JP4130169B2 - Scanning probe microscope - Google Patents
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Description
本発明は、走査型プローブ顕微鏡に関し、特に、探針を試料に対して接近退避させるステップイン方式(「ステップイン」は登録商標)の動作状態管理機能を有する走査型プローブ顕微鏡に関する。 The present invention relates to a scanning probe microscope, and more particularly to a scanning probe microscope having an operation state management function of a step-in method (“step-in” is a registered trademark) in which a probe approaches and retreats from a sample.
走査型プローブ顕微鏡は、従来、原子のオーダまたはサイズの微細な対象物を観察できる測定分解能を有する測定装置として知られる。近年、走査型プローブ顕微鏡は、半導体デバイスが作られた基板やウェハの表面の微細な凹凸形状の測定など各種の分野に適用されている。測定に利用する検出物理量に応じて各種のタイプの走査型プローブ顕微鏡がある。例えばトンネル電流を利用する走査型トンネル顕微鏡、原子間力を利用する原子間力顕微鏡、磁気力を利用する磁気力顕微鏡等があり、それらの応用範囲も拡大しつつある。 A scanning probe microscope is conventionally known as a measurement apparatus having a measurement resolution capable of observing a fine object of atomic order or size. In recent years, scanning probe microscopes have been applied to various fields such as measurement of fine irregularities on the surface of a substrate or wafer on which a semiconductor device is made. There are various types of scanning probe microscopes depending on the detected physical quantity used for measurement. For example, there are a scanning tunnel microscope using a tunnel current, an atomic force microscope using an atomic force, a magnetic force microscope using a magnetic force, etc., and their application range is expanding.
上記のうち原子間力顕微鏡は、試料表面の微細な凹凸形状を高分解能で検出するのに適し、半導体基板、ディスクなどの分野で実績を上げている。最近ではインライン自動検査工程の用途でも使用されてきている。 Among these, the atomic force microscope is suitable for detecting fine irregularities on the surface of the sample with high resolution, and has a proven record in the fields of semiconductor substrates and disks. Recently, it has also been used for in-line automatic inspection processes.
原子間力顕微鏡は、基本的な構成として、原子間力顕微鏡の原理に基づく測定装置部分を備える。通常、圧電素子を利用して形成されたトライポッド型あるいはチューブ型のXYZ微動機構を備え、このXYZ微動機構の下端に、先端に探針が形成されたカンチレバーが取り付けられている。探針の先端は試料の表面に対向している。上記カンチレバーに対して例えば光てこ式光学検出装置が配備される。すなわち、カンチレバーの上方に配置されたレーザ光源(レーザ発振器)から出射されたレーザ光がカンチレバーの背面で反射され、光検出器より検出される。カンチレバーにおいて捩れや撓みが生じると、光検出器におけるレーザ光の入射位置が変化する。従って探針およびカンチレバーで変位が生じると、光検出器から出力される検出信号で当該変位の方向および量を検出できる。上記の原子間力顕微鏡の構成について、制御系として、通常、比較器、制御器が設けられる。比較器は、光検出器から出力される検出電圧信号と基準電圧とを比較し、その偏差信号を出力する。制御器は、当該偏差信号が0になるように制御信号を生成し、この制御信号をXYZ微動機構内のZ微動機構に与える。こうして、試料と探針の間の距離を一定に保持するフィードバックサーボ制御系が形成される。上記の構成によって探針を試料表面の微細凹凸に追従させながら走査し、その形状を測定することができる(例えば、特許文献1参照)。 The atomic force microscope includes a measuring device portion based on the principle of the atomic force microscope as a basic configuration. Usually, a tripod type or tube type XYZ fine movement mechanism formed using a piezoelectric element is provided, and a cantilever having a probe tip formed at the tip is attached to the lower end of the XYZ fine movement mechanism. The tip of the probe faces the surface of the sample. For example, an optical lever type optical detection device is provided for the cantilever. That is, laser light emitted from a laser light source (laser oscillator) disposed above the cantilever is reflected by the back surface of the cantilever and detected by the photodetector. When the cantilever is twisted or bent, the incident position of the laser beam in the photodetector changes. Therefore, when a displacement occurs between the probe and the cantilever, the direction and amount of the displacement can be detected by the detection signal output from the photodetector. As for the configuration of the above atomic force microscope, a comparator and a controller are usually provided as a control system. The comparator compares the detection voltage signal output from the photodetector with the reference voltage and outputs a deviation signal. The controller generates a control signal so that the deviation signal becomes zero, and gives this control signal to the Z fine movement mechanism in the XYZ fine movement mechanism. In this way, a feedback servo control system that maintains a constant distance between the sample and the probe is formed. With the above configuration, the probe can be scanned while following the fine irregularities on the sample surface, and the shape of the probe can be measured (see, for example, Patent Document 1).
原子間力顕微鏡が発明された当時は、その高分解能性を利用してnm(ナノメートル)以下のオーダの表面微細形状の測定が中心課題であった。しかしながら、現在では、走査型プローブ顕微鏡は半導体デバイスのインライン製作装置の途中の段階で検査を行うインライン自動検査までその使用範囲が拡大してきている。このような状況になると、実際の検査工程では、基板またはウェハの表面を所定の間隔毎に検査することが要求される。そのために、基板またはウェハの表面を迅速に検出する自動測定も求められつつある。 At the time when the atomic force microscope was invented, measurement of surface fine shapes on the order of nm (nanometer) or less was a central issue by utilizing its high resolution. However, at present, the scanning probe microscope has been expanded in its range of use to in-line automatic inspection in which inspection is performed at an intermediate stage of an in-line manufacturing apparatus for semiconductor devices. In such a situation, in the actual inspection process, it is required to inspect the surface of the substrate or wafer at predetermined intervals. For this reason, automatic measurement for rapidly detecting the surface of a substrate or wafer is also being demanded.
原子間力顕微鏡を用いて基板またはウェハの表面を迅速に検出する技術の一例としてステップイン方式を挙げることができる。ステップイン方式は、所定の間隔で設定された複数の測定点のそれぞれで探針を試料表面に接近させ、その接近させた表面の形状を測定し、その後、探針を退避させる。そして、所定間隔に対応する距離の分探針を移動させ、再び、表面に接近させ、その表面を測定し、退避させるという動作を繰り返す。 An example of a technique for quickly detecting the surface of a substrate or wafer using an atomic force microscope is a step-in method. In the step-in method, the probe is brought close to the sample surface at each of a plurality of measurement points set at predetermined intervals, the shape of the approached surface is measured, and then the probe is retracted. Then, the operation of moving the probe by a distance corresponding to the predetermined interval, approaching the surface again, measuring the surface, and retracting is repeated.
図7と図8を参照してステップイン方式の動作およびカンチレバーの状態を説明する。図7において、(a)は探針100が測定試料103の表面に接触している状態で、Z軸微動機構(図示せず)がカンチレバー基部102を試料側へ移動させることにより生じる。図7の(b)は正常な退避状態で、Z軸微動機構がカンチレバー基部102を試料103から遠ざけることにより生じる。図7の(c)は異常な退避状態を示している。図7の(c)では、カンチレバー基部102は通常の退避位置まで退避しているにも拘らず、探針100の方は試料表面103に吸着された状態にある。そのため、カンチレバー101が試料側に曲がる状態にある。図8は試料表面103に対する探針100のステップイン動作の一例を示し、矢印は探針の移動軌跡を示している。図8で(1)は接近動作であり、接近が完了すると図7の(a)の状態になる。図8の(2)は退避状態で、退避が正常に完了すると図7の(b)の状態になる。図8で(3)は、XY微動機構(図示せず)を使って次の測定点の位置へ移動している状態を示している。ステップイン動作では、一定間隔の測定点ごとで上記の(1)〜(3)の動作が繰り返される。
The operation of the step-in method and the state of the cantilever will be described with reference to FIGS. 7A, the
従来の走査型原子間力顕微鏡において上記のようなステップイン方式で測定動作を行わせるとき、図8で示した(2)の退避が正常に行われない場合がある。例えば試料表面の探針吸着力が強い場合、カンチレバー基部102が試料表面から離れるように移動したとしても、柔らかいカンチレバー101の先端に設けられた探針100は試料表面に吸着されたままの場合がある。これらが、前述した図7の(c)の状態である。このような異常な退避動作が生じた状態で、図8の(3)の移動を行うと、画像の乱れが生じたり探針が破損したりする不具合が発生する。
When the conventional scanning atomic force microscope performs the measurement operation by the step-in method as described above, there is a case where the retreat of (2) shown in FIG. 8 is not normally performed. For example, in the case where the probe attracting force on the sample surface is strong, even if the
上記のように、従来のステップイン方式の走査型プローブ顕微鏡では、探針退避時の針先状態管理がなされていないため、探針吸着による画像の乱れが発生した場合、実際のサンプルの形状なのか、吸着等による像の乱れなのか区別がつかないという問題があった。
本発明の課題は、ステップイン方式の走査型プローブ顕微鏡において、探針吸着による画像の乱れが発生した場合、実際のサンプルの形状なのか、吸着等による像の乱れなのか区別がつかないという問題を解消することにある。 The problem of the present invention is that in a step-in scanning probe microscope, when image disturbance due to probe adsorption occurs, it is not possible to distinguish between the actual sample shape and the image disturbance due to adsorption or the like. Is to eliminate.
本発明の目的は、上記の課題に鑑み、ステップイン方式で試料の測定を行う場合において、探針退避時の針先状態監視を実現することができ、画像の内容を正確に把握できるようにした走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。 In view of the above-described problems, the object of the present invention is to realize the tip state monitoring when the probe is retracted when the sample is measured by the step-in method so that the content of the image can be accurately grasped. Another object of the present invention is to provide a scanning probe microscope.
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、上記目的を達成するために、次のように構成される。 In order to achieve the above object, a scanning probe microscope according to the present invention is configured as follows.
第1の走査型プローブ顕微鏡(請求項1に対応)は、先端に探針を有するカンチレバーを備え、カンチレバーを移動させることにより探針を試料に対して接近または退避させ、試料の表面情報を得る走査型プローブ顕微鏡であり、カンチレバーの変位量を検出する変位検出装置と、探針の退避動作が完了後、変位検出装置から出力される検出信号をモニタするモニタ手段とこのモニタ手段でモニタした検出信号により探針の退避動作が正常であるかまたは異常であるかを判定する判定手段とから成る探針退避状態確認部を備えるように構成される。 The first scanning probe microscope (corresponding to claim 1) includes a cantilever having a probe at the tip, and moves the cantilever to move the probe closer to or away from the sample to obtain surface information of the sample. A scanning probe microscope, a displacement detection device for detecting the displacement amount of the cantilever, a monitor means for monitoring a detection signal output from the displacement detection device after the probe retracting operation is completed, and a detection monitored by the monitor means A probe retracting state confirmation unit is configured to include a determination unit that determines whether the probe retracting operation is normal or abnormal based on the signal .
第2の走査型プローブ顕微鏡(請求項2に対応)は、上記の第1の装置構成において、好ましくは、判定部によって探針の退避動作が異常であると判定されたときは警報を出して測定動作を停止する警報・停止部を備えたことで特徴づけられる。 In the second scanning probe microscope (corresponding to claim 2 ), in the first apparatus configuration described above, preferably, when the determination unit determines that the probe retracting operation is abnormal, an alarm is issued. It is characterized by having an alarm / stop unit to stop the measurement operation.
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡では、探針の退避動作の正常または異常を確認する探針退避状態確認部を備えるため、ステップイン方式の走査型プローブ顕微鏡において、探針退避時の針先状態監視をすることが可能である。従来のステップイン方式走査型プローブ顕微鏡では、探針退避時の針先状態管理がなされていないため、探針吸着による画像の乱れが発生した場合、実際のサンプルの形状なのか、吸着等による像の乱れなのか区別がつかない。これに対して本発明による構成では、カンチレバーの変位量を検出する変位検出装置を備え、探針退避状態確認部は、探針の退避動作が完了後、変位検出装置から出力される検出信号をモニタするモニタ部と、このモニタ部でモニタした検出信号により探針の退避動作が正常であるかまたは異常であるかを判定する判定部を備えているため、探針吸着による画像の乱れを正確に検知することができる。特に、判定部によって探針の退避動作が異常であると判定されたときは警報を出して測定動作を停止する警報・停止部を備えたので探針吸着による画像の乱れを確実に検知し、また、探針吸着が起こったときには、測定者に警報で知らせると共に測定動作を停止し、探針の破損を避けることができる。 Since the scanning probe microscope according to the present invention includes a probe retraction state confirmation unit for confirming normality or abnormality of the probe retraction operation, in the step-in scanning probe microscope, the needle tip state when the probe is retreated It is possible to monitor. In conventional step-in scanning probe microscopes, the tip state management is not performed when the probe is retracted. I can't tell if it's a disturbance. On the other hand, the configuration according to the present invention includes a displacement detection device that detects the displacement amount of the cantilever, and the probe retraction state confirmation unit outputs a detection signal output from the displacement detection device after the probe retraction operation is completed. A monitor unit for monitoring and a determination unit for determining whether the retracting operation of the probe is normal or abnormal based on the detection signal monitored by the monitor unit, so that image disturbance due to probe adsorption is accurately detected Can be detected. In particular, when the determination unit determines that the probe retracting operation is abnormal, it has an alarm / stop unit that issues an alarm and stops the measurement operation, so it can reliably detect image disturbance due to probe adsorption, Further, when the probe sticking occurs, the measurer is notified by an alarm and the measuring operation is stopped to prevent the probe from being damaged.
本発明によれば、ステップイン方式走査型プローブ顕微鏡において、探針の退避状態を確認でき、探針の破損、測定データの乱れを防止できる。 According to the present invention, in the step-in type scanning probe microscope, the retracted state of the probe can be confirmed, and the breakage of the probe and the disturbance of the measurement data can be prevented.
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1に従って本発明に係る走査型プローブ顕微鏡(SPM)の構成を説明する。この走査型プローブ顕微鏡は代表的な例として原子間力顕微鏡(AFM)を想定している。 The configuration of a scanning probe microscope (SPM) according to the present invention will be described with reference to FIG. This scanning probe microscope assumes an atomic force microscope (AFM) as a typical example.
走査型プローブ顕微鏡の下側部分は試料ステージ11が設けられている。試料ステージ11の上に試料12が置かれている。試料ステージ11は、直交するX軸とY軸とZ軸で成る3次元座標系13で試料12の位置を変えるための機構である。試料ステージ11はXYステージ14とZステージ15と試料ホルダ16とから構成されている。試料ステージ11は、通常、試料側で変位(位置変化)を生じさせる粗動機構部として構成される。試料ステージ11の試料ホルダ16の上面には、比較的大きな面積でかつ薄板形状の上記試料12が置かれ、保持されている。試料12は、例えば、表面上に半導体デバイスが製作された基板またはウェハである。試料12は試料ホルダ16上に固定されている。試料ホルダ16は試料固定用チャック機構を備えている。
A
図2に従って試料ステージ11の具体的な構成例を説明する。図2で、14はXYステージであり、15はZステージである。XYステージ14は水平面(XY平面)上で試料を移動させる機構であり、Zステージ15は垂直方向に試料12を移動させる機構である。Zステージ15は、例えば、XYステージ14の上に搭載されて取り付けられている。
A specific configuration example of the
XYステージ14は、Y軸方向に向けて配置された平行な2本のY軸レール201とY軸モータ202とY軸駆動力伝達機構203から成るY軸機構部と、X軸方向に向けて配置された平行な2本のX軸レール204とX軸モータ205とX軸駆動力伝達機構206から成るX軸機構部とから構成されている。上記XYステージ14によって、Zステージ15はX軸方向またはY軸方向に任意に移動させられる。またZステージ15には、試料ホルダ16をZ軸方向に昇降させるための駆動機構が付設されている。図2では当該駆動機構は隠れており、図示されていない。試料ホルダ16の上には試料12を固定するためのチャック機構207が設けられる。チャック機構207には、通常、機械式、吸着や静電等の作用を利用した機構が利用される。
The
図1において、試料12の上方位置には、駆動機構17を備えた光学顕微鏡18が配置されている。光学顕微鏡18は駆動機構17によって支持されている。駆動機構17は、光学顕微鏡18を、Z軸方向に動かすためのフォーカス用Z方向移動機構部17aと、XYの各軸方向に動かすためのXY方向移動機構部17bとから構成されている。取付け関係として、Z方向移動機構部17aは光学顕微鏡18をZ軸方向に動かし、XY方向移動機構部17bは光学顕微鏡18とZ方向移動機構部17aのユニットをXYの各軸方向に動かす。XY方向移動機構部17bはフレーム部材に固定されるが、図1で当該フレーム部材の図示は省略されている。光学顕微鏡18は、その対物レンズ18aを下方に向けて配置され、試料12の表面を真上から臨む位置に配置されている。光学顕微鏡18の上端部にはカメラ19が付設されている。カメラ19は、対物レンズ18aで取り込まれた試料表面の特定領域の像を撮像して取得し、画像データを出力する。
In FIG. 1, an optical microscope 18 having a
試料12の上側には、先端に探針20を備えたカンチレバー21が接近した状態で配置されている。カンチレバー21は取付け部22に固定されている。取付け部22は、例えば、空気吸引部(図示せず)が設けられると共に、この空気吸引部は空気吸引装置(図示せず)に接続されている。カンチレバー21は、その大きな面積の基部が取付け部22の空気吸引部で吸着されることにより、固定され装着される。
On the upper side of the
上記の取付け部22は、Z方向に微動動作を生じさせるZ微動機構23に取り付けられている。さらにZ微動機構23はカンチレバー変位検出部24の下面に取り付けられている。
The
カンチレバー変位検出部24は、支持フレーム25にレーザ光源26と光検出器27が所定の配置関係で取り付けられた構成を有する。カンチレバー変位検出部24とカンチレバー21は一定の位置関係に保持され、レーザ光源26から出射されたレーザ光28はカンチレバー21の背面で反射されて光検出器27に入射されるようになっている。上記カンチレバー変位検出部は光てこ式光学検出装置を構成する。この光てこ式光学検出装置によって、カンチレバー21で捩れや撓み等の変形が生じると、当該変形を検出することができる。
The
カンチレバー変位検出部24はXY微動機構29に取り付けられている。XY微動機構29によってカンチレバー21および探針20等はXYの各軸方向に微小距離で移動される。このとき、カンチレバー変位検出部24は同時に移動されることになり、カンチレバー21とカンチレバー変位検出部24の位置関係は不変である。
The
上記において、Z微動機構23とXY微動機構29は、通常、圧電素子で構成されている。Z微動機構23とXY微動機構29によって、探針20の移動について、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向の各々へ微小距離(例えば数〜10μm、最大100μm)の変位を生じさせる。
In the above description, the Z
上記の取付け関係において、光学顕微鏡18による観察視野には、試料12の特定領域の表面と、カンチレバー21における探針20を含む先端部(背面部)とが含まれる。
In the above mounting relationship, the observation field of view by the optical microscope 18 includes the surface of a specific region of the
次に、走査型プローブ顕微鏡の制御系を説明する。制御系の構成としては、比較器31、制御器32、第1制御装置33、第2制御装置34が設けられる。制御器32は、例えば原子間力顕微鏡(AFM)による測定機構を原理的に実現するための制御器である。また第1制御装置33は複数の駆動機構等のそれぞれの駆動制御用の制御装置であり、第2制御装置34は上位の制御装置である。
Next, a control system of the scanning probe microscope will be described. As a configuration of the control system, a
比較器31は、光検出器27から出力される電圧信号Vdと予め設定された基 準電圧(Vref)とを比較し、その偏差信号s1を出力する(s1=Vref−Vd)。通常、探針に力が加わっていない状態では、Vdは0V近傍の電圧を示し、基準電圧(Vref)は通常測定状態ではプラス数Vに設定されている。探針に斥力が加わりカンチレバーが反試料側に変形すると、Vdはプラス側に変位し、探針に引力が加わりカンチレバーが試料側に変形すると、Vdはマイナス側に変形する。制御器32は、偏差信号s1が0になるように制御信号s2を生成し、この制御信号s2をZ微動機構23に与える。制御信号s2を受けたZ微動機構23は、カンチレバー21の高さ位置を調整し、探針20と試料12の表面との間の距離を一定の距離に保つ。上記の光検出器27からZ微動機構23に到る制御ループは、探針20で試料表面を走査するとき、光てこ式光学検出装置によってカンチレバー21の変形状態を検出しながら、探針20と試料12との間の距離を上記の基準電圧(Vref)に基づいて決まる所定の一定距離に保持するためのフィードバックサーボ制御のループである。この制御ループによって探針20は試料12の表面から一定の距離に保たれ、この状態で試料12の表面を走査すると、試料表面の凹凸形状を測定することができる。
The
次に、第1制御装置33は次のような機能部を備えている。 Next, the 1st control apparatus 33 is provided with the following function parts.
光学顕微鏡18は、フォーカス用Z方向移動機構部17aとXY方向移動機構部17bとから成る駆動機構17によって、その位置が変化させられる。第1制御装置33は、上記のZ方向移動機構部17aとXY方向移動機構部17bのそれぞれの動作を制御するための第1駆動制御部41と第2駆動制御部42を備えている。
The position of the optical microscope 18 is changed by a
光学顕微鏡18によって得られた試料表面やカンチレバー21の像は、カメラ19によって撮像され、画像データとして取り出される。光学顕微鏡18のカメラ19で得られた画像データは第1制御装置33に入力され、内部の画像処理部43で処理される。
The sample surface and the image of the
制御器32等を含む上記のフィードバックサーボ制御ループにおいて、制御器32から出力される制御信号s2は、走査型プローブ顕微鏡(原子間力顕微鏡)における探針20の高さ信号を意味するものである。探針20の高さ信号すなわち制御信号s2によって探針20の高さ位置の変化に係る情報を得ることができる。探針20の高さ位置情報を含む上記制御信号s2は、前述のごとくZ微動機構23に対して駆動制御用に与えられると共に、制御装置33内のデータ処理部44に取り込まれる。
In the feedback servo control loop including the
カンチレバー変位検出部(変位検出装置)24の光検出器27から出力される電圧信号Vdは、探針の退避動作が完了後、モニタ部49によってモニタされる。
The voltage signal Vd output from the
試料12の表面の測定領域について探針20による試料表面の走査は、XY微動機構29を駆動することにより行われる。XY微動機構29の駆動制御は、XY微動機構29に対してXY走査信号s3を提供するXY走査制御部45によって行われる。
The scanning of the sample surface with the
また試料ステージ11のXYステージ14とZステージ15の駆動は、X方向駆動信号を出力するX駆動制御部46とY方向駆動信号を出力するY駆動制御部47とZ方向駆動信号を出力するZ駆動制御部48とによって制御される。
The
なお第1制御装置33は、必要に応じて、設定された制御用データ、入力した光学顕微鏡画像データや探針の高さ位置に係るデータ等を記憶・保存する記憶部を備える。 The first control device 33 includes a storage unit that stores and saves the set control data, the input optical microscope image data, the data related to the height position of the probe, and the like as necessary.
上記第1制御装置33に対して上位に位置する第2制御装置34が設けられている。第2制御装置34は、通常の計測プログラムの記憶・実行および通常の計測条件の設定・記憶、自動計測プログラムの記憶・実行およびその計測条件の設定・記憶、計測データの保存、計測結果の画像処理および表示装置(モニタ)35への表示等の処理を行う。特に、本発明の場合には、ステップイン方式において、探針の退避動作の正常または異常を確認する探針退避状態を確認するプロセスを含んでおり、探針の退避動作が完了後、変位検出装置から出力される検出信号をモニタし、モニタした検出信号により探針の退避動作が正常であるかまたは異常であるかを判定するためのプログラムを備えている。また、探針の退避動作が異常であると判定されたときは警報を出して測定動作を停止する機能を有する。さらに、通信機能を有するように構成し、外部装置との間で通信を行える機能を持たせることもできる。 A second control device 34 positioned above the first control device 33 is provided. The second control device 34 stores and executes a normal measurement program and sets and stores a normal measurement condition, stores and executes an automatic measurement program and sets and stores the measurement condition, stores measurement data, and displays an image of the measurement result. Processing such as processing and display on the display device (monitor) 35 is performed. In particular, in the case of the present invention, the step-in method includes a process of confirming the probe retracting state for confirming normality or abnormality of the probe retracting operation, and the displacement detection is performed after the probe retracting operation is completed. A detection signal output from the apparatus is monitored, and a program for determining whether the probe retracting operation is normal or abnormal based on the monitored detection signal is provided. Further, when it is determined that the probe retracting operation is abnormal, it has a function of issuing an alarm and stopping the measuring operation. Furthermore, it can be configured to have a communication function, and can have a function to communicate with an external device.
第2制御装置34は、上記の機能を有することから、処理装置であるCPU51と記憶部52とから構成される。記憶部52には上記のプログラムおよび条件データ等が記憶・保存される。また、CPU51と記憶部52により後に述べる判定部の機能を実現する。さらに第2制御装置34は、画像表示制御部53と通信部等を備える。加えて第2制御装置34にはインタフェース54を介して入力装置36が接続されており、入力装置36によって記憶部52に記憶されるプログラム、条件、データ等を設定・変更することができるようになっている。また、第2制御装置34には、機能的に判定部と警報・停止部が実現され、かつインタフェース56を介してアラーム37および停止装置38が接続される。第2制御装置34の判定部はモニタ部49からのモニタ信号に基づいて探針20の退避状態が正常か異常かを判断する。判定部は、探針20の退避状態が異常であると判断したときには、後述の警報・停止部を介してアラーム37に警報をならさせ、かつ停止装置38によって測定動作を停止させる。
Since the second control device 34 has the above function, the second control device 34 includes a
第2制御装置34のCPU51は、バス55を介して、第1制御装置33の各機能部に対して上位の制御指令等を提供し、また画像処理部43とデータ処理部44とモニタ部49等から画像データや探針の高さに係るデータ等を提供される。
The
モニタ部49でモニタした検出信号により探針の退避動作が正常であるかまたは異常であるかを判定する判定部、および警報・停止部は、上記のごとく第2制御装置34のCPU51で機能手段として構成される。図4に示すごとく、この第2制御装置34内の判定部61と第1制御装置内のモニタ部49とにより、探針退避状態確認装置60を構成している。
The determination unit for determining whether the probe retracting operation is normal or abnormal based on the detection signal monitored by the
また、図4に示した警報・停止部57は、判定部61によって探針の退避動作が異常であると判定されたときはインタフェース57を介して警報を出して測定動作を停止する装置である。
The alarm /
次に上記走査型プローブ顕微鏡(原子間力顕微鏡)の基本動作を説明する。 Next, the basic operation of the scanning probe microscope (atomic force microscope) will be described.
試料ステージ11上に置かれた半導体基板等の試料12の表面の所定領域に対してカンチレバー21の探針20の先端を臨ませる。通常、探針接近用機構であるZステージ15によって探針20を試料12の表面に近づけ、原子間力を作用させてカンチレバー21に撓み変形を生じさせる。カンチレバー21の撓み変形による撓み量を、前述した光てこ式光学検出装置によって検出する。この状態において、試料表面に対して探針20を移動させることにより試料表面の走査(XY走査)が行われる。探針20による試料12の表面のXY走査は、探針20の側をXY微動機構29で移動(微動)させることによって、または試料12の側をXYステージ14で移動(粗動)させることによって、試料12と探針20の間で相対的なXY平面内での移動関係を作り出すことにより行われる。
The tip of the
探針20側の移動は、カンチレバー21を備えるXY微動機構29に対してXY微動に係るXY走査信号s3を与えることによって行われる。XY微動に係る走査信号s3は第1制御装置33内のXY走査制御部45から与えられる。他方、試料側の移動は、試料ステージ11のXYステージ14に対してX駆動制御部46とY駆動制御部47から駆動信号を与えることによって行われる。
The movement on the
上記XY微動機構29は、圧電素子を利用して構成され、高精度および高分解能な走査移動を行うことができる。またXY微動機構29によるXY走査で測定される測定範囲については、圧電素子のストロークによって制約されるので、最大でも約100μm程度の距離で決まる範囲となる。XY微動機構29によるXY走査によれば、微小範囲の測定となる。他方、上記のXYステージ14は、通常、駆動部として電磁気モータを利用して構成するので、そのストロークは数百mmまで大きくすることができる。XYステージによるXY走査によれば、ワイド範囲の測定となる。
The XY
上記のごとくして試料12の表面上の所定の測定領域を探針20で走査しながら、フィードバックサーボ制御ループに基づいてカンチレバー21の撓み量(撓み等による変形量)が一定になるように制御を行う。カンチレバー21の撓み量は、常に、基準となる目標撓み量(基準電圧Vrefで設定される)に一致するように制御される。その結果、探針20と試料12の表面との距離は一定の距離に保持される。従って探針20は試料12の表面の微細凹凸形状(プロファイル)をなぞりながら移動することになり、探針の高さ信号を得ることによって試料12の表面の微細凹凸形状を計測することができる。
As described above, while the predetermined measurement area on the surface of the
上記のごとき走査型プローブ顕微鏡は、例えば、図3に示すごとく、半導体デバイス(LSI)のインライン製作装置の途中段階で基板(ウェハ)の検査を行う自動検査工程92として組み込まれる。図示しない基板搬送装置によって、前段の製作処理工程91から検査対象である基板(試料12)を搬出し、自動検査工程92の上記走査型プローブ顕微鏡(SPM)の基板ホルダ16上に置くと、走査型プローブ顕微鏡により基板表面の所定領域の微細凹凸形状が自動的に計測され、前段での基板製作の処理内容の合否が判定され、その後、再び基板搬送装置によって後段の製作処理工程93へ搬出される。
For example, as shown in FIG. 3, the scanning probe microscope as described above is incorporated as an
次に、図4〜図6を参照して、走査型プローブ顕微鏡の探針退避状態確認部を説明する。 Next, the probe retraction state confirmation unit of the scanning probe microscope will be described with reference to FIGS.
図4は、前述した探針退避状態確認部60のブロック構成図である。探針退避状態確認部60はモニタ部49と判定部61から構成される。モニタ部49は、第1制御装置33内に備えられ、探針20の退避動作が完了後、光検出器27から出力される検出信号をモニタし、その変位信号を判定部61に出力する。判定部61は、探針20が試料表面に吸着された状態にあると判断したときは吸着判定信号を警報・停止部57に出力する。
FIG. 4 is a block diagram of the probe retraction
図5は、判定部61と警報・停止部57の部分のみを前述の第2制御装置34のコンピュータ構成で示したものである。判定部61は、入力部62および出力部63と、前述のCPU51および記憶部52とを備えている。この判定部61では、記憶部52内の記憶領域64には探針が吸着状態かどうか判定するための所定値が記憶されている。また、記憶領域65には処理プログラム(判定プログラムと警報・停止プログラム)が記憶されている。判定部61は、予め正常な退避状態でのモニタ部49からの変位信号を、正常状態での光検出器の信号として記憶部52に記憶しておき、測定時には退避状態でモニタ部49からの変位信号と記憶部に記憶した正常状態での信号と差の絶対値を求め、その絶対値が所定値より小さければ、正常であることを判断し、正常値信号、例えばゼロを警報・停止部57に出力し、その絶対値が所定値より大きければ、探針吸着と判断し、異常信号、例えば1を警報・停止部57に出力する。なお、上記正常状態での光検出器の信号を記憶するのは、正常状態での信号を検出できるときならいつでもよいが、信号のドリフト等を考慮すると、測定する試料ごとに最初に探針を試料に接近させる直前に行うのが好ましい。
FIG. 5 shows only the
警報・停止部57は、判定部61によって探針20の退避動作が異常であると判定されたときは警報信号を出して測定動作を停止する機能部分である。この機能部分は、判定部61からの信号がゼロのときには、アラームオフ信号をインタフェース56を介してアラーム37に出し、測定動作継続信号を出し、測定動作継続状態を保つ。判定部61からの信号が1のとき、アラームオン信号をアラーム37に対して出力し、測定動作停止信号を停止装置38に対して出力する。それにより、アラームが鳴ったとき、探針吸着状態であると判断することができ、また、自動的に測定動作が停止し、探針の破損を避けることができる。
The alarm /
次に、本実施形態の作用について、判定部61および警報・停止部57に係る記憶領域65に記憶される処理プログラムに対応する図6のフローチャートを用いて説明する。処理プログラムは測定開始とともにスタートし、接近動作(ステップS10)、SPM測定(ステップS11)、退避動作(ステップS12)と順次行う。ステップS12の退避動作の実行後、モニタ部49により光検出器27の信号Vdをモニタする(ステップS13)。そのモニタした信号と記憶部に記憶された正常状態での光検出器27の信号Vd_usualとの差DS(DS=Vd−Vd_usual)を演算する(ステップS14)。その差DSと記憶部52の記憶領域64に記憶された所定値とをCPUによって比較する(ステップST15)。その結果、差DSの絶対値が所定値より小さいときは、次の測定点へ移動する(ステップST16)。その後、測定終了かどうか判断し(ステップS17)、測定が終了していなければ、再び、ステップS10に戻り、処理を行う。測定終了であれば、処理プログラムの実行を終了する。また、ステップS15において、差DSの絶対値が所定値以上のときは、1をアラーム37と停止装置38に出力する。信号が1であるとき、警報・停止部57が動作し、アラーム37にアラーム信号を出し、かつ停止装置38に測定動作停止信号を出力して測定動作を停止する(ステップS18)。
Next, the effect | action of this embodiment is demonstrated using the flowchart of FIG. 6 corresponding to the processing program memorize | stored in the memory | storage area |
このように、判定部61によって探針の退避動作が異常であると判定されたときは警報を出して測定動作を停止させる警報・停止部57と、警報を出すアラーム37および停止装置38を備えたので、探針吸着による画像の乱れを確実に検知し、また、探針吸着が起こったときには、測定者に警報で知らせると共に測定動作を停止し、探針の破損を避けることができる。
As described above, when the
前述の実施形態の説明では、広域観察として光学顕微鏡を用いたが、その代わりに、走査型電子顕微鏡やレーザ顕微鏡などの各種のものを使用することができる。 In the description of the above-described embodiment, an optical microscope is used for wide-area observation. Instead, various types such as a scanning electron microscope and a laser microscope can be used.
上記の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成(材質)については例示にすぎない。従って本発明は、上記に説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。 Configurations described implementation form of the shape, for merely present invention is schematically illustrated enough to understand and implement for the size and positional relationships, also numerical values and compositions (materials) Is just an example. Therefore, the present invention is not limited to the embodiment described above, and can be modified in various forms without departing from the scope of the technical idea shown in the claims.
本発明は、探針の退避状態を確認でき、探針の破損、測定データの乱れを防止できるステップイン方式走査型プローブ顕微鏡として利用される。 The present invention is used as a step-in scanning probe microscope capable of confirming the retracted state of the probe and preventing damage to the probe and disturbance of measurement data.
11 試料ステージ
12 試料
16 試料ホルダ
17 駆動機構
18 光学顕微鏡
19 カメラ
20 探針
21 カンチレバー
22 取付け部
23 Z微動機構
29 XY微動機構
33 第1制御装置
34 第2制御装置
49 モニタ部
55 警報・停止装置
60 探針退避状態確認部
61 判定部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記カンチレバーの変位量を検出する変位検出装置と、前記探針の退避動作が完了後、前記変位検出装置から出力される検出信号をモニタするモニタ手段と、このモニタ手段でモニタした前記検出信号により前記探針の退避動作が正常であるかまたは異常であるかを判定する判定手段とから成る探針退避状態確認手段を備える、
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 In a scanning probe microscope comprising a cantilever having a probe at the tip, moving the cantilever to move the probe closer to or away from the sample, and obtaining surface information of the sample,
A displacement detection device that detects the displacement amount of the cantilever, a monitor unit that monitors a detection signal output from the displacement detection device after completion of the retracting operation of the probe, and a detection signal monitored by the monitor unit A probe retraction state confirmation unit comprising a determination unit that determines whether the probe retraction operation is normal or abnormal .
A scanning probe microscope characterized by the above.
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