(57)【要約】【課題】多層構造を有する半導体デバイスの製造プロセスで、各層の表面形状を製造工程毎に計測し、それらの計測結果を合成し、多層のデータを用いて解析・評価することができる走査型プローブ顕微鏡の立体膜構造測定方法等を提供する。【解決手段】この走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法は、複数層により形成される構造で、任意の複数の層の層表面形状を、任意の複数の層の各々が形成される度（ステップＳ１１，Ｓ１３）に原子間力顕微鏡等により測定する測定ステップ（Ｓ１２，Ｓ１４）と、層表面上の同一の２次元領域に関して、或る層の層表面形状に係る測定データと他の層の第２層の層表面形状に係る測定データを位置合わせし、層間距離に基づいて３次元的に配置して立体膜構造を作成する測定データ合成ステップ（ステップＳ１６）とを有する方法である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数層により形成される構造で、任意の複数の層の表面形状を、前記任意の複数の層の各々が形成される度に走査型プローブ顕微鏡により測定する測定ステップと、
層表面上の同一の２次元領域に関して、或る層の表面形状に係る測定データと他の層の表面形状に係る測定データを位置合わせし、層間の距離に基づき３次元的に配置して立体膜構造を作成する測定データ合成ステップと、
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法。
【請求項２】
前記測定ステップは、隣接して上下の位置に存在する第１層と第２層の表面形状を測定するステップであり、
前記測定データ合成ステップは、前記第１層の前記表面形状に係る測定データと前記第２層の前記表面形状に係る測定データを位置合わせし、前記第１層と前記第２層の層間距離に基づき３次元的に配置して前記立体膜構造を作成するステップである、
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を用いた立体膜構造解析方法。
【請求項３】
前記立体膜構造は膜厚分布構造であることを特徴とする請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法。
【請求項４】
前記立体膜構造は、層表面に平行な面の２次元方向に膜厚が周期的に変化することにより形成されるマイクロレンズ層であることを特徴とする請求項２または３記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法。
【請求項５】
前記立体膜構造の物理的特性を評価するステップを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法。
【請求項６】
前記立体膜構造がマイクロレンズ層であるとき前記物理的特性はレンズの屈折率であることを特徴とする請求項５記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法。
【請求項７】
前記測定データ合成ステップで作られた前記立体膜構造に係るデータは画像データに変換され、前記走査型プローブ顕微鏡装置に備えられた表示装置の画面に可視化されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法。
【請求項８】
複数層により形成される構造で、任意の複数の層の表面形状を、前記任意の複数の層の各々が形成される度に測定する走査型プローブ顕微鏡装置と、
層表面上の同一の２次元領域に関して、或る層の表面形状に係る測定データと他の層の表面形状に係る測定データを位置合わせし、層間の距離に基づき３次元的に配置して立体膜構造を作成する測定データ合成手段と、
から構成されることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析装置。
【請求項９】
前記走査型プローブ顕微鏡装置は、隣接して上下の位置に存在する第１層と第２層の表面形状を測定し、
前記測定データ合成手段は、前記第１層の前記表面形状に係る測定データと前記第２層の前記表面形状に係る測定データを位置合わせし、前記第１層と前記第２層の層間距離に基づき３次元的に配置して前記立体膜構造を作成する、
ことを特徴とする請求項８記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析装置。
【請求項１０】
前記立体膜構造は膜厚分布構造であることを特徴とする請求項９記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析装置。
【請求項１１】
前記測定データ合成手段で作られた前記立体膜構造に係るデータを画像データに変換する手段と、前記画像データを可視化して表示する表示手段とを備えることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析装置。
【請求項１２】
複数層により形成される構造で、任意の複数の層の表面形状を、前記任意の複数の層の各々が形成される度に測定する測定ステップと、
層表面上の同一の２次元領域に関して、或る層の表面形状に係る測定データと他の層の表面形状に係る測定データを位置合わせし、層間の距離に基づき３次元的に配置して立体膜構造を作成する測定データ合成ステップと、
を有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の立体膜構造測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造プロセスにより製造される複数層構造を有する半導体デバイスについて、走査型プローブ顕微鏡による測定で任意の複数層の層表面形状データを取得し、複数層で作られる微細な立体膜構造を測定・評価可能にした走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法および立体構造解析装置、並びに走査型プローブ顕微鏡の立体膜構造測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造プロセスの或る工程の後において、処理対象であるウエハの表面の画像を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により取得し、その立体的膜構造を解析する場合を想定する。ウエハの表面に作られる解析対象の立体膜構造の一例として、ＣＭＯＳイメージセンサあるいはＣＣＤイメージセンサに形成されるマイクロレンズを挙げる。このようなマイクロレンズのごとき立体膜構造例では、マイクロレンズ形成工程後のレンズアレイの表面の形状を原子間力顕微鏡によって計測し、マイクロレンズの高さやレンズの曲率半径等を解析し、製造プロセスの良否の評価を行う作業が実施される。
【０００３】
ＣＭＯＳイメージセンサの製造工程では、実際には、マイクロレンズ形成工程以外にも、例えば受光素子部の形成やカラーフィルタの形成といった工程があり、必要な機能、および構造を段階的に積層して作り込む。その結果、ＣＭＯＳイメージセンサは多層構造を有するように形成される。半導体製造技術を利用した多層構造を有するＣＭＯＳイメージセンサの製造プロセスでは、各層（または各膜）の構造を作る工程毎に、必要に応じて原子間力顕微鏡の表面形状の計測および検査が実施されることになる。
【０００４】
従来の原子間力顕微鏡が備える計測機能によっても、各工程毎の計測、すなわち１層毎の膜状要素の形状評価を行うことは可能であった。例えば、マイクロレンズの形状評価の例を取ると、最表面のレンズ形状を原子間力顕微鏡で計測し、その曲率半径を解析したり、あるいは、実際にそのレンズに光線を当てたときの集光の状況をシミュレートし、性能または特性の評価を行うことが可能であった。図５に示す内容は、例えば或るレンズ層に関してレンズ加工表面のＡＦＭ画像１００を計測し、当該ＡＦＭ画像を利用して、そのレンズデータに光線１０１を入射させたときの光路についてのシミュレーション結果の一例である。このシミュレーションの結果によれば、１つの層または膜の形態にて形成される周期的パターンを有する多数のレンズのうちの例えば１つについての光線の集光状態を、レンズ層製造工程の直後の段階で確認することができる。このような情報を入手することができれば、これをレンズ層製造工程に反映させることができる。
また、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing ：化学的かつ機械的複合研磨）のようなＬＳＩの平坦化プロセスでは、表面の平坦加工において、下層の凹凸や厚さが表面形状に反映される。下層の凹凸と上層の平坦加工の間の膜の３次元構造あるいは膜厚分布が分かれば平坦化プロセスを制御して、目的にかなう平坦加工が可能になる。
【０００５】
上述した技術に関連する従来技術として特許文献１に記載された広領域走査型プローブ顕微鏡が存在する。この走査型プローブ顕微鏡によれば、走査型プローブ顕微鏡の本来の計測機能によって隣接する複数の微小領域についての計測を行って複数の微小領域画像を取得し、画像合成手段によって隣接する複数の微小領域画像を繋ぎ合わせて広領域の画像を作成するように構成されている。平面的な領域において別々に計測した隣接する複数の微小領域画像を繋ぎ合わせるという構成が採用されている。
【特許文献１】特開２００４−１１７２４８公報（図３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
マイクロレンズ等の実際の半導体デバイスは、本来的に多層構造を有し、立体的構造を有するものである。かかる多層構造において種々の機能や構造が作り込まれる。種々の機能や構造が一体的に形成されることにより、半導体デバイスとして有効に機能する。従って、半導体デバイスの製造プロセスでは、各層毎の形状評価はそれ自体有用であるが、二層等の多層構造で作られた状態での評価も行えることが望ましい。例えば、最上面のレンズ表面に入射した光線が、その下層にあるカラーフィルタを通って、さらにその下層にある内部レンズを通って、最終的に受光素子に到達するまでの光線の進路、あるいは集光具合を正確にシミュレートしたいという要望がある。
【０００７】
従来の原子間力顕微鏡等では、一層毎の凹凸形状を個別に評価することはできたが、各層の表面形状を製造工程毎に計測しておき、それらの計測結果を合成し、多層のデータで解析するという評価はできなかった。
【０００８】
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、多層構造を有する半導体デバイスの製造プロセスで、各層の表面形状を製造工程毎に計測し、それらの計測結果を合成し、多層のデータを用いて解析・評価することができる走査型プローブ顕微鏡の立体膜構造測定方法、走査型プローブ顕微鏡による立体膜構造シミュレータ、およびそのプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法および立体膜構造解析装置、並びに走査型プローブ顕微鏡の立体膜構造測定方法は、上記の目的を達成するため、次のように構成される。
【００１０】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法は、複数層により形成される構造で、任意の複数の層の表面形状を、任意の複数の層の各々が形成される度に走査型プローブ顕微鏡により測定する測定ステップと、層表面上の同一の２次元領域に関して、或る層の表面形状に係る測定データと他の層の表面形状に係る測定データを位置合わせし、層間の距離に基づき３次元的に配置して立体膜構造を作成する測定データ合成ステップと、を有することを特徴とする。
【００１１】
上記の立体膜構造解析方法において、測定ステップは、隣接して上下の位置に存在する第１層と第２層の層表面形状を測定するステップであり、測定データ合成ステップは、第１層の表面形状に係る測定データと第２層の表面形状に係る測定データを位置合わせし、第１層と第２層の層間距離に基づき３次元的に配置して立体膜構造を作成するステップであることを特徴とする。
【００１２】
上記の立体膜構造解析方法において、立体膜構造は膜厚分布構造であることを特徴とする。
【００１３】
上記の立体膜構造解析方法において、立体膜構造は、層表面に平行な面の２次元方向に膜厚が周期的に変化することにより形成されるマイクロレンズ層であることを特徴とする。
【００１４】
上記の立体膜構造解析方法において、立体膜構造の物理的特性を評価するステップを含むことを特徴とする。
【００１５】
上記の立体膜構造解析方法において、立体膜構造がマイクロレンズ層であるとき物理的特性はレンズの屈折率であることを特徴とする。
【００１６】
上記の立体膜構造解析方法において、測定データ合成ステップで作られた立体膜構造に係るデータは画像データに変換され、走査型プローブ顕微鏡装置に備えられた表示装置の画面に例えば３次元画像として可視化されることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析装置は、複数層により形成される構造で、任意の複数の層の表面形状を、任意の複数の層の各々が形成される度に測定する走査型プローブ顕微鏡装置と、層表面上の同一の２次元領域に関して、或る層の表面形状に係る測定データと他の層の表面形状に係る測定データを位置合わせし、層間距離に基づき３次元的に配置して立体膜構造を作成する測定データ合成手段とから構成されることを特徴とする。
【００１８】
上記の走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析装置において、走査型プローブ顕微鏡装置は、隣接して上下の位置に存在する第１層と第２層の表面形状を測定し、測定データ合成手段は、第１層の表面形状に係る測定データと第２層の表面形状に係る測定データを位置合わせし、第１層と第２層の層間距離に基づき３次元的に配置して前記立体膜構造を作成する、ことを特徴とする。
【００１９】
さらに上記の走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析装置において、立体膜構造は膜厚分布構造であることを特徴とする。
【００２０】
上記の立体膜構造解析装置において、測定データ合成手段で作られた立体膜構造に係るデータを画像データに変換する手段と、画像データを３次元画像として可視化して表示する表示手段とを備えることを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の立体膜構造測定方法は、複数層により形成される構造で、任意の複数の層の表面形状を、任意の複数の層の各々が形成される度に測定する測定ステップと、層表面上の同一の２次元領域に関して、或る層の表面形状に係る測定データと他の層の表面形状に係る測定データを位置合わせし、層間距離に基づいて３次元的に配置して立体膜構造を作成する測定データ合成ステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析の方法および装置によれば、複数層により形成される構造で、任意の複数の層の表面形状を、任意の複数の層の各々が形成される度に走査型プローブ顕微鏡により測定し、さらに層表面上の同一の２次元領域に関して、或る層の表面形状に係る測定データと他の層の層表面形状に係る測定データを位置合わせし、層間距離に基づき３次元的に配置して立体膜構造を作成するようにしたため、走査型プローブ顕微鏡を利用して膜の厚み分布を計測でき、当該膜の特性のシミュレーションを実行でき、多層膜の膜構造を解析することができる。
【００２３】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の立体膜構造測定方法によれば、例えば多層膜構造を有する半導体デバイスで膜の厚み分布を測定することができ、各膜の構造を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１および図２を参照して走査型プローブ顕微鏡の構成の一例を説明する。この走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡である。なお、本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は原子間力顕微鏡に限定されない。
【００２６】
図１を参照して、原子間力顕微鏡おける探針による試料表面の走査、および試料表面の測定・観察の概要を説明する。図１は、試料１４の表面において、適当に定められた例えば破線で示す矩形の範囲１０を探針１８で走査してその表面の凹凸形状を測定する状態を示している。表面計測装置である原子間力顕微鏡において、探針１８はカンチレバー１７の先部の下面に設けられている。試料１４の表面の凹凸形状は、実際は極めて微細なものであり、図示例では説明の便宜上大きさを誇張して描いている。なお試料１４は、基板上に多層膜を形成する半導体製造プロセスにおいて、１つの膜の成膜が完了した製造段階における基板（ウエハ）の一部を示している。
【００２７】
この実施形態では、一例として、イメージセンサが形成される半導体基板であり、イメージセンサ用のマイクロレンズアレイを形成する下面の層（第１の層）または上面の層（第２の層）の表面形状を計測する。第１の層と第２の層は、基板の上に形成される多層構造において、上下の位置で隣接する層の関係にある。第１の層と第２の層によってイメージセンサ用のマイクロレンズアレイの層（膜）が形成される。このマイクロレンズアレイの層は、所要の膜厚を有する立体膜の構造を有している。本実施形態に係る原子間力顕微鏡の測定・表示方法によれば、この立体膜の構造を測定し表示することができる。換言すれば、基板の上に半導体装置製造プロセスで製造される多層構造において、製造プロセスの途中の段階で、任意の層または膜の厚みそのものの凸凹を測定することができる。原子間力顕微鏡によって測定された任意の層（または膜）の厚み構造は、当該層の機能特性を解析する情報を提供することが可能となる。機能特性の例として、マイクロレンズアレイの場合には、当該マイクロレンズアレイ層の集光特性である。
【００２８】
最近の携帯電話等に内蔵されているイメージセンサ用のマイクロレンズでは、１つのレンズの直径は３μｍ程度である。そのため、半導体装置製造プロセスが適用され、微細のサイズのレンズの製作が行われる。マイクロレンズアレイの１つのレンズが凸レンズである場合には、下面側部分を形成する層の多数の凹部と、その後に成膜される上面側部分を形成する層の多数の凸部とが、それぞれ、測定される。下面の多数の凹部と上面の多数の凸部は、マイクロレンズアレイに対応して所定の周期的パターンとして形成されている。多数の凹部の任意の１つと、多数の凸部の中の対応する任意の１つとは、１つのマイクロレンズを形成する観点で対応関係にあり、両側の凸面に形作って１つのマイクロレンズを形成する。
【００２９】
上記の第１の層の表面のマイクロレンズ凹凸形状の測定、および第２の層の表面のマイクロレンズ凹凸形状の測定では、例えば基板のアライメントマークのように特徴を有するマークを位置合わせマークとして用いて、同じ範囲１０を測定する。矩形の範囲１０は例えば１辺が１ｍｍの正方形の範囲である。
【００３０】
探針１８によって試料１４の表面の凹凸形状を測定する場合において、探針１８の先端は、最初、試料表面から離れた位置にあり、この離れた状態から粗動機構によって接近させられ、さらに圧電素子からなる微動機構によって探針１８の先端と試料１４の表面とが、両者の間に原子間力が作用するような微細な距離にまで接近させられる。試料１４の表面の測定範囲１０は、通常、直交する２軸（Ｘ軸とＹ軸）で決まる２次元的な領域、すなわち例えば正方形の平面として設定される。試料１４に対する探針１８の位置関係は、測定を行う際、試料１４側または探針１８側を微動機構によって移動させ、相対的に、試料１４の表面に対して探針１８が走査を行うように変化させられる。探針１８は、試料１４の表面における範囲１０を、例えば点ｓ１を始点としてＸ軸方向に往復移動させながらＹ軸方向に送って終点ｆ１に至るまで走査する。始点ｓ１は、上記のごとく例えば基板のアライメントマークを基準に決定される。
【００３１】
図２は、原子間力顕微鏡における試料１４と探針１８およびカンチレバー１７とを関係づける装置の構成、測定時の相対的な移動を生じさせる微動機構、測定のための制御系、信号処理装置等の構成を示している。
【００３２】
フレーム１１の下部に試料ステージ１１ａが形成され、試料ステージ１１ａの上にＸＹ走査機構１２が設けられている。さらにＸＹ走査機構１２上には試料台１３が固定され、試料台１３の上に測定対象である試料１４が搭載されている。ＸＹ走査機構１２は試料１４をＸ軸方向とＹ軸方向に移動させる機構であり、ここでＸ軸方向とＹ軸方向は図２において水平平面内に含まれる直交する２軸の方向である。試料１４は試料台１３の上で固定されており、ＸＹ走査機構１２によって走査動作としてＸ軸方向とＹ軸方向に移動させられる。フレーム１１の上部１１ｂの先部には探針接近用機構（粗動機構）１５が固定され、探針接近用機構１５の下側にＺ微動機構１６が固定されている。探針接近用機構１５は、最初、試料１４の表面から離れた位置にある探針１８を測定開始時に試料１４の表面に接近させるためのものである。探針接近機構１５は、当然のことながら、必要に応じて探針１８を試料１４の表面から離す場合にも使用される。
【００３３】
上記の原子間力顕微鏡の構成において、ＸＹ走査機構１２は、試料１４の表面の測定の際に走査動作を行わせるためのものである。測定が微細対象を測定する場合の狭域測定であるときにはＸＹ走査機構１２として例えば圧電素子からなるアクチュエータが用いられる。またこの実施形態では、Ｚ微動機構１６とＸＹ走査機構１２を分けて構成したが、その他にトライポッドのように３つの圧電素子を利用して両者を一体にして構成することもできる。また比較的大きなものを測定する場合の広域測定であるときには、ＸＹ走査機構１２として広域走査が可能な例えばモータ駆動式走査機構が用いられる。
【００３４】
原子間力顕微鏡において、「走査動作」とは、その先端が試料１４の表面に対向するごとく配置された後述の探針１８が、当該試料１４の表面をなぞるごとく移動する動作のことである。探針１８と試料１４のＸＹ軸方向の相対的な位置の変位であるので、探針１８と試料１４のいずれの方を移動させてもよいが、この実施形態では、試料１４の側にＸＹ走査機構１２を設けることにより試料１４側を移動させて走査移動を行うように構成している。
【００３５】
試料１４の上方位置にはカンチレバー１７が配置されている。カンチレバー１７の先端には探針１８が形成され、この探針１８は、その先端部が試料１４の表面に対向し、試料１４の表面を観察できるように臨んでいる。試料１４の表面の凹凸形状を測定する際、探針１８は、前述の探針接近機構１５によって下方向へ移動され、試料１４の表面との間で原子間力が生じる程度の距離で試料１４に対して接近させて配置される。カンチレバー１７は、その基端が、上記のＺ微動機構１６の下端の縁に固定されている。カンチレバー１７は、所定の柔軟性を有する片持ち梁部材であり、探針１８・試料１４間の距離の変化に伴う原子間力の変化に応じてたわみ変形を生じるという特性を有している。またＺ微動機構１６はカンチレバー１７を水平平面に垂直なＺ方向に微小距離移動させる機構で、通常、圧電素子を利用して構成されている。
【００３６】
図２に示した原子間力顕微鏡の構成は、Ｘ軸およびＹ軸の各方向の走査移動の動作はＸＹ走査機構１２で行い、探針１８・試料１４間の距離、すなわち試料１４の表面に対する探針１８の高さ位置の調整（Ｚ軸方向の移動）はＺ微動機構１６によってカンチレバー１７の側を移動させる構成である。Ｚ微動機構１６による探針１８の高さ位置の調整は、探針１８と試料１４の表面との距離を予め定められた一定距離に保つための位置制御に基づくものである。
【００３７】
カンチレバー１７に対しては、カンチレバー１７の変位を検出する変位検出器１９が設けられる。変位検出器１９には例えば光てこ式検出光学系や干渉法を利用した検出器が使用される。光てこ式検出光学系は、レーザ光を発する光源と、レーザ光を受ける光検出器から構成される。光源から出射されたレーザ光は、カンチレバー１７の背面の反射面で反射され、光検出器に入射される。カンチレバー１７のたわみ変形量に応じてレーザ光の入射位置が変化するため、検出されるたわみ変形量が所定値となるようにＺ微動機構１６を作動し、このＺ微動機構１６の動作量により探針１８と試料１４の間の距離の変化を検出することができる。
【００３８】
上記構成において、例えば探針接近用機構１５により探針１８と試料１４の距離を約１ｎｍまで近づけると、両者の間に原子間力が作用し、カンチレバー１７にたわみ変形が生じるようになる。そのたわみ角を変位検出器１９で検出する。変位検出器１９から出力される検出信号は、加算器２０に入力される。加算器２０では、マイナス（−）の当該検出信号とプラス（＋）の基準値Ｖref が加算されることにより偏差信号Ｖｄが出力され、実質的には減算が行われる。この偏差信号Ｖｄは、制御部２１に入力される。制御部２１では一般的に比例−積分補償（ＰＩ制御）が行われ、その出力信号（Ｖｚ）はＺ微動機構１６に与えられ、Ｚ微動機構１６を動作させ、探針１８と試料１４との間の距離を測定開始の段階で設定された一定の距離に保持するように変化させる。探針１８と試料１４との間の距離は基準値Ｖref によって予め設定された一定距離に保持されることになる。以上のサーボループを形成する制御系の構成に基づいて探針１８と試料１４の距離を基準値で決まる一定距離に保つ制御が実現される。
【００３９】
他方、ＸＹ走査機構１２の動作はＸＹ走査制御部２２から出力される信号で制御される。ＸＹ走査制御部２２はＸＹ走査機構１２の動作を制御し、ＸＹ走査機構１２の動作は試料１４の表面おける走査領域を決めるので、ＸＹ走査制御部２２は試料１４の表面における測定対象領域を決めることになる。ＸＹ走査制御部２２自体はＸＹ走査機構１２の動作制御を受けもつ制御部であり、測定方法の全体の制御を行う上位の測定実行制御部３１から測定対象領域に関するデータおよび測定実行命令を受けとってその制御動作を行う。ＸＹ走査制御部２２から出力される走査信号（Ｖｘ，Ｖｙ）は、ＸＹ走査機構１２のＸ軸方向およびＹ軸方向の各アクチュエータに与えられる。ＸＹ走査制御部２２から出力される走査信号（Ｖｘ，Ｖｙ）に基づき試料１４がＸＹ方向に移動されることにより、相対的な位置関係として、探針１８は試料１４の表面をＸＹ方向に平面走査する。この平面走査の間、上記のごとく探針１８と試料１４の表面との間の距離が一定に保たれる。上記の走査移動の動作では、通常、試料１４の表面において測定対象領域が予め設定されている。この測定対象領域は、図１に示したように、Ｘ軸方向の辺とＹ軸方向の辺からなる矩形の形状を有した範囲１０である。測定対象範囲１０についての探針１８による試料１４の表面の走査は、測定対象領域の全体を測定するように移動するため、通常、走査移動は例えばＸ軸方向での往復動作とＹ軸方向への送り動作の組み合わせに基づいて測定対象範囲１０の全体の走査が行われる。
【００４０】
本実施形態での測定では、範囲１０の測定の途中で測定範囲を変更するときの制御データ処理に特徴があり、Ｘ軸方向のアクチュエータの動作を制御する走査信号Ｖｘと、Ｙ軸方向のアクチュエータの動作を制御する走査信号Ｖｙに関して、どのように走査信号を与えるかについては、後で説明される。
【００４１】
制御部２１からＺ微動機構１６に対して与えられる制御信号Ｖｚ、すなわちＺ微動機構１６の動作量に相当するデータ（Ｖｚ）と、ＸＹ走査制御部２２からＸＹ走査機構１２に与えられる走査信号に係るデータ（Ｖｘ，Ｖｙ）は、測定対象範囲に関する像を作成し、表示するために使用される。
【００４２】
上記の原子間力顕微鏡における機械的構成および制御系の構成に対して、制御系から得られる制御信号および走査信号、すなわち上記のデータ（Ｖｚ，Ｖｘ，Ｖｙ）を入力してデータの処理を行う信号処理装置３２と、測定を実行する上記の測定実行制御部３１が設けられている。信号処理装置３２は、データ保存用のメモリ３３と、所定の演算を行いかつ測定実行制御部３１に対して測定に関する指示を行う演算処理部３４と、表示装置３５への表示を制御する表示制御処理部３６と、表示装置３５の画面に表示される画像データを記憶する画像メモリ３７から構成されている。制御部２１から得られるデータＶｚとＸＹ走査制御部２２から得られるデータＶｘ，Ｖｙは、信号処理装置３２のメモリ３３に記憶される。演算処理部３４は、これらのデータを利用して必要な処理を行い、原則的に、画像メモリ３７を経由して表示装置３５の画面に測定した測定対象領域の凹凸形状に関する画像（３次元形状画像）の表示を行うことができる。
【００４３】
ＸＹ走査制御部２２から出力される走査信号Ｖｘ，ＶｙはＸＹ走査機構１２に与えられ、試料１４をＸＹ方向に平面的に移動させる。この試料１４の平面的な移動に基づき、相対的な位置関係で、探針１８が試料１４の表面に対して平面走査を行うことになる。試料１４の平面的移動は、Ｘ軸方向の動作とＹ軸方向の動作の組み合わせに基づいて行われる。このとき、例えばＸ軸方向については繰返しの往復動作を行い、Ｙ軸方向については任意のステップごとに送り動作を行うようにする。これにより例えば矩形平面として設定された測定対象領域の全域を探針１８で平面走査することが可能となる。この場合、走査信号Ｖｘが繰返し往復動作のための信号として作成され、走査信号Ｖｙが送り動作のための信号として作成される。探針１８は矩形の測定対象範囲１０の測定でＸ軸方向について往復動作を繰返しかつＹ軸方向について送り動作を行いながら、設定された複数の測定点の各々で探針１８のＺ方向データＶｚが取得される。測定で得られたＶｚと各測定点に関する位置データすなわち走査データＶｘ，Ｖｙは、関連づけられてメモリ３３に記憶される。
【００４４】
また測定実行制御部３１には入力器３８が付設される。入力器３８は、原子間力顕微鏡の操作パネルに設けられた入力操作器の１つで、試料１４の表面に対してセットされた探針１８が走査すべき範囲や、イメージセンサの設計寸法等を設定する機能を有する。
【００４５】
また、信号処理装置３２のメモリ３３は、原子間力顕微鏡装置によって得られた測定データを格納するメモリとして機能すると共に、第１の層および第２の層に関しての測定データを３次元的に配置して合成することにより、表示装置３５の画面に立体膜画像の表示を実行する立体膜構造解析プログラム５１を格納するメモリとして機能している。この立体膜構造解析プログラム５１は、矩形の範囲１０に関する場所を特定する座標値ｘ，ｙ，ｚを基準とした測定データの配置の仕方を調整する機能を有している。当該立体膜構造解析プログラムを立体膜構造解析方法を実現し、走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析装置を実現する。本発明に係る立体膜構造解析装置等は、走査型プローブ顕微鏡による特殊な測定方法および測定データの合成方法を基礎にして作られる。立体膜構造解析装置は立体膜構造シミュレータとしての機能を有する。
【００４６】
次に、図３に示したフローチャートを参照して立体膜構造解析プログラム５１の処理手順を説明する。図３のフローチャートでは、立体膜構造解析プログラム５１の処理手順を一部に含んでいる。図３に示したフローチャートにおいて、実線ブロックは原子間力顕微鏡に関連する部分、すなわち立体膜構造解析プログラム５１の処理手順を示し、破線ブロックは原子間力顕微鏡以外の部分に関連する部分を示している。図４に立体膜構造の一例としてイメージセンサ用のマイクロレンズアレイの３Ｄ画像表示例を示す。図３に示したフローチャートおよび図４を参照しながら、上記構成を有する原子間力顕微鏡に基づく立体膜構造解析方法、およびその画像表示方法を説明する。
【００４７】
図２に示した原子間力顕微鏡に用意された立体膜構造解析プログラム５１では、試料（ウエハ）１４の表面に、半導体デバイスの構造に応じた半導体製造プロセスに基づいて多層膜の製造が実行される時、各膜の表面形状が測定され、さらに各膜の表面形状を合成して１つの膜の立体形状が作られる。各膜の表面形状の測定は、例えば、膜が作られた後に実施されるように設計されている。なお各膜の表面形状の測定は、洗浄プロセス後等の計測に適する状態で行うことができる。
図３に示すごとく、例えば、第１の膜の形成ステップＳ１１の後に第１の膜の表面形状の測定ステップＳ１２が実施され、第２の膜の形成ステップＳ１３の後に第２の膜の表面形状の測定ステップＳ１４が実施される。測定ステップＳ１２では、第１の膜の表面形状の測定値（ＸＹＺ）が求められ、メモリ３３に保存される。測定ステップＳ１４では、第２の膜の表面形状の測定値（ＸＹＺ）が求められ、メモリ３３に保存される。
ステップＳ１４の後には、第１の膜の表面と第２の膜の表面の間の距離（層間の距離）が計算され、「層間距離に係るデータ」としてメモリ３３に保存される（ステップＳ１５）。第１の膜の表面と第２の膜の表面の間の距離の計算には、メモリ３３に保存された第１の膜の表面形状測定データ（ＸＹＺ）と第２の膜の表面形状測定データ（ＸＹＺ）を用いてその差を求めることにより行われる。
なお、図３のフローチャートでは、前述のごとく、イメージセンサ用のマイクロレンズアレイの製造プロセスを想定しており、マイクロレンズアレイの立体膜構造を解析することを想定している。第１の膜および第２の膜に関する表面形状に係る測定ステップＳ１２，Ｓ１４の各々は、前述した通り、試料１４の各膜の表面における同一の測定範囲１０に関して実行され、かつ、通常の原子間力顕微鏡装置に基づく測定方法として上記の測定実行制御部３１による位置制御（走査範囲決定制御）に基づいて行われる。
【００４８】
イメージセンサ用のマイクロレンズアレイの製造プロセスにおけるマイクロレンズアレイの立体膜構造の解析では、上下で隣り合う２つの層または膜、すなわち、上記の第１および第２の膜の各々の表面形状を測定し、層間の距離に基づいて合成する。
【００４９】
測定ステップＳ１２で得られた測定データおよび測定ステップＳ１４で得られた測定データは、それぞれ、各ステップＳ１２，Ｓ１４においてメモリ３３に保存される。またステップＳ１５で求められた層間距離のデータもメモリ３３に保存される。各測定データ等は、試料１４の予め定められた範囲１０についての表面の凹凸形状に係るデータ（Ｖｘ，Ｖｙ，Ｖｚ）である。次のステップＳ１６では、測定ステップＳ１２により得られた測定データと測定ステップＳ１４により得られた測定データとを用いて位置（Ｖｘ，Ｖｙ）を一致させて合成し、さらにステップＳ１５で求めた層間の距離に基づいて３次元構造に係るデータを作成・表示する。
ここで、位置（Ｖｘ，Ｖｙ）が、後に計算する特性に対して必要な精度があるかを事前に判断する必要があることに注意する必要がある。例えばマイクロレンズのサイズが３μｍの場合、０．１μｍオーダの位置合せ精度が望ましいが、１ｍｍエリアの測定において通常±１μｍ程度の精度しかない場合には、集光計算が不正確になる。この場合、より高精度な位置合せデータを用いるか、層毎に高精度な位置補正を行うか、あるいは層同士の相関で高精度に位置合せをする。実施形態では、マイクロレンズの格子情報を元にデータ同士を位置合せすることもできる。
【００５０】
このときマイクロレンズアレイ層を決める２つの凹凸測定画像の距離情報としては、解析作業オペレータがイメージセンサの設計寸法を用いて設定する。あるいは、他の検査装置、例えば膜厚測定装置を用いて計測したマイクロレンズアレイ間の膜厚データ（層間の距離データ）をレンズ間距離として用いることもできる。
膜厚測定データは表面形状との位置合せに必要な情報を備えることは言うまでもない。膜厚データはレンズ凹凸部の外の周辺３点の平坦エリアで取得するのが高精度である。その場合、対応する表面形状データも同一エリアをカバーする。
さらに純粋にダミーの距離データを与えてもよい。この場合は、膜厚の立体的な凹凸分布、すなわち膜厚分布構造が計算される。
【００５１】
こうして作られた３次元構造に係るデータは、図４に示すごとく、イメージセンサ用のマイクロレンズアレイを形成する膜部分の立体膜構造である。マクロレンズアレイでは、層表面に平行な面の２次元方向に膜厚が周期的に変化する構造を有している。図４において、下側の凹凸画像５２は第１の膜の表面形状に係る測定データに基づいて表示された画像の部分であり、上側の凹凸画像５３は第２の膜の表面形状に係る測定データに基づいて表示された画像の部分である。図４において、下側の凹凸画像５２をレンズ下面とし、かつ上側の凹凸画像をレンズ上面として、マイクロレンズアレイ層５４が形成される。マイクロレンズアレイ層５３の膜厚５５はおよそ１〜２μｍである。
【００５２】
合成された３次元構造に係るデータについて、膜特性の評価（光線追跡、光量計算等）が行われる（ステップＳ１７）。本実施形態では、３次元構造に係るデータはマイクロレンズアレイを形成する立体膜構造であり、特性の評価は１つのマイクロレンズの集光特性である。このため、合成された３次元構造に係るデータに対して、レンズ層等の各層の材料物性値、例えば屈折率の値を設定する。この３次元構造に係るデータに対して垂直あるいはそれに近い角度で光を入射させたときの光路計算を行い、その計算結果を表示することにより、集光シミュレーションを行うことができる。この集光シミュレーションの後で、各レンズ毎の集光効率分布等が計算される。さらに必要に応じて着目波長での計算、レンズ周辺部での光量計算等プロセス特有の着目量を計算し、プロセスへのフィードバックや、レンズの良否判定が行われる（ステップＳ１８）。これらの良否判定等の結果は、判定ステップＳ１９を経由して、例えば第２の膜の形成ステップＳ１３にフィードバックされ、その後の他のマイクロレンズアレイにおける第２の膜の成膜の条件設定に反映させる。
【００５３】
図４において、符号５６は光線の軌跡を示している。マイクロレンズアレイ層５４の立体膜構造をデータとして取得することができると、１つ１つのマイクロレンズの厚み、すなわち両側の凸レンズ面形状データと各箇所のレンズ厚みデータを得ることができる。そこで、かかる１つのマイクロレンズの厚みデータおよび屈折率等のデータ等を用いて、光線が入射した場合の光路を計算することができる。図４の符号５６で示された光路は計算で求められたものを３Ｄで示している。合成された３次元構造に係るデータで、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズが設計通りに作られていない場合には、光路５６は歪んだものとして計算されることになる。図４に示された光路５６は、設計通りの正常のものであり、第１および第２の膜の形成ステップＳ１１，Ｓ１３が適切に実施されたことを意味していることになる。
【００５４】
ステップＳ１７では、図４に示した３Ｄ画像が表示装置３５の画面上に表示され、原子間力顕微鏡を操作するオペレータにもシミュレーション結果が見え得るように可視化される。
【００５５】
以上の説明では、イメージセンサ用のマイクロレンズアレイ層を形成する第１および第２の膜の成膜時に関して隣接する２つの膜の表面形状を測定し、測定データを３次元的に配置・合成する例を示したが、各工程、各層に関して測定されたＡＦＭデータを３次元的に配置・合成することができる。
【００５６】
なお前述の実施形態の説明ではマイクロレンズアレイの例を説明したが、本願発明はこれに限定されず、ＬＳＩの積層構造について一般的に様々な膜の３次元構造をシミュレートすることができ、膜構造解析を行うことができる。
【００５７】
以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）等については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法等は、半導体製造プロセスによる多層膜構造を有する半導体デバイスの解析に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一例である原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の基本的な構成を示す図である。
【図２】測定対象である試料の表面における測定領域の状態を示す斜視図である。
【図３】走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】走査型プローブ顕微鏡を用いた立体膜構造解析方法で作成された３次元構造の一例を示す図である。
【図５】或るレンズ層に関してレンズ加工表面のＡＦＭ画像を計測し、このＡＦＭ画像を利用して、そのレンズデータに光線を入射させたときの光路についてのシミュレーション結果の１つの従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０        矩形の測定範囲
１１        フレーム
１２        ＸＹ走査機構
１３        試料台
１４        試料
１６        Ｚ微動機構
１７        カンチレバー
１８        探針
５１        立体解析プログラム
５２        下側の凹凸画像
５３        上側の凹凸画像
５４        マイクロレンズアレイ層
５５        膜厚
５６        光線の軌跡
【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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