JP2007212182A - Probe device, manufacturing method of the probe device, and stylus-type surface measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プローブ装置の探針を試料に接触させて試料の表面形状を測定する触針式表面測定装置に関する。 The present invention relates to a stylus-type surface measuring device that measures the surface shape of a sample by bringing a probe of the probe device into contact with the sample.
探針を試料表面に接触させて走査し、粗さ、うねり等の表面形状や薄膜の膜厚段差を測定する装置として、触針式表面測定器あるいは触針式膜厚測定装置と呼ばれるものが知られている。この種の装置では、触針支持棒の下端に探針、上端に光反射板を設け、レーザ光を光反射板に当てて試料表面形状に応じて上下する触針支持棒の移動量、すなわち探針の移動量を光学的な三角測量の原理で測定する（例えば、特許文献１参照）。 A device called a stylus-type surface measuring instrument or a stylus-type film thickness measuring device is a device that scans with a probe in contact with the sample surface and measures the surface shape such as roughness and waviness and the film thickness step of the thin film. Are known. In this type of apparatus, a probe is provided at the lower end of the stylus support bar, a light reflecting plate is provided at the upper end, and the amount of movement of the stylus support bar that moves up and down according to the sample surface shape by applying laser light to the light reflecting plate, that is, The amount of movement of the probe is measured based on the principle of optical triangulation (see, for example, Patent Document 1).
特許文献１の装置は、光学的な三角測量の原理で探針の上下方向の移動量を測定するため、レーザ光源や光センサなどの光学的な位置合わせが煩雑であるという問題がある。
The apparatus of
（１）本発明の請求項１に係る発明のプローブ装置は、片持ちレバーと片持ちレバーの先端に設けられた探針とを有するプローブと、片持ちレバーと所定の間隔で対向配置される透明基板とを備えることを特徴とする。
（２）請求項２に係る発明は、請求項１に記載のプローブ装置において、プローブが複数設けられていることを特徴とする。
（３）請求項３に係る発明は、請求項２に記載のプローブ装置において、複数のプローブは２次元的に配列されていることを特徴とする。
（４）請求項４に係る発明のプローブ装置の製造方法は、請求項２または３に記載のプローブ装置を製造する方法において、半導体プロセスにより１枚のウエハに複数のプローブを作製する工程と、複数のプローブのそれぞれの基部に所定の間隔を規定する介在層を形成する工程と、介在層と透明基板とを接合する工程とを含むことを特徴とする。
（５）請求項５に係る発明は、請求項４に記載のプローブ装置の製造方法において、介在層はシリコン層であり、透明基板はガラス基板であり、介在層と透明基板との接合に陽極接合を用いることを特徴とする。
（６）請求項６に係る発明の触針式表面測定装置は、片持ちレバーの先端に設けられた探針を試料に接触させることにより片持ちレバーを撓ませて試料の表面形状を測定する触針式表面測定装置において、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプローブ装置と、単色光を透明基板を通して片持ちレバーへ照射する照明手段と、片持ちレバーと透明基板との間隔の変化によって変位する干渉情報を検出する検出手段と、検出手段により検出された干渉情報の位置から試料の表面形状データを算出する演算手段とを備えることを特徴とする。
（７）請求項７に係る発明は、請求項６に記載の触針式表面測定装置において、プローブ装置を保持する保持部と試料を保持するステージとを相対的に移動させる駆動手段をさらに備えることを特徴とする。
（８）請求項８に係る発明は、請求項６または７に記載の触針式表面測定装置において、演算手段は、干渉情報の位置と片持ちレバーと透明基板との間隔との関係を表す位置情報を用いて、検出された干渉情報の位置から片持ちレバーと透明基板との間隔を算出し、試料の表面形状データを算出することを特徴とする。
（９）請求項９に係る発明は、請求項８に記載の触針式表面測定装置において、位置情報は、片持ちレバーの撓み変形を表す理論式を、片持ちレバーに所定の撓み変形を与えたときの干渉情報の位置を実測して得た測定値で校正したものであることを特徴とする。
(1) A probe device according to a first aspect of the present invention is arranged to face a probe having a cantilever lever and a probe provided at the tip of the cantilever lever, and to the cantilever lever at a predetermined interval. And a transparent substrate.
(2) The invention according to
(3) The invention according to
(4) A method for manufacturing a probe device according to a fourth aspect of the present invention is the method for manufacturing the probe device according to
(5) The invention according to
(6) The stylus type surface measuring apparatus according to the invention of
(7) The invention according to
(8) The invention according to claim 8 is the stylus type surface measurement device according to
(9) The invention according to claim 9 is the stylus-type surface measuring device according to claim 8, wherein the positional information is a theoretical expression representing the bending deformation of the cantilever lever, and the predetermined bending deformation is applied to the cantilever lever. The position of the interference information when given is calibrated with a measured value obtained by actual measurement.
本発明の触針式表面測定装置によれば、プローブの片持ちレバーと透明基板との間隔に起因して発生する干渉情報を検出するので、検出手段の光学的位置合わせ作業が簡便である。また、本発明のプローブ装置の採用により、上記の触針式表面測定装置を実現できる。さらに、本発明の製造方法により、上記のプローブ装置を容易に製作することができる。 According to the stylus type surface measuring device of the present invention, since interference information generated due to the distance between the cantilever lever of the probe and the transparent substrate is detected, the optical positioning operation of the detection means is simple. Moreover, by using the probe device of the present invention, the stylus type surface measuring device can be realized. Furthermore, the probe device can be easily manufactured by the manufacturing method of the present invention.
以下、本発明の実施の形態による触針式プローブおよび触針式表面測定装置について図１〜１３を参照しながら説明する。図１以下の図面では、必要に応じてＸＹＺ直交座標で方向を表す。 Hereinafter, a stylus type probe and a stylus type surface measuring device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the drawings after FIG. 1, directions are expressed in XYZ orthogonal coordinates as necessary.
図１は、本発明の実施の形態による触針式表面測定装置全体の概略を示す構成図である。
触針式表面測定装置１００は、試料Ｓを載置して移動および傾斜するステージ１と、顕微鏡２と、顕微画像撮影用のＣＣＤカメラ３と、照明用のレーザー光源４と、制御演算部５と、ディスプレイ６と、保持部７と、ピエゾ素子８と、触針式プローブ１０と、ガラス基板２０とを備えている。触針式プローブ１０は、Ｘ方向に延在する厚さ（Ｚ方向の寸法）が薄いレバー１１と、レバー１１の先端付近に設けられ、−Ｚ方向に延びる探針１２とを有する。レバー１１は片持ちレバーである。ガラス基板２０は、その表面がＸ−Ｙ平面に沿った透明な平行平板であり、所定の平面性を維持できる程度の厚みをもっている。触針式プローブ１０は、レバー１１の基部においてスペーサー１３を介してガラス基板２０に固定されており、触針式プローブ１０とガラス基板２０の間に、スペーサー１３の厚さに相当するギャップＧが形成されている。図1では図示を省略したが、後述するように、このような触針式プローブ１０がガラス基板２０の表面に沿って複数個配列されている。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of the entire stylus type surface measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
The stylus type
ステージ１は、駆動機構１ｂによりＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動できるとともに、傾斜機構１ａにより任意の向きに任意の角度で傾斜できるように構成されている。保持部７は、ガラス基板２０を保持しつつ、ピエゾ素子８を介してステージ１と対向配置されている。ピエゾ素子８は、Ｚ方向の圧力を計測するために、ステージ１と保持部７との間に少なくとも３本設けられ、３本以上のピエゾ素子８が一直線とならないように配置されている。ピエゾ素子８で計測された圧力値をフィードバックして、圧力値の差分が零となるように傾斜機構１ａによりステージ１を傾斜させ、ガラス基板２０とステージ１または試料Ｓの表面とが平行になるように調整する。
The
顕微鏡２には、ＣＣＤカメラ３とレーザー光源４が取り付けられている。ＣＣＤカメラ３は制御演算部５に接続されており、ＣＣＤカメラ３で撮影された顕微画像は、制御演算部５に接続されたディスプレイ６により観察できる。レーザー光源４は、例えば波長５５０ｎｍの単色のレーザー光を発する。この単色レーザー光は、対物レンズ２ａを通ってガラス基板２０を透過し、触針式プローブ１０へ照射される。
A
図２は、ガラス基板２０に設けられた複数の触針式プローブ１０の分布状態の一例を示す上面図である。触針式プローブ１０の集合体（以下、マルチプローブ１１０と呼ぶ）は、図２に示されるように、ガラス基板２０中央のＸ−Ｙ２次元領域にマトリックス状に規則正しく配列している。触針式プローブ１０が配列しているプローブ配列領域Ａは、レーザー入射領域Ｂおよび観察視野Ｃに包含される領域である。すなわち、プローブ配列領域Ａにはレーザー光が一括照射され、プローブ配列領域Ａを移動させなくてもその全領域に対して同時に顕微鏡観察、すなわち光学的な検出を行うことができる。例えば、プローブ配列領域Ａの寸法は５×５ｍｍ、マルチプローブ１１０を構成する触針式プローブ１０の数は１万〜５万本である。
FIG. 2 is a top view illustrating an example of a distribution state of the plurality of
図３は、マルチプローブ１１０の構造を模式的に示す斜視図であり、マルチプローブ１１０の一部分を示すものである。ガラス基板２０には、同一形状、同一寸法、同一ギャップ初期間隔ｇ（スペーサー１３の厚さに相当するギャップＧの初期間隔ｇ）の３個の触針式プローブ１０が所定のピッチ間隔で配設されている。今、試料Ｓを領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の３つに分け、領域Ａ１には薄膜が形成されず、領域Ａ２には厚さｔ１の薄膜Ｆ１、領域Ａ３には厚さｔ２（＞ｔ１）の薄膜Ｆ２が形成されているとする。
FIG. 3 is a perspective view schematically showing the structure of the multi-probe 110, and shows a part of the multi-probe 110. On the
試料Ｓの領域Ａ１，Ａ２，Ａ３に接触している各探針がそれぞれ試料Ｓにより押し上げられると、領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の高さに応じて各レバー１１が撓む。レバー１１が撓んだとき、レバー１１とガラス基板２０との間隔ｄ（ギャップ間隔ｄ）は、Ｘ方向の位置によって異なる。レバー１１が撓んでいないときのギャップ間隔ｄは、上述したギャップ初期間隔ｇに等しい。
When the probes that are in contact with the regions A1, A2, and A3 of the sample S are pushed up by the sample S, the
レーザー光をガラス基板２０を通して触針式プローブ１０へ照射すると、領域Ａ１，Ａ２，Ａ３に対応する干渉縞１２１，１２２，１２３が発生する。干渉縞１２１，１２２，１２３は、レバー１１とガラス基板２０との間に断面形状が楔形の空気層が形成されることにより発生する明暗パターンであり、例えば、所定のギャップ間隔ｄ１の位置に暗線部が現れる。レバー１１の撓み量が変化すると、ギャップ間隔ｄ１となる位置は変化し、Ｘ方向に沿って移動する。すなわち、干渉縞１２１，１２２，１２３の位置は、領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の高さを反映している。
When the
本発明は、具体的には、触針式プローブ１０とガラス基板２０との間のギャップＧに起因して発生する干渉縞の位置を検出することにより、試料Ｓの表面の凹凸を測定するものである。触針式プローブ１０は、試料Ｓへの接触荷重が極めて軽く、試料表面の形状を忠実に反映するように作製されている。触針式プローブ１０の探針１２は、試料表面から直接に力を受けるので、ＡＦＭの探針のように原子径オーダーで先鋭化されているわけではなく、ある程度の接触面積を有する。
Specifically, the present invention measures the unevenness of the surface of the sample S by detecting the position of the interference fringes generated due to the gap G between the
〈測定原理〉
図４は、触針式プローブ１０の撓みと干渉縞の変位との関係を説明する図であり、図４（ａ）は触針式プローブ１０の上面図、図４（ｂ）は断面図である。図４（ｂ）に示されるように、レバー１１の自由端Ｏを原点とし、横軸をＸ、縦軸をＺとする。ｘはＸ軸上の原点からの距離、ｚはＺ軸上の原点からの距離である。探針１２は自由端Ｏにあるものとし、探針１２が試料Ｓに接触していない無負荷状態では、レバー１１は、Ｘ方向に長さＬで延在し、ガラス基板２０と平行にギャップ初期間隔ｇで対向している。この状態では干渉縞は発生しない。
<Measurement principle>
4A and 4B are diagrams for explaining the relationship between the deflection of the
先ず、探針１２を試料Ｓに軽く接触させて初期押し込み量ｚ０だけｚ位置を変化させる。このとき、レバー１１は、長さＬにわたって彎曲変形するが、以下の説明では簡単のため、レバー１１とスペーサー１３との接点である固定端Ｅを支点として変形し、変形後のレバー１１の上面１１Ａまたは１１Ｂを斜辺とする三角形に近似する。図４（ａ）に示されるように、レバー１１上の地点ａにｍ次の干渉縞の暗線部が現れるように初期押し込み量ｚ０を与える。ｍ次干渉縞を発生させるギャップ間隔（レバー１１の上面１１Ａとガラス基板２０との距離）ｄ1は、式（１）で与えられる。また、式（２）の関係が成り立つ。
ｄ1＝ｇ−α０（Ｌ−ｘ０）＝（２ｍ＋１）λ／４ｎ・・・・（１）
α０＝ｚ０／Ｌ・・・・（２）
式（１）、（２）より式（３）が導かれ、初期押し込み量ｚ０が得られる。
ｚ０＝Ｌ（ｇ−ｄ1）／（Ｌ−ｘ０）・・・・（３）
ここで、α０は初期撓み角、ｘ０は初期干渉縞位置、λはレーザー光の波長、ｎはギャップＧの屈折率である。
First, the
d1 = g−α 0 (L−x 0 ) = (2m + 1) λ / 4n (1)
α 0 = z 0 / L (2)
Expression (3) is derived from Expressions (1) and (2), and an initial push-in amount z 0 is obtained.
z 0 = L (g−d 1) / (L−x 0 ) (3)
Here, α 0 is the initial deflection angle, x 0 is the initial interference fringe position, λ is the wavelength of the laser light, and n is the refractive index of the gap G.
次に、試料Ｓ上を触針式プローブ１０で走査すると、試料Ｓ表面の凹凸に応じて探針１２のｚ位置が変化する。初期押し込み量ｚ０からさらにΔｚだけ探針１２が押し上げられると、レバー１１の上面が１１Ａから１１Ｂに移行し、ギャップ間隔がｄ1となる位置は、＋Ｘ方向へ移動し、地点ａに現れていたｍ次干渉縞は地点ｂへ移動する。ｍ次干渉縞の地点ａから地点ｂへの変位量はΔｘである。押し込み量（ｚ０＋Δｚ）と地点ｂのＸ方向の位置（ｘ０＋Δｘ）との関係は、式（４）で表される。
ｚ０＋Δｚ＝Ｌ（ｇ−ｄ1）／｛Ｌ−（ｘ０＋Δｘ）｝・・・・（４）
式（３）、（４）より式（５）が導かれる。
Δｚ＝Ｌ（ｇ−ｄ1）／｛Ｌ−（ｘ０＋Δｘ）｝−Ｌ（ｇ−ｄ1）／（Ｌ−ｘ０）・・・・（５）
式（５）から、ｍ次干渉縞の変位量であるΔｘを測定すれば、Δｘ以外はすべて既知であるから、押し込み変化量Δｚ、すなわち試料Ｓの凹凸段差量を算出することができる。
Next, when the sample S is scanned with the
z 0 + Δz = L (g−d 1) / {L− (x 0 + Δx)} (4)
Equation (5) is derived from equations (3) and (4).
Δz = L (g−d1) / {L− (x 0 + Δx)} − L (g−d1) / (L−x 0 ) (5)
If Δx which is the displacement amount of the m-th order interference fringes is measured from the equation (5), since everything except Δx is known, the indentation change amount Δz, that is, the uneven step amount of the sample S can be calculated.
以上は、レバー１１の撓み変形を三角形近似により導き出したが、レバー１１の撓み変形を厳密に書き表すと式（６）のようになる。
ｚ＝Ｐｘ３／６ＩＥ−ＰＬ２ｘ／２ＩＥ＋ＰＬ３／３ＩＥ・・・・（６）
ここで、Ｐは自由端Ｏに加わる集中荷重、Ｉはレバー１１の断面二次モーメント、Ｅはレバー１１のヤング率である。集中荷重Ｐ、断面二次モーメントＩ、ヤング率Ｅによって自由端Ｏでの押し込み量ｚが決まり、そのときの撓み曲線はｘの三次関数になる。
Although the bending deformation of the
z = Px 3 / 6IE-PL 2 x / 2IE +
Here, P is the concentrated load applied to the free end O, I is the moment of inertia of the cross section of the
断面二次モーメントＩとヤング率Ｅは触針式プローブ１０の固有の値であるから、上述した押し込み変化量Δｚは、自由端Ｏでの集中荷重Ｐの変化量で決まり、集中荷重Ｐの変化量は試料Ｓの凹凸段差量で決まる。すなわち、押し込み変化量Δｚは試料Ｓの凹凸段差量と同等のものである。式（６）を書き直すと、式（７），（８）となる。
ｇ−ｄ1＝ｚ（ｍ）＝Ｐ（ｘ０＋Δｘ）３／６ＩＥ−ＰＬ２（ｘ０＋Δｘ）／２ＩＥ＋ＰＬ３／３ＩＥ・・・・（７）
Ｐ＝６ＩＥ（ｇ−ｄ1）／（ｘ３−３Ｌ２ｘ＋２Ｌ３）・・・・（８）
Ｐ＝３ＩＥ（ｚ０＋Δｚ）／Ｌ３・・・・（９）
Δｚ＝ＰＬ３／３ＩＥ−ｚ０・・・・（１０）
Since the cross-sectional secondary moment I and Young's modulus E are inherent values of the
g-d1 = z (m) = P (x 0 + Δx) 3 / 6IE-PL 2 (x 0 + Δx) / 2IE +
P = 6IE (g−d1) / (x 3 −3L 2 x + 2L 3 ) (8)
P = 3IE (z 0 + Δz) / L 3 ... (9)
Δz = PL 3 / 3IE-z 0 (10)
一例を挙げると、触針式プローブ１０は、レバー長さＬ＝４０．０μｍ、ギャップ初期間隔ｇ＝１．０μｍであり、レーザー光の波長λ＝０．５５μｍ、空気層であるギャップＧの屈折率ｎ＝１である。レバー先端の初期押し込み量ｚ０＝０．０５μｍのときに、初期干渉縞位置ｘ０＝７．０μｍに３次（ｍ＝３）の干渉縞を発生させる条件となるギャップ間隔ｄ1は、式（１）より、ｄ1＝０．９６３μｍとなる。これは、式（７）より、ｚ（ｍ＝３）＝０．０３７μｍでもある。この状態から触針式プローブ１０が試料Ｓの段差分だけ押し上げられ、干渉縞の位置が３．５μｍ変位（Δｘ＝３．５μｍ）したと測定されると、レバー１１にかかる集中荷重Ｐが式（８）により算出され、試料Ｓの段差量に相当する押し込み変化量Δｚは、式（９）または式（１０）により、Δｚ＝０．０１μｍとなる。但し、ｚ＝０．０５μｍにおいて、集中荷重Ｐ＝９．２５×１０−８（ｋｇｍ／ｓｅｃ２）、断面二次モーメントＩ＝１．４４×１０−２５（ｍ４）、ヤング率Ｅ＝２．７４×１０１１（Ｐａ）である。なお、上述したギャップ初期間隔ｇがレバー長さＬの１／４０程度であれば、三角形近似の式である式（５）を用いても、ほぼ正確にΔｚを算出できる。
For example, the
次に、触針式表面測定装置１００による測定準備作業と試料測定について説明する。測定準備作業としては、ステージ１の平行設定および干渉縞の位置ｘとギャップ間隔ｄとの関係を表すｘ−ｚ配列データ（位置情報）の作成があり、試料測定としては、干渉縞のｘ位置の測定およびｘ−ｚ配列データを用いたｚ位置の算出がある。
Next, measurement preparation work and sample measurement by the stylus type
〈平行設定〉
図５は、実施の形態による触針式表面測定装置１００のプローブ配列状態を模式的に示す部分断面図である。図５（ａ）は、ステージ１の上面１Ａとガラス基板２０の下面２０Ａとの平行を設定している状態を示す。図５（ａ）では、説明の便宜上、ピエゾ素子８も図示している。ステージ１をＺ方向に移動させ、３本のピエゾ素子８がそれぞれＺ方向の圧力を検出し、傾斜機構１ａ（図１参照）を動作させ、各検出値が等しくなるように上面１Ａと下面２０Ａとの平行設定を行う。
<Parallel setting>
FIG. 5 is a partial cross-sectional view schematically showing a probe arrangement state of the stylus type
〈ｘ−ｚ配列データの作成〉
先ず、前述した理論式（６）からレバーの撓み変形を表すｘ−ｚの値を求めておく。この作業は、例えば、初期押し込み量としてｚ０＝０．０５μｍ、押し込み量として０．２μｍピッチでｚ＝０．２，０．４，０．６，０．８，１．０μｍを選び、各段階について式（６）からｘ−ｚの値を算出する。その算出結果を初期値のｘ−ｚ配列とする。
<Creation of xz array data>
First, the value of xz representing the bending deformation of the lever is obtained from the above theoretical formula (6). In this operation, for example, z 0 = 0.05 μm is selected as the initial push amount, z = 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 μm is selected at a pitch of 0.2 μm as the push amount. The xz value is calculated from Equation (6) for the stage. The calculation result is an xz array of initial values.
次に、上述した平行設定の後、ステージ１の上面１Ａを上昇させて探針１２に押し付けることにより、初期押し込み量ｚ０および異なるいくつかの押し込み量ｚを与えて、各段階で干渉縞の位置ｘを測定する。すなわち、初期押し込み量としてｚ０＝０．０５μｍ、押し込み量としてｚ＝０．２，０．４，０．６，０．８，１．０μｍをレバー１１に与える。
図５（ｂ）は、レバー１１に押し込み量ｚを与えている状態を示す。各段階で干渉縞の位置ｘと押し込み量ｚとの関係を表すｘ−ｚ配列を得て、この測定値のｘ−ｚ配列データを制御演算部５に記憶させる。なお、マルチプローブ１１０の場合は、各々の触針式プローブ１０毎に、この測定値の配列データを取得する。
Then, after the parallel configuration described above, by pressing the
FIG. 5B shows a state where the pushing amount z is given to the
図７は、押し込み量ｚを段階的に変化させたときの触針式プローブ１０の形状変化を模式的に示す側面図である。図７（ａ）は初期押し込み量ｚ０＝０．０５μｍ、図７（ｂ）は押し込み量ｚ＝０．２μｍの場合であり、中間は図示を省略し、図７（ｃ）は押し込み量ｚ＝０．８μｍ、図７（ｄ）は押し込み量ｚ＝１．０μｍの場合である。
FIG. 7 is a side view schematically showing a change in the shape of the
測定値のｘ−ｚ配列を用いて、先に算出した初期値のｘ−ｚ配列を校正する。
図８は、初期値のｘ−ｚ配列を測定値のｘ−ｚ配列で修正する方法を説明するグラフである。縦軸はレバー１１のＺ方向の位置ｚ、横軸はＸ方向の位置ｘである。曲線Ａは、ある押し込み量ｚ10を与えたときの理論式（６）によるレバー１１のたわみ曲線である。また、曲線Ｂは、検出された次数の異なる３つの干渉縞の測定値（ｘ１，ｚ10）、（ｘ２，ｚ10）、（ｘ３，ｚ10）により、曲線Ａを修正した後の曲線である。測定値（ｘ１，ｚ10）、（ｘ２，ｚ10）、（ｘ３，ｚ10）の組が測定値のｘ−ｚ配列である。このように、いくつかの測定値（ｘ１，ｚ10）、（ｘ２，ｚ10）、（ｘ３，ｚ10）を用いて理論曲線Ａを修正することにより、各触針式プローブ１０の製造上のばらつき等による誤差を除去することができ、より正確な測定が可能となる。このような初期値のｘ−ｚ配列の修正は、異なる押し込み量ｚの各段階で同様に行う。そして、後述する図９のグラフを得る。
Using the xz array of measured values, the previously calculated xz array of initial values is calibrated.
FIG. 8 is a graph illustrating a method of correcting the xz array of initial values with the xz array of measured values. The vertical axis represents the position z of the
〈干渉縞のｘ位置の測定〉
上述したｘ−ｚ配列データ取得の後に、ステージ１に試料Ｓをセットする。図６は、試料Ｓの表面形状測定中の触針式表面測定装置１００の主要部の模式図である。図６では、マルチプローブ１１０を構成する３個の触針式プローブ１０は、Ｘ方向にピッチ間隔ｐで配設されており、レーザー光源４からの単色のレーザー光によりハーフミラー２ｂを介して一括で照明されている。このレーザー光照射により、触針式プローブ１０とガラス基板２０の間のギャップＧに起因して発生する各々の干渉縞１２４，１２５，１２６は、対物レンズ２ａで拡大され、ハーフミラー２ｂで反射され、リレーレンズ３ａを介してＣＣＤカメラ３により顕微画像として一括で撮影される。触針式プローブ１０のレバーは、ステージ１に載置された試料Ｓに押し込まれることによって撓んでおり、その押し込み量ｚは、各触針式プローブ１０が接触している試料Ｓの凹凸量に応じて触針式プローブ１０毎に異なっているので、同一次数の干渉縞１２４，１２５，１２６が観察される位置も触針式プローブ１０毎に異なっている。このようにして、触針式プローブ１０毎に干渉縞１２４，１２５，１２６の位置ｘがそれぞれ検出される。
<Measurement of x position of interference fringes>
After obtaining the above xz array data, the sample S is set on the
各触針式プローブ１０を試料Ｓの凹凸量に応じた押し込み量ｚで変形させた状態で、各触針式プローブ１０に割り当てられた領域の走査を行う。例えば、Ｘ方向に走査する場合、触針式プローブ１０のピッチ間隔がｐであるから、距離ｐだけ走査すれば所定の形状測定が終了する。Ｙ方向に走査する場合も同様に、触針式プローブ１０のＹ方向におけるピッチ間隔だけ走査すればよい。このように、マルチプローブ１１０を用いることにより、短い走査距離で広い領域の形状測定が可能となる。換言すれば、短時間で形状測定が可能となる。なお、走査を行わず、マルチプローブ１１０を試料Ｓに接触させるだけの測定も勿論可能である。この場合は、さらに短時間で形状測定が可能となる。
In a state where each
このような干渉縞の位置測定においては、干渉縞を精度良く検出することが重要である。本実施の形態では、干渉縞の変位が微小であっても変位を精度良く検出できるようにするために、干渉縞の顕微画像を光の強度分布として検出する。干渉縞検出の分解能は、顕微鏡２を含む光学系の拡大倍率とＣＣＤカメラ３のＣＣＤの画素寸法により概ね決まるので、その分解能のピッチで、レバー１１の撓み曲線の理論式、すなわち前述した式（６）を用いて押し込み量ｚとレバー１１の撓みとの関係を算出できる。例えば、レバー１１の長さをＬ＝４０μｍ、ギャップ初期間隔をｇ＝１．０μｍとし、押し込み量ｚの分解能０．０１μｍを得るには、光学系の拡大倍率を３倍、ＣＣＤの画素寸法を７．４μｍ（４００万画素）とすれば、干渉縞の変位ｘ＝３．５μｍはＣＣＤ上では１０．５μｍとなるので、十分に変位を認識できる。
In such interference fringe position measurement, it is important to accurately detect the interference fringes. In the present embodiment, a microscopic image of an interference fringe is detected as a light intensity distribution so that the displacement can be accurately detected even if the displacement of the interference fringe is minute. The resolution of interference fringe detection is largely determined by the magnification of the optical system including the
〈ｘ−ｚ配列データを用いたｚ位置の算出〉
試料Ｓ上の走査位置Ｘ１で干渉縞がｘ＝５．０μｍの位置に検出され、走査位置Ｘ２で干渉縞がｘ＝１１．０μｍの位置に検出されたときの走査位置Ｘ１とＸ２との段差量は以下のようにして算出される。
図９は、初期値のｘ−ｚ配列を測定値のｘ−ｚ配列で修正した結果を表すグラフの一例である。このようなグラフは、校正されたｘ−ｚ配列データ、すなわち位置情報である。縦軸はガラス基板２０からレバー１１までの距離（ｇ−ｚ）、横軸はレバー１１上のＸ方向の位置ｘであり、ギャップ初期間隔ｇ＝１．０μｍである。グラフ中、曲線Ｃ１は図７（ａ）に、曲線Ｃ２は図７（ｂ）に、曲線Ｃ５は図７（ｃ）に、曲線Ｃ６は図７（ｄ）に、それぞれ対応する。
<Calculation of z position using xz array data>
The step between the scanning positions X1 and X2 when the interference fringe is detected at the position of x = 5.0 μm at the scanning position X1 on the sample S and the interference fringe is detected at the position of x = 11.0 μm at the scanning position X2. The amount is calculated as follows.
FIG. 9 is an example of a graph showing a result of correcting the xz array of initial values with the xz array of measured values. Such a graph is calibrated xz array data, that is, position information. The vertical axis represents the distance (g-z) from the
ｘ＝５．０μｍの測定値を図９に適用すると、この干渉縞はギャップ間隔ｄ１で発生するから、レバー１１とガラス基板２０との間隔がｄ１となるのは、押し込み量ｚ＝０．６０μｍ、すなわち距離（ｇ−ｚ）＝０．４０μｍとなる曲線Ｃ４である。一方、ｘ＝１１．０μｍの測定値を図９に適用すると、レバー１１とガラス基板２０との間隔がｄ１となるのは、押し込み量ｚ＝０．８０μｍ、すなわち距離（ｇ−ｚ）＝０．２０μｍとなる曲線Ｃ５である。したがって、走査位置Ｘ１とＸ２との凹凸段差量Δｚは、押し込み量ｚの差分または距離（ｇ−ｚ）の差分である０．２０μｍとなる。
When the measured value of x = 5.0 μm is applied to FIG. 9, this interference fringe is generated with a gap distance d1, so the distance between the
図９のグラフにおいて数本の曲線Ｃ１〜Ｃ６で表しているように、０．２μｍピッチでｘ−ｚ配列を作成しているので、配列で与えられる座標値はとびとびの値である。座標値と座標値の間は、理論式である式（６）により埋めることができるので、干渉縞の位置あるいは変位量がどのような値をとったとしても、押し込み量あるいはその変化量を求めることができる。なお、この実施の形態では、初期値のｘ−ｚ配列を測定値のｘ−ｚ配列で修正したが、修正を省略して初期値のｘ−ｚ配列をそのまま使用してもよい。 As represented by several curves C1 to C6 in the graph of FIG. 9, the xz array is created at a pitch of 0.2 μm, and therefore the coordinate values given by the array are discrete values. Since the coordinate value can be filled with the formula (6), which is a theoretical formula, whatever value the position or displacement of the interference fringe takes, the amount of push-in or the amount of change is obtained. be able to. In this embodiment, the xz array of initial values is corrected with the xz array of measured values. However, the correction may be omitted and the xz array of initial values may be used as they are.
以上説明したような干渉縞の位置ｘあるいは変位量Δｘから押し込み量ｚあるいは変化量Δｚを演算する処理は、制御演算部５において、マルチプローブ１１０を構成する各々の触針式プローブ１０について実行される。このような演算処理は、基本的には、検出された干渉縞の強度分布をビットマップ信号として制御演算部５の記憶部（不図示）に一旦格納し、所定のすべての検出（測定）が終了した時点で干渉縞の強度分布を解析して位置ｘあるいは変位量Δｘとして求め、最終的に押し込み量ｚあるいは変化量Δｚを得る処理である。また、初期値のｘ−ｚ配列データを測定値のｘ−ｚ配列データで校正する処理も制御演算部５において実行される。
The process of calculating the push amount z or the change amount Δz from the interference fringe position x or the displacement amount Δx as described above is executed for each
次に、本実施の形態の触針式プローブ１０の製造工程について、図１０〜１３を参照しながら詳しく説明する。
図１０は、工程Ａ〜Ｈにおける触針式プローブ１０の状態を示す断面図であり、図１０（ａ）〜図１０（ｈ）はそれぞれ工程Ａ〜Ｈに対応する。同様に、図１１は、工程Ｉ〜Ｎにおける触針式プローブ１０の状態を示す断面図であり、図１１（ａ）〜図１１（ｆ）はそれぞれ工程Ｉ〜Ｎに対応する。図１２は、触針式プローブ１０の製造工程で用いられるマスクの概略図であり、図１２（ａ）〜図１２（ｃ）はそれぞれ工程Ｄ、Ｊ、Ｌで用いられるマスクを示し、塗りつぶし部分が遮蔽部分を表す。
Next, the manufacturing process of the
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the state of the
図１０を参照すると、工程Ａでは、表面を主面（００１）とする単結晶シリコンウエハ５０（以下、Ｓｉウエハ５０と呼ぶ）を用意する。
工程Ｂでは、Ｓｉウエハ５０に高温水蒸気を作用させるウエット酸化を行い、Ｓｉウエハ５０の表裏両面に厚さ０．２μｍの酸化膜５１ａ，５１ｂを形成する。
工程Ｃでは、酸化膜５１ａ，５１ｂの上にレジスト層５２ａ，５２ｂをそれぞれ形成する。
工程Ｄでは、図１２（ａ）に示すマスク１を用いて露光・現像を行い、レジスト層５２ａの円形部分Ｈを除去する。この円形部分Ｈは、将来、探針１２が形成される部分である。
Referring to FIG. 10, in step A, a single crystal silicon wafer 50 (hereinafter referred to as Si wafer 50) whose surface is the main surface (001) is prepared.
In step B, wet oxidation is performed by applying high-temperature steam to the
In step C, resist
In step D, exposure and development are performed using the
工程Ｅでは、円形部分Ｈに露出している酸化膜５１ａを緩衝フッ化水素（ＢＨＦ）溶液を用いてエッチングする。このとき、Ｓｉウエハ５０の裏面に形成されているレジスト層５２ｂは、酸化膜５１ｂがエッチングされるのを阻止する保護層として働く。
工程Ｆでは、ＴＭＡＨ（tetra methyl ammonium hydroxide）溶液を用いて異方性エッチングを行い、円形部分ＨのＳｉウエハ５０を掘り下げる。そのエッチング除去した形状は逆四角錐となり、その４つの錘面Ｐは（１１１）面である。
工程Ｇでは、Ｓｉウエハ５０に残っているレジスト層５２ａ，５２ｂおよび酸化膜５１ａ，５１ｂを順次除去し、Ｓｉウエハ５０の表裏両面を露出させる。
工程Ｈでは、Ｓｉウエハ５０の露出している面に、表面保護のための酸化膜５３ａ，５３ｂをウエット酸化法で厚さ０．５μｍ形成する。
In step E, the
In step F, anisotropic etching is performed using a TMAH (tetramethyl ammonium hydroxide) solution, and the
In step G, the resist
In step H,
続いて図１１を参照すると、工程Ｉでは、酸化膜５３ａ，５３ｂの上に、低圧ＣＶＤ法でＳｉＮ膜５４ａ，５４ｂをそれぞれ厚さ０．８μｍ形成する。
工程Ｊでは、図１２（ｂ）に示すマスク２を用い、Ｃ２Ｆ６ガスによるＲＩＥ（reactive ion etching）でＳｉＮ膜５４ａ、酸化膜５３ａの２層を部分除去する。この工程でレバー本体１１の長さＬと幅ｗが規定される（図１２（ｂ）参照）。なお、裏面側のＳｉＮ膜５４ｂ、酸化膜５３ｂの２層は全部除去する。
工程Ｋでは、Ｓｉウエハ５０の表面側の全面に、低圧ＣＶＤ法で多結晶シリコン層５５を厚さ１．０μｍ形成する。多結晶シリコン層５５は、パターニングされたＳｉＮ膜５４ａの上とＳｉウエハ５０の露出している面に形成される。
工程Ｌでは、先ず、図１２（ｃ）に示すマスク３を用いてＴＭＡＨ溶液によるパターンエッチングを行い、レバー本体１１上の多結晶シリコン層５５のみを部分的に除去する。このパターンエッチングにより、図１１（ｄ）に示されるように、レバー本体１１の基部側に多結晶シリコン層５５が帯状に残る。この多結晶シリコン層５５は、紙面に垂直な帯状であり、段差を有する。
Next, referring to FIG. 11, in step I,
In step J, using the
In step K, a
In step L, first, pattern etching using a TMAH solution is performed using the
次に、工程Ｌでは、レバー本体１１とガラス基板６０の陽極接合を行う。
図１３は、工程Ｌで行う陽極接合中の触針式プローブ１０の状態を示す断面図である。図に示されるように、多結晶シリコン層５５のパターンエッチングまで終わったＳｉウエハ５０をホットプレート７０上に載置し、Ｓｉウエハ５０の上にパイレックス（登録商標）ガラス製の基板６０を重ねて置く。このガラス基板６０は、多結晶シリコン層５５のみに接触しているため、ガラス基板６０とＳｉＮ膜５４ａとの間には、多結晶シリコン層５５の膜厚に等しいギャップ初期間隔１．０μｍのギャップＧが形成される。また、多結晶シリコン層５５の一端５５ａを直流電源７１の正極に、ガラス基板６０を直流電源７１の負極に接続する。この状態で、ホットプレート７０によりＳｉウエハ５０を４００〜５００℃の温度に保ちながら、直流電源７１により多結晶シリコン層５５とガラス基板６０との間に５００Ｖ程度の直流電圧を印加する陽極接合を行う。パイレックス（登録商標）ガラス中の正電荷のアルカリイオンが多結晶シリコン層５５へ移動して多結晶シリコン層５５とガラス基板６０とが接合される。
Next, in process L, anodic bonding of the lever
FIG. 13 is a cross-sectional view showing the state of the
図１１に戻り、工程Ｍでは、混合ガス（ＳＦ６＋Ｏ２）を用いたＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）によりＳｉウエハ５０の裏面から厚さ方向にエッチングし、Ｓｉウエハ５０を除去する。ＩＣＰ−ＲＩＥによるエッチング作用は酸化膜５３ａで停止する。
工程Ｎでは、緩衝フッ化水素溶液で酸化膜５３ａを溶解除去する。この工程で、多結晶シリコン層５５を介在層としてガラス基板６０に接合された触針式プローブ１０が完成する。レバー１１および探針１２は、硬い窒化シリコンから作製されるので、耐久性に優れている。
Returning to FIG. 11, in step M, etching is performed in the thickness direction from the back surface of the
In step N, the
上記の製造工程では、１個の触針式プローブ１０についての一連の作製手順を説明したが、実際の製造工程は、Ｓｉウエハ単位で行われる、いわゆるバッチ処理である。このバッチ処理では、フォトリソグラフィー法により、１枚のＳｉウエハから複数のマルチプローブ１１０を一括で作製することができ、これらの複数のマルチプローブ１１０を同時に１枚のガラス基板２０に接合することができ、大幅な製造コストの削減をもたらすものである。
In the above manufacturing process, a series of manufacturing procedures for one
以上説明したように、本実施の形態による触針式表面測定装置１００は次のような作用効果を奏する。
（１）顕微鏡２とＣＣＤカメラ３により、触針式プローブ１０とガラス基板２０とのギャップによって発生する干渉縞を検出するので、光学的な位置合わせが簡便である。
（２）複数の触針式プローブ１０の集合体（マルチプローブ１１０）を形状測定に使用する場合、光学的な位置合わせは１回で済み、位置合わせ作業が簡便である。
（３）マルチプローブ１１０を形状測定に使用することにより、広い面積の測定を短時間で行うことができる。
（４）マルチプローブ１１０を用い、検出された各々の触針式プローブ１０からの干渉情報を並列処理することにより、リアルタイムイメージングを実現できる。
As described above, the stylus type
(1) Since the interference fringes generated by the gap between the
(2) When an assembly of a plurality of stylus probes 10 (multi-probe 110) is used for shape measurement, optical alignment is only required once, and the alignment operation is simple.
(3) By using the multi-probe 110 for shape measurement, a wide area can be measured in a short time.
(4) Real-time imaging can be realized by using the
また、触針式プローブ１０あるいはマルチプローブ１１０は、半導体プロセスを用いて製作されるので、小型化、多数の触針式プローブ１０を集積するマルチ化が低コストで容易に実現できる。
In addition, since the
上記の実施の形態では、ステージ１が、ガラス基板２０とステージ１または試料Ｓの表面とが平行となるように調整するための傾斜機構１ａを有するが、ステージ１には傾斜機構１ａを設けず、このような傾斜機構を保持部７に設けてもよい。平行出し調整の手法としては、実施の形態に限らず、例えばマルチプローブ１１０の三隅あるいは四隅に配置された触針式プローブ１０に、同時に干渉縞が認められた場合に平行となったと判定する手法を用いてもよい。また、実施の形態では、駆動機構１ｂによりＸ，Ｙ，Ｚの３方向に移動可能なステージ１を用いたが、これらの動きの一部または全部を保持部７に代行させてもよい。つまり、マルチプローブ１１０と試料Ｓあるいはステージ１とは相対的に移動できればよい。
In the above embodiment, the
さらに、実施の形態の顕微鏡２では、ガラス基板２０の内側表面に現れる干渉縞に焦点を合わせるが、干渉縞だけではなく試料表面にも焦点を合わせられる長焦点距離の対物レンズを装着すれば、試料表面の観察と干渉縞の観察を迅速に切り替えることができる。
Furthermore, in the
本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。マルチプローブ１１０のみならず、一つの触針式プローブ１０を用いる触針式表面測定装置にも本発明は適用できる。
The present invention is not limited to the embodiments described above as long as the characteristics are not impaired. The present invention can be applied not only to the multi-probe 110 but also to a stylus-type surface measuring apparatus using one stylus-
なお、特許請求の範囲と実施の形態による構成要素の対応関係については、顕微鏡２とＣＣＤカメラ３が検出手段に、制御演算部５が演算手段に、スペーサー１３が介在層に、駆動機構１ｂが駆動手段にそれぞれ対応する。以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
As for the correspondence between the claims and the components according to the embodiment, the
１：ステージ ２：顕微鏡
３：ＣＣＤカメラ ４：レーザー光源
５：制御演算部 ７：保持部
８：ピエゾ素子 １０：触針式プローブ
１１：レバー １２：探針
１３：スペーサー ２０，６０：ガラス基板
５０：シリコンウエハ ５５：多結晶シリコン層
１００：触針式表面測定装置 １１０：マルチプローブ
１２１〜１２７：干渉縞 Ｇ：ギャップ
Ｓ：試料
1: Stage 2: Microscope 3: CCD camera 4: Laser light source 5: Control operation unit 7: Holding unit 8: Piezo element 10: Probe probe 11: Lever 12: Probe 13:
Claims (9)
前記片持ちレバーと所定の間隔で対向配置される透明基板とを備えることを特徴とするプローブ装置。 A probe having a cantilever lever and a probe provided at the tip of the cantilever lever;
A probe apparatus comprising: the cantilever lever and a transparent substrate disposed to face each other at a predetermined interval.
前記プローブが複数設けられていることを特徴とするプローブ装置。 The probe device according to claim 1,
A probe apparatus comprising a plurality of the probes.
前記複数のプローブは２次元的に配列されていることを特徴とするプローブ装置。 The probe apparatus according to claim 2, wherein
The probe apparatus, wherein the plurality of probes are two-dimensionally arranged.
半導体プロセスにより１枚のウエハに前記複数のプローブを作製する工程と、
前記複数のプローブのそれぞれの基部に前記所定の間隔を規定する介在層を形成する工程と、
前記介在層と前記透明基板とを接合する工程とを含むことを特徴とするプローブ装置の製造方法。 In the manufacturing method of the probe apparatus according to claim 2 or 3,
Producing the plurality of probes on one wafer by a semiconductor process;
Forming an intervening layer that defines the predetermined interval at the base of each of the plurality of probes;
A method for manufacturing a probe device comprising the step of bonding the intervening layer and the transparent substrate.
前記介在層はシリコン層であり、前記透明基板はガラス基板であり、前記介在層と前記透明基板との接合に陽極接合を用いることを特徴とするプローブ装置の製造方法。 In the manufacturing method of the probe apparatus according to claim 4,
The method for manufacturing a probe device, wherein the intervening layer is a silicon layer, the transparent substrate is a glass substrate, and anodic bonding is used for bonding the intervening layer and the transparent substrate.
請求項１〜３のいずれか一項に記載のプローブ装置と、
単色光を前記透明基板を通して前記片持ちレバーへ照射する照明手段と、
前記片持ちレバーと透明基板との間隔の変化によって変位する干渉情報を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記干渉情報の位置から前記試料の表面形状データを算出する演算手段とを備えることを特徴とする触針式表面測定装置。 In a stylus type surface measurement device that measures the surface shape of the sample by bending the cantilever lever by bringing a probe provided at the tip of the cantilever lever into contact with the sample,
The probe device according to any one of claims 1 to 3,
Illumination means for irradiating the cantilever lever with monochromatic light through the transparent substrate;
Detection means for detecting interference information displaced by a change in the distance between the cantilever lever and the transparent substrate;
A stylus-type surface measurement apparatus comprising: a calculation unit that calculates surface shape data of the sample from the position of the interference information detected by the detection unit.
前記プローブ装置を保持する保持部と前記試料を保持するステージとを相対的に移動させる駆動手段をさらに備えることを特徴とする触針式表面測定装置。 In the stylus type surface measuring apparatus according to claim 6,
A stylus-type surface measuring apparatus, further comprising a drive unit that relatively moves a holding unit that holds the probe device and a stage that holds the sample.
前記演算手段は、前記干渉情報の位置と前記片持ちレバーと透明基板との間隔との関係を表す位置情報を用いて、検出された前記干渉情報の位置から前記片持ちレバーと透明基板との間隔を算出し、前記試料の表面形状データを算出することを特徴とする触針式表面測定装置。 In the stylus type surface measuring device according to claim 6 or 7,
The calculation means uses position information representing a relationship between a position of the interference information and a distance between the cantilever lever and the transparent substrate, and detects the position of the cantilever lever and the transparent substrate from the detected position of the interference information. A stylus-type surface measuring device, characterized in that an interval is calculated and surface shape data of the sample is calculated.
前記位置情報は、前記片持ちレバーの撓み変形を表す理論式を、前記片持ちレバーに所定の撓み変形を与えたときの前記干渉情報の位置を実測して得た測定値で校正したものであることを特徴とする触針式表面測定装置。 In the stylus type surface measuring device according to claim 8,
The position information is obtained by calibrating a theoretical formula representing the bending deformation of the cantilever lever with a measured value obtained by actually measuring the position of the interference information when a predetermined bending deformation is applied to the cantilever lever. There is a stylus type surface measuring device characterized by that.
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