JP5196622B2 - 触針式表面測定装置 - Google Patents
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Description
(2)請求項2に係る発明は、請求項1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。
(3)請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の触針式表面測定装置において、試料を保持するステージは、試料の表面と透明基板とを平行となるように調整するための傾斜機構を備えることを特徴とする。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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
Claims (3)
- 片持ちレバーと前記片持ちレバーの先端に設けられた探針とを有する複数のプローブと、
複数の前記片持ちレバーの基部が固定された透明基板と、
単色光を前記透明基板を通して複数の前記片持ちレバーへ一括照射する照明手段と、
前記照明手段で単色光が一括照射されたときに前記透明基板と前記片持ちレバーとの間の間隔に起因して透明基板に生成される干渉縞であって、前記探針を試料に接触させた時に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縞の位置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縞の位置から、前記探針の前記透明基板に対する探針位置を算出する探針位置計算手段とを備え、
複数の前記プローブは2次元的に配列され、
前記検出手段は、前記透明基板に生成される干渉縞および前記試料の表面を観察可能な対物レンズを有する顕微鏡と、前記照明手段により当該複数のプローブ上で一括照明される領域を撮像する撮像装置とを有し、この撮像装置の撮像情報に基づいて前記複数のプローブのそれぞれの干渉縞の位置を検出し、
前記探針位置計算手段は、複数の前記プローブの各々において、前記干渉縞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、前記検出手段により検出された前記干渉縞の位置から前記探針と透明基板との間隔を算出し、前記複数のプローブの各々についての算出結果に基づいて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。 - 請求項1に記載の触針式表面測定装置において、
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。 - 請求項1または2に記載の触針式表面測定装置において、
前記試料を保持するステージは、前記試料の表面と前記透明基板とを平行となるように調整するための傾斜機構を備えることを特徴とする触針式表面測定装置。
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