JPH08226926A - 走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微細な３次元形状を正確に測定することがで
きる走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法を提供す
る。 【構成】 試料14に対向する探針22を備えたカンチレバ
ー21、カンチレバーを取付け、探針と試料の相対的位置
を変位させるｘｙｚスキャナ20、カンチレバーの変位を
検出する変位検出器23を備え、試料表面を走査しながら
探針と試料の間に作用する原子間力等に基づくカンチレ
バーのたわみ量を検出しかつそのたわみ量を制御して試
料表面を測定し、カンチレバーを任意の傾斜角でｘｙｚ
スキャナに取り付ける取付け角設定部42と、ｘｙｚスキ
ャナ等を固定し、その回転軸回りに任意の角度で回転す
る回転ステージ41と、傾斜したカンチレバーを回転ステ
ージで回転させることにより、カンチレバーに回転前の
測定と回転後の測定を行わせる制御手段とを備え、カン
チレバーの傾斜姿勢と回転動作を利用して試料表面の凹
凸部の縁部を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型プローブ顕微鏡お
よびその測定方法に関し、特に、半導体デバイスや光デ
ィスク等の表面形状や表面物性の測定、解析に適した走
査型プローブ顕微鏡およびその測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ（探針）顕微鏡は原子オ
ーダの測定分解能を有し、表面形状の計測など各種分野
に利用される。走査型プローブ顕微鏡には、検出対象の
物理量に応じて、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原
子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）など
がある。この中で原子間力顕微鏡は、試料表面の形状を
高分解能で検出するのに適しており、半導体や光ディス
クなどの表面形状の測定に利用されている。

【０００３】図５に走査型プローブ顕微鏡の１つである
ＡＦＭの構成例を示す。このＡＦＭは光学顕微鏡と複合
化されたＡＦＭである。基台１１の上にＸＹステージ１
２が配置され、ＸＹステージ１２上の試料テーブル１３
の上に測定対象である試料１４が載置される。ＸＹステ
ージ１２は、直交するＸ軸方向およびＹ軸方向で定義さ
れるＸＹ平面内で試料テーブル１３を任意に移動させる
機能を有する。ＸＹ平面は、図５において水平であって
かつ紙面に垂直な平面である。試料テーブル１３に載置
された試料１４は、試料テーブル１３の移動に伴ってＸ
Ｙ平面内で任意の方向に移動される。また基台１１上に
は取付け枠体１５が設けられ、この取付け枠体１５に光
学顕微鏡１６とＺ粗動ステージ１７が取り付けられる。
光学顕微鏡１６は、その対物レンズ１８が下方を向き、
試料１４に対向している。またＺ粗動ステージ１７は、
上記ＸＹ平面に垂直なＺ軸方向の粗動を可能にする移動
機構である。Ｚ粗動ステージ１７の下側には取付けブロ
ック１９を介してｘｙｚスキャナ２０が取り付けられ
る。ｘｙｚスキャナ２０の下面にほぼ平行な姿勢でカン
チレバー２１が取り付けられる。ｘｙｚスキャナ２０
は、カンチレバー２１をＸ，Ｙ，Ｚの各軸方向に微動さ
せる機能を有する。カンチレバー２１の先部には試料１
４の表面に対向する探針２２が設けられる。また取付け
ブロック１９には変位検出器２３が取り付けられる。変
位検出器２３はカンチレバー２１の先部の探針２２の変
位を検出するための装置であり、変位検出器２３には例
えばレーザ光源と光検出器からなる検出光学系が使用さ
れる。

【０００４】前述のＺ粗動ステージ１７と、ｘｙｚスキ
ャナ２０と、カンチレバー２１と、探針２２と、変位検
出器２３によってＡＦＭの機構部分２４が形成される。

【０００５】ＸＹステージ１２の動作はＸＹステージ制
御回路２５の制御に基づいて行われ、ＸＹステージ１２
の動作量はステージ変位計２６で検出される。ＸＹステ
ージ制御回路２５は計算機２７から制御量に関するデー
タを受け、ステージ変位計２６は検出した動作量に関す
るデータを計算機２７に送給する。またＺ粗動ステージ
１７の動作はＺ粗動ステージ制御回路２８で制御され、
ｘｙｚスキャナ２０の動作はｘｙｚスキャナ制御回路２
９によって制御される。Ｚ粗動ステージ制御回路２８と
ｘｙｚスキャナ制御回路２９に基づく探針２２のＺ軸方
向の位置制御は、探針２２と試料１４の表面との間に作
用する原子間力が一定に保持されるように両者の間の距
離を調整するために行われるものであるので、変位検出
器２３で検出された変位検出データを取り出し、力設定
器３０で変位検出データと原子間力に関する力設定値と
比較し、探針と試料表面の間で働く原子間力が常に力設
定値と一致するような制御データが、力設定器３０から
Ｚ粗動ステージ制御回路２８とｘｙｚスキャナ制御回路
２９に対して与えられる。計算機２７は、力設定器３０
に力設定値を与えると共に、Ｚ粗動ステージ制御回路２
８とｘｙｚスキャナ制御回路２９に接続され、これらの
回路との間でデータのやり取りを行う。計算機２７はモ
ニタ３１を備え、このモニタ３１には測定で求められた
試料表面の像が表示される。

【０００６】上記構成を有するＡＦＭの操作および作動
は、次の通りである。ＸＹステージ１２上の試料テーブ
ル１３の上に試料１４を載せ、ＸＹステージ１２を用い
て試料１４をＸＹ平面内で移動させながら光学顕微鏡１
６を用いて試料１４の観察位置を探し出す。次に、その
位置にカンチレバー２１の探針２２を合わせる。探針２
２の位置を試料１４の観察位置に合わせるときには、同
じくＸＹステージ１２を用いて図５中に示す距離ｄ１だ
け移動させる。試料１４の観察位置に位置合わせされた
探針２２は、Ｚ粗動ステージ１７によって原子間力が作
用する位置に至るまで試料１４の表面に接近させられ
る。次に、カンチレバー２１の探針２２が試料表面から
受ける力が一定になるようにｘｙｚスキャナ２０のＺ方
向駆動部を利用して制御しながら、同時にｘｙｚスキャ
ナ２０のＸＹ方向駆動部を利用して探針２２をスキャニ
ングさせる。計算機２７は、このときのｘｙｚスキャナ
２０の駆動信号に基づいて試料１４の観察表面の像を作
成し、モニタ３１に表示する。こうして試料１４の観察
表面の原子レベルの像を観察することができる。

【０００７】上記構成を有するＡＦＭによれば、例え
ば、１００倍の光学顕微鏡１６では８８×６６μｍの範
囲を、水平方向に０．２５μｍ、垂直方向に０．５μｍ
の精度で、またＡＦＭ２４では約１０×１０μｍの範囲
を、水平方向に０．１ｎｍ、垂直方向に０．０１ｎｍの
分解能で測定できる。

【０００８】図６に市販されるカンチレバー２１と探針
２２の形状を示す。カンチレバー２１の基端は保持部３
２に固定され、先端には探針２２が固定される。探針２
２は長形の円錐形状を有し、その長さａが１０μｍ、コ
ーン角ｂが１０度である。また探針２２の先端から１μ
ｍ程度の距離ｃの位置での直径ｄは０．１８μｍであ
る。なおカンチレバー２１の長さｆは約１００μｍであ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の寸法形状を有す
るカンチレバー２１と探針２２を備えた図５に示す光学
顕微鏡付きＡＦＭは、次のような問題がある。いま、上
記ＡＦＭを用いて図７に示す形状を測定しようとする。
図７に示された形状は、ピッチｇが０．５μｍ、高さｈ
が１μｍのレジスタパターン３３であり、このレジスト
パターンは１６ＭＤＲＡＭの電極製作時のものである。
このような形状を有するレジストパターン３３は、現在
のところ、測長ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）で測定を行っ
ているが、底面部３３ａの寸法を必要としてこれを測定
する場合には平面形状しか測定できず、従って高さｈを
測定することができないという問題を有する。そこで、
上記ＡＦＭを用いてレジストパターン３３の高さｈを測
定することになるわけであるが、上記寸法の探針２２を
使用してレジストパターン３３の底面部３３ａを測定し
ようとすると、図７に示すような測定状態が生じる。そ
の結果、図８に示すように、レジストパターン３３の底
面部３３ａは、左右の縁とも０．０９μｍの誤差ｉを含
んだ状態で測定されることになる。以上のように、図７
に示した１６ＤＲＡＭ用のレジストパターン３３の３次
元形状を上記ＡＦＭを用いて測定しようとしても、３次
元形状を正確に測定できないという問題が生じる。

【００１０】本発明の目的は、微細な３次元形状を正確
に測定することができる走査型プローブ顕微鏡およびそ
の測定方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第１の本発明に係る走査
型プローブ顕微鏡は、試料に対向する探針を先部に備え
たカンチレバーと、カンチレバーを取付けると共に探針
と試料の相対的位置を変位させるｘｙｚスキャナ（３軸
微動機構）と、カンチレバーの変位を検出する変位検出
器とを備え、ｘｙｚスキャナによって試料の表面を走査
しながら探針と試料の間に作用する原子間力等の物理量
に基づくカンチレバーのたわみ量を変位検出器で検出
し、かつたわみ量を制御して試料の表面を測定するもの
であり、カンチレバーを任意の傾斜角でｘｙｚスキャナ
に取り付ける取付け角設定部と、ｘｙｚスキャナと変位
検出器を固定すると共にその回転軸回りに任意の角度で
回転する回転ステージと、傾斜姿勢にあるカンチレバー
を回転ステージによって回転させることにより、カンチ
レバーに回転前の測定と回転後の測定を行わせる制御手
段とを備え、カンチレバーの傾斜姿勢と回転動作を利用
して試料の表面凹凸部の縁部を測定するように構成され
る。

【００１２】第２の本発明は、第１の発明において、回
転機構による回転前の測定データと回転後の測定データ
を合成し、回転前後の測定箇所の間の形状に関する測定
データを作成する合成回路を備えることを特徴とする。

【００１３】第３の本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
の測定方法は、カンチレバーの先部に設けた探針を、試
料の表面に対して両者の間で物理的な量が作用し合う程
度の微細距離まで接近させ、試料の表面上で探針を走査
させる場合に探針に作用する物理的な量によってカンチ
レバーが変位するとき、この変位を検出し、カンチレバ
ーの変位が一定に保持されるように制御することにより
試料の表面を測定する測定方法であり、さらに、探針を
所定の傾斜姿勢に保持し、探針が各縁部に適した姿勢に
なるようにカンチレバーを回転させて測定を行い、各縁
部で測定した結果を合成して最終的測定結果を得、試料
の表面の３次元形状を測定するようにした。

【００１４】

【作用】本発明では、ＡＦＭ等の走査型プローブ顕微鏡
のカンチレバーの探針で試料表面の微細な凹凸形状を測
定する場合に、取付け角設定器でカンチレバーを傾斜さ
せて探針を所望の角度だけ傾斜させると共に、回転ステ
ージでカンチレバーを回転させて探針の変位させその姿
勢を逆転させる。探針の位置および姿勢をこのように変
更できるようにすることにより、試料表面の凸部（また
は凹部）の左側縁部と右側縁部を正確に測定することを
可能にし、試料表面の３次元形状を正確に測定できる。
試料表面の凹凸部の形状測定は、左側測定対象部の測定
値と右側測定対象部の測定値を合成回路により合成する
ことによって行われる。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
の代表的実施例としてのＡＦＭの構成を示し、図２、図
３は測定状態の一例を示し、図４は測定結果の合成の一
例を示す。各図において、前述の図５で説明した要素と
実質的に同一の要素には同一の符号をしている。

【００１６】図１において、１１は基台、１２はＸＹス
テージ、１３は試料テーブル、１４は試料であり、また
１５は取付け枠体、１６は光学顕微鏡、１７はＺ粗動ス
テージ、２０はｘｙｚスキャナ、２１はカンチレバー、
２２は探針、２３はカンチレバーの変位検出器である。
上記の各構成要素の取付け構造、構成、機能は図５に基
づいて説明した通りのものである。

【００１７】上記の装置構成において、次のような新し
い構成が付加される。前記ｘｙｚスキャナ２０と変位検
出器２３は、Ｚ粗動ステージ１７に取り付けられたＺ軸
回り回転ステージ４１に固定され、さらにカンチレバー
２１は取付け角設定部４２を介してｘｙｚスキャナ２０
に固定される。回転ステージ４１によって、取付け構造
上これに関連する構成部分、すなわちｘｙｚスキャナ２
０、カンチレバー２１、探針２２、変位検出器２３等は
Ｚ軸方向の回りに任意の角度で自由に回転させることが
できる。またカンチレバー２１は、取付け角設定部４２
によって水平方向に対して角度θの傾斜姿勢で配置さ
れ、この角度θは取付け角度設定部４２によって任意の
角度に自由に設定することができる。角度θの設定は、
例えば操作者の操作によって行われる。この操作は、手
動、モータ等による自動によって行われる。なお上記の
取り付け構造で、カンチレバー２１と取付け角設定部４
２はｘｙｚスキャナ２０の下面中央部に配置したが、下
面中央部の縁部に設けることもできる。

【００１８】また制御に関する回路では、ＸＹステージ
１２に対してはＸＹステージ制御回路２５とステージ変
位計２６が設けられ、Ｚ粗動ステージ１７に対してはＺ
粗動ステージ制御回路２８が設けられ、ｘｙｚスキャナ
２０に対してはｘｙｚスキャナ制御回路２９が設けられ
る。Ｚ粗動ステージ制御回路２８とｘｙｚスキャナ制御
回路２９には、力設定器３０から、探針と試料表面の間
で働く原子間力が常に力設定値と一致するようにするた
めの制御データが与えられる。上記の回路２５，２８，
２９や力設定器３０等に対して、モニタ３１を備えた計
算機２７が設けられる。上記の各構成要素の取付け構
造、構成、機能は図５に基づいて説明した通りのもので
ある。

【００１９】上記の回路構成に対して、新たに、Ｚ軸回
り回転ステージ４１に関して回転ステージ制御回路４３
と合成回路４４が設けられる。回転ステージ制御回路４
３は計算機２７からの制御データを受けて、回転ステー
ジ４１の回転動作を制御する。また合成回路４４は、ｘ
ｙｚスキャナ制御回路２９からｘｙｚスキャナ２０を動
作させるための駆動データから左側探針位置の測定値４
５と右側探針位置の測定値４６を取り出し、これらを合
成し、合成されたデータを計算機２７に送出する機能を
有する。

【００２０】次に上記構成を有する光学顕微鏡付きＡＦ
Ｍの操作と作動を説明する。基本的操作と作動は、既に
説明した通り、最初に、ＸＹステージ１２上の試料テー
ブル１３の上に試料１４を載せ、ＸＹステージ１２を用
いて試料１４をＸＹ平面内で移動させながら光学顕微鏡
１６を用いて試料１４の観察位置を探し出す。次に、同
じくＸＹステージ１２を用いて図５中に示す距離ｄ１だ
け移動させ、試料１４の観察位置にカンチレバー２１の
探針２２を合わせる。試料１４の観察位置に位置合わせ
された探針２２は、Ｚ粗動ステージ１７によって原子間
力が作用する位置に至るまで試料１４の表面に接近させ
られ、次にカンチレバー２１の探針２２が試料表面から
受ける力が一定になるようにｘｙｚスキャナ２０のＺ方
向駆動部を利用して制御しながら、同時にｘｙｚスキャ
ナ２０のＸＹ方向駆動部を利用して探針２２をスキャニ
ングさせる。計算機２７は、このときのｘｙｚスキャナ
２０の駆動信号に関するデータに基づいて試料１４の観
察表面の像を作成し、モニタ３１に表示する。

【００２１】次に図７に示したレジスタパターン３３の
表面の３次元形状を測定する場合を想定して、図２〜図
４を参照して上記構成を有するＡＦＭによる特徴的な測
定動作を説明する。レジストパターン３３の表面の凹凸
形状を測定する場合において底面部３３ａを測定すると
き、底面部３３ａの右側縁部（すなわち凸部３３ｂの左
側縁部）を測定する状態を図２に示し、底面部３３ａの
左側縁部（すなわち凸部３３ｂの右側縁部）を測定する
状態を図３に示す。本実施例によるカンチレバー２１は
上記取付け角設定部４２によって水平方向に角度θで傾
斜して配置されており、その結果、探針２２の長軸方向
は垂直方向に傾斜して配置され、かつ探針２２とレジス
トパターン３３との間には図６および図７で説明した寸
法的な関係があるので、図２または図３に示されるよう
に探針２２の先端を各縁部に接触させることができ、こ
れにより各縁部の測定を正確に行うことができる。

【００２２】レジストパターン３３の凸部３３ｂに関す
る上記測定では、図１に示される状態で凸部３３ｂの左
側縁部を測定し、ｘｙｚスキャナ２０で得られるその測
定結果を左側探針位置の測定値４５として格納する。こ
の測定結果は、ｘｙｚスキャナ２０における測定のため
の駆動信号に関するデータである。次に、Ｚ軸回り回転
ステージ４１によって、ｘｙｚスキャナ２０、カンチレ
バー２１、変位検出器２３を１８０度回転させる。この
場合、１８０度の回転によって探針２２の位置が変位し
た分、ＸＹステージ１２を探針２２の変位方向に移動さ
せて回転を行う前の位置に探針２２を合わせる。例え
ば、探針２２の位置がチューブ型ｘｙｚスキャナ２０の
回転中心軸からの５．１ｍｍの距離にあるとき（この場
合ｘｙｚスキャナ２０の半径が５ｍｍで、ｘｙｚスキャ
ナ２０の縁に取り付けられたカンチレバー２１の当該縁
から探針２２までの距離が約１００μｍすなわち０．１
ｍｍとする）、ＸＹステージ１２を１０．２ｍｍ移動さ
せて回転を行う前の位置に探針２２を合わせる。こうし
て図３に示されるような状態で、探針２２によって凸部
３３ｂの右側縁部を測定することができ、測定した位置
データを右側探針位置の測定値４６として格納する。

【００２３】上記のごとく図２および図３で示すように
探針２２でレジストパターン３３の凸部３３ｂの左側縁
部と右側縁部の位置データを、それぞれ左側探針位置の
測定値４５および右側探針位置の測定値４６として合成
回路４４で合成し、得られた合成データを計算機２７に
送給する。図４の（ａ）〜（ｃ）はデータの合成して形
状イメージを形成する工程を示す。図４（ａ）は凸部３
３ｂの左側縁部を測定した結果得られたデータを示
し、図４（ｂ）は凸部３３ｂの右側縁部を測定した結果
得られたデータを示し、図４（ｃ）はデータ，を
合成して凸部３３ｂの測定結果に相当する形状イメージ
を作成する。こうしてレジストパターン３３の凹凸形状
の測定が行われ、試料１４の観察表面における３次元の
凹凸形状を正確に測定することが可能となる。

【００２４】前記実施例の測定方法の説明では、試料表
面の凸部形状の測定例を説明したが、凹部形状の測定の
場合にはカンチレバー２１の姿勢が右側と左側で逆にな
るだけ同様に測定が行われる。またコンタクトホール等
の底面の形状測定でも同様な考えに基づく測定方法で測
定を行うことができる。

【００２５】前記実施例では光学顕微鏡が複合されたＡ
ＦＭについて説明したが、他の走査型プローブ顕微鏡に
ついても同様に本発明による構成を適用できる。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、ＡＦＭ等の走査型プローブ顕微鏡によって試料表
面の微細な３次元形状を測定する場合において、例え
ば、表面の凸部または凹部の両側縁部を測定するとき
に、各縁部の測定で探針が適切な姿勢になるように、カ
ンチレバーを必要なだけ傾けさせ、その結果必然的に探
針を必要な角度だけ傾けさせ、かつ所要の回転を行うこ
とによって測定を行うようにしたため、あるいはそのよ
うな測定を可能にする構成を設けるようにしたため、試
料表面の微細な３次元形状を、誤差を含むことなく正確
に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る走査プローブ顕微鏡の最適実施例
を示す構成図である。

【図２】試料表面の凸部の左側部を測定する状態を示す
図である。

【図３】試料表面の凸部の右側部を測定する状態を示す
図である。

【図４】測定データの合成を説明するための図である。

【図５】従来の走査プローブ顕微鏡の一例を示す構成図
である。

【図６】市販のカンチレバーの大きさを説明する図であ
る。

【図７】市販カンチレバーによる試料表面の底面部の縁
部の測定を説明する図である。

【図８】従来装置による測定の問題を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１２ ＸＹステージ １３ 試料テーブル １４ 試料 １５ 取付け枠体 １６ 光学顕微鏡 １７ Ｚ粗動ステージ ２０ ｘｙｚスキャナ ２１ カンチレバー ２２ 探針 ２３ 変位検出器 ３３ レジストパターン ３３ａ 底面部 ３３ｂ 凸部 ４１ 回転ステージ ４２ 取付け角設定部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に対向する探針を先部に備えたカン
   チレバーと、前記カンチレバーを取付けると共に前記探
   針と前記試料の相対的位置を変位させる３軸微動機構
   と、前記カンチレバーの変位を検出する変位検出装置と
   を備え、前記３軸微動機構によって前記試料の表面を走
   査しながら前記探針と前記試料の間に作用する物理量に
   基づく前記カンチレバーのたわみ量を前記変位検出装置
   で検出し、かつ前記たわみ量を制御して前記試料の表面
   を測定する走査型プローブ顕微鏡において、 前記カンチレバーを任意の傾斜角で前記３軸微動機構に
   取り付ける取付け角設定機構と、前記３軸微動機構と前
   記変位検出装置を固定すると共にその回転軸回りに任意
   の角度で回転する回転機構と、傾斜姿勢にある前記カン
   チレバーを前記回転機構によって回転させることにより
   前記カンチレバーに回転前の測定と回転後の測定を行わ
   せる制御手段とを備え、前記カンチレバーの傾斜姿勢と
   回転動作を用いて前記試料の表面凹凸部の縁部を測定す
   ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記回転機構による回転前の測定データ
   と回転後の測定データを合成し、回転前後の測定箇所の
   間の形状に関する測定データを作成する合成手段を備え
   ることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微
   鏡。
3. 【請求項３】 カンチレバーの先部に設けた探針を、試
   料の表面に対して両者の間で物理的な量が作用し合う程
   度の微細距離まで接近させ、前記試料の表面上で前記探
   針を走査させる場合に探針に作用する前記物理的な量に
   よって前記カンチレバーが変位するとき、この変位を検
   出し、前記カンチレバーの変位が一定に保持されるよう
   に制御することにより前記試料の表面を測定する走査型
   プローブ顕微鏡の測定方法において、 前記探針を所定の傾斜姿勢に保持し、前記探針が各縁部
   に適した姿勢になるように前記カンチレバーを回転させ
   て測定を行い、各縁部で測定した結果を合成して最終的
   測定結果を得、前記試料の表面の３次元形状を測定する
   ようにしたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測
   定方法。