(57)【要約】【課題】高スループットで試料にダメージを与えずに、試料の正確な立体形状情報を計測でき、垂直な側壁やオーバーハングを含む試料の正確な立体形状情報を計測できる走査プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】探針を測定点のみで接触させて次の測定点に向かうときには探針をいったん引き上げて退避させてから次の測定点に移動してから、探針を接近させることによって試料にダメージを与えずに正確な立体形状を用いる方法において、高周波・微小振幅カンチレバー励振と振動検出を行い、さらに、急傾斜部での接触力検知感度を上げるために、横方向励振あるいは、縦横２方向励振をおこなう。探針を測定対象の傾斜に合わせて傾斜させる手段と、探針と試料の接触状態を検知する光のカンチレバーでの反射後の向きが、探針の傾きによって大きく変わることを吸収または調整できる構造をもつ。【選択図】図１
2006329973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を搭置した試料台と探針との相互の位置関係を制御する駆動機構と、前記探針の変形状態を計測するセンサとを備え、試料の立体表面形状を含む前記試料の表面分布を計測する走査プローブ顕微鏡において、
前記探針を微小振幅で高周波振動させる振動手段と、微小振幅で高周波振動させた前記探針と前記試料との接触状態を検知する検出手段とを備え、前記駆動機構により前記探針を前記試料の表面から引き離して次の測定点近傍に移動させた後、前記検出手段が前記試料表面に対して一定の接触状態を検知するまで、前記駆動機構により前記探針を前記試料に接近させる動作を連続させ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に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記探針と前記試料表面との接触状態を前記探針の振動信号を検出して解析することによって、前記探針の引き上げ量を最小限に制御する制御手段を備え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に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記振動手段は前記探針を前記試料台の表面に対して略垂直及び略水平の方向に振動す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に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記振動手段は、前記探針に照射する光の強度変調によって前記探針の振動を励起す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に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記検出手段は、前記探針の振動を前記探針に照射したレーザ光の干渉を用いて検出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記検出手段は、前記探針の振動が前記探針に照射した光の反射角度の変化を用いて前記探針の振動を検出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡において、
半導体回路素子を含む規則的な配線パターンに対して、前記パターンの段差の上部と下部を認識し、前記段差の上部を前記探針が走査しているとき前記探針の引き上げ量を前記探針が前記パターン表面からの吸着離脱に必要な最小距離にとどめ、前記段差の下部を前記探針が走査しているとき前記段差の側面に前記探針が接触しない距離にとどめる制御手段を備えていることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項８】
請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記探針が前記試料の段差側面に接近あるいは接触したことを検知して前記探針の引き上げ量を増加させる、または前記探針を更に引き上げるように前記探針を制御する制御手段を備えていることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項９】
請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記探針が前記試料の表面に接触する角度を前記試料表面の傾きに応じて変更する手段を備えていることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
試料を搭置した試料台と探針との相互の位置関係を制御する駆動機構と、前記探針の変形状態を計測するセンサとを備え、試料の立体表面形状を計測する走査プローブ顕微鏡を用いた試料観察方法において、
微小振幅で高周波振動させた前記探針と前記試料との接触状態を高速・高精度に検出し、前記探針を前記試料の表面から引き離して次の測定点近傍に移動させた後、前記試料表面に対して一定の接触状態を検知するまで前記探針を前記試料に接近させる動作を連続させること特徴とする試料観察方法。
【請求項１１】
半導体回路素子を含む規則的な配線パターンに対して、前記パターンの段差の上部と下部を認識し、前記段差の上部を前記探針が走査しているとき前記探針の引き上げ量を前記探針が前記パターン表面からの吸着離脱に必要な最小距離にとどめ、前記段差の下部を前記探針が走査しているとき前記段差の側面に前記探針が接触しない距離にとどめて、半導体回路素子を含む規則的な配線パターンを、走査プローブ顕微鏡を用いて観察する工程を備えていることを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項１２】
試料を搭置した試料台と探針との相互の位置関係を制御する駆動機構と、前記探針の変形状態を光学的に検出るセンサを備え、試料の立体表面形状を含む前記試料の表面分布を計測する走査プローブ顕微鏡であって、探針を傾斜させる機構を有し、探針の傾きによる検出用光学系の光路のずれを吸収できる構造を持つことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１２に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記探針の傾きによる検出用光学系の光路のずれを吸収できる構造は集光角が探針の傾きよりも大きいレンズによることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１２に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記探針の傾きによる検出用光学系の光路のずれを吸収できる構造は集光角が探針の傾きの２倍よりも大きいレンズによることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１２に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記検出用光学系の光路のずれを吸収できる構造として、さらに、光量信号検出器が光路のずれに対して広い幅をもつこと特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１６】
請求項１２に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記検出用光学系の光路のずれを吸収できる構造として、さらに、光量信号検出器の前に集光レンズを用いて、光路のずれに対しても光量信号検出器に対して略同じ位置に検出光が集光されること特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１７】
請求項１２に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記検出用光学系の光路のずれを吸収できる構造として、カンチレバーに対して直接集光を行うレンズとそのほかの光学系の間の相対位置をずらすことによって吸収すること特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１８】
請求項１２に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記検出用光学系の光路のずれを吸収できる構造として、カンチレバーに対して直接集光を行うレンズと、このレンズに対して照明系から光を導き更に、このレンズからの検出光を検出光学系に導く光ファイバをもち、上記カンチレバーと、上記レンズと、上記光ファイバの端部を同時に傾けることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１９】
請求項１２に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記探針の変形状態を光学的に検出するセンサとして、カンチレバーに照射した光がカンチレバーの変形による反射光の方向の変化を検出することによるセンサを用いることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２０】
請求項１２に記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記探針の変形状態を光学的に検出するセンサとして、カンチレバーに照射したレーザ光のカンチレバーの変形による反射光の位相の変化を用い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、走査プローブ顕微鏡技術および、これを用いた試料観察方法とデバイス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細立体形状の計測技術として走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning  Probe  Microscope）が知られている。これは先端のとがった探針を制御しながら、接触力を非常に小さな値に保ちながら試料を走査する技術で、原子オーダの微細立体形状が計測できる技術として、広く用いられている。
【０００３】
一方、現在、ＬＳＩの微細パターン形成プロセスではＣＤ−ＳＥＭ（測長ＳＥＭ）を用いた寸法管理を行っているが、パターンの微細化に伴い、下記の限界がきている。（１）測定精度の問題。２００７年に主流になるとされる、６５ｎｍノードＬＳＩのゲート幅は２５ｎｍであり、許容ばらつきを１０％、測定精度をその２０％とすると、必要とされる測定精度は０．５ｎｍとなる。（２）プロファイル計測の要請。線幅の高精度制御のためにＡＰＣ（Advanced  Process  Control）化の必要性が高まっているが、このために、パターン線幅だけでなく、電気特性に大きく影響する断面形状の計測技術が必要とされている。（３）測定対象の問題。ＤＵＶ（深紫外光）用レジスト、ｌｏｗ−ｋ（低誘電率）膜材料等、電子線耐性の弱い材質に対する測定ニーズが増大している。
【０００４】
上記の問題及び要請に対しては、現状のＣＤ−ＳＥＭでは対応が難しい。このために、走査プローブ顕微鏡技術が有望と思われる。この場合に必要となるのが、アスペクト比の大きく、段差部の傾斜が９０度に近いパターンに対応した、走査プローブ顕微鏡技術である。
【０００５】
これに対して、特許文献１では、試料または探針を一定の振幅で振動させて探針を周期的に試料にぶつけながら走査し、軟脆試料および探針のダメージ軽減をはかる方法が開示されている。また、特許文献２では、飛び飛びの測定点のみで探針のサーボをかけて高さを測り、探針を引き上げた状態で次の測定点に向かう走査方法が開示されているが、この方法はさらに接触回数が小さく、軟脆試料および探針へのダメージが少ない。また、探針を引きずらないために段差部での形状を忠実に計測できるという利点がある。さらに、特許文献３には、両者の動作を組み合わせた方法も開示されている。
【特許文献１】特開平１１−３５２１３５号公報
【特許文献２】特開２００１−３３３７３号公報
【特許文献３】特開２００２−２０６９９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した方法を用いても、急傾斜部では若干の探針の滑りが生じ、測定された形状がひずむという問題があった。また、探針の滑りおよび探針の振動のために探針が摩耗するという問題があった。
【０００７】
言い換えれば、上記の特許文献に開示された技術ではアスペクト比の高い試料に対しては急傾斜部では若干の探針の滑りが生じ、測定された形状が歪んでしまい、正確な形状を計測することは困難であった。また、探針の滑りおよび振動のために探針が摩耗し、安定に精度よく形状を計測することが困難であった。
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、測定点ごとに探針の退避・接近を繰り返す測定方法を用いることによって試料にダメージを与えず、しかも高精度の形状計測を高速で行うことを目的とする。また、半導体試料のパターンを計測しプロセス条件にフィードバックすることで、安定で高精度なデバイスの製造を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の走査プローブ顕微鏡では、上記課題を解決するために、試料にダメージを与えない高精度計測をおこなえるよう、測定点ごとに探針の退避・接近を繰り返す測定方法をもちいるとともに、探針を原子オーダの振幅で高周波微小振動させることにより、接触を高速・高感度に検知し接触時の探針の滑りが無い測定を行うことを特徴とする。また、半導体試料のパターンを計測しプロセス条件にフィードバックすることで、安定で高精度なパターンを形成し、傾斜の急な試料段差部に対して、探針を傾斜させて走査を行うことによって段差部の正確な形状を計測し、オーバーハングした段差形状に対しても、正確な形状を計測することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高感度な近接センサを具備することによって、試料と探針の高速な接近を実現でき、計測のスループットを向上できるという効果を奏する。
【００１１】
また、プローブを間欠的に試料に接触させて探針を試料上で引きずらないようにして、軟脆材料や段差の急なパターンに対して高精度な計測を実現しながら、高速な試料のスキャンを実現でき、傾斜の急な試料段差部に対して、探針を傾斜させて走査を行うことによって段差部の正確な形状の計測を実現できるという効果を奏する。
【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、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明の実施例１の走査プローブ顕微鏡の構成図を示す。Ｘ、Ｙ、Ｚに駆動が可能な試料ステージ３０２上に試料５０１が載せられており、走査制御部２０１によって制御されている。探針１０３を取り付けた探針移動機構２５２はＸＹＺ走査駆動部２０３からの信号によってＸ、Ｙ、Ｚ方向に駆動され、これによって走査プローブ顕微鏡のプローブ走査を行う。
【００１４】
探針駆動部２０２からの信号により、探針１０３自身あるいは、探針の根元に配置された圧電素子などで構成されたアクチュエータに微小振動を生じることが出来る。あるいは、別の実施例として、探針駆動部２０２からの信号はＸＹＺ走査駆動部２０３からの信号に重畳されて、探針移動機構に微小振動を起こすことで取り付けられた探針１０３に振動を励起してもよい。あるいは後述のように、探針に直接振動励起光を照射することで微小振動を探針１０３に励起してもよい。
【００１５】
図１において、１０１は探針・試料観察レンズであり、上方からの試料・探針の観察、振動の測定、振動の励起、試料の高さ測定をこのレンズを通しておこなう。このレンズは探針の移動中つねに探針上にフォーカスを合せて追従するため、探針移動機構２５２によって探針と一体的に駆動されることが望ましい。
【００１６】
探針１０３と試料５０１との接近は、試料ステージ３０２のＺ方向への駆動制御あるいは、探針移動機構２５２に持たせたＺ方向粗動機能によってもよい。走査制御部２０１は、接触状態検出器２０５によって検知された探針１０３と試料５０１の接触状態をもちいて、探針１０３と試料５０１との接近を制御する。
【００１７】
近接センサ２０４は探針の先端付近の高さを高感度で計測するためのセンサであり、接触状態検出器からの情報に加えてこれを用いた場合は、探針の試料への接触を事前に検出して接近速度を制御することで、探針を試料にぶつけることなく高速な試料への接近を実現できる。近接センサ２０４には後述するように光を用いてもいいが、検出範囲が数十マイクロメートル以上あり、１マイクロメートル程度の感度で試料との距離を検出できるセンサであればほかのセンサを用いてもよい。
【００１８】
たとえば、図示しない試料５０１の直上に設けたセンサヘッドあるいは探針１０３と試料５０１との間に交流電圧をかけることによって、静電容量を測り、距離を検出する静電容量式センサや、図示しない試料５０１の直上に設けたセンサヘッドと試料５０１との間にセンサヘッドからの空気を流して圧力を検出するエアマイクロセンサを用いてもよい。
【００１９】
走査制御部２０１は、探針の接触状態検出器２０５、近接センサ２０４、探針ホルダ駆動部２０３、探針駆動部２０２試料ステージ３０２を制御して探針の近接、試料の走査等を実現する。このとき、試料の走査時の信号をＳＰＭ像形成装置２０８に送ることによって、試料の表面形状像を得る。また、信号印加装置２０７は探針を高周波数で加振して応答を接触状態検出器２０５で検出し表面の弾性などを計測したり、探針と試料の間に交流あるいは直流電圧をかけて電流を測定し、容量あるいは抵抗を計測したりする。
【００２０】
これを探針のスキャンと同時に行うことによってＳＰＭ像形成装置２０７に表面形状像のほかに、付加的性質の分布像を得ることが出来る。
【００２１】
装置全体の動作は全体制御装置２５０によって制御され、表示・入力装置２５１によって、操作者の指示を受けたり、光学像やＳＰＭ像を提示したりすることが出来る。
【００２２】
図１の接触状態検出器２０５で検出された光強度信号Ａ（ｔ）の交流成分はｃｏｓ２π（Δｆｔ＋２Ｚ／λ）となる。ここで、Ｚは探針１０３の振動による変位、λはレーザの波長、ｔは時間である。従って、この信号の位相を検出することによって探針１０３の変位を求めることが出来る。位相の検出には２周波光発生器７０１中の音響光学素子に与えた周波数Δｆの信号か、または、２周波光発生器７０１から発生する２本のビームの一部分を分岐して探針に当てないで直接干渉させることによって得られる周波数Δｆの信号を基準として用いて、Ａ（ｔ）と共に位相検出回路に入力すればよい。
【００２３】
あるいは、光強度信号Ａ（ｔ）自身とこれをΔｔだけ遅延させた信号Ａ（ｔ―Δｔ）の位相差を検出すれば、この位相差の変化成分は２（Ｚ（ｔ）−Ｚ（ｔ−Δｔ））／λとなるので、Δｔの間のＺの変化すなわち、Ｚの速度を検出できることとなる。
【００２４】
ここで、探針の振動の周波数をｇ、振幅をＢとすると、Ｚ（ｔ）＝Ｂｓｉｎ２πｇｔとあらわされる。すると、ΔＺ＝Ｚ（ｔ）−Ｚ（ｔ−Δｔ）＝（２πｇＢΔｔ）ｃｏｓ（２πｇｔ）となり、探針の振動周波数ｇを上げれば振動の検出感度が向上することとなるため、Ａ（ｔ）自身を遅延させた信号との位相差を検出することがより望ましい。
【００２５】
このようにして検出した探針１０３の振動は信号発生器２０７に与えられ、バンドパスフィルターで発振させたい周波数帯の信号を選択し、適当な位相差とゲインをあたえてから、探針駆動部２０２を介して探針１０３にフィードバックされ探針１０３を加振する。あるいは、振動励起用光源７０２に与えられ、探針１０３に照射される光強度を変調しこれによって探針１０３を直接加振する。位相差とゲインが適切に設定されると、探針が必要な振幅で振動を起こす。
【００２６】
図２は、探針の軌跡を示す図である。通常これまでに用いられてきた方式は探針と試料との接触を保ちながら、探針を横方向に移動させて、試料の表面をなぞる方式である。これでは、急斜面部では探針に横方向の力が掛かり、探針がねじれてしまったり、探針の振動が止まってしまって、探針の接触状態を正確に検出できなかったりという問題があった。
【００２７】
これに対して、本発明の実施例１では、図２に示すように探針を試料に向けて降下させていき、一定の接触状態になったところで探針の高さを記録し、探針を引き上げ、水平方向に探針を移動して次の測定点に移り、再度探針の降下を行う。これを繰り返して、試料の表面形状を測定する。このような方法を用いることにより、図３に示すような急斜面部でも、正確に試料の表面形状を計測することが可能となる。
【００２８】
しかし、たとえ、このような方法を用いても、探針に若干の滑りを生じわずかに表面形状がひずむという問題がある。また、これに対して、特許文献３に開示されているように探針の振動を組み合わせる方法もあるが、探針と試料の接触時に多数回の衝突が起こるために探針および試料の摩耗・ダメージが起こり、また、多数回の衝突が起こらないと探針の振動状態が変化しないために、探針・試料間の接触の検知の応答性が悪く高速な表面形状測定を行おうとすると、形状精度が悪化し、探針の摩耗も大きくなるという問題があった。
【００２９】
本発明では、探針を原子オーダの微小振幅で高速に微小振動させることで、探針の摩耗を減じ、接触検知の応答性と感度を向上させ、高速で正確な表面形状測定を実現する。
【００３０】
図４は、探針の接触状態検出の原理を示す図である。上の図のように横軸に探針先端と試料との距離、縦軸に原子間力を、斥力を正としてとると、距離が減少していくと少しずつ引力が増加して行くが、ある距離Ｒより近くなると引力が減少を始め、急激に斥力に転じて斥力が増大する。
【００３１】
図４の真ん中の図のように、縦軸を力勾配としてプロットしなおすと、力勾配はＲを境にこれより距離が近くなると急激に増加する。この力の場の中で探針を振動させると、探針を振動子としてみた場合のバネ定数が探針の振動方向の原子間力の勾配に応じて変化することとなり、図４の下段の図のように斥力増大領域ではバネ定数の増加により共振周波数が上がり、引力増大領域ではバネ定数の減少により共振周波数が下がることとなる。
【００３２】
図４のように共振周波数ｆｏと若干ずらしたｆ点で振動を励起しておくことで、探針が置かれた力勾配の大きさに応じて振動振幅が変化するように設定できる。これを利用して力勾配を検出することが出来る。
【００３３】
従来は探針を安定に振動させるため、および、探針の接触を十分な信号として検出するために、探針を引力領域から斥力領域に渡るような数ナノメートルから十数ナノメートルと言った大振幅で振動させていた、このために、振動の下端では急激に斥力が増大していた。
【００３４】
これに対して、本発明の実施例１では、振動の振幅を原子オーダの１ナノメートル以下に抑えることで、接触力を小さく抑える。振幅を小さくすると一般的には検出Ｓ／Ｎ比（信号対ノイズ比）が悪化するが、振動周波数を増加させることで信号を増強することが可能となる。すなわち、振動が振幅をＡ、周波数をｇとしてＡｓｉｎ２πｇｔで表されるとすると、変位速度はこれを微分して２πＡｇｃｏｓ２πｇｔとなり、変位速度の振幅は周波数に比例して大きくなるためである。変位速度は後述するように、レーザドップラー計測によって高感度で検出が可能である。
【００３５】
あるいは、別に後述する探針の撓みを探針に照射したレーザの反射角で検出する光てこ信号の微分によっても求められる。また、振幅のほかに、位相や周波数も接触状態によって変化するので、これを検出するようにしてもよい。あるいは、探針に歪ゲージなど探針の変形によって信号を発生するセンサを組み込んで、これによって探針の振動状態を検知することが可能となる。
【００３６】
もうひとつの問題は、接触検知の応答速度である。振動の鋭さを表すＱ値は振動周波数ｆと振動の振幅が半分となる幅ｗから、Ｑ＝ｆ／ｗとして表されるが、探針が接触を検知して振動状態が変化するのに、Ｑ回のオーダの振動を繰り返す必要がある。すなわち応答の時定数としてＴ＝Ｑ／ｆ程度要する。Ｑは一般に数１００のオーダで、ｆは、一般に１００〜３００ｋＨｚ程度であり、このため、Ｔ＝１ｍｓ前後を要する。また、バネ定数はｋ＝１０〜５０Ｎ／ｍ程度であり、高速に図２に示した探針の接近動作を行わせようとして、ｖ＝１０ｎｍ／ｍｓ程度の速度で探針を接近させた場合には、Ｔの間にｖＴ＝１０ｎｍ程度進んでしまうため、ｋｖＴ＝１００〜５００ｎＮ程度の接触力を発生してしまい、探針の滑りと探針と試料のダメージを生じる。
【００３７】
探針の滑りと探針と試料のダメージを生じないためには、少なくとも５ｎＮ以下、できれば、１ｎＮ以下の接触力に抑える必要がある。これを抑えるためには、Ｔを低くする必要がある。このためにカンチレバーや励振制御の工夫によってＱを抑えることは接触状態の検出感度を悪くするので、せいぜい２０前後までしか落とすことが出来ない。よって、探針の接近速度はｖ＝１ｎｍ／ｍｓ程度に落とさないと、１ｎＮ前後の接触力で接近接触動作を起こすことが出来ない。
【００３８】
退避・接近距離は試料と探針の間の表面張力などによる吸着力を脱する必要性と、試料の凹凸への対応のため１０ｎｍ程度は確保する必要があり、従って、探針の接近に要する時間が１０ｍｓ程度掛かることになり、探針の退避と横移動を高速化しても、退避・移動・接近のトータルで最短でも１０ｍｓ強の時間が掛かることとなり、計測速度を十分上げることが出来ない。
【００３９】
接触力を更に小さくするためには更に接近速度を下げる必要があり、測定時間の増大につながる。この問題を解決するために、本発明では振動の周波数をあげる。これにより応答の時定数Ｔ＝Ｑ／ｆが周波数に反比例して短くなるため、接触状態の変化を高速に検出できるようになることとなる。例えばｆを４００ｋＨｚ以上に上げれば、１００ｋＨｚの場合に比べて接触力を１／４に下げるか、計測速度を４倍に上げることが可能となる。
【００４０】
例えばｆを１ＭＨｚ以上に上げれば、１００ｋＨｚの場合に比べて接触力を１／１０に下げるか、計測速度を１０倍に上げることが可能となる。例えば、後者の場合は接近速度を１０ｎｍ／ｍｓの接近速度で、１ｎＮの接触力で計測が可能となり、退避距離を１０ｎｍとすると１点あたり１〜２ｍｓ程度の速度で計測が可能となる。さらにｆを１０ＭＨｚに上げれば接触力を同じ計測速度で０．１ｎＮまで接触力を下げることが可能となる。
【００４１】
高速・高精度化するための別の実施例として、接触状態を示す信号が設定閾値を横切った瞬間の探針の高さをサンプリングすることにより、同じ接近速度であっても更に接触力の小さい状態での測定点試料高さを計測することが可能となる。
この理由を以下に示す。探針を試料に向けて降下させていき、一定の接触状態になったところで探針の高さを記録する方法では、接触状態検知の遅れのために、探針が試料斜面部ですべって探針が変形した後の高さを計測してしまう場合がある。しかし、最終接触状態とは別の微小な接触状態閾値を設定し、この閾値を横切った瞬間にサンプリングすることによって、探針が試料斜面部ですべって探針が変形する前の正確な高さを計測することが可能となる。
【００４２】
３つめの問題は、微細パターンへの対応である。微細パターンの急峻な谷の形状を計測する場合には、探針を振動させながら安定に谷底まで移動させる必要がある。このときに振幅が大きいと両側に迫る側壁に捉えられて谷底まで探針をとどかせることが困難にある、半導体のパターンは２００７年に６５ｎｍで、その後３５ｎｍとさらに狭くなる。このため、探針の振動は１ｎｍのオーダにする必要がある。
【００４３】
探針の共振周波数を上げるためには、様々な方法が考えられる。一つ目は高調波の周波数に合わせて振動を励起する方法、二つ目は探針の曲げ振動ではなく、ねじり振動など別のモードの共振周波数に合わせて振動を励起する方法、３つめは探針の基本共振周波数を上げる方法である。３つめの方法については単純に探針のカンチレバー部の厚みを厚くすると共振周波数は上がるが、バネ定数も大きくなってしまう。カンチレバー部の形状を短冊状として、幅をｂ、厚みをｈ、長さをＬ、ヤング率をＥとすると、バネ定数ｋ＝Ｅｂｈ＾３／（４Ｌ＾３）となる。一方共振周波数はカンチレバーの密度をρとすると、ｆ＝０．５６（ｈ／Ｌ＾２）√（Ｅ／１２ρ）となる。
【００４４】
よって、たとえば、幅ｂを一定に保ちながら、長さＬと厚みｈを同じ割合で小さくするとバネ定数ｋを一定に保ったまま、共振周波数を長さＬに反比例して増加させることができる。これによって、接触状態検知感度と応答性を向上することが可能となる。
【００４５】
更に、図５に示すように、本方式を用いることにより、試料の帯電の影響をへらすことが可能である。帯電によって生じる静電力は原子間力の変化の仕方と比較すると遠距離からゆっくりと増えていく。そのため、斥力と距離の関係は大きくずれるが、静電力の変化は緩やかなので、力勾配に変換すると図５の下のグラフのようにわずかなオフセットにとどまる。このため、バネ定数の小さいカンチレバーで探針―試料間のスタティックな変形を検出する方法では大きく探針が変形して接触力の測定精度が悪化するが、探針を振動させて接触状態を検知する本発明の方法を用いれば、静電力の影響を小さく抑えることができる。
【実施例２】
【００４６】
図６は、本発明の実施例２の走査型プローブ顕微鏡の光学系を示す図である。光源１１１から出射した光はレンズ１１２で平行光に変えられてミラー１１３で反射され、レンズ１０１に入射し、試料上５０１上に焦点を結ぶ。光源１１１に組み込む開口の形状によって、スポットあるいはスリットなど、任意の形状の像を形成できる。試料で反射した光は再び対物レンズを通り、ミラー１１４で反射され、結像レンズ１１５で検出器１１６上に像を結ぶ。像の位置は試料５０１の高さによって移動する。移動量は試料への検出項１１０の入射角をθ、レンズ１１５による結像倍率をｍ、試料の高さをＺとすると、２ｍＺｔａｎθとなるので、この移動量を計測すれば試料の高さＺが検出できる。
【００４７】
検出器１１６は像の位置が検出できればいいので、ＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなど何でもよい。また、上記説明は検出光１１０が対物レンズを通るという構成での説明であったが、検出光１１０が対物レンズの外部を通りもう一枚の図示されていないミラーで折り曲げられて、試料上に結像される構成も考えられる。このとき、レンズ１１２および１１５はそれぞれ光源１１１およびセンサ１１６を試料５０１と結像関係になるように調整される。この場合のセンサ１１６上の像の移動量は２ｍＺｓｉｎθとなる。
【００４８】
以下探針の接触状態検出について説明する。２周波光発生器７０１からは周波数ｆ１と周波数ｆ１＋Δｆと周波数がわずかにずれた２本のビーム（７９１と７９２）が発生する。２本のビームはたとえば、レーザからの光をビームスプリッタで分けて一方を音響光学素子に通すことで周波数をΔｆだけずらすことによって発生する。あるいは、互いに偏波面の直交した２本のビームを発生する２周波レーザも市販されている。第一のビーム７９１は偏光ビームスプリッタ７２２で反射される方向に偏光して、２周波光発生器７０１から出射する。偏光ビームスプリッタ７２２で反射した光は４分の１波長板７２５を通って円偏光に変換され、途中必要に応じてビームスプリッタ１３４、ダイクロイックミラー７１２を通って後、検出光１３０として、レンズ１０１を通り、探針１０３の背面に照射される。
【００４９】
ここで反射された光はもと来た光路を戻り、４分の１波長板７２５を通って２周波光発生器から出射したビーム７９１とは直交した方向の直線偏光に変換される。このため、この光は偏光ビームスプリッタ７２２を透過し、その次の偏光ビームスプリッタ７２３も透過する。ここで、２周波光発生器７０１から出たもう一方の周波数ｆ１＋Δｆのビーム７９２を偏光方向が偏光ビームスプリッタ７２３で反射する方向に調整しておくと、７２３で反射されるため、ここで、探針１０３から反射してきた光と合流し、偏光板７２１を通過してフォトダイオード７２０に到達する。
【００５０】
ビーム７９１と７９２の偏光板７２１通過時の偏光方向は直行しているが、偏光板７２１を両ビームの偏光方向の中間の角度に傾けることで、両ビームは干渉を起こし、周波数Δｆの光強度変化を発生するので、これをフォトダイオード７２０で検出する。なお、フォトダイオード７２０の前に受光面上にレーザを集光するためのレンズ７２９を置いてもよい。
【００５１】
図６において、光源７０２は振動励起用の光源である。高速で変調が掛けられるように半導体レーザを用いるのが望ましい。ここから出射した光はレンズ７１１を通った後、光源７０２の波長を反射するように製造されたダイクロイックミラー７１２で反射されレンズ１０１に向かい、レンズ１０１で集光され探針１０３上に照射される。この光の強度が変調されることで、探針１０３に歪が生じ、振動を励起する。探針１０３で反射された励起光は再びもと来た光路を戻るが、ダイクロイックミラー７１２で反射されるため、検出用のレーザの光路には行かないようになっている。
【００５２】
試料観察系の説明をする。照明光源１５４より観察用照明光は出射し、コンデンサレンズ１５３を通り、ビームスプリッタ１５５で反射し、ビームスプリッタ１３４、ダイクロイックミラー７１２を透過し、１０１のレンズを通って試料５０１および、探針１０３を照明する。反射光は再び対物レンズを透過し、ビームスプリッタ１３４と１５５を透過して結像レンズ１５２で結像され、イメージセンサ１５１で検出される。
【００５３】
以上、図６を用いて説明したように、探針と試料観察系と試料高さセンサと探針振動検出光学系と探針振動励起光学系を同軸で構成することにより、ＳＰＭ計測位置の同時観察、探針の調整の容易化、高速な探針と試料との接近が可能になる。また、探針たわみ検出光学系を同軸で構成したことによって、カンチレバー部の面積の小さい探針に対しても、検出光１３０および励起光７１０を照射できるようになり、より軽くて共振周波数の高い探針を用いることによって、走査の高速化と接触状態検知感度の向上を可能とする。また、すべて対物レンズを通して検出するようにしたことにより、対物レンズを探針と近づけることが可能になり、高解像度の試料の光学観察が可能となる。
【実施例３】
【００５４】
図７は、本発明の実施例３の光学系を示す。実施例２では、２周波光を用いたいわゆるヘテロダイン検出を用いているが、代わりに単一の周波数の光をもちいたホモダイン検出を用いてもよい。この場合、参照光７９２として周波数ｆ１の光を分岐して用い、フォトダイオード上で検出することには変りがないが、位相を検出するために、図７のように、ハーフミラー７２６でレーザを分岐して一方はミラー７２７で反射させ、λ／４板７２８で参照光と検出光の位相差を９０度ずらしてから、偏光板７２１’で干渉させ、レンズ７２９’を通して第二のフォトダイオード７２０’で検出する。第１と第２にフォトダイオード７２０、７２０’からの信号がｃｏｓとｓｉｎに相当する信号となり、それぞれの信号の共振周波数に相当する成分の振幅を検出してから、２乗和の平方根を取れば、探針の振動振幅が検出できる。
【実施例４】
【００５５】
図８は、本発明の実施例４の光学系を示す。別の実施例として、図８のように参照光７９２も探針の根元に導いて干渉させることにより、途中の光路の変動に影響されず探針の傾きを検出することが出来る。これによって、探針の振動検出だけでなく、静的な探針の撓みの検出を用いた探針走査制御も行うことも出来るようになる。この場合の参照光７９２はΔｆの周波数変化を与えてヘテロダイン検出をしても、与えないでホモダイン検出をしてもよい。
【実施例５】
【００５６】
図９は、本発明の実施例５の光学系を示す。図９において、探針接触状態検出をレーザ干渉ではなく光てこの原理を用いて行う方法である。光源１３１から出た光はレンズ１３２とビームスプリッタを通り、さらにビームスプリッタ１３４、ダイクロイックミラー７１２を通って対物レンズを通過して探針のカンチレバー部１０３に照射される。ここで反射した光は同じ道を戻ってビームスプリッタ１３３を通過し、レンズ１３５を介してセンサ１３６に照射される。
【００５７】
レンズ１３５は対物レンズの射出瞳とセンサ１３６がほぼ結像関係になるように構成され、これによってカンチレバーの反射面の傾きに比例した位置変化がセンサ１３６上の光に生起される。これを１３６の位置に置いたＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなどによって検出することによってカンチレバーの傾き（たわみ）を検出することが可能になる。
【００５８】
また、二次元型のＰＳＤ、イメージセンサ、４分割フォトダイオードを用いることにより、たわみと同時にねじれを検出することも可能になる。この信号のうち共振周波数の振動を回路で検出すれば、探針１０３の接触状態が検出できる。本検出光１３０を試料観察系の光と分離するために光源１３１は単色のレーザとして、この光だけを通すようにレンズ１３５の前後に干渉フィルターを設けるのが望ましい。
【００５９】
さらに効率を上げるためにビームスプリッタ１３４はダイクロイックミラーとしてもよい。また、ビームスプリッタ１３３を偏光ビームスプリッタとしてレーザ１３１の偏光方向を１３３によって反射されるＳ偏光とし、ビームスプリッタ１３３と１３４の間に１／４波長板（図示せず）を置くことによって、Ｓ偏光を円偏光に変換して探針１０３の反射面に当て、反射光を再び１／４波長板でＰ偏光に変えて偏光ビームスプリッタ１３３を透過させてもよい。
【００６０】
また一方、作動距離の長い対物レンズを用いて、試料高さセンサと探針たわみセンサの少なくとも一方を対物レンズと試料の間の隙間を通して斜めから光を投影・検出するオフアクシス構成とする実施例ももちろん考えられる。図１０をもちいてこれについては後述する。
【００６１】
また、別の構成として、ヘテロダイン干渉法を用いて探針１０３のたわみを検出する方法について記述したが、具体的な光学系の構成としては、光源１３１の位置に周波数ｆ１の点光源と周波数ｆで周波数シフトした周波数ｆ１＋Δｆの点光源を配置する。点光源の配置のためにはレーザをレンズで絞っても、ファイバーの出射端をここに置いてもいい。この像を探針１０３の二点に形成するように光学系を調整する。
【００６２】
例えば、図８に示すように、一方は探針のカンチレバー部の先端に、もう一方は根元に像を形成させる、この反射光は１３６の位置で交差するので１３６にフォトダイオードを置くと、二本の光は干渉して周波数Δｆのビートを発生する。このビート信号を周波数シフタに与えた周波数Δｆの信号を基準としてロックイン検出して位相を求めると、この位相の変化がすなわちカンチレバーの傾きの変化となる。
【００６３】
これによって、カンチレバーのたわみを検出できる。あるいは、周波数シフタに与えた信号を用いる代わりに、レンズ１３２を通ってからビームスプリッタ１３３で反射されずに透過した光を二本のビームがクロスするところで別のフォトダイオード（図示せず）で検出して、周波数Δｆの基準信号としてよい。
【００６４】
また、別の構成として、ひずみゲージのようなひずみの変化を反映する信号を得られるものを探針に組み込んで、光学式たわみセンサの替わりとして用いてもよい。
【実施例６】
【００６５】
図１０は、光学系の実施例６を示す図である。光源１１１から出射した光はレンズ１１２で平行光に変えられてミラー１１３で反射され、ミラーでの反射を経てレンズ１８２に入射し、試料上５０１上に焦点を結ぶ。光源１１１に組み込む開口の形状によって、スポットあるいはスリットなど、任意の形状の像を形成できる。試料で反射した光はミラーでの反射を経てレンズ１８５を通り、結像レンズ１１５で検出器１１６上に像を結ぶ。像の位置は試料５０１の高さによって移動する。移動量は試料への検出項１１０の入射角をθ、レンズ１１５による結像倍率をｍ、試料の高さをＺとすると、２ｍＺｓｉｎθとなるので、この移動量を計測すれば試料の高さＺが検出できる。検出器１１６は像の位置が検出できればいいので、ＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなど何でもよい。
【００６６】
図１０の実施例６における探針のたわみ検出系について説明する。光源１３１から出た光はレンズ１３２を通り、ミラーでの反射を経て、探針のカンチレバー部１０３に照射される。ここで反射したミラーでの反射を経てセンサ１３６に照射される。カンチレバー１０３のたわみは反射光の角度変化となり、これによってカンチレバーの反射面の傾きに比例した位置変化がセンサ１３６上の光に生起される。これを１３６の位置に置いたＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなどによって検出することによってカンチレバーの傾き（たわみ）を検出することが可能になる。
【００６７】
また、二次元型のＰＳＤ、イメージセンサ、４分割フォトダイオードを用いることにより、たわみと同時にねじれを検出することも可能になる。本検出光１３０を試料観察系の光と分離するために光源１３１は単色のレーザとして、この光だけを通すように検出器１３６の前に干渉フィルターを設けるのが望ましい。
【００６８】
なお、１０９は試料観察系の対物レンズである。本光学系は検出器１３６の前に別系統で参照光を導いて１３６から得られたヘテロダインあるいはホモダイン干渉信号を処理して探針の変形あるいは振動状態を検出してもよい。
【実施例７】
【００６９】
図１１は、光学系のさらに別の実施例７を示す図である。図６で説明した実施例に比べて、観察光学系が別になっており、ハーフミラー９０２で横方向に折り曲げて、観察用レンズ９０１でカンチレバーおよび試料を照明観察する。図６の照明光源１５４と観察用イメージセンサ１５１の９０１の後方にセットされている。１０１は探針の振動励起、変形検出用のレンズとなり、収差に対する要求が甘いので、観察兼用のレンズに比べて小さいレンズで済む。レンズ１０１は探針１０３の移動と並行に駆動され常に、探針１０３上にレーザスポットを形成する。
【００７０】
他の構成については、４分の１波長版７２５の位置がレンズ１０１の近くに来ていること以外は図６の構成と同一である。波長板７２５の位置はなるべく被比測定物に近いほうが途中の光路での散乱光の影響を除去できるのでこの場所に置かれている。また、本図では探針の変形の計測は光学干渉によっていたが、図９の実施例と同様に光テコ検出によってもよいことは言うまでもない。
【実施例８】
【００７１】
図１２は、光学系のさらに別の実施例８を示す図である。図１１に比べて、振動励起光７１０と測定光１３０がいったんレンズ７５１で集光されて、偏波面保存ファイバ７５０に入射する。出射した光は４分の１波長版７２５を経てレンズ１０１で探針１０３上に像を結ぶ。探針１０３で反射された光は再度同じ光路で偏波面保存ファイバ７５０を戻り、レンズ７５１で平行光に変換される。このあとの動作は図１１と同一である。
【実施例９】
【００７２】
つぎに、半導体パターンのようなアスペクトが高いサンプルの計測に適した実施例について、図３を用いて説明する。このように、力の勾配はほぼ試料表面法線方向に生じる。前述のように力の勾配により共振周波数がずれることによって接触状態を検知するので、探針先端と試料の間に働く粘性力や摩擦力の影響が相対的に小さいとすれば、探針の振動と力勾配の方向がほぼ一致している場合に接触力検出感度が高くなる。このため、図３の右側の図のように急傾斜部を測定する場合は力の勾配が横方向なので、縦方向の探針振動では検出感度が小さいか、または、摩擦力が強い場合は探針および試料の摩耗が大きく問題となる。
【００７３】
このような場合に、探針の振動方向を左右に切り替えてやれば、感度よく接触を検知でき探針および試料の摩耗も小さくなる。あるいは、縦方向と横方法の振動を同時に起こし、それぞれの振動モードの振動状態を検知することで、力の勾配の大きさと同時に力の方向を検知することも可能である。
【００７４】
２方向の振動を同時に起こす方法は、両方の振動モードに相当する周波数の信号を重畳して振動励起光７０２あるいは探針駆動部２０２に与えてやればよく、振動状態検出にはフィルターでそれぞれの周波数の信号を選択してやればよい。また、２周波数の信号を重畳する代わりに、一方は振動励起光、もう一方は探針駆動部と別の励起方法で探針振動を励起してもよい。以上の実施例によって、高アスペクト比パターンの急傾斜部を滑りや摩耗なく正確に計測することが可能となる。
【実施例１０】
【００７５】
図１３は、実施例１０を示す。図１３のように、傾斜部の形状を細かく計測するために、力の勾配の方向あるいは測定形状の局所的傾きによって、次の測定点を細かくとる実施例も考えられる。具体的には、たとえば、試料表面の局所的法線方向の角度θ（垂直方向を０とする）に応じて、水平面のスキャン間隔をΔｘとしたときｐ＋Δｘｃｏｓθの間隔をもって次の測定点に移動する。
【００７６】
なお、ｐは最小ピッチを示す補正項である。さらに別の実施例として、θが非常に大きい場合、たとえば８０度以上の場合、探針の降下方向と斜面の方向が近すぎて安定に探針を降下できなくなる。このような場合に、下り傾斜の場合はｐを少し大きめにとっておいて、探針を降下させ、前回の測定点よりΔｘあるいはΔｘｓｉｎθだけ降下した点で、探針の降下をとめて、ここで接触を検知するまで探針を左方向に移動させ、接触を検知した点の位置を計測する。逆に上り傾斜の場合は探針をｐだけ左方向に移動させてから探針をΔｘあるいはΔｘｓｉｎθだけ引き上げ、ここで接触を検知するまで探針を右方向に移動させ、接触を検知した点の位置を計測する。
【００７７】
このようにすれば、θが９０度を超えて斜面がオーバーハングしている場合にも、正確に斜面形状の測定を行うことが可能となる。
【実施例１１】
【００７８】
さらに、探針の先端はあるテーパ角を持っており、これよりも切り立った段差部の形状は走査プローブ顕微鏡では従来正確には計測できなかったが、段差を検出した場合に探針を傾斜させてスキャンさせるようにする。探針を傾斜させる方法としては探針のホルダに微小回転機構を設ける方法もあるが、「T.R.Albrecht、S.Akamine、M.J.Zdeblick、C.F.Quate、J.Vac.Sci.Technol.A8(1)、317(Jan./Feb.、1990)」に開示されているような図１４に示した圧電薄膜型カンチレバーを用いる方法もある。
【００７９】
いわゆるバイモルフ構造になっており、中間電極Ｇの上下に圧電体が設けられ、その反対側に電極Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが形成されている。ここで、Ａ−Ｇ、Ｄ−ＧとＢ−Ｇ、Ｃ−Ｇに逆方向の電圧変化を与えるとねじれ変形が生起され、探針を傾けることができる。探針のねじれは、探針のたわみ検出器１３６に４分割フォトダイオードを用いれば簡単に検出することが可能である。
【実施例１２】
【００８０】
また、近年カーボンナノチューブが細くて耐久性の高い探針材料として注目されている。これはナノメートルから１０ナノメートルオーダーの円柱状のカーボン原子で構成された材料である。これを使えば、切り立った段差状の形状の走査プローブ顕微鏡による正確な計測の可能性があるが、９０度以上のオーバーハングした段差は計測ができない、また、探針の角度と段差の角度が類似していると静電力によって探針が試料段差部に吸着されて曲がり正確な形状が計測できないという問題がある。
【００８１】
これに対して、図１５に示すようにカーボンナノチューブを静電力によって曲げて段差部を正確に計測する実施例を示す。１９５がカーボンナノチューブである。この左右に電極１９７と１９６を配し、この周りを絶縁体１９８で覆う。電極１９７と１９６の何れかに電圧を印加すると、カーボンナノチューブ１９８静電力によって吸着されて曲げられる。
【００８２】
図１５の例では１９６側に電圧が印加されている。これによって、切り立った段差部を正確に計測することが可能となる。また、オーバーハングしている探針向けに図１６の様な先端部の拡がった探針を用いる構成も考えられる。
【実施例１３】
【００８３】
更に、別の実施例として、図１７のように探針ホルダ部をリンク機構で構成することも考えられる。リンクの節は弾性ヒンジで構成しガタがないようにするのが望ましい。このとき、図１７の右図のようにリンクを変形させると探針先端の位置を変えないで傾きだけ変化させることが可能である。
【実施例１４】
【００８４】
図１８は、本発明の実施例１４のレジストパターンを計測する例を示す。レジストパターンの計測では（ａ）のように垂直にパターンが切れているか、（ｂ）のようにレジストが薄く残っているか、（ｃ）のように溝あるいは穴の下部が狭まっているかを見分ける必要がある。本発明によれば、探針を加振しているので、振動の位相を検知することで、材質の違いを検知し、これらを見分けることが可能になる。
【実施例１５】
【００８５】
図１９は、本発明の実施例１５のデバイス製造方法について示す。ウェハ６２０をプロセス装置６０１、６０１’に流してデバイスを形成していく。プロセス装置６０１、６０１’は場合によってエッチャーであったり、ＣＭＰ装置であったり、露光装置であったり、現像装置であったりする。これらの工程を経た抜き取りウェハあるいはダミーウェハ６２１をもちいて、本発明の走査プローブ顕微鏡６０３によってウェハ上に形成されたパターンを観察・計測する。あるいは、スループットが大きいので全ウェハを本発明の走査プローブ顕微鏡６０３で観察・計測してもよい。
【００８６】
本発明の実施例１５では、パターンの立体形状や表面の状態の分布を試料にダメージを与えることなく正確に観察・計測できるので、観察・計測結果をプロセス装置６０１、６０１’のプロセス条件にフィードバックすることで、安定に高精度なデバイスを製造できる。場合によってはフィードバックの経路６１０に専用のデータ処理サーバ（図示せず）を介してもよい。
【実施例１６】
【００８７】
図２０は、本発明の実施例１６である製造装置の全体構成を示す。３１３が対物レンズ１０９と探針１０３とその駆動系、検出系を含んだ検出ヘッド部である。ステージ３０２上に試料５０１を搭載して計測を行う。３１０は基板を搭載したカセットを載せる台で、ロボットアーム３１１はここから基板をとりだして、プリアライナ３１２で基板の回転角度を検出してから、所定の方向となるように基板をステージ３０２に搭載し計測を行う。装置全体の動作は全体制御装置２５０によって制御され、表示・入力装置２５１によって、操作者の指示を受けたり、光学像やＳＰＭ像を提示したりすることが出来る。また、全体制御装置２５０はＬＡＮ装置につながり、計測データなどをやり取りしてもよい。
【００８８】
試料５０１が所定の方向となるように基板をステージ３０２に搭載された後、対物レンズ１０９で基板上の複数の位置だしマークを観察し、基板の位置・回転を精密に計測（アライメント）する。この情報を元に、既登録の計測位置に移動して、計測を開始する。まず、探針をおろして基板に接触させる。つぎに、ここで走査プローブ顕微鏡による走査（ＳＰＭスキャン）をおこない計測データを得る。探針を退避し、全指定計測点を計測完了するまで、次の測定位置に戻っては、上記動作を繰り返す。全指定計測点の計測が完了すると、アンロード位置にステージを移動して、ロボットアーム３１１がこれをとりだしてカセットに格納して、１枚の基板の計測が終わる。
【００８９】
本発明では、探針のアプローチとＳＰＭスキャンを高速に行えるようにしたため、全体の測定の所要時間の短縮が可能になった。
【実施例１７】
【００９０】
次に図２を用いて、探針の退避距離を可変にして、さらに高速な計測を実現する実施例１７について示す。図２（ａ）のように、従来、試料の最大段差に対応してこれ以上の退避距離をとっては次の測定点に接近するようにすることが正確な段差の計測に必要であった。これに対して、半導体パターンのように、対象物の段差構造がある程度わかっている場合は、これを利用して図２（ｂ）に示すように探針距離を小さくすることが可能である。
【００９１】
このように探針が試料の高い面をスキャンしている間は、退避距離を探針と試料の吸着を離脱するのに最低限必要な距離にとどめ、探針が試料の低い面をスキャンしている間は、退避距離を試料の段差に対して少し余裕を持ってとるようにすることで、全体のスキャン時間を短くすることが可能である。
【実施例１８】
【００９２】
さらに、別の実施例１８として、図２（ｃ）に示すように、探針の退避距離をつねに吸着を離脱するのに最低限必要な距離に保っておき、段差部を検出した場合は、退避距離を一時的に増加する方法を提案する。この図２（ｃ）のように、段差部の検出方法の実施例１８として横応力を検出する方法を示す。
【００９３】
探針の縦応力と横応力を同時に検出する構成は既述してある。これを利用して段差部で横応力を検出した場合に、段差に乗り上げていく個所をスキャンしていると判断して、退避量を大きくして再度接近を行う。精度は若干落ちるが、再測定は行わずに次の点の測定時に退避量を大きくして、再度同じ点の測定を行わない方法も考えられる。
【００９４】
また、測定高さがある変化率以上高い方向に変化したら、段差部にさしかかったと判断して退避距離を増す方法を用いてもよい。吸着を離脱するのに最低限必要な距離は試料と探針の状態によって変るので、一定値をとらず、退避距離は吸着離脱時に探針の周りの力の場がなくなるので、探針の振動状態が回復する現象をもちいて、吸着離脱を検知してもよい。
【００９５】
なお、本実施例１８中では探針を駆動するように説明をしたが、ここで、重要なのは試料に対する探針の相対的な駆動であり、探針側にＸ、Ｙ、Ｚ軸をもつ構成を前提としていたわけではない。例えば、試料側にＸ、Ｙ軸を持つ構成や、試料側にＸ、Ｙ、Ｚ軸を持つ構成でも、本実施例中の議論は成り立つことはいうまでもない。
【実施例１９】
【００９６】
つぎに、探針の傾斜による光路のずれを吸収する実施例１９について以下に示す。探針を傾ける方法のうち、図１５で示したような探針部分だけを曲げる方法ではなく、図１４、図１７に示したような、探針を取り付けているカンチレバー部自体を傾ける、あるいは、カンチレバー部の先端をねじるような構成では、カンチレバーの背面に照射する検出光の光路が傾いてしまい検出器に光が到達しなくなってしまう。このため、検出光の光路が傾いても検出光を検出器に到達できることが必要であった。このための実施例について、以下に説明する。図２１は図６と同一の光学系の構成を示す図である。ただし、探針の傾きによる光路のずれを示すために途中の光学部品の縮尺を変更して描いている。カンチレバー１０３が角度θ傾くと、カンチレバー１０３に照射した検出光１３０の反射光１３０‘は２θ傾くことになる。この光は焦点距離ｆがレンズ１０１を透過した後、投影光１３０の光路に対して、略ｆθだけずれた光路１３０’をミラー７１２、１３４、７２２、７２１を通って、検出器７２０に向かうこととなる。このとき、レンズ７２９を検出器７２０の前に、７２９の焦点位置と検出器７２０の感光面が略一致するように配置することで、図示のように検出光と参照光が検出器７２０上で重なり、これによって、カンチレバー１０３を傾けて反射光が傾いても干渉を起こすことができる。たとえば５度の試料５０１上段差部のオーバーハングまで対応するために、探針をθ＝１０度まで傾けるとするとこれによる反射光１３０‘の傾きは２θ＝２０度となり、検出光の照射時の集光角を±α＝３．５度とすると、検出光１３０’の辺縁光は２θ＋α＝２３．５度まで傾くこととなり、レンズ１０１の開口数（ＮＡ）としてはｓｉｎ（２θ＋α）＝０．４以上あればいい。また、このときカンチレバー１０３上の検出光のスポットサイズは、集光角αで決まり、検出光の波長をλ＝０．６３μｍとすると、λ／２ｓｉｎα＝５．２μｍ程度まで絞ることが可能である。
【実施例２０】
【００９７】
次に図２２をもちいて別の探針傾け対応の検出系の実施例を示す。カンチレバー１０３の傾けθに応じて、θｆだけ鏡筒１９０を水平方向にずらす。ここで、ｆはレンズ１０１の焦点距離である。これによって、検出光１３０がレンズ１０１に入射する光路がｆθずれるので、カンチレバー１０３への照射角がθだけ傾くこととなり、カンチレバー１０３の傾きと同じだけ照射角が傾くので、反射光は元来たθ傾いた光路を戻り、探針を傾ける前と略同じ光路を検出器７２０へ導かれることとなる。これによって、図２１による実施例１９に比べて、光路の最大傾きが２θ＋αからθ＋αと約半分になり、より、大きい探針方向けまで対応できるようになる。たとえば、レンズの開口数（ＮＡ）を０．４、検出光の集光角をα＝３．５度とすると、θ＝ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ）−α＝２０度まで探針を傾けることが可能となる。側壁の角度に対してさらに５度余裕をもって探針を当てるとすると、探針を２０度傾けることによって対応できる側壁のオーバーハングとしては１５度となる。この場合レンズ７２９はなくても、７２０上に検出光７９１と参照光７９２が重なるので、７２９をなくしてもいいが、探針のばらつきや探針の走査に伴う若干の光路のずれを吸収するためにレンズ７２９を役立てても良い。
【００９８】
なお、図では側壁の右側を測るために、探針を右向けに傾ける場合で描いているが、左向きの側壁にたいしては探針を逆に左向きに傾け、これにあわせて、鏡筒１９０をθｆだけ左方向にずらせばよい。
【実施例２１】
【００９９】
次に、図２３を用いて、図２２を用いて説明した実施例２０を若干変更した実施例２１を説明する。図２２の実施例２１では、鏡筒１９０全体を探針の傾きにあわせて左右に移動していたが、代わりに、プリズム１３４および７１２のみを左右に移動しても良い。プリズム１３４の移動によって検出光１３０の照射角を探針の傾きに合わせて左右に振ることができる。また、プリズム７１２の移動によって、励起光７１０の照射角を探針の傾きに合わせて左右に振ることができる。ただし、励起光７１０はカンチレバー１０３に照射後の反射光の検出が必要ないので、必ずしも探針の傾きに合わせて左右に振らなくても良いため、プリズム７１２は可動としなくてもよい。
【実施例２２】
【０１００】
次に、別の実施例２２として図２４を用いて、光テコによってカンチレバーの探針接触状態検出を行う方法について説明する。全体の構成は図９で既に説明したが、図２３と同様にプリズム１３４および７１２を左右に移動すると、光源１３１から出射した検出光がカンチレバーに当るときの照射角をカンチレバーの傾きθにあわせて変化させることができる。プリズム１３４の移動により、センサ１３６上に検出光の位置も略一定に保たれる。このため、カンチレバーの傾きを変えても、センサ１３６の略動作中心に検出光の戻り位置を保つことができ、これによって、常に、光てこの原理によってカンチレバーの微小なたわみを検出することができるようになる。
【実施例２３】
【０１０１】
次に別の実施例２３として図２５を用いて、図１２で説明した偏波面保存ファイバを用いた場合の探針傾き対応の実施例２３について示す。図２５（ａ）は図２１で説明した実施例と同様に探針の傾きθによる反射方向の傾き２θを、開口角（ＮＡ）の大きいレンズを用いて吸収する方法である。図２５（ｂ）は可撓性のある光ファイバの特徴を生かして、光ファイバ７５０の端部と波長板７２５、レンズ１０１、カンチレバー１０３を一体としてθだけ傾ける実施例である。これらの相対的な位置関係が変わらないので、常に光ファイバ端とカンチレバーの間の共役関係が保たれ、カンチレバーの傾きにかかわらず、カンチレバーに照射された光が、再び、光ファイバ７５０に戻る。また、この図２５ではレンズ１０１が一枚だけであるが、２枚以上のレンズを用いて、波長板７２５をはさむ形にしてもよい。このようにすると波長板を透過する光線が略収束光となるようにできるので、波長板による偏光回転効果がより正確に得られて良い。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明によれば、軟脆な材料や段差の急峻なパターン形状に対して近接センサを備えた探針を間欠的に接触させる、さらに、探針を傾斜させることによって形状を高精度に計測出来るようになる。この方式を半導体回路パターンの形状測定に用いることによって、微細回路を有する半導体製品を極めて安定的に生産することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の実施例１の走査プローブ顕微鏡の全体の構成を示す図である。
【図２】探針の動作を示す図であり、本発明の実施例１７，１８の探針の退避距離を制御する場合の探針の動作にも対応する。
【図３】探針と試料の傾きの関係を示す図であり、本発明の実施例９の半導体パターンのようなアスペクトが高いサンプルの計測に適した関係にも対応する。
【図４】振動による接触状態の検知の原理を示す図である。
【図５】振動による接触状態の検知への帯電の影響を示す図である。
【図６】本発明の実施例２の走査プローブ顕微鏡の光学系を示す図である。
【図７】本発明の実施例３の別の光学系を示す図である。
【図８】ヘテロダイン干渉によって、探針のたわみを計測する原理を示す図である。本発明の実施例４に対応する。
【図９】本発明の実施例５の別の光学系を示す図である。
【図１０】本発明の実施例６の更に別の光学系を示す図である。
【図１１】本発明の実施例７の更に別の光学系を示す図である。
【図１２】本発明の実施例８の更に別の光学系を示す図である。
【図１３】本発明の実施例１０の、試料の傾きによって、探針の計測ステップを変化させる例を示す図である。
【図１４】本発明の実施例１１の傾きを制御可能な探針の別の構造例を示す図である。
【図１５】本発明の実施例１２の傾きを制御可能な探針の構造例を示す図である。
【図１６】オーバーハングに対応できる探針の構造例を示す図である。
【図１７】本発明の実施例１３の傾きを制御可能な探針の別の構造例を示す図である。
【図１８】本発明の実施例１４のレジストパターンを判別できる例を示す図である。
【図１９】本発明の実施例１５の半導体のプロセスの条件制御を行う例を示す図である。
【図２０】本発明の実施例１６の半導体ウェハの計測を行う場合の装置構成のを示す図である。
【図２１】本発明の実施例１９のカンチレバーの傾きに対応した光学系を示す図である。
【図２２】本発明の実施例２０のカンチレバーの傾きに対応した光学系を示す図である。
【図２３】本発明の実施例２１のカンチレバーの傾きに対応した光学系を示す図である。
【図２４】本発明の実施例２２のカンチレバーの傾きに対応した光学系を示す図である。
【図２５】本発明の実施例２３のカンチレバーの傾きに対応した光学系を示す図である。
【符号の説明】
【０１０４】
１０１    レンズ
１０２    鏡筒
１０３    探針
１１１    光源
１１２    レンズ
１１３    ミラー
１１４    ミラー
１１５    レンズ
１１６    検出器
１３１    光源
１３２    レンズ
１３３    ビームスプリッタ
１３４    ビームスプリッタ
１３５    レンズ
１３６    検出器
１５４    照明光源
１５３    コンデンサレンズ
１５５    ビームスプリッタ
１５２    結像レンズ
１５１    イメージセンサ
１７０    光ファイバ
１７１    レンズ
１７２    検出器
１８２    レンズ
１８５    レンズ
１９５    カーボンナノチューブ
１９６    右側電極
１９７    左側電極
１９８    絶縁体
２０１    走査制御部
２０２    探針駆動部
２０３    探針ホルダ駆動部
２０４    近接センサ
２０５    接触状態検出器
２０６    光学像センサ
２０７    信号印加装置
２０８    ＳＰＭ像形成装置
２５０    全体制御装置
２５１    入力・表示装置
２５２    探針移動機構
２５３    探針ホルダ上下機構
３０２    試料ステージ
３１１    ロボットアーム
３１２    プリアライメント手段
３１３    検出ヘッド部
３１４    ＬＡＮ装置
５０１    試料
６０１    プロセス装置
６０３    走査プローブ顕微鏡
６１０    フィードバック情報
６２０    ウェハ
６２１    抜き取りあるいはダミーウェハ
７０１    ２周波光発生装置
７０２    振動励起光源
７１２    ダイクロイックミラー
７２２    偏光ビームスプリッタ
７２３    偏光ビームスプリッタ
７２０    フォトダイオード
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2006329973.tif 000017
【図１６】
2006329973.tif 000018
【図１７】
2006329973.tif 000019
【図１８】
2006329973.tif 000020
【図１９】
2006329973.tif 000021
【図２０】
2006329973.tif 000022
【図２１】
2006329973.tif 000023
【図２２】
2006329973.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年6月6日(2006.6.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
これを探針のスキャンと同時に行うことによってＳＰＭ像形成装置２０８に表面形状像のほかに、付加的性質の分布像を得ることが出来る。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
図６は、本発明の実施例２の走査型プローブ顕微鏡の光学系を示す図である。光源１１１から出射した光はレンズ１１２で平行光に変えられてミラー１１３で反射され、レンズ１０１に入射し、試料上５０１上に焦点を結ぶ。光源１１１に組み込む開口の形状によって、スポットあるいはスリットなど、任意の形状の像を形成できる。試料で反射した光は再び対物レンズを通り、ミラー１１４で反射され、結像レンズ１１５で検出器１１６上に像を結ぶ。像の位置は試料５０１の高さによって移動する。移動量は試料への検出光１１０の入射角をθ、レンズ１１５による結像倍率をｍ、試料の高さをＺとすると、２ｍＺｔａｎθとなるので、この移動量を計測すれば試料の高さＺが検出できる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６５】
図１０は、光学系の実施例６を示す図である。光源１１１から出射した光はレンズ１１２で平行光に変えられてミラー１１３で反射され、ミラーでの反射を経てレンズ１８２に入射し、試料上５０１上に焦点を結ぶ。光源１１１に組み込む開口の形状によって、スポットあるいはスリットなど、任意の形状の像を形成できる。試料で反射した光はミラーでの反射を経てレンズ１８５を通り、結像レンズ１１５で検出器１１６上に像を結ぶ。像の位置は試料５０１の高さによって移動する。移動量は試料への検出光１１０の入射角をθ、レンズ１１５による結像倍率をｍ、試料の高さをＺとすると、２ｍＺｓｉｎθとなるので、この移動量を計測すれば試料の高さＺが検出できる。検出器１１６は像の位置が検出できればいいので、ＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなど何でもよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８１】
これに対して、図１５に示すようにカーボンナノチューブを静電力によって曲げて段差部を正確に計測する実施例を示す。１９５がカーボンナノチューブである。この左右に電極１９７と１９６を配し、この周りを絶縁体１９８で覆う。電極１９７と１９６の何れかに電圧を印加すると、カーボンナノチューブ１９５は静電力によって吸着されて曲げられる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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