走査プローブ顕微鏡
【課題】
高スループットで試料にダメージを与えずに、試料の正確な立体形状情報と同
時に試料の局所的特性に関する分布情報を計測できる走査プローブ顕微鏡を提供
することである。
【解決手段】
光学式の高感度近接センサを具備して試料と探針との接近を制御することによ
って、各測定箇所へのアプローチを高速化した。また、プローブを間歇的に試料
に接触させて探針を試料上で引きずらないようにしながら試料高さデータを得る
と同時に、試料への接触期間に同時に、探針に電圧を掛けたり、探針を振動させ
て応答を計測したり、試料表面の局所的光強度を検出したりすることにより、走
査速度を落とさずに試料上の材質の分布に関する付加的情報を得られるようにし
た。
高スループットで試料にダメージを与えずに、試料の正確な立体形状情報と同
時に試料の局所的特性に関する分布情報を計測できる走査プローブ顕微鏡を提供
することである。
【解決手段】
光学式の高感度近接センサを具備して試料と探針との接近を制御することによ
って、各測定箇所へのアプローチを高速化した。また、プローブを間歇的に試料
に接触させて探針を試料上で引きずらないようにしながら試料高さデータを得る
と同時に、試料への接触期間に同時に、探針に電圧を掛けたり、探針を振動させ
て応答を計測したり、試料表面の局所的光強度を検出したりすることにより、走
査速度を落とさずに試料上の材質の分布に関する付加的情報を得られるようにし
た。
【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、および、これを用いた試料観察方法とデバイ
ス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細立体形状の計測技術として走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎ
ｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。これは先端のとがっ
た探針を制御しながら、接触力を非常に小さな値に保ちながら試料を走査する技
術で、原子オーダーの微細立体形状が計測できる技術として、広く用いられてい
る。従来から、試料を物理的にスキャンするために速度が上げ難いという走査プ
ローブ顕微鏡特有の問題に対して、いろいろな改善が行われてきた。
【０００３】
例えば、特開平１０−１４２２４０号公報および特開２０００−１６２１１５
号公報には、高速化と解像度を両立するために、探針のたわみの信号と試料の駆
動信号の両者から形状データを補正する技術が開示されている。また、特開平６
−７４７５４号公報では、探針を高速に試料に近づけるために、探針を振動させ
ながら試料に近づけると音響的相互作用によって５マイクロメートル程度離れた
ところから、探針の振幅が減少するように構成できることを利用して、試料の近
くまで高速に探針を近づける技術が開示されている。しかし上記技術では、探針
を振動させる構成の走査プローブ顕微鏡装置でしか使用できないという問題と、
試料に数マイクロメートルまで近づかなければ近接を感知できないため、数マイ
クロメートルの距離まで高速に探針を近づけるためにはさらに別のセンサを必要
とするという問題があった。
【０００４】
一方、現在、ＬＳＩの微細パターン形成プロセスではCD-SEM（測長ＳＥＭ）を
用いた寸法管理を行っているが、パターンの微細化に伴い、下記の限界がきてい
る。(1) 測定精度の問題。2003年に主流になるとされる、90nmノードＬＳＩのゲ
ート幅は80nmであり、許容ばらつきを10％、測定精度をその20％とすると、必要
とされる測定精度は1.6nmとなる。(2) プロファイル計測の要請。線幅の高精度
制御のためにAPC（Advanced Process Control）化の必要性が高まっているが、
このために、パターン線幅だけでなく、電気特性に大きく影響する断面形状の計
測技術が必要とされている。(3) 測定対象の問題。DUV（深紫外光）用レジスト
、low-k（低誘電率）膜材料等、電子線耐性の弱い材質に対する測定ニーズが増
大している。また、次世代の高密度光ディスクメモリのピットの計測に対しても
、同様の測定精度、プロファイル計測の必要性、マスター作成のためのレジスト
パターンの計測といった、同様のニーズが考えられる。
【０００５】
上記の課題に対しては、現状のCD-SEMでは対応できない。このために、走査プ
ローブ顕微鏡技術が有望と思われる。この場合に必要となるのが、既述の探針ア
プローチの高速化のほかに、軟脆材料にたいしてダメージの少なく、また、表面
の材質に関する情報が得られる走査プローブ顕微鏡技術である。
【０００６】
これに対して、特開平１１−３５２１３５号公報では、試料または探針を一定
の振幅で振動させて探針を周期的に試料にぶつけながら走査し、軟脆試料および
探針のダメージ軽減をはかる方法が開示されている。さらに、特開２００１−３
３３７３号公報では、飛び飛びの測定点のみで探針のサーボをかけて高さを測り
、探針を引き上げた状態で次の測定点に向かう走査方法が開示されており、この
方法はさらに接触圧が小さく、軟脆試料および探針へのダメージが少ない。また
、探針を引きずらないために段差部での形状を忠実に計測できるという利点があ
る。ただし、レジストのようなパターンの計測の場合にパターン底部の形状の計
測、さらには、レジストが底部に残っているかどうかという情報の計測が可能な
望ましいが、この必要性に対しては応えきれていなかった。また、高速化のため
には探針の共振周波数を高く、しかも、探針の慣性を小さくする必要があったが
、このためには、探針の先端のカンチレバー部を小さくする必要があったが、従
来の光てこ方式ではレーザの反射面の確保と調整のため５０マイクロメートル程
度のエリアが必要であり、高速化に限界があった。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１４２２４０号公報
【特許文献２】特開２０００−１６２１１５号公報
【特許文献３】特開平６−７４７５４号公報
【特許文献４】特開平１１−３５２１３５号公報
【特許文献５】特開２００１−３３３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記説明したように、従来技術では測定スループット向上のための探針の試料
へのアプローチの高速化の課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、高感度な近接センサを備えて探針の
試料へのアプローチが高速な走査プローブ顕微鏡及びこれを用いた資料観察方法
を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の別の目的は、レジストパターンなどの脆弱な試料に対してダメ
ージの少ない走査方式を用いて立体形状像を得ると同時に、試料材質に対する、
電気容量、弾性、光学的性質といった付加的情報の分布を立体像と同時にスルー
プットを落とさずに得ることである。また、本方式による走査を高速化するため
に、プローブ先端のカンチレバーサイズを小さくしてもたわみが検出可能で調整
が容易な走査プローブ顕微鏡を提供することである。
【００１１】
また、本発明の別の目的は、傾斜の急な試料段差部に対して正確な形状を計測
するために探針傾斜スキャン機能を付与することである。
【００１２】
また、本発明の別の目的は、半導体試料のパターンを計測しプロセス条件にフ
ィードバックすることにより、安定で高精度なデバイスの製造方法を提供するこ
とである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記した目的を達成するために、本発明では、走査プローブ顕微鏡に光学式の
高さ検出機能を備えた高感度な近接センサを具備することにより探針の試料への
アプローチを高速に行えるようにした。
【００１４】
また、本発明では、走査プローブ顕微鏡において、プローブを間歇的に試料に
接触させて探針を試料上で引きずらないようにしながら試料高さデータを得ると
同時に、試料への接触期間に、探針に電圧を掛けたり、探針を振動させて応答を
計測したり、試料表面の局所的光強度を検出したりして、スループットを落とさ
ずに試料上の材質の分布に関する付加的情報を得られる構成とした。
【００１５】
また、本発明では、走査プローブ顕微鏡において、傾斜の急な試料段差部に対
して、探針を傾斜させて走査を行うことによって段差部の正確な形状の計測を可
能にした。
【００１６】
更に、本発明では、半導体デバイスなどの極微細な構造を備えた試料を製造す
る方法において、上記した走査プローブ顕微鏡を用いて、半導体パターンあるい
はレジストパターンを観察し、この観察の結果をプロセス装置の動作条件にフィ
ードバックすることにより、半導体デバイスなどの極微細な構造のデバイスを安
定して製造できるようにした。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高感度な近接センサを具備することによって、試料と探針の
高速な接近を実現でき、計測のスループットを向上できるという効果を奏する。
【００１８】
また、本発明によれば、プローブを間歇的に試料に接触させて探針を試料上で
引きずらないようにしながら試料高さデータを得ると同時に、スループットを落
とさずに試料上の材質の分布に関する付加的情報が得られるという効果を奏する
。
【００１９】
また、本発明によれば、傾斜の急な試料段差部に対して、探針を傾斜させて走
査を行うことによって段差部の正確な形状の計測を実現できるという効果を奏す
る。
【００２０】
また、本発明によれば半導体パターンを高スループットで計測出来るので、安
定に高精度なデバイスを製造できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明にかかわる走査プローブ顕微鏡の構成を示す図である。図２は探
針周りの一実施例の拡大図である。Ｘ、Ｙ、Ｚに駆動が可能な試料ステージ３０
２上に試料５０１が載せられており、走査制御部２０１によって制御されている
。この上には探針１０３があり、探針駆動部２０２からの制御により探針１０３
を取り付けた探針移動機構２５２はＸ、Ｙ、Ｚに駆動され、これによって走査プ
ローブ顕微鏡のプローブ走査を行う。２５２は探針ホルダー１０１に取り付けら
れていて、探針ホルダー１０１は探針ホルダー上下機構２５３によって、鏡筒１
０２に取り付けられており、探針ホルダー駆動部２０３からの制御によってＺ方
向に粗動駆動される。探針移動機構２５２は微動機構であり、動作距離が大きく
ないために、探針の試料への接近は探針ホルダー上下機構２５３によって行う。
あるいは、別の実施例として試料ステージ３０２側の駆動によって短針の試料へ
の接近を行ってもいい。また、走査プローブ顕微鏡のプローブ走査も試料ステー
ジ３０２側の駆動によってもよい。
【００２２】
近接センサ２０４は探針の先端付近の高さを高感度で計測するためのセンサで
あり、これによって、探針の試料への接触を事前に検出して接近速度を制御する
ことで、探針を試料にぶつけることなく高速な試料への接近を実現できる。近接
センサ２０４は後述するように光を用いてもいいが、検出範囲が数十マイクロメ
ートル以上あり、１マイクロメートル程度の感度で試料との距離を検出できるセ
ンサであればほかのセンサを用いてもよい。たとえば、試料ホルダー１０１ある
いは探針１０３のカンチレバー部と試料５０１との間に交流電圧をかけることに
よって、静電容量を測り、距離を検出する静電容量式センサや、試料ホルダー１
０１と試料５０１との間に空気を流して圧力を検出するエアマイクロセンサを用
いてもよい。
【００２３】
走査制御部２０１は探針のたわみ検出センサ２０５、近接センサ２０４、探針
ホルダー駆動部２０３、探針駆動部２０２試料ステージ３０２を制御して探針の
近接、試料の走査等を実現する。このとき、試料の走査時の信号をＳＰＭ像形成
装置２０８に送ることによって、試料の表面形状像を得る。また、信号印加装置
２０７は探針を高周波数で加振して応答をたわみ検出センサ２０５で検出し表面
の弾性などを計測したり、探針と試料の間に交流あるいは直流電圧をかけて電流
を測定し、容量あるいは抵抗を計測したりする。これを探針のスキャンと同時に
行うことによってＳＰＭ像形成装置２０７に表面形状像のほかに、付加的性質の
分布像を得ることが出来る。
【００２４】
探針ホルダー１０１に対物レンズを組み込んだ場合には、光学像センサ２０６
で試料の光学像を得ることによるＳＰＭ測定エリアの同時観察、探針１０３の取
りつけ時の調整に用いることが出来る。
【００２５】
装置全体の動作は全体制御装置２０９によって制御され、表示・入力装置２５
１によって、操作者の指示を受けたり、光学像やＳＰＭ像を提示したりすること
が出来る。
【００２６】
図３は光学系の一実施例を示す図である。光源１１１から出射した光はレンズ
１１２で平行光に変えられてミラー１１３で反射され、探針ホルダー１０１の内
部に形成された対物レンズに入射し、試料上５０１上に焦点を結ぶ。光源１１１
に組み込む開口の形状によって、スポットあるいはスリットなど、任意の形状の
像を形成できる。試料で反射した光は再び対物レンズを通り、ミラー１１４で反
射され、結像レンズ１１５で検出器１１６上に像を結ぶ。像の位置は試料５０１
の高さによって移動する。移動量は試料への検出項１１０の入射角をθ、レンズ
１１５による結像倍率をｍ、試料の高さをＺとすると、２ｍＺtanθとなるので
、この移動量を計測すれば試料の高さＺが検出できる。検出器１１６は像の位置
が検出できればいいので、ＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型
ホトダイオード・リニアイメージセンサなど何でもよい。
【００２７】
また、上記説明は検出光１１０が対物レンズを通るという構成での説明であっ
たが、検出光１１０が対物レンズの外部を通りもう一枚の図示されていないミラ
ーで折り曲げられて、試料上に結像される構成も考えられる。このとき、レンズ
１１２および１１５はそれぞれ光源１１１およびセンサ１１６を試料５０１と結
像関係になるように調整される。この場合のセンサ１１６上の像の移動量は２ｍ
Ｚsinθとなる。
【００２８】
以下探針のたわみ検出系について説明する。光源１３１から出た光はレンズ１
３２とビームスプリッタを通り、さらにビームスプリッタ１３４を通って対物レ
ンズを通過して探針のカンチレバー部に照射される。ここで反射した光は同じ道
を戻ってビームスプリッタ１３３を通過し、レンズ１３５を介してセンサ１３６
に照射される。レンズ１３５は対物レンズの射出瞳とセンサ１３６が結像関係に
なるように構成され、これによってカンチレバーの反射面の傾きに比例した位置
変化がセンサ１３６上の光に生起される。これを１３６の位置に置いたＰＳＤ（
ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセ
ンサなどによって検出することによってカンチレバーの傾き（たわみ）を検出す
ることが可能になる。
【００２９】
また、二次元型のＰＳＤ、イメージセンサ、４分割フォトダイオードを用いる
ことにより、たわみと同時にねじれを検出することも可能になる。本検出光１３
０を試料観察系の光と分離するために光源１３１は単色のレーザとして、この光
だけを通すようにレンズ１３５の前後に干渉フィルターを設けるのが望ましい。
【００３０】
さらに効率を上げるためにビームスプリッタ１３４はダイクロイックミラーと
してもよい。また、ビームスプリッタ１３３を偏光ビームスプリッタとしてレー
ザ１３１の偏光方向を１３３によって反射されるＳ偏光とし、ビームスプリッタ
１３３と１３４の間に１／４波長板（図示せず）を置くことによって、Ｓ偏光を
円偏光に変換して探針１０３の反射面に当て、反射光を再び１／４波長板でＰ偏
光に変えて偏光ビームスプリッタ１３３を透過させてもよい。
【００３１】
試料観察系は照明光源１５４より出射し、コンデンサレンズ１５３を通り、ビ
ームスプリッタ１５５で反射し、ビームスプリッタ１３４を透過し、１０１ない
の対物レンズを通って試料５０１を照明する。試料の反射光は再び対物レンズを
透過し、ビームスプリッタ１３４と１５５を透過して結像レンズ１５２で結像さ
れ、イメージセンサ１５１で検出される。
【００３２】
以上、図３を用いて説明したように、探針と試料観察系と試料高さセンサと探
針たわみ検出光学系を同軸で構成することにより、ＳＰＭ計測位置の同時観察、
探針の調整の容易化、高速な探針と試料との接近が可能になる。また、探針たわ
み検出光学系を同軸で構成したことによって、カンチレバー部の幅の小さい探針
に対しても、検出光１３０を照射できるようになり、より軽くて共振周波数の高
い探針を用いることによって、走査の高速化を可能とする。すべて対物レンズ１
０１を通して検出するようにしたことにより、対物レンズを探針と近づけること
が可能になり、高解像度の試料の光学観察が可能となる。また一方、作動距離の
長い対物レンズを用いて、試料高さセンサと探針たわみセンサの少なくとも一方
を対物レンズと試料の間の隙間を斜めから光を投影・検出するオフアクシス構成
ももちろん考えられる。
【００３３】
また、別の構成として、ヘテロダイン干渉法を用いて探針１０３のたわみを検
出する方法も考えられる。光源１３１の位置に周波数ｆｏの点光源と周波数ｆで
周波数シフトした周波数ｆｏ＋ｆの点光源を配置する。点光源の配置のためには
レーザをレンズで絞っても、ファイバーの出射端をここに置いてもいい。この像
を探針１０３の二点に形成するように光学系を調整する。
【００３４】
図９に示すように、一方は探針のカンチレバー部の先端に、もう一方は根元に
像を形成させる、この反射光は１３６の位置で交差するので１３６にフォトダイ
オードを置くと、二本の光は干渉して周波数ｆのビートを発生する。このビート
信号を周波数シフタに与えた周波数ｆの信号を基準としてロックイン検出して位
相を求めると、この位相の変化がすなわちカンチレバーの傾きの変化となる。こ
れによって、カンチレバーのたわみを検出できる。あるいは、周波数シフタに与
えた信号を用いる代わりに、レンズ１３２を通ってからビームスプリッタ１３３
で反射されずに透過した光を二本のビームがクロスするところで別のフォトダイ
オード（図示せず）で検出して、周波数ｆの基準信号としてよい。
【００３５】
また、別の構成として、ひずみゲージのようなひずみの変化を反映する信号を
得られるものを探針に組み込んで、光学式たわみセンサの替わりとして用いても
よい。
【００３６】
以下、図８を用いて本発明による試料高さセンサを用いた探針と試料の高速接
近制御について説明する。まず探針微動機構（探針移動機構２５２）は伸ばした
状態（探針微動高さの低い状態）にしておく。つぎに試料高さセンサ２０４をモ
ニタしながら、高速で（１〜１０ｍｍ／ｓ程度）探針粗動機構（探針ホルダー上
下機構２５３）探針をおろす（探針粗動高さを下げる）。試料高さセンサ２０４
の出力が１０〜数十マイクロメートルになったところで低速接近に切り替える（
０．１ｍｍ／ｓ程度）。探針のたわみ検出センサ２０５の出力を監視して、これ
が大きくなりだした所で、探針微動機構を一気に縮める（図８の探針高速退避）
。
【００３７】
通常行われている探針をＳＰＭサーボモードにして近づける方法では探針の制
御帯域に縛られて低速接近時の速度を上げるのが難しいにの比べて、このように
、サーボモードにせずに接触を感知した瞬間に一気に縮めることによって、低速
接近の速度をあげられる利点がある。このあと、探針高速退避を行った後、サー
ボをＯＮにすることによって、ゆっくりと探針を試料に対して接触状態に持って
いく。なお、以上の説明は探針側を駆動する前提で説明したが、試料ステージ３
０２側を駆動して探針を接近させる場合も同様であることはいうまでもない。
【００３８】
つぎに、レジストパターンのようなアスペクトが高い軟脆材料サンプルの計測
に適した探針スキャンモードについて図４を用いて説明する。（ｂ）のように探
針を引き上げてはおろして接触圧（すなわち探針たわみ）が一定になるようなサ
ーボをかけるという動作（Ｔｃの区間）を試料と探針の水平方向の相対位置を変
化させながら繰り返すことによって、飛び飛びの測定点のみで試料の高さを測っ
てゆく。繰り返し周期はＴｓである。これによって探針が試料を引きずらないた
めに試料に対するダメージが少なく、また、段差部での形状を忠実に計測できる
探針走査が実現できる。これ自身は特開２００１−３３３７３などに開示されて
いる方法であるが、レジストパターンなどの計測に適した実施例として、以下の
発明を説明する。
【００３９】
探針の先端はあるテーパ角を持っており、これよりも切り立った段差部の形状
は走査プローブ顕微鏡では従来正確には計測できなかったが、段差を検出すると
（ａ）に点線で図示したように探針を傾斜させてスキャンさせるようにする。探
針を傾斜させる方法としては探針のホルダーに微小回転機構を設ける方法もある
が、「Ｔ．Ｒ．Ａｌｂｒｅｃｈｔ、Ｓ．Ａｋａｍｉｎｅ、Ｍ．Ｊ．Ｚｄｅｂｌｉ
ｃｋ、Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ８（１）
、３１７（Ｊａｎ．／Ｆｅｂ．、１９９０）」に開示されているような図５に示
した圧電薄膜型カンチレバーを用いる方法もある。いわゆるバイモルフ構造にな
っており、中間電極Ｇの上下に圧電体が設けられ、その反対側に電極Ａ、Ｂ、Ｃ
、Ｄが形成されている。ここで、Ａ−Ｇ、Ｄ−ＧとＢ−Ｇ、Ｃ−Ｇに逆方向の電
圧変化を与えるとねじれ変形が生起され、探針を傾けることができる。探針のね
じれは、探針のたわみ検出器１３６に４分割フォトダイオードを用いれば簡単に
検出することが可能である。
【００４０】
またレジストパターンの計測に対してはレジストパターン底部にレジストが残
っているかどうかを検出するニーズが高い。また、近年の半導体においては、平
坦化構造が一般化して研削によって表面の凹凸を無くしたパターンに対して、そ
の材質の境界を知るニーズも高くなっている。これらのニーズに応えるためには
、立体表面形状の計測と同時に表面の容量、光学特性、弾性などの機械的性質の
分布を測定する技術が必要となる。
【００４１】
図４（ｂ）で説明した走査方式では各測定周期Ｔｓの間に試料表面に探針が接
触している期間Ｔｃがあるので、この期間に同期して各種表面物性の計測を行う
ことによって、表面形状像と同時に各種物性分布計測を行うことができる。図４
（ｃ）は探針と試料の間に交流電圧を掛け、流れる電流を同期検波することで局
所的な容量を計測する実施例である。また、図４（ｄ）は探針内部を光が透過す
るようにしておき、試料を照明しておいて探針の先端から光をファイバー１７０
に導いてレンズ１７１を介してセンサ１７２に導きＴｃの期間に光量検出するこ
とで、試料の局所光学特性の分布を求める実施例である。このようにすることに
よって、例として、図４（ｃ）（ｄ）に示したようなシリコンに酸化シリコンを
埋め込んで研磨した平坦な試料に対しても、観察・計測が行える。
【００４２】
さらに図６はＴｃの期間に探針を周期Ｔで微小振動させている実施例である。
このときのＴはＴｓあるいはＴｃに比べて十分小さいものとする。このときの探
針のたわみ信号を得て加振入力信号に対して同期検出して、振幅および位相を求
めることにより試料表面の局所的機械的性質に対する分布を得ることができる。
また、探針先端を照明しておいて、先端にからの散乱光あるいは図４（ｄ）のよ
うな光学系で就航した光を検出して、探針の振動に対して同期検出することによ
り、試料の局所光学特性の分布を求めることもできる。
【００４３】
あるいは、図７のように常に探針を周期Ｔ（ただしＴ≪Ｔｃ）で加振しておき
、探針の試料との接触による振幅の減少を検出することにより、試料の高さを検
出することも可能である。
【００４４】
次に図１０を用いて、レジストパターンを計測する例を示す。レジストパター
ンの計測では（ａ）のように垂直にパターンが切れているか、（ｂ）のようにレ
ジストが薄く残っているか、（ｃ）のように溝あるいは穴の下部が狭まっている
かを見分ける必要がある。本発明によれば、これらを見分けることが可能になる
。
【００４５】
さらに図１１では、本発明を用いたデバイス製造方法について示す。ウェハ６
２０をプロセス装置６０１、６０１'に流してデバイスを形成していく。プロセ
ス装置６０１、６０１'は場合によってエッチャーであったり、ＣＭＰ装置であ
ったり、露光装置であったり、現像装置であったりする。これらの工程を経た抜
き取りウェハあるいはダミーウェハ６２１をもちいて、本発明の走査プローブ顕
微鏡６０３によってウェハ上に形成されたパターンを観察・計測する。あるいは
、スループットが大きいので全ウェハを本発明の走査プローブ顕微鏡６０３で観
察・計測してもよい。
【００４６】
本発明では、パターンの立体形状や表面の状態の分布を試料にダメージを与え
ることなく正確に観察・計測できるので、観察・計測結果をプロセス装置６０１
、６０１'のプロセス条件にフィードバックすることで、安定に高精度なデバイ
スを製造できる。場合によってはフィードバックの経路６１０に専用のデータ処
理サーバを介してもよい。
【００４７】
また、本発明の走査プローブ顕微鏡６０３で観察・計測して得られたデータを
、回線を介して他のデータ処理装置へ送って他の検査・観察・分析装置で得られ
たデータと組合わせて処理することもできる。例えば、本発明の走査プローブ顕微
鏡６０３で観察・計測して得られたデータを他の分析装置で得られた試料の分析
データと組合わせて解析することにより、試料表面の欠陥や組成の２次元的又は
３次元的な分布などのより詳細な情報を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】走査プローブ顕微鏡の全体の構成を示す図である。
【図２】探針周りの一実施例の拡大図である。
【図３】光学系の一実施例を示す図である。
【図４】探針の制御方法を示す図である。
【図５】探針の傾きを制御可能なカンチレバーの構造を示す図である。
【図６】試料と探針の接触期間中に探針を加振した状態を示す図である。
【図７】常に高周波数で微小振動させながら微小振動の周波数より十分遅い周期Ｔｃで試料高さの計測を行うようすを示す図である。
【図８】探針―試料間距離の高速接近制御の方法を示す図である。
【図９】ヘテロダイン干渉によって、探針のたわみを計測する原理を示す図である。
【図１０】本発明によって判別できるレジストパターンの例を示す図である。
【図１１】本発明によって、半導体のプロセスの条件制御を行う実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０１…探針ホルダー、１０２…鏡筒、１０３…探針、１１１…光源、１１２…
レンズ、１１３…ミラー、１１４…ミラー、１１５…レンズ、１１６…検出器、
１３１…光源、１３２…レンズ、１３３…ビームスプリッタ、１３４…ビームス
プリッタ、１３５…レンズ、１３６…検出器、１５４…照明光源、１５３…コン
デンサレンズ、１５５…ビームスプリッタ、１５２…結像レンズ、１５１…イメ
ージセンサ、１７０…光ファイバー、１７１…レンズ、１７２…検出器、２０１
…走査制御部、２０２…探針駆動部、２０３…探針ホルダー駆動部、２０４…近
接センサ、２０５…たわみ検出センサ、２０６…光学像センサ、２０７…信号印
加装置、２０８…ＳＰＭ像形成装置、２５０…全体制御装置、２５１…入力・表
示装置、２５２…探針移動機構、２５３…探針ホルダー上下機構、３０２…試料
ステージ、５０１…試料、６０１…プロセス装置、６０３…走査プローブ顕微鏡
、６１０…フィードバック情報、６２０…ウェハ、６２１…抜き取りあるいはダ
ミーウェハ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査プローブ顕微鏡、および、これを用いた試料観察方法とデバイ
ス製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細立体形状の計測技術として走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎ
ｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。これは先端のとがっ
た探針を制御しながら、接触力を非常に小さな値に保ちながら試料を走査する技
術で、原子オーダーの微細立体形状が計測できる技術として、広く用いられてい
る。従来から、試料を物理的にスキャンするために速度が上げ難いという走査プ
ローブ顕微鏡特有の問題に対して、いろいろな改善が行われてきた。
【０００３】
例えば、特開平１０−１４２２４０号公報および特開２０００−１６２１１５
号公報には、高速化と解像度を両立するために、探針のたわみの信号と試料の駆
動信号の両者から形状データを補正する技術が開示されている。また、特開平６
−７４７５４号公報では、探針を高速に試料に近づけるために、探針を振動させ
ながら試料に近づけると音響的相互作用によって５マイクロメートル程度離れた
ところから、探針の振幅が減少するように構成できることを利用して、試料の近
くまで高速に探針を近づける技術が開示されている。しかし上記技術では、探針
を振動させる構成の走査プローブ顕微鏡装置でしか使用できないという問題と、
試料に数マイクロメートルまで近づかなければ近接を感知できないため、数マイ
クロメートルの距離まで高速に探針を近づけるためにはさらに別のセンサを必要
とするという問題があった。
【０００４】
一方、現在、ＬＳＩの微細パターン形成プロセスではCD-SEM（測長ＳＥＭ）を
用いた寸法管理を行っているが、パターンの微細化に伴い、下記の限界がきてい
る。(1) 測定精度の問題。2003年に主流になるとされる、90nmノードＬＳＩのゲ
ート幅は80nmであり、許容ばらつきを10％、測定精度をその20％とすると、必要
とされる測定精度は1.6nmとなる。(2) プロファイル計測の要請。線幅の高精度
制御のためにAPC（Advanced Process Control）化の必要性が高まっているが、
このために、パターン線幅だけでなく、電気特性に大きく影響する断面形状の計
測技術が必要とされている。(3) 測定対象の問題。DUV（深紫外光）用レジスト
、low-k（低誘電率）膜材料等、電子線耐性の弱い材質に対する測定ニーズが増
大している。また、次世代の高密度光ディスクメモリのピットの計測に対しても
、同様の測定精度、プロファイル計測の必要性、マスター作成のためのレジスト
パターンの計測といった、同様のニーズが考えられる。
【０００５】
上記の課題に対しては、現状のCD-SEMでは対応できない。このために、走査プ
ローブ顕微鏡技術が有望と思われる。この場合に必要となるのが、既述の探針ア
プローチの高速化のほかに、軟脆材料にたいしてダメージの少なく、また、表面
の材質に関する情報が得られる走査プローブ顕微鏡技術である。
【０００６】
これに対して、特開平１１−３５２１３５号公報では、試料または探針を一定
の振幅で振動させて探針を周期的に試料にぶつけながら走査し、軟脆試料および
探針のダメージ軽減をはかる方法が開示されている。さらに、特開２００１−３
３３７３号公報では、飛び飛びの測定点のみで探針のサーボをかけて高さを測り
、探針を引き上げた状態で次の測定点に向かう走査方法が開示されており、この
方法はさらに接触圧が小さく、軟脆試料および探針へのダメージが少ない。また
、探針を引きずらないために段差部での形状を忠実に計測できるという利点があ
る。ただし、レジストのようなパターンの計測の場合にパターン底部の形状の計
測、さらには、レジストが底部に残っているかどうかという情報の計測が可能な
望ましいが、この必要性に対しては応えきれていなかった。また、高速化のため
には探針の共振周波数を高く、しかも、探針の慣性を小さくする必要があったが
、このためには、探針の先端のカンチレバー部を小さくする必要があったが、従
来の光てこ方式ではレーザの反射面の確保と調整のため５０マイクロメートル程
度のエリアが必要であり、高速化に限界があった。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−１４２２４０号公報
【特許文献２】特開２０００−１６２１１５号公報
【特許文献３】特開平６−７４７５４号公報
【特許文献４】特開平１１−３５２１３５号公報
【特許文献５】特開２００１−３３３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記説明したように、従来技術では測定スループット向上のための探針の試料
へのアプローチの高速化の課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、上記課題を解決すべく、高感度な近接センサを備えて探針の
試料へのアプローチが高速な走査プローブ顕微鏡及びこれを用いた資料観察方法
を提供することにある。
【００１０】
また、本発明の別の目的は、レジストパターンなどの脆弱な試料に対してダメ
ージの少ない走査方式を用いて立体形状像を得ると同時に、試料材質に対する、
電気容量、弾性、光学的性質といった付加的情報の分布を立体像と同時にスルー
プットを落とさずに得ることである。また、本方式による走査を高速化するため
に、プローブ先端のカンチレバーサイズを小さくしてもたわみが検出可能で調整
が容易な走査プローブ顕微鏡を提供することである。
【００１１】
また、本発明の別の目的は、傾斜の急な試料段差部に対して正確な形状を計測
するために探針傾斜スキャン機能を付与することである。
【００１２】
また、本発明の別の目的は、半導体試料のパターンを計測しプロセス条件にフ
ィードバックすることにより、安定で高精度なデバイスの製造方法を提供するこ
とである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記した目的を達成するために、本発明では、走査プローブ顕微鏡に光学式の
高さ検出機能を備えた高感度な近接センサを具備することにより探針の試料への
アプローチを高速に行えるようにした。
【００１４】
また、本発明では、走査プローブ顕微鏡において、プローブを間歇的に試料に
接触させて探針を試料上で引きずらないようにしながら試料高さデータを得ると
同時に、試料への接触期間に、探針に電圧を掛けたり、探針を振動させて応答を
計測したり、試料表面の局所的光強度を検出したりして、スループットを落とさ
ずに試料上の材質の分布に関する付加的情報を得られる構成とした。
【００１５】
また、本発明では、走査プローブ顕微鏡において、傾斜の急な試料段差部に対
して、探針を傾斜させて走査を行うことによって段差部の正確な形状の計測を可
能にした。
【００１６】
更に、本発明では、半導体デバイスなどの極微細な構造を備えた試料を製造す
る方法において、上記した走査プローブ顕微鏡を用いて、半導体パターンあるい
はレジストパターンを観察し、この観察の結果をプロセス装置の動作条件にフィ
ードバックすることにより、半導体デバイスなどの極微細な構造のデバイスを安
定して製造できるようにした。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高感度な近接センサを具備することによって、試料と探針の
高速な接近を実現でき、計測のスループットを向上できるという効果を奏する。
【００１８】
また、本発明によれば、プローブを間歇的に試料に接触させて探針を試料上で
引きずらないようにしながら試料高さデータを得ると同時に、スループットを落
とさずに試料上の材質の分布に関する付加的情報が得られるという効果を奏する
。
【００１９】
また、本発明によれば、傾斜の急な試料段差部に対して、探針を傾斜させて走
査を行うことによって段差部の正確な形状の計測を実現できるという効果を奏す
る。
【００２０】
また、本発明によれば半導体パターンを高スループットで計測出来るので、安
定に高精度なデバイスを製造できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明にかかわる走査プローブ顕微鏡の構成を示す図である。図２は探
針周りの一実施例の拡大図である。Ｘ、Ｙ、Ｚに駆動が可能な試料ステージ３０
２上に試料５０１が載せられており、走査制御部２０１によって制御されている
。この上には探針１０３があり、探針駆動部２０２からの制御により探針１０３
を取り付けた探針移動機構２５２はＸ、Ｙ、Ｚに駆動され、これによって走査プ
ローブ顕微鏡のプローブ走査を行う。２５２は探針ホルダー１０１に取り付けら
れていて、探針ホルダー１０１は探針ホルダー上下機構２５３によって、鏡筒１
０２に取り付けられており、探針ホルダー駆動部２０３からの制御によってＺ方
向に粗動駆動される。探針移動機構２５２は微動機構であり、動作距離が大きく
ないために、探針の試料への接近は探針ホルダー上下機構２５３によって行う。
あるいは、別の実施例として試料ステージ３０２側の駆動によって短針の試料へ
の接近を行ってもいい。また、走査プローブ顕微鏡のプローブ走査も試料ステー
ジ３０２側の駆動によってもよい。
【００２２】
近接センサ２０４は探針の先端付近の高さを高感度で計測するためのセンサで
あり、これによって、探針の試料への接触を事前に検出して接近速度を制御する
ことで、探針を試料にぶつけることなく高速な試料への接近を実現できる。近接
センサ２０４は後述するように光を用いてもいいが、検出範囲が数十マイクロメ
ートル以上あり、１マイクロメートル程度の感度で試料との距離を検出できるセ
ンサであればほかのセンサを用いてもよい。たとえば、試料ホルダー１０１ある
いは探針１０３のカンチレバー部と試料５０１との間に交流電圧をかけることに
よって、静電容量を測り、距離を検出する静電容量式センサや、試料ホルダー１
０１と試料５０１との間に空気を流して圧力を検出するエアマイクロセンサを用
いてもよい。
【００２３】
走査制御部２０１は探針のたわみ検出センサ２０５、近接センサ２０４、探針
ホルダー駆動部２０３、探針駆動部２０２試料ステージ３０２を制御して探針の
近接、試料の走査等を実現する。このとき、試料の走査時の信号をＳＰＭ像形成
装置２０８に送ることによって、試料の表面形状像を得る。また、信号印加装置
２０７は探針を高周波数で加振して応答をたわみ検出センサ２０５で検出し表面
の弾性などを計測したり、探針と試料の間に交流あるいは直流電圧をかけて電流
を測定し、容量あるいは抵抗を計測したりする。これを探針のスキャンと同時に
行うことによってＳＰＭ像形成装置２０７に表面形状像のほかに、付加的性質の
分布像を得ることが出来る。
【００２４】
探針ホルダー１０１に対物レンズを組み込んだ場合には、光学像センサ２０６
で試料の光学像を得ることによるＳＰＭ測定エリアの同時観察、探針１０３の取
りつけ時の調整に用いることが出来る。
【００２５】
装置全体の動作は全体制御装置２０９によって制御され、表示・入力装置２５
１によって、操作者の指示を受けたり、光学像やＳＰＭ像を提示したりすること
が出来る。
【００２６】
図３は光学系の一実施例を示す図である。光源１１１から出射した光はレンズ
１１２で平行光に変えられてミラー１１３で反射され、探針ホルダー１０１の内
部に形成された対物レンズに入射し、試料上５０１上に焦点を結ぶ。光源１１１
に組み込む開口の形状によって、スポットあるいはスリットなど、任意の形状の
像を形成できる。試料で反射した光は再び対物レンズを通り、ミラー１１４で反
射され、結像レンズ１１５で検出器１１６上に像を結ぶ。像の位置は試料５０１
の高さによって移動する。移動量は試料への検出項１１０の入射角をθ、レンズ
１１５による結像倍率をｍ、試料の高さをＺとすると、２ｍＺtanθとなるので
、この移動量を計測すれば試料の高さＺが検出できる。検出器１１６は像の位置
が検出できればいいので、ＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）・分割型
ホトダイオード・リニアイメージセンサなど何でもよい。
【００２７】
また、上記説明は検出光１１０が対物レンズを通るという構成での説明であっ
たが、検出光１１０が対物レンズの外部を通りもう一枚の図示されていないミラ
ーで折り曲げられて、試料上に結像される構成も考えられる。このとき、レンズ
１１２および１１５はそれぞれ光源１１１およびセンサ１１６を試料５０１と結
像関係になるように調整される。この場合のセンサ１１６上の像の移動量は２ｍ
Ｚsinθとなる。
【００２８】
以下探針のたわみ検出系について説明する。光源１３１から出た光はレンズ１
３２とビームスプリッタを通り、さらにビームスプリッタ１３４を通って対物レ
ンズを通過して探針のカンチレバー部に照射される。ここで反射した光は同じ道
を戻ってビームスプリッタ１３３を通過し、レンズ１３５を介してセンサ１３６
に照射される。レンズ１３５は対物レンズの射出瞳とセンサ１３６が結像関係に
なるように構成され、これによってカンチレバーの反射面の傾きに比例した位置
変化がセンサ１３６上の光に生起される。これを１３６の位置に置いたＰＳＤ（
ポジションセンシティブデバイス）・分割型ホトダイオード・リニアイメージセ
ンサなどによって検出することによってカンチレバーの傾き（たわみ）を検出す
ることが可能になる。
【００２９】
また、二次元型のＰＳＤ、イメージセンサ、４分割フォトダイオードを用いる
ことにより、たわみと同時にねじれを検出することも可能になる。本検出光１３
０を試料観察系の光と分離するために光源１３１は単色のレーザとして、この光
だけを通すようにレンズ１３５の前後に干渉フィルターを設けるのが望ましい。
【００３０】
さらに効率を上げるためにビームスプリッタ１３４はダイクロイックミラーと
してもよい。また、ビームスプリッタ１３３を偏光ビームスプリッタとしてレー
ザ１３１の偏光方向を１３３によって反射されるＳ偏光とし、ビームスプリッタ
１３３と１３４の間に１／４波長板（図示せず）を置くことによって、Ｓ偏光を
円偏光に変換して探針１０３の反射面に当て、反射光を再び１／４波長板でＰ偏
光に変えて偏光ビームスプリッタ１３３を透過させてもよい。
【００３１】
試料観察系は照明光源１５４より出射し、コンデンサレンズ１５３を通り、ビ
ームスプリッタ１５５で反射し、ビームスプリッタ１３４を透過し、１０１ない
の対物レンズを通って試料５０１を照明する。試料の反射光は再び対物レンズを
透過し、ビームスプリッタ１３４と１５５を透過して結像レンズ１５２で結像さ
れ、イメージセンサ１５１で検出される。
【００３２】
以上、図３を用いて説明したように、探針と試料観察系と試料高さセンサと探
針たわみ検出光学系を同軸で構成することにより、ＳＰＭ計測位置の同時観察、
探針の調整の容易化、高速な探針と試料との接近が可能になる。また、探針たわ
み検出光学系を同軸で構成したことによって、カンチレバー部の幅の小さい探針
に対しても、検出光１３０を照射できるようになり、より軽くて共振周波数の高
い探針を用いることによって、走査の高速化を可能とする。すべて対物レンズ１
０１を通して検出するようにしたことにより、対物レンズを探針と近づけること
が可能になり、高解像度の試料の光学観察が可能となる。また一方、作動距離の
長い対物レンズを用いて、試料高さセンサと探針たわみセンサの少なくとも一方
を対物レンズと試料の間の隙間を斜めから光を投影・検出するオフアクシス構成
ももちろん考えられる。
【００３３】
また、別の構成として、ヘテロダイン干渉法を用いて探針１０３のたわみを検
出する方法も考えられる。光源１３１の位置に周波数ｆｏの点光源と周波数ｆで
周波数シフトした周波数ｆｏ＋ｆの点光源を配置する。点光源の配置のためには
レーザをレンズで絞っても、ファイバーの出射端をここに置いてもいい。この像
を探針１０３の二点に形成するように光学系を調整する。
【００３４】
図９に示すように、一方は探針のカンチレバー部の先端に、もう一方は根元に
像を形成させる、この反射光は１３６の位置で交差するので１３６にフォトダイ
オードを置くと、二本の光は干渉して周波数ｆのビートを発生する。このビート
信号を周波数シフタに与えた周波数ｆの信号を基準としてロックイン検出して位
相を求めると、この位相の変化がすなわちカンチレバーの傾きの変化となる。こ
れによって、カンチレバーのたわみを検出できる。あるいは、周波数シフタに与
えた信号を用いる代わりに、レンズ１３２を通ってからビームスプリッタ１３３
で反射されずに透過した光を二本のビームがクロスするところで別のフォトダイ
オード（図示せず）で検出して、周波数ｆの基準信号としてよい。
【００３５】
また、別の構成として、ひずみゲージのようなひずみの変化を反映する信号を
得られるものを探針に組み込んで、光学式たわみセンサの替わりとして用いても
よい。
【００３６】
以下、図８を用いて本発明による試料高さセンサを用いた探針と試料の高速接
近制御について説明する。まず探針微動機構（探針移動機構２５２）は伸ばした
状態（探針微動高さの低い状態）にしておく。つぎに試料高さセンサ２０４をモ
ニタしながら、高速で（１〜１０ｍｍ／ｓ程度）探針粗動機構（探針ホルダー上
下機構２５３）探針をおろす（探針粗動高さを下げる）。試料高さセンサ２０４
の出力が１０〜数十マイクロメートルになったところで低速接近に切り替える（
０．１ｍｍ／ｓ程度）。探針のたわみ検出センサ２０５の出力を監視して、これ
が大きくなりだした所で、探針微動機構を一気に縮める（図８の探針高速退避）
。
【００３７】
通常行われている探針をＳＰＭサーボモードにして近づける方法では探針の制
御帯域に縛られて低速接近時の速度を上げるのが難しいにの比べて、このように
、サーボモードにせずに接触を感知した瞬間に一気に縮めることによって、低速
接近の速度をあげられる利点がある。このあと、探針高速退避を行った後、サー
ボをＯＮにすることによって、ゆっくりと探針を試料に対して接触状態に持って
いく。なお、以上の説明は探針側を駆動する前提で説明したが、試料ステージ３
０２側を駆動して探針を接近させる場合も同様であることはいうまでもない。
【００３８】
つぎに、レジストパターンのようなアスペクトが高い軟脆材料サンプルの計測
に適した探針スキャンモードについて図４を用いて説明する。（ｂ）のように探
針を引き上げてはおろして接触圧（すなわち探針たわみ）が一定になるようなサ
ーボをかけるという動作（Ｔｃの区間）を試料と探針の水平方向の相対位置を変
化させながら繰り返すことによって、飛び飛びの測定点のみで試料の高さを測っ
てゆく。繰り返し周期はＴｓである。これによって探針が試料を引きずらないた
めに試料に対するダメージが少なく、また、段差部での形状を忠実に計測できる
探針走査が実現できる。これ自身は特開２００１−３３３７３などに開示されて
いる方法であるが、レジストパターンなどの計測に適した実施例として、以下の
発明を説明する。
【００３９】
探針の先端はあるテーパ角を持っており、これよりも切り立った段差部の形状
は走査プローブ顕微鏡では従来正確には計測できなかったが、段差を検出すると
（ａ）に点線で図示したように探針を傾斜させてスキャンさせるようにする。探
針を傾斜させる方法としては探針のホルダーに微小回転機構を設ける方法もある
が、「Ｔ．Ｒ．Ａｌｂｒｅｃｈｔ、Ｓ．Ａｋａｍｉｎｅ、Ｍ．Ｊ．Ｚｄｅｂｌｉ
ｃｋ、Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ８（１）
、３１７（Ｊａｎ．／Ｆｅｂ．、１９９０）」に開示されているような図５に示
した圧電薄膜型カンチレバーを用いる方法もある。いわゆるバイモルフ構造にな
っており、中間電極Ｇの上下に圧電体が設けられ、その反対側に電極Ａ、Ｂ、Ｃ
、Ｄが形成されている。ここで、Ａ−Ｇ、Ｄ−ＧとＢ−Ｇ、Ｃ−Ｇに逆方向の電
圧変化を与えるとねじれ変形が生起され、探針を傾けることができる。探針のね
じれは、探針のたわみ検出器１３６に４分割フォトダイオードを用いれば簡単に
検出することが可能である。
【００４０】
またレジストパターンの計測に対してはレジストパターン底部にレジストが残
っているかどうかを検出するニーズが高い。また、近年の半導体においては、平
坦化構造が一般化して研削によって表面の凹凸を無くしたパターンに対して、そ
の材質の境界を知るニーズも高くなっている。これらのニーズに応えるためには
、立体表面形状の計測と同時に表面の容量、光学特性、弾性などの機械的性質の
分布を測定する技術が必要となる。
【００４１】
図４（ｂ）で説明した走査方式では各測定周期Ｔｓの間に試料表面に探針が接
触している期間Ｔｃがあるので、この期間に同期して各種表面物性の計測を行う
ことによって、表面形状像と同時に各種物性分布計測を行うことができる。図４
（ｃ）は探針と試料の間に交流電圧を掛け、流れる電流を同期検波することで局
所的な容量を計測する実施例である。また、図４（ｄ）は探針内部を光が透過す
るようにしておき、試料を照明しておいて探針の先端から光をファイバー１７０
に導いてレンズ１７１を介してセンサ１７２に導きＴｃの期間に光量検出するこ
とで、試料の局所光学特性の分布を求める実施例である。このようにすることに
よって、例として、図４（ｃ）（ｄ）に示したようなシリコンに酸化シリコンを
埋め込んで研磨した平坦な試料に対しても、観察・計測が行える。
【００４２】
さらに図６はＴｃの期間に探針を周期Ｔで微小振動させている実施例である。
このときのＴはＴｓあるいはＴｃに比べて十分小さいものとする。このときの探
針のたわみ信号を得て加振入力信号に対して同期検出して、振幅および位相を求
めることにより試料表面の局所的機械的性質に対する分布を得ることができる。
また、探針先端を照明しておいて、先端にからの散乱光あるいは図４（ｄ）のよ
うな光学系で就航した光を検出して、探針の振動に対して同期検出することによ
り、試料の局所光学特性の分布を求めることもできる。
【００４３】
あるいは、図７のように常に探針を周期Ｔ（ただしＴ≪Ｔｃ）で加振しておき
、探針の試料との接触による振幅の減少を検出することにより、試料の高さを検
出することも可能である。
【００４４】
次に図１０を用いて、レジストパターンを計測する例を示す。レジストパター
ンの計測では（ａ）のように垂直にパターンが切れているか、（ｂ）のようにレ
ジストが薄く残っているか、（ｃ）のように溝あるいは穴の下部が狭まっている
かを見分ける必要がある。本発明によれば、これらを見分けることが可能になる
。
【００４５】
さらに図１１では、本発明を用いたデバイス製造方法について示す。ウェハ６
２０をプロセス装置６０１、６０１'に流してデバイスを形成していく。プロセ
ス装置６０１、６０１'は場合によってエッチャーであったり、ＣＭＰ装置であ
ったり、露光装置であったり、現像装置であったりする。これらの工程を経た抜
き取りウェハあるいはダミーウェハ６２１をもちいて、本発明の走査プローブ顕
微鏡６０３によってウェハ上に形成されたパターンを観察・計測する。あるいは
、スループットが大きいので全ウェハを本発明の走査プローブ顕微鏡６０３で観
察・計測してもよい。
【００４６】
本発明では、パターンの立体形状や表面の状態の分布を試料にダメージを与え
ることなく正確に観察・計測できるので、観察・計測結果をプロセス装置６０１
、６０１'のプロセス条件にフィードバックすることで、安定に高精度なデバイ
スを製造できる。場合によってはフィードバックの経路６１０に専用のデータ処
理サーバを介してもよい。
【００４７】
また、本発明の走査プローブ顕微鏡６０３で観察・計測して得られたデータを
、回線を介して他のデータ処理装置へ送って他の検査・観察・分析装置で得られ
たデータと組合わせて処理することもできる。例えば、本発明の走査プローブ顕微
鏡６０３で観察・計測して得られたデータを他の分析装置で得られた試料の分析
データと組合わせて解析することにより、試料表面の欠陥や組成の２次元的又は
３次元的な分布などのより詳細な情報を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】走査プローブ顕微鏡の全体の構成を示す図である。
【図２】探針周りの一実施例の拡大図である。
【図３】光学系の一実施例を示す図である。
【図４】探針の制御方法を示す図である。
【図５】探針の傾きを制御可能なカンチレバーの構造を示す図である。
【図６】試料と探針の接触期間中に探針を加振した状態を示す図である。
【図７】常に高周波数で微小振動させながら微小振動の周波数より十分遅い周期Ｔｃで試料高さの計測を行うようすを示す図である。
【図８】探針―試料間距離の高速接近制御の方法を示す図である。
【図９】ヘテロダイン干渉によって、探針のたわみを計測する原理を示す図である。
【図１０】本発明によって判別できるレジストパターンの例を示す図である。
【図１１】本発明によって、半導体のプロセスの条件制御を行う実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０１…探針ホルダー、１０２…鏡筒、１０３…探針、１１１…光源、１１２…
レンズ、１１３…ミラー、１１４…ミラー、１１５…レンズ、１１６…検出器、
１３１…光源、１３２…レンズ、１３３…ビームスプリッタ、１３４…ビームス
プリッタ、１３５…レンズ、１３６…検出器、１５４…照明光源、１５３…コン
デンサレンズ、１５５…ビームスプリッタ、１５２…結像レンズ、１５１…イメ
ージセンサ、１７０…光ファイバー、１７１…レンズ、１７２…検出器、２０１
…走査制御部、２０２…探針駆動部、２０３…探針ホルダー駆動部、２０４…近
接センサ、２０５…たわみ検出センサ、２０６…光学像センサ、２０７…信号印
加装置、２０８…ＳＰＭ像形成装置、２５０…全体制御装置、２５１…入力・表
示装置、２５２…探針移動機構、２５３…探針ホルダー上下機構、３０２…試料
ステージ、５０１…試料、６０１…プロセス装置、６０３…走査プローブ顕微鏡
、６１０…フィードバック情報、６２０…ウェハ、６２１…抜き取りあるいはダ
ミーウェハ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料と探針との相互の位置を制御可能な駆動機構と、前記試料と前記探針との接触状態を計測する探針たわみセンサを備えた走査プローブ顕微鏡であって、前記探針を傾斜させるための傾斜機構を介して前記探針の取り付けられたカンチレバーが前記駆動機構に設置され、前記探針たわみセンサが前記試料の段差部に前記探針が到達したことを検知したとき、前記傾斜機構によって前記段差の斜面に対して垂直な方向に前記探針を傾けるようにしたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記傾斜機構は微小回転機構を用いて前記探針を傾斜させることを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記傾斜機構は前記カンチレバーに設置された圧電素子を備えてなり、該圧電素子に印加する電圧信号によって発生するねじれ変形力を用いて前記探針を傾斜させることを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記段差部の傾斜面のなす角度が前記探針のテーパ角より小さいことを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項１】
試料と探針との相互の位置を制御可能な駆動機構と、前記試料と前記探針との接触状態を計測する探針たわみセンサを備えた走査プローブ顕微鏡であって、前記探針を傾斜させるための傾斜機構を介して前記探針の取り付けられたカンチレバーが前記駆動機構に設置され、前記探針たわみセンサが前記試料の段差部に前記探針が到達したことを検知したとき、前記傾斜機構によって前記段差の斜面に対して垂直な方向に前記探針を傾けるようにしたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記傾斜機構は微小回転機構を用いて前記探針を傾斜させることを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記傾斜機構は前記カンチレバーに設置された圧電素子を備えてなり、該圧電素子に印加する電圧信号によって発生するねじれ変形力を用いて前記探針を傾斜させることを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記段差部の傾斜面のなす角度が前記探針のテーパ角より小さいことを特徴とする請求項１に記載の走査プローブ顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−２７６０２７（Ｐ２００６−２７６０２７Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３４６８７（Ｐ２００６−１３４６８７）
【出願日】平成１８年５月１５日（２００６．５．１５）
【分割の表示】特願２００２−１９０４（Ｐ２００２−１９０４）の分割
【原出願日】平成１４年１月９日（２００２．１．９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１５日（２００６．５．１５）
【分割の表示】特願２００２−１９０４（Ｐ２００２−１９０４）の分割
【原出願日】平成１４年１月９日（２００２．１．９）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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