JPH07198308A - 膜厚測定装置 - Google Patents

膜厚測定装置

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JPH07198308A
JPH07198308A JP35540193A JP35540193A JPH07198308A JP H07198308 A JPH07198308 A JP H07198308A JP 35540193 A JP35540193 A JP 35540193A JP 35540193 A JP35540193 A JP 35540193A JP H07198308 A JPH07198308 A JP H07198308A
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JP
Japan
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sample
probe
tunnel current
film thickness
signal generator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP35540193A
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English (en)
Inventor
Tsugiko Takase
つぎ子 高瀬
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】膜厚分布をnmの分解能で測定できる膜厚測定
装置を提供する。 【構成】試料台24は円筒型圧電アクチュエーター22
に固定されている。試料26の上には、先端に探針14
を備えるカンチレバー12が支持されており、その上
に、変位センサー32と相俟って変位検出光学系を構成
する対物レンズ28が配置されている。アクチュエータ
ー22に駆動電圧を供給するアクチュエーター駆動装置
46はXY走査信号発生装置44とZサーボ信号発生装
置42が接続されている。試料26には、バイアス電圧
を印加するバイアス電圧発生装置38が接続され、探針
14には、トンネル電流を検出するトンネル電流検出回
路40が接続されている。トンネル電流検出回路40と
XY走査信号発生装置44とZサーボ信号発生装置42
の出力に基づいて、試料表面の絶縁膜の厚さを求めると
共に試料表面の像を形成する画像処理解析装置48が設
けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、試料の表面に存在する
膜の厚さを測定する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】酸化シリコン絶縁膜や有機薄膜の膜厚分
布を測定する装置としては、エリプソメ―タ―がよく知
られている。エリプソメ―タ―は、試料に光を照射する
コリメ―タ―ア―ムと、試料からの反射光を受けるテレ
スコ―プア―ムとからなり、試料の表面での反射による
偏光の回転角を求めることにより、試料の表面に存在す
る膜の厚さを測定する装置である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】エリプソメ―タ―で測
定される膜厚は、試料の表面に光を照射して出来たスポ
ット領域内の平均的な厚さであり、また、そのスポット
径はせいぜいサブミクロンオ―ダ―程度である。このた
め、膜厚測定の水平分解能は0.3μm程度が限界であ
り、ミクロンオ―ダ―以下での微小領域の膜厚分布を測
定することは出来ない。
【0004】また、エリプソメ―タ―では、膜厚を求め
るためには、コンピュ―タ―・シミュレ―ションを含む
複雑な計算手法が必要であり、膜厚を1nm以下の精度
で計測することが難しい。本発明は、膜厚を1nm以下
の精度で計測することのできる膜厚測定装置を提供する
ことを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、導電性の試料
の表面に存在する絶縁膜などの膜厚を測定する膜厚測定
装置であって、鋭く尖った先端を持つ導電性の探針と、
探針を自由端部で支持しており、探針が試料から受けた
力に応じて弾性変形するカンチレバーと、探針の変位を
検出する手段と、探針と試料の間隔を一定に保つように
制御するサーボ制御手段と、探針を試料表面に沿って走
査する走査手段と、試料にバイアス電圧を印加するバイ
アス電圧印加手段と、試料がバイアスされたことにより
探針に流れるトンネル電流を検出するトンネル電流検出
手段と、トンネル電流検出手段により検出されるトンネ
ル電流を試料表面の膜の厚さに換算する処理手段とを備
えている。
【0006】
【作用】探針は、探針先端と試料表面の原子の間に原子
間力が発生する距離(たとえば0.5nm程度)に、試
料に近づけて支持される。このためカンチレバーの自由
端部が変位する。この変位を一定に保つように探針試料
間距離を制御しながら、探針を試料表面に沿って走査す
る。従って、探針先端は、試料表面から常に一定の距離
だけ離れて移動する。つまり、探針先端は、試料表面に
平行な曲面上を移動することになる。
【0007】試料にはバイアス電圧が印加されているた
め、探針先端と試料表面の間にはトンネル電流が流れ
る。このトンネル電流はトンネル電流検出手段によって
検出される。トンネル電流Jは、プ―ル・フレンケルの
定理に基づくと、次式で表される。
【0008】 J=Aexp{−(b1 d1 +b2 d2 )} ここに、b1 は空気中でのトンネル確率を表す定数、b
2 は絶縁膜中でのトンネル確率を表す定数、d1 は空気
中のトンネルギャップの幅、d2 は絶縁膜の厚さであ
る。b1 とb2 は既知の値であって、d1 は、探針と試
料の間に働く原子間力の大きさと、原子間力の距離依存
性(いわゆるフォ―スカ―ブ)から求められる。処理手
段は、サーボ制御手段から情報を取り込みd1 を求め、
トンネル電流検出手段により検出されるトンネル電流J
から絶縁膜の膜厚d2 を演算により求める。この膜厚測
定は0.1nm程度の分解能で行なえる。
【0009】
【実施例】次に本発明の実施例の膜厚測定装置について
図1と図2を参照して説明する。図1に示すように、試
料26を載せるための試料台24は、円筒型圧電アクチ
ュエーター22の上端に固定されている。円筒型圧電ア
クチュエーター22の下端は、装置本体18の基底部に
設けた、試料を位置を調整するための三次元ステージ2
0に固定されている。
【0010】試料26の上には、先端に探針14を備え
るカンチレバー12が支持されている。このカンチレバ
ー12は、カンチレバー位置調整機構16を介して装置
本体18に取り付けられている。
【0011】カンチレバー12の上には、対物レンズ2
8が配置されている。この対物レンズ28は、変位セン
サー32と相俟って、探針14の変位を検出する変位検
出光学系を構成している共に、接眼レンズ34と相俟っ
て、試料26の表面を光学的に観察する観察光学系を構
成している。対物レンズ28の上には、変位検出光学系
と観察光学系とを光学的に分離するビームスプリッター
30が配置されている。また、接眼レンズ34の上に
は、試料26の表面の光学像を電気的な情報に変換する
CCD36が設けられている。
【0012】円筒型圧電アクチュエーター22には、そ
の各駆動電極に駆動電圧信号を供給するアクチュエータ
ー駆動装置46が接続されている。アクチュエーター駆
動装置46にはXY走査信号発生装置44が接続されて
いる。XY走査信号発生装置44は、探針14が試料2
6の表面に沿って走査されるように円筒型圧電アクチュ
エーター22を制御する指令(XY走査信号)をアクチ
ュエーター駆動装置46に出力する。
【0013】また、アクチュエーター駆動装置46には
Zサーボ信号発生装置42が接続されている。Zサーボ
信号発生装置42は、変位センサー32の出力が一定に
保たれるように円筒型圧電アクチュエーター22を制御
する指令(Zサーボ信号)をアクチュエーター駆動装置
46に出力する。
【0014】試料26には、試料26と探針14の間に
所定の電位差が生じるように試料26にバイアス電圧を
印加するバイアス電圧発生装置38が接続されている。
また、探針14には、探針14と試料26の間に電位差
があるために両者の間に流れるトンネル電流を検出し、
その大きさに対応したトンネル電流信号を出力するトン
ネル電流検出回路40が接続されている。探針14とト
ンネル電流検出回路40の電気的な接続は、カンチレバ
ー12に設けた電極を介して行なわれている。
【0015】さらに、トンネル電流検出回路40とXY
走査信号発生装置44とZサーボ信号発生装置42の出
力に基づいて、試料26の表面の絶縁膜の局所領域の厚
さを求めると共に試料26の表面形状の像を形成する画
像処理解析装置48が設けられている。
【0016】図2に示すように、本実施例の膜厚測定装
置には、通常のエリプソメーターも設けられている。エ
リプソメーターは、観察用ビームを試料に照射するアー
ムとコリメーターアーム50と、その反射光を受けるテ
レスコープアーム52とからなっている。このふたつの
アーム50と52は、両者の相対的な位置が固定された
まま、試料台24に対して三次元移動できるように支持
されている。コリメーターアーム50は、単色のレーザ
ー光を発する光源、光軸に対して直交しかつ回転できる
ように配置された偏光板と補償板、偏光子の回転角を検
出する機構を有している。テレスコープアーム52は、
検光子と光検出系、さらに検光子の角度を検出する機構
を有している。
【0017】次に、試料表面の絶縁膜の厚さを測定する
手順について説明する。本実施例の装置による膜厚の測
定は、エリプソメーターによって比較的広範囲な領域の
平均的な膜厚を測定する手順と、その領域内の局所的な
部分の膜厚を探針を用いて測定する手順とからなってい
る。つまり、図3に示すように、試料26の表面にエリ
プソメーターによる測定領域54を設定し、その領域5
4の平均的な厚さを測定した後、その領域内に多数の測
定点56を設定し、各測定点毎に探針による測定を行な
い、各測定点56の膜厚を測定する。
【0018】最初のエリプソメーターによる測定は次の
ようにして行なわれる。エリプソメーターのコリメータ
ーアーム50から射出される観察用ビームを試料26の
表面に合焦させる。これにより1ミクロン程度のスポッ
トが形成される。続いて、観察用ビームのスポットが探
針14の位置に来るように、エリプソメーターのアーム
50と52を動かして位置を調整する。そして、カンチ
レバー位置調整機構16を用いてカンチレバー12を測
定領域から取り除く。
【0019】エリプソメーターによる膜厚測定は次のよ
うにして行なわれる。コリメーターアーム50の補償板
(λ/4板)の±π/4の方位角に固定し、偏光子を回
転させて検出器の出力が最小になる方位角Pを求め、続
いて検光子を回転させて検出器の出力が最小になる方位
角Aを求める。偏光子の方位角Pと検光子の方位角Aか
らΔ(=−π/2−P)とΨ(=π−A)を求める。こ
のΔとΨの値に基づいて試料26の表面の絶縁膜の膜厚
を計算する。
【0020】次の探針による測定は次のようにして行な
われる。カンチレバー位置調整機構16を用いて、カン
チレバー12の自由端に設けた探針14を観察用ビーム
のスポット内に配置し、続いて、探針14が試料から原
子間力を受けて、カンチレバー12の自由端が所定の変
位を生じるように調整する。探針14と試料26の間隔
は、この変位が常に一定に保たれるように、制御され
る。
【0021】また、試料26にはバイアス電圧が印加さ
れているため、探針14と試料26の間にはトンネル電
流が流れる。このトンネル電流はトンネル電流検出回路
40によって検出される。トンネル電流は試料26の表
面に存在する絶縁膜の厚さに依存している。トンネル電
流Jは、プ―ル・フレンケルの定理に基づき、次式で表
される。
【0022】 J=Aexp{−(b1 d1 +b2 d2 )} ここに、b1 は空気中でのトンネル確率を表す定数、b
2 は絶縁膜中でのトンネル確率を表す定数、d1 は空気
中のトンネルギャップの幅すなわち探針14と試料26
の間隔、d2 は絶縁膜の厚さである。b1 とb2 は既知
の値で、d1 は前述したように一定に保たれ、その値は
原子間力の距離依存性(いわゆるフォ―スカ―ブ)から
求められる。従って、絶縁膜の厚さd2 は、画像処理解
析装置48において、次の演算を行なうことにより算出
される。
【0023】 d2 =−{log(J/A)−b1 d1 }/b2 探針14は試料26の表面に沿って走査され、その間、
画像処理解析装置48はトンネル電流信号とZサーボ信
号を同時に取り込んで処理することにより、試料26の
表面上の特定の局所的な領域での絶縁膜の厚さ情報と高
さ情報を得る。これらの情報をXY走査信号と同期させ
て処理することで、試料26の表面形状の画像と絶縁膜
の厚さの分布を得られる。この計測結果は、水平方向と
垂直方向の両方とも0.1nmの分解能をもって得られ
る。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、試料表面の絶縁膜の膜
厚分布をナノメートルの分解能で計測できる膜厚装置が
提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の膜厚測定装置の構成を示す図
である。
【図2】図1の膜厚測定装置の正面図である。
【図3】エリプソメーターによる測定領域と探針による
測定点を示した図である。
【符号の説明】
12…カンチレバー、14…探針、22…円筒型圧電ア
クチュエーター、28…対物レンズ、32…変位センサ
ー、38…バイアス電圧発生装置、40…トンネル電流
検出回路、42…Zサーボ信号発生装置、44…XY走
査信号発生装置、46…アクチュエーター駆動装置、4
8…画像処理解析装置。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 導電性の試料の表面に存在する絶縁膜な
    どの膜の厚さを測定する装置であって、 鋭く尖った先端を持つ導電性の探針と、 探針を自由端部で支持しており、探針が試料から受けた
    力に応じて弾性変形するカンチレバーと、 探針の変位を検出する手段と、 探針と試料の間隔を一定に保つように制御するサーボ制
    御手段と、 探針を試料表面に沿って走査する走査手段と、 試料にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段
    と、 試料がバイアスされたことにより探針に流れるトンネル
    電流を検出するトンネル電流検出手段と、 トンネル電流検出手段により検出されるトンネル電流を
    試料表面の膜の厚さに換算する処理手段とを備えている
    膜厚測定装置。
JP35540193A 1993-12-29 1993-12-29 膜厚測定装置 Withdrawn JPH07198308A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003294436A (ja) * 2002-01-22 2003-10-15 Fei Co 統合測定方法およびシステム
CN102645154A (zh) * 2012-05-03 2012-08-22 东南大学 基于环形电桥结构的水膜厚度检测传感器及其检测方法
KR102113586B1 (ko) * 2019-01-10 2020-05-21 한국항공대학교산학협력단 재료의 전도 특성 차이를 이용한 코팅 두께 측정 장치

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