JP2008281535A - プローブ付き顕微鏡及びプローブ駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブや試料を破損させるおそれがなく、すばやくプローブ先端を試料に接触させることができるプローブ付き顕微鏡を提供する。
【解決手段】プローブが試料方向に接近している最中に、顕微鏡から得られる画像を認識して、認識領域内のプローブ面積を計算することによってプローブから試料までの距離を計算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プローブ付き顕微鏡に関する。

マイクロプロセッサや半導体メモリなどの半導体集積回路の製造過程において、製品特性の調査のために、電子顕微鏡による配線寸法の計測や、配線パターン上の異物・欠陥の検出などが行われている。半導体試料を構成するトランジスタ個々の電気特性異常個所の検査には、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）装置を用いることがある。ＳＥＭによる検査の際、半導体試料を予め削り、トランジスタの１つの電極を露出させ、先端半径約５０ｎｍの微細なプローブ（探針）を上記トランジスタの電極に直接接触させる。

プローブを用いてトランジスタ個々の電気特性を測定するために、プローブ先端と、プローブ先端を接触させたい試料部位との位置関係を、電子顕微鏡像から把握し、プローブが試料に接触するまでプローブを駆動する。つまり、プローブを試料や試料固定台に接近させ、プローブが試料や試料固定台に接触したのを検知したらすぐにプローブの移動を停止させる。

プローブを試料や試料台に接近又は接触させる際に注意すべきことは、プローブ速度の設定と接触の検知である。従来は、プローブ速度の設定は作業者が電子顕微鏡像を目視して行っていた。接触の検知方法としては、接触抵抗の変化や、プローブに流す電流の変化などの電気信号から接触を検知する方法や、電子顕微鏡像のコントラスト変化を捉えて接触を検知する方法があった。

特開２００５−１６７１４６号公報 特開平５−２９９０４８号公報

本発明者が鋭意検討した結果、作業者が電子顕微鏡像を目視してプローブ速度の設定を行う場合、プローブと試料との距離が既知でないと、プローブ速度の決定が難しいことが判明した。もし、プローブと試料との距離が近いにもかかわらず、プローブ速度を速く設定した場合、プローブや試料片が試料や試料台に急速に接近し、プローブや試料片が破損してしまうおそれがある。また、もし、プローブと試料との距離が遠いにもかかわらず、プローブ速度を遅く設定した場合、接触までの時間が長くなりすぎる。このため、プローブと試料との距離に応じて、プローブを望ましい速度で駆動する必要がある。

接触抵抗の変化や電流変化を用いる接触検知は、試料や試料片が絶縁体の場合には非常に難しくなる。また、電子顕微鏡像からのコントラスト変化による接触検知は、作業者が電子顕微鏡像を目視して接触の判断を行うために、接触瞬間の検出が曖昧である。もし接触したことに気づかずにプローブ駆動を続ければ、プローブや試料片が破損するおそれがある。

本発明の目的は、プローブや試料を破損させるおそれがなく、すばやくプローブ先端を試料に接触させることができるプローブ付き顕微鏡を提供することに関する。

本発明のプローブ付き顕微鏡は、プローブが試料方向に接近している最中に、顕微鏡から得られる画像を認識して、認識領域内のプローブ面積を計算することによってプローブから試料までの距離を計算する。

本発明によれば、プローブや試料を破損させるおそれがなく、すばやくプローブ先端を試料に接触させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。理解を容易にするために、以下の図において、同様の部材には同じ符号を付して説明する。プローブの位置や数は任意であるが、以下では説明を簡単にするため、プローブの数は１つとして説明する。また、各実施の形態において、例えば顕微鏡には走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いることを想定する。

図１は、プローブ付き顕微鏡の一例を示す概念図である。プローブ付き顕微鏡は、走査型電子顕微鏡１と、プローブ２と、信号検出器３と、アナログ信号線４と、Ａ／Ｄ変換器８と、画像表示器９と、倍率変更部１０と、画像処理部１１と、測長処理部１２と、測長データ処理部１３と、記憶部１４と、プローブ駆動コントローラ１５と、プローブ駆動機構１６と、試料台１７を備える。

試料５は、試料台１７に載置されて移動可能である。図１に示した通り、顕微鏡は試料面に対して垂直方向（Ｚ方向）に位置する。プローブ２の先端を試料５の部位６に接触させる方法について説明する。プローブ２の先端を試料５の部位６に接触させる操作は、プローブ２を試料５に対して垂直方向上方から接近させることにより行う。つまり、本例のプローブ付き顕微鏡では、プローブ２を試料５に接触させる際にプローブ２を移動させる方向（Ｚ軸方向）と顕微鏡の光軸とが一致している。

走査型電子顕微鏡１を使用して信号検出器３で得た２次電子や反射電子などのアナログ情報は、アナログ信号線４を経て、Ａ／Ｄ変換部８に伝送され、デジタル変換される。このデジタル変換されたデータは、画像表示器９に伝送され、２次元画像として表示される。この画像を、以下ＳＥＭ像と呼ぶ。画像表示器９に表示されるＳＥＭ像は、倍率変更部１０によって拡大縮小することができる。

プローブ付き顕微鏡では、ＳＥＭ像を用いて、プローブ２の先端７がプローブ２の先端７に接触させたい試料５の部位６の真上になるように試料５もしくはプローブ２を移動させ、その後、ＳＥＭ像を用いて、プローブ２の先端７から試料部位６までの距離を計算しながら、プローブ２を下方に駆動し、試料部位６に接触させる。プローブ２の先端７から試料部位６までの距離の計算は、画像表示器９で得られたＳＥＭ像を画像処理部１１で解析し、その解析結果を元に測長処理部１２及び測長データ処理部１３が行い、記憶部１４に記憶する。また、プローブ速度は前記解析結果に基づいてプローブ駆動コントローラ１５によって決定され、プローブ駆動機構１６はそのプローブ駆動速度でプローブ２をＺ軸方向に駆動する。

プローブ駆動前に、顕微鏡１による画像を見ながら、図２（ａ）に示すように、プローブ２の先端７を接触させる試料５の部位６を見つけて画像認識領域枠１８で囲む。

本発明のプローブ付き顕微鏡における試料部位にプローブ先端を接触させる動作について、まず図３のフローチャートにより以下説明をする。まずステップＳ１０１で、図２（ｂ）に示すように、画像処理部１１はＳＥＭ像を認識し、試料部位６が画像中心１９に来るように試料位置や顕微鏡を調整する。この結果、画像表示器９によって表示されるＳＥＭ像は、最初例えば図２（ａ）のように、画像中心１９から外れていた試料部位６が、図２（ｂ）に示すように、画像中心１９に位置するようになる。この操作により、顕微鏡の倍率を拡大しても縮小しても、顕微鏡の画像中心１９にプローブ先端７を接触させたい試料部位６が常に位置していることになる。

次に、ステップＳ１０２で、測長処理部１２は、試料部位６にフォーカスを合わせて、試料部位７のＺ軸情報ＷＤ０を検出する。このＺ軸情報ＷＤ０は、顕微鏡１の対物レンズから試料部位７までの距離であるワーキングディスタンスである。次に、ステップＳ１０３で、プローブ２が入っていない状態の試料部位６の画像を取得し、記憶部１４に記憶する。

次に、ステップＳ１０３で、図４に示すように試料台１７もしくはプローブ２の移動軸の一つ（Ｙ’軸）が画像中心方向であるとすると、画像中心１９方向に対して垂直の方向（他の移動軸であるＸ’軸方向）に試料５もしくはプローブ２を動かし、図４（ｂ）のように、Ｙ’軸上でプローブの先端７が画像中心１９の方向を示すような状態にする。ステップＳ１０４で、プローブ先端７が画像中心１９に達したかどうかを画像処理部１８によって確認する。達していなければ、ステップＳ１０５で、Ｙ’軸方向に試料位置もしくはプローブ２を移動する。この移動と確認を例えば数ミリ秒ごとに行う。プローブ先端７が画像中心１９に達したら、ステップＳ１０７で、画像処理部１１は、プローブ２が入った状態の試料部位６の画像を取得し、記憶部１４に記憶する。ステップＳ１０８で、画像処理部１１は、ステップＳ１０３で取得したプローブ２が入っていない状態の試料部位６の画像と、ステップＳ１０７で取得したプローブ２が入った状態の試料部位６の画像とを比較して差分をとり、差分となった画像をプローブ２として認識し、プローブ２の輝度を記憶部１４に記憶する。その後、図５のフローチャートへ進む。

続いて、図５のフローチャートにより以下説明する。ステップＳ２０１で、画像処理部１１は、画像認識領域１８内のプローブ２の輝度を有する領域、すなわちプローブ２が、画像認識領域１８の２０％以上かどうかを判定する。これは、以下で説明するように、画像認識領域１８内のプローブ２が占める面積を元にプローブ先端７と試料部位６との間の距離を計算するため、計算精度を向上させるためである。２０％以上の場合、ステップＳ２０７で、画像処理部１１で焦点合成を行い、プローブ先端７と試料部位６の両方に焦点を合わせた状態の画像を画像表示器１１に表示する。その後、図７のフローチャートへ進む。

ステップＳ２０１で、図６（ａ）に示すように２０％未満の場合は、ステップＳ２０２で、顕微鏡１の現在の倍率が最大倍率かどうかを判定する。最大倍率でない場合、ステップＳ２０３で、倍率変更部１０によって倍率を拡大する。例えば、図６（ｂ）に示すように１０００倍から３０００倍に拡大する。次に、ステップＳ２０４で、オートフォーカス機能を用いて、プローブ先端７の高さに焦点を合わせ、ステップＳ２０１に戻り、再び、画像認識領域１８内のプローブ２の輝度を有する領域が、画像認識領域１８の２０％以上かどうかを判定する。ステップＳ２０２で、顕微鏡の現在の倍率が最大倍率である場合、ステップＳ２０５で、現在の画像認識領域１８が始めの面積の１／６４であるかどうかを判定する。１／６４にはなっていない場合、ステップＳ２０６で、画像認識領域１８の面積を１／２にし、ステップＳ２０１に戻り、再び、画像認識領域１８におけるプローブ２の輝度を有する領域が、画像認識領域１８の２０％以上かどうかを判定する。ステップＳ２０５で、現在の画像認識領域１８が始めの面積の１／６４である場合、画像認識領域１８内のプローブ２の輝度を有する領域を画像認識領域１８の２０％以上にすることはあきらめ、ステップＳ２０７に進む。

続いて、図７のフローチャートにより以下説明する。本発明のプローブ付き顕微鏡では、画像認識領域１８内のプローブ２が占める面積を元に、プローブ先端７と試料部位６との間の距離を計算し、プローブ駆動速度を決定する。図８は、プローブ先端７と試料部位６との位置関係を説明する図である。この図を参照しながら以下説明する。

まず、図８（ａ）に示すプローブ２をＺ軸方向に駆動していない状態で、測長処理部１２は、プローブ先端７に焦点を合わせてプローブ先端７のＺ軸情報ＷＤ１を検出する。ＷＤ１は、プローブ先端７のワーキングディスタンスである。これは、走査型電子顕微鏡に備わるフォーカス機能における所定の位置に焦点を合わせるのに必要な電流値から求めることができる。そして、記憶部１４に記憶されている試料部位６のワーキングディスタンスＷＤ０との差分をとり、プローブ先端７と試料部位６との間の距離Ｚ１を求める。

次に、ステップＳ３０２で、画像処理部１１は、画像認識領域１８内のプローブ２（プローブ２の輝度を持つ領域）が占める面積Ａ１を測定する。ステップＳ３０３で、プローブ駆動コントローラ１５は、距離Ｚ１に対応するプローブ駆動速度ｖ１をプローブ駆動機構１６に送り、プローブ駆動機構１６は、プローブ２をＺ軸方向下方に速度ｖ１で所定の時間Ｔ秒間駆動させる。この際、プローブ駆動速度の情報を測長データ処理部１３にも送る。

次に、ステップＳ３０４で、プローブ駆動後の画像認識領域１８内のプローブ２が占める面積Ａｉを測定する。ステップＳ３０５で、測長データ処理部１３は、面積Ａｉの変化からプローブ先端７と試料部位６との間の距離を計算する。以下、このような計算方法について図８を参照して説明する。

図８（ａ）はプローブ駆動前の状態であり、左に画像表示器９に表示される平面図を示し、右に平面図のａ−ａ’線に沿った断面図を示す。図８（ａ）の断面図において、プローブ２の断面における端とＺ軸情報の基準点（例えば、顕微鏡の対物レンズ）とを結ぶ線分と、基準点から試料部位６に下ろした（すなわちＺ軸と平行の）垂線とが成す角θ１と、基準点とプローブ先端７との間の距離、すなわちプローブ先端７のワーキングディスタンスＷＤ１との関係は、次式（１）のように求まる。
θ１＝ｔａｎ^−１（（Ｌ／２）ＷＤ１） （１）
ここでＬは画像認識領域１８の端におけるプローブ２の太さを表す。

図８（ｂ）はプローブ駆動後の状態であり、図８（ａ）と同様に、左に画像表示器９に表示される平面図を示し、右に平面図のａ−ａ’線に沿った断面図を示す。図８（ｂ）の断面図において、プローブ２の断面における端とＺ軸情報の基準点（例えば、顕微鏡の対物レンズ）とを結ぶ線分と、基準点から試料部位６に下ろした（すなわちＺ軸と平行の）垂線とが成す角θｉと、基準点とプローブ先端７との間の距離、すなわちプローブ先端７のワーキングディスタンスＷｉとの関係は、次式（２）のように求まる。
θｉ＝ｔａｎ^−１（（Ｌ／２）ＷＤｉ） （２）

ここで、Ａを画像認識領域１８内でプローブ２が占める面積とし、φを電子銃からプローブを見た立体角とすると、
Ａ∝φ （３）
の関係があり、また、θをプローブ２の断面図の端とＺ軸情報の基準点とを結ぶ線分と、Ｚ軸情報の基準点から試料部位６に下ろした垂線との成す角とし、プローブ２を円で近似すると、
φ＝α×２π（１−ｃｏｓθ） （４）
の関係がある。ここでαは定数である。

したがって、図８（ａ）のプローブ駆動前の状態における画像認識領域１８内でプローブ２が占める面積をＡ１とし、図８（ｂ）のプローブ駆動後の状態における画像認識領域１８内でプローブ２が占める面積をＡｉとすると、以下の関係が導ける。
Ａ１＝β×２π（１−ｃｏｓθ１） （５）
Ａｉ＝β×２π（１−ｃｏｓθｉ） （６）
ここで、βは比例定数である。

したがって、式（１）〜（６）より、
ＷＤｉ＝（Ｌ／２）／ｔａｎ（ｃｏｓ^−１（１−（Ａｉ／Ａ１）（１−ｃｏｓ（ｔａｎ^−１（（Ｌ／２）／ＷＤ１））） （７）
の関係が導ける。
また、図８（ｂ）の状態におけるプローブ先端７と試料部位６との間の距離Ｚｉは、次式（８）のように求まる。
Ｚｉ＝ＷＤ０−ＷＤｉ （８）
したがって、式（７）及び（８）を用いて、画像認識領域１８内でプローブ２が占める面積から、プローブ先端７と試料部位６との間の距離Ｚｉの値を求めることができる。

再び図７のフローチャートに戻って説明する。ステップＳ３０５で、測長データ処理部１３は、以上説明したようにＺｉを計算し、プローブ駆動コントローラ１５に送る。ステップＳ３０６で、プローブ駆動コントローラ１５は、距離Ｚｉに対応するプローブ駆動速度ｖｉを決定し、プローブ駆動機構１６と測長データ処理部１２に送る。ステップＳ３０７で、プローブ駆動機構１６は、プローブ２をＺ軸方向下方に速度ｖｉで所定の時間Ｔ秒間駆動させる。

ステップＳ３０８で、測長データ処理部１３は、プローブ駆動速度ｖｉが最低速度ｖｍｉｎかどうかを判定する。最低速度の場合、図１０のフローチャートに進む。最低速度ではない場合、ステップＳ３０９で、画像処理部１１はプローブ先端７の位置を確認し、図９（ａ）に示すように観察画像中心からずれていたら、図９（ｂ）に示すように画像中心１９に来るように試料位置や顕微鏡やプローブ２の水平方向の位置を調整する。その後、ステップＳ３２０でｉを１だけインクリメントし、ステップＳ３０４に戻る。

続いて、図１０のフローチャートにより以下説明する。プローブ駆動速度が最低速度のｖｍｉｎとなったら、測長データ処理部１３は、プローブ先端７と試料部位６との接触を画像認識領域１８内でプローブ２が占める面積に基づいて検知する。ステップＳ４０１でｉを１だけインクリメントし、ステップＳ４０２で、画像処理部１１は、画像認識領域１８内のプローブ２が占める面積Ａｉを測定する。ステップ４０３で、測長データ処理部１３は、前回に測定した画像認識領域１８内でプローブ２が占める面積Ａ（ｉ−１）より面積Ａｉが小さいかどうかを判定する。面積が小さくなっている場合、プローブ２はＺ軸方向下方に移動しており、プローブ先端７はまだ試料部位６と接触していないことを意味するため、ステップＳ４０４で、プローブ駆動機構１６は、プローブ２をＺ軸方向下方に速度ｖｍｉｎで所定の時間Ｔ秒間駆動させ、ステップＳ４０１に戻る。ステップＳ４０３で、面積が前回と同じか大きくなっている場合、プローブ先端７が試料部位６と接触し、プローブ２がそれ以上Ｚ軸方向下方に移動しないことを意味していると判断し、ステップＳ４０５でプローブ２の駆動を終了し、プローブ先端７を試料部位６に接触させる動作を終了する。このような自動接触検知により、試料やプローブの損傷を最小にして、プローブ先端を試料部位に接触させることが可能になる。

上述したような面積変化による接触検知方法と併用して、従来からプローブと試料の接触検知に用いられている接触抵抗の測定や、試料からプローブに流れる電流の測定などの接触検知を実行してもよい。

本発明は、プローブ付き顕微鏡に利用可能である。

プローブ付き顕微鏡の構成の一例を示すブロック図である。 （ａ）及び（ｂ）は画像認識領域の指定と画像中心への移動を説明する模式図である。 プローブ先端を試料部位に接触させる動作を説明するフローチャートである。 （ａ）乃至（ｃ）はプローブ先端を試料部位の直上に移動させる動作を説明する模式図である。 図３のフローチャートに続きプローブ先端を試料部位に接触させる動作を説明するフローチャートである。 （ａ）及び（ｂ）は画像認識領域内のプローブが占める面積を調整する動作を説明する模式図である。 図５のフローチャートに続きプローブ先端を試料部位に接触させる動作を説明するフローチャートである。 プローブ先端と試料部位との位置関係を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。 （ａ）及び（ｂ）はプローブ位置のずれをなおす動作を説明する模式図である。 図７のフローチャートに続きプローブ先端を試料部位に接触させる動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ 走査型電子顕微鏡
２ プローブ
３ 信号検出器
４ アナログ信号線
５ 試料
６ 試料部位
７ プローブ先端
８ Ａ／Ｄ変換器
９ 画像表示器
１０ 倍率変更部
１１ 画像処理部
１２ 測長処理部
１３ 測長データ処理部
１４ 記憶部
１５ プローブ駆動コントローラ
１６ プローブ駆動機構
１７ 試料台
１８ 画像認識領域
１９ 画像中心

Claims (9)

1. 試料を載置する試料台と、
   試料を観察する顕微鏡と、
   プローブと、
   前記プローブを駆動するプローブ駆動手段と、
   前記顕微鏡による観察画像を処理し、所定の画像認識領域内で前記プローブが占める面積を測定する画像処理手段と、
   基準位置から前記プローブの先端と前記画像認識領域内の試料部位の各々までの距離をフォーカス条件に基づいて測定する測長処理手段と、
   前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積の前記プローブの駆動による変化と、前記基準位置から前記プローブの先端と前記画像認識領域内の試料部位の各々までの距離とに基づいて、前記プローブの先端と、前記画像認識領域内の試料部位との間の距離を計算する測長データ処理手段とを備えることを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
2. 前記プローブ駆動手段は、前記プローブの先端が前記試料部位に接近するほど駆動速度が遅くなるように、前記プローブの先端と前記試料部位との間の距離に応じて複数の速度を段階的に切り替えて前記プローブを前記試料部位に接近する方向に駆動することを特徴とする請求項１記載のプローブ付き顕微鏡。
3. 前記プローブを前記試料部位に接近する方向に駆動させ、所定の時間間隔で測定した前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積が変化しなくなった場合、前記プローブの駆動を停止することを特徴とする請求項１に記載のプローブ付き顕微鏡。
4. 試料を載置する試料台と、
   試料を観察する顕微鏡と、
   プローブと、
   前記プローブを駆動するプローブ駆動機構と、
   前記顕微鏡による観察画像を処理し、所定の画像認識領域内で前記プローブが占める面積を計算し、
   基準位置から前記プローブの先端と前記画像認識領域内の試料部位の各々までの距離をフォーカス条件に基づいて計算し、
   前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積の前記プローブの駆動による変化と、前記基準位置から前記プローブの先端と前記画像認識領域内の試料部位の各々までの距離とに基づいて、前記プローブの先端と、前記画像認識領域内の試料部位との間の距離を計算する演算装置とを備えることを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
5. 前記プローブ駆動機構は、前記プローブの先端が前記試料部位に接近するほど駆動速度が遅くなるように、前記プローブの先端と前記試料部位との間の距離に応じて複数の速度を段階的に切り替えて前記プローブを前記試料部位に接近する方向に駆動することを特徴とする請求項４記載のプローブ付き顕微鏡。
6. 前記プローブを前記試料部位に接近する方向に駆動させ、所定の時間間隔で測定した前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積が変化しなくなった場合、前記プローブの駆動を停止することを特徴とする請求項４に記載のプローブ付き顕微鏡。
7. 顕微鏡画像において画像認識領域として選択された試料の所定の部位の前記顕微鏡画像に対して垂直方向における位置をフォーカス条件に基づいて測定し、
   前記画像認識領域の直上にプローブの先端を配置し、
   前記プローブ先端の前記顕微鏡画像に対して垂直方向における位置をフォーカス条件に基づいて測定し、
   前記プローブを前記プローブを前記試料部位に接近する方向に駆動させ、
   顕微鏡画像において前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積を測定し、
   前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積の前記プローブの駆動による変化と、前記プローブ先端と前記試料部位の垂直方向の位置とに基づいて、前記プローブの先端と前記試料部位との間の距離を計算することを特徴とするプローブ駆動方法。
8. 前記プローブの駆動において、前記プローブの先端が前記試料部位に接近するほど駆動速度が遅くなるように、計算された前記プローブの先端と前記試料部位との間の距離に応じて複数の速度を段階的に切り替えて前記プローブを前記試料部位に接近する方向に駆動することを特徴とする請求項７記載のプローブ駆動方法。
9. 前記プローブの駆動において、所定の時間間隔で測定した前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積が変化しなくなった場合、前記プローブの駆動を停止することを特徴とする請求項７に記載のプローブ駆動方法。

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