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特許7505843測定装置により測定対象の表面の特性を測定する方法、この方法が遂行されるための原子顕微鏡及びこの方法が遂行されるために格納媒体に格納されたコンピュータプログラム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-06-17
(45)【発行日】2024-06-25
(54)【発明の名称】測定装置により測定対象の表面の特性を測定する方法、この方法が遂行されるための原子顕微鏡及びこの方法が遂行されるために格納媒体に格納されたコンピュータプログラム
(51)【国際特許分類】
G01Q 10/04 20100101AFI20240618BHJP
G01Q 60/32 20100101ALI20240618BHJP
G01Q 60/34 20100101ALI20240618BHJP
G01Q 20/02 20100101ALI20240618BHJP
【ＦＩ】
G01Q10/04
G01Q60/32
G01Q60/34
G01Q20/02
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2023513929
(86)(22)【出願日】2021-09-24
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-09-21
(86)【国際出願番号】 KR2021013064
(87)【国際公開番号】W WO2022065928
(87)【国際公開日】2022-03-31
【審査請求日】2023-03-02
(31)【優先権主張番号】10-2020-0123731
(32)【優先日】2020-09-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(31)【優先権主張番号】10-2021-0125981
(32)【優先日】2021-09-23
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
(73)【特許権者】
【識別番号】515304628
【氏名又は名称】パーク システムズ コーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】110000877
【氏名又は名称】弁理士法人ＲＹＵＫＡ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ジョ、アージン
(72)【発明者】
【氏名】ベイク、セウン フン
(72)【発明者】
【氏名】ユン、セオンフン
(72)【発明者】
【氏名】アン、ビョウン－ウーン
(72)【発明者】
【氏名】パク、サン－イル
【審査官】森口 正治
(56)【参考文献】
【文献】特開２００４－１３２８２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１６５６９０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｑ １０／０４
Ｇ０１Ｑ ６０／３２
Ｇ０１Ｑ ６０／３４
Ｇ０１Ｑ ２０／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
チップと測定対象の表面間の相互作用を測定することで前記測定対象の特性を測定する測定装置により前記測定対象の表面の特性を測定する方法において、前記測定対象の表面の特定の位置に前記チップが接触するように位置させるアプローチステップ；
接触した前記チップを前記測定対象の表面から離隔させるリフトステップ；及び
特定の位置でのリフトステップが完了した後、他の位置でのアプローチステップが遂行される前に、前記チップを前記他の位置上に位置させるためのシフトステップ；を前記測定対象の表面の複数の位置に対して繰り返し遂行し、
前記アプローチステップ及び前記リフトステップの一部または全部で前記チップが振動するように制御され、
前記アプローチステップが進行しながら前記チップが前記測定対象の表面に近接するにつれ前記チップの振幅は減少し、前記チップの自由振動時の振幅より小さな振幅Ａ以下と前記チップの振幅が感知されたとき、前記チップの振幅の変化に基づく制御をターンオフ（ｔｕｒｎ ｏｆｆ）し、
前記チップが前記測定対象の表面を特定の力で押すように制御され、
上記アプローチステップでは、前記チップの振幅が減少することに比例して、アプローチ速度が減少して、
前記シフトステップの間、前記チップは、自由振動するように制御され、
前記シフトステップにおいて、前記チップと前記測定対象間のＺ方向変位が変わらないように前記チップをＸ方向に相対移動させ、前記チップをＸ方向に相対移動させる際に前記チップの振幅が減少するときに前記チップと前記測定対象間のＺ方向変位が増加するように前記チップをＺ方向に相対移動させ、前記チップの振幅が事前に設定された振幅－セットポイントに到達したときに前記チップの相対移動を停止する、測定対象の表面の特性を測定する方法。
【請求項2】
前記リフトステップの間、前記チップは、自由振動するように制御され、前記チップの振幅の変化により前記チップのリフト高さを制御するように構成される、請求項１に記載の測定対象の表面の特性を測定する方法。
【請求項3】
前記リフトステップが進行しながら前記チップが前記測定対象の表面から離れるにつれ前記チップの振幅は増加し、前記チップの自由振動時の振幅より小さな振幅Ｂと前記チップの振幅が感知されたとき、リフト動作を止めるように制御される、請求項２に記載の測定対象の表面の特性を測定する方法。
【請求項4】
前記アプローチステップで、原子顕微鏡の接触モード制御と非接触モード制御が区間を別にしてそれぞれ遂行される、請求項１に記載の測定対象の表面の特性を測定する方法。
【請求項5】
前記リフトステップで、原子顕微鏡の接触モード制御と非接触モード制御が区間を別にしてそれぞれ遂行される、請求項１に記載の測定対象の表面の特性を測定する方法。
【請求項6】
チップとカンチレバーを備える探針部により、測定対象の表面を測定するように構成された原子顕微鏡において、前記チップが前記測定対象の表面に対してＸＹ方向に相対移動するように、前記測定対象を移動させるように構成されるＸＹスキャナ；
前記探針部が取り付けられ得るように構成され、前記カンチレバーの振動または反りを測定できる光学システム及び前記光学システムにより得られるデータに基づいて前記チップと前記測定対象の表面間の距離を制御するように前記探針部をＺ方向に移動させるように構成されるＺスキャナを含むヘッド；及び
前記ＸＹスキャナ及び前記ヘッドを制御するコントローラ；を含み、
前記コントローラは、
前記測定対象の表面の特定の位置に前記チップが接触するように位置させるアプローチステップ；
接触した前記チップを前記測定対象の表面から離隔させるリフトステップ；及び
特定の位置でのリフトステップが完了した後、他の位置でのアプローチステップが遂行される前に、前記チップを前記他の位置上に位置させるためのシフトステップ；を前記測定対象の表面の複数の位置に対して繰り返し遂行し、
前記アプローチステップ及び前記リフトステップの一部または全部で前記チップが振動するように制御され、
前記アプローチステップが進行しながら前記チップが前記測定対象の表面に近接するにつれ前記チップの振幅は減少し、前記チップの自由振動時の振幅より小さな振幅Ａ以下と前記チップの振幅が感知されたとき、前記チップの振幅の変化に基づく制御をターンオフ（ｔｕｒｎ ｏｆｆ）し、
前記チップが前記測定対象の表面を特定の力で押すように制御され、
上記アプローチステップでは、前記チップの振幅が減少することに比例して、アプローチ速度が減少して、
前記シフトステップの間、前記チップは、自由振動するように制御され、
前記シフトステップにおいて、前記チップと前記測定対象間のＺ方向変位が変わらないように前記チップをＸ方向に相対移動させ、前記チップをＸ方向に相対移動させる際に前記チップの振幅が減少するときに前記チップと前記測定対象間のＺ方向変位が増加するように前記チップをＺ方向に相対移動させ、前記チップの振幅が事前に設定された振幅－セットポイントに到達したときに前記チップの相対移動を停止するように構成される、原子顕微鏡。
【請求項7】
前記請求項１に記載の方法を遂行するために格納媒体に格納されたコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、測定装置により測定対象の表面の特性を測定する方法、この方法が遂行されるための原子顕微鏡及びこの方法が遂行されるために格納媒体に格納されたコンピュータプログラムに関し、より具体的には、より速い測定速度を有しながらチップの摩耗も減らすことができ、深くて狭いトレンチ構造の測定に適した、測定装置により測定対象の表面の特性を測定する方法、この方法が遂行されるための原子顕微鏡及びこの方法が遂行されるために格納媒体に格納されたコンピュータプログラムに格納されたコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
走査探針顕微鏡（ＳＰＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、ＭＥＭＳ工程等を通して作製された微細なチップ（プローブ）を試料の表面上にスキャンさせながら（Ｓｃａｎｎｉｎｇ）、その測定対象の表面特性を測定して３Ｄイメージで示す顕微鏡をいう。このような走査探針顕微鏡は、測定方式によって、原子顕微鏡（ＡＦＭ、Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、走査トンネリング顕微鏡（ＳＴＭ、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等に細分化される。
【0003】
走査探針顕微鏡でチップが測定対象の表面に追随しながらスキャンすることが一般的であるが、チップと測定対象の表面間の間隔をフィードバック制御するとしてもチップと測定対象の表面間の衝突は起こるようになり、チップが損傷される原因になる。このような損傷を減らそうとチップを測定対象の表面にアプローチし、一定高さにチップを持ち上げ、他の位置にチップを移動させ、またチップを測定対象の表面にアプローチする動作を繰り返すことで、特定の地点だけの高さをそれぞれ測定して測定対象の表面のトポグラフィーを得る試みがあってきた（特許文献１参照）。
【0004】
また、チップ損傷を最小化させるという目的の他に、ＥＦＭやＭＦＭのようなオプション信号で測定対象の表面の屈曲イメージが反映されないように、上述した技術を活用する試みもあってきた（特許文献２参照）。このような技術を別名ピンポイントモード（ＰｉｎＰｏｉｎｔ Ｍｏｄｅ）と称することもある。
【0005】
一方、半導体の微細化、集積化が進むにつれ、狭くて深いトレンチ（Ｔｒｅｎｃｈ）構造が生じた。このような狭くて深いトレンチの形状を得るために原子顕微鏡のような走査探針顕微鏡が活用されるが、狭くて深いという形状特性上、少なくともトレンチの高さよりは長いチップを選定しなければならない。また、トレンチの側壁との干渉が最小化されるようにチップはできるだけ薄くなければならない。このようなチップの制限要素のため、長いチップが狭くて深いトレンチの表面に追随するように制御することは非常に難しい。
【0006】
これによって、狭くて深いトレンチ形状を測定するためにピンポイントモードが活用されることもある。しかし、長いチップを利用したピンポイントモードの作動にはチップを持ち上げるのに過度な時間所要を伴い、スループット（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）を害する要素と作用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】日本国特開２００４－１３２８２３号（発明の名称：サンプリング走査プローブ顕微鏡及び走査方法）
【文献】韓国登録特許第１０－２１０２６３７号（発明の名称：トポグラフィー信号及びオプション信号獲得方法、装置及びそれを備える原子顕微鏡）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明は、前記のような問題点を解決するために案出されたものであって、より速い測定速度を有しながらチップの摩耗も減らすことができ、深くて狭いトレンチ構造の測定に適した、測定装置により測定対象の表面の特性を測定する方法、この方法が遂行されるための原子顕微鏡及びこの方法が遂行されるために格納媒体に格納されたコンピュータプログラムを提供することにある。
【0009】
本発明の課題は、以上において言及した課題に制限されず、言及されていないまた他の課題は、下記の記載から当業者に明確に理解され得るだろう。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記課題を解決するための本発明の一実施例に係る方法は、チップと測定対象の表面間の相互作用を測定することで前記測定対象の特性を測定する測定装置により前記測定対象の表面の特性を測定する方法である。本方法は、前記測定対象の表面の特定の位置に前記チップが接触するように位置させるアプローチステップ；及び接触した前記チップを前記測定対象の表面から離隔させるリフトステップ；を前記測定対象の表面の複数の位置に対して繰り返し遂行し、前記アプローチステップ及び前記リフトステップの一部または全部で前記チップが振動するように制御され、前記チップの振動特性の変化によって前記チップの移動特性が制御される。
【0011】
本発明の他の特徴によれば、前記チップは、自由振動するように制御され、前記チップの振動特性は、振幅である。
【0012】
本発明のまた他の特徴によれば、前記アプローチステップの間、前記チップは、自由振動するように制御され、前記チップの振幅の変化により前記測定対象の表面に対する前記チップの接近速度を制御するように構成される。
【0013】
本発明のまた他の特徴によれば、前記アプローチステップが進行しながら前記チップが前記測定対象の表面に近接するにつれ前記チップの振幅は減少し、前記チップの自由振動時の振幅より小さな振幅Ａ以下と前記チップの振幅が感知されたとき、前記チップの振幅の変化に基づく制御をターンオフ（ｔｕｒｎ ｏｆｆ）し、前記チップが前記測定対象の表面を特定の力で押すように制御される。
【0014】
本発明のまた他の特徴によれば、前記リフトステップの間、前記チップは、自由振動するように制御され、前記チップの振幅の変化により前記チップのリフト高さを制御するように構成される。
【0015】
本発明のまた他の特徴によれば、前記リフトステップが進行しながら前記チップが前記測定対象の表面から離れるにつれ前記チップの振幅は増加し、前記チップの自由振動時の振幅より小さな振幅Ｂと前記チップの振幅が感知されたとき、前記リフト動作を止めるように制御される。
【0016】
本発明のまた他の特徴によれば、特定の位置でのリフトステップが完了した後、他の位置でのアプローチステップが遂行される前に、前記チップを前記他の位置上に位置させるためのシフトステップをさらに含み、前記シフトステップの間、前記チップは、自由振動するように制御され、前記シフトステップの間、前記チップの振動特性が一定であるように前記チップの移動経路が制御される。
【0017】
本発明のまた他の特徴によれば、前記アプローチステップで、原子顕微鏡の接触モード制御と非接触モード制御が区間を別にしてそれぞれ遂行される。
【0018】
本発明のまた他の特徴によれば、前記リフトステップで、原子顕微鏡の接触モード制御と非接触モード制御が区間を別にしてそれぞれ遂行される。
【0019】
前記課題を解決するための本発明の一実施例に係る原子顕微鏡は、チップとカンチレバーを備えた探針部により、測定対象の表面を測定するように構成された原子顕微鏡である。この原子顕微鏡は、前記チップが前記測定対象の表面に対してＸＹ方向に相対移動するように、前記測定対象を移動させるように構成されるＸＹスキャナ；前記探針部が取り付けられ得るように構成され、前記カンチレバーの振動または反りを測定できる光学システム及び前記光学システムにより得られるデータに基づいて前記チップと前記測定対象の表面間の距離を制御するように前記探針部をＺ方向に移動させるように構成されるＺスキャナを含むヘッド；及び、前記ＸＹスキャナ及び前記ヘッドを制御するコントローラ；を含む。前記コントローラは、前記測定対象の表面の特定の位置に前記チップが接触するように位置させるアプローチステップ；及び接触した前記チップを前記測定対象の表面から離隔させるリフトステップ；を前記測定対象の表面の複数の位置に対して繰り返し遂行し、前記アプローチステップ及び前記リフトステップの一部または全部で前記チップが振動するように制御され、前記チップの振動特性の変化によって前記チップの移動特性を制御するように構成される。
【0020】
前記課題を解決するための本発明の一実施例に係るコンピュータプログラムは、上述した方法を遂行するための格納媒体に格納される。
【発明の効果】
【0021】
本発明の方法によれば、より速い測定速度を有しながらチップの摩耗も減らすことができ、深くて狭いトレンチ構造の測定に適したピンポイントモードを提供する。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】ＸＹスキャナとＺスキャナが分離された原子顕微鏡の概略的な斜視図である。
【図2】光学システムを利用して測定対象を測定する方式を説明した概念図である。
【図3】本発明の測定対象の表面の特性を測定する方法の概略的なフローチャートである。
【図4】本発明の測定対象の表面の特性を測定する方法を概略化して示した概念図である。
【図6】アプローチステップでのＦ－ＤカーブとＡ－Ｄカーブを示す。
【図8】リフトステップでのＶ－Ｄ関係図を示す。
【図9】シフトステップで異常状況が発生した時の制御方式を時系列的に示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明の利点及び特徴、そして、それらを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すると、明確になるだろう。しかし、本発明は、以下において開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に具現され、単に、本実施例は、本発明の開示が完全なものとなるようにし、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範疇により定義されるだけである。
【0024】
第１、第２等が多様な構成要素を述べるために使用されるが、これらの構成要素は、これらの用語により制限されないことはもちろんである。これらの用語は、単に一つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用するものである。従って、以下において言及される第１構成要素は、本発明の技術的思想内で第２構成要素であってもよいことはもちろんである。併せて、第１コーティング後、第２コーティングを行うと記載したとしても、その反対の順にコーティングを行うことも本発明の技術的思想内に含まれることはもちろんである。
【0025】
本明細書において図面符号を使用するにあたって、図面が異なる場合でも同じ構成を示している場合は、できるだけ同じ図面符号を使用する。
【0026】
図面で示された各構成の大きさ及び厚さは、説明の便宜のために示されたものであり、本発明は、示された構成の大きさ及び厚さに必ずしも限定されるものではない。
【0027】
本発明を実行するための原子顕微鏡の構成
まず、本発明の方法を遂行するための測定装置としての原子顕微鏡の構成について例示として説明する。
まず、本発明の方法を遂行するための測定装置としての原子顕微鏡の構成について例示として説明する。
【0028】
【0029】
図１を参照すると、原子顕微鏡１００は、探針部１１０と、ＸＹスキャナ１２０と、ヘッド１３０と、Ｚステージ１４０と、固定フレーム１５０と、コントローラ１６０を含んで構成される。
【0030】
探針部１１０は、カンチレバー１１１とチップ１１２を備え、チップ１１２が測定対象１の表面に接触または非接触状態で沿うように構成される。探針部１１０は、以下の他の構成と別に提供され得、後述するヘッド１３０に固定して使用する。
【0031】
ＸＹスキャナ１２０は、チップ１１２が測定対象１の表面に対して第１方向に相対移動するように、測定対象１を移動させるように構成される。具体的に、ＸＹスキャナ１２０は、測定対象１をＸＹ平面でＸ方向及びＹ方向にスキャンするように機能する。
【0032】
ヘッド１３０は、探針部１１０が取り付けられ得るように構成され、カンチレバー１１１の振動または反りを測定できる光学システム及びこの光学システムにより得られるデータに基づいてチップと測定対象の表面間の距離を制御するように探針部１１０を少なくとも第２方向及びその反対方向に移動させるように構成されるＺスキャナ１３１を含む。光学システムは、図２を参照して後述する。ここで、Ｚスキャナ１３１は、探針部１１０を比較的に小さな変位で移動させる。
【0033】
Ｚステージ１４０は、探針部１１０とヘッド１３０を相対的に大きな変位でＺ方向に移動させる。
【0034】
固定フレーム１５０は、ＸＹスキャナ１２０とＺステージ１４０を固定する。
【0035】
コントローラ１６０は、少なくともＸＹスキャナ１２０、ヘッド１３０及びＺステージ１４０を制御するように構成される。
【0036】
一方、原子顕微鏡１１０は、大きな変位でＸＹスキャナ１２０をＸＹ平面上で移動させることができるように構成される図示しないＸＹステージをさらに含むことができる。この場合、ＸＹステージは、固定フレーム１５０に固定されるだろう。
【0037】
原子顕微鏡１００は、測定対象１の表面を探針部１１０でスキャンしてトポグラフィー（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）等のイメージを得る。測定対象１の表面と探針部１１０間の相対移動は、ＸＹスキャナ１２０により行われ得、測定対象１の表面に沿うように探針部１１０を上下に移動させることは、Ｚスキャナ１３１により行われ得る。一方、探針部１１０とＺスキャナ１３１は、プローブアーム（ｐｒｏｂｅ ａｒｍ）１３２により連結される。
【0038】
図２を参照すると、ＸＹスキャナ１２０は、測定対象１を支持し、測定対象１をＸＹ方向にスキャンする。ＸＹスキャナ１２０の駆動は、例えば、圧電アクチュエータ（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｃｔｕａｔｏｒ）により発生でき、本実施例のようにＺスキャナ１３１と分離された場合は、積層された圧電駆動機（ｓｔａｃｅｄ ｐｉｅｚｏ）を使用することもできる。ＸＹスキャナ１２０については、本出願人が登録権者である韓国登録特許第１０－０５２３０３１号（発明の名称：走査探針顕微鏡でのＸＹスキャナ及びその駆動方法）及び第１０－１４６８０６１号（発明の名称：スキャナの制御方法とそれを利用したスキャナ装置）を参照する。
【0039】
Ｚスキャナ１３１は、探針部１１０と連結され、探針部１１０の高さを調節できる。Ｚスキャナ１３１の駆動もＸＹスキャナ１２０のように圧電アクチュエータにより行われてもよい。Ｚスキャナ１３１については、本出願人が登録権者である韓国登録特許第１０－１４７６８０８号（発明の名称：スキャナ装置及びそれを含む原子顕微鏡）を参照する。Ｚスキャナ１３１が収縮すると、探針部１１０は、測定対象１の表面から遠くなり、Ｚスキャナ１３１が拡張されると、探針部１１０は、測定対象１の表面に近くなる。
【0040】
ＸＹスキャナ１２０とＺスキャナ１３１は、図１及び図２のように分離されて別個の部材で存在することもできるが、チューブ型圧電アクチュエータにより一つの部材に統合されて存在することもできる。このようなチューブ型圧電アクチュエータの場合、ＸＹ方向の移動とＺ方向の移動を共に行うことができるが、ＸＹ方向への挙動とＺ方向への挙動がカップリングされてイメージを歪める問題を有している。しかし、このような限界にもかかわらず、このような構造が本発明に活用され得ることはもちろんである。このようなＸＹＺ統合型スキャナは、米国特許公開第２０１２－００７９６３５Ａ１（発明の名称：Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇ ｅｒｒｏｒｓ ｉｎ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）等に開示されており、この他にも公知の原子顕微鏡の構造が使用され得る。
【0041】
ヘッド１３０は、探針部１１０のカンチレバー１１１の振動または反りを測定できる光学システムを有し、この光学システムは、レーザ発生ユニット１３２とディテクタ（ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１３３を含む。
【0042】
レーザ発生ユニット１３２では、レーザ光（点線で示す）を探針部１１０のカンチレバー１１１の表面に照射し、カンチレバー１１１の表面から反射したレーザ光は、ＰＳＰＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）のような２軸のディテクタ１３３に結像する。このようなディテクタ１３３で検出される信号は、制御のためにコントローラ１６０に送られる。
【0043】
コントローラ１６０は、ＸＹスキャナ１２０とＺスキャナ１３１と連結されて、ＸＹスキャナ１２０とＺスキャナ１３１の駆動を制御する。また、コントローラ１６０は、ディテクタ１３３から得られた信号をＡＤＣコンバータによりデジタル信号に変換し、これを活用して探針部１１０のカンチレバー１１１の反り、ねじれ等の程度を判断できる。コントローラ１６０には、コンピュータが統合されていてもよく、別途のコンピュータとコントローラ１６０と連結されていてもよい。コントローラ１６０は、一つに統合されてラックに入れられてもよいが、２つ以上に分割されて存在してもよい。
【0044】
コントローラ１６０は、測定対象１をＸＹスキャナ１２０によりＸＹ方向にスキャンできるようにＸＹスキャナ１２０を駆動する信号を送る一方、探針部１１０が測定対象１の表面と一定の相互力を有するように（即ち、カンチレバー１１１が一定の程度の反りを維持するように、またはカンチレバー１１１が一定の振幅で振動するように）Ｚスキャナ１３１を制御する。即ち、コントローラ１６０は、ソフトウェア的なまたは電気回路的な閉ループフィードバックロジック（ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｆ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌｏｇｉｃ）を有する。また、コントローラ１６０は、Ｚスキャナ１３１の長さ（またはＺスキャナ１３１に使用されたアクチュエータの長さ）を測定するか、Ｚスキャナ１３１に使用されたアクチュエータに印加される電圧等を測定することで、測定対象１の表面の形状データ（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）を得る。
【0045】
ここで、探針部１１０のチップ１１２は、測定対象１の表面と接触した状態で測定対象１の表面と相対移動をすることもでき（これを「接触モード」という）、表面と接触していない状態で振動しながら測定対象１の表面と相対移動をすることもでき（これを「非接触モード」という）、また測定対象１の表面を叩く状態で振動しながら測定対象１の表面と相対移動をすることもできる（これを「タッピングモード」（ｔａｐｐｉｎｇ ｍｏｄｅ）という）。このような多様なモードは、既存に開発されたモードに該当するので、詳細な説明は省略する。
【0046】
一方、コントローラ１６０が得る測定対象１の表面に関するデータは、形状データ以外に多様であり得る。例えば、探針部１１０に磁力を帯びるようにするか、静電力等を加える特殊な処理をすることで、測定対象１の表面の磁力に関するデータ、静電気力に関するデータ等を得ることができる。このような原子顕微鏡のモードは、ＭＦＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、ＥＦＭ（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）等があり、これは公知の方法を使用して具現され得る。この他にも、測定対象１の表面に関するデータは、表面の電圧、表面の電流等であってもよい。
【0047】
一方、ヘッド１３０の構成は、説明の便宜上、必須な構成要素のみを記載しただけで、この他の光学システム等の具体的な構成は省略したことに留意すべきであり、例えば、ヘッド１３０には、韓国登録特許第１０－０６４６４４１号に開示された構成がさらに含まれ得る。
【0048】
測定対象の表面の特性を測定する方法
以下、添付の図面を参考にして本発明の測定対象の表面の特性を測定する方法の実施例について説明する。
以下、添付の図面を参考にして本発明の測定対象の表面の特性を測定する方法の実施例について説明する。
【0049】
【0050】
図３を参照すると、本発明の測定対象の表面の特性を測定する方法は、チップと測定対象の表面間の相互作用を測定することで測定対象の特性を測定する図１及び図２において例示した原子顕微鏡１００のような測定装置によりなされ、アプローチステップ（Ｓ１０）と、リフトステップ（Ｓ２０）と、シフトステップ（Ｓ３０）を含む。以下、本方法についての説明は、図１及び図２も共に参照する。
【0051】
まず、測定対象の表面の特定の位置（第１位置）にチップ１１２が接触するように位置させる（アプローチステップ、Ｓ１０）。
【0052】
図４を参照すると、本ステップ（Ｓ１０）で、測定装置は、ａ地点に位置したチップの端をｂ地点（第１位置）に送って接触させる動作を遂行する。ａ地点は、任意の位置であって、以前のシフトステップ（Ｓ３０）が完了した後のチップ１１２の端の位置であってよい。アプローチ後のチップ１１２の位置（第１位置）は、測定しようとする任意の地点である。
【0053】
アプローチステップ（Ｓ１０）は、Ｚスキャナ１３１を利用してチップ１１２を測定対象１の表面に近接させることでなされる。アプローチステップ（Ｓ１０）は、チップ１１２の端が測定対象１の表面を特定の力で押すようにすることで完了する。チップ１１２の端が特定の力で押されるとカンチレバー１１１が反るようになり、カンチレバー１１１の反りは、レーザ発生ユニット１３３とディテクタ１３４を含む光学システムにより感知される。カンチレバー１１１が一定程度反るようになると、アプローチステップ（Ｓ１０）が完了し、チップ１１２の端の位置に対するデータが収集される。このようなデータは、Ｚスキャナ１３１から得られることもあり、Ｚスキャナ１３１に取り付けられた長さセンサ（例えば、ストレインゲージセンサ）等により得られることもある。この他にアプローチステップ（Ｓ１０）での具体的な制御方式は後述する。
【0054】
アプローチステップ（Ｓ１０）が完了した後、上述したデータが得られると、接触したチップ１１２を測定対象の表面から離隔させる（リフトステップ、Ｓ２０）。
【0055】
図４を参照すると、本ステップ（Ｓ２０）で、測定装置は、ｂ地点に位置したチップ１１２の端をｃ地点にリフトさせる。参考までに、ｃ地点は、ａ地点と同一であってもよく、図４のように同一でなくてもよい。チップ１１２をｚ方向に移動させるＺスキャナ１３１が完全な直進性を具現するならば、ａ、ｃ地点は一致し、アプローチステップ（Ｓ１０）によるチップ１１２の経路とリフトステップ（Ｓ２０）によるチップ１１２の経路は互いに重畳され得る。
【0056】
リフトステップ（Ｓ２０）により持ち上げられたチップ１１２は、他の地点でのデータ収集のために第１位置と異なる位置（第２位置）上に位置されるように制御される（シフトステップ、Ｓ３０）。
【0057】
図４を参照すると、本ステップ（Ｓ３０）で、測定装置は、ｃ地点に位置したチップの端を第２位置の上側に位置するｄ地点に移動させる。このようなチップ１１２の移動は、チップ１１２を移動させても具現され得るが、ＸＹスキャナ１２０により測定対象１を移動させても具現され得る。図１及び図２に示された測定装置によれば、ＸＹスキャナ１２０を制御して測定対象１を移動させることでシフトステップ（Ｓ３０）が遂行され得る。
【0058】
ここで、シフトステップ（Ｓ３０）は、図４に示されたように、Ｘ方向と水平にチップ１１２を移動させるように具現されてもよいが、計画された他の位置上に移動させることさえできれば、どのような経路を有しても構わない。
【0059】
また、リフトステップ（Ｓ２０）にシフトステップ（Ｓ３０）が含まれて別途のステップで遂行されなくてもよい。リフトステップ（Ｓ２０）の遂行時、チップ１１２を持ち上げながら水平移動させることでリフトステップ（Ｓ２０）が省略され得る。
【0060】
上述したアプローチステップ（Ｓ１０）、リフトステップ（Ｓ２０）及びシフトステップ（Ｓ３０）が測定対象１の表面の複数の位置に対して繰り返し遂行されることで、測定対象１の特性を測定できる。ここで、測定対象１の特性は、測定対象１の表面のトポグラフィー（ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ）等であってよい。しかし、この他にもチップ（１）に特殊な特性（磁気的特性、電気的特性等）を付与することでトポグラフィー以外の情報を得ることもできる。
【0061】
図４のようにＸ方向に沿って測定対象１の表面の複数の位置に対して上述したステップ（Ｓ１０、Ｓ２０、Ｓ３０）を繰り返し遂行して通常の接触モードや非接触モードで得ることのできるデータを得ることができる。特に、図４において例示された深くて狭いトレンチ構造の測定で既存の接触モードや非接触モードでは測定対象１の表面にチップ１１２が追随するために非常にややこしいフィードバック条件を見出さなければならず、フィードバック条件が満足されなければチップ１１２が測定対象１に衝突するようになって優れていないイメージを得るようになることはもちろん、チップ１１２をよく取り替えなければならない問題も有していた。これに対して、本発明による方法を活用すれば、深くて狭いトレンチ構造の測定でもチップ１１２の損傷を最小化させながら優れたイメージを得ることができる。
【0062】
一方、深くて狭いトレンチ構造は、既存の非接触モードではチップ１１２がトレンチの底と相互作用をする前に側壁と相互作用をするようになって、深くチップ１１２がトレンチ内に入ることができないことで、測定が難しかった。このために長いチップ１１２を使用しなければならず、長いチップ１１２で本発明のような方法を遂行する場合、チップ１１２をトレンチの外に完全に取り出すことが一般的であったが、これによって測定時間が長くなる短所を有するようになった。しかし、後述する特徴でこのような短所が補完された。
【0063】
図５は、図４の各ステップの遂行による制御方式を時系列的に示したグラフであり、図６は、アプローチステップでのＦ－ＤカーブとＡ－Ｄカーブを示し、図７は、図６のＦ－ＤカーブとＡ－Ｄカーブの合成カーブとこれによるＶ－Ｄ関係図を示し、図８は、リフトステップでのＶ－Ｄ関係図を示し、図９は、シフトステップで異常状況が発生した時の制御方式を時系列的に示したグラフである。
【0064】
図５を参照すると、アプローチステップ（Ｓ１０）、リフトステップ（Ｓ２０）及びシフトステップ（Ｓ３０）が順に遂行され、押し力－セットポイント（Ｆｏｒｃｅ Ｓｅｔ Ｐｏｉｎｔ）及び振幅－セットポイント（Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｓｅｔ Ｐｏｉｎｔ）を設定して接触モード及び非接触モードの制御を共に遂行する。
【0065】
【0066】
アプローチステップ（Ｓ１０）で、チップ１１２が特定の周波数ｆで振動するように制御される。ここで、特定の周波数は、カンチレバー１１１の共振周波数であってよい。チップ１１２は、自由振動し、自由振動の振幅Ａｆｒｅｅを有する。
【0067】
本ステップ（１０）の完了時、チップ１１２は振動するが、チップ１１２は測定対象１の表面に接触するように制御される。即ち、接触モードでアプローチが遂行されるが、非接触モードでもアプローチステップ（Ｓ１０）で制御が遂行される。
【0068】
図６の（ａ）では、接触モードでのチップ１１２の端と測定対象１の表面間の距離（Ｄ）と押し力（Ｆ）の関係を示すグラフ（Ｆ－Ｄカーブ）が示される。チップ１１２の端は、測定対象１と遠く離れている時には力をほとんど受けず、非常に近くなるとチップ１１２の端が測定対象１の表面に付くようになり、さらに近くなるとチップ１１２が測定対象１を押すようになり、押し力は増加し続け得る。
【0069】
図６の（ｂ）では、非接触モードでのチップ１１２の振幅（Ａ）とチップ１１２の端と測定対象１の表面間の距離（Ｄ）間の関係を示すグラフ（Ａ－Ｄカーブ）が示される。チップ１１２は、測定対象１の表面との相互作用により距離が近くなるにつれその振幅が減少し、チップ１１２が測定対象１に接触すると物理的拘束により振幅が０に近く減少する。
【0070】
【0071】
図７の（ａ）は、図６のＦ－ＤカーブとＡ－Ｄカーブを合成したものであって、押し力（Ｆ）と振幅（Ａ）を一定比率で合成してＹ軸に示したものである。これを通して、図７の（ｂ）のような接近速度制御方式が定められる。
【0072】
まず、アプローチステップ（Ｓ１０）で、チップ１１２と測定対象１が特定の距離（ｄ１）だけ接近するまで接触モードによる制御は動作させず、非接触モードによる制御だけを動作させる。
【0073】
特定の距離（ｄ１）は、任意に定められ得るが、チップ１１２の端が測定対象１の表面に付く地点（ｇ）と同一であるか、もう少し大きな値に定められることが好ましい。特定の距離（ｄ１）でのチップ１１２の振幅である振幅－セットポイントＡｓｅｔｌは、チップ１１２付きのカンチレバー１１１の種類によって定められ得る。例えば、振幅－セットポイントＡｓｅｔｌは、Ａｆｒｅｅに対する比率で表現され得、例えば５％であってもよく、１０％であってもよく、１５％であってもよい。
【0074】
チップ１１２と測定対象１が特定の距離（ｄ１）だけ接近するまで遂行される非接触モードによる制御は、振幅Ａでもってアプローチ速度（接近速度）Ｖを制御することを内容とする。即ち、図７の（ｂ）のように振幅Ａが減ることに比例して、アプローチ速度Ｖを減少させるように制御する。
【0075】
振幅が振幅－セットポイントＡｓｅｔｌに達すると、非接触モードによる制御は終了し、接触モードによる制御が遂行される。即ち、チップ１１２が測定対象１の表面を押す力（押し力）によってアプローチ速度Ｖが制御され、結果として押し力－セットポイントＦｓｅｔでチップ１１２が測定対象１の表面を押すように制御される。
【0076】
ここで、押し力－セットポイントＦｓｅｔは、探針部１１０の特性、測定対象１の表面特性、測定対象１の構造特性によって適宜決定され得、例えば、数～数十ｎＮであってよい。
【0077】
言い換えれば、アプローチステップ（Ｓ１０）が進行しながらチップ１１２が測定対象１の表面に近接するにつれチップ１１２の振幅は減少し、チップ１１２の自由振動時の振幅より小さな振幅Ａｓｅｔｌ以下とチップ１１２の振幅が感知されたとき、チップ１１２の振幅の変化に基づく制御（非接触モード制御）をターンオフ（ｔｕｒｎ ｏｆｆ）し、チップ１１２が測定対象１の表面を特定の力で押すように制御される制御（接触モード制御）を遂行する。
【0078】
図５をまた参照すると、アプローチステップ（Ｓ１０）の遂行時、押し力－セットポイントがＦｓｅｔに設定され、振幅－セットポイントがＡｓｅｔｌに設定される。このセットポイントにより接触モード制御と非接触モード制御が区間を別にして遂行される。
【0079】
このようにアプローチを遂行すれば、アプローチを速く遂行することができ、チップ１１２の端が接触対象１の表面に近くなるほどアプローチ速度を下げてチップ１１２の端と接触対象１の表面間の衝突量を減らすことで、チップ１１２を長く使用することができる。
【0080】
図８を参照すると、リフトステップ（Ｓ２０）で初期には高い速度でチップ１１２が測定対象１の表面から離れるように制御し、ｄ１より大きな距離を有するようになると非接触モード制御で速度を制御できる。チップ１１２の振幅が大きくなるほど速度は低くなるように制御し、振幅が一定値以上大きくならないようにリフト高さを制限する。
【0081】
言い換えれば、振幅－セットポイントＡｓｅｔｈを設定し、リフトステップ（Ｓ２０）の完了時、振幅－セットポイントＡｓｅｔｈを維持するようにチップ１１２の端と測定対象１の表面間の距離（Ｄ）が制御される。振幅ＡがＡｓｅｔｈである時の距離ｄ２は、リフト高さと称し得る。
【0082】
振幅－セットポイントＡｓｅｔｈは、Ａｓｅｔｌよりは大きな値に多様に設定され得るが、例えば、最大振幅Ａｆｒｅｅの５０～９５％の値であってよい。振幅－セットポイントＡｓｅｔｈは、リフト高さｄ２と関連するので、リフト高さをどの程度に設定するかによって振幅－セットポイントＡｓｅｔｈが設定される。
【0083】
このとき、非接触モード制御において、ゲイン（ｇａｉｎ）値は低く維持することが好ましい。なぜなら、リフトステップ（Ｓ２０）ではリフトする動作が重要なものであり、敏感な制御が重要なものではないためである。
【0084】
言い換えれば、リフトステップ（Ｓ２０）が進行しながらチップ１１２が測定対象１の表面から離れるにつれチップ１１２の振幅は増加し、チップ１１２の自由振動時の振幅より小さな振幅Ａｓｅｔｈとチップ１１２の振幅が感知されたとき、リフト動作を止めるように制御される。
【0085】
図５をまた参照すると、リフトステップ（Ｓ２０）では、押し力－セットポイントを０やそれに近い値に設定し、振幅－セットポイントを最大であるＡｓｅｔｈに設定してリフト速度と高さを制御する。
【0086】
本方法によれば、リフトステップ（Ｓ２０）で非接触モード制御を活用することで最小リフト高さを設定してピン－ポイントモードを遂行することができる。即ち、既存のピン－ポイントモードは、十分にチップ１１２を持ち上げた後、他の位置でのアプローチを行うのに対し、本発明の方法によれば、リフト速度を高めながらもリフト高さを画期的に減らして測定速度を高めることができる。
【0087】
図５を参照すると、シフトステップ（Ｓ３０）は、持ち上げられたＺ方向変位を維持しながらＸ方向（あるいはＹ方向）の変位を発生させることで行われる。シフトステップ（Ｓ３０）の間、リフトステップ（Ｓ２０）と同様に押し力－セットポイントを０やそれに近い値に設定し、振幅－セットポイントをＡｓｅｔｈに設定する。図５は、チップ１１２が移動するとき、いかなる障害物が感知されていない場合を例示するものであって、Ｘ方向への変位が一定に変わりながらＺ方向の変位は維持される。
【0088】
しかし、シフトステップ（Ｓ３０）中に、障害物（例えば、図９の（ａ）の側壁）によりＸ方向へのチップ１１２の移動が不可能であり得る。このようなイベントは、深くて狭いトレンチ構造の測定時によく発生し得る。
【0089】
図９を参照すると、シフトステップ（Ｓ３０）時、初期区間（Ｓ３０－１）では、チップ１１２のＺ方向変位が変わらずにＸ方向への移動だけがなされる。チップ１１２と側壁との衝突がなされると振幅Ａは減るようになり、図５のようにこれをまた振幅－セットポイントＡｓｅｔｈに合わせる制御が遂行される。チップ１１２の振幅を増加させるためにチップ１１２が持ち上げられる。この時にもチップ１１２のＸ方向への移動は進行し続ける。即ち、Ｓ３０－２区間では振幅が減ることが測定されるが、チップ１１２のＺ方向変位の変化によってＳ３０－３区間ではまた振幅がＡｓｅｔｈに制御される。
【0090】
参考までに、衝突は、押し力の変化で確認することができる。図９の（ｂ）を参照すると、衝突時、押し力がマイナス値を有することでチップ１１２が測定対象１を押すということが分かる。
【0091】
即ち、シフトステップ（Ｓ３０）の遂行時、非接触モード制御を活用してチップ１１２と測定対象１の表面間の距離を維持するので、過度にチップ１１２を持ち上げる動作を省略することで測定時間を画期的に減らすことができる。
【0092】
言い換えれば、シフトステップ（Ｓ３０）の間、チップ１１２の振動特性（例えば、振幅）が一定であるようにチップ１１２の移動経路が制御される。
【0093】
上述によれば、チップ１１２の振動特性の変化によってチップ１１２の移動特性が制御される。ここで、移動特性とは、上で例示したチップ１１２のアプローチ速度、チップ１１２のリフト高さであってよい。
【0094】
また、チップ１１２の振動特性として本実施例においては振幅だけを例示したが、これは例示に過ぎず、周波数、位相等、チップ１１２の振動と関連した特性を包括する。
【0095】
以上、添付の図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者は、本発明のその技術的思想や必須な特徴を変更することなく他の具体的な形態で実施され得るということが理解できるだろう。それゆえ、以上において記述した実施例は、全ての面で例示的なものであり、限定的ではないものと理解すべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
