JP2002181898A

JP2002181898A - プローブ装置

Info

Publication number: JP2002181898A
Application number: JP2000381653A
Authority: JP
Inventors: Koji Aramaki; 浩二荒牧; Kaoru Umemura; 馨梅村; Osamu Watanabe; 修渡辺; Yasuhiro Mitsui; 泰裕三井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2002-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】電子素子における微細構造の特定箇所の電気特
性を効率よく計測すること。【解決手段】試料室の他に予備試料室を設け、試料ホー
ルダもしくはプローブホールダを複数個貯溜できる構造
とすることで、超高真空を維持しながら試料交換、プロ
ーブ交換に係わる時間を削減すると共に、各計測間のデ
ッドタイムを無くし計測効率を高めた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子素子の微細領
域の電気的特性を計測するプローブ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子素子の特性評価は、プローバ
装置または電子ビームテスタ装置を用いて行なわれてい
た。プローバ装置については従来よく知られており、大
気中で光学顕微鏡により観察しながら、検査試料（電子
素子）の電気特性を測定したい位置にプローブを触針さ
せる。光学顕微鏡下でメカニカルなプローブによって計
測する従来装置をここではプローバと呼ぶ。このプロー
バでは電子素子の電流電圧特性等の特性を評価すること
ができる。また、電子ビームテスタ装置についは、応用
物理学会誌、第６３巻、第６号、６０８頁から６１１頁
（公知例１）に、その例が記載しれている。走査電子顕
微鏡（以下SEM）の画像コントラストから動作状態の電
子素子の配線電位を得るものである。

【０００３】さらに、最近では、SEMの試料室内にメカ
ニカルプローブを設置し、微細な電気回路の電位特性を
計測することが開示されている。特開平9-326425号公報
『不良検査方法および装置』（公知例２）ではその一例
がしめされ、光学顕微鏡下でのプローバ計測に比べて微
細な回路も計測できることが特徴である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のプローバでは試
料観察に光学顕微鏡を用いるため、サブミクロン形状を
観察することはできず、現状の最先端の電子素子におけ
る細い配線やプラグ面の観察や、微細配線や部品へのプ
ローブコンタクトが不可能になる。このため、光学顕微
鏡でも観察可能な大きさのパッドを予め回路上面に特別
に設計しておき、そのパッドにプローブを接触させて電
気特性を計測しなければならない。この場合、パッド設
置のために、回路レイアウトを新たに設計し直さなけれ
ばならない事や、稠密に配置された回路網にパッドを設
けことは、数千万個から数億個のトランジスタ全てに計
測用パッドを設けることは事実上不可能であること、更
には、或る領域の回路網のチェック用のパッドでは、計
測される結果は特定の単体トランジスタの特性や欠陥部
分を特定できないという欠点を有している。さらには、
試料を大気中で計測するため、試料やプローブ表面に酸
化膜が形成して接触抵抗が高まったり、汚染物質が付着
するなど精密な計測する上で好ましくない。

【０００５】また、上記公知例１においては、電子ビー
ムを用いるため、高い面分解能で表面電位情報を得るこ
とができるが、回路へ与える入力パターンは電子素子の
入力端子から行なうため、特定の局所的位置に任意の電
圧を印加することができなかった。このため、特定位置
だけの電気特性、例えば、電流電圧特性等の計測を行な
うことができなかった。このため、電子ビームテスタに
よる不良解析には、多くのテストパターンが必要であ
り、これで不良箇所が特定できたとしても、不良原因を
特定することが難しかった。

【０００６】さらに、上記公知例２においては、SEMに
よって試料面を観察するため高分解能観察が可能にな
り、また、高精度プローブによって微細回路への触針が
可能になり、大気による酸化膜形成や汚染物質の付着と
いった問題は改善された。しかし、実際にこのような装
置を用いると以下の様な別の問題点が顕在化してきた。
例えば、微細配線に触針するためにプローブ先端も細く
する必要があり、接触時のわずかな動きによって、プロ
ーブ先端が破損する事故が多発する。プローブ先端が破
損すると電気特性計測が達成できず、プローブを交換せ
ざるを得ない。プローブ交換に対しては試料室を大気に
晒し、プローブを交換し、再度真空引きを行なう等時間
を要する作業が伴う。また、試料を次の試料に交換する
際も、真空引き作業を伴う。

【０００７】一般に、試料室の超高真空維持のために試
料室に隣接してロードロック室を設けた超高真空装置が
ある。このような従来の超高真空装置では、一旦ロード
ロック室に１個の試料（例えば、ウェーハやデバイスチ
ップ）を設置し、ロードロック室内が所定の真空度に達
した時、試料を１個試料室に入れる構造になっている。
この種の超高真空装置を、SEMの中で半導体装置の電気
特性を計測するプローブ装置に用いると、例えば４本の
プローブと試料とを試料室に導入することになるので、
導入のたびにロードロック室の真空立上げに時間を要す
る。試料室に導入するプローブ本数や試料個数が多くな
ればなるほど、計測に至るまでの時間がかかる。本来、
半導体装置の電気特性の計測を短時間で効率良く計測す
ることが本来の目的であるが、従来の真空装置では、効
率良く計測することが満足できなかった。

【０００８】このようにプローブや試料の交換によっ
て、本来望んでいた電気計測の効率性が得られないとい
う問題を有していた。

【０００９】上述の問題点に鑑み、本発明では、電子素
子における特定部、例えば単一トランジスタの動作特性
評価が高速に可能で、試料やプローブに不要な酸化膜の
形成による測定信頼性の低下を防ぐために超高真空状態
で高分解能で観察でき、かつ、プローブや試料の交換を
高速に行うことのできるプローブ装置を提供することを
第一の目的とする。

【００１０】また、別の問題として、折角、超高真空の
試料室にプローブまたは試料を導入したにも関わらず、
試料表面やプローブ表面に酸化膜が形成されていたり、
コンタミネーション層が形成され、プローブと試料間の
電気抵抗が高くなり、本来の試料の正確な電気特性を計
測できない場合がある。

【００１１】この問題点に鑑み、本発明では、電子素子
における特定部、例えば単一トランジスタの動作特性評
価が可能なプローブ装置において、試料やプローブに不
要な酸化膜が形成することによる測定信頼性低下を防ぐ
プローブ装置を提供することを第二の目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記第一の目的を達成す
るために、本発明では、（１）荷電粒子ビーム照射手段
と、試料を固定した試料ホールダを載置する試料ステー
ジと、上記試料ステージを内包する試料室と、上記試料
に触針するプローブを移動させるプローブ移動機構と、
上記試料室とバルブを介して接続され上記試料ホールダ
を一旦貯溜する第１のストッカを有する予備試料室と、
上記予備試料室と上記試料室の間で少なくとも上記試料
ホールダを往復させる第１の搬送手段とを少なくとも具
備した構成のプローブ装置とした。この構成により、試
料室を超高真空状態に維持しながら試料交換が短時間で
きる効果を有する。特に、（２）上記（１）のプローブ
装置において、プローブはプローブホールダに固定さ
れ、上記プローブホールダは上記試料室内で上記プロー
ブ移動機構に着脱可能である構造のプローブ装置とし
た。このような構成により、プローブが破損した時など
試料室を超高真空状態に維持しながらプローブをプロー
ブ移動機構から短時間で着脱できる効果を有する構成と
した。また、（３）上記（１）または（２）のプローブ
装置において、特に、上記プローブホールダが試料室内
で上記試料ホールダに着脱可能である構造であってもよ
い。さらに、（４）上記（１）から（３）のいずれかの
プローブ装置において、第１のストッカは試料ホールダ
もしくはプローブホールダが複数個貯溜できる構造であ
る構造のプローブ装置とした。このような装置構成によ
り、試料ホールダもしくはプローブホールダを複数個予
備試料室に貯溜することができ、試料室を超高真空状態
に維持しながら試料交換やプローブ交換を実行できる効
果を有する。また、（５）上記（１）から（４）のいず
れかのプローブ装置において、試料室内に試料ステージ
とは独立して試料ホールダもしくはプローブホールダを
貯溜する第２のストッカを有する構成のプローブ装置と
しても良い。この構成により、試料ホールダもしくはプ
ローブホールダを複数個超高真空状態の試料室に貯溜す
ることができ、試料室を超高真空状態に維持しながら必
要に応じて試料交換やプローブ交換を短時間で実行でき
る効果がある。また、（６）上記（５）のプローブ装置
において、特に、上記試料ステージと上記第２のストッ
カの間で上記試料ホールダを往復させるか、または、上
記プローブ移動機構と上記第２のストッカの間で上記プ
ローブホールダを往復させる第２の搬送手段を少なくと
も具備した構成のプローブ装置とした。この構成によ
り、試料ホールダもしくはプローブホールダを複数個超
高真空状態の試料室に貯溜することができ、試料ホール
ダの試料ステージから第２ストッカへの移設やその逆、
プローブホールダのプローブ移動機構から第２ストッカ
への移設やその逆を、試料室を超高真空状態に維持しな
がら短時間で実行でき、目的とする試料の電気的特性計
測の効率が高まるという効果を有する。

【００１３】（７）上記（１）から（６）のいずれかの
プローブ装置において、上記第１のストッカは、特に、
上記試料ホールダもしくは上記プローブホールダのうち
の少なくともいずれか複数個を上下に積み重ねるように
保持する縦型ストック部と、上記縦型ストック部を垂直
方向に移動させる垂直移動手段とを有する少なくとも有
する構成のプローブ装置とした。この構成により、予備
試料室は小さな空間で多くのプローブや試料を保持する
ことができ、複数のプローブや試料の中から必要に応じ
て所望のプローブや試料を選択して、試料室に導入でき
る効果がある。

【００１４】（８）上記（１）から（６）のいずれかの
プローブ装置において、上記第１のストッカは、特に、
上記試料ホールダもしくは上記プローブホールダのうち
の少なくともいずれか複数個を水平に保持する水平スト
ック部と、上記水平ストック部を水平方向に移動させる
水平移動手段とを有する少なくとも有する構成のプロー
ブ装置とした。この構成により、複数のプローブや試料
の中から必要に応じて所望のプローブや試料を予備試料
室の上面から監視しながら選択でき、試料室に導入でき
る効果がある。

【００１５】（９）上記（１）から（６）のいずれかの
プローブ装置において、上記第１のストッカは、特に、
上記試料ホールダもしくは上記プローブホールダのうち
の少なくともいずれか複数個を保持するストック盤と、
上記ストック盤を水平面内で回転させる回転手段とを有
する構成のプローブ装置とした。この構成により、簡単
な機構系で、複数のプローブや試料の中から必要に応じ
て所望のプローブや試料を予備試料室の上面から監視し
ながら選択でき、しかも小さなスペースで多くのプロー
ブや試料を貯溜することができる効果がある。

【００１６】また、上記第二の目的を達成するために、
本発明では、（１０）上記（１）から（６）のいずれか
のプローブ装置において、上記予備試料室は、特に、上
記予備試料室にある試料もしくはプローブに対してイオ
ンビームもしくは電子ビームを照射するイオン照射部も
しくは電子照射部を有するプローブ装置とした。このプ
ローブ装置よって、超高真空の試料室に導入する前に、
プローブもしくは試料、もしくはそれらの両者を事前に
表面洗浄でき、試料室内で、プローブと試料を接触して
も両者、もしくはそれらの一方の表面酸化膜のために接
触不良を起こすことのない信頼性あるプローブ装置を提
供することができる。

【００１７】このように、予備試料室さらには試料室に
試料ホールダやプローブホールダを貯溜するストッカを
設置したことが大きな特徴で、このような構成により、
電子素子の所望の特定部の電気的特性を高効率で計測で
きるようになった。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態として、荷電粒
子ビーム照射手段と、試料を固定した試料ホールダを載
置する試料ステージと、この試料ステージを内包する試
料室と、試料に触針するプローブを移動させるプローブ
移動機構と、試料室とバルブを介して接続され試料ホー
ルダを一時貯溜する第１のストッカを有する予備試料室
と、この予備試料室と試料室の間で少なくとも試料ホー
ルダを移動させる第１の搬送手段とを少なくとも具備し
てプローブ装置を構成した。以下、本発明によるプロー
ブ装置の具体的実施構成例について説明する。

【００１９】（実施の形態例１）本発明によるプローブ
装置の実施形態例１を、図１を用いて説明する。図１に
おいてプローブ装置１は、主に、試料２の表面やプロー
ブ３の動きを観察するための荷電粒子ビームとして電子
ビームを用いた例で、電子ビーム照射系４と、試料を載
置する試料ステージ５とプローブ３を移動させるプロー
ブ移動機構部６を内包した試料室７と、試料２やプロー
ブ３を試料室７に導入する前に貯溜しておく予備試料室
８等から構成されている。

【００２０】試料２は試料ステージ５面に直接固定する
のではなく、試料ホールダ９と呼ぶ金属板に機械的、電
気的に固着させる。試料２を試料ホールダ９に固着する
ことで、予備試料室８から試料室７への移動、また、試
料ステージ５への設置などを試料２に直接接触すること
なくハンドリングすることができる。

【００２１】プローブ３は直径50μm程度の細線で、先
端曲率半径が0.1μmから0.5μm程度に先鋭化された導電
性の繊細な針である。しかし、この繊細なプローブ３は
取扱易いように導電性部材でできたプローブホールダ１
０に固定されているため、プローブ３を直接触ることな
くプローブ交換などの作業ができ、また電気的にも連結
している。プローブホールダに固定されてこのプローブ
ホールダ１０は、実質的にプローブ先端をXYZ方向に移
動させるためのプローブ移動機構部６に結合している。

【００２２】電子ビーム照射系４は、試料である電子素
子の電気的破壊を回避するために加速電圧が2 kVもしく
はそれ以下の低加速電圧の照射系である。電子ビーム照
射系４の対物レンズの最終電極と試料の間でプローブが
移動出来るようにプローブ３を配置する。電子ビーム照
射によって試料５から放出する二次粒子（例えば二次電
子）を二次粒子検出器１２によって検出して画像化でき
る。

【００２３】試料ステージ５は、プローブ移動機構６と
は独立してXYZ方向および回転、傾斜運動ができる。本
実施例の試料ステージ５は15mm×20mm、厚さ１mmの試料
ホールダ９を固定できる構造である。この試料ホールダ
９には10×10mm程度のデバイスチップを大気中で金属ペ
ースト等で機械的、電気的に固定する。

【００２４】プローブ移動機構６は印加電圧によって1
μm以下の微小変位を発生する圧電素子等を用いてXYZに
微動できる。本実施例では、図２(a)のようにプローブ
移動機構６（6A, 6B, 6C, 6D）を試料室３内に90°ピッ
チで４組配置した。それぞれのプローブ３(3A, 3B, 3C,
3D)が電子ビーム照射系の中心軸付近に向かって配置す
る。プローブホールダ１０（10A, 10B, 10C, 10D）はプ
ローブ移動機構６に固定されていて、試料２（本実施例
では2A）の所望の位置に触針できる。図２(b)は図２(a)
の縦断面図であり、試料2Aへの触針状態を示している。
符号２８は試料ステージ５をXYZ方向に移動させるため
の試料ステージ駆動部であり、試料2Bとの交換は試料ス
テージ５の移動によって行なう。符号２９は試料室壁で
ある。

【００２５】本実施例ではプローブ３を４本で構成した
ことから、試料を半導体デバイスとして単一のトランジ
スタのソース、ドレイン、ゲート、基板部に触針するこ
とで、トランジスタ特性を計測することができる。ま
た、この４本のうち２本のみを用いて微小領域での配線
の導通不良や配線抵抗を測定することもでき、４本同時
に用いて２本の配線の導通検査を行なうこともできる。

【００２６】試料室７には、試料２を載置する試料ステ
ージ５、試料２の電気的特性を計測するためのプローブ
３をXYZ方向に移動させるためのプローブ移動機構６、
電子ビーム照射によって試料２から放出する二次粒子を
検出する二次粒子検出器１２を有しており、プローブ３
の動きや試料２表面の様子を画像表示部２６で観察でき
る。

【００２７】予備試料室８には、試料ホールダ９を一時
貯溜するストッカ１３と、試料ホールダ９を予備試料室
８から試料室７へ、もしくは試料室７から予備試料室８
に移動させるための搬送手段１４を有している。試料室
７と予備試料室８との間には真空遮断するためのバルブ
１５を配している。ストッカ１３は試料ホールダ９が着
脱可能な構造で、ストッカの具体的形状については実施
形態例４にて詳述する。

【００２８】搬送手段１４は、予備試料室４内を真空維
持して伸縮する金属ベローズ１６と、真空側先端に掴み
部１７を有し、他端に大気中で操作するための操作部１
８を有する構造で、操作部１８では、掴み部１７の突出
し、引込み作業、部品の掴み、開放等の動作ができる。
予備試料室８に配置された搬送手段１４は、予備試料室
８内のストッカ１３に設置された試料ホールダ９を掴ん
で、試料室７内に導入したり、試料室内から取り出した
りできる。

【００２９】試料室７および予備試料室８はポンプ19A,
19Bによって真空引きできる。

【００３０】プローブ装置１はさらに、電子ビーム照射
系４、試料ステージ５、プローブ移動機構部６、二次粒
子検出器１２、真空ポンプ19A, 19Bを制御するための電
子ビーム照射系制御部２０、試料ステージ制御部２１、
プローブ移動機構制御部２２、真空排気系制御部２３、
二次粒子検出器制御部２４も有しており、これらのうち
少なくとも何れかは計算処理機２５によって動作命令さ
れたり、信号処理される。また、二次粒子検出器１２か
らの信号は画像表示部２６で画像化され、試料面やプロ
ーブの動きを観察することができる。二次粒子の例とし
て二次電子がある。

【００３１】本発明によるプローブ装置の特長は、(1)
半導体デバイスの単一素子レベルでの電気的動作特性の
計測が可能である。(2)予備試料室８にはストッカ１３
があるため、複数個のサンプルを真空状態で貯溜でき、
必要に応じて試料室に移動させることができるため、ロ
ス時間を最小にして計測できる。(3)試料導入時の操作
時間を短縮できるとともに、ある試料の測定終了から次
の試料測定までの交換時間が短くでき、測定効率が向上
することが大きな特徴である。（実施の形態例２）本実施例２によるプローブ装置は、
試料ホールダを一時保留させる第１のストッカを予備試
料室に設置し、かつ、試料室にも第２のストッカを設置
していることが特徴である（本実施例は図示せず）。第
１のストッカには、試料ホールダやプローブホールダを
必要に応じて複数個搭載でき、予備試料室の真空排気
後、必要に応じて第１搬送手段を用いて試料やプローブ
が搭載された試料ホールダを試料室の第２のストッカに
搬送し設置する。第２のストッカと試料ステージとの間
の試料ホールダの移動、もしくは第２のストッカとプロ
ーブ微動機構との間のプローブホールダの移動は、試料
室に設けた第２もしくは必要に応じて第３の搬送手段を
用いる。

【００３２】このような構造によって、試料ステージに
は試料を複数個搭載する試料ホールダを搭載することは
なく、必要な試料のみを搭載する試料ホールダを複数個
搭載できるようになるので、試料ステージが小型化で
き、また、交換が必要なプローブのみを試料室の真空度
を維持しながら交換できる利点を有する。

【００３３】このような構成において、第２のストッカ
にプローブホールダが搭載された予備の試料ホールダを
複数個配備しておき、測定中のプローブ３の破損時に
は、試料室を超高真空状態に維持しつつ、第２の搬送手
段によって破損したプローブ3aを固定したプローブホー
ルダをプローブ移動機構６から脱離させ、第２のストッ
カまで搬送して固定する。次に新たなプローブ３を有す
るプローブホールダ10bを第２の搬送手段によって第２
のストッカから脱離させ、プローブ移動手段６まで搬送
して装填する。この作業は約３分で完了し、真空悪化を
させることなく引続き電子素子の電気特性が計測でき
た。

【００３４】また、第２のストッカに貯溜された、計測
済の試料や破損したプローブは試料ホールダに乗った状
態で試料予備室の第１のストッカに戻す。逆に、新たな
試料ホールダは第１の搬送手段を用いて搬送し第２のス
トッカに装填しておく。このような準備作業によって試
料室の超高真空状態を維持しながら、短時間に試料やプ
ローブが交換できる。

【００３５】また、プローブホールダはプローブ移動機
構に着脱可能で、プローブの交換の必要時には、試料室
に設置した搬送手段によってプローブホールダごと交換
できる。

【００３６】本実施例は、試料室の真空を維持しながら
プローブを短時間で交換しやすい構造とした例である。
プローブは上述のようにタングステンなどの材料で形成
され、直径50μm程度、長さ数mm程度で、先端半径が0.1
μm程度に先鋭化された繊細な針材であるため、試料に
接触した時に先端を破損する場合がある。破損したプロ
ーブの交換のために、超高真空状態に維持されている試
料室を大気に暴露していると、真空引きに時間を要し、
本発明の本来の目的である測定の高効率化に反する。

【００３７】そこで、このプローブホールダ１０をプロ
ーブ移動機構部６に着脱可能とし、プローブ先端が破損
した時にプローブホールダ１０ごと交換できる構造と
し、また、試料ホールダ９にも着脱可能とする構造とし
た。さらに、試料ホールダ９は直接試料ステージ５に搭
載するのではなく、試料室３内に試料ステージ５および
プローブ移動機構６とは離れた場所に第２ストッカ13B
を設けた構造とし、複数個のプローブホールダを搭載し
た試料ホールダ９を一旦、第２ストッカ13Bに待機させ
ておき、プローブが損傷した時に試料室内の真空を暴露
することなく直ちに試料室内で交換できる。試料ホール
ダ９上のプローブホールダ１０をプローブ移動機構６に
移す場合には、試料室に設けた第２の搬送手段によって
行なう。第２の搬送手段は、予備試料室に設置された搬
送手段と基本的に同じ構造である。試料ホールダからプ
ローブ移動機構、試料ステージへの搬送の利便性を考慮
して第２の搬送手段を複数個設置してもよい。

【００３８】このような構造により、プローブが損傷し
た時に試料室内の真空を暴露することなく直ちに試料室
内で交換でき、測定がストップするデッドタイムが最小
限に抑えられるため、本発明の目的である測定の高効率
化が実現され、また、破損したプローブのみを試料室の
超高真空状態を維持しながら交換でき、従来のプローブ
カードのように破損していないプローブまで真空外に取
り外すといった不経済なことはない利点もある。（実施の形態例３）本実施例３では、試料ホールダもし
くはプローブホールダが複数個搭載できるカセットが予
備試料室と試料室の間を行き来できる構造を含むプロー
ブ装置について、図３、図４を用いて説明する。図３は
プローブ装置の概略構成図であり、予備試料室８に第１
カセットステージ３２、試料室７に第２カセットステー
ジ３３を備え、その両者間をカセット３０が行き来す
る。このカセット３０を移動させるための移動手段１４
Ａなども備えている。（各部の制御系は図１と同じであ
るため図示省略）一方、図４は、カセット３０の具体的
形状例（図４(a)）とカセットステージ３２の例（図４
(b)）を示している。

【００３９】本実施例では、１個のカセット３０に試料
ホールダ９もしくはプローブホールダ１０、使用済みホ
ールダが搭載できる空席部３１を複数個有した構造であ
る。事前に大気中でカセット３０に所望の試料ホールダ
９もしくはプローブホールダ１０を複数個搭載して予備
試料室８に導入する。導入するのはカセット３０の１個
だけであるので、予備試料室８が大気に露出される時間
はわずか１０秒程度である。予備試料室８にある第１カ
セットステージ３２に設置すると同時に予備試料室の真
空排気を始める。カセット３０は、第１もしくは第２の
カセットステージ３２に設けた凹部に、カセット３０の
側辺に設けた凸部３４を挿入することで固定できる。

【００４０】予備試料室８が所定の真空度に到達すると
バルブ１５を開けてカセット３０を試料室７に導入し、
試料室７内の試料ステージ５とは離れた位置にある第２
カセットステージ３３に設置する。カセット３０から試
料ステージ５、もしくはプローブ移動機構６への移設は
第２搬送手段１４Ｂを用いて行なう。

【００４１】カセット３０の予備試料室８から試料室７
への導入は、わずか１分弱で完了する。カセット３０の
移動には、第１搬送手段として長ストロークの直線移動
できる磁性流体を用いた直線導入機を用いた。カセット
３０を第２カセットステージに搭載した後、バルブ１５
を遮断し、所望の試料ホールダ９は第２搬送手段を用い
て交換する。交換の間に試料室７の真空度が所定の真空
度に達して、電子ビームで試料表面を観察できる状態に
なるため無駄時間は少ない。

【００４２】ここで、１個の試料の計測に要する時間を
具体的に比較する。比較する装置形態は以下の６形態で
ある。

【００４３】[1]：試料室のみで搭載できる試料の数が
１個である従来装置の形態。

【００４４】[2]：試料室と予備試料室から構成され、
予備試料室にホールダ１個が貯溜される従来装置の形
態。

【００４５】[3]：試料室と予備試料室から構成され、
予備試料室にホールダ５個が貯溜される形態。

【００４６】[4]：試料室と予備試料室から構成され、
予備試料室には５個のホールダが搭載できるカセットが
貯溜できる形態。

【００４７】[5]：試料室と予備試料室から構成され、
予備試料室にホールダ10個が貯溜される形態。

【００４８】[6]：試料室と予備試料室から構成され、
予備試料室には10個のホールダが搭載できるカセットが
貯溜できる形態。

【００４９】上記６形態について試料１個当たりの所要
時間を比較する。上記[1]と[2]は従来形態であり、[3]
から[6]は本発明による形態である。ここで、各工程に
要する時間を次のように仮定する。

【００５０】(a)予備試料室を有しない試料室のみの場
合の真空排気時間：24時間（試料室の真空度が1x10^-9(T
orr)以下にするため、長時間のベーキングと冷却時間を
要する） (b)予備試料室（または試料室）への１個のホールダへ
の投入時間：0.01時間／個。

【００５１】(c)予備試料室の真空排気時間：1時間（予
備試料室の真空度が1x10^-7(Torr)程度にする） (d)ホールダを予備試料室から試料室への導入時間：0.0
3時間／個。

【００５２】(e)試料室の1x10^-9乗(Torr)以下になるま
での真空排気時間：１時間。

【００５３】（この間に試料もしくはプローブの交換が
できるため、試料交換時間およびプローブ交換時間は無
視できる） (f)試料１個当たりの計測時間：0.5時間／個。

【００５４】(g)試料室から予備試料室へのホールダの
搬送時間：0.03時間／個。

【００５５】(h)試料室のリーク及び試料室からの試料
の搬出時間：0.05時間。

【００５６】(i)予備試料室のリーク及び予備試料室か
らの試料の搬出時間：0.05時間。

【００５７】ここで、１個の試料の投入から計測、搬出
までにかかる時間Tを概算すると、上記[1]形態の場合
は、 T₁ = (a)+(f)+(h) 式（１）であるので、24.56時間／個となる。また、上
記[2]形態の場合、 T₂ = (b)+(c)+(d)+(e)+(f)+(g)+(i) 式（２）であるので、2.62時間／個と[1]形態に比べて
時間短縮できる。これは予備試料室の存在の効果で、試
料室を試料交換の度にベーキング処理をする必要が無く
なったことが寄与している。

【００５８】一方、本発明の一形態である上記[3]形態
では、 T₃ = (b)x5+(c)+(d)x5+(e)+(f)x5+(g)x5+(i) 式（３）であるので、4.9時間／5個となり、１個当たり
の所要時間に換算すると約0.98時間／個となり、[2]形
態の約１／３に短縮された。さらに、従来形態[1]と比
較すると、実に、96%削減される。また、上記[4]形態で
は、 T₄ = (b)+(c)+(d)+(e)+(f)x5+(g)+(i) 式（４）となるので、4.62時間／5個となり、１個当た
りの所要時間は約0.96時間／個とさらに短縮される。さ
らに、上記[5]形態では、 T₅ = (b)x10+(c)+(d)x10+(e)+(f)x10+(g)x10+(i) 式（５）となり、10 個の計測に要する全時間は7.75時
間／10個となり、１個当たりの所要時間は約0.78時間／
個となる。予備試料室に多くの試料、プローブを貯溜す
る効果が出てくる。さらに、上記[6] 形態では、 T₆ = (b)+(c)+(d)+(e)+(f)x10+(g)+(i) 式（６）であり、10 個の計測に要する全時間は7.12時
間／10個となる。これを１個当たりの所要時間に換算す
ると、約0.71時間／個となる。

【００５９】従って、予備試料室に多くのホールダを貯
溜できるストッカを設置する形態か、多くのホールダが
固定できるカセットが貯溜できる構造にすることで時間
短縮できる効果がもたらされる。具体的には、従来の形
態[1]に比べて試料の投入から計測、搬出までにかかる
１個あたりの所要時間は、[2]方式は約11％に、また、
[3],[4]方式では約4％に、さらに[5],[6]では約３％に
時間短縮することが出来る。さらに１個当たりの所要時
間を短縮するためには、予備試料室により多くの試料、
プローブを貯溜できる形態にすることが肝要である。

【００６０】このような構造によって、予備試料室から
試料室への試料およびプローブの搬入、搬出が短時間で
でき、必要に応じて超高真空下で短時間にプローブ交換
ができるようにし、ひいては、この装置の本来の目的で
ある測定の高効率化を実現した。

【００６１】（実施の形態例４）上記実施例２および３
に示したプローブ装置では、試料室７および予備試料室
８にストッカ１３を設置し、それぞれのストッカ１３に
搭載できるホールダ数を多くすることが、試料交換やプ
ローブ交換に要する時間の削減、交換に関わる真空排気
時間の削減、測定効率の向上が実現することを示した。
しかし、試料室７、予備試料室８の容量、それに関わる
真空排気時間にも関わるため無意味に大きくすることは
できない。そこで、ここでは、本発明によるプローブ装
置に用いたストッカの形態について説明する。ストッカ
は垂直移動式、水平移動式、回転式の３形態で、ここで
は、上記ストッカの具体的形態について説明する。

【００６２】（イ）垂直移動式：垂直移動式ストッカ
４０（図５(a)）は、試料ホールダ９もしくはプローブ
ホールダ１０が縦方向に積み重なるように配置される貯
溜部４１ａ、４２ｂ等を有し、真空容器壁２８を介して
設置された垂直移動機構４２によって必要に応じて貯溜
部を上下させて所望の試料ホールダ９を選択する方式で
ある。垂直移動機構４２としては、回転運動を直線移動
に変換する機構を用いており、垂直移動機構４２を計算
処理装置（図示せず）で所望の試料ホールダ９を搬送手
段１４が掴める位置に移動させることが可能である。図
中、垂直式ストッカ４０の移動方向をｚ、試料室３への
移動方向をｘとした。本方法では、試料と試料ホールダ
の厚さか2〜3mm程度であるため、貯溜部全体の高さを低
く製作することができ、全体の機構部を小さくできるこ
とが長所である。

【００６３】（ロ）水平移動式：水平移動式ストッカ４
３（図５(b)）は、試料ホールダ９が横並びに複数個配
置できる貯溜部４１ｃを有し、水平移動機構４４によっ
て必要に応じて試料ホールダを水平（図中y方向）移動
させて所望の試料ホールダ９を選択する方式である。こ
の水平移動機構４４も回転運動を直線運動に変換する機
構を採用している。本方法では、試料ホールダ９上の試
料面が上に露出しているため、予備試料室８にガラス窓
５０を設置しておくことで、所望の試料２を短時間で見
分けることができ、誤った試料を試料室３に導入するこ
とがなくなる。

【００６４】（ハ）回転式：回転式ストッカ４５（図５
(c)）は、回転盤状の貯溜部４１dに試料２もしくはプロ
ーブ３を設置した試料ホールダ９が複数個載置でき、回
転機構４６によって必要に応じて回転盤を回転させて所
望の試料ホールダを選択できる方式である。本方法によ
り、所望の試料を予備試料室に設けたガラス窓から容易
に識別することができる。また、機構全体の大きさを水
平移動式に比べて小さくすることが特徴である。

【００６５】これらストッカ４０、４３、４５の少なく
とも何れかを予備試料室８に設置することで、所望の試
料ホールダ９もしくはプローブホールダ１０を選択し、
搬送手段１４を用いて短時間に試料室７の所望の位置に
設置できる。

【００６６】（実施の形態例５）本実施例５は、プロー
ブ計測の信頼性を高めるために、プローブ／試料の接触
部を計測前に清浄にする手段を予備試料室に備えたプロ
ーブ装置の例である。

【００６７】プローブ計測において、試料２もしくはプ
ローブ３の表面に酸化被膜が形成すると、接触抵抗が増
大して正確な特性評価ができなかったり、酸化被膜上へ
のチャージアップのために鮮明なSEM像を得ることがで
きず、計測効率を悪化させるという問題を有していた。
そこで、本発明によるプローブ装置では、試料２もしく
はプローブ３を予備試料室８に導入した後、試料室７に
導入するまでの間に予備試料室８において試料２もしく
はプローブ３表面を洗浄する手段（以下、洗浄手段）を
設けた。洗浄手段の例として、ここでは、電子衝撃によ
る高温洗浄と、イオンビーム照射による表面スパッタ洗
浄の例について説明する。

【００６８】プローブもしくは試料表面の洗浄を実現す
るためには、図６に示したように、ストッカを有する予
備試料室８（本実施例では水平移動機構を例である）に
試料２およびプローブ３表面を洗浄するための電子照射
部（又はイオン照射部）４７を設置した。高温洗浄の場
合、電子源は、タングステンなどの高融点金属細線を負
電位に印加させながら白熱させ、接地電位にあるプロー
ブ３に向けて熱電子照射し、電子衝撃加熱によってプロ
ーブ３を高温加熱洗浄する。特に、本構成ではビーム照
射領域が直径1mm程度に広がっているためプローブ先端
部は確実に電子衝撃される。この方法で、複数のプロー
ブのうち所望のプローブのみを接地電位にして、残りを
金属細線と同電位にしておくことで、所望のプローブの
みを電子衝撃加熱洗浄することができる。このような予
備試料室の構成により、所望のプローブを洗浄すること
ができ、プローブと試料との接触を確実にすることがで
きる。また、洗浄場所が予備試料室であるため試料室の
真空度を悪化させることはない。このような装置構成に
より、プローブ表面が洗浄でき、結果的には、測定効率
を高めることができる。

【００６９】別の洗浄方法では、イオン照射部を有した
構造（イオン照射部は上記電子照射部と同じ位置に設
置）とし、予備試料室７での待機時間内にプローブ先端
部もしくは試料表面を洗浄する手順とした。イオン照射
部の具体的構造として、5 keV程度のエネルギで、直径
１mm程度のアルゴンイオンビームが照射できるイオンビ
ーム光学系とした。

【００７０】このように、試料室の真空立ち上げ時間も
しくは試料測定時間などの時間を利用して洗浄しておく
ことで、効率よく試料を測定することができる。

【００７１】

【発明の効果】本発明によるプローブ装置によって、電
子素子における特定部、例えば単一トランジスタの動作
特性評価が可能で、かつ、試料もしくはプローブの導入
や交換に要する時間を短縮し、微細領域の電気的計測の
効率を向上させたプローブ装置が提供できる。また、試
料もしくはプローブ表面の不要な酸化膜を事前に除去で
きるため、超高真空状態で試料をチャージアップするこ
となく高分解能で観察でき、測定信頼性の高いプローブ
装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプローブ装置の一実施例を説明す
るための全体概略構成図。

【図２】本発明によるプローブ装置の実施例のうち、特
に、プローブ移動機構周辺の構成をするための電子ビー
ム照射系から見た平面図である。

【図３】本発明によるプローブ装置の別の実施例を説明
するための概略構成図。

【図４】本発明によるプローブ装置の実施例のうち、特
に、カセットの構成を説明するための概略構成図であ
る。

【図５】本発明によるプローブ装置の実施例のうち、特
にストッカの構成を説明するための概略構成図である。

【図６】本発明によるプローブ装置の実施例のうち、特
に、予備試料室でのプローブまたは試料の表面洗浄を実
行するための装置構成を説明するための図である。

【符号の説明】１…プローブ装置、２…試料、３…プローブ、４…電子
ビーム照射系、５…試料ステージ、６…プローブ移動機
構、７…試料室、８…予備試料室、９…試料ホールダ、
１０…プローブホールダ、３０…カセット、４７…電子
照射部（イオン照射部）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者渡辺修東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者三井泰裕東京都小平市上水本町五丁目20番１号株式会社日立製作所半導体グループ内Ｆターム(参考） 2G001 AA03 AA05 AA09 BA06 BA07 CA03 CA05 GA01 GA09 HA13 JA12 JA14 KA03 LA11 MA05 PA01 PA02 PA07 PA11 PA30 2G011 AA02 AC06 AC13 AC21 AE03 AE22 AF01 2G060 AA09 AG01 EB08 EB09 KA16 2G132 AA00 AB00 AE01 AE02 AF01 AF06 AF12 AL12 4M106 AA01 AA02 BA01 BA02 CA01 CA38 DD03 DD18 DD30 DJ02 DJ04 DJ05 DJ06 DJ23 DJ39

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子ビーム照射手段と、試料を固定し
た試料ホールダを載置する試料ステージと、上記試料ス
テージを内包する試料室と、上記試料室内で上記試料に
触針するプローブを移動させるプローブ移動機構と、上
記試料室とバルブを介して接続され上記試料ホールダを
一時貯溜する第１のストッカを有する試料予備室と、少
なくとも上記予備試料室と上記試料室の間で上記試料ホ
ールダを移動させる第１の搬送手段とを具備したことを
特徴とするプローブ装置。
【請求項２】請求項１記載のプローブ装置において、特
に、上記プローブはプローブホールダに固定でき、上記
プローブホールダは上記試料室内で上記プローブ移動機
構に着脱可能である構造であることを特徴とするプロー
ブ装置。
【請求項３】請求項１記載のプローブ装置において、特
に、上記プローブホールダは上記試料室内で上記試料ホ
ールダに着脱可能である構造であることを特徴とするプ
ローブ装置。
【請求項４】請求項１から３記載のプローブ装置におい
て、特に、上記第１のストッカは上記試料ホールダが複
数個貯溜できる構造であることを特徴とするプローブ装
置。
【請求項５】請求項１から４のいずれかに記載のプロー
ブ装置において、特に、上記試料室内に上記試料ステー
ジとは独立して上記試料ホールダを貯溜する第２のスト
ッカを有することを特徴とするプローブ装置。
【請求項６】請求項５記載のプローブ装置において、特
に、上記試料ステージと上記第２のストッカの間で上記
試料ホールダを往復させるか、または、上記プローブ移
動機構と上記第２のストッカの間で上記プローブホール
ダを往復させる第２の搬送手段を少なくとも具備したこ
とを特徴とするプローブ装置。
【請求項７】請求項１から６のいずれかに記載のプロー
ブ装置において、上記第１のストッカは、特に、上記試
料ホールダもしくは上記プローブホールダのうちの少な
くともいずれか複数個を上下に積み重ねるように保持す
る縦型ストック部と、上記縦型ストック部を垂直方向に
移動させる垂直移動手段とを有する少なくとも有する構
造であることを特徴とするプローブ装置。
【請求項８】請求項１から６のいずれかに記載のプロー
ブ装置において、上記第１のストッカは、特に、上記試
料ホールダもしくは上記プローブホールダのうちの少な
くともいずれか複数個を水平に保持する水平ストック部
と、上記水平ストック部を水平方向に移動させる水平移
動手段とを有する少なくとも有する構造であることを特
徴とするプローブ装置。
【請求項９】請求項１から６のいずれかに記載のプロー
ブ装置において、上記第１のストッカは、特に、上記試
料ホールダもしくは上記プローブホールダのうちの少な
くともいずれか複数個を保持するストック盤と、上記ス
トック盤を水平面内で回転させる回転手段とを有する構
造であることを特徴とするプローブ装置。
【請求項１０】請求項１から６のいずれかに記載のプロ
ーブ装置において、上記予備試料室は、特に、上記予備
試料室にある試料もしくはプローブに対してイオンビー
ムもしくは電子ビームを照射するイオン照射部もしくは
電子照射部を有することを特徴とするプローブ装置。