(57)【要約】【課題】走査プローブ顕微鏡において、探針を試料に対して接近、退避させる走査方式によって複数の試料特性を測定する場合、必要最小限の測定時間で高精度かつ確実に試料特性の検出を行いたいという課題がある。また、探針-試料間に働く作用力は探針の種類や探針先端の磨耗状態によって変化するため、測定した探針の影響を除去しないかぎり異なる探針で取得した特性値を比較することができないという問題がある。【解決手段】走査プローブ顕微鏡において、駆動手段によって可変振幅で探針の試料への接近、試料からの退避を繰り返しながら探針を試料に間歇的に接触させて、高速に試料特性を取得する。また、一定の環境下（気温、湿度一定）で校正用の試料を用いて一点以上のフォースカーブを取得し、前記フォースカーブから得られる情報を用いて、測定値の補正を行い、試料特性の分布を表示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針で試料表面を走査し、前記探針と前記試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、試料を載せる粗動ステージと、前記探針と、前記探針を前記粗動ステージに搭載された前記試料に対して３次元方向に駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、前記探針のたわみ量を検出する手段と、前記探針の駆動変位を検出する手段とを備え、前記駆動手段によって前記探針を試料表面に対して可変振幅で退避、接近させながら前記試料表面上を移動させ、この時の前記探針のたわみ量と前記探針の駆動変位量を用いて一つ以上の試料特性を取得し、前記試料特性の分布を表示する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に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針を前記試料から退避させる際、前記探針が前記試料表面からの吸着を離脱するまで、前記探針を前記試料に対して上昇させ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１に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記駆動手段が、前記探針を前記試料へ接近させる際に、予め指定された速度で等速接近を行い、次いで、接触力サーボ制御によって予め指定された一定接触力に達するまで接近す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１に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記試料特性が、試料表面の形状、もしくは試料表面の弾性特性、もしくは試料表面の吸着力、もしくは試料表面の吸着層の膜厚、もしくは試料のパターン側壁部の材質境界位置である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に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針を前記試料から退避させた際の前記たわみ量の最大値から前記吸着力を取得することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項６】
請求項５に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記たわみ量の最大値が前記たわみ量を検出する手段の検出範囲を超えた場合、前記探針を退避させた際の前記たわみ量の時間変化率とたわみ量が検出範囲を超えている時間から前記吸着力を算出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項７】
請求項４に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針を前記試料から退避させた際の、前記探針の駆動量から前記吸着力を算出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４に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針が材質境界を有するパターン側壁部に吸着された状態で前記探針を退避させ、前記たわみ量の時間変化率が変化する瞬間の前記探針のＺ軸位置から、パターン側壁部の材質境界位置を検出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４に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記試料表面上に吸着層が存在する場合、前記探針を前記試料に対して接近もしくは退避させ、前記たわみ量の時間変化率が変化する瞬間の前記探針のＺ軸位置から、前記吸着層の膜厚を算出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
請求項４に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記探針が前記試料に接触した状態で前記探針を前記試料に対して接近もしくは退避させ、この時の前記探針の駆動量とたわみ量から前記弾性特性を算出することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡において、取得した前記試料表面の吸着力から前記探針の種類または前記探針の磨耗の影響を補正して、前記吸着力の分布を表示することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１１に記載の走査プローブ顕微鏡において、補正を行う際に、温度、湿度を一定に管理した環境下において、校正用試料上で一点以上のフォースカーブデータを取得し、各フォースカーブで測定される吸着力の平均値を用いて、測定試料における吸着力を正規化することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１３】
探針で試料表面を走査し、前記探針と前記試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、試料を載せる粗動ステージと、前記探針と、前記探針を前記粗動ステージに搭載された前記試料に対して３次元方向に駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、前記探針のたわみ量を検出する手段と、前記探針の駆動変位を検出する手段とを備え、前記駆動手段によって前記探針を退避、接近させながら、前記探針で前記試料表面を走査し、この時の前記探針のたわみ量と前記探針の駆動変位量を用いて前記試料表面の吸着力を取得し、前記吸着力の分布を画像表示する際に、取得した前記試料表面の吸着力から、前記探針の種類または前記探針の磨耗の影響を補正して前記吸着力の分布を表示することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１３に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記補正を行う際に、温度、湿度を一定に管理した環境下において、材質が決められた校正用試料で一点以上のフォースカーブデータを取得し、各フォースカーブで測定される吸着力の平均値を用いて、測定試料における吸着力を正規化することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１５】
探針で試料表面を走査し、前記探針と前記試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、試料を載せる粗動ステージと、前記探針と、前記探針を前記粗動ステージに搭載された前記試料に対して３次元方向に駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、前記探針のたわみ量を検出する手段と、前記探針の駆動変位を検出する手段とを備え、一つ以上の試料特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、前記探針の位置と測定箇所の位置合わせを行う場合、位置合わせ用パターンにおける前記試料特性を取得し、前記取得した試料特性の分布像から位置合わせ用パターンの領域を検出し、前記検出したパターンの領域の測定領域内における位置から前記探針と前記測定箇所の位置関係を特定し、前記探針位置と前記測定箇所の位置合わせを行うことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１６】
請求項１５に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記試料特性が、試料表面の形状、試料表面の摩擦特性、もしくは試料表面の弾性特性、もしくは試料表面の吸着力、もしくは電気特性、もしくは光学特性の少なくとも1つ以上の組み合わせであることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１７】
探針で試料表面を走査し、前記探針と前記試料表面間に働く相互作用を検出することによって試料特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、試料を載せる粗動ステージと、前記探針と、前記探針を前記粗動ステージに搭載された前記試料に対して３次元方向に駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する制御手段と、前記探針のたわみ量を検出する手段と、前記探針の駆動変位を検出する手段とを備え、前記試料の表面形状もしくは試料特性を測定する走査プローブ顕微鏡において、同じ測定領域内における前記試料の表面形状分布および試料特性分布を取得し、XY平面内の同じ測定位置における前記表面形状分布と前記試料特性分布を重ねて表示することを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１８】
請求項１７に記載の走査プローブ顕微鏡において、前記試料特性が、試料表面の形状、試料表面の摩擦特性、もしくは試料表面の弾性特性、もしくは試料表面の吸着力、もしくは電気特性、もしくは光学特性の少なくとも1つ以上の組み合わせであることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項１９】
薄膜デバイス製造における平坦化研磨特性の走査プローブ顕微鏡を用いた評価方法であって、研磨後の試料表面に複数の材質が露出する平坦化研磨工程において、走査プローブ顕微鏡を用いて、同じ測定領域における前記平坦化研磨後の試料の表面形状および表面形状以外の試料特性を取得し、前記取得した試料特性の分布像を用いて測定領域内における各材質領域を特定し、前記各材質領域における前記表面形状から研磨特性評価を行うことを特徴とする平坦化研磨特性の評価方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の平坦化研摩特性の評価方法であって、前記試料特性が、試料表面の摩擦特性、もしくは試料表面の弾性特性、もしくは試料表面の吸着力、もしくは電気特性、もしくは光学特性の少なくとも1つ以上の組み合わせであることを特徴とする平坦化研磨特性の評価方法。
【請求項２１】
請求項１９に記載の平坦化研磨特性の評価方法であって、前記複数の材質が露出する平坦化研磨工程が、半導体デバイス製造における平坦化工程もしくは磁気ヘッド形成における平坦化工程であることを特徴とする平坦化研磨特性の評価方法。
【請求項２２】
請求項１９に記載の平坦化研摩特性の評価方法であって、前記研磨特性が前記平坦化工程におけるエロージョン、もしくはディッシング、もしくは研磨残りの少なくとも１つであることを特徴とする平坦化研摩特性の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査プローブ顕微鏡を用いた測定において、複数の試料特性を取得し、結果を表示する方法、およびこれを用いた試料の評価方法に関し、複数の試料特性を取得し結果を表示可能な走査プローブ顕微鏡に関する。本発明の適用分野としては、生物、物理、半導体、ストレージ等が挙げられ、これら分野の研究開発に利用することによって研究開発の効率を上げることができる。
【背景技術】
【０００２】
微細立体形状の計測技術の一つとして走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning  Probe  Microscope）が知られている。これは、先鋭化された探針（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】
その中のひとつである原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic  Force  Microscope）は、測定探針と試料の間に働く原子間力、つまり探針・試料間の接触力を、探針のたわみによる変位量によって検出し、これが一定になるように制御しながら試料表面を走査することにより、試料表面の微細形状を計測する技術であり、生物、物理、半導体、ストレージ等の多岐の分野に亘って広く用いられている。
【０００４】
ＡＦＭの測定方式は、探針を試料に接触させない状態で測定を行う非接触方式と探針を試料へ接触させて測定を行う接触方式に大別され、接触方式については、探針を試料に対して連続的に接触させて走査する方式と間歇的に接触させて走査する方式に分けられる。ＡＦＭでは、これら測定方式によって、試料の表面形状のみならず表面形状以外の試料特性、例えば機械特性、電気・磁気特性を表面形状と同時に取得することが可能である。複数の試料特性を同時に取得することによって、測定対象を多面的な観点から解析することが可能となるため、測定試料の評価に非常に有効である。
【０００５】
例えば、探針を試料に接触させた状態で、探針を試料表面と平行に移動させる（走査させる）測定法では、走査の際に試料表面に平行に働く作用力（摩擦力）を検出することが可能である。
【０００６】
一方、探針を試料に対して、接近（下降）させたり、退避（上昇）させたりという動作を各測定点で行いながら、探針を試料に対して間歇的に接触させる走査方式では、試料表面に垂直に働く作用力（吸着力、弾性力）を検出することが可能である。これが可能な測定方式として、特許文献１に示される方法、特許文献２および特許文献３などに開示されている方式がある。
【０００７】
特許文献１には、探針をその共振周波数以下の周波数で振動させ、探針と試料が周期的に接触と離脱を繰り返すことによって探針と試料との間に働く相互作用および試料の物性を検出する方法について述べられている。また、特許文献４には、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計測領域を特定し、探針の状態に基づいて試料表面の計測結果を補正することが記載されている。
【特許文献１】特開平１１−３５２１３５号公報
【特許文献２】特許第２９３６５４５号公報
【特許文献３】特開２００１−３３３７３号公報
【特許文献４】特開２００４−２６４０３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記文献に示される方式（探針を試料の各点に対して退避と接近を繰り返す）を用いて、形状と同時に形状以外の試料特性を取得する場合、探針を上下させる振幅に対して探針と試料間の吸着力が大きいと吸着力が検出できなくなる問題がある。
【０００９】
探針と試料間の吸着力の大きさは測定前には不明であり、測定場所によっても異なる為、この点を考慮して探針上下の振幅を十分大きく設定した場合、振動周期（一点あたりの測定周期）が増大して高速に測定することができない。
【００１０】
また、探針と試料間に働く作用力は探針の種類や探針先端の磨耗状態によっても変化するため、取得した特性は測定を行った探針の材質や先端形状の影響が重畳したものである。すなわち、異なる探針で取得した特性値を比較するためには、前記探針の影響を除去する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記問題に鑑みなされたものであり、走査プローブ顕微鏡において、探針を退避、接近させることによって複数の試料特性を取得する場合、高速かつ確実に吸着力を検出できるように、探針と試料間の吸着力の大きさによって退避、接近の振幅を変化させながら、１つ以上の試料特性を取得し、取得した試料特性分布の表示を行う。
【００１２】
さらに、上記探針の影響による課題に対しては、上記影響の補正を行い、同様に試料特性分布の表示を行う。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来の一定振幅ではなく、必要最低限の振幅で、探針の試料に対する退避、接近を行うことにより、複数の試料特性を必要最小限の時間で高速に測定することができる。
【００１４】
また、本発明を用いて同じ測定領域で複数の試料特性を取得し、それらの分布画像を重ねて表示することによって測定対象の多面的な解析が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、各図面を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明の実施例１の走査プローブ顕微鏡の構成例を示す。
装置は、測定試料１０１を載せ移動が可能な粗動ステージ１０２、試料上を走査する探針１０３、探針をＸＹＺ方向に駆動する探針駆動部１０４、探針のたわみ、ねじれの検出を行うたわみ・ねじれ検出部１０５、ＸＹＺ各軸の駆動変位を検出する駆動変位検出部１０６、検出した各センサ信号をサンプリングするサンプリング回路１０７、探針駆動部１０４に指令を出す。
【００１７】
探針制御部１０８、粗動ステージおよび測定シーケンス等の制御を行う全体制御部１０９、データの記録を行うデータ記憶部１１０、演算処理等を行う演算処理部１１１、演算処理部での処理結果の表示を行う結果表示部１１２から構成される。１０４は通常、印加電圧によって変形量が制御できる圧電素子を用いて構成されるが、ボイスコイルモータなど他の駆動素子を用いることもある。また、１０５は一般にレーザと４分割受光素子から構成される光てこ検出等が用いられる。光てこ検出では、探針のたわみ・ねじれ量を受光素子上のレーザスポット位置の変化として検出することができる。
【００１８】
ＸＹＺ駆動部１０４については探針側に構成した例を示したが、粗動ステージのかわりに、試料側に構成しても本発明を実施する上での問題はない。
【００１９】
測定の際は、探針１０３を試料表面に近接もしくは接触させ、粗動ステージ１０２もしくは探針駆動部１０４によって探針と試料の相対位置を走査しながら、その際に生じる原子間力等の物理的な相互作用を１０５のセンサによって測定する。各センサからの出力信号はサンプリング回路１０７によって一定のタイミングでサンプリングされ、たわみ・ねじれ検出部１０５及び駆動変位検出部１０６の出力に基づいて探針制御部１０８が探針駆動部１０４に駆動信号を出力して、探針１０３の試料１０１への接近・退避を可変振幅で高速に制御する。また、サンプリングされたセンサ信号は、探針制御部１０８からのトリガ信号によってデータ記憶部１１０で記録され、演算処理部１１１での処理を経て結果表示部１１２において数値もしくは画像表示される。
【実施例２】
【００２０】
探針を退避、接近させる走査方式（特許文献３に開示されている方式）を用いて試料特性を算出する方法について図２を用いて説明する。
【００２１】
本方式では、探針の走査を完全に止めた状態（走査方向の速度がゼロ）で探針を試料表面に対して垂直方向に移動させるため、試料表面に垂直に働く力を高精度に検出することができる。図２には、本方式を用いた場合に検出される各センサ信号の変化を示す。２０１は探針のたわみ量の変化を示すたわみ信号、２０２はＺ軸の変位量の変化を示すＺ軸変位信号である。
【００２２】
図２のａ−ｂ区間は探針を試料へ接近させている区間で、探針と試料が非接触の状態である。図２のｂ−ｃ区間は探針を試料へ接近させている区間で、探針と試料が接触している状態である。図２のｃ−ｄ区間は探針を試料から退避させている区間で、探針と試料が接触している状態である。図２のｄ−ｅ区間は探針を試料から退避させている区間で、探針が試料表面の水分204等から吸着されている状態である。
【００２３】
探針の動作とその時に生じるたわみ信号の変化について以下で説明する。たわみ信号は、探針が試料から力を受けて変化するため、探針が試料から十分離れている状態（探針に力が働かない状態）では一定値のまま変化しない。
【００２４】
探針が試料から完全に離れた状態から探針を試料へ接近させる。探針が試料に接触する直前、試料表面からの引力を受けて探針が引きつけられ、試料へ接触する（ａ−ｂ区間）。
【００２５】
探針が試料へ接触すると、探針と試料間の接触力に比例してたわみ信号が変化する。探針は試料への押し込み量がある一定値２０３（一定接触力）に到達するまで下降を続ける。（ｂ−ｃ区間）。
【００２６】
探針の試料への押し込み量がある一定値２０３に達した後、探針の退避を開始する。探針へ働く力は徐々に小さくなる（ｃ−ｄ区間）。
【００２７】
探針の試料への押し込み量が無くなると探針には全く力が働かない状態（ｄ点）となるが、その後、探針が試料表面から吸着される状態が生じる。この際、探針は試料に接触状態と逆方向の力を受けるため、探針のたわみは接触時と逆となり、たわみ信号は接触状態と逆方向に変化する（ｄ−ｅ区間）。
【００２８】
さらに退避を続けることで探針は吸着状態から開放され、探針は共振周波数で自由振動を行う。このとき、たわみ信号も前記周波数で振動する。探針の退避が終了した後、再び探針は試料への接近を開始する。
【００２９】
これら一連の動作を各測定点で繰り返し行うことによって、各特性値の取得を行う。上記の各区間で検出される試料特性と算出方法について、図２のａ〜ｅの区間を拡大した、図３を用いて説明する。
【００３０】
ｂ−ｄ区間では、探針が試料に接触しているため、試料の弾性特性を測定することが可能となる。弾性特性ｋ２は、前記区間における２つの時刻のたわみ信号（図３のｄ１，ｄ２）とＺ軸変位計信号（図３のｚ１，ｚ２）、探針のばね定数ｋ１、予め測定によって求められた探針のたわみ量（＝Ｚ軸の駆動量）に対するたわみ信号の変化量の割合Ｃから求めることができる。
【００３１】
探針の試料への押し込み量をΔｘ、探針の駆動量をΔｚとするとｋ２は（式１）で表される。
【００３２】
ｋ２＝ｋ１・Δｘ／（Δｚ−Δｘ）・・・（１）
Δｘ＝（ｄ２−ｄ１）／Ｃ
Δｚ＝（ｚ２−ｚ１）
【００３３】
また、探針の試料への押し込み量が一定値に達した時点でのＺ軸の変位量、もしくはＺ軸の駆動信号を記録することによって、試料表面の形状像を得ることができる。
【００３４】
図のｄ−ｅ区間では、探針が試料表面から吸着されている状態であり、吸着力の測定が可能となる。
【００３５】
試料表面からの最大吸着力は、吸着状態から開放される直前であるため、この区間におけるたわみ信号の最小値（図３のｄ０）を記録することによって吸着力を得ることができる。
【００３６】
ただし、吸着力が大きすぎて、たわみ信号がたわみ検出センサもしくはサンプリング回路の検出範囲を超えてしまった場合、正しい吸着力を得ることができない。
【００３７】
この場合の吸着力の検出方法について図４を用いて説明する。たわみ信号がセンサ、もしくはサンプリング回路の検出範囲を超えた場合、図４に示すとおりたわみ信号が検出限界値を横切る瞬間が存在する。このため、検出限界値に閾値４０１を設け、設定閾値を横切るタイミング（図４のｔ１、ｔ２）を記録しておく。吸着状態における探針のたわみの変化率４０２に、記録したタイミング間隔（ｔ２−ｔ１）を掛けた値（ΔZ1）を閾値４０１の値から差し引くことによって、たわみ信号がセンサの検出範囲を超えた場合についてもたわみ信号の最小値４０３を求めることができる。
【００３８】
この他の吸着力の検出方法として、探針退避時の探針の駆動量（試料からの探針の引き上げ量）から吸着力を求めてもよい。
【００３９】
この方法を用いる場合、探針退避時に探針が試料表面からの吸着を離脱する瞬間を検知し、その瞬間における探針の退避距離を求める必要がある。吸着離脱の検出としては、吸着離脱によってたわみ信号の時間変化率が変わる瞬間の検知を行う。
【００４０】
吸着離脱によってたわみ信号の時間変化率が変わる瞬間の検知を行う方法としては、図５に示すようにたわみ信号の時間変化率に対する閾値５０１を設定しておき、たわみ信号の時間変化率が閾値５０１より小さくなった瞬間５０２を吸着離脱点と判定する。
【００４１】
上記たわみ信号の時間変化率閾値をＴｈとする。Ｔｈは、探針の退避速度Ｖ、および予め測定によって求められた探針のたわみ量とたわみ信号の変化量の関係Ｃ、および係数αから（式２）を用いて算出することが可能である。αは閾値の大きさを決める係数である。
【００４２】
図５に示されるとおり、吸着離脱の瞬間は、たわみ信号の変化率が必ず負となるため、αに０から１の間の値を設定することによって確実に吸着離脱点の検出を行うことができる。
【００４３】
また、測定条件（低湿度、探針の磨耗が小さい）によっては吸着力がほとんど無い場合も考えられるが、αを正の値に設定しておけば、吸着がほとんど無い場合（探針が試料表面から離れる瞬間の傾きの変化率がほぼ0の場合）についても、吸着離脱の瞬間を検知することができる。
【００４４】
Ｔｈ＝Ｖ×Ｃ×α・・・（２）
【００４５】
探針退避の開始後にたわみ信号がゼロになった瞬間（探針の試料への押し込み量がゼロになった瞬間：図５のｔ３）のＺ軸位置、および上記方法で検出した吸着離脱時（図５のｔ４）のＺ軸位置から、吸着離脱に必要な探針の退避距離（Ｚ軸の駆動量ΔＺ２）が算出でき、求められたＺ軸の駆動量(ΔＺ２)、および、予め測定によって求められる探針のたわみ量とたわみ信号の変化量の関係Ｃから（式３）を用いて吸着力：Ｆを算出することができる。
【００４６】
Ｆ＝ΔＺ×Ｃ・・・（３）
【００４７】
次に、パターン側壁の材質境界部を検出する方法について図６を用いて説明する。急峻なパターンの側壁では、探針を退避させる際に探針は試料側壁部に吸着され、図６に示すように探針は側壁を滑るように上昇する。
【００４８】
ここで、パターン側壁の材質が一様でなく、２種類以上の材質で構成されている場合、探針が材質の境界を通過する前（図６(ａ)）と通過した後（図６（ｂ））で、材質の違いによって探針の側壁への吸着力が変化し、たわみ信号の時間変化率が変化する。
【００４９】
このため、たわみ信号の時間変化率の変化点６０３を検出しこの瞬間のＺ軸位置(Z3)を測定することによって、材質の境界位置６０４を特定することができる。
【００５０】
さらに、パターンの表面と特定した境界位置の高さ(Z3)から、パターン上部材質の厚さと位置の高さも併せて求めることが可能となる。
【００５１】
次に、試料表面上に吸着層が存在する場合に、吸着層の厚さを検出する方法について図７を用いて説明する。図７に示すように、試料７０２表面上に吸着層７０１が存在する場合、探針先端が吸着層の内部にある状態（図７（ａ））と、探針先端が吸着層の底（試料表面）に到達している状態（図７（ｂ））では、探針を接近、もしくは退避させた際のたわみ信号の時間変化率が異なる。探針先端が吸着層の内部にある状態（図７（ａ））では、探針先端が吸着層を押し分けながら移動するため、探針先端が試料表面に到達している場合（図７（ｂ））と比べてたわみ信号の時間変化率が小さくなる。このため、探針を接近、もしくは退避させた際に、探針先端が吸着層表面に接触した瞬間のＺ軸位置（Ｚ５）、および前記たわみ信号の時間変化率の変化点７０３におけるＺ軸位置(Z4)を測定することによって吸着層の厚さ（=Z5-Z4）を検出することができる。
【００５２】
尚本実施例中で示した、たわみ信号、変位計信号の変化の方向は、装置構成もしくは使用するセンサの極性によって変わるものである。ただし、この場合についても上記方式を用いることによって試料特性を求めることが可能であり、このことは以下の実施例についても同様である。
【００５３】
以上の方法で求めた各試料特性は、図８に示すように測定領域内における分布を画像表示する。図８は、ＸＹ平面上の各測定点で検出される試料特性値の大きさを濃淡画像として表示している。
【実施例３】
【００５４】
探針の動作と信号サンプリングのタイミングについて、図９を用いて説明する。探針の試料への接近を開始した後、たわみ信号に二つの閾値３０１を設定し、探針が試料に接触してたわみ信号が一定閾値を超えた時点（９０１）で、弾性力算出のためのたわみ信号と探針の変位信号をサンプリングする。
【００５５】
探針の試料への押し込み量が予め設定された値（探針−試料間の接触力が一定接触力）に達した時点（９０２）で形状像算出のための探針の変位信号、もしくはＺ軸の駆動信号をサンプリングする。
【００５６】
探針の試料への接近方法としては、探針が試料へ接触する前は等速で接近を行い、探針が試料へ接触した後は接触力によるサーボ制御を行う方法を用いる。
【００５７】
接触力によるサーボ制御のみで接近を行う方法もあるが、接触力サーボ制御で接近を行った場合、探針の試料への接近速度はサーボの目標接触力（２０３）によって異なるという問題が生じる。これは、接触力サーボ制御では、偏差（＝目標接触力-現在の接触力）の時間積分値に比例した信号を駆動信号とするためである。探針接近で探針が試料へ接触する前は、上記現在の接触力がゼロであるため、このときの偏差９０６は目標接触力と等しくなる。よって、目標接触力が小さいと偏差が小さくなるため駆動信号も小さくなり、接近速度が遅くなる。つまり、小さい目標接触力では高速に測定することができなくなってしまう。
【００５８】
これに対して、本実施例における接近方法では、サーボによる接近の問題点を補ってサーボの目標接触力に依らずに高速な接近を行うことができ、高速な測定が可能となる。この場合の等速接近と力制御による接近の切り替えタイミングは、たわみ信号の値によって判断する。図９に示すとおり、たわみ信号（接触力）に一定の閾値（９０４）を設定し、接触力が閾値（９０４）以下の値であれば、等速接近を行い、閾値（９０４）以上の値になった瞬間、接触力サーボ制御を行う。
【００５９】
探針と試料間の接触力が一定値（サーボの目標値）へ達し、接触力サーボによって接触力が安定した時点で上記サンプリングを行い、サンプリングが終了したタイミングで探針の試料からの退避を開始する。
【００６０】
探針の退避時は一定速度で探針を試料から引き上げる。退避を開始した後は、吸着力算出のため、たわみ信号最小値の検出を行う。探針退避は、たわみ信号によって吸着離脱を検出し、吸着離脱が検出される瞬間（９０５）まで行う。
【００６１】
吸着離脱の検出方法は、実施例２で示した吸着離脱検出方法と同様の方法を用いればよく、この方式によって吸着力を検出可能な必要最小限の退避距離で駆動することが可能となるため、必要最小限の時間で測定することができる。
【００６２】
たわみ信号の最小値検出の方法としては、実施例2で示したように探針退避の全区間（図２のd-e区間）においてたわみ信号の最小値を逐次更新してもよいし、吸着状態開放の瞬間のたわみ信号の変化に着目して、吸着開放の瞬間のたわみ信号をサンプリングしてもよい。
【００６３】
さらに、吸着力がセンサの検出範囲を超えた場合に、実施例２で説明した検出方法を行う目的で、たわみ信号に閾値４０１を設定し、たわみ信号が前記閾値を横切ったタイミング（９０３）の記録を行う。
【００６４】
また、図９に示すとおり次の測定点への移動は、探針が試料に接触していない状態で行う。これによって、探針を試料表面に対して垂直方向に移動させる際に探針の走査方向の速度がゼロとなるため、試料表面に垂直に作用する力を高精度に検出でき、測定精度の向上を図ることが可能となる。
【００６５】
尚、本実施例では弾性力算出用のたわみ信号と探針の変位信号をサンプリングのタイミングを探針が試料に接近時に設定したが、探針が試料に接触している状態であれば、探針が試料から退避する時でも問題はなく、このときサンプリングされた２組のたわみ信号と探針の変位信号から同様の方法で試料の弾性力を求めることができる。
【実施例４】
【００６６】
得られた試料特性の測定値から探針による影響を補正する方法について以下で説明する。
【００６７】
探針による影響を最も受けるのは吸着力である。吸着力は探針の種類や磨耗の状態によって大きく変化する。例えば、探針の磨耗が少ない場合、吸着力は小さく、探針の磨耗が大きい場合、吸着力は大きく働く。
【００６８】
探針の影響を除去する方法として、吸着の状態を左右する要因（気温、湿度）を一定に管理した環境において、決められた材質で製作された校正用試料で一点以上のフォースカーブデータ（探針を接近、退避させた際の、探針変位量と探針たわみ量の関係）を取得する。
【００６９】
吸着力は場所によっても変動するため、複数点で測定を行う場合の測定範囲としては測定可能な最大範囲で行うのが望ましく、図１０に示すとおり、この範囲内で測定点の密度を均等に設定する。このとき、各点のフォースカーブ動作で測定された吸着力（たわみ量の最大値）ｆｉの平均値Ｆａｖｅを校正用の吸着力の基準値とする。
【００７０】
求められた吸着力は一定の環境下で同じ材質の試料を用いたものであるため、異なる探針で測定した場合、探針の違いによる影響のみを含んだものである。よって、実際の測定試料の測定で得られた各測定点における吸着力を、算出した基準値Ｆａｖｅで割る（正規化する）ことによって、探針の影響を除去した吸着力の値を得ることができる。
【００７１】
上記探針による影響を補正した試料特性についても、図８と同様に測定領域内における分布を画像表示する。
【実施例５】
【００７２】
本発明における試料特性分布を、半導体製造におけるダマシン配線のメタルＣＭＰ研磨評価に適用した例について説明する。
【００７３】
ＣＭＰ（Chemical  Mechanical  Polishing：化学機械研磨）はウエハ表面を研磨して平坦化する技術であり，当初は層間絶縁膜を削る工程に対して主に使用されていたものの、現在ではＳＴＩ（Shallow  Trench  Isolation）工程や、タングステンプラグ、アルミ配線、銅配線等の金属を研磨するメタルＣＭＰ工程へと適用範囲が拡大している。ＣＭＰで生じる現象について図１１を用いて説明する。
【００７４】
ＣＭＰでは用いる研磨剤や研磨装置、組み合わせる層間絶縁膜の膜特性などによって平坦性の低下を生じることが知られており，平坦性の低下にはディッシングと呼ばれる主に幅広配線パターンで配線断面が皿状にくぼむ現象１１０３と，エロージョンと呼ばれる主に微細配線部でメタルと共に絶縁膜も削れてしまう現象１１０４があり、メタルの研磨が不十分な場合にはメタルの研磨残り１１０５が生じる場合もある。
【００７５】
平坦性の低下はメタル配線の抵抗値の増加につながりデバイスの信頼性を低下させるため，ディッシングやエロージョンをより小さくして平坦化性能を向上させることが重要である。また、メタルの研磨残りが生じた場合には配線のショートを招いてしまうため、メタルＣＭＰ工程においては研磨残りの有無についても重要な検査項目である。
【００７６】
本実施例のように実パターン上で数十ナノメートルオーダの微細パターン領域を測定する場合には、探針と測定箇所のアライメント（XY平面内における探針と測定箇所の位置合わせ）をナノメートルオーダーの精度で行う必要があり、この場合には解像度が高いAFM測定像を用いたAFMアライメントを行う。
【００７７】
AFMアライメント手順について図１２を用いて説明する。図１２の１２０７は半導体ウエハを示しており、１２０７上にＬＳＩのチップ１２０８が複数並んでいる。１２０１はＬＳＩチップ内の一部の領域を示しており、この内部の１２０２が評価（測定）を行いたい測定箇所である。
【００７８】
AFMアライメントでは、アライメント用に選択されたパターン形状を含む領域をＡＦＭで測定し、このとき得られた測定像から、探針と測定箇所間の距離の算出を行い、精密位置決めが可能な微動駆動部１０４によって探針を測定箇所まで移動させる。
【００７９】
アライメント用パターンの条件としては、図１２に示すように、測定を行いたい箇所１２０２を中心として、数十um〜百um程度のＡＦＭ微動駆動部の最大可動範囲１２０３内部に存在し、縦方向・横方向位置の特定が可能なパターン（縦方向・横方向が一様でないパターン）１２０５を含む領域１２０４を選択する。
【００８０】
このときアライメント用パターン上の任意の位置（例えば１２０６）と測定箇所１２０２との相対距離（ΔX1、ΔY1）は、設計データ等によって既知であることが求められる。アライメント用パターンの選択は、ユーザが測定箇所近傍のＡＦＭ像を取得し、取得した像から前記条件を満足する領域を適宜選択してもよいし、配線の設計情報を用いて検索してもよい。
【００８１】
アライメント用パターンの選択後、測定試料全面に亘る広範囲の移動が可能な粗動ステージ１０２を用いてアライメント用パターンの位置１２０４に探針を移動させ、アライメント用の測定を行う。このとき、ＡＦＭの測定領域内に確実にアライメント用パターンを捉えるため、粗動ステージの位置決め精度は少なくともAFM微動駆動部の可動範囲よりも小さいことが求められる。
【００８２】
アライメント測定における測定領域の範囲は、粗動ステージの位置決め精度と必要なアライメントの精度の兼ね合いで決定され、精密なアライメントを行うためには粗動ステージの位置決め精度よりも大きい範囲でなるべく小さい測定範囲を設定する必要がある。アライメント測定の際は、同じ測定点における表面形状と試料特性を併せて取得する。
【００８３】
この時取得した測定像の、測定範囲内におけるアライメントパターンの位置から、現在の探針位置１３０２とアライメント用パターン上の任意の位置１２０６との相対距離（ΔX2、ΔY2）を算出する。探針とアライメントパターン間の相対距離の算出に用いる測定像として、本実施例では吸着像１３０３を用いる。
【００８４】
吸着像を用いる理由は、研磨後の試料は全面が平坦であり、通常用いる表面形状１３０１では配線パターンを検出することが出来ないためである。通常配線パターンの周りは層間絶縁膜であるため、吸着像を用いれは配線材と絶縁膜材の材質の違いを検出でき、研磨後の平坦な試料でも１３０３のようにメタルの配線パターンの領域を特定することができる。
【００８５】
図１３に示すように、測定像におけるアライメントパターンの位置から、探針位置１３０２とアライメントパターン上の位置１２０６とのX方向、Y方向の相対距離（ΔX2、ΔY2）が算出できるため、上記（ΔX1、ΔY1）と（ΔX2、ΔY2）をベクトル加算することによって、探針位置１３０２と測定箇所１２０２の相対距離（ΔX3=ΔX1+ΔX2、ΔY3=ΔY1+ΔY2）を算出することができる。
【００８６】
次に探針を微動駆動部１０４によって、上記アライメントで算出した相対距離（ΔX3、ΔY3）を移動し、評価箇所１２０２の測定を行う。
【００８７】
研磨特性の評価方法について図１４を用いて説明する。研磨特性評価パターン１４０１を測定する際は、XY同じ測定領域内における表面形状像１４０２と吸着像１４０３を併せて取得する。表面形状像１４０２では表面形状を濃淡画像で表示している。表面形状像で測定される表面の凹凸は他面との相対的な値であるため、凹凸部と配線パターン部との対応が明確にならないとエロージョン・ディッシング等の研磨特性を正確に評価するのは困難である。
【００８８】
上に述べた通り、平坦化後は表面形状像によって配線パターンを特定することができないが、吸着像１４０３用いることによって配線パターンを特定することが可能となる。このため、１４０４に示すように、同じ測定点における表面形状像（表面の凹凸情報）と、試料特性像（配線領域の情報）を重ねて表示し、配線領域と表面の凹凸の対応をとることによって、エロージョン・ディッシング部分がより明確になる。
【００８９】
また、試料特性像では配線材部分が特定できるため、これによって過研磨領域と研磨不足領域の特定が可能となる。例えば図１４に示すとおり、配線パターン上で表面位置が周囲に比べて低くなっている領域１４０５は過研磨領域（含エロージョン・ディッシング）であると判断でき、配線パターン以外の領域に配線材部分１４０６が検出された場合、その領域は研磨不足領域（研磨残り）であるとの判断が可能である。
【００９０】
よって、本発明によりエロージョン・ディッシング等の平坦性評価に加えて研磨残りの有無についても検査することが可能である。上で説明したアライメントおよび測定の流れについて図１５に示す。
【００９１】
尚、本実施例で用いた吸着像は、探針と試料を間歇的に接触させながら走査することで検出が可能な特性であるが、その他の走査方式を用いる場合も、用いた走査方式で検出が可能な試料特性を用いることによって本発明を実施することが可能である。
【００９２】
例えば探針と試料を連続的に接触させる走査方式（一般にコンタクトモードと呼ばれている走査方式）で取得可能な摩擦像について図１６を用いて説明する。
【００９３】
図１６は、表面材質が異なる試料をコンタクトモードで測定した例を示している。コンタクトモードでは、探針走査の際、探針と試料の間に働く接触力を探針のたわみによって１０５で検出し、これが一定になるように制御しながら試料表面を走査する。
【００９４】
この際、探針と試料間に働く摩擦力を探針の捩れ量（捩れ信号）１６０１として検出し、検出した捩れ信号１６０２を画像化して探針と試料間の摩擦像を得ることができる。
【００９５】
図１６に示すとおり、試料表面の材質が異なると、探針と試料間に働く摩擦力（捩れ信号）が変化する（１６０５）ため、１４０３と同様の配線材部分の特定が可能な像を取得することができる。
【００９６】
その他にも、本走査方式で取得可能な弾性特性、もしくは特開２００４−１２５５４０号公報に開示されているように探針-試料間に電圧を印加したり、探針の先端から光を照明することによって取得可能な電気特性や光学特性等、試料表面材質の違いを画像化できる試料特性を用いれば、１４０３と同様の配線部分の特定が可能な像を取得できることは言うまでもない。さらに取得した複数の試料特性像を組み合わせて用いれば、より高精度に材質境界の検出を行うことができる。
【００９７】
また、本実施例では本発明を半導体製造におけるダマシン配線工程に適用した例について示したが、その他にもプラグ工程、デュアルダマシン工程、素子分離（STI：Shallow  Trench  Isolation）工程における平坦化工程等、複数の材質が試料表面に露出する平坦化研磨の評価に適用できることは言うまでもなく、半導体製造工程以外でも磁気ヘッド形成工程等、複数の材質が試料表面に露出するような平坦化研磨の評価には適用が可能であることを注記しておく。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の実施例１の走査プローブ顕微鏡の構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施例２の試料特性を求める場合の探針の動作とたわみ信号の変化を示す図である。
【図３】図２の探針の動作とたわみ信号の変化を示すａ〜ｅの区間の拡大図である。
【図４】吸着力（たわみ信号）がセンサの検出範囲を超えた場合のたわみ信号の最大値を検出する方法を示す説明図である。
【図５】吸着離脱によりたわみ信号の変化率が変わる瞬間を検知する方法を説明する図である。
【図６】探針がパターン側壁部を移動中のたわみ信号変化率の変化を示す説明図である。
【図７】探針が吸着層を移動中のたわみ信号変化率の変化を示す説明図である。
【図８】試料特性の分布像を示す説明図である。
【図９】本発明の実施例３の探針の動作とたわみ信号のサンプリングタイミングを示す説明図である。
【図１０】本発明の実施例４の測定点Ｘｉにおけるたわみ信号ｆｉの変化を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施例５の半導体製造工程におけるメタルCMP後の研磨面の断面を示す説明図である。
【図１２】本発明によるアライメントを行う際の測定領域とアライメント領域の位置関係とアライメント用パターンを示す説明図である。
【図１３】アライメント用パターンの表面形状像および吸着像を示す説明図である。
【図１４】本発明において走査プローブ顕微鏡で取得した測定画像を示す説明図である。
【図１５】探針位置と測定箇所の位置合わせ（アライメント）および測定の流れを示す説明図である。
【図１６】摩擦像の検出方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０１    試料
１０２    粗動ステージ
１０３    探針
１０４    探針駆動部
１０５    たわみ・ねじれ検出部
１０６    駆動変位検出部
１０７    サンプリング回路
１０８    探針制御部
１０９    全体制御部
１１０    データ記憶部
１１１    演算処理部
１１２    結果表示部
２０１    探針のたわみ量の変化を示すたわみ信号
２０２    Ｚ軸の変位量の変化を示すＺ軸変位信号
２０３    データサンプリングを行う探針と試料間の接触力（設定値）
２０４    試料表面の水分
３０１    弾性特性測定の際のたわみ信号閾値
４０１    センサレンジ検出用閾値
４０２    吸着状態におけるたわみ信号の変化率
４０３    たわみの最小値（最大吸着状態）
５０１    たわみ信号変化率の閾値
５０２    吸着離脱点
６０１    材質1
６０２    材質2
６０３    たわみ信号変化率の変化点
６０４    材質の境界位置
７０１    吸着層
７０２    試料
７０３    たわみ信号変化率の変化点
９０１    試料弾性特性算出用データサンプリングタイミング
９０２    試料形状算出用データサンプリングタイミング
９０３    吸着力測定用データサンプリングタイミング
９０４    接近方法の切替閾値
９０５    吸着離脱が検出される瞬間
９０６    偏差
１１０１    下地材
１１０２    配線材
１１０３    ディッシング
１１０４    エロージョン
１１０５    配線材研磨残り
１２０１    配線パターン領域
１２０２    測定箇所
１２０３    測定箇所を中心とした走査プローブ顕微鏡の微動駆動部の可動範囲
１２０５    アライメント領域
１２０６    アライメント用パターンの任意の位置
１２０７    半導体ウエハ
１２０８    ＬＳＩチップ
１３０１    表面形状像
１３０２    探針中心位置
１３０３    吸着像
１４０１    研磨特性評価パターン
１４０２    表面形状像
１４０３    摩擦像
１４０４    表面形状像と摩擦像の情報を合わせて表示した測定像
１４０５    過研磨領域
１４０６    研磨不足領域（研磨残り）
１６０１    探針の捩れ
１６０２    捩れ信号
１６０３    材質１
１６０４    材質２
１６０５    材質の違いによる捩れ信号の変化点
【図１】
2007309919.tif 000003
【図２】
2007309919.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007309919.tif 000006
【図５】
2007309919.tif 000007
【図６】
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【図７】
2007309919.tif 000009
【図８】
2007309919.tif 000010
【図９】
2007309919.tif 000011
【図１０】
2007309919.tif 000012
【図１１】
2007309919.tif 000013
【図１２】
2007309919.tif 000014
【図１３】
2007309919.tif 000015
【図１４】
2007309919.tif 000016
【図１５】
2007309919.tif 000017
【図１６】
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