(57)【要約】【課題】探針アプローチ時間を短縮してインライン装置としてのスループットを向上させた原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。【解決手段】本発明は、試料の表面の形状を計測する走査型プローブ顕微鏡であって、試料の表面の高さを探針計測位置から距離Ｌ離れた高さ計測位置において計測する高さセンサ１１６と、高さ計測位置Ｃでの試料の表面の高さ情報ｈＣを前記高さセンサ１１６で計測した結果を用いて試料ステージ１０４を上昇させて、前記高さ計測位置での試料の表面の高さと探針計測位置での試料の表面の高さとの間の高さずれ情報ΔＺ又は段差情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）に基づき前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲（ｈｇ）になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を載置する試料ステージと、該試料ステージに載置された試料の表面における探針計測位置において試料の表面に近接または接触させて該試料の表面を走査する探針と、該探針を３次元方向に駆動する探針駆動機構と、前記探針の撓みを検出する撓み検出手段とを備え、前記探針を試料の表面に近接または接触させて試料の表面を走査した際、前記撓み検出手段によって検出された探針の撓み情報に基づいて前記試料の表面の形状を計測する走査型プローブ顕微鏡であって、
前記試料の表面の高さを前記探針計測位置から任意の距離Ｌ離れた高さ計測位置において計測する高さセンサを備えたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
更に、対物レンズを有し、該対物レンズのほぼ光軸上に配置された前記探針及び前記試料を観察する観察光学系を備えた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】
更に、前記高さ計測位置での試料の表面の高さ情報を前記高さセンサで計測しながら前記試料ステージを上昇させて、前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
更に、前記高さ計測位置での試料の表面の高さ情報を前記高さセンサで計測しながら前記試料ステージを上昇させて、前記高さ計測位置での試料の表面の高さと前記探針計測位置での試料の表面の高さとの間の高さずれ情報又は段差情報に基づき前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
更に、前記高さ計測位置での試料の表面の高さ情報を前記高さセンサで計測しながら前記試料ステージを上昇させて、前記観察光学系で観察される試料の表面の画像情報に基づき前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
更に、予め、前記高さセンサを用いて計測して前記高さ計測位置での試料の表面の高さと前記探針計測位置での試料の表面の高さとの間の高さずれ情報又は段差情報を算出して記憶しておく算出手段と、
前記高さ計測位置での試料の表面の高さ情報を前記高さセンサで計測しながら前記試料ステージを上昇させて、前記算出手段で算出して記憶しておいた前記高さずれ情報又は段差情報に基づき前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
更に、予め、前記試料の設計情報に基づいて前記高さ計測位置での試料の表面の高さと前記探針計測位置での試料の表面の高さとの間の段差情報を算出して記憶しておく算出手段と、
前記高さ計測位置での試料の表面の高さ情報を前記高さセンサで計測しながら前記試料ステージを上昇させて、前記算出手段で算出して記憶しておいた前記段差情報に基づき前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
更に、前記高さセンサで計測された前記高さ計測位置での試料の表面の高さ情報に基づいて前記試料を前記探針に接近させるための前記試料ステージの上昇量を算出し、該算出された上昇量に基づき前記試料ステージを上昇させて、前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
更に、前記高さセンサで計測された前記高さ計測位置での試料の表面の高さ情報に基づいて前記探針計測位置での試料の表面の高さ情報を推定し、該推定された前記探針計測位置での試料の表面の高さ情報に基づいて前記試料を前記探針に接近させるための前記試料ステージの上昇量を算出し、該算出された上昇量に基づき前記試料ステージを上昇させて、前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲になるように前記試料を前記探針に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
更に、予め、前記高さセンサを用いて計測して前記高さ計測位置での試料の表面の高さと前記探針計測位置での試料の表面の高さとの間の高さずれ情報又は段差情報を算出して記憶しておく算出手段と、
前記高さセンサで計測された前記高さ計測位置での試料の表面の高さ情報及び前記算出手段に算出して記憶しておいた前記高さずれ情報又は段差情報に基づいて前記探針計測位置での試料の表面の高さ情報を推定し、該推定された前記探針計測位置での試料の表面の高さ情報に基づいて前記試料を前記探針に接近させるための前記試料ステージの上昇量を算出し、該算出された上昇量に基づいて前記試料ステージを上昇させて、前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲になるように前記試料を前記探針に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
前記算出手段において、前記高さずれ情報を、前記高さセンサを用いて計測される試料の表面における複数箇所の高さを基に得られる試料の表面の傾き量若しくは湾曲量と前記距離Ｌとの関係から算出するように構成したことを特徴とする請求項６又は１０記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
前記制御手段は、更に、前記試料を前記探針に接近させた後、前記試料ステージを前記接近速度よりも低速で上昇させて前記撓み検出手段によって探針の撓み情報が検出されたとき前記試料ステージの上昇を停止することによって探針の先端と試料の表面との間の間隙を前記探針駆動機構のＺステージのストローク以内に位置決めするように構成されることを特徴とする請求項３乃至１０の何れか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
前記制御手段は、探針を交換した際、前記高さセンサで高さセンサから探針の先端までのＺ方向の距離ｈ０を計測し、該計測されたＺ方向の距離ｈ０を前記試料の前記探針への接近制御に用いるように構成したことを特徴とする請求項３乃至１２の何れか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
前記高さセンサによる高さ計測時に試料ステージを水平方向に移動させながら高さセンサによって計測された多数の高さ情報を処理して高精度な高さ検出値が得られるように構成したことを特徴とする請求項８乃至１３の何れか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
前記制御手段は、更に、前記試料を前記探針に接近させた後、前記探針駆動機構をＺストロークの上限まで引き上げてから、前記試料ステージを探針駆動機構のＺストロークよりも短い距離だけ上昇させ、その後、前記撓み検出手段によって探針の撓み情報の検出を監視しながら探針駆動機構のＺ軸を下降させる動作を、探針の試料との接触を検知するまで繰り返すことによって、探針の先端と試料の表面との間の間隙を前記探針駆動機構のＺステージのストローク以内に位置決めするように構成されることを特徴とする請求項３乃至１４の何れか一つに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１６】
前記高さセンサによって試料の端部の位置を検出し、試料ステージ上の正規の位置に試料が搭載されているかどうかを判定することを特徴とする請求項３乃至１５の何れか一つ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、半導体基板等の表面形状を測定するなどの用途に用いられる走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体回路の高集積化に伴い、回路パターンの微細化が進行し続ける中で、半導体製造工程における検査計測技術や不良解析技術の重要度が増している。半導体基板（ウエハ）の表面形状計測において用いられている走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）は、微小な探針の先端を試料表面に近接または間欠的に接触させながら探針を走査することにより、試料表面の形状を原子オーダーで計測する手法として広く知られている。
【０００３】
特開平６−７４７５４号公報（特許文献１）には、探針を振動させながら試料に近づけると音響的相互作用で５μｍ程度離れた所から、探針の振幅が減少するように構成できることを利用して試料が探針に近接することを感知することが知られている。
【０００４】
また、特開平９−１０１３１７号公報（特許文献２）には、探針（カンチレバー）に照射するレーザ光の試料表面からの漏れ反射光を利用し、カンチレバーに試料が近づくと漏れ反射光の光束が絞られ検出器の出力変化が増大し、出力微分値が一定閾値以上のとき、試料が探針に接近していると判断して、高速接近から低速接近に切り替えて、アプローチ時間を短くすることが知られている。
【０００５】
また、特開２０００−２０２２８４号公報（特許文献３）には、探針の先端付近の高さを計測する近接センサ（光、静電容量、エアーマイクロ）を設け、先端付近の高さを、探針の試料への接近を事前に検出して高速接近制御をすることが知られている。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−７４７５４号公報
【特許文献２】特開平９−１０１３１７号公報
【特許文献３】特開２００３−２０２２８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１では、探針を振動させる構成のＡＦＭ（原子間力顕微鏡：Atomic Force Microscope）にしか使用できないという課題を有していた。また探針と試料との間の距離が数μｍ以内まで近づかなければ近接を感知できないため、数μｍ近接を感知する別のセンサが必要であるという課題も有していた。
【０００８】
また、特許文献２では、試料対象物の表面の傾き、凹凸状態、反射率変化により、漏れ反射光の反射方向が変化したり、光量変動が生じたりして、安定に高速接近から低速接近に切り替わらず、探針を損傷する可能性があるという課題を有していた。
【０００９】
また、特許文献３では、試料対象物の表面の傾き、凹凸状態、反射率変化により、反射光の強度が変化して試料高さに対応した出力が得られなくなり、正確な高さを計測できない可能性があるという課題を有していた。また、静電容量センサやエアーマイクロ方式は、数ｍｍ程度の面積の平均的な出力値（高さ）になるため、表面に凹凸がある場合、探針付近高さを正確に計測できない場合があるという課題を有していた。
【００１０】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、探針アプローチ時間を短縮してインライン装置としてのスループットを向上させたＡＦＭ（原子間力顕微鏡）等の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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、試料を載置する試料ステージと、該試料ステージに載置された試料の表面における探針計測位置において試料の表面に近接または接触させて該試料の表面を走査する探針と、該探針を３次元方向に駆動する探針駆動機構と、前記探針の撓みを検出する撓み検出手段とを備え、前記探針を試料の表面に近接または接触させて試料の表面を走査した際、前記撓み検出手段によって検出された探針の撓み情報に基づいて前記試料の表面の形状を計測する走査型プローブ顕微鏡であって、前記試料の表面の高さを前記探針計測位置から任意の距離Ｌ離れた高さ計測位置において計測する高さセンサを備えたことを特徴とする。
また、本発明は、更に、対物レンズを有し、該対物レンズのほぼ光軸上に配置された前記探針及び前記試料を観察する観察光学系を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、更に、前記高さ計測位置Ｃでの試料の表面の高さ情報ｈＣを前記高さセンサで計測しながら前記試料ステージを上昇させて、前記探針計測位置Ａにおける試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲（ｈｇ）になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、更に、前記高さ計測位置Ｃでの試料の表面の高さ情報ｈＣを前記高さセンサで計測しながら前記試料ステージを上昇させて、前記高さ計測位置での試料の表面の高さと前記探針計測位置での試料の表面の高さとの間の高さずれ情報ΔＺ又は段差情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）に基づき前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲（ｈｇ）になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、更に、前記高さ計測位置Ｃでの試料の表面の高さ情報ｈＣを前記高さセンサで計測しながら前記試料ステージを上昇させて、前記観察光学系で観察される試料の表面の画像情報に基づき前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲（ｈｇ）になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、更に、予め、前記高さセンサを用いて計測して前記高さ計測位置（ＲＣ）での試料の表面の高さと前記探針計測位置（ＲＡ）での試料の表面の高さとの間の高さずれ情報ΔＺ又は段差情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）を算出して記憶しておく算出手段と、前記高さ計測位置Ｃでの試料の表面の高さ情報ｈＣを前記高さセンサで計測しながら前記試料ステージを上昇させて、前記算出手段で算出して記憶しておいた前記高さずれ情報ΔＺ又は段差情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）に基づき前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲（ｈｇ）になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、更に、予め、前記試料の設計情報に基づいて前記高さ計測位置（ＲＣ）での試料の表面の高さ（ＲｈＣ）と前記探針計測位置（ＲＡ）での試料の表面の高さ（ＲｈＡ）との間の段差情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）を算出して記憶しておく算出手段と、前記高さ計測位置Ｃでの試料の表面の高さ情報ｈＣを前記高さセンサで計測しながら前記試料ステージを上昇させて、前記算出手段で算出して記憶しておいた前記段差情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）に基づき前記探針計測位置Ａにおける試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲（ｈｇ）になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、更に、前記高さセンサで計測された前記高さ計測位置Ｃでの試料の表面の高さ情報ｈＣに基づいて前記試料を前記探針に接近させるための前記試料ステージの上昇量Ｚｈを算出し、該算出された上昇量Ｚｈに基づき前記試料ステージを上昇させて、前記探針計測位置Ａにおける試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲（ｈｇ）になるように前記試料の表面を前記探針の先端に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、更に、前記高さセンサで計測された前記高さ計測位置Ｃでの試料の表面の高さ情報ｈＣに基づいて前記探針計測位置Ａでの試料の表面の高さ情報ｈＡを推定し、該推定された前記探針計測位置Ａでの試料の表面の高さ情報ｈＡに基づいて前記試料を前記探針に接近させるための前記試料ステージの上昇量Ｚｈを算出し、該算出された上昇量Ｚｈに基づき前記試料ステージを上昇させて、前記探針計測位置Ａにおける試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲（ｈｇ）になるように前記試料を前記探針に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、更に、予め、前記高さセンサを用いて計測して前記高さ計測位置（ＲＣ）での試料の表面の高さ（ＲｈＣ）と前記探針計測位置（ＲＡ）での試料の表面の高さ（ＲｈＡ）との間の高さずれ情報ΔＺ又は段差情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）を算出して記憶しておく算出手段と、前記高さセンサで計測された前記高さ計測位置Ｃでの試料の表面の高さ情報ｈＣ及び前記算出手段に算出して記憶しておいた前記高さずれ情報ΔＺ又は段差情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）に基づいて前記探針計測位置Ａでの試料の表面の高さ情報ｈＡを推定し、該推定された前記探針計測位置Ａでの試料の表面の高さ情報ｈＡに基づいて前記試料を前記探針に接近させるための前記試料ステージの上昇量Ｚｈを算出し、該算出された上昇量Ｚｈに基づいて前記試料ステージを上昇させて、前記探針計測位置における試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲（ｈｇ）になるように前記試料を前記探針に接近させる制御手段を備えたことを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、前記算出手段において、前記高さずれ情報ΔＺを、前記高さセンサを用いて計測される試料の表面における複数箇所の高さを基に得られる試料の表面の傾き量若しくは湾曲量と前記距離Ｌとの関係から算出するように構成したことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明は、前記制御手段は、更に、前記試料を前記探針に接近させた後、前記探針駆動機構のＺステージをストロークの１／２程度下降させ、前記試料ステージを前記接近速度よりも低速で上昇させて前記撓み検出手段によって探針の撓み情報が検出されたとき前記試料ステージの上昇を停止し、その後前記探針駆動機構のＺステージを上昇させて元に戻すことによって探針の先端と試料の表面との間の間隙を前記探針駆動機構のＺステージのストローク以内に位置決めするように構成されることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、前記制御手段は、更に、探針を交換した際、前記高さセンサで高さセンサから探針の先端までのＺ方向の距離ｈ０を計測し、該計測されたＺ方向の距離ｈ０を前記試料の前記探針への接近制御に用いるように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、試料の表面が傾いていたり、表面の凹凸状態や反射率に違いが生じても、探針計測位置において、探針と試料の表面との間の間隔を所望の間隔以内（１０μｍ〜１５μｍ程度以内）にするための探針アプローチ時間を短縮し、インライン装置としてのスループットを向上することができる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に係る原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２５】
図１は、本発明に係る原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す図である。図1において、９０は定盤等のベースであり、９１は該ベース９０上に立設された架台である。１０３は計測対象である半導体ウエハ、１０４はウエハ１０３を真空吸着してＸ、Ｙ、Ｚ方向並びにＸＹ平面内の回転方向にウエハ１０３を移動するためのベース９０上に設けられた試料ステージである。試料ステージの動作は、ステージ制御部１１１によって制御される。探針１０２は探針ホルダ３０３を介して探針駆動機構１０１によって保持されている。架台９１に設けられた探針駆動機構１０１は、ウエハ１０３上において探針１０２をＸ、Ｙ、Ｚ方向に精密に位置決めを行う。なお、探針１０２はシリコン材料から成り、収束イオンビームによってその先端径が十ナノメートル以下に加工されている。探針１０２はカンチレバーとその先端に形成された探針によって構成されているが、本明細書中ではカンチレバーと探針を併せて単に探針と称す。探針駆動機構１０１上には、対物レンズ１０６を備えた観察光学系鏡筒１０５が配置されている。観察光学系１０５はその内部に撮像カメラを有しており、対物レンズ１０６で拡大されたウエハ１０３表面の光学像は、光学像処理部１０８を経由してＴＶモニタ１０７上に表示される。なお、観察光学系１０５並びに対物レンズ１０６は、図示しない移動機構によってＺ方向に上下移動するフォーカス軸を備えている。
【００２６】
更に、架台９１上において、探針１０２が試料１０３に接触あるいは近接する位置や探針１０２の近傍とは異なる位置（探針１０２の位置から距離Ｌ離れた位置）に、試料高さを計測する高さセンサ（変位センサ）１１６を備えて構成する。そして、高さセンサ１１６は、予め試料１０３における探針１０２で計測する位置の高さを計測して全体制御部１１４に入力する。
【００２７】
全体制御部１１４は、ウエハ１０３表面の光学像を取得する光学像処理部１０８、探針走査制御部１１２、計測対象試料表面の３次元像を生成するＳＰＭ像生成部１１３、設計情報格納部１１５、様々な画像データを記憶する記憶装置１２１及び図４（ａ）に示すネットワーク４１と接続される。
【００２８】
図２は図1に示した探針駆動機構１０１の構造を示した説明図であり、図２（ａ）は探針駆動機構１０１のＸＹ平面図、図２（ｂ）は探針駆動機構１０１のＡ−Ａ'矢視断面図、図２（ｃ）は探針駆動機構１０１のＹＺ平面図をそれぞれ示した図である。探針駆動機構１０１は、ホルダ２０１及び２０２とＹステージ２０３が弾性変形部２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを介して同一平面内に一体形成されており、更にＹステージ２０３の同一平面内にＸステージ２０７がＹステージ２０３と直行する形で、弾性変形部２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄを介して一体形成された構造となっている。Ｘステージ２０７には、対物レンズ１０６を貫通させるためのスルーホール２１１が設けられている。ホルダ２０１、２０２とＹステージ２０３との間は、積層型圧電素子素子（以下本実施例では単に圧電素子と称する）２０５、２０６が接着されており、Ｙステージ２０３は圧電素子２０５、２０６が等量だけ同時に伸縮することによってＹ軸方向に駆動される。圧電素子２０５と弾性変形部２０４ａ及び２０４ｂによって構成される駆動機構と、圧電素子２０６と弾性変形部２０４ｃ及び２０４ｄによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を中心として、対象な位置に配置されている。
【００２９】
一般的な圧電素子素子（圧電セラミック素子）は、１ボルトの直流電圧を印加することで１ナノメートル程度の変位変化を得ることができ、これを積層することにより、数十マイクロメートル程度の可動量の一軸駆動素子とすることができる。本実施例で用いた圧電素子２０５、２０６は共に、最大可動距離が２０マイクロメートル、可動分解能は１ナノメートル以下、望ましくは０．１ナノメートル前後である。
【００３０】
Ｙステージ２０３とＸステージ２０７との間は、圧電素子２０９、２１０が接着されており、Ｘステージ２０７は圧電素子２０９、２１０が等量だけ同時に伸縮することによってＸ軸方向に駆動される。圧電素子２０９と弾性変形部２０８ａ及び２０８ｂによって構成される駆動機構と、圧電素子２１０と弾性変形部２０８ｃ及び２０８ｄによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を中心として、対象な位置に配置されている。圧電素子２０９、２１０についても、その最大可動距離は２０マイクロメートル、可動分解能は１ナノメートル以下、望ましくは０．１ナノメートル前後である。
【００３１】
Ｘステージ２０７の底面には、Ｚ軸機構部２１３がＹステージ２０３とＸステージ２０７の可動平面に対して直交する形で取り付けられている。Ｚ軸機構部２１３は、固定部２１８、２１９とＺステージ２１４が弾性変形部２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ、２１５ｄを介して同一平面内に一体形成されている。固定部２１８、２１９とＺステージ２１４との間には圧電素子２１６、２１７が接着されており、Ｚステージ２１４は圧電素子２１６、２１７が等量だけ同時に伸縮することによってＺ軸方向に駆動される。圧電素子２１６と弾性変形部２１５ａ及び２１５ｂによって構成される駆動機構と、圧電素子２１７と弾性変形部２１５ｃ及び２１５ｄによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの光軸２１２'に対してＸＺ平面上で対象な位置に配置されている。圧電素子２１６、２１７の最大可動距離は１０マイクロメートル、可動分解能は１ナノメートル以下、望ましくは０．１ナノメートル前後である。探針１０２は探針ホルダ３０３を介してＺステージ２１４に取り付けられており、探針１０２の先端位置は、対物レンズの視野中央位置２１２と一致するようになっている。
【００３２】
以上説明したように、本発明に係る探針駆動機構１０１では、探針１０２を３次元的に駆動するためのＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚ２１４ステージの動作が互いに干渉することがなく、それぞれを独立に動作させることが可能である。また、例えばＹステージ２０３において、圧電素子２０５を挟み込んで、圧電素子２０５の伸縮軸の延長線上に配置された２箇所の弾性変形部２０４ａ、２０４ｂで構成される一式のステージ駆動機構部が、Ｙステージ２０３の左右両側に一対（圧電素子２０６、弾性変形部２０４ｃ、２０４ｄ）で配置されていることから、圧電素子２０５、２０６がそれぞれ等量ずつ伸縮することにより、弾性変形部２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを全て均等に変形させることができる。この結果、Ｙステージ２０３のアッベの誤差を排除し、Ｙステージ２０３の真直度を従来よりも格段に向上させることが可能となる。この動作原理は、Ｘステージ２０７、Ｚステージ２１４でも全く同様であることは自明である。なお、探針駆動機構１０１のＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚステージ２１４の動作は、探針駆動制御部１１０により制御される。
【００３３】
なお積層型の圧電素子は、電圧を印加した場合の伸縮変位に個体差が生じる場合がある。また同一の圧電素子を用いても、印加電位と変位との間にヒステリシス特性が存在する。この場合は、圧電素子毎に異なるヒステリシス特性を予め計測しておき、所望の変位にするための印加電圧を圧電素子単位で調節して印加すれば良い。更に、本実施の形態では探針駆動機構１０１のＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚステージ２１４を動作させるために圧電素子を用いたが、各ステージの動力源（駆動源）は圧電素子に限定される訳ではなく、探針１０２の位置決めを行うに必要なだけの精度・能力を備えたリニアアクチュエータであれば良い。探針駆動機構１０１の構成材料としては、アルミニウム合金や熱膨張率（線膨張係数）の低い鉄−ニッケル合金等の材料が用いられる。
【００３４】
探針駆動機構１０１の上部に配置されている観察光学系鏡筒１０５及び対物レンズ１０６は、図示しない移動機構によってＺ軸方向に上下動が可能であり、対物レンズ１０６が探針駆動機構１０１に接触しないように、Ｘステージ２０７に設けられたスルーホール２１１に挿入される。本発明の探針駆動機構１０１の構成によれば、探針１０２上にその走査を行う機構部が存在しないため、対物レンズ１０６で探針１０２を直接観察できると同時に、ウエハ１０３表面を高解像度で観察することが可能である。例えば対物レンズ１０６の開口率が０．３以上、より好ましくは０．４以上で、作動距離は１５ミリメートルの仕様であれば、ウエハ１０３上のパターンを解像度が１マイクロメートル以下、より好ましくは０．７マイクロメートル以下、の条件で鮮明に観察できる。さらに、高倍率の観察を行ないたい場合には、対物レンズ１０６の開口率が０．７程度、作動距離は６ミリメートルの仕様であれば、ウエハ１０３上のパターンを解像度が０．４マイクロメートル程度の条件で鮮明に観察できるので、必要に応じて観察光学系１０５を上死点まで上昇し、図示しないレボルバを回転させて対物レンズ１０６が交換してもよい。
【００３５】
なお、探針１０２の位置を固定したまま、対物レンズ１０６が探針１０２に接触しない程度に、対物レンズ１０６と試料ステージ１０４を同量（例えば１ミリメートル）下降させることにより、対物レンズ１０６の視野内に配置された探針１０２の存在の影響を受けることなく、探針１０２直下のウエハ１０３上のパターンを観察することも可能である。これは対物レンズ１０６の開口率が大きく、探針１０２が対物レンズ１０６の視野の一部分のみを占める条件の際に得られる光学的現象を利用したものである。
【００３６】
図３は、探針１０２とウエハ１０３表面との接触を検知するための探針たわみ検出部の構成を示す説明図で、探針駆動機構１０１のＸＺ平面図である。３０１は、発振波長が６００ナノメートル、発振出力０．１ミリワットのレーザダイオードであり、このレーザダイオード３０１から発振されたレーザ光は、レンズ３０２を透過後ホルダ２０１に取り付けられたミラー３０３（図示せず）でＹ軸方向に折り返され、Ｙステージ２０３に取り付けられたミラー３０４（図示せず）で再びＸ軸方向に反射され、ミラー３０５、３０６を経て探針１０２の背面に略収束された状態で照射される。
【００３７】
探針１０２の背面で反射されたレーザ光は、ミラー３０７、３０８で反射され、Ｙステージ２０３に取り付けられたミラー３０９（図示せず）でＹ軸方向に折り返され、ホルダ２０２に取り付けられたミラー３１０（図示せず）で再びＸ軸方向に反射され受光器３１１で受光される。ここで、レーザダイオード３０１を探針駆動機構１０１のホルダ２０１に、受光器３１１をホルダ２０２に、ミラー３０５、３０６、３０７、３０８を図示しない治具によりＺステージ２１４に固定することで、探針１０２の位置によらず探針のたわみ量を受光器３１１のレーザ受光面上におけるレーザ照射位置の変化として検出することができる。受光器３１１としては、ＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）、イメージセンサ、分割フォトダイオード等が使用できる。
【００３８】
結果的に、探針１０２とウエハ１０３が接触して探針１０２にたわみが生じると、受光器３１１の受光面上ではＹ軸方向にレーザ照射位置が移動することとなる。受光器３１１では、このレーザ照射位置の変化を電圧信号に変換し、探針たわみ検出部１０９で探針１０２とウエハ１０３の表面の接触を検知する。
【００３９】
探針たわみ検出部１０９、探針駆動制御部１１０、ステージ制御部１１１は探針走査制御部１１２に接続されており、全体制御部１１４によって全ての装置動作が制御され、ＳＰＭ像生成部１１３では計測対象試料表面の３次元像が生成される。
【００４０】
以上に述べた通り本発明の実施の形態によれば、ＳＰＭの探針を３次元に走査する機構部において、圧電素子を挟み込みその伸縮軸の延長線上に配置された２箇所の弾性変形部で構成される一式の駆動機構部が、各ステージの左右両側に一対で配置されていることから、各ステージに用いられている２つの圧電素子がそれぞれ等量ずつ伸縮することにより、ステージの略重心位置に平均的な駆動力を加えることが可能になり、観察光学系１０５のために圧電素子を重心位置の延長上に配置できないにもかかわらず、駆動時の回転振動を抑制し高速なステージの駆動・位置決めを可能としている。
【００４１】
また、探針を走査する３軸の移動動作が互いに干渉することがなく、それぞれの駆動軸を独立に動作させることが可能である。更に、探針上にその走査を行う機構部が存在しないため、対物レンズで探針を直接観察できると同時に、計測対象物表面を高解像度で観察することができる。これにより、計測対象試料上の探針計測位置を観察光学系で検出した後、即座に計測動作に移ることが可能となる。また、観察光学系で計測対象試料上の探針計測位置を観察しながら計測動作を実行することもできる。
以上本実施の形態によれば、計測精度並びに計測スループットを向上させた、高精度・高速インラインＳＰＭを実現することができる。
【００４２】
なお、更に、Ｘステージ２０７の変位を検出するＸ軸用変位センサ（図示せず）と、Ｙステージ２０３の変位を検出するＹ軸用変位センサ（図示せず）と、Ｚステージ２１４の変位を検出するＺ軸用変位センサ（図示せず）とを設け、ステージ変位検出部（図示せず）において、Ｘ軸用変位センサ、Ｙ軸用変位センサ及びＺ軸用変位センサの各々で計測された各ステージの移動量を検出し、探針走査制御部１１２を介して探針駆動制御部１１０にフィードバックを行うステージサーボ機能を付加して構成してもよい。このようにステージサーボ機能を働かせることで、探針駆動機構１０１の各ステージに使用されている圧電素子素子の可動分解能、または探針駆動機構１０１の各ステージに使用されている変位センサの変位検出分解能程度の精度で探針駆動機構１０１のＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚステージ２１４の位置を制御できる。
【００４３】
次に、図４及び図５を用いて本発明に係るＳＰＭの動作について説明する。図４は、本発明によるＳＰＭを用いた半導体製造工程の一部を示した図であり、インラインＳＰＭの機能を併せて説明するものである。製造装置Ａ（５１）、製造装置Ｂ（５２）の順に処理されたウエハは、１ロット単位で製造装置Ｃ（５３）の処理に移るものと、ＳＰＭ４５で計測を行ってから製造装置Ｃ（５３）の処理に移るものにわかれる。この割合は、ＳＰＭのスループット（単位時間当たりのウエハの処理枚数）を考慮して予めオペレータがホストコンピュータ４０に指示する。全ての製造装置５１〜５３とＳＰＭ４５は、半導体製造ラインのホストコンピュータ４０とデータ網４１で接続されており、ホストコンピュータ４０では製造中の全ウエハの履歴や工程等が管理される。また、各装置間のウエハの搬送は図示しない搬送装置が行う。例えば、製造装置Ａ（５１）はドライエッチング装置、製造装置Ｂ（５２）はレジスト剥離装置、製造装置Ｃ（５３）は成膜装置である。
【００４４】
製造装置Ｂ（５２）での処理が終了したウエハは、ホストコンピュータ４０で管理されているウエハの工程管理情報に基づき、予め決められた割合でＳＰＭ４５に搬送される。ＳＰＭ４５では、搬送されたウエハの工程管理情報をホストコンピュータ４０に問合せ、ウエハ上における探針計測位置の座標情報を得た後、計測を行う。ＳＰＭ４５では、計測の終了後ホストコンピュータ４０にウエハ上の各探針計測位置の計測結果を出力し、ウエハは搬送装置によって製造装置Ｃ（５３）に搬送される。
【００４５】
ホストコンピュータ４０ではＳＰＭ４５から得た計測結果を解析し、必要に応じて各製造装置の処理条件を変更（最適化）する。例えば、ＳＰＭ４５でウエハ上の複数の位置でエッチング段差を計測し、そのばらつきから製造装置Ａ（ドライエッチング装置）のエッチング条件の変更等を行う。或いは、ＳＰＭ４５の計測結果を解析した結果、ウエハを製造装置Ｂに戻して再処理を行うこともある。これらの場合の処理条件は、各製造装置における通常の処理条件とは異なる処理条件で実施されるが、この条件はＳＰＭ４５の計測結果に基づいて適宜ホストコンピュータ４０が決定・管理する。以上のフィードバック（状況に応じてはＳＰＭの計測結果に基づいてＳＰＭ以降の製造工程の処理条件を決定するフィードフォワードの場合もある）作業には、オペレータが介在する場合がある。
【００４６】
以上の流れの中で、ＳＰＭ４５の計測結果に基づいて各製造装置の処理条件を決定（最適化）するに当たり、ＳＰＭ４５による計測精度が高精度である程、各製造装置の処理条件をきめ細かに設定することができる。また、ＳＰＭ４５を半導体製造工程のインライン装置として用いるには、ＳＰＭ４５の上流の製造装置で処理が終了したウエハのうちＳＰＭを経由しないウエハが次の製造装置で処理されるまでの間に、ＳＰＭを経由するウエハのＳＰＭ４５による計測を終了するのが理想的であり、従ってインラインＳＰＭのスループット向上は必須課題である。
【００４７】
図５は、本発明に係るＳＰＭの一連の動作説明図である。以下、ＳＰＭの具体的な動作を説明する。ＳＰＭの上流工程の製造装置で処理が終了したウエハは、１ロット単位でケースに格納されて半導体製造ラインの搬送装置によってＳＰＭのウエハカセット（図示せず）に搭載される（Ｓ４１）。ＳＰＭ４５の全体制御部１１４は、読み取り装置（図示せず）でウエハケースのバーコードを読み取って、これに対応した工程情報と検査条件を半導体製造ラインのホストコンピュータ４０から取得する（Ｓ４２）。
【００４８】
なお、この段階で試料ステージ１０４は平行出しされているものとする。該平行出しについては、図１１に示す如く、試料ステージ１０４ｂ上に設けられた平坦な基準高さ部Ｄ１、Ｄ２の高さを高さセンサ１１６で計測することによって確認することが可能である。
【００４９】
次に、全体制御部１１４は、該取得された工程情報と検査条件を基に探針交換の有無を判断する（Ｓ４３）。探針交換が無の場合には、ＳＰＭ４５のローダはウエハカセットからウエハ１０３ａを１枚取り出し、ウエハのオリフラが一定の向きとなるようにして試料ステージ１０４に搭載して真空等により吸着される（Ｓ４４）。また、探針交換が有の場合には、詳しくは後述するように、探針の交換が実行されて図７に示すように該交換された探針１０２の先端から高さセンサ１１６までの垂直方向の距離ｈ０が計測される（Ｓ５７）。該距離ｈ０は、例えば、平坦な試料（石英ガラス等からなる平行平板（オプティカルフラット））１０３ｓを試料ステージ１０４に搭載し、探針駆動機構１０１のＺステージ２１４を基準位置（例えばＺステージ２１４のストロークの中間位置）に位置付けした状態で、試料ステージ１０４のＺステージを上昇させていって探針１０２の先端が平坦な試料１０３ｓの表面に接触したとき、試料ステージ１０４のＺステージを停止し、その試料１０３ｓの表面を高さセンサ１１６で計測することによって計測できることになる。なお、探針１０２の先端を平坦な試料１０３ｓに接触させたときは、後述するように探針たわみ検出部１０９の検出信号の変化を検出することによって検出することが可能である。また、探針１０２の先端が平坦な試料１０３ｓの表面に接触して試料ステージ１０４のＺステージを停止した時点で、探針を保護するために探針駆動機構１０１を上方に逃がしても良いことは明らかである。また、平坦な試料１０３ｓの代わりに、図１１に示すように、試料ステージ１０４ｂに平坦な基準高さ部Ｄ１、Ｄ２を設け、該Ｄ１あるいはＤ２を図７と同様にして探針１０２の先端を接触させ、そのときのＤ１、Ｄ２の高さを高さセンサ１１６で計測することによって探針１０２の先端から高さセンサ１１６までの距離ｈ０が算出できることになる。探針１０２と高さセンサ１１６の距離Ｌよりも広い面積の基準高さ部Ｄ１あるいはＤ２を準備できない場合は、探針１０２の先端をＤ１あるいはＤ２に接触させた後、試料ステージ１０４を移動させて高さセンサ１１６の下に基準高さ部Ｄ１あるいはＤ２が位置するようにしてから、その高さを高さセンサ１１６で計測することによっても探針１０２の先端から高さセンサ１１６までの距離ｈ０が算出できることになる。なお、試料ステージ１０４を移動する際に、探針の先端を保護するために、いったん、試料ステージ１０４をＺｔだけ下降させてから移動を行なってもよい。高さセンサ１１６によるＤ１あるいはＤ２の距離計測時に、再度試料ステージを上昇させない場合には、試料ステージ１０４を下降させた量を記録しておいて、測定されたＤ１あるいはＤ２の距離から、ステージの下降量Ｚｔだけ減算したものが探針１０２の先端から高さセンサ１１６までの距離ｈ０となる。
【００５０】
次に、図示しない検出器でウエハ１０３ａの表面に描画されたウエハ番号を読み取った後に、ウエハ１０３ａは、試料ステージ１０４に搭載された状態で探針駆動機構１０１の直下である観察光学系１０５の位置に移動される。この時の試料ステージ１０４のＺ軸方向位置は、探針１０２に試料１０３ａが接触しないよう十分下げた高さで行われる。一方でこれまでの間に、観察光学系１０５は上死点まで上昇し、図示しないレボルバを回転させて対物レンズ１０６が交換されて、例えば１０倍程度の低倍率のアライメント用対物レンズ（図示せず）に取り替えられる。対物レンズ１０６とアライメント用対物レンズの焦点距離は同一となっている。あるいは、別の方法として、観察光学系１０５中のズーム光学系によって、倍率を変更してもよい。続いて観察光学系１０５を降下させ、その焦点位置が探針１０２の背面（上面）と成るように、フォーカス位置が調節される。この焦点合わせ動作は、光学像処理部１０８の画像認識によって自動で行われる。
【００５１】
続いて、観察光学系１０５を定量（例えば１ミリメートル）更に降下させ、ＳＰＭ像を採取する際よりも低い位置に観察光学系１０５の焦点位置を移動しておく。
【００５２】
試料ステージ１０４は、ウエハ１０３ａ上のアライメントマーク位置がアライメント用対物レンズ（図示せず）の視野に入る程度の位置までＸＹ方向に移動した後、Ｚ方向に徐々に上昇して観察光学系１０５の焦点位置にウエハ１０３表面を一致させ、光学像処理部１０８でアライメントマークを画像認識する。この時、アライメント用対物レンズの開口率が低い条件では、観察光学系１０５で得られる光学像において探針１０２が同時に観察されてしまう場合がある。従ってアライメントマークの画像認識は、観察光学系の焦点位置を探針を観察する場合よりも降下させる量をより大きくした条件で探針が観察されないような状態で行なうか、あるいは、観察光学系１０５の視野内において、アライメントマークと探針１０２とが重ならないような位置で行うのが望ましい。ウエハ１０３上のアライメントマークは少なくとも２箇所以上の場所で画像認識されることにより、ウエハ１０３上のパターンと試料ステージ１０４のＸＹ座標軸との相関を得て、全体制御部１１４の記憶装置１２１に記憶される（Ｓ４５）。
【００５３】
ウエハ１０３ａのアライメント動作中は、観察光学系１０５を定量降下させ、ＳＰＭ像を採取する際よりも低い位置に焦点位置が移動していることから、ウエハ１０３表面と探針１０２の先端は接触することがない。アライメント動作終了後は、観察光学系１０５は上死点まで再度上昇し、図示しないレボルバを回転させて高倍率（例えば１００倍）の対物レンズ１０６に取り替えられる。そして観察光学系１０５を降下させ、その焦点位置が探針１０２の背面（上面）と成るように、フォーカス位置が調節される。この焦点合わせ動作は、光学像処理部１０８の画像認識によって自動で行われる。更に、観察光学系１０５を定量（例えば１ミリメートル）降下させ、ＳＰＭ像を採取する際よりも低い位置に焦点位置を移動しておく。なお、ここでは、ウエハ１０３ａのアライメント時に対物レンズを交換する動作を述べたが、観察光学系１０５に光学像のズーム機能を備えておき、対物レンズを交換することなく観察倍率を変更する構成でも構わない。
【００５４】
次に、全体制御部１１４はホストコンピュータ４０から取得した工程情報に基いて高さセンサ（変位センサ）１１６での事前計測要否の判断が行われ（Ｓ４６）、半導体ウエハの少なくとも所定のロット単位で高さセンサ１１６でのウエハ表面形状の計測が行われることになる（Ｓ４７）。この事前計測要否の判断において、ロット単位でウエハの表面形状の変化が見られないことが分かっていれば、事前計測否と判断し、前の製造ロットで高さセンサ１１６を用いて計測されたウエハ表面形状のデータを用いればよい。異なる製造工程から得られる半導体ウエハの表面状態は変わるので、高さセンサ１１６での事前にウエハ表面形状の計測を行うことが必要となる。
あるいは、高さセンサ１１６による事前計測は試料ステージ１０４をＸＹ方向に駆動しながら試料１０３ａにたいして非接触で高速に行なわれるため、新しい試料１０３ａを搭載する毎に行なってもよい。
あるいは、近年、半導体回路の微細化に伴って、ウエハのうねりは厳しく抑えられるようになっており、高さセンサ１１６の測定位置Ｃと探針によるウェハ測定位置Ａの距離Ｌが５０ｍｍ程度と小さければこの間のうねりによる試料表面高さの差は１マイクロメートルを下回ることが多い。これは、探針微動機構１０１のＺ方向ストロークに比べて十分小さいため、高さセンサによる測定位置Ｃでの計測高さと、ウェハ測定位置Ａでの高さが実用上等しいとして事前計測を行なわないことも可能である。この場合は、測定位置Ｃでの計測高さと、ウェハ測定位置Ａでの試料表面高さの差ΔＺｎが０であるとして、これ以後に説明する動作を行なえばよい。
【００５５】
まず、高さセンサ１１６を用いた事前ウエハ表面形状の計測の第１の実施例について図８を用いて説明する。該第１の実施例は、ウエハの表面がほぼ平坦であるが、微視的に見ると湾曲している場合である。ところで、図８（ａ）（ｂ）に示すように、探針１０２でウエハの形状を計測する位置Ａと高さセンサ１１６でウエハ高さを計測する位置Ｃとは、距離Ｌ離れて構成される。一方、ウエハの表面形状は平坦だとしても、微視的に見ると湾曲しており、それもロット単位で変動する可能性を有する。勿論、異なる製造工程から得られるウエハの表面形状は変わることになる。そのため、予め、ロット単位毎（例えば、ウエハカセットに収納されているロット単位毎）及びウエハの種類毎に、ウエハ１０３ａの表面の湾曲量（中心と周囲との間の傾き量α）を、高さセンサ１１６を用いて事前に計測しておくことが必要となる。図８（ｃ）には、ウエハ１０３ａの表面の湾曲量（中心と周囲との間の傾き量α１〜α４）を求めるために、高さセンサ１１６で高さを計測する複数の位置Ｂ１〜Ｂ５を示す。Ｂ１はウエハのほぼ中心であり、Ｂ２〜Ｂ５はウエハの周囲である。このように、ウエハ１０３ａ上の５点程度を計測すれば、Ｂ１とＢ２との間、Ｂ１とＢ３との間、Ｂ１とＢ４との間、Ｂ１とＢ５との間の４つの傾き量α１〜α４を算出することができ、ウエハ表面の湾曲量を算出することができることになる。なお、高さセンサ１１６による高さ計測位置を更に増やせば、計測精度は向上することになる。
【００５６】
このように、予め、ウエハ１０３ａの表面の湾曲量（中心と周囲との間の傾き量α１〜α４）を計測して記憶装置１２１に記憶しておくことによって、全体制御部１１４は、図９に示すように、高さセンサ１１６により位置Ｃ１〜Ｃｎで計測されたウエハ高さｈｃ（ｄｏｗｎ）１〜ｈｃ（ｄｏｗｎ）ｎを元に、探針計測位置Ａ１〜Ａｎにおけるウエハ高さ（ｈｃ（ｄｏｗｎ）１−ΔＺ１）〜（ｈｃ（ｄｏｗｎ）ｎ−ΔＺｎ）を推定することが可能となる。なお、各位置Ｃ１〜ＣｎにおけるΔＺ１〜ΔＺｎは、上記傾き量α１〜α４を元に例えば直線近似することによって推定することが可能である。あるいは、さらに精度を増すために、高さセンサ１１６による複数の高さ計測位置データをもとに、試料１０３ａ上のＸＹ位置に関する２次関数ΔＺ＝Ａ００＋Ａ１０・Ｘ＋Ａ０１・Ｙ＋Ａ２０・Ｘ２＋Ａ１１・Ｘ・Ｙ＋Ａ０２・Ｙ２を当てはめて、試料１０３ａの湾曲形状のモデルを作り、このモデルを基に各点での高さのずれΔＺを推定してもよい。このモデルは２次関数に限らず、たとえば１次関数すなわち平面、あるいは、３次関数を用いても良いことはゆうまでもない。
【００５７】
次に、高さセンサ１１６を用いた事前ウエハ表面形状の計測の第２の実施例について図１０及び図１１を用いて説明する。該第２の実施例は、ウエハの表面が段差の異なる凹凸形状を有する場合である。ところで、図１０、図１１に示すように、探針１０２でウエハの形状を計測する位置Ａと高さセンサ１１６でウエハ高さを計測する位置Ｃとは、距離Ｌ離れて構成される。そのため、予め、ロット単位毎及びウエハの種類毎に、ウエハ１０３ｂの表面の異なる段差の各々において、同じ段差を有する複数の箇所（例えば、ＲＣ１−ＲＡ１、ＲＣ２−ＲＡ２、ＲＣ３−ＲＡ３、ＲＣ４−ＲＡ４、ＲＣ５−ＲＡ５は同じ段差を有し、ＲＣ６−ＲＡ６、ＲＣ７−ＲＡ７、ＲＣ８−ＲＡ８は同じ段差を有するものとする。）について該段差（ＲｈＣ−ＲｈＡ）を高さセンサ１１６を用いて事前に計測しておくことが必要となる。全体制御部１１４はホストコンピュータ４０から得られた検査情報（座標情報）に基づき探針１０２でウエハの形状を計測する位置群（１０〜３０箇所程度）は決まるので、該位置群の中から選択された位置ＲＡ１〜ＲＡ８の表面高さＲｈＡ１〜ＲｈＡ８を高さセンサ１１６で計測し、該選択された位置ＲＡ１〜ＲＡ８に対応する位置ＲＣ１〜ＲＣ８の表面高さＲｈＣ１〜ＲｈＣ８を高さセンサ１１６で計測し、該計測された段差推定情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）を求めて記憶装置１２１に記憶しておくことによって、全体制御部１１４は、図９に示すように、高さセンサ１１６により位置Ｃ１〜Ｃｎで計測されたウエハ高さｈＣ１〜ｈＣｎを元に、探針計測位置Ａ１〜Ａｎにおけるウエハ高さｈＡ１〜ｈＡｎを推定することが可能となる。勿論、ロット単位毎及びウエハの種類毎に、ウエハ内で同じ段差を有するものについての、段差推定情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）を求めて記憶装置１２１に記憶しておくことは可能である。
【００５８】
なお、全体制御部１１４は、位置ＲＡ１〜ＲＡ８に対して距離Ｌ離れた位置ＲＣ１〜ＲＣ８の位置情報及び段差推定情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）を１１５に格納されたウエハの設計情報１１５から取得することは可能である。従って、段差推定情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）はウエハの設計情報１１５から事前に取得することも可能である。また、全体制御部１１４は、上記位置情報を用いてステージ制御部１１を介して試料ステージ１０４を制御して高さセンサ１１６による高さ計測位置に位置決めすることが可能である。勿論、観察光学系１０５を用いた画像認識によりアライメントマークを基準にして高さセンサ１１６による高さ計測位置について試料ステージ１０４のＸＹ軸を微調整することも可能である。
【００５９】
また，この事前計測時にウエハ１０３ａの端部を高さセンサ１１６によって横切りながら計測することで，ウエハエッジの位置を検出することができ，これによってウエハ１０３ａが所定の位置に搭載されているかどうかのチェックに使用することができ，もし，正規の位置に搭載されていないと判断された場合には，再度搭載しなおすか，ユーザに警告を発することを行なうことが可能となる。
【００６０】
次に、全体制御部１１４はホストコンピュータ４０から得られた検査情報（座標情報）に基づき、１点目の探針計測位置Ａ１（ＸＡ１、ＹＡ１）が観察光学系１０５視野に入る位置に試料ステージ１０４をＸＹ方向に移動させる（Ｓ４８）。光学像処理部１０８では、観察光学系１０５の視野（ＴＶモニタ１０７上の表示領域）に含まれた探針計測位置（または探針計測位置の周辺パターン）を画像認識し、試料ステージ１０４のＸＹ軸を微調整することで探針計測位置の位置出しを精密に行う。対物レンズ１０６の倍率は１０倍から１００倍であり、観察光学系１０５を定量（例えば１ミリメートル）降下させ、ＳＰＭ像を採取する際よりも低い位置に焦点位置を移動してウエハ１０３表面を観察することによって、対物レンズ１０６の視野内に配置された探針１０２の存在の影響を受けることなく、ウエハ１０３表面を高解像度で観察することが可能である。例えば対物レンズ１０６の開口率が０．３の仕様であれば、ウエハ１０３上のパターンを解像度が１μｍ以下の条件で鮮明に観察できる。また探針１０２直下のウエハ１０３上のパターンを観察することも可能である。これは対物レンズ１０６の開口率が大きく、探針１０２が対物レンズ１０６の視野の一部分のみを占める条件の際に得られる光学的現象を利用したものである。
【００６１】
なお、探針計測位置の位置出しはオペレータがＴＶモニタ１０７を観察して、全体制御部１１４から座標を直接指定して行っても良い。その後、観察光学系１０５を定量上昇させ、その焦点位置が探針１０２の背面（上面）と成るように、フォーカス位置が調節される。
【００６２】
本発明に係るＳＰＭによれば観察光学系１０５の視野内で探針計測位置が決定されてから、以後の計測動作が終了するまでの間、試料ステージ１０４を移動させる必要が無い。従来のＳＰＭでは、探針の直上に探針駆動機構が存在するために、観察光学系の視野位置とＳＰＭ像計測位置が異なっており、探針計測位置をＳＰＭ像計測位置に移動させ、再び精密な位置決めを行うためにステージの動作時間が必要であった。或いは、試料ステージ１０４を移動させることなく探針計測位置と探針を観察する機能を有していても、探針の直上に探針駆動機構が存在するために、観察光学系の開口率を高くすることができず、充分な解像度でウエハ表面のパターンの観察ができなかった。本発明に係るＳＰＭによれば、探針駆動機構１０１にスルーホール２１１を設けた構造のため、探針１０２の直上において、高開口率の対物レンズを用いて、試料ステージ１０４を動作させることなく、探針計測位置と探針を観察することを可能とした。
【００６３】
次に、本発明の特徴とする高さセンサ１１６による試料表面高さ計測に基づく試料ステージ高速接近制御（Ｓ４９）について説明する。まず、該試料ステージ高速接近制御の第１の実施例について図６及び図９を用いて説明する。該第１の実施例は、ウエハの表面がほぼ平坦であるが、微視的に見ると湾曲している場合である。全体制御部１１４は、試料ステージ１０４上に搭載されているウエハ１０３ａと同じロット単位及び同じ種類（製造工程）のウエハ１０３ａの表面の湾曲量（中心と周囲との間の傾き量α１〜α４）を記憶装置１２１から読み出して位置Ｃ１と探針計測位置Ａ１との高さのずれΔＺ１を推定する。高さセンサ１１６を用いた計測の結果、もし試料ステージ１０４が極僅か傾いている場合には、上記高さのずれΔＺ１に試料ステージの極僅かな傾きも考慮する必要がある。次に、図９（ａ）に示すように、高さセンサ１１６により位置Ｃ１でのウエハ高さｈｃ（ｄｏｗｎ）１を計測する。次に、全体制御部１１４は、試料ステージ１０４のＺステージの上昇量Ｚｈ１を次の（１）式に基づいて算出すると共に、そのときの高さセンサ１１６で検出されるウエハの高さｈｃ（ｕｐ）１を次の（２）式に基づいて算出する。
【００６４】
Ｚｈ１＝ｈｃ（ｄｏｗｎ）１−（ｈ０＋ｈｇ）−ΔＺ１              （１）
ｈｃ（ｕｐ）１＝（ｈ０＋ｈｇ）＋ΔＺ１                          （２）
ただし、ｈｇは、探針１０２の先端からワーク上昇時の設定間隔（設定ギャップ）であり、高さセンサの高さ検出精度に対して余裕を持って、たとえば、高さセンサの最大誤差が５μｍであるときは、１０〜１５μｍ程度に設定される。高さセンサの最大誤差が１μｍであるときは、５μｍ程度に設定される。また、ｈ０は、探針交換の際、計測される探針１０２の先端から高さセンサ１１６までの垂直方向の距離である。特に、（２）式においてｈｃ（ｕｐ）１の中にはｈ０が含まれるため、少なくともこのｈ０の成分については高さセンサ１１６で計測する必要がある。
【００６５】
なお、観察光学系１０５は、フォーカス位置調節機能を有することからｈｇを計測することは可能である。従って、高さ計測位置Ｃでの試料の表面の高さ情報ｈＣを上記高さセンサ１１６で計測しながら上記試料ステージ１０４を上昇させて、上記観察光学系１０５で観察される試料の表面の画像情報に基づき探針計測位置Ａにおける試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲（ｈｇ）になるように上記試料の表面を上記探針の先端に接近させる制御を行うことは可能である。
【００６６】
次に、全体制御部１１４は、高さセンサ計測位置Ｃ１（ＸＣ１、ＹＣ１）でｈｃ（ｕｐ）１が検出されるまで、即ち、探針１０２の先端と試料との間隙がｈｇになるまでステージ制御部１１１を介して試料ステージ１０４のＺステージを上記上昇量Ｚｈ１高速で移動（上昇）させる（Ｓ４９１）。次に、全体制御部１１４は、探針駆動制御部１１０を介して圧電素子Ｚステージ２１４をストローク（１０〜１５μｍ程度）の１／２程度下降させる（Ｓ４９２）。次に、全体制御部１１４は、試料ステージ１０４のＺステージを低速で移動させる（Ｓ４９３）。このとき、ステップＳ４９４で探針撓み検出部１０９から探針撓み信号が検出されたならば、圧電素子Ｚステージ２１４を上昇させる（Ｓ４９５）と共に、試料ステージ１０４のＺステージの上昇を停止する（Ｓ４９６）ことによって、探針計測位置Ａ１の表面と探針１０２の先端との間隔をＺステージ２１４のストローク（１０〜１５μｍ程度）以内に接近させることが可能となった。もし、ステップＳ４９４で探針撓み信号が検出されない場合には、試料ステージ１０４を低速で上昇させることになる。
【００６７】
次に、上記試料ステージ高速接近制御の第２の実施例について図１０及び図１１を用いて説明する。該第２の実施例は、ウエハの表面が段差の異なる凹凸形状を有する場合である。該第２の実施例において、上記第１の実施例と相違する点は、ステップＳ４９１にある。即ち、全体制御部１１４は、試料ステージ１０４上に搭載されているウエハ１０３ａと同じロット単位及び同じ種類（製造工程）のウエハ１０３ａの段差推定情報（ＲｈＣ−ＲｈＡ）を記憶装置１２１から読み出して位置Ｃ１〜Ｃｎと探針計測位置Ａ１〜Ａｎとの間の段差を推定する。次に、高さセンサ１１６により例えば位置Ｃ３でのウエハ高さｈＣ３を計測する。次に、全体制御部１１４は、試料ステージ１０４のＺステージの上昇量Ｚｈ３を次の（３）式に基づいて算出すると共に、そのときの高さセンサ１１６で検出されるウエハの高さｈａｐ３を次の（４）式に基づいて算出する。
【００６８】
Ｚｈ３＝ｈＣ３−（ｈ０＋ｈｇ）−（ＲｈＣ３−ＲｈＡ３）          （３）
ｈａｐ３＝（ｈ０＋ｈｇ）＋（ＲｈＣ３−ＲｈＡ３）                （４）
ただし、ｈｇは、探針１０２の先端からワーク上昇時の設定間隔（設定ギャップ）であり、高さセンサの高さ計測精度に応じて５〜１５μｍ程度に設定される。また、ｈ０は、探針交換の際、計測される探針１０２の先端から高さセンサ１１６までの距離である。特に、（４）式においてｈａｐ３の中にはｈ０が含まれるため、少なくともこのｈ０の成分については高さセンサ１１６で計測する必要がある。
【００６９】
なお、観察光学系１０５は、フォーカス位置調節機能を有することからｈｇを計測することは可能である。従って、高さ計測位置Ｃでの試料の表面の高さ情報ｈＣを上記高さセンサ１１６で計測しながら上記試料ステージ１０４を上昇させて、上記観察光学系１０５で観察される試料の表面の画像情報に基づき探針計測位置Ａにおける試料の表面と前記探針の先端との間の間隔が所望の範囲（ｈｇ）になるように上記試料の表面を上記探針の先端に接近させる制御を行うことも可能である。
【００７０】
次に、全体制御部１１４は、高さセンサ計測位置Ｃ３（ＸＣ３、ＹＣ３）でｈａｐ３が検出されるまで、即ち、探針１０２の先端と試料との間隙がｈｇになるまでステージ制御部１１１を介して試料ステージ１０４のＺステージを上記上昇量Ｚｈ３高速で移動（上昇）させる。
【００７１】
この後のステップＳ４９２からＳ４９６までは第１の実施例と同様に行われる。以上によりウエハの表面が段差の異なる凹凸形状を有する場合において、探針計測位置Ａ３の表面と探針１０２の先端との間隔をＺステージ２１４のストローク（１０〜１５μｍ程度）の前後まで接近させることが可能となった。
【００７２】
次に、上記接近後、探針１０２の先端をウエハ１０３表面に接触させる動作について説明する。探針駆動機構１０１は、弾性変形部を有するステージを圧電素子で駆動する構造から成る３次元（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の探針走査機構部であり、その底部には探針ホルダ１１５に保持された探針１０２が取り付けられている。探針駆動機構１０１には、対物レンズ１０６を非接触で挿入するスルーホールが設けられており、観察光学系１０５のフォーカス軸（図示せず）を調整することによって、試料ステージ１０４を移動させることなく探針１０２とウエハ１０３表面の観察が可能である。探針駆動機構１０１の可動領域は、Ｘ軸方向が２０μｍ程度、Ｙ軸方向が２０μｍ程度、Ｚ軸方向が１０〜１５μｍ程度である。
【００７３】
探針１０２の先端とウエハ１０３表面との接触は、探針たわみ検出部１０９における検出信号をモニタリングしながら、（１）探針駆動機構１０１のＺ軸の高さを上死点まで上昇、（２）試料ステージ１０４のＺ軸を探針Ｚ軸駆動機構のストロークよりも小さい７μｍ程度上昇、（３）探針駆動機構１０１のＺ軸の高さを下死点まで降下、を繰り返すことで達成される。前述した（３）の過程で探針１０２の先端がウエハ１０３の表面に接触した場合、探針たわみ検出部１０９の検出信号が変化する（Ｓ５０）。探針走査制御部１１２では、この変化を捉えて両者の接触を検知し、接近を停止するが、検出信号の変化に関する詳細な動作原理は図３の説明の通りである。
【００７４】
あるいは、別の方法として、探針走査制御部１１２のＺ軸を下死点に保った状態、すなわち、探針１０２の高さを最もウエハ１０３側に近づけた状態で、探針たわみ検出部１０９の信号を監視しながら試料ステージ１０４を低速で上昇させ、接触を検知した時点で試料ステージの上昇を停止させてもよい。探針走査制御部１１２は探針１０２を傷めないために、接触を感知したら即座に探針走査制御部１１２のＺ軸の高さを上死点まで上昇させるか、あるいは、接触力を一定に保つ接触力サーボの状態にしておいて、ウエハ１０３の上昇にあわせて探針走査制御部１１２のＺ軸が上昇するようにする。
【００７５】
いずれの方法でも、探針１０２とウエハ１０３の接触後、探針走査制御部１１２のＺ軸のストロークの中心付近で測定が行なえるように、試料ステージ１０４の高さを微調整することが望ましい。
【００７６】
探針１０２の先端とウエハ１０３表面との接触を検知後、探針駆動機構１０１を駆動して探針１０２を走査しＳＰＭ像を採取する。例えば、ウエハ１０３上の１μｍ四方程度の領域をＹ方向に１０分割し、探針１０２とウェハ１０３の間の接触力が一定となるように探針１０２の高さを探針駆動機構１０１によって制御しながら、Ｘ方向に走査を行なうことをＹ方向の位置を変化させながら１０回行う。このときの、探針１０２の高さを記録することで、ウエハ１０３の立体形状が測定できる。また、このときに、探針１０２を用いて、ウエハ１０３の局所的な電気的性質・磁気的性質・光学的性質等の分布を測定することも可能である。探針１０２とウェハ１０３の間の接触力は探針たわみ検出部１０９によって検出される探針のたわみ量を用いてもいいし、探針を振動させておいて、接触力によるたわみ振動の振幅・位相・周波数変化などによって検出してもいい。探針駆動機構１０１の可動範囲のみでは測定範囲が足りない場合には試料ステージ１０４を移動させながら、探針駆動機構１０１の高さを制御して測定してもよい。別の実施例として、ウエハ１０３上の１μｍ四方程度の領域をＸ方向に２５６分割、Ｙ方向に１０分割し、探針１０２をいったんウエハ１０３から探針が離れるように、上昇させてから、その接触位置をＸ方向（Ｙ方向）に順次移動させて、探針１０２とウエハ１０３表面との接触検知を繰り返すことで、探針１０２をウエハ１０３に対して引きずらないでウェハ１０３の高さ分布などの測定を実現することが可能となる。
【００７７】
探針駆動機構１０１の動作は、探針走査制御部１１２によって探針駆動制御部１１０を介して制御されている。探針駆動機構１０１の各移動軸（Ｘステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚステージ２１４）には、変位センサ（図示せず）が取り付けられており、各変位センサの変位はステージ変位検出部１２８で検出され、探針走査制御部１１２を経由してＳＰＭ像生成部１１３に保存される。
【００７８】
ＳＰＭ像生成部１１４では、探針１０２がウエハ１０３上の各接触点に接触した状態で計測された探針１０２の変位（探針駆動機構１０１のＺステージ変位）の、ＸＹ平面分布像を生成する。圧電素子によって駆動されている探針駆動機構１０１は、２キロヘルツから３キロヘルツの応答速度で動作可能であり、以上の計測動作は数秒間で終了し、得られたＳＰＭ像（データ）は、全体制御部１１４の記憶装置１２１に保存される（Ｓ５１）。
【００７９】
ウエハ１０３上での計測座標、探針計測位置数は予め決められており、ステップＳ５２において、ウエハ１０３上で他の探針計測位置が残っている場合は、観察光学系１０５と試料ステージ１０４を同量降下させ、ステージ１０４のＸＹ座標を次の探針計測位置の座標に移動させて再びステップＳ４８からステップＳ５１までの計測動作に移る。ステップＳ５２において、ウエハ１０３上で他の探針計測位置が存在しない場合は、観察光学系１０５と試料ステージ１０４を同量降下させ、ウエハ１０３を試料ステージ１０４からアンロードする（Ｓ５３）。
【００８０】
ただし，別の実施例として，ウエハ１０３があらかじめ，接近距離ｈｇに比べて十分平坦であるとわかっている場合や，ウエハ１０３の湾曲状態が事前計測によって判明している場合は，２点目以降は高さセンサによる計測を省略して，一点目の接近時の接近距離情報から２点目以降の接近距離を算出しても良い。
【００８１】
次に、ステップＳ５４において、ウエハケースに計測すべき次のウエハが存在する場合は、それを試料ステージ１０４にロードしてステップＳ４４からステップＳ５３の計測を繰り返し、ウエハケース内の全ウエハの計測が終了した場合は、全体制御部１１４に保存されたデータをホストコンピュータ４０に出力し（Ｓ５５）、図示しない搬送装置がウエハケースを次の処理装置に搬送する（Ｓ５６）。
【００８２】
本発明のＳＰＭの動作によれば、観察光学系１０５のフォーカスを調整することによって試料ステージ１０４を移動させることなく探針１０２とウエハ１０３表面の観察ができることから、計測位置決め動作にかかる時間を省略することができる。この結果、計測対象ウエハ１枚当たりの一連の装置動作（ウエハをロードし、例えば９点の探針計測位置でエッチング段差を計測後、ウエハをアンロードする）にかかる時間を２分以下、すなわち一時間あたりの処理枚数を３０枚とすることができ、スループットが向上したインラインＳＰＭを実現することができる。なお、最初にアライメントをおこなうことでウエハ１０３上の測定位置が判明しているので、各探針計測位置で観察光学系１０５によってさらに精度を上げて測定位置の検出を行うかまたは測定位置の光学顕微鏡像によるモニタリングが不要な場合には、対物レンズ１０６を試料ステージ１０４を同量（例えば１ミリメートル）上昇・下降して、常にウエハ１０３上に顕微鏡の焦点をあわせる動作は不要である。
【００８３】
なお、これまでの実施例では探針１０２とウエハ１０３の間の接近動作は試料ステージ１０４を上下させることで行なっていたが、接近動作は探針１０２とウエハ１０３の間の相対的な距離を接近させればよいので、この代わりに探針駆動機構１０１を架台９１に保持するところに粗動Ｚステージ機構を持たせ、探針駆動機構１０１を上下させることによっても実現できることは言うまでもない。この場合、高さセンサ１１６は探針駆動機構１０１とともに粗動Ｚステージ機構に取り付けられてともに上下することが、探針１０２とウエハ１０３相対的な距離を測定する目的からは望ましい。ただし、高さセンサ１１６を架台９１に直接固定してもよく、この場合は、粗動Ｚステージ機構の移動量を高さセンサ１１５による検出値に加えて考慮すれば問題はないことはゆうまでもない。
【００８４】
次に、探針１０２の詳細な構造について図１２を用いて説明する。即ち、詳細な構造は、針４０１、カンチレバー４０２、及び探針ホルダ３０３からなり、レーザ入射光４０４ａはカンチレバー表面４０５で反射し、反射光４０４ｂは図３の受光器３１１で受光される。図中Ｐ１は探針長、Ｐ２は針長（カンチレバーを含む）、Ｐ３はホルダ厚を示す。探針の製作は材料にタングステン等を用いて電解研磨法で作成する方法や、最近ではカーボンナノチューブを用いてＣＶＤで気相成長させて作成する方法などが（表面化学Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．２、ＰＰ．１１６−１２２、２００２）が提案されている。こうして製作されたカンチレバーＰ２の長さの制御を数μｍ以内にコントロールすることは製法上困難である。また探針ホルダ３０３の厚さＰ３も加工時に数μｍ以内の寸法誤差以内にするには工数が多くなり高価になることから、一般的には数１０μｍ程度の寸法誤差が生じている。これは同じ仕様で同じ材料で製作された探針の場合であり、探針の製作仕様が異なったり、メーカが異なる場合には高さＰ１の長さが更に異なることが考えられる。
【００８５】
図１３は探針を自動交換する場合の説明図である。探針を交換する場合には、探針ケース４１０に載置されている探針１０２を取り付けた探針ホルダ３０３を、探針吸着機構４１２内に設けられた電磁力あるいは空気の負圧による電磁あるいは真空チャック４１１で吸着するように構成される。探針吸着機構４１２は図１に示す探針駆動機構１０１に保持されている。動作は、探針吸着機構４１２を図１３（ａ）に示すように下降して探針ケース４１０に載置されている探針１０２を取り付けた探針ホルダ３０３に近接して接触させ、チャック４１１で図１３（ｂ）に示すように探針ホルダ３０３を吸着して上昇し、図１３（ｃ）に示すように計測ステーションで試料１０３のＸＹ平面分布像（ＳＰＭ像）を生成して試料１０３の表面形状を計測する。なお、探針を交換するとき、探針の長さＰ１が変わることが考えられるため、前述したように高さセンサ１１６を用いて探針１０２の先端から高さセンサ１１６までの距離ｈ０を計測する必要がある。なお、探針吸着機構４１２を下降する代わりに、探針ケース４１０を上昇させても良いことはゆうまでもない。たとえば、探針ケース４１０を試料ステージの周辺部１０４ｂに装着するようにしておけば、試料ステージ１０４を上昇させることで目的が達せられる。図２０に示すように探針ケース４１０は探針ホルダ３０３を複数保持できるように升目状に配置された４２１のような形状をしており、この形で探針１０２は供給される。この探針ケース４１０が、試料ステージ周辺部１０４ｂ上に形成された探針ケースホルダ４２０に装着される。
【００８６】
次に、図１３に示す如く、吸着保持した探針の探針長さを高さセンサ１１６を用いて計測することについて図１４を用いて説明する。試料ステージ１０４上に設けられた基準高さ部Ｄ１又はＤ２を用いて（Ｄ１とＤ２の配置は図１１参照）、平坦用若しくは浅溝用の短い探針１０２ＳがＤ１又はＤ２と接触した瞬間（探針の撓み信号の変化が生じた瞬間）で試料ステージ１０４を停止させ、その高さｈ３１を高さセンサ１１６によって検出する。また、深溝用の長い探針１０２Ｌの高さｈ３２を計測する場合も、同様に長い探針１０２ＬがＤ１又はＤ２（図１１）と接触した瞬間（探針の撓み信号の変化が生じた瞬間）で試料ステージ１０４を停止させ、その高さｈ３２を高さセンサ１１６によって検出する。なお、４１３は、探針ホルダ３０３のチャック面を示す。このように探針交換時に探針の長さ（探針１０２の先端から高さセンサ１１６までの距離ｈ０）をそれぞれ計測しておくことにより、前述したように、例えば図１０に示すようにウエハの表面が段差の異なる凹凸形状を有する場合でも、高速アプローチが可能となり、短時間で圧電素子Ｚステージ２１４のストローク以内に試料表面と探針の先端との間隔を設定することが可能となる。
【００８７】
次に、高さセンサ（変位センサ）１１６の具体的実施例について図１５を用いて説明する。高さセンサ１１６は、レーザ光源３３０と、集光レンズ３３１と、検出レンズ３３４と、光電検出器３３５とを備え、投光レーザ３３２の正反射あるいは散乱反射の反射光３３３を検出できる構成になっている。高さセンサ１１６は、検出範囲３３７内に試料表面３３６が配置された場合、照射部３４０からの反射光３３３を検出レンズ３３４によって光電検出器３３５で受光し、このスポット位置によって試料表面３３６の高さを検出するように構成され、０．１μｍ程度の分解能を有する。図１７８（ａ）には、本発明にかかわる高さ検出方式の原理を詳しく示す。試料３３６の斜め上方から入射角度Θで照明する光線により、ウェハ試料面上にスポットあるいはスリットを結像させる。そして、ウェハ上のスポットあるいはスリットの像をセンサ３３５上に結像させる。試料３３６がＺだけ上方に移動した場合、センサ２０５上では２Ｚ・ｓｉｎΘ・ｍだけ像が移動する。ここで、ｍは光学系の倍率である。スポットあるいはスリットの幅をｄとすれば、試料上の投影範囲はｄ／ｃｏｓΘとなり、この投影範囲において平均的高さが検出される。図１６及び図１７は試料に段差パターンが生じている場合の高さセンサ１１６での高さ測定の説明図である。即ち、反射光３３３ａは照射部３４１からの計測状態で平坦部３３６ａの計測値が得られ、反射光３３３ｂは照射部３４２からの計測状態で平坦部３３６ｂの計測値が得られる。ところが、反射光３３３ｃは照射部３４３のように、段差部に照射スポットがかかっているため、光電検出器で検出される照射スポット像の光量分布に偏りが生じ、このため、正しい計測値が得られないことになる。
【００８８】
図１５（ｂ）（ｃ）反射率が異なる境界において誤差が発生する様子を説明している。同図（ａ）は右側が低反射率部、左側が高反射率部で構成された領域にスポットあるいはスリットが投影された様子を示している。この反射率の違いは微細パターンによる回折・散乱や材質の違いによって生じる。この様な反射率が異なる境界で反射したスポットあるいはスリットは、同図に示す様な歪んだ波形３５０となる。この結果、本来検出されるべき破線で示した位置３５１から上方にずれた位置をスリット位置３５２として検出してしまう。この結果、みかけ上、上方向にずれた位置が検出されたものとなる。図１６のように反射率の高いエリア３５５と低いエリア３５６をもつ試料を高さセンサで検出した場合は、下段の検出高さのように境界部で検出高さに誤差を持つ。本来はエリア３５５の高さは３３６ａ、エリア３５６の高さは３３６ｂで在るが、図１５で説明した現象により、場合によってはこれらよりも高かったり、低かったりする検出値を得ることとなる。これらの誤差は投影光３３２と検出光３３３の方向に対して平行でない方向のパターン境界があり、これと光投影位置３４０が一致した場合に一時的に生じる。そこで、投影光３３２と検出光３３３からなる方向とは直行しない方向に試料３３６を水平移動させながらこのときの高さ検出値を繰り返し得て、これらの検出値を平均することにより、境界部での誤差の影響を軽減し、正しい平均的な高さ３３６ｃを求めることが可能となる。これにより、高さセンサ１１６により安定に高さ検出を行うことが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、半導体ウエハを対象とした表面形状計測の分野で用いられる原子間力顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す探針駆動機構１０１の構造図で、（ａ）は探針駆動機構１０１のＸＹ平面図、（ｂ）は（ａ）に示す探針駆動機構１０１のＡ−Ａ'矢視断面図、（ｃ）は探針駆動機構１０１のＹＺ平面図である。
【図３】図１に示す探針たわみ検出部の正面の断面図である。
【図４】（ａ）は本発明に係るＳＰＭを用いた半導体製造工程の一部を示すブロック図、（ｂ）は本発明に係るＳＰＭの一連の動作を説明するフロー図である。
【図５】本発明に係るＳＰＭの一連の動作フローの一実施例を示す図である。
【図６】図５に示す試料ステージ高速接近制御ステップの具体的制御方法の一実施例を示した制御フロー図である。
【図７】本発明に係る高さセンサと探針の先端までの距離ｈ０を計測する方法の一実施例を説明するための図である。
【図８】本発明に係る、予め、試料の表面が微視的に見ると湾曲している場合において、高さセンサを用いて試料表面形状を計測しておく第１の実施例の説明図である。
【図９】本発明に係る、試料の表面が微視的に見ると湾曲している場合において、試料ステージ高速接近制御方法の第１の実施例を説明するための図である。
【図１０】本発明に係る、試料の表面に凹凸（段差）がある場合において、試料ステージ高速接近制御方法の第２の実施例を説明するための図である。
【図１１】本発明に係る、予め、試料の表面に凹凸（段差）がある場合において、高さセンサを用いて試料表面形状を計測しておく第２の実施例の平面説明図である。
【図１２】本発明に係る探針の詳細な構造の一実施例を示す図である。
【図１３】本発明に係る、探針を自動交換する場合の一実施例を示す説明図である。
【図１４】本発明に係る、探針吸着機構に吸着保持した短い探針及び長い探針の探針長さを高さセンサを用いて計測する一実施例の説明図である。
【図１５】本発明に係る高さセンサの具体的実施例の説明図である。
【図１６】本発明に係る、試料表面に段差パターンが生じている場合の高さセンサでの高さ計測の一実施例を示す平面図である。
【図１７】図１６の断面図である。
【図１８】本発明に係る、試料表面に反射率境界がある場合に高さセンサでの高さ計測誤差が出る理由を示す図である。
【図１９】本発明に係る、試料表面に反射率境界がある場合に高さセンサでの高さ計測値の変化の様子を示す図である。
【図２０】本発明に係る、探針ケースとこれを装着する試料ステージ上の探針ケースホルダの実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００９１】
４０…ホストコンピュータ、４１…ネットワーク、４５…ＳＰＭ、５１…製造装置Ａ、５２…製造装置Ｂ、５３…製造装置Ｃ、９０…ベース（定盤）、９１…架台、１０１…探針駆動機構、１０２…探針、１０３…ウエハ（試料）、１０４…試料ステージ、１０５…観察光学系、１０６…対物レンズ、１１６…高さセンサ（変位センサ）、２０１、２０２…ホルダ、２０３…Ｙステージ、２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄ、２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ、２１５ｄ…弾性変形部、２０５、２０６、２０９、２１０、２１６、２１７…圧電素子素子（駆動源）、２０７…Ｘステージ、２１１…スルーホール、２１３…Ｚ軸機構部、２１４…Ｚステージ、３０１…レーザダイオード、３０２…レンズ、３０３…探針ホルダ、３０５、３０６、３０７、３０８…ミラー、３１１…受光器、３３０…レーザ光源、３３１…集光レンズ、３３２…投光レーザ、３３３…反射光、３３４…検出レンズ、３３５…光電検出器、３３６…平坦部、３３７…検出範囲、３４０、３４１、３４２、３４３…照射部、３５０…検出スポット強度分布、３５１…反射率の境界がないときの検出スポット位置、３５２…反射率の境界があるときの検出スポット位置、４０１…針、４０２…カンチレバー、４０４ａ…レーザ入射光、４０４ｂ…反射光、４０５…カンチレバー表面、４１０…探針ケース、４１１…チャック、４１２…探針吸着機構、４２０…探針ケースホルダ、４２１…探針ケース（全体）。
【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】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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