JP2007227192A - 試料保持装置および荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハ周辺の電界乱れを緩和する電極と干渉することなく、ウエハの移動経路を広く確保した試料の保持装置および荷電粒子線装置を提供する。
【解決手段】試料保持装置が複数の電極を有し、当該複数の電極の一部を上下動させる移動機構を備える。また、当該移動機構は前記複数の電極の一部を試料の導入経路から離脱させるように下降させる。さらに前記試料保持装置は試料の位置決め部材を有し、試料の搭載後に試料の位置決めを行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、ウエハを主とする試料の保持装置、および荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子線を用いて半導体ウエハを加工する装置または半導体ウエハ上の回路パターンを検査する装置は、被加工物または被検査物である半導体ウエハを保持する装置を有している。

このような装置の一例として、電子線測長機がある。これは、半導体ウエハ上に作り込まれた回路パターンの幅，位置を測定するもので、荷電粒子線として電子線を用い、電子線プローブ，画像処理装置，試料ステージ等から構成されている。この電子ビーム測長機においては、電子線によって回路パターンの素子を損傷させることなく、所望の精度，分解能で回路パターンの幅，位置を測定するために、半導体ウエハに電圧を印加して電子線の照射エネルギ強度を制御している。この電圧の印加をリターディングと呼ぶ。この技術は例えば、特許文献１や特許文献２に記載されている。

リターディングにより半導体ウエハ上方空間に発生した電界をウエハ全面について均一化し、ビームシフトを軽減させる方法として、ウエハ外周に電界を均一化する電極を設ける方法がある。電極はウエハ表面とほぼ等しい高さの導体板であり、ウエハとの隙間は微小である。電界を均一化する電極の効果は、特許文献３に詳しく記載されている。

特開平２−１４２０４５号公報 特開平５−２５８７０３号公報 特開２０００−１４９８４５号公報

従来の電極はウエハ全周を取り囲むため、ウエハ交換の際は、保持装置に備えた昇降機構によりウエハを持上げる必要がある。また、試料観察時の電極とウエハとの間は微小であるため、ウエハをロードする際は、予めウエハを正確に位置決めしておく方法か、昇降機構でウエハを降ろしたときに電極と干渉しない位置に電極を退避しておく方法を使用する必要がある。

前者の方法では、位置決めのためのセンサー等の機構が必要となり、装置が大規模になってしまうという問題がある。

後者の方法には、電極を退避する方法として２枚に分割した電極を移動保持ピンと連動させて水平に開くものがある。しかし、下記の問題が生じる。

近年、高スループット化が進み、試料保持装置を備えるステージの加速度も上昇している。ステージを備える試料室は、振動を抑制するため、ばね・ダンパ系で支持されている。したがってステージの加速度が大きくなると、試料室が揺すられる振幅も大きくなる。ウエハのセット位置は、試料室の揺れに影響されるため、電極の退避量も揺れに応じて大きくする必要がある。

電極が水平に開く方式の場合、電極の開き量に対してクリアランスは１／３程度であり、クリアランスを増やすには電極の開き量を大きくする必要がある。十分なクリアランスを確保し、かつ電極がはみ出さないようにするためには、ロードロック室のスペースを広くする必要がある。しかし真空排気・大気開放時間や装置フットプリントの面からロードロック室容積の増加は避けなければならない。また、電極の開き量を大きくすると発塵のリスクも高くなるが、ウエハに近い部位の発塵は特に避けなければならない。

本発明の課題は、電界均一化電極を有するウエハを主とする試料保持装置において、ウエハの移動経路及び位置決めする前のウエハ搭載可能範囲を広く確保し、且つこれをチャンバ容積と退避ストロークを大きくすること無く実現することである。

本発明でのウエハを主とする試料保持装置は、複数の電極を有し、当該複数の電極の一部を上下動させる移動機構を備えることを特徴とする。また、当該移動機構は前記複数の電極の一部を試料の導入経路から離脱させるように下降させることを特徴とする。さらに前記試料保持装置は試料の位置決め部材を有し、試料の搭載後に試料の位置決めを行うことを特徴とする。

本発明によれば、負電圧を印加する電極を有する試料保持装置に試料を搭載する際に、ウエハの移動経路及び位置決めする前の搭載可能範囲を十分広く確保することができる。

また本発明によれば、試料交換時に電極が下方に退避するため試料の昇降動作を省略することも可能である。

図１に一例として走査電子顕微鏡の構成の概略を示す。また試料はウエハとする。

まず、搬送ロボット３は、キャリア１からウエハ２を取り出し、アライナー４にウエハ２を搭載する。アライナー４は、ウエハ２をアライメントする。この時、ロードロック室５には試料保持装置を備えたホルダ６が待機している。アライメント後、搬送ロボット３はアライナー４からウエハ２をロードロック室５に移し、待機しているホルダ６にウエハ２を搭載する。ウエハ搭載後、ロードロック室５のゲートバルブ７を閉じ、真空排気する。真空到達後、試料室側ゲートバルブ８を開き、ホルダ６をステージ９へ搬入し、測定環境へのウエハ２の搬入が終了する。

次に、ウエハ２上の測定対象であるパターンが電子光学系１０の下方にくるようにステージ９を移動する。ステージ９が停止した後、リターディング電圧の印加されたウエハ２に向って電子線が入射する。ステージ９はレーザ干渉計により位置が計測されており、その位置情報によって移動が制御される。

試料に電子線が入射し、ウエハ２からは二次電子が放出される。放出された二次電子は検出器に導かれ検出される。検出された二次電子に基づいてパターンの測長等を行う。

ウエハ２について予定された一連の測定が実行された後、ウエハ２の搬出のため、ホルダ６はロードロック室５まで、ウエハ２はさらにキャリア１まで、前記と逆の順序で搬送される。

図２から図８に本発明の第一の実施例を示す。ここではウエハ上のパターンを測定する走査電子顕微鏡を例にする。また試料はウエハとする。

図２は試料保持装置を上から見た平面図である。図３は図２について、試料保持装置を透視して内部の機構を表した透視図である。図４は図３のＡ視図、図５は図３のＢＢ断面図、図６および図７は図３のＣＣ断面図、図８はシーケンスのフローチャートである。

ウエハ２は図２に記載の２箇所の固定ピン１１ａ，１１ｂと１箇所の移動チャックピン１２ａ及び図５乃至図７に記載の支持台２８によって保持される。

電解均一化電極は移動電極１３ａと固定電極１３ｂから成り、ウエハとの隙間が０.５ ミリメートル以下で取り囲むように加工してある。また、電界均一化電極はウエハと同じ高さであることが理想だが、機械加工や組立時の誤差が２００マイクロメートル以下であればよい。

移動電極１３ａは、ウエハ２を移動チャックピン１２ａ側に動かしたとき、少なくともウエハ２と干渉しない高さまで下がる。ここでウエハ２が固定電極１３ｂと干渉しないためには、固定電極１３ｂがウエハ２を取り囲むエリアはウエハ外周の半分以下である必要がある。すなわち、移動電極１３ａがウエハ２を取り囲む領域は、ウエハ外周の半分以上必要である。

なお、移動電極がウエハ外周の半分以上の領域であれば、当該移動電極が複数あってもよい。

図３において、移動チャックピン１２ａはレバー式である。レバー１６ａには引きばね１７ａが取り付けてあり、引きばねの張力でウエハ２を保持する。一方、移動アンチャックピン１２ｂもレバー式である。ここにも引きばね１７ｂが取り付けてあるが、この引きばねは、移動アンチャックピンをウエハ２と離れる方向に引張る。なおばねの張力は、移動アンチャックピン１２ｂをウエハ２から離して固定しておくのに十分な弱い力としておくのが望ましい。

移動アンチャックピン１２ｂは、移動チャックピン１２ａとほぼ点対称の位置に配置するのが望ましい。移動アンチャックピン１２ｂは、ウエハ２をアンロードする際、電極を下げた後にウエハ２を固定ピン１１ａ，１１ｂから０.５ ミリメートル程度離す。これにより、ウエハ２を持上げるとき、ウエハ２が固定ピン１１ａ，１１ｂと擦れて異物が発生するのを防ぐことができる。したがってウエハチャック時には、移動アンチャックピン
１２ｂはウエハ２から離れていてもよい。

メインレバー１４ａは軸１５中心に数度回転する。メインレバー１４ａには入力レバー１４ｂがある。後述するように、ロードロック室５に備えたアクチュエータがロッド２２を介して入力レバー１４ｂを押すことで入力を行う。

メインレバー１４ａと各チャックピン１２ａ，１２ｂの関係は、メインレバー１４ａへ入力後しばらくの間各チャックピン１２ａ，１２ｂは移動しないが、メインレバー１４ａへの入力が完了したとき各チャックピン１２ａ，１２ｂが移動し終わるものとする。例えば実施例のように、メインレバー１４ａの両端を、一方が移動チャックピンのレバー16ａと、他方が移動アンチャックピンのレバー１６ｂとワイヤ１８ａ，１８ｂで結び、ワイヤ１８ａ，１８ｂには適当な遊びを設けておくことで実現できる。

移動電極１３ａは移動チャックピン１２ａとウエハ２中心を結んだ線にほぼ垂直でかつウエハ面に平行な軸１９中心に回転することで、実質的に上下動できる。

図４を用いて、メインレバー１４ａの駆動方法について説明する。メインレバー１４ａに取り付けられた入力レバー１４ｂにはテーパ部２０が設けてある。先端にローラ２１などを取り付けたロッド２２をロードロック室下側に設けたアクチュエータによって押し上げる。ロッド２２の先端部のローラ２１が、入力レバー１４ｂのテーパ部２０を押すことにより、メインレバー１４ａは入力レバー１４ｂを介して軸２３中心に回転する。ロッド２２が押し上がっている状態が入力の状態である。

図５において、移動電極１３ａは通常押しばね２９によって上位置に支持されている。また移動電極１３ａにはダウンレバー２４が設けてある。またメインレバー１４ａにはローラ２５が取り付けてあり、メインレバー１４ａを回転させることで移動電極１３ａを押し下げることができる。

移動電極１３ａは各チャックピン１２ａ，１２ｂが動く前に下がりきる必要がある。したがって移動電極１３ａが十分下がった後にも、各チャックピン１２ａ，１２ｂが移動完了するまでメインレバー１４ａを動かし続ける必要があるが、例えばダウンレバー２４にばね性を持たせておくことで実現できる。

このように、図２から図５を用いて説明した機構によれば、少ない入力量によって移動チャックピン１２ａと移動アンチャックピン１２ｂと移動電極１３ａとを順番に動かすことができる。すなわち、メインレバー１４ａに入力する時は、移動電極１３ａが下がった後に各チャックピン１２ａ，１２ｂが移動する。逆に、メインレバー１４ａの入力を解除する時は各チャックピン１２ａ，１２ｂが移動し、移動チャックピン１２ａがウエハ２を位置決めした後に、移動電極１３ａが上昇する。

なお、メインレバー１４ａ，ダウンレバー２４それぞれに専用のアクチュエータを設け、それぞれ独立に制御しても良いことは言うまでもない。

図６から図８を用いて、ウエハのロードから位置決めまでを説明する。

本発明では昇降パレットを代表とするウエハ昇降機構は必須ではないため、昇降パレットのない場合を先に説明する。

搬送ロボット３のアームはウエハ２をロードロック室５へ搬送する。このときアクチュエータ２７は試料保持装置のメインアーム１４ａへ入力されており、図６において移動電極１３ａは下がり、移動チャックピン１２ａは退避位置で保持されている。なお、ここでは移動電極１３ａは少なくとも搬送ロボット３のアームが矢印ａの方向に下がったとき、アームと干渉しない高さまで下がっている。

搬送ロボット３のアームを矢印ａの方向に下降させ、ウエハ２をホルダ６に設けた支持台２８に載せる。このときウエハ２が置かれる位置は固定ピン１１ａ，１１ｂと移動チャックピン１２ａのほぼ中間位置でよい。

搬送ロボット３のアームが下がり、退避した後にメインレバー１４ａの入力を解除すると、移動チャックピン１２ａによりウエハ２が矢印ｂの方向に移動し位置決めされ、続いて移動電極１３ａが矢印ｃの方向に上昇し、ロードが完了する。

ウエハ２をアンロードするときは逆の順序でメインレバー１４ａに入力すればよい。

次に昇降パレットを使用する場合について説明する。図７において、搬送ロボット３でロードロック室５へ搬送されたウエハ２は、試料保持装置を備えるホルダ６の昇降パレット２６に置かれる。昇降パレット２６はロードロック室５に設けたアクチュエータ２７によって上昇位置に保持されている。またアクチュエータは試料保持装置のメインレバー
１４ａへの入力も兼ねており、移動電極１３ａは下がり、移動チャックピン１２ａは退避位置で保持されている。ここで移動電極１３ａはウエハと干渉しない位置まで下がればよい。搬送ロボット３のアームがロードロック室５から退避すると、アクチュエータ２７によってパレット２６を矢印ａの方向に下降させ、ウエハ２をホルダ６に設けた支持台２８に載せる。このときウエハ２が置かれる位置は固定ピン１１ａ，１１ｂと移動チャックピン１２ａのほぼ中間位置でよい。

パレット２６が下がった直後にメインレバー１４ａの入力を解除すると、移動チャックピン１２ａによりウエハ２が矢印ｂの方向に移動し位置決めされ、続いて移動電極１３ａが矢印ｃの方向に上昇し、ロードが完了する。

ウエハ２をアンロードするときは逆の順序でメインレバー１４ａとパレット２６に入力すればよい。

最後に図８に搬送シーケンスをフローチャートにまとめる。図８において、破線で囲んだ部分の処理は、昇降パレットを省略することで不要になり、その結果スループットが向上する。

本発明の第二の実施例を示す。ここでは試料保持方法に静電吸着方式を採用した場合を例とする。ここで試料はウエハとする。

基本的な構造は実施例１で示した図２〜図６の構造を採用することができ、支持台２８を静電チャックに置き換えるか、ウエハ昇降用パレット２６がある場合はこれと干渉しない領域に、静電チャックを組み込めばよい。

実施例１では固定ピン１１ａ，１１ｂおよび移動チャックピン１２ａは試料の位置決めと保持を兼ねていたが、実施例２では固定ピン１１ａ，１１ｂおよび移動チャックピン
１２ａは試料の位置決めに使用し、試料の保持を静電チャックに置き換えればよい。固定ピン１１ａ，１１ｂおよび移動チャックピン１２ａの主な目的を位置決め用にすることで、移動チャックピン１２ａ用の引きばね１７ａの張力はウエハを位置決めするのに十分な力に弱めることができる。

また、実施例２では静電チャックによってウエハを保持するため、固定ピン１１ａ，
１１ｂおよび移動チャックピン１２ａの断面形状を先端が細くなるようにテーパ形状にすることができる。その結果ウエハ上昇時にピン１１ａ，１１ｂ，１２ａとの摩擦によって生じる初塵のリスクが低減され、移動アンチャックピン１２ｂを保持装置から除くことも可能である。

走査電子顕微鏡の概略。 試料保持装置を上から見た平面図。 試料保持装置を透視して内部の機構を表した透視図。 図３のＡ視図。 図３のＢＢ断面図。 図３のＣＣ断面図。 図３のＣＣ断面図。 シーケンスフローチャート。

符号の説明

１…キャリア、２…ウエハ、３…搬送ロボット、４…アライナー、５…ロードロック室、６…ホルダ、７，８…ゲートバルブ、９…ステージ、１０…電子光学系、１１ａ，11ｂ…固定ピン、１２ａ…移動チャックピン、１２ｂ…移動アンチャックピン、１３ａ…移動電極、１３ｂ…固定電極、１４ａ…メインレバー、１４ｂ…入力レバー、１５，１９…軸、１６ａ，１６ｂ…レバー、１７ａ，１７ｂ…引きばね、１８ａ，１８ｂ…ワイヤ、２０…テーパ部、２１，２５…ローラ、２２…ロッド、２３…軸（＝１５）、２４…ダウンレバー、２６…パレット、２７…アクチュエータ、２８…支持台または静電チャック、２９…押しばね。

Claims (4)

1. 電子源と、前記電子ビームの照射方向に対し垂直な方向に移動される試料を保持する試料台と、当該試料に負の電圧を印加するための負電圧印加電源を備えた走査電子顕微鏡において、
   前記試料を前記試料の移動方向に沿って導入する試料導入機構と、
   前記試料の側方であって当該試料を包囲するように配置されると共に、負の電圧が印加される複数の電極と、
   当該複数の電極の一部を前記試料の導入軌道から離脱させるように、当該複数の電極の一部を下降させる移動機構を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 試料を配置するための試料指示部と、前記試料の側方であって当該試料を包囲するように形成された負電圧印加電極を備えた試料保持装置において、
   前記試料保持装置の負電圧印加電極は、複数の電極から構成され、当該複数の電極の一部を前記試料の延長線上から離脱するように下降させる移動機構を備えたことを特徴とする試料保持装置。
3. 請求項１又は請求項２において、前記複数の電極の一部は、ウエハ面に平行に設けられた所定の軸を中心に回転することにより下降上昇することを特徴とする荷電粒子線装置または試料保持装置。
4. 請求項１及び２の試料保持装置において、前記試料保持装置が昇降機構を有することを特徴とする試料保持装置。
   

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