JPH04137644A - Film thickness measuring method and film thickness measuring instrument - Google Patents
Film thickness measuring method and film thickness measuring instrumentInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
［発明の目的コ
（産業上の利用分野）
本発明は、原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと略記する）
を利用して、基板上の薄膜の膜厚を測定する膜厚測定方
法及び膜厚測定装置に関する。[Detailed Description of the Invention] [Object of the Invention (Industrial Application Field) The present invention relates to an atomic force microscope (hereinafter abbreviated as AFM).
The present invention relates to a film thickness measuring method and a film thickness measuring device that measure the thickness of a thin film on a substrate using the method.
（従来の技術）
マイクロエレクトロニクスの分野において、絶縁性の薄
膜の果たす役割は極めて大きく、またその膜厚は益々薄
くなっている。特に、メモリに応用される絶縁膜は、メ
モリの高集積化に伴いその膜厚が非常に薄くなっており
、数ｎｒｉ程度の酸化膜も実用化されている。(Prior Art) In the field of microelectronics, insulating thin films play an extremely important role, and their thicknesses are becoming thinner and thinner. In particular, the thickness of insulating films applied to memories has become extremely thin as memories have become highly integrated, and oxide films of about several nanometers are now in practical use.
このような絶縁性薄膜の実用上の大きな問題点の１つは
、膜厚の不均一性である。局所的に膜厚が薄くなってい
ると、絶縁膜に電圧を印加した際にその箇所でリーク電
流が流れ、絶縁膜として実用的には役立たなくなる。従
って、絶縁性薄膜の実用化には、その薄膜の膜厚の均一
性の評価が不可欠である。もしも、下地の表面の平坦性
が予め保障されていれば、その上に付けた絶縁膜の厚さ
の不均一性は、膜の表面の凹凸となって表われる。この
ような場合には、電子顕微鏡法による表面観察により膜
厚の均一性を評価することができる。One of the major practical problems with such insulating thin films is non-uniformity in film thickness. If the film thickness is locally reduced, a leakage current will flow at that location when a voltage is applied to the insulating film, making it practically useless as an insulating film. Therefore, in order to put an insulating thin film into practical use, it is essential to evaluate the uniformity of the thickness of the thin film. If the flatness of the underlying surface is guaranteed in advance, non-uniformity in the thickness of the insulating film formed thereon will appear as unevenness on the surface of the film. In such a case, the uniformity of the film thickness can be evaluated by surface observation using an electron microscope.
しかし、ナノメートル領域の薄膜の評価においては、下
地の表面の平坦性として数ｎＩＩ＋以下が要求されるこ
とになり、このような下地の作製は必ずしも容易なこと
ではない。実用に供されている下地は、ｎｓの凹凸を有
していることが多く、このような下地の場合には、下地
表面の凹凸によっても膜厚が不均一となる。つまり、薄
膜の表面が平坦であっても、下地の凸の部分では膜厚は
薄くなっている。このような絶縁膜と下地との界面の凹
凸による膜厚の不均一性を、膜表面の観察によって評価
することは極めて困難である。However, in evaluating thin films in the nanometer range, the surface flatness of the base is required to be several nII+ or less, and it is not necessarily easy to prepare such a base. The bases used in practical use often have irregularities of ns, and in the case of such bases, the film thickness becomes non-uniform due to the irregularities on the surface of the base. In other words, even if the surface of the thin film is flat, the film thickness is thinner at the convex portions of the underlying layer. It is extremely difficult to evaluate the non-uniformity of the film thickness due to the unevenness of the interface between the insulating film and the base by observing the film surface.
膜厚の不均一性の評価のもう１つの難点は、局所的な不
均一性を評価しなければならないことにある。膜厚か薄
くなるに従って、電流リークの起きる領域の大きさも小
さくなってきており、ナノメートル領域の絶縁膜の場合
には、膜厚の不均一性についても数ｎ■の空間分解能で
評価することが要求されている。エリプソメトリ−を始
めとする既存の膜厚測定手段は、膜厚について数人の精
度を存しているが、空間的な分解能については上記の要
求を満たすことができない。Another difficulty in evaluating film thickness non-uniformity is that local non-uniformity must be evaluated. As the film thickness becomes thinner, the size of the region where current leaks occur also becomes smaller, and in the case of insulating films in the nanometer range, it is necessary to evaluate the non-uniformity of the film thickness with a spatial resolution of several nanometers. is required. Existing film thickness measurement means, including ellipsometry, have some degree of accuracy in film thickness, but cannot meet the above requirements in terms of spatial resolution.
ところで、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ
Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ： Ａ Ｆ Ｍ ）は、最近開
発された新型の走査顕微鏡で、物質量に働く力により表
面の二次元的な観察像を形成する。走査型トンネル顕微
鏡（ＳＴＭ）と異なり、電気伝導性のない材料表面や有
機分子が六ツメートルスケールで観察できることから、
広範な応用が期待されている。By the way, atomic force microscope
Microscope (AFM) is a recently developed new type of scanning microscope that forms a two-dimensional observation image of the surface by the force acting on the amount of material. Unlike a scanning tunneling microscope (STM), it allows observation of non-electrically conductive material surfaces and organic molecules on a 6 meter scale.
A wide range of applications are expected.
ＡＦＭは第５図に示すように、先端曲率半径の小さな探
針をもつ板バネ状のカンチレバ一部（カー変位トランス
デユーサ系）と、このレバーの曲がりを測定する系（変
位測定系）から構成される。一般に、無極性の物質表面
間には、遠距離で分散力による微弱な引力（〜１Ｏ−９
Ｎ中性原子間に働く引力の典型的な大きさ）が働き、近
距離では斥力か働く。レバーの曲かりは作用する力に比
例するため、この曲がりを測定することによって、探針
先端とこれに数ｎ１１以内に近接する試料表面間に働く
この微弱で局所的な力を検出することが可能となる。さ
らに、試料を走査することにより、試料表面の力の二次
元的情報が得られる。ＳＴＭと同様にして、この力（即
ちレバーの曲がり）を一定にするように試料の位置を制
御しながら、試料を走査することで、表面の微視的形状
もまた知ることができる。As shown in Figure 5, the AFM consists of a part of a leaf spring-shaped cantilever with a tip with a small radius of curvature (Kerr displacement transducer system) and a system that measures the bending of this lever (displacement measurement system). configured. In general, there is a weak attractive force (~1O-9
The typical attractive force between N neutral atoms acts, and at short distances a repulsive force acts. Since the bending of the lever is proportional to the force acting on it, by measuring this bending, it is possible to detect this weak, local force that acts between the tip of the probe and the sample surface that is close to it within a few n11. It becomes possible. Furthermore, by scanning the sample, two-dimensional information on the force on the sample surface can be obtained. Similar to STM, the microscopic topography of the surface can also be determined by scanning the sample while controlling the position of the sample to keep this force (ie lever bending) constant.
実際の力の検出部は、微細な金属箔（線）や５ｉｎ２膜
やＳｉ、Ｎ４膜を用いた薄膜状のカンチレバーが使用さ
れている。変位の検出感度を０．ｌｒｖとすると、１Ｏ
−９Ｎの力の検出が可能なためには弾性定数は１０ Ｎ
／ｍ以下の柔らかいバネでなければならない。しかしな
がら同時に、走査系の掃引周波数と防振の点からレバー
の共振周波数を低くすることはできない。この−見相反
する条件を満足させるにはレバーを極力小さく作る必要
がある。−例として、第６図に示すように、Ｖ型のＡＦ
Ｍ用レバーが開発されている。The actual force detection section uses a thin film cantilever using fine metal foil (wire), 5in2 film, Si, or N4 film. Set the displacement detection sensitivity to 0. If lrv, 1O
In order to be able to detect a force of -9N, the elastic constant must be 10N.
It must be a soft spring of /m or less. However, at the same time, the resonant frequency of the lever cannot be lowered in terms of the sweep frequency of the scanning system and vibration isolation. In order to satisfy these contradictory conditions, it is necessary to make the lever as small as possible. - For example, as shown in Figure 6, a V-type AF
A lever for M has been developed.
変位測定系はサブナノメートルの分解能をもつ必要があ
り、第７図に示すように、カンチレバーの探針取付は側
と反対面に斜め方向から光を照射し、その反射光を光検
出器により検出する、いわゆる光てこ法が良く用いられ
ている。The displacement measurement system needs to have sub-nanometer resolution, and as shown in Figure 7, the cantilever probe is attached by illuminating the side and the opposite side with light from an oblique direction, and detecting the reflected light with a photodetector. The so-called optical lever method is often used.
上述したＡＦＭであれば、基板上に形成された絶縁膜の
表面形状を水平及び垂直測定分解能とも堆積度で求める
ことができる。しかしながら、ＡＦＭを用いても、基板
上に形成された絶縁薄膜の厚さを直接求めることはでき
ない。With the above-mentioned AFM, the surface shape of the insulating film formed on the substrate can be determined by the degree of deposition with both horizontal and vertical measurement resolution. However, even using AFM, it is not possible to directly determine the thickness of an insulating thin film formed on a substrate.
（発明が解決しようとする課題）
このように従来、基板上に形成された薄膜の膜厚分布を
高分解能で測定することは困難であった。また、ＡＦＭ
を用いると、薄膜の表面形状を水平及び垂直測定分解能
とも入程度で求めることができるが、この場合も基板上
に形成された薄膜の厚さを直接求めることはできない。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, it has conventionally been difficult to measure the film thickness distribution of a thin film formed on a substrate with high resolution. Also, AFM
Using this method, it is possible to determine the surface shape of a thin film with both horizontal and vertical measurement resolution, but in this case as well, the thickness of the thin film formed on the substrate cannot be directly determined.
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、探針を用いて基板上の薄膜の厚さを
直接求めることができ、薄膜の厚さを高分解能で測定す
ることのできる膜厚測定方法及びこれを実施するための
薄膜測定装置を提供することにある。The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and its purpose is to be able to directly determine the thickness of a thin film on a substrate using a probe, and to measure the thickness of a thin film with high resolution. The object of the present invention is to provide a method for measuring film thickness that can be used to measure a film thickness, and a thin film measuring device for carrying out the method.
［発明の構成］
（課題を解決するための手段）
本発明の骨子は、ＡＦＭやＳＴＭ等の探針を基板表面に
近接させて基板表面の凹凸を測定すると共に、薄膜を一
部除去してその段差を測定することにある。[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) The gist of the present invention is to measure irregularities on the substrate surface by bringing a probe such as AFM or STM close to the substrate surface, and to remove a portion of the thin film. The purpose is to measure the difference in level.
即ち本発明は、基板表面に形成された薄膜の膜厚を測定
する膜厚測定方法において、基板上の薄膜を選択的に除
去したのち、薄膜の除去された領域と該薄膜の除去され
ていない領域との境界をＡＦＭやＳＴＭの探針の走査領
域内にセットし、次いで探針を基板表面に近接させた状
態で該探針を走査して、境界における段差を計測するよ
うにした方法である。That is, the present invention provides a film thickness measurement method for measuring the thickness of a thin film formed on the surface of a substrate, after selectively removing the thin film on the substrate, the area where the thin film has been removed and the area where the thin film has not been removed. A method in which the boundary with the area is set within the scanning area of the AFM or STM probe, and then the probe is scanned with the probe close to the substrate surface to measure the step difference at the boundary. be.
また本発明は、上記方法を実施するための膜厚測定装置
において、基板表面に探針を近接させ、これらの間に働
く原子間力を利用して基板表面の凹凸を検出するＡＦＭ
と、基板上に形成された薄膜を選択的に除去するマイク
ロインジェクタ等の手段とを具備したものであり、薄膜
の除去された領域と該薄膜の除去されていない領域との
段差を検出して前記薄膜の膜厚を測定することを特徴と
している。The present invention also provides a film thickness measuring device for carrying out the above method, in which a probe is brought close to the substrate surface and an AFM detects irregularities on the substrate surface by utilizing atomic force acting between the probes.
and a means such as a microinjector for selectively removing a thin film formed on a substrate, and detecting a level difference between an area where the thin film has been removed and an area where the thin film has not been removed. The method is characterized in that the thickness of the thin film is measured.
（作用）
本発明によれば、基板上の薄膜のみを選択的に取り除き
、例えば顕微鏡を用いて薄膜の取り除かれた領域と薄膜
の残る領域との境界付近にＡＦＭカンチレバーの探針を
位置決めすることにより、境界における段差の高さを測
定することができる。ここで、段差は薄膜の膜厚に等し
いものであるから、結果として基板上の薄膜の厚さを求
めることが可能となる。また、基板を切断してその断面
を観察する破壊検査とは異なり、薄膜の一部を除去する
だけで膜厚測定ができるので、薄膜を除去する部分を素
子に影響を及ぼさない領域とすれば非破壊検査が可能と
なる。(Function) According to the present invention, only the thin film on the substrate is selectively removed, and the probe of the AFM cantilever is positioned near the boundary between the area where the thin film is removed and the area where the thin film remains, using a microscope, for example. This allows the height of the step at the boundary to be measured. Here, since the step is equal to the thickness of the thin film, it is possible to determine the thickness of the thin film on the substrate as a result. In addition, unlike destructive testing, which involves cutting the substrate and observing its cross section, film thickness can be measured by simply removing a portion of the thin film. Non-destructive testing becomes possible.
（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。(Example) Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
第１図は、本発明の第１の実施例に係わる膜厚測定装置
を示す概略構成図である。試料らは、例えばシリコン基
板等の下地２と、この上に形成され５ｉｎ２等の絶縁膜
３からなる。試料５は、試料５の表面に平行な方向（Ｘ
、Ｙ方向）及び試料５の表面に垂直な方向（Ｚ方向）に
変位する微動用の圧電アクチュエータ１０上に載置され
、このアクチュエータ１０はｘ、ｙ、ｚ方向に変位する
粗動用の圧電アクチュエータｌｌ上に固定され、さらに
アクチュエータ１１は基台２８上に設置されている。そ
して、これらのアクチュエータ１０．１１は、アクチュ
エータ制御回路１２により駆動される。制御回路１２に
は、コンピュータ１６からＤＡ変換器１７を介して制御
信号Ｘ、Ｙが入力されると共に、後述するフィードバッ
クコントローラ１８から制御信号Ｚが入力される。FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a film thickness measuring device according to a first embodiment of the present invention. The samples consist of a base 2 such as a silicon substrate, and an insulating film 3 of 5in2 or the like formed thereon. The sample 5 is placed in a direction parallel to the surface of the sample 5 (X
, Y direction) and a direction perpendicular to the surface of the sample 5 (Z direction), and this actuator 10 is a piezoelectric actuator for coarse movement that is displaced in the x, y, and z directions. The actuator 11 is further installed on a base 28. These actuators 10.11 are then driven by an actuator control circuit 12. The control circuit 12 receives control signals X and Y from the computer 16 via the DA converter 17, and also receives a control signal Z from a feedback controller 18, which will be described later.
試料５の表面を走査する電解研磨されたタングステン探
針１は、カンチレバー６の先に取付けられており、カン
チレバー６の背面にはミラー７が取付けられている。半
導体レーザ８からのレーザ光はミラー７によって反射さ
れ、位置敏感検出器（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ５ｅｎｓ１ｔ
ｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ） ９によって検知される。An electrolytically polished tungsten probe 1 that scans the surface of the sample 5 is attached to the tip of a cantilever 6, and a mirror 7 is attached to the back of the cantilever 6. The laser beam from the semiconductor laser 8 is reflected by the mirror 7, and is detected by a position sensitive detector (Position 5ens1t).
ive detector) 9.
ここで、レーザ８．ミラー７及び検出器９は光でこを形
成しており、カンチレバー６の変位は、この先てこによ
って測定される。そして、光てこによって測定された信
号は、フィードバックコントローラ１８に供給され、前
記アクチュエータ制御回路１２に供給されると共に、Ａ
Ｄ変換器１５を介してコンピユータ１６に供給されてい
る。Here, the laser 8. The mirror 7 and the detector 9 form an optical lever, and the displacement of the cantilever 6 is measured by the lever. The signal measured by the optical lever is then supplied to a feedback controller 18, which is supplied to the actuator control circuit 12, and
The signal is supplied to a computer 16 via a D converter 15.
カンチレバー６は移動台２０に載置されている。さらに
、カンチレバー６は調整ねじ２１によって、探針１と試
料５が接近又は離散する方向に移動可能（傾けられるよ
うに）なっている。The cantilever 6 is placed on a moving table 20. Further, the cantilever 6 can be moved (tilted) by an adjustment screw 21 in a direction in which the probe 1 and the sample 5 approach or separate.
移動台２０は基台２８に対して、例えばころかり軸受３
３で移動可能に支持されている。移動台２０の移動は基
台２８に固定された、例えばマイクロメータヘッド２２
によって行われる。The movable table 20 has a roller bearing 3, for example, with respect to the base 28.
3 and is movably supported. The movement of the moving table 20 is controlled by a micrometer head 22 fixed to a base 28, for example.
carried out by.
この場合、マイクロメータヘッド２２と移動台２０との
間でのガダをなくすため、移動台はバネ２３によって基
台方向に引張力が加えられている。In this case, in order to eliminate the gap between the micrometer head 22 and the movable table 20, a tension force is applied to the movable table by a spring 23 in the direction of the base.
一方、前記移動台２０と対向する側には第２の移動台２
０′が設けられている。移動台２゜の駆動方法は第１の
移動台２０と同様のため、同一箇所には同一番号を付し
てその説明は省略する。第２の移動台２０′上にはマイ
クロインジェクタ２４が取付けられている。マイクロイ
ンジェクタ２４も同様に調整ねし２１′によって上下方
向に移動可能に取付けられている。マイクロインジェク
タ２４は、容器２６とピストン２７からなる本体、及び
注入針２５からなる。On the other hand, a second movable base 2 is provided on the side opposite to the movable base 20.
0' is provided. Since the driving method of the moving table 2° is the same as that of the first moving table 20, the same parts are given the same numbers and the explanation thereof will be omitted. A microinjector 24 is mounted on the second moving table 20'. Similarly, the microinjector 24 is mounted so as to be movable in the vertical direction by means of an adjustment screw 21'. The microinjector 24 consists of a main body consisting of a container 26 and a piston 27, and an injection needle 25.
容器２６には、基板２上の絶縁膜３のみを溶解させる液
体（絶縁膜がＳｉＯ２であればＨＦ溶液）が注入されて
いる。A liquid (HF solution if the insulating film is SiO 2 ) that dissolves only the insulating film 3 on the substrate 2 is poured into the container 26 .
なお、基台２８の上方には例えば実体顕微鏡２９が設け
られ、この顕微鏡２９により試料５の表面が高倍率で観
察できるようになっている。Note that, for example, a stereoscopic microscope 29 is provided above the base 28, and the surface of the sample 5 can be observed at high magnification using this microscope 29.
次に、上記構成された本装置の作用について説明する。Next, the operation of the apparatus configured as described above will be explained.
まず、カンチレバー６の探針１と試料５とが十分に離れ
た状態で、カンチレバー６を第１の移動台２０を使って
後退させる。第２の移動台２０’をマイクロメータヘッ
ド２２′を回転させて前進させ、注入針２５を顕微鏡２
９の視野のほぼ中心まで運ぶ。調整ねし２１′を使って
注入針２５の先端を試料５の表面に近づける。First, with the probe 1 of the cantilever 6 and the sample 5 sufficiently separated, the cantilever 6 is moved backward using the first moving table 20. The second moving table 20' is moved forward by rotating the micrometer head 22', and the injection needle 25 is moved forward by rotating the micrometer head 22'.
9 to almost the center of the visual field. The tip of the injection needle 25 is brought close to the surface of the sample 5 using the adjusting screw 21'.
この操作は、試料表面に焦点を合せた顕微鏡２９で観察
することによって、注入針２５を接触させることなく容
易に行える。ピストン２７を押し先端から溶液を試料５
の表面上に垂らし絶縁膜３の一部を取り除く。この溶液
によって絶縁膜３が溶解する様子は、顕微鏡観察で容易
に知ることができる。従って、滴下する溶液の量は顕微
鏡観察によって適当に決めればよい。この様子を、第２
図（ａ）〜（ｃ）に示す。This operation can be easily performed without bringing the injection needle 25 into contact by observing the sample surface with a microscope 29 focused on it. Push the piston 27 and pour the solution from the tip into sample 5.
A part of the insulating film 3 hanging on the surface of the wafer is removed. The manner in which the insulating film 3 is dissolved by this solution can be easily seen by microscopic observation. Therefore, the amount of solution to be dropped may be appropriately determined by microscopic observation. This situation can be seen in the second
Shown in Figures (a) to (c).
次いで、注入針２５の先端を試料５から十分離した後、
マイクロメータヘッド２２′を逆回転させ第２の移動台
２０′を後退させる。マイクロメータヘッド２２を回転
させて第１の移動台２０を前進させ、カンチレバー探針
１を絶縁膜３が取り除かれた領域の縁の真上に位置決め
する。即ち、試料５を走査した時に絶縁膜３が取り除か
れた領域と絶縁膜３との両者が観察できるような位置に
探針１を位置決めする（試料５の走査範囲内に探針１を
位置決めする）。調整ねじ２１を使って、探針１の先端
を試料５の表面に近づける。さらに、粗動用圧電アクチ
ュエータ〕１を動かして、試料５を探針１に接近させる
。Next, after separating the tip of the injection needle 25 sufficiently from the sample 5,
The micrometer head 22' is reversely rotated and the second moving stage 20' is moved backward. The micrometer head 22 is rotated to move the first moving stage 20 forward, and the cantilever probe 1 is positioned directly above the edge of the region where the insulating film 3 has been removed. That is, the probe 1 is positioned at a position where both the area where the insulating film 3 is removed and the insulating film 3 can be observed when the sample 5 is scanned (the probe 1 is positioned within the scanning range of the sample 5). ). Using the adjustment screw 21, bring the tip of the probe 1 close to the surface of the sample 5. Furthermore, the coarse movement piezoelectric actuator] 1 is moved to bring the sample 5 closer to the probe 1.
探針１と絶縁膜３とが十分に（２〜３人）接近すると、
両者の間に働く斥力のためにカンチレバー６は変位し、
その変位は検出器９によって検出される。検出器９から
の信号はフィードバックコントローラ１８に入り、フィ
ードバックコントローラ１８はカンチレバー６の変位が
常に一定となるように圧電アクチュエータ１゜のＺ方向
の動きを制御する。この状態で、コンピュータ１６は、
圧電アクチュエータ１ｏを駆動して、試料５をＸ、Ｙ方
向に走査させる。この時、探針１は絶縁膜３から一定斥
力を受けるような軌跡に沿って、基板２と絶縁膜３に接
触（厳密には接触ではなく一定距離（数人）を維持）し
ながら動いてゆく。When the probe 1 and the insulating film 3 get close enough (2 to 3 people),
The cantilever 6 is displaced due to the repulsive force acting between the two,
The displacement is detected by a detector 9. The signal from the detector 9 enters a feedback controller 18, which controls the movement of the piezoelectric actuator 1° in the Z direction so that the displacement of the cantilever 6 is always constant. In this state, the computer 16
The piezoelectric actuator 1o is driven to scan the sample 5 in the X and Y directions. At this time, the probe 1 moves along a trajectory that receives a constant repulsive force from the insulating film 3 while making contact with the substrate 2 and the insulating film 3 (strictly speaking, it is not contact but maintains a certain distance (several people)). go.
従って、第３図に示すようなステップを境にして基板２
の表面と絶縁膜３の表面の形状を知ることができる。さ
らに、ステップ高さを求めれば平均的な絶縁膜３の厚さ
も知ることができる。Therefore, after the steps shown in FIG.
The shape of the surface of the insulating film 3 and the surface of the insulating film 3 can be known. Furthermore, by determining the step height, the average thickness of the insulating film 3 can also be determined.
このように本実施例によれば、マイクロインジェクタ２
４により基板２上に形成された絶縁膜３を一部取り除き
、顕微鏡２９を用いて絶縁膜３の取り除かれた領域と絶
縁膜３の残る領域との境界付近にカンチレバー６の探針
１を位置決めし、圧電アクチュエータ１０により試料５
をＸ、Ｙ方向に走査させることにより、境界における段
差の高さを測定することができる。ここで、段差は薄膜
の膜厚に等しいものであるから、結果として基板２上の
絶縁膜３の厚さを求めることが可能となる。即ち、ＡＦ
Ｍを用いて基板２上の絶縁膜３の厚さを直接求めること
ができ、絶縁膜３の厚さを高分解能で測定することがで
きる。また、基板を切断する必要はなく、測定すべき部
分の絶縁膜３を一部を除去するだけでよいので、テスト
用の試料だけでなく実際の試料にも適用することができ
る。In this way, according to this embodiment, the microinjector 2
4, the insulating film 3 formed on the substrate 2 is partially removed, and the probe 1 of the cantilever 6 is positioned near the boundary between the area where the insulating film 3 is removed and the area where the insulating film 3 remains using a microscope 29. Then, the piezoelectric actuator 10 moves the sample 5
By scanning in the X and Y directions, the height of the step at the boundary can be measured. Here, since the step is equal to the thickness of the thin film, it is possible to determine the thickness of the insulating film 3 on the substrate 2 as a result. That is, AF
The thickness of the insulating film 3 on the substrate 2 can be directly determined using M, and the thickness of the insulating film 3 can be measured with high resolution. Furthermore, there is no need to cut the substrate, and only a portion of the insulating film 3 in the area to be measured needs to be removed, so it can be applied not only to test samples but also to actual samples.
第４図は本発明の第２の実施例を示す概略構成図である
。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して、その
詳しい説明は省略する。この実施例が先に説明した第１
の実施例と異なる点は、カンチレバー６及びマイクロイ
ンジェクタ２４を移動する代わりに、試料５を移動する
構成としたことにある。FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a second embodiment of the present invention. Note that the same parts as in FIG. 1 are given the same reference numerals, and detailed explanation thereof will be omitted. This example is the first example described above.
The difference from the embodiment is that the sample 5 is moved instead of the cantilever 6 and the microinjector 24.
即ち、カンチレバー６とマイクロインジェクタ２４は、
各々調整ねし２１．２１’ によって上下動可能になっ
ているが、移動台ではなく基台２８に直接固定される。That is, the cantilever 6 and the microinjector 24 are
Although they can be moved up and down by adjusting screws 21 and 21', they are fixed directly to the base 28 rather than to the movable table.
なお、カンチレバー６の先端とマイクロインジェクタ２
４の先端は、顕微鏡２９の視野内に入るように近接して
いる。Note that the tip of the cantilever 6 and the microinjector 2
The tips of 4 are close enough to be within the field of view of the microscope 29.
一方、微動用及び粗動用圧電アクチュエータ１０．１１
は、駆動回路３２により駆動されるＸＹ子テーブル１上
に載置されており、これにより試料５は探針１に対して
直交する平面内を自由に移動することが可能となってい
る。On the other hand, piezoelectric actuators for fine movement and coarse movement 10.11
is placed on an XY child table 1 driven by a drive circuit 32, which allows the sample 5 to move freely within a plane perpendicular to the probe 1.
このように構成された本装置においては、まずＸＹ子テ
ーブル１を駆動回路３２で動かし、顕微鏡２９で膜厚を
観察したい場所を捜す。測定場所が決まったらＸＹ子テ
ーブル１を移動させ、マイクロインジェクタ２４の注入
針２５の先端下に観察場所を移動させる。そして、マイ
クロインジェクタ２４の注入針２５を下降させ、容器２
６内の液を滴下させ基板２上の絶縁膜３を一部溶解させ
る。次いで、ＸＹ子テーブル１を移動させ、探針１を絶
縁膜３が取り除かれた領域の縁の真上に位置決めする。In this apparatus configured in this manner, first, the XY child table 1 is moved by the drive circuit 32, and the microscope 29 is used to search for a location where the film thickness is to be observed. Once the measurement location is determined, the XY child table 1 is moved to move the observation location below the tip of the injection needle 25 of the microinjector 24. Then, the injection needle 25 of the microinjector 24 is lowered, and the container 2
The liquid in 6 is dropped to partially dissolve the insulating film 3 on the substrate 2. Next, the XY child table 1 is moved to position the probe 1 directly above the edge of the area where the insulating film 3 has been removed.
調整ねじ３１を使って探針の１先端を試料５の表面に近
づけ観察を行う。さらに、他の場所を観察したい場合に
は、上述した方法で試料位置を変えて行えばよい。Using the adjustment screw 31, one tip of the probe is brought close to the surface of the sample 5 for observation. Furthermore, if it is desired to observe another location, the sample position may be changed using the method described above.
このように本実施例によれば、先の第１の実施例と同様
に基板２上の絶縁膜３の膜厚を測定することができるの
は勿論のこと、試料全面にわたって必要な箇所の膜厚を
測定することが可能となる。As described above, according to this embodiment, it is possible to not only measure the thickness of the insulating film 3 on the substrate 2 similarly to the first embodiment, but also measure the thickness of the insulating film 3 on the entire surface of the sample. It becomes possible to measure the thickness.
なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。実施例では、片持ち梁タイプのカンチレバーを使
用し、光てこにより変位測定を行っているが、他のタイ
プのカンチレ１＜ −（力／変位変換器）及び他の方式
の変位測定方式を採用してもよい。但し、カンチレバー
としては力に対して１Ｏ−１ＯＮ程度の分解能を有する
ことが望ましい。変位方式の他の例としては、例えばカ
ンチレバーの上面のミラーに垂直にレーザ光を照射しそ
の反射光による干渉縞を検出するレーザ干渉計、カンチ
レバーの上面に電極を対向させこれらの間の静電容量を
検出する静電容量型検出器、又はカンチレバーの上方に
ＳＴＭの探針を配置しこれらの間のトンネル電流を測定
する方式等を用いることが可能である。Note that the present invention is not limited to the embodiments described above. In the example, a cantilever type cantilever is used to measure displacement with an optical lever, but other types of cantilevers 1 < - (force/displacement converter) and other displacement measurement methods are also used. You may. However, it is desirable that the cantilever has a resolution of about 1O-1ON with respect to force. Other examples of displacement methods include a laser interferometer that irradiates a laser beam perpendicularly to a mirror on the top surface of a cantilever and detects interference fringes caused by the reflected light, and a laser interferometer that uses electrodes that face the top surface of a cantilever and uses static electricity between them. It is possible to use a capacitance type detector that detects capacitance, or a method in which an STM probe is placed above a cantilever and a tunnel current between these is measured.
また、探針としては、先端が鋭利であればタングステン
以外の金属又は非金属探針を使用することもできる。さ
らに、絶縁膜については、５ｉｎ２以外の他の絶縁膜に
ついても適用することが可能である。また、本発明は絶
縁膜に限らず導電膜についても適用することが可能であ
る。即ち、基板上の薄膜だけを選択的に溶解することが
できれば、あらゆる薄膜に対して適用可能である。導電
膜に適用する場合、ＡＦＭの代わりにＳＴＭを用いるこ
とも可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範
囲で変形して実施することができる。Further, as the probe, a metal other than tungsten or a nonmetallic probe can be used as long as the tip is sharp. Furthermore, as for the insulating film, it is possible to apply other insulating films other than 5in2. Further, the present invention can be applied not only to insulating films but also to conductive films. That is, as long as only the thin film on the substrate can be selectively dissolved, it can be applied to any thin film. When applied to conductive films, it is also possible to use STM instead of AFM. Other modifications may be made without departing from the spirit of the invention.
［発明の効果］
以上詳述したように本発明によれば、ＡＦＭやＳＴＭ等
の探針を基板表面に近接させて基板表面の凹凸を測定す
ると共に、薄膜を一部除去してその段差を測定すること
により、探針を用いて基板上の薄膜の厚さを直接水める
ことができ、薄膜の厚さを高分解能で測定することが可
能となる。[Effects of the Invention] As described in detail above, according to the present invention, the unevenness of the substrate surface is measured by bringing a probe such as an AFM or STM close to the substrate surface, and at the same time, the unevenness of the substrate surface is measured by removing a part of the thin film. By measuring, the thickness of the thin film on the substrate can be directly measured using a probe, and it becomes possible to measure the thickness of the thin film with high resolution.
第１図は本発明の第１の実施例に係わる膜厚測定装置を
示す概略構成図、第２図は基板上の薄膜を取り除く工程
を示す断面図、第３図は測定結果の一例を示す模式図、
第４図は本発明の第２の実施例を示す概略構成図、第５
図乃至第７図は従来技術を説明するためのもので、第５
図はＡＦＭの原理を示す図、第６図はカンチレバーの一
例を示す図、第７図は光てこ方式のレバー変位測定を示
す図である。
１・・・探針、２・・・基板、３・・・絶縁膜（薄膜）
、５・・・試料、６・・・カンチレバー ７・・・ミラ
ー８・・・半導体レーザ、９・・・検出器、１０・・・
微動用圧電アクチュエータ、１１・・・粗動用圧電アク
チュエータ、１６・・・コンピュータ、２０．２０’・
・・移動台、ｊｌ、２１’ ・・・調整ねじ、
２２．２２’ ・・・マイクロメータヘッド、２３．２
３’ ・・・バネ、
２４・・・マイクロインジェクタ、
２５・・・注入針、２８・・・基台、２９・・顕微鏡、
３１・・・ＸＹ子テーブルFig. 1 is a schematic configuration diagram showing a film thickness measuring device according to the first embodiment of the present invention, Fig. 2 is a cross-sectional view showing the process of removing a thin film on a substrate, and Fig. 3 shows an example of measurement results. Pattern diagram,
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing the second embodiment of the present invention, and FIG.
Figures 7 to 7 are for explaining the prior art.
The figures show the principle of AFM, FIG. 6 shows an example of a cantilever, and FIG. 7 shows lever displacement measurement using an optical lever. 1... Probe, 2... Substrate, 3... Insulating film (thin film)
, 5... Sample, 6... Cantilever 7... Mirror 8... Semiconductor laser, 9... Detector, 10...
Piezoelectric actuator for fine movement, 11... Piezoelectric actuator for coarse movement, 16... Computer, 20.20'.
...Moving table, jl, 21' ...Adjustment screw, 22.22' ...Micrometer head, 23.2
3'...Spring, 24...Microinjector, 25...Injection needle, 28...Base, 29...Microscope,
31...XY child table
Claims (2)
と、前記薄膜の除去された領域と該薄膜の除去されてい
ない領域との境界を探針の走査領域内にセットする工程
と、前記探針を基板表面に近接させた状態で、前記探針
と基板を基板表面と平行な方向に相対的に移動し、前記
境界における段差を計測する工程とを含むことを特徴と
する膜厚測定方法。(1) A step of selectively removing a thin film formed on a substrate, and a step of setting a boundary between an area where the thin film is removed and an area where the thin film is not removed within the scanning area of the probe. , a step of moving the probe and the substrate relatively in a direction parallel to the substrate surface with the probe close to the substrate surface, and measuring a step difference at the boundary. Thickness measurement method.
子間力を利用して基板表面の凹凸を検出する原子間力顕
微鏡と、前記基板上に形成された薄膜を選択的に除去す
る手段とを具備してなり、前記薄膜の除去された領域と
該薄膜の除去されていない領域との段差を検出して前記
薄膜の膜厚を測定することを特徴とする膜厚測定装置。(2) An atomic force microscope that detects irregularities on the substrate surface by bringing a probe close to the substrate surface and using the atomic force acting between them, and selectively removing the thin film formed on the substrate. A film thickness measuring device comprising means for measuring the thickness of the thin film by detecting a level difference between a region where the thin film has been removed and a region where the thin film has not been removed.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25903890A JPH04137644A (en) | 1990-09-28 | 1990-09-28 | Film thickness measuring method and film thickness measuring instrument |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25903890A JPH04137644A (en) | 1990-09-28 | 1990-09-28 | Film thickness measuring method and film thickness measuring instrument |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04137644A true JPH04137644A (en) | 1992-05-12 |
Family
ID=17328473
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25903890A Pending JPH04137644A (en) | 1990-09-28 | 1990-09-28 | Film thickness measuring method and film thickness measuring instrument |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04137644A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5780870A (en) * | 1996-03-28 | 1998-07-14 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor device and a process of manufacturing the same |
-
1990
- 1990-09-28 JP JP25903890A patent/JPH04137644A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5780870A (en) * | 1996-03-28 | 1998-07-14 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor device and a process of manufacturing the same |
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