(57)【要約】【課題】光学顕微鏡では観察が困難であるような微細パターンを有する試料の計測領域を正確に特定し、位置合わせすることができ、探針形状および探針磨耗の状態に基づいて、探針形状のばらつき、もしくは探針磨耗に起因する計測プロファイル歪みの補正を行うことのできる走査プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】試料１０２表面の画像に基づいて、試料１０２の計測領域を特定する計測領域特定部１２２と、形状が既知の標準試料１１４と、標準試料１１４の測定結果に基づいて、探針１０３の状態を検出する探針状態検出部１２１と、探針状態検出部１２１により検出された探針１０３の状態に基づいて、試料１０２表面の計測結果を補正する計測形状補正部１０８とを備えた。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を試料表面に近接、又は接触させて走査し、前記探針と前記試料間に生じる物理的な相互作用を計測することにより、前記試料の表面形状を計測する走査プローブ顕微鏡において、
前記試料表面の画像に基づいて、前記試料の計測領域を特定する計測領域特定手段と、
前記探針の状態に基づいて、前記試料表面の計測結果を補正する計測形状補正手段とを備えた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、
前記計測領域特定手段は、前記試料表面の走査プローブ顕微鏡画像、近紫外域顕微鏡画像、又は遠紫外域顕微鏡画像に基づいて、前記試料の計測領域を特定す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２記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記走査プローブ顕微鏡画像は、前記試料表面の原子間力顕微鏡画像、又は近接場光画像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２又は３記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記試料表面の走査プローブ顕微鏡画像、又は原子間力顕微鏡画像を計測する計測領域特定用探針を備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項４記載の走査プローブ顕微鏡において、
距離計測用パターンを有する試料の計測結果に基づいて、前記試料の表面形状を計測する探針と前記計測領域特定用探針との間の距離を計測する距離計測手段を備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項２記載の走査プローブ顕微鏡において、
距離計測用パターンを有する試料の計測結果に基づいて、前記試料の表面形状を計測する探針と前記近紫外域顕微鏡画像又は遠紫外域顕微鏡画像を計測する顕微鏡との間の距離を計測する距離計測手段を備えたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項１，２，３，４，５又は６記載の走査プローブ顕微鏡において、
形状が既知の標準試料と、
前記標準試料の測定結果に基づいて、前記探針の状態を検出する探針状態検出手段を備え、
前記計測形状補正手段は、前記探針状態検出手段により検出された前記探針の状態に基づいて、前記試料表面の計測結果を補正す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７記載の走査プローブ顕微鏡において、
前記探針状態検出手段は、予めシミュレーションによって作成された任意の探針状態と標準試料形状から求まる計測プロファイルライブラリーと実測値のマッチングを取り、そのマッチング結果に基づいて前記探針状態を特定す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１，２，３，４，５，６，７又は８記載の走査プローブ顕微鏡を用いて、半導体パターンの表面形状を計測し、その測定結果に基づいて、前記半導体パターンのＣＤ・断面プロファイルを計測することを特徴とするＣＤ・断面プロファイル計測方法。
【請求項１０】
複数のプロセス装置を用いて半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造方法において、
請求項１，２，３，４，５，６，７又は８記載の走査プローブ顕微鏡を用いて、製造中又は製造後における半導体デバイスの半導体パターンの表面形状を計測し、その測定結果に基づいて、前記半導体パターンのＣＤ・断面プロファイルを計測し、その計測結果に基づいて、前記プロセス装置の動作条件を変更することを特徴とする半導体デバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体微細パターン等のＣＤ・断面プロファイル計測を行うための走査プローブ顕微鏡に関し、特に、その計測領域の特定と計測結果の補正に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は微細立体形状の計測技術として知られており、先端の尖った探針（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。
【０００３】
また、走査プローブ顕微鏡のひとつである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）はカンチレバーと呼ばれる微小な片もち梁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を、カンチレバーのたわみによる変位量によって検出し、試料表面の微細形状を計測するものである。
【０００４】
現在、ＬＳＩの微細パターン形成プロセスにおいてはＣＤ−ＳＥＭ（測長ＳＥＭ）を用いて寸法管理を行っているが、パターンの微細化に伴い以下のような課題があった。
【０００５】
例えば、２００３年に主流になるとされる、９０ｎｍノードＬＳＩのゲート幅は８０ｎｍ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１．６  ｎｍとなる。
【０００６】
また、線幅の高精度制御のためにＡＰＣ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  ＰｒｏｃｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ）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。
【０００７】
さらに、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おり、次世代の高密度光ディスクメモリのピット計測に対しても、同様の測定精度、断面プロファイル計測の必要性、マスター作成のためのレジストパターンの計測といった、同様のニーズが考えられる。
【０００８】
しかしながら、上記のような課題に対しては、現状のＣＤ−ＳＥＭでは対応できない。このために、走査プローブ顕微鏡技術、特にそのひとつである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）をＣＤ・断面プロファイル計測に用いることが有望と思われる。
【０００９】
ただし、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を半導体製造ラインでのＣＤ・断面プロファイル計測に用いるにあたっては、スループット、計測領域の特定および位置合わせ、ＸＹステージの走査精度もしくは探針形状のばらつきや探針磨耗に起因する計測画像の歪み等、解決するべき課題が多くみられる。
【００１０】
そして、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）をＣＤ計測に用いる際の課題のうち、計測領域の位置合わせに関しては、現在、高倍率の光学顕微鏡をＡＦＭに組み込む方法が用いられており、光学顕微鏡画像による位置合わせを行っている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
また、光学顕微鏡以外の試料観察の方法としては、走査電子顕微鏡と原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の複合装置が考えられている（例えば、特許文献２参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開平２−２８１１３号公報（第１頁の要約など）
【００１３】
【特許文献２】
特開平１０−２２３１７０号公報（第１頁の要約など）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１記載のものでは、パターンがどんどん微細化するに従い、光学顕微鏡ではパターンの解像が困難になってきており、そのため今後、計測領域の位置合わせを正確に行えなくなるという問題点があった。
【００１５】
また、上記特許文献２記載のものでは、装置が大型化し、電子線耐性の弱い試料へのダメージが懸念され、また、探針の形状および計測による探針の磨耗量をモニタし、探針交換時期の判定、また探針形状の違いや探針磨耗による計測プロファイル歪みへの影響を除去することはＣＤ計測を高精度で行う上で避けられない作業となってくるという問題点があった。
【００１６】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、走査プローブ顕微鏡、特にそのひとつである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）でＣＤ・断面プロファイル計測を行う際に、光学顕微鏡では観察が困難であるような微細パターンを有する試料の計測領域を正確に特定し、位置合わせすることができ、探針形状および探針磨耗の状態に基づいて、探針形状のばらつき、もしくは探針磨耗に起因する計測プロファイル歪みの補正を行うことのできる走査プローブ顕微鏡、特にそのひとつである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る走査プローブ顕微鏡は、探針を試料表面に近接、又は接触させて走査し、探針と試料間に生じる物理的な相互作用を計測することにより、試料の表面形状を計測する走査プローブ顕微鏡において、試料表面の画像に基づいて、試料の計測領域を特定する計測領域特定手段と、探針の状態に基づいて、試料表面の計測結果を補正する計測形状補正手段とを備えたものである。
【００１８】
第２の発明に係る走査プローブ顕微鏡は、第１の発明の走査プローブ顕微鏡において、計測領域特定手段は、試料表面の走査プローブ顕微鏡画像、近紫外域顕微鏡画像、又は遠紫外域顕微鏡画像に基づいて、試料の計測領域を特定するものである。
【００１９】
第３の発明に係る走査プローブ顕微鏡は、第２の発明の走査プローブ顕微鏡において、走査プローブ顕微鏡画像は、試料表面の原子間力顕微鏡画像、又は近接場光画像であるものである。
【００２０】
第４の発明に係る走査プローブ顕微鏡は、第２又は第３の発明の走査プローブ顕微鏡において、試料表面の走査プローブ顕微鏡画像、又は原子間力顕微鏡画像を計測する計測領域特定用探針を備えたものである。
【００２１】
第５の発明に係る走査プローブ顕微鏡は、第４の発明の走査プローブ顕微鏡において、距離計測用パターンを有する試料の計測結果に基づいて、試料の表面形状を計測する探針と計測領域特定用探針との間の距離を計測する距離計測手段を備えたものである。
【００２２】
第６の発明に係る走査プローブ顕微鏡は、第２の発明の走査プローブ顕微鏡において、距離計測用パターンを有する試料の計測結果に基づいて、試料の表面形状を計測する探針と近紫外域顕微鏡画像又は遠紫外域顕微鏡画像を計測する顕微鏡との間の距離を計測する距離計測手段を備えたものである。
【００２３】
第７の発明に係る走査プローブ顕微鏡は、第１、第２、第３、第４、第５又は第６の発明の走査プローブ顕微鏡において、形状が既知の標準試料と、標準試料の測定結果に基づいて、探針の状態を検出する探針状態検出手段を備え、計測形状補正手段は、探針状態検出手段により検出された探針の状態に基づいて、試料表面の計測結果を補正するものである。
【００２４】
第８の発明に係る走査プローブ顕微鏡は、第７の発明の走査プローブ顕微鏡において、探針状態検出手段は、予めシミュレーションによって作成された任意の探針状態と標準試料形状から求まる計測プロファイルライブラリーと実測値のマッチングを取り、そのマッチング結果に基づいて探針状態を特定するものである。
【００２５】
第９の発明に係るＣＤ・断面プロファイル計測方法は、第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７又は第８の発明の走査プローブ顕微鏡を用いて、半導体パターンの表面形状を計測し、その測定結果に基づいて、半導体パターンのＣＤ・断面プロファイルを計測するものである。
【００２６】
第１０の発明に係る半導体デバイス製造方法は、複数のプロセス装置を用いて半導体デバイスを製造する半導体デバイス製造方法において、第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７又は第８の発明の走査プローブ顕微鏡を用いて、製造中又は製造後における半導体デバイスの半導体パターンの表面形状を計測し、その測定結果に基づいて、半導体パターンのＣＤ・断面プロファイルを計測し、その計測結果に基づいて、プロセス装置の動作条件を変更するものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２８】
図１は、本発明の一実施の形態における走査プローブ顕微鏡のひとつである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の一例を示す構成図、図２は光てこ光学系および光学系の位置合わせ方法を示す説明図である。
【００２９】
図１において、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、試料ステージ（粗動ステージ）１０１、試料１０２、ＣＤ・断面プロファイル計測用探針１０３、計測領域特定用探針１０４、試料観察部１０５、信号検出部１０６、データ処理部１０７、計測形状補正部１０８、走査制御部１０９、探針制御部１１０、全体制御部１１１、画像表示部１１２、入力装置１１３、探針形状モニタ用標準試料１１４、圧電素子１１６、ロードポート１１９、プリンター、フロッピー（Ｒ）ディスク、ＭＯ等の外部出力装置１２０、探針状態検出部１２１、計測領域特定部１２２、距離計測部１２３から構成されている。
【００３０】
また、信号検出部１０６、データ処理部１０７、計測形状補正部１０８及び探針状態検出部１２１でデータや信号関係の処理を行っており、走査制御部１０９、探針制御部１１０、全体制御部１１１、計測領域特定部１２２及び距離計測部１２３で探針関係の制御を行っている。
【００３１】
また、Ｘ、Ｙ、Ｚに駆動が可能な粗動ステージ１０１上には試料１０２が載せられており、走査制御部１０９によって制御される。また、試料１０２と正対する位置にはＣＤ・断面プロファイル計測用探針１０３の取り付けられたカンチレバーが配置されるが、この実施の形態では、計測領域特定画像を得る際の計測による探針の磨耗軽減の他、計測領域特定用探針はピラミッド状で耐磨耗性の高い探針を用い、ＣＤ・断面プロファイル計測には、探針先端が先鋭化され高アスペクト形状計測に優れた探針を使用するため、それらの交換に要する手間を軽減する目的で、計測領域特定用探針１０４が別に用意される。
【００３２】
また、計測領域特定部１２３では、計測領域特定用探針１０４などを用いて、試料１０２表面の画像を取得し、その画像に基づいて、試料１０２の計測領域を特定している。
【００３３】
また、各探針１０３、１０４は探針制御部１１０によりその動作が制御され、距離計測部１２３により、その探針間の距離が計測されている。
【００３４】
また、カンチレバー上方には各探針１０３，１０４と試料１０２との大まかな位置調整を行う光学顕微鏡等の試料観察部１０５およびレーザ光源と光検出器（４分割フォトディテクタ）から構成される光てこ光学系、もしくは光干渉光学系等を含む信号検出部１０６が配置され、図２に示されるカンチレバーのたわみ量３０５、もしくはねじれ量３０６の検出を行う。
【００３５】
また、信号検出部１０６で検出された信号は、データ処理部１０７で処理され、そのデータに基づいて、探針状態検出部１２１で探針の状態を検出し、計測形状補正部１０８では、探針の状態に基づいて、計測形状を補正している。
【００３６】
ここで、光てこ光学系による、カンチレバーのたわみ量およびねじれ量の検出原理について図２を用いて説明する。
【００３７】
レーザ光源３０１から出た光はカンチレバー背面で反射し、反射光は４分割フォトディテクタ３０４によって検出される。この時、カンチレバーに図２の３０５に示すようなたわみが生じると、光のスポットは４分割フォトディテクタ３０４の３０７方向に移動する。また、カンチレバーに図２の３０６に示されるようなねじれが生じると、光のスポットは４分割フォトディテクタ３０４の３０８方向に移動する。
【００３８】
よって、４分割フォトディテクタ３０４の（Ａ＋Ｃ）と（Ｂ＋Ｄ）の信号差をとれば、それがカンチレバーのたわみ量に比例した信号となり、（Ａ＋Ｂ）と（Ｃ＋Ｄ）の信号差をとれば、それがカンチレバーのねじれ量に比例した信号となるため、これにより、たわみ、ねじれの両信号の検出が可能となる。
【００３９】
この実施の形態の場合は、上述した通り２本の探針及びカンチレバーが用意される為、それぞれのカンチレバーについてたわみ量もしくはねじれ量を検出する必要がある。
【００４０】
ここで、この方法について図２を用いて説明する。
【００４１】
計測は計測領域特定画像計測、ＣＤ・断面プロファイル計測の順番で行われるため、まず、計測領域特定用探針１０４に対してレーザ光源とフォトディテクタの位置合わせを行う。この際、計測領域特定用探針１０４の探針推定位置を観察顕微鏡のセンタへ合わせておき、位置合わせが終了した後、ＣＤ・断面プロファイル計測用探針１０３の探針推定位置をセンタへ合わせるように粗動ステージ１０１を移動させる。
【００４２】
この時、粗動ステージ１０１の移動距離（Ｘ方向、Ｙ方向）が２探針推定位置間の距離となるため、ＣＤ・断面プロファイル計測の際に、求められた距離の分だけレーザ光源３０１とフォトディテクタ３０４の位置を移動させれば、ＣＤ・断面プロファイル計測用探針１０３に対する位置合わせを自動で容易に行うことが可能となる。
【００４３】
そして、検出されたたわみ、もしくはねじれ信号はデータ処理部１０７によって、画像に変換されるが、標準試料１１４での探針形状モニタ結果等に基づいて計測形状補正部１０８によって補正（デコンボリュ−ション）され、ディスプレー等の画像表示部１１２で表示される。
【００４４】
次に、この実施の形態によって、ＣＤ・断面プロファイル計測を行う際の手順について説明する。
【００４５】
まず、２本の探針を計測で用いる場合、図３に示されるような初期位置における２本の探針先の位置関係（Ｘ軸方向距離４０２、Ｙ軸方向距離４０３）を計測（キャリブレーション）する必要がある。
【００４６】
以下にその方法について図３を用いて説明する。
【００４７】
図３は２探針間の距離計測（キャリブレーション）方法を示した説明図である。
【００４８】
まず、例えば、図３に示すような十字のパターンの描画してある試料を用意し、最初にどちらか片方のカンチレバー探針の推定位置４０５と十字パターンの中心４０１がＺ軸方向に一直線上に配置するように粗動ステージ（試料位置）１０１を移動させる（処理Ｓ１）。
【００４９】
次に、その状態の探針位置を中心として十字パターンを含むような計測領域４０４を設定し、十字パターンの計測を行う（処理Ｓ２）。
【００５０】
その際、最初の配置によって探針の中心４０５と十字パターンの中心４０６が一致していれば、計測画像の中心４０７の位置に計測された十字パターンの中心４０１が位置するが、十字パターンの中心と探針の中心が一致していなければ計測画像の中心と十字パターンの中心位置に図３の４０８に示す、ずれ（Δｘ，Δｙ）が生じることになる。
【００５１】
よって、そのずれ量４０８の計測を例えば、画像処理などにより行い、さらにもう片方のカンチレバー探針についても、その推定位置と十字パターンの中心を一致させるように粗動ステージ（試料位置）１０１を移動させ（処理Ｓ３）、その後、上記処理１〜３と同様の計測を行い、例えば、計測画像の中心と十字パターンの中心位置のずれ量だけ粗動ステージ（試料位置）１０１を移動させ、最終的な粗動ステージ（試料位置）１０１の移動量（Ｘ，Ｙ）とする。
【００５２】
以上の作業を探針交換後に行うことによって、最初の計測画像における十字パターンの画像中心からのずれ量（Δｘ，Δｙ）および最終的な試料の移動量（Ｘ，Ｙ）から、それぞれのカンチレバーのＸ、Ｙのそれぞれの方向について探針間距離を計測することが可能となる。
【００５３】
また、この、探針間距離の測定は、一方の計測画像における十字パターンの画像中心からのずれ量（Δｘ，Δｙ）を測定した後、もう片方のカンチレバー探針についても、その推定位置と十字パターンの中心を一致させるように粗動ステージ（試料位置）１０１を移動させ、その位置を粗動ステージ（試料位置）１０１の移動量（Ｘ，Ｙ）として、その状態で上記処理１〜３と同様の計測を行い、計測画像における十字パターンの画像中心からのずれ量（Δｘ’，Δｙ’）を測定して、ずれ量（Δｘ，Δｙ）及びずれ量（Δｘ’，Δｙ’）と粗動ステージ（試料位置）１０１の移動量（Ｘ，Ｙ）から、それぞれのカンチレバーのＸ、Ｙのそれぞれの方向について探針間距離を計測してもよい。
【００５４】
次に、計測領域特定画像の計測方法について説明する。
【００５５】
まず、光学顕微鏡等の試料観察部１０５の視野が計測領域に入るように試料の大まかな位置調整を行った後、計測領域特定用探針１０４により、計測領域特定画像計測の計測領域をＣＤ・断面プロファイル計測予定領域よりも広範囲に設定し、計測を行う。
【００５６】
この際の計測は、前述のとおり微細パターン位置の特定が目的である為、画像は高解像度である必要はなく、スキャン速度をパターン認識が可能なぎりぎりまで上げて、計測時間を短縮する。
【００５７】
また、この実施の形態で探針を２本用意したのは、前述した通り観察画像計測による探針の磨耗を考慮してのことであるが、探針に耐磨耗性に優れた材質、例えばカーボンナノチューブ等を用いれば、探針は１本でも問題無い。
【００５８】
また、観察位置特定用画像のＳＰＭ画像としては、これまで述べてきた原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像の他、近接場光（ＮＳＯＭ：Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ  Ｓｃａｎｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像も考えられ、この場合は、ＣＤ・断面プロファイル計測用カンチレバーの先端に開口を設け、この開口から近接場光を試料に対して照射すれば一本のプローブでＡＦＭ、ＮＳＯＭ両プローブを兼ねることができる。
【００５９】
その他、微細パターンが１５０ｎｍ程度もしくはそれ以上であれば、観察位置の特定に近紫外域もしくは遠（深）紫外域の顕微鏡画像を用いることも可能である。
【００６０】
ここで、観察位置特定用画像として、近紫外域もしくは遠（深）紫外域の顕微鏡画像を用いる場合の構成について説明する。
【００６１】
図４は、この実施の形態において、観察位置特定用画像として、近紫外域もしくは遠（深）紫外域の顕微鏡画像を用いる場合の構成の一例を示す構成図である。
【００６２】
図４において、図１における計測領域特定用探針１０４の代わりに、計測領域特定用顕微鏡１１７を設けた以外は、図１に示す構成と同じである。
【００６３】
図４の例では、計測領域特定用顕微鏡１１７とカンチレバーは同軸配置が好ましいが、高倍率の対物レンズを用いた場合には、対物レンズと試料間の距離（作動距離）が確保できない為、計測領域特定用顕微鏡１１７の下にカンチレバーが入らず、同軸配置が困難な場合も考えられる。
【００６４】
この場合は、図４に示すようにカンチレバーと計測領域特定用顕微鏡１１７を別々の軸に配置する必要があり、この際はカンチレバーの探針１０３の位置と計測領域特定用顕微鏡１１７の位置関係を計測（キャリブレーション）する必要が生じる。
【００６５】
以下にその方法について図５を用いて説明する。
【００６６】
図５は、カンチレバーの探針１０３と計測領域特定用顕微鏡１１７の距離計測（キャリブレーション）方法を示した説明図である。
【００６７】
まず、２本のカンチレバー間のキャリブレーションで述べた十字パターンの描画された試料を用意し、十字パターンの中心に観察用顕微鏡画像中心５０１およびカンチレバー探針の推定位置４０５を一致させるように光学顕微鏡等の試料観察部１０５および粗動ステージ１０１を移動させる（処理Ｓ１）。
【００６８】
ここで、その状態の探針位置を中心とした計測領域４０４を設定し、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）での十字パターンの計測を行う（処理Ｓ２）。
【００６９】
その際、十字パターンの中心４０１とカンチレバー探針１０３中心４０５が一致していれば、計測画像の中心４０７に計測された十字パターンの中心４０６が位置するが、十字パターンの中心４０６と探針の中心が一致していなければ計測画像の中心４０７と十字マーク中心位置に図５の４０８に示すずれ（Δｘ，Δｙ）が生じることになる。
【００７０】
よって、そのずれ量４０８を画像処理などにより計測し、その距離だけ顕微鏡位置を移動させる。この時観察用顕微鏡中心と十字パターン中心がＺ軸方向に一直線に配置されたことになる為、今度は十字パターンの中心と計測領域特定用顕微鏡１１７の画像中心５０２が一致するように粗動ステージを移動させる（処理Ｓ３）。
【００７１】
この時のＸ、Ｙそれぞれの方向の移動量（Ｘ，Ｙ）と（Δｘ，Δｙ）がカンチレバーの探針１０３位置と計測領域特定用顕微鏡１１７との探針間距離となり、以上の作業を探針交換後行うことによって、カンチレバーの探針１０３位置と計測領域特定用顕微鏡１１７の位置関係を計測できることになる。
【００７２】
この計測領域特定画像の計測によって、計測領域を含む広範囲の計測を短時間で行い、得られた画像から、計測したいパターンの位置を決定する。
【００７３】
ただし、計測領域特定用探針１０４とＣＤ・断面プロファイル計測用探針１０３を別々に用意する方式の場合、ここで決定された位置は、計測領域特定用探針１０４における座標系であるため、この位置を基点として、最初にキャリブレーションによって求めておいたＸ軸方向、Ｙ軸方向それぞれの探針先端間距離分をオフセットし、観察画像計測で用いた探針とは別の探針を用いてＣＤ・断面プロファイル計測を行う。
【００７４】
また、ＣＤ・断面プロファイル計測の計測モードとしては、ノンコンタクト、コンタクトモードの他、特開平１１−３５２１３５号公報に開示されているような、カンチレバーを共振周波数付近で加振させることで、試料へ間歇的に接触させ、表面形状を計測する方法、また、特開２００１−３３３７３号公報に開示されているような、探針の試料への接近退避を繰り返すことで、試料へ間歇的にコンタクトし、表面形状を計測する方法（図６参照）等がある。
【００７５】
ただし、探針が磨耗すると徐々に探針先端の半径が大きくなるため、探針がパターンの穴底にまで届かなくなり、計測精度が悪くなる。よって、特に高アスペクト比のパターンを計測する場合等は、早期に探針を交換する必要があり、探針磨耗の状態をモニタし、探針の交換時期を判定することは重要となる。
【００７６】
また、探針の磨耗が少ない場合でも探針形状の違いによる計測画像の歪みを無視することはできない為、これらをモニタし、探針状態の違いによる影響を軽減する必要が生じてくる。
【００７７】
次に、探針磨耗のモニタ方法について説明する。
【００７８】
図７は、探針形状モニタの探針状態パラメータおよび標準試料を示す説明図、図８は、任意の探針状態パラメータおよび標準試料による計測プロファイルを示す説明図、図９は、探針形状マッチングの方法を示す説明図である。
【００７９】
まず、探針形状のモニタ方法としては、予め形状の分かっている標準試料を計測する方法を用いる。これは、計測プロファイルが試料形状と探針形状のコンボリュ−ションされたものであることから、形状が既知の標準試料を計測し、その計測プロファイルから探針形状を特定する方法である。
【００８０】
この際の標準試料形状としては、マイクロレンズアレー等の半球型、Ｓｉの異法性エッチングを利用して作製が可能なピラミッド型、ラインアンドスペース等のステップ型等が挙げられ、図７に示す探針状態（探針の傾きα、先端半径Ｒ、コーンアングルθ）と各標準試料形状からは、図８に示されるような計測プロファイルが得られる。
【００８１】
この場合、図８の計測プロファイルに示すとおり、計測プロファイルの左右のエッジ傾きおよび上面高さから図７の探針状態（探針の傾きα、先端半径Ｒ、コーンアングルθ）を特定することができる為、使用前のカンチレバーで予め標準試料を計測しておき、ＣＤ・断面プロファイル計測後、標準試料を再計測することによって、計測による探針先端の磨耗量を特定することが可能となる。
【００８２】
ただし、カンチレバーが柔らかく、カンチレバーの傾きが大きい場合、カンチレバーの試料への押し付け力によるカンチレバーのねじれが無視できない為、カンチレバーのバネ定数、探針の試料への傾き、探針の試料への押し付け力に依存する計測プロファイルの歪みを新たに考慮する必要が生じる。この場合、図８の計測プロファイルにカンチレバーのねじれによる歪みが生じることとなり、断面プロファイルから直接探針状態を特定することが困難となる。
【００８３】
したがって、この場合の探針形状の特定方法としては、図９に示すように探針状態と各標準試料から得られる計測プロファイルのライブラリーを予め作成しておき、ライブラリープロファイルと標準試料実測プロファイルのマッチングをとる方法が有効となる。
【００８４】
この際のライブラリーは、上記の探針形状パラメータで決定する任意の探針形状と標準試料形状による計測プロファイルをシミュレーションによって求めて作成し、マッチングは、ライブラリープロファイルと実測プロファイル各点の残差二乗和を評価関数とし、評価関数が最小となるライブラリープロファイルを求める方法を用いる。
【００８５】
さらに、この方法で特定された探針形状を用いれば、計測したＣＤ値および断面プロファイルを補正する（デコンボリュ−ション）ことが可能となる。よって上記したような標準サンプルをそれぞれの装置にキャリブレーション用試料として標準搭載し、計測直前もしくは定期的に（例えば、数回の計測で一回程度）探針の状態を検査することにより、探針の影響を取り除いた高精度な画像が常に得られることになる。
【００８６】
ここで、上記で説明したＣＤ計測の一連の流れについて図１０を用いて説明する。
【００８７】
図１０はこの実施の形態におけるＣＤ計測の一連の流れを示すフローチャートである。
【００８８】
まず、図１に示すロードポート１１９から粗動ステージ１０１上に測定対象のウエハをロードし（Ｓ１）、ロードされたウエハはアライメント（位置決め）された後（Ｓ２）、上述したような方法により計測領域の特定を行う（Ｓ３）。
【００８９】
そして、Ｓ３によって特定された領域についてＣＤ・断面プロファイル計測を行い（Ｓ４）、計測形状補正部１０８によって補正（デコンボリュ−ション）し（Ｓ５）、その結果を画像表示部１１２へ表示する（Ｓ６）。
【００９０】
また必要に応じて、プリンター、フロッピー（Ｒ）ディスク、ＭＯ等の外部出力装置１２０によって外部へ結果出力をし、計測済みのウエハはアンロードされる（Ｓ７）。
【００９１】
さらに、ＣＤ・断面プロファイル計測用探針は、装置に搭載された標準試料１１４を用いて形状をモニタし（Ｓ８）、磨耗状態に応じて交換される（Ｓ９）。
【００９２】
探針交換後は上述したように２探針間距離、もしくは探針、計測領域特定用顕微鏡間距離の計測（キャリブレーション）を行う（Ｓ１０）。
【００９３】
以上の動作を繰り返すことにより、ウエハ上の半導体パターンのＣＤ・断面プロファイルを高精度に測定することが可能となる。
【００９４】
次に、この実施の形態のＣＤ・断面プロファイル計測方法を用いた半導体デバイス製造方法について説明する。
【００９５】
図１１はこの実施の形態のＣＤ・断面プロファイル計測方法を用いた半導体デバイス製造方法を示す説明図である。
【００９６】
図において、半導体デバイス製造装置としては、露光装置、現像装置、エッチャー等のプロセス装置１００３と、この実施の形態のＣＤ・断面プロファイル計測方法を実施する装置１００２から構成され、ウエハ１００１上にパターンを形成している。
【００９７】
まず、ウエハ１００１は複数のプロセス装置１００３を経てパターンを形成される。そして、パターンが形成され、検査用に抜き取られた検査用ウエハ１００４を用いて、装置１００２によりパターンのＣＤ・断面プロファイル計測を行い、計測結果をフィードバック情報１００５として各プロセス装置１００３のプロセス条件にフィードバックする。
【００９８】
以上のように、この実施の形態の高精度のＣＤ・断面プロファイル計測の計測結果を用いて、各プロセス装置１００３のプロセス条件を変更することにより、安定に高精度なデバイスを製造することが可能となる。
【００９９】
なお、この実施の形態では、走査プローブ顕微鏡のひとつである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により、半導体パターンの形状を測定しているが、本発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）に限らず、探針を測定対象の試料表面に近接、又は接触させて走査し、探針と試料間に生じる物理的な相互作用を計測することにより、測定対象の試料の表面形状を計測する他の走査プローブ顕微鏡にも適用可能である。
【０１００】
また、この実施の形態では、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の構成として、信号検出部１０６、データ処理部１０７、計測形状補正部１０８及び探針状態検出部１２１でデータや信号の処理を行い、走査制御部１０９、探針制御部１１０、全体制御部１１１、計測領域特定部１２２及び距離計測部１２３で探針の制御を行う説明をしたが、この構成は一例であり、本発明はこれに限らず、それぞれ、一体の処理制御部で構成するようにしてもよく、また、各部の動作を行うことができる構成であれば、どのような構成であってもよい。
【０１０１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、計測領域特定手段により、試料表面の走査プローブ顕微鏡画像、近紫外域顕微鏡画像、又は遠紫外域顕微鏡画像に基づいて、前記試料の計測領域を特定し、計測形状補正手段により、探針の状態に基づいて、試料表面の計測結果を補正するようにしたので、従来の光学顕微鏡で解像できない微細パターンも正確に計測領域の位置合わせをすることが可能となるため、今後計測の要求が高まる１００ｎｍ以下の微細パターン計測に際し、計測領域特定の作業効率を向上させることができるという効果を有する。
【０１０２】
また、計測中もしくは定期的に探針の状態を検出することによって、探針形状もしくは探針磨耗に起因する計測画像の歪みを補正し、再現性の良い高精度な計測結果を得られることから、走査プローブ顕微鏡を半導体製造ライン等でＣＤ・断面プロファイル計測に用いる際のスループット向上および計測の高精度化に貢献することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における走査プローブ顕微鏡のひとつである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の一例を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態における光てこ光学系および光学系の位置合わせ方法を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態における２探針間の距離計測（キャリブレーション）方法を示した説明図である。
【図４】この実施の形態において、観察位置特定用画像として、近紫外域もしくは遠紫外域の顕微鏡画像を用いる場合の構成の一例を示す構成図である。
【図５】本発明の一実施の形態におけるカンチレバーの探針と計測領域特定用顕微鏡の距離計測（キャリブレーション）方法を示した説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態における断面プロファイル計測に適したスキャンモードを示す説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態における探針形状モニタの探針状態パラメータおよび標準試料を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施の形態における任意の探針状態パラメータおよび標準試料による計測プロファイルを示す説明図である。
【図９】本発明の一実施の形態における探針形状マッチングの方法を示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施の形態におけるＣＤ計測の一連の流れを示すフローチャートである。
【図１１】本発明の一実施の形態のＣＤ・断面プロファイル計測方法を用いた半導体デバイス製造方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０１…粗動ステージ、１０２…試料、１０３…ＣＤ・断面プロファイル計測用探針、１０４…計測領域特定用探針、１０５…試料観察部、１０６…信号検出部、１０７…データ処理部、１０８…計測形状補正部（計測形状補正手段）、１０９…走査制御部、１１０…探針制御部、１１１…全体制御部、１１２…画像表示部、１１３…入力装置、１１４…探針形状モニタ用標準試料、１１６…圧電素子、１１７…計測領域特定用顕微鏡、１１８…２顕微鏡間距離、１１９…ロードポート１１９、１２０…外部出力装置、１２１…探針状態検出部（探針状態検出手段）、１２２…計測領域特定部（計測領域特定手段）、１２３…距離計測部（距離計測手段）、３０１…レーザ光源、３０２…レーザ光源からの出射光、３０３…レーザ光源からの反射光、３０４…４分割フォトダイオード、３０５…カンチレバーたわみ、３０６…カンチレバーねじれ、３０７…レーザ光スポット、４０１…十字パターン中心、４０２…２本の探針先のＸ軸方向距離、４０３…２本の探針先のＹ軸方向距離、４０４…計測領域、４０５…探針推定位置、４０６…計測十字パターン像中心、４０７…ＡＦＭ画像中心、４０８…探針、十字パターン中心間のずれ量、５０１…観察用顕微鏡画像中心、５０２…計測領域特定用顕微鏡画像中心、１００１…ウエハ、１００２…ＣＤ・断面プロファイル計測装置、１００３…プロセス装置、１００４…検査用ウエハ、１００５…フィードバック情報。
【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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