説明

プローブ付き顕微鏡及びプローブ駆動方法

【課題】プローブや試料を破損させるおそれがなく、すばやくプローブ先端を試料に接触させることができるプローブ付き顕微鏡を提供する。
【解決手段】プローブが試料方向に接近している最中に、顕微鏡から得られる画像を認識して、認識領域内のプローブ面積を計算することによってプローブから試料までの距離を計算する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、プローブ付き顕微鏡に関する。
【背景技術】
【0002】
マイクロプロセッサや半導体メモリなどの半導体集積回路の製造過程において、製品特性の調査のために、電子顕微鏡による配線寸法の計測や、配線パターン上の異物・欠陥の検出などが行われている。半導体試料を構成するトランジスタ個々の電気特性異常個所の検査には、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)装置を用いることがある。SEMによる検査の際、半導体試料を予め削り、トランジスタの1つの電極を露出させ、先端半径約50nmの微細なプローブ(探針)を上記トランジスタの電極に直接接触させる。
【0003】
プローブを用いてトランジスタ個々の電気特性を測定するために、プローブ先端と、プローブ先端を接触させたい試料部位との位置関係を、電子顕微鏡像から把握し、プローブが試料に接触するまでプローブを駆動する。つまり、プローブを試料や試料固定台に接近させ、プローブが試料や試料固定台に接触したのを検知したらすぐにプローブの移動を停止させる。
【0004】
プローブを試料や試料台に接近又は接触させる際に注意すべきことは、プローブ速度の設定と接触の検知である。従来は、プローブ速度の設定は作業者が電子顕微鏡像を目視して行っていた。接触の検知方法としては、接触抵抗の変化や、プローブに流す電流の変化などの電気信号から接触を検知する方法や、電子顕微鏡像のコントラスト変化を捉えて接触を検知する方法があった。
【0005】
【特許文献1】特開2005−167146号公報
【特許文献2】特開平5−299048号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明者が鋭意検討した結果、作業者が電子顕微鏡像を目視してプローブ速度の設定を行う場合、プローブと試料との距離が既知でないと、プローブ速度の決定が難しいことが判明した。もし、プローブと試料との距離が近いにもかかわらず、プローブ速度を速く設定した場合、プローブや試料片が試料や試料台に急速に接近し、プローブや試料片が破損してしまうおそれがある。また、もし、プローブと試料との距離が遠いにもかかわらず、プローブ速度を遅く設定した場合、接触までの時間が長くなりすぎる。このため、プローブと試料との距離に応じて、プローブを望ましい速度で駆動する必要がある。
【0007】
接触抵抗の変化や電流変化を用いる接触検知は、試料や試料片が絶縁体の場合には非常に難しくなる。また、電子顕微鏡像からのコントラスト変化による接触検知は、作業者が電子顕微鏡像を目視して接触の判断を行うために、接触瞬間の検出が曖昧である。もし接触したことに気づかずにプローブ駆動を続ければ、プローブや試料片が破損するおそれがある。
【0008】
本発明の目的は、プローブや試料を破損させるおそれがなく、すばやくプローブ先端を試料に接触させることができるプローブ付き顕微鏡を提供することに関する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明のプローブ付き顕微鏡は、プローブが試料方向に接近している最中に、顕微鏡から得られる画像を認識して、認識領域内のプローブ面積を計算することによってプローブから試料までの距離を計算する。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、プローブや試料を破損させるおそれがなく、すばやくプローブ先端を試料に接触させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。理解を容易にするために、以下の図において、同様の部材には同じ符号を付して説明する。プローブの位置や数は任意であるが、以下では説明を簡単にするため、プローブの数は1つとして説明する。また、各実施の形態において、例えば顕微鏡には走査型電子顕微鏡(SEM)を用いることを想定する。
【0012】
図1は、プローブ付き顕微鏡の一例を示す概念図である。プローブ付き顕微鏡は、走査型電子顕微鏡1と、プローブ2と、信号検出器3と、アナログ信号線4と、A/D変換器8と、画像表示器9と、倍率変更部10と、画像処理部11と、測長処理部12と、測長データ処理部13と、記憶部14と、プローブ駆動コントローラ15と、プローブ駆動機構16と、試料台17を備える。
【0013】
試料5は、試料台17に載置されて移動可能である。図1に示した通り、顕微鏡は試料面に対して垂直方向(Z方向)に位置する。プローブ2の先端を試料5の部位6に接触させる方法について説明する。プローブ2の先端を試料5の部位6に接触させる操作は、プローブ2を試料5に対して垂直方向上方から接近させることにより行う。つまり、本例のプローブ付き顕微鏡では、プローブ2を試料5に接触させる際にプローブ2を移動させる方向(Z軸方向)と顕微鏡の光軸とが一致している。
【0014】
走査型電子顕微鏡1を使用して信号検出器3で得た2次電子や反射電子などのアナログ情報は、アナログ信号線4を経て、A/D変換部8に伝送され、デジタル変換される。このデジタル変換されたデータは、画像表示器9に伝送され、2次元画像として表示される。この画像を、以下SEM像と呼ぶ。画像表示器9に表示されるSEM像は、倍率変更部10によって拡大縮小することができる。
【0015】
プローブ付き顕微鏡では、SEM像を用いて、プローブ2の先端7がプローブ2の先端7に接触させたい試料5の部位6の真上になるように試料5もしくはプローブ2を移動させ、その後、SEM像を用いて、プローブ2の先端7から試料部位6までの距離を計算しながら、プローブ2を下方に駆動し、試料部位6に接触させる。プローブ2の先端7から試料部位6までの距離の計算は、画像表示器9で得られたSEM像を画像処理部11で解析し、その解析結果を元に測長処理部12及び測長データ処理部13が行い、記憶部14に記憶する。また、プローブ速度は前記解析結果に基づいてプローブ駆動コントローラ15によって決定され、プローブ駆動機構16はそのプローブ駆動速度でプローブ2をZ軸方向に駆動する。
【0016】
プローブ駆動前に、顕微鏡1による画像を見ながら、図2(a)に示すように、プローブ2の先端7を接触させる試料5の部位6を見つけて画像認識領域枠18で囲む。
【0017】
本発明のプローブ付き顕微鏡における試料部位にプローブ先端を接触させる動作について、まず図3のフローチャートにより以下説明をする。まずステップS101で、図2(b)に示すように、画像処理部11はSEM像を認識し、試料部位6が画像中心19に来るように試料位置や顕微鏡を調整する。この結果、画像表示器9によって表示されるSEM像は、最初例えば図2(a)のように、画像中心19から外れていた試料部位6が、図2(b)に示すように、画像中心19に位置するようになる。この操作により、顕微鏡の倍率を拡大しても縮小しても、顕微鏡の画像中心19にプローブ先端7を接触させたい試料部位6が常に位置していることになる。
【0018】
次に、ステップS102で、測長処理部12は、試料部位6にフォーカスを合わせて、試料部位7のZ軸情報WD0を検出する。このZ軸情報WD0は、顕微鏡1の対物レンズから試料部位7までの距離であるワーキングディスタンスである。次に、ステップS103で、プローブ2が入っていない状態の試料部位6の画像を取得し、記憶部14に記憶する。
【0019】
次に、ステップS103で、図4に示すように試料台17もしくはプローブ2の移動軸の一つ(Y’軸)が画像中心方向であるとすると、画像中心19方向に対して垂直の方向(他の移動軸であるX’軸方向)に試料5もしくはプローブ2を動かし、図4(b)のように、Y’軸上でプローブの先端7が画像中心19の方向を示すような状態にする。ステップS104で、プローブ先端7が画像中心19に達したかどうかを画像処理部18によって確認する。達していなければ、ステップS105で、Y’軸方向に試料位置もしくはプローブ2を移動する。この移動と確認を例えば数ミリ秒ごとに行う。プローブ先端7が画像中心19に達したら、ステップS107で、画像処理部11は、プローブ2が入った状態の試料部位6の画像を取得し、記憶部14に記憶する。ステップS108で、画像処理部11は、ステップS103で取得したプローブ2が入っていない状態の試料部位6の画像と、ステップS107で取得したプローブ2が入った状態の試料部位6の画像とを比較して差分をとり、差分となった画像をプローブ2として認識し、プローブ2の輝度を記憶部14に記憶する。その後、図5のフローチャートへ進む。
【0020】
続いて、図5のフローチャートにより以下説明する。ステップS201で、画像処理部11は、画像認識領域18内のプローブ2の輝度を有する領域、すなわちプローブ2が、画像認識領域18の20%以上かどうかを判定する。これは、以下で説明するように、画像認識領域18内のプローブ2が占める面積を元にプローブ先端7と試料部位6との間の距離を計算するため、計算精度を向上させるためである。20%以上の場合、ステップS207で、画像処理部11で焦点合成を行い、プローブ先端7と試料部位6の両方に焦点を合わせた状態の画像を画像表示器11に表示する。その後、図7のフローチャートへ進む。
【0021】
ステップS201で、図6(a)に示すように20%未満の場合は、ステップS202で、顕微鏡1の現在の倍率が最大倍率かどうかを判定する。最大倍率でない場合、ステップS203で、倍率変更部10によって倍率を拡大する。例えば、図6(b)に示すように1000倍から3000倍に拡大する。次に、ステップS204で、オートフォーカス機能を用いて、プローブ先端7の高さに焦点を合わせ、ステップS201に戻り、再び、画像認識領域18内のプローブ2の輝度を有する領域が、画像認識領域18の20%以上かどうかを判定する。ステップS202で、顕微鏡の現在の倍率が最大倍率である場合、ステップS205で、現在の画像認識領域18が始めの面積の1/64であるかどうかを判定する。1/64にはなっていない場合、ステップS206で、画像認識領域18の面積を1/2にし、ステップS201に戻り、再び、画像認識領域18におけるプローブ2の輝度を有する領域が、画像認識領域18の20%以上かどうかを判定する。ステップS205で、現在の画像認識領域18が始めの面積の1/64である場合、画像認識領域18内のプローブ2の輝度を有する領域を画像認識領域18の20%以上にすることはあきらめ、ステップS207に進む。
【0022】
続いて、図7のフローチャートにより以下説明する。本発明のプローブ付き顕微鏡では、画像認識領域18内のプローブ2が占める面積を元に、プローブ先端7と試料部位6との間の距離を計算し、プローブ駆動速度を決定する。図8は、プローブ先端7と試料部位6との位置関係を説明する図である。この図を参照しながら以下説明する。
【0023】
まず、図8(a)に示すプローブ2をZ軸方向に駆動していない状態で、測長処理部12は、プローブ先端7に焦点を合わせてプローブ先端7のZ軸情報WD1を検出する。WD1は、プローブ先端7のワーキングディスタンスである。これは、走査型電子顕微鏡に備わるフォーカス機能における所定の位置に焦点を合わせるのに必要な電流値から求めることができる。そして、記憶部14に記憶されている試料部位6のワーキングディスタンスWD0との差分をとり、プローブ先端7と試料部位6との間の距離Z1を求める。
【0024】
次に、ステップS302で、画像処理部11は、画像認識領域18内のプローブ2(プローブ2の輝度を持つ領域)が占める面積A1を測定する。ステップS303で、プローブ駆動コントローラ15は、距離Z1に対応するプローブ駆動速度v1をプローブ駆動機構16に送り、プローブ駆動機構16は、プローブ2をZ軸方向下方に速度v1で所定の時間T秒間駆動させる。この際、プローブ駆動速度の情報を測長データ処理部13にも送る。
【0025】
次に、ステップS304で、プローブ駆動後の画像認識領域18内のプローブ2が占める面積Aiを測定する。ステップS305で、測長データ処理部13は、面積Aiの変化からプローブ先端7と試料部位6との間の距離を計算する。以下、このような計算方法について図8を参照して説明する。
【0026】
図8(a)はプローブ駆動前の状態であり、左に画像表示器9に表示される平面図を示し、右に平面図のa−a’線に沿った断面図を示す。図8(a)の断面図において、プローブ2の断面における端とZ軸情報の基準点(例えば、顕微鏡の対物レンズ)とを結ぶ線分と、基準点から試料部位6に下ろした(すなわちZ軸と平行の)垂線とが成す角θ1と、基準点とプローブ先端7との間の距離、すなわちプローブ先端7のワーキングディスタンスWD1との関係は、次式(1)のように求まる。
θ1=tan−1((L/2)WD1) (1)
ここでLは画像認識領域18の端におけるプローブ2の太さを表す。
【0027】
図8(b)はプローブ駆動後の状態であり、図8(a)と同様に、左に画像表示器9に表示される平面図を示し、右に平面図のa−a’線に沿った断面図を示す。図8(b)の断面図において、プローブ2の断面における端とZ軸情報の基準点(例えば、顕微鏡の対物レンズ)とを結ぶ線分と、基準点から試料部位6に下ろした(すなわちZ軸と平行の)垂線とが成す角θiと、基準点とプローブ先端7との間の距離、すなわちプローブ先端7のワーキングディスタンスWiとの関係は、次式(2)のように求まる。
θi=tan−1((L/2)WDi) (2)
【0028】
ここで、Aを画像認識領域18内でプローブ2が占める面積とし、φを電子銃からプローブを見た立体角とすると、
A∝φ (3)
の関係があり、また、θをプローブ2の断面図の端とZ軸情報の基準点とを結ぶ線分と、Z軸情報の基準点から試料部位6に下ろした垂線との成す角とし、プローブ2を円で近似すると、
φ=α×2π(1−cosθ) (4)
の関係がある。ここでαは定数である。
【0029】
したがって、図8(a)のプローブ駆動前の状態における画像認識領域18内でプローブ2が占める面積をA1とし、図8(b)のプローブ駆動後の状態における画像認識領域18内でプローブ2が占める面積をAiとすると、以下の関係が導ける。
A1=β×2π(1−cosθ1) (5)
Ai=β×2π(1−cosθi) (6)
ここで、βは比例定数である。
【0030】
したがって、式(1)〜(6)より、
WDi=(L/2)/tan(cos−1(1−(Ai/A1)(1−cos(tan−1((L/2)/WD1))) (7)
の関係が導ける。
また、図8(b)の状態におけるプローブ先端7と試料部位6との間の距離Ziは、次式(8)のように求まる。
Zi=WD0−WDi (8)
したがって、式(7)及び(8)を用いて、画像認識領域18内でプローブ2が占める面積から、プローブ先端7と試料部位6との間の距離Ziの値を求めることができる。
【0031】
再び図7のフローチャートに戻って説明する。ステップS305で、測長データ処理部13は、以上説明したようにZiを計算し、プローブ駆動コントローラ15に送る。ステップS306で、プローブ駆動コントローラ15は、距離Ziに対応するプローブ駆動速度viを決定し、プローブ駆動機構16と測長データ処理部12に送る。ステップS307で、プローブ駆動機構16は、プローブ2をZ軸方向下方に速度viで所定の時間T秒間駆動させる。
【0032】
ステップS308で、測長データ処理部13は、プローブ駆動速度viが最低速度vminかどうかを判定する。最低速度の場合、図10のフローチャートに進む。最低速度ではない場合、ステップS309で、画像処理部11はプローブ先端7の位置を確認し、図9(a)に示すように観察画像中心からずれていたら、図9(b)に示すように画像中心19に来るように試料位置や顕微鏡やプローブ2の水平方向の位置を調整する。その後、ステップS320でiを1だけインクリメントし、ステップS304に戻る。
【0033】
続いて、図10のフローチャートにより以下説明する。プローブ駆動速度が最低速度のvminとなったら、測長データ処理部13は、プローブ先端7と試料部位6との接触を画像認識領域18内でプローブ2が占める面積に基づいて検知する。ステップS401でiを1だけインクリメントし、ステップS402で、画像処理部11は、画像認識領域18内のプローブ2が占める面積Aiを測定する。ステップ403で、測長データ処理部13は、前回に測定した画像認識領域18内でプローブ2が占める面積A(i−1)より面積Aiが小さいかどうかを判定する。面積が小さくなっている場合、プローブ2はZ軸方向下方に移動しており、プローブ先端7はまだ試料部位6と接触していないことを意味するため、ステップS404で、プローブ駆動機構16は、プローブ2をZ軸方向下方に速度vminで所定の時間T秒間駆動させ、ステップS401に戻る。ステップS403で、面積が前回と同じか大きくなっている場合、プローブ先端7が試料部位6と接触し、プローブ2がそれ以上Z軸方向下方に移動しないことを意味していると判断し、ステップS405でプローブ2の駆動を終了し、プローブ先端7を試料部位6に接触させる動作を終了する。このような自動接触検知により、試料やプローブの損傷を最小にして、プローブ先端を試料部位に接触させることが可能になる。
【0034】
上述したような面積変化による接触検知方法と併用して、従来からプローブと試料の接触検知に用いられている接触抵抗の測定や、試料からプローブに流れる電流の測定などの接触検知を実行してもよい。
【産業上の利用可能性】
【0035】
本発明は、プローブ付き顕微鏡に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0036】
【図1】プローブ付き顕微鏡の構成の一例を示すブロック図である。
【図2】(a)及び(b)は画像認識領域の指定と画像中心への移動を説明する模式図である。
【図3】プローブ先端を試料部位に接触させる動作を説明するフローチャートである。
【図4】(a)乃至(c)はプローブ先端を試料部位の直上に移動させる動作を説明する模式図である。
【図5】図3のフローチャートに続きプローブ先端を試料部位に接触させる動作を説明するフローチャートである。
【図6】(a)及び(b)は画像認識領域内のプローブが占める面積を調整する動作を説明する模式図である。
【図7】図5のフローチャートに続きプローブ先端を試料部位に接触させる動作を説明するフローチャートである。
【図8】プローブ先端と試料部位との位置関係を説明する図であり、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図9】(a)及び(b)はプローブ位置のずれをなおす動作を説明する模式図である。
【図10】図7のフローチャートに続きプローブ先端を試料部位に接触させる動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【0037】
1 走査型電子顕微鏡
2 プローブ
3 信号検出器
4 アナログ信号線
5 試料
6 試料部位
7 プローブ先端
8 A/D変換器
9 画像表示器
10 倍率変更部
11 画像処理部
12 測長処理部
13 測長データ処理部
14 記憶部
15 プローブ駆動コントローラ
16 プローブ駆動機構
17 試料台
18 画像認識領域
19 画像中心

【特許請求の範囲】
【請求項1】
試料を載置する試料台と、
試料を観察する顕微鏡と、
プローブと、
前記プローブを駆動するプローブ駆動手段と、
前記顕微鏡による観察画像を処理し、所定の画像認識領域内で前記プローブが占める面積を測定する画像処理手段と、
基準位置から前記プローブの先端と前記画像認識領域内の試料部位の各々までの距離をフォーカス条件に基づいて測定する測長処理手段と、
前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積の前記プローブの駆動による変化と、前記基準位置から前記プローブの先端と前記画像認識領域内の試料部位の各々までの距離とに基づいて、前記プローブの先端と、前記画像認識領域内の試料部位との間の距離を計算する測長データ処理手段とを備えることを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項2】
前記プローブ駆動手段は、前記プローブの先端が前記試料部位に接近するほど駆動速度が遅くなるように、前記プローブの先端と前記試料部位との間の距離に応じて複数の速度を段階的に切り替えて前記プローブを前記試料部位に接近する方向に駆動することを特徴とする請求項1記載のプローブ付き顕微鏡。
【請求項3】
前記プローブを前記試料部位に接近する方向に駆動させ、所定の時間間隔で測定した前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積が変化しなくなった場合、前記プローブの駆動を停止することを特徴とする請求項1に記載のプローブ付き顕微鏡。
【請求項4】
試料を載置する試料台と、
試料を観察する顕微鏡と、
プローブと、
前記プローブを駆動するプローブ駆動機構と、
前記顕微鏡による観察画像を処理し、所定の画像認識領域内で前記プローブが占める面積を計算し、
基準位置から前記プローブの先端と前記画像認識領域内の試料部位の各々までの距離をフォーカス条件に基づいて計算し、
前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積の前記プローブの駆動による変化と、前記基準位置から前記プローブの先端と前記画像認識領域内の試料部位の各々までの距離とに基づいて、前記プローブの先端と、前記画像認識領域内の試料部位との間の距離を計算する演算装置とを備えることを特徴とするプローブ付き顕微鏡。
【請求項5】
前記プローブ駆動機構は、前記プローブの先端が前記試料部位に接近するほど駆動速度が遅くなるように、前記プローブの先端と前記試料部位との間の距離に応じて複数の速度を段階的に切り替えて前記プローブを前記試料部位に接近する方向に駆動することを特徴とする請求項4記載のプローブ付き顕微鏡。
【請求項6】
前記プローブを前記試料部位に接近する方向に駆動させ、所定の時間間隔で測定した前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積が変化しなくなった場合、前記プローブの駆動を停止することを特徴とする請求項4に記載のプローブ付き顕微鏡。
【請求項7】
顕微鏡画像において画像認識領域として選択された試料の所定の部位の前記顕微鏡画像に対して垂直方向における位置をフォーカス条件に基づいて測定し、
前記画像認識領域の直上にプローブの先端を配置し、
前記プローブ先端の前記顕微鏡画像に対して垂直方向における位置をフォーカス条件に基づいて測定し、
前記プローブを前記プローブを前記試料部位に接近する方向に駆動させ、
顕微鏡画像において前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積を測定し、
前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積の前記プローブの駆動による変化と、前記プローブ先端と前記試料部位の垂直方向の位置とに基づいて、前記プローブの先端と前記試料部位との間の距離を計算することを特徴とするプローブ駆動方法。
【請求項8】
前記プローブの駆動において、前記プローブの先端が前記試料部位に接近するほど駆動速度が遅くなるように、計算された前記プローブの先端と前記試料部位との間の距離に応じて複数の速度を段階的に切り替えて前記プローブを前記試料部位に接近する方向に駆動することを特徴とする請求項7記載のプローブ駆動方法。
【請求項9】
前記プローブの駆動において、所定の時間間隔で測定した前記画像認識領域内で前記プローブが占める面積が変化しなくなった場合、前記プローブの駆動を停止することを特徴とする請求項7に記載のプローブ駆動方法。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate


【公開番号】特開2008−281535(P2008−281535A)
【公開日】平成20年11月20日(2008.11.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−128448(P2007−128448)
【出願日】平成19年5月14日(2007.5.14)
【出願人】(501387839)株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Fターム(参考)】