JP2001124798A - 微小接触式プローバー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微細化された個々のセルに直接接触し、電気
的評価が行なえるようにする。また押し付け力が制御さ
れたことにより押し込み不足による接触不良や、押し込
み過ぎによるセルの薄膜へのダメージを与えること無し
に電気的評価が行なえるようにする。 【解決手段】 金属製のプローブをやめ、原子間力顕微
鏡等で使用されているマイクロファブリケーションプロ
セスによるシリコンをベース材料とした微小プローブを
使用した。このプローブ（カンチレバー部）は複数個の
被検体測定端子の同時測定用に、一つのカンチレバー上
に複数個の接触子３を作成してある計測用カンチレバー
ｃ２と、またこのカンチレバーの両側に被検体測定端子
面と接触子間のＺ距離制御用に長めのカンチレバーｃ１
を有する構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、接触式の回路試
験用プローバーのプローブとプローブの位置制御、押し
込み力制御に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術としては、接触式の回路試験用
プローバーのプローブは、図１１に示すように金属製の
弾性を有する片持ち梁[112]の先端に探針状の接触子[11
3]を１ヶ取り付け、LSI回路の任意の測定点にプローブ
を位置合わせさせるためにプローブの根元部 にXYZステ
ージ等の移動機構[111]を有していた。また多点を同時
に測定するために、図１２に示すように前記プローブを
アレー状に並べ等間隔で並ぶ測定端子から、複数個の電
気信号を得ていた。また位置合わせの方法として、被検
体の測定端子と前記プローブを長焦点の対物レンズ[11
5]の同一視野下におさめ、被検体の測定端子ある いは
前記プローブをステージ等の移動機構で移動させた後、
プローブを測定端子に押し付け電気測定を行なってい
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】被検体の回路が微細化
し、検査するメモリー等のセルサイズが１μｍｘ１μｍ
以下になってくると、前記金属製の片持ち張りでは、片
持ち梁の加工と接触子の加工が困難になってきた。また
前記セルが２〜５μｍの等間隔で並んだメモリーセルの
検査の場合、複数個の金属製のプローブを隣あって並べ
ることが、空間的に難しくなった。

【０００４】また現在使用しているプローブは、被検体
面の押し付け圧力は、セルの微細化により探針が鋭利に
なるため、押し付け力を制御しないと増加してしまう。
たとえばFeRAMのように電極下に強誘電体の薄膜を堆積
させ作成したメモリーセルの場合や 、ＴＦＴ液晶のよ
うに電極の下に有機薄膜を配した構造体では、プローブ
の押し付け圧力の増加により、薄膜にダメージを与える
可能性が高まり、微小な押し付け力の制御が必要にな
る。また複数のプローブを隣あって並べるた場合、接触
子の先端高さが揃っていないとプローブの押し付け込み
深さがばらばらになり、各のプローブの押し付け力が変
動し、押し込み不足による接触不良や、押し込みすぎに
よる薄膜ダメージが生じる。

【０００５】またセルサイズが0.5μｍｘ0.5μｍ以下に
減少すると、現行の光学顕微鏡では分解能不足で位置合
わせは困難になる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、従来の金属製のプローブをやめ、原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）等で使用されているマイクロファ
ブリケーションプロセスによるシリコンをベース材料と
した微小プローブを使用した。このプローブ （カンチ
レバー部）は複数個の被検体測定端子の同時測定用に、
一つのカンチレバー上に複数個の接触子を作成してある
計測用カンチレバーと、またこのカンチレバーの両側に
被検体測定端子面と接触子間のＺ距離制御用に長めのカ
ンチレバーを有する構造とした。

【０００７】Ｚ距離制御用カンチレバーを用い被検体測
定端子への接触子の移動速度を制御し、押し付け力制御
には計測用カンチレバーのたわみ量が一定になるように
制御をおこなった。接触子と測定端子との位置合わせ用
に、計測用カンチレバーに位置合わせマークを作成し、
そのマークを光学顕微鏡で合わせることにより各接触子
が測定端子の直上にくるように接触子とマークの位置関
係を配した。さらに光学顕微鏡以上の分解能で位置合わ
せするために、一方の端にあるＺ距離制御用カンチレバ
ーをＡＦＭのプローブと同様の動作をさせてセルの形状
測定を行ないセルの位置を確認し、このカンチレバーの
探針と計測用のカンチレバーの接触子との位置関係が既
知なことより、セルの直上に接触子を位置合わせできる
ようにした。

【０００８】次に、確実な接触を行なうために、接触子
として複数本の林立するカーボンナノチューブを採用し
た。

【０００９】

【作用】前記のZ距離制御用のカンチレバーは導電性を
もたせ、計測用カンチレバーより 長くし、例えば図１
に示すように同一チップ上に複数個のカンチレバーを作
成する。これらのカンチレバーの変位検出は、M．Torto
nese，R．C．Barrett，C．F．Quate Appl．Phys. Let
t. 62(8) 1993，834の論文にあるようにピエゾレジシテ
ィブ抵 抗を用いた自己変位型でも良く、あるいは光て
こ検出器のような外部変位検出器を用いても良い。

【００１０】これらのカンチレバー部は、当初被検体測
定端子より数ｍｍの距離が離れている。これらのカンチ
レバー部を高速で被検体測定端子面に接近させる。初め
に長さの長いZ距離制御用カンチレバーが被検体測定端
子面と接触し、たわみを信号を発生 する。このたわみ
信号によりＺ粗動の送り速度を低速に切り替える。次に
接触子のある計測用のカンチレバーを、被検体測定端子
面に接触させ、その後押し込み力が設定量域にはいるま
で低速送りを行う。ここで接触子と測定端子の接触を電
気的に確認し、各被検体の動作確認を行なう。以下発明
の実施形態でより詳しく説明する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下図３、図４、図９、図１０に
よりこの発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図３は、微小プローバーのプローブ（カンチレバー部）
部分の模式図である。図５は、プローブの詳細説明の摸
式図であり、図９は微小プローバー装置のプローブとそ
の位置制御機構（ＸＹＺ走査スキャナー）とその制御系
の模式図である。図１０は動作のタイムチートである。 ＜カンチレバー部の構成＞図１、２、３、４、５、６、
７、８に示すカンチレバー部の構成を説明する。図1、
２は、カンチレバーの変位検 出を外部のたとえば光て
こ検出器を使用するカンチレバー部であり、図３は、カ
ンチレバーの外形は図１と同様であるが、変位検出をカ
ンチレバー内部に埋め込まれているピエゾ抵抗体[72]に
よって行う自己検知のカンチレバーを用いた別実施形態
である。ピエゾ抵抗体[72]に一定の電流を流し、カンチ
レバーの変位による歪みをピエゾ抵抗の変化として捕ら
え、ブリッジ回路により電流変化として検出している。
図４は、３ヶ以上のカンチレバーを持つカンチレバー部
の別実施形態である。両端に前記距離制御用のカンチレ
バーを有し中央部に複数個の計測用のカンチレバーがあ
り、それぞれの計測用カンチレバーには、複数個の接触
子がある。

【００１２】また隣合うのカンチレバー上の接触子の間
隔は、測定するセル間隔の整数倍になるように配置され
ている。また計測用カンチレバーが複数個で構成されて
いる訳は、カンチレバーのばね定数の低減とカンチレバ
ー部が測定するセルに対して傾いていた場合個々のカン
チレバーで押し込み量を調整し、押し込み力を調整する
ためである。

【００１３】以下図１、２をもちいて説明する。カンチ
レバー部は、長さの長いZ距離制御用のカンチレバー[c
1](長さl1：400〜1000μm)と接触子のある長さ の短い
計測用のカンチレバー[c2](長さl2：100〜500μm)が隣
あって並ぶ（カンチレバーの探針[40]と接触子[3]の距
離はセルピッチの整数倍）ように構成されている。また
Z距離制御用のカンチレバーは、金等の導電性の金属で
針先までコートされ導電性を持たせてある。

【００１４】今図２に示すようにカンチレバーを横方向
から眺めると、Z距離制御用のカンチレバー[c1]が試料
面と接触しているとき、計測用のカンチレバー[c２]
は、Z距離制御用のカンチレバー[c1]より高さｈ＜100−
300μm (ｈ＝（l1−l2）sinθ；l1： Z距離制御用のカ
ンチレバーの長さ、l2：計測用のカンチレバー長さ、
θ：カンチレバー取り付け角度)だけ試料面より浮く構
成とする。またZ距離制御用のカンチレバー[c1] の先端
半径100−200ｎm程度でばね定数は、0.01〜0.1N／ｍで
ある。 ばね定数が柔らかいため、Z距離制御用のカンチ
レバーを高速で試料面に接触して もカンチレバーの破
損や試料面へのダメージは少ない。次に図５に示す接触
子の配置と構成をを含めた計測用のカンチレバーの詳細
を述べる。接触子[3]は高さ10μｍ程度の突起であり、
先端半径が100−200ｎｍで この突起部のみ金属コーテ
ィング[31]がほどこされている。この金属コーティング
はカンチレバーベース部[70]まで配線[50]され、ベース
部で接続用のパット[60]に接続されている。このパット
に外部電気試験機(図９[12])が接続されており、接触子
と測定端子間にさまざまな試験信号を印加することがで
きる。また図６の平面図に示すように各接触子間の絶縁
[75]は、酸化シリコンにより分離されている。さらに接
触子の面と接触子の反対側の面とは、図７の断面図に示
すように酸化シリコン膜[75]により分離され、接触子の
反対側のカンチレバー面は、金属でコーティング[76]さ
れおり、アース電位に接続できシールド電極としてはた
らかせることができる。

【００１５】隣合う接触子の間隔は、検査するセルピッ
チと等しくあるいはピッチの整数倍で作成する。また図
８には、カボーンナノチューブ[33]を複数本林立させ、
接触子とした別形態の実施例をしめす。この場合接触子
の作り方は、シリコンカンチレバーの基部[71]に１〜３
μｍ角の鉄系の触媒をパターニングし[32]、エタン等の
ハイドロカーボン雰囲気中で700〜1000℃で気相成長さ
せると、基板と垂直に長さの揃ったカー ボンナノチュ
ーブが前記鉄系の触媒でパターニングした所から多数成
長する。このカーボンナノチューブは導電性があり、基
部の鉄系触媒とカンチレバーベース部[70]を金属細線[5
0]で配線し、また接触子間の絶縁[75]を酸化シリコンに
より分離すればよい。カボーンナノチューブを接触子と
して使用すると、金属でコーティングした接触子に比較
し、コーティング材が電界蒸発で飛び出すことも無く安
定に電圧を印加できる。またカーボンナノチューブ自身
に弾性があり堅牢なため多数回にわたる接触に耐える。 ＜装置主要部構成＞図９を用いて装置の主要部の構成を
説明する。カンチレバーを試料に近接させる移動機構
（Z粗動機構）[1]にXYZ走査スキャナー[2]が固定されそ
の先端部にカンチレバーベース[70]が取り付けられてい
る。また試料台[5]には被検体 [６]を試料台接触子[4]
で電気的に接続を取り、前記カンチレバー部に対向して
配置している。図９ でカンチレバー[c1],[c2]は、自己
検知のカンチレバーとして描かれている。図９で示す計
測用カンチレバー[c2]の変位信号は、プレアンプ[７]に
より増幅され、Zサーボ 系[８]に入力される。その出力
信号をZ走査コントローラー[11]により増幅され、 結果
としてXYZ走査スキャナー[2]のZ軸が伸縮し、計測用カ
ンチレバーのたわみ量 が一定になるように接触子[3]−
測定端子間[6]の距離が制御される。一方図９で示すZ距
離制御用カンチレバー[c1]からの信号は、同様にプレア
ンプ[７]により増幅 されZ粗動コントローラーに[９]に
入力され、Z粗動メカニズム[1]の制御信号とし て使わ
れている。Z粗動メカニズムは、主に差動ねじ、縮小て
こ等のメカ系で構成 されｍｍ程度を0.1−0.05μｍ刻み
で移動できる。ここで測定端子面上数ｍｍから0.1−0.3
ｍｍまでは、Z粗動メカ機構[1]で高速に送り、残り0.1
−0.3ｍｍ以下を低速で送るように制御する。 ＜距離制御動作と接触子の押し込み力調整＞次に図１と
図１０のタイムチャートを使ってＺ粗動の動作を説明す
る。最初カンチレバー部は、試料表面から数ｍｍ離れて
いる。Z粗動系メカニズム[1]を高速で移動させ図１のよ
うにZ距離制御用のカンチレバー[c1]が試料面と接触す
るとき[図１０：t0]、 Z距離制御用のカンチレバーは測
定端子面から力を受けカンチレバーの 変位信号が変化
する。この信号をZ粗動コントローラー[9]に入力し、Z
粗動系メカ ニズム[1]を低速送りに切り替える。この
[図１０：t0]の時点で計測用のカンチレバー[c２]は、
およそhだけ試料面より浮いている。次に低速でおよそ
ｈ＞100−300μm （ｈ：Z距離制御用カンチレバーと計
測用カンチレバーの被検体面からの高さの差 ）だけ押
し込み計測用のカンチレバー[c２]を接触させる。[図１
０：t１]その後接触 子を被検体測定端子面に△hだけ押
し込む[図１０：t２]。この時計測用カンチレバーは、
測定端子面から力を受けカンチレバーの変位信号が変化
する。押し付け力は、計測用カンチレバーのばね定数に
△ｈ（カンチレバー押し込み深さ）を乗じたものにな
り、この量は図９の☆印に示す押し付け力設定信号によ
り制御できる。

【００１６】最後に図４に示した複数個の計測用カンチ
レバー有するカンチレバー部を使用する場合は、それぞ
れ両端のZ距離制御用のカンチレバー[c1]と[c1']のOR信
号を取ると、カンチレバーベースが傾いて取り付いてい
ても、どちらか試料面に近い方のZ距離制御用カンチレ
バー信号をZ粗動コントローラー[9]の信号として使用す
ればよい。

【００１７】被検体の測定端子と接触、押し付け力調整
後（t2の後）、前記外部電気試験機[1２]より接触子と
測定端子間にさまざまな試験信号を印加し、被検体の電
気 的評価を行なう。 ＜測定セルとの位置合わせ＞ここでは、被検体をメモリ
ーセルのように空間的に同様の形状が二次元的に配列し
たセルを前提に説明する。

【００１８】セル測定用のカンチレバー各部の寸法は、
以下のように作る。計測用カンチレバー上の接触子は、
セルのピッチと等間隔あるいはピッチの整数倍に配置
し、またZ距 離制御用のカンチレバーの針先と前記接触
子の間隔はセルの整数倍になるように作り込む。また計
測用カンチレバーの背面または側面に、前記接触子と一
定の位置関係をもつ位置合わせマーク[図６：76]（大き
さ１μｍ ｘ １μｍ以上）を作成し、顕微鏡での位置合
わせ用のガイドとして使用する。

【００１９】セルとの微小位置合わせは、計測用カンチ
レバー上の接触子をセルの直上にくるように、光学顕微
鏡で観測しながら、前記XYZ走査スキャナーのXY軸に電
圧を印加しXY位置の微調整を行なう。ここでセルが微小
で光学顕微鏡で見えない場合は、Z距離制御用のカンチ
レバーをXYに走査し、このカンチレバーの変位が一定に
なるようにZスキャナーを制御し、AFMと同様の動作をさ
せセルの形状を得ることができる。このセルの形状をも
とに接触子とセルの位置関係を求め、位置合わせが可能
になる。

【００２０】

【発明の効果】この発明により、以上説明したような微
小なプローブを用いて、微細化された個々のセルに直接
接触し、電気的評価が行なえるようになった。また押し
付け力が制御されたことにより押し込み不足による接触
不良や、押し込み過ぎによるセルの薄膜へのダメージを
与えること無しに電気的評価が行なえるようになった。

【００２１】また光学顕微鏡の分解能が不足の場合は、
AFMと同様の動作でセルの形状を得ることができ 、セル
上に正確に接触子を位置合わせすることが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】外部検出器用プローブ（カンチレバー部）の斜
視図である。

【図２】外部検出器用プローブ（カンチレバー部）の側
面図である。

【図３】（ａ）は自己検知のカンチレバーを用いたプロ
ーブの斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線に沿
った断面図である。

【図４】３ヶ以上のカンチレバーを持つプローブの摸式
図である。

【図５】（ａ）は計測用カンチレバーの斜視図、（ｂ）
は（ａ）においてＡ方向から見た図である。

【図６】計測用カンチレバーの平面図である。

【図７】計測用カンチレバーの断面図である。

【図８】（ａ）はカーボンナノチューブを接触子に用い
た計測用カンチレバーの斜視図、（ｂ）は（ａ）におい
てＡ方向より見た図である。

【図９】本発明のプローバー装置の模式図である。

【図１０】プローブ近接時のタイムチートである。

【図１１】従来のプローバーのプローブの模式図であ
る。

【図１２】従来のアレー型にプローブを配したプローバ
ーの模式図である。

【符号の説明】

１ Z粗動メカニズム ２ XYZ微動スキャナー ３ プローブ（カンチレバー部） ４ 試料台の接触子 ５ 試料台 ６ 被検体 ７ プレアンプ ８ Zサーボ系 ９ Z粗動コントローラー １０ XY走査コントローラー １１ Z走査コントローラー １２ 外部電気回路 ２０ 制御用コンピュータ ☆印 押し付け力設定信号

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気試験用のプローブとして、導電性の
   接触子と片持ち梁（カンチレバー）を有し、同一あるい
   は、隣接するカンチレバーのたわみ信号より被検体面測
   定端子と接触子の押し込み力を制御し接触を確認し、つ
   ぎに接触子を通じて被検体の回路に電気信号を印加し、
   LSI回路の動作を確認する微小接触式プローバーにおい
   て、前記電気試験用のプローブとして複数個のカンチレ
   バーを有し、また同一カンチレバー上に１ケ以上の接触
   子を隣りあって配置することを特徴とする微小接触式プ
   ローバー。
2. 【請求項２】 前記カンチレバー上の接触子は導電性と
   し、個々の接触子間は、絶 縁し、個々の接触子の間隔
   を測定するセルのピッチと等間隔あるいは整数倍とする
   ことを特徴とする請求項1記載の微小接触式プローバー
3. 【請求項３】 接触子の材質としてカーボンナノチーブ
   を使用することを特徴とす る請求項1記載の微小接触式
   プローバー。
4. 【請求項４】 接触子間の絶縁をSOI基板の酸化シリコ
   ン層によって行なうことを特徴とする請求項1記載の微
   小接触式プローバー。
5. 【請求項５】 カンチレバーの接触子面と背面とが絶縁
   してあり、背面を金属膜でコーティングしてあることを
   特徴とする請求項1記載の微小接触式プローバー。
6. 【請求項６】 シリコンあるいはシリコンナイトライド
   で作られた微小なカンチレバーに電気測定用の複数個の
   導電性接触子を有し、その接触子から配線により電気信
   号を取り出す計測用カンチレバーとその両側に被検体面
   との距離制御用のカンチレバーを有するプローブを持つ
   微小接触式プローバー。
7. 【請求項７】 前記計測用カンチレバーの側面あるい
   は、接触子の反対側に接触子と一定位置関係にある顕微
   鏡ガイド用のマークを有する請求項６記載の微小接触式
   プローバー。
8. 【請求項８】 前記プローブの微小位置制御用にXY方向
   に動作するピエゾスキャナーを有することを特徴とする
   請求項１または請求項６記載の微小接触式プローバー。
9. 【請求項９】 前記プローブの押し込み力制御用にZ方
   向に動作するピエゾスキャ ナーを有することを特徴と
   する請求項１または２記載の微小接触式プローバー。