JP2010056255A - 試料ホルダ、及び試料保持機構を備えた試料搬送機構並びに荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、試料の自重を押圧作用に変換して試料を保持する機構を備えると共に、試料の大きさに依らず安定して試料を保持する試料ホルダの提供を目的とする。
【解決手段】
上記課題を解決するために、試料押圧機構による試料の押圧によって、試料を保持する試料ホルダであって、２つのてこを用いた試料ホルダを提案する。前記２つのてこは、試料を試料ホルダに載せたときの自重による押圧力を受ける第１のてこと、第１のてこによってもたらされる押圧力を、試料端部を押圧する押圧力とする第２のてこから構成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、試料を保持する試料ホルダ，試料保持機構、及び荷電粒子線装置に係り、特に半導体製造装置、及び半導体検査装置においてＳｉウェハ，マスク，石英，液晶基板，ガラス基板などの試料を保持，搬送、或いは荷電粒子ビームを照射する装置に関する。

半導体分野において微細化したパターンの測定や検査に電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置が用いられている。半導体デバイスを測定、或いは検査する装置ではスループット向上が求められており、そのためには、試料を速やかに真空室内に搬入すると共に、速やかに電子ビームを照射するための試料室に搬送する必要がある。

一方、試料を強固に保持する手段として真空チャックが知られているが、真空内で試料を搬送する搬送機構には使用ができない。また、試料を強固に保持するための他の手法として、静電チャックやアクチュエータを用いた機械的なクランプを行う機構が知られている。しかしながら、真空室内で使用するという制約上、使用できるアクチュエータ等は限られ、更に、電気的な制御を行う必要があるため、機構も複雑になる。

そのため、特に真空室内で試料を搬送する搬送機構に用いられる試料保持機構は、アクチュエータ等の駆動機構を用いず、且つ強固に試料を保持する保持機構を採用することが望ましい。

試料をアクチュエータ等の機構を用いずに保持する保持機構の例として、特許文献１に開示のような技術がある。特許文献１には、てこの原理を利用した試料ホルダが説明されている。試料を所定位置で保持するために、てこの一方に試料受け部を備え、試料を配置したときに、てこの動作によって、試料の端部に向かって、試料端面受け部を近づけるように動作する機構が説明されている。

特開平７−２８２７６１号公報

特許文献１に開示されているようなホルダ機構によれば、電気的な機構や駆動機構等を用いずとも試料を保持することが可能となるが、試料の大きさにばらつきが生じた場合、安定して試料を保持することができない。例えば、或る大きさの試料を保持するように設計されている場合、当該大きさより小さな試料を保持しようとすると、試料端面受け部を十分に試料に近づけることができず、結果として試料を強固に保持することができない。また、想定される大きさより大きい試料を保持しようとすると、試料端面受け部が、上方に向いた傾斜面となり、当該傾斜面が試料の端部の下側に接した状態で支持することになるため、試料側面、及び裏面を支持することができない。

以下に、試料の自重を押圧作用に変換して試料を保持する機構を備えると共に、試料の大きさに依らず安定して試料を保持することを目的とする試料ホルダ、及び試料保持機構を備えた試料搬送機構並びに荷電粒子線装置を提案する。

上記課題を解決するために、以下に試料押圧機構による試料の押圧によって、試料を保持する試料ホルダであって、２つのてこを用いた試料ホルダを提案する。前記２つのてこは、試料を試料ホルダに載せたときの自重による押圧力を受ける第１のてこと、第１のてこによってもたらされる押圧力を、試料端部を押圧する押圧力とする第２のてこから構成される。

上記構成によれば、試料の自重に基づく押圧作用を利用した保持機構について、試料の大きさが変化したとしても、試料の下面と端面を十分に保持することが可能な試料ホルダ、及び試料保持機構の提供が可能となる。

以下に図面を用いて、試料ホルダ、及び試料保持機構を備えた試料搬送機構並びに荷電粒子線装置について説明する。

図１は荷電粒子線装置の一種である走査形電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）の概略構成図である。特に本実施例では、ＳＥＭの中でも半導体デバイスのパターン幅等の測定を行う測長用走査電子顕微鏡（Critical Dimension-Scanning Electron Microscope：ＣＤ−ＳＥＭ）を例にとって説明するが、それに限られることはなく、例えば半導体デバイス上の欠陥を評価する欠陥評価用走査電子顕微鏡（Defect Review - Scanning Electron Microscope：ＤＲ−ＳＥＭ）や、集束イオンビームによって試料を加工，観察するイオンビーム（Focused Ion Beam）装置等に適用することも可能である。

電子光学系３を備えた試料チャンバ２内部は、真空に保たれ、観察時に試料を位置決めする試料ステージ４と試料７を搬入出する為の真空ロボット５が内部に備えられている。試料７は外部の搬送機構により真空予備室１内に設置された後、真空排気され、ゲートバルブ６を通し真空ロボット５により持ち上げられ、試料ステージ４上に搬送，設置される。また、検査終了後は再度真空ロボット５により持ち上げられ、真空予備室１に搬出，設置された後、大気圧に戻され、外部搬送機構により搬出される。

このような真空内搬送系においては、半導体ウェハで一般に利用される真空チャックによる吸着が利用できない。このため真空ロボット５の試料保持部５ａに高摩擦係数の材料による座を幾つか設け、その上に試料を載せて搬送することが一般的である。しかしながら、搬入出の高速化を図ろうとすると、試料に横方向の加速度や衝撃が加わる為、摩擦による支持では信頼性が劣る問題がある。

真空中でロボットハンドに試料をチャックするには、静電チャックや、アクチュエータを用いた機械的クランプによる方法などがある。この場合、摩擦による保持と違い確実に試料を固定することができる。しかし真空中では空気圧，油圧により駆動するアクチュエータが使用できないため、電気により動作するアクチュエータを取付けなくてはならない。真空中で使用可能なアクチュエータは、電源供給方法，放出ガス，発生する熱の問題から使用する材質やオイル，構造など特殊なものとなり複雑な構成となってしまう。アクチュエータを動かすための制御も必要となる。

そのため真空中では、試料を搬送する際の取上げる動作及び置く動作の上下動作を利用することで、試料を保持するためのアクチュエータを用いることなく試料の自重を利用して機械的に試料を保持する方法が考えられる。

特に、半導体測定，検査のための装置のロボットハンドは、高い搬送精度を確保するための精密に位置決めされる保持機構、及びスループット向上のための搬送の高速化が求められている。

しかしながら試料保持機構が、Ｌ型の試料受け部材が複数個対になり板状の試料の裏面及び端面を保持し、その試料受け部材の回転位置が試料よりも下方に配置されている保持機構では、試料の大きさがばらついた場合、安定して試料の裏面と端面の双方を支持して試料を固定することができない。試料が小さい場合は試料の端面とすきまが出来てしまう。

逆に試料が大きな場合は試料受け部材の端面支持部が上方に開き、その傾斜面上に試料が支持され裏面の支持が出来ない。そのため高速で試料を搬送するような搬送機構の保持機構に使用した場合、搬送精度を上げることが出来ない。

また、搬送機構に使用した場合、非常停止などにより大きな水平方向の加速度が加わると、Ｌ型の試料受け部材の端面保持面側が押されて試料受け部材が回転し、試料を持ち上げて試料が保持機構から抜け落ちてしまう。

図４等にて説明する試料ホルダ、及び試料保持機構によれば、試料の大きさの変化に依存することなく試料を精度良く搬送し、且つ安定して保持できるような自重による試料搬送機構を実現することが可能となる。

以下に説明する試料ホルダは、試料の下面を支持するてこと、試料の端面を支持するてこ及びそれら２つのてこを接続するリンクからなるチャック機構を複数備え構成される。この際に試料下面を支持するてこの回転中心は試料下方に、試料端面を支持するてこの回転中心は試料上方に配置する。

下面を支持するてこが試料により押下げられるとリンクが上昇して端面を支持するてこが試料の端面を拘束する。この際に下面を支持するてこが試料に押下げられた移動量よりも端面を支持するてこがリンクにより押下げられる移動量が大きくなるように個々のてこ比を設定する。

試料端面を支持するてこにおいて、試料接触面をてこの回転中心軸から試料接触点の距離を半径とする円の軌跡よりも接触点上方では円の軌跡よりも外側，試料下方では円の軌跡よりも内側に存在し、且つ試料接触点からの高さ方向の距離が増加するにつれて円の軌跡からの距離が徐々に増加する軌跡とする。

また試料をチャックしている範囲において試料と試料接触面において摩擦角以下となるように材質及び試料接触面の傾斜を設定する。

真空ロボットのハンドとして上記の試料ホルダを備え、試料室内に配置して試料の搬送を行う。

試料の大きさが規定値内で変わっても試料は下面と試料端面により拘束され精度よく位置決めすることが出来る。また非常停止時など急激な水平方向の加速度が加わった際にもチャックした試料を落とすことなく搬送する事が出来る。

図１を用いて２つのてこを利用した試料保持機構について、説明する。図１は電子線を用いた半導体検査装置ＣＤ−ＳＥＭの搬送機構である。半導体製造装置や測定検査装置におけるＳｉウェハ，マスク，石英，液晶基板，ガラス基板などの試料を搬送するための搬送機構にも応用可能である。

ＣＤ−ＳＥＭの搬送機構には、高倍率にてアライメントを行うために高い搬送精度、微細化したパターンの歩留まりを向上させるためにパーティクルの低減、及び装置のスループット向上が要求される。ＣＤ−ＳＥＭは電子線を用いてＳＥＭ像を得る電子光学系３，検査を行うため真空の試料チャンバ２、また試料７を大気中から真空の試料チャンバ２へ搬送するための排気を行う真空予備室１を備える。試料チャンバ２及び真空予備室１は各々真空排気及び大気開放を行うためのバルブやポンプで構成される排気系を備える。装置のスループットの向上が必要なことから真空予備室１から試料ステージ４へ真空ロボット５により試料７の搬送を行う。真空ロボット５の試料保持部５ａに本発明を用いる。

図２は、試料保持部５ａを備えた試料保持機構の上視図である。図２の例では試料７を保持する３つの試料保持部５ａを備えた試料保持機構を説明しているが、これに限られることはなく、例えば４つ以上の試料保持部５ａを設けることも可能である。図３は、試料保持部５ａの上視図の拡大図であり、図４は試料保持部５ａの側視図である。試料保持部５ａは試料端部を押圧する試料押圧機構として用いられる。

図４，図５に図示する、下面支持用てこ９は、試料７を載置したときに生じる下方での押圧力を、リンク１１を上方に押圧するための押圧力に変換するために設けられている。下面支持用てこ９からなる第１のてこは、図面左側が力点、固定軸１０が支点、リンク１１が連結されている図面右側が作用点となる。リンク１１によって伝達される第１のてこの上方への押圧力は、端面支持用てこ１３（第２のてこ）の力点が受け、回転軸１２を支点として、作用点である試料接触面１３ａに伝達される。

図４は、試料７をチャックした状態、図５はチャックしていない状態を示す。試料保持機構は、試料７を載せる試料支持台９ａを持つ下面支持用てこ９の回転中心となるベース８に固定された固定軸１０，下面支持用てこ９を駆動させる押しバネ１４，押しバネ１４により回転した下面支持用てこ９が接触するストッパー１６，試料接触面１３ａを持つ端面支持用てこ１３，端面支持用てこ１３の回転中心となるベース８に固定された回転軸１２，下面支持用てこ９と端面支持用てこ１３を結ぶリンク１１で構成される。

試料支持台９ａに試料７が載ると、押しバネ１４が縮んで下面支持用てこ９が固定軸１０を中心に回転する。下面支持用てこ９の回転はリンク１１を介して端面支持用てこ１３に伝達される。端面支持用てこ１３は回転軸１２を中心に回転し、試料接触面１３ａにおいて試料７を押し付けチャックする。

図８は、断面図４の簡略図である。図８の距離ａ，ｂ，ｃ，ｄを（ｂ×ｄ）／（ａ×ｃ）＞１となるように設定し、試料７が接触する試料支持台９ａの上下移動距離よりも試料接触面１３ａの上下移動距離を大きくする。試料７を試料支持台９ａに載せると、試料７が接触する試料支持台９ａの下方移動量よりも試料接触面１３ａの下方移動量が大きくなり試料７をチャックする。また試料７を支持台より持ち上げると試料７の上方移動量よりも試料接触面の上方移動量が大きくなるため、試料７は試料接触面１３ａに接触することなく試料７を取上げることが出来る。

試料を置いたり、取上げる際に試料７と試料支持台９ａは接触するが、支持台先端を球状にして回転させることによって試料７の裏面とを点接触として発塵を抑えることが出来る。また試料接触面１３ａの形状を適切に作成することによって、端面支持用てこ１３が試料７を位置決めする際、試料の厚み，大きさにばらつきが発生した際においてもセンターリングして試料７のチャックをする。

図９は図８の試料接触面１３ａの詳細図である。ここで、回転軸１２の中心から、標準試料１７と端面支持用てこ１３の接触点１８を半径ｅとする円の軌跡１９と仮定する。

図９の例では、直線２０（標準試料１７と試料接触面１３ａとの接触点１８を起点として、標準試料１７表面に平行に、回転軸１２側に向かって引いた仮想線）より上方では円の軌跡１９よりも外側に試料接触面１３ａの一部が位置するように構成した。反対に、直線２０より下方では円の軌跡１９よりも内側に試料接触面１３ａの一部が位置するように構成した。更に、接触点１８から離れるに従って、円の軌跡からの距離ｇ及びｆが徐々に大きくなるように、試料接触面１３ａを形成した。換言すれば、第２のてこの作用点側端部は、当該作用点側端部の前記試料端部との接触部が、前記第２のてこの支点を回転中心としたときに形成される移動軌道の接線に対し、交差する方向に形成された面を持ち、当該面は、前記第２のてこの上部側が当該第２のてこの下部側と比較して、前記第２のてこの支点から、より離間するように形成される。

試料７がばらつきの中で標準試料より大きい、又は厚い場合を図６に示す。試料をチャックする位置が標準試料を保持するときに比べ上方となり、試料は図９に示す接触点よりも下方の試料接触面１３ａに支持される。試料７がばらつきの中で標準試料より小さい、又は薄い場合を図７に示す。試料をチャックする位置が標準試料を保持するときに比べ下方となり、試料は図９に示す接触点１８よりも下方の試料接触面１３ａに支持される。このように試料のサイズがばらついていた場合にも、試料をセンターリングしてチャックすることが出来る。試料の大きさがばらつくとチャックする高さが異なってくるが、本発明は試料搬送時の上下動作を利用する機構であり、上下動作のストロークに対して試料をチャックする高さのばらつきは十分に小さくなるので問題は無い。

図９に示すように、試料受け部材の回転位置は試料よりも上方に設置されている。試料接触面１３ａの角度を試料７と端面支持用てこ１３の材質及び表面粗さで決まる摩擦角以下に設定すると非常停止などで急激な水平方向の加速度がかかっても試料７は下方に保持されて落とすことがない。

図１０，図１１，図１２に、２つのてこ機構を備えた試料保持機構の他の例について説明する。

図１０は、リンクを構成する移動ピン２１を、端面支持用てこ１３と一体化した例を説明する図である。図１１は、移動ピン２１を下面支持用てこ９と一体化した例を説明する図である。図１０，図１１の例のいずれにおいても、下面支持用てこ９と端面支持用てこ１３間の相対的な移動を可能ならしめつつ、両者を接続するための構造が説明されている。具体的には、一方のてこに移動ピン２１が設けられ、他方のてこには、当該移動ピンがその中において移動可能に連結される長孔２２が設けられている。このような構成によれば、少ない部品数で２つのてこ機構を用いた試料保持機構の提供が可能となる。

また、小スペース化に寄与することも可能となる。

図１２は、２つのてこ機構を用いた試料保持機構の更に他の例を説明する図である。図１２の例では、端面支持用てこ１３の作用点を上方に持ち上げるように構成されている。

図１３は図１において２つの搬送アームをもった真空ロボット５を装備した実施例である。２つの搬送アームにはそれぞれ試料保持部２４，２５を備えている。２つの搬送アームを持ち試料ステージ４及び真空予備室１に保持された試料との入れ替えを迅速に行う。

図１３は、試料ステージ４では試料７ｃが検査されており、真空予備室には、これから検査を行う試料７ａが用意されている状態を示している。真空ロボットの試料保持部５ｂには、検査が終了した試料７ｃが保持され、これからゲートバルブ６が開いて検査を行う試料７ａと入れ替えを行う状態を示している。

図１４は、ＳＥＭの真空試料室，真空ロボット，真空予備室、及び大気搬送系の各動作の流れと、その関連を説明する図である。点線２３は、大気→真空予備室→真空ロボットによる搬送→試料室における検査（測定）→真空ロボットによる搬送→真空予備室→大気という測定，検査装置における試料の流れを示している。大気搬送系により真空予備室１に搬送された試料７ａは、真空予備室１の真空排気後に真空ロボットの試料保持部２４に保持される。試料保持部２５に保持されていた検査が終了した試料７ｂは真空予備室１に搬送され装置から搬出される。

測定中の試料７ｃの検査が終了すると、真空ロボット５の試料保持部２５により搬出され、試料５ａに保持されたこれから検査を行う試料７ａが試料ステージ４に搬送され検査が行われる。検査終了後、真空ロボット５の試料保持部２５により搬出される。真空予備室１の排気が終了後、真空予備室１に搬送され、大気解放後に大気搬送系により装置から搬出される。試料室では検査及び試料の入れ替えを連続的に絶え間なく行いスループットの向上を図ることが出来る。

ＳＥＭの概略構成図。 試料保持機構の上視図。 試料保持機構の上視図（拡大図）。 試料保持機構の側視図（試料搭載時）。 試料保持機構の側視図（試料離脱時）。 試料保持機構の側視図（大試料搭載時）。 試料保持機構の側視図（小試料搭載時）。 試料保持機構のてこ機構の概略を説明する図。 試料保持機構のてこ機構の概略を説明する図（拡大図）。 試料保持機構の他の一例を説明する図（移動ピンを上側てこに形成した例）。 試料保持機構の他の一例を説明する図（移動ピンを下側てこに形成した例）。 ２つのてこ機構を利用した試料保持機構の他の例を説明する図。 ２つの搬送アームを備えたＳＥＭの一例を説明する図。 真空予備室を備えたＳＥＭにおける試料の移動プロセスを説明する図。

符号の説明

１ 真空予備室
２ 試料チャンバ
３ 電子光学系
４ 試料ステージ
５ 真空ロボット
５ａ 試料保持部
６ ゲートバルブ
７ 試料
７ａ 試料（検査待機）
７ｂ 試料（検査終了）
７ｃ 試料（検査中）
８ ベース
９ 下面支持用てこ
９ａ 試料支持台
１０，１２ 回転軸
１１ リンク
１３ 端面支持用てこ
１３ａ 試料接触面
１４ 押しバネ
１５ てこ連結部
１６ ストッパー
１７ 標準試料

Claims (11)

1. 試料の端部を押圧する試料押圧機構を複数備え、当該複数の試料押圧機構による試料の押圧によって、試料を保持する試料ホルダであって、
   前記試料押圧機構は、試料の載置によって生じる下方への押圧力を力点で受けると共に、当該力点で受けた下方への押圧力を上方への押圧力に変換する第１のてこと、当該第１のてこによってもたらされる前記上方への押圧力を力点で受けると共に、当該力点で受けた上方への押圧力を下方への押圧力に変換し、当該下方への押圧力をもって前記試料の端部を押圧する第２のてこを備えていることを特徴とする試料ホルダ。
2. 請求項１において、
   前記第２のてこの作用点側端部によって、前記試料端部を押圧するように構成されていることを特徴とする試料ホルダ。
3. 請求項２において、
   前記試料端部に接する前記第２のてこの作用点側端部は、当該第２のてこの作用点が下方に移動するに従って、前記試料側に移動するように形成されていることを特徴とする試料ホルダ。
4. 請求項２において、
   前記第２のてこの作用点側端部は、当該作用点側端部の前記試料端部との接触部が、前記第２のてこの支点を回転中心としたときに形成される移動軌道の接線に対し、交差する方向に形成された面を持ち、当該面は、前記第２のてこの上部側が当該第２のてこの下部側と比較して、前記第２のてこの支点から、より離間するように形成されていることを特徴とする試料ホルダ。
5. 請求項１において、
   前記第１のてこの作用点と、前記第２のてこの力点は、連結部材によって連結されていることを特徴とする試料ホルダ。
6. 請求項１において、
   前記試料を載置したときの前記第１のてこの力点の上下方向の移動量に対して、前記第２のてこの作用点の上下方向の移動量が大きくなるようなてこ比をもって前記てこが形成されていることを特徴とする試料ホルダ。
7. 請求項１において、
   前記第２のてこの支点中心は、前記試料を載置し、前記第１のてこの力点が下方に下がったときに、当該載置された試料より上方に位置するように形成されていることを特徴とする試料ホルダ。
8. 試料保持機構上に載置される試料を搬送する試料搬送装置において、
   前記試料保持機構は、前記試料の配置によって下降する試料支持部と、当該試料支持部の上下移動に伴って、前記試料端部への押圧力を変化させる試料押圧部を備え、当該試料押圧部を、前記試料の上下運動に伴って、上下に移動させるように、前記試料支持部と、試料押圧部が、連結されていることを特徴とする試料搬送機構。
9. 請求項８において、
   前記試料支持部と、前記試料押圧部は、２つのてこを介して連結されていることを特徴とする試料搬送機構。
10. 試料に荷電粒子ビームを照射するための試料室に搬送する試料搬送機構を備えた荷電粒子線装置において、
    前記試料搬送機構は、試料を保持するための試料保持機構を備え、当該試料保持機構は、前記試料の配置によって下降する試料支持部と、当該試料支持部の上下移動に伴って、前記試料端部への押圧力を変化させる試料押圧部を備え、当該試料押圧部を、前記試料の上下運動に伴って、上下に移動させるように、前記試料支持部と、試料押圧部が、連結されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項１０において、
    前記試料支持部と、前記試料押圧部は、２つのてこを介して連結されていることを特徴とする荷電粒子線装置。

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