JP4443580B2 - 探針収納容器、プローバ装置及び探針の収納方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路上等の微細配線等の位置を走査型電子顕微鏡で確認し、走査型電子顕微鏡で状態を監視しながら、その配線電極等に探針を接触させて電気的特性を測定するプローバ装置の探針の保管及び製造方法等に関する。

プローバ装置は、半導体集積回路上の微細な配線位置を顕微鏡等で観察しながら、配線位置に探針をコンタクトさせて電気特性を測定する装置である。近年、半導体の微細化により、被測定部分も微細化し、光学顕微鏡では確認できなくなり、電子線を利用した走査型電子顕微鏡が利用されている。探針の材料としては、耐久性があり硬い材料であること、さらには、電子線の耐性が強いことが要求され、一般的にはタングステンあるいはタングステン合金が利用されている。

タングステンは、水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液で、電解エッチングにて容易に、先端部を先鋭化加工できるが、大気中では、タングステンが酸化しやいという欠点がある。

このため、タングステン製探針の電気的接触の信頼性を増すために、表面の酸化防止を図るための手段目的として、先端を所定の形状にしてからメッキのよるコーティングする方法や酸化防止層を施した金属探針を使用する直前でその層を除去して使用する方法が示されている。また、粉流体及び食品の保存方法として、真空容器で行うことが示されている。

特開平６−１０９４１５号公報 特開平６−６６５５７号公報 特開平９−２６２０７９号公報

本願発明者が鋭意検討した結果、次のような問題が判明した。

プローバ装置の探針において、探針の製造途中で先端部に形成された酸化膜によって、ウエハ上の電極の電気特性が測定できなくなる。特に、被測定物が微細化することや被測定物同士の間隔が狭くなるとき、探針の先端部は先鋭化させる必要があるが、先端部の曲率半径が５０ｎｍ以下になると、先鋭化した先端部を形成しても、先端表面の酸化膜によって被測定物と導通がとれない。

一方で、プローバ装置の探針は、直接被測定部に接触させることで、被測定物に形成される自然酸化膜を破る必要があり、導電性が良くなおかつ耐久性のある硬い材料で、電子線耐性が良いものが望まれる。探針の導電性を確保する手段としては、メッキ等で表面にコーティングする方法があるが、被測定物との接触時にメッキ材が剥がれ、剥がれたメッキ材により電極間がショートするという現象が発生する。

一方、樹脂等の酸化防止膜を先端部に施した金属探針では、使用する直前にその膜を除去する必要がある。しかし、一連の作業は大気中で行われるため、作業環境の状態、作業時間、プローバ装置への取付け時間によっては、探針先端部に自然酸化膜が形成されたり、酸化膜を除去する工程で先端部に異物が付着したりする恐れがあり、酸化膜除去工程には、細心の注意が必要であった。また、探針を取付ける際に、落としたり先端部を接触させたりして、先端部を破損する可能性があった。

本発明の目的は、製造した探針を、大気暴露することなく、プローバ装置に配置することに関する。

本発明は、大気暴露することなく、プローバ装置に探針を供給できる探針収納容器に関する。

好ましくは、大気暴露することなく、イオン源等を用いたドライ処理により探針先端部の酸化膜を除去し、探針を探針収納容器に収容する。

本発明によれば、大気暴露することなく探針をプローバ装置に交換、及び取付けでき、探針の表面に酸化膜が形成されることを回避できる。また、プローバ装置に探針を取付ける作業者が、直接探針に触れることなく作業ができ、探針先端部の破損を防ぐことができる。これにより、ウエハ上の半導体素子などの電気特性を安定して測定することが可能となる。

（実施例１）
本実施例では、プローブ装置の探針先端部の酸化膜を除去したのちに、大気中に暴露しないようにするために、内部を密閉できる探針収納容器を用い、酸化膜除去工程と先端部の形状測定工程及び走査型電子顕微鏡を備えたプローブ装置に、収納供給室を設け、酸化膜の除去から探針のプローブ装置への取付けを大気に暴露しないで行うことで実現した。

図１に、本実施例に係る走査型電子顕微鏡を搭載したプロ−バ装置の概要を示す。装置は、試料と探針が配置されるチャンバとして、該試料室内で試料に触針するプローブを移動させるプローブユニット１と試料を搭載する試料ステージ２を内蔵する試料室３、試料と探針が配置されるチャンバを備えている。また、装置は、電子を発生させる電子源と各種絞りその電子を収束させるためのコンデンサレンズ、偏向コイル、対物レンズや各部分を高真空にするイオンポンプや二次電子検出器等からなる電子光学系装置の電子銃部４、試料室３の真空を破らずに探針交換のできる探針交換室５を備えている。また、装置は、探針供給室内部を排気できる排気機構として、真空を破らずに試料交換のできる試料交換室６と真空排気をする排気装置を備えている。また、装置は、制御装置と画像表示部と画像表示制御部およびディスプレイ装置からなる制御表示部７から構成されている。試料交換室６にゲート弁を介して真空排気ができるようにした、チャンバとの扉部を備える探針供給室８を付加してある。

図２は、実施例１に係る、プローバ装置に用いる探針を収容する探針収納容器の構成概略図である。また、図３は、実施例１に係る探針収納容器の断面図である。

探針９は、直径０.５mm長さ９mmの銅スリーブに、直径０.０５mm長さ１５mmのタングステン線を、かしめて接合する。探針９の先端部は、タングステン、タングステン合金製あるいは針状に加工できる金属であると望ましい。接合された探針素材をＮａＯＨ水溶液にて電解研磨し、先端曲率半径を５０ｎｍ以下に加工し、全長を１０mmとした。先端部の曲率半径の確認は、走査型電子顕微鏡にて加速電圧５ｋＶ、倍率３万倍で行った。探針を探針収納容器の内部の所定位置に保持する探針保持部である収納ベース１０は、材質をステンレス製とし、探針９の銅パイプ部の入る溝１０ａ、銅スリーブのかしめ部の逃げ用の溝１０ｂ、探針の先端部が周囲に当たらないようにした充分余裕をとった溝１０ｃ、探針を取出すための溝１０ｄを設けた。また、プローバ装置に対する探針収容容器の位置決めのための基準部となる、収納容器１１の基準位置として穴１０ｅを直径４mmと収納容器１１の基準穴の姿勢を決めるための長穴１０ｆを設けた。寸法精度は０.１mm 以下で製作した。この基準位置に対して、探針の各溝のピッチ精度を０.１mm 以下となるようにした。さらに、探針の内部を真空状態に保持するために、探針が収納される内部を密閉できる蓋部である上蓋１２には、緩衝材ａ１３としてフッ素系のＯリングを使用し、そのＯリングが抜けないようにアリ溝１４の構造として、Ｏリングと接触する面は鏡面仕上げとした。また、収納ベース１０には、内部の空気を排気できるように吸入口１５を設け、その先端には外気を遮断するバルブ１６を設けた。つまり、探針収納容器には、容器内部を真空にするための吸入口と、容器内部を外気と遮断するためのバルブが設けられている。

前述のものから構成される収納容器１１の内部を排気し、バルブを閉じた後に、状態を保持する押えブロック１７を設けた。このとき、内部の状態を管理する真空計を付設しても良い。

また、上蓋１２と探針の間に隙間があると、輸送時の振動で表面に傷が発生するので、蓋側に緩衝材１８を入れて対応したほうがよい。このとき、緩衝材ｂ１８はアウトガスの出にくいものあるいは焼き出しを行い、充分にガスを放出させたものを使用することが望ましい。

収納容器１１の材料は、金属でなくてもプラスチック材でもかまわないが、収納ベース
１０をそのまま電子顕微鏡で先端形状を確認する際に、導電性材料でないと表面に電子が帯電して測定できないことがあるので、電子線耐性があり、さらに導電性材料であることが望ましい。また、真空保管中に内部からアウトガスが発生する恐れがあるため、事前に真空中で焼き出しを行うため、ランプヒータ等で加熱する機構を設けることが望ましい。

収納容器１１の探針の収納数は、管理上６本としたが、特に収納数を規定する必要はないが、交換した探針の回収を考えると、例えば、探針をセットできる数が５本であれば、収納数６本というように、プローブ装置の探針をセットできる数より１本以上の収納数が望ましい。

探針の先端部分を電解研磨したあとに、一本ずつ収納ベース１０に入れて、上蓋１２をし、排気装置例えばドライポンプにて内部が数パスカルになるまで引いて、押えブロック１７にて保持した。このとき、上蓋１２の保持方法はネジを用いてもよい。

次に、製造工程で先端部に形成された酸化膜を除去するために、ドライエッチングを施すことにした。ドライエッチングには、真空中でアルゴンを電離させ、アルゴンイオンを加速させて加工を行うミリング装置を用いた。

図４に収納容器供給室を付設したミリング装置概略図を示す。

プローバ装置の探針収納容器の製造する際は、大気暴露することなく、イオンビーム装置を用いて探針の少なくとも先端部の酸化膜を除去し、探針を探針収納容器に収容し、探針収納容器の蓋部を閉じる。具体的には、例えば、次のように行う。

先端を加工した探針を入れた収納容器１１を収納ベースステージ１９に載せる。収納ベースステージ１９にはピンが付設されており、収納ベースステージ１９と収納容器１１の位置が決まる。次に、収納容器供給室２０をドライポンプ（ＤＰ）とターボ分子ポンプ
（ＴＭＰ）等からなる真空排気装置にて真空引きを行う。真空状態は真空計にてモニタする。ブロック取付け取外し機構２１にて、押えブロック１７を取外し、上蓋開閉機構２２にて収納容器１１の上蓋１２を取外しておく。次に、供給ベース搬送機構２３にてゲート弁２４を開らいて収納容器ベース１０をミリング装置の加工用のミリングステージ２５にセットする。このとき、収納容器ベース１０をミリングするときは傾けて処理するため、ミリング装置側に保持する手段を設けることが望ましい。また、収納容器ベース１０側に保持機能を設けてもよい。また、ミリングステージ２５は自転しながら加工をおこなうため、自転機構のステージ回転機構２６を備えている。アルゴンイオンは、イオン源２７とアルゴンガスを供給するガス供給装置２８、アルゴンイオンを中性化するニュートラライザ２９とイオン源電源３０により、生成させる。

イオン源に対して４５°となるようにミリングステージ２５を設定して、ミリングを行った。ミリングシャッタ３１の開放する時間とイオン源での引き出し電圧をパラメータとして酸化膜の除去する条件とした。また、収納容器ベース１０の溝１０ｃの内側に金をコーティングしておくと、アルゴンイオンによって金がスパッタされて探針のアルゴンイオンが照射される以外の部分に金がコーティングされて酸化膜除去した部分とそれ以外の部分の区別ができるようになる。このことによって、例えばプローブ装置の探針取出し部に先端部を拡大してみるテレビカメラを設け、先端部を観察すれば、探針の酸化膜が除去されている部分以外が金でコーティングさている為、ミリング処理を施したかの確認ができる。

また、このとき収納ベース１０から一本ずつ探針を取出して行うミリング方式でもよい。前述の電解加工で先端径を所定の寸法でなくても、ミリング工程で所定の寸法に仕上げてもよい。この場合には、所定寸法に仕上げる工程で先端部の酸化膜を除去するので、ミリング後の工程以降を大気に暴露しないようにすればよい。

ミリング処理後に、ゲート弁２４を開いて、ミリングステージ２５から供給ベース搬送機構２３にて収納容器ベース１０を取出し、上蓋開閉機構２２にて収納容器１１の上蓋
１２を取付ける、次にブロック取外・取付機構１３にて押えブロック１７を取付けて真空を保持する。ゲート弁２４を閉じたのちに、収納容器供給室２０を大気開放して、収納容器１１を取出す。取出した後に、収納容器１１をアルミニウム製の真空パックに入れて、内部の大気を抜き、真空状態にし、開封部を加熱して密閉させる。このとき、真空パック内に脱酸素剤や吸湿剤を入れることで長期の保管が実現できる。

図５に、収納容器１１を用いるプローバ装置の概略図を示す。探針をプローバ装置に配置する際は、探針を収容する探針収納容器をプローバ装置の探針供給室内の所定位置に保持し、探針供給室内を排気する。そして、探針供給室内において、探針収納容器の蓋部を開き、探針収納容器の探針を、プローバ装置のチャンバに配置する。具体例を説明すると、走査型電子顕微鏡を備えたプローブ装置で探針を使用するときは、真空パックから収納容器１１を取出し、押えブロック１７を外して、探針供給室８のステージに収納容器１１をセットする。探針供給室８をドライポンプにて真空排気し、探針収納容器の蓋部を開閉できる容器開閉機構である上蓋開閉機構２２により、上蓋１２を開け、探針収納容器の探針をチャンバに配置できる探針供給機構３２で、探針を支持する支持パイプと支持パイプを固定するアームが一体となっているプローブホルダ３３の先端に探針を取付ける。

このようにして、製作した探針を用いて、半導体集積回路のデバイスの電気特性を測定したところ、導通がとれ、特性が安定して測定することができた。

また、途中の工程で、先端部の曲率半径を確認するために、上蓋開閉機構２２を備えた走査型電子顕微鏡を使用した。探針収納容器１１を押えブロック１７を外した状態でセットし、ドライポンプで真空状態にし、上蓋開閉機構２２により、探針収納容器１１の上蓋１２を外し、収納容器ベース１０を供給ベース搬送機構２３にて試料室から測定する試料観察ステージ３４に搬送する。電子を放出、加速し収束させる電子光学系３５と被測定物から出る２次電子を検出する２次電子検出器３６と真空状態に保持する排気装置等からなる走査型電子顕微鏡にて、探針の先端部を倍率３万倍にて観察した。先端部の観察結果から実際に使用するときの測定対象物の径及びピッチに応じて先端径を選別することが望ましい。途中の工程でも、大気中に探針を暴露することがないので、探針の表面の酸化膜に起因する測定不能という不良が無く、半導体集積回路のデバイスの電気特性を安定して測定することができた。

本実施例によれば、探針を取付ける作業者が、直接探針に触れることなく交換および取付け作業ができるため、探針先端部の破損を防ぐことが可能となる。さらに、保管を含めて、探針の先端の酸化膜除去加工から装置のプローバユニットに取付けまで大気に暴露されることがないため、探針の表面に酸化膜が形成されず、ウエハ上の半導体素子などの電気特性を安定して測定することができる。今後の半導体の微細化による半導体素子の特性評価には必要となる技術と思われる。

（実施例２）
タングステン製の探針の酸化を防止するためには、収納容器内を真空状態にする以外にも例えば窒素などの不活性ガスで置換してもよい。本実施例では、収納容器内に不活性ガスを充填する場合について、実施例１との相違点を中心に説明する。

実施例１のミリング工程において、探針の先端部のミリング処理にて酸化膜を除去後、探針収納容器１１を収納容器供給室２０で不活性ガス供給装置３７にて乾燥窒素ガスを導入する。真空計にて大気圧になったときに、上蓋開閉機構２２にて上蓋１２をし、押えブロック１７で収納容器１１を窒素ガスが洩れないように保持する。次に、収納容器を収納容器供給室２０から取出し、アルミニウム製のパックに入れて保管する。このとき、パックに脱酸素剤等を同封したほうが長期の保管ができる。

実際に使用する際は、アルミニウム製のパックから収納容器を取出し、開閉装置付の電子顕微鏡を備えたプローブ装置の開閉装置のテーブルに、収納容器をセットする。開閉装置内を真空排気装置にて排気し、真空状態にしてから窒素を導入して、チャンバ内を窒素で充填させた後、上蓋を取外す。次に、真空排気装置にてチャンバ内を真空状態にし、探針をホルダにセットする。このとき、収納容器に開閉弁を取付けて、チャンバ内を真空排気したのちに、開閉弁を開いてから、真空の状態で開閉装置にて上蓋を取外しても良い。

ミリング処理後に前述の収納容器で１ヶ月間保管した探針をプローブ装置にセットして、半導体の電気特性を測定したところ、導通もとれ、安定した測定ができた。

実施例１に係る走査型電子顕微鏡を搭載したプロ−バ装置。 実施例１に係る探針収納容器の構成概略図。 実施例１に係る探針収納容器の断面図。 実施例１に係るのミリング装置適用例。 実施例１に係るの探針収納容器を用いるプローバ装置の概略図。

符号の説明

１ プローブユニット
２ 試料ステージ
３ 試料室
４ 電子銃部
５ 探針交換室
６ 試料交換室
７ 制御表示部
８ 探針供給室
９ 探針
１０ 収納ベース
１１ 収納容器
１２ 上蓋
１３ 緩衝材ａ
１４ アリ溝
１５ 吸入口
１６ バルブ
１７ 押えブロック
１８ 緩衝材ｂ
１９ 収納ベースステージ
２０ 収納容器供給室
２１ ブロック取付け取外し機構
２２ 上蓋開閉機構
２３ 供給ベース搬送機構
２４ ゲート弁
２５ ミリングステージ
２６ ステージ回転機構
２７ イオン源
２８ ガス供給装置
２９ ニュートラライザ
３０ イオン源電源
３１ ミリングシャッタ
３２ 探針供給機構
３３ プローブホルダ
３４ 試料観察ステージ
３５ 電子光学系
３６ ２次電子検出器
３７ 不活性ガス供給装置

Claims (14)

1. プローバ装置に用いる探針を収容する探針収納容器であって、
   当該探針を当該容器の内部の所定位置に保持する探針保持部と、
   当該探針収納容器の内部を密閉する蓋部と
   を備えることを特徴とする探針収納容器。
2. 請求項１の探針収納容器において、
   前記蓋部にＯリングを備え、当該Ｏリングを介して前記蓋部と前記探針保持部が接触することを特徴とする探針収納容器。
3. 請求項１の探針収納容器において、
   前記探針収納容器には、気体が通過する吸入口を備え、
   さらに当該吸入口に気体の通過を遮断するバルブを備えることを特徴とする探針収納容器。
4. 請求項１の探針収納容器において、
   前記蓋部を保持する固定部材を有することを特徴とする探針収納容器。
5. 請求項１の探針収納容器において、
   前記探針収納容器の材質は、導電性材料であることを特徴とする探針収納容器。
6. 請求項１の探針収納容器において、
   前記探針収納容器内部が金でコーティングされていることを特徴とする探針収納容器。
7. 請求項１の探針収納容器において、
   前記プローバ装置に対する当該探針収納容器の位置決めのための基準部を備えることを特徴とする探針収納容器。
8. 試料が配置されるチャンバと、
   当該チャンバと接続した探針供給室と、を備えるプローバ装置であって、
   当該探針供給室内に、探針を収容する探針収納容器が配置され、
   さらに当該プローバ装置は、
   前記探針供給室内に設置され、当該探針収納容器の蓋部を開閉する容器開閉機構と、
   前記探針供給室に設置され、前記チャンバ内に前記探針収納容器内の探針を供給する探針供給機構と、
   前記探針供給室内を排気する排気機構と、
   を備えたことを特徴とするプローバ装置。
9. 請求項８のプローバ装置において、
   前記探針収納容器は、
   当該探針を当該容器の内部の所定位置に保持する探針保持部と、
   当該探針収納容器の内部を密閉する蓋部と、
   プローバ装置に対する当該探針収納容器の位置決めのための基準部と、
   を備えることを特徴とするプローバ装置。
10. 請求項８のプローバ装置において、
    前記探針供給室に不活性ガスを導入するガス供給機構を備えたことを特徴とするプローバ装置。
11. 請求項１０のプローバ装置において、
    前記探針収納容器は、
    当該探針を当該容器の内部の所定位置に保持する探針保持部と、
    当該探針収納容器の内部を密閉する蓋部と、
    前記蓋部にＯリングを備え、当該Ｏリングを介して前記蓋部と前記探針保持部が接触し、
    前記探針収納容器内に不活性ガスが充填されていることを特徴とするプローバ装置。
12. プローバ装置に用いる探針の収納方法であって、
    探針の配置された探針収納容器の内部に真空引きを行い、
    当該探針収納容器をミリング装置に配置し、
    前記探針のミリング処理を行い、
    ミリング処理後の探針が収納された探針収納容器の内部を真空に保持したまま、前記探針収納容器をミリング装置から取り出すこと
    を特徴とする探針の収納方法。
13. 請求項１２の探針の収納方法において、
    前記探針収納容器の探針保持部が金でコーティングされており、
    前記ミリング処理の工程では、前記探針が配置された探針収納容器の探針保持部をミリング処理することを特徴とする探針の収納方法。
14. プローバ装置に用いる探針の収納方法であって、
    探針の配置された探針収納容器の内部に真空引きを行い、
    当該探針収納容器をミリング装置に配置し、
    前記探針のミリング処理を行い、
    前記ミリング処理を行った後に、前記探針収納容器の内部に不活性ガスを導入し、
    ミリング処理後の探針が収納された探針収納容器の内部を不活性ガスで保持したまま、前記探針収納容器をミリング装置から取り出すこと
    を特徴とする探針の収納方法。

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