JP2013228214A - マクロ観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マクロ観察において、薄膜化したウエハを任意の角度に調整してウェハの表裏面を効率的に目視観察できるようにする。
【解決手段】
観察対象のウェハＷの外形より大きな開口２が形成され、開口２にクランプ機構３０を介して位置決めしてウェハＷの縁部を保持可能なリング状の回転台１０と、回転台１０の回転円板１３を、ウェハＷが保持された平面に直交する中心軸（θ軸）回りに回転可能な第１の駆動手段と、ウェハＷを含む平面と平行な平面内において設定された、中心軸（θ軸）と直交する２軸（Ｘθ軸，Ｙθ軸）において、回転台１０を保持する固定板５を、Ｘθ軸回りに回転可能な第２の駆動手段と、回転台１０、第１の駆動手段、第２の駆動手段とが固定支持される固定板５を、Ｙθ軸回りに所定角度範囲に回動可能なリンク機構を有する第３の駆動手段５０とを支持するサポートフレーム１と、を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明はマクロ観察装置に係り、クランプしたウェハを任意の角度に調整してウェハの表裏面を効率的に目視観察できるようにしたマクロ観察装置に関する。

従来のＬＳＩの一連の製造工程には、ウェハの表面の素子欠陥の有無を検査する検査工程がある。この検査工程ではマクロ観察装置が用いられ、ウェハの表面に光を照射して、その反射した面の色合いを目視で観察することで素子ごとの良不良を判断する（特許文献１参照）。

この種のマクロ観察装置のウェハローダは、ウェハ表面に光を照射する時にウェハを水平に対して＋３０〜−３０°程度の２方向に傾ける機能を有し、この機能を利用してマクロ観察が、顕微鏡によるミクロ観察の前工程観察として行われる。このマクロ観察及びミクロ観察のためのウェハのハンドリング機能を実現するために、水平面内で直交する２軸（Ｘθ、Ｙθ）に関して所定の角度だけ、回転(チルト)させる駆動手段（モータ）を前面操作盤やジョイスティック等の操作手段を用いて制御する装置が開発されている（非特許文献１）。

また、従来のマクロ観察装置では、ウェハはその裏面の中央を真空吸着可能なパッドで吸着して保持し、パッドをウェハの円周方向に回転させることでウェハの観察時の角度等を必要に応じて適宜変更させる。そして観察作業者はウェハ表面に光を照射してウェハを光が反射する面の状態を見ながら、ウェハを回転・チルトにより複合的に位置変化させて、ウェハ表面の全面を様々な角度で観察する。

特開２００４−６９５８０公報

オリンパス株式会社、"ウェハローダＡＬ１１０"、［online］、［平成２４年４月７日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.olympus.co.jp/jp/insg/ind-micro/product/al110/index.cfm＞

ところで、マクロ観察装置では、ウェハの裏面も同様に観察する必要がある。そのためには、ウェハの裏面を吸着保持しているパッドの真空を解放し、ウェハをパッドから引き剥がす工程が発生する。そのため、たとえばウェハの下側にはウェハを水平面と平行な軸に対して回転させるウェハ吸着保持する回転アームを配置する必要がある。この回転アームはウェハ吸着保持面がウェハ下面に接する位置まで上昇し、ウェハの裏面を真空吸着する。その後、回転アームは更に上昇し、ウェハ裏面が観察できるように回転させる。そのとき、回転アームは、表面マクロ観察用パッドに衝突しない高さまで上昇させる必要がある。

このタイプの検査装置は、主にウェハ表面に素子のパターンが加工されるＬＳＩの検査に使用されてきた。しかし、最近ではパワーデバイス、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：微小電気機械システム）、画像素子などの製造工程では、ウェハの表裏に接触することが素子の性能を大きく損なうような素子が製造され始めた。そのため、特許文献１、非特許文献１に開示した上述したようなウェハ裏面を真空吸着保持して目視観察する観察装置では、検査をすることができないという問題が生じてきている。そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、ウェハの表裏面の目視検査を効率よく迅速に行うことができるマクロ観察装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、観察対象の基板の外形より大きな開口が形成され、該開口位置に保持手段を介して位置決めして前記基板の縁部を保持可能な回転台と、該回転台の上面部材を、前記基板が保持された平面に直交する中心軸（θ軸）回りに回転可能な第１の駆動手段と、前記基板を含む平面と平行な平面内において設定された、前記中心軸（θ軸）と直交する２軸（Ｘθ軸，Ｙθ軸）において、前記回転台をＸθ軸回りに回転可能な第２の駆動手段と、前記回転台と、第１の駆動手段と、第２の駆動手段とが固定支持される固定部材を、Ｙθ軸回りに所定角度範囲に回動可能な第３の駆動手段と、前記固定部材と、前記第３の駆動手段とを支持するフレームと、を備えたことを特徴とする。

前記回転台は、前記基板より大きな開口を有するリング形状をなし、回転台座の上面を覆う回転円板上に前記基板を把持するクランプ機構が設けることが好ましい。

前記クランプ機構は、前記Ｘθ軸に平行に往復スライドするクランプバーで前記基板の縁部が保持あるいは開放されることが好ましい。

前記クランプバーは、前記回転台を回転して上下反転させた際にも、前記基板を保持し、この状況において前記基板の裏面観察を行えるようにすることが好ましい。

前記回転台の回転と、前記回転台のＸθ軸回りの回転と、前記固定部材の所定角度内の回動とは、同時を含めてそれぞれ独立して駆動できるようにすることが好ましい。

本発明によれば、ウェハのエッジのみに接触してウェハを把持し、ウェハを保持した回転機構として１回転軸と２チルト軸との３軸駆動により、ウェハの表裏面の目視検査を効率よく迅速に行うことができる。また、ウェハの観察高さをほぼ同じに保つことができるため、観察光源の設定が容易で、目視方向もほぼ一定のため作業者の疲れを軽減できるという効果を奏する。

本発明のマクロ観察装置の一部を断面で示した平面図。 本発明のマクロ観察装置の一部を断面で示した正面図。 本発明のマクロ観察装置の一部を断面で示した側面図。 ウェハクランプ回転台の構成と動作状態を示した一部断面図、平面図。 ウェハクランプ機構の構成と動作状態を示した部分平面図。 ウェハクランプ回転台のＸθ軸回りの回転状態を示した状態説明図。 マクロ観察装置におけるウェハクランプ回転台の回転状態を示した状態説明図。 Ｘθ軸固定板のＹθ軸回りの回転状態を示した状態説明図。

以下、本発明のマクロ観察装置の実施するための形態として、以下の実施例について添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明のマクロ観察装置１のウェハクランプ回転台１０、Ｘθ軸固定板５、ウェハクランプ機構３０の全体構成、Ｙθ軸回り回転駆動部５０の内部構成の概略平面形状を示した平面図である。図２は、同装置を支持するサポートフレーム１の全体構成と、ウェハクランプ回転台１０の保持状態、Ｙθ軸回り回転駆動部５０の内部構成を示した正面図である。図３は、ウェハクランプ回転台１０の保持状態、回転円板１３の回転駆動部２０の内部構成、駆動力伝達経路、Ｘθ軸回り回転駆動部４０の内部構成、Ｙθ軸回り回転駆動部５０の構成とサポートフレーム１とを示した側面図である。

本発明のマクロ観察装置１は、図１〜図３に示したように、中空部２においてウェハＷの縁辺（エッジ）をクランプして保持可能なリング状のウェハクランプ回転台１０と、ウェハクランプ回転台１０を保持したウェハＷを含む平面と平行をなすＸθ軸に対して回転可能な回転機構を有するＸθ軸固定板５と、Ｘθ軸を含む平面においてＸθ軸と直交するＹθ軸に関してＸθ軸固定板５を所定角度に回動可能なＹθ軸回り回転駆動部５０を支持するとともに、マクロ観察装置１全体を固定部（図示せず）に支持させるサポートフレーム１とを備える。

以下、上述した各部材の構成とその動作について、添付図面を参照して説明する。
［ウェハクランプ回転台の構成と動作］
ウェハクランプ回転台１０の構成および動作について、図１，図２，図４各図を参照して説明する。ウェハクランプ回転台１０は、図１に示したように、平面形状がリング形状をなし、その中空部２において、ウェハＷの縁辺（エッジ）をクランプして保持する。図１に示したように、ウェハクランプ回転台１０上にはウェハクランプ機構３０、ウェハ受けバー１１及びウェハクランプ回転台１０の位置決め用ブロック１２が取り付けられている。クランプ機構３０は、中空部２にウェハＷを保持するためのクランプバー３１の動作機構で、４箇所のウェハ受けバー１１に載置された状態のウェハＷを確実に把持する役割を果たす。詳細構成と動作とは後述する。

ウェハクランプ回転台１０は、把持されたウェハＷの中心軸と一致するリング中心軸（θ軸：ウェハ面に対する垂直軸）に関して無限回転することができる。そのために、ウェハクランプ回転台１０は、回転円板１３と、この回転円板１３を支持する回転台座１４から構成される。回転台座１４は、図４（ａ）に示したように、断面が略Ｕ字形の溝部を有するリング形状部材である。その溝部に回転円板１３の下面に形成されたガイドフランジ１３ａが嵌まり、回転円板１３がこの回転台座１４に沿って回転できる。また、回転台座１４側には円周方向に複数個の回転ベアリング１５が取り付けられている。回転円板１３のガイドフランジ１３ａが複数個の回転ベアリング１５にガイドされることにより、回転円板１３は、回転台座１４に支持されつつ円滑に回転できる。なお、図４（ａ）では図の簡単化のために回転円板１３上の部材の図示を省略している。

回転円板１３の回転駆動源２０は、図４（ａ）に示したボックス２１内に収容された電動モータ２２で、この電動モータ２２からの駆動力は、回転軸に組み込まれたプーリ２３とベルト２４、回転軸２５を介して回転円板駆動ローラ１６に伝達される。回転円板駆動ローラ１６の上端部は回転台座１４下の開口を介して回転円板１３内に入り込み、回転円板１３内に設けられたローラ押え用ベアリング１７によって駆動ローラ１６に押圧力が付与される。これにより、回転円板駆動ローラ１６の回転力が回転円板１３側に伝達され、固定部としての回転台座１４に対して回転円板１３のみが回転する。

図４（ｂ）は、回転円板１３の回転状態を模式的に示した平面図である。図１の基準位置から４５°程度回転した状態を示している。回転円板１３は、このようにウェハＷを保持した状態で回転台座１４で保持された平面内を３６０°左右方向に自在に回転することができる。基準位置での停止は、位置決め用ブロック１２の位置を、Ｘθ軸固定板５上の回転円板位置決めセンサ１８で検知して制御する。

［ウェハクランプ機構の構成］
ウェハクランプ回転台１０の回転円板１３にウェハＷを保持させるために、ウェハクランプ機構３０が回転円板１３上に設けられている。このウェハクランプ機構３０はＸθ軸（図１）に対して対称な位置に配置された同機能を有する２組のクランプ機構から構成されている。ウェハＷは、それぞれのクランプ機構３０の先端に位置するクランプバー３１で、その縁位置が保持される。

以下、一方のクランプ機構３０の構成と動作について、図５（ａ），（ｂ）を参照して説明する。クランプバー３１は、合成樹脂製薄板からなり、ウェハを保持する溝３１ａがバーの一部に形成されている。この溝３１ａにウェハＷの縁辺を係止させることにより、ウェハを上下反転させた場合にも、ウェハクランプ機構３０によるウェハ保持が可能になる。クランプバー３１の根元部はスライド板３２に固定されている。このスライド板３２はクランプバー３１を、ウェハクランプ方向に直線移動可能なリニアガイド３３のスライダ３３Ｓに固定されている。スライド板３２には初期状態を保持する引張バネ３５の一端が連結されている。引張バネ３５の他端は回転円板１３上に定着されている。この引張バネ３５の付勢力により、クランプバー３１は、初期状態おいてウェハＷを把持する方向に付勢される。スライド板３２のクランプバー３１が取り付けられた側の反対端にはＵ字状係止部３２ａが形成されている。Ｕ字状係止部３２ａには、リンク部材３６の一端に形成されたカムフォロア３６ａが係止されている。リンク部材軸部３６ｂの回動に応じたカムフォロア３６ａの動作に応じてスライド板３２のスライドが実現する。リンク部材３６は、平面視して中心軸部でわずかに折れ角が設定され、それぞれの端部にカムフォロア３６ａ，３６ｃが形成された部材からなる。一端３６ａはスライド板のＵ字状係止部３２ａに係止され、他端３６ｃは以下に述べるクランプ開閉用プレート３７Ａの先端に当接するような位置関係で回転円板１３に回動可能に支持されている。

次に、Ｘθ軸固定板５側に設けられ、上記ウェハクランプ機構３０を駆動する部材について、図１，図３，図５（ａ），（ｂ）を参照して説明する。Ｘθ軸固定板５には、図１，図３に示したように、ウェハクランプ機構３０のリンク部材３６のカムフォロア３６ｃと同じ高さ位置にクランプ開閉用プレート３７Ａが設けられている。このクランプ開閉用プレートは、Ｘθ軸に沿って設置されたリニアガイド３８のスライダ３８Ｓに支持され、Ｘθ軸上を直動することができる（図３）。クランプ開閉用プレート３７Ａの後端には、図５（ａ），（ｂ）に示したように、連結プレート３７Ｂを介してクランプ開閉用シリンダ３９の先端が連結されている。したがって、クランプ開閉用シリンダ３９の伸長に応じて同図に示したように、リンク部材３６のカムフォロア３６ｃを押圧してリンク部材３６の回動動作を実現する。そのときのシリンダの位置を確認するために、クランプ開閉用プレート３７Ａの側部に２個の位置確認センサＳ１，Ｓ２が設けられている。

以上の構成からなるウェハクランプ機構３０の動作について、図５（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）は、ウェハクランプ機構３０の初期状態を示している。同図に示したように、初期状態においては、引張バネ３５の引張力により、仮想線で示したウェハＷを把持可能な位置までスライド板３２、クランプバー３１が引き寄せられる。この状態から、図５（ｂ）に示したように、クランプ開閉用シリンダ３９のシリンダが縮退することにより、クランプ開閉用プレート３７ＡがＸθ軸に沿って前進し、リンク部材３６のカムフォロア３６ｃが押圧され、リンク部材３６が所定角度だけ回動することにより、スライド板３２がリニアガイド３３に沿って後退し、クランプバー３１の溝３１ａがウェハＷから離れ、ウェハＷの把持状態が解除される。

［ウェハクランプ回転台のＸθ軸回転駆動部の構成と動作］
以下、ウェハクランプ回転台１０をＸθ軸回りに無限回転させるＸθ軸回り回転駆動部４０の構成について説明する。Ｘθ軸回り回転駆動部４０は、図３及び図６各図に示したように、Ｘθ軸固定板５に支持されたクランプ開閉用シリンダ３９等が装備された部位の下側のボックス４１内に収容されている。

ボックス４１内には、図３に示したように、ボックス４１の一部に固定支持された電動モータ４２と、電動モータ４２の回転力を減速機４３に伝達するプーリ４４、４４間に掛け渡された伝動ベルト４５が配設されている。減速機４３の出力軸中心はＸθ軸に一致し、その出力側は回転台座１４に固定された連結板４６に連結されている。回転台座１４に沿うＸθ軸の他端側は、回転円板１３を駆動する駆動ローラ１６とベアリング１７で構成された従動支持軸１８で保持されている。さらに、ウェハクランプ回転台座１４とＸθ軸固定板５とを水平状態に位置決めするセンサ（図示せず）が設けられている。なお、回転円板１３上に取り付けられたウェハクランプ機構３０は、図５（ａ），（ｂ）に示したように、回転台座１４がＸθ軸固定板５と水平に位置決めされると同時に、対称位置にあるクランプ機構３０間の中心軸がクランプバー３１の直進方向と一致する位置に回転円板１３が位置決めされた時にのみクランプ開閉用シリンダ３９を駆動してクランプバー３１を突出して、クランプ機構３０のカムフォロア３６ｃを押し込む。その結果、リンク部材３６が回動してスライド板３２をリニアガイド３３に沿って後退させ、クランプバー３１を機構内側に引き込む。これにより、ウェハＷは把持状態が解放されてウェハ受けバー１１上に載置される。

図６（ａ）〜（ｅ）は、ウェハクランプ回転台１０のＸθ軸回りの回転状態を模式的に示した説明図である。図７（ａ），（ｂ）は図２に示した初期状態からＸθ軸回りに所定の角度にウェハクランプ回転台１０を回転させた状態を示した装置全体図である。いずれの図に示したように、ウェハクランプ回転台１０は任意の角度での回転、停止が可能であるため、測定光の好適な受光角度に対する角度設定、ウェハＷの裏面の観察等を容易かつ効率よく行うことができる。

従来のマクロ観察装置１では表面観察時のウェハ高さと裏面観察時のウェハ高さの差は、たとえばφ２００mmのウェハの場合、裏面観察時のウェハ高さの方が１２０mm程度高くなっていた。そのため、観察時の視点を高く変更する必要があり疲れやすく、観察時の光源の配置も難しかった。これに対して、たとえば本装置では図６（ｂ）と（ｄ）の場合、ウェハＷの表裏観察面の高さは３０mm程度と少なく、従来の問題は解消されている。

[Ｘθ軸固定板のＹθ軸回り回転駆動部の構成]
本発明のマクロ観察装置１では、Ｙθ軸はウェハ面と平行でＸθ軸を含む平面と同一平面において、Ｘθ軸と直交する軸で、観察装置１のＸθ軸固定板５を所定角度だけ回動させる際の回動軸として設定されている。このときＸθ軸固定板５は、図２に示したように、一端がＹθ軸回り回転駆動部５０の内のアーム部材（第２アーム５５）の一部に、他端がＹθ軸回り回転駆動部５０と反対側に位置するサポートフレーム１に設けられた軸受ベアリング５１に回動可能に支持されている。

Ｙθ軸回り回転駆動部５０は、図２，図３に示したように、サポートフレーム１に支持された減速機５３が直列接続された電動モータ５２と、減速機５３の出力軸側に取り付けられた平行リンク機構５１を主構成とする。減速機５３の出力軸に連結された第１アーム５４と、Ｘθ軸固定板５（図１参照）の一端に連結された第２アーム５５との間には、図２，図３に示したように、連結板５６が各アーム５４，５５の先端側に回転可能に連結されている。よって、第１アーム５４、連結板５６、第２アーム５５により構成された平行リンク機構５１では、減速機５２の出力側の第１アーム５４の回動角がそのままＸθ軸固定板５のＹθ軸回りの回動角として伝達される。これにより、Ｘθ軸固定板５は、設定された平行リンク機構５１の回動角に応じてＹθ軸回りに図８（ａ），（ｂ）に示したように、マクロ観察に適した角度となるように、ウェハＷをＹθ軸回りに傾けることができる。

以上に説明した、各電動モータの操作は、ウェハＷを観察するのにふさわしい状態を実現するために、観察作業者がジョイスティック等の操作手段を用いて手動で行うようにしても良いし、駆動制御部（図示せず）で、適正な複数種の動作プロセスを設定して、それらの動作プロセスから適宜操作手順を選択するようにした半自動操作、あるいは完全にプロセスに沿った自動操作を行うようにしてもよい。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、各請求項に示した範囲内での種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。

１ サポートフレーム
２ 中空部
５ Ｘθ軸固定板
１０ ウェハクランプ回転台
１１ ウェハ受けバー
１３ 回転円板
１４ 回転台座
１６ 回転円板駆動ローラ
２０ 回転駆動源
２１，４２，５２ 電動モータ
３０ ウェハクランプ機構
３１ クランプバー
３２ スライド板
３５ 引張バネ
３６ リンク部材
３７Ａ クランプ開閉用プレート
４０ Ｘθ軸回り回転駆動部
４３，５３ 減速機
５０ Ｙθ軸回り回転駆動部
５１ 平行リンク機構

Claims (5)

1. 観察対象の基板の外形より大きな開口が形成され、該開口位置に保持手段を介して位置決めして前記基板の縁部を保持可能な回転台と、
   該回転台の上面部材を、前記基板が保持された平面に直交する中心軸（θ軸）回りに回転可能な第１の駆動手段と、
   前記基板を含む平面と平行な平面内において設定された、前記中心軸（θ軸）と直交する２軸（Ｘθ軸，Ｙθ軸）において、前記回転台をＸθ軸回りに回転可能な第２の駆動手段と、
   前記回転台と、第１の駆動手段と、第２の駆動手段とが固定支持される固定部材を、Ｙθ軸回りに所定角度範囲に回動可能な第３の駆動手段と、
   前記固定部材と、前記第３の駆動手段とを支持するフレームと、を備えたことを特徴とするマクロ観察装置。
2. 前記回転台は、前記基板より大きな開口を有するリング形状をなし、回転台座の上面を覆う回転円板上に前記基板を把持するクランプ機構が設けられたことを特徴とする請求項１に記載のマクロ観察装置。
3. 前記クランプ機構は、前記Ｘθ軸に平行に往復スライドするクランプバーで前記基板が保持あるいは開放されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマクロ観察装置。
4. 前記クランプバーは、前記回転台を回転して上下反転させた際にも、前記基板を保持し、この状況において前記基板の裏面観察を行うことを特徴とする請求項３に記載のマクロ観察装置。
5. 前記回転台の回転と、前記回転台のＸθ軸回りの回転と、前記固定部材の所定角度内の回動とは、同時を含めてそれぞれ独立して駆動可能なことを特徴とする請求項１に記載のマクロ観察装置。

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