JPH0774735B2 - サンプルの表面構造の寸法の測定装置及び方法 - Google Patents

サンプルの表面構造の寸法の測定装置及び方法

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JPH0774735B2
JPH0774735B2 JP4216049A JP21604992A JPH0774735B2 JP H0774735 B2 JPH0774735 B2 JP H0774735B2 JP 4216049 A JP4216049 A JP 4216049A JP 21604992 A JP21604992 A JP 21604992A JP H0774735 B2 JPH0774735 B2 JP H0774735B2
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probe
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laser beam
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マーティン・パトリック・オーボイル
ヘーマンタ・クマル・ヴィクラマシンヘ
サンドラ・ケイ・ウォルターマン
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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には測定装置に
関し、より具体的には走査型原子間力顕微鏡と光学式測
定装置の新しい組合せを使用する、線幅、トレンチ及び
オーバーレイの測定する装置に関する。チップを有する
片持ち梁が、光電子フィードバック・システムを使用し
て測定領域まで下げられる。片持ち梁は、その固有振動
数またはその付近の振動数で振動される。サンプルまた
はプローブが移動され、位置の変化がレーザ干渉測定フ
ィードバック・システムまたは光学式フィードバック・
システムを使用して測定される。次いでサンプルの微細
な寸法を正確に得るために、フィードバック信号がシス
テム制御装置に供給される。
【０００２】
【従来の技術】走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）技術は、
表面をマップするためにプローブ式アプローチを使用し
て、測定における新しい考え方を導入した。原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ）技術は、この技術の変形である。ＡＦＭ
及びＳＴＭにおいて困難なことは、２次元のトレンチを
測定することである。どちらも２次元のチップの動きを
検出するために精巧な多数台接続した干渉計を必要とす
る。
【０００３】最初の原子間力マイクロプローブでは、サ
ブミクロン級の半径を有する極小プローブ・チップが、
サンプルの表面領域を解析するために、ナノメートル・
レベルの変位で緩く波打つ表面を横切って浮動してい
た。このチップは、表面に垂直に振動され、そして表面
からの距離に応じて、表面とチップの間のファンデルワ
ールス力によって片持ち梁チップの共鳴の変化が生じ
る。この共鳴の変化が、レーザ・ヘテロダイン干渉計で
感知される。チップは、フィードバック・ループを介し
て固定した高さに維持され、または共鳴の変化が高さ信
号に変換される。この共鳴の変化の感度のために、ナノ
メートル・レベルの精密な高さ測定が可能であった。チ
ップとサンプルの間隔は、数十ナノメートルのレンジで
あった。この動作モードでは、サンプルが圧電走査ステ
ージを使って走査されるとき、チップとサンプルの間隔
が一定に維持される。この動作モードの大きな欠点は、
チップの幾何学的形状のために水平Ｘ方向の測定の解像
度及び精度が制限されることであった。
【０００４】G.ビンニヒ（Binnig）、C.F.クェイト（Qu
ate）及びC.ガーバー（Gerber）の論文 "Atomic Force
Microscope", Physics Review Letters, Vol.56,pp.930
〜933（1986）は、原子スケールで絶縁体の表面を観測
できる原子間力顕微鏡を記述している。それは、走査ト
ンネル顕微鏡の原理とスタイラス・プロフィロメータの
原理を組み合わせたものである。このシステムでは、チ
ップとサンプルの間の力は、反発し、交流振動技法をチ
ップに適用する場合に達成可能な力より４桁大きかっ
た。
【０００５】その後、Y.マーティン（Martin）、C.C.ウ
ィリアムズ（Williams）及びH.K.ウィクラマシンヘ（Wi
ckramasinghe）の論文 "Atomic Force Microscope-Forc
e Mapping and Profiling on a Sub-100 Angstrom Scal
e",Journal of Applied Physics,Vol.61(10),pp.4723〜
4729（15 May 1987）は、圧電変換器に装着されたワイ
ヤの端にあるタングステン・チップを使用する、修正さ
れた原子間力顕微鏡を記述している。この変換器は、片
持ち梁として機能するワイヤの共鳴振動数でチップを振
動させる。レーザ・ヘテロダイン干渉計は、交流振動の
振幅を精密に測定する。チップとサンプルの間の長いレ
ンジに亘る力は、ファンデルワールス型の引力である。
チップがサンプルにきわめて接近すると、この引力は大
きくなって、チップがサンプルにくっつき、サンプルの
表面からチップを引き離すのに必要な力を測定すること
ができる。偏光されたレーザ・ビームは、チップを担持
するワイヤで反射されるので、片持ち梁が数百オングス
トロームの振幅をもつ振動に励起されても、片持ち梁の
振動を監視することができる。米国特許第４７２４３１
８号は、原子の解像度で表面を結像するための原子間力
顕微鏡及び方法を開示している。尖った先端の頂点にあ
る原子とサンプル表面にある原子の間に生じる力によっ
てバネ状の片持ち梁がたわむように、尖った先端を、調
査されるサンプルの表面に接近させる。片持ち梁は、ト
ンネル顕微鏡の一方の電極を形成し、他方の電極は尖っ
たチップである。片持ち梁のたわみが、トンネル電流の
変動を引き起こし、その変動を使って補正信号を発生さ
せる。また、サンプルを静止点に対してＸ、Ｙ及びＺ方
向に変位させる、ＸＹＺドライブも開示されている。
【０００６】米国特許第４７４７６９８号は、走査型熱
プロファイラを開示している。材料に関係なく表面構造
を調査するための装置が示されている。圧電駆動手段
が、走査チップを、表面構造に垂直に、また表面構造に
平行に移動させる。フィードバック制御が、走査チップ
を垂直方向に適切に位置決めし、そしてこれにより調査
される表面構造を表す電圧を発生する。また、３つの圧
電駆動手段を使用して、サンプルと走査用チップが３次
元で相対的に移動できることも開示されている。圧電駆
動手段は、水平方向Ｘ及びＹで動作し、またＺ方向での
サンプルと走査チップの相対位置を調節することもでき
る。別法として、プローブを固定し、サンプルを走査チ
ップに対して相対的に移動させることもできる。
【０００７】米国特許第４８０６７５５号は、超小型機
械式原子間力センサ・ヘッドを開示している。超小型機
械式センサ・ヘッドは、１０-13Ｎまでの小さな力を測
定できるように設計されており、ここでは共通基部から
片持ち梁及び梁部材が平行に伸びている。片持ち梁は、
硬質材料製の尖ったチップを担持する。チップ・ヘッド
がチップに通電しなければならない走査トンネル顕微鏡
とは対照的に、チップは、導体または非導体のどんな固
体材料製でもよい。チップと表面の間の距離は、通常、
ナノメートルの１／１０、すなわち１オングストローム
程度である。
【０００８】米国特許第４８８３９５９号は、ファンデ
ルワールス力を検出できるプローブ・チップを記述して
いる。プローブ・チップは、マイクロバランス装置の一
部分であるバランス・バー上に置かれる。磁気部材が磁
界を制御して、マイクロバランス装置の平衡を制御す
る。プローブにかかる原子間力が、マイクロバランス
を、プローブ・チップとサンプル表面の間の負の力によ
って変位させる。上記特許では、負の力を使用し、マー
ティンらのシステムでは正の力が使用されることに留意
されたい。
【０００９】"Microprobe-Based CD Measurement Too
l",IBM Technical Disclosure Bulletin,Vol.32,No.7,
p.168（Dec.1989）は、「表面センサとして原子間力マ
イクロプローブ（ＡＦＭ）を使用し、トレンチの深さ及
び幅を測定するために特に設計された測定装置」を記述
している。このシステムは、振動するプローブ・チップ
が表面に接近するにつれて、このプローブ・チップの共
鳴の変化を検出する、２次元レーザ・ヘテロダイン・シ
ステムに加えて、２軸レーザ干渉計などの２次元長さ測
定システムを組み込んでいる。プローブ・チップは、ど
の表面に接近するかに応じて、水平または垂直方向に振
動する。プローブ・チップの平均位置は静止状態に保持
され、測定されるウェーハまたは他の部品がその表面に
平行または垂直に移動され、変位が測定される。この論
文は、トレンチの底部及び左右の縁部を検出するための
明確なセンサ・ポイントを有する３点プローブ・チップ
の使用を記述している。プローブ・チップは、ロボット
運動を使用してトレンチ内に下げられる。次に、プロー
ブ・チップが、トレンチの底部からの特定の高さの所で
左から右に移動される。それによって、トレンチの幅
が、高さの関数として測定され、エッジの勾配を調べる
ことができる。チップの寸法が既知のとき、トレンチ寸
法の正確な測定が可能である。さらに、このシステム
は、チップ位置の正確な制御を与えるので、偶発的なチ
ップの損傷を防止することができる。
【００１０】上記の諸技法ならびに関連するすべての方
法は、表面形状が浅い限り、分子表面をマップできる解
像力をもつ。トレンチ及び複雑な表面形状に対しては、
測定されるトレンチまたは線幅の傾斜部でのチップのた
たみ込み効果のために、これらの方法には限界がある。
【００１１】パラボラ型のタングステン・チップなど現
在のチップは、チップ半径が約０．１μｍであるが、
０．０１μｍ以下のチップが、電子ビーム付着技法を使
用して他の材料で製造されている。深いトレンチ及び狭
いトレンチの測定が可能な、関連の米国特許第５２４２
５４１号及び第５１８６０４１号を参照されたい。
【００１２】さらに、現在のＳＦＭ技術は、単軸プロー
ブ探査に限定されており、２軸プローブ探査は、位置情
報用に外部レーザ干渉測定感知手段の使用を必要とす
る。一方、本発明は、光学式測定技法の結果得られる光
学的プロフィルからまず線幅またはトレンチ表面が得ら
れ、ＳＦＭを使って表面をより高いナノメートル・オー
ダまで迅速にプロフィル処理できる３次元マッピング技
法を提供する。
【００１３】本発明の走査型原子間力顕微鏡（ＳＦＭ）
は、０．３５マイクロメートル以下のサブハーフマイク
ロメートルの微細形状寸法の微細な寸法の線幅及びオー
バーレイの測定に使用することができる。チップの幾何
形状は、以前の機器における唯一の問題ではない。測定
法の点から見ると、（任意の高さでの）独立した水平方
向（Ｘ）及び高さ（Ｚ）次元の測定が必要である。Ｘ方
向での共鳴の変化に対して振動及び干渉測定感知システ
ムを追加しても、以前に説明した動作モードには第２の
問題がある。すなわち、険しいエッジ勾配をもつ線また
はトラックを横切って走査するとき、チップがＸ方向の
力のレンジに入ったり出たりする。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、微細
な寸法の線幅及びオーバーレイ測定に必要な、正確かつ
独立なＸ、Ｙ及びＺ方向の距離測定を実施するための測
定装置を提供することである。
【００１５】本発明の別の目的は、光学顕微鏡技法及び
非接触式ＡＦＭの両方による線幅の同時直接（in sit
u）測定である。これによって、ＳＦＭ測定と光学的測
定の直接比較が可能になる。
【００１６】本発明の別の目的は、通常の測定装置に結
合できるように、走査チップ・バイブレータを通常の対
物レンズに取り付けることである。
【００１７】本発明の別の目的は、遠隔ヘテロダイン干
渉計を使用して、干渉計と光学式測定装置の間の相対的
振動レベルとは独立に、光学顕微鏡タレット・システム
を介してチップ振動を測定することである。
【００１８】本発明の別の目的は、ウェーハの独立した
粗調節及び精密調節（位置決め及び走査）が可能なシス
テムを提供することである。
【００１９】本発明の別の目的は、精密走査ステージ上
で完全に実行されるサンプル位置の独立した測定を実現
することである。
【００２０】本発明の別の目的は、ＳＦＭから光学式測
定ルーチンに線走査データを入力して線幅数を得ること
が可能な、通常の光学式測定装置への結合を実現するこ
とである。
【００２１】本発明の別の目的は、測定装置に組み込ま
れた光学式ビデオ・カメラ・システムによるＳＦＭ走査
フィールドの同時観測を実現することである。
【００２２】本発明の別の目的は、干渉計位置合せ機構
または観測用光学系を妨害せずにレーザ・ビームを片持
ち梁上に置く新規な方法を可能にするビーム操向光学系
を提供することである。
【００２３】本発明の別の目的は、光学顕微鏡の対物レ
ンズに対するウェーハの粗及び精密テスト・サイト位置
合せ及び合焦である。
【００２４】本発明の別の目的は、測定されるトレンチ
または線幅にチップが完全に位置合せされた後でチップ
を下ろすことにより、チップの衝突破壊を防止すること
である。
【００２５】本発明の別の目的は、光学顕微鏡技法及び
非接触式走査型力顕微鏡（ＳＦＭ）の両方を用いた線幅
の同時直接測定によって、サンプル上の構造の寸法を測
定し、ＳＦＭ測定と光学式測定ならびにサンプル・プロ
フィルの精密な詳細の直接比較を可能にする、測定シス
テムを提供することである。
【００２６】
【課題を解決するための手段】本発明に従うサンプルの
表面構造の寸法を測定するための測定装置は、 （ａ）少なくとも１つのチップを有するプローブと、 （ｂ）上記プローブの上記サンプルに対する近接度を検
出するための白色光を上記プローブの点に当てる少なく
とも１つの白色光源と、 （ｃ）上記白色光が当たる上記プローブ上の点に、該プ
ローブの上記サンプルに対する近接度を検出するための
レーザ・ビームを当てる少なくとも１つのビーム操向手
段と、 （ｄ）上記サンプルに近接した位置にある上記プローブ
を振動させるバイモル圧電素子と、 （ｅ）上記振動するプローブから反射された上記白色光
を受け取り、上記表面構造のイメージを発生するビデオ
手段と、 （ｆ）上記振動するプローブから反射された上記レーザ
・ビームを受け取り、上記サンプルの表面構造の寸法を
測定するレーザ・ヘテロダイン制御手段とを有する。 そして、上記プローブがこれの固有振動数で振動され
る。そして、上記測定装置は、更に上記サンプルを支持
し、該サンプルを上記チップに対して相対的に位置決め
する位置決め手段と、上記反射された白色光を受け取
り、上記サンプルの表面構造のプロフィルを表すビデオ
・データを生じるビデオ・カメラと、上記ビデオ・デー
タを受け取り上記位置決め手段を上記チップに対して粗
く位置決めする制御手段とを有する。そして、上記プロ
ーブの上記サンプルに対する位置関係を示す出力信号
が、コンピュータ内にある、上記表面構造の寸法を調べ
るアルゴリズムで解析される。上記プローブが光学的顕
微鏡により上記サンプル上に位置決めされる。そして、
上記サンプルの表面構造のプロフィルを、走査型原子間
力技法を用いて調べる手段を有する。そして、上記ビー
ム操向手段が、該ビーム操向手段から送り出されるレー
ザ・ビーム及び該操向手段に戻るレーザ・ビームを同一
経路を通過させながら、該レーザ・ビームのスポットを
上記プローブ上に当てる手段を有する。そして、上記プ
ローブを少なくとも１つの方向に振動させる手段を有す
る。そして、上記プローブを上記サンプルの表面に垂直
なＺ方向及び該Ｚ方向に直角なＸ方向に同時に振動させ
る手段を有する。本発明に従う線幅の寸法を測定する方
法は、 （ａ）測定されるサンプルの線状構造に白色光源を合焦
させ、上記線状構造の幅を光学的解像度で測定する段階
と、 （ｂ）走査型原子間力プローブを上記サンプルの線状構
造に近接させて、該線状構造の幅を原子解像度で測定す
る段階とを含む。
【００２７】
【実施例】本発明は、システムに多次元能力を追加する
ことによって、ウェーハ測定に技術を拡張する各種の技
法を提供する。この能力がなければ、凹んだ側面を有す
る深いトレンチのマッピングは不可能である。
【００２８】また本発明は、ＸまたはＹ及びＺ平面内の
チップ位置を監視できる、特別の切替え可能なレーザ光
路を導入する。
【００２９】本発明は、独自のレーザ・ヘテロダイン・
システムを利用して瞬間的チップ位置を監視する。本発
明は、導体表面のＳＴＭ技術の一部分としてＩＢＭチュ
ーリヒ研究所が発明した、走査トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）の改良に係わる。走査型力顕微鏡（ＳＦＭ）は、プ
ローブ・チップとターゲット表面の間のファンデルワー
ルス力を測定する。フィードバック・ループが、このギ
ャップ（表面が走査されているとき約５０オングストロ
ーム）を制御する。
【００３０】また本発明は、サンプルの表面をマップす
るために使用できる３つの異なるアプローチを開示し記
述する。第１は、レーザ・ヘテロダイン・システムを使
用してチップ位置を検出し、マイクロプロセッサによっ
てフィードバック制御を行うものである。チップ位置
は、単一のレーザ光路によって監視される。
【００３１】第２は、２つの光路用の１対の切替え可能
な光学系を使用する、第１のアプローチの変形である。
交互にＺ圧電素子及びＸ圧電素子で振動を発生させて、
まず垂直表面形状を検出し、次に第２の光路に切り替え
ることによって、トレンチ側面の表面形状を検出する。
もう１つのアプローチは、２次元"Ｚ"及び"Ｘ"圧電素子
を等しい振動数または振幅、あるいは各々異なる振動数
または振幅で「同時に」駆動して、２次元軌道の走査チ
ップ運動を作り出し、たたみ込みなしで変調信号から上
端表面、下端表面及び傾斜表面を抽出するものである。
【００３２】第３のアプローチは、光ファイバを異なる
形で使用して、ターゲットを超えて光ファイバの平面端
からレーザ・エネルギの一部分を跳ね返すものである。
これは、従来設計におけるミラーに置き代わるものであ
る。
【００３３】本発明の最後の２つのアプローチは、"Ｘ"
方向でＡＦＭアプローチを使って、トレンチの傾斜を直
接検出するので側壁上でのチップのたたみ込み誤差がな
くなる。さらに、本発明は、任意のタイプの表面または
表面材料に使用できる。
【００３４】たとえば２００ｎｍ未満の近未来の高密度
チップに関連する基本原則によって課される要件のよう
な、進んだ測定要件に対しては、ＳＥＭ以外の既知の測
定技術はない。これらの要件は、線幅プロフィルの深さ
が１ミクロンを超える場合に、ＣＤ次元を横切ってアス
ペクト比５：１で３σの信頼限界で１０ｎｍのレンジ内
の測定精度が達成されることを要求する。
【００３５】本発明の１つの態様は、チップとトレンチ
または線幅あるいはその両方の表面の間で一定のギャッ
プを維持するＳＦＭの表面形状追跡コンセプトを、従来
型の広帯域白色光光学顕微鏡と組み合わせる技法であ
る。
【００３６】このシステムの利点のいくつかは以下の通
りである。 １）ＳＦＭと光学顕微鏡の両方によるサンプル表面の同
時直接測定。 ２）このシステムは、ＳＴＭシステムによって開示され
論じられた導電性材料だけに制限されない。 ３）この本発明では、特別の表面処理は必要でない。 ４）本発明は、室温で使用でき、真空環境は必要でな
い。 ５）光学顕微鏡でサンプル上の微細形状を位置合せし、
合焦させ、測定することによって、チップが精密に下げ
られるので、チップの衝突破壊がなくなる。 ６）本発明では、オングストロームまたは原子スケール
での構造の測定が可能になる。 ７）さらに、チップは、ターゲット表面をマップする間
にターゲット表面と物理的に接触しないので、ターゲッ
トもチップも損傷や破壊を受けない。 ８）レーザ・ヘテロダイン・システムがチップ位置を監
視する。 ９）チップとサンプルの間の力が監視され、一定に維持
される。ギャップが変化した場合、チップはギャップを
維持するように補償する。したがって、チップ位置が表
面形状をマップする。 １０）力が一定だということは、ギャップが一定である
ことを意味し、サンプルの良好なマッピングを意味す
る。 １１）軌道走査チップ運動の２次元チップ制御、及び結
果として得られる変調されたＳＦＭ信号からたたみ込み
誤差なしで側面の傾斜表面プロフィルを抽出するための
信号フィードバックを実現する。
【００３７】このシステムは、トレンチに沿った様々な
（Ｙ）位置でトレンチの幅（Ｘ）及び深さ（Ｚ）を測定
できるように適合されている。トレンチを、まずトレン
チに平行な測定システムのＹ軸と整列させる。
【００３８】図１は、光学式測定装置と組み合わせた１
次元ＳＦＭシステムの走査プローブ・チップ・アタッチ
メントの概略図である。図１は、図２及び図３とあいま
って、片持ち梁１６の詳細図を示す。片持ち梁１６は、
バイモル圧電素子４８及びチップ支持構造１８を介して
ミラー／レンズ・ハウジング２２に取り付けられ、そし
て先端に走査チップまたはプローブ・チップ１４を有す
る。バイモル圧電素子４８が、これに取り付けられた片
持ち梁１６を振動させ、そして片持ち梁１６がプローブ
・チップ１４をＺ方向に振動させる。
【００３９】またバイモル圧電素子４８は、"Ｚ"方向に
平行移動して、サンプルまたはターゲット１２上のトレ
ンチ４０または線幅４２にまでチップを下げ、そしてサ
ンプル１２が走査されるにつれて、サンプル１２の表面
形状に追従することができる。走査チップ１４は、通常
は、片持ち梁１６の端部に装着されるが、片持ち梁１６
の適切などんな位置に取り付けることもできる。チップ
支持構造１８は、ミラー／レンズ・ハウジング２２の本
体に固定されている。サンプル１２は、通常、側壁傾斜
部９３及び９４を有する少なくとも１つのトレンチ４
０、及び線幅４２を有する。その表面がマップされるべ
きサンプル１２は、導電性であろうと非導電性であろう
とどんな材料でできていてもよい。またサンプルは、
穴、隆起線、メサなどその他の幾何形状を含んでいても
よい。
【００４０】トレンチ４０または線幅４２あるいはその
両方を横切ってチップ１４を移動することにより、表面
領域のプロフィル全体がマップでき、したがって、ター
ゲットに応じてトレンチ４０または線幅もしくはオーバ
ーレイ４２あるいはその両方の絶対値を計算することが
できる。
【００４１】このシステムは、広帯域白色光光学顕微鏡
による光学的合焦、光学的整列、及び光学的測定の実施
から開始する。このため、白色光源３４からの広帯域白
色光が、ビーム・スプリッタ３８を経て白色光経路４４
に沿ってトレンチ４０または線幅４２に送られる。白色
光は、サンプル１２から反射されて白色光経路４５に入
り、ビーム・スプリッタ・ハウジング３７に収納されて
いるビーム・スプリッタ３８に戻り、ここでビデオ・カ
メラ３６などによって検出される。ビデオ・カメラによ
るイメージの検出を行うために白色光が使用される。次
に、信号が、ビデオ・ディスプレイ５６上で表示され、
かつディジタル化されて、システム制御装置５８に送ら
れる。またプローブの位置を、少なくとも１台の光学顕
微鏡を使って測定することができる。これらが行われた
後、チップが好ましくはこれの固有振動数で振動させ
る。この振動するチップを整列済みのターゲット上の所
望の位置まで下げる。この位置は、ターゲットまたはサ
ンプルの表面から通常約５０オングストローム程度離れ
ている。
【００４２】これらの位置から、トレンチ４０の中心が
調べられることができ、そして底面がチップ１４の力感
知レンジ内に入るまで、チップ１４が傾斜部の近くに自
動的に下ろされることができる。（サンプルは予め粗か
つ微細に位置合せされており、Ｙ方向に関して位置決め
されていると仮定する。必要ならばレベリングを実行す
ることができる。）プローブ・チップはＸ方向及びＺ方
向の両方向で力感知レンジに慎重に出入りされるので、
プローブ位置を追跡する追加の手段が必要である。これ
は、サブナノメートル・レンジまで正確な、Ｘ方向及び
Ｚ方向の干渉測定を追加することによって達成される。
【００４３】従来の走査モードでは、水平方向の測定値
が不正確なことに加えて、水平方向の移動に対するフィ
ードバック及び制御システムがない。したがって、プロ
ーブ・チップ１４は、トレンチ４０の垂直側壁に衝突す
ることによって容易に損傷を受ける可能性がある。本発
明のシステムでは、高い縦横比のチップ１４がトレンチ
４０内に降下して、そして、チップ１４がクリチカルな
力レンジ内に入ったとき、側壁がチップ１４によって安
全に感知される。チップ１４の完全制御が達成され、そ
れによってチップの損傷がなくなる。
【００４４】精密合焦機構の場合と同様に、このシステ
ムは一連の精密移動制御システム及び感知システムを使
用する。たとえば、粗い位置決めのために、白色光測定
光学システムが使用されて、プローブ・チップ１４を上
面のクリチカルな力のレンジの近くに持っていくことが
できる。光学的パターン認識技法が、測定される微細形
状の位置を調べ、機械的ステージと粗い位置合せを行
う。また光学的文字認識と結合された圧電ステージが、
本発明の白色光測定システムの一部分として与えられ、
その後の精密位置決め及び測定に使用される。
【００４５】レーザ・シングル・ヘテロダイン干渉計制
御装置３２内のレーザ光源から、レーザ・ビーム４６な
どの光ビームが、ビーム操向機構２６に送られる。出て
いくレーザ・ビーム４６は、部分反射性ミラー２４で反
射され、対物レンズ２０によって、プローブ・チップ１
４の真上の片持ち梁１６の上面に合焦される。レーザ・
ビーム４６は、次に図１に示すように、片持ち梁１６で
反射され、対物レンズ２０を通り、部分反射性ミラー２
４で反射されて戻り、ビーム操向機構２６に入り、レー
ザ・ヘテロダイン制御装置３２に達する。レーザ・ビー
ム及び白色光は、同一光学経路を介して（共線的に）片
持ち梁１６の同一位置に当てられるので、白色光及びレ
ーザ・ビームは同じ視野で片持ち梁１６を観察すること
ができ、両者を用いた場合の測定の精度を向上する。
【００４６】ビーム操向機構２６は、図２及び図３によ
り詳細に示されている。ビーム操向機構２６は、反射さ
れた、または入来レーザ・ビーム４７が、出ていくレー
ザ・ビーム４６と共線的にレーザ・ヘテロダイン制御装
置３２に戻ることを保証する。レーザ・ヘテロダイン制
御装置３２は、チップ１４の位相と振幅、片持ち梁１６
の近くでの振動、共鳴振動数の測定値を与える。チップ
１４とサンプル１２の間の間隔またはギャップは、共鳴
近くでのチップ振動からの信号の振幅または位相のシフ
トを測定することによって制御される。ギャップは、振
幅または位相信号の変化を利用することによって制御さ
れ、一定の振動振幅または位相を維持するように、バイ
モル圧電素子４８に"Ｚ"移動のフィードバックを与え
る。
【００４７】このように、通常の測定では、プローブ・
チップ１４が所与の方向（ＸまたはＺ）でサンプル１２
の表面に接近するにつれ、ディジタル化された位置デー
タ（ＸまたはＺ）がレーザ・ヘテロダイン干渉計制御装
置３２から得られ、それと共にレーザ位置干渉計制御装
置６０からディジタル化された電圧信号（接近方向に対
応する）が得られる。この電圧は、片持ち梁１６を附勢
する基準振動数に対するヘテロダイン干渉計信号ビーム
の側波帯振幅に比例する。プローブ・チップ１４がサン
プル１２に接近すると、片持ち梁１６及びチップ１４の
共鳴振動数がシフトして、側波帯振幅電圧の降下を引き
起こす。システムが（振動及び雑音から）十分に安定な
場合、接近がなされる前の値の約１０％に側波帯振幅が
下がるまでデータをとることができる。別法として、ト
レンチ表面全体を増分式にマップすることもできる。
【００４８】図２はビーム操向ハウジング１２０からな
るレーザ・ビーム操向光学機械システムの概略図を示
す。このレーザ・ビーム指向光学機械システムは、この
システムから送り出されるレーザ・ビーム及びこのシス
テムに戻るレーザ・ビームの共線性を保ちながら、レー
ザ・ビームのスポットを片持ち梁１６の上面に位置決め
する。そして反射されたレーザ・ビームは、上述のよう
にレーザ・ヘテロダイン干渉計制御装置３２に入力され
てこの装置３２がディジタル化された位置データを生じ
る。第１のレンズ・ハウジング１２８及び第２のレンズ
・ハウジング１３８が、それぞれ第１のレンズ・ブラケ
ット１２４及び第２のレンズ・ブラケット１３４によっ
て装着プレート１２２に固定されている。ＸＹＺトラン
スレータ１２６が、第１のレンズ・ハウジング１２８に
取り付けられている。トランスレータ１２６は、第１の
レンズ１２９をＸまたはＹまたはＺ方向に移動させる。
同様のＸＹＺトランスレータを、第２のレンズ・ハウジ
ング１３８にも取り付けることが可能である。装着プレ
ート１２２自体は、ビーム操向ハウジング１２０に固定
されている。
【００４９】図３は、ビーム操向光学系１３０を示す。
光学系１３０は、２つの共焦点対物レンズ、すなわち焦
点距離がそれぞれｆ1及びｆ2である第１のレンズ１２９
及び第２のレンズ１３９からなる。第１のレンズ１２９
はＸＹＺトランスレータ１２６に接続されている。Ｚ方
向の平行移動を用いて、対物レンズ１２９及び１３９が
共焦点であることを保証する。第１のレンズ１２９がＸ
またはＹ方向に平行移動した場合、ＸまたはＹ方向の平
行移動距離をΔとすると、第２のレンズ１３９からの出
力ビームは次式によって与えられる小さい角度（α）だ
け偏向される。
【００５０】 Ｓｉｎ α ＝ Δ ／ ｆ2 ・・・（１） 出ていくレーザ・ビーム４６をＳＦＭ対物レンズ２０に
向ける。レーザ・ビーム４６の傾斜角αのために、片持
ち梁１６上で点１０に合焦されるスポットの位置がシフ
トする。片持ち梁１６における位置のシフトΔはｆ0ｓ
ｉｎαで与えられる。ただし、ｆ0はＳＦＭ対物レンズ
２０アセンブリの焦点距離である。入ってくるレーザ・
ビーム４７は、片持ち梁１６の上面で反射されてビーム
操向光学系１３０を通って元の経路を戻り、出ていくレ
ーザ・ビーム４６と平行にレーザ・ヘテロダイン干渉計
制御装置３２に入る。これによって、片持ち梁１６上の
点１０における合焦されたスポットの位置とは独立な、
適切なヘテロダイン混合を得るために位相フロントが合
致することが保証される。
【００５１】第２レンズ１３９の中心からレンズ２０の
入射瞳孔までの距離Ｌは、第１レンズ１２９が小さい
量、たとえばΔだけ横に移動したとき、レンズ２０の入
射瞳孔に当たるレーザ・ビーム４６の物理的位置が不変
のままとなるように選択しなければならない。以下の検
討から距離Ｌについての簡単な式を導くことが出きる。
【００５２】第１レンズ１２９がその軸上の位置からΔ
だけ横に移動されたならば、第２レンズ１３９の射出瞳
孔でのレーザ・ビーム４６の物理的位置の平行移動距離
はΔ（１＋ｆ２／ｆ１）となる。対物レンズ２０アセン
ブリの入射瞳孔におけるレーザ・ビーム４６の固定位置
を維持するには、次式が成立しなければならない。
【００５３】 Ｌ×ｓｉｎ（α）＝ Δ（１＋ｆ2／ｆ1） ・・・（２） 上記ｓｉｎ（α）をこの数式２に代入すると、次式が得
られる。
【００５４】 Ｌ＝ｆ2（１＋ｆ2／ｆ1） ・・・（３） 数式３に従ってＬを選択することによって、レーザ・ス
ポット１０が片持ち梁１６を横切って移動するとき、レ
ーザ・ビームがレンズ２０アセンブリの入射瞳孔の同じ
物理的領域に入り、その結果、合焦による収差が最小に
なる。
【００５５】図４は、本発明による制御システムを含む
プローブ測定システムを示す。Ｘ−Ｙ圧電ステージ６４
は、サンプル１２を担持するサンプル・ホルダ６２を支
持する。本発明のステージは、米国特許第４５０６１５
４号で開示された微小位置決めステージに類似してい
る。その開示を引用により本明細書に合体する。Ｘ、Ｙ
ステージは、精密Ｚ移動用の３個１組の別々のアクチュ
エータによって支持される。Ｘ軸サブステージ６８及び
Ｙ軸サブステージ７０がある。この２つのステージは、
Ｘ及びＹの粗い位置決めに使用される。Ｘ及びＹ軸サブ
ステージを使用して、最初にトレンチ４０をプローブ・
チップ１４の下に心合せする。トレンチ４０の位置は、
測定中、レーザ位置干渉計制御装置６０によって監視さ
れる。Ｚ圧電ステージまたは変換器６６は、Ｘ軸サブス
テージ６８の上方でＸ−Ｙ圧電ステージ６４を担持する
要素を支持する。Ｘ軸サブステージ６８は、ステージ６
８と７０の間でのスライド可能な位置関係で、Ｙ軸サブ
ステージ７０上に支持される。
【００５６】圧電ステージに詳しい当業者なら理解する
ように、線が、システム制御装置５８によって制御され
る高電圧電源を、Ｘ−Ｙ圧電ステージ６４の内部に埋め
込まれたＸ圧電素子に接続する。Ｘ圧電素子は、サンプ
ル・ホルダ６２にＸ方向の微小運動を与える。同様に、
線が、Ｚ圧電ステージまたは変換器６６をアクチュエー
トするために、システム制御装置５８によって制御され
る高電圧電源を接続する。かくして、システム制御装置
５８は、Ｘ−Ｙ圧電ステージ６４の表面の下のＺ圧電ス
テージ６６を附勢する。システム制御装置５８からの線
が高電圧電源を制御して、Ｘ−Ｙ圧電ステージ６４上の
Ｙ位置圧電素子アクチュエータへの電圧を制御する。こ
うして、システム制御装置５８は、Ｘ−Ｙ圧電ステージ
６４の内部のＹ圧電素子を附勢する。すなわち、要約す
ると、システム制御装置５８は、ステージ６４のＸ及び
Ｙ圧電素子、ならびにＺ圧電ステージ６６を附勢する。
電源への線上の信号は、位置干渉計制御装置６０からシ
ステム制御装置５８にフィードバックされるデータに基
づいて（それが受け取る位置情報の関数として）発生さ
れる。Ｘ、Ｙ圧電ステージ６４の精密位置決めのための
フィードバックが、所望に応じてシステム制御装置５８
に与えられる。
【００５７】バイモル制御装置５０からの線５２は、片
持ち梁１６をＸ方向に振動させるために、バイモル圧電
素子４８に接続する。バイモル制御装置５０は、システ
ム制御装置５８からの線によって付勢される。線５２
は、片持ち梁１６をＺ方向に振動させることによって類
似の機能を与える。プローブまたはチップを、互いに独
立に、または互いに同時にＸとＺの両方向に附勢するこ
とができる。プローブまたはチップが同時にアクチュエ
ートされると、チップ１４または片持ち梁１６の軌道運
動を生ずる。もちろん、バイモル制御装置５０からの適
切な信号によって、チップまたは片持ち梁の運動の振動
数及び振幅を共に、Ｘ、Ｙまたは両方向に変動させるこ
とができる。
【００５８】本明細書で使用する「軌道運動」という言
葉は、円運動または楕円運動を意味するだけでなく、た
とえば矩形運動または多角形運動などのその他のタイプ
の運動をも意味する。これはもちろんＸ及びＺ方向のチ
ップの振幅を変動させることによって達成される。「軌
道運動」の方向または経路の速度は、バイモル圧電素子
４８または２４８からの片持ち梁１６の入力振動数をＺ
またはＸ方向で変化させることによって変動させること
ができる。
【００５９】レーザ・シングル・ヘテロダイン干渉計制
御装置３２（これは偏光ビーム・スプリッタ、ミラー及
び１／４波長板をも含む）から出ていくレーザ・ビーム
４６は、部分反射性ミラー２４によって９０度曲げら
れ、片持ち梁１６上のスポット１０に向かう。レーザ・
ビーム４６は、プローブ・チップ１４の共鳴を検出する
ために片持ち梁１６からＸ方向に反射される。レーザ・
ビーム４６を反射する片持ち梁１６の表面、及び片持ち
梁１６自体は、ミラー２４に適合するのに必要な角度を
得るためにわずかに傾斜している。レーザ・ビーム４６
から反射されたレーザ・ビーム４７は、ビーム操向機構
２６に入り、さらにレーザ・ヘテロダイン制御装置３２
に入る。
【００６０】Ｘ軸ステージ検出器８８、及びＺ軸ステー
ジ検出器７８によってそれぞれＸ位置、及びＺ位置に関
する測定の結果が検出され、レーザ・ヘテロダイン干渉
計制御装置３２にその出力が供給され、そして制御装置
３２は、サンプル１２に関するプローブのＸ及びＺの共
鳴を検出した出力をシステム制御装置５８への線に与え
る。線が、レーザ位置干渉計制御装置６０からの供給信
号をシステム制御装置５８に接続する。制御装置６０
は、二軸レーザ・ヘテロダイン干渉計制御装置３２から
の出力信号を受け取るように接続されている。
【００６１】サンプル１２のＸ、Ｙ及びＺ位置が、レー
ザ位置干渉計制御装置６０を使って測定される。レーザ
位置制御装置６０からのレーザ・ビームは、ビームＸＹ
Ｚステージ・スプリッタ・ミラー８０によって３本のビ
ームに分割される。第１ビームはサンプルのＸ位置を検
出し、第２ビームはＹ位置を検出し、第３ビームはＺ位
置を検出するために使用される。図４はこのシステムの
２次元概略図である。したがって、Ｘ及びＺ位置を検出
するための成分だけが示されている。１本のレーザ・ビ
ームが、Ｚ軸基準ミラー７６、及びＺ軸ミラー７４を経
て反射板またはミラー７２に向かう。次に、レーザ・ビ
ームは、Ｘ軸サブステージ６８内のウィンドウ（図示せ
ず）を通ってＺ位置基準ミラー９０に達する。次に、レ
ーザ・ビームは、反射されてミラー７２に戻り、Ｚ軸ミ
ラー７４を通って、Ｚ軸基準ミラー７６を通り、Ｚ軸ス
テージ検出器７８に達する。Ｚ軸ステージ検出器７８
は、出力信号をレーザ位置干渉計制御装置６０に供給す
る。制御装置６０はシステム制御装置５８への３本の出
力線を有する。
【００６２】レーザ・ビームの残りの部分は、ビーム・
スプリッタ８０を通過し、第２の測定値を得るためにそ
の一部分がミラー８２に送られる。レーザ・ビームは、
Ｘ軸基準ミラー８６を通過してＸ軸ミラー８４に達す
る。レーザ・ビームは、反射されてＸ軸基準ミラー８６
に戻り、出力レーザ・ビームを生ずる。この出力ビーム
がＸ軸ステージ検出器８８で検出されて、レーザ位置干
渉計制御装置６０への出力をもたらす。
【００６３】同様に、Ｙ位置については、レーザ・ビー
ムは、ミラー８２で反射されて、Ｙ位置ステージ検出器
への出力レーザ・ビームをもたらし、そしてこの検出器
は出力信号を位置干渉計６０に与える。
【００６４】次に、チップ１４、トレンチ４０または線
幅４２との衝突を防止するためにサンプル１２がＺ圧電
ステージ６６により下げられた後に、Ｘ軸ステージ６８
及びＹ軸ステージ７０が平行移動されることができる。
図１及び図４に示すように、白色光または広帯域測定チ
ャネルがＳＦＭチャネルと組み合わせて使用される。こ
のチャネルは、白色光源３４、ビーム・スプリッタ３
８、対物レンズ２０、及びビデオ・カメラ３６からな
る。このチャネルは、サンプル１２上のトレンチ４０ま
たは線幅４２を測定するために使用される。また、この
チャネルは、サンプル１２上の測定されるテスト・サイ
トまたは構造を粗く位置合せし、続いて高い精度で精密
位置合せするためにも使用される。
【００６５】次に、サンプル１２を"Ｚ"圧電ステージ６
６により持ち上げ、原子スケールの拡大率及び解像度で
測定する。白色光モードでは、光学的合焦は、ビデオ・
カメラ３６を介する自動合焦システムを使用して得られ
る。光学顕微鏡チャネル用の照明システム３４は、図１
及び図４に示されている。白色光は、ビーム・スプリッ
タ３８、及び対物レンズ２０を経てサンプル１２上に合
焦される。ビーム４４は、サンプル１２から反射され、
ソリッド・ステート・ビデオ・カメラ３６上に光学的像
を形成する。この像は、図７に示すように、測定中の線
幅を横切るビデオ走査を描く強度プロフィルに容易に変
換される。このデータはシステム制御装置５８に送られ
る。制御装置５８は、コンピュータ内にあるアルゴリズ
ムを使って少なくとも１つの測定信号を解析して、微細
な寸法を決定するための少なくとも１つの手段をもつ。
システム制御装置５８内にある適切な閾値アルゴリズム
を使用して、線幅４２が調べられる。
【００６６】Ｘ−Ｙ圧電ステージ・アクチュエータ６４
を使ってサンプル１２を移動することによって、図６に
示すような線幅４２の走査信号が生成される。この信号
は、レーザ位置干渉計制御装置６０から来るＸ−Ｙ圧電
ステージ６４の位置データとともに、システム制御装置
５８に供給される。このようにして、図６に示すような
２次元走査型原子間力マイクロプローブ走査を得ること
ができる。線幅４２は、１０２として示されており、傾
斜１０３及び１０４はそれぞれ傾斜９３及び９４に対応
する。トレンチ１００は、サンプル１２上のトレンチ４
０に対応する。
【００６７】図７は、図５の構造またはサンプル１２の
イメージ・プロフィル応答を示す。これは、サンプル１
２の測定中の構造から光学的に反射された光強度プロフ
ィルから得られる。このプロフィルは、戻り光路４５を
経てビデオ・カメラ３６に送られる。システム制御装置
５８内にある適切なエッジ検出アルゴリズムの適用によ
って、サンプル１２の層／レベルの先行構造に対する構
造の適切な線幅またはオーバーレイが計算される。イメ
ージ１１０はトレンチ４０に対応し、イメージ１１３及
び１１４はそれぞれサンプル１２上の傾斜９３及び９４
に対応する。線幅４２はイメージ１１２として示され
る。
【００６８】図８及び図９は、広帯域白色光光学式測定
装置と組み合わされたチップ・アタッチメントを有す
る、２次元ＳＦＭシステム２１０を示す。このシステム
は、Ｘ及びＺの両方向でＳＦＭ能力を実現する。デュア
ル・バイモル制御装置２５０によって片持ち梁をＺ及び
Ｘ方向に振動させるために２つのバイモル４８及び２４
８が設けられる。バイモル制御装置は、チップの軌道走
査運動を行うために、Ｘ及びＺを異なる時間に個別にま
たは同時に制御するために駆動される。追加の第２のレ
ーザ経路２４６を扱うための、デュアル・ビーム操向シ
ステム２２６、及びレーザ・デュアル・ヘテロダイン干
渉計片持ち梁２３２が設けられる。また、片持ち梁２１
６の垂直側面上に光を偏向させ合焦させるために、第２
の対物レンズ２２０が、部分反射性ミラー２２４ととも
に設けられる。したがって、片持ち梁２１６側壁からの
反射光が得られ、経路２４７を経てデュアル・ビーム操
向システム２２６に戻され、そしてデュアル・ヘテロダ
イン制御装置に達する。このＸ位置信号は、実際のトレ
ンチ９３、９４または線幅側壁を表す。トレンチの寸法
は、レーザ・デュアル・ヘテロダイン干渉計制御装置２
３２で得られる変調された信号から抽出される。かくし
て、１次元ＳＦＭ（図１及び図４）で得られる通常のた
たみ込み信号誤差がなくなる。このシステムは、好まし
くは、測定中の加工物のトレンチの内側の表面をＸ及び
Ｚの両方向で感知できるように適合された、プローブ・
チップを有する２軸レーザ・ヘテロダイン干渉計を含む
２次元または３次元プローブ感知システムを組み込んで
いる。この場合は、３つの突出部を有するチップ２１４
が振動され、チップ２１４の共鳴の変化が、レーザ・ヘ
テロダイン干渉測定によってＸ及びＺの両方向で感知さ
れる。
【００６９】レーザ・デュアル・ヘテロダイン干渉計制
御装置２３２（やはり偏向ビーム・スプリッタ、ミラ
ー、及び１／４波長板を含む）から出ていく第１のレー
ザ・ビーム１４６は、デュアル・ビーム操向システム２
２６を通過し、部分反射性ミラー２４によって９０度曲
げられて、第１の対物レンズ２０に向かう。次に、レー
ザ・ビームは、プローブ・チップ２１４のＸ方向の共鳴
を検出するために、片持ち梁２１６で反射される。同様
に、第２のレーザ・ビーム２４６は、デュアル・ヘテロ
ダイン干渉計制御装置２３２から、デュアル・ビーム操
向システム２２６を経て、ミラー２４に送られる。第２
のレーザ・ビーム２４６は、反射されて下向きに第２の
対物レンズ２２０に向かい、Ｚ方向のプローブ・チップ
２１４の共鳴を検出するために、第２の部分反射性ミラ
ー２２４で反射されて、片持ち梁２１６に達する。レー
ザ・ビーム２４６を反射する片持ち梁２１６の表面、及
び片持ち梁２１６自体は、ミラー２２４を取り付けるの
に必要な角度を得るためにわずかに傾斜されている。レ
ーザ・ビーム１４６及び２４６からそれぞれ反射された
レーザ・ビーム１４７及び２４７は、デュアル・ビーム
操向機構２２６に行き、さらに共線的にレーザ・デュア
ル・ヘテロダイン制御装置２３２に達する。処理された
情報は、さらにシステム制御装置５８に送られる。
【００７０】デュアル・バイモル制御装置２５０は、線
２５１及び２５２を介して片持ち梁２１６を振動させる
ための信号を送る。Ｘバイモル２４８は片持ち梁２１６
をＸ方向に振動させ、Ｚバイモル４８は片持ち梁２１６
をＺ方向に振動させる。両方のバイモル４８及び２４８
が付勢されると、片持ち梁２１６は軌道回転する。片持
ち梁２１６の動きによって、表面プロフィルを検出する
３突出部型チップ２１４が移動する。この装置は、ビー
ム操向手段に入る戻り光ビームとの共線性を維持しなが
ら、光ビームによって片持ち梁の上面に生成される光ス
ポット１０を調節する少なくとも１つの手段をもたなけ
ればならない。
【００７１】図１０は、光路信号伝送のために光ファイ
バ２５４、２６４を利用し、光ファイバを有するデュア
ル・ビーム操向システム２６０を介してレーザ・デュア
ル・ヘテロダイン干渉計制御装置２６２で受信する、２
次元ＳＦＭシステム２８０用の走査プローブ・チップ・
アタッチメントを示す。矢印２５６、２５７、２６６及
び２６７は、光ファイバを通過する光の方向を示す。対
物レンズ２０、２２０及びミラー２２４はもはや利用さ
れていないことに留意されたい。制御装置２６２及びデ
ュアル・ビーム操向システム２６０はともに、先に論じ
たものと類似しているが、光ファイバ２５４及び２６４
に適合するように修正されている。
【００７２】図８及び図９に示すミラー／レンズ・ハウ
ジング２２２は、光ファイバ２５４及び２６４に適合す
るように修正できる。これは、たとえば、対物レンズ２
０及び２２０をそれぞれ光ファイバ２５４及び２６４に
置き換えることによって達成され、片持ち梁２１６から
レーザ・デュアル・ヘテロダイン干渉計制御装置２６２
への所望の光信号を得ることができる。光ファイバ２５
４は、片持ち梁２１６からのＺ軸光信号を与え、光ファ
イバ２６４はＸ軸光信号を与える。もちろん、対物レン
ズ２０及び２２０を光ファイバ２５４及び２６４と組み
合わせて使用することは当業者には明かであろう。
【００７３】図１、図４、図８、図９及び図１０に示し
た原子間力マイクロプローブは、いつプローブが感知さ
れる表面から所与の距離にある時を示す、深さ及び幅セ
ンサである。測定の場合には、この原子間力マイクロプ
ローブは通常の走査モードで使用される。チップの幾何
学的形状は、米国特許第５１８６０４１号の図２に示さ
れた形状とすることが好ましい。原子間力マイクロプロ
ーブ・システムで使用できる別のチップ幾何学的形状
は、米国特許第５１７１９９２号に開示されている。ま
たヨーロッパ特許出願第４１３０４０号、第４１３０４
１号、及び第４１３０４２号は、ＡＦＭ／ＳＴＭ用の超
小型機械式センサ及び超小型機械式センサ・ヘッドを製
造する方法を開示している。これらすべての文献の開示
を、引用により本明細書に組み込む。
【００７４】チップの振動は、２つの平面内で１対の圧
電素子（バイモル）によって発生される。Ｚバイモル４
８はフレクシャを垂直に振動させ、Ｘバイモル２４８は
フレクシャを横方向に振動させる。このアプローチで
は、特別のチップ設計が必要である。トレンチ４０の側
壁をマップするために、チップ測定値を順に、すなわち
最初に垂直トラッキング、次にサイド・トラッキングを
取り、あるいはチップに軌道を描かせることによって同
時に取る。
【００７５】したがって、ユーザは、レーザ・ビームを
プローブの背部に置くようにチップ／片持ち梁を変化さ
せることができる。
【００７６】このシステムの解像力はチップ・サイズの
関数である。電子ビーム及び超小型機械式アプローチ
は、必要なチップ幾何形状を作り出すことができる。
【００７７】図８及び図１０のチップ１４の厳密な形状
は、チップ１４の突出部が測定中にプローブの力のレン
ジ内にくる限り、重要ではない。したがって、チップ１
４は、回転対称とすることができ、あるいはテーパが垂
直なＹ方向で、同じ断面形状を維持することができる。
【００７８】高アスペクト比のナノメートル・スケール
のチップを、通常のシリコン・チップの上面に成長させ
る。チップ・シャフト直径は、１００ｎｍのレンジにあ
るが、円錐頂点チップ直径は２５ｎｍのオーダである。
高アスペクトのチップ・シャフト長は４マイクロメート
ルのオーダである。この高アスペクト比のチップは、
０．２５マイクロメートルすなわち２５０ｎｍ程度のト
レンチの測定が可能である。
【００７９】マイクロプローブを使用する寸法測定の基
本的問題の１つは、チップの較正である。すなわち、通
常の広角度チップの場合、チップ寸法の決定、より具体
的にはプローブのチップの幾何形状が問題になる。
【００８０】タングステン・チップの形状はほぼ放物線
であり、製造方法によって半径が変わる。深いエッジの
トレンチを走査するとき、最大の力及びその結果生ずる
共鳴の変化を決定するタングステン・チップの先端は、
高さとともに変動し、ある高さでは力のレンジ内に全く
納まらない。正確な測定は、トレンチの上端における幅
においてのみ実行可能であり、それもチップの厳密な幾
何形状が既知であり、かつ測定されたプロフィルからた
たみ込み解除できるときに限って行える。
【００８１】現在追求されている改良型チップ設計は、
結晶平面に沿ってシリコンをエッチングすることによっ
て得られ、その結果きわめて小さいチップ半径を有する
周知のチップ幾何形状が得られる。ただし、チップの角
度は、エッジ傾斜がチップ角度より険しい場合にチップ
が力のレンジ内にこないような値である。
【００８２】小さな寸法のチップを制御可能に作成する
ための好ましい方法は、J.Vac.Sci.Technol.B7（6)、p
p.1941〜1946（Nov/Dec 1989）に所載のリー（Lee）及
びハツァキス（Hatzakis）の論文、及び米国特許第５２
４２５４１号及び第５１７１９９２号に記載されてい
る。
【００８３】別法として、シリコン・チップの選択的エ
ッチングに使用されるものと類似のマイクロリソグラフ
ィ技法を使用することができるが、そのエッチングは結
晶面に沿ってではない。金属層をパターン付けして、ア
ンビル状構造を作成する。厚い金属層のエッチングによ
ってＹ方向にテーパが生じることが望ましい。
【００８４】図８及び図１０のプローブ・チップ２１４
は、３突出部型チップである、すなわち図に示した相対
位置に３つの突き出た先端をもつ。チップ２１４の最大
寸法は、測定される最も狭いトレンチの幅より小さくす
べきである。たとえば、チップ２１４は、０．５マイク
ロメートルのトレンチの場合、０．３５マイクロメート
ルより小さくすることが好ましい。
【００８５】本発明により、微細な寸法の線幅及びオー
バーレイ測定に必要な、正確かつ独立なＸ、Ｙ及びＺ方
向の距離測定を実施するための測定機器が得られる。本
発明は、データ処理などの技術分野で適用可能であり、
パーソナル・コンピュータ、ミニコンピュータ、大型コ
ンピュータ及びその他のデータ処理機器用の半導体製品
を製造する際に使用することができる。特に、このシス
テム及び方法は、産業用及び家庭用電子装置用のＶＬＳ
Ｉチィップの製造に適用できる。連続監視及び類似の機
能用のデータ処理システムを組み込んだ輸送及び制御シ
ステムなどの電子製品に、本発明を使用して製造される
製品を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光学式測定装置と結合された"Ｚ"方向の１次元
ＳＦＭシステム用の走査プローブ・チップ・アタッチメ
ントの概略図である。
【図２】レーザ・ビーム操向用光学機械システムの概略
図である。
【図３】図２のビーム操向用光学系を示す図である。
【図４】１次元ＳＦＭプローブ探査用のＳＦＭと光学式
測定装置の組合せの概略図である。
【図５】トレンチまたは線幅の物理構造の概略図であ
る。
【図６】ＳＦＭプローブを使用した、図５の構造のイメ
ージ・プロフィル応答の概略図である。
【図７】光学式測定チャネルを使用した、図５の構造の
イメージ・プロフィル応答の概略図である。
【図８】光学式測定装置と組み合わせた"Ｚ"方向及び"
Ｘ"方向の２次元ＳＦＭシステム用の走査プローブ・チ
ップ・アタッチメントの概略図である。
【図９】２次元ＳＦＭプローブ探査用のＳＦＭと光学式
測定装置の組合せ概略図である。
【図１０】光ファイバを使用した２次元ＳＦＭシステム
用の走査プローブ・チップ・アタッチメントの概略図で
ある。
【符号の説明】
１２ サンプル １４ 走査チップ １６ 片持ち梁 １８ 支持構造 ２０ 対物レンズ ２２ ミラー／レンズ・ハウジング ２４ 半反射性ミラー ２６ ビーム操向機構 ３２ レーザ・ヘテロダイン干渉計制御装置 ３４ 白色光源 ３６ ビデオ・カメラ ３８ ビーム・スプリッタ ４８ バイモル圧電素子 ５０ バイモル制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 // Ｇ０１Ｂ 7/34 Ｚ (72)発明者 キャルヴィン・ケイ−ピン アメリカ合衆国11373、ニューヨーク州エ ルムハースト、グリーン・ストリート 42 −09番地 (72)発明者 ヨアヒム・ゲルハルト・クラーベス アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨ ークタウン・ハイツ、コーディング・ロー ド 420番地 (72)発明者 フィリップ・チャールズ・ダンビー・ホブ ス アメリカ合衆国10510、ニューヨーク州ブ ライアクリフ・マナー、オーチャード・ロ ード 55番地 (72)発明者 ラスロ・ランドステイン アメリカ合衆国10562、ニューヨーク州オ スィニング、タヴァノ・ロード 15番地 (72)発明者 マーティン・パトリック・オーボイル アメリカ合衆国10566、ニューヨーク州ピ ークスヴィル、タマラック・ドライブ 24 番地 (72)発明者 ヘーマンタ・クマル・ヴィクラマシンヘ アメリカ合衆国10514、ニューヨーク州チ ャパクワ、キング・ストリート 600番地 (72)発明者 サンドラ・ケイ・ウォルターマン アメリカ合衆国12510、ニューヨーク州ビ リングス、マージョリー・レーン 11番地

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】サンプルの表面構造の寸法を測定するため
    の測定装置において、 （ａ）少なくとも１つのチップを有するプローブと、 （ｂ）上記プローブの上記サンプルに対する近接度を検
    出するための白色光を上記プローブの点に当てる少なく
    とも１つの白色光源と、 （ｃ）上記白色光が当たる上記プローブ上の点に、該プ
    ローブの上記サンプルに対する近接度を検出するための
    レーザ・ビームを当てる少なくとも１つのビーム操向手
    段と、 （ｄ）上記サンプルに近接した位置にある上記プローブ
    を振動させるバイモル圧電素子と、 （ｅ）上記振動するプローブから反射された上記白色光
    を受け取り、上記表面構造のイメージを発生するビデオ
    手段と、 （ｆ）上記振動するプローブから反射された上記レーザ
    ・ビームを受け取り、上記サンプルの表面構造の寸法を
    測定するレーザ・ヘテロダイン制御手段とを有する上記
    測定装置。
  2. 【請求項２】上記プローブがこれの固有振動数で振動さ
    れることを特徴とする請求項１記載の測定装置
  3. 【請求項３】上記サンプルを支持し、該サンプルを上記
    チップに対して相対的に位置決めする位置決め手段と、 上記反射された白色光を受け取り、上記サンプルの表面
    構造のプロフィルを表すビデオ・データを生じるビデオ
    ・カメラと、 上記ビデオ・データを受け取り上記位置決め手段を上記
    チップに対して粗く位置決めする制御手段とを有するこ
    とを特徴とする請求項１記載の測定装置。
  4. 【請求項４】上記プローブの上記サンプルに対する位置
    関係を示す出力信号が、コンピュータ内にある、上記表
    面構造の寸法を調べるアルゴリズムで解析されることを
    特徴とする請求項１に記載の測定装置。
  5. 【請求項５】上記プローブが光学的顕微鏡により上記サ
    ンプル上に位置決めされることを特徴とする請求項１記
    載の測定装置。
  6. 【請求項６】上記サンプルの表面構造のプロフィルを、
    走査型原子間力技法を用いて調べる手段を有することを
    特徴とする請求項１記載の測定装置。
  7. 【請求項７】上記ビーム操向手段が、該ビーム操向手段
    から送り出されるレーザ・ビーム及び該操向手段に戻る
    レーザ・ビームを同一経路を通過させながら、該レーザ
    ・ビームのスポットを上記プローブ上に当てる手段を有
    することを特徴とする請求項１記載の測定装置。
  8. 【請求項８】上記プローブを少なくとも１つの方向に振
    動させる手段を有することを特徴とする請求項１に記載
    の測定装置。
  9. 【請求項９】上記プローブを上記サンプルの表面に垂直
    なＺ方向及び該Ｚ方向に直角なＸ方向に同時に振動させ
    る手段を有することを特徴とする請求項１記載の測定装
    置。
  10. 【請求項１０】（ａ）測定されるサンプルの線状構造に
    白色光源を合焦させ、上記線状構造の幅を光学的解像度
    で測定する段階と、 （ｂ）走査型原子間力プローブを上記サンプルの線状構
    造に近接させて、該線状構造の幅を原子解像度で測定す
    る段階とを含む、サンプルの線状構造の幅を測定する方
    法。
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