JPH10213636A - 原子間力顕微鏡法を使用した電気波形を測定する方法及び装置 - Google Patents

原子間力顕微鏡法を使用した電気波形を測定する方法及び装置

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JPH10213636A
JPH10213636A JP9307449A JP30744997A JPH10213636A JP H10213636 A JPH10213636 A JP H10213636A JP 9307449 A JP9307449 A JP 9307449A JP 30744997 A JP30744997 A JP 30744997A JP H10213636 A JPH10213636 A JP H10213636A
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sampling signal
sampling
cantilever
afm
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JP9307449A
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Christopher G Talbot
グラハム タルボット クリストファー
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 原子間力顕微鏡を使用して波形のサンプリン
グを改良することを可能とする方法及び装置を提供す
る。 【解決手段】 繰返しテストパターンが印加されるＩＣ
装置において波形をサンプリングする場合に、（ａ）興
味のある特徴を含むテスト信号の一部を画定し、（ｂ）
テスト信号パターンの一連の相次ぐ繰返しに対し該一部
の期間中に所定の点においてＩＣ装置の表面に隣接した
ＡＦＭ装置へ前記興味のある特徴よりも実質的に短い期
間を有するサンプリング信号を印加し、（ｃ）前記サン
プリング信号の印加によりＡＦＭ装置内の片持梁の撓み
を測定し、（ｄ）前記片持梁の測定した撓みから前記所
定の点における電圧を決定する、上記各ステップを有し
ている。これらのステップは、興味のある部分の幾つか
の点において適用し且つ測定値を積分し且つ表示させる
ことが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣにおける与え
られた位置においての波形をサンプルするために原子間
力顕微鏡法を使用してＩＣ装置における電気波形を測定
することを可能とする技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】周期的な電気波形を測定するために原子
間力顕微鏡法を使用することは、米国特許第５，３８
１，１０１号及び米国特許第５，４８８，３０５号にお
いて提案されている。これらの特許は、引用によって本
明細書に取込むものであり、それらは、このような測定
を行なうために使用することの可能なシステムを記載し
ている。このシステムを図１に示してあり、それは従来
のＸＹステージ１２へ接続されているシステムコントロ
ーラ１０と、片持梁位置決定光学系１４とを有してい
る。コントローラ１０は、典型的に、ＸＹステージ１２
に対して位置制御情報を供給することの可能なマイクロ
プロセサ又は専用のコンピュータを使用して実現され
る。ステージ１２は、テスト中のＩＣサンプル（即ち、
ＤＵＴ）１６を、市販されている操作型プローブ顕微鏡
の片持梁先端部１８と相対的に、所望の位置へ並進運動
させる。先端部１８は片持梁２０へ結合されており、片
持梁２０は、先端部１８とサンプル１６との間の電界に
よって変位可能である。該先端部は、例えばアルミニウ
ム等の導電性物質から構成することが可能であり、又
は、導電性物質でコーティングすることが可能である。
一方、先端部１８は、片持梁２０と一体的に形成するこ
とが可能である。検知光学系２２は、サンプル１６の表
面と相対的な先端部１８の変位即ち撓みを表わす検知信
号を供給する。検知光学系２２は、フォーカスさせた光
学ビームで片持梁２０を照射するためのレーザ源２４を
有している。このビームの一部は、該片持梁によって反
射され且つ従来の位置検知器２６上に入射する。その結
果検知器２６によって発生される信号は、波形を表示す
るために使用することが可能である。
【０００３】使用について説明すると、繰返しテスト信
号がＤＵＴへ印加され、且つＤＵＴの表面において繰返
し周波数ｆを有する周期的な電気波形として表われる。
片持梁及び先端部へサンプリング信号を印加すためにパ
ルス発生器２８が使用されている。該サンプリング信号
は、差分周波数△ｆだけ繰返し周波数ｆからオフセット
されている周波数を有するべく選択されており、その差
分周波数は片持梁の機械的応答周波数よりもより小さく
選択されており、即ちサンプリング信号はｆ＋△ｆの周
波数を有している。前記周期的サンプル波形及びサンプ
リング信号に起因する前記先端部とＤＵＴとの間のギャ
ップを横断しての電圧は、片持梁を撓ませ、該片持梁
は、このモードにおいて機械的なミキサー即ち混合器と
して作用し且つ片持梁の撓みを検知することによって波
形をサンプルし且つ表示することを可能としている。
【０００４】図２は時間ドメインにおいてプロットした
この従来システムの動作において関与する信号を示して
いる。周期的波形Ｖｓは周波数ｆ（周期１／ｆ）を有し
ている。サンプリング信号Ｖｐはｆ＋△ｆの周波数（周
期１／（ｆ＋△ｆ））を有している。従って、サンプリ
ング信号Ｖｐは周期的な波形Ｖｓを介して段階的にサン
プリングを行ない、各サンプリング点における先端部の
撓みはその点における周期的波形における電圧を表わし
ている。この撓みは時間拡張波形ＴＥとしてオシロスコ
ープ上に直接的に表示される。
【０００５】従来のアプローチは比較的容易に実施可能
であり且つ片持梁の撓みがマイクロスコープ上において
表示させることの可能な時間拡張型の波形を直接的に与
えるものであるが、任意の周波数の信号がサンプリング
され且つノイズ性能が劣っているものである場合には比
較的に柔軟性が欠けるものである。何故ならば、点毎に
信号を平均化させることが不可能だからである。又、混
合周波数を使用することは、完全な波形をサンプルする
ことが可能であるに過ぎないことを意味している。ＩＣ
テストパターンが非常に長いものである場合には、興味
のある特徴が発生するものとして知られている波形の一
部のみをサンプリング即ち採取することが望ましいこと
が多々ある。
【０００６】この従来のプロセスに関する変形例は、１
９９５年スタンフォード大学のＦｒａｎｃｉｓ Ｈｏに
よる「高い空間的及び時間的分解能を有する電圧測定に
対する走査型力顕微鏡法の適用（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏ
ｎｓ ｏｆ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｙ ｆｏｒ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｍｅａｓｕｒ
ｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｓｐａｔｉａｌ
ａｎｄ Ｔｅｍｐｏｒａｌ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ
ｓ）」という題名の博士論文において記載されている。
この場合には、波形の一部のみがサンプリングされる。
そのサンプリング信号は、興味のある部分が開始するま
で印加されることはなく、次いで、前と同一の態様で相
次ぐ繰返しにおいてその部分を介して掃引する。１形態
において、単一のスイープ（掃引）が行なわれ、別の場
合には、幾つかのスイープ（掃引）が行なわれ、且つそ
の結果を積分して信号対ノイズ比を改善する。ＡＦＭ
（原子間力顕微鏡）測定に対して使用可能なその他の従
来技術は、ゴーレイ（Ｇｏｌａｙ）コードを使用するサ
ンプリング及び真空中におけるサンプリングである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の点に
鑑みなされたものであって、原子間力顕微鏡を使用して
改良した波形サンプリングを行なうことを可能とする方
法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の１側面は、繰返
しテストパターンが印加されるＩＣ装置において波形を
サンプリングする方法を提供しており、その方法は、
（ａ）興味のある特徴を含むテスト信号の一部を画定
し、（ｂ）該テスト信号パターンの一連の連続する繰返
しに対し該一部の期間中に所定の点においてＩＣ装置の
表面に隣接したＡＦＭ装置へ該興味のある特徴よりも実
質的に短い期間を有するサンプリング信号を印加し、
（ｃ）該サンプリング信号を印加した場合にＡＦＭ装置
における片持梁の撓みを測定し、（ｄ）前記片持梁の測
定した撓みから前記所定の点における電圧を決定する、
上記各ステップを有している。
【０００９】本発明の別の側面は、繰返しテスト信号パ
ターンが印加されるＩＣ装置における波形を測定する装
置を提供しており、該装置は、（ａ）ＩＣ装置の表面に
隣接して位置決め可能な片持梁を含む原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）装置、（ｂ）興味のある特徴よりも実質的に
より短い期間を有するサンプリング信号を発生し且つそ
れを、テスト信号パターンの一連の相次ぐ繰返しに対し
興味のある特徴を含むテスト信号の所定の部分の期間中
に所定の点におけるＡＦＭ装置へ印加させるサンプリン
グ信号発生器、（ｃ）前記サンプリング信号の印加によ
り前記片持梁の撓みを検知する片持梁検知センサー、
（ｄ）前記片持梁の撓みを分析し且つその点においての
波形における電圧を決定する分析器、を有している。
【００１０】典型的な構成においては、テスト信号パタ
ーンの全長は、それ自身何等かの構成を有する該パター
ン内の興味のある特徴と比較して比較的長いものであ
る。従って、サンプリング信号は興味のある特徴よりも
より短い期間のものであり且つテスト信号パターンより
も著しく短い期間のものであることが必要である。例え
ば、テスト信号パターンは５μｓの期間を有する場合が
あり、興味のある特徴は１００ｎｓのウインドウ内に存
在する場合があり且つサンプリング信号は１ｎｓの期間
を有する場合がある。テスト信号パターンの開始から適
宜の時間遅延を使用することによって、サンプリング信
号をその中の任意の点において印加させることが可能で
あり且つ、所定の時間間隔又はその倍数だけサンプリン
グ信号へ印加される時間遅延を変化させることによって
その期間の一部にわたり該パターンをサンプリングする
ことが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】図３は本発明に基づくシステムを
示している。ＤＵＴ１００は装置テスター１２０（例え
ば、サンノゼのシュルンベルジェテクノロジイズ、イン
コポレイテッドから入手可能なＩＴＳ９０００ＧＸ）へ
接続されているテストヘッド１１０内に配置される。テ
スター１２０は、ＤＵＴ１００へ繰返しテスト信号パタ
ーンを供給し、それはＤＵＴの表面において波形Ｖｓと
して表われ且つそれは本発明に基づいて測定される。テ
ストヘッド１１０は、片持梁撓みセンサーを含む片持梁
型プローブ装置１４０（例えば、パークサイエンティフ
ィックインストルメンツ（Ｐａｒｋ Ｓｃｉｅｎｔｉｆ
ｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）社によって製造されて
いるオートプローブ（Ａｕｔｏｐｒｏｂｅ顕微鏡）、Ｄ
ＵＴ１００及びプローブ装置１４０を画像形成すること
が可能であるようにズーム能力を有する粗目のＸＹステ
ージ１６０上に装着されているＣＣＤカメラ１５０と共
に、従来の電子ビームテスターの態様で、チャンバ１３
０内に位置されている。ＡＦＭサブシステム１７０は、
プローブ装置１４０とカメラ１６０の動作を制御する。
該サブシステムは、ＡＦＭ制御ユニットＣＵ、信号処理
ユニットＳＰ、時間ベースユニットＴＢとインターフェ
ースするコンピュータＰＣを有している。該サブシステ
ムは、カメラ１６０に対してパンＰ及びズームＺ制御を
与え、且つ該カメラからビデオ出力Ｖを受取る。時間ベ
ースユニットＴＢはテスター１２０からトリガ信号Ｔ
（例えば、各パターンの開始時における時間基準信号）
を受取り且つトリガ及びパルス信号Ｖｐをプローブ装置
１５０及び信号処理ユニットＳＰへ供給し、信号処理ユ
ニットＳＰは、更に、プローブ装置１５０からの片持梁
撓み（従って、サンプル点における波形電圧）Ｖｓを表
わす信号を受取る。ユーザが該システムを制御し且つ測
定値を表示し且つ分析することを可能とするためにワー
クステーションＷＳが設けられている。適当なワークス
テーションの一例は、ユニックス（Ｕｎｉｘ）オペレー
ティングシステムで稼動し且つグラフィカルユーザイン
ターフェース（ＧＵＩ）を有するサンマイクロシステム
ズ社によって製造されているワークステーションがあ
る。このワークステーションは、時間ベースユニット及
び信号処理ユニットからＳｂｕｓを介して時間ベース及
び波形データを、フレームグラバーＦＧを介してビデオ
を表示することが可能であり、且つコンピュータに対す
るイーサーネットリンクＥＮを介してＡＦＭサブシステ
ムのユーザレベルの制御を可能とし且つＲＳ２３２シリ
アルインターフェースを介してパン及びズーム制御を行
なうことを可能としている。該ワークステーションは、
更に、ＤＵＴにおける特定のトレース上の波形の信頼性
のある測定を行なうことを可能とするために、プローブ
装置１５０の位置決めを助けるためにＤＵＴの構成に関
するＣＡＤデータを供給し且つ表示することが可能であ
る。
【００１２】本発明は、ｆ＋△ｆの周波数を有するサン
プリング信号を印加する代わりに、テストパターンの開
始時から所定の時間遅延において短い期間のサンプリン
グ信号を印加させるという点において従来のシステムと
区別される。従って、該サンプリング信号は、多数の繰
返しにおいて該パターンにおける同一の点においてサン
プリングを行なうことが可能であり、且つ、該パターン
における興味のある特徴の領域全体をサンプリングする
ために、該パターンにおけるサンプリング信号の位置を
変化させるために時折時間増分△ｔを導入する。興味の
ある特徴を介してサンプリング信号を段階的に前進させ
るために、設定した時間増分を導入させることが可能で
ある。一方、該時間増分は、興味のある特徴の実効的に
ランダムな即ち非逐次的なサンプリングを与えるため
に、与えられた時間オフセットの可変で且つランダムな
倍数とすることが可能である。このアプローチは、表面
帯電を減少する利点を有しており、従って、この効果に
起因する電圧測定におけるエラーを最小とさせる。この
波形をサンプリングするためのアプローチは、従来、電
子ビームテスターを使用する波形のサンプリングに適用
されており且つ米国特許出願第０８／４８８，６５０号
において詳細に説明されている。尚、この米国特許出願
は、引用によって本明細書に取込む。ＡＦＭを使用して
実現される場合には、エラーを回避するために測定間に
おいて片持梁を安定化させることが可能であることが必
要である。
【００１３】ＡＦＭ装置の片持梁は、テスト中の信号の
期間と比較して比較的長い時間応答を有している。片持
梁の時間応答がテスターの応答に不当に影響を与えるこ
とがないように、時間遅延における変化は、片持梁の応
答時間より短い期間でなされるべきではない。従って、
各時間遅延に対し、幾つかのサンプリング信号の測定を
行なうことが通常である。
【００１４】本発明の実施上の特定の例を図４に概略示
してあり、その諸元を以下の表に示す。
【００１５】 テスト信号パターン繰返し期間（１／ｆ） ５μｓ サンプリングウインドウの開始に対する遅延 ３．２２μｓ ウインドウの完全な時間期間１００ｎｓ ３．２２−３．２３μｓ サンプリング信号パルス幅 １ｎｓ（時間分割の１／１０） 点あたりのサンプリング信号パルス １０−１００個のパルス 点間の時間増分（△ｔ） ２００ｐｓ 波形表示スケール １０ｎｓ／ｄｉｖ、１０分割、 ５００サンプル点 理解されるように、与えられた時間遅延に対して、各点
に対して１０−１００回サンプリングを行なうことによ
ってサンプリング信号がテスト信号パターンの繰返し周
波数と同一の周波数で印加される。このことは、従来技
術の混合周波数アプローチと対比される。
【００１６】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の波形測定システムを示した概略図。
【図２】 時間ドメインＴにおいての波形、サンプリン
グ信号及び先端部撓み大きさＶのプロットを示したグラ
フ図。
【図３】 本発明に基づくシステムを示した概略図。
【図４】 本発明に基づく方法においての時間ドメイン
における波形及びサンプリング信号の配置を示した説明
図。
【符号の説明】
１００ テスト中の装置（ＤＵＴ） １１０ テストヘッド １２０ 装置テスター １３０ チャンバ １４０ 片持梁型プローブ装置 １５０ ＣＣＤカメラ １６０ ＸＹステージ １７０ ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）サブシステム ＣＵ ＡＦＭ制御ユニット ＧＵＩ グラフィカルユーザインターフェース ＰＣ コンピュータ ＳＰ 信号処理ユニット ＴＢ 時間ベースユニット ＷＳ ワークステーション

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 繰返しテストパターンが印加されるＩＣ
    装置における波形をサンプリングする方法において、 （ａ）興味のある特徴を包含するテスト信号の一部を画
    定し、 （ｂ）前記テスト信号パターンの一連の連続的な繰返し
    に対して前記一部の期間中に所定の点における前記ＩＣ
    装置の表面に隣接したＡＦＭ装置へサンプリング信号を
    印加し、前記サンプリング信号は前記興味のある特徴よ
    りも実質的により短い期間を有しており、 （ｃ）前記サンプリング信号を印加した場合の前記ＡＦ
    Ｍ装置における片持梁の撓みを測定し、 （ｄ）前記片持梁の前記測定した撓みから前記所定の点
    における電圧を決定する、ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 請求項１において、更に、別の一連の繰
    返し期間中に前記テスト信号の前記一部における他の所
    定の点に対してステップ（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を繰返
    し行なうことを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】 請求項２において、前記点が所定の時間
    間隔だけ離隔されていることを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】 請求項３において、各連続する一連の繰
    返しに対して前記時間間隔だけ前記点を前進させること
    を特徴とする方法。
  5. 【請求項５】 請求項３において、各連続する一連の繰
    返しに対して前記時間間隔の非逐次的倍数だけ前記点を
    変化させることを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】 請求項１において、各一連が前記テスト
    信号の約１０乃至１００回の繰返しを包含していること
    を特徴とする方法。
  7. 【請求項７】 請求項３において、前記サンプリング信
    号が１ｎｓの程度のパルス幅を有しており且つ時間間隔
    が２００ｐｓの程度であることを特徴とする方法。
  8. 【請求項８】 請求項１において、更に、各点に対する
    複数個の電圧決定を積分し且つその結果得られる積分電
    圧を表示することを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】 繰返しテスト信号パターンが印加される
    ＩＣ装置における波形を測定する装置において、 （ａ）ＩＣ装置の表面に隣接して位置決め可能な片持梁
    を含む原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）装置、 （ｂ）興味のある特徴よりも実質的により短い期間を有
    するサンプリング信号を発生し、且つそれを、前記テス
    ト信号パターンの一連の連続的な繰返しに対し興味のあ
    る特徴を含む前記テスト信号の所定の部分の期間中に所
    定の点において前記ＡＦＭ装置へ印加させるサンプリン
    グ信号発生器、 （ｃ）前記サンプリング信号を印加した場合に前記片持
    梁の撓みを検知する片持梁撓みセンサー、 （ｄ）前記片持梁の撓みを分析し且つその点においての
    前記波形における電圧を決定する分析器、を有すること
    を特徴とする装置。
  10. 【請求項１０】 請求項９において、前記サンプリング
    信号発生器が、前記テスト信号の別の一連の繰返し期間
    中に異なる点において前記サンプリング信号を印加する
    ことを特徴とする装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１０において、前記異なる点が
    所定の時間間隔だけ離隔されていることを特徴とする装
    置。
  12. 【請求項１２】 請求項１０において、前記サンプリン
    グ信号発生器が、前記テストパターンの連続する一連の
    繰返しに対し１つの時間間隔だけ前記点を前進させるこ
    とを特徴とする装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１０において、前記サンプリン
    グ信号発生器が、前記時間間隔の非連続的倍数だけ前記
    点を変化させることを特徴とする装置。
  14. 【請求項１４】 請求項１０において、前記サンプリン
    グ信号発生器が、各一連における前記テスト信号の約１
    ０乃至１００回の繰返しに対し前記サンプリング信号を
    印加することを特徴とする装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１１において、前記サンプリン
    グ信号が約１ｎｓの期間を有しており且つ前記時間間隔
    が２００ｐｓの程度であることを特徴とする装置。
  16. 【請求項１６】 請求項９において、更に、前記テスト
    信号パターンの開始において信号を検知するためのトリ
    ガ信号検知器を有することを特徴とする装置。
  17. 【請求項１７】 請求項９において、更に、前記ＡＦＭ
    装置を前記ＩＣ装置上の所定の位置に位置決めさせるこ
    とを可能とするために前記ＩＣ装置と前記ＡＦＭ装置と
    を共に画像形成するカメラを有することを特徴とする装
    置。
  18. 【請求項１８】 請求項９において、更に、電圧、波
    形、信号データを表示するディスプレイユニットを有す
    ることを特徴とする装置。
JP9307449A 1996-11-08 1997-11-10 原子間力顕微鏡法を使用した電気波形を測定する方法及び装置 Pending JPH10213636A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/745,885 US5959458A (en) 1996-11-08 1996-11-08 Method and apparatus for measuring electrical waveforms using atomic force microscopy
US08/745885 1996-11-08

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Publication Number Publication Date
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JP9307449A Pending JPH10213636A (ja) 1996-11-08 1997-11-10 原子間力顕微鏡法を使用した電気波形を測定する方法及び装置

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US (1) US5959458A (ja)
EP (1) EP0841532B1 (ja)
JP (1) JPH10213636A (ja)
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DE (1) DE69728111D1 (ja)
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