JPS62261902A - 微細表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ァイラは、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ッチされた線やヴアイアのプロ
フィルの検査、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ウェハ上のデバイスの
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ってくる。

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
動作する装置を使って、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ＢＪ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ィルを得る
ことができないことである。また、電子顕微鏡を使って
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、
本来的にフィールド深度が大きく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って動作する。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（Ｌ　Ｅ　Ｅ　Ｄ）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
だけ低くすべきである。使用される粒子は、印加電界の
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っ
て予め遊離させる必要がある。

表面構造の検査における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４３４３９９３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ェンバを給体Ｏ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ェン
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ィップ
に対してベース電極として働く。走査電極はベース電極
の上方数人の所に吊り下げる。

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
１合成力がポテンシャ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っていなくとも、ポテンシャル
障壁を飛び越えられる粒子の数が、ポテンシャル障壁毎
に決まっている。ある意味で、それらの粒子はトンネル
を通ってポテンシャル障壁をくぐり抜ける。

このいわゆるトンネル効果は、波動力学によってしか説
明できない。原子の粒子は、その性質の一部しか粒子力
学で説明できず、その性質の残りの部分は波動説によっ
てのみ解釈されるという点で２重の性質をもっている。

トンネル効果とは、異なる媒体の界面である意味で波整
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、ポテンシャルによって結合され
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ってもたらされる
。越えるべき高真空距離が数百人のとき、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、ティッ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、微細な導電性ティップか
ら平坦な対向電極へと非常に弱いトンネル電流か流れた
。

しかし、ビン２七等の開発以前には、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
るものであった。−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った。

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、微細ティップを電子源または
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、電子は放出ティップから遊離され、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、ティップの金属から真空中を通って検査中の
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″にの液体ヘ
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°に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、数人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１人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、数人という機器の
動作範囲と同程度の変動を生じる、熱変動は、極端な冷
却によっ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。

Ｃ１発明が解決しようとする問題点 本発明のもとになったのは、従来技術および既存の問題
点に関する知識であった。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っ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
面訓電に限られるが、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１００人の変化毎に最大限約２０人ま
での垂直寸法の変化）しか正確に測定できないが１本発
明は、変化の大きさと比率がずっ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
像度非接触プロフィロメータである。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、極小ティッ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
くものではなくて、熱的相互作用である。

Ｄ１問題点を解決するための手段 プロフィ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、電気研摩法を用いて、ティップ直径が約１００
人のタングステン・ティップが、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、かかるティップ
付近の小さな領域を除くタングステン材料の全領域にわ
たって１い絶縁体ないし薄い誘電材料を覆い、ティップ
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、ティップに熱電対接合ができる。内側導
体と外側導体の間の差°賀正を開定することにより、テ
ィッ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。これによって、１０−”
ｒｒｌ’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。

接合部によって周波数ｆ１で電流がドライブされると、
短い初期時間の後に、ティップはドライブ電流の２倍の
周波数２ｆユ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際的には直流形の温度
値は、ティップと周囲環境の間の熱伝達、すなわちティ
ップ上の″熱負荷′″の程度によって決まる１次にティ
ップを固体表面に近づけると、ティップは熱負荷を受け
、そのためティップから周囲媒体を通って固体表面の材
料中に熱が伝わるために固体表面の存在によってティッ
プの温度が影響を受ける。ティップが周波数ｆ２で垂直
に振動すると、ティッ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って起こる温度負荷が変
調される。その結果、熱電対ティップで差周波数（２ｆ
よ−ｆ、）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って決まる
。

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・ループを使って１表面を横に走査中、信号が
差周波数に維持できるように、表面に対するティップの
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（またはフィードバック）
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・ティップは、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ィルを得る
ことができる。かかる方法のもう一つの魅力的な特徴は
、熱がティッ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ァイリングが
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ィルを得るこ
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
、ティップの寸法に近いことが予想される。１００人の
プローブが作成できる場合、そのために横プロファイリ
ング解像度が同じ寸法になる。より大きな寸法でプロフ
ィ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、１０００人から１０ミクロンの解像度で
の非接触プロフィル測定には多数の用途がある。プロー
ブ・ティップと解像度が１０００〜５ｏｏＯ人の場合で
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ィ
ッ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
ピーダンスがティッ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っ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、ウィルスや小型の細菌などＴ
　Ｅ　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
よってしか行なえない。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ィ
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４３４３
９９３号に開示されている走査型トンネル顕微鏡とは違
って、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１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、微細走査ティップ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と走査ティップ２６は、もち
ろん寸法を袴張して概略的に示しである。構造２２と走
査ティップ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で象徴的に示しである。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２
８．３０．３２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である。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
ィップ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２
２を走査ティップ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
走査ティップ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図に概略的に示しである。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１分析システム３８は適当な
表示手段、たとえばプロッタ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。走査ステップ２６は、
通常、サンプルの表面構造２２の上方を約λ〜１０００
人程度の距離を置いて移動する。走査ティップ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
ティップ２６は、表面構造２２が走査ティップに対して
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、走査ティップ２６の構造が概略的
に示されている。走査ティップ２６は、一般に端部４４
に向って先細となった円筒形である。中心の構造要素４
６は、タングステンなどの導電性材料で作ることができ
、電気エッチ法または電気研摩法を用いて、通常１００
人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　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉ
ｏｎ）から“′パリレンー〇”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、ティップ２
６上にイオン・ビーム・スパッタされたニッケルなどの
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となっている。

短い初期時間の後起電力源５４によって熱電対接合５２
中を電流がドライブされると、走査ティップ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
ティップ温度の熱負荷の量によって決まる。次に走査テ
ィップ２６を表面構造２２に近づけると、ティップ温度
は表面構造２２による負荷の影響を受ける。すなわち、
第３図かられかるように、曲線５６は、ティップが比較
的高温で表面構造が比較的低温であると仮定して、ティ
ップ温度と、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ットである。もちろん、ティップが
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、ティップが表面構造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、ティ
ップが表面構造に近接しているときの最低温度の領域６
ｏ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が入っている
空気または周囲媒体よりもずっと大きいことが認められ
る。すなわち、走査ティップ２６が表面構造に近接する
と、ティップの方が周囲空気よりも伝導度がずっと大き
い、すなわち、ずつと効果的な吸熱体であるため、より
多くの熱流束がティップを離れる。今までの議論では、
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。すなわちパ熱源″の語は、必要な場合
、広義として“１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５周囲環境と表面
構造が異なる液体であったり１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、走査ティップ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
して示しであるが、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［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
の温度変化の速度を表わす曲線６２（第４図）を生成す
ることができる適切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、走査ティップ２６を数
百人の程度の小さな振幅で振動させる。すなわち、第３
図かられかるように、走査ティップ２６が曲線５６の中
間領域６４で範囲ΔＺにわたって振動すると、温度がΔ
Ｔ工たけ変調される。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ΔＴ、が得られる。

したがって、第３図から、ΔＴ２はΔＴ工よりもずっと
小さいが、ΔＴ、はΔＴ１よりもずっと大きいことがわ
かる。すなわち、温度の変動速度は。

表面構造２２から走査ティップ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って余り変化しない。

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、走査ティップ
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によって付勢され
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、
ティップの加熱およびティッ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７ｏを用いて実現できるように走査ティ
ップ２６における熱を周波数ｗｈで変動させティップと
表面構造２２の間隔を周波数Ｗｍで変動させることによ
り、ティップの温度変動の成分は、周波数Ｖｍ　−Ｗｈ
または周波数Ｖｍ＋Ｗｈで存在することになり、走査テ
ィップ２６の端部４４にある温度センサ７２でそれを検
出できる。

第２図および第５図かられかるように、走査テイップ２
６は、表面構造２２の上方を約１０〜１０００人程度の
距離を置いて横方向に矢印７４の方向に移動する。走査
ティップ２６は、両者の損傷を防止するため表面構造２
２にぶつかってはならないが、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ってもな
らない。

走査ティップ２６の端部４４の直径または幅は、一般に
１００〜５０００人の範囲内でよい０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１０
０Å以下にすることができると予想される。走査ティッ
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、走査ティップ２６は
。

約２７０°の弧状に検出を行なえるため、急激で大幅な
形状の変化を容易に検出することができる。

第４図かられかるように温度変動は表面構造２２からの
距１ａＺに大きく依存するため、垂直の圧電式駆動機構
３０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２１は、あらゆる方向で小さな距離にわたっ
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２
８．３０．３２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。走査ティップ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
表面を次々にラスク線内で検査し、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の横方向の駆動
手段があるラスク線について動作し、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。

ティップ２２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ィッ
プまでの垂直距離と同程度なので、ティップとサンプル
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、ティップの垂
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、ティップとサンプル表面の間の距離を自動的に正し
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、ティップ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
からティップまでの垂直距離を、横走査を行なうとき表
面の輪廓に沿うように微細調節することにより、ティッ
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
を使って、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って２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、もう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、フィードバック・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、各方向でのティッ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、線の微細調節によっ
て曲っ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、プロッタ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＊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。

ティップは、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、走査運動中。

ティップはサンプル表面のすべての凹凸をそれから一定
の距離だけ離れてたどる。したがっ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によっ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の横力向（ｘ）でラスタ線の走査が終わった後、テ
ィップ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
のラスタ線を走査する。平行ラスタ線の横走査の反復に
よって、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
略的に示しである。サンプル表面で、破線はサンプル表
面構造２２の表面上のティップ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って決まるある距離
にあるティッ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、ティップはＸ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
よって、ティップの２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。走査ティップ２６によっ
て行なわれた走査の結果は、駆動電流または圧電圧をプ
ロットすることにより、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ィップ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、２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、広い範囲の周囲雰囲気または媒体中で働くか
、空気または不活性気体が好ましい。しかし、かかる好
ましい雰囲気を使っても、高解像度のとき（すなわち、
走査ティップ２６が検査中の表面構造２２にどんどん近
づくとき）ティッ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１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、それによって以
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っ
て１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、−例として、走査ティップ２６で単一線走査
に沿って表面構造の検査を行なったときに得られたプロ
フィル７６を示したものである。

尺度８０は垂直方向で１０００人の測度を示し、尺度８
２は横方向で１ミクロンの測度を表わす。

この例では、走査ティップの直径は１ｏｏＯ人であり、
表面構造はシリコン・ウェハに厚さ１０００人のアルミ
ニウム膜を付着させたものである。

プロフィル７６を示す線の重さによって示される雑音レ
ベルは、プローブ２４によって実現される垂直解像度を
証明している。さらに、プロフィル７６中のスパイク８
４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
された約１０００人の横解像度を表わす。

第９図は、−例として、走査ティップ２６でやはり単一
線走査に沿ってただし表面構造からの高さは異なる値で
表面構造９０の検査を行なったときに得られたプロフィ
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ミクロンの測度を表わす。この場
合も、走査ティップ２６の直径は約１０００人である１
表面構造９ｏは、シリコン・ウェハに付着された７ミク
ロンのフォトレジスト絶縁層である。プロフィル８８Ａ
ないし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、
ティップ２６と表面構造の近さの関数である。ティップ
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、改造型の走査ティップ９６が示されてい
る。この例では、走査ティップ９６は、寸法は走査ティ
ップ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、外側に金属コーディング
層８０を備えた光学用ガラスまたはプラスチック材料で
できている。既知のやり方でレーザ光線１０２を走査テ
ィップ９６の端部１０４に当てる。レーザ光線はコーテ
ィングにぶつかると、コーティ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、走査ティッ
プ９６も、走査ティップ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をティップ８４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
ィップの温度変動によって位相変調される。

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ィッ
プ９６を使った装置は、他のすべての点で以前に説明し
たものと同じである。

Ｅ０発明の詳細 な説明したように、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９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
横切って移動するときの、微細走査ティップを含むプロ
ーブの概略図、第３図は、微細走査ティップの温度と検
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、平行なうスフ走査線による表面の反復横
走査を示す１部分的に切断した詳細な透視図、第７図は
、ティッ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次元プロットの概略図、第
８図および第９図は、本発明の装置および方法を使って
得られた表面構造のプロフィル、第１０図は、本発明で
使用するための改造型微細走査ティップの詳細な垂直断
面図である。 ２２・・・表面構造、２６・・・・走査ティップ、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・・・
・プロッタ、４２・・・・表示画面。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 復代理人　　弁理士　　澤　　１）　俊　　夫ＦＩＧ、
　２゜ ＦＩＧ、　３゜ ＦＩＧ、４゜ ＦＩＧ、　５゜ ｖｘ（Ｖｙ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 微細な走査テイッ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ップを相対的に位置決めする
   手段と、 上記走査テイップが所定の距離だけ上記検査対象表面か
   ら離れているときに上記走査テイップの温度を所定の状
   態に制御する熱源と、 上記走査テイップが上記所定の距離だけ上記検査対象表
   面から離れるべく移動するときに上記走査テイップの温
   度の変動を検出する手段と、上記走査テイップを上記検
   査対象表面に接近させた状態でその検査対象表面に沿つ
   て走査させる手段と、 上記走査テイップの温度の変動に応じて上記走査テイッ
   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、 上記走査テイッ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。