JPH02173510A

JPH02173510A - 形状測定装置

Info

Publication number: JPH02173510A
Application number: JP32759088A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Sugihara; 和佳杉原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-12-27
Filing date: 1988-12-27
Publication date: 1990-07-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、空気マイクロメータの原理を利用した微細形
状測定のための形状測定装置に関する。

（従来の技術）従来、凹凸のある表面形状を測定するには空気マイクロ
メータが用いられていた。

この空気マイクロメータは、変位を空気の流量や圧力の
変化に変えて測定する比較測長器である。

使用する定圧空気の圧力が０．０５〜０．２ｋｇｆ／ｄ
（４，９０〜１９．６　Ｌｋｐａ）である場合を低圧式
、１ｋｇ（／ｄ　　（９８，０７ｋｌ）ａ）程度を中圧
式、２．０ｋｇｆ／ｄ　（１９６，１ｋｐａ）以上を高
圧式と呼ぶ。

また、逆に真空ポンプである程度の真空にして使用する
真空式もある。わが国で現在最も多く使用されている高
圧流量式空気マイクロメータの構造例を第２図に示す。

測定ヘッド３０のノズル３１から被測定物３２に吹出す
空気量はそのすきまζこよって変わる。その流量をテー
パガラス管３３の中の浮子３４のｔ置と浮子周囲の流速
ｔこよる浮力との釣り合いによって止まる浮子の位置を
目盛板３５によって求める。このマイクロメータの各部
の構成は、圧縮空気３６、空気ろ過器３７、水抜きコッ
ク３８、コック３９、圧力調節器４０、倍率調整つまみ
４１、零調整つまみ４２および導管４３としてそれぞれ
示す。ノズル３１としては第３図に示すものを用い、３
〜７ｋｇｆ／ｄ　（２９４，２〜６８６．５ｋｐａ）の
供給圧縮空気によって測定する。

しかしながら、この種のマイクロメータにあっては次の
ような問題があった。即ち、垂直方向の測定感度には優
れるものの、横方向の測定分解能は極めて悪く（測定用
ノズルの径によって決まる）、被検査試料の形状を測定
することはできなかった。

特に、半導体装置の製造において基板に設けられる数μ
ｍ径の穴の形状を測定することは不可能であった。

（発明が解決しようとする課題）本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは常に距離と圧力との間に線形関係が成
立する測定範囲内に試料を設定することができ、しかも
、わずかな距離の変化に対しても十分な感度を持つ空気
マイクロメータの原理を用いた形状測定装置を提供する
ことにある０〔発明の構成〕（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、ノズル先端と試料との間の距離の変化
を検出する手段として、前記ノズルと略凹−径の第２の
ノズルを背圧タンクに設けこの第２のノズルから噴出す
る気体を弾性体に衝突させ、この弾性体の変位量を測定
することにより形状を推定しようとするものである。さ
らに、試料を載置するホルダーをノズルに対して傾斜お
よび移動できるようにして、試料表面が常に測定範囲内
に入るようにしたことである。

即ち、本発明は、背圧タンクに略凹−径のノズルを２ケ
所に設は一方には試料を対向させ、他方には片持ちばり
状に固定された金属薄を対向させ試料とノズルとの距離
の変化を金属薄の変位から推定するようにしたことと、
前記試料を載置するホルダーをノズルに対して傾斜およ
び移動可能に構成したことにある。

（作用）本発明では、ノズル先端と被検査試料との間の距離が変
わることによって生じる圧力の変化を背圧タンクから噴
出する気体流を片持ちばつ状の弾性体に衝突させ、その
際の変化を読み取ることで、従来装置よりも格段に検出
感度を向上させた、このため、より高い横分解能を得る
ことが可能となる。さらに試料をノズルに対して傾斜お
よび移動可能としたことで、試料表面を常に測定範囲内
１こ入れることができ、測定不可能となることを極力抑
えることができる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる形状測定装置を示す
概略構成図である。高圧空気源１、例えば高圧ボンベか
ら出た空気１１は圧力調整器２で圧力を調整され、倍率
調整絞り３を通って背圧タンク６内に供給される。そし
て、ノズル７の穴から試料８に向かりて噴出する。ノズ
ル７の先端と試料８の表面との間隔が変化することによ
って生じる背圧タンク６内の圧力変動は極めて微小であ
る。従って本実施例では、背圧タンク６の一部に設けら
れたノズル５の穴１３から噴出する空気１２によって押
圧され変位する片持支持弾性片１６の変位を、高精度・
高感度変位計４、例えば静電容量型変位計や走査型トン
ネル顕微鏡等で測定することによりて求める。

変位計４の出力は記録計１０に記録される。従りて、記
録計１０に記録された変位を、予め求めである弾性片１
６の変位とノズルの穴１５の外表面（先端）−試料の流
体１７の作用面１８との間の距離との関係に基づき比較
照合することで、ノズル７の先端と試料８との間隔を求
めることができる。試料８にある穴１４の形状を測定し
たい場合には、ノズル７の穴１５の孔径を測定穴１４よ
りも小さくしておき、試料８が搭載されたテーブル９に
よって、左右、上下環よび調整して試料８を移動させる
ことによって、穴１４の形状に対応する情報を求めるこ
とができる。

次に、上述した測定装置を構成する上で最も重要なノズ
ル５．７の製作方法について述べる。まず、第２図（ａ
）に示す如く、５インチ径、６００μｍ厚の単結晶シリ
コン基板２０を用意する。このシリコン基板２０を窒化
して、第２図（ｂ）に示す如く、表面にシリコン窒化膜
２１を数１０ＯＡ形成する。次いで、第２図（Ｃ）に示
す如く、窒化膜２１を形成した面の一方にレジスト２２
を塗布し、このレジスト２２を電子線或いは光Ｍ２３を
用いて必要なノズル口径の領域だけ露光する。次いで、
第２図（ｄ）に示す如く、露光されたレジスト２２を現
像し、露光領域のレジスト２２を除去する。

その後、レジスト２２をマスクとしてＲＩＥで窒化膜２
１に必要とするノズル口径（例えば１μｍ）と同程度の
穴を開ける。

次いで、第２図（ｅ）に示す如く、レジスト２２を除去
した後、基板２０を３０ＸＫＯＨ溶液（重量比）に浸け
て、シリコンを異方性エツチングする。

このエツチングは、シリコン基板２０の残り量が数μ膚
になった時点で止めるが、エツチング形状は上面に広が
またテーパ２４を持つものとなる。

その後、第２図（ｆ）１こ示す如く、反応性イオンエツ
チング（ＲＩＥ）　　によりてシリコンの残り量を窒化
膜２１をマスクとしてエツチングし、窒化膜２１の穴径
と同じ径の微小孔２５を開ける。最後に、第２図（ｇ）
に示す如く、窒化膜２１を弗素酸溶液に浸して取り除き
、ノズルを有する基板を完成する。

ここで、６００μｍ厚さのシリコン基板２０に口径１μ
肩程度の微小孔を形成することは、ＲＩＥであっても不
可能である。このため、本実施例では第２図（ｅ）に示
す工程によりエツチング深さを稼ぎ、同図（、ｆ）に示
す工程により微小孔を貫通している。この工程により、
従来困難であった口径１μｍ程度の微小孔を良好に形成
することが可能であった。

このように、測定する試料の穴径よりも小さな口径を持
つノズルを、マイクロファプリケージ。

ン技術を用いてシリコンを微細加工することにより得る
ことができる。

次に、本発明の実施例の具体的な詳細を図示によって説
明する。

第３図は本発明の一実施例に係れる空気マイクロメータ
を用いた形状測定装置を示す概略構成図である。高圧空
気源（図示せず）から例えば高圧ボンベから出た空気１
１１は圧力調整器１０２で圧力を調整され、倍率調整絞
り１０３を通って背圧タンク１０６内に供給される。そ
してノズル１０７．１０７’から試料１０８と弾性体１
０５例えば金の薄板に向って噴出する１０９は試料１０
８を載置してＸＹ方向に移動するテーブルで、例えばパ
ルスモータなど１こよって位置制御される。テーブル１
０９は基板１１４に支持されいる１１０は試料１０８を
載置するホルダーで片側を弾性体１１２によりて上下台
１１５に（後述する）固定され、他端側には例えば圧電
素子１１３が設けられていて、ホルダー１１０がわずか
に傾くようになっている。上下台１１５はテーブル１０
９に例えば圧電素子１１６などを介して固定されており
、圧電素子１１６を伸縮させて上下台１１５を上下させ
試料１０８とノズル１０７との間隔を調整する。一方も
う一つのノズル１０７’には対向して金の薄板１０５が
設置されている。金の薄板１０５はＬ宇金具１１４１こ
取りつけられていて、その一部に金の薄板１０５に探針
１１７が対向するように走査型トンネル顕微鏡１１８が
取り付けられている。この走査型トンネル顕微鏡１１８
は高感度の変位計として用いている。

１１９は薄板１０５と探針１１７の先端との距離を一定
に保つための圧電素子、１２０は探針１１７をトンネル
領域まで接近させるための調整用圧電素子である。５字
金具１１４はマイクロメータヘッド１２１の先端に取り
付けられており、このマイクロメータヘッド１２１を動
かしてノズル１０７′先端占薄板ｌＯ５との距離を調整
する。マイクロメータヘッド１２１は基板１１４に取り
付けられている。基板１１４は防震機構１２２で支持さ
れ床から振動伝達が遮断される。次に本発明の操作につ
いて説明する。試料ｉｏｓを試料ホルダー１１０にセッ
トする、ＸＹ子テーブル０９を測定範囲内で動かし、試
料ｉｏｓの傾きとノズル１０７と試料１０８間の距離を
適切に調整する。

次にマイクロメータヘッド１２２を回転させノズル１０
７′と薄板１０５との間隔を適切に調整する。次に、圧
電素子１２０を伸ばし探針１１７をトンネル領域に送り
込む。これらの作業は全てノズル１０７．１０７’から
空気１１１を噴出させた状態で行う。次にＸＹ子テーブ
ル０９を動かし、その際の薄板１０５の変化を読み取り
、試料１０８の表面形状を測定する。

このように本実施例によれば、ノズル先端と被検査試料
との間隔の変化によって生じる極めて微小な圧力変化を
、従来の空気マイクロメータによる方法に比べて格段に
高い感度で測定可能となるさらに被検査試料の傾き調整
およびノズル先端と試料表面との間隔を常に略一定にす
ることができ、測定不能となることを極力抑えることが
できる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施する
ことができる。例えば薄膜の変形量を走査型トンネル顕
微鏡で測定したが、レーザー干渉計や静電容量型の非接
触変位計で測定しても良いことはもちろんである。また
ＸＹテーブルはころがり軸受で支持されたものだけでな
く平行バネ等により支持されたものでも良い。さらによ
り正確な形状測定をしたい場合にはテーブルの位置をレ
ーザ干渉計で測光すれば良い。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明によれば、先に提案した空気
マイクロメータに比べさらに高感度で測定が可能となり
、よりノズル径を絞ることができ、さらに高い横分解能
を得ることができる。さらに被検査試料の傾き調整およ
びノズル先端と試料表面との間隔を略一定にすることが
容易にできるため、測定不能となることを極力抑えるこ
とができる。従って、従来装置に比べてより性能の高い
形状測定装置を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる空気マイクロメータ
を示す概略構成図、第２因は上記装置に用いたノズル部
の製造工程を示す断面図、第３図は本発明の一実施例に
係わる具体的な形状測定装置を示す概略構成図、第４図
は従来装置を示す概略構成スである。１０２・・・圧力調整器、１０３・・・倍率調整絞り。１２、１０５・・・弾性体、　　　６，１０６・・・背
圧タンク。５、１４．１０７．１０７’・・・ノズル。ｓ、　ｉｏｓ・・・試料、　　　　　９．１０９・・・
テーブル。１１０・・・試料ホルダー、１１１・・・気体。１１２・・・連結弾性体、１１３・・・圧電素子。１１４・・・Ｌ字金具、１１５・・・上下台。１１６・・・圧電素子、１１７・・・探針。１１８・・・走査型トンネル顕微鏡。１１９・・・圧電素子、１２０・・・圧電素子。１２１・・・マイクロメータヘッド。１２２・・・防諜機構、１２３・・・基板。代理人　弁理士　則　近　憲　佑同　　　　　　松　　山　　光　　之第１図（ａ）（ｂ）（ｄＪ（ｅ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）背圧タンクと、この背圧タンク内の流体を試料面
に作用させるようこの試料面に対向して前記背圧タンク
の一側面に設けた第１のノズル体と、この第１のノズル
体の穴を流通する流体の圧力変位に対応する前記背圧タ
ンク内の圧力変位を検出する圧力変位検出部とを具備し
、前記圧力変位検出部は、前記背圧タンクの他側面に設
けられ、かつこの背圧タンク内の流体が外部に流通する
穴を有する第２のノズル体と、この第２のノズル体の穴
を流通する流体の作用で応動する片持支持弾性体と、こ
の片持支持弾性体の変位量を測定する変位計とを設けて
構成したことを特徴とする形状測定装置。