JP4675615B2

JP4675615B2 - 不良検査装置並びにプローブ位置決め方法およびプローブ移動方法

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Publication number: JP4675615B2
Application number: JP2004350582A
Authority: JP
Inventors: 栄市羽崎; 佐藤　　修; 賀一稲田; 進加藤; 理山田; 貴司古川; 泰裕三井; 博史柳田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: JP2005189239A

Description

本発明は、電子素子の微細領域の電気的特性を計測する不良検査装置（プローブ装置）並びにプローブ位置決め方法およびプローブ移動方法に関する。

不良検査装置については従来よく知られており、検査しようとする試料（電子素子）の電気特性を計測したい位置にプローブを触針させる。このプローブでは電子素子の電流電圧特性等の特性を計測することができる。

特許文献１には、走査電子顕微鏡（SEM）の試料室内にプローブを設置して、微細な電気回路の電位特性を計測することが開示されている。

特許文献２には、プローブに所望の働きをさせるための情報を示すプローブ情報画面を表示する表示部を有しており、前記表示部の前記プローブ情報画面に前記試料および前記プローブを表示し、また、前記表示部に前記プローブを移動させるためのプローブ操作画面領域を表示し、さらに前記プローブ操作画面領域の操作信号により、前記プローブ制御部を介して前記プローブを移動させる機能を有し、前記プローブの前記プローブ情報画面内に表示された前記プローブ先端部の現在位置と、前記プローブ先端部の移動目標位置を前記プローブ情報画面内でそれぞれ指定する操作を行うことにより、前記プローブ先端部の現在位置から前記移動目標位置までの移動量を計算し、前記移動量だけ前記プローブ制御部を動作させて、前記プローブを前記移動目標位置に移動させる機能を有するプローブ装置が記載されている。

特許文献３には、荷電粒子ビーム照射手段と、試料を固定した試料ホルダを載置する試料ステージと、上記試料ステージを内蔵する試料室と、上記試料室内で上記試料に触針するプローブを移動させるプローブ移動機構と、上記試料室とバルブを介して接続され上記試料ホルダを一時貯留する第１のストッカを有する試料予備室と、少なくとも上記予備試料室と上記試料室の間で上記試料ホルダを移動させる第１の搬送手段とを具備したプローブ装置が記載されている。

特許文献４には光学顕微鏡が顕微鏡ブリッジ上をすべることによりウェハチャック上の位置に移動され、ユーザの興味ある領域内で試料に最初にプローブを位置付けるのを容易にし得るように、邪魔にならない位置に回動されることが開示されている。

特開平９−３２６４２５号公報特開２０００−１４７０７０号公報特開２００２−１８１８９８号公報特表２００２−５２３７８４号公報

本発明は、試料やプローブに不要な酸化膜の形成による測定信頼性の低下を防ぐために超高真空状態で高分解能観察でき、かつ計測のための試料室でのプローブの位置決めを迅速に、また人手の器用さや熟練度に影響されることなく容易に行うことのできる不良検査装置およびプローブの位置決め装置を提供することを目的とする。

本発明は、更に、試料室内でプローブを所望の位置に移動させ、所望の動作をさせるに好適なプローブ移動方法を提供することを目的とする。

本発明の実施態様は、電子ビーム照射手段を含んで構成される電子光学系装置と、試料を載置する試料ステージと、該試料ステージを内蔵する試料室と、該試料室内で試料に触針するプローブを備えたプローブホルダと、該プローブホルダを移動させるプローブユニットと、前記試料室に接続され、前記試料を一時貯留する試料交換室と、該試料交換室と前記試料室の間で前記試料を搬送させる搬送手段とを備え、プローブ粗寄せ画像取得装置を前記電子光学系装置に並列して設けてあり、前記試料ステージおよびプローブユニットを前記プローブ粗寄せ画像取得装置の垂直方向の位置と前記光学系装置の垂直方向の位置との間を水平方向に移動させる不良検査装置を提供する。

本発明は、更に、電子ビーム照射手段を含んで構成される電子光学系装置と、試料を載置する試料ステージと、該試料ステージを内蔵する試料室と、該試料室内で試料に触針するプローブを備えたプローブホルダと、該プローブホルダを移動させるプローブステージと、前記試料室に接続され、前記試料を一時貯留する試料交換室と、該試料交換室と前記試料室の間で前記試料を搬送させる搬送手段とを備え、プローブ粗寄せ画像取得装置および前記試料室に接続され、前記プローブホルダを一時貯留するプローブ交換室を前記電子光学系装置に並列して設けてあり、前記試料ステージおよびプローブユニットを前記プローブ粗寄せ画像取得装置の垂直方向の位置と前記電子光学系装置の垂直方向の位置と、そして前記プローブ交換室の垂直方向の位置との間を水平方向に移動させる不良検査装置を提供する。

本発明によれば、試料やプローブに不要な酸化膜の形成による測定信頼性の低下を防ぐために高真空状態で高分解能観察でき、かつ計測のための試料室でのプローブの位置決めを迅速に、また人手の器用さや熟練度に影響されることなく容易に行うことのできる不良検査装置およびプローブの位置決め装置を提供することができる。

本発明によれば、更に、高真空下の試料室内で、すなわち高真空を維持しながらプローブを所望の位置に移動させ、所望の動作をさせるに好適なプローブ移動方法を提供することができる。

電子ビーム照射手段を含んで構成される電子光学系装置と、試料を載置する試料ステージと、該試料ステージを内蔵する試料室と、該試料室内で試料に触針するプローブを備えたプローブホルダと、該プローブホルダを移動させるプローブユニットと、前記試料室に接続され、前記試料を一時貯留する試料交換室と、該試料交換室と前記試料室の間で前記試料を搬送させる搬送手段とを備えた不良検査装置は、プローブ粗寄せ画像取得装置を前記電子光学系装置に並列して設けてあり、ステージは、前記試料ステージおよびプローブユニットを載置し、前記プローブ粗寄せ画像取得装置の直下まで移動可能な大ステージを含んで構成される。

前記プローブ粗寄せ画像取得装置の配設位置は、前記プローブ交換室の配設位置よりも前記電子光学系装置に近接した構造とする。
プローブ粗寄せ画像取得装置は、上方と横方向からの２方向から十字配置される。

プローブ粗寄せ画像取得装置で取得した画像に基づいて前記試料ステージおよびプローブユニットを制御することによって、前記試料に対する前記プローブの粗寄せを行い、粗寄せ後、前記電子光学系装置の直下に前記試料ステージおよびプローブユニットを移動させ、前記電子光学系装置で取得した画像に基づいて前記試料に対する前記プローブの高精度位置決めを行う。

前記プローブ粗寄せ画像取得装置で取得した粗寄せ画像および前記電子光学系装置で取得したプローブの試料への触針画像をディスプレイ装置に表示することを行う。

上方と横方向からの２方向から十字配置されたプローブ粗寄せ画像取得装置によって粗寄せ画像が取得され、横方向からの粗寄せ画像の倍率は、上方からの粗寄せ画像の倍率よりも大きくして構成される。

電子ビーム照射手段を含んで構成される電子光学系装置と、試料を載置する試料ステージと、該試料ステージを内蔵する試料室と、該試料室内で試料に触針するプローブを備えたプローブホルダを移動させるプローブユニットと、前記試料室に接続され、前記試料を一時貯留する試料交換室と、該試料交換室と前記試料室の間で前記試料を搬送させる搬送手段とを備えた不良検査装置の位置決め方法であって、前記移動機構は、前記試料およびプローブを、前記電子光学系装置に並列して設けられた光学顕微鏡とこれに取付けたCCDカメラとからなるプローブ粗寄せ画像取得装置の直下位置から前記電子光学系装置の直下位置に移動させることを高真空を維持しながらプローブの位置決めおよびプローブの位置決めを行う。

本発明は、更に、電子ビーム照射手段を含んで構成される電子光学系装置と、試料を載置する試料ステージと、該試料ステージを内蔵する試料室と、該試料室内で試料に触針するプローブを備えたプローブホルダを移動させるプローブユニットと、前記試料室に接続され、前記試料を一時貯留する試料交換室と、該試料交換室と前記試料室の間で前記試料を搬送させる搬送手段とを備えた不良検査装置の位置決め方法であって、前記移動機構は、前記試料およびプローブを、前記電子光学系装置に並列して設けられた光学顕微鏡とこれに取付けたCCDカメラとからなるプローブ粗寄せ画像取得装置の直下位置から前記電子光学系装置の直下位置に移動し、更に前記電子光学系装置に並列して設けられたプローブ交換室の直下位置に移動させることを高真空を維持しながら前記プローブの移動を行う。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本実施例である不良検査装置1の構成を示す。図１において、不良検査装置1は、試料室7内に試料を保持する試料ホルダ2とこれを保持する試料ホルダ受け17を含むステージとプローブユニット33を含むプローブステージ6を備える。ここで試料は試料ホルダ2に固定されているが、薄片であるため、作図の都合上、図示していない。試料の検査のために試料ホルダ2に対向してSEM（走査電子顕微鏡）あるいは集束イオンビーム（FIB）装置などの、イオンポンプ44を備えた電子光学系装置4（荷電粒子装置ということができる）が試料室7の筐体に設けてある。また、この電子光学系装置4に近接してプローブ粗寄せ画像取得装置10が設けてある。電子光学系装置4からは試料の表面やプローブ（探針）3の動きを観察するための荷電粒子ビーム（電子やイオンビーム）が試料ホルダ2の方向に照射される。

試料室7の筐体の上面部に電子光学系装置4に近接して並設されるプローブ粗寄せ画像取得装置10は、プローブ粗寄せ光学顕微鏡（光顕）と画像取得のためのCCDカメラとを備え、プローブ3の試料に対する粗寄せ状態を観察し、画像情報として取得することができる。また、プローブ粗寄せ画像取得装置10は、縦方向のもの10Aばかりでなく、十字状配置とされた横方向配置のもの10Bが使用される。この十字状配置によってプローブ3は上方および横方向より観察され得、粗寄せ状態を確実に把握される。このとき、横方向からの粗寄せ画像の倍率は、上方からの粗寄せ画像の倍率よりも大きくして構成される。これは、測定に際して、まず上方のプローブ粗寄せ画像取得装置10Aによってプローブ3同士を水平方向に近づける粗寄せを行うが、このとき複数のプローブ3を粗寄せ画像に捉える必要がある。横方向からの粗寄せは横方向の粗寄せ画像を見ながらプローブ3を降下させて試料に接近させる。この後に電子光学系装置4を用い、プローブ3先端と試料の焦点の合い方を調べながらプローブ3を試料に接触させる動作を行う。横方向からの粗寄せにおいてプローブ3と試料の間隔が小さいと、電子光学系装置4を用いたプローブ3と試料の接近動作にかかる時間を短くすることができる。このため、横方向からの粗寄せ画像の倍率は、上方からの粗寄せ画像の倍率よりも大きくして構成される。

ステージは、試料を保持する試料ホルダ2とこれを載置する試料ステージ50とこれを載置する大ステージ49および大ステージ49が移動するベース48を備える。このステージは面板71を介して試料室7の側面に取付けられる。面板71は、図２に示すように、面板71に取り付けられたガイド連結板71aと、コロを用いたガイド71bとを介して試料室7に取付けられる。図３に示すように、ステージのメンテナンスやプローブユニットの交換を行うときはガイド71bに沿ってステージを引出す。試料室7の下部に取付けられたガイドブロックロック48aは電子光学系装置4に対するステージの垂直方向の位置決めに用いられ、また、ステージを試料室7から引出すときの案内をも行う。ガイドブロックロック48aの上部にはベース48の低部との間ですべり易い高分子材料等の摺動材48bが接着されている。

プローブ粗寄せ画像形成装置１０の直下における粗寄せ位置決めを行う位置では、プローブ間の位置関係と各プローブと試料との間の位置関係とを測定し、各プローブ或いはプローブのセットを試料に対して位置決めして、プローブ間の間隔が、電子光学装置４の可視或いは測定可能範囲以下の試料の厚さ方向に見た領域内に含まれるようにし、且つ、試料の厚さ方向と直角な方向に見て、各プローブと試料との間の間隔或いはプローブのセットと試料との間の間隔が、所定の値以下で且つゼロを超えるようにして、各プローブ及びプローブのセットが、試料の厚さ方向と直角な方向に見て、試料から僅かに離される（それらの間に最小の間隔或いは隙間を保持しつつできるだけ短く）ようにする。

プローブステージ6は、プローブ3を保持するプローブホルダ31を備えたプローブユニット33、これを保持するプローブユニットベース34およびプローブユニットベース34を大ステージ49につなぐプローブユニット台35を備える。プローブユニット33はｘ、ｙ、ｚテーブル（図示せず）を備え、３次元方向へプローブ3を移動させることができる。ベース48は試料室7の側壁に固定部材47により固定される。試料室7には試料交換室8と、プローブ交換室9とが設けてある。

試料室7には、プローブユニット33のｘ、ｙ、ｚテーブルの動作を制御する信号と、試料ステージ50のｘ、ｙ、ｚテーブル61、62、63の動作を制御する信号を試料室7の外部から送るために、面板71にフィールドスルーが設けられている。

なお、図１では、作図上の都合で試料交換室8が試料室7の右側面に接続されているように図示してあるが、実際には、図２に示したように、電子光学系装置4の下方のステージに載置しやすいように、図の手前方向の試料室7の側面に設けられている。試料交換室8の内部と試料室7の内部とはゲートバルブ21を介して接続される。試料交換室8の内部はドライポンプ52に接続され、真空処理がなされる。これにより、試料室7の真空を維持しながら搬送手段29によって試料を保持した試料ホルダ2の交換を行い得る。

試料室7の筐体の上面部には電子光学装置4およびプローブ粗寄せ画像取得装置10Aに並設し、かつプローブ粗寄せ画像取得装置10Aにより近接してプローブ交換室9が設けてある。プローブ交換室9の内部は試料室7の内部とゲートバルブ23を介して接続される。プローブ交換室9はターボ分子ポンプ（TMP）51およびこれに連結されたドライポンプ（DP）52に接続され、真空処理がなされる。試料室7の高真空を維持しながら交換手段55によってプローブユニット31の交換がなされる。試料室7には、TMP11がゲートバルブ53を介して接続され、このTMP11は、更にDP12に接続される。試料室7の筐体は、一点鎖線で示す架台25によって支持される。プローブユニット制御部およびステージ制御部からなる制御装置13およびTMP11およびDP12による高真空処理を制御する他の制御装置13Aが設けてある。制御装置13AはTMP51、DP52をも制御する。

更に、不良検査装置1は、画像表示部15および画像表示制御部16を備えたディスプレイ装置14を備え、画像表示制御部16からのプローブおよびステージ操作信号は、プローブユニット制御部およびステージ制御部に伝えられ、プローブユニット33およびステージの制御がなされる。

プローブ交換するときは、プローブユニット33のｙテーブル、ｘテーブルを所定の位置（例えば後端）に、そしてｚテーブルを所定の位置（例えば上端まで）移動させた後に行う。

電子光学系装置4からの画像情報を表示する画像表示部15に測定したい試料の部位、すなわちプローブ3を接触させたい部位を試料ステージ50を移動させて表示し、その部位にプローブ3と試料を見ながら、接触させたい試料の部位にプローブ3をプローブユニット33のｘ、ｙ、ｚテーブルを動作させて接触させることを行う。

プローブのセットが電子光学装置４の可視或いは測定可能範囲内に位置決めされるようベーステーブル４９がベースプレート４８上で移動されX-Yテーブル６４，６５が駆動された後に、試料ステージ５０が駆動されて、電子光学装置４により形成された画像を表示する画像表示部分１５上で見えるようにされるべき試料の領域、即ち、プローブにより接触される必要のある試料の領域を、プローブのセットと試料の領域の両方を観察するための電子光学装置４の可視或いは測定可能範囲内に位置決めし、その後、各プローブと試料とを画像表示部分１５上で観察しながら、各プローブが、プローブユニット３３の対応する一つのｘ、ｙ、ｚテーブルを駆動することにより、試料の領域上の電極の対応する一つに接触させられる。試料の厚さ方向におけるプローブと電極との間の接触及び離隔状態は、プローブの先端及び電極表面或いは電極表面に近接する試料の表面領域上での電子光学装置４の焦点合わせ状態から測定可能であり、即ち、プローブの先端に焦点が合う電子光学装置４の焦点位置と電極表面或いは電極表面に近接する試料の表面領域に焦点が合う電子光学装置４の焦点位置とから測定可能である。

本発明では、プローブ3およびステージの駆動装置は特に限定しないが、たとえばプローブの駆動機構にはピエゾ素子を利用したものや、DCモータ、超音波モータなどが利用される。またステージの駆動機構にはパルスモータ、DCモータ、超音波モータなどが利用される。

以下、装置の各要素の構成および動作について説明する。

１．装置の各要素の構成および動作
（１）プローブ3およびプローブユニット33
図４に示すように、複数のプローブ3（図４では６個）はそれぞれプローブホルダ31に把持され、プローブホルダ31を含んで６個のプローブユニット33が構成され、プローブユニットベース34に支持される。

図５にプローブホルダ31、プローブユニット33の詳細を示す。図５（ａ）に示すようにプローブユニット33のｚテーブル83にプローブホルダ31が挿入され、板ばね84を用いて固定する。図５（ｂ）はプローブユニット33を組み立てた図を示す。プローブホルダ31は、試料に接触させるためのプローブ3と、プローブ3を固定するためのプローブ支持棒85、プローブ支持棒85を固定するためのプローブアーム86を備える。プローブ支持棒85はパイプ状をなしている。プローブアーム86は支持棒固定部材87、絶縁リング88、連結パイプ89、絶縁リング90を有し、絶縁リング90がプローブホルダベース91に連結される。支持棒固定部材87は絶縁リング88によって連結パイプ89から絶縁され、連結パイプ89は絶縁リング90によってプローブホルダベース91から絶縁されている。支持棒固定部材87は連結パイプ89内をプローブホルダベース91の背面まで伸び、ｚテーブル83にプローブホルダ31が挿入されたとき、プローブ信号取出し電極101に接触するようになっている。プローブ信号取出し電極101はｚテーブル83から絶縁されている。連結パイプ89はｚテーブル83にプローブホルダ31が挿入されたとき、ガード信号取出し電極102に接触するようになっている。グランド信号はｚテーブル83から取出す。プローブ信号はプローブ信号取出し電極101から、ガード信号はガード信号取出し電極102から、グランド信号はｚテーブル83から三相同軸ケーブルに繋ぎ、試料室7に取付けられた三相同軸ハーメチックコネクタを介して試料室7外に導かれ、さらに三相同軸ケーブルを介してたとえば半導体パラメータアナライザなどの電気特性計測装置に連結されて、電気特性が測定される。

（２）ステージ
ステージの構成を図６、図７、図８、図９に示す。ステージは大ステージ49と試料ステージ50を備える。
（ａ）試料ステージ50
試料ステージ50は、ｙテーブル62、ｘテーブル61、およびｚテーブル63、63aを備え、それぞれのテーブルは図示しない駆動機構によってｙ、ｘおよびｚ方向に移動させられる。

ｙ、ｘテーブル62、61の移動は試料室内に置かれたDCモータでボールねじを駆動することにより行い、案内はクロスローラでなされる。図７に示すように、ｚテーブル63の移動は、ｚテーブル63aに取り付けられたDCモータ63bでかさ歯車63g、63hを介してシャフト63c、63dによりボールねじ63eを駆動することにより行う。ｚテーブルの案内はクロスローラ（図示せず）でなされる。ｚテーブル63の上に取付けられた試料ホルダ受け17に試料ホルダ2および試料2aが固定される。従って、試料2aは電子ビーム69に対してｘ、ｙ、ｚ方向に移動される。ｚテーブル63は、測定位置、試料交換位置、およびプローブ交換位置を持つ。測定位置はプローブ3を試料2aに接触させる位置であり、試料交換位置は測定位置から下がった位置、プローブ交換位置は更に下がった位置である。この位置にすることによってプローブおよび試料交換時に試料2aとプローブ3との衝突が防止される。さらに、これらの動作を行う場合、試料ステージ50にたとえばリニアスケールやエンコーダなどの距離計測素子を配し、移動距離を定量的に計測することで、より正確でかつ再現性のよい移動が可能となる。距離計測素子の取り付け位置の一例を図７および図８に示す。図７のｚテーブル63の移動距離の測定には、シャフト63cにエンコーダ63fを取り付けることで可能となる。ｘテーブル61、yテーブル62については、図８に示すようにリニアスケールを取り付けることで可能となる。ここで図８（ａ）に側面図を、図８（ｂ）に図８（ａ）の断面AA'から見た上面図を示す。リニアスケールは、ｘテーブル61、yテーブル62に取り付けたミラー61a、62aおよび測定素子61b、62bからなる。ここでは、移動距離測定に、ｚテーブル63についてはDCモータの回転角を測定するエンコーダを、およびｘテーブル61、yテーブル62についてはリニアスケールを用いたが、すべてエンコーダでもよいし、すべてリニアスケールでもよいし、またその組み合わせでもよい。

通常、SEM観察をする場合、試料ステージ50に取り付けられた試料2aは試料ステージ50や試料室7を介してグランドへつなぐことで、SEM観察中のチャージアップの影響を防ぐことができる。電気的特性を測定する場合は、試料2aは、試料ステージ50や試料室7から電気的に絶縁した方がよい。また、チャージアップの影響を防ぐためには、ビームブランキングするのがよい。

電気的絶縁のためにはたとえば図９に示したように、試料ホルダ受け17とｚテーブル63との間に絶縁材18を配し、試料2aを保持するホルダ受け17をケーブル20につなぎ、ケーブル20を固定部材47から面板71を介して真空外へと導き、切り替えスイッチ19を介してグランド端子へ導けばよい。このような構成によれば、SEM観察中に切り替えスイッチ19により試料2aをグランドへつなぐことで、上記ノイズの影響を受けないようにすることが可能になる。さらに、この切り替えスイッチ19を介してグランドではなく、適当な電気特性計測装置につなぐことで、たとえば試料2aの吸収電流値といった電気特性を試料ステージ50や試料室7からのノイズの影響を受けないで測定することが可能になる。さらに、図５に示したプローブホルダ31およびプローブユニット33と同様な構成で試料ホルダ受け17にガード電極およびグランド電極を配し、三相同軸ケーブルによって真空外へ導いてもよい。これによって試料2aの電気的な絶縁効果が向上する効果がある。

（ｂ）大ステージ49
図１０を用いて試料2aおよびプローブ3を試料室内で移動させ位置決めする手順を説明する。

図６に示したように、大ステージ49は、Ｙテーブル64、およびＸテーブル65から構成され、図示しない駆動装置によってＹ方向およびＸ方向に移動される。試料ステージ50は大ステージ49上に載置されて駆動される。

大ステージ49にはプローブステージ6を構成するプローブユニット33と、これを保持するプローブユニットベース34、プローブユニット台35が載置される。プローブユニット33は前述のように、ｙ方向、ｘ方向およびｚ方向に移動される。これによってプローブユニット33に保持されるプローブホルダ31が移動され、その先端に把持されるプローブ3がｙ方向、ｘ方向およびｚ方向に移動される。

図１０に示すように、大ステージ49はベース48上を移動され、試料ステージ50は大ステージ49上を移動される。前述のように、電子光学装置4、プローブ粗寄せ画像取得装置10Aおよびプローブ交換室9は試料室7の筐体の上面部に並設してあるので、移動機構はステージ、すなわち試料2aとプローブ3とをプローブ粗寄せ画像取得位置と、SEM観測位置とプローブ交換位置とに移動させることができる。すなわち、移動機構は、試料ステージ50とプローブステージ6を含むステージをプローブ粗寄せ画像取得装置10の垂直方向の位置と電子光学系装置4の垂直方向の位置と、そしてプローブ交換室9の垂直方向の位置との間を図１０において、Ａ、Ｂ、Ｃによって示すように移動させることができる。

従って、試料2aおよびプローブ3は、プローブ粗寄せ画像取得装置10の垂直方向の位置と電子光学系装置4の垂直方向の位置と、そしてプローブ交換室9の垂直方向の位置との間を移動させられる。

本発明では、Ａ、Ｂ、Ｃで示す移動を高真空を維持しながら行うことができるという特徴がある。このような移動方法を採用することによって、試料2aに対するプローブ3の粗寄せ、および高精度位置決めを迅速に、かつ容易に行い得る。更に、プローブ3の交換に当たっても高真空を維持しながら行うことができ、プローブ3の交換を迅速に、かつ容易に行い得る。

従って、移動機構は、試料2aおよびプローブ3を、電子光学系装置4に並列して設けられたプローブ粗寄せ画像取得装置10の直下位置から電子光学系装置4の直下位置に移動させることを高真空を維持しながら行うことができる。

（３）SEM
電子光学系装置4の一例であり、プローブ3を試料2aの目的とする場所に接触させるための観察手段に用い、試料室7の上部に配置される。真空排気はイオンポンプ44でなされる。

（４）試料室7
試料室7は上ふたと筐体である試料室ケースからなり、試料室ケースにはその側面に固定部材47を介して面板71にベース48が取り付けられ、試料室内の大ステージ49の上にプローブユニット33が載せられ、他の側面に試料交換室8が取付けられる。上ふたにはSEMの電子光学系装置4、プローブ粗寄せ画像取得装置10、プローブ交換室9が取付けられる。試料室7は架台25に取付けられた除振マウントの上に取り付けられた荷重板の上に固定される。試料室7はターボ分子ポンプ（TMP）11とドライポンプ（DP）12により真空排気される。

（５）プローブ粗寄せ用光顕、CCDカメラ、プローブ粗寄せ画像取得装置
電気特性を測定する試料2aは半導体であり、通常ソース、ドレイン、ゲート、ウェルにつながるプラグにプローブ3を接触させる。プラグは小さいもので直径数10nmの大きさであり、これにプローブを接触させるためには分解能の高いSEMが必要である。しかし、半導体試料に電子ビームを照射すると電子ビームによりダメージを受ける恐れがあり、できるだけビームの照射時間を短くすることが望ましい。そのため、画像表示部15のモニタに表示されるプローブ粗寄せ画像取得装置10の画像に基づいてあらかじめ複数のプローブを水平方向に近づけ、垂直方向は試料表面に近づけておくことを行う。プローブ粗寄せ光顕とそれに取付けられたCCDカメラから得られる像を画像表示部15のモニタ上に表示し、この画像を見ながらこの作業を行う。

モニタ上の倍率はプローブ3同士をできるだけ近づけ、かつプローブ3と試料2aを一つの画面に捕らえるため数10倍となっている。

プローブ粗寄せ光顕に隣接して光源が配置される。プローブ粗寄せ光顕とCCDカメラによる観察と、光源からの光の試料室への導入は図１に示したのぞき窓39を通して行う。

（６）試料交換室8
試料交換室8は試料室7の真空を破らずに試料2aを交換するために設けられ、ドライポンプ52で真空排気される。試料交換室8はゲートバルブ21で試料室7と仕切られる。試料2aを導入する場合は試料2aを接着した試料ホルダ2に設けられたメネジに試料2aおよび試料ホルダ2の搬送手段29である交換棒先端のオネジをねじ込み、ゲートバルブ21を開けて、試料ステージ50のｚテーブル63の上端に取付けられたホルダ受け17に挿入することによって行われる。試料2aを取り出すときはこの逆の作業を行う。これにより試料交換時間の短縮が図られる。

（７）プローブ交換室9
プローブ交換室9は試料室7の真空を破らずにプローブ3を交換するために設けられ、プローブ交換時間を短縮するためのものである。プローブ交換室9はゲートバルブ23で試料室7と仕切られる。プローブ交換室9はターボ分子ポンプ51とドライポンプ52で真空排気される。ターボ分子ポンプ51を用いたのはプローブ交換室9が大きいのでドライポンプ52だけで排気すると、プローブ交換室9の圧力が高い状態でゲートバルブ23を開けることになり、交換後の試料室7の圧力がもとの値に回復する時間が長くなるためである。

図１１は、プローブホルダ受渡し機構部を示す。図１１（ａ）はその全体を、そして図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ部の詳細を示す。

プローブ交換室9には複数のプローブホルダ31を収納するストッカ（図示せず）が配置され、ボールねじでストッカをプローブ交換棒92に対して移動する。プローブホルダ31をプローブ交換棒92直下に移動させてプローブホルダ31をストッカから抜き出し、あるいはストッカに収納する。プローブ交換棒92とプローブホルダ31の結合はプローブ交換棒92と同軸でプローブ交換棒外筒93の内部に配置された交換軸94の下端ラッチキー96を90°回転させてプローブホルダ31の上部のラッチ受け95に引っ掛けて行う。ラッチ受け95からラッチキー96をはずす場合はさらに交換軸を逆に90°回転させて行う。使い終わったプローブホルダ31はストッカごとプローブ交換室9から取り出し、新たなプローブを取付けたプローブホルダ31をストッカに挿入し、プローブ交換室9に導入する。

ストッカからプローブユニット33にプローブホルダ31を移送する場合はストッカに収納されたプローブホルダ31のラッチ受け95にプローブ交換棒ラッチキー96を引っ掛け、ラック・ピニオン機構を用いてプローブ交換棒92を上昇させて抜き出す。ゲートバルブ23を開き、プローブ交換棒92を下降させ、プローブホルダ31を試料室内に導入する。図５に示したように、プローブユニット33のｚテーブル83にはホルダ受けが設けられている。大ステージ49を用いてホルダ受けをプローブホルダ31上に移動させ、ホルダ受けとプローブホルダ31の向きをプローブ交換棒92を回して合わせ、プローブ交換棒92を降下させてプローブホルダ31をホルダ受けに挿入する。ラッチ受け95からラッチキー96をはずし、プローブ交換棒92を上昇させ、試料交換室9に引き戻し、ゲートバルブ23を閉める。

２．制御系
SEM、プローブユニット33、ステージ各部の制御は制御装置13に内蔵するそれぞれの制御回路とコンピュータを使って制御する。また、SEM、プローブユニット33、ステージは各操作パネルおよびモニタ上のGUIどちらでも操作が可能である。

制御装置13は、各ステージの位置を制御するためのステージ制御部、プローブユニット33をステージと独立に駆動するためのプローブ制御部を備える。画像制御部16は２次電子検出器制御部、電子ビーム照射光学系の制御部などを含んでいる。この他、計算処理部は、ディスプレイ装置14の制御部と一体となって試料ホルダ31や試料2a、および試料2aへのプローブ3の触針状況などを画像として表示する機能を有する。

プローブユニット33、ステージは画像表示部の操作用画面を操作することにより、操作信号を画像表示制御部を通してプローブユニット制御部、ステージ制御部に与え、プローブユニット33、ステージを移動、位置決めさせる。これとは別に、ジョイスティックを有する操作パネルを用いてプローブユニット33およびステージを移動し位置決めさせることもできる。

（１）SEM
電子銃で発生した電子ビームは集束レンズ、対物レンズを通して試料2aに照射され、試料2aから発生した２次電子を２次電子検出器で検出し、その信号をディスプレイ内で種々の電気的処理を行い、ディスプレイ装置14の画像表示部15上のモニタに試料表面の画像を映し出す。

（２）プローブユニット33
プローブユニット33のｘ、ｙ、ｚテーブルの動作を制御する信号は、図１に示したように架台25内の制御回路13の信号をステージの面板71に取付けられたフィールドスルーを介して試料室7内のプローブユニット33に与えられる。

プローブホルダ31に取り付けられたプローブ3を通して試料2aに与えられる入力信号、また試料2aから得られる出力信号は試料室7に取り付けられた３層同軸ハーメチックコネクタを介してたとえば半導体パラメータアナライザに入出力される。

（３）ステージ
ステージ上の試料ステージ50のｘ、ｙ、ｚテーブル61、62、63、大ステージ49のＸ、Ｙテーブル64、65の動作を制御する信号は、架台25内の制御回路の信号を面板71に取付けられたフィールドスルーを介して試料室内の試料ステージ50に与えられる。

３．ディスプレイ装置14
ディスプレイ装置14は、プローブ粗寄せ画像取得装置10で取得した粗寄せ画像および電子光学系装置4で取得したプローブ3の試料2aへの触針画像を表示する。すなわち、プローブ操作画面および操作手順内容を示す操作手順画面を表示する。

ユーザは、操作手順画面に表示された操作手順に従って、粗寄せ画像および触針画像を見ながら試料2aおよびプローブ3を高精度に位置決めすることを行う。

図１２は、プローブ粗寄せ画像取得装置10および電子光学系装置4を使用して画像を見ながらプローブ3を試料2aに近づけ、目標物に接触させ、観測する状況を示す。

図１２（ａ）は、プローブ粗寄せ画像取得装置10Aを使用して上方から粗寄せしたときの画像を示す。粗寄せ画像は約10倍の倍率とすることができる。図１２（ｂ）は、プローブ粗寄せ画像取得装置10Bを使用して横から粗寄せした画像を示す。試料2aにプローブ3を垂直方向に、より近づけたいために横から見ており、粗寄せ画像の倍率を上から見たものに比較して約2.5倍大きくしている。このように、プローブ粗寄せ画像取得装置10Bを横方向に取り付けることによって粗寄せ画像の倍率を上げ、プローブ3を試料2aに、より近づけることができるようになる。図１２（ｃ）は、電子光学系装置4を使用してプローブ3を試料2aの目標物100に近づけ、最終的に接触させ、測定画像（SEM画像）を取得している状況を示す。図１２（ｃ）に示した試料2aの目標物100はプラグと呼ばれるもので、この表面の下層のゲート、ソース、ドレイン等のトランジスタの基本要素につながっている。測定画像は、数千倍から数万倍である。

以上、説明した実施例は、本発明の一例を示すものであって、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

不良検査装置の構成を示す縦断面図。不良検査装置の外観を示す平面図及び側面図。不良検査装置の側面図。プローブ配置の一例を示す平面図。プローブホルダ、プローブユニットの詳細を示す斜視図及び側面図。ステージの一部の斜視図。ステージの一部の縦断面図。ステージの一部の側面図及び平面図。ステージの一部の側面図。不良検査装置の縦断面図。プローブの交換機構の構成を示す斜視図。画像が表示された画面図。

符号の説明

1…不良検査装置、2a…試料、3…プローブ、4…電子光学系装置（例えばSEM）、6…プローブステージ、7…試料室、8…試料交換室、9…プローブ交換室、10…プローブ粗寄せ画像取得装置、11…ターボ分子ポンプ（TMP）、12…ドライポンプ（DP）、13…制御装置、14…ディスプレイ装置、15…画像表示部、16…画像表示制御部。

Claims

試料の電気的特性を、該試料とプローブとの接触を介して測定するための、不良検査装置であり、
前記試料を保持するための試料テーブルと、
前記プローブを保持するためのプローブホルダと、
前記試料に光を照射して、前記プローブと前記試料との間の位置関係情報を含む画像を取得する第一画像取得装置と、
前記試料に荷電粒子ビームを照射して、前記プローブと前記試料との間の位置関係情報を含む画像を取得する第二画像取得装置と、を有し、
さらに、前記試料テーブルと前記プローブホルダとを保持し前記試料テーブルと前記プローブホルダとが相互移動可能なベーステーブルを有し、前記ベーステーブルは、前記第一画像取得装置により前記プローブと前記試料との間の位置関係情報に対応する第一位置と前記第二画像取得装置により前記プローブと前記試料との間の位置関係情報に対応する第二位置との間で移動可能とされ、
前記試料テーブルと前記プローブホルダは、これらの間の位置関係を調節して第一の位置で前記プローブと前記試料の双方を観察する範囲内の位置を設定し、第二の位置で前記プローブの前記試料に対する接触位置を設定すること
を特徴とする不良検査装置。
前記第一画像取得装置が前記試料と前記プローブとの間の位置関係情報を含む画像を取得した後に、前記第二画像取得装置は前記試料と前記プローブとの間の位置関係情報を含む画像を取得することを特徴とする請求項１に記載の不良検査装置。
前記第一画像取得装置は、相互に直角な第一方向の光軸と第二方向の光軸の各々において、前記試料と前記プローブとの間の位置関係情報を含む画像を取得可能であることを特徴とする請求項１ないし２のいずれかに記載の不良検査装置。
前記第二方向は前記試料の厚さ方向に略平行であり、前記第一画像取得装置は前記第一方向における前記試料と前記プローブとの間の位置関係情報を含む画像を第一拡大率で取得するとともに、前記第二方向における前記試料と前記プローブとの間の位置関係情報を含む画像を第二拡大率で拡大し、前記第一拡大率は前記第二拡大率より大きいことを特徴とする請求項３に記載の不良検査装置。
前記試料テーブルと前記プローブホルダは、第一の位置での観察する範囲内の位置の設定及び第二の位置での接触位置の設定を前記第一の方向において行うことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の不良検査装置。
真空状態に保つことができる試料室を備え、該試料室は、その真空状態の中で前記プローブと前記試料とを保持しつつ前記ベーステーブルが前記第一位置と前記第二位置との間で移動可能であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の不良検査装置。
前記ベーステーブルは前記プローブを交換するための第三位置を有し、前記ベーステーブルは前記第一位置と前記第二位置と前記第三位置との間で移動可能であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の不良検査装置。
前記第三位置と前記第二位置との間に前記第一位置が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の不良検査装置。
前記第一画像取得装置は、光学顕微鏡とＣＣＤカメラの少なくとも一方を備えることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の不良検査装置。
前記プローブと前記試料との間の位置関係は、前記ベーステーブルが前記第一位置から前記第二位置まで移動する間は固定されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の不良検査装置。
前記プローブの前記試料に接触する接触領域と前記試料の前記プローブを接触させる所望の領域との間の位置関係は、前記ベーステーブルが前記第一位置から前記第二位置まで移動する間は固定されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の不良検査装置。
試料とプローブとの間の位置関係を調整し、該試料と該プローブとの間の接触を介して該試料の電気的特性を測定するときのプローブ移動方法であって、
前記試料を保持する試料テーブルと前記プローブを保持するプローブホルダとを保持するベーステーブルを第一位置に位置決めし、光学顕微鏡ないしＣＣＤの少なくともいずれかにより取得される画像及び前記プローブと前記試料の双方を観察する範囲内の位置を含む該第一位置において前記試料と前記プローブとの間の位置関係情報の画像を取得する段階と、
その後、前記ベーステーブルを第二位置に位置決めして、前記試料と前記プローブとの間の位置関係情報の画像を取得する段階とを有し、
前記第一位置と前記第二位置の各々において、前記ベーステーブル上で前記試料と前記プローブとの間の位置関係を調整するように前記試料テーブルと前記プローブホルダとが前記ベーステーブル上で相互移動可能であることを特徴とするプローブ移動方法。
前記第一位置において、前記プローブと前記試料とが相互移動され、そこで該試料の厚さ方向に略平行な方向から見た前記プローブの前記試料に接触する接触領域と前記試料の前記プローブが接触する所望の領域との間の距離を保つ隙間をそれらの間に形成するように、前記プローブの前記試料に接触する接触領域と前記試料の前記プローブが接触する所望の領域とが相互に離されている隣接位置に、それぞれ位置決めされ、その後、前記第二位置において、前記プローブと前記試料とが相互移動されて、前記プローブの前記試料に接触する接触領域と前記試料の前記プローブに接触する所望の領域とが相互接触されることを特徴とする請求項１２に記載のプローブ移動方法。
前記第一位置において、相互に直角な第一方向の光軸と第二方向の光軸の各々において前記プローブと前記試料との間の位置関係情報を含む画像が取得され、前記第二方向は試料の厚さ方向に略平行であり、前記第一方向における前記プローブと前記試料との間の位置関係情報を含む画像を第一拡大率で取得し、前記第二方向における前記プローブと前記試料との間の位置関係情報を含む画像を第二拡大率で取得し、前記第一拡大率は前記第二拡大率より大きいことを特徴とする請求項１２ないし１３のいずれかに記載のプローブ移動方法。
真空環境が前記ベーステーブルの周囲に維持され、該ベーステーブルが前記第一位置と前記第二位置との間を移動するとき、前記プローブと前記試料とも該真空環境中に維持されることを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれかに記載のプローブ移動方法。
前記プローブを交換するための第三位置を設け、前記第一位置は前記第二位置と前記第三位置との間に設けられ、前記ベーステーブルは前記第一位置と前記第二位置と前記第三位置との間で移動されることを特徴とする請求項１２ないし１５のいずれかに記載のプローブ移動方法。
前記プローブと前記試料との間の位置関係は、前記ベーステーブルが前記第一位置から前記第二位置まで移動される間は固定されていることを特徴とする請求項１２ないし１６のいずれかに記載のプローブ移動方法。
試料にプローブを触針して試料の電気的特性を測定する不良検査装置において、
荷電粒子ビーム照射手段を含んで構成される電子光学系装置と、試料を載置する試料ステージと、該試料ステージを内蔵する試料室と、該試料室内で試料に触針するプローブを備えたプローブホルダと、該プローブホルダを移動させるプローブユニットと、前記試料室に接続され、前記試料を一時貯留する試料交換室と、該試料交換室と前記試料室の間で前記試料を搬送させる搬送手段とを備え、プローブ粗寄せ画像取得装置を前記電子光学系装置に並列して設けてあり、前記試料ステージおよび前記プローブユニットを前記プローブ粗寄せ画像取得装置の垂直方向の位置と前記電子光学系装置の垂直方向の位置との間で水平方向に移動させることを特徴とする不良検査装置。
前記プローブ粗寄せ画像取得装置は、上方と横方向からの２方向から十字配置されることを特徴とする請求項１８記載の不良検査装置。
上方と横方向からの２方向から十字配置された前記プローブ粗寄せ画像取得装置によって粗寄せ画像が取得され、横方向からの粗寄せ画像の倍率は、上方からの粗寄せ画像の倍率よりも大きいことを特徴とする請求項１８記載の不良検査装置。
前記プローブ粗寄せ画像取得装置は、前記電子光学系装置に並列して設けられた光学顕微鏡とこれに取付けられたＣＣＤカメラとを備え、前記搬送手段は、前記試料および前記プローブを前記プローブ粗寄せ画像取得装置の直下位置から前記電子光学系装置の直下位置に真空を維持しながら移動させることを特徴とする請求項１８記載の不良検査装置。
試料にプローブを触針して試料の電気的特性を測定する不良検査装置において、
電子ビーム照射手段を含んで構成される電子光学系装置と、試料を載置する試料ステージと、該試料ステージを内蔵する試料室と、該試料室内で試料に触針するプローブを備えたプローブホルダと、該プローブホルダを移動させるプローブユニットと、前記試料室に接続され、前記試料を一時貯留する試料交換室と、該試料交換室と前記試料室の間で前記試料を搬送させる搬送手段とを備え、プローブ粗寄せ画像取得装置および前記試料室に接続され、前記プローブホルダを一時貯留するプローブ交換室を前記電子光学系装置に並列して設けてあり、前記試料ステージおよびプローブユニットを前記プローブ粗寄せ画像取得装置の垂直方向の位置と前記電子光学系装置の垂直方向の位置と、そして前記プローブ交換室の垂直方向の位置との間で水平方向に移動させることを特徴とする不良検査装置。
前記プローブ粗寄せ画像取得装置は、上方と横方向からの２方向から十字配置されることを特徴とする請求項２２記載の不良検査装置。
上方と横方向からの２方向から十字配置された前記プローブ粗寄せ画像取得装置によって粗寄せ画像が取得され、横方向からの粗寄せ画像の倍率は、上方からの粗寄せ画像の倍率よりも大きいことを特徴とする請求項２２記載の不良検査装置。
前記プローブ粗寄せ画像取得装置は、前記電子光学系装置に並列して設けられた光学顕微鏡とこれに取付けられたＣＣＤカメラとを備え、前記搬送手段は、前記試料および前記プローブを前記プローブ粗寄せ画像取得装置の直下位置から前記電子光学系装置の直下位置に真空を維持しながら移動させることを特徴とする請求項２２記載の不良検査装置。
試料にプローブを触針して試料の電気的特性を測定する不良検査装置において、
電子ビーム照射手段を含んで構成される電子光学系装置と、試料を載置する試料ステージと、該試料ステージを内蔵する試料室と、該試料室内で試料に触針するプローブを備えたプローブホルダと、該プローブホルダを移動させるプローブユニットと、前記試料室に接続され、前記試料を一時貯留する試料交換室と、該試料交換室と前記試料室の間で前記試料を搬送させる搬送手段とを備え、プローブ粗寄せ画像取得装置を前記電子光学系装置に並列して設けてあり、前記試料ステージおよびプローブユニットを載置し、前記プローブ粗寄せ画像取得装置の直下まで移動可能な大ステージを含んで構成されることを特徴とする不良検査装置。
請求項２６において、前記プローブ粗寄せ画像取得装置は、上方と横方向からの２方向から十字配置されることを特徴とする不良検査装置。
前記プローブ粗寄せ画像取得装置の配設位置は、前記プローブ交換室の配設位置よりも前記電子光学系装置に近接していることを特徴とする請求項２６記載の不良検査装置。
前記プローブ粗寄せ画像取得装置は、上方と横方向からの２方向
から十字配置されることを特徴とする請求項２８記載の不良検査装置。
上方と横方向からの２方向から十字配置された前記プローブ粗寄せ画像取得装置によって粗寄せ画像が取得され、横方向からの粗寄せ画像の倍率は、上方からの粗寄せ画像の倍率よりも大きいことを特徴とする請求項２６記載の不良検査装置。
前記プローブ粗寄せ画像取得装置は、前記電子光学系装置に並列して設けられた光学顕微鏡とこれに取付けられたＣＣＤカメラとを備え、前記搬送手段は、前記試料および前記プローブを前記プローブ粗寄せ画像取得装置の直下位置から前記電子光学系装置の直下位置に真空を維持しながら移動させることを特徴とする請求項２６記載の不良検査装置。
試料にプローブを触針して試料の電気的特性を測定する不良検査装置のプローブ位置決め方法において、
前記プローブと前記試料の前記プローブを接触させる位置との光学画像を取得し、該光学画像に基づいて前記試料に対する前記プローブの粗寄せを行い、前記試料と前記プローブとを同時に移動させ、前記試料に電子ビームを照射して電子ビーム画像を取得し、該電子ビーム画像に基づいて前記試料に対する前記プローブの位置付けを行うことを特徴とするプローブ位置決め方法。
前記プローブ粗寄せ画像取得装置で取得した粗寄せ画像および前記電子光学系装置で取得したプローブの試料への触針画像をディスプレイ装置に表示することを特徴とする請求項３２記載のプローブ位置決め方法。
上方と横方向からの２方向から十字配置されたプローブ粗寄せ画像取得装置によって粗寄せ画像が取得され、横方向からの粗寄せ画像の倍率は、上方からの粗寄せ画像の倍率よりも大きいことを特徴とする請求項３３記載のプローブ位置決め方法。
試料にプローブを触針して試料の電気的特性を測定する不良検査装置のプローブ位置決め方法において、前記不良検査装置は、電子ビーム照射手段を含んで構成される電子光学系装置と、試料を載置する試料ステージと、該試料ステージを内蔵する試料室と、該試料室内で試料に触針するプローブを備えたプローブホルダを移動させるプローブユニットと、前記試料室に接続され、前記試料を一時貯留する試料交換室と、該試料交換室と前記試料室の間で前記試料を搬送させる搬送手段とを備え、
前記搬送手段は、前記試料および前記プローブを、前記電子光学系装置に並列して設けられた光学顕微鏡とこれに取付けたＣＣＤカメラとからなるプローブ粗寄せ画像取得装置の直下位置から前記電子光学系装置の直下位置に真空を維持しながら移動させることを特徴とするプローブ位置決め方法。
試料にプローブを触針して試料の電気的特性を測定する不良検査装置のプローブ移動方法において、前記不良検査装置は、電子ビーム照射手段を含んで構成される電子光学系装置と、試料を載置する試料ステージと、該試料ステージを内蔵する試料室と、該試料室内で試料に触針するプローブを備えたプローブホルダを移動させるプローブユニットと、前記試料室に接続され、前記試料を一時貯留する試料交換室と、該試料交換室と前記試料室の間で前記試料を搬送させる搬送手段とを備え、
前記搬送手段は、前記試料および前記プローブを、前記電子光学系装置に並列して設けられた光学顕微鏡とこれに取付けたＣＣＤカメラとからなるプローブ粗寄せ画像取得装置の直下位置から前記電子光学系装置の直下位置に真空を維持しながら移動させるとともに、前記電子光学系装置に並列して設けられたプローブ交換室の直下位置に真空を維持しながら移動させることを特徴とするプローブ移動方法。