JP2004279431A - Manipulator and probe device, sample fabricating device and sample observing device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、真空内における微小探針のマニピュレータに係り、特に電子素子の性能を評価、ないしは不良を解析するプローブ装置、もしくは集束イオンビームを利用して、試料片から分析や観察に必要な部分のみを加工・摘出する試料作製装置に関する。 The present invention relates to a manipulator for a micro-tip in a vacuum, and particularly to a probe device for evaluating the performance of an electronic element or analyzing a failure, or a portion necessary for analysis and observation from a sample piece using a focused ion beam. The present invention relates to a sample preparation apparatus for processing and extracting only a sample.
従来の電子素子の評価方法としてプローバがある。これは、大気中で光学顕微鏡により検査試料を観察しながら、電気的特性を測定したい位置に探針を接触させる方法である。この探針に、電圧印加手段と電流測定手段を設けることにより、素子の電流電圧特性を評価したり、導通不良箇所を特定することが可能である。 There is a prober as a conventional method for evaluating an electronic device. This is a method in which a probe is brought into contact with a position where electrical characteristics are to be measured while observing an inspection sample with an optical microscope in the atmosphere. By providing the probe with a voltage applying unit and a current measuring unit, it is possible to evaluate the current-voltage characteristics of the element and to specify a conduction failure portion.
近年では、半導体の高集積化が進み、サブミクロンの配線を持った電子素子の評価をする手法が考案されている。例えば、特許文献1に開示されているように、前述したプローバにおいて、光学顕微鏡の代わりに、真空中にて荷電粒子を試料に照射し、その二次電子を検出する顕微手段(電子顕微鏡等)を用い、高精度の探針移動機構により、探針を試料に接触させている。
In recent years, semiconductors have been highly integrated, and techniques for evaluating electronic devices having submicron wiring have been devised. For example, as disclosed in
また、半導体の高集積化により、走査型電子顕微鏡(以下、SEMと略記)の分解能では測定できないほど極微細なものにおける解析の必要性が高まっている。そのため、SEMに代わって観察分解能が高い透過型電子顕微鏡(以下、TEMと略記)が有力視されている。TEMで観察するには、試料の観察部の厚さを、0.1μmまで薄く加工する必要がある。この加工手順の例として、まず、ダイシング装置を用いてウエハ等の試料から、観察すべき領域を含む短冊状ペレットを切り出す。このペレットの一部に、集束イオンビーム(以下、FIBと略記)を照射して、薄壁状の部分を作る。TEM観察時には、この薄壁面に垂直に電子線を照射することで行う。 In addition, due to the high integration of semiconductors, the necessity of analysis of extremely fine objects that cannot be measured with the resolution of a scanning electron microscope (hereinafter abbreviated as SEM) is increasing. For this reason, a transmission electron microscope (hereinafter abbreviated as TEM) having a high observation resolution has been regarded as a promising alternative to the SEM. In order to observe with a TEM, it is necessary to make the thickness of the observation portion of the sample as thin as 0.1 μm. As an example of this processing procedure, first, a strip-shaped pellet including a region to be observed is cut out from a sample such as a wafer using a dicing apparatus. A part of the pellet is irradiated with a focused ion beam (hereinafter abbreviated as FIB) to form a thin-walled part. At the time of TEM observation, the thin wall surface is irradiated with an electron beam vertically.
この方法の欠点は、一つの試料を作成するのに、作業が煩雑になることや、ウエハを切断するために分析できない箇所があるという点が挙げられる。 Disadvantages of this method are that the work involved in preparing one sample is complicated, and that there is a part that cannot be analyzed because the wafer is cut.
これに対し、特許文献2では、以下のような手法が開示されている。これは、試料の姿勢を変化させながら、FIB加工のみで試料を切り出してしまう方法である。ここでは、切り出し後の試料摘出手段として、前述したプローバの探針と同様な形状の操作針を試料に接触させ、堆積ガスを供給し、イオンビームアシストデポジション膜を形成することで、操作針と試料との接着を行い、ウエハから分離を行う。
On the other hand,
しかしながら、前者のプローブ装置および後者の試料作製装置に共通する問題として、探針、もしくは操作針(以下、プローブという)を試料に接触させるため、プローブ先端の劣化を生ずることが挙げられる。試料に接触させたときのプローブの変形が、弾性変形領域に収まるような荷重・変位にするための接触検出の方法も検討されている。しかし、試料の表面が絶縁物で覆われているなど、接触面の状態が常に同一ではないため、プローブの接触検知不良により必要以上にプローブを試料に押し付ける場合が生じる。これにより、プローブ先端が塑性変形し、次回以降のプローブの使用が困難になる。この問題は、半導体の集積度が上がり、プローブ先端が細くなるに従って顕著となる。 However, a problem common to the former probe device and the latter sample preparation device is that a probe or an operating needle (hereinafter, referred to as a probe) is brought into contact with a sample, thereby causing deterioration of a probe tip. A method of detecting contact to make the load and displacement such that the deformation of the probe when it is brought into contact with the sample falls within the elastic deformation region is also being studied. However, since the state of the contact surface is not always the same, for example, the surface of the sample is covered with an insulator, the probe may be pressed against the sample more than necessary due to poor contact detection of the probe. As a result, the tip of the probe is plastically deformed, and it becomes difficult to use the probe after the next time. This problem becomes more remarkable as the degree of integration of the semiconductor increases and the tip of the probe becomes thinner.
また、後者の試料作製装置に限って言えば、プローブ先端を試料に接着し、ウエハから試料を分離した後に、別の試料を作成・摘出する際には、プローブ先端を切断しなければならない。この切断はFIBで行え、さらに切断面をFIBで鋭利にすることは可能であるが、平面的な加工のみとなるため、厚さ方向に太い、くさび状のプローブになってしまう。このため、繰り返し使用するには、限度がある。 Speaking of the latter sample preparation apparatus alone, the probe tip must be cut off when the probe tip is bonded to the sample and the sample is separated from the wafer, and then another sample is prepared and extracted. This cutting can be performed by the FIB, and the cut surface can be sharpened by the FIB. However, since only a planar processing is performed, the probe becomes a wedge-shaped probe that is thick in the thickness direction. Therefore, there is a limit for repeated use.
上記の理由により、いずれの装置においてもプローブは消耗品であり、かなりの頻度で交換が必要となる。ところで、これらの装置に取り付けられているプローブ移動用のマニピュレータは、機構部とプローブが一体になっており、プローブ交換時には真空チャンバを大気開放して、本体から取り外さなければならなかった。このため、交換後の真空立ち上げにおいて、長時間を必要とし、装置の稼働率を低下させる原因となっていた。 For all of the above reasons, the probe is a consumable item in any device and needs to be replaced quite frequently. By the way, the manipulator for moving the probe attached to these devices has a mechanical unit and a probe integrated with each other, and it is necessary to open the vacuum chamber to the atmosphere and remove it from the main body when replacing the probe. Therefore, it takes a long time to start up the vacuum after the replacement, which causes a reduction in the operation rate of the apparatus.
上記課題を解決するために、本発明では以下の手段を用いる。 In order to solve the above problems, the present invention uses the following means.
装置本体である真空チャンバからプローブを出し入れする際に、真空チャンバを大気開放することなく行える真空導入機構を設ける。具体的には、真空チャンバにはエアロック室を設けており、このエアロック室は、本体の真空チャンバとフレキシブルな真空ベローズで接続されている。プローブを保持している部材は、エアロック室に取り付けられており、本体に設けられた移動機構によりエアロック室ごとプローブを移動できる。エアロック室は真空排気が可能な構造であり、エアロック室と真空チャンバの間は真空バルブで仕切られている。プローブはエアロック室と真空チャンバの間を移動できるよう、第2の移動機構を設ける。 There is provided a vacuum introduction mechanism that can be used when the probe is taken in and out of the vacuum chamber that is the apparatus main body without opening the vacuum chamber to the atmosphere. Specifically, an airlock chamber is provided in the vacuum chamber, and the airlock chamber is connected to a vacuum chamber of the main body by a flexible vacuum bellows. The member holding the probe is attached to the airlock chamber, and the probe can be moved together with the airlock chamber by a moving mechanism provided in the main body. The airlock chamber has a structure capable of evacuating, and the airlock chamber and the vacuum chamber are separated by a vacuum valve. A second moving mechanism is provided so that the probe can move between the airlock chamber and the vacuum chamber.
本発明により、プローブを本体の真空チャンバから出し入れする際に、真空チャンバを大気開放する必要がないため、装置の稼働率を向上させることが可能となる。 According to the present invention, it is not necessary to open the vacuum chamber to the atmosphere when the probe is moved in and out of the vacuum chamber of the main body, so that the operation rate of the apparatus can be improved.
図1は本発明の一実施例を示すマニピュレータの概略構成図である。図において、装置本体である真空チャンバ1には、真空ベローズ2で接続されたエアロック室3が設けてある。プローブ4を装着したプローブホルダ5は真空シール6を介してエアロック室3に固定されており、真空チャンバ1に設けられた3軸の移動機構7a、7b、7cにより、エアロック室3ごとプローブ4の移動が可能である。エアロック室3と真空チャンバ1の仕切りは、開閉可能な真空バルブ8で構成されており、排気ポート9からエアロック室3の真空排気/大気開放が可能である。プローブ4はエアロック室3と真空チャンバ1の間を移動できるよう、プローブホルダ5には1軸の移動機構10が設けられている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a manipulator showing one embodiment of the present invention. In the figure, an
ここで、本実施例の動作について説明する。プローブ4を交換する際には、図2(a)に示すように、移動機構10を用いてプローブホルダ5を退避させ、真空バルブ8を閉じる。これにより、エアロック室3は本体真空チャンバ1とは別空間になる。ここで、エアロック室3に排気ポート9からエアを入れて、エアロック室3内を大気圧にする。この後、プローブホルダ5をエアロック室3から取り外し、図2(b)の状態にしてからプローブ4の交換作業を行う。交換後は、逆の手順でプローブホルダ5をエアロック室3に取り付け、エアロック室3内を真空排気する。エアロック室3と真空チャンバ1の圧力差が無くなったことを確認し、真空バルブ8を開く。プローブホルダ3は移動機構10により、真空チャンバ1内に導入される。プローブ4を所望の位置に操作するには3軸の移動機構7a、7b、7cを用いてエアロック室3ごと移動させる。これにより、真空チャンバを大気開放すること無く、プローブの交換が可能となる。
Here, the operation of the present embodiment will be described. When exchanging the
図3は本発明の別の実施例を示すマニピュレータの詳細断面図である。また、図4は図3の平面図であり、図5は図3のAA断面図である。 FIG. 3 is a detailed sectional view of a manipulator showing another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a plan view of FIG. 3, and FIG. 5 is a sectional view taken along the line AA of FIG.
図において、装置本体である真空チャンバ31には、ベースフランジ32が真空シール33を用いて固定されている。エアロック室34は真空ベローズ35を介して、ベースフランジ32に接続されており、エアロック室34の端面には真空バルブ37を備えている。真空バルブ37の開閉は、エアロック室34内に構成した筒状のバルブ開閉機構38を回転させることによって行う。また、エアロック室34には、排気用の配管39が真空ベローズ40を介してベースフランジ32に取り付けられており、排気ポート41に通じている。これにより、エアロック室34内の排気(あるいはリーク)を行う。
In the figure, a
ベースフランジ32にはY軸用リニアガイド42を介してベース(Y)43が取り付けられている。その両端には、ベースフランジ32に固定されたY軸用リニアアクチュエータ44と予圧用押しバネ45aが仕込まれており、ベース(Y)43のY軸方向への移動を行う。
A base (Y) 43 is attached to the
同様に、ベース(Y)43にはZ軸用リニアガイド46を介してベース(Z)47が取り付けられており、ベース(Y)43に固定されたZ軸リニアアクチュエータ48と予圧押しバネ45bによって、Z軸方向への移動を行う。X軸方向へは、X軸用リニアガイド49に沿ってベース(X)50を移動させるが、このとき、X軸用リニアアクチュエータ51の出力をてこ55を用いて反転させている。
Similarly, a base (Z) 47 is attached to the base (Y) 43 via a Z-axis
ベース(X)50には、エアロック室32、およびプローブ36を装着しているプローブホルダ54を固定しているため、各軸のリニアアクチュエータ44,48,51を駆動させることにより、プローブ36の移動を行える。プローブ36の位置は、各軸のエンコーダ52a、52b、52cの出力値によって把握され、高精度な位置制御が可能である。プローブホルダ54はエアロック室32の軸に沿って、真空を保ちながら移動可能なように、軸用の真空シール53を設けてある。
Since the
ここで、本実施例の動作について説明する。プローブ36を交換する際には、図6(a)に示すように、プローブホルダ54を手動により退避させ、バルブ開閉機構38を動作させて真空バルブ37を閉じる。これにより、エアロック室34は本体真空チャンバ31とは別空間になる。ここで、エアロック室34に排気ポート41からエアを入れて、エアロック室34内を大気圧にする。
Here, the operation of the present embodiment will be described. When replacing the
この後、さらにプローブホルダ54をエアロック室34から引き抜き、図6(b)の状態にしてからプローブ36の交換作業を行う。交換後は、逆の手順で組み込めばよい。まず、プローブホルダ36をエアロック室34に挿入し、エアロック室34内を真空排気する。エアロック室34と真空チャンバ31の圧力差が無くなったことを確認し、バルブ開閉機構38を動作させて真空バルブ37を開く。プローブホルダ54はさらに手動により、真空チャンバ31内に挿入される。プローブ36を所望の位置に操作するには3軸のリニアアクチュエータ44,48,51を用いてエアロック室34ごと移動させる。これにより、真空チャンバを大気開放すること無く、プローブの交換が可能となる。
Thereafter, the
図7は本発明の実施例をプローブ装置に適用したときの概略図である。図において、電子銃71から放出された電子ビーム72は、アパーチャ73により成形され、集束レンズ74により電子ビーム72の拡がりを制御し、偏向器75と対物レンズ76を通ることによってステージ77上の所望の位置に集束される。ステージ77上には、半導体ウエハや半導体チップ等の基板78を載置しており、ステージ位置コントローラ79により基板78の評価する素子の位置を特定する。
FIG. 7 is a schematic diagram when the embodiment of the present invention is applied to a probe device. In the drawing, an
複数のマニピュレータ80a、80b、80cに装着された各々のプローブ81a、81b、81cは、ステージ77とは独立に駆動可能なプローブ位置コントローラ82a、82b、82cによって、基板78上の評価素子の位置まで移動させる。移動の際は、電子ビームコントローラ83により、基板78の評価素子近傍に電子ビーム72を走査して、基板78からの二次電子を二次電子検出器84により検出し、その画像をディスプレイ85で表示/観察しながら行う。接触した基板78の微小部分に電圧を印加できるよう、各プローブ81a、81b、81cには電源86が接続されている。同時に、各プローブ81a、81b、81cに流れる電流も測定できる様、電流計87が接続されている。
Each of the
評価方法の例として、ウエハ上に形成されたMOSデバイスにおける場合を記す。まず、3つのプローブをそれぞれ、ソース電極、ゲート電極、ドレイン電極に接触させる。ここで、プローブを用いてソース電極をアースに落とし、プローブによりゲート電極の電圧をパラメータとして振りながら、プローブによりドレイン電圧と、ソース−ドレイン間を流れるドレイン電流の関係を測定する。これにより、MOSの出力特性を得ることができる。これらの動作は中央演算処理装置88によって、一括して制御されている。
As an example of the evaluation method, a case of a MOS device formed on a wafer will be described. First, three probes are brought into contact with a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode, respectively. Here, the source electrode is grounded using a probe, and the probe measures the relationship between the drain voltage and the drain current flowing between the source and the drain while varying the voltage of the gate electrode as a parameter. Thereby, the output characteristics of the MOS can be obtained. These operations are collectively controlled by the
なお、マニピュレータ80a、80b、80cは前述した図3に示したものと、同様な構成としている。これにより、測定評価時にプローブが破損しても、容易にプローブ交換が可能であるため、プローブ装置の稼働率を向上させることが可能である。
The
また、本実施例において、電子銃71をイオン源に置き換えて構成される照射光学系を用いたプローブ装置であっても、本発明のマニピュレータを用いることにより、同様の効果が得られる。
Further, in the present embodiment, even with a probe device using an irradiation optical system configured by replacing the
図8は本発明の実施例を試料作製装置に適用したときの概略図である。図において、イオン源89から放出されたイオンビーム90は、ビーム制限アパーチャ91により成形され、集束レンズ74によりイオンビーム90の拡がりを制御し、偏向器75と対物レンズ76を通ることによってステージ77上の所望の位置に集束される。
FIG. 8 is a schematic diagram when the embodiment of the present invention is applied to a sample preparation apparatus. In the drawing, an
集束されたイオンビーム(FIB)90は、基板78表面を走査した形状にスパッタすることにより、試料92の精密な加工を行える。ステージ77上には、半導体ウエハや半導体チップ等の基板78と、摘出した試料92を保持する試料ホルダ93を載置しており、ステージ位置コントローラ79により試料加工および摘出をする位置の特定を行う。マニピュレータ80に装着されたプローブ81は、ステージ77とは独立に駆動可能なプローブ位置コントローラ82によって、基板78上の摘出位置まで移動させる。移動および加工の際は、FIBコントローラ94により、基板78の摘出位置近傍にFIBを走査して、基板78からの二次電子を二次電子検出器84により検出し、その画像をディスプレイ85で表示/観察しながら行う。
The focused ion beam (FIB) 90 can perform precise processing of the
試料92の摘出には、基板78の姿勢を変化させながらFIB加工を行うことにより、試料92をクサビ状に切り出し、プローブ81先端を試料92に接触させる。接触部にはデポガス源95を用いて堆積ガスを供給し、イオンビームアシストデポジション膜を形成することで、プローブ81と試料92との接着を行う。
In extracting the
この後、プローブ位置コントローラ82によりプローブ81を基板78から引き上げ、ステージ77上の試料ホルダ93の位置に移動する。プローブ81を降下し、プローブ81に接着した試料92のクサビ先端が試料ホルダ93の表面に接触したのを確認し、イオンビームアシストデポジション膜にて試料92の側面と試料ホルダ93とを接着する。プローブ81の先端はFIBによって試料92から切断され、プローブ位置コントローラ82により、次の試料摘出位置へ移動を行う。このようにして一枚の基板から所望の数の試料を、一つの試料ホルダに移載することが可能である。
Thereafter, the
これらの動作は中央演算処理装置88によって、一括して制御されている。なお、前述した実施例と同様、マニピュレータは図3に示した構成としている。これにより、プローブが消耗あるいは破損しても、プローブ交換が容易であるため、試料作製装置の稼働率を向上させることが可能である。
These operations are collectively controlled by the
図9は本発明の実施例を試料観察装置に適用したときの概略図である。図において、イオン源89から放出されたイオンビーム90は、ビーム制限アパーチャ91により成形され、集束レンズ74によりイオンビーム90の拡がりを制御し、偏向器75と対物レンズ76を通ることによってステージ77上の所望の位置に集束される。集束されたイオンビーム90、すなわちFIBは、基板78表面を走査した形状にスパッタすることにより、精密な加工を行える。
FIG. 9 is a schematic diagram when the embodiment of the present invention is applied to a sample observation device. In the drawing, an
ステージ77上には、半導体ウエハや半導体チップ等の基板78を載置しており、ステージ位置コントローラ79により基板の観察をする位置の特定を行う。マニピュレータ80に装着されたプローブ81は、ステージ77とは独立に駆動可能なプローブ位置コントローラ82によって、基板78上の観察位置まで移動させる。
A
移動および加工の際は、FIBコントローラ94により、基板78の観察位置にFIBを走査して、基板78からの二次電子を二次電子検出器84により検出し、その画像をディスプレイ85で表示しながら行う。接触した基板78の微小部分に電圧を印加できるよう、プローブ81には電源86が接続されている。
At the time of movement and processing, the
観察を行う場合は、まず観察したい回路を他の回路から電気的に孤立させるよう、FIBにて回路周囲に溝加工を施す。回路の一端に電圧を印加したプローブ81を接触させ、その回路に設計上接続されているであろう箇所の観察を行う。もし断線もなく接続されていたら、コントラストが変化する(明るくなる)ため、回路の不良判定を行うことが可能である。
When performing observation, first, a groove is formed around the circuit by FIB so that the circuit to be observed is electrically isolated from other circuits. A
これらの動作は中央演算処理装置88によって、一括して制御されている。なお、前述した実施例と同様、マニピュレータは図3に示した構成としている。これにより、プローブが破損しても、容易なプローブ交換を可能とし、試料観察装置の稼働率を向上させることが可能である。
These operations are collectively controlled by the
1…真空チャンバ、2…真空ベローズ、3…エアロック室、4…プローブ、5…プローブホルダ、6…真空シール、7…3軸移動機構、8…真空バルブ、9…排気ポート、10…1軸移動機構、31…真空チャンバ、32…ベースフランジ、33…真空シール、34…エアロック室、35…真空ベローズ、36…プローブ、37…真空バルブ、38…バルブ開閉機構、39…排気用配管、40…真空ベローズ、41…排気ポート、42…Y軸用リニアガイド、43…ベース(Y)、44…Y軸用リニアアクチュエータ、45…予圧用押しバネ、46…Z軸用リニアガイド、47…ベース(Z)、48…Z軸用リニアアクチュエータ、49…X軸用リニアガイド、50…ベース(X)、51…X軸用リニアアクチュエータ、52…エンコーダ、53…真空シール、54…プローブホルダ、55…てこ、71…電子銃、72…電子ビーム、73…アパーチャ、74…集束レンズ、75…偏向器、76…対物レンズ、77…ステージ、78…基板、79…ステージ位置コントローラ、80…マニピュレータ、81…プローブ、82…プローブ位置コントローラ、83…電子ビームコントローラ、84…二次電子検出器、85…ディスプレイ、86…電源、87…電流計、88…中央演算処理装置、89…イオン源、90…イオンビーム、91…ビーム制限アパーチャ、92…試料、93…試料ホルダ、94…FIBコントローラ、95…デポガス源。
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