JP2006118867A - 走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
探針走査機構の各駆動軸の真直誤差を低減して探針位置決め精度を向上させることによって、走査型プローブ顕微鏡の計測精度を向上させる。
【解決手段】
探針を試料表面に近接または接触させて前記試料表面を走査することにより前記試料表面の形状を計測する走査型プローブ顕微鏡において、試料を載置して少なくとも１軸方向に移動可能な試料ステージと、該試料ステージに載置された試料の表面に近接または接触させて前記試料表面を走査する探針と、該探針を３次元方向に駆動する探針駆動手段と、前記探針のたわみを検出するたわみ検出手段と、対物レンズを有して該対物レンズのほぼ光軸上に配置された前記探針及び前記試料を観察する観察手段とを備え、前記探針駆動部を、前記対物レンズの光軸に対して対称に配置された対を成す駆動源を３組備えて構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体表面形状の測定等の用途に用いられる走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法に関する。

半導体回路の高集積化に伴い、回路パターンの微細化が進行し続ける中で、半導体製造工程における検査計測技術や不良解析技術の重要度が増している。半導体の表面形状計測において用いられている走査型プローブ顕微鏡（以下、本明細書中ではＳＰＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅと称す）は、微小な探針の先端を試料表面に近接または間欠的に接触させながら探針を走査することにより、試料表面の形状を原子オーダーで計測する手法として広く知られている。

ＳＰＭを用いた表面形状計測においては、検査領域は数百マイクロメートル四方以下の狭い領域に限定される反面、探針を走査するための機構部には高い位置決め精度が要求される。ＳＰＭの探針を試料上で高精度に位置決めするための機構部としては、複数のピエゾを円筒状に組み合わせたチューブ型３次元駆動機構や、積層型のピエゾ棒を３軸組み合わせたトライポッド型３次元駆動機構が用いられてきた。しかしながらこれらの探針駆動機構は、原理的に探針動作に円弧エラーが生じてしまう欠点がある。また同時に、１つの走査軸を駆動するための力が他の２軸に影響を及ぼす構造であるため、探針駆動軸の真直度が悪化する。ＳＰＭによる計測精度向上に伴い、これらの影響が３次元像の歪曲として顕在化する場合がある。

また、ＳＰＭでは試料表面の立体形状を０．１ナノメートル程度の高い分解能で計測できる利点があるが、試料表面における計測点の位置出しや計測動作に時間を要し、充分な計測スループットが得られないため、半導体製造ラインにおいてはインライン（製造工程中）で使用されず、オフラインでの不良解析用途で用いられるのが主流であった。しかしながら、ＳＰＭによる計測結果から各種プロセス装置の異常を即座に察知し、各種プロセス装置の処理条件にフィードバックすることができれば、不良品の作り込みを最低限に抑え、半導体製造ラインの製造歩留まりを向上させることができることから、インラインＳＰＭの実現が期待されている。即ち、インラインＳＰＭを実現する場合、ＳＰＭが単位時間当たりにどれだけ多くの計測点を処理（計測）できるかが重要な要素であり、現状の半導体製造ラインにおいては、1点当たり２０秒以下の処理時間が要求されている。これは計測スループットに換算すると３０ＷＰＨ（Ｗａｆｅｒ Ｐｅｒ Ｈｏｕｒ）以上に相当する。

探針の位置決め精度を向上させるための探針駆動機構としては、特許文献１で開示されている３次元微小走査機構がある。これは外枠部に対して弾性部材で接続されたＹステージ内に、Ｙステージと弾性部材で接続されたＸＺステージ（ＸステージとＺステージを兼用）を形成した３軸ステージを３個のボイスコイルモータによって駆動する機構である。全てのステージは同一部材で一体形成されており、各ステージにはボイスコイルモータの駆動力がスピンドルを介して伝えられる。各ステージの変位によらず、それぞれのスピンドルが各ステージの動作方向に対して常に平行に押し当てられる構造となっている。例えばＹステージのみが動作した場合、外枠とＹステージを接続している弾性部材が全て均等に弾性変形することで、Ｙ軸以外の動作軸に無用な力がることは無い。以上により、探針の位置決めを３軸独立且つ高精度に制御可能な探針走査機構を実現している。

また、特許文献２においては、弾性部材とピエゾ駆動素子を組み合せた１軸平行平板型微動機構が提案されている。これは、固定部（外枠）と移動部（ステージ）を弾性変形部を介して一体形成し、外枠とステージ間に積層タイプのビエゾを挟み込んで固定した機構である。ステージの移動は弾性変形部の変形方向に制限されることから、ステージの移動方向に生じる回転成分（円弧エラー）を排除することができる。ここで提案されている１軸微動機構を複数組み合せることで、ＳＰＭの探針走査機構を構成することが可能である。

また特許文献３には、計測スループットを向上させるためのＳＰＭの構成が開示されている。これは、探針の直上に配置された対物レンズとレーザダイオード並びにフォトダイオードによって構成されるアプローチセンサで試料表面位置を検出し、試料表面を探針先端位置に高速に接近させることによって、ＳＰＭが計測動作にはいるまでの時間を短縮し、ＳＰＭの計測スループットを向上させるものである。特許文献４においても特許文献３と同じ目的で構成されたアプローチセンサの具体例が開示されている。なお、特許文献３及び特許文献４で示されている構成のＳＰＭによれば、試料上の探針接触位置の直上に対物レンズが配置されている装置構成であることから、観察光学系を用いて試料上の計測位置出しを行った後、試料位置を移動させることなく計測動作にかかることが可能であり、ＳＰＭの計測スループットを向上させることができる。

特許第３５４４４５３号公報 特開２００４−１９１２７７号公報 特開２００３−２０２２８４号公報 特開２００４−１２５５４０号公報

特許文献１に開示されている探針走査機構では、１つのステージを駆動するための駆動素子（ボイスコイルモータ）が４箇所の弾性変形部に力を加える構造であり、ステージが直線運動を行うことができるのは、４箇所の弾性変形部が全て均等に変形した場合に限定される。即ち、ボイスコイルモータ並びにスピンドルとステージが一直線上に配置されており、弾性変形部がステージの左右両側に存在するために、左右の弾性変形部のばね力に不均等が生じていると、その構造上ステージの真直度が低下すると言う問題点がある。本問題点は特許文献２で示されている１軸微動機構にも同様に当てはまる。

また、特許文献１に開示されている探針駆動機構では、ＸＺステージを駆動するためのボイスコイルモータが探針走査機構の上部に配置されているために、ＸＺステージ底面に取り付けられた探針を真上から観察することができないと言う問題点もある。これは、ＳＰＭに試料を搭載して測定動作にかかるまでの間に、試料上の測定点を探針走査機構部とは別に設けた検出部（観察光学系）で検出した後に、試料を探針走査機構部まで移動させる必要性が生じ、ＳＰＭの計測スループットが低下する原因となる。例えば、計測位置決めを行う観察光学系位置と、探針走査機構部（ＳＰＭ像計測位置）との間隔が１５０ミリメートルの場合、同一ウエハ上で計測位置を変える度にウエハを搭載した試料ステージを動作させる必要があり、その都度２秒〜３秒の時間を要する。これは、ウエハ1枚当たりにすると２０秒〜３０秒間程度となり、ＳＰＭの計測スループットを低下させてしまう。計測スループットの低下は、半導体製造ラインにおいて計測結果を各種プロセス装置に即座にフィードバックする用途でＳＰＭを使用する場合に致命的となる。更に、観察光学系で計測位置決めを実施した後に試料ステージを動作させると、試料ステージの位置決め精度の影響によってＳＰＭ像計測位置がずれてしまい、所望の計測点のＳＰＭ像が得られない問題点もある。

更に、特許文献３並びに特許文献４に開示されているＳＰＭの探針駆動機構では、探針を３次元に駆動させた場合に、探針の位置決め精度が充分に得られず、計測の結果得られた試料の３次元像に歪みが生じてしまう問題点がある。

本発明の第１の目的は、ＳＰＭの探針走査を制御する探針駆動機構部において、各駆動軸の真直誤差を低減することで探針位置を高精度に制御することが可能な走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法を提供することである。

本発明の第２の目的は、ＳＰＭの探針走査を制御する探針駆動機構部において、駆動軸の移動量を検出することで探針位置を高精度に制御することが可能な走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法を提供することである。

本発明の第３の目的は、ＳＰＭの探針位置を高精度に制御することができ、且つ半導体製造ラインにおいて計測結果を各種プロセス装置の処理条件に即時にフィードバックする用途で用いることが可能な、スループットが高い走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法を提供することである。

上記第一の目的は、ピエゾ素子を挟み込み、ピエゾ素子の伸縮軸の延長線上に配置された２箇所の弾性変形部で構成される一式のステージ駆動機構部を、２個一対で備えたステージによって構成した探針駆動機構を備えた走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法により達成される。

また上記第二の目的は、ピエゾ素子を挟み込み、ピエゾ素子の伸縮軸の延長線上に配置された２箇所の弾性変形部で構成される一式のステージ駆動機構部を２個一対で備えたステージによって構成した探針駆動機構において、ステージ変位を変位センサで計測し、ステージ変位をサーボ制御する機能を備えた走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法により達成される。

また上記第二の目的は、ピエゾ素子を挟み込み、ピエゾ素子の伸縮軸の延長線上に配置された２箇所の弾性変形部で構成される一式のステージ駆動機構部を２個一対で備えたステージによって構成した探針駆動機構において、ステージ変位を変位センサで計測し、ステージの位置決め誤差を検出してＳＰＭ像を補正する機能を備えた走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法により達成される。

また上記第三の目的は、ピエゾ素子を挟み込み、ピエゾ素子の伸縮軸の延長線上に配置された２箇所の弾性変形部で構成される一式のステージ駆動機構部を、２個一対で備えたステージによって構成した探針駆動機構を備えたＳＰＭにおいて、探針駆動機構部を構成するステージにスルーホールを設け、探針の直上に観察光学系を配置することができるようにした構成の走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法により達成される。

また上記第三の目的は、探針を保持しその位置決めを行う探針駆動機構と、探針駆動機構を制御する探針駆動制御部と、試料を保持しその位置決めを行う試料ステージと、試料ステージの動作を制御するステージ制御部と、探針駆動機構のスルーホールを利用して試料表面或いは探針を観察する観察光学系と、観察光学系で得られた光学像を処理する光学像処理部と、探針の先端が試料表面に接触したことを検知する探針たわみ検出部と、ＳＰＭ像を採取する際の探針走査を制御する探針走査制御部と、ＳＰＭ像生成部と、半導体製造工程のホストコンピュータと製造工程の情報やＳＰＭの検査結果を受け渡す機能を備えた全体制御部を備えた走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法により実現する。

また、上記第三の目的は、探針を保持しその位置決めを行う探針駆動機構と、探針駆動機構を制御する探針駆動制御部と、探針駆動機構のステージ変位を計測して探針駆動機構のステージをサーボ制御するステージ変位検出部と、試料を保持しその位置決めを行う試料ステージと、試料ステージの動作を制御するステージ制御部と、探針駆動機構のスルーホールを利用して試料表面或いは探針を観察する観察光学系と、観察光学系で得られた光学像を処理する光学像処理部と、探針の先端が試料表面に接触したことを検知する探針たわみ検出部と、ＳＰＭ像を採取する際の探針走査を制御する探針走査制御部と、ＳＰＭ像生成部と、半導体製造工程のホストコンピュータと製造工程の情報やＳＰＭの検査結果を受け渡す機能を備えた全体制御部を備えた走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法により実現する。

本発明によれば、走査型プローブ顕微鏡の探針の位置決めを高精度に実施することが可能となり、走査型プローブ顕微鏡による計測精度を向上させることができる。また、観察光学系によって計測点を確認し、試料ステージを移動させること無くＳＰＭ像を取得できることから、走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法のスループットを向上させることができる。

また、本発明による走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法を半導体製造工程に適用すれば、走査型プローブ顕微鏡及びそれを用いた計測方法による計測結果に基づいて製造装置の処理条件を最適化することが可能となることから、半導体製造工程の歩留まりが向上する。更には、半導体製造工程の歩留まりが向上することから、産業廃棄物を低減させる効果もある。

以下、本発明を実現するに好適な実施例について説明する。

本発明の第１の実施例として、図１から図３を用いて本発明によるＳＰＭの構成を説明する。図1において、１０３は計測対象である半導体ウエハ、１０４はウエハ１０３を真空吸着してＸ、Ｙ、Ｚ方向並びにＸＹ平面内の回転方向にウエハ１０３を移動するための試料ステージである。試料ステージの動作は、ステージ制御部１１１によって制御される。探針１０２は探針ホルダ１０２’を介して探針駆動機構１０１によって保持されている。探針駆動機構１０１は、ウエハ１０３上において探針１０２をＸ、Ｙ、Ｚ方向に精密に位置決めを行う。なお、探針１０２はシリコン材料から成り、収束イオンビームによってその先端径が十ナノメートル以下に加工されている。探針１０２はカンチレバーとその先端に形成された探針によって構成されているが、本明細書中ではカンチレバーと探針を併せて単に探針と称す。探針駆動機構１０１上には、対物レンズ１０６を備えた観察光学系鏡筒１０５が配置されている。観察光学系１０５はその内部に撮像カメラを有しており、対物レンズ１０６で拡大されたウエハ１０３表面の光学像は、光学像処理部１０８を経由してＴＶモニタ１０７上に表示される。なお、観察光学系１０５並びに対物レンズ１０６は、図示しない移動機構によってＺ方向に上下移動するフォーカス軸を備えている。

図２は図1に示した探針駆動機構１０１の構造を示した説明図であり、図２（ａ）は探針駆動機構１０１のＸＹ平面図、図２（ｂ）は探針駆動機構１０１のＡ−Ａ’矢視断面図、図２（ｃ）は探針駆動機構１０１のＹＺ平面図をそれぞれ示した図である。探針駆動機構１０１は、ホルダ２０１及び２０２とＹステージ２０３が弾性変形部２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを介して同一平面内に一体形成されており、更にＹステージ２０３の同一平面内にＸステージ２０７がＹステージ２０３と直行する形で、弾性変形部２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄを介して一体形成された構造となっている。Ｘステージ２０７には、対物レンズ１０６を貫通させるためのスルーホール２１１が設けられている。ホルダ２０１、２０２とＹステージ２０３との間は、積層型ピエゾ素子（以下本実施例では単にピエゾと称する）２０５、２０６が接着されており、Ｙステージ２０３はピエゾ２０５、２０６が等量だけ同時に伸縮することによってＹ軸方向に駆動される。ピエゾ２０５と弾性変形部２０４ａ及び２０４ｂによって構成される駆動機構と、ピエゾ２０６と弾性変形部２０４ｃ及び２０４ｄによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を中心として、対称な位置に配置されている。

一般的なピエゾ素子（圧電セラミック素子）は、１ボルトの直流電圧を印加することで１ナノメートル程度の変位変化を得ることができ、これを積層することにより、数十マイクロメートル程度の可動量の一軸駆動素子とすることができる。本実施例で用いたピエゾ２０５、２０６は共に、最大可動距離が２０マイクロメートル、可動分解能は１ナノメートルである。

Ｙステージ２０３とＸステージ２０７との間は、ピエゾ２０９、２１０が接着されており、Ｘステージ２０７はピエゾ２０９、２１０が等量だけ同時に伸縮することによってＸ軸方向に駆動される。ピエゾ２０９と弾性変形部２０８ａ及び２０８ｂによって構成される駆動機構と、ピエゾ２１０と弾性変形部２０８ｃ及び２０８ｄによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を中心として、対称な位置に配置されている。ピエゾ２０９、２１０についても、その最大可動距離は２０マイクロメートル、可動分解能は１ナノメートルである。

Ｘステージ２０７の底面には、Ｚ軸機構部２１３がＹステージ２０３とＸステージ２０７の可動平面に対して直交する形で取り付けられている。Ｚ軸機構部２１３は、固定部２１８、２１９とＺステージ２１４が弾性変形部２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ、２１５ｄを介して同一平面内に一体形成されている。固定部２１８、２１９とＺステージ２１４との間にはピエゾ２１６、２１７が接着されており、Ｚステージ２１４はピエゾ２１６、２１７が等量だけ同時に伸縮することによってＺ軸方向に駆動される。ピエゾ２１６と弾性変形部２１５ａ及び２１５ｂによって構成される駆動機構と、ピエゾ２１７と弾性変形部２１５ｃ及び２１５ｄによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの光軸２１２’に対してＸＺ平面上で対称な位置に配置されている。ピエゾ２１６、２１７の最大可動距離は１０マイクロメートル、可動分解能は１ナノメートルである。探針１０２は探針ホルダ１０２’を介してＺステージ２１４に取り付けられており、探針１０２の先端位置は、対物レンズの視野中央位置２１２と一致するようになっている。

以上説明したように、本発明による探針駆動機構１０１では、探針１０２を３次元的に駆動するためのＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚ２１４ステージの動作が互いに干渉することがなく、それぞれを独立に動作させることが可能である。また、例えばＹステージ２０３において、ピエゾ２０５を挟み込んで、ピエゾ２０５の伸縮軸の延長線上に配置された２箇所の弾性変形部２０４ａ、２０４ｂで構成される一式のステージ駆動機構部が、Ｙステージ２０３の左右両側に一対（ピエゾ２０６、弾性変形部２０４ｃ、２０４ｄ）で配置されていることから、ピエゾ２０５、２０６がそれぞれ等量ずつ伸縮することにより、弾性変形部２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを全て均等に変形させることができる。この結果、Ｙステージ２０３のアッベの誤差を排除し、Ｙステージ２０３の真直度を従来よりも格段に向上させることが可能となる。この動作原理は、Ｘステージ２０７、Ｚステージ２１４でも全く同様であることは自明である。なお、探針駆動機構１０１のＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚステージ２１４の動作は、探針駆動制御部１１０により制御される。

なお積層型のピエゾは、電圧を印加した場合の伸縮変位に個体差が生じる場合がある。また同一のピエゾを用いても、印加電位と変位との間にヒステリシス特性が存在する。この場合は、ピエゾ毎に異なるヒステリシス特性を予め計測しておき、所望の変位にするための印加電圧をピエゾ単位で調節して印加すれば良い。更に、本実施例では探針駆動機構１０１のＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚステージ２１４を動作させるためにピエゾを用いたが、各ステージの動力源（駆動源）はピエゾに限定される訳ではなく、探針１０２の位置決めを行うに必要なだけの精度・能力を備えたリニアアクチュエータであれば良い。探針駆動機構１０１の構成材料としては、アルミニウム合金や熱膨張率（線膨張係数）の低い鉄−ニッケル合金等の材料が用いられる。

探針駆動機構１０１の上部に配置されている観察光学系鏡筒１０５及び対物レンズ１０６は、図示しない移動機構によってＺ軸方向に上下動が可能であり、対物レンズ１０６が探針駆動機構１０１に接触しないように、Ｘステージ２０７に設けられたスルーホール２１１に挿入される。本発明の探針駆動機構１０１の構成によれば、探針１０２上にその走査を行う機構部が存在しないため、対物レンズ１０６で探針１０２を直接観察できると同時に、ウエハ１０３表面を高解像度で観察することが可能である。例えば対物レンズ１０６の開口率が０．６以上、より好ましくは０．７以上で、作動距離は６ミリメートルの仕様であれば、ウエハ１０３上のパターンを解像度が１マイクロメートル以下の条件で鮮明に観察できる。

なお、探針１０２の位置を固定したまま、対物レンズ１０６が探針１０２に接触しない程度に、対物レンズ１０６と試料ステージ１０４を同量（例えば１ミリメートル）下降させることにより、対物レンズ１０６の視野内に配置された探針１０２の存在の影響を受けることなく、探針１０２直下のウエハ１０３上のパターンを観察することも可能である。これは対物レンズ１０６の開口率が大きく、探針１０２が対物レンズ１０６の視野の一部分のみを占める条件の際に得られる光学的現象を利用したものである。

図３は、探針１０２とウエハ１０３表面との接触を検知するための探針たわみ検出部の構成を示す説明図で、探針駆動機構１０１のＸＺ平面図である。３０１は、発振波長が６００ナノメートル、発振出力０．１ミリワットのレーザダイオードであり、このレーザダイオード３０１から発振されたレーザ光は、コリメートレンズ３０２で平行光に整形されてホルダ２０１に取り付けられたミラー３０３（図示せず）でＹ軸方向に折り返され、Ｙステージ２０３に取り付けられたミラー３０４（図示せず）で再びＸ軸方向に反射され、ミラー３０５、３０６を経て探針１０２の背面に照射される。

探針１０２の背面で反射されたレーザ光は、ミラー３０７、３０８で反射され、Ｙステージ２０３に取り付けられたミラー３０９（図示せず）でＹ軸方向に折り返され、ホルダ２０２に取り付けられたミラー３１０（図示せず）で再びＸ軸方向に反射され受光器３１１で受光される。ここで、レーザダイオード３０１を探針駆動機構１０１のホルダ２０１に、受光器３１１をホルダ２０２に、ミラー３０５、３０６、３０７、３０８を図示しない治具によりＺステージ２１４に固定することで、探針１０２の位置によらず探針のたわみ量を受光器受３１１のレーザ受光面上におけるレーザ照射位置の変化として検出することができる。受光器３１１としては、ＰＳＤ（ポジションセンシティブデバイス）、イメージセンサ、２分割フォトダイオード等が使用できる。

結果的に、探針１０２とウエハ１０３が接触して探針１０２にたわみが生じると、受光器３１１の受光面上ではＹ軸方向にレーザ照射位置が移動することとなる。受光器３１１では、このレーザ照射位置の変化を電圧信号に変換し、探針たわみ検出部１０９で探針１０２とウエハ１０３表面の接触を検知する。

探針たわみ検出部１０９、探針駆動制御部１１０、ステージ制御部１１１は探針走査制御部１１２に接続されており、全体制御部１１４によって全ての装置動作が制御され、ＳＰＭ像生成部では計測対象試料表面の３次元像が生成される。

以上に述べた通り本発明の第一の実施例によれば、ＳＰＭの探針を３次元に走査する機構部において、ピエゾを挟み込みその伸縮軸の延長線上に配置された２箇所の弾性変形部で構成される一式の駆動機構部が、各ステージの左右両側に一対で配置されていることから、各ステージに用いられている２つのピエゾがそれぞれ等量ずつ伸縮することにより、各ステージの４箇所の弾性変形部を全て均等に変形させることができる。この結果、各ステージのアッベの誤差を低減し、その真直度を従来よりも格段に向上させることが可能となる。

また、探針を走査する３軸の移動動作が互いに干渉することがなく、それぞれの駆動軸を独立に動作させることが可能である。更に、探針上にその走査を行う機構部が存在しないため、対物レンズで探針を直接観察できると同時に、計測対象物表面を高解像度で観察することができる。これにより、計測対象試料上の計測点を観察光学系で検出した後、即座に計測動作に移ることが可能となる。また、観察光学系で計測対象試料上の計測点を観察しながら計測動作を実行することもできる。
以上第一の実施例によれば、計測精度並びに計測スループットを向上させた、高精度・高速インラインＳＰＭを実現することができる。

続いて、図４、図５を用いて本発明の第２の実施例によるＳＰＭの構成を説明する。図４において、１０３は計測対象である半導体ウエハ、１０４はウエハ１０３を真空吸着してＸ、Ｙ、Ｚ方向並びにＸＹ平面内の回転方向にウエハ１０３を移動するための試料ステージである。試料ステージ１０４の動作は、ステージ制御部１１１によって制御される。探針１０２は探針ホルダ１１５を介して探針駆動機構１０１によって保持されている。探針駆動機構１０１は、ウエハ１０３上において探針１０２をＸ、Ｙ、Ｚ方向に精密に位置決めする。なお、探針１０２はシリコン材料から成り、収束イオンビームによってその先端径が十ナノメートル以下に加工されている。探針１０２はカンチレバーとその先端に形成された探針によって構成されているが、本明細書中ではカンチレバーと探針を併せて単に探針と称す。探針駆動機構１０１上には、対物レンズ１０６を備えた観察光学系鏡筒１０５が配置されている。観察光学系１０５はその内部に撮像カメラを有しており、対物レンズ１０６で拡大されたウエハ１０３表面の光学像は、光学像処理部１０８を経由してＴＶカメラ１０７上に表示される。なお、観察光学系１０５並びに対物レンズ１０６は、図示しない移動機構によってＺ方向に上下移動するフォーカス軸を備えている。

図５は、図４に示した探針駆動機構１０１の構造を示した説明図であり、図５（ａ）は探針駆動機構１０１のＸＹ平面図、図５（ｂ）は探針駆動機構１０１のＸＺ平面図、図５（ｃ）は探針駆動機構１０１のＹＺ平面図をそれぞれ示した図である。探針駆動機構１０１は、ホルダ２０１及び２０２とＹステージ２０３が弾性変形部２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを介して同一平面内に一体形成されており、更にＹステージ２０３の同一平面内にＸステージ２０７がＹステージ２０３と直行する形で、弾性変形部２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄを介して一体形成された構造となっている。

Ｘステージ２０７には、対物レンズ１０６を貫通させるためのスルーホール２１１が設けられている。ホルダ２０１、２０２とＹステージ２０３との間は、積層型ピエゾ素子（以下本実施例では単にピエゾと称する）２０５、２０６が接着されており、Ｙステージ２０３はピエゾ２０５、２０６が等量だけ同時に伸縮することによってＹ軸方向に駆動される。ピエゾ２０５と弾性変形部２０４ａ及び２０４ｂによって構成される駆動機構と、ピエゾ２０６と弾性変形部２０４ｃ及び２０４ｄによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を中心として、対称な位置に配置されている。

一般的なピエゾ素子（圧電セラミック素子）は、１ボルトの直流電圧を印加することで１ナノメートル程度の変位変化を得ることができ、これを積層することにより、数十マイクロメートル程度の可動量の一軸駆動素子とすることができる。本実施例で用いたピエゾ２０５、２０６は共に、最大可動距離が２０マイクロメートル、可動分解能は１ナノメートルである。

Ｙステージ２０３には、図示しない機構部によって少なくともホルダ２０１、２０２のどちらか一方に固定されたＹ軸用静電容量センサ２２２と、Ｙ軸用静電容量センサ２２２に対向するターゲット２２０が設けられている。ターゲット２２０とＹ軸用静電容量センサ２２２との対向面の間隔は２００マイクロメートルである。ここで使用したＹ軸用静電容量センサ２２２は、ターゲット２２０と自身の対向面との間隔を０．１ナノメートルの分解能で計測することが可能であり、Ｙステージ２０３の移動量の計測を行う。

ターゲット２２０とＹ軸用静電容量センサ２２２はＸＹ平面上において対物レンズの視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を含むＹ軸上に配置されている。この配置により、対物レンズの視野中央位置２１２のステージ変位（探針１０２の先端位置の変位）を計測することができ、Ｙステージ２０３の動作にアッベの誤差が生じた場合でも、計測したステージ変位の誤差要因を最小限にとどめることができるが、Ｙステージ２０３の動作精度の影響を考慮する必要が無い場合は、上記で述べたターゲット２２０とＹ軸用静電容量センサ２２２の配置に限定される必要は無い。ターゲット２２０は、Ｙステージ２０３を構成する金属材料と電気的な導通が得られる金属材料から成り、Ｙ軸用静電容量センサ２２２との対向面には、精密研削処理が施されている。

Ｙステージ２０３とＸステージ２０７との間は、ピエゾ２０９、２１０が接着されており、Ｘステージ２０７はピエゾ２０９、２１０が等量だけ同時に伸縮することによってＸ軸方向に駆動される。ピエゾ２０９と弾性変形部２０８ａ及び２０８ｂによって構成される駆動機構と、ピエゾ２１０と弾性変形部２０８ｃ及び２０８ｄによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を中心として、対称な位置に配置されている。ピエゾ２０９、２１０についても、その最大可動距離は２０マイクロメートル、可動分解能は１ナノメートルである。

Ｘステージ２０７には、図示しない機構部によって少なくともホルダ２０１、２０２のどちらか一方に固定されたＸ軸用静電容量センサ２２３と、Ｘ軸用静電容量センサ２２３に対向するターゲット２２１が設けられている。ターゲット２２１とＸ軸用静電容量センサ２２３との対向面の間隔は２００マイクロメートルである。ここで使用したＸ軸用静電容量センサ２２３は、ターゲット２２１と自身の対向面との間隔を０．１ナノメートルの分解能で計測することが可能であり、Ｘステージ２０７の移動量の計測を行う。ターゲット２２１とＸ軸用静電容量センサ２２３はＸＹ平面上において対物レンズの視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を含むＸ軸上に配置されている。この配置により、対物レンズの視野中央位置２１２のステージ変位（探針１０２の先端位置の変位）を計測することができ、Ｘステージ２０７の動作にアッベの誤差が生じた場合でも、計測したステージ変位の誤差要因を最小限にとどめることができるが、Ｘステージ２０７の動作精度の影響を考慮する必要が無い場合は、上記で述べたターゲット２２１とＸ軸用静電容量センサ２２３の配置に限定される必要は無い。ターゲット２２１は、Ｘステージ２０７を構成する金属材料と電気的な導通が得られる金属材料から成り、Ｘ軸用静電容量センサ２２３との対向面には、精密研削処理が施されている。

Ｘステージ２０７の底面には、Ｚ軸機構部２１３がＹステージ２０３とＸステージ２０７の可動平面に対して直行する形で取り付けられている。Ｚ軸機構部２１３は、固定部２１８、２１９とＺステージ２１４が弾性変形部２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ、２１５ｄを介して同一平面内に一体形成されている。固定部２１８、２１９とＺステージ２１４との間にはピエゾ２１６、２１７が接着されており、Ｚステージ２１４はピエゾ２１６、２１７が等量だけ同時に伸縮することによってＺ軸方向に駆動される。ピエゾ２１６と弾性変形部２１５ａ及び２１５ｂによって構成される駆動機構と、ピエゾ２１７と弾性変形部２１５ｃ及び２１５ｄによって構成される一対の駆動機構は、対物レンズの光軸２１２’に対してＸＺ平面上で対称な位置に配置されている。ピエゾ２１６、２１７の最大可動距離は１０マイクロメートル、可動分解能は１ナノメートルである。探針１０２は探針ホルダ１１５を介してＺステージ２１４に取り付けられており、探針１０２の先端位置は、対物レンズの視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）と一致するようになっている。

探針ホルダ１１５の一部は、図示しない機構部によって少なくともホルダ２０１、２０２のどちらか一方に固定されたＺ軸用静電容量センサ２２４に対向するように構成されている。探針ホルダ１１５と静電容量センサ２２４との対向面の間隔は２００マイクロメートルである。ここで使用したＺ軸用静電容量センサ２２４は、探針ホルダ１１５と自身の対向面との間隔を０．１ナノメートルの分解能で計測することが可能であり、Ｚステージ２１４の移動量の計測を行う。探針ホルダ１１５とＺ軸用静電容量センサ２２４はＸＺ平面上において対物レンズの光軸２１２’と重なるＺ軸上に配置されている。この配置により、対物レンズの視野中央位置２１２のステージ変位（探針１０２の先端位置の変位）を計測することができ、Ｚステージ２１４の動作にアッベの誤差が生じた場合でも、計測したステージ変位の誤差要因を最小限にとどめることができる。探針ホルダ１１５は、Ｚステージ２１４を構成する金属材料と電気的な導通が得られる金属材料から成り、Ｚ軸用静電容量センサ２２４との対向面には、精密研削処理が施されている。

以上説明した通り、本発明による第二の実施例による探針駆動機構１０１では、探針１０２を３次元的に駆動するためのＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚ２１４ステージの動作が互いに干渉することがなく、それぞれを独立に動作させることが可能である。また、例えばＹステージ２０３において、ピエゾ２０５を挟み込んで、ピエゾ２０５の伸縮軸の延長線上に配置された２箇所の弾性変形部２０４ａ、２０４ｂで構成される一式のステージ駆動機構部が、Ｙステージ２０３の左右両側に一対（ピエゾ２０６、弾性変形部２０４ｃ、２０４ｄ）で配置されていることから、ピエゾ２０５、２０６がそれぞれ等量ずつ伸縮することにより、弾性変形部２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄを全て均等に変形させることができる。この結果、Ｙステージ２０３の真直度を従来よりも格段に向上させることが可能となる。以上の動作原理は、Ｘステージ２０７、Ｚステージ２１４でも全く同様であることは自明である。

探針駆動機構１０１のＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚステージ２１４の動作は、探針駆動制御部１１０により制御されおり、本実施例ではＹ軸用静電容量センサ２２２、Ｘ軸用静電容量センサ２２３、Ｚ軸用静電容量センサ２２４で計測された各ステージの移動量をステージ変位検出部１２８で検出し、探針走査制御部１１２を介して探針駆動制御部１１０にフィードバックを行うステージサーボ機能を付加した。積層型のピエゾは、電圧を印加した場合の伸縮変位に個体差が生じる場合がある。また同一のピエゾを用いても、印加電位と変位との間にヒステリシス特性が存在する。これらは探針駆動機構１０１のＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚステージ２１４の位置決め誤差となり、結果的に探針１０２の位置決め精度低下に繋がることから、ステージサーボ機能を働かせることで、探針駆動機構１０１の各ステージに使用されているピエゾ素子の可動分解能、または探針駆動機構１０１の各ステージに使用されている静電容量センサの変位検出分解能程度の精度で探針駆動機構１０１のＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚステージ２１４の位置を制御できる。

本実施例では、前者（ピエゾ素子の可動分解能）が１ナノメートル、後者（静電容量センサの変位検出分解能）が０．１ナノメートルであるため、探針１０２の走査を１ナノメートルの位置決め精度で制御することができる。なお、探針駆動機構１０１の構成材料としては、アルミニウム合金や熱膨張率（線膨張係数）の低い鉄−ニッケル合金等の材料が用いられる。

また本実施例では探針駆動機構１０１のＸステージ２０７、Ｙステージ２０３、Ｚステージ２１４を動作させるためにピエゾを用いたが、各ステージの動力源（駆動源）はピエゾに限定される訳ではなく、探針１０２の位置決めを行うに必要なだけの精度・能力を備えたリニアアクチュエータであれば良い。

探針駆動機構１０１の上部に配置されている観察光学系鏡筒１０５及び対物レンズ１０６は、図示しない移動機構によってＺ軸方向に上下動が可能であり、対物レンズ１０６が探針駆動機構１０１に接触しないように、Ｘステージ２０７に設けられたスルーホール２１１に挿入される。本発明の探針駆動機構１０１の構成によれば、探針１０２上にその走査を行う機構部が存在しないため、対物レンズ１０６で探針１０２を直接観察できると同時に、ウエハ１０３表面を高解像度で観察することが可能である。例えば対物レンズ１０６の開口率が０．７、作動距離は６ミリメートルの仕様であれば、ウエハ１０３上のパターンを解像度が１マイクロメートル以下の条件で鮮明に観察できる。

なお、探針１０２の位置を固定したまま、対物レンズ１０６が探針１０２に接触しない程度に、対物レンズ１０６と試料ステージ１０４を同量（例えば１ミリメートル）下降させることにより、対物レンズ１０６の視野内に配置された探針１０２の存在の影響を受けることなく、探針１０２直下のウエハ１０３上のパターンを観察することも可能である。これは対物レンズ１０６の開口率が大きく、探針１０２が対物レンズ１０６の視野の一部分のみを占める条件の際に得られる光学的現象を利用したものである。

探針たわみ検出部１０９の構成と動作原理は、本発明の第1の実施例で述べた内容（図３）と同一である。探針たわみ検出部１０９、探針駆動制御部１１０、ステージ制御部１１１は探針走査制御部１１２に接続されており、全体制御部１１４によって全ての装置動作が制御され、ＳＰＭ像生成部では計測対象試料表面の３次元像が生成される。

以上に述べた通り本発明の第二の実施例によれば、ＳＰＭの探針を３次元に走査する機構部において、ピエゾを挟み込みその伸縮軸の延長線上に配置された２箇所の弾性変形部で構成される一式の駆動機構部が、各ステージの左右両側に一対で配置されていることから、各ステージに用いられている２つのピエゾがそれぞれ等量ずつ伸縮することにより、各ステージの４箇所の弾性変形部を全て均等に変形させることができる。

以上の結果、各ステージのアッベの誤差を低減し、その真直度を従来よりも格段に向上させることが可能となる。また、探針を走査する３軸の移動動作が互いに干渉することがなく、それぞれの駆動軸を独立に動作させることが可能である。また、各ステージに取り付けられた静電容量センサによって各ステージの移動量を計測すると共に、計測結果に基づき探針駆動機構のステージをサーボ制御することで、探針位置を精密に位置決めすることが可能となる。あるいは、ステージのサーボ制御を行わず、各ステージに取り付けられた静電容量センサによって各ステージ移動量の計測値に基づき、ＳＰＭ像生成部においてＳＰＭ像を補正することによって精度の高いＳＰＭ像を得ることができる。更に、探針上にその走査を行う機構部が存在しないため、対物レンズで探針を直接観察できると同時に、計測対象物表面を高解像度で観察することができる。これにより、計測対象試料上の計測点を観察光学系で検出した後、即座に計測動作に移ることが可能となる。

以上本発明の第二の実施例によれば、計測精度並びに計測スループットを向上させた、高精度・高速インラインＳＰＭを実現することができる。

なお、本発明の第２の実施例では、探針駆動機構１０１の各ステージの移動量を検出するために静電容量センサを用いたが、本発明の実施にあたってはこれに限定されるものではなく、光学センサや超音波センサ等、ピエゾ素子の可動分解能と同程度の変位分解能を有するセンサ、または任意の変位計測分解能を有するセンサを用いることができる。また、探針駆動機構１０１の各ステージにおけるターゲットの取り付け位置は、本実施例で述べた範囲に限定されるものではない。例えば、Ｙステージ２０３に取り付けられたターゲット２２０をＸステージ２０７に取り付け、静電容量センサ２２２を対向させることによりＹステージ２０３の変位を計測することもできる。

また本実施例では、Ｙステージ２０３のターゲット２２０、並びにＸステージ２０７のターゲット２２１を、探針駆動機構１０１の上面（観察光学系１０５側）に設けたが、探針駆動機構１０１の底面（Ｚ軸機後部２１３側）に設けても良い。更には、図８に示す如く、静電容量センサを探針ホルダ部分に配置することもできる。図８において、探針ホルダ１２５は、Ｚ軸機構部２１３と同じ材質で形成され、Ｚステージ２１４の底面に取り付けられている。

探針ホルダ１２５の探針保持部１２６には、探針１０２が取り付けられており、Ｙ軸用静電容量センサ２２２と対向するターゲット部１３０と、Ｘ軸用静電容量センサ２２３と対向するターゲット部１３１と、Ｚ軸用静電容量センサ２２４と対向するターゲット部１３２が設けられている。それぞれの静電容量センサと対向する探針ホルダ１２５のターゲット部との間隔は、２００マイクロメートルとなっている。全ての静電容量センサの変位検出分解能は０．１ナノメートルで、図示しない機構部によって探針駆動機構部１０１のホルダ２０１、または２０２のどちらか一方、または両方に固定されている。探針１０２の先端位置は、対物レンズ１０６の光軸２１２’と一致している。

Ｙ軸用静電容量センサ２２２は、ＸＹ平面上において対物レンズ１０６の視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を含むＹ軸上に配置されており、Ｙステージ２０３が移動した時のＸＹ平面内におけるＹ軸方向の移動量を計測する。Ｘ軸用静電容量センサ２２３は、ＸＹ平面上において対物レンズ１０６の視野中央位置２１２（探針１０２の先端位置）を含むＸ軸上に配置されており、Ｘステージ２０７が移動した時のＸＹ平面内におけるＸ軸方向の移動量を計測する。Ｚ軸用静電容量センサ２２４は、ＸＺ平面において対物レンズ光軸２１２’と重なる位置に配置されており、Ｚステージ２１４が移動した時のＺ軸方向の移動量を計測する。

図８に示す如く配置によって、探針駆動機構１０１のＹステージ２０３、Ｘステージ２０７、Ｚステージ２１４の各ステージの変位を計測することでも、前述した第２の実施例と同様に、各ステージの動作にピッチング、ヨーイングが生じても、計測したステージ変位の誤差要因を最小限にとどめ、探針１０２の正確な移動量を計測することができる。

以下、本発明の第３の実施例による探針ホルダの構造を説明し、本発明によるＳＰＭの一連の動作を説明する。図６は、本発明の第２の実施例で用いた探針ホルダ１１５の変形例である。探針ホルダ１１６は、Ｚ軸機構部２１３と同じ材質で形成され、Ｚステージ２１４の底面に取り付けられている。探針ホルダ１１６の探針保持部１２４には、探針１０２が取り付けられており、Ｙ軸用静電容量センサ２２２ａ、２２２ｂと対向するターゲット部１１７、１１８と、Ｘ軸用静電容量センサ２２３ａ、２２３ｂと対向するターゲット部１１９、１２０と、Ｚ軸用静電容量センサ２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃと対向するターゲット部１２１、１２２、１２３が設けられている。それぞれの静電容量センサと対向する探針ホルダ１１６のターゲット部との間隔は、２００マイクロメートルとなっている。全ての静電容量センサの変位検出分解能は０．１ナノメートルで、図示しない機構部によって探針駆動機構部１０１のホルダ２０１、または２０２のどちらか一方、または両方に固定されている。探針１０２の先端位置は、対物レンズ１０６の光軸２１２’と一致している。

Ｙ軸用静電容量センサ２２２ａ、２２２ｂは、Ｙステージ２０３の移動方向と直行方向に並列に配置されており、探針ホルダ１１６のターゲット部１１７、１１８の２箇所の変位を計測することで、Ｙステージ２０３が移動した時のＸＹ平面内におけるＹ軸方向の移動量を計測する。この際、Ｙ軸用静電容量センサ２２２ａ、２２２ｂとの間で移動量に差異が生じた場合は、Ｙステージ２０３を駆動するピエゾ２０５、２０６をそれぞれ独立にサーボ制御することによって、Ｙステージ２０３の真直誤差を補正することが可能である。なおこれと同時に、Ｚ軸用静電容量センサ２２４ａ、２２４ｂの変位を計測することによって、Ｙステージ２０３のピッチングによる誤差を検知することができる。また、Ｚ軸用静電容量センサ２２４ｂ、２２４ｃの変位を計測することによって、Ｙステージ２０３のヨーングによる誤差を検知することが可能である。

Ｘ軸用静電容量センサ２２３ａ、２２３ｂは、Ｘステージ２０７の移動方向と直行方向に並列に配置されており、探針ホルダ１１６のターゲット部１１９、１２０の２箇所の変位を計測することで、Ｘステージ２０７が移動した時のＸＹ平面内におけるＸ軸方向の移動量を計測する。この際、Ｘ軸用静電容量センサ２２３ａ、２２３ｂとの間で移動量に差異が生じた場合は、Ｘステージ２０７を駆動するピエゾ２０９、２１０をそれぞれ独立にサーボ制御することによって、Ｘステージ２０７の真直誤差を補正することが可能である。なおこれと同時に、Ｚ軸用静電容量センサ２２４ｂ、２２４ｃの変位を計測することによって、Ｘステージ２０７のピッチングによる誤差を検知することができる。また、Ｚ軸用静電容量センサ２２４ａ、２２４ｂの変位を計測することによって、Ｘステージ２０７のヨーングによる誤差を検知することが可能である。

Ｚ軸用静電容量センサ２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃは、ＸＹ平面内に並列に配置されており、探針ホルダ１１６のターゲット部１２１、１２２、１２３の３箇所の変位を計測することで、Ｚステージ２１４が移動した時のＺ軸方向の移動量を計測する。この際、Ｚ軸用静電容量センサ２２４ｂ、２２４ｃとの間で移動量に差異が生じた場合は、Ｚステージ２１４を駆動するピエゾ２１６、２１７をそれぞれ独立にサーボ制御することによって、Ｚステージ２１４の真直誤差を補正することが可能である。なお、Ｚ軸用静電容量センサ２２４ａ、２２４ｂの変位を計測することによって、Ｚステージ２１４のピッチングによる誤差を検知することができる。また、Ｙ軸用静電容量センサ２２２ａ、２２２ｂの変位またはＸ軸用静電容量センサ２２３ａ、２２３ｂの変位を計測することによって、Ｚステージ２１４のヨーングによる誤差を検知することが可能である。

特に、Ｙステージ２０３、Ｘステージ２０７の動作にピッチング、ヨーイングが生じると、探針１０２をＸＹ平面内で走査した際の平坦性が悪化する原因となり、結果としてウエハ１０３の表面形状を計測した３次元ＳＰＭ像における、高さ方向の計測誤差となって顕在化する。本実施例によれば、探針１０２のＸＹ平面における位置決め誤差を高精度に検出することができ、検出結果に基づいてＳＰＭ像生成部１１３で生成される３次元形状像を補正し、高精度なＳＰＭ像を得ることができる。

続いて、図４、図７を用いて本発明によるＳＰＭの動作を説明する。図７（ａ）は、本発明によるＳＰＭを用いた半導体製造工程の一部を示した図であり、インラインＳＰＭの機能を併せて説明するものである。製造装置Ａ、製造装置Ｂの順に処理されたウエハは、１ロット単位で製造装置Ｃの処理に移るのもと、ＳＰＭで計測を行ってから製造装置Ｃの処理に移るものにわかれる。この割合は、ＳＰＭのスループット（単位時間当たりのウエハの処理枚数）を考慮して予めオペレータがホストコンピュータに指示する。全ての製造装置とＳＰＭは、半導体製造ラインのホストコンピュータとデータ網で接続されており、ホストコンピュータでは製造中の全ウエハの履歴や工程等が管理される。また、各装置間のウエハの搬送は図示しない搬送装置が行う。例えば、製造装置Ａはドライエッチング装置、製造装置Ｂはレジスト剥離装置、製造装置Ｃは成膜装置である。

製造装置Ｂでの処理が終了したウエハは、ホストコンピュータで管理されているウエハの工程管理情報に基づき、予め決められた割合でＳＰＭに搬送される。ＳＰＭでは、搬送されたウエハの工程管理情報をホストコンピュータに問合せ、ウエハ上における計測点の座標情報を得た後、計測を行う。ＳＰＭでは、計測の終了後ホストコンピュータにウエハ上の各計測点の計測結果を出力し、ウエハは搬送装置によって製造装置Ｃに搬送される。

ホストコンピュータではＳＰＭから得た計測結果を解析し、必要に応じて各製造装置の処理条件を変更（最適化）する。例えば、ＳＰＭでウエハ上の複数の位置でエッチング段差を計測し、そのばらつきから製造装置Ａ（ドライエッチング装置）のエッチング条件の変更等を行う。或いは、ＳＰＭの計測結果を解析した結果、ウエハを製造装置Ｂに戻して再処理を行うこともる。これらの場合の処理条件は、各製造装置における通常の処理条件とは異なる処理条件で実施されるが、この条件はＳＰＭの計測結果に基づいて適宜ホストコンピュータが決定・管理する。以上のフィードバック（状況に応じてはＳＰＭの計測結果に基づいてＳＰＭ以降の製造工程の処理条件を決定するフィードフォワードの場合もある）作業には、オペレータが介在する場合がある。

以上の流れの中で、ＳＰＭの計測結果に基づいて各製造装置の処理条件を決定（最適化）するに当たり、ＳＰＭによる計測精度が高精度である程、各製造装置の処理条件をきめ細かに設定することができる。また、ＳＰＭを半導体製造工程のインライン装置として用いるには、ＳＰＭの上流の製造装置で処理が終了したウエハが、ＳＰＭを経由しないで次の製造装置で処理されるまでの間に、ＳＰＭによる計測を終了するのが理想的であり、従ってインラインＳＰＭのスループット向上は必須課題である。

図７（ｂ）は、本発明によるＳＰＭの一連の動作説明図である。以下、図４と併せてＳＰＭの具体的な動作を説明する。ＳＰＭの上流工程の製造装置で処理が終了したウエハは、１ロット単位でケースに格納されて半導体製造ラインの搬送装置によってＳＰＭのウエハカセットに搭載される。ＳＰＭでは、ウエハケースのバーコードを読み取って、これに対応した工程情報と検査条件を半導体製造ラインのホストコンピュータから取得する。その後、ＳＰＭのローダはウエハカセットからウエハを１枚取り出し、ウエハのオリフラが一定の向きとなるようにして試料ステージ１０４に搭載する。

ウエハ１０３は試料ステージ１０４に真空吸着され、図示しない検出器でウエハ１０３表面に描画されたウエハ番号を読み取った後に、試料ステージ１０４に搭載された状態で探針駆動機構１０１の直下に移動される。この時の試料ステージ１０４のＺ軸方向位置は、下死点で行われる。一方でこれまでの間に、観察光学系１０５は上死点まで上昇し、図示しないレボルバを回転させて対物レンズ１０６が交換されて、例えば５０倍程度の低倍率のアライメント用対物レンズ（図示せず）に取り替えられる。対物レンズ１０６とアライメント用対物レンズの同焦距離は同一となっている。続いて観察光学系１０５を降下させ、その焦点位置が探針１０２の背面（上面）と成るように、フォーカス位置が調節される。この焦点合わせ動作は、光学像処理部１０８の画像認識によって自動で行われる。

続いて、観察光学系１０５を定量（例えば１ミリメートル）更に降下させ、ＳＰＭ像を採取する際よりも低い位置に観察光学系１０５の焦点位置を移動しておく。

試料ステージ１０４は、ウエハ１０３上のアライメントマーク位置がアライメント用対物レンズ（図示せず）の視野に入る程度の位置までＸＹ方向に移動した後、Ｚ方向に徐々に上昇して観察光学系１０５の焦点位置にウエハ１０３表面を一致させ、光学像処理部１０８でアライメントマークを画像認識する。この時、アライメント用対物レンズの開口率が低い条件では、観察光学系１０５で得られる光学像において探針１０２が同時に観察されてしまう場合がある。従ってアライメントマークの画像認識は、観察光学系１０５の視野内において、アライメントマークと探針１０２とが重ならないような位置で行うのが望ましい。ウエハ１０３上のアライメントマークは少なくとも２箇所以上の場所で画像認識されることにより、ウエハ１０３上のパターンと試料ステージ１０４のＸＹ座標軸との相関を得て、全体制御部１１４に記憶される。

ウエハ１０３のアライメント動作中は、観察光学系１０５を定量降下させ、ＳＰＭ像を採取する際よりも低い位置に焦点位置が移動していることから、ウエハ１０３表面と探針１０２の先端は接触することがない。アライメント動作終了後は、観察光学系１０５は上死点まで再度上昇し、図示しないレボルバを回転させて高倍率（例えば１００倍）の対物レンズ１０６に取り替えられる。そして観察光学系１０５を降下させ、その焦点位置が探針１０２の背面（上面）と成るように、フォーカス位置が調節される。この焦点合わせ動作は、光学像処理部１０８の画像認識によって自動で行われる。更に、観察光学系１０５を定量（例えば１ミリメートル）降下させ、ＳＰＭ像を採取する際よりも低い位置に焦点位置を移動しておく。なおここでは、ウエハ１０３のアライメント時に対物レンズを交換する動作を述べたが、観察光学系１０５に光学像のズーム機能を備えておき、対物レンズを交換することなく観察倍率を変更する構成でも構わない。

全体制御部はホストコンピュータから得た検査情報（座標情報）に基づき、１点目の計測点が観察光学系１０５視野に入る位置に試料ステージ１０４をＸＹ方向に移動させる。光学像処理部では、観察光学系１０５の視野（ＴＶモニタ１０７上の表示領域）に含まれた計測点（または計測点の周辺パターン）を画像認識し、試料ステージ１０４のＸＹ軸を微調整することで計測点の位置出しを精密に行う。対物レンズ１０６の倍率は１００倍であり、観察光学系１０５を定量（例えば１ミリメートル）降下させ、ＳＰＭ像を採取する際よりも低い位置に焦点位置を移動してウエハ１０３表面を観察することによって、対物レンズ１０６の視野内に配置された探針１０２の存在の影響を受けることなく、ウエハ１０３表面を高解像度で観察することが可能である。例えば対物レンズ１０６の開口率が０．７の仕様であれば、ウエハ１０３上のパターンを解像度が１マイクロメートル以下の条件で鮮明に観察できる。また探針１０２直下のウエハ１０３上のパターンを観察することも可能である。これは対物レンズ１０６の開口率が大きく、探針１０２が対物レンズ１０６の視野の一部分のみを占める条件の際に得られる光学的現象を利用したものである。

なお、計測点の位置出しはオペレータがＴＶモニタ１０７を観察して、全体制御部から座標を直接指定して行っても良い。その後、観察光学系１０５を定量上昇させ、その焦点位置が探針１０２の背面（上面）と成るように、フォーカス位置が調節される。

本発明によるＳＰＭによれば観察光学系１０５の視野内で計測点が決定されてから、以後の計測動作が終了するまでの間、試料ステージ１０４を移動させる必要が無い。従来のＳＰＭでは、探針の直上に探針駆動機構が存在するために、観察光学系の視野位置とＳＰＭ像計測位置が異なっており、計測点をＳＰＭ像計測位置に移動させ、再び精密な位置決めを行うためにステージの動作時間が必要であった。或いは、試料ステージ１０４を移動させることなく計測点と探針を観察する機能を有していても、探針の直上に探針駆動機構が存在するために、観察光学系の開口率を高くすることができず、充分な解像度でウエハ表面のパターンの観察ができなかった。本発明によるＳＰＭによれば、探針駆動機構１０１にスルーホール２１１を設けた構造のため、探針１０２の直上において、高開口率の対物レンズを用いて、試料ステージ１０４を動作させることなく、計測点と探針を観察することを可能とした。

次に、探針１０２の先端をウエハ１０３表面に接触させる動作を述べる。探針駆動機構１０１は、弾性変形部を有するステージをピエゾで駆動する構造から成る３次元（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の探針走査機構部であり、その底部には探針ホルダ１１５に保持された探針１０２が取り付けられている。探針駆動機構１０１には、対物レンズ１０６を非接触で挿入するスルーホールが設けられており、観察光学系１０５のフォーカス軸（図示せず）を調整することによって、試料ステージ１０４を移動させることなく探針１０２とウエハ１０３表面の観察が可能である。探針駆動機構１０１の可動領域は、Ｘ軸方向が２０マイクロメートル、Ｙ軸方向が２０マイクロメートル、Ｚ軸方向が１０マイクロメートルで、その詳細な構造は図５の通りである。

探針１０２の先端とウエハ１０３表面との接触は、探針たわみ検出部１０９における検出信号をモニタリングしながら、（１）探針駆動機構１０１のＺ軸の高さを上死点まで上昇、（２）試料ステージ１０４のＺ軸を１０マイクロメート上昇、（３）探針駆動機構１０１のＺ軸の高さを下死点まで降下、を繰り返すことで達成される。即ち、前述した（３）の過程で探針１０２の先端がウエハ１０３の表面に接触した場合、探針たわみ検出部１０９の検出信号が変化する。探針走査制御部１１２では、この変化を捉えて両者の接触を検知するが、詳細な動作原理は図３の説明の通りである。

探針１０２の先端とウエハ１０３表面との接触を検知後、探針駆動機構１０１を駆動して探針１０２を走査しＳＰＭ像を採取する。例えば、ウエハ１０３上の１マイクロメートル四方の領域をＸ方向に２５６分割、Ｙ方向に１０分割し、探針１０２を例えば１マイクロメートル上昇させてから、その接触位置をＸ方向（Ｙ方向）に順次移動させて、探針１０２とウエハ１０３表面との接触検知を繰り返す。但しこの接触検知は、試料ステージ１０４は移動させず、探針駆動機構１０１の可動範囲で探針１０２のみを動作させて実施する。

探針駆動機構１０１の動作は、探針走査制御部１１２によって探針駆動制御部１１０を介して制御されている。探針駆動機構１０１の各移動軸（Ｘ、Ｙ、Ｚステージ）には、図５に示した通り静電容量センサが取り付けられており、各静電容量センサの変位はステージ変位検出部１２８で検出され、探針走査制御部１１２を経由してＳＰＭ像生成部１１４に保存される。

ＳＰＭ像生成部１１４では、探針１０２がウエハ１０３上の各接触点に接触した状態で計測された探針１０２の変位（探針駆動機構１０１のＺステージ変位）の、ＸＹ平面分布像を生成する。探針駆動機構１０１に用いられているピエゾ素子は、２キロヘルツから３キロヘルツの応答速度で動作可能であり、以上の計測動作は数秒間で終了し、得られたＳＰＭ像（データ）は、全体制御部に保存される。

ウエハ１０３上での計測座標、計測点数は予め決められており、ウエハ１０３上で他の計測点が残っている場合は、観察光学系１０５と試料ステージ１０４を同量降下させ、ステージ１０４のＸＹ座標を次の計測点の座標に移動させて再び計測動作に移る。ウエハ１０３上で他の計測点が存在しない場合は、観察光学系１０５と試料ステージ１０４を同量降下させ、ウエハ１０３を試料ステージ１０４からアンロードする。ウエハケースに計測すべき次のウエハが存在する場合は、それを試料ステージ１０４にロードして計測を繰り返し、ウエハケース内の全ウエハの計測が終了した場合は、全体制御部１１４に保存されたデータをホストコンピュータに出力し、図示しない搬送装置がウエハケースを次の処理装置に搬送する。

従来のＳＰＭにおいては、同一ウエハ上で計測位置を変える度に、計測位置決めを行う観察光学系で計測位置を認識し、探針走査機構部（探針１０２の位置）まで試料ステージを移動させる必要が有った。計測位置決めを行う観察光学系位置と、探針走査機構部（探針１０２の位置）との間隔が１５０ミリメートルの場合、試料ステージの動作に２秒〜３秒の時間を要するが、１枚のウエハ上で１０点の計測点が存在すると、計測位置決め動作のための試料ステージの動作時間の合計が２０秒〜３０秒となり、ＳＰＭの計測スループットを大きく低下させる要因となっていた。

本発明のＳＰＭの動作によれば、観察光学系１０５のフォーカスを調整することによって試料ステージ１０４を移動させることなく探針１０２とウエハ１０３表面の観察ができることから、計測位置決め動作にかかる時間を省略することができる。この結果、計測対象ウエハ１枚当たりの一連の装置動作（ウエハをロードし、例えば９点の計測位置でエッチング段差を計測後、ウエハをアンロードする）にかかる時間を２分以下（３０ＷＰＨ）とすることができ、スループットが向上したインラインＳＰＭを実現することができる。

本発明は、半導体ウエハを対象とした表面形状計測の分野で用いられる走査型プローブ顕微鏡を例として説明したが、本発明による精密位置決め機構は、バイオエレクトロニクス分野やマイクロマシニング分野等で用いられる製品や製造装置向けの精密位置決め装置として応用することができる。

本発明の第１の実施例によるＳＰＭの概略構成図を示すブロック図である。 本発明の第１の実施例によるＳＰＭの探針駆動機構の構造図で、図２（ａ）は探針駆動機構１０１のＸＹ平面図、図２（ｂ）は探針駆動機構１０１のＡ−Ａ’矢視断面図、図２（ｃ）は探針駆動機構１０１のＹＺ平面図である。 探針たわみ検出部の正面の断面図である。 本発明の第２の実施例によるＳＰＭの概略構成図を示すブロック図である。 本発明の第２の実施例によるＳＰＭの探針駆動機構の構造図で、図５（ａ）は探針駆動機構１０１のＸＹ平面図、図５（ｂ）は探針駆動機構１０１のＸＺ平面図、図５（ｃ）は探針駆動機構１０１のＹＺ平面図である。 本発明の第３の実施例による探針ホルダの概略構造を示す斜視図である。 図７（ａ）は、本発明によるＳＰＭを用いた半導体製造工程の一部を示すブロック図、図７（ｂ）は、本発明によるＳＰＭの一連の動作を説明するフロー図である。 本発明の第２の実施例の変形例における探針ホルダの概略構造を示す斜視図である。

符号の説明

１０１…探針駆動機構、 １０２…探針、 １０３…ウエハ、 １０４…試料ステージ、 １０５…観察光学系、 １０６…対物レンズ、 ２０１、２０２…ホルダ、 ２０３…Ｙステージ、 ２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ…弾性変形部、 ２０５、２０６、２０９、２１０、２１６、２１７…ピエゾ素子（駆動源）、 ２０７…Ｘステージ、 ２１１…スルーホール、 ２１４…Ｚステージ、 ２２０、２２１…ターゲット、 ２２２、２２３、２２４…静電容量センサ、 ３０１…レーザダイオード、 ３１１…受光器。

Claims (10)

1. 探針を試料表面に近接または接触させて前記試料表面を走査することにより前記試料表面の形状を計測する走査型プローブ顕微鏡であって、
   試料を載置して少なくとも１軸方向に移動可能な試料ステージと、
   該試料ステージに載置された試料の表面に近接または接触させて前記試料表面を走査する探針と、
   該探針を３次元方向に駆動する探針駆動手段と、
   前記探針のたわみを検出するたわみ検出手段と、
   対物レンズを有して該対物レンズのほぼ光軸上に配置された前記探針及び前記試料を観察する観察手段とを備え、
   前記探針駆動部は前記対物レンズの光軸に対して対称に配置された対を成す駆動源を３組有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
2. 前記探針駆動部における前記対物レンズの光軸に対して対称に配置された対を成す３組の駆動源は、互いに直交する３軸方向にそれぞれ１対づつ設置されていることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 前記駆動源が、弾性変形部材で支持されていることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
4. 前記駆動源が、ピエゾ素子で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
5. 前記探針駆動手段は、前記探針を前記試料の表面に対して上下方向に駆動して前記探針と前記試料表面との接触と離間とを繰返しながら該試料表面を走査することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
6. 前記対物レンズは０．６以上の開口率を有して前記探針の直上に配置されており、前記観察手段は、前記試料上で１μｍ以下の解像度を有することを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
7. 対物レンズを介して試料ステージに載置された試料を観察しながら前記試料ステージを駆動して前記試料の計測したい個所を前記対物レンズの視野に入れ、該対物レンズの視野のほぼ中心に配置された探針を駆動して該探針を前記試料の表面に近接または接触させながら前記試料表面を走査し、該試料表面を走査している前記探針のたわみを光学的に検出し、該光学的に検出した前記探針のたわみの情報から前記試料表面の形状を計測する走査型プローブ顕微鏡を用いた計測方法であって、
   前記探針を駆動して前記試料表面を走査することを、前記対物レンズの視野中心に対してほぼ対称に配置された対を成す駆動源で前記探針を駆動することにより行うことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡を用いた計測方法。
8. 前記対物レンズの視野中心に対してほぼ対称に配置された対を成すそれぞれの駆動源で前記探針を同じ方向に同じ量だけ駆動することにより前記探針で前記試料表面を走査することを行うことを特徴とする請求項７記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた計測方法。
9. 前記対物レンズを介して前記試料の光学像を観察しながら前記探針で前記試料表面を走査することを行うことを特徴とする請求項７記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた計測方法。
10. 前記対物レンズを介して前記試料の表面と前記探針との光学像を観察することを特徴とする請求項７記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた計測方法。

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