JPS62261902A - 微細表面形状測定装置 - Google Patents
微細表面形状測定装置Info
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- JPS62261902A JPS62261902A JP62064491A JP6449187A JPS62261902A JP S62261902 A JPS62261902 A JP S62261902A JP 62064491 A JP62064491 A JP 62064491A JP 6449187 A JP6449187 A JP 6449187A JP S62261902 A JPS62261902 A JP S62261902A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
A、産業上の利用分野
本発明は、検査する材料の種類を問わず、微細表面構造
を超高解像度で調査し形状測定するための、改良された
手法に関するものである。
を超高解像度で調査し形状測定するための、改良された
手法に関するものである。
サブミクロン級の解像度で任意の表面形状の3次元マツ
プを得る能力をもつ高解像度非接触プロファイラは、大
変有益である。かかるツールの用途の例は多数あり、半
導体や導体や絶縁体のエッチされた線やヴアイアのプロ
フィルの検査、膜の厚さや表面の粗面度の測定、生物学
的検査などが含まれる。VSLIウェハ上のデバイスの
寸法が小さくなるにつれて、幾何形状パラメータを監視
し測定できることがますます重要になってくる。
プを得る能力をもつ高解像度非接触プロファイラは、大
変有益である。かかるツールの用途の例は多数あり、半
導体や導体や絶縁体のエッチされた線やヴアイアのプロ
フィルの検査、膜の厚さや表面の粗面度の測定、生物学
的検査などが含まれる。VSLIウェハ上のデバイスの
寸法が小さくなるにつれて、幾何形状パラメータを監視
し測定できることがますます重要になってくる。
これらの構造を非接触式で材料の種類に依存しない方式
で測定できることは、開発上も製造上も重要な測定上の
必要である。
で測定できることは、開発上も製造上も重要な測定上の
必要である。
B、従来技術
表面構造を検査するための周知の方法は、肉眼による視
覚検査である。しかし、裸眼の光学的解像力には自ずか
ら限界がある。しかし、最良の光学機器を用いても、自
然光につきものの限界に突き当たる。
覚検査である。しかし、裸眼の光学的解像力には自ずか
ら限界がある。しかし、最良の光学機器を用いても、自
然光につきものの限界に突き当たる。
電子顕微鏡など、可視光よりも有効波長の短い放射線で
動作する装置を使って、解像力をさらに向上させること
ができる。しかし、電子顕微鏡にはいくつかの難点が認
められている。第一に、電子BJ微鏡は真空中で動作す
る。第二の欠点は、大きな段差の形状プロフィルを得る
ことができないことである。また、電子顕微鏡を使って
絶縁材料上の構造を検査するとき、絶縁材料表面の荷電
のために、正確な結果が得難い、光学顕微鏡と比べて、
横解像力は著しく改善される。しかし、垂直解像力は、
本来的にフィールド深度が大きくために大幅に制限され
る。
動作する装置を使って、解像力をさらに向上させること
ができる。しかし、電子顕微鏡にはいくつかの難点が認
められている。第一に、電子BJ微鏡は真空中で動作す
る。第二の欠点は、大きな段差の形状プロフィルを得る
ことができないことである。また、電子顕微鏡を使って
絶縁材料上の構造を検査するとき、絶縁材料表面の荷電
のために、正確な結果が得難い、光学顕微鏡と比べて、
横解像力は著しく改善される。しかし、垂直解像力は、
本来的にフィールド深度が大きくために大幅に制限され
る。
表面構造を検査する装置は、電磁放射線またはサンプル
表面と相互作用する粒子放射線を使って動作する。厳密
に言うと、原子または分子領域で構造を解像できる機器
は、視覚検査できる像を生成するという意味では表面を
結像しない。しかしかかる機器は、サンプル表面の構造
および組成について結論を出すのに充分な情報を提供す
る。たとえば、表面での低エネルギ電子の選択的回折を
観測する装置(L E E D)がある、別の装置は、
二次イオンの質量分光測定(SIMS)を使用する。
表面と相互作用する粒子放射線を使って動作する。厳密
に言うと、原子または分子領域で構造を解像できる機器
は、視覚検査できる像を生成するという意味では表面を
結像しない。しかしかかる機器は、サンプル表面の構造
および組成について結論を出すのに充分な情報を提供す
る。たとえば、表面での低エネルギ電子の選択的回折を
観測する装置(L E E D)がある、別の装置は、
二次イオンの質量分光測定(SIMS)を使用する。
顕微鏡検査の語は、同じエネルギの放射線で表面を結像
する場合に用いる。電圧または周波数の異なる放射線、
すなわちエネルギの変動する放射線を用いる場合、一般
に分光測定の語を用いる。
する場合に用いる。電圧または周波数の異なる放射線、
すなわちエネルギの変動する放射線を用いる場合、一般
に分光測定の語を用いる。
両用の機器は、分光測定検査もできる場合でも通常は顕
微鏡と呼ばれる。
微鏡と呼ばれる。
これらの既知の機器はすべて、表面検査を充分な真空中
で行なうことが必要である。温度は極低温領域でできる
だけ低くすべきである。使用される粒子は、印加電界の
影響下で高真空中を移動する遊離の粒子である。これら
の粒子は、もちろん何らかの陰極またはイオン源によっ
て予め遊離させる必要がある。
で行なうことが必要である。温度は極低温領域でできる
だけ低くすべきである。使用される粒子は、印加電界の
影響下で高真空中を移動する遊離の粒子である。これら
の粒子は、もちろん何らかの陰極またはイオン源によっ
て予め遊離させる必要がある。
表面構造の検査における最近の大きな進歩は、1982
年8月10日付けでビンニヒ(Binnig)等の米国
特許第4343993号に開示されている。この発明は
、真空トンネル効果を利用した装置に関するものである
。そのために超高真空チェンバを給体O度付近の極低温
にまで冷却する。導電性サンプルをこの超高真空チェン
バに入れる。
年8月10日付けでビンニヒ(Binnig)等の米国
特許第4343993号に開示されている。この発明は
、真空トンネル効果を利用した装置に関するものである
。そのために超高真空チェンバを給体O度付近の極低温
にまで冷却する。導電性サンプルをこの超高真空チェン
バに入れる。
サンプルは、走査電極として働く微細な導電性ティップ
に対してベース電極として働く。走査電極はベース電極
の上方数人の所に吊り下げる。
に対してベース電極として働く。走査電極はベース電極
の上方数人の所に吊り下げる。
原子系または固体中では、荷電粒子が、長距離の反撥力
成分と短距離の引力成分からなる相互作用を受ける場合
1合成力がポテンシャルの壁または障壁を作成する。古
典的概念によれば、かかる障壁は、その障壁よりも大き
なエネルギをもつ粒子だけが越えられる。とはいえ、粒
子が充分なエネルギを持っていなくとも、ポテンシャル
障壁を飛び越えられる粒子の数が、ポテンシャル障壁毎
に決まっている。ある意味で、それらの粒子はトンネル
を通ってポテンシャル障壁をくぐり抜ける。
成分と短距離の引力成分からなる相互作用を受ける場合
1合成力がポテンシャルの壁または障壁を作成する。古
典的概念によれば、かかる障壁は、その障壁よりも大き
なエネルギをもつ粒子だけが越えられる。とはいえ、粒
子が充分なエネルギを持っていなくとも、ポテンシャル
障壁を飛び越えられる粒子の数が、ポテンシャル障壁毎
に決まっている。ある意味で、それらの粒子はトンネル
を通ってポテンシャル障壁をくぐり抜ける。
このいわゆるトンネル効果は、波動力学によってしか説
明できない。原子の粒子は、その性質の一部しか粒子力
学で説明できず、その性質の残りの部分は波動説によっ
てのみ解釈されるという点で2重の性質をもっている。
明できない。原子の粒子は、その性質の一部しか粒子力
学で説明できず、その性質の残りの部分は波動説によっ
てのみ解釈されるという点で2重の性質をもっている。
トンネル効果とは、異なる媒体の界面である意味で波整
合現象と匹敵する波の特性である。
合現象と匹敵する波の特性である。
トンネル効果によれば、ポテンシャルによって結合され
た有限の数の電子が、低い電圧差のときでもトンネル障
壁を越えられる確率が計算できる。
た有限の数の電子が、低い電圧差のときでもトンネル障
壁を越えられる確率が計算できる。
トンネル障壁は、固体中の薄い層によってもたらされる
。越えるべき高真空距離が数百人のとき、高真空もトン
ネル障壁となり得る。一部の結合電子は、かかる距離を
トンネル式に通り抜けることができる。真空トンネル障
壁での初期の実験で、ティップを対向電極から小さな距
離だけ上方に吊り下げたとき、微細な導電性ティップか
ら平坦な対向電極へと非常に弱いトンネル電流か流れた
。
。越えるべき高真空距離が数百人のとき、高真空もトン
ネル障壁となり得る。一部の結合電子は、かかる距離を
トンネル式に通り抜けることができる。真空トンネル障
壁での初期の実験で、ティップを対向電極から小さな距
離だけ上方に吊り下げたとき、微細な導電性ティップか
ら平坦な対向電極へと非常に弱いトンネル電流か流れた
。
しかし、ビン2七等の開発以前には、実験は高価な装置
を必要とし、技術上かなり困難があるために時間がかか
るものであった。−回の測定点を得るのに数時間を要す
ることがしばしばであった。
を必要とし、技術上かなり困難があるために時間がかか
るものであった。−回の測定点を得るのに数時間を要す
ることがしばしばであった。
一連の測定には数日を要した。
ビンニヒ等の発明以前には、電界電子の放出を用いた実
験も行なわれた。これは、微細ティップを電子源または
いわゆる冷陰極として使うものである。強い電界の影響
下で、電子は放出ティップから遊離され、加速されて画
面ないし感光層に衝突する。真空中を電子が移動する距
離は、結合電子によりその範囲内で真空トンネル効果が
可能な短い距離よりもかなり長い。しかし、ビンヒニ等
によると、ティップの金属から真空中を通って検査中の
表面までまたはその逆方向の間にある遊離電子のみが、
トンネル効果を利用する。
験も行なわれた。これは、微細ティップを電子源または
いわゆる冷陰極として使うものである。強い電界の影響
下で、電子は放出ティップから遊離され、加速されて画
面ないし感光層に衝突する。真空中を電子が移動する距
離は、結合電子によりその範囲内で真空トンネル効果が
可能な短い距離よりもかなり長い。しかし、ビンヒニ等
によると、ティップの金属から真空中を通って検査中の
表面までまたはその逆方向の間にある遊離電子のみが、
トンネル効果を利用する。
走査型トンネル顕微鏡は、それが考案されたときは、大
きな改良であったが、かかる機器を実現するには、かな
りの技術的困難を克服しなければならなかった。この装
置は、一般に10’″10トル以下の超高真空で動作さ
せなければならない。その上、温度は絶対0度にできる
だけ近くすべきである。すなわち、4.2″にの液体ヘ
リウム温度よりも低い極低温が必要である。動作温度は
1°によりも低くすべきであり、0.3”Kよりも低い
ことが好ましい。このような極端な条件の下で、位置調
節駆動機構がなお動作し、数人の感度をもたなければな
らない。駆動機構は、また正確にかつ再現可能に位置決
めできる能力を持たなければならない。装置に検査すべ
きサンプルを投入するとき、駆動機構は検査の始めに数
ミリメートルの距離を比較的粗まかに移動しなければな
らない。しかし。
きな改良であったが、かかる機器を実現するには、かな
りの技術的困難を克服しなければならなかった。この装
置は、一般に10’″10トル以下の超高真空で動作さ
せなければならない。その上、温度は絶対0度にできる
だけ近くすべきである。すなわち、4.2″にの液体ヘ
リウム温度よりも低い極低温が必要である。動作温度は
1°によりも低くすべきであり、0.3”Kよりも低い
ことが好ましい。このような極端な条件の下で、位置調
節駆動機構がなお動作し、数人の感度をもたなければな
らない。駆動機構は、また正確にかつ再現可能に位置決
めできる能力を持たなければならない。装置に検査すべ
きサンプルを投入するとき、駆動機構は検査の始めに数
ミリメートルの距離を比較的粗まかに移動しなければな
らない。しかし。
実際の検査中は、数分の1人程度の精度で非常に微細に
動作できなければならない。振動を完全になくするため
、特に注意を払うべきである。通常、数人という機器の
動作範囲と同程度の変動を生じる、熱変動は、極端な冷
却によって既に大部分除去されている。しかし、あらゆ
る音波パルスは、どれだけ小さなものでも、材料内部に
邪魔な弾性波を生じるはずである。したがって、機器の
基本的部分を最適の形で懸垂または支持することも非常
に重要である。
動作できなければならない。振動を完全になくするため
、特に注意を払うべきである。通常、数人という機器の
動作範囲と同程度の変動を生じる、熱変動は、極端な冷
却によって既に大部分除去されている。しかし、あらゆ
る音波パルスは、どれだけ小さなものでも、材料内部に
邪魔な弾性波を生じるはずである。したがって、機器の
基本的部分を最適の形で懸垂または支持することも非常
に重要である。
C1発明が解決しようとする問題点
本発明のもとになったのは、従来技術および既存の問題
点に関する知識であった。たとえば、走査型トンネル顕
微鏡の利点、とくにその微細表面構造を高解像度高速非
破壊で図形表示する能力によって得られる利点を実現し
、欠点は回避しようとする試みが追求されてきた。たと
えば、走査型トンネル顕微鏡は導電体および半導体の表
面訓電に限られるが、本発明は、材料の種類を問わない
。
点に関する知識であった。たとえば、走査型トンネル顕
微鏡の利点、とくにその微細表面構造を高解像度高速非
破壊で図形表示する能力によって得られる利点を実現し
、欠点は回避しようとする試みが追求されてきた。たと
えば、走査型トンネル顕微鏡は導電体および半導体の表
面訓電に限られるが、本発明は、材料の種類を問わない
。
また、走査型トンネル顕微鏡は、比較的小さな比率の形
状変化(水平寸法100人の変化毎に最大限約20人ま
での垂直寸法の変化)しか正確に測定できないが1本発
明は、変化の大きさと比率がずっと大きな形状に適応で
きる。本発明のもう一つの大きな利点は、走査型トンネ
ル顕微鏡のような超冷却や真空を必要とせず、広い気圧
と温度の範囲で実行できることである。
状変化(水平寸法100人の変化毎に最大限約20人ま
での垂直寸法の変化)しか正確に測定できないが1本発
明は、変化の大きさと比率がずっと大きな形状に適応で
きる。本発明のもう一つの大きな利点は、走査型トンネ
ル顕微鏡のような超冷却や真空を必要とせず、広い気圧
と温度の範囲で実行できることである。
本発明は、横解像度300Å以下、奥行解像度1Å以下
で任意の表面の形状の特徴を測定する能力をもつ、高解
像度非接触プロフィロメータである。これは、走査型ト
ンネル顕微鏡と考え方が類似した原理にもとづいている
。ただし、極小ティップと検査すべき表面(固体または
液体)の間の結合は、電子的トンネリング電流にもとづ
くものではなくて、熱的相互作用である。
で任意の表面の形状の特徴を測定する能力をもつ、高解
像度非接触プロフィロメータである。これは、走査型ト
ンネル顕微鏡と考え方が類似した原理にもとづいている
。ただし、極小ティップと検査すべき表面(固体または
液体)の間の結合は、電子的トンネリング電流にもとづ
くものではなくて、熱的相互作用である。
D1問題点を解決するための手段
プロフィロメータの基本要素は、極小寸法に作成できる
熱電対などの温度センサである。1972年という早い
時期に、電気研摩法を用いて、ティップ直径が約100
人のタングステン・ティップが、制御可能な方式で作成
された。極小熱゛電対を作成するため、かかるティップ
付近の小さな領域を除くタングステン材料の全領域にわ
たって1い絶縁体ないし薄い誘電材料を覆い、ティップ
を電気的に絶縁することができる。次にタングステンと
絶縁体をタングステン以外の導体または半導体の薄い層
で被覆すると、ティップに熱電対接合ができる。内側導
体と外側導体の間の差°賀正を開定することにより、テ
ィップに生じた熱電圧を、タングステン・プローブの遠
隔端で検出することができる。これによって、10−”
rrl’という小さな体積上の局部温度を測定する手段
が得られる。
熱電対などの温度センサである。1972年という早い
時期に、電気研摩法を用いて、ティップ直径が約100
人のタングステン・ティップが、制御可能な方式で作成
された。極小熱゛電対を作成するため、かかるティップ
付近の小さな領域を除くタングステン材料の全領域にわ
たって1い絶縁体ないし薄い誘電材料を覆い、ティップ
を電気的に絶縁することができる。次にタングステンと
絶縁体をタングステン以外の導体または半導体の薄い層
で被覆すると、ティップに熱電対接合ができる。内側導
体と外側導体の間の差°賀正を開定することにより、テ
ィップに生じた熱電圧を、タングステン・プローブの遠
隔端で検出することができる。これによって、10−”
rrl’という小さな体積上の局部温度を測定する手段
が得られる。
接合部によって周波数f1で電流がドライブされると、
短い初期時間の後に、ティップはドライブ電流の2倍の
周波数2fユの振動成分を有するある定常状態温度に達
する。この正弦波状のあるいは実際的には直流形の温度
値は、ティップと周囲環境の間の熱伝達、すなわちティ
ップ上の″熱負荷′″の程度によって決まる1次にティ
ップを固体表面に近づけると、ティップは熱負荷を受け
、そのためティップから周囲媒体を通って固体表面の材
料中に熱が伝わるために固体表面の存在によってティッ
プの温度が影響を受ける。ティップが周波数f2で垂直
に振動すると、ティップとサンプルの間の距離が変調さ
れ、それに応じて固体表面によって起こる温度負荷が変
調される。その結果、熱電対ティップで差周波数(2f
よ−f、)で温度変動が生じる。差周波数での信号の振
幅は、表面に対するプローブの平均位置によって決まる
。
短い初期時間の後に、ティップはドライブ電流の2倍の
周波数2fユの振動成分を有するある定常状態温度に達
する。この正弦波状のあるいは実際的には直流形の温度
値は、ティップと周囲環境の間の熱伝達、すなわちティ
ップ上の″熱負荷′″の程度によって決まる1次にティ
ップを固体表面に近づけると、ティップは熱負荷を受け
、そのためティップから周囲媒体を通って固体表面の材
料中に熱が伝わるために固体表面の存在によってティッ
プの温度が影響を受ける。ティップが周波数f2で垂直
に振動すると、ティップとサンプルの間の距離が変調さ
れ、それに応じて固体表面によって起こる温度負荷が変
調される。その結果、熱電対ティップで差周波数(2f
よ−f、)で温度変動が生じる。差周波数での信号の振
幅は、表面に対するプローブの平均位置によって決まる
。
しかし、このようにして形状情報を抜き出すのではなく
、サーボ・ループを使って1表面を横に走査中、信号が
差周波数に維持できるように、表面に対するティップの
平均位置を調節する。この場合、差周波数信号の振幅を
一定に保つのに必要なエラー(またはフィードバック)
信号は、固体の形状のレプリカとなる。こうして、走査
域全体を通して信号雑音比が一定に保たれる。
、サーボ・ループを使って1表面を横に走査中、信号が
差周波数に維持できるように、表面に対するティップの
平均位置を調節する。この場合、差周波数信号の振幅を
一定に保つのに必要なエラー(またはフィードバック)
信号は、固体の形状のレプリカとなる。こうして、走査
域全体を通して信号雑音比が一定に保たれる。
プローブ・ティップは、熱分配源であり、かつその検出
器なので、検査中の表面に接触せずにプロフィルを得る
ことができる。かかる方法のもう一つの魅力的な特徴は
、熱がティップから検査中の表面に伝わる際の空気の熱
インピーダンスが、絶縁体、半導体、金属を含めてどの
固体や液体よりも非常に大きいことである。この不一致
のために、材料の種類に依存しないプロファイリングが
可能となる。すなわち、その表面が金属、半導体また絶
縁体あるいはそれらの組合せからなるものがどうかを問
わず、集積回路に対する較正なしにプロフィルを得るこ
とができる。この材料特性に依存しないことは、熱的お
よび機械的相互作用のかなり独自の特性であり、実用上
非常に大きな意味がある。かかるプローブの横解像度は
、ティップの寸法に近いことが予想される。100人の
プローブが作成できる場合、そのために横プロファイリ
ング解像度が同じ寸法になる。より大きな寸法でプロフ
ィル測定を行なうことも同じくらい興味があるかもしれ
ない、実際に、1000人から10ミクロンの解像度で
の非接触プロフィル測定には多数の用途がある。プロー
ブ・ティップと解像度が1000〜5ooO人の場合で
も、この方法は、非接触という特徴のため、一般にサン
プルを破壊する既存の機械的スタイラス法に比べると、
非常に魅力的である。
器なので、検査中の表面に接触せずにプロフィルを得る
ことができる。かかる方法のもう一つの魅力的な特徴は
、熱がティップから検査中の表面に伝わる際の空気の熱
インピーダンスが、絶縁体、半導体、金属を含めてどの
固体や液体よりも非常に大きいことである。この不一致
のために、材料の種類に依存しないプロファイリングが
可能となる。すなわち、その表面が金属、半導体また絶
縁体あるいはそれらの組合せからなるものがどうかを問
わず、集積回路に対する較正なしにプロフィルを得るこ
とができる。この材料特性に依存しないことは、熱的お
よび機械的相互作用のかなり独自の特性であり、実用上
非常に大きな意味がある。かかるプローブの横解像度は
、ティップの寸法に近いことが予想される。100人の
プローブが作成できる場合、そのために横プロファイリ
ング解像度が同じ寸法になる。より大きな寸法でプロフ
ィル測定を行なうことも同じくらい興味があるかもしれ
ない、実際に、1000人から10ミクロンの解像度で
の非接触プロフィル測定には多数の用途がある。プロー
ブ・ティップと解像度が1000〜5ooO人の場合で
も、この方法は、非接触という特徴のため、一般にサン
プルを破壊する既存の機械的スタイラス法に比べると、
非常に魅力的である。
熱電対の使用だけが負荷温度を検出する唯一の方法では
ない。電気伝導度がその温度に強く依存する材料をティ
ップに使うことにより、接合部にサミスタを作成するこ
ともできる。検出は、熱電対でもサミスタでも本質的に
は異ならず、光学的方法を含めて、他の方法も可能であ
る。
ない。電気伝導度がその温度に強く依存する材料をティ
ップに使うことにより、接合部にサミスタを作成するこ
ともできる。検出は、熱電対でもサミスタでも本質的に
は異ならず、光学的方法を含めて、他の方法も可能であ
る。
本発明の方法の背後にある考え方によると、空気ではな
く別の結合材料、たとえば水を使う場合、固体の熱イン
ピーダンスがティップの温度負荷に影響を与え始めるこ
とがあることも予想される。
く別の結合材料、たとえば水を使う場合、固体の熱イン
ピーダンスがティップの温度負荷に影響を与え始めるこ
とがあることも予想される。
この条件下でプローブを使って高い空間解像度の固体の
熱特性を測定できる。固体の熱特性の高解像度の像も可
能なことがある。
熱特性を測定できる。固体の熱特性の高解像度の像も可
能なことがある。
本発明は、生物学的標本、ウィルスや小型の細菌などT
E M (透過式電子顕微鏡)のコントラストが非常
に弱いものを見るのに、多数の重要な用途がある。たと
えば、細胞表面の形状の直接マツピングは、現在細胞を
凍結破壊し、次に細胞の断面を電子顕微鏡で見ることに
よってしか行なえない。本発明を用いると、細胞表面の
非破壊検査が可能となる。また、形状情報として表面に
現われる材料の重要な物理的特性は多数ある。本発明を
用いると、かかる特性がひずみおよび光学的吸収として
測定できる。かかる高い横および奥行解像度でプロフィ
ルできる能力からどんな新しい情報が引き出せるかは、
想像の域を出ない。
E M (透過式電子顕微鏡)のコントラストが非常
に弱いものを見るのに、多数の重要な用途がある。たと
えば、細胞表面の形状の直接マツピングは、現在細胞を
凍結破壊し、次に細胞の断面を電子顕微鏡で見ることに
よってしか行なえない。本発明を用いると、細胞表面の
非破壊検査が可能となる。また、形状情報として表面に
現われる材料の重要な物理的特性は多数ある。本発明を
用いると、かかる特性がひずみおよび光学的吸収として
測定できる。かかる高い横および奥行解像度でプロフィ
ルできる能力からどんな新しい情報が引き出せるかは、
想像の域を出ない。
E、実施例
ここで図面、まず第1図を参照すると、本発明にもとづ
く表面構造22の検査に適した装置20の概略構成図が
示されている。装置20は、上記の米国特許第4343
993号に開示されている走査型トンネル顕微鏡とは違
って、その操作に超高真空、極低温の隔離された環境を
必要としない。
く表面構造22の検査に適した装置20の概略構成図が
示されている。装置20は、上記の米国特許第4343
993号に開示されている走査型トンネル顕微鏡とは違
って、その操作に超高真空、極低温の隔離された環境を
必要としない。
実際に、装置20は、ある程度の隔離が望ましいことが
あるが1通常の室温および圧力で作動できる。
あるが1通常の室温および圧力で作動できる。
サンプルの表面構造22は、材料が電気導体、絶縁体ま
たは半導体のいずれであろうと、無制限にどんな材料か
ら構成されるものでもよい、液体の表面でも、それがプ
ローブの環境と異なるものである限り、検査できる。そ
の上、装置20は最も不規則な表面でも検査できるので
、サンプルの表面構造22の粗面度は極端なものでもよ
い。
たは半導体のいずれであろうと、無制限にどんな材料か
ら構成されるものでもよい、液体の表面でも、それがプ
ローブの環境と異なるものである限り、検査できる。そ
の上、装置20は最も不規則な表面でも検査できるので
、サンプルの表面構造22の粗面度は極端なものでもよ
い。
第1図に示すように、微細走査ティップ26を含むプロ
ーブ24を、サンプルの表面構造22から短距離だけ離
して吊り下げる。構造22と走査ティップ26は、もち
ろん寸法を袴張して概略的に示しである。構造22と走
査ティップ26は、適当な方法で互いに対して3次元で
移動させることができる。このことを、図では直交する
3本の軸X、Y、Zで象徴的に示しである。説明の都合
上、第1図のプローブ24は、3つの圧電式駆動機構2
8.30.32を含むものなど、適当な駆動機構27(
第2図)を備えているものとして示しである。圧電式駆
動機構28と30は、横方向X、Yに動作する。たとえ
ば、これらの駆動機構は、プローブ24に作用して、テ
ィップ26を一般に表面構造22と平行な方向に移動さ
せる。あるいは、プローブ24を固定して、表面構造2
2を走査ティップ26に対して移動させることもできる
。垂直圧電式駆動機構32は、Z方向で表面構造22と
走査ティップ26の相対位置を調節する。
ーブ24を、サンプルの表面構造22から短距離だけ離
して吊り下げる。構造22と走査ティップ26は、もち
ろん寸法を袴張して概略的に示しである。構造22と走
査ティップ26は、適当な方法で互いに対して3次元で
移動させることができる。このことを、図では直交する
3本の軸X、Y、Zで象徴的に示しである。説明の都合
上、第1図のプローブ24は、3つの圧電式駆動機構2
8.30.32を含むものなど、適当な駆動機構27(
第2図)を備えているものとして示しである。圧電式駆
動機構28と30は、横方向X、Yに動作する。たとえ
ば、これらの駆動機構は、プローブ24に作用して、テ
ィップ26を一般に表面構造22と平行な方向に移動さ
せる。あるいは、プローブ24を固定して、表面構造2
2を走査ティップ26に対して移動させることもできる
。垂直圧電式駆動機構32は、Z方向で表面構造22と
走査ティップ26の相対位置を調節する。
プローブ24を制御し、検査結果を分析して示す手段も
、第1図に概略的に示しである。具体的にいうと、測定
装置34は電子制御手段の一部分であり、適当な方式で
プローブ24ならびに圧電式駆動機構28.30,32
に接続されている。
、第1図に概略的に示しである。具体的にいうと、測定
装置34は電子制御手段の一部分であり、適当な方式で
プローブ24ならびに圧電式駆動機構28.30,32
に接続されている。
制御システム36は、測定装置34に接続され。
垂直圧電式駆動機構32に作用する。測定装置34は分
析システム38に接続され1分析システム38は適当な
表示手段、たとえばプロッタ40および表示画面42に
接続されている。
析システム38に接続され1分析システム38は適当な
表示手段、たとえばプロッタ40および表示画面42に
接続されている。
通常、構造22とプローブ24の機械的寸法ならびにそ
れらの可能調節範囲は極めて小さい、また、電子制御装
置は、精密に作動しなければならず、測定装置34は極
めて高感度でなければならない。走査ステップ26は、
通常、サンプルの表面構造22の上方を約λ〜1000
人程度の距離を置いて移動する。走査ティップ26は、
どちらの要素も損傷しないようにするため、表面構造に
衝突できないようにしなければならない、同時に、走査
ティップ26は、表面構造22が走査ティップに対して
放熱能力をもたないほど表面構造22から離れていては
ならない。
れらの可能調節範囲は極めて小さい、また、電子制御装
置は、精密に作動しなければならず、測定装置34は極
めて高感度でなければならない。走査ステップ26は、
通常、サンプルの表面構造22の上方を約λ〜1000
人程度の距離を置いて移動する。走査ティップ26は、
どちらの要素も損傷しないようにするため、表面構造に
衝突できないようにしなければならない、同時に、走査
ティップ26は、表面構造22が走査ティップに対して
放熱能力をもたないほど表面構造22から離れていては
ならない。
次に第2図に移ると、走査ティップ26の構造が概略的
に示されている。走査ティップ26は、一般に端部44
に向って先細となった円筒形である。中心の構造要素4
6は、タングステンなどの導電性材料で作ることができ
、電気エッチ法または電気研摩法を用いて、通常100
人程度以下に制御可能な方式で作成できる。要素46は
、端部44付近の小さな領域を除く構造要素の全領域が
絶縁体ないし誘電材料48の薄い層で電気的に絶縁され
ている。誘電材料48の一例は、ユニオン・カーバイト
社(Union Carbide Corporati
on)から“′パリレンー〇”の商標で販売されている
物質である。構造要素46と誘電層48は、ティップ2
6上にイオン・ビーム・スパッタされたニッケルなどの
薄い導電層50で被覆され、端部44に隣接する熱電対
接合52となっている。
に示されている。走査ティップ26は、一般に端部44
に向って先細となった円筒形である。中心の構造要素4
6は、タングステンなどの導電性材料で作ることができ
、電気エッチ法または電気研摩法を用いて、通常100
人程度以下に制御可能な方式で作成できる。要素46は
、端部44付近の小さな領域を除く構造要素の全領域が
絶縁体ないし誘電材料48の薄い層で電気的に絶縁され
ている。誘電材料48の一例は、ユニオン・カーバイト
社(Union Carbide Corporati
on)から“′パリレンー〇”の商標で販売されている
物質である。構造要素46と誘電層48は、ティップ2
6上にイオン・ビーム・スパッタされたニッケルなどの
薄い導電層50で被覆され、端部44に隣接する熱電対
接合52となっている。
短い初期時間の後起電力源54によって熱電対接合52
中を電流がドライブされると、走査ティップ26の端部
44は定常温度に達する。温度の値は、周囲環境による
ティップ温度の熱負荷の量によって決まる。次に走査テ
ィップ26を表面構造22に近づけると、ティップ温度
は表面構造22による負荷の影響を受ける。すなわち、
第3図かられかるように、曲線56は、ティップが比較
的高温で表面構造が比較的低温であると仮定して、ティ
ップ温度と、サンプルの表面構造22からの分離距離Z
との関係を示すプロットである。もちろん、ティップが
比較的低温で表面構造が比較的高温である逆の状況も考
えられる。曲線56は、ティップが表面構造22から離
れている定常温度に到達したときの領域58から、ティ
ップが表面構造に近接しているときの最低温度の領域6
oへと下方に伸びている。
中を電流がドライブされると、走査ティップ26の端部
44は定常温度に達する。温度の値は、周囲環境による
ティップ温度の熱負荷の量によって決まる。次に走査テ
ィップ26を表面構造22に近づけると、ティップ温度
は表面構造22による負荷の影響を受ける。すなわち、
第3図かられかるように、曲線56は、ティップが比較
的高温で表面構造が比較的低温であると仮定して、ティ
ップ温度と、サンプルの表面構造22からの分離距離Z
との関係を示すプロットである。もちろん、ティップが
比較的低温で表面構造が比較的高温である逆の状況も考
えられる。曲線56は、ティップが表面構造22から離
れている定常温度に到達したときの領域58から、ティ
ップが表面構造に近接しているときの最低温度の領域6
oへと下方に伸びている。
表面構造22の熱伝導度は、プローブ24が入っている
空気または周囲媒体よりもずっと大きいことが認められ
る。すなわち、走査ティップ26が表面構造に近接する
と、ティップの方が周囲空気よりも伝導度がずっと大き
い、すなわち、ずつと効果的な吸熱体であるため、より
多くの熱流束がティップを離れる。今までの議論では、
定常温度が表面構造の温度よりも高いと仮定したが、実
際には定常温度が表面構造の温度よりも低くなることも
同じ位あり得る。すなわちパ熱源″の語は、必要な場合
、広義として“1吸熱体”を含むものとする。
空気または周囲媒体よりもずっと大きいことが認められ
る。すなわち、走査ティップ26が表面構造に近接する
と、ティップの方が周囲空気よりも伝導度がずっと大き
い、すなわち、ずつと効果的な吸熱体であるため、より
多くの熱流束がティップを離れる。今までの議論では、
定常温度が表面構造の温度よりも高いと仮定したが、実
際には定常温度が表面構造の温度よりも低くなることも
同じ位あり得る。すなわちパ熱源″の語は、必要な場合
、広義として“1吸熱体”を含むものとする。
本発明の操作は、周囲環境が空気その他の気体で表面構
造が固体である普通の状況だけには限定されないことを
了解すべきである。実際に、本発明は5周囲環境と表面
構造が異なる液体であったり1周囲環境が気体で表面構
造が液体であるなど、他の状況にも適用できる。
造が固体である普通の状況だけには限定されないことを
了解すべきである。実際に、本発明は5周囲環境と表面
構造が異なる液体であったり1周囲環境が気体で表面構
造が液体であるなど、他の状況にも適用できる。
しかし、走査ティップ26は表面構造22の吸熱能力だ
けでなく、環境温度の変化の影響も受ける。たとえば、
定常状態温度は、第3図では領域58で発生するものと
して示しであるが、環境温度が上がると上がり、また逆
に環境温度が下がると下がる。ただし、装[20はかか
る環境変化の影響を受けないように設計されている。
けでなく、環境温度の変化の影響も受ける。たとえば、
定常状態温度は、第3図では領域58で発生するものと
して示しであるが、環境温度が上がると上がり、また逆
に環境温度が下がると下がる。ただし、装[20はかか
る環境変化の影響を受けないように設計されている。
具体的にいうと、分析手段38は、曲線56の有限値を
微分して、表面構造22からの距離が所与の値Zの所で
の温度変化の速度を表わす曲線62(第4図)を生成す
ることができる適切な電子回路を含んでいる。曲線62
の特性を有する出力を得るため、走査ティップ26を数
百人の程度の小さな振幅で振動させる。すなわち、第3
図かられかるように、走査ティップ26が曲線56の中
間領域64で範囲ΔZにわたって振動すると、温度がΔ
T工たけ変調される。同じ理由により、領域60で同じ
振幅の振動ΔZに対して、温度変調ΔT2が得られ、領
域58と64の中間の領域66では同じ振動範囲に対し
て温度変調ΔT、が得られる。
微分して、表面構造22からの距離が所与の値Zの所で
の温度変化の速度を表わす曲線62(第4図)を生成す
ることができる適切な電子回路を含んでいる。曲線62
の特性を有する出力を得るため、走査ティップ26を数
百人の程度の小さな振幅で振動させる。すなわち、第3
図かられかるように、走査ティップ26が曲線56の中
間領域64で範囲ΔZにわたって振動すると、温度がΔ
T工たけ変調される。同じ理由により、領域60で同じ
振幅の振動ΔZに対して、温度変調ΔT2が得られ、領
域58と64の中間の領域66では同じ振動範囲に対し
て温度変調ΔT、が得られる。
したがって、第3図から、ΔT2はΔT工よりもずっと
小さいが、ΔT、はΔT1よりもずっと大きいことがわ
かる。すなわち、温度の変動速度は。
小さいが、ΔT、はΔT1よりもずっと大きいことがわ
かる。すなわち、温度の変動速度は。
表面構造22から走査ティップ26までの距離が増える
につれて増える。その上、この温度変化の勾配は、周囲
環境中での温度変化によって余り変化しない。
につれて増える。その上、この温度変化の勾配は、周囲
環境中での温度変化によって余り変化しない。
ここで第5図に移ると、プローブ24のやや修正した構
造が示されている。第2図を参照すると、走査ティップ
26用の駆動機構27が圧電式駆動機構32(第1図参
照)を発振させる周期的起電力源68によって付勢され
たことを思い出すはずである。この周期的起電力源は、
周波数Wmで動作する。
造が示されている。第2図を参照すると、走査ティップ
26用の駆動機構27が圧電式駆動機構32(第1図参
照)を発振させる周期的起電力源68によって付勢され
たことを思い出すはずである。この周期的起電力源は、
周波数Wmで動作する。
本発明を構成する構成要素はすべて微小寸法なので、潜
在的雑音源を除去するため大きな努力を払わなければな
らない。この最終結果を達成するための秀れた方法は、
ティップの加熱およびティップに付与される運動を変調
して、これらの例で使用される周波数が異なるようにす
ることである。
在的雑音源を除去するため大きな努力を払わなければな
らない。この最終結果を達成するための秀れた方法は、
ティップの加熱およびティップに付与される運動を変調
して、これらの例で使用される周波数が異なるようにす
ることである。
周期的起電力源7oを用いて実現できるように走査ティ
ップ26における熱を周波数whで変動させティップと
表面構造22の間隔を周波数Wmで変動させることによ
り、ティップの温度変動の成分は、周波数Vm −Wh
または周波数Vm+Whで存在することになり、走査テ
ィップ26の端部44にある温度センサ72でそれを検
出できる。
ップ26における熱を周波数whで変動させティップと
表面構造22の間隔を周波数Wmで変動させることによ
り、ティップの温度変動の成分は、周波数Vm −Wh
または周波数Vm+Whで存在することになり、走査テ
ィップ26の端部44にある温度センサ72でそれを検
出できる。
第2図および第5図かられかるように、走査テイップ2
6は、表面構造22の上方を約10〜1000人程度の
距離を置いて横方向に矢印74の方向に移動する。走査
ティップ26は、両者の損傷を防止するため表面構造2
2にぶつかってはならないが、また温度変動が存在しな
くなるほど表面構造の表面から離れた位置に移ってもな
らない。
6は、表面構造22の上方を約10〜1000人程度の
距離を置いて横方向に矢印74の方向に移動する。走査
ティップ26は、両者の損傷を防止するため表面構造2
2にぶつかってはならないが、また温度変動が存在しな
くなるほど表面構造の表面から離れた位置に移ってもな
らない。
走査ティップ26の端部44の直径または幅は、一般に
100〜5000人の範囲内でよい0周知の製造技術を
適用すると、端部44の直径または幅は最終的には10
0Å以下にすることができると予想される。走査ティッ
プ26が、狭い焦点しかもたず形状の急激な大幅の変化
についていけない走査型トンネル顕微鏡の欠点をもたな
いことは注目に値する。すなわち、走査ティップ26は
。
100〜5000人の範囲内でよい0周知の製造技術を
適用すると、端部44の直径または幅は最終的には10
0Å以下にすることができると予想される。走査ティッ
プ26が、狭い焦点しかもたず形状の急激な大幅の変化
についていけない走査型トンネル顕微鏡の欠点をもたな
いことは注目に値する。すなわち、走査ティップ26は
。
約270°の弧状に検出を行なえるため、急激で大幅な
形状の変化を容易に検出することができる。
形状の変化を容易に検出することができる。
第4図かられかるように温度変動は表面構造22からの
距1aZに大きく依存するため、垂直の圧電式駆動機構
30は、特に正確でなければならないことが注目される
。駆動機構21は、あらゆる方向で小さな距離にわたっ
て調節可能でなければならないだけでなく、設定位置も
一定で再現可能でなければならない。圧電式駆動機構2
8.30.32は、かかる動作が可能である。もちろん
、他の適当な駆動手段も使用できる。走査ティップ26
の厳密な位置は、設定された値、すなわち圧電式駆動機
構に印加される電圧から決定できる。
距1aZに大きく依存するため、垂直の圧電式駆動機構
30は、特に正確でなければならないことが注目される
。駆動機構21は、あらゆる方向で小さな距離にわたっ
て調節可能でなければならないだけでなく、設定位置も
一定で再現可能でなければならない。圧電式駆動機構2
8.30.32は、かかる動作が可能である。もちろん
、他の適当な駆動手段も使用できる。走査ティップ26
の厳密な位置は、設定された値、すなわち圧電式駆動機
構に印加される電圧から決定できる。
表面構造の検査用のこの新しい装置20は、個々の測定
点に関するデータを伝えるだけでなく。
点に関するデータを伝えるだけでなく。
短時間にサンプル表面の全領域に関する情報を与える。
これは、走査型顕微鏡とよく似た動作をする。サンプル
表面を次々にラスク線内で検査し、走査パターンの走査
線から全体像を構成する。走査中、第1の横方向の駆動
手段があるラスク線について動作し、その間、他の横方
向の駆動手段は固定される。大体線幅だけ横に移動した
後、次の線が第1の駆動手段で走査され、以下同様とな
る。
表面を次々にラスク線内で検査し、走査パターンの走査
線から全体像を構成する。走査中、第1の横方向の駆動
手段があるラスク線について動作し、その間、他の横方
向の駆動手段は固定される。大体線幅だけ横に移動した
後、次の線が第1の駆動手段で走査され、以下同様とな
る。
ティップ22をサンプルの表面構造22上に吊り上げた
状態で走査すると、表面の粗面度はサンプルからティッ
プまでの垂直距離と同程度なので、ティップとサンプル
がうつかり接触する危険がある。かかる不本意な接触は
避けなければならない。
状態で走査すると、表面の粗面度はサンプルからティッ
プまでの垂直距離と同程度なので、ティップとサンプル
がうつかり接触する危険がある。かかる不本意な接触は
避けなければならない。
本発明の装置は、かかる危険を自動的に避ける。
走査動作は横方向で定義される。しかし、ティップの垂
直距離は可変である。この測定方法自体または制御方法
が、ティップとサンプル表面の間の距離を自動的に正し
く保つ。熱電材接合部52での温度変動を連続的に測定
することにより、ティップ26の距離Zをいつでも第4
図のグラフから求めることができる。操作は、サンプル
からティップまでの垂直距離を、横走査を行なうとき表
面の輪廓に沿うように微細調節することにより、ティッ
プ中の温度変動を一定に保つように行なうことができる
。温度変動が一定に保たれる場合、検出された温度信号
を使って、装置の垂直距離を制御することができる。装
置は、走査中、温度変動に比例する電気的変数にもとづ
いて、横方向で制御される。温度変動を測定し、閉ルー
プ制御システムによって2方向の垂直な駆動機構を微細
調節することにより一定に保つ。
直距離は可変である。この測定方法自体または制御方法
が、ティップとサンプル表面の間の距離を自動的に正し
く保つ。熱電材接合部52での温度変動を連続的に測定
することにより、ティップ26の距離Zをいつでも第4
図のグラフから求めることができる。操作は、サンプル
からティップまでの垂直距離を、横走査を行なうとき表
面の輪廓に沿うように微細調節することにより、ティッ
プ中の温度変動を一定に保つように行なうことができる
。温度変動が一定に保たれる場合、検出された温度信号
を使って、装置の垂直距離を制御することができる。装
置は、走査中、温度変動に比例する電気的変数にもとづ
いて、横方向で制御される。温度変動を測定し、閉ルー
プ制御システムによって2方向の垂直な駆動機構を微細
調節することにより一定に保つ。
走査パターンは、領域を第1の横方向(x)で次々に平
行直線で走査する、線ラスタであることが好ましい。第
2の横方向(y)が、もう一つの走査パラメータである
。垂直距離(Z次元)は、温度変動に制御する測定され
た変数にもとづいて、フィードバック・システムで制御
する。圧電式駆動機構の位置は圧電圧または当該の駆動
電流に比例するので、3つの圧電式駆動手段の駆動電流
は、各方向でのティップの位置と等価な値を表わす。
行直線で走査する、線ラスタであることが好ましい。第
2の横方向(y)が、もう一つの走査パラメータである
。垂直距離(Z次元)は、温度変動に制御する測定され
た変数にもとづいて、フィードバック・システムで制御
する。圧電式駆動機構の位置は圧電圧または当該の駆動
電流に比例するので、3つの圧電式駆動手段の駆動電流
は、各方向でのティップの位置と等価な値を表わす。
一般に、各座標は、3本の直交軸をもつ直角座標である
。しかし、線が再現可能であれば、線の微細調節によっ
て曲った走査を測定し一定に保つことも許容される。
。しかし、線が再現可能であれば、線の微細調節によっ
て曲った走査を測定し一定に保つことも許容される。
データ分析は、3次元表現として行なわれる。
両方の横方向は、プロッタ40または表示画面42で容
易に示すことができる。ただし、第3の方向に対して適
当な表現を選ばなければならない。
易に示すことができる。ただし、第3の方向に対して適
当な表現を選ばなければならない。
1つの方法は、測定値をパラメータyの関数としての1
組の曲*Z<X)として表わすことである。
組の曲*Z<X)として表わすことである。
もう1つの方法は、Z値を点x、yでの輝度段階として
示すことである。それに対応するグラフ表現は、異なる
面積の他の記号を含み点からなることができる。この表
現が画面に出るとき、陰極線管の輝度を第3の方向の値
に応じて制御することができる。
示すことである。それに対応するグラフ表現は、異なる
面積の他の記号を含み点からなることができる。この表
現が画面に出るとき、陰極線管の輝度を第3の方向の値
に応じて制御することができる。
ティップは、走査中熱電対接合部52での温度変動が一
定値に制御されるような垂直距離で、サンプル表面を通
過する。すなわち、走査運動中。
定値に制御されるような垂直距離で、サンプル表面を通
過する。すなわち、走査運動中。
ティップはサンプル表面のすべての凹凸をそれから一定
の距離だけ離れてたどる。したがって垂直な圧電式駆動
機構32の駆動電流は、表面構造の実像または複製であ
る。装置20によって生成されるこの像または複製は、
サンプル表面の大きく拡大された像である。
の距離だけ離れてたどる。したがって垂直な圧電式駆動
機構32の駆動電流は、表面構造の実像または複製であ
る。装置20によって生成されるこの像または複製は、
サンプル表面の大きく拡大された像である。
第1の横力向(x)でラスタ線の走査が終わった後、テ
ィップ26は、第2の横方向(y)で大体ラスタ線の厚
さだけシフトする。続いて、この第1の線に平行な第2
のラスタ線を走査する。平行ラスタ線の横走査の反復に
よって、サンプル表面全体が線1本ずつ走査される。第
6図には、要素22と26をどちらも大幅に拡大して概
略的に示しである。サンプル表面で、破線はサンプル表
面構造22の表面上のティップ26の影の経路を示す。
ィップ26は、第2の横方向(y)で大体ラスタ線の厚
さだけシフトする。続いて、この第1の線に平行な第2
のラスタ線を走査する。平行ラスタ線の横走査の反復に
よって、サンプル表面全体が線1本ずつ走査される。第
6図には、要素22と26をどちらも大幅に拡大して概
略的に示しである。サンプル表面で、破線はサンプル表
面構造22の表面上のティップ26の影の経路を示す。
点線は表面から一定の温度変動によって決まるある距離
にあるティップ自体の経路を示す。
にあるティップ自体の経路を示す。
軸系X、 y、Zは、各方向の座標を示す。たとえば、
X方向で走査が行なわれる。
X方向で走査が行なわれる。
走査を反復する間、ティップはX方向で大体ラスタ線の
厚さだけシフトする。垂直な駆動手段による微細調節に
よって、ティップの2方向の位置が温度変動を一定に保
つように自動的に制御される。走査ティップ26によっ
て行なわれた走査の結果は、駆動電流または圧電圧をプ
ロットすることにより、3つの方向を表わす1組の曲線
として表わされる。これらの測定された電流または電圧
は、3つの座標方向での微細ティップ26の位置の次元
に対応する。たとえば、第7図は、異なる1群のy方向
圧電圧vyの各々について、2方向の圧電圧v2をX方
向の圧電圧Vxの関数として示したものである。この場
合、第7図の1群の曲線は、サンプル表面構造の拡大さ
れた実像または複製である。
厚さだけシフトする。垂直な駆動手段による微細調節に
よって、ティップの2方向の位置が温度変動を一定に保
つように自動的に制御される。走査ティップ26によっ
て行なわれた走査の結果は、駆動電流または圧電圧をプ
ロットすることにより、3つの方向を表わす1組の曲線
として表わされる。これらの測定された電流または電圧
は、3つの座標方向での微細ティップ26の位置の次元
に対応する。たとえば、第7図は、異なる1群のy方向
圧電圧vyの各々について、2方向の圧電圧v2をX方
向の圧電圧Vxの関数として示したものである。この場
合、第7図の1群の曲線は、サンプル表面構造の拡大さ
れた実像または複製である。
本発明は、広い範囲の周囲雰囲気または媒体中で働くか
、空気または不活性気体が好ましい。しかし、かかる好
ましい雰囲気を使っても、高解像度のとき(すなわち、
走査ティップ26が検査中の表面構造22にどんどん近
づくとき)ティップと表面構造の距離が実際に周囲雰囲
気の原子または分子の平均自由行程以下になることに注
意すべきである。その結果1周囲雰囲気の熱伝導度が低
下する。このことが起こるのを防止るため、周囲雰囲気
の圧力を高めることが好ましい、そうすると、媒体の原
子または分子の平均自由行程が減少し、それによって以
前の熱伝導度のレベルが維持できる。
、空気または不活性気体が好ましい。しかし、かかる好
ましい雰囲気を使っても、高解像度のとき(すなわち、
走査ティップ26が検査中の表面構造22にどんどん近
づくとき)ティップと表面構造の距離が実際に周囲雰囲
気の原子または分子の平均自由行程以下になることに注
意すべきである。その結果1周囲雰囲気の熱伝導度が低
下する。このことが起こるのを防止るため、周囲雰囲気
の圧力を高めることが好ましい、そうすると、媒体の原
子または分子の平均自由行程が減少し、それによって以
前の熱伝導度のレベルが維持できる。
第8図および第9図は、本発明の装置および方法を使っ
て1表面構造を検査するときに得られる結果を表わした
ものである。
て1表面構造を検査するときに得られる結果を表わした
ものである。
第8図は、−例として、走査ティップ26で単一線走査
に沿って表面構造の検査を行なったときに得られたプロ
フィル76を示したものである。
に沿って表面構造の検査を行なったときに得られたプロ
フィル76を示したものである。
尺度80は垂直方向で1000人の測度を示し、尺度8
2は横方向で1ミクロンの測度を表わす。
2は横方向で1ミクロンの測度を表わす。
この例では、走査ティップの直径は1ooO人であり、
表面構造はシリコン・ウェハに厚さ1000人のアルミ
ニウム膜を付着させたものである。
表面構造はシリコン・ウェハに厚さ1000人のアルミ
ニウム膜を付着させたものである。
プロフィル76を示す線の重さによって示される雑音レ
ベルは、プローブ24によって実現される垂直解像度を
証明している。さらに、プロフィル76中のスパイク8
4と86は、付着工程で生じたまくれなどの実際の形状
を描写している。これらのスパイクは、プローブ24が
非常に小さな構造を解像できることを証明している。た
とえば左側の小さい方のスパイク84の半値幅は、実現
された約1000人の横解像度を表わす。
ベルは、プローブ24によって実現される垂直解像度を
証明している。さらに、プロフィル76中のスパイク8
4と86は、付着工程で生じたまくれなどの実際の形状
を描写している。これらのスパイクは、プローブ24が
非常に小さな構造を解像できることを証明している。た
とえば左側の小さい方のスパイク84の半値幅は、実現
された約1000人の横解像度を表わす。
第9図は、−例として、走査ティップ26でやはり単一
線走査に沿ってただし表面構造からの高さは異なる値で
表面構造90の検査を行なったときに得られたプロフィ
ル88を示したものである。
線走査に沿ってただし表面構造からの高さは異なる値で
表面構造90の検査を行なったときに得られたプロフィ
ル88を示したものである。
尺度92は、垂直方向で7ミクロンの測度を表わし、尺
度94は横方向で30ミクロンの測度を表わす。この場
合も、走査ティップ26の直径は約1000人である1
表面構造9oは、シリコン・ウェハに付着された7ミク
ロンのフォトレジスト絶縁層である。プロフィル88A
ないし88Fは、表面構造90からの高さが絶えず高く
なるときの逐次走査を表わす。
度94は横方向で30ミクロンの測度を表わす。この場
合も、走査ティップ26の直径は約1000人である1
表面構造9oは、シリコン・ウェハに付着された7ミク
ロンのフォトレジスト絶縁層である。プロフィル88A
ないし88Fは、表面構造90からの高さが絶えず高く
なるときの逐次走査を表わす。
第9図の検討すると自明のように、横方向の解像度は、
ティップ26と表面構造の近さの関数である。ティップ
と表面構造の間の距離が減少するにつれて、解像度はど
んどん高まり、同時に垂直解像度を表わす信号雑音比が
急激に増大する。
ティップ26と表面構造の近さの関数である。ティップ
と表面構造の間の距離が減少するにつれて、解像度はど
んどん高まり、同時に垂直解像度を表わす信号雑音比が
急激に増大する。
本発明のもう一つの実施例を第10図に示す。
第10図には、改造型の走査ティップ96が示されてい
る。この例では、走査ティップ96は、寸法は走査ティ
ップ26と同様であるが、中心構造要素98を備えてい
る。この中心構造要素98は、外側に金属コーディング
層80を備えた光学用ガラスまたはプラスチック材料で
できている。既知のやり方でレーザ光線102を走査テ
ィップ96の端部104に当てる。レーザ光線はコーテ
ィングにぶつかると、コーティングが光線からエネルギ
を吸収し、中心構造要素98に熱を供給する。
る。この例では、走査ティップ96は、寸法は走査ティ
ップ26と同様であるが、中心構造要素98を備えてい
る。この中心構造要素98は、外側に金属コーディング
層80を備えた光学用ガラスまたはプラスチック材料で
できている。既知のやり方でレーザ光線102を走査テ
ィップ96の端部104に当てる。レーザ光線はコーテ
ィングにぶつかると、コーティングが光線からエネルギ
を吸収し、中心構造要素98に熱を供給する。
第2図および第5図に示した構造と同様に、走査ティッ
プ96も、走査ティップ96の温度を測定してそれを制
御システム36に伝えるための温度センサを備えている
。このため、第2の光線104をティップ84の末端の
金属被覆表面に当てる。
プ96も、走査ティップ96の温度を測定してそれを制
御システム36に伝えるための温度センサを備えている
。このため、第2の光線104をティップ84の末端の
金属被覆表面に当てる。
光線は金属被覆表面から光線106として反射され、テ
ィップの温度変動によって位相変調される。
ィップの温度変動によって位相変調される。
この位相変調が、標準の干渉測定法で、好ましくは光フ
アイバ干渉計で検出できる。本発明の改良型走査ティッ
プ96を使った装置は、他のすべての点で以前に説明し
たものと同じである。
アイバ干渉計で検出できる。本発明の改良型走査ティッ
プ96を使った装置は、他のすべての点で以前に説明し
たものと同じである。
E0発明の詳細
な説明したように、本発明によれば、検査する材料の種
類を問わずに、随の微細表面構造を超高解像度で測定す
ることができる。
類を問わずに、随の微細表面構造を超高解像度で測定す
ることができる。
第1図は9本発明にもとづく表面構造の検査装置の基本
部分の概略的構成図、第2図は、検査すべき表面構造を
横切って移動するときの、微細走査ティップを含むプロ
ーブの概略図、第3図は、微細走査ティップの温度と検
査すべき表面構造からの距離の関係を示すグラフ、第4
図は、第3図に示した曲線の導関数を示すグラフ、第5
図は、本発明の別の実施例を示す、第2図と同様の概略
図、第6図は、平行なうスフ走査線による表面の反復横
走査を示す1部分的に切断した詳細な透視図、第7図は
、ティップ位置の値または圧電式駆動機構の比例圧電圧
としての検査結果の実際の3次元プロットの概略図、第
8図および第9図は、本発明の装置および方法を使って
得られた表面構造のプロフィル、第10図は、本発明で
使用するための改造型微細走査ティップの詳細な垂直断
面図である。 22・・・表面構造、26・・・・走査ティップ、27
・・・・駆動機構、34・・・・熱源および熱検出器を
なす測定装置、36・・・・制御システム、40・・・
・プロッタ、42・・・・表示画面。 出願人 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 復代理人 弁理士 澤 1) 俊 夫FIG、
2゜ FIG、 3゜ FIG、4゜ FIG、 5゜ vx(Vy)
部分の概略的構成図、第2図は、検査すべき表面構造を
横切って移動するときの、微細走査ティップを含むプロ
ーブの概略図、第3図は、微細走査ティップの温度と検
査すべき表面構造からの距離の関係を示すグラフ、第4
図は、第3図に示した曲線の導関数を示すグラフ、第5
図は、本発明の別の実施例を示す、第2図と同様の概略
図、第6図は、平行なうスフ走査線による表面の反復横
走査を示す1部分的に切断した詳細な透視図、第7図は
、ティップ位置の値または圧電式駆動機構の比例圧電圧
としての検査結果の実際の3次元プロットの概略図、第
8図および第9図は、本発明の装置および方法を使って
得られた表面構造のプロフィル、第10図は、本発明で
使用するための改造型微細走査ティップの詳細な垂直断
面図である。 22・・・表面構造、26・・・・走査ティップ、27
・・・・駆動機構、34・・・・熱源および熱検出器を
なす測定装置、36・・・・制御システム、40・・・
・プロッタ、42・・・・表示画面。 出願人 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 復代理人 弁理士 澤 1) 俊 夫FIG、
2゜ FIG、 3゜ FIG、4゜ FIG、 5゜ vx(Vy)
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 微細な走査テイップを具備するプローブ手段と、検査対
象表面および上記走査テイップを相対的に位置決めする
手段と、 上記走査テイップが所定の距離だけ上記検査対象表面か
ら離れているときに上記走査テイップの温度を所定の状
態に制御する熱源と、 上記走査テイップが上記所定の距離だけ上記検査対象表
面から離れるべく移動するときに上記走査テイップの温
度の変動を検出する手段と、上記走査テイップを上記検
査対象表面に接近させた状態でその検査対象表面に沿つ
て走査させる手段と、 上記走査テイップの温度の変動に応じて上記走査テイッ
プと上記検査対象表面との間の距離を自動的に制御して
上記温度の変動が走査の間に実質的に一定となるように
する手段と、 上記走査テイップの空間座標に基づいて上記検査対象表
面の形状を表示する手段とを有する微細表面形状測定装
置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US858320 | 1986-04-30 | ||
US06/858,320 US4747698A (en) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | Scanning thermal profiler |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62261902A true JPS62261902A (ja) | 1987-11-14 |
JPH0781855B2 JPH0781855B2 (ja) | 1995-09-06 |
Family
ID=25328026
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62064491A Expired - Lifetime JPH0781855B2 (ja) | 1986-04-30 | 1987-03-20 | 微細表面形状測定装置 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4747698A (ja) |
EP (1) | EP0245660B1 (ja) |
JP (1) | JPH0781855B2 (ja) |
DE (1) | DE3773988D1 (ja) |
Families Citing this family (100)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0551966B1 (en) * | 1986-12-24 | 1999-04-14 | Canon Kabushiki Kaisha | Recording device and reproducing device |
EP0296262B1 (en) * | 1987-06-22 | 1991-08-28 | International Business Machines Corporation | Method for investigating surfaces at nanometer and picosecond resolution and laser-sampled scanning tunneling microscope for performing said method |
JPH0617923B2 (ja) * | 1987-12-16 | 1994-03-09 | 株式会社フジクラ | 光ファイバの加熱測定法 |
US4941753A (en) * | 1989-04-07 | 1990-07-17 | International Business Machines Corp. | Absorption microscopy and/or spectroscopy with scanning tunneling microscopy control |
DE3916047C2 (de) * | 1989-05-17 | 1998-09-17 | Ulrich Dr Fischer | Stabförmige Sonde zur berührungslosen Untersuchung von Oberflächenstrukturen im Submikrometerbereich sowie Verfahren zur Herstellung dieser Sonde |
JPH02311702A (ja) * | 1989-05-29 | 1990-12-27 | Olympus Optical Co Ltd | 走査型トンネル顕微鏡装置 |
JP2880182B2 (ja) * | 1989-06-09 | 1999-04-05 | 株式会社日立製作所 | 表面顕微鏡 |
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US4954704A (en) * | 1989-12-04 | 1990-09-04 | Digital Instruments, Inc. | Method to increase the speed of a scanning probe microscope |
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US5289004A (en) * | 1990-03-27 | 1994-02-22 | Olympus Optical Co., Ltd. | Scanning probe microscope having cantilever and detecting sample characteristics by means of reflected sample examination light |
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US5224775C2 (en) * | 1992-03-02 | 2002-04-23 | Ta Instr Inc | Method and apparatus for modulated differential analysis |
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US5382336A (en) * | 1992-04-16 | 1995-01-17 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Tip position modulation and lock-in detection in scanning electrochemical microscopy |
JP3010459B2 (ja) * | 1992-08-03 | 2000-02-21 | 松下電器産業株式会社 | 温度分布測定装置および人体検知システム |
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