(57)【要約】【課題】検査工程での探針による試料測定時に試料の表面と探針との間の電位差を適切に保ち、試料表面の微細領域での微細な電位変化を生じさせず、迅速にかつ高い精度の測定を行うことができる走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】この走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバー３５の先端に探針３４を設け、この探針３４を試料１３に対して接近させて、試料表面の情報を得るＡＦＭセンサユニット１１と、試料を保持する試料台１２とを備え、さらに、測定を開始する前の段階で試料の表面電位を探針の電位と等しくする接地ユニット１６を備えている。接地ユニット１６によって測定対象である試料表面の電位と探針の電位との差をなくし、両者を同電位にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーの先端に探針を設け、この探針を試料に対して接近させて、試料表面の情報を得る測定ユニットと、前記試料を保持する試料台とを備える走査型プローブ顕微鏡において、
測定を開始する前の段階で前記試料の表面電位を前記探針の電位と等しくする電位差除去手段を備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記電位差除去手段は、前記試料の表面と、前記探針の電位と同じ電位を有する装置部分とを電気的に接続する接続端子部であ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。
【請求項３】
前記接続端子部は前記試料台の近傍の場所に設けられることを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記接続端子部は前記測定ユニットに設けられることを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記接続端子部は前記カンチレバーに設けられることを特徴とする請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記接続端子部は接地端子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の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に関し、特に、微細な対象物の形状等を測定するのに好適な走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡は、従来、原子のオーダまたはサイズの微細な対象物を観察できる測定分解能を有する測定装置として知られる。近年、走査型プローブ顕微鏡は、半導体デバイスが作られた基板やウェハの表面の微細な凹凸形状の測定など各種の分野に適用されている。測定に利用する検出物理量に応じて各種のタイプの走査型プローブ顕微鏡がある。例えばトンネル電流を利用する走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力を利用する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力を利用する磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）等があり、それらの応用範囲も拡大しつつある。
【０００３】
上記のうち原子間力顕微鏡は、試料表面の微細な凹凸形状を高分解能で検出するのに適し、半導体基板、ディスクなどの分野で実績を上げている。最近では、開発用途だけではなく、プロセス管理ツールとして製造工程でのインライン自動検査といった用途での使用も増加してきている。
【０００４】
原子間力顕微鏡等をインライン自動検査工程で使用するときには、半導体製品である多数の試料を連続的に順次に測定し、当該半導体製品の検査を行わなければならない。そのため、基板（またはウェハ）の表面を所定の間隔毎に検査することが要求され、基板等の表面を迅速に検出する性能も求められつつある。
【０００５】
実際の検査工程の前には、種々の工程があり、それらの工程において処理された基板等の試料が帯電することがある。
【０００６】
一般に、原子間力顕微鏡では、観察対象である試料が帯電している場合、カンチレバーが帯電した試料から静電気による引力（または斥力）を受け、試料に接近できなくなり、測定不能状態に陥ることが知られている。また、試料が帯電した状態で測定を行うと、例えば、探針と試料との間でマイクロスパーク（微小な火花）が発生し、探針が損傷し、測定が不能になったり、あるいは測定ができたとしても測定データにノイズを生じる可能性が高い。
【０００７】
このような試料の帯電は、上記のごとき、インライン自動検査ではその前段の工程での接触摩擦等で生じやすい現象である。例えばスクラブ洗浄工程の直後はウェハが帯電している場合が多い。
【０００８】
ここで、従来用いられてきた除電装置の方式は、電極針に電圧をかけることにより、電極針から正と負のイオンを交互に発生させる除電器、あるいは、Ｘ線または紫外線を照射することにより試料の近傍のガスを電離し、正と負のイオンを発生させる除電器の二種に分けることができる。これらの二種の除電方式のそれぞれには一長一短がある。
【０００９】
前者の方式で、電極針に電圧をかけることにより電極針から正と負のイオンを交互に発生させる除電器の場合には、試料の帯電を除去するための正と負のイオンを強制的かつ多量に発生するため、除電速度が速いという利点がある。反面、正と負のイオンを強制的に生成するが故に、試料の除電に必要な正と負のイオンのバランスの最適値を正確に保つことが難しく、調整が適切でないと完全な除電を行うことができないという欠点がある。
【００１０】
また後者の方式で、Ｘ線または紫外線を照射することにより試料の近傍のガスを電離して正と負のイオンを発生させる場合には、生成される正と負のイオンのバランスは、試料の帯電状況に応じて自然に適切なバランスとなるため、ほぼ完全な帯電を行うことができるという利点がある。反面、一般に用いることが可能なＸ線源、または紫外線源は、人体への影響、装置構成部分の紫外線劣化などの影響を考慮して微弱な物を選択せざるを得ないため、正と負のイオンの生成量が少なく、除電速度が遅いという欠点がある。
【００１１】
そのため、特に迅速に検査が行われることが要求されるインライン自動検査に用いる場合は、特殊な状況を除いては、前者の電極針に電圧をかけることにより、電極針から正と負のイオンを交互に発生させる除電器が用いられることが多い（例えば、特許文献１の図４等）。
【００１２】
一方、コストダウン、および性能向上という絶えることのない技術開発が要求されている半導体製品においては、微細化および高速化という二つの側面から技術開発が行われている。
【００１３】
現在の技術開発の方法は様々であるが、大きくは、高周波回路におけるＲＣ遅延を様々な手法を用いて低減するという方向にあり、従来に比べて、より低い抵抗（Ｒ）、より低い静電容量（Ｃ）を実現した試料が測定対象となることが増えつつある。
【００１４】
ここで、前述した電極針に電圧をかけることにより電極針から正と負のイオンを交互に発生させる除電器を用いた場合、巨視的に見れば正と負の電荷が或る割合で均一に試料に到達しているとみなすことができるが、微視的に見た場合、正と負の電荷が交互に間欠的に試料に到達している状況にあり、実際、試料表面の電位が振動的かつ大きな振幅で変化している様子を確認することができる。
【００１５】
これは、より低い抵抗（Ｒ）となることで、例えば局所的な電位変化が発生した場合、ごく狭く範囲にしか影響を及ぼしていなかったものが、より広い範囲に影響を及ぼすようになり、より低い静電容量（Ｃ）となることで、例えば、微量の電荷の移動があった場合、極めて小さな電位変化しか引き起こさなかったものが、大きな電位変化を引き起こすようになりつつあるためであると考えられる。
【００１６】
そのため、前述の電極針に電圧をかけることにより、電極針から正と負のイオンを交互に発生させる除電器を用いることは既に適当ではなくなってきていると言える。
【００１７】
またＸ線または紫外線を照射することにより試料の近傍のガスを電離して正と負のイオンを発生させる除電器の場合、除電速度が遅いという欠点があるため、迅速に検査を行うことが要求されるインライン自動検査を用いる場合は、同様に適当でない。
【００１８】
以上のような状況により、試料表面と探針との間の電位差を適切に維持することが困難となりつつあり、実際に表面電位が適切に保たれていないことに起因すると思われる測定上の不具合の発生が多くなりつつある。また測定対象の微細化に伴い、測定に用いられる探針も微細なものとなりつつあるため、これまで障害を発生させなかったような試料表面と探針との微小な電位差でも探針の損傷に至る場合が多くなり、測定上の不具合の発生に拍車をかけているといった問題がある。
【特許文献１】特開２００５−１９５５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上述した特許文献１に記載された装置は、試料表面と探針との間の電位差を適切に維持することが困難となりつつある微細化、高速化で実現された半導体製品の測定において、当該電位差を適切に維持することができずに測定上の不具合が多発してしまい、迅速かつ正確な測定が要求されるインライン自動検査において、継続的な測定を中断する、あるいは、測定時間が著しく長くなるという問題があった。
【００２０】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、検査工程での探針による試料測定時に試料の表面と探針との間の電位差を適切に保ち、試料表面の微細領域での微細な電位変化を生じさせず、迅速にかつ高い精度の測定を行うことができる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００２２】
第１の走査型プローブ顕微鏡（請求項１に対応）は、カンチレバーの先端に探針を設け、この探針を試料に対して接近させて、試料表面の情報を得る測定ユニットと、試料を保持する試料台とを備え、さらに、測定を開始する前の段階で試料の表面電位を探針の電位と等しくする電位差除去手段を備えている。
【００２３】
上記の構成によれば、電位差除去手段によって測定対象である試料表面の電位と探針の電位との差をなくし、両者を同電位にし、これにより迅速かつ高精度の測定を行うことが可能となる。
【００２４】
第２の走査型プローブ顕微鏡（請求項２に対応）は、上記の構成において、好ましくは、電位差除去手段は、試料の表面と、探針の電位と同じ電位を有する装置部分とを電気的に接続する接続端子部であることで特徴づけられる。
【００２５】
第３の走査型プローブ顕微鏡（請求項３に対応）は、上記の構成において、好ましくは、接続端子部は試料台の近傍の場所に設けられることを特徴とする。
【００２６】
第４の走査型プローブ顕微鏡（請求項４に対応）は、上記の構成において、好ましくは、接続端子部は測定ユニットに設けられることで特徴づけられる。
【００２７】
第５の走査型プローブ顕微鏡（請求項５に対応）は、上記の構成において、好ましくは、接続端子部はカンチレバーに設けられることを特徴とする。
【００２８】
第６の走査型プローブ顕微鏡（請求項６に対応）は、上記の構成において、好ましくは、接続端子部は接地端子である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、次の効果を奏する。
第１に、試料表面の電位と探針の電位を等しくする電位差除去手段を設けたため、試料表面と探針との間の電位差を効果的に除去することができ、迅速かつ正確な測定が要求される半導体製造工程のインライン自動検査において、継続的な検査・測定の中断および測定時間の長時間化を問題を解消することができる。
第２に、試料の表面に接触させることで当該試料表面の電位を、探針の電位と等しい所望の電位にする接続端子部を設けるようにしたため、簡単な構成で試料表面と探針との電位差をなくすことができる。
第３に、接続端子部を測定ユニット側に設けるようにしたため、装置全体を変更する必要はなく、測定ユニット側を変更するだけで安価に変更することができる。特にカンチレバーに接続端子部を設けた構成は、カンチレバーを単位としてその構造を変更することができ、簡単に変更して電位差除去に対処することができる。
第４に、接続端子部として接地端子を利用すれば、走査型プローブ顕微鏡の装置の接地電位部を利用して構成することができ、装置の構造を容易化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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。
【００３１】
図１〜図３を参照して本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の測定ユニットと試料ステージの構成を示す。この走査型プローブ顕微鏡は代表的な例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を想定している。
【００３２】
走査型プローブ顕微鏡１０は、測定ユニットであるＡＦＭセンサユニット１１と、試料台１２とを備えている。
【００３３】
まず試料台１２の側の構成を説明する。試料台１２の上には測定対象である試料１３が置かれている。試料台１２は、直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸から成る３次元座標系１４で、試料１３の位置を変えるための移動機構である。試料台１２は、ＸＹステージとＺステージを内蔵し、その上面に試料ホルダ１５を備えている。試料台１２は、通常、試料側で変位（位置変化）を生じさせる粗動機構部として構成される。
【００３４】
試料台１２の試料ホルダ１５の上面に、比較的大きな面積でかつ薄板形状の上記の試料１３が置かれ、保持されている。試料１３は、例えば、表面上に半導体デバイスが製作された基板またはウェハである。試料１３は試料ホルダ１５上に固定されている。試料ホルダ１５は、試料１３を固定するためのチャック機構等を備える。
【００３５】
さらに試料台１２の上において、試料ホルダ１５上に配置された試料１３に対して当該試料１３の近傍に接地ユニット１６が設けられる。接地ユニット１６は、図２に示すごとく、試料台１２の上に固定されたブラケット２１と、このブラケット２１に回転自在に取り付けられた接地端子２２と、接地端子２２を回転動作させるためのモータ２３とから構成されている。接地端子２２は、図示しない配線によって、接地電位の装置部分と電気的に接続されている。
【００３６】
上記の接地ユニット１６では、試料台１２の試料ホルダ１５上に試料１３が存在しないときには接地端子２２はモータ２３によって外側に開いた状態で保持され、試料ホルダ１５上に試料１３が存在するときには、接地端子２２はモータ２３によって試料１３と一時的または所要時間の間接触する状態に保持されるように、動作制御が行われる。接地ユニット１６の接地端子２２が試料１３の表面に接触すると、当該試料表面は接地電位になる。
【００３７】
ここで、ＡＦＭセンサユニット１１に取り付けられた後述のカンチレバーは、接地電位の装置部分と電気的に接続されているので、接地ユニット１６によって試料１３の表面を接地電位の装置部分と電気的に接続することにより、試料表面をカンチレバー（探針を含む）と電気的に接続されることになる。接地ユニット１６の接地端子２２によって、試料１３の試料表面とカンチレバーが電気的に接続されると、試料表面とカンチレバーの探針とは共に接地電位になり、それらの間の電位差はなくなり、同じ電位になる。
【００３８】
また上記の試料台１２の全体は基台１７の上に配置されている。この基台１７の上にはフレーム部材１８が固定されている。このフレーム部材１８に上記のＡＦＭセンサユニット１１が固定されている。ＡＦＭセンサユニット１１は、試料ホルダ１５上に配置された試料１３の上方に配置されている。
【００３９】
次に、図３を参照してＡＦＭセンサユニット１１の詳細構成の一例を説明する。
【００４０】
ＡＦＭセンサユニット１１には、駆動機構３１を備えた光学顕微鏡３２が配置されている。光学顕微鏡３２は駆動機構３１によって支持されている。駆動機構３１は、光学顕微鏡３２を、Ｚ軸方向に動かすためのフォーカス用Ｚ方向移動機構部３１ａと、ＸＹの各軸方向に動かすためのＸＹ方向移動機構部３１ｂとから構成されている。取付け関係として、Ｚ方向移動機構部３１ａは光学顕微鏡３２をＺ軸方向に動かし、ＸＹ方向移動機構部３１ｂは光学顕微鏡３２とＺ方向移動機構部３１ａのユニットをＸＹの各軸方向に動かす。ＸＹ方向移動機構部３１ｂはフレーム部材（図１に示すフレーム部材１８）に固定される。なお図３で当該フレーム部材１８の図示は省略されている。光学顕微鏡３２は、その対物レンズ３２ａを下方に向けて配置され、試料１３の表面を真上から臨む位置に配置されている。光学顕微鏡３２の上端部にはカメラ３３が付設されている。カメラ３３は、対物レンズ３２ａで取り込まれた試料表面の特定領域の像を撮像して取得し、画像データを出力する。
【００４１】
試料１３の上側には、先端に探針３４を備えたカンチレバー３５が接近した状態で配置されている。カンチレバー３５は取付け部３６に固定されている。取付け部３６は、例えば、空気吸引部（図示せず）が設けられると共に、この空気吸引部は空気吸引装置（図示せず）に接続されている。カンチレバー３５は、その大きな面積の基部が取付け部３６の空気吸引部で吸着されることにより、固定されかつ装着される。
【００４２】
上記の取付け部３６は、Ｚ方向に微動動作を生じさせるＺ微動機構３７に取り付けられている。さらにＺ微動機構３７はカンチレバー変位検出部３８の下面に取り付けられている。
【００４３】
カンチレバー変位検出部３８は、支持フレーム３９にレーザ光源４０と光検出器４１が所定の配置関係で取り付けられた構成を有する。カンチレバー変位検出部３８とカンチレバー３５は一定の位置関係に保持され、レーザ光源４０から出射されたレーザ光４２はカンチレバー３５の背面で反射されて光検出器４１に入射されるようになっている。上記カンチレバー変位検出部３８は光てこ式光学検出装置を構成する。この光てこ式光学検出装置によって、カンチレバー３５で捩れや撓み等の変形が生じると、当該変形を検出することができる。
【００４４】
カンチレバー変位検出部３８はＸＹ微動機構４３に取り付けられている。ＸＹ微動機構４３によってカンチレバー３５および探針３４等はＸＹの各軸方向に微小距離で移動される。このとき、カンチレバー変位検出部３８は同時に移動されることになり、カンチレバー３５とカンチレバー変位検出部３８の位置関係は不変である。
【００４５】
上記構成を有する走査型プローブ顕微鏡１０において、前述のごとく、試料台１２に設けた接地ユニット１６では、試料ホルダ１５上に試料１３が存在するときには接地端子２２が試料１３に接触させられるため、当該試料表面は、接地電位になり、カンチレバー３５の探針３４と同じ電位になり、それらの間の電位差はなくなる。
【００４６】
上記において、接地端子２２について、実際に試料１３と接触する部分の材質としては、導電性を有するものであればどのような材料を用いることもできる。また半導体製造工程では異種金属の接触は望ましくないため、試料１３の材質と同様な例えばポリシリコンのような非金属系の素材を用いることが望ましい。
【００４７】
なお上記の実施形態では、接地電位によって試料１３の表面とカンチレバー３５の探針３４とを同電位にして電位差をなくすようにしたが、接地電位である必要はなく、試料１３の表面とカンチレバー３５の探針３４とが同電位になるのであれば、任意の電位を利用することができる。このため、接地ユニット１６は、試料表面と探針を同電位にする手段であれば任意の同電位化ユニットを用いることができる。換言すれば、この同電位化ユニットは、測定を開始する前の段階で試料１３の表面電位を探針３４の電位と等しくする電位差除去ユニットである。
【００４８】
上記の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、次の作用効果が生じる。
【００４９】
第１に、基板ホルダ１５に載置された試料１３の表面上の所要の箇所にカンチレバー３５の探針３４を接触させる前に、試料表面と探針との電位差を等しくすることができるため、かかる電位差が存在していたことにより発生していた不具合を解消することができる。
【００５０】
第２に、上記の電位差が存在したことに起因して発生していた不具合を防止することができるため、半導体製造プロセスのインライン自動検査工程で迅速かつ正確な検査・測定を行うことができる。
【００５１】
次に図４を参照して本発明の第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡を説明する。図３は、第２実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のＡＦＭセンサユニット１１の特徴的な構成部分のみを示している。図示していない部分の装置構成は第１実施形態で説明した構成と同じである。また図４において、図１等で説明した要素と同一の要素には同一の符号を付している。
【００５２】
この実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、試料台１２上に設けた前述の接地ユニット１６の代わりに、ＡＦＭセンサユニット１１に接地ユニット４１を備えている。接地ユニット４１は、試料ホルダ１５に配置された試料１３の表面に対向した箇所に設けられている。接地ユニット４１の先端部には上下動自在に設けられた接地端子４２を備えている。接地端子４２は、ＡＦＭセンサユニット１１において、カンチレバーの探針よりも先に試料１３の表面に接触するように設けられている。
【００５３】
上記の構成によって、試料１３をＡＦＭセンサユニット１１で測定する際、試料１３に対して接地端子４２が探針よりも先に接触し、試料表面を装置接地部位と電気的に接続することにより、試料表面をカンチレバーすなわち探針と電気的に接続し、同電位にすることができる。また、第２実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡によっても、第１実施形態で説明した同様な作用効果が発揮される。
【００５４】
次に図５を参照して本発明の第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の特徴部を説明する。図５は、第３実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡のＡＦＭセンサユニット１１で使用されるカンチレバーのみを示している。図示していない部分の装置構成は第１実施形態等で説明した構成と同じである。
【００５５】
この実施形態の走査型プローブ顕微鏡では、試料台１２上に設けた前述の接地ユニット１６の代わりに、カンチレバー５１において、測定用レバー５２およびその先端の設けた測定用探針５３と共に、接地用レバー５４およびその先端に設けた接地端子５５を備えている。
【００５６】
カンチレバー５１に設けた接地用レバー５４と接地端子５５は導電性を有するように構成されている。さらに接地端子５５は、測定用探針５３が試料表面に接触する前に、先に試料表面に接触するように構成されている。
【００５７】
上記の構成によって、試料１３をＡＦＭセンサユニット１１で測定する際、試料１３に対してカンチレバー５１の接地端子５５が測定用探針５３よりも先に接触し、試料表面を装置接地部位と電気的に接続することにより、試料表面をカンチレバー５１すなわち測定用探針５５と電気的に接続し、同電位にすることができる。また、第３実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡によっても、第１実施形態で説明した同様な作用効果が発揮される。
【００５８】
上記の実施形態で説明された構成、形状、大きさ、材質、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ない。従って本発明は、上記の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。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、半導体製造プロセスにおける自動検査工程における走査型プローブ顕微鏡で試料表面と探針の電位差をなくし検査・測定の迅速化と高精度化に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の測定ユニットと試料ステージの構成を示す外観図である。
【図２】接地ユニットを拡大して示す外観図である。
【図３】測定ユニットの内部構成の一例を示す構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の測定ユニットの特徴的構成を示す外観図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の測定ユニットで用いられるカンチレバーを示す外観図である。
【符号の説明】
【００６１】
１０      走査型プローブ顕微鏡
１１      ＡＦＭセンサユニット
１２      試料台
１３      試料
１５      試料ホルダ
１６      接地ユニット
１７      基台
１８      フレーム部材
２１      ブラケット
２２      接地端子
２３      モータ
【図１】
2008209152.tif 000003
【図２】
2008209152.tif 000004
【図３】
2008209152.tif 000005
【図４】
2008209152.tif 000006
【図５】
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