JP2006284599A - カンチレバーを用いて試料面の情報を取得する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 現行の光学顕微鏡では分解能不足で位置合わせは困難であった。
【解決手段】 計測用カンチレバー［Ｃ２］の背面に、光学顕微鏡を用いて被検体測定端子面に対するカンチレバーの位置を制御するためのガイド用のマークである光学顕微鏡位置合せマーク［７６］を設けた。
【選択図】 図６

Description

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。

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[113]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[115]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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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．Tortonese，R．C．Barrett，C．F．QuateAppl．Phys.Lett.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。

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。

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。

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。

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[c1](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。

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。

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１〜３μｍ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[50]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0.1−0.3ｍｍ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１０：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。

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。

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。

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１μｍｘ１μｍ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。

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。

上記実施形態には以下の技術的思想も当然に流れている。

技術的思想（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。

技術的思想（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技術的思想（1）記載の微小接触式プローバー

技術的思想（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技術的思想（1）記載の微小接触式プローバー。

技術的思想（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技術的思想（1）記載の微小接触式プローバー。

技術的思想（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技術的思想（1）記載の微小接触式プローバー。

技術的思想（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。

技術的思想（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技術的思想（６）記載の微小接触式プローバー。

技術的思想（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技術的思想（１）または技術的思想（６）記載の微小接触式プローバー。

技術的思想（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技術的思想（１）または（２）記載の微小接触式プローバー。

外部検出器用プローブ（カンチレバー部）の斜視図である。 外部検出器用プローブ（カンチレバー部）の側面図である。 （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。 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。 （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。 計測用カンチレバーの平面図である。 計測用カンチレバーの断面図である。 （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。 本発明のプローバー装置の模式図である。 プローブ近接時のタイムチートである。 従来のプローバーのプローブの模式図である。 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 (1)

1. カンチレバーの側面及び背面の少なくとも一方に、光学顕微鏡を用いて試料面に対するカンチレバーの位置を制御するためのガイド用のマークを有する、カンチレバーを用いて試料面の情報を取得する装置。

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