(57)【要約】【課題】浮上ヘッド方式を用いずに、半導体・ＬＥＤウエハ基板表面及び光学表面の欠陥検出を実現することができ、回転中心付近でも欠陥検出が可能である平滑面検査装置を提供する。【解決手段】先端部分を熱変形によって突出する組込型マイクロヒーター３と、微弱な熱を検知する熱検知素子１とを同一のプローブ内に設けて接触センサプローブ４とする。熱検知素子１を接触センサプローブ４の先端に配置する。接触センサプローブ４の先端と測定対象面１０との間に微小なすき間を保持した状態で、接触センサプローブ４と測定対象面１０との間に相対運動を与え、熱検知素子１と測定対象面１０上の微小突起１２との接触によって発生する微小な摩擦熱を検知することで、微小突起１２を検出する。組込型マイクロヒーター３と熱検知素子１とが、接触センサプローブ４の同軸上に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部分を熱変形によって突出する組込型ヒーター機構と、微弱な熱を検知する熱検知素子とを同一のプローブ内に設けてセンサプローブとし、かつ前記熱検知素子を前記センサプローブ先端に配置し、前記センサプローブ先端と測定対象面との間に微小なすき間を保持した状態で、前記センサプローブと前記測定対象面との間に相対運動を与え、前記熱検知素子と前記測定対象面上の微小突起との接触によって発生する微小な摩擦熱を検知することで前記微小突起を検出する平滑面検査装置であって、
前記組込型ヒーター機構と前記熱検知素子とが、前記センサプローブ内で同軸上に配置されていることを特徴とする平滑面検査装置。
【請求項２】
前記センサプローブの先端と前記測定対象面との間のすき間を調整するためのすき間調整機構を有し、前記すき間調整機構は前記組込型ヒーター機構と前記熱検知素子とが配置されている同軸上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の平滑面検査装置。
【請求項３】
前記センサプローブ先端と前記測定対象面との間の間隔を測定する距離センサを有し、前記距離センサは前記組込型ヒーター機構と前記熱検知素子とが配置されている同軸上に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の平滑面検査装置。
【請求項４】
前記距離センサで得られた信号から、前記測定対象面形状の低周波成分のみをハードウェア的にあるいはソフトウェア的に抽出して出力する周波数フィルタを有し、前記周波数フィルタにより得られた出力を用いて、前記センサプローブの先端と前記測定対象面との間のすき間を調整しながら、前記測定対象面上の前記微小突起を検出することを特徴とする請求項３記載の平滑面検査装置。
【請求項５】
前記組込型ヒーター機構に与える電力は、測定動作中、常に一定に保たれることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の平滑面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハ、ＬＥＤウエハや光学表面などの平滑面上に存在する欠陥（デフェクト）、特に現行の光学式測定方法および装置では検出が困難な微小欠陥を検知するための、マイクロ熱検知センサを用いた平滑面検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＰＵやＬＳＩに代表される半導体技術においては、主にパターニングの微細化による高速化・高機能化が続いており、既に３２ｎｍ以下のプロセスの適用が視野に入りつつある。この間、ウエハ基板表面に存在する欠陥の許容サイズは益々小さくなる一方で、高さ３２ｎｍ以下の微小欠陥検出技術の開発が急務となっている。これは近年需要が拡大しているＬＥＤ向けウエハ及び光学表面の検査についても同様である。
【０００３】
現在、半導体・ＬＥＤウエハ基板表面及び光学表面の欠陥検出には、光学式手法を用いた非接触での検出方式が主に利用されている。例えば、ウエハ表面に光を照射した場合に欠陥箇所において発生する散乱光を、フォトディテクタで検出することで欠陥を検出する手法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。この方式は、レーザビーム走査による大径ウエハ測定への対応が可能だが、反射光強度が欠陥サイズの６乗で低下するため、測定分解能が限界に達しつつあり、高さ１６ｎｍ以下の欠陥検出については実現の目途が立っていない。
【０００４】
一方、半導体・ＬＥＤウエハ基板表面及び光学表面と同等の精度を有する平滑面として、磁気ディスク媒体表面が挙げられる。従来、磁気ディスク媒体表面上の微小デフェクト検知には、浮上ヘッドスライダ利用方式が適用されている。これは、磁気ディスクを回転することでヘッドスライダとの間に相対運動を与え、発生した空気流を利用してヘッドスライダを浮上し、磁気ディスク媒体表面上の微小デフェクトとヘッドスライダとの接触を検知することで、磁気ディスク媒体表面上の微小デフェクトを検出するものである。
【０００５】
例えば、ヘッドスライダにアコースティック・エミッション（ＡＥ）センサを搭載し、磁気ディスク媒体表面上の微小デフェクトとヘッドスライダとの接触を検知する手法が開発されている（例えば、特許文献２参照）。この手法は、現在、磁気ディスク量産時の検査工程において広く用いられている。
【０００６】
一方、磁気ディスク媒体表面上の微小デフェクトとヘッドスライダとの接触が発生すると、その接触界面には摩擦熱が発生する。この界面近傍に磁気データ読み取り用の再生ヘッドである巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）があると、その再生信号には摩擦熱に起因するスパイク状のノイズが発生する。この現象は、サーマルアスペリティ（ＴＡ）として広く知られており、サーマルアスペリティとディスク・スライダ間の相対速度との関係を実験的に検討した結果が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
磁気再生信号の品質保持のため、サーマルアスペリティを極力避けるよう浮上ヘッドスライダ設計がなされてきたが、最近ではこのサーマルアスペリティを利用して磁気ディスク媒体表面上の微小デフェクトを検知する手法が検討され始めている。例えば、再生素子とは別途ヘッドスライダの浮上面上に設けた熱検知素子を用いて、磁気ディスク媒体表面上の微小デフェクトを検知する手法が開発されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００８】
また、熱検知素子を用いた手法において、別途設けたヒーター構造を用いて熱検知素子をディスク表面に近づけることで、効率的に磁気ディスク媒体表面上の微小デフェクトを検知する手法も開発されている（例えば、特許文献３参照）。更に、ヒーター構造と熱検知素子とを組み込んだヘッドスライダを、磁気ディスク量産時の検査工程に用いられている装置に搭載し、磁気ディスク上において高さ２ｎｍの微小デフェクト検出に成功した例が開示されている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００９】
一方、浮上ヘッドスライダを用いた各々の手法では、ヘッドスライダの浮上安定性確保が重要な課題である。ヘッドスライダは、ディスク面との間にある一定以上の速度での相対運動がある場合に安定浮上するが、回転軸中心に近づくほど相対運動速度が低下し、ヘッドスライダの浮上実現が困難となる。浮上ヘッドスライダを用いた手法を半導体ウエハ、ＬＥＤウエハや光学表面などの平滑面上に存在するデフェクトの検出に適用する場合、平滑面を回転する必要があるが、この場合においても、回転軸中心に近づくにつれ相対運動速度が低下してヘッド浮上維持が困難となり、実質的には測定が困難である。
【００１０】
半導体プロセスの微細化や光学素子の高精度化に伴い、半導体ウエハ、ＬＥＤウエハや光学表面などの平滑面に対する要求は今後も厳しくなる一方であり、更なる微小欠陥検出技術の確立が急務となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−１９０７０２号公報
【特許文献２】特開平５−１２８７１５号公報
【特許文献３】特開２００８−７７７５１号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Y. Li, A. R. Kumaran, “Determination of Flash Temperature inIntermittent Magnetic Head/Disk Contacts Using Magnetoresistive Heads: Part 1 -Model and Laser Simulation”, Journal ofTribology, 1993年, vol.115, p.170-178
【非特許文献２】Y. Shimizu, J. Xu, H. Kohira, M. Kurita, T. Shiramatsu, M. Furukawa,“Nano-Scale Defect Mapping on a Magnetic Disk Surface Using a Contact Sensor”, IEEE Transactins on Magnetics, 2011年, vol.47, No.10, p.3426-3432
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、浮上ヘッド方式を用いずに、半導体・ＬＥＤウエハ基板表面及び光学表面の欠陥検出を実現することができ、回転中心付近でも欠陥検出が可能である平滑面検査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】
本発明によれば、先端部分を熱変形によって突出する組込型ヒーター機構と、微弱な熱を検知する熱検知素子とを同一のプローブ内に設けてセンサプローブとし、かつ前記熱検知素子を前記センサプローブ先端に配置し、前記センサプローブ先端と測定対象面との間に微小なすき間を保持した状態で、前記センサプローブと前記測定対象面との間に相対運動を与え、前記熱検知素子と前記測定対象面上の微小突起との接触によって発生する微小な摩擦熱を検知することで前記微小突起を検出する平滑面検査装置であって、前記組込型ヒーター機構と前記熱検知素子とが、前記センサプローブ内で同軸上に配置されていることを特徴とする平滑面検査装置が得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、前記センサプローブの先端と前記測定対象面との間のすき間を調整するためのすき間調整機構を有し、前記すき間調整機構は前記組込型ヒーター機構と前記熱検知素子とが配置されている同軸上に設けられていることを特徴とする平滑面検査装置が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、前記センサプローブ先端と前記測定対象面との間の間隔を測定する距離センサを有し、前記距離センサは前記組込型ヒーター機構と前記熱検知素子とが配置されている同軸上に設けられていることを特徴とする平滑面検査装置が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、前記距離センサで得られた信号から、前記測定対象面形状の低周波成分のみをハードウェア的にあるいはソフトウェア的に抽出して出力する周波数フィルタを有し、前記周波数フィルタにより得られた出力を用いて、前記センサプローブの先端と前記測定対象面との間のすき間を調整しながら、前記測定対象面上の前記微小突起を検出することを特徴とする平滑面検査装置が得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、前記組込型ヒーター機構に与える電力は、測定動作中、常に一定に保たれることを特徴とする平滑面検査装置が得られる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、組込型ヒーター機構と熱検知素子とを、センサプローブ内で同軸上に配置することで、測定実施時に熱検知素子がプローブ先端において最も測定対象面に接近し、感度良く微小突起を検出できるようになる。また、すき間調整機構および距離センサを、組込型ヒーター機構と熱検知素子とを配置した同軸上に設け、センサプローブの先端と測定対象面との間のすき間を制御することで、測定対象面上のより微小な突起の検出が実現できる。本発明によれば、浮上ヘッド方式を用いずに、半導体・ＬＥＤウエハ基板表面及び光学表面の欠陥検出を実現することができ、回転中心付近でも欠陥検出が可能である平滑面検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態の平滑面検査装置の、接触センサプローブを示す概略斜視図である。
【図２】図１に示す接触センサプローブの先端の状態を示す拡大模式断面図である。
【図３】本発明の実施形態の平滑面検査装置の、（ａ）組込型マイクロヒーターに電力を印加して接触センサプローブの先端を熱膨張させるシミュレーションのためのＦＥＭモデル、（ｂ）そのシミュレーションによる接触センサプローブの温度分布を示す斜視図、（ｃ）シミュレーションによる接触センサプローブの先端形状を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態の平滑面検査装置の、微小突起検出時の、接触センサプローブ先端と微小突起との接触を表現する簡易モデルの斜視図である。
【図５】本発明の実施形態の平滑面検査装置の、（ａ）熱量が熱検知素子に流入したときの温度変化を算出するために用いる、接触センサプローブ先端の簡易モデルの斜視図、（ｂ）その計算時に熱検知素子に与える熱量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明にかかる実施形態の平滑面検査装置を、図１乃至図５を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態で用いる接触センサプローブ４の概略図である。接触センサプローブ４は、熱検知素子１、距離センサ２、組込型マイクロヒーター（組込型ヒーター機構）３及び外部アクチュエータ５からなる。
【００２２】
本発明の実施形態の平滑面検査装置では、接触センサプローブ４内に配置した組込型マイクロヒーター３に対し、ヒーターコントローラ９からバイアス電圧を印加し、その際に流れる電流による組込型マイクロヒーター３の発熱に伴う接触センサプローブ４の先端の熱膨張を利用して、接触センサプローブ４の先端近傍に配置した熱検知素子１を突出させる。測定中は、ヒーターコントローラ９から組込型マイクロヒーター３に印加する電力を一定に設定する。この状態で、外部アクチュエータ５を用いて接触センサプローブ４を半導体・ＬＥＤウエハ基板表面及び光学表面１０に近接させることで、熱検知素子１と半導体・ＬＥＤウエハ基板表面及び光学表面１０上に存在する微小突起との接触に伴う摩擦熱を熱検知素子１で検出することで、微小突起を検出する。
【００２３】
微小突起を高感度に検出するためには、接触センサプローブ４の先端近傍に配置した熱検知素子１を、半導体・ＬＥＤウエハ基板表面及び光学表面１０上に存在する微小突起と確実に接触させる必要がある。一方、半導体・ＬＥＤウエハ基板表面及び光学表面１０上に存在する微小突起の高さがナノメータのオーダーである場合、接触センサプローブ４の表面粗さなど、表面の性状によっては微小突起が熱検知素子１に接触せず、高感度な突起検知が困難となることが考えられる。
【００２４】
そこで本発明では、熱検知素子１と組込型マイクロヒーター３とを、接触センサプローブ４の中心軸上に、同軸となるよう配置する。こうすることで、組込型マイクロヒーター３での発熱に伴う接触センサプローブ４の先端の熱膨張により、接触センサプローブ４の先端近傍に配置した熱検知素子１が確実に、接触センサプローブ４の先端において、一番測定対象面に近づくことになり、高感度に突起を検知できるようになる。
【００２５】
測定対象面への接触センサプローブ４の接近は、外部アクチュエータ５を用いて実現する。接触センサプローブ４に配置した距離センサ２からの情報をもとに、外部アクチュエータ５を制御する。距離センサ２は、うねり形状など、平面の低周波形状のみを検知するよう設定する。こうすることで、平面上の微小突起のような高周波形状への追従を避け、熱検知素子１による微小突起の接触検知を実現することができる。そのため、周波数フィルタ６を用いて高周波成分を除去した距離センサ２の出力を用いて、外部アクチュエータ５のフィードバック制御を実施するのが望ましい。図１の実施例では、距離センサ２からの位置情報信号を周波数フィルタ６に入力し、抽出したうねり成分出力をアクチュエータコントローラ７の入力として用い、アクチュエータアンプ８を介して外部アクチュエータ５を駆動することでフィードバック制御している。
【００２６】
熱検知素子１によって微小突起を検出する際の、熱検知素子１近傍の模式図を、図２に示す。組込型マイクロヒーター３に電力を印加し熱を発生させると、発生した熱により組込型マイクロヒーター３の近傍に熱膨張が生じ、結果として組込型マイクロヒーター３と同軸上に配置した熱検知素子１が接触センサプローブ４の先端において突出する。この状態で、距離センサ２の位置信号をもとに、突出した熱検知素子１と半導体・ＬＥＤウエハ基板表面及び光学表面１０との間の距離を一定に保ちつつ、接触センサプローブ４と表面１０との間に相対運動を与えると、接触センサプローブ４は表面１０のうねり形状に追従しつつ表面１０上を走査することになる。このとき、走査軌道１１上に微小突起１２が存在すると、熱検知素子１が表面１０上の微小突起１２と接触し、摩擦熱が発生する。この摩擦熱によって熱検知素子１の温度が上昇し、その結果として熱検知素子１の電気抵抗値に変動が生じる。熱検知素子１に適切なバイアス電流またはバイアス電圧を印加しておくことで、この電気抵抗値の変動を電圧変動もしくは電流変動といった電気信号に変換し、これを監視することで微小突起１２の存在を検知することができる。
【００２７】
組込型マイクロヒーター３及び熱検知素子１を接触センサプローブ４の同軸上に配置したものを模擬した有限要素モデルを用い、組込型マイクロヒーター３に電力を印加した際の熱検知素子１の突出形状をシミュレーションし、その結果を図３に示す。熱検知素子１は、図３（ａ）に示すとおり、接触センサプローブ４の先端に配置し、寸法は幅１μｍ、高さ１μｍ、厚さ０．１μｍとした。また、熱検知素子１は、組込型ヒーター３と同層に配置し、その間の距離を５０μｍに設定した。更に、熱検知素子１の両端には、通電用の熱検知素子配線層１４を配置し、また、組込型マイクロヒーター３の両端にも同様に、通電用のヒーター配線層１３を配置した。熱検知素子１および組込型マイクロヒーター３は、接触センサプローブ４の同軸１５上に配置した。図３（ｂ）は、組込型マイクロヒーター３に電力を印加した際の発熱により発生したセンサ内の温度分布を表したものである。組込型マイクロヒーター３における発熱が周囲構造に伝搬し、結果として熱膨張を発生する。図３（ｃ）は、接触センサプローブ４の同軸１５をそれぞれ通るＸ方向軸１６およびＺ方向軸１７についてプロットした、熱検知素子１を配置したプローブ先端における熱膨張形状１８（Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）である。組込型マイクロヒーター３及び熱検知素子１を接触センサプローブ４の同軸上１５に配置したため、熱検知素子１の位置が突出形状の最も先端に来ていることが分かる。
【００２８】
なお、検出対象となる平滑面上の微小突起１２がごく小さい場合、接触センサプローブ４の先端との接触により発生する摩擦熱は微弱なものとなる。熱検知素子１のサイズが大きい場合、発生した摩擦熱による熱検知素子１の抵抗値変化も小さく、電気信号の変化として検知できない可能性がある。しかし、熱検知素子１のサイズをマイクロメーターのオーダーに設定することで、ごく小さな微小突起１２との接触による微弱な摩擦熱も検知が可能となる。
【００２９】
図４（ａ）に、接触センサプローブ４の先端と微小突起１２との接触を表現した簡易モデルを示す。接触センサプローブ４の先端の熱膨張による突出形状は、微小突起１２に比べて充分大きいため、微小突起１２を球１９とした場合、接触センサプローブ４の先端は平面２０とみなすことができる。球１９のヤング率、ポアソン比、先端径をそれぞれＥＳ、νＳ、ＲＳとし、平面２０のヤング率およびポアソン比をＥＦ、νＦとした場合、球１９と平面２０とが相対速度Ｖ、干渉高さδで接触したときに、接触プローブ先端に流入する摩擦熱Ｑは式（１）で表される。
【００３０】
【数１】
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式（１）は、ヘルツの接触理論をもとに算出した。なお、式（１）中、γは、発生した摩擦熱が接触センサプローブ４の先端と微小突起１２とに伝搬する際の割合を表す係数である。各パラメータの値を図４（ｂ）の表に示すように設定した場合、Ｑ＝約０.７μＷと、マイクロワットオーダの熱量が接触センサプローブ４の先端に流入することになる。
【００３１】
熱量Ｑが熱検知素子１に流入した場合の温度変化を、簡易モデルを用いて算出する。図５（ａ）に示すように、接触センサプローブ４の先端を熱検知素子２２およびベース部材２１のみの構成とした簡易モデルにおいて、熱検知素子２２に与えられる熱量２３を、図５（ｂ）に示すように時間変化する熱量として熱検知素子２２の中心に与えた場合、時間tにおける熱検知素子の温度Ｔは、以下の式（２）から式（５）を用いて表すことができる。
【００３２】
【数２】
2013224887.tif 000004
【００３３】
なお、式（２）から式（５）に用いられているＡは、以下の式（６）および式（７）のとおりである。
【数３】
2013224887.tif 000005
【００３４】
図５（ｃ）の表中に示したように各パラメータの値を設定し、算出した熱検知素子２２の温度Ｔをプロットした結果が、図５（ｄ）である。簡易モデルを用いた式（２）から式（７）の計算によると、接触による摩擦熱２４で、センサ温度が０．５Ｋほど上昇することが分かる。熱検知素子２２の温度がこの程度変化した場合、その変化を電気信号として検出することは容易であり、結果としてナノメートルレベルの微小突起の検出が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明を用いると、半導体・ＬＥＤウエハ基板表面及び光学表面上に存在する微小突起の検出が可能となる。また以上の説明では、平坦面を対象としていたが、距離センサにより適切に接触センサプローブの先端と測定対象面との距離を制御し、本発明の原理を応用することで、平坦面以外の自由曲面についても表面の微小突起検出が可能であると考えられる。
【符号の説明】
【００３６】
１  熱検知素子
２  距離センサ
３  組込型マイクロヒーター
４  接触センサプローブ
５  外部アクチュエータ
６  周波数フィルタ
７  アクチュエータコントローラ
８  アクチュエータアンプ
９  ヒーターコントローラ
１０  半導体・ＬＥＤウエハ基板表面及び光学表面（表面）
１１  走査軌道
１２  微小突起
１３  ヒーター配線層
１４  熱検知素子配線層
１５  接触センサプローブの同軸
１６  Ｘ方向軸
１７  Ｚ方向軸
１８  プローブ先端における熱膨張形状
１９  球
２０  平面
２１  ベース部材
２２  熱検知素子
２３  熱検知素子に与えられる熱量
２４  接触による摩擦熱
【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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