(57)【要約】【課題】プロービング装置において、探針の誤選択による探針の破損を回避して、微小素子の電気的特性の測定効率を向上させることのできる技術を提供する。【解決手段】操作画面に映し出されるＳＥＭ像を見ながら選択された探針を移動させる際に、操作画面に映し出されるＳＥＭ像の変化値をモニタし、ＳＥＭ像の変化値がノイズレベルよりも大きければ、正しい探針が選択されていると判断されて選択された探針の移動を続行し、ＳＥＭ像の変化値がノイズレベルと同等またはノイズレベルよりも小さければ、誤った探針が選択されていると判断されて選択された探針の移動を停止する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作画面に映し出されたＳＥＭ像を見ながら複数本の探針を操作し、微小素子を構成する各パターンに前記複数本の探針を直接接触させて、前記微小素子の電気的特性を測定するプロービング装置であって、
選択した探針を移動させる際に、前記操作画面に映し出された前記ＳＥＭ像の変化値をモニタし、前記ＳＥＭ像の変化値がノイズレベルよりも大きければ正しい探針が選択されていると判断されて前記選択した探針の移動が続行され、前記ＳＥＭ像の変化値がノイズレベルと同等またはノイズレベルよりも小さければ誤った探針が選択されていると判断されて前記選択した探針の移動が停止されることを特徴とするプロービング装置。
【請求項２】
請求項１記載のプロービング装置において、前記探針の先端径は１０〜５００ｎｍであることを特徴とするプロービング装置。
【請求項３】
請求項１記載のプロービング装置において、前記選択された探針の移動が停止される前、後、または同時に音声またはメッセージにより警告が発せられることを特徴とするプロービング装置。
【請求項４】
操作画面に映し出されたＳＥＭ像を見ながら複数本の探針を操作し、微小素子を構成する各パターンに前記複数本の探針を直接接触させて、前記微小素子の電気的特性を測定するプロービング装置であって、
前記複数本の探針にそれぞれ電流計を接続して前記複数本の探針に流れるプローブ電流をモニタし、選択した探針に接続された電流計に前記プローブ電流が流れていれば正しい探針が選択されていると判断されて前記選択した探針の移動が続行され、選択した探針に接続された電流計に前記プローブ電流が流れていなければ誤った探針が選択されていると判断されて前記選択した探針の移動が停止されることを特徴とするプロービング装置。
【請求項５】
操作画面に映し出されたＳＥＭ像を見ながら複数本の探針を操作し、微小素子を構成する各パターンに前記複数本の探針を直接接触させて、前記微小素子の電気的特性を測定するプロービング装置であって、
操作対象の探針のイメージを予め想定し、前記操作対象の探針のイメージと前記操作画面に映し出された前記ＳＥＭ像とをオーバーラップさせて表示し、選択した探針が前記イメージと同一方向に移動すれば正しい探針が選択されていると判断されて前記選択した探針の移動が続行され、選択した探針のＳＥＭ像に前記イメージがオーバーラップしなければ誤った探針が選択されていると判断されて前記選択した探針の移動が停止されることを特徴とするプロービング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロービング装置に関し、特に、例えばナノメータスケールの微小素子の配線またはコンタクトに複数本の探針を直接接触させて、微小素子の電気的特性を評価するプロービング装置に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ナノメータスケール素子に金属細線とさらにサブミクロンスケールの金属配線とミクロンスケールの金属電極が形成された試料を超高真空プローバ室に移動し、超高真空プローバを用いて、金属電極に電気的な接続を行い、ナノメータスケール素子の電気的特性を測定する評価方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
プローブのカンチレバー及び探針を導電性とすると共に、プローブに電圧値取得回路部を設けた構成とし、最初にプローブを原子間力顕微鏡のプローブとして使用して微細配線上の電圧測定個所を定め、次いでプローブの探針を微細配線に接触させて電圧値取得回路部を通して電圧を測定する構成とした電圧測定装置が開示されている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
鋭利な先端を有する複数本の探針を、試料表面の法線から傾け（３０〜６０°）、かつ方位角３０°以上の間隔で配置することにより、サブミクロン領域に同時に複数本の探針を接触させて実デバイス上での回路素子の特性解析を行う電子素子評価装置が開示されている（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００２−２８９６２１号公報（段落［００３７］〜［００４０］、図６）
【特許文献２】特開平５−２５１５２３号公報（段落［００２２］〜［００３０］）
【特許文献３】特開平９−２６４３６号公報（段落［００２２］、図１５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えばナノメータスケールの微小素子の配線またはコンタクトに複数本の探針を直接接触させて、微小素子の電気的特性を測定するプロービング装置がある。このプロービング装置では先端径が１０〜５００ｎｍ程度の探針が用いられており、操作画面に映し出されたＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査電子顕微鏡）像を観察しながら、複数本の探針の動きをＸＹＺの３軸で操作している。ＳＥＭは試料の表面を微小電子プローブで走査し、その表面から放出される二次電子または反射電子を検出器で受け、その強度をプローブ走査に同期させたモニタに輝点列の像として表示する電子顕微鏡であって、試料の表面の微細な構造または形態を観察することができる。各探針は操作画面、またはプロービング装置の専用コントローラのスイッチにより選択することができ、どの探針が選択されているかは操作画面に映し出されるＳＥＭ像により確認することができる。さらに、操作画面には、選択された探針の位置をカラーマーカで表示することもできる。
【０００６】
しかしながら、例えば操作者が微小素子の特性評価に熱中している場合、または不本意な中断があった後などに、操作者によって選択された探針（操作者が動かしたい探針）と実際に選択された探針（操作者が動かしたくない探針）とが異なり、操作者が動かしたい探針ではなく操作者が動かしたくない探針を動かすという探針の誤操作が発生することがある。このような探針の誤操作は、探針同士または探針を試料表面に衝突させて探針の破損を容易に招いてしまう。探針の先端が微細であることから、探針が破損すれば微小素子の電気的特性の測定ができなくなり、探針を交換しなければならない。しかし、探針の交換作業には１本あたり２０分程度を要するため、これによって微小素子の電気的特性の測定時間が長くなり、測定効率が低下するという問題が生じている。
【０００７】
本発明の目的は、プロービング装置において、探針の誤選択による探針の破損を回避して、微小素子の電気的特性の測定効率を向上させることのできる技術を提供することにある。
【０００８】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１０】
本発明は、操作画面に映し出されるＳＥＭ像を見ながら複数本の探針を操作し、複数本の探針を微小素子の電極等に直接接触させて、微小素子の電気的特性を測定するプロービング装置であって、選択した探針を移動させる際に、操作画面に映し出されるＳＥＭ像の変化値をモニタし、ＳＥＭ像の変化値がノイズレベルよりも大きければ、正しい探針が選択されていると判断されて選択された探針の移動が続行され、ＳＥＭ像の変化値がノイズレベルと同等またはノイズレベルよりも小さければ、誤った探針が選択されていると判断されて選択した探針の移動が停止されるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００１２】
誤って選択された探針の移動による探針の破損が回避できるので、探針の交換回数が減り、微小素子の電気的特性の測定に要する時間が短縮されて、測定効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１４】
また、本実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、本実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、本実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１５】
また、本実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、本実施の形態においては、電界効果トランジスタを代表するＭＩＳ・ＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）をＭＩＳと略す。
【００１６】
また、本実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
（実施の形態１）
本実施の形態１によるプロービング装置に備わる探針の誤選択を防止する方法について図１〜図７を用いて説明する。なお、ここでは、プロービング装置のなかでもナノメータスケールの微小素子、例えばゲート長が０．１〜０．８μｍ程度のＭＩＳの電気的特性を測定するプロービング装置を例示する。
【００１８】
まず、本実施の形態１によるプロービング装置について図１および図２を用いて説明する。図１はプロービング装置の全体概略図、図２はプロービング装置の探針操作部の構成図である。
【００１９】
図１に示すように、プロービング装置１は、大別して試料室２、真空系３、探針交換機構４、電子ビーム機構５、探針操作部６、測定部７により構成される。さらに、試料室２は、探針を交換する第１試料室と微小素子の電気的特性を測定する第２試料室とから構成され、例えばターボポンプ３ａおよびドライポンプ３ｂから構成される真空系３により、第１および第２試料室を真空状態に維持することができる。試料室２には、微小素子が形成された試料８を載置する試料移動機構９および複数本（例えば６本）の探針１０を装備することのできる探針移動機構１１が設置されており、これら試料移動機構９および探針移動機構１１を載置したステージ１２は第１および第２試料室を移動することができる。なお、第１試料室と第２試料室との間に仕切りを設けてもよい。
【００２０】
第１試料室では、破損した探針１０の交換を行う。予め複数本の未使用の探針１０が探針ストック１３に保管されており、探針移動機構１１を第１試料室に移動させた後、探針交換機構４を用いて破損した探針１０と未使用の探針１０とを交換する。第２試料室では、探針移動機構１１に新しく取り付けられた各探針１０を試料８に形成された微小素子を構成する各パターンに直接接触させる。第２試料室における試料８に形成された微小素子の画像および各探針１０の画像は、電子ビーム機構５により得られたＳＥＭ像として探針操作部６の操作画面１４に移し出される。操作者は、このＳＥＭ像を見ながら各探針１０を操作することによって、各探針１０を試料８に形成された微小素子を構成する各パターンに直接接触させることができる。試料８に形成された微小素子の電気的特性は、測定部７によって測定される。
【００２１】
さらに、図２に示すように、探針操作部６は、ＳＥＭ像が映し出される操作画面１４とその操作画面１４を制御するＳＥＭ制御部６ａと、ステージ１２の動きを制御するステージ制御部６ｂと、各探針１０の動きをＸＹＺの３軸で制御する探針制御部６ｃとから構成され、さらに探針制御部６ｃには、各探針１０を選択する探針選択部６ｃ１と各探針１０のＸＹＺの３軸の粗動および微動を調整するＸＹＺ軸調整部６ｃ２とが備わっている。
【００２２】
次に、本実施の形態１による微小素子を構成する各パターンに探針の先端を直接接触させる操作方法について図３および図４を用いて説明する。図３は探針を操作している際に操作画面に映し出されるＳＥＭ像の模式図、図４は操作画面に映し出されるＳＥＭ像の一部を拡大した模式図である。
【００２３】
図３に示すように、探針１０の先端径は、例えば１０〜５００ｎｍが適切な範囲と考えられる（他の条件によってはこの範囲に限定されないことはもとよりである）。また、量産に適した範囲としては５０〜２００ｎｍ等の１００ｎｍを中心値とする周辺範囲が最も好適と考えられる。探針１０の先端を微小素子を構成する各パターン、例えば直径が１００〜５００ｎｍ程度の楕円形状またはほぼ円形状の各電極１５に直接接触させて、微小素子の電気的特性を測定する。探針１０の先端を、例えばＭＩＳのゲート電極およびソース・ドレインにそれぞれ接続されたプラグに直接接触させて、ＭＩＳの電気的特性を測定することができる。また、探針１０の先端を、例えば配線に直接接触させて、配線抵抗またはコンタクト抵抗を測定することができる。探針１０の先端を微小素子を構成する各パターンに直接接触させる際には、ＸＹＺの３軸の駆動機構を用いて、操作画面１４に映し出されたＳＥＭ像を観察しながら、探針１０の先端を所望の箇所へと近づける。
【００２４】
この時、図４に示すように、探針１０の先端の位置を観察しやすいように、操作対象の探針１０ａを操作画面１４上で拡大して、ＳＥＭ像を観察する。
【００２５】
ところで、操作対象の探針１０ａを動かすと、その操作対象の探針１０ａの先端が視野にある操作画面１４に映し出されたＳＥＭ像には必ず変化が生じる。操作者が操作対象の探針１０ａを操作しているつもりであるにも関わらず操作画面１４に映し出されたＳＥＭ像にノイズ以外の変化がない場合には、操作対象の探針１０ａが選択されていないと考えられる。
【００２６】
そこで、本実施の形態１では、このような探針の選択の正誤を認識するために、探針１０の操作時に操作画面１４に映し出されたＳＥＭ像の変化をモニタし、ＳＥＭ像の変化値がノイズレベルよりも大きければ正しい探針（操作対象の探針１０ａ）が選択されていると判断して選択した探針１０（操作対象の探針１０ａ）の移動を続行し、ＳＥＭ像の変化値がノイズレベルと同等またはノイズレベルよりも小さければ誤った探針が選択されていると判断して選択した探針１０の移動を停止する。
【００２７】
次に、操作画面に映し出されたＳＥＭ像の変化をモニタすることにより、探針の誤操作を防止する方法について図５、図６および図７を用いて詳細に説明する。図５は正しく選択された探針を操作している際に、操作画面に映し出されるＳＥＭ像の模式図、図６は誤って選択された探針を操作している際に、操作画面に映し出されるＳＥＭ像の模式図、図７は誤って選択された探針の操作を防止するシーケンスを示す模式図である。
【００２８】
図５に示すように、正しく選択された探針（操作対象の探針１０ａ）を操作している場合は、操作者は操作対象の探針１０ａを観察しているので、操作画面１４に映し出されるＳＥＭ像では操作対象の探針１０ａが移動しているのが観察される。探針１０を移動させると同時にＳＥＭ像の変化値も記録されるが、操作対象の探針１０ａが移動していれば、図７のＡ領域に示すように、ＳＥＭ像の変化値がノイズレベルよりも大きくなる。従って、ＳＥＭ像の変化値がノイズレベルよりも大きければ、操作対象の探針１０ａが選択されていると判断され、プロービング装置１からの警告は発せられず、操作対象の探針１０ａの移動が続行される。
【００２９】
これに対して、図６に示すように、誤って選択された探針（操作対象以外の探針１０ｂ）を操作している場合は、操作者は操作対象の探針１０ａを観察しているため、操作画面１４に映し出されるＳＥＭ像では操作対象の探針１０ａが移動しているのが観察されない。探針１０を移動させると同時にＳＥＭ像の変化値も記録されるが、図７のＢ領域に示すように、ＳＥＭ像の変化値はノイズレベルと同等またはノイズレベルよりも小さくなる。この時には、即座に操作対象以外の探針１０ｂが選択されていると判断されて、操作対象以外の探針１０ｂの移動が停止される。操作対象以外の探針１０ｂの移動の停止の前、後、または同時に音声またはメッセージにより操作者へ警告が発せられる。
【００３０】
誤って操作対象以外の探針１０ｂの操作を続けると、選択の誤りに気付くまで操作対象以外の探針１０ｂは動き続けるため、微小素子を傷つけるのみならず、探針１０同士を衝突させて探針１０の破損を招いてしまう。探針１０の先端は微細であることから、探針１０が破損すれば微細素子の電気的特性が測定できなくなり、探針１０を交換しなければならないが、前述したように、探針１０の交換作業には１本あたり２０分程度を要するため、微小素子の電気的特性の測定時間が長くなり、測定効率が低下するという問題が生じる。
【００３１】
しかしながら、本実施の形態１によれば、ＳＥＭ像の変化値がノイズレベルと同等またはノイズレベルよりも小さい場合は、操作対象以外の探針１０ｂが選択されていると判断されて、選択されている探針１０の動作が停止される。これにより、誤って選択された探針１０の移動による探針１０の破損が回避できて、探針１０の交換回数が減るので、探針１０の交換作業を含めた微小素子の電気的特性の測定に要する時間が短縮されて、微小素子の電気的特性の測定効率を向上させることができる。
【００３２】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、探針に流れるプローブ電流から探針の選択の正誤を判断する。本実施の形態２によるプロービング装置の探針の誤選択を防止する方法について図８を用いて説明する。図８は本実施の形態２によるプローブ電流を用いた探針の検知方法を説明する模式図である。
【００３３】
探針１０の先端を微小素子を構成する各パターン、例えばＭＩＳのゲート電極またはソース・ドレインにそれぞれ接続されたプラグ等に直接接触させる際には、探針１０の先端の位置を観察しやすいように、探針１０をプロービング装置１の操作画面１４で拡大してＳＥＭ像を観察する。正しく選択された探針（操作対象の探針１０ａ）を操作している場合は、操作画面１４に映し出されたＳＥＭ像において操作対象の探針１０ａが移動しているのが観察される。この時、操作対象の探針１０ａにはＳＥＭの電子銃から照射される電子があたることにより、操作対象の探針１０ａに接続された電流計１６にはプローブ電流が流れる。これに対して、操作画面１４に映し出されていない探針１０に接続された電流計１６にはプローブ電流は流れない。
【００３４】
そこで、全ての探針１０に電流計を接続し、常に全ての探針１０に流れるプローブ電流をモニタし、さらにプローブ電流が流れていない探針１０の移動を不可とするインターロック機構を設ける。これにより、選択した探針１０に接続された電流計１６にプローブ電流が流れていれば、正しい探針（操作対象の探針１０ａ）が選択されていると判断されて、操作対象の探針１０ａの移動は続行されるが、選択した探針１０に接続された電流計１６にプローブ電流が流れていなければ、誤った探針が選択されていると判断されて、インターロックにより探針１０の移動を防止することができる。
【００３５】
このように、本実施の形態２によれば、選択した探針１０に接続された電流計１６にプローブ電流が流れていない場合、探針１０の選択が誤っていると判断され、インターロック機構により誤って選択された探針１０の移動を不可とする。これにより、誤って選択された探針１０の移動による探針１０の破損が回避できて、前述した実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００３６】
（実施の形態３）
本実施の形態３では、探針の装着角度から探針の選択の正誤を判断する。本実施の形態３によるプロービング装置の探針の誤選択を防止する方法について図９を用いて説明する。図９は本実施の形態３による操作対象の探針のＳＥＭ像重ね合わせ表示方法を説明する操作画面に映し出されたＳＥＭ像の模式図である。
【００３７】
各探針１０は予め装着する角度が決まっているため、各探針１０は操作画面に映し出されたＳＥＭ像の中でどの向きで観察されるかを規定することができる。従って、操作対象の探針１０ａのイメージを、例えば図９の矢印１７のように予め想定しておき、この矢印１７とＳＥＭ像とをオーバーラップさせて表示することにより、探針１０の誤選択を防ぐことができる。
【００３８】
正しく選択された探針（操作対象の探針１０ａ）を操作している場合は、矢印１７の向き（角度）と同一方向に探針１０は移動するが、誤って選択された探針を操作している場合は、操作対象の探針１０ａのＳＥＭ像に矢印１７はオーバーラップしないので、操作者は操作対象以外の探針１０ｂを操作していることを自ら認識することができる。さらに、倍率にリンクさせて探針１０の先端を操作画面に表示することにより、選択されている探針１０の認識をより明確にすることができる。
【００３９】
このように、本実施の形態３によれば、操作対象の探針１０ａのイメージ（例えば矢印１７）を操作画面に映し出されるＳＥＭ像とオーバーラップさせて表示することにより、操作者は操作している探針１０を自ら認識することができるので、誤って選択された探針１０の移動を防ぐことができる。これにより、誤って選択された探針１０の移動による探針１０の破損が回避できて、前述した実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００４０】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００４１】
例えば、前記実施の形態では、ナノメータスケールの微小素子の電気的特性を測定するプロービング装置について説明したが、例えば微細な先端径を有する探針を用いた他のマルチプロービングシステムにも適用することができて、探針の誤操作による探針の破壊を回避し、微小素子の電気的特性の測定効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、１０〜５００ｎｍ（典型的には１００ｎｍ程度）の先端径を有する微細な探針を用いたプロービング装置またはマルチプロービングシステムに適用することができる
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態１によるプロービング装置の全体概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１によるプロービング装置の探針操作部の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態１による探針を操作している際に操作画面に映し出されるＳＥＭ像の模式図である。
【図４】操作画面に映し出されるＳＥＭ像の一部を拡大した模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１による正しく選択された探針を操作している際に操作画面に映し出されるＳＥＭ像の模式図である。
【図６】本発明の実施の形態１による誤って選択された探針を操作している際に操作画面に映し出されるＳＥＭ像の模式図である。
【図７】本発明の実施の形態１による誤って選択された探針の操作を防止するシーケンスを示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態２によるプローブ電流を用いた探針の検知方法を説明する模式図である。
【図９】本発明の実施の形態３による操作対象の探針のＳＥＭ像重ね合わせ表示方法を説明する操作画面に映し出されたＳＥＭ像の模式図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  プロービング装置
２  試料室
３  真空系
３ａ  ターボポンプ
３ｂ  ドライポンプ
４  探針交換機構
５  電子ビーム機構
６  探針操作部
６ａ  ＳＥＭ制御部
６ｂ  ステージ制御部
６ｃ  探針制御部
６ｃ１  探針選択部
６ｃ２  ＸＹＺ軸調整部
７  測定部
８  試料
９  試料移動機構
１０  探針
１０ａ  操作対象の探針
１０ｂ  操作対象以外の探針
１１  探針移動機構
１２  ステージ
１３  探針ストック
１４  操作画面
１５  電極
１６  電流計
１７  矢印
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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