JPH0781855B2 - 微細表面形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、検査する材料の種類を問わず、微細表面構造
を超高解像度で調査し形状測定するための、改良された
手法に関するものである。

サブミクロン級の解像度で任意の表面形状の３次元マツ
プを得る能力をもつ高解像度非接触プロフアイラは、大
変有益である。かかるツールの用途の例は多数あり、半
導体や導体や絶縁体のエツチされた線やヴアイアのプロ
フイルの検査、膜の厚さや表面の粗面度の測定、生物学
的検査などが含まれる。VSLIウエハ上のデバイスの寸法
が小さくなるにつれて、幾何形状パラメータを監視し測
定できることがますます重要になつてくる。これらの構
造を非接触式で材料の種類に依存しない方式で測定でき
ることは、開発上も製造上も重要な測定上の必要であ
る。

B.従来技術 表面構造を検査するための周知の方法は、肉眼による視
覚検査である。しかし、裸眼の光学的解像力には自ずか
ら限界がある。しかし、最良の光学機器を用いても、自
然光につきものの限界に突き当たる。

電子顕微鏡など、可視光よりも有効波長の短い放射線で
動作する装置を使つて、解像力をさらに向上させること
ができる。しかし、電子顕微鏡にはいくつかの難点が認
められている。第一に、電子顕微鏡は真空中で動作す
る。第二の欠点は、大きな段差の形状プロフイルを得る
ことができないことである。また、電気顕微鏡を使つて
絶縁材料上の構造を検査するとき、絶縁材料表面の荷電
のために、正確な結果が得難い。光学顕微鏡と比べて、
横解像力は著しく改善される。しかし、垂直解像力は、
本来的にフイールド深度が大きいために大幅に制限され
る。

表面構造を検査する装置は、電磁放射線またはサンプル
表面と相互作用する粒子放射線を使つて動作する。厳密
に言うと、原子または分子領域で構造を解像できる機器
は、視覚検査できる像を生成するという意味では表面を
結像しない。しかしかかる機器は、サンプル表面の構造
および組成について結論を出すのに充分な情報を提供す
る。たとえば、表面での低エネルギ電子の選択的回折を
観測する装置（LEED）がある。別の装置は、二次イオン
の質量分光測定（SIMS）を使用する。

顕微鏡検査の語は、同じエネルギの放射線で表面を結像
する場合に用いる。電圧または周波数の異なる放射線、
すなわちエネルギの変動する放射線を用いる場合、一般
に分光測定の語を用いる。両用の機器は、分光測定検査
もできる場合でも通常は顕微鏡と呼ばれる。

これらの既知の機器はすべて、表面検査を充分な真空中
で行なうことが必要である。温度は極低温領域でできる
だめ低くすべきである。使用される粒子は、印加電解の
影響下で高真空中を移動する遊離の粒子である。これら
の粒子は、もちろん何らかの陰極またはイオン源によつ
て予め遊離させる必要がある。

表面構造の検査において最近の大きな進歩は、1982年８
月10日付けでビンニヒ（Binnig）等の米国特許第434399
3号に開示されている。この発明は、真空トンネル効果
を利用した装置に関するものである。そのために超高真
空チエンバを絶対０度付近の極低温にまで冷却する。導
電性サンプルをこの超高真空チエンバに入れる。サンプ
ルは、走査電極として働く微細な導電性テイツプに対し
てベース電極として働く。走査電極はベース電極の上方
数Åの所に吊り下げる。

原子系または固体中では、荷電粒子が、長距離の反撥力
成分と短距離の引力成分からなる相互作用を受ける場
合、合成力がポテンシヤルの壁または障壁を作成する。
古典的概念によれば、かかる障壁は、その障壁よりも大
きなエネルギをもつ粒子だけが越えられる。とはいえ、
粒子が充分なエネルギを持つていなくとも、ポテンシヤ
ル障壁を飛び越えられる粒子の数が、ポテンシヤル障壁
毎に決まつている。ある意味で、それらの粒子はトンネ
ルを通つてポテンシヤル障壁をくぐり抜ける。このいわ
ゆるトンネル効果は、波動力学によつてしか説明できな
い。原子の粒子は、その性質の一部した粒子力学で説明
できず、その性質の残りの部分は波動説によつてのみ解
釈されるという点で２重の性質をもつている。トンネル
効果とは、ある意味では、異なる媒体の界面における波
整合現象と匹敵する波の特性である。

トンネル効果によれば、ポテンシヤルによつて結合され
た有限の数の電子が、低い電圧差のときでもトンネル障
壁を越えられる確率が計算できる。トンネル障壁は、固
体中の薄い層によつてもたらされる。越えるべき高真空
距離が数百Åのとき、高真空もトンネル障壁となり得
る。一部の結合電子は、かかる距離をトンネル式に通り
抜けることができる。真空トンネル障壁での初期の実験
で、テイツプを対向電極から小さな距離だけ上方に吊り
下げたとき、微細な導電性テイツプから平坦な対向電極
と非常に弱いトンネル電流か流れた。しかし、ビンニヒ
等の開発以前には、実験は高価な装置を必要とし、技術
上かなり困難があるために時間がかかるものであつた。
一回の測定点を得るのに数時間を要することがしばしば
であつた。一連の測定には数日を要した。

ビンニヒ等の発明以前には、電界電子の放出を用いた実
験も行なわれた。これは、微細テイツプを電子源または
いわゆる冷陰極として使うものである。強い電界の影響
下で、電子は放出テイツプから遊離され、加速されて画
面ないし感光層に衝突する。真空中を電子が移動する距
離は、結合電子によりその範囲内で真空トンネル効果が
可能な短い距離よりもかなり長い。しかし、ビンヒニ等
によると、テイツプの金属から真空中を通つて検査中の
表面までまたはその逆方向の間にある遊離電子のみが、
トンネル効果を利用する。

走査型トンネル顕微鏡は、それが考案されたときは、大
きな改良であったが、かかる機器を実現するには、かな
りの技術的困難を克服しなければならなかった、この装
置は、一般に10^-10トル以下の超高真空で動作させなけ
ればならない。その上、温度は絶対０度にできるだけ近
くすべきである。すなわち、4.2゜Kの液体ヘリウム温度
よりも低い極低温が必要である。動作温度は１゜Kより
も低くすべきであり、0.3゜Kよりも低いことが好まし
い。このような極端な条件の下で、位置調節駆動機構が
なお動作し、数Åの感度をもたなければならない。駆動
機構は、また正確にかつ再現可能に位置決めできる能力
を持たなければならない。装置に検査すべきサンプルを
投入するとき、駆動機構は検査の始めに数ミリメートル
の距離を比較的粗まかに移動しなければならない。しか
し、実際の検査中は、数分の１Å程度の精度で非常に微
細に動作できなければならない。振動を完全になくする
ため、特に注意を払うべきである。通常、数Åという機
器の動作範囲と同程度の変動を生じる、熱変動は、極端
な冷却によつて既に大部分除去されている。しかし、あ
らゆる音波パルスは、どれだけ小さなものでも、材料内
部に邪魔な弾性波を生じるはずである。したがって、機
器の基本的部分を最適の形で懸垂または支持することも
非常に重要である。

C.発明が解決しようとする問題点 本発明のもとになつたのは、従来技術および既存の問題
点に関する知識であつた。たとえば、走査型トンネル顕
微鏡の利点、とくにその微細表面構造を高解像度高速非
破壊で図形表示する能力によつて得られる利点を実現
し、欠点は回避しようとする試みが追求されてきた。た
とえば、走査型トンネル顕微鏡は導電体および半導体の
表面測定に限られるが、本発明は、材料の種類を問わな
い。また、走査型トンネル顕微鏡は、比較的小さな比率
の形状変化（水平寸法100Åの変化毎に最大限約20Åま
での垂直寸法の変化）しか正確に測定できないが、本発
明は、変化の大きさと比率がずつと大きな形状に適応で
きる。本発明のもう一つの大きな利点は、走査型トンネ
ル顕微鏡のような超冷却や真空を必要とせず、広い気圧
と温度の範囲で実行できることである。

本発明は、横解像度300Å以下、奥行解像度１Å以下で
任意の表面の形状の特徴を測定する能力をもつ、高解像
度非接触プロフイロメータである。これは、走査型トン
ネル顕微鏡と考え方が類似した原理にもとづいている。
ただし、極小テイツプと検査すべき表面（固体または液
体）の間の結合は、電子的トンネリング電流にもとづく
ものではなく、熱的相互作用である。

D.問題点を解決するための手段 プロフイロメータの基本要素は、極小寸法に作成できる
熱電対などの温度センサである。1972年という早い時期
に、電気研磨法を用いて、テイツプ直径が約100Åのタ
ングステン・テイツプが、制御可能な方式で作成され
た。極小熱電対を作成するため、かかるテイツプ付近の
小さな領域を除くタングステン材料の全領域わたつて薄
い絶縁体ないし薄い誘電材料を応い、テイツプを電気的
に絶縁することができる。次にタングステンと絶縁体を
タングステン以外の導体または半導体の薄い層で被覆す
ると、テイツプに熱電対接合ができる。内側導体と外側
導体の間の差電圧を測定することにより、テイツプに生
じた熱電圧を、タングステン・プローブの遠隔端で検出
することができる。これによつて、10^-24m³という小さ
な体積上の局部温度を測定する手段が得られる。

接合部によつて周波数f₁で電流がドライブされると、短
い初期時間の後に、テイツプはドライブ電流の２倍の周
波数2f₁の振動成分を有するある定常状態温度に達す
る。この正弦波状のあるいは実質的には直流形の温度値
は、テイツプと周囲環境の間の熱伝達、すなわちテイツ
プ上の“熱負荷”の程度によつて決まる。次にテイツプ
を固体表面に近づけると、テイツプは熱負荷を受け、そ
のためテイツプから周囲媒体を通つて固体表面の材料中
に熱が伝わるために固体表面の存在によつてテイツプの
温度が影響を受ける。テイツプが周波数f₂で垂直に振動
すると、テイツプとサンプルの間の距離が変調され、そ
れに応じて固体表面によつて起こる温度負荷が変調され
る。その結果、熱電対テイツプで差周波数（2f₁−f₂）
で温度変動が生じる。差周波数での信号の振幅は、表面
に対するプローブの平均位置によつて決まる。しかし、
このようにして形状情報を抜き出すのではなく、サーボ
・ループを使つて、表面に横に走査中、差周波数信号を
維持できるように、表面に対するテイツプの平均位置を
調節する。この場合、差周波数信号の振幅を一定に保つ
のに必要なエラー（またはフイードバツク）信号は、固
体の形状のレプリカとなる。こうして、走査域全体を通
して信号雑音比が一定に保たれる。

プローブ・テイツプは、熱分配源であり、かつその検出
器なので、検査中の表面に接触せずにプロフイルを得る
ことができる。かかる方法のもう一つの魅力的な特徴
は、熱がテイツプから検査中の表面に伝わる際の空気の
熱インピーダンスが、絶縁体、半導体、金属を含めてど
の固体や液体よりも非常に大きいことである。この不一
致のために、材料の種類に依存しないプロフアイリング
が可能となる。すなわち、その表面が金属、半導体また
絶縁体あるいはそれらの組合せからなるものがどうかを
問わず、集積回路に対する較正なしにプロフイルを得る
ことができる。この材料特性に依存しないことは、熱的
および機械的相互作用のかなり独自の特性であり、実用
上非常に大きな意味がある。かかるプローブの横解像度
は、テイツプの寸法に近いことが予想される。100Åの
プローブが作成できる場合、そのために横プロフアイリ
ング解像度が同じ寸法になる。より大きな寸法でプロフ
イル測定を行なうことも同じくらい興味があるかもしれ
ない。実際に、1000Åから10ミクロンの解像度での非接
触プロフイル測定には多数の用途がある。プローブ・テ
イツプと解像度が1000〜5000Åの場合でも、この方法
は、非接触という特徴のため、一般にサンプルを破壊す
る既存の機械的スタイラス法に比べると、非常に魅力的
である。

熱電対の使用だけが負荷温度を検出する唯一の方法では
ない。電気伝導度がその温度に強く依存する材料をテイ
ツプに使うことにより、接合部にサミスタを作成するこ
ともできる。検出は、熱電対でもサミスタでも本質的に
は異ならず、光学的方法を含めて、他の方法も可能であ
る。

本発明の方法の背後にある考え方によると、空気ではな
く別の結合材料、たとえば水を使う場合、固体の熱イン
ピーダンスがテイツプの温度負荷に影響を与え始めるこ
とがあることも予想される。この条件下でプローブを使
つて高い空間解像度の固体の熱特性を測定できる。固体
の熱特性の高解像度の像も可能なことがある。

本発明は、生物学的標本、ウイルスや小型の細菌などTE
M（透過式電子顕微鏡）のコントラストが非常に弱いも
のを見るのに、多数の重要な用途がある。たとえば、細
胞表面の形状の直接マツピングは、現在細胞を凍結破壊
し、次に細胞の断面を電子顕微鏡で見ることによつてし
か行なえない。本発明を用いると、細胞表面の非破壊検
査が可能となる。また、形状情報として表面に現われる
材料の重要な物理的特性は多数ある。本発明を用いる
と、かかる特性がひずみおよび光学的吸収として測定で
きる。かかる高い横および奥行解像度でプロフイルでき
る能力からどんな新しい情報が引き出せるかは、想像の
域を出ない。

E.実施例 ここで図面、まず第１図を参照すると、本発明にもとづ
く表面構造22の検査に適した装置20の概略構成図が示さ
れている。装置20は、上記の米国特許第4343993号に開
示されている走査型トンネル顕微鏡とは違つて、その操
作に超高真空、極低温の隔離された環境を必要としな
い。実際に、装置20は、ある程度の隔離が望ましいこと
があるが、通常の室温および圧力で作動できる。

サンプルの表面構造22は、材料が電気導体、絶縁体また
は半導体のいずれであろうと、無制限にどんな材料から
構成されるものでもよい。液体の表面でも、それがプロ
ーブの環境と異なるものである限り、検査できる。その
上、装置20は最も不規則な表面でも検査できるので、サ
ンプルの表面構造22の粗面度は極端なものでもよい。

第１図に示すように、微細走査テイツプ26を含むプロー
ブ24を、サンプルの表面構造22から短距離だけ離して吊
り下げる。構造22と走査テイツプ26は、もちろん寸法を
誇張して概略的に示してある。構造22と走査テイツプ26
は、適当な方法で互いに対して３次元で移動させること
ができる。このことを、図では直交する３本の軸Ｘ、
Ｙ、Ｚは象徴的に示してある。説明の都合上、第１図の
プローブ24は、３つの圧電式駆動機構28、30、32を含む
ものなど、適当な駆動機構27（第２図）を備えているも
のとして示してある。圧電式駆動機構28と30は、横方向
Ｘ、Ｙに動作する。たとえば、これらの駆動機構は、プ
ローブ24に作用して、テイツプ26を一般に表面構造22と
平行な方向に移動させる。あるいは、プローブ24を固定
して、表面構造22を走査テイツプ26に対して移動させる
こともできる。垂直圧電式駆動機構32は、Ｚ方向で表面
構造22と走査テイツプ26の相対位置を調節する。

プローブ24を制御し、検査結果を分析して示す手段も、
第１図に概略的に示してある。具体的にいうと、測定装
置34は電子制御手段の一部分であり、適当な方式でプロ
ーブ24ならびに圧電式駆動機構28、30、32に接続されて
いる。制御システム36は、測定装置34に接続され、垂直
圧電式駆動機構32に作用する。測定装置34は分析システ
ム38に接続され、分析システム38は適当な表示手段、た
とえばプロツタ40および表示画面42に接続されている。

通常、構造22とプローブ24の機械的寸法ならびにそれら
の可能調節範囲は極めて小さい。また、電子制御装置
は、精密に作動しなければならず、測定装置34は極めて
高感度でなければならない。走査テイツプ26は、通常、
サンプルの表面構造22の上方を約Å〜1000Å程度の距離
を置いて移動する。走査テイツプ26は、どちらの要素も
損傷しないようにするため、表面構造に衝突できないよ
うにしなければならない。同時に、走査テイツプ26は、
表面構造22が走査テイツプに対して放熱能力をもたない
ほど表面構造22から離れていてはならない。

次に第２図に移ると、走査テイツプ26の構造が概略的に
示されている。走査テイツプ26は、一般に端部44に向つ
て先細となつた円筒形である。中心の構造要素46は、タ
ングステンなどの導電性材料で作ることができ、電気エ
ツチ法または電気研摩法を用いて、通常100Å程度以下
に制御可能な方式で作成できる。要素46は、端部44付近
の小さな領域を除く構造要素の全領域が絶縁体ないし誘
電材料48の薄い層で電気的に絶縁されている。誘電材料
48の一例は、ユニオン・カーバイト社（Union Carbide
Corporation）から“パリレン−C"の商標で販売されて
いる物質である。構造要素46と誘電層48は、テイツプ26
上にイオン・ビーム・スパツタされたニツケルなどの薄
い導電層50で被覆され、端部44に隣接する熱電対接合52
となつている。

短い初期時間の後起電力源54によつて熱電対接合52中を
電流がドライブされると、走査テイツプ26の端部44は定
常温度に達する。温度の値は、周囲環境によるデイツプ
温度の熱負荷の量によつて決まる。次に走査テイツプ26
を表面構造22に近づけると、テイツプ温度は表面構造22
による負荷の影響を受ける。すなわち、第３図からわか
るように、曲線56は、テイツプが比較的高温で表面構造
が比較的低温であると仮定して、テイツプ温度と、サン
プルの表面構造22からの分離距離Ｚとの関係を示すプロ
ツトである。もちろん、テイツプが比較的低温で表面構
造が比較的高温である逆の状況も考えられる。曲線56
は、テイツプが表面構造22から離れている定常温度に到
達したときの領域58から、テイツプが表面構造に近接し
ているときの最低温度の領域60へと下方に伸びている。

表面構造22の熱伝導度は、プローブ24が入つている空気
または周囲媒体よりもずつと大きいことが認められる。
すなわち、走査テイツプ26が表面構造に近接すると、テ
イツプの方が周囲空気よりも伝導度がずつと大きい、す
なわち、ずつと効果的な吸熱体であるため、より多くの
熱流束がテイツプを離れる。今までの議論は、定常温度
が表面構造の温度よりも高いと仮定したが、実際には定
常温度が表面構造の温度よりも低くなることも同じ位あ
り得る。すなわち“熱源”の語は、必要な場合、広義と
して“吸熱体”を含むものとする。

本発明の操作は、周囲環境が空気その他の気体で表面構
造が固体である普通の状況だけには限定されないことを
了解すべきである。実際に、本発明は、周囲環境と表面
構造が異なる液体であつたり、周囲環境が気体で表面構
造が液体であるなど、他の状況にも適用できる。

しかし、走査テイツプ26は表面構造22の吸熱能力だけで
なく、環境温度の変化の影響も受ける。たとえば、定常
状態温度は、第３図では領域58で発生するものとして示
してあるが、環境温度が上がると上がり、また逆に環境
温度が下がると下がる。ただし、装置20はかかる環境変
化の影響を受けないように設計されている。

具体的にいうと、分析手段38は、曲線56の有限値を微分
して、表面構造22からの距離が所与の値Ｚの所での温度
変化率を表わす曲線62（第４図）を生成することができ
る適当な電子回路を含んでいる。曲線62の特性を有する
出力を得るため、走査テイツプ26を数百Åの程度の小さ
な振幅で振動させる。すなわち、第３図からわかるよう
に、走査テイツプ26が曲線56の中間領域64で範囲ΔＺに
わたつて振動すると、温度がΔT₁だけ変調される。同じ
理由により、領域60で同じ振幅の振動ΔＺに対して、温
度変調ΔT₂が得られ、領域58と64の中間の領域66では同
じ振動範囲に対して温度変調ΔT₃が得られる。

したがつて、第３図から、ΔT₂はΔT₁よりもずつと小さ
いが、ΔT₃はΔT₁よりもずつと大きいことがわかる。す
なわち、温度の変動速度は、表面構造22から走査テイツ
プ26までの距離が増えるにつれて増える。その上、この
温度変化の勾配は、周囲環境中での温度変化によつて余
り変化しない。

ここで第５図に移ると、プローブ24のやや修正した構造
が示されている。第２図を参照すると、走査テイツプ26
用の駆動機構27が圧電式駆動機構32（第１図参照）を発
振させる周期的起電力源68によつて付勢されたことを思
い出すはずである。この周期的起電力源は、周波数Wmで
動作する。

本発明を構成する構成要素はすべて微小寸法なので、潜
在的雑音源を除去するため大きな努力を払わなければな
らない。この最終結果を達成するための秀れた方法は、
テイツプの加熱およびテイツプに付与される運動を変調
して、これらの例で使用される周波数が異なるようにす
ることである。周期的起電力源70を用いて実現できるよ
うに走査テイツプ26における熱を周波数Whで変動させテ
イツプと表面構造22の間隔を周波数Wmで変動させること
により、テイツプの温度変動の成分は、周波数Wm−Whま
たは周波数Wm＋Whで存在することになり、走査テイツプ
26の端部44にある熱電対接合52からなる温度センサでそ
れを検出できる。

第２図および第５図からわかるように、走査テイツプ26
は、表面構造22の上方を約10〜1000Å程度の距離を置い
て横方向の矢印74の方向に移動する。走査テイツプ26
は、両者の損傷を防止するため表面構造22にぶつかつて
はならないが、また温度変動が存在しなくなるほど表面
構造の表面から離れた位置に移つてもならない。走査テ
イツプ26の端部44の直径または幅は、一般に100〜5000
Åの範囲内でよい。周知の製造技術を適用すると、端部
44の直径または幅は最終的には100Å以下にすることが
できると予想される走査テイツプ26が、狭い焦点しかも
たず形状の急激な大幅の変化についていけない走査型ト
ンネル顕微鏡の欠点をもたないことは注目に値する。す
なわち、走査テイツプ26の熱せられた接合は、約270゜
に渡たる周囲、即ち第２図の走査テイツプ26の左側面か
ら右側面に至る外界の領域に向かって熱を伝搬すること
ができる。従って、テイツプが険しい外形を持つ表面を
横切る際に、深い溝の急な側壁等と接触する前に、その
存在を感知することができ、制御システム36は、テイツ
プの衝突を回避するために、時間と共に反応することが
可能である。

第４図からわかるように温度変動は表面構造22からの距
離Ｚに大きく依存するため、垂直の圧電式駆動機構32
は、特に正確でなければならないことが注目される。駆
動機構27は、あらゆる方向で小さな距離にわたつて調節
可能でなければならないだけでなく、設定位置も一定で
再現可能でなければならない。圧電式駆動機構28、30、
32は、かかる動作が可能である。もちろん、他の適当な
駆動手段も使用できる。走査テイツプ26の厳密な位置
は、設定された値、すなわち圧電式駆動機構に印加され
る電圧から決定できる。

表面構造の検査用のこの新しい装置20は、個々の測定点
に関するデータを伝えるだけでなく、短時間にサンプル
表面の全領域に関する情報を与える。これは、走査型顕
微鏡とよく似た動作をする。サンプル表面を次々にラス
タ線内で検査し、走査パターンの走査線から全体像を構
成する。走査中、第１図の横方向の駆動手段があるラス
タ線について動作し、その間、他の横方向の駆動手段は
固定される。大体線幅だけ横に移動した後、次の線が第
１の駆動手段で走査され、以下同様となる。テイップ26
をサンプルの表面構造22上に吊り上げた状態で走査する
と、表面の粗面度はサンプルからテイツプまでの垂直距
離と同程度なので、テイツプとサンプルがうつかり接触
する危険がある。かかる不本意な接触は避けなければな
らない。本発明の装置は、かかる危険を自動的に避け
る。走査動作は横方向で定義される。しかし、テイツプ
の垂直距離は可変である。この測定方法自体または制御
方法が、テイツプとサンプル表面の間の距離を自動的な
正しく保つ。熱電材接合部52での温度変動を連続的に測
定することにより、テイツプ26の距離Ｚをいつでも第４
図のグラフから求めることができる。操作は、サンプル
からテイツプまでの垂直距離を、横走査を行なうとき表
面の輪郭に沿うように微細調節することにより、テイツ
プ中の温度変動を一定に保つように行なうことができ
る。温度変動が一定に保たれる場合、検出された温度信
号を使つて、装置の垂直距離を制御することができる。
装置は、走査中、温度変動に比例する電気的変数にもと
づいて、横方向で制御される。温度変動を測定し、閉ル
ープ制御システムによつてｚ方向の垂直な駆動機構を微
細調節することにより一定に保つ。

走査パターンは、領域を第１の横方向（ｘ）で次々に平
行直線で走査する、線ラスタであることが好ましい。第
２の横方向（ｙ）が、もつ一つの走査パラメータであ
る。垂直距離（Ｚ次元）は、温度変動に制御する測定さ
れた変数にもとづいて、フイードバツク・システムで制
御する。圧電式駆動機構の位置は圧電圧または当該の駆
動電流に比例するので、３つの圧電式駆動手段の駆動電
流は、各方向でテイツプの位置と等価な値を表わす。一
般に、各座標は、３本の直交軸をもつ直角座標である。
しかし、線が再現可能であれば、線の微細調節によつて
曲つた走査を測定し一定に保つことも許容される。

データ分析は、３次元表現として行なわれる。両方の横
方向は、プロツタ40または表示画面42で容易に示すこと
ができる。ただし、第３の方向に対して適当な表現を選
ばなければならない。１つの方法は、測定値をパラメー
タｙの関数としての１組の曲線Ｚ（ｘ）として表わすこ
とである。もう１つの方法は、Ｚ値を点ｘ、ｙでの輝度
段階として示すことである。それに対応するグラフ表現
は、異なる面積の他の記号を含み点からなることができ
る。この表現が画面に出るとき、陰極線管の輝度を第３
の方向の値に応じて制御することができる。

走査テイツプ26は、走査中熱電対接合部52での温度変動
が一定値に制御されるような垂直距離で、サンプル表面
を通過する。すなわち、第４図が示す様に、走査テイツ
プが感知する温度変動、すなわち温度変化率は垂直距離
の関数として変化する。本発明は、かかる温度変化率を
一定に制御することによりサンプル表面が凹凸でも走査
テイツプとサンプル表面との距離を常に一定にして走査
することができる。したがつて垂直な圧電式駆動機構32
の駆動電流は、表面構造の実像または複製である。装置
20によつて生成されるこの像または複製は、サンプル表
面の大きく拡大された像である。

第１の横方向（ｘ）でラスタ線の走査が終わつた後、テ
イツプ26は、第２の横方向（ｙ）で大体ラスタ線の厚さ
だけシフトする。続いて、この第１の線に平行な第２ラ
スタ線を走査する。平行ラスタ線の横走査の反復によつ
て、サンプル表面全体が線１本ずつ走査される。第６図
には、要素22と26をどちらも大幅に拡大して概略的に示
してある。サンプル表面で、破線はサンプル表面構造22
の表面上のテイツプ26の影の経路を示す。点線は表面か
ら一定の温度変動によつて決まるある距離にあるテイツ
プ自体の経路を示す。軸系ｘ、ｙ、ｚは、各方向の座標
を示す。たとえば、ｘ方向で走査が行なわれる。

走査を反復する間、テイツプはｙ方向で大体ラスタ線の
厚さだけシフトする。垂直な駆動手段による微細調節に
よつて、テイツプのｚ方向の位置が温度変動を一定に保
つように自動的に制御される。走査テイツプ26によつて
行なわれた走査の結果は、駆動電流または圧電圧をプロ
ツトすることにより、３つの方向を表わす１組の曲線と
して表わされる。これらの測定された電流または電圧
は、３つの座標方向での微細テイツプ26の位置の次元に
対応する。たとえば、第７図は、異なる１群のｙ方向圧
電圧Vyの各々について、ｚ方向の圧電圧V₂をｘ方向の圧
電圧Vxの関数として示したものである。この場合、第７
図の１群の曲線は、サンプル表面構造の拡大された実像
または複製である。

本発明は、いろいろな周囲雰囲気、例えば媒体中で働く
か、空気または不活性気体が好ましい。しかし、かかる
好ましい雰囲気を使つても、高解像度のとき（すなわ
ち、走査テイツプ26が検査中の表面構造22にどんどん近
づくとき）テイツプと表面構造の距離が実際に周囲雰囲
気の原子または分子の平均自由行程以下になることに注
意すべきである。その結果、周囲雰囲気の熱伝導度が低
下する。このことが起こるのを防止するため、周囲雰囲
気の圧力を高めることが好ましい。そうすると、媒体の
原子または分子の平均自由行程が減少し、それによつて
以前の熱伝導度のレベルが維持できる。

第８図および第９図は、本発明の装置および方法を使つ
て、表面構造を検査するときに得られる結果を表わした
ものである。

第８図は、一例として、走査テイツプ26で単一線走査に
沿つて表面構造の検査を行なつたときに得られたプロフ
イル76を示したものである。尺度80は垂直方向で1000Å
の測度を示し、尺度82は横方向で１ミクロンの測度を表
わす。この例では、走査テイツプの直径は1000Åであ
り、表面構造はシリコン・ウエハに厚さ1000Åのアルミ
ニウム膜を付着させたものである。プロフイル76を示す
線の重さによつて示される雑音レベルは、プローブ24に
よつて実現される垂直解像度を証明している。さらに、
プロフイル76中のスパイク84と86は、付着工程で生じた
まくれなどの実際の形状を描写している。これらのスパ
イクは、プローブ24が非常に小さな構造を解像できるこ
とを証明している。たとえば左側の小さい方のスパイク
84の半値幅は、実現させた約1000Åの横解像度を表わ
す。

第９図は、一例として、走査テイツプ26でやはり単一線
走査に沿つてただし表面構造からの高さは異なる値で表
面構造90の検査を行なつたときに得られたプロフイル88
を示したものである。尺度92は、垂直方向で７ミクロン
の測度を表わし、尺度94は横方向で30ミクロンの速度を
表わす。この場合も、走査テイツプ26の直径は約1000Å
である。表面構造90は、シリコン・ウエハに付着された
７ミクロンのフオトレジスト絶縁層である。プロフイル
88Aなしい88Fは、表面構造90からの高さが絶えず高くな
るときの逐次走査を表わす。

第９図の検討すると自明のように、横方向の解像度は、
テイツプ26と表面構造の近さの関数である。テイツプと
表面構造の間の距離が減少するにつれて、解像度はどん
どん高まり、同時に垂直解像度を表わす信号雑音比が急
激に増大する。

本発明のもう一つの実施例を第10図に示す。第10図に
は、改造型の走査テイツプ96が示されている。この例で
は、走査テイツプ96は、寸法は走査テイツプ26と同様で
あるが、中心構造要素98を備えている。この中心構造要
素98は、外側に金属コーデイング層100を備えた光学用
ガラスまたはプラスチツク材料でできている。既知のや
り方でレーザ光線102を走査テイツプ96の末端に当て
る。レーザ光線はモーテイングにぶつかると、コーテイ
ングが光線からエネルギを吸収し、中心構造要素98に熱
を供給する。第２図および第５図に示した構造と同様
に、走査テイツプ96も、走査テイツプ96の温度を測定し
てそれを制御システム36に伝えるための温度センサを備
えている。このため、第２の光線104をテイツプ96の末
端の金属被覆表面に当てる。光線は金属被覆表面から光
線106として反射され、テイツプの温度変動によつて位
相変調される。この位相変調が、標準の干渉測定法で、
好ましくは光フアイバ干渉計で検出できる。本発明の改
良型走査テイツプ96を使つた装置は、他のすべての点で
以前に説明したものと同じである。

E.発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、検査する材料の
種類を問わずに、随の微細表面構造を超高解像度で測定
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にもとづく表面構造の検査装置の基本
部分の概略的構成図、第２図は、検査すべき表面構造を
横切つて移動するときの、微細走査テイツプを含むプロ
ーブの概略図、第３図は、微細走査テイツプの温度と検
査すべき表面構造からの距離の関係を示すグラフ、第４
図は、第３図に示した曲線の導関数を示すグラフ、第５
図は、本発明の別の実施例を示す、第２図と同様の概略
図、第６図は、平行なラスタ走査線による表面の反復横
走査を示す、部分的に切断した詳細な透視図、第７図
は、テイツプ位置の値または圧電式駆動機構の比例圧電
圧としての検査結果の実際の３次元プロツトの概略図、
第８図および第９図は、本発明の装置および方法を使つ
て得られた表面構造のプロフイル、第10図は、本発明で
使用するための改造型微細走査テイツプの詳細な垂直断
面図である。 22……表面構造、26……走査テイツプ、27……駆動機
構、34……熱源および熱検出器をなす測定装置、36……
制御システム、40……プロツタ、42……表示画面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】微細な走査テイツプを具備するプローブ手
   段と、 検査対象表面および上記走査テイツプを相対的に位置決
   めする手段と、 上記走査テイツプが上記検査対象表面から離れていると
   きに上記走査テイツプを所定の温度に加熱する熱源と、 上記走査テイツプを、上記検査対象表面から離れた位置
   から上記検査対象表面に近接した位置まで移動させなが
   ら上記走査テイツプの温度の変動を検出する手段と、 上記走査テイツプを上記検査対象表面に接近させた状態
   でその検査対象表面に沿って走査させる手段と、 上記走査テイツプの温度の変動に応じて上記走査テイツ
   プと上記検査対象表面との間の距離を自動的に制御して
   上記温度の変動が走査期間の間に実質的に一定となるよ
   うにする手段と、 上記走査テイツプの空間座標に基づいて上記検査対象表
   面の形状を表示する手段とを有する微細表面形状測定装
   置。