表面形状測定用触針式段差計の性能改善方法及び該方法を実施した表面形状測定用触針式段差計
【課題】支点上でバランスする探針と変位センサで構成される触針式段差計の感度と変位分解能を向上させる方法及び該方法を実施している表面形状測定用触針式段差計を提供する。
【解決手段】Fを探針に加える力、Ｉを支点回りの慣性モーメント、ｒを支点−探針間の距離、ｚを探針の先端の変位、ｔを時間としたときに成り立つ、探針の先端の運動方程式Ｆ＝Ｉ／ｒ２ｄ２ｚ／ｄｔ２に基づき、探針に加える力に応じて支点−探針間の距離ｒを決め、支点と探針の先端とを結ぶ線を水平より４５度傾け、探針の先端を下げる。
【解決手段】Fを探針に加える力、Ｉを支点回りの慣性モーメント、ｒを支点−探針間の距離、ｚを探針の先端の変位、ｔを時間としたときに成り立つ、探針の先端の運動方程式Ｆ＝Ｉ／ｒ２ｄ２ｚ／ｄｔ２に基づき、探針に加える力に応じて支点−探針間の距離ｒを決め、支点と探針の先端とを結ぶ線を水平より４５度傾け、探針の先端を下げる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面形状を測定する触針式段差計の性能改善方法及び該方法を実施した表面形状測定用触針式段差計に関するものであり、特に、本発明は、支点上でバランスする探針と変位センサで構成される触針式段差計の感度と変位分解能を向上させる方法に関する。
【０００２】
本明細書において、用語“試料の表面形状”は試料の段差、膜厚、表面粗さの概念を包含して意味するものとする。
【背景技術】
【０００３】
本発明が適用される先に提案した触針式段差計の一例を添付図面の図１〜図５に示し、図示触針式段差計は、棒状の第１の支持部材１を有し、この第１の支持部材１はその中間部位に左右両横方向にのびる支点用針取付け部材２を備え、支点用針取付け部材２の両端には二つの支点用針３が取付けられている。これら二つの支点用針３は二つの支点受け部材４（図５）で支持され、それにより第１の支持部材１は支点受け部材４に支点用針３を介して揺動自在に支持される。第１の支持部材１の一端には、変位センサ５の測定子すなわちコア６が取付けられている。この変位センサ５は探針の垂直方向変位に応じて電気信号を発生する差動トランスから成り、コイル７を備えている。
【０００４】
第１の支持部材１の他端には、探針に針圧を加える針圧発生装置８のコア９が設けられ、針圧発生装置８はコイル１０を備えている。コア９は、コイル１０の中心から軸方向にずれた位置に配置した高透磁率部材から成っている。第１の支持部材１における支点用針取付け部材２の両端の二つの支点用針３を結ぶ線上を中心として、第１の支持部材１の下面には、二つの磁石１１を埋め込んだホルダー１２が取付けられている。ホルダー１２は図３に示すように断面台形の長手方向溝１３を備え、この長手方向溝１３の両側壁は下方へ向ってテーパー状に開いており、水平平面に対して傾斜面を構成している。ホルダー１２に埋め込まれた二つの磁石１１は、図１に示すように極性が互いに逆向きになるように配置されている。二つの磁石１１を内蔵したホルダー１２は軽くするためにカーボンで構成されている。
【０００５】
また図１、図２及び図４において、１４は棒状の第２の支持部材でありその先端には探針１５が下向きに取付けられ、他端は高透磁率部材１６で構成されている。高透磁率部材１６の長手方向の両端には上向きにのびるガイド突起１７が形成され、これらガイド突起１７の対向側面は上方に向って開いた傾斜面として形成される。この高透磁率部材１６の傾斜面はホルダー１２における長手方向溝１３の両側壁の傾斜面と共に、第１の支持部材に第２の支持部材を取付ける際の互いの位置決めを確保すると共にガイドの役割を果たしている。第２の支持部材１４の他端における高透磁率部材１６は第１の支持部材１におけるホルダー１２の溝１３に嵌るようにされ、その際に第２の支持部材１４の他端における高透磁率部材１６はホルダー１２の溝の底面に接触し、二つの磁石１１には接触しないように構成されている。また溝と高透磁率材部品には図３に示したような傾斜面を設け、互いの位置決めの確保と取付け時のガイドの役割を果たしている。
【０００６】
さらに図３に示すように、第２支持部材１４における高透磁率部材１６の下側には板状部材１８が設けられ、この板状部材１８は磁場遮蔽効果を高めるため、高透磁率の材料で構成され、この板状部材１８により交換部品を第１の支持部材１におけるホルダー１２の溝１３に傾けて近づけても正しい位置に収まるようにしている。図５には、支点用針３を受ける支点受け部材４の構造を拡大して示している。支点受け部材４は図示したように支点用針３を受ける凹面４ａを備え、この凹面は逆円錐形状に構成され、支点用針３を精度よく位置決めして受けるようにされている。
【０００７】
このように構成した図示触針式段差計においては、両端にそれぞれ変位センサ５及び針圧発生装置８を備え、二つの支点受け部材４に支点用針３を介して揺動自在に支持された第１の支持部材１のホルダー１２に、両端にそれぞれ探針１５及び高透磁率部材１６を備えた第２の支持部材１４を磁石の吸着力によって固定する。この場合、ホルダー１２における長手方向溝１３の両側壁の傾斜面と第２の支持部材１４の高透磁率部材１６におけるガイド突起１７の対向傾斜面とにより、第２の支持部材１４は第１の支持部材１のホルダー１２に対して予定の位置に正確に位置決めして簡単に固定できる。そして、針圧発生装置８のコイル１０に所定の電流を流すことにより、その電流の大きさに応じて力が発生され、この力により針圧発生装置８のコア９はコイル１０の中心へ引き込まれる。それにより第１及び第２の支持部材１、１４は支点用針３を介して揺動し、探針１５を試料に押し当てる。試料又は検出系を走査することにより、探針１５は試料表面をなぞり、その表面形状に応じて、固定された支点のまわりに第１及び第２の支持部材１、１４が微小に回転運動し、差動トランス５のコア６の変位が検出され、このコア６の変位は例えば、デジタルシグナルプロセッサＤＳＰを用いたデジタルロックインアンプにより低雑音で高精度に測定され、探針１５の針先の変位に換算することにより試料の表面形状や段差が測定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献５】特開2006-226964
【特許文献６】特開2009-20050
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
先に提案した構造では、試料の段差部での針とびを小さくするために、支点と探針の間の距離は大きくされているが、かかる触針式段差計の感度は、変位センサの感度に「支点と変位センサのコアとの間の距離／支点と探針の間の距離」をかけたものなので、小さくなる。ここで感度とは、単位変位量当たりの出力電圧である。上記距離の比は例えば０．５で、感度は０．５倍になる。これは例えば０．０３ ｍｇｆとこの種の段差計では非常に小さい力で、変形しやすい試料を測定する際でも針がとびにくくするための設計であり、感度よりも針とび抑制を優先している。
【００１０】
しかし、実際に多く使われる力の範囲は数ｍｇｆから１０ｍｇｆと大きく、その場合は、探針はとびにくいので、支点と探針の間の距離を小さくしてもよいと考えられる。また、「触針式段差計の感度」と「探針のとびにくさ」は相反する関係であるが、触針式段差計の感度が同じでも針とびが小さくなる構造設計にもすべきである。
【００１１】
そこで、本発明の解決課題は、１ｍｇｆ以上の実用的な力の領域で、針とびがないまま、段差計の感度と変位分解能をできるだけ向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の発明によれば、支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、支持体の他端に探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計の性能改善方法において、
Fを探針に加える力、Ｉを支点回りの慣性モーメント、ｒを支点−探針間の距離、ｚを探針の先端の変位、ｔを時間としたときに成り立つ、探針の先端の運動方程式
Ｆ ＝ Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２
に基づき、探針に加える力に応じて支点−探針間の距離ｒを決め、
支点と探針の先端とを結ぶ線を水平より４５度傾け、探針の先端を下げること
を特徴としている。
【００１３】
また、本発明の第２の発明によれば、支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、支持体の他端に探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計において、
Fを探針に加える力、Ｉを支点回りの慣性モーメント、ｒを支点−探針間の距離、ｚを探針の先端の変位、ｔを時間としたときに成り立つ、探針の先端の運動方程式
Ｆ ＝ Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２
に基づき、探針に加える力に応じて支点−探針間の距離ｒを決めて、支点−探針間の距離と支点−変位センサ間の距離の比を大きく設定し、
支点と探針の先端とを結ぶ線を水平より４５度傾け、探針の先端が支点より下方に位置するように構成したこと
を特徴としている。
【００１４】
探針に加える力Ｆに関して、例えば、探針に加える力Fとして従来の１６倍の力が用いられる場合には、支点−探針間の距離ｒは１／４倍にしてもよい（Ｉは変らないとしている）。そのとき上記運動方程式が変らない（両辺が１６倍になるだけで、ｄ２ｚ／ｄｔ２は変らない）ので、探針の先端の運動ｚ（ｔ）は変らない。つまり、「探針のとびにくさ」、「針とびの大きさ」は変らない。具体的な例として、Ｆ＝０．１ｍｇｆで用いるとすると、ｒ＝４０ｍｍとした段差計では、Ｆ＝１．６ｍｇｆと大きくしてもよいならｒ＝１０ｍｍとしても「針のとびにくさ」は同じである。そして、この場合ｒが１／４倍なので段差計としての感度は４倍になる。
【００１５】
また、支点と探針の先端とを結ぶ線を水平より４５度傾けることに関して、支点−探針間の水平距離が同じなら、幾何学的考察から「支点と探針の先端を結ぶ線が水平の場合」と感度は同じである。しかし、支点からの探針の先端までの距離はルート２倍大きく、探針の先端の運動方程式をこの２つの場合について比べると、探針のとびの大きさがルート２の逆数の０．７０７倍になることが分かる。従って、段差計の感度が同じでも針とびが０．７０７倍に小さくなる。力が同じ場合に針とびの大きさが０．７０７倍になるのであって、とびの大きさが同じになる力は０．７０７倍と小さくて済むことが分かる。すなわち、力Ｆは０．７０７倍でよいことになり、先の例（『Ｆ＝０．１ｍｇｆ、ｒ＝４０ｍｍ』⇒『Ｆ＝１．６ｍｇｆ、ｒ＝１０ｍｍ、上記の結ぶ線が水平』）で、上記の線を水平から45度にすると、針とびに関して、力Fは１６倍×０．７０７＝１１．３倍であり、水平距離を１／４倍にした分を相殺できる。従って『Ｆ＝１．１ｍｇｆ、水平距離１０ｍｍ、４５度』で「探針のとびにくさ」は先の例『Ｆ＝１．６ｍｇｆ、ｒ＝１０ｍｍ、水平』と同じになる。そしてまた、支点と探針の先端を結ぶ線を水平より４５度傾け、探針の先端を下げた場合には、走査時に段差部で探針が上昇する際に、探針が走査の進行方向とは逆方向に後退しながら上昇する。従って、その上昇速度は小さくなる。つまりｚ方向の初速度が小さくなる。これにより針とびの高さ、とびの時間が小さくなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、実用的な力の範囲１ｍｇｆ以上で、感度の大きい段差計を提供することができ、また、感度が同じままで針とびが小さくなる「支点と探針の配置」により、感度が従来の４倍で針とびがない段差計が提供できる。感度向上により変位雑音が低下し、実際の計測で雑音の「ピーク−ピーク」が０．１６ｎｍと原子レベルにまで小さくなり、変位分解能が向上する。従って、差動トランスを変位センサに用い、ごく簡単な構造の安価な段差計において、原子レベルの高い変位分解能が得られ、従来は雑音に埋もれて見えなかった表面形状を測定することができるようになる。
【００１７】
実用的な探針の力の範囲である１ｍｇｆ以上において、試料の段差部での探針のとびを起こさずに、感度を向上させ、変位分解能を０．１６ｎｍまで向上させることができる。また、支点−探針間の距離と支点−センサ間の距離の比を大きくすることにより、段差計としての感度を向上させることができる。さらに、支点と探針の先端を結ぶ線を水平より４５度傾け、探針先を下げることにより、感度の向上率を落とさないまま、「探針がとばないための力」を０．７０７倍に低減させることができ、これにより、弱い力でも針とびを抑制できるようになると共に、段差部での探針の先端の垂直方向の上昇速度が小さくなり、針とびの大きさが抑制できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の方法を実施している触針式段差計の構成を概略図。
【図２】図１における触針式段差計の要部を下から見た概略線図。
【図３】図１における触針式段差計のホルダー部分の構成を示すＡ−Ｂ線に沿った拡大部分断面図。
【図４】図１における触針式段差計のホルダー部分を下から見た図。
【図５】図１における触針式段差計の支点部の構造を示す拡大断面図。
【図６】探針、支点、変位センサコアの配置例を示す図。
【図７】探針、支点、変位センサコアの別の配置例を示す図。
【図８】探針が下にある場合の探針、支点、変位センサコアの配置例を示す図。
【図９】探針が下にある場合の探針、支点、変位センサコアの別の配置例を示す図。
【図１０】探針の配置と、支点を中心とした探針の動きを表わす線図。
【図１１】試料を走査しないときの変位雑音の測定例を示すグラフ。
【図１２】変位雑音を繰り返して測定した例を示す図。
【図１３】センサ出力の電圧雑音密度の測定例を示すグラフ。
【図１４】測定可能範囲を１６ｂｉｔで分割した離散値に測定データを丸め込んだ例を示すグラフ。
【図１５】試料の段差部を０．１ｍｇｆで走査した例を示すグラフ。
【図１６】試料の段差部を２．１ｍｇｆで走査した例を示すグラフ。
【図１７】試料上の同じ場所を１．６ｍｇｆで3回連続して走査した例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に示す触針式段差計の構造例において、探針の先端に加える力をF、探針の先端のｚ方向位置をｚ、支点の回りの慣性モーメントをＩ、支点から探針の先端までの距離をｒとして、支点の回りの運動方程式を変形すると次式が得られる（例えば特許文献１参照）。
Ｆ＝Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２ （１）
これは、力Fが働く、質量がＩ／ｒ２ の質点の運動とみなすことができる。探針がとんでいる間は、力発生コイルで一定の力が発生しているので、一定の重力場での質点の自由落下運動と同じとみなすことができ、Ｆが一定ならｄ２ｚ／ｄｔ２も一定になる。このような場合、探針の先端のｚ方向の初速（探針の先端が試料表面から離れるときの速さ）をｖ０とし、支点で支えられた可動部分の重心が支点に近いと仮定すると、とびの到達高さｈ、探針の先端がとんでいる時間（すなわち探針の先端が試料表面を離れた後、再び同じ高さの表面に戻るまでの時間）２ｔ０はそれぞれ次式で表わされる。
ｈ＝Ｉｖ０２ ／ ２ ｒ２ Ｆ （２）
２ｔ０＝２ Ｉ ｖ０ ／ ｒ２ Ｆ （３）
【００２０】
つまり、ｒが大きいほど針とびは小さい。しかし、図６から分かるように支点−探針間の距離が大きい（図中の数字は長さの比を表わす）と、探針の変位ｚの変化が小さくなって変位センサコアに伝わるので、段差計としての感度が低下する。０．０３ｍｇｆまでの小さい力での測定を想定した設計では、ｒは例えば４０ｍｍ、支点−変位センサコア間の距離は２０ｍｍである（Ｉは小さい方が、針とびが小さいので、変位センサコアは支点に近い方が針とびに関してはよい）。従って、段差計としての感度は、変位センサの感度の半分になっている。これは感度よりも針とび抑制を優先した設計のためである。
【００２１】
実用的な力である約１ｍｇｆ以上での測定のみを想定するなら、式（１）‐（３）から分かるように、Ｆが大きい分、ｒを小さくできる。Ｉが変化しないとすると、ｒ２Fが一定なら針とびの大きさは変らない。従って、ｒ ∝ Ｆ−０．５の関係からｒを決定できる。例えば、Fが１６倍ならｒは１／４倍でよいことになる（図７）。
【００２２】
支点の回りの慣性モーメントＩが同じなら、「Ｆ＝０．１ｍｇｆ、ｒ＝４０ｍｍ」と「Ｆ＝１．６ｍｇｆ、ｒ＝１０ｍｍ」とは、針とびに関しては同じである。そして、段差計としての感度は４倍になる。
【００２３】
試料の段差部で探針がとばないために必要な力Ｆに関しては、上記のｒ＝４０ｍｍの段差計についてＩ／ｒ２＝０．１１４ｇで、探針の先端の曲率半径２．５μｍの場合、針がとばないために必要な力は走査速度１００μｍ／ｓで０．１ｍｇｆ程度（段差に依存して０．０８ｍｇｆから０．１８ｍｇｆ）である。走査速度が半分の５０μｍ／ｓでは、力Ｆはその１／４で済む。
【００２４】
この段差計において、支点から探針の先端までの距離ｒを１／４の１０ｍｍにするに設定した場合、上記の力Ｆを１６倍にすれば針とびが起きない。つまり、１．６ｍｇｆ程度以上なら針とびが起きない。これは、実際によく使われる実用的な力の範囲である。
【００２５】
式（１）に基づいた以上の考察により、実用的な力の範囲１．６ｍｇｆ程度以上で針とびが起きず、感度が従来の４倍となる段差計が設計できる。
【００２６】
実際の段差計では、半導体素子用シリコンウエハーや液晶ディスプレイ用ガラス基板などの平坦で広範囲な試料上の、任意の場所で測定できるように、図８及び図９に示すように、探針１５は段差計部品のうちで最も下に位置し、図８及び図９の段差計部品を納めて探針１５の先端のみが下に突き出た箱型のセンサヘッドが試料上を動く。代わりにセンサヘッドは固定して試料が動くようにしてもよい。従って、支点と探針を結ぶ線は図８及び図９に示すように水平から傾く。図８に示す構造では、支点−探針間の水平距離が４０ｍｍであり、図９に示す構造では、水平距離が１０ｍｍである例である。図８中の数字２、４及び図９の中の数字１、２は長さの比を表わしている。
【００２７】
図８では、「支点‐探針間の水平距離」は、「支点‐探針の先端間の距離ｒ」の０．９７倍で、後述のΔｚはΔｌの0.97倍であり、ΔｚとΔｌはほぼ等しいので、探針１５の運動は「支点と探針１５を結ぶ線」が水平の場合とほぼ同じである。
【００２８】
図１０には支点の回りの探針の動きを示す。探針の先端が点Ａ、Ｂ、Ｃにある場合をそれぞれ考える。θを回転角として探針先の、支点回りの運動方程式は次式で与えられる（θとＦは図１０で時計回りを正として）。
ｒ Ｆ＝Ｉ ｄ２θ／ｄｔ２ （４）
ｌを接線上の変位として、Δθ＝Δｌ／ｒより
Ｆ＝Ｉ／ｒ２ ｄ２ｌ／ｄｔ２ （５）
探針の先端が点Aでは Δｌ＝Δｚより
Ｆ＝Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２ （６）
探針の先端が点Bでは Δｌ＝１．４１４ Δｚより
Ｆ＝１．４１４ Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２ （７）
探針の先端が点Cでは、Ｉは同じとして、支点までの距離がｒｃ、そこでの力がFのときは
Ｆ＝Ｉ／ｒｃ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２
ｒｃ＝ｒ／１．４１４より
Ｆ＝２Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２ （８）
となる。式（７）と式（８）の比較から、点Bでは点Cより０．７０７倍の力で同じｚの加速度が得られる。よって、針とびを抑える効果としては、点Bでは点Cに比べ０．７０７倍の弱い力で同じ効果を持つことが分かる。
【００２９】
試料表面の高さの変化Δzに対する回転角度、或いはΔｌの幾何学的考察から、感度は点Bと点Cで等しいことが分かる。試料表面の高さの変化に伴う、探針の先端のｚ方向の変化は点Bでも点Cでも当然同じである。つまり、感度は等しいまま、０．７０７倍の弱い力で針とびを抑えられるので、点Bの方が点Cよりも有利である。なお、点Bでは４５度傾いて力が試料にかかるが、特に問題はない。
【００３０】
以上のことから図９に示す支点と探針１５の配置では、図７に示すものに比べて、感度は同じままで、０．７０７倍の弱い力でも、同じだけの針とび抑制効果がある。先の考察においては、図７では１．６ｍｇｆ以上で針とびが起きないとしたが、この配置なら１．６ｍｇｆ×０．７０７＝１．１ｍｇｆ以上で針とびが起きない。
【００３１】
センサヘッドを図１０の右方向へ走査する場合に、探針の先端が試料の段差部の下段から上段へ上がるときを考えると、探針の先端は点Ｂでは、点Ａや点Ｃに比べて図１０の左側に動きながらｚが増すので、試料の段差部での上昇完了までの時間が長くなる。よってΔｚ／Δｔが小さくなり、上昇速度が小さくなる。それによりｚ方向の初速度が小さくなり、式（２）、（３）から分かるように針とびは小さくなる。このように「支点と探針を結ぶ線」を水平から例えば45度下げると、探針が段差を上昇する時のｚ方向の初速度を小さくして、針とびを小さくする効果がある。
【００３２】
探針が段差を上昇する際には走査方向と逆に探針が動くので、測定データの段差部での立ち上がりが少し鈍くなるが、例えば１μｍの段差なら立ち上がりに要する走査距離が１μｍ長くなるだけなので、実用上は特に問題はない。
【００３３】
図９に示す配置で測定した変位雑音の例を図１１に示す。支点‐探針間の水平距離は１０ｍｍであり、支点‐変位センサコア間の距離は２０ｍｍであり、また支点と探針を結ぶ線は水平から４５度である。探針を試料上に下ろし、探針に加える力が１．７ｍｇｆで、走査はせず静止状態で探針の変位ｚを１ｍｓごとに４秒間測定した結果である。差動トランスの１次電圧は５ｋＨｚで、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いて構成したデジタルロックインアンプにより２次電圧を測定して変位センサコアの変位を計測し、探針先の変位を算出している。測定データには遮断周波数ｆｃ＝１５Ｈｚの低域通過フィルターＬＰＦ（有限インパルス応答ＦＩＲ、次数９０次、ブラックマン窓関数使用）がかけられている。
【００３４】
探針の感度は図８の構成に比べて3.93倍に増大した。それにより変位雑音も１／４程度（詳細は後述する）に減少し、図１１に示す例のように雑音の「ピーク‐ピーク」は０．２ｎｍを下回り非常に小さくなった。図１１には、測定データに含まれる０．５Ｈｚ以下のうねり相当も合わせて示す。このようなうねり相当分を除去した後の１秒間での「ピーク‐ピーク」を、６秒ごとに１００回余り測定した結果を図１２に示す。これは探針に加える力が０．１８ｍｇｆでの測定結果であり、平均値は０．１６３ｎｍであり、１秒間でのデータの標準偏差は０．０３４ｎｍであり、２秒間での算術平均粗さＲａ相当は０．０２８ｎｍといずれも非常に小さい値であった。なお、探針に加える力が０．８５ｍｇｆでは、上記の１秒間での「ピーク‐ピーク」は０．１６２ｎｍであり、また探針に加える力が１．５０ｍｇｆでは、上記の１秒間での「ピーク‐ピーク」は０．１６０nmであった。
【００３５】
図８の構成では、雑音の１秒間での「ピーク‐ピーク」は０．６２ｎｍであったが、０．６２ｎｍ／３．９３＝０．１５８ｎｍであるので、感度増大の効果がほぼそのまま変位雑音の減少として表れていることが分かる。
【００３６】
通常のシリコン基板やガラス基板上の薄膜プロセスでの段差を測るための触針式段差計では、上記のような雑音の１秒間での「ピーク‐ピーク」は１〜２ｎｍ程度なので、図１１及び図１２の測定結果は通常よりも１桁程度、変位雑音が小さいと言える。従って、変位分解能は１桁程度高い。
【００３７】
図１３には、図９の配置構成を用いて探針を試料上に下ろした静止状態で、プリアンプへの入力換算の電圧雑音密度を測定した結果を示す（パワースペクトル密度ＰＳＤのルートで、ハニング窓使用）。変位センサの出力電圧の雑音密度である。ｆｃ＝１５ＨｚのＬＰＦの手前の測定データからの換算であるが、２３０Ｈｚ分の移動平均処理がなされたデータに関するものである。変位センサと計測器の間のプリアンプには入力換算電圧雑音密度１ｎＶ／Ｈｚ０．５ の計装アンプを用いている。２次コイルの抵抗の熱雑音や変位センサコアのバルクハウゼン雑音が主な雑音源である。電圧雑音密度の大きさは、変位センサ単体の場合と同程度であり、「支点‐変位センサコア間の距離」／「支点‐探針間の距離」の比で感度が増して、その逆数で変位雑音が低減していることが分かる。
【００３８】
図１４は、図１１と同様に針を下ろした静止状態での針先変位の時間変化であるが、測定可能範囲を１６ｂｉｔ（６５５３６）で分割して、測定データをその離散値に丸め込み、ＲＳ‐２３２ＣでコンピュータＰＣへ転送した例を示す。この例では、測定可能範囲が‐８３３．８ｎｍから＋８３３．８ｎｍを１６ｂｉｔで分割し、０．０２５４ｎｍごとの離散値になっている。なお、このような単に表示上の分解能でしかない「離散値の間隔」を分解能と呼ぶ場合があるが、それは変位測定装置の測定性能を表わしておらず、本来の変位分解能ではない。
【００３９】
図１５には針がとぶ例を示す。図９の配置構成を用いて、探針に加える力０．１ｍｇｆ、約２μmの段差試料を１００μｍ／ｓで走査した測定結果を示す。前述のように、この探針の配置及び慣性モーメントＩの値、そしてその走査速度では１ｍｇｆより小さいと、針がとぶことが計算から分かっている。そのとばないための力よりも、１桁小さい力なので、針が大きくとんでいる。
【００４０】
図１６には、同じ段差を２．１ｍｇｆで測定した結果を示す。１．４ｍｇｆでも同様の結果であり、針はとばなかった。つまり、前述の考察のとおりの結果が、実際の測定で確認された。
【００４１】
実用的に多く使われる１ｍｇｆ以上の力の範囲では、針とびがなく、感度が従来の４倍であり、変位分解能（雑音の１秒間でのピーク−ピーク）が０．１６ｎｍと原子レベルの段差計が製作できた。
【００４２】
図１７には、図９の配置構成を用いて、探針に加える力１．６ｍｇｆで、試料上の同じ場所を３回、７１μｍ／ｓで走査した測定結果を示す。ＬＰＦはｆｃ＝１５Ｈｚでベッセル特性１次で処理している。１回目の測定データからその最小二乗回帰曲線４次多項式を引いたのが太線で、２回目の測定データから同じ多項式を引き定数を加えたのが細線、３回目の測定データから同じ多項式を引き別の定数を加えたのが点線である。
【００４３】
測定結果の再現性を調べるために、測定値から上記の一定値を引いた。図１７の縦軸の値が一致するように上記の定数を決めている。図１７から定数分は別として０．１〜０．２ｎｍ程度の範囲で測定結果が再現していることが分かる。このことから０．１〜０．２ｎｍ程度の原子レベルの変位分解能でｚ方向の表面形状が測定できることが確認できた。
【符号の説明】
【００４４】
１：第１の支持部材
２：支点用針取付け部材
３ ：支点用針
４ ：支点受け部材
５ ：変位センサ
６ ：コア
７ ：コイル
８ ：針圧発生装置
９ ：コア
１０：針圧発生装置８のコイル
１５：探針
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の表面形状を測定する触針式段差計の性能改善方法及び該方法を実施した表面形状測定用触針式段差計に関するものであり、特に、本発明は、支点上でバランスする探針と変位センサで構成される触針式段差計の感度と変位分解能を向上させる方法に関する。
【０００２】
本明細書において、用語“試料の表面形状”は試料の段差、膜厚、表面粗さの概念を包含して意味するものとする。
【背景技術】
【０００３】
本発明が適用される先に提案した触針式段差計の一例を添付図面の図１〜図５に示し、図示触針式段差計は、棒状の第１の支持部材１を有し、この第１の支持部材１はその中間部位に左右両横方向にのびる支点用針取付け部材２を備え、支点用針取付け部材２の両端には二つの支点用針３が取付けられている。これら二つの支点用針３は二つの支点受け部材４（図５）で支持され、それにより第１の支持部材１は支点受け部材４に支点用針３を介して揺動自在に支持される。第１の支持部材１の一端には、変位センサ５の測定子すなわちコア６が取付けられている。この変位センサ５は探針の垂直方向変位に応じて電気信号を発生する差動トランスから成り、コイル７を備えている。
【０００４】
第１の支持部材１の他端には、探針に針圧を加える針圧発生装置８のコア９が設けられ、針圧発生装置８はコイル１０を備えている。コア９は、コイル１０の中心から軸方向にずれた位置に配置した高透磁率部材から成っている。第１の支持部材１における支点用針取付け部材２の両端の二つの支点用針３を結ぶ線上を中心として、第１の支持部材１の下面には、二つの磁石１１を埋め込んだホルダー１２が取付けられている。ホルダー１２は図３に示すように断面台形の長手方向溝１３を備え、この長手方向溝１３の両側壁は下方へ向ってテーパー状に開いており、水平平面に対して傾斜面を構成している。ホルダー１２に埋め込まれた二つの磁石１１は、図１に示すように極性が互いに逆向きになるように配置されている。二つの磁石１１を内蔵したホルダー１２は軽くするためにカーボンで構成されている。
【０００５】
また図１、図２及び図４において、１４は棒状の第２の支持部材でありその先端には探針１５が下向きに取付けられ、他端は高透磁率部材１６で構成されている。高透磁率部材１６の長手方向の両端には上向きにのびるガイド突起１７が形成され、これらガイド突起１７の対向側面は上方に向って開いた傾斜面として形成される。この高透磁率部材１６の傾斜面はホルダー１２における長手方向溝１３の両側壁の傾斜面と共に、第１の支持部材に第２の支持部材を取付ける際の互いの位置決めを確保すると共にガイドの役割を果たしている。第２の支持部材１４の他端における高透磁率部材１６は第１の支持部材１におけるホルダー１２の溝１３に嵌るようにされ、その際に第２の支持部材１４の他端における高透磁率部材１６はホルダー１２の溝の底面に接触し、二つの磁石１１には接触しないように構成されている。また溝と高透磁率材部品には図３に示したような傾斜面を設け、互いの位置決めの確保と取付け時のガイドの役割を果たしている。
【０００６】
さらに図３に示すように、第２支持部材１４における高透磁率部材１６の下側には板状部材１８が設けられ、この板状部材１８は磁場遮蔽効果を高めるため、高透磁率の材料で構成され、この板状部材１８により交換部品を第１の支持部材１におけるホルダー１２の溝１３に傾けて近づけても正しい位置に収まるようにしている。図５には、支点用針３を受ける支点受け部材４の構造を拡大して示している。支点受け部材４は図示したように支点用針３を受ける凹面４ａを備え、この凹面は逆円錐形状に構成され、支点用針３を精度よく位置決めして受けるようにされている。
【０００７】
このように構成した図示触針式段差計においては、両端にそれぞれ変位センサ５及び針圧発生装置８を備え、二つの支点受け部材４に支点用針３を介して揺動自在に支持された第１の支持部材１のホルダー１２に、両端にそれぞれ探針１５及び高透磁率部材１６を備えた第２の支持部材１４を磁石の吸着力によって固定する。この場合、ホルダー１２における長手方向溝１３の両側壁の傾斜面と第２の支持部材１４の高透磁率部材１６におけるガイド突起１７の対向傾斜面とにより、第２の支持部材１４は第１の支持部材１のホルダー１２に対して予定の位置に正確に位置決めして簡単に固定できる。そして、針圧発生装置８のコイル１０に所定の電流を流すことにより、その電流の大きさに応じて力が発生され、この力により針圧発生装置８のコア９はコイル１０の中心へ引き込まれる。それにより第１及び第２の支持部材１、１４は支点用針３を介して揺動し、探針１５を試料に押し当てる。試料又は検出系を走査することにより、探針１５は試料表面をなぞり、その表面形状に応じて、固定された支点のまわりに第１及び第２の支持部材１、１４が微小に回転運動し、差動トランス５のコア６の変位が検出され、このコア６の変位は例えば、デジタルシグナルプロセッサＤＳＰを用いたデジタルロックインアンプにより低雑音で高精度に測定され、探針１５の針先の変位に換算することにより試料の表面形状や段差が測定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献５】特開2006-226964
【特許文献６】特開2009-20050
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
先に提案した構造では、試料の段差部での針とびを小さくするために、支点と探針の間の距離は大きくされているが、かかる触針式段差計の感度は、変位センサの感度に「支点と変位センサのコアとの間の距離／支点と探針の間の距離」をかけたものなので、小さくなる。ここで感度とは、単位変位量当たりの出力電圧である。上記距離の比は例えば０．５で、感度は０．５倍になる。これは例えば０．０３ ｍｇｆとこの種の段差計では非常に小さい力で、変形しやすい試料を測定する際でも針がとびにくくするための設計であり、感度よりも針とび抑制を優先している。
【００１０】
しかし、実際に多く使われる力の範囲は数ｍｇｆから１０ｍｇｆと大きく、その場合は、探針はとびにくいので、支点と探針の間の距離を小さくしてもよいと考えられる。また、「触針式段差計の感度」と「探針のとびにくさ」は相反する関係であるが、触針式段差計の感度が同じでも針とびが小さくなる構造設計にもすべきである。
【００１１】
そこで、本発明の解決課題は、１ｍｇｆ以上の実用的な力の領域で、針とびがないまま、段差計の感度と変位分解能をできるだけ向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の第１の発明によれば、支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、支持体の他端に探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計の性能改善方法において、
Fを探針に加える力、Ｉを支点回りの慣性モーメント、ｒを支点−探針間の距離、ｚを探針の先端の変位、ｔを時間としたときに成り立つ、探針の先端の運動方程式
Ｆ ＝ Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２
に基づき、探針に加える力に応じて支点−探針間の距離ｒを決め、
支点と探針の先端とを結ぶ線を水平より４５度傾け、探針の先端を下げること
を特徴としている。
【００１３】
また、本発明の第２の発明によれば、支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、支持体の他端に探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計において、
Fを探針に加える力、Ｉを支点回りの慣性モーメント、ｒを支点−探針間の距離、ｚを探針の先端の変位、ｔを時間としたときに成り立つ、探針の先端の運動方程式
Ｆ ＝ Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２
に基づき、探針に加える力に応じて支点−探針間の距離ｒを決めて、支点−探針間の距離と支点−変位センサ間の距離の比を大きく設定し、
支点と探針の先端とを結ぶ線を水平より４５度傾け、探針の先端が支点より下方に位置するように構成したこと
を特徴としている。
【００１４】
探針に加える力Ｆに関して、例えば、探針に加える力Fとして従来の１６倍の力が用いられる場合には、支点−探針間の距離ｒは１／４倍にしてもよい（Ｉは変らないとしている）。そのとき上記運動方程式が変らない（両辺が１６倍になるだけで、ｄ２ｚ／ｄｔ２は変らない）ので、探針の先端の運動ｚ（ｔ）は変らない。つまり、「探針のとびにくさ」、「針とびの大きさ」は変らない。具体的な例として、Ｆ＝０．１ｍｇｆで用いるとすると、ｒ＝４０ｍｍとした段差計では、Ｆ＝１．６ｍｇｆと大きくしてもよいならｒ＝１０ｍｍとしても「針のとびにくさ」は同じである。そして、この場合ｒが１／４倍なので段差計としての感度は４倍になる。
【００１５】
また、支点と探針の先端とを結ぶ線を水平より４５度傾けることに関して、支点−探針間の水平距離が同じなら、幾何学的考察から「支点と探針の先端を結ぶ線が水平の場合」と感度は同じである。しかし、支点からの探針の先端までの距離はルート２倍大きく、探針の先端の運動方程式をこの２つの場合について比べると、探針のとびの大きさがルート２の逆数の０．７０７倍になることが分かる。従って、段差計の感度が同じでも針とびが０．７０７倍に小さくなる。力が同じ場合に針とびの大きさが０．７０７倍になるのであって、とびの大きさが同じになる力は０．７０７倍と小さくて済むことが分かる。すなわち、力Ｆは０．７０７倍でよいことになり、先の例（『Ｆ＝０．１ｍｇｆ、ｒ＝４０ｍｍ』⇒『Ｆ＝１．６ｍｇｆ、ｒ＝１０ｍｍ、上記の結ぶ線が水平』）で、上記の線を水平から45度にすると、針とびに関して、力Fは１６倍×０．７０７＝１１．３倍であり、水平距離を１／４倍にした分を相殺できる。従って『Ｆ＝１．１ｍｇｆ、水平距離１０ｍｍ、４５度』で「探針のとびにくさ」は先の例『Ｆ＝１．６ｍｇｆ、ｒ＝１０ｍｍ、水平』と同じになる。そしてまた、支点と探針の先端を結ぶ線を水平より４５度傾け、探針の先端を下げた場合には、走査時に段差部で探針が上昇する際に、探針が走査の進行方向とは逆方向に後退しながら上昇する。従って、その上昇速度は小さくなる。つまりｚ方向の初速度が小さくなる。これにより針とびの高さ、とびの時間が小さくなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、実用的な力の範囲１ｍｇｆ以上で、感度の大きい段差計を提供することができ、また、感度が同じままで針とびが小さくなる「支点と探針の配置」により、感度が従来の４倍で針とびがない段差計が提供できる。感度向上により変位雑音が低下し、実際の計測で雑音の「ピーク−ピーク」が０．１６ｎｍと原子レベルにまで小さくなり、変位分解能が向上する。従って、差動トランスを変位センサに用い、ごく簡単な構造の安価な段差計において、原子レベルの高い変位分解能が得られ、従来は雑音に埋もれて見えなかった表面形状を測定することができるようになる。
【００１７】
実用的な探針の力の範囲である１ｍｇｆ以上において、試料の段差部での探針のとびを起こさずに、感度を向上させ、変位分解能を０．１６ｎｍまで向上させることができる。また、支点−探針間の距離と支点−センサ間の距離の比を大きくすることにより、段差計としての感度を向上させることができる。さらに、支点と探針の先端を結ぶ線を水平より４５度傾け、探針先を下げることにより、感度の向上率を落とさないまま、「探針がとばないための力」を０．７０７倍に低減させることができ、これにより、弱い力でも針とびを抑制できるようになると共に、段差部での探針の先端の垂直方向の上昇速度が小さくなり、針とびの大きさが抑制できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の方法を実施している触針式段差計の構成を概略図。
【図２】図１における触針式段差計の要部を下から見た概略線図。
【図３】図１における触針式段差計のホルダー部分の構成を示すＡ−Ｂ線に沿った拡大部分断面図。
【図４】図１における触針式段差計のホルダー部分を下から見た図。
【図５】図１における触針式段差計の支点部の構造を示す拡大断面図。
【図６】探針、支点、変位センサコアの配置例を示す図。
【図７】探針、支点、変位センサコアの別の配置例を示す図。
【図８】探針が下にある場合の探針、支点、変位センサコアの配置例を示す図。
【図９】探針が下にある場合の探針、支点、変位センサコアの別の配置例を示す図。
【図１０】探針の配置と、支点を中心とした探針の動きを表わす線図。
【図１１】試料を走査しないときの変位雑音の測定例を示すグラフ。
【図１２】変位雑音を繰り返して測定した例を示す図。
【図１３】センサ出力の電圧雑音密度の測定例を示すグラフ。
【図１４】測定可能範囲を１６ｂｉｔで分割した離散値に測定データを丸め込んだ例を示すグラフ。
【図１５】試料の段差部を０．１ｍｇｆで走査した例を示すグラフ。
【図１６】試料の段差部を２．１ｍｇｆで走査した例を示すグラフ。
【図１７】試料上の同じ場所を１．６ｍｇｆで3回連続して走査した例を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に示す触針式段差計の構造例において、探針の先端に加える力をF、探針の先端のｚ方向位置をｚ、支点の回りの慣性モーメントをＩ、支点から探針の先端までの距離をｒとして、支点の回りの運動方程式を変形すると次式が得られる（例えば特許文献１参照）。
Ｆ＝Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２ （１）
これは、力Fが働く、質量がＩ／ｒ２ の質点の運動とみなすことができる。探針がとんでいる間は、力発生コイルで一定の力が発生しているので、一定の重力場での質点の自由落下運動と同じとみなすことができ、Ｆが一定ならｄ２ｚ／ｄｔ２も一定になる。このような場合、探針の先端のｚ方向の初速（探針の先端が試料表面から離れるときの速さ）をｖ０とし、支点で支えられた可動部分の重心が支点に近いと仮定すると、とびの到達高さｈ、探針の先端がとんでいる時間（すなわち探針の先端が試料表面を離れた後、再び同じ高さの表面に戻るまでの時間）２ｔ０はそれぞれ次式で表わされる。
ｈ＝Ｉｖ０２ ／ ２ ｒ２ Ｆ （２）
２ｔ０＝２ Ｉ ｖ０ ／ ｒ２ Ｆ （３）
【００２０】
つまり、ｒが大きいほど針とびは小さい。しかし、図６から分かるように支点−探針間の距離が大きい（図中の数字は長さの比を表わす）と、探針の変位ｚの変化が小さくなって変位センサコアに伝わるので、段差計としての感度が低下する。０．０３ｍｇｆまでの小さい力での測定を想定した設計では、ｒは例えば４０ｍｍ、支点−変位センサコア間の距離は２０ｍｍである（Ｉは小さい方が、針とびが小さいので、変位センサコアは支点に近い方が針とびに関してはよい）。従って、段差計としての感度は、変位センサの感度の半分になっている。これは感度よりも針とび抑制を優先した設計のためである。
【００２１】
実用的な力である約１ｍｇｆ以上での測定のみを想定するなら、式（１）‐（３）から分かるように、Ｆが大きい分、ｒを小さくできる。Ｉが変化しないとすると、ｒ２Fが一定なら針とびの大きさは変らない。従って、ｒ ∝ Ｆ−０．５の関係からｒを決定できる。例えば、Fが１６倍ならｒは１／４倍でよいことになる（図７）。
【００２２】
支点の回りの慣性モーメントＩが同じなら、「Ｆ＝０．１ｍｇｆ、ｒ＝４０ｍｍ」と「Ｆ＝１．６ｍｇｆ、ｒ＝１０ｍｍ」とは、針とびに関しては同じである。そして、段差計としての感度は４倍になる。
【００２３】
試料の段差部で探針がとばないために必要な力Ｆに関しては、上記のｒ＝４０ｍｍの段差計についてＩ／ｒ２＝０．１１４ｇで、探針の先端の曲率半径２．５μｍの場合、針がとばないために必要な力は走査速度１００μｍ／ｓで０．１ｍｇｆ程度（段差に依存して０．０８ｍｇｆから０．１８ｍｇｆ）である。走査速度が半分の５０μｍ／ｓでは、力Ｆはその１／４で済む。
【００２４】
この段差計において、支点から探針の先端までの距離ｒを１／４の１０ｍｍにするに設定した場合、上記の力Ｆを１６倍にすれば針とびが起きない。つまり、１．６ｍｇｆ程度以上なら針とびが起きない。これは、実際によく使われる実用的な力の範囲である。
【００２５】
式（１）に基づいた以上の考察により、実用的な力の範囲１．６ｍｇｆ程度以上で針とびが起きず、感度が従来の４倍となる段差計が設計できる。
【００２６】
実際の段差計では、半導体素子用シリコンウエハーや液晶ディスプレイ用ガラス基板などの平坦で広範囲な試料上の、任意の場所で測定できるように、図８及び図９に示すように、探針１５は段差計部品のうちで最も下に位置し、図８及び図９の段差計部品を納めて探針１５の先端のみが下に突き出た箱型のセンサヘッドが試料上を動く。代わりにセンサヘッドは固定して試料が動くようにしてもよい。従って、支点と探針を結ぶ線は図８及び図９に示すように水平から傾く。図８に示す構造では、支点−探針間の水平距離が４０ｍｍであり、図９に示す構造では、水平距離が１０ｍｍである例である。図８中の数字２、４及び図９の中の数字１、２は長さの比を表わしている。
【００２７】
図８では、「支点‐探針間の水平距離」は、「支点‐探針の先端間の距離ｒ」の０．９７倍で、後述のΔｚはΔｌの0.97倍であり、ΔｚとΔｌはほぼ等しいので、探針１５の運動は「支点と探針１５を結ぶ線」が水平の場合とほぼ同じである。
【００２８】
図１０には支点の回りの探針の動きを示す。探針の先端が点Ａ、Ｂ、Ｃにある場合をそれぞれ考える。θを回転角として探針先の、支点回りの運動方程式は次式で与えられる（θとＦは図１０で時計回りを正として）。
ｒ Ｆ＝Ｉ ｄ２θ／ｄｔ２ （４）
ｌを接線上の変位として、Δθ＝Δｌ／ｒより
Ｆ＝Ｉ／ｒ２ ｄ２ｌ／ｄｔ２ （５）
探針の先端が点Aでは Δｌ＝Δｚより
Ｆ＝Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２ （６）
探針の先端が点Bでは Δｌ＝１．４１４ Δｚより
Ｆ＝１．４１４ Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２ （７）
探針の先端が点Cでは、Ｉは同じとして、支点までの距離がｒｃ、そこでの力がFのときは
Ｆ＝Ｉ／ｒｃ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２
ｒｃ＝ｒ／１．４１４より
Ｆ＝２Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２ （８）
となる。式（７）と式（８）の比較から、点Bでは点Cより０．７０７倍の力で同じｚの加速度が得られる。よって、針とびを抑える効果としては、点Bでは点Cに比べ０．７０７倍の弱い力で同じ効果を持つことが分かる。
【００２９】
試料表面の高さの変化Δzに対する回転角度、或いはΔｌの幾何学的考察から、感度は点Bと点Cで等しいことが分かる。試料表面の高さの変化に伴う、探針の先端のｚ方向の変化は点Bでも点Cでも当然同じである。つまり、感度は等しいまま、０．７０７倍の弱い力で針とびを抑えられるので、点Bの方が点Cよりも有利である。なお、点Bでは４５度傾いて力が試料にかかるが、特に問題はない。
【００３０】
以上のことから図９に示す支点と探針１５の配置では、図７に示すものに比べて、感度は同じままで、０．７０７倍の弱い力でも、同じだけの針とび抑制効果がある。先の考察においては、図７では１．６ｍｇｆ以上で針とびが起きないとしたが、この配置なら１．６ｍｇｆ×０．７０７＝１．１ｍｇｆ以上で針とびが起きない。
【００３１】
センサヘッドを図１０の右方向へ走査する場合に、探針の先端が試料の段差部の下段から上段へ上がるときを考えると、探針の先端は点Ｂでは、点Ａや点Ｃに比べて図１０の左側に動きながらｚが増すので、試料の段差部での上昇完了までの時間が長くなる。よってΔｚ／Δｔが小さくなり、上昇速度が小さくなる。それによりｚ方向の初速度が小さくなり、式（２）、（３）から分かるように針とびは小さくなる。このように「支点と探針を結ぶ線」を水平から例えば45度下げると、探針が段差を上昇する時のｚ方向の初速度を小さくして、針とびを小さくする効果がある。
【００３２】
探針が段差を上昇する際には走査方向と逆に探針が動くので、測定データの段差部での立ち上がりが少し鈍くなるが、例えば１μｍの段差なら立ち上がりに要する走査距離が１μｍ長くなるだけなので、実用上は特に問題はない。
【００３３】
図９に示す配置で測定した変位雑音の例を図１１に示す。支点‐探針間の水平距離は１０ｍｍであり、支点‐変位センサコア間の距離は２０ｍｍであり、また支点と探針を結ぶ線は水平から４５度である。探針を試料上に下ろし、探針に加える力が１．７ｍｇｆで、走査はせず静止状態で探針の変位ｚを１ｍｓごとに４秒間測定した結果である。差動トランスの１次電圧は５ｋＨｚで、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いて構成したデジタルロックインアンプにより２次電圧を測定して変位センサコアの変位を計測し、探針先の変位を算出している。測定データには遮断周波数ｆｃ＝１５Ｈｚの低域通過フィルターＬＰＦ（有限インパルス応答ＦＩＲ、次数９０次、ブラックマン窓関数使用）がかけられている。
【００３４】
探針の感度は図８の構成に比べて3.93倍に増大した。それにより変位雑音も１／４程度（詳細は後述する）に減少し、図１１に示す例のように雑音の「ピーク‐ピーク」は０．２ｎｍを下回り非常に小さくなった。図１１には、測定データに含まれる０．５Ｈｚ以下のうねり相当も合わせて示す。このようなうねり相当分を除去した後の１秒間での「ピーク‐ピーク」を、６秒ごとに１００回余り測定した結果を図１２に示す。これは探針に加える力が０．１８ｍｇｆでの測定結果であり、平均値は０．１６３ｎｍであり、１秒間でのデータの標準偏差は０．０３４ｎｍであり、２秒間での算術平均粗さＲａ相当は０．０２８ｎｍといずれも非常に小さい値であった。なお、探針に加える力が０．８５ｍｇｆでは、上記の１秒間での「ピーク‐ピーク」は０．１６２ｎｍであり、また探針に加える力が１．５０ｍｇｆでは、上記の１秒間での「ピーク‐ピーク」は０．１６０nmであった。
【００３５】
図８の構成では、雑音の１秒間での「ピーク‐ピーク」は０．６２ｎｍであったが、０．６２ｎｍ／３．９３＝０．１５８ｎｍであるので、感度増大の効果がほぼそのまま変位雑音の減少として表れていることが分かる。
【００３６】
通常のシリコン基板やガラス基板上の薄膜プロセスでの段差を測るための触針式段差計では、上記のような雑音の１秒間での「ピーク‐ピーク」は１〜２ｎｍ程度なので、図１１及び図１２の測定結果は通常よりも１桁程度、変位雑音が小さいと言える。従って、変位分解能は１桁程度高い。
【００３７】
図１３には、図９の配置構成を用いて探針を試料上に下ろした静止状態で、プリアンプへの入力換算の電圧雑音密度を測定した結果を示す（パワースペクトル密度ＰＳＤのルートで、ハニング窓使用）。変位センサの出力電圧の雑音密度である。ｆｃ＝１５ＨｚのＬＰＦの手前の測定データからの換算であるが、２３０Ｈｚ分の移動平均処理がなされたデータに関するものである。変位センサと計測器の間のプリアンプには入力換算電圧雑音密度１ｎＶ／Ｈｚ０．５ の計装アンプを用いている。２次コイルの抵抗の熱雑音や変位センサコアのバルクハウゼン雑音が主な雑音源である。電圧雑音密度の大きさは、変位センサ単体の場合と同程度であり、「支点‐変位センサコア間の距離」／「支点‐探針間の距離」の比で感度が増して、その逆数で変位雑音が低減していることが分かる。
【００３８】
図１４は、図１１と同様に針を下ろした静止状態での針先変位の時間変化であるが、測定可能範囲を１６ｂｉｔ（６５５３６）で分割して、測定データをその離散値に丸め込み、ＲＳ‐２３２ＣでコンピュータＰＣへ転送した例を示す。この例では、測定可能範囲が‐８３３．８ｎｍから＋８３３．８ｎｍを１６ｂｉｔで分割し、０．０２５４ｎｍごとの離散値になっている。なお、このような単に表示上の分解能でしかない「離散値の間隔」を分解能と呼ぶ場合があるが、それは変位測定装置の測定性能を表わしておらず、本来の変位分解能ではない。
【００３９】
図１５には針がとぶ例を示す。図９の配置構成を用いて、探針に加える力０．１ｍｇｆ、約２μmの段差試料を１００μｍ／ｓで走査した測定結果を示す。前述のように、この探針の配置及び慣性モーメントＩの値、そしてその走査速度では１ｍｇｆより小さいと、針がとぶことが計算から分かっている。そのとばないための力よりも、１桁小さい力なので、針が大きくとんでいる。
【００４０】
図１６には、同じ段差を２．１ｍｇｆで測定した結果を示す。１．４ｍｇｆでも同様の結果であり、針はとばなかった。つまり、前述の考察のとおりの結果が、実際の測定で確認された。
【００４１】
実用的に多く使われる１ｍｇｆ以上の力の範囲では、針とびがなく、感度が従来の４倍であり、変位分解能（雑音の１秒間でのピーク−ピーク）が０．１６ｎｍと原子レベルの段差計が製作できた。
【００４２】
図１７には、図９の配置構成を用いて、探針に加える力１．６ｍｇｆで、試料上の同じ場所を３回、７１μｍ／ｓで走査した測定結果を示す。ＬＰＦはｆｃ＝１５Ｈｚでベッセル特性１次で処理している。１回目の測定データからその最小二乗回帰曲線４次多項式を引いたのが太線で、２回目の測定データから同じ多項式を引き定数を加えたのが細線、３回目の測定データから同じ多項式を引き別の定数を加えたのが点線である。
【００４３】
測定結果の再現性を調べるために、測定値から上記の一定値を引いた。図１７の縦軸の値が一致するように上記の定数を決めている。図１７から定数分は別として０．１〜０．２ｎｍ程度の範囲で測定結果が再現していることが分かる。このことから０．１〜０．２ｎｍ程度の原子レベルの変位分解能でｚ方向の表面形状が測定できることが確認できた。
【符号の説明】
【００４４】
１：第１の支持部材
２：支点用針取付け部材
３ ：支点用針
４ ：支点受け部材
５ ：変位センサ
６ ：コア
７ ：コイル
８ ：針圧発生装置
９ ：コア
１０：針圧発生装置８のコイル
１５：探針
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、支持体の他端に探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計の性能改善方法において、
Fを探針に加える力、Ｉを支点回りの慣性モーメント、ｒを支点−探針間の距離、ｚを探針の先端の変位、ｔを時間としたときに成り立つ、探針の先端の運動方程式
Ｆ ＝ Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２
に基づき、探針に加える力に応じて支点−探針間の距離ｒを決め、
支点と探針の先端とを結ぶ線を水平より４５度傾け、探針の先端を下げること
を特徴とする表面形状測定用触針式段差計の性能改善方法。
【請求項２】
探針に加える力Ｆを１ｍｇｆ以上と大きく設定し、支点−探針間の距離ｒを短くすることを特徴とする請求項１記載の表面形状測定用触針式段差計の性能改善方法。
【請求項３】
支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、支持体の他端に探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計において、
Fを探針に加える力、Ｉを支点回りの慣性モーメント、ｒを支点−探針間の距離、ｚを探針の先端の変位、ｔを時間としたときに成り立つ、探針の先端の運動方程式
Ｆ ＝ Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２
に基づき、探針に加える力に応じて支点−探針間の距離ｒを決めて、支点−探針間の距離と支点−変位センサ間の距離の比を大きく設定し、
支点と探針の先端とを結ぶ線を水平より４５度傾け、探針の先端が支点より下方に位置するように構成したこと
を特徴とする表面形状測定用触針式段差計。
【請求項１】
支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、支持体の他端に探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計の性能改善方法において、
Fを探針に加える力、Ｉを支点回りの慣性モーメント、ｒを支点−探針間の距離、ｚを探針の先端の変位、ｔを時間としたときに成り立つ、探針の先端の運動方程式
Ｆ ＝ Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２
に基づき、探針に加える力に応じて支点−探針間の距離ｒを決め、
支点と探針の先端とを結ぶ線を水平より４５度傾け、探針の先端を下げること
を特徴とする表面形状測定用触針式段差計の性能改善方法。
【請求項２】
探針に加える力Ｆを１ｍｇｆ以上と大きく設定し、支点−探針間の距離ｒを短くすることを特徴とする請求項１記載の表面形状測定用触針式段差計の性能改善方法。
【請求項３】
支点に揺動可能に取付けられた支持体の一端に探針を取付け、支持体の他端に探針の垂直方向変位を検出する変位センサの磁性体コアを取付け、探針が捉えた試料の表面形状を支持体の支点回りの回転運動により変位センサで測定する表面形状測定用触針式段差計において、
Fを探針に加える力、Ｉを支点回りの慣性モーメント、ｒを支点−探針間の距離、ｚを探針の先端の変位、ｔを時間としたときに成り立つ、探針の先端の運動方程式
Ｆ ＝ Ｉ／ｒ２ ｄ２ｚ／ｄｔ２
に基づき、探針に加える力に応じて支点−探針間の距離ｒを決めて、支点−探針間の距離と支点−変位センサ間の距離の比を大きく設定し、
支点と探針の先端とを結ぶ線を水平より４５度傾け、探針の先端が支点より下方に位置するように構成したこと
を特徴とする表面形状測定用触針式段差計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−７６７０（Ｐ２０１３−７６７０Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４０９２９（Ｐ２０１１−１４０９２９）
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（０００２３１４６４）株式会社アルバック (1,740)
【Ｆターム（参考）】
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