JP2010286419A - 微小接触式プローバ - Google Patents
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Abstract
【課題】導電性のナノチューブやナノワイヤ、またはナノピラー探針を搭載した微小接触式プローバにおける探針−測定サンプル間の接触応力を向上し、かつ接触界面の絶縁層を除去することで、接触抵抗を低減し、半導体デバイス検査の性能を向上することにある。
【解決手段】微小接触式プローバにおいて、カンチレバー型のプローブを有し、カンチレバーは先端に設置されたホルダーより長さ５０〜１００ｎｍで突出したナノワイヤやナノピラー、または金属被覆のカーボンナノチューブ探針と、各カンチレバーを被検体に対して水平方向に振動させるための加振機構を設置する。ホルダーの先端部は前記カンチレバーの自由端よりも突出してよく、カンチレバー上部よりホルダー先端を確認することができる。
【選択図】 図８
【解決手段】微小接触式プローバにおいて、カンチレバー型のプローブを有し、カンチレバーは先端に設置されたホルダーより長さ５０〜１００ｎｍで突出したナノワイヤやナノピラー、または金属被覆のカーボンナノチューブ探針と、各カンチレバーを被検体に対して水平方向に振動させるための加振機構を設置する。ホルダーの先端部は前記カンチレバーの自由端よりも突出してよく、カンチレバー上部よりホルダー先端を確認することができる。
【選択図】 図８
Description
本発明は、例えば、ナノワイヤやナノピラー、またはカーボンナノチューブ探針を用いた微小接触式プローバに係り、特にカンチレバー型プローブを採用した探針接触機構に関する。
ナノテクノロジーの進展とともに微小領域における物性計測のニーズが高まっている。ナノメートルの空間分解能で物質の構造や物性を評価できる計測手法として、走査トンネル顕微鏡，原子間力顕微鏡，近接場光学顕微鏡，透過電子顕微鏡，多探針ナノプローブによる電気伝導特性の計測があげられる。多探針ナノプローブによる電気伝導特性の計測では四本以上の探針を用いることにより、半導体デバイス等の電子相関に関する情報が得られることが期待できる。
多探針ナノプローブを用いた計測システム（以下、微小接触式プローバ）では、今後探針の細径化に伴う探針の短命化と接触抵抗の増大が問題となる。特に半導体デバイスの故障解析では、将来のデバイスの微細化に対応するため、探針の導電性の確保および機械強度の向上が重要な因子となる。
従来の細径化した金属探針に代わり、金属ナノワイヤやカーボンナノチューブ等を探針として応用することが考えられている。例えば、カーボンナノチューブを探針として用いる場合、探針の導電性を確保するため、表面に金属被膜を形成する方法がある。金属被膜においては、カーボンナノチューブの根元から先端にかけて均一に被膜されていることが望ましい。しかしながら、カーボンナノチューブ表面との密着性のよい金属被膜を均一に形成することは容易ではない。
そのような背景の下、カーボンナノチューブ表面に金属を被膜する方法や、ナノプローブとして利用する方法が提案されている。金属被膜法としては、非特許文献１に示されるように、パルスドレーザーデポジション（ＰＬＤ）法を用いた金属被膜方法がある。ＰｔＩｒまたはＷターゲットにパルスレーザーを照射し発生するプルームを利用してカーボンナノチューブ表面に金属を堆積するという方法である。ＰＬＤ法によって数ｎｍの極めて薄く良質な金属膜をカーボンナノチューブ表面に形成することができる。この方法によって探針抵抗値が数１０ｋΩオーダーまで低減することが可能となった。また、カーボンナノチューブのプローバ探針応用に関する特許文献１，２では、電子ビーム堆積法によって金属探針に固定したカーボンナノチューブを作製し、四端子測定で接触抵抗をキャンセルし、微小インピーダンス測定する装置を提案している。
しかしながら、四端子測定では、ナノチューブやナノワイヤ等を固定している金属探針との間に生じる接触抵抗値、また、ナノチューブやナノワイヤそのものの抵抗値が数ｋ〜数１０ｋΩと高くなるために、高分解能の抵抗値測定は困難であることが考えられる。基板コンタクトや配線，ビア抵抗測定では接触抵抗および探針抵抗はできるだけ低いことが望ましく、１０Ω程度まで低減させる必要があるが、特許文献１に開示される均一な金属被膜カーボンナノチューブ探針においては、先端の接触抵抗が支配的であるため、数１０ｋΩ以下までの抵抗低減が困難であった。
問題となる接触抵抗は探針−測定サンプル間の接触応力が小さいこと、また接触界面の酸化膜やコンタミネーション等の絶縁層に起因する。
例えば、カーボンナノチューブを探針とした場合、ヤング率が１Ｔａと非常に高い剛性を持っているのにも係わらず、数ｎＮの力で充分にアスペクト比５０以上のカーボンナノチューブは曲がる。すなわち、探針に応用した際、いくらカーボンナノチューブを押し付けても接触応力が小さいために接触抵抗は大きくなる。また、接触界面における酸化膜やコンタミネーションは従来の金属探針では機械的に除去することが可能であるが、カーボンナノチューブでは上述のとおり曲がってしまうため、酸化膜やコンタミネーションを挟んだ状態となり、真の抵抗値が計測できない。
Japan Journal of Applied Physics Vol.44 L1563 (2005)
本発明の目的は、導電性のナノ探針を搭載した微小接触式プローバにおける探針−測定サンプル間の接触応力を向上させ、かつ接触界面の絶縁層を除去することで、接触抵抗を低減し、半導体デバイス検査の性能を向上することにある。
微小接触式プローバにおいて、カンチレバー型のプローブを有し、カンチレバーは先端に設置されたホルダーより突出した導電性ナノ探針と、各カンチレバーを被検体に対して水平方向に振動させるための加振機構を設置する。
導電性ナノ探針はホルダーより長さ５０〜１００ｎｍで突出した金属または金属を含むナノワイヤやナノピラー、または金属を被覆したカーボンナノチューブからなることを特徴とする。
さらに、ホルダーの先端部は前記カンチレバーの自由端よりも突出してよく、カンチレバー上部よりホルダー先端を確認することができる。カンチレバーは、金属または、シリコンに金属被膜した導電性のカンチレバーからなる。
接触を検知するために、カンチレバーに圧電体を設け、カンチレバーの撓み量を圧電体の電気信号によって検知したり、プローバにトンネル電流のフィードバック機構を設け、探針−測定サンプル間の接触をトンネル電流によって検知したりする。
本発明によれば、極めて短いカーボンナノチューブや、金属ナノワイヤを探針とし、カンチレバー型プローブを採用することで、微小接触式プローバにおける探針−測定サンプル間の接触応力を向上し、加振機構によって接触界面の絶縁層を除去することによって、接触抵抗が低減され、半導体デバイス検査の性能が向上する。
以下に、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態を説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施の形態に限定されることはなく、適宜組み合わせてもよい。なお、図面中で同義の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブの概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ９は、基板５より突出したカンチレバー３先端に取り付けられたホルダー２と、そのホルダー２より５０〜１００ｎｍの長さで突出した直径１０〜２０ｎｍのナノピラー探針１からなる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブの概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ９は、基板５より突出したカンチレバー３先端に取り付けられたホルダー２と、そのホルダー２より５０〜１００ｎｍの長さで突出した直径１０〜２０ｎｍのナノピラー探針１からなる。
基板５，カンチレバー３、およびホルダー２には、Ａｕ，ＰｔＩｒ，Ｔｉ／Ｐｔ，Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの導電性膜をコーティングしたＳｉやＳｉＮ、またはタングステン等の導電性素材を用いることができる。
カンチレバー３はバネ定数が０.１〜１００Ｎ／ｍの範囲のものを使用することが可能であり、ナノ探針の接触応力を大きくし、できるだけ接触抵抗を低減したい場合はバネ定数の高いものを、ナノ探針の接触応力を小さくし、なるべく探針の破損を防止する場合はバネ定数の低いものを選択する。
また、ナノピラー探針１は、荷電粒子ビームの照射で金属ガスを分解し導電性金属をピラー状に堆積することによって得られる。このとき用いられる前駆体ガスとしては、例えば、Ｗ(ＣＯ)6，ＷＦ6，Ｍｅ2Ａｕ(ｔｆｃ)，Ｃｏ2(ＣＯ)8，Ｃｒ(Ｃ6Ｈ6)2，ｈｆａｃ−Ｃｕ−ＴＭＶＳ，Ｆｅ（ＣＯ）5，Ｍｏ(ＣＯ)6，Ｎｉ(ＣＯ)4，Ｏｓ3(ＣＯ)12，Ｐｄ(ＯＯＣＣＨ3)2，Ｐｔ(ＰＦ3)4等がある。ナノピラー探針１の導電性を確保するには、金，白金、またはパラジウムなどの貴金属類が好ましいが、特に限定されるものではない。
特に、電子顕微鏡を用いた電子ビーム堆積法（ＥＢＩＤ：Electron Beam Induced Deposition）では、スポットサイズを１０ナノメートル以下に絞り、試料電流値を１００ｐＡ〜５０００ｐＡの範囲で、電子線３２を点照射することによって極めて細い金属ピラーを形成することが可能となる。また、必要に応じて電子顕微鏡の筐体２６内に水や酸素ガスを導入することのよってピラーの金属純度を向上させることができる。
図８は、本発明に係る導電性ナノピラー探針１を用いた微小接触式プローバの模式図である。第１の実施形態に係る微小接触式プローブは、筐体２６において、電子源１６，収束電子レンズ１７，走査コイル２７，焦点コイル２８，対物レンズ２９を含む鏡筒３０と、微動・粗動スキャナー８に接続されている４本以上のプローブ９と、測定サンプル２０を載置するステージ２１と、二次電子検出器３１と、排気装置２４により構成される。
サンプルとしては半導体デバイスを主に評価することができる。ソース，ゲート，ドレイン，半導体基板に接触させるために４本のプローブ９用いる。各プローブ間には、探針間に電圧を印加するため半導体パラメータアナライザ２３を設置した。
また、走査コイル２７および焦点コイル２８への電流印加は電子顕微鏡制御コンピュータ１８で制御できるようになっており、電子線３２の照射位置や焦点位置をコンピュータ１５７によって設定可能である。なお、電子線３２を照射するための電子源１６には、低加速電圧でも直径を小さくすることができる電界放射型の電子銃を用いた。上記したようにコンピュータで電子線３２の照射位置を制御可能なので、測定サンプル上に電子線３２を走査させることができる。さらには、２次・反射電子検出器を設置したので、測定サンプル２０より発生する２次電子・反射電子の強度を電子線３２の走査位置に対応させ検出することができる。すなわち、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）の機能を有する。
微小接触式プローバは、ＳＥＭ機能を有するため、測定サンプル２０の表面の形状のみならず、プローブ９の先端におけるナノピラー探針１形状やその水平方向の位置を容易に調べられる。さらに、測定サンプル２０およびプローブ９に対してそれぞれ焦点をあわせることにより、焦点位置の違いを評価することができるため、プローブ９の測定サンプル２０に対する高さを調べることができる。
一方、微小接触式プローバでは、プローブ９の移動に粗動と微動を兼ねた粗動・微動スキャナーを用いた。特に、微動は圧電素子を含んで構成したため、ナノピラー探針１先端の位置を１ｎｍ以下の精度で移動できる。このため、上記ＳＥＭ機能とあわせることにより、ナノピラー探針１先端を、測定サンプル２０上の特定の位置に接触させることが可能となる。
本実施形態におけるプローブ９はカンチレバー型であるため、カンチレバー３の機械的特性を利用した探針接触が可能である。探針接触時に撓むことによってナノピラー探針１に過剰な負荷がかかることを防止できる。ナノピラー探針１は測定サンプル２０表面に対して略垂直に設置することによって、接触時には長軸方向への圧縮荷重がかかるようにすることによって、探針の最大曲げ強度を確保することが可能となる。また、図１３に示すように、プローブホルダー７に設置した加振ピエゾ６によって、サンプル表面と水平方向にカンチレバー３を加振させ、表面のコンタミネーション等の電気的接触を妨害する層を除去することが可能である。また、超音波振動させることで、ナノピラー探針１接触界面の摩擦や材料自体が受ける圧縮の繰り返しにより、その内部が発熱して温度上昇し、さらに超音波の衝撃力により測定サンプル２０表面が軟化，溶融して溶着することも可能である。このときカンチレバー３を振動させる周波数は１００〜１００ＭＨｚ、振幅は１〜１００ｎｍを適用した。この結果、測定サンプル２０とナノピラー探針１との間で良好な電気的接触を実現することができる。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ９の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ９は、基板５より突出したカンチレバー３先端にカンチレバー３自由端よりも先端部が突出しているホルダー２と、そのホルダー２より５０〜１００ｎｍの長さで突出した先鋭化されたナノピラー探針１からなる。
図２は、本発明の第２の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ９の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ９は、基板５より突出したカンチレバー３先端にカンチレバー３自由端よりも先端部が突出しているホルダー２と、そのホルダー２より５０〜１００ｎｍの長さで突出した先鋭化されたナノピラー探針１からなる。
実施形態１と同様な材料や形態であるが、図８に示すＳＥＭ機構を備えた微小接触式プローバに適用することで、カンチレバー３自由端よりもホルダー２先端を突出させることによって、プローブ９どうしを接触させることなく、測定サンプル２０に探針を接触させることができた。このため、数１０ｎｍの間隔でプローブ９間に流れる電流を測定することによって、ナノスケールの電気伝導特性を評価することができた。
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ９の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ９は、基板５より突出したカンチレバー３先端に取り付けられたホルダー２と、そのホルダー２より５０〜１００ｎｍの長さで突出させ、金属固定被膜１１で固定された直径１０〜２０ｎｍのカーボンナノチューブ１０とその表面を金属被膜１２でコーティングした。
図３は、本発明の第３の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ９の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ９は、基板５より突出したカンチレバー３先端に取り付けられたホルダー２と、そのホルダー２より５０〜１００ｎｍの長さで突出させ、金属固定被膜１１で固定された直径１０〜２０ｎｍのカーボンナノチューブ１０とその表面を金属被膜１２でコーティングした。
基板５，カンチレバー３、およびホルダー２は、実施形態１と同様に導電性膜をコーティングしたＳｉやＳｉＮ、またはタングステン等の導電性素材を用い、カンチレバー３はバネ定数が０.１〜１００Ｎ／ｍの範囲のものを使用した。
また、カーボンナノチューブ１０は、ホルダー２に担持させた状態で、荷電粒子ビームの照射で金属ガスを分解し導電性金属をシート状に金属を堆積することによって固定される。このとき用いられる前駆体ガスとしては、例えば、Ｗ(ＣＯ)6，ＷＦ6，Ｍｅ2Ａｕ(ｔｆｃ)，Ｃｏ2(ＣＯ)8，Ｃｒ(Ｃ6Ｈ6)2，ｈｆａｃ−Ｃｕ−ＴＭＶＳ，Ｆｅ(ＣＯ)5，Ｍｏ(ＣＯ)6，Ｎｉ(ＣＯ)4，Ｏｓ3(ＣＯ)12，Ｐｄ(ＯＯＣＣＨ3)2，Ｐｔ(ＰＦ3)4等がある。導電性を確保するには、金，白金、またはパラジウムなどの貴金属類が好ましいが、特に限定されるものではない。ＥＢＩＤ法では、スポットサイズを１０ナノメートル以下に絞り、試料電流値を１００ｐＡ〜５０００ｐＡの範囲で、電子線３２を１００ｎｍ角で面照射することによって金属固定皮膜を形成することが可能となる。
本実施形態におけるカーボンナノチューブ１０は、長さを５０〜１００ｎｍの長さに調節するため、パルス電流を用いて切削した。ナノチューブの長さ調整には通電による切断が望ましい。例えばホルダー２に固定したナノチューブの先端部を、電極に担持されたもう１つのカーボンナノチューブ１０の先端部電極対極の位置に用意した電極に接近、もしくは接触させ、探針ホルダーと電極の間にパルスやコンデンサ放電による電圧を印加して電流を流して、接触部分でナノチューブを切断し、この切断を繰り返して行うことで達成される。通電の方法は限定するものではないが、特に立ち上がりが急峻なパルス電圧電流を流して印加して切断する方法では、切断を複数回繰り返すことで、ナノチューブの長さを最小で約１０ｎｍの精度で微調整していくことができ、最終的には５０〜１００ｎｍまで長さを調節できる。
本発明の探針ホルダー端面から直径が均一である探針が突出した形状を形成する他の方法としては、探針ホルダーの端面に設置した金属触媒よりナノチューブをＣＶＤにより成長させたり、ナノチューブを低融点金属に埋め込んだりすることで解決することができる。
金属被膜１２は、スパッタ，抵抗加熱蒸着、または電子ビーム蒸着等を用いることが可能である。カーボンナノチューブ１０との密着性を考慮した材料を選ぶ必要があり、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの三層やＴｉ／Ｐｔの二層でコーティングすることで密着性のよい被膜を形成することが可能となる。
本実施形態における図８に示す微小接触式プローバはカーボンナノチューブ１０のダイヤモンド同様の強靭な機械的特性を利用できることから、サンプル接触時の破損や、磨耗を防止することが可能となる。
図１０に本実施形態のプローブ９のＳＥＭ写真と、それを用いたフォースカーブ測定時の、荷重および電流値を示す。この測定より、カーボンナノチューブ１０が座屈する手前の約２００ｎＮの荷重において電流値が最大となる、すなわち接触抵抗が最小となることが確認された。
また、図１１はプローブ９を測定サンプル２０に接触後測定した電圧―電流特性と、２００ｎＮの荷重でカーボンナノチューブ１０を接触後１００Ｈｚ、１０００回の条件でカンチレバー３加振させてから測定した電圧―電流特性を示す。加振後により、大きな電流が流れていることから加振による接触抵抗の低減が確認された。
カーボンナノチューブ１０を用いることで、フォースカーブ測定，カンチレバー３の加振を用いたメカニカルに接触抵抗を低減させることによって探針の形態が崩れることが無くなり、プローブ９の高寿命化が可能となった。
（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ９の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ９は、基板５より突出したカンチレバー３先端にカンチレバー３自由端よりも先端部が突出しているホルダー２と、そのホルダー２より５０〜１００ｎｍの長さで突出させ、金属固定被膜１１で固定された直径１０〜２０ｎｍのカーボンナノチューブ１０とその表面を金属被膜１２でコーティングした。
図４は、本発明の第４の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ９の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ９は、基板５より突出したカンチレバー３先端にカンチレバー３自由端よりも先端部が突出しているホルダー２と、そのホルダー２より５０〜１００ｎｍの長さで突出させ、金属固定被膜１１で固定された直径１０〜２０ｎｍのカーボンナノチューブ１０とその表面を金属被膜１２でコーティングした。
実施形態３と同様な材料や形態であるが、図８に示すようなＳＥＭ機構を備えた微小接触式プローバに適用することで、カンチレバー３自由端よりもホルダー２先端を突出させることによって、プローブ９どうしを接触させることなく、測定サンプル２０に探針を接触させることができた。このため、数１０ｎｍのプローブ間隔でプローブ９間に流れる電流を測定することによって、ナノスケールの電気伝導特性を評価することができた。
（第５の実施形態）
図５は、本発明の第５の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ９の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ９は、基板５より突出したカンチレバー３先端に取り付けられたホルダー２と、そのホルダー２より５０〜１００ｎｍの長さで突出させ、金属固定被膜１１で固定された金属ナノワイヤ１３からなる。
図５は、本発明の第５の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ９の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ９は、基板５より突出したカンチレバー３先端に取り付けられたホルダー２と、そのホルダー２より５０〜１００ｎｍの長さで突出させ、金属固定被膜１１で固定された金属ナノワイヤ１３からなる。
基板５，カンチレバー３、およびホルダー２は、実施形態１と同様に導電性膜をコーティングしたＳｉやＳｉＮ、またはタングステン等の導電性素材を用い、カンチレバー３はバネ定数が０.１〜１００Ｎ／ｍの範囲のものを使用した。
また、金属ナノワイヤ１３は、ホルダー２に担持させた状態で、荷電粒子ビームの照射で金属ガスを分解し導電性金属をシート状に金属を堆積することによって固定される。このとき用いられる前駆体ガスとしては、例えば、Ｗ(ＣＯ)6，ＷＦ6，Ｍｅ2Ａｕ(ｔｆｃ)，Ｃｏ2(ＣＯ)8，Ｃｒ(Ｃ6Ｈ6)2，ｈｆａｃ−Ｃｕ−ＴＭＶＳ，Ｆｅ(ＣＯ)5，Ｍｏ(ＣＯ)6，Ｎｉ(ＣＯ)4，Ｏｓ3(ＣＯ)12，Ｐｄ(ＯＯＣＣＨ3)2，Ｐｔ(ＰＦ3)4等がある。導電性を確保するには、金，白金、またはパラジウムなどの貴金属類が好ましいが、特に限定されるものではない。ＥＢＩＤ法では、スポットサイズを１０ナノメートル以下に絞り、試料電流値を１００ｐＡ〜５０００ｐＡの範囲で、電子線３２を１００ｎｍ角で面照射することによって金属固定皮被膜１１を形成することが可能となる。
本実施形態における金属ナノワイヤ１３は、カーボンナノチューブ１０と同様に長さを５０〜１００ｎｍの長さに調節するため、パルス電流を用いて切削した。
本実施形態における図８に示すような微小接触式プローバはプローブ９先端に高純度の金属有することから、サンプル接触時に超音波加振させることによって溶着が可能となる。
（第６の実施形態）
図６は、本発明の第６の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ９の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ９は、基板５より突出したカンチレバー３自由端よりも先端部が突出しているホルダー２と、そのホルダー２より５０〜１００ｎｍの長さで突出させ、金属固定被膜１１で固定された金属ナノワイヤ１３からなる。
図６は、本発明の第６の実施形態に係る微小接触式プローバにおけるプローブ９の概略を示した模式図である。本発明に係るプローブ９は、基板５より突出したカンチレバー３自由端よりも先端部が突出しているホルダー２と、そのホルダー２より５０〜１００ｎｍの長さで突出させ、金属固定被膜１１で固定された金属ナノワイヤ１３からなる。
実施形態５と同様な材料や形態であるが、図８に示すようなＳＥＭ機構を備えた微小接触式プローバに適用することで、カンチレバー３自由端よりもホルダー２先端を突出させることによって、プローブ９どうしを接触させることなく、測定サンプル２０に探針を接触させることができた。このため、数１０ｎｍのプローブ９間隔でプローブ９間に流れる電流を測定することによって、ナノスケールの電気伝導特性を評価することができた。
（第７の実施形態）
図７は、本発明の第７の実施形態に係る微小接触式プローバにおける接触検知型プローブ１５の概略を示した模式図である。本発明に係る接触検知型プローブ１５は、基板５より突出したカンチレバー３先端に設置されたチップ４と、カンチレバー３および基板５の一面にコーティングされた圧電体１４からなる。チップ４は実施形態１〜６のいずれのホルダー２および探針を利用することが可能である。
図７は、本発明の第７の実施形態に係る微小接触式プローバにおける接触検知型プローブ１５の概略を示した模式図である。本発明に係る接触検知型プローブ１５は、基板５より突出したカンチレバー３先端に設置されたチップ４と、カンチレバー３および基板５の一面にコーティングされた圧電体１４からなる。チップ４は実施形態１〜６のいずれのホルダー２および探針を利用することが可能である。
図９は、本発明に係る微小接触式プローバの模式図である。第７の実施形態に係る微小接触式プローブは、実施例１〜６と同様にＳＥＭ機構を有しているが、接触検知型プローブを適用していることから専用の接触検知型プローブ専用コントローラ２５が設置されている点で異なる。
本実施形態の接触検知型プローブ１５を用いることで、チップ４先端と測定サンプル２０の接触をカンチレバー３の撓みから発生する電気信号によって検知し、その接触応力を容易に調整することが可能となった。
（第８の実施形態）
図１３は、本発明の第８の実施形態に係る微小接触式プローバの概略を示した模式図である。本発明に係る微小接触式プローバは、実施例１〜６と同様にＳＥＭ機構を有しているが、トンネル電流による探針−測定サンプル間の接触検知を適用していることから、ステージ接地３３と、トンネル電流フィードバック制御機構３４と、半導体パラメータアナライザ２３との切り換えスイッチ３５が設置されている点で異なる。
図１３は、本発明の第８の実施形態に係る微小接触式プローバの概略を示した模式図である。本発明に係る微小接触式プローバは、実施例１〜６と同様にＳＥＭ機構を有しているが、トンネル電流による探針−測定サンプル間の接触検知を適用していることから、ステージ接地３３と、トンネル電流フィードバック制御機構３４と、半導体パラメータアナライザ２３との切り換えスイッチ３５が設置されている点で異なる。
本実施形態の接触検知型プローブ１５を用いることで、チップ４先端と測定サンプル２０の接触をトンネル電流によって検知し、探針のアプローチを容易に調整することが可能となった。
（第９の実施形態）
図１５は、本発明の第９の実施形態に係る微小接触式プローバの概略を示した模式図である。本発明に係る微小接触式プローバは、実施例１〜８と同様にＳＥＭ機構を有しておらず、光てこによる探針−測定サンプル間の接触検知を適用していることから、フォトディテクタ３６と、半導体レーザ３７と、ＡＦＭフィードバック制御回路３８と、ＡＦＭ制御コンピュータ３９が設置されている点で異なる。
図１５は、本発明の第９の実施形態に係る微小接触式プローバの概略を示した模式図である。本発明に係る微小接触式プローバは、実施例１〜８と同様にＳＥＭ機構を有しておらず、光てこによる探針−測定サンプル間の接触検知を適用していることから、フォトディテクタ３６と、半導体レーザ３７と、ＡＦＭフィードバック制御回路３８と、ＡＦＭ制御コンピュータ３９が設置されている点で異なる。
本実施形態の接触検知型プローブ１５を用いることで、チップ４先端と測定サンプル２０の接触をカンチレバーのバネ反りによって検知し、かつ測定領域のＡＦＭ像を取得することでＳＥＭの電子ビームによるコンタミネーションの付着が防止することが可能となり、接触抵抗を低減することが可能となった
（比較例１）
図１２に比較例を示す。従来型の微小接触式プローバは金属探針のみで構成される。このため、探針の先端極率半径が小さくなるにつれ接触時の荷重に耐えられなくなり、数回のプロービングで探針先端部が折れ曲がったり、磨耗したりする。そこでカーボンナノチューブ１０のような剛性，弾性ともに高い探針をプローバ応用する。しかしながら、ＳＥＭ観察方向がサンプルに対して垂直である場合、プローブ９のサンプルへのアプローチは垂直方向からでは不可能であり、４５°の傾斜をもつため、カーボンナノチューブ１０はサンプルと接触した瞬間に数ｎＮ程度の力で曲がってしまう。すなわち接触応力が小さいため接触抵抗は高いままである。
図１２に比較例を示す。従来型の微小接触式プローバは金属探針のみで構成される。このため、探針の先端極率半径が小さくなるにつれ接触時の荷重に耐えられなくなり、数回のプロービングで探針先端部が折れ曲がったり、磨耗したりする。そこでカーボンナノチューブ１０のような剛性，弾性ともに高い探針をプローバ応用する。しかしながら、ＳＥＭ観察方向がサンプルに対して垂直である場合、プローブ９のサンプルへのアプローチは垂直方向からでは不可能であり、４５°の傾斜をもつため、カーボンナノチューブ１０はサンプルと接触した瞬間に数ｎＮ程度の力で曲がってしまう。すなわち接触応力が小さいため接触抵抗は高いままである。
１ ナノピラー探針
２ ホルダー
３ カンチレバー
４ チップ
５ 基板
６ 加振ピエゾ
７ プローブホルダー
８ 微動・粗動スキャナー
９ プローブ
１０ カーボンナノチューブ
１１ 金属固定被膜
１２ 金属被膜
１３ 金属ナノワイヤ
１４ 圧電体
１５ 接触検知型プローブ
１６ 電子源
１７ 収束電子レンズ
１８ 電子顕微鏡制御コンピュータ
１９ モニタ
２０ 測定サンプル
２１ ステージ
２２ プローブ専用コントローラ
２３ 半導体パラメータアナライザ
２４ 排気装置
２５ 接触検知型プローブ専用コントローラ
２６ 筐体
２７ 走査コイル
２８ 焦点コイル
２９ 対物レンズ
３０ 鏡筒
３１ 二次電子検出器
３２ 電子線
３３ ステージ接地
３４ トンネル電流フィードバック制御機構
３５ 切り換えスイッチ
３６ フォトディテクタ
３７ 半導体レーザ
３８ ＡＦＭフィードバック制御回路
３９ ＡＦＭ制御コンピュータ
２ ホルダー
３ カンチレバー
４ チップ
５ 基板
６ 加振ピエゾ
７ プローブホルダー
８ 微動・粗動スキャナー
９ プローブ
１０ カーボンナノチューブ
１１ 金属固定被膜
１２ 金属被膜
１３ 金属ナノワイヤ
１４ 圧電体
１５ 接触検知型プローブ
１６ 電子源
１７ 収束電子レンズ
１８ 電子顕微鏡制御コンピュータ
１９ モニタ
２０ 測定サンプル
２１ ステージ
２２ プローブ専用コントローラ
２３ 半導体パラメータアナライザ
２４ 排気装置
２５ 接触検知型プローブ専用コントローラ
２６ 筐体
２７ 走査コイル
２８ 焦点コイル
２９ 対物レンズ
３０ 鏡筒
３１ 二次電子検出器
３２ 電子線
３３ ステージ接地
３４ トンネル電流フィードバック制御機構
３５ 切り換えスイッチ
３６ フォトディテクタ
３７ 半導体レーザ
３８ ＡＦＭフィードバック制御回路
３９ ＡＦＭ制御コンピュータ
Claims (7)
- 電子顕微鏡内で観察しながら複数のプローブ間に電気信号を与え、被検体の電気物性を評価する微小接触式プローバにおいて、前記プローブはカンチレバーを有し、
前記カンチレバーは、先端に設置されたホルダーより突出した探針と、
各カンチレバーを被検体に対して水平方向に振動させる加振機構と、
前記加振機構を駆動する信号発生装置と、
カンチレバー間に所望の電圧を印加する電圧源と、
前記電圧源によって所望の電圧が印加されたプローブ間に流れる電流を計測する電流計と、を具備することを特徴とする微小接触式プローバ。 - 請求項１に記載の微小接触式プローバにおいて、前記探針は、前記ホルダーより長さ５０〜１００ｎｍで突出した金属または金属を含むナノワイヤやナノピラーからなることを特徴とする微小接触式プローバ。
- 請求項１に記載の微小接触式プローバにおいて、前記探針は、前記ホルダーより長さ５０〜１００ｎｍで突出した金属を被覆したカーボンナノチューブからなることを特徴とする微小接触式プローバ。
- 請求項１に記載の微小接触式プローバにおいて、前記ホルダーの先端部は前記カンチレバーの自由端よりも突出しており、カンチレバー上部より前記ホルダーおよび前記探針の先端を確認することを特徴とする微小接触式プローバ。
- 請求項１に記載の微小接触式プローバにおいて、前記カンチレバーは、金属またはシリコンに金属被膜した導電性のカンチレバーからなることを特徴とする微小接触式プローバ。
- 請求項１に記載の微小接触式プローバにおいて、前記カンチレバーに圧電体を設け、カンチレバーの撓み量を前記圧電体の電気信号によって検知することを特徴とする微小接触式プローバ。
- 請求項１に記載の微小接触式プローバにおいて、前記プローバにトンネル電流のフィードバック機構を設け、探針−測定サンプル間の接触をトンネル電流によって検知することを特徴とする微小接触式プローバ。
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