JP4500546B2 - 多探針プローブ用電気的フィードバック検知システム - Google Patents

多探針プローブ用電気的フィードバック検知システム Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
この発明は、一般に、多探針プローブと、局部的に電気的に伝導性の、半導性の、または超伝導性の材料のテストサンプル表面との間の物理的接触及び／又は近接を検知するための電気的なフィードバック検知システムに関し、更に、この発明は、多探針プローブと材料テストサンプル表面との相対的な位置を制御する技術に関し、特に、 欧州特許 EP 9861 0023.8 (Petersen), 国際特許出願 PCT/DK99/00391 (Capres ApS et al), 欧州特許出願 EP 99932677.0 (Capres ApS), 欧州特許出願 EP 99610052.5 (petersen その他), 及び国際特許出願 PCT/DKO0/00513 (Oapres Aps その他)に開示された、多探針プローブと、多探針試験装置に対する電気的なフィードバック検知システムに関する。
関連技術の説明
伝導性サンプル表面への単一のチップ電極の抑制されたアプローチを含む走査型トンネル顕微鏡は、文献で公知であり、例えば、Binnig and Rohrerによる 「Scanning tunneling microscopy」, Helv. Phys. Acta, vol. 55, pg. 355 (1982)がある。図１(a)で示されるように、走査型トンネル顕微鏡は、伝導性サンプルおよびチップから成る。もしチップおよびサンプルが極めて短かい距離ｄによって分離され、それらの間に電位Ｖが存在するなら、チップとサンプルの間に次のトンネル電流が流れる。(φは材料の平均仕事関数)
I ∝ e -φd
もし距離ｄが約１nmである場合、検知可能な電流が生成される。図１(b)は、異なるテスト位置でのテストサンプルからトンネル距離内にチップを位置決めできる完全な走査トンネリング装置の概略を示し、それにより、テストサンプルのナノメーターの地形図と電気的な特徴のマップを発生する。
図２(a)、(b)は従来の４ポイントプローブの概略を示す。例えば、S.M. Szeによる, 「Semiconductor devices」 - Physics and Technology, Wiley New York (1985), and published international patent application WO 94/11745を参照。 この従来の４ポイントのプローブは、図２(a)で示されるように１列に配列した４つの電極から成る。２つの両端の電極に電流を流すによって、内部の２つの電極間で電圧を測定することができる。これは、テストサンプルの電気的なシート抵抗率が次式によって決定できる。
ｐ＝ｃ・(Ｖ/ｌ)
Ｖは測定電圧、Ｉは印加電流、 ｃは、４ポイントのプローブの電極分離およびテストサンプルの寸法によって決定された幾何学なファクタである。４ポイントのプローブに接続された電子回路の原理回路は、図２(b)で示される。図３(ａ)、(ｂ)は従来の微視的な多探針プローブ(例えばヨーロッパ特許出願公開 EP 1085327 A1を公開を参照)の概略を示す。図３(ａ)は、支持本体、およびその支持本体のベースから自在に延在している多数の伝導性のプローブアームからなる多探針プローブを示す。図３(ｂ)は、微視的な多探針プローブを用いて、テストサンプルの電気的な特性を測定するための機械的・電気的な手段を実施する多探針テスト用装置を示す。
この発明の目的は、多探針プローブと材料テストサンプル表面との間の物理的、あるいは電気的な接触の検知を許可する、新規な電気的検知機構を提供することである。
この発明の特別の利点は、新規な電気的検知機構が、多探針プローブ電極間の電気的な接触の検知を許可するという事実に関係し、それにより、多探針プローブの多数の電極の電気的接触の情報を提供する。
この発明の特別の特徴は、新規な電気的検知機構が、肉眼で視認できる導電サンプル表面を要求しないということであり、それにより、多探針プローブの特定位置での多探針プローブのいくつかの電極間の局部的な電気的パスを含む、あらゆる材料表面への電気的な接触の検出を与える。
この発明の好ましい実施例の以下の詳細な記述から明白になる、上述した目的、上記利点および上記特徴は、多数の他の利点および特徴と共に、テストサンプルの特定の位置への電気的接触を検知するための電気的フィードバック制御システムにより得られたこの発明に基づく。その電気的フィードバック検知システムは、
(a) 第１の多数の多探針プローブの電極に接続される電気発生手段、
(b) 前記第１の多数の前記多探針プローブの電極を接続する第２の多数の、スイッチ接続のインピーダンス検知エレメント、および
(c) 第２の多数の、スイッチ接続のインピーダンス検知エレメントを横切る電気的信号から測定する信号を検知するための電気的検知手段、
を備える。
多探針プローブの電極に流れる電気的信号を用いることにより、多探針プローブと、テストサンプルのテスト位置との間での接触を検知する、この発明の技術的特性は、多探針電極に基づく微視的なカンチレバーの場合に、レーザー偏向検知機構の使用を回避する。これは、原子間力顕微鏡および走査対向顕微鏡のような試験用装置に基づく微視的なカンチレバーのための通常の光学的フィードバック検知システムを劇的に簡素化する。
この発明に基づく、多探針プローブ電極の第１群に接続された電気発生手段は、テスト位置にて、テストサンプルを通じて発生信号を送出する。その信号は、抵抗、インダクタンス、キャパシタンスまたはそれらの組み合わせに対する感度のような特定の検出要求に基づき、電流、又は電圧、パルス信号または信号、DCまたは、正弦波、方形波、三角波の内容またはそれらの結合で、LF から HFまでの範囲のACである。この発明による第１の多数の多探針プローブ電極は、少なくとも２つの電極から６４個の電極まで及び、好ましい実施例では、多探針プローブの電極として、両側に位置する２つの電極を持つ。多探針プローブの両側に位置する２つの電極への発生信号の適用は、この発明による第２の多数の、インピーダンス検知エレメントに対して検知信号を提供し、そして、第３の多数の多探針プローブ電極についての電気的な接触条件情報を推論する。電気的な接触条件は、物理的な接触、トンネル効果が生じる近接、中間の流動性のメニスカスあるいは、多探針プローブ電極とテストサンプルとの間に電流が流れることを可能にする他の効果を含むことができる。
この発明によるスイッチを有するインピーダンス検知エレメントの第２群は、１〜１０に及び、好ましい実施例として３を持つ。インピーダンス検知エレメントの抵抗性の部分の正規な範囲の値は、１mΩから１０００ＧΩにおよび、好ましい実施例では、１kΩ、１０kΩおよび１００kΩを持つ。
電気的検知手段は、好ましい実施例として位相固定の制限アンプに接続された高感度の電位計を有する、この発明によるインピーダンス検知エレメントの第２群を横切る電気的信号を測定する。
この発明の追加的な目的および特徴は、図面を参照して、次の詳細な記述および付記されたクレームからより容易に明白になるであろう。
発明を実施するための最良の形態
好ましい実施例は、多探針プローブのための電気的フィードバック検知システムを製作することに意図されており、図４〜８に関して記述される。図４は、電気的フィードバック検知システムを採用した、多探針テスト用装置１００の概略図を示す。その装置は、コントローラ１０６を用いてモータステージ１０８により移動できるテストサンプル１０４に近接する多探針プローブ１０２から成る。多探針プローブの両側に位置した電極は、電気的フィードバック検知システム１１０に接続される。この電気的フィードバック検知システム１１０は、多探針プローブ１０２がテストサンプル１０４に電気的に接触しているかを検出できる。テストサンプル１０４上のテスト位置にて、多探針プローブ１０２に対して、位置決めおよび測定を可能とするために、検出信号１１２は、電気的検知システム１１０からコントローラ１０６に供給される。
図５(ａ)、(ｂ)および６(ａ))(ｂ)は、共にこの発明の好ましい実施例の原理を示す。図５(ａ)、(ｂ)は、この発明による電気的フィードバック検知システム３００の電気的な配置の原理を示し、この状況では、多探針プローブ３０２とテストサンプル３０４間で電気的な接触はない。電気発生手段は、一定の電流Ｉcを発生し、多探針プローブ３０２の両側の電極３０２ａおよび３０２ｂに接続される。抵抗性検知エレメントＲから成るインピーダンス検知エレメントは、閉のスイッチＳＷを通ってアンプ回路Ａに接続され、そして、抵抗性の検知エレメントＲを横切る電位差Ｖｒはアンプ回路Ａによって測定される。図５(ａ)で示された状況でのこの発明によるフィードバック検知システムの等価な電気回路は、図５(ｂ)で示される。一定電流Ｉcが抵抗性の検知エレメントＲを流れ、そのために、次の電位差を生成する。
Ｖr＝Ｒ・Ｉc
これはアンプＡで測定され、フィードバック検知システムの出力部に現れる。
図６(ａ)、(ｂ)は、フィードバック検知システム５００の概略図および等価回路を示し、この場合、多探針プローブ５０２は、テストサンプル５０４の表面に電気的に接触している。電気発生手段は、多探針プローブ５０２の両側に位置する電極５０２ａおよび５０２ｂに接続される。生成された電流Ｉcの一部が、閉じたスイッチＳＷおよび抵抗性の検知エレメントＲを流れ、対応する電位差Ｖrがアンプ回路Ａによって測定され、また、一部が、未知の抵抗性のエレメントＲxで表わされたサンプル５０４を流れる。この場合、電位差Ｖrは次式で与えられる。
Ｖr＝（Ｒ・Ｒx）／（Ｒ＋Ｒx) ・ Ｉc
図５、６を参照すると、従って、多探針プローブとテストサンプルの間の電気的な接触の導入が、フィードバック検知システムの出力で十分に定義された変化を発生することが確立される。従って、多探針プローブおよびテストサンプル間の接触状態の変化の検知を可能にする。
この発明の好ましい実施例では、電気発生手段によって生成された一定の電流Ｉcは１μAで、抵抗性検知エレメントＲは１００kΩの値を持つ。従って、もし、多探針プローブとテストサンプルとの間で電気的な接触が無い場合、検出信号Ｖr は１０Ｖである。テストサンプルへの電気的な接触が存在する場合、テストサンプルの電気的な特性により、テストサンプルの有効性抵抗Ｒxが生じる。次の表は、テストサンプルに対する、一連の異なる有効性抵抗値Ｒxに対して生じる検知器信号Ｖrを示す。
Figure 0004500546
これは、電気的フィードバック検知システムは、この発明の特定の好ましい実施例において、１０Ωから１００MΩまでの範囲の有効な電気的な抵抗を有するサンプルへの接触をテストすることを可能にすることを示す。この発明の好ましい実施例では、テストサンプルのテスト位置への多探針プローブへの電気的な接触状態を決定し、かつ、多探針プローブおよびテストサンプルの相対的な位置を定義するために、モータステージへの電気的信号によって積極的に接触状態を変更するために、検知信号は、多探針テスト装置のコントローラによって使用される。
図７(ａ)、(ｂ) はこの発明の好ましい実施例の詳細を示す。図７(ａ)では、この発明による電気的フィードバック検知システム７００は、多探針プローブ７０２の両側に位置した電極７０２ａおよび７０２ｂを有し、アンプＧ、抵抗性検知エレメントＲsetおよび電圧フォロワーＡ１からなる差動電圧/電流コンバータに接続される。抵抗性検知エレメントＲはスイッチＳＷを通って、電圧/電流コンバータへの出力部に接続される。電圧/電流コンバータの出力は差電圧(Ｖ１−Ｖ２)に比例する。検知信号ＶrはアンプＡ２によって測定される。電圧/電流コンバータからの電流Ｉcは、閉のスイッチＳＷおよび抵抗性検知エレメントＲを流れ、また、テストサンプル７０４の未知の有効抵抗Ｒxに流れる。図７(ｂ)は、この発明に基づく電気的フィードバック検知回路８００を示し、これは、テストサンプル８０４に接続された多探針プローブ８０２および、多探針プローブ８０２の両側の電極８０２ａおよび８０２ｂに接続された電気的フィードバック検知回路を有する。電気的フィードバック検知回路は、検知エレメントＲ１およびＲ２を含み、それらは電気発生手段の信号経路に、スイッチＳＷ(好ましくは３回路を持つ)により個々にスイッチ接続され、前記抵抗性検知エレメントは公称、１００Ωから１０MΩである。
図８は、この発明に基づく電気的フィードバック検知システム１０００の別の好ましい実施例を示し、テストサンプル１００４に接続された多探針プローブ１００２、多探針プローブ１００２の両側の電極１００２ａおよび１００２ｂとテストサンプル１００４との間に接続された電気的フィードバック検知回路を備える。発生された電流Ｉcは、テストサンプル１００４を流れ、これが、多探針プローブの一つのみがテストサンプルと電気的に接触している時でも、抵抗性検知エレメントＲの両端の検出信号Ｖrに変化を生じさせる。
従来の走査型トンネル顕微鏡の全体的な図面であり、(ａ)図は、導電用チップとテストサンプルの間のトンネル領域の概略図、(ｂ)図は、通常の走査トンネル装置の概略図を示す。 従来の４ポイントのプローブの概要を示し、(ａ)図は、テストサンプルとの電気的に接触した従来の４ポイントのプローブの概略を示し、(ｂ)図は、従来の４ポイントプローブに接続された、電流源および電位計の電気回路図を示す。 従来の多探針プローブおよびテスト装置の全体を示す概略図であり、(ａ)図は多探針プローブ電極を示し、(ｂ)図は、多探針テスト装置の概略図を示す。 この発明による電気的フィードバック検知システムの概要図を示す。 この発明(多探針プローブがテストサンプルに電気的に接続されない)による電気的なフィードバック検知システムの実施例を示し、(ａ)図は、電気的フィードバック検知システムの詳細な電気的な配置を示し、(ｂ)図はシステムの等価電気回路図を示す。 この発明(多探針プローブがテストサンプルと電気的に接触)による電気的フィードバック検知システムの実施例を示し、(ａ)図は、電気的フィードバック検知システムの詳細な電気的な配置図を示し、(ｂ)図は、そのシステムの等価回路図を示す。 この発明(フィードバック検知システムが一定電流の発生を含む)による電気的なフィードバック検知システムの実施例を示し、(ａ)図は、制御回路内に１系統がスイッチされるインピーダンス検出エレメントを示し、(ｂ)図は、制御回路内に多数のスイッチされるインピーダンス検出エレメントを示す。 この発明に基づく電気的フィードバック検出システムの実施例を示し、そのフィードバック検知システムは、一定電流の発生を含み、そして、検出信号は、多探針プローブの多数の電極と、サンプル材料との間で測定される。
１００ 多探針テスト用装置
１０２ 多探針プローブ
１０４ テストサンプル
１０６ コントローラ
１０８ モータステージ
１１０ 電気的フィードバック検知システム
１１２ 検出信号
Ｒ 抵抗性検知エレメント
ＳＷ スイッチ

Claims (2)

  1. 多探針プローブの材料テストサンプル表面への電気的な接触を検出するための電気的フィードバック検知システムにおいて、
    ａ．多探針プローブの多数の電極に接続されると共に、差動電圧／電流コンバータである電気発生手段と、
    ｂ．前記多探針プローブの前記電極を接続する多数の、スイッチ接続のインピーダンス検知エレメントと、
    ｃ．電圧フォロワーの出力に接続されて、前記のスイッチ接続のインピーダンス検知エレメントを横切る電気的信号から測定信号を検出するための電気的検出手段と
    ｄ．前記電極と前記材料テストサンプル表面との間の電気的接続部と
    を備え、
    更に、前記差動電圧/電流コンバータが、
    ２個の差動入力部、１個の出力部と１個の基準入力部を設けた精密アンプ、
    内部ポートおよび外部ポートを設け、前記内部ポートは、前記精密アンプの出力部に接続される精密な抵抗性エレメント、及び
    入力部と出力部を設け、前記入力部は、前記精密な抵抗性エレメントの外部ポートに接続され、そして前記出力部は、前記精密アンプの前記基準入力部に接続される、前記電圧フォロワー
    を含む電気的フィードバック検知システム。
  2. テストサンプルの特定の位置での電気的特性をテストするための多探針試験装置において、
    ａ．請求項１の電気的フィードバック検知システムと、
    ｂ．前記テストサンプルを受け取り、支持するための手段と、
    ｃ．テスト信号を発生するための電気発生手段、及び測定信号を検出するための電気測定手段を含む電気特性テスト手段と
    を備える多探針試験装置。
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