JP5272449B2

JP5272449B2 - 探針の製造方法

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Publication number: JP5272449B2
Application number: JP2008053921A
Authority: JP
Inventors: 俊哉西海; 修身永野
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-03-04
Also published as: JP2009210430A

Description

本件は、半導体装置に代表される電子デバイスの電気的特性を検査するために用いられる探針の製造方法に関する。

通常、半導体装置に代表される電子デバイスにおいて、その電気的特性を直接測定する不良検査装置として、いわゆるナノプローブ装置が用いられる。このナノプローブ装置は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）内に導電性のメカニカルプローブが探針（プローブ針）として配置されてなるものである。このプローブ針としては、いわゆる９０ｎｍテクノロジーのトランジスタを測定対象とした場合、Ｗ線を母材とし、このＷ線を、電解研磨により先端径が１３０ｎｍ、先端角度が３０°を目標値として加工したものが用いられている。

特開平１０−１０１５４号公報特開２００６−３００６８７号公報

従来の電解研磨により、プローブ針を先端径が１３０ｎｍ、先端角度が３０°となるように形成する場合、実際に形成されるプローブ針では、その先端径が１００ｎｍ〜１８０ｎｍ程度の範囲で変動したものとなる。９０ｎｍテクノロジーのトランジスタを測定対象とする場合には、先端径にこの程度の変動が生じても特に問題とはならず、６５ｎｍテクノロジーまでは対応可能とされていた。

しかしながら昨今では、９０ｎｍテクノロジーに代わり新たに４５ｎｍテクノロジーのトランジスタが台頭している。この４５ｎｍテクノロジーではプローブ針に更なる高精度が要求され、従来の電解研磨を用いた技術ではその先端径の変動量が無視できないものとなり、対応不能となっている。

この問題に対処する方策として、例えば特許文献１，２のように、Ｗ線に電解研磨を複数回適宜施して尖端なプローブ針を得る技術が提案されている。しかしながらこの場合、追加の電解研磨によりＷの結晶状態が劣化し、強度が著しく低下するという問題が生じる。また、プローブ針の電解研磨は極めてデリケートな作業であるため、電解研磨の回数が多いほどその失敗する確率が増加し、歩留りが低下するという問題もある。

本件は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、歩留り良く安定して極めて高い精度で所期の尖端なプローブ針を容易に得ることができ、例えば４５ｎｍテクノロジーのトランジスタの電気的特性検査においても、これを確実に行うことを可能とする探針の製造方法を提供することを目的とする。

本件の探針の製造方法は、探針を製造するに際して、前記探針の母材となる線状部材は、Ｗを材料とし、その直径が０．０５ｍｍであり、前記線状部材に、０．８Ａ以上０．９Ａ以下の電流を０．５秒以上３秒以下の通電時間で通電する工程と、前記通電後の前記線状部材の先端部分を電解研磨する工程とを含む。

本件によれば、歩留り良く安定して極めて高い精度で所期の尖端なプローブ針を容易に得ることができ、例えば４５ｎｍテクノロジーのトランジスタを対象とした電気的特性検査においても、これを確実に行うことが可能となる。

―本件の基本骨子―
本件の発明者は、極めてデリケートな作業である電解研磨を複数回行うことなく、高い精度で所期の尖端な探針（プローブ針）を得るべく種々の実験を重ね、鋭意検討した結果、電解研磨を行う前に、プローブ針の母材となる線状部材の状態において、その結晶性及び表面の清浄度が特に重要であることに想到した。

本件では、上記の知見に基づき、電解研磨を行う前に、プローブ針の母材となる線状部材に通電し、線状部材の結晶性を整えるとともに、線状部材の表面に付着する塵芥等の微細な異物を除去し、表面清浄化を行う。当該通電工程としては、その印加電流の制御が容易であることを考慮して、後述するように線状部材に０．８Ａ以上０．９Ａ以下の範囲内の値の電流を印加することが好適である。

そして、このように通電することで優れた結晶状態及び表面清浄状態とされた線状部材から針状部材を切り出し、この針状部材の先端部分を電解研磨する。この電解研磨は１回のみで良い。当該電解研磨工程では、後述するように、周波数が１８０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下、振幅が４Ｖ以上５Ｖ以下の条件で線状部材に交流電圧を印加することにより、歩留り良く安定して極めて高い精度で所期の尖端なプローブ針を得ることができる。このプローブ針は、先端径が８０ｎｍ以下で且つ先端角度が２０°以下であり、先端部位が凹湾曲状の側面を有する先細り形状に形成される。このプローブ針により、例えば４５ｎｍテクノロジーのトランジスタの電気的特性検査に十分対処することが可能となる。

―本件を適用した好適な実施形態―
以下、本件を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態によるプローブ針の製造方法を工程順に示すフロー図である。

本実施形態では先ず、図２に示すように、プローブ針の母材となる線状部材として例えばタングステン（Ｗ）線１を用意し、このＷ線１の両端に基材として例えば銅（Ｃｕ）の鋼管２を取り付ける（ステップＳ１）。ここで、Ｗ線１としては例えば長さが４ｍｍ程度、直径が０．０５ｍｍ程度のものが好適である。なお、当該線状部材の材料としてはＷに限定されるものではなく、例えばＷ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｕ合金、Ｃｒ合金等を用いることもできる。また、基材の材料としてもＣｕに限定されるものではなく、例えばＣｕ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金等を用いることもできる。

続いて、各鋼管２間に電流を印加し、Ｗ線１に通電する（ステップＳ２）。このステップＳ２について、図３を用いて詳述する。
ステップＳ２は、以下のステップＳ１１〜Ｓ１３により構成される。
先ず、Ｗ線１を純水内に浸漬させて超音波を印加し、その表面を洗浄する（ステップＳ１１）。

次に、例えば図４に示すようにして、電源１１により各鋼管２間に直流電流を印加し、Ｗ線１に通電する（ステップＳ１２）。
詳細には、耐酸化性の雰囲気、例えば窒素（Ｎ₂）などの不活性ガス雰囲気内において、電流制御部１２による電流制御により、Ｗ線１に例えば０．８Ａ以上１．０Ａ以下、好ましくは０．８Ａ以上０．９Ａ以下の範囲内の直流電流を例えば０．５秒以上３秒以下程度印加する。本実施形態では例えば、直流電流を０．８５Ａで１秒間の条件により、当該通電工程を実行する。また、Ｎ₂雰囲気に代わり、水素（Ｈ₂）雰囲気内、ＨｅやＡｒ等の不活性ガス等の耐酸化性の雰囲気内で当該通電工程を行うようにしても良い。
この通電により、Ｗ線１の結晶性が整えられるとともに、Ｗ線１の表面に付着していた塵芥等の微細な異物が除去され、表面が清浄化される。このステップＳ１２については、その実験結果について後述する。

次に、結晶性が整えられて表面清浄化されたＷ線１を純水内に浸漬させて超音波を印加し、更にその表面を洗浄する（ステップＳ１３）。超音波洗浄は、通電ステップの前と後のいずれか一方だけ行なっても良く、また前と後の両方で行なっても良い。

ここで、ステップＳ１，Ｓ２については、上記したように実行する代わりに、例えば以下のようにしても良い。
プローブ針の母材となる線状部材として例えばタングステン（Ｗ）線１０を用意する。Ｗ線１０としては例えば長さが５０ｃｍ程度、直径が０．０５ｍｍ程度のものが好適である。Ｗ線１と同様に、線状部材としてはＷに限定されるものではない。

続いて、ステップＳ１１と同様に、Ｗ線１０を純水内に浸漬させて超音波を印加し、その表面を洗浄した後、ステップＳ１２と同様に、例えば図５に示すように、Ｗ線１０の各端を例えばそれぞれワニ口クリップ１３で基台１４に固定して、電源１１によりＷ線１０に直流電流を印加する。ここでは上記と同様に、電流制御部１２による電流制御により、Ｗ線１に例えば０．８Ａ以上１．０Ａ以下、好ましくは０．８Ａ以上０．９Ａ以下の範囲内の直流電流を例えば０．５秒以上３秒以下、ここでは１秒間程度印加する。
この通電により、Ｗ線１０の結晶性を整えられるとともに、Ｗ線１０の表面に付着していた塵芥等の微細な異物が除去され、表面が清浄化される。

その後、ステップＳ１３と同様に、Ｗ線１０を純水内に浸漬させて超音波を印加し、更にその表面を洗浄する。
以下、Ｗ線１０には、Ｗ線１と同様に後述する各ステップＳ３〜Ｓ５が施される。

続いて、Ｗ線１を所期の長さ（２ｍｍ〜３ｍｍ程度）に切断する（ステップＳ３）。
詳細には、図６に示すように、Ｗ線１をその中央部位で切断し、それぞれ一端に鋼管２が設けられた長さ２ｍｍ程度の一組のＷ線１ａとする。
なお、Ｗ線１０の場合には、Ｗ線１０から所期の長さ（２ｍｍ〜３ｍｍ程度）の各Ｗ線を切り出し、図６と同様に、各Ｗ線の一端に基材として例えば鋼管２を取り付ける。

続いて、例えば図７に示すように、交流電源１５と、例えば１molのＫＯＨ水溶液とを用意する（ステップＳ４）。ＫＯＨ水溶液の代わりにＮａＯＨ水溶液等のアルカリ水溶液を用いても良い。

続いて、各Ｗ線１ａの先端部分を電解研磨する（ステップＳ５）。
詳細には、Ｗ線１ａの先端から例えば２ｍｍ程度までＫＯＨ水溶液に浸漬させた状態として、鋼管２の一端からＷ線１ａに交流電源１５から交流電圧を印加する。印加する交流電圧としては、周波数が１８０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下、振幅が４Ｖ以上５Ｖ以下、電圧オフセットが０Ｖ又は１Ｖの範囲内の各条件とする。本実施形態では例えば、周波数が２００Ｈｚ、振幅が４Ｖ、オフセット電圧が０Ｖ又は１Ｖ（ここでは１Ｖ）の各条件により、当該電解研磨工程を１回実行する。
このステップＳ５については、その実験結果について後述する。

ステップＳ２で結晶性を整えられ、表面清浄化されてなるＷ線１ａは、このステップＳ５の電解研磨により加工されてプローブ針が完成する。このプローブ針は、その先端部分が、先端径が８０ｎｍ以下で且つ先端角度が２０°以下であり、先端部分が凹湾曲状の側面を有する先細り形状とされる。ここで、「凹湾曲状の側面を有する先細り形状」とは、先端が尖った先細り形状の先端部分の縦断面を見た場合に、側面に沿った線が凹状の曲線となる場合を意味する。本実施形態では特に、プローブ針は、その先端部分の根元部位で比較的大きな凹湾曲状となる。その一方で、先端部分の根元部位以外の部位では、当該根元部位に比べて緩やかな凹湾曲状であるか、又は縦断面を見た場合に側面に沿った線がほぼ直線状となる。

（ステップＳ１２の実験結果）
以下、上記したステップＳ１２の実験結果について説明する。
この実験は、ステップＳ１２の通電工程について、両端に鋼管２が取り付けられたＷ線１に、０．７２Ａ〜１．０Ａの範囲内で１秒間、直流電流の通電を行い、通電後のＷ線１の表面状態、ここではサンプル１〜８の表面状態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察するものである。

実験結果を図８の表に示す。
先ず、通電工程を施さない未処理のサンプルでは、Ｗ線１の表面には微細な異物が付着しており、Ｗの結晶状態は不良である。
この実験結果において、サンプル１〜４では、Ｗ線１の表面には未だ微細な異物が付着していた。また、Ｗの結晶状態は良好であるとは言えない。これに対してサンプル５〜８では、Ｗ線１の表面には微細な異物の残存が見られず、Ｗの結晶状態は極めて良好であった。ここで、サンプル８の条件である１．０Ａの通電では、Ｗ線１の表面には微細な異物の残存が見られないが、後の実験結果でごくまれにＷの結晶状態が良いとは言えない場合が見られた。

以上の実験結果から、当該通電工程の電流値は、０．８Ａ以上１．０Ａ以下、更に好ましくは０．８Ａ以上０．９Ａ以下の範囲が適正範囲であることが判る。
このように、電解研磨工程の前処理として、当該範囲内の電流をＷ線１へ通電することにより、Ｗ線１の結晶性が整えられるとともに、Ｗ線１の表面に付着していた塵芥等の微細な異物が除去され、表面が清浄化されることが確認された。

（ステップＳ５の実験結果）
以下、上記したステップＳ５の実験結果について説明する。
先ず始めに、当該電解研磨工程において、Ｗ線１ａに印加する交流電圧の周波数、振幅、電圧オフセットのそれぞれの貢献について調べた。なお、交流電圧の周波数、振幅、電圧オフセットは図９のように定義される。

振幅及び電圧オフセットをそれぞれ４Ｖ、６Ｖ、８Ｖ及び０Ｖ、１Ｖ、２Ｖの組み合わせで周波数を１００Ｈｚ〜２００Ｈｚまで適宜振ったとき（１００Ｈｚ，１５０Ｈｚ，２００Ｈｚ）のＷ線１ａの先端径及び先端角度を、図１０（ａ），（ｂ）に示す。
このように、周波数のみで見た場合、周波数が高い方が先端径の小さいプローブ針が形成される。

周波数及び電圧オフセットをそれぞれ１００Ｈｚ，１５０Ｈｚ，２００Ｈｚ及び０Ｖ、１Ｖ、２Ｖの組み合わせで振幅を４Ｖ〜８Ｖまで適宜振ったとき（４Ｖ，６Ｖ，８Ｖ）のＷ線１ａの先端径及び先端角度を、図１１（ａ），（ｂ）に示す。
このように、振幅のみで見た場合、振幅が小さい方が先端径の小さいプローブ針が形成される。

周波数及び振幅をそれぞれ１００Ｈｚ，１５０Ｈｚ，２００Ｈｚ及び０Ｖ、１Ｖ、２Ｖの組み合わせで電圧オフセットを０Ｖ〜２Ｖまで適宜振ったとき（０Ｖ，１Ｖ，２Ｖ）のＷ線１ａの先端径及び先端角度を、図１２（ａ），（ｂ）に示す。
このように、電圧オフセットのみで見た場合、電圧オフセットの変化はプローブ針の先端径に殆ど影響を与えない。なお、電圧オフセットを高く設定すると、電解研磨時に泡が発生しなくなる。

上記の結果を考慮して、ステップＳ５の実験を行った結果を図１３の表に示す。ここでは、各サンプル１〜１６として、同一条件でそれぞれ２つずつプローブ針を作製した。
この実験結果から判るように、印加する交流電圧の振幅が２Ｖの場合には、電解研磨によるＷ線１ａの先端部分のエッチングにバラツキが生じている。振幅を小さく設定すると、エッチング時間が長くなり、これに起因してバラツキが発生するものと思われる。これに対して、振幅が４Ｖの場合には、電解研磨におけるエッチングのバラツキは殆ど見られない。なお実験結果は示さないが、振幅が５Ｖ程度まではエッチングのバラツキがない結果が得られるが、５Ｖを超える値、例えば６Ｖ以上となると、逆にエッチング時間が短くなり過ぎ、先端径の小さいプローブ針が作製できない。従って、当該電解研磨における交流電圧の振幅の訂正範囲は、４Ｖ以上５Ｖ以下であると結論付けることができる。

この結果を踏まえ、印加する交流電圧の振幅を４Ｖ以上５Ｖ以下とした場合、印加する交流電圧の周波数が１６０Ｈｚの場合では、先端径の比較的大きいプローブ針が作製されてしまうことが見られた。これに対して、周波数が１８０Ｈｚ以上では、２５０Ｈｚの場合でも、先端径が８０ｎｍ以下の安定した結果が得られた（当該実験結果では、４２ｎｍ程度〜７８ｎｍ程度の先端径が得られた。）。従って、当該電解研磨における交流電圧の周波数の訂正範囲は１８０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下であると結論付けることができる。

また、印加する交流電圧の振幅を４Ｖ以上５Ｖ以下、且つ周波数を１８０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下とした場合、プローブ針の先端部分における先端角度については、ほぼ２０°以下の安定した結果が得られた（当該実験結果では、１４°程度〜２０°程度の先端径が得られ、まれに２０°を若干超える程度の値が見られた。）。
以上から、当該電解研磨工程における印加交流電圧は、周波数が１８０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下、振幅が４Ｖ以上５Ｖ以下の範囲内が適正範囲であることが判る。なお、電圧オフセットは０Ｖ又は１Ｖであるが、例えば０Ｖ〜２Ｖであれば特に問題はない。

以上説明したように、０．８Ａ以上１．０Ａ以下、更に好ましくは０．８Ａ以上０．９Ａ以下の範囲内の電流値でステップＳ１２の通電工程を行うとともに、周波数が１８０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下、振幅が４Ｖ以上５Ｖ以下の範囲内の交流電圧で１回の電解研磨工程を行うことにより、歩留り良く安定して極めて高い精度で所期の尖端なプローブ針を得ることができる。

（本実施形態で得られたプローブ針の具体的形態）
本実施形態で得られたプローブ針の具体的形態について、従来技術で作製された比較例のプローブ針との比較に基づき、以下で説明する。

比較例によるプローブ針は、通電工程を含むステップＳ２を行うことなく、電解研磨工程を行って作製されたものである。この電解研磨工程の具体的な条件としては、電解研磨工程を周波数が１５０Ｈｚ、振幅が６Ｖ、電圧オフセットが１Ｖとして、１回の電解研磨を行った。
本実施形態によるプローブ針は、上記したように、通電工程を０．８５Ａで１秒間行うとともに、周波数が２００Ｈｚ、振幅が４Ｖ、電圧オフセットが１Ｖとして、１回の電解研磨を行った。

図１４は、プローブ針の模式図であり、（ａ）が比較例によるプローブ針を、（ｂ）が本実施形態によるプローブ針をそれぞれ示す。
比較例によるプローブ針２１では、先端が尖った先細り形状の先端部分２１ａの縦断面を見た場合に、側面に沿った線が直線状となっている。
これに対して本実施形態によるプローブ針２２では、先端部分２２ａが凹湾曲状の側面を有する先細り形状、即ち、先端が尖った先細り形状の先端部分２２ａの縦断面を見た場合に、側面に沿った線が凹状の曲線となっている。本実施形態によるプローブ針２２は、その先端部分２２ａが、先端径が８０ｎｍ以下で且つ先端角度が２０°以下であり、先端部分２２ａの根元部位２３で比較的大きな凹湾曲状で、先端部分２２ａの根元部位２３以外の部位では、当該根元部位２３に比べて緩やかな凹湾曲状となっている。プローブ針２２では、この形状とされることにより、耐久性に優れ、また電気的特性検査時の当接部位への接触状態が良好となる。

比較例によるプローブ針及び本実施形態によるプローブ針を用いて、４５ｎｍテクノロジーのトランジスタを対象とした電気的特性検査を行う場合について、以下で説明する。
４５ｎｍテクノロジーのトランジスタでは、その配線構造のビア部（上下の配線間を接続する接続部分）の直径は８０ｎｍ程度となる。

比較例によるプローブ針を直径８０ｎｍ程度のビア部に当接させる場合、例えば図１５（ａ）に示すように、プローブ針２１にビア部２４が隠れてしまい、プローブ針２１のビア部２４への接触状態を確認（ＳＥＭ等を用いた視認）することができない。
これに対して、本実施形態によるプローブ針の先端を直径８０ｎｍ程度のビア部に当接させる場合、例えば図１５（ｂ）に示すように、先端径及び先端角度が比較例よりも小さく、４５ｎｍテクノロジーのトランジスタに適応した小値とされているため、プローブ針２２にビア部２４が隠れることなく、プローブ針２２のビア部２４への接触状態を十分に確認（ＳＥＭ等を用いた視認）することができる。

更に、直径８０ｎｍ程度のビア部が複数密集して設けられている部位に対応すべく、比較例による複数のプローブ針の先端を各ビア部にそれぞれ当接させる場合、例えば図１６（ａ）に示すように、各プローブ針２１の先端を適宜ビア部２４に当接させることができない。従って、各ビア部２４について同時に電気的特性を測定することは不可能である。
これに対して、本実施形態による複数のプローブ針の先端を各ビア部にそれぞれ当接させる場合、例えば図１６（ｂ）に示すように、各プローブ針２２の先端を適宜ビア部２４に当接させることができる。従って、各ビア部２４について同時に電気的特性を測定することが可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、歩留り良く安定して極めて高い精度で所期の尖端なプローブ針を容易に得ることができ、例えば４５ｎｍテクノロジーのトランジスタを対象とした電気的特性検査においても、これを確実に行うことが可能となる。

本実施形態によるプローブ針の製造方法を工程順に示すフロー図である。プローブ針の母材が基材に取り付けられた様子を示す模式図である。通電工程を詳述するフロー図である。通電工程を行う様子を示す模式図である。通電工程を行う他の例を示す模式図である。プローブ針の母材を切断した様子を示す模式図である。電解研磨工程を行う様子を示す模式図である。通電工程の実験結果を示す表である。交流電圧の周波数、振幅、電圧オフセットの定義を示す図である。振幅及び電圧オフセットを固定し、周波数を適宜振ったときの電解研磨工程によるプローブ針の先端径及び先端角度を示す特性図である。周波数及び電圧オフセットを固定し、振幅を適宜振ったときの電解研磨工程によるプローブ針の先端径及び先端角度を示す特性図である。周波数及び振幅を固定し、電圧オフセットを適宜振ったときの電解研磨工程によるプローブ針の先端径及び先端角度を示す特性図である。電解研磨工程の実験結果を示す表である。本実施形態及び比較例によるプローブ針について、その模式描画を示す図である。本実施形態及び比較例によるプローブ針による電気的特性試験時の様子を示す模式図である。本実施形態及び比較例によるプローブ針による電気的特性試験時の様子を示す模式図である。

符号の説明

１，１ａ，１０Ｗ線
２鋼管２
１１電源
１２電流制御部
１３ワニ口クリップ
１４基台
１５交流電源
２１，２２プローブ針
２１ａ，２２ａ先端部分
２３根元部位
２４ビア部

Claims

探針を製造するに際して、
前記探針の母材となる線状部材は、Ｗを材料とし、その直径が０．０５ｍｍであり、
前記線状部材に、０．８Ａ以上０．９Ａ以下の電流を０．５秒以上３秒以下の通電時間で通電する工程と、
前記通電後の前記線状部材の先端部分を電解研磨する工程と
を含むことを特徴とする探針の製造方法。
前記線状部材に通電する工程は、不活性ガス雰囲気中で実行されることを特徴とする請求項１に記載の探針の製造方法。
前記線状部材に通電する工程は、その前又は後に、前記線状部材を純水内に浸漬させて超音波を印加して洗浄する前処理工程又は後処理工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の探針の製造方法。
前記線状部材を電解研磨する工程において、周波数が１８０Ｈｚ以上２５０Ｈｚ以下、振幅が４Ｖ以上５Ｖ以下の条件で、前記線状部材に交流電圧を印加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の探針の製造方法。