TW202413948A - 用於量測基體表面上結構之側壁形貌之方法及掃描探針顯微術系統 - Google Patents

Abstract

本文件係關於一種使用一掃描探針顯微術系統來量測一基體之一表面上的一結構之一側壁的一形貌之方法。該系統包含具有一探針尖端之一探針，且該基體支撐於一基體載體上。該方法包括在一量測點處進行一量測，此包括以下步驟：使該探針及該基體載體相對於彼此移動，以使該探針尖端在垂直於該基體表面之一Z方向上朝該表面靠近；判定該探針尖端定位成鄰近該側壁；在該探針尖端與該側壁之間建立接觸；及在該探針尖端與該側壁接觸時獲得該探針尖端之一橫向位置，以判定在該側壁上的一當前位置。建立接觸之該步驟包含藉由對該基體載體或該探針施加一非振盪運動使該探針尖端在橫向於該Z方向的至少一個橫向方向上相對於該基體載體移動之一步驟。該文件進一步係關於一種掃描探針顯微術裝置。

Description

用於量測基體表面上結構之側壁形貌之方法及掃描探針顯微術系統

發明領域

本發明係針對一種使用掃描探針顯微術系統來量測基體表面上結構之側壁形貌的方法。該系統包含具有探針尖端之探針，且基體支撐於基體載體上。該方法包括在量測點處進行量測，此包括以下步驟：使探針及基體載體相對於彼此移動，以使探針尖端在垂直於基體表面之Z方向上朝表面靠近。

發明背景

利用掃描探針顯微術(SPM)系統(諸如，原子力顯微鏡(AFM))對某些結構，尤其係半導體或生物醫學行業中大量具有窄及高縱橫比特徵之3D樣本進行形貌成像，習知地可使用大致二種類型之量測方法來進行。

在此等類型中之一者中，習知的探針尖端係傾斜的以便使尖端指向待量測之側壁。接著藉由在一個方向上掃描探針尖端來量測包括待量測側壁之結構。此後，自結構之相反側，探針尖端可指向相反方向，以便指向另一側壁，且可重複該程序。為了在X方向及Y方向二者(將X及Y笛卡爾方向定義為平行於基體表面)上進行此操作，該程序必須進行四次——在方向X及Y上各二次。此相當緩慢且繁瑣，且亦無法提供量測具有負斜率(亦即，懸垂側壁)之側壁的良好工作方法。

另一類型之量測方法係基於振盪成像方法的使用，該振盪成像方法使用特殊形狀的探針尖端，該等探針尖端在二個正交方向(通常為Z及X)上振盪(其中在掃描方向(Y相對於掃描方向為橫向)上，Z垂直於表面且X平行於表面)。各種方法在實施上有所不同，但通常具有一些共同態樣。此等包括在垂直於表面之方向上(在Z上)利用重複運動輪廓致動探針或樣本，且在達到尖端-樣本相互作用力之預定義值後即利用彼運動輪廓提取影像之各像素中的形貌。在彼運動輪廓內，此等態樣進一步包括自表面縮回探針及在平行於表面之方向(通常X)上進行探針相對於表面之振盪運動。該等方法通常使用具有擴口或錘形橫截面之特殊形狀的探針尖端來進行。

後一類型之量測相較於第一類型之量測更快速且更準確，此係因為甚至可很好地遵循懸垂側壁之形狀。然而，此量測方法仍遭受許多缺點。當已知振盪探針運動放大尖端之操作佔據面積時，該方法通常需要以其諧振頻率驅動探針。此限制出入狹窄的溝槽及開口。因此，無法使用諧振探針來量測高縱橫比結構及狹窄結構。此外，僅可量測平行於表面之一個正交方向，例如，X方向——其中X方向經定義為探針沿表面之掃描運動的方向(Y方向相對於探針尖端為橫向)。因此，不可能以此方式測繪三維結構，而在例如半導體製造行業(例如，3D NAND結構之缺陷檢測)中廣泛地需要此應用領域。此外，在必須頻繁進行探針轉換時，現有方法需要調節八個參數(X及Z每個軸線四個參數)，而此等參數中之各個參數取決於彼此。因此，探針轉換無法極其有效地進行。

發明概要

本發明之一目標為提供一種用於進行掃描探針顯微術之方法及系統，其克服上述缺點且實現對基體表面上結構之側壁形貌的高效且準確的量測。

為此目的，在此提供一種使用掃描探針顯微術系統量測基體表面上結構之側壁形貌的方法。該掃描探針顯微術系統包含探針，該探針包括探針尖端。在使用中之系統的基體載體支撐基體，從而承載基體表面。該方法包含在量測點處進行量測，此包括使探針及基體載體相對於彼此移動，以使探針尖端在Z方向上朝基體之表面靠近，Z方向上垂直於基體表面。該方法亦包括：判定探針尖端定位成鄰近側壁；且在探針尖端定位成鄰近側壁時在探針尖端與側壁之間建立接觸。在探針尖端與側壁接觸時獲得探針尖端之橫向位置，以便判定探針尖端在側壁上的當前位置。建立接觸之步驟包含使探針尖端在至少一個橫向方向上相對於基體載體移動，該橫向方向橫向於Z方向，該移動係藉由在該橫向方向上對基體載體或探針施加非振盪運動來進行。可使用作用於基體載體之致動器來施加非振盪運動。

如上文所描述之本發明實現在平行於表面之一個或二個正交方向上量測側壁形貌的高效且準確的方式，同時使得能夠判定Z方向形貌。該方法不限於每次單一平行方向，但在必要時允許在單一遍次中進行三維側壁結構，諸如溝槽及空腔的量測。此外，在探針轉換時不需要複雜的參數調諧，此係因為量測為非諧振及非振盪量測方法，因此，此在使用中之探針不存在複雜動態的情況下更易於調諧。

在標準掃描探針顯微術(SPM)系統中，可藉由XY掃描致動器驅動基體載體以在探針頭下方進行掃描運動。探針頭(其包括提供懸臂及探針尖端之探針)可包含Z型致動器以進行探針尖端朝向及或遠離表面的Z方向運動。在此類系統中，根據本發明之在平行於表面之方向上的非振盪運動可藉由使用作用於基體載體之一或多個額外致動器(例如，壓電型致動器)來提供。

有利地，本發明方法可同樣應用於不同類型之掃描探針顯微術系統中。舉例而言，在一較佳實施例中，該方法可應用於掃描探針顯微術系統中，其中包括探針之掃描頭亦包括使得能夠在所有三個正交方向X、Y及Z上進行相對運動的致動器(亦即，壓電型致動器)。Z運動使得探針尖端能夠朝向及遠離表面，而X運動及Y運動使得探針能夠跨越表面進行局部掃描。此類型之SPM系統使得能夠應用多個掃描頭，該等掃描頭可同時在多個位置中進行形貌測繪。在此等類型之系統中，根據本發明之非振盪運動可施加於基體載體或探針上。舉例而言，可使用能夠進行非振盪運動之額外壓電型致動器來驅動基體載體。替代地或另外，掃描頭可包括能夠添加額外X方向或Y方向運動的一或多個其他致動器。存在其他可能性，替代用於X及/或Y方向非振盪運動之其他致動器或除該等致動器之外，掃描頭可包括控制器，該控制器經組配(專門專用或作為其附加功能)以控制現有X及Y致動器進行除正常掃描運動之外的非振盪運動。熟習此項技術者可利用各種實施可能性。

在一些實施例中，判定探針尖端之當前位置的步驟包含以下各者中之至少一者：在探針尖端與側壁接觸時獲得探針尖端之X位置，其中X位置係與在第一橫向方向上之位置相關；或在探針尖端與側壁接觸時獲得探針尖端之Y位置，其中Y位置係與在橫向於第一橫向方向之第二橫向方向上的位置相關；或在探針尖端與側壁接觸時獲得探針尖端之Z位置，其中Z位置係與在Z方向上之位置相關。本發明之方法使得能夠在單一橫向方向(例如，X或Y方向)或二個橫向正交方向(X及Y方向)上準確地進行橫向量測，亦即，在橫向於Z方向且平行於表面之方向上的量測。後者使得能夠進行例如溝槽或空腔之三維(3D)量測。類似於三維量測，二維量測可進一步用以獲得關於例如側壁之形狀的資訊。舉例而言，可以此方式準確地使具有負斜率之側壁(亦即，懸垂側壁)成像。

在一些實施例中，該方法包含：在探針及基體在Z方向上相對於彼此移動後即偵測探針尖端對基體表面之衝擊的步驟；及獲得探針尖端對表面之該衝擊時的Z位置。舉例而言，掃描探針顯微術系統之控制系統可經組配以用於在探針朝向基體表面移動時偵測到探針偏轉之偏差後即自動地記錄此資料。

在此等實施例中之一些中，正檢測之結構係表面上之一或多個結構中之至少一個結構，其中至少一個結構具有界定該結構在Z方向上之局部最大高度的頂點。根據此等實施例之方法包括相對於表面掃描探針，及在掃描期間針對多個量測點之各量測點進行量測。此類方法進一步包含在該等量測點中自衝擊於基體表面時該探針尖端之多個所獲得Z位置來識別局部最大高度。此將使得能夠判定局部最大高度。特定而言，在具有空腔或溝槽之樣本上，此使得能夠判定邊緣之位置及高度。舉例而言，在其他實施例中，此資料可用作參考資料。術語「局部最大」應按術語之數學含義來理解，亦即：在受限域內之最大值，尤其係表面上高度大於附近表面上所有其他點之高度的點。換言之，表面上整體可能存在(但不一定存在)頂點位於更大高度處的其他結構。該等結構可包括在表面位準上方延伸(亦即，在Z方向上向上延伸)的結構，且替代地或另外，該等結構可藉由在Z方向上在表面位準下方的空腔或步降結構提供。對於空腔，局部最大值通常可為表面位準自身，且若表面上存在多個空腔，則對於所有此等空腔，局部最大值可藉由表面位準提供，作為結構之最高局部點。熟習此項技術者將理解如此處所描述之術語「局部最大值」的意義。

在此等實施例中之一些中，判定探針尖端定位成鄰近側壁之步驟係藉由以下方式進行：將探針尖端之當前Z位置與所識別之局部最大高度進行比較及當Z位置低於局部最大高度時識別出探針尖端鄰近側壁。局部最大值可以不同方式導出，例如藉由在掃描期間將當前Z位置與先前所判定之Z位置進行比較；或替代地藉由在掃描或初始化期間量測樣本表面之局部位準。為了能夠偵測到在探針尖端緊鄰處的側壁之位置，本發明實施例使得能夠將探針尖端之當前Z位置與當前位置之外周中(例如，鄰近位置)的局部高度進行比較。接著可自動偵測側壁的位置以及側壁相對於當前位置所位於的方向。此可用以控制探針尖端之移動，以便測繪側壁之形狀。

在一些實施例中，為了進行在探針尖端與側壁接觸時獲得探針尖端之橫向位置的步驟，在探針及基體載體在Z方向上相對於彼此之該移動以靠近表面期間進行在探針尖端與側壁之間建立接觸的步驟。在此等實施例中，在使探針沿表面方向移動時將接觸側壁，此例如可有利於偵測側壁之負斜率的形狀。在其他或另外實施例中，該方法包含在探針及基體在Z方向上相對於彼此移動後即偵測探針尖端對基體表面之衝擊的步驟；該方法進一步包含：在偵測到探針尖端對基體表面之衝擊後即使探針及基體在Z方向上相對於彼此移動，以便使探針尖端移動遠離表面；其中在探針尖端與側壁之間建立接觸及獲得探針尖端之橫向位置的步驟係在使探針尖端遠離表面之該移動期間進行。在此等實施例中，當探針在其自表面返回途中回縮時，可偵測側壁之形狀。此等實施例二者共同實現側壁形狀的高度準確測繪。

在上述實施例中之一些中，獲得探針尖端之橫向位置的步驟進一步包含在Z方向上之該移動期間維持探針尖端與側壁之間的接觸及獲得多個Z位置處之橫向位置，以便判定側壁之形狀。在此狀況下，探針尖端保持與表面接觸以便追蹤表面之形狀，從而在追蹤途中獲得XYZ位置資料。任選地，可應用演算法或其他資料模型，例如，機器學習資料處理模型，以便預測在隨後待量測位置中側壁之XYZ位置的變化方向。舉例而言，如在先前點中偵測到的壁之斜率可藉由某一容限外插。此可被使用以便在移動時校正探針尖端位置。

在一些實施例中，判定探針尖端鄰近側壁之步驟包含偵測探針尖端係以下各者中之至少一者：鄰近多個側壁；由空腔之側壁至少部分包圍或包覆；鄰近多個結構之一或多個側壁；相對於多個橫向方向鄰近一或多個側壁；或鄰近單一側壁，諸如步升或步降結構。可使用各種資料源以便獲得此資料，諸如自所偵測高度在Z方向上的上述局部最大值。替代地，此可藉由以下操作來達成：使用橫向測試探測運動藉助於在橫向不同方向上的探測來測試側壁之存在，以識別探針尖端是否將觸碰側壁。

在一些實施例中，掃描探針顯微術系統包含：一或多個偏轉感測器，其用於獲得指示探針尖端之偏轉的偏轉感測器信號；一或多個致動器，其用於移動探針或基體載體中之至少一者；及信號處理單元，其用於分析感測器信號且用於控制致動器。在此等實施例中，為了識別出探針尖端衝擊表面或側壁中之至少一者，該方法例如包含：為了偵測探針尖端在Z方向上之偏轉，回應於探針相對於基體載體在Z方向上之運動而判定偏轉信號指示探針尖端相對於穿過探針之縱向軸線的縱傾型旋轉(pitch type rotation)。系統可例如藉由控制單元將來自光學感測器之資料與來自運動致動器之資料進行組合，以便偵測在Z方向上移動期間的縱傾偏差。除此以外，此方法可另外或替代地包含：為了偵測探針尖端在X方向上之偏轉，回應於探針相對於基體載體在橫向於Z方向之X方向上的運動而判定偏轉信號指示探針尖端相對於穿過探針之縱向軸線的縱傾型旋轉。在此情況下，X方向可被定義為懸臂延伸的方向。除此以外，此方法可另外或替代地包含：為了偵測探針尖端在Y方向上之偏轉，回應於探針相對於基體載體在橫向於Z方向之Y方向上的運動而判定偏轉信號指示探針尖端相對於穿過探針之縱向軸線的側滾型旋轉(roll type rotation)或側傾型旋轉(yaw type rotation)中之至少一者。

在一些實施例中，探針尖端包含縱向部分及一或多個橫向結構。縱向部分在工作方向上自懸臂延伸，其中工作方向在使用中平行於Z方向。該一或多個橫向結構在橫向於工作方向之方向上自縱向部分延伸。舉例而言，探針尖端由此可具有錘頭狀橫截面。舉例而言，橫向結構可為圓盤或正方形板狀結構之形狀，或可包括在橫向於工作方向之方向上延伸的臂。該橫向結構有利地使得能夠接觸側壁，在側壁具有負(懸垂)斜率之情況下亦接觸該側壁。

根據本發明之第二態樣，提供一種掃描探針顯微術系統，其包含：基體載體，其用於支撐包括基體表面之基體；感測器頭，其包括包含懸臂及配置於懸臂上之探針尖端的探針；偏轉感測器，其用於獲得指示探針尖端之偏轉的偏轉感測器信號；以及一或多個致動器，其包括：Z運動致動器，其用於使探針尖端或基體載體在相對於樣本表面為橫向方向之Z方向上移動，及掃描致動器，其用於使探針尖端或基體載體移動，以便使探針尖端在橫向於Z方向之橫向方向上相對於基體表面移動，其中該系統進一步包含控制單元，該控制單元經組配以用於自偏轉感測器接收偏轉感測器信號且用於控制一或多個致動器，其中該控制單元包含多個信號處理單元，且其中用於量測基體表面上結構之側壁形貌的控制單元經組配以用於在量測點處進行量測，此包括以下步驟：使用Z運動致動器使探針及基體載體相對於彼此移動，以使探針尖端在垂直於基體表面之Z方向上朝表面靠近；判定探針尖端定位成鄰近側壁；使用掃描致動器及偏轉感測器在探針尖端定位成鄰近側壁時在探針尖端與側壁之間建立接觸；及在探針尖端與側壁接觸時獲得探針尖端之橫向位置，以便判定探針尖端在側壁上的當前位置；其中建立接觸之步驟包含使探針尖端在至少一個橫向方向上相對於基體載體移動之步驟，該橫向方向橫向於Z方向，其中該移動係藉由對基體載體或探針施加非振盪運動來進行。

較佳實施例之詳細說明

圖1示意性地繪示根據本發明之一實施例的掃描探針顯微術(SPM)系統1。在圖1中，僅繪示SPM系統1之一些部分，以便不混淆描述，其中系統之其他部分對本發明之重要性較低。圖1示意性地繪示樣本載體2，該樣本載體承載具有樣本表面6之樣本5以及掃描頭3。樣本載體2包含XY致動器12，該致動器使得能夠在平行於載體2之方向上相對於系統1之探針7移動樣本5。系統1進一步包含掃描頭3，該掃描頭包括包含懸臂8及探針尖端9的探針7。掃描頭3可提供系統1之微SPM掃描頭，其中系統1可包括多個微掃描頭3(圖1中僅繪示其中之一者)。替代地，掃描頭3可為僅包含單個掃描頭的一種類型之SPM系統的主掃描頭。探針尖端9為特定類型之尖端，該尖端具有形成於自懸臂8延伸之延伸部19上的錘頭形橫截面。舉例而言，為了能夠在二個平行方向X及Y上相對於基體5之表面6進行量測，探針尖端9可經塑形為圓盤、正方形或十字形，其具有類似於圖1中所展示之橫截面的橫截面。在使用中，為了進行對例如樣本5之形貌及/或結構4之形狀(諸如，空腔之內部形狀或表面結構之側壁)的量測，至少暫時地使探針尖端9與表面6接觸，以便判定例如表面6之局部高度。當探針尖端9與表面6接觸時，尖端9之偏轉通常與探針尖端9不與表面6接觸時不同。藉由依序使探針尖端9與表面6觸碰，可判定尖端9下面之樣本5的局部高度。因此，藉由監測探針尖端9之偏轉，可進行量測。探針尖端9之偏轉可由懸臂8之變形引起。

探針7安裝於Z位置致動器10上，該致動器使得探針在使用中能夠與樣本表面6接觸及自樣本表面縮回。任選地，致動器10(或其任何輔助致動器)亦可實現探針7在X或Y方向上之相對運動。致動器10及12由控制單元20操作，該控制單元包含控制致動器之操作的運動輪廓產生器30。在Z方向上量測時，原則上，探針尖端9相對於樣本表面6在XY方向上不移動或僅略微地移動。如本文中進一步所解釋，為了量測結構4之側壁形狀或內部形狀，藉由操作致動器12或輔助致動器10的任何可用X或Y致動器來施加在X或Y方向上的非振盪運動。若探針7待移動至下一位置，則探針尖端9必須脫離表面6且必須縮回到任何空腔之外並遠離可能與其發生碰撞的結構。為此目的，為了將探針尖端9移動至待製作之影像的下一像素，探針尖端9藉由Z位置致動器10自表面6縮回，且XY致動器12經操作以便使探針7及樣本5相對於彼此移動至下一像素。此後，再次操作Z位置致動器10以便使探針7朝向表面6延伸，以便使探針尖端9與該表面接觸。

使用包含雷射15及光學感測器17之光束偏轉單元21進行量測。光學感測器17可例如為四象限光學感測器，該光學感測器判定由雷射光束16及16'形成於感測器17之表面上的光點之移位。光束16由雷射單元15提供，該光束在探針9之背側上反射成反射光束16'。使用光學感測器17之光束偏轉器單元在其輸出處提供指示Z方向偏轉、X方向偏轉或Y偏轉的偏轉感測器信號，該偏轉感測器信號被提供至控制單元20。

為了實施本發明，控制單元20可包含多個信號處理單元22-1、22-2、22-i至22-N。信號處理單元之數目可取決於需要在設計中自由地判定。信號處理單元22中之各者可與對應觸發單元24相關聯。信號處理單元22-1與觸發單元24-1相關聯，信號處理單元22-2與觸發單元24-2相關聯，等等，使得信號處理單元22-N與觸發單元24-N相關聯。各處理單元22不一定與單個觸發單元排他地相關聯。舉例而言，在一些實施例中，信號處理單元22可與多個不同觸發單元24相關聯。在其他或另外實施例中，多個信號處理單元22可鏈接至同一觸發單元24。在其他實施例中，信號處理單元22中之一些可不鏈接至任何觸發單元，但可傳遞經處理信號，例如用於將其儲存在記憶體38中或用作至中央處理單元35之輸入，例如，用作至某一演算法或程序之輸入。一或多個觸發單元24是否與信號處理單元22相關聯係取決於手頭設計之應用及要求。此外，觸發單元24中之各者將與其相關聯之信號處理單元22的輸出與條件25進行比較。觸發條件25-1至25-N可由SPM系統1之操作者預先判定。舉例而言，觸發條件25-1至25-N中之各者可不同，使得不同觸發條件可由觸發24-1至24-N中之各者檢查。此外，在觸發單元24-N之輸出處，提供觸發信號，該等觸發信號可提供至中央處理單元35，例如，用於記錄在記憶體38中或用作至某一演算法或程序之輸入。此外，亦可將觸發單元24-1至24-N之輸出信號中之各者選擇性地提供至運動輪廓產生器30。為此目的，選擇器單元28-1至28-N可與觸發單元24－1至24-N中之各者相關聯。應注意，此類選擇器單元在系統中並非必不可少的。在缺乏選擇器28-1至28-N之狀況下，觸發信號可由運動輪廓產生器30以不同方式處理。中央處理單元35在自觸發單元24-1至24-N中之任一者接收任何觸發信號後即可進行記憶體38中致動器10及12之致動器位置的記錄(或任選地，藉由例如經由資料通信網路在外部資料儲存庫中存取及登記)。此外，控制單元20(例如，經由中央處理單元35)亦可經組配以用於在經由連接件33接收觸發信號後即記錄光學感測器17之輸出信號。被記錄的量測資料及致動器位置可儲存於SPM系統之記憶體38中，及/或用作至一些演算法或程序之輸入。

在圖2A、圖2B及圖2C中，示意性地繪示可在本發明之方法之一實施例中使用的探針頭之各種不同實施例。在圖2A中，在懸臂8之末端處，縱向延伸部19在自探針末端之向下(Z)方向上延伸。在縱向延伸部19之末端處，探針尖端9經塑形為平坦圓盤狀元件。類似探針在圖1之系統中示意性地繪示，如上文所論述。圓盤形尖端之環形外周使得能夠精確地量測待量測結構4之側壁。由於圓盤形狀具有環形外周，到達結構4之側壁的能力係與探針相對於結構之定向無關。在圖2B中，示意性地繪示具有自懸臂8延伸之縱向部分19的替代探針尖端。尖端9包含自縱向延伸部19延伸之四個橫向延伸結構40。在此狀況下，圖2B之探針能夠在相對於橫向於表面6之Z方向的X及Y方向上到達結構4之側壁。在圖2C之實施例中，示意性地繪示類似探針尖端設計，該探針尖端設計具有自縱向延伸部延伸的橫向十字準線40，該橫向十字準線使得能夠延伸至結構4之側壁的小空腔中。

圖8中繪示探針尖端設計之另一實施例。此處，縱向延伸部19在其末端處包含探針尖端9，該探針尖端同樣在橫向方向上稍微延伸，從而形成環形外周45。在環形外周45下方，延伸縱向部分之末端的具有頂點46的圓錐形狀在探針之Z方向上進行單一接觸部分。

返回至圖3，示意性地繪示圖2A之探針尖端。圖3繪示探針7之懸臂8可如何回應於所經受之各種力而彎曲。自探針運動與探針偏轉之組合，可判定探針之懸臂8的特定彎曲是否係歸因於在X、Y或Z方向上之力。此繪示於圖3中。舉例而言，假設探針7在Z方向上朝表面向下移動，在某一點處探針尖端9將接觸表面6且將經受在相反Z方向上的力44，該力作為其回應而偏轉。此將造成懸臂8向上彎曲，從而圍繞圖3中所繪示之縱傾軸彎曲。假設，此後，探針7將在正X方向(亦即，相對於探針的正向方向)上及在結構4之側壁處移動。回應於觸碰側壁，探針將經受與移動方向相反之力42-1。此將同樣造成懸臂8圍繞圖3之縱傾軸彎曲，即使相比於由力44引起之旋轉在相反的方向上。因此，與圍繞縱傾軸之正旋轉組合的探針7之正向移動指示力42-1。若探針7可在後向X方向上移動，則同樣地，所經受的力42-2將使懸臂在負旋轉方向(逆時針)上圍繞縱傾軸彎曲。假設探針7可在側向方向上向右移動，接著在觸碰結構4之側壁後，探針尖端將經受在Y方向上的力43-1。此將造成懸臂8圍繞側滾軸或(若力43-1足夠大)圍繞側傾軸彎曲。類似地，在相反方向上，若探針7將向左移動，則力43-2將同樣造成懸臂8繞側滾軸或側傾軸偏轉。結合探針之運動輪廓可使用以上偏轉中之任一者，以便判定探針尖端9之與結構4之側壁的觸碰邊緣之精確的X、Y及Z位置。

圖4示意性地繪示可如何使用光束偏轉器17結合雷射光束16來感測力42-1、42-2、43-1、43-2及44中之任一者。來自光束偏轉器17之信號可使用處理器21進行預處理，以將X、Y及Z偏轉自其分離。此可被傳遞至控制單元20以供進一步分析。

使用本發明之方法，結合包含如關於圖1所提及之多個微掃描頭3的SPM系統，可同時量測基體5之表面6上的多個結構4。圖5展示基體5之表面6上二個結構4-1及4-2之同時量測的實例。第一微掃描頭3-1以上文所論述之方式量測第一結構4-1，且第二微掃描頭3-2同時以類似方式量測結構4-2之側壁。圖5中之微掃描頭3-1及3-2二者均以正視圖繪示。可看出，第二微掃描頭3-2之尖端9-2觸碰側壁4-2，使得懸臂8-2圍繞其縱向軸線旋轉。

圖6中示意性地繪示本發明之方法。在50中開始，該方法藉由獲得待在基體之表面6上進行的掃描圖案之第一XY位置而開始。此資料在步驟52中獲得。接著，在步驟54中，掃描頭使探針尖端朝向XY位置移動，且在步驟56中，可自記憶體38獲得表面之局部最大Z位準。在以下圖7中，將論述能夠判定表面之局部Z位準的方法，然而熟習此項技術者應瞭解，可同樣應用其他方法。返回至圖6，在步驟58中，探針尖端9朝向基體表面6移動。接著，在步驟60中，藉由感測探針尖端9之衝擊來判定該探針尖端是否已接觸表面6。若狀況並非如此，則程序返回至步驟58以進一步降低探針尖端9。若已偵測到探針之衝擊，則在步驟62中，將Z位準記錄於記憶體38中。接著在步驟64中，判定探針尖端是否鄰近結構4之側壁。此步驟可藉由將探針尖端之當前Z位置與以上步驟56中所獲得之局部Z位準進行比較來進行。若根據此比較，在步驟64中判定探針尖端並不鄰近結構之側壁，則在步驟66中判定掃描圖案之下一XY位置，且在步驟54中再次繼續該方法。

然而，在探針尖端9實際上鄰近結構4之側壁的狀況下，接著在步驟68中，利用探針7進行橫向移動以便使探針尖端9朝向結構4之側壁移動。在步驟70中，判定探針尖端是否與表面4之側壁接觸。若狀況並非如此，則該方法繼續步驟68，然而，若接觸被記錄，則在步驟72中，將探針尖端9之X、Y及Z位置記錄於記憶體38中。接下來，在步驟74中，探針尖端向上移動，遠離表面6，且在步驟76中，判定探針尖端是否脫離表面6且不再鄰近側壁。若狀況並非如此(探針尖端仍鄰近側壁)，則再次記錄探針尖端之X、Y及Z位置。重要的是，在探針尖端9與結構4之側壁觸碰時進行量測。因此，回饋控制機構可應用於步驟76與72之間以維持接觸。若探針尖端已離開表面6且不再鄰近結構4之側壁，則方法可在步驟78中結束或可在步驟54中繼續下一XY位置。

圖7示意性地繪示基體表面之局部最大高度的判定。在步驟82中，再次獲得掃描圖案且在步驟82中判定掃描圖案之第一部分。接著在步驟84中，將探針尖端移動至掃描圖案中之第一部分，且在步驟86中，使探針尖端朝向表面降低。在步驟88中，判定探針尖端是否已衝擊表面，且若狀況並非如此，則方法返回至步驟86。除此以外，若衝擊被記錄，則在步驟90中將探針尖端的Z位置記錄於記憶體38中。在步驟92中，判定所量測位置是否為掃描圖案中之最後位置。若狀況並非如此，則在步驟94中，獲得掃描圖案之下一XY位置且方法返回至步驟84。除此以外，若已量測掃描圖案中之最後點，則在步驟96中，自表面之所有經判定Z位置，判定表面之局部最大Z位準以在上文所描述之方法中使用。此後，方法可在步驟98中結束。

本發明已依據其一些特定實施例進行描述。應瞭解，圖式中所展示及本文中所描述之實施例意欲僅用於繪示目的，且並不意欲以任何方式或手段限制本發明。咸信本發明之操作及構造將自前述描述及隨附至該描述的圖式顯而易見。熟習此項技術者將清楚，本發明不限於本文中所描述之任何實施例，且應被視為在所附申請專利範圍之範疇內的修改係可能的。運動學反轉亦被視為固有地揭示且在本發明之範疇內。此外，在不脫離如在申請專利範圍中所界定之本發明之範疇的情況下，所揭示之各種實施例的組件及元件中之任一者可在被視為係必要的、所要的或較佳的情況下組合或可併入其他實施例中。

在申請專利範圍中，任何參考符號均不應被視為限制請求項。當用於本說明書或所附申請專利範圍中時，術語「包含」及「包括」不應在排他性或窮盡性意義上解釋，而是在包括性意義上解釋。因此，除了在任何請求項中列出之彼等元件或步驟以外，如本文中所使用之表述「包含」並不排除其他元件或步驟之存在。此外，字語「一(a)」及「一(an)」不應被視為限於「僅一個」，而是用以意謂「至少一個」且並不排除多個。在本發明之範疇內，未特定地或明確地描述或主張之特徵可另外包括於本發明之結構中。表述，諸如「用於……之構件」應理解為：「經組配以用於……之組件」或「經建構以……之部件」且應被視為包括所揭示結構之等效物。使用如以下各者之表述並不意欲限制本發明：「關鍵」、「較佳」、「尤佳」等。在不脫離如由申請專利範圍判定之本發明之精神及範疇的情況下，通常可在熟習此項技術者之領域內進行添加、刪除及修改。本發明可接著以不同於本文特定描述之方式的方式實踐且僅受所附申請專利範圍限制。

1:掃描探針顯微術(SPM)系統 2:樣本載體 3:掃描頭 3-1:第一微掃描頭 3-2:第二微掃描頭 4:結構 4-1:第一結構 4-2:結構/側壁 5:樣本/基體 6:樣本表面/基體表面 7:探針 8,8-2:懸臂 9:探針尖端 9-2:尖端 10:Z位置致動器 12:XY致動器 15:雷射單元 16:雷射光束 16':反射雷射光束 17:光學感測器 19:縱向延伸部 20:控制單元 21:光束偏轉單元 22,22-1,22-2,22-N:信號處理單元 24-1,24-2,24-N:觸發單元 25:條件 25-1,25-2,25-N:觸發條件 28-1,28-2,28-N:選擇器單元 30:運動輪廓產生器 33:連接件 35:中央處理單元 38:記憶體 40:橫向延伸結構 42-1,42-2,43-1,43-2,44:力 45:環形外周 46:頂點 50,52,54,56,58,60,62,64,66,68,70,72,74,76,78,82,84,86,88,92,94,96,98:步驟

本發明將藉由參看附圖描述其一些特定實施例來進一步闡明。詳細描述提供本發明之可能實施方案的實例，但不應被視為描述落入範疇之僅有實施例。本發明之範疇定義於申請專利範圍中，且本說明書應被視為例示性的而不限制本發明。在圖式中： 圖1示意性地繪示根據本發明之實施例的掃描探針顯微術(SPM)系統； 圖2A至圖2C示意性地繪示本發明之實施例中供使用之探針頭的不同實施例； 圖3示意性地繪示本發明之一實施例中之探針如何對所施加之各種力作出回應； 圖4示意性地繪示可如何使用本發明之一實施例中之光束偏轉器來感測力； 圖5展示使用本發明之一實施例進行結構之同時量測的實例； 圖6示意性地繪示根據本發明之一實施例之方法； 圖7示意性地繪示根據本發明之一實施例之使得能夠判定表面之局部Z位準的方法； 圖8示意性地繪示根據本發明之探針尖端設計的另一實施例。

1:掃描探針顯微術(SPM)系統

2:樣本載體

3:掃描頭

4:結構

5:樣本/基體

6:樣本表面/基體表面

7:探針

8:懸臂

9:探針尖端

10:Z位置致動器

12:XY致動器

15:雷射單元

16:雷射光束

16':反射雷射光束

17:光學感測器

19:縱向延伸部

20:控制單元

21:光束偏轉單元

22-1,22-2,22-N:信號處理單元

24-1,24-2,24-N:觸發單元

25-1,25-2,25-N:觸發條件

28-1,28-2,28-N:選擇器單元

30:運動輪廓產生器

35:中央處理單元

38:記憶體

Claims (17)

1. 一種使用一掃描探針顯微術系統來量測一基體之一表面上的一結構之一側壁的一形貌之方法，該掃描探針顯微術系統包含包括一懸臂及一探針尖端之一探針，其中該基體支撐於一基體載體上，該方法包含在一量測點處進行一量測，此包括以下步驟： 使該探針及該基體載體相對於彼此移動，以便使該探針尖端在一Z方向上朝該基體之該表面靠近，該Z方向垂直於基體表面； 判定該探針尖端定位成鄰近該側壁； 在該探針尖端定位成鄰近該側壁時，在該探針尖端與該側壁之間建立接觸；及 在該探針尖端與該側壁接觸時，獲得該探針尖端之一橫向位置，以便判定該探針尖端在該側壁上的一當前位置； 其中建立接觸之該步驟包含使該探針尖端在至少一個橫向方向上相對於該基體載體移動之一步驟，該橫向方向橫向於該Z方向，該移動係藉由在該橫向方向上對該基體載體或該探針施加一非振盪運動來進行。
2. 如請求項1之方法，其中判定該探針尖端之該當前位置的步驟包含以下各者中之至少一者： 在該探針尖端與該側壁接觸時，獲得該探針尖端之一X位置，其中該X位置係與在一第一橫向方向上之一位置相關；或 在該探針尖端與該側壁接觸時，獲得該探針尖端之一Y位置，其中該Y位置係與在橫向於該第一橫向方向之一第二橫向方向上的一位置相關；或 在該探針尖端與該側壁接觸時，獲得該探針尖端之一Z位置，其中該Z位置係與在該Z方向上之一位置相關。
3. 如請求項1或2之方法，其中該方法包含以下步驟：在該探針及該基體在該Z方向上相對於彼此移動後，偵測該探針尖端對該基體之該表面之一衝擊；及獲得該探針尖端對該表面之該衝擊時的一Z位置。
4. 如請求項3之方法，其中該結構係該表面上之一或多個結構中之至少一個結構，該至少一個結構具有界定該結構在該Z方向上之一局部最大高度的一頂點；其中該方法包含相對於該表面掃描該探針；及在該掃描期間針對多個量測點之各量測點進行該量測，該方法進一步包含在該等量測點中該探針尖端衝擊於該基體之該表面時，自該探針尖端之多個所獲得Z位置來識別該局部最大高度。
5. 如請求項4之方法，其中判定該探針尖端定位成鄰近該側壁之該步驟係藉由以下方式進行：將該探針尖端之一當前Z位置與該被識別之局部最大高度進行比較，及當該Z位置低於該局部最大高度時，識別出該探針尖端鄰近該側壁。
6. 如前述請求項中任一或多項之方法，其中為了在該探針尖端與該側壁接觸時，進行獲得該探針尖端之該橫向位置的該步驟，在該探針及該基體載體在該Z方向上相對於彼此之該移動以靠近該表面期間，進行在該探針尖端與該側壁之間建立接觸的該步驟。
7. 如前述請求項中任一或多項之方法，其中該方法包含以下步驟：在該探針及該基體在該Z方向上相對於彼此移動後，偵測該探針尖端對該基體之該表面之一衝擊；該方法進一步包含： 在偵測到該探針尖端對該基體之該表面之該衝擊後，使該探針及該基體在該Z方向上相對於彼此移動，以便使該探針尖端移動遠離該表面； 其中在該探針尖端與該側壁之間建立接觸及獲得該探針尖端之該橫向位置的該等步驟係在使該探針尖端遠離該表面之該移動期間進行。
8. 如請求項6或7中任一項之方法，其中獲得該探針尖端之該橫向位置的該步驟進一步包含：在該Z方向上之該移動期間維持該探針尖端與該側壁之間的接觸，及獲得在多個Z位置處之該橫向位置，以便判定該側壁之一形狀。
9. 如前述請求項中任一或多項之方法，其中判定該探針尖端鄰近一側壁之該步驟包含偵測該探針尖端係以下各者中之至少一者：鄰近多個側壁；由一空腔之一側壁至少部分包圍或包覆；鄰近多個結構之一或多個側壁；相對於多個橫向方向鄰近一或多個側壁；或鄰近一單一側壁，諸如一步升或步降結構。
10. 如前述請求項中任一或多項之方法，其中該掃描探針顯微術系統包含：一或多個偏轉感測器，其用於獲得指示該探針尖端之一偏轉的一偏轉感測器信號；一或多個致動器，其用於移動該探針或該基體載體中之至少一者；及一信號處理單元，其用於分析該偏轉感測器信號且用於控制該等致動器，其中為了識別出該探針尖端衝擊該表面或該側壁中之至少一者，該方法包含以下各者中之至少一者： 為了偵測該探針尖端在該Z方向上之一偏轉，回應於該探針相對於該基體載體在該Z方向上之一運動而判定該偏轉信號指示該探針尖端相對於穿過該探針之一縱向軸線的一縱傾型旋轉；或 為了偵測該探針尖端在該X方向上之一偏轉，回應於該探針相對於該基體載體在橫向於該Z方向之一X方向上的一運動而判定該偏轉信號指示該探針尖端相對於穿過該探針之一縱向軸線的一縱傾型旋轉；或 為了偵測該探針尖端在該Y方向上之一偏轉，回應於該探針相對於該基體載體在橫向於該Z方向之一Y方向上的一運動而判定該偏轉信號指示該探針尖端相對於穿過該探針之一縱向軸線的一側滾型旋轉或一側傾型旋轉中之至少一者。
11. 如前述請求項中任一或多項之方法，其中該探針尖端包含一縱向部分及一或多個橫向結構； 其中該縱向部分在一工作方向上自該懸臂延伸，其中該工作方向在使用中平行於該Z方向；及 其中該一或多個橫向結構在橫向於該工作方向之一方向上自該縱向部分延伸。
12. 一種掃描探針顯微術系統，其包含：一基體載體，其用於支撐包括一基體表面之一基體；一感測器頭，其包括一探針，該探針包含一懸臂及配置於該懸臂上之一探針尖端；一偏轉感測器，其用於獲得指示該探針尖端之一偏轉的一偏轉感測器信號，及 一或多個致動器，其包括：一Z運動致動器，其用於使該探針尖端或該基體載體在相對於樣本表面為一橫向方向之一Z方向上移動；及一掃描致動器，其用於使該探針尖端或該基體載體移動，以便使該探針尖端在橫向於該Z方向之一橫向方向上相對於該基體表面移動， 其中該系統進一步包含一控制單元，該控制單元經組配以用於自該偏轉感測器接收該偏轉感測器信號且用於控制該一或多個致動器，其中該控制單元包含多個信號處理單元，且 其中用於量測該基體之該表面上的一結構之一側壁之一形貌的該控制單元經組配以用於在一量測點處進行一量測，此包括以下步驟： 使用該Z運動致動器來將該探針及該基體載體相對於彼此移動，以使該探針尖端在垂直於該基體表面之一Z方向上朝該表面靠近； 判定該探針尖端定位成鄰近該側壁； 在該探針尖端定位成鄰近該側壁時，使用該掃描致動器及該偏轉感測器而在該探針尖端與該側壁之間建立接觸；及 在該探針尖端與該側壁接觸時，獲得該探針尖端之一橫向位置，以便判定該探針尖端在該側壁上的一當前位置； 其中建立接觸之該步驟包含使該探針尖端在至少一個橫向方向上相對於該基體載體移動之一步驟，該橫向方向橫向於該Z方向，其中該移動係藉由對該基體載體或該探針施加一非振盪運動來進行。
13. 如請求項12之掃描探針顯微術系統，其中用於判定該探針尖端之該當前位置的控制單元經組配以用於以下各者中之至少一者： 在該探針尖端與該側壁接觸時，使用該偏轉感測器獲得該探針尖端之一X位置，其中該X位置係與在一第一橫向方向上之一位置相關；或 在該探針尖端與該側壁接觸時，使用該偏轉感測器獲得該探針尖端之一Y位置，其中該Y位置係與在橫向於該第一橫向方向之一第二橫向方向上的一位置相關；或 在該探針尖端與該側壁接觸時，使用該偏轉感測器獲得該探針尖端之一Z位置，其中該Z位置係與在該Z方向上之一位置相關。
14. 如請求項12或13之掃描探針顯微術系統，其中該控制單元經進一步組配以在該探針尖端朝向該表面之該移動期間，使用該偏轉感測器偵測該探針尖端對該基體之該表面的一衝擊，且用於判定該表面上之一衝擊位置的一Z位置。
15. 如請求項12至14中任一或多項之掃描探針顯微術系統，該控制單元經組配以用於將該探針尖端之一當前Z位置與由該系統識別的該表面上的一結構之一局部最大高度進行比較，及用於當該Z位置低於該局部最大高度時，識別出該探針尖端鄰近該側壁。
16. 如請求項12至15中任一或多項之掃描探針顯微術系統，其中為了識別出該探針尖端衝擊該表面或該側壁中之至少一者，該控制單元經組配以用於以下各者中之至少一者： 使用用於偵測該探針尖端在該Z方向上之一偏轉的該偏轉感測器，回應於該探針相對於該基體載體在該Z方向上之一運動而判定該偏轉信號指示出該探針尖端相對於穿過該探針之一縱向軸線的一縱傾型旋轉；或 使用用於偵測該探針尖端在該X方向上之一偏轉的該偏轉感測器，回應於該探針相對於該基體載體在橫向於該Z方向之一X方向上的一運動而判定該偏轉信號指示出該探針尖端相對於穿過該探針之一縱向軸線的一縱傾型旋轉；或 使用用於偵測該探針尖端在該Y方向上之一偏轉的該偏轉感測器，回應於該探針相對於該基體載體在橫向於該Z方向之一Y方向上的一運動而判定該偏轉信號指示出該探針尖端相對於穿過該探針之一縱向軸線的一側滾型旋轉或一側傾型旋轉中之至少一者。
17. 如請求項12至16中任一或多項之掃描探針顯微術系統，其中該探針尖端包含一縱向部分及一或多個橫向結構； 其中該縱向部分在一工作方向上自該懸臂延伸，其中該工作方向在使用中平行於該Z方向；及 其中該一或多個橫向結構在橫向於該工作方向之一方向上自該縱向部分延伸。