JPH08240599A - 大面積サンプル表面の非破壊測定用光学式プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 検査できるサンプル表面の割合の制限という
問題を解消する非破壊測定用光学式プローブ顕微鏡を提
供すること。 【解決手段】 光学式プローブ顕微鏡１００は、垂直方
向に向けられた光ファイバー１４を持つ。ファイバー１
４は測定されるサンプル３５の水平面に光を放射するチ
ップ14.1を持つ。この面は必要・不要両方の平滑からの
偏差を持つ。ファイバーチップにディザ運動を起こさせ
る電気機械装置は、ファイバーチップに２方向の水平ス
キャン運動を起こさせる別の電気機械装置に支援されて
いる。ディザ運動はスキャン運動よりも高い周波数を持
つ。スキャンがうまく行われる間に、別の機器３６、３
７がサンプル３５自体を１つの水平位置から別の位置に
動かす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】本発明は光学式プローブ顕微鏡とそれを
使った表面測定の方法に関する。

【０００２】

【発明の背景】光学式プローブ顕微鏡は、サンプル本体
の表面に位置する小さな造形の高さや造形同士の間隔を
測定するのに適する。これらのサンプル本体（以下単に
「サンプル」と称する）は典型的には半導体ウェハーの
形を取る（そこから通常多数のチップが次々に切り出さ
れる）。サンプルは、トランジスターや、トランジスタ
ー同士を電気的に接合する配線を含む、ウェハー上の造
形を形成するための平板印刷のマスクの形を取ることも
ある。典型的には、こうした造形の幅は約０．５μｍ以
下であり、ウェハーや印刷マスクの幅は約２０ｃｍ以上
である。こうした表面は必ずしも完全になめらか（平
滑）ではなく、必要な造形や、不要な隆起などがあるの
で、造形の高さや幅、また、表面が隆起によって完全な
平坦さからどのくらい離れているか判断できることが望
ましい。さらに、造形を行う際の加工パラメーターの避
けがたいばらつきにより、隆起の横寸法に不要なばらつ
きが出来る。従って、造形の横寸法が、望ましい数値か
らどのくらい離れているか判断できることも望まれる。
別言すれば、サンプル表面の、十分な精密さを持った地
形図が得られることが望ましい。さらにそれを非破壊的
に、すなわち、造形を破壊すること無く行うことが望ま
れる。

【０００３】こうしたサンプル本体の表面はサンプルの
「主要な面」と呼ばれることがある。なぜなら、検討の
対象となるサンプルは寸法が通常２０ｘ２０ｃｍ以上
の、比較的小さな、固定した距離ｓだけ離れて、対抗す
る１組の面を持つからである。通常この固定した距離ｓ
は約０．１ｍｍから１０ｍｍの範囲である。

【０００４】ここで定義して置くと、この広い方の面と
平行な方向を、「横」方向、「接線」方向、または「水
平」方向と定め、垂直な方向を「縦」方向または「垂
直」方向と定める。

【０００５】せん断力検知（ＳＦＳ）を含むプローブ装
置は、サンプル表面の造形や隆起の測定に使われる。こ
の装置はサンプル表面に垂直な軸に合わせて設置され
る。さらに、この装置は急速な水平方向の前後（「ディ
ザ」）運動の力ともっとゆっくりした水平方向のラスタ
スキャン運動をプローブチップに与える。このディザ運
動の力はプローブチップの機械的共振周波数と同じか、
それに近い周波数を持つ。その結果、プローブチップの
ディザ運動の振幅によってプローブチップとサンプル表
面の距離に関する必要な情報がもたらされる。また、デ
ィザ方向の力に対するディザ運動の位相によって必要な
情報がもたらされる。従って、この装置はプローブチッ
プがサンプル表面をスキャンする間に、ディザ運動の振
幅や位相、またはその組み合わせを測定する。

【０００６】ＳＦＳのために使われる装置は、（水平
の）ディザ運動のために、サンプル表面に（垂直でな
く）水平に対するプローブチップにせん断力が生じると
いう事実による。このせん断力は静的・動的な摩擦や、
プローブチップとサンプル表面の間にある空気（または
他の流体）の粘性力によって発生する。この力は、プロ
ーブチップがサンプル表面に接近した際に、振動するプ
ローブチップの振幅や位相を変化させる。その結果、振
動の振幅や位相、あるいはその組み合わせの変化は、ス
キャン中のプローブチップとサンプル表面の距離を一定
に維持するためのフィードバック信号を発生するために
使用出来る。プローブチップとサンプル表面の距離を一
定に維持することで、プローブとサンプルの不用意な衝
突を防止できる。こうした衝突はサンプルの表面の有害
な破壊をもたらすことがある。

【０００７】ＳＦＳプローブ装置は全方向性の検知能力
を持つ。すなわち、垂直方向ばかりでなく、水平方向の
引力や反発力も検知出来る。従って、プローブチップは
ディザ運動を行いながら、造形の側壁が起こす引力や反
発力を検知する。こうして、ＳＦＳ装置のプローブチッ
プは、サンプル表面のスキャンの間に、サンプル表面の
急激な高さの変化を検知出来る。

【０００８】ＳＦＳプローブ装置は、プローブがサンプ
ル表面にごく接近した位置にある時、プローブの側面に
当てた光ビームに焦点を合わせることによってプローブ
チップのディザ運動をモニター出来る。プローブから散
乱する光の強さを検知することによってディザ運動を示
す信号が得られる。例えば、散乱する光の強さを検知す
る１つの技術として、散乱する光をピンホールの間を通
して光電子増倍管（ＰＭＴ）のような光検知器に当てる
ことがある。また、ディザ運動の存在に先立ってプロー
ブの像に焦点が合う位置に置かれた区分式フォトダイオ
ード位置検知器によって散乱する光を検知する技術もあ
る。これらの技術はどちらもプローブチップのディザ運
動を検知する。しかしながら、ディザ運動を検知器の検
知範囲に相応する程度に増幅し、ディザ運動を確実に検
知するためには、かなり大きな拡大率が必要になる。光
学的拡大率が大きいと、スキャン中に、プローブチップ
が必要なだけかなり大きく機械的に動く妨げになる。す
なわち、チップの比較的大きな移行（数ミクロンの通常
のイメージスキャンの範囲の）のために、検知器に達し
た散乱する光が検知範囲外に出てしまい、光が検知され
なくなる。従って、ディザ運動以外では、プローブチッ
プは固定していなければならず、（プローブチップでな
く）サンプルはイメージングの間、ラスタスキャンされ
ねばならない。しかし、サンプルをスキャンする間プロ
ーブチップを固定することは、検査されるサンプルのサ
イズの上限を厳しく制限する。従って、ウェハーやマス
クのようなフルサイズのサンプルはスキャナ（典型的に
は圧電精密スキャナ）に適するように小片（通常１０ｍ
ｍｘ１０ｍｍ以下）にカットせねばならない。むろんこ
うしたサンプルサイズの制限は、完全な半導体ウェハー
や完全な印刷マスクは非破壊的に検査されねばならない
半導体産業にあっては望ましくない。

【０００９】米国特許第5、254、854 は、こうした問題が
せん断力光学式顕微鏡検査（ＳＦＯＭ）装置によって緩
和されることを教えている。この装置はプローブチップ
によって放射される光を利用する。しかし、ＳＦＯＭ装
置によって検査出来るサンプル表面の割合の制限という
問題は残る。

【００１０】近視野スキャン光学式顕微鏡（ＮＳＯＭ）
を持つ装置は技術上の別のアプローチである。これは上
記の特許が教えるように、ＳＦＯＭと組み合わせて使わ
れる。ＮＳＯＭ装置は光ファイバーのチップから放射さ
れる光をファイバー先端のかなり小さな範囲に限定す
る。この装置では通常ファイバーチップ先端のかなり小
さな範囲以外のファイバーチップ全体は不透明な層で覆
われ、ファイバーチップからは近視野にしか光を放射し
ない。ＮＳＯＭのアプローチは、ナノメーター（０．０
０１μｍ）台の解像度で、サンプル表面の地形学的デー
タとサンプル本体の近視野光学的画像が同時に得られる
進歩である。上記の特許は、ＮＳＯＭのアプローチがＳ
ＦＯＭ装置と統合出来ることを教えているが、検査出来
るサンプル表面の割合の制限という問題は残る。

【００１１】

【本件発明の概要】上記の問題を改善するために、発明
の実施例に従って、本体の主要な面を検査するための光
学式プローブ顕微鏡は以下から成る。 （ａ）本体の表面のごく近くに位置するチップ（１４．
１）を持つ光ファイバー。 （ｂ）チップに取り付けられ、チップにディザ運動を与
える第１電気機械装置（３１、３２、３３、３４）。 （ｃ）第１装置に取り付けられ、チップにスキャン運動
を与える第２電気機械装置（２１、２２、２３、２
４）。スキャン運動はディザ運動の少なくとも約１００
倍の周期を持つ。 （ｄ）チップによって放射され、表面に入射する光の放
射に反応して本体の表面から放射される光を受け取るよ
うに調整された顕微鏡（３００）。 （ｅ）顕微鏡によって受け取られた光の放射に反応して
顕微鏡から放射される光を受け取るように調整された光
学式画像位置検知器（４２）。光学式画像位置検知器は
連続的な光電領域（図５：４６．３）を持ち、光の放射
は顕微鏡によって光電面領域に画像部分（４０）を形成
するように焦点を合わされるが、その部分は、光電面領
域の横寸法の約１０分の１以下の横寸法を持つので、光
学式画像位置検知器は、顕微鏡が受け取った光の放射に
反応して電気信号を出力し、画像部分の位置を示す。

【００１２】さらに、光学式プローブ顕微鏡はチップに
よって放射され表面に入射する光の放射に反応して表面
から放射される光を受け取るように調整された顕微鏡か
ら成る。

【００１３】さらに、光学式プローブ顕微鏡は顕微鏡が
受け取った光の放射に反応して顕微鏡から放射された光
を受け取るように調整された光学式画像位置検知器から
成る。これは顕微鏡から受け取った光の放射に反応して
光を出力し、顕微鏡から受け取った光の放射の位置を示
す。

【００１４】さらに、光学式プローブ顕微鏡は光学式画
像位置検知器の電気的出力を受け取り、ファイバーチッ
プのスキャン位置とディザ位置を示すための電気信号を
出力するように調整された電子処理回路からなる。

【００１５】さらに、光学式プローブ顕微鏡は、電子処
理回路からの出力を受け取り、第３電気機械装置にフィ
ードバック信号を与え、ファイバーのチップが本体の主
要な面から一定の距離にあるように維持するために接続
されたフィードバック回路を含む。

【００１６】さらに、光学式プローブ顕微鏡は本体に水
平変位を与える機構を含む。

【００１７】第２の実施例では、本発明は、チップを持
つ光ファイバーを使って本体の広い面を度量衡的に検査
する方法であって、（ａ）チップを主要な面にごく近接
した位置に置き、第１の光の放射をチップの先端のファ
イバーに導き、この時、光の放射は本体の主要な面に入
射するステップと、（ｂ）ステップ（ａ）の間、ディザ
電圧をチップに取り付けられた第１電気機械装置に適用
し、この時、これに反応してディザ運動をチップに起こ
すステップと、（ｃ）ステップ（ｂ）の間、スキャン電
圧を第１電気機械装置に取り付けられた第２電気機械装
置に適用し、この時、スキャン電圧に反応してスキャン
運動がチップに起こり、スキャン運動はディザ運動の少
なくとも約１、０００倍の周期を持つステップと、
（ｄ）第１の光の放射に反応して本体から来る第２の光
の放射を、光学式画像部分の横寸法の少なくとも約１０
倍の横寸法を持つ連続的光電面の光学式画像部分に当て
るステップとを含む。

【００１８】さらに、前記方法は、ステップ（ａ）
（ｂ）（ｃ）（ｄ）の間に第３電気機械装置によってチ
ップに縦運動を起こすステップを含む。

【００１９】さらに、前記方法は、（ｅ）ステップ
（ａ）に反応して本体の主要な面から発生する光の放射
の位置を検知するステップと、（ｆ）位置を示す電気的
出力を発生するステップとを含む。

【００２０】さらに、前記方法はステップ（ｆ）の電気
的出力を電気的に処理し、ファイバーのチップのスキャ
ン位置とディザ位置を示す電気的出力を発生するステッ
プを含む。

【００２１】さらに、前記方法はチップと主要な面の間
の距離が既定の値からどの位隔たっているかを示す電気
的なフィードバック信号を発生し、第３の電気機械的装
置にフィードバックするステップを含む。

【００２２】

【発明の詳細な記述】図１に示すように、光学式プロー
ブ顕微鏡１００は、以下により詳細に説明するように、
サンプル３５をある定位置から他の位置へ水平に移動さ
せるサンプル保持機構２００を持つ。プローブ顕微鏡装
置１００は、光学式顕微鏡３００と光学式画像位置検知
器４００を持つ。光学式画像位置検知器４００は、顕微
鏡３００によって検知器４００の検知面に形成された光
学的画像の位置を検知出来る。光学式顕微鏡３００は光
学式画像位置検知器４００と共に光学式位置検知システ
ム５００を形成する。以下、図１に示すＸＹＺのデカル
ト座標系が示すように、垂直方向をＺ方向とし、水平方
向をＸ方向、Ｙ方向とする。

【００２３】サンプル保持機構２００は、光ファイバー
１４のチップ１４．１をＸ方向やＹ方向に動かす精密ス
キャナー装置２０と、光ファイバー１４のチップ１４．
１をＺ方向に動かす垂直プッシャー１５を持つ。例え
ば、垂直プッシャー１５はサンプル３５のＺ方向粗位置
決めのためのNewportの垂直プッシャーと、サンプル３
５の垂直Ｚ方向精密位置決めのためのBurleighの圧電マ
イクロメーターアダプターから成る。ファイバー１４の
チップ１４．１は図４の以下の説明と共により詳細に説
明される。

【００２４】サンプル保持機構２００は従来の光学式顕
微鏡の土台とサンプル置き台から成る。例えば、サンプ
ル保持機構１２は支持土台１２を持つ。これは通常約
０．７ｍｘ０．７ｍの水平横断面を持つNewportの光学
ブレッドボードである。支持土台１２は振動絶縁装置１
１の上に設置される。これは典型的には金属板の間に挟
まれた多数のゴムのスラブによって構成された多数の制
振材料の層である。

【００２５】ＸＹ粗位置決め装置は次のように構成され
る。ホルダーのスラブ３５．４は、その上で球軸受け３
５．３が最小の摩擦で転がることが出来るもので、典型
的には水晶か鋼鉄製の支柱３９で支持される。球軸受け
３５．３は通常ルビー製だが、技術上知らるように他の
材料も使用出来る。球軸受け３５．３は、通常水晶製の
球軸受けホルダー３５．２にセットされる。一方、球軸
受けホルダー３５．２は接着剤の層（図示せず）によっ
てサンプル３５が取り付けられているサンプル支持厚板
３５．１に固定される。サンプル受け厚板３５．１も通
常水晶製である。金属製の位置エンコーデッド・アーム
３６はサンプル支持ホルダー３５とサンプル３５自体の
ＸＹの位置をコントロールする。金属製のアーム３６は
サンプル支持スラブ３５．１をＸＹ方向に、通常約０．
１μｍステップで動かすことが出来る。補助アーム３７
は、金属製の位置エンコーデッド・アーム３６をあらか
じめコード化されたステップでＸＹ方向に機械的に動か
すことが出来る。一方、固定側壁３８は補助アーム３７
を定位置に保持する。支柱３９は支持スラブ３５．４を
支持土台１２の上に、固定した距離を置いて保持する。
金属製の位置エンコーデッド・アーム３６は補助アーム
３７に動かされ、サンプル３５の粗位置決めの基礎とな
る。より詳細には、位置エンコーデッドアーム３５はサ
ンプル支持スラブ３５．１を動かし、ひいてはサンプル
３５を、水平ＸＹ方向に、ある（定まった）位置から、
以下に説明するサンプル表面の比較的小さい範囲の（精
密な）スキャンが１回１回完了する間にだけ動かす。よ
り詳細には、このスキャンの間に、サンプル支持スラブ
３５．１をある位置から別の位置に、通常約２０μｍだ
け、Ｘ方向かＹ方向に動かす。こうして比較的広い範囲
を持つサンプル３５が検査出来る。サンプルの面積は２
０ｘ２０ｃｍかそれ以上である。プローブ測定操作の間
に、以下より詳細に説明するように、レーザー１３は光
カップラー（図示せず）を通じてファイバー１４に光の
放射を送る。ファイバーを通じて伝わる光の放射は、フ
ァイバー１４のチップ１４．１によって放射される光の
強度の安定性のため、単一モードＴＥooである。

【００２６】図２に示すように、圧電材料製の上部中空
シリンダー３１は接着層１８によってディスク２５に接
着されている。絶縁ディスク２７は接着層１９によって
上部シリンダー３１の上部に接着されている。このディ
スク２７は典型的には磁器かセラミック製である。

【００２７】このディスク２７は、図３に詳細を示すよ
うに開口部を持つ。この開口部内で、ファイバー１４が
ガラススラブ２９の表面に接着されている。ファイバー
チップ１４．１の位置はガラススラブ２９の対抗する表
面に向かって１組のネジ２８を押すことで決定され固定
される。この図に示す配置の目的はファイバー１４を非
破壊的で精密に設置できるようにすることである。

【００２８】図２に詳細を示すが、精密スキャン装置２
０は、圧電材料製の底部中空シリンダー２１の対抗する
外部表面に位置する外部電極２２と２３を持つ。内部電
極２４は底部中空シリンダー２１の内部表面のいたると
ころに位置している。このシリンダー２１は垂直プッシ
ャー１５の上部表面に接着層１６によって接着されてい
る。ファイバー１４は、外部電極２３、底部シリンダー
２１、内部電極２４の開口部を通ってシリンダーの中空
部に入る。電気絶縁ディスク（または四角形の板）２５
は、別の接着層１７によってシリンダー２１の上部に接
着されている。このディスク２５は典型的には磁器かセ
ラミック製である。ディスク２５にはファイバー１４を
取り付ける開口部２６がある。底部中空シリンダー２１
は上部中空シリンダー３１よりも、通常５倍から１０
倍、あるいはそれ以上、（軸方向に）長い。例えば、底
部シリンダー２１の長さが約２．５ｃｍの時、上部シリ
ンダー３１の長さは約０．５ｃｍである。上部・底部両
方のシリンダーの半径は約１３ｍｍである。圧電層の材
料は、典型的には全てＰＺＴ−５Ｈであり、圧電層の厚
さは約０．５ｍｍである。

【００２９】外部電極２２と２３は、ファイバー１４の
チップ１４．１のＸスキャン運動にだけ作用するよう
に、約９０°（＝π／２ラジアン）かそれ以下の角度で
取り付けられる。内部電極２４と協力して動作する外部
電極２２と２３は、外部電極に適応される（精密）スキ
ャン電圧δＶｘとδＶｘに反応して、中空シリンダー２
１の上部の（かつファイバーチップ１４．１の）Ｘ方向
の（精密）スキャン運動をコントロール出来る。典型的
には、δＶｘ＋＝−δＶｘ−で、この電圧の周期はわず
か約１秒である。また、通常ゼロ（接地）と等しい電圧
バイアスが内部電極２４に適用される。

【００３０】別の１組の外部電極（図示せず）が中空シ
リンダー２１の外部表面の、電極２２と２３が占めてい
ない部分に設置される。こうして、この外部電極（図示
せず）は、交流の（ラスタ）スキャン電圧δＶｘ＋とδ
Ｖｘ−（図示せず）が適用されるとき、中空シリンダー
２１の上部の（またファイバーチップ１４．１の）Ｙ軸
方向の（ラスタ）スキャン運動をコントロール出来る。
従って底部中空シリンダー２１の外部表面に設置された
外部電極の総数は４である。典型的には、電圧δＶｘ＋
とδＶｘ−は約２００秒の周期を持つ。典型的には、電
圧δＶｘ＋とδＶｘ−によって起こる底部シリンダー上
部の最大変位は約２０μｍ相当である。一方ファイバー
チップ１４．１のスキャン運動によって起こるＸＹ方向
の最大水平並進はやはり約２０μｍに制限される。しか
し、他方では、電圧δＶｘ＋とδＶｘ−によりファイバ
ーチップ１４．１がサンプル表面をスキャンしたあと
で、サンプルは、位置エンコーデッドアーム３６によっ
てＸまたはＹ方向にあらかじめ決められた距離だけ水平
に立ち退く（平行に移動する）。従って、検査され得る
（位置エンコーデッドアーム３６が働く）サンプル３５
の表面の総直線距離と、（電圧δＶｘとδＶｘ、または
δＶｙ＋とδＶｙ−によって行われる）サンプルの１回
のスキャンの直線距離の比は通常約２０ｃｍ÷２０μｍ
＝１０、０００相当である。

【００３１】内部電極２４に適用される直流バイアスを
変えることで、中空シリンダー２１の上部の垂直位置を
変更でき、直流バイアスを変えることで、必要な場合フ
ァイバーチップ１４．１の垂直位置を変更出来る。

【００３２】外部電極３２と３３は中空シリンダー３１
の対抗する側面に位置している。内部電極３４はシリン
ダー３１の内部表面のいたるところに位置している。電
極３２と３３は、ファイバー１４のチップ１４．１のＸ
ディザ運動にだけ作用するように、約９０°（＝π／２
ラジアン）かそれ以下の角度で取り付けられる。

【００３３】図２に示すように電極３２と３３への電圧
ｄＶｘ＋とｄＶｘ−の適用はそれぞれのディザ運動を引
き起こす。ディザ運動はＸ方向にのみ要求されるので、
上部中空シリンダー２１の外部表面に位置するもう１組
の外部電極は必要ない。内部電極３４と組み合わせて動
作する外部電極３２と３３は、前にファイバーチップの
ラスタスキャンに関連して説明したのと同様に、ファイ
バーチップ１４．１のディザ運動ｄＸをコントロール出
来る。しかし、電圧ｄＶｘ＋＝−ｄＶｘによって発生す
るディザ周期は典型的には電圧δＶｘ＋とδＶｘ−によ
って発生するスキャン周期よりはるかに低い。

【００３４】典型的には電圧ｄＶｘ＋＝−ｄＶｘ−の周
波数はおよそ２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲内であ
る。すなわち、ディザの周期は、およそ０．００００５
秒から０．００００１秒の範囲内である。いかなる場合
でも、電圧ｄＶｘ＋＝−ｄＶｘ−と、電圧δＶｘ＋とδ
Ｖｘ−の周波数は上部・底部両方のシリンダーの機械的
共振を避けるように選ばれる。ディザ運動に伴う振幅は
通常約０．０５μｍ相当である。

【００３５】図２に示すように、サンプル３５はファイ
バー１４のチップ１４．１と顕微鏡３００の間に位置す
る。この顕微鏡３００は、以下より詳細に説明するよう
に、典型的には光学式画像検知器４００の中に位置する
光画像センサーの光学式検知面の上に、サンプル３５か
ら放射された光の拡大された画像を作るために調整され
た１個かそれ以上のレンズから成る。光学式画像位置検
知器４００は１組の出力端子４１と４２を持つ。操作
中、出力端子４１と４２からの信号は、以下より詳細に
説明するように、ファイバーチップ１４．１のＸ座標の
瞬時値に関する必要な情報をもたらす。同時に、光学式
画像位置検知器４００には別の１組の出力端子４３と４
４があり（図２、図３にはないが、図５に示す）、以下
より詳細に説明するように、ファイバーチップ１４．１
のＹ座標の瞬時値に関する必要な情報を得るのに適して
いる。

【００３６】図４はファイバープローブ１４のチップ１
４．１をより詳細に示している。ファイバー１４は通常
約１２５μｍの直径Ａを持つ。ファイバーには芯の部分
１４．２があり、その直径ａは通常約３μｍ相当であ
る。ファイバー１４のチップ１４．１はテーパーになっ
ていて、細い部分の直径ｂは約０．２μｍ相当である。
テーパーは、芯の部分１４．２とファイバーチップ１
４．１の表面の交わるところ１４．３が、ファイバーの
チップ１４．１の先端の面１４．４と高さｈだけ離れる
ように調整されている。通常高さｈは約５μｍ相当であ
る。

【００３７】操作中、先端面１４．４は、以下より詳細
に説明するように、サンプル３５の上面の一番近い点か
ら一定の距離Ｓに維持される。通常距離Ｓは約０．０５
μｍである。

【００３８】顕微鏡３００はそのもっとも単純な形態
（図示せず）で、連続位置センサー４５（図５）の表面
に実像を形成するように調整された対物レンズと接眼鏡
の形を取る。他の実施例では、顕微鏡は、下記の４つの
レンズから成る（図示せず）。４つのレンズとはコリメ
ーターレンズと、その焦点面に実像を形成する対物レン
ズ、補助レンズから放射される実像を形成する補助レン
ズ、補助レンズによって形成された実像に焦点面を持つ
別のコリメーターレンズである。この時顕微鏡から放射
される光は平行ビームである。典型的にはこの顕微鏡３
００の中に形成されるレンズシステムの拡大率は約１、
０００倍である。

【００３９】図５と６に示すように、光学式画像位置検
知器４００は連続位置センサー４５（図５）と、この連
続位置センサー４５の出力電流を光ファイバー１４のチ
ップ１４．１の位置のＸＹ座標（配置）の正規化された
数値を示す出力電圧に変換する適当な電子処理回路５０
（図６）から成る。ここで「正規化された」という術語
は、光源１３（図１）が発生する光の強度の変動やファ
イバー１４のチップ１４．１が放射する光の強度のそれ
以外の変動によって不要な影響を受けないＸＹの数値の
決定に関する。

【００４０】実例では、この連続位置センサー４５はＰ
ＩＮ接合形の構造の半導体４６から成る。この構造は、
Ｎ形の伝導性を持つ半導体シリコンのバルクから成り、
その底面にＮ＋形半導体の層４６．２が、またその上面
にはＰ＋形半導体の層４６．３が拡散されている。典型
的には二酸化シリコンの保護層４７が、構造４６の上面
に位置する。この保護層４７は電気的に絶縁性で開口部
を持つ。従って、技術上知られるように、光はＰ＋拡散
層４６．３の露出した上面に入射する。典型的には開口
部は図５に示すように四角形である。

【００４１】導電性の層４８は、半導体光電検出器の技
術上知られるように、構造４６の底面に位置し、Ｎ＋形
導電層４６．２の底面と電気的に接触している。端子４
１、４２、４３（図５には図示せず）と４４は、保護層
４７の開口部の端部近くに位置する（図５）４つの局在
部にあるＰ＋部分４６．３の上面に位置する。

【００４２】図５に示すように、顕微鏡３００からの光
はＰ＋拡散層の上面４６．３に入射し、保護層の開口部
を通じて、画像部分４９を形成する。この部分の横寸法
は保護層４７の開口部の寸法よりもはるかに小さい。例
えば、保護層４７の開口部は約１０ｍｍｘ１０ｍｍ相当
の四角形であるが、画像部分４９の長さはどの方向でも
約０．１ｍｍから１．０ｍｍの範囲内である。従って、
開口部と点４９の長さの比はおよそ最低１０から１００
の範囲内である。

【００４３】典型的には、連続位置センサー４５による
画像部分４９の位置検知の間に、Ｐ＋拡散層とＮ−バル
クの間に負の電圧バイアスが適用される。これにより発
生する電流ｌｘ＋、ｌｘ−、ｌｙ＋、ｌｙ−が、端子４
１、４２、４３、４４にそれぞれ取り付けられた導線４
１．１、４２．１、４３．１（図５には図示せず）、４
４．１にそれぞれ発生し、技術上知られるように、Ｐ＋
拡散層４６．３の上面の画像の点４９のＸＹの位置に関
する必要な情報をもたらす。特に、電流ｌｘ＋とｌｘ−
の差（ｌｘ＋−ｌｘ−）は保護層４７の四角形の開口部
の中心から測定した点４９のＸ座標に比例する。従っ
て、この発明の実行の際に要求されるように、ΔＸがδ
Ｘ＋ｄＸのとき、ｌｘ＋−ｌｘ−＝ＣΔＸである。同時
に、ｌｙ＋とｌｙ−の差は保護層４７の四角形の開口部
の中心から測定した点４９のＹ座標と比例する。従っ
て、やはりこの発明の実行の際に要求されるように、Δ
ＹがδＹ＋ｄＹのとき、ｌｙ＋−ｌｙ−＝ＣΔＹであ
る。もちろんこの比例関係は、四角形の開口部が構造４
６の有効な光電検知部分に関して対象に位置することを
示す。通常Ｙ方向のディザ運動は必要ないため、通常ｄ
Ｙ＝０であることも想起すべきである。

【００４４】図６に示すように、連続位置センサー４５
によって発生した導線４１．１、４２．１、４３．１、
４４．１の４つの出力は前置増幅器５１に供給される。
この前置増幅器５１の４つの出力電圧の中の２つ（５
１．１と５１．２）は、それぞれｌｘ＋とｌｘ−に比例
し、総和器５２（Σと呼ぶ）と、差増幅器５３（Δｘと
呼ぶ）に供給される。前置増幅器５１からの４つの出力
電圧の中の別の２つ（５１．３と５１．４）は、ｌｙ＋
とｌｙ−に比例し、それぞれ別の差増幅器５４（Δｙと
呼ぶ）に供給される。ここで使うとき、「供給」という
術語は、１つの機器の出力端子が別の機器の入力端子に
接続され、１つの機器が発生する出力信号が別の機器の
入力信号になるような状況に関する。

【００４５】差増幅器５４はｌｙ＋−ｌｙ−に比例し、
かつＣΔＹに比例する出力電圧を発生し、この出力電圧
は低域通過フィルター５５（ＬＰＦＹと呼ぶ）の入力端
子に供給される。この低域通過フィルター５５は、供給
される電圧の中、低周波数成分にだけ比例する出力を持
つ。典型的にはこの低周波数成分はΔＹの中約１００Ｈ
ｚ以下の成分である。この低域通過フィルター５５の出
力はデバイダー５６の分子側の端子に供給される。一
方、総和器５２の出力はデバイダー５６の分母側の端子
に供給される（ΔＥＬ／Σと呼ぶ）。従って、電子処理
回路５０の出力端子５７．２に供給されるデバイダー５
６の出力は、ΔＥＬ／Σに比例する。ΔＥＬ／Σは、要
求されるように、ファイバー１４のチップ１４．１の低
周波（すなわちスキャン）成分の正規化Ｙ位置である。
上記のように、通常チップ１４．１の位置のＹ座標には
ディザ成分はない。たとえＹ方向にディザ成分があった
としても、出力端子５７．２に現れる信号に影響はな
い。低域通過フィルター５５はディザ（高周波）成分の
通過を許さない。

【００４６】ファイバー１４のチップ１４．１のスキャ
ンの正規化Ｘ位置も同様に決定される。より詳細には、
差増幅器５３の出力が別の低域通過フィルター５８（Ｌ
ＰＦＸと呼ぶ）を通じて別のデバイダー５９の分子側の
入力端子に供給される。この低域通過フィルター５８の
周波数通過特性は上記の低域通過フィルター５５の特性
と同様である。この低域通過フィルター５８の出力は別
のデバイダー５９の分子側の入力端子に接続され（ΔＸ
Ｌ／Σと呼ぶ）、分母側の入力端子には総和器５２の出
力が供給される。デバイダー５９の出力は電子処理回路
５０の別の出力端子５７．１に供給される。高周波成分
は低域通過フィルター５８を通過出来ないので、ファイ
バー１４のチップ１４．１のディザ運動はデバイダー５
９の出力に影響しない。従って、電子処理回路５０の出
力端子５７．１と５７．２に現れる電気信号はそれぞ
れ、発明の実現の際説明されるようにファイバー１４の
チップ１４．１のＸＹスキャン位置（ディザ運動には影
響されない）に比例する。

【００４７】ファイバー１４のチップのディザ運動を監
視し制御するために、差増幅器５３の出力は高域通過フ
ィルター６０（ＨＰＦと呼ぶ）の入力端子にも供給され
る。この高域通過フィルター６０は入力の高域成分にの
み比例する出力を持つ。これはディザ運動の周波数が約
２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲にあるとき約１０ｋ
Ｈｚ以上の成分である。高域通過フィルター６０の出力
は別のデバイダー６１の分子側の入力端子に供給され
（ΔＸＨ／Σと呼ぶ）、分母側の入力端子には総和器５
２の出力端子が接続される。従ってデバイダー６１の出
力はファイバー１４のチップ１４．１のＸ方向の運動の
正規化高域（ディザ）成分に比例する。一方、デバイダ
ー６１の出力はまた別のデバイダー６２の分子側の入力
端子に供給され（ΔＸＨ／ΔＸＬと呼ぶ）、その分母側
の端子にはデバイダー５９の出力が供給される。従っ
て、デバイダー６２の出力信号５７．３はΔＸＨ／Σ÷
ΔＸＬ／Σ＝ΔＸＨ÷ΔＸＬに比例する。すなわち、デ
ィザ位置をスキャン位置で割った商に比例する。デバイ
ダー６２によるこの割り算の目的は、スキャン位置に関
してディザ位置を正規化し、連続位置センサー４５（図
５）による構造４６の表面の検知感度の非均一性を訂正
するためである。ファイバー１４の先端面１４．４とサ
ンプル３５の上面のもっとも近い点との間隔Ｓを、一定
の既定の値に維持するためには、この比率を一定の既定
の値に維持することが望ましい。図７に示すフィードバ
ック回路７０は、この目的を果たすために設計された。

【００４８】図７に示すように、正規化ディザ信号５
７．３は、正規化ディザ信号５７．３を対応する直流レ
ベルに変換するロックイン増幅器（Ｌと呼ぶ）に供給さ
れる。さらに詳細には、ロックイン増幅器６３は、ディ
ザ運動の振幅をラスタ運動の振幅で割った値に比例する
直流レベルＡを持つ出力電圧信号６３．１を生じる。別
の言い方では、このロックイン増幅器６３は、外部電極
３２と３３（図２）に適用される電圧ｄＶｘ＋とｄＶｘ
−に関連するディザ運動により発生する位相のずれφの
正弦（すなわちｓｉｎφ）に比例する出力電圧を発生す
るように調整される。また別の言い方では、ロックイン
増幅器６３はＡｓｉｎφに比例する出力電圧を発生する
ように調整される。ともかく、出力電圧信号６３．１は
別の差増幅器７１の入力端子７１．１に供給される。こ
の差増幅器７１は操作中基準電圧ＶＲＥＦが適用される
別の入力端子を持つ。この基準電圧ＶＲＥＦはプローブ
１４のチップ１４．１のディザ振幅を希望する数値に維
持するために選ばれる。差増幅器７１の出力は、利得増
幅器７２（Ｇと呼ぶ）の入力端子に供給されるエラー信
号（εと呼ぶ）を構成する。この利得増幅器７２の出力
は積算器７３（∫と呼ぶ）に供給される。この積算器７
３は約１ミリ秒の積算時定数を持つが、この時定数はス
キャン周期よりかなり長く、ディザ周期よりも幾らか短
い。最後に、積算器７３の出力は垂直プッシャー１５に
供給されるが、この垂直プッシャー１５は、エラー信号
εを実質的にゼロになるまで減らすように、ファイバー
１４をＺ方向に動かす。こうして、フィードバック回路
７０は電子処理回路５０によって発生した信号５７．３
と協力して、ディザ振幅を一定の数値に保ち、同時にフ
ァイバー１４の先端面１４．４とサンプル３５の上面の
一番近い点との間隔Ｓを一定の数値に保つ。

【００４９】発明の光学顕微鏡１００は基盤表面のパタ
ーン付けを含むプロセスによる製造機器の分野に適用で
きる。こうした基盤は半導体ウェハーになる。こうした
基盤の上に形成される典型的なパターンは、金属導線の
パターンである。この金属導線のパターンは、金属層の
蒸着、抵抗層の蒸着、化学線放射による抵抗層の選択的
露光、抵抗層の現像によるパターン付けされた抵抗層の
形成、延長された金属導線を形成するための金属層の露
出した（パターン付けされた抵抗層で覆われない）部分
のエッチングによって形成される。こうしたプロセスの
特徴は、プロセスのパラメーターをしばしば試行錯誤に
よって最適化しなければならないことである。典型的に
は１つかそれ以上の基盤が試行の目的で処理される。所
期のプロセスのパラメーターに従って基盤の主要な面に
形成されたパターンは発明の光学式プローブ顕微鏡で検
査される。検査の間、基盤はその金属導体のパターンと
共に、上記のサンプル３５（図１、図２）の位置を占め
る。こうして、金属導線の線幅のような、基盤の広い面
の、１つかそれ以上の寸法特性が、上記のように測定さ
れる。その特性が既定の必要な仕様に一致しないとき
は、処理された基盤が仕様と一致するように１つかそれ
以上のプロセスのパラメーターが変更される。

【００５０】発明は、特定の実施例に関して詳細に説明
されたが、発明の範囲から離れること無く様々な変更が
行われ得る。例えば、圧電効果によって上部または底
部、またはその両方のシリンダーの運動を誘発する代わ
りに、技術上知られているように磁界誘導アクチュエー
ターによって誘発される運動のような他の形態が使用さ
れ得る。ファイバー１４のチップ１４．１からサンプル
３５を通じて顕微鏡３００にいたる光の伝達を利用する
代わりに、ファイバーを、サンプル３５の上面からの光
の反射が顕微鏡３００に達するような位置に置くことが
出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の特定の実施例に基づく、精密スキャン
と粗位置決め装置を含む光学式プローブ顕微鏡の略正面
図である。

【図２】図１に示す顕微鏡の水平精密スキャン装置をよ
り詳細に示す略正面図である。

【図３】図２に示す装置の一部の水平横断面図である。

【図４】チップを含む光ファイバーの末端部の横断面図
である。

【図５】発明の実現の際に有効な連続位置センサーの正
面横断面図である。

【図６】特定の実施例に基づく発明の実現の際に使われ
る電子処理回路の構成図である。

【図７】特定の実施例に基づく発明の実現の際に使われ
る電子フィードバック回路の特定の実施例の構成図であ
る。

【符号の説明】

１００ 光学式プローブ顕微鏡 ２００ サンプル保持機構 ３００ 光学式顕微鏡 ４００ 光学式画像位置検知器 ５００ 光学式位置検知システム １１ 振動絶縁装置 １２ 支持土台 １３ レーザー １４ 光ファイバー １４．１ 光ファイバー１４のチップ ３５ サンプル ３５．１ サンプル支持厚板 ３５．２ 球軸受けホルダー ３５．３ 球軸受け ３６ 金属製の位置エンコーデッド・アーム ３７ 補助アーム ３８ 固定側壁 ３９ 支柱

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェイ ケネス トラウトマン アメリカ合衆国 07928 ニュージャーシ ィ，カザム，センター アヴェニュー 74

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）本体の表面に近接するチップ（１
   ４．１）を持つ光ファイバーと、 （ｂ）チップに取り付けられ、チップにディザ運動を起
   こさせる第１電気機械装置（３１、３２、３３、３４）
   と、 （ｃ）第１装置に取り付けられ、ディザ運動の少なくと
   も１００倍の周期を持つスキャン運動をチップに起こさ
   せる第２電気機械装置（２１、２２、２３、２４）と、 （ｄ）チップから放射され表面に入射する光の放射に反
   応して本体の表面から出る光の放射を受け取るように調
   整された顕微鏡（３００）と、 （ｅ）顕微鏡によって受け取られた光の放射に反応して
   顕微鏡からの光の放射を受け取るように調整され、連続
   的な光電面を持ち（図５：４６．３）、光の放射は顕微
   鏡によって光電面に、光電面の横寸法の約１０分の１の
   横寸法を持つ画像部分（４０）を形成するように焦点が
   合わされ、その時、顕微鏡から受け取られた光の放射に
   反応して、画像部分の位置を示す電気的出力（41.1、4
   2.1、43.1、44.1）を発生する、光学式画像位置検知器
   （４２）と、 から成る光学式プローブ顕微鏡（図２：２００、５０
   ０）。
2. 【請求項２】第１装置に取り付けられ、チップに垂直運
   動を起こさせる、第３電気機械装置（１５）を含む請求
   項１に記載の光学式プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】光学式画像位置検知器の電気的出力を受け
   取り、ファイバーのチップのスキャン位置とディザ位置
   を示す電気的出力を発生するように調整された電子処理
   回路（図６：５０）を含む、請求項１または２に記載の
   光学式プローブ顕微鏡。
4. 【請求項４】電子処理回路からの出力（５７．３）を受
   け取り、第３電気機械装置にフィードバック信号を送る
   ように調整され、その時ファイバーのチップは本体の表
   面から一定の距離に維持される、フィードバック回路
   （図７：７０）を含む、請求項３に記載の光学式プロー
   ブ顕微鏡。
5. 【請求項５】本体の水平変位を発生し、本体を支えるス
   ラブに取り付けられた機構を含む、請求項１または２に
   記載の光学式プローブ顕微鏡。
6. 【請求項６】（ａ）チップを本体の主要な面に近接した
   位置に置き、第１の光の放射をチップの先端のファイバ
   ーに向け、その時光の放射は本体の広い面に入射するス
   テップと、 （ｂ）ステップ（ａ）の間、ディザ電圧を、チップに取
   り付けられた第１電気機械装置に適用し、その時これに
   反応してディザ運動をチップに発生するステップと、 （ｃ）ステップ（ｂ）の間、第１電気機械装置に取り付
   けられた第２電気機械装置にスキャン電圧を適用し、そ
   の時スキャン電圧に反応してチップに、ディザ運動の少
   なくとも約１、０００倍の周期を持つスキャン運動を起
   こすステップと、 （ｄ）第１の光の放射に反応して、本体から来る第２の
   光の放射の焦点を、光の画像部分の横寸法の少なくとも
   約１０倍の横寸法のある連続光電面の光の画像部分に合
   わせるステップとを含む、チップを持つ光ファイバーを
   使って本体の広い面を度量衡的に検査する方法。
7. 【請求項７】ファイバーに取り付けられた第３電気機械
   装置に垂直運動電圧を適用し、その時垂直運動がステッ
   プ（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を通じて、垂直運動
   電圧に反応して起こるステップを含む、請求項６に記載
   の方法。
8. 【請求項８】（ｅ）ステップ（ａ）に反応して本体の主
   要な面から来る光の放射の位置を検知し、 （ｆ）位置を示す電気信号を発生するステップを含む、
   請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】ステップ（ｆ）の電気的出力を電気的に処
   理し、ファイバーのチップのスキャン位置とディザ位置
   を示す電気的出力を発生するステップを含む、請求項８
   に記載の方法。
10. 【請求項１０】チップと主要面との距離が定数からどの
    くらい隔たっているかを示すフィードバック信号を発生
    し、第３電気機械装置にフィードバックし、その時チッ
    プと広い面の距離が定数に回復するステップを含む、請
    求項９に記載の方法。