電センサ
は、ＳＴＭのプローブの面と垂直な面において機能す
る。すなわち、線幅表面とのチップ接触は、チップたわ
みを生じ、対応する比例電気信号を発生する。このチッ
プ歪センサは、標準的な一軸ＡＦＭチップと結合され、
カタストロヒックなチップの“破壊”を回避しながら、
より簡単なアプローチで３次元計測を可能にする。チッ
プ“破壊”の可能性は、所定のスレショルドを越える歪
センサから出力される電気信号により検出される。スレ
ショルドを越えるとき、フィードバック制御システム
は、チップの動きを停止し、接触した表面形状からチッ
プを離す。側壁の２次元エッジ検出は、ＡＦＭの原理と
は無関係に、線幅またはオーバレイの絶対値を計算する
ため使用される。この技術は、導電性，非導電性または
半導体の、何れの線幅表面材料にも作用する。
膜歪センサが堆積される集積チップステムを担持するカ
ンチレバー・ビームが提供される。高分解能直接電子ビ
ーム（ｅ−ｂｅａｍ）堆積プロセスは、シリコン（Ｓ
ｉ）カンチレバー構造上へシャープなチップを成長する
ために使用される。直接電子ビーム堆積プロセスは、高
いアスペクト比，ナノメータスケール構造の制御可能な
製造を可能にする。４つの電気コンタクトが重ねられる
圧電膜は、チップ・ステム上に堆積される。圧電センサ
は、ＳＴＭのプローブの面と垂直な面において機能す
る。すなわち、線幅表面とのチップ接触は、チップたわ
みを生じ、対応する比例電気信号を発生する。このチッ
プ歪センサは、標準的な一軸ＡＦＭチップと結合され、
カタストロヒックなチップの“破壊”を回避しながら、
より簡単なアプローチで３次元計測を可能にする。チッ
プ“破壊”の可能性は、所定のスレショルドを越える歪
センサから出力される電気信号により検出される。スレ
ショルドを越えるとき、フィードバック制御システム
は、チップの動きを停止し、接触した表面形状からチッ
プを離す。側壁の２次元エッジ検出は、ＡＦＭの原理と
は無関係に、線幅またはオーバレイの絶対値を計算する
ため使用される。この技術は、導電性，非導電性または
半導体の、何れの線幅表面材料にも作用する。
【００１４】
【実施例】図面、特に、図１を参照すると、図１には、
本発明による１次元ＡＦＭ装置（図示せず）の走査プロ
ーブ・チップ・アッタチメント１０を示す。集積された
チップ・ステム１２を有する標準のカンチレバー・ビー
ム１１を微細加工技術により製造し、伸張したチップ・
ステム１５とチップ構造１６を、例えば、Ｊ．Ｖａｃ．
Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８９年，１１／１
２月，１９４１〜１９４６頁の“Ｄｉｒｅｃｔ ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｆｏｒ
ｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”に記述された、確
立された電子ビーム技術により堆積する。圧電薄膜１７
をチップ・ステム１２上に堆積し、電子ビーム・エッチ
ングにより４つの１／４円弧に分割し、４つの圧電セン
サ１７1 ，１７2 ，１７3 ，１７4 を定める。本発明の
好適な実施は、図２に示すように、圧電薄膜１７として
鉛・ジルコネート・タイタネート（ＰＺＴ）材料を使用
して、歪センサ素子１７1 ，１７2 ，１７3 ，１７4 を
構成する。ＰＺＴ材料は、高周波マグネトロン・スパッ
タと化学的方法を含む、技術的に知られた種々の異なる
プロセスで堆積できる。金属薄膜をパターニングして、
電気導体１８1 ，１８2 ，１８3 ，１８4 を形成する。
これら導体は、各歪センサ素子１７1 ，１７2 ，１
７3 ，１７4 と電気的に接触し、チップ・ステム１２上
にカンチレバー・ビーム１１の下面に沿って延び、ここ
から電気接続１９1 ，１９2 ，１９3 ，１９4 を測定回
路（図示せず）に行う。歪センサ素子１７1 ，１７2 ，
１７3 ，１７4 に対する共通のベース電極は、チップ・
ステム１２自体または導電コーティング（好適にはＰｔ
または導電性酸化物）とすることができる。いずれ場合
でも、絶縁コーティングを、導電ステムまたはコーティ
ングを電気導体１８1 ，１８2 ，１８3 ，１８4 から分
離するために設ける。更に、導電路を、測定電気回路へ
の共通路すなわちリターン路として設ける。導電コーテ
ィング（使用されるならば）と、対応する共通路すなわ
ちリターン路は、説明を簡単にするため図示していない
が、当業者は接続が含まれることを理解できるであろ
う。
本発明による１次元ＡＦＭ装置（図示せず）の走査プロ
ーブ・チップ・アッタチメント１０を示す。集積された
チップ・ステム１２を有する標準のカンチレバー・ビー
ム１１を微細加工技術により製造し、伸張したチップ・
ステム１５とチップ構造１６を、例えば、Ｊ．Ｖａｃ．
Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９８９年，１１／１
２月，１９４１〜１９４６頁の“Ｄｉｒｅｃｔ ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｆｏｒ
ｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”に記述された、確
立された電子ビーム技術により堆積する。圧電薄膜１７
をチップ・ステム１２上に堆積し、電子ビーム・エッチ
ングにより４つの１／４円弧に分割し、４つの圧電セン
サ１７1 ，１７2 ，１７3 ，１７4 を定める。本発明の
好適な実施は、図２に示すように、圧電薄膜１７として
鉛・ジルコネート・タイタネート（ＰＺＴ）材料を使用
して、歪センサ素子１７1 ，１７2 ，１７3 ，１７4 を
構成する。ＰＺＴ材料は、高周波マグネトロン・スパッ
タと化学的方法を含む、技術的に知られた種々の異なる
プロセスで堆積できる。金属薄膜をパターニングして、
電気導体１８1 ，１８2 ，１８3 ，１８4 を形成する。
これら導体は、各歪センサ素子１７1 ，１７2 ，１
７3 ，１７4 と電気的に接触し、チップ・ステム１２上
にカンチレバー・ビーム１１の下面に沿って延び、ここ
から電気接続１９1 ，１９2 ，１９3 ，１９4 を測定回
路（図示せず）に行う。歪センサ素子１７1 ，１７2 ，
１７3 ，１７4 に対する共通のベース電極は、チップ・
ステム１２自体または導電コーティング（好適にはＰｔ
または導電性酸化物）とすることができる。いずれ場合
でも、絶縁コーティングを、導電ステムまたはコーティ
ングを電気導体１８1 ，１８2 ，１８3 ，１８4 から分
離するために設ける。更に、導電路を、測定電気回路へ
の共通路すなわちリターン路として設ける。導電コーテ
ィング（使用されるならば）と、対応する共通路すなわ
ちリターン路は、説明を簡単にするため図示していない
が、当業者は接続が含まれることを理解できるであろ
う。
【００１５】歪センサ素子の１７1 ，１７2 ，１７3 と
１７4 の実施は、種々の幾何学形状を用いて実現でき
る。図１および図２に示す幾何学的形状は、好適であ
る。１つの特定の実施を以下に説明する。 １．ステム自体が、センサのための導電リターン路、ま
たは導電コーティングの層（例えば、Ｐｔまたは導電性
酸化物）および絶縁層ならば、酸化物の絶縁層を堆積す
ることによってステム１２を最初に準備する。 ２．連続のＰＺＴコーティング１７を、チップ・ステム
１５に設け、エッチングして、図示された４つの１／４
円弧構造を形成する。 ３．堆積された材料を、酸素含有環境内で加熱処理し
て、適切なＰＺＴ相へ結晶化し、および露出したカンチ
レバー構造１１とチップ・ステム１２を酸化して、これ
らに電気的絶縁コーティングを行う。 ４．連続する金属薄膜を、ＰＺＴコーティング１７上と
少なくともカンチレバー・ビーム１１の底面とに、オー
バコートとして設ける。 ５．金属薄膜をパターニングして、ＰＺＴコーティング
１７上に４つの１／４円弧コンタクトと電気導体１
８1 ，１８2 ，１８3 と１８4 を形成する。これら電気
導体は、チップ・ステム１２上に延び、およびカンチレ
バー・ビームの底部を長さ方向に沿って延びて、歪セン
サ・コンタクトから配線１９1 ，１９2 ，１９3 ，１９
4 に出力信号を与える。
１７4 の実施は、種々の幾何学形状を用いて実現でき
る。図１および図２に示す幾何学的形状は、好適であ
る。１つの特定の実施を以下に説明する。 １．ステム自体が、センサのための導電リターン路、ま
たは導電コーティングの層（例えば、Ｐｔまたは導電性
酸化物）および絶縁層ならば、酸化物の絶縁層を堆積す
ることによってステム１２を最初に準備する。 ２．連続のＰＺＴコーティング１７を、チップ・ステム
１５に設け、エッチングして、図示された４つの１／４
円弧構造を形成する。 ３．堆積された材料を、酸素含有環境内で加熱処理し
て、適切なＰＺＴ相へ結晶化し、および露出したカンチ
レバー構造１１とチップ・ステム１２を酸化して、これ
らに電気的絶縁コーティングを行う。 ４．連続する金属薄膜を、ＰＺＴコーティング１７上と
少なくともカンチレバー・ビーム１１の底面とに、オー
バコートとして設ける。 ５．金属薄膜をパターニングして、ＰＺＴコーティング
１７上に４つの１／４円弧コンタクトと電気導体１
８1 ，１８2 ，１８3 と１８4 を形成する。これら電気
導体は、チップ・ステム１２上に延び、およびカンチレ
バー・ビームの底部を長さ方向に沿って延びて、歪セン
サ・コンタクトから配線１９1 ，１９2 ，１９3 ，１９
4 に出力信号を与える。
【００１６】１／４円弧コンタクトおよび導電線への金
属薄膜のパターニングは、レーザ・アビレーション，イ
オンミリングまたは電子ビーム処理により最も簡単に行
うことができる。
属薄膜のパターニングは、レーザ・アビレーション，イ
オンミリングまたは電子ビーム処理により最も簡単に行
うことができる。
【００１７】図１に示すように、チップ１６は、プロフ
ァイルされる半導体チップ２０の表面に形成されたトレ
ンチ２１内に延びている。トレンチ２１は、側壁２２と
２３および底部２４を有する。動作中、ＡＦＭ装置は、
ＡＦＭプローブとして、チップ１６のＺ軸方向の振動を
開始し、トレンチ２１の表面から底部へチップを移動す
る。カンチレバー・ビーム１１の振動は、バイモルファ
ス（ｂｉｍｏｒｐｈｏｕｓ）結晶２６により発生し、ト
レンチ深さは、レンズ２７を介してカンチレバー・ビー
ム１１の端部の振動を観察するＡＦＭにより決定され
る。この時点で、チップ振動を終了し、トレンチのＺ軸
方向寸法が決定されている。チップを、表面から離す
（例えば、深さの２０〜８０％）。側壁は、チップたわ
みによる歪が圧電センサにより検出されるまで、Ｘ，Ｙ
方向にチップを移動することにより位置が定められる。
図３は、チップ１６のたわみの関数として１つの圧電セ
ンサの電圧出力を示している。４つのセンサ１７1 ，１
７2 ，１７3 ，１７4 のそれぞれからの信号の相対的振
幅に基づく簡単な幾何学的計算により、ＸおよびＹ座標
が決定され、チップ１６を、反対側の側壁へ移動する。
歪が検出されると、反対側の側壁のＸおよびＹ座標が、
また決定される。次に、再び簡単な幾何学的計算を使用
し、線幅またはオーバレイを計算する。
ァイルされる半導体チップ２０の表面に形成されたトレ
ンチ２１内に延びている。トレンチ２１は、側壁２２と
２３および底部２４を有する。動作中、ＡＦＭ装置は、
ＡＦＭプローブとして、チップ１６のＺ軸方向の振動を
開始し、トレンチ２１の表面から底部へチップを移動す
る。カンチレバー・ビーム１１の振動は、バイモルファ
ス（ｂｉｍｏｒｐｈｏｕｓ）結晶２６により発生し、ト
レンチ深さは、レンズ２７を介してカンチレバー・ビー
ム１１の端部の振動を観察するＡＦＭにより決定され
る。この時点で、チップ振動を終了し、トレンチのＺ軸
方向寸法が決定されている。チップを、表面から離す
（例えば、深さの２０〜８０％）。側壁は、チップたわ
みによる歪が圧電センサにより検出されるまで、Ｘ，Ｙ
方向にチップを移動することにより位置が定められる。
図３は、チップ１６のたわみの関数として１つの圧電セ
ンサの電圧出力を示している。４つのセンサ１７1 ，１
７2 ，１７3 ，１７4 のそれぞれからの信号の相対的振
幅に基づく簡単な幾何学的計算により、ＸおよびＹ座標
が決定され、チップ１６を、反対側の側壁へ移動する。
歪が検出されると、反対側の側壁のＸおよびＹ座標が、
また決定される。次に、再び簡単な幾何学的計算を使用
し、線幅またはオーバレイを計算する。
【００１８】図４は、ＡＦＭを含む全システムを形成す
るブロック図を示す。半導体チップ２０を、Ｘ，Ｙ面の
移動のためにステージ３０上に設ける。ＡＦＭ自体は、
レンズ２７の他に、レーザ・へテロダイン装置３１を有
している。このレーザ・ヘテロダイン装置の出力は、発
生器３３からバイモルファス結晶２６へａ．ｃ．駆動信
号を与える増幅器３２へのＺ軸方向フィードバック信号
である。Ｚ軸方向フィードバック信号を、また、結晶２
６への駆動信号の供給を制御するマイクロプロセッサ・
コントローラ３４ヘ供給する。これは、Ｚ軸方向寸法が
決定されると終了する。Ｚ軸方向寸法を決定した後、チ
ップ１６を、トレンチ底部上の所定の距離へ引き下げ、
Ｘ−Ｙ面でトレンチに対して移動する。これは、コント
ローラ３４により、ステージ３０を移動させることによ
り行う。センサ１７1 ，１７2 ，１７3 ，１７4 からコ
ントローラ３４への出力信号により定められるフィード
バック・ループを、相対的なチップ移動を制御するため
に使用する。このようにして決定された３次元は、デー
タを表示し、印刷し、記憶する適切な出力装置３５にコ
ントローラ３４によって出力される。
るブロック図を示す。半導体チップ２０を、Ｘ，Ｙ面の
移動のためにステージ３０上に設ける。ＡＦＭ自体は、
レンズ２７の他に、レーザ・へテロダイン装置３１を有
している。このレーザ・ヘテロダイン装置の出力は、発
生器３３からバイモルファス結晶２６へａ．ｃ．駆動信
号を与える増幅器３２へのＺ軸方向フィードバック信号
である。Ｚ軸方向フィードバック信号を、また、結晶２
６への駆動信号の供給を制御するマイクロプロセッサ・
コントローラ３４ヘ供給する。これは、Ｚ軸方向寸法が
決定されると終了する。Ｚ軸方向寸法を決定した後、チ
ップ１６を、トレンチ底部上の所定の距離へ引き下げ、
Ｘ−Ｙ面でトレンチに対して移動する。これは、コント
ローラ３４により、ステージ３０を移動させることによ
り行う。センサ１７1 ，１７2 ，１７3 ，１７4 からコ
ントローラ３４への出力信号により定められるフィード
バック・ループを、相対的なチップ移動を制御するため
に使用する。このようにして決定された３次元は、デー
タを表示し、印刷し、記憶する適切な出力装置３５にコ
ントローラ３４によって出力される。
【００１９】本発明の最も価値のある重要な部分は、チ
ップの“破壊”を防止する能力である。“破壊”の防止
は、センサ１７1 ，１７2 ，１７3 ，１７4 からの電圧
出力の絶対値を所定のスレショルドと比較するプログラ
ム・ルーチンを有するマイクロプロセッサ３４により行
うことができる。図３に一般的に示される様に、電圧の
絶対値は、チップたわみのほぼ一次関数であり、スレシ
ョルドはチップ１５の弾性限界内のチップたわみに十分
に対応するように選択する。ルーチンは、センサ１
７1 ，１７2 ，１７3 ，１７4 の出力の各々を所定のス
レッショルドと単純に比較する。より複雑な他のルーチ
ンは、センサからの２つの正の電圧と２つの負の電圧に
簡単な三角関数計算を実行して、チップたわみの方向を
決定する。このようなルーチンは、コントローラにより
実行されるプロファイル計算部分である。電圧振幅の決
定された絶対値は、スレッショルドと比較される。絶対
値がスレッショルドを越えるとき、コントローラ３４
は、プロファイルされる試料に対するチップ１５の移動
を停止し、チップが接触する表面形状からチップを引き
戻す。
ップの“破壊”を防止する能力である。“破壊”の防止
は、センサ１７1 ，１７2 ，１７3 ，１７4 からの電圧
出力の絶対値を所定のスレショルドと比較するプログラ
ム・ルーチンを有するマイクロプロセッサ３４により行
うことができる。図３に一般的に示される様に、電圧の
絶対値は、チップたわみのほぼ一次関数であり、スレシ
ョルドはチップ１５の弾性限界内のチップたわみに十分
に対応するように選択する。ルーチンは、センサ１
７1 ，１７2 ，１７3 ，１７4 の出力の各々を所定のス
レッショルドと単純に比較する。より複雑な他のルーチ
ンは、センサからの２つの正の電圧と２つの負の電圧に
簡単な三角関数計算を実行して、チップたわみの方向を
決定する。このようなルーチンは、コントローラにより
実行されるプロファイル計算部分である。電圧振幅の決
定された絶対値は、スレッショルドと比較される。絶対
値がスレッショルドを越えるとき、コントローラ３４
は、プロファイルされる試料に対するチップ１５の移動
を停止し、チップが接触する表面形状からチップを引き
戻す。
【００２０】好適な測定方法を図５に示す。Ｚ軸方向寸
法を決定した後、チップ１６を、トレンチ深さの２０％
まで最初に引き下げ、側壁２２上の点Ａと側壁２３上の
点Ｄに対してＸ，Ｙ座標を決定する。次に、チップ１６
を、トレンチ深さの８０％まで引き上げ、側壁２２上の
点Ｂと側壁２３上の点Ｃに対してＸ，Ｙ座標を決定す
る。トレンチ２１の計算された幅は、幅ＡＤと幅ＢＣの
平方根に基づいている。
法を決定した後、チップ１６を、トレンチ深さの２０％
まで最初に引き下げ、側壁２２上の点Ａと側壁２３上の
点Ｄに対してＸ，Ｙ座標を決定する。次に、チップ１６
を、トレンチ深さの８０％まで引き上げ、側壁２２上の
点Ｂと側壁２３上の点Ｃに対してＸ，Ｙ座標を決定す
る。トレンチ２１の計算された幅は、幅ＡＤと幅ＢＣの
平方根に基づいている。
【００２１】本発明を唯一の好適な実施例により説明し
たが、当業者は、本発明の趣旨と範囲内で変更できるこ
とが解るであろう。
たが、当業者は、本発明の趣旨と範囲内で変更できるこ
とが解るであろう。
【図１】本発明による２次元集積チップ歪センサ素子と
組み合わされた１次元ＡＦＭシステムに対する走査プロ
ーブ・チップ・アタッチメントを示す斜視図である。
組み合わされた１次元ＡＦＭシステムに対する走査プロ
ーブ・チップ・アタッチメントを示す斜視図である。
【図２】１／４円弧に分割され、重なり電気コンタクト
を有する圧電薄膜を示す、図１のチップ要素の断面図で
ある。
を有する圧電薄膜を示す、図１のチップ要素の断面図で
ある。
【図３】Ｘ軸および／またはＹ軸でチップの横方向の変
位の関数として、歪センサ素子の電圧出力特性を示すグ
ラフである。
位の関数として、歪センサ素子の電圧出力特性を示すグ
ラフである。
【図４】集積チップ歪センサ素子と組み合わされたＡＦ
Ｍシステムを示すブロック図である。
Ｍシステムを示すブロック図である。
【図５】トレンチ内の集積チップ歪センサ素子を示し、
およびシステムの動作を説明するための一部断面拡大図
である。
およびシステムの動作を説明するための一部断面拡大図
である。
１１ カンチレバー・ビーム １２，１５ チップ・ステム １６，２０ チップ １７ 圧電薄膜 １７1 ，１７2 ，１７3 ，１７4 圧電センサ １８1 ，１８2 ，１８3 ，１８4 導電体 １９1 ，１９2 ，１９3 ，１９4 電気接続線 ２１ トレンチ ２２，２３ 側壁 ２４ 底部 ２６ バイモルファス結晶 ２７ レンズ ３０ ステージ ３１ レーザ・ヘテロダイン装置 ３２ 増幅器 ３４ コントローラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘンリ・エイ・カウリー アメリカ合衆国 ニューヨーク州 ヨーク タウン ハイツ グレン ロック ストリ ート 1969 (72)発明者 ラズロ・ランドステイン アメリカ合衆国 ニューヨーク州 オッシ ニング タヴァノ ロード 15
Claims (8)
- 【請求項１】３次元で表面をプロファイルする一軸原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）に組み合わされる集積チップ歪セ
ンサにおいて、 シャープなチップが成長される集積チップ・ステムを担
持するカンチレバー・ビームと、 前記集積チップ・ステム上に堆積された圧電薄膜歪セン
サと、 カンチレバー振動をＺ軸方向に振動させる制御手段とを
備え、前記ＡＦＭ検出カンチレバーは振動して、第１の
表面形状に対するＺ軸方向距離を測定し、その後、前記
制御手段を停止させ、前記第１の表面形状に対して前記
チップを相対的に移動し、前記圧電薄膜歪センサが第２
の表面形状による前記チップのたわみに応じて電気信号
を発生し、前記制御手段は、前記第２の表面形状に対し
てＸおよびＹを決定することを特徴とする集積チップ歪
センサ。 - 【請求項２】請求項１記載の集積チップ歪センサにおい
て、 前記圧電薄膜歪センサは、前記チップ・ステムの周囲の
４つの１／４円弧に分割され、前記各１／４円弧を電気
的に接続しおよび前記制御手段へフィードバック制御信
号を与える金属化コンタクトをさらに備えることを特徴
とする集積チップ歪センサ。 - 【請求項３】請求項２記載の集積チップ歪センサにおい
て、 前記カンチレバー・ビームとチップ・ステムは、シリコ
ンで作製し、高分解能直接電子ビーム（ｅ−ｂｅａｍ）
堆積処理を用いて、前記チップ・ステム上に前記シャー
プなチップを成長することを特徴とする集積チップ歪セ
ンサ。 - 【請求項４】請求項１記載の集積チップ歪センサにおい
て、 前記制御手段は、前記チップのたわみに応じて前記圧電
歪センサにより発生される前記電気信号を比較するスレ
ッショルド手段を有し、前記スレッショルド手段が、前
記チップの“破壊”を回避するために前記表面形状に対
する前記チップの相対的な移動を停止することを特徴と
する集積チップ歪センサ。 - 【請求項５】３次元で表面をプロファイルする一軸原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）に組み合わされる集積チップ歪セ
ンサの製造方法において、 高分解能直接電子ビーム（ｅ−ｂｅａｍ）堆積処理を使
用して、シリコンカンチレバー構造と一体のチップ・ス
テム上にシャープなチップを成長する工程と、 チップ・ステムへ鉛・ジルコニネート・タイタネート
（ＰＺＴ）の連続コーティングを堆積する工程と、 酸素含有環境内で前記堆積材料を加熱処理して、適切な
ＰＺＴ相に結晶化し、露出したカンチレバー構造を酸化
して、電気絶縁コーティングを行う工程と、 ＰＺＴコーティング上とカンチレバー・ビームの少なく
とも底面とに、連続金属薄膜をオーバコートとして設け
る工程と、 前記金属薄膜をパターニングして、電気コンタクトと、
チップ・ステム上を延び、およびカンチレバー・ビーム
の下面に沿って延びる導体を形成して、前記歪センサ・
コンタクトから出力信号線を与える工程と、を含むこと
を特徴とする集積チップ歪センサの製造方法。 - 【請求項６】請求項５記載の集積チップ歪センサの製造
方法において、 前記ＰＺＴコーティングを４つの１／４円弧にエッチン
グする工程をさらに含むことを特徴とする集積チップ歪
センサの製造方法。 - 【請求項７】試料の限界寸法を測定する計測ツール用プ
ローブにおいて、 シャープなチップが成長される集積チップ・ステムと、 前記表面に沿って前記チップを移動する制御手段と、 たわみに応じて発生する電気信号に応答する前記制御手
段を有し、前記チップの移動を制御するフィードバック
手段と、を備えることを特徴とする計測ツール用プロー
ブ。 - 【請求項８】請求項７記載の計測ツール用プローブにお
いて、 前記制御手段は、前記チップのたわみに応じて前記圧電
薄膜歪センサにより発生される前記電気信号を比較する
スレッショルド手段を有し、前記スレッショルド手段
は、前記チップの“破壊”を回避するために前記表面に
対する前記チップの相対的な移動を停止することを特徴
とする計測ツール用プローブ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US999059 | 1992-12-31 | ||
| US07/999,059 US5321977A (en) | 1992-12-31 | 1992-12-31 | Integrated tip strain sensor for use in combination with a single axis atomic force microscope |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06281658A true JPH06281658A (ja) | 1994-10-07 |
| JPH07104360B2 JPH07104360B2 (ja) | 1995-11-13 |
Family
ID=25545847
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5309377A Expired - Fee Related JPH07104360B2 (ja) | 1992-12-31 | 1993-12-09 | 集積チップ歪センサ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5321977A (ja) |
| EP (1) | EP0608655A1 (ja) |
| JP (1) | JPH07104360B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111732073A (zh) * | 2020-06-18 | 2020-10-02 | 东北林业大学 | 一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置及方法 |
Families Citing this family (57)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0468071B1 (en) * | 1990-07-25 | 1994-09-14 | International Business Machines Corporation | Method of producing micromechanical sensors for the AFM/STM/MFM profilometry and micromechanical AFM/STM/MFM sensor head |
| US5155361A (en) | 1991-07-26 | 1992-10-13 | The Arizona Board Of Regents, A Body Corporate Acting For And On Behalf Of Arizona State University | Potentiostatic preparation of molecular adsorbates for scanning probe microscopy |
| US5440920A (en) | 1994-02-03 | 1995-08-15 | Molecular Imaging Systems | Scanning force microscope with beam tracking lens |
| US5646339A (en) * | 1994-02-14 | 1997-07-08 | International Business Machines Corporation | Force microscope and method for measuring atomic forces in multiple directions |
| US5515719A (en) | 1994-05-19 | 1996-05-14 | Molecular Imaging Corporation | Controlled force microscope for operation in liquids |
| US5513518A (en) | 1994-05-19 | 1996-05-07 | Molecular Imaging Corporation | Magnetic modulation of force sensor for AC detection in an atomic force microscope |
| US5866805A (en) | 1994-05-19 | 1999-02-02 | Molecular Imaging Corporation Arizona Board Of Regents | Cantilevers for a magnetically driven atomic force microscope |
| US5753814A (en) | 1994-05-19 | 1998-05-19 | Molecular Imaging Corporation | Magnetically-oscillated probe microscope for operation in liquids |
| JP3229914B2 (ja) * | 1994-12-12 | 2001-11-19 | 日本電子株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡 |
| WO1996028837A1 (en) * | 1995-03-10 | 1996-09-19 | Molecular Imaging Corporation | Hybrid control system for scanning probe microscopes |
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