WO2022034652A1 - 表面解析装置 - Google Patents

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WO2022034652A1
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WO
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sample
computer system
atmospheric pressure
signal
afm2
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PCT/JP2020/030669
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English (en)
French (fr)
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律雄 深谷
康大 安藤
義弘 磯崎
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Hitachi High Tech Corp
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Hitachi High Tech Corp
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Publication date
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    • G01Q30/04—Display or data processing devices
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    • G01Q40/00—Calibration, e.g. of probes
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    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
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    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q30/00—Auxiliary means serving to assist or improve the scanning probe techniques or apparatus, e.g. display or data processing devices
    • G01Q30/02—Non-SPM analysing devices, e.g. SEM [Scanning Electron Microscope], spectrometer or optical microscope

Definitions

  • the present invention relates to a technique such as a surface analysis device.
  • the surface analysis device has a function of three-dimensionally measuring or observing the fine shape formed on the sample surface by scanning the sample surface with a probe.
  • a scanning probe microscope SPM
  • SPM obtains information on the shape and physical properties of the sample surface by detecting some interaction between the probe with an extremely sharp tip and the sample surface.
  • a scanning tunneling microscope STM
  • Atomic Force Microscope AFM
  • the STM uses tunneling current as the interaction.
  • AFM uses an atomic force as an interaction.
  • the surface analyzer can output an image showing the three-dimensional shape of the sample surface from the scanning position and height information.
  • a scanning electron microscope SEM
  • the SEM can detect secondary electrons and the like from the sample surface based on the irradiation of the sample surface with an electron beam and output it as an image showing the sample surface.
  • Patent Document 1 describes, as a "scanning probe microscope and a surface shape measuring method using the scanning probe microscope", a high-precision displacement for measuring the vertical movement of the sample stage in the non-driving direction during horizontal scanning on the back side of the sample stage. It is described that a meter is provided and that the result of measuring the sample surface shape by the probe is corrected by this result.
  • the element structure is becoming more complicated in the height direction.
  • manufacturing process control not only conventional planar structure dimensional measurement but also height direction dimensional measurement is becoming more important. Therefore, the adoption of SPM, which can measure in the height direction, is being considered.
  • SPM typically AFM
  • the device provided with the vacuum chamber includes, for example, a process device for film formation and a charged particle beam device such as SEM.
  • the amount of displacement due to disturbance, device characteristics, etc. may be added as a deviation to the height information obtained by measurement in SPM.
  • An airtight tank such as a vacuum tank is affected by minute atmospheric pressure fluctuations in the space where the device is installed, usually a clean room. Due to this atmospheric pressure fluctuation, mechanical deformation, for example, distortion occurs on the wall surface or the like constituting the airtight tank, and displacement occurs in a direction including the height direction.
  • the SPM fixed to the wall surface and the like also undergoes displacement in the direction including the height direction.
  • the amount of displacement at this time affects the height information of the SPM measurement result as a deviation.
  • Such a height deviation is not desirable because it reduces the accuracy and quality of measurement and analysis in SPM and surface analysis. Such a height deviation cannot be dealt with by the prior art example as in Patent Document 1.
  • An object of the present disclosure is to improve the accuracy and quality of measurement and analysis of the surface analysis device even if the height information of the SPM measurement result is locally deviated due to the atmospheric pressure fluctuation with respect to the airtight tank. Is to provide the technology that can be done.
  • the surface analyzer is a scanning type that is fixed to an airtight tank that can reduce the pressure or pressurize the inside, a stage that holds the sample in the airtight tank, and a structure that constitutes the airtight tank, and measures the surface of the sample.
  • a probe microscope, a sensor arranged outside the airtight tank and measuring atmospheric pressure, a first signal for measurement of the scanning probe microscope, and a second signal for measurement by the sensor are used to obtain the sample. It is equipped with a computer system that analyzes the surface.
  • the measurement can be performed.
  • the accuracy and quality of analysis can be improved.
  • Embodiment 2 It is a figure which shows the relationship of various signals in Embodiment 2. It is a figure which shows the structure of the surface analysis apparatus of Embodiment 3 of this disclosure. It is a figure which shows the structure of the surface analysis apparatus of Embodiment 4 of this disclosure.
  • the surface analysis apparatus is a device provided with an AFM as an SPM in the vacuum chamber, and has a function of correcting the height information of the AFM measurement based on the detection of the atmospheric pressure fluctuation with respect to the vacuum chamber.
  • the surface analysis device 1 (particularly the computer system CS2) of FIG. 1 corrects the height information of the surface of the sample 5 in the signal S2 measured by the AFM2 so as to eliminate the influence of the displacement of the vacuum chamber 10 in response to the atmospheric pressure fluctuation. do.
  • FIG. 1 shows the configuration of the surface analysis device 1 of the first embodiment.
  • the surface analysis device 1 of the first embodiment includes a vacuum chamber 10, an AFM2 SPM, a sensor 4, a housing 109, a computer system CS1, a computer system CS2, and the like.
  • the user U1 who is an operator operates the computer system CS2 and the like to use the surface analysis device 1.
  • Sample 5 is, for example, a silicon wafer.
  • the control function of the surface analysis device 1 is configured by connecting and linking two systems, the computer system CS1 and the computer system CS2.
  • the computer system CS1 is mainly a system for driving control of a mechanism such as a vacuum chamber 10.
  • the computer system CS2 is a system for controlling the AFM2.
  • Each computer system is composed of a computer (for example, a PC, an electronic circuit board, etc.), an input device, an output device, and the like.
  • the parts of the surface analysis device 1 other than the computer systems CS1 and CS2 are housed in the housing 109.
  • the space portion inside the housing 109 and outside the vacuum chamber 10 communicates with the outside of the housing 109 and has an atmospheric pressure.
  • the surface analysis device 1 is installed in a clean room.
  • (X, Y, Z) may be used as an explanatory direction or an expression of the coordinate system.
  • the X and Y directions are two orthogonal directions constituting the horizontal plane and correspond to the planes of the stage 6 and the sample 5.
  • the Z direction is a height direction and a vertical direction perpendicular to the X and Y directions.
  • the target of correction is at least displacement / displacement in the Z direction.
  • the vacuum tank 10 is an airtight tank capable of depressurizing or pressurizing the inside.
  • the vacuum chamber 10 is evacuated during the manufacturing process.
  • the vacuum tank 10 is an airtight tank in which the internal pressure during operation is 1 ⁇ 10 ⁇ 2 Pa (Pascal) or less.
  • the vacuum chamber 10 is a rectangular parallelepiped structure, but the vacuum chamber 10 is not limited to this.
  • the vacuum chamber 10 may be a structure having an axisymmetric shape such as a cylinder.
  • AFM2 is provided on the wall surface of the vacuum chamber 10.
  • the AFM2 is fixed to the upper wall portion 10a (in other words, the lid) of the vacuum chamber 10.
  • the vacuum chamber 10 has a stage 6 which is a holding table for holding the sample 5.
  • the stage 6 can be moved, for example, in the horizontal plane direction (X, Y direction) while the sample 5 is placed and fixed by the stage moving mechanism 160.
  • the computer system CS1 is connected to the mechanism such as the vacuum chamber 10.
  • the computer system CS1 controls, for example, the state of pressure in the vacuum chamber 10 and also drives and controls the stage moving mechanism 160. As a result, the stage 6 can be moved to a designated position in the vacuum chamber 10, and the sample 5 on the stage 6 can be placed at the designated position.
  • the surface analysis device 1 includes a load lock chamber 102, a gate valve 105 and a gate valve 106, and a vacuum pump system 103 and a vacuum pump system 104 for the vacuum tank 10.
  • the load lock chamber 102 is a preliminary disposal chamber for introducing the sample 5 into the vacuum chamber 10.
  • a mechanism such as a robot for transporting the sample 5 is installed outside the load lock chamber 102.
  • a mechanism for transporting the sample 5, a rotation mechanism for keeping the orientation of the sample 5 constant, and the like are installed inside the load lock chamber 102.
  • the gate valve 105 communicates the load lock chamber 102 with an external atmospheric pressure portion.
  • the gate valve 106 connects the load lock chamber 102 and the vacuum chamber 10.
  • the vacuum pump system 103 is a vacuum pump system for depressurizing and exhausting the vacuum tank 10.
  • the vacuum pump system 104 is a vacuum pump system for depressurizing and exhausting the load lock chamber 102.
  • the vacuum pump system 103 and the vacuum pump system 104 are composed of a series of pump groups having a turbo molecular pump as the final stage capable of exhausting to a state of low vibration and ultra-high vacuum.
  • the ultra-high vacuum state is, for example, about 1 ⁇ 10-5 Pa.
  • the AFM2 physically scans the surface of the sample 5 on the stage 6 using the probe 7, measures the height of the target portion on the surface of the sample 5, and is an image showing the three-dimensional shape of the surface of the sample 5. It is a device that can obtain.
  • the AFM2 has a first portion 2a and a second portion 2b as portions constituting the apparatus.
  • the first portion 2a is a portion arranged outside the vacuum chamber 10, and is arranged in the atmosphere above the upper wall portion 10a of the vacuum chamber 10.
  • the second portion 2b is a portion arranged inside the vacuum chamber 10, and is arranged in a vacuum below the upper wall portion 10a of the vacuum chamber 10.
  • the first portion 2a and the second portion 2b are connected by penetrating a part of the wall surface of the vacuum chamber 10, particularly the upper wall portion 10a.
  • the penetrating portion is kept airtight by parts and mechanisms such as an O-ring (not shown).
  • a part of the first portion 2a is fixed to the upper wall portion 10a.
  • a part of the second portion 2b is fixed to the upper wall portion 10a. Since the AFM2 is fixed to a part of the wall surface of the vacuum chamber 10, particularly the upper wall portion 10a, the AFM2 is affected by the deformation / displacement of the upper wall portion 10a.
  • the second part 2b of AFM2 is provided with a probe 7.
  • AFM2 measures the height of the surface of the sample 5 by scanning the target portion of the surface of the sample 5 held on the stage 6 with the probe 7, and obtains an image showing the three-dimensional shape of the surface of the sample 5. .. In other words, this image is measurement information having a scanning position in the horizontal direction and height information at each time point.
  • a computer system CS2 is connected to the AFM2 through a signal line 2c.
  • the AFM2 outputs a signal S2 such as an image as a measurement result to the computer system CS2 through the signal line 2c.
  • the computer system CS2 inputs and processes the measurement result signal S2 from the AFM2.
  • the surface analysis device 1 analyzes the shape of the surface of the sample 5 based on the processing result of the AFM2.
  • the sensor 4 is provided at a predetermined position outside the vacuum chamber 10, for example, in the vicinity of the upper wall portion 10a which is not in contact with the upper surface.
  • the sensor 4 is an atmospheric pressure measuring element that measures the atmospheric pressure outside the vacuum chamber 10.
  • the sensor 4 is an element capable of measuring the pressure applied to the upper wall portion 10a of the vacuum chamber 10.
  • the sensor 4 outputs a signal S4 of a measured value of atmospheric pressure.
  • the sensor 4 is connected to the computer system CS2 through the signal line 4c.
  • the computer system CS2 inputs and processes the signal S4 from the sensor 4.
  • the computer system CS2 calculates the atmospheric pressure fluctuation amount based on, for example, the signal S4.
  • the sensor 4 may be an element capable of measuring minute fluctuations in atmospheric pressure. There are several types of elements that can measure minute fluctuations in atmospheric pressure, and any type of element can be applied as the sensor 4.
  • the arrangement of the sensor 4 is not limited to this example.
  • the sensor 4 is arranged inside the housing 109, but is not limited to this, and may be arranged outside the housing 109.
  • the sensor 4 may be fixedly arranged in the vacuum chamber 10 or the housing 109 or the like.
  • an "absolute pressure detection type” atmospheric pressure measuring element is applied as the sensor 4.
  • the “absolute pressure detection type” sensor as an element structure, a sealing space maintained at a reference pressure and an atmospheric pressure space are separated by a partition wall (in other words, a membrane).
  • the atmospheric pressure space communicates with the outside (that is, the place where the sensor 4 is installed).
  • This type of sensor electrically detects the fluctuation of the differential pressure between the two spaces as the displacement of the partition wall (in other words, the change in the amount of strain) by a semiconductor piezo gauge or the like.
  • the output signal S4 from the sensor 4 is a voltage signal representing an atmospheric pressure measurement value outside the vacuum chamber 10, and is a signal having a voltage value at each time point on the time series.
  • the senor 4 can be applied with a "relative pressure detection type" atmospheric pressure measuring element.
  • a "relative pressure detection type” atmospheric pressure measuring element As an element structure, one atmospheric pressure space communicates with the installation location of the sensor 4 as in the "absolute pressure detection type”. The other space through the bulkhead leads through a line to a remote outside, such as the outside of the cream room. This sensor can measure the relative differential pressure fluctuation between the two spaces as the displacement of the partition wall.
  • FIG. 1 An example of the procedure for analyzing the surface of the sample 5 using the surface analysis device 1, particularly AFM2, is as follows. First, the surface analysis device 1 puts the load lock chamber 102 in an atmospheric pressure state, opens the gate valve 105, and transfers the sample 5 into the load lock chamber 102. The surface analysis device 1 closes the gate valve 105 and exhausts the inside of the load lock chamber 102 by the vacuum pump system 104 until a vacuum state of about 1 ⁇ 10 -3 Pa is obtained. The surface analyzer 1 then opens the gate valve 106 and moves the sample 5 onto the stage 6 in the vacuum chamber 10. The sample 5 is adsorbed and held on the stage 6.
  • the vacuum tank 10 is exhausted by the vacuum pump system 103 and is maintained in a vacuum state of about 1 ⁇ 10 -4 Pa.
  • the user U1 operates the computer system CS2 or the like to move the stage 6 on which the sample 5 is placed to a position directly under the AFM2 so that the analysis target portion on the surface of the sample 5 comes directly under the probe 7.
  • the user U1 instructs the execution of the surface analysis and the target range on the computer system CS2.
  • the computer system CS2 controls the AFM2, scans the probe 7 within the specified range of the surface of the sample 5, and lowers the probe 7 toward the target location.
  • the tip of the probe 7 and the target location approach each other until they start interacting with each other due to the intramolecular force.
  • the AFM2 measures the distance between the tip of the probe 7 and the target location based on the interaction at that time, and obtains the height information of the surface of the sample 5.
  • the AFM2 similarly scans the probe 7 within a specified range to obtain height information.
  • the AFM2 sends a signal S2 representing the shape of the surface of the sample 5 to the computer system CS2.
  • the computer system CS2 inputs and processes the signal S2 from the AFM2, creates an image showing the three-dimensional shape of the surface of the sample 5 as a sample surface image, and displays it on the screen of the display device.
  • the surface analysis device 1 analyzes the surface of the sample 5 by using the signal S4 obtained by the sensor 4 and the signal S2 of the measurement result of the AFM2.
  • the surface analysis device 1 analyzes the surface shape of the sample 5 in consideration of the state of atmospheric pressure outside the vacuum chamber 10.
  • the computer system CS2 corrects the height information in the signal S2 according to the fluctuation of the atmospheric pressure indicated by the signal S4.
  • the computer system CS2 calculates the displacement amount of the vacuum chamber 10 and the AFM2 (particularly the probe 7) according to the atmospheric pressure fluctuation amount.
  • the computer system CS2 corrects the height information according to the displacement amount so as to eliminate the deviation due to the influence of the atmospheric pressure.
  • the surface analysis device 1 corrects the signal S2 of the AFM2 so as to correct the displacement of an object such as the probe 7 due to atmospheric pressure.
  • the computer system CS2 stores and outputs the corrected information.
  • the computer system CS2 calculates the distance fluctuation amount with respect to the distance D in FIG. 1 according to the atmospheric pressure fluctuation amount based on the signal S4.
  • the distance D is the distance to the upper wall portion 10a of the vacuum chamber 10 in the Z direction with the upper surface of the stage 6 as a reference position.
  • the computer system CS2 calculates the displacement amount of the AFM2, particularly with respect to the height position of the probe 7, according to the distance fluctuation amount.
  • the computer system CS2 uses the displacement amount to correct the height information in the signal S2 of the measurement result so as to remove the deviation caused by the atmospheric pressure fluctuation.
  • the surface analysis device 1 of the first embodiment even if the height information of the measurement result of the AFM2 is locally deviated due to the atmospheric pressure fluctuation with respect to the vacuum chamber 10, the measurement can be performed. The accuracy and quality of analysis can be improved. According to the surface analysis device 1 of the first embodiment, high-precision height information can be obtained by removing the deviation in the height direction by correction. According to the surface analysis device 1 of the first embodiment, it is possible to acquire a highly accurate image excluding the amount of local height deviation due to atmospheric pressure fluctuation in the observation image of the sample surface shape acquired by AFM2.
  • the surface analysis apparatus of the second embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 2 to 9.
  • the basic configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • the components different from those of the first embodiment in the second embodiment will be mainly described.
  • the vacuum chamber 10 is equipped with SEM3 as an example of a charged particle beam apparatus and an electron microscope in addition to the above-mentioned AFM2. That is, the surface analysis device 1 of the second embodiment is a device having a function by combining and integrating AFM2 and SEM3.
  • FIG. 2 shows an overall schematic configuration of the surface analysis apparatus 1 of the second embodiment.
  • the surface analysis apparatus 1 of the second embodiment includes a vacuum chamber 10, an SPM AFM2, an SEM3, a sensor 4, a housing 109, a computer system CS1, a computer system CS2, a computer system CS3, and the like.
  • the user U1 who is an operator operates the computer system CS2, the computer system CS3, or the like to use the surface analysis device 1.
  • Sample 5 is, for example, a silicon wafer on which an LSI is formed.
  • the surface analysis device 1 of the second embodiment is configured as an inspection device for an LSI manufacturing factory.
  • the control function of the surface analysis device 1 is configured by connecting and coordinating the three systems of the computer system CS1, the computer system CS2, and the computer system CS3.
  • the computer system CS3 is a system for controlling the SEM3.
  • the parts of the surface analysis apparatus 1 other than the computer systems CS1, CS2, and CS3 are housed in the housing 109.
  • SEM3 is connected to the computer system CS3 through the signal line 3c.
  • the computer system CS3 is interconnected with the computer system CS1 and the computer system CS2.
  • the computer system CS2 controls AFM2.
  • the computer system CS3 controls SEM3.
  • the SEM3 outputs the signal S3 of the observation result of the sample 5 on the stage 6 to the computer system CS3 through the signal line 3c.
  • the computer system CS3 processes the signal S3, constitutes, for example, an image of the observation result, and displays it on the display screen.
  • the computer system CS3 of SEM3 corresponds to the main control system
  • the computer system CS2 of AFM2 corresponds to the sub control system.
  • the computer system CS3 controls the computer system CS2 and the computer system CS1.
  • the user U1 mainly operates the computer system CS3.
  • the computer system is not limited to such a configuration example.
  • the computer system CS2 of the AFM2 may be used as the main control system, and the user U1 may mainly operate the computer system CS2.
  • the computer system CS2 and the computer system CS3 may be integrated as one computer system.
  • a computer system that performs main control may be further provided above the computer system CS2 and the computer system CS3.
  • the computer system CS1 may be used as a computer system that performs higher-level main control.
  • the AFM2 and the SEM3 are installed at two different positions on the upper wall portion 10a of the vacuum chamber 10.
  • the AFM2 is roughly installed at the position L2 and the SEM3 is installed at the position L3 in the X and Y directions.
  • Most of the SEM3 is arranged on the outer side of the upper wall portion 10a and on the upper side in the Z direction.
  • the bottom portion of the SEM 3 penetrates a part of the upper wall portion 10a and leads into the vacuum chamber 10. The penetrating part is kept airtight.
  • the SEM3 includes an electron source 110, an electron optical system 111, and a detector 113.
  • the SEM3 irradiates the electron beam 112 generated by the electron source 110 so as to converge and scan the target portion on the surface of the sample 5 by the electron optical system 111.
  • the SEM3 detects secondary electrons or backscattered electrons emitted from the surface of the sample 5 by irradiation with the detector 113 to obtain an image of the surface of the sample 5.
  • the SEM3 sends the signal S3 of the obtained image to the computer system CS3 through the signal line 3c.
  • the vacuum chamber 10 includes a stage 6 and a stage moving mechanism 160.
  • the stage 6 in the second embodiment can be moved in the horizontal direction (X, Y direction) by the stage moving mechanism 160.
  • the computer system CS1 moves the stage 6 holding the sample 5 to a designated position by the drive control of the stage moving mechanism 160.
  • FIG. 2 shows a case where the stage 6 is located at the position L2 or the position L3 as an example of the position of the stage 6.
  • the position L2 is a position substantially directly below the AFM2, which is used in the case of measurement by the AFM2.
  • the case where the stage 6 and the sample 5 are arranged at the position L2 is shown by a solid line.
  • the position L3 is a position substantially directly below the SEM3, which is used in the case of observation with the SEM3.
  • the case where the stage 6 (6a) and the sample 5 (5a) are arranged at the position L3 is shown by a broken line.
  • the computer system CS1 moves the stage 6 to the position L3 when observing the sample 5 in the SEM3 based on the control from the computer system CS3.
  • the computer system CS1 moves the stage 6 to the position L2 when the sample 5 is measured by the AFM2 based on the control from the computer system CS3 and the computer system CS2.
  • the user U1 can also move the stage 6 to a desired position within the range by operating the computer system CS3 or the computer system CS2. Further, the user U1 can be set to the computer system CS3 or the computer system CS2 in advance so that the stage 6 can be automatically moved or measured.
  • the computer system CS3 and the computer system CS2 control the automatic movement of the stage 6 and the like by controlling the computer system CS1 based on the functions and settings.
  • the position of the stage 6 in the vacuum chamber 10 in the Z direction (reference position described later) is defined as a fixed position in advance, and the heights at the position L2 and the position L3 are the same.
  • the stage 6 is not displaced in the Z direction due to an external factor (for example, vibration).
  • a configuration in which the stage 6 can be moved in the Z direction by the stage moving mechanism 160 may be used. Further, the configuration may be such that the displacement of the stage 6 in the Z direction due to an external factor is also taken into consideration and corrected.
  • the vacuum chamber 10 is provided with a mechanism capable of detecting the position and displacement of the stage 6 in the Z direction.
  • the computer system CS2 may similarly perform correction according to the atmospheric pressure by using the position in the Z direction of the stage 6 detected by using the mechanism as a reference position.
  • a configuration may be configured in which the sample 5 can be measured and observed from both the AFM2 and the SEM3 at the position of the predetermined stage 6 in the vacuum chamber 10.
  • FIG. 3 shows a configuration example of the computer system CS2 for AFM2.
  • the computer system CS2 includes a computer 200 and an input device 205 and a display device 206 connected to the computer 200.
  • the computer 200 includes a processor 201, a memory 202, a communication interface device 203, an input / output interface device 204, a bus connecting them to each other, and the like.
  • An input device 205 such as a keyboard or a mouse and a display device 206 such as a liquid crystal display are connected to the input / output interface device 204.
  • the communication interface device 203 is connected to the signal line 2c of the AFM2 and the signal line 4c of the sensor 4, and inputs and outputs signals to and from each of them. Further, the communication interface device 203 is connected to the computer system CS3 or the computer system CS1 by a predetermined communication interface (for example, a wired LAN), and performs communication processing between them.
  • a predetermined communication interface for example, a wired
  • the processor 201 is composed of, for example, a CPU, ROM, RAM, etc., and constitutes a controller of the computer system CS2.
  • the processor 201 realizes a function including an AFM control function 201A and a height correction function 201B of the computer system CS2 based on software program processing.
  • the AFM control function 201A is a function for controlling the measurement of the AFM2.
  • the height correction function 201B is a function for correcting the deviation of the height information according to the displacement of the AFM2 (specifically, the probe 7) due to the influence of the atmospheric pressure.
  • the memory 202 is composed of a non-volatile storage device or the like, and stores various data and information used by the processor 201 and the like.
  • the memory 202 stores the control program 202A, the setting information 202B, the AFM data 202C, the atmospheric pressure data 202D, the calibration line data 202E, and the like.
  • the control program 202A is a program for realizing each function.
  • the setting information 202B is the setting information of the control program 202A and the user U1.
  • the AFM data 202C is data such as data of the signal S2 obtained as a measurement result from AFM2 and data such as an image showing the surface shape of the sample 5 obtained as a result of processing based on the signal S2.
  • the atmospheric pressure data 202D is the data of the signal S4 obtained from the sensor 4 and the data obtained as a result of processing the signal S4.
  • the calibration line data 202E is setting information used for correction by the height correction function 201B.
  • FIG. 4 shows a schematic conceptual diagram of height detection using interaction 402 between probe 7 and atom 401 on the surface of sample 5 in AFM2.
  • the reference position 410 indicates a horizontal plane and a position as a reference for measuring the height in the Z direction corresponding to the upper surface of the stage 6.
  • the atom 401 be the measurement target point at a certain scanning position.
  • the probe 7 is scanned in the X and Y directions and is at a scan position (x, y) in FIG.
  • the height 403 is the height from the reference position 410 to the tip of the probe 7 corresponding to the position of the probe 7.
  • the height 404 is the height from the reference position 410 to the atom 401, which corresponds to the height (z) of the measurement target location.
  • the distance 405 is the distance from the atom 401 of the measurement target location to the tip of the probe 7.
  • the AFM2 measures the distance 405 based on the interaction 402, the intramolecular force.
  • the AFM2 obtains the height 404 of the atom 401 at the measurement target location by conversion based on the height 403 (position including the height) of the probe 7 and the distance 405.
  • the AFM2 obtains information representing the shape of the surface of the sample 5, including the scanning position (x, y) and the height (z), as the signal S2.
  • the AFM2 includes the probe 7, the drive mechanism 71, and the control mechanism 72 of FIG.
  • the probe 7 is made of, for example, a silicon material, and has a tip diameter of 10 nm or less.
  • the probe 7 is supported by a drive mechanism 71.
  • the drive mechanism 71 includes, for example, a support rod or a holder that supports the probe 7.
  • the drive mechanism 71 is a mechanism that can drive the probe 7 in the X, Y and Z directions.
  • the drive mechanism 71 is connected to the control mechanism 72.
  • the control mechanism 72 controls the drive mechanism 71 and realizes measurement.
  • the drive mechanism 71 and the control mechanism 72 are arranged in the first portion 2a or the second portion 2b in FIG.
  • the detection of the position including the height 403 of the probe 7 can be realized by detecting the position including the height of the drive mechanism 71.
  • the drive mechanism 71 or the control mechanism 72 includes a mechanism for detecting a position including the height of the drive mechanism 71.
  • Examples of the mechanism include a mechanism for irradiating a mirror provided in the drive mechanism 71 with light to detect the position of the reflected light.
  • the control mechanism 72 includes a mechanism for driving and controlling the movement of the probe 7 and a mechanism for detecting the position including the height 403 of the probe 7. Further, the control mechanism 72 calculates the height 404 of the surface of the sample 5 based on the detection of the distance 405 according to the interaction 402, and stores and outputs the information (signal S2) representing the shape of the surface of the sample 5.
  • Examples of the component of the drive mechanism 71 include a piezoelectric element and the like, but the present invention is not particularly limited.
  • the piezoelectric element is an element whose length changes according to the application
  • the probe 7 is scanned and driven in the horizontal direction (X, Y direction) by the drive mechanism 71, and is positioned at the target location on the surface of the sample 5 on the stage 6.
  • the probe 7 is arranged on the upper side in the Z direction so as to face the target portion (for example, atom 401) on the surface of the sample 5 on the stage 6.
  • the probe 7 is driven by the drive mechanism 71 so as to be close to or in contact with a target portion on the surface of the sample 5 in the Z direction.
  • the drive is, for example, vibration by a piezoelectric element.
  • the control mechanism 72 detects the distance 405 based on the intramolecular force which is the interaction 402 between the tip of the probe 7 and the target portion of the sample 5.
  • the control mechanism 72 detects the scanning position (x, y) in the X and Y directions and the position (height 403) in the Z direction of the probe 7. Then, the control mechanism 72 obtains the height 404 of the target portion on the surface of the sample 5 by conversion from the height 403 and the distance 405.
  • SPM including AFM requires measurement accuracy on the order of atomic level (for example, resolution of 0.1 nm). Therefore, high accuracy is required for the position including the height of the probe 7.
  • the surface analysis device 1 of the second embodiment can correct the height information of the measurement result by the correction function even when the position including the height of the probe 7 is displaced according to the atmospheric pressure.
  • FIG. 5 shows an image 500 showing the shape of the surface of the sample 5 in the example of the measurement result of AFM2.
  • This example shows a specific example of the deviation of the height information of the AFM measurement result due to the displacement of the vacuum chamber according to the atmospheric pressure fluctuation, which was also described in the problem.
  • the surface of the sample 5 has a pattern shape in which the difference in height is repeated like unevenness in the Y direction.
  • This pattern shape is a line-and-space pattern that is common in LSIs.
  • the portion 502 has a first height and the portion 503 has a second height lower than the first height.
  • the AFM2 has a function of displaying the image 500 three-dimensionally in this way.
  • a part of the pattern shape is raised as a deviation in the height direction (in other words, a height fluctuation amount) as shown by an arrow, and a band-like portion 501.
  • the deviation portion 501 is caused by a minute fluctuation (for example, a decrease of about 10 Pa) in the atmospheric pressure in the clean room during a short time (for example, about several seconds to a dozen seconds) in which the probe 7 is scanning the portion 501. ing.
  • a minute atmospheric pressure fluctuation of about 10 Pa may occur typically in a short time of about several seconds to about ten and several seconds.
  • the vacuum chamber 10 expands slightly, the wall surface is displaced in the Z direction, and in particular, the upper wall portion 10a is displaced upward in the Z direction.
  • the distance between the upper surface of the stage 6 and the upper wall portion 10a is slightly increased.
  • the distance between the surface of the sample 5 and the target portion as seen from the probe 7 is slightly increased, and it appears as a height deviation.
  • This height deviation reaches about 40 nm in this example.
  • it is desirable that the deformation / displacement such as this portion 501 is not observed because it is not the original shape of the surface of the sample 5.
  • the surface analysis device 1 corrects such a height deviation as a correction target.
  • FIG. 6 shows the main processing flow of the surface analysis device 1, particularly the computer system CS2.
  • the flow of FIG. 6 has steps S101 to S107.
  • step S101 the computer system CS2 starts the measurement by the AFM2 based on the operation of the user U1.
  • the computer system CS2 controls the computer system CS1 so that the stage 6 on which the target sample 5 is placed comes to the position L2 directly below the AFM2.
  • step S102 the computer system CS2 drives and controls the AFM2 to measure the sample 5.
  • the AFM2 sequentially scans the probe 7 with respect to the surface of the sample 5, obtains information on the scanning position (x, y) and height (z) at each time point (t), and uses it as a signal S2.
  • the computer system CS2 inputs the signal S2 from the AFM2.
  • step S103 at the same time as step S2, the computer system CS2 inputs the signal S4 from the sensor 4 and acquires the measured value of the atmospheric pressure.
  • step S104 the computer system CS2 first calculates the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P based on the signal S4 among the two types of signals S2 and S4.
  • the computer system CS2 obtains a distance fluctuation amount ⁇ D corresponding to the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P by using a preset calibration line (calibration line data 202E in FIG. 3).
  • the distance fluctuation amount ⁇ D is a fluctuation amount with respect to the distance D (FIG. 2) between the reference position on the upper surface of the stage 6 and the upper wall portion 10a of the vacuum chamber 10.
  • the upper wall portion 10a is a portion where displacement according to atmospheric pressure occurs.
  • step S105 the computer system CS2 obtains the height correction amount ⁇ Z from the distance fluctuation amount ⁇ D by conversion.
  • the height correction amount ⁇ Z is a correction amount to be reflected in the height information (height 404 in FIG. 4) of the measurement result. Since the distance D and the height 403 of the probe 7 (FIG. 4) have a predetermined relationship, such conversion is possible.
  • the relationship between the distance fluctuation amount ⁇ D and the height correction amount ⁇ Z may be set in advance. That is, the calibration line may be configured so that the height correction amount ⁇ Z can be obtained from the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P.
  • step S106 the computer system CS2 corrects the height information (for example, the height 404 in FIG. 4) obtained by the signal S2 from the AFM2 by performing a correction operation that reflects the height correction amount ⁇ Z, for example, addition. Get later height information.
  • step S107 the computer system CS2 configures, stores, and outputs an image showing the sample surface shape using the corrected height information.
  • the computer system CS2 corrects the uncorrected image as shown in FIG. 5 using the corrected height information to obtain the corrected image.
  • the computer system CS2 displays the corrected image on the screen of the display device 206 (FIG. 3).
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing a change in height due to the influence of atmospheric pressure.
  • the AFM2 is fixed to the upper wall portion 10a.
  • Atmospheric pressure 701 is applied to the upper surface of the upper wall portion 10a.
  • the atmospheric pressure 701 is a standard predetermined atmospheric pressure.
  • a predetermined atmospheric pressure is usually applied to the wall surface of the upper wall portion 10a or the like of the vacuum chamber 10 in which the inside is in a vacuum state as the atmospheric pressure 701.
  • the surface analysis apparatus 1 uses a reference atmospheric pressure (referred to as PS), which is a preset standard predetermined atmospheric pressure.
  • PS reference atmospheric pressure
  • the distance D is taken at the center position 711 of the upper wall portion 10a in the X and Y directions.
  • the AFM2 is provided with a reference position in the X and Y directions at a position 712 having a predetermined distance 713 from the center position 711 in the X and Y directions.
  • the surface analysis device 1 handles the atmospheric pressure fluctuation amount (referred to as ⁇ P) with respect to the atmospheric pressure.
  • the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P is a fluctuation amount with respect to the reference atmospheric pressure PS, in other words, a difference between time points.
  • (B) exaggerates the case where the atmospheric pressure 701 temporarily increases from the state of (A) and the upper wall portion 10a is pushed downward inside the vacuum chamber 10, that is, in the Z direction, for easy understanding. ..
  • the atmospheric pressure fluctuates during the scanning time of the probe 7 the displacement amount and the strain amount of the wall surface of the vacuum chamber 10 change.
  • the upper wall portion 10a is distorted so as to bend downward in the Z direction.
  • the distance D is changed so as to decrease to the distance D2 (D2 ⁇ D1).
  • the distance variation amount ⁇ D is (D2-D1).
  • the typical fluctuation amount of the distance D is about several nm / Pa.
  • AFM2 is also displaced downward in the Z direction due to fluctuations in the distance D such as bending of the upper wall portion 10a.
  • the height position 703 with respect to the probe 7 is also changed to, for example, a lower height position.
  • the displacement amount 706 is the difference between the changes in the height position 703 of the probe 7.
  • the height information of the measurement result of AFM2 is deviated.
  • the force applied to the upper surface of the upper wall portion 10a of the vacuum chamber 10 becomes larger, and the upper surface thereof is pushed toward the inside of the vacuum chamber 10, that is, downward in the Z direction.
  • the distance D is reduced and the probe 7 is also closer to stage 6.
  • the surface of the sample 5 seen from the probe 7 as a measurement of the AFM2 looks lower. Therefore, in the image of the measurement result, there is a deviation portion such that the height becomes low.
  • the distance D increases, and the surface of the sample 5 as measured by the AFM2 looks higher. Therefore, in the image of the measurement result, as in the example of FIG. 5, there is a deviation portion such that the height becomes high.
  • the distance D at the center position 711 in the horizontal plane and the height position 703 of the probe 7 at the position 712 of the AFM2 have a predetermined correspondence relationship. Based on experiments or geometric calculations in advance, it is possible to obtain data on the correspondence between the atmospheric pressure, the distance D, and the height position 703. Based on this, a calibration line (calibration line data 202E in FIG. 3) as shown in the example of FIG. 8 below can be set.
  • the surface analyzer 1 obtains the distance fluctuation amount ⁇ D from the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P based on the calibration line reflecting such a relationship, and the height of the probe 7 is obtained from the distance fluctuation amount ⁇ D.
  • the displacement amount 706 of the position 703 is obtained and reflected as the height correction amount ⁇ Z.
  • the example of (B) is the case of contraction of the vacuum chamber 10 due to the increase in atmospheric pressure, but the expansion of the vacuum chamber 10 due to the decrease in atmospheric pressure can be similarly corrected.
  • the correction calculation may be simplified by assuming that the position 712 of the AFM2 in the X and Y directions is substantially the same as the center position 711. That is, the distance fluctuation amount ⁇ D may be directly set as the height correction amount ⁇ Z. In the calibration line in this case, the relationship between the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P and the height correction amount ⁇ Z is defined.
  • the position 712 of the AFM2 installation in the vacuum chamber 10 in the X and Y directions is not limited.
  • the position 712 in the X and Y directions of AFM2 is also taken into consideration. That is, as described above, the height position 703 of the probe 7 is set by using the calibration line in which the relationship between the distance D at the center position 711 and the height position 703 of the probe 7 at the position 712 of the AFM2 is set.
  • the height correction amount ⁇ Z corresponding to the above can be determined.
  • the portion where the AFM2 is fixed to the vacuum chamber 10 is not limited to the upper wall portion 10a. Even in the case where the AFM2 is fixed to a part other than the upper wall portion 10a, the displacement amount of the position of the probe 7 of the AFM2 according to the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P can be similarly specified, and the correction regarding the measured value of the AFM2 can be performed. It is possible.
  • FIG. 8 shows an example of a calibration line (calibration line data 202E in FIG. 3) which is setting information for correction.
  • This calibration line is a calibration line diagram for use in correcting the displacement of the wall surface of the vacuum chamber 10 in response to the atmospheric pressure fluctuation.
  • the horizontal axis of the graph in FIG. 8 is the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P [Pa] (Barometric Pressure Variance), which is the difference from the standard predetermined atmospheric pressure (reference atmospheric pressure PS), and is a positive or negative value centered on 0. Take.
  • the vertical axis is the amount of distance variation ⁇ D [nm] (Relative Displacement) with respect to the distance D in FIGS. 2 and 7.
  • the line 801 is a calibration line that defines the relationship between the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P and the distance fluctuation amount ⁇ D.
  • the black dots are the measured values in the experiment. For example, when the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P is +10 Pa, the distance fluctuation amount ⁇ D is about ⁇ 33 nm.
  • the height correction amount ⁇ Z is obtained in terms of a value close to that of ⁇ 33 nm.
  • the surface analysis device 1 can set a calibration line created in advance based on an experiment or the like.
  • the surface analysis device 1 is not limited to such a calibration line configuration, and may perform correction using a conversion formula, a conversion table, or the like.
  • the calibration line can be set by the user.
  • the computer system CS2 displays the calibration line as shown in FIG. 8 on the screen of the display device 206 and accepts the user setting.
  • FIG. 9 shows an example of a time-series correspondence relationship for various signals and the like.
  • the horizontal axis of FIG. 9 is time (represented by time point t).
  • (A) is an example of the data of the signal S2 from the AFM2 before the correction, that is, the height information.
  • the vertical axis corresponds to the height of the surface of the sample 5 (height 404 in FIG. 4, height 704 in FIG. 7), and the unit is, for example, nm.
  • Time points t1 to t12 are shown as examples of time points on the horizontal axis. For example, each time point t1 to t12 corresponds to a scanning position in the X direction.
  • the time point t at the signal S4 is used as a reference for the time in each process.
  • the height information in (A) represents the shape such as unevenness on the surface of the sample 5.
  • the shape is 0 at time points t1 and height z1 at time points t2 to t3.
  • the height is z2 (z2> z1).
  • the height is z1 at the time points t6 to t7, 0 at the time points t8 to t9, the height z1 at the time points t10 to t11, and 0 at the time points t12.
  • the portion of the height z2 at the time 901 from the time points t4 to t5 is an example of the deviation according to the atmospheric pressure fluctuation, which is different from the actual shape.
  • (B) shows the atmospheric pressure measurement value by the signal S4 of the sensor 4, particularly the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P.
  • the vertical axis is the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P with the reference atmospheric pressure PS at the position of 0.
  • the atmospheric pressure is temporarily increasing, and it is approximately + Px.
  • the surface analysis device 1 measures the atmospheric pressure by the sensor 4 at the same time as the measurement by the AFM2 (in other words, during the image acquisition).
  • the computer system CS2 of the surface analysis apparatus 1 acquires the height information of the signal S2 of the AFM2 in synchronization with the measured value of the atmospheric pressure of the signal S4. Synchronization means that the time series of each information corresponds to each other.
  • (C) shows the distance fluctuation amount ⁇ D calculated from the atmospheric pressure fluctuation amount ⁇ P of (B) using the calibration line.
  • the vertical axis is the distance fluctuation amount ⁇ D, where 0 is the case where the upper wall portion 10a of the vacuum chamber 10 is in a standard position ((A) in FIG. 7).
  • the height position of the probe 7 of the AFM2 is temporarily lowered due to the upper wall portion 10a being pushed downward due to the influence of the increase in atmospheric pressure in (B), and the distance fluctuation amount ⁇ D is approximate. It is -Dx.
  • (D) shows an example of the corrected AFM2 signal S2, that is, the corrected height information, using the distance correction amount ⁇ Z corresponding to the distance fluctuation amount ⁇ D of (C).
  • the height value of the original signal S2 reflects the distance correction amount ⁇ Z having a minus corresponding to ⁇ Dx in (C).
  • the corrected height information the height is approximately z1 at time 901. In this way, the portion of the height deviation at time 901 in (A) is corrected as in (D).
  • Each of the information (A) to (D) is information that has a correspondence relationship at the time point t with respect to the time point t of the signal S2 of (A).
  • the computer system CS2 corrects the height information by using the signal S4 of the sensor 4 with reference to the time point t based on the input of the signal S2 from the AFM2.
  • the surface analysis device 1 may display each graph as shown in FIG. 9 on the screen of the display device 206 (FIG. 3) of the computer system CS2. User U1 can confirm the information.
  • the surface analysis apparatus 1 having a configuration in which the SPMs AFM2 and SEM3 are combined has, for example, the following advantages and functions corresponding thereto.
  • (B) Details regarding (B) are as follows.
  • the sample 5 is placed on the stage 6 in the vacuum chamber 10 by the transfer mechanism from the load lock chamber 102 side of FIG. 2, for example, it is predetermined at a predetermined position on the stage 6 according to a mark on the stage 6 or the like.
  • the sample 5 is adsorbed and held in the direction of. After this installation, the position may be displaced in the X and Y directions.
  • the surface analysis device 1 moves the stage 6 holding the sample 5 to the position L3 directly below the SEM 3 before the measurement by the AFM 2.
  • the surface analyzer 1 confirms whether the position of the sample 5a on the stage 6a is accurate by observing the sample 5a, the mark, etc. on the stage 6a at the position L3 by the SEM3 (particularly the microscope function thereof).
  • the surface analysis device 1 corrects the deviation of the position of the sample 5 on the stage 6 by driving the mechanism by the computer system CS1. This enables highly accurate positioning of the position of the sample 5 on the stage 6. After that, the surface analysis device 1 controls the stage moving mechanism 160 to move the stage 6 to the position L2 directly below the AFM2. Then, the surface analysis device 1 performs measurement by the AFM2 at the position L2. This enables highly accurate surface analysis of the sample 5.
  • AFM2 and SEM3 The function of the combination of AFM2 and SEM3 is an example, and various other functions related to surface analysis can be provided.
  • SEM3 in FIG. 2 is a device that uses, for example, an electrostatic lens or an electromagnetic lens as an electron optical system 111 to converge an electron beam 112 on the surface of a sample 5, in other words, to focus.
  • the so-called depth of focus is relatively deep, and in SEM3 in the second embodiment, the order of the depth of focus is ⁇ m.
  • the probe 7 is a device capable of contacting the surface of the sample 5, and the accuracy of nm order is required, and there is no concept of depth of focus. Therefore, when the AFM2 is displaced by, for example, about several tens of nm due to the influence of atmospheric pressure, the influence is large from the viewpoint of measurement accuracy. Therefore, in the second embodiment, the AFM2 is provided with a correction function.
  • the AFM2 is fixed in the upper wall portion 10a of the vacuum chamber 10.
  • the position and mode in which the AFM2 is fixed are not limited to this. Even when the AFM is fixed to the side wall portion or the lower wall portion of the vacuum chamber 10, it is conceivable that displacement in a predetermined direction (not limited to the Z direction) may occur according to the atmospheric pressure fluctuation. Even in that case, a mechanism for correcting the displacement in that direction can be similarly provided. Further, for example, in the structure of the vacuum chamber 10, even if there is a portion that continuously protrudes from the main wall surface to the inside and the AFM2 is fixed to that portion, the displacement of the wall surface affects the AFM2 through the portion. Therefore, even in the case of such a structure, the correction function can be applied in the same manner.
  • the surface analysis device 1 of the second embodiment As described above, according to the surface analysis device 1 of the second embodiment, as the same effect as that of the first embodiment, due to the atmospheric pressure fluctuation with respect to the vacuum chamber 10, the height information of the measurement result of the AFM2 is locally expressed. Even if there is a deviation, the accuracy and quality of measurement and analysis can be improved. According to the surface analysis device 1 of the second embodiment, high-precision surface analysis can be realized by utilizing the function of the combination of AFM2 and SEM3.
  • the third embodiment is a modification of the first embodiment, and can be similarly applied to the second embodiment.
  • the above-mentioned height correction may be realized by program processing or may be realized by a dedicated circuit.
  • the third embodiment an implementation example in which the height correction process is performed in real time by a dedicated circuit is shown.
  • FIG. 10 shows the configuration of a main part in the surface analysis device 1 of the third embodiment.
  • the surface analysis device 1 of the third embodiment has a correction circuit 1100 between the AFM2 and the sensor 4 and the computer system CS2.
  • the correction circuit 1100 may be implemented using a dedicated hardware circuit such as FPGA or ASIC.
  • the correction circuit 1100 includes an analog-to-digital conversion circuit (ADC) 1101 and a correction calculation circuit 1102.
  • the ADC 1101 inputs the signal S4 from the signal line 4c of the sensor 4, performs AD conversion, and outputs a digital signal related to the atmospheric pressure measurement value.
  • the correction calculation circuit 1102 inputs the signal S2 from the signal line 2c of the AFM2, and performs a predetermined height correction calculation using the digital signal from the ADC 1101.
  • the signal S2 includes information (x (t), y (t)) regarding the scanning position in the X and Y directions as information for each time point (t) and the height at that position. Includes information z (t).
  • the signal S4 includes an atmospheric pressure measurement value p (t) at each time point t.
  • the correction calculation of the correction calculation circuit 1101 is expressed as "z (t) -k ⁇ p (t)".
  • this correction operation for example, the product of the atmospheric pressure measurement value p (t) and the correction coefficient k obtained based on the above-mentioned calibration line is subtracted from the height information z (t) in the signal S2. It is an operation.
  • the output signal S11 of the correction calculation circuit 1101 is input to the computer system CS2 and processed.
  • Such a correction circuit 1100 may be arranged in the vicinity of the AFM2 and the sensor 4 in the housing 109, or may be arranged in the vicinity of the computer system CS2 outside the housing 109.
  • the correction circuit 1100 may be integrally provided in the computer system CS2.
  • the correction circuit 1100 may be provided integrally with the sensor 4.
  • the height information can be corrected at high speed in real time by the correction circuit 1100 along with the measurement by the AFM2.
  • the program processing in the computer system CS2 can be reduced.
  • the fourth embodiment is a modification of the first embodiment, and can be similarly applied to the second embodiment.
  • an implementation example in which the height correction process can be realized not in real time but as a batch process after the fact is shown.
  • FIG. 11 shows the configuration of a main part of the surface analysis device 1 of the fourth embodiment.
  • the correction processing unit 1200 is provided in the computer system CS2.
  • the correction processing unit 1200 may include a dedicated circuit such as an ADC 1201 in a part thereof.
  • the correction processing unit 1200 has an ADC 1201, an atmospheric pressure data storage unit 1202, an AFM data storage unit 1203, a correction calculation unit 1204, and a correction result storage unit 1205.
  • the ADC 1201 converts the signal S4 from the sensor 4 into a digital signal.
  • the digital signal (for example, p (t) as in FIG. 10) is stored in the atmospheric pressure data storage unit 1202 and is held for at least a certain period of time.
  • the data of the signal S4 from the AFM2 (for example, x (t), y (t), z (t) as in FIG. 10) is stored in the AFM data storage unit 1203 and held for at least a certain period of time.
  • the atmospheric pressure data storage unit 1202 and the AFM data storage unit 1203 are composed of the memory 202 of FIG. 2, an external storage device of the computer system CS2, a database (DB), and the like.
  • the correction calculation unit 1204 is realized by program processing by the processor 201 of FIG.
  • the correction calculation unit 1204 reads the data of the atmospheric pressure measurement value p (t) from the atmospheric pressure data storage unit 1202 at a predetermined timing in a predetermined time unit, and reads the data of the atmospheric pressure measurement value p (t) from the AFM data storage unit 1203 in the same time unit.
  • the data of the signal S2 is read out and expanded on the memory.
  • the predetermined timing may be a timing in which the user U1 instructs the correction execution based on the operation, or may be a timing determined in advance by the user U1 in the user setting.
  • the correction calculation unit 1204 Based on the calibration line data 202E of FIG. 2, the correction calculation unit 1204 collectively executes height correction processing for those data in predetermined time units, and obtains height correction processing result data. It is stored in the correction result storage unit 1205. This height correction processing result data corresponds to the corrected image of the height information.
  • the height information can be corrected collectively by the correction processing unit 1200.
  • real-time correction is not possible, but it is not necessary to provide a dedicated circuit.
  • the embodiments of the present disclosure are not limited to the above, and can be variously changed without departing from the gist.
  • the device to be mounted can be applied as long as it is a device capable of acquiring information representing the sample surface shape, such as an SPM limited to AFM and an optical surface shape acquisition device.

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Abstract

表面解析装置（１）に関して、気密槽（１０）に対する大気圧変動を原因として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）（２）の計測結果の高さ情報に、局所的なズレが生じる場合でも、計測や解析の精度や品質を高めることができる技術を提供する。表面解析装置（１）は、気密槽（１０）と、気密槽（１０）内で試料（５）を保持するステージ（６）と、気密槽（１）を構成する構造体に固定され、試料（５）の表面を計測するＳＰＭ（２）と、気密槽（１０）の外側に配置され、大気圧を計測するセンサ（４）と、ＳＰＭ（２）の計測の第１信号と、センサ（４）の計測の第２信号とを用いて、試料の表面を解析するコンピュータシステムと、を備える。

Description

表面解析装置
　本発明は、表面解析装置等の技術に関する。
　半導体集積回路素子の微細化等に伴い、表面解析装置等の需要が増している。表面解析装置は、試料表面に対するプローブでの走査によって、試料表面に形成されている微細形状を３次元的に計測または観測する機能を有する。このような表面解析装置としては、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope：ＳＰＭ）が知られている。ＳＰＭは、先端を極度に鋭くしたプローブと試料表面との間に働く何らかの相互作用を検知することで、試料表面の形状や物性に関する情報を得る。ＳＰＭに属する装置としては、走査型トンネル電流顕微鏡（Scanning Tunneling Microscope：ＳＴＭ）や、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope：ＡＦＭ）が知られている。ＳＴＭは、相互作用としてトンネル電流を用いる。ＡＦＭは、相互作用として原子間力を用いる。これらの装置は、各方式での相互作用の検知に基づいて、試料表面とプローブ先端との距離を計測し、その距離を観測点（言い換えると試料表面の対象箇所）の高さ情報に換算する。表面解析装置は、走査の位置および高さの情報から、試料表面の３次元的形状を表す画像を出力できる。
　また、荷電粒子線装置として、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）が知られている。ＳＥＭは、試料表面に対する電子線の照射に基づいて、試料表面から二次電子等を検出し、試料表面を表す画像として出力できる。
　上記表面解析装置に係わる先行技術例として、特開２０１２－６３１５８号公報（特許文献１）が挙げられる。特許文献１には、「走査プローブ顕微鏡及びそれを用いた表面形状計測方法」として、試料ステージの裏側に試料ステージの水平方向走査時の非駆動方向への上下動を測定するための高精度変位計を備え、この結果によって、探針による試料表面形状測定結果を補正する旨が記載されている。
特開２０１２－６３１５８号公報
　半導体集積回路素子の集積度向上のために、素子構造の高さ方向での複雑化が進んでいる。製造工程管理では、従来の平面構造寸法計測だけではなく、高さ方向寸法計測の重要性が増している。このため、高さ方向の計測が可能であるＳＰＭの採用が検討されている。さらに、真空槽を備える装置に、ＳＰＭ、代表的にはＡＦＭ、を組み入れる構成も検討されている。真空槽を備える装置は、例えば成膜等のプロセス装置や、ＳＥＭ等の荷電粒子線装置がある。
　しかしながら、従来、ＳＰＭにおいて計測で得られる高さ情報には、外乱や装置特性等に起因する変位量がズレとして加わる場合がある。真空槽等の気密槽は、装置が設置される空間、通常はクリーンルーム、内の微細な大気圧変動の影響を受ける。この大気圧変動によって、気密槽を構成する壁面等において、機械的な変形、例えば歪みが生じ、高さ方向を含む方向での変位が生じる。この壁面等の変形および変位に伴って、その壁面等に固定されているＳＰＭにも、高さ方向を含む方向での変位が生じる。この際の変位量が、ＳＰＭの計測結果の高さ情報にズレとして影響を及ぼす。このような高さのズレは、ＳＰＭおよび表面解析における計測や解析の精度や品質を低下させるので望ましくない。このような高さのズレは、特許文献１のような先行技術例では対処できない。
　本開示の目的は、表面解析装置に関して、気密槽に対する大気圧変動を原因として、ＳＰＭの計測結果の高さ情報に、局所的なズレが生じる場合でも、計測や解析の精度や品質を高めることができる技術を提供することである。
　本開示のうち代表的な実施の形態は、以下に示す構成を有する。表面解析装置は、内部を減圧または与圧可能な気密槽と、前記気密槽内で試料を保持するステージと、前記気密槽を構成する構造体に固定され、前記試料の表面を計測する走査型プローブ顕微鏡と、前記気密槽の外側に配置され、大気圧を計測するセンサと、前記走査型プローブ顕微鏡の計測の第１信号と、前記センサの計測の第２信号とを用いて、前記試料の表面を解析するコンピュータシステムと、を備える。
　本開示のうち代表的な実施の形態によれば、表面解析装置に関して、気密槽に対する大気圧変動を原因として、ＳＰＭの計測結果の高さ情報に、局所的なズレが生じる場合でも、計測や解析の精度や品質を高めることができる。
本開示の実施の形態１の表面解析装置の全体の構成を示す図である。 本開示の実施の形態２の表面解析装置の全体の構成を示す図である。 実施の形態２で、ＡＦＭ用のコンピュータシステムの構成例を示す図である。 実施の形態２で、ＡＦＭの計測の概要を示す図である。 実施の形態２で、ＡＦＭの計測結果の画像での高さのズレの例を示す図である。 実施の形態２で、主な処理フローを示す図である。 実施の形態２で、大気圧変動に応じた距離変動の例を示す図である。 実施の形態２で、校正線の例を示す図である。 実施の形態２で、各種の信号の関係を示す図である。 本開示の実施の形態３の表面解析装置の構成を示す図である。 本開示の実施の形態４の表面解析装置の構成を示す図である。
　以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、全図面において同一部には原則として同一符号を付し、繰り返しの説明は省略する。
　＜実施の形態１＞
　図１を用いて、本開示の実施の形態１の表面解析装置について説明する。実施の形態１の表面解析装置は、真空槽にＳＰＭとしてＡＦＭを備える装置であり、真空槽に対する大気圧変動の検出に基づいて、ＡＦＭの計測の高さ情報を補正する機能を備える。図１の表面解析装置１（特にコンピュータシステムＣＳ２）は、大気圧変動に応じた真空槽１０の変位の影響を除くように、ＡＦＭ２の計測の信号Ｓ２における試料５の表面の高さ情報を補正する。
　［表面解析装置］
　図１は、実施の形態１の表面解析装置１の構成を示す。実施の形態１の表面解析装置１は、真空槽１０、ＳＰＭであるＡＦＭ２、センサ４、筐体１０９、コンピュータシステムＣＳ１、およびコンピュータシステムＣＳ２等を備える。操作者であるユーザＵ１は、コンピュータシステムＣＳ２等を操作して表面解析装置１を利用する。試料５は例えばシリコンウェーハである。コンピュータシステムＣＳ１とコンピュータシステムＣＳ２との２つのシステムの接続・連携によって、表面解析装置１の制御機能が構成されている。コンピュータシステムＣＳ１は、主に真空槽１０等の機構の駆動制御用のシステムである。コンピュータシステムＣＳ２は、ＡＦＭ２の制御用のシステムである。各コンピュータシステムは、コンピュータ（例えばＰＣや電子回路基板等）、入力装置および出力装置等から構成される。表面解析装置１におけるコンピュータシステムＣＳ１，ＣＳ２以外の部分は、筐体１０９内に収容されている。筐体１０９内部で真空槽１０外部である空間部分は、筐体１０９外部と通じており、大気圧を有する。表面解析装置１は、クリーンルーム内に設置される。
　なお、説明上の方向や座標系の表現として、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を用いる場合がある。Ｘ，Ｙ方向は、水平面を構成する直交する２つの方向であり、ステージ６および試料５の面に対応する。Ｚ方向は、Ｘ，Ｙ方向に垂直である高さ方向、鉛直方向である。補正の対象となるのは、少なくともＺ方向での変位・ズレである。
　真空槽１０は、内部を減圧ないし与圧可能な気密槽である。真空槽１０は、製造工程時には真空状態にされる。真空槽１０は、運転時の内部の圧力が１×１０－２Ｐａ（パスカル）以下とされる気密槽である。真空槽１０は、本例では、直方体状の構造物であるが、これに限らない。真空槽１０は、例えば円柱等の軸対称形状の構造物でもよい。真空槽１０の壁面には、ＡＦＭ２を備える。特に、真空槽１０の上壁部１０ａ（言い換えると蓋）に、ＡＦＭ２が固定されている。真空槽１０内には、試料５を保持する保持台であるステージ６を有する。ステージ６は、ステージ移動機構１６０によって、試料５を載置・固定した状態のまま、例えば水平面内の方向（Ｘ，Ｙ方向）で移動可能である。
　真空槽１０等の機構には、コンピュータシステムＣＳ１が接続されている。コンピュータシステムＣＳ１は、例えば真空槽１０内の圧力の状態を制御し、また、ステージ移動機構１６０を駆動制御する。これにより、真空槽１０内でステージ６を指定の位置に移動可能であり、ステージ６上の試料５を指定の位置に配置可能である。
　表面解析装置１は、真空槽１０に対し、ロードロック室１０２と、ゲートバルブ１０５およびゲートバルブ１０６と、真空ポンプ系１０３および真空ポンプ系１０４とを備える。ロードロック室１０２は、真空槽１０に試料５を導入するための予備廃棄室である。図示しないが、ロードロック室１０２の外部には、試料５を搬送するためのロボット等の機構が設置されている。また、ロードロック室１０２の内部には、試料５を搬送する機構や、試料５の向きを一定にするための回転機構等が設置されている。ゲートバルブ１０５は、ロードロック室１０２と外部の大気圧部分とを連絡させる。ゲートバルブ１０６は、ロードロック室１０２と真空槽１０とを連絡させる。真空ポンプ系１０３は、真空槽１０を減圧排気するための真空ポンプ系である。真空ポンプ系１０４は、ロードロック室１０２を減圧排気するための真空ポンプ系である。真空ポンプ系１０３および真空ポンプ系１０４は、低振動かつ超高真空の状態まで排気可能なターボ分子ポンプを最終段とする一連のポンプ群で構成されている。超高真空の状態は、例えば１×１０－５Ｐａ程度の状態である。
　ＡＦＭ２は、プローブ７を用いて、ステージ６上の試料５の表面を物理的に走査し、試料５の表面の対象箇所の高さを計測し、試料５の表面の３次元的形状を表す画像を得ることができる装置である。ＡＦＭ２は、装置を構成する部分として、第１部分２ａと第２部分２ｂとを有する。第１部分２ａは、真空槽１０外部に配置されている部分であり、真空槽１０の上壁部１０ａから上側である大気中に配置されている。第２部分２ｂは、真空槽１０内部に配置されている部分であり、真空槽１０の上壁部１０ａから下側である真空中に配置されている。第１部分２ａと第２部分２ｂは、真空槽１０の壁面、特に上壁部１０ａの一部を貫通して結合されている。その貫通部分は、図示しないＯリング等の部品や機構によって、気密が保たれている。第１部分２ａの一部は上壁部１０ａに固定されている。第２部分２ｂの一部は上壁部１０ａに固定されている。ＡＦＭ２は、このように、真空槽１０の壁面の一部、特に上壁部１０ａに固定されているため、その上壁部１０ａの変形・変位の影響を受ける。
　ＡＦＭ２の第２部分２ｂには、プローブ７を備える。ＡＦＭ２は、ステージ６上に保持された試料５の表面の対象箇所に対するプローブ７での走査によって、試料５の表面の高さを計測し、試料５の表面の３次元的形状を表す画像を得る。この画像は、言い換えると、時点毎に、水平方向での走査の位置と、高さ情報とを持つ計測情報である。ＡＦＭ２には、信号線２ｃを通じて、コンピュータシステムＣＳ２が接続されている。ＡＦＭ２は、計測結果である画像等の信号Ｓ２を、信号線２ｃを通じて、コンピュータシステムＣＳ２に出力する。
　コンピュータシステムＣＳ２は、ＡＦＭ２からの計測結果の信号Ｓ２を入力して処理する。コンピュータシステムＣＳ２は、例えば、信号Ｓ２に基づいて、画像を構成し、表示画面に表示する。表面解析装置１は、ＡＦＭ２の処理結果に基づいて、試料５の表面の形状を解析する。
　真空槽１０の外部、例えば上壁部１０ａの上面に対し接していない近傍の所定の位置には、センサ４が設けられている。センサ４は、真空槽１０外の大気圧を計測する大気圧計測素子である。または、センサ４は、真空槽１０の上壁部１０ａにかかる圧力を計測できる素子である。センサ４は、大気圧の計測値の信号Ｓ４を出力する。センサ４は、信号線４ｃを通じて、コンピュータシステムＣＳ２に接続されている。コンピュータシステムＣＳ２は、センサ４からの信号Ｓ４を入力して処理する。コンピュータシステムＣＳ２は、例えば、信号Ｓ４に基づいて、大気圧変動量を計算する。なお、センサ４は、大気圧の微小変動を計測できる素子であればよい。大気圧の微小変動を計測できる素子には、いくつかの種類があるが、いずれの種類の素子もセンサ４として適用可能である。
　なお、センサ４の配置は本例に限らず可能である。センサ４は、筐体１０９内に配置されているが、これに限らず、筐体１０９外に配置されてもよい。センサ４は、真空槽１０または筐体１０９等に固定されて配置されてもよい。
　実施の形態１では、センサ４として、「絶対圧検出型」の大気圧計測素子を適用する。「絶対圧検出型」のセンサは、素子構造として、基準圧力に保たれた封止空間と大気圧空間とが隔壁（言い換えると膜）で隔てられている。大気圧空間の方は、外部（すなわちセンサ４の設置個所）と通じている。この型のセンサは、それらの両空間の差圧の変動を、隔壁の変位（言い換えると歪量の変化）として、半導体ピエゾゲージ等によって電気的に検出する。このセンサ４からの出力の信号Ｓ４は、真空槽１０外の大気圧計測値を表す電圧信号であり、時系列上の各時点の電圧値を持つ信号である。
　変形例では、センサ４は、「相対圧検出型」の大気圧計測素子を適用できる。この型のセンサでは、素子構造として、一方の大気圧空間は、「絶対圧検出型」と同様にセンサ４の設置個所と通じている。隔壁を介した他方の空間は、線を通じて、遠隔の外部、例えばクリームルーム外部と通じている。このセンサは、それらの両空間の相対的な差圧の変動を、隔壁の変位として計測できる。
　［表面解析手順］
　表面解析装置１、特にＡＦＭ２を用いて、試料５の表面を解析する際の手順の例は以下の通りである。表面解析装置１は、まず、ロードロック室１０２を大気圧状態にし、ゲートバルブ１０５を開いて、試料５をロードロック室１０２内に移送する。表面解析装置１は、ゲートバルブ１０５を閉じ、真空ポンプ系１０４によりロードロック室１０２内部を１×１０－３Ｐａ程度の真空状態となるまで排気する。表面解析装置１は、その後、ゲートバルブ１０６を開き、試料５を真空槽１０内のステージ６上に移す。試料５はステージ６上に吸着保持される。表面解析装置１がゲートバルブ１０６を閉じると、真空槽１０は、真空ポンプ系１０３により排気され、１×１０－４Ｐａ程度の真空状態に保たれる。これらの一連の動作は、コンピュータシステムＣＳ１およびコンピュータシステムＣＳ２によって自動的に遂行される。
　ユーザＵ１は、コンピュータシステムＣＳ２等を操作し、試料５を乗せたステージ６を、ＡＦＭ２の直下の位置に移動させ、試料５の表面の解析対象箇所がプローブ７の直下に来るようにする。ユーザＵ１は、表面解析の実行や対象範囲を、コンピュータシステムＣＳ２上で指示する。指示に従い、コンピュータシステムＣＳ２は、ＡＦＭ２を制御し、プローブ７を、試料５の表面の指定範囲内で走査し、プローブ７を対象箇所に向かって下降させる。これにより、プローブ７の先端と対象箇所とが原子間力による相互作用を開始するまで近付く。ＡＦＭ２は、その時の相互作用に基づいてプローブ７の先端と対象箇所との距離を計測し、試料５の表面の高さ情報を得る。ＡＦＭ２は、プローブ７を、指定範囲内で同様に走査して高さ情報を得る。ＡＦＭ２は、試料５の表面の形状を表す信号Ｓ２を、コンピュータシステムＣＳ２へ送る。コンピュータシステムＣＳ２は、ＡＦＭ２からの信号Ｓ２を入力して処理し、試料５の表面の３次元的形状を表す画像を、試料表面画像として作成し、表示装置の画面に表示する。
　［補正機能］
　表面解析装置１は、センサ４による信号Ｓ４と、ＡＦＭ２の計測結果の信号Ｓ２とを用いて、試料５の表面を解析する。表面解析装置１は、真空槽１０外の大気圧の状態を考慮して、試料５の表面形状を解析する。コンピュータシステムＣＳ２は、信号Ｓ４で示す大気圧の変動に応じて、信号Ｓ２における高さ情報を補正する。コンピュータシステムＣＳ２は、大気圧変動量に応じて、真空槽１０およびＡＦＭ２（特にプローブ７）の変位量を計算する。コンピュータシステムＣＳ２は、その変位量に応じて、大気圧の影響によるズレを除くように、高さ情報を補正する。言い換えると、表面解析装置１は、大気圧によるプローブ７等の物体の変位を補正するように、ＡＦＭ２の信号Ｓ２を補正する。コンピュータシステムＣＳ２は、補正後の情報を記憶および出力する。
　高さ補正処理の具体例は以下の通りである。コンピュータシステムＣＳ２は、信号Ｓ４に基づいた大気圧変動量に応じて、図１の距離Ｄに関する距離変動量を計算する。距離Ｄは、Ｚ方向で、ステージ６の上面を基準位置として、真空槽１０の上壁部１０ａまでの距離である。コンピュータシステムＣＳ２は、その距離変動量に応じた、ＡＦＭ２の特にプローブ７の高さ位置に関する変位量を計算する。コンピュータシステムＣＳ２は、その変位量を用いて、大気圧変動を原因としたズレを除くように、計測結果の信号Ｓ２における高さ情報を補正する。
　［効果等］
　上記のように、実施の形態１の表面解析装置１によれば、真空槽１０に対する大気圧変動を原因として、ＡＦＭ２の計測結果の高さ情報に、局所的なズレが生じる場合でも、計測や解析の精度や品質を高めることができる。実施の形態１の表面解析装置１によれば、高さ方向のズレを補正によって除いた、高精度の高さ情報を取得できる。実施の形態１の表面解析装置１によれば、ＡＦＭ２によって取得した試料表面形状の観察画像において、大気圧変動による局所的な高さズレ量を除いた高精度の画像が取得できる。
　＜実施の形態２＞
　図２～図９を用いて、本開示の実施の形態２の表面解析装置について説明する。実施の形態２の基本的な構成は実施の形態１と共通である。以下では、主に実施の形態２における実施の形態１とは異なる構成部分について説明する。図２等に示す実施の形態２の表面解析装置１は、真空槽１０に対し、前述のＡＦＭ２に加え、荷電粒子線装置および電子顕微鏡の例としてＳＥＭ３が搭載されている。すなわち、実施の形態２の表面解析装置１は、ＡＦＭ２とＳＥＭ３との組み合わせおよび統合による機能を有する装置である。
　［表面解析装置］
　図２は、実施の形態２の表面解析装置１の全体概略構成を示す。実施の形態２の表面解析装置１は、真空槽１０、ＳＰＭであるＡＦＭ２、ＳＥＭ３、センサ４、筐体１０９、コンピュータシステムＣＳ１、コンピュータシステムＣＳ２、およびコンピュータシステムＣＳ３等を備える。操作者であるユーザＵ１は、コンピュータシステムＣＳ２またはコンピュータシステムＣＳ３等を操作して表面解析装置１を利用する。試料５は、例えばＬＳＩが形成されたシリコンウェーハである。実施の形態２の表面解析装置１は、ＬＳＩ製造工場向け検査装置として構成されている。コンピュータシステムＣＳ１とコンピュータシステムＣＳ２とコンピュータシステムＣＳ３との３つのシステムの接続・連携によって、表面解析装置１の制御機能が構成されている。コンピュータシステムＣＳ３は、ＳＥＭ３の制御用のシステムである。表面解析装置１におけるコンピュータシステムＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３以外の部分は、筐体１０９内に収容されている。
　ＳＥＭ３は、信号線３ｃを通じて、コンピュータシステムＣＳ３と接続されている。コンピュータシステムＣＳ３は、コンピュータシステムＣＳ１およびコンピュータシステムＣＳ２と相互に接続されている。コンピュータシステムＣＳ２は、ＡＦＭ２を制御する。コンピュータシステムＣＳ３は、ＳＥＭ３を制御する。ＳＥＭ３は、ステージ６上の試料５の観察結果の信号Ｓ３を、信号線３ｃを通じて、コンピュータシステムＣＳ３に出力する。コンピュータシステムＣＳ３は、信号Ｓ３を処理し、例えば観察結果の画像を構成し、表示画面に表示する。
　実施の形態２では、ＳＥＭ３のコンピュータシステムＣＳ３が主制御システムに相当し、ＡＦＭ２のコンピュータシステムＣＳ２が副制御システムに相当する。本例では、コンピュータシステムＣＳ３は、コンピュータシステムＣＳ２やコンピュータシステムＣＳ１を制御する。ユーザＵ１は、主にコンピュータシステムＣＳ３を操作する。なお、コンピュータシステムに関して、このような構成例には限定されない。ＡＦＭ２のコンピュータシステムＣＳ２を主制御システムとし、ユーザＵ１が主にコンピュータシステムＣＳ２を操作する形態でもよい。また例えば、コンピュータシステムＣＳ２とコンピュータシステムＣＳ３とが１つのコンピュータシステムとして統合された形態でもよい。コンピュータシステムＣＳ２とコンピュータシステムＣＳ３との上位に主制御を行うコンピュータシステムがさらに設けられた形態でもよい。コンピュータシステムＣＳ１を上位の主制御を行うコンピュータシステムとしてもよい。
　実施の形態２では、真空槽１０の上壁部１０ａにおいて、異なる２つの位置に、ＡＦＭ２とＳＥＭ３が設置されている。上壁部１０ａにおいて、Ｘ，Ｙ方向で、概略的に、位置Ｌ２にＡＦＭ２が設置され、位置Ｌ３にＳＥＭ３が設置されている。ＳＥＭ３は、大部分が上壁部１０ａの外部、Ｚ方向で上側に配置されている。ＳＥＭ３の底部は、上壁部１０ａの一部を貫通して真空槽１０内に通じている。その貫通部分は、気密が保たれている。
　ＳＥＭ３は、電子源１１０、電子光学系１１１、および検出器１１３を備える。ＳＥＭ３は、電子源１１０が発生する電子線１１２を、電子光学系１１１によって、試料５の表面の対象箇所に収束・走査させるように照射する。ＳＥＭ３は、照射によって試料５の表面から放出される二次電子ないし反射電子を、検出器１１３で検出して、試料５の表面の画像を得る。ＳＥＭ３は、得た画像の信号Ｓ３を、信号線３ｃを通じて、コンピュータシステムＣＳ３に送る。
　真空槽１０内には、ステージ６とステージ移動機構１６０を含む。実施の形態２でのステージ６は、ステージ移動機構１６０によって、水平方向（Ｘ，Ｙ方向）で移動可能である。コンピュータシステムＣＳ１は、ステージ移動機構１６０の駆動制御によって、試料５を保持したステージ６を、指定の位置に移動させる。
　図２では、ステージ６の位置の例として、位置Ｌ２や位置Ｌ３にある場合を示す。位置Ｌ２は、ＡＦＭ２での計測の場合に用いられる、ＡＦＭ２の概略的に直下の位置である。ステージ６および試料５がその位置Ｌ２に配置された場合を実線で示す。位置Ｌ３は、ＳＥＭ３での観察の場合に用いられる、ＳＥＭ３の概略的に直下の位置である。ステージ６（６ａ）および試料５（５ａ）がその位置Ｌ３に配置された場合を破線で示す。
　コンピュータシステムＣＳ１は、コンピュータシステムＣＳ３からの制御に基づいて、ＳＥＭ３での試料５の観察時には、ステージ６を位置Ｌ３に移動させる。コンピュータシステムＣＳ１は、コンピュータシステムＣＳ３およびコンピュータシステムＣＳ２からの制御に基づいて、ＡＦＭ２での試料５の計測時には、ステージ６を位置Ｌ２に移動させる。
　なお、ユーザＵ１は、コンピュータシステムＣＳ３またはコンピュータシステムＣＳ２を操作することで、ステージ６を範囲内の所望の位置に移動させることも可能である。また、ユーザＵ１は、予めコンピュータシステムＣＳ３またはコンピュータシステムＣＳ２に設定しておくことで、ステージ６の自動的な移動や計測を行わせることも可能である。コンピュータシステムＣＳ３やコンピュータシステムＣＳ２は、機能や設定等に基づいて、コンピュータシステムＣＳ１を制御することで、ステージ６の自動的な移動等を制御する。
　なお、実施の形態２では、真空槽１０内のステージ６のＺ方向の位置（後述の基準位置）は、予め一定の位置として規定されており、位置Ｌ２と位置Ｌ３での高さは同じであり、外部要因（例えば振動）によるステージ６のＺ方向での変位は生じない前提である。これに限らず、変形例としては、ステージ移動機構１６０によるステージ６のＺ方向の移動が可能な構成としてもよい。また、外部要因によるステージ６のＺ方向での変位も考慮して補正する構成としてもよい。これらの場合、真空槽１０には、ステージ６のＺ方向の位置や変位を検出できる機構を備える。コンピュータシステムＣＳ２は、その機構を用いて検出したステージ６のＺ方向の位置を基準位置として用いて、大気圧に応じた補正を同様に行えばよい。
　また、実施の形態２の変形例として、真空槽１０内の所定のステージ６の位置で、試料５に対し、ＡＦＭ２とＳＥＭ３との両方から計測・観察が可能である構成としてもよい。
　［コンピュータシステムＣＳ２］
　図３は、ＡＦＭ２用のコンピュータシステムＣＳ２の構成例を示す。コンピュータシステムＣＳ２は、コンピュータ２００と、コンピュータ２００に接続される入力装置２０５や表示装置２０６とで構成されている。コンピュータ２００は、プロセッサ２０１、メモリ２０２、通信インタフェース装置２０３、入出力インタフェース装置２０４、およびそれらを相互に接続するバス等で構成されている。入出力インタフェース装置２０４には、例えばキーボードやマウス等の入力装置２０５や、液晶ディスプレイ等の表示装置２０６が接続されている。通信インタフェース装置２０３は、ＡＦＭ２の信号線２ｃやセンサ４の信号線４ｃが接続されており、それぞれとの間で信号の入出力を行う。また、通信インタフェース装置２０３は、コンピュータシステムＣＳ３やコンピュータシステムＣＳ１と所定の通信インタフェース（例えば有線ＬＡＮ）で接続されており、それらとの間で通信処理を行う。
　プロセッサ２０１は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成され、コンピュータシステムＣＳ２のコントローラを構成する。プロセッサ２０１は、ソフトウェアプログラム処理に基づいて、コンピュータシステムＣＳ２のＡＦＭ制御機能２０１Ａや高さ補正機能２０１Ｂを含む機能を実現する。ＡＦＭ制御機能２０１Ａは、ＡＦＭ２の計測を制御する機能である。高さ補正機能２０１Ｂは、大気圧の影響によるＡＦＭ２（詳しくはプローブ７）の変位に応じた高さ情報のズレを補正する機能である。
　メモリ２０２は、不揮発性記憶装置等で構成され、プロセッサ２０１等が使用する各種のデータや情報を格納する。メモリ２０２には、制御プログラム２０２Ａ、設定情報２０２Ｂ、ＡＦＭデータ２０２Ｃ、大気圧データ２０２Ｄ、校正線データ２０２Ｅ等が格納される。制御プログラム２０２Ａは、各機能を実現するためのプログラムである。設定情報２０２Ｂは、制御プログラム２０２ＡやユーザＵ１の設定情報である。ＡＦＭデータ２０２Ｃは、ＡＦＭ２から計測結果として得られる信号Ｓ２のデータや、信号Ｓ２に基づいて処理した結果得られる、試料５の表面形状を表す画像等のデータである。大気圧データ２０２Ｄは、センサ４から得られる信号Ｓ４のデータや、信号Ｓ４を処理した結果得られるデータである。校正線データ２０２Ｅは、高さ補正機能２０１Ｂによる補正の際に用いる設定情報である。
　［ＡＦＭ－原理］
　図４は、ＡＦＭ２におけるプローブ７と試料５の表面の原子４０１との間の相互作用４０２を利用した高さの検出についての模式的概念図を示す。ステージ６の上面に対応する、Ｚ方向での高さの計測に係る基準となる水平面および位置を、基準位置４１０で示す。ある走査位置での計測対象箇所を例えば原子４０１とする。プローブ７は、Ｘ，Ｙ方向で走査され、図４ではある走査位置（ｘ，ｙ）にある。高さ４０３は、プローブ７の位置に対応する、基準位置４１０からのプローブ７の先端までの高さである。高さ４０４は、計測対象箇所の高さ（ｚ）に対応する、基準位置４１０からの原子４０１までの高さである。距離４０５は、計測対象箇所の原子４０１からプローブ７の先端までの距離である。ＡＦＭ２は、相互作用４０２、すなわち原子間力に基づいて、距離４０５を計測する。ＡＦＭ２は、プローブ７の高さ４０３（高さを含む位置）と距離４０５とに基づいて、換算によって、計測対象箇所の原子４０１の高さ４０４を得る。これにより、ＡＦＭ２は、走査位置（ｘ，ｙ）と高さ（ｚ）とを含む、試料５の表面の形状を表す情報を、信号Ｓ２として得る。
　［ＡＦＭ－構成例］
　ＡＦＭ２の構成例を以下に説明する。ＡＦＭ２は、図４のプローブ７、駆動機構７１、および制御機構７２を備える。プローブ７は、例えばシリコン材料から構成され、先端の径が１０ｎｍ以下に加工されている。プローブ７は、駆動機構７１で支持されている。駆動機構７１は、例えばプローブ７を支持する支持棒やホルダー等を含む。駆動機構７１は、プローブ７をＸ，Ｙ方向およびＺ方向に駆動できる機構である。駆動機構７１は、制御機構７２と接続されている。制御機構７２は、駆動機構７１を制御し、計測を実現する。駆動機構７１および制御機構７２は、図２の第１部分２ａまたは第２部分２ｂに配置されている。プローブ７の高さ４０３を含む位置の検出は、駆動機構７１の高さを含む位置の検出によって実現できる。駆動機構７１または制御機構７２は、駆動機構７１の高さを含む位置を検出する機構を含む。その機構は、例えば、駆動機構７１に備えるミラーに光を照射して反射光の位置を検出する機構が挙げられる。制御機構７２は、プローブ７の移動を駆動制御する機構や、プローブ７の高さ４０３を含む位置を検出する機構を含む。また、制御機構７２は、相互作用４０２に応じた距離４０５の検出に基づいて、試料５の表面の高さ４０４を計算し、試料５の表面の形状を表す情報（信号Ｓ２）を記憶および出力する機構、等を含む。駆動機構７１の構成要素としては、圧電素子等が挙げられるが、特に限定されない。圧電素子は、電圧印加に応じて長さが変化する素子である。
　ＡＦＭ２での計測時、プローブ７は、駆動機構７１によって、水平方向（Ｘ，Ｙ方向）に走査駆動され、ステージ６上の試料５の表面の対象箇所に位置付けられる。プローブ７は、ステージ６上の試料５の表面の対象箇所（例えば原子４０１）と対向するようにＺ方向で上側に配置される。プローブ７は、駆動機構７１によって、Ｚ方向で、試料５の表面の対象箇所に近接または接触するように駆動される。駆動は、例えば、圧電素子による加振である。その際、制御機構７２は、プローブ７の先端と試料５の対象箇所との相互作用４０２である原子間力に基づいて、距離４０５を検出する。制御機構７２は、プローブ７のＸ，Ｙ方向の走査位置（ｘ，ｙ）およびＺ方向の位置（高さ４０３）を検出する。そして、制御機構７２は、高さ４０３と距離４０５とから、換算によって、試料５の表面の対象箇所の高さ４０４を得る。
　なお、ＡＦＭを含むＳＰＭでは、原子レベルのオーダ（例えば０．１ｎｍの分解能）での計測精度が要求される。そのため、プローブ７の高さを含む位置に関して、高精度が要求される。実施の形態２の表面解析装置１は、このプローブ７の高さを含む位置に関して、大気圧に応じたズレが生じる場合にも、補正機能によって計測結果の高さ情報を補正することができる。
　［ＡＦＭ計測結果画像］
　図５は、ＡＦＭ２の計測結果の例における、試料５の表面の形状を表す画像５００を示す。本例は、課題でも述べた、大気圧変動に応じた真空槽の変位によるＡＦＭ計測結果の高さ情報のズレについての具体例を示す。本例では、試料５の表面は、図示のように、Ｙ方向において高さの違いが凹凸のように繰り返されるパターン形状を有する。このパターン形状は、ＬＳＩでは一般的なライン・アンド・スペース・パターンである。例えば部分５０２は第１高さを持ち、部分５０３は第１高さよりも低い第２高さを持つ。ＡＦＭ２は、このように画像５００を３次元的に表示する機能を有する。
　本例では、ＡＦＭ計測結果の画像５００において、パターン形状の一部に、矢印で示すように、高さ方向でのズレ（言い換えると高さ変動量）として、盛り上がり、帯のような部分５０１、言い換えると画像の変形のような部分が生じている。このズレの部分５０１は、プローブ７がこの部分５０１を走査している短い時間（例えば数秒から十数秒程度）における、クリーンルーム内の大気圧の微小な変動（例えば約１０Ｐａの減少）を原因として生じている。本発明者が確認した事例では、典型的には、数秒から十数秒程度の短い時間において、約１０Ｐａ程度の微小な大気圧変動が生じる場合があった。
　この大気圧変動、例えば約１０Ｐａの減少によって、真空槽１０が若干膨張し、壁面がＺ方向で変位、特に上壁部１０ａがＺ方向で上側に変位する。これにより、ステージ６の上面と上壁部１０ａとの距離が微小に増加する。その結果、プローブ７からみた試料５の表面の対象箇所との距離は微小に増加し、高さのズレとして現れている。この高さのズレは、本例では約４０ｎｍに達している。言うまでもなく、この部分５０１のような変形・ズレは、試料５の表面の本来の形状ではないので、観察されないことが望ましい。表面解析装置１は、補正目標としてこのような高さのズレを補正する。
　［処理フロー］
　図６は、表面解析装置１、特にコンピュータシステムＣＳ２の主な処理のフローを示す。図６のフローは、ステップＳ１０１～Ｓ１０７を有する。ステップＳ１０１で、コンピュータシステムＣＳ２は、ユーザＵ１の操作に基づいて、ＡＦＭ２による計測を開始する。この際、コンピュータシステムＣＳ２は、対象の試料５を乗せたステージ６がＡＦＭ２の直下の位置Ｌ２に来るように、コンピュータシステムＣＳ１を制御する。
　ステップＳ１０２で、コンピュータシステムＣＳ２は、ＡＦＭ２を駆動制御し、試料５の計測を行わせる。ＡＦＭ２は、試料５の表面に対し、順次にプローブ７を走査し、時点（ｔ）毎に走査の位置（ｘ，ｙ）および高さ（ｚ）の情報を得て、信号Ｓ２とする。コンピュータシステムＣＳ２は、ＡＦＭ２からの信号Ｓ２を入力する。
　一方、ステップＳ１０３では、ステップＳ２と同時に、コンピュータシステムＣＳ２は、センサ４からの信号Ｓ４を入力して、大気圧の計測値を取得する。
　ステップＳ１０４では、コンピュータシステムＣＳ２は、それらの２種の信号Ｓ２，Ｓ４のうち、まず、信号Ｓ４に基づいて、大気圧変動量ΔＰを計算する。大気圧変動がある場合、コンピュータシステムＣＳ２は、予め設定されている校正線（図３の校正線データ２０２Ｅ）を用いて、大気圧変動量ΔＰに応じた距離変動量ΔＤを得る。距離変動量ΔＤは、ステージ６の上面である基準位置と真空槽１０の上壁部１０ａとの距離Ｄ（図２）に関する変動量である。上壁部１０ａは、大気圧に応じた変位が生じる箇所である。
　ステップＳ１０５では、コンピュータシステムＣＳ２は、距離変動量ΔＤから、換算によって、高さ補正量ΔＺを得る。高さ補正量ΔＺは、計測結果の高さ情報（図４の高さ４０４）に反映するための補正量である。距離Ｄとプローブ７の高さ４０３（図４）とは所定の関係を有するので、このような換算が可能である。なお、予め校正線データ２０２Ｅの構成において、距離変動量ΔＤと高さ補正量ΔＺとの関係を設定しておいてもよい。すなわち、校正線において、大気圧変動量ΔＰから高さ補正量ΔＺを得ることができる構成としてもよい。
　ステップＳ１０６では、コンピュータシステムＣＳ２は、ＡＦＭ２からの信号Ｓ２で得た高さ情報（例えば図４の高さ４０４）に、高さ補正量ΔＺを反映する補正演算、例えば加算を行うことで、補正後の高さ情報を得る。
　ステップＳ１０７では、コンピュータシステムＣＳ２は、補正後の高さ情報を用いて、試料表面形状を表す画像を構成し、記憶および出力する。言い換えると、コンピュータシステムＣＳ２は、図５のような補正前の画像を、補正後の高さ情報を用いて補正して補正後の画像を得る。コンピュータシステムＣＳ２は、表示装置２０６（図３）の画面に、補正後の画像を表示する。
　［高さ変動（１）］
　図７は、大気圧の影響による高さの変動について示す説明図である。ＡＦＭ２を備える真空槽１０において、上壁部１０ａにＡＦＭ２が固定されている。上壁部１０ａの上面に対し、大気圧７０１がかかる。例えば、大気圧が１０１０ｈＰａの場合、壁面には、１０.１Ｎ／ｃｍ２程度の力がかかる。（Ａ）は、大気圧７０１が標準的な所定の大気圧の場合である。内部が真空状態である真空槽１０の上壁部１０ａ等の壁面には、通常、大気圧７０１として、所定の大気圧がかかる。表面解析装置１は、予め設定された標準的な所定の大気圧である基準大気圧（ＰＳとする）を用いる。基準大気圧ＰＳは、例えば、１気圧＝１０３５．２５ｈＰａ（＝１０３５２５Ｐａ）とする。距離Ｄは、高さ方向であるＺ方向において、ステージ６の上面を基準位置（Ｚ＝０）として、その基準位置と、上壁部１０ａの位置（例えば下面）との距離である。（Ａ）での距離Ｄは、基準大気圧ＰＳに対応した標準的な距離Ｄ１であるとする。
　ここで、距離Ｄは、Ｘ，Ｙ方向においては、上壁部１０ａの中心位置７１１でとられている。また、ＡＦＭ２は、Ｘ，Ｙ方向において、中心位置７１１から所定の距離７１３を有する位置７１２に、Ｘ，Ｙ方向での基準位置が設けられている。
　表面解析装置１は、大気圧に関して大気圧変動量（ΔＰとする）を扱う。大気圧変動量ΔＰは、基準大気圧ＰＳに対しての変動量、言い換えると時点間の差分である。
　（Ｂ）は、（Ａ）の状態から大気圧７０１が一時的に増加し、上壁部１０ａが真空槽１０内部すなわちＺ方向で下側へ押された場合を、わかりやすいように誇張して示す。プローブ７の走査中の時間に、大気圧が変動した場合、真空槽１０の壁面の変位量、歪量が変わる。本例では、上壁部１０ａは、図示のように、Ｚ方向で下側へ撓むように歪みが生じている。これにより、距離Ｄは、距離Ｄ２（Ｄ２＜Ｄ１）に減少するように変化している。距離変動量ΔＤは、（Ｄ２－Ｄ１）である。距離Ｄの典型的な変動量は、数ｎｍ／Ｐａ程度である。
　上壁部１０ａの撓みのような距離Ｄの変動に伴い、ＡＦＭ２も、Ｚ方向で下側に変位が生じている。これにより、プローブ７に関する高さ位置７０３も、例えばより低い高さ位置へ変化している。変位量７０６は、プローブ７の高さ位置７０３の変化の差分である。
　距離Ｄの変動に伴い、ＡＦＭ２の計測結果の高さ情報には、ズレが生じる。本例では、大気圧が微小に増加したため、真空槽１０の上壁部１０ａの上面にかかる力がより大きくなり、その上面が真空槽１０内部、すなわちＺ方向で下側に向かって押される。その結果、距離Ｄが減少し、それとともにプローブ７もステージ６に対しより近付く。これにより、ＡＦＭ２の計測としてプローブ７から見た試料５の表面は、より低く見えるようになる。したがって、計測結果の画像では、高さが低くなるようなズレの部分が生じる。同様に、大気圧が減少した場合には、距離Ｄが増加し、ＡＦＭ２の計測として見た試料５の表面は、より高く見えるようになる。したがって、計測結果の画像では、図５の例のように、高さが高くなるようなズレの部分が生じる。
　水平面内で中心位置７１１での距離Ｄと、ＡＦＭ２の位置７１２でのプローブ７の高さ位置７０３とは、所定の対応関係を有する。予め実験または幾何計算等に基づいて、このような大気圧と距離Ｄと高さ位置７０３との対応関係に関するデータをとることができる。これに基づいて、次の図８の例のような校正線（図３の校正線データ２０２Ｅ）を設定できる。表面解析装置１は、高さ補正の際には、このような関係が反映された校正線に基づいて、大気圧変動量ΔＰから距離変動量ΔＤを求め、距離変動量ΔＤからプローブ７の高さ位置７０３の変位量７０６を求め、高さ補正量ΔＺとして反映する。（Ｂ）の例は大気圧増加による真空槽１０の収縮の場合であるが、大気圧減少による真空槽１０の膨張の場合でも、同様に補正可能である。
　［高さ変動（２）］
　ここで、ＡＦＭ２のＸ，Ｙ方向の位置７１２については、概略的に中心位置７１１と同じとみなすことで、補正計算を簡略化してもよい。すなわち、距離変動量ΔＤを直接的に高さ補正量ΔＺとしてもよい。この場合の校正線は、大気圧変動量ΔＰとその高さ補正量ΔＺとの関係が規定される。真空槽１０におけるＡＦＭ２の設置のＸ，Ｙ方向の位置７１２については限定されない。
　より高精度の補正とする場合には、ＡＦＭ２のＸ，Ｙ方向の位置７１２についても考慮される。すなわち、上記のように、中心位置７１１での距離Ｄと、ＡＦＭ２の位置７１２でのプローブ７の高さ位置７０３との関係が設定されている校正線を用いて、プローブ７の高さ位置７０３に対応させた高さ補正量ΔＺが決定可能である。
　さらに、変形例として、より詳細な方式としては、上壁部１０ａの撓み・歪みに伴う、ＡＦＭ２のプローブ７のＸ，Ｙ方向での位置や向きの変動についても考慮して補正する方式としてもよい。（Ｂ）のように、上壁部１０ａが例えば撓むことで、ＡＦＭ２のプローブ７もＸ，Ｙ方向での位置や向きが若干変化し得る。このような、距離Ｄとプローブ７のＸ，Ｙ方向の変位と高さ位置７０３との関係を、予め校正線に設定しておくことで、Ｚ方向に加え、Ｘ，Ｙ方向での補正も可能となる。
　真空槽１０に対し、ＡＦＭ２が固定される部位は、上壁部１０ａに限定されない。上壁部１０ａ以外の部位にＡＦＭ２が固定されている形態の場合でも、大気圧変動量ΔＰに応じたＡＦＭ２のプローブ７の位置の変位量等を同様に規定でき、ＡＦＭ２の計測値に関する補正が可能である。
　［校正線］
　図８は、補正用の設定情報である校正線（図３の校正線データ２０２Ｅ）の例を示す。この校正線は、大気圧変動に応じた真空槽１０の壁面の変位に関する補正に用いるための校正線図である。図８のグラフの横軸は大気圧変動量ΔＰ［Ｐａ］（Barometric Pressure Variance）であり、標準的な所定の大気圧（基準大気圧ＰＳ）との差分であり、０を中心として正負の値をとる。縦軸は図２や図７の距離Ｄに関する距離変動量ΔＤ［ｎｍ］（Relative Displacement）である。線８０１は、大気圧変動量ΔＰと距離変動量ΔＤとの関係を規定する校正線である。黒点は、実験での実測値である。例えば大気圧変動量ΔＰが＋１０Ｐａの場合、距離変動量ΔＤが－３３ｎｍ程度となる。高さ補正量ΔＺは、その－３３ｎｍと近い値として換算で得られる。
　表面解析装置１は、予め実験等に基づいて作成された校正線が設定可能である。なお、表面解析装置１は、このような校正線の構成に限らず、変換式や変換テーブル等を用いて補正を行ってもよい。コンピュータシステムＣＳ２では、校正線のユーザ設定も可能である。コンピュータシステムＣＳ２は、図８のような校正線を表示装置２０６の画面に表示し、ユーザ設定を受け付ける。
　［各種の信号］
　図９は、各種の信号等についての時系列での対応関係の例を示す。図９の横軸は時間（時点ｔで表される）である。（Ａ）は、補正前のＡＦＭ２からの信号Ｓ２のデータ、すなわち高さ情報の例である。縦軸は試料５の表面の高さ（図４での高さ４０４、図７での高さ７０４）に対応し、単位は例えばｎｍである。横軸の時点の例として時点ｔ１～ｔ１２を示す。例えば、各時点ｔ１～ｔ１２は、Ｘ方向の走査位置に対応する。なお、例えば信号Ｓ４での時点ｔが、各処理での時間の基準とされる。（Ａ）の高さ情報は、試料５の表面における凹凸等の形状を表している。本例では、形状は、時点ｔ１では０、時点ｔ２～ｔ３では高さｚ１である。時点ｔ４～ｔ５では高さｚ２（ｚ２＞ｚ１）となっている。時点ｔ６～ｔ７では高さｚ１、時点ｔ８～ｔ９では０、時点ｔ１０～ｔ１１では高さｚ１、時点ｔ１２では０、となっている。時点ｔ４～ｔ５の時間９０１における高さｚ２の部分は、実際の形状とは異なる、大気圧変動に応じたズレの例である。
　（Ｂ）は、センサ４の信号Ｓ４による大気圧計測値、特に大気圧変動量ΔＰを示す。縦軸は、基準大気圧ＰＳを０の位置とした大気圧変動量ΔＰである。時間９０１では、大気圧が一時的に増加しており、概略的に＋Ｐｘとなっている。表面解析装置１は、ＡＦＭ２による計測時（言い換えると画像取得中）に、同時に、センサ４によって大気圧を計測する。表面解析装置１のコンピュータシステムＣＳ２は、ＡＦＭ２の信号Ｓ２の高さ情報と、信号Ｓ４の大気圧計測値とを同期させて取得する。同期とは、各情報の時系列上の時点が対応していることである。
　（Ｃ）は、校正線を用いて（Ｂ）の大気圧変動量ΔＰから計算される距離変動量ΔＤを示す。ここでは、簡略的に、距離変動量ΔＤと高さ補正量ΔＺとを同じとする。縦軸は、真空槽１０の上壁部１０ａが標準的な位置にある場合（図７の（Ａ））を０とした、距離変動量ΔＤである。時間９０１では、（Ｂ）の大気圧増加の影響で上壁部１０ａが下側に押されることで、ＡＦＭ２のプローブ７の高さ位置が一時的に低くなっており、距離変動量ΔＤが概略的に－Ｄｘとなっている。
　（Ｄ）は、（Ｃ）の距離変動量ΔＤに対応した距離補正量ΔＺを用いた、補正後のＡＦＭ２の信号Ｓ２、すなわち補正後の高さ情報の例を示す。時間９０１では、元の信号Ｓ２の高さ値に、（Ｃ）の－Ｄｘに対応するマイナスを持つ距離補正量ΔＺが反映されている。これにより、補正後の高さ情報では、時間９０１で、概略的に高さｚ１となっている。このように、（Ａ）の時間９０１での高さのズレの部分が（Ｄ）のように補正されている。
　（Ａ）～（Ｄ）の各情報は、（Ａ）の信号Ｓ２の時点ｔを基準として、時点ｔでの対応関係がとられている情報である。コンピュータシステムＣＳ２は、ＡＦＭ２からの信号Ｓ２の入力に基づいた時点ｔを基準として、センサ４の信号Ｓ４を用いて、高さ情報を補正する。なお、表面解析装置１は、図９のような各グラフを、コンピュータシステムＣＳ２の表示装置２０６（図３）の画面で表示してもよい。ユーザＵ１はそれらの情報を確認できる。
　［ＡＦＭとＳＥＭとの組み合わせの構成］
　実施の形態２のように、ＳＰＭであるＡＦＭ２とＳＥＭ３とを組み合わせた構成の表面解析装置１には、例えば以下のような優位点、およびそれに対応する機能がある。
　（Ａ）　この表面解析装置１では、同一の試料５を、装置間移動無しで、ＳＥＭ３とＡＦＭ２とのそれぞれで観察・計測可能である。比較例として、ＳＥＭとＡＦＭとが別の２つの装置として用意されている形態の場合、ユーザは、それらの装置間で試料を移動させる必要がある。例えば、対象の試料を、ＳＥＭ装置内で観察した後、ユーザは、その試料を、ＡＦＭ装置内に移動させてからＡＦＭ装置による計測を行う、といった手間が必要である。それに対し、実施の形態２の表面解析装置１では、真空槽１０内のステージ６上に試料５が設置された後では、ステージ６の移動制御のみで、ＳＥＭ３とＡＦＭ２とのそれぞれで所望の観察・計測が利用可能である。
　（Ｂ）　この表面解析装置１では、ＡＦＭ２での計測のために、ＡＦＭ２の観察部分（図の位置Ｌ２）へステージ６上の試料５を移動させる際に、ＳＥＭ３の観察による高精度の位置決めを利用できる。そのため、ＡＦＭ２での計測開始の際に、ユーザＵ１が試料５の所望の箇所へ高速に到達でき、ＡＦＭ２での計測を高精度に実現できる。このＳＥＭ３の観察では、高倍率のＳＥＭ３で校正された高精度のステージ移動を利用できる。
　（Ｂ）に関する詳細は以下である。図２のロードロック室１０２側から搬送機構によって真空槽１０内のステージ６上に試料５が設置される際には、例えばステージ６上のマーク等に合わせてステージ６上の所定の位置に所定の向きで試料５が吸着保持される。この設置後、Ｘ，Ｙ方向での位置のズレが生じる場合がある。表面解析装置１は、ＡＦＭ２での計測の前に、試料５を保持したステージ６を、ＳＥＭ３の直下の位置Ｌ３に移動させる。表面解析装置１は、ＳＥＭ３（特にそのうちの顕微鏡機能）によって、その位置Ｌ３のステージ６ａ上の試料５ａやマーク等を観察することで、ステージ６ａ上の試料５ａの位置が正確であるかを確認する。その結果、ズレがある場合、表面解析装置１は、コンピュータシステムＣＳ１によって機構を駆動することで、ステージ６上の試料５の位置のズレを修正する。これにより、ステージ６上の試料５の位置についての高精度の位置決めができる。その後、表面解析装置１は、ステージ移動機構１６０を制御して、ステージ６をＡＦＭ２の直下の位置Ｌ２に移動させる。そして、表面解析装置１は、その位置Ｌ２で、ＡＦＭ２による計測を行う。これにより、試料５の高精度の表面解析が可能である。
　上記ＡＦＭ２とＳＥＭ３との組み合わせによる機能は一例であり、他にも表面解析に係わる様々な機能を提供できる。
　［補足（１）］
　なお、実施の形態２では、真空槽１０の上壁部１０ａにおいてＳＥＭ３とＡＦＭ２との２つの装置が固定されている。大気圧の影響について、ＡＦＭ２については、前述のように補正機能で対策するが、ＳＥＭ３については殆ど考慮しなくてもよい。この理由は以下の通りである。図２のＳＥＭ３は、電子光学系１１１として、例えば静電レンズないし電磁レンズを使用して、電子線１１２を試料５の表面に収束させる、言い換えると焦点を合わせる装置である。電子線１１２の場合、いわゆる焦点深度（Depth of Focus）が比較的深く、実施の形態２でのＳＥＭ３では、その焦点深度のオーダはμｍである。そのため、ＳＥＭ３に大気圧の影響によって例えば数十ｎｍ程度の変位が生じたとしても、測定精度の観点では殆ど影響が無い。それに対し、ＡＦＭ２の場合には、プローブ７という実物が試料５の表面に接触し得る装置であり、ｎｍオーダの精度が要求されており、焦点深度の概念は無い。そのため、ＡＦＭ２に大気圧の影響によって例えば数十ｎｍ程度の変位が生じた場合、計測精度の観点で影響が大きい。したがって、実施の形態２では、ＡＦＭ２に補正機能を設けている。
　［補足（２）］
　実施の形態１，２では、真空槽１０の上壁部１０ａにおいてＡＦＭ２が固定されている。ＡＦＭ２が固定される位置や態様は、これに限られない。真空槽１０の側壁部や下壁部にＡＦＭが固定されている場合でも、大気圧変動に応じて所定の方向（Ｚ方向に限らない）での変位が生じる場合が考えられる。その場合でも、その方向での変位を補正する機構を同様に設けることができる。また、例えば、真空槽１０の構造において主な壁面から連続して内部に出る部分がある場合で、その部分にＡＦＭ２が固定されている構成でも、壁面の変位がその部分を通じてＡＦＭ２に影響する。よって、このような構造の場合でも、同様に補正機能を適用可能である。
　［効果等］
　上記のように、実施の形態２の表面解析装置１によれば、実施の形態１と同様の効果として、真空槽１０に対する大気圧変動を原因として、ＡＦＭ２の計測結果の高さ情報に、局所的なズレが生じる場合でも、計測や解析の精度や品質を高めることができる。実施の形態２の表面解析装置１によれば、ＡＦＭ２とＳＥＭ３との組み合わせの機能を利用して、高精度の表面解析が実現できる。
　＜実施の形態３＞
　実施の形態３は、実施の形態１の変形例であり、実施の形態２にも同様に適用できる。前述の高さ補正は、プログラム処理で実現されてもよいし、専用の回路で実現されてもよい。実施の形態３では、専用の回路でリアルタイムに高さ補正処理を行う実装例を示す。
　図１０は、実施の形態３の表面解析装置１における要部の構成を示す。実施の形態３の表面解析装置１は、ＡＦＭ２およびセンサ４と、コンピュータシステムＣＳ２との間に、補正回路１１００を有する。補正回路１１００は、専用のハードウェア回路、例えばＦＰＧＡやＡＳＩＣを用いて実装されてもよい。
　補正回路１１００は、アナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ）１１０１と、補正演算回路１１０２とを含む。ＡＤＣ１１０１は、センサ４の信号線４ｃからの信号Ｓ４を入力し、ＡＤ変換して、大気圧測定値に関するデジタル信号を出力する。補正演算回路１１０２は、ＡＦＭ２の信号線２ｃからの信号Ｓ２を入力し、ＡＤＣ１１０１からのデジタル信号を用いて、所定の高さ補正演算を行う。信号Ｓ２は、例えば、吹き出しでも示すように、時点（ｔ）毎の情報として、Ｘ，Ｙ方向の走査の位置に関する情報（ｘ（ｔ），ｙ（ｔ））と、その位置での高さ情報ｚ（ｔ）とを含む。信号Ｓ４は、時点ｔ毎の大気圧測定値ｐ（ｔ）を含む。補正演算回路１１０１の補正演算は、“ｚ（ｔ）－ｋ・ｐ（ｔ）”のように表現される。この補正演算は、例えば、信号Ｓ２のうちの高さ情報ｚ（ｔ）から、大気圧測定値ｐ（ｔ）と前述の校正線に基づいて得られる補正用の係数ｋとの積を減算する演算である。補正演算回路１１０１の出力の信号Ｓ１１は、コンピュータシステムＣＳ２に入力され処理される。
　なお、このような補正回路１１００は、筐体１０９内でＡＦＭ２とセンサ４の近傍に配置されてもよいし、筐体１０９外でコンピュータシステムＣＳ２の近傍に配置されてもよい。コンピュータシステムＣＳ２内に補正回路１１００が一体で設けられてもよい。センサ４と一体で補正回路１１００が設けられてもよい。
　上記のように、実施の形態３によれば、ＡＦＭ２での計測に伴い、高さ情報の補正を、補正回路１１００でリアルタイムに高速に実行できる。その分、コンピュータシステムＣＳ２でのプログラム処理は削減できる。
　＜実施の形態４＞
　実施の形態４は、実施の形態１の変形例であり、実施の形態２にも同様に適用できる。実施の形態４では、高さ補正処理を、リアルタイムではなく、事後的な一括処理として実現できる実装例を示す。
　図１１は、実施の形態４の表面解析装置１の要部の構成を示す。実施の形態４では、コンピュータシステムＣＳ２内に、補正処理部１２００を有する。補正処理部１２００は、一部にＡＤＣ１２０１等の専用の回路を含んでもよい。補正処理部１２００は、ＡＤＣ１２０１、大気圧データ記憶部１２０２、ＡＦＭデータ記憶部１２０３、補正演算部１２０４、および補正結果記憶部１２０５を有する。
　ＡＤＣ１２０１は、センサ４からの信号Ｓ４をデジタル信号に変換する。そのデジタル信号（例えば図１０と同様にｐ（ｔ））は、大気圧データ記憶部１２０２に格納され、少なくとも一定時間以上保持される。ＡＦＭ２からの信号Ｓ４のデータ（例えば図１０と同様にｘ（ｔ），ｙ（ｔ），ｚ（ｔ））は、ＡＦＭデータ記憶部１２０３に格納され、少なくとも一定時間以上保持される。大気圧データ記憶部１２０２やＡＦＭデータ記憶部１２０３は、図２のメモリ２０２、あるいはコンピュータシステムＣＳ２の外部のストレージ装置やデータベース（ＤＢ）等で構成される。
　補正演算部１２０４は、図３のプロセッサ２０１によるプログラム処理で実現される。補正演算部１２０４は、所定のタイミングで、大気圧データ記憶部１２０２から、所定の時間単位で、大気圧計測値ｐ（ｔ）のデータを読み出し、ＡＦＭデータ記憶部１２０３から、同じ時間単位で、信号Ｓ２のデータを読み出し、メモリ上に展開する。所定のタイミングは、ユーザＵ１が操作に基づいて補正実行を指示したタイミングでもよいし、ユーザＵ１が予めユーザ設定で決めたタイミングでもよい。
　補正演算部１２０４は、それらのデータに対し、図２の校正線データ２０２Ｅに基づいて、所定の時間単位で一括して、高さ補正処理を実行し、高さ補正処理結果データを得て、補正結果記憶部１２０５に格納する。この高さ補正処理結果データは、高さ情報の補正後の画像に相当する。
　上記のように、実施の形態４によれば、ＡＦＭ２での計測を一旦実行した後、高さ情報の補正を、補正処理部１２００で一括して実行できる。この形態では、リアルタイムの補正はできないが、専用の回路の具備は不要となる。
　以上、本開示の実施の形態は、上記に限定されず、要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。表面解析装置において、搭載する装置は、ＡＦＭに限らないＳＰＭや、光学式表面形状取得装置等、試料表面形状を表す情報を取得可能な装置であれば適用できる。
　１…表面解析装置、２…ＡＦＭ、２ａ…第１部分、２ｂ…第２部分、３…ＳＥＭ、４…センサ、５…試料、６…ステージ、７…プローブ、１０…真空槽、１０ａ…上壁部、ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＡ３…コンピュータシステム。

Claims (9)

  1. 　内部を減圧または与圧可能な気密槽と、
    　前記気密槽内で試料を保持するステージと、
    　前記気密槽を構成する構造体に固定され、前記試料の表面を計測する走査型プローブ顕微鏡と、
    　前記気密槽の外側に配置され、大気圧を計測するセンサと、
    　前記走査型プローブ顕微鏡の計測の第１信号と、前記センサの計測の第２信号とを用いて、前記試料の表面を解析するコンピュータシステムと、
    　を備える、表面解析装置。
  2. 　請求項１記載の表面解析装置において、
    　前記走査型プローブ顕微鏡は、前記気密槽の前記構造体のうち壁面に固定されており、
    　前記コンピュータシステムは、前記第２信号を用いて、前記第１信号のうち、前記試料の表面の高さ情報を補正する、
    　表面解析装置。
  3. 　請求項１記載の表面解析装置において、
    　前記走査型プローブ顕微鏡は、前記気密槽の前記構造体のうち上壁部に固定されており、前記上壁部の外部に配置されている第１部分と、前記上壁部の内部に配置されているプローブを含む第２部分と、を有する、
    　表面解析装置。
  4. 　請求項１記載の表面解析装置において、
    　前記コンピュータシステムは、前記第２信号から大気圧の変動量を計算し、前記大気圧の変動量に応じて、前記気密槽の変位量を計算し、前記気密槽の変位量に応じて、前記第１信号の値を補正する、
    　表面解析装置。
  5. 　請求項１記載の表面解析装置において、
    　前記コンピュータシステムは、前記気密槽外の大気圧の変動量と、前記気密槽の変位量との関係を表す校正線に基づいて、前記第１信号の値を補正する、
    　表面解析装置。
  6. 　請求項１記載の表面解析装置において、
    　前記走査型プローブ顕微鏡は、原子間力顕微鏡であり、
    　前記第１信号は、前記原子間力顕微鏡の計測の信号として、前記試料の表面の高さ情報を含み、
    　前記コンピュータシステムは、前記第２信号を用いて、前記第１信号のうち、前記試料の表面の高さ情報を補正する、
    　表面解析装置。
  7. 　請求項１記載の表面解析装置において、
    　さらに、前記気密槽の前記構造体に固定されている、前記試料を観察するための荷電粒子線装置を備える、
    　表面解析装置。
  8. 　請求項７記載の表面解析装置において、
    　前記気密槽内で前記ステージを移動させるステージ移動機構を備え、
    　前記ステージ移動機構は、前記ステージの位置を、前記走査型プローブ顕微鏡による計測のための第１位置と、前記荷電粒子線装置による観察のための第２位置との間で移動させる、
    　表面解析装置。
  9. 　請求項８記載の表面解析装置において、
    　前記ステージを前記第２位置に移動させて、前記荷電粒子線装置による観察に基づいて、前記ステージ上の前記試料の位置を位置決めした後、前記ステージを前記第１位置に移動させて、前記走査型プローブ顕微鏡による計測を行う、
    　表面解析装置。
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