JPH1138020A - 走査型プローブ顕微観察法と走査型プローブ顕微鏡用プローブと走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】試料上の垂直もしくはそれに近いスロープ角度
を有する部分を測定するための新規な走査型プローブ顕
微鏡用プローブを提供する。 【解決手段】プローブ１００は、支持部１０１と、そこ
から延びる片持ち梁状の弾性部材部１０２と、その自由
端に形成された探針部１０３とを有している。探針部１
０３は平板三角形状をしており、その厚さは弾性部材部
１０２に比べて薄い。探針部１０３の面法線方向とその
先端の二点１０６と１０７を結ぶ稜線と弾性部材部１０
２の面法線方向は共に平行である。弾性部材部１０２と
支持部１０１との境界付近には、弾性部材部１０２の振
動状態を検出する検出機構部１０４が設けられている。
検出機構部１０４で検出された信号は二つの電極１０５
ａと１０５ｂを介して外部に取り出される。検出機構部
１０４は、例えば、シリコンのピエゾ抵抗効果を利用し
たセンサーで構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣ半導体の電極
ラインパターン等の段差の側壁の粗さや傾き角を測定す
るための走査型プローブ顕微観察法およびこれを適用し
た走査型プローブ顕微鏡およびこれに用いるプローブに
関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、プ
ローブすなわち探針を試料表面に１μｍ以下まで近接さ
せた時、もしくは接触させた時に両者の間に働く相互作
用（例えば、原子間力、接触力など）を検出しながらＸ
Ｙ方向あるいはＸＹＺ方向に走査、もしくは移動するこ
とにより、その相互作用の二次元マッピングを行なう装
置であり、走査型トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ）、原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、走査
型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ）などの総称である。なか
でもＡＦＭは、試料表面の凹凸情報を得る装置としてＳ
ＰＭのなかで最も普及している。ＡＦＭは、カンチレバ
ー先端に形成した探針（突起）を試料表面に近づけた時
に、探針に働く力により生じるカンチレバーの変位を光
学式センサー等で検出することにより、間接的に試料表
面の凹凸情報を得ている。

【０００３】ＡＦＭに用いられる探針は、性能的および
コスト的に有利であることからバッチファブリケーショ
ン技術である半導体プロセスを利用して作製される。例
えば、「Europhys. Lett. 2(1987) p.1281 (T. Albrech
t et al)」には、酸化シリコン薄膜をパターニングして
作製するいわゆるフラットレバーについて報告があり、
また、特開平１−２６２４０３には、これを発展させた
いわゆるバーズビーク型のプローブが提案されている。
また、米国特許５３９９２３２号に記載されているピラ
ミッド形状の探針を持つ窒化シリコン製のカンチレバー
や米国特許５０５１３７９号に記載されているシリコン
製のカンチレバーは、既に製品化されており、市場から
入手可能である。このようなカンチレバーの探針はポイ
ントターミネート（一点終端）された、探針先端の突起
部を実質的な探針として使用しているが、探針全体を眺
めたとき、探針頂角は１５度から９０度に留まってい
る。

【０００４】半導体ＩＣのデザインルールは２５６ＭＢ
の記憶容量のデバイスで０．２５μｍ則の試作品が作製
され、１ＧＢデバイスでは０．１５μｍ則が適用されよ
うとしている。これに伴ない、素子の形状検査機は、幅
が狭くアスペクト比の大きなものの線幅、さらには全体
形状を正確に測定することが求められている。このよう
な形状測定に走査型プローブ顕微鏡が適用可能として、
盛んに研究が進められている。

【０００５】Yves Martin やH. Kumar Wickramasinghe
は「Apply. Phys. Lett. Vol.64 No.19 (1994) PP.2489
-2500 」において垂直壁を画像化する新しい走査型プロ
ーブ顕微鏡を提案している。これに関する特許としては
日本国特許２５０１２８２号がある。この走査型プロー
ブ顕微鏡では、ブーツ型の探針（先端近くの胴がくびれ
た円柱状の探針）を使用することにより、試料の垂直壁
の測定を可能にしている。この様な探針は、前述のポイ
ントターミネートされた探針とは異なり、その先端のフ
レアー部分の異なる点が凹部の両側の側壁との相互作用
を起こす。つまり、ブーツ型の探針には、その先端部に
少なくとも二箇所以上に実質的な探針が存在し、これに
より実質的な探針頂角は０度以下となっている。

【０００６】ブーツ型の探針は、φ２μｍ〜φ２．５μ
ｍのカンチレバー側の部分（太い部分）と、その先につ
ながる細い部分からなり、その細い部分はブーツの様な
形をしている。ブーツ状の部分の寸法は、長さ（高さ）
２．８μｍ、先端の探針はフレアー部分（先端）でφ３
６０ｎｍ、それよりカンチレバーに近いくびれた部分で
φ２１０ｎｍである。

【０００７】このプローブを用いて半導体のトレンチ溝
や穴の側壁を測定する時、この探針先端のフレアー部分
が張り出しているので、その部分が試料表面（側壁）に
最も接近する。従って、その様な探針の張り出した部分
と試料表面との間隔を一定に保って、探針を走査するこ
とにより、側壁の面荒れや傾き角度を測定することがで
きる。

【０００８】特開平３−１０４１３６は、このようなブ
ーツ型の探針の作製方法を開示しており、探針は、単結
晶シリコンウェハーをスタートウェハーとし、フォトリ
ソグラフィーにより作製される。約φ１μｍ以下の円形
のマスクを形成した後、ＣＦ4 ガスでドライエッチング
して、シリコンウェハーをほぼ垂直に掘り下げることに
より、略円柱形状のシリコン製の探針部を形成する。ド
ライエッチングの条件を変化させると、略円柱形状の探
針部分は円柱部中腹が膨らんだり細ったりする。この条
件を選択することにより、円柱部中腹が細った単結晶シ
リコン製の略円柱状の探針を得る。この後、探針部をレ
ジスト等で保護し、レバー部のパターニングとウェハー
裏面からのエッチングを行ない、ブーツ型の探針を有す
るカンチレバーを得ている。

【０００９】一方、ＡＦＭ用カンチレバーの探針は、測
定（走査）中の試料表面との接触により探針先端が摩耗
したり折れたりする可能性があり、探針材料は安定した
ＡＦＭ測定を行なうために注意を払う必要がある。例え
ば、松山らは第５５回応用物理学会学術講演会にて（予
稿集p.473）において、探針材料の摩耗に関して報告し
ている。単結晶シリコンや窒化シリコンは探針材料とし
て、よく用いられる材料であるが、両者を比較すれば単
結晶シリコンより窒化シリコン膜の方が摩耗し難く、さ
らに窒化シリコン膜の中では、シリコンと窒素とのスト
イキオメトリが３対４の窒化シリコン膜の方が更に摩耗
し難いことを報告している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】Yves Martin らの垂直
壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡によるまでもな
く、通常の走査型プローブ顕微鏡であっても、一般にア
スペクト比の高い試料の側壁の根本部分を出来るだけ正
確に測定するには、探針頂角が小さく、アスペクト比の
高い探針が必要である。

【００１１】Apply. Phys. Lett. Vol.64 No.19 (1994)
PP.2498-2500 に記載されているYves Martin らの垂直
壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡法は、ノンコンタ
クトモードＡＦＭを応用した方法ではあるが、大気中で
の測定の間、ときどき探針が試料表面に接触してしまう
ことがある。すなわち、ノンコンタクトモードＡＦＭ測
定法を応用してはいるが、装置のフィードバック回路の
帯域が有限であることから、凹凸の大きな試料やステッ
プ状の段差部を有する試料に対して探針を全く接触させ
ることなく測定することは難しい。このあたり、例え
ば、同論文の著者であるイブ・マーチンらが特開平６−
１９４１５４において、探針を励振させながら行なうコ
ンタクトモードＡＦＭ法を応用して、同様の段差を持つ
試料の側壁を測定する方法を提案しているという事実
や、ヴァージル・ビー・エリングスらが特開平７−２７
０４３４において、やはり探針を励振させながら行なう
コンタクトモードＡＦＭ法を応用して、側壁の測定を行
なえる顕微鏡を提案しているという事実から、完全なノ
ンコンタクトモードＡＦＭ測定法による垂直壁の測定の
難しさが推察される。

【００１２】試料に探針が接触すると、探針は摩耗した
り折れたりし、探針の形状が測定中に変化してしまう。
Yves Martin らの垂直壁を画像化する走査型プローブ顕
微鏡法は、例えば前述のように、サブミクロンのパター
ン則の半導体ＩＣの電極パターンの形状測定を行なうの
に用いられるため、探針がわずか数十ｎｍ摩耗しただけ
でも、測定結果は１０％以上も変化してしまう。このた
め、摩耗などによる探針の形状変化は極めて深刻な問題
である。一般に、測定器は高い再現性を有している必要
があるが、測定器としてYves Martin らの垂直壁を画像
化する走査型プローブ顕微鏡を考えたとき、探針が摩耗
により、この測定データの再現性を失わせることは非常
に問題である。

【００１３】データの再現性を求めるなら、頻繁に探針
形状を校正することが考えられる。しかしながら、測定
試料を測定する前に、何度も校正のための操作を行なう
ことは、測定器に求められるスループットの点で問題で
ある。校正作業のために単位時間当たりに測定すること
のできる試料数が減ってしまうからである。また、その
校正に校正用の試料を測定と同等な方法を用いて測定す
る校正方法を採用すれば、校正作業中に探針が摩耗した
りして形状変化する可能性もあり、あまり頻繁に校正作
業を行なうのも問題がある。

【００１４】さらに、Yves Martin らの論文に記載され
ている垂直壁を画像化する走査型プローブ顕微鏡法に用
いる探針は、特開平３−１０４１３６に記載されている
ように、単結晶シリコンをエッチングして作製される。
前述のようにシリコンは摩耗のし易い材料であり、摩耗
は探針材料の点からも大きな問題である。

【００１５】Apply Phys. Lett. Vol.64 No.19 (1994)
PP.2498-2500あるいは特開平３−１０４１３６に記載さ
れているような、単結晶シリコン製のブーツ型形状をし
た探針を作製するには、ドライエッチングが用いれらて
いるが、一般に数μｍ以上の深さ方向にわたって横方向
にサブミクロンのパターンニングを行なうためにドライ
エッチングを用いると、作製条件がわずかにずれるだけ
で探針形状が変化してしまうという問題がある。

【００１６】また、サブミクロンオーダーの測定試料を
測定するにはそれより細い探針を使用する必要がある
が、その様な探針を均一性良く作製することは極めて難
しい。ウェハー間は勿論、一枚のウェハー内でも場所に
よって形状のばらつきが発生する。このことはサブミク
ロンオーダーのパターン則の半導体ＩＣを作製するため
のドライエッチング装置と同等な装置を用いて、それよ
りも細い探針の作製を試みていることを考えれば、その
大変さは容易に理解できる。

【００１７】この探針形状（寸法）のばらつきは、最終
的には探針作製において、コストアップにつながり大き
な問題である。すなわち、非常に細かい測定試料凹凸部
分を測定するためには、少なくとも設計の寸法より細い
探針に仕上がっているか否かを、出荷時に慎重に検査す
る必要があるため、検査コストがかさむからである。無
論、探針形状のばらつきは、歩留まりもかなり悪くなる
ことから、さらにコストの上昇を招いてしまう。

【００１８】本発明の目的は、試料上の垂直もしくはそ
れに近いスロープ角度を有する部分を測定するための新
規な走査型プローブ顕微観察法およびこれを利用した新
規な走査型プローブ顕微鏡およびこれに用いる新規なプ
ローブを提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微観察法は、少なくとも先端が三角形状をした片持ち
梁状の弾性部材を振動させ、振動する弾性部材の自由端
近傍の軌跡を実質的な探針として、この実質的な探針と
試料表面の間に働く相互作用により起こる弾性部材の振
動状態の変化を検出し、この検出情報に基づき前記弾性
部材の振動状態が所定の振動状態となるように前記試料
表面と前記弾性部材との位置関係を制御しながら、前記
試料表面と前記弾性部材を相対的に走査して、試料表面
の情報を得る。

【００２０】本発明の走査型プローブ顕微鏡用プローブ
は、支持部と、該支持部に保持される片持ち梁状の弾性
部材部と、該弾性部材部の自由端に設けられた探針部
と、前記弾性部材の振動状態を検出する検出機構とを有
し、前記探針部の形状が平板三角形状であり、前記探針
部の面法線方向とその先端の二点を結ぶ稜線とが平行で
ある。

【００２１】本発明の走査型プローブ顕微鏡は、前述の
走査型プローブ顕微鏡用プローブと、前記走査型プロー
ブ顕微鏡用プローブに振動を加えて実質的な探針を得る
加振手段と、試料表面と前記実質的な探針の先端との間
の相互作用に基づく前記走査型プローブ顕微鏡用プロー
ブの振動状態の変化を検出する振動検出手段と、前記実
質的な探針と前記試料表面とを相対的に三次元方向に走
査する走査手段と、前記振動検出手段からの情報に応じ
て前記試料表面と前記実質的な探針との間の相互作用を
一定に保つように走査手段を制御する制御手段と、前記
制御手段からの制御信号に基づいて前記試料表面の凹凸
状態を得る情報処理手段とを有している。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。本発明の実施の形態の
走査型プローブ顕微鏡用プローブについて図１を参照し
ながら説明する。図１（ａ）は走査型プローブ顕微鏡用
プローブの側面図、図１（ｂ）はプローブの斜視図、図
１（ｃ）はプローブの探針部の拡大斜視図である。

【００２３】図１（ａ）と図１（ｂ）に示されるよう
に、プローブ１００は、支持部１０１から延びる弾性体
から成る片持ち梁（弾性部材部）１０２の自由端に探針
部１０３が形成されている。図１（ｃ）の拡大図から分
かるように、探針部１０３は平板三角形状をしており、
その先端の二つの頂点１０６と１０７において三本の稜
線が終端している。平板三角形状の探針部１０３の面法
線方向とその先端の二つの終端点１０６と１０７を結ぶ
稜線は平行になっている。測定に際しては、これら二つ
の終端点１０６と１０７もしくはこられの二点を結ぶ稜
線が実質的な探針として作用し、試料表面との間で相互
作用（例えば、原子間力、接触力など）を生じる。な
お、実質的な探針については後に再度説明を加える。

【００２４】また、片持ち梁状の弾性部材部１０２と平
板三角形状の探針部１０３は、その面法線方向が平行で
あるが、その厚さと形状は異なっている。弾性部材部１
０２の厚さは、所望の共振周波数等の機械振動特性を得
るに適した厚さであり、探針部１０３の厚さは、試料の
凹部に入り込めるように十分薄くなっている。

【００２５】弾性部材部１０２と支持部１０１との境界
付近には、弾性部材部１０２の振動状態を検出する検出
機構部１０４が設けられている。検出機構部１０４で検
出される弾性部材部１０２の振動状態を示す信号は、図
１（ｂ）に示される二つの電極１０５ａと１０５ｂを介
して外部に取り出される。図１（ａ）では二つの電極１
０５ａと１０５ｂを代表的に一つの符号１０５で示して
ある。

【００２６】検出機構部１０４は、例えば、シリコンの
ピエゾ抵抗効果を利用したセンサーで構成される。しか
し、検出機構部１０４は、これに限定されるものではな
く、他の色々な素子を適用してもよい。例えば、前述の
センサーに代えて、ポリシリコンのピエゾ抵抗効果を利
用したセンサーを適用することも可能であり、あるい
は、酸化亜鉛やＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧
電効果を利用したセンサーを適用することも可能であ
る。一般に、ピエゾ抵抗効果を利用したセンサーは作製
が簡単であるという利点を有し、圧電効果を利用したセ
ンサーは熱雑音が少なく高感度であり、周波数帯域も高
く設計することができるという利点を有している。

【００２７】実際に作製したプローブ１００の代表的な
寸法は、短冊形状の片持ち梁状の弾性部材部１０２は長
さ８０μｍ、幅３０μｍ、厚さ４．５μｍであり、平板
三角形状の探針部１０３は軸方向長さ１０μｍ、底辺幅
５μｍ、厚さ０．２μｍである。また、弾性部材部１０
２と探針部１０３を合わせた片持ち梁状部分の機械的共
振周波数は約６００ｋＨｚであり、平板三角形状の探針
部１０３はこれよりも高い値の機械的共振周波数を有し
ている。

【００２８】弾性部材部１０２は、測定回路の周波数帯
域等に応じて最適設計がされるが、長さは２０〜３００
μｍ、幅は１０〜８０μｍ、厚さは１〜８μｍ程度であ
る。また、探針部１０３は、弾性部材部１０２の共振周
波数と測定試料の形状を考慮して設計され、その厚さ寸
法には試料の凹部の幅よりも小さい値が選択され、軸方
向長さは３〜２０μｍ、底辺幅２〜１５μｍ、厚さは
０．０５〜０．５μｍである。

【００２９】次に図２を参照しながらプローブと試料の
配置関係について説明する。図２（ａ）は試料表面の測
定時のプローブの配置状況を示し、図２（ｂ）はプロー
ブの探針部の周辺を拡大して示している。

【００３０】図２（ａ）に示されるように、プローブ１
００は、その探針部１０３の軸方向（従って弾性部材部
１０２の軸方向）が、試料台２０２に載せられた試料２
０１の平均的な面法線方向に平行となるように、プロー
ブ保持材２０３に固定されている。プローブ保持材２０
３には、電極パターン２０４が印刷により形成されてお
り、この電極パターン２０４はワイヤー２０８を介して
プローブ１００の電極１０５と電気的に接続される。こ
れにより、弾性部材部１０２の振動状態を反映する検出
機構部１０４からの信号は、電極パターン２０４を介し
て、振動検出回路（図４（ｂ）に符号４３２で示され
る）に導かれる。

【００３１】実際には、プローブ１００は図１（ｂ）に
示されるように二つの電極１０５ａと１０５ｂを有して
おり、従って、プローブ保持材２０３も二つの電極パタ
ーンを有し、それぞれ別々のワイヤーを介して電極１０
５ａと１０５ｂに接続されるが、図２（ａ）では、プロ
ーブ１００の電極の一方を符号１０５で、ワイヤーの一
方を符号２０８で、プローブ保持材２０３の電極パター
ンの一方を符号２０４で代表的に示している。

【００３２】また、プローブ保持材２０３の反対側には
電極パターン２０６が印刷により形成されており、圧電
体２０５が接着されている。また、圧電体２０５の反対
側の電極２０７はワイヤー２０９を介して、プローブ保
持材２０３上に形成された（図示しない）別の電極に接
続されている。圧電体２０５は、これらの電極パターン
を介して圧電体駆動回路（図４（ｂ）に符号４３３で示
される）に接続され、圧電体駆動回路で発生される交流
電圧を受けて、プローブ１００の弾性部材部１０２と探
針部１０３を共振周波数付近の周波数で励振させる。

【００３３】図２（ｂ）に示されるように、弾性部材部
１０２の厚さは試料２０１の二つの突起の間の幅と同程
度であり、弾性部材部１０２は試料２０１の凹部には入
り込めないが、探針部１０３の厚さは弾性部材部１０２
の厚さに比べて薄く、探針部１０３は試料２０１の二つ
の突起の間に入り込める。しかも、探針部１０３は平板
状であり、図の方向から見たとき、試料２０１の二つの
突起の傾斜角より実質的に切り立っているので、試料２
０１の二つの突起の根本の部分まで達することができ
る。

【００３４】探針部１０３の先端の二つの終端点１０６
と１０７の一方もしくは両者を結ぶ稜線が試料２０１に
最も接近し、試料２０１に最も近い部分が相互作用を引
き起こす部位として作用する。図２（ｂ）では、試料２
０１の右側の突起の側壁に対しては終端点１０７が最も
近くに位置し、これが相互作用を引き起こす部位として
作用するが、試料２０１の右側の突起の側壁に対しては
終端点１０６が最も近くに位置し、これが相互作用を引
き起こす部位として作用する。また、試料２０１の二つ
の突起の間の底面に対しては二つの終端点１０６と１０
７を結ぶ稜線が最も近くに位置し、これが相互作用を引
き起こす部位として作用する。

【００３５】続いて、本発明の走査型プローブ顕微観察
法について図３を参照しながら説明する。図３（ａ）は
基本モードで振動しているプローブの様子を示し、図３
（ｂ）は高次のモードで振動しているプローブの様子を
示し、図３（ｃ）は振動している片持ち梁の瞬間瞬間に
おける様子を示し、図３（ｄ）は振動している片持ち梁
の一周期以上の時間間隔において見える様子を示してい
る。これらの図では、振動の状態を分かり易く示すた
め、弾性部材部と探針部は一つの片持ち梁として示して
ある。

【００３６】図３（ａ）において、圧電体３０３を励振
すると、その振動エネルギーは支持部３０１を介して片
持ち梁３０２に伝わる。これが片持ち梁３０２の共振モ
ードに一致するとき、片持ち梁３０２は例えば図３
（ａ）に示されるように基本モードで振動し、あるいは
図３（ｂ）に示されるように高次のモードで振動する。
片持ち梁３０２は自由端が最大の振幅を示し、実際の場
面では、この振幅は０．００５〜０．３μｍ程度に設定
される。

【００３７】図３（ｃ）に示されるように、振動してい
る片持ち梁３０２の一瞬一瞬における形状は、非常に薄
い一枚の三角形の板状であるが、振動の１周期以上の長
い時間でみた片持ち梁３０２の軌跡は、図３（ｄ）に示
されるように、自由端が厚みを増した形となる。

【００３８】本発明の走査型プローブ顕微観察法では、
振動している片持ち梁３０２の軌跡を実質的な探針と見
なし、この実質的な探針と試料表面との間に働く相互作
用に基づいて、試料表面の観察を行なう。

【００３９】実質的な探針は、図３（ｄ）に示されるよ
うに、二つの頂点３０３と３０４およびこれらの二点を
結ぶ円弧状の稜線を有している。このような形状は片持
ち梁３０２を振動させることによって初めて得られるも
のであり、これを一つの立体として半導体プロセスを用
いて作製することは極めて難しい。

【００４０】次に、本発明による走査型プローブ顕微鏡
について図４を参照して説明する。図４（ａ）は走査型
プローブ顕微鏡の概略的な構成を示し、図４（ｂ）はコ
ントローラの構成を示している。

【００４１】図４（ａ）に示されるように、プローブ１
００は試料４０１に対向させて配置される。装置ベース
４０７の上には、回転ステージ４０２とＸ粗動ステージ
４０３とＹ粗動ステージ４０５とからなる粗動ステージ
が設けられており、この上に試料４０１が保持される。
Ｘ粗動ステージ４０３とＹ粗動ステージ４０５は、コン
ピュータ４１９からの制御信号に基づいて、Ｘ粗動ステ
ージ駆動機構４０４とＹ粗動ステージ駆動機構４０６に
よって駆動され、これによりプローブ１００と試料４０
１の水平方向の相対位置を調節できる。また、回転ステ
ージ４０２も、コンピュータ４１９からの制御信号に基
づいて、図示しない駆動機構によって駆動され、これに
よりプローブ１００の探針部１０３の面法線方向と測定
すべき試料４０１上の測定パターン等の延在方向との間
の相対調整を行なえる。

【００４２】プローブ１００は保持部材４１７を介して
スキャナ４１１に取り付けられ、スキャナ４１１はスキ
ャナ保持部材４１０に接着保持されている。スキャナ保
持部材４１０はＺ粗動ステージ４０９を介して、装置ベ
ース４０７に立てられた支柱４０８取り付けられてい
る。Ｚ粗動ステージ４０９を上下させることにより、ス
キャナ保持部材４１０とスキャナ４１１とプローブ１０
０とが一緒に上下動し、プローブ１００と試料４０１の
間隔を調整できる。

【００４３】スキャナ４１１は圧電体からなるチューブ
型のスキャナであり、コントローラ４１８およびコンピ
ュータ４１９からの制御駆動信号をスキャナ電極４１２
に印加することにより、ＸＹおよびＺ方向に微動する。
これによりスキャナ４１１に支持されたプローブ１００
を試料４０１に対して走査させることができる。

【００４４】Ｘ変位センサー４１４とＹ変位センサー４
１６は、スキャナ保持部材４１０に固定されたＸ変位セ
ンサー保持部４１３とＹ変位センサー保持部４１５によ
ってそれぞれ保持されている。このため、Ｚ粗動ステー
ジ４０９の上下動に対して、Ｘ変位センサー４１４とＹ
変位センサー４１６はスキャナ４１１と一緒に上下し、
その相対位置は変化せず、一定に保たれる。スキャナ４
１１の動きは、Ｘ変位センサー４１４とＹ変位センサー
４１６などによってモニタリングされ、それらからの出
力はコントローラ４１８あるいはコンピュータ４１９に
取り込まれる。

【００４５】コントローラ４１８内には、図４（ｂ）に
示されるように、各種の機能ユニット、具体的には、コ
ンピュータ４１９からの制御信号に基づいてプローブ１
００を所定の周波数で加振するための圧電体駆動回路４
３３、プローブ１００の検出機構部１０４からの信号を
増幅し弾性部材部１０２の振動状態の変化を検出する振
動検出回路４３２、振動検出回路４３２からの信号をコ
ンピュータ４１９から供給される一定の設定値に維持す
るようにスキャナ４１１をＺ方向に駆動制御するサーボ
回路４３５、スキャナ４１１をＺ方向に駆動するＺ駆動
回路４３１、ＸＹ走査波形発生回路４３６からの信号を
もとにスキャナ４１１をＸＹ方向に駆動するＸＹ駆動回
路４３０、粗動ステージ４０３と４０５を駆動するため
の粗動ステージ駆動回路４３４などが含まれている。ま
た、粗動ステージの構成上、例えば、粗動ステージ駆動
回路４３４に回転ステージ４０２を駆動させるための機
能を持たせてもよい（図４（ｂ）に示す）。更に、コン
ピュータ４１９は、コントローラ４１８のサーボ回路４
３５の制御信号をもとに試料表面の凹凸状態を演算し、
表示手段であるモニター４２０に表示するほか、キーボ
ードなどの命令入力デバイスとして作用する。

【００４６】図２（ａ）と図４（ａ）に示されるよう
に、プローブ１００は探針部１０３の軸方向が平均的な
試料４０１の面法線方向と平行になるように配置され
る。プローブ１００を励振するための圧電体２０５に
は、プローブ１００の弾性部材部１０２と探針部１０３
の共振周波数付近の周波数の交流電圧が印加される。そ
の結果、プローブ１００の弾性部材部１０２と探針部１
０３は、試料４０１の平均的な面に平行な方向に振動す
る。

【００４７】プローブ１００が励振されながら試料４０
１に近づけられ、その探針部１０３の先端（厳密には図
３（ｄ）に符号３０３と３０４で示される実質的な探針
の頂点もしくはそれらを結ぶ稜線）と試料４０１の表面
との間に相互作用が生じると、試料４０１上の突起の側
壁からは探針部１０３の面法線方向（試料の平均的な面
に平行な方向）に、試料４０１上の突起間の底面からは
探針部１０３の軸方向（試料の平均的な面法線方向）に
力を受けて、弾性部材部１０２の振動状態が変化する。

【００４８】この振動状態の変化はプローブ１００の検
出機構部１０４および振動検出回路４３２によって検出
される。サーボ回路４３５は、この検出信号をコンピュ
ータ４１９からの一定の設定値に保つように、駆動回路
４３１を介してスキャナ４１１のＺ方向位置を駆動制御
する。コンピュータ４１９は、このときの制御信号を、
そのときの探針部１０３のＸＹ方向位置における試料４
０１のＺ方向の位置情報として取り込み、ＸＹ方向位置
とＺ方向位置情報とを対応させて演算処理することによ
り、試料４０１の表面形状を算出する。算出された表面
形状は、例えば、三次元像としてモニター４２０に表示
される。

【００４９】ところで、片持ち梁の自由端にそこからほ
ぼ垂直に突出する探針を備えたプローブを用いた従来の
走査型プローブ顕微鏡では、プローブの支持部が試料に
衝突するのを避けるために、プローブは片持ち梁が斜め
下方に延びるように装置に取り付けられる。その結果、
プローブは、探針の軸が試料の平均的な面法線方向に対
して傾斜した姿勢で支持される。このため、得られる情
報は、探針の傾斜方向に依存したものとなる。例えば、
探針の傾斜方向（試料の平均的な法線方向と探針の軸を
含む平面に平行な方向）に関して対称性を持つ試料を測
定した場合に得られる画像は、その方向に関する対称性
は保存されず、対称性を失った歪んだものとなる。

【００５０】しかしながら、本発明の走査型プローブ顕
微鏡では、上述したように、プローブ１００は、その探
針部１０３の軸が試料４０１の平均的な面法線方向に平
行となるように配置されるので、得られる情報は試料表
面の傾斜方向に依存しない。従って、探針部１０３の主
走査方向（図２（ｂ）の面に平行な方向）に対称性を持
つ試料の測定結果は、その対称性が失われていない正確
なものとなる。

【００５１】ここで、本発明の走査型プローブ顕微鏡と
従来のシアフォースモードＡＦＭとの違いについて説明
する。シアフォースモードＡＦＭは、例えば米国特許５
２５４８５４等に開示されており、プローブを振動させ
ている点だけに関しては、本発明の走査型プローブ顕微
鏡と似ているとも言える。

【００５２】しかしながら、従来のシアフォースモード
ＡＦＭでは、先端が一点に終端したプローブを用いてお
り、その先端の曲率半径は１０ｎｍ程度である。また、
振動しているプローブの先端が描く軌跡は横方向分解能
を落とす要因となるため、プローブの振動状態を検出で
きさえすれば、プローブ先端の振動の軌跡の幅は出来る
限り小さくすることのが望ましい。

【００５３】このように、シアフォースモードＡＦＭ
は、プローブを振動させる点を除いては、プローブを振
動させたときの探針部の振動の軌跡を実質的な探針と
し、その形状の特徴を積極的に利用している本発明の走
査型プローブ顕微鏡とは大きく異なっている。

【００５４】以上の説明から分かるように、本実施形態
の走査型プローブ顕微鏡では、プローブ位置のＺ方向の
みのフィードバック制御だけで、試料上の垂直もしくは
それに近いスロープ角度を有する部分を測定できるた
め、短時間で測定を行なうことができる。

【００５５】本実施形態では、プローブ位置のフィード
バック制御の方向をＺ方向に関してのみ行なっている
が、ロックインアンプを用いて振幅の他に位相等により
プローブの振動状態をより詳しく検出して、それに基づ
きプローブ位置をＺ方向から傾いた方向に動かすことも
可能である。これによれば、垂直壁に留まらず、わずか
にオーバーハングしたような部分を有する試料の側壁の
測定も可能になる。

【００５６】また、本実施形態におけるフィードバック
制御は、試料測定（走査）の間、試料とプローブとの間
に働く相互作用を常に一定に保つように行なわれるが、
測定点毎に試料とプローブとを近接（アプローチ）させ
たり、離したりする制御を行なうことも有効である。

【００５７】すなわち、通常、試料測定における１走査
ライン上には、測定点（例えば、等間隔で２５６点また
は５１２点）が設定されるため、この制御においては、
測定時に、これら測定点毎にプローブを停止し、プロー
ブと試料とを接近（アプローチ）させ、所望の試料情報
を取り込んだ後に両者を離し、次の測定点に移動する。
このプローブの上下動は、本実施の形態で説明したスキ
ャナ４１１を用いて行なうのが有効である。

【００５８】このような制御を試料の測定（走査）領域
で繰り返し実行し、試料表面情報とすることができる。
この測定によれば、各測定点に移動する時は、プローブ
と試料とを離しながら移動するため、試料とプローブと
が必要以上に接触し破損してしまうという不具合を減少
させることができる。

【００５９】以下、プローブ１００の作製方法について
図５を参照しながら説明する。まず、スタートウェハー
として面方位（１００）の単結晶シリコン貼り合わせウ
ェハーを用意する（図５（ａ））。二枚の単結晶シリコ
ン５０１と５０３はその中間の酸化シリコン層５０２に
貼り付けられ接合されている。活性層５０１の厚さは１
０μｍ厚さのものを利用するが、次のプロセスに移る前
に、５．５μｍ厚さまでエッチングにより薄くしてお
く。

【００６０】この表面の活性層５０１の一部５０４をド
ライエッチングを用いたフォトリソグラフィーによりエ
ッチングした後、酸化シリコン膜５０５を形成し、再び
フォトリソグラフィーにより四角い開口を形成する。更
に拡散炉にて開口部からボロンを活性層５０１に拡散さ
せたうえでアニーリング処理を施してピエゾ抵抗層５０
６を作製する（図５（ｂ））。

【００６１】次に、表面の酸化シリコン層を５０５を除
去し、再度、酸化シリコン層５０７を堆積した後、フォ
トリソグラフィーによりパターニングを施し、ピエゾ抵
抗層５０６上の二カ所に開口を形成し、ピエゾ抵抗層５
０６から電極を取り出す箇所を形成する（図５
（ｃ））。

【００６２】続いて、図５（ｄ）に示すように、表面に
窒化シリコン膜５０８をＬＰ−ＣＶＤ（低圧化学気相蒸
着法）により０．２μｍの厚さ堆積し、図５（ｅ）に示
すように、その一部５０９をパターニングして除去す
る。これにより、プローブの探針部の形状５１０がおよ
そ形成される。また、図５（ｆ）に示すように、ピエゾ
抵抗層５０６の電極取り出し部分上の窒化シリコン膜を
取り除いて開口５１１を形成し、ピエゾ抵抗層５０６の
一部を露出させる。

【００６３】図５（ｇ）に示すように、電極を形成した
後、ピエゾ抵抗層５０６上の二つの開口部と電極パター
ン５１２およびそれらをつなぐ配線パターンを、リフト
オフプロセスを利用してクロムと金を真空蒸着しパター
ニングする。

【００６４】次に、表面にポリイミド膜をコーティング
して湿式エッチング液に対する保護層５１３を形成した
後、ウェハー裏面の窒化シリコン層５１４をマスクとし
て、水酸化カリウム水溶液により湿式異方性エッチング
を行ない、シリコンウェハーの裏側の一部５１５を溶か
す。次に露出した酸化シリコン層５１６をフッ酸により
除去して（図５（ｉ））、プローブを得る。

【００６５】図５（ｊ）に示されるように、プローブを
プローブ保持材５１９に接着し、プローブの電極パター
ン５１２とプローブ保持材５１９の電極５１７をワイヤ
ー５１８で結ぶ。プローブ保持材５１９は例えばセラミ
ックス板であり、電極５１７は金ペーストを印刷しパタ
ーニングして形成する。図示していないが、好ましくは
ワイヤー５１８の回りは保護用の樹脂で封止する。

【００６６】これまでに説明したように、プローブの探
針部は膜堆積で作製されるので、その膜厚のバラツキは
１０％以内に納められ、同じ形状の探針部を容易に作る
ことができる。また、これにより検査コストの低減や歩
留まりの向上が図られ、比較的安価なプローブが提供さ
れる。

【００６７】また、探針部は膜堆積で作製されるので、
薄くて高アスペクト比のプローブが安定に作製できる。
これにより探針部の厚さより広い凹部であれば、スロー
プ角が９０度近辺までの側壁の測定が可能となる。

【００６８】更に、探針部の材料として窒化シリコン膜
を用いているので、探針部の磨耗が少ないプローブが提
供され、これは測定データの再現性を高める。また、探
針部と弾性部材部が平行であり一体の片持ち梁を構成し
ているので、それぞれの厚さや形状を違えてそれぞれの
目的の為に最適な形状に設計したときも、作製上発生す
る問題が少ない。このことより、プローブは安定して作
製することができる。

【００６９】さらに、弾性部材の振動状態の検出機構が
集積化されているので、そのための別のセンサーを外部
に設ける必要がなく、走査型プローブ顕微鏡を小型で簡
単な構成とすることができる。その結果、剛性の高い外
乱振動につよい安定した装置とすることができる。

【００７０】探針部の二つの終端点１０６と１０７を結
ぶ線に平行にプローブを見たときの探針部の形状は三角
形であり、その頂角は５〜３０度程度と大きいが、これ
は測定対象部位として、例えば半導体ＩＣの電極パター
ンが平行になっているところに限れば問題はなく、段差
の側壁（垂直壁）の粗さや傾き角を測定することが可能
になる。

【００７１】プローブを振動させたときの探針先端の軌
跡を実質的な探針として利用することにより、作製プロ
セス上形状が安定している探針を使用して、試料上の垂
直もしくはそれに近いスロープ角度を有する部分の測定
が可能になる。

【００７２】また、プローブはその探針部の軸が試料の
平均的な面法線方向に平行となるように配置され、プロ
ーブを振動させたときの探針先端の軌跡を実質的な探針
として利用することにより、対称性良く、試料上の垂直
もしくはそれに近いスローブ角度を有する部分の測定が
可能になる。

【００７３】さらに、従来のシアフォースモードと同等
の制御方法によってプローブ位置をＺ方向に制御するだ
けで、短時間の内に、試料上の垂直もしくはそれに近い
スローブ角度を有する部分の測定が可能になる。また、
プローブ位置をＺ方向から傾けた方向に制御することに
より、より傾いた垂直壁を有する部分の測定が可能にな
る。

【００７４】

【発明の効果】本発明によれば、プローブを振動させた
ときの探針部先端の軌跡を実質的な探針として利用する
ことにより、試料上の垂直もしくはそれに近いスローブ
角度を有する部分の測定を可能とする走査型プローブ顕
微観察法および走査型プローブ顕微鏡が実現される。ま
た、これに用いるための、作製時の形状ばらつきが少な
い低コストなプローブが提供される。

【００７５】また、本発明の走査型プローブ顕微観察法
および走査型プローブ顕微鏡では、プローブの探針部の
軸が試料の平均的な面法線方向に平行であるので、試料
表面の凹凸を対称良く測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微
鏡用プローブを示している。

【図２】図１の走査型プローブ顕微鏡用プローブの測定
時の状態を示している。

【図３】本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微
観察法を説明するための図である。

【図４】本発明の実施の形態による走査型プローブ顕微
鏡を示している。

【図５】図１の走査型プローブ顕微鏡用プローブの作製
方法を説明するための図である。

【符号の説明】

１００ プローブ １０１ 支持部 １０２ 弾性部材部 １０３ 探針部 １０４ 検出機構部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも先端が三角形状をした片持ち梁
   状の弾性部材を振動させ、振動する弾性部材の自由端近
   傍の軌跡を実質的な探針として、この実質的な探針と試
   料表面の間に働く相互作用により起こる弾性部材の振動
   状態の変化を検出し、この検出情報に基づき前記弾性部
   材の振動状態が所定の振動状態となるように前記試料表
   面と前記弾性部材との位置関係を制御しながら、前記試
   料表面と前記弾性部材を相対的に走査して、試料表面の
   情報を得る走査型プローブ顕微観察法。
2. 【請求項２】支持部と、該支持部に保持される片持ち梁
   状の弾性部材部と、該弾性部材部の自由端に設けられた
   探針部と、前記弾性部材の振動状態を検出する検出機構
   とを有し、前記探針部の形状が平板三角形状であり、前
   記探針部の面法線方向とその先端の二点を結ぶ稜線とが
   平行である走査型プローブ顕微鏡用プローブ。
3. 【請求項３】請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡用
   プローブと、 前記走査型プローブ顕微鏡用プローブに振動を加えて実
   質的な探針を得る加振手段と、 試料表面と前記実質的な探針の先端との間の相互作用に
   基づく前記走査型プローブ顕微鏡用プローブの振動状態
   の変化を検出する振動検出手段と、 前記実質的な探針と前記試料表面とを相対的に三次元方
   向に駆動する駆動手段と、 前記振動検出手段からの情報に応じて前記試料表面と前
   記実質的な探針との間の相互作用を一定に保つように駆
   動手段を制御する制御手段と、 前記制御手段からの制御信号に基づいて前記試料表面の
   凹凸状態を得る情報処理手段とを有している走査型プロ
   ーブ顕微鏡。