(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支点に揺動可能に取り付けられた支持体の一端に探針を取付け、この一端に隣接して探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、支持体の他端には探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計を用いた段差測定方法において、
探針を試料に対して予定のｘ方向に一定の速度で掃引する際に変位センサで得られた測定電圧を計測する検出回路の低域通過フィルタのカットオフ周波数を高く設定して横軸ｘ方向の距離と縦軸ｚ方向の変位量とから成る応答性の良いデータを得、
得られた応答性の良いデータを横軸方向の距離ｘ又は時間ｔで微分してｄｚ／ｄｘ又はｄｚ／ｄｔの値に基づき、段差でのデータを立上り領域データ部分と、平坦部領域データ部分と、立下り領域データ部分とに分け、
平坦部領域データ部分の処理が、上の段でのｚ（ｔ）の平均値ｚｍを求め、ｚ（ｔ）−ｚｍを、検出回路の低域通過フィルタのカットオフ周波数より低い１〜１３Ｈｚ程度のソフトの低域通過フィルタで処理し、これにより得られたＦ［ｚ（ｔ）−ｚｍ］にｚｍを加えることにより行われ、
こうして処理した平坦部領域データ部分を立上り領域データ部分及び立下り領域データ部分とに結合して段差形状データを得る
ことを特徴とする触針式段差計を用いた段差測定方法。
【請求項２】
応答性の良いデータを得るのに用いる検出回路の低域通過フィルタのカットオフ周波数を７０Ｈｚに設定することを特徴とする請求項１に記載の触針式段差計を用いた段差測定方法。
【請求項３】
支点に揺動可能に取り付けられた支持体の一端に探針を取付け、この一端に隣接して探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、支持体の他端には探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計を用いた段差測定装置において、
カットオフ周波数７０Ｈｚの低域通過フィルタを備え、探針を試料に対して予定のｘ方向に一定の速度で掃引する際に変位センサで得られた測定電圧に基づき横軸ｘ方向の距離と縦軸ｚ方向の変位量とから成る応答性の良いデータを出力する検出回路と、
検出回路で得られた応答性の良いデータを横軸方向の距離ｘ又は時間ｔで微分してｄｚ／ｄｘ又はｄｚ／ｄｔの値に基づき、段差でのデータを立上り領域データ部分と、平坦部領域データ部分と、立下り領域データ部分とに分け、上の段でのｚ（ｔ）の平均値ｚｍを求め、ｚ（ｔ）−ｚｍを１３Ｈｚ程度のソフトの低域通過フィルタで処理し、得られたＦ［ｚ（ｔ）−ｚｍ］にｚｍを加え、そして処理した平坦部領域データ部分を立上り領域データ部分及び立下り領域データ部分とに結合して段差形状データを得るコンピュータ装置と
を有することを特徴とする触針式段差計を用いた段差測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面形状を測定する触針式段差計を用いた段差測定方法及び装
置に関するものである。
【０００２】
本明細書において、用語“試料の表面形状”は試料の段差、膜厚、表面粗さの概念を包含して意味するものとする。
【背景技術】
【０００３】
この種の触針式段差計としては従来、支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、この一端に隣接して探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、支持体の他端には探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定するようにしたものが提案されている（特許文献１及び特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００６−２２６９６４公開特許公報
【特許文献２】特開２００７−００３３１７公開特許公報
【０００４】
この種の触針式段差計を用いた段差形状測定では、探針を試料に対して相対的に一定の速さで掃引し、差動トランス等の変位センサの出力電圧を一定の時間間隔で計測器により測定し、そのデータをコンピュータに送ってモニターに表示するようにされ、モニター上には横軸がｘ方向の距離（時間に比例）、縦軸が変位ｚのデータが得られる。
【０００５】
添付図面の図１には、本発明において使用され得る触針式段差計の一形態を示し、１は固定支持台で、その上に支点２を介して揺動支持棒３が設けられ、この揺動支持棒３の一端には探針４が下向きに取り付けられている。探針４はその先端はダイヤモンドで構成され、また先端の半径は一般的には２．５μｍであるが、それより大きくても小さくてもよい。また、揺動支持棒３の他端には探針４に垂直下方の力すなわち針圧を加える力を発生する針圧発生装置５が設けられている。この針圧発生装置５は、揺動支持棒３の他端から上方へのびる磁性体コアから成る作動子５ａと作動子５ａを受ける穴をもつコイル５ｂとで構成されている。揺動支持棒３の一端における探針４より支点２側において、探針４の垂直方向の変位を検出する変位センサ６が設けられ、この変位センサ６は揺動支持棒３に一端を固定した磁性体コアから成る測定子６ａと測定子６ａの他端すなわち自由端を受けるコイル６ｂとを備えた差動トランスで構成されている。
【０００６】
また、図１において７は試料ホルダーで、その上に走査ステージ８が探針４に対して予定の走査速度で移動できるように設けられ、この走査ステージ８上には被測定試料９が取り付けられ得る。針圧発生装置５及び探針４の垂直方向の変位を検出する変位センサ６は制御手段１０に接続され、この制御手段は検出手段を成す変位センサ６からの出力信号に基いて針圧発生装置５の動作を制御するように構成されている。なお、図１の装置において試料９を固定して探針側を走査するように構成することも可能である。
【０００７】
図２には図１に示す制御手段１０の構成の一例を示している。図２において、１１はコンピュータ装置で、このコンピュータ装置１１はアナログ入出力ボード１２を介して、針圧発生装置５におけるコイル５ｂに接続された針圧発生装置用電源１３及び走査ステージ８の駆動装置１４にそれぞれ接続されている。また、コンピュータ装置１１は、汎用インターフェースボード１５を介してデジタルロックイン増幅器及び発振器を備えた検出回路１６に接続され、この検出回路１６は変位センサ６を成す差動トランスの一次コイル及び二次コイルに接続されている。
【０００８】
雑音を減らすために変位センサ６からの出力信号即ち測定データは、デジタルロックイン増幅器及び発振器を備えた検出回路１６における低域通過フィルタ（ＬＰＦ）に通され、高い周波数の雑音は低減される。コンピュータ装置１１は、送られてきたデータをソフトのフィルタ、即ち、デジタルフィルタで同様のＬＰＦ処理をしてもよい。この処理は、計算によって高い周波数の雑音を低減する方法である。このようにして、それらのＬＰＦ処理によって高い周波数成分の雑音が除去され、雑音の小さい表面形状データが得られる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）を用いれば高い周波数の雑音は低減されるが、その分応答性が悪くなり、段差での立ち上がりや、下の段への下降時の、探針４の速い動きに、測定値がついて行けなくなる。
【００１０】
例えば、測定すべき表面形状に図３に示すような段差がある場合には、１００μｍ／ｓで探針４を掃引して、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）による処理をカットオフ周波数１３Ｈｚで行った結果を示すのが図４である。これは計算結果であり、雑音は乱数で発生させている。低域通過フィルタもデジタルフィルタであり、無限インパルス応答の、４次のバタワース特性フィルタでの計算結果である。実際に測定を行っても同様の振る舞いが得られる。
【００１１】
探針４が図３に示す段差形状どおりに動いたとしても、低域通過フィルタによる処理では図４に示すようになる。つまり、立ち上がりと下降部の形状がなまり、立ち上がり時と下降時に５０ｍｓ（ｘ方向５μｍ相当）程度遅れている（図４の１ｓと３ｓ付近での振る舞い）。従って、この例では、上の段のｘ方向の長さが５μｍ短く測定されてしまう。またオーバーシュートも見られ、正しい形状が得られていない。
【００１２】
ところで、低域通過フィルタのカットオフ周波数を上げれば、応答性はよくなるが、雑音が大きくなり、この場合でも良い形状測定結果は得られない。例えば、図５に示す測定例では、図４と同様だが、低域通過フィルタのカットオフ周波数を７０Ｈｚに設定した時の計算結果であり、雑音が大きいことが分かる。
【００１３】
従って、表面形状を正確に測定するには、段差部での追従性と平坦部での雑音低減とを満足させる必要がある。そこで、本発明は、触針式段差計を用いて表面形状を測定する際に、表面形状における段差部での応答性の良さ（正しい形状を得ること）と雑音の小ささを両立させることができる測定方法及び装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明の第１の発明によれば、支点に揺動可能に取り付けられた支持体の一端に探針を取付け、この一端に隣接して探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、支持体の他端には探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計を用いた段差測定方法において、
探針を試料に対して予定のｘ方向に一定の速度で掃引する際に変位センサで得られた測定電圧を計測する検出回路の低域通過フィルタのカットオフ周波数を高く設定して横軸ｘ方向の距離と縦軸ｚ方向の変位量とから成る応答性の良いデータを得、
得られた応答性の良いデータを横軸方向の距離ｘ又は時間ｔで微分してｄｚ／ｄｘ又はｄｚ／ｄｔの値に基づき、段差でのデータを立上り領域データ部分と、平坦部領域データ部分と、立下り領域データ部分とに分け、
平坦部領域データ部分の処理が、上の段でのｚ（ｔ）の平均値ｚｍを求め、ｚ（ｔ）−ｚｍを、検出回路の低域通過フィルタのカットオフ周波数より低い１〜１３Ｈｚ程度のソフトの低域通過フィルタで処理し、これにより得られたＦ［ｚ（ｔ）−ｚｍ］にｚｍを加えることにより行われ、
こうして処理した平坦部領域データ部分を立上り領域データ部分及び立下り領域データ部分とに結合して段差形状データを得る
ことを特徴としている。
【００１５】
本発明の方法においては、応答性の良いデータを得るのに用いる検出回路の低域通過フィルタのカットオフ周波数は好ましくは７０Ｈｚに設定され得る。
【００１７】
本発明の第２の発明によれば、支点に揺動可能に取り付けられた支持体の一端に探針を取付け、この一端に隣接して探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、支持体の他端には探針に針圧を加える針圧発生装置の磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する触針式段差計を用いた段差測定装置において、
カットオフ周波数７０Ｈｚの低域通過フィルタを備え、探針を試料に対して予定のｘ方向に一定の速度で掃引する際に変位センサで得られた測定電圧に基づき横軸ｘ方向の距離と縦軸ｚ方向の変位量とから成る応答性の良いデータを出力する検出回路と、
検出回路で得られた応答性の良いデータを横軸方向の距離ｘ又は時間ｔで微分してｄｚ／ｄｘ又はｄｚ／ｄｔの値に基づき、段差でのデータを立上り領域データ部分と、平坦部領域データ部分と、立下り領域データ部分とに分け、上の段でのｚ（ｔ）の平均値ｚｍを求め、ｚ（ｔ）−ｚｍを１３Ｈｚ程度のソフトの低域通過フィルタで処理し、得られたＦ［ｚ（ｔ）−ｚｍ］にｚｍを加え、そして処理した平坦部領域データ部分を立上り領域データ部分及び立下り領域データ部分とに結合して段差形状データを得るコンピュータ装置と
を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の第１の発明の方法によれば、探針を試料に対して予定のｘ方向に一定の速度で掃引する際に変位センサで得られた測定電圧を計測する検出回路の低域通過フィルタのカットオフ周波数を高く設定して横軸ｘ方向の距離と縦軸ｚ方向の変位量とから成る応答性の良いデータを得ていることにより、応答が速く、段差形状を損ねることがなく、段差部での応答性の良さすなわち正しい形状を得ることができ、また得られたデータを横軸方向の距離ｘ又は時間ｔで微分してｄｚ／ｄｘ又はｄｚ／ｄｔの値に基づき、段差でのデータを立上り領域データ部分と、平坦部領域データ部分と、立下り領域データ部分とに分け、平坦部領域データ部分をさらに検出回路の低域通過フィルタのカットオフ周波数より低い１〜１３Ｈｚ程度のソフトの低域通過フィルタで処理していることにより、平坦部における雑音を低減することができる。その結果、試料の表面形状の測定において段差形状を損なわず、雑音の小さい測定結果を得ることができるようになる。
【００２０】
また、本発明の第１の発明の方法において、平坦部領域データ部分の処理が、上の段でのｚ（ｔ）の平均値ｚｍを求め、ｚ（ｔ）−ｚｍを１〜１３Ｈｚ程度のソフトの低域通過フィルタで処理し、これにより得られたＦ［ｚ（ｔ）−ｚｍ］にｚｍを加えることにより行われることにより、有限値への立上り出のなまりの発生を防止することができる。
【００２１】
また、本発明の第２の発明による装置では、カットオフ周波数７０Ｈｚの低域通過フィルタを備え、探針を試料に対して予定のｘ方向に一定の速度で掃引する際に変位センサで得られた測定電圧に基づき横軸ｘ方向の距離と縦軸ｚ方向の変位量とから成る応答性の良いデータを出力する検出回路を設けたことにより、平坦部から段差部への変位及び段差部から平坦部への変位に対する追従性が良くなる。また、検出回路で得られた応答性の良いデータを横軸方向の距離ｘ又は時間ｔで微分してｄｚ／ｄｘ又はｄｚ／ｄｔの値に基づき、段差でのデータを立上り領域データ部分と、平坦部領域データ部分と、立下り領域データ部分とに分け、平坦部領域データ部分をさらに１〜１３Ｈｚ程度のソフトの低域通過フィルタで処理し、そして処理した平坦部領域データ部分を立上り領域データ部分及び立下り領域データ部分とに結合して段差形状データを得るコンピュータ装置を設けたことにより、平坦部での雑音を低減できる。段差部と平坦部の切り分けや、平坦部での低域通過フィルタ処理は、ソフトにより計算で短時間で処理されるので、煩わしい作業や、余計な時間は一切不要となり、カットオフ周波数などパラメータの変更も簡単にできる。それにより、触針式段差計の測定結果を正確に反映した段差形状を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面の図６〜図１０を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００２３】
図６には、本発明を実施している装置構成を示し、２０は図１及び図２に示すような差動トランスの一次コイル及び二次コイルを備えた変位センサであり、２１はデジタルロックイン増幅器及び発振器を備えた検出回路であり、この検出回路は７０Ｈｚのカットオフ周波数に設定できる低域通過フィルタであり、２２はコンピュータ装置であり、１〜１３Ｈｚ程度のカットオフ周波数をもつ低域通過フィルタの機能をもつソフトウエアがインストールされている。またこのコンピュータ装置２２は、変位センサ２０で測定した出力電圧に基き、検出回路２１により計測した測定データにおける試料表面形状の段差部及び平坦部に相当する領域データ部分の切り分け処理を行うようにプログラミングされている。
【００２４】
図６の装置構成において、検出回路２１における低域通過フィルタのカットオフ周波数は例えば７０Ｈｚと高めに設定してデータを取る。図３のパターンを例えば１００μｍ／ｓで測定する。カットオフ周波数が７０Ｈｚとは、この種の測定では十分速い応答であり、また探針４の掃引の速さ１００μｍ／ｓは、一般的な速さである。それにより、検出回路２１は図５に示すようなデータ、即ち変位ｚの時間ｔに対する関数ｚ（ｔ）をコンピュータ装置２２に出力する。コンピュータ装置２２では受信したデータを次のように計算処理する。
【００２５】
関数ｚ（ｔ）はｔで微分され、その微分値の大きさからｔについて５つの領域ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅに分けられる。微分値が大きくなり始めるのが領域データ部分ｂの始めで、微分値が小さくなるのが領域データ部分ｂの終わりである。同様にして領域データ部分ｄの始めと終わりも求められる。つまり、データは（ｔｉ，ｚｉ（ｉはｉ番目のデータの意味））の配列であるが、ａからｅに分けられる。
【００２６】
試料の表面形状における段差部に相当する領域データ部分ｂ及びｄでは、それのデータ部分をそのまま用いる。それにより段差部での応答が速いデータとなる。またそこでの雑音は実際には問題にならない。
【００２７】
試料の表面形状における平坦部に相当する領域データ部分ａ、ｃ、ｅについてはコンピュータ装置２２においてソフトウエアの低域通過フィルタ、例えばそのカットオフ周波数を１３Ｈｚに設定して雑音を低減する。すなわち領域データ部分ａ、ｅにおけるｚが０付近のデータは、そのまま低域通過フィルタ処理される。すなわち、領域データ部分ａ、ｅにおいてはレベリング（水平出し）し、そのｚを０とすれば、上記の処理が可能である。
【００２８】
領域データ部分ｃについては、図５の例ではｚが１００ｎｍ程度の有限の値であり、これをいきなり低域通過フィルタ処理すると、０から有限への立ち上がりのなまりが発生する。これを避けるために、領域データ部分ｃの始まりの例えば１００点の平均を求める。それをｚｍとし、データのｚからそれを引き、（ｔｉ，ｚｉ−ｚｍ）としてｚを小さくしておき、それを１３Ｈｚに設定されたカットオフ周波数で低域通過フィルタ処理し、処理後のデータにｚｍを加える。
【００２９】
そして、コンピュータ装置２２において、これら処理を施した平坦部に相当する領域データ部分ａ、ｃ、ｅと、元のままの段差部に相当する領域データ部分ｂ及びｄとの五つの配列を元の順番通りに並べることにより、段差部での応答が速く、平坦部での雑音が小さい段差形状測定結果が得られる。時間軸をｘ方向への距離に換算すれば、段差形状となる。
【００３０】
図７は、この方法による計算結果の一例を示している。図５に示すカットオフ周波数７０Ｈｚで低域通過フィルタ処理したデータを、コンピュータ装置２２において上述の方法で計算処理したものであり、平坦部に相当する領域データ部分にはカットオフ１３Ｈｚのカットオフ周波数で低域通過フィルタ処理（無限インパルス応答、４次バタワース特性処理）を施している。図５に示すデータの１．５から２秒の間でのｚの標準偏差は２．７２ｎｍであるが、処理後の図７ではそれは１．０２ｎｍになっている。段差部での速い応答と平坦部での雑音の小ささが両立していることがわかる。
【００３１】
コンピュータ装置２２における低域通過フィルタ処理のカットオフ周波数を変えた例を以下に示す。段差形状、掃引速度は前述と同じである。
【００３２】
図８には、従来の方法に従って、低域通過フィルタ（検出回路２１における低域通過フィルタでも、コンピュータ装置２２における低域通過フィルタでもよい）において、カットオフ周波数を４Ｈｚに設定したときの計算結果を示す。フィルタはバタワース、４次で前述と同じである。従来の方法では、低域通過フィルタ処理しただけであるため、段差部形状がかなり損なわれていることが分かる。
【００３３】
図９には、本発明の方法による計算結果を示す。段差部に相当する領域データ部分については前述と同じカットオフ周波数７０Ｈｚで処理したデータをそのまま採用し、平坦部に相当する領域データ部分についてはコンピュータ装置２２においてカットオフ周波数を４Ｈｚに設定して低域通過フィルタ処理した結果である。図中の１．５ｓから２ｓの間のｚの標準偏差は、２．６８ｎｍ（カットオフ周波数７０Ｈｚのとき）から０．４０ｎｍに減少している。
【００３４】
段差測定において、試料の表面粗さが十分に小さい場合、平坦部に見えるのは実質的には雑音が支配的であり、試料表面の微細な形状をそれに追随して測定する意図はないので、低域通過フィルタ処理におけるカットオフ周波数を前記のように下げても問題ない。
【００３５】
同様に、図１０及び図１１には、カットオフ周波数を１Ｈｚに設定したときの、従来の方法と本発明の方法とを比較して示している。図中の１．５ｓから２ｓの間のｚの標準偏差は、２．６８ｎｍ（カットオフ７０Ｈｚのとき）から０．１５ｎｍに減少している。本発明の方法により段差部での速い立ち上がりと、平坦部での雑音の低減が両立できていることがわかる。
【００３６】
ところで図示実施例では、コンピュータ装置２２においてカットオフ周波数を１Ｈｚ、４Ｈｚ、１３Ｈｚに設定した場合について説明してきたが、これらのカットオフ周波数以外の周波数例えば２Ｈｚ、３Ｈｚ、５Ｈｚ〜１２Ｈｚでも同様な結果が得られることは認められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明を実施するのに使用する触針式段差計の構成を示す概略部分断面図。
【図２】従来の計測制御系の構成例を示すブロック線図。
【図３】測定することになる表面形状における段差の例を示すグラフ。
【図４】従来の方法による段差測定結果を計算で再現した例を示すグラフ。
【図５】従来の方法による段差測定結果を計算で再現した別の例を示すグラフ。
【図６】本発明を実施している装置構成を示すブロック線図。
【図７】本発明の方法による段差測定結果を計算で再現した一例を示すグラフ。
【図８】従来の方法による段差測定結果を計算で再現したさらに別の例を示すグラフ。
【図９】本発明の方法による段差測定結果を計算で再現した別の例を示すグラフ。
【図１０】従来の方法による段差測定結果を計算で再現したさらに別の例を示すグラフ。
【図１１】本発明の方法による段差測定結果を計算で再現したさらに別の例を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３８】
１：固定支持台
２：支点
３：揺動支持棒
４：探針
５：針圧発生装置
６：変位センサ
７：試料ホルダー
８：走査ステージ
９：被測定試料
１０：制御手段
１１：コンピュータ装置
１２：アナログ入出力ボード
１３：針圧発生装置用電源
１４：駆動装置
１５：汎用インターフェースボード
１６：検出回路
２０：変位センサ
２１：検出回路
２２：コンピュータ装置
【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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