JP4598093B2 - 不良検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子の電気特性を検査する不良検査装置に関する。

半導体チップ上に形成された半導体素子の電気特性測定においては、電気回路としての電気特性測定やトランジスタ単体の電気特性測定に加えて、半導体素子の信頼性及び安全性評価のための温度特性測定を行う。

半導体素子の温度特性測定時にその半導体素子の温度制御を行う従来技術として、例えば、半導体素子を加熱するヒータ及び冷却する冷却部を備え、ヒータに流す電流量及び冷却部に通した冷媒配管に流す冷媒の量を調整することにより、半導体素子の温度制御を行う温度制御装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２５８４９１号公報

半導体チップ上に形成される半導体素子の電子回路パターンは益々微細化が進んでいる。そこで、このように微細化した半導体素子の電気特性を測定する場合、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）の真空状態の試料室内にプローブ（探針）を設置し、走査電子顕微鏡で測定対象である半導体素子を観察しながら、プローブの先端をその半導体素子の所望箇所に触針させることにより、微細な半導体素子の電気特性を測定する検査装置を使用することがある。このような検査装置において、試料室内を大気圧から真空状態にするには長い時間が必要であるので、半導体素子（試料）に対するプローブの粗寄せ、試料の交換、及びプローブの交換などの作業は真空状態を維持したまま試料室内で行われる。この各作業は、試料ステージ及びプローブ装置を保持したベースステージを試料室内の所定の場所に移動して行う。この場合、上記特許文献１に記載された技術などでは、ヒータの電源や冷媒配管を真空容器の外部から接続しているので、こうした真空容器外部からの接続部材に試料ステージが拘束されてしまい所定の場所に移動することができない。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、試料ステージ及びプローブ装置の移動範囲が温度制御装置によって制限されることなく半導体試料の温度特性測定を行うことができる不良検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、試料を保持する試料ステージと、前記試料ステージを駆動する駆動手段と、前記試料ステージに設けられ、前記試料ステージを加熱するヒータと、前記試料ステージに接続された第１熱伝導部と、前記第１熱伝導部に対し着脱可能な第２熱伝導部と、前記第２熱伝導部に接続され、冷媒を貯留する冷媒貯留部とを備える。

本発明によれば、試料ステージ及びプローブ装置の移動範囲が温度制御装置によって制限されることなく半導体試料の温度特性測定を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施の形態を図１〜図６を用いて説明する。

図１では不良検査装置１００を構成する検査部１を後述するＸ方向（前面、図５参照）から見た構成、図２ではＹ方向（側面、図５参照）から見た構成をそれぞれ概略図示している。

図１及び図２において、不良検査装置１００は、検査部１と制御部２を備えている。

不良検査装置１００の検査部１は、電子光学系装置３、試料駆動装置４、試料測定装置５、ポンプ装置６、試料温度調整装置７、冷却トラップ装置８、プローブ粗寄せ機構９、プローブ交換機構１０、半導体試料交換機構１１及び試料室３０を備えている。

電子光学系装置３は、例えば電子走査顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）であり、１次電子線を測定対象である半導体試料２５に照射する電子銃を含む電子ビーム光学系２２と、１次電子線により半導体試料２５から発生した２次電子を検出する２次電子検出器２３と、１次電子線の焦点距離を算出するために半導体試料２５と電子ビーム光学系２２の距離を測定するＺセンサ２４とを備えている。本実施の形態の電子ビーム光学系２２は、１次電子線（電子ビーム）を半導体試料２５上に照射し、かつ走査する照射光学系を形成しており、電子ビームを発生する電子源や電子ビームを走査するための偏向装置、電子ビームを収束するためのレンズ等を含んでいる。電子ビーム光学系２２は、伝送線２２ａを介して制御部２の制御装置４２に接続されており、電子ビーム光学系２２の動作、例えば、電子源のビーム引出し電圧や偏向レンズへの印加電圧などが制御装置４２によって制御される。

試料室３０は、隔壁によって大気圧の領域と真空の領域を隔てるもの（真空容器）である。電子光学系装置３（以下、ＳＥＭと記載する）の電子ビーム照射部、２次電子検出器２３の２次電子を検出するセンサ部、及びＺセンサ２４のセンサ部は、試料室３０の内部に配置されているが、電源及び伝送線２２ａ，２３ａ，２４ａが接続される部分は、試料室３０の外部に突き出て配置されている。つまり、ＳＥＭ３、２次電子検出器２３、及びＺセンサ２４は、試料室３０の隔壁を貫通するように配置されている。また、試料室３０は、除振機能を有した架台３１によって支持されている。

ポンプ装置６は、ゲートバルブ６０を介して試料室３０に接続されたターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）３２と、このターボ分子ポンプ３２に接続されたドライポンプ（ＤＰ）３３とで構成されている。ＴＭＰ３２及びＤＰ３３を駆動することにより試料室３０の排気（真空処理）が行われる。ＴＭＰ３２及びＤＰ３３の動作は、それぞれ伝送線３２ａ，３３ａを介して接続された制御装置４２により制御される。

冷却トラップ装置８は、ＳＥＭ３と半導体試料２５の間の空間に配置されたトラップ部３９と、試料室３０の外部に設置された冷媒容器４１と、トラップ部３９と冷媒容器４１を接続する熱伝達棒４０とを備えている。冷媒容器４１は外部との断熱構造を有しており、内部には冷媒（例えば液体窒素）が貯留されている。熱伝達棒４０には熱伝導性に優れた材質（例えば銅）が用いられている。トラップ部３９は、熱伝達棒４０を介して冷媒容器４１に貯留された冷媒により冷却される。

試料駆動装置４、試料測定装置５及び温度調整装置７の詳細を図３〜図６を参照しつつ説明する。図３及び図４は、試料駆動装置４、試料測定装置５及び温度調整装置７の詳細を示す図であり、図５は、小ステージ２８、大ステージ２９及びプローブユニット４７の移動座標系であり、図６は、後述する観察測定位置、プローブ粗寄せ位置、試料交換位置及びプローブ交換位置に大ステージ２９が移動した状態を示した図である。

図３及び図４において、試料駆動装置４は、半導体試料２５を保持する試料ホルダ２６と、試料ホルダ２６を保持する試料温調部２７と、試料温調部２７を保持する小ステージ２８と、小ステージ２８を保持する大ステージ２９とを備えている。試料ホルダ２６、試料温調部２７、及び小ステージ２８を合せて試料ステージと呼ぶ。

試料ホルダ２６と試料温調部２７の間には電気絶縁性に優れ、かつ熱伝導性にも優れた絶縁シート５６が設けられている。すなわち、絶縁シート５６は試料ホルダ２６と試料温調部２７を電気的に絶縁する反面、試料ホルダ２６と試料温調部２７の間の熱の移動を許容する。試料温調部２７には電気伝導性に優れた金属が用いられている。この試料温調部（導電部）２７と絶縁シート（絶縁部）５６とをあわせて中間層と呼ぶ。

小ステージ２８は、大ステージ２９に対してｘ，ｙ（水平），ｚ（垂直）方向（図５参照）に駆動する駆動手段を有しており、小ステージ２８を駆動することにより試料ステージを移動することができる。

大ステージ２９は、試料室３０内に設置されたベースステージ４９上に載置されており、このベースステージ４９に対してＸ，Ｙ（水平）方向（図５参照）に駆動する駆動手段を有している。この駆動手段により大ステージ２９は観察測定位置、プローブ粗寄せ位置、試料交換位置及びプローブ交換位置の何れかの位置（図６参照）に移動される。

図６において、図６（Ａ）に示す観察測定位置は、ＳＥＭ３により半導体試料２５を観察しながら試料測定装置５のプローブ４５を半導体試料２５の所望の位置に触針する位置であり、試料測定装置５の電気特性測定装置５２により半導体試料２５の電気特性などを測定する位置である。また、試料温度調整装置７の受熱部３６の着脱もこの位置で行われる（後述）。図６（Ｂ）に示すプローブ粗寄せ位置は、プローブ粗寄せ機構９に備えられた光学顕微鏡（図示せず）などのＳＥＭ３よりも広視野の観察像により半導体試料２５とプローブ４５の位置関係を観察しながら半導体試料２５の触針対象位置とプローブ４５の位置をＳＥＭ３で観察可能な範囲まで近づける位置である。図６（Ｃ）に示すプローブ交換位置は、プローブ交換機構１０のプローブ交換装置１０ａにより試料測定装置５のプローブ４５を所望のプローブに交換する位置である。図６（Ｃ）に示すプローブ交換位置は、試料交換機構１１の試料交換装置１１ａにより試料駆動装置４の試料ホルダ２６に保持された半導体試料２５を交換する試料交換位置でもある。なお、図６において、プローブ交換位置と試料交換位置を同じ位置として示したが、プローブ交換位置と試料交換位置を夫々別の位置として設定しても良い。

試料測定装置５は、半導体試料２５の所望箇所（例えば、半導体試料２５上に形成された回路パターン上）に触針される複数（例えば６つ）のプローブ４５（図３及び図４では、それぞれ２つのみ示す）と、各プローブ（例えばメカニカルプローブ）４５をそれぞれ保持する複数のプローブホルダ４６と、プローブホルダ４６を保持するプローブステージ４７と、プローブステージ４７を保持するプローブユニットベース４８と、各プローブ４５を介して半導体試料２５の論理的動作や電気特性を測定する電気特性測定装置（例えば、半導体パラメータアナライザ）５２（図１等参照）とを備えている。プローブ４５、プローブホルダ４６、及びプローブステージ４７を合せてプローブユニットと呼び、このプローブユニットとプローブユニットベース４８を合せてプローブ装置と呼ぶ。プローブ４５は、プローブホルダ４６の全部又は一部と共に取り外し可能となっており、形状や素材の異なる種々のプローブと交換可能である。

プローブステージ４７は、プローブユニットベース４８に対してｐｘ，ｐｙ（水平），ｐｚ（垂直）方向（図５参照）に駆動する駆動手段を有している。プローブユニットベース４８は大ステージ２９上に固定されているので、プローブステージ４７をプローブユニットベース４８に対して相対的に駆動することにより、試料ステージ（半導体試料２５）に対するプローブ４５の位置を調整することができる。プローブステージ４７の駆動手段は、例えばピエゾ素子を用いて構成されており、プローブ４５の細かい位置調整を行うことができる。

試料ステージは、小ステージ２８を駆動することにより半導体試料２５を駆動することができ、プローブ装置は、プローブステージ４７を駆動することにより複数のプローブ４５を駆動することができ、大ステージ２９は、試料ステージとプローブ装置とを一体的に駆動することができるので、半導体試料２５とプローブ４５の両者を、独立的にも一体的にも駆動することができる。すなわち、大ステージ２９は、半導体試料２５とプローブ４５の両者と共に観察測定位置、プローブ粗寄せ位置、試料交換位置及びプローブ交換位置（図６参照）の何れかの位置に移動する。

電気特性測定装置５２は試料室３０の外部に設置されており、プローブ装置は試料室３０の内部に設置されている。電気特性測定装置５２と各プローブ４５は、試料室３０の隔壁に設けられたフィールドスルー５０（図１等参照）に通した伝送線２９ａにより接続されている。電気特性測定装置５２は、プローブ４５を介して半導体試料２５の所望の箇所に電流、電圧を印加する通電手段（図示せず）と、半導体試料２５の所望の箇所の電流、電圧を検出する検出手段（図示せず）とを有している。電気特性測定装置５２は、通電手段及び検出手段を用い、プローブ４５を介して半導体試料２５の電流電圧特性を計測し、その電流電圧特性を元に所望の特性値を算出する。この特性値は、例えば、プローブ４５の触針箇所の電流値、電圧値及び抵抗値などである。本実施の形態のように、測定対象試料として半導体試料２５を用いる場合には、電気特性測定装置５２として、例えば、半導体パラメータアナライザなどが用いられる。電気特性測定装置５２により得られた半導体試料２５の電流電圧特性の波形及び各特性値（以下、単に電気特性データと記載する）は、電気特性測定装置５２に設けられた表示部（図示せず）に表示されると共に、伝送線５２ａを介して制御部２の制御装置４２に伝送される。

試料駆動装置４及び試料測定装置５の各駆動手段は、試料室３０の隔壁に設けられたフィールドスルー５１を介して設けられた伝送線２９ａにより制御装置４２と接続されており、各駆動手段の動作が制御装置４２によって制御される。

図３及び図４において、試料温度調整装置７は、試料駆動装置４の試料ホルダ２６に設けられ、試料ホルダ２６の温度を検出する温度センサ５５と、試料駆動装置４の試料温調部２７に設けられ、試料温調部２７を加熱するヒータ５７と、試料測定装置５に設けられた受熱部３６と、試料温調部２７と受熱部３６を接続し、試料温調部２７と受熱部３６の間の熱の伝達を行う熱伝達線３４と、冷媒容器３８と、冷媒容器３８に接続され、冷媒容器３８内の冷媒により冷却される熱伝達棒３７と、受熱部３６と熱伝達棒３７を接続し、受熱部３６と熱伝達棒３７の間の熱の伝達を行う熱伝達線３５とを備えている。

受熱部３６は、試料測定装置５のプローブユニットベース４８に設置され、熱伝達線３４を介して試料温調部２７と接続された受熱部３６Ａと、熱伝達線３５を介して熱伝達棒３７と接続され、受熱部３６Ａに対して着脱可能に設けられた３６Ｂとで構成されている。すなわち、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂは接続及び分離可能である。また、受熱部３６Ｂは受熱部３６Ａに対しても着脱可能である。

熱伝達線３４は、可撓性を有しフレキシブルに構成されており、試料ステージとプローブユニットベース４８の相対位置に関わらず、試料ステージの大ステージ２９上でその可動範囲内における移動を許容する長さを有している。

熱伝達線３５についても同様に、可撓性を有しフレキシブルに構成されており、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを接続した状態において、観察測定位置として予め設定した範囲内でその可動範囲における移動を許容する長さを有している。しかし、熱伝達線３５は、大ステージ２９が観察測定位置以外の位置（プローブ粗寄せ位置、プローブ交換位置、及び試料交換位置）に移動可能な長さは有しておらず、観察測定位置以外の位置には、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを分離して移動する。

熱伝達線３４，３５には熱伝導性に優れた材質、例えば銅などが用いられている。

熱伝達棒３７は、試料室３０の隔壁側面に突設した待機室３０ａの隔壁を貫通し、試料ステージに対して進退する方向に摺動する。熱伝達棒３７と試料室３０との間は図示しないシール手段によりシールされており、試料室３０の一定の気密性が保たれている。熱伝達棒３７の大気に触れる部分（試料室３０外に出る部分）は図示しない断熱構造を有しており、冷媒により冷却された熱伝達棒３７が大気に触れることによる結露が防止される。

冷媒容器３８は、大気に対する断熱構造（図示せず）を有する冷媒貯留部であり、内部には冷媒（例えば液体窒素）が貯留される。したがって、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂが接続された状態では、試料温調部２７は熱伝達線３４、受熱部３６、熱伝達線３５及び熱伝達棒３７を介して冷媒容器３８の冷媒により冷却される。

冷媒容器３８は、例えば、熱伝達棒３７の摺動方向に延びる図示しないレール上に設けられており、図示しない駆動手段によってこのレール上を水平方向に移動することにより、試料室３０に対する距離を変える。冷媒容器３８が試料室３０に近付くように移動すると、冷媒容器３８に接続された熱伝達棒３７は試料室３０の内側方向に摺動し、冷媒容器３８が試料室３０から離れるように移動されると試料室３０の外側方向に摺動する。

熱伝達棒３７を試料室３０の内側方向に摺動して受熱部３６Ｂと接触させ、試料室３０の外部から着脱機構（図示せず）を用いて熱伝達棒３７と受熱部３６Ｂを接続し、同様に着脱機構（図示せず）を用いて受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを分離し、熱伝達棒３７を試料室３０の外側方向に摺動することにより、受熱部３６Ｂは受熱部３６Ａから分離される。熱伝達棒３７と受熱部３６Ｂの着脱機構は、特に限定されるものでは無いが、例えば、次のような構成を例示することができる。まず、受熱部３６Ｂに対して熱伝達棒３７の先端部が抜き差しされるようにする。その上で熱伝達棒３７の摺動方向に延び、ステージ側の先端部が周方向に屈曲した溝を受熱部３６Ｂの内周面に形成し、熱伝達棒３７の先端部に上記溝に係合するピンを設ける。すなわち、熱伝達棒３７を軸線周りに回転させることで、ピンを溝の屈曲部に係脱し、熱伝達棒３７と受熱部３６Ｂを着脱する構成である。

図４に示すように受熱部３６Ｂを受熱部３６Ａから分離して熱伝達棒３７に接続し、熱伝達棒３７を試料室３０の外側方向に退避させたとき、受熱部３６Ｂが前述した待機室３０ａに退避する。このとき、待機室３０ａと試料室３０内の空間を仕切るゲートバルブ６３を閉じることにより、試料室３０の気密性をより高く保つことができる。

また、上記手順とは逆に、熱伝達棒３７を試料室３０の内側方向に摺動して熱伝達棒３７に接続された受熱部３６Ｂを受熱部３６Ａと接触させ、試料室３０の外部から着脱機構（図示せず）を用いて受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを接続し、同様に着脱機構（図示せず）を用いて受熱部３６Ｂと熱伝達棒３７を分離し、熱伝達棒３７を試料室３０の外側方向に摺動することにより、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂは接続される。このような受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂの着脱は大ステージ２９を観察測定位置に移動して行う。

受熱部３６Ａは、ある一定の熱容量を有している。受熱部３６Ａが有する熱容量とは、受熱部３６Ａを予め設定した設定温度以下に冷却した後、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを分離した状態において、受熱部３６Ａの温度が予め定めた基準温度よりも低い温度を予め定めた基準時間の間維持できる熱容量である。ここで、基準温度は例えば、本実施の形態の不良検査装置１００において半導体試料２５の電気特性を測定する場合に設定する温度範囲のうちの最低温度であり、基準時間は例えば、大ステージ２９が観察測定位置にあり受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを接続した状態から、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを分離し、プローブ交換位置に移動してプローブ４５を交換し、観察測定位置に戻って受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを接続するまでに必要な時間である。先の設定温度は受熱部３６Ａの熱容量に相関し、受熱部３６Ａの熱容量に応じて設定される。

ここで、熱伝達線３４及び受熱部３６Ａは、試料ステージに接続された第１熱伝導部を構成し、受熱部３６Ｂ、熱伝達線３５、熱伝達棒３７は、第１熱伝導部に対し着脱可能な第２熱伝導部を構成し、冷媒容器４８は、第２熱伝導部に接続され、冷媒を貯留する貯留部を構成する。

図１及び図２に戻り、プローブ粗寄せ機構９は、プローブ粗寄せ用の光学顕微鏡と、この光学顕微鏡の観察像（画像）取得のためのＣＣＤカメラ（図示せず）を備えており、半導体試料２５及びプローブ４５の光学顕微鏡による観察像を取得する。プローブ粗寄せ機構９は、ＳＥＭ３よりも視野の広い（倍率の低い）光学顕微鏡などの観察像により半導体試料２５とプローブ４５の水平方向及び垂直方向の位置関係を観察しながらプローブユニット４７を駆動し、プローブ４５を水平方向及び垂直方向に駆動して、半導体試料２５の触針対象位置とプローブ４５の位置をＳＥＭ３で観察可能な範囲まで近づける。なお、図２においては、半導体試料２５の上方向からの観察像を取得するプローブ粗寄せ機構９のみを代表して図示し、横方向（水平方向）からの観察像を取得するプローブ粗寄せ機構は図示を省略する。

プローブ交換機構１０は、プローブ４５を交換するプローブ交換装置１０ａを備えており、試料室３０の内部とゲートバルブ６１を介して接続されている。プローブ交換機構１０はターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）５３に接続されており、ターボ分子ポンプ５３は更にドライポンプ（ＤＰ）５４に接続されている。ＴＭＰ５３及びＤＰ５４を駆動し、プローブ交換機構１０内の排気（真空処理）を行うことにより、試料室３０内の真空を維持しながらプローブ交換装置１０ａによってプローブ４５の交換を行う。

試料交換機構１１は、半導体試料２５を交換する試料交換装置１１ａを備えており、試料室３０の内部とゲートバルブ６２を介して接続されている。試料交換機構１１はＤＰ５３に接続されており、ＤＰ５３を駆動し、試料交換機構１１内の排気（真空処理）を行うことにより、試料室３０内の真空を維持しながら試料交換装置１１ａによって半導体試料２５の交換を行う。

不良検査装置１００の制御部２は、制御装置４２と、電源装置４３と、表示装置４４とを備えている。制御装置４２は、検査装置１００全体の動作を制御するものであり、ＳＥＭ３の光学条件、倍率、フォーカス、イメージシフト、ＳＥＭ画像の明るさ、スキャンスピード、アライメント、画像の記録、試料駆動装置４の試料ステージ及び試料測定装置５の各プローブ４５の位置等を表示装置４４におけるＧＵＩ（Graphical User Interface）操作やキーボード（図示せず）へのコマンド入力により制御するものである。また、制御装置４２は、伝送線２２ａを介して電子ビーム光学系２２制御し、２次電子検出器２３で検出した検出信号を伝送線２３ａを介して取得すると共に、試料駆動装置４、試料測定装置５、ポンプ装置６、試料温度調整装置７、及びプローブ粗寄せ機構９等の動作を制御する。また、ＳＥＭ３により得られた画像、及びプローブ粗寄せ機構９により得られた画像を表示装置４４に表示する。さらに、制御装置４２は電気特性測定装置５２で計測された半導体試料２５の電気特性データを解析することにより半導体試料２５の測定箇所が不良か正常かなどの判定を行うと共に、測定箇所の電気特性データ及び判定結果を表示装置４４に表示する。

電源装置４３は不良検査装置１００全体に電力を供給するものであり、供給される電力は制御装置４２により制御される。

以上のように構成した本実施の形態の動作を説明する。

（１）真空処理
まず、制御装置４２を操作してポンプ装置６を駆動し、試料室３０の排気（真空処理）を行う。以降の各作業は試料室３０内の真空状態を維持したまま行う。

（２）試料載置
次に、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを分離し、大ステージ２９を駆動して試料交換位置（図６（Ｃ）参照）に移動する。

試料交換位置において、試料交換機構１１のゲートバルブ６２を開け、試料交換装置１１ａを用いて半導体試料２５を試料ホルダ２６に載置する。このとき試料交換機構１１内は、ドライポンプ５２を駆動することにより予め排気（真空処理）しておく。

（３）プローブ粗寄せ
次に、大ステージ２９を駆動し、プローブ粗寄せ位置（図６（Ａ）参照）に移動する。

プローブ粗寄せ位置において、プローブ粗寄せ機構９の光学顕微鏡の観察像を表示装置４４で観察しながら各プローブ４５を水平方向及び垂直方向に駆動し、半導体試料２５の測定対象部分と各プローブ４５の相対位置をＳＥＭ３で観察可能な範囲まで近づける。

（４）プローブ触針
次に、ＳＥＭ３を用いて、半導体試料２５の測定対象部分及び各プローブ４５を観察しながら、各プローブ４５をそれぞれ半導体試料２５の所定の位置に触針させる。このように、プローブ粗寄せ機構９により、半導体試料２５に対するプローブ４５の粗寄せを行うことにより、ＳＥＭ３により観察しながら半導体試料２５の所定の位置にプローブ４５を触針する時に、ＳＥＭ３の倍率の調整回数（調整時間）が少なくて済むので、半導体試料２５の電気特性測定を効率良く行うことができる。

また、冷却トラップ装置８のトラップ部（冷却トラップ）３９を半導体試料２５の温度より低い温度に冷却して、ＳＥＭ３から照射される１次電子線によって半導体試料２５の表面や内部から脱離したガス分子をトラップする。これにより、半導体試料２５の表面汚染やプローブ４５の汚染を抑制することができる。

（５）電気特性測定（常温）
この状態で、例えば半導体パラメータアナライザ等の電気特性測定装置５２が有する通電手段により、所望のプローブ４５を介して半導体試料２５の所望の位置に電圧、電流を掃引し、それと同時に所望のプローブ４５を介して半導体試料２５の触針位置の電圧、電流を測定することにより、室温（常温）における半導体試料２５の電流電圧特性の波形を得る。電気特性測定装置５２は、この電流電圧特性を元に、電流値、電圧値、及び抵抗値等の所望の特性値を算出し、この特性値を電流電圧特性の波形を図示しないディスプレイに表示すると共に、伝送線５２ａを介して制御装置４２に伝送する。制御装置４２は、電気特性測定装置５２から伝送された特性値を図示しない記憶装置に記憶し、解析することにより、半導体試料２５の良否判定を行うと共に、半導体試料２５の特性値及び良否判定結果を表示装置４４に表示させる。常温における半導体試料２５の電流電圧特性の測定が終了したら、半導体試料２５への電流、電圧の掃引を停止する。

（６）試料温度調整
次に、半導体試料２５の温度に対する電気特性（温度特性）を測定するため、制御装置４２の入力手段を用いて半導体試料２５の目標温度の設定を行う。

半導体試料２５の目標温度が常温よりも低い場合は、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを接続して温度調整を行う。制御装置４２は、試料ステージの温度と半導体試料２５の温度の関係を示すマップ予め持っており、温度センサ５５で得られた試料ステージの温度を基にマップを用いて半導体試料２５の温度を算出し、算出した半導体試料２５の温度が目標温度に近付くようにヒータ５７の加熱量を制御する。目標温度が常温よりも高い場合は、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを分離して温度調整を行う。この場合も、制御装置４２は、温度センサ５５で得られた温度から算出した半導体試料２５の温度が目標温度に近付くようにヒータ５７の加熱量を制御する。

（７）電気特性測定（温度特性測定）
半導体試料２５の温度が所望の設定温度で安定したら、電気特性測定装置５２は、所望のプローブ４５を介して半導体試料２５の触針位置に電圧、電流を掃引すると同時に所望のプローブ４５を介して半導体試料２５の触針位置の電圧、電流を測定することにより、所望の測定温度における半導体試料２５の電流電圧特性の波形を得る。電気特性測定装置５２は、この電流電圧特性を元に特性値を算出し、この特性値と電流電圧特性を図示しないディスプレイに表示すると共に、伝送線５２ａを介して制御装置４２に伝送する。制御装置４２は、電気特性測定装置５２から伝送された特性値を図示しない記憶装置に記憶し、解析することにより、半導体試料２５の良否判定を行うと共に、半導体試料２５の特性値及び良否判定結果を表示装置４４に表示させる。

（８）プローブ交換
半導体試料２５の温度特性測定の途中で、プローブ４５を形状や用途の異なるプローブに交換したり、破損したプローブ４５を正常なプローブに交換したりする場合は、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを分離し、大ステージ２９を駆動してプローブ交換位置（図６（Ｃ）参照）に移動する。プローブ交換位置に移動したら、プローブ交換機構１０のプローブ交換装置１０ａによりプローブ４５の交換を行う。その後、大ステージ２９を駆動してプローブ粗寄せ位置に移動して、プローブ粗寄せ機構９によりプローブ粗寄せを行い、さらに、観察測定位置に移動して受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを接続し、ＳＥＭ３により観察しながら半導体試料２５の所定の位置にプローブ４５を触針して電気特性測定を行う。

このように、半導体試料２５の温度特性測定の途中に受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを一時分離する場合、半導体試料２５の温度を保持できなければ、大ステージ２９を観察測定位置に戻し、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを接続した後、再度温度が目標温度に安定するまで待つ必要があり、効率が悪かった。本実施の形態においては、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを分離し、プローブ交換及びプローブ粗寄せを行い、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを接続する間、半導体試料２５の温度を保持することができるので、半導体試料２５の温度が安定するのを待つ必要が無くなり、温度特性測定を効率良く行うことができる。

所望の温度における半導体試料２５の電流電圧特性の測定が終了したら、半導体試料２５への電流、電圧の掃引を停止する。

（９）試料交換
次に、半導体試料２５の温度を常温に戻し、大ステージ２９を駆動して試料交換位置に移動し、試料交換機構１１の試料交換装置１１ａにより半導体試料２５の搬出及び交換を行う。

半導体試料２５の温度が常温よりも低い場合は、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを分離し、ヒータ５７により加熱して半導体試料２５の温度を常温に戻す。これにより、半導体試料２５の温度が常温になるまでの時間を短縮することができる。また、半導体試料２５の温度が常温よりも高い場合は、受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを接続して半導体試料２５の温度を常温に戻す。この場合も同様に、半導体試料２５の温度が常温になるまでの時間を短縮することができる。

半導体試料２５を試料室３０から搬出するとき、半導体試料２５の温度が室温（常温）よりも低い場合は結露の原因となり、半導体試料２５の温度が室温（常温）よりも高い場合は作業者の火傷等の原因となる恐れがあるので、半導体試料２５の温度を室温（常温）に戻してから搬出を行う。本実施の形態においては、半導体試料２５の温度を室温（常温）に戻すのにかかる時間を短縮することができるので、効率良く作業を行うことができる。

以上のように構成した本実施の形態においては、半導体試料２５の温度を調整する試料温度調整装置７の受熱部３６Ａと受熱部３６Ｂを分離可能としたので、試料温度調整装置７によって試料ステージ及びプローブ装置の駆動範囲が試料室３０内において制限されることが無く半導体試料２５の温度特性測定を行うことができる。これにより、試料室３０内の真空状態を維持したまま半導体試料２５を試料交換位置に移動して交換したり、プローブ４５をプローブ交換位置に移動して交換したりすることができる。したがって、半導体試料２５やプローブ４５を交換する毎に試料室３０内の排気を行う必要が無くなり半導体試料２５の温度特性測定を効率良く行うことができる。

また、半導体試料２５が載置された試料ステージに冷媒を流して半導体試料２５の温度を調整する温度調整装置を用いた場合、例えば半導体試料２５上にナノメートルオーダーで構成された配線パターンにプローブ４５を触針して測定すると、冷媒の流れによって発生する振動により、プローブ４５や半導体試料２５の触針部分を破損してしまう恐れがあった。しかしながら、本実施の形態においては、熱伝導線３４，３５、熱伝達棒３７、及び受熱部３６などを介して熱量の授受を行うので、半導体試料２５の振動を抑制することができ、測定精度や測定安定性を向上することができる。

さらに、半導体試料２５の温度より低い温度に冷却したトラップ部３９を備えた冷却トラップ装置８を設置したので、ＳＥＭ３による観察中において、ＳＥＭ３から照射される１次電子線により半導体試料２５の表面や内部から脱離したガス分子をトラップすることが可能となり、半導体試料２５の表面汚染やプローブ４５の汚染を抑制することができるので、温度特性測定の精度を向上することができる。

なお、本実施の形態においては、電子光学系装置３としてＳＥＭを用いた場合を例に取り説明したがこれに限られず、ＳＥＭ３に換えて、例えばＦＩＢ（Focus Ion Beam：収束イオンビーム）を用いるＳＩＭ（Scanning Ion Microscope）を用いても良い。

本発明の第２の実施の形態を図７及び図８を用いて説明する。

図７は、本発明の第２の実施の形態に係る不良検査装置１１０を構成する検査部をＸ方向から見た構成を示す図である。図中、図１及び図２と同じ部材には同じ符号を付し説明を省略する。

図７において、本実施の形態における不良検査装置１１０の試料測定装置１０５は、第１の実施の形態の試料測定装置５における電気特性測定装置５２に換えて微小信号増幅装置７０を備えている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

微小信号増幅器７０は、各プローブ４５（図７では１本のみを代表して示す）を介して半導体試料２５の配線パターン２５ａに流れる電流（信号）を検出して増幅し、制御装置４２に送るものであり、例えば、アンプなどが用いられる。

その他の構成は第１の実施の形態と同様であり、（５）電気特性測定（常温）及び（７）電気特性測定（温度特性測定）以外の動作も第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態における、半導体試料２５の電気特性測定の詳細を図８を参照しつつ説明する。

図８においては、半導体試料２５の断面を配線パターン２５ａと共に模式的に示している。

まず、プローブ４５を半導体試料２５の配線パターン２５ａの所望の箇所に触針させる。

この状態で半導体試料２５上をＳＥＭ３から照射される１次電子線７１で走査する。半導体試料２５の１次電子線７１を照射した部分では、表面から２次電子（図示せず）が発生すると同時に、配線パターン２５ａに電流が流れる。１次電子線７１の照射位置の配線パターン２５とプローブ４５が触針している配線パターン２５ａが導通している場合、この電流はプローブ４５を介して微小電流増幅装置７０に伝わり、増幅されて制御装置４２に伝送される。

制御装置４２は、１次電子線７１の照射位置とその照射位置に対応する検出電流量の関係（電気特性）を算出し、その結果を表示装置４４に画像として表示する。１次電子線７１を半導体試料２５の所望箇所に対して走査させると、その結果の電気特性が表示装置４４に画像４４ａとして表示される。画像４４ａにおいて、暗部は、１次電子線７１を照射した場合にプローブ４５によって検出された電流量が予め設定した閾値よりも小さい位置、明部は１次電子線７１を照射した場合にプローブ４５によって検出された電流量が予め設定した閾値よりも小さい位置を示している。なお、本実施の形態においては、予め定めた閾値により２値化した画像４４ａを示したが、閾値を設定せず、プローブ４５によって検出された電流量に応じて（例えば比例して）、画像４４ａの対象となる位置を濃淡で表示しても良い。

図８に示すように、配線パターン２５ａのいずれかの箇所に配線が断線している箇所２５ｂが存在すると、１次電子線７１が照射される位置が断線箇所２５ｂよりもプローブ４５を触針している側の場合には電流が検出されるが、反対側に１次電子線７１を照射しても電流は検出されない。したがって、画像４４ａと、例えば半導体素子２５の配線レイアウトパターンとを比較することにより、連続する配線パターン上で明暗が切り換わる位置の周辺の配線パターン２５ａの断線を検出することができる。

以上のように構成した本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

また、半導体試料２５の不良箇所（断線箇所）の正確な位置を画像により確認することができ、温度特性測定による不良検査後の詳細調査を効率良く行うことができる。

本発明の第１の実施の形態に係る不良検査装置を構成する検査部を前面から見た図である。 本発明の第１の実施の形態に係る不良検査装置を構成する検査部を側面から見た図である。 試料駆動装置、試料測定装置及び温度調整装置の詳細を示す図である。 試料駆動装置、試料測定装置及び温度調整装置の詳細を示す図である。 小ステージ、大ステージ、及びプローブユニットの移動座標系を示す図である。 検察測定位置、プローブ粗寄せ位置、試料交換位置、及びプローブ交換位置に大ステージが移動した状態を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る不良検査装置を構成する検査部を前面から見た図である。 半導体試料の不良検査の詳細を示す図である。

符号の説明

１，１０１ 検査部
２ 制御部
３ ＳＥＭ
４ 試料駆動装置
５，１０５ 試料測定装置
６ ポンプ装置
７ 試料温度調整装置
８ 冷却トラップ装置
９ 試料粗寄せ機構
１０ プローブ交換機構
１１ 試料交換機構
２２ 電子ビーム光学系
２３ ２次電子検出器
２４ Ｚセンサ
２５ 半導体試料
２５ａ 配線パターン
２５ｂ 断線箇所
２６ 試料ホルダ
２７ 試料温調部
２８ 小ステージ
２９ 大ステージ
３０ 試料室
３０ａ 待機室
３１ 架台
３２，５３ ターボ分子ポンプ
３３，５４ ドライポンプ
３４，３５ 熱伝達線
３６Ａ，３６Ｂ 受熱部
３７，４０ 熱伝達棒
３８，４１ 冷媒容器
３９ トラップ部
４２ 制御装置
４３ 電源装置
４４ 表示装置
４４ａ 不良検査結果画像
４５ プローブ
４６ プローブホルダ
４７ プローブユニット
４８ プローブユニットベース
４９ ベースステージ
５０，５１ フィールドスルー
５２ 電気特性測定装置
５５ 温度センサ
５６ 絶縁シート
５７ ヒータ
６０，６１，６２，６３ ゲートバルブ
７０ 微小信号増幅装置
７１ １次電子線
１００，１１０ 不良検査装置

Claims (9)

1. 試料を保持する試料ステージと、
   前記試料ステージ上の試料を観察する電子光学系と、
   前記試料ステージ上の試料に触針するプローブを有するプローブ装置と、
   前記プローブを介して試料の触針箇所の電気特性を測定する電気特性測定装置と、
   前記試料ステージを駆動する駆動手段と、
   前記試料ステージに設けられ、前記試料ステージを加熱するヒータと、
   前記試料ステージに接続された第１熱伝導部と、
   前記試料ステージ、前記プローブ装置、前記駆動手段、前記ヒータ及び第１熱伝導部を収容する真空容器であって、前記電子光学系により試料を観察し前記電気特性測定装置により試料の電気特性を測定するための観察測定位置、及び前記プローブを交換するプローブ交換位置を内部空間に包含する試料室と、
   前記試料ステージが前記観察測定位置にあるときに前記第１熱伝導部に接続し、前記試料ステージが前記プローブ交換位置に移動する際には前記第１熱伝導部から予め分離する第２熱伝導部と、
   前記第２熱伝導部に接続された冷媒貯留部とを備えることを特徴とする不良検査装置。
2. 請求項１記載の不良検査装置において、
   前記試料ステージは、前記ヒータとの間に設けられた中間層を備え、
   前記中間層は、
   前記ヒータに接続された導電部と、
   前記導電部と前記試料ステージに接続され、前記導電部と前記試料ステージの間の電流の流れを遮断する絶縁部とを備えることを特徴とする不良検査装置。
3. 請求項１記載の不良検査装置において、
   前記第１熱伝導部と前記第２熱伝導部は、互いに接続した状態で、前記試料の電気特性測定時の前記試料ステージの移動を許容する可動範囲を有することを特徴とする不良検査装置。
4. 請求項１記載の不良検査装置において、
   前記第１熱伝導部は、前記第１熱伝導部から前記第２熱伝導部を分離した場合、前記観察測定位置を離れ、前記プローブ交換位置に移動して前記プローブを交換し、前記観察測定位置に戻るのに要する時間、前記試料の温度を目標温度以下に保つ熱容量を持つことを特徴とする不良検査装置。
5. 請求項１記載の不良検査装置において、
   前記試料の目標温度が常温よりも低い場合、前記試料ステージの加熱と冷却を同時に行うことを特徴とする不良検査装置。
6. 請求項１記載の不良検査装置において、
   前記試料の目標温度が常温よりも低い場合は前記第１熱伝導部と前記第２熱伝導部を接続し、前記試料の目標温度が常温よりも高い場合は前記第１熱伝導部と前記第２熱伝導部を分離することを特徴とする不良検査装置。
7. 請求項１記載の不良検査装置において、
   前記試料の目標温度が常温である場合、前記試料の温度が前記目標温度よりも低い場合は前記第１熱伝導部と前記第２熱伝導部を分離し、前記試料の温度が前記目標温度よりも高い場合は前記第１熱伝導部と前記第２熱伝導部を接続することを特徴とする不良検査装置。
8. 請求項１記載の不良検査装置において、
   前記試料より低い温度に冷却される冷却トラップを有し、前記試料に対する汚染物質を吸着する冷却トラップ装置を備えることを特徴とする不良検査装置。
9. 請求項１記載の不良検査装置において、
   前記電気特性測定装置により測定された電流に基づく画像を表示する表示装置を備えたことを特徴とする不良検査装置。

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