KR20060031694A - 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탐침(20)을 구비하는 캔틸레버(21)와, 탐침·시료 사이의 물리량을 측정하는 측정부를 구비하고, 시료 표면을 측정하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법이다.

주사형 프로브 현미경은, 캔틸레버의 설치부(22)와, 캔틸레버카세트(30)와, 캔틸레버카세트를 이동시키는 XY 스테이지(14)와 Z 스테이지(15)와, 광학현미경(18)을 구비한다.

상기한 주사형 프로브 현미경에 있어서, 캔틸레버설치부와 캔틸레버카세트 사이의 위치맞춤을 행하여, 캔틸레버카세트로부터 캔틸레버를 선택하여 캔틸레버설치부에 장착하는 제 1 단계와, 캔틸레버장착후에 광학현미경장치를 이동시켜 장착된 캔틸레버를 관찰시야의 소정위치에 설정하는 제 2 단계를 포함한다. 제 2 단계에서는 광학현미경측 또는 캔틸레버측을 이동시켜 위치조정을 행하는 단계를 마련한다.

Description

주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법{PROBE REPLACING METHOD FOR SCANNING PROBE MICROSCOPE}

본 발명은 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법에 관한 것으로, 특히 탐침의 교환을 단시간으로 또한 높은 위치결정 정밀도로 자동적으로 교환하는 데 적합한 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법에 관한 것이다.

주사형 프로브 현미경(SPM)은, 종래 원자의 오더 또는 크기가 미세한 대상물을 관찰할 수 있는 측정 분해능을 가지는 측정장치로서 알려져 있다. 최근, 주사형 프로브 현미경은, 반도체디바이스가 만들어진 기판이나 웨이퍼 표면의 미세한 요철형상의 측정 등, 각종 분야에 적용되고 있다. 측정에 이용하는 검출용 물리량에 따라각종 타입의 주사형 프로브 현미경이 있다. 예를 들면 터널전류를 이용하는 주사형 터널 현미경(STM), 원자간력을 이용하는 원자간력 현미경(AFM), 자기력을 이용하는 자기력 현미경 등이 있고, 그것들의 응용범위도 확대되고 있다.

상기한 것중 원자간력 현미경은, 시료 표면의 미세한 요철형상을 고분해능으로 검출하는 데 적합하고, 반도체기판, 디스크 등의 분야에서 실적을 올리고 있다. 최근에는 인라인 자동검사공정의 용도로도 사용되고 있다.

원자간력 현미경은, 기본적인 구성으로서 원자간력 현미경의 원리에 의거하 는 측정장치부분을 구비한다. 통상, 압전소자를 이용하여 형성된 트라이포드형 또는 튜브형의 XYZ 미동기구를 구비하고, 이 XYZ 미동기구의 하단에, 선단에 탐침이 형성된 캔틸레버가 설치되어 있다. 탐침의 선단은 시료의 표면에 대향하고 있다. 상기 캔틸레버에 대하여 예를 들면 옵티컬레버식 광학검출장치가 구비된다. 즉, 캔틸레버의 윗쪽에 배치된 레이저광원(레이저발진기)으로부터 출사된 레이저광이 캔틸레버의 배면에서 반사되어 광검출기에 의하여 검출된다. 캔틸레버에 있어서 비틀림이나 휨 등의 변형으로 변위가 생기면, 광검출기에 있어서의 레이저광의 입사위치가 변화된다. 따라서 탐침 및 캔틸레버에서 변위가 생기면, 광검출기로부터 출력되는 검출신호로 상기 변위의 방향 및 양을 검출할 수 있다. 상기한 원자간력 현미경의 구성에 대하여 제어계로서 통상 비교기, 제어기가 설치된다. 비교기는 광검출기로부터 출력되는 검출전압신호와 기준전압을 비교하여, 그 편차신호를 출력한다. 제어기는, 상기 편차신호가 0 이 되도록 제어신호를 생성하여, 이 제어신호를 XYZ 미동기구내의 Z 미동기구의 부분에 준다. 이와 같이 하여 시료와 탐침 사이의 거리를 일정하게 유지하는 피드백 서보 제어계가 형성된다. 상기한 구성에 의하여 탐침을 시료 표면의 미세 요철에 추종시키면서 주사하여 그 형상을 측정할 수 있다.

원자간력 현미경이 발명된 당시는, 그 고분해능성을 이용하여 nm(나노미터) 이하의 오더의 표면 미세형상의 측정이 중심과제였다. 그러나 현재에는 주사형 프로브 현미경은 반도체디바이스의 인라인 제작장치의 도중의 단계에서 검사를 행하는 인라인 자동검사까지 그 사용범위가 확대되어 오고 있다. 이와 같은 상황이 되 면 실제의 검사공정에서는 기판 또는 웨이퍼의 위에 만들어진 반도체디바이스의 표면의 미세요철형상에 있어서 매우 급준한 요철을 측정하는 것이 요구된다.

다음에 종래의 원자간력 현미경의 탐침의 설치구조를 설명한다. 통상 탐침은 캔틸레버 선단부의 하면에 형성되어 있다. 캔틸레버는 소요의 탄성을 가지는 한쪽 지지 빔형상의 레버부재이다. 따라서 탐침의 설치구조는, 즉 캔틸레버의 설치구조 이고, 캔틸레버의 설치구조와 실질적으로 동일한 기술내용이 된다. 상기한 바와 같이 캔틸레버는, XYZ 미동기구의 하단, 특히 Z 미동기구 부분의 하단에 설치된다.

캔틸레버의 설치구조를 상세하게 설명한다. 캔틸레버는, 선단부의 하면에 탐침을 가짐과 동시에, 그 후단부(기초부)에 캔틸레버 홀더를 가진다. 캔틸레버 홀더는, 캔틸레버의 부분과 크기 및 형상의 관점에서 비교하면, 비교적 면적이 큰 예를 들면 직사각형 평판형상의 부분으로 되어 있다. Z 미동기구의 아래쪽에는 캔틸레버를 설치하기 위한 캔틸레버설치부를 구비하고 있다. 이 캔틸레버설치부는, 예를 들면 공기흡인기구에 의한 흡인작용(진공흡착)에 의하여 캔틸레버 홀더를 흡착함으로써 캔틸레버를 Z 미동기구의 하부에 고정·장착하고 있다.

상기 원자간력 현미경 등의 주사형 프로브 현미경에 있어서의 큰 문제는 탐침의 교환이다. 현재 상태의 기술로서는 탐침과 시료의 접촉상태를 가능한 한 적게 하기 위하여 각종 측정모드가 제안되어 있다. 그러나 탐침과 시료의 접촉은 완전하게 없앨 수는 없어, 탐침 선단의 마모는 피할 수 없다. 그 때문에 탐침이 마모되면 주사형 프로브 현미경의 설치부로부터 캔틸레버를 떼어 내고 새로운 캔틸레 버와 교환하지 않으면 안된다. 또 측정대상의 다양화에 의하여 다른 종류의 캔틸레버(탐침)를 미리 준비하여 상황에 따라 캔틸레버를 적당한 타이밍으로 교환하는 것도 필요하게 된다. 특히, 반도체제조라인에 주사형 프로브 현미경에 의한 인라인 검사공정을 설치하는 경우에는 탐침교환의 자동화가 중요하게 된다. 이 경우에 있어서, 특히 탐침을 구비한 캔틸레버를 캔틸레버설치부에 설치하기 위한 구조가 중요하다.

주사형 프로브 현미경에 있어서 자동적으로 탐침을 교환하는 기술로서는 일본국 특허제3176931호 공보에 개시된 기술이 있다. 이 특허제3176931호 공보에 기재된 주사형 프로브 현미경에서는 자동적으로 탐침의 교환을 행하고 또한 그 위치맞춤을 행하는 구성 및 기능을 가지고 있다. 일본국 특허제3176931호 공보에 의한 주사형 프로브 현미경에서는, 시료 스테이지상의 시료 홀더의 근방으로서 시료 스테이지상에 캔틸레버 카세트설치대(설치 포트)가 설치되고, 이 설치대에 캔틸레버 카세트가 구비된다. 캔틸레버 카세트는, 복수의 수용부를 가지고, 복수의 캔틸레버가 각각의 수용부에 수용되어 있다. 또 주사형 프로브 현미경의 미동 기구부(스캐너)의 하부에는 흡인기구를 가지는 캔틸레버설치부가 설치되고, 이것에 의한 흡인작용에 의거하여 캔틸레버가 설치되고, 장착되어 있다.

상기한 구성에 있어서, 미동 기구부의 하부에 장착되어 있는 캔틸레버를 교환할 때에는, 예를 들면 시료 스테이지를 이동시킴으로써 상대적으로 미동 기구부를 캔틸레버 카세트의 설치부분으로 이동시키고, 흡인작용을 해제하여 캔틸레버 카세트의 빈 수용부에 그때까지 사용하고 있던 캔틸레버를 떼어내어 두고, 다음에 미 동 기구부를 새로운 캔틸레버의 부분으로 이동시키고, 다시 흡인작용에 의거하여 새로운 캔틸레버를 장착한다.

상기한 캔틸레버의 교환에서는 미동 기구부와, 캔틸레버 카세트의 소정의 빈 수용부나 새로운 캔틸레버 등과의 위치맞춤은, 예를 들면 광학현미경에 의한 관찰에 의거하여 행하여진다. 구체적으로는 관찰시야의 화상을 텔레비전 카메라로 취득하여, 그 화상을 기초로 캔틸레버의 존재위치를 자동적으로 인식하여 설치를 위한 위치를 확정하고, 시료 스테이지내의 Z 스테이지에 의하여 접근동작을 행하여, 흡인장치에 의한 흡착작용에 의거하여 캔틸레버의 설치를 완료한다.

이상에 의하여 주사형 프로브 현미경에 있어서 캔틸레버의 자동교환, 즉 탐침의 자동교환을 실현할 수 있다. 또한 실제로는 그 후에 있어서 다음의 SPM 측정을 행할 수 있도록 레이저광을 캔틸레버의 배면에 조사하기 위한 광학검출장치의 위치 등의 설정, 광축 맞춤이 행하여진다.

상기한 일본국 특허제3176931호 공보에 기재된 탐침의 자동교환방법에서는 탐침교환에 시간이 걸린다는 문제가 있다. 그 제 1의 이유는, 설치방법으로서 진공흡착방식을 이용하나, 흡착시에 설치위치가 어긋나서 최악의 경우에는 한번 떼어 내고 다시 설치하는 것이 적지 않게 발생하는 것이다. 제 2의 이유는, 탐침의 설치전에 위치를 확정하는 방식이기 때문에, 위치결정의 정확함이 요구되고, 또 설치의 동작이 복잡해지기 때문에 교환에 시간을 요하는 것이다. 이들 이유는 복합적으로 얽혀 있다.

일본국 특허제3176931호 공보에 의한 탐침의 자동교환방법으로 캔틸레버를 설치하는 공정을 단계로 나타내면, 다음과 같이 9단계로 나타낸다.

(1) XY 이동 : 설치하고자 하는 캔틸레버의 위치를 캔틸레버설치부의 위치에 맞춘다.

(2) Z 스테이지에 의한 이동 : 캔틸레버 홀더가 캔틸레버설치부에 접촉하지 않은 상태에서 시료 스테이지의 Z 스테이지에 의하여 위치조정한다. 선단부의 위치맞춤을 위해 비접촉상태로 된다.

(3) 광학현미경에 의한 포커스 : 캔틸레버의 배면에 광학현미경의 초점을 맞춘다.

(4) 캔틸레버의 위치의 인식 : 카메라로 취득한 화상을 이용한 패턴 인식으로 캔틸레버의 위치를 확인한다.

(5) XY 스테이지의 미세 조정 : 단계 (4)의 결과에 따라 캔틸레버가 광학현미경의 관찰시야에 있어서의 소정위치(통상은 중심위치)가 되도록 시료 스테이지의 XY 스테이지를 미세 조정한다.

(6) 캔틸레버의 설치 : Z 스테이지를 상승시켜, 캔틸레버를 설치한다. 통상은 진공흡착을 사용한다.

(7) 광학현미경에 의한 포커스 : 캔틸레버의 배면에 광학현미경의 초점을 맞춘다.

(8) 캔틸레버의 위치의 인식·확인 : 카메라에 의한 화상을 이용하여 캔틸레버의 설치상태에서의 위치를 확인한다.

(9) 떼어 냄 : 단계 (8)에서 캔틸레버의 설치에서 실패일 때에는 캔틸레버를 떼어 내고, 단계 (2)로 되돌아가 다시 한다.

이상과 같이 종래의 탐침의 자동교환방법에 의하면, 진공흡착 등을 이용하는 방식에 있어서는 캔틸레버를 설치할 때의 설치 오차를 없애는 것은 어렵고, 위치 어긋남이 생기기 쉽다. 위치 어긋남이 큰 경우에는 캔틸레버의 위치가 광학현미경의 관찰시야의 바깥쪽이 되는 경우가 있다. 이와 같은 경우에는 캔틸레버의 설치작업을 다시 하게 된다. 이와 같은 종래의 탐침의 자동교환방법은, 공정의 단계가 많고 또한 복잡하게 되어 있어, 설치위치에 오차가 생긴 경우에는 설치작업을 다시 하는 것이 필요하게 된다.

또 탐침, 즉 캔틸레버를 교환한 다음에는 캔틸레버의 탄성 왜곡을 검출하는 광학검출기구에 있어서, 사용하는 레이저광의 조사위치를 레이저광원을 이동하여 설정하는 작업이나, 레이저광원으로부터 발생되고, 캔틸레버에서 반사된 레이저광을 수광하는 광검출기의 위치를 이동하여 광검출기상의 검출위치를 소정의 위치로 조정하는 작업 등이 있어, 조정에 많은 시간이 걸리고 있다.

따라서, 탐침의 교환작업에는 많은 시간이 걸리게 된다.

본 발명의 목적은, 상기한 과제를 감안하여 단시간으로 고정밀도로 탐침의 설치 또는 교환을 자동적으로 행할 수 있는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 캔틸레버(탐침)를 설치 또는 교환을 자동적으로 행한 다음에 있어서, 캔틸레버의 설치상태를 자동적으로 판정하고, 또한 캔틸레버의 변위를 검출하는 광학적 검출장치의 광원과 광검출기의 각 위치를 자동적으로 조정 할 수 있는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 관한 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법은, 상기 목적을 달성하기 위하여 다음과 같이 구성된다.

제 1의 관점에 의한 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법은, 시료에 대하여 탐침이 향하도록 설치된 캔틸레버와, 탐침이 시료의 표면을 주사할 때 탐침과 시료의 사이에서 생기는 물리량을 측정하는 측정부(옵티컬레버식 광학검출장치, 피드백 서보 제어계, 주사장치, XYZ의 미동기구, 데이터처리 등의 제어장치 등으로 이루어지는 부분)를 구비하고, 이 측정부에서 상기 물리량을 일정하게 유지하면서 탐침으로 시료의 표면을 주사하여 시료의 표면을 측정하도록 구성된 주사형 프로브 현미경에서의 상기 탐침의 교환방법이다. 이 주사형 프로브 현미경은, 또한 캔틸레버를 착탈하는 기구(공기흡인장치 등에 의한 진공흡착기구)를 구비한 캔틸레버설치부와, 복수의 캔틸레버를 수용·보관하는 캔틸레버보관부(캔틸레버 카세트)와, 캔틸레버보관부의 위치를 이동시키는 제 1 이동기구(XY 스테이지와 Z 스테이지)와, 장착상태의 캔틸레버의 위치를 관찰하는 관찰장치를 구비한다. 상기한 주사형 프로브 현미경에 있어서, 본 발명에 관한 탐침 교환방법은, 제 1 이동기구로 캔틸레버설치부와 캔틸레버보관부와의 사이의 위치맞춤을 행하여, 캔틸레버보관부로부터 하나의 캔틸레버를 선택하여 캔틸레버설치부에 장착하는 단계와, 캔틸레버장착후에, 관찰장치와 캔틸레버의 상대적인 위치를 변경시켜, 장착된 캔틸레버를 관찰장치의 관찰시야의 소정위치에 설정하는 단계 를 포함하여 이루어지는 방법이다. 이에 의하여 탐침의 교환은 작업 전체가 적은 단계수로 자동적으로 행하여진다.

제 2 이동기구에 의하여 관찰장치를 이동시킴으로써, 캔틸레버를 관찰장치의 관찰시야의 소정위치에 설정하는 것을 특징으로 한다. 관찰장치는 그 위치를 제 2 이동기구에 의하여 XY 평면내에서 이동하도록 구성되어 있다.

상기한 탐침 교환방법에 있어서, 바람직하게는 제 1 이동기구에 의하여 이동하는 위치결정기구에 의하여 캔틸레버측을 이동시킴으로써, 캔틸레버를 관찰장치의 관찰시야의 소정위치에 설정하는 것을 특징으로 한다.

상기한 탐침 교환방법에 있어서, 바람직하게는 관찰장치는 광학현미경이고, 이 광학현미경 및 TV 카메라로 얻어지는 화상을 이용하여 패턴인식처리를 행하여 장착된 캔틸레버의 장착위치를 특정하는 방법이다.

상기한 탐침 교환방법에 있어서, 바람직하게는 상기 소정위치는 관찰시야의 중심위치인 것으로 특징지어진다.

제 2 관점에 의한 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법은, 선단에 탐침을 가지고 또한 기초끝에 캔틸레버 홀더를 가지는 캔틸레버와, 탐침이 시료의 표면을 주사할 때 탐침과 시료의 사이에서 생기는 물리량을 측정하는 측정부를 구비하고, 이 측정부에서 물리량을 일정하게 유지하면서 탐침으로 시료의 표면을 주사하여 상기 시료의 표면을 측정하도록 구성되는 주사형 프로브 현미경에 적용된다. 이 주사형 프로브 현미경은, 다시 캔틸레버 홀더를 거쳐 캔틸레버를 탈착하는 기구를 구비한 캔틸레버설치부와, 복수의 캔틸레버를 보관하는 캔틸레버보관부와, 캔틸레버보관부의 위치를 이동시키는 제 1 이동기구와, 장착상태의 캔틸레버의 위치를 관찰하는 관찰장치를 구비한다. 또한 주사형 프로브 현미경은, 제 1 이동기구에 의하여 이동하는 캔틸레버설치부에 설치된 캔틸레버의 위치를 조정하는 위치결정기구를 구비한다. 이상의 구성을 가지는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법은, 캔틸레버보관부와의 사이의 위치맞춤을 행하고, 캔틸레버보관부로부터 하나의 캔틸레버를 선택하여 이 캔틸레버를 캔틸레버 홀더를 거쳐 캔틸레버설치부에 장착하는 단계와, 제 1 이동기구로 캔틸레버를 장착한 캔틸레버설치부와 위치결정기구와의 사이의 위치맞춤을 행하는 단계와, 선택한 캔틸레버를 캔틸레버설치부에 장착한 후에 장착된 캔틸레버를 관찰장치로 촬상하는 단계와, 위치결정기구에 의하여 캔틸레버설치부에 대한 캔틸레버의 위치를 변화시켜 관찰장치의 관찰시야내에서 소정위치로 이동시키는 단계를 포함한다.

상기한 탐침 교환방법에 있어서, 바람직하게는 위치결정기구는 캔틸레버설치부에 설치된 캔틸레버 홀더의 측면을 누르는 누름부재를 가진다.

상기한 탐침 교환방법에 있어서, 바람직하게는 누름부재는, 평면형상이 직사각형인 캔틸레버 홀더의 2변의 측면에 접촉하는 L자형 누름부재이다.

상기한 탐침 교환방법에 있어서, 바람직하게는 캔틸레버설치부에 설치된 캔틸레버의 설치상태를 판정하는 단계를 포함하고 있다.

상기한 탐침 교환방법에 있어서, 바람직하게는 캔틸레버의 선단위치를 검출하여 그 좌표값을 기억하는 단계와, 기억한 좌표값에 의거하여 캔틸레버에 레이저광을 조사하여 캔틸레버의 휘어짐을 검출하는 레이저광을 발생하는 광학검출장치의 레이저광원과 광검출기의 위치를 광축조정을 위해 조정하는 단계를 포함한다.

상기한 탐침 교환방법에 있어서, 바람직하게는 관찰장치는 광학현미경이고, 이 광학현미경으로 얻어지는 화상을 이용하여 패턴인식 및 화상처리를 행하는 단계와, 캔틸레버설치부에 설치된 캔틸레버의 설치위치를 특정하는 단계를 구비한다.

상기한 탐침 교환방법에 있어서, 바람직하게는 캔틸레버의 설치위치를 특정할 때, 관찰장치에 의해 얻어지는 화상의 화상처리를 행함으로써 캔틸레버의 선단위치나 중심축의 좌표값을 검출하는 단계와, 좌표값을 기억하는 단계를 구비한다.

상기한 탐침 교환방법에 있어서, 바람직하게는 기억한 캔틸레버의 선단위치나 중심축의 좌표값에 의거하여 캔틸레버의 종류에 따른 레이저광의 캔틸레버에의 조사목표위치범위를 계산하는 단계와, 관찰장치에 의해 얻어지는 화상과 광검출기로부터의 출력신호를 사용하여 제 2 이동기구로 레이저광원의 위치를 상대적으로 이동하면서 캔틸레버에 조사하는 레이저광의 조사위치를 조사 목표 범위내의 소정위치에 자동적으로 설정하는 단계를 구비한다.

상기한 탐침 교환방법에 있어서, 바람직하게는 위치나 중심축의 좌표값에 의거하여 제 3 이동기구로 광검출기의 위치를 상대적으로 이동하여 광검출기상에서의 레이저광의 수광위치를 소정위치에 자동적으로 설정하는 단계를 구비한다.

원자간력 현미경 등의 주사형 프로브 현미경에 의하여 예를 들면 반도체디바이스가 제작된 기판 등의 시료를 인라인 자동검사공정에서 계측·검사하는 경우, 자동계측의 알고리즘에 따라 탐침을 주사하여 시료 표면의 요철형상을 계측한다. 측정대상인 시료는 일정한 시간간격으로 계속하여 반입되어 오기 때문에, 예를 들면 소정수의 시료의 자동계측이 끝나면 탐침의 선단이 마모되어 새로운 탐침으로의 교환작업이 필요하게 된다. 탐침의 교환에서는 사용중의 캔틸레버를 캔틸레버설치부로부터 떼어 내고, 새로운 캔틸레버를 캔틸레버설치부에 설치한다. 복수의 캔틸레버는 캔틸레버보관부에 미리 보관되어 있다. 떼어 낸 캔틸레버는 캔틸레버보관부의 소정의 빈 수용부에 수용되고, 새로운 캔틸레버는 캔틸레버보관부의 복수의 캔틸레버 중에서 하나가 선택된다.

캔틸레버보관부의 복수의 캔틸레버의 각각의 위치는, 시료 스테이지상에서 설정된 좌표계에 있어서 미리 좌표관리 등의 방법으로 확정하고 있고, 제어장치의 기억부에서 그것들의 위치 데이터는 관리되고 있다. 새로운 캔틸레버를 캔틸레버설치부에 장착할 때, 제 1 이동기구로 캔틸레버보관부를 이동시킨다. 통상 XY 스테이지에서 상기 새로운 캔틸레버가 설치부의 위치에 일치되고, Z 스테이지에 의하여 상기 캔틸레버를 캔틸레버설치부의 방향으로 접근 이동시켜, 캔틸레버를 캔틸레버설치부에 장착시킨다. 캔틸레버를 장착한 후에 있어서 예를 들면 제 2 이동기구로 광학현미경등을 이동시켜 캔틸레버의 위치를 그 관찰시야의 중심위치 등으로 조정한다. 광학현미경 등의 관찰시야로부터 벗어난 위치에 캔틸레버가 있을 때에는 탐색 알고리즘에 의하여 캔틸레버를 발견하고, 최종적으로는 마찬가지로 중심위치 등에 오도록 위치조정을 행한다.

제 1 관점에 의한 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법에서는, 캔틸레버를 설치하기 전에 그 위치를 조정하는 방식이 아니고, 설치된 후에 있어서 장착된 캔틸레버의 위치를 관찰장치로 미세 조정하도록 한 방식이기 때문에, 재설치의 작업이 발생하지 않는다. 따라서 설치시의 사전의 위치 미세 조정을 생략할 수 있고, 설치후에 재설치가 불필요하게 되어 교환을 위한 제어 단계수가 적어 매우 단시간으로 탐침교환을 행하는 것이 가능하게 된다.

제 2 관점에 의한 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법에서는 캔틸레버를 설치하기 전에 그 위치를 조정하는 방식이 아니라, 설치한 후에 있어서 장착된 캔틸레버의 위치를 관찰장치로 관찰하면서 캔틸레버설치부에 대한 캔틸레버의 설치위치를 캔틸레버측을 이동하여 변화시켜 미세 조정하도록 한 방식이기 때문에, 재설치의 작업이 발생하지 않는다. 따라서 설치시의 사전의 위치 미세 조정을 생략할 수 있고, 설치후에 재설치가 불필하게 되어 교환을 위한 제어 단계수가 적어 매우 단시간으로 탐침교환을 행하는 것이 가능해진다. 또한 광학검출장치의 광축조정도 자동적으로 할 수 있기 때문에 정확한 측정상태를 만들 수 있다.

본 발명에 의하면 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법에 있어서, 새로운 캔틸레버를 설치부에 설치하여 장착하였을 때, 캔틸레버의 설치위치를 광학현미경 등에 의하여 미세 조정하여 설치 오차를 없애도록 하였기 때문에, 설치부에 장착한 캔틸레버에 있어서 오차가 생기고 있었다 하여도 재설치의 작업은 발생하지 않아, 교환을 위한 단계수를 줄일 수 있어 매우 단시간으로 교환할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 탐침 교환방법이 적용되는 주사형 프로브 현미경의 전체적인 구성을 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 시료 스테이지의 구체적인 구성을 나타내는 사시도,

도 3은 캔틸레버 카세트의 구체예의 평면도,

도 4는 도 3에 있어서의 A-A선 단면도,

도 5는 본 발명에 관한 주사형 프로브 현미경이 인라인 자동검사공정으로서 사용되는 구성을 나타낸 블럭도,

도 6은 탐침교환에 있어서의 캔틸레버설치 동작의 공정을 나타내는 플로우차트,

도 7은 광학현미경에 의한 관찰시야의 상황을 설명하는 도,

도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 탐침 교환방법이 적용되는 주사형 프로브 현미경의 전체적인 구성을 나타내는 구성도,

도 9는 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 시료 스테이지의 구체적인 구성을 나타내는 사시도,

도 10은 위치결정기구의 누름부재의 평면도,

도 11은 위치결정기구의 누름부재의 측면도,

도 12는 위치결정기구의 누름부재의 동작상태를 나타내는 평면도,

도 13은 제 2 실시형태에 있어서 설치부에 설치된 캔틸레버 유닛을 위치결정기구에 이동시키는 상태를 나타내는 평면도,

도 14는 광학현미경의 관찰시야에 있어서의 화면중심과 캔틸레버와의 위치맞춤을 나타내는 화면도,

도 15a는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 자동적 탐침 교환방법의 전반의 순서의 흐름을 나타내는 플로우차트,

도 15b는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 자동적 탐침 교환방법의 후반의 순서의 흐름을 나타내는 플로우차트,

도 16은 캔틸레버의 자유단측에서 본 광학식 검출장치의 광축계를 나타내는 도,

도 17은 광학식 검출장치의 광축계의 평면도,

도 18은 광검출기의 수광면과 수광상태를 설명하는 도,

도 19는 광축의 자동조정을 설명하기 위한 광학현미경의 관찰화상을 나타내는 화면도이다.

이하에 본 발명의 적합한 실시형태를 첨부도면에 의거하여 설명한다.

도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제 1 실시형태를 설명한다. 이 제 1 실시형태에서는 주사형 프로브 현미경의 자동적인 탐침 교환방법에 있어서, 광학현미경 및 TV 카메라로 얻어지는 관찰시야의 화면으로, 캔틸레버의 상과 화면과의 상대적위치관계의 조정으로 화면측에 관계하는 구성부분을 이동시켜 위치조정을 행하는 방법이 제안된다.

도 1에 따라 본 발명에 관한 탐침 교환방법이 적용되는 주사형 프로브 현미경(SPM)의 전체의 구성을 설명한다. 이 주사형 프로브 현미경은 대표적인 예로서 원자간력 현미경(AFM)을 상정하고 있다. 그러나 주사형 프로브 현미경은 원자간력 현미경에 한정되는 것이 아니다.

도 1에 있어서 주사형 프로브 현미경의 아래쪽 부분에는 시료 스테이지(11) 가 설치되어 있다. 시료 스테이지(11)의 위에 시료(12)가 놓여져 있다. 시료 스테이지(11)는 직교하는 X축과 Y축과 Z축으로 이루어지는 3차원 좌표계(13)에 있어서, 시료(12)의 위치를 바꾸기 위한 기구이다. 시료 스테이지(11)는 XY 스테이지(14)와 Z 스테이지(15)와 시료홀더(16)로 구성되어 있다. 시료 스테이지(11)는 통상 시료측에서 변위(위치변화)를 생기게 하는 조동기구부로서 구성된다. 시료 스테이지(11)의 시료 홀더(16)의 상면에는 예를 들면 비교적 큰 면적이고 또한 박판형상의 상기 시료(12)가 놓여져 유지되어 있다. 시료(12)는, 예를 들면 표면상에 반도체디바이스의 집적회로 패턴이 제작된 기판 또는 웨이퍼이다. 시료(12)는 시료 홀더(16)상에 고정되어 있다. 시료 홀더(16)는 시료고정용 척기구를 구비하고 있다.

도 2를 참조하여 상기 시료 스테이지(11)의 구체적인 구성예를 설명한다. 도 2에서 14는 XY 스테이지이고, 15는 Z 스테이지이다. XY 스테이지(14)는 수평면(XY 평면)위에서 시료를 이동시키는 기구이고, Z 스테이지(15)는 수직방향(Z축 방향)으로 시료(12)를 이동시키는 기구이다. Z 스테이지(15)는, 예를 들면 XY 스테이지(14)의 위에 탑재되어 설치되어 있다.

XY 스테이지(14)는, Y축 방향을 향하여 배치된 평행한 2개의 Y축 레일(201)과 Y축 모터(202)와 Y축 구동력 전달기구(203)로 이루어지는 Y축 기구부와, X축 방향을 향하여 배치된 평행한 2개의 X축 레일(204)과 X축 모터(205)와 X축 구동력 전달기구(206)로 이루어지는 X축 기구부로 구성되어 있다. 상기 XY 스테이지(14)에 의하여 Z 스테이지(15)는 X축 방향 또는 Y축 방향으로 임의로 이동된다. 또 Z 스 테이지(15)에는 시료 홀더(16)를 Z축 방향으로 승강시키기 위한 구동기구가 설치되어 있다. 도 2에서는 상기 구동기구는 가려져 있어, 도시되어 있지 않다. 시료 홀더(16)의 위에는 시료(12)를 고정하기 위한 척기구(207)가 설치된다. 척기구(207)에는 통상 기계식, 진공흡착이나 정전흡착 등의 작용을 이용한 기구가 이용된다.

다시 도 1에서 설명한다. 시료(12)의 윗쪽 위치에는 구동기구(17)를 구비한 광학현미경(18)이 배치되어 있다. 광학현미경(18)은 구동기구(17)에 의하여 지지되어 있다. 구동기구(17)는 광학현미경(18)을 Z축 방향으로 움직이기 위한 포커스용 Z 방향 이동기구부(17a)와, XY의 각 축방향으로 움직이기 위한 XY 방향 이동기구부(17b)로 구성되어 있다. 설치관계로서, Z 방향 이동기구부(17a)는 광학현미경(18)을 Z축 방향으로 움직이고, XY 방향 이동기구부(17b)는 광학현미경(18)과 Z 방향 이동기구부(17a)의 유닛을 XY의 각 축방향으로 움직인다. XY 방향 이동기구부(17b)는 프레임부재에 고정되나, 도 1에서 상기 프레임부재의 도시는 생략되어 있다. 광학현미경(18)은 그 대물렌즈(18a)를 아래쪽을 향하여 배치되어 시료(12)의 표면을 바로 위부터 면하는 위치에 배치되어 있다. 광학현미경(18)의 상단부에는 TV 카메라(촬상장치)(19)가 부설되어 있다. TV 카메라(19)는 대물렌즈(18a)로 도입된 시료 표면의 특정영역의 상을 촬상하여 취득하여 화상 데이터를 출력한다.

시료(12)의 윗쪽에는 선단에 탐침(20)을 구비한 캔틸레버 유닛(21)[광의의 캔틸레버(21)]이 접근한 상태로 배치되어 있다. 캔틸레버 유닛(21)은 설치부(22)에 고정되어 있다.

캔틸레버 유닛(21)[광의의 캔틸레버(21)]은, 한쪽의 자유단에 탐침(20)을 구비하는 탄성적으로 휨 가능한 레버부재(21A)[협의의 캔틸레버(21A)]와, 레버부재(21A)의 기초부를 지지하는 캔틸레버 홀더(21-1)로 구성된다. 또한 상세하게는 레버부재(21A)와 캔틸레버 홀더(21-1) 사이의 접속부에는 실리콘 베이스가 설치된다. 캔틸레버 홀더(21-1)는 예를 들면 8 mm각의 직사각형 평판형상을 가지고 있다.

또 상기 설치부(22)는 캔틸레버 유닛(21)의 캔틸레버 홀더(21-1)를 설치하기 위한 수단이다. 설치부(22)는 예를 들면 공기흡인부(도시 생략)가 설치됨과 동시에, 이 공기흡인부는 공기흡인장치(도시 생략)에 접속되어 있다. 캔틸레버 유닛(21)은 큰 면적부분을 가지는 캔틸레버 홀더(21-1)가 설치부(22)의 공기흡인부로 흡착됨으로써 진공흡착작용에 의거하여 고정되어 장착된다.

상기한 설치부(22)는 Z 방향으로 미동 동작을 일으키는 Z 미동기구(23)에 설치되어 있다. 또한 Z 미동기구(23)는 캔틸레버 변위 검출부(24)의 하면에 설치되어 있다. 또한 캔틸레버 변위 검출부(24)는 뒤에서 설명하는 바와 같이 XY 방향으로 미동 동작을 일으키는 XY 미동기구(29)에 설치된다. 따라서 설치부(22)는 Z 미동기구(23)와 XY 미동기구(29)에 의하여 X, Y, Z의 각 방향으로 미소거리로 이동시키는 것이 가능해진다.

캔틸레버 변위 검출부(24)는, 지지 프레임(25)에 레이저광원(26)과 광검출기(27)가 소정의 배치관계로 설치된 구성을 가진다. 레이저광원(26)은 레이 저광을 발하는 레이저 다이오드(LD)이고, 광검출기(27)는 레이저광을 수광하는 포토 다이오드(PD)이다. 캔틸레버 변위 검출부(24)와 캔틸레버 유닛(21)은 일정한 위치관계 로 유지되고, 레이저광원(26)으로부터 출사된 레이저광(28)은 캔틸레버(21A)의 배면에서 반사되어 광검출기(27)에 입사되게 되어 있다. 상기 캔틸레버 변위 검출부(24)는 옵티컬레버식 광학검출장치를 구성한다. 이 옵티컬레버식 광학검출장치에 의하여 캔틸레버(21A)에서 비틀림이나 휨 등의 변형이 생기면, 상기 변형에 의한 변위를 검출할 수 있다.

상기한 캔틸레버 변위 검출부(24)에 있어서, 레이저광원(26)과 광검출기(27)의 각각은 지지 프레임(25)상에서 그 위치를 조정할 수 있는 이동기구를 구비하고 있다.

캔틸레버 변위 검출부(24)는 XY 미동기구(29)에 설치되어 있다. XY 미동기구(29)에 의하여 캔틸레버 유닛(21) 및 탐침(20) 등은 XY의 각 축방향으로 미소거리로 이동된다. 이때 캔틸레버 변위 검출부(24)는 동시에 이동되게 되어 캔틸레버 유닛(21)과 캔틸레버 변위 검출부(24)의 위치관계는 불변이다.

상기에 있어서 Z 미동기구(23)와 XY 미동기구(29)는, 통상 압전소자로 구성되어 있다. Z 미동기구(23)와 XY 미동기구(29)에 의하여 탐침(20)의 이동에 대하여 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향의 각각으로 미소거리(예를 들면 수 내지 10㎛, 최대 100㎛)의 변위를 일으킨다.

상기한 XY 미동기구(29)는, 또한 광학현미경(18)에 관한 유닛이 설치되는 상기의 도시 생략한 프레임부재에 설치되어 있다.

상기의 설치관계에 있어서 광학현미경(18)에 의한 관찰시야에는 시료(12)의 특정영역의 표면과, 캔틸레버(21A)에 있어서의 탐침(20)을 포함하는 선단부(배면 부)가 포함된다.

시료 스테이지(11)의 상면에 있어서, 시료 홀더(16)의 곁에 캔틸레버 카세트(30)가 배치되어 있다. 캔틸레버 카세트(30)에는 다른 복수의 캔틸레버 유닛(21)이 수용되어 보관되어 있다. 도 1에서는 일례로서 복수의 캔틸레버 유닛(21)은 단순히 일렬로 나열된 것이 나타나 있다. 복수의 캔틸레버 유닛(21)은 새롭게 교환용으로서 준비되어 있는 것이다. 각 캔틸레버 유닛(21)은 선단부의 아래쪽에 탐침(20)을 구비하고, 후단부(기초부)에 캔틸레버 홀더(21-1)를 가지고 있다. 캔틸레버 카세트(30)에는 복수의 캔틸레버 유닛(21)을 수용함과 동시에, 설치부(22)에 장착된 캔틸레버 유닛(21)을 떼어 냈을 때에 그것을 두기 위한 수용공간도 준비되어 있다. 캔틸레버 카세트(30)의 이 수용공간은 도 1에서 나타낸 장착중인 캔틸레버 유닛(21)이, 설치부(22)에 설치되기 전에 원래 수용되어 있던 공간이다.

다음에 주사형 프로브 현미경의 제어계를 설명한다. 제어계의 구성으로서는 비교기(31), 제어기(32), 제 1 제어장치(33), 제 2 제어장치(34)가 설치된다. 제어기(32)는 예를 들면 원자간력 현미경(AFM)에 의한 측정기구를 원리적으로 실현하기 위한 제어기이다. 또 제 1 제어장치(33)는 복수의 구동기구 등의 각각의 구동제어용의 제어장치이고, 제 2 제어장치(34)는 상위의 제어장치이다.

비교기(31)는 광검출기(27)로부터 출력되는 전압신호(Vd)와 미리 설정된 기준 전압(Vref)을 비교하여 그 편차신호(S1)를 출력한다. 제어기(32)는 편차신호(s1)가 0 이 되도록 제어신호(s2)를 생성하고, 이 제어신호(s2)를 Z 미동기구(23)에 준다. 제어신호(s2)를 받은 Z 미동기구(23)는 캔틸레버 유닛(21)의 높이위치를 조정하여 탐침(20)과 시료(12)의 표면과의 사이의 거리를 일정한 거리로 유지한다. 상기한 광검출기(27)로부터 Z 미동기구(23)에 이르는 제어루프는, 탐침(20)으로 시료 표면을 주사할 때, 옵티컬레버식 광학검출장치에 의하여 캔틸레버 유닛(21)의 변형상태를 검출하면서 탐침(20)과 시료(12)와의 사이의 거리를 상기한 기준전압(Vref)에 의거하여 결정되는 소정의 일정거리로 유지하기 위한 피드백 서보제어의 루프이다. 이 제어 루프에 의하여 탐침(20)은 시료(12)의 표면으로부터 일정한 거리로 유지되고, 이 상태에서 시료(12)의 표면을 주사하면 시료 표면의 요철형상을 측정할 수 있다.

다음에 제 1 제어장치(33)는 주사형 프로브 현미경의 각 부를 구동시키기 위한 제어장치이고, 다음과 같은 기능부를 구비하고 있다.

광학현미경(18)은 포커스용 Z 방향 이동기구부(17a)와 XY 방향 이동기구부(17b)로 이루어지는 구동기구(17)에 의하여 그 위치가 변화된다. 뒤에서 설명하는 화상에 있어서, Z방향 이동기구부(17a)는 화상초점위치를 변화시키고, 또 XY 방향 이동기구부(17b)는 화상의 XY 위치를 변화시킨다. 제 1 제어장치(33)는 상기한 Z 방향이동기구부(17a)와 XY 방향 이동기구부(17b)의 각각의 동작을 제어하기 위한 제 1 구동제어부(41)와 제 2 구동제어부(42)를 구비하고 있다.

광학현미경(18)에 의하여 얻어진 시료 표면이나 캔틸레버(21A)의 상은, TV 카메라(19)에 의하여 촬상되어, 화상 데이터로서 인출된다. 광학현미경(18)의 TV 카메라(19)로 얻어진 화상 데이터는 제 1 제어장치(33)에 입력되어 내부의 화상처리부(43)에서 처리된다.

제어기(32) 등을 포함하는 상기의 피드백 서보제어 루프에 있어서, 제어기(32)로부터 출력되는 제어신호(s2)는, 주사형 프로브 현미경(원자간력 현미경)에 있어서의 탐침(20)의 높이신호를 의미하는 것이다. 탐침(20)의 높이신호, 즉 제어신호(s2)에 의하여 탐침(20)의 높이위치의 변화에 관한 정보를 얻을 수 있다. 탐침(20)의 높이위치정보를 포함하는 상기 제어신호(s2)는 상기한 바와 같이 Z 미동기구(23)에 대하여 구동제어용으로 주어짐과 동시에, 제어장치(33)내의 데이터처리부(44)에 도입된다.

시료(12) 표면의 측정영역에 대하여 탐침(20)에 의한 시료 표면의 주사는, XY 미동기구(29)를 구동함으로써 행하여진다. XY 미동기구(29)의 구동제어는 XY 미동기구(29)에 대하여 XY 주사신호(s3)를 제공하는 XY 주사제어부(45)에 의하여 행하여진다.

또 시료 스테이지(11)의 XY 스테이지(14)와 Z 스테이지(15)의 구동은, X 방향구동신호를 출력하는 X 구동제어부(46)와 Y 방향 구동신호를 출력하는 Y 구동제어부(47)와 Z 방향 구동신호를 출력하는 Z 구동제어부(48)에 의하여 제어된다.

공기흡인에 의거하는 진공흡착작용으로 캔틸레버 유닛(21)을 장착시키는 설치부(22)에서 이 설치부에 의한 캔틸레버의 설치 또는 떼어 냄의 착탈동작은, 설치부(22)에 대하여 착탈신호(s4)를 주는 장착제어부(49)에 의하여 행하여진다.

또한 제 1 제어장치(33)는 필요에 따라 설정된 제어용 데이터, 입력한 광학현미경 화상 데이터나 탐침의 높이위치에 관한 데이터 등을 기억·보존하는 기억부(도시 생략)를 구비한다.

상기 제 1 제어장치(33)에 대하여 상위에 위치하는 제 2 제어장치(34)가 설치되어 있다. 제 2 제어장치(34)는 통상의 계측 프로그램의 기억·실행 및 통상의 계측조건의 설정·기억, 자동계측 프로그램의 기억·실행 및 그 계측조건의 설정·기억, 계측 데이터의 보존, 계측결과의 화상처리 및 표시장치(모니터)(35)에의 표시 등의 처리를 행한다. 특히, 본 발명의 경우에는 자동계측에 있어서 탐침의 교환을 자동적으로 행하는 교환 공정을 포함하고 있고, 캔틸레버 카세트(30)로부터 사용해야 할 탐침을 선택하여 설치하는 것, 또는 장착상태에 있는 탐침을 떼어 내어 캔틸레버(30)의 소정의 수용부에 두는 것 등을 실행하기 위한 프로그램을 구비하고 있다. 또 계측조건의 설정에서는 측정범위, 측정스피드라는 기본항목 등, 자동계측의 조건의 설정, 그것들의 조건을 설정 파일에 기억하는 등의 기능을 가진다. 또한 통신기능을 가지도록 구성하여, 외부장치와의 사이에서 통신을 행할 수 있는 기능을 가지게 할 수도 있다.

특히, 제 2 제어장치(34)는 본 실시형태에 의한 탐침의 자동교환을 위하여 시료 스테이지(11)상의 XY 평면영역에 있어서 임의의 위치를 정하는 좌표계가 설정되어 있고, 이 좌표계에 의거하는 좌표관리를 행하는 기능을 가지고 있다. 이 좌표관리기능에 의하면 XY 스테이지(14)에 의한 XY 이동, XY 이동기구부(17b)에 의한 광학현미경(18)의 XY 이동 등에 있어서, 이동량 및 이동방향의 위치관리를 행하는 것이 가능하게 된다.

제 2 제어장치(34)는 상기한 기능을 가지기 때문에 처리장치인 CPU(51)와 기억부(52)로 구성된다. 기억부(52)에는 상기한 각종 프로그램 및 조건 데이터나 위 치 데이터 등이 보존되어 있다. 또 제 2 제어장치(34)는 화상표시제어부(53)와 통신부 등을 구비한다. 아울러 제 2 제어장치(34)에는 인터페이스(54)를 거쳐 입력장치(36)가 접속되어 있고, 입력장치(36)에 의하여 기억부(52)에 기억되는 측정 프로그램, 측정조건, 데이터 등을 설정·변경할 수 있게 되어 있다.

제 2 제어장치(34)의 CPU(51)는, 버스(55)를 거쳐 제 1 제어장치(33)의 각 기능부에 대하여 상위의 제어지령 등을 제공하고, 또 화상처리부(43)나 데이터처리부(44) 등으로부터 화상 데이터, 탐침의 높이위치에 관한 데이터, 각 이동부분의 위치 데이터를 제공받는다.

다음에 상기 주사형 프로브 현미경(원자간력 현미경)의 기본동작을 설명한다.

시료 스테이지(11)상에 놓여진 반도체기판 등의 시료(12) 표면의 소정영역에 대하여 캔틸레버 유닛(21)의 탐침(20)의 선단을 면하게 한다. 통상 탐침 접근용 기구인 Z 스테이지(15)에 의하여 탐침(20)을 시료(12)의 표면에 근접시키고 원자간력을 작용시켜 캔틸레버(21A)에 휨 변형을 일으킨다. 캔틸레버(21A)의 휨 변형에 의한 휘어짐량을 상기한 옵티컬레버식 광학검출장치에 의하여 검출한다. 이 상태에 있어서 시료 표면에 대하여 탐침(20)을 이동시킴으로써 시료 표면의 주사(XY 주사)가 행하여진다. 탐침(20)에 의한 시료(12) 표면의 XY 주사는, 탐침(20)측을 XY 미동기구(29)로 이동(미동)시킴으로써, 또는 시료(12)측을 XY 스테이지(14)로 이동(조동)시킴으로써 시료(12)와 탐침(20)의 사이에서 상대적인 XY 평면내에서의 이동관계를 만들어냄으로써 행하여진다.

탐침(20)측의 이동은, 캔틸레버 유닛(21)을 구비하는 XY 미동기구(29)에 대하여 XY 미동에 관한 XY 주사신호(s3)를 줌으로써 행하여진다. XY 미동에 관한 주사신호(s3)는 제 1 제어장치(33)내의 XY 주사제어부(45)로부터 주어진다. 한편 시료측의 이동은 시료 스테이지(11)의 XY 스테이지(14)에 대하여 X 구동제어부(46)와 Y 구동제어부(47)로부터 구동신호를 줌으로써 행하여진다.

상기한 XY 미동기구(29)는, 압전소자를 이용하여 구성되고, 고정밀도 및 고분해능의 주사이동을 행할 수 있다. 또 XY 미동기구(29)에 의한 XY 주사로 측정되는 측정범위에 대해서는 압전소자의 스트로크에 의하여 제약되기 때문에, 최대로도 약 100㎛ 정도의 거리로 결정되는 범위가 된다. XY 미동기구(29)에 의한 XY 주사에 의하면 협역범위의 측정이 된다. 한편, 상기한 XY 스테이지(14)는 통상 구동부로서 전자기 모터를 이용하여 구성하기 때문에, 그 스트로크는 수백 mm까지 크게 할 수 있다. XY 스테이지에 의한 XY 주사에 의하면 광역범위의 측정이 된다.

상기한 바와 같이 하여 시료(12)의 표면상의 소정의 측정영역을 탐침(20)으로 주사하면서 피드백 서보제어 루프에 의거하여 캔틸레버(21A)의 휘어짐량(휘어짐 등에 의한 변형량)이 일정하게 되도록 제어를 행한다. 캔틸레버(21A)의 휘어짐량은 항상 기준이 되는 목표 휘어짐량[기준전압(Vref)으로 설정된다]에 일치하도록 제어된다. 그 결과, 탐침(20)과 시료(12)의 표면과의 거리는 일정한 거리로 유지된다. 따라서 탐침(20)은 예를 들면 시료(12)의 표면의 미세 요철형상(프로파일)을 덧그리면서 이동(주사)하게 되어, 탐침의 높이신호를 얻음으로써 시료(12) 표면의 미세 요철형상을 계측할 수 있다.

다음에 상기한 캔틸레버 카세트(30)의 구체적인 구성예를 도 3과 도 4에 따라설명한다. 도 3은 평면도, 도 4는 도 3에 있어서의 A-A선 단면도이다.

이 캔틸레버 카세트(30)는 평면형상이 예를 들면 정방형이고, 측면형상은 원하는 두께를 가진 평판형상의 부재로 만들어져 있다. 캔틸레버 카세트(30)는 카세트대(30a)를 가지고, 재질적으로는 소요의 강도와 정밀도를 가지는 플라스틱재, 수지재, 또는 메탈 등에 의하여 형성되어 있다. 카세트대(30a)의 상면에는 예를 들면 16개의 캔틸레버 유닛(21)을 배치하는 수용부(요부)가 형성되어 있다. 캔틸레버 홀더(21-1)의 평면형상은 바람직하게는 정방형이고, 비교적 큰 면적을 가지고 있다. 도 4로부터 분명한 바와 같이 캔틸레버 홀더(21-1)의 앞 부분의 하면에 캔틸레버(21A)는 설치되고, 탐침(20)의 선단이 하향이 되도록 하여 캔틸레버(21A) 및 캔틸레버 홀더(21-1)는 놓여져 있다. 카세트대(30a)의 상면에 형성된 16개의 수용부의 각각에서 캔틸레버 홀더(21-1)가 보관되고, 동일자세 및 동일방향으로 일정 정밀도로 늘어서 배열되어 있다.

카세트대(30a)에는 바람직하게는 캔틸레버 홀더(21-1)가 수용되는 오목부에 대응하는 바닥부에 관통구멍(301)이 형성된다. 관통구멍(301)은 캔틸레버 카세트(30)에 보관되는 캔틸레버 유닛(21)의 수에 따른 수의 분만큼 형성되어 있다. 또한 관통구멍(301)은 오목하여도 좋다.

제조된 캔틸레버 유닛(21)[탐침(20)] 및 캔틸레버 카세트(30)는 각각 제조번호가 붙여지고, 또한 캔틸레버 유닛(21)은 소정의 순서로 캔틸레버 카세트(30)에 나열된다. 따라서 캔틸레버 카세트(30)마다 보관되는 캔틸레버 유닛(21)에 관한 데이터를 관리할 수 있다.

상기한 캔틸레버 카세트(30)는 도 2에 나타낸 시료 스테이지(11)에 있어서 예를 들면 2개의 카세트설치 포트(302, 303)에 배치된다. 시료 스테이지(11)에 있어서 카세트설치 포트(302, 303)에 배치된 캔틸레버 카세트(30)상의 각 캔틸레버 유닛(21)의 위치는, 제 2 제어장치(34)에 의하여 상기한 좌표계에 의거하여 위치 관리되고 있다.

상기한 바와 같은 구성을 가지는 주사형 프로브 현미경은, 예를 들면 도 5에 나타내는 바와 같이 반도체디바이스(LSI)의 인라인제작장치의 예를 들면 도중단계에서 기판(웨이퍼)의 검사를 행하는 자동검사공정(62)으로서 조립된다. 도시생략한 기판반송장치에 의하여 전단의 제작처리공정(61)으로부터 검사대상인 기판[시료(12)]을반출하여 자동검사공정(62)의 상기 주사형 프로브 현미경(SPM)의 기판 홀더(16)상에 두면, 주사형 프로브 현미경에 의해 기판 표면의 소정영역의 미세 요철형상이 자동적으로 계측되어, 전단에서의 기판제작의 처리내용의 적합여부가 판정되고, 그후 다시 기판반송장치에 의하여 후단의 제작처리공정(63)으로 반출된다.

다음에 상기한 각 도면과, 도 6 및 도 7을 참조하여 제 1 실시형태에 의거하는 상기 주사형 프로브 현미경에 의한 탐침 교환방법을 설명한다. 도 6은 소정시간의 자동계측의 계속에 의하여 탐침이 마모된 캔틸레버 유닛(21)을 캔틸레버 카세트(30)에 설치한 후에 있어서, 새로운 소정의 캔틸레버 유닛(21)을 설치부(22)에 설치하는 순서를 나타내고 있다. 캔틸레버(21)를 설치부(22)로부터 떼어 내어 캔틸레버 카세트(30)의 소정의 수용부에 설치하는 공정의 도시는 생략되어 있다. 캔 틸레버 카세트(30)를 설치부(22)의 아래쪽 위치로 이동시키는 것은, XY 스테이지(14)에 의하여 행하여진다. 도 7은 광학현미경(18)의 관찰시야에 있어서 위치맞춤을 행하는 상태를 나타내고 있다. 이 위치맞춤은 도 6의 단계 S13∼S15의 처리내용에 대응하고 있다. 이 탐침 교환방법에서는 관찰장치로서의 광학현미경(18)을 구동기구(17)의 XY 이동기구부(17b)로 이동시킴으로써, 위치맞춤을 행하도록 하고 있다.

도 6에 따라 새로운 캔틸레버 유닛(21)을 설치부(22)를 설치하는 순서를 설명한다.

최초의 단계 S11에서는 XY 스테이지(14)를 구동하여 캔틸레버 카세트(30)를 이동시킨다. 이 이동에서는 미리 캔틸레버 카세트(30)에 있어서의 각 캔틸레버 유닛(21)의 위치를 좌표 관리에 의거하여 확정하여 두고, 설치부(22)에 대하여 캔틸레버 카세트(30)의 위치를, 미리 설정된 소정의 캔틸레버 유닛(21)이 선택되도록 이동시킨다.

다음에 설치부(22)에 대하여 선택된 캔틸레버 유닛(21)의 설치가 행하여진다(단계 S12). 이 설치에서는 Z 스테이지(15)를 구동하여 도 6의 화살표(71)로 나타내는 바와 같이 선택된 캔틸레버 유닛(21)의 캔틸레버 홀더(21-1)를 설치부(22)에 접촉시키고, 또한 장착제어부(49)에 의한 지령신호(s4)에 의거하여 설치부(22)에 진공흡착동작(화살표 72)을 행하게 하여 캔틸레버 홀더(21-1)를 설치부(22)에 흡착시킨다. 이에 의하여 새로운 캔틸레버 유닛(21)을 설치부(22)에 장착한다.

설치부(22)에 캔틸레버 유닛(21)이 설치된 상태에 있어서, 광학현미경(18)을 XY 이동기구부(17b)로 이동시키고, 또한 Z 이동기구부(17a)로 초점 맞춤을 행하여 광학현미경(18)의 대물렌즈(18a)의 초점을 캔틸레버 유닛(21)의 캔틸레버(21A)에 맞춘다(단계 S13). 초점 맞춤의 위치는 설치위치뿐이고, 한번의 위치맞춤조작으로 행할 수 있다.

다음의 단계 S14에서는, 설치된 캔틸레버 유닛(21)의 위치를 인식하고, 또한 확인한다. 이 처리에서는 광학현미경(18)에 의한 상을 TV 카메라(19)로 도입하여, 캔틸레버 유닛(21)의 캔틸레버(21A)의 위치를 특정하고, 인식한다.

광학현미경(18)으로 얻어진 화상에 관하여, 설치위치에는 오차가 포함되어 있기 때문에, 광학현미경(18)을 XY 이동기구부(17b)로 이동시켜 광학현미경(18)으로 얻어지는 관찰시야에 있어서 캔틸레버(21A)의 상의 위치를 소정의 위치에 세트한다. 이때 상기 광학현미경(18)의 이동량에 상당하는 캔틸레버의 설치위치 오차를 기억하여 두면, 필요에 따라 측정시의 XY 좌표값의 수정에 사용할 수 있다.

도 7은 단계 S13∼S15에 의한 최종적인 위치조정의 상황을 설명하는 광학현미경(18)의 관찰시야의 상황을 나타내고 있다.

도 7(a)는, 이상적으로 정확하게 캔틸레버 유닛(21)의 캔틸레버 홀더(21-1)가 설치부(22)에 장착된 관찰시야(81)의 화상을 나타내고 있다. 이 경우에 있어서 광학현미경(18)의 관찰시야(81)의 중심위치(82)에 캔틸레버(21A)의 상(83)에 있어서의 탐침(20)이 세트되어 있다.

상기한 단계 S14에서 얻어진 광학현미경(18)의 관찰시야에서 설치위치에 오차가 있을 때에는 도 7(b)에 나타낸 관찰시야(81)의 상태에 있다. 여기서는 캔틸 레버(21A)의 상(83)이 관찰시야(81) 속에 있는 것을 전제로 하고 있다. 이 경우에 있어서 단계 S15를 실행하면, 화살표(84)로 나타내는 바와 같이 관찰시야(81)를 부호 81-1로 나타낸 장소까지 이동시킴으로써, 캔틸레버(21A)의 상(83)의 선단위치가 관찰시야(81-1)의 중심위치(82)에 오도록 세트하게 된다. 이 경우에는 광학현미경(18)의 측을 이동시킴으로써 관찰시야(81)의 측을 이동시킨다. 또한 이 경우, 캔틸레버위치는 패턴인식 등의 방법으로 검출되어 상기 세트가 행하여진다.

또한 도 7(c)는, 설치 오차가 크고, 캔틸레버(21A)의 상(83)이 관찰시야(81)의 바깥쪽으로 나오는 상황을 나타내고 있다. 이 경우에는 경험칙으로 얻어진, 또는 적절하게 설정된 소정의 탐색 알고리즘에 의거하여 캔틸레버(21A)의 상(83)을 탐색한다. 이 경우, 예를 들면 우방향으로 관찰시야(81)의 절반을 이동시켜(화살표 85), 관찰시야(81-2)로 하고, 아직 캔틸레버(21A)의 상(83)을 관찰할 수 없을 때에는 상하방향으로 관찰시야의 절반을 이동시켜(화살표 86), 관찰시야(81-3)로 한다. 이 상태에서 관찰시야(81-3)내에 캔틸레버(21A)의 상(83)을 관찰할 수 있게 되기 때문에, 상기와 동일한 방법에 의하여 관찰시야(81-4)의 중심위치(82)에 상(83)을 세트한다. 당연 관찰시야를 필요한 정밀도에 따라 변환하여도 좋다.

또한 상기한 TV 카메라(19)로 얻어진 광학현미경(18)에 의한 관찰시야에 있어서의 상기 관찰시야의 화면중심과 캔틸레버(21A)의 상의 선단위치와의 위치맞춤은, 캔틸레버 변위 검출부(24)의 레이저광원(LD)(26)과 광검출기(PD)의 설치 오차 등으로 결정되는 가상중심에 대하여 관찰시야의 화면중심과 캔틸레버(21A)의 상의 선단위치가 조정 가능 범위에 있는 것을 전제로 하여 실시 가능하다.

이상과 같이 도 6에 나타낸 제 1 실시형태에 관한 탐침 교환방법의 설치·장착에 있어서, 단계 S11∼S15에 의하면, 설치전에 위치를 미세 조정하는 방식이 아니라, 캔틸레버 유닛(21)의 캔틸레버 홀더(21-1)를 설치부(22)에 설치한 후에 있어서, 광학현미경(18)측을 이동시킴으로써 미세 조정하는 방식이다. 이 때문에 설치부(22)에 장착한 캔틸레버(21A)에서 오차가 생겨 있었다 하여도 재설치의 작업은 발생하지않는다. 따라서 본 실시형태에 의한 탐침 교환방법에 의하면, 종래의 탐침 교환방법에 비교하여 적은 교환시간으로 고정밀도로 탐침교환을 행할 수 있다.

이상의 실시형태에서는 설치 오차의 수정을 광학현미경에 의하여 행하였으나, 캔틸레버측을 이동시킴으로써 행하여도 좋다.

인라인 자동계측을 행하는 경우에는, 시료(12)의 소정부분을 자동적으로 측정하게 된다. 이 경우, 탐침과 시료의 위치관계가 중요하나, 본 방식에 의하면 광학현미경(18)의 이동량이 상대관계를 나타내는 지표가 되어 아주 용이하게 좌표관리를 행할 수 있다.

다음에 도 8 내지 도 19를 참조하여 본 발명의 제 2 실시형태를 설명한다. 이 제 2 실시형태에서는 주사형 프로브 현미경의 자동적인 탐침 교환방법에 있어서, 새로운 캔틸레버 유닛(21)을 설치부(22)에 설치하였을 때에 진공흡착에 의하여 설치부(22)에 설치된 상태의 캔틸레버 유닛에 대하여 소정방향으로부터 힘을 주어 캔틸레버 유닛측을 이동시킴으로써 캔틸레버 유닛(21)의 설치위치를 미세 조정하여 위치조정을 행하는 방법이 제안된다.

도 8은 제 1 실시형태의 도 1에 대응하고, 도 9는 제 1 실시형태의 도 2에 대응하고 있다. 도 8에서는 도 1에서 설명한 요소와 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 도 9에서는 도 2에서 설명한 요소에는 동일한 부호를 붙이고 있으며, 앞서 설명한 내용에 대해서는 설명을 생략하고, 특징적인 구성만을 설명한다.

도 8과 도 9에 있어서, 시료 스테이지(11)의 상면에 있어서 시료 홀더(16)의 곁에 캔틸레버 유닛(21)의 캔틸레버 홀더(21-1)를 설치부(22)에 진공흡착으로 설치할때, 설치부(22에 있어서의 설치위치를 조정·설정하는 위치결정기구(101)가 설치되어 있다. 위치결정기구(101)는 시료 스테이지(11)상에 있어서 위치맞춤 포트로서 설치되어 있다.

위치결정기구(101)의 확대도를 도 10 내지 도 12에 나타낸다. 도 10은 위치결정기구(101)의 평면도를 나타내고, 도 11은 측면도를 나타내며, 도 12는 위치맞춤 실시상태의 평면도를 나타낸다. 위치결정기구(101)는 캔틸레버 유닛(21)의 캔틸레버 홀더(21-1)로 설정된 기준면에 합치하는 형상을 가지는 2개의 기준면(102a)을 가지는 L자형 누름부재(102)로 형성된다. 이 누름부재(101)는 대략 직각인 각도로 구부려진 L자형상을 가지는 부재이다. 기준면(102a)은 누름부재(102)의 내면측에 형성되어 있다. 누름부재(102)는 도 11에 나타내는 상태에서 시료 스테이지(11)의 상면에 고정되어 있다. 시료 스테이지(11)의 XY 스테이지(14) 및 Z 스테이지(15)에 의하여 시료 스테이지(11)를 X, Y, Z의 각 방향으로 이동시킬 때, 시료 스테이지(11)의 동작에 따라 함께 이동한다. 따라서 위치결정기구(101)의 이동동작, 즉 누름부재(102)의 이동동작은 시료 스테이지(11)의 이동동작에 따라 행하여진다.

위치결정기구(101)의 누름부재(102)의 2개의 기준면(102a)은, 도 12에 나타내는 바와 같이 캔틸레버 유닛(21)의 캔틸레버 홀더(21-1)의 도 12에 있어서 좌측과 아래쪽 근처의 측면에 접촉한다. 이 경우, 캔틸레버 유닛(21)의 캔틸레버 홀더(21-1)의 도 12에 있어서 좌측과 아래쪽 근처의 측면이 기준면으로서 설정되어 있다.

새로운 캔틸레버 유닛(21)이 설치부(22)에 진공흡착된 상태에서 시료 스테이지(11)가 이동동작을 행하여 도 12에 나타내는 바와 같이 캔틸레버 유닛(21)은 위치결정기구(101)의 부분에 세트된다. 이 이동상태를 도 13에 나타낸다.

도 13에 있어서, 104는 다른 형태의 캔틸레버 카세트이고, 105는 카세트대이다. 캔틸레버 카세트(104) 및 카세트대(105)의 구조는, 앞서 설명한 캔틸레버 카세트(30) 및 카세트대(30a)와 각각 실질적으로 동일한 것이다. 캔틸레버 카세트(104)에서는 12개의 캔틸레버 유닛(21)이 배치되어 있다. 그 중의 상단 왼쪽 끝의 하나의 캔틸레버 유닛(21)이 설치부(22)에 설치되고, 화살표(106)에 나타내는 바와 같이 위치 결정 포트(107)에 있는 위치결정기구(101)의 부분으로 이동되어, 소정 위치 관계로 세트된다.

상기한 세트상태에 있어서, 다시 도 12에 나타내는 바와 같이 위치결정기구(101)로 시료 스테이지(11)의 이동에 의거하여 누름부재(102)가 화살표(103)와 같이 파선으로 나타내는 위치(P1)로부터 실선으로 나타내는 위치(P2)로 이동하면, 캔틸레버 홀더(21-1)를 눌러 설치부(22)에 대한 캔틸레버 유닛(21)의 위치를 조정하는 것이 가능하게 된다. 캔틸레버 유닛(21)은 설치부(22)에 고정되어 있으나, 진 공흡착작용에 의거하는 위치 조정 가능한 고정력이다.

도 12에 있어서, 108은 실리콘 베이스, 21A는 상기한 레버부재, 즉 협의의 캔틸레버이다. 또 109는 광학현미경(18)에 의한 관찰시야의 영역을 나타낸 것이고, 110은 설치부(22)에 의한 흡인영역이다. 그 밖의 구성에 관해서는 도 1 및 도 2에서 설명한 구성과 실질적으로 동일하다.

다음에 상기한 도 8 내지 도 13, 도 14, 도 15a 및 도 15b를 참조하여, 제 2 실시형태에 관한 주사형 프로브 현미경에 의한 탐침 교환방법을 설명한다. 도 14는 상기 관찰시야(109)를 확대하여 나타내고, 도 15a 및 도 15b는 계측작업에 의하여 탐침(20)이 마모된 캔틸레버 유닛(21)을 캔틸레버 카세트(30)에 설치한 후에 있어서, 새로운 소정의 캔틸레버 유닛(21)을 설치부(22)에 자동적으로 설치하는 순서를 나타내고 있다.

사용이 끝난 캔틸레버 유닛(21)을 설치부(22)로부터 떼어 내어 캔틸레버 카세트(30)의 소정의 수용부에 설치하는 공정의 도시는 생략되어 있다. 캔틸레버 카세트(30)를 설치부(22)의 아래쪽 위치로 이동시키는 것은, XY 스테이지(14)에 의하여 행하여진다. 도 14에서는 광학현미경(18)의 관찰시야(109)에 있어서 위치맞춤을 행하는 상태를 나타내고 있다. 이 탐침 교환방법에서는 위치결정기구(101)의 누름부재(102)를 XY 스테이지(14)로 이동시킴으로써, 캔틸레버 홀더(21-1)의 기준면을 누름부재(102)의 기준면(102a)으로 눌러, 캔틸레버 홀더(21-1)와 설치부(22) 사이의 상대적위치를 변화시켜, 광학현미경(18)의 관찰시야(109)의 중심점(109A)에 캔틸레버(21A)의 선단부(111)의 위치맞춤을 행하도록 하고 있다.

도 15a와 도 15b에 따라 새로운 캔틸레버 유닛(21)을 설치부(22)에 설치하는 순서를 설명한다. 또한 도 15a와 도 15b는 결합자로 연결된 일련의 플로우차트를 나타내고 있다.

최초의 단계 S111에서는, XY 스테이지(14)를 구동하여 캔틸레버 카세트(30)를 이동시킨다. 이 이동에서는 미리 캔틸레버 카세트(30)에 있어서의 각 캔틸레버 유닛(21)의 위치를 좌표관리에 의거하여 확정하여 두고, 설치부(22)에 대하여 캔틸레버 카세트(30)의 위치를, 미리 설정된 소정의 캔틸레버 유닛(21)이 선택하도록 이동을 행한다.

단계 S111에서 설정하는 설치위치는, 그 후의 단계에 있어서 캔틸레버 홀더(21-1)와 설치부(22)의 상대적 위치를 조정하는 위치결정 단계 S114∼S117를 행하기 위하여 충분한 조정값과, 캔틸레버 카세트(30)내에 수납된 캔틸레버 유닛(21)의 수납위치의 불균일에 의한 설치위치의 오차를 충분히 예상한 설치범위내이면 좋다.

다음에 설치부(22)에 대하여 선택된 새로운 캔틸레버 유닛(21)의 설치가 행하여진다(단계 S112). 이 설치작업에서는 Z 스테이지(15)를 구동하여 상기한 도 6의 화살표(71)로 나타내는 바와 같이 선택된 캔틸레버 유닛(21)의 캔틸레버 홀더(21-1)를 설치부(22)에 스프링기구, 센서 등(도시 생략)을 이용하여 접촉시키고, 또한 장착제어부(49)에 의한 지령신호(s4)에 의거하여 설치부(22)에 진공흡착동작(도 6의 화살표 72)을 행하게 하여 캔틸레버 홀더(21-1)를 설치부(22)에 흡착시킨다. 이에 의하여 캔틸레버 유닛(21)을 설치부(22)에 장착한다.

단계 S113에 있어서는, 설치부(22)에 캔틸레버 유닛(21)이 설치된 상태에 있 어서, Z 스테이지(15)를 아래쪽으로 내리고, 다음에 XY 스테이지(14)를 구동하여 위치결정기구(101)를 설치부(22)의 아래쪽으로 이동시킨다. 이동시키는 위치는 캔틸레버 유닛(21)을 설치한 설치 오차범위와, 위치결정기구(101)의 가압값 등을 계산한 좌표위치로 한다.

위치결정기구(101)가 캔틸레버 유닛(21)에 대하여 상대적으로 계산된 좌표위치의 장소로 이동하면, Z 스테이지(15)를 위치결정기구(101)에 있어서의 누름부재(102)의 기준면(102a)이 캔틸레버 홀더(21-1)의 기준면을 가압 가능한 높이가 되고, 또한 캔틸레버 홀더(21-1)의 바닥면과 누름부재(102)가 접촉하지 않는 위치까지 상승시킨다.

단계 S114에서는 위치결정기구(101)의 누름부재(102)의 기준면(102a)을 캔틸레버 홀더(21-1)의 기준면을 향하여 소정의 이송량으로 XY 스테이지(14)를 구동하여 X축 및 Y축의 각 방향으로 미소거리로 이동(미동)시킨다. 이때 캔틸레버 홀더(21-1)와 누름부재(102)의 기준면(102a)이 접촉하면, 누름부재(102)의 기계적인 가압력에 의하여 설치부(22)에 진공 흡착된 캔틸레버 홀더(221-1)와 설치부(22) 사이의 상대적위치의 관계가 변화된다.

단계 S115에서는, 캔틸레버 홀더(21-1)와 설치부(22)와의 상대적 위치가 변화되어 광학현미경(18)의 관찰시야내에 캔틸레버(21A)의 화상이 나타나면, 광학현미경(18)으로 도입한 캔틸레버(21A)의 화상에 대하여 화상처리를 행하여 캔틸레버(21A)의 선단부(111)의 위치를 검출하고, 다시 단계 S116에 있어서, 상기 검출 좌표를 참조하면서 위치결정기구(101)를 XY 스테이지(14)를 구동하여 광학현미경(18) 의 관찰시야(109)의 중심점(109A)을 향하여 미동시켜, 캔틸레버(21A)의 선단부(111)의 위치가 관찰시야(109)의 중심점(109A)의 위치가 되도록 설정한다(단계 S117).

XY 스테이지(14)를 구동하여 위치결정기구(101)를 어느 정도 이동하여도 캔틸레버(21A)의 화상을 광학현미경(18)의 관찰시야내에서 검출할 수 없는 경우에는, 위치결정기구(101)를 미리 파악하고 있는 캔틸레버(21A)가 캔틸레버 홀더(21-1)에 지지되는 부분의 기계적 치수정보를 기초로, 캔틸레버(21A)의 선단부(111)가 광학현미경(18)의 관찰시야(109)의 중심점(109A)에 설정되는 위치까지 XY 스테이지(14)를 구동함으로써 이동시킨다. 이 동작이 유효하게 되도록 캔틸레버(21A)의 자유단은 캔틸레버 홀더(21-1)에 대하여 기계적으로 소정의 정밀도 범위내에 들어 가는 위치에 지지되어 있다.

이상에 의하여 단계 S114 내지 단계 S117에 의거하여, 새로운 캔틸레버 유닛(21)을 설치부(22)에 장착하였을 때, 캔틸레버(21A)의 선단부(111)의 위치를 광학현미경(18)의 관찰시야(109)의 중심점(109A)의 위치에 설정하는 공정을 완료한다.

단계 S118에서는 광학현미경(18)의 관찰시야(109)의 중심점(109A)에 위치하고 있는 캔틸레버(21A)의 설치부(22)에 대한 설치상황의 인정 및 확인을 패턴인식 등의 화상처리를 이용하여 행한다. 화상으로부터 캔틸레버(21A)의 중심축(112)(도 14에 나타낸다)과 선단부(111)의 위치를 검출하고, 검출한 상기 중심축(112)과 선단부(111)의 위치 좌표가 설정된 소정범위내에 들어가 있는 지의 여부를 인정 및 확인한다(판단 단계 S119). 또한 이상에 있어서 관찰시야를 변경하여 소정의 기능 을 실현하여도 좋다.

판단 단계 S119에서 NO일 때에는 이상경고 및 처리의 정지가 실행된다(단계 S120). 또 판단 단계 S119에서 YES일 때에는 다음 단계 S121로 이행한다.

판단 단계 S119에서 캔틸레버(21A)의 화상이 광학현미경(18)의 관찰시야(109)내에 없거나, 가령 관찰시야(109)내에 있었다 하여도, 검출한 캔틸레버(21A)의 중심축(112)이나 선단부(111)의 좌표위치가 소정범위에 들어가 있지 않거나 하면, 캔틸레버 유닛(21)의 탈락이나 캔틸레버(21A)의 캔틸레버 홀더(21-1)에 대한 설치불량, 또는 캔틸레버(21A)의 구부러짐 등을 생각할 수 있다. 그래서 이와 같은 경우에는 탐침의 자동설치처리를 중단한다(단계 S120). 이 조작에 의하여 파손 등의 불량 캔틸레버 유닛(21)을 자동적으로 검출할 수 있다.

다음 단계 S121에 있어서, 검출한 캔틸레버(21A)의 중심축(112)이나 선단부(1l1)의 좌표위치가, 설정된 소정범위내에 들어가 있던 경우에는 이 좌표위치의 값을 시스템에 등록하는 등록처리를 행한다. 이 등록처리는, 캔틸레버 유닛의 교환시마다 행하여진다.

이상의 단계 S118 내지 단계 S121에 의하여 설치부(22)에 있어서의 캔틸레버 유닛(21)의 설치상태의 판정 및 선단 등록처리의 공정이 완료된다.

다음에 다음 단계인 도 15b에 나타내는 단계 S125 내지 단계 S133와 도 16 내지 도 19에 따라 상기한 옵티컬레버식 광학검출장치에 있어서의 광축의 자동조정을 행하는 순서를 설명한다.

도 16에 캔틸레버(21A)의 자유단의 측에서 본 레이저광원(26)과 광검출기 (27)로 이루어지는 광축계의 배치도를, 또 도 17에 광학현미경(18)의 관찰방향에서 본 상기 광축계의 배치도를 각각 나타낸다.

레이저광원(26)은, 상세하게는 레이저광원(26)을 레이저광(28)의 광축에 대하여 수직한 면방향으로 이동 가능한 이동기구(26-1)에 지지되어 있다. 이에 의하여 캔틸레버(20A)의 배면에 있어서의 레이저광(28)의 조사위치를 변경할 수 있다.

광검출기(27)는 상세하게는 상기 광검출기(27)를 검출면에 평행한 면방향으로 이동 가능한 이동기구(27-1)에 지지되어 있다. 이에 의하여 광검출기(27)의 검출위치를 변경할 수 있다.

단계 S121에서 등록한 캔틸레버(21A)의 중심축(112)과 선단부(111)의 좌표위치 데이터를 사용하여 레이저광원(26)의 이동기구(26-1)와 광검출기(27)의 이동기구(27-1)를 구동하여 레이저광원(도면에 있어서 「LD」라 기재한다)(26)과 광검출기(도면에 있어서 「PD」라 기재한다)(27)의 위치를 조정한다(단계 S125). 레이저광원(26)의 위치는 캔틸레버(21A)의 종류에 따라 변화하는 레이저광의 계산상의 조사위치가 되도록 설정된다. 광검출기(27)의 위치는 캔틸레버(21A)의 면으로부터 반사된 레이저광의 계산상의 수광위치가 되도록 설정된다.

다음 단계 S126에 있어서, 이동기구(26-1)를 구동하여 레이저광원(26)의 위치를 변화시켜 캔틸레버(21A)의 계산상의 레이저광 조사 목표 범위내에서 레이저광의 조사위치를 스캔한다. 이 스캔동작은 캔틸레버(21A)의 배면에 관하여 중심축(112)에 대하여 수직한 폭방향으로 행하여진다.

다음의 판단단계 Sl27에서는 광검출기(27)의 출력신호(Vd)를 감시하여 출력 신호가 미리 설정한 소정값 이상인지의 여부의 판정을 행한다. 광검출기(27)의 수광면은 4분할되어 있기 때문에, 광검출기(27)의 출력신호(Vd)는 4분할된 각 수광영역의 합신호로서 출력된다. 출력신호(Vd)가 소정값 이상인 경우에는 단계 S131로 이행하고, 출력신호(Vd)가 소정값 미만인 경우에는 다음 단계 S128로 이행한다. 단계 S131에서는 레이저광원(26)의 상세 설정처리가 실행된다.

단계 S128 내지 단계 S130로 이루어지는 공정은, 캔틸레버(21A)의 하나하나의 형상의 불균일 등의 이유에 의하여 실제의 레이저광(28)의 광축이, 계산상의 레이저광의 광축과 달라 있던 경우의 자동조정의 공정이다. 이 자동조정공정에서는 먼저 광학현미경(18)의 화상과 광검출기(27)의 출력신호(Vd)를 감시하면서 이동기구(26-1)를 구동하여 상기에서 검출한 캔틸레버(21A)의 중심축(112)과 선단부(111)의 좌표위치의 주변에 레이저광이 조사되도록 레이저광원(26)으로부터 조사되는 레이저광의 조사위치를 변화시킨다(단계 S128). 다음에 광학현미경(18)의 화상상에서 캔틸레버(21A)상의 레이저광 조사점이 최대 휘도가 되도록 레이저광원(26)의 위치를 대충 조정한다(단계 S 129). 제일 마지막으로 광검출기(27)의 위치를 이동기구(27-1)로 구동하여 조정한다(단계 S130).

단계 S131, S132로 이루어지는 공정에서는, 광학현미경(18)의 화상과 광검출기(27)의 출력신호(Vd)를 감시함으로서 이동기구(26-1)를 구동하여 레이저광원(26)으로부터 조사되는 레이저광의 조사위치를 제어하고(단계 S131), 다시 이동기구(27-1)를 구동하여 광검출기(27)의 위치를 변화하여 광검출기(27)에 있어서의 레이저광의 수광면이 광검출기(27)의 중심위치가 되도록 상세조정을 행한다(단계 S132).

여기서 도 18을 참조하여 레이저광원(26)으로부터 조사된 레이저광이 캔틸레버(21A)의 배면상에서 반사되어 광검출기(27)에 수광되었을 때, 레이저광(28)의 수광위치를 광검출기(27)의 중심위치에 설정하는 방법을 설명한다.

도 18(a)는 광검출기(27)를 레이저광의 수광면에서 본 도면이다. 광검출기(27)는 4분할된 수광소자(A, B, C, D)에 의하여 구성된다. 광검출기(27)의 각 수광소자는 레이저광을 받으면 상기 레이저광의 에너지에 따라 수신신호를 출력하는 기구를 구비하고 있다.

여기서 상기한 출력신호(Vd)가 소정값 이상이라는 것은, 도 18(b)에 나타내는 바와 같이 광검출기(27)의 어느 하나의 수광소자가 소정값 이상의 레이저광[레이저 스폿(121)]을 받고 있는 상태이다. 또 출력신호(Vd)가 소정값 미만이라는 것은, 도 18(c)에 나타내는 바와 같이 수광하고 있는 레이저광[레이저 스폿(121)]의 에너지가 소정의 값보다도 적은 경우이다.

광검출기(27)는 수광면에서 받은 레이저광의 위치정보를 알기 위하여 수광소자(A∼D)의 수신신호의 각 출력전압에 대하여 차신호라고 불리우는 {(A + D) - (B + C)}, 마찰신호라고 불리우는 {(A + B) - (D + C)}, 또한 합신호라고 불리우는 (A + B + C + D)의 연산을 행한다.

예를 들면 도 12(d)에 나타내는 레이저광의 수광상태에 있어서 상기한 차신호와 마찰신호의 연산을 행하면, 레이저광의 수광점[레이저 스폿(121)]을 연산 가능한 것은 자명하고, 이동기구(27-1)를 구동하여 레이저광의 수광점을 광검출기 (27)의 중심점에 설정 가능한 것을 알 수 있다.

다음에 판단 단계 S133를 설명한다. 판단 단계 S133는 광학현미경(18) 및 TV 카메라(19)로 얻어지는 화상을 화상처리를 사용하여 상기에서 설정한 레이저광(28)의 광축이, 캔틸레버(21A)의 적정한 위치에 조사되어 있는지를 최종적으로 확인하는 단계이다. 도 19를 참조하여 레이저광(28)이 캔틸레버(21A)상의 사전에 설정된 적정한 위치에 조사되어 있는지의 여부를 확인하는 단계를 설명한다.

도 19는 단계 S125 내지 단계 S132에 의하여 이루어진 광축 조정의 최종적인 위치확인의 상황을 설명하기 위한 광학현미경(18)의 관찰시야의 상황을 나타내고 있다.

도 19(a)는 레이저광(28)이 캔틸레버(21A)상의 적정한 위치에 조사되어 있는 상태를 나타낸다. 스폿(121)은 레이저광(28)의 반사화상이다. 레이저광(28)이 캔틸레버(21A)상의 적정한 위치에 조사되어 있는 상태란, 레이저광의 조사 중심점이, 캔틸레버(21A)상의 캔틸레버 중심축의 부근에 있고, 또한 되도록이면 선단위치(111)에 가까운 위치에 있는 것이다.

도 19(b)에 나타내는 바와 같이, 광학현미경(18)의 관찰시야(109)내에서 캔틸레버(21A)상의 적정한 레이저광 조사위치를 검출하는 레이저조사 범위 윈도우(123)를 설정한다.

도 19(c)에 나타내는 바와 같이, 먼저 광학현미경(18)의 전관찰시야를 사용하여 화상 휘도정보의 2치화 등의 방법에 의하여 캔틸레버(21A)상에서 레이저광이 조사되어 있는 부분의 전면적을 구하고, 다시 상기한 화상처리 윈도우(123)내에서 의 레이저광 조사부분의 면적을 구하여, 그 비를 연산한다. 이에 의하여 전조사 면적에 있어서의 적정한 조사범위내에 조사된 레이저광의 조사비율을 구한다. 구한 비율이 소정값 이상이면 레이저광(28)이 캔틸레버(21A)의 배면상에 있어서 적정한 위치에 조사되어 있는 것으로 한다.

상기한 방법에 의하면, 캔틸레버(21A)의 종류나 하나하나의 표면형상의 불균일에 기인하는 반사의 휘도 얼룩 등이나, 캔틸레버(21A)의 형상에 의하여 도 19(d)에 나타내는 바와 같은 에지부분(124)밖에 반사하지 않는 케이스이어도 정확하게 레이저광(28)의 조사위치를 검출할 수 있다. 이 기술에 의하여 상기 광학계에 있어서의 레이저광(28)의 광축의 자동조정이 최종적으로 가능하게 된다. 상기 판단 단계 S133에서 YES라고 판정되었을 때에는 탐침 자동교환의 작업을 종료하고, NO라고 판정되었을 때에는 이상경고·처리의 정지의 단계 S134가 실행된다.

이상과 같이, 도 15a, 도 15b에 나타낸 탐침 교환방법에 있어서의 캔틸레버 유닛의 설치·장착, 및 광축의 자동조정에 있어서, 상기한 각 단계에 의하면, 설치 전에 위치를 미세 조정하는 방식이 아니라, 설치부(22)에 캔틸레버 홀더(21-1)를 설치하고, 그후에 있어서 위치결정기구(101)의 누름부재(102)에 의하여 설치부(22)에 대한 캔틸레버 홀더(21-1)의 위치를 미세 조정하는 방식이다.

또한 위치결정기구(101)에 의하여 정확하게 요구된 캔틸레버(21A)의 중심축(112) 및 선단위치(111)의 위치좌표를 사용하여 종래 수동으로 행하고 있던 광축조정을 자동으로 행하는 것이다.

상기한 구성을 위하여 설치부(22)에 장착한 캔틸레버 유닛(21)에 있어서 오 차가 생겨 있었다 하여도 재설치의 작업은 발생하지 않는다. 따라서 제 2 실시형태에 관한 자동 탐침 교환방법에 의하면, 종래의 탐침 교환방법에 비교하여 적은 교환시간으로 고정밀도로 탐침교환을 행할 수 있다.

또 인라인 자동계측을 행하는 경우에는, 시료(12)의 소정부분을 자동적으로 측정하게 된다. 이 경우, 탐침과 시료의 위치관계가 중요하나, 본 방식에 의하면 캔틸레버(21A)의 선단 및 중심축의 위치 좌표가 일의적으로 결정되기 때문에, 아주 용이하게 좌표관리를 행할 수 있다.

상기한 제 2 실시형태에 있어서, 위치결정기구(101)의 누름부재(102)의 형상이나 캔틸레버 홀더에 대한 가압방향은 임의로 변경할 수 있다.

상기한 각 실시형태의 설명에서는 광역관찰로서 광학현미경을 사용하였으나, 그 대신에 주사형 전자현미경이나 레이저현미경 등의 각종의 것을 사용할 수 있다.

상기한 각 실시형태에서 설명되는 구성, 형상, 크기 및 배치관계에 대해서는 본 발명이 이해·실시할 수 있을 정도로 개략적으로 나타낸 것에 지나지 않고, 또 수치 및 각 구성의 조성(재질)에 대해서는 예시에 지나지 않는다. 따라서 본 발명은 이하에 설명되는 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 특허청구의 범위에 표시되는 기술적 사상의 범위를 일탈하지 않는 한 여러가지 형태로 변경할 수 있다.

본 발명은, 다수의 시료를 차례로 계속하여 측정하는 주사형 프로브 현미경에 있어서 마모된 탐침의 교환, 다른 종별로의 교환, 또는 장치 셋업 등의 장착 등을 단시간에 또한 높은 위치 결정 정밀도의 장착으로 자동적으로 행하는 데 이용된 다.

Claims (16)

1. 시료(12)에 대하여 탐침(20)이 향하도록 설치된 캔틸레버(21)와, 상기 탐침이 상기 시료의 표면을 주사할 때 상기 탐침과 상기 시료의 사이에서 생기는 물리량을 측정하는 측정부(24,31,32)를 구비하고, 상기 측정부에서 상기 물리량을 일정하게 유지하면서 상기 탐침으로 상기 시료의 표면을 주사하여 상기 시료의 표면을 측정하도록 구성되고,

   상기 캔틸레버(21)를 착탈하는 기구를 구비한 캔틸레버설치부(22)와, 복수의 캔틸레버를 보관하는 캔틸레버보관부(30)와, 상기 캔틸레버보관부의 위치를 이동시키는 제 1 이동수단(11)과, 장착상태의 캔틸레버의 위치를 관찰하는 관찰수단(18,19)을 구비하는 주사형 프로브 현미경에 있어서,

   상기 제 1 이동수단(11)으로 상기 캔틸레버설치부(22)와 상기 캔틸레버보관부(30) 사이의 위치맞춤을 행하고, 상기 캔틸레버보관부로부터 하나의 캔틸레버를 선택하여 상기 캔틸레버설치부에 장착하는 단계(S11, S12 ; S111, S112)와,

   캔틸레버장착후에, 장착된 상기 캔틸레버를 상기 관찰수단(18,19)의 관찰시야의 소정위치에 설정하는 단계(S13, S14, S15 ; S114 ~ S117)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
2. 제 1항에 있어서,

   제 2 이동수단(17)에 의하여 상기 관찰수단을 이동시킴으로써, 상기 캔틸레 버를 상기 관찰수단의 관찰시야의 소정위치에 설정하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 이동수단(11)에 의하여 이동하는 위치결정기구(101)에 의해 상기 캔틸레버를 이동시킴으로써, 상기 캔틸레버를 상기 관찰수단의 관찰시야의 소정위치에 설정하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 관찰수단은 광학현미경(18)이고, 상기 광학현미경으로 얻어지는 화상을 이용하여 패턴인식처리를 행하여 장착된 상기 캔틸레버의 장착위치를 특정하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 소정위치는 상기 관찰시야의 중심위치인 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
6. 선단에 탐침(20)을 가지고 또한 기초끝에 캔틸레버 홀더(21-1)를 가지는 캔틸레버(21)와, 상기 탐침이 시료(12)의 표면을 주사할 때 상기 탐침과 상기 시료의 사이에서 생기는 물리량을 측정하는 측정부(24, 31, 32)를 구비하고, 상기 측정부 에서 상기 물리량을 일정하게 유지하면서 상기 탐침으로 상기 시료의 표면을 주사하여 상기 시료의 표면을 측정하도록 구성되고,

   상기 캔틸레버 홀더(21-1)를 거쳐 상기 캔틸레버(21)를 탈착하는 기구를 구비한 캔틸레버설치부(22)와, 복수의 캔틸레버를 보관하는 캔틸레버보관부(30)와, 상기 캔틸레버보관부의 위치를 이동시키는 제 1 이동수단(11)과, 장착상태의 캔틸레버(21)의 위치를 관찰하는 관찰수단(18,19)을 구비하는 주사형 프로브 현미경에 있어서,

   주사형 프로브 현미경은, 또한 상기 제 1 이동수단(11)에 의하여 이동하는 상기 캔틸레버설치부(22)에 설치된 상기 캔틸레버(21)의 위치를 조정하는 위치결정기구(101)를 구비하고,

   상기 제 1 이동수단(11)으로 상기 캔틸레버설치부(22)와 상기 캔틸레버보관부(30) 사이의 위치맞춤을 행하여 상기 캔틸레버보관부로부터 하나의 캔틸레버를 선택하여 상기 캔틸레버를 상기 캔틸레버 홀더(21-1)를 거쳐 상기 캔틸레버설치부(22)에 장착하는 단계(S111, S112)와,

   상기 제 1 이동수단(11)으로 상기 캔틸레버를 장착한 상기 캔틸레버설치부(22)와 상기 위치결정기구(101) 사이의 위치맞춤을 행하는 단계(S113)와,

   선택한 상기 캔틸레버를 상기 캔틸레버설치부(22)에 장착한 후에, 장착된 상기 캔틸레버를 상기 관찰수단(18, 19)으로 촬상하는 단계(S115)와,

   상기 위치결정기구(101)에 의하여 상기 캔틸레버설치부에 대한 상기 캔틸레버의 위치를 변화시켜 상기 관찰수단의 관찰시야내에서 소정위치로 이동시키는 단 계(S116, S117)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 위치결정기구(101)는, 상기 캔틸레버설치부에 설치된 상기 캔틸레버 홀더(21-1)의 측면을 누르는 누름부재(102)를 가지는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 누름부재(102)는, 평면형상이 직사각형인 상기 캔틸레버 홀더의 2변의 측면에 접촉하는 L자형 누름부재인 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 캔틸레버설치부에 설치된 상기 캔틸레버의 설치상태를 판정하는 단계(S118, S119)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
10. 제 6항에 있어서,

    상기 캔틸레버에 레이저광을 조사하여 상기 캔틸레버의 휘어짐을 검출하는 레이저광을 발생하는 광학검출장치의 레이저광원(26)과 광검출기(27)의 위치를 광축조정을 위해 조정하는 단계(S125 ~ S132)를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 캔틸레버의 선단위치를 검출하여 그 좌표값을 기억하는 단계(S118, S121)를 포함하고,

    상기 기억한 좌표값에 의거하여, 상기 캔틸레버에 레이저광을 조사하여 상기 캔틸레버의 휘어짐을 검출하는 레이저광을 발생하는 광학검출장치의 레이저광원(26)과 광검출기(27)의 위치를 광축조정을 위해 조정하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
12. 제 6항에 있어서,

    상기 관찰수단은 광학현미경(18)이고, 상기 광학현미경으로 얻어지는 화상을 이용하여 패턴인식 및 화상처리를 행하는 단계(S118)와, 상기 캔틸레버설치부에 설치된 상기 캔틸레버의 설치위치를 특정하는 단계(S119)를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 캔틸레버의 상기 설치위치를 특정할 때, 상기 관찰수단에 의해 얻어지 는 화상의 화상처리를 행함으로써 상기 캔틸레버의 선단위치나 중심축의 좌표값을 검출하는 단계(S118)와, 상기 좌표값을 기억하는 단계(S121)를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
14. 제 13항에 있어서,

    기억한 상기 캔틸레버의 상기 선단위치나 상기 중심축의 좌표값에 의거하여 상기 캔틸레버의 종류에 따른 상기 레이저광의 상기 캔틸레버에의 조사 목표 위치 범위를 계산하는 단계(S125)와,

    상기 관찰수단에 의해 얻어지는 화상과 상기 광검출기로부터의 출력신호를 사용하여 제 2 이동수단으로 상기 레이저광원의 위치를 상대적으로 이동하면서 상기 캔틸레버에 조사하는 상기 레이저광의 조사위치를 상기 조사 목표 범위내의 소정위치에 자동적으로 설정하는 단계(S128, S129)를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
15. 제 14항에 있어서,

    기억한 상기 캔틸레버의 상기 선단위치나 상기 중심축의 좌표값에 의거하여, 제 3 이동수단으로 상기 광검출기의 위치를 상대적으로 이동하여, 상기 광검출기상에서의 레이저광의 수광위치를 소정위치에 자동적으로 설정하는 단계(S130, S132)를 구비하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.
16. 제 14항에 있어서,

    상기 관찰수단의 전관찰 시야를 사용하여 또한 소정방법에 의거하여, 상기 캔틸레버상에서 레이저광이 조사되어 있는 부분의 전면적을 구하는 단계와, 화상처리 윈도우내에서의 레이저광 조사부분의 면적을 구하는 단계와, 그 비를 연산함으로써 전조사 면적에 있어서의 적정한 조사범위내에 조사된 레이저광의 조사비율을 구하는 단계와, 상기 조사비율이 소정값 이상인 것을 조건으로 하여 레이저광의 캔틸레버의 배면상에서의 조사위치를 정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주사형 프로브 현미경의 탐침 교환방법.

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