(57)【要約】【課題】  簡単な作業を行うことで探針の先端形状を評価でき、定量的な評価を正確に行うことができる走査型プローブ顕微鏡およびその探針評価方法を提供する。【解決手段】  この走査型プローブ顕微鏡の探針評価方法は、内側寸法がそれぞれ異なる複数の溝Ｗ１〜Ｗ５が並ぶように形成された探針評価領域を備える基準試料１１について探針で複数の溝を順次に測定する測定ステップＳ１２と、測定ステップで得られた深さ測定データ（測定プロファイル１３）を、探針評価領域に係る既知の深さデータＤ０と比較する比較ステップＳ１４と、比較ステップによる比較結果に基づき測定に使用した探針に係る測定使用可能条件を判定する判定ステップＳ１５とから構成される。【選択図】      図３
2006308313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側寸法がそれぞれ異なる複数の開口部が並ぶように形成された探針評価領域を備える基準試料について探針で前記複数の開口部を順次に測定する測定ステップと、
前記測定ステップで得られた深さ測定データを、前記探針評価領域に係る既知の深さデータと比較する比較ステップと、
前記比較ステップによる比較結果に基づき測定に使用した前記探針に係る測定使用可能条件を判定する判定ステップと、
から成ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の探針評価方法。
【請求項２】
前記基準試料における前記複数の開口部は、内側寸法が異なる開口部のそれぞれで、同一の内側寸法の開口部が複数並んで形成されていることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡の探針評価方法。
【請求項３】
前記基準試料において前記複数の開口部から成る探針評価領域は探針の種類ごとに設けられることを特徴とする請求項１または２記載の走査型プローブ顕微鏡の探針評価方法。
【請求項４】
探針による試料表面の走査で前記試料表面を測定する走査型プローブ顕微鏡において、  測定対象の試料として、内側寸法がそれぞれ異なる複数の開口部が並ぶように形成された探針評価領域を備える基準試料を用意し、
前記探針で前記基準試料の前記複数の開口部を順次に測定する測定手段と、
前記測定手段で得られた深さ測定データを、前記探針評価領域に係る既知の深さデータと比較する比較手段と、
前記比較手段による比較結果に基づき測定に使用した前記探針に係る測定使用可能条件を判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【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およびその探針評価方法に関し、特に、探針の長さと太さを評価することが可能な走査型プローブ顕微鏡およびその探針評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡による従来の探針評価方法としては特許文献１または特許文献２に開示される方法または装置がある。
【０００３】
特許文献１に開示される探針の評価方法は、２以上の突起（同一凹凸パターンの繰返し）を備えた標準試料を複数用意し、これらの標準試料を用いて走査型プローブ顕微鏡で測定を行い、当該測定に使用した被検査探針の先端形状を推定する方法である。複数の標準試料の間において突起の凹凸パターン（半径Ｒ、高さＨ、ピッチＰ等のパラメータ）は異ならせている。この探針評価方法では、最初に適切に選択した標準試料を用いて、これを被検査探針で走査してその凹凸像（実像）を求める。次に探針の先端形状を適宜なパラメータを用いて関数で表現する。当該関数で表現された探針を用いてシミュレーションにより上記標準試料を走査してその凹凸像（シミュレーション像）を求める。次にこのシミュレーション像と上記実像とを比較して、その差が小さくなるように探針を表現する上記関数のパラメータを決定する。その後、再び上記のシミュレーション像の作成ステップと関数パラメータの決定ステップと繰り返し、最終的に被検査探針の先端形状を推定する。
【０００４】
特許文献２に開示される走査型プローブ顕微鏡によれば探針の摩耗状態を定量的に検知することができる。この走査型プローブ顕微鏡は、探針の使用履歴（総移動量）に基づいて探針の摩耗状態を定量的に検知し、かつその検知結果を表示するように構成されている。探針の使用履歴を利用するので、探針ユニットを装置に装着したままで探針の摩耗状態を正確に評価することができる。
【特許文献１】特開平６−１１７８４４号公報
【特許文献２】特開２００３−３１５２４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示される走査型プローブ顕微鏡の探針先端の評価方法では、凹凸パターンのパラメータが異なる複数の標準試料を用意する必要があり、さらに、或る標準試料を用いて凹凸画像を取得してその結果から探針の形状をシミュレートし、評価に最適な標準試料に交換して再度画像を取得するという手順を繰り返す必要がある。従って、手順が複雑であるという問題を有する。
【０００６】
特許文献２による走査型プローブ顕微鏡では、装置に装着された探針ユニットの探針がどの程度使用されたかを判定するのみである。実際の探針の先端形状や摩耗状態は、測定した試料の表面の材質、形状、測定条件等で異なるので、定量的な評価はできないという問題点を有している。
【０００７】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、簡単な作業を行うことで探針の先端形状を評価でき、定量的な評価を正確に行うことができる走査型プローブ顕微鏡およびその探針評価方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡およびその探針評価方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。
【０００９】
第１の本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針評価方法（請求項１に対応）は、内側寸法がそれぞれ異なる複数の開口部が並ぶように形成された探針評価領域を備える基準試料について探針で複数の開口部を順次に測定する測定ステップと、測定ステップで得られた深さ測定データを、探針評価領域に係る既知の深さデータと比較する比較ステップと、比較ステップによる比較結果に基づき測定に使用した探針に係る測定使用可能条件を判定する判定ステップとから成る方法である。
【００１０】
上記の走査型プローブ顕微鏡の探針評価方法では、例えば溝幅の異なる複数の溝を並ぶように形成された基準試料を用いて、被検査対象の探針で複数の溝を順次に測定することにより測定プロファイルを得て、この測定プロファイルの深さと既知の溝の深さを比較することにより探針の太さを推定する。探針の太さを推定することにより当該探針で測定に使用できる条件が判定される。
【００１１】
第２の本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針評価方法（請求項２に対応）は、上記の方法において、好ましくは、基準試料における複数の開口部は、内側寸法が異なる開口部のそれぞれで、同一の内側寸法の開口部が複数並んで形成されていることを特徴とする。同じ内側寸法の溝状の開口部を領域として複数形成し、さらに当該領域を異なる内側寸法ごとに複数設けることも可能である。
【００１２】
第３の本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の探針評価方法（請求項３に対応）は、上記の方法において、好ましくは、基準試料において複数の開口部から成る探針評価領域は探針の種類ごとに設けられることを特徴とする。この構成によれば、１つの基準試料で複数の異なる種類の探針の太さを測定することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（請求項４に対応）は、探針による試料表面の走査で試料表面を測定する走査型プローブ顕微鏡であり、測定対象の試料として、内側寸法がそれぞれ異なる複数の開口部が並ぶように形成された探針評価領域を備える基準試料を用意し、探針で基準試料の複数の開口部を順次に測定する測定部と、この測定部で得られた深さ測定データを、探針評価領域に係る既知の深さデータと比較する比較部と、比較部による比較結果に基づき測定に使用した探針に係る測定使用可能条件を判定する判定部とを備えるように構成されている。
【００１４】
上記の走査型プローブ顕微鏡によれば、溝幅の異なる複数の溝を並ぶように形成された基準試料を利用することにより、その測定プロファイルに基づき、当該測定プロファイルの深さと既知の溝の深さを比較することにより探針の太さを推定し、当該探針に係る測定使用条件を判定するという機能を持たせることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、溝幅等の異なる複数の溝等を並ぶように形成された基準試料を用意し、当該基準試料を被検査対象の探針で測定し、その測定プロファイルに基づき探針の太さを推定することができるようにしたため、簡単な作業で行うことで探針の先端形状を評価でき、定量的な評価を正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の基本的な構成を概説する。通常、表面に集積回路等が形成された半導体基板等の試料が試料ステージに載置され、この試料の表面に接近させて探針が配置される。探針はカンチレバーの先端に形成され、極めて微細な形状を有する針部材である。測定の際、探針は試料に対して原子間力が発生するような距離にて接近される。また試料表面の特定領域を測定する時、探針を試料表面を走査するように移動させる。試料表面に対する探針の相対的な走査移動は試料側の粗動機構と探針側の微動機構によって行われる。上記試料ステージは粗動機構として機能する。微動機構は、探針を、試料表面に平行な方向、および試料表面に対して略直角な方向に移動させる。微動機構は例えば圧電素子を利用して構成される。
【００１８】
原子間力顕微鏡では、探針が試料の表面に接近したときに探針・試料間に生じる原子間力を利用して試料表面の凹凸形状を測定する機能を有する。探針・試料間の原子間力は、探針が試料表面を走査する時に一定に保持されるように制御される。この制御を行うために探針を備えたカンチレバーの撓みと捩れを検出するための例えば光てこ式光学検出装置が設けられる。この光てこ式光学検出装置によって検出されたカンチレバーの変位・変形検出情報は制御部に入力され、そこで基準値と比較される。検出されたデータが基準値と一致するように制御信号が生成され、当該制御信号は上記探針（カンチレバー）の位置を決める上記微動機構にフィードバックされ、カンチレバーの変位・変形状態が基準値に一致にするように制御が行われる。
【００１９】
上記の状態に保持するように、探針を試料の表面に沿って移動させ、その時の試料表面に対する探針の位置変化に係る情報を得ることにより、試料表面の原子レベルの凹凸形状を測定することが可能となる。
【００２０】
試料の表面の凹凸形状を高い精度で測定するためには探針の先端の先鋭度や太さが重要な要素である。そこで、探針の先端の先鋭度（または摩耗度）および探針自体の太さの状態を正確に評価する方法を図を参照して以下に説明する。
【００２１】
図１〜図３を参照して本発明に係る探針評価方法の第１実施形態を説明する。図１は基準試料１１の表面に形成された複数の溝Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５を被検査対象の探針１２が順次に測定する状態が示されている。図２は、図１の測定で得られた溝Ａ１〜Ａ５の測定プロファイル１３が示される。図３は探針評価方法を実施するフローチャートを示す。
【００２２】
この探針評価方法では、原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡において、基準試料１１が用意される（ステップＳ１１）。この基準試料１１は、その表面に複数の溝Ａ１〜Ａ５が並ぶように形成されている。これらの複数の溝Ａ１〜Ａ５は探針評価領域を形成する。基準試料１１の表面に形成された複数の溝Ａ１〜Ａ５に関して、溝Ａ１〜Ａ５の幅（内側寸法）Ｗ１〜Ｗ５は互いに異なる既知の値であり、さらに溝の深さＤ０は同じであって既知の値である。異なる幅Ｗ１〜Ｗ５はＷ１からＷ５に至るに従って次第に少しずつ大きくなるように設定されている。従って図１に示されるように、溝Ａ１〜Ａ５のそれぞれのアスペクト比（ＡＲ）は１０，５，１０／３，２．５，２となっている。なお説明の便宜上から５種類の幅を順に並べた基準試料１１の例を示しているが、溝の数や幅は必要に応じて準備され、図１に示されたものに限定されない。
【００２３】
被検査対象である探針１２はその先端先鋭度や太さは未知である。本実施形態では基準試料１１を用いて当該探針１２の評価を行う。試料ステージ上に載置された基準試料１１に対して探針１２は矢印１４の方向へ走査移動しながら、原子間力顕微鏡の測定原理に基づいて溝Ａ１〜Ａ５を順次に測定していく（ステップＳ１２）。
【００２４】
上記の基準試料１１の測定の結果、図２に示される測定結果すなわち測定プロファイル１３が得られる（ステップＳ１３）。図２に示された測定プロファイル１３によれば、溝Ａ１，Ａ２に対しては探針１２が溝の底部に到達することができない。このため、溝Ａ１，Ａ２の測定深さＤ１，Ｄ２としては本来の既知の溝深さＤ０よりも小さいな値が計測される。また溝Ａ３よりも幅が広い溝については、探針１２が溝の底部に到達することができ、測定深さとして既知の溝深さＤ０に一致した値が計測される。
【００２５】
以上の測定結果および測定特性に基づいて探針評価が行われる。探針評価は比較ステップＳ１４と判定ステップＳ１５によって実行される。探針評価のステップＳ１４，Ｓ１５では、探針１２は溝Ａ３よりも幅が広い溝を有する試料の深さ計測には利用することができるが、溝Ａ２よりも幅の狭い溝を有する試料の深さ計測には利用することができないという比較と判定に基づいて探針評価が行われる。
【００２６】
また探針１２の定量的な寸法として、探針先端から溝深さＤ０に等しい長さの位置における探針の太さがＷ２より大きいが、Ｗ３よりは小さいということ、あるいは、アスペクト比は１０／３＝０．３３よりは大きいが、５よりは小さいということが特定できる。以上の探針１２の寸法に関する定量的事項も上記の探針評価のステップＳ１４，Ｓ１５で行うこともできる。
【００２７】
上記の基準試料１１に関して、溝Ｗ１〜Ｗ５の幅の変化のさせ方および溝の深さＤ０は、被検査対象である探針すなわち評価目的に応じて任意に決められる。溝の幅と深さに関しては、例えば半導体プロセスの評価に用いる探針であれば、μｍオーダからｎｍオーダであり、そのオーダの溝形状は通常の半導体製造に用いるプロセスを利用して作製される。また、溝そのものの校正は、別途に形状を特定された探針（例えばＳＥＭ写真を用いる等による形状特定）で溝を測定して逆算してもよく、あるいは、溝そのものの断面をＴＥＭやＳＥＭ等で測定してもよい。
【００２８】
図４は、本発明に係る探針評価方法の第２実施形態を説明するための図である。図４の（Ａ）は上記図１と同様な図であり、図４の（Ｂ）は上記図２と同様な図である。第２実施形態の場合には、用意される基準試料２１の表面に形成される溝Ｗ１〜Ｗ５のそれぞれについて、複数の溝から成る領域Ｒ１，Ｒ２，…が形成される。この結果、複数の溝Ｗ１から成る領域Ｒ１、複数の溝Ｗ２，Ｗ３から成る領域Ｒ２，Ｒ３等が形成される。
【００２９】
上記のような形状を有する基準試料２１を用いることにより、溝Ｗ１〜Ｗ５のそれぞれでの位置合せが容易になり、測定プロファイル２２の取得を確実にし、探針評価の手順を簡単にすることができる。すなわち、或る探針が幅Ｗ２の溝Ａ２に対して使用可能であるか否かを判定するためには、基準試料２１における溝Ａ２の領域Ｒ２に探針を位置合せして走査・測定を行うことにより容易に判定することができる。各溝に係る領域における繰返し数、すなわち領域の幅に関しては使いやすいように任意に作製することができる。
【００３０】
図５は、本発明に係る探針評価方法の第３実施形態を説明するための図である。図５は上記の図１と同様な図である。この探針評価方法で使用される基準試料３１では、表面に作られる溝Ｗ１１〜Ｗ１５の溝幅の変化の度合いをより細かくしている。このような基準試料３１を用いることにより、より高い精度で探針の太さを評価することができる。
【００３１】
図６は、本発明に係る探針評価方法の第４実施形態を説明するための図である。図６は上記の図１と同様な図である。原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡では、評価したい対象に応じて使用する探針の種類を変えるのが一般的な使い方である。そこで、この探針評価方法で使用される基準試料４１は、異なる太さを有する探針を評価することができるように、各探針１２Ａ，１２Ｂに適した溝幅を持った複数の探針評価領域Ｒ１１，Ｒ１２が形成されている。
【００３２】
また他の変形実施形態として、評価した探針の長さが異なる場合には溝の深さを順次に変化させた基準試料を用意すればよい。この場合、同一の半導体基板チップ内に異なる深さの溝を精度よく作製するのは一般的には面倒なプロセスが必要であるので、通常は、溝の深さが異なる複数のチップを用意すればよい。また溝形状は３つの要素があり、これらは入口幅（径）と壁と深さである。上記の説明は入口幅（径）と深さについてであったが、探針が垂直でない場合には、壁の要素を含めて測定プロファイルが決定される。この場合でも、基準試料を測定して探針の形状を推定し、簡易に測定限界を判定する本発明の変形であることは言うまでもない。
【００３３】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【００３４】
例えば上記実施形態では溝の例で説明したが、これに限定されない。内側寸法が既知の開口部であればよい。また溝以外の穴を用いれば、探針の３次元的な寸法を評価することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡で使用される探針の先端先鋭度や太さの評価に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る基準試料の表面に形成された複数の溝を被検査対象の探針が順次に測定する状態を示す図である。
【図２】第１実施形態の測定で得られた複数の溝の測定プロファイルを示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る探針評価方法のプロセスを示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態に係る基準試料の表面に形成された複数の溝を被検査対象の探針が順次に測定する状態（Ａ）と測定プロファイル（Ｂ）を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る基準試料の表面に形成された複数の溝を被検査対象の探針が順次に測定する状態を示す図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る基準試料の表面に形成された複数の溝を被検査対象の探針が順次に測定する状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１，２１，３１，４１  基準試料
１２                    探針
１３                    測定プロファイル
Ｗ１〜Ｗ５              溝
【図１】
2006308313.tif 000003
【図２】
2006308313.tif 000004
【図３】
2006308313.tif 000005
【図４】
2006308313.tif 000006
【図５】
2006308313.tif 000007
【図６】
2006308313.tif 000008