(57)【要約】【課題】  誘電体薄膜の膜厚もしくはその分布に関わる情報を定量的に取得可能な、１０ｎｍを中心としてその近傍までの空間分解能を持つ走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた（極薄誘電体）膜厚分布測定方法を提供する。【解決手段】  走査型プローブ顕微鏡は、誘電体薄膜２を載置し接地電位にされた導電性基板３、走査制御装置６を備えた走査用ステージ５、金属バネ１０、金属バネ１０に振動を伝える圧電素子１１、金属バネ１０を介して誘電体薄膜２のΔＣ／ΔＺ信号を計測する容量検出器７、測定信号処理用コンピュータ９を備える。容量検出信号を得るために、従来の交流信号を印可する代わりに、接地電位にした導電性基板上の誘電体薄膜に対して金属バネを圧電素子により振動接触するように構成し、静電容量の変化を検出する。【選択図】  図１
2009036534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に先鋭部を有する金属バネと、前記金属バネに電気的に接続された容量検出器と、
前記金属バネに振動を与える圧電素子と、前記圧電素子を駆動する交流電源と、被測定資料を載置し接地電位にされる可動の導電性基板とからなり、前記金属バネの先端が前記被測定資料を載置する導電性基板に対向配置されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記金属バネは、折曲部を介して先端部と長尺部をＬ字状に折り曲げ、先端部に先端を有する先鋭部を形成し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】
前記圧電素子は、音叉型に形成され、前記金属バネの長尺部を取り付けている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】
前記容量検出器にはコンピュータを接続し、該コンピュータにより前記金属バネと前記被測定試料の間の静電容量情報の差分信号であるΔＣ／ ΔＺ信号を取得することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記金属バネは前記導電性基板の面に対して垂直方向に振動するように設けられ、前記コンピュータは前記金属バネと前記被測定試料の間の静電容量のうち、前記金属バネの振動周波数で変化する成分を求めることを特徴とする請求項４記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記被測定試料を前記金属バネに対してその位置を垂直方向に周期的に変位させ、前記コンピュータにより、前記金属バネと前記被測定試料の間の静電容量のうちから、前記被測定試料の垂直方向位置の変位の周期に同調した成分を求めることを特徴とする請求項４又は５項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記コンピュータにより、前記金属バネと前記被測定試料の間の静電容量のうちから、前記導電性プローブの先端部以外と前記被測定試料の間に存在する寄生容量成分を差し引いて残りを求めることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記コンピュータにより、前記ΔＣ／ ΔＺ信号を前記金属バネと前記被測定試料の間の静電容量情報であるΔＣ信号へと校正処理することを特徴とする請求項４乃至７のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
前記コンピュータにより、前記金属バネが前記被測定試料表面の特定領域を２次元的に走査するに伴い取得されたΔＣ／ ΔＺ信号の分布に対して、その分布の平均値である（ΔＣ／ ΔＺ）ａｖｅｒａｇｅおよびその分布の２乗平均分布値（ｒｏｏｍ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ）であるσ（ΔＣ／ ΔＺ）を求め、前記２種の解析の割り算であるσ（ΔＣ／ ΔＺ）／（ΔＣ／ ΔＺ）ａｖｅｒａｇｅから、前記被測定試料表面における該特定領域の膜厚ばらつきを推定することを特徴とする請求項４乃至８のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項１０】
少なくとも、被測定資料を載置し接地電位にされた導電性基板、走査制御装置を備えた走査用ステージ、金属バネ、前記金属バネに振動を伝える圧電素子、前記圧電素子に駆動電源を供給する交流電源，前記金属バネを介して被測定資料のΔＣ／ΔＺ信号を計測する容量検出器、測定信号処理用コンピュータを備えた走査型プローブ顕微鏡において、
（１）前記被測定資料の所定開始位置に前記金属バネの先端部の先端が対向するように、前記走査制御装置を制御して前記走査用ステージを移動するステップ１、
（２）前記圧電素子に前記交流電源から駆動電源を供給開始し、
前記金属バネを介して前記誘電体薄膜のΔＣ／ΔＺ信号を前記容量検出器で計測し前記コンピュータで信号処理しながら、前記走査制御装置の制御により予め設定した走査ルートで前記走査用ステージを走査するステップ２、
（３）前記走査制御装置が予め設定した走査ルートを完走したことを検出したら制御動作を終了するステップ３、
を実行することを特徴とする膜厚分布測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた膜厚分布測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業においては、ゲート絶縁膜やＤＲＡＭの容量層間膜など、誘電体薄膜形成は、ＬＳＩ製造プロセスにおいて非常に重要な位置を占めている。従来、形成されたシリコン酸化膜や金属酸化物膜などの膜厚を測定するには、多層膜における光の反射と屈折から膜厚を求める、エリプソメーターが広く使用されてきた。
エリプソメーターは、膜厚をｓｕｂ−Åの精度で測定可能であるが、その空間分解能は測定に使用する光の収束半径に依存しており、１００μｍを中心としてその近傍までである。一方、現行のシリコンデバイスでは加工寸法は５０ｎｍを中心としてその近傍まで縮小されているので、少なくとも１０ｎｍを中心としてその近傍までの空間分解能を持つ膜厚測定技術が望まれている。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一種である走査型容量顕微鏡（以下「ＳＣＭ」という）は、先端を先鋭化加工した金属バネと試料の間の局所的な容量をｎｍスケールの空間分解能で検出する機能を有する。
例えば、特許文献１によれば、従来のＳＣＭにおいては金属バネと試料の間に外部から交流電界を印加し、金属バネ試料間容量のうち電圧によって変調される成分、すなわちｄＣ／ｄＶ信号を測定している。
【０００４】
試料が半導体の場合、このｄＣ／ｄＶ信号測定によって容量の電圧依存性が判るので、試料内部の多数キャリアが電子であるか正孔であるかの判別が可能となる。
また、試料が強誘電体の場合には、このｄＣ／ｄＶ信号測定によって誘電率の非線形項の電圧依存性が判るので、分極ドメインの極性の向きがわかる。
【特許文献１】特開平０８−０５４４０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述したＬＳＩ製造プロセスを経て形成される誘電体薄膜は、半導体基板、もしくは金属基板上に形成されている。それら誘電体薄膜の局所的な膜厚を評価する場合、測定対象となるのは電圧などによって変調されることが無い金属バネ試料間容量、すなわち静電容量になる。このため、従来のＳＣＭは、金属バネ試料間容量のうち電圧によって変調される成分を測定することになるので、静電容量を測定しなくてはならない薄膜の膜厚測定には不向きである。
従って、１０ｎｍを中心としてその近傍までの空間分解能を持つ誘電体薄膜の膜厚、もしくはその分布に関わる情報を定量的に取得可能な測定技術が、半導体産業分野において望まれている。
【０００６】
本発明の目的は、誘電体薄膜の膜厚もしくはその分布に関わる情報を定量的に取得可能な、１０ｎｍを中心としてその近傍までの空間分解能を持つ走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた（極薄誘電体）膜厚分布測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するために以下の解決手段を採用する。
（１）走査型プローブ顕微鏡は、先端部に先鋭部を有する金属バネ１０と、前記金属バネに電気的に接続された容量検出器７と、前記金属バネに振動を与える圧電素子１１と、前記圧電素子を駆動する交流電源１２と、被測定資料を載置し接地電位にされる可動の導電性基板３とからなり、
前記金属バネ１０の先端が前記被測定資料を載置する導電性基板３に対向配置されていることを特徴とする。
（２）上記（１）記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記金属バネ１０は、折曲部を介して先端部と長尺部をＬ字状に折り曲げ、先端部に先端を有する先鋭部を形成したことを特徴とする。
（３）上記（１）又は（２）記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記圧電素子１１は、音叉型に形成され、前記金属バネ１０の長尺部を取り付けていることを特徴とする。
（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記容量検出器７にはコンピュータ９を接続し、該コンピュータにより前記金属バネと前記被測定試料の間の静電容量情報の差分信号であるΔＣ／ ΔＺ信号を取得することを特徴とする。
（５）上記（４）項記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記金属バネは前記導電性基板の面に対して垂直方向に振動するように設けられ、前記コンピュータは前記金属バネと前記被測定試料の間の静電容量のうち、前記金属バネの振動周波数で変化する成分を求めることを特徴とする。
（６）上記（４）又は（５）項記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記被測定試料を前記金属バネに対してその位置を垂直方向に周期的に変位させ、前記コンピュータにより、前記金属バネと前記被測定試料の間の静電容量のうちから、前記被測定試料の垂直方向位置の変位の周期に同調した成分を求めることを特徴とする。
（７）上記（４）乃至（６）のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記コンピュータにより、前記金属バネと前記被測定試料の間の静電容量のうちから、前記導電性プローブの先端部以外と前記被測定試料の間に存在する寄生容量成分を差し引いて残りを求めることを特徴とする。
（８）上記（４）乃至（７）のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記コンピュータにより、前記ΔＣ／ ΔＺ信号を前記金属バネと前記被測定試料の間の静電容量情報であるΔＣ信号へと校正処理することを特徴とする。
（９）上記（４）乃至（８）のいずれか１項記載の走査型プローブ顕微鏡は、前記コンピュータにより、前記金属バネが前記被測定試料表面の特定領域を２次元的に走査するに伴い取得されたΔＣ／ ΔＺ信号の分布に対して、その分布の平均値である（ΔＣ／ ΔＺ）ａｖｅｒａｇｅおよびその分布の２乗平均分布値（ｒｏｏｍ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ）であるσ（ΔＣ／ ΔＺ）を求め、前記２種の解析の割り算であるσ（ΔＣ／ ΔＺ）／（ΔＣ／ ΔＺ）ａｖｅｒａｇｅから、前記被測定試料表面における該特定領域の膜厚ばらつきを推定することを特徴とする。
（１０）膜厚分布測定方法は、少なくとも、被測定資料を載置し接地電位にされた導電性基板、走査制御装置を備えた走査用ステージ、金属バネ、前記金属バネに振動を伝える圧電素子、前記圧電素子に駆動電源を供給する交流電源，前記金属バネを介して被測定資料のΔＣ／ΔＺ信号を計測する容量検出器、測定信号処理用コンピュータを備えた走査型プローブ顕微鏡において、
（１）前記被測定資料の所定開始位置に前記金属バネの先端部の先端が対向するように、前記走査制御装置を制御して前記走査用ステージを移動するステップ１、
（２）前記圧電素子に前記交流電源から駆動電源を供給開始し、
前記金属バネを介して前記誘電体薄膜のΔＣ／ΔＺ信号を前記容量検出器で計測し前記コンピュータで信号処理しながら、前記走査制御装置の制御により予め設定した走査ルートで前記走査用ステージを走査するステップ２、
（３）前記走査制御装置が予め設定した走査ルートを完走したことを検出したら制御動作を終了するステップ３、
を実行することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように本発明においては、走査型プローブ顕微鏡を用いて取得されたΔＣ／ ΔＺ信号を用いて、誘電体薄膜の膜厚、もしくはその分布に関わる情報を、金属バネの先端局率半径程度の広がり、すなわち  １０ｎｍを中心としてその近傍までの空間分解能をもって定量的に取得可能である。これは、従来薄膜の膜厚測定に広く使用されて来たエリプソメーターの空間分解能（１００μｍを中心としてその近傍まで）に比べて約４桁の空間分解能向上の達成となる。
【０００９】
（構造的な効果）
容量検出信号を得るために、従来の交流信号を印可する代わりに、接地電位にした導電性基板上の誘電体薄膜に対して金属バネを圧電素子により振動接触するように構成したので、静電容量の変化を検出することができる。
先鋭部を有する金属バネと、それを振動させる圧電素子により検出部を構成するので、検出部を簡単な構成にできる。
先鋭部を有する金属バネと誘電体薄膜と導電性基板３の回路に、直流電源と容量検出器を接続するだけの簡単な構成により静電容量を測定できるようになった。
金属バネの振動数、即ち、圧電素子の振動数を交流電源の周波数を変えることにより任意の振動数に変えることができる。
【００１０】
（膜厚分布測定方法）
測定点で検出した静電容量に関する測定値と、測定点の座標位置を対応させて測定することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【００１２】
図１は、本発明の走査型プローブ顕微鏡をブロック表記した構成図である。
走査型プローブ顕微鏡１は、好ましくは、非測定対象となる誘電体薄膜２を載置し直流電源４を介して接地された導電性基板３と、導電性基板３をＸＹＺ方向に移動させるための走査用ステージ５と、走査用ステージ５を動かして相対的に金属バネ１０のＸＹ（誘電体薄膜２の面方向）面内の位置を定めるとともに、金属バネ１０があらかじめ設定したある一定の圧力で誘電体薄膜２に接触するように、走査用ステージ５にＺ方向（誘電体薄膜２の面と垂直方向）の変位を与えるように制御する走査制御装置６と、金属バネ１０の基端を電気的に接続し、他端を接地する容量検出器７と、金属バネ１０の振動角周波数であるω成分を復調検波するロックインアンプ８と、測定信号の記録、演算、表示するコンピュータ９と、先端部に誘電体薄膜２に対向接触する先鋭部を備え全体がＬ字状に形成されている金属バネ１０と、金属バネ１０に振動を伝える圧電素子１１と、圧電素子１１を駆動する交流電圧源１２とからなり、
少なくとも、誘電体薄膜２を載置し接地電位にされた導電性基板３、走査制御装置６を備えた走査用ステージ５、金属バネ１０、金属バネ１０に振動を伝える圧電素子１１、金属バネ１０を介して誘電体薄膜２のΔＣ／ΔＺ信号を計測する容量検出器７、測定信号処理用コンピュータ９を備える。
【００１３】
図１の走査型プローブ顕微鏡１において、金属バネ１０は、極低抵抗金属の線状体から、折曲部を介して先端部１０ａと長尺部１０ｂを略Ｌ字状に折り曲げて構成し、その先端部１０ａの一端側に先鋭化された先鋭部１０ｃを有する。この金属バネ１０には、圧電素子１１が取付けられている。圧電素子１１は金属バネ１０に振動を伝えることができる形状で有れば任意の形状を採りうる。圧電素子１１は金属バネ１０の長尺部に沿って当接するように長辺を有することが好ましい。
【００１４】
圧電素子１１は、例えば、実施例では、前記長辺を２つ平行に配置しそれらの間を連結辺で連結した音叉型に構成する。
主に金属バネ１０と圧電素子１１から導電性プローブ１１を構成する。
圧電素子１１には、この圧電素子１１を振動させるために交流電圧源１２によって交流電圧（角周波数ω）が印加されている。金属バネ１０の先鋭部は、導電性基板３上に形成された測定対象である誘電体薄膜２表面に対して、垂直方向に角周波数ωで振動している。交流電圧源１２は、コンピュータ９によって制御され、周波数を制御し、角周波数ωを変えることができるようになっている。
【００１５】
金属バネ１０の基端は、容量検出器７に電気的に接続されている。また、金属バネ１０は容量検出器７を通じてグランド電位に落ちている。この容量検出器７は、金属バネ１０と、導電性基板３上に形成された誘電体薄膜２との間の静電容量を計測するのに用いられ、一般的にはＬＣＲメーターやＬＣ共振回路などで構成できる。
【００１６】
ここで直流電圧源４は、金属バネ１０と導電性基板３の間に、必要に応じて可変の直流電圧を印加する。例えば、導電性基板３が金属であれば印加の必要はないが、導電性基板３が半導体の場合は、導電性基板３内部に空乏層が形成されるので、誘電体薄膜２由来の容量だけでなく、この空乏層由来の容量も測定に影響を与えてしまう。その場合は、導電性基板３に直流電圧を印加することにより電荷蓄積状態にすることで、この空乏層容量を打ち消すことができる。よって、導電性基板３が金属の場合と同様に、誘電体薄膜２由来の容量のみを扱うことができる。
【００１７】
容量検出器７からの出力信号のうち、金属バネ１０の振動角周波数であるω成分をロックインアンプ８により復調検波する。この検波信号は、金属バネ１０と、導電性基板３上に形成された誘電体薄膜２との間の静電容量の差分信号であるΔＣ／ΔＺ信号に相当する。ここで、ΔＺは金属バネ１０と、導電性基板３上に形成された誘電体薄膜２との間の距離変調、すなわち金属バネ１０の縦方向（誘電体薄膜２の面に垂直な方向）にわたる振動振幅を表わす。すなわち、ΔＣ／ΔＺ信号とは、金属バネ１０が誘電体薄膜２に接近した際の静電容量と、振動振幅の分だけ離れた際の静電容量の差に相当する。
【００１８】
導電性基板３上に形成された誘電体薄膜２は、ＸＹＺ方向に移動させるための走査用ステージ５の上に配置されている。走査制御装置６は、金属バネ１０のＸＹ（誘電体薄膜２の面方向）面内の位置を定めるとともに、金属バネ１０があらかじめ設定したある一定の圧力で誘電体薄膜２に接触するように、走査用ステージ５にＺ方向（誘電体薄膜２の面と垂直方向）の変位を与える電圧を印加し制御する。ここで、誘電体薄膜２としては、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）あるいはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などを測定対象として想定している。
【００１９】
走査制御装置６の走査制御は、金属バネ１０が誘電体薄膜２表面を走査している期間中は常に実行されている。走査制御装置６は、電圧を印加して走査用ステージ５をＸＹ方向に駆動し、誘電体薄膜２表面のあらかじめ定めた領域を金属バネ１０が走査するように制御する。以上の制御により、金属バネ１０は、あらかじめ設定したある一定の圧力で誘電体薄膜２に接触しながら、誘電体薄膜２表面を走査する。走査制御装置６はコンピュータ９に座標位置データ、即ち、換算した金属バネ１０の先端の座標位置データを伝送する。コンピュータ９は、この座標位置データを静電容量に関するデータと対応させて記憶する。また、コンピュータ９は、走査制御装置６の走査開始タイミングを測定開始タイミングに整合させる等の制御動作を行う。
【００２０】
コンピュータ９は、Ｉ／Ｏインターフェースを備え、メモリ等の記録手段９ａ、ＣＰＵ（中央演算装置）等の演算手段９ｂ、液晶パネル等の表示装置９ｃを主な構成要素として内蔵する。ゆえに、コンピュータ９は、金属バネ１０のＸＹ方向の位置と対応させて、演算手段９ｂによりΔＣ／ΔＺ信号、あるいはΔＣ／ΔＺ信号に解析処理を施した解析ΔＣ／ΔＺ信号を作成し、記憶手段９ａ内に格納すると共に、必要に応じて誘電体薄膜１表面上の各点におけるΔＣ／ΔＺ信号や解析ΔＣ／ΔＺ信号の分布画像等を作成し、表示装置９ｃ上に表示する。
コンピュータ９は、走査制御装置６からの走査用ステージ５が予め設定した走査ルート上のどの座標位置にいるのかという座標データと、容量検出器７からのΔＣ／ΔＺ信号を対応させて記録し、必要に応じて所定の信号処理を行い、必要に応じて表示する。
【００２１】
次に、図面２について説明する。
図２は、本発明の金属バネと被測定試料の間に存在する静電容量成分の分布を説明する図である。
金属バネ１０の先端部１０ａの先端１０ｅは、曲率半径Ｒを持つように構成されている。この曲率半径Ｒの値は、およそ１０ｎｍ程度、好ましくは１０ｎｍ±１ｎｍの範囲内の値をとる。また、ここで測定の対象となるのは、対向配置される金属バネ１０の先端部１０ｃの先端１０ｅと被測定試料２間の静電容量ＣＴである。一方、その他の静電容量成分としては、金属バネ１０の先端部１０ａの側面１０ｄから被測定試料２間の電気力線の広がりに起因する、金属バネの側面１０ｄと被測定試料２間の静電容量ＣＯＡ、ＣＯＢまた金属バネ１０の形状や測定系に起因する寄生容量ＣＳＡ、ＣＳＢが存在する。図１に示す構成例において測定されるΔＣ／ΔＺ信号には、前記ＣＴ、ＣＯ、ＣＳからの寄与が含まれているので、ＣＯＡ、ＣＯＢ及びＣＳＡ、ＣＳＢの寄与を差し引きＣＴの値のみにしなくてはならない。
【００２２】
次に、図面３について説明する。
図３は、取得されたΔＣ／ΔＺ信号の、金属バネ−被測定試料間距離に対する依存性を示す特性図である。
点Ａは、金属バネの先端が、被測定試料の表面に接触する直前、すなわち非接触状態でのΔＣ／ΔＺ信号（１）を示し、
点Ｂは、金属バネの先端と被測定試料が一定圧力で接触した状態でのΔＣ／ΔＺ信号（２）である。
【００２３】
図２において、金属バネの先端部の先端の局率半径Ｒから決まる金属バネの先端の表面積に比べると、金属バネの先端部の側面の表面積は遥かに大きい。
このため、点Ａの非接触状態における各静電容量のΔＣ／ΔＺ信号への寄与は、図２に示した金属バネの先端部の側面と被測定試料間の静電容量ＣＯＡ、及び金属バネの形状や測定系に起因する寄生容量ＣＳＡが全てである。
一方、金属バネ先端と被測定試料が一定圧力で接触した状態の点Ｂにおいては、ΔＣ／ΔＺ信号への寄与は、図２に示した、金属バネの先端部の側面と被測定試料間の静電容量ＣＯＢ、金属バネの形状や測定系に起因する寄生容量ＣＳＢ、および金属バネの先端部の先端と被測定試料間の静電容量ＣＴの３成分の和となる。
【００２４】
半径Ｒの平行平板コンデンサーで近似可能な、金属バネ先端と被測定試料間の静電容量ＣＴに比べて、金属バネ側面と被測定試料間の静電容量ＣＯＡ、ＣＯＢ、及び金属バネの形状や測定系に起因する寄生容量ＣＳＡ、ＣＳＢは金属バネ先端から被測定試料表面までの距離に対する依存性が小さく、従って点Ａの状態におけるＣＯＡ、ＣＳＡと、点Ｂの状態におけるＣＯＢ、ＣＳＢはほぼ等しいとみなせる。
ゆえに、点Ｂの状態でのΔＣ／ΔＺ信号から、点Ａの状態でのΔＣ／ΔＺ信号値を差し引けば、金属バネの先端部の先端と被測定試料間の静電容量ＣＴの寄与のみのΔＣ／ΔＺ信号が得られる。
【００２５】
ところで、前記したようにΔＣ／ ΔＺ信号は差分信号であるので、被測定試料の膜厚を測定するには、金属バネと被測定試料間の静電容量ＣＴへと校正する必要がある。
前記したように、ΔＣ／ΔＺ信号とは、金属バネ１０が誘電体薄膜２に接近した際の静電容量と、金属バネ１０が誘電体薄膜２から振動振幅の分だけ離れた場合の静電容量の差分信号に相当する。ここで、測定の対象となるＬＳＩ製造プロセスにおける誘電体薄膜は、例えば金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のゲート酸化膜の場合、およそ膜厚２ｎｍ程度のＳｉＯ２（比誘電率ε＝４）、あるいはより高い誘電率を持つＡｌ２Ｏ３（ε＝９）などである。一方、金属バネ１０の振動振幅は典型的には５〜１０ｎｍ程度である。
【００２６】
従って、金属バネ１０と誘電体薄膜２の間のギャップは真空であること、および誘電体膜厚と金属バネ１０の振動振幅から見積もると、金属バネ１０が誘電体薄膜２から振動振幅の分だけ離れた場合の静電容量は、金属バネ１０が誘電体薄膜２に接近した際の静電容量のせいぜい２から最大でも１０％でしかなくほぼ無視できることが判る。つまり、ΔＣ／ΔＺ信号は金属バネ１０が誘電体薄膜２に接近した際の静電容量として近似することができる。
【００２７】
あるいは、金属バネの先端部の先端の局率半径Ｒ、及び金属バネの先端部の先端と被測定試料の接触圧などは既知であるので、数値解析ソフトウェアによる計算によって、実測されたΔＣ／ ΔＺ信号から静電容量ＣＴを厳密に見積もることもできる。
あるいは、予め膜厚が既知の被測定試料を実際に測定することにより、前記ΔＣ／ ΔＺ信号を直接膜厚へと校正することもできる。
次に、図面４について説明する。
【００２８】
図４は、上で述べた方法により取得されたΔＣ／ΔＺ信号の分布像（図４（ａ））と、図４（ａ）のΔＣ／ΔＺ信号の正規分布を示す図４（ｂ）である。
前記段落０００７にて説明したように、図１の構成例では、金属バネ１０のＸＹ方向の座標位置と対応させて、ΔＣ／ΔＺ信号を格納することにより、被測定試料表面上の各座標点におけるΔＣ／ΔＺ信号の分布画像を作成し表示することができる。
【００２９】
図４（ａ）は、金属バネの被測定試料表面上での２次元的な走査によって取得されたΔＣ／ΔＺ像の一例を示す。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）のΔＣ／ΔＺ像から求められるところの、ΔＣ／ΔＺ信号の正規分布図である。
正規分布図（４２）から、 ΔＣ／ΔＺ信号の、２乗平均分布値であるσ（ΔＣ／ ΔＺ）（４３）が求められる。また同様に、ΔＣ／ΔＺ信号の平均値である（ΔＣ／ ΔＺ）ａｖｅｒａｇｅも求められる。
【００３０】
上で述べたように、ΔＣ／ΔＺ信号は金属バネ１０が誘電体薄膜２に接近した際の静電容量として近似的に扱うことが可能である。従って金属バネの先端部の先端と被測定試料間の静電容量は半径Ｒの平行平板コンデンサーで近似可能であるので、前記２種の解析の割り算であるσ（ΔＣ／ ΔＺ）／（ΔＣ／ ΔＺ）ａｖｅｒａｇｅは、σ（ＣＴ）／（ＣＴ）  ａｖｅｒａｇｅ、すなわち被測定試料の膜厚ＴＯＸに対してそのばらつきを示す量であるσ（ＴＯＸ）／（ＴＯＸ）  ａｖｅｒａｇｅとみなすことが出来る。
このようにして、本発明では、被測定試料表面における特定領域の膜厚ばらつきを定量的に計量することができるようになる。
【００３１】
（膜厚分布測定法）
走査型プローブ顕微鏡は、少なくとも、誘電体薄膜２を載置し接地電位にされた導電性基板３、走査制御装置６を備えた走査用ステージ５、金属バネ１０、金属バネ１０に振動を伝える圧電素子１１、圧電素子１１に駆動電源を供給する交流電源１２，金属バネ１０を介して誘電体薄膜２のΔＣ／ΔＺ信号を計測する容量検出器７、測定信号処理用コンピュータ９を備える。
【００３２】
本発明の膜厚分布測定法は、この走査型プローブ顕微鏡において、以下の手順（ステップ）を実行する。
開始
（１）誘電体薄膜２の所定開始位置に金属バネ１０の先端部の先端が対向するように、走査制御装置６を制御して走査用ステージ５を移動する（ステップ１）。
（２）圧電素子１１に交流電源１２から駆動電源を供給開始し、
金属バネ１０を介して誘電体薄膜２のΔＣ／ΔＺ信号を容量検出器７で計測しコンピュータ９で信号処理しながら、走査制御装置６の制御により予め設定した走査ルートで走査用ステージ５を走査する（ステップ２）。
（３）走査制御装置６が予め設定した走査ルートを完走したことを検出したら制御動作を終了する（ステップ３）。
終了
なお、以上の手順において、ステップ２の容量検出器７による計測手順、走査用ステージ５による走査手順、コンピュータ９による信号処理手順を時系列上に相互に遅延させて実行させるようにすることもできる。
【００３３】
（他の振動機構）
以上の説明は、被測定資料に対して金属バネを振動させる機構を用いた例による。これとは反対に、被測定試料を金属バネに対してその位置を垂直方向に周期的に変位させる機構を用い、コンピュータにより、金属バネと被測定試料の間の静電容量のうちから、被測定試料の垂直方向位置の変位の周期に同調した成分を求めることもできる。
以上説明したように、所定の機能を奏することができる限りにおいて、各部構成要素の可動および固定を変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡をブロック表記した構成図である。
【図２】本発明の金属バネと被測定試料の間に存在する静電容量成分の分布を説明する図である。
【図３】取得されたΔＣ／ΔＺ信号の、金属バネ被測定試料間距離に対する依存性を示す特性図である。
【図４】上で述べた方法により取得されたΔＣ／ΔＺ信号の分布像（図４（ａ））と、図４（ａ）のΔＣ／ΔＺ信号の正規分布を示す図４（ｂ）である。
【符号の説明】
【００３５】
１  走査型プローブ顕微鏡
２    誘電体薄膜
３    導電性基板
４    直流電圧源
５    走査用ステージ
６    走査制御装置
７    容量検出器
８    ロックインアンプ
９    コンピュータ
９ａ    記録手段
９ｂ    演算手段
９ｃ    表示装置
１０    金属バネ
１０ａ    先端部
１０ｂ    長尺部
１０ｃ    先鋭部  
１０ｄ    側面
１０ｅ    先端  
１１    圧電素子
１２    交流電圧源
１３    導電性プローブ
ＣＯ    導電性プローブの先端部の側面と被測定試料間の静電容量
ＣＳ    導電性プローブの形状や測定系に起因する寄生容量
ＣＴ    導電性プローブの先端部の先端と被測定試料間の静電容量
３１    導電性プローブ先端と被測定試料が非接触状態でのΔＣ／ΔＺ信号
３２    導電性プローブ先端と被測定試料が接触した状態でのΔＣ／ΔＺ信号
４１    導電性プローブの、被測定試料表面上での２次元的な走査によって取得された
ΔＣ／ΔＺ像
４２    導電性プローブの、被測定試料表面上での２次元的な走査によって取得された
ΔＣ／ΔＺ信号の、正規分布図
４３    導電性プローブの、被測定試料表面上での２次元的な走査によって取得された
ΔＣ／ΔＺ信号の、２乗平均分布値であるσ（ΔＣ／ ΔＺ）
【図１】
2009036534.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009036534.tif 000005
【図４】
2009036534.tif 000006