(57)【要約】【課題】マイクロマニピュレーション装置において、プローブと顕体試料の電気的接触を効率的にかつ迅速、正確に行なうための方法および装置の提供。【解決手段】走査型電子顕微鏡画像を観察しながら顕体試料の電気的微細作業を行なうマイクロマニピュレーション装置において、プローブへ交流電圧を印加した状態で、該プローブ先端の顕体試料表面作業点への針当てを走査型電子顕微鏡視野下で行ない、交流電圧の影響による走査型電子顕微鏡の画像の変化を認識することにより、プローブと顕体試料との電気的接触を検出する方法およびその装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型電子顕微鏡画像を観察しながら顕体試料の電気的微細作業を行なうマイクロマニピュレーション装置において、プローブへ交流電圧を印加した状態で、該プローブ先端の顕体試料表面作業点への針当てを走査型電子顕微鏡視野下で行ない、交流電圧の影響による走査型電子顕微鏡の画像の変化を認識することにより、プローブと顕体試料との電気的接触を検出する方法。
【請求項２】
走査型電子顕微鏡画像を観察しながら顕体試料の電気的微細作業を行なうマイクロマニピュレーション装置において、プローブに任意の周波数の交流電圧を印加することの可能な、周波数可変交流電圧印加用電源を具備することを特徴とするマイクロマニピュレーション装置。
【請求項３】
走査型電子顕微鏡画像を観察しながら顕体試料の電気的微細作業を行なうマイクロマニピュレーション装置において、周波数可変交流電圧印加用電源が、プローブに印加する交流電圧の周波数を、ＣＲＴ上観察画像のスキャン周波数に対して、自動的に切り替える電源装置であることを特徴とする請求項２に記載のマイクロマニピュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、極めて微細な顕体試料を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の視野の中に捉えて、その画像を観察しながら該顕体試料の電気的不良解析、電気的性能評価、電気的測定あるいは電気的微細作業等の微細作業を行なうための方法及び装置に関するものであり、更に詳しくは、半導体集積回路などの製造工程に用いられ、半導体デバイス微小部分等の不良解析、性能検査、測定あるいは微細作業等を電気的な手法により行なうマイクロマニピュレーション装置において、プローブ先端と顕体試料の電気的接触を効率的にかつ迅速、正確に行なうための方法および装置を提供する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＣ、ＬＳＩあるいはＶＬＳＩ等に用いられる半導体デバイス等微小な顕体試料を、単に顕微鏡で観察するだけではなく、顕微鏡視野下で測定や極めて微細な加工を行なうという所謂微細作業は、従来から一般的に行なわれていた。しかしながら、その対象物が毎年微細化の方向に移行しつつあるのみならず、その分野もエレクトロニクス分野から、遺伝子組み換え作業等の技術を含んだバイオ分野まで多様化しつつある。特に近年、半導体デバイスの高集積化に伴う作業の微細化、高度化に対する要求と重要性に対応して、マイクロマシンを応用し、顕体試料を顕微鏡視野の中に捉えてマニピュレータを用いて電気的な測定、解析作業を行なう技術の重要性はより高まりつつある。
【０００３】
就中、半導体デバイスの微小領域への微細作業（プロービング）を行なう半導体デバイス不良解析用マイクロマニピュレーション装置の開発の要求も多い。このような微細作業は、通常の生産あるいは検査工程における単純な繰り返し作業とは異なり、一つ一つの作業を、オペレーターが顕微鏡の視野下でマニピュレータを動かし、特殊な機能を持たせたプローブ(触針)を作用させて行なうのが実情である。
【０００４】
顕微鏡の視野下において、マニピュレータに取り付けられたプローブを操作して顕体試料の正確な移動や加工を行なう装置については、例えば特許文献１において開示されており、更にマニピュレータに取り付けられた電気的機能を有するプローブを操作して顕体試料の電気的特性値の測定作業を行なう装置については、例えば特許文献２にて顕微鏡下での微細試料とプローブの動きを連動せしめ、三次元の方向での位置決め、移動や加工を行ない易くした装置が開示されている。更に、特許文献３においては、多層微細配線深層部の電気的測定をダイレクトに行なう装置が記載されている。
【０００５】
使用される顕微鏡としては、光学顕微鏡、電子顕微鏡、Ｘ線顕微鏡等をあげることができるが、画像の正確性、視野の安定性、焦点深度の深さ等の観点から走査型電子顕微鏡が好ましく使用される。走査型電子顕微鏡とは収束電子線を顕体試料表面上に走査して、各走査点から放出される電子を検出器に受けて増幅し、走査と同期させてブラウン管上に画像として写し出す装置である。画像の焦点深度が深いため起伏のある顕体試料の表面観察や、微細顕体試料とプローブ先端とを同一視野内に捉えて目視でマイクロプロービングを行なう装置に好適である。
【０００６】
実際のマイクロマニピュレーション装置における半導体デバイスの性能検査や不良解析あるいは微細作業とは、具体的には、固定点間の抵抗値、導電率や電流値あるいは電圧波形の測定、電圧印加、絶縁性の確認等の測定、更には熔接、結節、熔断、切断等の微細加工作業をあげることができる。これらの作業においてまず行われることは、作業点の直上へのプローブ先端の移動（位置決め）であり、次いで作業点へのプローブ先端の接触（針当て）である。マイクロマニピュレーション作業に必要な位置決めは、例えば、顕体試料を載置する作業台とプローブを取り付けたマニピュレータに搭載したピエゾ素子にフィードバック用の変位検出機能を付加したもので行われる。
【０００７】
次に、作業点へのプローブ先端の接触（針当て）は、オペレーターが走査型顕微鏡視野下においてマニュアルあるいは自動でプローブ先端を下降せしめ、作業点へ該プローブ先端を接触せしめる。しかしながら、顕体試料、即ち半導体デバイスの表面には、製造工程中あるいは製造後付着した微小ゴミ、汚れ、酸化皮膜等が存在する。プローブ先端と該顕体試料を電気的に接触させるには、一般的にはプローブ先端を該顕体試料表面に接触させ、更に加圧（押付け）を行ない、プローブ先端が長手方向へ顕体試料表面を滑る現象を電子顕微鏡の視野下で目視で確認する。あるいはトライアンドエラーを繰り返し、目的とする測定結果等が確認できるまでプローブ先端を該顕体試料表面に接触させ加圧、滑り、再接触を繰り返すことが必要であった。この接触の確認はあくまでも目視によるものであり、電気的な確認ではない。
【０００８】
針当ては例えば、抵抗値測定の場合には、必要な二つの作業点において各々独立に行われるものである。針当てに続く抵抗値測定の作業において、もし異常値あるいはエラー等が発生した場合、その原因が実際の回路の不良によるものなのか、あるいは作業点の微小ゴミ、汚れ、酸化皮膜等の除去が不十分であったために（接触不良により）起きたものなのかを判断するために、更に余分な測定作業が必要となり、作業の効率を著しく低下せしめるものであった。
【０００９】
更に、半導体デバイスの集積度向上の目的で、微細回路の線幅が著しく狭くなり、それに伴ないプローブ先端も極めて細くなり、上述の従来作業であるプローブ先端の滑動が困難になりつつある。即ち、顕体試料及びプローブ先端があまりにも微細でありかつ損傷しやすいものであるため、機械的加圧が不可能であったり、微細領域による滑り現象を実施できなかったり、あるいはプローブ先端のテーパー形状と接触角、顕微鏡視野の関連から接触点の認識が困難で針当てができない場合など様々な問題が発生する。また、針当てができても、それにより、微小回路を損傷するなどの好ましからざる問題が発生することが指摘されていた。
【００１０】
針当てを確認する手段として、上述の機械的手段の問題点を避けるため、例えば特許文献４には顕体試料あるいはプローブに交流信号を流し、両者の電気的接触が完了した時点で交流信号ループが形成されたことを検知し、それにより接触検知信号を得る装置が開示されている。この方法によれば電気的手段により電気的接触が検知されるため、顕体試料の物理的損傷という上述の問題は解消される。しかしながら、このような装置は、交流信号ループの検出手段とリターンの電極が付属装置として必要であり装置が大がかりとなり、更に、針当てする箇所への電気的接続が必ず必要となり、事前の作業が煩雑となる他、実際に顕体試料に交流電流を流すことになるため、それによる微細回路への悪影響も考えられ、十分なものとはいい難かった。特に、半導体デバイスの微小回路部分の任意箇所への針当ての場合、その箇所への電気的接続は極めて難度の高い作業となる。
【特許文献１】特開２０００−２２１４０９号公報
【特許文献２】特開２００２−３６５３３４号公報
【特許文献３】特願２００６−２２１３９９
【特許文献４】特開平５−４１４２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明者等は、上述の問題点に鑑み、顕微鏡観察画像視野の中で顕体試料とプローブの先端を観察しながら、広範囲に亘るプローブの移動と位置決めを効率的に行ない、同時に操作性および確実性に優れた微細作業を行なうことのできるマニピュレーション装置について鋭意研究を行なった。すなわち、本発明者等は、プローブに交流信号を印加すると、プローブに印加された交流電圧により、走査型電子顕微鏡の電子線が電圧に影響されてブラウン管（ＣＲＴ）上の観察画像は上下左右に加えられた交流周波数及び印加電圧に比例して周期的な乱れが生じる現象、具体的には観察画像がゆがんで動く現象（以下揺動現象という）に着目し、本発明を完成するに至ったものである。
【００１２】
即ち、本発明者等は、上記揺動現象は、プローブが顕体試料表面に電気的に非接触の状態、つまり交流電圧がプローブのみに印加されている状態と、プローブが顕体試料表面に電気的に接触した状態、つまり交流電圧がプローブと顕体試料表面の双方に印加されている状態とでは、異なること、具体的には電気的に接触した瞬間に揺動現象の違いが走査型電子顕微鏡視野において視覚的に確認することができることを見出したものである。即ち、交流電圧が印加されているプローブが顕体試料表面に電気的に接触した瞬間にプローブ及び顕体試料の導体部分へ電界が発生し、電子線はこれらの影響を受けるため、上記揺動現象が変化することを見出したものである。
【００１３】
この走査型電子顕微鏡の観察画像の揺動現象とは、プローブや顕体試料の微小回路の画像の外縁部（エッジ部）の直線部分が規則的な波形を持つ鋸歯状に変形して見える現象である。具体的には、プローブが顕体試料表面に電気的に接触した時点で、この現象が変化し、例えば鋸歯状の波形が粗くなったり細かくなったりし、走査型電子顕微鏡の画像を観察していればオペレーターにより確実に目視確認が可能であり、これにより電気的接触を確認することができる。
【００１４】
つまり、本発明の目的はマイクロマニピュレーションにおいて、プローブ先端の顕体試料表面の作業点への電気的接触を、効率的にかつ迅速正確に行なうための方法を提供することにあり、更に他の目的はその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述の目的は、走査型電子顕微鏡画像を観察しながら顕体試料の電気的微細作業を行なうマイクロマニピュレーション装置において、プローブへ交流電圧を印加した状態で、該プローブ先端の顕体試料表面作業点への針当てを走査型電子顕微鏡視野下で行ない、交流電圧の影響による走査型電子顕微鏡の画像の変化を認識することにより、プローブと顕体試料との電気的接触を検出する方法により達成される。即ち、顕体試料へ接触させるプローブへ交流電圧を印加し、プローブが顕体試料へ電気的に接触する前後の走査型電子顕微鏡観察画像の変化を認識することによる、プローブと顕体試料の電気的接触を検出する方法である。本発明において、上述の顕体試料は電気的に絶縁されていることが必要である、即ち、逆に言えば、顕体試料の作業点の電気的接続の必要はない。本発明にいう電気的微細作業とは、電気的不良解析、電気的性能評価、電気的測定あるいは微細な熔接、結節、熔断、切断等の電気を用いた微細作業をいう。
【００１６】
更に、本発明の他の目的は、走査型電子顕微鏡画像を観察しながら顕体試料の電気的不良解析、電気的性能評価、電気的測定あるいは電気的微細作業等を行なうマイクロマニピュレーション装置において、プローブに任意の周波数の交流電圧を印加することの可能な、周波数可変交流電圧印加用電源を具備することを特徴とするマイクロマニピュレーション装置により達成される。上述の周波数可変交流電圧印加用電源は、プローブに印加する交流電圧の周波数を、ＣＲＴ上観察画像のスキャン周波数に対して、自動的に切り替える電源装置であることが好ましい。
本発明において、ＣＲＴとはＣａｔｈｏｄｅ  Ｒａｙ  Ｔｕｂｅの略称であり、通称ブラウン管と称せられる装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明になるプローブと顕体試料の電気的接触検出方法およびその装置によれば、デバイス微小部分等の不良解析、性能検査、測定あるいは微細作業等を電気的な手法により行なうマイクロマニピュレーション装置において、プローブと顕体試料の電気的接触を走査型電子顕微鏡画像より瞬間的にかつ確実に検出することができるので、マイクロマニピュレーション作業の効率化、正確化、迅速化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の基礎になる走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭと略記する）画像の交流電圧を印加による揺動現象とは以下に説明する現象である。即ち、ＳＥＭは光学顕微鏡とは異なり、電子線を顕体試料表面上に走査して、各走査点から放出される電子を検出器に受けて増幅し、走査と同期させてブラウン管上に画像として写し出す装置であって、正常な状態では走査線はゆがむことなくクリアな画像を形成することができる。ところが視野内に交流電圧を印加された物体が存在する場合、交流電圧による電界がかかるようになり、ＳＥＭの電子線が電界の影響を受け、揺れが生じるようになり、ＳＥＭ画像が乱れるようになる。このような現象を避けるため、ＳＥＭを用いるマイクロマニピュレーションの場合はプローブや顕体試料に導通する電源は必ず直流電源を用いる。
【００１９】
上述の現象は、交流電圧を印加された場合にのみ見られる現象であり、それが他の部分に接触し、電気的導通が得られると電界の状態が瞬間的に変化し、その状態変化のため揺動現象も変化し、ＳＥＭ画像の乱れに変化が起こるようになる。本発明においてはこの現象をプローブと顕体試料の電気的接触の検出手段として用いることをその肝要とする。即ち、従来の方法においては、プローブと顕体試料の電気的接触は自動（ジョイステック或はパルスフィードバック）あるいは手動で針当てを行ない、プローブ先端が長手方向へ顕体試料表面を滑る現象をオペレーターが電子顕微鏡の視野下で目視で確認する。更に、トライアンドエラーを繰り返し、目的とする測定結果等が確認できるまでプローブ先端を該顕体試料表面に接触させ加圧、滑り、再接触を繰り返すことが必要であった。しかるに本発明によれば、ＳＥＭ視野下において電気的接触を瞬間的に検知することができるので、トライアンドエラーの繰り返し等の煩雑な作業が解消され、しかも正確な作業が保証されるという利点を有する。
【００２０】
本発明になるプローブと顕体試料の電気的接触検出方法およびその装置について以下にその詳細を説明するがこれにより限定を受けるものではない。
【００２１】
第１図は本発明になる方法を実施するための装置の一例の説明図である。ＳＥＭ鏡筒（１）下に顕体試料（２）である半導体デバイスがあり、その間にプローブ（３）がある。顕体試料（２）である半導体デバイスは試料台（図示せず）上に設置され電気的に絶縁されており、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の粗動、微動、回転、傾斜が可能である。プローブ（３）はマイクロマニピュレータ（図示せず）上に搭載され、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の粗動、微動が可能である。マイクロマニピュレータの数は図面では一個であるが、実際にはそれ以上である場合もあり特に限定を受けない。これらは減圧可能なＳＥＭ試料室（４）内に収納されている。プローブ（３）には交流電圧印加用電源であるパルスジェネレーター（５）が取り付けられており、プローブ（３）への交流電圧印加はスイッチ（６）により行われる。顕体試料（２）及びプローブ（３）は上述の通り自在な動きが可能であり位置決め、作業点へのプローブ先端の接触（針当て）等の操作をオペレーターがＳＥＭ画像を目視しながら確認する。針当ての操作の際には、パルスジェネレーター（５）を稼動しプローブに交流電圧を印加し、針当て完了による電気的導通をＳＥＭ画像の揺動現象の変化をオペレーターが目視確認することで検知する。
【００２２】
図２は、プローブに交流電圧が印加されてはいるがプローブ先端（７）が顕体試料（２）である半導体デバイスの金属微小回路に電気的接触がなされていない状態でのＳＥＭ画像を模式的に示したものである。プローブや顕体試料の微小回路の画像の外縁部（エッジ部）の直線部分が揺動現象により、大きな鋸歯状に変形して見える。図３はそのプローブ先端が顕体試料の微小回路の作業点に電気的に接触した時のＳＥＭ画像を模式的に示したものであり、プローブや顕体試料の微小回路の画像の外縁部の直線部分は同様に鋸歯状に変形して見えるが、その波形は図２のものよりも細かいことは明らかである。この変化はＳＥＭ画像を動画像として経時的に目視観察していて、突然不連続的におこるものであって、オペレーターにより極めて明確にそして瞬間的に検知されるものである。ＳＥＭ画像を目視で観察しこの現象が検知された時点で電気的接触が検出されたこととなる。電気的接触により、電界状態の変化に伴なう揺動現象の変化が、鋸歯状の形状がどう変化するか（鋸歯状の形状が大きくなるかあるいは小さくなるか等）は状況によって変わってしまい、明確には記載できないが、変化が起こることは明らかである。
【００２３】
この作業は位置決め、針当てという基本的マニピュレーションをマイクロマニピュレータを駆動して行なうのであり、ＳＥＭ視野下でオペレーターが目視で上述の現象を確認することにより電気的接触を検知したならば、プローブをその状態で固定する。次に、別のプローブを同様に別の作業点に電気的に接触せしめ固定する。電気的作業が例えばこの２作業点間の抵抗値の測定である場合、交流電圧の印加を解除し、別の直流電源より直流を流し抵抗値の測定を行なう。測定において異常値が検出された場合は、真の異常であって、作業点の接触不良による見かけ上の不良であることを疑う必要はなく、迅速な対応が可能となる。
【００２４】
上述の鋸歯状形状は、ＳＥＭのスキャンの周波数と、印加する交流の周波数との関連で変化するので、ＳＥＭ画像の揺動現象の確認しやすい周波数を選定することが肝要である。具体的には、本発明方法を行なうマイクロマニピュレーション装置においては、プローブに任意の周波数の交流電圧を印加することの可能な、周波数可変交流電圧印加用電源を具備することが求められる。これにより、ＳＥＭのスキャンの周波数に応じて、プローブに印加する交流の周波数を自動的に調整することが可能となり、最も好適な条件を選定することができる。
【実施例】
【００２５】
通常のＳＥＭを用い、１−４のスキャンモード（1画面のスキャンがそれぞれ０．３５秒、２秒、１０秒及び２０秒）の条件を選定し、顕体試料として半導体デバイスの集積回路の表面の観察を行った。タングステン製のプローブを搭載したマイクロマニピュレータを用い、ＳＥＭ視野下で目視でマイクロマニピュレータを駆動し、プローブ先端の金属回路への電気的接触作業を行なった。接触作業に際し、１０Ｖｐ−ｐの交流電圧を周波数を変えて印加し、ＳＥＭ画像の揺動現象を確認した。スキャンモード１（０．３５秒）では５０Ｈｚの周波数の正弦波を印加することでＳＥＭ画像の揺動現象（外縁部の鋸歯状形状）が検出でき、また、電気的接触が完了した時点で瞬間的にＳＥＭ画像の揺動現象の変化が確認できた。しかしながら、それ以下の低い周波数では明瞭な現象は確認できなかった。２−４のスキャンモード、即ち、1画面のスキャンが２秒、１０秒及び２０秒のモードでは、１０Ｈｚの周波数の正弦波を印加することでＳＥＭ画像の揺動現象（外縁部の鋸歯状形状）が検出でき、電気的接触も明瞭に検出できた。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明方法および装置によれば、マイクロマニピュレーション装置におけるプローブ先端の作業点への電気的接触の確認がＳＥＭ画像の揺動現象の変化から極めて容易に確認、検知することが可能となり、煩雑な操作を要した電気的接触の確認を確実にかつ迅速に行なうことができるようになったものであり、マイクロマニピュレーション装置の作業効率の向上、信頼性の向上に高く寄与しうるものである。更には、プローブ先端としてカーボンナノチューブのような破損しやすい素材を用いた時にも有効である。更にまた、画像処理を用いたマイクロマニピュレーション装置においては、その揺動現象の外縁部での違いを捉えることで、電気的な接触位置でのオートプロービング（自動針接触検知によるＺ軸方向へのマイクロマニピュレーターの降下の自動停止）が可能となり、極めて精度の高い作業が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】は本発明の微細操作用マイクロマニピュレーション装置の概略説明図である。
【図２】はプローブに交流電圧が印加され、プローブが顕体試料作業点に電気的に接触していない状態でのＳＥＭ画像を模式的に示した説明図である。
【図３】は交流電圧が印加されたプローブが顕体試料の作業点に電気的に接触した状態でのＳＥＭ画像を模式的に示した説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１：ＳＥＭ鏡筒、２：顕体試料、３：プローブ、４：ＳＥＭ試料室、５：パルスジェネレーター、６：スイッチ、７：プローブ先端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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