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JP2007212470A - Scanning probe microscope - Google Patents

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JP2007212470A
JP2007212470A JP2007080478A JP2007080478A JP2007212470A JP 2007212470 A JP2007212470 A JP 2007212470A JP 2007080478 A JP2007080478 A JP 2007080478A JP 2007080478 A JP2007080478 A JP 2007080478A JP 2007212470 A JP2007212470 A JP 2007212470A
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JP
Japan
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probe
sample
scanning
sensor
image
Prior art date
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Pending
Application number
JP2007080478A
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Japanese (ja)
Inventor
Masahiro Watanabe
正浩 渡辺
Toshihiko Nakada
俊彦 中田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Abstract

【課題】
高スループットで試料にダメージを与えずに、試料の正確な立体形状情報と同時に試料の局所的特性に関する分布情報を計測できる走査プローブ顕微鏡を提供することである。
【解決手段】
光学式の高感度近接センサを具備して試料と探針との接近を制御することによって、各測定箇所へのアプローチを高速化した。また、プローブを間歇的に試料に接触させて探針を試料上で引きずらないようにしながら試料高さデータを得ると同時に、試料への接触期間に同時に、探針に電圧を掛けたり、探針を振動させて応答を計測したり、試料表面の局所的光強度を検出したりすることにより、走査速度を落とさずに試料上の材質の分布に関する付加的情報を得られるようにした。
【選択図】 図1
【Task】
To provide a scanning probe microscope capable of measuring distribution information regarding local characteristics of a sample simultaneously with accurate three-dimensional shape information of the sample without damaging the sample with high throughput.
[Solution]
An optical high-sensitivity proximity sensor is provided to control the approach between the sample and the probe, thereby speeding up the approach to each measurement location. In addition, sample height data is obtained while the probe is intermittently brought into contact with the sample so that the probe is not dragged on the sample. At the same time, a voltage is applied to the probe during the contact period with the sample. By measuring the response by oscillating and detecting the local light intensity on the sample surface, additional information regarding the material distribution on the sample can be obtained without reducing the scanning speed.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、走査プローブ顕微鏡、および、これを用いた試料観察方法とデバイス製造方法に関する。   The present invention relates to a scanning probe microscope, a sample observation method using the same, and a device manufacturing method.

微細立体形状の計測技術として走査プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope)が知られている。これは先端のとがった探針を制御しながら、接触力を非常に小さな値に保ちながら試料を走査する技術で、原子オーダーの微細立体形状が計測できる技術として、広く用いられている。従来から、試料を物理的にスキャンするために速度が上げ難いという走査プローブ顕微鏡特有の問題に対して、いろいろな改善が行われてきた。   A scanning probe microscope (SPM: Scanning Probe Microscope) is known as a measurement technique for a fine three-dimensional shape. This is a technique for scanning a sample while controlling the probe with a sharp tip while keeping the contact force at a very small value, and is widely used as a technique capable of measuring a fine three-dimensional shape on the atomic order. Conventionally, various improvements have been made to the problem peculiar to a scanning probe microscope that it is difficult to increase the speed for physically scanning a sample.

例えば、特開平10−142240号公報および特開2000−162115号公報には、高速化と解像度を両立するために、探針のたわみの信号と試料の駆動信号の両者から形状データを補正する技術が開示されている。また、特開平6−74754号公報では、探針を高速に試料に近づけるために、探針を振動させながら試料に近づけると音響的相互作用によって5マイクロメートル程度離れたところから、探針の振幅が減少するように構成できることを利用して、試料の近くまで高速に探針を近づける技術が開示されている。   For example, JP-A-10-142240 and JP-A-2000-162115 disclose a technique for correcting shape data from both a deflection signal of a probe and a driving signal of a sample in order to achieve both high speed and resolution. Is disclosed. In Japanese Patent Laid-Open No. 6-74754, in order to bring the probe close to the sample at high speed, when the probe is brought close to the sample while being vibrated, the amplitude of the probe starts from a distance of about 5 micrometers due to acoustic interaction. A technique for making the probe close to the sample at high speed by utilizing the fact that it can be configured to decrease is disclosed.

しかし、上記技術では探針を振動させる構成の走査プローブ顕微鏡装置でしか使用できないという問題と、試料に数マイクロメートルまで近づかなければ近接を感知できないため、数マイクロメートルの距離まで高速に探針を近づけるためにはさらに別のセンサを必要とするという問題があった。   However, the above-mentioned technique can only be used with a scanning probe microscope apparatus configured to vibrate the probe, and because the proximity cannot be detected unless the sample is approached to several micrometers, the probe can be moved to a distance of several micrometers at high speed. There is a problem that another sensor is required to bring them closer.

一方、現在、LSIの微細パターン形成プロセスではCD−SEM(測長SEM)を用いた寸法管理を行っているが、パターンの微細化に伴い、下記の限界がきている。(1)測定精度の問題。2003年に主流になるとされる、90nmノードLSIのゲート幅は80nmであり、許容ばらつきを10%、測定精度をその20%とすると、必要とされる測定精度は1.6nmとなる。(2)プロファイル計測の要請。線幅の高精度制御のためにAPC(Advanced Process Control)化の必要性が高まっているが、このために、パターン線幅だけでなく、電気特性に大きく影響する断面形状の計測技術が必要とされている。(3)測定対象の問題。DUV(深紫外光)用レジスト、low−k(低誘電率)膜材料等、電子線耐性の弱い材質に対する測定ニーズが増大している。また、次世代の高密度光ディスクメモリのピットの計測に対しても、同様の測定精度、プロファイル計測の必要性、マスター作成のためのレジストパターンの計測といった、同様のニーズが考えられる。   On the other hand, at present, in the fine pattern formation process of LSI, dimension management using a CD-SEM (measurement SEM) is performed, but the following limitations have come with the miniaturization of patterns. (1) Measurement accuracy problem. The gate width of a 90 nm node LSI, which is expected to become mainstream in 2003, is 80 nm. If the allowable variation is 10% and the measurement accuracy is 20%, the required measurement accuracy is 1.6 nm. (2) Request for profile measurement. The need for APC (Advanced Process Control) is increasing for high-precision control of line width, but this requires not only pattern line width but also cross-sectional shape measurement technology that greatly affects electrical characteristics. Has been. (3) Problem of measurement object. Measurement needs for materials having weak electron beam resistance such as resists for DUV (deep ultraviolet light) and low-k (low dielectric constant) film materials are increasing. Further, for the measurement of the pits of the next-generation high-density optical disc memory, the same needs such as the same measurement accuracy, the necessity for profile measurement, and the measurement of the resist pattern for creating the master are considered.

上記の課題に対しては、現状のCD−SEMでは対応できない。このために、走査プローブ顕微鏡技術が有望と思われる。この場合に必要となるのが、既述の探針アプローチの高速化のほかに、軟脆材料にたいしてダメージの少なく、また、表面の材質に関する情報が得られる走査プローブ顕微鏡技術である。   The current CD-SEM cannot cope with the above problems. For this reason, scanning probe microscope technology appears promising. What is needed in this case is a scanning probe microscope technique that can reduce the damage to soft and brittle materials and obtain information on the surface material, in addition to speeding up the probe approach described above.

これに対して、特開平11−352135号公報では、試料または探針を一定の振幅で振動させて探針を周期的に試料にぶつけながら走査し、軟脆試料および探針のダメージ軽減をはかる方法が開示されている。   On the other hand, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-352135, the sample or the probe is vibrated with a constant amplitude, and the probe is scanned while periodically hitting the sample to reduce damage to the soft and brittle sample and the probe. A method is disclosed.

さらに、特開2001−33373号公報では、飛び飛びの測定点のみで探針のサーボをかけて高さを測り、探針を引き上げた状態で次の測定点に向かう走査方法が開示されており、この方法はさらに接触圧が小さく、軟脆試料および探針へのダメージが少ない。また、探針を引きずらないために段差部での形状を忠実に計測できるという利点がある。ただし、レジストのようなパターンの計測の場合にパターン底部の形状の計測、さらには、レジストが底部に残っているかどうかという情報の計測が可能な望ましいが、この必要性に対しては応えきれていなかった。   Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-33373 discloses a scanning method of measuring the height by applying the servo of the probe only at the jumping measurement point and moving to the next measurement point with the probe pulled up, In this method, the contact pressure is further reduced, and the soft brittle sample and the probe are less damaged. Further, since the probe is not dragged, there is an advantage that the shape at the step portion can be measured faithfully. However, in the case of measuring a pattern such as a resist, it is desirable to measure the shape of the bottom of the pattern and to measure whether or not the resist remains on the bottom, but this need has been met. There wasn't.

また、高速化のためには探針の共振周波数を高く、しかも、探針の慣性を小さくする必要があったが、このためには、探針の先端のカンチレバー部を小さくする必要があったが、従来の光てこ方式ではレーザの反射面の確保と調整のため50マイクロメートル程度のエリアが必要であり、高速化に限界があった。   In order to increase the speed, it was necessary to increase the resonance frequency of the probe and reduce the inertia of the probe. To this end, however, it was necessary to reduce the cantilever at the tip of the probe. However, the conventional optical lever method requires an area of about 50 micrometers for securing and adjusting the reflecting surface of the laser, and there is a limit to speeding up.

特開平10−142240号公報JP-A-10-142240 特開2000−162115号公報JP 2000-162115 A 特開平6−74754号公報JP-A-6-74754 特開平11−352135号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-352135 特開2001−33373号公報JP 2001-33373 A

上記説明したように、従来技術では測定スループット向上のための探針の試料へのアプローチの高速化の課題があった。   As described above, the prior art has a problem of speeding up the approach of the probe to the sample for improving the measurement throughput.

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、高感度な近接センサを備えて探針の試料へのアプローチが高速な走査プローブ顕微鏡及びこれを用いた資料観察方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a scanning probe microscope having a high-sensitivity proximity sensor and a high-speed approach to a sample, and a data observation method using the same, in order to solve the above problems.

また、本発明の別の目的は、レジストパターンなどの脆弱な試料に対してダメージの少ない走査方式を用いて立体形状像を得ると同時に、試料材質に対する、電気容量、弾性、光学的性質といった付加的情報の分布を立体像と同時にスループットを落とさずに得ることである。また、本方式による走査を高速化するために、プローブ先端のカンチレバーサイズを小さくしてもたわみが検出可能で調整が容易な走査プローブ顕微鏡を提供することである。   Another object of the present invention is to obtain a three-dimensional image by using a scanning method with little damage to a fragile sample such as a resist pattern, and at the same time, add to the sample material, such as capacitance, elasticity, and optical properties. To obtain the distribution of the target information simultaneously with the stereoscopic image without reducing the throughput. Another object of the present invention is to provide a scanning probe microscope which can detect deflection and can be easily adjusted even if the cantilever size at the tip of the probe is reduced in order to increase the scanning speed according to this method.

また、本発明の別の目的は、傾斜の急な試料段差部に対して正確な形状を計測するために探針傾斜スキャン機能を付与することである。   Another object of the present invention is to provide a probe tilt scanning function for measuring an accurate shape with respect to a sample step portion having a steep inclination.

また、本発明の別の目的は、半導体試料のパターンを計測しプロセス条件にフィードバックすることにより、安定で高精度なデバイスの製造方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a stable and highly accurate device manufacturing method by measuring a pattern of a semiconductor sample and feeding it back to process conditions.

上記した目的を達成するために、本発明では、走査プローブ顕微鏡に光学式の高さ検出機能を備えた高感度な近接センサを具備することにより探針の試料へのアプローチを高速に行えるようにした。   In order to achieve the above-described object, in the present invention, the scanning probe microscope is provided with a high-sensitivity proximity sensor having an optical height detection function so that the probe can approach the sample at high speed. did.

また、本発明では、走査プローブ顕微鏡において、プローブを間歇的に試料に接触させて探針を試料上で引きずらないようにしながら試料高さデータを得ると同時に、試料への接触期間に、探針に電圧を掛けたり、探針を振動させて応答を計測したり、試料表面の局所的光強度を検出したりして、スループットを落とさずに試料上の材質の分布に関する付加的情報を得られる構成とした。   Further, according to the present invention, in the scanning probe microscope, the probe is intermittently brought into contact with the sample so that the sample height data is obtained while the probe is not dragged on the sample. You can apply additional voltage, measure the response by vibrating the probe, or detect the local light intensity on the sample surface to obtain additional information on the material distribution on the sample without reducing the throughput The configuration.

また、本発明では、走査プローブ顕微鏡において、傾斜の急な試料段差部に対して、探針を傾斜させて走査を行うことによって段差部の正確な形状の計測を可能にした。   Further, according to the present invention, in the scanning probe microscope, it is possible to measure the accurate shape of the stepped portion by scanning the sample stepped portion having a steep inclination while tilting the probe.

更に、本発明では、半導体デバイスなどの極微細な構造を備えた試料を製造する方法において、上記した走査プローブ顕微鏡を用いて、半導体パターンあるいはレジストパターンを観察し、この観察の結果をプロセス装置の動作条件にフィードバックすることにより、半導体デバイスなどの極微細な構造のデバイスを安定して製造できるようにした。   Furthermore, in the present invention, in the method of manufacturing a sample having an extremely fine structure such as a semiconductor device, the above-described scanning probe microscope is used to observe the semiconductor pattern or the resist pattern, and the result of this observation is obtained from the process apparatus. By feeding back to the operating conditions, it was possible to stably manufacture devices with extremely fine structures such as semiconductor devices.

本発明によれば、高感度な近接センサを具備することによって、試料と探針の高速な接近を実現でき、計測のスループットを向上できるという効果を奏する。   According to the present invention, by providing a high-sensitivity proximity sensor, it is possible to realize a high-speed approach between the sample and the probe and to improve the measurement throughput.

また、本発明によれば、プローブを間歇的に試料に接触させて探針を試料上で引きずらないようにしながら試料高さデータを得ると同時に、スループットを落とさずに試料上の材質の分布に関する付加的情報が得られるという効果を奏する。   Further, according to the present invention, the sample height data is obtained while the probe is intermittently brought into contact with the sample so that the probe is not dragged on the sample, and at the same time, the material distribution on the sample is not reduced. There is an effect that additional information can be obtained.

また、本発明によれば、傾斜の急な試料段差部に対して探針を傾斜させて走査を行うことによって段差部の正確な形状の計測を実現できるという効果を奏する。   In addition, according to the present invention, it is possible to realize measurement of an accurate shape of the stepped portion by performing scanning while tilting the probe with respect to the stepped sample stepped portion.

また、本発明によれば半導体パターンを高スループットで計測出来るので、安定に高精度なデバイスを製造できるようになる。   In addition, according to the present invention, a semiconductor pattern can be measured with high throughput, so that a highly accurate device can be stably manufactured.

図1は本発明にかかわる走査プローブ顕微鏡の構成を示す図である。図2は探針周りの一実施例の拡大図である。X、Y、Zに駆動が可能な試料ステージ302上に試料501が載せられており、走査制御部201によって制御されている。この上には探針103があり、探針駆動部202からの制御により探針103を取り付けた探針移動機構252はX、Y、Zに駆動され、これによって走査プローブ顕微鏡のプローブ走査を行う。252は探針ホルダー101に取り付けられていて、探針ホルダー101は探針ホルダー上下機構253によって、鏡筒102に取り付けられており、探針ホルダー駆動部203からの制御によってZ方向に粗動駆動される。   FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a scanning probe microscope according to the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of an embodiment around the probe. A sample 501 is placed on a sample stage 302 that can be driven in X, Y, and Z, and is controlled by the scanning control unit 201. Above this is the probe 103, and the probe moving mechanism 252 to which the probe 103 is attached is driven by X, Y, and Z under the control of the probe drive unit 202, thereby performing probe scanning of the scanning probe microscope. . Reference numeral 252 is attached to the probe holder 101, and the probe holder 101 is attached to the lens barrel 102 by the probe holder up-and-down mechanism 253, and is coarsely driven in the Z direction by control from the probe holder drive unit 203. Is done.

探針移動機構252は微動機構であり、動作距離が大きくないために、探針の試料への接近は探針ホルダー上下機構253によって行う。あるいは、別の実施例として試料ステージ302側の駆動によって短針の試料への接近を行ってもいい。また、走査プローブ顕微鏡のプローブ走査も試料ステージ302側の駆動によってもよい。   The probe moving mechanism 252 is a fine movement mechanism, and since the operating distance is not large, the probe is moved closer to the sample by the probe holder up / down mechanism 253. Alternatively, as another example, a short needle may be approached to the sample by driving on the sample stage 302 side. Also, the probe scanning of the scanning probe microscope may be driven by the sample stage 302 side.

近接センサ204は探針の先端付近の高さを高感度で計測するためのセンサであり、これによって、探針の試料への接触を事前に検出して接近速度を制御することで、探針を試料にぶつけることなく高速な試料への接近を実現できる。   The proximity sensor 204 is a sensor for measuring the height in the vicinity of the tip of the probe with high sensitivity, and by detecting the contact of the probe with the sample in advance and controlling the approach speed, the probe is detected. High speed access to the sample can be realized without hitting the sample.

近接センサ204は後述するように光を用いてもいいが、検出範囲が数十マイクロメートル以上あり、1マイクロメートル程度の感度で試料との距離を検出できるセンサであればほかのセンサを用いてもよい。たとえば、試料ホルダー101あるいは探針103のカンチレバー部と試料501との間に交流電圧をかけることによって、静電容量を測り、距離を検出する静電容量式センサや、試料ホルダー101と試料501との間に空気を流して圧力を検出するエアマイクロセンサを用いてもよい。   The proximity sensor 204 may use light as will be described later, but other sensors can be used as long as the detection range is several tens of micrometers or more and the sensor can detect the distance to the sample with a sensitivity of about 1 micrometer. Also good. For example, by applying an AC voltage between the sample holder 101 or the cantilever portion of the probe 103 and the sample 501, a capacitance sensor that measures the capacitance and detects the distance, or the sample holder 101 and the sample 501 You may use the air micro sensor which flows air between these and detects a pressure.

走査制御部201は探針のたわみ検出センサ205、近接センサ204、探針ホルダー駆動部203、探針駆動部202試料ステージ302を制御して探針の近接、試料の走査等を実現する。このとき、試料の走査時の信号をSPM像形成装置208に送ることによって、試料の表面形状像を得る。   The scanning control unit 201 controls the probe deflection detection sensor 205, the proximity sensor 204, the probe holder driving unit 203, the probe driving unit 202 and the sample stage 302 to realize the proximity of the probe, the scanning of the sample, and the like. At this time, the surface shape image of the sample is obtained by sending a signal at the time of scanning the sample to the SPM image forming apparatus 208.

また、信号印加装置207は探針を高周波数で加振して応答をたわみ検出センサ205で検出し表面の弾性などを計測したり、探針と試料の間に交流あるいは直流電圧をかけて電流を測定し、容量あるいは抵抗を計測したりする。これを探針のスキャンと同時に行うことによってSPM像形成装置207に表面形状像のほかに、付加的性質の分布像を得ることが出来る。   Further, the signal applying device 207 oscillates the probe at a high frequency and detects the response by the deflection detection sensor 205 to measure the elasticity of the surface, or applies an AC or DC voltage between the probe and the sample to apply current. To measure the capacitance or resistance. By performing this simultaneously with the scanning of the probe, it is possible to obtain a distribution image of additional properties in addition to the surface shape image in the SPM image forming apparatus 207.

探針ホルダー101に対物レンズを組み込んだ場合には、光学像センサ206で試料の光学像を得ることによるSPM測定エリアの同時観察、探針103の取りつけ時の調整に用いることが出来る。   When the objective lens is incorporated in the probe holder 101, it can be used for simultaneous observation of the SPM measurement area by obtaining an optical image of the sample by the optical image sensor 206 and adjustment at the time of mounting the probe 103.

装置全体の動作は全体制御装置209によって制御され、表示・入力装置251によって、操作者の指示を受けたり、光学像やSPM像を提示したりすることが出来る。   The operation of the entire apparatus is controlled by the overall control apparatus 209, and an instruction from an operator can be received, or an optical image or an SPM image can be presented by the display / input apparatus 251.

図3は光学系の一実施例を示す図である。光源111から出射した光はレンズ112で平行光に変えられてミラー113で反射され、探針ホルダー101の内部に形成された対物レンズに入射し、試料上501上に焦点を結ぶ。光源111に組み込む開口の形状によって、スポットあるいはスリットなど、任意の形状の像を形成できる。   FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of the optical system. Light emitted from the light source 111 is converted into parallel light by the lens 112, reflected by the mirror 113, enters the objective lens formed inside the probe holder 101, and is focused on the sample 501. Depending on the shape of the opening incorporated in the light source 111, an image having an arbitrary shape such as a spot or a slit can be formed.

試料で反射した光は再び対物レンズを通り、ミラー114で反射され、結像レンズ115で検出器116上に像を結ぶ。像の位置は試料501の高さによって移動する。移動量は試料への検出項110の入射角をθ、レンズ115による結像倍率をm、試料の高さをZとすると、2mZtanθとなるので、この移動量を計測すれば試料の高さZが検出できる。検出器116は像の位置が検出できればいいので、PSD(ポジションセンシティブデバイス)・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなど何でもよい。   The light reflected by the sample passes through the objective lens again, is reflected by the mirror 114, and forms an image on the detector 116 by the imaging lens 115. The position of the image moves depending on the height of the sample 501. If the incident angle of the detection term 110 to the sample is θ, the imaging magnification by the lens 115 is m, and the height of the sample is Z, the amount of movement is 2 mZ tan θ. If this amount of movement is measured, the sample height Z Can be detected. The detector 116 may be anything such as a PSD (position sensitive device), a divided photodiode, or a linear image sensor, as long as it can detect the position of the image.

また、上記説明は検出光110が対物レンズを通るという構成での説明であったが、検出光110が対物レンズの外部を通りもう一枚の図示されていないミラーで折り曲げられて、試料上に結像される構成も考えられる。このとき、レンズ112および115はそれぞれ光源111およびセンサ116を試料501と結像関係になるように調整される。この場合のセンサ116上の像の移動量は2mZsinθとなる。   In addition, the above description is an explanation of a configuration in which the detection light 110 passes through the objective lens. However, the detection light 110 passes through the outside of the objective lens and is bent by another mirror (not shown) to be placed on the sample. A configuration in which an image is formed is also conceivable. At this time, the lenses 112 and 115 are adjusted so that the light source 111 and the sensor 116 are in an imaging relationship with the sample 501, respectively. In this case, the amount of movement of the image on the sensor 116 is 2 mZsin θ.

以下探針のたわみ検出系について説明する。光源131から出た光はレンズ132とビームスプリッタを通り、さらにビームスプリッタ134を通って対物レンズを通過して探針のカンチレバー部に照射される。ここで反射した光は同じ道を戻ってビームスプリッタ133を通過し、レンズ135を介してセンサ136に照射される。レンズ135は対物レンズの射出瞳とセンサ136が結像関係になるように構成され、これによってカンチレバーの反射面の傾きに比例した位置変化がセンサ136上の光に生起される。これを136の位置に置いたPSD(ポジションセンシティブデバイス)・分割型ホトダイオード・リニアイメージセンサなどによって検出することによってカンチレバーの傾き(たわみ)を検出することが可能になる。   The probe deflection detection system will be described below. Light emitted from the light source 131 passes through the lens 132 and the beam splitter, passes through the beam splitter 134, passes through the objective lens, and is irradiated on the cantilever portion of the probe. The light reflected here returns along the same path, passes through the beam splitter 133, and irradiates the sensor 136 through the lens 135. The lens 135 is configured so that the exit pupil of the objective lens and the sensor 136 are in an imaging relationship, and thereby a position change proportional to the inclination of the reflecting surface of the cantilever is caused in the light on the sensor 136. By detecting this with a PSD (position sensitive device), a divided photodiode, a linear image sensor, or the like placed at the position 136, the inclination (deflection) of the cantilever can be detected.

また、二次元型のPSD、イメージセンサ、4分割フォトダイオードを用いることにより、たわみと同時にねじれを検出することも可能になる。本検出光130を試料観察系の光と分離するために光源131は単色のレーザとして、この光だけを通すようにレンズ135の前後に干渉フィルターを設けるのが望ましい。   In addition, by using a two-dimensional PSD, an image sensor, and a four-division photodiode, it becomes possible to detect torsion at the same time as deflection. In order to separate the detection light 130 from the light of the sample observation system, it is desirable that the light source 131 is a monochromatic laser, and an interference filter is provided before and after the lens 135 so that only this light passes.

さらに効率を上げるためにビームスプリッタ134はダイクロイックミラーとしてもよい。また、ビームスプリッタ133を偏光ビームスプリッタとしてレーザ131の偏光方向を133によって反射されるS偏光とし、ビームスプリッタ133と134の間に1/4波長板(図示せず)を置くことによって、S偏光を円偏光に変換して探針103の反射面に当て、反射光を再び1/4波長板でP偏光に変えて偏光ビームスプリッタ133を透過させてもよい。   In order to further increase efficiency, the beam splitter 134 may be a dichroic mirror. Further, by using the beam splitter 133 as a polarizing beam splitter, the polarization direction of the laser 131 is changed to S-polarized light reflected by 133, and a ¼ wavelength plate (not shown) is placed between the beam splitters 133 and 134, thereby making the S-polarized light. May be converted into circularly polarized light and applied to the reflecting surface of the probe 103, and the reflected light may be changed to P-polarized light again by the quarter wavelength plate and transmitted through the polarizing beam splitter 133.

試料観察系は照明光源154より出射し、コンデンサレンズ153を通り、ビームスプリッタ155で反射し、ビームスプリッタ134を透過し、101内の対物レンズを通って試料501を照明する。試料の反射光は再び対物レンズを透過し、ビームスプリッタ134と155を透過して結像レンズ152で結像され、イメージセンサ151で検出される。   The sample observation system emits from the illumination light source 154, passes through the condenser lens 153, is reflected by the beam splitter 155, passes through the beam splitter 134, and illuminates the sample 501 through the objective lens in 101. The reflected light of the sample passes through the objective lens again, passes through the beam splitters 134 and 155, forms an image with the imaging lens 152, and is detected by the image sensor 151.

以上、図3を用いて説明したように、探針と試料観察系と試料高さセンサと探針たわみ検出光学系を同軸で構成することにより、SPM計測位置の同時観察、探針の調整の容易化、高速な探針と試料との接近が可能になる。また、探針たわみ検出光学系を同軸で構成したことによって、カンチレバー部の幅の小さい探針に対しても、検出光130を照射できるようになり、より軽くて共振周波数の高い探針を用いることによって、走査の高速化を可能とする。すべて対物レンズ101を通して検出するようにしたことにより、対物レンズを探針と近づけることが可能になり、高解像度の試料の光学観察が可能となる。   As described above with reference to FIG. 3, the probe, the sample observation system, the sample height sensor, and the probe deflection detection optical system are configured coaxially, thereby enabling simultaneous observation of the SPM measurement position and adjustment of the probe. Simplification and high-speed access between the probe and the sample are possible. Further, since the probe deflection detection optical system is configured coaxially, it becomes possible to irradiate the detection light 130 even to a probe having a small cantilever width, and a probe that is lighter and has a high resonance frequency is used. As a result, the scanning speed can be increased. By detecting all through the objective lens 101, the objective lens can be brought close to the probe, and optical observation of the sample with high resolution becomes possible.

また一方、作動距離の長い対物レンズを用いて、試料高さセンサと探針たわみセンサの少なくとも一方を対物レンズと試料の間の隙間を斜めから光を投影・検出するオフアクシス構成ももちろん考えられる。   On the other hand, using an objective lens with a long working distance, of course, an off-axis configuration is also conceivable in which at least one of the sample height sensor and the probe deflection sensor projects and detects light obliquely through the gap between the objective lens and the sample. .

また、別の構成として、ヘテロダイン干渉法を用いて探針103のたわみを検出する方法も考えられる。光源131の位置に周波数foの点光源と周波数fで周波数シフトした周波数fo+fの点光源を配置する。点光源の配置のためにはレーザをレンズで絞っても、ファイバーの出射端をここに置いてもいい。この像を探針103の二点に形成するように光学系を調整する。   As another configuration, a method of detecting the deflection of the probe 103 using the heterodyne interferometry is also conceivable. A point light source having a frequency fo and a point light source having a frequency fo + f shifted by the frequency f are arranged at the position of the light source 131. For the arrangement of the point light source, the laser may be squeezed with a lens, or the output end of the fiber may be placed here. The optical system is adjusted so that this image is formed at two points of the probe 103.

図9に示すように、一方は探針のカンチレバー部の先端に、もう一方は根元に像を形成させる、この反射光は136の位置で交差するので136にフォトダイオードを置くと、二本の光は干渉して周波数fのビートを発生する。このビート信号を周波数シフタに与えた周波数fの信号を基準としてロックイン検出して位相を求めると、この位相の変化がすなわちカンチレバーの傾きの変化となる。これによって、カンチレバーのたわみを検出できる。あるいは、周波数シフタに与えた信号を用いる代わりに、レンズ132を通ってからビームスプリッタ133で反射されずに透過した光を二本のビームがクロスするところで別のフォトダイオード(図示せず)で検出して、周波数fの基準信号としてよい。   As shown in FIG. 9, one forms an image at the tip of the cantilever portion of the probe and the other forms an image at the root. Since this reflected light intersects at the position 136, when a photodiode is placed at 136, two The light interferes and generates a beat of frequency f. When the beat signal is detected by lock-in detection using the frequency f signal applied to the frequency shifter as a reference to determine the phase, the change in the phase becomes the change in the tilt of the cantilever. Thereby, the deflection of the cantilever can be detected. Alternatively, instead of using the signal applied to the frequency shifter, the light transmitted through the lens 132 and not reflected by the beam splitter 133 is detected by another photodiode (not shown) where the two beams cross. Thus, the reference signal of frequency f may be used.

また、別の構成として、ひずみゲージのようなひずみの変化を反映する信号を得られるものを探針に組み込んで、光学式たわみセンサの替わりとして用いてもよい。   As another configuration, a signal that reflects a change in strain such as a strain gauge may be incorporated in the probe and used as an alternative to the optical deflection sensor.

以下、図8を用いて本発明による試料高さセンサを用いた探針と試料の高速接近制御について説明する。まず探針微動機構(探針移動機構252)は伸ばした状態(探針微動高さの低い状態)にしておく。つぎに試料高さセンサ204をモニタしながら、高速で(1〜10mm/s程度)探針粗動機構(探針ホルダー上下機構253)探針をおろす(探針粗動高さを下げる)。試料高さセンサ204の出力が10〜数十マイクロメートルになったところで低速接近に切り替える(0.1mm/s程度)。探針のたわみ検出センサ205の出力を監視して、これが大きくなりだした所で、探針微動機構を一気に縮める(図8の探針高速退避)。   Hereinafter, the high-speed approach control between the probe and the sample using the sample height sensor according to the present invention will be described with reference to FIG. First, the probe fine movement mechanism (probe moving mechanism 252) is in an extended state (a state in which the probe fine movement height is low). Next, while monitoring the sample height sensor 204, the probe coarse movement mechanism (probe holder vertical mechanism 253) is lowered at a high speed (about 1 to 10 mm / s) (the probe coarse movement height is lowered). When the output of the sample height sensor 204 becomes 10 to several tens of micrometers, switching to low speed approach is performed (about 0.1 mm / s). The output of the probe deflection detection sensor 205 is monitored, and when this starts to increase, the probe fine movement mechanism is contracted at once (probe high-speed retraction in FIG. 8).

通常行われている探針をSPMサーボモードにして近づける方法では探針の制御帯域に縛られて低速接近時の速度を上げるのが難しいのに比べて、このように、サーボモードにせずに接触を感知した瞬間に一気に縮めることによって、低速接近の速度をあげられる利点がある。   Compared to the conventional approach of making the probe close to the SPM servo mode, it is difficult to increase the speed when approaching at a low speed due to the control band of the probe. There is an advantage that the speed of the low-speed approach can be increased by contracting at a moment at the moment of sensing.

このあと、探針高速退避を行った後、サーボをONにすることによって、ゆっくりと探針を試料に対して接触状態に持っていく。なお、以上の説明は探針側を駆動する前提で説明したが、試料ステージ302側を駆動して探針を接近させる場合も同様であることはいうまでもない。   Thereafter, after the probe is retracted at high speed, the servo is turned on to slowly bring the probe into contact with the sample. Although the above description has been made on the assumption that the probe side is driven, it goes without saying that the same applies to the case where the probe is brought closer by driving the sample stage 302 side.

つぎに、レジストパターンのようなアスペクトが高い軟脆材料サンプルの計測に適した探針スキャンモードについて図4を用いて説明する。(b)のように探針を引き上げてはおろして接触圧(すなわち探針たわみ)が一定になるようなサーボをかけるという動作(Tcの区間)を試料と探針の水平方向の相対位置を変化させながら繰り返すことによって、飛び飛びの測定点のみで試料の高さを測ってゆく。繰り返し周期はTsである。   Next, a probe scan mode suitable for measuring a soft and brittle material sample having a high aspect such as a resist pattern will be described with reference to FIG. As shown in (b), the probe is lifted and lowered to apply a servo (Tc interval) so that the contact pressure (ie, probe deflection) becomes constant. By repeating while changing, the height of the sample is measured only at the measurement points. The repetition period is Ts.

これによって探針が試料を引きずらないために試料に対するダメージが少なく、また、段差部での形状を忠実に計測できる探針走査が実現できる。これ自身は特開2001−33373などに開示されている方法であるが、レジストパターンなどの計測に適した実施例として、以下の発明を説明する。   Accordingly, since the probe does not drag the sample, damage to the sample is small, and probe scanning capable of faithfully measuring the shape at the stepped portion can be realized. Although this is a method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-33373, the following invention will be described as an example suitable for measuring a resist pattern and the like.

探針の先端はあるテーパ角を持っており、これよりも切り立った段差部の形状は走査プローブ顕微鏡では従来正確には計測できなかったが、段差を検出すると(a)に点線で図示したように探針を傾斜させてスキャンさせるようにする。   The tip of the probe has a certain taper angle, and the shape of the stepped portion that stands out from this tip could not be accurately measured with a scanning probe microscope, but when a step was detected, as shown in FIG. Tilt the probe to make it scan.

探針を傾斜させる方法としては探針のホルダーに微小回転機構を設ける方法もあるが、「T.R.Albrecht、S.Akamine、M.J.Zdeblick、C.F.Quate、J.Vac.Sci.Technol.A8(1)、317(Jan./Feb.、1990)」に開示されているような図5に示した圧電薄膜型カンチレバーを用いる方法もある。いわゆるバイモルフ構造になっており、中間電極Gの上下に圧電体が設けられ、その反対側に電極A、B、C、Dが形成されている。ここで、A−G、D−GとB−G、C−Gに逆方向の電圧変化を与えるとねじれ変形が生起され、探針を傾けることができる。探針のねじれは、探針のたわみ検出器136に4分割フォトダイオードを用いれば簡単に検出することが可能である。   As a method of tilting the probe, there is a method of providing a micro-rotation mechanism in the probe holder, but “TR Albrecht, S. Akamine, M. J. Zdebrick, C. F. Quate, J. Vac. Sci. Technol. A8 (1), 317 (Jan./Feb., 1990) ", there is also a method using the piezoelectric thin film type cantilever shown in FIG. It has a so-called bimorph structure, and a piezoelectric body is provided above and below the intermediate electrode G, and electrodes A, B, C, and D are formed on the opposite side. Here, when a voltage change in the reverse direction is applied to AG, DG, BG, and CG, torsional deformation occurs, and the probe can be tilted. The twist of the probe can be easily detected by using a quadrant photodiode for the probe deflection detector 136.

またレジストパターンの計測に対してはレジストパターン底部にレジストが残っているかどうかを検出するニーズが高い。また、近年の半導体においては、平坦化構造が一般化して研削によって表面の凹凸を無くしたパターンに対して、その材質の境界を知るニーズも高くなっている。これらのニーズに応えるためには、立体表面形状の計測と同時に表面の容量、光学特性、弾性などの機械的性質の分布を測定する技術が必要となる。   Further, there is a high need for detecting whether or not the resist remains at the bottom of the resist pattern for measuring the resist pattern. Further, in recent semiconductors, there is a growing need for knowing the boundary of the material for a pattern in which the planarized structure is generalized and the surface irregularities are eliminated by grinding. In order to meet these needs, it is necessary to have a technique for measuring the distribution of mechanical properties such as surface capacity, optical properties, elasticity, etc. simultaneously with measurement of the three-dimensional surface shape.

図4(b)で説明した走査方式では各測定周期Tsの間に試料表面に探針が接触している期間Tcがあるので、この期間に同期して各種表面物性の計測を行うことによって、表面形状像と同時に各種物性分布計測を行うことができる。   In the scanning method described in FIG. 4B, there is a period Tc in which the probe is in contact with the sample surface during each measurement period Ts. By measuring various surface properties in synchronization with this period, Various physical property distribution measurements can be performed simultaneously with the surface shape image.

図4(c)は探針と試料の間に交流電圧を掛け、流れる電流を同期検波することで局所的な容量を計測する実施例である。また、図4(d)は探針内部を光が透過するようにしておき、試料を照明しておいて探針の先端から光をファイバー170に導いてレンズ171を介してセンサ172に導きTcの期間に光量検出することで、試料の局所光学特性の分布を求める実施例である。このようにすることによって、例として、図4(c)(d)に示したようなシリコンに酸化シリコンを埋め込んで研磨した平坦な試料に対しても、観察・計測が行える。   FIG. 4C shows an embodiment in which a local capacitance is measured by applying an AC voltage between the probe and the sample and synchronously detecting the flowing current. In FIG. 4D, light is transmitted through the probe, the sample is illuminated, light is guided from the tip of the probe to the fiber 170 and guided to the sensor 172 via the lens 171 Tc. In this embodiment, the distribution of the local optical characteristics of the sample is obtained by detecting the amount of light during this period. In this way, as an example, observation and measurement can be performed on a flat sample obtained by embedding silicon oxide in silicon and polishing as shown in FIGS.

さらに図6はTcの期間に探針を周期Tで微小振動させている実施例である。このときのTはTsあるいはTcに比べて十分小さいものとする。このときの探針のたわみ信号を得て加振入力信号に対して同期検出して、振幅および位相を求めることにより試料表面の局所的機械的性質に対する分布を得ることができる。   FIG. 6 shows an embodiment in which the probe is vibrated with a period T during the period Tc. At this time, T is sufficiently smaller than Ts or Tc. The probe deflection signal at this time is obtained, synchronously detected with respect to the excitation input signal, and the amplitude and phase are obtained to obtain a distribution with respect to the local mechanical properties of the sample surface.

また、探針先端を照明しておいて、先端にからの散乱光あるいは図4(d)のような光学系で就航した光を検出して、探針の振動に対して同期検出することにより、試料の局所光学特性の分布を求めることもできる。   Further, by illuminating the tip of the probe, the scattered light from the tip or the light operated by the optical system as shown in FIG. 4D is detected and detected synchronously with the vibration of the probe. The distribution of the local optical characteristics of the sample can also be obtained.

あるいは、図7のように常に探針を周期T(ただしT≪Tc)で加振しておき、探針の試料との接触による振幅の減少を検出することにより、試料の高さを検出することも可能である。   Alternatively, as shown in FIG. 7, the height of the sample is detected by constantly vibrating the probe at a period T (where T << Tc) and detecting a decrease in amplitude due to contact of the probe with the sample. It is also possible.

次に図10を用いて、レジストパターンを計測する例を示す。レジストパターンの計測では(a)のように垂直にパターンが切れているか、(b)のようにレジストが薄く残っているか、(c)のように溝あるいは穴の下部が狭まっているかを見分ける必要がある。本発明によれば、これらを見分けることが可能になる。   Next, an example in which a resist pattern is measured will be described with reference to FIG. In the measurement of the resist pattern, it is necessary to distinguish whether the pattern is cut vertically as shown in (a), whether the resist remains thin as shown in (b), or whether the lower part of the groove or hole is narrowed as shown in (c). There is. According to the present invention, these can be distinguished.

さらに図11では、本発明を用いたデバイス製造方法について示す。ウェハ620をプロセス装置601、601’に流してデバイスを形成していく。プロセス装置601、601’は場合によってエッチャーであったり、CMP装置であったり、露光装置であったり、現像装置であったりする。これらの工程を経た抜き取りウェハあるいはダミーウェハ621をもちいて、本発明の走査プローブ顕微鏡603によってウェハ上に形成されたパターンを観察・計測する。あるいは、スループットが大きいので全ウェハを本発明の走査プローブ顕微鏡603で観察・計測してもよい。   Further, FIG. 11 shows a device manufacturing method using the present invention. The wafer 620 is flowed to the process apparatuses 601 and 601 'to form a device. The process devices 601 and 601 'may be an etcher, a CMP device, an exposure device, or a development device depending on circumstances. A pattern formed on the wafer is observed and measured by the scanning probe microscope 603 of the present invention using the extracted wafer or the dummy wafer 621 that has undergone these steps. Alternatively, since the throughput is large, all the wafers may be observed and measured with the scanning probe microscope 603 of the present invention.

本発明では、パターンの立体形状や表面の状態の分布を試料にダメージを与えることなく正確に観察・計測できるので、観察・計測結果をプロセス装置601、601’のプロセス条件にフィードバックすることで、安定に高精度なデバイスを製造できる。場合によってはフィードバックの経路610に専用のデータ処理サーバを介してもよい。   In the present invention, since the three-dimensional shape of the pattern and the distribution of the surface state can be accurately observed and measured without damaging the sample, the observation and measurement results are fed back to the process conditions of the process devices 601 and 601 ′. A highly accurate device can be manufactured stably. In some cases, a dedicated data processing server may be connected to the feedback path 610.

また、本発明の走査プローブ顕微鏡603で観察・計測して得られたデータを回線を介して他のデータ処理装置へ送って他の検査・観察・分析装置で得られたデータと組合わせて処理することもできる。例えば、本発明の走査プローブ顕微鏡603で観察・計測して得られたデータを他の分析装置で得られた試料の分析データと組合わせて解析することにより、試料表面の欠陥や組成の2次元的又は3次元的な分布などのより詳細な情報を得ることが可能になる。   In addition, the data obtained by observation / measurement with the scanning probe microscope 603 of the present invention is sent to another data processing apparatus via a line and processed in combination with the data obtained by another inspection / observation / analysis apparatus. You can also For example, by analyzing the data obtained by observing and measuring with the scanning probe microscope 603 of the present invention in combination with the analysis data of the sample obtained by other analyzers, two-dimensional defects and compositions on the sample surface are analyzed. More detailed information such as a target or three-dimensional distribution can be obtained.

走査プローブ顕微鏡の全体の構成を示す図である。It is a figure which shows the whole structure of a scanning probe microscope. 探針周りの一実施例の拡大図である。It is an enlarged view of one Example around a probe. 光学系の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of an optical system. 探針の制御方法を示す図である。It is a figure which shows the control method of a probe. 探針の傾きを制御可能なカンチレバーの構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the cantilever which can control the inclination of a probe. 試料と探針の接触期間中に探針を加振した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which vibrated the probe during the contact period of the sample and the probe. 常に高周波数で微小振動させながら微小振動の周波数より十分遅い周期Tcで試料高さの計測を行うようすを示す図である。It is a figure which shows making it measure a sample height with the period Tc sufficiently slower than the frequency of a minute vibration, always making it minutely vibrate at a high frequency. 探針−試料間距離の高速接近制御の方法を示す図である。It is a figure which shows the method of the high-speed approach control of the probe-sample distance. ヘテロダイン干渉によって、探針のたわみを計測する原理を示す図である。It is a figure which shows the principle which measures the deflection | deviation of a probe by heterodyne interference. 本発明によって判別できるレジストパターンの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the resist pattern which can be discriminate | determined by this invention. 本発明によって、半導体のプロセスの条件制御を行う実施例を示す図である。It is a figure which shows the Example which performs the condition control of the process of a semiconductor by this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101…探針ホルダー、102…鏡筒、103…探針、111…光源、112…レンズ、113…ミラー、114…ミラー、115…レンズ、116…検出器、131…光源、132…レンズ、133…ビームスプリッタ、134…ビームスプリッタ、135…レンズ、136…検出器、154…照明光源、153…コンデンサレンズ、155…ビームスプリッタ、152…結像レンズ、151…イメージセンサ、170…光ファイバー、171…レンズ、172…検出器、201…走査制御部、202…探針駆動部、203…探針ホルダー駆動部、204…近接センサ、205…たわみ検出センサ、206…光学像センサ、207…信号印加装置、208…SPM像形成装置、250…全体制御装置、251…入力・表示装置、252…探針移動機構、253…探針ホルダー上下機構、302…試料ステージ、501…試料、601…プロセス装置、603…走査プローブ顕微鏡、610…フィードバック情報、620…ウェハ、621…抜き取りあるいはダミーウェハ DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Probe holder, 102 ... Lens tube, 103 ... Probe, 111 ... Light source, 112 ... Lens, 113 ... Mirror, 114 ... Mirror, 115 ... Lens, 116 ... Detector, 131 ... Light source, 132 ... Lens, 133 ... Beam splitter, 134 ... Beam splitter, 135 ... Lens, 136 ... Detector, 154 ... Illumination light source, 153 ... Condenser lens, 155 ... Beam splitter, 152 ... Imaging lens, 151 ... Image sensor, 170 ... Optical fiber, 171 ... Lens, 172 ... Detector, 201 ... Scanning control unit, 202 ... Probe drive unit, 203 ... Probe holder drive unit, 204 ... Proximity sensor, 205 ... Deflection detection sensor, 206 ... Optical image sensor, 207 ... Signal application device , 208... SPM image forming device, 250... Overall control device, 251... Input / display device, 252. Moving mechanism, 253 ... probe holder elevation mechanism, 302 ... sample stage 501 ... sample, 601 ... process equipment, 603 ... scanning probe microscope, 610 ... feedback information, 620 ... wafer, 621 ... extraction or dummy wafer

Claims (3)

試料の表面と探針との相互の位置を制御可能な駆動機構と、前記試料と前記探針との間の距離を計測するための近接センサと、前記試料と前記探針との接触状態を計測する探針たわみセンサとを備えた走査プローブ顕微鏡であって、前記近接センサは光源とイメージセンサとを備え、前記光源からの照射光を探針ホルダーの内部に設けられた対物レンズを通り、前記探針ホルダーが上下に移動する移動軸に対して傾けた方向から照射させて前記試料表面で結像させ、該試料表面からの反射光を前記対物レンズを通り、前記イメージセンサ上で結像させるように前記光源と前記イメージセンサを配置したことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。   A driving mechanism capable of controlling the mutual position between the surface of the sample and the probe, a proximity sensor for measuring a distance between the sample and the probe, and a contact state between the sample and the probe. A scanning probe microscope comprising a probe deflection sensor for measuring, wherein the proximity sensor comprises a light source and an image sensor, and the irradiation light from the light source passes through an objective lens provided inside the probe holder, The probe holder is irradiated from a direction inclined with respect to a moving axis that moves up and down to form an image on the sample surface, and reflected light from the sample surface passes through the objective lens and forms an image on the image sensor. A scanning probe microscope, wherein the light source and the image sensor are arranged so as to cause 前記近接センサの検出感度が1マイクロメートルであり、その動作距離が10マイクロメートル以上なることを特徴とする請求項1に記載の走査プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the proximity sensor has a detection sensitivity of 1 micrometer and an operating distance of 10 micrometers or more. 前記イメージセンサがポジションセンシティブデバイス(PSD)またはリニアイメージセンサであることを特徴とする請求項1に記載の走査プローブ顕微鏡。   The scanning probe microscope according to claim 1, wherein the image sensor is a position sensitive device (PSD) or a linear image sensor.
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