KR20040096530A

KR20040096530A - 주사형프로브현미경 및 시료의 표면구조측정방법

Info

Publication number: KR20040096530A
Application number: KR10-2004-7011279A
Authority: KR
Inventors: 하세가와쓰요시; 아오노마사카즈; 나카야마토모노부; 호사카스미오
Original assignee: 리켄
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2004-11-16
Also published as: JP2003227788A; US7241994B2; EP1482297A4; EP1482297A1; US20050242283A1; WO2003067224A1

Abstract

고애스펙트 구조를 고정밀도로 측정하는 디지털프로빙방식의 AFM(원자간력현미경)이다. 탐침(21)을 진동시키면서 시료표면에 가깝게 해 인력영역에서 소정의 원자간력을 검출했을 때의 탐침의 위치를 측정한다(1). 그 후, 탐침을 시료표면에서 멀어지는 방향으로 이동시켜(2), 탐침과 시료표면과의 간극을 일정하게 유지하는 서보계를 정지시켜, 탐침을 시료로부터 떼어 놓은 상태로 시료표면을 따르는 방향에서 측정점까지 이동시킨다(3). 진동의 주파수를, 예를 들면 캔틸레버의 공진점에서 조금 벗어난 주파수로 하여 캔틸레버의 진동진폭의 변화에 기초하여 원자간력을 검출한다.

Description

주사형프로브현미경 및 시료의 표면구조측정방법{Scanning probe microscope and specimen surface structure measuring method}

최근, 정보화사회의 진전에 의해, 많은 정보를 공용할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다. 반도체소자의 분야에서도 미세화가 진행되고 있어, 현재 최첨단의 소자에 있어서는 약 0.13㎛의 최소선폭이 요구되고 있다. 또한, 이에 따라, 소자분리기술, 배선기술, 콘택트기술 등으로 고정밀도화나 미세화가 요구되고 있다. 더구나, 높은 애스펙트비(깊이/개구직경)의 구조가 제안되어, 그 제작기술이 요구되고 있다. 제작기술과 함께 계측기술도 요구되어, 나노미터의 정밀도를 가진 계측법의 개발이 요구되고 있다. 구체적으로는, 반도체로드맵에 의하면, 현재의 최소구경 180㎚가 2010년에는 60㎚로 되고, 또, 애스펙트비가 7부터 12로 증가하여, 점점 계측이 어려운 영역이 된다. 현재의 기술에서는, 주사형 전자현미경(SEM)을 사용하고, 시료를 벽개(劈開) 혹은 집속이온빔(FIB) 가공하여 그 단면을 관찰하는 방법이채용되고 있다.

이러한 고애스펙트비의 표면구조를 프로브현미경으로 관찰하는 방법으로서, 시료로부터 탐침을 떨어지게 한 상태로 시료와 탐침을 이산적으로 상대주사하고, 이산적인 측정점에서 탐침을 시료에 접근시켜 표면위치를 계측하는 방법이 있다(일본특허공보 제2936545호). 이 방법은, 면내주사 때에는, 시료와 탐침을 물리량검출시의 틈(간극)보다 필요 이상으로 떼어 놓고 고속으로 다음의 픽셀로 이동하고, 표면계측 때는, 주사를 정지하고, 탐침을 시료에 가까이 해서 표면위치를 측정하는 것이다.

개구직경이 작고 애스펙트비가 큰 시료표면을 계측하기 위해서는, 대단히 가늘고 긴 탐침이 캔틸레버(cantilever)의 선단에 있는 것이 필요하다. 이 때문에, 탐침의 가로방향의 탄성이 낮아져 거의 캔틸레버의 탄성계수와 같아진다. 이것에 의해, 탐침이 경사면에 도달했을 때, 탐침에 변형이 일어난다.

종래의 접촉방식 디지탈프로빙(이산적) 원자간력현미경(AFM: Atomic Force Microscope)의 경우, 탐침은 화소의 위치에서 시료표면으로의 접근 및 후퇴를 되풀이한다. 탐침이 접근하면서 시료표면을 포착할 때, 경사면이 가파르고 험준하다면, 도 10에 보인 것 같이 캔틸레버(80)와 탐침(81)은 비틀어져, 시료(82)의 표면의 계측위치에 오차가 생긴다. 이 탐침의 변형에 의한 계측위치오차량 Δｒ(면내), Δz (수직방향)은, 다음과 같이 표현된다.

단, F_c: 제어된 일정한 원자간력, θ: 탐침에 대한 수직면에서부터 경사진 시료면의 각도, k : 탐침의 탄성계수, E : 탐침의 영율(Young's modulus), l : 탐침의 길이, t : 탐침의 두께이다. γ_a는, 여기서는 탐침의 애스펙트비라고 부른다. 탐침의 애스펙트비는, 대체로 시료측의 애스펙트비와 동일한 의미를 가지고, 이 종류의 측정에서는, 시료측의 애스펙트비보다 큰 애스펙트비를 가진 탐침이 아니면 측정을 할 수 없다.

광지레방식 등으로 원자간력을 검출하는 접촉방식의 경우, 힘의 설정은 10^-8Ｎ 정도가 된다. 예를 들면, 원자간력(F_c)의 설정이 10^-8N, 각도 θ가 45도, 탐침의 영율(E)이 2×10¹¹N/㎠, 탐침의 길이(l)가 1㎛, 탐침의 두께(t)가 50㎚(γ_a= 20)일 때, Δr 및 Δz는 2㎚가 된다. 각도 θ가 80도가 되면, Δr는 11㎚, Δz는 64㎚가된다. 게다가, 각도 θ가 85도가 되면, Δr은 23㎚, Δz는 261㎚가 되고, 탐침선단이 시료경사면에서 미끄러져버리는 것을 알 수 있다. 이것은, 종래기술에서는 고애스펙트비의 표면구조의 형상을 정확하게 측정할 수 없다는 것을 나타내고 있다.

본 발명은, 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여, 고애스펙트비의 표면구조의 형상을 정확하게 측정하는 것이 가능한 주사형프로브현미경, 및 고애스펙트비를 가지는 시료의 표면구조측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 시료의 표면구조를 나노미터의 정밀도로 3차원적으로 계측할 수 있는 프로브현미경에 관한 것으로, 특히, 나노미터 정도(order)의 미세구조를 가지고, 또, 높은 애스펙트비를 가지는 표면구조를 정확하게 계측할 수 있는 프로브현미경에 관한 것이다.

도 1은 슬로프검출방식을 채용한 본 발명으로 의한 디지털프로빙AFM의 1 예를 보여주는 모식도이다.

도 2는 탄소나노튜브에 의해 탐침을 구성한 예를 보여주는 모식도이다.

도 3은 비접촉방식의 디지털프로빙AFM에 의한 계측의 순서를 탐침의 움직임에 의해 모식적으로 보인 도면이다.

도 4는 로크인증폭기의 개략구성도이다.

도 5는 탐침과 시료표면간의 거리와 로크인증폭기에 의한 진폭변화의 검출량의 관계를 나타내는 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 디지털프로빙AFM의 다른 예를 보여주는 모식도.

도 7은 PLL회로의 개략구성도이다.

도 8은 탐침과 시료표면간의 거리와 PLL회로에 의해 검출되는 공진주파수의 관계를 보여주는 도면이다.

도 9는 본 발명에 따른 반도체검사장치의 개략도이다.

도 10은 탐침을 사면에 가까이 했을 때에 탐침에 작용하는 힘과 탐침의 비틀어짐을 설명하는 도면이다.

위의 수학식 1, 2로부터, 계측위치오차 Δr, Δz를 작게 하기 위해서는, 서보(servo)에 의해 일정하게 제어된 원자간력(F_c)을 작게 하면 좋다는 것을 알 수 있다. 즉, 시스템을 작은 원자간력으로 제어하는 것이 중요하다. 종래기술에서는 척력영역의 원자간력을 이용하고 있었다. 그러나, 이것들은 최소원자간력이 10^-8Ｎ 전후이며, 1㎚이하의 계측위치오차를 목표로 할 경우, 일정하게 제어된 원자간력을 10^-10Ｎ이하로 할 필요가 있다.

10^-10Ｎ이하의 원자간력을 제어하기 위해, 본 발명은, 진동방식의 힘검출법, 즉, 비접촉방식의 힘검출법을 채용한다. 이 방식에는, 탐침을 지지하고 있는 캔틸레버를 그 공진점에서 진동시켜, 외부의 강제력에 대하여 시프트된 공진점을 측정하고, 탐침에 작용하는 약한 힘을 검출하는 방식(FM변조방식)과, 캔틸레버를 그 공진점에서 조금 벗어난 주파수로 진동시켜, 외부로부터의 강제력에 의해 진폭이 변화되는 것을 검출하여 미소한 원자간력을 계측하는 방식(슬로프검출방식)의 2개가 있다. 이 검출방식들을 채용하여, 인력영역의 원자간력을 검출한다. 이 방법에 의하면 10^-13Ｎ 전후의 원자간력을 검출할 수 있고, 시료단면(斷面)의 경사가 85도라도 1㎚이하의 탐침위치오차를 달성할 수 있기 때문에, 애스펙트비 10이상의 형상을 서브나노미터 정밀도로 계측하는 것이 가능해진다. 또한, 탐침으로서 탄소나노튜브와 같은 고애스펙트한 탐침을 사용할 수 있다.

즉, 본 발명에 의한 주사형프로브현미경은, 시료를 탑재하는 시료스테이지와, 탐침과, 탐침을 고정한 캔틸레버와, 탐침을 시료표면을 따르는 방향으로 2차원적으로 이동시키는 제1탐침이동수단과, 탐침을 시료표면에 대하여 가까이 가는 방향 혹은 멀어지는 방향으로 이동시키는 제2탐침이동수단과, 탐침의 위치를 검출하는 탐침위치검출수단과, 캔틸레버를 그 공진점에서 조금 벗어난 소정의 주파수로 진동시키는 수단과, 캔틸레버의 상기 소정의 주파수성분의 진동진폭을 검출하는 진폭검출수단과, 캔틸레버를 시료표면에 대하여 가까이 가는 방향으로 이동시키면서 캔틸레버의 상기 소정주파수의 진동진폭의 변화를 검출하고 진동진폭의 변화가 소정량에 이르렀을 때의 탐침의 위치를 계측하는 제어수단을 포함하는 것을 특징이라고 한다. 진폭검출수단은 로크인(lock-in)증폭기에 의해 구성할 수 있다.

본 발명에 의한 주사형프로브현미경은, 또한, 시료를 탑재하는 시료스테이지와, 탐침과, 탐침을 고정한 캔틸레버와, 탐침을 시료표면을 따르는 방향으로 2차원적으로 이동시키는 제1탐침이동수단과, 탐침을 시료표면에 대하여 가까이 가는 방향 혹은 멀어지는 방향으로 이동시키는 제2탐침이동수단과, 탐침의 위치를 검출하는 탐침위치검출수단과, 탐침을 고정한 캔틸레버를 그 공진점에서 진동시키는 수단과, 캔틸레버의 공진주파수의 시프트를 검출하는 공진주파수시프트검출수단과, 캔틸레버를 시료표면에 대하여 가까이 가는 방향으로 이동시키면서 캔틸레버의 공진주파수의 시프트를 검출하고, 공진주파수의 시프트가 소정량에 이르렀을 때의 탐침의 위치를 계측하는 제어수단을 포함하는 것을 특징이라고 한다. 공진주파수시프트검출수단은 위상동기루프(phase-locked loop)회로에 의해 구성할 수 있다.

본 발명에 의한 주사형프로브현미경의 탐침은 탄소나노튜브에 의해 구성할 수 있다. 탐침위치검출수단으로서는, 용량변위계, 왜곡게이지, 광간섭계 또는 광지레를 이용할 수 있다.

본 발명에 의한 시료의 표면구조측정방법은, 탐침을 고정한 캔틸레버를 구비하는 주사형프로브현미경을 이용하여 시료의 표면구조를 측정하는 방법에 있어서, 탐침과 시료표면의 간극을 일정하게 유지하는 서보(servo)계를 정지시켜, 탐침을 시료로부터 떨어져 있게 한 상태로 시료표면을 따르는 방향으로 측정점까지 이동시키는 단계와, 탐침을 진동시키면서 시료표면에 가까워지게 하여 인력영역에서 소정의 원자간력을 검출했을 때의 탐침의 위치를 측정하는 단계와, 측정후 즉시 탐침을 시료표면에서 떨어지는 방향으로 이동시키는 단계를 측정점마다 반복하는 것을 특징이라고 한다. 탐침을 시료표면에서 떨어지는 방향으로 이동시키는 스텝에서는, 탐침을 시료의 흡착력의 영향이 없어지는 거리이상 이동시킨다.

한편, 탐침이 소정의 원자간력을 검출한 후, 탐침을 시료로부터 떼어 놓지만, 이 때, 회로계의 지연 등으로 탐침이 시료표면에 충돌할 경우가 있다. 이것에 의해 탐침선단이 깨지면 측정 불능이 된다. 이것을 회피하기 위해, 탐침을 접근할 때에 서보회로(소망의 원자간력으로 되도록 탐침ㆍ시료간극의 거리를 제어하는 회로)의 거리제어신호를 이용하여 탐침을 시료표면에 접근하는 것이 바람직하다. 또한, 일정한 스피드로 탐침을 시료에 접근해도 좋다. 이 때, 서보회로의 신호를 사용하여 탐침의 충돌을 회피하는 것이 필요하다.

구체적으로는, 탐침진동의 주파수를 캔틸레버의 공진점에서 조금 벗어난 주파수로 하여, 캔틸레버의 진동의 진폭의 변화에 기초하여 소정의 원자간력을 검출하도록 할 수 있다.

또는, 탐침진동의 주파수를 캔틸레버의 공진점의 주파수로 하여, 캔틸레버의 공진주파수의 시프트에 기초하여 소정의 원자간력을 검출하도록 할 수 있다.

본 발명의 주사형프로브현미경은, 미세소자의 측장계측(測長計測)에 이용하거나, 결함계측에 이용할 수 있다. 또한, 반도체제조프로세스의 라인모니터로서 사용할 수 있다. 측정할 때의 탐침동작의 기본은, 표면을 계측할 때는, 주사를 정지하는 것, 주사할 때는 시료면에서 탐침을 떨어지게 하는 동작을 행하는 것이다. 이것과 동시에, 설정력을 10^-10Ｎ이하라고 하기 위해 진동방식(비접촉 방식)을 채용한 것이다. 이것에 의해, 애스펙트비 10이상이라도, 미끄러짐에 의한 오차를 1㎚이하로 억제할 수 있고, 고정밀도의 형상계측이 가능해진다.

본 발명을 보다 상세에 서술하기 위해, 첨부의 도면들을 참조하여 이것을 설명한다. 본 발명의 디지털프로빙AFM은, 힘구배(force gradient)을 검출하는 검출계를 가진다. 이하의 도면들에서, 동일한 기능부분에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.

[실시예 1]

도 1은, 슬로프검출방식을 채용한 본 발명에 따른 디지털프로빙AFM의 일 예를 보여주는 모식도이다. 이 디지털프로빙AFM은, 통상의 AFM의 구성에 더해서, 원자간력 구배(기울기)를 검출하는 진동방식의 기구를 구비하고 있다.

시료(11)는 XY시료스테이지(12)위에 탑재되어, XY시료스테이지(12)는 측정영역이 탐침의 아래쪽으로 위치하도록 XY주사회로(25)에 의해 대충(coarse) 이동된다. 선단에 탐침이 고정된 캔틸레버(22)는, 진동부여용 압전소자(23) 및 원통형의 XYZ주사용 압전소자(24)을 가진다. 힘검출기로서는, 반도체레이저(31), 위치검출기(32), 힘검출회로(34)를 구비하는 통상의 광지레방식의 것을 채용했다. 서보회로(35)는, XYZ주사용 압전소자(24)에 의해 탐침을 Z방향으로 구동하고, 힘검출회로(34)로 검출된 신호를 일정 값으로 서보제어한다. 또한 XY주사회로(25)는 XYZ주사용 압전소자(24)을 XY구동하여 탐침을 시료(11)면상에서 XY주사한다. 또한, 도시되지 않았지만, XYZ주사용 압전소자(24)에 의한 Z이동보다 큰 스트로크로 탐침을 시료(11)의 표면에 가까이 하거나 멀리하기 위한 접근기구가 마련되어 있다. 본 예에서는, 힘구배를 검출하기 위해, 로크인증폭기(40)을 이용하고 있다. 제어부(37)는 XY주사회로(25) 및 서보회로(35)를 제어한다.

탐침은, 시료(11)가 가지는 홈 깊이나 산의 높이를 고려하여, 가능한 한 가늘고 긴 형상으로 하는 것이 바람직하다. 특히 애스펙트비가 10이상인 탐침은, 탄소나노튜브나 카본섬유 등을 사용해 제작하는 것이 바람직하다.

도 2는 탄소나노튜브에 의해 탐침을 구성한 예를 보여주는 모식도이다. 실리콘막, 실리콘질화막 혹은 실리콘산화막으로 만들어진 캔틸레버(22)의 선단에, 탄소나노튜브를 접착하여 탐침(21)으로 한다. 탄소나노튜브는 지름 10~50㎚정도, 길이는 500㎚이상의 것을 이용하는 것이 좋다. 또한, 캔틸레버(22)에의 탄소나노튜브의 접착은, 탄소나노튜브를 도시하지 않은 조작기(manipulator)에 고정해 캔틸레버의 선단에 위치시키고, 탄소나노튜브의 캔틸레버(22)측의 끝부(도의 화살표위치)에 전자빔을 조사하고, 그 때 발생하는 탄소에 의해 행할 수 있다.

도 3은 도 1에 보인 비접촉방식의 디지털프로빙AFM에 의한 계측의 순서를 탐침의 움직임에 따라 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 3(a)는 시료표면에 대하여 반복해서 운동하는 탐침의 움직임을 나타낸 모식도, 도 3(b)는 탐침의 기본적인 움직임을 설명하는 도면이다.

우선, 탐침(21)을 z방향으로 진폭 수㎚ ~ 수십㎚정도로 진동시키면서 XYZ주사용 압전소자(24)에 의해 Z방향으로 구동하여, 시료(11)의 표면에 접근시킨다(1). 이 때, 로크인증폭기(40) 혹은 외부발신기로부터 진동부여신호를 출력하여, 진동부여용 압전소자(23)에 입력하고, 압전소자(23)의 진동에 의해 탐침(21)을 진동시킨다. 진동의 주파수는 캔틸레버의 공진점에서 조금 벗어난 주파수로 한다. 설정한 원자간력구배가 탐침(21)에 작용했을 때, 진동진폭이 변화되고, 설정값에 일치한다. 이것을, 탐침(21)이 시료(11)의 표면에 접촉했다고 판단하고, 시료표면에 접근하는 방향으로의 탐침(21)의 구동을 정지하고, 그 후, 시료표면에서 후퇴하는 방향으로 미리 정한 거리 ΔZ만큼 구동한다(2). 거리 ΔZ는, 적어도 탐침(21)에 대한 시료(11)의 흡착력의 영향이 없어지는 거리, 혹은 예상되는 표면요철보다 큰 거리로 설정해 둔다. 그 다음에, 거리 ΔZ만큼 후퇴한 Z위치에서, XY주사회로(25)에 의해 XYZ주사용 압전소자(24)을 구동하여 탐침(21)을 X방향으로 ΔX만큼 이동시키고, 탐침(21)을 다음 화소위치에 설정한다(3).

이 (1), (2), (3)으로 이루어지는 탐침(21)의 움직임을 반복해서 행하는 것에 의해, 시료(11)의 표면구조를 측정한다. X방향의 주사가 끝나면, Y방향으로 소정거리 ΔY만큼 탐침을 이동하고, 다시 X방향주사하는 것을 반복함으로써, 시료표면의 3차원구조를 측정할 수 있다.

다음에, 도 4에 보인 로크인증폭기의 개략구성도를 이용하여 탐침에 작용하는 원자간력구배의 측정에 대해서 설명한다. 발진기(45)로부터 출력되는 고주파신호는, 진동부여용 압전소자(23)와 로크인증폭기(40)의 곱셈기(41)에 입력된다. 캔틸레버(22)는, 진동부여용 압전소자(23)에 의해 주파수 ω로 구동된다. 반도체레이저(31)로부터 출사되며, 캔틸레버(22)로 반사된 레이저빔(33)은, 2분할 혹은 4분할 광검출기로 이루어지는 위치검출기(32)로 검출된다. 힘검출회로(레이저위치검출회로; 34)의 출력은 로크인증폭기(40) 중의 곱셈기(41)에서 발진기(45)로부터의 출력과 곱셈되며, 곱셈기(41)의 출력은 저역통과필터(42)를 통하여 주파수 ω에 일치한 주파수성분의 진폭이 검출된다.

탐침(21)이 시료(11)의 표면에 가깝게 되면, 탐침(21)에 원자간력이 작용하고, 캔틸레버(22)의 공진점이 이동한다. 로크인증폭기(40)는, 이 공진점의 이동을 탐침(21)의 진동의 진폭변화로서 포착한다. 이 진폭변화가 힘구배의 변동으로서 검출되어, 설정된 힘구배의 변화량이 되었을 때, 탐침(21)이 시료(11)의 표면에 달했다고 판단하고, 제어부(37)는, 그 때의 탐침(21)의 좌표, 즉 표면위치좌표(x, y, z)를 측정한다.

도 5는, 탐침과 시료표면간의 거리와 로크인증폭기에 의한 진폭변화의 검출량의 관계를 나타내는 도면이다. 횡축은 탐침과 시료의 간극, 세로축은 로크인증폭기에서 검출된 주파수ω성분의 진폭이다. 곡선 A는 진동부여주파수ω를 탐침(21)의 공진주파수보다 낮은 주파수로 설정했을 경우의 진폭변화를 나타낸다. 이 경우, 탐침(21)이 시료표면에 근접하면 주파수ω성분의 진폭은 증대한다. 또한, 곡선 B는, 진동부여주파수 ω를 탐침(21)의 공진주파수보다 높은 주파수로 설정했을 경우의 진폭변화를 나타낸다. 이 경우에는, 탐침(21)이 시료표면에 가까이 가면 주파수ω성분의 진폭은 반대로 감소한다. 따라서, 진폭변화에 문턱값을 설정해 두는 것에 의해, 검출된 진폭변화가 그 문턱값을 초과했을 때, 탐침(21)이 시료표면에 달했다고 판정할 수 있다.

탐침(21)에 작용하는 힘구배에 의해 시료표면의 위치를 검출하고 있을 때, XY주사회로(25)에 의한 XY주사기능은 완전히 정지하고 있다. 탐침좌표의 측정 후, 즉시 탐침(21)을 소정의 거리(ΔZ)만큼 시료표면에서 Z방향으로 후퇴시킨다. Z방향으로의 후퇴 후, XY주사회로(25)에 의해 탐침(21)을 다음 화소점까지 ΔX만큼 이동한다. 그 후, 마찬가지의 순서로 탐침(21)을 시료(11)의 표면에 접근시켜, 표면위치를 검출한다. 이렇게 해서 모든 화소에서 시료의 표면위치(x, y, z)를 계측해서 시료의 표면구조에 관한 정보를 얻는다.

이렇게 탐침(21)을 구동하는 것에 의해, 연속적으로 서보(servo)하면서 탐침(21)을 주사하는 것에 의한 마찰의 영향을 없앨 수 있다. 또한, 대단히 작은 힘을 검출해서 시스템을 동작시키기 위해, 탐침(21)을 시료(11)에 수직으로 접근시킬 때, 가파르고 험준한 슬로프상에서의 탐침(21)의 미끄러짐에 의한 오차를 극력 작게 할 수 있다. 본 발명의 방법에 의하면, 장래 필요가 있는 고애스펙트비의 구조를 정밀도 좋게 계측할 수 있다. 한편, 탐침(21)의 후퇴량(ΔZ)은, 시료(11)의 표면구조가 가지는 깊이 혹은 산의 높이를 고려하여, 그 깊이 혹은 높이보다 크게 설정하는 것이 좋다.

도시된 예에서는 탐침(21)의 변위를 광지레에 의해 검출하고 있지만, 광지레 대신 용량변위계, 비뚤어짐게이지, 광간섭계 등, 다른 공지의 측정 기술을 이용해서 측정하도록 해도 좋다.

[실시예 2]

도 6은, 본 발명에 따른 디지털프로빙AFM의 다른 예를 보여주는 모식도이다. 이 디지털프로빙AFM은, 통상의 AFM의 구성에 더해서, FM(주파수변조)검출방식의 원자간력구배검출기를 구비한다.

도시의 예에서, 힘검출기는, 반도체레이저(31), 위치검출기(32), 힘검출회로(34)로 구성되는 광지레방식을 채용하고 있다. 한편, 힘구배를 검출하기 위해, PLL(phase-locked loop)회로(50)를 이용하여 주파수를 복조하고, 주파수의 변화로부터 힘구배의 변화를 검출한다. 또한, 검출된 신호를 일정 값으로 제어하기 위한 서보계, 주사계, 접근기구, 탐침위치검출기 등은 실시예 1과 같은 것을 사용하고 있다. 한편, 탐침의 진동은, 실시예 1과 다르고, 외부발진기를 사용하지 않고, 내부의 회로망으로 공진회로계를 구성하고, 이것을 이용하고 있다. 즉, 탐침, 진동부여용 압전소자(23), 발진 회로(51), 힘검출회로(34), 광지레탐침위치검출기(32)의 폐루프를 정귀환 결합시켜서 캔틸레버(22)를 공진점에서 발진시킨다.

측정순서는, 실시예 1과 같다. 우선, 상술한 바와 같이, 탐침, 진동부여용 압전소자(23), 발진회로(51), 힘검출회로(34), 광지레탐침위치검출기(32)로 폐루프를 만들고, 정귀환결합시켜서 캔틸레버(22)를 공진점에서 발진시킨다. 탐침을 진동시키면서 시료표면에 접근시킨다. 설정한 원자간력 구배가 탐침에 작용했을 때, 탐침이 시료표면에 접촉했다고 판단하고, 표면위치정보를 취득하고, 그 후, 소정의 거리(ΔZ)만큼 탐침을 시료표면에서부터 후퇴시킨다. 후퇴한 Z위치에서, 탐침을 X방향으로 다음 화소위치까지 이동시키고, 마찬가지로 표면위치계측동작을 반복한다.

그 다음에, 도 7에 보인 PLL회로의 개략구성도를 이용해서 탐침에 작용하는 원자간력구배의 측정에 대해서 설명한다. 탐침을 진동시키면서 시료(11)의 표면에 접근시킨다. 이 때, 발진회로(51)로부터 진동부여신호를 PLL회로(50)에 입력한다. PLL회로(50)는 복조기능을 가지고, 공진주파수를 저 주파영역의 신호로 변환하여, 서보회로(35)에 입력한다. 즉, 발진회로(51)로부터의 공진주파수 ω₁의 신호 V1 = Acosω₁t는, 위상비교기(53)에서 전압제어발진기(56)로부터의 주파수 ω₂의 신호V₂= Bcosω₂t에 곱해질 수 있다. 루프필터(54)는 위상비교기(53)로부터의 신호 중 주파수 (ω₁- ω₂)의 저주파성분의 신호를 루프증폭기(55)에 출력한다. 루프증폭기(55)는 주파수변화를 나타내는 신호 G{cos(ω₁- ω₂)t}를 출력한다. 전압제어발진기(56)에서는, ω₂= ω₁{cos(ω₁- ω₂)t}, (G=ω₁)이 되도록, 즉 항상 ω₂= ω₁이 되도록 제어한다.

탐침이 시료표면에 다가가면, 탐침에 원자간력이 가해져, 캔틸레버(22)의 공진점이 시프트한다. 도 8에, 탐침과 시료표면이 근접했을 때 PLL회로(50)에 의해 검출되는 공진주파수의 변화를 보여준다. 이 공진주파수의 변화로부터 힘구배의 변동을 검출하고, 설정된 힘구배의 변화량이 되었을 때, 탐침이 시료(11)의 표면에 도달했다고 판단한다. 그래서, 제어부(37)는, 즉시 탐침의 위치로부터 시료(11)의 표면위치(x, y, z)를 측정한다. 이 때, XY주사회로(25)에 의한 XY주사기능은 완전히 정지하고 있다.

탐침의 변위검출에는, 도시된 광지레 대신, 용량변위계, 비뚤어짐게이지, 광간섭계 등, 다른 공지의 측정기술을 이용해도 좋다.

[실시예 3]

도 9는 슬로프검출방식을 채용한 디지털프로빙AFM을 반도체검사장치에 적용한 예를 보여주는 모식도이다. 도시하는 반도체검사장치는, 진동방식의 원자간력구배를 검출하는 기능을 구비한 AFM을 가지며, 또, 반도체칩내의 임의의 측정위치에서 측정하기 위한 칩위치인식기능, 및 자동측정을 위한 계산기처리기능을 구비한다.

AFM의 힘검출기는, 반도체레이저(31), 위치검출기(32), 힘검출기(34)로 구성되는 광지레방식을 채용하고, 힘구배는 실시예 1과 마찬가지로 로크인증폭기(40)로 검출한다. 게다가, 탐침(21)을 시료(반도체칩; 11)의 표면에 가까이 하기 위한 접근기구를 마련하고 있다(도시 생략).

이 AFM측정수단에 더하여, 탐침(21)과 시료(11)을 동시에 관찰하기 위한 광학현미경(60)을 구비한다. 광학현미경(60)은, 대물렌즈(61) 및 접안렌즈(62)를 가지며, 시료면이나 캔틸레버(22)와 시료(11)를 동시에 관찰할 수 있다. 한편, 도면에서는 낙사(落射)조명계를 생략하고 있다. 조명된 시료(11)나 탐침(21)은 CCD카메라(63)로 관찰된다. CCD카메라(63)에서 촬상된 광학상은 시스템상에서 칩의 위치를 정확히 인식하기 위해 사용된다. 이것에 의해, 웨이퍼내의 칩배열이나 검사장치내의 위치관계 등을 계산하여 구하는 것이 가능하다. 이 매핑에 의해, 표면형상을 측정하고 싶은 칩상의 장소에 정확하게 탐침(21)을 위치 결정할 수 있다.

제어부(37)는, 호스트컴퓨터와의 통신이나 웨이퍼자동반송로보트와의 통신을 행하고, 측정개소나 측정조건의 처방(recipe)을 받고, 자동계측을 제어하고, 또, 로보트로부터의 웨이퍼의 반입ㆍ반출을 제어한다. 제어부(37)는 호스트컴퓨터에서 지정된 장소가 관찰위치가 되도록 XY주사회로(25)에 지령해서 XY시료스테이지(12) 및 XYZ주사압전소자(24)을 구동하고, 지정 장소를 측정한다. 또한, 제어부(37)는 측정데이타를 호스트컴퓨터에 통신하거나, 표시장치(38)에 표시한다.

이상과 같이, 본 발명을 서브미크론영역의 치수를 가진 고애스펙트 구조의 형상계측에 적용하면, 경사면에서의 탐침의 미끄러짐이 없이 나노미터이하의 정밀도로 계측할 수 있고, 미세소자의 측장계측이나 결함계측에 이용할 수 있다. 또한,반도체제조프로세스의 라인모니터로서 사용할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 서브미크론영역의 치수를 가진 고애스펙트 구조의 형상계측에 즈음하여, 경사면에서의 탐침의 미끄러짐이 없게 나노미터이하의 정밀도로 계측할 수 있다.

Claims

시료를 탑재하는 시료스테이지;

탐침;

상기 탐침을 고정한 캔틸레버;

상기 탐침을 시료표면을 따르는 방향으로 2차원적으로 이동시키는 제1탐침이동수단;

상기 탐침을 시료표면에 대하여 근접하는 방향 혹은 멀어지는 방향으로 이동시키는 제2탐침이동수단;

상기 탐침의 위치를 검출하는 탐침위치검출수단;

상기 캔틸레버를 그 공진점에서 조금 벗어난 소정의 주파수로 진동시키는 수단;

상기 캔틸레버의 상기 소정의 주파수의 성분의 진동진폭을 검출하는 진폭검출 수단; 및

상기 캔틸레버를 시료표면에 대하여 근접하는 방향으로 이동시키면서 상기 캔틸레버의 상기 소정의 주파수성분의 진동진폭의 변화를 검출하고, 상기 진동진폭의 변화가 소정량에 이르렀을 때의 상기 탐침의 위치를 계측하는 제어수단을 포함하는 주사형프로브현미경.
제1항에 있어서, 상기 진폭검출수단은 로크인증폭기로부터 이루어지는 주사형프로브현미경.
시료를 탑재하는 시료스테이지;

탐침;

상기 탐침을 고정한 캔틸레버;

상기 탐침을 시료표면을 따르는 방향으로 2차원적으로 이동시키는 제1탐침이동수단;

상기 탐침을 시료표면에 대하여 근접하는 방향 혹은 멀어지는 방향으로 이동시키는 제2탐침이동수단;

상기 탐침의 위치를 검출하는 탐침위치검출수단;

상기 탐침을 고정한 캔틸레버를 그 공진점에서 진동시키는 수단;

상기 캔틸레버의 공진주파수의 시프트를 검출하는 공진주파수시프트검출수단;

상기 캔틸레버를 시료표면에 대하여 근접하는 방향으로 이동시키면서 상기 캔틸레버의 공진주파수의 시프트를 검출하고, 상기 공진주파수의 시프트가 소정량에 달했을 때의 상기 탐침의 위치를 계측하는 제어수단을 포함하는 주사형프로브현미경.
제3항에 있어서, 상기 공진주파수시프트검출수단은 위상동기루프회로로 이루어지는 주사형프로브현미경.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탐침은 탄소나노튜브로 이루어지는 주사형프로브현미경.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탐침위치검출수단으로서, 용량변위계, 비뚤어짐게이지, 광간섭계 또는 광지레를 이용하는 주사형프로브현미경.
탐침을 고정한 캔틸레버를 구비하는 주사형프로브현미경을 이용하여 시료의 표면구조를 측정하는 방법에 있어서,

상기 탐침과 시료표면 간의 간극을 일정하게 유지하는 서보계를 정지시켜, 상기 탐침을 시료로부터 떼어 놓은 상태로 시료표면을 따르는 방향으로 측정점까지 이동시키는 단계;

상기 탐침을 진동시키면서 시료표면에 접근시켜 인력영역에서 소정의 원자간력을 검출했을 때의 상기 탐침의 위치를 측정하는 단계; 및

상기 탐침을 시료표면에서 멀어지는 방향으로 이동시키는 단계를 측정점마다 반복하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 탐침을 시료표면에서 멀어지는 방향으로 이동시키는 스텝에서는, 상기 탐침을 시료의 흡착력의 영향이 없어지는 거리이상 이동시키는것을 특징으로 하는 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 진동의 주파수는 상기 캔틸레버의 공진점에서 조금 벗어난 주파수이며, 상기 캔틸레버의 진동진폭의 변화에 기초하여 상기 소정의 원자간력을 검출하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 진동의 주파수는 상기 캔틸레버의 공진점의 주파수이며, 상기 캔틸레버의 공진주파수의 시프트에 기초하여 상기 소정의 원자간력을 검출하는 것을 특징으로 하는 방법.