(57)【要約】【課題】今後更なる需要が高まる半導体やストレージ分野におけるナノメートルオーダーでのパターン形状・パターン配列の測定において、ドリフトによる測定像の歪みにより高精度な測定結果を得ることができない。【解決手段】走査プローブ顕微鏡による試料特性の測定領域を測定中のあるタイミングで予め選択されたリファレンスパターン領域の測定を行い、リファレンスパターンの測定像から適宜ＸＹＺ軸方向の位置ずれ量を特定して探針の位置ずれ補正を行う。さらに、特定した位置ずれ量と測定チャンバー内の温度データを用いることによって、試料特性の測定像の歪み補正を行う。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針で試料表面を走査し、探針と試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、前記試料特性を測定中のあるタイミングで、予め選択されたリファレンスパターン領域を適宜測定するリファレンスパターン測定部と、リファレンスパターン測定像から前記探針と前記試料間の位置ずれ量を特定する位置ずれ量特定部とを有し、前記探針の位置ずれ補正、もしくは前記試料特性の測定像の位置ずれ補正、もしくは前記探針及び前記試料特性の測定像の位置ずれ補正のいずれかを実施することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡において、前記リファレンスパターン領域が、周辺部と高さが異なる領域、もしくは周辺部と材質の異なる領域で形成され、直線状で互いに交差するエッジ部を有していることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡において、前記試料特性が試料の表面形状、もしくは摩擦特性、もしくは弾性特性、もしくは吸着力、もしくは電磁気特性、もしくは光学特性であることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡において、前記リファレンスパターン領域を測定するタイミングが、予め決められた一定ライン毎であることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項１記載の走査プローブ顕微鏡において、測定チャンバー内の温度を測定する温度測定部を有し、前記試料特性を測定中の前記測定チャンバー内温度データを用いて、前記試料特性の測定像の位置ずれ補正を行うことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項５記載の走査プローブ顕微鏡において、前記リファレンスパターン領域を測定するタイミングが、前記測定チャンバー内の温度変化が予め決められた閾値を越えた場合、もしくは前記測定チャンバー内の温度変化の方向が変わった場合のいずれかであることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡を用いた測定におけるドリフトに起因する測定像の歪み補正技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細立体形状の計測技術の一つとして走査探針顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。これは、先鋭化された探針（プローブ）を、試料表面に近接もしくは接触させ、その際、探針と試料間に生じる原子間力等の物理的な相互作用の計測量を画像として表示するものである。その中のひとつであるＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）はカンチレバーと呼ばれる微小な片もち梁（板ばね）の先端にとりつけられた探針と試料の間に働く原子間力、つまり探針・試料間の接触力を、カンチレバーのたわみによる変位量によって検出し、これが一定になるように制御しながら試料表面を走査することにより、試料表面の微細形状を計測する技術であり、原子オーダーでの微細立体形状が測定できる技術として、生物、物理、半導体、ストレージ等の多岐の分野に亘って広く用いられている。
【０００３】
ただし、走査プローブ顕微鏡を用いた測定においては、走査プローブ顕微鏡特有の測定像の歪という問題が存在するため、特にパターンが微小化すればする程、高精度な測定結果を得ることができない。測定像の歪の原因としては、ＸＹＺ各軸のリニアリティー、各軸間の直交性、各軸間の干渉等、様々なものが存在するが、主な原因としては駆動アクチュエータとして用いる圧電素子の非線形性、また測定環境の変化に伴って起こる装置のドリフト等が知られている。
【０００４】
これらの内、圧電素子の非線形性については、予め圧電素子の変位特性を測定しておき、得られた特性データを用いることによって取得したデータをソフト的に補正する方法、また機構に変位センサを付設し、変位センサによるフィードバック制御を行うことによって補正を行う方法等が知られており、最近ではアクチュエータとして圧電素子を使用せず、リニアリティーの高いボイスコイルモータを使用した機構も存在している。
【０００５】
一方、ドリフトによる測定歪みを解消する方法として、特許文献１にはドリフトによる探針−試料間距離の相対位置変化を変位センサで直接測定し、測定歪みを補正する方法が開示されている。また、特許文献２には測定用探針の他にドリフト量を測定するための補正用探針を複数備え、これら探針によって試料もしくは試料台の特定位置を追従するように制御し、補正用探針の移動量からドリフト量を算出して、測定画像の補正を行う方法が開示されている。
【特許文献１】米国特許第７２４９００２号明細書
【特許文献２】特開平１０−２６７９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記ドリフトによる測定像の歪みは、今後更なる需要が高まる半導体やストレージ分野におけるナノメートルオーダーでのパターン形状・パターン配列の測定において、高精度な測定結果を得ることができない。ドリフト現象は、主に測定時間の経過に伴う測定室（以下、測定チャンバー）内の温度変化によって、図１に示すように装置の構成部材が熱膨張・収縮し、探針１０３と試料ステージ１０２上の試料１０１間の相対位置（ＸＹＺ位置）が変化することによって生じる。
【０００７】
このため、例えば図２に示すＬ＆Ｓ（Ｌｉｎｅ  ａｎｄ  Ｓｐａｃｅ）パターン２０１を測定した場合、一般のラスタスキャンでは、Ｌ＆Ｓ測定像２０２に示すように探針の走査方向（Ｘ軸）と垂直な方向（Ｙ軸）、つまり測定時間が経過する方向（測定ラインが進む方向）に対しての位置ずれが顕著に観察される。
【０００８】
この際のドリフト量は、図１に示す各構成部材の熱膨張・収縮量の和となるため式（１）で表され、各構成部材の材質や大きさの他、配置方法によっても変化する。
Σ（Δｌｉ）＝Σ（ｌ０ｉ・αｉ・ΔＴ）・・・（１）
（Δｌｉ：熱膨張による各部材の伸び量，ｌ０ｉ：各部材の初期長さ，αｉ：各部材の熱膨張係数、ΔＴ：温度変化）
【０００９】
従来のドリフト解消の方法では、探針と試料間の位置関係を測定している場所と実際の測定用探針の位置が異なっているため、それぞれの位置で生じるドリフト量に誤差が発生するとともに、探針と試料間を測定する別のセンサ、もしくは探針が必要となるため、センサ、機構部、制御回路が増えることになり、装置の製造コストが高くなるといった問題も生じる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、測定用の探針を用いて探針と試料間の位置ずれ量を特定し、補正する方法を提供する。
本発明の走査プローブ顕微鏡は、探針で試料表面を走査し、探針と試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料特性を測定する走査プローブ顕微鏡であって、前記試料特性を測定中のあるタイミングで、予め選択されたリファレンスパターン領域を適宜測定するリファレンスパターン測定部と、リファレンスパターン測定像から前記探針と前記試料間の位置ずれ量を特定する位置ずれ量特定部とを有し、前記探針の位置ずれ補正、もしくは前記試料特性の測定像の位置ずれ補正、もしくは前記探針及び前記試料特性の測定像の位置ずれ補正のいずれかを実施することを特徴とする。
具体的には、図３に示すように、走査プローブ顕微鏡を用いて試料特性の測定領域３０２を測定中のあるタイミングで予め選択されたリファレンスパターン領域３０１に移動して測定を行い、リファレンスパターン測定像から適宜ＸＹＺ軸方向の位置ずれ量を特定して探針の位置ずれ補正を行う。さらに、特定した位置ずれ量と測定チャンバー内の温度データを用いることによって、試料特性像の歪み補正を行う。これによって、上記で述べたドリフト量の測定誤差を解消し、装置の製造コストも低く抑えることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ドリフトによる試料測定像の歪み量を除去することが可能となり、半導体製造におけるＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）後の平坦性評価やエッチング後のラインエッジラフネス評価、もしくは、ストレージ分野におけるパターンドメディア製造におけるパターン形状評価やパターン配列評価等に寄与する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１３】
本測定を行う装置の構成を図４に示す。装置は、測定試料４０１を載せ移動が可能な粗動ステージ４０２、試料上を走査する探針４０３、探針をＸＹＺ方向に駆動する探針駆動部４０４、探針４０３を支持するカンチレバーのたわみ、ねじれの検出を行うたわみ・ねじれ検出部４０５、ＸＹＺ各軸の駆動変位を検出する駆動変位検出部４０６、検出した各センサ信号をサンプリングするサンプリング回路４０７、探針駆動部４０４に指令を出す探針制御部４０８、粗動ステージ４０２および測定シーケンス等の制御を行う全体制御部４０９、データの記録を行うデータ記憶部４１０、演算処理等を行う演算処理部４１１、演算処理部での処理結果の表示を行う結果表示部４１２、測定チャンバー内の温度を測定するための温度センサ４１３から構成される。
【００１４】
探針駆動部４０４は通常、印加電圧によって変形量が制御できる圧電素子を用いて構成されるが、ボイスコイルモータなど他の駆動素子を用いることもある。また、たわみ・ねじれ検出部４０５は一般にレーザと４分割受光素子から構成される光てこ検出が用いられる。光てこ検出では、探針４０３を支持するカンチレバーのたわみとねじれ量を受光素子上のレーザスポット位置の変化として検出することができる。ＸＹＺ方向の探針駆動部４０４については探針側に構成した例を示したが、粗動ステージ４０２のかわりに、試料側にＸＹＺ方向の駆動部を構成しても本発明を実施する上での問題はない。
【００１５】
測定の際は、探針４０３を試料表面に近接もしくは接触させ、粗動ステージ４０２もしくは探針駆動部４０４によって探針と試料の相対位置を走査しながら、その際に生じる原子間力等の物理的な相互作用をたわみ・ねじれ検出部４０５のセンサによって測定する。各センサからの出力信号はサンプリング回路４０７によって一定のタイミングでサンプリングされ、たわみ・ねじれ検出部４０５及び駆動変位検出部４０６の出力に基づいて探針制御部４０８が探針駆動部４０４に駆動信号を出力して、探針位置を制御する。また、探針が各測定位置に到達した場合、各センサ信号は、データ記憶部４１０に記録され、演算処理部４１１での処理を経て結果表示部４１２において数値もしくは画像表示される。
【００１６】
次に本発明を実施する際の測定手順について詳細に説明する。上でも述べたとおり、本発明では試料特性を測定中のあるタイミングで予め選択されたリファレンスパターン領域の測定を行い、リファレンスパターン測定像から適宜ＸＹＺの位置ずれ量を特定して探針の位置ずれ補正を行う。さらに、特定した位置ずれ量と測定チャンバー内の温度データを用いることによって、試料特性像の歪み補正を行う。
【００１７】
最初に位置ずれ量を特定するためのリファレンスパターンを選択する。リファレンスパターン領域３０１は、測定領域３０２内から探針が移動可能な範囲内に存在し、図５に示すように直線状で互いに交差するエッジ部を有している数百ｎｍ〜数μｍのパターン領域を選択できる。リファレンスパターンとしては、周辺部との高さが異なる凹凸パターンの他、凹凸はないが周辺部と材質が異なる領域で構成されるパターンでもよい。前者の場合は試料の表面形状を表す形状像でパターンの認識が可能であり、後者の場合はスキャン時に生じる探針の捩れ量が試料の表面材質によって異なるため、摩擦像（スキャン時の探針の捩れ量を表す）を用いて、パターンを認識することができる。リファレンスパターン選択の方法としては、光学顕微鏡もしくは走査プローブ顕微鏡等による観察像をもとにユーザがマニュアルで行っても良いし、設計データをもとに検索ツール等を用いて自動で行ってもよい。
【００１８】
上記処理によってリファレンスパターンを選択した後、試料特性の測定前のリファレンスパターン領域５０１を走査プローブ顕微鏡で予備測定し、測定像からそれぞれのエッジ５０２、５０３のＸＹ軸に対する角度５０４、５０５、およびエッジ交差位置５０６のＸＹ座標を求める。さらに算出したエッジ交差位置５０６のＸＹ座標を基準として、リファレンスパターン上の任意位置をリファレンス点５０７に決定し、リファレンス点５０７の座標（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）を記録する。
【００１９】
上記リファレンスパターンの予備測定後、試料特性の測定を開始する。試料特性の測定中には予備測定で決定したリファレンス点５０７の測定を適宜行い、ドリフトによる各軸の位置ずれ量の特定を行う。また、各測定点における試料特性と併せて、測定チャンバー内の温度の測定も行う。
【００２０】
以下でリファレンス点５０７の測定によって各軸の位置ずれ量を特定する方法について図６を用いて説明する。図６に示すように、リファレンスパターンの各エッジの方向に対してスキャンを行い、各エッジ上の位置の特定を行う。スキャン位置は、全方向のドリフトに対して各エッジを捉える確率が高くなるように、リファレンスパターン初期位置の中央点６０１を通過するスキャン（６０２、６０３）を行い、各エッジ方向の走査方向がエッジと交差する各エッジ上の任意点（６０４，６０５）を特定する。
【００２１】
ただし、各エッジ上の任意点を特定するスキャン方法は上記のスキャン方法に限定されるものではなく、他のスキャン方法を用いて特定してもよい。リファレンスパターンにおける各エッジ上の任意位置６０４、６０５が特定されると、予備測定で特定した角度５０４、角度５０５から、位置ずれ後のエッジ交差位置６０６の座標を算出することができる。
【００２２】
ここでエッジ交差位置６０６とリファレンス点の位置関係は予備測定によって既知であるため、算出したエッジ交差位置から位置ずれ後のリファレンス点６０７を特定し、リファレンス点における高さ（Ｚ）の測定を行う。これにより、位置ずれ前のリファレンス点５０７の座標（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）、および位置ずれ後のリファレンス点６０７の座標（Ｘ０＋ΔＸ、Ｙ０＋ΔＹ、Ｚ０＋ΔＺ）から、ドリフトによる位置ずれ量（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）を算出することができ、位置ずれ量をキャンセルするように探針の指令位置（ＶＸ、ＶＹ、ＶＺ）を（ＶＸ−ΔＸ、ＶＹ−ΔＹ、ＶＺ−ΔＺ）に補正する。これによって、ドリフトの位置ずれで、評価パターンが測定領域から大きく外れてしまうことを防ぐことができる。
【００２３】
ただし、上記で述べた探針位置ずれの補正のみでは、各リファレンスパターン測定間（ｉ回目のリファレンスパターン測定から、ｉ＋１回目のリファレンスパターン測定を行うまでの間）に取得した試料測定像に歪みが生じているため、この歪みを補正する方法について図７を用いて説明する。式（１）で示したとおり、ドリフト量は測定チャンバー内の温度変化に比例するため、試料測定と同じタイミングで取得した測定チャンバー内の温度データを用いて補正を行う。
【００２４】
まず、ｉ回目のリファレンス測定と、ｉ＋１回目のリファレンスパターン測定で特定された探針の位置ずれ量の差（ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ）、およびｉ回目のリファレンスパターン測定時（７０１）と、ｉ＋１回目のリファレンスパターン測定時（７０２）における測定チャンバー内の温度差ΔＴｉ（図７参照）から、式（２）を用いることによって、各リファレンス測定間における単位温度あたりの探針の位置ズレ量（ｄＸ、ｄＹ、ｄＺ）を算出することができる。
ｄＸ＝ΔＸ／ΔＴ，  ｄＹ＝ΔＹ／ΔＴ，  ｄＺ＝ΔＺ／ΔＴ・・・（２）
更に、ｉ回目のリファレンスパターン測定時の測定チャンバー内温度データＴｉ、およびｋ番目の試料測定像Ｐｋ＝（Ｘｋ，Ｙｋ，Ｄｋ）の取得時（７０３）の温度データＴｋを用いることによって、式（３）から各画素の補正量（ΔＣＸｋ、ΔＣＹｋ、ΔＣＺｋ）を決定することができる。
ΔＣＸｋ＝（Ｔｋ−Ｔｉ）ｄＸ，ΔＣＹｋ＝（Ｔｋ−Ｔｉ）ｄＹ，
ΔＣＺｋ＝（Ｔｋ  −  Ｔｉ）ｄＺ                                ・・・（３）
【００２５】
ここで、試料特性像が表面形状像であった場合、（ΔＣＸｋ，ΔＣＹｋ，ΔＣＺｋ）を（Ｘｋ，Ｙｋ，Ｄｋ）にそれぞれ加算することによって、ドリフトによるＸＹ平面と高さ方向の歪みを補正することができる。また、試料特性像が表面形状像以外の物理量、例えば摩擦特性、弾性特性、吸着力、電磁気特性、光学特性でも本発明は適用可能であり、この場合は式（３）で求めた（ΔＣＸｋ，ΔＣＹｋ）を（Ｘｋ，Ｙｋ，）に加算することによって、ＸＹ平面内の測定歪みを補正することができる。
【００２６】
リファレンスパターンの測定を行うタイミングとしては、ドリフトによる探針の位置ずれがリファレンスパターン領域５０１よりも小さくなるように、予め定められた一定ライン毎にリファレンスパターン領域の測定を行うように、一定の測定ライン周期を設定する。尚、一ラインあたりのドリフト量は、温度変化の振幅・周期、さらに１ライン測定時間（測定範囲、測定点数、走査速度等から算出）から見積もることが可能である。
【００２７】
もしくは、図７に示すように、測定チャンバー内の温度変化（ΔＴ）が予め決められた閾値（ΔＴｔｈ）を超える（７０４）か、温度変化の方向（温度の上昇と下降）が変わる（７０５）場合に、その測定ラインの終了後、リファレンス測定を行う。この場合も、上記と同様に、ドリフトによる探針の位置ずれがリファレンスパターン領域よりも小さくなるように、温度変化の閾値を設定する。その他、１ラインあたりの測定時間が短く、１ライン測定間のドリフト量が非常に少ない場合は、リファレンスパターンの測定を１ライン毎に行い、各ラインで探針の位置ずれ補正のみを行うことによって、歪みのほとんどない測定像を取得することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、半導体製造におけるＣＭＰ後の平坦性評価やエッチング後のラインエッジラフネス評価、もしくは、ストレージ分野におけるパターンドメディア製造におけるパターン配列評価やパターン形状評価等に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は走査プローブ顕微鏡の装置構成部材の熱膨張・収縮と温度センサの取り付け範囲を示す説明図である。
【図２】図２はドリフトによる試料測定像の歪みを示す説明図である。
【図３】図３は試料特性とリファレンスパターン測定時の探針移動経路を示す説明図である。
【図４】図４は本発明を実施するための走査プローブ顕微鏡の装置構成を示す説明図である。
【図５】図５は本発明におけるリファレンスパターンについて示す説明図である。
【図６】図６は本発明におけるリファレンスパターンの測定方法について示す説明図である。
【図７】図７は本発明における測定チャンバー内の温度変化とリファレンスパターンの測定タイミングを示す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０１    試料
１０２    試料ステージ
１０３    探針
２０１    Ｌ＆Ｓパターン
２０２    Ｌ＆Ｓ測定像
３０１    リファレンスパターン領域
３０２    測定領域
４０１    試料
４０２    粗動ステージ
４０３    探針
４０４    探針駆動部
４０５    たわみ・ねじれ検出部
４０６    駆動変位検出部
４０７    サンプリング回路
４０８    探針制御部
４０９    全体制御部
４１０    データ記憶部
４１１    演算処理部
４１２    結果表示部
４１３    温度センサ
５０１    リファレンスパターン領域
５０２    エッジ
５０３    エッジ
５０４    エッジのＸ軸に対する角度
５０５    エッジのＹ軸に対する角度
５０６    エッジ交差位置
５０７    リファレンス点
６０１    リファレンスパターン初期位置の中央点
６０２    中央点を通過するスキャン
６０３    中央点を通過するスキャン
６０４    スキャンとエッジの交差点
６０５    スキャンとエッジの交差点
６０６    エッジ交差位置
６０７    リファレンス点
７０１    ｉ回目のリファレンス測定のタイミング
７０２    ｉ＋１回目のリファレンス測定のタイミング
７０３    ｋ番目の試料測定像Ｐｋの取得タイミング
７０４    温度変化が予め決められた閾値を超えたタイミング
７０５    温度変化の方向が変わったタイミング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010038856.tif 000009