JP2005142561A - マニピュレータおよびそれを用いたプローブ装置、試料作製装置、試料観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブ交換時における装置の停止時間を短縮し、装置稼働率を向上させるマニピュレータを提供する。
【解決手段】真空チャンバにエアロック室を設け、このエアロック室を、本体の真空チャンバと真空ベローズで接続する。エアロック室にはプローブホルダを取り付け、本体に設けた移動機構によりエアロック室ごとプローブを移動する。エアロック室は排気ポートから真空排気を可能とし、エアロック室と真空チャンバの間を真空バルブで仕切る。プローブはエアロック室と真空チャンバの間を移動できるよう、第２の移動機構を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、真空内における微小探針のマニピュレータに係り、特に電子素子の性能を評価、ないしは不良を解析するプローブ装置、もしくは集束イオンビームを利用して、試料片から分析や観察に必要な部分のみを加工・摘出する試料作製装置に関する。

従来の電子素子の評価方法としてプローバがある。これは、大気中で光学顕微鏡により検査試料を観察しながら、電気的特性を測定したい位置に探針を接触させる方法である。この探針に、電圧印加手段と電流測定手段を設けることにより、素子の電流電圧特性を評価したり、導通不良箇所を特定することが可能である。

近年では、半導体の高集積化が進み、サブミクロンの配線を持った電子素子の評価をする手法が考案されている。例えば、特許文献１（特開平９−３２６４２５号公報）に開示されているように、前述したプローバにおいて、光学顕微鏡の代わりに、真空中にて荷電粒子を試料に照射し、その二次電子を検出する顕微手段（電子顕微鏡等）を用い、高精度の探針移動機構により、探針を試料に接触させている。

また、半導体の高集積化により、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと略記）の分解能では測定できないほど極微細なものにおける解析の必要性が高まっている。そのため、ＳＥＭに代わって観察分解能が高い透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと略記）が有力視されている。ＴＥＭで観察するには、試料の観察部の厚さを、０．１μｍまで薄く加工する必要がある。この加工手順の例として、まず、ダイシング装置を用いてウエハ等の試料から、観察すべき領域を含む短冊状ペレットを切り出す。このペレットの一部に、集束イオンビーム（以下、ＦＩＢと略記）を照射して、薄壁状の部分を作る。ＴＥＭ観察時には、この薄壁面に垂直に電子線を照射することで行う。

この方法の欠点は、一つの試料を作成するのに、作業が煩雑になることや、ウエハを切断するために分析できない箇所があるという点が挙げられる。

これに対し、特許文献２（特開平５−５２７２１号公報）では、以下のような手法が開示されている。これは、試料の姿勢を変化させながら、ＦＩＢ加工のみで試料を切り出してしまう方法である。ここでは、切り出し後の試料摘出手段として、前述したプローバの探針と同様な形状の操作針を試料に接触させ、堆積ガスを供給し、イオンビームアシストデポジション膜を形成することで、操作針と試料との接着を行い、ウエハから分離を行う。

特開平９−３２６４２５号公報 特開平５−５２７２１号公報

しかしながら、前者のプローブ装置および後者の試料作製装置に共通する問題として、探針、もしくは操作針（以下、プローブという）を試料に接触させるため、プローブ先端の劣化を生ずることが挙げられる。試料に接触させたときのプローブの変形が、弾性変形領域に収まるような荷重・変位にするための接触検出の方法も検討されている。しかし、試料の表面が絶縁物で覆われているなど、接触面の状態が常に同一ではないため、プローブの接触検知不良により必要以上にプローブを試料に押し付ける場合が生じる。これにより、プローブ先端が塑性変形し、次回以降のプローブの使用が困難になる。この問題は、半導体の集積度が上がり、プローブ先端が細くなるに従って顕著となる。

また、後者の試料作製装置に限って言えば、プローブ先端を試料に接着し、ウエハから試料を分離した後に、別の試料を作成・摘出する際には、プローブ先端を切断しなければならない。この切断はＦＩＢで行え、さらに切断面をＦＩＢで鋭利にすることは可能であるが、平面的な加工のみとなるため、厚さ方向に太い、くさび状のプローブになってしまう。このため、繰り返し使用するには、限度がある。

上記の理由により、いずれの装置においてもプローブは消耗品であり、かなりの頻度で交換が必要となる。ところで、これらの装置に取り付けられているプローブ移動用のマニピュレータは、機構部とプローブが一体になっており、プローブ交換時には真空チャンバを大気開放して、本体から取り外さなければならなかった。このため、交換後の真空立ち上げにおいて、長時間を必要とし、装置の稼働率を低下させる原因となっていた。

上記課題を解決するために、本発明では以下の手段を用いる。

装置本体である真空チャンバからプローブを出し入れする際に、真空チャンバを大気開放することなく行える真空導入機構を設ける。具体的には、真空チャンバにはエアロック室を設けており、このエアロック室は、本体の真空チャンバとフレキシブルな真空ベローズで接続されている。プローブを保持している部材は、エアロック室に取り付けられており、本体に設けられた移動機構によりエアロック室ごとプローブを移動できる。エアロック室は真空排気が可能な構造であり、エアロック室と真空チャンバの間は真空バルブで仕切られている。プローブはエアロック室と真空チャンバの間を移動できるよう、第２の移動機構を設ける。

本発明により、プローブを本体の真空チャンバから出し入れする際に、真空チャンバを大気開放する必要がないため、装置の稼働率を向上させることが可能となる。

図１は本発明の一実施例を示すマニピュレータの概略構成図である。図において、装置本体である真空チャンバ１には、真空ベローズ２で接続されたエアロック室３が設けてある。プローブ４を装着したプローブホルダ５は真空シール６を介してエアロック室３に固定されており、真空チャンバ１に設けられた３軸の移動機構７ａ、７ｂ、７ｃにより、エアロック室３ごとプローブ４の移動が可能である。エアロック室３と真空チャンバ１の仕切りは、開閉可能な真空バルブ８で構成されており、排気ポート９からエアロック室３の真空排気／大気開放が可能である。プローブ４はエアロック室３と真空チャンバ１の間を移動できるよう、プローブホルダ５には１軸の移動機構１０が設けられている。

ここで、本実施例の動作について説明する。プローブ４を交換する際には、図２（ａ）に示すように、移動機構１０を用いてプローブホルダ５を退避させ、真空バルブ８を閉じる。これにより、エアロック室３は本体真空チャンバ１とは別空間になる。ここで、エアロック室３に排気ポート９からエアを入れて、エアロック室３内を大気圧にする。この後、プローブホルダ５をエアロック室３から取り外し、図２（ｂ）の状態にしてからプローブ４の交換作業を行う。交換後は、逆の手順でプローブホルダ５をエアロック室３に取り付け、エアロック室３内を真空排気する。エアロック室３と真空チャンバ１の圧力差が無くなったことを確認し、真空バルブ８を開く。プローブホルダ３は移動機構１０により、真空チャンバ１内に導入される。プローブ４を所望の位置に操作するには３軸の移動機構７ａ、７ｂ、７ｃを用いてエアロック室３ごと移動させる。これにより、真空チャンバを大気開放すること無く、プローブの交換が可能となる。

図３は本発明の別の実施例を示すマニピュレータの詳細断面図である。また、図４は図３の平面図であり、図５は図３のＡＡ断面図である。

図において、装置本体である真空チャンバ３１には、ベースフランジ３２が真空シール３３を用いて固定されている。エアロック室３４は真空ベローズ３５を介して、ベースフランジ３２に接続されており、エアロック室３４の端面には真空バルブ３７を備えている。真空バルブ３７の開閉は、エアロック室３４内に構成した筒状のバルブ開閉機構３８を回転させることによって行う。また、エアロック室３４には、排気用の配管３９が真空ベローズ４０を介してベースフランジ３２に取り付けられており、排気ポート４１に通じている。これにより、エアロック室３４内の排気（あるいはリーク）を行う。

ベースフランジ３２にはＹ軸用リニアガイド４２を介してベース（Ｙ）４３が取り付けられている。その両端には、ベースフランジ３２に固定されたＹ軸用リニアアクチュエータ４４と予圧用押しバネ４５ａが仕込まれており、ベース（Ｙ）４３のＹ軸方向への移動を行う。

同様に、ベース（Ｙ）４３にはＺ軸用リニアガイド４６を介してベース（Ｚ）４７が取り付けられており、ベース（Ｙ）４３に固定されたＺ軸リニアアクチュエータ４８と予圧押しバネ４５ｂによって、Ｚ軸方向への移動を行う。Ｘ軸方向へは、Ｘ軸用リニアガイド４９に沿ってベース（Ｘ）５０を移動させるが、このとき、Ｘ軸用リニアアクチュエータ５１の出力をてこ５５を用いて反転させている。

ベース（Ｘ）５０には、エアロック室３２、およびプローブ３６を装着しているプローブホルダ５４を固定しているため、各軸のリニアアクチュエータ４４，４８，５１を駆動させることにより、プローブ３６の移動を行える。プローブ３６の位置は、各軸のエンコーダ５２ａ、５２ｂ、５２ｃの出力値によって把握され、高精度な位置制御が可能である。プローブホルダ５４はエアロック室３２の軸に沿って、真空を保ちながら移動可能なように、軸用の真空シール５３を設けてある。

ここで、本実施例の動作について説明する。プローブ３６を交換する際には、図６（ａ）に示すように、プローブホルダ５４を手動により退避させ、バルブ開閉機構３８を動作させて真空バルブ３７を閉じる。これにより、エアロック室３４は本体真空チャンバ３１とは別空間になる。ここで、エアロック室３４に排気ポート４１からエアを入れて、エアロック室３４内を大気圧にする。

この後、さらにプローブホルダ５４をエアロック室３４から引き抜き、図６（ｂ）の状態にしてからプローブ３６の交換作業を行う。交換後は、逆の手順で組み込めばよい。まず、プローブホルダ３６をエアロック室３４に挿入し、エアロック室３４内を真空排気する。エアロック室３４と真空チャンバ３１の圧力差が無くなったことを確認し、バルブ開閉機構３８を動作させて真空バルブ３７を開く。プローブホルダ５４はさらに手動により、真空チャンバ３１内に挿入される。プローブ３６を所望の位置に操作するには３軸のリニアアクチュエータ４４，４８，５１を用いてエアロック室３４ごと移動させる。これにより、真空チャンバを大気開放すること無く、プローブの交換が可能となる。

図７は本発明の実施例をプローブ装置に適用したときの概略図である。図において、電子銃７１から放出された電子ビーム７２は、アパーチャ７３により成形され、集束レンズ７４により電子ビーム７２の拡がりを制御し、偏向器７５と対物レンズ７６を通ることによってステージ７７上の所望の位置に集束される。ステージ７７上には、半導体ウエハや半導体チップ等の基板７８を載置しており、ステージ位置コントローラ７９により基板７８の評価する素子の位置を特定する。

複数のマニピュレータ８０ａ、８０ｂ、８０ｃに装着された各々のプローブ８１ａ、８１ｂ、８１ｃは、ステージ７７とは独立に駆動可能なプローブ位置コントローラ８２ａ、８２ｂ、８２ｃによって、基板７８上の評価素子の位置まで移動させる。移動の際は、電子ビームコントローラ８３により、基板７８の評価素子近傍に電子ビーム７２を走査して、基板７８からの二次電子を二次電子検出器８４により検出し、その画像をディスプレイ８５で表示／観察しながら行う。接触した基板７８の微小部分に電圧を印加できるよう、各プローブ８１ａ、８１ｂ、８１ｃには電源８６が接続されている。同時に、各プローブ８１ａ、８１ｂ、８１ｃに流れる電流も測定できる様、電流計８７が接続されている。

評価方法の例として、ウエハ上に形成されたＭＯＳデバイスにおける場合を記す。まず、３つのプローブをそれぞれ、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極に接触させる。ここで、プローブを用いてソース電極をアースに落とし、プローブによりゲート電極の電圧をパラメータとして振りながら、プローブによりドレイン電圧と、ソース−ドレイン間を流れるドレイン電流の関係を測定する。これにより、ＭＯＳの出力特性を得ることができる。これらの動作は中央演算処理装置８８によって、一括して制御されている。

なお、マニピュレータ８０ａ、８０ｂ、８０ｃは前述した図３に示したものと、同様な構成としている。これにより、測定評価時にプローブが破損しても、容易にプローブ交換が可能であるため、プローブ装置の稼働率を向上させることが可能である。

また、本実施例において、電子銃７１をイオン源に置き換えて構成される照射光学系を用いたプローブ装置であっても、本発明のマニピュレータを用いることにより、同様の効果が得られる。

図８は本発明の実施例を試料作製装置に適用したときの概略図である。図において、イオン源８９から放出されたイオンビーム９０は、ビーム制限アパーチャ９１により成形され、集束レンズ７４によりイオンビーム９０の拡がりを制御し、偏向器７５と対物レンズ７６を通ることによってステージ７７上の所望の位置に集束される。

集束されたイオンビーム（ＦＩＢ）９０は、基板７８表面を走査した形状にスパッタすることにより、試料９２の精密な加工を行える。ステージ７７上には、半導体ウエハや半導体チップ等の基板７８と、摘出した試料９２を保持する試料ホルダ９３を載置しており、ステージ位置コントローラ７９により試料加工および摘出をする位置の特定を行う。マニピュレータ８０に装着されたプローブ８１は、ステージ７７とは独立に駆動可能なプローブ位置コントローラ８２によって、基板７８上の摘出位置まで移動させる。移動および加工の際は、ＦＩＢコントローラ９４により、基板７８の摘出位置近傍にＦＩＢを走査して、基板７８からの二次電子を二次電子検出器８４により検出し、その画像をディスプレイ８５で表示／観察しながら行う。

試料９２の摘出には、基板７８の姿勢を変化させながらＦＩＢ加工を行うことにより、試料９２をクサビ状に切り出し、プローブ８１先端を試料９２に接触させる。接触部にはデポガス源９５を用いて堆積ガスを供給し、イオンビームアシストデポジション膜を形成することで、プローブ８１と試料９２との接着を行う。

この後、プローブ位置コントローラ８２によりプローブ８１を基板７８から引き上げ、ステージ７７上の試料ホルダ９３の位置に移動する。プローブ８１を降下し、プローブ８１に接着した試料９２のクサビ先端が試料ホルダ９３の表面に接触したのを確認し、イオンビームアシストデポジション膜にて試料９２の側面と試料ホルダ９３とを接着する。プローブ８１の先端はＦＩＢによって試料９２から切断され、プローブ位置コントローラ８２により、次の試料摘出位置へ移動を行う。このようにして一枚の基板から所望の数の試料を、一つの試料ホルダに移載することが可能である。

これらの動作は中央演算処理装置８８によって、一括して制御されている。なお、前述した実施例と同様、マニピュレータは図３に示した構成としている。これにより、プローブが消耗あるいは破損しても、プローブ交換が容易であるため、試料作製装置の稼働率を向上させることが可能である。

図９は本発明の実施例を試料観察装置に適用したときの概略図である。図において、イオン源８９から放出されたイオンビーム９０は、ビーム制限アパーチャ９１により成形され、集束レンズ７４によりイオンビーム９０の拡がりを制御し、偏向器７５と対物レンズ７６を通ることによってステージ７７上の所望の位置に集束される。集束されたイオンビーム９０、すなわちＦＩＢは、基板７８表面を走査した形状にスパッタすることにより、精密な加工を行える。

ステージ７７上には、半導体ウエハや半導体チップ等の基板７８を載置しており、ステージ位置コントローラ７９により基板の観察をする位置の特定を行う。マニピュレータ８０に装着されたプローブ８１は、ステージ７７とは独立に駆動可能なプローブ位置コントローラ８２によって、基板７８上の観察位置まで移動させる。

移動および加工の際は、ＦＩＢコントローラ９４により、基板７８の観察位置にＦＩＢを走査して、基板７８からの二次電子を二次電子検出器８４により検出し、その画像をディスプレイ８５で表示しながら行う。接触した基板７８の微小部分に電圧を印加できるよう、プローブ８１には電源８６が接続されている。

観察を行う場合は、まず観察したい回路を他の回路から電気的に孤立させるよう、ＦＩＢにて回路周囲に溝加工を施す。回路の一端に電圧を印加したプローブ８１を接触させ、その回路に設計上接続されているであろう箇所の観察を行う。もし断線もなく接続されていたら、コントラストが変化する（明るくなる）ため、回路の不良判定を行うことが可能である。

これらの動作は中央演算処理装置８８によって、一括して制御されている。なお、前述した実施例と同様、マニピュレータは図３に示した構成としている。これにより、プローブが破損しても、容易なプローブ交換を可能とし、試料観察装置の稼働率を向上させることが可能である。

本発明の一実施例のマニピュレータの概略縦断面図。 本発明の一実施例のマニピュレータの動作説明図。 本発明の別の実施例のマニピュレータの縦断面図。 図３の実施例のマニピュレータの平面図。 図３の実施例のマニピュレータのＡＡ断面図。 図３の実施例のマニピュレータの動作説明図。 本発明の別の実施例のプローブ装置の要部斜視図。 本発明の別の実施例の試料作製装置の要部斜視図。 本発明の別の実施例の試料観察装置の要部斜視図。

符号の説明

１…真空チャンバ、２…真空ベローズ、３…エアロック室、４…プローブ、５…プローブホルダ、６…真空シール、７…３軸移動機構、８…真空バルブ、９…排気ポート、１０…１軸移動機構、３１…真空チャンバ、３２…ベースフランジ、３３…真空シール、３４…エアロック室、３５…真空ベローズ、３６…プローブ、３７…真空バルブ、３８…バルブ開閉機構、３９…排気用配管、４０…真空ベローズ、４１…排気ポート、４２…Ｙ軸用リニアガイド、４３…ベース（Ｙ）、４４…Ｙ軸用リニアアクチュエータ、４５…予圧用押しバネ、４６…Ｚ軸用リニアガイド、４７…ベース（Ｚ）、４８…Ｚ軸用リニアアクチュエータ、４９…Ｘ軸用リニアガイド、５０…ベース（Ｘ）、５１…Ｘ軸用リニアアクチュエータ、５２…エンコーダ、５３…真空シール、５４…プローブホルダ、５５…てこ、７１…電子銃、７２…電子ビーム、７３…アパーチャ、７４…集束レンズ、７５…偏向器、７６…対物レンズ、７７…ステージ、７８…基板、７９…ステージ位置コントローラ、８０…マニピュレータ、８１…プローブ、８２…プローブ位置コントローラ、８３…電子ビームコントローラ、８４…二次電子検出器、８５…ディスプレイ、８６…電源、８７…電流計、８８…中央演算処理装置、８９…イオン源、９０…イオンビーム、９１…ビーム制限アパーチャ、９２…試料、９３…試料ホルダ、９４…ＦＩＢコントローラ、９５…デポガス源。

Claims (4)

1. 試料を載置する試料ステージと、集東イオンビームの照射光学系と、前記集束イオンビームの照射領域にデポジション膜を形成するための原料ガスを供給するデポジション用ガス源と、前記集束イオンビームの照射によって試料から発生する二次粒子を検出する二次粒子検出器と、前記二次粒子検出器で得られた二次粒子像を表示する画像表示器と、前記試料ステージ及び二次粒子検出器を格納する真空容器と、前記真空容器を大気開放せずに前記ブローブを当該真空容器内に出し入れするための真空導入機構とを備え、
   前記画像表示器に表示される画像の視野内において前記ブローブで前記試料の一部を分離させる操作を行うことを特徴とする試料作製装置。
2. 請求項１に記載の試料作製装置において、
   真空導入機構は、小型真空容器と、該小型真空容器を介して前記真空容器内に前記ブローブを出し入れするブローブホルダと、前記真空容器と前記小型真空容器間の仕切を開閉する真空バルブと、前記ブローブホルダを移動するための移動機構とを備えたことを特徴とする試料作製装置。
3. 試料を載置する試料ステージと、集東イオンビームの照射光学系と、前記集束イオンビームの照射によって試料から発生する二次電子を検出する二次電子検出器と、前記二次電子検出器で得られた二次電子像を表示する画像表示器と、導電性のブローブと、前記ブローブを真空容器内で移動させるための移動手段と、前記ブローブを保持して前記真空容器を大気開放すること無く前記真空容器からの出し入れを可能とする真空導入手段と、前記ブローブに電圧を供給する電源とを具備し、
   前記ブローブを前記試料に接触させて前記試料の一部に電圧を供給して前記試料の電位コントラスト像を前記画像表示器に表示することを特徴とする試料観察装置。
4. 請求項３に記載の試料作製装置において、
   該真空導入機構は、小型真空容器と、該小型真空容器を介して前記真空容器内に前記ブローブを出し入れするブローブホルダと、前記真空容器と前記小型真空容器間の仕切を開閉する真空バルブと、前記ブローブホルダを移動するための移動機構とを備えたことを特徴とする試料観察装置。

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