(57)【要約】【課題】同一パターンが試料上に複数並んでいた場合でも特定パターンを検出でき、直交する２つのエッジを持たない、例えば丸底穴等の形状の特定パターンの検出についても対応する走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】探針部と、探針の位置を微細に調整する微動機構と、探針を試料に対して移動、接近、退避するための粗動機構と、探針と試料の間に生じる物理量を測定する測定部を備えた走査型プローブ顕微鏡によって試料の表面に形成された特定パターンを検出する方法であり、微動機構または粗動機構で探針を走査させて測定部で試料の表面におけるパターンが周期的に並んだ領域を測定するとき、パターンが見つかるまでは第１のピッチで走査を行い、パターンが見つかった後は第２のピッチで走査を行うことによってパターンの領域を測定し、領域内の複数のパターンから特定パターンを検出する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対して探針が向くように設けられた探針部と、前記探針の位置を微細に調整する微動機構と、前記探針を試料に対して移動、接近、退避するための粗動機構と、前記探針と前記試料の間に生じる物理量を測定する測定部を備えた走査型プローブ顕微鏡によって前記試料の表面に形成された特定パターンを検出する方法であり、
前記微動機構または前記粗動機構で前記探針を走査させて前記測定部で前記試料の表面におけるパターンが周期的に並んだ領域を測定するとき、
前記パターンが見つかるまでは第１のピッチで走査を行い、
前記パターンが見つかった後は第２のピッチで走査を行うことによって前記パターンの領域を測定し、前記領域内の複数の前記パターンから前記特定パターンを検出することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法。
【請求項２】
少なくとも前記第２のピッチの走査回数と走査ピッチを自由に設定でき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特定パターン検出方法。
【請求項３】
前記第２のピッチで走査を行う測定は、前記パターンの領域のすべてのパターンについて行う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の特定パターン検出方法。
【請求項４】
前記パターンの領域が矩形領域であるとき、前記第２のピッチで走査を行う測定は、前記パターンの領域の直交する２辺の部分のパターンのみについて行う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の特定パターン検出方法。
【請求項５】
予め前記試料の傾きを検出し、検出された前記試料の傾きに基づいて走査方向を設定し、前記第２のピッチの走査を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法。
【請求項６】
前記パターンの配列の最初のパターンが検出されたとき、前記最初のパターンの重心の位置を測定・算出し、前記パターンの配列の最初のパターンが検出された以降は、前記重心の位置から前記第２のピッチで走査す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の特定パターン検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法に関し、特に、探針を走査して短時間で測定パターンを特定することができる走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、原子間力を利用する原子間力顕微鏡、磁気力を利用する磁気力顕微鏡等があり、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。最近ではインライン自動検査工程の用途でも使用されてきている。
【０００４】
原子間力顕微鏡は、基本的な構成として、原子間力顕微鏡の原理に基づく測定装置部分を備える。通常、圧電素子を利用して形成されたトライポッド型あるいはチューブ型のＸＹＺ微動機構を備え、このＸＹＺ微動機構の下端に、先端に探針が形成されたカンチレバーが取り付けられている。探針の先端は試料の表面に対向している。上記カンチレバーに対して例えば光てこ式光学検出装置が配備される。すなわち、カンチレバーの上方に配置されたレーザ光源（レーザ発振器）から出射されたレーザ光がカンチレバーの背面で反射され、光検出器より検出される。カンチレバーにおいて捩れや撓みが生じると、光検出器におけるレーザ光の入射位置が変化する。従って探針およびカンチレバーで変位が生じると、光検出器から出力される検出信号で当該変位の方向および量を検出できる。上記の原子間力顕微鏡の構成について、制御系として、通常、比較器、制御器が設けられる。比較器は、光検出器から出力される検出電圧信号と基準電圧とを比較し、その偏差信号を出力する。制御器は、当該偏差信号が０になるように制御信号を生成し、この制御信号をＸＹＺ微動機構内のＺ微動機構に与える。こうして、試料と探針の間の距離を一定に保持するフィードバックサーボ制御系が形成される。上記の構成によって探針を試料表面の微細凹凸に追従させながら走査し、その形状を測定することができる。
【０００５】
原子間力顕微鏡が発明された当時は、その高分解能性を利用してｎｍ（ナノメートル）以下のオーダの表面微細形状の測定が中心課題であった。しかしながら、現在では、走査型プローブ顕微鏡は半導体デバイスのインライン製作装置の途中の段階で検査を行うインライン自動検査までその使用範囲が拡大してきている。このような状況になると、実際の検査工程では、基板またはウェハの上に作られた周期的に並んだパターン形状の有無を検出し、特定パターンの位置を求めた後に、その特定パターンの詳細な測定をすることが要求される。そのために、特定パターンの位置を迅速に検出する自動測定も求められつつある。
【０００６】
原子間力顕微鏡を用いて特定パターンの位置を迅速に検出する技術としては、特許文献１を挙げることができる。特許文献１にはプローブ顕微鏡の探針と光学顕微鏡の光軸間距離を測定できるプローブ顕微鏡装置において、試料テーブル上に設置され、テーブルの直交方向に延びる蒸着膜のエッジを探針の両方向の１ライン走査により検出し、所定の位置、例えば直交する２つのエッジが交差する位置を特定する方法が開示されている。
【０００７】
上述の特許文献１の実施例に示されている所定位置の特定方法は、試料テーブル上のパターン（蒸着膜）を走査して所定の位置を特定する方法であるが、同様の方法で試料上のパターンを走査して所定の位置を特定する方法が考えられる。実施例に従いその方法を以下に示す。
【０００８】
パターンは試料上に設置され、テーブルの直交方向に延びる２つのエッジを持つものとする。まず、目視でステージを移動してプローブ顕微鏡の探針を試料のパターン上に移動する。次に、粗動機構、もしくは微動機構を使用して、探針をＸ軸方向に１ライン、Ｙ軸方向に１ライン走査して、パターン上の直交する２つのエッジを検出する。エッジを検出できない場合は、それぞれの走査距離だけ粗動機構、もしくは微動機構で走査位置をシフトする。再度、探針をＸ軸方向に１ライン、Ｙ軸方向に１ライン走査して、パターン上の直交する２つのエッジを検出する処理を行う。以上の処理を２つのエッジを検出するまで繰り返す。エッジ検出後、所定の位置、例えば直交する２つのエッジが交差する位置を演算により求める。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−２５８０７３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に示された方法は、検出するパターンが、直交する２つのエッジを持つ形状に限定されるものとなっている。それゆえ、同一パターンが試料上に複数並んでいる場合では、その並んでいるパターンのうち特定のパターンの有無、パターンの位置を検出することができない。
【００１１】
従来の特定パターンの検出方法では、周期的に配列するパターンから特定パターンを検出する場合、周期的に配列するパターン上を精ピッチで探針を走査し測定を行っているので、特定パターン位置やパターンの有無を検出するために非常に長い時間がかかってしまい、特定パターンの詳細測定を行うまでに時間がかかりすぎるという問題を有する。また、従来の原子間力顕微鏡の測定システムは、現在の段階では、半導体製造ラインのインライン計測に必要な自動計測化に関しては十分な技術的な進歩を見せていない。自動計測化に対応させることができない理由は、周期的に配列されるパターンから特定パターンを検出して測定を行うとき、特定パターンを検出するためには、精ピッチでパターンの配列の最初から測定していかなければならないので、例えば試料の同じ箇所の特定パターンを自動的に測定することが非常に困難であるということにある。以上のごとく自動計測の分野では原子間力顕微鏡等により周期的パターンからの特定パターン検出を効率的に行うことを実用的に実現したものは存在していない。
【００１２】
本発明の目的は、上記問題を解決するため、同一パターンが試料上に複数並んでいた場合でも特定パターンを短時間で検出でき、直交する２つのエッジを持たない、例えば丸底穴等の形状の特定パターンの検出についても対応する走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法は、上記目的を達成するために、次のように構成される。
【００１４】
第１の走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法（請求項１に対応）は、試料に対して探針が向くように設けられた探針部と、探針の位置を微細に調整する微動機構と、探針を試料に対して移動、接近、退避するための粗動機構と、探針と試料の間に生じる物理量を測定する測定部を備えた走査型プローブ顕微鏡によって試料の表面に形成された特定パターンを検出する方法であり、微動機構または粗動機構で探針を走査させて測定部で試料の表面におけるパターンが周期的に並んだ領域を測定するとき、パターンが見つかるまでは第１のピッチで走査を行い、パターンが見つかった後は第２のピッチで走査を行うことによってパターンの領域を測定し、領域内の複数のパターンから特定パターンを検出することで特徴づけられる。
【００１５】
第２の走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法（請求項２に対応）は、上記の第１の方法において、好ましくは、少なくとも第２のピッチの走査回数と走査ピッチを自由に設定できることで特徴づけられる。
【００１６】
第３の走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法（請求項３に対応）は、上記の第２の方法において、好ましくは、第２のピッチで走査を行う測定は、パターンの領域のすべてのパターンについて行うことで特徴づけられる。
【００１７】
第４の走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法（請求項４に対応）は、上記の第２の方法において、好ましくは、パターンの領域が矩形領域であるとき、第２のピッチで走査を行う測定は、パターンの領域の直交する２辺の部分のパターンのみについて行うことで特徴づけられる。
【００１８】
第５の走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法（請求項５に対応）は、上記の各方法において、好ましくは、予め試料の傾きを検出し、検出された試料の傾きに基づいて走査方向を設定し、第２のピッチの走査を行うことで特徴づけられる。
【００１９】
第６の走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法（請求項６に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、パターンの配列の最初のパターンが検出されたとき、最初のパターンの重心の位置を測定・算出し、パターンの配列の最初のパターンが検出された以降は、重心の位置から第２のピッチで走査することで特徴づけられる。
【００２０】
【作用】
走査型プローブ顕微鏡によって例えば周期的に配列されたパターン形状が製作された基板等の試料をインライン自動検査工程で計測・検査する場合において、自動計測のアルゴリズムの中に試料表面の特定パターンを検出してその特定パターンの詳細測定を行うとき、従来では探針を精ピッチで走査させ、配列の最初からパターンを測定し、特定パターンを検出させているが、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法によれば、迅速に特定パターンを検出することが可能である。従来の装置構成では、精ピッチのみで特定パターンを検出するための走査を行っていたために短時間で特定パターンを検出することが困難であった。本発明による構成では、パターンが見つかるまでは第１のピッチで走査を行い、パターンが見つかった後は第２のピッチで走査を行うことによってパターンの領域を測定し、領域内の複数のパターンから特定パターンを検出するため、試料の同一箇所の特定パターンの検出を迅速に行うことができる。特に、シリコンウェハ上に存する周期的に配列されたパターンの特定パターンを検出する場合、光学顕微鏡を利用して予め試料の傾きを検出し、その検出された傾きに基づいて第２ピッチの走査を行うことにより特定パターンを検出するので試料表面の特定パターンの自動計測を行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１に従って本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の構成を説明する。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。
【００２３】
走査型プローブ顕微鏡の下側部分は試料ステージ１１が設けられている。試料ステージ１１の上に試料１２が置かれている。試料ステージ１１は、直交するＸ軸とＹ軸とＺ軸で成る３次元座標系１３で試料１２の位置を変えるための機構である。試料ステージ１１はＸＹステージ１４とＺステージ１５と試料ホルダ１６とから構成されている。試料ステージ１１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。試料ステージ１１の試料ホルダ１６の上面には、比較的大きな面積でかつ薄板形状の上記試料１２が置かれ、保持されている。試料１２は、例えば、表面上に周期的に並んだパターンが製作された基板またはウェハである。試料１２は試料ホルダ１６上に固定されている。試料ホルダ１６は試料固定用チャック機構を備えている。
【００２４】
図２に従って試料ステージ１１の具体的な構成例を説明する。図２で、１４はＸＹステージであり、１５はＺステージである。ＸＹステージ１４は水平面（ＸＹ平面）上で試料を移動させる機構であり、Ｚステージ１５は垂直方向に試料１２を移動させる機構である。Ｚステージ１５は、例えば、ＸＹステージ１４の上に搭載されて取り付けられている。
【００２５】
ＸＹステージ１４は、Ｙ軸方向に向けて配置された平行な２本のＹ軸レール２０１とＹ軸モータ２０２とＹ軸駆動力伝達機構２０３から成るＹ軸機構部と、Ｘ軸方向に向けて配置された平行な２本のＸ軸レール２０４とＸ軸モータ２０５とＸ軸駆動力伝達機構２０６から成るＸ軸機構部とから構成されている。上記ＸＹステージ１４によって、Ｚステージ１５はＸ軸方向またはＹ軸方向に任意に移動させられる。またＺステージ１５には、試料ホルダ１６をＺ軸方向に昇降させるための駆動機構が付設されている。図２では当該駆動機構は隠れており、図示されていない。試料ホルダ１６の上には試料１２を固定するためのチャック機構２０７が設けられる。チャック機構２０７には、通常、機械式、吸着や静電等の作用を利用した機構が利用される。
【００２６】
図１において、試料１２の上方位置には、駆動機構１７を備えた光学顕微鏡１８が配置されている。光学顕微鏡１８は駆動機構１７によって支持されている。駆動機構１７は、光学顕微鏡１８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１７ａと、ＸＹの各軸方向に動かすためのＸＹ方向移動機構部１７ｂ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１７ａは光学顕微鏡１８をＺ軸方向に動かし、ＸＹ方向移動機構部１７ｂは光学顕微鏡１８とＺ方向移動機構部１７ａのユニットをＸＹの各軸方向に動かす。ＸＹ方向移動機構部１７ｂはフレーム部材に固定されるが、図１で当該フレーム部材の図示は省略されている。光学顕微鏡１８は、その対物レンズ１８ａを下方に向けて配置され、試料１２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１８の上端部にはＴＶカメラ１９が付設されている。ＴＶカメラ１９は、対物レンズ１８ａ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。
【００２７】
試料１２の上側には、先端に探針２０を備えたカンチレバー２１が接近した状態で配置されている。カンチレバー２１は取付け部２２に固定されている。取付け部２２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２１は、その大きな面積の基部が取付け部２２の空気吸引部で吸着されることにより、固定され装着される。
【００２８】
上記の取付け部２２は、Ｚ方向に微動動作を生じさせるＺ微動機構２３に取り付けられている。さらにＺ微動機構２３はカンチレバー変位検出部２４の下面に取り付けられている。
【００２９】
カンチレバー変位検出部２４は、支持フレーム２５にレーザ光源２６と光検出器２７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２４とカンチレバー２１は一定の位置関係に保持され、レーザ光源２６から出射されたレーザ光２８はカンチレバー２１の背面で反射されて光検出器２７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２１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。
【００３０】
カンチレバー変位検出部２４はＸＹ微動機構２９に取り付けられている。ＸＹ微動機構２９によってカンチレバー２１および探針２０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２４は同時に移動されることになり、カンチレバー２１とカンチレバー変位検出部２４の位置関係は不変である。
【００３１】
上記において、Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９は、通常、圧電素子で構成されている。Ｚ微動機構２３とＸＹ微動機構２９によって、探針２０の移動について、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の各々へ微小距離（例えば数〜１０μｍ、最大１００μｍ）の変位を生じさせる。
【００３２】
上記の取付け関係において、光学顕微鏡１８による観察視野には、試料１２の特定領域の表面と、カンチレバー２１における探針２０を含む先端部（背面部）とが含まれる。
【００３３】
次に、走査型プローブ顕微鏡の制御系を説明する。制御系の構成としては、比較器３１、制御器３２、第１制御装置３３、第２制御装置３４が設けられる。制御器３２は、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）による測定機構を原理的に実現するための制御器である。また第１制御装置３３は複数の駆動機構等のそれぞれの駆動制御用の制御装置であり、第２制御装置３４は上位の制御装置である。
【００３４】
比較器３１は、光検出器２７から出力される電圧信号Ｖｄと予め設定された基  準電圧（Ｖｒｅｆ）とを比較し、その偏差信号ｓ１を出力する。制御器３２は、偏差信号ｓ１が０になるように制御信号ｓ２を生成し、この制御信号ｓ２をＺ微動機構２３に与える。制御信号ｓ２を受けたＺ微動機構２３は、カンチレバー２１の高さ位置を調整し、探針２０と試料１２の表面との間の距離を一定の距離に保つ。上記の光検出器２７からＺ微動機構２３に到る制御ループは、探針２０で試料表面を走査するとき、光てこ式光学検出装置によってカンチレバー２１の変形状態を検出しながら、探針２０と試料１２との間の距離を上記の基準電圧（Ｖｒｅｆ）に基づいて決まる所定の一定距離に保持するためのフィードバックサーボ制御のループである。この制御ループによって探針２０は試料１２の表面から一定の距離に保たれ、この状態で試料１２の表面を走査すると、試料表面の凹凸形状を測定することができる。
【００３５】
次に、第１制御装置３３は次のような機能部を備えている。
【００３６】
光学顕微鏡１８は、フォーカス用Ｚ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂとから成る駆動機構１７によって、その位置が変化させられる。第１制御装置３３は、上記のＺ方向移動機構部１７ａとＸＹ方向移動機構部１７ｂのそれぞれの動作を制御するための第１駆動制御部４１と第２駆動制御部４２を備えている。
【００３７】
光学顕微鏡１８によって得られた試料表面やカンチレバー２１の像は、ＴＶカメラ１９によって撮像され、画像データとして取り出される。光学顕微鏡１８のＴＶカメラ１９で得られた画像データは第１制御装置３３に入力され、内部の画像処理部４３で処理される。
【００３８】
制御器３２等を含む上記のフィードバックサーボ制御ループにおいて、制御器３２から出力される制御信号ｓ２は、走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）における探針２０の高さ信号を意味するものである。探針２０の高さ信号すなわち制御信号ｓ２によって探針２０の高さ位置の変化に係る情報を得ることができる。探針２０の高さ位置情報を含む上記制御信号ｓ２は、前述のごとくＺ微動機構２３に対して駆動制御用に与えられると共に、制御装置３３内のデータ処理部４４に取り込まれる。
【００３９】
試料１２の表面の測定領域について探針２０による試料表面の走査は、ＸＹ微動機構２９を駆動することにより行われる。ＸＹ微動機構２９の駆動制御は、ＸＹ微動機構２９に対してＸＹ走査信号ｓ３を提供するＸＹ走査制御部４５によって行われる。
【００４０】
また試料ステージ１１のＸＹステージ１４とＺステージ１５の駆動は、Ｘ方向駆動信号を出力するＸ駆動制御部４６とＹ方向駆動信号を出力するＹ駆動制御部４７とＺ方向駆動信号を出力するＺ駆動制御部４８とによって制御される。
【００４１】
なお第１制御装置３３は、必要に応じて、設定された制御用データ、入力した光学顕微鏡画像データや探針の高さ位置に係るデータ等を記憶・保存する記憶部を備える。
【００４２】
上記第１制御装置３３に対して上位に位置する第２制御装置３４が設けられている。第２制御装置３４は、通常の計測プログラムの記憶・実行および通常の計測条件の設定・記憶、自動計測プログラムの記憶・実行およびその計測条件の設定・記憶、計測データの保存、計測結果の画像処理および表示装置（モニタ）３５への表示等の処理を行う。特に、本発明の場合には、自動計測において試料表面の周期的に配列されるパターンのうちの特定パターンを検出する計測プロセスを含んでおり、パターンが見つかるまでは第１のピッチで走査を行い、パターンが見つかった後は第２のピッチで走査を行うことによってパターンの領域を測定し、領域内の複数のパターンから特定パターンを検出するためのプログラムを備えている。計測条件の設定では、測定範囲、測定スピードといった基本項目、第２ピッチの走査回数と走査ピッチの設定とパターンの領域のすべてのパターンについて測定を行うか、あるいは、パターンの領域が矩形領域であるとき、第２ピッチで走査を行う測定がパターンの領域の直交する２辺の部分のパターンについてのみ行うかなどの計測条件、また、予め試料の傾きを検出し、検出された試料の傾きに基づいて走査方向を設定し、第２のピッチの走査を行ったり、パターンの配列の最初のパターンが検出されたとき、最初のパターンの重心の位置を測定・算出し、その重心の位置から第２のピッチで走査するなどの自動計測の条件の設定、それらの条件を設定ファイルに記憶する機能を有する。さらに、通信機能を有するように構成し、外部装置との間で通信を行える機能を持たせることもできる。
【００４３】
第２制御装置３４は、上記の機能を有することから、処理装置であるＣＰＵ５１と記憶部５２とから構成される。記憶部５２には上記のプログラムおよび条件データや、試料に形成されたパターンの位置についてのデータ等が記憶・保存される。また第２制御装置３４は、画像表示制御部５３と通信部等を備える。加えて第２制御装置３４にはインタフェース５４を介して入力装置３６が接続されており、入力装置３６によって記憶部５２に記憶されるプログラム、条件、データ等を設定・変更することができるようになっている。
【００４４】
第２制御装置３４のＣＰＵ５１は、バス５５を介して、第１制御装置３３の各機能部に対して上位の制御指令等を提供し、また画像処理部４３やデータ処理部４４等から画像データや探針の高さに係るデータを提供される。
【００４５】
次に上記走査型プローブ顕微鏡（原子間力顕微鏡）の基本動作を説明する。
【００４６】
試料ステージ１１上に置かれた半導体基板等の試料１２の表面の所定領域に対してカンチレバー２１の探針２０の先端を臨ませる。通常、探針接近用機構であるＺステージ１５によって探針２０を試料１２の表面に近づけ、原子間力を作用させてカンチレバー２１に撓み変形を生じさせる。カンチレバー２１の撓み変形による撓み量を、前述した光てこ式光学検出装置によって検出する。この状態において、試料表面に対して探針２０を移動させることにより試料表面の走査（ＸＹ走査）が行われる。探針２０による試料１２の表面のＸＹ走査は、探針２０の側をＸＹ微動機構２９で移動（微動）させることによって、または試料１２の側をＸＹステージ１４で移動（粗動）させることによって、試料１２と探針２０の間で相対的なＸＹ平面内での移動関係を作り出すことにより行われる。
【００４７】
探針２０側の移動は、カンチレバー２１を備えるＸＹ微動機構２９に対してＸＹ微動に係るＸＹ走査信号ｓ３を与えることによって行われる。ＸＹ微動に係る走査信号ｓ３は第１制御装置３３内のＸＹ走査制御部４５から与えられる。他方、試料側の移動は、試料ステージ１１のＸＹステージ１４に対してＸ駆動制御部４６とＹ駆動制御部４７から駆動信号を与えることによって行われる。
【００４８】
上記ＸＹ微動機構２９は、圧電素子を利用して構成され、高精度および高分解能な走査移動を行うことができる。またＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査で測定される測定範囲については、圧電素子のストロークによって制約されるので、最大でも約１００μｍ程度の距離で決まる範囲となる。ＸＹ微動機構２９によるＸＹ走査によれば、微小範囲の測定となる。他方、上記のＸＹステージ１４は、通常、駆動部として電磁気モータを利用して構成するので、そのストロークは数百ｍｍまで大きくすることができる。ＸＹステージによるＸＹ走査によれば、ワイド範囲の測定となる。
【００４９】
上記のごとくして試料１２の表面上の所定の測定領域を探針２０で走査しながら、フィードバックサーボ制御ループに基づいてカンチレバー２１の撓み量（撓み等による変形量）が一定になるように制御を行う。カンチレバー２１の撓み量は、常に、基準となる目標撓み量（基準電圧Ｖｒｅｆで設定される）に一致するように制御される。その結果、探針２０と試料１２の表面との距離は一定の距離に保持される。従って探針２０は試料１２の表面の微細凹凸形状（プロファイル）をなぞりながら移動することになり、探針の高さ信号を得ることによって試料１２の表面の微細凹凸形状を計測することができる。
【００５０】
上記のごとき走査型プローブ顕微鏡は、例えば、図３に示すごとく、半導体デバイス（ＬＳＩ）のインライン製作装置の途中段階で基板（ウェハ）の検査を行う自動検査工程６２として組み込まれる。図示しない基板搬送装置によって、前段の製作処理工程６１から検査対象である基板（試料１２）を搬出し、自動検査工程６２の上記走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の基板ホルダ１６上に置くと、走査型プローブ顕微鏡により基板表面の所定領域の微細凹凸形状が自動的に計測され、前段での基板製作の処理内容の合否が判定され、その後、再び基板搬送装置によって後段の製作処理工程６３へ搬出される。
【００５１】
次に、図４〜図１２を参照して、走査型プローブ顕微鏡の特定パターン検出方法を説明する。この特定パターン検出方法では、パターンが見つかるまでは第１のピッチで走査を行い、パターンが見つかった後は第２のピッチで走査を行うことによってパターンの領域を測定し、領域内の複数のパターンから特定パターンを検出するというプロセスが含まれる。
【００５２】
以下では、パターンを検出する際のカンチレバー１の走査方法に関して、丸底穴のパターン１２１が並んでいる試料を例にとり説明する。
【００５３】
まず、特定パターン検出方法の第１の具体例について説明する。図４と図５は、カンチレバー走査を示す試料の平面図と側面図である。試料１２の表面には格子状にパターン１２１が配置されている。この場合には、試料１２に対して図中左から右方向にステップイン動作でカンチレバー２１を走査して測定を行う。走査開始からパターン１２１を検出するまでは、第１のピッチとして細かいピッチ（精ピッチ）でカンチレバー２１を走査する（図中実線矢印）。最初にパターン１２１を検出した時点でカンチレバー２１の走査ピッチを精ピッチからパターン１２１が配置された間隔である第２のピッチ（粗ピッチ）に切り換える（図中点線矢印）。粗ピッチについては第２制御装置３４等に予め入力しておき、測定前に第１制御装置３３に伝えられる。このように走査ピッチを切り換えることにより、少ない走査でパターン１２１の配置を測定することができる。図４のように格子状にパターン１２１が配置された試料については、図中点線矢印のように格子状にカンチレバー２１を走査することにより、パターン１２１の配置を簡単に測定することができる。また、これにより、特定パターンを検出することができる。その後、例えば、図４の符号１２１Ａで示す特定パターンの詳細測定を行うことができる。
【００５４】
図６は、特定パターン検出時のフローチャートを示したものである。カンチレバー２１を所定の位置に移動し、探針２０を試料１２に接触させた状態で処理が開始される。まず、第１のピッチ（精ピッチ）でカンチレバーを走査し、ＳＰＭ測定を行う（ステップＳＴ１０）。ステップイン動作を行いパターン１２１の有無を確認する（ステップＳＴ１１）。パターンが検出できるまでステップＳＴ１０、ステップＳＴ１１の処理を繰り返す。パターン１２１を検出した後、記憶装置に記憶されたパターンの位置情報に基づきパターンピッチである第２のピッチ（粗ピッチ）によるＳＰＭ測定を行い、パターンの有無を確認する（ステップＳＴ１２）。パターンの有無については走査位置毎に記録しておく（ステップＳＴ１３）。全パターンの走査が終了したかどうか判断する（ステップＳＴ１４）。全パターンの走査が終わるまでステップＳＴ１２、ステップＳＴ１３、ステップＳＴ１４の処理を繰り返す。全パターンの走査が終了したならば、パターン記憶情報から特定パターンを選択する（ステップＳＴ１５）。選択した特定パターンについての詳細なＳＰＭ測定を行う（ステップＳＴ１６）。この測定によって試料１２の検査が完了する。
【００５５】
次に、特定パターン検出方法の第２の具体例について説明する。図７は、第２の具体例での試料上のカンチレバー走査を示す平面図である。この具体例では、パターンの領域が矩形領域である場合の測定であり、パターンが検出された後、第２のピッチ（粗ピッチ）で走査を行う測定は、パターンの領域の直交する２辺の部分のパターンのみについて行う。試料１２に対して図中左から右方向にステップイン動作でカンチレバー２１を走査して測定を行う。この具体例では、第１の具体例と同様に、まず、走査開始からパターン１２１を検出するまでは、第１のピッチとして細かいピッチ（精ピッチ）でカンチレバー２１を走査する（図中実線矢印）。最初にパターン１２１を検出した時点でカンチレバー２１の走査ピッチを精ピッチからパターン１２１が配置された間隔である第２のピッチ（粗ピッチ）に切り換える（図中点線矢印）。そして、その粗ピッチで矩形領域の一辺に並んだパターンを測定する。次に、第１の具体例と異なり、粗ピッチで矩形領域の他の一辺に並んだパターンを測定する。この測定により、例えば、符号１２１Ａで示すパターンを特定することができ、図のように予め４ｘ４配列でパターンが並んでいることが判っていれば、全領域を走査しなくても検出したパターンが４ｘ４配列のどのパターンかを特定することができる。パターン１２１の配列数が判っていれば、より少ない走査でパターンの位置を特定することができる。
【００５６】
図８は、第２の具体例での特定パターン検出時のフローチャートを示したものである。カンチレバー２１を所定の位置に移動し、探針２０を試料１２に接触させた状態で処理が開始される。まず、第１のピッチ（精ピッチ）でカンチレバーを走査し、ＳＰＭ測定を行う（ステップＳＴ２０）。ステップイン動作を行いパターン１２１の有無を確認する（ステップＳＴ２１）。パターンが検出できるまでステップＳＴ２０、ステップＳＴ２１の処理を繰り返す。パターン１２１を検出した後、記憶装置に記憶されたパターンの位置情報に基づきパターンピッチである第２のピッチ（粗ピッチ）によるＳＰＭ測定を行い、パターンの有無を確認する（ステップＳＴ２２）。パターンの有無については走査位置毎に記録しておく（ステップＳＴ２３）。矩形領域の横一辺と縦一辺の走査が終了したかどうか判断する（ステップＳＴ２４）。矩形領域の横一辺と縦一辺のパターンの走査が終わるまでステップＳＴ２２、ステップＳＴ２３、ステップＳＴ２４の処理を繰り返す。矩形領域の横一辺と縦一辺のパターンの走査が終了したならば、パターン記憶情報から特定パターンを選択する（ステップＳＴ２５）。選択した特定パターンについての詳細なＳＰＭ測定を行う（ステップＳＴ２６）。この測定によって試料１２の検査が完了する。
【００５７】
次に、特定パターン検出方法の第３の具体例を説明する。第３の具体例では、予め試料の傾きを検出し、検出された試料の傾きに基づいて走査方向を設定し、第２のピッチの走査を行う。図９は、試料搬送時に角度ずれが発生した場合のカンチレバー走査を示す試料の平面図である。まず、走査開始からパターン１２１を検出するまでは、第１のピッチとして細かいピッチ（精ピッチ）でカンチレバー２１を走査する（図中実線矢印）。最初にパターン１２１を検出した時点でカンチレバー２１の走査ピッチを精ピッチからパターン１２１が配置された間隔である第２のピッチ（粗ピッチ）に切り換える（図中点線矢印）。このとき、第１の具体例と異なり、検出された試料の傾きに基づいて走査方向を設定し、第２のピッチの走査を行いパターンを測定する。このように、試料搬送の際の角度ずれは、光学顕微鏡アライメント等で検出することができるので、最初のパターン検出後にアライメントで検出した角度ずれ分を考慮してカンチレバー２１を走査すればパターンを確実に捕らえることができる。
【００５８】
図１０は、第３の具体例での特定パターン検出時のフローチャートを示したものである。カンチレバー２１を所定の位置に移動し、探針２０を試料１２に接触させた状態で処理が開始される。まず、光学顕微鏡とＴＶカメラ、画像処理機構により試料の傾きを検出する（ステップＳＴ３０）。第１のピッチ（精ピッチ）でカンチレバーを走査し、ＳＰＭ測定を行う（ステップＳＴ３１）。ステップイン動作を行いパターン１２１の有無を確認する（ステップＳＴ３２）。パターンが検出できるまでステップＳＴ３１、ステップＳＴ３２の処理を繰り返す。パターン１２１を検出した後、走査方向の傾きを設定する（ステップＳＴ３３）。記憶装置に記憶されたパターンの位置情報に基づきパターンピッチである第２のピッチ（粗ピッチ）によるＳＰＭ測定を行い、パターンの有無を確認する（ステップＳＴ３４）。パターンの有無については走査位置毎に記録しておく（ステップＳＴ３５）。全パターンの走査が終了したかどうか判断する（ステップＳＴ３６）。全パターンの走査が終わるまでステップＳＴ３４、ステップＳＴ３５、ステップＳＴ３６の処理を繰り返す。全パターンの走査が終了したならば、パターン記憶情報から特定パターンを選択する（ステップＳＴ３７）。選択した特定パターンについての詳細なＳＰＭ測定を行う（ステップＳＴ３８）。この測定によって試料１２の検査が完了する。なお、この具体例では、ステップＳＴ３６の判断を全ステップを終了したかどうかで判断するようにしたが、パターン領域が矩形領域の場合には第２の具体例と同様に、直交する２辺を走査終了したかどうかで判断するようにしても良い。
【００５９】
次に特定パターン検出方法の第４の具体例について説明する。この第４の具体例では、パターンの配列の最初のパターンが検出されたとき、最初のパターンの重心の位置を測定・算出し、パターンの配列の最初のパターンが検出された以降は、重心の位置から第２のピッチで走査する。図１１は、パターン１２１の中心（重心）を計測する方法である。最初にパターンを検出した際には、図のように十字方向にカンチレバー２１を精ピッチで走査してパターン境界の４点を検出し、この値からパターン１２１の中心を求める。このパターン１２１の中心を基準に、これ以降のカンチレバー走査を第２のピッチ（粗ピッチ）で行う。パターン１２１の中心を基準にすることにより、多少の走査ずれや搬送時の角度ずれがあっても確実にパターンを捕らえることができる。
【００６０】
図１２は、第４の具体例でのパターン検出時のフローチャートを示したものである。所定の位置に移動し、探針２０を試料１２に接触させた状態で処理を行う。まず、精ピッチでカンチレバーを走査した後（ステップＳＴ４０）、ステップイン動作を行いパターン１２１の有無を確認する（ステップＳＴ４１）。パターンが検出できるまでステップＳＴ４０、ステップＳＴ４１の処理を繰り返す。パターン１２１を検出した後、図１１に示した方法でパターン１２１の中心を求める（ステップＳＴ４２）。その後、ステップＳＴ４２で求めたパターンの中心を基準に第２のピッチであるパターンが配置されたピッチ（粗ピッチ）分カンチレバー２１を走査してパターンの有無を確認する（ステップＳＴ４３）。パターンの有無については走査位置毎に記録しておく（ステップＳＴ４４）。全パターンの走査が終了したかどうか判断する（ステップＳＴ４５）。全パターンの走査が終わるまでステップＳＴ４３、ステップＳＴ４４の処理を繰り返す。全パターンの走査が終了したならば、パターン記憶情報から特定パターンを選択する（ステップＳＴ４６）。選択した特定パターンについての詳細なＳＰＭ測定を行う（ステップＳＴ４７）。この測定によって試料１２の検査が完了する。なお、この具体例では、ステップＳＴ４５の判断を全ステップを終了したかどうかで判断するようにしたが、パターン領域が矩形領域の場合には第２の具体例と同様に、直交する２辺を走査終了したかどうかで判断するようにしても良い。
【００６１】
上記のパターンが見つかるまでは第１のピッチで走査を行い、パターンが見つかった後は第２のピッチで走査を行うことによってパターンの領域を測定し、領域内の複数のパターンから特定パターンを検出するというプロセスを含む計測方法によって、短時間で試料１２の表面の周期的に並んだパターンのうちの特定パターンをＳＰＭ測定で検出することができる。
【００６２】
前述の実施形態の説明では、広域観察として光学顕微鏡を用いたが、その代わりに、走査型電子顕微鏡やレーザ顕微鏡などの各種のものを使用することができる。
【００６３】
上記の各実施形態で説明される構成、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、以下に説明される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。
【００６４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、複数のパターンが並んだ試料においても、特定のパターンを検出することができる。また、直交する２つのエッジを持たない丸底穴等の形状のパターン検出についても対応できる。さらに、測定領域全面を走査する場合に比べて、短時間でパターンの位置を特定することができる。また、少ない走査でパターンを検出するためカンチレバーの摩耗が少ない。さらに、最初に検出したパターンの中心を基準に走査するため、パターン位置が多少ずれても確実に捕らえることができる。また、試料設置角度により走査角度をシフトするため、試料搬送時の角度ずれ等が発生してもパターンを確実に捕らえることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の全体的な構成を示す構成図である。
【図２】試料ステージの具体的な構成を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡がインライン自動検査工程として用いられる構成を示したブロック図である。
【図４】カンチレバー走査を示す試料の平面図である。
【図５】カンチレバー走査を示す試料の側面図である。
【図６】第１の具体例での特定パターン検出時のフローチャートを示したものである。
【図７】第２の具体例での試料上のカンチレバー走査を示す平面図である。
【図８】第２の具体例での特定パターン検出時のフローチャートを示したものである。
【図９】第３の具体例での試料搬送時に角度ずれが発生した場合のカンチレバー走査を示す平面図である。
【図１０】第３の具体例での特定パターン検出時のフローチャートを示したものである。
【図１１】第４の具体例でのパターンの中心を計測する方法である。
【図１２】第４の具体例でのパターン検出時のフローチャートを示したものである。
【符号の説明】
１１              試料ステージ
１２              試料
１６              試料ホルダ
１７              駆動機構
１８              光学顕微鏡
１９              ＴＶカメラ
２０              探針
２１              カンチレバー
２２              取付け部
２３              Ｚ微動機構
２９              ＸＹ微動機構
３３              第１制御装置
３４              第２制御装置
【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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