JP4260310B2 - 微小接触式プローバー - Google Patents

Description

【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微小接触式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】
従来技術の接触式の回路試験用微小接触式プローバーのプローブには、例えば図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]を有しているものが知られている。
【０００３】
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るものも知られている。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るものもあった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
今日のように、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特に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ている。
【０００５】
セルが例えば２〜５μｍ以下の等間隔で並んだメモリーセルの検査の場合には特に、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てきている。
【０００６】
現在主として使用されているプローブは、セルの微細化により探針が鋭利になってしまうため、被検体面の押し付け圧力は、適当な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て作成したメモリーセルや、ＴＦＴ液晶のように電極の下に有機薄膜を配した構造体などでは、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っている。
【０００７】
複数のプローブを隣あって並べた場合、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。
【０００８】
また、セルサイズが特に0.5μｍｘ0.5μｍ以下になると、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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る微小接触式プローバーは、 以下のいずれか、好ましくは互いに矛盾しない範囲で複数（全部を含む）を組み合わせた構成や方法が採用される。
【００１０】
・従来のような金属製のプローブではなく、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する。
【００１１】
・プローブ（カンチレバー部）に、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もの（計測用カンチレバー）とする。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距離制御のために長めのカンチレバーを有すると好ましい。
【００１２】
・Ｚ距離制御用カンチレバーを採用し、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行う。
【００１３】
・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する。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。
【００１４】
・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する。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（初期設定で決まっている）のため、セルの直上に接触子を位置合わせできる。
【００１５】
・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する。
【００１６】
例えば、 Z距離制御用のカンチレバーは導電性を備え、計測用カンチレバーより長くされたものが採用される。
図１に示す例（カンチレバー部）では、同一チップ[70]上に複数個のカンチレバー[C1][C2] が作成されている。これらのカンチレバー[C1][C2]の変位検出には、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スティブ抵抗を用いた自己変位型の構成を採用することもでき、光てこ検出器のような外部変位検出器を用いた構成も採用することができる。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ものとする。まず、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[C1]が被検体測定端子面と接触し、これによりたわみを信号を発生する。このたわみ信号の発生をトリガにして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[C2]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[3]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。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
＜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。
【００１８】
隣合う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。
【００１９】
以下図１、２を用いて説明する。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[3]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[c1]は、金等の導電性の金属で針先[40]までコートされ導電性を持たせてある。
【００２０】
図２は、図１のカンチレバーを横方向から眺めた図である。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状態となる。
Z距離制御用のカンチレバー[c1]は、先端半径が100−200ｎm程度で、ばね定数が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。
【００２１】
図５に、接触子[3]の配置と構成を含めた計測用のカンチレバー[c2]の詳細を示す。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[31]はカンチレバーベース部[70]まで配線[50]され、ベース部[70]で接続用のパット[60]に接続されている。このパット[60]に外部電気試験機(図９における[12])が接続されており、接触子[3]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。
【００２２】
図６の平面図に示すように、各接触子[3]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[3]の面と接触子[3]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[3]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[3]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。
【００２３】
図８には、カーボンナノチューブ[33]を複数本林立させ、接触子[3]とした別形態の実施例をしめす。この場合、接触子[3]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。カーボンナノチューブを接触子[3]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。
【００２４】
＜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。
【００２５】
＜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。
【００２６】
図４に示した複数個の計測用カンチレバー[c2] を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信号を取るとよい。カンチレバーベース[70]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ることができる。
【００２７】
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[3]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。
【００２８】
＜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[3]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[c1]の針先[40]と前記接触子[3]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[c2]の背面または側面に、前記接触子[3]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。
【００２９】
セルとの微小位置合わせは、計測用カンチレバー[c2]上の接触子[3]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[c1]をXYに走査し、このカンチレバー[c1]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。
【００３０】
本願発明は、上記実施形態に限定して解釈することは当然にできず、本明細書等に流れる思想・精神に基づいて解釈される。したがって、本願発明には、以下の技術的思想も当然に含まれる。
【００３１】
（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。
【００３２】
微小接触式微小接触式プローバー
（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）の微小接触式プローバー。
【００３３】
（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）の微小接触式プローバー。
【００３４】
（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）の微小接触式プローバー。
【００３５】
（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）の微小接触式プローバー。
【００３６】
（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。
【００３７】
（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）の微小接触式プローバー。
【００３８】
（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）の微小接触式プローバー。
【００３９】
（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）の微小接触式プローバー。
【００４０】
【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。
【００４１】
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】 微小微小接触式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。（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】 プローブの詳細説明の摸式図。（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】 微小微小接触式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。（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】 本発明の微小接触式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。動作のタイムチートである。
【図１１】 従来の微小接触式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微小接触式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 (10)

1. カンチレバーベースと、
   前記カンチレバーベースに支持された１又は複数の計測用カンチレバーであって、該１又は複数の計測用カンチレバーはそれぞれ複数の接触子を有しており、各接触子はそれぞれ配線されて信号伝達可能な先端半径１００〜２００ｎｍの接触子であり、各接触子を用いて電気試験を行うための１又は複数の計測用カンチレバーと、
   前記カンチレバーベースに支持され、かつ、前記計測用カンチレバーよりも長い腕部を有しており、被検体測定端子面との高さ方向の情報を取得するためのＺ距離制御用カンチレバーと、
   前記カンチレバーのＺ軸方向の移動を可能とするＺ粗動機構と、を備え、
   前記Ｚ距離制御用カンチレバーを用いて前記被検体測定端子面との高さ方向の情報を取得し、当該情報に基づいて、前記カンチレバーを前記Ｚ粗動機構により制御移動することで前記計測用カンチレバーに備えた接触子を前記被検体測定端子面に接触させ、その状態で前記計測用カンチレバーによって電気試験を行うことを特徴とする微小接触式プローバー。
2. 請求項１に記載の微小接触式プローバーであって、
   前記Ｚ距離制御用カンチレバーを高速で被検体測定端子面に接近させ、
   前記Ｚ距離制御用カンチレバーが被検体測定端子面に接触すると、当該被検体測定端子面からの情報によりたわみ信号を発生させ、当該たわみ信号をトリガにして被検体測定端子面への接近を低速に切り替え、
   低速で前記計測用カンチレバーを被検体測定端子面に接近させて、被検体測定端子面に前記接触子を接触させて、更に押し込むことで当該接触部に押し込み力を作用させ、
   該押し込み力が設定量域にはいるまで低速送りを行うことを特徴とする微小接触式プローバー。
3. 前記計測用カンチレバーに設けられた各接触子は、それぞれに接続された配線を含め、各々互いに絶縁された請求項１又は請求項２に記載の微小接触式プローバー。
4. 接触子間の絶縁がＳＯＩ基板の酸化シリコン層によってとられている請求項３記載の微小接触式プローバー。
5. 前記計測用カンチレバーは、測定対象である各セルの配置間隔と略等しい間隔で接触子が配置されている請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の微小接触式プローバー。
6. 前記計測用カンチレバーは、測定対象である各セルの配置間隔の整数倍の間隔で接触子が配置されている請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の微小接触式プローバー。
7. 前記接触子は、カーボンナノチューブで構成された請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の微小接触式プローバー。
8. 前記計測用カンチレバーは、接触子が設けられた面と背面とが絶縁されており、背面が金属膜でコーティングされている請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の微小接触式プローバー。
9. 前記計測用カンチレバーは、接触子が設けられた面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被検体測定端子面に対する前記計測用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請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の微小接触式プローバー。
10. 前記計測用カンチレバー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、及びＺ方向に動作するピエゾスキャナーの少なくとも一つを有する請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の微小接触式プローバー。

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