JP3785869B2 - プローブ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の不良解析等に用いて好適なプローブ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の不良解析においては、解析装置を操作するユーザが熟練を要することなく簡単に、しかも短時間で不良解析を実現できることが望まれている。そのためには、できるだけ不良解析の工程を自動化することが重要となっている。
【０００３】
ウェハ等の試料から、その一部分を摘出して半導体装置等の不良解析を行う方法については、特許公報第２７７４８８４号に記載されている。また、この方法による各工程をユーザが容易に操作できるように、半自動化を施したプローブ装置について特願平１０−３２６３２８号明細書に記載されている。このプローブ装置においては、二次粒子像やプローブ操作領域が表示されたディスプレイに、ユーザがそれぞれの工程に応じてどのような作業を行えばよいかをメッセージとして表示する機能が設けられている。その中で、プローブの移動に関してはユーザが現在のプローブの先端位置と移動目標位置とを二次粒子像内で指定すれば、プローブ制御ソフトウエアがインストールされたパーソナルコンピュータによって移動量を自動計算して移動目標位置まで自動的に移動させる機能が設けられている。
【０００４】
また、上記特願平１０−３２６３２８号明細書には詳細な記述はされていないが、プローブを移動目標位置まで移動した後には、不良部を含む微小試料を摘出するために、プローブは試料の方向へ移動し、不良部分に接触する。ここで、プローブと試料との接触は、試料をグランドとし、プローブにはあらかじめ抵抗を介してプローブ電圧をかけておき、プローブが試料に接触した時のプローブ電圧のレベルを検出することで検知する。そして、接触した際は、プローブの試料方向の移動を自動停止させる。
【０００５】
接触後は、プローブ先端と不良部分をデポジション用ガスで接着し、ＦＩＢで不良部周辺を切断する。ユーザは、二次粒子像で不良部周辺が切断されて試料から分離したことを確認し、プローブを持ち上げて不良部を含む微小試料を摘出する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ユーザが二次粒子像を見て、不良部を含む微小試料がＦＩＢで切断されて試料から分離したことを確認しても、完全に分離されていない状態が発生することがある。それは、二次粒子像は試料真上から見ていて、試料の表面や表面に近い部分は切れていると確認できるが、試料の奥深い部分は確認できないためである。もし、完全に分離されていない状態で不良部を含む微小試料を持ち上げると、微小試料が分離されていない部分で下へ引っ張られ、やがてデポジション用ガスで接着した微小試料とプローブが離れてしまう。
【０００７】
また、完全に分離された場合でも、上記のプローブ接触検知機能でプローブ電圧のレベルのみを検出して分離されたことは確認できない。それは、分離後、装置チャンバ内の真空排気動作等によるプローブ自身のドリフト移動により、プローブと接着された微小試料が試料と接触する場合があるからである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、プローブが試料上の不良部に接触したことを検出するための接触検出回路を用い、プローブ接触から微小試料分離後までのプローブ電圧の変化を利用して、上記試料から完全に上記微小試料が切り離されたことを検出する機能を有することを特徴とする。
【０００９】
具体的には、プローブが試料上の不良部に接触した時は、試料がグランドになっているため、プローブもグランドレベルになる。その後、不良部を含む微小試料を完全に切り離すまではグランドレベルである。微小試料が試料から離れた瞬間、試料のどの部分にも接触せずに浮いた状態になった時にはプローブ電圧レベルになるので、これを微小試料が試料から完全に切り離された状態と見る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明による一実施例を図１に示す。本実施例は、本発明によるプローブ装置を応用した試料作製装置の例である。試料作製装置は、半導体ウェハや半導体チップの所望の領域からμmレベルの微小試料を摘出したり、基板上に点在する微小試料を選択して取り上げて、ＴＥＭや各種分析装置の試料ホルダに移設して、ＴＥＭ観察や分析など解析に適する試料形状に加工する装置である。
【００１１】
試料作製装置１は、半導体チップや薄片試料や断面試料などの試料２の加工や観察をするＦＩＢ照射光学系３、このＦＩＢ照射によって照射部から放出する二次電子や二次イオンを検出する二次粒子検出器４、ＦＩＢ照射領域にデポジション膜を形成するための材料ガスを供給するデポジションガス源５、試料２を載置する試料ステージ６、試料２の一部を摘出して形成した微小試料や基板上に点在する微小試料を固定する試料ホルダ７、試料ステージ６上にあって試料ホルダ７を保持する固定具８、微小試料を試料ホルダ７に移し変えるアクチュエータ９などを少なくとも有した構成であり、さらに、試料ステージ６の位置を制御するためのステージ制御部１０、アクチュエータ９を試料ステージ６と独立に駆動するためのプローブ制御部１１、二次粒子検出器制御部１２、デポジションガス源制御部１３、ＦＩＢ照射光学系２のＦＩＢ制御部１４なども含み、この他、ステ−ジ制御部１０、プローブ制御部１１、ＦＩＢ制御部１４、などを制御する計算処理部１５は、さらにはＳＩＭ画像情報やＴＥＭからの画像情報の記憶や処理もできる。また、試料ホルダ７や試料２やアクチュエータ９などを表示するディスプレイ１６も有している。
【００１２】
ＦＩＢ照射光学系３は、液体金属イオン源や電界電離ガスイオン源から放出したイオンをビーム制限アパチャ、集束レンズ、対物レンズなどから構成され、直径１０数nmから数μmのＦＩＢ１７を形成する。ＦＩＢ１７を偏向器を用いて試料２上を走査することで、走査形状に対応したμmからサブμmレベルの加工ができる。ここでの加工とは、スパッタリングによる凹部や、ＦＩＢアシストデポジションによる凸部、もしくは、これらを組み合わせて試料形状を変形させる操作を指す。
【００１３】
デポジションガス源５は、ガスを先端のノズル１９から有機金属ガスなどを試料に噴射しつつＦＩＢ走査することで走査領域にガス成分のデポジション膜を形成することができる。このデポジション膜は試料の表面保護や、移送手段９の先端にあるプローブ１８と試料２を接続したり、微小試料を試料ホルダ７に固定するための接着剤の役割を果たす。
【００１４】
微小試料のアクチュエータ９はＸＹＺ３軸に動く粗動機構と微動機構から構成され、長ストロークで必要に応じて高分解能で移動でき、これらはプローブ制御部１１によって動作する。先端には微小試料と直接接触するプローブ１８が設置されていて、試料２の所望の箇所にサブμmレベルの正確さで接触して、微小試料を摘出したり点在する微小試料を接着して移動させることができる。同様に、接着した微小試料を試料ホルダ７に正確に固定できる。なお、微小試料の摘出の仕方についての詳細な説明は、特願平９−２６３１８５号明細書に記載されている。
【００１５】
プローブ制御部１１は、アクチュエータ９を駆動する他に、プローブ１８が試料２へ接触したことを検出する機能と、接触直後にアクチュエータ９の試料方向への移動を停止する機能、上記試料２から完全に上記微小試料が切り離されたことを検出する機能を有する
ディスプレイ１６はＳＩＭ像の表示や、ＳＩＭ像の拡大や縮小、移動、回転などをさせるためのＳＩＭ像操作や、アクチュエータ９の先端にあるプローブ１８の移動速度の変更、所望場所への接触、ＦＩＢ走査範囲外への退避などの操作をするための画面が表示でき、ディスプレイ１６上に表示されたプローブに対して移動先の位置やプローブ移動速度の変更、試料ホルダの選択などを指定することができる。
【００１６】
各操作の指示に当たっては、計算処理部１５に付属したマウスやジョイスティックなどのポインティングデバイスによって行なえる。このようにプローブをディスプレイ上で操作できるため、ＦＩＢ照射光学系や試料ステージの操作とともにディスプレイ画面上のマルチウインドウを選択することで実行できる。このことは、試料作製装置を遠隔操作できることを意味し、試料作製装置をクリーンルーム内に設置し、操作者はクリーンルーム外の居室でディスプレイを見ながら試料を作製することができる。
【００１７】
このような試料作製装置１によって、ウェハなど元の試料を割断することなく一部分を摘出したり、点在する微小試料から注目する微小試料のみを選択して各種解析に適した試料片に加工することができるため、半導体デバイスの不良部の解析などに非常に有効である。
【００１８】
なお、この試料作製装置に関連する装置として、ウェハなど元の試料を割断することなく上記試料の一部分を分離する方法について、特許第２７７４８８４号公報『試料の分離方法およびこの分離方法で得た分離試料の分析方法』が開示されている。
【００１９】
図２は、上記図１に示したプローブ装置で、本発明の要点となるプローブ制御部１１のプローブ接触検出機能と微小試料切断検出機能を具体的に示したものである。図３は、図２のＡ〜Ｇの各ラインの動作波形を示したものである。
【００２０】
プローブ１８には、プローブ電圧発生回路２０よりプローブ抵抗２１ａを通してプローブ電圧をかける。このプローブ電圧は、差動アンプ２２の＋入力端子にも加える。また、プローブ電圧発生回路２０よりプローブ抵抗２１ｂを通して差動アンプ２２の−入力端子にも加える。なお、プローブ抵抗２１ａと２１ｂの抵抗値は同じである。試料２は、グランドへ接続しておく。
【００２１】
プローブ１８の先端が試料２に接触していない時は、差動アンプ２２の＋入力端子と−入力端子の電圧レベルが同じであるので、差動アンプ２２の出力（ラインＡ）は０である。
【００２２】
プローブ１８の先端が試料２へ接触すると、差動アンプ２２の＋入力端子の電圧レベルが変化して、＋と−入力端子の間に電位差が生じるため、その電位差に相当する電圧が出力ラインＡに現れる。これをプローブが試料へ接触した検出信号とする（図３ではａの部分）。ただ、この信号のレベルは、プローブ電圧発生回路２０のプローブ電圧レベルを変えると、その変化に伴って変わってしまうので、コンパレータ２３を通して２値化した信号（ラインＢ）を接触検出信号とする。本プローブ装置でこの信号は、接触直後にアクチュエータの試料方向への移動を停止することや、ユーザに接触を知らせる表示に使用している（図示せず）。なお、差動アンプ２２の−入力端子のラインは、ツイストペアケーブル２４でプローブ１８の近くまで配線している。これは、ノイズ等の外乱で差動アンプ２２の出力に電圧が発生しないようにするためである。
【００２３】
プローブ１８の先端が試料２へ接触した後は、デポジション膜でプローブ先端と試料を接着し、ＦＩＢで接着部周辺を切り取る。その様子を図４に示す。図４は、まず微小試料４１の周辺をＦＩＢ１７で一部分を残して切り、その後微小試料４１にプローブ１８の先端をデポジション膜４２で接着し、最後に残した一部分をＦＩＢ１７で試料２から切り離すところである。微小試料４１を試料２から完全に切り離した瞬間は、電気的にはプローブ１８がどこにも接触せずに浮いた状態となる（図３のｂの部分）。その後、プローブ１８のドリフトにより、微小試料４１が試料２へ接触する（図３のｃの部分）。この微小試料を完全に切り離した瞬間からプローブのドリフトで微小試料が試料へ接触するまでの差動アンプ２２の出力ラインＡの変化を、微小試料分離検出信号として生成するのが、図２の微小試料分離検出回路３１である。
【００２４】
プローブ１８が微小試料４１に接触すると（図３のａの部分）、接触検出信号（ラインＢ）の変化（”Ｌ”から”Ｈ”）はディレイ回路２５により接触した時刻から遅れてＤフリップフロップ２８ａのＣＫ入力へ伝達して、Ｄフリップフロップ２８ａのＱ出力は”Ｈ”となる。ディレイ回路２５を設けたのは、プローブ１８が微小試料４１へ接触した後の接触検出信号の変化を後述のＤフリップフロップ２８ｂで捉えるためである。Ｄフリップフロップ２８ａのＱ出力が”Ｈ”となることで、２入力ＡＮＤゲート２７を開き、接触検出信号をＤフリップフロップ２８ｂのＣＫ入力へ伝達することができる。
【００２５】
次に、微小試料４１を試料２から完全に切り離した瞬間は、接触検出信号（ラインＢ）の変化（”Ｈ”から”Ｌ”）がインバータ２６ａと２入力ＡＮＤゲート２７を通じてＤフリップフロップ２８ｂのＣＫ入力へ伝達する。Ｄフリップフロップ２８ｂのＱ出力は、ＣＫ入力信号の立ち上がりエッジをとらえて”Ｈ”となる。これが微小試料分離検出信号（ラインＦ）として出力される。この後、プローブのドリフトで微小試料が試料へ接触して、接触検出信号が変化しても（図３のｃの部分）、この信号は変化しない。
【００２６】
最後に、プローブの先端に接着された微小試料を、プローブを持ち上げて摘出すると、電気的にプローブがどこにも接触せずに浮いた状態が長時間続くので、この長時間浮いた状態を長時間非接触検出タイマ３０で検出したのち、 Ｄフリップフロップ２８ａをクリアする（ラインＧ）。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、プローブ先端に接着された微小試料を、試料より完全に切り離されたことを検出する機能を有することで、これまでユーザが二次粒子像を見ながらのプローブ上下移動操作によって切り離されたか否かを判断していた煩わしい工程から解放され、微小試料作製時間が短縮できる。
【００２８】
また、上記機能を有することで、微小試料が試料より完全に切り離されていないのに、ユーザが二次粒子像を見て完全に切り離されていると誤判断し、微小試料が接着されたプローブを持ち上げる操作を行い、微小試料とプローブがはずれてしまうという不良工程をなくすことができる。
【００２９】
さらに、上記機能を有することで、人手に頼っていた工程を自動化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のプローブ装置を応用した試料作製装置の概略構成図。
【図２】図１の装置内の、接触検出と試料分離検出を行う回路の回路図。
【図３】図２の回路の各信号の状態を示した図。
【図４】微小試料を試料本体から分離する離す様子を示す斜視図。
【符号の説明】
１…試料作製装置、２…試料、３…ＦＩＢ照射光学系、４…二次粒子検出器、５…デポジションガス源、６…試料ステージ、７…試料ホルダ、８…固定具、９…アクチュエータ、１０…ステージ制御部、１１…プローブ制御部、１２…二次粒子検出器制御部、１３…デポジションガス源制御部、１４…ＦＩＢ制御部、１５…計算処理部、１６…ディスプレイ、１７…ＦＩＢ、１８…プローブ、１９…ノズル、２０…プローブ電圧発生回路、２１…プローブ抵抗、２２…差動アンプ、２３…コンパレータ、２４…ツイストペアケーブル、２５…ディレイ回路、２６…インバータ、２７…２入力ＡＮＤゲート、２８…Ｄフリップフロップ、２９…プルアップ抵抗、３０…長時間非接触検出タイマ、３１…微小試料分離検出回路、４１…微小試料、４２…デポジション膜。

Claims (3)

1. 試料をＦＩＢで加工して上記試料から微小試料をプローブで切り離すプローブ装置において、上記微小試料が上記試料から離れた瞬間の変化信号を分離検出信号として検知し、該検知状態を保持することを特徴とするプローブ装置。
2. 試料を加工や観察するＦＩＢ照射光学系と、
   上記ＦＩＢの照射によって発生する二次電子や二次イオンを検出する二次粒子検出器と、
   上記試料を載置する試料ステージと、
   上記ＦＩＢ照射領域にデポジション膜を形成するための材料ガスを供給するデポジションガス源と、
   上記試料から微小試料を摘出するプローブと、
   上記プローブを試料室内で移動させるアクチュエータと、
   上記試料ステージと独立に上記アクチュエータを駆動するプローブ制御部とを有し、
   上記プローブを上記試料に接続した状態で上記ＦＩＢを照射して、上記プローブに接着した上記試料が微小試料として離れた瞬間に微小試料分離検出信号を生成し、その後、上記微小試料が上記試料に接触しても上記微小試料分離検出信号が変化しない微小試料分離検出回路を上記プローブ制御部に有したことを特徴とするプローブ装置。
3. 請求項２記載のプローブ装置において、
   上記プローブ制御部は、さらに、上記プローブと上記試料との非接触時間を計測する長時間非接触検出タイマを有し、上記微小試料分離検出信号をリセットすることを特徴とするプローブ装置。

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