JP2014139980A - 試料処理装置およびその方法並びに荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】真空チャンバ内の試料ステージ上に試料を搭載した際に生じる当該試料の熱膨張収縮を発生させないようにするため、従来は、ウエハを真空チャンバ内に搬送後、ウエハと試料台が熱平衡に達するまで待ち時間を設けて観測を待つ対処をしていた。また、前工程でウエハが高熱になる処理が入る場合は、ウエハが室内温度に下がるまで観察を待つ等で対処していた。したがって、装置のスループットが低下する。
【解決手段】ミニエンバイロメント内に試料の温度調整を可能とする温度調整機構を設置する。試料温度調整機構は、ロードロックチャンバ内での当該試料の温度低下を考慮した設定温度に、当該ミニエンバイロメント内の当該試料の温度を制御する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、試料処理装置に関し、例えば、試料温度調整機構を有する装置および荷電粒子線装置に適用可能である。

近年の半導体素子の微細化に伴い、製造装置のみならず、検査や評価装置においてもそれに対応した高精度化が要求されている。半導体ウエハ上に形成したパターンの形状寸法が正しいか否かを評価するための測定装置として、測長機能を備えた走査型電子顕微鏡（以下、ＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension-Scanning Electron Microscope）または測長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）と称する場合もある）がある。

特許文献１に開示されているように、測長ＳＥＭは、ウエハ上に電子線を照射し、得られた２次電子信号を画像処理し、その明暗の変化からパターンのエッジを判別して寸法を導き出す装置である。

半導体素子の微細化に対応するためには、高い観察倍率において、よりノイズの少ない二次電子像を得ることが重要である。そこで、二次電子像を何枚も重ね合わせてコントラストを向上させる必要があり、ＳＥＭ画像取得時の電子線照射位置とウエハ上の測定パターン間の相対位置変動はサブナノメートルオーダの精度が要求される。

ここで観察対象となるウエハと、真空チャンバ内でウエハを搭載する試料ステージの試料台との間に温度差があると、熱平衡に達するまでウエハが熱膨張収縮することになる。この熱膨張収縮は前記した相対位置変動を引き起こし、ＳＥＭ画像を劣化させる。

大気圧環境にあるウエハを真空チャンバ内に搬入するためには、ロードロックチャンバ等を用いる必要がある。即ち、ウエハを大気圧状態のロードロックチャンバに搬入した後にロードロックチャンバ内を真空排気し、ウエハを真空チャンバ内の試料台上に搬送する。ロードロックチャンバの真空排気は急速に行われるため、断熱膨張によりロードロックチャンバ内の空気の温度は低下する。その結果ウエハが冷却され、この状態で試料台にウエハが搬送されるとウエハと試料台との間に温度差が生じることになる。

また、前工程（ウエハ処理工程）でベーキング処理等のウエハが高熱になる処理を行った直後に観察をする場合も、同様にウエハと試料台の間で温度差が生じやすくなる。
従来は、これらの問題に対し、ウエハを真空チャンバ内に搬送後、ウエハと試料台が熱平衡に達するまで待ち時間を設けて観測を待つ対処をしていた。また、前工程でウエハが高熱になる処理が入る場合は、ウエハが室内温度に下がるまで観察を待つ等で対処していた。
また、特許文献２にはロードロックチャンバ内に温度制御機構を設ける技術が説明されている。

特開平９−１６６４２８号公報 特開平１０−３０３０９２号公報

上記のような観察前に待ち時間を設ける対処法では、装置のスループットを低下させる。また、特許文献２に説明されているようなロードロックチャンバ内で温度調整をする技術では、熱の伝達特性が悪いため試料（ウエハ）を所望の温度に到達させるのに長時間を要してしまい、装置のスループットを低下させる。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される課題を解決するための手段のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、試料処理装置は、ミニエンバイロメント内に試料の温度調整を可能とする温度調整機構を設置する。

上記試料処理装置によれば、装置の高スループットが可能となる。

実施例に係る測長ＳＥＭの全体構成図である。 変形例１に係る測長ＳＥＭの全体構成図である。 変形例２に係る測長ＳＥＭの全体構成図である。 変形例３に係る測長ＳＥＭの全体構成図である。 実施の形態に係る装置の構成図である。 実施例に係る測長ＳＥＭの動作方法を示すフロー図である。

以下、図面を参照しながら、実施の形態に係る装置について詳細に説明する。
図５は、実施の形態に係る装置の構成図である。装置１０は、真空チャンバ９とロードロックチャンバ１２とミニエンバイロメント装置１３とを有する。真空チャンバ９内で試料台６の上の試料の処理を行う。ロードロックチャンバ１２は試料を大気圧環境から真空チャンバ９内に搬入する。ミニエンバイロメント装置１３はクリーン室内で小規模クリーン環境を形成し、試料を搬送密閉容器からロードロックチャンバ１２内へ搬送する。また、ミニエンバイロメント装置１３は、ミニエンバイロメント装置１３内の試料温度調整機構ＴＣＳとを有している。これにより、試料に対し観察前に熱伝達特性の良い大気環境中で素早く所望の温度に調整し、真空チャンバ９内での待ち時間等を省略することで、装置の高スループット化が可能となる。

好ましくは、真空チャンバ９に、試料台６の温度を測定する第１の温度センサ８を格納し、ミニエンバイロメント装置１３に、ミニエンバイロメント装置１３内の試料温度を測定する第２の温度センサ７を格納するのがよい。また、試料台６の温度を測定し、ロードロックチャンバ１２内での試料の温度低下を考慮した設定温度に、ミニエンバイロメント１３内の試料温度を試料温度調整機構ＴＣＳで制御するのがよい。これにより、あらゆる温度の試料に対し観察前に熱伝達特性の良い大気環境中で素早く所望の温度に調整し、真空チャンバ９内での待ち時間等を省略することで、装置の高スループット化が可能となる。

以下、実施例では、荷電粒子線装置である測長ＳＥＭを例に説明するが、それに限定されるものではなく、電子顕微鏡、イオン顕微鏡、欠陥検査装置等にも適用できる。また、実施の形態の装置は、荷電粒子線装置だけでなく、試料を真空中で処理する製造装置、検査装置および評価装置にも適用できる。また、試料としては、ウエハの他にフォトマスク、レティクル、液晶表示装置などの基板等にパターンが形成されたものも対象となる。

図１は、実施例に係る測長SEMの全体構成図である。測長ＳＥＭ１００は、鏡筒１０４と真空チャンバ１０９とロードロックチャンバ１１２とミニエンバイロメント装置１１３とを有する。真空チャンバ１０９はウエハ（試料）１０５を搭載する試料ステージ１０６を格納する。ロードロックチャンバ１１２はウエハ１０５を大気圧環境から真空チャンバ内に搬入するためのものである。ミニエンバイロメント装置１１３はクリーン室内で小規模クリーン環境を形成するものである。

次に、ウエハ１０５を観察するまでの搬送過程について説明する。ＦＯＵＰ（Front Opening Unified Pod）１１８内のウエハ１０５は、ゲートバルブ１２０が開き、ミニエンバイロメント装置１１３内の大気搬送ロボット１１４によりロードロックチャンバ１１２内の試料台１２１に搬送される。その後、ゲートバルブ１２０が閉じて、ロードロックチャンバ１１２内を真空排気する。その後、真空チャンバ１０９間に設置されているゲートバルブ１１０が開き、真空搬送ロボット１１１により試料ステージ１０７上の試料台１０６にウエハ１０５は載置される。

観察時は、試料ステージ１０７を駆動することで任意の位置にウエハ１０５を移動し、鏡筒１０４内の電子銃１０１から照射される電子ビーム１０２をウエハ１０５上で２次元走査し、入射した電子ビーム１０２により発生した信号（２次電子信号、反射電子信号等）を検出器１０３で捕え、図示はされていないが、検出された信号に基づいて像表示装置に観察像を表示する。

以上の構成において本実施例では、試料台１０６に温度センサＡ（第１の温度センサ）１０８を設置し、試料台１０６の温度を常時計測可能とする。また、ミニエンバイロメント装置１１３内にある大気搬送ロボット１１４の搬送アーム１１６にウエハ１０５に接触するように温度センサＢ（第２の温度センサ）１１７を設置し、観察対象となるウエハ１０５の温度を測定可能とする。更に、ミニエンバイロメント装置１１３内をクリーン環境に維持するために設置されているＦＦＵ（ファンフィルターユニット）１１５に熱交換器１１９を設け、任意温度に設定された風を送風可能とする（これを試料温度調整機構ともいう。）。

図６は、実施例に係る測長ＳＥＭの動作を示すフロー図である。ウエハ（試料）１０５を観察するまでの搬送過程における温度制御方法について、図６を用いて説明する。ＦＯＵＰ１１８内のウエハ１０５を搬送アーム１１６で保持した時にウエハ１０５の温度（Ｔ１）を測定する（ステップＳ１Ａ）。この処理と並行して試料台１０６の温度（Ｔ２）も測定し（ステップＳ１Ｂ）、ウエハ１０５と試料台１０６との温度差（Ｔ１−Ｔ２）を取得する（ステップＳ２）。ここで取得した温度差が既定の温度差になるようにＦＦＵ１１５の風量、風温を調整し、既定の温度差に調節する（ステップＳ３）。ロードロックチャンバ１１２内にウエハ１０５を搬送する（ステップＳ４）。その後の観察までの処理は前述した通りである。すなわち、ロードックチャンバ１１２を真空排気し（ステップＳ５）、ウエハ１０５を試料台１０６に搬送する（ステップＳ６）
先にも説明したが、既定の温度差に調整するのは、ロードロックチャンバ１１２内を真空排気する際に断熱膨張によりウエハ１０５が冷却されるためである。既定の温度差を求める方法には、例えば下記の３つのものがある。

（１）ウエハ温度プロファイル
予めロードロックチャンバ１１２内で冷却されるウエハ１０５の温度を温度計が内蔵されたウエハを用いて測定する。このウエハには、温度を時系列に記憶する機能が内蔵されており、ウエハを装置から取り出して記憶された内容を調べることによって温度を測定することができる。

（２）試料台温度変化
ＦＦＵ１１５により数パターンに温度調節されたウエハ１０５を試料台１０６に載置後、それぞれ温度センサＡ１０８によって温度の変化を観察し、温度変化が最小なパターンのものから既定の温度差を求める。

（３）相対位置変動
ＦＦＵ１１５により数パターンに温度調節されたウエハ１０５を試料台１０６に載置後、熱平衡に達するまでの待ち時間を省略して観察し、ウエハ１０５の熱膨張収縮量による相対位置変動が最小となるパターンのものから既定の温度差を求める。
上記いずれかの方法によって、装置メーカがユーザに装置を納入する前または納入時に既定の温度差を求めて装置に予め登録しておくことができる。
以上説明した本実施例の測長ＳＥＭの動作は、図示していない制御部によって制御される。

以上の構成と処理を行うことで、あらゆる温度のウエハ１０５に対し観察前に熱伝達特性の良い大気環境中で素早く所望の温度に調整し、真空チャンバ１０９内での待ち時間等を省略することで、装置の高スループット化が可能となる。また、ウエハと試料台の温度差がないので、熱膨張収縮による相対位置変動が生じずパターン測定、検査の高精度化が可能となる。さらに、特許文献２のようにロードロックチャンバの温度を変化させていないので、隣接する真空チャンバの温度まで変化してしまうという問題もない。
＜変形例１＞
図２は、変形例１に係る測長ＳＥＭの全体構成図である。ミニエンバイロメント装置１１３内でのウエハ１０５温度を、搬送アーム１１６の温度を温度センサＣ（第２の温度センサ）２０１で計測することにより予測する構成である。本構成ではウエハ１０５に温度センサＣ２０１が接触しないためウエハ１０５汚染の観点で有利である。測長ＳＥＭ１００Ａのその他の構成、処理および効果は図１の実施例に係る測長ＳＥＭ１００と同様である。
＜変形例２＞
図３は、変形例２に係る測長ＳＥＭの全体構成図である。ミニエンバイロメント装置１１３内でのウエハ１０５温度を非接触式の温度センサＤ（第３の温度センサ）３０１で計測する構成である。測長ＳＥＭ１００Ｂのその他の構成、処理および効果も図１の実施例に係る測長ＳＥＭ１００と同様である。
＜変形例３＞
図４は、変形例３に係る測長ＳＥＭの全体構成図である。ウエハ１０５の温度調整をミニエンバイロメント装置１１３内に設置した別の温度調整室４０１内で行う構成である。ＦＦＵ１１５内には熱交換器１１９がなく、ＦＦＵ機能を有する温度調整室（試料温度調整機構）４０１内に熱交換器１１９を設けている。本構成によると、ミニエンバイロメント装置１１３よりも小さな部屋で温度調整が可能となるので、ウエハ１０５を所望の温度に調整する時間が短縮される。測長ＳＥＭ１００Ｃのその他の構成、処理および効果は図１の実施例に係る測長ＳＥＭ１００と同様である。また、図示はしないが図４の構成に対し、図２の変形例１および図３の変形例２に示す構成を取り入れた場合も同様の効果を奏する。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態および実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

６、１０６ 試料台
７ 第２の温度センサ
８ 第１の温度センサ
９、１０９ 真空チャンバ
１０ 装置
１２、１１２ ロードロックチャンバ
１３、１１３ ミニエンバイロメント装置
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ 測長ＳＥＭ
１０１ 電子銃
１０２ 電子ビーム
１０３ 検出器
１０４ 鏡筒
１０５ ウエハ（試料）
１０７ 試料ステージ
１０８ 温度センサＡ
１１０ ゲートバルブ
１１１ 真空搬送ロボット
１１４ 大気搬送ロボット
１１５ ＦＦＵ
１１６ 搬送アーム
１１７ 温度センサＢ
１１８ ＦＯＵＰ
１１９ 熱交換器
２０１ 温度センサＣ
３０１ 温度センサＤ
４０１ 温度調整室

Claims (14)

1. 試料を搬送密閉容器からロードロックチャンバ内へ搬送する搬送ロボットを格納し、クリーン室内で小規模クリーン環境を形成するミニエンバイロメント装置と、
   当該試料を大気圧環境から真空チャンバ内に搬入するためのロードロックチャンバと、
   当該試料を処理する真空チャンバと、
   を有し、
   前記ミニエンバイロメントは試料温度調整機構を有する試料処理装置。
2. 請求項１の試料処理装置は、さらに
   前記試料ステージ上の試料台温度を測定する第１の温度センサと、
   前記ミニエンバイロメント装置内の試料温度を測定する第２の温度センサと、
   を有し、
   前記第１の温度センサで測定した温度と前記第２の温度センサで測定した温度とに基づいて、前記ロードロックチャンバ内での当該試料の温度低下を考慮した設定温度になるように前記ミニエンバイロメント内の当該試料温度を前記試料温度調整機構で制御する。
3. 請求項２の試料処理装置において、
   前記第２の温度センサは、当該ミニエンバイロメント装置内に配置される搬送ロボットの搬送アームに試料に接触するように設置される。
4. 請求項２の試料処理装置において、
   前記第２の温度センサは、当該ミニエンバイロメント装置内に配置される搬送ロボットの搬送アームを測定するように設置される。
5. 請求項２の試料処理装置において、
   前記第２の温度センサには、非接触計測方式の温度センサを用いる。
6. 請求項２の試料処理装置において、
   前記ミニエンバイロメント装置は、さらにファンフィルターユニットを有し、
   前記試料温度調整機構は、前記ＦＦＵ内に熱交換器を設置して構成される。
7. 請求項２の試料処理装置において、
   前記試料温度調整機構は、前記ミニエンバイロメント装置内に別の温度調整室を設置して構成される。
8. 請求項２から請求項７のいずれか１項の試料処理装置において、
   前記設定温度は、前記試料温度調整機構により数パターンに温度調節された当該試料を前記試料台に搬送し、得られた観察像より熱膨張収縮量が最小となる温度差から算出する。
9. 請求項２から請求項７のいずれか１項の試料処理装置において、
   前記設定温度は、前記試料温度調整機構により数パターンに温度調節された当該試料を前記試料台に搬送し、得られた温度変化が最小となる温度差から算出する。
10. （ａ）ミニエンバイロメント装置内の試料の温度を測定するステップと、
    （ｂ）試料台の温度を測定するステップと、
    （ｃ）前記試料の温度と試料台の温度との温度差を取得するステップと、
    （ｄ）前記温度差が所定の温度差になるように前記ミニエンバイロメント装置内で試料の温度を設定するステップと、
    （ｅ）前記温度調整された試料を試料台に搬送するステップと、
    （ｆ）前記試料を処理するステップと
    を有する試料処理方法。
11. 請求項１０の試料処理方法において、
    ステップ（ｄ）と（ｅ）との間に、さらに
    （ｇ）前記試料をロードロックチャンバに搬送するステップと、
    （ｈ）前記ロードロックチャンバを真空排気するステップと
    を有する。
12. 試料を搬送密閉容器からロードロックチャンバ内へ搬送する搬送ロボットを格納し、クリーン室内で小規模クリーン環境を形成するミニエンバイロメント装置と、
    当該試料を大気圧環境から真空チャンバ内に搬入するためのロードロックチャンバと、
    当該試料を任意の観察位置へ移動させる試料ステージを格納する真空チャンバと、
    当該試料に電子線を照射する鏡筒と、
    前記試料ステージ上の試料台温度、前記ミニエンバイロメント装置内の試料温度を測定する温度センサと、
    を備え、
    前記ミニエンバイロメントは試料温度調整機構を有し、前記試料台の温度を測定し、前記ロードロックチャンバ内での当該試料の温度低下を考慮した設定温度に、当該ミニエンバイロメント内の当該試料の温度を当該試料温度調整機構で制御する荷電粒子線装置。
13. 請求項１２の荷電粒子線装置において、
    前記設定温度は、前記試料温度調整機構により数パターンに温度調節された当該試料を前記試料台に搬送し、得られた観察像より熱膨張収縮量が最小となる温度差から算出する。
14. 請求項１２の荷電粒子線装置において、
    前記設定温度は、前記試料温度調整機構により数パターンに温度調節された当該試料を前記試料台に搬送し、得られた温度変化が最小となる温度差から算出する。

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