(57)【要約】【課題】探針の可動範囲を確保しつつ蛇腹の断面積を抑制し真空槽およびプローバ装置全体を小型化薄型化し、探針保持方法を機械的に安定化し、かつ温度ドリフトを抑制する。【解決手段】断熱真空槽内に置かれ温度制御可能な測定試料上で探針位置を定めて電気的特性等を試験するプローバ装置において、探針支持棒をその長手方向移動以外の自由度について真空槽あるいは支持棒自身に対し固定された支点を中心とする梃子式運動により位置決めすることにより、探針位置の機械的安定化、および真空槽と探針支持棒とを接続し真空隔壁の一部を構成する蛇腹の小断面化、その結果としての真空槽の小型薄型化を可能にする。また、互いに直交する３平面を対称面とする対称性を真空槽に持たせ被測定試料をその中心に保持することによって試料温度変化の際の部材の熱膨張収縮に伴う探針の試料に対する相対位置の温度ドリフトを抑制する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
覗き窓を備えた真空槽と、
前記真空槽内に設置される試料台と、
前記試料台上に固定される試料を加熱または冷却する試料加熱冷却装置と、
前記真空槽の外部から可動シールを介して真空槽内に挿入し、一端部に設けた測定探針を外部の他端部から任意に移動可能とした探針支持棒とを備え、
前記探針支持棒は、前記一端部と他端部との間に配置した支点で支持し、
前記支点を探針支持棒の軸線方向に移動可能に支持し、
前記探針支持棒を梃子式運動と軸線方向の移動によって外部から測定探針を操作可能としたことを特徴とする試料温度可変小型プローバ装置。
【請求項２】
探針支持棒の位置制御を、真空槽に対して固定された１点を支点とする同支持棒の梃子式運動および支点に対する長手方向の移動によって行い、探針の試料に対する相対位置の選択を可能とする請求項１記載のプローバ装置。
【請求項３】
探針支持棒の位置制御を、同支持棒上の特定の１点を支点とする梃子式運動および当該支点の真空槽に対する直線移動によって行い、探針の試料に対する相対位置の選択を可能とする請求項１記載のプローバ装置。
【請求項４】
探針支持棒の位置制御を、真空槽外において真空槽に対して固定され同支持棒の長手方向に平行しない面上で同支持棒の方位を２自由度で規定し、前記他端部において同支持棒の長手方向位置を規定することによって行うことによって探針の試料に対する相対位置を規定する請求項２記載のプローバ装置。
【請求項５】
探針支持棒の位置制御を、真空槽外において同支持棒の支点の真空槽に対する直線移動と平行な直線移動を含む独立な３自由度で前記他端部の真空槽に対する相対的位置を規定することによって探針の試料に対する相対位置を規定する請求項３記載のプローバ装置。
【請求項６】
探針支持棒の動作の支点を、真空槽に固定し１点で互いに直交する２つの回転軸をめぐる回転によって同支持棒の真空槽に対する方位を可変とした自在継手と、当該自在継手に固定された直線動作案内機構とによって真空槽内で構成する請求項２記載のプローバ装置。
【請求項７】
探針支持棒の動作の支点を、真空槽に固定した直線動作案内機構と、当該直線動作案内機構によって長手方向の移動を可能とした部材と、当該部材に固定し１点で互いに直交する２つの回転軸をめぐる回転によって同支持棒の真空槽に対する方位を可変にさせる継手とによって真空槽内で構成する請求項３記載のプローバ装置。
【請求項８】
真空槽の形状および各探針支持棒に係る支点の固定点相互および真空槽との相対的位置関係を機械的に規定する部分の構造を、被測定試料の表面の中心点において互いに直交する３平面を対称面とする対称性をもつものとし、かつ、試料台の位置決めを、その延長が試料表面の中心点で交差し、その熱収縮による張力が均衡するような複数の方向にのばした、低熱伝導度材料からなる中空の支柱によって真空槽に対して固定することによって行う、請求項１記載のプローバ装置。
【請求項９】
試料台の位置決めをＶＩＩＩ族遷移金属を含む非磁性合金からなる中空の支柱によって真空槽に対して固定することによって行う、請求項８記載のプローバ装置。
【請求項１０】
前記支点を探針支持棒の軸線方向に移動可能に支持する手段は、リニアベアリングまたはクロスローラ案内である請求項１記載のプローバ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料冷却加熱機構および外部電磁場印加源を用いた極低温から室温以上の温度域における半導体ウエハ等の対象物の電気的特性等を試験するプローバ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体ウエハ等の測定試料の温度を制御しつつ測定すべき部位を目視により選択して電気的特性等を試験するプローバ装置として、例えば特公昭６２−５８６６０号公報（特許文献１）に記載されているように、断熱のための真空度を保持する真空槽と、その真空槽内に置かれ極低温冷凍機との熱伝導およびヒータにより温度制御される試料ホルダと、真空槽内に挿入され先端に設置された探針を真空槽外からの位置制御によって測定試料に近接させ計測に供することができるプローバと、を含んで構成されたものが知られている。
【０００３】
以下、図６により従来の試料温度可変プローバについて説明する。図において、５１は真空槽であり、基台５２に固定されている。真空槽５１の内部は図示されていない真空排気口を通して真空排気され、断熱のための真空度が保持される。被測定試料５３は試料台５４の上に固定される。試料台５４は試料５３と熱接触を保つ一方、その真空槽５１に対する位置を低熱伝導度の支柱５５により保持する。試料台５４は図示されていない極低温冷凍機等で冷却されたコールドヘッド５６により伝熱体５７経由で冷却される。試料台５４はその内部に設置した電熱ヒータ５８を用いて昇温される。試料５３の電気的特性等の測定は、試料５３の表面に１つまたは複数の探針５９の先端を近接させ、リード線６０および気密コネクタ６１を介して図示していない測定器を接続することによって行う。
【０００４】
探針５９によって測定を行う試料５３上の部位の選択は、真空槽５１の気密を保つ覗き窓６２を通して目視しつつ探針５９を次のように位置制御することによって行う。探針５９は低熱伝導度の剛体からなる探針支持棒６３の一端に固定される。探針支持棒６３の他端はＸＹＺステージ６４に固定される。ＸＹＺステージ６４は基台６２上に固定されており、探針支持棒６３および探針５９を基台５２に対して、したがって試料５３に対して、紙面に垂直方向であるＸ方向、図の左右、即ち探針支持棒６３の長手方向であるＹ方向、図の上下、即ち試料５３表面に垂直方向Ｚ方向の３方向に平行移動させることができる。なお、Ｚ方向には揺動させる場合もある。可動シールとしての蛇腹６５が、一端は真空槽５１の開孔６６に固定され他端は探針支持棒６３に固定され、真空槽５１内部の真空度を保持する隔壁の一部として機能するので、この真空度を保持したまま、探針５９の移動を行うことができる。
【０００５】
【特許文献１】
特公昭６２−５８６６０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、被測定試料５３のウエハ寸法が大きくなるにしたがって試料台５４を大きくするだけでなく、探針５９のＸＹ方向可動範囲を拡大する必要が生ずる。探針支持棒６３はＸＹＺステージ６４を用いて平行移動する。探針５９のＸ方向移動に伴い蛇腹６５はＳ字型に変型するので、真空槽５１の開孔６６および蛇腹６５の内径はともに探針５９のＸ方向可動量に支持棒６３の外径を加えた寸法を上回るものでなくてはならない。蛇腹６５の断面積を拡大する結果、大気圧による引込み力が増大し、これを支えるＸＹＺステージ６４および基台５２として大掛かりな機構が必要となる。また、探針５９のＹ方向可動量を増すためには蛇腹６５の伸縮量を増すだけでなく探針支持棒６３を長くする必要がある。探針５９の位置が遠く離れたＸＹＺステージ６４を支点として保持される結果、探針５９先端の機械的安定性を保つことが困難となる。一方、試料台５４は支持棒５５を介して真空槽５１に固定されるが、支持棒５５の一部は試料５３の温度制御とともに加熱または冷却されるので、その熱膨張または熱収縮の結果、試料５３が真空槽５１に対して、従って基台５２に対して動いてしまう。探針５９は試料５３が基台５２に対して一定位置にあることを前提として位置合わせされるので、試料上で特性測定を行っている部位が試料温度によって動いてしまう。
【０００７】
試料５３の電気的特性等の測定をＺ方向に磁場を印加しつつ行おうとする場合、常伝導電磁石の磁極間隙に真空槽５１を設置する必要が生ずる。同一の励磁電流では磁極間隙を狭めるほど電磁石の磁場を高めることができるので、真空槽５１の形状をＺ方向に極力薄いものにすることが望ましい。
【０００８】
本発明はこのような従来技術の問題点を解決しようとするものであり、探針の可動範囲を確保しつつ蛇腹の断面積を抑制し真空槽およびプローバ装置全体を小型化薄型化し、探針保持方法を機械的に安定化し、かつ、試料温度変化による探針位置の移動、即ち温度ドリフトを抑制することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、探針の可動範囲を確保しつつ可動シールとしての蛇腹の断面積を小さいもので済ますために、請求項１のプローバ装置は、探針の左右および上下方向動作を、探針支持棒の中途の真空槽開孔付近に支点をもつ梃子式運動によって行い、蛇腹の断面積を規定する探針支持棒の動作範囲確保に要する真空槽開孔の内寸を小さくすることを特徴とする。また、支点をＸＹＺステージよりも探針に近い所とすることによって探針が機械的に安定に保持されることを特徴とする。
【００１０】
また、探針の長手方向移動を梃子式運動による左右および上下方向動作と組み合わせる方法として、請求項２のプローバ装置は梃子式運動の支点を真空槽に固定した点にとり、探針支持棒の長手方向移動を、その移動軸がこの支点を通る直線に一致するように行うことを特徴とする。また、請求項３のプローバ装置では梃子式運動の支点を探針支持棒に対して固定した点にとり、当該支点が真空槽に対して長手方向に移動することを特徴とする。
【００１１】
また、真空槽外からの探針の位置制御方法として、請求項４のプローバ装置は請求項２のプローバ装置のように梃子式運動の支点を真空槽に固定した点にとった場合において、当該支点から長手方向に一定距離にある面内で探針支持棒軸の通るべき上下左右位置を定め、その後、探針の長手方向位置を定めることを特徴とする。また、請求項５のプローバ装置では請求項３のプローバ装置のように梃子式運動の支点を探針支持棒に対して固定した点にとった場合に探針支持棒の真空槽外側の端点であるハンドル点を、当該支点の長手方向移動軸と平行な軸を含む３軸について位置制御することを特徴とする。
【００１２】
また、梃子式運動の支点の構成方法として、請求項６のプローバ装置は請求項２のプローバ装置の場合において、１点で直交する２回転軸を有する継手を真空槽に固定しこれによって上下左右に梃子式運動する部品に直線動作案内機構を保持することによって長手方向移動を可能とすることを特徴とする。また、請求項７のプローバ装置は請求項３のプローバ装置の場合に真空槽に固定された直線動作案内機構により長手方向移動を可能とした部品に１点で直交する２回転軸を有する継手を固定し、この継手が探針支持棒の梃子式運動の支点となることを特徴とする。
【００１３】
また、試料温度変化による試料に対する探針位置の移動である温度ドリフトを抑制する方法として、請求項８のプローバ装置は請求項２のプローバ装置において、真空槽の形状および各探針支持棒の梃子式動作の支点の配置に対称性をもたせ、試料表面の中心がその対称中心点に一致するよう試料台を配置し、かつ、試料台位置を真空槽に対して保持する支柱を、試料温度変化により熱膨張熱収縮が生じてもそれに伴う張力が互いにつり合うように配置することを特徴とする。また、請求項９のプローバ装置は請求項８のプローバ装置において、試料台の位置決めをとくにＶＩＩＩ族遷移金属を含む非磁性合金からなる中空の支柱によって行うことを特徴とする。また、請求項１０のプローバ装置は前記支点を探針支持棒の軸線方向に移動可能に支持する手段は、リニアベアリングまたはクロスローラ案内としたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態、実施例】
以下、本発明の実施の形態として実施例を図１−図５に基づいて説明する。なお、図１は平面図、図２はその矢視図である。１はステンレス板からなる基台であり、その中央にマイクロチェンバーである真空槽２を固定している。内部の空間を閉止弁３を通して真空排気し、断熱真空とする。真空槽２の内部中央に無酸素銅からなる試料台４を置く。試料台４上に板状の測定試料５を密着固定する。試料台４は中心部が薄肉非磁性ステンレス管からなる支柱６を介して真空槽２に固定される。試料ステージの冷却、加熱に伴う温度ドリフトを防ぐために、４本の支柱を同一寸法とし、同一平面上に対称的に配置することにより、その張力が試料台４中央にてつり合うようにしている。７は冷却ポートである。その試料に近い一端８は無酸素銅ブロック製のコールドヘッドであり、銅箔あるいは銅網線からなる可撓性の伝熱体９経由で試料台４を冷却する。冷却ポート７のその他の部分は非磁性ステンレス製であり大気側は端部を除き断熱二重構造とする。ここに公知のフロー型冷却器を接続してコールドヘッド８、伝熱体９、試料台４経由で測定対象である試料５を冷却する。試料台４裏側に図示を省略している抵抗加熱ヒータを固定し、試料台４の加熱を行う。試料台４裏側に図示を省略している温度センサを固定し、試料台４の温度を測定する。
【００１５】
図の例では試料５の表面に４本の探針１０の先端を近接させて測定を行う。各探針１０はタングステン製であり、断熱と電気的絶縁をになうポリイミド樹脂製の探針ホルダ１１を介して非磁性ステンレス製の探針支持棒１２の先端に固定する。探針支持棒１２のハンドル点である他端１３は大気側にあり、このハンドル点である端部１３をＸＹＺステージ１４により精密に位置制御する。探針支持棒１２の中間部１５はステンレス溶接ベロウズからなる可動シールとしての蛇腹１６とともに真空槽２内部の真空度を保つ真空隔壁を構成する。探針１０はポリイミド被覆された低熱伝導度金属であるリン青銅製細線からなる図示していないリード線、気密コネクタ１７を介して図示を省略している測定器と電気的に接続される。
【００１６】
真空槽２に覗き窓１８を設け、内部空間を真空排気しつつ目視によって各探針１０の位置を定められるようにする。透明サファイア板からなる覗き窓板１９は真空槽２の蓋を兼ねており、フッ素ゴムＯ−リング２０、フッ素ゴムシートスペーサ２１、およびステンレス製の覗き窓押え板２２により真空槽２内部の真空度を保つが、内部が大気圧の時にはこれをはずすことによって、試料５の交換作業を行うことができる。真空槽２の底側も別のフッ素ゴムＯ−リング２３および底板フランジ２４によって構成されており、ここを開くことによって真空槽２内壁と支柱６、試料台４、および伝熱体９の相互の接続を容易に行うことができる。
【００１７】
探針支持棒１２はその中間の１点において、真空槽２に対して直線運動案内機構２５を介して支持された支点部材２６と自在継手２７により接続される。端部１３をＸＹＺステージ１４によって位置制御するとき、ＸＹＺステージ１４の長手方向（Ｘ方向）移動に平行して支点部材２６がＸ方向に移動する。ＸＹＺステージ１４のＹ、Ｚ方向移動にしたがって探針支持棒１２がそれぞれ、部材２６上の１点を支点として左右、上下方向に梃子式動作をする。端部１３、支点部材２６ともに真空槽２に対してまずＸ方向移動の自由度を持つ結果、ＸＹＺステージ１４を用いて探針１０先端の位置制御をＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向それぞれの自由度の相互干渉なしに行うことができる。
【００１８】
探針支持棒を位置制御する方法の第２の例を図３に示す。この例では、探針支持棒１２は真空槽２の内部で筒状直線運動案内機構２８により保持される。筒状直線運動案内機構２８は、左右（Ｙ）、上下（Ｚ）方向に梃子式運動可能な形で、自在継手２９を介して真空槽２に固定される。探針支持棒１２は大気側でも別の筒状直線運動案内機構３０により保持される。筒状直線運動案内機構３０は、自在継手３１を介してＹＺステージ３２に固定される。ＹＺステージ３２により、探針支持棒１２の梃子式運動における、左右（Ｙ）、上下（Ｚ）方向を制御する。一方、長手（Ｘ）方向位置決めステージ３３を筒状直線運動案内機構３０の外被部材３４に固定して設け、これによって探針支持棒１２の長手（Ｘ）方向の位置制御を行う。本例の場合、探針支持棒１２は、真空槽２に対して固定された自在継手２９と、ＹＺステージ３２を介して真空槽２に対して長手（Ｘ）方向には固定された動きをする自在継手３１とによってその方向を定められる。探針支持棒１２はこれら２点においてともに直線運動案内機構により保持される。その結果、ＹＺステージ３２およびＸ方向位置決めステージ３３を用いて探針１０先端の位置制御をＸ方向（長手方向）、Ｙ方向（左右方向）、Ｚ方向（伏角方向）それぞれの自由度の相互干渉なしに行うことができる。
【００１９】
図４には、第２の例において真空槽２の内部に位置する筒状直線案内機構および自在継手の部分を簡略化した例を示す。この例では、探針支持棒１２は、真空槽２に固定されたベリリウム銅からなる保持板３５にあけた孔３６を貫通する。保持板３５にはこのほかに息抜き孔３７を設け、蛇腹１６内部の空間の真空排気に供する。本例では、探針支持棒１２と孔３６との間の遊びが探針支持棒１２の梃子式運動の支点位置の一定性を減ずるが、真空槽内部構造を簡潔にすることによって、蛇腹部分のさらなる小断面化を可能にするという利点がある。なお、本発明において、支点を探針支持棒の軸線方向に移動可能に支持することは、前記第１の例及び第２の例における筒状直線案内機構によって探針支持棒を支持する手段を全て含む意味で使用している。
【００２０】
最初の例では真空槽２の覗き窓付き蓋を覗き窓板１９等で構成し、底部を底板フランジ２４によって構成し、ともにＯ−リングで真空槽の気密を保っている。これに対して、図５には、覗き窓にビューポート式フランジ３８を用い、底板フランジ３９とともにＩＣＦ−１１４規格で銅ガスケットを用いる構成にした例を示す。さらに、真空排気弁３、試料冷却用ポート７、気密コネクタ１７のポート、および４個の探針支持棒ポートについても、これらにいずれもＩＣＦ−３４規格で銅ガスケットを用いる構成とすることが可能であり、本真空槽２の内部空間を、到達真空度１０−８  Ｐａ以下の超高真空対応の真空槽とすることができる。
【００２１】
【発明の効果】
上述したように本発明の試料温度可変プローバは、探針先端の位置制御を探針支持棒の梃子式動作および長手方向移動によって行う結果、真空隔壁の一部をなす蛇腹部の小断面積化を可能とする。この小断面積化は大気側ＸＹＺステージ等への引込み力の抑制、ひいてはＸＹＺステージ機構体の小型化、真空槽の小型薄型化を可能にし、試料に簡便に磁場を印加できるようにする効果をもたらす。また、探針支持棒を大気側の端点のみならず試料により近い支点で保持するので、探針先端位置を機械的に安定化する効果をもたらす。さらに、対称的に支柱を配置して試料台を保持することによって測定中の試料冷却、加熱に伴う探針位置の温度ドリフトを防ぐ効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す試料温度可変プローバ装置の平面図である。
【図２】同装置の（ａ）Ａ−Ａ線矢視図、（ｂ）Ｂ−Ｂ線矢視図である。
【図３】本発明の別の一実施例を示す試料温度可変プローバ装置の（ａ）部分断面図、（ｂ）該当部分の平面図である。
【図４】同装置の探針支持棒支点機構部分を置換える別の一実施例の部分断面図である。
【図５】本発明の別の一実施例における真空槽の構成を示す部分断面図である。
【図６】従来の試料温度可変プローバ装置の概念図である。
【符号の説明】
１  基台
２  真空槽
３  閉止弁
４  試料台
５  測定試料
６  支柱
７  冷却ポート
８  コールドヘッド
９  伝熱体
１０  探針
１１  探針ホルダ
１２  探針支持棒
１３  探針支持棒大気側端
１４  ＸＹＺステージ
１５  探針支持棒中間部
１６  蛇腹
１７  気密コネクタ
１８  覗き窓
１９  覗き窓板
２０  Ｏ−リング
２１  ゴムシートスペーサ
２２  覗き窓押え板
２３  Ｏ−リング
２４  底板フランジ
２５  直線運動案内
２６  支点部材
２７  自在継手
２８  筒状直線運動案内
２９  自在継手
３０  大気側筒状直線運動案内
３１  自在継手
３２  ＹＺステージ
３３  長手（Ｘ）方向位置決めステージ
３４  大気側筒状直線運動案内の外被部材
３５  保持板
３６  貫通孔
３７  息抜き孔
３８  ＩＣＦ規格ビューポート式フランジ
３９  ＩＣＦ規格底板フランジ
５１  真空槽
５２  基台
５３  測定試料
５４  試料台
５５  支柱
５６  コールドヘッド
５７  伝熱体
５８  電熱ヒータ
５９  探針
６０  リード線
６１  気密コネクタ
６２  覗き窓
６３  探針支持棒
６４  ＸＹＺステージ
６５  蛇腹
６６  真空槽の開孔
【図１】
2004342956.tif 000003
【図２】
2004342956.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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