JP6245080B2 - 走査型プローブ顕微鏡を用いた異物除去方法 - Google Patents

Description

この発明は，走査型プローブ顕微鏡を用いて対象物表面に存在する微細な異物を除去する方法に関する。

走査型プローブ顕微鏡とは，原子間力顕微鏡（ＡＦＭ），走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）等のカンチレバーの先端に設けられた探針（プローブ）を用いて対象物の表面を走査し，該表面の形状に関する情報を得るタイプの顕微鏡であり，探針を含むカンチレバーを交換することによりＡＦＭモード，ＳＴＭモード等として動作可能な多機能タイプの顕微鏡を含む。

微細な異物を除去する技術，とくに半導体集積回路等の製造工程におけるフォトマスクや半導体ウエハ上の異物を除去する方法に，特許文献１に記載の方法がある。この方法は，先端部に粘着材ヘッドを有するプローブを用いるものであり，プローブ先端部の粘着材ヘッドにより粘着材を吐出させ，余分に吐出した粘着材を除去しかつ残った粘着材を半乾燥状にする。この半乾燥状の粘着材を吐出した粘着材ヘッドを，異物の検出箇所の位置に移動させ，異物の付着箇所に圧接させ，次に粘着材ヘッドを引き上げるものである。特許文献２にも同じような異物除去方法が記載されている。

特開平６−２６０４６４号公報 特開平８−２５０４７５号公報

しかしながら，これらの方法は，まず第１に，粘着材を吐出する粘着材ヘッドを先端部に有するという特殊なプローブを用いている。第２に，半導体基板等，近年のワークの高精細化に伴い，異物周辺に粘着材を圧接した際に周囲のレジストパターン等を破壊してしまうおそれが高い。また，基板自体に粘着材が付着することによって，粘着材に含まれる溶剤成分が基板に転写してヘイズ等の原因となり，ワークの寿命を縮めてしまう可能性がある。

この発明は，走査型プローブ顕微鏡を用いた異物除去方法において，必ずしも特殊なプローブを用意することなく，異物除去が可能な方法を提供するものである。

この発明はまた，対象物を損傷させることなく異物のみに触れることで異物の除去を実施することができる方法を提供する。たとえば，対象物が高精細化したパターンを有する半導体基板等であっても，パターンや基板にダメージを与えることなく異物を除去できる方法を提供するものである。

この発明は，カンチレバーの先端に設けられた探針を用いて対象物表面を走査して，該表面の形状に関する情報を得る走査型プローブ顕微鏡を用いて対象物表面に存在する異物を除去する方法であり，前記探針の表面に粘着剤をコーティングし，粘着剤をコーティングした探針を走査型プローブ顕微鏡に取付け，該探針を対象物表面に存在する異物に接触させて該異物を該探針に付着させるものである。粘着剤の薄膜は走査型プローブ顕微鏡の正常な動作に影響を与えない程度がよい。

既存の走査型プローブ顕微鏡を用いることができ，その走査型プローブ顕微鏡の既存の探針を用いることができるので，必ずしも特殊なプローブを用意することなく，異物除去が可能となる。もちろん，異物除去用の探針を用意し，これを用いることを排除するものではない。

また，この発明によると，対象物を損傷させることなく異物のみに触れることで異物の除去を実施することができる。たとえば，対象物が高精細化したパターンを有する半導体基板等であっても，パターンや基板にダメージを与えることなく異物を除去できる。基板の破壊，汚染なく異物除去が可能である。

異物の除去に先だって，対象物表面を探針により走査して対象物上における異物の位置を確認することが好ましい。これにより，確実な異物の除去が可能となる。

異物の除去後に，対象物表面を探針により走査して異物が除去されたことを確認するとよい。

探針に付着した異物を探針から除去すると，その探針を異物除去に再使用でき，低コストの運用が可能となる。

原子間力顕微鏡の概略構成を示す。 探針表面に表面処理を実施した様子を示す。 探針を粘着剤内にディップする様子を示す。 表面に粘着層が形成された探針を示す。 フィードバック制御により探針が基板表面を走査する様子を示す。 フィードバック制御せずに探針を異物に接触させる様子を示す。 異物を付着させた探針を示す。 異物除去のために探針を粘着シートに突き刺した状態を示す。 異物が粘着シート側に移った状態を示す。 異物除去プロセスフローを示す。 探針の変形例を示す。 変形例の探針に異物を付着させた状態を示す。 探針のさらに他の変形例を示す。 他の変形例の探針において異物が付着している状態を示す。

図１は原子間力顕微鏡または原子間力顕微鏡モードをもつ走査型プローブ顕微鏡の概略的構成を示すものである。対象物は一例として，基板（たとえば半導体基板）20であり，この半導体基板表面上にパターン（たとえばフォトレジストパターン，フォトマスクパターン）21が形成されている。

基板20はＸＹステージ17上に載置され，ＸＹステージ17によってＸ，Ｙ方向に移動（変位）（相対的にＸ，Ｙ方向に走査）される。先端部に探針12を有するカンチレバー11はその基部において駆動装置（アクチュエータ）15のホルダ（図示略）に固定され，上下方向（Ｚ方向）に駆動される。駆動装置15は支持部材18に固定されている。駆動装置15は圧電素子を含む。カンチレバー11の先端部の上下方向（Ｚ方向）の動き（振動）は光学検知装置16によって検知される。光学検知装置16はたとえば，カンチレバー11の表面に光を照射し，その反射光を受光することによりカンチレバー11の上下方向の位置を検出するものである。光学検知装置16の検知信号は制御装置13に与えられ，これに基づいて制御装置13が駆動装置15による駆動（上下方向移動または振動）を制御する。光学検知装置16，制御装置13，駆動装置15はフィードバック制御系を構成する。制御装置13はＸＹステージ17によるＸ，Ｙ方向の走査も制御する。ＸＹステージ17に上下方向（Ｚ方向）駆動装置を設け，光学検知装置16または駆動装置15と制御装置13とＸＹステージ17（Ｚ方向駆動）との間にフィードバック制御系を設けてもよい。制御装置13には記憶装置14が接続され，制御装置13による制御結果，すなわちＸ，Ｙ方向の位置とＺ方向の位置を記憶する。この記憶データに基づいて，基板20（対象物）表面の形状（凹凸を含む）の像（顕微鏡像）が作成される。

原子間力顕微鏡には種々の動作モードがあるが，それらはよく知られているので，簡単に説明しておく。コンタクトモードでは，探針と対象物との間に斥力が働くほどに探針を対象物に近づけ，ＸＹ二次元走査において，この斥力が一定値となるように上記フィードバック回路を働かせる。他方，タッピングモード（商標）（インターミッテントコンタクトモードまたはサイクリックコンタクトモード）をはじめとするノンコンタクトモードでは，カンチレバーを，そのホルダーに取付けた励振圧電素子を用いて共振周波数近傍で大振幅強制振動させながら対象物に近づけると，カンチレバーの振動振幅または振動数に変化が生じることを利用して，ＸＹ方向走査をしながらこれらの変化をほぼ零にするように上記フィードバック系を通して，カンチレバーまたはＸＹ（Ｚ）ステージ17を上下動させる。対象物およびカンチレバー11を大気中に置く原子間力顕微鏡と，真空中内に置く原子間力顕微鏡とがあるが，後述するように粘着剤を使用するので，大気中で動作させる方が好ましい。

上記の原子間力顕微鏡を用いて対象物（基板）上に存在する異物を検出（確認）しかつ除去する方法について以下に詳述する。原子間力顕微鏡は高精度な位置決めが可能であり，高精細化した基板上のパターン（レジストパターンなど）においても，周囲のパターンや基板に損傷（ダメージ）を与えることなく，異物のみを除去することができる。

この異物除去方法は，探針の表面に粘着剤をコーティングし，粘着剤をコーティングした探針を走査型プローブ顕微鏡に取付け，該探針を対象物表面に存在する異物に接触させて該異物を該探針に付着させるものである。もちろん，走査型プローブ顕微鏡の機能を損なわない程度に薄い粘着剤コーティング層（薄膜）を探針に形成する。

使用する探針を有するカンチレバーについては，シリコーン製，窒化シリコーン製，カーボンナノチューブ製，ダイヤモンド製等，公知のものを使用することができる。また，探針またはカンチレバーの表面にダイヤモンドやダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ），金や白金のコートがされていてもよい。

対象物のパターンが形成された基板等の場合，探針先端の曲率半径は，ターゲットとなるパターンの線幅や除去すべき異物のサイズによって決定される。目的の異物が原子間力顕微鏡の走査によって確認できかつ探針が接触できれば特に制限はされないが，探針先端の曲率半径は２〜100nmの範囲であることが望ましい。

探針の表面粗さは，粘着剤が均一にコートされる範囲であれば特に制限はされない。

使用する粘着剤は，アクリル系粘着剤，ウレタン系粘着剤，シリコーン系粘着剤，ゴム粘着剤等，公知のものを使用することができる。

プローブへの粘着剤コーティング方法は，スプレーコート，ディップコート，スピンコートなどの手法をとることができる。また，粘着剤をシート状に塗工し，そこへプローブを突き刺して探針に粘着剤を付着させる方法でもよい。粘着剤の膜厚には特に制限はないが，基板上に微細な凹凸パターンがあり，目的の異物が凹部内に存在しても，凸部等に当ることなく異物にのみアプローチできればよい。一例としては，粘着剤の膜厚は十〜数十nm程度であろう。

探針には，必要であれば粘着剤コーティング前処理として，表面コンタミネーションの洗浄や，粘着剤を付着しやすくするための表面処理として，金属スパッタやＵＶオゾン処理，シランカップリング剤処理やコロナ処理，フッ素ガス処理などを実施してもよい。これらの前処理は，最終的に均一なコーティングが可能であるならば一種類に限らず，複数を組み合わせて実施してもよい。

上記のように粘着剤をコーティングした探針を有するカンチレバーを原子間力顕微鏡にセットし，除去すべき異物が存在する対象物（基板）を走査し（たとえば，フィードバック制御下のノンコンタクトモード），除去すべき異物の位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標）を特定する。次に，粘着剤がコーティングされた探針を，特定した異物の位置に近づけて（たとえば，フィードバック制御なしのコンタクトモード），探針を異物に接触させる。異物は粘着剤に密着（粘着）する。異物の接触または粘着（付着）が失敗したら，何回も異物を除去できるまで上記動作を繰返えせばよい。

目的とする異物が探針に粘着（付着）した後は，カンチレバーごと原子間力顕微鏡から取外し，探針に付着した異物を取除く。探針に付着した異物を取り除く方法としては，塗工した粘着剤シートに探針を押し当て，または突き刺し，異物を粘着剤シート側に移すことによる除去方法が挙げられる。探針からの異物の除去のために使用する粘着剤の材料は，特に制限はされず，一般的な上述した粘着を用いることができる。また，粘着性を持つものの他の例としてカンチレバーを固定するのに使用されているシリコーンゲル等でもよい。異物の除去後に探針付カンチレバーを再び使用するために，粘着剤を再コーティングすることを考えると，同じ材質の粘着剤であることが望ましい。

図２から図９は上述した一連の動作（操作または方法）を具体的に示すものであり，図10はオペレータの操作および制御装置13による処理の流れを示すものである。

図２は，探針12が一体的に形成されたカンチレバー11の探針12の部分に，前処理としてシランカップリング剤24を滴下し，探針12の表面の化学装飾を行った状態を示している。シランカップリング剤24は探針12に粘着剤を付きやすくする。

次に，図３に示すように，容器25内に粘着剤26を入れ，粘着剤26内に探針12をディップし，探針12の表面に粘着層26Ａを形成した（粘着剤のコーティング法）。粘着層26Ａが形成された探針12の先端部を図４に示す。

レーザ光を用いた画像処理装置，その他の外観検査装置を用いて，パターンが形成された基板（対象物）上に，除去すべき異物があるかどうかを調べておく（図10，Ｓ31）。そして，除去すべき異物が存在する基板のみを異物除去の対象とする。

上記のようにして探針12に粘着層26Ａが形成されたカンチレバー11を原子間力顕微鏡に取付け，対象基板をセットした上で，異物23の存在する基板20の表面を，粘着層26Ａを有する探針12で二次元的に走査する（図10，Ｓ32）。これにより基板20上のパターン21と異物23の顕微鏡画像が得られる。この様子が図５に示されている。これは，たとえばフィードバック制御を伴うノンコンタクトモードで行う。破線が探針12の先端の軌跡の概要を示している。外観検査装置による事前の検査によって異物23の存在する基板20上の位置は分っているので，基板20の全面ではなく，異物23の存在する位置を中心とする近傍の範囲でだけの走査でもよい。これにより，異物23の存在する正確な位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標）を確認できる。異物検出（異物の存在確認）の走査は，粘着層が形成されていない探針を用いて行ってもよい。

続いて，異物除去動作に移る。異物23の存在位置が分っているので，これはたとえば，フィードバック制御を伴わない（オフした）コンタクトモードで行なえばよい。図６に示すように表面に粘着層26Ａが形成された探針12を異物23に向って移動させ，近づいて接触させる（図10，Ｓ33）。異物23は探針12に付着する。異物が複数個ある場合には，異物ごとに上記の異物除去動作を繰返すことができる。このとき，表面に粘着層26Ａが形成されたカンチレバー11を交換する方が好ましい。

最後に，異物が除去されたことを確認するために，再び探針（粘着層が形成されているものでも，形成されていないものでもよい）を用いて基板表面を走査し，その顕微鏡画像を作成し，先の画像（Ｓ32で得られた画像）と比較して異物が除去されたことを確認する（図10，Ｓ34，Ｓ35）。先の画像と必ずしも比較しなくてもこの確認はできるし，異物が存在する位置を中心とした限られた範囲の画像を得るだけでもよい。異物が除去されていなければ，Ｓ33の異物除去動作に戻る。１つの基板20上に複数の異物がある場合には，Ｓ33，Ｓ34を異物ごとに繰返してもよい。

図７は，探針12の先端部において，粘着層26Ａに異物が付着している様子を示す。粘着層26Ａに付着した異物23を有する探針12を，図８に示すように，別の粘着層を持つ粘着シート27に押付ける，または突き刺すことにより，異物23を粘着シート27に移して除去することができる。図９は探針12から異物23が除去された状態を示している。異物23が除去された探針は再び使用することができる。異物を除去しないまま探針を破棄してもよい。

上記実施例の探針は，原子間力顕微鏡で従来から用いられている探針を利用して異物を除去するものであるが，異物除去用のための探針を用いてもよい。たとえば，図11に示す探針12Ａは先端部にＶ字状の凹部12ａが形成されている。この凹部12ａにおいて探針12Ａに粘着剤の薄膜26Ａが形成されている。このような探針12Ａをもつカンチレバーを原子間力顕微鏡に取付け，探針12Ａを異物が存在する位置の真上に位置決めし，そのまま探針12Ａを下降させれば，図12に示すように異物23は凹部12ａ内の粘着層26Ａに付着する。

他の変形例では，図13に示すように，探針12Ｂの先端部に２つの突出量が異なる先細の突起が形成され，これら２つの突起の間がＶ字状の凹部12ａとなっている。粘着層26Ａは探針12Ｂの表面全体に形成されている。この場合には，異物23を，図14に実線と鎖線で示すように，探針12Ｂのどこにでも付着させることができるので，異物除去のための探針の移動操作が容易となる。

10 原子間力顕微鏡
11 カンチレバー
12，12Ａ，12Ｂ 探針
13 制御装置
15 駆動装置
20 基板（対象物）
21 パターン
23 異物
26 粘着剤
26Ａ 粘着層
27 粘着シート

Claims (4)

1. カンチレバーの先端に設けられた探針を用いて対象物表面を走査して，該表面の形状に関する情報を得る走査型プローブ顕微鏡を用いて対象物表面に存在する異物を除去する方法であり，
   前記探針の表面に粘着剤をコーティングし，
   粘着剤をコーティングした探針を走査型プローブ顕微鏡に取付け，該探針を，対象物表面に沿って，該表面に存在する異物に向って移動させることにより該異物に接触させて該異物を該探針に付着させる，
   走査型プローブ顕微鏡を用いた異物除去方法。
2. カンチレバーの先端に設けられた探針を用いて対象物表面を走査して，該表面の形状に関する情報を得る走査型プローブ顕微鏡を用いて対象物表面に存在する異物を除去する方法であり，
   先端に凹部が形成された異物除去用探針を用意し，
   この異物除去用探針の少なくとも該凹部を含む表面に粘着剤をコーティングし，
   粘着剤をコーティングした異物除去用探針を走査型プローブ顕微鏡に取付け，該異物除去用探針を対象物表面に存在する異物に接触させて該異物を該異物除去用探針に付着させる，
   走査型プローブ顕微鏡を用いた異物除去方法。
3. 異物の除去に先だって，対象物表面を探針により走査して対象物上における異物の位置を確認する，請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた異物除去方法。
4. 探針に付着した異物を探針から除去する，請求項１から３のいずれか一項に記載の走査型プローブ顕微鏡を用いた異物除去方法。

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