JPH08201462A - 表面電位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 原子間力検出信号と静電気力検出信号の相互
干渉をなくした表面電位顕微鏡を提供する。 【構成】 カンチレバー１の変位は、変位計２によって
検出される。その出力は、低域通過フィルタ４を通過し
た後、アンプ５で増幅後、圧電振動子６に入力され、カ
ンチレバーの第１共振周波数で発振する発振回路を構成
する。発振回路の出力は、周波数検波器７に入力され、
その出力は、制御装置８に入力される。制御装置は、発
振周波数が一定値になるように試料探針間距離を制御す
る。カンチレバー変位信号をアンプで増幅した後にロッ
クインアンプ１４に入力で探針に印加する交流電圧信号
と同一周波数成分の振幅を検出する。これが０となるよ
うに探針に印加する直流電圧を制御装置１５で制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】固体表面や電子デバイス上の配線
または素子の電位測定及び電位分布の可視化あるいは計
測に用いる。

【０００２】

【従来の技術】固体表面や電子デバイス上の電位を走査
力顕微鏡を応用して計測あるいは可視化する試みはこれ
までにも行われてきた。例えば、１９９１年刊、アプラ
イド・フィジックス・レターズ誌(Applied Physics Let
ters)、第５８巻、２９２１頁から２９２３頁に掲載さ
れている論文に記載がある。固体表面の電位分布を高分
解能観察するためには探針を試料表面に接近させかつそ
の距離を維持する必要がある。この論文に記載されてい
る装置では、試料探針間距離の制御と電位測定をカンチ
レバーの第１共振点（基本モード）とその近傍にて行っ
ている。即ち、試料と探針の間にカンチレバーの第１共
振周波数と等しい周波数の電圧信号を印加することによ
り周期的静電気力を発生させ、これから試料の電位を求
め、また、第１共振点から少し離れた周波数でカンチレ
バーを力学的に励振しその振幅から共振周波数変化を検
出することにより試料探針間距離を検出している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上の従来技術の項で述
べた装置においては、試料探針間距離の制御と電位測定
をカンチレバーの第１共振点（基本モード）とその近傍
にて行っている。両信号の周波数は現実的にはあまり大
きく離すことが出来ない。例えば、先に例に挙げた論文
によれば、共振周波数83kHzに対し２信号の周波数間隔
は高々2kHzである。この様に互いに周波数が接近した信
号を分離することは容易ではなく、相互に干渉し合う。
このため、どちらの信号に関しても検出感度が低下す
る。本発明は、この様な相互干渉を大幅に低減すること
を目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の一局面においては、先端に導電性探針を有
するカンチレバーと、該カンチレバーの基本共振モード
の共振周波数を検出する手段と、該カンチレバーの２次
以上の共振モードの振幅を検出する手段と、該カンチレ
バーを力学的に励振する手段と、該導電性探針に直流電
圧信号及び交流電圧信号を重畳して印加する手段と、該
直流電圧信号を所望の値に制御する手段と、試料と該導
電性探針を相対的に試料面内で走査する手段と、該試料
と該導電性探針との距離を所望の値に制御する手段とを
有する。

【０００５】また、本発明の限定された一局面において
は、該カンチレバー変位検出に光てこを用いる。

【０００６】また、本発明の別の限定された一局面にお
いては、該カンチレバー変位検出に光てこを用いる。

【０００７】また、本発明の別の限定された一局面にお
いては、該カンチレバー変位検出に光干渉計を用いる。

【０００８】また、本発明の別の限定された一局面にお
いては、電気的に変位を検出可能なカンチレバーを用い
る。

【０００９】

【作用】先端に導電性探針を有するカンチレバーと、該
カンチレバーの基本共振モードの共振周波数を検出する
手段と、該カンチレバーの２次以上の共振モードの振幅
を検出する手段と、該カンチレバーを力学的に励振する
手段と、該導電性探針に直流電圧信号及び交流電圧信号
を重畳して印加する手段と、該直流電圧信号を所望の値
に制御する手段と、試料と該導電性探針を相対的に試料
面内で走査する手段と、該試料と該導電性探針との距離
を所望の値に制御する手段とは、感度良くカンチレバー
共振周波数及び試料表面電位を検出可能なように作用す
る。

【００１０】該カンチレバー変位検出に光てこを用いる
ことは、該カンチレバーの変位を高感度で検出可能なよ
うに作用する。

【００１１】該カンチレバー変位検出に光干渉計を用い
ることは、該カンチレバーの変位を高感度で検出可能な
ように作用する。

【００１２】また、本発明の別の限定された一局面にお
いては、電気的に変位を検出可能なカンチレバーを用い
ることは、該カンチレバーの変位を高感度で検出可能な
ように作用する。また、装置全体を小型化可能なように
あるいは大型試料に対応可能なように作用する。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示すブロック図
である。

【００１４】試料３の表面に対向して設けられたカンチ
レバー１の変位は、変位計２によって検出される。変位
計としては、光てこや光干渉計等を用いることができ
る。変位計の出力は、２系統に分けられる。第１の系統
は、試料探針間距離制御に用いられる。第２の系統は、
試料表面電位検出に用いられる。

【００１５】まず、第１系統について説明する。変位計
２の出力は、低域通過フィルタ４によって不要な高周波
成分を除去される。試料探針間距離制御は、カンチレバ
ー１の第１共振を用いるので、この低域通過フィルタ
は、第１共振周波数を通過させ、それ以上の不要周波数
成分、殊に静電気力検出に用いる第２共振周波数以上の
信号を阻止する特性を有する必要がある。また、この低
域フィルタ４は第１共振周波数を通過させる帯域通過フ
ィルタに置き換えても良い。低域通過フィルタ４を通過
したカンチレバー変位信号は、アンプ５によって増幅さ
れた後、圧電振動子６に入力される。圧電振動子に入力
された信号によりカンチレバーは励振されるので、圧電
振動子に入力する信号の振幅を十分に大きくし、また、
正帰還がかかるように位相を調整しておく。すると、こ
の閉ループはカンチレバー１の第１共振周波数で発振す
る発振回路となる。

【００１６】発振回路の出力（アンプ５の出力）信号
は、周波数検波器７に入力される。この際に、検波器の
仕様に応じて振幅を一定値に調整したり波形を整形した
りする場合もある。周波数検波器７には、位相ロックル
ープ、移相検波器、比検波器、周波数カウンタ等を用い
ることができる。周波数検波器７の出力は、制御装置８
に入力される。制御装置８は、発振周波数が一定値にな
るようにするため、試料探針間距離を制御するよう駆動
信号をＸＹＺスキャナ９に伝える。ＸＹＺスキャナ９に
は試料３が保持されており、制御装置８からの信号によ
りＺ方向に移動される。これは、探針を試料表面に接近
させて行くに連れてある距離までは引力性原子間力の影
響によりカンチレバーの共振周波数が単調に低下してい
く現象を応用している。これは、当業者には良く知られ
た事実であり、例えば１９９３年刊、ジャーナル・オブ
・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジーA誌
(Journal of Vacuum Science and Technology A)、第１
１巻、３０９２頁から３０９８頁に掲載されている論文
中にも記述がある。

【００１７】ＸＹＺスキャナは、走査信号発生装置１１
からの走査信号によって試料表面を２次元走査する。走
査信号及び試料探針間距離制御信号は、凹凸像表示装置
１０にも送られる。凹凸像表示装置は、試料探針間距離
制御信号すなわち凹凸情報を走査位置毎に表示する。

【００１８】次にカンチレバー変位信号の第２系統につ
いて説明する。カンチレバー１の圧電振動子６には信号
発生器１３からの交流電圧信号を直流バイアス電圧に重
畳して印加している。従って、カンチレバー１の探針と
試料３の間には相互の表面電位差に応じた静電気力が作
用する。今、試料の表面電位をＶＳ、探針の直流表面電
位をＶｔ、探針に印加した交流電圧の振幅及び周波数を
それぞれＡ，ｗとすると、試料と探針の間に働く静電気
力ｆは次のように書ける。

【００１９】

【数１】

【００２０】即ち、印加した交流電圧信号の周波数に等
しい周波数成分の力（第２項）が含まれる。この力は、
（数１）から明らかなように、探針の直流電位が試料の
表面電位に等しい時には０である。従って、交流電圧信
号の周波数に等しい周波数の静電気力を０にするように
探針の電位を制御することにより試料表面の電位を知る
ことが可能である。探針に印加する交流電圧信号の振幅
及び周波数には任意性があるが、周波数をカンチレバー
の共振周波数に一致させることにより検出感度を高める
ことが可能である。

【００２１】先に述べたように、試料探針間距離制御を
行うためにカンチレバーはその第１共振周波数で励振さ
れている。これは静電気力検出時には妨害信号となるの
で、カンチレバー変位信号からまず高域通過フィルタ１
２でカンチレバー第１共振周波数信号を除去する。次
に、アンプ５で増幅した後にロックインアンプ１４に入
力される。ロックインアンプ１４の参照信号は、探針に
印加する信号発生器１３からの交流電圧信号である。ロ
ックインアンプ１４の出力は、探針に印加した交流電圧
信号と同一周波数の静電気力に比例するから、これが０
となるように探針に印加する直流電圧を制御装置１５で
制御すれば良い。この直流電圧には信号発生器１３から
の交流電圧信号を加算器１６で加えた後に探針に印加す
る。電位像表示装置１７には、制御装置１５の出力と走
査信号が入力される。電位像表示装置１７は、走査位置
毎に試料表面電位を表示する。

【００２２】本発明が従来技術と異なるのは、従来技術
では試料探針間距離制御に用いる引力性原子間力検出と
静電気力検出を共にカンチレバーの第１共振を用いて行
っているのに対し、本発明においては試料探針間距離制
御に用いる引力性原子間力検出は第１共振を用い、静電
気力検出には第２共振、或いは、より高次の共振を用い
ることである。

【００２３】引力性の原子間力検出は、従来技術、本発
明ともにカンチレバー１の共振周波数変化を用いる。先
にも述べたように、従来技術では原子間力検出と静電気
力検出を共にカンチレバーの第１共振を用いている。す
なわち、第１共振周波数から若干高周波または低周波側
にずれた周波数で原子間力を検出し、また、第１共振周
波数で静電気力を検出している。この２つの信号は上で
説明したようにフィルタを用いて分離するが、現実に用
いることが出来るフィルタの特性を考慮するとその周波
数間隔が狭いと不要な信号を十分に減衰できずに相互の
完全な分離ができない。分離できずに漏れてきた不要な
信号は妨害信号となるから、凹凸像、電位像とも検出感
度及び画質の低下が起こる。

【００２４】しかし、原子間力検出に用いる信号周波数
は共振周波数からあまり大きく離すことは出来ない。こ
の２信号の周波数間隔は、１９９１年刊、アプライド・
フィジックス・レターズ誌(Applied Physics Letter
s)、第５８巻、２９２１頁から２９２３頁に掲載されて
いる論文によれば、共振周波数83kHzに対し高々2kHzで
ある。この様に接近した２信号を完全に分離するのは高
次の低域及び高域通過フィルタ或いは帯域通過フィルタ
を用いたとしても容易でない。

【００２５】そもそも従来技術において静電気力を第１
共振を用いて検出している理由は、共振点において静電
気力を検出した方が共振点から離れた周波数域で検出す
るよりも検出感度が高いためである。従って、必ずしも
第１共振を用いる必要はなく、高次の共振点を用いても
同等の効果を得られる。カンチレバーは連続体からなる
ばねであるから複数の共振周波数を持つ。仮に、長さ方
向の断面積及び材料特性がともに一様なカンチレバーを
考えると、第２共振周波数は第１共振周波数の約6.36倍
となる。このことは広く知られたことで、例えばW. T.
Thomson著、小堀与一訳、「機械振動入門」、昭和３７
年１２月２０日刊、丸善株式会社にも記述されている。
よって、第１共振で原子間力を、第２共振で静電気力を
それぞれ検出すれば、第１共振周波数と第２共振周波数
は間隔が離れているので、これら２つの信号を相互に分
離するのは従来技術と比較すると遥かに容易で、相互干
渉による感度低下の心配は事実上なくなる。また、第２
共振より高次の共振で静電気力を検出しても同様の効果
を期待できる。

【００２６】また、第１共振で静電気力を検出し、第２
共振或いはより高次の共振で原子間力を検出することも
可能であるが、一般に、原子間力による共振周波数変化
は高次の共振になるほど小さく、例えば、長さ方向の断
面積及び材料特性がともに一様なカンチレバーに関して
言えば同一の力勾配を感知した場合の第２共振の共振周
波数変化は第１共振の共振周波数変化の１／６以下であ
る。従って、特別な理由がない限り先に述べた方式を用
いた方がよい。

【００２７】本発明は、試料表面の電位分布及び凹凸を
可視化する以外にも半導体集積回路などの電子デバイス
の評価及び試験にも有効である。集積回路の試験を行う
場合、回路上の複数の点において同時に各々の電位を計
測する必要があることが多い。

【００２８】図２は、複数のカンチレバーを用いて集積
回路の試験を行う様子を示したものである。この様な場
合、カンチレバーとアクチュエータを集積化した複数の
カンチレバーユニット３１を互いに接近させて配置する
必要がある。しかも、各カンチレバーの探針は基板３２
上に作られた特定の測定対象（素子３３、配線３４）上
に正しく配置されなくてはならない。カンチレバーやカ
ンチレバーユニットの製造も集積回路の製造と同様なフ
ォトリソグラフィーを中心としたマイクロプロセス技術
を用いて行うことが出来る。

【００２９】図３は、複数のカンチレバーユニットを同
一基板上に集積化した例である。その際、カンチレバー
ユニットを集積化した基板と集積回路基板とを重ね合わ
せたときに探針の位置が集積回路上の測定対象点に来る
ようにカンチレバーユニットの配置を設計してある。こ
れらカンチレバーは、電気的に自身の変位を検出する機
能を持っている。ボンディングパッド４０は、各カンチ
レバーから変位信号を取り出し、検査装置本体と接続す
るのに用いる。この様にマイクロプロセスを用いてカン
チレバーユニットを集積化することにより互いに近接し
た位置にしかも探針を測定対象点に容易に位置合わせを
行うことが可能となった。

【００３０】本発明を用いることにより、非接触で微細
なパターンの電位を計測可能となる。非接触であるから
従来不可能であったプロセス途中の集積回路の検査を可
能としている。プロセス途中において配線不良等を発見
できれば、不良ウェハーの再生、一部プロセスのやり直
し、不良チップの救済等がより容易に行えるようにな
る。

【００３１】図４は、本技術を用いた検査装置の構成図
である。検査対象となるウェハー５１は、他の製造装置
や検査装置からウェハー輸送機構５４を用いて本検査装
置まで運ばれてくる。検査するウェハーは、ウェハー搬
送装置５５を用いてウェハー輸送機構から検査装置のXY
ステージ５６へと搬送される。高さ調節機構５３は、そ
の先端に設けられた測定ヘッド５２、位置検出センサ５
７、バイアス印加プローブ５８等がウェハーのステージ
への着脱時やウェハー上で測定個所を変更する際にウェ
ハー表面に衝突しないように、高さを調節する。測定ヘ
ッドは、図３に示したような構造をしている。測定対象
のウェハー上には予め測定ヘッドを位置合わせするため
のパターンが刻まれている。このパターンを位置検出セ
ンサで検出しその情報を元にステージコントローラ５９
がXYステージを制御して測定ヘッドの測定個所への位置
合わせを自動的に行う。判定装置６０は、必要に応じて
バイアス信号を発生させてバイアス印加プローブを用い
て測定対象の必要個所に任意の電圧または電流または信
号を印加し、測定ヘッドからの信号と照合解析し検査結
果を判定する。検査が終了したウェハーは、再びウェハ
ー搬送装置を用いてウェハー輸送機構へ戻される。

【００３２】尚、以上において試料及び探針は、相互に
電気的に接続されており、試料の表面、探針等の電位
は、単一の電位基準を元にした値である。この電位基準
は実用的には制御装置１５の電気コモン端子電位（グラ
ンド）を用いるのが適当である。

【００３３】

【発明の効果】原子間力検出信号と静電気力検出信号の
周波数間隔を確保できるので２信号間の相互干渉がなく
なり感度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく表面電位顕微鏡の装置構成図。

【図２】複数のカンチレバーを用いて集積回路の試験を
行うときの説明図。

【図３】複数のカンチレバーユニットを集積化した集積
回路試験用センサの構成図。

【図４】製造プロセス途中でウェハー上の配線または素
子の検査を行う検査装置の構成図。

【符号の説明】

１：カンチレバー、２：変位計、３：試料、４：低域通
過フィルタ、５：アンプ、６：圧電振動子、７：周波数
検波器、８：制御装置、９：ＸＹＺスキャナ、１０：凹
凸像表示装置、１１：走査信号発生装置、１２：高域通
過フィルタ、１３：信号発生器、１４：ロックインアン
プ、１５：制御装置、１６：加算器、１７：電位像表示
装置、３１：カンチレバーユニット、３２：基板、３
３：素子、３４：配線、４０：ボンディング・パッド、
５１：ウェハー、５２：測定ヘッド、５３：高さ調節機
構、５４：ウェハー輸送機構、５５：ウェハー搬送装
置、５６：ＸＹステージ５７：位置検出センサ、５８：
バイアス印加プローブ、５９：ステージコントローラ、
６０：判定装置。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】a) 先端に導電性探針を有するカンチレバ
   ーと、 b) 該カンチレバーの基本共振モードの共振周波数を検
   出する手段と、 c) 該カンチレバーの２次以上の共振モードの振幅を検
   出する手段と、 d) 該カンチレバーを力学的に励振する手段と、 e) 該導電性探針に直流電圧信号及び交流電圧信号を重
   畳して印加する手段と、f) 該直流電圧信号を所望の値
   に制御する手段と、 g) 試料と該導電性探針を相対的に試料面内で走査する
   手段と、 h) 該試料と該導電性探針との距離を所望の値に制御す
   る手段と、を有することを特徴とする表面電位測定装
   置。
2. 【請求項２】前記カンチレバーをその基本共振モードで
   動作する共振器として用いた発振回路を構成し、その発
   振信号周波数を周波数検波器で検出する請求項１記載の
   表面電位測定装置。
3. 【請求項３】前記カンチレバー変位検出に光てこを用い
   た請求項１記載の表面電位測定装置。
4. 【請求項４】前記カンチレバー変位検出に光干渉計を用
   いた請求項１記載の表面電位測定装置。
5. 【請求項５】電気的に変位を検出する能力を有するカン
   チレバーを用いた請求項１記載の表面電位測定装置。
6. 【請求項６】a) 先端に導電性探針を有するカンチレバ
   ーと、 b) 該カンチレバーの基本共振モードの共振周波数を検
   出する手段と、 c) 該カンチレバーの２次以上の共振モードの振幅を検
   出する手段と、 d) 該カンチレバーを力学的に励振する手段と、 e) 該導電性探針に直流電圧信号及び交流電圧信号を重
   畳して印加する手段と、f) 該直流電圧信号を所望の値
   に制御する手段と、 g) 試料と該導電性探針を相対的に試料面内で走査する
   手段と、 h) 該試料と該導電性探針との距離を所望の値に制御す
   る手段と、を有する表面電位測定装置であって、これら
   をセットとして複数有することを特徴とする表面電位測
   定装置。
7. 【請求項７】測定対象を前記表面電位測定装置とそれ以
   外の装置間で搬送する手段と表面電位計測手段を前記測
   定対象上の特定箇所に位置合わせをする手段とを有する
   請求項１または６記載の表面電位測定装置。
8. 【請求項８】a) 先端に導電性探針を有するカンチレバ
   ーと、 b) 該カンチレバーの基本共振モードの共振周波数を検
   出する手段と、 c) 該カンチレバーの共振モードの振幅を検出する手段
   と、 d) 該カンチレバーを力学的に励振する手段と、 e) 該導電性探針に直流電圧信号及び交流電圧信号を重
   畳して印加する手段と、f) 該直流電圧信号を所望の値
   に制御する手段と、 g) 試料と該導電性探針を相対的に試料面内で走査する
   手段と、 h) 該試料と該導電性探針との距離を所望の値に制御す
   る手段と、を有する表面電位測定装置に使用されるカン
   チレバーであって、前記カンチレバーを複数として同一
   基板上に集積したことを特徴とする表面電位計測ヘッ
   ド。