JP3317001B2 - プローブ製造方法 - Google Patents

プローブ製造方法

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JP3317001B2 JP04455394A JP4455394A JP3317001B2 JP 3317001 B2 JP3317001 B2 JP 3317001B2 JP 04455394 A JP04455394 A JP 04455394A JP 4455394 A JP4455394 A JP 4455394A JP 3317001 B2 JP3317001 B2 JP 3317001B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型トンネル顕微鏡
または原子間力顕微鏡またはこれらを応用した装置のプ
ローブに関し、特に、パッケージされた半導体集積回路
のチップ表面等を測定するのに好適なプローブ及びその
製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図6は従来例の説明図である。図におい
て、3はティップ、4はカンティレバー、5はプローブ
基体、12はパッケージ、13はICチップ、14はIC表面
の凸部、例えば配線である。
【0003】G. Binnig らによって発明された走査型ト
ンネル顕微鏡(STM:ScanningTunneling Microscope
、例えば、米国特許4,343,993)や、原子間力顕微鏡
(AFM:Atomic Force Microscope 、例えば、米国特
許4,724,318 、或いは、G.Binnig,C.F.Quate,C.Gerber:
Phys.Rev.Lett.56, P930, 1986) は、原子オーダーの超
高空間分解能で試料表面の物理および物性的性質を測定
することが可能であり、数多くの応用が試みられてい
る。
【0004】重要な応用の一つとして、半導体集積回路
の分野が挙げられる。AFMを用いれば、半導体集積回
路表面の凹凸を高分解能測定できるため、プロセス評価
や故障解析等に有用である。
【0005】また、最近、動作中の半導体集積回路の内
部信号電圧の測定への応用が考えられている。半導体集
積回路を開発・製造する上で素子を試験して動作不良が
ある場合に原因を調べる(故障解析)ことが不可欠であ
るが、近年のLSIの高集積化、I/Oピンの多数化に
より、LSIテスタなどのI/Oピンの信号を測定する
方法だけでは正確な設計検証や故障解析を行うことが困
難になってきている。
【0006】このため、素子の中の微細配線の電圧を測
定することが行われる。半導体集積回路チップ内部の微
細配線の電圧測定に適した装置としては、電子ビームを
用いた装置が知られているが、半導体集積回路の高集積
化、高速化に伴い、測定スピードと時間分解能が不十分
となりつつある。光ビームを用いた技術(例えば、J.A.
Valdmanis ;Electron.Lett.23,1308-1310,1987) もある
が、波長制限で決まる空間分解能が不十分であるため、
LSIには適用できない。
【0007】本発明者は、AFM技術を応用し、導電性
微細探針による配線探索と探針位置決めの機能を備えた
光ビームによる高空間分解能の電圧測定装置を提案し
た。(特開平5−251524号公報:プローブ装置お
よび集積回路検査装置)また、導電性微小探針と配線間
に作用する静電力をAFMカンティレバーでサンプリン
グすることによって配線電圧を測定する方法(例えば、
A.S.Hou et al; Ultrafast Elrctronics & Optoelectro
nics (Jan.1993),WA4) も提案されている。これらの方
法は、従来の電子ビームテスタより高感度、高速のLS
I内部診断技術になるものと期待される。
【0008】以上のような走査型トンネル顕微鏡や、原
子間力顕微鏡、及びこれらを応用した装置のプローブ製
造方法には多数の方法がある。半導体プロセスを利用
し、シリコンウエハからオールシリコン製のプローブを
製造する方法によれば、多数のプローブを再現性良く製
造することが可能である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】例えば、AFM用プロ
ーブ基体5は、図6(c)に示すように、一般に高さ数
μmで先端径0.1μm程度の微小針(ティップ)3を先
端部に備える軟らかな、例えば、バネ定数が0.1〜10N/
m で長さ数百μmのカンティレバー(片持針)4をプロ
ーブ基体5に取りつけた構造を有する。プローブ基体5
の長さは数mmである。
【0010】プローブは、図6(a)に示すように、或
る角度( 例えば10°) で傾けて使用する。これにより、
試料表面が平ら(例えば、回路を形成したシリコンウエ
ハ)であれば、プローブ基体5の先端のティップ3のみ
が試料であるICチップ13に接触する。しかしながら、
パッケージ12に固着されたICチップ13を測定する場
合、ICチップ13がパッケージ12の表面よりも奥まった
位置(例えば1mm下側)にあると、プローブ基体5、
あるいは、プローブホルダの底面がパッケージ12の表面
に接触するため、ICチップ13の表面にはプローブ基体
5の先端のティップ3を接触させることができない、す
なわち、観測できない領域がある。また、ICチップ13
がパッケージ12の深いところにある場合には、全く観測
ができない。このように、ICチップ13のパッケージ12
内での深さやチップ面積に応じてICチップ13の表面に
は観察できない領域が生じる。
【0011】プローブの傾きを大きくすればこの問題は
軽減されると考えられるが、図6(b)に示すような別
の問題が生じる。すなわち、プローブの傾きに応じて、
テイップ3もICチップ13の表面に対して傾くため、画
像或いはラインプロファイルの測定時に、ICチップ13
表面のパッドや配線14等の凸部の壁面とテイップ3の壁
面間で力が作用するために観察画像が歪んでしまう、つ
まり空間分解能が低下する問題があり,プローブの傾き
が大きいほど顕著となる。
【0012】本発明は、以上のような問題点のないプロ
ーブの製造方法を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理説明
図である。図において、1はシリコン構造体、3はティ
ップ、4はカンティレバー、5はプローブ基体、6は平
行板バネである。
【0014】パッケージに固着されたICチップの観察
等、大きな凹凸のある試料測定に好適なAFM用プロー
ブ形状の例を図1(a)に示す。微小探針となるティッ
プ3は試料表面にほぼ垂直に設置され、ティップ3と垂
直方向のプローブの幅が短く、且つ、プローブ全体がプ
ローブ基体5の上部(ティップと反対の端部)で保持さ
れることが望ましい。カンティレバー4がティップ3と
ほぼ直角方向(試料水平面と平行)に形成される場合、
カンティレバー4が試料と接触しないような長さのティ
ップ3を備えることが望ましい。カンティレバー4に比
べてティップ3の長さが無視できないくらい長いと、カ
ンティレバー4にひねりが生じやすい。これが問題に成
る場合には、図1(b)のようにカンティレバーに代え
て2本の平行板バネ6にするのが望ましい。
【0015】従来、オールシリコン製のプローブを製造
する場合、従来例の図6(c)に示したように、ティッ
プ3の軸がシリコン基板2の面に垂直に形成されるよう
に、エッチング等の加工がされてきた。この方法では,
例えば100μmという長いティップ3を製造すること
は極めて困難である。また図1(b)のような平行板バ
ネ6を製造することはほぼ不可能である。
【0016】
【作用】本発明では、図2(d)に示すように、ティッ
プの基となる突起物の軸方向がシリコン基板の面方位と
直交するように(ティップの軸方位がシリコン基板面と
平行になるように)シリコン構造体を製作し、その後,
突起物の先端部を尖らせる工程を備えており、ティップ
の軸方向断面がシリコン基板面上で形成される。
【0017】そのため、軸の長いティップを多数、精密
に作ることができる。
【0018】
【実施例】図2〜図5は本発明の第1〜第3の実施例の
説明図である。図において、1はシリコン構造体、2は
シリコン基板、3はティップ、4はカンティレバー、5
はプローブ基体、6は平行板バネ、7は板バネ、8はマ
スク、9はミリングイオン、10は不純物ドープ層、11は
電極である。
【0019】本発明のプローブ製造方法の第1の実施例
を図2〜図3により説明する。図2(a)〜(c)はシ
リコン基板2の一部の断面図、図2(d)は構造体斜視
図、図3はプローブ5の断面図である。
【0020】図2(a)に示すように、シリコン構造体
を製作する第一ステップは、例えば、(110)方位の
シリコン基板(ウエハ)2を用い、図2(b)に示すよ
うにシリコン基板2上にプローブ構造体断面形状に対応
するマスク8を形成後、KOH溶液や、エチレンジアミ
ン:ピロカテコール:水の混合液でプローブの所望の厚
さに相当する深さまで、異方性エッチングをすることに
より、シリコン基板2面に垂直なシリコン構造体1を形
成する。
【0021】その後、図2(c)に示すように、裏面か
らシリコン基板2を全面ラッピング、ポリッシング、エ
ッチングを併用して研磨し、シリコン構造体1を図2
(d)に斜視図で示すように、その後、探針の基となる
突起物が剥き出しになるように切り離す。
【0022】図1(a)に示したように、本発明の方法
では、このシリコン構造体1のティップ3の長さは少な
くとも50μm以上にし、また、ティップ3を含むプロ
ーブ基体5の長さも少なくとも500μm以上にするこ
とができる。
【0023】第二ステップの突起物先端を尖らせてティ
ップ3を製作する工程は、図3に示すように、イオンミ
リングで行う。例えば、アルゴンイオンをミリングイオ
ン9として用い、エッチング速度がティップ3の先端角
度に依存する性質を利用して、図3に示すように、プロ
ーブ基体5のティップ3先端を尖らせることができる。
更に、突起物の先端部を熱酸化、或いは、熱窒化した後
に除去することにより、先端部が更に先鋭化したティッ
プ3を製作することも可能である。
【0024】第一ステップでシリコン構造体1を形成す
る方法は上記に限らない。例えば、一般的な(100)
面のシリコン基板2でも、マスク方位の工夫等により、
主要な面、つまりティップ3の軸がシリコン基板2の面
に平行なシリコン構造体1を形成することが可能であ
る。更に、上記ウエットエッチング以外に、RIEによ
る異方性ドライエッチングを利用しても良い。
【0025】本発明によれば、図3のようなカンティレ
バー4を備えたプローブ以外に、図4に示すような、ブ
リッジをなす平行板バネ6でティップ3を支える構造の
プローブも製作可能であり、また、図5に示すようなブ
リッジをなす1枚の板バネ7でティップ3を支える構造
も製作可能である。これらの場合、ブリッジの中央部は
ティップ3の移動によって上下方向に移動する通常のA
FMのような光テコによるティップ変位測定は測定感度
が低くなる。
【0026】図4では、シリコン基板2は不純物ドープ
無しのものを用い、ブリッジをなす平行板バネ6の一方
のみに不純物を選択的にドープした不純物ドープ層10を
形成し、プローブ基体5に電極11のパターンを形成し
て、不純物ドープ層10に接続することによって、シリコ
ンのピエゾ抵抗効果及び形状変化を利用した歪ゲージを
形成することができる。そして、この部分の抵抗値変化
を、例えばブリッジ回路で測定することにより、探針変
位を測定することができる。
【0027】また、図3に示すカンティレバー4、図5
に示す板バネ7においても同様に、不純物の導入等によ
って、形状変化及びピエゾ抵抗効果の和によって生じた
半導体の変形による抵抗変化を利用して、深針変位を測
定できる。
【0028】本発明により、実施例で説明したように、
シリコン基板面に平行してシリコン構造体を切り出すこ
とにより、ティップの長いプローブが形成出来、また色
々な形のバネ要素をプローブに持たせることが出来るの
で、プローブの変位を高感度に検知することが出来る。
【0029】尚、以上の本発明によるプローブの製造方
法で製作したプローブは、STM、或いは、STMを応
用した装置にも、もちろん適用することができる。
【0030】
【発明の効果】パッケージに装填されたLSI等の凹凸
の大きいICチップ等のサンプルを測定可能なティップ
の長いプローブが製作できるため、走査型トンネル顕微
鏡、原子間力顕微鏡、および、これらを応用した装置に
本発明のプローブを用いることが実現でき、LSI等の
半導体装置の品質管理、信頼性の向上に大きく貢献・寄
与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の原理説明図
【図2】 本発明の第1の実施例の説明図(その1)
【図3】 本発明の第1の実施例の説明図(その2)
【図4】 本発明の第2の実施例の説明図
【図5】 本発明の第3の実施例の説明図
【図6】 従来例の説明図
【符号の説明】
1 シリコン構造体 2 シリコン基板 3 ティップ 4 カンティレバー 5 プローブ基体 6 平行板バネ 7 板バネ 8 マスク 9 ミリングイオン 10 不純物ドープ層 11 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−115452(JP,A) 特開 平4−22809(JP,A) 特開 平3−104136(JP,A) 特開 平4−136577(JP,A) O.Wolter、Th.Baye r、J.Greschner,Micr omachined silicon sensors for scanni ng force microscop y,Journal of Vacuu m Science & Techno logy B,米国,American Vacuum Society,1991 年4月,Vol.9,No.2,pp. 1353−1357 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 21/30 H01J 37/28 JICSTファイル(JOIS)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン基板(2) より切り出されて形成
    されたシリコン構造体(1) から形成され、先端が尖った
    突起物からなるティップ(3) をカンティレバー(4) の先
    端に備えたプローブであって、 該ティップ(3) の軸方向が、該シリコン基板(2) の面方
    位と直交するようにシリコン構造体(1) を製作し、その
    後、該ティップ(3) の先端を尖らせることを特徴とする
    プローブ製造方法。
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O.Wolter、Th.Bayer、J.Greschner,Micromachined silicon sensors for scanning force microscopy,Journal of Vacuum Science & Technology B,米国,American Vacuum Society,1991年4月,Vol.9,No.2,pp.1353−1357

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