JP2008130369A - 真空装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空状態の処理室にて試料を処理する真空装置において、試料の搬送時間の短縮とフットスペースの削減を図る。
【解決手段】真空装置１に、個別に真空引きすることが可能な上下に連なる上室１０及び下室２０を設け、さらにこれらの間を開閉するゲートバルブ４０と、試料Ｓを載置する試料台３１と、試料台３１を昇降させて２つの室１０、２０の一方から他方へと試料Ｓを搬送する昇降機構３２とを設ける。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空状態下において試料に対して所定の処理を行う、電子顕微鏡や電子線露光装置、エッチング装置といった真空装置に関する。

半導体デバイスなどの製造プロセスでは、試料の製造工程や検査工程を真空中で行うために、電子顕微鏡や電子線露光装置、エッチング装置などの真空装置が使用される。このような真空装置では、従来、以下に説明する過程を経て大気状態の外部から処理室へ試料が搬送される。図１は、従来の真空装置における試料の搬送過程の説明図である。
真空装置１００は、一般にロードロック室１０１と処理室１０２の２つの室が設けられる。またロードロック室１０１と外部空間１３０との間にはこれらの間を開閉可能な真空ゲートバルブ１１１が、ロードロック室１０１と処理室１０２の間にはこれらの間を開閉可能な真空ゲートバルブ１１２が、設けられている。

大気状態にある外部空間１３０中の試料ホルダ１２１に置かれた試料Ｓを、真空状態にある処理室１０２に搬送する際には、まず、ロードロック室１０１と処理室１０２との間のゲートバルブ１１２を閉じてロードロック室１０１を大気状態にした後にロードロック室１０１と外部空間１３０との間のゲートバルブ１１１を開く。そして大気中のホルダ１２１上にある試料Ｓを搬送ロボット（図示せず）により、ロードロック室１０１内の試料台１２２に載せる。
次にゲートバルブ１１１を閉じてロードロック室１０１を真空状態にした後にロードロック室１０１と処理室１０２との間のゲートバルブ１１２を開き、試料Ｓを処理室１０２内の試料台１２３に移動する。その後ゲートバルブ１１２を閉じて処理室１０２内を真空引きする。ゲートバルブ１１２を閉じた後に処理室１０２内の真空引きを行うのは、試料搬送により処理室１０２内の真空度が低下するので、真空度を回復するためである。処理室１０２内の真空度が所定の値に達したら、処理室１０２内に搬送された試料Ｓに対する処理を開始する。なおこのような搬送方法は、下記特許文献１にも開示されている。

国際公開第０２／０１５９６号パンフレット

上記のような真空装置１００では、試料を外部１３０からロードロック室１０１へ、ロードロック室１０１から処理室１０２へと、搬送ロボットを用いて２段階に搬送する必要がある。このため搬送ロボットによる試料の把持、移動及び載置に２回分の時間を要し、また搬送ロボットによる搬送時には試料汚染が生じやすかった。さらに試料Ｓを平面的に移動させるために広いフットスペースが必要であった。
上記問題点に鑑み、本発明では、真空状態の処理室にて試料を処理する真空装置において、試料の搬送時間の短縮とフットスペースの削減を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では個別に真空引きすることが可能な上下に連なる２つの室である上室及び下室と、これらの室の間を開閉するゲートバルブとを真空装置に設け、試料を載せた試料台を昇降させてこれらの室の間を搬送する。

従来、平面的に配置されていたロードロック室と処理室を上下に配置することによって、装置のフットスペースが削減される。また試料台を昇降させて上下に配置された２室間で試料を搬送することによって、搬送ロボットによる搬送回数を減らすことが可能となる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図２は、本発明の第１実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成図である。走査型電子顕微鏡１は、筐体２を備え、筐体２内には、大気状態にある外部空間１３０から遮蔽された処理室１０及びロードロック室２０が設けられている。
処理室１０及びロードロック室２０は、試料Ｓの観察面（図示ＸＹ平面）に対して垂直方向（Ｚ方向に）、すなわち上下に連設されており、その間は仕切り壁３によって隔てられている。処理室１０は、真空ポンプ等の真空源１１及び窒素ガス源１２に接続されており、内部の気圧を高真空状態及び大気状態のいずれにも調整することが可能である。またロードロック室２０も、処理室１０とは別に真空源２１及び窒素ガス源２２に接続されており、内部の気圧を高真空状態及び大気状態のいずれにも調整することが可能である。

ロードロック室２０の側壁のいずれかには、外部空間１３０とロードロック室２０との間で試料Ｓを出し入れするための試料搬入出口が設けられ、この試料搬入出口には外部空間１３０とロードロック室２０との間を開放及び遮蔽する真空ゲートバルブ５０が設けられている。試料Ｓは真空ゲートバルブ５０が開状態であるときに、図示しない搬送ロボットなどにより外部空間１３０とロードロック室２０との間でやりとりされる。

処理室１０とロードロック室２０との間に設けられた仕切り壁３には、ロードロック室２０から処理室１０へ、及び処理室１０からロードロック室２０へと試料Ｓを運ぶための連通口が設けられ、この連通口には処理室１０とロードロック室２０との間を開放及び遮蔽する真空ゲートバルブ４０が設けられている。
ロードロック室２０内には試料Ｓを載置するための試料台３１が設けられており、試料台３１は、昇降シャフト３２を含む昇降機構によりＺ方向に移動可能である。昇降シャフト３２はロードロック室２０の外部に設けられた駆動装置（図示せず）により駆動力を与えられ、ロードロック室２０の下壁２３を貫通して試料台３１を下方から支持するように設けられる。かかる試料台３１が試料Ｓを載せて昇降することによって、上下に連設された処理室１０とロードロック室２０との間で試料Ｓがやりとりされる。

昇降シャフト３２には、昇降シャフト３２が上昇し昇降シャフト３２が所定の停止位置に至ったときに昇降シャフトの上昇移動を止めるためのストッパー３３が設けられる。ストッパー３３は、昇降シャフト３２が上昇し試料台３１に載置された試料Ｓが処理室１０内の所定位置に搬送されたときに、筐体２の下面（即ち下壁２３の外面）に当接し、昇降シャフト３２の上昇を停止させる。このようにストッパー３３を筐体２の外部に設けることによりシャフト３２及び試料台３１の停止位置の調整を容易にする。
また、走査型電子顕微鏡１は、試料台３１の位置を検出する試料台位置検出部８０と、試料台位置検出部８０により検出された試料台３１の位置を表示部８２に表示するための計算機８１とを備えている。試料台位置検出部８０は、例えば処理室１０内に設けられ、試料台３１に載置された試料Ｓが処理室１０内の所定位置に搬送されたことを検出するメカニカルスイッチや光センサとしてもよく、又は試料台３１の移動距離を検出するためのレーザ測長器としてもよい。

走査型電子顕微鏡１は、電子線鏡筒６０、及び電子線鏡筒６０から試料Ｓへ照射した電子ビームによって試料Ｓから放出された反射電子及び／又は二次電子を検出する電子線検出器６１を備える。電子線検出器６１は検出した電子を電気信号に変換する。電子線鏡筒６０が電子ビームを偏向してＸＹ方向に試料Ｓ上を走査し、各座標に電子ビームを照射したときの電子線検出器６１の検出信号の強弱を、二次元画像に構成することによって、試料Ｓの電子線画像が得られる。
図３は、電子線鏡筒６０の概略構成図である。電子線鏡筒６０は電子銃６２、集束レンズ（コンデンサレンズ）コイル６３、非点収差補正コイル６４、Ｘ方向偏向コイル６５Ｘ及びＹ方向偏向コイル６５Ｙ、対物レンズコイル６６及び電子ビーム射出孔６７を有している。電子線鏡筒６０の基本的な構成は従来の構成と同様であるため、本明細書での説明は省略する。

図２に戻り、本実施例の走査型電子顕微鏡１は、電子線鏡筒６０をＸ及びＹ方向に移動させる電子線鏡筒移動機構７０を有する。電子線鏡筒移動機構７０は、電子線鏡筒６０の視野を試料Ｓ上の任意の位置に移動させ、または試料Ｓの上以外の場所に移動する。図４は、電子線鏡筒移動機構７０の概略構成図である。
電子線鏡筒移動機構７０は、電子線鏡筒６０をＸ方向に沿って移動させるための１対のＸ方向ガイド７０ａ及び７０ｂと、Ｙ方向に沿って電子線鏡筒６０を移動させるための可動Ｙ方向ガイド７２と、可動Ｙ方向ガイド７２を支持したままＸ方向ガイド７０ａ及び７０ｂにそれぞれ沿って移動する１対のＸ移動部７１ａ及び７１ｂと、電子線鏡筒６０を支持したまま可動Ｙ方向ガイド７２に沿って移動するＹ方向移動部７３と、を備えて構成される。各移動部７１ａ、７１ｂ及び７３を移動させるために、例えばボールネジ機構のような様々な直線駆動機構を使用することが可能である。

以下、図５の（Ａ）〜図５の（Ｃ）を参照しながら、図２に示す走査型電子顕微鏡１において、大気状態にある外部空間１３０から真空状態にある処理室１０へ試料Ｓを搬送する手順を説明する。
まず、ロードロック室２０と処理室１０との間のゲートバルブ４０を閉じてロードロック室２０を大気状態にした後にロードロック室２０と外部空間１３０との間のゲートバルブ５０を開く。一方でシャフト３２を下降させて試料台３１をロードロック室２０内に位置させる。そして大気中にある試料Ｓを搬送ロボット（図示せず）により試料台３１に載せる（図５の（Ａ））。

次にゲートバルブ５０を閉じてロードロック室２０を真空状態にする（図５の（Ｂ））。ロードロック室２０が所定の真空度に達したら、ロードロック室２０と処理室１０との間のゲートバルブ４０を開き、シャフト３２を上昇させることによって試料台３１を上昇させて、試料Ｓを処理室１０内へ移動させる（図５の（Ｃ））。
このように、ロードロック室２０と処理室１０を上下に配置することによって、装置のフットスペースが削減される。また試料台３１を昇降させてロードロック室２０と処理室１０との間で試料を昇降することによって、搬送ロボットによる搬送回数を減らすことが可能となる。

電子線鏡筒６０内の電子銃６２を保護するために、処理室１０の真空度をロードロック室２０の真空度よりも高くする事が好適である。したがってゲートバルブ４０が開き、試料Ｓを処理室１０内へ移動した状態において、ゲートバルブ４０が開いたことにより仕切り壁３に開いた処理室１０とロードロック室２０との間の連通口を、試料台３１またはシャフト３２の一部分などによって塞ぎ、ロードロック室２０から処理室１０への空気の流入を防ぎ、処理室１０とロードロック室２０との間に真空度に差をつけることが好適である。図６は、走査型電子顕微鏡１において試料台３１によりゲートバルブ４０の開口部が遮蔽された様子を示す図である。

ここで、処理室１０とロードロック室２０との間で試料台３１が支障なく移動するために、試料台３１は、その外形寸法がゲートバルブ４０の開口部よりもやや小さくなるように構成されている。このため、試料台３１と仕切り壁３との間には幅ΔＷ及び長さΔＬの微小な隙間４１が存在する。処理室１０とロードロック室２０との間に真空度の差があると、この隙間４１を経由してロードロック室２０から処理室１０へと気体が流れ込み、処理室１０内の真空度が劣化する要因となる。

ゲートバルブ４０の開口部に試料台３１が挿入された状態での処理室１０の真空度は、ロードロック室２０の真空度、真空源１１による排気能力、隙間４１の幅ΔＷ及び長さ（ΔＬ）によって定まる。すなわち隙間４１の幅ΔＷが大きくかつ長さΔＬが短ければ処理室１０の真空度の劣化が大きく、反対に隙間４１の幅ΔＷが小さくかつ長さΔＬが長ければ処理室１０の真空度は劣化しない。
図７の（Ａ）及び図７の（Ｂ）は試料台３１とゲートバルブ４０の開口部との間の隙間４１の幅ΔＷ及び長さΔＬが処理室１０の真空度に及ぼす影響をシミュレーションした結果を示すグラフである。本シミュレーションでは隙間４１の長さΔＬを２０ｍｍから２００ｍｍまで変えて計算を行い、そのうちΔＬの範囲が２０〜１００ｍｍであるシミュレーション結果を図７の（Ａ）に示し、ΔＬの範囲が５０〜２００ｍｍであるシミュレーション結果を図７の（Ｂ）に示す。
また本シミュレーションでは、試料台３１の外周の直径を３００ｍｍ、真空源１１の排気能力を１０００リットル／秒、ロードロック室２０内の真空度を１０^-1パスカルとして算出し、丸印のプロットはΔＷ＝１０ｍｍの時のグラフを示し、三角印のプロットはΔＷ＝６ｍｍの時のグラフを示し、四角印のプロットはΔＷ＝４ｍｍの時のグラフを示し、菱形印のプロットはΔＷ＝２ｍｍの時のグラフを示す。
本シミュレーション結果を参照すると、隙間４１の幅ΔＷが１０ｍｍ以下、長さΔＬが２００ｍｍ以上であれば、処理室１０は１×１０^-3パスカル台の半ば程度の真空度を保つことができることが分かる。したがって、試料台３１やシャフト３２を挿入することによりゲートバルブ４０の開口部を遮蔽する、すなわち特許請求の範囲に記載したところの、「試料台の少なくとも一部分又は前記昇降機構の少なくとも一部が挿入されることにより、前記連通口が塞がれる」とは、これら試料台３１やシャフト３２が挿入されることによって、ゲートバルブ４０の開口部が完全に遮断されることを意味するほか、試料台３１とゲートバルブ４０の開口部との間の隙間４１の幅ΔＷ及び長さΔＬを適切に設定することによって、真空引きされる処理室１０とロードロック室２０との間に真空度の差を設けることができることをも意味する。

図８は、本発明の第２実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成図である。本例では、昇降シャフト３２が上昇し昇降シャフト３２が所定の停止位置に至ったときに昇降シャフトの上昇移動を止めるためのストッパー３５が筐体２内に設けられる。ストッパー３５は昇降シャフト３２が上昇し試料台３１に載置された試料Ｓが処理室１０内の所定位置に搬送されたときに、仕切り壁３の下面２４（即ちロードロック室２０の天井の下面）に当接し、昇降シャフト３２の上昇を停止させる。
また仕切り壁３の下面２４にはＯリング２５が設けられる。ゲートバルブ４０が開口しその開口部に試料台３１が挿入され、かつストッパー３５が仕切り壁３の下面２４に当接している状態のときに、仕切り壁３の下面２４とストッパー３５の上面との間に生じる隙間がＯリング２５によって塞がれる。図９は、図８に示す走査型電子顕微鏡１においてストッパー３５によりゲートバルブ４０の開口部が遮蔽された様子を示す図である。
このようにストッパー３５によりゲートバルブ４０の開口部を遮蔽することにより、ロードロック室２０と処理室１０との間の気密を向上させることが可能となる。

本発明は、真空状態下において試料に対して所定の処理を行う、電子顕微鏡や電子線露光装置といった真空装置に利用可能である。

従来の真空装置における試料の搬送過程の説明図である。 本発明の第１実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成図である。 図２に示す電子線鏡筒の概略構成図である。 図２に示す電子線鏡筒移動機構の概略構成図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図２に示す走査型電子顕微鏡における試料の搬送手順の説明図である。 図２に示す走査型電子顕微鏡において試料台によりゲートバルブ開口部が遮蔽された様子を示す図である。 （Ａ）は試料台とゲートバルブ開口部との間の隙間の幅及び長さが処理室の真空度に及ぼす影響を示すグラフ（その１）であり、（Ｂ）は試料台とゲートバルブ開口部との間の隙間の幅及び長さが処理室の真空度に及ぼす影響を示すグラフ（その２）である。 本発明の第２実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成図である。 図８に示す走査型電子顕微鏡において駆動機構が備えるストッパーによりゲートバルブ開口部が遮蔽された様子を示す図である。

符号の説明

１ 走査型電子顕微鏡
２ 筐体
１０ 上室
２０ 下室
３１ 試料台
４０、５０ 真空ゲートバルブ
６０ 電子線鏡筒
６１ 電子線検出器
Ｓ 試料

Claims (6)

1. 個別に真空引きすることが可能な上下に連なる２つの室である上室及び下室と、
   前記２つの室の間を開閉するゲートバルブと、
   試料を載置する試料台と、
   前記ゲートバルブが開状態のとき、前記試料台を昇降させて前記２つの室の一方から他方へと前記試料を搬送する昇降機構と、
   を備えることを特徴とする真空装置。
2. 前記昇降機構は前記試料台を下方から支持し、
   前記試料を前記上室内に搬送するとき、前記ゲートバルブが開くことにより生じた前記２つの室間の連通口に、前記試料台の少なくとも一部分又は前記昇降機構の少なくとも一部が挿入されることにより、前記連通口が塞がれる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の真空装置。
3. 前記２つの室の一方はロードロック室であり、他方は前記試料に所定の処理が行われる処理室であることを特徴とする請求項１又は２に記載の真空装置。
4. 前記昇降機構の可動部分に、前記真空装置の筐体に当接して前記昇降機構を所定の停止位置に停止させるストッパーを設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の真空装置。
5. 前記上室は前記試料に所定の処理が行われる処理室であり、前記下室はロードロック室であって、
   前記昇降機構は前記試料台を下方から支持し、かつ前記下室の下壁を貫通し前記試料台を昇降させる駆動力を前記下室の外部から伝達する伝達部材を備え、
   前記ストッパーは該伝達部材に設けられて、前記下壁の外面に当接することにより、前記昇降機構を所定の停止位置に停止させることを特徴とする請求項４に記載の真空装置。
6. 前記試料台の位置を検出する試料台位置検出部と、
   検出された前記試料台の位置を表示する試料台表示部と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の真空装置。

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