專利名稱:掃描探針顯微鏡、使用其的試樣觀察方法及裝置制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種掃描探針顯微鏡技術(shù)、使用其的試樣觀察方法以及裝置制造方法。
背景技術(shù)：
作為微觀立體形狀的測量技術(shù)，掃描探針顯微鏡(SPMScanningProbe Microscope)是已知的。這是一種一邊控制尖頭探針、一邊使接觸力保持在非常小的值來掃描試樣的技術(shù)，被廣泛用作可對(duì)原子量級(jí)的微觀立體形狀進(jìn)行測量的技術(shù)。
另一方面，目前在LSI的微觀圖案形成過程中，進(jìn)行使用了CD-SEM(測長SEM)的尺寸管理，但隨著圖案的微觀化，出現(xiàn)下述極限。(1)測定精度的問題。在2007年將成為主流的65nm節(jié)點(diǎn)LSI的選通脈沖寬度是25nm，如果設(shè)允許誤差為10％、測定精度為允許誤差的20％，則必須的測定精度為0.5nm。(2)輪廓測量的要求。為了進(jìn)行線寬的高精度控制，APC(先進(jìn)過程控制，Advanced Process Control)化的必要性增強(qiáng)，但因此需要不僅是圖案線寬、而且對(duì)電特性有很大影響的截面形狀的測量技術(shù)。(3)測定對(duì)象的問題。對(duì)DUV(深紫外光)用保護(hù)膜、低K(低介電系數(shù))膜材料等對(duì)電子射線的耐性弱的材質(zhì)的測定需求增大。
對(duì)于上述問題及要求，利用現(xiàn)有的CD-SEM難以處理。因此，掃描探針顯微鏡技術(shù)被認(rèn)為是有希望的。這種情況下需要的是可應(yīng)對(duì)縱橫尺寸比大、臺(tái)階狀變形部的傾斜接近90度的圖案的掃描探針顯微鏡技術(shù)。
針對(duì)這一點(diǎn)，在專利文獻(xiàn)1中，公開了下述方法使試樣或探針以一定振幅振動(dòng)，周期性地一邊使探針與試樣觸碰一邊進(jìn)行掃描，從而減輕對(duì)軟脆試樣及探針的破壞。另外，專利文獻(xiàn)2中公開的掃描方法是，僅在分散的測定點(diǎn)啟動(dòng)探針的伺服機(jī)構(gòu)來測量高度，在提起探針的狀態(tài)下朝向下一測定點(diǎn)，這種方法進(jìn)一步減少了接觸次數(shù)，從而減少了對(duì)軟脆試樣及探針的破壞。另外，由于不拖拉探針，因而具有可忠實(shí)地測量臺(tái)階狀變形部的形狀的優(yōu)點(diǎn)。另外，在專利文獻(xiàn)3中，還公開了組合上述兩者的動(dòng)作的方法。
專利文獻(xiàn)1特開平11-352135號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2特開2001-33373號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3特開2002-206999號(hào)公報(bào)但是，使用上述方法也存在在急傾斜部探針產(chǎn)生若干滑動(dòng)、測定出的形狀變形的問題。還存在因探針的滑動(dòng)及探針的振動(dòng)而使探針磨損的問題。
換言之，在上述專利文獻(xiàn)所公開的技術(shù)中，對(duì)于縱橫尺寸比大的試樣，在急傾斜部探針產(chǎn)生若干滑動(dòng)、測定出的形狀變形，從而難以測量正確的形狀。另外，因探針的滑動(dòng)及振動(dòng)使探針磨損，從而難以穩(wěn)定地、高精度地測量形狀。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于通過使用針對(duì)每個(gè)測定點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行探針的退避·接近的測定方法，不破壞試樣、并且高速地進(jìn)行高精度的形狀測量。另外，本發(fā)明的目的在于，通過測量半導(dǎo)體試樣的圖案，并反饋到加工條件中，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、高精度的裝置制造。
為了解決上述問題，本發(fā)明的掃描探針顯微鏡的特征在于采用針對(duì)每個(gè)測定點(diǎn)重復(fù)進(jìn)行探針的退避·接近的測定方法，以便可以進(jìn)行不破壞試樣的高精度測量，同時(shí)，使探針以原子量級(jí)的振幅進(jìn)行高頻微小振動(dòng)，從而高速、高靈敏度地檢測到接觸、并且進(jìn)行接觸時(shí)無探針滑動(dòng)的測定。另外，其特征在于通過測量半導(dǎo)體試樣的圖案并反饋到加工條件中，形成穩(wěn)定的、高精度的圖案，并且對(duì)于急劇傾斜的試樣的臺(tái)階狀變形部，通過使探針傾斜來進(jìn)行掃描，來測量臺(tái)階狀變形部的正確形狀，對(duì)于懸垂的臺(tái)階狀變形形狀，也可測量正確的形狀。
本發(fā)明可產(chǎn)生的效果是，通過具備高靈敏度的非接觸式傳感器，可實(shí)現(xiàn)試樣與探針的高速接近，從而可提高測量的總處理能力。
還可產(chǎn)生如下效果使探針間斷地接觸試樣，不在試樣上拖拉探針，從而對(duì)于軟脆材料或臺(tái)階狀變形陡峭的圖案可實(shí)現(xiàn)高精度的測量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速的試樣掃描，對(duì)于急劇傾斜的試樣的臺(tái)階狀變形部，通過使探針傾斜進(jìn)行掃描，可實(shí)現(xiàn)臺(tái)階狀變形部的正確形狀的測量。



圖1是表示本發(fā)明實(shí)施例1的掃描探針顯微鏡的整體結(jié)構(gòu)的圖。
圖2是表示探針動(dòng)作的圖，還對(duì)應(yīng)本發(fā)明實(shí)施例17、18的、控制探針退避距離時(shí)探針的動(dòng)作。
圖3是表示探針與試樣傾角的關(guān)系的圖，還對(duì)應(yīng)本發(fā)明實(shí)施例9的、適于半導(dǎo)體圖案等縱橫尺寸比高的樣本的測量的關(guān)系。
圖4是表示基于振動(dòng)的接觸狀態(tài)檢測的原理的圖。
圖5是表示帶電對(duì)基于振動(dòng)的接觸狀態(tài)檢測的影響的圖。
圖6是表示本發(fā)明實(shí)施例2的掃描探針顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)的圖。
圖7是表示本發(fā)明實(shí)施例3的另一光學(xué)系統(tǒng)的圖。
圖8是表示利用外差干涉測量探針的撓度的原理的圖。對(duì)應(yīng)本發(fā)明的實(shí)施例4。
圖9是表示本發(fā)明實(shí)施例5的另一光學(xué)系統(tǒng)的圖。
圖10是表示本發(fā)明實(shí)施例6的又一光學(xué)系統(tǒng)的圖。
圖11是表示本發(fā)明實(shí)施例7的又一光學(xué)系統(tǒng)的圖。
圖12是表示本發(fā)明實(shí)施例8的又一光學(xué)系統(tǒng)的圖。
圖13是表示本發(fā)明實(shí)施例10的、根據(jù)試樣的傾角來改變探針的測量步驟的例子的圖。
圖14是表示本發(fā)明實(shí)施例11的、可控制傾角的探針的另一結(jié)構(gòu)例子的圖。
圖15是表示本發(fā)明實(shí)施例12的、可控制傾角的探針的結(jié)構(gòu)例子的圖。
圖16是表示可應(yīng)對(duì)懸垂的探針結(jié)構(gòu)例子的圖。
圖17是表示本發(fā)明實(shí)施例13的、可控制傾角的探針的另一結(jié)構(gòu)例子的圖。
圖18是表示本發(fā)明實(shí)施例14的、可判別保護(hù)膜圖案的例子的圖。
圖19是表示本發(fā)明實(shí)施例15的、進(jìn)行半導(dǎo)體加工條件控制的例子的圖。
圖20是表示本發(fā)明實(shí)施例16的、進(jìn)行半導(dǎo)體晶片測量時(shí)的裝置結(jié)構(gòu)的圖。
圖21是表示本發(fā)明實(shí)施例19的、對(duì)應(yīng)懸臂傾角的光學(xué)系統(tǒng)的圖。
圖22是表示本發(fā)明實(shí)施例20的、對(duì)應(yīng)懸臂傾角的光學(xué)系統(tǒng)的圖。
圖23是表示本發(fā)明實(shí)施例21的、對(duì)應(yīng)懸臂傾角的光學(xué)系統(tǒng)的圖。
圖24是表示本發(fā)明實(shí)施例22的、對(duì)應(yīng)懸臂傾角的光學(xué)系統(tǒng)的圖。
圖25是表示本發(fā)明實(shí)施例23的、對(duì)應(yīng)懸臂傾角的光學(xué)系統(tǒng)的圖。
具體實(shí)施方式
下面，參照附圖來說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
(實(shí)施例1)圖1表示本發(fā)明實(shí)施例1的掃描探針顯微鏡的結(jié)構(gòu)圖。在可沿X、Y、Z驅(qū)動(dòng)的試樣臺(tái)302上載有試樣501，由掃描控制部201控制。由來自XYZ掃描驅(qū)動(dòng)部203的信號(hào)沿X、Y、Z方向驅(qū)動(dòng)安裝了探針103的探針移動(dòng)機(jī)構(gòu)252，由此進(jìn)行掃描探針顯微鏡的探針掃描。
利用來自探針驅(qū)動(dòng)部202的信號(hào)，可在探針103本身或由配置于探針根部的壓電元件等構(gòu)成的致動(dòng)器中產(chǎn)生微小振動(dòng)?；蛘?，作為另一實(shí)施例，也可將來自探針驅(qū)動(dòng)部202的信號(hào)重疊在來自XYZ掃描驅(qū)動(dòng)部203的信號(hào)上，通過在探針移動(dòng)機(jī)構(gòu)中引起微小振動(dòng)，在所安裝的探針103中激發(fā)振動(dòng)?；蛘呷绾笏?，也可通過將直接振動(dòng)激勵(lì)光照射到探針上，在探針103中激發(fā)微小振動(dòng)。
在圖1中，101是探針·試樣觀察透鏡，通過該透鏡從上方觀察試樣·探針、測定振動(dòng)、激發(fā)振動(dòng)、測定試樣高度。該透鏡在探針移動(dòng)過程中始終聚焦到探針上來進(jìn)行跟蹤，所以最好與探針一體地由探針移動(dòng)機(jī)構(gòu)252驅(qū)動(dòng)。
探針103與試樣501的接近也可通過試樣臺(tái)302向Z方向的驅(qū)動(dòng)控制、或探針移動(dòng)機(jī)構(gòu)252具有的Z方向粗調(diào)功能來實(shí)現(xiàn)。掃描控制部201利用由接觸狀態(tài)檢測器205檢測出的探針103與試樣501的接觸狀態(tài)，控制探針103與試樣501的接近。
非接觸式傳感器204是用于以高靈敏度來測量探針頂端附近的高度的傳感器，在除了來自接觸狀態(tài)檢測器的信息外還使用該傳感器的情況下，通過提前檢測到探針對(duì)試樣的接觸、從而控制接近速度，可在不使探針碰撞試樣的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣的高速接近。也可如后所述在非接觸式傳感器204中使用光，但只要檢測范圍在幾十微米以上、可以以1微米左右的靈敏度檢測出與試樣的距離的傳感器，也可使用其他的傳感器。
例如，也可使用如下傳感器通過在未圖示的、設(shè)置于試樣501之上的傳感器頭或探針103與試樣501之間施加交流電壓，來測量靜電電容，從而檢測距離的靜電電容式傳感器；或通過在未圖示的、設(shè)置于試樣501之上的傳感器頭與試樣501之間使來自傳感器頭的空氣流動(dòng)，來檢測壓力的空氣微型傳感器。
掃描控制部201通過控制探針的接觸狀態(tài)檢測器205、非接觸式傳感器204、探針支架驅(qū)動(dòng)部203、探針驅(qū)動(dòng)部202和試樣臺(tái)302，實(shí)現(xiàn)探針的接近、試樣的掃描等。這時(shí)，通過向SPM像形成裝置208發(fā)送試樣掃描時(shí)的信號(hào)，可得到試樣的表面形狀像。另外，信號(hào)施加裝置207以高頻激振探針，利用接觸狀態(tài)檢測器205檢測出響應(yīng)，從而測量表面彈性等，或在探針與試樣之間施加交流或直流電壓并測定電流，從而測量電容或電阻。
通過與探針的掃描同時(shí)地進(jìn)行上述動(dòng)作，在SPM像形成裝置207中除了得到表面形狀像之外，還可得到附加性質(zhì)的分布像。
裝置整體的動(dòng)作由整體控制裝置250控制，利用顯示·輸入裝置251來接受操作者的指示，或提示光學(xué)像或SPM像。
由圖1的接觸狀態(tài)檢測器205檢測出的光強(qiáng)度信號(hào)A(t)的交流分量為cos2π(Δft+2Z/λ)。這里，Z為探針103由于振動(dòng)而產(chǎn)生的位移，λ為激光的波長，t為時(shí)間。因此，通過檢測出該信號(hào)的相位，可求出探針103的位移。可以將在相位的檢測中提供給雙頻光發(fā)生器701中的音響光學(xué)元件的頻率Δf的信號(hào)、或者將通過使從雙頻光發(fā)生器701產(chǎn)生的2條光束中的一部分分支、然后不碰撞探針地使其直接干涉而得到的頻率Δf的信號(hào)用作基準(zhǔn)，與A(t)一起輸入到相位檢測電路。
或者，如果檢測出光強(qiáng)度信號(hào)A(t)本身與使其延遲Δt后的信號(hào)A(t-Δt)的相位差，則該相位差的變化分量為2(Z(t)-Z(t-Δt))/λ，所以，可檢測在Δt之間Z的變化，即Z的速度。
這里，設(shè)探針的振動(dòng)頻率為g、振幅為B，則表示為Z(t)＝Bsin2πg(shù)t。于是，ΔZ＝Z(t)-Z(t-Δt)＝(2πg(shù)BΔt)cos(2πg(shù)t)，只要提高探針的振動(dòng)頻率g，則可提高振動(dòng)的檢測靈敏度，所以更好的是檢測與使A(t)本身延遲后的信號(hào)之間的相位差。
將這樣檢測出的探針103的振動(dòng)提供給信號(hào)發(fā)生器207，由帶通濾波器選擇希望使其振蕩的頻帶的信號(hào)，在提供了適當(dāng)?shù)南辔徊詈驮鲆嬷?，?jīng)由探針驅(qū)動(dòng)部202反饋到探針103，從而激振探針103?；蛘?，通過對(duì)提供給振動(dòng)激勵(lì)用光源702、并照射到探針103上的光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，來直接激振探針103。如果適當(dāng)?shù)卦O(shè)定相位差和增益，則探針以必需的振幅產(chǎn)生振動(dòng)。
圖2是表示探針的軌跡的圖。此前通常使用的方式是一邊保持探針與試樣的接觸，一邊使探針橫向移動(dòng)，從而描繪試樣表面的方式。其中存在的問題是，在急斜面部分上，橫向的力施加在探針上，從而使探針扭曲、或探針的振動(dòng)停止，從而不能正確地檢測出探針的接觸狀態(tài)。
而在本發(fā)明實(shí)施例1中，如圖2所示，使探針朝向試樣下降，在到達(dá)一定的接觸狀態(tài)時(shí)記錄探針的高度，然后提升探針，沿水平方向移動(dòng)探針，移動(dòng)到下一測定點(diǎn)，再次使探針下降。重復(fù)該過程來測定試樣的表面形狀。通過使用這種方法，即使在如圖3所示的急斜面部分，也可正確地測量試樣的表面形狀。
可是，即使使用這樣的方法，也存在探針稍稍產(chǎn)生若干滑動(dòng)、表面形狀就變形的問題。另外，對(duì)此雖然具有如專利文獻(xiàn)3中所公開的組合探針振動(dòng)的方法，但仍存在如下問題由于探針與試樣接觸時(shí)發(fā)生多次沖突，從而發(fā)生探針及試樣的磨損、損壞，另外，如果不發(fā)生多次沖突，則探針的振動(dòng)狀態(tài)不變化，所以探針·試樣間的接觸檢測的響應(yīng)性能惡化，在進(jìn)行高速的表面形狀測定時(shí)，形狀精度惡化、探針的磨損也變大。
在本發(fā)明中，通過使探針以原子量級(jí)的微小振幅高速地微小振動(dòng)，來減少探針的磨損，提高接觸檢測的響應(yīng)性能和靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)高速、正確的表面形狀測定。
圖4是表示探針的接觸狀態(tài)檢測原理的圖。如上面的圖所示，取探針頂端與試樣的距離為橫軸、取原子間力為縱軸，并以斥力為正時(shí)，若距離減小，則引力逐漸增加，但比某距離R更近時(shí)，引力開始減小，急劇地轉(zhuǎn)變成斥力，并且斥力增大。
如圖4的中間圖所示，若以縱軸為力梯度進(jìn)行重新繪圖，則力梯度以R為界，距離比其近則急劇地增加。若在該力場中使探針振動(dòng)，則將探針看作振子時(shí)的彈簧常數(shù)與探針振動(dòng)方向的原子間力的梯度相對(duì)應(yīng)地變化，如圖4的下面圖所示，在斥力增大區(qū)域，由于彈簧常數(shù)增加，共振頻率上升；在引力增大區(qū)域，由于彈簧常數(shù)減小，共振頻率降低。
如圖4所示，通過在與共振頻率fo錯(cuò)開了若干的f點(diǎn)激勵(lì)振動(dòng)，可設(shè)定成振動(dòng)振幅與設(shè)置了探針后的力梯度的大小相對(duì)應(yīng)地變化。利用該變化，可檢測出力梯度。
以前，為了使探針穩(wěn)定地振動(dòng)，并且為了以探針接觸為充分信號(hào)來進(jìn)行檢測，以從引力區(qū)域到斥力區(qū)域的幾納米至十幾納米這樣大的振幅使探針振動(dòng)，因此，在振動(dòng)下端斥力急劇增大。
相反，在本發(fā)明實(shí)施例1中，通過將振動(dòng)振幅抑制在原子量級(jí)的1納米以下，而將接觸力抑制得較小。減小振幅時(shí)，通常檢測S/N比(信號(hào)對(duì)噪聲比)惡化，但通過使振動(dòng)頻率增加，可增強(qiáng)信號(hào)。即，這是因?yàn)槿粼O(shè)振幅為A、頻率為g、以Asin2πg(shù)t表示振動(dòng)，則對(duì)其進(jìn)行微分后，位移速度為2πAgcos2πg(shù)t，位移速度的振幅與頻率成正比變大。位移速度如后所述，利用激光多普勒測量可高靈敏度地進(jìn)行檢測。
或者，也可以通過利用照射到探針上的激光的反射角來檢測另行后述的探針撓度的光杠桿信號(hào)的微分來求出。另外，除了振幅，相位或頻率也隨著接觸狀態(tài)而變化，所以也可將其檢測出來?；蛘?，在探針中組合應(yīng)變儀等利用探針變形來產(chǎn)生信號(hào)的傳感器，由此可檢測探針的振動(dòng)狀態(tài)。
再一個(gè)問題是接觸檢測的響應(yīng)速度。表示振動(dòng)銳利度的Q值由振動(dòng)頻率f和為振動(dòng)振幅一半的幅度w表示為Q＝f/w，但為使探針在檢測到接觸后振動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，必須重復(fù)Q次量級(jí)的振動(dòng)。即，作為響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)，要求T＝Q/f。Q通常是幾百的量級(jí)，f通常是100～300kHZ左右，因此，要求T＝1ms左右。另外，在彈簧常數(shù)是k＝10～50N/m左右、高速地進(jìn)行圖2示出的探針的接近動(dòng)作、從而以v＝10nm/ms左右的速度使探針接近時(shí)，由于在T期間內(nèi)前進(jìn)了vT＝10nm左右，所以產(chǎn)生kvT＝100～500n N左右的接觸力，從而產(chǎn)生探針的滑動(dòng)以及探針和試樣的破壞。
為了不產(chǎn)生探針的滑動(dòng)以及探針和試樣的破壞，必須至少抑制在5n N以下的接觸力，如果可能，則抑制在1nN以下。為了抑制接觸力，必須降低T。因此而利用懸臂或進(jìn)行勵(lì)振控制來控制Q的方法使接觸狀態(tài)的檢測靈敏度惡化，所以最多也只能降至20左右。因此，在探針的接近速度沒有降至v＝1nm/ms左右時(shí)，無法以1nN左右的接觸力來產(chǎn)生接近接觸動(dòng)作。
由于克服由試樣與探針間的表面張力等引起的吸附力的必要性和為了應(yīng)對(duì)試樣的凹凸，退避·接近距離必須確保為10nm左右，因此，探針接近所需的時(shí)間為10ms左右，即使使探針的退避和橫向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速化，退避·移動(dòng)·接近總計(jì)最短也需要10ms多的時(shí)間，從而不能充分提高測量速度。
為進(jìn)一步減小接觸力，必須進(jìn)一步降低接近速度，從而牽涉到測定時(shí)間的增大。為解決該問題，在本發(fā)明中提高振動(dòng)頻率。由此，響應(yīng)的時(shí)間常數(shù)T＝Q/f與頻率成反比地縮短，從而可高速地檢測出接觸狀態(tài)的變化。例如若將f提高至400KHz以上，則與100KHz的情況相比，可使接觸力降低至1/4，或使測量速度上升至4倍。
例如，如果將f提高至1MHz以上，則與100KHz的情況相比，可使接觸力降低至1/10，或使測量速度上升至10倍。例如在后者的情況下，可在接近速度為10nm/ms的接近速度下、以1nN的接觸力進(jìn)行測量，從而在退避距離為10nm時(shí)，可以以每個(gè)點(diǎn)1～2ms左右的速度進(jìn)行測量。另外，若使f提高至10MHz，則可以在相同的測量速度下，使接觸力降低至0.1nN。
作為用于實(shí)現(xiàn)高速·高精度化的另一實(shí)施例，通過對(duì)表示接觸狀態(tài)的信號(hào)橫穿設(shè)定閾值的瞬間的探針高度進(jìn)行采樣，即使是相同的接近速度，也可進(jìn)行接觸力更小狀態(tài)下的測定點(diǎn)試樣高度的測量。
下面示出其理由。在使探針朝向試樣下降、在達(dá)到一定的接觸狀態(tài)時(shí)記錄探針高度的方法中，由于接觸狀態(tài)檢測的延遲，探針在試樣斜面部分滑動(dòng)，從而有時(shí)會(huì)測量到探針變形后的高度?？墒牵ㄟ^設(shè)定不同于最終接觸狀態(tài)的微小接觸狀態(tài)閾值，并在橫穿該閾值的瞬間進(jìn)行采樣，可以測量到探針在試樣斜面部分滑動(dòng)、從而探針變形之前的正確高度。
第3個(gè)問題是對(duì)微觀圖案的處理。在測量微觀圖案的陡峭的溝的形狀時(shí)，必須一邊使探針振動(dòng)，一邊穩(wěn)定地移動(dòng)至溝底。這時(shí)，若振幅大，則在迫近兩側(cè)的側(cè)壁上被卡住，難以使探針到達(dá)溝底。半導(dǎo)體圖案在2007年為65nm，之后會(huì)進(jìn)一步窄至35nm。因此，必須使探針的振動(dòng)在1nm的量級(jí)。
為了提高探針的共振頻率，考慮了各種方法。第一個(gè)是結(jié)合高次諧波的頻率來激勵(lì)振動(dòng)的方法；第二個(gè)是不結(jié)合探針的彎曲振動(dòng)、而是結(jié)合扭曲振動(dòng)等其他模式的共振頻率來激勵(lì)振動(dòng)的方法；第3個(gè)是提高探針的基本共振頻率的方法。就第3個(gè)方法而言，單純地增厚探針懸臂部的厚度時(shí)，共振頻率增大，但彈簧常數(shù)也變大。若使懸臂部的形狀形成為長方形，并設(shè)寬度為b、厚度為h、長度為L、楊氏模量為E，則彈簧常數(shù)K＝Ebh^3/(4L^3)。另外，若設(shè)懸臂密度為ρ，則共振頻率為f=0.56(h/L^2)E/12ρ.]]>因此，例如，若一邊保持寬度b恒定，一邊按相同比例減小長度L和厚度h，則可在保持彈簧常數(shù)恒定的情況下，使共振頻率與長度L成反比增加。由此，可提高接觸狀態(tài)檢測靈敏度和響應(yīng)性能。
并且，如圖5所示，通過使用本方式，可減少試樣帶電的影響。與原子間力的變化方式相比較，因帶電而產(chǎn)生的靜電力從遠(yuǎn)距離開始慢慢增加。因此，斥力與距離的關(guān)系雖然偏差大，但由于靜電力的變化緩慢，所以若變換成力梯度，則如圖5的下面圖表所示止于微小的偏移。因此，在利用彈簧常數(shù)小的懸臂檢測探針—試樣間的靜態(tài)變形的方法中，探針變形大、接觸力的測定精度惡化，但如果使用使探針振動(dòng)來檢測接觸狀態(tài)的本發(fā)明的方法，則可將靜電影響抑制為較小。
(實(shí)施例2)圖6是表示本發(fā)明實(shí)施例2的掃描型探針顯微鏡的光學(xué)系統(tǒng)的圖。從光源111射出的光由透鏡112轉(zhuǎn)變成平行光，由反射鏡113反射，射入透鏡101，然后在試樣501上聚焦。根據(jù)組入光源111的孔徑的形狀的不同，可形成點(diǎn)或狹縫等任意形狀的像。由試樣反射的光再次通過物鏡，由反射鏡114反射，然后由成像透鏡115成像于檢測器116上。像的位置隨著試樣501的高度的不同而移動(dòng)。設(shè)檢測光110設(shè)向試樣的入射角為θ、透鏡115的成像倍率為m、試樣的高度為Z，則移動(dòng)量為2mZtanθ，所以如果測量該移動(dòng)量，則可檢測出試樣的高度。
檢測器116只要可檢測像的位置即可，所以可以是PSD(位置靈敏裝置)、分割型光電二極管、線性圖像傳感器等的任意一個(gè)。另外，上述說明是對(duì)檢測光110通過物鏡這樣的結(jié)構(gòu)的說明，但還考慮檢測光110通過物鏡的外部，由另一面未圖示的反射鏡折曲，然后在試樣上成像的結(jié)構(gòu)。這時(shí)，調(diào)整透鏡112及115，以分別使光源111及傳感器116與試樣501成為成像關(guān)系。這時(shí)傳感器116上的像的移動(dòng)量為2mZsinθ。
下面說明探針的接觸狀態(tài)檢測。從雙頻光發(fā)生器701產(chǎn)生頻率為f1和頻率為f1+Δf的、頻率稍微偏離的2條光束(791和792)。2條光束例如如下產(chǎn)生由分光鏡分離來自激光器的光，使一個(gè)通過音響光學(xué)元件，從而使頻率錯(cuò)開Δf?；蛘?，產(chǎn)生偏振面互相正交的2條光束的雙頻激光器市場也有售。第一光束791在將由偏振光分光鏡722反射的方向上偏振，并從雙頻光發(fā)生器701射出。由偏振光分光鏡722反射后的光通過4分之一波長板725后變換成圓偏振光，在中途根據(jù)需要通過分光鏡134、分色鏡712后，作為檢測光130，通過透鏡101，照射到探針103的背面。
在此被反射的光返回原來來時(shí)的光路，通過4分之一波長板725后，變換成與從雙頻光發(fā)生器射出的光束791正交的方向上的直線偏振光。因此，該光透過偏振光分光鏡722，并且還透過下一偏振光分光鏡723。這里，若將從雙頻光發(fā)生器701射出的另一個(gè)頻率為f1+Δf的光束792調(diào)整成偏振光方向?yàn)閷⒂善窆夥止忡R723反射的方向，則由723反射，所以在此與從探針103反射來的光合流，通過偏振片721后到達(dá)光電二極管720。
光束791和792通過偏振片721時(shí)的偏振方向直行，但通過使偏振片721傾斜成兩光束偏振方向的中間角度，則兩光束產(chǎn)生干涉，產(chǎn)生頻率Δf的光強(qiáng)度變化，所以可由光電二極管720將其檢測出來。另外，在光電二極管720之前，也可在感光面上設(shè)置用于會(huì)聚激光的透鏡729。
在圖6中，光源702是振動(dòng)激勵(lì)用的光源。最好使用半導(dǎo)體激光器，以便以高速進(jìn)行調(diào)制。從這里射出的光通過透鏡711之后，由制造成反射光源702的波長的分色鏡712反射，朝向透鏡101，由透鏡101會(huì)聚后，照射到探針103上。通過對(duì)該光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，在探針103中產(chǎn)生應(yīng)變，從而激發(fā)振動(dòng)。由探針103反射的激勵(lì)光再次返回原來來時(shí)的光路，但由于由分色鏡712反射，所以沒有到達(dá)檢測用激光的光路上。
說明試樣觀察系統(tǒng)。觀察用照明光從照明光源154射出，通過會(huì)聚透鏡153，由分光鏡155反射，透過分光鏡134、分色鏡712，通過透鏡101照亮試樣501及探針103。反射光再次透過物鏡，透過分光鏡134和155，由成像透鏡152成像，然后由圖像傳感器151檢測出來。
如上述利用圖6說明的那樣，通過同軸構(gòu)成探針和試樣觀察系統(tǒng)、試樣高度傳感器、探針振動(dòng)檢測光學(xué)系統(tǒng)和探針振動(dòng)激勵(lì)光學(xué)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)SPM測量位置的同時(shí)觀察、調(diào)整探針的容易、探針和試樣的高速接近。另外，通過同軸構(gòu)成探針撓度檢測光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)懸臂部的面積小的探針，也可照射檢測光130及激勵(lì)光710，并且通過使用更輕、共振頻率高的探針，可實(shí)現(xiàn)掃描高速化和提高接觸狀態(tài)檢測靈敏度。另外，通過全部通過物鏡進(jìn)行檢測，可使物鏡與探針接近，可實(shí)現(xiàn)高分辨率的試樣的光學(xué)觀察。
(實(shí)施例3)圖7表示本發(fā)明實(shí)施例3的光學(xué)系統(tǒng)。在實(shí)施例2中利用的是使用了雙頻光的所謂外差檢測，但替代地也可使用采用了單一頻率光的零差檢測。這時(shí)，將頻率f1的光分支后用作參照光792，然后在光電二極管上進(jìn)行檢測，這一點(diǎn)沒有變化，但為了檢測相位，如圖7所示由半反射鏡726使激光分支，另一方面由反射鏡727反射，由λ/4板728使參照光和檢測光的相位差錯(cuò)開90度之后，由偏振片721’使其產(chǎn)生干涉，通過透鏡729’后，由第二光電二極管720’進(jìn)行檢測。來自第1和第2光電二極管720、720’的信號(hào)是相當(dāng)于cos和sin的信號(hào)，在檢測出相當(dāng)于各信號(hào)共振頻率的分量的振幅之后，取平方和的平方根，就可檢測出探針的振動(dòng)振幅。
(實(shí)施例4)
圖8表示本發(fā)明實(shí)施例4的光學(xué)系統(tǒng)。作為另一實(shí)施例，如圖8所示通過將參照光792也引導(dǎo)到探針的根部使其干涉，可以不受中途光路變動(dòng)的影響地檢測探針的傾角。由此，也可以進(jìn)行不僅利用了探針的振動(dòng)檢測、而且還利用了靜態(tài)探針的撓度檢測的探針掃描控制。這時(shí)的參照光792既可以是提供Δf的頻率變化地進(jìn)行外差檢測，也可以是不提供地進(jìn)行零差檢測。
(實(shí)施例5)圖9表示本發(fā)明實(shí)施例5的光學(xué)系統(tǒng)。在圖9中，示出不是利用激光干涉、而是利用光杠桿的原理進(jìn)行探針接觸狀態(tài)檢測的方法。從光源131射出的光通過透鏡132和分光鏡，然后通過分光鏡134、分色鏡712后，通過物鏡照射到探針的懸臂部103。在此反射的光返回同一光路，通過分光鏡133，經(jīng)由透鏡135照射到傳感器136上。
透鏡135構(gòu)成為物鏡的射出瞳和傳感器136大致為成像關(guān)系，由此，傳感器136上的光產(chǎn)生與懸臂反射面的傾角成正比的位置變化。通過利用設(shè)置在136的位置上的PSD(位置靈敏裝置)、分割型光電二極管、線性圖像傳感器等將其檢測出來，可檢測出懸臂的傾角(撓度)。
另外，通過使用二維型PSD、圖像傳感器、4分割光電二極管，可與撓曲同時(shí)地檢測出扭曲。如果利用電路檢測出該信號(hào)中共振頻率的振動(dòng)，則可檢測出探針103的接觸狀態(tài)。為將本檢測光130與試樣觀察系統(tǒng)的光分離，最好使光源131為單色激光，并在透鏡135的前后設(shè)置干涉濾波器以只通過該光。
并且，為了提高效率，分光鏡134也可作為分色鏡。另外，也可以將分光鏡133作為偏振光分光鏡，以激光131的偏振方向?yàn)橛?33反射的S偏振光，通過在分光鏡133和134之間設(shè)置1/4波長板(未圖示)，將S偏振光變換成圓偏振光，碰到探針103的反射面后，再次利用1/4波長板將反射光變成P偏振光，然后使其透過偏振光分光鏡133。
另外，當(dāng)然還考慮離軸結(jié)構(gòu)的實(shí)施例，即，使用工作距離長的物鏡，通過物鏡和試樣之間的間隙，使試樣高度傳感器與探針撓度傳感器中的至少一個(gè)傾斜，對(duì)光進(jìn)行投影、檢測。利用圖10對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行后述。
另外，雖然作為另一結(jié)構(gòu)記述了使用外差干涉法檢測探針103的撓度的方法，但作為具體的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在光源131的位置上配置頻率f1的點(diǎn)光源和利用頻率f進(jìn)行頻移后的頻率f1+Δf的點(diǎn)光源。為了配置點(diǎn)光源，既可以利用透鏡使激光光圈縮小，也可以在此設(shè)置光纖的射出端。調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)，以在探針103的兩點(diǎn)上形成其像。
例如，如圖8所示，一方面在探針懸臂部的頂端形成像，另一方面在根部形成像，由于其反射光在136的位置上交叉，所以在136上設(shè)置光電二極管時(shí)，兩束光干涉，從而產(chǎn)生頻率Δf的差頻。若以提供給移頻器的頻率Δf的信號(hào)作為基準(zhǔn)，鎖住檢測該差頻信號(hào)，從而求出相位，則該相位的變化即為懸臂傾角的變化。
由此，可檢測出懸臂的撓度。或者，也可以不使用提供給移頻器的信號(hào)，而是在通過透鏡132之后，在2條光束交叉處利用其他的光電二極管(未圖示)檢測沒有由分光鏡133反射而透過的光，作為頻率Δf的基準(zhǔn)信號(hào)。
另外，作為另一結(jié)構(gòu)，也可在探針中組入應(yīng)變儀等可得到反映變形變化的信號(hào)的儀器，用作光學(xué)式撓度傳感器的替代。
(實(shí)施例6)圖10是表示光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施例6的圖。從光源111射出的光由透鏡112變成平行光后，由反射鏡113反射，經(jīng)反射鏡的反射后射入透鏡182，在試樣501上聚焦。根據(jù)組入光源111的孔徑的形狀的不同，可形成點(diǎn)或狹縫等任意形狀的像。由試樣反射的光經(jīng)反射鏡的反射，通過透鏡185，由成像透鏡115在檢測器116上成像。像的位置隨著試樣501的高度的不同而移動(dòng)。設(shè)檢測光110向試樣的入射角為θ、透鏡115的成像倍率為m、試樣的高度為Z，則移動(dòng)量為2mZsinθ，所以如果測量該移動(dòng)量，則可檢測出試樣的高度Z。檢測器116只要可以檢測像的位置即可，因而可以是PSD(位置靈敏裝置)、分割型光電二極管、線性圖像傳感器等的任意一個(gè)。
說明圖10的實(shí)施例6中探針的撓度檢測系統(tǒng)。從光源131射出的光通過透鏡132，經(jīng)反射鏡的反射，照射到探針的懸臂部103上。在此反射后經(jīng)反射鏡的反射照射到傳感器136上。懸臂103的撓度為反射光的角度變化，由此傳感器136上的光產(chǎn)生與懸臂反射面的傾角成正比的位置變化。通過利用設(shè)置在136的位置上的PSD(位置靈敏裝置)、分割型光電二極管、線性圖像傳感器等對(duì)其進(jìn)行檢測，可檢測出懸臂的傾角(撓度)。
另外，通過使用二維型PSD、圖像傳感器、4分割光電二極管，可與撓曲同時(shí)地檢測出扭曲。為將本檢測光130與試樣觀察系統(tǒng)的光分離，最好使光源131為單色激光，并在檢測器136之前設(shè)置干涉濾波器以只通過該光。
另外，109是試樣觀察系統(tǒng)的物鏡。本光學(xué)系統(tǒng)也可在檢測器136之前由其他系統(tǒng)引導(dǎo)參照光，處理從136得到的外差或零差干涉信號(hào)，從而檢測出探針的變形或振動(dòng)狀態(tài)。
(實(shí)施例7)圖11是表示光學(xué)系統(tǒng)的另一實(shí)施例7的圖。與圖6中說明的實(shí)施例相比，觀察光學(xué)系統(tǒng)不同，由半反射鏡902在橫方向上折曲，由觀察用透鏡901來照明觀察懸臂及試樣。設(shè)置在圖6的照明光源154和觀察用圖像傳感器151的901的后方。101為探針振動(dòng)激勵(lì)、變形檢測用的透鏡，由于對(duì)像差的要求低，所以可以是比觀察兼用的透鏡小的透鏡。與探針103的移動(dòng)并行地驅(qū)動(dòng)透鏡101，從而始終在探針103上形成激光點(diǎn)。
就其他的結(jié)構(gòu)而言，除1/4波長板725的位置出現(xiàn)在透鏡101附近外，與圖6的結(jié)構(gòu)相同。波長板725的位置盡可能接近被比測定物時(shí)，可以除去中途光路中的散射光的影響，所以設(shè)置在該處。另外，在本圖中，探針變形的測量利用光學(xué)干涉進(jìn)行，但與圖9的實(shí)施例相同，也可利用光杠桿檢測。
(實(shí)施例8)圖12是表示光學(xué)系統(tǒng)的另一實(shí)施例8的圖。與圖11相比，振動(dòng)激勵(lì)光710和測定光130一旦由751會(huì)聚后，射入偏振面保持光纖750。射出的光經(jīng)1/4波長板725，由透鏡101在探針103上成像。由探針103反射的光再次按相同的光路返回偏振面保持光纖750，由透鏡751變換成平行光。此后的動(dòng)作與圖11相同。
(實(shí)施例9)下面，用圖3說明適于測量半導(dǎo)體圖案等縱橫尺寸比高的樣本的實(shí)施例。這樣，力梯度大致沿試樣表面法線方向產(chǎn)生。如前所述，通過利用力梯度使共振頻率偏移來檢測接觸狀態(tài)，所以，如果使在探針頂端與試樣之間作用的粘性力和摩擦力的影響相對(duì)較小，則在探針的振動(dòng)與力梯度的方向大致一致時(shí)，接觸力檢測靈敏度高。因此，在如圖3右側(cè)的圖所示測定急傾斜部時(shí)，力梯度是橫方向的，從而產(chǎn)生在縱方向的探針振動(dòng)中檢測靈敏度小、或在摩擦力強(qiáng)時(shí)探針及試樣的磨損大的問題。
這樣的情況下，如果左右地切換探針的振動(dòng)方向，則可以高靈敏度地檢測到接觸，并且探針及試樣的磨損也小?；蛘?，同時(shí)產(chǎn)生縱方向和橫方向的振動(dòng)，通過檢測各個(gè)振動(dòng)模式的振動(dòng)狀態(tài)，可與力梯度的大小同時(shí)地檢測出力的方向。
同時(shí)產(chǎn)生2方向振動(dòng)的方法可以是重疊相當(dāng)于兩個(gè)振動(dòng)模式的頻率信號(hào)，將其提供給振動(dòng)激勵(lì)光702或探針驅(qū)動(dòng)部202，也可以在振動(dòng)狀態(tài)檢測中利用濾波器選擇各個(gè)頻率信號(hào)。另外，也可以不重疊2個(gè)頻率的信號(hào)，而是一方面利用振動(dòng)激勵(lì)光、另一方面利用與探針驅(qū)動(dòng)部不同的激勵(lì)方法來激勵(lì)探針振動(dòng)。根據(jù)上述實(shí)施例，可無滑動(dòng)或磨損地正確測量縱橫尺寸比高的圖案的急傾斜部。
(實(shí)施例10)圖13表示實(shí)施例10。如圖13所示，為了細(xì)致地測量傾斜部的形狀，還考慮根據(jù)力梯度的方向或測定形狀的局部傾角，來細(xì)致地取下一測定點(diǎn)的實(shí)施例。具體地說，例如對(duì)應(yīng)于試樣表面的局部法線方向的角度θ(設(shè)垂直方向?yàn)?)，在水平面的掃描間隔為Δx時(shí)，以p+Δxcosθ的間隔移動(dòng)到下一測定點(diǎn)。
另外，p是表示最小節(jié)距的修正項(xiàng)。并且，作為另一實(shí)施例，在θ非常大時(shí)，例如80度以上時(shí)，探針的下降方向與斜面的方向過于接近，從而無法使探針穩(wěn)定地下降。這樣的情況下，向下傾斜時(shí)，將p取得稍大地使探針下降，在比前次測定點(diǎn)下降了Δx或Δxsinθ的點(diǎn)，停止探針的下降，在此使探針向左方向移動(dòng)，直至檢測到接觸，然后測量檢測到接觸的點(diǎn)的位置。相反，向上傾斜時(shí)，使探針向左方向移動(dòng)p之后，使探針上升Δx或Δxsinθ，在此使探針向右方向移動(dòng)，直至檢測到接觸，然后測量檢測到接觸的點(diǎn)的位置。
這樣，即使在θ超過90度、斜面懸垂時(shí)，也可正確地測定斜面形狀。
(實(shí)施例11)并且，探針的頂端具有一定的錐角，以前利用掃描探針顯微鏡不能正確地測量比其還要陡峭的臺(tái)階狀變形部的形狀，但在檢測出臺(tái)階狀變形時(shí)，使探針傾斜地進(jìn)行掃描。作為使探針傾斜的方法，具有在探針的支架上設(shè)置微小旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的方法，還包括如“T.R.Albrecht、S.Akamine、M.J.Zdeblick、C.F.Quate、J.Vac.Sci.Technol.A8(1)、317(Jan./Feb.、1990)”中公開的、使用圖14中示出的壓電薄膜型懸臂的方法。
形成所謂的雙壓電晶片結(jié)構(gòu)，在中間電極G的上下設(shè)置壓電體，在其相反側(cè)形成電極A、B、C、D。這里，若向A-G、D-G和B-G、C-G提供反方向的電壓變化，則發(fā)生扭曲變形，從而可使探針傾斜。如果在探針的撓度檢測器136中使用4分割光電二極管，則可簡單地檢測出探針的扭曲。
(實(shí)施例12)另外，近年來碳納米管作為細(xì)的、耐久性高的探針材料受到關(guān)注。它是由1納米至10納米量級(jí)的圓柱狀的碳原子構(gòu)成的材料。如果使用該碳納米管，則有可能利用掃描探針顯微鏡正確地測量陡峭的臺(tái)階狀變形狀的形狀，但存在的問題是，不能測量90度以上的懸垂的臺(tái)階狀變形，并且，如果探針的角度和臺(tái)階狀變形的角度相類似，則探針在靜電力的作用下吸附于試樣的臺(tái)階狀變形部而彎曲，從而無法正確地測量形狀。
對(duì)此，如圖15所示，示出因靜電力使碳納米管彎曲、正確地測量臺(tái)階狀變形部的實(shí)施例。195是碳納米管。在其左右配置電極197和196，用絕緣體198覆蓋其周圍。若向電極197和196中的任意一個(gè)施加電壓，則碳納米管198因靜電力而吸附并彎曲。
在圖15的例子中，向196側(cè)施加電壓。由此，可正確地測量陡峭的臺(tái)階狀變形部。另外，還考慮面向懸垂的探針使用如圖16所示的頂端部擴(kuò)展后的探針的結(jié)構(gòu)。
(實(shí)施例13)另外，作為另一實(shí)施例，還考慮如圖17所示用聯(lián)桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成探針支架部。聯(lián)桿的節(jié)最好由彈性鉸鏈構(gòu)成、且無松動(dòng)。這時(shí)，若如圖17右圖所示使聯(lián)桿變形，則可以不改變探針頂端的位置、僅使傾角變化。
(實(shí)施例14)圖18表示測量本發(fā)明實(shí)施例14的保護(hù)膜圖案的例子。在保護(hù)膜圖案的測量中，必須區(qū)分或如(a)所示垂直地切割圖案、還是如(b)所示使保護(hù)膜稀薄地殘留、還是如(c)所示使溝或洞的下部更窄。根據(jù)本發(fā)明，由于勵(lì)振探針，所以通過檢測出振動(dòng)的相位，可檢測材質(zhì)的不同，從而區(qū)分上述情況。
(實(shí)施例15)圖19表示本發(fā)明實(shí)施例15的裝置制造方法。使晶片620流過加工裝置601、601’來形成裝置。加工裝置601、601’根據(jù)情況可以是蝕刻機(jī)，或是CMP裝置，或是曝光裝置，或是顯像裝置。使用經(jīng)過了這些工序的抽樣晶片或假晶片621，利用本發(fā)明的掃描探針顯微鏡603觀察、測量在晶片上形成的圖案。或者，由于總處理能力大，所以也可利用本發(fā)明的掃描探針顯微鏡603觀察、測量全部晶片。
在本發(fā)明的實(shí)施例15中，由于可不破壞試樣地、正確地觀察·測量圖案的立體形狀或表面的狀態(tài)分布，所以通過將觀察·測量結(jié)果反饋到加工裝置601、601’的加工條件中，可穩(wěn)定地制造高精度的裝置。根據(jù)情況，也可在反饋路徑610中介入專用的數(shù)據(jù)處理服務(wù)器(未圖示)。
(實(shí)施例16)圖20表示作為本發(fā)明實(shí)施例16的制造裝置的整體結(jié)構(gòu)。313是包含物鏡109和探針103及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)的檢測頭部。在工作臺(tái)302上搭載試樣501并進(jìn)行測量。310是放置搭載有基板的盒子的臺(tái)子，機(jī)械臂311從這里取出基板，由預(yù)對(duì)準(zhǔn)器312檢測出基板的旋轉(zhuǎn)角度之后，使基板成規(guī)定方向地將其搭載在工作臺(tái)302上來進(jìn)行測量。裝置整體的動(dòng)作由整體控制裝置250控制，通過顯示·輸入裝置251可以接受操作者的指示，或提示光學(xué)像或SPM像。另外，整體控制裝置250也可連接于LAN裝置，從而交換測量數(shù)據(jù)等。
在將基板搭載于工作臺(tái)302上以使試樣501成規(guī)定方向之后，通過物鏡109觀察基板上的多個(gè)位置標(biāo)記，精密地測量(對(duì)準(zhǔn))基板的位置·旋轉(zhuǎn)。以該信息為基礎(chǔ)，移動(dòng)到已登記的測量位置后開始測量。首先，放下探針、使其接觸基板。接著，在此利用掃描探針顯微鏡進(jìn)行掃描(SPM掃描)，得到測量數(shù)據(jù)。使探針退避，返回下一測定位置，重復(fù)上述動(dòng)作直到測量完全部的指定測量點(diǎn)。全部指定測量點(diǎn)的測量完畢后，將工作臺(tái)移動(dòng)到卸載位置，由機(jī)械臂311將其取出后存儲(chǔ)在盒子中，從而結(jié)束1張基板的測量。
在本發(fā)明中，由于可以高速地進(jìn)行探針的接近和SPM掃描，所以可縮短整體測定所需時(shí)間。
(實(shí)施例17)下面，利用圖2示出使探針的退避距離可變、實(shí)現(xiàn)更高速測量的實(shí)施例17。如圖2(a)所示，以前對(duì)于試樣的最大臺(tái)階狀變形，采用更大的退避距離來接近下一測定點(diǎn)是測量正確的臺(tái)階狀變形所必須的。對(duì)此，如半導(dǎo)體圖案那樣，在某種程度上已知對(duì)象物體的臺(tái)階狀變形結(jié)構(gòu)時(shí)，可利用其如圖2(b)所示減小探針距離。
這樣，在探針掃描試樣高的面的期間內(nèi)，為脫離探針和試樣的吸附而使退避距離停留在最低必要限度的距離處，在探針掃描試樣低的面的期間內(nèi)，使退避距離針對(duì)試樣的臺(tái)階狀變形具有少許余裕，從而可縮短整體的掃描時(shí)間。
(實(shí)施例18)另外，作為另一實(shí)施例18，提出如下方法如圖2(C)所示，為脫離吸附而使探針的退避距離始終保持在最低必要限度的距離處，在檢測臺(tái)階狀變形部時(shí)，臨時(shí)增加退避距離。如圖2(C)所示，作為臺(tái)階狀變形部檢測方法的實(shí)施例18，示出檢測橫向應(yīng)力的方法。
同時(shí)檢測探針的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力的結(jié)構(gòu)已述。利用該結(jié)構(gòu)在臺(tái)階狀變形部檢測到橫向應(yīng)力時(shí)，判斷為將掃描碰到臺(tái)階狀變形的部位，從而增大退避量后再次接近。還考慮如下方法雖然精度有若干下降，但不進(jìn)行再測定，而是在測定下一點(diǎn)時(shí)，增大退避量，而不再次測定同一點(diǎn)。
另外，如果測定高度沿高于某變化率以上的方向變化，則判斷為到達(dá)了臺(tái)階狀變形部，也可使用增加退避距離的方法。脫離吸附所需的最低必要限度的距離根據(jù)試樣與探針的狀態(tài)而變化，所以不取恒定值，由于在脫離吸附時(shí)探針周圍的力場消失，所以利用探針的振動(dòng)狀態(tài)恢復(fù)的現(xiàn)象，也可以檢測到脫離吸附。
另外，在本實(shí)施例18中，說明了驅(qū)動(dòng)探針，但這里，重要的是探針相對(duì)試樣的相對(duì)驅(qū)動(dòng)，并非以在探針側(cè)具有X、Y、Z軸的結(jié)構(gòu)為前提。例如，在試樣側(cè)具有X、Y軸的結(jié)構(gòu)、或在試樣側(cè)具有X、Y、Z軸的結(jié)構(gòu)中，本實(shí)施例中的討論當(dāng)然也成立。
(實(shí)施例19)接著，以下示出吸收由于探針傾斜導(dǎo)致的光路偏移的實(shí)施例19。在使探針傾斜的方法中，不是如圖15中所示的僅使探針部分彎曲的方法，而是在如圖14、圖17所示的使安裝有探針的懸臂部本身傾斜、或使懸臂部頂端扭曲的結(jié)構(gòu)中，照射到懸臂背面的檢測光的光路傾斜，光沒有到達(dá)檢測器。因此，檢測光的光路即使傾斜，也必須使檢測光到達(dá)檢測器。下面說明實(shí)施例。圖21是表示與圖6相同的光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。但是，為了表示由于探針的傾斜導(dǎo)致的光路偏移，變更中途光學(xué)部件的比例尺來描繪。若懸臂103傾斜角度θ，則照射到懸臂103的檢測光130的反射光130’傾斜2θ。該光在透過焦距f的透鏡101之后，相對(duì)于投影光130的光路偏移大約fθ的光路130’在通過反射鏡712、134、722、721后，朝向檢測器720。這時(shí)，通過在檢測器720之前配置透鏡729，使729的焦點(diǎn)位置與檢測器720的感光面大致一致，從而如圖示那樣檢測光與參照光在檢測器720上重合，由此，即使使懸臂103傾斜、從而反射光傾斜，也可產(chǎn)生干涉。例如，為了應(yīng)對(duì)試樣501上的臺(tái)階狀變形部的5度的懸垂，使探針傾斜至θ＝10度，從而反射光130’的傾角變?yōu)?θ＝20度，在檢測光照射時(shí)的會(huì)聚角為±α＝3.5度時(shí)，檢測光130’的邊緣光傾斜至2θ+α＝23.5度，作為透鏡101的數(shù)值孔徑(NA)，可以是sin(2θ+α)＝0.4以上。另外，此時(shí)懸臂103上的檢測光的光點(diǎn)尺寸由會(huì)聚角α決定，若設(shè)檢測光的波長為λ＝0.63μm，則可縮小光圈至λ/2sinα＝5.2μm左右。
(實(shí)施例20)下面利用圖22示出另一應(yīng)對(duì)探針傾斜的檢測系統(tǒng)的實(shí)施例。對(duì)應(yīng)懸臂103的傾角θ，沿水平方向使鏡筒190偏移θf。這里，f是透鏡101的焦距。由此，檢測光130射入透鏡101的光路偏移fθ，因而向懸臂103的照射角傾斜θ，由于照射角傾斜與懸臂103的傾角相同的傾角，所以反射光返回原來來時(shí)的傾斜θ的光路，從而向檢測器720導(dǎo)入與傾斜探針前大致相同的光路。由此，與圖21的實(shí)施例19相比，光路的最大傾角從2θ+α變?yōu)棣?α，約為一半，從而可應(yīng)對(duì)更大的探針傾角。例如，設(shè)透鏡的數(shù)值孔徑(NA)為0.4、檢測光的會(huì)聚角為α＝3.5度時(shí)，可以使探針傾斜至θ＝arcsin(NA)-α＝20度。使相對(duì)側(cè)壁的角度還具有5度余裕來觸碰探針時(shí)，通過使探針傾斜20度，可應(yīng)對(duì)的側(cè)壁的懸垂為15度。這時(shí)即使沒有透鏡729，由于檢測光791和參照光792在720上重合，所以沒有729也可以，但為了吸收探針的誤差或伴隨探針掃描的若干光路偏移，也可使透鏡729起作用。
另外，在圖中為了測量側(cè)壁的右側(cè)，在使探針向右傾斜的情況下進(jìn)行描繪，但對(duì)于向左的側(cè)壁，可以相反地使探針向左傾斜，并且與此一致地使鏡筒190向左方向偏移θf。
(實(shí)施例21)下面，利用圖23說明對(duì)利用圖22說明的實(shí)施例20進(jìn)行了若干變更后的實(shí)施例21。在圖22的實(shí)施例21中，使鏡筒190整體與探針的傾角相一致地向左右移動(dòng)，但替代地，也可僅使棱鏡134及712左右移動(dòng)。通過棱鏡134的移動(dòng)，可使檢測光130的照射角與探針的傾角相一致地左右擺動(dòng)。另外，通過棱鏡712的移動(dòng)，可使激勵(lì)光710的照射角與探針的傾角一致地左右擺動(dòng)。但是，由于不必檢測照射到懸臂103上之后的反射光，所以激勵(lì)光710也可以不一定與探針的傾角相一致地左右擺動(dòng)，從而棱鏡712也可以不是可動(dòng)的。
(實(shí)施例22)下面，作為另一實(shí)施例22，利用圖24說明利用光杠桿進(jìn)行懸臂的探針接觸狀態(tài)檢測的方法。整體結(jié)構(gòu)在圖9中已經(jīng)說明，但與圖23同樣地左右移動(dòng)棱鏡134及712時(shí)，可使從光源131射出的檢測光碰到懸臂時(shí)的照射角與懸臂的傾角θ一致地變化。通過棱鏡134的移動(dòng)，檢測光的位置也大致恒定地保持在傳感器136上。因此，即使改變懸臂的傾角，也可將檢測光的返回位置保持在傳感器136的大致動(dòng)作中心，由此，利用光杠桿原理，可始終檢測出懸臂的微小撓度。
(實(shí)施例23)下面，作為另一實(shí)施例23，利用圖25示出在圖12中說明的使用偏振面保持光纖時(shí)應(yīng)對(duì)探針傾斜的實(shí)施例23。圖25(a)與圖21中說明的實(shí)施例同樣，使用數(shù)值孔徑(NA)大的透鏡來吸收由探針傾角θ引起的反射方向的傾角2θ的方法。圖25(b)是有效利用具有可撓性的光纖的特征，使波長板725、透鏡101、懸臂103與光纖750的端部成為一體、從而傾斜θ的實(shí)施例。由于它們的相對(duì)位置關(guān)系沒有改變，所以始終保持光纖端與懸臂間的共軛關(guān)系，無論懸臂的傾角如何，照射到懸臂上的光都再次返回到光纖750。另外，在該圖25中，透鏡101僅有一個(gè)，但也可使用2個(gè)以上的透鏡，形成夾著波長板725的形狀。這樣，透過波長板的光線大致可變成收斂光，所以可更正確地得到基于波長板的偏振光旋轉(zhuǎn)效果。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性根據(jù)本發(fā)明，通過使具備非接觸式傳感器的探針間斷地接觸軟脆的材料或臺(tái)階狀變形陡峭的圖案形狀、并進(jìn)一步使探針傾斜，可以高精度地測量形狀。通過在半導(dǎo)體電路圖案的形狀測定中使用該方式，可以極為穩(wěn)定地生產(chǎn)具有微觀電路的半導(dǎo)體產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種掃描探針顯微鏡，用于測量包含試樣的立體表面形狀的所述試樣的表面分布，并且具備驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制搭載了試樣的試樣臺(tái)與探針的相互位置關(guān)系；和傳感器，測量所述探針的變形狀態(tài)，其特征在于，所述掃描探針顯微鏡具備使所述探針以微小振幅高頻振動(dòng)的振動(dòng)部件；和檢測以微小振幅高頻振動(dòng)的所述探針與所述試樣的接觸狀態(tài)的檢測部件，其中在利用所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將所述探針從所述試樣的表面拉開、并使其移動(dòng)到下一測定點(diǎn)附近后，連續(xù)進(jìn)行利用所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使所述探針接近所述試樣的動(dòng)作，直到所述檢測部件針對(duì)所述試樣的表面檢測到一定的接觸狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于具備控制部件，通過檢測所述探針的振動(dòng)信號(hào)并解析所述探針與所述試樣表面的接觸狀態(tài)，將所述探針的提升量控制在最小限度。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于所述振動(dòng)部件使所述探針沿相對(duì)所述試樣臺(tái)的表面大致垂直以及大致水平的方向振動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于所述振動(dòng)部件通過對(duì)照射到所述探針上的光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，激發(fā)所述探針的振動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于所述檢測部件利用照射到所述探針上的激光的干涉來檢測所述探針的振動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于所述檢測部件利用照射到所述探針上的光的反射角度的變化來檢測所述探針的振動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于具備控制部件，對(duì)于包含半導(dǎo)體電路元件的規(guī)則的布線圖案，識(shí)別所述圖案的臺(tái)階狀變形的上部和下部，在所述探針掃描所述臺(tái)階狀變形的上部時(shí)，使所述探針的提升量停留在所述探針從所述圖案表面脫離吸附所需的最小距離處，在所述探針掃描所述臺(tái)階狀變形的下部時(shí)，停留在所述探針不接觸所述臺(tái)階狀變形側(cè)面的距離處。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于具備控制部件，通過檢測到所述探針已接近或接觸所述試樣的臺(tái)階狀變形的側(cè)面，控制所述探針，以便增加所述探針的提升量，或者進(jìn)一步提升所述探針。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于具備變更部件，根據(jù)所述試樣表面的傾角，變更所述探針與所述試樣的表面相接觸的角度。
10.一種使用掃描探針顯微鏡的試樣觀察方法，所述掃描探針顯微鏡用于測量試樣的立體表面形狀，并且具備驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制搭載了試樣的試樣臺(tái)與探針的相互位置關(guān)系；和傳感器，測量所述探針的變形狀態(tài)，其特征在于高速、高精度地檢測以微小振幅高頻振動(dòng)的所述探針與所述試樣的接觸狀態(tài)，在從所述試樣的表面拉開所述探針、并使其移動(dòng)到下一測定點(diǎn)附近后，連續(xù)進(jìn)行使所述探針接近所述試樣的動(dòng)作，直到針對(duì)所述試樣表面檢測到一定的接觸狀態(tài)。
11.一種裝置制造方法，其特征在于，具備如下步驟針對(duì)包含半導(dǎo)體電路元件的規(guī)則的布線圖案，識(shí)別所述圖案的臺(tái)階狀變形的上部和下部，在所述探針掃描所述臺(tái)階狀變形的上部時(shí)，使所述探針的提升量停留在所述探針從所述圖案表面脫離吸附所需的最小距離處，在所述探針掃描所述臺(tái)階狀變形的下部時(shí)，停留在所述探針不接觸所述臺(tái)階狀變形側(cè)面的距離處，從而使用掃描探針顯微鏡來觀察包含半導(dǎo)體電路元件的規(guī)則的布線圖案。
12.一種掃描探針顯微鏡，用于測量包含試樣的立體表面形狀的所述試樣的表面分布，并且具備驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制搭載了試樣的試樣臺(tái)與探針的相互位置關(guān)系；和傳感器，光學(xué)地檢測所述探針的變形狀態(tài)，其特征在于具有使探針傾斜的機(jī)構(gòu)，并且具有可以吸收由于探針的傾斜導(dǎo)致的檢測用光學(xué)系統(tǒng)的光路偏移的結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于可以吸收由于所述探針的傾斜導(dǎo)致的檢測用光學(xué)系統(tǒng)的光路偏移的結(jié)構(gòu)利用會(huì)聚角比探針傾角還大的透鏡。
14.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于可以吸收由于所述探針的傾斜導(dǎo)致的檢測用光學(xué)系統(tǒng)的光路偏移的結(jié)構(gòu)利用會(huì)聚角比探針傾角的2倍還大的透鏡。
15.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于作為可以吸收所述檢測用光學(xué)系統(tǒng)的光路偏移的結(jié)構(gòu)，光量信號(hào)檢測器還具有相對(duì)于光路偏移大的幅度。
16.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于作為可以吸收所述檢測用光學(xué)系統(tǒng)的光路偏移的結(jié)構(gòu)，還在光量信號(hào)檢測器之前使用會(huì)聚透鏡，即使對(duì)于光路偏移，也使檢測光會(huì)聚在相對(duì)于光量信號(hào)檢測器大致相同的位置上。
17.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于作為可以吸收所述檢測用光學(xué)系統(tǒng)的光路偏移的結(jié)構(gòu)，通過使向懸臂進(jìn)行直接會(huì)聚的透鏡與其他光學(xué)系統(tǒng)間的相對(duì)位置偏移來進(jìn)行吸收。
18.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于作為可以吸收所述檢測用光學(xué)系統(tǒng)的光路偏移的結(jié)構(gòu)，具有向懸臂進(jìn)行直接會(huì)聚的透鏡和從照明系統(tǒng)向該透鏡引導(dǎo)光、并向檢測光學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)來自該透鏡的檢測光的光纖，并且使上述懸臂、上述透鏡和上述光纖的端部同時(shí)傾斜。
19.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于作為光學(xué)地檢測所述探針的變形狀態(tài)的傳感器，使用檢測照射到懸臂上的光的、由于懸臂的變形引起的反射光方向的變化的傳感器。
20.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的掃描探針顯微鏡，其特征在于作為光學(xué)地檢測所述探針的變形狀態(tài)的傳感器，利用照射到懸臂上的激光的、由于懸臂的變形引起的反射光相位的變化。
專利摘要
本發(fā)明提供了一種掃描探針顯微鏡、使用其的試樣觀察方法及裝置制造方法，可以高的總處理能力不破壞試樣地測量試樣的正確的立體形狀信息，并且可測量包含垂直側(cè)壁或懸垂的試樣的正確的立體形狀信息。在僅在測定點(diǎn)使探針接觸，在朝向下一測定點(diǎn)時(shí)，一旦提升探針并使其退避之后，移動(dòng)到下一測定點(diǎn)，然后通過使探針接近，不破環(huán)試樣地使用正確的立體形狀的方法中，進(jìn)行高頻、微小振幅的懸臂勵(lì)振和振動(dòng)檢測，并且，為了提高在急傾斜部的接觸力檢測靈敏度，進(jìn)行橫方向勵(lì)振或縱橫兩方向勵(lì)振。具有與測定對(duì)象的傾斜相一致地使探針傾斜的部件和可對(duì)用于檢測探針與試樣的接觸狀態(tài)的光由懸臂反射后的方向隨著探針的傾斜產(chǎn)生的很大變化進(jìn)行吸收或調(diào)整的結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G01Q60/34GKCN1854793SQ200610077254
公開日2006年11月1日 申請日期2006年4月28日
發(fā)明者渡邊正浩, 中田俊彥, 馬場修一 申請人:株式會(huì)社日立制作所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan